JP6220360B2 - ブラシレスモータおよび送風機 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータおよび送風機に関する。

ロータにスラスト力を作用させる構造が知られている。例えば、特許文献１には、回転子の永久磁石の着磁パターンを積層コアと対向してトルクを発生する駆動部と、磁気センサに位置信号磁束を与える位置検出部に軸方向に二分し、その境界部分に無着磁部分を設け、回転子は回路基板の方向に強力な磁気吸引力で引き付けられる構造が記載されている。特許文献２には、ベアリングブッシュに枢支されるロータの内面のロータマグネットを上方側マグネット素体と下方側マグネット素体とを一体的に結合したものから形成し、ロータマグネットの軸線方向の寸法をステータとほぼ同一とし、且つステータとロータマグネットとを相対向して配置し、上方側マグネット素体の磁気特性を下方側マグネット素体の磁気特性より高くする構造が記載されている。

特開平８−２４２５６９号公報 特開平１０−１７４３９８号公報

特許文献１に記載の構造は、ロータマグネットの特定の部分に無着磁部分を設ける必要がある。しかしながら、磁性体中では、着磁の際に磁束が広がるので、ロータマグネットの一部に境界の明確な無着磁部分を形成する着磁は容易ではない。特に、ロータマグネットが小さい場合は、無着磁部分を形成する着磁は技術的に困難となる。特許文献２に記載の構造は、２種類の磁石を用いるので、部品点数が増加し、製造コストの増加および部品コストが増加する。

このような背景において、本発明は、ロータにスラスト力が作用するブラシレスモータにおいて、製造し易く、また簡素な構造を有するものを得ることを目的とする。

本発明は、ステータコアおよびコイルを有するステータと、前記ステータに対向して中心軸の周りを回転するロータマグネットと、前記中心軸の方向における前記ロータマグネットの一方向側の端面に対向する磁気センサとを備え、前記ロータマグネットの前記ステータコアに対向する側の面には、前記中心軸の方向における前記ロータマグネットの中心から前記一方向側に偏った位置に、周溝が全周に渡って形成され、該周溝によって、前記ロータマグネットの軸方向の磁気中心が前記ステータの前記軸方向中心位置よりも前記一方向側とは反対側の他方向側にずれていることを特徴とするブラシレスモータ。

本発明では、前記中心軸の方向に垂直な方向から見て、前記周溝の前記一方向側の面が前記ステータコアの前記一方向側の面よりも前記磁気センサに近い位置にあり、かつ、前記ステータコアの前記一方向側の面が前記周溝と重なっている形態を含む。

また、前記中心軸の方向に垂直な方向から見て、前記周溝または前記段部が前記ステータコアと重ならないようにすることができる。

さらに、前記周溝の前記中心軸の方向の寸法Ｌ１と、前記周溝よりも前記一方向側にある前記ロータマグネットの部分の前記中心軸の方向の寸法Ｌ２とが、Ｌ１≧Ｌ２の関係を満たす構成にすることができる。

本発明は、上記のブラシレスモータを備えることを特徴とする送風機でもある。

本発明によれば、ロータにスラスト力が作用するブラシレスモータにおいて、製造し易く、また薄型化に有利な構造が提供される。

実施形態の断面図である。 実施形態の上面図である。 磁気スラスト力を調べた実験を説明する説明図である。 他の実施形態の断面図である。 他の実施形態の断面図である。

（構成）
図１には、実施形態である送風機１００の断面図が示され、図２には、回転軸の方向から見た上面図が示されている。送風機１００は、軸流ファンであり、ステータ２００とその外側で所定の中心軸（回転軸）の回りを回転するロータ３００とを備えたアウターロータ型のモータ構造を有している。なお、以下図１に関して、ステータコア１０２から中心軸方向に見て回路基板１０６の側を下、その反対方向を上として説明を行うが、実際の使用状態における送風機１００の向きは設置状況や使用状況に応じて任意に設定可能である。

ステータ２００は、ステータコア１０２とステータコア１０２の極歯に巻回されたステータコイル１０４を有している。ステータ２００は、筐体を構成するベース１０１に固定されている。ベース１０１は、樹脂製であり、外周を囲む外側筐体１０１ａと一体に形成されている。ベース１０１は、軸方向に延在した円筒形状の円筒部１０１ｂを有している。円筒部１０１ｂの外周には、ステータコア１０２が固定されている。ステータコア１０２は、電磁鋼鈑等の板状の軟磁性材料を軸方向で複数積層した構造を有し、周方向に沿って複数の極歯を備えている。ステータコア１０２の各極歯には、樹脂製のインシュレータ１０３を介してステータコイル（駆動コイル）１０４が巻回されている。なお、軸方向というのは、送風機１００の回転軸の方向であり、後述するシャフト１０９が延在する方向である。また、軸に垂直な方向というのは、軸方向に直交する方向のことである。

インシュレータ１０３には、金属製の端子ピン１０５が固定されている。端子ピン１０５の根本には、ステータコイル１０４の巻線の端部が絡げられ半田等により接続されている。端子ピン１０５は、後述する回路基板１０６に設けられた孔（スルーホール）を貫通し、半田付けにより回路基板１０６上の配線パターン（銅箔パターン）に接続されている。

インシュレータ１０３には、回路基板１０６が固定されている。回路基板１０６には、磁気センサの一例であるホールセンサ１０７が取り付けられている。ホールセンサ１０７は、後述するロータマグネット１１４の磁気を検出し、ロータ３００の回転を検出する。ホールセンサ１０７の出力から、ロータ３００の回転速度（回転数／秒）が検出される。図示省略されているが、回路基板１０６には、ホールセンサ１０７の周辺回路およびステータコイル１０４に流す駆動電流を制御する回路を構成する電子部品が搭載されている。また、回路基板１０６からは図示しない外部接続配線が引き出されている。

円筒部１０１ｂの内側には、軸受１０８が固定されている。軸受１０８は、滑り軸受であり、円筒形状を有し、その内側に回転する軸部材であるシャフト１０９を回転自在な状態で保持している。軸受１０８の下端は、円筒部１０１ｂの底の部分に配置された薄板リング形状のシャフト抜け止め板１２０に接触している。シャフト抜け止め板１２０は、軸受１０８によってベース１０１に押さえ付けられている。

シャフト１０９の先端は、円筒部１０１ｂ内側の底に配置されたスラスト板１１０に回転可能な状態で接触している。シャフト１０９の先端部近くには、周溝１０９ａが形成されており、この周溝１０９ａに嵌る状態で薄板リング形状のシャフト抜け止め板１２０が配置されている。

シャフト１０９には、ロータ３００が固定されている。ロータ３００は、羽根１１２を有したハブ１１１と一体化されており、ロータヨーク１１３およびロータマグネット１１４を有している。シャフト１０９の他端（図１の上端）には、樹脂製のロータハブ１１１が固定されている。ロータハブ１１１は、略カップ形状を有し、その周囲に羽根１１２が一体成型により形成されている。ロータハブ１１１の内側には、磁性材料により構成された円筒形状のロータヨーク１１３が固定され、ロータヨーク１１３の内側には、略円筒形状のロータマグネット１１４が固定されている。ロータマグネット１１４は、周方向に沿ってＳＮＳＮ・・と交互に異なる極性となるように着磁されている。

ロータマグネット１１４内周の下部（回路基板１０６近く）には、断面形状が矩形の周溝１１５が形成されている。周溝１１５は、周方向において一周した溝であり、その上端がステータコア１０２の下端面近くにあり、その下端はステータコア１０２の下端面から下方に離れた位置にある。すなわち、周溝１１５は、ステータコア１０２とごく一部で重なり、大部分がステータコア１０２と重ならない軸方向で下方にずれた位置に設けられている。周溝１１５の下部には、周溝１１５の上部と同じ径方向の肉厚を有したロータマグネット端部１１６があり、この部分の軸方向端面（図１の下面）がホールセンサ１０７に隙間を有した状態で対向している。

（周溝１１５の作用）
周溝１１５があることで、ロータマグネット１１４の軸方向における磁気中心は、周溝１１５がない場合に比較して図１の上方（スラスト板１１０から離れる方向）にずれる。一般的に、異なる極性の２つの磁石同士あるいは、磁石と磁性材料とを近接させた場合、互いに磁気中心が最も近接するように磁気吸引力が働く。この原理により、周溝１１５を設けることで、ステータコア１０２とロータマグネット１１４との間に軸方向における吸引力、つまり上方にずれたロータマグネット１１４の磁気中心を下方に動かそうとする力が発生する。この力は、ロータハブ１１１、ロータヨーク１１３およびロータマグネット１１４と一体となったシャフト１０９をスラスト板１１０に押し付ける力となる。シャフト１０９がスラスト板１１０に磁力で押し付けられることで、送風機１００の上下をひっくり返してもロータハブ１１１が軸方向でガタつかず、動作時の振動が抑えられる。

すなわち、送風機１００の中心軸方向に沿って、ステータコア１０２の軸方向における中心に向かうようにロータマグネット１１４の軸方向における磁気中心が引き寄せられることでロータマグネットにスラスト力が働くが、周溝１１５をロータマグネット１１４の軸方向における中心からスラスト板１１０の方向に偏った位置に設けると、ロータマグネット１１４の軸方向における磁気中心は周溝１１５が存在しない場合に比較して図１の上方向に移動する。この結果、ロータマグネット１１４が図１の下方向、すなわちスラスト板１１０の方向に向かってステータコア１０２に引き寄せられ、上記のスラスト力が働く。このスラスト力により、シャフト１０９がスラスト板１１０に押し付けられる。

なお、周溝１１５が無くても後述する図３のサンプル１（比較例）のような構造の場合、ロータマグネット１１４の位置がステータコア１０２に対して上方にずれているので、ロータマグネット１１４の磁気中心が上方にずれ、ロータマグネット１１４が下方に引き寄せられるスラスト力が生じる。しかしながら、ロータマグネット１１４を図３の下方に引き寄せるスラスト力が不足している場合、この構造で当該スラスト力を高めるためには、ロータマグネット１１４を更に上方に延在させる必要がある。その結果、ブラシレスモータ、ひいては送風機１００の軸方向の寸法大きくなってしまい、薄型化の点で不利となる。周溝１１５を設けた場合、ロータマグネット１１４の軸方向の寸法を大きくせずに磁気中心を上方に移動させることができるので、ブラシレスモータの軸方向の寸法を大きくしなくとも必要とする値のスラスト力（ロータマグネット１１４を図３の下方に引き寄せるスラスト力）を得ることができる。

なお、図３のサンプル１の構造において、ロータマグネット１１４を上方にずらして配置すると、ロータマグネット１１４を下方に引き寄せるスラスト力は増加する。しかしながら、そうするとホールセンサ１０７とロータマグネット１１４との間の距離が大きくなり、ホールセンサ１０７によるロータマグネット１１４の回転を検出する機能が損なわれる。周溝１１５を設けた場合、ロータマグネット端部１１６の位置を変えることなく、このロータマグネット端部１１６をホールセンサ１０７に近接させたまま磁気中心を上方へ移動させることができるので、ホールセンサ１０７によってロータマグネット１１４の回転を検出する機能が損なわれない構造が得られる。

以上述べたように、周溝１１５を設けることで、ロータマグネット１１４の軸方向の寸法を大きくすることなく、またホールセンサ１０７による回転検出機能を損なうことなく、ロータマグネット１１４を図３の下方に十分な力で引き寄せることができる構造が得られる。

（実験結果）
以下、周溝１１５の適切な位置を調べる実験について説明する。図３には、ステータコア１０２と周溝１１５の位置関係が概念的に示されている。下記表１には、図３に示すサンプル１、サンプル２−１、サンプル２−２、サンプル２−３、サンプル２−４におけるスラスト力（表1のスラスト力は溝がないロータマグネットのスラスト力を１とした場合の各サンプルのスラスト力の相対値である）を調べた結果が示されている。ここで、スラスト力は、ステータ１０２がロータマグネット１１４を図３の下方向に引く力、すなわちスラスト板１１０にシャフト１０９が押し付けられる力である。

表１から明らかなように、周溝１１５を設けることで、ロータマグネット１１４を図３の下の方向に押し付けるスラスト力が発生する。

なお、周溝１１５とステータコア１０２とが軸方向で完全に重なると、そうではない場合のようにスラスト力は大きく増加しない（サンプル２−４を参照）。これは、周溝１１５の下に残るロータマグネット端部１１６が生成する磁力の影響が大きくなり、ロータマグネット１１４の軸方向における磁気中心の上方への移動が小さくなるからであると考えられる。しかし、それでも周溝が無い場合と比較するとスラスト力は２倍以上増加している。

したがって、スラスト力を高めるためにはロータマグネット１１４に周溝１１５を追加することが好ましい。さらに、周溝１１５の軸方向の幅寸法をＬ１、図３において周溝１１５よりも下側（スラスト板１１０の側）にあるロータマグネット１１４の部分の軸方向の寸法をＬ２とすると、表１の結果から、Ｌ１≧Ｌ２を満たす構造がより好ましいと結論される。Ｌ１よりＬ２が大きくなるにつれて、または周溝１１５の中心位置が上方に移動するにつれて、ロータマグネット１１４の磁気中心が上方への移動が小さくなり、ロータマグネット１１４を図３の下の方向に押し付けるスラスト力の増加が小さくなる。言い換えると、Ｌ１よりＬ２が大きくなると、Ｌ２の部分をステータコア１０２の方向（上の方向）に引き付ける磁力が大きくなるため、全体としてはロータマグネット１１４を図３の下の方向に押し付けるスラスト力を弱めることになる。また、スラスト力の増加を得るためには、周溝１１５の中心位置はロータマグネット１１４の軸方向中心から下側に偏った位置にあることが必要である。

ところで、図３のサンプル２−２，２−３，２−４は、軸に垂直な方向から見て、ステータコア１０２と周溝１１５が重なっている。これらの構造では、一部とはいえステータコア１０２とロータマグネット１１４との距離が大きくなる部分が生じるので、有効利用されない磁束が生じ、モータとしての効率は低下する。よって、モータ効率の点では、ステータコア１０２と周溝１１５とが軸方向で重ならないサンプル２−１の構造が好ましい。

（効果）
ロータマグネットの軸方向中心がステータに対して軸方向にずれた従来の構造であればロータマグネットへのスラスト力を発生させることは可能である。しかしながらこの従来構造では、ロータマグネットをステータに対してずらして配置させる分の軸方向のスペースが必要なため、薄型化の点で不利であった。これに対して、上述したロータマグネットの内周面の軸方向の一端側に偏った位置に周溝を形成する構造は、ロータマグネットの軸方向における寸法の増大を抑えつつ、ロータに十分なスラスト力を作用させることができる。

また、ロータマグネットの内周面の軸方向で偏った位置に周溝を形成する構造は、ロータマグネットの一端部をホールセンサに近接させることができるので、ロータマグネットの回転を検出する機能が損なわれない。更にこの構造は、ロータマグネットの内周面に溝を形成するだけであるので、製造が容易であり、また部品点数が増えることもない。

（その他）
図４は、ロータマグネット１１４内側の下端に周方向に沿って連続した段部（切欠き部）１１７を形成した場合の例である。この場合も、ホールセンサ１０７が検知する磁力が生成されるようにし、且つ、ロータマグネット１１４の軸方向における磁気中心を図５の上方に偏らせた構造が得られ、シャフト１０９がスラスト板１１０に押し付けられる。

また、図４の構造では、段部１１７が形成されることで残存した薄肉部１１８の軸方向端面がホールセンサ１０７に対向するように、ホールセンサ１０７の位置が調整されている。薄肉部１１８の軸方向端面がホールセンサ１０７に対向する位置関係とすることで、ロータの回転を確実にホールセンサ１０７で検出できる。なお、段部１１７がステータコア１０２と軸方向で重ならない構造も可能である。

図５は、周溝１１５の断面形状を略Ｕ字型とした場合の例である。この場合も図１の構造と同様の作用が得られる。このように、周溝１１５の断面形状は矩形以外の任意の形状を選択することが可能であり、たとえばＶ字型等も可能である。

上記の例では、ロータが外側に位置するアウターロータ型ブラシレスモータの場合を説明したが、外側にステータを配置し、内側にロータを配置したインナーロータ型に本発明を適用することも可能である。

１０１…ベース、１０１ａ…外側筐体、１０１ｂ…円筒部、１０２…ステータコア、１０３…インシュレータ、１０４…ステータコイル、１０５…端子ピン、１０６…回路基板、１０７…ホールセンサ、１０８…軸受、１０９…シャフト、１０９ａ…周溝、１１０…スラスト板、１１１…ロータハブ、１１２…羽根、１１３…ロータヨーク、１１４…ロータマグネット、１１５…周溝、１１６…ロータマグネット端部、１１７…段部、１２０…シャフト抜け止め板、２００…ステータ、３００…ロータ。

Claims (5)

1. ステータコアおよびコイルを有するステータと、
   前記ステータに対向して中心軸の周りを回転するロータマグネットと、
   前記中心軸の方向における前記ロータマグネットの一方向側の端面に対向する磁気センサと
   を備え、
   前記ロータマグネットの前記ステータコアに対向する側の面には、前記中心軸の方向における前記ロータマグネットの中心から前記一方向側に偏った位置に、周溝が全周に渡って形成され、該周溝によって、前記ロータマグネットの軸方向の磁気中心が前記ステータの前記軸方向中心位置よりも前記一方向側とは反対側の他方向側にずれていることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記中心軸の方向に垂直な方向から見て、前記周溝の前記一方向側の面が前記ステータコアの前記一方向側の面よりも前記磁気センサに近い位置にあり、かつ、前記ステータコアの前記一方向側の面が前記周溝と重なっていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記中心軸の方向に垂直な方向から見て、前記周溝が前記ステータコアと重ならないことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
4. 前記周溝の前記中心軸の方向の寸法Ｌ１と、前記周溝よりも前記一方向側にある前記ロータマグネットの部分の前記中心軸の方向の寸法Ｌ２とが、Ｌ１≧Ｌ２の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のブラシレスモータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のブラシレスモータを備えることを特徴とする送風機。

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