JP6180020B2 - 軸流ファンモータ - Google Patents

Description

本発明は軸流ファンモータに関する。

家電製品・通信機器・サーバー関係の冷却には送風機が使用される（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特許文献１の図２Ｄに開示された送風機では、吸込み口側及び吹出し口側の開口を広く取り風量を増加させるために、吸込み口側のケーシング外枠の内周部を吸込み口側に向かって外側へ傾斜させると共に、吹出し口側のケーシング外枠の内周部も吹出し口側に向かって外側に傾斜させている。

また、特許文献１の図３Ａに開示された送風機では、上記とは別に、ケーシング外枠の内周部を吸込み口側から吹出し口側に向かって中心軸方向に傾斜させ、中心軸方向に風を向けることで中心付近の電子機器により多くの風量を送ろうとしている。
なお、特許文献１の送風機のベース部ハブの外周部はストレート構造に形成されている。
つまり、ベース部ハブの外周部は吹出し口に向かって中心軸に沿った直線的な外径形状に形成されている。

さらに、特許文献２に開示された送風機では、ベース部ハブの外周部を吹出し口側に向かって中心軸方向に傾斜させることによって、吹出し口側の開口を広げ風量を増加させようとしている。
なお、特許文献２の送風機のケーシング外枠の内周部はストレート構造に形成されている。
つまり、ケーシング外枠の内周部は吸込み口側から吹出し口側に向かって中心軸に沿った直線的な内径形状に形成されている。

特開２００４−３１６６２５号公報 特開２００３−３１４４９９号公報

ところで、送風機では、一般に、動作点として中風量の領域（０．５〜１．０ｍ^３／分）が使用される場合が多く、このため中風量の領域で高い静圧効率（＝（静圧×風量）／消費電力）と低い消費電力とが求められる場合が多い。
特許文献１及び特許文献２に開示されるように、吹出し口側の開口を広く取った場合、それに見合うだけの風量が得られる高風量の領域では、それなりの静圧が得られるので静圧−風量特性が向上する。
その結果、高風量の領域の静圧効率は向上するが、中風量の領域の静圧効率はほとんど改善されないか、低下する傾向にある。

一方で、消費電力の面で考えると、特許文献１の図２Ｄのような吹出し口側のケーシング外枠の内周部を吹出し口側に向かって外側に傾斜させた場合、その内周部に沿って外側に広がるような気流が形成されることから、吹出し口側から出た気流は外側に広がり、消費電力を費やした割には風量が得られない。

また、特許文献２のようなケーシング外枠の内周部がストレート構造の場合、この内周部は、前述した通り、中心軸に沿った直線的な内径形状となっているため、その内周部に沿った気流は、中心軸に沿った直線的な流れになる。
従って、この気流は、中心軸方向に向いておらず、外側に広がりやすい気流となる。
そして、そのような外側に広がりやすい気流は、吹出し口端部の内周部のエッジの影響を受けて、吹出し口近傍で渦を巻くような気流となる。
この渦を巻くような気流は吹出し口方向へ流れようとする気流と干渉を起こすので、その結果、流れを阻害する要因（空気抵抗）となる。
このような空気抵抗が発生すると、モータにかかる負荷が増大するため消費電力が上昇する。

また、特許文献１の図３Ａに示される構造では、ケーシング外枠の内周部を吸込み口側から吹出し口側に向かって中心軸方向に傾斜させているが、中心軸方向に寄せられた気流は中心部にあるベース部ハブの外周部のストレート構造に沿って流れる。
この外周部は、前述した通り、中心軸に沿った直線的な外径形状となっているため、その外周部に沿った気流は、中心軸に沿った直線的な流れになる。
一方で、ケーシング外枠の内周部は気流を中心軸方向に寄せるように形成されているので外側から中心軸方向に向かう気流も存在する。
このような内側に存在する中心軸に沿った直線的な気流と、外側から中心軸方向に向かう気流とが混在して吹出し口端部から噴出すると、それらの気流は干渉し、吹出し口近傍で気流が乱れるので、気流が吹出し口からスムーズに噴出するのを阻害する要因（空気抵抗）となる。
このような空気抵抗が発生すると、モータにかかる負荷が増大するため消費電力が上昇する。

なお、特許文献１の図３Ａに示される構造では、上記で述べたように、内側に存在する中心軸に沿った直線的な気流が、中心軸方向に向かう気流の流れを阻害するので、中心軸方向への集風効果は限定的であると考えられ、このため中心付近の電子機器に風を送る効果は、それほど大きくないと考えられる。

このことから、上記従来の送風機では、消費電力の絶対量で見れば、消費電力が上昇する。
従って、上記従来の送風機を中風量の領域で使用する場合、前述したように、静圧効率がほとんど改善されないか、低下するにも関わらず、消費電力自体の絶対量が多く、ランニングコストが高くなるという問題がある。
また、冷却能力という点からすれば、より効率よく気流を中心軸方向へ集風し、中心付近の電子機器に送りたいという課題もある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、中風量の領域で、従来と同等以上の静圧効率であって消費電力の絶対量を抑制すると共に、中心付近に風を効率よく供給できる軸流ファンモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、（１）本発明の軸流ファンモータは、アウターロータ型の軸流ファンモータであって、ケーシング外枠と、前記ケーシング外枠の空気の吸込み口側に設けられ、ロータハウジングとその外周に設けられた羽根とを有するインペラと、前記インペラの中心に設けられ、その回転軸となるロータシャフトと、前記ロータハウジングの内側であって前記ロータシャフトの外周に設けられ、前記ロータシャフトを回転自在に支持する軸受ハウジングと、前記ケーシング外枠の空気の吹出し口側に設けられ、前記軸受ハウジングを固定するベース部ハブとを備え、前記回転軸に沿った断面視において、前記ベース部ハブが、前記回転軸に平行な直線に対して、前記吹出し口側に向かって、角度θ１で前記回転軸側に少なくとも部分的に傾斜する外周部を有し、前記ケーシング外枠が、前記回転軸に平行な直線に対して、前記吹出し口側に向かって、角度θ２で前記回転軸側に少なくとも部分的に傾斜する内周部を有する。
（２）上記（１）の発明において、前記角度θ１が前記角度θ２以上である。

本発明によれば、中風量の領域で、従来と同等以上の静圧効率であって消費電力の絶対量を抑制すると共に、中心付近に風を効率よく供給できる軸流ファンモータを提供することができる。

軸流ファンモータの全体構成を示す縦断面図である。 図１のＡ部分の拡大図であり、第１実施形態の構造の説明図である。 図１のＡ部分の拡大図であり、比較例１の構造の説明図である。 図１のＡ部分の拡大図であり、比較例２の構造の説明図である。 第１実施形態、比較例１及び比較例２の静圧−風量特性及び消費電力を示すグラフである。 第１実施形態、比較例１及び比較例２の静圧効率及び消費電力を示すグラフである。 図１のＡ部分の拡大図であり、比較例３の構造の説明図である。 図５のグラフに比較例３のデータを加えたグラフである。 図６のグラフに比較例３のデータを加えたグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施する形態（以下、「実施形態」と称する）について説明する。なお、実施形態の説明では全体を通して、同じ要素には同じ番号を付与している。

（軸流ファンモータの全体構成）
先ず、軸流ファンモータ１００の全体構成を図１に基づいて説明する。
図１は軸流ファンモータ１００の全体構成を示す縦断面図である。
図１に示すように、軸流ファンモータ１００は、インペラ１０と、ロータシャフト２０と、軸受ハウジング３０と、ステータ４０と、ロータ５０と、ケーシング６０とを備えている。
インペラ１０は、ロータハウジング１１の外周に羽根１２が設けられている。
また、インペラ１０の中心には、回転軸となるロータシャフト２０が固定されている。

ステータ４０は、軸受ハウジング３０の外周にインシュレータ４１とステータコア４２とコイル４３とによって構成されている。
ロータ５０は、ロータハウジング１１の内側に一体的に設けられたロータヨーク５１と、そのロータヨーク５１の内側に装着されたロータマグネット５２によって構成されている。

なお、上記では、ロータヨーク５１は、ロータハウジング１１の内側に一体的に設けた場合を示しているが、ロータハウジング１１の内側に装着するようにしてもよい。
また、ロータシャフト２０は、ロータヨーク５１に装着されるようにしてロータハウジング１１の中心に固定されているが、ロータハウジング１１に直接固定するようにしてもよい。

ケーシング６０は、インペラ１０の外周を覆うケーシング外枠６１と軸受ハウジング３０を固定するベース部ハブ６２とケーシング外枠６１とベース部ハブ６２とを連結する静翼６３とからなる。
なお、上記では、ケーシング外枠６１とベース部ハブ６２とが、静翼６３で連結されている場合を示しているが、ケーシング外枠６１とベース部ハブ６２とは、連結シャフトのような棒状の構造で連結されていてもよい。
また、軸受ハウジング３０は、ケーシング６０を樹脂で射出成形するときに、ベース部ハブ６２に一体化するように固定してもよいが、先にケーシング６０を成形しておき、後からベース部ハブ６２の部分に固定するようにしてもよい。

そして、ステータ４０とロータ５０とでモータ部７０が構成されており、電源部（図示せず）からコイル４３に電流を供給することにより、軸受ハウジング３０内に回転自在に支持されたロータシャフト２０を回転軸としてインペラ１０が回転する、いわゆるアウターロータ型の軸流ファンモータ１００が構成されている。

また、軸流ファンモータ１００は、図１で見て上側が吸込み口側１であり、下側が吹出し口側２である。
従って、軸流ファンモータ１００は、ケーシング外枠６１の空気の吸込み口側１にインペラ１０が設けられ、吹出し口側２にベース部ハブ６２が設けられている。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の軸流ファンモータ１００について、さらに、図２に基づいて説明する。
図２は、図１のＡ部分の拡大図であり、第１実施形態の構造の説明図である。
図２に示される点線Ｌは、回転軸（ロータシャフト２０）に平行な直線を示したものである。
図２を見るとわかるとおり、ベース部ハブ６２の外周部６５は、吹出し口側２の一部が点線Ｌに対して吹出し口側２に向かって角度θ１で回転軸側に傾斜するように形成されている。
また、ケーシング外枠６１の内周部６７も、吹出し口側２の一部が点線Ｌに対して吹出し口側２に向かって角度θ２で回転軸側に傾斜するように形成されている。
なお、角度θ１及び角度θ２に関しては、回転軸に平行な直線（点線Ｌ）を基準として回転軸側への角度となる場合をプラス、反対に外側方向への角度となる場合をマイナスとする。

従って、単に、ベース部ハブ６２の外周部６５だけを回転軸側に傾斜させると、吹出し口側２の開口が広がることになるが、ケーシング外枠６１の内周部６７も同様に回転軸側に傾斜させているので吹出し口側２の開口は、風量を得るために開口を広げている従来構造のように広くなっていない。
従って、従来の構造のように、開口広さに見合う風量を得るために高風量とする必要はなく、風量が少なくても静圧が得やすいので風量が少ない領域側での静圧効率の低下傾向が抑制される。

図２に示されるように、軸流ファンモータ１００では、ケーシング外枠６１の内周部６７が、吹出し口側２に向かって、回転軸側（中心軸方向）に傾斜するようになっているため、この内周部６７に沿って流れる気流は回転軸側（中心軸方向）に向かう気流となるので、外側に広がり難い。
従って、前述した吹出し口端部の内周部６７のエッジの影響を受けて、吹出し口近傍で渦を巻くような気流が発生するのを抑制することができる。

さらに、軸流ファンモータ１００では、ケーシング外枠６１とベース部ハブ６２とで形成される吹出し口側２の空気の流路８０が回転軸側（中心軸方向）に向かうように形成されている。
このため、気流全体が回転軸側（中心軸方向）に向かう流れとなるが、一方で、ベース部ハブ６２の外周部６５も、吹出し口側２に向かって回転軸側（中心軸方向）に傾斜しているため、この外周部６５に沿った気流も回転軸側（中心軸方向）への流れとなる。
従って、この外周部６５に沿った気流は、回転軸側（中心軸方向）に向かう気流全体の流れと干渉しないので、前述した吹出し口近傍の気流の乱れが抑制される。

このように、軸流ファンモータ１００では、吹出し口近傍での渦を巻くような気流や、気流の乱れに伴う空気抵抗の発生が抑制される。
従って、空気抵抗に伴うモータへの負荷が減少するため、消費電力が抑制される。

さらに、上述の通り、外周部６５に沿った気流も、気流全体の流れも、共に回転軸側（中心軸方向）に向かう流れとなっているため、気流が吹出し口からスムーズに回転軸側（中心軸方向）へ噴出する。
従って、気流は、効率よく回転軸側（中心軸方向）へ集風されるため、効率よく中心付近の電子機器等に送られる。

以下では、図２から図６を参照しながら、第１実施形態の軸流ファンモータ１００について、従来のように吹出し口側の開口を広く取った構造とした比較例１の軸流ファンモータ２００及び比較例２の軸流ファンモータ３００と対比しながら、さらに、詳細に説明する。
なお、以下の比較例１の軸流ファンモータ２００及び比較例２の軸流ファンモータ３００の説明に際しては、既に説明した本発明の第１実施形態の軸流ファンモータ１００と異なる構成部分について主に説明し、同じ構成部分については説明を割愛する場合がある。

先ず、第１実施形態の軸流ファンモータ１００（図２参照）、比較例１の軸流ファンモータ２００（図３参照）及び比較例２の軸流ファンモータ３００（図４参照）の構造について説明する。
図３及び図４は、それぞれ図１のＡ部分の拡大図である。
図３は比較例１の軸流ファンモータ２００の構造の説明図であり、図４は比較例２の軸流ファンモータ３００の構造の説明図である。

第１実施形態、比較例１及び比較例２は、いずれもベース部ハブ６２の外周部６５を同じプラスの角度θ１とすることで吹出し口側２に向かって回転軸側に傾斜させた構造としている。

一方、第１実施形態、比較例１及び比較例２は、それぞれケーシング外枠６１の内周部６７の傾斜の角度θ２を変更している。
具体的には、図２に示される第１実施形態の軸流ファンモータ１００の構造は、外周部６７の傾斜の角度θ２を角度θ１と同じ角度（θ１＝θ２）としている。
つまり、吹出し口側２に向かう外周部６７と内周部６５とが互いに平行な壁面となるようにしている。

一方、図３に示される比較例１の軸流ファンモータ２００の構造は、外周部６７の傾斜の角度θ２をマイナスとし、吹出し口側２に向かって外周部６７を外側に傾斜させた構造である。
この場合、従来のように吹出し口側２の開口を広くした構造となっている。
より具体的には、図３に示されるように、流路８０が吹出し口側２に向かってラッパ状に広がり、吹出し口側２の開口が広くなっている。

また、図４に示される比較例２の軸流ファンモータ３００の構造は、外周部６７が傾斜せずストレートの構造、つまり、回転軸に平行な直線に対して角度θ２が０度となるようにしている。
この場合も、従来のように吹出し口側２の開口を広くした構造となっている。
より具体的には、図４に示されるように、外周部６７は傾斜せずストレートであるが、内周部６５が吹出し口側２に向かって回転軸側に傾斜しているので、流路８０は吹出し口側２に向かって広がり、吹出し口側２の開口が広くなっている。

次に、第１実施形態、比較例１及び比較例２の特性について図５及び図６を参照しながら説明する。
図５は、第１実施形態、比較例１及び比較例２の静圧−風量特性及び消費電力を示すグラフであり、横軸に風量[ｍ^３／分]、左縦軸に静圧[Ｐａ]、右縦軸に消費電力[Ｗ]を取っている。

図５に示されるように、一般に、動作点として使用される中風量の領域（０．５〜１．０ｍ^３／分）において、約０．８（ｍ^３／分）の風量を境に、風量が少ない範囲では、第１実施形態は、比較例１及び比較例２よりも高い静圧が得られており、静圧−風量特性が向上している。
一方、消費電力に注目すると、中風量の領域（０．５〜１．０ｍ^３／分）だけでなく、ほぼ全域にわたって消費電力は低減されていることがわかる。

次に、この特性で得られる静圧効率を図６に示す。
なお、静圧効率[％]は、静圧効率[％]＝（（静圧[Ｐａ]×風量[ｍ^３／分]）／消費電力[Ｗ]）×１．６６６２で求めることができる。
上記式で求められる静圧効率は、一般的に用いられているものであり、詳細な説明は割愛するが、簡単なイメージとしては、インペラを回転させるために投入された消費電力（エネルギー）のうち、どの程度の割合のエネルギーが気流に変換されているかを求めたものである。従って、静圧効率が高いと効率が良い軸流ファンモータであることを意味する。

図６は、第１実施形態、比較例１及び比較例２の静圧効率及び消費電力を示すグラフであり、横軸に風量[ｍ^３／分]、左縦軸に静圧効率[％]、右縦軸に消費電力[Ｗ]を取っている。
図５を参照して述べた通り、風量が約０．８（ｍ^３／分）よりも少ない範囲では、第１実施形態は、比較例１及び比較例２よりも静圧−風量特性が向上しており、かつ、消費電力[Ｗ]も低減されている。
従って、風量が約０．８（ｍ^３／分）以下の範囲では、図６に示されるように、第１実施形態は、比較例１及び比較例２よりも、明らかに静圧効率が向上している。
このことから、風量が約０．８（ｍ３／分）以下の範囲では、第１実施形態は、比較例１及び比較例２より高い静圧効率を達成しつつ、使用される消費電力の絶対量も低減されていることがわかる。

一方、図５に示されるように、風量が約０．８から１．０（ｍ^３／分）の範囲では、第１実施形態は、比較例１及び比較例２よりも、若干、静圧−風量特性が低くなっている。
しかしながら、この領域においても、図５及び図６に示される通り、第１実施形態は、比較例１及び比較例２よりも低い消費電力が達成されている。
この結果、図６に示される静圧効率は、第１実施形態の方が比較例１よりも、明らかに向上している。
また、第１実施形態は、比較例２とほぼ同じ静圧効率が得られており、従って、ほぼ同じ静圧効率を達成しつつ、使用される消費電力の絶対量が低減されていることがわかる。

以上のことから、第１実施形態の軸流ファンモータ１００は、中風量の領域（０．５〜１．０ｍ^３／分）の全域で、従来の吹出し口側の開口を広くした軸流ファンモータと比較して同等以上の静圧効率でありながら使用される消費電力の絶対量が少なく、ランニングコストが低減できることがわかる。

さらに、比較例３の軸流ファンモータ４００について、図７から図９を参酌しながら説明する。
図７は、図１のＡ部分の拡大図であり、比較例３の構造の説明図である。
第１実施形態の軸流ファンモータ１００では、角度θ１と角度θ２とを同じ角度（θ１＝θ２）としたが、図７に示される比較例３の構造では、角度θ２を角度θ１よりも５度大きくした角度（θ２＝θ１＋５°）としている。
つまり、比較例３は、第１実施形態よりも、さらにケーシング外枠６１の内周部６７を回転軸側に傾斜させた構造となっている。

以下、図８及び図９を参照して、この比較例３の特性について説明する。
図８は、図５に示したグラフに、さらに比較例３のデータを加えたグラフであり、同様に、図９は、図６に示したグラフに、さらに比較例３のデータを加えたグラフである。

図８に示される通り、比較例３は、中風量の領域（０．５〜１．０ｍ^３／分）の消費電力は、第１実施形態より低減されているものの、約０．７５（ｍ^３／分）以上の範囲での静圧−風量特性の低下が見られる。
その結果、図９に示されるように、比較例３は、風量が約０．７５（ｍ^３／分）以上の範囲では、風量が増えるにつれて静圧効率が大幅に低下していく傾向が見られ、風量が約０．７５〜１．０（ｍ^３／分）の領域で第１実施形態よりも静圧効率が低くなっている。

以下では、角度θ１及び角度θ２に関して、さらに説明する。
前述した通り、第１実施形態と比較例２とは、角度θ１は同じであり、一方、比較例２は角度θ２を０度としたのに対し、第１実施形態は、それより大きい角度、具体的には角度θ１＝角度θ２としている。

この場合、図９に示されるように、中風量の領域（０．５〜１．０ｍ^３／分）では、第１実施形態は、比較例２とほぼ同等以上の静圧効率が得られている。
また、消費電力に注目すると、第１実施形態は比較例２よりも消費電力の絶対量が低減されていることから、第１実施形態は比較例２よりも良好な結果が得られているといえる。
ここで、静圧効率と消費電力は、０度を超えて角度θ２を角度θ１に近づけると、比較例２の特性から第１実施形態の特性に近づいていくことが予想される。
このことから、角度θ２は、０度より大きくし、角度θ１に近づけることで従来と同等以上の静圧特性でありながら消費電力の絶対量を低く抑えた軸流ファンモータが得られると考えられる。

一方、第１実施形態と比較例３とは、やはり角度θ１は同じであるが、比較例３の角度θ２は角度θ１＋５度とされており、角度θ１と角度θ２とが等しい第１実施形態よりも角度θ２を大きくしたものになっている。
この場合、図９に示されるように、消費電力に関しては第１実施形態と同等以上に絶対量を低く抑えることができているが、風量が約０．７５（ｍ^３／分）を超えた領域では、風量が増加するにつれて第１実施形態よりも大幅に静圧効率が低下する傾向になっている。
このことから、中風量の領域（０．５〜１．０ｍ^３／分）の全域で静圧効率が良く、消費電力の絶対量を低く抑えるためには、角度θ２は角度θ１以下に設定することが好ましいと考えられる。

さらに、角度θ１に関しては、角度θ１＝０度とすると、従来技術で説明したベース部ハブの外周部がストレート構造の場合と同じ形状となる。
このため、前述したように、効率よく回転軸側（中心軸方向）へ集風する効果が得られなくなると共に、吹出し口近傍の気流の乱れによる空気抵抗の発生によって、モータに負荷がかかり、消費電力が上昇することが予想される。
このことから、角度θ１は０度より大きくすることが好ましい。
以上のことから、角度θ１、角度θ２は、θ１＞０度、θ２＞０度で、且つ、θ１≧θ２とすることが好ましいと考えられる。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。また、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ インペラ
１１ ロータハウジング
１２ 羽根
２０ ロータシャフト
３０ 軸受ハウジング
４０ ステータ
４１ インシュレータ
４２ ステータコア
４３ コイル
５０ ロータ
５１ ロータヨーク
５２ ロータマグネット
６０ ケーシング
６１ ケーシング外枠
６２ ベース部ハブ
６３ 静翼
６５ 外周部
６７ 内周部
７０ モータ部
８０ 流路
１００，２００，３００，４００ 軸流ファンモータ

Claims (2)

1. アウターロータ型の軸流ファンモータであって、
   ケーシング外枠と、
   前記ケーシング外枠の空気の吸込み口側に設けられ、ロータハウジングとその外周に設けられた羽根とを有するインペラと、
   前記インペラの中心に設けられ、その回転軸となるロータシャフトと、
   前記ロータハウジングの内側であって前記ロータシャフトの外周に設けられ、前記ロータシャフトを回転自在に支持する軸受ハウジングと、
   前記ケーシング外枠の空気の吹出し口側に設けられ、前記軸受ハウジングを固定するベース部ハブと、
   前記ケーシング外枠と前記ベース部ハブを連結する静翼と、を備え、
   前記回転軸に沿った断面視において、
   前記ベース部ハブが、前記回転軸に平行な直線に対して、前記吹出し口側に向かって、角度θ１で前記回転軸側に少なくとも部分的に傾斜する外周部を有し、
   前記ケーシング外枠が、前記回転軸に平行な直線に対して、前記吹出し口側に向かって、角度θ２で前記回転軸側に少なくとも部分的に傾斜する内周部を有し、
   前記角度θ１が前記角度θ２以上であり、
   前記ケーシング外枠、前記静翼及び吹出し側の端面を含む前記ベース部ハブが一体形成されていることを特徴とする軸流ファンモータ。
2. 前記外周部及び前記内周部の傾斜がほぼ直線状であることを特徴とする請求項１に記載の軸流ファンモータ。