(57)【要約】【課題】  半導体スイッチで制御される電動送風機における回転子の耐遠心力強度を高め、小型高効率の超高速電動送風機を得る。また、制御回路部のスペースの縮小、及びコスト低減を図る。【解決手段】  回転子にスリップリング及び位置検出リングを設け、多スロットの鉄心に重ね巻き巻線を施しバランス良好で耐遠心力に優れた回転体となし、固定子巻線は１または２個のコイルにより一極対の磁極を生成する如くし、位置検出センサーリングに当接されたブラシの電圧信号によって、パワースイッチを開閉制御する。【選択図】  図１
2005318778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電ブラシによりスリップリングを介して励磁電流が供給される回転子巻線と磁極位置検出用のセンサーブラシが当接される電極片付きリングとを有する回転子と、２極の磁極及び固定子巻線を有する固定子と、該固定子を保持し主風路となる筐体と、回転軸に取り付けられた遠心ファンを有する電動送風機において、前記固定子の２磁極間を繋ぐ継鉄の内壁部に永久磁石を固定し、前記回転子の磁極位置検出ブラシの信号により半導体スイッチを断続させ、回転子巻線及び固定子巻線の通電電流を制御する如くしたことを特徴とする電動送風機。
【請求項２】
前記回転子巻線と前記固定子巻線は直列接続とし、１個の半導体スイッチにより断続制御し、且つ、前記回転子巻線を単独に励磁する起動手段を具備せしめたことを特徴とする請求項１記載の電動送風機。
【請求項３】
前記固定子巻線は２種の互いに異なる巻き方向巻線となし、ともに前記回転子巻線と直列接続して２個の半導体スイッチにより制御し、且つ、前記回転子巻線を単独に励磁する起動手段を具備せしめたことを特徴とする請求項１記載の電動送風機。
【請求項４】
車両エンジン用の過給器として使用したことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１記載の電動送風機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、電気掃除機などに用いるための小型軽量を可能にした超高速回転の電動送風機に関する。
【背景技術】
【０００２】従来は電気掃除機などに用いられる電動送風機には、ユニバーサルモータが主流として用いられてきているが、このモータでは整流子とブラシによって電機子電流を整流している為に、ブラシ寿命が短くなり、５万ｒｐｍ回転を超える高速化や、２００Ｖ系の高電圧駆動時や、２ｋｗに近い大容量化の際に、使用が困難となってきている。そのため、最近では、半導体制御による同期モータ、特に３相ブラシレスＤＣモータが用いられるようになってきている。このモータは長寿命であるが、回転子には永久磁石が用いられているため、高速化には依然として限界がある。
【特許文献１】特許２８２３８１７の永久磁石埋め込みモータには、電機子鉄心に磁石を埋め込む構造が開示されているように、回転子の強度は強化されたタイプも出来ているがその強度はまだ不十分である。また従来、回転位置の検出にはホールＩＣが用いられ、その駆動制御回路には専用ＩＣを利用した３相インバータ回路が多く用いられている。更にまた、固定子鉄心は内周に多数のスロットを形成して分布巻線とされ、回転子と固定子間のギャップには冷却風が通過しにくい構造となっている。また、駆動制御回路には平滑コンデンサが必要で大きなスペースが必要となり高コストとなっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】このような同期モータを高速回転で使用した半導体制御モータにあって、小型軽量化を図るため高速回転化の設計を進めると、回転子が永久磁石を有する構造のため、耐遠心力強度が不足してしまう問題点があった。また、ブラシレスＤＣモータの駆動制御回路は複雑であるため、収納スペースが大きくなり小型軽量化に反し、且つ高価であるという問題があった。さらにまた、回転位置検出に用いられるホールＩＣは使用電圧が低いため、主電源と別の低電圧電源を設けてモータ内に供給することが必要となり、スイッチングノイズなどの外部ノイズの影響を受け易いという問題があった。更に固定子と回転子間のギャップには冷却風路がなく、送風効率を低下させる点や巻線の電流密度を高めて小型化し材料費の低減を図る点で問題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】本発明は、上記した半導体制御モータの持つロータ強度や冷却効果、センサの欠点を解決するためになされたものであり、その課題とする所は、回転子はスリップリングと給電・受電ブラシを介して回転子巻線にＤＣ電流を流し遠心力によって破壊されることのない構造とすると同時に、回転子鉄心を等ピッチ等形状の多スロットにし、重ね巻き巻線として良好な回転子バランスを得ることができるようにすると共に、耐遠心力強度を向上するものである。また固定子巻線は回転子巻線と直列に接続して１個の半導体スイッチの断続のみで加速する期間と蛇行運転期間を設けてなるものである。これにより駆動回路を小型で安価にすると共に、より高速回転のモータとすることが出来る半導体制御モータを利用した電動送風機を得ること、さらに、車輌用過給器に適した電動送風機を得ることを目的とする。【０００５】このため請求項１記載の発明は、給電ブラシによりスリップリングを介して励磁電流が供給される回転子巻線と磁極位置検出ブラシが当接される電極片付きリングとを有する回転子と、２極の磁極及び固定子巻線を有する固定子と、該固定子を保持し主風路となる筐体と、回転軸に取り付けられた遠心ファンを有する電動送風機において、前記固定子の２磁極間を繋ぐ継鉄の内壁部に永久磁石を固定し、回転子磁極位置を検出する位置検出ブラシの信号と半導体スイッチにより、回転子巻線及び固定子巻線の通電電流を制御する如くしたことにある。【０００６】請求項２記載の発明は、前記回転子巻線と前記固定子巻線は直列接続とし、１個の半導体スイッチにより制御し、且つ、前記回転子巻線を単独に励磁する起動手段を具備せしめた請求項１記載の電動送風機としたことにある。【０００７】請求項３記載の発明は、前記固定子巻線は２種の互いに異なる巻き方向としてともに前記回転子巻線と直列接続して２個の半導体スイッチにより制御し、且つ、前記回転子巻線を単独に励磁する起動手段を具備せしめたことを特徴とする請求項１記載の電動送風機としたことにある。【０００８】請求項４記載の発明は、回転子としてスリップリングを有する多スロットコアに巻線を施す方式として、１０万ｒｐｍ以上の超高速回転も可能な構造とした請求項１乃至３記載のいずれか１つの電動送風機を、自動車、バイク等の車輌用のエンジンに用いる過給器用の電動送風機としたことにある。
【発明の効果】
【０００９】請求項１記載の電動送風機の発明は、スリップリングを介して励磁電流を供給する回転子巻線構造としているので、耐遠心力性の高い、強固な回転体が得られ、より小型で高速の電動送風機とすることが出来る効果がある。また、固定子は通風冷却効果が良好な構造としているので、巻線の導体径を細くでき銅重量が減少すると共に、効率を高めるという効果が得られる。更に又、回転子の全スロットには均一にコイルを巻かずに、励磁効果の大きい部分巻方式を採用することが出来るので、発熱の抑制と冷却風路の確保に効果が得られる。【００１０】更に又、請求項１記載の電動送風機の発明は、回転子の磁極位置検出ブラシを設け、該磁極位置検出ブラシの電位信号により固定子巻線または回転子巻線への通電電流を制御するので、ユニバーサルモータのようなブラシ磨耗は発生せず、安価な手段で、モータ容積を増大させることなく収納でき、長寿命の電動送風機とする効果がある。また、ノイズによる誤動作に関しては、ホールＩＣとは桁違いの安定した信号が得られるため、暴走や脱調を起す心配がないという効果がある。【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動送風機において、最も安価で経済性に優れた、省スペースの回路により駆動できる電動送風機とすることができ、ノイズに強く誤動作のない信頼性の高い長寿命の電動送風機とすることができる効果がある。【００１２】請求項３記載の発明は、請求項１記載の電動送風機において、前記固定子巻線は、２個のトランジスタに接続されて励磁されるものであるので、パワートランジスタに加わる逆起電圧が小さくでき、最大電流を半減でき、より安価な低耐圧のパワートランジスタの採用が可能になる。また、回転が滑らかとなり、振動が低減され、高速時の運転効率を高め、より高速の運転が可能になる効果がある。【００１３】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３記載の電動送風機においては、回転速度を毎分１０万回転前後とした電動送風機とすることができるので、自動車やバイクなどの車輌用として、経済性に優れた超小型の過給器とすることができ、従来のターボチャージャーのような低回転域の過給効果が低下するという欠点が解消される効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１５】図１は片側半分を縦方向で断面した本案の電動送風機である。図２は固定子磁極と固定子巻線及び主回路パワートランジスタを示す平面図である。図３は回転子の側面図である、図４は電極ブラシ及びブラシホルダを示す平面図である。図１において、固定子２は円筒ケーシング６ａの内部に収納固定されている。前記固定子２の内部には回転子３が収納され、回転軸９の両端がケーシング６ａ，６ｂの中央部に取り付けられた軸受８ａ，８ｂに回転自在に軸支されている。前記回転軸９の先端部には遠心ファン７が取付けられ、矢印に示すＡ点からＢ点に到る風路が形成されている。前記回転子８には電極片付きリング３２ｃが一体的に設けられたスリップリング３２が設けられている。また、正極ブラシホルダ１０と負極ブラシホルダ１１及びセンサーホルダ４０によって、夫々正極ブラシ３３と負極ブラシ３４、及び図４と図５に示すセンサーブラシ４３ａ，４３ｂが当接されている。【００１６】前記固定子２は、図２の固定子巻線結線図に示すように集中巻線の２極の磁極構造とされ、筐体の円筒ケーシング６ａとの間及び回転子３との間に十分な冷却風の通路が形成される構造とされている。前記回転子３は図３に示す如く、多数のスロットを有する鉄心１２と巻線３９とスリップリング３２（正極スリップリング３２ａ，負極スリップリング３２ｂ）とセンサーリング３２ｃを有し、主軸９に固定されている。前記センサーリング３２ｃは、正極ブラシ３３が当接される正極スリップリング３２ａと金属部分が一体化され、前記負極スリップリング３４と共に樹脂成型によって前記スリップリング３２とされて一体に組立てられている。前記正負スリップリング３３，３４からは夫々正極タング３７と負極タング３８が引き出され、重ね巻の回転子巻線５が巻装されている。なお、本実施例ではセンサーリングはスリップリングと一体構造としているが、別体の構造としても良いものである。【００１７】前記センサーホルダ４０は、図４に示す如く、ホルダー基板４１にホルダーメタル４２が取付けられた構造とされ、該ホルダーメタル中にセンサーブラシ４３ａが取付けられている。前記回転子３が回転すると、前記センサーブラシ４３ａは正極スリップリング３３と一体化されたセンサーリングの金属部３２ｃと当接されたとき、プラス電位となり、これを分圧して方形波電圧信号が得られる構造の場合を一例として示している。また、直接センサーリング電圧とスリップリング電圧を比較し、コンパレータ等で同電位か否かを判別し磁極位置信号として使用しても良い。【００１８】次に、図６に示す本発明電動送風機の駆動回路図と、図８に示す回転原理説明図により、回転動作を説明する。図６の制御回路図は、前記回転子巻線５と前記固定子巻線４が直列接続されるように結線されている。前記固定子巻線４の一端にはＦＥＴのパワートランジスタＴｒ１が接続され、さらに低抵抗Ｒ１が接続されて接地されている。前記センサーブラシ４３ａにより正電圧が検出されると、センサーブラシ回路において適当な電圧レベルの正電圧とされ、主駆動回路のＴｒ５をオンする。すると、Ｔｒ４オフ、Ｔｒ２オンとなり、パワートランジスタＴｒ１が導通状態となる。また、抵抗Ｒ１の電圧が、コンパレータＩＣ１によってＲ２２の電圧と比較される。もし、許容電流以上の過大電流が流れた場合は、前記コンパレータＩＣ１の出力電圧がハイとなり、Ｔｒ４をオンし、従ってＴｒ３をオンとしてパワートランジスタＴｒ１をオフする働きを持つ過電流制限回路が設けられている。【００１９】図８は本発明電動機の回転子と固定子の相対位置を示した回転原理説明図である。本発明電動機のセンサーブラシ出力は、前記回転子３の回転に伴って、前記回転子３と同じ角度だけ回転してハイとロー信号を出力する。先ず、回転子が図８の（ａ）に示す固定子と回転子磁極の相対関係位置にある場合から説明する。この位置では、センサーブラシ４３ａが正電圧を検知し、前述したように主駆動回路のトランジスタＴｒ４，Ｔｒ３がオンして、前記パワートランジスタＴｒ１が導通して、回転子は反時計方向の強いトルクを発生する。図８（ｄ）の相対位置の直前まで加速回転され、前記センサーブラシ４３ａの電圧が得られなくなると、パワートランジスタＴｒ１はオフしてトルクの発生が起こらない状態に移る。しかし、回転子は慣性力による蛇行運転により回転を続け、図８（ｅ）→（ｈ）を経て再び図８（ａ）の状態となって、再度加速が開始される。このように、初期位置が（ａ）から（ｃ）の状態にあるときに起動される場合には、図６に示す起動回路（１）と（２）共にＴｒ６とＴｒ７がオンするため、コンデンサＣ１とＣ２がショート状態とされ、この起動回路は動作しない状態となっている。【００２０】次ぎに、回転子３が図８（ｄ），（ｅ）及び（ｆ）の直前の状態にある場合について説明する。この相対関係位置では前記センサーブラシ４３ａはハイ電圧を検出しないので、パワートランジスタＴｒ１はオフ状態のままである。この場合は、図６の駆動回路図の起動回路（１）が動作して、固定子継鉄内壁に固定されている永久磁石５０ｎ，５０ｓと回転子磁界との相互作用によって、回転子３は、図８（ｄ），（ｅ）ともに反時計方向に、前記センサーブラシ４３ａが正電圧を検知できる位置まで回転する。次いで、前述した主駆動回路の動作によりパワートランジスタＴｒ１が導通して、正規の反時計方向へ連続的に回転する。前記起動回路（１）では、交流電源が接続されると、ダイオードブリッジによって整流された脈動電圧が抵抗Ｒ１１とＲ１２によって分圧されて低電圧とされ、Ｒ１３とＣ１の時定数で定まる時間遅れによりＳＣＲが導通して、回転子巻線５にＲ１０によって制限された電流が流れるようにされている。【００２１】次ぎに、回転子３が図８（ｆ）の状態にある場合について説明する。この場合には、前記起動回路（１）が動作して、回転子巻線５に電流が流されても、前記永久磁石５０ｎ，５０ｓとは互いに吸引安定状態の位置にあるため、静止したままとなる。そのため、起動回路（２）が設けられている。該起動回路（２）では、脈動電圧が分圧されて、低電圧とされて、コンデンサＣ４で平滑された電圧によって、時間遅れが与えられた電流がダイオードＤ２を介して主駆動回路のトランジスタＴｒ５のベースに加えられ、Ｔｒ４をオフし、Ｔｒ３をオンして、パワートランジスタＴｒ１を、短時間、導通させるように動作する。このとき固定子巻線による磁界と回転子巻線電流の作用によって、回転子３は時計方向に回転し、センサーブラシ４３ａに正電圧が検知される位置まで達すると、前述した動作によて正規の反時計方向回転に移行する。【００２２】次ぎに、回転子３が図８（ｇ）の状態にある場合について説明する。この場合には、前述した起動回路（１）による動作で、回転子巻線５に電流が流されると、短時間逆回転されて、センサーブラシ４３ａの信号検出可能な位置に達する。パワートランジスタＴｒ１は導通状態となり正規連続回転に移行する。次ぎに、回転子３が図８（ｈ）の状態にある場合について説明すると、回転子巻線５と永久磁石５０ｎ，５０ｓの相互作用によって、短時間逆回転されて、センサーブラシ４３ａの信号検出可能な位置に達する。パワートランジスタＴｒ１は導通状態となり正規連続回転に移行する。ここに前記永久磁石５０ｎと５０ｓは、必ずしも２つ必要とせず、また、図８に示すように中心線にたいして互いに対称の位置に置かず、一方または両方を回転方向にずらせて設置しても良い。更に又、このような起動時の時間遅れによるロジックはマイコンによって容易に作り出せることは明らかである。
【実施例２】
【００２３】本発明の実施例２を図７の制御回路図により説明する。回転子には、図５に示すセンサーブラシ４３ａと４３ｂの２個のブラシが設けられ、夫々の検出電圧に対応して、主駆動回路を動作させて、回転子巻線５と固定子巻線４ａまたは４ｂを励磁するものとされている。固定子磁極には、バイファイラ巻線により２本の巻線が施されて、互いに逆方向磁界を発生するように結線されて４ａと４ｂが設けられ、回転子巻線５と共にパワートランジスタＴｒ１０またはＴｒ１１に直列接続されている。回転原理は、第１の実施の形態で示したと同様に、センサーブラシ信号の得られない位置に停止している場合には、図７中の起動回路による動作で、回転子巻線のみに通電し、小回転させた後、センサーブラシ４３ａまたは４３ｂの信号によって、正規の回転を行わせるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２４】本発明の活用例として自動車の起動時に使用される過給器に利用すると極めて有効である。従来のターボチャージャーでは直流機が用いられて１万ｒｐｍ回転が上限であったが、本電動送風機を使用すれば１０万ｒｐｍ回転が可能となり、超小型で動力向上が容易に達成される新過給器が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明における電動送風機の全体の構造を示す部分縦断面外形図である。
【図２】第１実施例の固定子磁極と、固定子巻線を示す平面図である。
【図３】スリップリングとセンサーリングを有する回転子を示す側面図である。
【図４】第１実施例のセンサーブラシ及びセンサーホルダを示す平面図である。
【図５】第２実施例のセンサーブラシ及びセンサーホルダを示す平面図である。
【図６】第１実施例の制御回路図である。
【図７】第２実施例の制御回路図である。
【図８】本発明における回転原理説明図である。
【符号の説明】
【００２６】１：電動送風機
２：固定子
３：回転子
４：固定子巻線
５：回転子巻線
６ａ，６ｂ  ケーシング
７  遠心ファン
８ａ，８ｂ  軸受
１０  正極ブラシホルダ
１１  負極ブラシホルダ
２０，２１  固定子磁極
３２  スリップリング
３２ａ  正極スリップリング
３２ｂ  負極スリップリング
３２ｃ  電極片付きリング
３３  正極ブラシ
３４  負極ブラシ
４０：センサーホルダ
４３ａ，４３ｂ：センサーブラシ
５０ｎ，５０ｓ  永久磁石
【図１】
2005318778.tif 000003
【図２】
2005318778.tif 000004
【図３】
2005318778.tif 000005
【図４】
2005318778.tif 000006
【図５】
2005318778.tif 000007
【図６】
2005318778.tif 000008
【図７】
2005318778.tif 000009
【図８】
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