JPH0652995B2 - 小型電動フアン装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばカーエアコンの温度センサに室内空気
を還流するブラシレス小型電動フアン及びパソコン，コ
ンピユータの回路の冷却フアンとして使用されるもので
ある。特に局部冷却の小型フアンとして有効である。又
電子回路の冷却フインと１体化して、冷却効果を自然対
流によるものより著しく大きくする部品として構成して
有効な手段を供与できるものである。

〔従来の技術〕

上述した同じ目的を達成する為に、ブラシレス小型電動
フアンは各種類提案されている。

本発明装置と近似した形式のものとしては、径が20ミリ
メートル乃至30ミリメートル位の周知の直流整流子電動
機の回転軸に30ミリメートル〜40ミリメートル位のフア
ンを設けたものである。

又上述した構成で、ブラシレス電動機としたものがあ
る。

〔本発明が解決しようとしている問題点〕

上述したフアン電動機は、整流子電動機なので、機械的
磨耗部分があり、その耐用時間はみじかく、一般的な要
求である20000時間の寿命とすることが困難となる第１
の問題点がある。

更に機械音の発生を伴なうことが第２の問題点である。

ブラシレスの電動機とすると、第１，第２の問題点が解
決されるが高価大型となる第３の問題点が発生する。又
１相ブラシレス電動機とすると廉価小型となるが、効率
が著しく劣化する第４の問題点がある。

上述した従来の１相の半導体電動機においては、次の問
題点がある。電気角で180度回転するときの所期と末
期、特に末期においては、逆起電力が零であることに加
えて、磁心が磁気的に飽和することにより、過大な電機
子電流が流れ、トルクに寄与しないジユール損失が大き
くなり、効率の低下を招いている。又飽和しない場合に
おいても、逆起電力がない為に大きい電流が流れている
ので、同じく効率の低下を招いている。

一般に形状が細長型となつているので、冷却フインに送
風して冷却効果を高める為に、冷却フインとフアン電動
機を一体化して１つの部品として構成することが困難と
なる第５の問題点がある。

〔問題点を解決する為の手段〕

外転型の１相の半導体電動機とした為に、第１，第２，
第３の問題点を解決している。

電気角で180度の通電を行なうことなく、通電の末期の
電気角で40度位の通電を遮断しているので、効率が上昇
して、60％以上となつている。従つて、第４の問題点が
解決されている。

第１図に示すような特殊な構成となつているので、比較
的偏平な電動機とすることができる。従つて、冷却フイ
ンと１体化することが容易となるので、第５の問題点が
解決される。

〔作用〕

前述した本発明の手段によると、従来の技術の問題点即
ち欠点が除去される作用効果がある。

即ち、騒音が減少し、効率が上昇し、偏平、軽量、廉価
に作ることができ、又35ミリメートル以下の径のフアン
を使用することもできる特徴がある。又半導体電動機な
ので耐用時間を20000時間以上とすることができる。

更に又、電機子コイルの通電の初期では、磁心即ちコア
のある電動機の場合にはそのインダクタンスは15ミリヘ
ンリ位（出力が0.5ワツト位の電動機の場合）なので、
電流の立上りは比較的おそく、逆起電力は小さいが、電
流値が小さく、ジユール損失も小さく効率に与える影響
は少ないが、若干の効率の低下を招くことになる。

しかし通電の末期では、マグネツト回転子の磁束によ
り、コアがほぼ飽和し、コイルのみのインダクタンスと
なるので、３ミリヘンリ位にインダクタンスが減少す
る。従つて界磁磁界が小さく若しくは零のときの通電の
末期では、著しく大きい電機子電流が流れ、しかもこれ
はトルクに寄与しないので効率を劣化する主因となる。

かかる不都合を除去する為に、少なくとも通電の末期の
通電を遮断して効率を周知のこの種の電動機より20〜25
％位上昇せしめて60％位としているのが本発明の作用で
ある。

第１図に示す構成即ち外転型で、偏平な構成で、送風は
軸方向と、外側径方向とが選択できる。従つて軸流フア
ンとしても使用することができ、又冷却フインと組合せ
て１体化したとき小型に構成できるものである。

〔実施例〕

次に、本発明装置を図面に示す実施例により、その詳細
を説明する。尚図面中の同一記号のものは同一の部材な
ので、その説明は省略する。第１，第２図を併せて説明
する。

第１図は、本発明装置の断面図を示すもので、記号１は
側板であるが、これは非磁性体で作られた円板で、第２
図(b)は、第１図のものを矢印Ｅ方向よりみた平面図で
ある。

側板１の中央部の円孔１ｃには、含油軸承４ａが嵌着さ
れ、これに回転軸２が回動自在に支持されている。

記号10は、珪素鋼板を積層した電機子磁心で、矢印Ｅ方
向よりみた詳細が、第２図(c)に示されている。即ち図
示の形状の４突極（互いに90°はなれている。）が設け
られ、突極10ａ，10ｂ，10ｃ，10ｄには、電機子コイル
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが装着されている。

突極10ａ，10ｂの点線10ｅ，10ｆで示す部分は削除され
ている。これは後述するように、コギングトルクを発生
して自起動せしめる為の手段である。突極10ｃ，10ｄも
同じ構成となつている。記号10ｇは空孔である。

側板１の円形の突出部１ａ，１ｂ（第２図(b)にも同一
記号で示してある。）には、電機子磁心10の突極側部
が、図示のように貼着固定されて、固定電機子となつて
いる。

記号３は外筐で、軟鋼板をプレス加工して作られてい
る。カツプ状の外筐３の右側は側板１に固着され、左側
は膨出し、その中央部円孔には、含油軸承４ｂが嵌着さ
れ、回転軸２が支持されている。カツプ状に軟鋼板をプ
レス加工して作られた回転子５の右側開口部の内側に
は、円現状（リング状）のマグネツト６（マグネツト回
転子）が貼着されて、その内側が空隙を介して突極10
ａ，10ｂ，…に対向している。マグネツト回転子６は、
第２図(c)に示すように、Ｎ，Ｓ磁極４個が等しいピツ
チで配設され、径方向に各磁極が磁化されている。

回転軸２の左端には、円板状の基部８の円周部に90度の
開角で固定されたフアン８ａ，８ｂ，…が設けられてい
る。第２図(a)は回転軸２とフアン８，８ａ，８ｂ，…
の平面図である。

外筐３に基部が固定された円環３ａは、フアン８ａ，８
ｂ，…の外側端を被冠するように、又記号９ａ，９ｂ，
…で示す空孔が全円周部即ち円環部に複数個設けられて
いる。

第１図示の装置は、１相の半導体電動機となるものであ
るが、その回転手段を第３，４図について説明する。

第４図において、ホール素子11は、マグネツト回転子６
のＮ，Ｓ磁極に対向するように、固定電機子に固定され
ている。

従つて、Ｎ，Ｓ磁極に対向することにより、ホール素子
11の出力はリニヤ増巾回路11ａ，11ｂにより増巾され
る。Ｎ極に対向したときのこれ等の出力が第３図のタイ
ムチヤートにおいて、曲線17，17ａとして示されてい
る。これ等の中間の位置において、同じ形の位置検知信
号がＳ極に対向したときに得られるが省略して図示して
いない。

増巾回路11ａ及び11ｂの出力により、コンデンサ21が充
電され、充電電圧は、曲線18ｂとして示される。

抵抗24ａ，24ｂにより、所定の比率で減衰された電圧
は、第３図で、曲線18ｃとして示されている。

抵抗23の電圧降下による電圧のレベルは、第３図で点線
18ａとして示されている。従つて、オペアンプ20ａのハ
イレベルの出力の発生するのは、点線18ａと曲線17の交
点である点線16ａの位置となる。点線16ａと曲線17の立
上り点との角度は電気角で５〜10度位とされている。以
降の角度表示はすべて電気角で表示するので、電気角の
文字は省略する。

点線18ｃと曲線17との交点の位置で、オペアンプ20ａの
出力はローレベルに転化する。即ち点線16ａと16ｂとの
間のみオペアンプ20ａの出力はハイレベルとなる。

従つて、このときに、トランジスタ25ａ，25ｂが導通し
て、電機子コイルＧは右方に通電される。電機子コイル
Ｇは、第２図の電機子コイル７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの
直列若しくは並列接続されたコイルを示すものである。

曲線18ｂの右端の高さは、曲線17のピーク値に比例す
る。又曲線18ｃも同じくピーク値に比例する。従つて、
ホール素子11の出力に変化があつても、点線16ｂの位置
は変化しないので、オペアンプ20ａの出力のハイレベル
にある間即ち電機子コイルＧの通電区間は変動しない効
果がある。

増巾回路11ｂ，オペアンプ20ｂの動作に関しても上述し
た事情は全く同様で、ホール素子11がＳ極に対向したと
きに、点線16ａと16ｂに対応する区間のみ、オペアンプ
20ｂの出力はハイレベルとなり、トランジスタ25ｃ，25
ｄが導通して、電機子コイルＧは左方に通電される。電
機子コイルＧの通電が終了すると、ダイオード26ａ，26
ｂを介してトランジスタ22のベース電圧がローレベルに
転化するので、トランジスタ22は導通して、コンデンサ
21は放電して次の動作に備えることができる。第３図に
おいて、記号６はマグネツト回転子の展開図で、矢印Ｆ
方向に回転する。

第４図の電機子コイルＧが、180度の全巾で往復して通
電されると、その出力トルクは、曲線12ａ，12ｂ，…の
ようになる。曲線12ａ，12ｃ，…は右方に通電されたと
きのトルク曲線，曲線12ｂ，12ｄ，…は左方に通電され
たときのトルク曲線である。

曲線13は、コギングトルク曲線で、前述したように、第
２図(c)において、突極10ａ，10ｂ，…の外側面が点線1
0ｅ，10ｆで示すように斜めに削除されている為のもの
で、コギングトルク曲線13の正のピーク値が、トルク曲
線12ａ，12ｂ，…の死点（トルク零の点）の位置にある
ようにされている。

従つて、死点が除去されているので、マグネツト回転子
６がいかなる位置にあつても自起動できる構成となつて
いる。

曲線14は、突極12ａ，12ｂ，…と界磁マグネツト（マグ
ネツト回転子６）の磁極との間の吸引力によるコギング
トルクであるが、曲線13より位相が45度おくれているの
で、前述した自起動動作を妨害する。従つて突極10ａ，
10ｂ，…間の空隙を小さくして、なるべく小さい値とす
ることがよい。

第４図で説明したように、電源19ａ，19ｂの電圧が印加
された起動時において、第３図の点線16ａの左側にマグ
ネツト回転子６があるときには、通電されないが、トル
ク曲線13のトルクにより起動して回転し、点線16ａと16
ｂの間は通電されるので、引続いた回転が行なわれる。

電圧が印加されたときに、点線16ｂの右側の位置にマグ
ネツト回転子６があるときには、第４図のコンデンサ21
は未だ充電されていないので、電機子コイルＧは通電さ
れて起動する。又コギングトルク曲線13の正のトルクに
より起動トルクが付加されて引続いた回転が行なわれる
効果がある。

ホール素子11の位置は正確に、曲線12ａと12ｂの境界の
位置に設けることは量産時には不可能である。例えば右
方にずれていると、点線12で示す反トルクが発生し、こ
の値が曲線13の正トルクと等しいとき、又曲線13の正ト
ルクより大きくなると自起動は不可能となる。しかし、
本実施例では、第４図の抵抗23の電圧降下による電圧に
より、点線16ａの左側の通電が遮断されているので、電
機子コイルＧの通電が行なわれなく、従つて上記した反
トルクは発生しないので自起動が完全に行なわれる効果
がある。

自起動後においては、点線16ａと16ｂの間のみの通電が
行なわれるので著しく効率が上昇する。次にその理由を
説明する。

第２図(c)のマグネツト回転子６の磁極と突極の１つが
完全に対向したときに電機子コイルの通電が開始され、
駆動されて次の磁極と対向するまで、即ち180度の間だ
け通電されるのが一般の１相の電動機である。

このときの通電は、磁気エネルギの蓄積の為に立上りは
急峻でなく、第３図の曲線15の左側のような曲線とな
る。この部分では出力トルクも小さいが、ジユール損失
も小さくなり、効率に大きい影響を与えることはない。

曲線15の中間では、逆起電力が大きく、電機子電流は小
さいが、末端では、逆起電力が殆んどなく、磁心も飽和
に近いので、図示のように電機子電流は急速に増大す
る。更に又インダクタンスに比例する磁気エネルギも急
減するので、放出された磁気エネルギは電機子電流を増
大せしめる結果となる。従つて、第３図の曲線15の右端
のように、電機子電流が急増し、180度回転したとき
に、電機子電流は切断されるが、このときのピーク値は
実測によると、起動電流とほぼ同じ値となる。

この近傍では、界磁磁界は小さいか零となつているの
で、出力トルクは殆んどなく、無効なジユール損失が急
増する。

他の磁極についても事情は全く同じである。

毎分3000回転の電動機とすると、１回転毎に４個の曲線
15が得られるので、毎分12000個の曲線15で示す通電が
行なわれる。この事実は極端な表現をすると、１分間に
12000回起動が行なわれる直流電動機となり、効率の劣
化を招く主原因となつていることが理解される筈であ
る。

上述した欠点を除去するには、第３図の点線16ｂで示す
点で電機子電流の通電を停止することが最適の手段とな
る。即ち点線16ｂの点で電流を切断することがよい。点
線16ａより左方のトルクは小さいので、効率に与える影
響は僅少である。

上述したように、通電の初期と末期において通電が遮断
されているので、ホール素子11の位置が若干ずれていて
も反トルクの混入がなく、製造が容易となる利点及び効
率を上昇せしめる効果がある。実測によると、180度通
電の１相の電動機は効率が30％位であるが、本実施例に
よるものは効率が60％位となる効果がある。

点線16ｂの点で電機子電流が断たれると、点線15ａのよ
うに、第４図のトランジスタ25ａ，25ｂ，…に逆接続さ
れたダイオードにより電機子コイルＧに蓄積された磁気
エネルギが放電されて出力を増加する。180度の通電と
なると、蓄積磁気エネルギは点線15ｂのように放電さ
れ、これは反トルクとなるので効率を減少せしめる欠点
となつている。

以上の説明のように、１相の電動機として回転するもの
であるが、このときに、第１図のフアン８ａ，８ｂ，…
は回転して矢印Ｃ，Ｄ方向に空気流を発生する。本発明
装置は、その構成上より理解されるように、比較的偏平
に、又径を小さく（径が30〜40ミリメートル位）できる
ので、産業上の利用分野の欄で前述した用途として有効
な手段を供与できる。

空気流の吹き出しは矢印Ｃ，Ｄ方向であるが、吸い込み
は第１図の空孔９ａ，９ｂ，…より行なわれる。

フアン８ａ，８ｂ，…の回転を逆転すると、左方より吸
い込み、空孔９ａ，９ｂ，…より矢印Ａ，Ｂ方向に吹き
出すラジアルフアンとすることができる。次に第３図の
曲線17ａの説明をする。

第４図のトランジスタ22，ダイオード26ａ，26ｂを除去
し、コンデンサ21の要量を大きく、即ち時定数を大きく
した場合につき説明する。例えば時定数を数秒位とする
と、電圧が印加された初期においては、オペアンプ20
ａ，20ｂの一端子の入力は小さいので、ほぼ180度の通
電が行なわれて自起動する。

数秒経過すると、一端子のレベルは上昇し、第３図の点
線18ｄの位置となるので、位置検知信号17ａによる電機
子電流の通電区間は点線16ｃ，16ｄの間のみとなり、こ
の区間は120度位とすることがよい。従つて、前述した
点線16ａと16ｂの間の通電と全く同じ作用効果がある。

次に第５図につき説明する。アルミ材で作られた平板27
は、電子機器のパワトランジスタ等の発熱体の熱を放散
する為の冷却フインである。かかる冷却フインは上面に
植立した多数の直立フインにより、空気の自然対流を介
して放熱せしめるものである。

自然対流による放熱は、空気流速が小さい為に大きくな
く、従つて冷却フインは大型となる欠点がある。当然で
あるが重量も増大する。

本発明装置は、上記した欠点を除去できる特徴がある。
次にその説明をする。

第５図において、平板27の中央部には空孔27ａが設けら
れ、この内部に第１図の電動機Ｍが、フアンが上面にあ
るように埋設固定されている。この場合に第１図の円環
３ａは除去されている。

第１図の側板１の円周部を空孔27ａの底面外周に固着し
て電動機Ｍが装着されているものである。

図示していないが、フアン８ａ，８ｂ，…の回転によ
り、空気流は、第１図で矢印Ａ，Ｂ方向に吹き出すよう
になつている。フアン８ａ，８ｂ，…をラジアルフアン
として構成しても同じ目的が達成できる。

記号28ａ，28ｂ，…は上方に突出したアルミフインを示
している。他の点線の表示もすべてアルミフインであ
る。

上述したアルミフインは、すべて上方に突出したフイン
であるが、周知のアルミフインは自然対流と温度輻射に
より熱放散を行なつているので、１方向に即ち鉛直方向
に整列している。本実施例では、空気流は、矢印Ｊ，Ｋ
方向に即ちラジアル方向に、フイン28ａ，28ｂ，…の間
を吹き抜ける形式となつて冷却を行なうので、フインは
点線で示すようにランダムに配設された方が冷却効果が
増大する。

以上の構成なので、自然対流による冷却フインより10倍
位の冷却効果があり、冷却フインを小型軽量に構成でき
る特徴がある。

〔効果〕

比較的偏平で、径の小さい、電子機器冷却用のフアン電
動機を得ることができる。

その構成よりみて、軽量，廉価に製造することができ、
１相の半導体電動機となつているので、機械ノイズの発
生が少なく長い耐用時間が得られる効果がある。

又通電区間の180度の末端で所定角度の通電が断たれて
いるので、効率を２倍位に増大できる効果があり、しか
も自起動できる特徴がある。

冷却フインと組合せることにより、10倍位の冷却効果の
ある冷却フインを構成することができるので、冷却フイ
ンの形状を小型に軽量にすることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の断面図、第２図は、フアン，側
板，電機子等の説明図、第３図は、出力トルク、位置検
知信号等のタイムチヤート、第４図は、電機子コイルの
通電制御回路図、第５図は、冷却フインの説明図をそれ
ぞれ示す。 １…側板、２…回転軸、３…外筐、３ａ…円環、４ａ，
４ｂ…軸承、５，６…マグネツト回転子、７，７ａ，
…，７ｄ…，Ｇ電機子コイル、８，８ａ，８ｂ，…フア
ン、９ａ，９ｂ，…室孔、10，10ａ，10ｂ，…，10ｄ…
固定電機子，突極、11…ホール素子、12ａ，12ｂ，…，
12ｄ…トルク曲線、13，14…コギングトルク曲線、15…
通電曲線、17，17ａ…位置検知信号の曲線、19ａ，19ｂ
…電源正負極、11ａ，11ｂ…増巾回路、20ａ，20ｂ…オ
ペアンプ、21…コンデンサ、22，25ａ，…，25ｄ…トラ
ンジスタ、27…アルミ平板、27ａ…空孔、Ｍ…電動機、
28ａ，28ｂ，…アルミフイン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中央部に第１の軸承を設け、これを中心と
   するリング状突出部を設けた側板と、該側板のリング状
   突出部に周縁部が固定された偶数個の突極を備えた固定
   電機子ならびに各突極に装着された電機子コイルと、突
   極数と同数のＮ，Ｓ磁極を有するリング状マグネツト回
   転子をカツプ内側に貼着したカツプ状の回転子と、前記
   した電機子と回転子を収納するように、外側が前記した
   側板に固着されたカツプ状の外筐と、該外筐の底面中央
   部に設けた第２の軸承と、前記した回転子の底面中央部
   に１部が固定され、第１，第２の軸承に回動自在に支持
   されるとともに、マグネツト回転子の磁極面を突極面に
   空隙を介して対向回転せしめる回転軸と、外筐より外側
   に突出した回転軸に中央部が固定されたフアンと、該フ
   アンの外側を被冠するように、１端が外筐に挿入固定さ
   れた円環と、該円環の円環面に設けた複数個の空孔と、
   １相の電動機の出力トルクと位相がほぼ一致した位置検
   知信号を発生せしめるように、隣接する電機子の突極の
   隣接部において、固定電機子側に固定された位置検知素
   子となる磁電変換素子と、該変換素子のマグネツト回転
   子のＮ，Ｓ磁極による出力をリニヤ増巾をして位置検知
   信号を得る第１の電気回路と、前記した位置検知信号に
   より充電されるコンデンサと、該コンデンサの充電電圧
   を設定された比率で減少した出力電圧を得る第２の電気
   回路と、該回路の出力電圧と前記した位置検知信号の奇
   数番目のものと偶数番目のものをそれぞれ比較する第
   １，第２の比較回路と、該回路の出力により１相の電機
   子コイルの通電を制御して、通電の末期の所定の区間を
   遮断する通電制御回路と、コギングトルクを利用する自
   起動手段とより構成されたことを特徴とする小型電動フ
   アン装置。
2. 【請求項２】中央部に第１の軸承を設け、これを中心と
   するリング状突出部を設けた側板と、該側板のリング状
   突出部に周縁部が固定された偶数個の突極を備えた固定
   電機子ならびに各突極に装着された電機子コイルと、突
   極数と同数のＮ，Ｓ磁極を有するリング状マグネツト回
   転子をカツプ内側に貼着したカツプ状の回転子と、前記
   した電機子と回転子を収納するように、外側が前記した
   側板に固着されたカツプ状の外筐と、該外筐の底面中央
   部に設けた第２の軸承と、前記した回転子の底面中央部
   に１部が固定され、第１，第２の軸承に回動自在に支持
   されるとともに、マグネツト回転子の磁極面を突極面に
   空隙を介して対向回転せしめる回転軸と、外筐より外側
   に突出した回転軸に中央部が固定されたフアンと、１相
   の電動機の出力トルクと位相がほぼ一致した位置検知信
   号を発生せしめるように、隣接する電機子突極の隣接部
   において、固定電機子側に固定された位置検知素子とな
   る磁電変換素子と、該素子の出力により電機子コイルの
   通電を制御して、回転子を駆動し、回転子と同期回転す
   るフインにより、ラジアル方向に空気流を流出せしめる
   １相の半導体電動機と、該電動機を中央空孔内に収納し
   た冷却フインと、該冷却フインのフインの間を前記した
   空気流が通過するように、冷却フインに植立された複数
   枚のフインとより構成されたことを特徴とする小型電動
   フアン装置。