(57)【要約】【課題】負荷トルクが増加した場合においても、電機子鉄心の歯部の磁束負荷トルクが増加した場合においても、電機子鉄心の歯部の磁束密度増加を抑制した高効率な整流子電動機を提供する。【解決手段】この発明に係る整流子電動機１００は、界磁鉄心１に界磁巻線５ａ，５ｂを施した界磁４０と、界磁鉄心１の内側に空隙１４を介して配置されると共に、電機子鉄心６の歯部間に形成されるスロット内に電機子巻線７が施される電機子５０と、を備え、歯部の歯先の形状を、歯部の中心線に対して非対称にするとともに、歯部の中心線の両側において空隙１４の径方向の寸法が異なることを特徴とする。【選択図】図１
2010233399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁鉄心に界磁巻線を施した界磁と、
前記界磁鉄心の内側に空隙を介して配置されると共に、電機子鉄心の歯部間に形成されるスロット内に電機子巻線が施される電機子と、を備え、
前記歯部の歯先の形状を、前記歯部の中心線に対して非対称にするとともに、前記歯部の中心線の両側において前記空隙の径方向の寸法が異なることを特徴とする整流子電動機。
【請求項２】
前記電機子は一方向にのみ回転するものであり、前記歯先の半径方向の厚さ寸法を、前記電機子の回転方向前進側を小さく、前記電機子の回転方向後退側を大きくしたことを特徴とする請求項１記載の整流子電動機。
【請求項３】
前記歯先の半径方向の厚さ寸法を、前記電機子鉄心の回転方向に対して徐々に変化させたことを特徴とする請求項２記載の整流子電動機。
【請求項４】
界磁鉄心に界磁巻線を施した界磁と、
前記界磁鉄心の内側に空隙を介して配置されると共に、電機子鉄心の歯部間に形成されるスロット内に電機子巻線が施される電機子と、を備え、
前記歯部の歯先の外周部を、前記電機子鉄心の外側に凸形状としたことを特徴とする整流子電動機。
【請求項５】
前記歯部の歯先の外周部を、円弧形状としたことを特徴とする請求項４記載の整流子電動機。
【請求項６】
前記電機子は中心部に出力軸を備え、前記界磁鉄心の外周円弧部と前記出力軸は同心円で構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の整流子電動機。
【請求項７】
前記界磁巻線を一対の磁極部に二分割して施し、分割した前記界磁巻線の間に前記電機子を接続することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の整流子電動機。
【請求項８】
少なくとも請求項１乃至７のいずれかに記載の整流子電動機と、前記整流子電動機の前記電機子に固定される羽根と、を備えたことを特徴とする送風機。
【請求項９】
請求項８記載の送風機を備えたことを特徴とする電気掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主に電気掃除機等に搭載される送風機に用いられる整流子電動機に関するものである。また、その整流子電動機を用いる送風機及びその送風機を搭載した電気掃除機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動送風機に用いられるモータにおいて、界磁鉄心と電機子鉄心のギャップ寸法を界磁ティース先端部からティース中心部に向けて徐々に大きくすることで、負荷電流の波形歪みを抑制し、高調波電流成分を低減させることのできるモータの界磁鉄心が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１のモータの界磁鉄心では、モータの回転数が高くなり、負荷トルクが増大すると、電機子鉄心の歯部の磁束密度が高くなることで、モータの発生トルクが低下し、かつ鉄損が増大するという課題があった。
【０００５】
また、モータの回転方向が一方向の場合、更に発生トルクが低下し、モータの損失が増大するという課題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、負荷トルクが増加した場合においても、電機子鉄心の歯部の磁束密度増加を抑制した高効率な整流子電動機及びその整流子電動機を用いた送風機及びその送風機を搭載した電気掃除機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る整流子電動機は、界磁鉄心に界磁巻線を施した界磁と、
界磁鉄心の内側に空隙を介して配置されると共に、電機子鉄心の歯部間に形成されるスロット内に電機子巻線が施される電機子と、を備え、
歯部の歯先の形状を、歯部の中心線に対して非対称にするとともに、歯部の中心線の両側において空隙の径方向の寸法が異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る整流子電動機は、歯部の歯先の形状を、歯部の中心線に対して非対称にするとともに、歯部の中心線の両側において空隙の径方向の寸法が異なることで、電機子鉄心の歯部の磁束集中を緩和させることができ、高効率な整流子電動機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１を示す図で、整流子電動機１００の横断面図。
【図２】実施の形態１を示す図で、界磁４０の横断面図。
【図３】実施の形態１を示す図で、界磁鉄心１の横断面図。
【図４】実施の形態１を示す図で、電機子５０の横断面図。
【図５】実施の形態１を示す図で、電機子鉄心６の横断面図。
【図６】図５のＡ部拡大図。
【図７】実施の形態１を示す図で、歯部６ｂの拡大横断面図。
【図８】実施の形態１を示す図で、送風機２００の縦断面図。
【図９】実施の形態１を示す図で、変形例１の電機子６０の横断面図。
【図１０】実施の形態１を示す図で、変形例１の電機子鉄心６１の横断面図。
【図１１】図１０のＢ部拡大図。
【図１２】実施の形態１を示す図で、歯部６１ｂの拡大横断面図。
【図１３】実施の形態１を示す図で、変形例２の電機子７０の横断面図。
【図１４】実施の形態１を示す図で、変形例２の電機子鉄心７１の横断面図。
【図１５】図１４のＣ部拡大図。
【図１６】実施の形態１を示す図で、歯部７１ｂの拡大横断面図。
【図１７】実施の形態１を示す図で、整流子電動機１００の制御回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１乃至図１７は実施の形態１を示す図で、図１は整流子電動機１００の横断面図、図２は界磁４０の横断面図、図３は界磁鉄心１の横断面図、図４は電機子５０の横断面図、図５は電機子鉄心６の横断面図、図６は図５のＡ部拡大図、図７は歯部６ｂの拡大横断面図、図８は送風機２００の縦断面図、図９は変形例１の電機子６０の横断面図、図１０は変形例１の電機子鉄心６１の横断面図、図１１は図１０のＢ部拡大図、図１２は歯部６１ｂの拡大横断面図、図１３は変形例２の電機子７０の横断面図、図１４は変形例２の電機子鉄心７１の横断面図、図１５は図１４のＣ部拡大図、図１６は歯部７１ｂの拡大横断面図、図１７は整流子電動機１００の制御回路図である。
【００１１】
図１乃至図７により、整流子電動機１００の構成を説明する。図１に示すように、整流子電動機１００は、少なくとも界磁４０と、電機子５０とを備える。後述するが、整流子電動機１００は、その他に、フレーム９と共に外郭を構成するブラケット１０、軸受１２ａ，１２ｂを有する（図８参照）。
【００１２】
整流子電動機１００を、以下、単にモータまたは電動機と呼ぶ場合もある。
【００１３】
界磁４０は、少なくとも界磁鉄心１と、界磁巻線５ａ，５ｂとを備える。
【００１４】
界磁鉄心１は、全体形状が略四角形の筒状である。そして、それぞれ対向して配置される一対の磁極部２ａ，２ｂと、一対の継鉄部３ａ，３ｂとを備える。界磁鉄心１は、薄板の電磁鋼板（例えば０．１〜１．０ｍｍ程度の板厚のもの）を所定の形状に金型で打ち抜き、所定の枚数（複数枚）積層して形成される。
【００１５】
一対の磁極部２ａ，２ｂには、図示しない絶縁部材を介して界磁巻線５ａ，５ｂが施されており、界磁巻線５ａ，５ｂに電流を流すことで界磁磁束を生成している。
【００１６】
電機子５０は、少なくとも電機子鉄心６、電機子巻線７、出力軸８を備える。電機子鉄心６も界磁鉄心１と同様に、薄板の電磁鋼板（例えば０．１〜１．０ｍｍ程度の板厚のもの）を所定の形状に金型で打ち抜き、所定の枚数（複数枚）積層して形成される。
【００１７】
電機子鉄心６の全体形状は、略円筒である。
【００１８】
電機子鉄心６は界磁鉄心１と同じ材料の電磁鋼板を用いても良いし、別々の材料の電磁鋼板を用いても良い。例えば電機子鉄心６の電磁鋼板の厚さを、界磁鉄心１の電磁鋼板の厚さより薄い材料に設定しても良い。これにより、鉄損が低減してモータ効率が向上する。
【００１９】
電機子鉄心６には、外方向に突出する複数の歯部６ｂが形成されている。そして隣り合う歯部６ｂの間隙にはスロット６ａ（図５参照、図５の例では２２個）が形成される。このスロット６ａには、整流子１３に接続された電機子巻線７を歯部６ｂに巻回することにより、電機子巻線７が施されている（図４参照）。電機子鉄心６の中心部には出力軸８が設けられ、例えば出力軸８に羽根１１（図８参照）を取り付けることで送風機２００（図８参照、送風機２００は、例えば電気掃除機に使用される）が構成される。
【００２０】
また、電機子鉄心６の中心部には、出力軸８が嵌合する軸孔６ｃが設けられる（図５参照）。
【００２１】
界磁鉄心１の外周円弧部１ａと、出力軸８（軸孔１７）とは略同心円で構成される。
【００２２】
本実施の形態は、電機子鉄心６の歯部６ｂの外周部の歯先６ｂ−１の形状に特徴がある。
【００２３】
図５、図６において、電機子５０の歯部６ｂの歯先６ｂ−１の回転方向前進側端部６ｂ−２の半径方向の厚さ（幅）寸法をＡ１、電機子５０の歯部６ｂの歯先６ｂ−１の回転方向後退側端部６ｂ−３の半径方向の厚さ（幅）寸法をＡ２とした場合、Ａ１＜Ａ２となるように歯部６ｂの歯先６ｂ−１の半径方向の厚さを徐々に変化させたものである。
【００２４】
電機子５０の歯部６ｂの歯先６ｂ−１を上記のように構成した場合、界磁４０の磁極部２ａ，２ｂの内径部の周方向の任意の点における界磁鉄心１と電機子鉄心６との間の空隙１４の寸法は、電機子鉄心６の複数（図５では２２個）の歯部６ｂの歯先６ｂ−１のうちの一つの歯先６ｂ−１に着目した場合、電機子５０が図中（図６、図７）の矢印のように反時計方向に回転すると、最初大きく回転に従って徐々に小さくなる。
【００２５】
後述するように、整流子電動機１００に交流電圧を印加すると、電流は二つある界磁巻線５ａ，５ｂの一方の界磁巻線５ａを介して、整流子１３に接触する一方のブラシ８０ａに流れる。電機子巻線７へはブラシ８０ａと整流子１３の摺動接触によって電流が流れる。電機子巻線７に流れた電流は、他方のブラシ８０ｂから他方の界磁巻線５ｂに流れることで界磁磁束及び電機子磁束が生成され、整流子電動機１００はトルクを発生する（図１７参照）。
【００２６】
前述の通り、本実施の形態の整流子電動機１００は、界磁４０の磁極部２ａ，２ｂの内径部の周方向の任意の点における界磁鉄心１と電機子鉄心６との間の空隙１４の寸法は、電機子鉄心６の一つの歯部６ｂの歯先６ｂ−１に着目した場合、電機子５０の回転に応じて徐々に小さくなるような形状に、電機子鉄心６の歯部６ｂの歯先６ｂ−１の形状が設定されている。
【００２７】
空隙１４の寸法の変化が滑らかになるため、ブラシ８０ａ，８０ｂと整流子１３との間で発生する整流火花を抑制することが可能になり、ブラシ８０ａ，８０ｂの摩耗増加を抑えることができ、長寿命な整流子電動機１００を得ることができる。
【００２８】
また、電機子鉄心６の歯部６ｂの歯先６ｂ−１で発生する鉄損（多くは渦電流損）を抑制することができ、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。
【００２９】
本実施の形態の整流子電動機１００は、一分間当たりの回転数が３６，０００ｒｐｍ以上で運転される。また電機子鉄心６には２２個のスロット６ａが設けられており、歯部６ｂも２２個形成されている。各々の電機子鉄心６の歯部６ｂは一回転当たり２２回切り替わるため、その切替周波数は３６，０００／６０×２２＝１３，２００Ｈｚ以上となる。
【００３０】
その結果、電機子５０で発生する鉄損は、ヒステリシス損よりも渦電流損が支配的となり、またその鉄損も非常に大きく、電動機の効率低下の要因となる。
【００３１】
本実施の形態の整流子電動機１００は、界磁４０の磁極部２ａ，２ｂの内径部の周方向の任意の点における界磁鉄心１と電機子鉄心６との間の空隙１４の寸法は、電機子鉄心６の一つの歯部６ｂの歯先６ｂ−１に着目した場合、電機子５０の回転に応じて徐々に小さくなるような形状に、電機子鉄心６の歯部６ｂの歯先６ｂ−１の形状が設定されている。それにより、電機子鉄心６の鉄損増加を抑制することができ、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。
【００３２】
また、界磁４０の磁極部２ａ，２ｂの内径部の周方向の任意の点における界磁鉄心１と電機子鉄心６との間の空隙１４の寸法の変化が滑らかになり、整流子１３とブラシ８０の摺動接触の切替時に発生する整流火花を抑制することができ、整流火花の発生を抑制した長寿命な整流子電動機１００を得ることができる。
【００３３】
尚、上述の説明では、電機子５０の歯部６ｂの歯先６ｂ−１の回転方向前進側端部６ｂ−２の半径方向の厚さ（幅）寸法をＡ１、電機子５０の歯部６ｂの歯先６ｂ−１の回転方向後退側端部６ｂ−３の半径方向の厚さ（幅）寸法をＡ２とした場合、Ａ１＜Ａ２となるように歯部６ｂの歯先６ｂ−１の半径方向の厚さを徐々に変化させる例を説明したが、その逆の、Ａ１＞Ａ２となるように歯部６ｂの歯先６ｂ−１の半径方向の厚さを徐々に変化させるようにしてもよい。そのような構成にしても、略同様の効果を奏する。
【００３４】
即ち、スロット６ａ間に形成される電機子鉄心６の歯部６ｂの歯先６ｂ−１の外周部を、歯部６ｂの中心線に対して非対称形状とするものである。
【００３５】
図８は送風機２００の縦断面図である。送風機２００は、少なくとも整流子電動機１００と、羽根１１と、ファンカバー１１ａとを備える。
【００３６】
整流子電動機１００は、少なくとも界磁４０と、電機子５０と、軸受１２ａ，１２ｂと、フレーム９と、ブラケット１０とを備える。その他に、整流子１３に接触するブラシ８０を備える。図８では、ブラシ８０ａ，８０ｂのうちの一方のみを描いているので、ブラシ８０と表記する。
【００３７】
電機子５０の出力軸８の両端部近傍に、軸受１２ａ，１２ｂを設ける。羽根１１側に軸受１２ａを設け、羽根１１の反対側に軸受１２ｂを設ける。
【００３８】
界磁４０をフレーム９に圧入して固定する。出力軸８の両端部近傍に軸受１２ａ，１２ｂを取付けた電機子５０を、軸受１２ｂ側から界磁４０の内側に挿入する。
【００３９】
ブラケット１０をフレーム９の開口部に取り付け、ブラケット１０で軸受１２ａを支持する。さらに、羽根１１をブラケット１０から外部に突出する出力軸８の端部に固定する。さらに、羽根１１の外側にファンカバー１１ａを取り付ける。以上の工程により、送風機２００が完成する。尚、フレーム９は、軸方向の両端が開口し、夫々の開口部にブラケット１０を取り付ける構成でもよい。
【００４０】
図９乃至図１２により、変形例１の電機子６０について説明する。変形例１の電機子６０は、電機子鉄心６１の歯部６１ｂの歯先６１ｂ−１の外周部の形状が、図１乃至図７の電機子６０と異なる。
【００４１】
変形例１の電機子鉄心６１の歯部６１ｂの歯先６１ｂ−１の外周部の形状は、外側に凸形状になっている。その凸形状は、例えば、円弧である。但し、円弧に限定されない。台形等その他の形状でもよい。
【００４２】
変形例１の電機子６０の歯部６１ｂの歯先６１ｂ−１の外周部の形状は、界磁４０の磁極部２ａ，２ｂの内径部の周方向の任意の点における界磁鉄心１と電機子鉄心６１との間の空隙１４の寸法が、電機子鉄心６１の一つの歯部６１ｂの歯先６ｂ−１に着目した場合、電機子６０の回転方向に応じて、大→小→大と徐々に変化するように、歯先６１ｂ−１の形状を外側に凸形状にしたものである。
【００４３】
電機子６０の歯部６１ｂの歯先６１ｂ−１の外周部の形状を、上記のように構成することにより、電機子鉄心６１の鉄損増加を抑制することができ、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。
【００４４】
変形例１の電機子６０の電機子鉄心６１において、界磁４０の磁極部２ａ，２ｂの内径部の周方向の任意の点における界磁鉄心１と電機子鉄心６１との間の空隙１４の寸法の変化が滑らかになることで（歯先６１ｂ−１が円弧の場合）、界磁鉄心１および電機子鉄心６１（特に歯部６１ｂ）の磁束の時間変化が滑らかになり、整流火花を抑制させた長寿命な整流子電動機１００を得ると共に、電機子鉄心６１の鉄損増加を抑制させることで、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。
【００４５】
図１３乃至図１６により、変形例２の電機子７０について説明する。変形例２の電機子７０は、例えば、変形例１の電機子６０の電機子鉄心６１の歯部６１ｂの歯幅寸法（周方向）を、電機子鉄心６１の内周側にいくに従い徐々に細くしたものである。但し、電機子鉄心７１の歯部７１ｂの外周部は、変形例１の電機子６０のように、必ずしも凸形状にする必要はない。電機子鉄心７１の外周部が円であり、歯部７１ｂの外周部がその円の上にあるものでもよい。
【００４６】
変形例２の電機子７０は、電機子鉄心７１の歯部７１ｂの歯幅寸法（周方向）を、電機子鉄心７１の内周側にいくに従い徐々に細くしたものである。
【００４７】
そのため、スロット７１ａは、周方向の幅が径方向に略等しい形状である。
【００４８】
変形例２の電機子７０は、図１３乃至図１６に示す構成にすることにより、電機子鉄心７１の歯部７１ｂにおける磁束の時間変化を滑らかにすることで、電機子鉄心７１の鉄損（主に渦電流損）の増加を抑制させた高効率な整流子電動機１００を得ることができる。
【００４９】
図１７は整流子電動機１００の制御回路図であり、図１で説明した一対の磁極部２ａ、２ｂに各々巻かれた二つの界磁巻線５ａ，５ｂの間に電機子５０を配置し、交流電源３０と位相制御を行うためのトライアック２０とを直列接続した制御回路を示している。尚、電機子５０は、界磁巻線５ａ，５ｂに夫々ブラシ８０ａ，８０ｂを介して接続する。
【００５０】
本実施の形態の整流子電動機１００は、一分間あたりの回転数が３６，０００ｒｐｍ以上で運転される。また、電機子鉄心６，６１，７１には、それぞれ２２個のスロット６ａ，６１ａ，７１ａが設けられている。また、整流子１３にも２２個の整流子片（図示せず）が設けられている。
【００５１】
電機子巻線７の整流動作は１回転あたり２２回切り替わるため、その切替周波数は３６，０００ｒｐｍ／６０×２２＝１３，２００Ｈｚで、切替時間は約７５μｓｅｃ程度であり、非常に短時間で電機子巻線７および界磁巻線５ａ，５ｂに流れる電流を整流している。
【００５２】
また、整流子電動機１００に流れる電流は実効値で１０〜１２Ａ（アンペア）程度である。また、この整流子電動機１００を用いた送風機２００を電気掃除機に搭載した場合は、トライアック２０を用いた位相制御（通電角制御）方式による電流制御（風量制御）を行って、電気掃除機の吸引力を制御している。
【００５３】
交流電源３０の半周期毎に交流電圧のオン／オフを制御する位相制御方式では、電圧をオンさせた後、整流子電動機１００に流れる電流が急峻に立ち上がるため、電動機に流れる電流の時間変化量であるｄｉ／ｄｔが非常に大きくなる。特に位相制御時の位相角が９０度近傍では、ｄｉ／ｄｔが最も大きくなる。電流時間変化ｄｉ／ｄｔが大きくなると、ブラシ８０ａ，８０ｂおよび整流子１３の整流の切替タイミングで、ブラシ８０ａ，８０ｂの整流火花が大きくなってブラシ８０ａ，８０ｂの摩耗が速くなる。これにより、ブラシ８０ａ，８０ｂが短時間で摩耗し、整流子電動機１００を運転できなくなる課題があった。
【００５４】
本実施の形態では、二つに分けた界磁巻線５ａ，５ｂの間に電機子５０を配置したため、整流切替タイミングでのブラシ８０ａ，８０ｂの火花発生量を抑えることができると共に、交流電源３０への伝導ノイズを抑制することができる。
【００５５】
また、界磁鉄心１と電機子鉄心６，６１との間の空隙１４の寸法を電機子５０，６０の回転に対して徐々に変化するようにしたため、界磁鉄心１の磁極部２ａ，２ｂおよび電機子鉄心６，６１の磁束の時間変化が滑らかになり、電流時間変化ｄｉ／ｄｔが小さくなることでブラシ８０ａ，８０ｂの整流火花を抑制することができる。
【００５６】
以上のように、本実施の形態によれば、二つに分かれた界磁巻線５ａ，５ｂの間に電機子５０を配置したため、整流切替タイミングでのブラシ８０ａ，８０ｂの火花発生量を抑えることができ、長寿命な整流子電動機１００を得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１  界磁鉄心、１ａ  外周円弧部、２ａ  磁極部、２ｂ  磁極部、３ａ  継鉄部、３ｂ  継鉄部、５  界磁巻線、５ａ  界磁巻線、５ｂ  界磁巻線、６  電機子鉄心、６ａ  スロット、６ｂ  歯部、６ｂ−１  歯先、６ｂ−２  回転方向前進側端部、６ｂ−３  回転方向後退側端部、６ｃ  軸孔、７  電機子巻線、８  出力軸、９  フレーム、１０  ブラケット、１１  羽根、１１ａ  ファンカバー、１２ａ  軸受、１２ｂ  軸受、１３  整流子、１４  空隙、２０  トライアック、３０  交流電源、４０  界磁、５０  電機子、６０  電機子、６１  電機子鉄心、６１ａ  スロット、６１ｂ  歯部、６１ｂ−１  歯先、６１ｃ  軸孔、７０  電機子、７１  電機子鉄心、７１ａ  スロット、７１ｂ  歯部、７１ｂ−１  歯先、７１ｃ  軸孔、８０  ブラシ、８０ａ  ブラシ、８０ｂ  ブラシ、１００  整流子電動機、２００  送風機。
【図１】
2010233399.tif 000003
【図２】
2010233399.tif 000004
【図３】
2010233399.tif 000005
【図４】
2010233399.tif 000006
【図５】
2010233399.tif 000007
【図６】
2010233399.tif 000008
【図７】
2010233399.tif 000009
【図８】
2010233399.tif 000010
【図９】
2010233399.tif 000011
【図１０】
2010233399.tif 000012
【図１１】
2010233399.tif 000013
【図１２】
2010233399.tif 000014
【図１３】
2010233399.tif 000015
【図１４】
2010233399.tif 000016
【図１５】
2010233399.tif 000017
【図１６】
2010233399.tif 000018
【図１７】
2010233399.tif 000019