JP2012041883A - 遠心ファンおよび遠心ファンを搭載した自走式ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】吸引用のファンにおいては、小型化だけではなく、高静圧および高風量が求められるが、静圧特性を向上させると風量特性が低下し、風量特性を向上させると静圧特性が低下する。つまり、静圧特性と風量特性とは、トレードオフの関係にある。風量特性を低下させずに静圧特性を向上させるファンが求められる。
【解決手段】遠心ファン１のロータハブ４０の外周面は、径方向外方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜面１０２１を有しており、前記羽根１０３と前記ロータハブ４０との接続部の径方向内端は前記傾斜面１０２１に位置しており、前記羽根１０３の径方向内縁と軸方向上縁との間には、径方向内方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜縁が形成されている。このため、小型化を達成させつつ、高風量および高静圧を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸方向に吸気して径方向に排気する遠心ファンおよび遠心ファンを搭載した自走式掃除ロボットに関する。

近年、ファンは、電子機器の冷却用だけではなく、自走式掃除ロボットのように吸気する吸引力を要する用途として用いられることが多くなっている。ファンが電子機器の冷却用に使用される場合においては、電子機器の小型化に伴いファンに小型化が求められる。吸引用に用いられるファンにおいても同様である。ファンの小型化を達成するためには、羽根よりも径方向内側にロータマグネットと電機子とで構成されるモータを収容する必要がある。例えば、特許文献１には、上述した構造が開示されている。
特開２００６−０２９３１２号公報

しかし、ファンにおいては、小型化だけではなく、高静圧および高風量が求められる。吸引用のファンについても同様に高静圧および高風量が求められる。ファンにおいて、静圧特性を向上させると風量特性が低下し、風量特性を向上させると静圧特性が低下する。つまり、静圧特性と風量特性とは、トレードオフの関係にある。つまり、風量特性を低下させずに静圧特性を向上させるファンが求められる。

本願の第１の発明は、中心軸と同軸に配置されるシャフトと、前記シャフトに固定され、有蓋略円筒状のロータハブと、前記シャフトに対して周方向に配列されており、前記ロータハブから軸方向上方に向けて立設された複数の羽根と、前記ロータハブの内周面に固定された略環状のロータマグネットと、前記マグネットと径方向に対向する電機子と、前記電機子よりも径方向内方に配置され、前記シャフトを回転自在に支持する軸受機構と、を備え、前記ロータハブの外周面は、径方向外方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜面を有しており、前記羽根と前記ロータハブとの接続部の径方向内端は前記傾斜面に位置しており、前記羽根の径方向内縁と軸方向上縁との間には、径方向内方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜縁が形成されている遠心ファンである。

本発明によれば、小型化を達成させつつ、高風量および高静圧を向上させることができる。

図１は、遠心ファンの縦断面図である。 図２は、ステータコアを平面視した平面図である。 図３は、インペラの斜視図である。 図４は、自走式掃除ロボットに搭載された遠心ファンを示す断面図である。

本明細書では、遠心ファン１の中心軸方向における上側を単に「上側」と呼び、下側を単に「下側」と呼ぶ。本発明の説明における上下方向は、実際の機器に組み込まれたときの位置関係や方向を示すものではない。また、中心軸を中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸を中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。

（遠心ファンとしての実施形態）
図１は、遠心ファン１の縦断面図である。遠心ファン１は、静止部２と、軸受機構３と、回転組立体である回転部４と、を備える。インペラ１０は回転部４の一部である。回転部４は、静止部２および軸受機構３の上方に位置し、軸受機構３により、静止部２に対して上下方向を向く中心軸Ｊ１を中心として回転可能に支持される。インペラ１０は、回転部４の上部に設けられる。

静止部２は、ベース部２１と、電機子２２と、回路基板２４と、を備える。ベース部２１の中央には円筒状の軸受ホルダ２１１が，設けられる。軸受ホルダ２１１内には、軸受機構３が取り付けられる。電機子２２は、軸受機構３の径方向外側に設けられる。電機子２２は、ステータコア２２１と、複数のコイル２２２と、を備える。ステータコア２２１は、鋼板が積層されることにより形成される。図２を参照して、コイル２２２は、ステータコア２２１の各ティース２２１２に巻回されて形成される。回路基板２４は、ベース部２１上に配置される。

軸受機構３は、シャフト３１と、有底略円筒状のブッシュ３２と、スリーブ３３と、スラストプレート３４と、を備える。ブッシュ３２は、軸受ホルダ２１１に固定される。ブッシュ３２の内側には潤滑油が保持される。

スリーブ３３は、含油性の多孔質焼結金属体により形成され、ブッシュ３２内に圧入にて固定される。ブッシュ３２の底部上にはスラストプレート３４が配置される。シャフト３１はスリーブ３３に挿入される。シャフト３１が回転した際において、シャフト３１は、スリーブ３３により、潤滑油を介してラジアル方向に支持される。また、シャフト３１の下端がスラストプレート３４に当接することにより、シャフト３１がスラスト方向に安定して支持される。

シャフト３１の下端近傍には、径方向内方に向けて窪む環状の縮径部３１１が形成されている。スリーブ３３の下端面の下側には環状の抜け止め部材３５が配置されている。抜け止め部材３５の中央に形成される貫通孔の内径はシャフト３１の外径よりも小さく、縮径部３１１の外径よりも大きい。抜け止め部材３５は、軸方向において縮径部３１１と同位置である。よって、抜け止め部材３５が、シャフト３１が軸方向上側に向けて移動するのを防止する。

回転部４は、有蓋略円筒状のロータホルダ４１と、ロータマグネット４２と、インペラ１０と、を備える。ロータホルダ４１は、磁性材料にて形成される。ロータホルダ４１は、蓋部４１１と、円筒部４１２と、円筒状のシャフト固定部４１３と、を備える。蓋部４１１は、中心軸Ｊ１に略垂直な円板状である。

円筒部４１２は、蓋部４１１の外周から下方に伸びる。円筒部４１２の内側面には、ロータマグネット４２が取り付けられる。ロータマグネット４２は、電機子２２と中心軸Ｊ１に垂直な方向つまり径方向に対向する。遠心ファン１の駆動時には、ロータマグネット４２と電機子２２との間にて、磁気的作用による回転力が生じる。シャフト固定部４１３は、蓋部４１１の中央に位置する。シャフト固定部４１３には、シャフト３１の上部が固定される。

図３は、インペラ１０の斜視図である。図１および図３を参照して、インペラ１０は、樹脂による射出成型で形成されており、カップ部１０１と、羽根固定部１０２と、複数の羽根１０３と、を備える。カップ部１０１は、蓋部１０１１と、円筒部１０１２と、を有する。また、カップ部１０１は、ロータホルダ４１を径方向外方および軸方向上方を外囲する態様で配置されている。ロータホルダ４１とカップ部１０１、後述する羽根固定部１０２とを一体とする部位をロータハブ４０と呼ぶ。羽根固定部１０２は、カップ部１０１の蓋部１０１１と円筒部１０１２との境界付近から、径方向外方および軸方向下方に向かって延びている。この際、羽根固定部１０２の上面は、径方向外方に向かうに従い軸方向下方に傾斜する傾斜面１０２１となっている。傾斜面１０２１は、径方向内方に向かって窪む凹面となっている。換言すれば、傾斜面１０２１は、径方向内方に向かうに従い軸方向に対する傾斜角度が小さくなる。本実施形態においては、傾斜面１０２１は、曲面となっている。

羽根１０３は、羽根固定部１０２から軸方向上方に向けて延びている。その際、羽根１０３の径方向内縁１０３１は、傾斜面１０２１上に位置している。径方向内縁１０３１は、中心軸Ｊ１と略平行に形成されている。また、羽根１０３の径方向外縁１０３２は、羽根固定部１０２よりも径方向外方に位置している。つまり、羽根１０３は羽根固定部１０２よりも径方向外方に突出している。羽根１０３の上縁１０３３と径方向内縁１０３１との間には、径方向内方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜縁１０３４が形成されている。傾斜縁１０３４は、径方向外方に向かって窪む凹面となっている。換言すれば、傾斜縁１０３４は径方向外方に向かうに従い軸方向に対する傾斜角度が小さくなる。本実施形態においては、傾斜縁１０３４は、曲面となっている。この曲面の曲率半径の中心は、カップ部１０１の蓋部１０１１の上面よりも軸方向上方に位置している。図３に示すように、羽根１０３の上縁１０３３の径方向外方において複数の羽根１０３は、環状のリング１０４で連結されている。これにより、羽根１０３の振動を低減できると共に羽根１０３の剛性を高くすることができる。

次に、インペラ１０が回転した際に生ずる空気流について説明する。インペラ１０が回転すると、羽根１０３付近に滞留する空気が遠心力によって、径方向外方に吐き出される。これにより、羽根１０３付近が負圧状態になり、軸方向上方に位置する空気が羽根１０３に向けて吸引される。

より詳細に説明すると、羽根固定部１０２の上端部付近において軸方向上方に位置する空気は、上述した作用に伴い、軸方向に沿って下方に移動する。その後、空気は、羽根固定部１０２の傾斜面１０２１に沿って径方向外方に移動する。羽根１０３の径方向内縁１０３１に差し掛かった空気は、羽根１０３の回転作用による遠心力によって径方向外方へと押し出される。しかし、羽根１０３に差し掛かる前の空気流が軸方向下方に向けたベクトルを有しているため、空気は、その慣性力と遠心力のベクトルの和によって傾斜面１０２１に沿って羽根１０３から径方向外方に吐き出される。

羽根１０３の径方向内縁１０３１が傾斜面１０２１の上端部に位置していたとすると、軸方向に沿って下方に移動された空気が、カップ部１０１の蓋部１０１１に直撃し、軸方向下方に向けた流れのベクトルを失う。これに伴い、羽根１０３に向けて吸引される空気は、羽根１０３の径方向内縁１０３１に差し掛かったところで、径方向外方に向けた強いベクトル成分の流れで、径方向外方に押し出される。よって、羽根１０３の羽根固定部１０２との連結部付近においては、空気の押し出しには寄与され難い。このため、インペラ１０が回転した際に、風損が大きくなり、風量特性において効率が悪い。よって、羽根１０３の径方向内縁１０３１が傾斜面１０２１の最上端に位置するような実施形態は、風量特性の効率が悪いため、好ましくない。本実施形態では、羽根１０３の径方向内縁１０３１が傾斜面１０２１の軸方向のほぼ中心に位置している。

羽根１０３の傾斜縁１０３４の上部付近において軸方向上方に位置する空気は、軸方向に沿って下方に移動する。その後、羽根１０３の傾斜縁１０３４に差し掛かった空気は、径方向内縁１０３１付近に差し掛かった空気の流れとは異なり、軸方向の下方へのベクトル成分が多く残った状態で、傾斜縁１０３４に進入する。これにより、傾斜縁１０３４を通過して径方向外方に押し出される空気は、軸方向下方に向けた流れのベクトル成分を有している。

本実施形態においては、傾斜縁１０３４の下端部は、カップ部１０１の蓋部１０１１の天面よりも軸方向において下側に位置している。これは、電機子２２が三相にて構成されることによって、軸方向の厚みが単相もしくは二相よりも薄くなっているためである。以下により詳しく説明する。図２は、ステータコア２２１を平面視した平面図である。ステータコア２２１は、コアバック２２１１と、複数のティース２２１２と、を備える。本実施形態においては、ティース２２１２の本数が、９本である。複数のティース２２１２の３本にＵ相のコイル２２２、残りのティース２２１２の各３本ずつにＶ相、Ｗ相のコイル２２２が巻回される。複数のティース２２１２が３の倍数でＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のコイル２２２が巻回されていれば、ティース２２１２の本数は限定されない。

これにより、羽根１０３の径方向内縁１０３１に進入する空気も、羽根１０３の傾斜縁１０３４に進入する空気も、軸方向下方に向けた流れのベクトル成分を有する。よって、空気が滞留することなく、径方向外方に吐き出される。また、カップ部１０１の蓋部１０１１の天面が低く形成されることにより、インペラ１０が回転することで径方向外方に吐き出される空気は、蓋部１０１１の上部を通過することができるため、風量が増加する。蓋部１０１１の上部を通過する空気は、蓋部１０１１の上面に沿って径方向外方に移動する。この際、更に上から流れてくる空気に押されて傾斜面１０２１に沿って軸方向下方に向けて流れる。羽根１０３を通過して径方向外方に押し出される空気の流量つまり風量は、軸方向下方が多く、軸方向上方に向かえば向かうほど、風量が低減していく。つまり、風量特性を向上させるためには、羽根１０３の軸方向下方の領域を如何に活用するかが重要となる。本願発明を適用することで、羽根１０３の軸方向下方の領域を活用できる。カップ部１０１の蓋部１０１１が実施形態に比べて、大幅に高い位置に形成された場合つまり羽根１０３の径方向内縁１０３１が傾斜面１０２１の軸方向の中間よりも大幅に低い位置に形成された場合には、羽根１０３の軸方向下方の領域を十分に活用することができない。

変形例としては、羽根１０３の径方向内縁１０３１が軸方向下方に向かうに従い、径方向内側に向けて傾斜しても良い。ただし、中心軸に対する角度が傾斜縁１０３４よりも小さい必要がある。また、カップ部１０１が、カップ状ではなく、円筒状で形成され、ロータホルダの蓋部４１１が上方に向かって露出してもよい。さらに、カップ部１０１の蓋面１０１１の中央に貫通孔が形成され、この貫通孔の中にシャフト３１が挿入されることにより、カップ部１０１がシャフト３１に直接固定されてもよい。その他、変形例については、本願発明の基本構成を有していれば、適宜変更可能である。

（自走式掃除ロボットとしての実施形態）
図４は、自走式掃除ロボット５に搭載された遠心ファン１を示す断面図である。自走式掃除ロボット５は、本体５０に取り付けられたホイール５１によって、自走することができる。自走式掃除ロボット５は、障害物に接触すること等によって、進行方向を変えるように制御されている。自走式掃除ロボット５には、底面側に、遠心ファン１が駆動した際に発生する風を吸気する第１吸気口５２が形成されている。第１吸気口５２から吸気された空気は、フィルター５３を通過する。この際に、空気はダストと共に吸引され、ダストのみがフィルター５３に付着し、空気はフィルター５３を通過する。その後、空気は、遠心ファン１のインペラ１０の軸方向上側に形成されている第２吸気口５４を通過する。その後、空気は、インペラ１０によって、排気口に向けて排気される。なお、排気口については図示を省略する。

第２吸気口５４の内径は、羽根１０３の径方向内縁１０３１の内径よりも大きく形成されている。つまり、第２吸気口５４の内径は、軸方向と平行な方向に見た際に、羽根１０３の上縁１０３３と重なっている。第２吸気口５４を通過直後の空気の流れは、中心軸Ｊ１と平行であることが望ましい。これにより、上述した遠心ファン１の風量特性および静圧特性を達成することが可能である。

第２吸気口５４の内径が羽根１０３の径方向内縁１０３１よりも小さい場合、第２吸気口５４を通過後、羽根１０３に向かって径方向外方に向けて空気の流れが変わることになる。この結果、空気は軸方向成分の流れが失われているため、羽根１０３の軸方向下方の領域を活用することができない。

本発明は、送風用、排気用の遠心ファンとして用いられる。特に、吸気用としては自走式掃除ロボットに用いられる。

１ 遠心ファン
２ 静止部
３ 軸受機構
４ 回転部
１０ インペラ
２２ 電機子
３１ シャフト
４１ ロータホルダ
４２ ロータマグネット
１０２ 羽根固定部
１０３ 羽根
１０２１ 傾斜面
１０３１ 径方向内縁
１０３４ 傾斜縁
Ｊ１ 中心軸

Claims (7)

1. 中心軸と同軸に配置されるシャフトと、
   前記シャフトに固定され、有蓋略円筒状のロータハブと、
   前記シャフトに対して周方向に配列されており、前記ロータハブから軸方向上方に向けて立設された複数の羽根と、
   前記ロータハブの内周面に固定された略環状のロータマグネットと、
   前記マグネットと径方向に対向する電機子と、
   前記電機子よりも径方向内方に配置され、前記シャフトを回転自在に支持する軸受機構と、
   を備え、
   前記ロータハブの外周面は、径方向外方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜面を有しており、前記羽根と前記ロータハブとの接続部の径方向内端は前記傾斜面に位置しており、前記羽根の径方向内縁と軸方向上縁との間には、径方向内方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜縁が形成されている遠心ファン。
2. 前記傾斜縁の軸方向下端は、前記ロータハブの上面よりも軸方向下方に位置している請求項１に記載の遠心ファン。
3. 前記傾斜縁は、径方向外方に向かって窪む凹面である請求項１または２に記載の遠心ファン。
4. 前記ロータハブの外周面は、径方向内方に向かって窪む凹面である請求項１から３のいずれかに記載の遠心ファン。
5. 前記電機子は、コアバックとコアバックから径方向外方に向かって延びるティースを有しており、前記ティースの本数は３の倍数であり、前記ティースには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相からなるコイルが巻回されている請求項１から４のいずれかに記載の遠心ファン。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の遠心ファンは、更に略円形の吸気口を有しており、前記吸気口の内径は、前記羽根の径方向内縁よりも大きい。
7. 請求項６に記載の遠心ファンと、
   前記遠心ファンを収容する本体と、
   前記本体を自走させるホイールと、
   前記本体の下面に形成されている吸気口と、
   前記吸気口と前記遠心ファンとの間に配置されるフィルターと、
   を備える自走式掃除ロボット。

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