JP5630143B2 - Centrifugal fan and self-propelled robot equipped with centrifugal fan - Google Patents
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Description
本発明は、軸方向に吸気して径方向に排気する遠心ファンおよび遠心ファンを搭載した自走式掃除ロボットに関する。 The present invention relates to a centrifugal fan that sucks in an axial direction and exhausts in a radial direction, and a self-propelled cleaning robot equipped with the centrifugal fan.
近年、ファンは、電子機器の冷却用だけではなく、自走式掃除ロボットのように吸気する吸引力を要する用途として用いられることが多くなっている。ファンが電子機器の冷却用に使用される場合においては、電子機器の小型化に伴いファンに小型化が求められる。吸引用に用いられるファンにおいても同様である。ファンの小型化を達成するためには、羽根よりも径方向内側にロータマグネットと電機子とで構成されるモータを収容する必要がある。例えば、特許文献1には、上述した構造が開示されている。
しかし、ファンにおいては、小型化だけではなく、高静圧および高風量が求められる。吸引用のファンについても同様に高静圧および高風量が求められる。ファンにおいて、静圧特性を向上させると風量特性が低下し、風量特性を向上させると静圧特性が低下する。つまり、静圧特性と風量特性とは、トレードオフの関係にある。つまり、風量特性を低下させずに静圧特性を向上させるファンが求められる。 However, in the fan, not only miniaturization but also high static pressure and high air volume are required. Similarly, a high static pressure and a high air volume are required for the suction fan. In the fan, when the static pressure characteristic is improved, the air flow characteristic is lowered, and when the air flow characteristic is improved, the static pressure characteristic is lowered. That is, the static pressure characteristic and the air volume characteristic are in a trade-off relationship. That is, a fan that improves the static pressure characteristics without reducing the air flow characteristics is required.
本願の第1の発明は、中心軸と同軸に配置されるシャフトと、前記シャフトに固定され、有蓋略円筒状のロータハブと、前記シャフトに対して周方向に配列されており、前記ロータハブから軸方向上方に向けて立設された複数の羽根と、前記ロータハブの内周面に固定された略環状のロータマグネットと、前記マグネットと径方向に対向する電機子と、前記電機子よりも径方向内方に配置され、前記シャフトを回転自在に支持する軸受機構と、を備え、前記ロータハブの外周面は、径方向外方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜面を有しており、前記羽根と前記ロータハブとの接続部の径方向内端は前記傾斜面に位置しており、前記羽根の径方向内縁と軸方向上縁との間には、径方向内方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜縁が形成されている遠心ファンである。 A first invention of the present application is a shaft disposed coaxially with a central axis, a rotor hub that is fixed to the shaft and has a substantially cylindrical shape with a lid, and is arranged in a circumferential direction with respect to the shaft. A plurality of blades erected upward in the direction, a substantially annular rotor magnet fixed to the inner peripheral surface of the rotor hub, an armature opposed to the magnet in a radial direction, and a radial direction from the armature And a bearing mechanism that rotatably supports the shaft, and the outer peripheral surface of the rotor hub has an inclined surface that is inclined downward in the axial direction as it goes radially outward. The radially inner end of the connecting portion between the blade and the rotor hub is located on the inclined surface, and a shaft is formed between the radially inner edge and the axial upper edge of the blade toward the radially inner side. Direction downward A centrifugal fan inclined edges obliquely is formed.
本発明によれば、小型化を達成させつつ、高風量および高静圧を向上させることができる。 According to the present invention, high air volume and high static pressure can be improved while achieving miniaturization.
本明細書では、遠心ファン1の中心軸方向における上側を単に「上側」と呼び、下側を単に「下側」と呼ぶ。本発明の説明における上下方向は、実際の機器に組み込まれたときの位置関係や方向を示すものではない。また、中心軸を中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸を中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。
In the present specification, the upper side in the central axis direction of the
(遠心ファンとしての実施形態)
図1は、遠心ファン1の縦断面図である。遠心ファン1は、静止部2と、軸受機構3と、回転組立体である回転部4と、を備える。インペラ10は回転部4の一部である。回転部4は、静止部2および軸受機構3の上方に位置し、軸受機構3により、静止部2に対して上下方向を向く中心軸J1を中心として回転可能に支持される。インペラ10は、回転部4の上部に設けられる。
(Embodiment as centrifugal fan)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the
静止部2は、ベース部21と、電機子22と、回路基板24と、を備える。ベース部21の中央には円筒状の軸受ホルダ211が,設けられる。軸受ホルダ211内には、軸受機構3が取り付けられる。電機子22は、軸受機構3の径方向外側に設けられる。電機子22は、ステータコア221と、複数のコイル222と、を備える。ステータコア221は、鋼板が積層されることにより形成される。図2を参照して、コイル222は、ステータコア221の各ティース2212に巻回されて形成される。回路基板24は、ベース部21上に配置される。
The
軸受機構3は、シャフト31と、有底略円筒状のブッシュ32と、スリーブ33と、スラストプレート34と、を備える。ブッシュ32は、軸受ホルダ211に固定される。ブッシュ32の内側には潤滑油が保持される。 The bearing mechanism 3 includes a shaft 31, a bottomed substantially cylindrical bush 32, a sleeve 33, and a thrust plate 34. The bush 32 is fixed to the bearing holder 211. Lubricating oil is held inside the bush 32.
スリーブ33は、含油性の多孔質焼結金属体により形成され、ブッシュ32内に圧入にて固定される。ブッシュ32の底部上にはスラストプレート34が配置される。シャフト31はスリーブ33に挿入される。シャフト31が回転した際において、シャフト31は、スリーブ33により、潤滑油を介してラジアル方向に支持される。また、シャフト31の下端がスラストプレート34に当接することにより、シャフト31がスラスト方向に安定して支持される。 The sleeve 33 is formed of an oil-containing porous sintered metal body and is fixed in the bush 32 by press fitting. A thrust plate 34 is disposed on the bottom of the bush 32. The shaft 31 is inserted into the sleeve 33. When the shaft 31 rotates, the shaft 31 is supported by the sleeve 33 in the radial direction via the lubricating oil. Further, the lower end of the shaft 31 abuts on the thrust plate 34, so that the shaft 31 is stably supported in the thrust direction.
シャフト31の下端近傍には、径方向内方に向けて窪む環状の縮径部311が形成されている。スリーブ33の下端面の下側には環状の抜け止め部材35が配置されている。抜け止め部材35の中央に形成される貫通孔の内径はシャフト31の外径よりも小さく、縮径部311の外径よりも大きい。抜け止め部材35は、軸方向において縮径部311と同位置である。よって、抜け止め部材35が、シャフト31が軸方向上側に向けて移動するのを防止する。 In the vicinity of the lower end of the shaft 31, an annular reduced diameter portion 311 that is recessed inward in the radial direction is formed. An annular retaining member 35 is disposed below the lower end surface of the sleeve 33. The inner diameter of the through hole formed at the center of the retaining member 35 is smaller than the outer diameter of the shaft 31 and larger than the outer diameter of the reduced diameter portion 311. The retaining member 35 is at the same position as the reduced diameter portion 311 in the axial direction. Therefore, the retaining member 35 prevents the shaft 31 from moving upward in the axial direction.
回転部4は、有蓋略円筒状のロータホルダ41と、ロータマグネット42と、インペラ10と、を備える。ロータホルダ41は、磁性材料にて形成される。ロータホルダ41は、蓋部411と、円筒部412と、円筒状のシャフト固定部413と、を備える。蓋部411は、中心軸J1に略垂直な円板状である。
The rotating unit 4 includes a lid-shaped substantially
円筒部412は、蓋部411の外周から下方に伸びる。円筒部412の内側面には、ロータマグネット42が取り付けられる。ロータマグネット42は、電機子22と中心軸J1に垂直な方向つまり径方向に対向する。遠心ファン1の駆動時には、ロータマグネット42と電機子22との間にて、磁気的作用による回転力が生じる。シャフト固定部413は、蓋部411の中央に位置する。シャフト固定部413には、シャフト31の上部が固定される。
The
図3は、インペラ10の斜視図である。図1および図3を参照して、インペラ10は、樹脂による射出成型で形成されており、カップ部101と、羽根固定部102と、複数の羽根103と、を備える。カップ部101は、蓋部1011と、円筒部1012と、を有する。また、カップ部101は、ロータホルダ41を径方向外方および軸方向上方を外囲する態様で配置されている。ロータホルダ41とカップ部101、後述する羽根固定部102とを一体とする部位をロータハブ40と呼ぶ。羽根固定部102は、カップ部101の蓋部1011と円筒部1012との境界付近から、径方向外方および軸方向下方に向かって延びている。この際、羽根固定部102の上面は、径方向外方に向かうに従い軸方向下方に傾斜する傾斜面1021となっている。傾斜面1021は、径方向内方に向かって窪む凹面となっている。換言すれば、傾斜面1021は、径方向内方に向かうに従い軸方向に対する傾斜角度が小さくなる。本実施形態においては、傾斜面1021は、曲面となっている。
FIG. 3 is a perspective view of the
羽根103は、羽根固定部102から軸方向上方に向けて延びている。その際、羽根103の径方向内縁1031は、傾斜面1021上に位置している。径方向内縁1031は、中心軸J1と略平行に形成されている。また、羽根103の径方向外縁1032は、羽根固定部102よりも径方向外方に位置している。つまり、羽根103は羽根固定部102よりも径方向外方に突出している。羽根103の上縁1033と径方向内縁1031との間には、径方向内方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜縁1034が形成されている。傾斜縁1034は、径方向外方に向かって窪む凹面となっている。換言すれば、傾斜縁1034は径方向外方に向かうに従い軸方向に対する傾斜角度が小さくなる。本実施形態においては、傾斜縁1034は、曲面となっている。この曲面の曲率半径の中心は、カップ部101の蓋部1011の上面よりも軸方向上方に位置している。図3に示すように、羽根103の上縁1033の径方向外方において複数の羽根103は、環状のリング104で連結されている。これにより、羽根103の振動を低減できると共に羽根103の剛性を高くすることができる。
The
次に、インペラ10が回転した際に生ずる空気流について説明する。インペラ10が回転すると、羽根103付近に滞留する空気が遠心力によって、径方向外方に吐き出される。これにより、羽根103付近が負圧状態になり、軸方向上方に位置する空気が羽根103に向けて吸引される。
Next, an air flow generated when the
より詳細に説明すると、羽根固定部102の上端部付近において軸方向上方に位置する空気は、上述した作用に伴い、軸方向に沿って下方に移動する。その後、空気は、羽根固定部102の傾斜面1021に沿って径方向外方に移動する。羽根103の径方向内縁1031に差し掛かった空気は、羽根103の回転作用による遠心力によって径方向外方へと押し出される。しかし、羽根103に差し掛かる前の空気流が軸方向下方に向けたベクトルを有しているため、空気は、その慣性力と遠心力のベクトルの和によって傾斜面1021に沿って羽根103から径方向外方に吐き出される。
More specifically, the air located in the upper axial direction near the upper end of the
羽根103の径方向内縁1031が傾斜面1021の上端部に位置していたとすると、軸方向に沿って下方に移動された空気が、カップ部101の蓋部1011に直撃し、軸方向下方に向けた流れのベクトルを失う。これに伴い、羽根103に向けて吸引される空気は、羽根103の径方向内縁1031に差し掛かったところで、径方向外方に向けた強いベクトル成分の流れで、径方向外方に押し出される。よって、羽根103の羽根固定部102との連結部付近においては、空気の押し出しには寄与され難い。このため、インペラ10が回転した際に、風損が大きくなり、風量特性において効率が悪い。よって、羽根103の径方向内縁1031が傾斜面1021の最上端に位置するような実施形態は、風量特性の効率が悪いため、好ましくない。本実施形態では、羽根103の径方向内縁1031が傾斜面1021の軸方向のほぼ中心に位置している。
Assuming that the radially
羽根103の傾斜縁1034の上部付近において軸方向上方に位置する空気は、軸方向に沿って下方に移動する。その後、羽根103の傾斜縁1034に差し掛かった空気は、径方向内縁1031付近に差し掛かった空気の流れとは異なり、軸方向の下方へのベクトル成分が多く残った状態で、傾斜縁1034に進入する。これにより、傾斜縁1034を通過して径方向外方に押し出される空気は、軸方向下方に向けた流れのベクトル成分を有している。
The air located in the upper axial direction near the upper part of the
本実施形態においては、傾斜縁1034の下端部は、カップ部101の蓋部1011の天面よりも軸方向において下側に位置している。これは、電機子22が三相にて構成されることによって、軸方向の厚みが単相もしくは二相よりも薄くなっているためである。以下により詳しく説明する。図2は、ステータコア221を平面視した平面図である。ステータコア221は、コアバック2211と、複数のティース2212と、を備える。本実施形態においては、ティース2212の本数が、9本である。複数のティース2212の3本にU相のコイル222、残りのティース2212の各3本ずつにV相、W相のコイル222が巻回される。複数のティース2212が3の倍数でU相、V相、W相の三相のコイル222が巻回されていれば、ティース2212の本数は限定されない。
In the present embodiment, the lower end portion of the
これにより、羽根103の径方向内縁1031に進入する空気も、羽根103の傾斜縁1034に進入する空気も、軸方向下方に向けた流れのベクトル成分を有する。よって、空気が滞留することなく、径方向外方に吐き出される。また、カップ部101の蓋部1011の天面が低く形成されることにより、インペラ10が回転することで径方向外方に吐き出される空気は、蓋部1011の上部を通過することができるため、風量が増加する。蓋部1011の上部を通過する空気は、蓋部1011の上面に沿って径方向外方に移動する。この際、更に上から流れてくる空気に押されて傾斜面1021に沿って軸方向下方に向けて流れる。羽根103を通過して径方向外方に押し出される空気の流量つまり風量は、軸方向下方が多く、軸方向上方に向かえば向かうほど、風量が低減していく。つまり、風量特性を向上させるためには、羽根103の軸方向下方の領域を如何に活用するかが重要となる。本願発明を適用することで、羽根103の軸方向下方の領域を活用できる。カップ部101の蓋部1011が実施形態に比べて、大幅に高い位置に形成された場合つまり羽根103の径方向内縁1031が傾斜面1021の軸方向の中間よりも大幅に低い位置に形成された場合には、羽根103の軸方向下方の領域を十分に活用することができない。
As a result, both the air entering the radially
変形例としては、羽根103の径方向内縁1031が軸方向下方に向かうに従い、径方向内側に向けて傾斜しても良い。ただし、中心軸に対する角度が傾斜縁1034よりも小さい必要がある。また、カップ部101が、カップ状ではなく、円筒状で形成され、ロータホルダの蓋部411が上方に向かって露出してもよい。さらに、カップ部101の蓋面1011の中央に貫通孔が形成され、この貫通孔の中にシャフト31が挿入されることにより、カップ部101がシャフト31に直接固定されてもよい。その他、変形例については、本願発明の基本構成を有していれば、適宜変更可能である。
As a modification, the radial
(自走式掃除ロボットとしての実施形態)
図4は、自走式掃除ロボット5に搭載された遠心ファン1を示す断面図である。自走式掃除ロボット5は、本体50に取り付けられたホイール51によって、自走することができる。自走式掃除ロボット5は、障害物に接触すること等によって、進行方向を変えるように制御されている。自走式掃除ロボット5には、底面側に、遠心ファン1が駆動した際に発生する風を吸気する第1吸気口52が形成されている。第1吸気口52から吸気された空気は、フィルター53を通過する。この際に、空気はダストと共に吸引され、ダストのみがフィルター53に付着し、空気はフィルター53を通過する。その後、空気は、遠心ファン1のインペラ10の軸方向上側に形成されている第2吸気口54を通過する。その後、空気は、インペラ10によって、排気口に向けて排気される。なお、排気口については図示を省略する。
(Embodiment as a self-propelled cleaning robot)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the
第2吸気口54の内径は、羽根103の径方向内縁1031の内径よりも大きく形成されている。つまり、第2吸気口54の内径は、軸方向と平行な方向に見た際に、羽根103の上縁1033と重なっている。第2吸気口54を通過直後の空気の流れは、中心軸J1と平行であることが望ましい。これにより、上述した遠心ファン1の風量特性および静圧特性を達成することが可能である。
The inner diameter of the
第2吸気口54の内径が羽根103の径方向内縁1031よりも小さい場合、第2吸気口54を通過後、羽根103に向かって径方向外方に向けて空気の流れが変わることになる。この結果、空気は軸方向成分の流れが失われているため、羽根103の軸方向下方の領域を活用することができない。
When the inner diameter of the
本発明は、送風用、排気用の遠心ファンとして用いられる。特に、吸気用としては自走式掃除ロボットに用いられる。 The present invention is used as a centrifugal fan for blowing and exhausting air. In particular, it is used for self-propelled cleaning robots for intake.
1 遠心ファン
2 静止部
3 軸受機構
4 回転部
10 インペラ
22 電機子
31 シャフト
41 ロータホルダ
42 ロータマグネット
102 羽根固定部
103 羽根
1021 傾斜面
1031 径方向内縁
1034 傾斜縁
J1 中心軸
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記シャフトに固定されたロータハブと、
前記シャフトに対して周方向に配列されており、前記ロータハブから軸方向上方に向けて立設された複数の羽根と、
前記ロータハブの内周面に固定された略環状のロータマグネットと、
前記マグネットと径方向に対向する電機子と、
前記電機子よりも径方向内方に配置され、前記シャフトを回転自在に支持する軸受機構と、
を備え、
前記ロータハブは、前記シャフトに固定された有蓋略円筒状のロータホルダと、蓋部と円筒部とを有し前記ロータホルダを径方向外方および軸方向上方に外囲するカップ部と、前記カップ部の前記蓋部と前記円筒部との境界付近から伸び前記円筒部の径方向外側に位置するとともに前記複数の羽根が立設された羽根固定部とを有し、
前記羽根固定部の外周面は、径方向外方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜面を有しており、前記羽根と前記羽根固定部との接続部の径方向内端は前記傾斜面に位置しており、前記羽根の径方向内縁と軸方向上縁との間には、径方向内方に向かうに従って軸方向下方に向けて傾斜する傾斜縁が形成されている遠心ファン。 A shaft arranged coaxially with the central axis;
A rotor hub fixed to the shaft;
A plurality of blades arranged in a circumferential direction with respect to the shaft, and erected upward in the axial direction from the rotor hub;
A substantially annular rotor magnet fixed to the inner peripheral surface of the rotor hub;
An armature radially opposed to the magnet;
A bearing mechanism disposed radially inward from the armature and rotatably supporting the shaft;
With
The rotor hub includes a lid-shaped substantially cylindrical rotor holder fixed to the shaft, a cup portion having a lid portion and a cylindrical portion, and enclosing the rotor holder radially outward and axially upward; A blade fixing portion that extends from the vicinity of the boundary between the lid portion and the cylindrical portion and that is positioned on the radially outer side of the cylindrical portion and on which the plurality of blades are erected,
The outer peripheral surface of the blade fixing portion has an inclined surface that is inclined downward in the axial direction as it goes radially outward, and the radially inner end of the connecting portion between the blade and the blade fixing portion is A centrifugal fan that is located on an inclined surface and has an inclined edge that is inclined downward in the axial direction as it goes inward in the radial direction between the radially inner edge and the axially upper edge of the blade.
前記遠心ファンを収容する本体と、
前記本体を自走させるホイールと、
前記本体の下面に形成されている吸気口と、
前記吸気口と前記遠心ファンとの間に配置されるフィルターと、
を備える自走式掃除ロボット。
A centrifugal fan according to claim 5 ;
A main body for housing the centrifugal fan;
A wheel for self-propelling the main body;
An air inlet formed in the lower surface of the main body,
A filter disposed between the air inlet and the centrifugal fan;
Self-propelled cleaning robot with
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