特開 2023-136178 モータ及びファン装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023136178

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】モータ及びファン装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 11/40 20160101AFI20230922BHJP

   H02K 5/04 20060101ALI20230922BHJP

   H02K 7/14 20060101ALI20230922BHJP

【ＦＩ】

H02K11/40

H02K5/04

H02K7/14 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022041653

(22)【出願日】2022-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000144027

【氏名又は名称】株式会社ミツバ

(74)【代理人】

【識別番号】110000442

【氏名又は名称】弁理士法人武和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大兼 貴彦

(72)【発明者】

【氏名】武田 賢

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼田 光和

(72)【発明者】

【氏名】永元 里司

(72)【発明者】

【氏名】細井 啓一

【テーマコード（参考）】

5H605

5H607

5H611

【Ｆターム（参考）】

5H605AA01

5H605AA07

5H605BB05

5H605BB14

5H605BB19

5H605CC02

5H605CC10

5H605DD09

5H605DD11

5H607AA12

5H607BB01

5H607BB14

5H607BB17

5H607BB25

5H607CC05

5H607FF04

5H611AA03

5H611BB01

5H611BB07

5H611TT01

5H611UA04

5H611UB01

(57)【要約】

【課題】ドライバ回路を一体化した機電一体型のモータにおいて、シャフトが基板に接触しても過電流が流れるのを防止する技術を提供する。
【解決手段】モータは、モータブラケットと、モータブラケットの表面側に固定された導電性のシャフトと、シャフトに回転自在に支持されたロータと、ロータの内側でモータブラケットの表面側に固定されて、ロータを回転させるための磁界を発生する複数のコイルが巻装されたステータと、コイルによる磁界の発生を制御するドライバ回路が表面に実装された基板と、モータブラケットの裏面側に固定されて、モータブラケットとの間に基板を収容する収容空間を形成するドライバケースとを備え、ドライバ回路のプラス配線は、モータをシャフト（２１）の軸方向から見たときに、基板（１３）上のシャフト（２１）に重なる領域（１３２）の外側に実装されている。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータブラケットと、
前記モータブラケットの表面側に固定された導電性のシャフトと、
前記シャフトに回転自在に支持されたロータと、
前記ロータの内側で前記モータブラケットの表面側に固定されて、前記ロータを回転させるための磁界を発生する複数のコイルが巻装されたステータと、
前記コイルによる磁界の発生を制御するドライバ回路が表面に実装された基板と、
前記モータブラケットの裏面側に固定されて、前記モータブラケットとの間に前記基板を収容する収容空間を形成するドライバケースとを備えるモータにおいて、
前記ドライバ回路のプラス配線は、前記モータを前記シャフトの軸方向から見たときに、前記基板上の前記シャフトに重なる領域の外側に実装されていることを特徴とするモータ。

【請求項2】

請求項１に記載のモータにおいて、
前記モータを前記シャフトの軸方向から見たときに、前記基板上の前記シャフトに重なる領域には、前記ドライバ回路のＧＮＤ配線が実装されていることを特徴とするモータ。

【請求項3】

請求項１または２に記載のモータにおいて、
前記ドライバ回路のうちの前記コイルに電流を供給するパワー系部品は、前記モータを前記シャフトの軸方向から見たときに、前記基板上の前記ステータに重なる領域の外側に実装されていることを特徴とするモータ。

【請求項4】

請求項３に記載のモータにおいて、
前記パワー系部品は、接着剤を介して金属製の前記モータブラケットに接触していることを特徴とするモータ。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載のモータと、
前記モータにより回転駆動されて、冷却風を生成するファンとを備えることを特徴とするファン装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータ、及びモータを搭載したファン装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、持続可能な開発目標（Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｇｏａｌｓ、持続可能な開発のための２０３０アジェンダ、平成２７（２０１５）年９月２５日国連サミット採択、以下「ＳＤＧｓ」という）の推進に向けた取り組みが行われている。それに伴い、持続可能な生産消費形態の確保などのため、廃棄物や不良品の削減などを目指す技術が知られている。

【0003】

モータを駆動させるためのドライバ回路を一体化した、所謂「機電一体型」のモータが知られている。機電一体型のモータは、例えば、シャフト、ロータ、及びステータがモータブラケットの表面側に配置され、ドライバ回路を実装した基板がモータブラケットの裏面側に配置されているのが一般的である。また、このようなモータは、例えば、ラジエータに冷却風を供給する冷却ファンを駆動するモータとして、車両のエンジンルームに搭載される（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１０８８７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような機電一体型のモータにおいて、車両が衝突事故を起こした場合などに、モータブラケットを突き破ったシャフトが基板に接触すると、ドライバ回路が短絡して過電流が流れるという課題がある。

【0006】

そこで、本発明の目的は、ドライバ回路を一体化した機電一体型のモータにおいて、シャフトが基板に接触しても過電流が流れるのを防止する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するために、本発明は、モータブラケットと、前記モータブラケットの表面側に固定された導電性のシャフトと、前記シャフトに回転自在に支持されたロータと、前記ロータの内側で前記モータブラケットの表面側に固定されて、前記ロータを回転させるための磁界を発生する複数のコイルが巻装されたステータと、前記コイルによる磁界の発生を制御するドライバ回路が表面に実装された基板と、前記モータブラケットの裏面側に固定されて、前記モータブラケットとの間に前記基板を収容する収容空間を形成するドライバケースとを備えるモータにおいて、前記ドライバ回路のプラス配線は、前記モータを前記シャフトの軸方向から見たときに、前記基板上の前記シャフトに重なる領域の外側に実装されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ドライバ回路を一体化した機電一体型のモータにおいて、シャフトが基板に接触しても過電流が流れるのを防止することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るファン装置の一構成例を示す外観斜視図である。

【図2】モータ及びファンの分解斜視図である。

【図3】ブラシレスモータ、基板、及びドライバケースの分解斜視図である。

【図4】ロータヨークを除いた状態のモータの構成を示す表面側の斜視図である。

【図5】モータの縦断面図である。

【図6】ドライバ回路に含まれるパワー系回路の概略回路図である。

【図7】ドライバ回路が実装された基板の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態に係るファン装置の一態様として、例えば自動車などの車両に搭載され、ラジエータ内を流れるエンジンの冷却水などを冷却するファン装置について説明する。

【0011】

（ファン装置１の全体構成）
まず、図１および図２を参照して、ファン装置１の全体構成を説明する。図１は、実施形態に係るファン装置１の一構成例を示す外観斜視図である。図２は、モータ２及びファン３の分解斜視図である。

【0012】

図１及び図２に示すように、ファン装置１は、駆動源であるモータ２と、モータ２により回転駆動されて冷却風を生成するファン３とを備える。ファン装置１は、例えば、モータ２が後方側（エンジンに対面する側）で、ファン３が前方側（ラジエータに対面する側）に配置されるように、エンジンルーム内に設置される。

【0013】

ファン３は、複数のネジ１０によってモータ２に締結される。ネジは、ファン３の表側（モータ２と対向する側とは反対側）から、ファン３の中心部となるボス部３１に形成されたネジ孔を通って、モータ２のロータヨーク２３２に締結される。なお、ファン３をモータ２に締結する締結部材として必ずしもネジ１０を用いる必要はなく、ファン３がモータ２に締結可能であれば、ネジの数や締結部材の種類については特に制限はない。

【0014】

ファン３は、シャフト２１の軸心上を回転中心としてロータ２３と一体に回転するボス部３１と、ボス部３１の外周から放射状に張り出された複数（本実施形態では７枚）の羽根３２と、隣り合う羽根３２同士を先端側で連結する複数（本実施形態では７つ）の連結部材３３とを有する。

【0015】

ボス部３１は、円盤形状の円盤部３１１と、円盤部３１１の外縁からモータ２に向けて突出すると共に、複数の羽根３２が取り付けられた円筒形状の周壁部３１２とを含む。ファン３がモータ２に取り付けられると、円盤部３１１はロータヨーク２３２の連結壁２３２Ｃに対面し、周壁部３１２はロータヨーク２３２の外周壁２３２Ａを囲む。

【0016】

（モータ２の構成）
次に、図３～図５を参照して、モータ２の構成を説明する。図３は、ブラシレスモータ１１、基板１３、及びドライバケース１５の分解斜視図である。図４は、ロータヨーク２３２を除いた状態のモータ２の構成を示す表面側の斜視図である。図５は、モータ２の縦断面図である。

【0017】

図３～図５に示すように、モータ２は、アウターロータ型のブラシレスモータ１１と、ドライバ回路１２が実装された基板１３とを備える、所謂「機電一体型」の電動モータである。

【0018】

ブラシレスモータ１１は、モータブラケット１４に支持されている。ブラシレスモータ１１は、モータブラケット１４の厚み方向の一方側（表面側）に配置されている。モータブラケット１４の厚み方向の他方側（裏面側）には、複数のネジによって、ドライバケース１５が締結されている。これにより、モータブラケット１４の裏面とドライバケース１５との間には、基板１３を収容する収容空間が形成される。

【0019】

すなわち、基板１３は、モータブラケット１４を挟んでブラシレスモータ１１の構成部品２１～２４と反対側（モータブラケット１４の裏面側）に配置されている。なお、モータブラケット１４及びドライバケース１５は、熱伝導率の高い材料（例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス鋼などの金属）で形成される。また、吸熱率を高めるために、モータブラケット１４及びドライバケース１５を黒色にしてもよい。

【0020】

また、モータブラケット１４の端部には、外部ハーネスが接続される２つのコネクタが一体になったコネクタユニット１６が取り付けられている。ブラシレスモータ１１、ドライバ回路１２、及びコネクタユニット１６は、電気的に接続されている。

【0021】

図３～図５に示すように、ブラシレスモータ１１は、シャフト２１と、シャフト２１の外周に設けられた複数のベアリング２２と、シャフト２１の軸心周りにベアリング２２を介して回転自在に支持されたロータ２３と、ロータ２３と径方向に所定の間隔を隔てて固定された環状のステータ２４とを有する。

【0022】

シャフト２１は、モータブラケット１４の表面側に固定された固定軸である。以下、モータ２の構成要素に関する説明において、シャフト２１の軸方向を単に「軸方向」とし、シャフト２１の軸心を中心とした径方向を単に「径方向」とし、シャフト２１の軸心を中心とした周方向を単に「周方向」とする。

【0023】

ロータ２３は、ステータ２４の外周を囲むように周方向に等間隔に並んで配置された複数の永久磁石２３１と、複数の永久磁石２３１を支持すると共に、シャフト２１に回転自在に支持されたロータヨーク２３２とを有する。

【0024】

ロータヨーク２３２は、シャフト２１の軸心と同心になるようにモータブラケット１４の表面側に配置されている。また、ロータヨーク２３２は、複数のベアリング２２を介してシャフト２１に回転自在に支持されている。さらに、ロータヨーク２３２は、外周壁２３２Ａと、内周壁２３２Ｂと、連結壁２３２Ｃとを備える。

【0025】

外周壁２３２Ａは、円筒形状の外形を呈する。また、外周壁２３２Ａは、ステータ２４より径方向の外側に配置される。さらに、外周壁２３２Ａは、複数の永久磁石２３１を内周面で支持している。換言すれば、複数の永久磁石２３１は、周方向に所定の間隔を隔てて外周壁２３２Ａの内周面に固定されている。

【0026】

内周壁２３２Ｂは、円筒形状の外形を呈する。また、内周壁２３２Ｂは、ステータ２４より径方向の内側に配置される。さらに、内周壁２３２Ｂは、複数のベアリング２２を介してシャフト２１に回転自在に支持される。

【0027】

連結壁２３２Ｃは、円盤形状の外形を呈する。また、連結壁２３２Ｃは、外周壁２３２Ａ及び内周壁２３２Ｂの軸方向の一端同士を接続する。さらに、連結壁２３２Ｃは、ステータ２４を挟んでモータブラケット１４と反対側に配置される。そして、連結壁２３２Ｃは、軸方向に所定の間隔を隔ててステータ２４に対向配置される。

【0028】

ステータ２４は、外周壁２３２Ａ、内周壁２３２Ｂ、連結壁２３２Ｃ、及びモータブラケット１４の表面で囲まれた空間に収容されている。また、ステータ２４は、複数の永久磁石２３１より径方向の内側において、モータブラケット１４の表面側に固定されている。さらに、ステータ２４は、径方向に所定の隙間を隔てて複数の永久磁石２３１に対面している。

【0029】

ステータ２４は、円筒形状のステータコア２４１と、ステータコア２４１の径方向の外側に突出した複数のティースに対して軸方向の両側に装着された絶縁性のインシュレータ２４２と、インシュレータ２４２上に巻回された導電性のコイル２４３とを有する。

【0030】

ステータ２４は、コイル２４３に電流が流れることにより磁界を発生する。そして、コイル２４３で発生した磁界と、複数の永久磁石２３１との間に生じる引力及び斥力によって、ロータヨーク２３２がシャフト２１の軸心を中心として回転する。

【0031】

そして、モータ２は、シャフト２１を車両の進行方向に向けて、エンジンルーム内に配置される。また、モータ２は、ブラシレスモータ１１を前方に向け、ドライバケース１５を後方に向けて、エンジンルーム内に配置される。

【0032】

（ドライバ回路１２の構成）
図６は、ドライバ回路１２に含まれるパワー系回路１２０の概略回路図である。図７は、ドライバ回路１２が実装された基板１３の平面図である。ドライバ回路１２は、複数のコイル２４３による磁界の発生を制御する。ドライバ回路１２は、モータブラケット１４に対面する基板１３の表面に面実装された複数の電子部品（例えば、トランジスタ、ダイオード、抵抗器など）で構成される。基板１３は、例えば、アルミニウム合金で形成された板状の外形を呈する。

【0033】

図６に示すように、パワー系回路１２０は、電源１２１からブラシレスモータ１１のコイル２４３に電流を供給するために、３つのプラス側トランジスタ１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗと、３つのマイナス側トランジスタ１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３Ｗと、モータ制御ＩＣ１２４と、ヒューズ１２５（以下、これらを総称して、「パワー系部品１２１～１２５」と表記することがある。）とを主に備える。なお、コイル２４３に電流を供給する電子部品は、前述のパワー系部品１２１～１２５に限定されない。

【0034】

プラス側トランジスタ１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗのソースは、電源１２１の＋極に並列に接続されている。また、プラス側トランジスタ１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗのドレインは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのコイル２４３に接続されている。さらに、プラス側トランジスタ１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗのゲートは、モータ制御ＩＣ１２４に接続されている。

【0035】

マイナス側トランジスタ１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３Ｗのソースは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのコイル２４３に接続されている。また、マイナス側トランジスタ１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３Ｗのドレインは、電源１２１の－極に並列に接続されている。さらに、マイナス側トランジスタ１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３Ｗのゲートは、モータ制御ＩＣ１２４に接続されている。

【0036】

すなわち、電源１２１の＋極からプラス側トランジスタ１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗを経由してコイル２４３に至る配線は、プラス電位となるプラス配線である。また、コイル２４３からマイナス側トランジスタ１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３Ｗを経由して電源１２１の＋極に至る配線は、グランド電位となるＧＮＤ配線である。

【0037】

モータ制御ＩＣ１２４は、各トランジスタ１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗ、１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３Ｗのゲートへの電圧の印加を制御することによって、トランジスタ１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗ、１２３Ｕ、１２３Ｖ、１２３ＷのＯＮ及びＯＦＦ（コイル２４３への電流の供給及び遮断）を制御する。ヒューズ１２５は、電源１２１の＋極とプラス側トランジスタ１２２Ｕ、１２２Ｖ、１２２Ｗとの間に配置されて、パワー系回路１２０に過電流が流れたときに配線を遮断する。

【0038】

図７に示すように、基板１３の表面は、領域１３１、１３２を含む。そして、ドライバ回路１２を構成する配線のうち、プラス配線及びパワー系部品１２１～１２５は領域１３１に配置され、ＧＮＤ配線は領域１３２に配置される。なお、ここで説明したプラス配線及びＧＮＤ配線は、図６で説明したパワー系回路１２０の配線のみならず、制御系（例えば、速度制御器、速度変換機、電圧制御器など）の配線も含む。

【0039】

また、図７に示す●印は、モータ２をシャフト２１の軸方向から見たときに、基板１３上のシャフト２１に重なる位置（換言すれば、シャフト２１を軸方向に延長した位置）である。図７に示すように、シャフト２１の延長線上は、領域１３２に重なる。すなわち、モータ２をシャフト２１の軸方向から見たときに、基板１３上のシャフト２１に重なる領域１３２には、ドライバ回路１２のＧＮＤ配線が実装されている。換言すれば、ドライバ回路１２のプラス配線及び電子部品は、モータ２をシャフト２１の軸方向から見たときに、基板１３上のシャフト２１に重なる領域の外側に実装されている。

【0040】

また、図７の破線は、モータ２をシャフト２１の軸方向から見たときに、ステータ２４の外周に重なる位置を示している。そして、パワー系部品１２１～１２５は、基板１３上のステータ２４に重なる領域の外側に実装される。

【0041】

さらに、図５に示すように、パワー系部品１２１～１２５は、接着剤１７を介して、金属製のモータブラケット１４に接触している。なお、接着剤１７は、熱伝導性の高いものが望ましい。

【0042】

上記の実施形態によれば、例えば以下の作用効果を奏する。

【0043】

上記の実施形態によれば、モータ２をシャフト２１の軸方向から見たときに、基板１３上のシャフト２１に重なる領域に、ドライバ回路１２のＧＮＤ配線を実装した。これにより、仮にシャフト２１がモータブラケット１４を突き抜けて基板１３に接触したとしても、同電位のシャフト２１とＧＮＤ配線とが接触するだけなので、ドライバ回路１２に過電流が流れることがなくなる。その結果、ヒューズ１２５が切れるのを防止できる。

【0044】

なお、ドライバ回路１２に過電流が流れるのを防止するためには、モータブラケット１４を突き抜けたシャフト２１がドライバ回路１２のプラス電位となる部分に接触するのを回避すればよい。すなわち、モータ２をシャフト２１の軸方向からみたときに、ドライバ回路１２のプラス電位となる部分（典型的には、プラス配線）が、基板１３上のシャフト２１に重なる領域の外側に実装されていればよい。ここで、モータ２をシャフト２１の軸方向から見たときに、基板１３上のシャフト２１に重なる領域には、何も実装されていなくてもよいが、残銅率を向上させる観点からはＧＮＤ配線が実装されているのが望ましい。

【0045】

また、上記の実施形態によれば、モータ２をシャフト２１の軸方向から見たときに、基板１３上のステータ２４に重なる領域の外側にパワー系部品１２１～１２５を実装した。このように、自己発熱するパワー系部品１２１～１２５をコイル２４３から遠ざけることによって、コイル２４３への熱影響を低減することができる。また、パワー系部品１２１～１２５をシャフト２１から遠ざけることができるので、シャフト２１からパワー系部品１２１～１２５への受熱影響を低減することができる。これにより、モータ２の寿命が延伸されて、廃棄物の削減に寄与する。

【0046】

さらに、上記の実施形態によれば、接着剤１７を介してパワー系部品１２１～１２５を金属製のモータブラケット１４に接触させるので、放熱効果が向上する。特に、モータ２でファン３を駆動する場合、ファン３によって生起された冷却風でモータブラケット１４が冷却されるので、さらに放熱効果が向上する。これにより、モータ２の寿命が延伸されて、廃棄物の削減に寄与する。

【0047】

なお、上記の実施形態では、エンジンで駆動される車両にファン装置１を搭載した例を説明したが、ファン装置１は、モータ、蓄電池、または燃料電池などで駆動される車両に搭載されてもよい。また、ファン装置１の用途として、ラジエータに冷却風を供給する例を説明したが、ファン装置１の用途はこれに限定されない。さらに、上記の実施形態では、モータ２の用途として、ファン３を回転駆動するファンモータの例を説明したが、モータ２の用途はこれに限定されない。また、アルミニウム合金で形成された基板を適用した例を説明したが、基板１３はガラスエポキシ樹脂などの樹脂で形成された基板を適用してもよい。

【0048】

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、本実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、本実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。またさらに、本実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0049】

１ ：ファン装置
２ ：モータ
３ ：ファン
１０ ：ネジ
１１ ：ブラシレスモータ
１２ ：ドライバ回路
１３ ：基板
１４ ：モータブラケット
１５ ：ドライバケース
１６ ：コネクタユニット
１７ ：接着剤
２１ ：シャフト
２２ ：ベアリング
２３ ：ロータ
２４ ：ステータ
３１ ：ボス部
３２ ：羽根
３３ ：連結部材
１２０ ：パワー系回路
１２１ ：電源
１２２Ｕ，１２２Ｖ，１２２Ｗ ：プラス側トランジスタ
１２３Ｕ，１２３Ｖ，１２３Ｗ ：マイナス側トランジスタ
１２４ ：モータ制御ＩＣ
１２５ ：ヒューズ
１３１ ：領域
１３２ ：領域
２３１ ：永久磁石
２３２ ：ロータヨーク
２３２Ａ ：外周壁
２３２Ｂ ：内周壁
２３２Ｃ ：連結壁
２４１ ：ステータコア
２４２ ：インシュレータ
２４３ ：コイル
３１１ ：円盤部
３１２ ：周壁部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】