JP7354115B2

JP7354115B2 - 送風機

Info

Publication number: JP7354115B2
Application number: JP2020538224A
Authority: JP
Inventors: 悠輔齋藤; 雅俊大林; 恭佑笹生; 正岡部; 俊哉内田
Original assignee: ニデックコンポーネンツ株式会社
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2023-10-02
Anticipated expiration: 2039-07-09
Also published as: US20210164486A1; JPWO2020039774A1; CN112585360B; US11401941B2; CN112585360A; WO2020039774A1

Description

本発明の実施形態は、例えばファンモータやブロワなどの送風機に関する。

羽根車の破壊を防止するため、回転軸に凹型円周を設け、羽根車に凹型円周に嵌合される凸型円周を設けた遠心圧縮機が開発されている（例えば特許文献１参照）。

ロータフレームと羽根車とのがたつきを防止するため、ロータフレームの貫通穴に面取り、又は座ぐり部分を設けることにより、羽根車をロータフレームに超音波溶着した際、超音波溶着用リブが貫通孔内に密着する構成としたシロッコファンモータが開発されている（例えば特許文献２参照）。

実開昭４７－２６３０６号公報特許第３２７７６４１号公報

一般に、送風機としてのファンやブロワのロータは、ステータに対して回転可能な軸に金属製のホルダが設けられ、このホルダに樹脂製のインペラと称する羽根車が、例えばインサート成型されたり、接着剤を用いて固定されたりする。また、ファンやブロアは、ロータに高精度のバランスが必要とされ、高精度のバランスを得るため、例えば羽根車にバランス調整用のウェイトが付加される。

このような構成のロータが高速回転されたり、高温の環境で駆動されたりした場合、ホルダと羽根車の材料の強度や線膨張係数の差により、樹脂製の羽根車が変形する。羽根車が変形した場合、ロータのバランスが崩れ、軸受に加わる負荷の増加によって、振動や騒音が発生したり、軸受の寿命や製品自体の寿命が短くなったりするという問題を有している。

本発明の実施形態は、羽根車の変形を防止することが可能な送風機を提供する。

本実施形態の送風機は、回転可能な軸と、前記軸の一端部に設けられ、第１係合部を有する固定部材と、軸方向の一端部が前記固定部材により前記軸に設けられた筒状のホルダと、前記ホルダの周囲に設けられ、前記軸方向の一端部に前記固定部材の第１係合部に係合される第２係合部を含み、複数のフィンを有する羽根車と、を具備し、前記第１係合部は、溝又は第１突起の一方であり、前記第２係合部は、前記溝又は前記第１突起の他方であり、前記ホルダの軸方向の他端部に設けられ、前記羽根車の軸方向の他端部に係合される第３係合部を有する。

第１実施形態に係る送風機のロータを取り出して示す側面図。図１の上面図。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図。ロータの一部を取り出して示す斜視図。図１の底面図。第１実施形態に係る送風機に係わり、ハウジングを取り出して示す平面図。図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿ったハウジングの断面と、図３に示すロータの断面を示す図。第２実施形態に係る送風機のロータを取り出して示す側面図。第２実施形態に係る送風機のホルダと羽根車との接合部におけるミーゼス応力分布のシミュレーション結果を示す図。比較例として示す送風機のホルダと羽根車との接合部におけるミーゼス応力分布のシミュレーション結果を示す図。第３実施形態に係る送風機のロータを取り出して示す断面図。第３実施形態に係り、羽根車の部分を分解して示す斜視図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分又は同一機能を有する部分には、同一符号を付している。

（第１実施形態）
図１乃至図３は、第１実施形態を示すものであり、送風機としての例えばファンモータに適用されるロータ１０を示している。

図３に示すように、ロータ１０は、例えばシャフト１１と、ホルダ１２、固定部材１３、羽根車１４、磁気軸受１５、永久磁石１６を具備している。

シャフト１１は、例えば円柱状であり、シャフト１１の一端部には、固定部材１３が固定され、他端部には、磁気軸受１５の一部を構成する永久磁石１５ａと、ヨーク１５ｂ及びヨーク１５ｃが設けられている。永久磁石１５ａと、ヨーク１５ｂ及びヨーク１５ｃは、リング状であり、ヨーク１５ｂ及びヨーク１５ｃは、永久磁石１５ａの磁極にそれぞれ設けられている。

シャフト１１は、後述する軸受部材としてのスリーブ内に挿入された状態において、シャフト１１が回転されることにより、空気動圧が発生される。このため、シャフト１１の周囲には、所謂ヘリングボーン溝と称する図示せぬ複数のＶ字状の溝が設けられている。

第１実施形態に係るファンモータは、例えば動圧空気軸受けを用いているが、他の軸受けを適用することも可能である。

ホルダ１２は、例えば金属製であり、固定部材１３に固定され、シャフト１１とともに回転可能とされる。ホルダ１２は、シャフト１１に直接接合することができれば、固定部材１３は、省略することが可能である。

図４に示すように、ホルダ１２は、円筒状であり、軸方向の一端部に頂部１２ａを有し、他端部にフランジ１２ｂを有している。頂部１２ａの中央部には、円形の開口部１２ｃが設けられ、この開口部１２ｃに固定部材１３が嵌合される。さらに、頂部１２ａは、開口部１２ｃの周囲に沿って複数の第１開口部１２ｄを有している。

フランジ１２ｂは、ホルダ１２の周囲に張り出して設けられ、フランジ１２ｂは、複数の第２開口部１２ｅを有している。各第２開口部１２ｅは、例えば長孔であるが、長孔に限らず、円形の孔であってもよい。

図３に示すように、永久磁石１６は、例えばモータの一部を構成する。永久磁石１６は、円筒状であり、ホルダ１２の内面に固定される。

羽根車１４は、例えば樹脂製であり、図１、図２に示すように、複数のフィン１４ａを具備している。羽根車１４は、例えば軸流ファンの場合を示しているが、軸流ファンに限らず、遠心ファンであってもよい。

図３に示すように、羽根車１４は、ホルダ１２の外部に固定される。羽根車１４の軸方向の一端部で、ホルダ１２の頂部１２ａと対応する部分には、ホルダ１２の複数の第１開口部１２ｄに挿入される複数の第１突起１４ｂが設けられている。複数の第１突起１４ｂは、複数の第１開口部１２ｄに挿入された状態において、第１開口部１２ｄから突出した部分が例えば超音波を利用した熱カシメにより変形され、変形部（カシメ部）が形成される。この変形部により羽根車１４がホルダ１２の頂部１２ａに固定される。

また、羽根車１４の軸方向の他端部で、ホルダ１２のフランジ１２ｂと対応する部分には、複数の第２突起１４ｃが設けられている。羽根車１４の他端部、且つ周囲には、ロータ１０のバランスを調整するための図示せぬ重りが挿入される第１溝１４ｄが設けられており、この第１溝１４ｄの内部に複数の第２突起１４ｃが設けられている。複数の第２突起１４ｃは、その先端がフランジ１２ｂの複数の第２開口部１２ｅに挿入された状態において、第２開口部１２ｅから突出した部分が例えば超音波を利用した熱カシメにより変形され、変形部（カシメ部）が形成される。この変形部により、羽根車１４がフランジ１２ｂに固定される。

図５は、ロータ１０の底面を示している。図５に示すように、羽根車１４は、複数の第１突起１４ｂがホルダ１２の頂部１２ａに係合され、複数の第２突起１４ｃがホルダ１２のフランジ１２ｂに係合されている。このため、ロータ１０が高速回転されたり、高温の環境で駆動されたりした場合においても、樹脂製の羽根車１４がホルダ１２から離れる方向に変形することを防止できる。

さらに、羽根車１４のホルダ１２の側面（周囲）に対応する部分は、例えばエポキシ系の接着剤により、ホルダ１２の周囲に固定される。しかし、接着剤は、省略することが可能である。

羽根車１４とホルダ１２の固定手段は、接着剤による化学的な接合に限定されるものではなく、例えばインサート成型によりホルダ１２と羽根車１４を機械的に接合させてもよい。これにより、羽根車１４の変形をより一層抑制することができる。

尚、図２、図３に示すように、羽根車１４の頂部で固定部材１３の周囲には、ロータ１０のバランスを調整するための図示せぬ重りが挿入される第２溝１４ｅが設けられている。

図６は、第１実施形態に係るファンモータに適用されるハウジング及びステータの一部を示し、図７は、ハウジング２１とロータ１０の関係を概略的に示している。

ハウジング２１の底部には、空気の取入れ、又は排出のための複数の開口部２１ａが設けられている。

ハウジング２１の底部、且つ中央部には、軸受部材としてのスリーブ２２が設けられる。スリーブ２２は、一端部及び他端部を有し、一端部からロータ１０のシャフト１１が内部に挿入される。

スリーブ２２の他端部は、筒状の支持体２３の一端部内に固定される。支持体２３の他端部、且つ外部周囲には、段部２３ａが設けられ、この段部２３ａにハウジング２１の底部に設けられた複数の係合部２１ｂが係合される。この係合部２１ｂは、スリーブ２２の径方向と直交する方向から段部２３ａに係合される。

具体的には、ハウジング２１及び複数の係合部２１ｂは、例えば樹脂材により一体的に構成されている。係合部２１ｂは、支持体２３が配置される以前は、例えば垂直に形成されており、支持体２３がハウジング２１の中央部に配置された後、係合部２１ｂが例えば超音波を利用した熱カシメにより変形されることにより、係合部２１ｂが段部２３ａに係合される。このようにして、支持体２３がハウジング２１に固定される。

図６に示すように、ハウジング２１は３個の係合部２１ｂを有している。しかし、係合部２１ｂの数は、３個に限定されるものではなく、４個以上であってもよい。或は、支持体２３の周囲にリング状の係合部を設けてもよい。

図７に示すように、支持体２３の内部には、磁気軸受１５の一部を構成するリング状の永久磁石２４が設けられている。

シャフト１１がスリーブ２２内に挿入された状態において、永久磁石２４内に前述した磁気軸受１５の一部を構成する永久磁石１５ａ、及びヨーク１５ｂ、ヨーク１５ｃが、永久磁石２４から所定間隔離間して配置される。

また、スリーブ２２の周囲には、例えばコイルアッセンブリ２５が設けられており、コイルアッセンブリ２５と永久磁石１６とにより、モータが構成される。

上記構成において、モータが駆動されることにより、ロータ１０が回転され、羽根車１４により、ハウジング２１の一端部又は他端部から取り込まれた空気がハウジング２１の他端部又は一端部へ送風される。

（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態によれば、ロータ１０の金属製のホルダ１２に設けられた樹脂製の羽根車１４は、ホルダ１２の頂部１２ａに設けられた複数の第１開口部１２ｄに複数の第１突起１４ｂが熱カシメされ、ホルダ１２のフランジ１２ｂに設けられた複数の第２開口部１２ｅに複数の第２突起１４ｃが熱カシメされている。すなわち、羽根車１４の一端部及び他端部の周囲は、ホルダ１２の一端部及び他端部の周囲に複数個所で固定されている。このため、ロータ１０が高速回転されたり、高温の環境で駆動されたりしても、ホルダ１２と羽根車１４の材料の強度や線膨張係数の差により、樹脂製の羽根車１４がホルダ１２から離れる方向に変形することを防止できる。したがって、ロータ１０のバランスが崩れ、空気動圧軸受や、磁気軸受に加わる負荷の増加によって、振動や騒音が発生したり、軸受の寿命や製品自体の寿命が短くなったりという問題を回避することができ、ファンモータの性能を向上させることが可能である。

（第２実施形態）
第１実施形態は、羽根車１４を熱カシメによりホルダ１２に固定した。これに対して、第２実施形態は、アンカー構造を用いて羽根車１４をホルダ１２に固定する。

図８は、第２実施形態を示している。シャフト１１に固定された固定部材１３は、その周囲に第１係合部としての例えばリング状の溝１３ａを有している。

樹脂製の羽根車１４の軸方向の一端部には、第２係合部としての例えばリング状の突起１４ｆが設けられ、この突起１４ｆは、リング状の溝１３ａに係合される。

第１係合部としての溝１３ａと第２係合部としての突起１４ｆは、リング状に限定されるものではなく、シャフト１１の周囲に対応して、複数の溝や突起を配置してもよい。

また、第１係合部を突起とし、第２係合部を溝としてもよい。さらに、溝や突起以外の構造を用いることも可能である。

ホルダ１２は、例えば金属製であり、軸方向の一端部に設けられた頂部の中央が固定部材１３に固定され、シャフト１１とともに回転される。ホルダ１２の軸方向の他端部には、第３係合部としての固定リング３１が設けられている。固定リング３１は、ホルダ１２の周囲に設けられ、羽根車１４の軸方向の他端部且つ周囲に係合される。

具体的には、固定リング３１は、断面がクランク状であり、固定リング３１の一端部３１ａは、ホルダ１２の側面から離間し、他端部３１ｂは、ホルダ１２の側面に固定される。羽根車１４の軸方向の他端部は、固定リング３１の一端部３１ａとホルダ１２の側面との間に配置され、固定リング３１により固定される。

（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態によれば、固定部材１３に第１係合部としての溝１３ａを設け、羽根車１４の軸方向の一端部に溝１３ａに係合される第２係合部としての突起１４ｆを設け、さらに、ホルダ１２の他端部に羽根車１４の他端部の周囲を固定する第３係合部としての固定リング３１を設けている。このため、ロータ１０が高速回転されたり、高温の環境で駆動されたりしても、ホルダ１２と羽根車１４の材料の強度や線膨張係数の差により、樹脂製の羽根車１４がホルダ１２から離れる方向に変形することを防止できる。したがって、ロータ１０のバランスが崩れ、空気動圧軸受や、磁気軸受に加わる負荷の増加によって、振動や騒音が発生したり、軸受の寿命や製品自体の寿命が短くなったりするという問題を回避することができ、ファンモータの性能を向上させることが可能である。

図９は、第２実施形態に係る送風機を構成するロータ１０のホルダ１２と羽根車１４との接合部１２ｆにおけるミーゼス応力分布のシミュレーション結果を示す図であり、羽根車１４は、省略されている。

シミュレーションの条件は、接合部１２ｆの直径φ：３２．４ｍｍ、回転数：２６３００ｒ/ｍｉｎ.、環境温度：８５℃、羽根車１４の材質：ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）（ガラス繊維４０％含有）、ホルダ１２の材質：亜鉛メッキ鋼板の場合である。

図１０は、比較例としての送風機を構成するロータ３０のホルダ３３と羽根車との接合部３２におけるミーゼス応力分布のシミュレーション結果を示す図であり、羽根車は、省略されている。シミュレーションの条件は、第２実施形態と同様である。

上記高温環境下において、第２実施形態に係るロータ１０を高速回転させた場合、図９に示すように、ホルダ１２と羽根車１４との接合部１２ｆの下部に応力８．２ＭＰａが発生し、上部に応力３１．６ＭＰａが発生する。

これに対して、図１０に示す比較例としての送風機の場合、接合部３２の下部に第２実施形態に比べて大きな応力４２．０ＭＰａが発生し、上部にさらに大きな応力４４．６ＭＰａが発生する。

このように、第２実施形態によれば、ロータ１０と羽根車１４の接合部１２ｆに発生する応力を大幅に低減させることができ、羽根車１４の変形を抑えることができる。したがって、空気動圧軸受や、磁気軸受に加わる負荷の増加によって、振動や騒音が発生したり、軸受の寿命や製品自体の寿命が短くなったりするという問題を回避することができ、ファンモータの性能を向上させることが可能である。

（第３実施形態）
上記第２実施形態は、アンカー構造を用いて羽根車１４をホルダ１２に固定した。これに対して、第３実施形態は、リングを用いて羽根車１４をホルダ１２に固定する。

図１１、図１２は、第３実施形態を示している。羽根車１４の軸方向の一端部、且つ頂部には、固定部材１３の周囲に沿って、リング状の段部１４ｇが設けられる。この段部１４ｇに当接する第１リング４１が羽根車１４の頂部に設けられる。

また、羽根車１４の軸方向の他端部、且つ周囲には、段部１４ｈが設けられる。この段部１４ｇに当接する第２リング４２が羽根車１４の他端部に設けられる。第２リング４２は、羽根車１４の第１溝１４ｄを閉塞する。

（第３実施形態の効果）
上記第３実施形態によれば、羽根車１４の軸方向の一端部に第１リング４１を設け、他端部に第２リング４２を設けている。このため、ロータ１０が高速回転されたり、高温の環境で駆動されたりしても、ホルダ１２と羽根車１４の材料の強度や線膨張係数の差により、樹脂製の羽根車１４がホルダ１２から離れる方向に変形することを防止できる。したがって、ロータ１０のバランスが崩れ、空気動圧軸受や、磁気軸受に加わる負荷の増加によって、振動や騒音が発生したり、軸受の寿命や製品自体の寿命が短くなったりするという問題を回避することができ、ファンモータの性能を向上させることが可能である。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims

回転可能な軸と、
前記軸の一端部に設けられ、第１係合部を有する固定部材と、
軸方向の一端部が前記固定部材により前記軸に設けられた筒状のホルダと、
前記ホルダの周囲に設けられ、前記軸方向の一端部に前記固定部材の第１係合部に係合される第２係合部を含み、複数のフィンを有する羽根車と、
を具備し、
前記第１係合部は、溝又は第１突起の一方であり、前記第２係合部は、前記溝又は前記第１突起の他方であり、
前記ホルダの軸方向の他端部に設けられ、前記羽根車の軸方向の他端部に係合される第３係合部を有することを特徴とする送風機。
前記ホルダは、金属製であり、前記羽根車は、樹脂製であることを特徴とする請求項１に記載の送風機。
前記羽根車の側面を前記ホルダの側面に固定する接着剤をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の送風機。
前記羽根車は、前記ホルダに対するインサート成型物であることを特徴とする請求項１に記載の送風機。
前記第１係合部は、リング状の前記溝及びリング状の前記第１突起の一方であり、前記第２係合部は、リング状の前記溝及びリング状の前記第１突起の他方であることを特徴とする請求項１記載の送風機。