JP2009165213A - ロータ取付け冷却ファン - Google Patents

Abstract

【課題】モータ高性能化のためにロータへより多くの巻線を巻いた場合であっても、膨らんだ巻線とファンの接触を防いで、狙った位置への冷却ファン取り付けを可能にする。
【解決手段】冷却ファンは、ロータコア外周側の端面に接着されるファンリング及びそれに接続される複数個のフィンを備える。ファンリングは、そのスラスト方向端面に設けた位置決め用足部を、ロータコア間のコアスロット内に挿入することにより、ロータコアに対して位置決めし、かつ、コアスロットに連通する電線逃がし用凹部を、ファンリングのスラスト方向端面に形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自冷のためにモータのロータに取り付けられるロータ取付け冷却ファンに関する。

電動工具等に利用される小型モータは、高出力、高トルク、コンパクト、軽量、低消費電力、高冷却性（モータ自身の温度上昇抑止）が要求される。これら要求をバランス良く実現するためには、限られたサイズのロータに、より太い電線を多く巻く必要があるが、高出力、高トルクとなるモータは、ロータの巻線に大電流が流れることから発熱し、電気的、機械的、磁気的な不具合が生じる。これら不具合を防止するため、ロータに自冷のための冷却ファンが取り付けられている。また、このような冷却ファンは、ロータへの取り付けに際して、発熱する整流子ではなく、ロータコア端面に接着することにより、耐熱性の高い材料を使用する必要がなく、それ故、低コストに製造できることが知られている（特許文献１，２参照）。

図１０（Ａ）は、特許文献１に記載のような、従来技術の冷却ファンを内蔵させた小型モータの縦断面図であり、（Ｂ）はロータ単独の正面図である。例示の小型モータにおいて、モータケースは、軟鉄のような金属材料により有底中空筒状に形成されるハウジングと、この開口部に嵌着されるエンドプレートとから構成される。ハウジング内周面にはマグネットを固着し、かつ、ハウジング底部中央とエンドプレートの中央部にそれぞれ固着される軸受によって、ロータがマグネットに対向して回転自在に支持されている。ロータは、複数個の巻線を巻装してなるロータコア、整流子、冷却ファン、及び外部機器に結合されるシャフトなどから構成されている。導電性材料によって形成されるブラシは、整流子と摺動係合するように、かつこのブラシと電気的に接続されてなる入力端子と共にブラシホルダを介してエンドプレートに取付けられる。風穴は、ハウジング及びエンドプレートの適宜の位置に設けられている。冷却ファンは、ロータコアの端面に位置決めかつ固定される。このような構成のロータが回転すると、一体に結合された冷却ファンにより、エンドプレート及びハウジング底面にそれぞれ設けた風穴から吸入された空気は、整流子、ブラシ、巻線及びロータコアを冷却して、冷却ファンのフィンから半径方向外側に、ハウジング側面の風穴を通って排出される。

図１１（Ａ）は、ロータに取り付けられている従来技術による冷却ファンをロータコア端面固定側から見た図であり、（Ｂ）は、ロータコア端面への冷却ファンの接着固定を説明する図である。図示のファンは、第１ファンリングと、第２ファンリングと、それらの間で円周方向等間隔に設けられた複数個のフィンと、第２ファンリングの端面に設けられた複数個のボスとから構成されている。複数個のフィンは、これらと第１ファンリング及び第２ファンリングとの間に風通路となる開口を形成している。第２ファンリングは、それに設けたボスをロータコア間のコアスロット内に進入させることにより位置決めしている。ファンとロータとの固定は、第２ファンリングを、ロータコア端面の最外周部分に接着することで実施される。

図１１（Ｂ）に示すように、第２ファンリングの端面が、ロータコア端面の最外周部分に突き当てるようにして接着されるが、巻線は第２ファンリングの内径側に制限されることになる。このように、従来のファンでは巻線可能範囲が冷却ファンによって制限されるため、モータ性能が制限されるという問題があった。モータ高性能化のためにロータへ巻線を多く巻いた場合、ロータコア端面コア外周縁の冷却ファン取付部まで巻線が膨らんでしまうことになる。するとロータコア端面へ冷却ファンを取り付けようとしても、冷却ファンの第２ファンリングと膨らんだ巻線が接触してしまうことから、狙った位置への冷却ファン取り付けが不可能となる。

冷却ファンとロータの巻線が干渉（接触）すると、ファン接着強度低下や、ファン固定位置不良によるロータの冷却性、ロータの機械的バランス、モータの機械ノイズ等の悪化につながる。モータ性能は太い電線をより多く巻くことで向上するが、従来の冷却ファンではこのように巻線可能範囲が制限されるため、モータ性能が制限されることになる。

同様に、特許文献２においても、モータ高性能化のためにロータへ沢山の巻線を巻いた場合、ファンの環状プレートと膨らんだ巻線が接触してしまうことから、狙った位置への冷却ファン取り付けが不可能となる。冷却ファンを取り付けるためには、巻線を限界まで巻くことができず、モータの高性能化ができない。
特許第３４６９７５１号公報 特許第２６９４９４９号公報

本発明は、係る問題点を解決して、モータ高性能化のためにロータへより多くの巻線を巻いた場合であっても、膨らんだ巻線と冷却ファンの接触を防いで、狙った位置への冷却ファン取り付けを可能にすることを目的としている。また、本発明は、巻線を限界まで巻くことを可能にして、モータの高性能化を達成する。

本発明のロータ取付け冷却ファンは、複数個の巻線を巻装してなるロータコア及び整流子をシャフトに取り付けることにより構成されるロータに取り付けられる。この冷却ファンは、ロータコア外周側の端面に接着されるファンリング及びそれに接続される複数個のフィンを備える。ファンリングは、そのスラスト方向端面に設けた位置決め用足部を、ロータコア間のコアスロット内に挿入することにより、ロータコアに対して位置決めし、かつ、コアスロットに連通する電線逃がし用凹部を、ファンリングのスラスト方向端面に形成する。

前記電線逃がし用凹部を、前記位置決め用足部に隣接させて形成し、かつ、前記ファンリングのスラスト方向端面に溜まり形成用突起を設ける。前記ファンリングと、該リングとは軸方向に間隔をおいて設けられた別のファンリングとの間に前記複数個のフィンを接続するように一体に形成する。前記電線逃がし用凹部は、ロータコア外周縁にまで膨らんだ電線を逃がすために、少なくともその一部はコアスロットに対向して形成され、かつ、前記電線逃がし用凹部のスラスト方向高さは、巻いている電線の線径の少なくとも一本分以上の高さを確保する。前記電線逃がし用凹部の周方向位置は、前記複数個の巻線それぞれの最外位置に一致させる。

本発明によれば、モータ高性能化のためにロータへより多くの巻線を巻いた場合であっても、膨らんだ巻線とファンの接触を防いで、狙った位置への冷却ファン取り付けが可能になる。従来、ファンリングが配置されていた範囲まで巻線されても、冷却ファンと巻線の干渉を避けることができる。巻線可能な範囲が広がるため、モータの高性能化が可能となる。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明に基づき構成した冷却ファンの第１の例を示す斜視図（Ａ），及び点線円内を拡大して示す図（Ｂ）である。冷却ファンは、軸方向に間隔をおいて設けられた第１ファンリング及び第２ファンリングの間に複数個のフィンを接続するように、例えば合成樹脂により、一体に形成される。ロータへの冷却ファン取り付け時に、第１ファンリングは、整流子端の径方向上方にあって、整流子の外周面との間には、空気の流れる隙間が設けられている。第２ファンリングは、そのスラスト方向（シャフト軸方向）端面が、図１０（B）を参照して前述したのと同様に、接着剤によりロータコア外周側の端面に接着される。その際、第２ファンリングの端面にスラスト方向に設けた位置決め用足部をコアスロット内に挿入することにより、ロータコアに対して位置決めされ、かつ周り止めとして機能する。

例示の冷却ファンは、例えば、ステータマグネット磁極４極、ロータ磁極１０極のモータロータに装着することを想定したものである。全体で１０個の位置決め用足部が、１０個のコアスロットのそれぞれに１個ずつ挿入される。なお、この１０個の位置決め用足部は、１０個の全てをスラスト方向に長くすれば周り止めとして有利に作用するが、しかし、全てを短くしても、或いは図示のように、一部（４本）のみを長くするだけでも周り止め機能は十分に達成可能である。また、位置決め用足部は長さに関わらず必ずしも全てのコアスロットに挿入する必要は無く、モータの回転数やフィンの大きさによるファンへの負荷に応じて任意の本数に設定する事が可能であるが、ファン取付時の位置決めと言う目的も考慮すると三本以上に構成するのが望ましい。例示の冷却ファンでは、位置決め用足部のそれぞれに、それに隣接させて、例えば図示のようなアーチ状の、電線逃がし用凹部を形成している。また、位置決め用足部のそれぞれの間には、溜まり形成用突起を設けることにより、位置決め用足部との間に接着剤溜まりを形成している。図示の例において、電線逃がし用凹部及び接着剤溜まりはそれぞれ１０個、及びフィンは２０個設けられている。

本発明の冷却ファンを取り付けるべきロータ構成、及びこのロータ構成を取り付けるべきモータ構成は、例えば、図１０（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明したような通常の構成とすることができる。本発明の冷却ファンは、図１０（Ｂ）に例示したようなロータに取り付けられている冷却ファンに代えて用いることができる。即ち、本発明の冷却ファンは、複数個の巻線を巻装してなるロータコア、整流子、及び外部機器に結合されるシャフトから構成されるロータに取り付けられる。そして、図１０（Ａ）に示したように、このようなロータをハウジング内に回転可能に支持することによりモータが構成される。ハウジング及びその開口部に嵌着されるエンドプレートから成るモータケースに対して、ステータ磁極用マグネットを固着し、かつ、整流子と摺動係合する一対のブラシが設けられる。また、ハウジング及びエンドプレートの適宜の位置には、風穴が設けられていて、ロータが回転すると、一体に結合された冷却ファンにより、ハウジング風穴から吸入された空気は、整流子、ブラシ、巻線、ロータコアなどを冷却して、ハウジングの別の風穴を通って排出される。

図２は、ロータコア端面へのファンの配置関係を説明する図である。但し、図示を明確にする目的で、巻線の図示を省いている。第２ファンリングのスラスト方向端面を、ロータコア端面の最外周部分に配置した際には、第２ファンリングと一体に形成の溜まり形成突起がロータコア端面に突き当てられて、スラスト方向（シャフト軸方向）の位置決めをする。この際、位置決め用足部をロータコア間のコアスロット内に挿入して、それをロータコアの壁面に当接することにより、ロータコアに対する冷却ファンのスラスト方向、ラジアル方向の位置決めがなされる。

図３は、巻線をしたロータコア端面へのファンの配置関係を説明する図であり、（Ａ）は電線逃がし用凹部近辺をファン外側から見た図であり、（Ｂ）はファン内側から見た図である。図示のように、モータ高性能化のためにロータへ巻線を多く巻いた結果、ロータコア端面のコア外周縁の冷却ファン取付部まで膨らんでしまった巻線を、電線逃がし用凹部に逃がすことが可能になる。

図４は、図３（Ａ）に示した電線逃がし用凹部近辺の詳細を示す図である。上述のようにして、ロータコア端面の最外周部に先に接着剤を塗布し、そこに冷却ファンを位置決めしつつ取り付ける事により、冷却ファンはロータコア端面に対して固定される。その際、接着剤は、少なくとも接着剤溜まりに流し込まれ、一部は電線逃がし用凹部とかコアスロットにもはみ出ることになるが、望ましくは、接着剤を接着剤溜まり内部に保持して、あまりに多くがはみ出ることが無いようにするために、接着剤溜まりにはコアスロットに流れる開口部が無い方が良い。言い換えると、接着剤溜まりは、ロータコア端面によって閉じられるように設けられる。

電線逃がし用凹部は、コア外周縁にまで膨らんだ電線を逃がすために、コアスロットの一方の側（或いは両側）のコアエッジ部を跨ぐように、コアスロットに対向している。言い換えると、電線逃がし用凹部は、コアスロットと連通している。また、電線逃がし用凹部の高さ（スラスト方向長さ）は、最低でも、巻いている電線の線径以上が必要であり、実際には、図示のように、電線が斜めに掛かったり、電線の線径サイズにバラツキがあることを考慮すると、電線の二本分以上の高さを確保することが望ましい。

図５は、巻線をしたロータコア端面を、ファン接着固定側から見た図である。ロータコア端面のコア外周縁に示す第２ファンリング接着部に対して、ファンが接着固定されることになるが、冷却ファンそのものの図示は省いている。従来技術として示した図１１（Ｂ）と対比することにより明らかなように、図５において、巻線は、第２ファンリングの内側に制限されること無く、膨らんだ巻線の一部が、第２ファンリングとロータコア端面との間にまで入り込んでいることが分かる。本発明の実施によって、巻線を限界まで巻いても冷却ファンを取り付けることが可能になり、モータの高性能化を達成できる。

図６は、一般的な巻線方法の第１の例を説明する図である。図６（Ａ）に示すように、１０極として例示したコア磁極に対して、それぞれ３コアの周りに多極巻きする１０個の巻線を、図示のように一方向（右回りとして図示）に巻線する方法が知られている。このような巻線を実施する場合、１つ前の巻線は次の巻線時に内側へ押し込まれていくため、図６（Ｂ）に示すように、コアスロットから見て左側に、かつ、コアスロット毎に巻線の最外位置Ａ，Ｂ，Ｃが周方向で等間隔に現れる。このような巻線方法に対しては、図２に示したように、電線逃がし用凹部を第２ファンリングの周方向に等間隔に、かつコアスロットから見て左側寄りの位置に設けることが望ましい。

図７は、一般的な巻線方法の第２の例を説明する図である。図示のように、１０極として例示したコア磁極に対して、先に巻いた巻線に対して対極の隣接位置に次の巻線がくる巻線方法が知られている。巻線に付与した数字は、巻線順序を示している。このような巻線方法では、図７（Ｂ）に示すように、巻線の最外位置はコアスロットに向かって左、右、左、と交互に順番に現れる。即ち、最外位置Ａ及びＣは、コアスロットの左側に位置するのに対して、最外位置Ｂ及びＤはコアスロットの右側に位置する。このため、最外位置ＡとＢ、ＣとＤはそれぞれ互いに近接しているものの、最外位置ＢとＣの間には比較的大きな間隔がある。このような巻線方法に用いるファンとしては、図８に示すように、電線逃がし用凹部がコアスロットに向かって左、右、左、と交互で順番になるように、第２ファンリングの周方向に２個ずつ近接して設けることが望ましい。

図８は、本発明に基づき構成した冷却ファンの第２の例を示す斜視図（Ａ），及び点線円内を拡大して示す図（Ｂ）である。図示の冷却ファンは、上述の図７に示した巻線方法に対して適している。図８（Ａ）に示すように、接着剤溜まり及び電線逃がし用凹部は、それぞれ２個ずつ隣接して、かつ、交互に配置されている。図８（Ｂ）に示すように、ロータコア端面の外周縁に突き当てられる突起を設けて、その両側にそれぞれ電線逃がし用凹部が形成される。さらに、その両側にそれぞれ位置決め用足部が設けられる。

図９は、本発明に基づき構成した冷却ファンの第３の例を示す斜視図（Ａ），及び点線円内を拡大して示す図（Ｂ）である。図示の冷却ファンは、電線逃がし用凹部の外径側（第２ファンリングの最外径部）に薄い壁面を設けているのを除いて、図８に例示の冷却ファンと同一構成を有している。冷却ファンの接着固定後、巻線ほぐれを防ぐ目的で巻線の上部から固着剤を塗布することがあるが、冷却ファンの第１及び第２の例として示した電線逃がし用凹部形状では、この固着剤が電線逃がし用凹部を通ってロータ外周面にはみ出すおそれがある。図示のような薄い壁面を設けることで、固着剤が外周側へ通り抜けることを防ぎ、且つ、冷却ファンと巻線の干渉を避けることができる。

本発明に基づき構成した冷却ファンの第１の例を示す斜視図（Ａ），及び点線円内を拡大して示す図（Ｂ）である。 ロータコア端面へのファンの配置関係を説明する図である。 巻線をしたロータコア端面へのファンの配置関係を説明する図であり、（Ａ）は電線逃がし用凹部近辺をファン外側から見た図であり、（Ｂ）はファン内側から見た図である。 図３（Ａ）に示した電線逃がし用凹部近辺の詳細を示す図である。 巻線をしたロータコア端面を、ファン接着固定側から見た図である。 一般的な巻線方法の第１の例を説明する図である。 一般的な巻線方法の第２の例を説明する図である。 本発明に基づき構成した冷却ファンの第２の例を示す斜視図（Ａ），及び点線円内を拡大して示す図（Ｂ）である。 本発明に基づき構成した冷却ファンの第３の例を示す斜視図（Ａ），及び点線円内を拡大して示す図（Ｂ）である。 （Ａ）は、特許文献１に記載のような、従来技術の冷却ファンを内蔵させた小型モータの縦断面図であり、（Ｂ）はロータ単独の正面図である。 （Ａ）は、ロータに取り付けられている従来技術による冷却ファンをロータコア端面固定側から見た図であり、（Ｂ）は、ロータコア端面への冷却ファンの接着固定を説明する図である。

Claims (6)

1. 複数個の巻線を巻装してなるロータコア及び整流子をシャフトに取り付けることにより構成されるロータに取り付けられる冷却ファンにおいて、
   ロータコアに固定されるファンリング及びそれに接続される複数個のフィンを備え、
   前記ファンリングには、ロータコア間のコアスロットに連通する電線逃がし用凹部を形成した、ことから成るロータ取付け冷却ファン。
2. 前記電線逃がし用凹部は、ロータコア外周縁にまで膨らんだ電線を逃がすために、少なくともその一部はコアスロットに対向して形成され、かつ、前記電線逃がし用凹部のスラスト方向高さは、巻いている電線の線径の一本分以上の高さを確保した請求項１に記載のロータ取付け冷却ファン。
3. 前記ファンリングは、そのスラスト方向端面に設けた位置決め用足部を、前記コアスロット内に挿入することにより、ロータコアに対して位置決めし、かつ、前記電線逃がし用凹部を、前記ファンリングのスラスト方向端面に形成した請求項２に記載のロータ取付け冷却ファン。
4. 前記電線逃がし用凹部を、前記位置決め用足部に隣接させて形成し、かつ、前記ファンリングのスラスト方向端面に溜まり形成用突起を設けることにより、接着剤溜まりを形成した請求項３に記載のロータ取付け冷却ファン。
5. 前記電線逃がし用凹部の周方向位置は、前記複数個の巻線それぞれの径方向最外位置に一致させた請求項４に記載のロータ取付け冷却ファン。
6. 前記ファンリングと、該ファンリングとはスラスト方向に間隔をおいて設けられた別のファンリングとの間に前記複数個のフィンを接続するように一体に形成した請求項５に記載のロータ取付け冷却ファン。

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