JP2015095997A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの冷却特性の向上。【解決手段】モータは、上下に伸びる中心軸に沿って配置され、軸受部により回転可能に支持されるシャフト３１と、シャフト３１と共に回転するロータマグネットと、ロータマグネットの径方向外側に位置する電機子と、電機子の軸方向上側に保持され、電機子に電気を供給する回路基板と、軸受部を支持する蓋部２１１と、蓋部２１１の径方向端縁から下方に向かって伸び内周面にて電機子に支持される円筒部２１２と、を有するブラケット２１と、を有する。シャフト３１には、蓋部２１１と電機子との間において周方向に複数の翼を有するインペラが固定され、蓋部２１１には、複数の翼と軸方向に重なる蓋部貫通孔が配置され、円筒部には、複数の翼と径方向に重なる円筒部貫通孔２１２ａが配置され、翼は、上端縁が下端縁に対して周方向が異なる位置に配置されている傾斜翼である。【選択図】図１

Description

本発明は、インナーロータ型のモータに関する。

インナーロータ型のＤＣモータでは、高出力化が求められている。その用途としては、掃除機、洗濯機、フードプロセッサ等があげられる。特に掃除機等は、高速回転で回転するということもあり、電機子での発熱によりモータのスペック（高速回転、高トルク）を向上させることが困難である。また、ＤＣモータは、市場要求により小型化の一途をたどっており、従来の大型のＤＣモータと同等のスペックを小型のＤＣモータにて達成することが至上命題となっている。

特許文献１では、永久磁石回転子1内に、羽根6を設け、ハウジング7に孔を設けた構成が開示されている。

特許文献２では、ブラシレスモータ内部にフィン30を設け、軸方向上端の冷却エアー流入口28から軸方向下端の冷却エアー排出口29に風を通過させる構成が開示されている。

特開平２−１７４５２８ 特開平１−１１００３５

しかしながら、特許文献１、特許文献２では、電機子近傍の気圧が上昇した場合において空気を送り込むことが難しい。

本発明は、モータ内部に冷却風を供給しやすくなり、モータの冷却特性を向上できるモータを提供することを目的とする。

本発明の第１の側面に係るモータは、モータであって、上下に伸びる中心軸に沿って配置され、軸受部により回転可能に支持されるシャフトと、前記シャフトと共に回転するロータマグネットと、前記ロータマグネットの径方向外側に位置する電機子と、前記電機子の軸方向上側に保持され、前記電機子に電気を供給する回路基板と、前記軸受部を支持する蓋部と、前記蓋部の径方向端縁から下方に向かって伸び内周面にて前記電機子に支持される円筒部と、を有するブラケットと、を有し、前記シャフトには、前記蓋部と前記電機子との間において周方向に複数の翼を有するインペラが固定され、前記蓋部には、前記複数の翼と軸方向に重なる蓋部貫通孔が配置され、前記円筒部には、前記複数の翼と径方向に重なる円筒部貫通孔が配置され、前記翼は、上端縁が下端縁に対して周方向が異なる位置に配置されている傾斜翼である。

本発明によれば、モータ内部に冷却風を供給しやすくなり、モータの冷却特性を向上できる。

図１は、モータの外観斜視図である。 図２は、モータの断面図である。 図３は、モータからブラケットを外した状態の外観斜視図である。 図４は、モータからブラケットを外した状態の他の角度の外観斜視図である。 図５は、モータからブラケットを外した状態の正面図である。 図６は、モータの他の角度の外観斜視図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。以下では、モータの中心軸に沿う方向を上下方向とする。ステータコアに対して回路基板側を下として、各部の形状や位置関係を説明する。ただし、これは、あくまで説明の便宜のために上下方向を定義したものであって、本発明に係るモータの使用時の姿勢を限定するものではない。

＜１．モータの全体構成＞
本実施形態のモータは、例えば、エアコンや空気清浄機、冷蔵庫等の家電製品に搭載され、ファンやポンプの駆動源として、使用される。また、ソータ等の産業機器の駆動源として、使用される。ただし、本発明のモータは、他の用途に使用されるモータであってもよい。例えば、本発明のモータは、ＯＡ（Office Automation）機器、医療機器、自動車等に搭載され、各種の駆動力を発生させるものであってもよい。以下では、モータ１が搭載される機器を「駆動装置」と称する。

図１は、本実施形態に係るモータ１の外観斜視図である。図２は、モータ１の断面図である。図１、図２に示すように、モータ１は、静止部２と回転部３とを、備えている。静止部２は、駆動装置（不図示）の枠体に、固定されている。回転部３は、静止部２に対して回転可能に支持される。

本実施形態の静止部２は、ブラケット２１、ステータコア２３、コイル２４、上インシュレータ２５、下インシュレータ２６、回路基板２７、および軸受部２８を、有している。

ブラケット２１は、ステータコア２３および軸受部２８（上軸受２８１および下軸受２８２）を保持する。ブラケット２１は、有蓋略円筒形状である。ブラケット２１は、蓋部２１１と円筒部２１２とを備える。ブラケット２１は、金属製の部材である。ブラケット２１は、亜鉛を主成分とする金属を溶融させ、金型に流し込んで成型する、いわゆるダイカスト法により、得られたものである。なお、金属の種類は亜鉛に限られず、アルミニウムその他の金属を用いてもよい。また、製造方法はダイカスト法ではなく、プレス法等他の加工方法により加工されてもよい。ブラケット２１は、金属製ではなく、樹脂製でも良い。

ステータコア２３およびコイル２４は、モータ１の電機子として機能する部位である。ステータコア２３は、ケイ素鋼板等の電磁鋼板を軸方向（中心軸J１に沿う方向。以下同じ）に積層した積層鋼板からなる。ステータコア２３は、円環状のコアバック２３１と、コアバック２３１から径方向内側へ向けて突出した複数本の磁極歯２３２と、を有している。コアバック２３１の外周面は、軸方向上部と軸方向下部とを除き、モータ１の外周面となる。ステータコア２３の各磁極歯２３２のコイル２４が巻かれる部位の周方向の幅は、コアバック２３１の径方向の幅の倍以下である。また、本実施形態においては、磁極歯２３２の数は６本である。

ステータコア２３のいくつかのコアバック２３１と磁極歯２３２の境界には、貫通孔２３３が形成される。本実施形態においては、貫通孔２３３の数は３である。貫通孔２３３は中心軸を中心に周方向に等間隔で配置されることが望ましい。本実施形態においては、貫通孔２３３は、中心軸から見て120度の間隔をあけて配置されている。貫通孔２３３はこれに限定されるものではなく、径方向内側に窪む溝であってもよい。貫通孔２３３には、後述する固定部材６１が貫通する。

コイル２４は、磁極歯２３２の周囲に巻かれた導線により、構成されている。コイル２４は、インシュレータ２５，２６を介して磁極歯２３２に巻かれる。本実施形態においては、導線はいわゆるスター結線により結線される。したがって、コイル２４からはU相、V相、W相、およびコモンの４つの端部が引き出される。引き出された各端部は、それぞれ回路基板２７に半田付けされる。回路基板２７を介してコイル２４に駆動電流を与えると、磁芯である磁極歯２３２に、径方向の磁束が発生する。そして、磁極歯２３２と回転部３側のロータマグネット３３との間の磁束の作用により、周方向のトルクが発生する。その結果、静止部２に対して回転部３が、中心軸J１を中心として回転する。

上インシュレータ２５および下インシュレータ２６は、ステータコア２３とコイル２４とを電気的に絶縁する、樹脂製の部材である。上インシュレータ２５は、ステータコア２３の上側に配置されている。下インシュレータ２６は、ステータコア２３の下側に配置されている。換言すれば、上インシュレータ２５と下インシュレータ２６との間に、ステータコア２３が挟まれている。上インシュレータ２５は、磁極歯２３２の上面を覆う。下インシュレータ２６は、磁極歯２３２の下面を覆う。また、上インシュレータ２５および下インシュレータ２６は磁極歯２３２の側面を覆う。上インシュレータ２５と下インシュレータ２６とで、インシュレータを構成する。本実施形態においては、コイル２４が上インシュレータ２５および下インシュレータ２６の上から磁極歯２３２に巻かれることにより、インシュレータがステータコア２３に固定される。

上インシュレータ２５および下インシュレータ２６は、磁極歯２３２とコイル２４との間に介在して、磁極歯２３２とコイル２４とを電気的に絶縁する部分を有している。また、上インシュレータ２５は、コイル２４の径方向外側において、周方向に連続する環状のコアバック絶縁部２５２を有している。コアバック絶縁部２５２は、コイル２４の径方向外側に配置されている。コアバック絶縁部２５２はコイル２４が巻き崩れたときに他の部材との絶縁を行う部位である。ステータコア２３、コイル２４、上インシュレータ２５、下インシュレータ２６の組立体を、電機子２９と定義する。上インシュレータ２５、下インシュレータ２６の詳細については、後述する。

図３は、本実施形態に係るモータ１からブラケット２１を外した状態の外観斜視図である。図４は、モータからブラケットを外した状態の他の角度の外観斜視図である。図４を参照して、回路基板２７は、外部電源からコイル２４に駆動電流を与えるための配線を有する基板である。回路基板２７は、シャフト３１の中心の円環状部２７１と円環状部２７１から径方向外向へ延びる３箇所の支持部２７２からなる。回路基板２７の支持部２７２の外形は、後述する上インシュレータ２５の外形と略一致する。回路基板２７の円環状部２７１は、その外縁の軸方向に上側に下インシュレータ２６の磁極歯絶縁部２６１が位置する。回路基板２７は、上インシュレータ２５の上面となる座面２５３１上に、固定される。また、回路基板２７の下面には、回転部３の回転数を検知するための磁気センサ２７１が、設けられている。磁気センサ２７１には、例えば、ホール素子が使用される。

図２を参照して、軸受部２８は、回転部３のシャフト３１を回転自在に支持する部材である。軸受部２８は、上軸受２８１と下軸受２８２と、からなる。上軸受２８１は、ブラケット２１の円筒部２１２の内周面２１２１に保持されている。下軸受２８２は、に、保持されている。軸受部２８には、例えば、球体を介して外輪と内輪とを相対回転させる玉軸受が、使用される。ただし、軸受部２８に、すべり軸受や流体軸受等の他の方式の軸受が、使用されていてもよい。

本実施形態の回転部３は、シャフト３１、ロータホルダ３２、およびロータマグネット３３を、有している。シャフト３１は、中心軸J１に沿って上下方向に延びる略円柱状の部材である。シャフト３１は、上述した軸受部２８に支持されつつ、中心軸J１を中心として回転する。シャフト３１の下端部は、の下方へ突出している。また、シャフト３１の上端部は、回路基板２７の上方へ突出している。シャフト３１の下端部または上端部は、ギア等の動力伝達機構を介して、駆動装置の駆動部に連結される。ただし、駆動装置の駆動部は、シャフト３１により直接駆動されてもよい。

ロータホルダ３２は、ステータコア２３およびコイル２４の径方向内側において、シャフト３１とともに回転する部材である。本実施形態のロータホルダ３２は、快削鋼からなる。ロータホルダ３２は、切削されることにより、成形される。ロータホルダ３２は、マグネット支持部３２１を備える。マグネット支持部３２１は、ロータホルダ３２の軸方向の中央に位置し、その内周面にシャフト３１が圧入される。

本実施形態では、ロータホルダ３２の形状を断面略Ｔ形状としたが、これに限られるものではない。ロータホルダ３２の形状を単なる円筒形状としてもよい。また、ロータホルダ３２の形状を有蓋略円筒状とし、プレス加工により得てもよい。また、ロータホルダ３２を、磁性鋼板を積層することにより得てもよい。また、ロータホルダ３２を焼結により得てもよい。また、ロータホルダ３２を磁性鋼板を積層した部材と、有蓋略円筒状としプレス加工により得られた部材とを組み合わせることにより、得てもよい、また、本実施形態ではいわゆるＳＰＭ型（Ｓｕｒｆａｃｅ−ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ、表面磁石型）のロータであるが、これに限られるものではない。いわゆるＩＰＭ型（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ−ｍａｇｎｅｔ、埋め込み磁石型）のロータであってもよい。ＩＰＭ型のロータである場合、ロータホルダ３２は磁性鋼板を積層することにより得ることが望ましい。

ロータマグネット３３は、円筒形状であり、ロータホルダ３２の筒状部３２２の外周面に、固定されている。ロータマグネット３３の径方向外側の面は、ステータコア２３およびコイル２４と径方向において対向する磁極面となっている。ロータマグネット３３は、Ｎ極の磁極面とＳ極の磁極面とが周方向に交互に並ぶように、着磁されている。なお、ロータマグネット３３について、円筒形状の磁石に代えて、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互並ぶように複数の磁石を配置してもよい。また、前述のように、ＩＰＭ型のロータとし、ロータマグネット３３をロータホルダ３２に埋め込んでもよい。

＜２．モータ内部冷却について＞
図５は、モータ１からブラケット２１を外した状態の正面図である。図６は、モータの他の角度の外観斜視図である。図１ないし図４も参照して、モータ内部に関して説明する。

シャフト３１には、蓋部２１１と電機子２９との間において、インペラ３４が固定される。インペラ３４は、周方向に複数の翼３４１を有する。ブラケット２１の蓋部２１１には、複数の翼３４１と軸方向に重なる蓋部貫通孔２１１ａが配置される。ブラケット２１の円筒部２１２には、複数の翼３４１と径方向に重なる円筒部貫通孔２１２ａが配置される。また、翼３４１は、上端縁が下端縁に対して周方向が異なる位置に配置されている傾斜翼である。

この場合、一方向にモータ１が回転することで、インペラ３４が回転し、蓋部貫通孔２１１ａおよび円筒部貫通孔２１２ａから空気が吸気され、ステータに向かって空気が流れる。回転し続けると次第に、モータ１内部の気圧が高まり、風がモータ１内部へ流れにくい状況となる。この後、逆流した空気が円筒部貫通孔２１２ａから外部に排出される。この作用により蓋部貫通孔２１１ａから吸気された空気が円筒部貫通孔２１２ａに流れる流路が形成される。これにより当該流路付近が負圧になり、モータ１内の空気が円筒部貫通孔２１２ａを通じて外部に流れる。次にモータ１内部の気圧が低下するとモータ１内部に風が流れる。このサイクルを短期間で回すことで、モータ１内部の気圧による空気が淀む現象を低減することが可能となる。また、インペラ３４は、翼３４１の径方向全域においてモータ１内部に空気を押し込む力が強く、逆流した空気を遠心力で外方に吐き出すことが可能となる。更に、回転時の風損が小さく、冷却によるモータ１効率の向上が寄与する割合が高い。更に、円筒部貫通孔２１２ａと翼３４１との干渉が小さく、騒音が低い点も特徴となる。（遠心ファンの場合には、蓋部貫通孔２１１ａからの吸気が少ない場合には、風をモータ１内部に押し込む力が弱くなる。）

本実施形態においては、蓋部貫通孔２１１ａは、周方向に配列される複数の孔である。このような構成とすることで、空気の流れを促進することができる。更に、蓋部貫通孔２１１ａのエッジが丸く形成されている。このような構成とすることで、翼３４１との干渉音を小さくすることができる。

本実施形態においては、円筒部貫通孔２１２ａは、周方向に配列される複数の孔である。このような構成とすることで、空気の流れを促進できる。更に、円筒部貫通孔２１２ａのエッジが丸い。このような構成とすることで、翼３４１との干渉音を小さくすることができる。

本実施形態においては、蓋部貫通孔２１１ａと円筒部貫通孔２１２ａとは径方向において重なる。蓋部貫通孔２１１ａから吸気された空気は、円筒部貫通孔２１２ａから排気されるが、当該構成を採用することで、モータ１内部を空気が通り易くし、負圧領域をモータ１内部に生じやすくできる。これによりモータ１内部に淀んだ空気をモータ１外部に排出しやすくなる。言い換えれば、蓋部貫通孔２１１ａが形成されていない領域と、円筒部貫通孔２１２ａが形成されていない領域とが径方向において重なる。

本実施形態においては、蓋部貫通孔２１１ａおよび円筒部貫通孔２１２ａは、周方向に長手方向を有する孔形状である。このような構成とすることで、風の流れに沿って貫通孔を形成することができるため、吸排気を効率よく行うことが可能となる。

本実施形態においては、翼３４１の径方向の外縁部は、コアバック２３１の内周面よりも径方向外方に位置している。このような構成とすることで、インペラ３４が径方向最外端とコアバック２３１とが軸方向に重なる構成となる。そのため、インペラ３４の径方向最外端が回転した際に作用する空気流は、モータ１内部への流れよりは円筒部貫通孔２１２ａを通じてモータ１外部への排気への寄与が大きくなる。これにより、さらにサイクルを円滑に回すことができ、モータ１の冷却性能を向上できる。

本実施形態においては、インペラ３４は、複数の翼３４１を支持する円筒状の翼支持部３４２を有しており、複数の翼３４１は、翼支持部３４２から径方向外方に向けて突出している。このような構成とすることで、インペラ３４が回転することによって生ずる軸方向の風の流れを阻害しない。

本実施形態においては、シャフト３１は、ロータマグネット３３を支持するマグネット支持部３２１を有しており、翼支持部３４２は、マグネット支持部３２１に向けて伸びており、下端が、電機子２９の上端よりも下方に位置している。このような構成とすることで、インペラ３４が回転することによって生じた軸方向の風の流れがインペラ３４下方において淀まないようにし、円滑に下方に風を送り込むことができる。

本実施形態においては、翼支持部３４２の下端は、マグネット支持部３２１の上端と接触している。このような構成とすることで、インペラ３４が回転することによって生じた軸方向の風の流れに対して、ベルヌイの定理に従い、流速を増す構成とすることができる。ここでは、ブラケット２１と翼支持部３４２の間の流路面積よりもロータとコアバック２３１の間の流路面積の方が小さくなり、途中で流路が広くなる領域がないため、段階的に流速を増す構成とすることができる。この他に、翼支持部３４２がコイルと径方向に対向していてもよい。また、翼支持部３４２がコイルの巻き崩れ防止用の突起（コイルの径方向内側の突起）と径方向対向していてもよい。

本実施形態においては、ブラケット２１は、電機子２９よりも下方に底部２２を有しており、
底部２２には電機子２９と軸方向重なる底部貫通孔２２ａを有する。底部貫通孔２２ａは、複数個形成される。このような構成とすることで、インペラ３４が回転した際にモータ１内部の圧力上昇を抑え、風が流れやすい環境を構築できる。

本実施形態においては、円筒部貫通孔２１２ａの下エッジは、翼３４１の下縁よりも下方に位置する。このようにすることで、翼３４１が回転した際に外部に風を排気しやすい。また、円筒部貫通孔２１２ａの上エッジは、翼３４１の上縁よりも下方に位置する。このような構成とすることで、円筒部貫通孔２１２ａの上エッジが翼３４１の上縁よりも上方に位置した場合には、円筒部貫通孔２１２ａからの吸気が支配する割合が高くなる。翼３４１の上方の領域は、排気には寄与し難い。また、蓋部貫通孔２１１ａの径方向外端エッジは、翼３４１の外縁よりも径方向内側に位置する。当該構成を採用することで蓋部貫通孔２１１ａ付近において負圧を生じさせやすく、吸気効率を維持することが可能である。

＜３．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

本実施形態では、３相ブラシレスモータに使用したが、これに限られるものではない。単相や二相のブラシレスモータでもよい。また、ブラシとコミュテータとを有するブラシ付モータでもよい。また、ステッピングモータ等他のタイプのモータに用いられてもよい。

また、本実施形態では、軸受部を上軸受がブラケットに、下軸受が底部にそれぞれ保持される構造としたが、これに限られるものではない。ブラケット、または底部のいずれかのみに軸受が保持されていてもよい。

また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本発明は、インナーロータタイプのモータに利用できる。

１ モータ
２ 静止部
２１ ブラケット
２２１ 蓋部
２２１ａ 蓋部貫通孔
２１２ 円筒部
２１２ａ 円筒部貫通孔
２２ 底部
２２ａ 底部貫通孔
２３ ステータコア
２４ コイル
２５ 上インシュレータ
２６ 下インシュレータ
２７ 回路基板
２８ 軸受部
２８１ 上軸受
２８２ 下軸受
２９ 電機子
３１ シャフト
３２ ロータホルダ
３３ ロータマグネット
３４ インペラ
３４１ 翼

Claims (10)

1. モータであって、
   上下に伸びる中心軸に沿って配置され、軸受部により回転可能に支持されるシャフトと、
   前記シャフトと共に回転するロータマグネットと、
   前記ロータマグネットの径方向外側に位置する電機子と、
   前記電機子の軸方向上側に保持され、前記電機子に電気を供給する回路基板と、
   前記軸受部を支持する蓋部と、前記蓋部の径方向端縁から下方に向かって伸び内周面にて前記電機子に支持される円筒部と、を有するブラケットと、
   を有し、
   前記シャフトには、前記蓋部と前記電機子との間において周方向に複数の翼を有するインペラが固定され、
   前記蓋部には、前記複数の翼と軸方向に重なる蓋部貫通孔が配置され、
   前記円筒部には、前記複数の翼と径方向に重なる円筒部貫通孔が配置され、
   前記翼は、上端縁が下端縁に対して周方向が異なる位置に配置されている傾斜翼である、
   モータ。
2. 前記蓋部貫通孔は、周方向に配列される複数の孔である、請求項１に記載のモータ。
3. 前記円筒部貫通孔は、周方向に配列される複数の孔である、請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記蓋部貫通孔と前記円筒部貫通孔とは径方向において重なる、請求項１から３のいずれかに記載のモータ。
5. 前記蓋部貫通孔および前記円筒部貫通孔は、周方向に長手方向を有する孔形状である、請求項１から４のいずれかに記載のモータ。
6. 前記電機子は、
   環状のコアバックと、
   前記コアバックから径方向内側に向かって突出する複数の磁極歯と、
   を含むステータコアと、
   前記ステータコアの前記磁極歯の少なくとも上面と下面とを覆うインシュレータと、
   前記インシュレータを介して前記磁極歯に導線が巻かれることで構成されるコイルと、
   を有し、
   前記翼の径方向の外縁部は、前記コアバックの内周面よりも径方向外方に位置している、請求項１から５のいずれかに記載のモータ。
7. 前記インペラは、前記複数の翼を支持する円筒状の翼支持部を有しており、
   前記複数の翼は、前記翼支持部から径方向外方に向けて突出している、請求項１から６のいずれかに記載のモータ。
8. 前記シャフトは、前記ロータマグネットを支持するマグネット支持部を有しており、
   前記翼支持部は、前記マグネット支持部に向けて伸びており、下端が、前記電機子の上端よりも下方に位置している、請求項７に記載のモータ。
9. 前記翼支持部の下端は、前記マグネット支持部の上端と接触している、請求項８に記載のモータ。
10. 前記ブラケットは、前記電機子よりも下方に底部を有しており、
    前記底部には前記電機子と軸方向重なる底部貫通孔を有する、請求項１から９のいずれかに記載のモータ。

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