JP2012151971A

JP2012151971A - モータ

Info

Publication number: JP2012151971A
Application number: JP2011007988A
Authority: JP
Inventors: Fumitada Satoji; 文規里路; Takami Ozaki; 孝美尾崎; Natsuhiko Mori; 夏比古森; Makoto Shiranami; 誠白波; Yoshihiko Bito; 仁彦尾藤
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-08-09
Also published as: WO2012098797A1

Abstract

【課題】振動や騒音が少なく、低コストで、且つ、コンパクトなモータを得る。
【解決手段】軸受部１１の内周面１１ａ（ラジアル軸受面）及び内底面１１ｂ（スラスト軸受面）のうちの少なくとも一方と、ステータコア部１２とを、焼結金属で一体成形する。これにより、ラジアル軸受面あるいはスラスト軸受面に対するステータコア部１２の相対的な位置が高精度に設定され、ステータコイル２０とマグネット６との間の吸引力を均一化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータに関し、特に、流体動圧軸受でロータを回転自在に支持するモータに関する。

例えば、特許文献１には、流体動圧軸受によりロータを回転自在に支持するスピンドルモータが示されている。具体的には、図６に示すように、ロータ１０１に設けられたシャフト１０２の外周面と、軸受部材１０３の内周面（ラジアル軸受面１０３ａ）との間のラジアル軸受隙間に生じる流体の動圧で、ロータ１０１が回転自在にラジアル方向に支持される。また、軸受部材１０３に固定されたスラストプレート１０４の上側端面（スラスト軸受面１０４ａ）とシャフト１０２の下端面との間のスラスト軸受隙間に生じる流体の動圧で、ロータ１０１が回転自在にスラスト方向に支持される。動圧軸受は優れた回転精度および静粛性を有するため、例えば転がり軸受で支持する場合と比べて、ロータ１０１の回転時の振動や騒音を低減することができる。

上記のスピンドルモータでは、軸受部材１０３の外周面にベース１０５が固定され、さらにベース１０５の外周面にステータコイル１１０が固定される。ステータコイル１１０は、積層鋼板で形成されたステータコア１２０と、ステータコア１２０の外周面に捲回されたコイル１３０とからなる。ステータコア１２０は、図７に示すように、ベース１０５の外周面に固定された円筒部１２１と、円筒部１２１から外径方向に放射状に延びた複数の突出部１２２とを有する。ステータコア１２０の外径面１２０ａ（突出部１２２の先端面）は、ロータ１０１の内周に固定された環状のマグネット１０６の内周面１０６ａと半径方向隙間を介して対向する。

特開２００８−１０９７９３号公報

上記のようなモータでは、軸受部材１０３に設けられた軸受面（ラジアル軸受面１０３ａ又はスラスト軸受面１０４ａ）に対するステータコイル１１０の位置精度が非常に重要となる。例えば、図８に示すように、ラジアル軸受面１０３ａの中心Ｏ₁に対してステータコア１２０の外径面１２０ａ（鎖線で示す）の中心Ｏ₂がずれると、ステータコア１２０の外径面１２０ａとマグネット１０６の内周面１０６ａとの間の半径方向隙間Ｇ’が円周方向で不均一となる。このため、ステータコイル１１０とマグネット１０６との間の吸引力のバランスが崩れ、ロータ１０１の回転時に振動や騒音が生じる恐れがある。

また、スラスト軸受面１０４ａに対するステータコイル１１０の軸方向位置が所望の位置からずれると、ステータコイル１１０とマグネット１０６との間に望まない軸方向の吸引力が生じ、スラスト軸受面に過剰な負荷が加わってトルクの増大を招く恐れがある。特に、ステータコイルとマグネットとを軸方向にずらして配置し、両者の吸引力によりロータの抜け止めを行う場合（図１参照）、両者の軸方向方向位置が精度良く設定されていないと、軸方向の吸引力が不足してロータの抜け止めが行われなかったり、軸方向の吸引力が過剰となってスラスト軸受面に過剰な負荷が加わったりする恐れがある。

しかし、上記のモータでは、ラジアル軸受面１０３ａを有する軸受部材１０３やスラスト軸受面１０４ａを有するスラストプレート１０４と、ステータコイル１１０のステータコア１２０とが別部材で構成され、さらにこれらの間にベース１０５が介在している。従って、ラジアル軸受面１０３ａやスラスト軸受面１０４ａに対するステータコイル１１０の位置精度を高めるためには、各部材の寸法精度や組付精度を高める必要があり、コスト高や生産性の低下を招くことになる。

また、上記のようにラジアル軸受面１０３ａとステータコイル１１０との間に複数の部材が介在する場合、各部材にある程度の肉厚が必要となるため、モータ全体の径方向寸法が嵩み、モータの大型化を招くことになる。

尚、以上では、ステータコイル１１０とマグネット１０６とが半径方向隙間を介して対向する、いわゆるラジアルギャップ型のモータについて説明したが、両者が軸方向隙間を介して対向する、いわゆるアキシャルギャップ型のモータについても、上記と同様の問題が生じる。

本発明が解決すべき課題は、振動や騒音が少なく、低コストで、且つ、コンパクトなモータを得ることにある。

前記課題を解決するためになされた本発明は、軸部材と、ラジアル軸受面と、スラスト軸受面と、ラジアル軸受面と軸部材の外周面との間のラジアル軸受隙間に生じる流体の動圧で軸部材をラジアル方向に支持するラジアル軸受部と、スラスト軸受面により軸部材をスラスト方向に支持するスラスト軸受部と、ステータコア部、及び、ステータコア部の外周に捲回されたコイルからなるステータコイルと、軸部材から外径に突出して設けられたロータと、ロータに取り付けられ、ステータコア部と隙間を介して対向するマグネットとを備えたモータであって、ラジアル軸受面及びスラスト軸受面のうちの少なくとも一方と、ステータコア部とが、焼結金属で一体成形されたことを特徴とするものである。

尚、スラスト軸受部は、スラスト軸受面により軸部材をスラスト方向に接触支持するもの（例えばピボット軸受）に限らず、スラスト軸受面により軸部材をスラスト方向に非接触支持するもの（例えば流体動圧軸受）を含む。

このように、軸受面とステータコア部とを、成形性に優れた焼結金属で一体成形することで、軸受面に対するステータコア部の位置精度が高められる。例えばラジアル軸受面とステータコア部とを一体成形すれば、ラジアル軸受面に対するステータコア部の位置（例えば同軸度）を高精度に設定することができる。これにより、ステータコア部がマグネットに対して高精度に配置され、両者の間の隙間が円周方向で均一化されるため、ロータの回転精度が高められ、モータの振動や騒音の発生を防止することができる。また、スラスト軸受面とステータコア部とを一体成形すれば、スラスト軸受面に対するステータコア部の軸方向位置を高精度に設定できるため、ステータコア部のマグネットに対する軸方向位置が高精度に設定され、過剰な吸引力によるトルクの増大を防止できる。

また、軸受面とステータコア部とを一体成形することで、部品点数及び組付工数減により低コスト化が図られる。特に、ラジアル軸受面とステータコア部とを一体成形すれば、これらを複数の部材で構成する場合と比べてラジアル軸受面とステータコア部の外径面との間の径方向寸法を縮小することができ、モータの小型化を図ることができる。

軸受面とステータコア部とを焼結金属で一体成形する場合、ラジアル軸受隙間に介在する潤滑流体が焼結金属の内部気孔を介して外部に漏れだす恐れがあるが、潤滑流体として空気を用いれば、流体の漏れ出しを防止する措置を講じることなくモータを構成することができる。また、流体が空気であることで、流体の劣化や耐熱性の問題がない。さらに、流体が空気であることで、軸部材の回転トルクが小さくなり、省エネルギーに寄与することができる。ただし、流体として空気を使用した場合、例えば油を使用した場合と比べて流体動圧軸受の軸受剛性は低いため、ラジアル軸受部に加わる負荷をなるべく小さくする必要がある。そこで、ラジアル軸受面とステータコア部とを焼結金属で一体成形すれば、上記のようにモータの回転精度が高められ、ラジアル軸受部への負荷を軽減できるため、流体として空気を使用することができる。もちろん、流体漏れを防止する措置（例えば封孔処理やシール空間の形成）を講じれば、油や磁性流体等の液体を潤滑流体として使用することもできる。

上記のモータでは、軸部材の外周面又はラジアル軸受面に、ラジアル軸受隙間の流体膜に動圧作用を発生させるラジアル動圧発生部を形成することができる。

ラジアル軸受面とステータコア部とが焼結金属で一体成形し、この一体成形品（以下、焼結金属部品）の内周面にラジアル動圧発生部を形成する場合、例えば焼結金属部品の型成形（圧縮成形やサイジング）と同時に、焼結金属部品の内周面にラジアル動圧発生部を成形することができる。ただし、上記の焼結金属部品は、ステータコア部における径方向の肉厚が大きくなるため、この部分を外径から圧迫したときに内周面に圧力が加わりにくく、ラジアル動圧発生部を精度良く成形できない恐れがある。また、焼結金属部品の径方向の肉厚が大きいことで、成形後のスプリングバック量も小さくなるため、ラジアル動圧発生部を成形するための成形型を焼結金属部品の内周から引き抜く際に、ラジアル動圧発生部と成形型とが干渉する恐れがある。従って、焼結金属部品のラジアル軸受面は円筒面として、軸部材の外周面にラジアル動圧発生部を形成することが好ましい。

また、焼結金属部品を成形した後、焼結金属部品の内周面に後加工でラジアル動圧発生部を形成すれば、焼結金属部品の肉厚に関わらず、ラジアル軸受面にラジアル動圧発生部を精度良く形成することができる。特に、転造加工でラジアル動圧発生部を形成すれば、転造型の圧迫による塑性流動を焼結金属部品の内部気孔で吸収することができるため、ラジアル動圧発生部を精度良く形成することができる。

上記の焼結金属の原料となる金属粉に絶縁層をコーティングすれば、ステータコイルの鉄損を全方位において低減することができる。

上記の焼結金属は、例えば鉄系金属粉を原料とすることができる。

上記のモータは、例えばロータにファンが設けられたファンモータとして使用することができる。上記のように、モータのラジアル軸受面とステータコア部を一体成形することで、これらの間の半径方向寸法を縮小することができるため、その分だけファンの面積を拡大すれば、単位回転数あたりの風量を増大することができる。

以上のように、本発明によれば、軸受面とステータコア部を焼結金属で一体成形することにより、振動や騒音が少なく、低コストで、且つ、コンパクトなモータを得ることができる。

本発明の実施形態に係るモータの断面図である。図１の拡大図である。図１のＸ−Ｘ線における断面図である。他の実施形態に係るモータの断面図である。他の実施形態に係るモータの断面図である。従来のモータの断面図である。図６のモータのＹ−Ｙ線における断面図である。ラジアル軸受面とステータコア部の外径面とが偏心した様子を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るモータ（ファンモータ１）を示す。このファンモータ１は、軸部材２と、軸部材２に固定され、外周にフィン３を有するロータ４と、ロータ４の内周にヨーク５を介して取り付けられたマグネット６と、内周に軸部材２が挿入された焼結金属部品１０と、焼結金属部品１０が固定されたケーシング７とを有する。

軸部材２は、金属材料（例えばステンレス鋼）で形成される。軸部材２の外周面２ａには、ラジアル動圧発生部が形成される。本実施形態では、図２に示すように、軸部材２の外周面２ａの軸方向に離隔した２箇所の領域に、ラジアル動圧発生部としてヘリングボーン形状の動圧溝２ａ１，２ａ２が形成される（網掛部は丘部）。軸部材２の下端には、下に凸の球面部２ｂが設けられる。尚、軸部材２の外周面２ａには、潤滑性を付与するためにコーティングを施しても良い。コーティング材としては、例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＴｉＮ、Ｎｉ、ＭｏＳ₂、フッ素樹脂などを使用することができる。

ロータ４は、軸部材２の上端から外径に突出して設けられる。本実施形態のロータ４は、図１に示すように、軸部材２の外周面２ａに固定された円盤部４ａと、円盤部の外径端から下方に延びた円筒部４ｂと、円筒部４ｂの外周面から外径に延びた複数のフィン３とを一体に有する。ヨーク５は、金属材料で形成され、マグネット６を外周から覆うように設けられる。図示例では、軸部材２の外周面２ａに固定されると共に、ロータ４の円盤部４ａの下側端面に圧入等により固定された円盤部５ａと、円盤部５ａの外径端から下方に延び、ロータ４の円筒部４ｂの内周面に固定された円筒部５ｂとを有する。ロータ４は、例えば軸部材２及びヨーク５をインサート部品として樹脂で射出成形される。ヨーク５の円筒部５ｂの内周面には、マグネット６が固定される。本実施形態では、マグネット６は全周で連続した円筒状を成している（図３参照）。

焼結金属部品１０は、図２及び図３に示すように、内周に軸部材２が挿入された軸受部１１と、軸受部１１から外径に突出した複数のステータコア部１２と、軸受部１１から下方に突出した円柱状の固定部１３とを一体に有する。各ステータコア部１２の外周にはコイル２１が捲回され、これによりステータコイル２０が構成される。ステータコイル２０に通電すると、ステータコイル２０とマグネット６との吸引力によりロータ４が回転する。また、ステータコイル２０はマグネット６に対して下方にずらして配置されている。これにより、ステータコイル２０とマグネット６との吸引力の軸方向成分で、マグネット６を含む回転側の部材を下向きに付勢し、ロータ３の抜け止めが行われる。

軸受部１１の内周面１１ａはラジアル軸受面として機能し、本実施形態では平滑な円筒面状に形成される。軸受部１１の内底面１１ｂはスラスト軸受面として機能し、本実施形態では平坦に形成される。固定部１３の外周面は、ケーシング７に設けられた内孔に、圧入や接着等の適宜の手段で固定される。あるいは、焼結金属部品１０をインサート部品としてケーシング７を樹脂で射出成形することにより、ケーシング７と焼結金属部品１０の固定部１３とを固定することもできる。

ステータコア部１２は、円周方向等間隔の複数箇所に設けられ、本実施形態では、図３に示すように９箇所に設けられる。ステータコア部１２は、軸受部１１の外周面から外径に向けて放射状に突出している。ステータコア部１２の先端面１２ａは円筒面状を成し、環状のマグネット６の内周面６ａと半径方向隙間Ｇを介して対向する。ステータコア部１２の上端面及び下端面には凹部１２ｂが設けられ（図２参照）、ステータコア部１２の円周方向両側の側面には凹部１２ｃが設けられる（図３参照）。このように凹部１２ｂ，１２ｃを設けることにより、ステータコア部１２の外周に捲回されるコイル２１を半径方向（ステータコア部１２の延在方向）で位置決めしやすくなる。また、ステータコア部１２の上端面及び下端面に設けた凹部１２ｂにより、コイル２１が焼結金属部品１０から上方及び下方に突出しないようにする（あるいは突出量を低減する）ことができるため、ステータコイル２０の軸方向寸法、ひいてはファンモータ１の軸方向寸法を縮小できる。

焼結金属部品１０は、焼結金属で一体成形される。焼結金属の原料には、例えば鉄系金属粉末、特に純鉄粉末あるいは珪素―鉄合金粉末を用いることができる。特に、金属粉末に絶縁コーティングを施したものを使用すれば、全方位において、ステータコイル２０の通電時の鉄損を低減することができる。絶縁コーティングの材料としては、樹脂（例えばシリコン樹脂）やガラス状化合物（例えばリン酸塩系化合物）等を使用することができる。

焼結金属部品１０は、金属粉末を金型で圧縮成形することにより所定形状の圧粉体を形成した後、圧粉体を焼結することにより形成される。焼結金属部品１０は、流体（空気）が焼結金属の内部気孔に抜けることによる圧力低下を防止するために、なるべく高密度に形成することが好ましく、例えば７．２ｇ／ｃｍ³以上に設定される。尚、必要であれば、焼結した後、焼結金属部品１０をサイジング金型で整形してもよい。また、焼結金属部品１０を成形した後、表面を樹脂等の耐腐食性膜で被覆してもよい。

このように、ラジアル軸受面（軸受部１１の内周面１１ａ）、スラスト軸受面（軸受部１１の内底面１１ｂ）、及びステータコア部１２（特に先端面１２ａ）を、成形性に優れた焼結金属で一体成形することで、これらの相対的な寸法精度を高めることができる。具体的には、ラジアル軸受面に対するステータコア部１２の先端面１２ａの位置精度（例えば同軸度）が高精度に設定されることにより、ステータコア部１２の先端面１２ａとマグネット６の内周面との間の半径方向隙間Ｇを円周方向で均一に形成することができる。これにより、ステータコイル２０とマグネット６との間の吸引力が円周方向で均一化されるため、ロータ３を安定して回転させることができ、回転時の振動や騒音を低減することができる。

また、スラスト軸受面に対するステータコア部１２の先端面１２ａの位置精度が高精度に設定されるため、マグネット６に対するステータコイル２０の軸方向位置が高精度に設定される。これにより、両者の間の軸方向の吸引力を適正範囲内に調整することができるため、スラスト軸受面に過剰な負荷が加わることを防止できると共に、ロータ３の抜け止めを確実に行うことができる。

ステータコイル２０に通電し、ロータ４が軸受部１１に対して回転すると、軸受部１１の内周面１１ａ（ラジアル軸受面）と軸部材２の外周面２ａとの間にラジアル軸受隙間が形成される。このラジアル軸受隙間の流体（本実施形態では空気）の圧力が、軸部材２の外周面２ａに形成された動圧溝２ａ１，２ａ２により高められ、この動圧により軸部材２をラジアル方向に支持するラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２が構成される。また、軸受部１１の内底面１１ｂ（スラスト軸受面）は、軸部材２の下端の球面部２ｂと接触摺動し、これにより軸部材２をスラスト方向に支持するスラスト軸受部Ｔ（ピボット軸受）が構成される。

このように、本実施形態では、ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２が流体動圧軸受で構成され、且つ、流体として空気を使用している。このため、焼結金属部品１０の内部気孔を介した流体漏れの懸念がない。また、流体が空気であることで、流体の劣化や耐熱性の問題がなく、かつ、軸部材２の回転トルクが小さくなる。尚、流体として空気を使用すると、流体動圧軸受による軸受剛性が低下するが、上記のようにラジアル軸受面（軸受部１１の内周面１１ａ）とステータコア部１２とを焼結金属で一体成形することで、モータの回転精度が高められるため、空気を使用することが可能となる。

本発明の実施形態は上記に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して、重複説明を省略する。

上記の実施形態では、焼結金属部品１０にラジアル軸受面及びスラスト軸受面の双方が形成される場合を示しているが、これに限られない。例えば、図４に示すように、軸受部１１の内底面にスラストプレート３０を配し、このスラストプレート３０の上側端面３０ａと軸部材２の球面部２ｂとでスラスト軸受部Ｔを構成してもよい。この場合、ラジアル軸受面（軸受部１１の内周面１１ａ）とステータコア部１２とが焼結金属で一体成形される。あるいは、図５に示すように、軸受部１１の内周に円筒部材４０を配し、この円筒部材４０の内周面４０ａと軸部材２の外周面とでラジアル軸受隙間（ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２）を構成してもよい。この場合、スラスト軸受面（軸受部１１の内底面１１ｂ）とステータコア部１２とが焼結金属で一体成形される。

また、上記の実施形態では、軸部材２の外周面２ａにラジアル動圧発生部としての動圧溝２ａ１，２ａ２を形成する場合を示したが、これに限らず、軸部材２の外周面２ａを平滑な円筒面とすると共に、軸受部１１の内周面１１ａにラジアル動圧発生部を形成してもよい。ただし、焼結金属部品１０の内周面にラジアル動圧発生部を設ける場合は、後加工でラジアル動圧発生部を形成することが望ましい。中でも転造加工は、転造型の圧迫による塑性流動を焼結金属部品１０の内部気孔で吸収することができるため、ラジアル動圧発生部を精度良く形成することができる。

また、上記の実施形態では、ラジアル軸受隙間に介在する流体が空気である場合を示したが、これに限らず、例えば油や磁性流体などの液体を使用することもできる。この場合、ラジアル軸受隙間の上端部からの流体漏れや、焼結金属部品１０の内部気孔を介した流体漏れを防止する措置を講じる必要がある。例えば、ラジアル軸受隙間の上端にシール空間を設けたり、焼結金属部品１０の表面に封孔処理を施したりする方法がある。

また、上記の実施形態では、軸部材２の球面部２ｂと軸受部１１の内底面１１ｂとを接触摺動させることによりスラスト軸受部Ｔを構成しているが、これに限らず、例えばスラスト軸受部Ｔにも流体動圧軸受を採用してもよい。

また、上記の実施形態では、ラジアル動圧発生部がヘリングボーン形状の動圧溝２ａ１，２ａ２で構成されているが、これに限らず、スパイラル形状の動圧溝や、多円弧軸受、あるいはステップ軸受をラジアル動圧発生部として採用することもできる。

また、上記の実施形態では、ステータコイル２０とマグネット６とが半径方向隙間を介して対向させたラジアルギャップ型のモータを示しているが、本発明は、ステータコイルとマグネットとを軸方向隙間を介して対向させたアキシャルギャップ型のモータに適用することもできる。

また、上記の実施形態では、本発明をファンモータに適用した場合を示したが、これに限らず、他の用途のモータに使用することもできる。

１ファンモータ
２軸部材
２ａ外周面
２ａ１，２ａ２動圧溝（ラジアル動圧発生部）
２ｂ球面部
３フィン
４ロータ
５ヨーク
６マグネット
７ケーシング
１０焼結金属部品
１１軸受部
１１ａ内周面（ラジアル軸受面）
１１ｂ内底面（スラスト軸受面）
１２ステータコア部
１２ａ先端面
１３固定部
２０ステータコイル
２１コイル
Ｇ半径方向隙間
Ｒ１，Ｒ２ラジアル軸受部
Ｔスラスト軸受部

Claims

軸部材と、ラジアル軸受面と、スラスト軸受面と、ラジアル軸受面と軸部材の外周面との間のラジアル軸受隙間に生じる流体の動圧で軸部材をラジアル方向に支持するラジアル軸受部と、スラスト軸受面により軸部材をスラスト方向に支持するスラスト軸受部と、ステータコア部、及び、ステータコア部の外周に捲回されたコイルからなるステータコイルと、軸部材から外径に突出して設けられたロータと、ロータに取り付けられ、ステータコア部と隙間を介して対向するマグネットとを備えたモータであって、
ラジアル軸受面及びスラスト軸受面のうちの少なくとも一方と、ステータコア部とが、焼結金属で一体成形されたことを特徴とするモータ。
ラジアル軸受隙間の流体が空気である請求項１のモータ。
軸部材の外周面に、ラジアル軸受隙間の流体膜に動圧作用を発生させるラジアル動圧発生部が形成された請求項１又は２のモータ。
前記焼結金属で形成されたラジアル軸受面を円筒面とした請求項３のモータ。
ラジアル軸受面に、ラジアル軸受隙間の流体膜に動圧作用を発生させるラジアル動圧発生部が形成された請求項１又は２のモータ。
前記焼結金属で形成されたラジアル軸受面に、ラジアル動圧発生部が転造加工で形成された請求項５のモータ。
前記焼結金属が、絶縁層がコーティングされた金属粉を原料としたものである請求項１〜６何れかのモータ。
前記焼結金属が、鉄系金属粉を原料としたものである請求項１〜７何れかのモータ。
ロータにファンが設けられた請求項１〜８何れかのモータ。