(57)【要約】      （修正有）【課題】電機子反作用、および磁気飽和を低減し、カーボンブラシの異常摩耗を生じにくくする交流整流子電動機を提供する。【解決手段】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を有した交流整流子電動機であって、前記電機子の巻線方式は異数巻であり、前記固定子の磁極部は、磁極部幅をw1、磁極バック幅をw2としたとき、w1／w2≧2.8以上であり、前記電機子と対向する前記磁極部の曲面の形状は、前記シャフトの軸と非同心であり、かつ極弧度１３２°以上であり、前記磁極部と前記電機子との間に生じるギャップの最短距離をｇ1、前記磁極部と前記電機子との間に生じるギャップの最長距離をｇ2としたときに、ｇ2／ｇ1≧1.5〜1.8である。【選択図】図２
2015204682.tif 000002
【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、
前記電機子の巻線方式は異数巻であり、
前記固定子の磁極部は、磁極部幅をw1、磁極バック幅をw2としたとき、w1／w2≧2.8以上であり、
前記電機子と対向する前記磁極部の曲面の形状は、前記シャフトの軸と非同心であり、かつ極弧度１３２°以上であり、
前記磁極部と前記電機子との間に生じるギャップの最短距離をｇ1、前記磁極部と前記電機子との間に生じるギャップの最長距離をｇ2としたときに、ｇ2／ｇ1≧1.5〜1.8であることを特徴とした交流整流子電動機。
【請求項２】
請求項１に記載の交流整流子電動機であって、前記磁極部の中央部に、少なくとも１つのスリットを設けたことを特徴とした交流整流子電動機。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の交流整流子電動機であって、前記電機子と対向する前記磁極部の曲面は、前記磁極部の中心軸から角度θ1までは前記固定子の中心点O1より半径ｒ1からなる円弧で構成し、さらに角度θ1からθ2間では中心点O1とは異なる位置に存在する中心点O2より半径ｒ2からなる円弧で構成した2つの非同心円の曲面で形成されていることを特徴とした交流整流子電動機。
【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等に使用される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、カーボンブラシの長寿命化が要求されている。その中でも例えば、電気掃除機で使用する際は、吸口の塞がり具合によって風量の変化があり、それに伴って交流整流子電動機の回転数が変化する。とりわけ吸口が塞がった状態では風量が小さいため、交流整流子電動機としては軽負荷での運転となり、電動機によっては５００００ｒｐｍ付近まで高速回転する。この高速回転では、整流子電動機の寿命を担っているカーボンブラシにおいて、機械的に接触している整流子との摩擦損が増加するため摩耗量が増加する、電気的にも整流期間が短くなることで整流悪化となり整流火花を生じて摩耗量が増加する、などの懸念がある。そのため、高速回転においてもカーボンブラシの長寿命化を達成する交流整流子電動機を提案する必要がある。
【０００３】
カーボンブラシの長寿命化は、電機子反作用の低減により達成できる。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る。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）。また、電機子反作用を低減するための技術として、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も提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２０９３１号公報
【特許文献２】特開平６−６９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１，２では、電機子反作用を低減できるものの、磁極部にスリットを設けたことによって磁気飽和が生じやすくなり、必要トルクを得るための電流が大きくなる恐れがある。これは同一負荷での運転において、むやみに電動機の回転数を増加させてしまい、カーボンブラシの異常磨耗を生じやすくしてしまう。結果として電機子反作用を抑制してもカーボンブラシの長寿命化には至らなくなる恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、電機子反作用、および磁気飽和を低減し、カーボンブラシの異常摩耗を生じにくくす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】
【０００８】
そこで本提案は、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、前記電機子の巻線方式は異数巻であり、前記固定子の磁極部は、磁極部幅をw1、磁極バック幅をw2としたとき、w1／w2≧2.8以上であり、前記電機子と対向する前記磁極部の曲面の形状は、前記シャフトの軸と非同心であり、かつ極弧度１３２°以上であり、前記磁極部と前記電機子との間に生じるギャップの最短距離をｇ1、前記磁極部と前記電機子との間に生じるギャップの最長距離をｇ2としたときに、ｇ2／ｇ1≧1.5〜1.8であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電機子反作用、および磁気飽和を低減し、カーボンブラシの異常摩耗を生じにくくす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】
【００１０】
【図１】実施の形態１の電気掃除機用電動送風機の構造を示す断面図。
【図２】実施の形態１の固定子と電機子の断面図。
【図３】実施の形態１の磁極部の極弧度に関した固定子と電機子の１／２断面図。
【図４】実施の形態１の固定子の磁極部と電機子との間のギャップの拡大図。
【図５】実施の形態１の電機子から発生される電機子磁束の流れを表した図。
【図６】実施の形態２の電機子から発生される電機子磁束の流れを表した図。
【図７】実施の形態３の磁極部の極弧度に関した固定子と電機子の１／２断面図
【図８】図７のＰ部の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を、図１〜図８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の形態として述べるが、この電動送風機は他の用途に用いられても良い。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、ディフューザ３２と一体に成形された空気流を電動機１０１内へ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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、本実施の形態では、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。
【００１７】
図３は磁極部の拡大図である。磁極部１２の左右に広がる磁極先端間の角度を極弧度θとする。
【００１８】
ここで、交流清流子電動機は、軽負荷時では界磁コイルの巻数の大小で電動機の最大回転数Ｎmaxが変わる。性能向上としてトルクを上げるためにコイルの巻数を多くしようにも磁極部の極弧度が小さいと、コイルを巻くスペースが小さくなる。そのため必要な巻数を巻くためにはコイルの線径を小さくしなければならないため、銅損の増加による性能の低下が懸念される。また、単に磁極部の極弧度を大きくしただけでは、必要な巻数を巻けるものの、定常運転での偏磁が顕著になり鉄損が増加、或いは整流性能の悪化する懸念があり、性能及び寿命の低下が考えられる。
【００１９】
本実施の形態では、電機子２に対向する磁極部１２の曲面形状は、シャフト６の軸と非同心の円弧からなる。また、極弧度θ＝１３２度以上を推奨する。これは、磁極部において、磁束の流せる箇所が広げられることで磁気飽和低減などが図れるためである。但し、もちろんのことθ＝１８０度未満であり、製造上コイルが巻線可能な極弧度となるようにする。また、磁極部１２の幅をｗ1とし、磁極バック１２ｃの幅をｗ2とするとき、それらの関係性はｗ1/ｗ2≧２.８以上であることが望ましい。これは、磁極部において、磁束の流せる箇所が広げられることで磁気飽和低減を図れるためである。本実施の形態では、ｗ1/ｗ2≒２．９５とした。
【００２０】
図４は、固定子の磁極部と電機子との間のギャップの拡大図である。この固定子１の磁極部１２と電機子２の間に出来るギャップの直線の長さについて、磁極部１２の中心ｙ軸上にある固定子鉄心１３と電機子鉄心２１との間に出来たギャップをｇ1とする。磁極部１２の磁極先端と電機子鉄心２１との間の最短距離ギャップをｇ2とする。ここでギャップｇ1とギャップｇ2では、ｇ1＜ｇ2であり、ｇ2／ｇ1＝１．５〜１．８の比で構成される。本実施の形態では、ｇ2／ｇ1＝１．７８とした。また、ギャップｇ1は０．５以下、ギャップｇ2は１．０以下とするのが望ましい。これは、固定子から電機子に磁束を流す時、ｇ1の部分は一番磁束を受ける箇所であり、空気は磁気抵抗が大きいため、理想的にはギャップが小さい方が、ロスが少なくて良いためである。しかし、実験的に近すぎても駄目であることが分かっているので、ｇ1については0.5以下とするのが望ましい。ただし、ｇ2に関しては磁束を流すコアの領域が小さいため、近すぎては磁気飽和が顕著になる恐れがある。また、遠すぎては磁束の受け渡しができなくなる。そのため、ある程度の距離をとる必要があり1.0以下とすることが望ましい。このように、シャフト６の軸と非同心であり、極弧度＝１３２°以上であり、電機子との間に出来るギャップの最短距離をｇ1、最長距離をｇ2としたとき、ｇ2／ｇ1＝１．５〜１．８で構成することによって、電機子反作用、および磁気飽和を低減し、カーボンブラシの異常摩耗を生じにくくする交流整流子電動機を提供することができる。また、上記構成により界磁コイル１４の巻数の選択を増やせるため。必要磁束量が増加でき、整流性能の向上が得られるという効果も奏する。
（実施の形態２）
図５は、実施の形態１の電機子２から発生される電機子磁束の流れを表した図である。電機子磁束がおおよそ磁極部１２の増磁側１２ａへ集中するため、磁極部１２の左右において磁気飽和の偏りが発生する。
【００２１】
一方、磁極部１２の中央部に軸対称な二つのスリット１５を設けると、図６のような電機子磁束の流れとなる。こうすることで磁極部１２の増磁側１２ａへの磁束集中が緩和され、磁極部１２の左右（増磁側１２ａと減磁側１２ｂ）で磁気飽和が均一化する。本実施の形態では、図６のように磁極部１２の中央部に軸対称な二つのスリット１５を設け、また、図６に示すように、向かい合う各磁極部１２の中央近傍部に、スリット１５を形成する。スリット１５の形状の一例としては、スリット１５は軸対称な二つのスリットからなり、周方向幅は固定子鉄心１３の電機子２と対向する内周側および対向しない外周側で同程度の幅とする。また、二つのスリットの間と固定子内周方向と外周方向にそれぞれ薄肉の磁気ブリッジ１６が形成される。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の最小厚みを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。こうすることにより、実施の形態１の効果に加え、電機子反作用の影響をより緩和することが出来るため、更なるトルクと整流性能の向上の効果が得られる。スリット１５をあまり大きくすると磁気飽和を過剰にさせて悪影響を及ぼしてしまうので、磁極部の幅を考慮してスリット１５の大きさを決定するのが望ましい。また、本実施の形態のようにスリット１５は複数でなくても良く、少なくとも１つ以上のスリットを設ければ同様の効果を得られる。
（実施の形態３）
図７は実施の形態３における磁極部の拡大図である。磁極部１２の電機子２に対向する曲面は、磁極部１２の中心ｙ軸より角度θ1までは中心点O1より半径ｒ1からなる円弧で構成し、さらに角度θ1からθ2間では、中心点O1とは異なる位置に存在する中心点O2より半径ｒ2（ｒ2>ｒ1）からなる円弧で構成した2つの非同心円の曲面で形成される。中心点O1は中心ｙ軸上に存在しなければならないが、中心点O2は必ずしも中心ｘ軸或いはｙ軸上に存在しなくて良い。図８は図７のＰ部の拡大図である。２つの非同心円弧のつなぎ目を拡大していくと、極端に言えばかもめの様なつなぎ目が尖った形状をしている。
【００２２】
そしてこの磁極部の極弧度θは、θ＝（θ1+θ2）×２で設定され、本実施の形態では極弧度θ＝１３２°以上、ギャップ比ｇ2／ｇ1＝１．５〜１．８となるように角度θ1およびθ2、半径ｒ1、ｒ2を設定する。そうすることでギャップ比ｇ2／ｇ1の選択肢が広がり、磁極部１２において、ギャップにより磁束のロスを極力なくす部分と、磁極部１２の先端側での磁気飽和がし易い部分でのギャップの調整が、それぞれ設定可能になる。そのため、最適化設計範囲が広がり、さらなる整流性能の向上が得られる。
【符号の説明】
【００２３】
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
１２ａ  増磁側
１２ｂ  減磁側
１２ｃ  磁極バック
１３    固定子鉄心
１４    界磁コイル
１５    スリット
１６    磁気ブリッジ
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】
2015204682.tif 000003
【図２】
2015204682.tif 000004
【図３】
2015204682.tif 000005
【図４】
2015204682.tif 000006
【図５】
2015204682.tif 000007
【図６】
2015204682.tif 000008
【図７】
2015204682.tif 000009
【図８】
2015204682.tif 000010