JP3941784B2 - 電動機及びそれを用いたヒートシンク装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等に取り付けられる冷却ファンモータ等の電動機及びそれを用いたヒートシンク装置に関するものである。

従来における電子機器等に取り付けられる冷却ファンモータ等の電動機を用いたヒートシンク装置の構成を図６および図７に示す。ここで、図６は従来の半導体冷却用のヒートシンク装置を示す断面図、図７は図６のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図、図８は図６の電動機におけるスリーブの変形状態を示すグラフである。

図６に示すように、フレーム１の凹部に突出形成されたカップ状のフレームハウジング１ａの周囲には、コイル２の巻かれたステータ３にホール素子等が備え付けられた駆動回路基板４が設置されている。ステータ３はフレームハウジング１ａの外周部に固定されており、駆動回路基板４とフレーム１との間には絶縁シート２０が設置されている。また、フレームハウジング１ａの底面には樹脂等で作られたスラスタ５が固定され、さらに、フレーム１の外周には空気の流れをスムーズにするためのベルマウス１９が固定されている。フレームハウジング１ａにはスリーブ６が圧入固定されてステータユニット１５を構成している。

ファン８には軸９が一体成型され、軸９にはファン８の抜け防止用のワッシャ１０が取り付けられている。そして、軸９はスラスタ５に当接してスリーブ６に回軸自在にはめ込まれている。また、ファン８には、環状のステータ３と対向するようにマグネット１１およびマグネットヨーク１２が固定され、ロータ１６を構成している。

図７に示すように、スリーブ６の内周面にはボール転造等により動圧発生溝１３が形成され、さらに、ボール転造により発生した突起を除去してスリーブ内径を±２μｍ以下の高精度で仕上げるためにサイジングが実施されている。

この動圧発生溝１３には潤滑油としてオイル１４が注油され、ラジアル軸受け１７を構成している。また、軸９のファン８と反対側の端面は球面に仕上げられており、スラスタ５と接触してスラスト軸受け１８を構成している。
特開平６−２６９１４２号公報

しかしながら、このような従来の電動機では、次のような問題点を有していた。

近年のパソコン等の電子機器や家庭電化製品においてはダウンサイジングが進んでおり、それに伴い、電子機器等に取り付けられるヒートシンク装置及び冷却ファンモータ等の電動機も小型化・薄型化が要求されている。

このような電動機の小型化・薄型化により軸受け部のスペースが非常に小さくなっており、必然的にスリーブ６の肉厚も薄くせざるを得なくなっている。また、スリーブ６とフレームハウジング１ａの圧入締め代は加工のバラツキを考慮して最大２０μｍ以上となり、図８に示すように、スリーブ６の圧入固定の際、スリーブ６の内径に変形等の影響が発生していた。このスリーブ６の内径の変形により、軸９とスリーブ６との隙間が不均一となり、動圧発生溝１３のポンピング力の低下、軸９の振れ回わりの増大、軸９とスリーブ６の接触、オイル１４の流出などを引き起こし、軸受けの信頼性の低下を招いていた。

そこで、本発明は、スリーブ内径の変形を防止することのできる電動機を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記電動機を用いた冷却効率の高いヒートシンク装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、フレームハウジングを有するフレームと、上記フレームハウジングの外周側に取り付けられたステータと、上記フレームハウジング内底部に設けられた受け座と、当該受け座に当接するように上記フレームハウジング内に挿入されたスリーブと、当該スリーブに対して回転自在に設けられた軸と、上記軸に取り付けられたロータと、上記受け座と共に上記スリーブを保持するように上記フレームハウジング内に取り付けられた固定リングと、を備え、当該固定リングは、当該固定リングが上記フレームハウジング内に圧入され、上記スリーブの変形を防止するように上記固定リングの外周部からの押圧力が上記フレームハウジングの内周部に働くように構成した。

本発明の請求項１に記載の発明は、フレームハウジングを備えたフレームと、フレームハウジングの外周部に取り付けられたステータと、フレームハウジング内に形成された受け座に一方端が支持されるようにしてはめ込まれたスリーブと、スリーブに回転自在にはめ込まれた軸、および前記ステータに対向配置されたマグネットを備えたロータとを有する電動機において、フレームハウジングに挿入された挿入側の周囲が内側に傾斜している固定リングを備え、スリーブの内周面または軸の外周面に動圧発生溝が形成され、スリーブは、フレームハウジングに対して、０．１ｍｍ以下の隙間を持って挿入され、または締め代５μｍ以下で圧入され、固定リングをフレームハウジング内に圧入し、スリーブを受け座と固定リングとで挟んだことを特徴とする電動機であり、固定リングは容易にフレームハウジングに圧入でき、スリーブが受け座と固定リングに挟まれて固定されるようになるので、スリーブのラジアル方向にかかる応力が減少し、スリーブ内径の変形を防止することができるという作用を有する。

また、スリーブは、フレームハウジングに対して、０．１ｍｍ以下の隙間を持って挿入され、または締め代５μｍ以下で圧入されている電動機であり、スリーブのラジアル方向にかかる応力が減少し、スリーブ内径の変形を防止することができるという作用を有する。

本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、固定リングのスリーブと接触する側の端面が凸凹形状となっている電動機であり、固定リングの凸部がスリーブに食い込んでスリーブの固着力が増すので、スリーブと軸との共回り、振動の増大、軸受けの焼き付き等を効果的に防止することができるという作用を有する。

第２の発明は、フレームハウジングを有するフレームと、上記フレームハウジングの外周側に取り付けられたステータと、上記フレームハウジング内底部に設けられた受け座と、当該受け座に当接するように上記フレームハウジング内に挿入されたスリーブと、当該スリーブに対して回転自在に設けられた軸と、上記軸に取り付けられたロータと、上記受け座と共に上記スリーブを保持するように上記フレームハウジング内に取り付けられた固定リングと、を備え、当該固定リングは、当該固定リングの外周部が上記フレームハウジングの内周部を押圧するように上記フレームハウジング内に圧入されることにより、上記固定リングの外周部からの押圧力が上記フレームハウジングの内周部に対してラジアル方向外向きに働くように構成した。この構成において、固定リングは、上記受け座と共に上記スリーブを保持し、かつ上記固定リングの外周部からの押圧力が上記フレームハウジングの内周部に対してラジアル方向外向きに働くことにより、当該固定リングは、上記スリーブを保持し、かつ上記ラジアル方向外向きの押圧力によりスリーブ内径の変形を防止するという効果がある。

本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１〜請求項２のいずれか記載の電動機を備えた冷却用ファンモータであって、電動機のフレームには発熱体を取付可能としたヒートシンク装置であり、発熱体の熱を直接電動機のフレームで伝導し、そしてフレームが放熱作用を行うとともに、ファンが起こす空気流が効率よくフレームに当り放熱効果を高める作用を有する。

本発明の請求項４に記載の発明は、フレームに板状かもしくはピン状のフィンを立設した請求項３載のヒートシンク装置であり、フィンにより放熱効率を高める作用を有する。

本発明の請求項５に記載の発明は、電動機のフレームの側壁には一以上の開口部が設けられている請求項４載のヒートシンク装置であり、開口部の位置、大きさ、数を最適に行うことで、空気の流れを他の発熱体に当てたり、高温の空気をスムーズに排気する作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるヒートシンク装置を示す断面図、図２は図１のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図、図３は図１の電動機に取り付けられた固定リングを示す断面図、図４は図１の電動機と従来の電動機とにおけるスリーブ内径の変形量を示すグラフである。

以下に説明する実施の形態を含めて、本実施の形態における電動機は半導体冷却用のヒートシンク装置に用いられるものであり、図１に示すように、フレーム１の凹部に突出形成されたカップ状のフレームハウジング１ａの周囲には、コイル２の巻かれたステータ３にホール素子等が備え付けられた駆動回路基板４が設置されている。フレーム１の凹部には板状かもしくはピン状のフィン２１が立設され、側壁には空気流の通る開口部（図示せず）が所定の数、所定の大きさで所定の方向に向けて設けられている。また、フレームハウジング１ａが設けられていない側のフレーム１の底部は半導体素子等の発熱体が取付可能な平面領域を有している。ステータ３はフレームハウジング１ａの外周部に固定されており、駆動回路基板４とフレーム１との間には絶縁シート２０が設置されている。また、フレームハウジング１ａの底面には樹脂等で作られたスラスタ５が固定され、さらに、フレーム１の側壁には空気の流れをスムーズにするためのベルマウス１９が固定されている。

フレームハウジング１ａ内には受け座１ｂが形成されて、このフレームハウジングにはめ込まれたスリーブ６の一方端を支持している。スリーブ６はフレームハウジング１ａと０．１ｍｍ以下の隙間を持って挿入されるか、もしくは締め代５μｍ以下の軽い圧入がなされている。フレームハウジング１ａには、はめ込まれたスリーブ６を受け座１ｂに押さえ付ける固定リング７（図３）が挿入されており、ステータユニット１５を構成している。

この固定リング７の挿入側の周囲は、たとえば１０°程度の傾斜をもって内側に向いており、容易にフレームハウジング１ａに圧入できるように配慮されている。

ファン８には軸９が一体成型され、この軸９のファン８と反対側には、ファン８の抜け防止のためスリットの入ったワッシャ１０が圧入されている。そして、軸９はスラスタ５に当接してスリーブ６に回転自在にはめ込まれている。また、ファン８には、環状のステータ３と対向するようにして、マグネット１１およびマグネットヨーク１２が接着等で固定され、ロータ１６を構成している。

さらに、ファン８から延びる軸９の基部の周囲には、回転時にスリーブ６と軸９との間から飛散したオイルを受け止めるための凹形状のオイルプール８ａが形成されている。このオイルプール８ａの容積は、スリーブ６と軸９の隙間の容積と同等以上とされている。また、オイルプール８ａの外周で固定リング７の内側には、固定リング７に対して、ギャ
ップがたとえば５０μｍ〜３００μｍ、オーバーラップ長さがたとえば０．３ｍｍ以上となるリブ８ｂが形成されている。

図２に示すように、スリーブ６の内周面には、軸９の回転をスムーズに行うための動圧発生溝１３がボール転造等により２ヶ所形成され、さらに、ボール転造により発生した突起を除去してスリーブ内径を±２μｍ以下の高精度で仕上げるためにサイジングが実施されている。この動圧発生溝１３には潤滑油としてオイル１４が注油され、軸９と片側２〜１２μｍの軸受け隙間を保ちラジアル軸受け１７を構成している。なお、動圧発生溝は軸９の外周面に形成してもよい。

また、図２に詳しく示すように、軸９のファン８と反対側の端面は球面に仕上げられており、スラスタ５と接触してスラスト軸受け１８を構成している。

なお、スリーブ６の材料としては、切削性や転造性を考慮してＣ３６０４、ＢＣ６Ｃ等の銅合金が用いられ、軸９には、耐摩耗性や取り扱い性を考慮してＳＵＳ４２０Ｊ２等のステンレス鋼が用いられている。また、オイル１４はこのファンモータが半導体に直接取り付けられことが多く熱源に近いことから、高温に耐えることができるようにフッ素系合成油が用いられており、極圧性を若干改善するために添加剤が加えられている。

このような構成のファンモータによれば、フレームハウジング内に挿入された固定リングを備え、スリーブ６は受け座１ｂと固定リング７に挟まれて受け座１ｂと固定リング７とでサンドイッチ状態で固定されているので、スリーブ６のラジアル方向にかかる応力が減少される。これにより、図４に示すように、従来のファンモータに比べてスリーブ内径の変形量を約１／４に減少させることができる。

なお、スリーブ６とフレームハウジング１ａとの嵌合は、両者の間に０．１ｍｍ以上の隙間を取ると、スリーブ６とステータ３との芯ずれが発生して回転ムラ等を引き起こす。また、締め代５μｍ以上の圧入を行うと、スリーブ６の内径に０．６μｍ以上の変形を引き起こす（図８参照）。このため、前述のように、加工のバラツキも考慮し、スリーブ６とフレームハウジング１ａの嵌合は０．１ｍｍ以下の隙間を持って挿入されるか、もしくは、締め代５μｍ以下の軽い圧入がなされている。

また、軸９の基部の周囲に、その容積がスリーブ６と軸９の隙間の容積以上となるオイルプール８ａが形成され、さらに固定リング７とオイルプール８ａの外周に形成されたリブ８ｂとが非常に狭い隙間をもって対向しているので、回転時に軸受けから飛散した余剰なオイル分が確実にオイルプール８ａにプールされる。これにより、必要なオイル分が流出することが防止される。

なお、必要なオイル分が蒸発等で不足気味になっても、余剰オイル分がスリーブ近傍のオイルプール８ａにプールされているので、表面張力のより高い軸受け隙間に余剰オイル分が随時供給されることとなり、軸受けのオイル不足を防止することができる。

ここで、リブ８ｂと固定リング７との隙間を、３００μｍ以上にすると、この隙間に流れたオイル１４の表面張力が低くなってオイル１４がこの隙間を突破する。逆に５０μｍ以下にすると、この隙間の表面張力が強くなってオイル１４を吸い上げる現象が起こり、軸受けのオイル不足およびオイルの摩擦トルクの増大を招く。このため、オイルプール８ａの外周のリブ８ｂと固定リング７とは、ギャップ５０μｍ〜３００μｍの間で配置されて効果的にオイル１４の流出防止を行っている。

つぎに本実施の形態のヒートシンク装置の動作について説明する。電動機が回転すると
、ファン８も回転を行い電動機の軸９方向にそって空気を吸い込み、フィン２１によって形成された空気の流路に従ってながれ、フレーム１の側壁に設けられた開口部から排気される。このとき空気流は発熱体の熱が伝導されたフレーム１、フィン２１から熱を奪い冷却作用を行う。側壁の開口部の方向はヒートシンク装置から排気された空気を他の発熱素子に当てるため、また高温になった空気を電子機器装置からスムーズに排気するため、ヒートシンク装置を用いる電子機器装置に合わせて一方向あるいは複数の方向に開けて用いる。

フィン２１の形状は板状、ピン状に限定されるものではなく、三角状、翼状、渦巻状、円状、放射状等同様の作用、効果を呈するものであればよい。なお、ヒートシンク装置が所定の大きさ（４０ｍｍ角）より小さくなる場合には、電動機の大きさも必然的に小さくなり、その結果電動機の出力も小さくなる。従って、上記の場合、電動機とファンによって発生させられる風力が小さくなり、フィンを立設すると放出される風量が小さくなり、かえって放熱効果を悪くすることがある。このようにヒートシンク装置の大きさが上記の範囲の場合には、フィンを立設せず、放出される風量を多くして放熱効果を向上させることが好ましい。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２による電動機に取り付けられた固定リングを示す断面図である。

本実施の形態での固定リング７は、実施の形態１におけるそれと異なりスリーブ６と接触する側の端面が、凸凹形状となっている。

固定リング７をこのような凹凸形状にすることにより、固定リング７を圧入した際に固定リング７の凸部がスリーブ６に食い込むようになる。したがって、よりスリーブ６の固着力が増し、熱衝撃や振動・落下衝撃によるスリーブ６の緩みがなくなって、スリーブ６の軸９との共回り、振動の増大、軸受けの焼き付き等が効果的に防止されるようになる。

なお、固定リング７の材料は、バネ性および加工性を考慮し、さらにスリーブ６より硬くスリーブ６へ食い込み易くすることを配慮して、たとえばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼が用いられている。

なお、ヒートシンク装置の構造及び、それに用いられる電動機の構造、電動機の形式、軸受けの構造、オイル等はこれらの実施の形態の内容に限定されるものではなく、様々な設計変更が可能であることは言うまでもない。また、前述した実施の形態において、動圧発生溝１３はスリーブ６の内周面に形成されているが、軸９の外周面に形成してもよい。

以上のように、本発明によれば、電子機器等に取り付けられる冷却ファンモータ等の電動機のスリーブが受け座と固定リングに挟まれて固定されるようになるので、スリーブのラジアル方向にかかる応力が減少し、スリーブ内径の変形を防止することができ、スリーブを薄くできるという有効な効果が得られる。

これにより、円滑な運転が可能になり、高い信頼性と長寿命をもった電動機得ることが可能になるという有効な効果が得られる。

また、固定リングの挿入側の周囲を内側に傾斜させることで、固定リングを容易にハウジング内に挿入することができるという有効な効果が得られる。

本発明の実施の形態１によるヒートシンク装置を示す断面図 図１のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図 図１の電動機に取り付けられた固定リングを示す断面図 図１の電動機と従来の電動機とにおけるスリーブ内径の変形量を示すグラフ 本発明の実施の形態２による電動機に取り付けられた固定リングを示す断面図 従来の半導体冷却用のヒートシンク装置を示す断面図 図６のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図 図６の電動機におけるスリーブの変形状態を示すグラフ

符号の説明

１ フレーム
１ａ フレームハウジング
１ｂ 受け座
３ ステータ
６ スリーブ
７ 固定リング
８ ファン
８ａ オイルプール
８ｂ リブ
９ 軸
１１ マグネット
１３ 動圧発生溝
１４ オイル
１６ ロータ
２１ フィン

Claims (5)

1. フレームハウジングを備えたフレームと、前記フレームハウジングの外周部に取り付けられたステータと、前記フレームハウジング内に形成された受け座に一方端が支持されるようにしてはめ込まれたスリーブと、前記スリーブに回転自在にはめ込まれた軸、および前記ステータに対向配置されたマグネットを備えたロータとを有する電動機において、前記フレームハウジングに挿入された挿入側の周囲が内側に傾斜している固定リングを備え、前記スリーブの内周面または前記軸の外周面に動圧発生溝が形成され、前記スリーブは、前記フレームハウジングに対して、０．１ｍｍ以下の隙間を持って挿入され、または締め代５μｍ以下で圧入され、前記固定リングを前記フレームハウジング内に圧入し、前記スリーブを前記受け座と前記固定リングとで挟んだことを特徴とする電動機。
2. 前記固定リングの前記スリーブと接触する側の端面が凸凹形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 請求項１〜請求項２のいずれか記載の電動機を備えた冷却用ファンモータであって、前記電動機のフレームには発熱体を取付可能としたことを特徴とするヒートシンク装置。
4. フレームに板状かもしくはピン状のフィンを立設したことを特徴とする請求項３記載のヒートシンク装置。
5. 電動機のフレームの側壁には一以上の開口部が設けられていることを特徴とする請求項４記載のヒートシンク装置。

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