交流整流子電動機和使用其的電動風的製造方法
2023-10-10 13:41:24 1
交流整流子電動機和使用其的電動風的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種設置有整流子的交流整流子電動機，其目的在於減少成為整流惡化的原因的電樞反作用，提高整流性能同時也實現效率提高。該交流整流子電動機具有：定子（1），包括大致環狀的磁軛部（11）、與該磁軛部的內側相對地形成的一對磁極部（12）和卷繞安裝於該磁極部的勵磁線圈（14）；電樞（2），包括旋轉自如地配置在上述磁極部之間的軸（6）、固定於該軸的電樞鐵芯（21）、卷繞安裝在形成於該電樞鐵芯的外周的多個齒（23）上的電樞線圈（22）和與該電樞線圈連接的整流子（25）；和通過與上述整流子機械接觸而電接觸的一對電刷（7），在各磁極部，在中央部附近具有孔（15），並且至少在逆旋轉方向（增磁部）的磁極部也設置有孔（17）。
【專利說明】交流整流子電動機和使用其的電動風機
【技術領域】
[0001]本發明涉及交流整流子電動機，特別涉及電動吸塵器、電動工具用電動機等中使用的交流整流子電動機的定子結構。
【背景技術】
[0002]電動吸塵器和電動工具用的交流整流子電動機主要由環狀的定子、配置在與該環狀的內側相對形成的磁極部之間的電樞構成。這種交流整流子電動機中，通常要求小型、輕量、高效率化、電刷的長壽命化。其中尤其在高磁通密度下使用的電動機中，尤其為了實現高效率化和電刷的長壽命化，期望減少電樞反作用。
[0003]電樞反作用是旋轉的電樞產生的磁場對從定子的磁極部產生的磁場產生影響的現象，這對交流整流子電動機的高效率化和電刷的長壽命化產生壞影響。
[0004]作為用於減少該電樞反作用的技術，已提出在定子鐵芯的磁極部中心設置單一的狹縫的結構(專利文獻1、圖1等)。另外，作為減少電樞反作用的其他方法，已提出將磁極部設為非對稱的形狀並且設置多個狹縫的結構(專利文獻2、圖1等)。
[0005]另一方面，作為在磁極部設置狹縫的其他原因，已提出為了實現定子的輕量化，利用電樞反作用，在電樞的旋轉行進方向一側(磁極的減磁側)設置多個貫通孔的結構(專利文獻3、圖4等)。
[0006]專利文獻1:日本特開2005-20931號公報
[0007]專利文獻2:日本特開平6-6943號公報
[0008]專利文獻3:日本特開2003-153471號公報
【發明內容】
[0009]交流整流子的扭矩，與來自定子的勵磁磁通和來自電樞的電樞磁通之和乘以流經電樞線圈的電流和電樞線圈的繞數的值成比例。此處，在電樞反作用的影響下勵磁磁通與電樞磁通之和每時每刻發生變化,因此扭矩也發生變動而脈動。專利文獻I中,在磁極部的中心設置單一的狹縫來減少電樞反作用，在專利文獻2中磁極部採用非對稱的形狀並且設置多個狹縫來減少電樞反作用，由此抑制扭矩的脈動。
[0010]但是，上述的現有技術雖能夠減少電樞反作用，但是由於設置有狹縫而導致磁極部的磁飽和增大，用於得到所需扭矩的電流值增大。電流值的增加導致銅損的增加，無法實現高效率化。另外，電流的增加導致整流線圈的電抗電壓的增加，在碳刷與整流子之間產生火花，無法實現電刷的長壽命化。
[0011]或者，為了減少磁極部的磁飽和而加寬磁極寬度時，勵磁線圈的全長變長，銅損增力口，無法實現高效率。
[0012]另一方面，在專利文獻3中，為了輕量化而設置有貫通孔。但是，孔的位置是磁通密度低的旋轉行進方向一側(磁極的減磁側)，無法實現高效率化和電刷的長壽命化。
[0013]本發明的目的在於提供能夠充分減少電樞反作用並且實現扭矩和整流性能的提高的交流整流子電動機。
[0014]上述課題能夠通過如下的整流子電動機來解決，該整流子電動機的特徵在於具備:定子，其包括大致環狀的磁軛部、與該磁軛部的內側相對地形成的一對磁極部和卷繞安裝於該磁極部的勵磁線圈；電樞，其包括旋轉自如地配置在上述磁極部之間的軸、固定於該軸的電樞鐵芯、卷繞安裝在形成於該電樞鐵芯的外周的多個齒上的電樞線圈和與該電樞線圈連接的整流子；和通過與上述整流子機械接觸而電接觸的一對電刷，在各磁極部，在中央部附近具有孔，並且至少在逆旋轉方向(增磁部)的磁極部也設置有孔。而且，從上述軸的軸向觀察時，上述一對電刷相對於上述一對磁極部在逆旋轉方向上移動。
[0015]根據本發明，能夠減少電樞反作用而增加主磁通的量，因此能夠提供能夠提高扭矩和整流性能的交流整流子電動機。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是表示實施例1的電動吸塵器用電動風機的結構的截面圖。
[0017]圖2是實施例1的在磁極部配置有孔的定子和電樞的截面圖。
[0018]圖3是實施例1的在磁極部配置有孔的定子和電樞的1/2截面圖。
[0019]圖4A是比較例I的磁極部形狀的電樞反作用磁通的磁通流動圖。
[0020]圖4B是比較例2的磁極部形狀的電樞反作用磁通的磁通流動圖。
[0021]圖4C是比較例3的磁極部形狀的電樞反作用磁通的磁通流動圖。
[0022]圖4D是實施例1的磁極部形狀的電樞反作用磁通的磁通流動圖。
[0023]圖5是磁場分析模擬結果。
[0024]圖6A是實施例2A的在磁極的孔部設置有開口部的定子和電樞的1/2截面圖。
[0025]圖6B是實施例2B的在磁極的孔部設置有開口部的定子和電樞的1/2截面圖。
[0026]圖6C是實施例2C的在磁極的孔部設置有開口部的定子和電樞的1/2截面圖。
[0027]圖7是實施例3的在磁極部配置有孔、在前端部配置有臺階部的定子和電樞的1/2截面圖。
[0028]附圖符號
[0029]I 定子
[0030]2 電樞
[0031]7 碳刷
[0032]11磁軛部
[0033]12磁極部
[0034]13定子鐵芯
[0035]14勵磁線圈
[0036]15孔(中央部附近)
[0037]16磁橋(中央部附近)
[0038]17孔(逆旋轉側)
[0039]18磁橋(逆旋轉側)
[0040]21電樞鐵芯
[0041]22電樞線圈[0042]23 齒
[0043]25整流子
[0044]25a整流子片
[0045]SI?S12電樞槽
【具體實施方式】
[0046]利用圖1?圖7對本發明的實施例進行說明。其中，此處作為實施例對用於電動吸塵器的電動風機進行說明，但是該電動風機也可以用於其他的用途。
[0047][實施例1]
[0048]圖1是實施例1的電動吸塵器用的電動風機100的結構截面圖。電動風機100包括電動機(交流整流子電動機)101和風機102。
[0049]電動機101包括:固定在外殼3的內側的定子1、外殼3的軸承5a、尾架(endbracket) 4的軸承5b、旋轉自如地保持在兩軸承之間的軸6、固定於軸6的電樞鐵芯21和整流子25、卷繞安裝在電樞鐵芯21的電樞槽S中的電樞線圈22與整流子25連接而成的電樞2、通過與整流子25機械接觸而電連接的碳刷7和保持碳刷7並且用於固定在外殼3的電刷保持器8。
[0050]另外，整流子25具有多個整流子片25a，各整流子片25a與電樞2內的電樞線圈22連接。碳刷7通過彈簧81被按壓在整流子25上，與整流子25滑動接觸。82是用於使碳刷7與外部電極連接的引線，其與設置於電刷保持器8的端子(未圖示)連接。
[0051]另一方面，風機102包括:通過螺母30固定在軸6的一端的離心風扇31、使來自離心風扇31的空氣流的速度回落而恢復壓力的擴散器32、與擴散器32 —體地成形的將空氣流導向電動機101內的回流導向件33、覆蓋離心風扇31和擴散器32的風扇罩34。
[0052]當使電動風機100運轉時，電樞2進行旋轉，與電樞2同軸固定的離心風扇31也進行旋轉。當離心風扇31旋轉時，空氣從風扇罩34的空氣吸引口 35流入，並通過離心風扇31、擴散器32、回流導向件33流入電動機101內部。流入的空氣一邊對電動機101進行冷卻一邊排出。
[0053]圖2表示定子I和電樞2的結構截面圖。定子I包括:疊層有定子鐵芯13的部件(定子鐵芯疊層體)，其中定子鐵芯13包括大致環狀的磁軛部11和與其內周側相對地形成的一對磁極部12 ;和卷繞安裝於磁極部12的勵磁線圈14。另外，配置在相對的一對磁極部12之間的電樞2包括:具有多個T字型的齒23的電樞鐵芯21和卷繞安裝於由齒23形成的電樞槽SI?S12的電樞線圈22。其中，在本實施方式中，說明的是齒23的數量為12個的例子，但是齒23的數量不限於此。
[0054]另外，如圖2所示，在各磁極部12的中央部附近形成孔15。分別在孔15的內周側、中央部、外周側殘留有薄的磁極部12，將各個薄的部分的磁極部稱為磁橋16a、16b、16c。所形成的磁橋的厚度設為在將勵磁線圈14卷繞安裝於定子鐵芯13的疊層體的卷繞工序中和將定子I壓入外殼3時磁橋16不發生變形的厚度。磁橋16的厚度比孔15的徑向長度薄即可，此處作為一個例子，將磁橋16的厚度設為0.5_。這是為了通過將磁橋16的厚度設得薄，使磁路寬度變窄，變得容易發生磁飽和，從而切斷電樞反作用。
[0055]另外，在靠磁極部12的逆旋轉一側(增磁側)形成孔17。孔17的內周側的磁極部12的薄的部分稱為磁橋18a，孔17之間的薄的部分稱為磁橋18b、18c。磁橋18a的厚度比孔17的徑向長度薄即可，磁橋18b、18c的厚度比孔17的周向長度薄即可，此處作為一個例子，令磁橋18a的厚度為0.75mm,磁橋18b和磁橋18c的厚度為0.5mm。這是為了通過將磁橋18的厚度設得薄，控制磁極部12的靠逆旋轉一側(增磁側)的磁通的流動。
[0056]圖3是圖2的主要部分截面圖。由電樞2的中心向上下左右伸出的軸中，令右側的軸為0°，其他的軸向旋轉方向依次定義為90°、180°。齒23的數量為12個，因此各槽間角(Pitch)為30°。這種情況下，優選孔15的外周側的從旋轉中心所成的角度為30°以下，優選孔15的內周側的角度為作為槽間角的一半的15°以下。此處，孔15的從旋轉中心所成的角度設定為外周側為20°，內周側為10°。
[0057]另外，在磁極部12的靠逆旋轉一側設置有孔17。孔17的位置優選形成在從90°軸在逆旋轉方向偏離作為槽間角的30°左右的位置附近。此處形成在從基準軸偏離60°、63°、66°的位置。
[0058]另外，此處表示的是槽間角為30°，孔15的外周側的角度為20°，內周側的角度為10。，孔17的位置設為從基準軸偏離60°、63°、66°的位置的例子，但是只要滿足下述條件I?3就能夠得到同樣的效果。
[0059](條件I)孔15的外周側的角度小於槽間角，孔15的內周側的角度小於槽間角的一半。
[0060](條件2)孔17位於與90°軸相比向逆旋轉方向偏離槽間角的角度程度的位置。具體而言，在從90°軸在逆旋轉方向上槽間角土槽開度的範圍內設置孔17，例如，在圖3中，在從90°軸在逆旋轉方向30° ±7°的23°?37°的位置設置孔17。
[0061](條件3)從齒23觀察具有如下結構，即伴隨著旋轉，在從[90°軸-槽間角的角度]到90°的範圍(本實施例中為60?90° )，磁橋的數量逐漸增加(例如，圖3中，在90°軸-一齒程度的角度的位置，在齒23的延長線上僅存在磁橋16c，當齒23旋轉時，磁橋16a、磁橋16b逐漸增加)。
[0062]圖4是使電流流過電樞線圈22時的磁通的流動。圖4A中沒有孔15和孔17，它是將碳刷7置於幾何學中心軸的比較例I的情形。這種情況下已知電樞反作用磁通僅通過磁極部12。電樞反作用磁通在磁極部12與勵磁磁通(僅圖示一部分)合成，因此進行旋轉方向的磁極部12為減磁，逆旋轉方向的磁極部12為增磁。在此條件下，碳刷7與整流子25之間產生電刷火花，電刷壽命縮短。
[0063]圖4B是比較例2，在比較例I的條件下，使電刷位置在逆旋轉方向移動(例如30° )，利用主磁通控制電刷火花的產生(也可以移動整流子25與電樞線圈22的連接位置)。這種情況下，使碳刷7在逆旋轉方向移動，因此電樞反作用磁通不會殘留在磁極部12的周圍，而是通過磁軛部11在勵磁線圈14所產生的主磁通的相反方向流過磁通。如此處所示，當磁通在(向)主磁通的相反方向流動時,勵磁磁通與電樞磁通之和減小，扭矩降低。另外，伴隨著電樞的旋轉，電樞磁通周期性地變化，因此發生扭矩脈動。亦即，根據圖4B的結構，能夠抑制火花的產生，但是會導致扭矩特性變差。
[0064]圖4C是比較例3，表示在比較例2的條件下，設置有孔15時的電樞反作用所致的磁通的流動。如此處所示,薄的磁橋16發生磁飽和，由此電樞反作用磁通受抑制，但是殘留有通過磁軛11的電樞反作用。[0065]接著，對使用本實施例的結構的情況進行說明。圖4D表示使碳刷7在逆旋轉方向移動並且設置有孔15和孔17時的電樞反作用所致的磁通的流動。圖4D表示的是從軸6的軸向觀察時設置孔17的位置與碳刷7的弧的中央位置(即移動量)大致一致的例子，但是兩者並不一定要一致，碳刷7與孔17同樣地比90°軸更向逆旋轉方向移動即可。如此處所示,薄的磁橋16發生磁飽和，由此抑制電樞反作用磁通。進一步通過薄的磁橋18發生磁飽和，電樞反作用磁通比比較例3更進一步受到抑制，通過磁軛11的電樞反作用磁通減少。
[0066]圖5是經磁通分析模擬得到的定子I與電樞2的空隙部(以下稱為間隙)的磁通密度分布。圖4所示的模型是用商用電源(50HZ-100V)驅動時的結果。每30°的矩形波是因齒23的節距而產生的。一般而言，電樞反作用減少時，間隙的磁通密度分布的波形的最大值與最小值之差減少，實效值增加。而且，實效值增加時，扭矩特性提高，因此最大值與最小值之差越小，扭矩特性就會越提高。
[0067]圖5 (a)是比較例2的分析結果。比較例2中，在磁極部12沒有孔15和孔17，並使碳刷7在逆旋轉方向移動。磁通密度的實效值為0.548[T]，較低，最大值與最小值之差為
2.04[T]，較大。
[0068]圖5(b)是比較例3的分析結果。比較例3中，在磁極部12有孔15，使碳刷7在逆旋轉方向移動。該分析結果的長處在於，與圖5 (a)相比，磁通密度的實效值為0.549[T]，較大，最大值與最小值之差為2.00[Τ]，較少。這是因為薄的磁橋16產生磁飽和，由此減輕電樞反作用而導致的。
[0069]接著，對利用本實施例的結構的情況進行說明。圖5 (C)是通過在磁極12形成孔15和孔17，設置磁橋16和磁橋18，進一步使碳刷7在逆旋轉方向移動時的分析結果。該分析結果的長處在於，磁通密度的實效值為0.555 [Τ]，最大，並且最大值與最小值之差為
1.97[Τ]，最小。這是因為，即使薄的磁橋16發生磁飽和，也使殘存的電樞反作用的磁路通過設置薄的磁橋18發生磁飽和進行切斷，因此最能夠減輕電樞反作用。如先前所說明的，最大值與最小值之差越小，扭矩特性越提高，因此可知，在圖5 (a)?圖5 (c)中，如圖5 (c)所示採用設置有狹縫15和電刷移動(位移)的結構時，扭矩特性最佳。
[0070]另外，也可以採用在孔15和孔17的內部填充非磁性體的結構。通過使用該結構，能夠抑制上述的電樞反作用，並且提高定子鐵芯13的機械強度。另外，不必在定子鐵芯疊層體的所有定子鐵芯13上設置孔15或孔17，也可以採用適當混合不具有孔15或孔17的定子鐵芯13進行疊層的結構。通過使用該結構，能夠應對提高製造時的壓力的強度和應對電動機的振動的耐力。
[0071][實施例2]
[0072]圖6是表示實施例2的圖。其中，對與實施例1同等的結構的說明進行省略。
[0073]如圖6A所示，實施例2A中刪去了圖3所示的磁橋16a、16b，在設置於磁極部12的中央附近部的孔15的內周側設置有開口部40。通過開口部40磁極部12的內周面從孔15連通。
[0074]同樣,如圖6B所不,實施例2B中刪去了圖3所不的磁橋16b、16c,在設置於磁極部12的中央附近部的孔15的外周側設置有開口部40。通過開口部40磁極部12的外周面從孔15連通。
[0075]另外，如圖6C所示，實施例2C中刪去了圖3所示的磁橋16a、16c，在設置於磁極部12的中央附近部的孔15的內外周側設置有開口部40。通過開口部40磁極部12的內外周面從孔15連通。
[0076]實施例2A?2C的任意情況下，均通過減少磁橋16的數量，使磁阻增大，因此與實施例I相比能夠更好地切斷磁通，能夠進一步抑制電樞反作用。同樣，即使在孔17的內周側或外周側設置開口部40，也能夠抑制電樞反作用。
[0077][實施例3]
[0078]圖7是表示實施例3的圖。另外，對與實施例1同等的結構的說明進行省略。
[0079]如圖7所示，在實施例3中，採用在磁極部12的前端部的與電樞2相對的面的前端設置有臺階部的結構。這是通過將磁極部12的前端設得薄，增加磁阻，使電樞磁通難以流經磁極部12，從而抑制電樞反作用。另外，磁極部12的前端飽和，由此具有至電機部的前端的極弧度α和至未飽和的磁極部的極弧度β，控制整流時的極弧度，實現電刷的長壽命化。進一步，通過擴大與電樞2相對的面的間隙長度，抑制伴隨旋轉出現的齒23的T字部的磁通密度的急劇變化。
【權利要求】
1.一種整流子電動機，具備: 定子，其包括定子鐵芯疊層體和卷繞安裝於該定子鐵芯疊層體的所疊層的磁極部的勵磁線圈，所述定子鐵芯疊層體將包括大致環狀的磁軛部和在該磁軛部的內側相對地形成的一對磁極部的定子鐵芯在軸向上疊層而成； 電樞，其包括旋轉自如地配置在所述一對磁極部之間的軸、固定於該軸的電樞鐵芯、卷繞在形成於該電樞鐵芯的外周側的多個齒上的電樞線圈和與該電樞線圈連接的整流子；和通過與所述整流子機械接觸而電接觸的一對電刷， 所述整流子電動機的特徵在於: 在所述磁極部，在中央部附近設置有第一孔，在較該第一孔靠逆旋轉方向一側設置有第二孔， 從所述軸的軸向觀察時，所述一對電刷相對於所述一對磁極部在逆旋轉方向上移動。
2.如權利要求1所述的整流子電動機，其特徵在於: 在所述磁極部中， 在較所述第一孔靠旋轉方向一側未設置孔， 在從所述軸的軸向觀察時， 厚度小於所述第一孔的徑向長度的磁橋設置在所述第一孔的內周方向或外周方向，並且 厚度小於所述第二孔的周向長度的磁橋設置在所述第二孔的旋轉方向或逆旋轉方向。
3.如權利要求1或2所述的整流子電動機，其特徵在於: 所述第一孔的內周側或外周側開口。
4.如權利要求1?3中任一項所述的整流子電動機，其特徵在於: 所述第一孔或所述第二孔的內部具有非磁性的填充材料。
5.如權利要求1?3中任一項所述的整流子電動機，其特徵在於: 所述定子鐵芯疊層體包括不具有所述第一孔或所述第二孔的定子鐵芯。
6.如權利要求1?5中任一項所述的整流子電動機，其特徵在於: 在磁極部的磁極片部的電樞側的前端部設置有臺階部。
7.一種電動風機，其特徵在於，包括: 權利要求1?6中任一項所述的整流子電動機；和 由該整流子電動機驅動的風機。
【文檔編號】H02K1/12GK103986249SQ201410040015
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2013年2月8日
【發明者】伊藤賢宏, 法月邦彥, 小原木春雄, 常樂文夫, 伊藤則和, 薄井英吉 申請人:日立空調·家用電器株式會社