(57)【要約】【課題】モータを大型化することなく風量と空気抵抗によるモータ負荷とを高い次元で両立でき、十分な冷却性能を達成しつつ消費電力を低減できる冷却ファン及びそれを搭載したブラシ付きモータを提供する。【解決手段】界磁マグネット５が設けられたハウジング２内に、巻線１７が巻回されたコア１４及び巻線１７と電気的に接続されるコミテータ１０を回転軸８上に設けてなるロータ７を回転可能に配設し、コミテータ１０に摺接するブラシ２０からの給電によりロータ７に所定方向の回転力を付与するブラシ付きモータ１において、回転軸８を中心として平板状をなす複数枚のフィン２４を周方向に列設した冷却ファン２３をコア１４の端面に固定し、各フィン２４を内周端に対して外周端がロータ７の反回転方向にオフセットするようにそれぞれ傾斜配置し、回転軸８を中心とした円の法線Ｌ1を基準として各フィン２４の傾斜角度θを40〜60°の範囲内に設定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁マグネットが設けられたハウジング内に、巻線が巻回されたコア及び該巻線と電気的に接続されるコミテータを回転軸上に設けてなるロータが回転可能に配設され、前記コミテータに摺接するブラシからの給電により前記ロータに所定方向の回転力が付与されるブラシ付きモータにおいて、
前記コアの端面に固定されて、前記回転軸を中心として平板状をなす複数枚のフィンが周方向に列設されてなり、前記各フィンが内周端に対して外周端を前記ロータの反回転方向にオフセットされるようにそれぞれ傾斜配置されて、前記回転軸の軸線方向の少なくとも一側で前記各フィンの間が冷却風の吸込口として開放されると共に、前記各フィンの外周端の間が前記冷却風の吐出口として開放され、
前記各フィンの傾斜角度が、前記回転軸を中心とした円の法線を基準として40〜60°の範囲内に設定されている
ことを特徴とするブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項２】
前記各フィンは、
前記コアへの巻回により該コアの端面から膨出している前記巻線の膨出箇所に対して、前記回転軸の軸線方向に離間して位置するメインフィンと、
前記メインフィンの外周端の近傍から前記ロータ側に延設されて、前記巻線の膨出箇所を避けるように外周側に位置するサブフィンとから構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項３】
前記各フィンは、前記メインフィンと前記サブフィンとの境界箇所が前記回転軸を中心とした環状をなす第１連結リング部を介して互いに連結されている
ことを特徴とする請求項２に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項４】
前記各サブフィンの前記ロータ側の端部は、前記回転軸を中心とした環状をなす第２連結リング部を介して互いに連結されている
ことを特徴とする請求項３に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項５】
前記第２連結リング部は、前記コアの端面に接着されている
ことを特徴とする請求項４項に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項６】
前記各サブフィン及び前記第２連結リング部は、前記ハウジングの内周面に固定された前記界磁マグネットを避けるように内周側に位置し、
前記各メインフィンは、前記サブフィン及び前記第２連結リング部よりも外周側に拡張されている
ことを特徴とする請求項４または５に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項７】
前記各メインフィンの外周端は、前記第１連結リング部の外周面に対して面一となるように形成されている
ことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項８】
前記第２連結リング部には、前記巻線が巻回される前記コアの各スロット内にそれぞれ挿入・固定されて、前記コアの外周面の各スロットの開口部をそれぞれ閉塞する形状補完部が一体的に形成され、前記各形状補完部を介して前記コアから前記冷却ファンが支持されている
ことを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項９】
前記冷却ファンは、前記回転軸上の前記コアと前記コミテータとの間に配設され、
前記各フィンの間は、前記回転軸の軸線方向の両側で冷却風の吸込口としてそれぞれ開放され、前記コア及び前記ブラシを流通した後の冷却風が内部に吸い込まれる
ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項１０】
前記ブラシ付きモータは、実用回転域の上限が30000rpm以上に設定されている
ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載のブラシ付きモータ用冷却ファン。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れかに記載の冷却ファンを搭載したブラシ付きモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻線が巻回されたコアの端面に固定されてロータと共に回転する冷却ファン、及びそれを搭載したブラシ付きモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のブラシ付きモータは、内周面に界磁マグネットが設けられたハウジング内に回転軸を回転可能に支持し、回転軸上に巻線が巻回されたコア及び巻線と電気的に接続されるコミテータを設けてロータを構成し、コミテータの外周面に摺接するブラシからの給電により巻線を通電してロータに回転力を付与している。
【０００３】
小型且つ安価で高効率のブラシ付き永久磁石モータは、種々の用途に幅広く使用されているが、コミテータの外周面にブラシを摺接させる給電原理のため、カーボン製のブラシの摩耗が避けられない。このような摩耗抑制のためのブラシの冷却、さらにはコアに巻回された巻線の冷却等を目的として、コアの端面に固定した冷却ファンからの冷却風によりブラシ及び巻線を冷却するブラシ付きモータが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００４】
冷却ファンには種々の形状のものが存在し、代表的なものとして図１８及び図１９に示す形状が挙げられる。何れの冷却ファン１０１，１０２も回転軸の軸線Ｌcを中心とした周方向に平板状をなす多数枚のフィン１０１ａ，１０２ａを列設してなり、各フィン１０１ａ，１０２ａは回転軸の軸線Ｌc方向において同一断面形状（即ち、各フィン１０１ａ，１０２ａが軸線Ｌcに対して傾きや捩れを生じることなく軸線Ｌcに沿って配置されている意）をなしている。
【０００５】
図１８に示す冷却ファン１０１の各フィン１０１ａは平板状をなし、軸線Ｌcを中心とした円の法線Ｌ1に沿うように、法線Ｌ1を基準とした傾斜角度θ=0°で配置されている（以下、平板直立タイプと称する）。また、図１９に示す冷却ファン１０２の各フィン１０２ａは、内周端に対して外周端がロータの反回転方向にオフセットされて法線Ｌ1を基準とした角度θでそれぞれ傾斜配置されており、且つ、外周側に向けて凸の湾曲形状をなしている（以下、湾曲傾斜タイプと称する）。
【０００６】
何れの冷却ファン１０１，１０２も、軸線Ｌc方向の一側或いは両側から冷却風を吸い込んで外周側に吐出する。主として平板直立タイプの冷却ファン１０１は正逆両回転で使用されるモータに搭載され、湾曲傾斜タイプの冷却ファン１０２は一方向回転で使用されるモータに搭載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１６５２１３号公報
【特許文献２】特開２０１６−５４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
平板直立タイプと湾曲傾斜タイプの冷却ファン１０１，１０２は、上記のような用途の相違のみならず性能に関しても差異がある。
図６は同一サイズ（直径=30mm）の平板直立タイプと湾曲傾斜タイプの冷却ファン１０１，１０２を組み込んだモータに近似する解析モデルをそれぞれ設定し、40000rpmで運転したときの風量とモータに作用する負荷とを解析した結果を示すグラフである。なお、湾曲傾斜タイプの冷却ファン１０２については、傾斜角度θ=10〜60°の範囲で10°刻みに６種の解析モデルを設定した。
【０００９】
相対的に平板直立タイプの冷却ファン１０１は、十分な風量が得られて冷却性能の点では問題ないが、その反面、空気抵抗によるモータ負荷が高いことから駆動電流の増加、ひいては消費電力の増加が避けられない。
【００１０】
これに対して湾曲傾斜タイプの冷却ファン１０２は、空気抵抗によるモータ負荷は低いものの風量が少なく、その傾向はフィン傾斜角度θを増加するほど顕著になる。このため、例えば傾斜角度θ=60°では、モータ負荷に関しては平板直立タイプの冷却ファン１０１よりもかなり低減できるが、極端に不足する風量を補うために冷却ファン１０２を大型化する必要が生じ、冷却ファン１０２の大型化は空気抵抗によるモータ負荷の増加につながる。結果としてモータ負荷が低いというメリットが風量確保のために相殺される上に、冷却ファン１０２の大型化によりモータも大型化してしまう。
【００１１】
以上のように平板直立タイプと湾曲傾斜タイプとの何れの冷却ファン１０１，１０２も、風量と空気抵抗によるモータ負荷とを高い次元で両立できない上に、モータを大型化させる要因にもなるため、従来から抜本的な改良が要望されていた。
【００１２】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、モータを大型化することなく風量と空気抵抗によるモータ負荷とを高い次元で両立でき、これにより十分な冷却性能を達成しつつ消費電力を低減することができるブラシ付きモータ用冷却ファン及びそれを搭載したブラシ付きモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明のブラシ付きモータ用冷却ファンは、界磁マグネットが設けられたハウジング内に、巻線が巻回されたコア及び該巻線と電気的に接続されるコミテータを回転軸上に設けてなるロータが回転可能に配設され、前記コミテータに摺接するブラシからの給電により前記ロータに所定方向の回転力が付与されるブラシ付きモータにおいて、前記コアの端面に固定されて、前記回転軸を中心として平板状をなす複数枚のフィンが周方向に列設されてなり、前記各フィンが内周端に対して外周端を前記ロータの反回転方向にオフセットされるようにそれぞれ傾斜配置されて、前記回転軸の軸線方向の少なくとも一側で前記各フィンの間が冷却風の吸込口として開放されると共に、前記各フィンの外周端の間が前記冷却風の吐出口として開放され、前記各フィンの傾斜角度が、前記回転軸を中心とした円の法線を基準として40〜60°の範囲内に設定されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１４】
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、各フィンの傾斜角度が、回転軸を中心とした円の法線を基準として40〜60°の範囲内に設定されている。図６に示す解析試験結果のグラフのように、傾斜角度θを40〜60°の領域内に設定した本発明の冷却ファン（図中の平板傾斜タイプ）によれば、従来技術の湾曲傾斜タイプに比較して風量が十分に高く、従来技術の平板直立タイプに近い風量を維持しつつ、平板直立タイプよりもモータ負荷が十分に低減されている。結果として風量とモータ負荷とが高い次元で両立され、平板直立タイプのように空気抵抗によるモータ負荷に起因して消費電力が増加する事態が回避されると共に、湾曲傾斜タイプのように風量不足を補うために冷却ファンが大型化する事態も回避される。
【００１５】
その他の態様として、前記各フィンが、前記コアへの巻回により該コアの端面から膨出している前記巻線の膨出箇所に対して、前記回転軸の軸線方向に離間して位置するメインフィンと、前記メインフィンの外周端の近傍から前記ロータ側に延設されて、前記巻線の膨出箇所を避けるように外周側に位置するサブフィンとから構成されていることが好ましい（請求項２）。
【００１６】
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、メインフィンからロータ側にサブフィンが延設されて巻線の膨出箇所の外周側に位置し、このサブフィンの追加により、メインフィンのみの場合に比較してフィン面積が増加して風量も増加する。
【００１７】
その他の態様として、前記各フィンが、前記メインフィンと前記サブフィンとの境界箇所が前記回転軸を中心とした環状をなす第１連結リング部を介して互いに連結されていることが好ましい（請求項３）。
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、各フィンが第１連結リング部を介して互いに連結され、これにより回転軸を中心とした周方向に列設される。
【００１８】
その他の態様として、前記各サブフィンの前記ロータ側の端部が、前記回転軸を中心とした環状をなす第２連結リング部を介して互いに連結されていることが好ましい（請求項４）。
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、各サブフィンのメインフィン側は第１連結リング部により、ロータ側は第２連結リング部によりそれぞれ強固に位置決めされているため、モータの起動に伴う加速度や停止に伴う減速度を受けたときのサブフィンの折損が未然に防止される。
【００１９】
その他の態様として、前記第２連結リング部が、前記コアの端面に接着されていることが好ましい（請求項５）。
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、各サブフィンは冷却風を生起する機能のみならずメインフィンの支持機能も兼ね備え、このようなサブフィンを介してメインフィンがロータ側から支持されて巻線の膨出箇所との接触を防止される。
【００２０】
その他の態様として、前記各サブフィン及び前記第２連結リング部が、前記ハウジングの内周面に固定された前記界磁マグネットを避けるように内周側に位置し、前記各メインフィンが、前記サブフィン及び前記第２連結リング部よりも外周側に拡張されていることが好ましい（請求項６）。
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、各メインフィンがサブフィン及び第２連結リング部よりも外周側に拡張されているため、メインフィンのみでの風量を増加可能となる。
【００２１】
その他の態様として、前記各メインフィンの外周端が、前記第１連結リング部の外周面に対して面一となるように形成されていることが好ましい（請求項７）。
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、各メインフィンの外周端が第１連結リング部の外周面と面一、換言すると外周側に突出していないため、モータの起動に伴う加速度や停止に伴う減速度を受けたときの外周端の折損が未然に防止される。
【００２２】
その他の態様として、前記第２連結リング部に、前記巻線が巻回される前記コアの各スロット内にそれぞれ挿入・固定されて、前記コアの外周面の各スロットの開口部をそれぞれ閉塞する形状補完部が一体的に形成され、前記各形状補完部を介して前記コアから前記冷却ファンが支持されていることが好ましい（請求項８）。
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、各スロット内への形状補完部の配設により、コアの外周面がより平坦な断面形状に整形され、風切り音の発生が抑制される。そしてモータの組付時には、各形状補完部をコアの各スロット内に挿入するだけで、自ずと冷却ファンがコアに対して正規位置に配設・固定され、その組付作業が簡略化される。
【００２３】
その他の態様として、前記冷却ファンが、前記回転軸上の前記コアと前記コミテータとの間に配設され、前記各フィンの間が、前記回転軸の軸線方向の両側で冷却風の吸込口としてそれぞれ開放され、前記コア及び前記ブラシを流通した後の冷却風が内部に吸い込まれることが好ましい（請求項９）。
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、コア及びコミテータを流通した後の冷却風が吸込口を経て冷却ファンの内部に吸い込まれるため、コアの巻線及びブラシを共に冷却可能となる。
【００２４】
その他の態様として、前記ブラシ付きモータの実用回転域の上限が30000rpm以上に設定されていることが好ましい（請求項１０）。
このように構成したブラシ付きモータ用冷却ファンによれば、実用回転域の上限が30000rpm以上のブラシ付きモータに搭載される。図１１に示す実機試験結果のグラフのように、従来技術の平板直立タイプに比較して本発明の冷却ファン（図中の平板傾斜タイプ）では、30000rpmを超えると無負荷電流（モータ負荷）が低減され始め、40000rpmに到達した時点ではその差が明らかに拡大している。よって、特に実用回転域の上限が30000rpm以上に設定されたブラシ付きモータに搭載すれば十分な効果が得られる。
【００２５】
その他の態様として、請求項１乃至１０の何れかに記載の冷却ファンを搭載したブラシ付きモータとして構成することが望ましい（請求項１１）。
このように構成したブラシ付きモータによれば、その冷却ファンにより請求項１乃至１０に記載した作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のブラシ付きモータ用冷却ファン及びそれを搭載したブラシ付きモータによれば、モータを大型化することなく風量と空気抵抗によるモータ負荷とを高い次元で両立でき、これにより十分な冷却性能を達成しつつ消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態のブラシ付きモータを示す断面図である。
【図２】ブラシ付きモータのロータ及び冷却ファンを示す斜視図である。
【図３】ブラシ付きモータのロータ及び冷却ファンを示す図２のＡ矢視図である。
【図４】ブラシ付きモータの冷却ファンを示す図２のＡ矢視図である。
【図５】冷却ファンの外周端を示す図４のV-V線断面図である。
【図６】第１実施形態の平板傾斜タイプの冷却ファンの風量及びモータ負荷を従来技術の平板直立タイプ及び湾曲傾斜タイプのものと比較した解析試験結果を示すグラフである。
【図７】グラフの根拠になった平板傾斜タイプの解析試験結果を示す図である。
【図８】第１実施形態の平板傾斜タイプの冷却ファンの風量及び無負荷電流を従来技術の平板直立タイプのものと比較した実機試験結果を示すグラフである。
【図９】グラフの根拠になった平板傾斜タイプ及び平板直立タイプの風量に関する実機試験結果を示す図である。
【図１０】グラフの根拠になった平板傾斜タイプ及び平板直立タイプの無負荷電流に関する実機試験結果を示す図である。
【図１１】第１実施形態の平板傾斜タイプと従来技術の平板直立タイプの冷却ファンの無負荷電流をモータ回転速度毎に比較した実機試験結果を示すグラフである。
【図１２】第２実施形態のブラシ付きモータを示す図１に対応する部分断面図である。
【図１３】ブラシ付きモータ１の冷却ファンを示す図４に対応する図である。
【図１４】冷却ファンの外周端を示す図１３のXIV-XIV線断面図である。
【図１５】同じく冷却ファンの外周端を示す斜視図である。
【図１６】第３実施形態のブラシ付きモータのロータ及び冷却ファンを示す斜視図である。
【図１７】スロット内へのフラットアタッチメントの挿入・固定状態を示すロータの部分拡大断面図である。
【図１８】従来技術の平板直立タイプの冷却ファンを示す模式図である。
【図１９】従来技術の湾曲傾斜タイプの冷却ファンを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［第１実施形態］
以下、本発明を掃除機に搭載されるブラシ付きモータに具体化した第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態のブラシ付きモータを示す断面図、図２はブラシ付きモータのロータ及び冷却ファンを示す斜視図、図３はブラシ付きモータのロータ及び冷却ファンを示す図２のＡ矢視図である。図１中の右方がモータのフロント側に相当し、左方がモータのリア側に相当する。
【００２９】
モータ１のハウジング２は、金属ケース３及び金属製のケース蓋４により構成されている。金属ケース３はリア側に向けて開口する有底円筒状をなし、その開口部を閉塞するように、ケース蓋４が取り付けられている。ケース蓋４は金属ケース３の開口部に設けられた段差にはめ込まれると共に、金属ケース３の一部を切り曲げて段差と挟み込まれることでかしめ固定される。
【００３０】
金属ケース３の内周面には２極の界磁マグネット５が図示しない金属製ばねと接着剤により固定され、これらの界磁マグネット５とヨークとして機能する金属ケース３とによりステータ６（固定子）が構成されている。界磁マグネット５の内側にはロータ７（回転子）が配設され、ロータ７は回転軸８、アーマチャ９（電機子）及びコミテータ１０（整流子）から構成されている。
【００３１】
ロータ７の回転軸８のフロント側は金属ケース３内の軸受１２により回転可能に支持され、回転軸８のリア側はケース蓋４内の軸受１３により回転可能に支持され、この回転軸８が金属ケース３からフロント側に突出してモータ１の出力軸として機能する。
【００３２】
アーマチャ９のコア１４は複数枚のケイ素鋼板を積層してなり、特に図３に示すように、回転軸８の軸線Ｌcを中心として周方向に並設された３条のティース１５により略円筒状をなすように形作られている。各ティース１５は中心側で連結されると共に、外周端の周方向の両側を張り出した断面 Ｔ字状をなしている。各ティース１５の間には、それぞれコア１４の外周面１４ａ（図３に示す）に一側を開口させたスロット１６が軸線Ｌc方向に延びるように形成されている。
【００３３】
隣り合うティース１５の外周端の張り出しにより、各スロット１６はコア１４の外周面１４ａへの開口部を狭められた断面袋状をなしている。コア１４全体に絶縁性のコーティングが施された上で、各スロット１６内を経て各ティース１５にはそれぞれ巻線１７が巻回されることで複数のコイルを形成し、これによりアーマチャ９が構成されている。
【００３４】
図１に示すように、コア１４の外周面１４ａと界磁マグネット５の内周面との間には 所定のクリアランスが形成されている。コミテータ１０はケース蓋４内に位置するように回転軸８上に設けられて周方向に３極に分割され、図示はしないが巻線１７の各極に対して電気的に接続されている。
【００３５】
ケース蓋４内には、コミテータ１０を内包するようにブラシホルダ装置１８が配設されている。ブラシホルダ装置１８の構成は周知の一般的なものと同様であるため、その説明は概略にとどめる。
コミテータ１０を中心とした180°対向する位置には、ブラシアーム１９の先端に支持された一対のブラシ２０（図１に一方のみ図示）が配設され、各ブラシ２０はブラシアーム１９の弾性によりコミテータ１０の外周面に当接している。ブラシアーム１９の基端に一体形成された端子２１はケース蓋４内から外部に突出し、図示しない給電ケーブルを接続可能となっている。
【００３６】
そして、給電ケーブルから端子２１に給電されると、ブラシアーム１９、ブラシ２０及びコミテータ１０を介しアーマチャ９の複数のコイルを形成する巻線１７に電流が流されてコア１４に磁界が発生する。ロータ７の回転に伴って各ブラシ２０がコミテータ１０の外周面の整流子片の１つまたは２つに順次摺接することで、アーマチャ９の通電するコイルと各コイルに流れる電流の向きが連続的に切替えられ、それに伴ってコア１４と界磁マグネット５との間の磁界が変化してロータ７に回転力が付与される。
【００３７】
掃除機に搭載されるモータは一方向回転で使用されるため、本実施形態のモータ１は、図３に矢印で示すようにフロント側から見て反時計回りに回転方向が設定されている。また本実施形態のモータ１は、強力な掃除機の吸引力を実現するために、実用回転域の上限が40000rpmに達する高回転仕様となっている。
【００３８】
図４はブラシ付きモータ１の冷却ファンを示す図２のＡ矢視図である。
図１，２，４に示すように、軸線Ｌc方向におけるコア１４のリア側の端面には、冷却ファン２３が配設されている。全体として冷却ファン２３は回転軸８を中心とした環状をなしており、計12枚の平板状をなすフィン２４、各フィン２４の内周端を連結する環状をなす内周連結リング部２５、及び各フィン２４の外周端を連結する環状をなす外周連結リング部２６を合成樹脂材料により一体形成されてなる。
【００３９】
各フィン２４は、内周連結リング部２５及び外周連結リング部２６により回転軸８を中心とした周方向に等間隔で列設されると共に、回転軸８の軸線Ｌc方向において同一断面形状、換言すると、軸線Ｌcに対して傾きや捩れを生じることなく軸線Ｌcに沿って配置されている。また各フィン２４の厚みは、内周端から外周端まで同一に設定されている。
【００４０】
そして、本実施形態の冷却ファン２３の各フィン２４は、内周端に対して外周端がロータ７の反回転方向にオフセットされるようにそれぞれ傾斜配置されており、以下、平板傾斜タイプと称する。
【００４１】
冷却ファン２３のフィン２４の傾斜角度θは、次のように定義・設定されている。
まず、回転軸８を中心とした半径方向に延びる線（回転軸８を中心とした円の法線に相当するため、以下、法線Ｌ1と称する）と、フィン２４の板厚方向の中心線（以下、フィン中心線Ｌ2と称する）とを仮想する。これらの法線Ｌ1とフィン中心線Ｌ2とをフィン２４の内周端で交差させたときに、その間に形成される角度をフィン傾斜角度θと定義する。法線Ｌ1を基準として表現すると、法線Ｌ1に対してフィン中心線Ｌ2のなす角度がフィン傾斜角度θに相当する。そして本実施形態では、冷却ファン２３の各フィン２４の傾斜角度θが60°に設定されている。
【００４２】
冷却ファン２３のフロント側及びリア側（本発明の回転軸の軸線に沿った冷却ファンの両側に相当）において、各フィン２４の間は冷却風の吸込口としてそれぞれ開放されている。フロント側の吸込口（以下、フロント吸込口２４ａと称する）はロータ７と相対向し、リア側の吸込口（以下、リア吸込口２４ｂと称する）はブラシ２０と相対向している。また各フィン２４の外周端の間は冷却風の吐出口２４ｃとして開放され、冷却ファン２３の外周側に位置するケース蓋４に開口形成された排出孔４ａと相対向している。
【００４３】
図５は冷却ファン２３の外周端を示す図４のV-V線断面図である。
図２，４，５に示すように、冷却ファン２３の外周連結リング部２６のフロント側の面には、軸線Ｌcを中心とした筒状をなすベース筒部２７が一体形成され、ベース筒部２７のフロント側の面には周方向に等間隔で計12の凸部２８が一体形成されている。これらの凸部２８はコア１４のリア側の端面に接着剤で接着され、これにより冷却ファン２３がロータ７と一体化されている。
【００４４】
特に図５に示すように、巻線１７はコア１４のティース１５に巻回されることにより、その一側部をコア１４のリア側の端面から冷却ファン２３に向けて膨出させている。また、金属ケース３の内周面に固定された界磁マグネット５は、コア１４のリア側の端面よりもリア側に張り出している。ベース筒部２７は巻線１７の膨出箇所を避けるように外周側に位置すると共に、界磁マグネット５を避けるように内周側に位置している。このようなベース筒部２７を介してロータ７側から支持されることにより、各フィン２４は巻線１７の膨出箇所に対してリア側に離間して膨出箇所との接触を防止されている。
【００４５】
モータ１の運転中において冷却ファン２３はロータ７と共に回転し、各フィン２４の間には内周側から外周側に向かう冷却風が生起され、これにより、フロント及びリア吸込口２４ａ，２４ｂから冷却風がそれぞれ吸い込まれて吐出口２４ｃから外周側に向けて吐出される。このため、金属ケース３のフロント側に開口形成された流入孔３ａからハウジング２内に外気が冷却風として流入し、ロータ７を流通して巻線１７を冷却した後に冷却ファン２３のフロント吸込口２４ａから内部に吸い込まれる。
【００４６】
これと並行して、ケース蓋４の図示しない流入孔からハウジング２内に外気が冷却風として流入し、ブラシ２０を流通して冷却した後に冷却ファン２３のリア吸込口２４ｂから内部に吸い込まれる。これらの冷却風は冷却ファン２３の内部で合流して吐出口２４ｃから外周側に吐出され、ケース蓋４の排出孔４ａから外部に排出される。
【００４７】
本実施形態のモータ１は、上記したように高回転仕様である。従って、コミテータ１０との摺接によるブラシ２０の発熱及び通電によるロータ７の巻線１７の発熱が共に大となり、それらの冷却のために冷却ファン２３に十分な風量が要求される。同時に、高回転域では冷却ファン２３の空気抵抗が増加するため、空気抵抗に起因するモータ負荷の低減も要求され、結果として、通常仕様のモータに比較して、風量とモータ負荷とのより高次元での両立が求められる。
【００４８】
このような風量及びモータ負荷に関する要求を満足するために、上記のように本実施形態では冷却ファン２３のフィン角度θが60°に設定されており、以下、この傾斜角度θの設定に至った過程を説明する。
［発明が解決しようとする課題］で図６に基づき説明したように、従来技術の湾曲傾斜タイプの冷却ファン１０２（以下、単に湾曲傾斜タイプと称する場合もある）には、空気抵抗によるモータ負荷は低いものの風量が少ないため、風量とモータ負荷との両立が困難な上に、風量不足を補うための冷却ファンの大型化はモータを大型化させる要因になる。
【００４９】
これに対して従来技術の平板直立タイプの冷却ファン１０１（以下、単に平板直立タイプと称する場合もある）は、空気抵抗によるモータ負荷は高いものの十分な風量が得られる。従って、平板直立タイプのモータ負荷に関する欠点を改善できれば、風量とモータ負荷との両立という目的を達成できる。
【００５０】
そこで本発明者は、平板直立タイプのフィンに傾斜角度を付与した場合（即ち、平板傾斜タイプ）の風量及びモータ負荷を検証すべく、解析試験を実施した。
解析試験では、傾斜角度θを10〜80°の範囲で10°刻みに相違させた８種の冷却ファン２３を想定し、それぞれの冷却ファン２３を組み込んだモータ１に近似する解析モデルを設定した上で、40000rpmで運転したときの風量とモータ１に作用する負荷とを解析した。
【００５１】
図６は解析試験結果を示すグラフであり、従来技術の平板直立タイプ及び湾曲傾斜タイプの解析試験結果も併記している。なお、グラフの根拠になった平板傾斜タイプ（θ=10〜80°）の解析試験結果を図７に示す。
本実施形態の平板傾斜タイプの冷却ファン２３によれば、最小の傾斜角度θ=10°では平板直立タイプに近い風量が得られる反面、空気抵抗によるモータ負荷も平板直立タイプに近い値となっており、全体的な傾向として、傾斜角度θが増加するほど風量及びモータ負荷が共に低下している。
【００５２】
詳しく述べると、傾斜角度θ=10〜40°の領域では、風量の低下に比較してモータ負荷が急激に低下し、傾斜角度θ=40〜60°の領域では、風量及びモータ負荷の低下が共に緩やかになり、傾斜角度θ=60〜80°の領域では、再びモータ負荷が低下するものの風量も低下する。
【００５３】
このため、モータ負荷が十分に低下してないθ=10〜40°の領域、及び風量不足を補うために冷却ファン２３の大型化が要求される可能性がある傾斜角度θ=60〜80°の領域は、傾斜角度θの設定には好適でないと考えられる。これに対して傾斜角度θ=40〜60°の領域は、平板直立タイプに近い風量を維持しつつ平板直立タイプよりもモータ負荷が十分に低減されている。
【００５４】
よって、傾斜角度θを40〜60°の領域内に設定すれば、平板直立タイプのように空気抵抗によるモータ負荷に起因して消費電力が増加する事態を回避できると共に、湾曲傾斜タイプのように風量不足を補うために冷却ファンが大型化する事態も回避できる。特に傾斜角度θ=60°では、傾斜角度θ=40°やθ=50°とほぼ同等の風量を保ったままモータ負荷が大幅に低下しているため、風量とモータ負荷とを高い次元で両立できることが判る。
【００５５】
従って、フィン傾斜角度θ=60°に設定された本実施形態の冷却ファン２３によれば、モータ１を大型化することなく高い風量により十分な冷却性能を達成できると共に、空気抵抗によるモータ負荷が低いことから駆動電流の低減、ひいては消費電力の低減を達成することができる。
【００５６】
また、以上の解析試験結果を裏付けるために本発明者は実機試験を実施した。まず、傾斜角度θを20〜60°の範囲で20°刻みに設定した３種の平板傾斜タイプの冷却ファン２３、及び従来技術である傾斜角度θ=0°の平板直立タイプの冷却ファン１０１をそれぞれ製作した。各冷却ファン２３，１０１は同一サイズ（直径=28mm）であり、これらの冷却ファン２３，１０１を同一仕様のモータ１に組み込み、実機試験では、40000rpmで運転したときの風量と無負荷電流とを計測した。
【００５７】
図８は実機試験結果をまとめたグラフであり、グラフの根拠になった平板傾斜タイプ（θ=20〜60°）及び平板直立タイプ（θ=0°）の風量に関する実機試験結果を図９に示し、無負荷電流に関する実機試験結果を図１０に示す。無負荷電流とは、回転軸８に負荷を与えることなくモータ１を運転したときに巻線に流れる電流であり、冷却ファン２３，１０１による空気抵抗、ひいてはモータ負荷と相関する指標と見なせる。
【００５８】
試験に供する冷却ファン２３，１０１は、傾斜角度θ毎にそれぞれ同一仕様を２つ（No.1,No.2）製作し、実機試験では、No.1,No.2の各冷却ファン２３，１０１について風量及び無負荷電流を複数回計測した。図９，１０のNo.1,No.2の欄には個別に平均化した計測値を記載し、No.1,No.2で共通する最小値をMINの欄に、最大値をMAXの欄に、平均値をAVEの欄にそれぞれ記載している。
【００５９】
図８の実機試験と図６の解析試験とでは、例えば冷却ファン２３，１０１の直径（解析試験=30mm、実機試験=28mm）等の試験条件が若干相違するため、試験結果に関しても多少異なる。しかし全体的な傾向として解析試験と同じく図８に示す実機試験でも、平板傾斜タイプの傾斜角度θ=40〜60°の領域では、平板直立タイプに近い風量を維持しつつ、平板直立タイプよりもモータ負荷が十分に低減されており、解析試験結果が裏付けられていることが判る。
【００６０】
一方、以上の平板傾斜タイプと平板直立タイプとの特性の相違がモータ回転域に応じてどのように変化するかについても、実機試験により検証した。平板傾斜タイプの傾斜角度θとして最も良好な特性が得られた60°を選択し、実機試験では、モータ回転速度を10000〜40000rpmの範囲で10000rpm刻みに変化させて無負荷電流を計測した。
【００６１】
図１１は実機試験結果をまとめたグラフである。10000rpm及び20000rpmでは、平板傾斜タイプと平板直立タイプとの無負荷電流にほとんど差はないが、30000rpmを超えると平板直立タイプに比較して平板傾斜タイプでは無負荷電流が低減され始め、40000rpmに到達した時点ではその差が明らかに拡大している。従って、本発明によるフィン傾斜角度θ=40〜60°の設定は、特に本実施形態のような高回転仕様のモータ１に対して好適であり、少なくとも実用回転域の上限が30000rpm以上のモータ１に搭載することが望ましいことが判る。
【００６２】
ところで、同一のフィン傾斜角度θにおいてフィン面積を増加させると風量が増加するものの、空気抵抗によるモータ負荷も増加する。しかし、風量の増加分だけ傾斜角度θを減少すればモータ負荷は低下し、このときのモータ負荷の低下分は、フィン面積の増加によって生じるモータ負荷の増加分よりも大きい。
【００６３】
その理由は、冷却風を受けるフィン面積の増加よりも、大きな傾斜角度θで冷却風の流通方向が急激に変更される方が空気抵抗への影響が大のためである。結果としてフィン面積を増加させれば、同一風量においてモータ負荷をより低減できるが、スペースが限られたハウジング２内で冷却ファン２３のフィン面積を増加することは困難である。
【００６４】
以上の課題を鑑みて本発明者は、冷却ファン２３のベース筒部２７に着目した。上記したようにベース筒部２７は、ロータ７側から各フィン２４を支持する機能を果たしており、そのために内周側の巻線１７の膨出箇所及び外周側の界磁マグネット５を避けるような円筒状をなしている。このような形状のベース筒部２７は冷却風の生起には何ら貢献せず、逆に内外周を区画して冷却風の流通を妨げているとも見なせる。
【００６５】
そこでベース筒部２７に代えて、フィン２４とは別個の多数のフィンを冷却ファン２３に追加し、これらのフィンに冷却風を生起する機能のみならず、ベース筒部２７部材の機能（フィン２４の支持機能）を兼ね備える解決策を見出した。以下、この解決策を第２実施形態として説明する。
【００６６】
［第２実施形態］
本実施形態では、上記のようにベース筒部２７に代えて冷却ファン２３にフィンを追加するため、以下の説明では、第１実施形態で述べた元々のフィンをメインフィン２４と称し、ベース筒部２７に代わるフィンをサブフィン３０と称して区別する。第１実施形態との相違点はサブフィン３０の追加にあり、その他の構成は第１実施形態と共通する。よって、共通する構成の箇所は同一の部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。
【００６７】
図１２は本実施形態のブラシ付きモータ１を示す図１に対応する部分断面図、図１３はブラシ付きモータ１の冷却ファン２３を示す図４に対応する図、図１４は冷却ファン２３の外周端を示す図１３のXIV-XIV線断面図、図１５は同じく冷却ファン２３の外周端を示す斜視図である。
【００６８】
冷却ファン２３の外周連結リング部２６のフロント側の面には、計12枚の平板状をなすサブフィン３０がフロント側に突出するように形成されており、各サブフィン３０の内周端及び外周端はＲ状をなして外周連結リング部２６（本発明の第１連結リング部に相当）へと連続している。各サブフィン３０の先端（フロント側の端部）は、環状をなす補助連結リング部３１（本発明の第２連結リング部に相当）により互いに連結されている。補助連結リング部３１のフロント側の面には第１実施形態と同様の計12の凸部２８が一体形成され、それぞれコア１４のリア側の端面に接着剤で接着されている。
【００６９】
このように、各サブフィン３０のリア側（メインフィン２４側）は外周連結リング部２６により、フロント側（ロータ側）は補助連結リング部３１によりそれぞれ強固に位置決めされているため、モータ１の起動に伴う加速度や停止に伴う減速度を受けたときの各サブフィン３０の折損が未然に防止される。
【００７０】
各サブフィン３０及び補助連結リング部３１は、コア１４からの巻線１７の膨出箇所を避けるように外周側に位置すると共に、界磁マグネット５を避けるように内周側に位置している。従って、第１実施形態のベース筒部２７に代えて、各サブフィン３０を介してメインフィン２４がロータ７側から支持されて巻線１７の膨出箇所との接触を防止されている。そして各サブフィン３０の間において、その内周側は冷却風の吸込口３０ａとして開放され、外周側は冷却風の吐出口３０ｂとして開放されている。
【００７１】
このような法線Ｌ1方向の各サブフィン３０の位置に対し、各メインフィン２４の外周端はより外周側に位置すると共に、外周連結リング部２６の外周面に対して面一となるように形成されている。各メインフィン２４及び外周連結リング部２６は、軸線Ｌc方向において界磁マグネット５の端部からリア側に外れた位置にあるため、干渉回避の必要がないためである。
【００７２】
そして、以上の各メインフィン２４及び外周連結リング部２６の形状設定により、各メインフィン２４はサブフィン３０よりも軸線Ｌcを中心とした外周側に拡張されることになる。結果として各メインフィン２４の外周端は、軸線Ｌcを中心として最大限に大きな環状を形作り、メインフィン２４のみでの風量増加に大きく貢献する。
【００７３】
また各メインフィン２４の外周端は、モータ１の起動に伴う加速度や停止に伴う減速度を最も大きく受ける箇所のため折損する可能性もある。しかし、各メインフィン２４の外周端が外周連結リング部２６の外周面と面一、換言すると外周側に突出していないため、その折損が未然に防止される。この点は、冷却ファン２３の耐久性、ひいてはモータ１の耐久性に大きく貢献する。
【００７４】
一方、各サブフィン３０の回転軸８を中心とした周方向の位置、法線Ｌ1に対する傾斜角度θ、及び板厚は、全てメインフィン２４と同一に設定されている。このようなメインフィン２４及びサブフィン３０の形状設定は、各メインフィン２４の外周端の近傍からサブフィン３０がロータ側に向けて延設されているとも表現でき、それらのメインフィン２４とサブフィン３０との境界箇所が外周連結リング部２６を介して互いに連結されていることになる。以上の冷却ファン２３の形状は、元々のメインフィン２４の面積がサブフィン３０により増加されたことを意味する。
【００７５】
モータ１の運転中において、各メインフィン２４の間には第１実施形態で述べたように内周側から外周側に向かう冷却風が生起され、冷却風はメインフィン２４の吐出口から外周側に向けて吐出される。これと並行して各サブフィン３０の間にも内周側から外周側に向かう冷却風が生起されるため、各メインフィン２４の間を流通する冷却風の一部がサブフィン３０側に分流し、サブフィン３０の吸込口３０ａから吐出口３０ｂを経て外周側に向けて吐出される。
【００７６】
図１４では冷却風を示す矢印の太さで風量を表しており、メインフィン２４のみの場合に比較して、サブフィン３０の追加により全体としての風量が増加していることが判る。よって、モータ１を大型化することなく高い風量によりブラシ２０や巻線１７に対する十分な冷却性能を達成することができる。また、それほど風量が必要ない場合には、40〜60°の領域内でフィン傾斜角度θを風量の増加分だけ減少させてもよく、この場合には、空気抵抗によるモータ負荷の低減、ひいては消費電力の低減を達成することができる。
【００７７】
何れの場合でも本実施形態によれば、第１実施形態に比較して冷却ファン２３の風量と空気抵抗によるモータ負荷とを一層高い次元で両立させることができる。
【００７８】
そして、元々のベース筒部２７の配設箇所は、内周側の巻線１７の膨出部と外周側の界磁マグネット５とに挟まれた僅かな空間であり、ベース筒部２７のフィン支持機能を各サブフィン３０が兼ね備えることにより、この所謂デッドスペースを利用して各サブフィン３０を配設可能としている。結果としてスペースが限られたハウジング２内において、巻線１７の膨出箇所や界磁マグネット５等の周辺部材に影響を及ぼすことなく、サブフィン３０の配設により実質的なフィン面積を増加でき、上記のような作用効果を達成できるのである。
【００７９】
ところで、第１及び第２実施形態では冷却ファン２３をコア１４の端面に接着したが、コア１４に形成されたスロット１６を利用して冷却ファン２３を固定してもよく、以下に第３実施形態として説明する。
【００８０】
［第３実施形態］
第２実施形態との相違点は冷却ファン２３の固定構造にあり、その他の構成は第２実施形態と共通する。よって、共通する構成の箇所は同一の部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。
図１６は本実施形態のブラシ付きモータ１のロータ７及び冷却ファン２３を示す斜視図、図１７はスロット１６内へのフラットアタッチメントの挿入・固定状態を示すロータ７の部分拡大断面図である。
【００８１】
冷却ファン２３の補助連結リング部３１のフロント側の面には、周方向の等分３箇所にフラットアタッチメント３３（本発明の形状補完部に相当）が一体形成されている。各フラットアタッチメント３３は回転軸８の軸線Ｌcに沿ってフロント側に延びる棒状をなし、その長さはコア１４の全長と略等しく設定されている。各フラットアタッチメント３３は、リア側よりコア１４のスロット１６内に挿入されてコア１４や巻線１７に対して接着剤により固定されており、この挿入状態において冷却ファン２３が第１及び第２実施形態と同様の正規位置に支持されている。
【００８２】
特に図１７に示すように、各フラットアタッチメント３３は全体として断面台形状をなし、それぞれ対応するスロット１６内の開口部に位置している。台形の脚に相当するフラットアタッチメント３３の両側面３３ａは、両側に位置するティース１５の張り出し箇所にスロット１６内から当接し、台形の下底に相当するフラットアタッチメント３３の内周面３３ｂに形成された２条の突条３３ｄは、それぞれ巻線１７に当接している。
【００８３】
また、台形の上底に相当するフラットアタッチメント３３の外周面３３ｃはコア１４の外周面と同一曲率の円弧状をなし、コア１４の外周面に対して面一または微小段差を有する凹状をなしている。結果としてコア１４の外周面の各スロット１６の開口部がフラットアタッチメント３３によりそれぞれ閉塞されている。
【００８４】
元々スロット１６はコア１４の外周面１４ａから大きく陥没した断面形状をなすため、モータ１の運転時に顕著な風切り音を生じて騒音増加の大きな要因になっている。各スロット１６内へのフラットアタッチメント３３の配設により、コア１４の外周面１４ａはより平坦な断面形状に整形されるため、風切り音の発生を抑制してモータ運転時の騒音を大幅に低減することができる。
【００８５】
また、モータ１を組み付ける際には、各フラットアタッチメント３３に接着剤を塗布し、リア側よりコア１４の各スロット１６内に挿入するだけでよく、自ずと冷却ファン２３がコア１４のリア側の正規位置に配設・固定される。このため、モータ１の組付作業を大幅に簡略化でき、ひいては製造コストを低減できるという効果も得られる。
【００８６】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態では、ステータ６を２極、アーマチャ９を３極としたブラシ付きモータ１に具体化した。しかし、ブラシ付きモータであれば仕様は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えばステータ６及びアーマチャ９の極数等は任意に変更可能である。
【００８７】
また上記各実施形態では、コア１４のリア側の端面に冷却ファン２３を固定したが、冷却ファン２３の配設位置はこれに限るものではない。例えば、コア１４のフロント側の端面に冷却ファン２３を固定して、その吐出口２４ｃの外周側にケース蓋４の排出孔４ａを位置させると共に、各フィン２４の間をリア側でのみ開放してリア吸込口２４ｂとしてもよい。
この場合には、ブラシ２０を冷却した後の冷却風がさらにロータ７の巻線１７を冷却して冷却ファン２３のリア吸込口２４ｂから内部に吸い込まれ、吐出口２４ｃから排出孔４ａを経て外部に排出される。冷却風の流通経路は相違するものの、実施形態と同じくフィン傾斜角度θを40〜60°の領域内に設定すれば同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１      モータ
２      ハウジング
５      界磁マグネット
７      ロータ
８      回転軸
１０    コミテータ
１４    コア
１６    スロット
１７    巻線
２０    ブラシ
２３    冷却ファン
２４    メインフィン
２４ａ  フロント吸込口
２４ｂ  リア吸込口
２４ｃ  吐出口
２６    外周連結リング部（第１連結リング部）
３０    サブフィン
３１    補助連結リング部（第２連結リング部）
３３    フラットアタッチメント（形状補完部）
Ｌc     軸線
Ｌ1     法線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2019103178.tif 000017
【図１６】
2019103178.tif 000018
【図１７】
2019103178.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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