JP2017214844A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

【課題】騒音を低減することができる軸流ファンを提供する。
【解決手段】軸方向から見て矩形のハウジング１１と、ハウジング１１の内側に配置された羽根と、該羽根を駆動するモータと、該モータを支持するモータベース部１８と、モータベース部１８とハウジング１１の間を結合する４本のスポーク２０１〜２０４とを備え、４本のスポーク２０１〜２０４のそれぞれは、ハウジング１１の４隅に接合し、この四隅とモータの回転中心を結ぶ線Ａと４本のスポーク２０１〜２０４それぞれの延在方向とがなす角度θは、７度＜θ≦２０度の範囲である軸流ファン１０。
【選択図】図４

Description

本発明は、軸流ファンに関し、特にモータの電磁力が電磁加振力となって、外部装置に伝播することを抑制する軸流ファンに関する。

従来、家電装置、各種の電子機器やＯＡ機器、車輛等に冷却用の軸流ファンが多数使用されている。このような軸流ファンでは、軸流ファンの騒音を低減することが要求されている。そのため、騒音の低減を図った軸流ファンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された軸流ファンの平面図である。図７の構造では、フレーム１２上にモータが配置され、フレーム１２は４本のリブ１３によってハウジング１に連結されている。４本のリブ１３は周方向に等間隔で配置され、フレーム１２から径外方に延在してハウジング１に連結されている。

特開２００７−１９２２１７号公報

軸流ファンの風量を増やした場合、振動の発生が問題となる。一般にモータが回転すると、ステータとロータとの間で生じる電磁力に起因してステータが繰り返し変形する。軸流ファンの風量を増加させるには、インペラを回転させるためのモータの出力を大きくする必要があるが、そうすると、ステータとロータとの間で生じる電磁力が大きくなり、上述した繰り返しの変形に起因する振動が目立つようになる。モータで発生するこの振動がモータベース部を支持するスポーク（特許文献１のリブ１３に相当）を介してハウジングに伝播することで騒音が発生する。

特許文献１の軸流ファンは、リブ１３の断面形状を所定の形状に設計することによって、空気流がリブ１３から剥離することを抑え、乱流の発生を低減して低騒音化を図った構造であるが、上記の電磁加振力に起因する騒音については考慮していない。上述の騒音は、電磁加振力の周波数がハウジングの固有振動数と一致し、共振が生じることで発生する。この点について、特許文献１では考慮されていない。

このような背景において、本発明は、モータを保持するモータベース部とハウジングとの間に設けられるスポークの取付け構造、配置を工夫することによって振動を低減し、その結果、騒音を低減することができる軸流ファンを提供することを目的とする。

本発明は、軸方向から見て矩形枠型のハウジングと、前記ハウジングの内側に配置された羽根と、前記羽根を駆動するモータと、前記モータを支持するモータベース部と、前記モータベース部と前記ハウジングの間を結合する４本のスポークとを備え、前記４本のスポークのそれぞれは、前記ハウジングの４隅に接合し、前記四隅と前記モータの回転中心を結ぶ線と前記４本のスポークそれぞれの延在方向とがなす角度θは、７度＜θ≦２０度の範囲である軸流ファンである。本発明において、角度θを１５度≦θ≦２０度の範囲することは好ましい。

本発明によれば、モータを保持するモータベース部とハウジングとの間に設けられるスポークの取付け構造、配置を工夫することによって振動を低減し、その結果、騒音を低減することができる軸流ファンが得られる。

比較例の軸流ファンにおけるハウジングの底面図である。 図１に示す比較例の軸流ファンの固有振動モードを示す図である。 実施形態の軸流ファンの断面図である。 図３に示す軸流ファンのハウジングの底面図である。 角度θが０度のケーシングの底面図である。 角度θとハウジング１１の固有振動モードにおける固有振動数との関係を求めたシミュレーション結果を示すグラフである。 従来の軸流ファンにおけるハウジングの底面図である。

（１）軸流ファンの固有振動モード
以下、図１に示す比較例を利用して軸流ファンに生じる振動について説明する。図１は、特許文献１の軸流ファンと類似した構造を有する比較例の軸流ファン１００の底面図である。図１に示す軸流ファン１００では、４本のスポーク１２１〜１２４（特許文献１のリブ１３に相当）によって矩形枠型のケーシング１２５の内側にモータベース部１１８が保持されている。モータベース部１１８は、図示しない羽根を備えたインペラを駆動するモータを保持している。スポーク１２１〜１２４は、モータベース部１１８（特許文献１のフレーム１２に相当）の外周面から接線方向に等間隔（図では９０度間隔）で延在する状態で配置され、その先端は、ケーシング１２５の厚肉部分１２５ａと、側面の薄肉部分１２５ｂとの境界近傍に接合している。

モータのコイルに電流が印加されると、モータを構成するステータとロータとの間で特定の周波数において電磁力が生じる。この電磁力がモータベース部１１８を支持するスポーク１２１〜１２４を介してケーシング１２５に伝播する。

図２は、図１に示す軸流ファン１００の固有振動モードを示す図である。図２は、コンピュータシミュレーションを用いてシミュレートした振動の様子を誇張して示した図である。図２に示すように、上記の振動では、ケーシングの側面の変位が大きい。図２に示す固有振動モードは、モータベース部、スポークが回転すると同時に、ケーシング外枠が３次の固有振動モードで、且つ、対向面がx、y軸方向に同位相で振動するモードである。

（２）実施形態の軸流ファン
以下、本発明を利用した実施形態について説明する。図３は、実施形態の軸流ファンの断面図であり、図４は、図３に示す軸流ファンのハウジングの底面図（軸方向から見た底面図）である。図３および図４には、軸流ファン１０が示されている。軸流ファン１０では、モータ１５に駆動されてハブ１４ａと羽根１４ｂにより構成されるインペラ１３が回転する。軸流ファン１０は、回転軸１２、インペラ１３、モータ１５、軸受ハウジング１７およびモータベース部１８が矩形枠型形状を有するハウジング１１の内側に配設された構造を有している。

ハウジング１１は、軸方向から見た形状が円形である通気用の空洞部１９を有し、平面視で角がやや丸みを帯びた四角形（正方形）の枠体として形成されている。ハウジング１１は、矩形形状の角の部分にあたる径方向の厚みが相対的に大きい４カ所の厚肉部分１１ａと、径方向の厚みが相対的に小さい４カ所の薄肉部分１１ｂを有している。

モータ１５は、アウターロータ型のブラシレスモータであり、ロータ１５ａとステータ１５ｂを備えている。ステータ１５ｂは、軸受ハウジング１７の外周側に配設されている。ステータ１５ｂは、ステータコア２５、インシュレータ２６およびコイル２７により構成されている。ステータコア２５は、電磁鋼板等の軟磁性材料の薄板を積層した構造を有し、環形状を有し、径外側の方向に延在した複数の極歯を備えている。ステータコア２５には、樹脂製のインシュレータ２６が装着されている。インシュレータ２６を介して、ステータコア２５の極歯にはマグネットワイヤが巻かれコイル２７が構成されている。また、インシュレータ２６の下部には回路基板２８が取付けられている。

ステータ１５ｂ（ステータコア２５）に対してロータ１５ａおよびロータ１５ａと一体となったインペラ１３が回転する。ロータ１５ａは、回転軸１２，ロータマグネット２３，バックヨーク２４を備えている。回転軸１２は、軸受１６ａ，１６ｂによって軸受ハウジング１７に回転自在な状態で保持されている。軸受ハウジング１７は、中空円筒形状を有し、ハウジング１１と一体に形成されたモータベース１８にボス部１８ａを利用して固定されている。

ステータコア２５が軸受ハウジング１７に固定され、軸受ハウジング１７がモータベース１８に固定されることで、モータベース１８にモータ１５が保持された構造が得られている。また、回転軸１２を回転自在な状態で保持した軸受ハウジング１７がモータベース１８に固定されることで、モータベース１８にロータ１５ａおよびインペラ１３が回転自在な状態で保持された構造が得られている。

回転軸１２の上部には、ボス部材２９が固定されている。ボス部材２９には、略カップ形状の軟磁性材料で構成されたバックヨーク２４が固定され、バックヨーク２４の外側には、羽根１４ｂと一体に形成されたハブ１４ａが固定されている。バックヨーク２４の筒状の部分の内側には、円筒形状を有するロータマグネット２３が固定されている。ロータマグネット２３は、周方向にそってＮＳＮＳ・・と磁極の極性が交互に反転する着磁がされている。

インペラ１３は、ハブ１４ａと羽根１４ｂとが一体に形成された構造を有し、回転軸１２と一体となってステータ１５ｂ（ステータコア２５）に対して回転する。羽根１４ｂの回転によって生じる気流は、ハウジング１１の吐き出し口１９ｂから吹き出される。吐き出し口１９ｂの側にはモータベース部１８が配設され、ハウジング１１とモータベース部１８との間は４本のスポーク２０１〜２０４で連結されている。スポーク２０１〜２０４は、直線状に延在した長手形状を有し、ハウジング１１とモータベース部１８とスポーク２０１〜２０４とは樹脂の一体成形にて形成されている。スポーク２０１〜２０４は固定翼としても機能させることもできる。４本のスポーク２０１〜２０４の内、１本のスポーク２０３には、リード線が配設される。符号３０はこのリード線の引出口である。

（特徴）
図４に示すように、４本のスポーク２０１〜２０４は、モータベース部１８の外周面から接線方向に均等の角度（図では９０度）で配置されている。この場合、後述する角度θは２０度となる。スポーク２０１〜２０４のそれぞれは、ハウジング１１のコーナー部の厚肉部分１１ａの中点Ｂに接合している。厚肉部分１１ａは、矩形形状のハウジング１１の４隅の部分にあり、径方向の厚み寸法がそれ以外の部分に比較して厚くなっている。

図４の符号Ａは、スポーク２０１〜２０４の延在方向を定義する基準線である。基準線Ａは、モータベース部１８の中心（ロータの回転中心）と矩形のハウジング１１の４カ所のコーナー部を結ぶ線である。基準線Ａは、矩形のハウジング１１上に設定された対角線でもある。基準線Ａは、２本あり、それらはモータベース部１８の中心（ロータの回転中心）で直交する。

中点Ｂは、先の基準線Ａの上にある。よって、４カ所の中点Ｂは、回転中心を中心とした円周上の９０度間隔の角度位置にあり、回転中心を間において対向する２つの中点Ｂは、回転中心に対して１８０度の位置関係にある。

以下、スポーク２０１〜２０４のそれぞれが、基準線Ａとなす角度θについて説明する。図６は、直線形状のスポーク２０１〜２０４の延在方向と基準線Ａとの間のなす角度θ（横軸）と、ハウジング１１の固有振動モードにおける固有振動数（縦軸）との関係を示すグラフで、固有振動数は周波数（Ｈｚ）で示している。図６は、コンピュータシミュレーションによって求めた結果である。ここで、θを変えてもＢの位置は不変であり、θの変化に従ってスポーク２０１〜２０４とモータベース部１８の接合位置が変わる条件でシミュレーションを行っている。図５に、θ＝０°の場合を示す。

図６を見ると、θが角度２０度に近づく程、ハウジングの固有振動数は高くなる。固有振動数は、角度θが０度のときが９０５Ｈｚ、１０度のときが１１７３Ｈｚ、１５度のときが１３１５Ｈｚ、２０度のときが１３９２Ｈｚである。なお、スポーク２０１〜２０４の一端（ハウジング１１との接合側）の中点Ｂを支点として、角度θを大きくしていくと、角度θが２０度を超えた場合、スポーク２０１〜２０４の他端（モータベース部１８との接合側）がモータベース部１８に接合しなくなる。このため、角度θは２０度が上限となる。なお、モータベース部１８の径を大きくすれば、角度θを２０度以上とすることが可能であるが、開口率（軸流が通過する部分の割合）が低下し、軸流ファンとしての効率が低下するので、この点からも角度θの上限は２０度となる

図６に示すように、角度θが０度〜２０度の範囲では、角度が大きくなるにしたがって周波数が高くなるため、ハウジング１１の固有振動数も高くなる。また角度θが２０度の場合、スポーク２０の外周側がモータベース部１８の外周面から接線方向に延在する構造となる。また、角度θが０度の場合、スポーク２０は、モータベース部１８の外周面から鉛直方向（接線方向に直交する方向）、すなわち径方向に延在する構造となる。

ハウジングの固有振動数が高い程、振動および騒音の影響は小さくなる。よって、本実施形態の場合、θ＝２０度の場合が最も好ましい振動抑制効果が得られる。なお、図１に示す軸流ファン１００におけるハウジング１１の固有振動モードの固有振動数は約１０８０Ｈｚである。この周波数は、図６における角度θが約７度の場合に相当する。したがって、角度θが７度よりも大きく、２０度以下の範囲では、ハウジング１１の固有振動数が高くなる。このことから、振動を低減する意味では、θの範囲は、７度≦θ≦２０度の範囲が好ましく、より好ましくは、１５度≦θ≦２０度の範囲となる。

図６から、θが１５度を超えると、周波数の増加が飽和する傾向が見て取れる。このことから、θ＝１５度以上とすれば、一定の振動抑制効果が安定して得られることが結論される。以上述べたように、スポーク２０１〜２０４の配置に関して、θの角度を調整することで、ハウジングの固有振動数を高くでき、騒音を低減することができる。

１００…軸流ファン、１１８…モータベース、１２１，１２２，１２３，１２４…スポーク、１２５…ケーシング、１２５ａ…厚肉部分、１２５ｂ…薄肉部分、１０…軸流ファン、１１…ハウジング、１１ａ…厚肉部分、１１ｂ…薄肉部分、１２…回転軸、１３…インペラ、１４ａ…ハブ、１４ｂ…羽根、１５…モータ、１５ａ…ロータ、１５ｂ…ステータ、１６ａ，１６ｂ…軸受、１７…軸受ハウジング、１８…モータベース、１８ａ…ボス部、１９…空洞部、１９ｂ…吐き出し口、２３…ロータマグネット、２４…バックヨーク、２５…ステータコア、２６…インシュレータ、２７…コイル、２９…ボス部材、２０１〜２０４…スポーク、３０…リード線の引出口。

Claims (2)

1. 軸方向から見て矩形枠型のハウジングと、
   前記ハウジングの内側に配置された羽根と、
   前記羽根を駆動するモータと、
   前記モータを支持するモータベース部と、
   前記モータベース部と前記ハウジングの間を結合する４本のスポークと
   を備え、
   前記４本のスポークのそれぞれは、前記ハウジングの４隅に接合し、
   前記四隅と前記モータの回転中心を結ぶ線と前記４本のスポークそれぞれの延在方向とがなす角度θは、７度＜θ≦２０度の範囲である軸流ファン。
2. 前記角度θは、１５度≦θ≦２０度の範囲である請求項１に記載の軸流ファン。

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