JP2008240526A - モータ、送風ファン及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】インペラのカップ部とロータホルダとを締結した状態でカップ部とその他の振動源との共振を抑制する。
【解決手段】
ボス34の小径部の軸方向下端面の外周端には環状凸部が形成されている。ボス34の中央には貫通孔が形成されており、貫通孔にはシャフト32が圧入固定されている。有蓋円筒状ロータホルダ31の蓋部の中央部には回転軸を中心とする貫通孔が形成されている。貫通孔は、ボス34の小径部が嵌合される。環状凸部が径方向外方に向けて塑性変形される。ロータホルダ31の内周面が径方向外方に向けて塑性変形された環状凸部とボス34本体との間に挟み込まれる。インペラカップ部22の内周面上端付近に複数の凸部が形成されている。ロータホルダ31の外周面は、5つの凸部の内周端に圧入される。
【選択図】 図1
【解決手段】
ボス34の小径部の軸方向下端面の外周端には環状凸部が形成されている。ボス34の中央には貫通孔が形成されており、貫通孔にはシャフト32が圧入固定されている。有蓋円筒状ロータホルダ31の蓋部の中央部には回転軸を中心とする貫通孔が形成されている。貫通孔は、ボス34の小径部が嵌合される。環状凸部が径方向外方に向けて塑性変形される。ロータホルダ31の内周面が径方向外方に向けて塑性変形された環状凸部とボス34本体との間に挟み込まれる。インペラカップ部22の内周面上端付近に複数の凸部が形成されている。ロータホルダ31の外周面は、5つの凸部の内周端に圧入される。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ロータホルダとカップ部の固定方法に関する。
現在、電子機器には、電子機器内で発生する熱を放熱するために多くの冷却用の送風ファンが取り付けられている。近年の電子機器は高性能化に伴い発熱量が増加の一途を辿っており送風ファンに要求される冷却特性は高まっている。送風ファンの冷却特性を向上させるには、冷却ファンの風量特性及び静圧特性を高める必要がある。この両者を高めるためには送風ファンを高速回転にて駆動する必要がある。その一方で、多くの電子機器は家庭や事務所内で使用する機会が増えたこと等の理由で低騒音化が求められている。低騒音で高風量、高静圧を実現させるためには、例えば大型の送風ファンを低速で回転させることによって、人間にとって耳障りな高周波数域のノイズを発生することなく、且つ低騒音で高静圧、高風量を達成することができる。
送風ファンを高速回転で駆動させた場合に占める騒音値の成分の多くは羽根による風切音である。送風ファンを低速で駆動させた場合には羽根による風切音が小さくなるため、その他の成分の騒音が問題となる。具体的なその他の成分としてあげられるのが、制御回路のスイッチング時に発生する電磁音、軸受部から発生する摺動音、構成部品から発生する振動音等である。この中でも特に構成部品から発生する振動音の騒音値は高い値を示す。具体的にはロータホルダとインペラとを組み合わせた状態において、インペラもしくはロータホルダいずれかの振動によって騒音が発生している。
例えば、従来のロータホルダとインペラの固定構造はシャフトの端部にボスが固定され、そのボスとロータホルダとが締結固定されており、またシャフトのボスが固定されるよりも更に端部側にインペラが固定されている構造が開示されている。(特許文献1参照)
樹脂製のインペラにおいてインペラ径が110mm以上200mm以下で大型の送風ファンにおいては、インペラとロータホルダの締結が困難である。送風ファンは一般的に、有蓋円筒状のカップ部とカップ部の外側に配置される複数の羽根とで構成されており、カップ部の内周面に有蓋円筒状のロータホルダが圧入されて固定される。しかし、大型のファンにおける、インペラは圧入強度を上げると、インペラのカップ部に許容以上の応力が加わり割れが発生する虞がある。また圧入強度を下げると、インペラのカップ部からロータホルダが容易に離脱される。つまりは、圧入強度を設定する際のロータホルダに対するインペラカップ部の圧入代の設定範囲が狭いということである。理由は以下のとおりである。小型ファンと、大型ファンとで同じ材料を使用して設計した場合、カップ部が割れる際のカップ部に加わる周方向の応力は同じである。カップ部に対するロータホルダの抜け強度はカップ部内周面の直径に反比例する。従って、カップ部内周面の直径が大きい場合は、カップ部の内周面の直径が小さいものと比較して同一の抜け強度を達成するためには、圧入代を大きくしてカップ部の周方向に発生する応力を大きくするか、カップ部の肉厚を増加させる必要がある。圧入代を大きくすることにより、カップ部周方向の発生する応力を大きくすると、カップ部が割れる可能性が高くなる。よって、カップ部の内周面の直径が大きい場合においてカップ部の割れが発生しないようするには、圧入代を小さくせざるを得ないため、カップ部の内周面の直径が小さい場合と比べて同一の抜け強度を達成するのは難しい。
よって、大型の送風ファンにおいては、インペラとロータホルダの固定は圧入のみで行うことが、極めて困難である。大型送風ファンにおいては、次のような方法でインペラとロータホルダとが固定される。シャフトはボスを介してインペラにインサート成形にて固定されている。ロータホルダの中心には貫通孔が形成されており、貫通孔内に前記のボスが挿入される。次にボスの一部を塑性変形させることによって、ボスにロータホルダが固定される。換言すればボスにロータホルダがカシメによって固定される。
ただし、上記の方法では、固定部がロータホルダとボスのみであるため、インペラのカップ部の固有振動数が低くなり、カップ部の振動とモータの他の振動源(コギング等)と共振する虞がある。インペラが低速で回転した場合には、上述の通り羽根による風切音の騒音値が低くなるため、前記共振音が風切音の騒音値のピーク値を上回る虞がある。よって、前記共振音の発生を抑制する必要がある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、インペラのカップ部とロータホルダとを締結した状態でカップ部とその他の振動源との共振を抑制することを目的としている。
本発明の請求項1に記載のモータは、モータであって、回転軸心を中心に回転するシャフトと、中央部にシャフトの一端に固定されるボス部が設けられ、ボス部及びシャフトと共に前記回転軸心を中心に回転する有蓋円筒状のカップ部と、該カップ部の内側に配置される有蓋円筒状のロータホルダと、該ロータホルダの円筒部内側に配置される環状のロータマグネットと、該ロータマグネットと径方向で対向し、前記ロータマグネットとの間で前記回転軸心を中心とするトルクを発生する電機子と、を備え、前記ロータホルダの蓋部の中心には貫通孔が形成されており、前記貫通孔には前記ボス部の一部が挿通され、前記貫通孔の内周面と前記ボス部とが固定されており、前記カップ部の内周面には径方向内方に向けて突出する複数の凸部が周方向に配列させて形成されており、前記複数の凸部の内方端部に前記ロータホルダが圧入固定されていることを特徴。
本発明の請求項2に記載のモータは、請求項1に記載のモータであって、前記ボス部は、前記カップ部とは異なる別パーツで構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載のモータは、請求項2に記載のモータであって、前記カップは射出成形によって形成されており、前記カップが射出成形される際にカップ金型の内部に前記ボス部が挿入され前記ボス部をインサート成形によって前記カップに固定されることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載のモータは、請求項1乃至3のいずれかに記載のモータであって、前記ボス部の少なくとも一部が押圧されることによって径方向外方に向けて塑性変形されており、前記ボス部の塑性変形部と前記ボス部との間に前記ロータホルダの前記貫通孔の前記内周面が固定されていることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載のモータは、請求項1乃至4のいずれかに記載のモータであって、前記ボス部は、軸方向において前記カップ部開口側に前記ロータホルダの前記貫通孔の前記内周面が挿通され、前記ボス部の他の部位よりも外径が小さい小径部が形成されており、該小径部の軸方向において前記カップ部開口側の端面外周部には、複数の前記塑性変形部と複数の突起部とが前記回転軸を中心とする周方向に交互に配列されていることを特徴とする。
本発明の請求項6に記載のモータは、請求項1乃至5のいずれかに記載のモータであって、複数の前記凸部は、前記カップ部の内周面の蓋部側の端部近傍に形成されることを特徴とする。
本発明の請求項7に記載のモータは、請求項1乃至6のいずれかに記載のモータであって、前記塑性変形部は、プレス加工によって変形されたことを特徴とする。
本発明の請求項8に記載のモータは、請求項1乃至6のいずれかに記載のモータであって、前記塑性変形部は、溶着によって変形されたことを特徴とする。
本発明の請求項9に記載の送風ファンは、請求項1乃至7のいずれかに記載のモータが搭載される送風ファンであって、前記カップ部の外側に複数の羽根が配置されていることを特徴とする。
本発明の請求項10に記載の送風ファンは、請求項9に記載の送風ファンであって、前記カップ部と、前記複数の羽根と、前記複数の凸部と、連続的に射出成形によって形成されており、前記カップ部には射出成形時に形成される複数のウェルドラインが前記回転軸を中心として周方向に等配されており、複数の前記凸部は、隣り合う前記ウェルドラインの間に配置されることを特徴とする。
本発明の請求項11に記載の送風ファンの製造方法は、送風ファンの製造方法であって、a)中心軸を中心として軸方向に大径部と小径部とを有し、該小径部の軸方向端面において端面外周に環状壁が形成されており、前記中心軸を中心として軸方向に貫通孔が形成されるボス部を準備する工程と、b)前記ボス部の前記貫通孔にシャフトの一端を挿通し、前記ボス部と前記シャフトとを固定する工程と、c)有蓋円筒状のカップ部と、該カップ部の外側に配置される複数の羽根と、前記カップ部の内周面に配置される複数の凸部と、を有するインペラを射出成形する金型内部に前記シャフトが固定された前記ボス部を挿入し、前記ボス部をインサート成形にてインペラに固定する工程と、d)有蓋円筒状で、蓋部の中央に貫通孔が形成されたロータホルダを準備する工程と、e)前記ロータホルダの円筒部内周面に略環状のロータマグネットを固定する工程と、f)前記ロータマグネットが固定された前記ロータホルダの前記貫通孔内周面に前記ボス部の前記小径部が挿入されるように、前記ロータホルダの外周面が前記複数の凸部の内方端部に圧入される工程と、g)前記ロータホルダの端面が前記ボス部の大径部の端面と軸方向で当接した状態において、前記ボス部の前記環状壁の複数個所を径方向外方に向けて塑性変形させて塑性変形部を形成し、該塑性変形部と前記大径部との間に前記ロータホルダが挟持固定される工程と、を備えることを特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、カップ部とロータホルダとが、ボス部及びカップ部内周面に形成される複数の凸部とで固定されており、ロータホルダの固有振動数の値を高い値にすることができる。これにより、低い周波数で発生するコギング等のモータで発生する振動及び騒音と共振することを回避しやすくなる。
請求項4に記載の発明によれば、複数の凸部がカップ部の内周面の上端部近傍に形成されるため、ロータホルダとカップ部の接触面積が小さい状態で締結される。よって、カップ部の固有振動数の値を低く抑えつつ、剛性を高めることができる。これにより、モータで発生する振動及び騒音と共振することを更に回避しやすくなる。また、カップ部の内周面の上端部近傍は、カップ部の中でも強度が高い部位である。このため、ロータホルダを複数の凸部に圧入した場合に、カップ部に割れが生じない。カップ部の割れは円筒状の開口部において最も発生しやすい。
請求項6に記載の発明によれば、ウェルドライン上に凸部が配置されないように構成されている。カップ部にロータホルダを圧入した場合、最も応力が発生しやすい部位は凸部が形成されている部位である。ウェルドラインは最も強度が低い部位であるため、ウェルドラインと凸部とが重なった位置に配置されないことでインペラカップの割れの発生を防止できる。
以下、本発明の実施形態について、図1乃至図15を参照して説明する。なお、本発明の実施形態における説明では便宜上各図面の上下方向を「上下方向」とするが、実際の取り付け状態における方向を限定するものではない。また、説明の便宜上、回転軸に平行な方向を軸方向とし、回転軸を中心とする半径方向を径方向として示している。
まず、第1の実施形態について説明する。図1は、本発明にかかる第1の実施形態を示す送風ファンの断面図である。図2は、本発明にかかる第1の実施形態のインペラとロータホルダを示す断面図である。図3は、本発明にかかる第1の実施形態のインペラとロータホルダの製造方法のフローを示す図である。
送風ファン1は、外部から電流が供給されることで回転駆動する略有蓋円筒状のロータホルダ31の外側には、インペラカップ部22が固定されている。インペラカップ部22の外周面には回転することで空気流を発生する複数の羽根21が形成されている。インペラカップ部22と、複数の羽根21によってインペラ2構成されている。インペラカップ部22の中央には後述するボス34を介して、回転軸を中心としてシャフト32が締結されている。
ベース部12の中心部には、略円筒状の軸受ハウジング121が形成されており、軸受ハウジング121の内周面に形成される2つの段差部にボールベアリング41、42が軸方向の移動が規制されている。ボールベアリング41、42は、外輪と内輪との間に複数のボールが介在されることで、外輪に対して内輪が回転自在に構成されている。シャフト32はボールベアリング41、42の内輪の内周面に挿通され、軸受部が構成される。シャフト32の下端側には抜け止め用の環状部材43が取り付けられている。ボールベアリング42と環状部材43との間にはボールベアリング41、42に予圧を付与するコイルスプリング44が介在されている。軸受部の構成は上記に限定されず、例えば含油軸受等のすべり軸受を採用しても良い。
ボールベアリング41の内輪の上面は、ボス34の下面(後述する円筒部3422の下面)に支持される。ボールベアリング41、42は高い寸法精度で位置決めを行う必要がある。また、ボールベアリングの位置決めを行う際、例えば内輪側を支持した場合、その内輪を支持する部材が外輪と接触した場合、擦れ音が発生する。よって、ボス34によってボールベアリング41の内輪を支持した場合、ボス34の一部がボールベアリング41の外輪に接触しないようにする必要がある。本実施形態においてボス34は金属の材料で構成されている(詳細は後述する。)。ボス34をカップ部と同一の材料で連続的に樹脂射出成形にて形成することも可能であるが、樹脂射出成形の加工精度は金属材料を切削加工する際の加工精度の比べて悪く、バリ等の発生頻度も高い。このため、ボス34でボールベアリング41の位置決めをする場合には、金属材料を切削にて高い加工精度で形成されたボス34を使用するのが望ましい。
ステータ5は、軸受ハウジング121の外周部に支持される。ステータ5は、ステータコア51と、コイル52と、インシュレータ53と、回路基板54と、で構成される。ステータコア51は径方向外方に向けて複数のティース(図略)が形成されている。本実施形態においては、ティースが8個等配されている。ステータコア51はステータコア51の上下端部及び各ティースを絶縁するように絶縁部材で形成されたインシュレータ51によって囲繞され、各ティースにインシュレータ53を介してコイル52が巻回される。ステータ5の下端部には、インペラ2の回転駆動を制御する回路基板54が配置される。回路基板54は電子部品(図略)がプリント基板上に実装され一連の駆動制御回路が形成されることによって構成される。回路基板54はコイル52の一端と電子部品とが電気的に接続され、インシュレータ53下部に固着される。外部から供給された電流をICやホール素子を含む電子部品を介してコイル52に流すことにより、ステータコア51に磁界が発生する。
インペラ2は、インペラカップ部22と、回転することで空気流を発生する複数の羽根21が放射状にインペラカップ部22の外周側面に配設されている。インペラ2の内周面には、送風ファン1外部への漏洩磁束を低減するロータホルダ31と、ロータホルダ31の内周に取り付けられ周方向に多極着磁されたロータマグネット33と、が備えられる。インペラカップ部22の中心部には、ボス34が固定されており、ボス34には回転軸を中心としてシャフト32が固定されている。シャフト32はボールベアリング41、42に挿入されている。シャフト32の先端には環状部材43が固定されており、インペラ2を含むロータ部の抜け止めが構成されている。これにより、インペラ2は、ステータ5から離脱しない。
ロータマグネット33とステータコア51とは、径方向において対向するように配置される。コイル52に電流が流れることによってステータコア51から発生する磁界と、多極着磁されたロータマグネット33が形成する磁界との相互作用により、インペラ2に回転トルクが発生し、インペラ2がシャフト32を回転軸として回転する。回転しているロータマグネット33の磁束の変化をホール素子にて検出し、ドライブICによって回転制御されることによって、安定したインペラ2の回転が制御されている。インペラ2が回転駆動することにより空気が羽根21によって下方向に押し出され、軸方向に気流が発生する。
ベース部12は、回路基板54と軸方向において対向する位置に配置されており、回路基板54外径を外方から囲むように有底円筒形状に形成される。ベース部12はハウジング10と4本のリブ13にて連結されている。ただし、リブ13の本数は4本に限定されず、例えば3本でも5本でも良い。ハウジング10は、インペラ21の外周を囲むように形成され、インペラ21が回転することによって発生する空気流の空気流路である風洞部11を備えている。またハウジング10上端部および下端部の外周は矩形枠状の正方形にて形成され、正方形の四隅には径方向外方に突出したフランジ部14が形成されており、各フランジ部14には、送風ファン1を機器に取り付ける際にビス等の取り付け具を挿入する取り付け孔14aが形成されている。4本のリブ13は周方向に等配されている。ただし、ハウジング10の形状は上記には限定されず、例えば円形でもよい。
本実施形態の送風ファンのハウジング10は、上記正方形の一辺が120mm以上の大型ファンである。よって、インペラ2の外径もハウジング10に対応して大きいサイズである。インペラ2の外径が大きくなった場合には、ロータホルダ31とインペラカップ部22との締結方法が大きな課題となる。従来の小型の送風ファンにおいては、インペラカップ部22の内周面に軸方向に伸びる複数の凸部が周方向に等配されていた。前記凸部の内周端にロータホルダ31の外周面が圧入されることで、インペラカップ部22とロータホルダ31とが固定されていた。インペラカップ部22とロータホルダ31の固定においては、小型の送風ファンに対して大型の送風ファンの方がインペラ及びロータホルダの自重が大きいため、大型の送風ファンの方が固定強度を高くする必要がある。しかし、インペラカップ部22の内径が大きくなった場合にはロータホルダ31を固定する強度を十分に確保することが困難である。その理由を以下に示す。
インペラカップ部22のロータホルダ31固定保持強度を向上させるためには、内周面に形成された複数の凸部が内方側つまりロータホルダ31に向けて高い圧力を発生する必要がある。複数の凸部がロータホルダ31に対して高い圧力を発生するにはインペラカップ部22の円筒部に高い応力を発生させる必要がある。インペラカップ部22の内周面に形成される複数の凸部の内方端で構成される仮想包絡面の直径よりもロータホルダ31の外径を大きくした上で、その径の差を大きくする。インペラカップ部22の円筒部に大きな応力が発生する。この場合、前記仮想包絡面の直径とロータホルダ31の外径との差を極端に大きくした場合、円筒部が断裂する虞がある。また前記仮想包絡面の直径とロータホルダ31の外径との差を小さくした場合には、複数の凸部がロータホルダ31に与える十分な圧力が得られない。ここで、円筒部の肉厚を太くすることで、インペラカップ部22の応力に対する強度が大きくなる。ただし、インペラカップ部22の外径が大きくなると、空気流路の面積を小さくすることになるため、風量の低下に繋がる。よって、風量特性を考慮した場合、インペラカップ部22の円筒部の肉厚を増加させるには限界がある。
インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンと、小さい送風ファンとで、仮想包絡面の直径とロータホルダ31の外径との差を全く同じにした場合、インペラカップ部22の内径が小さい送風ファンの方が複数の凸部がロータホルダ31に与える圧力が大きい。一般にインペラカップ部22を薄肉と仮定して、インペラカップ部22の内径寸法をR、インペラカップ部22がロータホルダ31に付与している圧力をP、インペラカップ部22の円筒部の肉厚をTとした場合、インペラカップ部22の円筒部に掛かる周方向の応力σは次の式で表される。σ=PR/T
よって、P及びTを定数とした場合、曲率Rが大きくなればなるほど、応力σの値が大きくなる。よって、インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンと、小さい送風ファンとで、複数の凸部がロータホルダ31に与える圧力を同等にしようとした場合、インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンの方がインペラカップ部22の円筒部に発生する応力が大きくなってしまう。つまり、インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンの方がインペラカップ部22の円筒部に断裂が生じやすい。また、応力が低くなるように設定するにはTの値を大きくするか、Pの値を小さくせざるを得ない。よって、インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンにおいては、圧入のみでインペラカップ部22とロータホルダ31とを固定する方法は適していない。
よって、P及びTを定数とした場合、曲率Rが大きくなればなるほど、応力σの値が大きくなる。よって、インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンと、小さい送風ファンとで、複数の凸部がロータホルダ31に与える圧力を同等にしようとした場合、インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンの方がインペラカップ部22の円筒部に発生する応力が大きくなってしまう。つまり、インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンの方がインペラカップ部22の円筒部に断裂が生じやすい。また、応力が低くなるように設定するにはTの値を大きくするか、Pの値を小さくせざるを得ない。よって、インペラカップ部22の内径が大きい送風ファンにおいては、圧入のみでインペラカップ部22とロータホルダ31とを固定する方法は適していない。
図2に示されているようにインペラ2の中央つまりインペラ2の回転軸と同軸状に配置されるようにボス34が固定される。ボス34は金属製の材料を切削加工して形成された略円環状の部材である。ボス34は、大径部341と小径部342とが形成されている。小径部342の軸方向下端面の外周端には環状凸部3421が形成されている。また、小径部342の略中央には、シャフト32を支持する円筒部3422が軸方向下方に向けて突設されている(ステップS1)。ボス34の中央には貫通孔が形成されており、貫通孔にはシャフト32の上端が圧入固定されている(ステップS2)。
ボス34は大径部の外周面によってインペラ2と締結されている。インペラ2はインペラカップ部22と複数の羽根21とが連続的に樹脂射出成形にて形成されている。本実施形態においては、射出成形としているが、アルミニウム合金等の材料が使用されるダイカストによって形成しても良い。ここで、ボス34は、インペラ2を形成する成形金型内部にインサートされ、ボス34の大径部341の外周面に樹脂が充填され、硬化されることでインペラ2に対してボス34が締結固定され一体複合品が形成される(ステップS3)。この成形方法は一般的にインサート成形と呼ばれる。ボス34の大径部341の外周面にはインペラ2との締結強度を確保するために、例えばローレット溝のような溝が形成されている。この溝により、溶融された樹脂が溝の内部に入り固化されることで締結強度が確保される。
次にロータホルダ31について説明する。ロータホルダは図2に示されているように、有蓋円筒状に形成されている。蓋部の中央部には回転軸を中心とする貫通孔321が形成されている(ステップS4)。ロータホルダ31の円筒部の内周面には環状のロータマグネット33が固定されている(ステップS5)。ロータマグネット33は、ロータホルダ31に固定される前においては、長方形のシート状に形成されており、シート状の長手方向の端部同士が一致するようにして環状に形成される。ロータマグネット33は、ロータホルダ31の円筒部の内周面に固定された状態で、着磁ヨークによって周方向に多極着磁される。本実施形態のロータマグネット33の周方向に多極着磁される磁極数は8極である。
次に、ロータホルダ33がインペラ2に締結固定される過程について説明する。インペラ2のインペラカップ部22内にロータホルダ31がロータマグネット33を固定した状態で、挿入される。ロータホルダ31とインペラ2とはボス34によって固定される。貫通孔321は、ボス34に対してボス34の小径部342の外周面と貫通孔321の内周面3211とが径方向において接触するように嵌合される。ただし、加工精度によって小径部342の外周面と貫通孔321の内周面3211とが接触しない場合もある。
図4は、第1の実施形態のインペラとロータホルダとが固定された状態を示す断面図である。次にロータホルダ31の上端面がボス34に接触した状態において、環状凸部3421がプレス機によって径方向外方に向けて塑性変形される。これにより、ロータホルダ31は、図4に示されているように、その内周面3211が径方向外方に向けて塑性変形された環状凸部3421とボス34本体との間に挟み込まれ固定される(ステップS7)。また、小径部342が、径方向外方に向けて外径が大きくなるように変形され、貫通孔321の内周面3211に対して小径部342が径方向外方に応力を加え、ロータホルダ31とボス34とが固定される。
一般的にこのような固定方法はカシメ固定と呼ばれる。カシメ固定に関しては、上述のようにボス34に環状凸部3421を設けないで、小径部342の外周端を加圧して塑性変形させることでも、ロータホルダ31の内周面3211をボス34に固定することが可能である。よって、カシメ固定の方法は上記に限定されない。
図7は、カシメ固定のみで固定した場合で、インペラ回転数が2900rpmの騒音レベルと周波数の関係を示す図である。以降、図7乃至図11に示すグラフは、横軸を周波数(Hz)、縦軸を騒音レベル(dBA)としている。また、示されているデータに関しては、軸流ファンにおける騒音データの一例である。従来は、上述のカシメ固定のみでインペラ2とロータホルダ31とが固定されていた。しかし、カシメ固定のみでは、インペラ2を特定の回転数で回転させた際に、インペラカップ部22において振動が発生し、ロータマグネット33とステータコア51との間で発生するコギングと、インペラカップ部22の振動とが共振し、騒音が発生する。例えば、2900rpmで送風ファンを作動させた場合に、図7に示されているように、61を付す部位において、騒音レベル(sound level)のピーク値が突出していることが分かる。本実施形態のモータは、ロータマグネット33の着磁極数が8極で、ステータコア51のスロット数が12である。よって、ロータが一回転する間に発生するコギングは8と12の最小公倍数である24となる。つまり、2900rpmで回転した際のコギングの一次周波数は2900rpm/60分×24で求められる。よって、コギングの一次周波数は1160Hzである。また、インペラ2の固有振動数の値は1160Hz付近の値となる。よって、送風ファンが2900rpmで作動された場合に、コギングとインペラ2とは1160Hz付近において共振する。
送風ファンの回転数2900rpmは低速であり、インペラ2の回転に伴う複数の羽根21による風切音は小さい。よって、コギングとインペラ2の共振による騒音値は、非常に際立って高いピーク値を示す。このため、本発明においてはコギングとインペラ2の共振を回避するために、次のような構造が実施されている。図5は、本発明にかかる実施形態のインペラを示す軸方向下方から見た平面図である。インペラ2には、図2及び図5に示されているように、インペラカップ部22の内周面上端付近に複数(実施形態においては5つ)の凸部221が形成されている。この5つの凸部221の内周端が形成する包絡面の直径は、ロータホルダ31の外径よりも小さくなる。よって、ロータホルダ31がインペラカップ部22内に挿入され、ロータホルダ31とボス34とが接触する状態においては、ロータホルダ31の外周面は、5つの凸部221の内周端に圧入されることになる(ステップS6)。よって、ロータホルダ31は、内周面3211とボス34、外周面と5つの凸部221の内周端の2箇所で固定されることになる。これにより、インペラカップ部22の固有振動数は高周波領域にシフトされる。よって、少なくとも送風ファンを2900rpmで作動させた場合に、コギングの周波数である1160Hz付近において共振することはない。
5つの凸部221は軸方向に伸びるような形状で形成されている。この凸部221の事項方向の長さを変化させた2つの状態で騒音値の比較を行ってみた。凸部221の軸方向の長さが短いモデルをMODEL1とする。凸部221の軸方向の長さが長いモデルをMODEL2とする。図8は、MODEL1において、インペラ回転数が2900rpmの騒音レベルと周波数の関係を示す図である。図9は、MODEL2において、インペラ回転数が2900rpmの騒音レベルと周波数の関係を示す図である。図10は、MODEL1において、インペラ回転数が2500rpmの騒音レベルと周波数の関係を示す図である。図11は、MODEL2において、インペラ回転数が2500rpmの騒音レベルと周波数の関係を示す図である。MODEL1及びMODEL2の送風ファンを2900rpmで作動させた場合、図8及び図9に示されているように、図7に示されるような騒音レベルのピーク値は見られない。MODEL2の送風ファンを2500rpmで作動させた場合には、図11に示されているように、62が付されている部位において騒音レベルのピーク値が突出していることが分かる。しかし、MODEL1の送風ファンを2500rpmで作動させた場合には、図10に示されているように、62のような騒音レベルのピーク値は見られない。62が付されている部位の周波数は、約3000Hzである。本実施形態のモータが2500rpmで作動した場合のコギングの周波数は、2500rpm/60分×24で求められる。よって、コギングの1次周波数は1000Hzである。コギングは、1次周波数の整数倍の周波数域付近に同様の周波数域の固有振動数を有する振動体がある場合には共振する。MODEL2においては、5つの凸部221の軸方向の高さが高いあるため、MODEL1のインペラ2に比べて固有振動数が大きくなる。本実施形態のMODEL2のインペラ2は、固有振動数が3000Hzである。よって、MODEL2のインペラ2は、コギングの3次周波数成分と共振していることになる。MODEL1のインペラ2は、送風ファンの回転数が2900rpmの場合でも、2500rpmの場合でもコギングと共振することがない。つまり、5つの凸部221の軸方向の高さを変化させることによって、共振ポイントをずらすことが可能である。これらは送風ファンの作動ポイントに合わせて適宜設計にて調整する必要がある。また、本実施形態においては凸部221の配置数を5つとしたが、配置数を増加させればインペラ2の固有振動数の値が大きくなり、配置数を減少させればインペラ2の固有振動数の値が小さくなる。つまり凸部221の配置数を変えることでも共振ポイントをずらすことが可能である。
図6は、本発明にかかる実施形態のインペラのウェルドラインを示す平面図である。上述の通りインペラ2は、樹脂射出成形によって形成されている。射出成形は、金型内に樹脂が射出されるゲート部が設けられている。射出成形される物品の形状にも依存するが、インペラ2を射出成形する場合にはシャフト32を中心として略等間隔に複数のゲート部が配置される。ゲート部から射出される樹脂は金型内で合流し、金型内に樹脂が充填される。この際、隣り合うゲート部から射出される樹脂には合流点が存在する。この合流点は一般的にウェルドと呼ばれる。ウェルドはゲート部とゲート部との間に形成され略中心軸を通るように放射方向に伸びる。この放射方向に伸びたウェルドの線分はウェルドライン70と呼ばれる。ウェルドライン70上においては樹脂は完全なる一体状態では成形されてない。見た目上はウェルドライン70上でも樹脂は連続的に形成されているが、樹脂の強化繊維が均一に分布していないため、他の部位に比べて外力に対する強度が低い。
5つの凸部221には、ロータホルダ31をインペラカップ部22内に圧入した際に、外方に向けて応力が発生する。つまり、インペラカップ部22にロータホルダ31を圧入した際に内部応力が最も高くなる部位が5つの凸部221が形成されている部位である。よって、上述のウェルドライン70が凸部221と重ならないように工夫する必要がある。ウェルドライン70と凸部221とは、図6に示されているように、重ならない位置に配置される。これでインペラカップ部22の強度の低下を防止することが可能である。
また、MODEL1においては5つの凸部221の軸方向の高さが低く形成されている。インペラカップ部22の径方向に発生する外力が最も強い部位はインペラカップ部22の蓋部付近である。つまり凸部221に作用する径方向の応力ができる限り蓋部付近に集中させた方がインペラカップ部の強度の低下を防止することができる。つまり、MODEL1とMODEL2とを比較した場合、ロータホルダ31が圧入された際のインペラカップ部22の強度はMODEL1の方が高い。よって、凸部221の軸方向の高さが低く蓋部近傍に配置されるのが好ましい。
次に第2の実施形態にかかる送風ファンについて説明する。第2の実施形態にかかる送風ファンは、ボス及び軸受部の構成が異なる点を除き、図1及び図6に示す送風ファンと同様の構成を有するため、以下の説明ではボス部以外の他の構成に同符号を付す。
図12は、図1に対応する断面図であり、第2の実施形態を示す送風ファンの断面図である。図13は、図2に対応する断面図であり、第2の実施形態のインペラとロータホルダを示す断面図である。図14は、図4に対応する断面図であり、第2の実施形態のインペラとロータホルダとが固定された状態を示す断面図である。図15は、本発明にかかる第2の実施形態のインペラとロータホルダの製造方法のフローを示す図である。
ベース部12の中心部には、略円筒状の軸受ハウジング121が形成されており、軸受ハウジング121の内周面に形成される2つの段差部にボールベアリング41、42が軸方向の移動が規制されている。ボールベアリング41、42は、外輪と内輪との間に複数のボールが介在されることで、外輪に対して内輪が回転自在に構成されている。シャフト32はボールベアリング41、42の内輪の内周面に挿通され、軸受部が構成される。シャフト32の下端側には抜け止め用の環状部材43Aが取り付けられている。ボールベアリング41と後述するボス部34Aとの間には、ボールベアリング41、42に与圧を付与するコイルスプリング44が介在されている。
第1の実施形態とは異なり、ボス部34Aの下面(後述する円筒部3422の下面)にはコイルスプリング44が支持される。ボス部34Aをカップ部と同一の材料で連続的に樹脂射出成形にて形成されている。樹脂射出成形の加工精度は金属材料を切削加工する際の加工精度の比べて悪く、バリ等の発生頻度も高い。しかし、コイルスプリング44を支持する際には、コイルスプリング44自体がボス部34Aつまりロータ部と一体で回転するため、接触部の精度は要求されない。軸受部の構成は上記に限定されず、例えば含油軸受等のすべり軸受を採用しても良い。すべり軸受においては、ボス部34aはどの部位とも接触することが無いため、高い加工精度は必要とはされない。
インペラ2Aは、インペラカップ部22Aと、回転することで空気流を発生する複数の羽根21が放射状にインペラカップ部22Aの外周側面に配設されている。インペラ2Aの内周面には、送風ファン1A外部への漏洩磁束を低減するロータホルダ31と、ロータホルダ31の内周に取り付けられ周方向に多極着磁されたロータマグネット33と、が備えられる。インペラカップ部22Aの中心部には、ボス部34Aが形成されており、ボス部34Aには回転軸を中心としてシャフト32が固定されている。シャフト32はボールベアリング41、42に挿入されている。シャフト32の先端には環状部材43Aが固定されており、インペラ2Aを含むロータ部の抜け止めが構成されている。これにより、インペラ2Aは、ステータ5から離脱しない。
図13に示されているようにインペラ2Aの中央つまりインペラ2Aの回転軸と同軸状に配置されるようにボス部34Aが形成される(ステップS3A)。ボス部34Aはインペラ2Aを樹脂射出成形する際にインペラ2Aと連続的に一体で形成される。ボス部34Aは、大径部341Aと小径部342Aとが形成されている。小径部342Aの軸方向下端面の外周端には環状凸部3421Aが形成されている。また、小径部342Aの略中央には、シャフト32を支持する円筒部3422Aが軸方向下方に向けて突設されている(ステップ1A)。ボス部34Aの中央には貫通孔が形成されており、貫通孔にはシャフト32の上端が圧入固定されている(ステップS2A)。
次にロータホルダ31について説明する。ロータホルダは図2に示されているように、有蓋円筒状に形成されている。蓋部の中央部には回転軸を中心とする貫通孔321が形成されている(ステップS4A)。ロータホルダ31の円筒部の内周面には環状のロータマグネット33が固定されている(ステップS5A)。ロータマグネット33は、ロータホルダ31に固定される前においては、長方形のシート状に形成されており、シート状の長手方向の端部同士が一致するようにして環状に形成される。ロータマグネット33は、ロータホルダ31の円筒部の内周面に固定された状態で、着磁ヨークによって周方向に多極着磁される。本実施形態のロータマグネット33の周方向に多極着磁される磁極数は8極である。
次に、ロータホルダ33がインペラ2Aに締結固定される過程について説明する。インペラ2Aのインペラカップ部22内にロータホルダ31がロータマグネット33を固定した状態で、挿入される。ロータホルダ31とインペラ2Aとはボス部34Aによって固定される。貫通孔321は、ボス部34Aに対してボス部34Aの小径部342Aの外周面と貫通孔321の内周面3211とが径方向において接触するように嵌合される。ただし、加工精度によって小径部342Aの外周面と貫通孔321の内周面3211とが接触しない場合もある。
図14は、第2の実施形態のインペラとロータホルダとが固定された状態を示す断面図である。次にロータホルダ31の上端面がボス部34Aに接触した状態において、環状凸部3421Aが熱溶着機、超音波溶着機等の溶着機によって径方向外方に向けて塑性変形される。これにより、ロータホルダ31は、図14に示されているように、その内周面3211が径方向外方に向けて塑性変形された環状凸部3421Aとボス部34との間に挟み込まれ固定される(ステップS7A)。一般的にこのような固定方法は溶着固定と呼ばれる。溶着固定に関しては、上述のようにボス部34に環状凸部3421Aを設けないで、小径部342Aの外周端を溶着機によって塑性変形させることでも、ロータホルダ31の内周面3211をボス部34Aに固定することが可能である。よって、溶着固定の方法は上記に限定されない。
インペラ2Aには、図13及び図14に示されているように、インペラカップ部22Aの内周面上端付近に複数(実施形態においては5つ)の凸部221Aが形成されている。この5つの凸部221Aの内周端が形成する包絡面の直径は、ロータホルダ31の外径よりも小さくなる。よって、ロータホルダ31がインペラカップ部22A内に挿入され、ロータホルダ31とボス部34Aとが接触する状態においては、ロータホルダ31の外周面は、5つの凸部221Aの内周端に圧入されることになる(ステップS6A)。よって、ロータホルダ31は、内周面3211とボス部34A、外周面と5つの凸部221Aの内周端の2箇所で固定されることになる。騒音値の低減効果に関しては、第1の実施形態と同様である。
1 送風ファン
10 ハウジング
11 風洞部
2 インペラ
21 羽根
22 インペラカップ部
221 凸部
3 ロータ部
31 ロータホルダ
32 シャフト
33 ロータマグネット
34 ボス
51 ステータコア
52 コイル
53 インシュレータ
54 回路基板
10 ハウジング
11 風洞部
2 インペラ
21 羽根
22 インペラカップ部
221 凸部
3 ロータ部
31 ロータホルダ
32 シャフト
33 ロータマグネット
34 ボス
51 ステータコア
52 コイル
53 インシュレータ
54 回路基板
Claims (11)
- モータであって、
回転軸心を中心に回転するシャフトと、
中央部にシャフトの一端に固定されるボス部が設けられ、ボス部及びシャフトと共に前記回転軸心を中心に回転する有蓋円筒状のカップ部と、
該カップ部の内側に配置される有蓋円筒状のロータホルダと、
該ロータホルダの円筒部内側に配置される環状のロータマグネットと、
該ロータマグネットと径方向で対向し、前記ロータマグネットとの間で前記回転軸心を中心とするトルクを発生する電機子と、
を備え、
前記ロータホルダの蓋部の中心には貫通孔が形成されており、前記貫通孔には前記ボス部の一部が挿通され、前記貫通孔の内周面と前記ボス部とが固定されており、
前記カップ部の内周面には径方向内方に向けて突出する複数の凸部が周方向に配列させて形成されており、
前記複数の凸部の内方端部に前記ロータホルダが圧入固定されていることを特徴とするモータ。 - 前記ボス部は、前記カップ部とは異なる別パーツで構成されていることを特徴とする請求項1に記載のモータ。
- 前記カップは射出成形によって形成されており、前記カップが射出成形される際にカップ金型の内部に前記ボス部が挿入され前記ボス部をインサート成形によって前記カップに固定されることを特徴とする請求項2に記載のモータ。
- 前記ボス部の少なくとも一部が押圧されることによって径方向外方に向けて塑性変形されており、前記ボス部の塑性変形部と前記ボス部との間に前記ロータホルダの前記貫通孔の前記内周面が固定されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のモータ。
- 前記ボス部は、軸方向において前記カップ部開口側に前記ロータホルダの前記貫通孔の前記内周面が挿通され、前記ボス部の他の部位よりも外径が小さい小径部が形成されており、該小径部の軸方向において前記カップ部開口側の端面外周部には、複数の前記塑性変形部と複数の突起部とが前記回転軸を中心とする周方向に交互に配列されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のモータ。
- 複数の前記凸部は、前記カップ部の内周面の蓋部側の端部近傍に形成されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のモータ。
- 前記塑性変形部は、プレス加工によって変形されたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のモータ。
- 前記塑性変形部は、溶着によって変形されたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のモータ。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載のモータが搭載される送風ファンであって、
前記カップ部の外側に複数の羽根が配置されていることを特徴とする送風ファン。 - 前記カップ部と、前記複数の羽根と、前記複数の凸部と、連続的に射出成形によって形成されており、前記カップ部には射出成形時に形成される複数のウェルドラインが前記回転軸を中心として周方向に等配されており、複数の前記凸部は、隣り合う前記ウェルドラインの間に配置されることを特徴とする請求項9に記載の送風ファン。
- 送風ファンの製造方法であって、
a)中心軸を中心として軸方向に大径部と小径部とを有し、該小径部の軸方向端面において端面外周に環状壁が形成されており、前記中心軸を中心として軸方向に貫通孔が形成されるボス部を準備する工程と、
b)前記ボス部の前記貫通孔にシャフトの一端を挿通し、前記ボス部と前記シャフトとを固定する工程と、
c)有蓋円筒状のカップ部と、該カップ部の外側に配置される複数の羽根と、前記カップ部の内周面に配置される複数の凸部と、を有するインペラを射出成形する金型内部に前記シャフトが固定された前記ボス部を挿入し、前記ボス部をインサート成形にてインペラに固定する工程と、
d)有蓋円筒状で、蓋部の中央に貫通孔が形成されたロータホルダを準備する工程と、
e)前記ロータホルダの円筒部内周面に略環状のロータマグネットを固定する工程と、
f)前記ロータマグネットが固定された前記ロータホルダの前記貫通孔内周面に前記ボス部の前記小径部が挿入されるように、前記ロータホルダの外周面が前記複数の凸部の内方端部に圧入される工程と、
g)前記ロータホルダの端面が前記ボス部の大径部の端面と軸方向で当接した状態において、前記ボス部の前記環状壁の複数個所を径方向外方に向けて塑性変形させて塑性変形部を形成し、該塑性変形部と前記大径部との間に前記ロータホルダが挟持固定される工程と、
を備えることを特徴とする送風ファンの製造方法。
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