JP5789554B2 - 電動機 - Google Patents

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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=dB+10log(N/N ・・・ (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、
=(N/N)×Q ・・・ (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、
=(D/D×Q ・・・ (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=(D/D ・・・ (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=dB+10log(D/D10 ・・・ (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の何れかに記載の電動機。
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