JP2020122399A - 軸流ファンおよびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】装置の薄型化に適した軸流ファンおよびモータを提供する。【解決手段】軸流ファン１は、インペラ２０と、モータ１０と、ケーシング３０とを備える。前記モータは、アウターロータ型であり、前記インペラを回転駆動する。前記ケーシングは、前記インペラおよび前記モータを収容する。前記モータは、前記インペラの内側に配置されるカップ形状の第１のヨーク１５と、該第１のヨークの内側に配置される円筒形状の第２のヨーク１６とを有する。前記モータのシャフト１４が延伸する方向において、前記インペラの天面から前記インペラの該インペラの天面と反対側の端部までの長さよりも、前記インペラの天面から前記第２のヨークの前記インペラの天面と反対側の端部までの長さのほうが長い。【選択図】図３

Description

本発明は、軸流ファンおよびモータに関する。

軸流ファンは、電子機器、家電機器、ＯＡ機器、産業機器等々の冷却、換気、空調や、車両用の空調、送風などに広く用いられている（例えば、特許文献１等を参照）。

なお、軸流ファンに特化されたものではなく、インナーロータ型のモータについての例ではあるが、主たるヨークの内側に他のヨークを配置することで、主たるヨークの薄型化を図る技術が知られている（例えば、特許文献２、３等を参照）。

また、一般的な軸流ファンの構造では、駆動によりインペラがヨークから抜ける方向に力がかかるため、インペラの抜けを防止するために、ヨークの端部に係止する爪が設けられたものが存在する（例えば、特許文献４等を参照）。

特開２００９−２５０１５８号公報 特開２００２−３２５３８９号公報 特開２０１１−７２０５４号公報 実公平２−７２８０号公報

この種の軸流ファンでは、軸方向の薄型化が求められており、インペラとケースカップとを軸方向に近づけて配置することが有効である。しかし、単純にインペラとケースカップとを軸方向に近づけると、インペラの端部と、ケースカップの端部とが接触してしまい、インペラの回転上、不都合が生じてしまう。

また、インペラの端部とケースカップの端部とが接触しないように、インペラの端部の外径をケースカップの端部の内径よりも小さくし、インペラの端部がケースカップの端部の中に入り込むようにすることも考えられる。しかし、インペラの径に応じてロータおよびステータの径も小さくなり、モータのトルクが低下してしまい、軸流ファンとしての風量特性を低下させてしまう。また、空気の吸込口から吐出口に至る流路が均一でなくなることで、空気の流れを乱し、この点でも風量特性を低下させてしまう。

反対に、インペラの径をそのままにしてケースカップの端部の内径を大きくすることも考えられるが、この場合も空気の流路が均一でなくなることで空気の流れを乱してしまうとともに、インペラの羽根と吐出口の小型化により軸流ファンとしての風量特性を低下させてしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置の薄型化に適した軸流ファンおよびモータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る軸流ファンは、インペラと、モータと、ケーシングとを備える。前記モータは、アウターロータ型であり、前記インペラを回転駆動する。前記ケーシングは、前記インペラおよび前記モータを収容する。前記モータは、前記インペラの内側に配置されるカップ形状の第１のヨークと、該第１のヨークの内側に配置される円筒形状の第２のヨークとを有する。前記モータのシャフトが延伸する方向において、前記インペラの天面から前記インペラの該インペラの天面と反対側の端部までの長さよりも、前記インペラの天面から前記第２のヨークの前記インペラの天面と反対側の端部までの長さのほうが長い。

本発明の一態様に係る軸流ファンは、装置の薄型化に適する。

図１は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す斜視図である。 図２は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す正面図である。 図３は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す断面図である。 図４は、ケーシングの構成例を示す斜視図である。 図５は、ケーシングに回路基板が組み込まれた状態を示す斜視図である。 図６は、インペラの構成例を示す斜視図である。 図７は、インペラの構成要素を分解して示す斜視図である。 図８は、比較例に係る軸流ファンの構成例を示す断面図である。

以下、実施形態に係る軸流ファンおよびモータについて図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、１つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。

図１は、実施形態に係る軸流ファン１の構成例を示す斜視図であり、図２は、実施形態に係る軸流ファン１の構成例を示す正面図である。図１および図２において、軸流ファン１のケーシング３０は外形が正面視で略矩形のハウジング３４を備え、ハウジング３４の中央に形成される円筒状の風洞には、ハブ２１および複数の羽根２２を有するインペラ２０が回転可能に支持されている。

また、ハウジング３４の四隅には、ボルト等により他の装置等への取付が行えるようにした貫通孔３４ａが設けられている。なお、ハウジング３４の外形は、図示のような矩形状に限られず、たとえば、円形状であってもよい。なお、インペラ２０の羽根２２の枚数や間隔や形状は図示のものに限られない。

図３は、実施形態に係る軸流ファン１の構成例を示す断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面図）である。図３において、軸流ファン１は、モータ１０と、インペラ２０と、ケーシング３０と、軸受４０と、回路基板５０とを備えている。

モータ１０は、たとえば、アウターロータ型のブラシレスＤＣモータであり、インペラ２０を回転させる。モータ１０は、ステータコア１１と、コイル１２と、ロータ１３とを有する。

ステータコア１１は、ケイ素鋼板などのような軟磁性材料から形成された鋼板がプレス加工され、プレス加工された鋼板が複数枚、軸方向に積層されて構成される。ステータコア１１は、円環状の本体部と、かかる本体部の外周側から外方に向かって径方向に延在する複数のティースとを有する。

なお、以降においては、軸流ファン１の径方向、軸方向および周方向を次のように規定して説明する。ここで、「径方向」とは、軸流ファン１の内部で回転するインペラ２０の回転軸ＡＸと直交する方向であり、「軸方向」とは、インペラ２０の回転軸ＡＸの軸方向と一致する方向であり、「周方向」とは、インペラ２０の回転方向Ｒと一致する方向である。

コイル１２は、ステータコア１１を軸方向の両側から覆うインシュレータ（軸方向に例えば２つに分割されたインシュレータ）を介して、複数のティースのそれぞれに巻回される。

ロータ１３は、回転軸ＡＸを中心としてステータコア１１およびコイル１２に対して相対的に回転する。ロータ１３は、シャフト１４と、ロータヨーク１５と、リングヨーク１６と、ロータマグネット１７とを有する。

シャフト１４は、円柱状であり、軸方向に延在し、軸受ホルダー３１の内側に装着された一対の軸受４０により回転可能に支持される。

ロータヨーク１５は、軟磁性材からなり、カップ状であり、中央部が孔空き円盤状のシャフトホルダに固定され、このシャフトホルダにシャフト１４の一方端が圧入されて結合される。ロータヨーク１５の開口側端部１５ａは、後述するハブ２１のフック２１ｂが係合しやすくするために、外側に開いた形状になっている。

リングヨーク１６は、円筒状であり、ロータヨーク１５の内側に設けられている。リングヨーク１６は、ステータコア１１の軸方向における位置に対応し、ロータヨーク１５の天面側から軸方向に所定の距離だけ間隔を空けた位置から、ロータヨーク１５の開口側端部１５ａよりも所定の距離だけ飛び出した位置にわたって設けられている。すなわち、ロータヨーク１５にインペラ２０が設けられた状態において、モータ１０のシャフト１４が延伸する方向において、インペラ２０の天面からインペラ２０のこのインペラ２０の天面と反対側の端部までの長さよりも、インペラ２０の天面からリングヨーク１６のインペラ２０の天面と反対側の端部までの長さのほうが長くなっている。

ロータマグネット１７は、円筒状であり、リングヨーク１６の内周面に接合される。また、ロータマグネット１７は、ステータコア１１のティースと向かい合うように配置され、内周面にＳ極とＮ極とが周方向に交互に着磁される複数の磁極が形成される。

一般にモータにおいてマグネットに取り付けられるヨーク（バックヨーク）は磁気特性を向上する上で重要な部品となっており、磁気特性上ではバックヨークが厚い程望ましい。ただし、必要とされる厚みを超えると磁気特性は上がらなくなる。磁気特性上で重要なのはマグネットと重なる部分のヨーク厚であるが、アウターロータ型のモータでは、絞ったカップ状のヨークが用いられることが多く、カップの天面側は磁気特性に影響は少ないが、絞り加工で作られる以上、不要な天面側も同一の厚みで作られることになる。そのため、磁気特性から必要とされる厚みの板厚材を使用すると、絞り加工で曲げにくく、カップ形状を作りにくいという問題がある。また、磁気特性に寄与しない天面側も厚くなるため、重量が増えてしまうという問題もある。さらに、量産において、他と異なる板厚材を使用することはコストアップとなり、使用数量が少ないと不利になるという問題がある。このようなことから、バックヨークの厚みを簡単に厚くすることが難しい。

その点、本実施形態では、バックヨークをロータヨーク１５とリングヨーク１６との複数枚構成としているため、磁気特性に寄与する部分の厚みをリングヨーク１６により調整することができる。また、プレス加工の対象となるのはロータヨーク１５だけであるため、プレス加工で曲げやすい厚みでロータヨーク１５を作ることができ、磁気特性に寄与しない天面側の重量も増加させることがない。また、プレス加工の対象となる板材の厚みを統一しやすく、量産時のコストを下げることができる。さらに、ロータヨーク１５とリングヨーク１６とで材質を変えることが可能となり、加工性と磁気特性の最適化を図ることができる。

インペラ２０は、ハブ２１と、複数の羽根２２とを有する。ハブ２１はカップ状であり、ロータヨーク１５の外周面に支持される。図示の例では、ロータヨーク１５の天面に設けられた複数の孔１５ｂにハブ２１の複数の突起２１ａが挿入された状態で、突起２１ａの熱カシメ等により固定されている。ハブ２１の天面と反対側の端部には、ロータヨーク１５の開口側端部１５ａに係合するフック２１ｂが設けられ、ハブ２１が軸方向に抜けるのが防止される。

複数の羽根２２は、ハブ２１の外周面に支持される。羽根２２は、全て同じ形状で、周方向に均等の間隔で配置され、たとえば、隣接する羽根２２との間に平面視で隙間が形成されている。ハブ２１と複数の羽根２２とは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。

ケーシング３０は、軸受ホルダー３１と、モータベース（ケースカップ）３２と、複数のスポーク３３と、ハウジング３４とを有する。軸受ホルダー３１は、中空円筒状の金属製であり、円形カップ状のモータベース３２の中央に形成された突出部の開口に配置される。軸受ホルダー３１はモータベース３２の突出部の開口に嵌着してもよく、また軸受ホルダー３１をインサートしてモータベース３２に一体成形してもよい。軸受ホルダー３１は、内周側に一対の軸受４０が装着され、外周側にはステータコア１１などが装着されている。モータ１０が装着されるモータベース３２は、ハウジング３４の一方端に配置される。

複数のスポーク３３は、モータベース３２の外周側に配置され、径方向に延在してモータベース３２とハウジング３４とを連結する。なお、図示の例では、複数のスポーク３３が羽根状に形成されており、空気流を安定させるようにしている。ハウジング３４は、内側に円孔が形成され、かかる円孔に軸流ファン１の各部材が収容される。モータベース３２と、スポーク３３と、ハウジング３４とは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。

また、ケーシング３０には、軸方向における一方側（図３では上側）に吸込口３５が形成され、軸方向における他方側（図３では下側）に吐出口３６が形成される。そして、インペラ２０が所定の回転方向Ｒに回転することにより、吸込口３５から吐出口３６に向けて空気の流れＦＬが形成される。

軸受４０は、転がり軸受で構成されており、シャフト１４を回転自在に支持する。なお、軸受４０は流体軸受であってもよいし、滑り軸受であってもよい。

回路基板５０は、電子部品を実装し、モータ１０を制御する制御回路を有しており、ステータコア１１とモータベース３２との間に配置される。

図４は、ケーシング３０の構成例を示す斜視図であり、軸受ホルダー３１と、モータベース３２と、スポーク３３と、ハウジング３４とが示されている。

図５は、ケーシング３０に回路基板５０が組み込まれた状態を示す斜視図であり、軸受ホルダー３１をステータコア１１およびコイル１２が囲むように配置され、モータベース３２のカップ内に没入した位置に回路基板５０が配置されている。

図６は、インペラ２０の構成例を示す斜視図であり、ハブ２１と、複数の羽根２２とが示されている。

図７は、インペラ２０の構成要素を分解して示す斜視図であり、複数の羽根２２が設けられ、開口端部に複数のフック２１ｂが設けられたハブ２１と、シャフト１４が固定されたロータヨーク１５と、リングヨーク１６と、ロータマグネット１７とが示されている。

図８は、比較例に係る軸流ファン１００の構成例を示す断面図である。図８においては、図３と比較して、リングヨーク１６が用いられておらず、ロータヨーク１５の内側にロータマグネット１７が直接に配置されている点と、ハブ２１にはフック２１ｂが設けられておらず、ロータヨーク１５の端部までハブ２１が覆われていない点とが異なる。その他の構成は図３等と同様である。

図８における軸流ファン１００では、軸方向に薄型化を試みる場合、インペラ２０とモータベース３２によるケースカップとを軸方向に近づけて配置することが有効である。しかし、近づけすぎると、インペラ２０の端部（図において下側の端部）と、モータベース３２によるケースカップの端部（図において上側の端部）とが接触してしまい、インペラ２０の回転に支障を与えてしまい、薄型化にも限界がある。

この点、図１〜図７で示した実施形態によれば、ロータヨーク１５にハブ２１が取り付けられる構造のまま、インペラ２０とモータベース３２とが干渉することなく、リングヨーク１６を延伸することで、インペラ２０を軸方向でモータベース３２側に近づけられるため、軸流ファン１の薄型化を図ることが容易である。すなわち、ロータヨーク１５の天面と反対側の端部をモータベース３２のカップ内に没入しない位置に配置し、リングヨーク１６の天面と反対側の端部をモータベース３２のカップ内に没入する位置に配置することで、インペラ２０とモータベース３２とが干渉することなく、軸流ファン１の薄型化を図ることができる。

また、ロータヨーク１５の端部よりもリングヨーク１６の端部がモータベース３２のケースカップ側に位置するため、回路基板５０上に回転制御のためのホール素子等のセンサが設けられる場合、センサをヨークの一部であるリングヨーク１６の端部に近づけやすくなり、センサの検出精度を高めることができる。

一方、一般的な軸流ファンでは、駆動によりインペラがロータヨークから抜ける方向に力がかかる。すなわち、駆動により回ったインペラが空気を軸方向に押し出すことで、押し出された空気によりインペラには反力がかかり、空気が出る方向と反対の方向にインペラが力を受ける。そのため、軸流ファンのモータのサイズが大きくなってファン特性が上がると、インペラの受ける力も大きくなり、インペラがロータヨークから抜けてしまう危険性が高まる。

この点、図８の軸流ファン１００では、ロータヨーク１５の端部までハブ２１が覆われておらず、ハブ２１をロータヨーク１５に係止するためのフック等も設けられていない。これは、ハブ２１の天面と反対側の端部がモータベース３２と干渉しないようにするためである。なお、ロータヨーク１５の周面にフックと係合する切欠き部を設けることも考えられるが、磁気特性への影響が大きいことや、ロータマグネット１７にラバーマグネットが用いられる場合に回転により切欠き部からラバーマグネットがちぎれやすくなること等から、採用は難しい。

この点、図１〜図７で示した実施形態によれば、ロータヨーク１５の内側にリングヨーク１６を配置し、それぞれの端部（端面）の高さを任意に設定できることで、ロータヨーク１５の端部にフック２１ｂを引っ掛けることが可能となり、磁気特性を劣化させず、ファン特性を犠牲にせずに、抜け止めを容易かつ有効に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

以上のように、実施形態に係る軸流ファンは、インペラと、インペラを回転駆動するアウターロータ型のモータと、インペラおよびモータを収容するケーシングと、を備え、モータは、インペラの内側に配置されるカップ形状の第１のヨークと、第１のヨークの内側に配置される円筒形状の第２のヨークとを有し、モータのシャフトが延伸する方向において、インペラの天面からインペラのこのインペラの天面と反対側の端部までの長さよりも、インペラの天面から第２のヨークのインペラの天面と反対側の端部までの長さのほうが長い。これにより、装置の薄型化に適した軸流ファンを提供することができる。

また、ケーシングは、カップ形状のモータベースを備え、第１のヨークのインペラの天面と反対側の端部は、モータベースのカップ内に没入しない位置に配置され、第２のヨークのインペラの天面と反対側の端部は、モータベースのカップ内に没入する位置に配置される。これにより、装置の薄型化を図ることができる。

また、第２のヨークと対向した位置にモータのステータが設けられる。これにより、モータの特性を落とすことなく、装置の薄型化を図ることができる。

また、インペラのこのインペラの天面と反対側の端部には、第１のヨークのインペラの天面と反対側の端部に係合するフックが設けられる。これにより、インペラの抜け止めを容易かつ有効に行うことができる。

また、インペラのハブの外径は、ケーシングのモータベースのカップの外径と略等しい。これにより、吸気口から吐出口に向かう空気の流れが安定し、軸流ファンとしての風量特性を向上させることができる。

また、第１のヨークのインペラの天面と反対側の端部は、外側に開いた形状になっている。これにより、インペラの抜け止めを容易かつ有効に行うことができる。

また、カップ形状の第１のヨークと、第１のヨークの内側に配置される円筒形状の第２のヨークと、を備え、シャフトが延伸する方向において、第１のヨークの天面から第１のヨークのこの第１のヨークの天面と反対側の端部までの長さよりも、第１のヨークの天面から第２のヨークの第１のヨークの天面と反対側の端部までの長さのほうが長い。これにより、装置の薄型化に適したモータを提供することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 軸流ファン，１０ モータ，１１ ステータコア，１２ コイル，１３ ロータ，１４ シャフト，１５ ロータヨーク，１５ａ 開口側端部，１６ リングヨーク，１７ ロータマグネット，２０ インペラ，２１ ハブ，２１ｂ フック，２２ 羽根，３０ ケーシング，３２ モータベース，３４ ハウジング，５０ 回路基板

Claims (7)

1. インペラと、
   前記インペラを回転駆動するアウターロータ型のモータと、
   前記インペラおよび前記モータを収容するケーシングと、
   を備え、
   前記モータは、前記インペラの内側に配置されるカップ形状の第１のヨークと、該第１のヨークの内側に配置される円筒形状の第２のヨークとを有し、
   前記モータのシャフトが延伸する方向において、前記インペラの天面から前記インペラの該インペラの天面と反対側の端部までの長さよりも、前記インペラの天面から前記第２のヨークの前記インペラの天面と反対側の端部までの長さのほうが長い、
   軸流ファン。
2. 前記ケーシングは、カップ形状のモータベースを備え、
   前記第１のヨークの前記インペラの天面と反対側の端部は、前記モータベースのカップ内に没入しない位置に配置され、
   前記第２のヨークの前記インペラの天面と反対側の端部は、前記モータベースのカップ内に没入する位置に配置される、
   請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記第２のヨークと対向した位置に前記モータのステータが設けられる、
   請求項１又は２に記載の軸流ファン。
4. 前記インペラの該インペラの天面と反対側の端部には、前記第１のヨークの前記インペラの天面と反対側の端部に係合するフックが設けられる、
   請求項１〜３のいずれか一つに記載の軸流ファン。
5. 前記第１のヨークの前記インペラの天面と反対側の端部は、外側に開いた形状になっている、
   請求項４に記載の軸流ファン。
6. 前記インペラのハブの外径は、前記ケーシングのモータベースのカップの外径と略等しい、
   請求項１〜５のいずれか一つに記載の軸流ファン。
7. カップ形状の第１のヨークと、
   前記第１のヨークの内側に配置される円筒形状の第２のヨークと、
   を備え、
   シャフトが延伸する方向において、前記第１のヨークの天面から前記第１のヨークの該第１のヨークの天面と反対側の端部までの長さよりも、前記第１のヨークの天面から前記第２のヨークの前記第１のヨークの天面と反対側の端部までの長さのほうが長い、
   モータ。

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