JP2019103201A - スロットレス型電動機及び、それを用いた電動送風機や電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機効率を改善した小型高速の電動機及びそれを用いた電動送風機や電気掃除機を提供する。【解決手段】中空な円筒状のコアと，前記コアに導体を巻回したコイルで構成される固定子と，前記固定子の内側コイルに対向して，回転可能に配置された永久磁石回転子を有し，前記固定子の外側に前記固定子を保持する内部が空洞のフレームが配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、スロットレス型電動機及び、それを用いた電動送風機や電気掃除機に関するものである。

近年需要が急速に高まっているコードレス掃除機においては，低電圧のバッテリー駆動においても十分な出力を得るためにブラシレス電動機を用いた電動送風機が搭載されている。

電気掃除機の小型化の需要を達成するために，電動送風機の小型化も求められている。電動送風機の小型化に関しては，電動送風機を高速化することでファンの外形を小さくすることが出来る。そのため，ブラシレス電動機の回転数を約8万回転以上としている例が多い。
掃除機用のブラシレス電動機の構造としては，特許文献１のような電動機が上げられる。特許文献１の電動機では，固定子コアの周方向内側に伸びたティース部分にコイルが巻き回されることで，固定子が構成されている。
掃除機用ブラシレス電動機の小型，高速化に適した構造としては，例えば，特許文献２や特許文献３のような，固定子側のティースコアが無いスロットレス構造があげられる。特許文献２や特許文献３の構造は，ティースコアが無いことにより，小径化しやすく，かつ，鉄損を減少できる構造である。さらに，特許文献2では，ステータコアの内側にインナーロータを，外側にアウターロータを配置した，デュアルロータ構造とすることで，トルク出力を増加している。

特開２０１４−２１９００６号公報 特開平５―１６１２９０号公報 ＷＯ１５／１０４７９５

しかしながら，電動機は高速化することで，鉄損が増加し，電動機効率低下の要因となる。また，電動機を小型化することで，体積辺り発熱量の増加，放熱面積の減少で，電動機温度が上昇するため，磁石残留磁束密度の低下やコイル電気抵抗の増加により，銅損が増加し，電動機効率低下の要因となる。
特許文献１のような電動機を小型化するには，ティース部を短くすることが考えられるが，そのためには，コイルのターン数の減少やコイルの線径を細くする必要があり，電動機効率の低下を招く恐れがある。
しかしながら，特許文献２及び特許文献３の構造では，電動機の空冷に関して考慮されておらず，小径化したときに，電動機を十分に冷却できず，電動機の効率の低下を招く恐れがある。

本発明は，上記課題を解決するためになされたものであり，電動機効率を改善した小型高速の電動機及びそれを用いた電動送風機や電気掃除機を提供することにある。

上記の課題を解決するために，本発明では，中空な円筒状のコアと，前記コアに導体を巻回したコイルで構成される固定子と，前記固定子の内側コイルに対向して，回転可能に配置された永久磁石回転子を有し，前記固定子の外側に前記固定子を保持する内部が空洞のフレームが配置されることを特徴とする。

本発明によれば，ティースコアが無いスロットレス構造でモータを小径化し，固定子コアに巻き回したコイルについて，内側のコイルは電動機の駆動に活用され，外側のコイルは放熱のためのヒートシンクとして機能することで，電動機効率を改善した小型高速の電動機及びそれを用いた電動送風機や電気掃除機を得ることができる。

（ａ）（ｂ）本発明の一実施形態に係る電動機の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電動機を構成する固定子構造の一部である。 本発明の一実施形態に係る電動機の断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）本発明の一実施形態の優位性を示すための，別形態の固定子と電動機の斜視図及び，断面図である。 （ａ）（ｂ）本発明の一実施形態に係る電動機の斜視図と断面図である。 本発明の一実施形態に係る電動機の斜視図である。 （ａ）（ｂ）本発明の一実施形態に係る電動機の斜視図と断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）本発明の一実施形態に係る電動機の斜視図と断面図である。 本発明の一実施形態に係る電動機の断面図である。

図１は，本発明の一実施形態に係る電動機の固定子と回転子の斜視図である。

図１に示す電動機は，いわゆるスロットレス型電動機である。スロットレス型電動機では，固定子の鉄心（コア）にティースを有することなく，回転子と対抗するギャップ面コイルの表面が露出していることが構造的な特徴となっている。図１において，電動機１００は，スロットレス型固定子５１と，スロットレス型固定子５１の内側に配置された回転子５０と，スロットレス型固定子５１の外側に配置されたフレーム５２で構成される。回転子５０は，回転子永久磁石１とシャフト２を有する。回転子永久磁石１の材質としては，サマ鉄窒素磁石や，ネオジム磁石，フェライト磁石などが考えられる。また，高速回転時の磁石破損防止のため，カバー３で保護しても良い。カバー３の材質としては，ＳＵＳやＣＦＲＰなどが考えられる。図２は組み立て途中のスロットレス型固定子５１の一部である。スロットレス型固定子５１は分割スロットレス型固定子コア４と固定子コイル５と固定子コイルボビン６を有する。スロットレス型固定子５１は，導体の固定子コイル５を固定子コイルボビン６に巻き回したものを，分割スロットレス型固定子コア４に複数個挿入することで組み立てられる。図２の分割スロットレス型固定子コア４は円筒状のコアが２分割されたものだが，分割数はいくつでも良い。また組み立て後には，樹脂モールドで固めることが考えられる。フレーム５２は内側フレーム７と外側フレーム８で構成され，内側フレーム７と外側フレーム８の間は空洞になっており，空気の流路となる。スロットレス構造としたことにより、掃除機用ブラシレス電動機の小型，高速化に適した構造とすることができる。

図２は図１（ｂ）の断面図である。本発明の一実施形態では，図１（ｂ）と図２に示すように，固定子コイル５に電流を流した場合に，分割スロットレス型固定子コア４を組み上げた円筒状の固定子コア１１の円周方向に磁束が流れるような向きで，固定子コイル５は構成される。また，固定子コイル５には，Ｕ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイルがあり，それぞれに流れる電流は，１２０度ずつ位相差のある三相交流の電流である。図３で図示している回転子永久磁石１は，４極の磁石配置であり，回転子永久磁石Ｎ極１ａと回転子永久磁石Ｓ極１ｂが隣り合うように配置されている。図３で図示している固定子コイル５は，断面でみたとき，回転子永久磁石１と対向する１２個の内側コイル９と，内側フレーム７で支持される１２個の外部コイル１０で構成される。Ｕ相コイルの１断面を内側コイルＵａ１３の位置としたとき，時計回りに９０度ずれた位置の内側コイルＵｂ１４および，２７０度ずれた位置の内側コイルＵｄ１６には，同相の電流が，軸方向で逆方向に流れるように接続する。また，内側コイルＵａから１８０度ずれた位置の内側コイルＵｃ１５には，同じ位相の電流が，軸方向で同じ方向に流れるように接続する。Ｖ相コイル，Ｗ相コイルについても１２０度ずつずらした位置で同様に接続する。図３に図示するＵＶＷはそれぞれ同じ位相の電流が流れていることを示し，＋−は電流の流れる方向が軸方向で逆になっていることを示す。同相のコイルは直列で接続されていても，並列で接続されていても良い。この配置により，内側コイル９に流れる電流が回転磁界を発生させ，回転子５０が回転し，トルクが発生する。

１２個の内側コイル９はそれぞれペアとなる外側コイル１０を有し，図１（ａ）に図示するように，ペアの内側コイル９と外側コイル１０はコイルエンド部１７で接続されており，ペアの内側コイル９と外側コイル１０には，同相の電流が軸方向で逆方向に流れる。コイルエンド部１７は図示の紙面上方と，図示されていない紙面下方に存在する。外側コイル１０はトルクの発生には寄与しないが，内側フレーム７により保持されており，内側フレーム７と外側フレーム８の間が空洞で，空気の流路となる。流れる空気により内側フレーム７が冷却されることで，外側コイル１０が冷却される。外側コイル１０はコイルエンド部１７で内側コイル９と接続されているため，外側コイル１０が冷却されることで，内側コイル９も冷却され，スロットレス型電動機１００を内部から冷却できる。外側コイル１０はトルクの発生には寄与しないが，ヒートシンクとして機能するといえる。電動機温度が低下することで，磁石残留磁束密度の増加，コイル電気抵抗の減少により，銅損が減少し，電動機効率が改善する。

スロットレス型固定子５１は，内側フレーム７に，たとえば樹脂接着などで固定される。固定子コイル５は，内側フレーム７に接触していた方が，冷却効果は高いが，固定子コイル５と内部フレーム７の間に樹脂などを有していても良い。内側フレーム７及び，外側フレーム８の材質としては金属や，樹脂，あるいは，その両方を用いることなどが考えられるが，金属を用いたほうが，冷却効果が高い。

固定子コイルの材質としては，銅やアルミを用いることが考えられる。また，固定子コアの材質としては，鉄が主成分の電磁鋼板が考えられる。図４に図示するようにティース部１９を有す固定子コア１８のティース部１９に固定個コイル５を巻き回す構造の固定子６１を実施例のスロットレス型固定子５１の代わりに用いたとすると，内側フレーム７は固定子コア１８を保持する構造となる。このとき，鉄は銅やアルミと比べて熱伝導率が低いため，本実施例の構造と比べて冷却効果は低い。

次いで，本発明の第２の実施の形態を説明する。図５には，本発明の一実施形態に係る電動機の保持フレーム構造の変形例を示す。図５は本実施例の電動機構造を示す斜視図及び断面図である。図１〜３に示した実施の形態と異なる点は，内側フレーム７と外側フレーム８が梁２０で繋がっている点である。内側フレーム７と外側フレーム８が梁２０で繋がっていることで，外側フレーム８までスロットレス型電動機１００で発生する熱が伝わりやすくなる。この構成で，内側フレーム７及び外側フレーム８及び梁２０を流れる空気で冷却することにより，スロットレス型電動機１００を冷却することができる。図１〜３の実施形態よりも流れる空気により冷却される表面積が広くなるので，より冷却効果は高い。梁２０の材質としては，金属や樹脂などが考えられるが，金属の方が冷却効果は高い。梁２０は内側フレーム７や外側フレーム８とは別パーツとして組み立てても良いし，内側フレーム７と外側フレーム８のどちらか，あるいは両方と一体成型されていても良い。図５（ａ）は，どの断面でも，図５（ｂ）に示すような梁２０を有す構成を示しているが，一部の断面が図３に示すような梁２０を有さないような構成であっても良い。図５（ａ）に示す梁２０を有す断面と，図３に示す梁２０を有さない断面が多層に渡って交互に現れる構成でも良い。梁２０の数はいくつでも良いが，多いほど内部フレームから外部フレームへ熱が伝わりやすくなるため冷却効果は高い。

次いで，本発明の第３の実施の形態を説明する。図６には，本発明の一実施形態に係る電動機の保持フレーム構造の変形例を示す。図６は本実施例の電動機構造を示す斜視図である。図１〜３に示した実施の形態と異なる点は，電動機の端面に内側フレーム７と外側フレーム８と繋がったエンドブラケット２１を有する点である。エンドブラケット２１には内側フレーム７と外側フレーム８の間の空洞に空気が流れるように空隙２２が設けられている。内側フレーム７と外側フレーム８がエンドブラケット２１で繋がることで，外側フレーム８までスロットレス型電動機１００で発生する熱が伝わりやすくなる。この構成で，内側フレーム７及び外側フレーム８及びエンドブラケット２１を流れる空気で冷却することにより，スロットレス型電動機１００を冷却することができる。図１〜３の実施形態よりも流れる空気により冷却する表面積が広くなるので，より冷却効果は高い。エンドブラケット２１の材質としては，金属や樹脂などが考えられるが，金属の方が冷却効果は高い。図６の断面構造は，図３に示すような梁２０を有さない構造でも良いし，図５（ｂ）に示すような梁２０を有す構造でも良い。図５（ｂ）に示す梁２０を有す断面と，図３に示す梁２０を有さない断面が多層に渡って交互に現れる構成でも良い。図６には片側の端面のみにエンドブラケット２１を有する構成を示しているが，両端面にエンドブラケット２１を有しても良い。また，エンドブラケット２１がベアリングホルダを兼ねる構成とすることで，ベアリング部の冷却の効果もある。

次いで，本発明の第４の実施形態を説明する。図７には，本発明の一実施形態に係る電動機の保持フレーム構造の変形例を示す。図７は本実施例の電動機構造を示す斜視図と一部の断面図である。図１〜３に示した実施の形態と異なる点は，紙面の上半分の断面は，図６（ｂ）に示すように内側フレーム７を有さず，紙面の下方半分の断面は図３または図５（ｂ）で示すような内側フレーム７を有す構成になっている点である。この構成とすることで，スロットレス型固定子５１を内部フレーム７で保持しつつ，流れる空気で直接，外側コイル１０を冷却することができ，冷却効果が高い。図６で示しているのは，内側フレーム７の有無で２段に分かれた構成であるが，図３，図５（ｂ），図６（ｂ）に示すような断面がランダムに多層に渡って現れる構成でも良い。

次いで，本発明の第５の実施形態を説明する。図８には，本発明の一実施形態に係る電動機の固定子コイルボビン構造及び保持フレーム構造の変形例を示す。図８（ａ）と図８（ｂ）は本実施例の電動機構造を示す斜視図であり，図８（ａ）は組み上げる前の電動機，図８（ｂ）は組み上げた後の電動機である。また図８（ｃ）は本実施例の電動機構造を示す断面図である。図１〜３に示した実施の形態と異なる点は，固定子コイルボビン６が径方向外側に長くなっており，固定子コイル５の外径から飛び出した固定子コイルボビン凸部２２を有す点と，内側フレーム７の内側に，固定子コイルボビン凸部２２と嵌め合う内側フレーム凹部２３を有す点である。この構成とすることで，スロットレス型固定子５１と内側フレーム７の位置決めと固定ができる。また，固定子コイルボビン凸部２２は，スロットレス型固定子５１を樹脂モールドに用いるモールド型に凹部を設けることで，樹脂モールド時の位置決めと固定に活用できる。

次いで，本発明の第６の実施形態を説明する。図１〜８に示したいずれかの構成の電動機端部の片一方にシャフト２に固定されたインペラを配置し，外側フレーム８をディフューザとしての機能を持つ構造とすることで，インペラがついている側から，内側フレーム７とディフューザの間に空気が強制的に流れる電動送風機としての構成となる。内側フレーム７とディフューザの間に空気が強制的に流れることで，電動機の冷却効率は高まる。 以上、第１〜第６の実施例の何れかの電動送風機を電気掃除機に用いることで，電気掃除機の小型軽量化，高効率化を得ることができる。また，この電動機送風機は小径であるため，電気掃除機内のどこに配置するかレイアウト上の自由度が高く，例えば，パイプ部やホース部の内部に納めることで，スリムな電気掃除機を構成することができる。

また、第１〜第６の実施例の何れかの実施例としては，磁石の極数４，コイル数１２の３相駆動電動機のときの説明をしたが，磁石の極数２，コイル数６や，磁石の極数６，コイル数１８など，自然数ｎに対して，磁石極数２ｎ，コイル数６ｎの組み合わせが考えられる。また，磁石極数２ｎに対して，コイル数１２ｎなどでも良い。磁石の極数２,コイル数１２のときの実施例を図９に示す。この構成とした際には,図９に示すように，隣り合うコイルが２つずつ同相になるようにすれば良い。また，磁石の極数２ｎ，コイル数２ｎのような，単相駆動電動機であっても良い。

１ 回転子永久磁石
１ａ 回転子永久磁石Ｎ極
２ｂ 回転子永久磁石Ｓ極
２ シャフト
３ カバー
４ 分割スロットレス型固定子コア
５ 固定子コイル
６ 固定子コイルボビン
７ 内側フレーム
８ 外側フレーム
９ 内側コイル
１０ 外側コイル
１１ 固定子コア
１２ 空洞
１３ 内側コイルＵａ
１４ 内側コイルＵｂ
１５ 内側コイルＵｃ
１６ 内側コイルＵｄ
１７ コイルエンド部
１８ 固定子コア
１９ ティース部
２０ 梁
２１ エンドブラケット
２２ 固定子コイルボビン凸部
２３ 内側フレーム凹部
５０ 回転子
５１ スロットレス型固定子
５２ フレーム
６１ 固定子
１００ スロットレス型電動機
１０１ 電動機

Claims (9)

1. 中空な円筒状のコアと，前記コアに導体を巻回したコイルで構成される固定子と，前記固定子の内側コイルに対向して，回転可能に配置された永久磁石回転子を有し，前記固定子の外側に前記固定子を保持する内部が空洞のフレームが配置されることを特徴とするスロットレス型電動機
2. 中空な円筒状のコアと，前記コアに導体を巻回したコイルで構成される固定子と，前記固定子の内側コイルに対向して，回転可能に配置された永久磁石回転子を有し，前記固定子の外側に前記固定子を保持する内側フレームと，前記内側フレームの外側に外側フレームを有し，内側フレームと外側フレームの間に空洞があることを特徴とするスロットレス型電動機
3. 請求項２に記載のスロットレス型電動機であって，前記内側フレームと前記外側フレームを繋ぐ複数個の梁を有することを特徴とするスロットレス型電動機。
4. 請求項２又は請求項３に記載のスロットレス型電動機であって，前記スロットレス型電動機の端部の片側にエンドブラケット部を有し，前記エンドブラケット部は，前記内側フレームと前記外側フレームの間の空洞に繋がる空隙を有することを特徴とするスロットレス型電動機。
5. 請求項２又は請求項３に記載のスロットレス型電動機であって，前記スロットレス型電動機の端部の両側にエンドブラケット部を有し，前記エンドブラケット部は，前記内側フレームと前記外側フレームの間の空洞に繋がる空隙を有することを特徴とするスロットレス型電動機。
6. 請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載のスロットレス型電動機であって，断面構造の一部において，内側フレーム部を有さないことを特徴とするスロットレス型電動機。
7. 請求項２乃至請求項６の何れか１項に記載のスロットレス型電動機であって，前記コイルはコイルボビンに巻き回されていて，前記コイルボビンは径方向外側に凸部を有し，前記内側フレーム部に径方向内側に凹部を有し，前記凸部と前記凹部が嵌め合うことを特徴とするスロットレス型電動機。
8. 請求項２乃至請求項７の何れか１項に記載のスロットレス型電動機であって，前記永久磁石回転子端部の片一方に固定されたインペラを有し，外側フレーム部がディフューザであることを特徴とする電動送風機。
9. 請求項８に記載の電動送風機を用いたことを特徴とする電機掃除機。

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