JP5789554B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は電動機に関する。

電動機に係る従来の技術として特許文献１が知られている。特許文献１では、自冷式全閉型電動機の外扇を、電動機軸に直結せず、電動機軸と外扇との間に機械式減速機または増速機を取り付け、これにより、冷却性向上、騒音低減、外扇強度問題を解決したとしている。また、特許文献２には、磁石を用いた磁気減速機が開示されている。

特開平１０−９８８５１号公報 特開２０１１−３３１６６号公報

電動機は駆動源として種々の用途に用いられており、様々な製品の内部に組み込まれて使用されることが多い。例えば、送風機、ポンプ、冷凍空調用の圧縮機、エスカレータなど、産業用から一般家庭用まで幅広く使用されている。特に近年では、地球温暖化が問題となっており、いかに環境負荷を減らし、温暖化の原因となるＣＯ_２削減するかという課題に対し、電動機の高効率化が急務となっている。電動機の発熱は、電動機の性能に大きな影響を与えることから、十分な冷却を行うにあたり、種々の検討がなされている。

汎用の電動機として全閉外扇形電動機が広く用いられている。この電動機は、電動機の回転軸を反負荷側に突出させ、自らを冷却するための外扇ファンを直に反負荷側回転軸に取り付けた構造をとっているのが通例である。

このような汎用の電動機にあっては、部品を共用化して低コスト化を図ることが多い。その場合、極数が違う電動機であっても筐体等は出来る限り同じものを使用し、同等出力では体格も類似する。

しかし、２極機、４極機、６極機といったように、回転速度が異なるものでは外扇ファン自体に要求される冷却能力が異なるため、外扇ファンはサイズが異なるものが使用される。この場合、外扇ファンは所望の性能が得られるものを適宜選択して組み込まれることになる。

例えば２極機と４極機を例に挙げると、２極機は高速回転のため外径が小さい外扇ファン、４極機は低速回転のため外径が大きい外扇ファン使用し、同等の冷却能力としている。このとき、外扇ファンは２極機と４極機とでそれぞれ異なるサイズのものを用意する必要があり、部品の共用化が困難になるという問題がある。

特許文献１では、電動機軸と外扇ファンとの連結に変速機を取り付けており、外扇ファンの減速が可能となっている。これにより、機械的構造によって冷却に必要な回転速度まで外扇ファンの減速が可能であるため、出力が異なる機種に同サイズの外扇ファンを用いても、減速比を各機種に対応した冷却能力を発揮するように調整するができる。したがって、部品の共用化も可能となると考えられる。また、不必要に回転速度を高める必要がないため、風切音による騒音の問題も低減されることになる。

しかし、外扇ファンは、外気を取り込んで電動機の筐体部分へと冷却風を供給するため、この作用上、回転中は常に外気を取り込んでいる。したがって、例えば、周囲に塵埃を多く含む環境で電動機が使用される場合、異物をともに吸い込んでしまい、信頼性確保が困難となってしまう。

例えば、特許文献１のように外気の吸込み部分の連結に変速機を用いる場合には、歯車の噛合い部分に異物が混入することが想定されるため、これを避けるには十分な保護構造を設けなければならない。このとき、部品共用化による低コスト化が図れず、却って高コスト化を招いてしまうという懸念がある。

特許文献２にはいわゆる非接触ギヤとして磁気ギヤが開示されているが、電動機において生ずる課題に関して考慮されていない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、騒音の低減を図りながらも、高効率化、信頼性確保、低コスト化を図った電動機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明では特許請求の範囲に記載の構成を採用する。その一例を示すならば、筐体に設けられて回転軸を支持する軸受と、前記回転軸の回転に伴って回転する外扇ファンと、前記回転軸の回転速度を減速させて前記外扇ファンに伝達する磁気減速機とを備えた電動機を特徴の一つとしている。

上記の本発明の構成において、より好適な具体的態様は、例えば以下の通りである。
（１）磁気減速機は、回転軸に連結される回転軸連結部と、外扇ファンに連結される外扇ファン連結部とを備えており、外扇ファン連結部が回転軸連結部よりも外周側に配置されること。
（２）外扇ファン連結部は軸受よりも大なる外径を備えており、軸受は外扇ファン連結部の軸方向の投影面内に収められて配置されること。
（３）外扇ファンは磁気減速機の外周側に形成されていること。

本発明によれば、騒音の低減を図りながらも、高効率化、信頼性確保、低コスト化を図った電動機を提供することができる。

本実施形態の第１実施例の電動機の説明図。 磁気減速機の詳細構造の説明図。 比較例１を示す図。 比較例２を示す図。 本実施形態を示す図。 本実施形態の要部拡大図。 本実施形態の第２実施例の電動機の説明図。

本実施形態の電動機は、減速機を用いて外扇ファンの回転速度を下げることが可能であるため、風切音に起因する騒音の低減を図ることができる。また、以下で説明するように、冷却に関わる損失が少なく、かつ非接触部品を使用していることから長寿命でメンテナンスフリーであり、ギヤから発生する騒音自体も低減できるという利点を持っている。このため、高効率化に寄与するだけではなく、信頼性の向上も可能となっている。

また、何らかの原因で外扇ファン部分に異物が入ってしまった場合でも、磁気歯車を使用しているためトルクリミッターの作用がはたらき、外扇ファンと電動機の回転軸の結合が解除されることで、電動機の急激な停止による衝撃や、外扇ファンの破損を軽減できる。

さらに、減速比の最適化により、極数の異なる同体格の電動機に対し、外扇ファンの共用化を図ることができ、部品管理面で有利である。このため、低コスト化にも大きく寄与することになる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

本発明の第１の実施形態は、電動機本体の反負荷側ブラケットに磁気減速機ユニットを固定し、電動機の反負荷側の軸に磁気歯車の入力側を直結させ、磁気歯車の出力側に電動機冷却用外扇ファンを取り付け、外扇及び磁気歯車ユニットを鋼板製カバーにて覆ったものである。

図１は第１の実施形態の電動機の説明図である。電動機の外殻を構成する筐体２（例えば、周方向の外周を覆うハウジングと軸方向の外周を覆うエンドブラケットとから構成される。）の周方向の外周部には冷却フィン１が放射状に設けられている。この冷却フィン１は電動機内部での生ずる熱を外気に放熱するために設けられている。

筐体２内には図示を省略した固定子と回転子を有しており、図示しない電源から固定子に巻き回されるコイルに供給される交流電流との相互作用により生ずる回転磁界によって、回転子が回転する。回転子は回転軸３が取り付けられており、図１中の右側に筐体２から突出する出力軸に負荷が連結されることで回転力が付与されることになる。

回転軸３は、筐体２（特にエンドブラケット）に設けられる軸受４によって回転可能に支持されている。回転軸３の反負荷側、すなわち、図１中の左側には、外扇ファン６が設置され、回転軸３が回転すると外扇ファン６が回転する。この外扇ファン６が回転することで冷却風が筐体２の外周部へと流通し、冷却フィン１と冷却風とが熱交換を行うことで電動機の冷却が行われる。

外扇ファン６はファンカバー５で覆われて保護される。ファンカバー５には吸気口（図示せず）が設けられており、吸気口から外気が取り込まれ、筐体２の外周部分へと送風が行われる。

本実施形態では、回転軸３と外扇ファン６との連結に磁気減速機７を採用している。この減速機７は磁気式である。磁気減速機７は、従来の機械式減速機（例えば特許文献１参照）に対し、非接触であることから、減速機より発生する騒音が無い。また内部摩擦抵抗が軸受部分しか無いため、最大効率が９５％近く得ることができ、極めて損失が少ないため、電動機に使用した場合、効率への影響が少なく、特に高効率モータに対して有効である。

また、何らかの原因により、外扇ファン部分に異物が入るなどして、強制的に回転を阻害するような事態が発生しても、磁気減速機を使用しているため、トルクリミッター効果が働き、回転軸と外扇ファンの結合を解除することができ、電動機及び外扇ファンの損傷を防ぐことができ、安全である。

図２は磁気減速機の詳細構造の説明図である。内周部には回転軸３と連結される回転軸連結部１１があり、外周部には外扇ファン６と連結される外扇ファン連結部８が存在している。この両連結部の間には、周方向に渡って複数の磁性体が配置されている中間伝達部１０が存在している。そして、これらの磁気の相互作用によって回転力が伝達される仕組となっている。

すなわち、回転軸連結部１１に周方向に渡って複数の磁極がＮＳ交互に配置される磁石１２、外扇ファン連結部８に周方向に渡って複数の磁極がＮＳ交互に配置される磁石９、及び、中間伝達部１０の三者の間で相互に磁力が作用することで非接触で回転力が伝達する。また、磁石９、磁石１２の磁極数比及び中間伝達部１０の磁性体数に応じて回転速度の設定が可能であり、本実施形態では外扇ファン連結部８において減速が可能となっている。

本実施形態での騒音低減作用について説明する。騒音低減可能な理由は以下の通りである。

一般に、ファンの発生する騒音ｄＢは、回転速度Ｎの５乗に比例し、
ｄＢ_２＝ｄＢ_１＋１０ｌｏｇ（Ｎ_２／Ｎ_１）^５ ・・・ （１）
という関係式で表せ、回転速度を下げることで大幅な騒音低減が可能であることがわかる。記号の添え字については変更前を１、変更後を２とする。

外扇ファンにより発生する風量Ｑは、回転速度に比例するため、
Ｑ_２＝（Ｎ_２／Ｎ_１）×Ｑ_１ ・・・ （２）
で表せる。また、同回転速度の場合、風量Ｑはファン径の２乗に比例するため、
Ｑ_２＝（Ｄ_２／Ｄ_１）^２×Ｑ_１ ・・・ （３）
で表せる。ここで、電動機の冷却に関しては、同じ電動機で同じ仕事をした場合の発熱量はほぼ同等であり、冷却に必要な風量も同等である。したがって、減速機を用いて外扇ファンの回転速度を下げた場合、外扇ファンの外径を大きくし、風量を調整する必要がある。

減速機を用いつつ同風量とするための外径Ｄは、（２）（３）の関係式より
Ｎ_２／Ｎ_１＝（Ｄ_１／Ｄ_２）^２ ・・・ （４）
という関係式が成り立つ。したがって、同一風量を狙った場合、
ｄＢ_２＝ｄＢ_１＋１０ｌｏｇ（Ｄ_１／Ｄ_２）^１０ ・・・ （５）
という関係式で表せる。この式より、減速機を用いて回転速度を下げつつ、同風量を確保できる外扇ファン外径にすることが、騒音低減効果があることが可能であることが言える。

次に外扇ファン７の共用化について述べる。

通常汎用モータに組み付けて使用する場合は、外扇ファンの外径がモータ外径以内に収まらなくてはいけないので、それ以上の外扇ファンを取り付けるということはなく、また、実際に使用されている外扇ファン外径についても、一番高回転である２極機に対し、４極機、６極機の外扇ファンの外径は、通常２倍を超えることは無い。したがって、現状では最大でも１／４程度の減速比があればよい。

以上より、電動機の回転速度に応じて減速比を選択することにより、極数が異なっても、回転速度比に応じた減速比を選択すればよい。したがって、極数が違えども同体格の電動機に対し、外扇ファンを共用化することが可能である。

また、これらの効果は、電動機の極数違いに対するものだけではなく、インバータ駆動により回転速度を変化させる場合にも有効であり、予め使用する回転速度がわかっていれば、その回転速度に合わせた減速比の磁気減速機を用いることで同様の効果が得られる。

次に、図３〜図５を用いて本実施形態の信頼性向上について述べる。具体的には周囲環境に塵埃が多い場合において、軸受４の保護に関する作用効果を述べる。図３は比較例１を示す図、図４は比較例２を示す図、図５は本実施形態を示す図である。なお、比較例１は外扇ファンが回転軸に直接取り付けられる場合、比較例２は機械式の減速機１３を用いて取り付けられる場合をそれぞれ示し、図５は磁気式減速機１４（図１の符号７と同じ）を用いた本実施形態を示している。

図中において示した矢印は冷却風の流れの概略を示している。外扇ファンは冷却風を生じさせるものであるから、外気から空気を吸込む形態となる。したがって、塵埃が周囲に存在していると、必ず塵埃を含む外気を保護カバーの中に取り込む。軸受４の部分に塵埃が入り込むと電動機そのものが機能不全となってしまうという課題がある。

図３に示す比較例１では、軸受４の部分を保護する構造が存在していないが、図４に示す比較例２では機械式減速機１３が軸受を覆うことになるため、この点で軸受が保護されることになる。しかし、何らかの要因で塵埃が機械式減速機１３に入り込むと減速機１３の噛合い部分が問題となる。すなわち、塵埃が軸受４の部分までに至らないまでも減速機１３それ自体が損傷してしまう。このとき、やはり電動機そのものが機能不全に陥るため、やはり信頼性の低下が懸念される。

他方、図５に示す本実施形態の場合、非接触式の磁気歯車を使用しているため、機械的な噛合い部分に塵埃が入りこんで機能不全となることはない。また、何らかの要因で動力伝達が阻害されたとしても、トルクリミッターの作用がはたらき、外扇ファンと電動機の回転軸の結合が解除される。したがって、電動機の急激な停止による衝撃や、外扇ファンの破損を軽減できる。

図６は本実施形態の要部拡大図である。本実施形態では軸受４よりも大きい外扇ファン連結部８を備えており、軸受４の軸方向の投影面を外扇ファン連結部８内に収めている。このため、外扇ファン連結部８の磁石部分の内側に回転軸連結部１１が位置し、塵埃の侵入ルートがラビリンス状に入り組む形状となる。これにより、軸受４の保護が図られるため、高い信頼性を実現することができる。

本発明の第２の実施形態を説明する。図７は第２の実施形態を示す図であり、要部の拡大図である。第１の実施形態との相違は、外扇ファンと磁気減速機のアウターロータを一体化したものであり、外扇ファン８及び磁気歯車ユニットを鋼板製カバーにて覆った点にある。この場合でも外扇ファンは磁気歯車ユニットの外周側に設けられ、軸受４を覆っているため、高い信頼性を確保しており、また、その他も第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。この例では、外扇ファン６が磁気式減速機７の外周側に取り付けられているため、軸方向の寸法を短縮可能としており、電動機のコンパクト化が可能となっている。

以上述べた本発明の実施形態は、２つの例に限定されるものではなく、磁気式減速機を用いて塵埃から電動機を保護可能なものであればいずれの形態を採用しても差し支えない。

１…冷却フィン、２…筐体、３…回転軸、４…軸受、５…ファンカバー、６…外扇ファン、７…磁気減速機、８…外扇ファン連結部、９…磁石、１０…中間伝達部、１１…回転軸連結部、１２…磁石、１３…機械式減速機、１４…磁気式減速機。

Claims (4)

1. 筐体に設けられて回転軸を支持する軸受と、前記回転軸の回転に伴って回転する外扇ファンと、前記回転軸の回転速度を減速させて前記外扇ファンに伝達する磁気減速機とを備え、
   前記磁気減速機は前記回転軸に連結する第１連結部と、前記外扇ファンに連結し前記第１連結部を覆う第２連結部と、を有する電動機。
2. 前記磁気減速機は、前記第２連結部が前記第１連結部よりも外周側に配置されることを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 前記第１連結部は前記軸受よりも大なる外径を備えているものである請求項２に記載の電動機。
4. 前記外扇ファンは前記磁気減速機の外周側に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の電動機。

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