(57)【要約】【課題】交流整流子電動機の整流悪化の原因となる電機子反作用を低減し、整流性能を向上すると同時に、トルクの向上も実現することを目的とする。【解決手段】略環状のヨーク部１１と、ヨーク部の内周側に対向するように形成される一対の磁極部１２と、磁極部に巻装される界磁コイル１４と、からなる固定子１と、磁極部間に回転自在に配置されたシャフト６と、シャフトに固定された電機子鉄心２１と、電機子鉄心の外周に形成される複数のティース２３に巻装される電機子コイル２２と、電機子コイルに接続された整流子２５と、からなる電機子２と、整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシ７と、を有した交流整流子電動機であって、各磁極部の回転方向に偏倚した位置には、内周側が狭く外周側が広いスリット１５を設け、シャフトの軸方向から見たとき、一対のブラシは、一対の磁極部に対し、反回転方向に移動している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略環状のヨーク部と、該ヨーク部の内周側に対向するように形成される一対の磁極部と、該磁極部に巻装される界磁コイルと、からなる固定子と、
前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、該シャフトに固定された電機子鉄心と、該電機子鉄心の外周に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子と、からなる電機子と、
前記整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシと、
を有した交流整流子電動機であって、
各磁極部の回転方向に偏倚した位置には、内周側が狭く外周側が広いスリットを設け、
前記シャフトの軸方向から見たとき、前記一対のブラシは、前記一対の磁極部に対し、反回転方向に移動していることを特徴とする交流整流子電動機。
【請求項２】
固定子鉄心を積層し、該固定子鉄心の環状のヨーク部の内周側に対向するように形成される一対の磁極部に界磁コイル巻装して構成した固定子と、
前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、該シャフトに固定された電機子鉄心と、該電機子鉄心の外周に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子と、からなる電機子と、
前記整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシと、
を有した交流整流子電動機であって、
前記固定子は、磁極部に第１のスリットを設けた第１の固定子鉄心と、磁極部に前記第１のスリットとは異なる第２のスリットを設けた第２の固定子鉄心と、を交互に積層したものであり、
前記シャフトの軸方向から見たとき、前記一対のブラシは、前記一対の磁極部に対し、反回転方向に移動していることを特徴とする交流整流子電動機。
【請求項３】
請求項２に記載の交流整流子電動機において、
前記固定子は、磁極部の回転方向に偏倚した位置に前記第１のスリットを設けた第１の固定子鉄心と、磁極部の反回転方向に偏倚した位置に前記第２のスリットを設けた第２の固定子鉄心と、を積層したものであることを特徴とする交流整流子電動機。
【請求項４】
請求項２に記載の交流整流子電動機において、
前記固定子は、磁極部の回転方向に偏倚した位置に前記第１のスリットを設けた第１の固定子鉄心と、磁極部に一対の前記第２のスリットを設けた第２の固定子鉄心と、を積層して構成したものであることを特徴とする交流整流子電動機。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の交流整流子電動機において、
前記第１の固定子鉄心と前記第２の固定子鉄心を交互に積層したことを特徴とする交流整流子電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流整流子電動機に関し、特に電気掃除機、電動工具用電動機等に使用される交流整流子電動機の固定子構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気掃除機及び電動工具用の交流整流子電動機は、主に、環状の固定子と、この固定子の内側に対向して形成される磁極部間に配置される電機子で構成されている。この種の交流整流子電動機では、常に小形、軽量、高効率化、ブラシの長寿命化が要求されている。その中でも、高磁束密度で使用される電動機では、とりわけ高効率化、ブラシの長寿命化を達成するには、電機子反作用を低減することが望まれている。
【０００３】
電機子反作用は、回転する電機子が発生させる磁界が固定子の磁極部から発生する磁界に対して影響を与える現象であり、これが交流整流子電動機の高効率化、ブラシの長寿命化に対して悪影響を及ぼしている。
【０００４】
この電機子反作用を低減するための技術として、固定子鉄心の磁極部中心に単一のスリットを設ける構造が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
また、別の低減手法として、前記磁極部を非対称の磁極にすると共に、複数のスリットを設ける構造が提案されている（特許文献２）。
【０００６】
一方、スリットを設ける別の理由として、固定子の軽量化を図るために電機子反作用の影響を利用し、電機子の回転進行方向側に複数の貫通穴を設ける構造が提案されている（特許文献３）。
【０００７】
また、直流電動機では同じく電機子反作用を抑制する方式として、ヨーク部と磁極部一体に分割する方法（特許文献４、５、６）、磁極部にスリットを形成する方法が提案されている（特許文献７、８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２００５−２０９３１公報
【特許文献２】特開平６−６９４３号公報
【特許文献３】特開２００３−１５３４７１公報
【特許文献４】特開昭４８−５３２０３公報
【特許文献５】特開昭４９−８１８０６公報
【特許文献６】実開昭６２−７４４６１公報
【特許文献７】特開平７−１２３６６９公報
【特許文献８】特開昭５９−１１７５９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
交流整流子電動機のトルクは固定子からの界磁磁束と電機子からの電機子磁束の和に電機子コイルに流れる電流と電機子コイルの巻数を乗じたものに比例した値と評価されている。電機子反作用の影響で界磁磁束と電機子磁束の和の値が変化するため、この値がトルクを左右させる。特許文献１では単一のスリットを磁極部の中心に配置して電機子反作用を低減させ、特許文献２では磁極部に複数のスリットを設けて電機子反作用を低減させている。特許文献３から特許文献８に関しても上記と同様のことが言える。
上述した従来技術では、電機子反作用を低減できるものの、スリットを設けたことによって磁極部の磁気飽和が厳しくなり、必要トルクを得るために電流が大きくなり、結果として電機子反作用を抑制しても整流改善には至らない。
【００１０】
本発明の目的は、電機子反作用を十分に低減しつつ、トルクと整流性能の向上を実現することができる交流整流子電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、略環状のヨーク部と、該ヨーク部の内周側に対向するように形成される一対の磁極部と、該磁極部に巻装される界磁コイルと、からなる固定子と、前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、該シャフトに固定された電機子鉄心と、該電機子鉄心の外周に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子と、からなる電機子と、前記整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシと、を有した交流整流子電動機であって、各磁極部の回転方向に偏倚した位置には、内周側が狭く外周側が広いスリットを設け、前記シャフトの軸方向から見たとき、前記一対のブラシは、前記一対の磁極部に対し、反回転方向に移動している交流整流子電動機によって解決することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電機子反作用を低減して必要磁束量が増加できるため、トルクと整流性能の向上を実現できる交流整流子電動機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の電気掃除機用電動送風機の構造を示す断面図。
【図２】実施例１の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の断面図。
【図３】実施例１の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の１／２断面図。
【図４Ａ】実施例２の固定子の積厚方向に配置する第１のスリット形状を示した図。
【図４Ｂ】実施例２の固定子の積厚方向に配置する第２のスリット形状を示した図。
【図４Ｃ】実施例２の固定子の積厚方向に配置するスリット形状の組合せを示した図。
【図５Ａ】実施例３の固定子の積厚方向に配置する第１のスリット形状を示した図。
【図５Ｂ】実施例３の固定子の積厚方向に配置する第２のスリット形状を示した図。
【図５Ｃ】実施例３の固定子の積厚方向に配置するスリット形状の組合せを示した図。
【図６Ａ】比較例の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。
【図６Ｂ】比較例の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。
【図６Ｃ】実施例１の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。
【図６Ｄ】実施例１の変形例の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施例を、図１〜図６を用いて説明する。なお、ここでは電気掃除機に用いられる電動送風機の実施例として述べる。
【実施例１】
【００１５】
図１は、実施例１の電気掃除機用の電動送風機１００の構造断面図である。電動送風機１００は、電動機（交流整流子電動機）１０１と送風機１０２から構成される。
【００１６】
電動機１０１は、ハウジング３の内周側に固定された固定子１、ハウジング３の軸受５ａと、エンドブラケット４の軸受５ｂによって回転自在に保持されるシャフト６、シャフト６に固定された電機子鉄心２１と整流子２５、電機子鉄心２１の電機子スロットＳ中に巻装された電機子コイル２２が整流子２５に接続された電機子２、および、整流子２５と機械的接触によって電気的接続を行うカーボンブラシ７と、カーボンブラシ７を保持するとともにハウジング３に固定するためのブラシホルダ８とからなる。
【００１７】
また、整流子２５は、複数の整流子片２５ａを有し、各整流子片２５ａは電機子２内の電機子コイル２２と接続されている。カーボンブラシ７は、つる巻バネ８１により整流子２５に押し付けられ、整流子２５に摺接している。８２はカーボンブラシ７を外部電極に接続するためのリード線であり、ブラシホルダ８に設けられた端子（図示せず）と接続されている。
【００１８】
一方、送風機１０２は、ナット３０によりシャフト６の一端に固定される遠心ファン３１、遠心ファン３１から出た空気流の速度を落とし圧力回復するディフューザ３２、空気流を電動機１０１内へ導くディフューザ３２と一体に成形された空気流を電動機１０１内に導くリターンガイド３３、遠心ファン３１とディフューザ３２を覆うファンケーシング３４によって構成される。
【００１９】
電動送風機１００を運転すると電機子２が回転し、電機子２と同軸に固定された遠心ファン３１も回転する。遠心ファン３１が回転するとファンケーシング３４の空気吸込口３５から空気が流入し、遠心ファン３１、ディフューザ３２、リターンガイド３３を通り電動機１０１内部へと流れ込む。流れ込んだ空気は、電動機１０１を冷却しつつ排出される。
【００２０】
図２は、固定子１と電機子２の構造断面図を示す。固定子１は、略円環状のヨーク部１１とその内周側に対向するように形成される一対の磁極部１２とからなる固定子鉄心１３を積層したものと、磁極部１２に巻装される界磁コイル１４とから構成される。また、対向する一対の磁極部１２の間に配置される電機子２は、複数のＴ字型のティース２３を有する電機子鉄心２１と、ティース２３によって形成されている電機子スロットＳ１〜Ｓ１２に巻装される電機子コイル２２とから構成される。なお、本実施例では、ティース２３の本数を１２本とした例を説明するが、ティース２３の本数はこれに限られるものではない。
【００２１】
また、図２に示すように各磁極部１２の中心から回転方向側に偏倚した位置に、スリット１５を形成する。スリット１５の周方向幅は内周側で狭く外周側で広くする。また、スリット１５の内周方向と外周方向にそれぞれ薄肉の磁極部１２を残し、以下では内周方向の薄肉の磁極部１２を磁気ブリッジ１６ａ、外周方向の薄肉の磁極部１２を磁気ブリッジ１６ｂと称する。形成した磁気ブリッジ１６の厚さは、ハウジング３に固定子１を圧入した時に、磁気ブリッジ１６が変形しない厚みにする。ここでは一例として磁気ブリッジ１６の厚みを０．５ｍｍとしている。このように、磁気ブリッジ１６の厚さを薄く設定することで、磁路幅が狭くなり磁気飽和し易くなるため、電機子反作用磁束を遮断することができる。
【００２２】
図３は図２の要部断面図である。スリット１５の外周側の角度は大きい方が良いが、各ティースのピッチが３０°であるときには、磁気的に許せる範囲として、スリット１５の外周側の角度は、回転中心から成す角度１３°、内周側の角度は、回転中心から成す角度５．５°に設定している。内周側は磁気抵抗の変化が著しく影響するので注意を要する。その理由を以下に述べる。なお、ここでは、１ティースのピッチ３０°、スリット１５の外周側の角度１３°、内周側の角度を５．５°とする例を示したが、スリット１５の外周側の角度が１ティース分の角度よりも小さく、スリット１５の内周側の角度が外周側の角度よりも小さければ、同様の効果を得ることができる。
【００２３】
図６に電機子コイル２２にのみ電流を流した時の磁束流れを示す。図６Ａはスリット１５が無く、カーボンブラシ７を幾何学的中性軸に置いた比較例の場合であり、電機子反作用磁束は磁極部１２のみを通ることが知られている。しかし、この位置ではカーボンブラシ７から火花が発生することがあり、ブラシ寿命が短くなる場合がある。この場合、図６Ｂに示すように、ブラシ位置を反回転方向に移動し（例えば３０°）、主磁束を利用してブラシ火花発生を抑制する（整流子２５と電機子コイル２２の接続位置でも良い）。この場合、カーボンブラシ７を反回転方向に移動しているので、電機子反作用磁束が磁極部１２の周囲にとどまらず、ヨーク部１１を通り、界磁コイル１４による主磁束と反対方向に磁束が流れる。
【００２４】
次に、本実施例の構成を用いた場合について説明する。図６Ｃはカーボンブラシ７を反回転方向に移動させるとともにスリット１５を設けたときの電機子反作用による磁束流れを示す。ここに示すように、本実施例の構成の場合も磁気ブリッジ１６を通して電機子反作用磁束が流れるが、薄肉の磁気ブリッジ１６では磁気飽和により電機子反作用磁束が抑制されるため、ヨーク部１１を通る電機子反作用磁束が減少する。このヨーク部１１を通る磁束は電機子鉄心２１のティース２３の幅とスリット１５の幅で大きく影響され、特に磁束の変化が大きくなるので、強いてはトルク脈動の大きさを左右するので、スリット１５の内周側の、磁極部１２と成す角度５．５°近傍（１ティース分角度３０°の約１５％）に設定した。
【００２５】
また、図６Ｃのスリット１５は、磁極部１２の中心から回転方向に偏って配置されることで、磁極部１２の反回転方向の増磁側の磁路幅が拡大し、磁束密度の飽和が緩和されるため、電機子反作用の影響による偏磁が低減できる。
【００２６】
上記スリット形状を配置することで、図６Ｃに示すように、磁極部１２を横断する磁界を低減することができ、電機子反作用の低減が達成できる。また、スリット１５の周方向幅を固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くすることでトルク脈動の軽減が図れる。さらに、磁極部１２の増磁側での磁気飽和を緩和できるため、電動機のトルクを生み出すための必要磁束量を増加することができる。これらにより、トルクと整流性能の向上が図れる。
【００２７】
また、図６Ｄに示すような、磁極部の中心に対して対称にスリット１５が配置されていても、上記と同様の理由で電機子反作用の低減が達成できる。
【実施例２】
【００２８】
図４は、実施例２を示したものである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。
【００２９】
実施例２の固定子１は、図４Ａと図４Ｂに示す左右対称の固定子鉄心１３ａ、１３ｂを、図４Ｃに例示するように組み合わせて積層したものである。例えば、固定子鉄心１３ａ、１３ｂ、１３ａ、１３ｂ、・・・のように固定子鉄心１３ａ、１３ｂを交互に積層したスタガ構造にする。この構成によってスリットの貫通が片側に偏らず、固定子の強度の確保ができる。さらに図４Ｃのように積層全体では見かけ上、大きなスリットを有することになり電機子反作用を低減することができ、実施例１と同様の効果が得られる。
【００３０】
なお、本実施例において、スリット１５の形状は、実施例１で示したように、周方向幅が固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くしたものを配置しても良い。
【実施例３】
【００３１】
図５は、実施例３を示したものである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。
【００３２】
実施例３の固定子１は、各磁極部に左右対称の一対のスリットを備えた固定子鉄心１３ｃ（図５Ａ）と、各磁極部に回転方向側に偏倚した一つのスリットを備えた固定子鉄心１３ｄ（図５Ｂ）とを組み合わせて積層したものである。例えば、ハウジング３に固定子１を固定するための外部圧力をかける部分（図５Ｃの「Ｂ層」）に固定子鉄心１３ｃを積層し、それ以外の部分（図５Ｃの「Ａ層」、「Ｃ層」）には１３ｄを積層したスタガ構造にする。この構成によっても実施例１と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００３３】
１      固定子
２      電機子
７      カーボンブラシ
１１    ヨーク部
１２    磁極部
１３    固定子鉄心
１４    界磁コイル
１５、１５ａ〜１５ｄ    スリット
１６、１６ａ、１６ｂ    磁気ブリッジ
１８    凹部
２１    電機子鉄心
２２    電機子コイル
２３    ティース
２５    整流子
２５ａ  整流子片
Ｓ１〜Ｓ１２    電機子スロット
【図１】
2014057487.tif 000003
【図２】
2014057487.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
2014057487.tif 000006
【図４Ｂ】
2014057487.tif 000007
【図４Ｃ】
2014057487.tif 000008
【図５Ａ】
2014057487.tif 000009
【図５Ｂ】
2014057487.tif 000010
【図５Ｃ】
2014057487.tif 000011
【図６Ａ】
2014057487.tif 000012
【図６Ｂ】
2014057487.tif 000013
【図６Ｃ】
2014057487.tif 000014
【図６Ｄ】
2014057487.tif 000015