JP2006087190A - 非円筒形状のギャップを有するモータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの軸方向の振動を低減すること。
【解決手段】巻線が施された固定子と磁石や巻線，かご形導体を有する回転子を備えたモータにおいて、固定子と回転子が対向するギャップ部分の形状が同一半径を有する円筒形では無くて、球面形、2つ以上の半径を有する円筒の組合せ、または円筒と円錐の組合せでギャップを構成し、軸方向に発生する振動を低減し、モータの振動、騒音を低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動、騒音を低減した産業用、家電用、ＯＡ機器用の駆動用モータ、およびファン用モータなどに適する非円筒形状のギャップを有するモータ関するものである。

機器の冷却、及び送風用として通常、ファンモータが使用される。これらのモータ対しては、高効率であることが求められる一方、振動、騒音は少なくしたいという要求がある。これらのモータの振動、騒音の低減には、モータの機械的な剛性を高め、モータが発生する電磁振動の伝達を少なくする目的でモールドモータが採用されている。特許文献１（特開２００１−２３１１９２号公報）、特許文献２（特開平６−７８４８６号公報）には、モータの巻線を含めた固定子コア部全体をモールドすることによって、積層コア間等に樹脂を充填し、固定子コアから発生する電磁振動の伝達を少なくすることが記載されている。

また、他の振動、騒音の低減手法としては、特許文献３（特開平８−７０５５０号公報）、特許文献４（特開平６−３０５４９号公報）、特許文献５（特開平８−２９８７４０号公報）に示されているように、固定子と軸受部の組立精度、軸と回転子の組立精度等の各部品精度や組立精度を向上して、その誤差によって発生する軸ぶれに起因する振動の発生を抑え、モータ全体の振動、騒音を低減を実現することが記載されている。

特開２００１−２３１１９２号公報 特開平６−７８４８６号公報 特開平８−７０５５０号公報 特開平６−３０５４９号公報 特開平８−２９８７４０号公報

本発明は、ファンモータなどの騒音がモータの軸方向振動に関係することに注目し、その軸方向振動の加振源であるモータ自体が発生する軸方向振動を低減することである。ファンモータは、通常高速で回転し、その回転によってモータ回転子の軸に取り付けられたファン（羽根）の回転によって風を発生させる機能を有する。風の発生によって羽根は反力を受け、風の流れる方向とは逆の方向に推力を受ける。その推力のために回転子は固定子との磁気中心で保たれていたバランスを崩し、回転子と固定子間の磁気吸引力によって羽根の推力と逆の方向への力を及ぼす。

この磁気吸引力は固定子スロットと回転子極数によって回転子の回転位置によって吸引力が異なり、回転中にはモータのコギングトルクと同様に、一回転で極数とスロット数の最小公倍数にあたる数の振幅を繰り返すことになる。この羽根の推力と磁気吸引力の関係によって軸方向の振動が発生する。

この振動は、固定子と回転子のずれが無い場合には発生しないため、回転子のスラスト方向の位置を固定する構造が考えられる。しかし、機械的摩擦が増加するため、機械損が増加し、モータ効率を低下させてしまう。本発明では回転子の構造の変更で軸方向の振動を抑制する。

本発明は、回転子が羽根の推力によって固定子と回転子の磁気中心からずれなくするため、磁気吸引力のバランスをギャップ部でとる構造として、従来の固定子と回転子の円筒形ギャップ面から軸方向の吸引反発力も利用する構造とし、ギャップ構造でバランスすることによって軸方向の振動を低減できる構造を提案するものである。

上記のようにファン（羽根）の推力が発生しても、それに対向する磁気吸引力をギャップ面でカバーすることにより軸方向の振動を低減でき、モータの騒音を小さくすることが可能となる。また、組立誤差、磁石の着磁誤差などによる磁気中心ずれに対しても軸方向推力を小さくできる。

上述のようにファン（羽根）の推力が発生しても、それに対向する軸方向の磁気吸引反発力をギャップ面でカバーすることで軸方向の振動を低減でき、モータの騒音を小さくすることが可能となる。また、組立誤差、磁石の着磁誤差などによる磁気中心ずれに対しても軸方向推力を小さくできるものである。

（実施形態１）
本発明に係るモータの１実施形態の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係るモータの１実施の形態である基本的なモータ構造（断面）を示す簡略断面図である。一般的にモータは、固定子コアとして積層鋼板（珪素鋼板など）を用いて構成されるため、回転子と固定子のギャップ部は、半径が回転子中心から一定の円筒形状になっている。

回転子は、固定子コイルが作る回転磁界により回転方向にトルクを発生し回転する。しかし、モータは軸方向については自由であるため、ファンモータ等の推力を受けるモータや、軸方向の組立誤差、磁石の着磁分布誤差を生じたようなモータにおいては、回転子に軸方向の振動が発生する。この軸方向振動の発生を低減するために、本発明においては、図１に示す構造とし、軸方向に関し磁界による吸引反発をバランスさせる。

図１に示す実施形態においては、回転子１０を構成する回転子磁石１２の軸方向断面を非直線状、例えば円形状、または楕円形状とし、固定子コア１４側も回転子１０の形状と同様の形状で対向する形状とする。すなわち、シャフト１６に支持される回転子磁石１２と、その外周を取り囲む固定子コア１４との対向面に形成されるギャップ部Ｇが非円筒形状である、例えば、球面形状、円錐形状と円筒形状の組合せ形状とすることにより軸方向の振動を低減することができる。

回転子磁石１２の外周面と固定子コア１４の内周面の対向部に形成されるギャップＧは、軸方向成分と、軸方向に垂直な成分を持っている。一方、従来のモータの構造は円筒形の回転子磁石であり、軸方向成分は存在せず、すべて軸方向と直角な成分である。固定子コア１４には固定子コイル１８が配置されている。

図１に示す形状で、回転子１０と固定子コア１４の軸方向成分を含まないギャップ中央部と、軸方向成分を含む上下端部には、従来のモータと同様に固定子コア１４の回転磁界によって回転トルクが発生し、回転子１０が回転する。また、上下端部には、上下で同等の吸引、または反発力が発生する。この吸引・反発力は、回転時に同断面の上下においては等しい。その結果、回転子の軸方向の位置はバランスされた位置に位置決めされるため、外部からの推力などが作用しても磁気中心を保ち軸方向の振動が低減できる。

次に図２を用いて本実施形態のモータ組立方法の一例を説明する。まず、固定子コア１４は図２（ａ）に示すようにモータの固定子コア１４の１極分を圧粉磁心，焼結コアなどの粉末磁性材料を成形金型によって成形する。この材料は、珪素鋼板などの積層に比べ３次元的な形状を構成するのに適している。このとき、形状はギャップ部となるティース先端部２０が対向する回転子形状に合わせた形状を有する。また、固定子コイル１８が巻き線し易いような胴部形状も同時に成形によって製造可能である。

次に図２（ｂ）に示すように固定子コイル１８の整列巻線を行い、図２（ｃ）に示すように回転子１０を配置して、その周方向から固定子コア１４を配置組立し、溶接、接着、ハウジング圧入、焼嵌め等の方法により固定子コア１４を固定し、組立を行う。これにより図１に示すような断面を有するモータを得ることが可能となる。また、回転子磁石１２のＲ面を軸方向の片側にすることにより、回転子１０の周囲に配置しなくても固定子コア１４を先に組立してから、Ｒの無い側から回転子を軸方向に組立することも可能である。

このようにして組立された非円筒形ギャップを有するモータを図８に示すようなファンモータとして使用することにより軸方向の振動が少なく、騒音が小さいモータを構成することができる。図８においては、回転子磁石１０がシャフト１６によって回転可能に支持されている。シャフト１６は、下モータケース２６ａに支持された軸受２８、上モータケース２６ｂに支持された軸受３０により支持される。

固定子コア１４は、上下のモータケース２６ｂ，２６ａ内に収容されている。固定子コイル１８は、固定子コア１４に構成された溝内に巻かれている。軸受３０の上端と上モータケース２６ｂ間には板バネ３２が挿入され、回転子１０を下方に押しつけている。シャフト１６には、ファン羽根３４がナット３６によって固定されている。固定子コア１４上にはモータ制御基板３８が固定されている。
（実施形態２）
図３は第２の実施形態を示す概略断面図である。図１に示した実施形態１では、断面形状が円形状であるが、図３（ａ）には上下部が略円錐形状で、中央部が円筒形状となるモータを示す。また、図３（ｂ）には上下部が逆向きとなる円錐形状で中央部が円筒形状となるものを示す。この形状においても実施形態１で示した組立方法により組立でき、軸方向の振動を低減できる。
（実施形態３）
図４は第３の実施形態を示す概略断面図である。固定子コア１４と回転子１０の構造は図１に示した実施形態１と同様の構造を有し、シャフト１６と固定子の関係を図示のようにする。すなわち、固定子コア１４の一部が軸受２２の保持部となる形状を有する。圧粉磁心等の粉末材料は３次元的な形状を金型で成形することが可能であるため、軸受２２を軸方向に保持する形状を成形時に作りこむことが出来る。

この部分に軸受２２を配置することにより、通常はハウジング４０、ブラケット４２等の製造誤差（寸法公差の重ね合わせ）に起因して固定子に対する軸受位置がばらつきを持つ問題があったが、その問題が解決できる。このことにより、回転子１０の軸方向位置を一意に保つことができるため、実施形態１で説明した軸方向振動低減と合わせ更に軸方向の回転子位置を一定にすることが可能となる。
（実施形態４）
図５には本発明の第４の実施形態を示す。固定子コア１４と回転子１０の構造は図１に示した実施形態例１と同じ構造を有し、回転子１０，または、固定子コア１４のギャップ面に潤滑性樹脂，または油含浸金属を配置し、磁気回路のギャップ部を回転方向，スラスト方向の機械的軸受４４として兼ねて構成する。これにより、回転子は軸方向に一意に位置決めされ、実施形態１に示した軸方向振動の低減と併せ、更に軸方向の回転子位置を一定にすることが可能となる。
（実施形態５）
図６，図７には本発明の第５の実施形態を示す。固定子コア１４ａ、１４ｂと回転子１０の間のギャップは図１に示す実施形態と同じ構造を有し、固定子側のコアを中央で分ける構造とする。この実施形態では、固定子コア１４ａ、１４ｂの固定子コイル１８の軸方向長さをギャップ部，コアバック部の軸方向長さより短くし、２段以上に重ねて回転方向位置をずらして組合せることにより固定子を構成している。また、軸方向で分けた固定子１４ａ、１４ｂは、回転方向にある一定の角度をずらして組立するものとし、巻線にはそれぞれのスロットに同一の電流を通電する。

通常、小形のモータにおいては、１２０度矩形波状の電流を通電する方式でモータを駆動する場合が多い。このようなモータにおいては、回転方向のトルクや軸方向の推力に固定子のスロット数と回転子極数との最小公倍数のトルク脈動、推力振動が発生し、問題となる場合が多い。

本発明のような非円筒ギャップを有するモータでは、その発生を抑えることが可能であるが、若干の微小振動が残ることも場合によってあり得る。そこで、その微小振動を重ね合わせてゼロとする構造を示す。通常は１回転に最小公倍数分の振動が発生するため、その周期を考慮して固定子１４ａ，１４ｂを上下で分割して回転して組合せることにより振動をゼロとする。

図７に１２スロット８極のモータの振動を例として示す。このスロットコンビネーションにおいては、１回転あたり、最小公倍数の２４回振動が発生する。従って、回転角度１５度に１周期の振動が発生するため、上下の固定子１４ａ，１４ｂを７．５度ずらして組立することにより上下で発生する振動の波が合成され、振動がゼロになる。

本発明の第１の実施形態を示すモータ回転子と固定子の断面を示した説明図である。 図１のモータ回転子と固定子の組立方法の一例を示した説明図である。 本発明の第２の実施形態を示すモータ回転子と固定子の断面を示した説明図である。 本発明の第３の実施形態を示すモータ回転子と固定子の断面を示した図であり、固定子と軸受の配置の関係を説明する図面である。 本発明の第４の実施形態を示すモータ回転子と固定子の断面を示した図であり、固定子と回転子、及び軸受部の構造を説明する図面である。 本発明の第５の実施形態を示すモータ回転子と固定子の断面を示した図であり、複数の固定子と回転子、及び軸受部の構造を説明する図面である。 本発明のモータの軸方向，回転方向に発生する振動波形を示した図である。 本発明のモータをファンモータに適用した例を示した断面図である。

符号の説明

１０…回転子、１２…回転子磁石、１４…固定子コア、１６…シャフト、１８…固定子コイル、２２…軸受、２６ａ、２６ｂ…モータケース、３２…板バネ、３０…玉軸受、３４…ファン羽根、３６…ナット、３８…モータ制御基板、４０…ハウジング、４２…エンドブラケット。

Claims (5)

1. 巻線が施された固定子と、磁石を有する回転子を備え、前記固定子と回転子が対向するギャップ部分の形状が、球面、または複数の半径を有する円筒の組合せ、または円筒と円錐の組合せによって構成されることを特徴とする非円筒形状のギャップを有するモータ。
2. 巻線が施された固定子と、磁石を有する回転子を備え、前記固定子と回転子とが対向するギャップ部分の形状が球面、または2つ以上の半径を有する円筒の組合せ、または円筒と円錐の組合せによって構成され、前記固定子のコアの一部が軸受の固定位置決めに利用される構造を有することを特徴とする非円筒形状のギャップを有するモータ。
3. 巻線が施された固定子と、磁石を有する回転子を備え、前記固定子と回転子が対向するギャップ部分の形状が、球面、または2つ以上の半径を有する円筒の組合せ、または円筒と円錐の組合せによって構成され、そのギャップ面に潤滑性樹脂，または油含浸金属を配置し、磁気回路のギャップ部を回転方向、スラスト方向の機械的軸受けとして構成することを特徴とする非円筒形状のギャップを有するモータ。
4. 巻線が施された固定子と、磁石を有する回転子を備え、前記固定子と回転子が対向するギャップ部分の形状が、球面、または2つ以上の半径を有する円筒の組合せ、または円筒と円錐の組合せにより構成され、前記固定子の巻線部の軸方向長さをギャップ部，コアバック部の軸方向長さより短くし、２段以上に重ねて回転方向位置をずらして組合せることにより固定子を構成することで、トルク脈動，スラスト方向軸振動などを重ね合わせて、両方向の振動を同時に抑えることを特徴とする非円筒形状のギャップを有するモータ。
5. 巻線が施された固定子と、磁石を有し、前記固定子の内周に挿入される回転子を備え、前記固定子と回転子が対向するギャップ部分の形状が、球面、または複数の半径を有する円筒の組合せ、または円筒と円錐の組合せによって構成され、対向するギャップが軸方向成分と半径方向成分を含むことを特徴とする非円筒形状のギャップを有するモータ。
   

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