JP6632927B2 - 回転装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転装置に関する。

回転軸に冷却ファンが取り付けられた回転装置が知られている。この回転装置では、冷却ファンによって回転装置本体に送風することにより、回転装置本体を冷却する。従来では、例えば特許文献１に記載されるような回転装置が提案されている。

特開平１１−２８９７１６号公報

特許文献１に記載されるような回転装置によれば、回転軸に取り付けられた冷却ファンにより回転装置本体をある程度冷却できる。しかしながら、より高い冷却性能への要求が絶えることはない。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転軸に取り付けられた冷却ファンによる冷却性能を高められる回転装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の回転装置は、回転軸と、回転軸と一体的に回転する冷却ファンと、を備えた回転装置であって、冷却ファンは、回転軸に固定されるフレームと、フレームから突出して設けられる羽根と、を含む。当該回転装置が定格回転数で回転しているときに、羽根の最大撓み量が、羽根の最小厚みの２倍以上となるよう構成されている。

本発明の別の態様もまた、回転装置である。この装置は、回転軸と、回転軸と一体的に回転する冷却ファンと、を備えた回転装置であって、冷却ファンは、回転軸に固定されるフレームと、フレームから突出して設けられる羽根と、を含む。羽根は、フレームよりもヤング率の低い素材で構成されている。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、回転軸に取り付けられた冷却ファンによる冷却性能を高められる回転装置を提供できる。

実施の形態に係る回転装置を示す部分破断側面図である。 図１の冷却ファンを示す斜視図である。 図１のモータが定格回転数で回転することにより羽根が撓んだ様子を示す図である。 図１の冷却ファンの羽根とその周辺を周方向から見た図である。 図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、変形例に係る回転装置の冷却ファンを示す図である。 図６（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、変形例に係る回転装置の冷却ファンの羽根を示す図である。 変形例に係る回転装置の冷却ファンの羽根とその周辺を示す図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施の形態に係る回転装置１０を示す部分破断側面図である。図２は、冷却ファン１６を示す斜視図である。回転装置１０は、モータ１２と、モータ１２の回転を減速する減速機１４と、モータ１２を冷却するための冷却ファン１６と、冷却ファン１６を覆うファンカバー１８と、を備える。モータ１２は、電動モータである。減速機１４は、本実施の形態では直交減速機であり、入力軸は出力軸と略直交する。

モータ１２は、モータ軸２０と、モータフレーム２２と、複数のモータフィン２４と、を含む。モータフレーム２２は、ハウジング２６と、ブラケット２８と、を含む。ハウジング２６は、円筒状に形成される。ハウジング２６内には、図示しない固定子と回転子が収容され、回転子にはモータ軸２０が取り付けられる。ブラケット２８は、ハウジング２６の反負荷側（すなわち減速機１４とは反対側）の端部に結合される。

モータフィン２４は、ハウジング２６の外周に設けられる。モータフィン２４は特に、モータ軸２０の延在方向（すなわち軸方向）に沿って延在するよう、ハウジング２６の外周に設けられる。モータフィン２４は、ハウジング２６と一体に形成されても、別々に形成された後にハウジング２６に結合されてもよい。このモータフィン２４により、モータフレーム２２の放熱性能が高められる。

モータ軸２０の反負荷側は、ブラケット２８から突出する。ブラケット２８から突出したモータ軸２０の反負荷側端部には、冷却ファン１６が固定される。冷却ファン１６はモータ軸２０と一体に回転する。ファンカバー１８は、略カップ状の所定の形状に形成され、開口がモータ１２側を向いた状態でモータフレーム２２に固定される。このファンカバー１８によって冷却ファン１６が覆われる。ファンカバー１８には、貫通孔である複数の吸気口１８ａが形成されている。

冷却ファン１６は、ファンフレーム３０と、５つの羽根３２と、を含む。ファンフレーム３０は、樹脂、金属、またはその他の材料から形成される。ファンフレーム３０は、モータ軸２０に固定される円筒部３４と、円筒部３４から径方向外側に放射状に延びる５つの支持部３６と、を含む。

各支持部３６は、長尺状に形成される。本実施の形態では、周方向の幅が外径側ほど細くなるよう形成されている。

各羽根３２は、各支持部３６からモータ１２側（すなわち回転装置１０の本体側）に向けて突出するよう設けられる。羽根３２は、平板状に形成され、主面が周方向を向くよう設けられる。主面とは、平板状に形成された羽根３２の各面のうち、面積が最大の面をいう。羽根３２は、モータ１２が定格回転数で回転したとき、空気抵抗により、２つの主面のうちの冷却ファン１６の回転方向の前側の主面がモータ１２側を向くように撓むよう構成される。これにより、冷却ファン１６が回転すると、径方向外側に加えて軸方向にも空気が送り出される。本実施の形態では、主に、後述するように羽根３２を撓み剛性が低い素材により形成することにより、羽根３２が撓むように構成される。

図３は、モータ１２が定格回転数で回転することにより羽根３２が撓んだ様子を示す。図３では、羽根３２の１つとその周辺を径方向外側から見た図を示す。図３では、他の４つの羽根３２の表示は省略している。羽根３２は、モータ１２が定格回転数で回転したとき、最も撓んだ部分の撓み量δが、羽根３２の最も薄い部分の厚み（周方向（回転方向）の厚み）の２倍以上となるよう構成される。ここで、撓み量δは、平板状に形成された羽根３２の板厚の中心を通る中立線（面）Ｃ上の点についての、モータ１２が停止しているときの位置と、モータ１２が回転しているときの位置との冷却ファン１６の径方向における距離をいう。本実施の形態の冷却ファン１６においては、羽根３２の軸方向の先端の点Ｐが最も撓むため、モータ１２が定格回転数で回転したときの点Ｐの撓み量δが、羽根３２の最も薄い部分の厚みの２倍以上となるよう構成される。羽根３２は、好ましくは、モータ１２が定格回転数で回転したとき、最も撓んだ部分の撓み量δが、羽根３２の最も薄い部分の厚みの１０倍以上となるよう構成される。別の言い方をすると、羽根３２は、好ましくは、モータ１２が定格回転数で回転したとき、最も撓んだ部分の撓み角θが３０〜４５度となるよう構成される。ここで、撓み角θは、モータ１２が回転しているときの中立線Ｃ上の点における接線と、モータ１２が回転していないときの羽根３２の中立線Ｃ（すなわち軸方向）とがなす角をいう。本実施の形態の冷却ファン１６においては、羽根３２の軸方向の先端の点Ｐが最も撓むため、モータ１２が定格回転数で回転したときの点Ｐの撓み角θが、３０〜４５度となるよう構成される。なお、定格回転数は、一般には、４極モータで１３００〜２０００ｒｐｍ程度に設定される。

羽根３２は、樹脂、金属、またはその他の素材から形成される。本実施の形態では、羽根３２は特に、ファンフレーム３０よりも撓み剛性が低い素材、すなわち、ファンフレーム３０よりもヤング率が低い素材により形成される。羽根３２に採用する素材や羽根３２の厚み等は、実験により定めればよい。

図４は、冷却ファン１６の羽根３２とその周辺を周方向から見た図である。羽根３２は、その径方向中央よりも外側、かつ、その軸方向中央よりも外側（反ファンフレーム３０側、反支持部３６側）の領域（点線で囲んだ領域Ａ）に重量部を有していてもよい。重量部とは、重量部があることで、重量部がない場合よりも羽根３２の重心が重量部側に移動するような部位をいう。具体的には例えば、重量部は、羽根３２の厚みを他の部分よりも厚くした部分や、羽根３２に取り付けられた重りをいう。本実施の形態では、羽根３２は、領域Ａに、重量部としての重り４０を有している。

以上のように構成された回転装置１０の動作を説明する。
モータ１２に駆動電流が供給されて、モータ軸２０が回転する。モータ軸２０が回転すると、モータ軸２０とともに冷却ファン１６も回転する。このとき、冷却ファン１６の羽根３２は、空気抵抗により、冷却ファン１６の回転方向の前側の主面がモータ１２側を向くように撓む。

冷却ファン１６が回転すると、ファンカバー１８の吸気口１８ａからファンカバー１８内に空気が流れ込む。吸気口１８ａから流れ込んだ空気は、冷却ファン１６によって径方向外側や軸方向に送り出される。径方向外側に送り出された空気は、ファンカバー１８に当たることによって負荷側に向かう軸方向の流れに偏向され、ファンカバー１８とブラケット２８の間の隙間を通ってモータフィン２４に供給される。また、軸方向に送り出された空気は、ブラケット２８に沿って流れ、同様に、ファンカバー１８とブラケット２８の間の隙間を通ってモータフィン２４に供給される。

以上説明した実施の形態に係る回転装置１０によると、モータ１２が定格回転数で回転しているとき、冷却ファン１６の羽根３２が、主面が僅かに軸方向を向くように撓む。これにより、吸気口１８ａからファンカバー１８内に流れ込んだ空気は、冷却ファン１６によって径方向外側だけでなく、軸方向にも送り出される。つまり、ファンカバー１８を介さずに、冷却ファン１６によって直接軸方向に送り出される流れが形成される。この結果、ファンカバー１８とブラケット２８の間の隙間を通ってモータフィン２４に供給される空気の流速が上がり、モータフィン２４ひいては回転装置を冷却する性能が高まる。

また、実施の形態に係る回転装置１０によると、羽根３２は支持部３６からモータ１２側に突出するように設けられる。そのため、モータ軸２０軸の回転に伴って冷却ファン１６が回転したとき、羽根３２は、両主面のうちの冷却ファン１６の回転方向の前側の主面がモータ１２を向くように撓む。これにより、羽根３２は、モータ軸２０がどちら向きに回転した場合でも、軸方向においてモータ１２側に風を送り出せるように撓む。

また、実施の形態に係る回転装置１０によると、冷却ファン１６の羽根３２は、領域Ａに重量部を有する。これにより、モータ１２が回転したとき、羽根３２は内径側よりも外径側が撓む。つまり、羽根３２は、ねじれように撓むため、軸方向に送り出される風量が増え、冷却効果が向上する。

本発明者は、実施の形態に係る回転装置１０の冷却性能の向上効果を確かめるため、実施の形態に係る回転装置１０と比較例に係る回転装置とを用いて実験を行った。実施の形態に係る回転装置１０と比較例に係る回転装置との違いは、冷却ファンの構成である。比較例に係る回転装置の冷却ファンは、モータが定格回転数で回転しても羽根が実質的に撓まないように、すなわちモータが定格回転数で回転しているときの羽根の最大撓み量が最小厚みの２倍未満となるように構成される。また、比較例に係る回転装置の冷却ファンは、各羽根が各支持部からモータ１２とは反対側に向けて突出するよう設けられる。

具体的には、実施の形態に係る回転装置１０と比較例に係る回転装置のそれぞれについて、冷却ファンを取り外した状態でモータを定格回転数で１時間回転させ、モータを停止して冷却ファンを取り付け、モータを定格回転数でさらに１時間回転させ、その間の回転装置のモータの９箇所の測定点の温度変化を測定した。この実験により、冷却ファンを取り付けてモータを１時間回転させたときの各測定点の温度が、実施の形態に係る回転装置では、比較例に係る回転装置と比べて、平均で３．９℃低いことが確認された。つまり、実施の形態に係る回転装置は、比較例に係る回転装置と比べて、冷却ファンによる冷却性能が高いことが確認された。

以上、実施の形態に係る回転装置の構成と動作ついて説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

（変形例１）
図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、変形例に係る回転装置の冷却ファン１６を示す図である。図５（ａ）〜（ｃ）では、冷却ファン１６を軸方向から見た図を示す。図５では、支持部３６および羽根３２が、それぞれ４つである場合を例に説明する。

本変形例では、ファンフレーム３０は、支持部３６の先端を連結する環状の外側リング部３８を含む。

図５（ａ）は支持部３６の両側面３６ａが円弧状に形成された場合を示し、図５（ｂ）は支持部３６の両側面３６ａが、内径側は互いに平行な直線状に、外径側は円弧状に形成された場合を示し、図５（ｃ）は支持部３６の両側面３６ａが互いに平行な直線状に形成された場合を示す。

別の言い方をすると、本変形例では、ファンフレーム３０は、円板状に形成され、羽根３２の数と同数の吸気口３６ｂが周方向に並ぶように設けられている。つまり、図５（ａ）は円板状のファンフレーム３０に円形状の吸気口３６ｂが設けられた場合を示し、図５（ｂ）は円板状のファンフレーム３０に内径側は矩形状で外径側は円形状の吸気口３６ｂが設けられた場合を示し、図５（ｃ）は円板状のファンフレーム３０に扇形の吸気口３６ｂが設けられる場合を示す。

これらの変形例によると、ファンフレーム３０は外側リング部３８を含むため、支持部３６を細くしても、ファンフレーム３０の強度を充分なものにできる。逆にいうと、これらの変形例によると、支持部３６を細くできる。これにより、羽根３２に風が直接当たりやすくなり、羽根３２が撓みやすくなる。その結果、羽根３２により、より軸方向に風が送り出されるようになる。

（変形例２）
実施の形態では特に言及しなかったが、羽根３２の形状には様々な変形例が考えられる。

図６（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、変形例に係る回転装置の冷却ファン１６の羽根３２を周方向から見た図である。図６（ａ）、（ｂ）では、内径側は、軸方向の長さが比較的短くなっている。この場合、モータ１２の回転に伴って冷却ファン１６が回転したとき、外径側ほど空気抵抗を受けるため、外径側ほどよく撓む。つまり、羽根３２がねじれるように撓む。図６（ｃ）では、羽根３２の内径側の先端部の軸方向の位置が、外径側の先端部の軸方向の位置と略同一となっている。つまり、内径側も軸方向の長さが比較的長くなっている。この場合、モータ１２の回転に伴って冷却ファン１６が回転したとき、より多くの空気を送り出すことができる。

図７は、他の変形例に係る回転装置の冷却ファン１６の羽根３２の１つとその周辺を径方向外側から見た図である。図７では、他の羽根３２の表示は省略している。図７では、回転装置が回転していない状態、すなわち冷却ファン１６の羽根３２が撓んでいない状態が示されている。本変形例では、羽根３２は、支持部３６側（ファンフレーム３０側、すなわち根元側）よりも先端部側（反ファンフレーム３０側、すなわち回転装置１０の本体側）の厚みが薄くなるよう形成されている。言い換えると、羽根３２は、くさび形に形成されている。本変形例によれば、羽根３２は根元側は撓みにくくなるため、回転装置が定格回転数で回転したときに、羽根３２全体が支持部３６に張り付くように羽根３２が根元から倒れるのを抑止できる。

（変形例３）
実施の形態では、冷却ファン１６のファンフレーム３０と羽根３２とが異なる素材で構成される場合について説明したが、これらは同じ素材で構成されてもよい。この場合、ファンフレーム３０と羽根３２の厚みを調整することによって、ファンフレーム３０は十分な剛性を有し、かつ、回転装置１０が定格回転数で回転したときに羽根３２の最大撓み量が最小厚みの２倍以上（好ましくは１０倍以上）となるように撓むよう構成されればよい。

（変形例４）
実施の形態では、回転装置１０がモータ１２と減速機１４とを備える場合について説明したが、これに限られない。回転装置１０は、減速機１４を備えない場合も考えられる。また、回転装置１０がモータ１２を備えない場合も考えられる。この場合は、冷却ファン１６は、減速機１４の入力軸の端部に固定されてもよい。また、回転装置１０は、モータや減速機に限定されず、回転軸と冷却ファンを有する種々の回転装置に広く適用できる。

上述した実施の形態および変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

１０ 回転装置、 １２ モータ、 １４ 減速機、 １６ 冷却ファン、 １８ ファンカバー、 ３０ ファンフレーム、 ３２ 羽根。

Claims (5)

1. 回転軸と、前記回転軸と一体的に回転する冷却ファンと、を備えた回転装置であって、
   前記冷却ファンは、前記回転軸に固定されるフレームと、前記フレームから突出して設けられる羽根と、を含み、
   前記羽根は、当該回転装置が定格回転数で回転しているときに、回転方向の前側の主面が回転装置本体側を向くように撓み、
   前記羽根は、径方向中央よりも外側かつ軸方向中央よりも反フレーム側の領域に、重量部を有し、
   当該回転装置が定格回転数で回転しているときに、前記羽根の最大撓み量が、前記羽根の最小厚みの２倍以上となるよう構成されていることを特徴とする回転装置。
2. 回転軸と、前記回転軸と一体的に回転する冷却ファンと、を備えた回転装置であって、
   前記冷却ファンは、前記回転軸に固定されるフレームと、前記フレームから突出して設けられる羽根と、を含み、
   前記羽根は、当該回転装置が定格回転数で回転しているときに、回転方向の前側の主面が回転装置本体側を向くように撓み、
   前記羽根は、径方向中央よりも外側かつ軸方向中央よりも反フレーム側の領域に、重量部を有し、
   前記羽根は、前記フレームよりもヤング率の低い素材で構成されていることを特徴とする回転装置。
3. 前記羽根は、回転装置本体側に向かって突出して設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の回転装置。
4. 前記フレームは、前記羽根が突出する支持部と、前記支持部の先端を連結する外側リング部と、を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転装置。
5. 前記羽根は、前記フレーム側よりも先端部側の厚みが薄いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の回転装置。

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