JP5487649B2 - ファンモータおよびこのファンモータを備えた送風機 - Google Patents

Description

本発明は、車両用や空調用などとして利用されるファンモータおよびこのファンモータを備えた送風機に関し、特に、モータの両側にファンを取り付けたファンモータおよびこのファンモータを備えた送風機に関する。

例えば車両内の空調用として用いられるファンモータは、コンパクト化とともに高風量であることが要求される。このため、従来、モータの双方向に回転軸を突出させた両軸モータを利用し、両軸モータの両軸にファンを取り付けた両軸ファンの構成とすることによって、小型化、高効率化および低騒音化を図ったファンモータや送風機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、例えば、特許文献１に開示されているように、ファンを円筒状の遠心ファンとし、双方のファンから空気を吸入し、１方向へと吐出するような送風機の構成とすることにより、片軸にファンを支承する片軸ファンの構成に比べて、吸入量を多くでき、吸入効率を高めることができる。また、両軸にファンを支承するような構成であるため、片軸ファンの構造に比べて、バランスよく支承でき、低騒音化も可能である。

また、従来、トロイダル方式のステータと内側ロータと外側ロータとを備えた構成とすることで、コイルエンド体積を小さくするとともに、銅損を低く抑え、さらに高トルク出力も可能としたブラシレスモータに関する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７―１４４５２８号公報 特開２００１−３７１３３号公報

しかしながら、両軸ファンの構成は、基本的に２つのファンの間にモータを配置する構造であるため、モータの回転軸方向においてモータの幅が大きい場合、ファンの幅を狭くせざるを得ない。そして、ファンの幅が狭くなると、ファンの体積が減少するため、送風量が減少してしまう。このため、両軸ファンの構成において十分な送風量を確保するには、回転軸方向におけるモータの幅を狭くする必要があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、両軸ファンの構成において、両軸モータの薄型化を図り、十分な送風量を確保できるファンモータおよびこのファンモータを備えた送風機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のファンモータは、一対のファンをモータの回転軸の軸方向両側にそれぞれ取り付けたファンモータである。そして、モータは、巻線を巻回したステータの内周側に配置される内側ロータとステータの外周側に配置される外側ロータとを備え、回転軸を中心に内側ロータと外側ロータとが回転自在に保持される２重ロータ構造を有する構成である。

このような構成により、ステータから内側ロータと外側ロータとの双方に対して回転トルクが生じるため、片側ロータのみの構成に比べて高トルクが得られ、これによって両軸モータとしての上記モータの小型化、薄型化が可能となり、ファンモータにおける回転軸方向のファン幅の占める割合を高めることができる。

また、本発明のファンモータは、ステータが、環状のヨークとヨークから内周側に突出した複数の内側ティースとヨークから外周側に突出した複数の外側ティースとを有したステータコアを含み、巻線が、ヨークに巻回されている構成である。

このような構成により、ステータは、ヨークに巻線を巻回したトロイダル方式の構成となるため、上述した従来のブラシレスモータのように、巻線の例えば分布巻に比べてコイルエンドの体積やステータの高さを低くできる。このため、モータの小型化が図れ、特に、巻回コイルの高さやステータの高さを低くできるので、回転軸方向の薄型化が可能となる。また、銅損も低く抑えることができるため、モータの効率も高めることができる。

また、本発明のファンモータは、一対のファンを回転軸の両側にそれぞれ取り付けた構成である。

さらに、本発明のファンモータは、一方のファンを回転軸と外側ロータとのいずれかに取り付けるとともに、他方のファンを回転軸と内側ロータとのいずれかに取り付けた構成としてもよい。

特に、本発明のファンモータのモータは２重ロータ構造であるため、ロータごとにファンを取り付けた構造とすることにより、シャフト連結が不要となり、強固にファンを支持でき、また、例えば、これまで課題とされてきたシャフトねじれ共振の発生の抑制効果がある。

また、本発明のファンモータは、ファンが、少なくとも一端側を空気吸入口として開口した開口部を有する円筒状の遠心ファンである。

このような構成により、片軸にファンを支承する片軸ファンの構成に比べて、吸入量を多くでき吸入効率を高めたファンモータを実現できる。

また、本発明の送風機は、上述した本発明のファンモータを備えた送風機であって、開口部へ空気を供給するための吸込口を有し、吸込口から吸い込んだ空気をファンの内径側から外径側へと吐出する構成である。

このような構成により、上述した本発明のファンモータの特徴を備えた送風機を実現できる。

本発明のファンモータによれば、両軸モータの薄型化によって、ファンモータにおける回転軸方向のモータ幅の占める割合を低減し、ファン幅の占める割合を高めることができるため、十分な送風量を確保できるファンモータおよびこのファンモータを備えた送風機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における送風機１０の内部構造を示す図である。

図１に示すように、送風機１０は、一対のファン２１をモータ３０の回転軸３１の軸方向両側にそれぞれ取り付けたファンモータ２０を備えている。すなわち、モータ３０はモータ本体から双方向に回転軸３１を突出させた両軸モータである。そして、本実施の形態のファンモータ２０は、両軸モータであるモータ３０の両軸にファン２１を取り付けた両軸ファンの構成である。

また、一対のファン２１それぞれは同一の形状を有している。本実施の形態では、ファン２１を中空円筒状の形状を有した遠心ファンとした一例を挙げて説明する。遠心ファンとして機能するため、ファン２１は、円筒形状両端の少なくとも一端側を空気吸入口として開口した開口部２２を有している。また、ファン２１は、円筒内部に吸い込んだ空気を吐き出すため、円筒部に多数の孔部と翼部とが交互に配置された多翼部２３が形成されている。

このような構成のファン２１がモータ３０の回転軸３１に固定される。図１では、開口部２２の反対側となるファン２１の他端側において、回転軸３１に固定されている。すなわち、図１に示すように、ファンモータ２０は、回転軸方向において、モータ３０を中心として、その両側にファン２１が配置され、回転軸方向の両端部に開口部２２が配置されるように構成されている。

このような構成のファンモータ２０が、さらに送風機１０のケース１１の内部に配置される。送風機１０は、回転軸方向の中心付近に支持板１１ａを有しており、モータ３０がビス１１ｂよってこの支持板１１ａに固定される。さらに、送風機１０は、回転軸方向の中心付近に仕切板１１ｃを有しており、モータ３０は、支持板１１ａと仕切板１１ｃとで挟まれるように配置される。一方、送風機１０の回転軸方向両側には、空気を吸い込むための吸込口１２が形成されている。

送風機１０のこのような構成により、モータ３０の回転に伴なって双方のファン２１が回転する。ファン２１の回転により、双方の吸込口１２から空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気が、開口部２２を介してファン２１の内部に導入される。そして、ファン２１の内部に導入された空気が、多翼部２３の回転によって、回転軸と直交する方向に吐き出される。すなわち、送風機１０は、吸込口１２から吸い込んだ空気をファン２１の内径側から外径側へと吐出する。

次に、ファンモータ２０に利用されるモータ３０の詳細な構成について説明する。

図２は、本発明の実施の形態における送風機１０のモータ３０の断面を示す図である。図２では、回転軸の長手方向から見た断面を示している。また、煩雑さを避けるためにステータに巻回する巻線は省略している。また、本実施の形態では、モータ３０として、１２０度位相が異なった３相の交流で駆動されるブラシレスモータを適用した一例を挙げて説明する。

図２に示すように、本実施の形態におけるモータ３０は、ステータ４０と、ステータ４０の内周側に配置される内側ロータ３２と、ステータ４０の外周側に配置される外側ロータ３３とを備えている。このように、モータ３０は、２重ロータ構造を有するデュアルロータモータである。

ステータ４０は、略円環状のヨーク４１と、ヨーク４１から内周側に突出する複数の内側ティース４２と、ヨーク４１から外周側に突出する複数の外側ティース４３とを含む構造のステータコア４４に巻線（図示せず）を巻回することで構成される。本実施の形態のステータコア４４では、内側ティース４２の個数と外側ティース４３の個数が同数である。また、回転中心から外周方向への同一直線上に、内側ティース４２および外側ティース４３の周方向の中心が位置するように、内側ティース４２と外側ティース４３とが配置されている。そして、内側ティース４２および外側ティース４３のそれぞれは、左右対称である。さらに、互いに隣接する内側ティース４２間に内側スロット４６とする開口部が形成され、互いに隣接する外側ティース４３間には外側スロット４７とする開口部が形成される。ステータコア４４のこのような開口部を利用して、３つの相に対応した各巻線が、トロイダル巻線形式でヨーク４１に巻回される。すなわち、内側スロット４６と外側スロット４７とで挟まれるヨーク４１の箇所に、集中巻線方式で巻線が巻回される。

内側ロータ３２は、Ｓ極とＮ極とが交互に配置されるように、複数の永久磁石３４を外周側に保持し、内側ティース４２に所定の空隙を介して対向するように配置されている。外側ロータ３３は、Ｓ極とＮ極とが交互に配置されるように、複数の永久磁石３５を内周側に保持し、外側ティース４３に所定の空隙を介して対向するように配置されている。そして、内側ロータ３２と外側ロータ３３とが回転軸３１に連結され、ステータ４０に対面して周方向に回転するように、回転軸３１を回転中心として回転自在に保持されている。なお、この連結方法は、接着剤やボルトなどを用いてもよく、樹脂でモールドしてもよい。

このような構成において、ステータ４０の巻線に３相の交流電流を印加すると、内側ティース４２と内側ロータ３２との間、および外側ティース４３と外側ロータ３３との間に磁気による吸引力と反発力が生じ、回転軸３１を中心に内側ロータ３２および外側ロータ３３が回転する。特に、本実施の形態のように、ステータ４０の内側および外側の両側にロータを配置したデュアルロータとすることにより、内側ロータ３２の駆動トルクと外側ロータ３３の駆動トルクとが加算されることになり、片側ロータのみの構成に比べて、小型で高トルクを得ることができる。

図３は、デュアルロータ構成のモータと片側ロータ構成のモータとの出力密度の比較結果を示した図である。ここで、出力密度とはモータ体積あたりの出力である。図３において、Ａは内側ロータ型モータの場合、Ｂは外側ロータ型モータの場合、Ｃは集中巻デュアルロータ型モータの場合、Ｄはトロイダル巻線方式のデュアルロータ型モータの場合をそれぞれ示している。また、白抜き部分は、内側ロータによる出力密度、ハッチング部分は外側ロータによる出力密度であり、ＣとＤに示すデュアルロータ型モータにおいては、内外ロータの出力密度が加算されたものとなる。

図３からわかるように、トロイダル巻線方式のデュアルロータ型モータは、内側ロータのみのモータに比べて１．９倍の出力密度、また、外側ロータのみのモータに比べて１．５倍の出力密度となっている。このことから、モータ３０としてトロイダル巻線方式のデュアルロータ構成としたモータを適用することにより、片側ロータ構成と比べて、同一の駆動モータの体積で、送風機の送風力を１．５倍から１．９倍に大きくすることができる。また、これは、同一の出力であれば、駆動モータの体積を３５％から５０％低減できることを示している。

さらに、集中巻デュアルロータ型モータと比べた場合、トロイダル巻線方式のデュアルロータ型モータは、出力密度を１．４倍にすることができる。このため、同一の駆動モータの体積であれば、送風力を１．４倍にできる。

ところで、デュアルロータ型モータにおいて、集中巻とトロイダル巻とで差異が生じる理由しては、次のように考察できる。すなわち、集中巻での磁束は、外側ロータからステータのティースを通り、内側ロータに入り、ステータのティースを通り、外側ロータに戻る磁束ループとなっている。ここで、磁束は外側と内側の磁石を通るため、見かけ上のエアギャップが多くなり、磁石の磁束が有効的に活用されない。これに対して、図２に示す構成でのトロイダル巻の磁束は、外側ロータ３３からステータ４０の外側ティース４３、ヨーク４１を通り、外側ロータ３３に戻るループと、内側ロータ３２からステータ４０の内側ティース４２、ヨーク４１を通り、内側ロータ３２に戻るループの２つとなる。これによって、見かけ上のエアギャップは、片側ロータ型モータと同じとなるため、片側ロータ型モータを２つ合わせた出力を得ることができる。

このように、モータ３０を、トロイダル巻線形式でヨーク４１に巻線を巻回したデュアルロータの構成とすることにより、分布巻の片側ロータ型モータに比べて、コイルエンドや巻線周長を短縮でき、また、巻線抵抗値を低減することにより銅損を低減し、高効率モータを実現できる。特に、コイルエンドや巻線周長を短縮できるため、巻回コイルの高さやステータの高さを低くでき、回転軸方向におけるモータの薄型化が可能となる。このため、ファンモータの回転軸方向において、モータ幅の占める割合を低くでき、ファン幅の占める割合を高めることができる。その結果、同体積の送風機で比較した場合、送風量を大きくできる。

例えば、内側ロータのみのモータを比較モータとして比較した場合、上述したように、モータ３０は、比較モータに比べて１．９倍に出力密度を向上でき、同出力のモータとして比較すると、モータ積厚を約４５％小さくすることが可能となる。また、モータ積厚が小さくなる分、両軸ファンの両ファンの長さを約２０％増やすことができ、これによって、同回転数においては風量を４０％増加することが可能となる。また、逆に、風量を同等とした場合には、送風機として約４０％の小型化が可能となる。

また、本実施の形態のようにモータ３０をトロイダル巻線形式のデュアルロータの構成とすることにより、銅損を低減できる。銅損は、巻線に電流が流れることにより発生する損失であり、電流の２乗にきいてくる。ここで、モータに発生する熱の多くは巻線において発生するため、本実施の形態のような構成とすることにより、モータの温度上昇の抑制が可能となる。そのため、モータに風が当たらなくてもモータを大型化する必要が無く、送風機の小型化または高風量を確保できる。

また、このように、モータ３０の温度上昇が抑制できるので、例えば、送風の一部の風を使ってモータ３０を冷却するような処理は必要ない。このため、本実施の形態では、図２に示すように、支持板１１ａと仕切板１１ｃとでモータ３０を挟むような構成としている。これは、モータ３０で発生した熱によって送風路の空気温度が上昇するのを抑圧するため、このような構成としている。なお、モータ３０の発熱がさらに低く、送風に影響を与えないような場合、仕切板１１ｃを削除した構成としてもよい。これによって、ファン幅の占める割合をさらに高めることができる。

さらに、本実施の形態のようにファン幅を増加させて同風量にすることで、回転数を低減させることができる。ファンに発生する風切音はファン最外径の周速の２乗に影響してくるため、回転数を４０％低減することにより、約８０％の風切音低減が図れる。このように、ファン幅の増加により、回転数が低減でき、これによって騒音の低減を図ることもできる。

なお、以上、双方のファン２１をモータ３０の回転軸３１に固定した一例を挙げて説明したが、ファン２１をロータに固定するような構成としてもよい。特に、本実施の形態では、モータ３０は内側ロータ３２と外側ロータ３３との２つのロータを備えている。このため、一方のファン２１を内側ロータ３２に、他方のファン２１を外側ロータ３３に固定するような構成も可能である。すなわち、一方のファン２１を回転軸３１と外側ロータ３３とのいずれかに取り付けるとともに、他方のファン２１を回転軸３１と内側ロータ３２とのいずれかに取り付けるような構成であってもよい。

図４は、本発明の実施の形態における送風機１０の他の構成例を示す図である。図４に示す送風機１０は、一方のファン２１が内側ロータ３２に、他方のファン２１が外側ロータ３３に直接連結されている。このように、ロータとファンとを直接連結または一体成形することにより、ファン２１をシャフト連結せずにモータ３０に直接取り付けられる。このため、ファン２１の取り付け強度や支持強度が高まるとともに、取り付けスペースを小さくでき、送風機の小型化も可能となる。また、回転軸とファンとをボルトやネジなどで固定する場合、回転軸の長さが長くなるためシャフトのねじれ共振が発生し、振動や騒音の要因となっていた。これに対し、各ロータを各ファンに直接連結または一体成形することにより、シャフト連結が不要となり、これまで問題であった回転軸のねじれ共振の発生を抑制することも可能となる。

以上説明したように、本発明のファンモータは、一対のファンをモータの回転軸の軸方向両側にそれぞれ取り付けたファンモータであって、モータは、巻線を巻回したステータの内周側に配置される内側ロータとステータの外周側に配置される外側ロータとを備え、回転軸を中心に内側ロータと外側ロータとが回転自在に保持される２重ロータ構造を有している。このような構成とすることにより、ステータから内側ロータと外側ロータとの双方に対して回転トルクが生じ、片側ロータのみの構成に比べて高トルクが得られ、これによって両軸モータとしての上記モータの小型化、薄型化が可能となるため、ファンモータにおける回転軸方向のファン幅の占める割合を高めることができる。

また、本発明の送風機は、このようなファンモータを備えている。

したがって、本発明のファンモータによれば、両軸モータの薄型化によって、ファンモータにおける回転軸方向のモータ幅の占める割合を低減し、ファン幅の占める割合を高めることができるため、十分な送風量を確保できるファンモータおよびこのファンモータを備えた送風機を提供することができる。

ファンの風量の増加とともに高効率かつ低騒音のファンモータおよびそれを備えた送風機を提供できるため、車両用や空調用などとして利用されるファンモータおよびこのファンモータを備えた送風機に有用である。

本発明の実施の形態における送風機の内部構造を示す図 同送風機のモータの断面を示す図 デュアルロータ構成のモータと片側ロータ構成のモータとの出力密度の比較結果を示した図 本発明の実施の形態における送風機の他の構成例を示す図

１０ 送風機
１１ ケース
１１ａ 支持板
１１ｂ ビス
１１ｃ 仕切板
１２ 吸込口
２０ ファンモータ
２１ ファン
２２ 開口部
２３ 多翼部
３０ モータ
３１ 回転軸
３２ 内側ロータ
３３ 外側ロータ
３４，３５ 永久磁石
４０ ステータ
４１ ヨーク
４２ 内側ティース
４３ 外側ティース
４４ ステータコア
４６ 内側スロット
４７ 外側スロット

Claims (3)

1. 第一のファンと第二のファンをモータの一本の回転軸の軸方向両側にそれぞれ取り付けたファンモータであって、
   前記モータは、巻線を巻回したステータの内周側に配置される内側ロータと前記ステータの外周側に配置される外側ロータとを備え、前記回転軸を中心に前記内側ロータと外側ロータとが回転自在に保持される２重ロータ構造を有し、
   前記ステータは、環状のヨークと前記ヨークから内周側に突出した複数の内側ティースと前記ヨークから外周側に突出した複数の外側ティースとを有したステータコアを含み、前記巻線は、前記ヨークに巻回され、
   前記第一のファンと第二のファンは円筒状の遠心ファンであり、
   前記第一のファンを前記外側ロータに直接取り付けるとともに、前記第二のファンを前記内側ロータに直接取り付けたことを特徴とするファンモータ。
2. 前記第一のファンと第二のファンは互いに同一の形状であり、前記モータと反対側の一端側を空気吸入口として開口した開口部を有する円筒状の遠心ファンであることを特徴とする請求項１に記載のファンモータ。
3. 請求項２に記載のファンモータを備えた送風機であって、前記開口部へ空気を供給するための吸込口を有し、前記吸込口から吸い込んだ空気を前記ファンの内径側から外径側へと吐出することを特徴とする送風機。

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