JP2008079471A - ファンシステム，電動機及びクローポール型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のクローポール型モータの場合においては、２相構造であるために、トルクの脈動が大きく振動が大きくなる欠点と、鉄板の厚みや、鉄板自体の磁気特性の悪化によって、出力トルクを大きくとることが出来ないために、所望のファンシステムを構成することが出来ない課題がある。さらに、これらのモータにおいては、ステータコイルの作る磁界が作る渦電流などの発生により、回転子のベアリング保持部からベアリングを介して電流が抜けることが原因で発生する電蝕の課題もある。
【解決手段】
モータ部には一平面に三相のコイルが配置されるよう構成するファンシテムことである。又、回転子軸と接する回転子の部分は非導電体で構成されることである。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気用ファン，換気扇，送風用ファン，冷却用ファンなどのモータで駆動されるファンシステム，電動機及びクローポール型モータに関するものである。

ファンシステムは通常機器の冷却、及び送風の用途に使用される。これらのファンシステムは、常時回転させておく用途が多いため、高効率であることが求められる一方、振動，騒音が少なく、小形であることが求められている。通常、これらのファンシステムには駆動源としてモータが使用される。用途によって、種々の駆動モータが利用されるが、電磁鋼板を積層した固定子鉄心に巻線を施して構成されるスロットティースモータで構成されている。ファンモータは、「特開２００１−２３１１９２号公報」「特開平６−78486号公報」に示されるようなモータで構成され、固定子鉄心の軸方向両側に、コイルエンドと呼ばれるコイルや、そのコイルと接触しないように配置されるベアリングを保持するエンドブラケットで構成される。

また、振動，騒音の低減手法としては、「特開平８−７０５５０号公報」「特開平６−
３０５４９号公報」「特開平８−２９８７４０号公報」に示されるように、固定子と軸受部の組立精度、軸と回転子の組立精度等の各部品精度や組立精度を向上してその誤差から発生する軸ぶれによる振動の発生を抑え、モータ全体の振動，騒音低減を実現しようとしている例がある。

さらに、薄形にするには、コイルエンドが軸方向に存在しないモータが好ましく、「特許第３２４６７２４号公報」に示されるような、２相のクローポール型モータが考えられる。

特開２００１−２３１１９２号公報 特開平６−７８４８６号公報 特開平８−７０５５０号公報 特開平６−３０５４９号公報 特開平８−２９８７４０号公報 特許３２４６７２４号公報

上記特許文献１から５においては、ファンシステムの軸方向寸法は、モータの固定子鉄心と、その軸方向両側にあるコイルエンド，エンドブラケットを含めたモータの軸方向長さで決定する。ファンシステムを薄形化しようとした場合、このモータの体格によって薄形化に限界がある。

また、振動，騒音の課題では、回転子軸と羽根の締結部が細い為に羽根が軸に対して傾いてしまう課題がある。これらの精度を向上するのは困難である。

特許文献６で示したコイルエンドが存在しないクローポール型モータの場合においては、２相構造であるために、トルクの脈動が大きく振動が大きくなる欠点と、鉄板の厚みや、鉄板自体の磁気特性の悪化によって、出力トルクを大きくとることが出来ないために、所望のファンシステムを構成することが出来ない課題がある。これは、鉄板折り曲げで構成するために磁石の残留磁束密度を高く出来ないことと、鉄板の中を渦電流が流れることによる磁気特性の劣化、及び損失増大が原因である。

さらに、これらのモータにおいては、ステータコイルの作る磁界が作る渦電流などの発生により、回転子のベアリング保持部からベアリングを介して電流が抜けることが原因で発生する電蝕の課題もある。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、ファンモータの軸方向長をトルク発生に寄与する部分のみとして薄形化して、高効率で振動・騒音が小さく電蝕の課題も無いファンシステム及び電動機を提供することにある。

ファンシテムにおいて、モータ部には一平面に三相のコイルが配置されるよう構成すること。

薄形で振動・騒音が小さく電蝕の課題も無いファンシステム及び電動機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１には本発明の薄形ファンシステムの構造を断面図によって示す。駆動源は一平面に複数相のコイルを有する外転型のクローポール型モータを配置して、その回転子のヨークの外側に羽根が配置される構成とする。クローポール型モータは、固定子コア４の内部に固定子コイル５を内蔵し、固定子コアの軸方向にコイルエンド部分が出ない構造となっている。この固定子コア４と固定子コイル５で構成される固定子に、制御基板９が絶縁シートなどを介して絶縁を保つように実装され、固定子ユニットを構成する。この固定子ユニットは、ベアリングを保持するブラケット３と同軸度，直角度を保って配置され、ベアリングを介して保持される軸２と結合される回転子ヨーク１０、回転子ヨーク１０に配置される磁石１が固定子ユニットと空隙を介してその外側を回転可能となる構造となってクローポール型モータ部を構成している。このクローポール型モータの回転子ヨークの外側には、羽根が配置され、回転子と共に回転してファンシステムを構成するものとなっている。

このファンシステムにおいて、クローポール型モータのトルクに寄与する固定子と回転子が対向する部分は、ファンシステムの軸方向寸法の半分以上を占める構成とできる。図２には、このファンシステムの軸方向中心位置の断面図を示す。クローポール型モータは、図示のように１平面に三相分のコイルを有し、そのコイルエンドは、固定子の中心方向に巻き回されているため、軸方向にコイルエンド部分を配置しない構造となっている。三相とするのは、二相に比べてトルクの脈動を小さくできるためである。二相の場合には、電気角で９０度ずれた波形を重ねたものがトルクとなるため、その脈動が大きくなるが、三相は電気角で１２０度の等ピッチでのトルク波形の重ね合せとなるのでその脈動は大幅に低減できる。また、コイル部分の中心、すなわち固定子コアの継鉄部分は、外側が円弧状で、内側が直線となるかまぼこ形状としている。これにより、鎖交磁束に寄与する外側円弧状のコイルを多くして、コイルエンドを少なくし、かつ、巻線の整列性を保つ巻線が容易にすることができる。

ファンの羽根は、この例では８枚を示すが、１２ティース，１４極のモータに対して、そのトルクリプルの出易い次数の羽根枚数を避けた羽根枚数を選定することで、共振現象で、ある回転数，負荷領域において共振などによる振動騒音が大きくなる個所が無いモータを得ることができる。

図３には、断面図で示した構造を、３次元的に斜視図で示した構造を示す。組立順序としては、ブラケット３と下固定子コア４ｂに固定子コイル５を配置し、上固定子コア４ａで挟み込んで固定子ユニットを構成する。これにリング状のマグネット１を回転子ヨーク１０に接着などを行って配置した回転子を、軸受保持部に配置されたベアリングを介して保持し、その回転子ヨークの外側に羽根が取りつけられる。

図４には、コイル配置を変更したクローポール型モータの例を示す。図１から図３で示した１平面に３個のコイルを有するクローポール型モータは、一相あたりのトルクや、径方向の電磁力が各相ごとに発生するので、振動や騒音の原因となる場合が考えられる。図４に示すように同相のコイルを略１８０度ずれた位置に配置することによって、径方向に発生する電磁力は、その相ごとに発生する値は同等となるため、キャンセルできることになる。このコイル配置にすることで、モータの振動，騒音が低減できる。

図５には、磁石の形状の一例を示す。図４に示した例においては、振動騒音は低減できるものの、コイルエンド部分が多くなることにより、単位体積あたりの出力トルクが低下するといった課題がある。このため、図１から図３で示したような３個のコイルで構成するモータが出力確保の面では望ましい。３個のコイルで構成するクローポール型モータで、振動，騒音を低減する方法として、磁石の形状によるトルク脈動低減があり、図５に示すように磁石のギャップ面の空隙を変化させる、すなわち磁石を円弧状の形状にすることで、空隙磁束密度分布を滑らかに変化させ、誘起電圧の正弦波化を図ることで振動騒音が低減できる。二色成形磁石回転子では、この磁石形状が複雑な形の場合でも、金型による成形で高精度に磁極形状を得ることが可能であるため、このような円弧形状を得ることができる。また、二色成形工法では、図５（ｂ）に示すような回転子ヨーク１０に磁石１を高精度に配置してヨークと磁石を一体化することができる。これにより磁極のピッチが一定となるためにコギングトルク低減，騒音低減が可能になる。また、回転子ヨーク１０を磁石と一体化できることで、回転子側の部材は軟磁性材料でないもので構成することが可能である。図８には、二色成形磁石回転子を薄形ファンに実装した例を示す。この例では、回転子ヨーク１０が磁石一体化されているために、ファンそのものに高精度な磁石を配置することができるため、前述の騒音低減に効果が期待できる。また、図８の回転子軸２と接する回転子の部分１１は非導電体で構成することにより、このファンは非導電体で構成することが可能であり、回転子軸に発生する軸電流を無くすことが可能で、軸からベアリングを介してハウジングアースに電流が流れることで発生する電蝕（ベアリング破損）を防ぐ構造を実現できる。なお、非伝導体の一例としてはプラスチックが考えられる。また、図８は外転型モータの例を示したが、内転型モータを用いても上記効果を奏することはいうまでもない。さらに、図８はクローポール型モータの例を示したが従来のスロット型モータにおいても上記効果を奏することはいうまでもない。

図６には、従来のファンシステムの構成を示す。従来の数十Ｗの出力以上のファンモータは、内転形のモータ形式が採用されていた。固定子コア４はスロットティース型のモータ固定子であり、その固定子コアに巻線が施される構造である。その巻線は、固定子コアの積厚（軸方向長）に対して、積厚とほぼ同寸法のコイルエンド部を軸方向両側に有し、そのコイルエンド部の片側部には、コイルの端末を接続して、そのコイルエンドからある一定の沿面距離を有して制御基板が配置される。その制御基板から一定の沿面距離を有して、ベアリング保持部を有するブラケットが配置され、磁石１を有した軸で構成される回転子を、ベアリングを介して保持して、軸の先端部分で、羽根と結合される構成となっている。このような構成となっているために、ファンシステムの軸方向寸法が大きい構造となり、固定子コアと磁石が対向するトルクに寄与する部分の軸方向寸法に対してのファンシステム全体の寸法は、少なくとも３倍以上となることがわかる。

本発明の薄形ファンシステムは、モータのトルクに寄与する軸方向長をシステム全体の軸方向長の半分以上とすることが特徴であり、ファンシステム全体を薄形化可能である。図７に出力トルクに対しての、ファンシステムの軸方向長を示す。横軸には、モータに必要な定格トルクの値を示す。縦軸にはシステムの軸方向の寸法を示す。モータのギャップ半径と、磁石のエネルギー積（磁石の残留磁束密度値）が決まったとき、モータに必要な寸法は一意に決定する。これは、モータのギャップの単位面積あたりのトルクがある程度決まっているためであり、ファンモータに使用されるモータではあまり高く設定されていない定数で決まる。ここで示した例では、磁石の残留磁束密度を０.６Ｔ とした場合の定数として、ｋ＝３１５０Ｎ／ｍ² とした場合の例である。回転子と固定子がギャップを有して対向する部分の面積に対しての力がどれだけ出るかといった定数となっている。この定数により設計されたモータは、ギャップの径Ｄ（ｍ）が決まると、次式で軸方向の寸法Ｌ（ｍ）が決定する。Ｔは必要なトルクである。

Ｌ＝２・Ｔ／（Ｄ²・π・ｋ）
この関係で決定したモータの軸方向寸法に対して、ファンシステムの軸方向長は、従来のモータでは、先に示したとおり、コイルエンドとブラケット部を必要とするため、３倍以上となり、本発明のファンシステムでは、２倍以下に抑えることができる。

具体的に数値を挙げて説明すると、この磁石のＢｒを０.６Ｔ，ギャップ径０.０９ｍとした例において連続運転で必要なトルクＴを０.６Ｎ・ｍ と決めると、それに必要なモータ部分の軸方向長さは、１５mm程度となる。本発明の構成では、ファンシステムの軸方向長は、その２倍である３０mm以下とできるが、従来のファンシステム構成では、４５mm以下にできない。上記のｋの値は、磁石の厚さ、磁場配向などによって変わるが、おおよそ、磁石のＢｒと関係しており、一般的なモータでは、５０００・Ｂｒ＜ｋ＜１００００・Ｂｒ程度の値となっている。このギャップ面積あたりの力が決まった場合にファンシステムの軸方向寸法が、上記式の２倍以内となる領域で構成できるため、
ファンシステム軸方向長ＬＬ＜４・Ｔ／（Ｄ²・π・ｋ）
となる。

以上のように本発明は、薄形で振動騒音の課題が解決できるため、排気装置のファンを取り付けするスペース低減でき、小形の排気装置を提供することが可能となる。また、天井などに取り付けするファンシステムとして小形化ができるので、メンテナンスに使用する空間を大きくとれる、狭い場所への取り付けが容易となるなどの効果がある。また電蝕も防止できる。

なお、本発明の固定子コアは複雑形状をしているため、従来の鉄板折り曲げ方式では作成することが困難である。そこで、本発明の固定子コアは、磁性粉を圧縮成形することにより作成することが好ましい。また、磁性粉には、コート膜を施しているため圧粉成形したモータにおいては渦電流が流れにくくなるため、磁気特性の向上及びモータ効率を向上することができるという効果もある。

本発明のファンシステムの横断面図を示す。 本発明のファンシステムの断面図を示す。 本発明のファンシステムの組立構造の斜視図を示す。 本発明のモータ構成を、１相のコイルを複数で構成する場合の例を示す。 本発明のモータ構成を磁石形状を変更して、構成した例を示す。 従来のファンシステム構成を示す。 本発明と従来のファンシステムの軸方向長の関係を示す。 二色成形をファンに配置した薄形ファンシステムの断面図を示す。

符号の説明

１ 磁石
２ 軸
３ ブラケット
４ 固定子コア
５ 固定子コイル
６ ベアリング
７ 羽根
８ 結合部材
９ 制御基板
１０ 回転子ヨーク

Claims (20)

1. 固定子と回転子を有するモータ部を有するファンシステムにおいて、
   前記モータ部はクローポール型モータで構成され、
   前記クローポール型モータは、一平面に三相のコイルが配置されていることを特徴とするファンシステム。
2. 請求項１において、
   前記固定子と回転子が対向する領域は、ファンシステム全体の軸方向寸法の半分以上となるよう構成したことを特徴とするファンシステム。
3. 請求項１において、
   固定子と回転子が対向する領域は、前記モータ部の軸方向寸法となる構造のモータを有することを構成したことを特徴とするファンシステム。
4. 請求項１において、
   前記モータは外転型モータであって、前記回転子の外側に羽根部を構成することを特徴とするファンシステム。
5. 請求項１において、
   前記コイルの軸方向の寸法は、前記固定子と回転子が対向する領域の軸方向の寸法よりも小さいことを特徴とするファンシステム。
6. 請求項１において、
   前記モータには回転軸を保持する軸受部が配置され、
   前記軸受部が、前記固定子と回転子が対向する領域寸法内に配置されることを特徴とするファンシステム。
7. 請求項１において、
   前記モータ部のギャップ表面積あたりの出力を表す係数をｋ（Ｎ／ｍ² ）とし、連続で駆動する場合の必要トルクをＴ（Ｎ・ｍ）とし、モータのギャップ部の直径をＤ（ｍ）とした場合において、
   ファンシステムの軸方向長ＬＬは、ＬＬ＜４・Ｔ／（Ｄ²・π・ｋ ）を満たす関係にあることを特徴とするファンシステム。
8. 請求項１において、
   回転子軸と接する回転子の部分は非導電体で構成されることを特徴とするファンシステム。
9. 請求項１において、
   前記回転子は、永久磁石と圧粉磁心ヨークとを一体成形した二色成形磁石を有することを特徴とするファンシステム。
10. 請求項１において、
    前記回転子の永久磁石は、固定子磁極との空隙が周方向で異なる形状としたことを特徴とするファンシステム。
11. 請求項１において、
    前記三相のコイルは、同相のコイルが略１８０°ずれた位置に配置されていることを特徴とするファンシステム。
12. 請求項１において
    前記コイルを巻き回す固定子の継鉄部分は、外側が円弧状で、内側が直線となるかまぼこ形状となることを特徴とするファンシステム。
13. 回転子と固定子と前記回転子を支える回転子軸とを有する電動機において、
    前記回転子軸と接する回転子の部分は非導電体で構成されることを特徴とする電動機。
14. 請求項１３において、
    前記電動機はクローポール型モータで構成され、
    前記クローポール型モータには、一平面に三相のコイルが配置されていることを特徴とする電動機。
15. 請求項１３において、
    前記回転子は、永久磁石と圧粉磁心ヨークとを一体成形した二色成形磁石を有することを特徴とする電動機。
16. 請求項１４において、
    前記三相のコイルは、同相のコイルが略１８０°ずれた位置に配置されていることを特徴とする電動機。
17. 請求項１４において
    前記コイルを巻き回す固定子の継鉄部分は、外側が円弧状で、内側が直線となるかまぼこ形状となることを特徴とする電動機。
18. 回転子と固定子と前記回転子を支える回転子軸とを有するクローポール型モータにおいて、
    前記クローポール型モータには、一平面に三相のコイルが配置されており、
    前記回転子は、永久磁石と圧粉磁心ヨークとを一体成形した二色成形磁石を有し、その磁石部分の形状は、固定子磁極との空隙が周方向で異なる磁石形状としたことを特徴とするクローポール型モータ。
19. 請求項１８において、
    前記三相のコイルは、同相のコイルが略１８０°ずれた位置に配置されていることを特徴とするクローポール型モータ。
20. 請求項１８において
    前記コイルを巻き回す固定子の継鉄部分は、外側が円弧状で、内側が直線となるかまぼこ形状となることを特徴とするクローポール型モータ。
    

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