JP6698962B1 - 遠心ファンおよび回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、実施の形態1に係る遠心ファンについて図を用いて説明する。
図1は、本実施の形態1に係る遠心ファンの概略構成を示した図である。図において、遠心ファン1は円環状の主板2と、主板2の外周から主板2と同一面に伸びて形成された複数の腕状板3と、それぞれの腕状板3の縁部に立設した羽根4(各羽根は後述する符号4_1、4_2・・・が付されている)とを備えている。
主板2には、その中央付近に回転中心が存在し、その回転中心を通り主板2の主面と直交するように回転軸が設けられる。また主板2は、回転する物体、例えば回転電機の回転子等に取り付けられる。図1で示されるように、主板2の中央部には例えば回転電機の回転軸となるシャフト(後述する実施の形態9を参照)を通すための穴が設けられている。主板2の中央部が羽根4の形成された軸方向に向かってお椀状に膨らんでいる形状でもよい。主板2の一部に補強するためのリブあるいは突起を設けてもよい。また、回転電機に取り付ける場合は、回転子との位置決めのための切り欠き部を設けてもよい。
図1に示すように、遠心ファン1の羽根枚数をZ、回転軸方向から見て隣り合う2枚の羽根の最外周端どうしが回転中心Oを挟んでなす角度が最も小さい角度を角度P1、角度P1から反回転方向に順に隣り合う2枚の羽根の角度をP2、・・・、PZとする。このとき、P1の回転方向前側から反回転方向に設けられた羽根4_1、4_2、・・・、4_Zとする。また、それぞれの羽根4_1、4_2、・・・、4_Zにおける回転軸に垂直な断面上での羽根外径をR1、R2、・・・、RZとする。また、回転軸に垂直な断面において、各羽根の外周端における回転中心Oを中心とする円の接線、すなわち半径をそれぞれR1、R2、・・・、RZとする円の羽根外終端の接線であって、この接線を外周端から回転方向後ろ側に伸ばした接線を基準に各羽根の外周端近傍の傾斜を外周端から延長した接線のなす角度を出口角度θ1、θ2・・・、θZとする。図4に示すように、羽根の外周側が曲面であるので、端部付近、たとえば端部から2mmから3mm程度の短い範囲から2点(Q1,Q2)を選び、その2点を直線でつないで延長した線を延長の接線として、出口角度θ1、θ2・・・、θZを求めればよい。
また、それぞれの羽根4において、回転軸に垂直な断面上での外周側の反り半径をSとし、各羽根4_1、4_2、・・・、4_Zに対応してその反り半径をS1、S2、・・・、SZとする。上述したように、本実施の形態においては羽根の内径側は回転方向側に凹形状、外周側は凸形状となり、内周側と外周側は滑らかに接続されている。図4に示すように、反り半径Sは各羽根の外周側の反り半径としている。
このように、羽根4_2の反り半径S2をすべての羽根の反り半径より小さいあるいは羽根4_1の反り半径S1よりも小さく設定することで、羽根4_2から遠心方向に吹出される流れが他の羽根による作用よりも小さくなり、羽根4_2の前後で生じる急激な流速変化を抑えることになる。羽根の間隔が狭いほど高い周波数の騒音が生じやすい。羽根4_1と羽根4_2との間隔が最も狭いため、高周波のnz騒音を低減させるには羽根4_2の反り半径S2を小さくすることが最も効果的である。
図6は、遠心ファンから生じるnz騒音を示す図で、横軸はnz騒音の周波数であるが回転数を一定として便宜上羽根枚数のZ(Z=1,2,3・・・)で示している。縦軸は騒音値[dB]である。図6において、等ピッチの場合は羽根枚数6枚(Z=6)の場合であり、Z=6にnz騒音が生じる。比較例1、2は等ピッチの場合と同じ羽根枚数6枚(Z=6)で羽根間隔が不等間隔である遠心ファンを等ピッチの場合と同じ回転数で回転させた例である。また比較例1、2は羽根間隔の異なる例である。比較例1、2のように不等間隔の羽根では、Z=6のnz騒音は低減するが、Z=5あるいはZ=7等のZ=6の前後でnz騒音が大きくなる。そして、Z=6より大きい高周波成分(高周波帯)は間隔が狭い羽根において生じる。これに対し、本実施の形態1のように、間隔が最も小さい2つの羽根4_1、4_2の後ろ側にある羽根の反り半径を前側の羽根の反り半径よりも小さくして急激な流速変化を抑えることにより、羽根4_1と羽根4_2の負圧面で生じる剥離を抑制し、遠心ファンの風量低下を抑えつつ、nz騒音の遠心ファンの羽根枚数よりも大きい高周波成分を低減させることが可能となる。
比較例1の不等間隔の遠心ファンにおいて、間隔が最も小さい2つの羽根の後ろ側にある羽根の反り半径を前側の羽根の反り半径よりも小さくした遠心ファンを実施の形態1の遠心ファンとし、図6ではそのnz騒音を示している。本実施の形態1に係る遠心ファンのnz騒音は、破線及び矢印で示すように、Z=6より低周波数側で最も大きな騒音値を示すZ=4の騒音値よりも高周波側であるZ=7及びZ=8の騒音値は小さくなっている。また、比較例1のZ=7及びZ=8における騒音値よりそれぞれ小さく、比較例2のZ=7における騒音値より十分小さく、Z=8における騒音値と同程度まで抑制されていることがわかる。すなわち、本実施の形態1に係る遠心ファンではZ=6より高周波数側におけるトータルの騒音値が比較例1、2より低減している。
以下、実施の形態2に係る遠心ファンについて説明する。
上記実施の形態1においては、不等間隔の羽根を有する遠心ファンにおいて、間隔が狭い羽根が高周波成分を生じることに対し、間隔が最も小さい2つの羽根の後ろ側にある羽根の外周側反り半径を前側の羽根の外周側の反り半径よりも小さくして、後ろ側にある羽根の急激な流速変化を抑えるようにした。本実施の形態2では、図1、4、5で示される、後ろ側にある羽根4_2の出口角度θ2を調整する例について説明する。
θ2<(θ1、θ3、・・・、θZの最小値)
に設定する。このように出口角度を小さくすることで、羽根4の外周から剥離する空気の乱れが小さくなる。これにより、実施の形態1と同様に騒音の高周波成分が低減される効果を奏する。
なお、間隔が最も小さくなる2つの羽根のうち回転方向後ろ側にある羽根4_2の出口角度θ2を、少なくとも前側にある羽根4_1の出口角度θ1より小さくするとよく、したがって0<θ2<θ1となるようにするとよい。その結果、羽根4_2の外周側での急激な流速変化を抑えることができ、騒音の高周波成分低減が可能である。ただし、θが小さくなりすぎると、羽根としての空気を外周に放出させる効果が小さくなって、送風性能が低下することがある。このため、θ2は20°〜70°の範囲にあって、θ1よりも5°〜15°程度小さな角度であるとよい。
以下、実施の形態3に係る遠心ファンについて説明する。
本実施の形態3においては、不等間隔の羽根を有する遠心ファンにおいて、間隔が狭い羽根が高周波成分を生じることに対し、間隔が最も小さい2つの羽根の後ろ側にある羽根4_2の外径R2を調整する例について説明する。
R2<(R1、R3、・・・、RZの最小値)
に設定する。このように設定することで、回転方向の直前にある羽根4_1で生じた乱流を、後ろ側の羽根4_2が再び乱す現象が抑えられる。その結果、羽根4_2の外周側での急激な流速変化を抑えることができ、騒音の高周波成分低減が可能である。
ただし、他に比べてR2を小さくしすぎると羽根としての空気を外周に放出させる効果が小さくなって、送風性能が低下することがある。このため、図1、4に示されるように間隔が最も小さくなる2つの羽根のうち回転方向後ろ側にある羽根の外径R2は、前側にある羽根の外径R1の90〜99%とすると望ましく、95〜98%とするとさらによい。
以下、実施の形態4に係る遠心ファンについて説明する。
本実施の形態4においては、不等間隔の羽根を有する遠心ファンにおいて、間隔が狭い羽根が高周波成分を生じることに対し、間隔が最も小さい2つの羽根の後ろ側にある羽根4_2の高さH2を調整する例について説明する。
ただし、他に比べてH2を小さくしすぎると羽根としての空気を外周に放出させる効果が小さくなって、送風性能が低下することがある。このため、間隔が最も小さくなる2つの羽根のうち回転方向後ろ側にある羽根4_2の高さH2は、少なくとも前側にある羽根4_1の高さH1より小さく、高さH1の90〜99%とすると望ましく、95〜98%とするとさらによい。
以下、実施の形態5に係る遠心ファンについて説明する。
本実施の形態5においては、不等間隔の羽根を有する遠心ファンにおいて、間隔が狭い羽根が高周波成分を生じることに対し、間隔が最も小さい2つの羽根の外周側形状を次の式(1)で規定した。
(4×(θ2/θ1 −1))+0.2×LOG10(S2/S1)
<(P1/(360°/Z)−1) (1)
<(Pm/(360°/Z)−1) (2)
ここで、mは、1、3・・・、Zであり、
例えば、m=1の時、θm=θ1、Sm=S1、Pm=P1
m=3の時、θm=θ3、Sm=S3、Pm=P3
m=Zの時、θm=θZ、Sm=SZ、Pm=PZ
である。
以下、実施の形態6に係る遠心ファンについて説明する。
上記実施の形態1から5においては、不等間隔の羽根を有する遠心ファンにおいて、間隔が狭い羽根が高周波成分を生じることに対し、間隔が最も小さい2つの羽根の特に後ろ側の羽根4_2の外周側形状を規定した。本実施の形態6では、羽根の周方向間隔が羽根間隔の平均値よりも小さい、すなわち、羽根4_Nと羽根4_(N+1)が回転中心Oを挟んでなす角がPN<(360°/Z)の羽根について、次の(3)式を満足するようにしてもよい。
(4×(θ(N+1)/θN −1))
+0.2×LOG10(S(N+1)/SN)
<(PN/(360°/Z) −1) (3)
ここで、Nは、1、2、3・・・、Zであり、Zを超えると1に戻る自然数である。
例えば、N=1の時、
θN=θ1、SN=S1、PN=P1、θ(N+1)=θ2、S(N+1)=S2、
N=2の時、
θN=θ2、SN=S2、PN=P2、θ(N+1)=θ3、S(N+1)=S3、
N=Zの時、
θN=θZ、SN=SZ、PN=PZ、θ(N+1)=θ1、S(N+1)=S1、
である。
以下、実施の形態7に係る遠心ファンについて説明する。
本実施の形態7においては、不等間隔の羽根を有する遠心ファンにおいて、間隔が狭い羽根が高周波成分を生じることに対し、間隔が最も小さい2つの羽根の外周側形状を次の式(4)で規定した。
(4×(θ2/θ1 −1))+(R2/R1 −1)
+(H2/H1 −1 +0.2×LOG10(S2/S1)
<(P1/(360°/Z) −1) (4)
+(H2/Hm −1)+0.2×LOG10(S2/Sm)
<(Pm/(360°/Z) −1) (5)
ここで、mは、1、3・・・、Zであり、
例えば、m=1の時、
θm=θ1、Rm=R1、Hm=H1、Sm=S1、Pm=P1、
m=3の時、
θm=θ3、Rm=R3、Hm=H3、Sm=S3、Pm=P3、
m=Zの時、
θm=θ1、Rm=RZ、Hm=HZ、Sm=SZ、Pm=PZ、
である。
以下、実施の形態8に係る遠心ファンについて説明する。
上記実施の形態7においては、不等間隔の羽根を有する遠心ファンにおいて、間隔が狭い羽根が高周波成分を生じることに対し、間隔が最も小さい2つの羽根の特に後ろ側の羽根4_2の外周側形状を規定した。本実施の形態8では、羽根の周方向間隔が羽根間隔の平均値よりも小さい、すなわち、羽根4_Nと羽根4_(N+1)が回転中心Oを挟んでなす角がPN<(360°/Z)の羽根について次の(6)式を満足するようにしてもよい。
(4×(θ(N+1)/θN −1))+(R(N+1)/RN −1)
+(H(N+1)/HN −1)
+0.2×LOG10(S(N+1)/SN)
<(PN/(360°/Z) −1) (6)
ここで、Nは、1、2、3・・・、Zであり、Zを超えると1に戻る自然数である。
例えば、
N=1の時、
θN=θ1、RN=R1、HN=H1、SN=S1、PN=P1、θ(N+1)=θ2、R(N+1)=R2、HN+1=H2、SN+1=S2、
N=2の時、
θN=θ2、RN=R2、HN=H2、SN=S2、PN=P2、θ(N+1)=θ3、R(N+1)=R3、H(N+1)=H3、S(N+1)=S3、
N=Zの時、
θN=θZ、RN=RZ、HN=HZ、SN=SZ、PN=PZ、θ(N+1)=θ1、R(N+1)=R1、H(N+1)=H1、S(N+1)=S1、
である。
上記実施形態1から実施の形態8の遠心ファンを、交流発電機、モータあるいは駆動装置などの回転電機の回転子に取り付けて利用してもよい。本実施の形態9では一例として、車両用交流発電機に取り付けた例を示す。
図8は上記実施形態1から実施の形態8で開示された遠心ファン1を適用した車両用交流発電機の概略を示した断面図であり。図において、車両用交流発電機は、略椀形状のアルミニウム製のフロント側ハウジング31及びリヤ側ハウジング30からなるケーシング32と、このケーシング32に一対のベアリング33を介して回転自在に支持されたシャフト34と、ケーシング32のフロント側に延出するシャフト34の端部に固着されたプーリ7と、シャフト34と一体的に回転しケーシング32内に配設された回転子8と、回転子8の外周に対向して配置されケーシング32に固定された固定子9と、ケーシング32のリヤ側に延出するシャフト34の延出部に固定され、回転子8に電流を供給する一対のスリップリング10と、各スリップリング10の表面に摺動する一対のブラシ11と、これらのブラシ11を収容しているブラシホルダ17と、これらのブラシ11に隣接されて固定子9で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器12と、固定子9で生じる交流電圧を直流電圧に整流する整流装置13と、ヒートシンク18と、電圧調整器12と外部装置(図示せず)との信号の入出力を行うコネクタ20と、ブラシホルダ17と整流装置13を覆うように保護カバー27と、を備えている。
P1/2 −10° < θR < P1/2 +10° (7)
を満たすようにすれば、界磁鉄芯82と遠心ファン1により生じる風音をより効果的に低減することができる。なお、式(7)は概ね爪部の中心が隣り合う2枚の羽根の間隔が最も小さい2枚の羽根の中心から、回転中心に対して±10°の範囲に位置するように配置されることを意味している。このように設定することで、界磁鉄芯82によって生じる急激な速度変化を効果的に抑制することが可能となる。界磁鉄芯82の爪部あるいは遠心ファン1の角度P1を式(7)のように設定することで、実施の形態1から実施の形態8の効果、すなわち、遠心ファン1の風量を維持したまま、騒音の高周波成分を低減することに加え、界磁鉄芯82によって生じる騒音も抑制することができる。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (11)
- 回転中心を有する主板と前記主板から前記回転中心を通る回転軸の方向に伸びる複数の羽根とを備えた遠心ファンであって、複数の前記羽根は少なくとも一部に隣り合う羽根の間隔が不等間隔となる配置を含み、前記羽根の長さ方向は前記主板の内周側から外周側に伸びており、前記複数の羽根のうち、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組において、前記羽根の内周側から外周側に伸びる第一の部分は、回転方向に対し凹形状に形成され、前記第一の部分から外周側に伸びる第二の部分は、回転方向に対し凸形状に形成されており、回転方向後ろ側にある前記羽根の第二の部分における反り半径が回転方向前側にある前記羽根の第二の部分における反り半径よりも小さい遠心ファン。
- 前記複数の羽根の中で、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組の回転方向後ろ側にある前記羽根の第二の部分における反り半径が最も小さい請求項1に記載の遠心ファン。
- 前記複数の羽根のうち、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組において、回転方向後ろ側にある前記羽根の出口角度が回転方向前側にある前記羽根の出口角度よりも小さい請求項1または2に記載の遠心ファン。
- 前記複数の羽根の中で、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組の回転方向後ろ側にある前記羽根の出口角度が最も小さい請求項3に記載の遠心ファン。
- 回転中心を有する主板と前記主板から前記回転中心を通る回転軸の方向に伸びる複数の羽根とを備えた遠心ファンであって、複数の前記羽根は少なくとも一部に隣り合う羽根の間隔が不等間隔となる配置を含み、前記羽根の長さ方向は前記主板の内周側から外周側に伸びており、前記複数の羽根のうち、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組において、回転方向後ろ側にある前記羽根の高さが回転方向前側にある前記羽根の高さよりも小さい遠心ファン。
- 前記複数の羽根の中で、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組の回転方向後ろ側にある前記羽根の高さが最も小さい請求項5に記載の遠心ファン。
- 前記複数の羽根の枚数をZ枚、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組において、回転方向後ろ側にある前記羽根の第二の部分における反り半径をS2、出口角度をθ2、回転方向前側にある前記羽根の第二の部分における反り半径S1、出口角度をθ1、回転方向前側にある前記羽根と回転方向後ろ側にある前記羽根との最外周端どうしが回転中心を挟んでなす角度をP1とすると、
(4×(θ2/θ1 −1))+0.2×LOG10(S2/S1)
<(P1/(360°/Z) −1)
を満足する請求項1に記載の遠心ファン。 - 前記複数の羽根の枚数をZ枚、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組において、回転方向後ろ側にある前記羽根の第二の部分における反り半径をS2、出口角度をθ2、羽根の外径をR2、羽根の高さをH2、回転方向前側にある前記羽根の第二の部分における反り半径S1、出口角度をθ1、羽根の外径をR1、羽根の高さをH1、回転方向前側にある前記羽根と回転方向後ろ側にある前記羽根との最外周端どうしが回転中心を挟んでなす角度をP1とすると、
(4×(θ2/θ1 −1))+(R2/R1 −1)
+(H2/H1 −1)+0.2×LOG10(S2/S1)
< (P1/(360°/Z) −1)
を満足する請求項1に記載の遠心ファン。 - 前記複数の羽根の枚数をZ枚、前記羽根の形状を規定する、第二の部分における反り半径をSm、出口角度をθm、羽根の外径をRm、羽根の高さをHm、回転方後ろ側にある前記羽根との最外周端どうしが回転中心を挟んでなす角度をPmとし、
回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組において、回転方向前側にある前記羽根はm=1の第1の羽根であり、回転方向前側にある前記羽根の第二の部分における反り半径をS1、出口角度をθ1、羽根の外径をR1、羽根の高さをH1、回転方前側にある前記羽根と回転方向後ろ側にある前記羽根との最外周端どうしが回転中心を挟んでなす角度をP1とし、
回転方向とは反対方向に順に第Z番目の羽根まで前記羽根の形状を規定するとき、
(4×(θ2/θm −1))+(R2/Rm −1)
+(H2/Hm −1)+0.2×LOG10(S2/Sm)
<(Pm/(360°/Z) −1)
(mは、1、3・・・、Zの自然数)
を満足する請求項1に記載の遠心ファン。 - 請求項1から9のいずれか1項に記載の遠心ファンが、シャフトを前記回転軸とし前記シャフトと一体的に回転する回転子に取り付けられた回転電機。
- 回転中心を有する主板と前記主板から前記回転中心を通る回転軸の方向に伸びる複数の羽根とを備え、複数の前記羽根は少なくとも一部に隣り合う羽根の間隔が不等間隔となる配置を含み、前記羽根の長さ方向は前記主板の内周側から外周側に伸びており、前記複数の羽根のうち、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組において、回転方向後ろ側にある前記羽根と回転方向前側にある前記羽根と前記羽根の外周側の形状が異なり、回転方向後ろ側にある前記羽根は回転方向前側にある前記羽根よりも流体を外周方向に放出させる作用を小さくした遠心ファンが、シャフトを前記回転軸とし前記シャフトと一体的に回転する回転子に取り付けられた回転電機であって、
前記回転子は、界磁巻線と、前記界磁巻線を覆うように設けられ複数の爪部を有する界磁鉄芯とを具備し、前記遠心ファンの前記複数の羽根のうち、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組において、回転方向前側にある前記羽根と回転方向後ろ側にある前記羽根との最外周端どうしが回転中心を挟んでなす角度をP1とすると、前記複数の爪部のうち1つは、回転方向に隣り合う羽根間隔が最も小さくなる間隔の羽根の組の間に配置され、前記回転中心と回転方向の前側の羽根の外周端部とを結ぶ半直線と前記回転中心と前記爪部の中心とを結ぶ半直線とのなす角度をθRとするとき、
P1/2 −10°< θR < P1/2 +10°
を満たす回転電機。
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