JP2020129880A - 電動機及びそれを用いた電動送風機及びそれを用いた電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】量産が容易で電動機特性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】中空かつ円筒状の一体型固定子円筒コアと、該一体型固定子円筒コアの内側に位置する複数の固定子コイルと、該固定子コイルの径方向内側に対向し、回転可能に配置される回転子永久磁石とを備え、該固定子コイルと該回転子永久磁石の間に、円筒状の内側フレームを備え、該内側フレームの軸方向長さは該固定子コイルの軸方向長さより長く、該内側フレームは径方向に延びる複数の突起を備え、該内側フレーム端部には，端部フレームを備え、該内側フレーム端部と端部フレームが接触している。【選択図】図１

Description

本発明は，電動機及びそれを用いた電動送風機及びそれを用いた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。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。

特開２０１４−２１９００６号公報 特開２００７−３３６７５１号公報

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。こ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。

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のような，固定子側のティースコア部が無いスロットレス構造があげられる。特許文献２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。また，スロットレス構造では，コイルを巻き回すティースコア部が無いために、ステータコアに対してコイルが適切な位置に固定されず，コイルに発生する誘起電圧にバラつきが起きてモータ特性を悪化させるが，特許文献２ではコイルを巻きまわしたインシュレータの一端の外周部にステータコアとコイルとの位置決めをする鍔部を設けることで，電動機特性の安定性を図っている。しかしながら，この構造で，インシュレータを単にステータコアに挿入させただけでは，鍔部が存在しない側の端から電動機軸長方向にインシュレータまたはコイルを押す力が働いた場合にコイル位置はズレてしまい，電動機特性が低下する。また，インシュレータまたはコイルに電動機周方向に力が働いた場合に，コイル位置のズレが生じるため，電動機特性が低下する。そこで，特許文献２の実施例によれば，インシュレータの挿入後にステータコアとインシュレータを樹脂モールドすることで固定をしているが，樹脂モールド作業の工程が入ることは量産性を悪化させる。また樹脂モールドをしていても，固定が不十分であった場合に，電動機駆動により，電動機軸長方向及び電動機回転方向に力が働くことで，コイル位置のズレが生じ，電動機特性が低下する。

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，量産が容易で電動機特性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，中空かつ円筒状の一体型固定子円筒コアと、該一体型固定子円筒コアの内側に位置する複数の固定子コイルと、該固定子コイルの径方向内側に対向し、回転可能に配置される回転子永久磁石とを備え、該固定子コイルと該回転子永久磁石の間に、円筒状の内側フレームを備え、該内側フレームの軸方向長さは該固定子コイルの軸方向長さより長く、該内側フレームは径方向に延びる複数の突起を備え、該内側フレーム端部には，端部フレームを備え、該内側フレーム端部と端部フレームが接触してい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，固定子コア内側に貼り付けたコイルについて表面積が大きくできることで放熱性を改善し，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組み立て途中の状態を示す斜視図である。（ｃ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立てた状態を示す斜視図である。（ｄ）図１（ｃ）の軸方向断面図である。 （ａ）図１（ｃ）のスライス断面図である。（ｂ）本発明の別実施形態に係る電動機の組み立てた状態のスライス断面図である （ａ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立て途中の状態の斜視図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立て途中の状態のスライス断面図である。 （ａ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立て途中の状態の斜視図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立て途中の状態の断面図である。 （ａ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立て途中の状態の斜視図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立てた状態の斜視図である。 （ａ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立て途中の状態の斜視図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立てた状態の斜視図である。 （ａ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立て途中の状態の斜視図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係る電動機の組み立てた状態の斜視図である。

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り，図１（ａ），（ｂ）は組み立て途中の状態，図１（ｃ）は組み立てた状態である。図１（ｄ）は図１（ｃ）の軸方向断面図である。

図１に示す電動機は，いわゆるスロットレス型電動機１００である。スロットレス型電動機１００では，固定子のコア（鉄心）にティースを有することないことが構造的な特徴となっている。図１において，スロットレス型電動機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と軸方向両端部の端部フレーム２０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，Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ（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，磁石の表面をカバーで保護しても良い。カバーの材質としては，ＳＵＳやＣＦＲＰなどが考えられる。スロットレス型固定子５１は，内側フレーム２１の外側の突起３１の間に複数個の固定子コイル５を嵌めた後に，内側フレーム２１を固定子円筒コア４に挿入することで構成される。固定子コイル５の形成方法としては，単に銅やアルミなど導体の線を巻き回しただけでも良いし，自己融着線を用いても良い。巻きまわした後に，エポキシ樹脂等で固めることも考えられる。また，固定子コイル５を突起３１に直接巻きまわしても良い。内側フレーム２１を固定子円筒コア４に挿入後，軸方向の両端部から端部フレーム２０で挟み込む。端部フレーム２０と固定子円筒コア４は接着剤等で固定することが考えられる。また，後述の実施例に記載の通り，ボルト７１で固定することも考えられる。端部フレーム２１の外側に端部フレーム２１と固定子円筒コア４を挟み込んで固定するようなフレーム部品があっても良い。内側フレーム２１の円筒部の軸方向長さは，固定子コイル５の軸方向長さよりも長くなっており，コイル図１（ｄ）に示すように，内側フレーム２１の円筒部の両端部と端部フレーム２０の内側が接触している。これにより，内側フレーム２１に巻きまわされた固定子コイル５に対して軸方向に力が働いたとしても，端部フレーム２０に挟まれているために固定子コイル５の位置が動くことはない。また，固定子コイル５に対して周方向に働く力についても，内側フレーム２１と端部フレーム２０の接触面の摩擦力によって保持されるため固定子コイル５の位置が動くことはない。内側フレーム２１の円筒部の軸方向長さを固定子コイル５の軸方向長さよりも短くすると。端部フレーム２０と固定子コイル５が接触することとなるが，この接触面に摩擦力が働くと，固定子コイル５を構成する導線表面の絶縁が剥がれて短絡する恐れがあり故障原因となり得るため，内側フレーム２１の円筒部の軸方向長さは，固定子コイル５の軸方向長さよりも長くする必要がある。

図２（ａ）は図１（ｃ）のスライス断面図である。固定子コイル５は複数本の導線の集合から成り立つものであり，断面で見た時に導線は一本一本が独立して見えるが，本発明の図面ではこれを省略して，コイルが存在する領域のみを図示している。図２（ａ）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。本発明の一実施形態では，図１（ａ）と図２（ａ）に示すように，固定子コイル５に電流を流した場合に，固定子円筒コア４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５ａ，Ｖ相コイル５ｂ，Ｗ相コイル５ｃ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。Ｕ相コイル５ａ，Ｖ相コイル５ｂ，Ｗ相コイル５ｃは，断面で見た時にそれぞれ２分割されているが，図１（ａ）で示すように軸長端部でつながった一体のものであり，図中の＋−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。また，図２（ａ）で，Ｕ相コイル５ａは１８０ずれた位置で２つ存在するが，この二つのＵ相コイル５ａには同位相の電流が流れていることを示し，二つのＵ相コイル５ａは直列で接続されていても，並列で接続されていても良く，これらはＶ相コイル５ｂ，Ｗ相コイル５ｃについても同様である。この固定子コイル５の配置により，固定子コイル５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。固定子コイル５に電流が流れることにより発熱するが，内側フレーム２１と端部フレーム２０が接触していることで，固定子コイル５で発生した熱が内側フレーム２１と端部フレーム２０を介して外部に伝達するため，冷却効果が高い。電動機温度が低下することで，磁石残留磁束密度の増加と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。端部フレーム２０，内側フレーム２１の材質としては金属や，樹脂，あるいは，金属をフィラとして樹脂に混ぜるなどで樹脂と金属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。樹脂には熱伝導性が高い樹脂を用いた方が良い。

固定子円筒コア４の材質としては，鉄が主成分の電磁鋼板が考えられ，電磁鋼板からコア形状を打ち抜いたものを積層することで，固定子円筒コア４を構成できる。固定子円筒コア４は図１で示すような一体型コアでも良いし，いくつかに分割したコアでも良い。分割コアであれば，電磁鋼板から打ち抜く際に無駄なく打ち抜くことができ，コストの低減を図ることができるが，一体型コアと比べて，分割部の隙間による磁束漏れにより，効率の低下が懸念される。固定子コイル５の材質としては，銅やアルミを用いることが考えられる。

図２（ｂ）に示す別実施形態の組み立てた状態のスライス断面図のように，固定子円筒コア４と固定子コイル５の間に絶縁のため円筒形状の外側フレーム３０を挿入することも考えられる。外側フレーム３０の軸方向長さと内側フレーム２１の軸方向長さを同じとすることで，外側フレーム３０と端部フレーム２０が接触するため，この接触面に働く摩擦力によって，より強固に固定子コイル５の位置は保持される。

次いで，本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は本実施例の電動機構造を示す図であり，図３（ａ）は組み立て途中の状態の斜視図で，図３（ｂ）は組み立てた状態のスライス断面図である。図１，２に示した実施の形態と異なる点は，内側フレーム２１から径方向に延びた突起３１の先端に周方向に伸びた鍔部３２を有することである。内側フレーム２１の突起３１に固定子コイル５を直接巻きまわすときに，固定子コイル５が外側に脱落するのを鍔部３２が防ぎ，量産性が向上する。

次いで，本発明の第３の実施の形態を説明する。図４は本実施例の電動機構造を示す図であり，図４（ａ）は組み立て途中の状態の斜視図で，図４（ｂ）は組み立てた状態の断面図である。図１〜３に示した実施の形態と異なる点は，端部フレーム２０が，スロットレス型電動機１００の内側に向かって軸長方向に伸びる円筒状突起を有することにある。
図４（ａ）に図示する内周側突起２２ａの外径は，内側フレーム２１の円筒部内径と同じ寸法として，かつ外周側突起２２ｂの内径は内側フレーム２１の円筒部外形と同じ寸法とすることで，図４（ｂ）の断面図に示すように，内側フレーム２１の円筒部と内周側突起２２ａと外周側突起２２ｂが嵌め合うようになっている。これにより，内側フレーム２１
と端部フレーム２０の接触面が大きくなるため，この接触面に働く摩擦力によって，より強固に固定子コイル５の位置は保持される。内周側突起２２ａと外周側突起２２ｂの両方を有しているほうが接触面が大きく，摩擦力も大きいが，どちらか片方だけであっても同様に固定子コイル５の位置を保持する効果が得られる。

次いで，本発明の第４の実施の形態を説明する。図５は本実施例の電動機構造を示す斜視図であり，図５（ａ）は組み立て途中の状態，図５（ｂ）は組み立てた状態の斜視図である。図１〜４に示した実施の形態と異なる点は，内側フレーム２１の端部から軸長
方向に伸びた複数個の凸部４１と，この凸部と嵌合するように端部フレーム２０が複数個の凹部４０を有することである。組み立てたときにこの凹部４０と凸部４１が嵌合することで，より強固に固定子コイル５の位置は保持される。図示は省略するが凹凸の関係を逆転させた端部フレーム２０側に凸部４１，内側フレーム側に凹部４０を有する構造であっても同様の効果が得られる。

次いで，本発明の第５の実施の形態を説明する。図６は本実施例の電動機構造を示す斜視図であり，図６（ａ）は組み立て途中の状態，図６（ｂ）は組み立てた状態の斜視図である。図１〜５に示した実施の形態と異なる点は，端部フレーム２０及び固定子円筒コア４が複数個のボルト穴７０を有しており，複数個のボルト７１を挿入していることである。これにより端部フレーム２０と固定子円筒コア４が固定されるため，より強固に固定子コイル５の位置は保持される。

次いで，本発明の第６の実施の形態を説明する。図７は本実施例の電動機構造を示す斜視図であり，図７（ａ）は組み立て途中の状態，図７（ｂ）は組み立てた状態の斜視図である。図１〜６に示した実施の形態と異なる点は，端部フレーム２０と内側フレーム２１が複数個の固定子円筒コア４が複数個の空孔２３を有していることである。これにより，外部から回転子永久磁石１までの空気の流路ができるため，空冷による冷却効果が高い。電動機温度が低下することで，磁石残留磁束密度の増加と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。

次いで，本発明の第７の実施の形態を説明する。第１から第６の実施例を複数組み合わせることが考えられる。例えば，端部フレーム２０が，スロットレス型電動機１００の内側に向かって軸長方向に伸びる円筒状突起を有し，端部フレーム２０及び固定子円筒コア４が複数個のボルト穴７０を有して，複数個のボルト７１を挿入しており，端部フレーム２０と内側フレーム２１が複数個の固定子円筒コア４が複数個の空孔２３を有している構造が考えられる。

次いで，本発明の第８の実施の形態を説明する。第１から第８の実施例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た構造とすることで，インペラがついている側，または反対側から，空気が強制的に流れる電動送風機としての構成となる。インペラの材質としては金属や，樹脂，あるいは，金属をフィラとして樹脂に混ぜるなどで樹脂と金属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。樹脂には熱伝導性が高い樹脂を用いた方が良い。また，端部フレーム２１及び固定子円筒コア４に熱冷却のための複数個のフィンを立てることにより冷却効果を高めた構成も考えられる。また，このフィンを軸長方向に対して傾けた配置とすることで，ディフューザとしての役割を持たすことも考えられる。本実施例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。

本発明の実施例としては，磁石の極数４，コイル数６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３や，磁石の極数６，コイル数９など，自然数ｎに対して，磁石極数２ｎ，コイル数３ｎの組み合わせが考えられる。また，自然数ｎが偶数であるときは磁石極数２ｎに対して，コイル数ｎ×３／２でも良い。また，自然数ｎに対して，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。その他の極数・スロット数の組み合わせであっても良い

１ 回転子永久磁石
１ａ 回転子永久磁石Ｎ極
１ｂ 回転子永久磁石Ｓ極
２ シャフト
４ 固定子円筒コア
５ 固定子コイル
５ａ Ｕ相コイル
５ｂ Ｖ相コイル
５ｃ Ｗ相コイル
２０ 端部フレーム
２１ 内側フレーム
２２ 円筒状突起
２２ａ 内周側円筒状突起
２２ｂ 外周側円筒状突起
２３ 空孔
２３ａ 内側フレーム空孔
２３ｂ 端部フレーム空孔
３０ 外側フレーム
３１ 突起
３２ 鍔部
４０ 凹部
４１ 凸部
５０ 回転子
５１ スロットレス型固定子
７０ ボルト穴
７１ ボルト
１００ スロットレス型電動機

Claims (11)

1. 中空かつ円筒状の一体型固定子円筒コアと、該一体型固定子円筒コアの内側に位置する複数の固定子コイルと、該固定子コイルの径方向内側に対向し、回転可能に配置される回転子永久磁石とを備え、該固定子コイルと該回転子永久磁石の間に、円筒状の内側フレームを備え、該内側フレームの軸方向長さは該固定子コイルの軸方向長さより長く、該内側フレームは径方向に延びる複数の突起を備え、該内側フレーム端部には，端部フレームを備え、該内側フレーム端部と端部フレームが接触していることを特徴とする電動機。
2. 請求項１に記載の電動機であって，前記固定子円筒コアと前記固定子コイルの間に円筒状の外側フレームを有し，該外側フレームの軸方向長さは該内側フレームの軸方向長さと同じであることを特徴とする電動機。
3. 請求項１又は２に記載の電動機であって，前記内側フレームが備える前記突起の先端に周方向へ伸びた鍔部を有することを特徴とする電動機。
4. 請求項１乃至３に記載の電動機であって，前記内側フレームが軸長方向に伸びる円筒状突起を有しており，該円筒状突起の外径は該内側フレーム円筒部の内径と同じ寸法であることを特徴とする電動機。
5. 請求項１乃至４に記載の電動機であって，前記端部フレームが軸長方向に伸びる円筒状突起を有しており，該円筒状突起の内径は該内側フレーム円筒部の外径と同じ寸法であることを特徴とする電動機。
6. 請求項１乃至５に記載の電動機であって，前記内側フレームが軸長方向に伸びる複数個の凸部を有しており，前記端部フレームには該凸部と嵌合する複数個の凹部を有することを特徴とする電動機。
7. 請求項１乃至５に記載の電動機であって，前記端部フレームが軸長方向に伸びる複数個の凸部を有しており，前記内側フレームには該凸部と嵌合する複数個の凹部を有することを特徴とする電動機。
8. 請求項１乃至７に記載の電動機であって，前記端部フレームと前記固定子円筒コアは複数個のボルト穴を有しており，ボルトにより固定することを特徴とする構造。
9. 請求項１乃至８に記載の電動機であって，前記端部フレームと前記内側フレームは複数個の空孔を有していることを特徴とする電動機。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の電動機であって，前記回転子永久磁石端部の片一方に固定されたインペラを有すことを特徴とする電動送風機。
11. 請求項１０に記載の電動送風機を用いたことを特徴とする電気掃除機。

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