(57)【要約】【課題】振動、騒音が小さく抑えられるファン駆動用永久磁石モータを提供すること。【解決手段】ファンの回転にともなう回転子の回転軸スラスト方向の移動が永久磁石と固定子コアとの磁気吸引力で阻止されながら回転するファン駆動用永久磁石モータにあって、固定子コアに対面する永久磁石の表面磁束密度は、回転軸スラスト方向の端側を中央部よりも低くしたことを特徴とする。【選択図】  図１
2004248461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有する回転子と、固定子巻線が備わる固定子コアを有する固定子と、回転子の回転軸を回転自在に支持する軸受部と、回転子に設けられるファンを有し、ファンの回転にともなう回転子の回転軸スラスト方向の移動が前記永久磁石と前記固定子コアとの磁気吸引力で阻止されながら回転するファン駆動用永久磁石モータにあって、
前記固定子コアに対面する前記永久磁石の表面磁束密度が、中央部よりも回転軸スラスト方向の端側が低いことを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【請求項２】
請求項１に記載されたファン駆動用永久磁石モータにあって、
前記固定子コアに対面する前記永久磁石の表面磁束密度が、中央部よりも回転軸スラスト方向の端側が低くなるように異なる磁気特性を有する磁性材料を用いたことを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【請求項３】
請求項１に記載されたファン駆動用永久磁石モータにあって、
前記固定子コアに対面する前記永久磁石の表面磁束密度が、中央部よりも回転軸スラスト方向の端側が低くなるように、永久磁石と前記固定子とのギャップが中央部よりも回転軸スラスト方向の端側を広げたことを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【請求項４】
請求項１に記載されたファン駆動用永久磁石モータにあって、
内転型のモータにあっては、前記固定子コアに対面する前記永久磁石の表面磁束密度が回転軸スラスト方向の端側を中央部よりも低くなるように、永久磁石の外周部になる回転軸スラスト方向の端側を面取り形状ないし湾曲形状に形成し、外転型のモータにあっては、前記固定子コアに対面する前記永久磁石の表面磁束密度が回転軸スラスト方向の端側を中央部よりも低くなるように、永久磁石の内周部になる回転軸スラスト方向の端側を面取り形状ないし湾曲形状に形成したことを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【請求項５】
永久磁石を有する回転子と、固定子巻線が備わる固定子コアを有する固定子と、回転子の回転軸を回転自在に支持する軸受部と、回転子に設けられるファンを有し、ファンの回転にともなう回転子の回転軸スラスト方向の移動が前記永久磁石と前記固定子コアとの磁気吸引力で阻止されながら回転するファン駆動用永久磁石モータにあって、
前記永久磁石には、固定子コアの回転軸スラスト方向端面と対向する対向部を設け、この対向部と固定子コアとの磁気吸引力を前記回転軸スラスト方向の移動を阻止する助けにしたことを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【請求項６】
永久磁石を有する回転子と、固定子巻線が備わる固定子コアを有する固定子と、回転子の回転軸を回転自在に支持する軸受部と、回転子に設けられるファンを有し、ファンの回転にともなう回転子の回転軸スラスト方向の移動が前記永久磁石と前記固定子コアとの磁気吸引力で阻止されながら回転するファン駆動用永久磁石モータにあって、
前記永久磁石の回転軸機スラスト方向の厚みよりも固定子コアの回転軸スラスト方向の厚みが、前記ファンの最高回転数での推力によって移動する前記回転子の変位量分程度多くしたことを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【請求項７】
請求項１に記載されたファン駆動用永久磁石モータにあって、
前記固定子コアに対面する前記永久磁石の表面磁束密度が、回転軸スラスト方向の端側を中央部よりも低くなるように、永久磁石の回転軸スラスト方向厚みよりもスラスト方向厚みが薄い着磁ヨークを永久磁石の端側に設けたり、または配向成形用金型によって成形されることを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【請求項８】
請求項１に記載されたファン駆動用永久磁石モータにあって、
前記ファンが軸流ファンであることを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【請求項９】
請求項１に記載されたファン駆動用永久磁石モータにあって、
前記固定子巻線、前記固定子コアを含む前記固定子を合成樹脂でモールドしたことを特徴とするファン駆動用永久磁石モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファン用モータ、ディスク駆動用モータ等の小形のファンモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ファンモータは通常機器の冷却、及び送風の用途に使用される。これらのモータ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。通常、これらのモータの振動、騒音低減には、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。特開２００１−２３１１９２号公報（特許文献１）は、モータの巻線を含めた固定子コア部部全体をモールドすることで、積層コア間等に樹脂が充填され、固定子コアから発生する電磁振動の伝達を少なくするとしている。
【０００３】
また、別の方法における振動、騒音の低減手法としては、特開平８−７０５５０号公報（特許文献２）に示されるように、固定子と軸受け部の組立精度、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から発生する軸ぶれによる振動の発生を抑え、モータ全体の振動、騒音低減を実現しようとしている例がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、モールド化によってモータ全体の機械剛性を高めることでモータの持つ固有値を変えることはできるが、別の周波数域に共振点が移動するだけで、モータが発生する加振源自体は低減していないため、モータの取り付け筐体等との関係では問題となる振動、騒音が発生する。また、精度向上についても同様に、モータ自体が発生する電磁加振力自体は同等であるため、固定子の電磁振動は筐体取り付け形態によってその系が持つ固有振動数にあたることで共振現象を起こし問題となる振動、騒音を発生させる。
【０００５】
近年、家電品や産業機器等、ファンモータを組み込むセット製品は、電力使用量低減のため、モータの高効率化、および、セット製品の小形化が要求されており、巻線占積率向上や、最適設計技術を用いた小形化、高効率化設計が行われている。モータの効率向上は、同一入力条件で高トルク、あるいは高回転数といった高出力となるため、振動、騒音の発生源である電磁振動もそれに比例して大きくなる。一方、セット製品は高効率でも振動、騒音は従来よりも少ないことが要求されるためモータから発生する電磁振動そのものを小さくする必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、ファンモータの回転子磁石の形状によって必要な出力を確保し振動、騒音を小さく抑えられる、高効率で電磁振動の小さいモータを提供することにある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２３１１９２号公報
【特許文献１】
特開平８−７０５５０号公報
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ファンモータの軸方向振動に注目し、その軸方向振動の加振源であるモータ自体が発生する回転の軸方向振動を低減する方法を示す。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風発生の反力を受けて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すため、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るため、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、固定子と回転子のズレ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も考えられるが、機械的摩擦が増加するため、機械損増加し、モータ効率を低下させてしまう。よって、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。
【０００９】
本発明は、種々の試行検討を踏まえ、回転子が羽根（ファン）の推力によって固定子の固定子コアと回転子の永久磁石の磁気中心からずれた場合においても、磁気吸引力が少なくなるよう永久磁石の回転軸スラスト方向端部の着磁量を中心部に比べて小さくすることで微小のズレが発生した場合の磁気吸引力を小さくすることができる。また、別の方法として、磁石の端部の径を中心部に比べて小さくしたり、角部の面取り、Ｒ付け（湾曲形状）などによる形状の変更によってギャップ磁束密度を軸方向端部のみ小さくさせる方法でも実現可能である。また、端部のみ別の磁気特性を持つ材料として残留磁束密度の小さい材料にすることでも微小のズレが発生した場合の磁気吸引力を小さくすることができる。
【００１０】
上記のようにファン（羽根）の推力が発生し、それに対向する磁気吸引力を小さく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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係るモータの実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１２】
図１には、本発明に係るファン駆動用モータの一実施の形態であるところの基本的なファンモータの回転子の永久磁石構造を示す。この例では、永久磁石が４極の例を示している。永久磁石を有する回転子１は回転軸２が備わる。回転軸２は回転子１の中心に直接インサート成形等の手段によって組立される。また、圧入、接着などの方法を用いて組立られる場合もある。
【００１３】
図１の（ａ）には回転子１の永久磁石を側面から見た図を示す。回転子１の大部分が永久磁石で形成され、永久磁石のところは金型で成形される。点線で示したように回転子の永久磁石の断面は、スラスト方向に厚みが異なる構造としている。これによって磁石表面の磁束密度分布はａ，ｂ，ｃの各点で異なる分布となる。
【００１４】
この永久磁石は図１の（ｂ）に示すように４極（２極対）となり、０〜１８０°の角度の範囲において１周期の磁束密度分布を持つ。その磁束密度分布を軸方向に測定した結果を図１の（ｃ）に、回転方向に測定した結果を図１の（ｄ）に示す。軸方向に磁束密度分布をみると、軸方向中心ｂ位置を中心とするＸの範囲における磁束密度をほぼ１００％とすると、ａ，ｃ位置の磁束密度は約８０％以下と小さくなっている。回転方向にその分布をみると、図１の（ｄ）に示すようにｂ位置の回転方向はピークが１００％であるのに対して、ａ，ｃ位置ではピークが８０％以下となっている。このように、永久磁石の軸方向の厚みを変えることによって、軸方向の表面磁束密度分布を変えることが可能となる。
【００１５】
次に図２に一般的なファン駆動用永久磁石モータの構造を示す。一般的なファン駆動用永久磁石モータは固定子巻線５が施された固定子コア４を有する。この固定子コアを合成樹脂によってモールド成形することで、樹脂モールドの固定子ができる。固定子巻線５、固定子コア４は樹脂モールド部３で被覆される。固定子の内側には、回転自在なる回転子１が備わる。回転子１は回転軸２を有する。
【００１６】
この固定子の両端側にエンドブラケット１５，１５が備わる。エンドブラケット１５，１５は固定子のインロー部に嵌合するように取り付けられる。
【００１７】
エンドブラケット１５はベアリング保持部を有する。このベアリング保持部に軸受部６が支持される。軸受部６は、ボール式で内輪と外輪の間に介在するボールの転がりにより、回転が行なわれる。軸受部６の内輪には、回転軸２が嵌合される。軸受部６の外輪は、外周側がベアリング保持部に嵌め込まれ、回転軸スラスト方向（回転軸の長手方向）に摺動できるように保持されている。
【００１８】
ベアリング保持部の外側端部には、脱落防止堰１６が設けられる。そして、一方のベアリング保持部（図示では上方のベアリング保持部）には、脱落防止堰１６と軸受部６との間に与圧ばね２０を介在する。この与圧ばね２０で軸受部６は回転軸スラスト方向に押されるように付勢される。回転軸２が軸受部６の内輪に嵌合しているため、回転子１も回転軸スラスト方向に押されるように付勢されることになる。このように回転子１は、回転軸スラスト方向にある程度の範囲で移動自在であり、かつ一方向に与圧ばね２０で押圧されているのである。
【００１９】
回転子１は、図１を引用して前述したように永久磁石を有する。この永久磁石は、固定子の固定子コア４と磁気的に吸引仕合う。この磁気吸引力で、回転軸スラスト方向に移動自在なる回転子は、所定の位置に留まるように保たれる。
【００２０】
送風のための羽根７（軸流のファン）は、回転子１の回転軸２の先端に取り付けられ、とめ輪８等によって固定される。
【００２１】
図３に示すファン駆動用永久磁石モータは、前述した図２に示すファン駆動用永久磁石モータと大部分が共通で、軸受部の構成が違う。
【００２２】
図２に示すファン駆動用永久磁石モータは、ボール式の軸受部６を備えている。図３に示すファン駆動用永久磁石モータは、摺動式の軸受部（滑り軸受）３０を備えている。
【００２３】
この摺動式の軸受部３０は、内周部で回転軸２を摺動回転自在に支持し、外周部がエンドブラケット１５のベアリング保持部に嵌合するように保持されている。回転軸２は、軸受部３０の内周部に摺動回転自在に支持されているので、回転軸スラスト方向にも摺動自在であり、回転子１は回転軸スラスト方向に移動自在である。
【００２４】
さらに図３に沿って羽根（軸流のファン）７の推力と、永久磁石と固定子コア４の磁気吸引力とがつり合うつり合いバランスについて説明する。
【００２５】
図３の（イ）は回転子１が停止している状態を示し、（ロ）は回転子１が回転している状態を示す。
【００２６】
（ロ）に示すように回転子１の回転により羽根（軸流のファン）７が後方に送風すると、前向きの羽根（軸流のファン）７の推力（回転軸スラスト方向の移動力）が回転子１に作用する。
【００２７】
永久磁石と固定子コア４の磁気吸引力は、その回転軸スラスト方向の移動力を阻止するように作用し、つり合いがとれたところでバランスし、その位置に回転子１は留まるように保たれる。
【００２８】
しかし、磁気吸引力は、固定子のスロットと磁石の極数の関係で回転子の回転位置によって及ぼす力が異なる。したがって、回転数一定で羽根の風による推力が一定でも、戻そうとする吸引力は、一回転あたりに固定子と回転子の最小公倍数の振幅を繰り返すため、軸方向の振動を発生することになる。この振動は、モータの持つ固有振動数や、取り付ける筐体の固有振動と共振することによって不要な振動、騒音を引き起こすことになってしまう。したがって、この磁気吸引力の振動をいかに低減するかがモータの振動、騒音を低減する方法となる。
【００２９】
図４には、その軸方向の力を磁場解析（ＦＥＭ）によって解析する条件の図を示す。（ａ）には、ＦＥＭで解析する場合のモータ固定子と回転子のメッシュ分割図を示す。解析条件として、
Ａロータ：図１で示すａ，ｂ，ｃ点の磁束密度が一定となる条件
Ｂロータ：図１で示した構造のｂ点がａ，ｃ点に比べて大きい磁束密度となる条件の２種を計算した。
【００３０】
（ｂ），（ｃ）図に示すとおり、Ａロータは軸方向の表面磁束密度が軸方向に均一で、Ｂロータは中央部が高く設定した。また、回転方向にみても同様に、Ａロータはａ．ｂ，ｃ位置とも同一の磁束密度分布を有し、Ｂロータは中央部が高い。ピークの値はＢロータの方が高く設定しており、これは両端部が磁束密度低くても同一トルクを満足させるためである。
【００３１】
図５にＦＥＭの解析結果を示す。回転子の軸方向にかかる力は、ロータの位置が固定子との磁気バランス点からずれていない場合にはＡロータ、Ｂロータとも全く発生しない結果となった。
【００３２】
また、Ａロータ、Ｂロータを５０μｍずらした場合には、どちらも磁気吸引力が発生し、固定子と回転子の最小公倍数の振動が発生する。そのレベルはＡロータの方が約４割大きい結果となった。ちなみに、モータが出力する回転数、トルクは同一である。この結果により、回転子の磁気吸引力を低減するＢロータの構造の方が磁気吸引力による振動レベルを低減できることがわかった。
【００３３】
図６には磁石回転子の軸方向の磁束密度を端部のみ減少させるための着磁ヨークの構造を示す。着磁ヨークの軸方向厚みを磁石厚みよりも薄くし、磁束が中心部に集中するようにするものである。
【００３４】
図７は、各種の回転子磁石構造により、軸方向磁束密度分布を実現する方法を示す。
【００３５】
（ａ）図は磁石材料を複数種とし、残留磁束密度の高い材料１ａと残留磁束密度の低い材料１ｂを軸方向に使い分けることにより図１の磁束密度分布を実現するものである。
【００３６】
（ｂ）図は軸方向端部の外径を面取り形状によって中央部よりも小さい外径とすることによって固定子と回転子間のギャップを広くして磁気吸引力を満足する構造とするものである。この方法は、端部の径を加工、Ｒ付け等によって小さくする方法でも実現できる。
【００３７】
（ｃ）図は固定子と回転子の軸方向厚みを変更し、回転子の厚みよりも固定子の厚みを厚くし、回転子が推力によって軸方向に移動した場合でも吸引力を発生しないようにする構造とする。
【００３８】
（ｄ）図は回転子磁石の軸方向端部に、固定子のスラスト面側に対向する部分を設け、スラスト方向の磁気吸引力によって常に固定子と回転子が吸引する構造とすることによって、羽根の推力に対して振動しない構造とするものである。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、モータとしての性能を損なうことなく、高強度、高精度、高信頼性を得られ、振動、騒音の非常に小さい安価なファンモータを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるファン駆動用永久磁石モータの永久磁石の磁束密度分布を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態であるファン駆動用永久磁石モータの構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わるもので、羽根（ファン）の推力と、永久磁石と固定子コアの磁気吸引力とがつり合う関係を説明する図である。
【図４】本発明の一実施形態に係わるもので、ファン駆動用永久磁石モータの電磁気的現象を解析するＦＥＭのメッシュ構造並びに解析する回転子磁石の磁束密度分布等条件を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係わるもので、図４の条件を用いて磁場解析を行って回転子の軸方向にかかる応力を求めた結果を表すグラフである。
【図６】本発明のファン駆動用永久磁石モータの構造を満足する着磁ヨーク形状の一実施形態を示す図である。
【図７】本発明のファン駆動用永久磁石モータの構造を満足する各種形状の展開例を示す図である。
【符号の説明】
１…回転子、２…回転軸（シャフト）、３…樹脂モールド部、４…固定子コア、５…固定子巻線、６…軸受部（ベアリング）、７…ファン（羽根）、８…とめ輪、９…着磁ヨーク巻線、１０…着磁ヨークコア。
【図１】
2004248461.tif 000003
【図２】
2004248461.tif 000004
【図３】
2004248461.tif 000005
【図４】
2004248461.tif 000006
【図５】
2004248461.tif 000007
【図６】
2004248461.tif 000008
【図７】
2004248461.tif 000009