JP2009148103A

JP2009148103A - モータ及び冷却ファン

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Publication number: JP2009148103A
Application number: JP2007324191A
Authority: JP
Inventors: Yuji Yabuuchi; 裕次藪内; Junpei Kitamura; 順平北村
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-17
Also published as: JP5200521B2

Abstract

【課題】コイルの電線と回路基板との接続構造を工夫することにより、信頼性が高く低コストのモータとそれを用いた冷却ファンを提供する。
【解決手段】ステータコア３２にインシュレータ３３を介して巻回されたコイル３１の電線端部３１１が、インシュレータ３３に形成された複数の突起部３３１に巻き付けられた状態で、回路基板３５の貫通孔又は切欠きを通って第１面から第２面に導かれ、第２面に設けられたランド３５１に半田付けされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータとそれを用いた冷却ファンに関し、詳しくはモータを構成するステータコアに巻回されたコイルの電線と回路基板との接続構造に関する。

近年の電子機器には、筐体内の電子部品を冷却するための冷却ファンを備えているものが多い。特に、電子機器の高性能化に伴ってＣＰＵ等の演算処理装置の処理速度が高くなり、それらの発熱量が多くなるに従って高性能の冷却ファンが求められている。その一方で、電子機器の低廉化に伴って、冷却ファンにもコスト低減が要求されている。

電子機器の冷却ファンの基本的な構造として、モータのロータ側にインペラが固定されており、モータのステータ側（電機子）は主にステータコアとインシュレータとコイルとで構成されている。ステータコアは中心軸から径方向外方へ突出する複数の極歯を有し、インシュレータはステータコアの外周面等を除く部分を覆う。コイルは、各極歯にインシュレータを介して巻回されている。

上記のようなステータのコイルは、回路基板に設けられたランドに半田付けによって電気接続される。回路基板は、ガラスエポキシ、紙フェノール等の基材の片面又は両面に銅箔による回路パターンが形成されており、ロータの回転位相を検出するためのホール素子や、その出力信号に基づいてコイルに供給する電流を制御するドライブＩＣ等の電子部品が実装されている。

ステータのコイル（電線）の端部を回路基板のランドに接続するための従来構造として、特許文献１に記載されているような構造が一般的である。すなわち、ステータコアに被せられたインシュレータに接続用の複数の端子ピンを挿入固定しておき、この端子ピンにコイルの端部を巻き付けて半田付けによる接続を行う。端子ピンは、インシュレータの回路基板側の端面から突出するように固定されており、回路基板の対応する箇所には端子ピン挿入用の複数の貫通孔と、各貫通孔の周囲に形成された半田付け用のランドとが設けられている。コイルの端部が電気接続された複数の端子ピンが回路基板の挿入孔に挿入され、各端子ピンが各ランドに半田付けされることにより、コイル電線の端部が回路基板のランドに電気接続される。なお、端子ピンに巻き付けられたコイル端部と端子ピンの半田付けは、端子ピンとランドとの半田付けと同時に行うことも可能である。
特開平９−２８５０７５号公報

冷却ファンの高性能化の一環として、風量及び静圧を高めた高出力の冷却ファンでは、コイルに大電流を流す必要があることから、線径の太い電線を用いてコイルが巻回される。この場合に、上記のようにインシュレータに挿入された端子ピンを介してコイル電線の端部と回路基板のランドとの電気接続を行う構造では次のような問題が発生することがある。

すなわち、コイル（電線）の端部を端子ピンに巻き付ける際に、太い電線のテンションによって端子ピンに曲げ応力が生じ、端子ピンが変形する（曲がる）ことがある。さらに、巻き付けた電線の端部と端子ピンとの半田付けを行う際に、その熱と電線のテンションによって端子ピンが挿入されたインシュレータ（樹脂成形品）が変形して端子ピンが根元から傾くこともある。このように端子ピンが変形したり（曲がったり）傾いたりすると、回路基板に設けられた複数のランド付挿入孔に複数の端子ピンを挿入することが困難になる。

この問題を回避する方法の一つとして、太い電線でコイルを構成する場合に、端子ピンを用いないで電線の端部を回路基板のランドに直接半田付けすることが考えられる。しかし、この場合は、半田付けによる接続の後に、電線のテンションによって導線と回路基板との接続部（半田付け部）に応力が掛かり、接続部での断線が発生するおそれがある。

本発明は、上記のような従来の課題を解決し、ステータコアに巻回されたコイルの電線と回路基板との接続構造を工夫することにより、信頼性が高く低コストのモータとそれを用いた冷却ファンを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るモータは、中心軸の周りに配置されたステータ部と、前記中心軸の周りを回転するロータ部とを備えたモータであって、前記ステータ部は、電線が巻き付けられることで構成されるコイルを有するステータコアと、前記電線が電気的に接続されるランドが設けられた回路基板とを備え、前記電線の端部が巻き付けられた複数の突起部を含む樹脂部材が前記ステータコアに固定されており、前記回路基板の、前記複数の突起部に対応する位置に、前記突起部が挿通される貫通孔又は切欠きが複数個形成されており、前記電線の端部は、前記突起部に巻き付けられた状態で前記貫通孔を通って、前記回路基板の前記ステータコアが配置される側の面である第１面から前記ステータコアが配置される反対側の面である第２面へ導かれ、前記第２面に設けられた前記ランドに接続されていることを特徴とする。

このような構造によれば、従来構造のような端子ピンを用いないでコイルの電線端部を回路基板のランドに直接接続（例えば半田付け）するので、端子ピンの変形や傾きに起因する前述のような問題は発生しない。また、コイルの電線端部が樹脂部材の突起部に巻き付けられた状態で回路基板のランドに導かれるので、コイルのテンションが電線端部と回路基板のランドとの接続部に直接掛かることが無く、接続部での断線が発生しにくい。これにより、信頼性及び生産性の高いモータを提供することが可能になる。

好ましい実施形態において、前記電線が樹脂製のインシュレータを介して前記ステータコアに巻回されることで前記コイルが構成されており、前記複数の突起部を含む樹脂部材が前記インシュレータと同一部材又は一体の部材である。換言すれば、樹脂成形品であるインシュレータに前記複数の突起部が形成されている。あるいは、複数の突起部を含む樹脂部材とインシュレータとが接着や嵌め合い等の手段により一体の部材となっている。

さらに好ましい実施形態において、前記ステータコアは周方向に離間するように配置された複数の極歯を有し、前記突起部が、隣り合う前記極歯の間に設けられている。あるいは、前記突起部が、前記極歯の径方向外側の先端部に設けられている。

さらに好ましい実施形態において、前記突起部の先端面に、前記電線の端部を案内するための溝又は段部が形成されている。これにより、電線の端部と回路基板のランドとの半田付けを行う際の作業性が良くなる。その結果、信頼性が高く、低コストのモータを提供することが可能になる。

さらに好ましい実施形態において、前記回路基板が片面プリント配線板である。また、前記回路基板の第２面にプリント配線が配置されていることが好ましい。さらに、前記回路基板が紙フェノール基材のプリント配線板であることが好ましい。これらの構成により、回路基板のコスト低減及び生産性の向上が可能になり、低コストのモータを提供することが可能になる。

さらに好ましい実施形態において、前記回路基板の略中央には中央孔が形成されており、前記中央孔の外周から連続するように前記切欠きが形成されている。このような構成により、回路基板のコスト低減及び生産性の向上が可能になり、低コストのモータを提供することが可能になる。

本発明による冷却ファンは、上記のようなモータと、前記ロータ部を構成するロータマグネットを保持するロータホルダの径方向外側に固定されたインペラとを備えたことを特徴とする。

本発明のモータ及び冷却ファンによれば、従来構造のような端子ピンを用いないで、コイルの電線端部が樹脂製の突起部に巻き付けられた状態で回路基板のランドに導かれる。したがって、コイルのテンションが電線端部と回路基板のランドとの接続部に直接掛かることが無く、接続部での断線が発生しにくい。これにより、信頼性及び生産性の高い低コストのモータを提供することが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るモータを用いた冷却ファンの概略平面図であり、図２は同じく冷却ファンの概略断面図である。この冷却ファンは、樹脂成形品であるハウジング１の内部に、モータ２及びインペラ４を組み込んだ軸流ファンである。

ハウジング１は、平面視で略正方形の外形と略円形の内周面を有する筒状部１１と、その中心部に配置された平面視で円形のベース部１２と、複数本（例えば４本）の連結部１３とからなる。筒状部１１の平面視で略正方形の４隅には、冷却ファンを電子機器に取り付けるためのボルトを挿入する孔１１１が設けられている。筒状部１１の平面視で円形の内周面１１２は、インペラ４の外周縁と所定の空隙を挟んで対向する略円筒状の内周面であり、インペラ４の回転によって軸方向に送られる空気の通路を構成している。なお、ハウジング１は、樹脂成形品に限らず、アルミニウムのダイカストにより成形してもよい。また、ハウジング１の筒状部１１、ベース部１２、及び連結部１３は、樹脂の射出成形やアルミニウムのダイカストにより一体に形成される。

ハウジング１のベース部１２は複数本の連結部１３によって筒状部１１の内側中心部に支持されており、モータ２がベース部１２に保持されている。ベース部１２の中心部に中心軸ＡＸを中心とする円筒部１２１が立設され、この中にモータ２（及びインペラ４）の回転軸２１を回転自在に支持する一対の軸受２２が装着されている。一対の軸受２２は、中心軸ＡＸに沿う方向に離間するように配置され、円筒部材２２１の内側に固定されている。この円筒部材２２１がハウジング１の円筒部１２１の内側に挿入され、一体として固定されている。また、回転軸２１の基端側端部には、抜け防止用のリング部材２１１が装着されている。なお、中心軸ＡＸに沿う方向（軸方向）において、ハウジング１のベース部１２及び連結部１３がある側を基端側といい、反対側を先端側という。

回転軸２１の先端側には、鉄製（例えばＳＵＳなど）のロータホルダ２５が固定されている。ロータホルダ２５は、回転軸２１に固定された中心部２５１と、径方向外方に略円板状に広がる円板部２５２と、その外周部から基端側へ折れ曲がって延びる円筒部２５３を有する。円筒部２５３の内周面には、略円筒状のロータマグネット２６の外周部が固着され、保持されている。ロータマグネット２６は４極に磁化されている。

ロータホルダ２５の外側（外周面）には、インペラ４が固定されている。インペラ４は樹脂成形品であり、ロータホルダ２５の円筒部２５３の外面を覆う円筒部４１と、その外周面から径方向外方に向けて延び回転軸２１を中心とする周方向に配列される複数枚（図１の例では１１枚）の羽根４２とからなる。

次に、図２から図４を参照しながら、モータ２の構造について説明を加える。図３は、モータ２を構成するステータ部を中心軸ＡＸ方向の基端側から見た斜視図である。図４は、同じくステータ部を中心軸ＡＸ方向の基端側から見た平面図である。いずれも、実際のステータ部を簡略化して模式的に描いている。

モータ２は中心軸ＡＸを中心とするステータ部と中心軸ＡＸを中心に回転するロータ部とを備えている。ロータ部は、略円筒状のロータマグネット２６と、ロータマグネット２６の外周部を保持する円筒部２５３を有するロータホルダ２５とを備え、ステータ部は、コイル３１が巻回されたステータコア３２と、コイル３１の電線端部３１１が電気的に接続されるランド３５１が設けられた回路基板３５とを備えている。

ステータコア３２は、中心軸ＡＸを中心として周方向の４箇所から径方向外方に伸びる複数（４個）の極歯３２１を有し、各極歯３２１にコイル３１が巻回されている。ステータコア３２は複数枚の電磁鋼板が中心軸ＡＸの方向に積層されたものであり、各電磁鋼板は、ドーナツ状の部分の外周から上記の極歯３２１を構成する部分が９０度間隔で４箇所から径方向外方へ延びる形状を有している。ドーナツ状の部分が積層されて構成されるステータコア３２の中央円筒部が、ハウジング１のベース部１２の円筒部１２１の周囲に外嵌するようにして、ステータコア３２を含むステータがハウジング１のベース部１２に固定される。

また、ステータコア３２には樹脂製の絶縁体であるインシュレータ３３（先端側インシュレータ３３Ｄ及び基端側インシュレータ３３Ｐ）が軸方向両側から被せられ、その上からコイル３１が巻回されている。ステータコア３２（極歯３２１）の外周面は電磁鋼板の径方向外方端面が露出している。

本実施形態の冷却ファンのモータ２は４極４スロットの単相全波（又は二相半波）モータであり、ステータコア３２には４個の極歯３２１が設けられ、各極歯３２１にコイル３１が巻回されている。４個のコイル３１は直列接続され、２本のコイル電線端部３１１が引き出される。但し、図３では、２本のコイル電線端部３１１のうちの１本のみが描かれている。

コイル３１の電線端部３１１が電気的に接続される回路基板３５には、モータ２のロータマグネット２６の回転に伴う磁束の変化を検出するホールＩＣ、その出力信号に基づいてコイル３１への供給電流を制御するモータ駆動用ＩＣ等の回路部品が実装されている。本実施形態の冷却ファンのモータ２では、安価な紙フェノール基材の片面プリント配線板が回路基板３５として使用されており、ステータコア３２が配置される側の面である第１面と反対側の面である第２面にプリント配線が配置されている。

したがって、コイル３１の電線端部３１１は、回路基板３５の第１面から第２面へ導かれ、第２面に設けられたランド（プリント配線端部の半田付け用銅箔露出部）３５１に半田付けにより接続されている。より具体的には、基端側インシュレータ３３Ｐに形成された突起部３３１に電線端部３１１が巻き付けられた状態で回路基板３５の貫通孔又は切欠きを通って回路基板３５の第２面に導かれる。こうすることにより、コイル３１のテンションが電線端部３１１と回路基板３５のランド３５１との接続部に直接掛かることが無く、接続部での断線が発生しにくい。これにより、信頼性及び生産性の高いモータを提供することが可能になる。

図５は、回路基板３５の概略形状を示す平面図である。回路基板３５は略円形の輪郭を有し、その中央部には中央孔３５２が形成されている。この中央孔３５２には、ハウジング１のベース部１２の円筒部１２１が挿入される（図２参照）。中央孔３５２の外周から連続する２箇所に、上記の突起部３３１が挿通される切欠き３５３が形成され、それぞれの切欠き３５３の近傍に、コイル３１の電線端部３１１が半田付けされるランド３５４が形成されている。回路基板３５の周方向に９０度間隔で離間する３箇所に形成された角孔３５５は、基端側インシュレータ３３Ｐに形成された係合爪（後述する）を係合させるためのものである。

次に、基端側インシュレータ３３Ｐの形状、特に、コイル３１の電線端部３１１が巻き付けられる突起部３３１の形状について、図６及び図７を参照しながら説明を加える。図６は、基端側インシュレータ３３Ｐの形状を示す３次元モデル図であり、図７は、突起部３３１の形状を示す拡大斜視図である。

基端側インシュレータ３３Ｐは、ステータコア３２の中央円筒部に外嵌する円筒部３３２と、ステータコア３２の４本の極歯３２１を覆う４本の腕部３３３とを有する。４本の腕部３３３のくびれた部分にコイル３１が巻回される。なお、この基本的な形状は、先端側インシュレータ３３Ｄについても同様である。

基端側インシュレータ３３Ｐの４本の腕部３３３のうち、３本の径方向先端部には、基端側へ突出する係合爪３３４が形成されている。これら３個の係合爪３３４は、上述の回路基板３５の角孔３５５に挿入され、係合する。これにより、基端側インシュレータ３３Ｐを含むモータ２のステータ部と回路基板３５とが互いに固定される。

また、前述のコイル３１の電線端部３１１が巻き付けられる突起部３３１は、円筒部３３２の外周面から径方向外方へ突出したのち基端側へ突出している。つまり、中心軸ＡＸを含む断面で略Ｌ字形状となるように突起部３３１が形成されている。また、円筒部３３２の外周面において、隣り合う腕部３３３の間（すなわちステータコア３２の隣り合う極歯３２１の間）である２箇所に突起部３３１が配置されている。もしも腕部３３３と重なる周方向位置に突起部３３１を設けたとすれば、樹脂射出成形によって基端側インシュレータ３３Ｐを製造するための金型が複雑になる。つまり、アンダーカット処理のためのスライドコアが必要になる。また、腕部３３３のくびれた部分にコイル３１を巻回する際に、自動巻線機で突起部３３１を避けながらコイル３１を巻回することが困難になる。あるいは、腕部３３３にコイルを巻回できる有効幅が狭くなる（コイル占有率が低下する）。本実施形態の基端側インシュレータ３３Ｐでは、隣り合う腕部３３３の間に突起部３３１を配置することにより、上記のような問題の発生を回避している。

図７は、突起部３３１の形状の一例を示している。図７において、矢印付きの太線３１１Ｔは、コイル３１の電線端部３１１を突起部３３１に巻き付ける方向及び様子を模式的に示している。突起部３３１は、基端側インシュレータ３３Ｐの円筒部３３２の外周面３３２ａから径方向外方へ、かつ基端側へ突出するように形成されている。突起部３３１の基端側先端面には、電線端部３１１を案内するための段部３３１ａが形成されている。図示の例では、コイル３１の電線端部３１１が突起部３３１に１回だけ巻き付けられているが、２回以上巻き付ける構造としてもよい。

なお、図７において、突起部３３１の半円筒状の外周面３３１ｂは、図５に示した回路基板３５に形成された切欠き３５３の半円筒状の内周面に対応している。また、円筒部３３２の基端側に設けられた段部を構成する外周面３３２ｂは、回路基板３５の中央孔３５２の内周面と径方向に接触する面であり、同じく段部を構成する平面３３２ｃは、回路基板３５の中央孔３５２の周囲において第１面と軸方向に接触する面である。

上述のように、本実施形態の冷却ファンのモータ２では、ステータコア３２に被せられる基端側インシュレータ３３Ｐに形成された突起部３３１にコイル３１の電線端部３１１が巻き付けられ、回路基板３５の切欠き３５３を通って回路基板３５の反対側の面（第２面）に導かれ、ランド３５１に半田付けされる。したがって、コイル３１のテンションが電線端部３１１と回路基板３５のランド３５１との接続部に直接掛かることが無く、接続部での断線が発生しにくい。また、従来のモータのように基端側インシュレータに挿入された金属製の端子ピンを介してコイルの電線端部と回路基板のランドとを接続する場合に生じることがあった問題、すなわち、端子ピンの変形や傾きに起因して端子ピンを回路基板のランド付挿入孔に挿入する作業が困難になるといった問題が発生しない。これにより、信頼性及び生産性の高い廉価なモータを提供することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明のモータ及び冷却ファンは、上記の実施形態に限らず種々の形態で実施することができる。

例えば、上記の実施形態ではコイル３１の電線端部３１１が巻き付けられた突起部３３１を挿通する切欠き３５３が回路基板３５の中央孔３５２の周囲に形成されているが、切欠き３５３の代わりに、図８に示すように、貫通孔３５３’を中央孔３５２の近くに形成してもよい。

また、上記の実施形態では突起部３３１の先端に電線端部３１１を案内するための段部３３１ａが形成されているが、この段部を省略してもよい。突起部３３１の先端の段部３３１ａを省略したステータ部を模式的に示す斜視図（図３に対応する図）を図９に示す。また、図示は省略するが、電線端部３１１を案内するための溝を段部３３１ａの代わりに突起部３３１の先端に形成してもよい。

また、上記の実施形態ではコイル３１の電線端部３１１が巻き付けられる突起部を基端側インシュレータ３３Ｐに一体に形成しているが、基端側インシュレータ３３Ｐと別の樹脂部材に突起部を設けてもよい。例えば、突起部を有する樹脂部材をインシュレータと別の樹脂成形品として製造し、その樹脂部材とインシュレータとを嵌合、接着等の手段により一体に結合させるようにしてもよい。

また、上記の実施形態では基端側インシュレータ３３Ｐの隣り合う腕部３３３の間（すなわちステータコア３２の隣り合う極歯３２１の間）に突起部３３１が配置されているが、腕部３３３の（すなわちステータコア３２の極歯３２１の）径方向外側の先端部に突起部３３１を配置してもよい。この場合に、基端側インシュレータ３３Ｐの径方向先端部に形成された係合爪３３４と突起部３３１とを並べるように配置してもよいし、両者を一体化するような形状としてもよい。このような構成の一例を示す冷却ファンの断面図（図２に対応する）を図１０に示す。

また、図２及び図１０に示す実施形態では突起部３３１の基端側先端面が回路基板３５の第２面より少し突出しているが、突出しないように、すなわち、両者が面一となるように構成してもよい。

また、上記の実施形態では回路基板３５として紙フェノール基材の片面プリント配線板を使用しているが、ガラスエポキシ基材の回路基板等を使用してもよいし、両面プリント配線板を使用してもよい。

また、本発明のモータが使用される冷却ファンは、上記の実施形態で説明したような軸流ファンに限らず、遠心ファンであってもよい。

本発明の実施形態に係るモータを用いた冷却ファンの概略平面図である。本発明の実施形態に係る冷却ファンの概略断面図である。モータを構成するステータ部を軸方向基端側から見た斜視図である。モータを構成するステータ部を軸方向基端側から見た平面図である。回路基板の概略形状を示す平面図である。基端側インシュレータの形状を示す３次元モデル図である。基端側インシュレータの突起部の形状を示す拡大斜視図である。別実施形態に係る回路基板の概略形状を示す平面図である。別実施形態に係るステータ部の斜視図である。別実施形態に係る冷却ファンの断面図である。

符号の説明

２モータ
３１コイル
３２ステータコア
３３インシュレータ
３５回路基板
３３Ｐ基端側インシュレータ
３３Ｄ先端側インシュレータ
３１１コイルの電線端部
３２１ステータコアの極歯
３３１突起部
３３１ａ段部
３５１ランド
３５３切欠き
３５３’ 貫通孔
ＡＸ中心軸

Claims

中心軸の周りに配置されたステータ部と、前記中心軸の周りを回転するロータ部とを備えたモータであって、
前記ステータ部は、電線が巻き付けられることで構成されるコイルを有するステータコアと、前記電線が電気的に接続されるランドが設けられた回路基板とを備え、
前記電線の端部が巻き付けられた複数の突起部を含む樹脂部材が前記ステータコアに固定されており、
前記回路基板の、前記複数の突起部に対応する位置に、前記突起部が挿通される貫通孔又は切欠きが複数個形成されており、
前記電線の端部は、前記突起部に巻き付けられた状態で前記貫通孔又は切欠きを通って前記回路基板の前記ステータコアが配置される側の面である第１面から前記ステータコアが配置される反対側の面である第２面へ導かれ、前記第２面に設けられた前記ランドに接続されていることを特徴とするモータ。
前記電線が樹脂製のインシュレータを介して前記ステータコアに巻回されることで前記コイルが構成されており、前記複数の突起部を含む樹脂部材が前記インシュレータと同一部材又は一体の部材であることを特徴とする
請求項１記載のモータ。
前記ステータコアは周方向に離間するように配置された複数の極歯を有し、前記突起部が、隣り合う前記極歯の間に設けられていることを特徴とする
請求項１又は２記載のモータ。
前記ステータコアは周方向に離間するように配置された複数の極歯を有し、前記突起部が、前記極歯の径方向外側の先端部に設けられていることを特徴とする
請求項１又は２記載のモータ。
前記突起部の先端面に、前記電線の端部を案内するための溝又は段部が形成されていることを特徴とする
請求項１、２、３又は４記載のモータ。
前記回路基板が片面プリント配線板であることを特徴とする
請求項１から５のいずれか１項記載のモータ。
前記回路基板の第２面にプリント配線が配置されていることを特徴とする
請求項１から６のいずれか１項記載のモータ。
前記回路基板が紙フェノール基材のプリント配線板であることを特徴とする
請求項７記載のモータ。
前記回路基板の略中央には中央孔が形成されており、前記中央孔の外周から連続するように前記切欠きが形成されていることを特徴とする
請求項１から８のいずれか１項記載のモータ。
請求項１から９のいずれか１項記載のモータと、
前記ロータ部を構成するロータマグネットを保持するロータホルダの径方向外側に固定されたインペラとを備えたことを特徴とする冷却ファン。