(57)【要約】【課題】本発明の目的は高速回転時における整流子電動機の高効率化を図るとともに、整流の安定した整流子電動機を提供することにある。【解決手段】積層鉄心からなる界磁鉄心の内径と電機子鉄心の外径との間に形成されるギャップ幅を、界磁鉄心の極中央から１０度から２５度回転した範囲の位置のギャップ幅Ｇ１に対し、３５度から４５度回転した範囲の位置のギャップ幅Ｇ２がギャップ幅Ｇ１より小さく、５５度から６５度回転した範囲の位置に有する界磁鉄心のティース先端におけるギャップ幅Ｇ３はギャップ幅Ｇ２より大きくなるようにしたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対からなる界磁巻線を巻線した界磁鉄心と、前記界磁鉄心の内側に配置され電機子巻線をスロット内に収納する電機子鉄心とを積層鉄心で構成し、前記電機子鉄心の中央には出力軸を有する整流子電動機において、
界磁鉄心の内径と電機子外径の間に形成されるギャップ幅を、電機子反作用により生じる主磁束傾斜角と同等の角度を界磁鉄心の極中心から回転させた位置の第一のギャップ幅に対し、前記主磁束傾斜角と界磁鉄心のティース先端までの展弧角との略中間位置の第二のギャップ幅が前記第一のギャップ幅より小さく、界磁鉄心のティース先端における第三のギャップ幅は前記第二のギャップ幅より大なることを特徴とする整流子電動機。
【請求項２】
第一のギャップ幅とする主磁束傾斜角の位置を出力軸の中心からみて界磁鉄心の極中央から略１０度から２５度回転した範囲に位置し、第二のギャップ幅とする前記主磁束傾斜角と前記界磁鉄心のティース先端までの展弧角との略中間位置を前記界磁鉄心の極中央から略３５度から４５度回転した範囲の位置とし、第三のギャップ幅とする前記界磁鉄心のティース先端までの展弧角の位置を前記界磁鉄心の極中央から略５５度から６５度回転した範囲の位置としたことを特徴とする請求項１に記載の整流子電動機。
【請求項３】
界磁鉄心の極中央の電機子鉄心とのギャップ幅を、主磁束傾斜角の位置の第一のギャップ幅より小さくしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の整流子電動機。
【請求項４】
一対からなる界磁巻線と回転子の電機子巻線とを有し、界磁と前記電機子とを積層鉄心で構成する整流子電動機において、
界磁鉄心の外径ＤＦと電機子鉄心の外径ＤＡの比率ＤＡ／ＤＦを０．４４〜０．４６としたことを特徴とする整流子電動機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の整流子電動機を具備していることを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動送風機またはこれを搭載した電気掃除機等の電気機器に具備されている整流子電動機に係り、特に、効率を向上させ安定した整流を有する整流子電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の整流子電動機の鉄心形状を図６に示す。図において、Ｇ１ａは極中央から略１５度回転した位置での第一のギャップ幅、Ｇ２ａは極中央から略４０度回転した位置での第二のギャップ幅、Ｇ３ａは極中央から略６０度回転した位置の第三のギャップ幅である。
【０００３】
図６に示す界磁鉄心で構成される整流子電動機のギャップ幅は、極中央から離れるにつれてギャップ幅を拡大するようにギャップ幅Ｇ１ａよりギャップ幅Ｇ２ａが大きく、ギャップ幅Ｇ２ａよりギャップ幅Ｇ３ａが大きく、不等ギャップ幅となっている。
【０００４】
また、従来の整流子電動機のギャップ幅は、均一なものもあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
なお、界磁鉄心と電機子鉄心は同一鉄板から打ち抜くことができ、界磁鉄心は分割することなく１枚で構成されている。
【０００６】
次に、整流子電動機について、その動作について説明すると、界磁巻線に電圧が印加されるとブラシおよび整流子を介して電機子巻線に電流が流れ、界磁巻線によって生じる主磁束φｆと電機子巻線に流れる電流により回転トルクが得られている。
【０００７】
ただし、界磁巻線に流れる電流により発生する主磁束φｆは、電機子巻線の電流により発生する主磁束φｆとは約９０度向きの異なる磁束φａの影響により、磁極の中心に対し傾斜して流れる。
【０００８】
この傾斜は界磁鉄心のティース部の磁束密度を局部的に大きくするために主磁束が流れにくくなり、電源高調波電流の増加要因となり、また、電圧整流としての安定した整流が得られにくくなる要因となっていた。
【０００９】
さらに、電機子ティースの最大磁束密度も同時に増加するため電機子鉄損の増加となり効率低下要因となっていた。
【００１０】
従来このような主磁束φｆの傾斜に対しては、回転子回転方向の界磁ティースの鉄心断面積が反回転方向の界磁ティースより小さくなるように界磁スロット側の形状を変えて磁束密度に差が生じることへの改善例が示されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
また、固定子を巻線式とした電動機はその冷却条件等によって差は生じるが、界磁鉄心の外径ＤＦと界磁鉄心の内側に配置された電機子鉄心の外径ＤＡとの比率ＤＡ／ＤＦは、一般に略０．５に設定される。
【００１２】
これは、巻線の損失と鉄損の配分から電動機効率の高い鉄心形状が経験的に決まっており、この比率が適正であると考えられていたことによる。
【００１３】
しかし、整流子電動機においては、安定した整流を確保できるという条件を加味して適性比率を選択する必要がある。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭５７−７８７８号公報
【特許文献２】
特開２０００−９２７５５号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の整流子電動機においては、回転数増加とともに電機子鉄損や機械損が増加する。特に、電機子鉄心の渦電流損は回転数や磁束密度の１．６乗〜２乗で増加するため高速回転時の損失増加が著しく、電動機効率が低下しやすい。
【００１６】
また、界磁ティースの幅をスロット側へ拡大しても、電機子鉄心の磁束流れが傾斜することへの改善は少なく、略１５度回転した位置の電機子ティースの磁束密度が最も高く、磁束の集中化は改善されない。
【００１７】
また、高速回転は、整流子片がブラシと接触している間の整流作用の進む時間が短くなる。そのため、整流不充分な状態で転流末期を迎え、急速な電流変化が生じるため整流コイルに発生するリアクタンス電圧が大きくなり、ブラシから整流子片が離れる時にスパーク発生となりやすい。
【００１８】
さらに、回転軸の危険速度（共振周波数）に近い回転数となると電動機の振動が急激に増加し、安定した運転を継続することが困難となる。
【００１９】
これら課題が原因となり、高速回転時の効率や信頼性の低下を生じさせるため、高速回転時の効率を向上するために、鉄損の改善や整流の改善が強く求められている。
【００２０】
なお、電動送風機の効率を向上させるためにも、より高速回転の整流子電動機が求められる。すなわち、電機子鉄心と連結している出力軸の先端に取り付けられた遠心ファンが高速回転することで、ファン内の空気に遠心力が生じ、圧力上昇を得ることになるが、遠心ファンの性能を向上させるには高速回転が有効であり、これにより電動送風機のファン効率を高くすることができるためである。
【００２１】
したがって、電動送風機等への使用という観点においても、電動機の整流などの信頼性が確保される範囲において、極力、高速回転での運転が求められるとともに、高効率の整流子電動機が求められている。
【００２２】
本発明の目的は高速回転時における整流子電動機の高効率化を図るとともに、整流の安定した整流子電動機を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、上記目的を達成するために本発明の整流子電動機は、積層鉄心からなる界磁鉄心の内径と電機子鉄心の外径との間に形成されるギャップ幅を、界磁鉄心の極中央から１０度から２５度回転した範囲の位置の第一のギャップ幅に対し、３５度から４５度回転した範囲の位置の第二のギャップ幅が第一のギャップ幅より小さく、５５度から６５度回転した範囲の位置に有する界磁鉄心のティース先端における第三のギャップ幅は第二のギャップ幅より大きくなるようにしたものである。
【００２４】
また、本発明の整流子電動機は、界磁鉄心の極中央のギャップ幅を第一のギャップ幅より小さくしたものである。
【００２５】
さらに、本発明の整流子電動機は、界磁鉄心の外径ＤＦと電機子鉄心の外径ＤＡの比率ＤＡ／ＤＦを０．４４〜０．４６としたものである。
【００２６】
これにより、整流子電動機の高速化を進めるときに課題となる損失の増加、特に電機子鉄損の増加を改善するとともに、安定した整流状態を得ることが可能となり、高効率で信頼性の高い整流子電動機を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、一対からなる界磁巻線を巻線した界磁鉄心と、前記界磁鉄心の内側に配置され電機子巻線をスロット内に収納する電機子鉄心とを積層鉄心で構成し、前記電機子鉄心の中央には出力軸を有する整流子電動機において、界磁鉄心の内径と電機子外径の間に形成されるギャップ幅を、電機子反作用により生じる主磁束傾斜角と同等の角度を界磁鉄心の極中心から回転させた位置の第一のギャップ幅に対し、前記主磁束傾斜角と界磁鉄心のティース先端までの展弧角との略中間位置の第二のギャップ幅が前記第一のギャップ幅より小さく、界磁鉄心のティース先端における第三のギャップ幅は前記第二のギャップ幅より大なることを特徴としたものである。界磁巻線の電流によって発生する主磁束φｆは電機子巻線の電流によって発生する磁束φａの影響により界磁の極中央に対し傾斜して流れるが、この主磁束の傾斜は界磁鉄心や電機子鉄心のティース部の磁束密度を局部的に増加させるが、第一のギャップ幅を第二のギャップ幅より大とし界磁鉄心から電機子鉄心までの起磁力に差を設けることにより、電機子ティースに流れる磁束が集中することなく分散され、電機子鉄心へ流れる磁束量が均等化され、回転電機子ティースの最大磁束密度は抑制しつつ総磁束量を増加させることが可能となる。
【００２８】
請求項２に記載の発明は、一対からなる界磁巻線を巻線した界磁鉄心と前記界磁鉄心の内側に配置され電機子巻線をスロット内に収納する電機子鉄心とを積層鉄心で構成し、前記電機子鉄心の中央には出力軸を有する整流子電動機において、界磁鉄心の内径と電機子外径の間に形成されるギャップ幅が、出力軸からみて界磁鉄心の極中央から略１５度回転した位置の第一のギャップ幅に対し略４０度回転した位置の第二のギャップ幅が第一のギャップ幅より小さく、略６０度回転した位置の界磁鉄心のティース先端における第三のギャップ幅は第二のギャップ幅より大なることを特徴としたものである。界磁巻線の電流によって発生する主磁束φｆは電機子巻線の電流によって発生する磁束φａの影響により界磁の極中央に対し略１５度に傾斜して流れ、この主磁束の傾斜は界磁鉄心や電機子鉄心のティース部の磁束密度を局部的に増加させるが、このように、特に磁束密度が高くなる極中央から略１５度回転した位置の電機子鉄心ティースの磁束分布を均等化することが可能であり、回転電機子ティースの最大磁束密度は抑制しつつ総磁束量を増加させることができる
請求項３に記載の発明は、界磁鉄心の極中央の電機子鉄心とのギャップ幅を、第一のギャップ幅より小さくしたことを特徴としたものである。界磁巻線の電流によって発生する主磁束φｆは電機子巻線の電流によって発生する磁束φａの影響により界磁の極中央に対し略１５度に傾斜して流れるが、この主磁束の傾斜は界磁鉄心や電機子鉄心のティース部の磁束密度を局部的に増加させるが、第一のギャップ幅を第二のギャップ幅より大とし界磁鉄心から電機子鉄心までの起磁力に差を設けることにより、電機子ティースに流れる磁束が集中することなく分散される。また、界磁ティースの磁束密度大となりやすい範囲の鉄心断面積が大きくなるため磁気抵抗の増加を抑制でき総磁束量が増加するとともに、界磁ティース先端の磁束も印加電圧の変化に追随した応答が可能となるため安定した電圧整流が可能となる。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、一対からなる界磁巻線を巻線した界磁鉄心と、前記界磁鉄心の内側に配置され電機子巻線をスロット内に収納する電機子鉄心とを積層鉄心で構成する整流子電動機において、界磁鉄心の外径ＤＦと電機子鉄心の外径ＤＡとの比率ＤＡ／ＤＦを０．４４〜０．４６としたことを特徴とした整流子電動機であり、電機子の磁気抵抗が大きくなり電機子巻線に流れる電流により発生する磁束量を抑制することが可能であり、磁束流れの傾斜が小さくなり界磁ティースや電機子ティースに生じる磁束集中による磁束密度増加を抑制することができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の整流子電動機を具備していることを特徴とする電気機器である。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の具体例について図面を参照し説明する。
【００３２】
（実施例１）
図１は本発明の一実施例に係る整流子電動機の鉄心形状を示すものである。図１において、Ｇ０は界磁極中心のギャップ幅、Ｇ１は極中央より略１５度回転させた位置での第一のギャップ幅、Ｇ２は極中央より略４０度回転させた位置での第二のギャップ幅、Ｇ３は略６０度回転させた界磁ティース先端近辺での第三のギャップ幅である。
【００３３】
ここで、ギャップ幅Ｇ１の選定について説明する。図２は、ギャップ幅Ｇ１の配置角と電機子鉄損の関係を示すものである。これによれば、ギャップ幅Ｇ１の配置角度を１５度で最も低い電機子鉄損となっていることが分かる。ただし、実用上１０度から２５度の範囲であれば問題となることはない。
【００３４】
界磁鉄心の内径と電機子外径の間に形成されるギャップ幅を、電機子反作用により生じる主磁束傾斜角と同等の角度を界磁鉄心の極中心から回転させた位置、すなわち、極中心から反回転方向略１５度回転させた位置でギャップ幅Ｇ０より大きいギャップ幅Ｇ１となるように拡大している。また、ギャップ幅Ｇ１に到達した所から均等なギャップ幅となるように界磁鉄心をＲ形状とし、その後、任意の位置から界磁ティース形状を直線とし極中心から反回転方向略４０度回転させた位置のギャップ幅を、ギャップ幅Ｇ１より小さいギャップ幅Ｇ２となるように縮小している。
【００３５】
さらに、反回転方向に移動するにつれギャップ幅は拡大し、略６０度回転させた位置でギャップ幅Ｇ２より大きいギャップ幅Ｇ３となるようにし、その後、界磁ティース先端に向け順次ギャップ幅を拡大している。
【００３６】
すなわち、ギャップ幅は極中心から反回転方向に拡大、縮小、拡大、拡大している。具体的には、ギャップ幅Ｇ０を１．０、ギャップ幅Ｇ１を１．４、ギャップ幅Ｇ２を１．０、ギャップ幅Ｇ３を１．４に設定している。
【００３７】
ここで、上記構成を有する整流子電動機の具体的効果について説明すると、電機子鉄損は入力１１００ｗのとき、従来は３５ｗであったものが、本実施例の整流子電動機によれば２１ｗに低減することができた。
【００３８】
なお、界磁ティース形状は、各角度位置において上記所定のギャップ幅を順次（滑らかに）変更させることで確保していればよく、各角度位置間における界磁ティース形状に拘泥するものではない。すなわち、当該間がＲ形状と直線形状により形成、若しくは直線形状により形成されていてもよい。
【００３９】
また、回転方向におけるギャップ幅については何ら拘泥するものではなく、例えば、所定の均等な幅若しくは反回転方向に対して対称であってもよい。
【００４０】
（実施例２）
電機子電流による磁束φａの影響で生じる主磁束φｆの傾斜は磁束密度の局部的な集中を生じさせるが、電機子電流による磁束φａは電動機の回転トルク発生に寄与するものではないため、抑制されることが望ましい。
【００４１】
電動機全体の起磁力に対し電機子起磁力が大きい場合、つまり電機子鉄心の磁気抵抗が大の場合には主磁束φｆに対しφａが小さくなるため主磁束の傾斜が小さくなる。電機子鉄心のティース幅を細くすることで電機子鉄心の磁気抵抗は増加するため、電機子鉄心の外径ＤＡを小さくしなくても磁束の傾斜抑制は可能であるが高速回転とする場合には、さらに出力軸の機械的強度を高くする必要があり、電機子鉄心の軽量化が出力軸の危険速度の向上となるため、この両立を可能とするには電機子鉄心の外径比率を小さくすることが望ましい。
【００４２】
鉄心外径比率を小さくすると必然的に電機子ティースの幅やスロット断面積が小さくなり、電機子磁気抵抗や電機子巻線抵抗が大きくなる。この磁気抵抗や巻線抵抗の界磁と電機子との分配比率はブラシ寿命と相関があり、この分配比率の適正が鉄心外径比率と連動している。したがって、鉄心外径比率を指標にとることで整流子電動機の鉄心形状を用途に合わせて適正なものとすることができる。
【００４３】
図３は鉄心外径比とブラシ寿命または電機子銅損との関係を示すものである。ここで、ブラシ寿命は鉄心外径比０．４６で約６００時間を確保することができる。
【００４４】
また、電機子銅損は鉄心外径比０．４４を超えると急激に増加していることが分かる。これは、鉄心外径比率を小さくしていくと電機子のスロット断面積や電機子ティースが大きくできないため、鉄損や銅損の増加を招くことが原因である。
【００４５】
なお、鉄心外径比とは、界磁鉄心外径ＤＦと電機子鉄心外径ＤＡ（図１参照）との比率であり、具体的には電機子鉄心外径ＤＡをφ３４．２、界磁鉄心外径ＤＦをφ７７とした場合、鉄心外径比率ＤＡ／ＤＦは、０．４４となる。
【００４６】
ここで、上記構成を有する整流子電動機の具体的効果について説明すると、銅損は従来７７ｗであったものが、８１ｗに増加するが、上記実施例１における整流子電動機構成を有する構成とすれば、鉄損と銅損の合計損失を１０ｗ低減しつつ、整流を安定させブラシ寿命時間を５００時間であったものが６００時間にまで長くすることができた。
【００４７】
以上、鉄心外径比率ＤＡ／ＤＦを、０．４４〜０．４６の値に設定することが、電動送風機に使われる整流子電動機としては適正となる。
【００４８】
（実施例３）
図４は本発明の整流子電動機を備えた電動送風機を示すものである。
【００４９】
整流子電動機は、界磁巻線５に電圧が印加されるとブラシ３および整流子４を介して電機子巻線６に電流が流れ、界磁巻線５によって生じる主磁束φｆと電機子巻線６に流れる電流により回転トルクが得られる。
【００５０】
界磁２内に回転自在に取り付けられた電機子１が回転することにより、電機子１の出力軸７の先端部に取り付けられた遠心ファン８が回転し、遠心ファン８から吸い込まれた空気がエアガイド９を介して電動機内に導いた後に外に排出する構成となっている。
【００５１】
図５は当該電動送風機を本体５４に搭載した電気掃除機を示すものである。電気掃除機は吸込み口５０からホース５２を介して塵埃を含んだ空気を吸引するが、その吸引力は整流子電動機の出力軸７に取り付けられた遠心ファン８を回転させることで得ている。なお、高い吸引力を得るため遠心ファン８を高速回転させる必要があるため、高速回転が容易な整流子電動機が用いられている。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願請求項１に記載の発明によれば、電機子反作用により生じる主磁束傾斜角と同等の角度を界磁鉄心の極中央から順次ギャップ幅を大きくした後、回転方向に移動するにつれて次第にギャップ幅が小さくなるようにしたため、電機子鉄損は大きく低減できるとともに最大磁束量発生時の起磁力が低減されるので、電源高調波電流の発生を低減できるため整流作用が改善されるという有利な効果が得られる。
【００５３】
請求項２に記載の発明によれば、電機子鉄損は大きく低減でき、さらに最大磁束量発生時の起磁力が低減されるという有利な効果が得られる。
【００５４】
請求項４に記載の発明によれば、整流作用の改善に寄与することが可能で、整流安定化と効率維持の両立ができる。さらに、界磁鉄心外周と電動機胴周りのブラケットとの間に形成される空間が、電動送風機としての通風路断面積の主要を占めるため、鉄心外径比率を小さくしていくと通風路断面積の確保がしやすい。さらに、請求項１とともに実施すると効率の向上と整流安定化を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による整流子電動機の界磁鉄心および電機子鉄心を示す図
【図２】本発明の一実施例による整流子電動機の第一のギャップ幅の配置角に対する電機子鉄損の相関を示す図
【図３】本発明の一実施例による整流子電動機の鉄心外径比に対するブラシ寿命と電機子銅損の相関を示す図
【図４】本発明の整流子電動機を搭載した電動送風機の半断面図
【図５】本発明の整流子電動機を搭載した電動送風機を備える電気掃除機を示す図
【図６】従来の整流子電動機の界磁鉄心および電機子鉄心を示す図
【符号の説明】
１  電機子
２  界磁
３  ブラシ
４  整流子
５  界磁巻線
６  電機子巻線
７  出力軸
８  遠心ファン
９  エアガイド
Ｇ０  極中央のギャップ幅
Ｇ１  極中央から略１５度回転位置の第一のギャップ幅
Ｇ２  極中央から略４０度回転位置の第二のギャップ幅
Ｇ３  極中央から略６０度回転位置の第三のギャップ幅
ＤＦ  界磁鉄心外径
ＤＡ  電機子鉄心外径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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