JP2004135416A

JP2004135416A - モータ

Info

Publication number: JP2004135416A
Application number: JP2002296718A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Murakami; 村上　俊明
Original assignee: Nidec Shibaura Corp
Current assignee: Nidec Shibaura Corp
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】振動、騒音の低減に有効な周方向溝を回転軸に設けて低振動、低騒音化を実現したモータを提供する。
【解決手段】モータハウジング１１内に固定子１２が配され、前記固定子１２の内周に回転子１３が配され、前記回転子１３の回転軸１４が、前記モータハウジング１１の前後にあるブラケット１７、１８に設けられた前後の軸受２１、２２によって回転自在に支持されたモータ１において、前記回転軸１４の出力軸側３０の複数箇所に、周方向溝３１、３４を設ける。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータに関し、特に振動の発生を低減し低騒音化を実現するモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のモールドタイプのブラシレス直流モータ１００を図７の縦断面図に示す。ブラシレス直流モータ１００は、モールド樹脂により成形されたモータハウジング１１１の内部にコイルを巻回した鉄心よりなる固定子１１２を内蔵し、固定子１１２の内周に回転子１１３が配されている。回転子１１３は、回転軸１１４に固定されたヨーク１１５とマグネット１１６を有している。
【０００３】
回転子１１３は、ハウジング１１１の前面に嵌着された前側ブラケット１１７と、ハウジング１１１の後側にモールド樹脂により固着された後側ブラケット１１８とに設けられたそれぞれのベアリングホルダー部に保持されたボールベアリング１０１、１０２とによって回転自在に支持されている。
【０００４】
上記モータ１００では、回転中に、モータ１００の固有振動周波数とボールベアリング１２１、１２２の固有振動周波数とが一致すると、それらが共振して大きな振動、騒音を発生するという問題がある。
【０００５】
この種の振動、騒音を防止する従来技術としては、シャフト中央部に、シャフトの両端部の径よりも大きい径の太径部が設けられ、シャフトの一端部側の軸受の内輪は、ロータハブとシャフトの太径部とにより軸方向に挟持されているモータがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、従来より、モータの振動、騒音が問題になる場合、図８のブラシレス直流モータ１０１の縦断面図に示すように、回転子１１３の出力軸側１１９の１箇所に、回転軸１１４との段差を有する周方向溝１０２を設けてその固有振動周波数を変化させることで、振動、騒音を対策することが行われている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−４７２０５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、回転軸１１４の出力軸側１１９の１箇所に周方向溝１０２を設ける場合、モータスペース等の問題から振動、騒音対策に有効な寸法の周方向溝を設けることが難しく、その効果は十分ではなかった。例えば、図９に示すように、周方向溝１０２の外径ｄと回転軸１１４の直径Ｄとの段差（直径の差）が小さいと効果が少なく（図９ａ）、逆に周方向溝１０２の外径ｄと回転軸１１４の直径Ｄとの段差を大きくすると軸強度が低下し（図９ｂ）、また周方向溝１０２の幅Ｌを長くするとスペース上の制約や軸強度の低下（図９ｃ）の問題が生じてくるからである。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、モータの構造変更、軸スペースの制約や軸強度の低下等の問題を伴わずに、振動、騒音の低減に有効な周方向溝を回転軸に設けて低振動、低騒音化を実現したモータを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、モータハウジング内に固定子が配され、前記固定子の内周に回転子が配され、前記回転子の回転軸が、前記モータハウジングの前後にあるブラケットに設けられた前後の軸受によって回転自在に支持されたモータにおいて、前記回転軸の出力軸側の複数箇所に、周方向溝を設けたことを特徴とするモータである。
【００１１】
本発明のモータによれば、回転軸の出力軸側周上に回転軸との段差を有する複数の周方向溝を設けることで、回転軸の直径を部分的に小さくして出力軸側と反出力軸側とにかかる軸荷重のバランスを微調整し、すなわち、そのねじれ系固有振動周波数を調整することで、回転軸を支持する前後の軸受部への荷重を僅かに変化させ、その固有振動周波数を異なるものとすることで両軸受部の相互の作用を抑制し、モータの固有振動周波数と軸受部の固有振動周波数との共振を回避し、モータの振動、騒音の発生を低減することができる。
【００１２】
また、回転軸に周方向溝を形成するだけでよく、軸受の位置や軸受部の構成、軸受の予圧等を変える必要がなく、モータの構造、寸法を変更しなくてもよい。
【００１３】
請求項２に記載のように、前記回転軸の周方向溝が、出力側軸受の両側に各々１箇所以上設けられることで、振動、騒音対策に有効な周方向溝を分散して配置し、ロータ内のスペースを有効利用し、軸スペースの増加や軸強度低下の問題を生ずることなく、また出力軸にかかる荷重の偏りの影響を少なくして、モータの低振動、低騒音化を図ることができる。
【００１４】
請求項３の発明は、前記モータが、両軸出力型であることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータであり、両軸出力型モータの低振動、低騒音化を図ることができる。
【００１５】
請求項４の発明は、前記回転軸の周方向溝寸法が、前記周方向溝部の外径をｄ、前記周方向溝部に隣接する回転軸の直径をＤ、前記周方向溝部の幅をＬとすると、ｄ及びＬが、下記の（１）及び（２）式を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモータである。
０．１Ｄ≦ｄ≦０．７Ｄ　…（１）
０．７ｄ≦Ｌ≦１０．０ｄ　…（２）
【００１６】
請求項５の発明は、前記ｄ及びＬが、下記の（３）及び（４）式を満たすことを特徴とする請求項４に記載のモータである。
０．５Ｄ≦ｄ≦０．７Ｄ　…（３）
０．７ｄ≦Ｌ≦１．７ｄ　…（４）
【００１７】
周方向溝の外径（溝部の軸直径）ｄは、回転軸直径Ｄに対して細くするほど段差が大きくなり固有振動周波数を大きく変動させることができるが、０．１Ｄ未満になると軸強度が極端に低下し、また、０．７Ｄを超えると回転軸との段差が小さく軸方向の荷重バランスをずらすことができず前後の軸受部の固有振動周波数の微調整が困難となり、ｄが０．１Ｄ≦ｄ≦０．７Ｄの範囲であると軸強度を低下させすぎることもなく、モータの回転性能を維持しながら、低振動、低騒音化を実現することができる。また、固有振動周波数の変動量を少なくしても共振を回避することができる場合は、ｄが０．５Ｄ≦ｄ≦０．７Ｄの範囲にあることが、軸強度を十分に確保する上で好ましい。
【００１８】
また、周方向溝の幅Ｌは、周方向溝部の外径ｄに対して、０．７ｄ未満であると溝幅が狭すぎるため所望の固有振動周波数を得難く、１０．０ｄを超えると溝部と回転軸との荷重バランスが悪くなり逆に回転軸の回転に伴う振動が発生しやすくなり、また軸スペースの増加や軸強度の低下が問題となる。さらには、固有振動周波数の変動量を少なくしても共振を回避することができる場合は、Ｌが０．７ｄ≦Ｌ≦１．７ｄの範囲にあることが、回転軸と周方向溝とのバランスを良好に維持でき好ましい。
【００１９】
この複数の周方向溝は、上記（１）、（２）式を共に満足する必要があり、この範囲内で各々の溝寸法、位置等を変更することで、固有振動周波数をかなりの広い領域にわたり調整することができる。
【００２０】
なお、上記外径ｄ及び溝幅Ｌは、各種の溝形状（例えば、上記の平坦溝以外に、溝断面が半円形、半楕円形等）にも適用され、平坦溝以外の異形溝の場合のｄは周方向溝の最小径部の軸直径、及びＬは最大幅部の溝幅である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施形態のブラシレス直流モータ（以下、モータという）１の縦断面図である。図２はモータ１の回転軸１４の正面図である。
【００２３】
モータ１は、モールド樹脂により一体成形された円筒状のモータハウジング１１の内部にコイルを巻回した鉄心からなる固定子１２を内蔵し、駆動用の回路基板１９を固定子１２の後部に配している。
【００２４】
回転子１３は、回転軸１４に接続されたヨーク１５とマグネット１６を有し、固定子１２の内周に沿ってマグネット１６を配し、回転自在に支持されている。
【００２５】
回転子１３は、ハウジング１１の前面に嵌着された鋼板製の前部ブラケット１７に設けられたベアリングホルダー部１７ａに保持された前部ボールベアリング２１と、ハウジング１１の後側にモールド樹脂により固着された鋼板製の後部ブラケット１８に設けられたベアリングホルダー部１８ａに保持された後部ボールベアリング２２とによって回転軸１４が支持されている。
【００２６】
上記前部ボールベアリング２１は回転軸１４の出力軸側３０を支持し、後部ボールベアリング２２は回転軸１４の反出力軸側３７を支持し、２つのボールベアリングには各々リング状の予圧バネ２３、２４が配され、ボールベアリング２１、２２に予圧をかけている。
【００２７】
回転軸１４の出力軸３０には、前部ボールベアリング２１を挟んで、出力軸３０の前方側に第１周方向溝３１と、前部ボールベアリング２１の後方側とヨーク１５の間のロータ内に第２周方向溝３４が形成されている。
【００２８】
前記周方向溝３１、３４は、それぞれ溝前後に隣接する軸部３２、３３及び３５、３６との段差を有し、回転軸１４の軸方向に所定の幅寸法Ｌ１、Ｌ２に渡り、軸表面から軸中心に向かう一定の深さ寸法をもって軸直径がｄ１、ｄ２になるように回転軸１４の周上に形成されている。
【００２９】
この周方向溝３１、３４は、従来と同様に棒状の鋼材から回転軸１４を製造する際に、旋盤加工等により同時に形成することができるので、溝の寸法（幅Ｌ、軸直径ｄ）は任意の値に設定することが容易であり、また溝形成のための加工コストの増加もわずかに抑えられる。
【００３０】
また、上記のような平坦な溝形状以外にも、溝断面が半円形状や半楕円形状、さらに複雑な断面形状の溝を形成することも可能である。
【００３１】
図２を用いて周方向溝３１、３４の寸法関係を説明する。第１周方向溝部３１の軸直径をｄ１、その両側の回転軸直径をＤ１（両側の直径が異なる場合はその平均値を用いる）、溝幅をＬ１で表し、第２周方向溝部３４の軸直径をｄ２、その両側の回転軸直径をＤ２（両側の直径が異なる場合はその平均値を用いる）、溝幅をＬ２で表している。
【００３２】
モータ１の場合、周方向溝３１及び３４の寸法は、ｄ１＝１０、Ｄ１＝１５、Ｌ１＝１５、ｄ２＝１０、Ｄ２＝１６、Ｌ２＝１０（単位はいずれもｍｍ）であるので、第１周方向溝３１の寸法関係は、ｄ１／Ｄ１＝０．６７、Ｌ１／ｄ１＝１．５０であり、第２周方向溝３４の寸法関係は、ｄ２／Ｄ２＝０．６３、Ｌ２／ｄ２＝１．００となり、第１及び第２周方向溝共に上記（１）及び（２）式を満足し、さらに上記（３）及び（４）式を満たし好ましい形態である。
【００３３】
このように、本実施形態のモータ１では、回転軸１４の出力軸側３０の周上にボールベアリング２１を挟み２箇所の周方向溝３１、３４を設けるという簡単な手段により、溝の配置を分散してそのスペースや強度低下の問題を生ずることなく回転軸１４の径を部分的に小さくすることで、回転軸１４の出力軸側３０と反出力軸側３７とにかかる軸荷重のバランスを微調整し、すなわち、そのねじれ系固有振動周波数を調整することで、回転軸１４を支持する前後の軸受部への作用を僅かに変化させ、その固有振動周波数を異なるものとし、両軸受部の相互作用を抑制しモータ１の固有振動周波数と軸受部の固有振動周波数との共振を回避してモータ１の振動、騒音の発生を低減することができる。
【００３４】
また、周方向溝を出力側軸受の両側に分散し設けることで、ロータ部分のスペースを有効利用して軸スペースを増すことなく周方向溝を配置でき、かつ出力軸にかかる荷重の影響を分散し、軸強度を確保しながら、振動、騒音を対策することができるので、軸受の位置や軸受構成、予圧等を変えたり、モータの構造、寸法等の変更を必要とせずに、モータの低振動、低騒音化が達成できる。
【００３５】
（実施例）
次に、実施例について説明する。表１は、本実施形態に係わる実施例のモータ１、及び比較例に係わる周方向溝を設けていない従来のモータ１００について、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）　ＡＮＡＬＹＺＥＲ（小野測器（株）ＣＦ−５２００型を使用）を用いて、モータ回転数９００ｒｐｍ〜１１５０ｒｐｍにおける騒音レベルを測定し、そのオーバーオール値と騒音ピーク値を示したものである。また、図５、６は回転数１１５０ｒｐｍでの騒音レベルについて、周波数０〜２０００Ｈｚでの周波数スペクトルを例示したものである。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１に示すように、モータ１のオーバーオール値及び騒音ピーク値は、いずれの回転数においても、モータ１００に比べて同等或いはそれ以下の値を示し、モータ１が低振動、低騒音となっていることが認められる。
【００３８】
また、図６に示すように、回転軸１１４に周方向溝を設けていない比較例のモータ１００では、回転数１１５０ｒｐｍでのオーバーオール値は６７．９０ｄＢであり、４７７．５Ｈｚのところに６５．９４ｄＢの強い騒音ピークが認められる。これに対して、図５に示す２箇所の周方向溝を設けた実施例のモータ１では、４６０Ｈｚにおいて４６．８９ｄＢの騒音ピークが認められるものの、モータ１００のような強いピークは消え、オーバーオール値も６４．６９ｄＢに低下し、特定周波数での大きな騒音を防止する効果が発揮されていることが分かる。
【００３９】
このことから、回転子１１３の出力軸１１４に周方向溝を設けていない従来のモータ１００は、前後の軸受部が同じ固有振動周波数を有するために、これらが相互に作用し、モータ１の固有振動周波数との一致により大きく共振し、大きな振動、騒音を生じている。
【００４０】
これに対して、モータ１では、回転軸１４の出力軸側３０の周上にボールベアリング２１を挟み２箇所の周方向溝３１、３４を設けることにより、そのねじれ系固有振動周波数を変化させて前後の軸受部の固有振動周波数を微調整することで、モータ１の固有振動周波数と軸受部の固有振動周波数との共振を回避し、大きな振動、騒音の発生を防ぐことができる。
【００４１】
また、周方向溝の配置をボールベアリングの両側に分散することで、モータスペースの有効利用や軸強度低下の問題を生ずることなく、振動、騒音の低減に有効な溝を設けることができる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施形態のモータ２の縦断面図である。図４はモータ２の回転軸４４の正面図である。
【００４３】
モータ２は、図１に示したモータ１と同一構造を有するもので、モータ１の片側出力軸１４に代えて両側出力軸４４を備えたものである。同一部材には同一符号を付し、またモータ構造については説明を省略する。
【００４４】
回転軸４４の一方の出力軸（Ａ側）３０には、前記第１の実施形態と同様に、前部ボールベアリング２１を挟んで、出力軸３０の前方側に第１周方向溝３１と、前部ボールベアリング２１の後方側とヨーク１５の間に第２周方向溝３４が設けられ、それぞれが溝前後に隣接する軸部３２、３３及び３５、３６との段差を有し、回転軸４４の軸方向に所定の幅寸法Ｌ１、Ｌ２に渡り、軸表面から軸中心に向かう一定の深さ寸法をもって軸直径がｄ１、ｄ２になるように回転軸４４の周上に形成されている。
【００４５】
回転軸４４の他方の出力軸（Ｂ側）５０には、後部ボールベアリング２２を挟んで、出力軸５０の前方側に第３周方向溝５１と、後部ボールベアリング２２とヨーク１５の間のロータ内に第４周方向溝５４が形成されている。
【００４６】
この周方向溝５１、５４は、それぞれ溝前後に隣接する軸部５２、５３及び５５、５６との段差を有し、回転軸４４の軸方向に所定の幅寸法Ｌ３、Ｌ４に渡り、軸表面から軸中心に向かう一定の深さ寸法をもって軸直径がｄ３、ｄ４になるように回転軸４４の周上に形成されている。
【００４７】
この周方向溝５１、５４の場合も、棒状の鋼材から回転軸４４を製造する際に、旋盤加工等により同時に形成することができるので、溝の寸法（幅Ｌ、軸直径ｄ）は任意の値に設定することが容易であり、また溝形成のための加工コストの増加もわずかに抑えられる。
【００４８】
また、周方向溝５１、５４も、上記のような平坦な溝形状以外に、溝断面が半円形状や半楕円形状、さらに複雑な断面形状の溝を形成することも可能である。
【００４９】
図４を用いて周方向溝５１、５４の寸法関係を説明する。第３周方向溝部５１の軸直径をｄ３、その両側の回転軸直径をＤ３、溝幅をＬ３で表し、第４周方向溝部５４の軸直径をｄ４、その両側の回転軸直径をＤ４、溝幅をＬ４で表している。
【００５０】
モータ２の場合、周方向溝５１及び５４の寸法は、ｄ３＝８、Ｄ３＝１２、Ｌ３＝９、ｄ４＝１０、Ｄ４＝１６、Ｌ４＝７（単位はいずれもｍｍ）であるので、第３周方向溝５１の寸法関係は、ｄ３／Ｄ３＝０．６７、Ｌ３／ｄ３＝１．１３であり、第４周方向溝５４の寸法関係は、ｄ４／Ｄ４＝０．６３、Ｌ４／ｄ４＝０．７０となり両溝共に上記（１）及び（２）式を満足している。
【００５１】
また、第１周方向溝３１及び第２周方向溝３４の寸法関係は、上記第１の実施形態と同様に、ｄ１／Ｄ１＝０．６７、Ｌ１／ｄ１＝１．５０、ｄ２／Ｄ２＝０．６３、Ｌ２／ｄ２＝１．００であるので、モータ２の４箇所の周方向溝はいずれも（１）、（２）式を満たし、さらに上記（３）及び（４）式を満たし好ましい形態である。
【００５２】
このように、本実施形態の両軸出力タイプのモータ２においても、回転軸４４のＡ側出力軸３０とＢ側出力軸５０の周上にボールベアリング２１及び２２を挟み各々２箇所の周方向溝３１、３４及び５１、５４を設けることにより、溝の配置を分散してモータスペースや軸強度低下の問題を生ずることなく回転軸４４の径を部分的に小さくすることで、回転軸４４のＡ側出力軸３０或いはＢ側出力軸５０と回転軸４４の中央部とにかかる軸荷重のバランスを微調整し、すなわち、そのねじれ系固有振動周波数を調整することで、回転軸４４を支持する前後の軸受部への荷重を僅かに変化させ、その固有振動周波数を異なるものとすることで、両軸受部の相互の作用を抑制しモータの固有振動周波数と軸受部の固有振動周波数との共振を回避し、その振動、騒音の発生を低減することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のモータによれば、モータ自体の設計や軸受部の構造を変更することなく、回転子の回転軸に複数箇所の周方向溝を設けるという簡単な方法により、回転軸を支持する前後の軸受部の固有振動周波数を異なるものとし、前後の軸受部の固有振動周波数の相互作用によるモータの回転振動数との共振を防ぐことで、低振動、低騒音のモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態のブラシレス直流モータの縦断面図である。
【図２】第１の実施形態の回転軸の正面図である。
【図３】第２の実施形態のブラシレス直流モータの縦断面図である。
【図４】第２の実施形態の回転軸の正面図である。
【図５】実施例のモータ１のＦＦＴスペクトル図である。
【図６】比較例のモータ１００のＦＦＴスペクトル図である。
【図７】従来例のブラシレス直流モータの縦断面図である。
【図８】周方向溝を設けた従来例のブラシレス直流モータの縦断面図である。
【図９】従来例の周方向溝を示す回転軸の部分概略図である。
【符号の説明】
１，２……ブラシレス直流モータ
１１……モータハウジング
１２……固定子
１３……回転子
１４，４４……回転軸
２１，２２……ボールベアリング
３０，５０……出力軸
３１，３４，５１，５４……周方向溝
１７，１８……ブラケット

Claims

モータハウジング内に固定子が配され、前記固定子の内周に回転子が配され、前記回転子の回転軸が、前記モータハウジングの前後にあるブラケットに設けられた前後の軸受によって回転自在に支持されたモータにおいて、
前記回転軸の出力軸側の複数箇所に、周方向溝を設けた
ことを特徴とするモータ。
前記回転軸の周方向溝が、出力側軸受の両側に各々１箇所以上設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
前記モータが、両軸出力型である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ。
前記回転軸の周方向溝寸法が、前記周方向溝部の外径をｄ、前記周方向溝部に隣接する回転軸の直径をＤ、前記周方向溝部の幅をＬとすると、ｄ及びＬが、下記の（１）及び（２）式を満たす
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモータ。
０．１Ｄ≦ｄ≦０．７Ｄ　…（１）
０．７ｄ≦Ｌ≦１０．０ｄ　…（２）
前記ｄ及びＬが、下記の（３）及び（４）式を満たす
ことを特徴とする請求項４に記載のモータ。
０．５Ｄ≦ｄ≦０．７Ｄ　…（３）
０．７ｄ≦Ｌ≦１．７ｄ　…（４）