JP3013207B2 - 電動機の回転子 - Google Patents

電動機の回転子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電動機の回転子に係り、
特にルームエアコンや扇風機等の送風用小型電動機をサ
イリスタ等で可変速制御する場合に発生する電磁騒音を
抑制するために好適な電動機の回転子に関する。
【0002】
【従来の技術】小型電動機は家庭電器製品において便利
な駆動手段として多用されているが、近年、電子制御技
術の発達に伴なって機器の状態に応じて電動機を可変速
に制御する方式が増え、その際発生する電磁騒音の低減
が問題となる場合が多い。
【0003】従来この種の電動機としては、誘導電動機
が一般によく用いられる。以下その構成を図5に示す縦
断面図により説明する。
【0004】固定子側は、固定子巻線1を巻装した固定
子鉄心2がフレーム3に固定されている。一方回転子側
は、アルミダイカストによる回転子巻線(図示せず)を施
した回転子鉄心4がシャフト5に圧入固定され、軸受
6,6によりエンドブラケット7,7に回転自在に支持
されている。上記構成において固定子巻線1に外部から
交流電圧を印加することにより、固定子鉄心2と回転子
鉄心4の間のエアギャップ8に回転磁界が発生し、回転
子鉄心4とシャフト5は一体に回転する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】家庭電器製品では、小
型のコンデンサラン型の単相誘導電動機が用いられるこ
とが多く、この場合固定子巻線1のうち主巻線と補助巻
線の起磁力のアンバランスにより回転トルク中に電源周
波数fの2倍の周波数の脈動トルク(以下2fトルクと
呼ぶ)成分が含まれてくる。この2fトルクはシャフト
5から負荷のファンに伝達され、前記ファンに2f周波
数近辺の固有振動数が存在する場合、共振音となって製
品の騒音増大を招く。
【0006】また、前記コンデンサラン型の単相誘導電
動機をサイリスタ等の位相制御により可変速に運転しよ
うとする場合、正弦波の電源電圧が、ある位相で切除さ
れた歪波形となるため、電源電圧自身が数多くの高調波
を重畳した形になり、回転トルク中には2fn(nは正
の整数)の周波数の脈動トルク成分が発生する。
【0007】一般に送風装置のファンは薄肉の翼部を有
しているため、数百Hzの周波数領域に複数個のねじり固
有振動数が存在し、前記2fnの脈動トルクとの共振を
避けきることは極めて困難である。特に低回転数でファ
ンが運転された場合、ランダムな周波数成分をもつ風切
音のレベルが下がるのに較べ、前記2fnの共振音が笛
の鳴りつづくように耳ざわりな音として残り、機器の使
用快適性を著しく損なう結果となる。
【0008】本発明は、上記課題を解決するためのもの
で、回転トルク中の脈動成分に基づく電磁騒音を低減し
た電動機を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、回転子鉄心と
シャフトとをゴム状弾性体により固着もしくは係合し、
前記回転子鉄心の回転トルクをシャフトに伝達する電動
機の回転子であって、前記回転子鉄心の内周にすべり軸
受を固定し、このすべり軸受におけるシャフトとの対向
面に、シャフトに対して僅かな隙間を有するように薄肉
のゴム膜を設けたことを特徴とする。
【0010】
【作用】本発明によれば、銅および鉄等の合金や硬質の
プラッスチックによりすべり軸受を構成し、このすべり
軸受の表面にゴム膜を設けることによって、主巻線と補
助巻線の起磁力のアンバランスによりゴム状弾性体がね
じれ、回転子鉄心が不安定になろうとしても、すべり軸
受によって回転子鉄心が支持されるため、ゴム状弾性体
(以下、ダンパーゴムと呼ぶ)のねじれが大きくなるこ
とがない。この時、すべり軸受の摺動部にはゴム膜を備
えているので、すべり軸受自体は硬質でありながら、シ
ャフトと回転子鉄心の接触時に生じる振動を抑えること
ができる。このようにして、本発明は、正規の回転トル
ク以外の2fnの周波数の脈動トルクがシャフトを介し
て負荷に伝わるのを抑制しようとするものであり、以下
その防振作用をねじり振動のモデルを用いて説明する。
なお、簡略化するため前記振動モデルはファンの代わり
に負荷に剛体円板を用いたもので説明する。
【0011】回転子鉄心の慣性モーメントをJ1,シャ
フト及び負荷の慣性モーメントを加え合わせたものをJ
2,ダンパーゴムのねじりばね定数をKθとすると、こ
の振動系の固有振動数fθは、数1で示される。
【0012】
【数1】
【0013】通常、ファン負荷ではJ2>J1であり、こ
の場合、数2となる。
【0014】
【数2】
【0015】また回転子鉄心における脈動トルクの値を
1n,シャフトを経て負荷へ伝達される脈動トルクをT
2nとした場合、脈動トルクの伝達率は振動絶縁の理論よ
り、数3となる。
【0016】
【数3】
【0017】
【外1】
【0018】なお、上記fθは電動機の基本回転数より
高い値に設定することは言うまでもない。仮にfθを40
Hzに設定した場合ζ=0とすると、100Hzで伝達率は1
/5.25、200Hzで1/24になり、脈動トルクは大幅に減
衰されて負荷に伝わることになる。
【0019】実際のファン負荷状態では、ファンやシャ
フトの固有振動数やダンパーゴムをはじめ各部の粘性減
衰の影響があり、連成した系としてとらえる必要があ
る。加振実験等による実験的な確認を併用するものであ
るが、基本的には上記の防振の原理が適用できる。
【0020】次に、回転子鉄心部をシャフトに回転可能
に支持するために用いるすべり軸受について説明する。
【0021】一般にすべり軸受は銅および鉄等の合金や
プラスチックを用い、シャフトとの間にわずかの回転隙
間を設けて組み込む使い方がなされる。本発明に係る電
動機の回転子に上記一般のすべり軸受を適用した場合、
前記わずかの回転隙間の摺接部で微振動が発生し、当た
り音による異音増大を招く。この現象は電動機のエアギ
ャップ(固定子鉄心と回転子鉄心の回転隙間)不同が大に
なるにつれ顕著になる。
【0022】また軟質のプラスチック製のすべり軸受を
適用することも考えられるが、この場合、熱膨脹時に回
転隙間がなくなって回転ヅマリの状態を生じダンパーゴ
ムの防振効果が阻害される。
【0023】これら諸点を検討した結果に基づき、本発
明では内周の摺接部に薄肉のゴム膜を配設したすべり軸
受を用いるものである。前記薄肉のゴム膜は、例えば、
すべり軸受本体金属と成形金型内で加硫接着することに
より、同軸度・軸受隙間等の寸法精度の確保が容易にな
るとともに薄肉であるために熱膨脹時の寸法変化を小さ
く抑えることができる。
【0024】更にゴム膜であるために、回転隙間がなく
なってもゴム弾性接触し、回転ヅマリが生じにくいうえ
に金属接触に基づく当たり音を回避することができる。
ゴム膜の厚みは上記寸法精度と防振効果のバランスをと
るように適用する電動機に合わせて設定する。
【0025】上記により、ダンパーゴムの脈動トルクに
基づく微小ねじり変位に支障を与えず、かつ回転子鉄心
の径方向に変位の少ない回転支持ができるものである。
なお、ゴム膜とシャフトとの摺接部にはグリースや固体
潤滑剤を塗布することが耐久性能を高めるうえで好まし
い。
【0026】
【実施例】以下、本発明における各実施例を図1〜図4
で説明する。
【0027】図1は本発明の第1の実施例を示す電動機
回転子の縦断面図である。図に示すように回転子鉄心11
はシャフト12との摺接部にゴム膜13を配したすべり軸受
14,14によりシャフト12に回転可能に支持されている。
ダンパーゴム15はあらかじめ金属製の外筒16及び内筒17
と加硫接着成形されたものを用い、外筒16は回転子鉄心
11の内径部に、また内筒17はシャフト12の外径部に接着
もしくは圧入等の方法で夫々固着保持される。また、す
べり軸受14,14はその内周部にあらかじめゴム膜13が加
硫接着成形してあり、外周を回転子鉄心の内径部に圧入
固定している。シャフト12とゴム膜13の内周は僅かな隙
間挿入である。
【0028】本実施例を6極,50Wのコンデンサラン型
単相誘導電動機に適用した場合、回転子鉄心11は外径50
mm,積層厚43mmで慣性モーメントは1.6g・cm・sec2
あった。シャフト12は直径φ12mmであり、すべり軸受14
のゴム膜13の肉厚は0.5mmであり、材質は耐熱性の良好
なエチレンアクリルゴム(デュポン(株)製、商品名ベイ
マック)の硬度70°の配合のものである。ダンパーゴム1
5はエチレンアクリルゴムの硬度45°の配合を用い、形
状はゴム部の長さが20mm,厚みが6mmのものが良好であ
った。
【0029】このダンパーゴムの形状,硬度は加振実験
により求めたもので、電動機回転子を両側のボールベア
リング18の外輪で支承し、シャフト12の先端を固定した
状態で回転子鉄心11の外周を周方向に加振し、同外周上
で90°離れた位置に取り付けた振動ピックアップで円周
方向の振動加速度の周波数応答特性をFFTアナライザ
ーを用いて求めるという加振測定の常法によった。本実
施例を上記測定法で測定した場合、ねじり方法の固有振
動数は65Hzであった。
【0030】上記構成において、回転子鉄心部11に発生
した脈動トルク成分を含む回転トルクは、ダンパーゴム
15を介してシャフト12へ伝達されるが、正規の駆動トル
ク(20Hz以下)は減衰を受けず、2fnの周波数成分を有
する脈動トルクのみ大きく減衰されて伝わることにな
り、大きな防振効果が得られる。
【0031】次に、本実施例の電動機(6極,50W,
コンデンサラン型単相誘導電動機)をファン負荷で実際
にサイリスタ位相制御で50Hz,370rpmの回転数で運転し
た場合の騒音の周波数分析結果を図2(a)に、また従来
例の電動機回転子を組み込んで同様にサイリスタ運転し
た場合の結果を図2(b)に示す。従来例の結果では、2
fnの周波数の異音のピークが数多くみられるのに較
べ、本実施例による結果では、それらピークの大半が風
切音のレベルまで低下して目立たなくなり、大幅な騒音
低減効果を示している。
【0032】図3及び図4は本発明による第2及び第3
の各実施例を示す電動機回転子の縦断面図である。第1
の実施例は、ダンパーゴムを回転子鉄心部の内側に設け
た場合の例であるが、第2の実施例は図3に示すよう
に、ダンパーゴム21の一端を回転子鉄心22の外側端面に
固定し、他端をシャフト23に圧入等で固定された押え板
24で保持し、回転子鉄心22の回転トルクをダンパーゴム
21,21を介してシャフト23に伝える構成であり、これも
同様の効果が得られることはいうまでもない。なお、25
と26は夫々図1と同様構成のすべり軸受とゴム膜であ
る。
【0033】また第3の実施例は図4に示すように、内
周に薄肉のゴム膜31を設けたすべり軸受32を1個にし
て、回転子鉄心33の内周部に組み込む方式である。更
に、図4には示していないが前記すべり軸受32の本体金
属部を回転子鉄心内周部で兼用させた構成とすることも
可能である。なお、34はシャフトである。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ルームエアコンや扇風機等の送風用小型電動機をサイリ
スタ等で速度制御する場合に問題となりやすい回転トル
ク中の動成分に基づく電磁騒音を抑制することができ
るため、本発明の電動機の回転子を用いることによって
安価な制御装置を用いて低騒音の送風装置が構成でき
る。また、送風装置以外の他の永久磁石式同期電動機に
おけるコギング対策等にも有効な騒音低減手段として機
能させることができる。
【0035】また本発明は、回転子鉄心が不安定になろ
うとしても、すべり軸受によって回転子鉄心が支持され
るため、ゴム状弾性体のねじれが大きくなることがな
い。この時、すべり軸受の摺動部にはゴム膜を備えてい
るので、すべり軸受自体は硬質でありながら、シャフト
と回転子鉄心の接触時に生じる振動を抑えることがで
き、しかも、熱膨張時において回転づまりが生じにくい
うえに金属接触に基づく当たり音を回避することができ
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による電動機回転子の縦
断面図である。
【図2】本発明の第1の実施例による電動機回転子を用
いた場合の騒音の周波数分析結果を示す図(a),及びは
従来例の電動機回転子を用いた場合の騒音の周波数分析
結果を示す図(b)である。
【図3】本発明の第2の実施例による電動機回転子の縦
断面図である。
【図4】本発明の第3の実施例による電動機回転子の縦
断面図である。
【図5】従来例の電動機の縦断面図である。
【符号の説明】
1…固定子巻線、 2…固定子鉄心、 3…フレーム、
4,11,22,33…回転子鉄心、 5,12,23,34…シ
ャフト、 6…軸受、 7…エンドブラケット、8…エ
アギャップ、 13,26,31…ゴム膜、 14,25,32…す
べり軸受、 15,21…ダンパーゴム、 16…外筒、 17
…内筒、 18…ボールペアリング、 24…押え板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−105529(JP,A) 実開 昭55−141277(JP,U) 実開 平2−104744(JP,U) 実開 昭62−93419(JP,U) 実開 平1−109271(JP,U) 実開 平3−70039(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02K 1/28 - 1/30 H02K 5/167 H02K 5/24 F16C 17/00 - 17/24

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転子鉄心とシャフトとをゴム状弾性体
    により固着もしくは係合し、前記回転子鉄心の回転トル
    クをシャフトに伝達する電動機の回転子であって、前記
    回転子鉄心の内周にすべり軸受を固定し、このすべり軸
    受におけるシャフトとの対向面に、シャフトに対して僅
    かな隙間を有するように薄肉のゴム膜を設けたことを特
    徴とする電動機の回転子。
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