JP2008289235A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】
圧粉磁心を用いたコアを使用して電動機の薄型化を図ることと、性能や信頼性の向上を図ることを両立した電動機を提供する。
【解決手段】
磁性粉を圧縮した成形体が対向して配置された固定子コア１５及び成形体の間で電動機の回転軸１０の回転中心を中心とする平面上に配置される複数のコイル１６とを有するステータと、回転軸１０を中心に回転するロータと、ステータが固定されるベース部材１９と、ベース部材１９及びステータに設けられ回転軸１０の回転中心が貫通する開口部と、これらの開口部の内壁を覆うスリーブ１８と、固定子コア１５を挟んでベース部材１９の反対側に取り付けられステータの開口部に挿入されるナット部材１４とを備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は電動機に関する。

半導体工場等の精密機器を取り扱う工場にはクリーンルームが存在し、このようなクリーンルームではファンフィルタユニット（以下、FFUという。）が使用されている。FFUとは、電動機によって駆動されるファンの下流側にフィルタが設けられて、空気を濾過することによって清浄な空気をクリーンルーム内に供給するものである（例えば、特許文献１参照）。

FFUはクリーンルームの天井部に取り付けられることが多く、空間の有効利用の観点から、小型化が望まれている。また、装置単体に取り付けることもあり、その場合は更なる薄型構造が望まれている。特許文献１には、電動機とファンユニットとの配置によって薄型化を図った例が示されている。

また、特許文献２には３相クローポール式のステッピングモータが開示されている。特許文献２のモータは、３相分のステータポールを同一平面上に配置することで薄型化が図られている。

特許文献３には、各相に対応する固定子鉄心を軸方向に連ね、周方向に電気角で１２０度ずつずらして配置することによって、３相のクローポール型のモータが構成される例が開示されている。固定子鉄心には磁性粉を圧縮成形した圧粉磁心が用いられており、効率が向上し得る爪磁極の形状が得られるものとなっている。

特開2000-205621号公報 特開平7-67312号公報 特開2006-296188号公報

電動機は、特許文献１に開示のFFUのほか、冷凍空調機器や送風機を始め、多くの用途に用いられている。これらの電動機は高効率化とともに薄型化が求められ、特に、上述のようにFFUで顕著である。特許文献１では、ファンユニットに取り付けられる電動機の配置によって薄型化が図られているが、ファンユニットから電動機が下方に突出し、その分だけFFUの厚さ寸法が大きくなってしまっていた。

特許文献１に示すようなFFUでは、上下寸法が、例えば、１２０ｍｍ程度となっており、このうち、電動機の寸法が５０mm程度を占めていた。したがって、FFUのさらなる小型化を図るには、電動機の寸法を小さくすることが求められる。

電動機の薄型化を図るには、トルクに寄与しないコイルエンド部の寸法を小さくする、あるいはコイルエンド部そのものをなくすことが考えられる。

特許文献２は、高トルクが必要とされないステッピングモータを前提としている。そのため、同一平面上に配置された各相間の距離を大きくとって相間の影響を低減することが可能であるが、高トルクを実現することは難しいものであった。

特許文献３は、圧粉磁心を用いることで成形可能な形状の自由度を向上し、モータの高効率を図っているが、固定子の具体的な固定方法に関して考慮されたものではなかった。すなわち、磁性粉を圧縮して成形される圧粉磁心は、微小な磁性粉の間が押し固められることで結合される。バインダ等によって成形された形状が保持されたとしても、コアを固定するために、例えば、コアを貫通するネジ穴を設けると、ネジ穴の周辺で応力が集中してしまう。

圧粉コアは、磁性粉が押し固められて結合されたものに過ぎないため、ネジ穴の周囲に欠けや割れが生じ、局所的な損傷が発生しやすくなってしまうという問題があった。このとき、電動機自体の性能劣化や信頼性低下を招きかねず、これを解決することが必要であった。

また、薄型化によって、電動機内部のロータとステータの間に発生する電位差により、ベアリングのボール転走面に電食を起こしやすくなり、ベアリングの寿命が著しく短くなることがある。ベアリングが損傷すると、電動機の正常な運転を継続できなくなり、電動機自体の信頼性を低下させてしまっていた。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、圧粉磁心を用いたコアを使用して電動機の薄型化を図りつつも、性能や信頼性の向上を図ることを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の第一の具体的態様は、磁性粉を圧縮した成形体が対向して配置された固定子コア及び前記成形体の間で電動機の回転軸の回転中心を中心とする平面上に配置される複数のコイルを有するステータと、前記回転軸を中心に回転するロータと、前記ステータが固定されるベース部材と、前記ベース部材及び前記ステータに設けられ前記回転軸の回転中心が貫通する開口部と、これらの開口部の内壁を覆うスリーブと、前記固定子コアを挟んで前記ベース部材の反対側に取り付けられ前記ステータの開口部に挿入されるナット部材とを備えたことを特徴としている。

また、第二の態様は、磁性粉を圧縮した成形体が対向して配置された固定子コア及び前記成形体の間で電動機の回転軸を中心とする平面上に配置される複数のコイルを有するステータと、前記回転軸を中心に回転し前記ステータの外周側にマグネットを有するロータと、前記ステータが固定されるベース部材と、前記ベース部材及び前記ステータに設けられ前記回転軸が貫通する開口部と、これらの開口部の内壁を覆うスリーブと、前記固定子コアを挟んで前記ベース部材の反対側に取り付けられ前記ステータの開口部に挿入されるナット部材と、前記回転軸に固定され前記ステータの外周側へと延伸するヨークと、を有し、
前記ナット部材は、前記回転軸が貫通する開口部と前記ステータの開口部よりも大きな外径を有するフランジ部とを有し、このフランジ部は前記ステータと前記ヨークとの間の空間に位置することを特徴としている。

また、上記の具体的態様のいずれかあるいは一方において、さらに好ましい態様は下記の通りである。
（１）前記成形体は径方向に延伸する複数の延伸部と前記延伸部から軸方向に延伸する爪部とを有し、前記固定子コアは成形体が前記爪部の延伸方向に互いに重ね合わされて構成され、前記ベース部材側に位置する成形体の延伸部間の隙間に、前記ベース部材に固定され、前記固定子コアの回転を規制する位置決めピンを有すること。
（２）前記マグネットと前記ヨークとを二色成形にて成形すること。
（３）前記マグネット、前記ヨーク、前記回転軸を二色成形にて成形すること。
（４）前記スリーブに絶縁材を用い、前記回転軸を保持するベアリングと前記固定子コアとの間を絶縁したこと。

本発明によれば、圧粉磁心を用いたコアを使用して電動機の薄型化を図りつつも、性能や信頼性の向上を図ることができる。

本発明の実施形態として、固定子コアに磁性粉を圧縮した成形体を対向して配置したものを用い、この圧粉磁心からなる成形体に穴を開けることなく固定するための構成を説明する。具体的には、以下の実施形態では、コアの円周方向をピンにて位置決めし、軸方向をナットにて固定する構成を採用している。以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１は本実施例のFFUを示す図である。電動機１の軸にはファン２が取り付けられており、フィルタ４と共に筐体３に収められて、ファンフィルタユニット（FFU）を構成している。筐体３は上方に開口部を有しており、ファン２が回転することによって開口部から空気が取り込まれる。すなわち、ファン２の回転によって図中の上部から空気が吸い込まれ、ファン２の下方に取り付けられたフィルタ４を通過する。フィルタ４を通過する際に空気がろ過され、フィルタ４の下流側（図中の下部）へは清浄な空気として排出される。

本実施例のFFUは、例えばクリーンルームの天井部に取り付けられ、FFUの運転中はクリーンルーム内に塵埃等が除去された空気を供給し続け、クリーンルーム内を清浄に保っている。

図２は、本実施例の電動機の分解図であり、図３は本実施例の電動機の断面図である。これらは筐体３に収められる電動機１を示している。本実施例の電動機１は、いわゆるアウターロータ方式の電動機であり、ロータはマグネット１２とヨーク１１とシャフト１０により構成されている。シャフト１０は電動機１の回転軸となり、このシャフト１０を中心として、シャフト１０の径方向に延伸するヨーク１１及び後述するステータの外周側に位置するマグネット１２がシャフト１０とともに回転する。FFUに用いる場合には、ロータにはファン２が取り付けられ、電動機１の回転によってファン２が回転して、クリーンルーム内に空気が供給される。

一方、ステータは、磁性粉を圧縮して成形された成形体（固定子コア１５）が対向して配置され、この対向する固定子コア１５にて挟むように取り付けられたコイル１６を備えている。本実施例のステータは、磁性粉を圧縮して成形された圧粉磁心を固定子コア１５として用いているため、固定子コア１５を貫通するネジ穴を設けると、ネジ穴の周辺で応力が集中し、局所的な損傷が発生しやすくなってしまう。そこで、ステータを固定するにあたっては、以下のような固定方法を採用して局所的な損傷の抑制を図っている。

ステータが固定されるモータベース１９には、スリーブ１８がネジ２０によって固定されている。スリーブ１８は、管形状あるいは筒形状をなしており、内部にシャフト１０が挿入される。また、固定子コア１５にはシャフト１０が挿入されるために中心部が開口しており、この開口部の内壁はスリーブ１８によって覆われている。

回転軸を横切る平面上における固定子コア１５の位置（図２の上下方向あるいは紙面の前後方向の位置）に関しては、スリーブ１８によって定められる。すなわち、モータベース１９とスリーブ１８とはネジ２０によって締結されているため、固定子コア１５はスリーブ１８を介してモータベース１９上で位置決めされる。

固定子コア１５の回転軸方向の位置に関しては、ナット１４を用いて位置決めされる。本実施例のナット１４は、回転軸部分が開口するとともに内周部にネジ溝が切られている。また、スリーブ１８の反モータベース１９側の外周部にもネジ溝が切られており、ナット１４がスリーブ１８に締結される。さらに、ナット１４は、固定子コア１５の開口径よりも大きな外径を有するフランジ部が設けられている。ナット１４の外周面とナット１４のフランジ部によって、固定子コア１５の回転軸方向の位置決めがなされる。本実施例では、ナット１４と固定子コア１５とが接することによって固定子コア１５が位置決めされる。なお、このナット１４は主に非磁性金属にて作られている。

固定子コア１５の回転方向の位置決めは、ピン１７が用いられる。このピン１７は主に非磁性金属で作られており、固定子コア１５のくびれ部分と勘合するように配置されている。具体的には、図２〜３に加え、図４を用いながら説明する。

図４は図３のＡ−Ａ断面図である。図４に示すように、本実施例の固定子コア１５は中心部が開口しており、径方向に延伸する複数の延伸部が設けられている。また、延伸部の先端には、対となる固定子コアの方向に延伸する爪部を備えている。すなわち、図４において、爪部は紙面の手前方向に延伸しており、換言すれば、爪部の延伸方向に互いに重ね合わされることによって固定子コア１５が構成されている。

図４において、固定子コア１５には６つの延伸部が等間隔に設けられ、延伸部の隙間部分にピン１７を配置している。具体的には、延伸部の根元部の間に凹状のくびれ部が形成されており、このくびれ部にピン１７が収まるように配置される。図４に示す例では、ピン１７を周方向で等間隔に３箇所配置し、固定子コア１５が軸周りに回転することを規制している。

本実施例は、電動機１の回転軸となるシャフト１０を中心とする平面上に３相のコイルが配置したものである。具体的には、６つの延伸部の根元部分には軸方向に凸の柱状部が設けられ、この柱状部にはコイルが巻き回される。ピン１７を、各コイル間に位置するくびれ部に取り付けることで組立性の向上も図られ、固定子コア１５の固定も可能となる。

図５は図３のＢ−Ｂ断面図である。固定子コア１５とコイル１６とからなるステータの外周部には、固定子コア１５の爪部が６対配置され、その外側にロータのマグネット１２が位置している。ステータの軸方向はナット１４、スリーブ１８、モータベース１９、ネジ２０によって固定され、ロータは、スリーブ１８に組み付けられたベアリング１３によって支持されている。

したがって、コイル１６に電流を流して回転磁界を発生させることにより、マグネット１２に回転方向の力を発生させ、ロータが回転する。なお、ロータの軸方向は抜け止めリング２２によって固定されている（図２参照）。さらには、ベアリング１３には、ばね２１によって予圧がかけられており、回転精度の向上、振動防止が図られている（図２参照）。

次に、ロータ及びステータの構成についてさらに詳細に説明する。ロータに用いられるマグネット１２は、磁性材料でできたヨーク１１に接着されてヨーク１１と一体化されている。ヨーク１１は磁性粉末材料により構成されたものでも良く、この場合は二色成形によってヨーク１１とマグネット１２とを一体で構成しても良い。シャフト１０とヨーク１１は、接着、圧入、焼きばめ、溶接等の種々の方法によって締結されるが、ヨーク１１が磁性粉末材料で構成されている場合には、シャフト１０とヨーク１１とを一体成形してもよい。

ステータの構成について、固定子コア１５は絶縁処理を施された鉄粉を圧縮成型した圧粉磁心である。そして、コイルの鉄心部分と磁極となる爪型部分とが円周上に等間隔で形成されている。また、隣同士の磁気干渉を無くすために、外周となる仮想円から中心側にむけて大きくくびれた形状となっている。その結果、中心部分から外径方向に向かっては延伸部が複数設けられることになり、延伸部の先端部分、すなわち、外周の円周上に位置する爪部が磁極として機能する。

コイル１６は、電線が巻かれて作られているが、絶縁物で作られたボビンに巻かれたものでも差し支えない。コイル１６は２つの固定子コア１５によって挟まれるように構成されており、固定子コア１５とコイル１６は樹脂を用いて一体成型されている。

ステータ及びシャフト１０を固定するスリーブ１８は、モータベース１９と一体化されていても差し支えないが、図２のように別部品としてもよい。別部品とした場合には、スリーブ１８は樹脂などの絶縁物を用いることが望ましい。これは、ステータを構成する固定子コア１５とロータを構成するシャフト１０との間の電位差によって生ずるベアリング１３の電食を抑制するためである。

本実施例では、図３に示すように、固定子コア１５の開口部の内壁はスリーブ１８によって覆われており、管状あるいは筒状のスリーブ１８の内部にはベアリング１３によって回転軸となるシャフト１０が挿入されている。したがって、ロータ＝ステータ間に電位差が生じても、スリーブ１８に絶縁物を用いることによって、ベアリング１３を介して導通することはなく、ベアリング１３の電食を抑制することができる。したがって、セラミック製ベアリングを使用することなく、安価な鋼製ベアリングを用いることができ、コストの削減ができる。

また、固定子コア１５とヨーク１１との間には空間（間隙）が設けられており、スリーブ１８及びこの間隙によってロータ＝ステータ間の絶縁が図られる。加えて、間隙にナット１４のフランジ部が配置される構造を採用することで、電動機１の薄型化が可能であり、FFUのように、薄型が要求される各種の用途に利用可能となっている。

以上説明した実施例によれば、薄型モータを実現するために圧粉磁針を用いたコアを使用しつつも、性能や信頼性の向上を図ることができる。

本実施例のFFUを示す図。 本実施例の電動機の分解図。 本実施例の電動機の断面図（図５のＣ−Ｃ断面図）。 図３のＡ−Ａ断面図。 図３のＢ−Ｂ断面図。

符号の説明

１…電動機、２…ファン、３…筐体、４…フィルタ、１０…シャフト、１１…ヨーク、１２…マグネット、１３…ベアリング、１４…ナット、１５…固定子コア、１６…コイル、１７…ピン、１８…スリーブ、１９…モータベース、２０…ネジ、２１…ばね、２２…抜け止めリング。

Claims (6)

1. 磁性粉を圧縮した成形体が対向して配置された固定子コア及び前記成形体の間で電動機の回転軸の回転中心を中心とする平面上に配置される複数のコイルを有するステータと、前記回転軸を中心に回転するロータと、前記ステータが固定されるベース部材と、前記ベース部材及び前記ステータに設けられ前記回転軸の回転中心が貫通する開口部と、これらの開口部の内壁を覆うスリーブと、前記固定子コアを挟んで前記ベース部材の反対側に取り付けられ前記ステータの開口部に挿入されるナット部材とを備えた電動機。
2. 磁性粉を圧縮した成形体が対向して配置された固定子コア及び前記成形体の間で電動機の回転軸を中心とする平面上に配置される複数のコイルを有するステータと、前記回転軸を中心に回転し前記ステータの外周側にマグネットを有するロータと、前記ステータが固定されるベース部材と、前記ベース部材及び前記ステータに設けられ前記回転軸が貫通する開口部と、これらの開口部の内壁を覆うスリーブと、前記固定子コアを挟んで前記ベース部材の反対側に取り付けられ前記ステータの開口部に挿入されるナット部材と、前記回転軸に固定され前記ステータの外周側へと延伸するヨークと、を有し、
   前記ナット部材は、前記回転軸が貫通する開口部と前記ステータの開口部よりも大きな外径を有するフランジ部とを有し、このフランジ部は前記ステータと前記ヨークとの間の空間に位置することを特徴とする電動機。
3. 前記成形体は径方向に延伸する複数の延伸部と前記延伸部から軸方向に延伸する爪部とを有し、前記固定子コアは成形体が前記爪部の延伸方向に互いに重ね合わされて構成され、
   前記ベース部材側に位置する成形体の延伸部間の隙間に、前記ベース部材に固定され、前記固定子コアの回転を規制する位置決めピンを有する請求項１又は２に記載の電動機。
4. 前記マグネットと前記ヨークとを二色成形にて成形することを特徴とする請求項２に記載の電動機。
5. 前記マグネット、前記ヨーク、前記回転軸を二色成形にて成形することを特徴とする請求項２に記載の電動機。
6. 前記スリーブに絶縁材を用い、前記回転軸を保持するベアリングと前記固定子コアとの間を絶縁したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動機。

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