JP4666526B2 - 整流子電動機及び電気掃除機 - Google Patents

Description

この発明は、主に電気掃除機等に搭載される電動送風機に用いられる整流子電動機に関するものである。

電気掃除機等に搭載される整流子モータの電機子鉄心の鉄損低減を達成しながら、励磁電流増加を抑えた高効率な整流子モータを得るために、固定子鉄心は高磁束密度領域においても磁化特性の劣化が少ない材質で構成し、電機子鉄心は少なくとも中磁束密度領域まで磁化特性の劣化が少なく、鉄損特性の良好な材質で構成し、両者を組合わせて構成する整流子モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、巻線用のスロットを形成した一対の極部を備える界磁鉄心と、極部に巻かれて巻線を有する界磁組立体と、略毎分３００００〜４００００回転の回転速度で回転する電機子とを備え、電機子を構成する電機子鉄心の電気鉄板の材質を界磁鉄心の材質よりケイ素量を多くし低鉄損にするとともに、界磁鉄心をヨーク部で分割することで、電動機の効率の低下を少なくしながら、材料費を低減させる整流子電動機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−５７８４９号公報 特許第３５５０７９７号公報

前記特許文献１に提案されている従来の整流子モータでは、固定子鉄心と電機子鉄心とを互いに異なる材質で構成し、電機子鉄心を低鉄損の材質で構成しているが、空隙近傍の電機子鉄心に近い固定子鉄心表面に発生する鉄損を低減することができないという課題があった。

また、前記特許文献２に提案されている別の整流子電動機でも同様に、空隙近傍の電機子鉄心に近い界磁鉄心表面に発生する鉄損を低減することができない課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高効率かつ低価格な整流子電動機及びそれを用いた電気掃除機を提供することを目的とする。

この発明に係る整流子電動機は、界磁鉄心に界磁巻線を施した界磁と、界磁鉄心の内側に配置され、電機子鉄心のスロット内に電機子巻線を施した電機子と、電機子巻線に連結された整流子と、整流子に接しながら電力を供給するブラシと、電機子鉄心の中央に出力軸を有する整流子電動機において、界磁鉄心は界磁歯部と界磁継鉄部に分割され、界磁歯部及び電機子鉄心は同一の材質で構成されると共に、界磁継鉄部は界磁歯部及び電機子鉄心と異なる材質で構成されることを特徴とする。

この発明に係る整流子電動機は、上記構成により、界磁鉄心の空隙近傍の鉄損を低減させると共に、鉄心打ち抜きの材料取りを改善させることで、高効率かつ低価格な整流子電動機を得ることができる。

実施の形態１．
図１、図２は実施の形態１を示す図で、図１は整流子電動機１００の横断面図、図２は界磁鉄心２０の分割図である。

図１において、界磁鉄心２０は界磁歯部１と界磁継鉄部２に分割されて構成されている。界磁歯部１と界磁継鉄部２とは、それぞれ電磁鋼板を複数枚積層して構成されている。また界磁歯部１には界磁巻線３が施されている。界磁歯部１は図１の例では、二つあり、それぞれに界磁巻線３が施されている。界磁鉄心２０の外周部には、磁性体である鉄製のフレーム４が設けられ、界磁鉄心２０はフレーム４に圧入することで固定されている。

界磁鉄心２０の内周部には空隙を介して電機子３０が設けられる。電機子３０は、電機子鉄心５、電機子巻線６、出力軸７等を備える。電機子鉄心５も界磁鉄心２０と同様に電磁鋼板を複数枚積層することで構成されている。電機子鉄心５のスロット５ａ（図１の例は、２２個）には電機子巻線６が施されており、電機子巻線６は整流子（図示せず）に接続されている。電機子鉄心５の中心部には出力軸７が設けられ、例えば出力軸７に羽根を付けることで送風機（例えば、電気掃除機に使用される）が構成される。

整流子電動機１００に交流電圧を印加すると電流は、二つある界磁巻線３の一方の界磁巻線３を介して、整流子に接続された一方のブラシに流れる。電機子巻線６へはブラシと整流子の摺動接触によって電流が流れ、電機子巻線６に流れた電流は他方のブラシから他方の界磁巻線３に流れることで界磁磁束及び電機子磁束が生成され、整流子電動機１００はトルクを発生する。

本実施の形態の整流子電動機１００は、一分間当たりの回転数が３６０００ｒｐｍ以上で運転される。また、電機子鉄心５には２２個のスロット５ａが設けられており、電機子鉄心歯部５ｂも２２個構成されている。各々の電機子鉄心歯部５ｂは１回転当たり２２回切り替わるため、その切替周波数は３６０００／６０×２２＝１３２００Ｈｚ以上となる。

その結果、電機子３０で発生する鉄損はヒステリシス損よりも渦電流損が支配的となり、鉄損を低減させるためには渦電流損を減らすことが可能な薄板の電磁鋼板を用いることが一般的である。しかし、一般的に鉄損特性を良好にするために電磁鋼板を薄板にすると、電磁鋼板が高価になる傾向にある。

一方、界磁鉄心２０の界磁継鉄部２は、印加される交流電圧の周波数である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで切り替わる（磁束が変化する）ため渦電流損は高くない。しかし、界磁歯部１の電機子鉄心５に対向する部位（内周側表面）は、電機子磁束の高周波の切替による影響で渦電流損が高くなる傾向にある。

本実施の形態では、界磁鉄心２０を構成する界磁歯部１と界磁継鉄部２を分割すると共に、渦電流損が高くなる電機子鉄心５及び界磁歯部１に、例えば０．１〜０．３５ｍｍの薄板電磁鋼板を使用し、渦電流損が低い界磁継鉄部２は別の、例えば０．３５〜１ｍｍの電磁鋼板を用いる。そのように構成することにより、鉄損を低減させた高効率で、低価格の整流子電動機１００を得ることができる。

例えば、界磁歯部１及び電機子鉄心５の電磁鋼板として、ＪＩＳの規格である３５Ａ２５０材や３５Ａ３００材を使用し、界磁継鉄部２には、５０Ａ４７０材や５０Ａ１０００材の電磁鋼板を使用することで、高効率でかつ低価格な整流子電動機１００を得ることができる。

図２に示すように、界磁歯部１と界磁継鉄部２とはアリ溝８により連結される。アリ溝８は、アリ溝（メス）８ａと、アリ溝（オス）８ｂとで構成される。図２では、アリ溝（メス）８ａを界磁継鉄部２に設け、アリ溝（オス）８ｂを界磁歯部１に設けたが、その逆にしてもよい。

界磁歯部１に界磁巻線３を施した後に、電磁鋼板の積層方向から圧入することで界磁歯部１と界磁継鉄部２が連結可能となり、界磁４０を構成することができる。

界磁歯部１に設けられた溝９は、界磁歯部１に界磁巻線３を施す際に界磁歯部１を抑えるために使用するものである。また、図１に示すように、フレーム４と界磁歯部１との空間は送風機の風路となるが、溝９もその風路の一部となり、溝９があることにより、溝９がない場合よりも風路の断面積を大きくできる。風路を確保することで界磁巻線３の冷却効果があり、巻線温度を下げることで巻線抵抗が下がり、銅損が低減する効果が得られる。但し、風路が十分に確保されていれば、溝９の有無は問わない。

実施の形態２．
図３乃至図６は実施の形態２を示す図で、変形例を含む整流子電動機１００の横断面図である。尚、図３乃至図５では、電機子３０は省略している。

本実施の形態は、界磁歯部１の歯幅を実施の形態１の界磁歯部１の歯幅よりも細くし、歯の根元を直角形状にしたものである。

界磁歯部１の歯幅を細くすれば、界磁歯部１に施される界磁巻線３の周長が短くなる。界磁巻線３の周長が短くなれば、巻線の抵抗値は低くなり銅損が低減する。界磁歯部１の歯幅を細くすることで巻線周長を短くすることができ、また歯の根元を直角形状にすることで、巻線の巻始め位置が固定され、界磁歯部１に直接巻線を巻く際に、より周長を短くすることが可能であり、銅損を低減させた高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

図４は第１の変形例である別の整流子電動機１００の横断面図を示す。図３の整流子電動機１００では、界磁歯部１に界磁巻線３を施したが、図４の整流子電動機１００は、界磁巻線３を界磁継鉄部２に施す。また、鉄製のフレーム４の代わりに樹脂フレーム１０を用いる。

界磁継鉄部２の径方向の寸法は、界磁歯部１の周方向の寸法よりも短い。従って、界磁巻線３を界磁継鉄部２に直接を施すため、巻線周長が短くなると共に、巻線を俵状に配置する完全整列巻が容易に可能であるため、巻線抵抗の低抵抗化を実現でき、銅損を低減させた高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

但し、本実施の形態では、鉄製のフレーム４の代わりに樹脂フレーム１０を用いている。図３に示す整流子電動機１００と同様に鉄製のフレーム４を用いると、界磁継鉄部２とフレーム４との空間に配置された界磁巻線３で生成される界磁磁束が磁性体である鉄製のフレーム４側に漏れる。そのため、必要なトルクを得るためには、整流子電動機１００に流れる電流が高くなり、効率が低下するという課題がある。

非磁性体である樹脂フレーム１０を用いることで、この漏れ磁束は発生しなくなり、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。ここでは非磁性体として樹脂フレーム１０を用いたが、他の非磁性体であるアルミやステンレスなどの材質のフレームを用いても同様の効果を得ることができる。

図５は第２の変形例である別の整流子電動機１００の横断面図を示す。図５に示す整流子電動機１００は、図３及び図４に示した整流子電動機１００の界磁歯部１の中心線方向の寸法（図３、図４上での縦方向の寸法）を小さくし、且つ溝９を省いたものである。

図３では、界磁巻線３は界磁歯部１に直接施されていたので、界磁巻線３を配置するスペースを確保するためには、図中の整流子電動機１００の界磁歯部１の中心線方向の寸法（図３上での縦寸法）を大きくする必要がある。整流子電動機１００の界磁歯部１の中心線方向の寸法を小さくすると、界磁巻線３の配置スペースが狭くなり、界磁巻線３の電線線径を細くする必要があり、結果として銅損が高く、電動機効率が低下するという課題があった。

但し、図４や図５の整流子電動機１００では、界磁巻線３を界磁継鉄部２に直接施すので、図３に示した界磁巻線３の配置スペースを小さくしても特に支障はない。整流子電動機１００の界磁歯部１の中心線方向の寸法を小さくしても、小さくしない従来のものと同等の特性を得ることができる。

界磁歯部１の中心線方向の寸法を小さくすることで整流子電動機１００が小型化になり、軽量化が実現できると共に、使用する電磁鋼板の量を削減することができ、低価格な整流子電動機１００を得ることができる。

図６は第３の変形例である別の整流子電動機１００の横断面図を示す。図５で示した界磁歯部１の両端の歯先形状は、界磁歯部１の中心線に対して対称形状であるが、図６の界磁歯部１の両端の歯先形状は、界磁歯部１の中心線に対して非対称形状である。しかも、界磁歯部１の中心線に直交する線に対して、界磁歯部１は非対称である。

図６において、電機子３０は反時計方向に回転する。界磁歯部１は磁極中心（図６上では縦軸）に対して反時計方向の歯先形状に対して、時計方向の歯先を太くして磁束密度を緩和させた仕様である。

界磁鉄心２０で生成された界磁磁束と、電機子鉄心５で生成された電機子磁束とは、整流子電動機１００の運転中、所定の角度をもって運転している。一般的に磁束の向きは界磁歯部１の磁極中心に対して傾いており、時計方向の歯先に磁束が集中する傾向にある。本実施の形態では、磁束が集中する方向の歯先を太くして、磁束密度を緩和させることで、整流子電動機１００に流れる電流を低減することができ、更に高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

実施の形態３．
図７乃至図１１は実施の形態３を示す図で、図７はロール状の電磁鋼板のフープ材１１からプレス加工にて打ち抜いて構成される界磁歯部１及び電機子鉄心５の材料取りを説明した図、図８はロール状の電磁鋼板のフープ材１２からプレス加工にて打ち抜いて構成される界磁継鉄部２の材料取りを説明した図、図９は図７の変形例のロール状の電磁鋼板のフープ材１１からプレス加工にて打ち抜いて構成される界磁歯部１及び電機子鉄心５の材料取りを説明した図、図１０は実施の形態２で説明した図５の界磁歯部１及び電機子鉄心５の材料取りを説明した図、図１１は実施の形態２で説明した図５の界磁継鉄部２の材料取りを説明した図である。

前述の通り、界磁歯部１及び電機子鉄心５は鉄損（特に渦電流損）が高く、界磁継鉄部２で発生する鉄損は比較的低くなっている。そのため、界磁歯部１及び電機子鉄心５は薄板電磁鋼板、例えば０．１〜０．３５ｍｍの板厚で構成されるフープ材１１を使用することで高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

但し、薄板電磁鋼板は高価であるが、界磁歯部１及び電機子鉄心５を同一のフープ材１１から打ち抜くことで材料取り（歩留り）が良好になるため、薄板電磁鋼板の使用量を低減することができる。それにより、高効率でかつ低価格な整流子電動機１００を得ることができる（図７参照）。

一方、界磁継鉄部２はフープ材１１とは異なる材質の電磁鋼板、例えば０．３５〜１ｍｍの板厚からなるフープ材１２を使用することで、電磁鋼板の材料コストを低くすることができ、低価格な整流子電動機１００を得ることができる（図８参照）。

ここで図７において、界磁歯部１の最大横幅（周方向幅）を電機子鉄心５の外径より小さく設定している。界磁歯部１の最大横幅を電機子鉄心５の外径より大きくすると、フープ材１１からの材料取りが悪化するため、薄板電磁鋼板の使用量が増加して、電動機が高価になるという課題があった。

本実施の形態では、界磁歯部１の最大横幅を電機子鉄心５の外径より小さくすることで材料取りを改善した低価格な整流子電動機１００を得ることができる。

ここでは界磁歯部１の最大横幅を電機子鉄心５の外径より小さくすることについて述べたが、望ましくは、双方の寸法をほぼ同一に設定することで更なる材料取りの改善が可能となる。

また、図９は図７の変形例であり、図７に示したものに対して、鉄心材料取りの方向を９０度回転させて、対向する二つの界磁歯部１の方向とフープ材１１を構成する薄板電磁鋼板の圧延方向の向きを揃えたものである。

電機子鉄心５は整流子電動機１００の運転中、回転しているため、磁束の流れる向きも回転しているが、界磁歯部１は電動機運転中も固定しており、磁束の流れは二つの界磁歯部１に対して相対向する方向に流れる。フープ材１１を構成する電磁鋼板は圧延方向に磁束が流れやすく（磁化容易方向）、その直角方向に磁束が流れにくくなる（磁化困難方向）。

本実施の形態では、界磁歯部１の磁束の流れと電磁鋼板の圧延方向（磁化容易方向）を揃えることで磁束が流れやすくなるため、整流子電動機１００に流れる電流が少なくなり、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

図５に示した整流子電動機１００は、界磁歯部１の中心線方向の寸法を小さくしたため、図１０及び図１１に示すように、打ち抜きピッチが小さくなると共に材料取りが改善する。そのため低価格な整流子電動機１００を得ることができる。

ここで電機子鉄心５の直径に対して界磁歯部１の最大横幅を大きくするとフープ材１１の材料幅を大きくする必要があり、歩留りが悪化する。従って、界磁歯部１の最大横幅を電機子鉄心５の直径以下に設定することが望ましい。

実施の形態４．
実施の形態１乃至実施の形態３の整流子電動機１００を、電気掃除機の送風機に使用すれば、高効率かつ低価格な電気掃除機を得ることができる。

実施の形態１を示す図で、整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、界磁鉄心２０の分割図。 実施の形態２を示す図で、整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態２を示す図で、第１の変形例である別の整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態２を示す図で、第２の変形例である別の整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態２を示す図で、第３の変形例である別の整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態３を示す図で、ロール状の電磁鋼板のフープ材１１からプレス加工にて打ち抜いて構成される界磁歯部１及び電機子鉄心５の材料取りを説明した図。 実施の形態３を示す図で、ロール状の電磁鋼板のフープ材１２からプレス加工にて打ち抜いて構成される界磁継鉄部２の材料取りを説明した図。 実施の形態３を示す図で、図７の変形例のロール状の電磁鋼板のフープ材１１からプレス加工にて打ち抜いて構成される界磁歯部１及び電機子鉄心５の材料取りを説明した図。 実施の形態３を示す図で、実施の形態２で説明した図５の界磁歯部１及び電機子鉄心５の材料取りを説明した図。 実施の形態３を示す図で、実施の形態２で説明した図５の界磁継鉄部２の材料取りを説明した図である。

符号の説明

１ 界磁歯部、２ 界磁継鉄部、３ 界磁巻線、４ フレーム、５ 電機子鉄心、５ａ スロット、５ｂ 電機子鉄心歯部、６ 電機子巻線、７ 出力軸、８ アリ溝、８ａ アリ溝（メス）、８ｂ アリ溝（オス）、９ 溝、１０ 樹脂フレーム、１１ フープ材、１２ フープ材、２０ 界磁鉄心、４０ 界磁、１００ 整流子電動機。

Claims (10)

1. 界磁鉄心に界磁巻線を施した界磁と、前記界磁鉄心の内側に配置され、電機子鉄心のスロット内に電機子巻線を施した電機子と、前記電機子巻線に連結された整流子と、前記整流子に接しながら電力を供給するブラシと、前記電機子鉄心の中央に出力軸を有する整流子電動機において、
   前記界磁鉄心は界磁歯部と界磁継鉄部に分割され、前記界磁歯部及び前記電機子鉄心は同一の材質で構成されると共に、前記界磁継鉄部は前記界磁歯部及び前記電機子鉄心と異なる材質で構成されることを特徴とする整流子電動機。
2. 前記界磁歯部及び前記界磁継鉄部及び前記電機子鉄心は複数枚の電磁鋼板を積層して構成されると共に、前記界磁歯部及び前記電機子鉄心に用いる電磁鋼板の厚さを、前記界磁継鉄部に用いる電磁鋼板の厚さより薄くしたことを特徴とする請求項１記載の整流子電動機。
3. 前記界磁歯部及び前記電機子鉄心に用いる電磁鋼板の同一磁束密度と同一周波数における単位重量あたりの鉄損を、前記界磁継鉄部に用いる電磁鋼板の同一磁束密度と同一周波数における単位重量あたりの鉄損よりも小さくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の整流子電動機。
4. 前記界磁歯部及び前記電機子鉄心は、ロール状で構成される電磁鋼板の同一のフープ材からプレス加工で打ち抜いて構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の整流子電動機。
5. 前記界磁歯部の周方向の最大横幅を前記電機子鉄心の外径よりも小さくしたことを特徴とする請求項４記載の整流子電動機。
6. 前記界磁歯部に前記界磁巻線を施したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の整流子電動機。
7. 前記界磁継鉄部に前記界磁巻線を施すと共に、前記界磁の外周部に非磁性体で構成されたフレームを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の整流子電動機。
8. 前記界磁継鉄部と前記界磁歯部の連結部をアリ溝で構成し、前記界磁巻線を施した後に、前記界磁継鉄部と前記界磁歯部を前記アリ溝の圧入により結合させたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の整流子電動機。
9. 一分間当たりの回転数が３６０００回転以上の回転数で運転されることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の整流子電動機。
10. 請求項１乃至請求項９記載のいずれかに記載の整流子電動機を備えたことを特徴とする電気掃除機。

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