(57)【要約】【課題】  本発明は、主磁極に巻装される界磁巻線の占有面積を十分確保しながら、電機子反作用磁束の影響を抑制し、脈動トルクを低減させることにより、トルク向上と鉄損低減とを両立した、高効率でかつ高性能な整流子電動機を得ることにある。【解決手段】  本発明は、固定子と電機子とを有した整流子電動機について、固定子は、主磁極とスロットとを有する固定子鉄心と、スロットに配置された界磁巻線とを有し、電機子は、スロットとティースとを有する電機子鉄心と、スロットに巻装された電機子巻線とを有し、固定子ならびに電機子鉄心は積層された鋼板で作られており、鋼板のティース，スロットおよび電機子回転方向前進側の空隙に対向する主磁極に複数の貫通穴がエッチング加工により形成されており、鋼板の厚さが０.０５〜０.３０mmであることを特徴とする。【選択図】図２
2008245346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を積層して成る固定子鉄心と、その主磁極部に巻装した界磁巻線とを備える固定子と、
電磁鋼板を積層して成る電機子鉄心，電機子巻線，シャフトおよび整流子とを備える電機子とを有し、前記電機子鉄心のスロットに前記電機子巻線を巻装し、巻線の両端を前記整流子に接続し、電力の授受を行う整流子電動機において、
前記電磁鋼板のティースおよびスロットが、エッチング加工により形成されていることを特徴とする整流子電動機。
【請求項２】
請求項１において、
前記鋼板の厚さが、０.０５〜０.３０mmであることを特徴とする整流子電動機。
【請求項３】
請求項１において、
電機子の回転方向に対し前進側に位置する固定子鉄心主磁極にエッチング加工により形成した貫通穴が複数設けられていることを特徴とする整流子電動機。
【請求項４】
請求項１において、
前記鋼板が、Ｃが０.００１〜０.０６０重量％、Ｍｎが０.１〜０.６重量％、Ｐが0.03重量％以下、Ｓが０.０３ 重量％以下、Ｃｒが０.１重量％以下、Ａｌが０.８重量％以下、Ｓｉが０.５〜７.０重量％、Ｃｕが０.０１〜０.２０重量％含有し、残部が不可避な不純物とＦｅとからなる電磁鋼板であることを特徴とする整流子電動機。
【請求項５】
請求項１において、
前記鋼板が、珪素鋼板であることを特徴とする整流子電動機。
【請求項６】
請求項１において、
前記鋼板が、結晶粒子を有することを特徴とする整流子電動機。
【請求項７】
請求項１において、
前記固定子鉄心は、積層された鋼板と鋼板との間に、厚さが０.０１〜０.２μｍである絶縁被膜を有することを特徴とする整流子電動機。
【請求項８】
請求項７において、
前記絶縁被膜の厚さが、０.０１〜０.０５μｍである酸化被膜であることを特徴とす整流子電動機。
【請求項９】
請求項５において、
前記珪素鋼板における珪素の濃度が、０.８〜２.０重量％であることを特徴とする整流子電動機。
【請求項１０】
請求項５において、
前記珪素鋼板における珪素の濃度が、４.５〜６.５重量％であることを特徴とする整流子電動機。
【請求項１１】
請求項５において、
前記珪素鋼板における珪素の濃度が、内部より表面部が高いことを特徴とする整流子電動機。
【請求項１２】
請求項１において、
前記鋼板の積層鉄心密度が、９０.０〜９９.９％であることを特徴とする整流子電動機。
【請求項１３】
請求項１において、
前記エッチング加工は、前記鋼板にレジストを塗布し、ティースの形状およびスロットの形状を露光し、現像して前記形状に基づきレジストを除去し、エッチング液により加工し、エッチング液による加工後、残ったレジストを除去することで行われることを特徴とする整流子電動機。
【請求項１４】
請求項１に記載の整流子電動機を搭載し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】
本発明は、整流子電動機およびそれを用いた電気掃除機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気掃除機や電動工具は、その操作性の観点から、搭載される電動機は小形軽量なものが望まれる。電動機を小形軽量化する手段として、例えば非特許文献１で記載されているように、高い回転速度を設定することと、鉄心の磁束密度を比較的高く設定する方法、等が採られている。
【０００３】
一方、電気掃除機には小形軽量化とともに求められる性能として吸込み力がある。吸込み力は電動送風機の出力に強く依存するが、家庭用の電気掃除機では電動送風機に供給できる電力に限度があることから、整流子電動機の効率向上による電動機出力増加が吸込み力を向上させる鍵となっており、整流子電動機の損失の低減が強く要求されている。
【０００４】
例えば、電動機の鉄損を低減する技術は、特許文献１に記載されている。ここで開示されている技術は、固定子鉄心をハウジングに圧入することで、固定子鉄心に応力が加わり、鉄損が増大するのを防止する技術であり、固定子鉄心とハウジングとの間に空隙を作ることで、応力の発生を抑え、鉄損の増大を防止するものである。
【０００５】
また、磁性体をエッチング加工により加工することが記載されている文献としては、特許文献２等がある。
【０００６】
他方、整流子電動機では、脈動トルクを減少させ機械的振動を小さくして電動機の整流性能向上させブラシ寿命を高める試みが行われている。
【０００７】
脈動トルクを減少させる技術が、特許文献３，特許文献４に開示されている。以下、これらの従来例について説明する。
【０００８】
図１０および図１１に、従来例１（特許文献３から引用），従来例２（特許文献４から引用）の整流子電動機の断面構成を示す。１は固定子、２は電機子、３は固定子鉄心、４はシャフト、５，６は界磁巻線、７は電機子鉄心、８は主磁極、１０は電機子巻線である。
【０００９】
また、４１は固定子スロット、４２は電機子スロット、４３はティースである。
【００１０】
トルクは、固定子鉄心３に、集中巻で巻装された界磁巻線５，６からの主磁束と、電機子鉄心７に巻装された電機子巻線１０からの電機子反作用磁束との磁気的な相互作用により発生する。
【００１１】
従来例１は、電機子回転方向に対して主磁極の前進側に位置する主磁極８先端の鉄心を、電機子２後進側のそれに対して短く設定し、整流子電動機の中心軸に対し非対称鉄心構成としている例である。つまり、中心軸に対して主磁極の右側開口度（θ２）と左側開口度（θ１）とを互いに異ならせ、θ２＜θ１としてある。これにより、前記電機子２からの反作用磁束による影響を、主磁極の非対称構成により抑制して脈動トルクの減少を図った。
【００１２】
ここで、界磁巻線５，６の巻線占有面積は、前記非対称鉄心形状を実現するために主磁極８の固定子スロット４１の左右で異なるため、界磁巻線５の占有面積はおのずと左側固定子スロット＞右側固定子スロットとなる。このため、主磁極に集中巻で巻装するときには、左側の巻線占有面積に合わせると右側から巻線が巻崩れを起こすため、やむなく右側の小さい巻線占有面積の分で巻装することになり、結果、十分な巻回数を確保できずにトルクが低下していた。
【００１３】
従来例２は、前記従来例１に対して、主磁極８が非対称鉄心形状でない場合であり、界磁巻線５，６の占有面積を十分確保した例である。
【００１４】
電機子２の主磁極に対する前進側の主磁極先端部分にパンチング加工を用いて貫通穴を設けることで鉄心の磁気抵抗を操作して、前記従来例１の非対称鉄心構成と等価な磁気回路を実現している。これにより、界磁巻線５，６は主磁極８に対する左右の巻線占有面積が同一とできるので、集中巻きの界磁巻線５，６を主磁極８先端部分が巻崩れることなく巻装でき、従来例１でのトルク減少の課題を解決した。
【００１５】
しかし、上記、従来例１，従来例２ともに固定子鉄心３の主磁極８とその先端、電機子鉄心のスロット，ティースは、パンチングを用いた機械加工により作製されており、パンチング加工による電磁鋼板の塑性変形により磁気特性が劣化して鉄損が増大する課題を抱えていた。
【００１６】
以上、従来例１では、脈動トルクの減少の効果は奏するが、トルク減少とパンチング加工による塑性変形の導入による鉄損増加の課題が、従来例２では脈動トルクの減少とトルク改善の効果は奏するが、パンチング加工による鉄損増加の課題が残されていた。
【００１７】
【特許文献１】特開２００４−２０１４２８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９７３２０号公報
【特許文献３】特開平０７−２９８５９２号公報
【特許文献４】特開平２００３−１５３４７１号公報
【非特許文献１】電気学会回転機研究会資料ＲＭ−９６−２８「クリーナ用ユニバーサルモータの電力密度の向上について」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明が解決しようとする課題は、整流子電動機のトルクの減少を防止しながら脈動トルクを低減させ、少なくとも空隙１５に対向する固定子鉄心３の主磁極８とその貫通穴、電機子鉄心７の外周に位置する電機子スロット４２およびティース４３の、パンチング加工による余分な鉄損増加を防止し、高効率で高性能な整流子電動機を得ることである。
【００１９】
さらに、最終的には電気掃除機の基本性能である吸込み力の向上につなげることも課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
整流子電動機において、電磁鋼板のティースおよびスロットが、エッチング加工により形成されていることを特徴とすることである。
【発明の効果】
【００２１】
パンチング加工による余分な鉄損増加を防止し、高効率で高性能な整流子電動機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施例を図１から図９により説明する。
【００２３】
図１は本発明に係わる電動送風機の構成を示したものである。電動送風機１００の電動機側はハウジング６０とエンドブラケット６２内に電機子２，固定子１により構成している。また、電動機の出力軸端に設けたファン５０を囲むようにディフューザ５１とファンケーシング６１を設ける構成にしている。
【００２４】
一方、電動機の固定子１はハウジング６０内に固定子鉄心３と界磁巻線５，６とで構成し、界磁巻線５，６に電流を流すことにより主磁束を発生させる。
【００２５】
固定子鉄心３とは空隙１５を介して配置される電機子２はシャフト４を備え、ハウジング６０とエンドブラケット６２の軸心に設けた軸受２１ａ，２１ｂに支承されており、シャフト４には整流子３５と電機子鉄心７が設けられ、電機子鉄心７のスロットには電機子巻線１０が巻回され、各コイルの両端は整流子３５を構成する各整流子片に接続されている。
【００２６】
整流子電動機の端子間に交流電圧を印加すると電流は固定子１の一方の界磁巻線５を介してカーボンブラシ３１に流れ、電機子２への電力の授受は対向配置した、もう一方のカーボンブラシ（図示せず）を介して行われる。
【００２７】
整流子３５への機械的な摺動接触による通電は、高速回転条件下でも安定給電できるように、カーボンブラシがブラシ加圧用ばね３２により整流子３５に付勢され、電機子巻線１０に整流現象に伴う電流が流れ、連続的なトルクを発生し、ファンの回転力を得ている。
【００２８】
図２に本発明の係わる整流子電動機のＡ−Ａ断面図を示す。固定子鉄心３の主磁極８は電動機中心に対する左右の開口角度（θ１）は左右で同一として、界磁巻線５，６を巻装する占有面積も固定子スロット４１左右双方で同一としてある。また、少なくとも空隙
１５に対向する固定子鉄心の主磁極８ならびにその先端と、電機子鉄心７の電機子スロット４２ならびにティース４３はエッチング加工で作成する。さらに、電機子回転方向(Ｒ)に対し、主磁極８の前進側にはエッチング加工で作製した貫通穴を複数配置してある。
【００２９】
巻線のための固定子スロット４１の占有面積を左右で同一とした理由は、従来例１のトルク減少の課題に対する改善であり、集中巻で固定子の主磁極部分に巻装される界磁巻線の巻線占有面積を左右ともに十分確保できることに他ならない。
【００３０】
つぎに、電機子２回転方向（Ｒ）に対し主磁極８の前進側に配置した、エッチング加工を用いた複数分散配置した貫通穴は、従来例２でのパンチング加工による鉄損増大に対する改善である。この点について以下詳しく説明する。
【００３１】
図８に、整流子電動機の鉄損解析結果の一例を示す。具体的には、一般的な整流子電動機の鉄損密度分布を示し、黒色で示すところで多く鉄損が発生している。
【００３２】
つまり鉄損は、
１）電機子鉄心、２）固定子鉄心の主磁極、３）固定子鉄心の主磁極の先端部分でその大半を消費している。特に、空隙１５に対向する主磁極８と電機子鉄心７の表層での鉄損が多く発生している。
【００３３】
この鉄損の発生状況は、特に電気掃除機の駆動源に用いられるような、高速回転下の整流子電動機特有の現象であり、他の電動機に類をみない現象のひとつである。
【００３４】
従来例１および従来例２では、この鉄損密度が高いところ、言い換えれば鉄損の影響を最も受けやすいところにパンチング加工で作製した主磁極８，スロット，ティースを、従来例２ではこれらに加え貫通穴を設けたので、パンチング加工で導入される電磁鋼板の塑性変形領域において鉄損が上昇することはいうまでもない。
【００３５】
次に従来例１および従来例２と、本発明の整流子電動機の軸トルクを比較した。
【００３６】
図９に、整流子電動機の軸トルク波形を示す。電動機トルクは交流電流に応じた出力トルクを得、図に示したような周波数５０Ｈｚに対し２倍周期の波形となる。また、トルクのヒゲは脈動トルクを表し、電機子スロットと主磁極との磁気抵抗変化と整流特性との相互作用で発生することが知られる。
【００３７】
図９の下図に、軸トルク０.５p.u.（１p.u.は定格トルク）の拡大波形をＡ部拡大として示す。
【００３８】
脈動トルクに関しては、従来例１，従来例２および本発明とで同等であった。一方軸トルクは、本発明＞従来例２＞従来例１の順であることを確認した。
【００３９】
これは、従来例２が従来例１に対して、十分な巻回数が確保できたためトルク向上が改善できた点が大きく作用している。
【００４０】
また、本発明の整流子電動機では、従来例２に対して、パンチング加工による鉄心の塑性変形による鉄損増加が抑制されたためトルク値が上昇したことが確認できた。
【００４１】
以上のように、従来例１では脈動トルクの減少の利点はあるが、巻線占有面積の減少によりトルクが減少、またパンチングによる塑性加工による鉄損上昇の課題があった。また、従来例２においては、脈動トルクの減少と、トルク減少の防止の利点があるが、相変わらずパンチング加工での鉄損増加が課題であった。
【００４２】
そこで本発明の目的は、従来例１と従来例２でのかかる課題を解決した、高効率で高性能な整流子電動機を提供できる効果を奏することである。
【００４３】
本形態で説明する整流子電動機は、界磁磁束を発生する固定子１と、この界磁磁束とほぼ直交磁束を発生する電機子２とを有し、主磁極８と固定子スロット４１とを有する固定子鉄心３と、固定子スロット４１に配置された界磁巻線５，６とを有する。
【００４４】
固定子鉄心３（以下「鉄心」と呼称する場合がある）は、積層された鋼板で作られており、鋼板のスロットとが、エッチング加工、好ましくはフォトエッチング加工により形成されている。このとき、鋼板の厚さが、０.０８〜０.３０mmである。電機子鉄心７（以下「鉄心」と呼称する場合がある）も積層された鋼板で作られており鋼板のティース４３および電機子スロット４２とが、エッチング加工、好ましくはフォトエッチング加工により形成されている。このとき、鋼板の厚さが、０.０８〜０.３０mmである。
【００４５】
さらに、電機子２回転方向前進側の固定子鉄心３，主磁極８に対し、設けた貫通穴はエッチング加工、好ましくはフォトエッチング加工により形成されている。
【００４６】
もちろん、固定子鉄心の全体をエッチング加工により加工することが、磁気特性および製造工程全体の作業性の観点から望ましい。
【００４７】
また、固定子鉄心３と同様に電機子鉄心７についても、０.０８〜０.３０mmの厚さの珪素鋼板をエッチング加工することが、磁気特性の改善の観点から望ましい。すなわち、パンチング加工による固定子鉄心３あるいは電機子鉄心７の加工は、鋼板内の規則的な結晶配置を破壊し、このことによりヒステリシス損を増大する。固定子鉄心３や電機子鉄心７をエッチング加工することで、規則的な結晶配置の破壊を防止でき、ヒステリシス損の増大を防止できる。
【００４８】
以下、本発明に係わるエッチング加工法のメリットやその適用方法についての詳細を述べる。
【００４９】
パンチング加工は加工対象の鋼板が薄くなればなるほど切断部の乱れ、例えばバリ，ダレが大きな課題となり、ヒステリシス損が増大する傾向を示す。
【００５０】
さらに、パンチング加工で加工可能な形状は、円または直線といった単純な形状の加工である。その理由は、パンチング加工では金型が必要であり、この金型を複雑な曲線に形成することは極めて困難だからである。また、金型を研磨する場合にも、複雑な曲線形状を有する金型の場合には、うまく研磨ができないという課題がある。
【００５１】
このためパンチング加工などの機械加工では、渦電流損を低減する目的で電磁鋼板を薄くすることはできるが、ヒステリシス損が増大することとなり、鉄損を低く抑えることが困難となる。
【００５２】
エッチング加工はこのような課題を解決できる。このエッチング加工によりヒステリシス損を低く抑え、渦電流損を低減できる。整流子電動機では固定子鉄心や電機子鉄心をエッチング加工することにより、鉄損が低減でき整流子電動機の効率が向上され、電動送風機の空力性能が改善でき、最終的には電気掃除機の吸込み力を向上させることができる。
【００５３】
なお、エッチング加工の代表的な方法として、フォトエッチングによる加工がある。
【００５４】
さらに、パンチング加工のように塑性変形による磁気特性劣化の影響がなく、複数設けた貫通穴の導入においても効果的に磁気抵抗の増加の操作を行うことができるので、電機子による反作用磁束の影響を効果的に抑制し、これより、巻線占有面積を十分確保できるのでトルク減少を防止しつつ、脈動トルクを軽減した高効率でかつ高性能な整流子電動機とできる。
【００５５】
具体的には以下の形態で説明する。
【００５６】
本形態では、鉄心の積層鉄心密度は、９０.０〜９９.９％である。好ましくは９３.０〜９９.９％ である。ここで、積層鉄心密度は、積層鉄心密度（％）＝鋼材板厚（mm）×枚数（枚）÷鉄心高さ（mm）×１００で定義される。
【００５７】
なお、この積層鉄心密度は、機械的に積層された鉄心を圧縮することにより向上させることも必ずしも不可能ではない。しかしながら、こうした場合、鉄損が増加してしまい好ましいとはいえない。本形態で説明するものは、こうした積層鉄心密度を向上させるための特別な工程を設けることなく、積層鉄心密度を向上させることのできるものである。
【００５８】
この場合、鉄心の積層鉄心密度（％）は、鋼板の板厚０.０８〜０.３０mmであり、鉄心の枚数２０〜１０００（枚）であり、鉄心の高さ５〜２００mmである。
【００５９】
鋼板の組成は、Ｃが０.００１〜０.０６０重量％、Ｍｎが０.１〜０.６重量％、Ｐが
０.０３重量％以下、Ｓが０.０３重量％以下、Ｃｒが０.１重量％以下、Ａｌが０.８重量％以下、Ｓｉが０.５〜７.０重量％、Ｃｕが０.０１〜０.２０重量％を含有し、残部が不可避な不純物とＦｅとからなる。なお、不可避な不純物は、酸素や窒素のガス成分等である。
【００６０】
そして、好ましくは、鋼板の組成は、Ｃが０.００２〜０.０２０重量％ 、Ｍｎが０.１〜０.３重量％、Ｐが０.０２重量％以下、Ｓが０.０２重量％以下、Ｃｒが０.０５重量％以下、Ａｌが０.５ 重量％以下、Ｓｉが０.８〜６.５重量％、Ｃｕが０.０１〜０.１重量％を含有し、残部が不純物とＦｅとからなる、結晶粒子を有する、いわゆる電磁鋼板としての珪素鋼板である。
【００６１】
こうした珪素鋼板の組成を決定する際に、特に、鉄損を低減するという観点では、ＳｉとＡｌとの含有量が重要である。こうした観点でＡｌ／Ｓｉを規定した場合、この比が
０.０１〜０.６０であることが好ましい。さらに好ましくはこの比が０.０１〜０.２０である。
【００６２】
なお、珪素鋼板における珪素の濃度は、０.８〜２.０重量％を用いる整流子電動機と、４.５〜６.５ 重量％を用いる整流子電動機とを、その整流子電動機の種類によって、使い分けることができる。
【００６３】
なお、珪素の含有量を下げることによって、珪素鋼板の磁束密度は向上する。本形態の場合は、１.８〜２.２Ｔとすることができる。
【００６４】
珪素の含有量が少ない場合、圧延加工性が向上し、板厚を薄くすることができ、板厚を薄くすることにより、鉄損も減少する。一方、珪素の含有量が多い場合、圧延加工性の低下は珪素を圧延加工の後に含有させる等の工夫を施すことにより解決され、鉄損も減少する。
【００６５】
また、珪素鋼板に含有される珪素の分布は、珪素鋼板の厚み方向に対して、ほぼ均一に分散させてもよく、また、珪素の濃度を部分的に高くするように、珪素鋼板の厚み方向に対して、内部の濃度より表面部の濃度を高くすることも可能である。
【００６６】
さらには、鉄心は、積層された鋼板と鋼板との間に、厚さが０.０１〜０.２μｍである絶縁被膜を有し、その絶縁被膜の厚さも、０.１〜０.２μｍ、好ましくは０.１２〜0.18μｍである整流子電動機と、０.０１〜０.０５μｍ、好ましくは０.０２〜０.０４μｍである整流子電動機とを、その整流子電動機の種類によって、使い分けることができる。
【００６７】
なお、絶縁被膜の厚さが、０.１〜０.２μｍである場合には、その絶縁被膜は、有機や無機の膜を用いることが好ましい。絶縁被膜の材料としては、有機材料，無機材料、これら材料が混合されたハイブリット材料を用いることができる。
【００６８】
また、絶縁被膜の厚さが、０.０１〜０.０５μｍである場合には、その絶縁被膜は、酸化被膜であることが好ましい。特に、鉄系の酸化被膜が好ましい。
【００６９】
つまり、珪素鋼板の板厚を薄肉化することによって、絶縁被膜の厚さも薄くすることができるようになる。
【００７０】
従来の電磁鋼板の絶縁皮膜は、パンチング加工後でも絶縁性が維持できると同時に、パンチング加工性そのものを向上させるために潤滑性，鋼板の密着性，パンチング加工後の焼鈍における耐熱性，積層された電磁鋼鈑を溶接して鉄心を形成する際の溶接性等、絶縁性以外の特性も加味して、絶縁皮膜の厚みや成分が調整され、０.３μｍ 程度の厚さが必要となっていた。
【００７１】
しかしながら、本形態で説明する薄肉化した珪素鋼板では、絶縁皮膜の厚さを薄くする必要があることがわかった。
【００７２】
従来と同様な厚さの絶縁被膜を用いた場合、珪素鋼板が薄肉化したため、相対的に、絶縁皮膜の体積率が珪素鋼板の体積率に対して増加し、磁束密度が低下する恐れがあるからである。
【００７３】
このように、本形態で説明する薄肉化した珪素鋼板では、絶縁皮膜の厚さを薄くすることができる。
【００７４】
一般的に、電磁鋼板を薄くする場合、絶縁被膜は厚くする必要がある。しかしながら、本形態では、こうした考え方とは異なり、電磁鋼板を薄くしても絶縁被膜を厚くする必要がなく、むしろ電磁鋼板と共に薄くすることが可能となる。したがって、積層鉄心密度も向上することになる。
【００７５】
回転速度と鉄損との関係には、回転速度が上昇すれば上昇するほど、磁束の交番周波数が高くなるため鉄損が増加する関係がある。回転速度が速い整流子電動機は回転速度が遅い整流子電動機より、鉄損が増加する傾向にある。この点を考慮して、珪素鋼板における珪素の含有量を検討する必要がある。
【００７６】
なお、珪素鋼板に含有される珪素は、溶解法により、電磁鋼板に均一的に添加してもよく、表面改質またはイオン注入，ＣＶＤ（ケミカルベーパデポジット）などの方法により、電磁鋼板に局部的、特に表面部に添加してもよい。
【００７７】
また、本形態で説明する電磁鋼板は、整流子電動機の固定子を形成するティースとスロットとを有する鉄心に使用されることを前提とし、厚さが０.０８〜０.３０mmであり、ティースおよびスロットとがエッチング加工により形成されることが可能なものである。
【００７８】
幅が５０〜２００cmである電磁鋼板におけるエッチング加工は、鋼板にレジストを塗布し、ティースの形状およびスロットの形状を露光し、現像して、この形状に基づきレジストを除去し、エッチング液により加工し、エッチング液による加工後、残ったレジストを除去することで行われる。
【００７９】
整流子電動機では、低損失化が進展し、更なる高効率化，高性能化には、新たな材料技術が必要とされ、鉄心の材料である電磁鋼板についても、珪素鋼板に代表されるような磁束密度が高く、鉄損の低い材料の開発が進められている。
【００８０】
また、低鉄損化に有利とされる珪素鋼板の薄肉化については、珪素鋼板の圧延加工性の悪さや、鉄心を打ち抜く際のプロセスであるパンチング加工性の悪さから、工業規模で大幅なコスト増を伴わずに実現することは不可能とされてきた。このように、高効率・高性能の整流子電動機に使用する電磁鋼板として珪素鋼板を使用した場合、板厚０.５０mm と０.３５mmとが中心であり、永らく薄肉化の進展がなかった。
【００８１】
しかしながら、本形態では、パンチング加工を使用せず、エッチング加工を使用することにより、工業規模で大幅なコスト増を伴わずに、鉄心に用いる珪素鋼板の薄肉化を可能とし、低鉄損化を実現した。
【００８２】
本形態では、鉄心の低鉄損化を実現するために、鉄損の小さい珪素鋼板を使用すると共に圧延加工をも考慮した珪素含有量の調整，珪素鋼板の圧延加工をも考慮した板厚の薄肉化，鉄心の形状に形成するエッチング加工の適用，積層された鉄心を構成する一枚一枚の珪素鋼板の低鉄損化，珪素鋼板と珪素鋼板との間に形成される絶縁皮膜を考慮した鉄心としての低鉄損化を考慮する。
【００８３】
金型を用いた打ち抜き加工法であるパンチング加工では、切断部近傍に加工硬化層や、バリやダレ（以下「バリ等」と呼称する）と称される塑性変形層が形成され、残留歪や残留応力が発生する。パンチング加工時に発生する残留応力は、分子磁石の配列の規則性を破壊し、すなわち磁区を破壊し、鉄損を著しく増大させ、残留応力を除去するための焼鈍工程が必要となる。焼鈍工程は、鉄心の製造コストの更なる増加をもたらすことになる。
【００８４】
本形態では、こうしたパンチング加工を施さずに鉄心を形成するため、塑性変形層が形成されることもほとんどなく、残留歪や残留応力が発生することもない。従って結晶粒子の配列状態を乱すこともほとんど無く、分子磁石の配列、すなわち磁区の配列の損傷を防止でき、磁気特性であるヒステリシス特性の劣化を防止できる。
【００８５】
また、鉄心は、加工された珪素鋼板を積層して形成される。この珪素鋼板の残留歪や残留応力の発生を抑制することによって、鉄心としての磁気特性をさらに向上させることができる。
【００８６】
したがって、本形態に係る整流子電動機は、低鉄損化，高出力化，小型軽量化を実現することができる。また、この整流子電動機に使用する電磁鋼板は、エッジ部分にバリ等がほとんどない良好なものである。
【００８７】
バリ等は、塑性変形層の一つで、切断部に沿って、鋼板の平面方向から空間方向に鋭利に突出するため、電磁鋼板の表面に形成される絶縁皮膜を破り、積層される鋼板の間の絶縁を破壊する場合がある。
【００８８】
また、こうした鋼板を積層する場合には、バリ等によって、積層される鋼板の間に不要な隙間が作られるため、積層鉄心密度の増加が阻害され、その結果、磁束密度が低下する。磁束密度の低下は、整流子電動機の小型軽量化を阻害する。
【００８９】
電磁鋼鈑を積層後、鉄心を板厚方向に圧縮することで、バリ等を潰し、積層鉄心密度を向上させる方法が採られる場合もあるが、この場合、加圧圧縮によって残留応力が増加し、鉄損が増加する。さらに、バリ等による絶縁破壊の課題も残る。
【００９０】
本形態で説明する鉄心は、バリ等がほとんど発生しないため、加圧圧縮することもなく、積層鉄心密度を向上させることができ、また、絶縁破壊を起こすこともない。したがって、鉄損も低減することができる。
【００９１】
鉄心に用いる電磁鋼板としての珪素鋼板において、珪素の含有量として６.５ 重量％が、理論上、最も鉄損が低い。しかしながら、珪素の含有量が増えると圧延加工性やパンチング加工性が著しく悪くなる。このため、多少鉄損が高いものであっても、圧延加工性やパンチング加工性を考慮して、珪素鋼板における珪素の含有量として約３.０ 重量％が主流である。
【００９２】
本形態で説明する珪素鋼板は、板厚を０.３mm 以下と薄肉化することができるため、珪素の含有量を２.０重量％以下としても、鉄損が低いものである。
【００９３】
従来、板厚０.３mm 以下の薄肉化した珪素鋼板の製造には、圧延，焼鈍等の特別の工程が必要であったが、本形態で説明する珪素鋼板は、こうした特別の工程を必要としないため、薄肉化した珪素鋼板の製造コストも低減可能である。なお、鉄心の製造に関しては、パンチング加工を必要としないため、更なる製造コストの低減が可能である。
【００９４】
なお、鉄心の主力材料である珪素鋼板とは別に、極薄電磁材料として特殊な用途で限定的に使用される極めて高価なアモルファス材料が知られているが、アモルファス材料は、溶融金属を急速に凝固させ箔体として製造される特殊なプロセスを有するため、０.０５
mm厚程度またはこれ以下の超薄肉で３００mm幅程度の極少量の製造は可能であるが、これ以上の板厚や板幅の材料の製造は工業規模では不可能とされている。
【００９５】
このようにアモルファス材料は、硬く脆い材質で薄すぎるため、パンチング加工ができず、化学成分の制限から磁束密度が低いなどの理由のため鉄心の材料としては主力となり得ない。
【００９６】
本形態で説明する電磁鋼鈑は、このようなアモルファス材料とは異なり、結晶粒子を有するものである。
【００９７】
また、本形態における電磁鋼板は、低鉄損化に有利な薄肉化，歪の低減，高出力化，小型軽量化に有利な寸法精度の向上と、高磁束密度化に有利な鉄心積層密度の向上と、を同時に実現させるものでもある。
【００９８】
つまり、本形態によれば、低鉄損失と共に、高出力化，小型軽量化を実現できる鉄心を、提供することができる。
【００９９】
電磁鋼板の板厚と鉄損との関係を図３に示す。
【０１００】
板厚と鉄損との間には、図３より、板厚が厚くなれば厚くなるほど、鉄損が高くなるという関係があることがわかる。
【０１０１】
このうち一般的に用いられる珪素鋼板の板厚は、圧延加工やパンチング加工性を考慮して、０.５０mmと０.３５mmとの２種類である。
【０１０２】
鉄心の製造に広く用いられるこの２種類の板厚の珪素鋼板では、鉄損を低減するため、圧延と焼鈍とを施す必要がある。また、更なる薄肉化を実現するためには、対象となる鉄心の形状や大きさで繰り返す回数は異なるが、こうした圧延と焼鈍とを繰り返す必要がある。このように、一般的に用いられる珪素鋼板では、薄肉化を実現するために、圧延，焼鈍等の特別の工程を追加して製造する必要があり、製造コストが高くなる。
【０１０３】
本形態で説明する鉄心は、製造コストも低減でき、鉄心の加工上の課題も解決することができるため、工業規模での大量生産が可能となる。
【０１０４】
本形態では、０.０８〜０.３０mmの板厚の珪素鋼板を使用するものである。なお、好ましくは、０.１〜０.２mmの板厚の珪素鋼板を使用し、エッチング加工を用いて鉄心の形状を作製する。
【０１０５】
図３には、参考のためアモルファス材料の板厚の領域も示している。アモルファス材料は、溶融金属を急速に凝固させ箔体として製造される特殊なプロセスを有するため、0.05mm厚程度またはそれ以下の超薄肉の製造に適し、これ以上の板厚は急速な冷却が困難となるため、製造が難しい。また、板幅も３００mm幅程度の狭いものしか製造ができず、特殊な製造プロセスと相まって製造コストが著しく高くなる。
【０１０６】
また、磁気特性については、鉄損は低いが、磁束密度が低いという欠点がある。これは急冷に凝固させるため化学成分に制限があるためである。
【０１０７】
本形態では、このようなアモルファス材料を使用することなく、結晶粒子を有する珪素鋼板を使用する。
【０１０８】
次に、珪素鋼板の代表的な製造プロセスを示す。
【０１０９】
電磁鋼板に成り得る材料を製鋼する。例えば、Ｃが０.００５重量％、Ｍｎが０.２重量％、Ｐが０.０２重量％、Ｓが０.０２重量％、Ｃｒが０.０３重量％、Ａｌが０.０３重量％、Ｓｉが２.０重量％、Ｃｕが０.０１重量％を含有し、残部がＦｅと若干の不純物とからなる組成を有する鋼板材料を用いる。
【０１１０】
こうした鋼板材料を、連続鋳造，熱間圧延，連続焼鈍，酸洗，冷間圧延，連続焼鈍を施すことにより、板幅５０〜２００cm、ここでは特に板幅５０cm，板厚０.２mm の珪素鋼板を製造する。
【０１１１】
また、作製された珪素鋼板の表面に、鉄損を低減するため、さらに、４.５〜６.５重量％の珪素を形成してもよい。
【０１１２】
この後、厚さ０.１μｍ の有機樹脂の絶縁被膜コーティグを施し、珪素鋼板を製造する。
【０１１３】
場合によっては、特別な絶縁被膜コーティグの工程を用いずに、厚さ０.０１〜０.０５μｍの酸化被膜を作製してもよい。
【０１１４】
なお、ここで説明した絶縁被膜コーティグの工程は、鉄心を製造する際、エッチング加工の工程の後に施されることが好ましい。
【０１１５】
なお、珪素鋼板は、平板又はコイル状，ロール状に形成される。
【０１１６】
次に、鉄心の代表的な製造プロセスを示す。
【０１１７】
製造された珪素鋼板に前処理を施し、レジストを塗布する。このレジストに対して、マスクを用いてティースの形状およびスロットの形状を露光し現像する。この形状に基づきレジストを除去する。さらに、エッチング液により加工する。エッチング液による加工後、残ったレジストを除去し、所望のティースの形状およびスロットの形状を有する珪素鋼板を製造する。こうした製造には、例えばフォトエッチング加工が有効であり、金属マスクを用いた微細孔を精密に加工する方法を使用することも有効である。
【０１１８】
製造された所望のティースの形状およびスロットの形状を有し、鉄心の形状を有する珪素鋼板を複数枚積層し、溶接等を用いて積層された珪素鋼板を固定することにより、鉄心を製造する。なお、溶接に際しては、ファイバーレーザー等の入熱の少ない溶接を施すことが好ましい。
【０１１９】
なお、平板又はコイル状，ロール状に形成される珪素鋼板から、回転子鉄心および固定子鉄心を同時に採取することもでき、複数の形状の鉄心を同時に採取することも可能である。
【０１２０】
エッチング加工を用いて、ティースの形状およびスロットの形状を製造することによって、極めて高い加工精度、例えば、誤差として±１０μｍ以下、好ましくは±５μｍ以下で、所望の形状のティースおよびスロットを製造することが可能である。
【０１２１】
また、真円度で誤差を表現すると、３０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下である。なお、真円度とは、円形部分の幾何学的円からの狂いの大きさをいい、円形部分を二つの同心の幾何学的円で挟んだときの両円の間の領域が最小となる場合の半径の差をいう。
【０１２２】
また、ティースとスロットとを有する固定子鉄心の形状と、回転子鉄心の形状とを、同時にエッチング加工によって形成することも可能である。この場合、エッチング加工の加工精度が高いため、これらのギャップを０.１〜０.５mmとすることができる。
【０１２３】
図４に、珪素鋼板における珪素含有量と鉄損との関係を示す。
【０１２４】
図４に示すように、珪素含有量が６.５ 重量％の珪素鋼板が最も鉄損が少ない。しかしながら、６.５ 重量％と多量の珪素が、珪素鋼板に含有されている場合、圧延加工が難しく、所望の厚さの珪素鋼板の製造が困難になる。圧延加工性は、電磁鋼鈑に含有される珪素が多くなれば多くなるほど、悪化するという傾向にあるためである。こうした背景から、鉄損と圧延加工性とのバランスを考慮して、３.０ 重量％の珪素が含有されている珪素鋼板が用いられている。
【０１２５】
つまり、本形態では、珪素鋼板の板厚を薄肉化することにより、珪素鋼板の鉄損を低減し、珪素鋼板における珪素の含有量の鉄損に対する影響度を小さくする。
【０１２６】
したがって、本形態で説明する珪素鋼板は、圧延加工性が良好になると共に、板厚を薄肉化することにより、鉄損に影響度の大きい珪素鋼板における珪素の含有量の自由度が大きくなる。こうしたことから、珪素鋼板における珪素の含有量を、０.５〜７.０重量％の範囲とすることが可能であり、０.８〜２.０重量％と４.５〜６.５重量％との極端に異なる含有量を用いることもでき、鉄心の仕様または整流子電動機の用途によって、使い分けすることができるようになる。
【０１２７】
図５に、エッチング加工による代表的な加工断面形状を示す。
【０１２８】
珪素鋼板をエッチング加工することにより、酸液で溶解された加工断面近傍には、(ａ)に示すようにバリ等の塑性変形層は存在しない。加工断面を珪素鋼板の平面方向に対して、ほぼ垂直に形成することができる。
【０１２９】
図６に、先端的なフォトエッチング加工による加工断面形状を示す。図に示す、（ｂ）〜（ｄ）に示すように溶解部の形状の制御も可能である。また、（ｅ）に示すような、溶解部を垂直方向に一部残したハーフエッチングの形状とすることも可能である。つまり、所定のテーパーを形成することもできる。
【０１３０】
このように、エッチング加工された珪素鋼板は、その加工による残留応力がほぼ０であり、塑性変形層は、ほとんど存在せず、珪素鋼板の板厚方向に対する塑性変形量はほぼ０である。また、エッチング加工による加工断面近傍の塑性変形量もほぼ０である。
【０１３１】
さらに、加工断面において、珪素鋼板の加工断面の形状を制御することができ、加工による残留応力がほぼ０であり、加工断面近傍の塑性変形量もほぼ０である切断断面形状を形成することができる。
【０１３２】
また、こうしたエッチング加工を用いることによって、珪素鋼板の微細な結晶組織，機械的特性，表面部を最適化した状態で鉄心に適用することもできる。珪素鋼板の結晶組織の異方性や、これに基づく磁気特性の異方性を勘案して、鉄心の磁気特性の最適化を実現することもできる。
【０１３３】
図７に、パンチング加工による代表的な加工断面形状を示す。
【０１３４】
珪素鋼板をパンチング加工することにより、塑性加工時のせん断応力によって、加工断面近傍は著しく変形し、１０〜１００μｍ程度のバリ，ダレが形成される。
【０１３５】
また、珪素鋼板の平面方向の寸法精度についても、パンチング加工では金型の寸法精度で制限され、通常は珪素鋼板の板厚に対して５％前後のクリアランスでせん断されるため、珪素鋼板の平面方向の寸法精度は低下する。さらに、量産時には金型の損耗で経時的に精度が低下する等の課題もある。また、薄肉化された珪素鋼板ほどパンチング加工が困難となる。
【０１３６】
エッチング加工を適用する本形態では、こうした加工精度の課題も解決され、経時的な精度の低下も解消される。
【０１３７】
また、ティースの形状およびスロットの形状を所定のパターンを使用して露光するとき、電磁鋼板の圧延方向に関するマーク又は基準孔を設けることが好ましい。
【０１３８】
電磁鋼板を積層する場合、圧延方向に対して電磁鋼板が平均化されることが、整流子電動機の特性を向上させる上で必要である。例えば、圧延方向に対して、所定量，マーク又は基準孔の位置を変え、電磁鋼板を積層する際に、マーク又は基準孔の位置を揃えることで、整流子電動機としての磁気特性の向上を図ることが可能となる。
【０１３９】
以上のように、本発明によれば、界磁巻線の占有面積を十分確保させることにより、トルクを改善し、電機子反作用磁束を効果的に低減し、脈動トルクならびにパンチング加工による鉄損を低減した、高効率で高性能な整流子電動機を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の実施例を示す電気掃除機用電動送風機の半断面である。
【図２】本発明の整流子モータのＡ−Ａ断面図である。
【図３】電磁鋼板の板厚と鉄損との関係を示す図。
【図４】珪素鋼板における珪素含有量と鉄損との関係を示す図。
【図５】エッチング加工による代表的な加工断面形状と加工硬化状況を示す図。
【図６】エッチング加工による先端的な加工断面形状を示す図。
【図７】パンチング加工による代表的な加工断面形状と加工硬化状況を示す図。
【図８】整流子電動機の鉄損密度分布の説明図である。
【図９】本発明と従来例１，従来例２の整流子電動機における軸トルクならびに脈動トルクの比較図である。
【図１０】従来例１の整流子電動機のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】従来例２の整流子電動機のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１  固定子
２  電機子
３  固定子鉄心
４  シャフト
５  界磁巻線ａ
６  界磁巻線ｂ
７  電機子鉄心
８  主磁極
１０  電機子巻線
１５  空隙
２１ａ  反出力側軸受
２１ｂ  出力側軸受
３０ａ，３０ｂ  ブラシ装置
３１  カーボンブラシ
３２  ブラシ加圧用ばね
３５  整流子
４１  固定子スロット
４２  電機子スロット
４３  ティース
５０  ファン
５１  ディフューザ
６０  ハウジング
６１  ファンケーシング
６２  エンドブラケット
１００  電動送風機
【図１】
2008245346.tif 000003
【図２】
2008245346.tif 000004
【図３】
2008245346.tif 000005
【図４】
2008245346.tif 000006
【図５】
2008245346.tif 000007
【図６】
2008245346.tif 000008
【図７】
2008245346.tif 000009
【図８】
2008245346.tif 000010
【図９】
2008245346.tif 000011
【図１０】
2008245346.tif 000012
【図１１】
2008245346.tif 000013