JP2022065956A - ファン - Google Patents

Abstract

【課題】ステータの磁極部に巻回される巻線の線径を大きくすることができ、高速回転が可能なインナーロータ型モータを用いたファンを提供すること。【解決手段】実施形態のファンは、インナーロータ型モータを備えたファンである。インペラに結合したシャフトを回転可能に支持する一対の転がり玉軸受が、非磁性金属材から形成された軸受ホルダの内側に配置される。前記軸受ホルダの外周面に、コイルが巻回されたステータコアが配置される。前記ステータコアは、環状のコアバック部と、該コアバック部から径方向内方に延在する複数の磁極部とを備える。前記磁極部の内周面に前記軸受ホルダが嵌着されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ファンに関する。

電子機器装置の内部に実装された電子部品からの発熱に対して、ファンを用いて電子機器装置内部の熱を外部に排出し、機器装置内部を冷却することが行われている。

電子機器装置内の空間に制約がある場合、ファンの風量特性を低下させることなく、小型化することが求められている。一般的に、ファンの風量を増大するためには、モータの回転数を上げる、またはファンの羽根形状を大きくすることが必要となる。しかし、羽根形状を大きくすることはファンの形状が大きくなり、空間の制約から難しい。そのため、モータの回転数を上げて高速回転にて風量を増加させる対応が行われている。

ファンとしては、大型のマグネットを採用できることでトルクを大きくできる点や、ステータコアへの巻線作業が容易である等の理由から、ステータの外側にロータマグネットを配置したアウターロータ型モータによるファンが多く用いられている。他方、このアウターロータ型モータと異なる、ステータの内側にロータマグネットを配置したインナーロータ型モータは、シャフト径を大きくすることができ、かつ回転時の慣性モーメントが小さいため、より高速回転することが可能である。そのため、空間の制約からモータの回転数を上げて高速回転にて風量を増加させる場合に適している。このようなインナーロータ型モータを用いたファンが知られている（例えば、特許文献１等を参照）。

特開２０１２－９７６５５号公報

しかしながら、従来におけるインナーロータ型モータを用いたファンでは、シャフトに固定されたロータマグネットにギャップを介して対向するステータが、一対の軸受部を支持する略円筒状のホルダ部の内周面に固定される構造であった。そのため、ステータのコイルが巻回される磁極部（環状のコアバック部から径方向内側に突出）の間に形成されるスロットの断面積を大きくすることができず、巻線の線径を大きくできないために巻線抵抗を下げることができないという問題があった。巻線抵抗を下げることができないことで、出力や効率の向上が困難になり、高速回転に適したものとすることができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ステータの磁極部に巻回される巻線の線径を大きくすることができ、高速回転が可能なインナーロータ型モータを用いたファン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ファンは、インナーロータ型モータを備えたファンである。インペラに結合したシャフトを回転可能に支持する一対の転がり玉軸受が、非磁性金属材から形成された軸受ホルダの内側に配置される。前記軸受ホルダの外周面に、コイルが巻回されたステータコアが配置される。前記ステータコアは、環状のコアバック部と、該コアバック部から径方向内方に延在する複数の磁極部とを備える。前記磁極部の内周面に前記軸受ホルダが嵌着されている。

本発明の一態様に係るファンは、ステータの磁極部に巻回される巻線の線径を大きくすることができ、高速回転が可能なインナーロータ型モータを用いたファンを提供することができる。

図１は、一実施形態にかかるファンの平面図である。 図２は、図１におけるファンのＡ－Ａ断面図である。 図３は、ステータコアを軸受ホルダに嵌着した状態を示す模式図である。 図４は、軸受ホルダおよびステータコアの斜視図である。 図５は、比較例としての送風ファンの断面図である。

以下、実施形態に係るファン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。

一実施形態にかかるファン１の構造について、図１～図４を参照しながら説明する。図１は、一実施形態にかかるファン１の平面図である。図２は、図１におけるファン１のＡ－Ａ断面図である。図３は、ステータコア６１を軸受ホルダ７に嵌着した状態を示す模式図である。図４は、軸受ホルダ７およびステータコア６１の斜視図である。

図１～図４において、ファン１は、ハウジング２と、複数の羽根３２を備えたインペラ３と、インペラ３を回転するためのモータ４と、を備えている。インペラ３とモータ４は、ハウジング２の中に収容されている。モータ４は、ステータ６の内側にロータマグネット５８が配置されたインナーロータ型モータである。

ハウジング２は、平面視で、略正方形で、中空円筒状の風洞部２３を備える。ファン１は、ハウジング２の軸方向一方端（上端面）に形成された吸気口２１から空気を吸気し、ハウジング２の軸方向他方端（下端面）に形成された排気口２２から空気を排出するファンであって、いわゆる軸流ファンである。ハウジング２の各コーナ部には、他の機器や筐体に取り付けるためのボルトを挿通する貫通孔２５が形成されている。

ハウジング２の軸方向下端の排気口２２には、モータ４を配置するためのモータベース部２６と、複数の固定翼２４とが設けられている。モータベース部２６は、円形状のベース部２７と、ベース部２７から軸方向に延在する円筒状の外周壁２９と、からなっている。複数の固定翼２４は、モータベース部２６の外周壁２９の外周面と風洞部２３の内周面との間を結合している。このハウジング２と、モータベース部２６と、複数の固定翼２４は、合成樹脂（例えば、ＰＢＴ樹脂（含むガラス繊維入））の射出成形にて一体で形成される。

モータベース部２６の中央には、軸方向に突出するボス部２８が一体に形成されている。ボス部２８には、非磁性の金属材（例えば、非磁性のステンレス鋼、真鍮）からなる中空円筒状の軸受ホルダ７が配設されている。この軸受ホルダ７は、ボス部２８の開口に圧入されているが、軸受ホルダ７をインサート材として、モータベース部２６と一体に形成されるものでもよい。

ハウジング２の風洞部２３の内部には、モータ４と、インペラ３とが収容される。モータ４は、ステータ６と、ロータ５と、から構成されている。

ステータ６は、ステータコア６１と、ステータコア６１に装着されたインシュレータ６５と、インシュレータ６５を介してステータコア６１に巻回されたコイル６６と、インシュレータ６５の軸方向下方に取り付けられた回路基板９と、から構成されている。

ステータコア６１は、電磁鋼板からなるコアが複数枚数、積層して構成されている。ステータコア６１は、環状のコアバック部６２と、コアバック部６２の内周面から径方向内方に放射状に延在する複数の磁極部（ティース、突極）６３とを備えている。ステータコア６１の軸方向両端からインシュレータ６５がそれぞれ装着され、インシュレータ６５を介して各磁極部６３にはコイル６６が巻回されている。

インシュレータ６５の下端には回路基板９が配置され、コイル６６の端線はインシュレータ６５に植設された端子ピン（不図示）に絡げ接続され、端子ピンは、回路基板９の配線パターン（不図示）と電気的に接続されている。ステータコア６１は軸受ホルダ７の外周面に嵌着されている。具体的には、ステータコア６１の磁極部６３の内周面に軸受ホルダ７が嵌着されている。なお、この嵌着には、接着剤が併用されて、固着されてもよい。

ステータコア６１の軸受ホルダ７への取り付け手順としては、ステータコア６１の軸方向両端にそれぞれインシュレータ６５が装着された後、磁極部６３に所定の巻数でコイル６６が巻回され、コイル６６の端線は、インシュレータ６５に植設された端子ピン（不図示）の一方端に絡げ接続される。次に端子ピン（不図示）の他方端が回路基板９に形成されたスルーホール（不図示）に挿入され、半田で配線パターン（不図示）と電気的に接続される。ステータコア６１に回路基板９が取り付けられた後、ステータコア６１の磁極部６３の内周面に、モータベース部２６の中央に軸受ホルダ７が嵌着され、所定の位置で固定される。

ロータ５は、金属製のシャフト５１と、シャフト５１の外周面に固着された軟磁性材からなる中空円筒状のロータコア５７と、ロータコア５７の外周面に固着された中空円筒状のロータマグネット５８と、から構成されている。ロータマグネット５８の外周面には、周方向に複数の磁極が設けられている。インナーロータ型モータであることから、ロータマグネット５８は小径となる。このため、ロータマグネット５８は、高い磁気特性を有するネオジム磁石のような希土類磁石であることが好ましい。

軸受ホルダ７の内周面に形成された段差部７１、７２に、一対の転がり玉軸受５２、５３がそれぞれ位置決めされて装着され、シャフト５１は回転可能に支持されている。転がり玉軸受５２は、内輪５４と、外輪５５と、内輪５４および外輪５５の端部を塞ぐシール５６と、を有している。転がり玉軸受５３についても同様である。転がり玉軸受５２、５３の互いに対向しない側の一端の内輪は、コイルばね８１と止め輪（例えば、Ｅリング）８２とで、振動等に対して若干の余裕をもって位置決めされている。

ロータマグネット５８と軸受ホルダ７との間には、ロータマグネット５８が軸受ホルダ７の内周面に接触しない程度に隙間が形成されている。ステータコア６１の磁極部６３に内周面とロータマグネット５８の外周面との間には、軸受ホルダ７が存在するため、非磁性の金属材からなる軸受ホルダ７の径方向の厚さは、軸受ホルダ７の強度を維持できる範囲で薄くすることが好ましい。

インペラ３は、有底カップ状のハブ３１と、ハブ３１の外周面に一体に形成された複数の羽根３２と、を備え、ハブ３１と複数の羽根３２は合成樹脂（例えば、ＰＢＴ樹脂（含むガラス繊維入））の射出成形にて一体で形成されている。カップ状のハブ３１の中央には貫通孔３５が形成され、シャフト５１が貫通孔３５に圧入され、ハブ３１と結合されているが、シャフト５１をインサート材として、インペラ３と一体に形成された構成であってもよい。

ハブ３１の下面に形成された凹部３３の中には、軸受ホルダ７の軸方向一端側（上端側）の一部と、ステータコア６１の軸方向一端側の一部が収容されることで、軸方向の薄型化が図られている。そして、ステータコア６１の外周面（環状のコアバック部６２の外周面）とハブ３１の凹部３３の内周面との間は、ステータコア６１が凹部３３の内周面に接触しない程度に隙間が形成されている。

また、ハブ３１の下面には周方向に複数の凹部３４が形成されている。この凹部３４は、バランス調整用の錘を挿入するポケットとして用いられる。

回路基板９とステータコア６１の軸方向他端側の一部は、モータベース部２６の外周壁２９の内側に収容されており、回路基板９はモータベース部２６のボス部２８上に載置されている。回路基板９には、配線パターン（不図示）およびモータ４を駆動するための回路（不図示）や、電子部品（不図示）が実装されている。

上述の一実施形態のファン１は、インナーロータ型モータを用いたファンのため、シャフト５１の径を大きくすることができ、シャフト５１の剛性を高くして振動を抑制できる。また、回転時の慣性モーメントが小さいため、高速回転することができる。

また、一実施形態におけるファン１は、ステータコア６１の磁極部６３の内周面は円弧状の曲面に形成され、軸受ホルダ７の外周面と略一致している。このため、ステータコア６１の磁極部６３の内周面に軸受ホルダ７が嵌着され、ステータコア６１の中心がロータマグネット５８の磁気中心と略一致する位置に固定されている。このように、ステータコア６１の内周面に軸受ホルダ７が嵌着される構成のため、隣接する磁極部６３の間に形成されるスロット６４の断面積を大きくすることができ、磁極部６３に巻回されるコイル６６の線径を大きくすることができる。その結果、コイル６６の巻線抵抗を低減することができる。

図５は、比較例としての送風ファン１００’の断面図である。図５において、送風ファン１００’は、回転体であるロータマグネット２０’が一対の軸受部５０ａ’、５０ｂ’間に配置されるとともに、ロータマグネット２０’の径方向外方に非回転体であるステータ３０’が配置されている。そして、一対の軸受部５０ａ’、５０ｂ’およびステータ３０’が、略円筒状のホルダ部４０’の内周面で保持されている。

なお、ロータマグネット２０’はシャフト１０’（回転軸Ｊ’）に固定されており、シャフト１０’にはインペラ６０’が固定されている。インペラ６０’は、インペラカップ６１’と羽根６２’とを有している。また、ホルダ部４０’は、ハウジング７０’に連結部材８０’を介して接続されたブッシュ４１’の内周面に固定されている。ホルダ部４０’のインペラ６０’と反対側の開口部には回路基板９０’が設けられている。

送風ファン１００’におけるステータ３０’は、一般に、環状のコアバック部と、環状のコアバック部の内周面から径方向内方に延在する複数の磁極部とを備え、各磁極部にはコイルが巻回されている。そして、環状のコアバック部の外周面は略円筒状のホルダ部４０’の内周面で保持され、磁極部の内周面は所定のギャップを隔ててロータマグネット２０’の外周面に対向配置されている。

このように、ステータ３０’が略円筒状のホルダ部４０’の内周面で保持された構成のため、隣接する磁極部の間に形成されるスロットの断面積を大きくできず、巻線の線径を大きくできない。この結果、巻線抵抗を下げることができない。

これに対して、図１～図４の実施形態では、前述のように、ステータコア６１の内周面に軸受ホルダ７が嵌着される構成のため、隣接する磁極部６３の間に形成されるスロット６４の断面積を大きくすることができ、磁極部６３に巻回されるコイル６６の線径を大きくすることができる。その結果、コイル６６の巻線抵抗を低減することができる。

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、実施形態に係るファンは、インナーロータ型モータを備えたファンであって、インペラに結合したシャフトを回転可能に支持する一対の軸受が、非磁性金属材から形成された軸受ホルダの内側に配置され、軸受ホルダの外周面に、コイルが巻回されたステータコアが配置され、ステータコアは、環状のコアバック部と、コアバック部から径方向内方に延在する複数の磁極部とを備え、磁極部の内周面に軸受ホルダが嵌着されている。これにより、ステータの磁極部に巻回される巻線の線径を大きくすることができ、高速回転が可能なインナーロータ型モータを用いたファンを提供することができる。

また、軸受ホルダは中空円筒状であり、磁極部の内周面は、軸受ホルダの外周面に一致する円弧状の曲面に形成されている。これにより、軸受ホルダの外周面と磁極部の内周面との密着性を高めることができ、軸受ホルダの内部に配置されるロータとの距離を縮めて駆動力を維持することができる。

また、軸受ホルダは、非磁性のステンレス鋼または真鍮から構成される。これにより、軸受ホルダを容易に製造することができる。

また、シャフトに固定されるロータマグネットは、希土類磁石から構成される。これにより、ロータマグネット径が小径であり、ステータコアの磁極部の内周面とロータマグネットの外周面との間に軸受ホルダが存在するために大エアギャップ長であっても、希土類磁石といった残留磁束密度の大きい磁石を用いることで、出力を維持することができる。

また、一対の転がり玉軸受は、軸受ホルダの内周面に形成された２つの段差部に一端がそれぞれ支持される。これにより、転がり玉軸受の位置決めを容易に行うことができる。

また、一対の転がり玉軸受の他端は、コイルばねと止め輪とによりそれぞれ支持される。これにより、転がり玉軸受の位置に対し、振動等に対して若干の余裕をもたせることができる。

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。上述した各構成要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 ファン，２ ハウジング，２１ 吸気口，２２ 排気口，２３ 風洞部，２４ 固定翼，２５ 貫通孔，２６ モータベース部，２８ ボス部，２９ 外周壁，３ インペラ，３１ ハブ，３２ 羽根，３３、３４ 凹部，３５ 貫通孔，４ モータ，５ ロータ，５１ シャフト，５２、５３ 転がり玉軸受，５４ 内輪，５５ 外輪，５６ シール，５７ ロータコア，５８ ロータマグネット，６ ステータ，６１ ステータコア，６２ コアバック部，６３ 磁極部，６４ スロット，６５ インシュレータ，６６ コイル，７ 軸受ホルダ，８１ コイルばね，８２ 止め輪，９ 回路基板

Claims (6)

1. インナーロータ型モータを備えたファンであって、
   インペラに結合したシャフトを回転可能に支持する一対の転がり玉軸受が、非磁性金属材から形成された軸受ホルダの内側に配置され、
   前記軸受ホルダの外周面に、コイルが巻回されたステータコアが配置され、
   前記ステータコアは、環状のコアバック部と、該コアバック部から径方向内方に延在する複数の磁極部とを備え、
   前記磁極部の内周面に前記軸受ホルダが嵌着されている、
   ファン。
2. 前記軸受ホルダは中空円筒状であり、
   前記磁極部の内周面は、前記軸受ホルダの外周面に一致する円弧状の曲面に形成されている、
   請求項１に記載のファン。
3. 前記軸受ホルダは、非磁性のステンレス鋼または真鍮から構成される、
   請求項１または２に記載のファン。
4. 前記シャフトに固定されるロータマグネットは、希土類磁石から構成される、
   請求項１～３のいずれか一つに記載のファン。
5. 前記一対の転がり玉軸受は、前記軸受ホルダの内周面に形成された２つの段差部に一端がそれぞれ支持される、
   請求項１～４のいずれか一つに記載のファン。
6. 前記一対の転がり玉軸受の他端は、コイルばねと止め輪とによりそれぞれ支持される、
   請求項５に記載のファン。

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