JP2008011613A - ブラシレスｄｃモータ及びこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で放熱効果に優れしかも抑制振動や騒音が小さいブラシレスＤＣモータを提供すること。
【解決手段】ブラシレスＤＣモータ６０は、内周側に複数のティース部１を備えたステータ２と、このステータ２を囲むように配置されたモータケース３と、ティース部１の周囲に巻き付けられた複数のコイル４と、鉄心５の周囲に複数の永久磁石６を設けてステータ２の内側に回転自在に配置されたロータ１０とを備え、複数のコイル４に順次通電することによりロータ１０が回転される。モータケース３の外周面には、ロータ１０の極数が２ｎ、ステータ２のスロット数が３ｎ、ｎが２以上の整数である場合に、ｎ−１またはｎ＋１の数のリブ７が軸方向に延びるように突出して設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータ及びこれを用いた空気調和機に係り、特に、ステータの外周にモータケースを有するブラシレスＤＣモータ及びこれを用いた空気調和機に好適なものである。

空気調和機の室外機および室内機に使用されるファンモータとしては、従来、誘導モータが使用されてきたが、近年は高効率化の要求からブラシレスＤＣモータが採用されることが多くなり、特にステータをインサートして成型した樹脂ケースをモータケースとして使うことが製造コストの点から多くなっている。

従来のブラシレスＤＣモータとしては、円筒型のステータ４３、ロータ４７及びモータケースを備えた図６に示すブラシレスＤＣモータ８０（従来技術１）がある。このステータ４３は、その内周側に１２個のティース部４１を備え、各ティース部４１の周囲に銅線を巻きつけて順次Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル４２を成している１２スロットの集中巻型のステータである。前記ロータ４７は、ステータ４３の内側に収められ、中心部に回転軸４４を取り付けた鉄心４５の表面にＮ極とＳ極になる永久磁石４６を交互に各４個貼り付けた８極のロータである。前記モータケース４８は、成形時にステータ４３をインサートして成形した円筒状の樹脂ケースで成形されている。

このモータ８０のステータ４３には、当該モータ８０に内蔵または外付けされたインバータ基板（図示せず）より、図７に示す三相交流の電圧が印加される。この通電によりステータ４３が電磁石になると共に、印加された三相交流により各コイル４２に生じる磁力が変化するため、ステータ４３には回転磁界が発生し、この回転磁界とロータ４７の永久磁石４６との作用でロータ４７が回転される。このとき、磁気の作用でステータ４３に作用する力が生じる。

係るモータ８０の運転中には、コイル４２により図８に示す磁力線４９が発生する。この図８はコイル４２に通電中のある瞬間の磁力線４９を示す。図８のように８極、１２スロットのブラシレスＤＣモータ８０の磁力線４９は９０°ごとに同一の形状を繰り返す。すなわち、モータ８０を４等分に分割したものを円周方向に４個並べた形となる。したがって、このようなモータ８０のステータ４３に作用する力は、図８の矢印５０に模式的に示すような周方向に９０°おきに同じパターンを繰り返す力となる。

また、従来のブラシレスＤＣモータとしては、ステータまたはモータケースの騒音を低減させる為になされた特許文献１に示すインナーロータ型モータ（従来技術２）がある。

この従来技術２の図１〜図４に示すインナーロータ型モータは、円筒状の外環部の内周面から複数の磁極歯を突出させたステータと、ステータ内に回転自在に配されていてステータの磁極歯と対向する箇所に磁石を設けてあるロータと、これらを覆うモータケースとを具備し、磁極歯に巻装してあるコイルへの通電によりロータを回転駆動させるものであって、ステータよりも高剛性である剛性部材をステータの外環部内部に設けたものである。この剛性部材により、ステータ２、延いてはモータ全体の剛性が向上され、モータの固有振動数が向上することによって使用時の騒音発生が低減されることが記載されている。

また、前記従来技術２の図５に示すインナーロータ型モータは、円筒状の外環部の内周面から複数の磁極歯を突出させたステータと、ステータ内に回転自在に配されていてステータの磁極歯と対向する箇所に磁石を設けてあるロータと、これらを覆うモータケースとを具備し、磁極歯に巻装してあるコイルへの通電によりロータを回転駆動させるものであって、リング状の剛性部材をモータケースの外側に圧入したものである。このリング状の剛性部材により、モータケース、延いてはモータ全体の剛性が向上され、モータの固有振動数が向上することによって使用時の騒音発生が低減されることが記載されている。

特許文献２には、補強材を周方向三点に長手方向に焼きばめ等で圧入して結合する電動機（従来技術３）が記載されている。

さらに、特許文献３には、電動機部を、その固定子鉄心の外周部においてフレームの内壁部に対して当接される部分が、ティース部の数と異なる数設けられる構成とした電動圧縮機（従来技術４）が記載されている。

特開２００５-１８５０５０号公報 特開平１１−２６２２３２号公報（図８） 特開２００５-２４５１０１号公報（図２）

上述した従来技術１のモータケース４８はステータ４３の周囲に円筒状の形状で構成されている。このような円筒状の部材では円筒を周方向に波打たせる、いわゆる円環の固有振動モードが励起しやすい。例えば、周方向に４つの山と谷が生じる３次の円環固有振動モード５１が図９に模式的に強調して示すように励起される。この円環固有振動モード５１は円筒を周方向に４等分に分割したものを円周方向に４個並べたものとなる。この円環固有振動モード５１は、図９中の矢印５０で示すステータ４３に作用する力のパターンと同様に９０°おきに同じパターンを繰り返す形となるため、回転数に起因する力の周波数がこの３次の円環固有振動モードの固有振動数と一致した際、振動を大きく励起することになり、これが空気調和機の室外機あるいは室内機の本体を振動させたり、騒音を発生させたりする原因となるという問題があった。

なお、この従来技術１では、８極、１２スロットのブラシレスＤＣモータについて示しているが、ブラシレスＤＣモータとして一般的な極数２ｎ、スロット数３ｎ（ｎ＝２、３、４、・・・）のモータでは、ステータに作用する力は、モータをｎ等分に分割したものを周方向にｎ個並べた形となる。その場合に、それぞれの力のパターンに対応した円環固有振動モード、例えば４極、６スロットのモータであれば１次の円環固有振動モード、６極、９スロットであれば２次の円環固有振動モードを励起しやすい。

一方、従来技術２の図１〜図４に示す例では、ステータよりも高剛性である剛性部材をステータの外環部内部に設けるようにしているため、部品数の増加、剛性部材のステータへの圧入作業などによりコストアップを招くという問題があった。

また、従来技術２の図５に示す例では、リング状の剛性部材をモータケースの外周全体に圧入しているため、リング状の剛性部材の材料費が嵩むと共に、モータケースとリング状の剛性部材との間で磨耗が生じるおそれがあった。

そして、従来技術２では、モータケースの円環固有振動モードについて配慮されていないため、効果的な振動低減を図るものではなかった。

なお、モータケースの剛性を上げるためにモータケースを厚くすることが考えられるが、この場合、材料が大幅に増えるほか、モータケースの熱抵抗が大きくなるため、モータの冷却が悪くなるといった問題があった。

さらに、特許文献２に示す従来技術３では、スロット数と磁極数に対する補強部材の個数の検討が充分にされておらず、効果的に振動が低減できないという課題があった。

また、特許文献３に示す従来技術４では、固定子鉄心の外周面の中心軸方向を切り欠く構造のため、切り欠いた部分の固定子の厚みが薄くなり、磁気特性が低下するという課題があった。

本発明の目的は、安価な構成で放熱効果に優れしかも抑制振動や騒音が小さいブラシレスＤＣモータおよび空気調和機を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、内周側に複数のティース部を備えた円筒状のステータと、前記ステータを囲むように配置された円筒状の樹脂製モータケースと、前記ティース部の周囲に巻き付けられた複数のコイルと、鉄心の周囲または内部に複数の永久磁石を設けて前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備え、複数の前記コイルに順次通電することにより前記ロータを回転させるブラシレスＤＣモータにおいて、前記ロータの極数が２ｎ、前記ステータのスロット数が３ｎ、前記ｎが２以上の整数である場合に、前記モータケースの外周面にｎ−１またはｎ＋１の数のリブを軸方向に延びるように突出して設けたことにある。

係る本発明の第１の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記ロータの極数が８、前記ステータのスロット数が１２である場合に、前記モータケースのリブの数を３または５としたこと。
（２）前記モータケースのリブを周方向に全周にわたって等間隔に設けたこと。
（３）前記モータケースのリブを外周面に当該モータケースの肉厚の２倍以上の高さを有するように設けたこと。

また、本発明の第２の態様は、室外筐体内に室外熱交換器と圧縮機と室外送風機と室外ファンモータとを有し、前記室外ファンモータを駆動することにより前記室外送風機を回転させて前記室外熱交換器に室外空気を送風して熱交換を行う室外機と、室内筐体内に室内熱交換器と室内送風機と室内ファンモータとを有し、前記ファンモータを駆動することにより前記室内送風機を回転させて室内空気を前記室内熱交換器に送風して熱交換を行う室内機と、を冷媒配管で接続してなる空気調和機において、前記室外ファンモータまたは前記室内ファンモータに前記本発明の第１実施態様及びその好ましい構成例の何れかに記載のブラシレスＤＣモータを使用したことにある。

本発明によれば安価な構成で放熱効果に優れしかも抑制振動や騒音が小さいブラシレスＤＣモータおよび空気調和機を提供できる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のブラシレスＤＣモータを図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るブラシレスＤＣモータの断面図、図２は図１におけるモータケースの４次の円環固有振動モードを説明する模式図である。

ブラシレスＤＣモータ６０は、内周側に複数のティース部１を備えたステータ２と、このステータ２を囲むように配置されたモータケース３と、ティース部１の周囲に巻き付けられた複数のコイル４と、鉄心５の周囲に複数の永久磁石６を設けてステータ２の内側に回転自在に配置されたロータ１０とを備えて構成されている。このブラシレスＤＣモータ６０は、複数のコイル４に順次通電することによりロータ１０を回転させるものである。

具体的には、ブラシレスＤＣモータ６０は、内周側に１２個のティース部１を備えた円筒状のステータ２と、ステータ２を囲むように配置された円筒状の樹脂製モータケース３と、ティース部１の周囲に銅線を複数回巻き付けて順次Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を成す１２個のコイル４と、鉄心５の周囲にＮ極およびＳ極となる永久磁石６を交互に各４個配置した８極のロータ１０とを備えている１２スロットの集中巻型のブラシレスＤＣモータである。

また、モータケース３は、樹脂成形時にステータ２をインサートして成形され、その一側または両側に蓋部が取り付けられる。さらに、モータケース３の外周面には５本のリブ７が設けられている。これらのリブ７は、軸方向に延びるように設けられると共に、周方向に全周にわたって等間隔に設けられ、モータケースの肉厚の２倍以上の高さを有して設けられている。そして、これらのリブ７はモータケース３の成形時に同時に成形される。

このブラシレスＤＣモータ６０のステータ２には、当該モータ６０に内蔵または外付けされたインバータ基板より、図７に示す三相交流の電圧と同様な電圧が印加される。この通電によりステータ２が電磁石になると共に、印加された三相交流により各コイル４に生じる磁力が変化するため、ステータ２には回転磁界が発生し、この回転磁界とロータ１０の永久磁石６との作用でロータ１０が回転される。このとき、磁気の作用でステータ２に作用する力が生じる。

そして、ブラシレスＤＣモータ６０の運転中には、コイル４により図８に示す磁力線と同様な磁力線が発生する。この磁力線は９０°ごとに同一の形状を繰り返す。すなわち、ブラシレスＤＣモータ６０を４等分に分割したものを円周方向に４個並べた形となる。したがって、このようなブラシレスＤＣモータ６０のステータ２に作用する力は、図２の矢印９に模式的に示すような周方向に９０°おきに同じパターンを繰り返す力となる。

前記モータケース３には５つのリブ７を配置しているため、肉厚すなわち剛性の違いから、このモータケース３は、図２に示すような、周方向に山と谷が５つづつ生じる４次の円環固有振動モード８が発生しやすい形状であるが、周方向に４つの山と谷が生じる３次の固有振動モードは発生しにくい。一方、このブラシレスＤＣモータ６０に通電したときにステータ２に生じる力は、上述したように、図２の矢印９に模式的に示すようなモータの周方向に９０°おきに同じパターンを繰り返す３次の力である。したがって、振動を励起する加振力のパターンと円環固有振動モード８のパターンとが一致しないため、振動が発生しにくい。さらに、リブ７はモータケース３の成形時に同時に樹脂で成形するために安価に作ることができ、また、モータケース３全体を厚肉にして剛性を上げるのに比べると、リブ７のない部分の放熱効果が高く、モータの温度上昇を抑制することが出来る。

なお、モータケース３のリブ７を周方向に全周にわたって等間隔に設けているので、円環固有振動モード８によって生ずる山と谷が周方向に均等に発生させることができる。また、モータケース３のリブ７を外周面にモータケース３の肉厚の２倍以上の高さを有して設けているので、３次の固有振動モードが発生しにくく、４次の円環固有振動モード８がさらに発生しやすくなっている。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態のブラシレスＤＣモータについて図３及び図４を用いて説明する。図３は本発明の第２実施形態に係るブラシレスＤＣモータの断面図、図４は図２におけるモータケースの２次の円環固有振動モードを説明する模式図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態のブラシレスＤＣモータ７０は、内周側に６個のティース部１１を備えた円筒型のステータ１２と、ステータ１２の周囲を囲むように配置されるモータケース１３とティース部１１の周囲に銅線を複数回巻き付けて順次Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を成す６個のコイル１４と、鉄心１５の周囲または内部にＮ極およびＳ極となる永久磁石１６を交互に各２個配置した４極のロータ２０とを備えている６スロットの集中巻型のブラシレスＤＣモータである。また、モータケース１３の周囲には３本のリブ１７が配置され、これらのリブ１７はモータケース１３成形時に同時に成形される。

このモータケース１３には３つのリブ１７を配置しているため、肉厚すなわち剛性の違いから、このモータケース１３は、図４に示すような、周方向に山と谷が３つづつ生じる２次の円環固有振動モードが発生しやすい形状であるが、周方向に２つの山と谷が生じる１次の固有振動モードは発生しにくい。一方、このブラシレスＤＣモータ７０に通電したときにステータ１２に生じる力は、図４の矢印１９に模式的に示すような、モータの周方向に１８０°おきに同じパターンを繰り返す１次の力である。したがって、振動を励起する加振力のパターンと円環固有振動モードのパターンとが一致しないため、振動が発生しにくい。

ロータの極数が２ｎ、ステータのスロット数が３ｎ、ｎが２以上の整数である場合に、上述した第１及び第２実施形態では、モータケースの外周面にｎ＋１の数のリブを軸方向に延びるように突出して設けたが、ｎ−１の数のリブを設けるようにしても同様の効果を奏することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の空気調和機について図５を用いて説明する。図５は本発明の第３実施形態に係る空気調和機の構成図である。

この第３実施形態の空気調和機９０は、冷媒が封入された冷媒循環流路２１に、冷媒を圧縮する圧縮機２２と、冷房時と暖房時で冷媒の流れる方向を変えるための四方弁３３と冷媒と室内の空気とを熱交換させる室内熱交換器２３と、冷媒を減圧する室外膨張装置２４および室内膨張装置２５と、冷媒と外気とを熱交換させる室外熱交換器２６とを順次配設してなる冷凍サイクルを備えている。

このうち室外熱交換器２６は、室外ファンモータ２７に取り付けられた室外送風機２８、圧縮機２２、および四方弁３３と共に、室外機２９の筐体内に格納されている。室外ファンモータ２７を運転することにより、室外熱交換器２６に室外の空気を送風する。また、室内熱交換器２３は、室内ファンモータ３０に取り付けられた室内送風機３１と共に、室内機３２の筐体内に格納されている。室内ファンモータ３０を運転することにより、室内熱交換器２３に室内の空気を送風する。

ここで、この第３実施形態では、室外機２９のファンモータ２７および室内機３２のファンモータ３０に上述した本発明の第１実施形態または第２実施形態に記載のブラシレスＤＣモータを使用しているため、ファンモータの振動を抑えることができ、空気調和機の室外機２９および室内機３２の筐体の振動および騒音を安価に低減することが出来る。

本発明の第１実施形態に係るブラシレスＤＣモータの断面図である。 図１におけるモータケースの４次の円環固有振動モードを説明する模式図である。 本発明の第２実施形態に係るブラシレスＤＣモータの断面図 図２におけるモータケースの２次の円環固有振動モードを説明する模式図である。 本発明の第３実施形態に係る空気調和機の構成図である。 である。従来技術１のブラシレスＤＣモータの断面図である。 図５のブラシレスＤＣモータに印加する交流電圧を示す図である。 図５のブラシレスＤＣモータに通電した際の磁力線の一例を示す図である。 図５のブラシレスＤＣモータのモータケースの３次の円環固有振動モードを説明する模式図である。

符号の説明

１…ティース部、２…ステータ、３…モータケース、４…コイル、５…鉄心、６…永久磁石、７…リブ、８…モータケース３の４次の円環固有振動モード、９…ステータに作用する力のパターンを模式的に示す矢印 、１０…ロータ、１１…ティース部、１２…ステータ、１３…モータケース、１４…コイル、１５…鉄心、１６…永久磁石、１７…リブ、１８…モータケース１３の２次の円環固有振動モード、１９…ステータに作用する力のパターンを模式的に示す矢印、２０…ロータ、２１…冷媒循環流路、２２…圧縮機、２３…室内熱交換器、２４…室外膨張装置、２５…室内膨張装置、２６…室外熱交換器、２７…室外ファンモータ、２８…室外送風機、２９…室外機、３０…室内ファンモータ、３１…室内送風機、３２…室内機、３３…四方弁、４１…ティース部、４２…コイル、４３…ステータ、４４…回転軸、４５…鉄心 、４６…永久磁石、４７…ロータ、４８…モータケース、４９…磁力線、５０…ステータに作用する力のパターンを模式的に示す矢印、５１…モータケース４８の３次の円環固有振動モード、６０、７０、８０…ブラシレスＤＣモータ、９０…空気調和機。

Claims (5)

1. 内周側に複数のティース部を備えた円筒状のステータと、
   前記ステータを囲むように配置された円筒状の樹脂製モータケースと、
   前記ティース部の周囲に巻き付けられた複数のコイルと、
   鉄心の周囲または内部に複数の永久磁石を設けて前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備え、
   複数の前記コイルに順次通電することにより前記ロータを回転させるブラシレスＤＣモータにおいて、
   前記ロータの極数が２ｎ、前記ステータのスロット数が３ｎ、前記ｎが２以上の整数である場合に、前記モータケースの外周面にｎ−１またはｎ＋１の数のリブを軸方向に延びるように突出して設けた
   ことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
2. 請求項１に記載のブラシレスＤＣモータにおいて、前記ロータの極数が８、前記ステータのスロット数が１２である場合に、前記モータケースのリブの数を３または５としたことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
3. 請求項１に記載のブラシレスＤＣモータにおいて、前記モータケースのリブを周方向に全周にわたって等間隔に設けたことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
4. 請求項３に記載のブラシレスＤＣモータにおいて、前記モータケースのリブを外周面に当該モータケースの肉厚の２倍以上の高さを有するように設けたことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
5. 室外筐体内に室外熱交換器と圧縮機と室外送風機と室外ファンモータとを有し、前記室外ファンモータを駆動することにより前記室外送風機を回転させて前記室外熱交換器に室外空気を送風して熱交換を行う室外機と、
   室内筐体内に室内熱交換器と室内送風機と室内ファンモータとを有し、前記ファンモータを駆動することにより前記室内送風機を回転させて室内空気を前記室内熱交換器に送風して熱交換を行う室内機と、を冷媒配管で接続してなる空気調和機において、
   前記室外ファンモータまたは前記室内ファンモータに請求項１から４の何れかに記載のブラシレスＤＣモータを使用した
   ことを特徴とする空気調和機。

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