JP2018143473A - ファンユニット及びこれを搭載した掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトなサイズで、安定的かつ高効率なファンの駆動を実現する。
【解決手段】ファン機構５と駆動部とを送風路１５に一体に備えたファンユニット１である。ファン機構５は、回転軸Ｏを一致させた状態で直列に配置された第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂを備える。第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂが、駆動部により、互いに相対的に回転するように駆動される。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気の流動を効率的に発生させることができるファンユニットに関し、特に、コードレスのスティック型の掃除機に好適なファンユニットに関する。

従来、バッテリー電源を使用する、コードレスのスティック型の掃除機では、一般に、ブラシ付きＤＣモータが使用されていた。このＤＣモータは、最大回転数が２００００ＲＰＭ程度と低く、またコンパクトであるため、吸込仕事率等の性能が、一般的なキャニスター型の掃除機と比較して極端に低くなる(一般的に１０〜２０Ｗ程度)という問題があった。

そのため、近年では、ブラシレスＤＣモータの使用により、高い吸引仕事率が実現できるコードレスのスティック型掃除機が登場している。これらスティック型掃除機は、主に、内蔵したバッテリー電源で、７００００〜１０００００ｒｐｍ前後の高速回転でモータ駆動できるため、利便性が高い。

また、リチウムイオン電池の性能向上に伴って、小型軽量で大出力のバッテリーが安価に入手できるようになったため、この種の掃除機の需要が増加している。コードレスのスティック型電気掃除機は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２０１５−１５９８４１号公報

しかしながら、特許文献１のような既存のスティック型電気掃除機は、一般的な掃除機に比べ運転時の吸込仕事率が低いという問題がある。

すなわち、一般的なキャニスター型電気掃除機の吸込仕事率が通常１８０Ｗ程度であるのに対し、既存のスティック型電気掃除機の吸込仕事率は、強モード運転であっても、通常１００Ｗ程度であり、満足のいく性能が得られているとはいえない。

そのため、スティック型電気掃除機は補助的に扱われており、メインの掃除機としては、依然としてキャニスター型電気掃除機が用いられている場合が多い。その結果、これら２台の掃除機を所有するユーザーが多いのが現状であるが、所有する掃除機は、スティック型電気掃除機だけで足りるようにするのが望ましい。

そのためには、例えば１００Ｗ以上の高い吸引仕事率を、スティック型電気掃除機で実現する必要があるが、特許文献１のような従来の構成では、モータやファンの大型化は避けられず、掃除機の重量やサイズが大きくなって、扱い難くなるという問題がある。

そこで本発明の目的は、ファンとその駆動源に工夫を加えて、コンパクトなサイズで、安定的かつ高効率なファンの駆動を実現することにより、スティック型電気掃除機でハイパワーな吸引力が得られるファンユニットを提供することにある。

本発明は、ファン機構と、該ファン機構を駆動する駆動部とを、送風路に一体に備えたファンユニットであり、前記ファン機構は、回転軸を一致させた状態で直列に配置された第１ファン及び第２ファンを備え、前記第１ファン及び前記第２ファンが、前記駆動部により、互いに相対的に回転するように駆動される。

すなわち、このファンユニットによれば、ファン機構と、そのファン機構を駆動する駆動部とが、送風路に一体に備えられているので、そのサイズをコンパクトにでき、ファン機構で形成される風によって駆動部を冷却することもできる。回転軸を一致させた状態で直列に配置された第１ファン及び第２ファンが互いに相対的に回転して風を発生させるので、コンパクトでありながら、１つのファンに比べて強力な空気流を発生させることができる。異なる構造のファンを組み合わせ、同方向の異なる速度の回転や逆方向の回転を行うことで、安定的かつ高効率なファンの駆動が実現できる。

例えば、前記第１ファン及び前記第２ファンのうち、少なくとも一方は軸流ファンであるのが好ましく、特に、前記第１ファンは、斜流ファン又は遠心ファンであり、前記第２ファンは、軸流ファンであるのが好ましい。このとき、前記送風路の上流側に前記第１ファンを配置するとよい。

例えば、遠心ファンのみでファン機構を構成した場合、遠心ファンは厚みがあるため、長さ方向が大きくなる。また、遠心ファンは中心部からの吸込み遠心力により外周方向に風を吐き出すため、２段目に風を導く風路が複雑になるという欠点がある。一方、軸流ファンのみでファン機構を構成した場合、１段の軸流ファンよりは静圧が上昇するが、遠心ファンと比較すると２段構成でも十分な静圧を得ることは困難である。

そこで１段目を遠心もしくは斜流ファン、２段目を軸流ファンで構成することにより、１段目の風をそのまま後方に流すことができ風路がシンプルになると共に、軸流ファンは厚みが薄いために長さ方向を小さくすることができ、全体としてコンパクトに構成することができる。

さらに、性能としても１段目の遠心ファンと２段目の軸流ファンにより単段の遠心ファン以上の性能を出すことができるため、コンパクトなままで高性能なファンを実現できる。また、１段目に遠心ファン、２段目に軸流ファンを配置することで、既存の風路の中に軸流ファンを配置でき、その逆の配置と比較して、よりコンパクトに配置することができる。

例えば、第１ファンと第２ファンとを逆方向に回転させた場合、第１ファンが発生させた空気流の乱れは遠心ファンもしくは斜流ファンにより旋回成分を非常に多く含んだ形で後方に送られる。通常であればこの旋回流をディフュザー等で整流して動圧を回収し静圧を高めているが、一般的に旋回成分が大きすぎるためにディフュザーでは旋回成分を完全に無くすことはできない。

それに対し、遠心もしくは斜流ファンの後段に軸流ファンを設け、逆回転させれば、１段目からの旋回流が整流され、また軸流ファンにより静圧が増加する。従って、単段の遠心及び斜流ファンに比較して大幅な性能向上が可能となる。

また、前記第１ファンの外径は、前記第２ファンの外径以下の大きさであるのが好ましい。

そうすれば、第２ファンの方が第１ファンよりも大きな外径で構成されているため、第１ファンで発生した空気流が、第１ファンの羽根を通過して径方向に流出したとき、空気流を第２ファンの羽根の間へと円滑に誘導することができる。従って、ファン機構の性能をより一層高めることができる。

前記駆動部は、１つのステータに対して互いに相対回転する２つのロータを駆動する駆動モータであるのが好ましい。

特に、２つの前記ロータは、前記ステータの径方向内方に位置するインナーロータと、前記ステータの径方向外方に位置するアウターロータと、からなり、前記ステータのコイルが、前記インナーロータと前記アウターロータとで共用されているのがより好ましい。この場合、前記ステータのスロット数が、前記インナーロータの極数又は前記アウターロータの極数と同じであるのが好ましい。

そうすれば、２つの異なる回転駆動を行って高い出力を確保しながら、モータをコンパクトにできる。

１つのインバータで駆動させるためには、各々のロータとステータとの間のエアギャップを適切に設定する必要がある。すなわち、前記ステータと前記インナーロータとの間のインナーエアギャップ、又は前記ステータと前記アウターロータとの間のアウターエアギャップのうち、少なくともいずれか一方の周方向の大きさが、次第に大きくなるように構成するのが好ましい。

そうすれば、ロータの回転方向を一定の方向に円滑に誘導することができる。

前記ステータは、互いに離れて配置された複数の要素コアを有しているのが好ましく、前記要素コアは、前記インナーロータ及び前記アウターロータの双方の磁極と対になって互いに対向するように構成されているのが好ましい。

そうすれば、インナーロータのある磁極Ａ１から、その磁極Ａ１と対向する要素コアを通ってアウターロータの磁極Ｂ１を通過し、その磁極Ｂ１の隣の磁極Ｂ２を逆に通過して、その磁極Ｂ２と対向する要素コアを通ってインナーロータの磁極Ａ１の隣の磁極Ａ２に戻る磁路が形成される。このような磁路を形成することで、１つのインバータだけでも、インナーロータとアウターロータとを脱調させることなく、安定して相対回転できるようになる。

前記インナーエアギャップ及び前記アウターエアギャップの双方の周方向の大きさを、次第に大きくなるようにし、前記インナーロータ及び前記ステータの双方の外周面が、略真円の横断面を有するように構成するのが好ましい。

そうすれば、製造容易な簡単な構造で、２つのロータを円滑に相反回転させることができる。具体的には、インナーロータには、一般的に多用されているリングマグネットが使用できる。一方、アウターロータは、一般に、大きなマグネットを貼り付けて形成されるため、マグネットを非対称にすることで、製造が容易になる。

前記駆動モータには、単相のブラシレスＤＣモータが使用できる。

前記インナーロータ及び前記アウターロータのいずれか一方の位置を検出するセンサが設けられ、前記駆動モータが、前記センサで検出した情報に基づいて、前記インナーロータ及び前記アウターロータの回転を制御するとよい。

そうすれば、一方のロータの位置を検出するセンサだけで、両方のロータの回転制御が行われるため、センサ数を半減できる。

前記駆動モータが、前記ステータに誘導電流が供給されることによって、前記インナーロータ及び前記アウターロータを所定の起動開始位置に誘導し、前記インナーロータ及び前記アウターロータが前記起動開始位置に停止する直前に、前記ステータに駆動電流が供給されることによって、当該インナーロータ及び当該アウターロータの回転を起動するように構成するのが好ましい。

そうすれば、両ロータを安定して一定方向に回転させることができる起動開始位置に誘導できる。そして、停止する直前に駆動電流を供給して回転を起動させるので、起動に要する電流の削減が可能になり、省力化が図れ、消費電力を抑制できる。

前記第２ファンを回転自在に支持している軸受は、前記回転軸と直交する方向から見て前記第２ファンの少なくとも一部と重なる位置に配置されているようにするのが好ましい。

第２ファンをコンパクトに配置しながら、第２ファンの回転を安定させることができる。

このようなファンユニットは、スティックタイプの掃除機に好適であり、少ない電力消費でハイパワーな吸引力を発揮させることができる。

本発明のファンユニットによれば、安定的かつ高効率なファンの駆動が実現でき、高性能なスティック型電気掃除機の提供が可能になる。

本実施形態のスティック型掃除機を示す概略図である。 ファンユニットの構造を示す概略図である。中間ケースは、内部を示すために、破断して示してある。 ファン機構の側面図である。 ファン機構及びＤＣモータを収容している前部ケースの内部構造を示す概略図である。 ＤＣモータの横断面図である。 インナーロータに作用するトルク（分力）を示す図である。 アウターロータに作用するトルク（分力）を示す図である。 無通電時の第１の状態を示す図である。 無通電時の第２の状態を示す図である。 第１の状態から起動した場合のトルク変動を示す図である。 第２の状態から起動した場合のトルク変動を示す図である。 起動開始位置の状態を示す図である。 インナーロータの起動開始位置（安定点）を示す図である。 アウターロータの起動開始位置（安定点）を示す図である。 起動開始位置から起動した場合での、各ロータに作用するトルク変動を示す図である。 ２重反転ファンの風量−静圧特性の測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。なお、以下の説明において、「前」は、掃除機の吸込口側を示し、「後」は、掃除機の把手側を示すものとする。

＜掃除機＞
図１に、本発明のファンユニットを適用した掃除機１００を示す。この掃除機１００は、ハンディな形態のスティック型掃除機であり（単に、掃除機１００ともいう）、走行部１０１と操作部１０２とで大略構成されている。

走行部１０１は、床面等の上を走行する部分であり、その下面に、塵埃を吸い込む吸込口１０１ａが形成されている。走行部１０１の上部には、吸い込んだ塵埃を収容するダストボックス１０１ｂが着脱可能に備えられている。

操作部１０２は、走行部１０１の後部に屈曲可能に連結されたスティック状の部分であり、その後端部には、把手１０２ａが設けられている。その操作部１０２の下部に、ファンユニット１やバッテリー８などが収容されている。バッテリー８は、先端にプラグ８ａが付いた電源コードを介して充電可能に構成されている（不使用時には、電源コードは操作部１０２に収容される）。ファンユニット１は、バッテリー８から電力の供給を受けて作動し、空気の流動を形成して、吸込口１０１ａから塵埃を吸い込む吸引力を発生させる。

＜ファンユニット１＞
ファンユニット１は、スティック状の操作部１０２に収容できるコンパクト（小型）な形状で、強力な吸引力（送風力）が効率的に得られるように、その構造が工夫されている。

図２に示すように、ファンユニット１は、１つの吸入口２が前端に開口し、複数の排気口１１ｆが後端に開口するモータケース１１を有している。このモータケース１１の内部に、吸入口２から空気を吸い込んで排気口１１ｆから空気を排出する送風路１５が形成されている。この送風路１５に、ファン機構５、ＤＣモータ４、電装品収容部６が、ＤＣモータ４の回転軸Ｏに沿って、前から順に並べて配設されている。

モータケース１１は、ファン機構５及びＤＣモータ４を覆う前部ケース１１ａと、前部ケース１１ａの後側に連結される中間ケース１１ｂと、中間ケース１１ｂの後側に連結される後部ケース１１ｃとを備えている。

前部ケース１１ａは、例えば、絶縁性材料で形成又は被覆されており、これによりＤＣモータ４との間で絶縁距離を保ち安全性を確保している。中間ケース１１ｂは、例えばアルミニウム製で、電装品収容部６の前側を覆うように構成されている。電装品収容部６の後側は後部ケース１１ｃによって覆われている。後部ケース１１ｃには、複数の排気口１１ｆが周方向の全体に等ピッチで設けられている。

ファン機構５、ＤＣモータ４、電装品収容部６は、いずれも同一の外径Φ１（例えば、Φ１＝７０ｍｍ）を有しており、長さがＨ（例えば、Ｈ＝１１０ｍｍ）のモータケース１１で覆われることで、一体に構成されている。

（ファン機構５）
図３、図４に、ファン機構５を示す。ファン機構５は、回転軸Ｏを中心とする同心状に前後方向に直列に並べて配設された、第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂで構成されている。具体的には、第１ファン５ａは、第２ファン５ｂよりも送風路１５の上流側に位置し、第１ファン５ａの後側に第２ファン５ｂが配設されている。

このファン機構５では、形状が異なる２つのファンの組み合わせによって静圧を高めることで、強力な吸引力が得られようにしている。

第１ファン５ａは、円錐台状の外観を有する遠心ファンである。第１ファン５ａは、基部５１、複数の主羽根５２、複数の副羽根５３を有している。基部５１は、その中心に、軸孔が形成されたボス部５１ａを有している。基部５１の表面（前面）は、ボス部５１ａから径方向外側の外縁部に向かうに従って次第に下り傾斜する斜面となっている。その基部５１の表面に、複数の主羽根５２と、副羽根５３とが、周方向に交互に並んで設けられている。

各主羽根５２は、短冊板状の形状を有し、周方向に所定の間隔をあけて基部５１の表面に立設されている。各主羽根５２は、基部５１の中心のボス部５１ａから外縁部に向かって次第に回転方向の一方に、斜めに傾斜して延びるように配置されている。更に、各主羽根５２は、基部５１の中心のボス部から外縁部に向かって次第に湾曲して捩れており、中心部の側が外縁部の側よりも表面に対して傾いた状態（寝た状態）となっている。

各副羽根５３は、三角板状の形状を有し、基部５１の表面における、隣接する２つの主羽根５２の間に立設されている。各副羽根５３は、主羽根５２よりも長さが短く形成されていて、基部５１の外縁部から中心部に向かう途中まで、主羽根５２と同じように傾いた状態で延びている。

第２ファン５ｂは、環状の外観を有する軸流ファンである。第２ファン５ｂは、基部５６、複数の軸流羽根５７を有している。基部５６は、厚みのある環形状を有し、その中心に、大径の軸孔５６ａが形成されている。各軸流羽根５７は、短冊板状の形状を有し、基部５６の外周の端面に、周方向に所定の間隔をあけて立設されている。

各軸流羽根５７は、基部５６の外周の端面における、前側の縁から後側の縁に向かって次第に回転方向の他方（第１ファン５ａの主羽根５２及び副羽根５３とは逆方向）に、斜めに傾斜して延びるように配置されている。更に、各軸流羽根５７は、その中間部分が前側に突き出すように、緩やかに湾曲している。

すなわち、第１ファン５ａの各主羽根５２及び各副羽根５３の回転中心に対して傾く方向と、第２ファン５ｂの軸流羽根５７の回転中心に対する傾く方向とは、互いに逆方向となっている（２重反転ファン）。

第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂの大きさについては、回転軸Ｏが延びる方向（前後方向）の寸法は、第１ファン５ａが第２ファン５ｂよりも大きく形成されており（Ｌ１＞Ｌ２）、外径は、第２ファン５ｂが第１ファン５ａよりも大きく形成されている（Ｄ２＞Ｄ１）。

第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂをこのような大きさに形成することより、第１ファン５ａで発生した空気流を円滑に第２ファン５ｂへと誘導することができ、吸引性能（送風性能）を向上させることができる。

図４に示すように、第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂは、前部ケース１１ａの前側に収容されている。前部ケース１１ａは、第１ファン５ａを収容する第１部材１１ａ１と、第２ファン５ｂ及びＤＣモータ４を収容する第２部材１１ａ２とを有している。第１部材１１ａ１は、第１ファン５ａに対応した円錐台形状に形成されており、第２部材１１ａ２は、円筒形状に形成されている。

第１部材１１ａ１が接続される第２部材１１ａ２の前端部には、第１ファン５ａと第２ファン５ｂとの間に介在する支持壁部１１ａ３が設けられている。支持壁部１１ａ３の中心には、棒状の軸２１が挿通された軸開口が形成されている。軸２１は、その軸開口の内側に嵌合されたインナー軸受２１ａを介して、回転軸Ｏを中心に回転自在に支持されている。

支持壁部１１ａ３から前方に突出した軸２１の先端部がボス部５１ａの軸孔に挿入されることにより、軸２１に第１ファン５ａが固定されている。支持壁部１１ａ３の外周部には、送風路１５を構成する風開口１１ａ４が形成されている。

第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂは、１：１の回転比率で、互いに逆方向に回転し、空気の流動によるエネルギーロスを抑制して高い吸引力が得られるように設計されている。

すなわち、第１ファン５ａの回転で吸入口２から吸引された空気は、旋回しながら径方向側へと送り込まれ、風開口１１ａ４を通じて第２ファン５ｂの側に誘導される。第２ファン５ｂの側に誘導された空気の流れは、更に、第２ファン５ｂの回転によって逆の旋回力が加えられることで整流され、空気の流れの旋回成分が相殺される。それにより、空気の流れは、直進成分のみとなり、直線的な流れが形成される。その結果、旋回に伴うエネルギーロスが軽減され、静圧を高めることができる。

これら第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂの回転は、ＤＣモータ４によって駆動される。

（ＤＣモータ４）
第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂを回転駆動して強力な吸引力を発揮させるためには、モータ出力の増加は避けられない。その結果、バッテリー８の消費が進んで、一回の充電で運転できる時間が少なくなり、利便性が損なわれるおそれがある。

そこで、このファンユニット１では、コンパクトなサイズで高い効率が得られるように、ＤＣモータ４が工夫されている。すなわち、図４や図５に示すように、ＤＣモータ４は、ブラシレスモータであり、１つのステータ４ｃと２つのロータとで構成されている（デュアルロータ）。具体的には、ＤＣモータ４には、インナーロータ４ａとアウターロータ４ｂとステータ４ｃとが備えられている。

インナーロータ４ａとアウターロータ４ｂとの回転は、例えば、三相による駆動であれば１：２や２：１等、他の回転比率で互いに逆方向に回転するように設計できるが、本実施形態では、簡素な構造を実現するため、単相による駆動が採用されており、固定された１：１の回転比率で、インナーロータ４ａとアウターロータ４ｂとが、円滑かつ効率的に、互いに逆方向に回転（相反回転）するように設計されている。

インナーロータ４ａは、磁化された小径円柱状の磁性体からなる。インナーロータ４ａは、図５に示すように、２つのＮ極と２つのＳ極極とが周方向に交互に並ぶように磁化されている。すなわち、インナーロータ４ａの極数は、４極である。インナーロータ４ａの外周面の、軸方向から見た横断面は真円であり、回転軸Ｏからその外周面までの距離は一定となっている。

インナーロータ４ａの中心には貫通孔が形成されている。その貫通孔に、軸２１の基端部が挿入して固定されている。それにより、インナーロータ４ａは、軸２１を介して、第１ファン５ａと一体に連結されている。

ステータ４ｃは、回転軸Ｏを中心とした、軸方向断面が肉厚な円筒状の部材からなり、モータケース１１に固定されている。ステータ４ｃは、４つの要素コア４ｃ１、４つのコイル４ｃ２などで構成されている。

各要素コア４ｃ１は、径方向内側においてインナーロータ４ａと対向した状態で周方向に延びる断面円弧状の内側ティース部４１と、径方向外側において周方向に延びる断面円弧状の外側ティース部４３と、径方に延びて、これら内側ティース部４１及び外側ティース部４３を連結する連結部とで構成されている。

互いに隣接する要素コア４ｃ１の間には、４つのスロット４ｃ３（ワイヤを収容する空間）が形成されている。これらスロット４ｃ３を通じて、各連結部の周りにワイヤを巻き付けることで、各コイル４ｃ２が形成されている。各要素コア４ｃ１及び各コイル４ｃ２は、樹脂に埋設されることにより、円筒形状に一体化されている（モールド成形）。内側ティース部４１の、インナーロータ４ａと対向する内側対向面、及び外側ティース部４３の、アウターロータ４ｂと対向する外側対向面は、いずれも樹脂から露出している。

各外側ティース部の外側対向面を含め、ステータ４ｃの外周面の軸方向から見た横断面は真円であり、回転軸Ｏからその外周面までの距離は一定となっている。それに対し、各内側ティース部の内側対向面（断面円弧状）の、回転軸Ｏからの距離は一定でなく、周方向の一端側から他端側に向かって次第に、回転軸Ｏからの距離が小さくように形成されている。

それにより、各内側ティース部４１の内側対向面とインナーロータ４ａの外周面との間隔（インナーエアギャップ）ｄ１は、周方向の一端部（図５で反時計回り方向の先端部）において最も小さく、他端部において最も大きくなるように、その一端部から他端部に向かって次第に大きくなるように構成されている。各インナーギャップｄ１は、回転軸Ｏに対して回転対称となるように配置されている。

その結果、インナーロータ４ａは、インナーエアギャップｄ１が小さい周方向の一端部側でより磁力を受け易くなるので、一端部の側、つまり図５で反時計回りの方向に、回転が誘導されるようになっている。

アウターロータ４ｂは、大径円筒状のアウターコア４ｂ１と、４つのアウターマグネット４ｄを備えている。アウターコア４ｂ１の内周面の軸方向の断面は真円であり、その内周面の回転軸Ｏからの距離は一定となっている。アウターコア４ｂ１の上部には、その中心に位置するボス部４ｂ１−１と、ボス部の径方向外側に配置されたファン取付部４ｂ１−２とが設けられている。ボス部４ｂ１−１には、軸２１よりも僅かに大径の挿通孔が形成されていて、その挿通孔に軸２１が挿通されている。

ファン取付部４ｂ１−２には、第２ファン５ｂが取り付けられている。それにより、アウターロータ４ｂは、アウターコア４ｂ１を介して、第２ファン５ｂと一体に連結されている。ボス部４ｂ１−１が、一対の軸受４６を介して、支持壁部１１ａ３とステータ４ｃとによって支持されることにより、アウターロータ４ｂは、回転軸Ｏを中心に回転自在となっている。

一対の軸受４６は、回転軸Ｏと直交する方向から見て、第２ファン５ｂの少なくとも一部と重なる位置に配置されている。これにより、レイアウト性を向上させつつ第２ファン５ｂの回転を安定させることができる。

各アウターマグネット４ｄは、アウターコア４ｂ１の内周面に、周方向に沿って等間隔に配置されている。各アウターマグネット４ｄは、２つのＮ極と２つのＳ極極とが周方向に交互に並ぶように配置されている（同じ極が互いに対向している）。すなわち、アウターロータ４ｂの極数は４極である。

各アウターマグネット４ｄは、周方向の一端側から他端側に向かって肉厚（径方向の大きさ）が次第に小さくように形成されている。

それにより、各アウターマグネット４ｄの内周面と、ステータ４ｃの外周面との間の間隔（アウターエアギャップ）ｄ２が、周方向の一端部（図５で反時計回り方向の先端部）において最も小さく、他端部において最も大きくなるように、その一端部から他端部に向かって次第に大きくなるように構成されている。各アウターエアギャップｄ２は、回転軸Ｏに対して回転対称となるように配置されている。

その結果、アウターロータ４ｂは、アウターエアギャップｄ２が小さい周方向の一端部側でより磁力を受け易くなり、インナーロータ４ａとは逆の、図５で時計回りの方向に、回転が誘導されるようになっている（回転するインナーロータ４ａとアウターロータ４ｂとが、回転しないステータ４ｃに対して内外に配置されているため、逆になる）。

このようにインナーロータ４ａとアウターロータ４ｂとは、互いに逆方向に回転が誘導されるため、相反回転を円滑に誘導でき、効率よく回転させることができる。

しかも、生産性も向上するように工夫されている。すなわち、内外のエアギャップｄ１，ｄ２を不均一にするために、内側では、要素コア４ｃ１の内側ティース部４１の形状を調整し、外側では、要素コア４ｃ１の外側ティース部４３の形状を調整するのではなく、アウターマグネット４ｄの形状を調整した。それにより、比較的簡単な作業で、内外のエアギャップを精度高く構成することができる。

（ＤＣモータ４の問題点とその解決方法）
このＤＣモータ４の場合、磁力を有するロータが２つある。そのため、非励磁状態において、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂの各々には、ステータ４ｃに起因するコギングトルクとは別に、互いの磁力によって生じるトルク（磁気ギアトルク）が作用する。更に、回転駆動時には、コイル４ｃ２の励磁によって発生する励磁トルクも作用する。

図６及び図７に、回転駆動時に、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂに作用するトルクの分力を示す。図６がインナーロータ４ａに作用する分力を、図７がアウターロータ４ｂに作用する分力を、それぞれ示している。

インナーロータ４ａには、コイル４ｃ２の励磁に起因して発生する励磁トルクＴIi、磁性を有するステータ４ｃとの間で構造的に発生するコギングトルクＴIc、アウターロータ４ｂとの間で構造的に発生する磁気ギアトルクＴIO、が作用する。従って、回転駆動時に、インナーロータ４ａに作用するトルクＴI(θI)は、次のように表される。

ＴI(θI)＝ＴIi(θI)＋ＴIc(θI)＋ＴIO(θO)
θI：インナーロータ４ａの電気角、θO：アウターロータ４ｂの電気角

アウターロータ４ｂも、同様に、コイル４ｃ２の励磁に起因して発生する励磁トルクＴOi、磁性を有するステータ４ｃとの間で構造的に発生するコギングトルクＴOc、インナーロータ４ａとの間で構造的に発生する磁気ギアトルクＴOI、が作用する。従って、回転駆動時に、アウターロータ４ｂに作用するトルクＴO(θO)は、次のように表される。

ＴO(θO)=ＴOi(θO)+ＴOc(θO)+ＴOI(θI)

従って、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂの各々は、通電時には、これらトルクＴI(θI)及びトルクＴO(θO)の作用で回転することとなる。

そして、無通電時には、コギングトルクと磁気ギアトルクの作用で、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂは静止するが、このＤＣモータ４の場合、その静止位置は２カ所存在する。

具体的には、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂは、図８に示す位置（自然停止位置１）と、図９に示す位置（自然停止位置２）の２カ所で釣り合って静止する。具体的には、ＴI(θIa)＝ＴIc(θIa)＋ＴIO(θOa)＝０，ＴO(θOa)＝ＴOc(θOa)＋ＴOI(θIa)＝０となる、電気角θIa及びθOaの位置で静止する。

自然静止位置１からＤＣモータ４を起動した場合におけるトルクＴI(θI)及びトルクＴO(θO)の変化を、図１０に示す。同図では、適正な方向へ回転させるトルクを正（＋）で表している（以下の図も同様）。

図１０に示すように、自然静止位置１からＤＣモータ４を起動した場合、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂに作用するトルクはいずれも正となる。つまり、このＤＣモータ４の場合、相反回転する方向にトルクが作用する。

自然静止位置２からＤＣモータ４を起動した場合におけるトルクＴI(θI)及びトルクＴO(θO)の変化を、図１１に示す。

図１１に示すように、自然静止位置２からＤＣモータ４を起動した場合、インナーロータ４ａに作用するトルクは負となる。つまり、このＤＣモータ４の場合、インナーロータ４ａには、アウターロータ４ｂと同じ方向に回転するトルクが作用する。

すなわち、起動開始前に静止する位置によって、インナーロータ４ａとアウターロータ４ｂとが、互いに逆方向に回転したり同じ方向に回転したりするという、問題がある。

この点、ロータが１つの一般的な単相モータであれば、静止点は１カ所であるため、安定して起動でき、少なくともいずれか一方のエアギャップを不均一にすることで、一定方向に回転させることができる。

また、ロータが１つであれば、電気角で０度〜１８０度の間にロータが位置する時に正の電流を通電し、１８０度〜３６０度の間にロータが位置する時に負の電流を通電することで、ロータを連続して回転させることができる。

しかし、ロータが２つの場合、両方のロータの位置を、０度〜１８０度、または１８０度〜３６０度のいずれか一方に揃えないと、両方を一定方向に回転させることもできない。

そこで、このＤＣモータ４では、これらの問題を解消するために、起動開始時に、一定の誘導電流を流してインナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂを所定の起動開始位置に誘導し、その起動開始位置から回転を起動させるようにしている。

具体的には、誘導電流として例えば−３０Ａを通電し、図１２に示すように、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂを所定の起動開始位置に誘導する。すなわち、図１３に示すように、インナーロータ４ａは、トルクがゼロとなる所定の起動開始位置（θIb＝７．１度）に誘導され、図１４に示すように、アウターロータ４ｂも、トルクがゼロとなる所定の起動開始位置（θOb＝７．２度）に誘導される。

これら起動開始位置におけるインナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂの各々に作用するトルクの釣り合いは次のように表せる。

ＴI(θIb)＝ＴIi(θIb)＋ＴIc(θIb)＋ＴIO(θOb)＝０
ＴO(θOb)＝ＴOi(θIb)＋ＴOc(θOb)＋ＴOI(θIb)＝０

また、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂの両方が一定方向に回転するように、これら起動開始位置は、更に、０≦θIb＜１８０，０≦θOb＜１８０ 又は、１８０≦θIb＜３６０，１８０≦θOb＜３６０を満たすように設定されている。このように設定することで、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂを、０度〜１８０度または、１８０度〜３６０度のいずれか一方に揃えることができ、これらロータを一定方向に回転できるようになる。

このように設定された起動開始位置から起動させた場合での、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂに作用するトルクを、図１５に示す。

（電装品収容部６）
図２に示すように、電装品収容部６には、各種コンデンサやスイッチング素子などの電装品６ａが収容されている。これら電装品６ａにより、ＤＣモータ４を駆動する駆動回路が構成されている。駆動回路には、単相駆動のため、Ｈ−Ｂｒｉｄｇｅ回路が採用されている。通常、２つのロータを駆動する場合、駆動回路には２つのインバータが必要であるが、このＤＣモータ４では１つのインバータだけが駆動回路に配設されている。

駆動回路には、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂの少なくともいずれか一方の回転位置を検出する位置センサ（図示せず）が備えられている。これら位置センサによって検出される位置情報に基づいて、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂの回転が制御される。

電装品収容部６には、補助基板３８及び主基板６１が、前後方向に間隔を隔てて配置されている。主基板は、モータケース１１の後端部に配置されている。補助基板３８は、連結部材３７，３７を介してＤＣモータ４に支持されていて、モータケース１１の中間部に配置されている。

補助基板３８及び主基板６１は、それぞれ平面視で円形である。補助基板のサイズΦ２は、ファン機構５の径Φ１よりも小さい（Φ２＜Φ１）。従って、補助基板３８によって空気の流れが妨げられるのを回避できる。電装品６ａは、これら基板３８，６１に分散して取り付けられている。このように分けて配置した基板を用いることにより、大電流への対応が容易になっている。

駆動回路には、ＤＣモータ４の駆動を制御して、ファンユニット１を作動させる制御プログラムが実装されている。次に、ＤＣモータ４の駆動制御及びファンユニット１の作動について説明する。

（掃除機１００、ファンユニット１の動作）
ユーザーがスイッチを操作して掃除機１００の運転が開始されると、駆動回路による制御により、ＤＣモータ４のステータ４ｃに所定の誘導電流が供給される。それにより、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂは、所定の起動開始位置に誘導される。

その後、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂを起動開始位置に停止させ、停止後に起動を開始すると、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂを起動開始位置に位置決めするための電流と、位置決めした状態から起動させる電流とが必要になり、電力消費が大きくなる。

そこで、このファンユニット１では、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂが起動開始位置に停止する直前に、ステータ４ｃに駆動電流が供給されるようにしている。そうすることで、過剰な誘導電流によるバッテリー８８の消耗が抑制でき、インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂを、円滑に相反回転に移行させることができる。

インナーロータ４ａ及びアウターロータ４ｂが回転すると、それに伴って第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂも逆方向に回転する。これらの回転速度は、位置センサで検出される位置情報に基づいて制御される。第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂは、２重反転ファンで構成されているため、シングルファンと比べて、高静圧化が実現でき、高い吸引力（送風力）が得られる。

ファンユニット１の内部では、電装品収容部６が送風路１５の一部を構成しているため、冷却装置を設けなくても、電装品６ａの冷却効果を得ることができる。

（ファンユニット１の性能）
ファンユニット１が採用する２重反転ファンの風量−静圧特性を測定した結果を図１６に示す。比較例は、従来のシングルファン（実施形態における第１遠心ファン）である。２重反転ファンは、シングルファンと比べて、風量−静圧特性を全体的に向上できることがわかる。

（その他）
起動を安定化するために、インナーロータ４ａの起動開始位置（θIb）とアウターロータ４ｂの起動開始位置（θOb）との差は、小さいほど好ましい。

エアギャップの大きさは、最も狭い部分と最も広い部分との差が小さいと、誘導電流が大きくなり、減磁や電流リミット等の問題がある。一方、その差が大きいと、磁気効率の低下が問題となる。そのため、エアギャップの最大差は、インナーギャップで２．２倍、アウターギャップで２．８倍とするのが好ましい。そうすることで、誘導電流を、減磁や電流リミットに問題のない−３０Ａとすることができる。

第１ファン５ａは、遠心ファンに代えて斜流ファンにしてもよい。主羽根５２や副羽根５３、軸流羽根５７の枚数は、仕様に応じて選択できる。第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂは、同方向に異なる速度で回転するようにしてもよい。

ファンユニット１が適用できるのは、掃除機１００に限らない。例えば、エアコン等の空調設備など、コンパクトで強力な吸引力や送風力が求められる装置であれば、適用可能である。

１ ファンユニット
４ ＤＣモータ部（駆動部）
４ａ インナーロータ
４ｂ アウターロータ
４ｃ ステータ
５ ファン機構
５ａ 第１ファン
５ｂ 第２ファン
１１ モータケース
１５ 送風路
１００ 掃除機
Ｏ 回転軸

Claims (17)

1. ファン機構と、該ファン機構を駆動する駆動部とを、送風路に一体に備えたファンユニットであって、
   前記ファン機構は、回転軸を一致させた状態で直列に配置された第１ファン及び第２ファンを備え、
   前記第１ファン及び前記第２ファンが、前記駆動部により、互いに相対的に回転するように駆動されるファンユニット。
2. 請求項１に記載のファンユニットにおいて、
   前記第１ファン及び前記第２ファンのうち、少なくとも一方は軸流ファンであるファンユニット。
3. 請求項１又は２に記載のファンユニットにおいて、
   前記第１ファンは、斜流ファン又は遠心ファンであり、前記第２ファンは、軸流ファンであるファンユニット。
4. 請求項３に記載のファンユニットにおいて、
   前記送風路の上流側に前記第１ファンが配置されているファンユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のファンユニットにおいて、
   前記第１ファンの外径は、前記第２ファンの外径以下の大きさであるファンユニット。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のファンユニットにおいて、
   前記駆動部は、１つのステータに対して互いに相対回転する２つのロータを駆動する駆動モータであるファンユニット。
7. 請求項６に記載のファンユニットにおいて、
   ２つの前記ロータは、前記ステータの径方向内方に位置するインナーロータと、前記ステータの径方向外方に位置するアウターロータと、からなり、
   前記ステータのコイルが、前記インナーロータと前記アウターロータとで共用されているファンユニット。
8. 請求項７に記載のファンユニットにおいて、
   前記ステータのスロット数が、前記インナーロータの極数又は前記アウターロータの極数と同じであるファンユニット。
9. 請求項７又は８に記載のファンユニットにおいて、
   前記ステータと前記インナーロータとの間のインナーエアギャップ、又は前記ステータと前記アウターロータとの間のアウターエアギャップのうち、少なくともいずれか一方の周方向の大きさが、次第に大きくなるように構成されているファンユニット。
10. 請求項９に記載のファンユニットにおいて、
    前記ステータが、互いに離れて配置された複数の要素コアを有しているファンユニット。
11. 請求項１０に記載のファンユニットにおいて、
    前記要素コアは、前記インナーロータ及び前記アウターロータの双方の磁極と対になって互いに対向するよう構成されているファンユニット。
12. 請求項１１に記載のファンユニットにおいて、
    前記インナーロータ及び前記ステータの双方の外周面が、略真円の横断面を有し、
    前記インナーエアギャップ及び前記アウターエアギャップの双方の周方向の大きさが、次第に大きくなるように構成されているファンユニット。
13. 請求項６〜１２のいずれか１つに記載のファンユニットにおいて、
    前記駆動モータは、単相のブラシレスＤＣモータであるファンユニット。
14. 請求項７〜１２のいずれか１つに記載のファンユニットにおいて、
    前記インナーロータ及び前記アウターロータのいずれか一方の位置を検出するセンサが設けられ、
    前記駆動モータが、前記センサで検出した情報に基づいて、前記インナーロータ及び前記アウターロータの回転を制御するファンユニット。
15. 請求項７〜１２のいずれか１つに記載のファンユニットにおいて、
    前記駆動モータが、前記ステータに誘導電流が供給されることによって、前記インナーロータ及び前記アウターロータを所定の起動開始位置に誘導し、前記インナーロータ及び前記アウターロータが前記起動開始位置に停止する直前に、前記ステータに駆動電流が供給されることによって、当該インナーロータ及び当該アウターロータの回転を起動するファンユニット。
16. 請求項１〜１５のいずれか１つに記載のファンユニットにおいて、
    前記第２ファンを回転自在に支持している軸受が、前記回転軸と直交する方向から見て前記第２ファンの少なくとも一部と重なる位置に配置されているファンユニット。
17. スティック型の掃除機であって、
    請求項１〜１６のいずれか１つに記載されたファンユニットを搭載した掃除機。

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