JP2011223794A - モータ、換気扇、熱交換ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】
別途部材を設けることなくベアリングの電食を防止して、長寿命で信頼性の高いモータを提供することを目的とする。
【解決手段】
この発明に係るモータは、環状に配置したステータ１３と、このステータ１３の内部に挿入されるロータ１４と、ロータ１４に設けられたシャフト１８と、ステータ１３の前後でシャフト１８を支持するベアリング１９ａ、１９ｂと、モータを駆動するためのインバータ回路が実装されたモータ駆動回路基板２２を備え、インバータにはワイドバンドギャップ半導体を使用したショットキーバリアダイオードを使用していることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、駆動回路基板を内蔵したモータ及びそのモータで駆動されるファンを有する機器に関するものである。

近年環境意識の高まりから省エネモータであるブラシレス直流モータ（以下、ＢＬＤＣＭと記載する）の機器への適用が進んでいる。しかしながらＢＬＤＣＭは、従来多くの機器で適用されてきた誘導電動機では不要であった電力変換回路となる駆動回路、インバータといった新たな電子回路を含む電子部品が必要となり、この電子回路や電子部品を内蔵したＢＬＤＣＭとするために、駆動回路を実装した基板を内蔵可能なＢＬＤＣＭ用の筐体をモータに取り付けたり、駆動回路を含めて樹脂でモールドしてＢＬＤＣＭの外枠としたりして製造されている。

そして、従来、スイッチング部がスイッチング素子及びスイッチング時の貫通電流を防止するフライホイルダイオード（以下、ＦＲＤと記載する）としてシリコン（Ｓｉ）半導体を使用したＰＮ接合ダイオードやＳｉ半導体を使用したショットキーバリアダイオード（以下ＳＢＤと記載する）から構成されたインバータを挿入実装した基板を内蔵したＢＬＤＣＭが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このようにインバータをモータの外部に別途設ける構成ではなく、ケース内に内蔵する構成のＢＬＤＣＭでは、モータのシャフトの軸受けとなるベアリングに電食現象が生じることが問題になっている。

そこで、ベアリングの電食現象を抑制するためにモータフレームに導電性の塗料を塗布するといった特殊な構造についても開示されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００２−２２３５８１号（００１２欄、００４７欄、０１０３欄及び図３０参照） 特開２００９−１１８６２８号（請求項１、図１参照）

従来の構成では、インバータを備えた基板がモータに内蔵されているのでインバータとベアリングが近接して配置しており、インバータから生じる電磁場によってベアリングの内外輪間に電圧を誘起され、電圧レベルがベアリングの耐電圧を超えた場合、内外輪とベアリング内部のボール間に放電が発生してベアリングを損傷する電食現象が発生するという課題があった。また、Ｓｉ−ＳＢＤでは電圧耐性が小さくスイッチング時の逆電圧により破損し易いという問題もあった。

また、モータ内部に導電層を設ける構造とするとモータの材料費や加工費が上がるといった課題があった。またモータフレーム表面に導電層を設ける構成はロータの両側に設けられた２つのベアリング間の電位抑制には効果があるが、ベアリング単独の誘起電圧に対しては全く効果がなかった。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、インバータの逆電流する防止するダイオードにワイドバンドギャップ半導体を使用しインバータのスイッチング時に発生するサージ電流を低減し、インバータから発生する電磁場によって生じるベアリングの電食現象を抑制した信頼性の高いモータとこのモータで駆動されるファンを有する信頼性の高い熱交換ユニット、換気扇を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明のモータは、環状に配置され、鉄心に絶縁部材が取り付けられてコイルが巻き回されるステータと、シャフトを有し、前記ステータの内周に設けられて回転するロータと、スイッチング素子とスイッチング時の逆電流を防止するワイドバンドギャップ半導体によるショットキーバリアダイオードを有するインバータが実装されて前記コイルに供給する交流電流を生成する基板と、前記シャフトを支持する第１のベアリングと前記第１のベアリングよりも前記基板に近い位置に設けられて前記シャフトを支持する第２のベアリングと、を備えたことを特徴とする。

本発明のモータは、ワイドバンドギャップ半導体によるショットキーバリアダイオードでスイッチング時の逆電流を防止しているので、スイッチング時のサージ電流を低減してベアリングに生じる電食現象を抑制することができる。

本発明の実施の形態１のモータの駆動回路の回路図。 本発明の実施の形態１のモータの断面図。 本発明の実施の形態１のモータのベアリングの断面図。 本発明の実施の形態１のインバータ主回路のサージ電流-時間のグラフ。 本発明の実施の形態１の別のモータの断面図。 本発明の実施の形態２の換気扇の断面図。 本発明の実施の形態３の空気調和装置の構成図。 本発明の実施の形態３の室外熱交換ユニットの上面図。 本発明の実施の形態３の室内熱交換ユニットの斜視図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１のモータに内蔵されたモータ内蔵駆動回路１の回路図である。モータの外部に設けられた商用交流電源２から交流の電力がモータ内蔵駆動回路１に供給される。商用交流電源２から供給される交流電圧は整流回路３で直流電圧に変換される。整流回路３で変換された直流電圧はインバータ主回路４で可変周波数の交流電圧に変換されてＢＬＤＣＭ５に印加される。ＢＬＤＣＭ５はインバータ主回路４から供給される可変周波数の交流電力により駆動される。尚、整流回路３には商用交流電源２から印加される電圧を昇圧するチョッパー回路や整流した直流電圧を平滑にする平滑コンデンサなどを有する。

インバータ主回路４は３相ブリッジのインバータ回路であり、インバータ主回路４のスイッチング部はインバータ主素子となる６つのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）６ａ〜６ｆと６つのフライホイルダイオード（ＦＲＤ）としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いたショットキーバリアダイオード（ＳｉＣ−ＳＢＤ）７ａ〜７ｆを備えている。ＦＲＤであるＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆはＩＧＢＴ６ａ〜６ｆが電流をＯＮからＯＦＦする時に生じる逆起電力を抑制する逆電流防止手段である。
尚、本実施の形態１ではＩＧＢＴ６ａ〜６ｆとＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆは同一リードフレーム上に各チップが実装されエポキシ樹脂でモールドされてパッケージされたＩＣモジュールとする。ＩＧＢＴ６ａ〜６ｆはシリコンを用いたＩＧＢＴ（Ｓｉ−ＩＧＢＴ）に代えてＳｉＣ、ＧａＮを用いたＩＧＢＴとしてもよく、またＩＧＢＴに代えてＳｉもしくはＳｉＣ、ＧａＮを用いたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの他のスイッチング素子を使用してもよい。

整流回路３とインバータ主回路４の間には直列に接続された２つの分圧抵抗８ａ、８ｂが設けられており、この分圧抵抗８ａ、８ｂによる分圧回路にて高圧直流電圧を低圧化した電気信号をサンプリングし保持する直流電圧検出部８が設けられている。
また、ＢＬＤＣＭ５はロータとステータを備えており、インバータ主回路４から供給される交流電力によりロータが回転する。そのロータに近傍にはそのロータの回転角度や位置を検出するロータ一検出手段として磁極位置検知センサ９が設けられており、その磁極位置検知センサ９からの電気信号を処理してロータの位置情報に変換するロータ位置検出部１０が設けられている。
ロータ位置検出部１０が検出するロータの位置情報は出力電圧演算部１１に出力される。この出力電圧演算部１１はモータ内蔵駆動回路１の外部から与えられる目標回転数Ｎの指令若しく装置の運転条件の情報とロータの位置情報に基づいてＢＬＤＣＭ５に加えられるべき最適なインバータ主回路４の出力電圧を演算する。出力電圧演算部１１はその演算した出力電圧をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号生成部１２に出力する。
ＰＷＭ信号生成部１２は出力電圧演算部１１から与えられた出力電圧となるようなＰＷＭ信号をインバータ主回路４のそれぞれのＩＧＢＴ６ａ〜６ｆを駆動する主素子駆動回路４ａに出力し、インバータ主回路４のＩＧＢＴ６ａ〜６ｆはそれぞれ主素子駆動回路４ａによってスイッチングされる。

尚、本実施の形態１ではインバータ主回路４を３相ブリッジとしているが単相など他のインバータ回路でもよい。

ここでワイドバンドギャップ半導体について説明する。ワイドバンドギャップ半導体はＳｉよりもバンドギャップが大きい半導体の総称であって、ＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆに使用しているＳｉＣはワイドバンドギャップ半導体の一つであり、その他には窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどがある。さらにワイドバンドギャップ半導体、特にＳｉＣはＳｉに比べて耐熱温度や絶縁破壊強度や熱伝導率が大きい。尚、本実施の形態１ではＳｉＣをインバータ回路のＦＲＤに用いる構成としているが、ＳｉＣに代えてその他のワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。

図２は本実施の形態１のモータの断面図であり、図２を用いてモータの構成について説明する。モータは、環状に配置したステータ１３と、このステータ１３の内部に挿入されるロータ１４とを備えている。ステータ１３は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成される鉄心１５と、ロータ１４の回転軸方向の鉄心１５の両端面にそれぞれ設けられた絶縁部材１６ａ、１６ｂと、この絶縁部材１６ａ、１６ｂが施されたスロット内に巻き回されたコイル１７とを備えている。ロータ１４にはその中心軸に一致するようにシャフト１８が挿通して固定されて取り付けられており、ロータ１４の回転軸とシャフト１８の回転軸は一致している。

シャフト１８のロータ１４の前後それぞれにシャフト１８の軸受となる２つのベアリング１９ａ、１９ｂが設けられている。ベアリング１９ａからシャフト１８が突出しており、ロータ１４を介してベアリング１９ａとは反対側にベアリング１９ｂが設けられている。ベアリング１９ａ、１９ｂはそれぞれブラケット２０ａ、２０ｂに設けられた凹部に嵌め込まれて固定されている。ブラケット２０ａからブラケット２０ｂに渡ってステータ１３の径方向外側に熱硬化性の不飽和ポリエステル系の樹脂２１が設けられており、樹脂２１によりブラケット２０ａとブラケット２０ｂとステータ１３が一体的に固着して固定されている。

次に、図１を用いて説明したモータ内蔵駆動回路１を有するプリント基板であるモータ駆動回路基板２２の配置と構成について説明する。モータ駆動回路基板２２の形状は略リング形状でその中央に設けられた開口にシャフト１８が挿通されている。
モータ駆動回路基板２２は絶縁部材１６ａから延びた固定片もしくは樹脂２１で固定されており、隙間を介してロータ１４とステータ１３と接触しないようにシャフト１８の回転軸方向と略垂直になるように設けられている。モータ駆動回路基板２２の配置場所はシャフト１８の回転軸方向においてロータ１４とベアリング１９ａの間に配置されている。つまり、モータ駆動回路基板２２、特に基板の中でもインバータ主回路４を有するモジュールからの直線距離はベアリング１９ｂ、ブラケット２０ｂよりもベアリング１９ａ、ブラケット２０ａに近い位置に配置されている。尚、シャフト１８の軸方向においてロータ１４とベアリング１９ｂの間に配置する構成としてもよい。
モータ駆動回路基板２２とステータ１３のコイル１７は端子ピン（図示せず）で電気的に接続されており、インバータ主回路４で生成された可変周波数の交流電力がステータ１３に供給されてコイル１７が磁界を発生させてロータ１４が回転する。

モータ駆動回路基板２２には出力電圧演算部１１とＰＷＭ信号生成部１２がパッケージされたプリドライブＩＣ２３と、インバータ主回路４と主素子駆動回路４ａがパッケージされた主回路モジュール２４とが主要構成要素として実装されている。主回路モジュール２４はその内部に収納しているＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｂにＳｉＣを使用しており、ＳｉＣはＳｉと比較して絶縁破壊強度、熱伝導率、耐熱温度、許容耐熱密度が大きく、電力損失とそれによる放熱量が小さいので素子及びその素子をパッケージしたＩＣモジュールの薄型化、小型化が可能であり、さらに放熱板や放熱用樹脂を設ける必要性が減る。このことから、本実施の形態１では、モノリシックＩＣを用いずともハイブリッド型のＩＣを使用しても従来のモジュールと比べて薄型の主回路モジュール２４とともにプリドライブＩＣ２３をベアリング１９ａやブラケット２０ａとは反対側であってロータ１４側のモータ駆動回路基板２２の面に表面実装している。さらに、モータ駆動回路基板２２におけるロータ１４側の面には複数の磁極位置検知センサ９が設けられており、ロータ１４に設けられた磁石の回転を検知してロータ位置検出部１０に出力している。

モータ駆動回路基板２２はコイル１７と電気的に接続された端子ピンとはんだ付け接続されている。このモータ駆動回路基板２２には、図示しないチョッパー回路で昇圧した１００Ｖ以上の高圧直流電圧ＶＤＣと、１００Ｖ未満の制御電源ＶＣＣが入力され、さらに指令電圧であるＶＳＰが入力されることで、ロータ１４のマグネットの磁極配置を磁極位置検知センサ９で検出し、前記センサの出力信号に基づきプリドライブＩＣ２３が主回路モジュール２４を通電制御する。尚、本実施の形態１ではショットバリアダイオードにＳｉよりも絶縁破壊電界が１０倍程大きいＳｉＣを使用しているので、高圧直流電圧ＶＤＣは６００Ｖ以上でも設定可能であり、インバータ主回路４に印加する高圧直流電圧ＶＤＣを従来のＳｉを使用したインバータよりも高くすることができる。そして、インバータ主回路４からＢＬＤＣＭ５のコイル１７に流す電流値を下げることができるので、コイル１７の巻線を細くすることができ巻線の使用量を減らすことができる。

尚、図２にはプリドライブＩＣ２３と主回路モジュール２４の２つを図示しているが、出力電圧演算部１１とＰＷＭ信号生成部１２と主素子駆動回路４ａとインバータ主回路４はそれぞれ別個にモータ駆動回路基板に実装してもよいし、まとめて一つにパッケージしたものを実装してもよい。また、直流電圧検出部８やロータ位置検出部１０もモータ駆動回路基板２２に実装されている。さらに直流電圧検出部８やロータ位置検出部１０もプリドライブＩＣ２３や主回路モジュール２４と同じ面に実装されていると、モータ駆動回路基板２２を貫通してロータ位置検出部１０と出力電圧演算部１１や直流電圧検出部８とＰＷＭ信号生成部１２を配線する必要がなくなるので好ましい。

尚、本実施の形態１にはモータ駆動回路基板２２と外部の商用交流電源２と接続するコネクタ（図示せず）が設けられている。コネクタは整流回路３に接続されており、本実施の形態１ではコネクタはモータ駆動回路基板２２のロータ側の面に接続する構成とするが、ロータ側の面と反対のベアリング側に面に接続する構成としてもよい。

図３は本実施の形態１のベアリング１９ａ、１９ｂの断面図である。リング形状の内輪２７とその外側に設けられた外輪２８の中に複数個のボール２９が配置されている。シャフト１８は内輪２７の中央の開口に挿通されてその中で自転する。ボール２９の上下には外部からの異物の侵入を防ぐためのシールド３０が設けられており、ボール２９にはボール２９同士を等間隔に保持するためのナイロン製の保持器３１が設けられている。尚、ベアリングの内部には絶縁体の潤滑油が塗布されている。

内輪２７、外輪２８、ボール２９、シールド３０はそれぞれ金属で構成されており、インバータのスイッチング時のサージ電流により生じる電磁場に誘起される電圧が、シールド３０−内輪２７間とボール２９−内輪２７とボール２９−外輪２８間の潤滑油の油膜の絶縁よりも大きくなると、潤滑油の油膜を突き抜けて放電してベアリングに電食現象が生じる。その際、内輪２７、外輪２８、ボール２９、シールド３０の間で電流ループが生じる場合があり、このような構成では、ベアリング１９ａ、１９ｂが仮に絶縁体のモールドで形成されていた場合もベアリング単独で電食が発生しやすくなる。

図４は本実施の形態１のインバータ主回路４のＩＧＢＴのターンオン電流の波形図であり、横軸に時間ｔ、縦軸にサージ電流の大きさ示し、ｔ＝ｔ０のときにインバータのＩＧＢＴがスイッチングした場合を示している。図３中に実線で示しているが、ＳｉＣ−ＳＢＤを使用した場合の逆電流を示すグラフであり、比較のため破線でＳｉＣ−ＳＢＤに代えてＳｉのＰＮ接合ダイオードを使用した場合を合わせて図示している。
本実施の形態１では、図３に示すようにスイッチング時の逆電流防止手段のフライホイルダイオード（ＦＲＤ）にＳｉＣ−ＳＢＤを用いたことで、Ｓｉ−ＩＧＢＴターンオン時に前ＧＢＴと直列に接続されるＦＲＤの逆回復電流に起因するサージ電流の発生を著しく小さくすることができるので、モータ駆動回路基板２２近傍のベアリング１９ａの内外輪と内部ボールとブラケット２０ａで構成されるループに誘起される誘導電圧を著しく小さくすることができ、さらに、モータ駆動回路基板２２の近傍のベアリング１９ａ単独のループにより発生する誘導電圧を低減できる。よって、従来技術にあるような複数のベアリング間の誘起電圧を電気的に短絡するループを設けることでは対策不能な電食問題に対し特に有効である。また複数のベアリング間の誘起電圧についても、発生源となるサージ電流の発生を抑制しているため、モータとして特殊な短絡構造をとることが不要となることは言うまでもない。また前記短絡構造は通常接触構造となるため、接触部の押し圧不足による品質不具合や、接触部の経年劣化による短絡不良の懸念もなくなる。

さらに上述したように、本発明はＳｉよりも絶縁破壊電界の大きいＳｉＣを使用していることにより、チョッパー回路で昇圧する高圧直流電圧の電圧値をＦＲＤにＳｉを使用したインバータよりも高く設定することが可能であり、高圧直流電圧を高く設定することによりモータ内蔵駆動回路１からＢＬＤＣＭ５に流す電流値を小さくすることができると同時にスイッチング時に発生するサージ電流も小さくすることができるので、サージ電流に起因するベアリングの電食現象を抑制することができる。
また、サージ電流を抑制することによりモータに接続した電気配線からのＦＭ・ＵＨＦ・ＶＨＦ帯の放射ノイズも低減することができる。

本発明ではベアリングに電圧を誘起する、モータ駆動回路基板２２側のサージ電流の発生原因を根本的に対策するため、金属製のシールド３０や保持器３１のベアリング１９ａ、１９ｂに対しても有効な効果を有する。

尚、本実施の形態１の図２に図示するように、モータ駆動回路基板２２がシャフト１８の回転軸と略垂直に設けられて、ステータ１３の絶縁部材１６ａの突起部に保持される位置に配置される構成であると、モータ駆動回路基板２２のインバータ主回路４がベアリング１９ａの近傍に配置されることになるので、本発明を効果が特に高くなる。

図５に本実施の形態１の別のモータの断面図を図示する。図２ではモータのステータ１３のみが不飽和ポリエステルの樹脂２１でモールドされたものについて示したが、図５に示すようにモータ駆動回路基板２２もステータ１３とともに樹脂２１ａでモールドされたモータに対しても、同様の効果が得られることはいうまでもない。また、図５に図示するように樹脂２１ａでベアリング１９ａを固定する場合はベアリング１９ａを固定するブラケットが無い構成とすることができる。

また、従来、ＦＲＤにＳｉを使用したインバータを基板上に実装する場合、インバータで生じる熱を放熱するために基板の近傍にブラケットや放熱板等の樹脂よりも熱伝導率が高い放熱具材を別途設ける必要があったが、本願発明ではＦＲＤにＳｉよりもスイッチング時のエネルギー損失が小さいＳｉＣを使用しており、インバータ主回路４での発熱量が小さくので別途放熱具材を設ける必要性があまりなく、主回路モジュール２４を樹脂２１ａでモールドしても樹脂２１ａからの放熱量でインバータの信頼性を維持することが可能となる。さらにスイッチング時の電力損失が少なくなるので、高効率のモータとすることができる。

以上のように、本実施の形態１では、インバータ主回路４のスイッチング素子のスイッチング時の逆電流防止手段としてワイドバンドギャップ半導体によるショットキーバリアダイオードを使用しているの、スイッチング時のサージ電流を低減することにより、インバータから発生する電磁波を抑制してモータのシャフト１８の軸受けとなるベアリング１９ａ、１９ｂに生じる電食現象を抑制することができる。

また、モータ駆動回路基板２２をシャフト１８の回転軸方向に対して略垂直に配置し、インバータ主回路４をベアリング１９ｂよりもモータ駆動回路基板２２と近いベアリング１９ａと対向する面と反対側のモータ駆動回路基板２２の面に実装しているので、インバータ主回路４とベアリング１９ａとの距離を遠ざけることにより、ベアリング１９ａで生じる電食現象を抑制することができる。

また、インバータの逆電流防止手段としてＳｉよりも絶縁破壊電界強度の大きく、耐熱温度の高いワイドバンドギャップ半導体を使用しているので、小型で薄型の主回路モジュール２４とすることができ、プリドライブＩＣ２３とともに主回路モジュール２４を磁極位置検知センサ９と同一面上に表面実装することで、モータ駆動回路基板２２に穴を開ける必要性が減り、モータ駆動回路基板２２の片面で効率よく配線を繋ぐことができる。また、主回路モジュール２４をモータ駆動回路基板２２とステータ１３もしくはロータ１４の隙間に配置することにより、シャフト１８の軸方向において幅の小さい小型のモータとすることができる。

また、Ｓｉよりも絶縁破壊電界強度の大きいワイドバンドギャップ半導体を使用することにより従来のＳｉを使用したものよりも主回路モジュール２４を薄型化でき、磁極位置検知センサ９よりも厚さを薄くすることによって、磁極位置検知センサ９とロータ１４の距離を近づけることができる。

また、図５に示すようにＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆを内部に有する主回路モジュール２４を樹脂２１ａでモールドすることによりインバータの発熱を樹脂２１ａを通して放熱することができる。また、主回路モジュール２４がモータ駆動回路基板２２上に表面実装されている場合は、樹脂２１ａでモールドすることにより主回路モジュール２４を基板上に強固に固定することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２ではステータ１３及びロータ１４が設けられた空間とは区切られた空間にモータ駆動回路基板２２を配置したＢＬＤＣＭとそれを搭載した天井埋め込み型のダクト用換気扇について図６の換気扇の断面図を用いて説明する。実施の形態１ではモータ駆動回路基板２２をシャフト１８の軸方向においてベアリング１９ａとロータ１４の間に配置した構成であったが、本実施の形態２の換気扇ではシャフト１８の軸方向においてモータ駆動回路基板２２をベアリング１９ａよりもロータ１４から遠い位置に設けた構成である。尚、実施の形態１で用いた構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

本実施の形態２では、モータ駆動回路基板２２は不燃材である板金フレームのモータ筐体３３の内部に収納されている。そして、モータ筐体３３の内部は樹脂製もしくは板金製の仕切板３２で上下の空間に仕切られており、仕切板３２の下の空間にはステータ１３とロータ１４が設けれ、上の空間にはモータ駆動回路基板２２がシャフト１８の軸方向と略垂直に設けられている。ベアリング１９ａは仕切板３２によって固定されており、ベアリング１９ｂはモータ筐体３３に設けられた突起に挟持されて固定されている。シャフト１８はベアリング１９ｂとモータ筐体３３に設けられた開口から突出した先には遠心ファン３４が取り付けられている。遠心ファン３４は板金からなるファン筐体３５に収納されており、ファン筐体３５は天井壁３６にはめ込まれて取り付けられている。天井壁３６の表面と平行となるファン筐体３５の吸気面３５ａには開口が設けられており、回転する遠心ファン３４により空気が吸気面３５ａから吸気される。その吸気面３５ａには吸気グリル３７が取り付けられている。そして、ファン筐体３５の側面にはダクトが接続されており、吸気した空気がダクトを通って排気される。

尚、本実施の形態２ではモータ駆動回路基板２２は遠心ファン３４の風下側に設けられているので、遠心ファン３４が吸気する空気で主回路モジュール２４を冷却することができる。そこで、仕切板３２に開口を設けてロータ１４の回転により生じる風でモータ駆動回路基板２２を冷却する構成としてもよく、さらにモータ筐体３５の遠心ファン３４と対向する面に開口を設けて遠心ファン３４の回転により生じる風をモータ筐体３３に取り込む構成としてもよい。

磁極位置検知センサ９はインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）の化合物半導体を用いたホール素子とＳｉ基板上で前記ホール素子へのバイアスとホール電圧をパルスに変換する回路実現したものを一つの面実装パッケージ内に搭載したホールＩＣである。プリドライブＩＣ２３は直流電圧検出部８、ロータ位置検出部１０、出力電圧演算部１１、ＰＷＭ信号生成部１２がシリコンの１チップ上で実現されて主素子駆動回路４ａとインバータ主回路４とを制御する制御部となっており、モータ駆動回路基板２２の面のうち仕切板３２と対向する面に実装されている。また主回路モジュール２４にはＳｉ−ＩＧＢＴ６ａ〜６ｆとＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆと主素子駆動回路４ａが樹脂パッケージ内に収められており、モータ駆動回路基板２２の面のうちモータ筐体３３と対向する面に挿入実装されている。
本実施の形態２では主回路モジュール２４はパッケージの片方から金属リードが出ているシングルインラインパッケージのためモータ駆動回路基板２２と電気的結合をとるためのランドと半田（図示せず）の面積が小さくできる。そのためプリドライブＩＣ２３をモータ駆動回路基板２２裏面直下に実装することができ、プリドライブＩＣ２３と主回路モジュール２４間の配線も基板上で短くすることができる。尚、ＩＧＢＴ６ａ〜６ｆはＳｉを用いたＩＧＢＴに代えてＳｉＣ、ＧａＮを用いたＩＧＢＴとしてもよく、またＩＧＢＴに代えてＳｉもしくはＳｉＣ、ＧａＮを用いたＭＯＳＦＥＴなどの他のスイッチング素子を使用してもよい。

モータ駆動回路基板２２には仕切板３２を貫通する端子ピンが取り付けられており、端子ピンを介してモータ駆動回路基板２２とステータ１３のコイル１７が電気的に結合している。そして主回路モジュール２４で生成した交流電流は端子ピンを通ってコイル１７に流れる。

図６に図示する換気扇は外部に設けられた使用者が運転条件を操作する操作部と接続されており、操作部からの送信される運転条件の情報が出力電圧演算部１１に入力される。出力電圧演算部１１はその入力される情報に基づいてＢＬＤＣＭ５に加えるインバータ主回路４の出力電圧を演算してＰＷＭ信号生成部１２に演算結果を出力する。

尚、図６には主回路モジュール２４は挿入実装された状態を図示しているが、シングルインラインパッケージで表面実装し、プリドライブＩＣを主回路モジュール２４と同一平面状に実装してもよい。
また、図６では主回路モジュール２４のリードフレームを折り曲げてパッケージを横向きに設けているが、立てて実装してもよい。パッケージを立てることによってモータ駆動回路基板２２の配線面積を有効に使用することができる。
また、図６には整流回路３の構成部品のうち電圧リップルを低減する平滑用電解コンデンサ３ａを図示しているが、電解コンデンサ３ａの高さが磁極位置検知センサ９や主回路モジュール２４よりも大きい場合は、電解コンデンサ３ａをモータ駆動回路基板２２の面のうちモータ筐体３３と対向する面に設ける構成とし、逆に、電解コンデンサ３ａの高さが磁極位置検知センサ９や主回路モジュール２４よりも小さい場合は、電解コンデンサ３ａをモータ駆動回路基板２２の面のうち仕切板３２と対向する面に実装してもよい。特に後者の場合、磁極位置検知センサ９と同一面上に電解コンデンサ３ａや主回路モジュール２４等を実装するとモータ筐体３５を小型化して小型の換気扇することができる。

以上のように、本実施の形態２でもＢＬＤＣＭを駆動するモータのインバータのＦＲＤにＳｉＣ−ＳＢＤを使用しており、スイッチング時サージ電流を防止してモータ駆動回路基板２２に近接するベアリング１９ａに生じる電食現象を抑制して信頼性が高く低騒音の換気扇を提供できることは実施の形態１と同様である。

また、本実施の形態２ではモータ筐体３３が換気扇の遠心ファン３４やファン筐体３５と直接接続されるため電食発生時はベアリング１９ａ、１９ｂの振動が遠心ファン３４やファン筐体３５に直に伝わるので使用者に著しく不快感を与えることから、サージ電流の抑制による電食信頼性向上による低騒音化の効果は特に高い。

また、モータ駆動回路基板２２をシャフト１８の回転軸方向に対して略垂直に設け、２つのベアリング１９ａ、１９ｂのうち近い方のベアリング１９ａと対向する面と反対側のモータ筐体３５と対向するモータ駆動回路基板２２の面にインバータ（特に主回路モジュール２４）を実装することによりベアリング１９ａとインバータの距離を遠ざけることができるので、ベアリング１９ａに生じる電食現象をさらに抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、インバータを内蔵したモータを搭載した換気扇について説明したが、本実施の形態３ではインバータを内蔵した室外熱交換ユニットと室内熱交換ユニットについて説明する。図７は本実施の形態３の室外熱交換ユニットと室内熱交換ユニットを備えた空気調和装置の構成図である。尚、本実施の形態３で説明するモータは実施の形態１で説明したものと同様のものとする。

図７には室外熱交換ユニットである室外機３８と室内熱交換ユニットである室内機３９を冷媒が流れる冷媒配管や情報伝達用の電線を内包した内外接続配管４０で接続した状態をしている。使用者は室内に設けられた操作部４１を操作して室内空間の温度、湿度、風量、運転時間などを設定する。操作部４１は使用者によって設定された運転条件を室外機３８と室内機３９に伝達する。

図８には室外熱交換ユニットである室外機３８の上面図を図示している（ただし、モータ５１の部分は断面図）。室外機３８は、底板４２ａ及び外郭４２ｂを有し、内部は室外機仕切板４３によって分割され、一方の側には送風室４４ａが、他方の側には機械室４４ｂが設けられている。外郭４２ｂは、前面側に吹込みグリルを有し、側面に複数の通気穴が設けられた前面パネル４５、室外機仕切板４３とともに機械室４４ｂを形成するほぼＬ字状の側面パネル４６によって構成されている。機械室４４ｂの底板４２ａには圧縮機４７が設置されており、また底板４２ａの背面側から送風室４４ａの側面側にかけてコーナ部４８ａが円弧状に形成されたほぼＬ字状の室外熱交換器４８が設置されている。圧縮機４７と室外熱交換器４８は冷媒配管４９で接続されている。また、冷媒配管４９は内外接続配管４０の内部を通って室外機３８と室内機３９に接続されており、その内部を冷媒が循環している。尚、前面パネル４５、側面パネル４６、室外熱交換器４８の上には天板（図示せず）が設けられている。
送風室４４ａ内において、上端部に設けたねじ穴を有する嵌合部が室外熱交換器４８の上端部に嵌合されて、底板４２ａから天板に渡って送風機取付板５０が設けられており、その上下方向における中央部にモータ５１が取付けられている。尚、モータ５１は実施の形態１で説明したいずれかのモータである。モータ５１のシャフトにはプロペラファン５２が取り付けられており、プロペラファン５２が回転することにより室外機３８内に吸気する。
プロペラファン５２が吸気する空気は室外熱交換器４８を通り熱交換して送風室４４ａに入り、プロペラファン５２の前方の前面パネル４５に設けられた開口から排出される。
尚、本実施の形態３では圧縮機４７と室外熱交換器４８の間の冷媒配管４９に四方弁と減圧弁を設ける構成とする。

次に空気調和装置の運転時の室外機３８の動作について説明する。冷媒配管４９に設けられた四方弁を切り替えることによって室内を冷却する冷房運転と室内を暖房する暖房運転を切り替えることができるものとするが、ここでは、室外熱交換器４８に圧縮機４７で圧縮された高温冷媒が流入する冷房運転時について説明する。
使用者が操作部４１で冷房運転を選択して室内の目標温度や風量などの運転情報を設定冷房運転が始まると、圧縮機４７で圧縮された高温高圧冷媒が四方弁を介して室外熱交換器４８に流れる。室外熱交換器４８ではプロペラファン５２により吸気された冷媒より低温の空気と熱交換して空気を加熱して低温高圧冷媒となる。室外熱交換器４８を通過した低温高圧冷媒は冷媒配管４９に設けられた減圧弁で減圧された後、室内機３９に流れる。
プロペラファン５２に吸気された空気は室外熱交換器４８で加熱されて温度が上昇するため送風室４４ａの温度が上昇する。特に室外熱交換器４８の風下にモータ５１が配置されているため、内蔵しているモータ駆動回路基板とともにモータ５１の温度が上がる。

操作部４１は設定された運転情報をモータ５１に内蔵されたモータ駆動回路基板２２に実装されている出力電圧演算部１１に出力する。出力電圧演算部１１は操作部４１から入力される情報とロータ位置検出部１０の出力値に基づいてＢＬＤＣＭ５に加えるインバータ主回路４の出力電圧を演算してＰＷＭ信号生成部１２に演算結果を出力する。尚、室内温度、室外温度をそれぞれ検出するセンサを設け、出力電圧演算部１１はこれらセンサの出力値をさらに利用した演算結果をＰＷＭ信号生成部１２に出力してもよい。

以上のように、本実施の形態３の室外機３８はプロペラファン５２を駆動するモータ５１に内蔵されたインバータのＦＲＤにＳｉＣ−ＳＢＤを使用しているので、実施の形態１と同様にベアリングの電食現象及びそれに伴う騒音を抑制した信頼性の高く低騒音の室外機とすることができる。
また、モータ駆動回路基板をモータ５１に内蔵しているので、機械室４４ｂにモータ駆動用のインバータを別途配置する必要がなく、機械室４４ｂを広く使うことができ、冷媒配管４９の配管施工が容易になる。
また、冷房運転時には室外熱交換器４８で熱交換された高温の空気がモータ５１に当たることになるが、ＳｉＣは耐熱温度が２００度以上であるのでインバータの信頼性を維持することができる。さらに圧縮機４７が以上動作し予め定めた設定温度以上（例えば８０度以上）の冷媒が室外熱交換器４８に流入し、送風室４４ａが想定以上に高温になり、モータ５１に内蔵するインバータがさらに発熱したとしてもＳｉＣの耐熱温度であれば主素子駆動回路部が故障することなく信頼性を維持することができる。

尚、図８を用いて上述した室外熱交換ユニットは空気調和装置の室外機だけではなく、冷凍サイクルの放熱器でお湯を沸かす給湯器の室外機としても使用できるものとし、給湯器の室外機に本発明を適用することにより上述した同様の効果を有する。

ここまで室外熱交換器を備えた室外熱交換ユニットについて上述したが、次に室内熱交換器を備えた室内熱交換ユニットについて図９を用いて説明する。
図９は空気調和装置の室内機の斜視図である。室内機３９は部屋の壁に取り付けられ、ハウジング５３と脱着可能な正面吸込グリル５４が外郭を構成している。またハウジング５３は、上部吸込グリル５５、背面寄りのガイドウォールおよび正面下方の開口から空気を吹き出すためのノズル５６を形成している。ノズル５６の吹出口には吹き出す空気の風向を左右方向に変化させる左右ベーン５７と上下方向に変化させる上下ベーン５８が設けられている。
ハウジング５３の内部にはモータ５９が収納されて固定されている。尚、モータ５９は実施の形態１で説明したモータを使用するものとする。モータ５９のシャフトには空気を送風するファンとなる羽根車６０がノズル５６の吹出口と平行に取り付けられている。そしてその羽根車６０を取り囲むように室内熱交換器６１が配置している。室内熱交換器６１は室外機３８の室外熱交換器４８と接続している冷媒配管４９と接続している。室内熱交換器６１と正面吸込グリル５４及び正面吸込グリル５４の間には吸気する空気中のごみ、埃を取り除くためのフィルタ６２が設けられている。

次に空気調和装置の運転時の室外機３８の動作について説明する。冷媒配管４９に設けられた四方弁を切り替えることによって室内を冷却する冷房運転と室内を暖房する暖房運転を切り替えることができるものとするが、ここでは、室内熱交換器６１に圧縮機４７で圧縮された高温冷媒が流入する暖房運転時について説明する。
使用者が操作部４１で暖房運転を選択して室内の目標温度や風量などの運転情報を設定暖房運転が始まると、圧縮機４７で圧縮された高温高圧冷媒が四方弁を介して室内熱交換器６１に流れる。室内熱交換器６１では羽根車６０により正面吸込グリル５４及び正面吸込グリル５４の開口から吸気される冷媒より低温の空気と熱交換してこの空気を加熱して低温高圧冷媒となる。室内熱交換器６１を通過した低温高圧冷媒は冷媒配管４９に設けられた減圧弁で減圧された後、室外機３８に流れる。
羽根車６０に吸気された空気は室内熱交換器６１で加熱されて温度が上昇するためハウジング含め室内機３９の内部空間の温度が上昇するので、内蔵しているモータ駆動回路基板とともにモータ５９の温度が上がる。

操作部４１は設定された運転情報をモータ５９に内蔵されたモータ駆動回路基板に実装されている出力電圧演算部１１に出力する。出力電圧演算部１１は操作部４１から入力される情報とロータ位置検出部１０の出力値に基づいてＢＬＤＣＭ５に加えるインバータ主回路４の出力電圧を演算してＰＷＭ信号生成部１２に演算結果を出力する。尚、室内温度、室外温度をそれぞれ検出するセンサを設け、出力電圧演算部１１はこれらセンサの出力値をさらに利用した演算結果をＰＷＭ信号生成部１２に出力してもよい。

以上のように、本実施の形態３の室内機３９は羽根車６０を駆動するモータ５９に内蔵されたインバータのＦＲＤにＳｉＣ−ＳＢＤを使用しているので、実施の形態１と同様にベアリングの電食現象及びそれに伴う騒音を抑制した信頼性が高く低騒音の室内機とすることができる。

また、モータ駆動回路基板をモータ５９に内蔵しているので、ハウジング５３内部にモータ駆動用のインバータを別途配置する必要がなく、室内機３９の内部空間を広く使うことができ、冷媒配管４９と室内熱交換器６１を繋ぐ配管の施工が容易になる。

また、暖房運転時には室内熱交換器６１で熱交換された高温の空気により室内機３９内部が高温になるが、ＳｉＣは耐熱温度が２００度以上であるのでインバータの信頼性を維持することができる。さらに圧縮機４７が以上動作し予め定めた設定温度以上（例えば８０度以上）の冷媒が室内熱交換器６１に流入し、室内機３９内部が想定以上に高温になり、モータ５９に内蔵するインバータがさらに発熱したとしてもＳｉＣの耐熱温度であれば主素子駆動回路部が故障することなく十分に信頼性を維持することができる。

本発明に係るモータは、空気調和装置の室内機・室外機に内蔵されるファンを駆動するモータ、ヒートポンプを用いた給湯器の室外機に内蔵されるファンを駆動するモータに使用することができる。

１ モータ内蔵駆動回路、
２ 商用交流電源、
３ 整流回路、
４ インバータ主回路、
４ａ 主素子駆動回路
５ ＢＬＤＣＭ、
６ａ〜６ｆ ＩＧＢＴ、
７ａ〜７ｆ ＳｉＣ−ＳＢＤ、
８ 直流電圧検出部、
８ａ、８ｂ 分圧抵抗、
９ 磁極位置検知センサ、
１０ ロータ位置検出部、
１１ 出力電圧演算部、
１２ ＰＷＭ信号生成部、
１３ ステータ、
１４ ロータ、
１５ 鉄心、
１６ａ、１６ｂ 絶縁部材、
１７ コイル、
１８ シャフト、
１９ａ、１９ｂ ベアリング、
２０ａ、２０ｂ ブラケット、
２１ 樹脂、
２２ モータ駆動回路基板、
２３ プリドライブＩＣ、
２４ 主回路モジュール、
２７ 内輪、
２８ 外輪、
２９ ボール、
３０ シールド、
３１ 保持器、
３２ 仕切板、
３３ モータ筐体、
３４ 遠心ファン、
３５ ファン筐体、
３６ 天井壁、
３７ 吸気グリル、
３８ 室外機、
３９ 室内機、
４０ 内外接続配管、
４１ 操作部、
４２ａ 底板、
４２ｂ 外郭、
４３ 室外機仕切板
４４ａ 送風室、
４４ｂ 機械室、
４５ 前面パネル、
４６ 側面パネル、
４７ 圧縮機、
４８ 室外熱交換器、
４９ 冷媒配管、
５０ 取付板、
５１ モータ、
５２ プロペラファン、
５３ ハウジング、
５４ 正面吸込グリル、
５５ 上部吸込グリル、
５６ ノズル、
５７ 左右ベーン、
５８ 上下ベーン、
５９ モータ、
６０ 羽根車、
６１ 室内熱交換器、
６２ フィルタ、

Claims (8)

1. 環状に配置され、鉄心に絶縁部材が取り付けられてコイルが巻き回されるステータと、
   シャフトを有し、前記ステータの内周に設けられて回転するロータと、
   スイッチング素子とスイッチング時の逆電流を防止するワイドバンドギャップ半導体によるショットキーバリアダイオードを有するインバータが実装されて前記コイルに供給する交流電流を生成する基板と、
   前記シャフトを支持する第１のベアリングと前記第１のベアリングよりも前記基板に近い位置に設けられて前記シャフトを支持する第２のベアリングと、
   を備えたことを特徴とするモータ
2. 前記基板は前記シャフトの回転軸方向に対して略垂直に設けられ、
   前記インバータは前記第２のベアリングと対向する面と反対側の前記基板の面に実装されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記ロータと近接して配置されて前記ロータの位置を検出するセンサが前記基板に実装され、
   前記インバータは前記センタと同じ前記基板の面に表面実装されていること
   を特徴とする請求項２に記載のモータ。
4. 前記インバータの前記スイッチング素子と前記ショットキーバリアダイオードは前記固定子と前記基板を固着する樹脂でモールドされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモータ。
5. 前記インバータの前記スイッチング素子と前記ショットキーバリアダイオードは樹脂でパッケージされ、前記樹脂の厚さは前記センサより薄いことを特徴とする請求項３に記載のモータ。
6. 前記ワイドバンドギャップ半導体はシリコンカーバイド、窒化ガリウム及びダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のモータ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のモータと、
   前記シャフトに取り付けられて回転して空気を吸気するファンと、
   前記ファンを収納し、前記空気を排気するダクトを有する筐体と、を備え、
   前記基板は前記シャフトの回転軸と略垂直に配置されていることを特徴とする換気扇。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載のモータと、
   前記シャフトに取り付けられて回転して空気を吸気するファンと、
   圧縮機で圧縮された高温冷媒が流れ、前記高温冷媒が前記空気と熱交換して低温冷媒となる熱交換器と、を備え、
   前記基板は前記シャフトの回転軸と略垂直に配置されていることを特徴とする熱交換ユニット。

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