JP2012244820A - 電動機および空調機 - Google Patents

Abstract

【課題】安価にベアリングの電食を抑制可能な電動機および空調機を得る。
【解決手段】モールドフレーム１０内に配設されたステータ２と、ステータ２と対向して回転軸９に周設された永久磁石６を有する回転子５と、モールドフレーム１０の両端に配設され回転軸９を支持する一対のブラケット（モールドブラケット１１、金属ブラケット１２）と、このブラケットに装着され回転軸９を支持する一対のベアリング１３、１５と、を備え、各ベアリング１３、１５間における回転軸９の表面には回転軸９の抵抗率よりも高い抵抗率の抵抗体１８が施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機およびこれを用いた空調機に関する。

空調機に搭載される送風機用電動機（以下単に「電動機」と称する）は、構造的利便性などの観点から、インバータを内蔵したものが多く存在する。この電動機をインバータで駆動する場合、インバータのスイッチングに伴い、回転子軸端間、あるいは固定子（ステータ）に巻回された巻線と固定子のコア（ステータコア）との間に、電圧が誘起されることが知られている。ここで、回転軸を支持するベアリングが、内輪、外輪、および転動体で構成されたベアリングである場合、前記の電圧は、内輪と外輪との間に印加され、ベアリング内部に放電を生じ、電食と呼ばれる不具合を引き起こす虞がある。そのため、インバータ駆動の電動においては、このような電食を防止するための構造的な対策が種々提案されている。

例えば、下記特許文献１に記載の技術は、フレームに装着される２つのベアリングの外輪を電気的に接続し、巻線とステータコアとの間に発生した電圧をベアリングに伝えないように構成されている。

特開２０１０−１５８１５２号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術には、ブラケットおよびフレームの構造を変更する必要があり、従来型の電動機を製造するための設備の共用化が困難となるため、コストが増大するという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安価にベアリングの電食を抑制可能な電動機および空調機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、フレーム内に配設された固定子と、前記固定子と対向して回転軸に周設された永久磁石を有する回転子と、前記フレームの両端に配設され前記回転軸を支持する一対のブラケットと、前記ブラケットに装着され前記回転軸を支持する一対のベアリングと、を備え、前記各ベアリング間における前記回転軸の表面には、前記回転軸の抵抗率よりも高い抵抗率の抵抗体が施されていることを特徴とする。

この発明によれば、支持部材の材料変更のみで放電電流を抑制するようにしたので、安価にベアリングの電食を抑制することができる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる電動機の断面図である。 図２は、ベアリングに流れる放電電流の経路を説明するための図である。

以下に、本発明にかかる電動機および空調機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる電動機の断面図である。図１に示される電動機１は、主たる構成として、ステータ２と、ロータ５と、回転軸９と、ベアリング１３と、ベアリング１５と、ステータ２へ回転磁界を発生させるためのインバータ８と、モールドフレーム１０と、モールドブラケット１１と、金属ブラケット１２とを有して構成されている。

ステータ２は、ステータコア４をインシュレータ１４にて覆い、かつ、巻線３を巻回した構造であり、インバータ８のスイッチングに伴い回転磁界を発生する。

ロータ５は、ステータ２と対向して回転軸９に周設された永久磁石６と、回転軸９と永久磁石６との間に配設され樹脂で形成された円環状の支持部材７とを有して構成されている。そして、ロータ５は、ステータ２からの回転磁界によって回転力を得て回転軸９にトルクを伝達し、回転軸９に設けられた図示しない負荷（例えば空調機の室内機に内蔵されるファン）を駆動する。

永久磁石６は、所定の保持力を有する磁性材料（例えば硬磁性材料）で構成されている。支持部材７は、永久磁石６を回転軸９へ機械的に固定する。モールドフレーム１０は、インバータ８と一体的に形成され、ステータ２およびロータ５を内包する。

モールドフレーム１０は、インバータ８と一体的に形成され、ステータ２およびロータ５を内包する。モールドブラケット１１は、モールドフレーム１０の上部側（図１の上側）にてモールドフレーム１０と一体的に形成され、ベアリング１３の外輪ａを取り囲んで支持する。金属ブラケット１２は、モールドフレーム１０の下部（図１の下側）側にてモールドフレーム１０と一体的に形成され、ベアリング１５の外輪ａを取り囲んで支持する。

ベアリング１３は、回転軸９と一体回転する内輪ｂと、モールドブラケット１１に設けられた外輪ａと、内輪ｂの回転方向に所定間隔を保持しつつ配設され内輪ｂと外輪ａとの間に転動自在に配置された複数の転動体ｃとで構成されている。ベアリング１５も同様に、内輪ｂと、金属ブラケット１２に設けられた外輪ａと、複数の転動体ｃとで構成されている。

次に、電食の発生原理と電食の抑制機構に関して説明する。

図２は、ベアリング１３、１５に流れる放電電流の経路を説明するための図である。電動機１をインバータ８で駆動する場合、印加される電源に不平衡が生じたり、ステータ２に施された各相の巻線３に不平衡が生じることによって、インバータ８のスイッチングに伴い、回転軸９の軸端間等に電圧が誘起される。この電圧がベアリング１３、１５内部の油膜の絶縁破壊電圧を超えたとき、ベアリング１３、１５の内部には微小電流（放電電流）が流れる。そして、この放電電流が、ベアリング１３、１５の内部に電食を発生させる。電食が進行した場合、内輪ｂ、外輪ａ、または転動体ｃに、波状の摩耗現象が発生し、この摩耗現象に起因した異常音が電動機における不具合の主要因の１つとなっている。

図２には、放電電流の経路の一例が示され、放電電流は、実線に示すような「経路Ａ」で電動機１内を流れ、インバータ８、モールドブラケット１１、ベアリング１３、回転軸９、ベアリング１５、金属ブラケット１２、ステータ２、および巻線３の導体を通流する。なお、点線で示される「経路Ｂ」のように、放電電流がロータ５からステータ２に直接流れる経路も考えられるが、本実施の形態では、支持部材７が樹脂などの電気的な絶縁物であるため、ロータ５内のラジアル方向のインピーダンスが高く、放電経路としては無視できる。従って、以下の説明では、実線で示される経路Ａを放電経路として説明する。

小型の送風用電動機での放電電流の共振周波数は、数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚとなることから、この共振周波数近傍で回転軸９に流れる電流を抑制することによって放電電流が素早く減少し、電食を抑止することが可能となる。一方、導体（例えば回転軸９）に高周波電流が流れるとき、その高周波電流は、周波数が高くなるに従って導体の表面に近いところを密集して流れるが、表面から離れるほど（中心部に近いほど）交流抵抗が高まるため殆ど流れない。この現象は、表皮効果と呼ばれ、導体の中心付近に電流が流れるとき、その直角方向に磁界が生じてこの磁界の密度が導体の中心部ほど強くなり、その磁界による逆起電力が発生して電流の流れを阻止する方向に働く。このように、高周波電流（すなわち放電電流）は、導体の表面に多く流れるため、この導体の表面に抵抗体１８を設けることによって高周波電流を低減することができれば、抵抗体１８が無い場合に比べてベアリング１３、１５の内部の電食を抑制することが可能である。

本実施の形態にかかる電動機１では、各ベアリング１３、１５間における回転軸９の表面に、回転軸９の抵抗率よりも高い抵抗率の抵抗体が施されている。回転軸９の表面とは、回転軸９の外周面から回転軸９の中心線２０に向かう所定厚さである。この所定厚さは、特に限定されるものではないが、例えば表皮深さｄ（電流が導体表面に流れる電流の１／ｅ（約３７％）になる導体表面からの距離であり、ｄ＝（2ρ/ωμ）^１／２（ρ：導体の抵抗率、ω：電流の角速度＝２πｆ、μ：導体の透磁率）で定義される）以上の厚みであることが望ましい。例えば、導体が鉄であり、かつ、高周波電流の周波数が１００ＭＨｚの場合における表皮深さｄは、約１５．９２μｍであるので、回転軸９が鉄製の場合、所定厚さは、１５．９２μｍ以上となる。

本実施の形態にかかる抵抗体１８は、例えば、回転軸９の表面を焼鈍することでも得られるし、回転軸９の表面に炭素皮膜抵抗など形成することでも得られる。抵抗体１８の位置について説明すると、例えば、図１に示されるように支持部材７と回転軸９との間に全体的に設けてよい。このように抵抗体１８を設けることによって、回転軸９の表面に流れる放電電流を効果的に抑制することができる。

また、他の実施例としては、抵抗体１８を回転子５とベアリング１３との間、または回転子５とベアリング１５との間に設けてもよい。このように抵抗体１８を設けることによって、回転子５とベアリング１３との間、または回転子５とベアリング１５との間に設けられた隙間を有効に利用して放電電流を効果的に抑制することができると共に、支持部材７と回転軸９との間に抵抗体１８を全体的に設ける場合に比べて加工工数を減らすことができる。

また、他の実施例としては、抵抗体１８を回転子５と支持部材７との間に設けてもよい。この実施例は、例えば回転子５とベアリング１３との間または回転子５とベアリング１５との間に隙間が殆ど設けられていない電動機１などに有効であり、このように抵抗体１８を設けた場合でも、放電電流を効果的に抑制することができると共に、支持部材７と回転軸９との間に抵抗体１８を全体的に設ける場合に比べて加工工数を減らすことができる。

以下、動作を説明する。インバータ８のスイッチングに伴い、回転軸９の軸端間等に電圧が誘起されることによって生じた放電電流は、回転軸９の表面に流れるが、この放電電流は、回転軸９の表面に設けられた抵抗体１８によってその流れが妨げられる。その結果、ベアリング１３、１５の内部における電食が抑制される。

なお、上記説明では、電動機１を空調機の室内機に適用した場合に関して説明したが、これに限定されるものではなく、電動機１は室外機にも適用可能である。

以上に説明したように、本実施の形態にかかる電動機１は、モールドフレーム（フレーム）１０内に配設されたステータ（固定子）２と、ステータ２と対向して回転軸９に周設された永久磁石６を有する回転子５と、モールドフレーム１０の両端に配設され回転軸９を支持する一対のブラケット（モールドブラケット１１、金属ブラケット１２）と、このブラケット（モールドブラケット１１、金属ブラケット１２）に装着され回転軸９を支持する一対のベアリング１３、１５と、を備え、各ベアリング１３、１５間における回転軸９の表面には回転軸９の抵抗率よりも高い抵抗率の抵抗体が施されているので、電食の要因となる放電電流を効果的に減衰させることが可能である。従来では、電食の耐力を向上させるため、ブラケットおよびフレームの構造を変更する手法や、回転軸９とベアリング１３、１５の内輪ｂとの間に絶縁スリーブを介在させる手法や、ベアリング１３、１５の転動体ｃにセラミックを用いる技術や、ベアリング１３、１５と回転子鉄心との間における軸の外周部にヒステリシス損の大きい磁性材料を固着させる技術などが存在する。ただしこれらの手法では、製造コストが増大を招き、あるいは電動機が大型化するという課題があった。本実施の形態にかかる電動機１は、回転軸９に抵抗体１８を設けるのみで放電電流を抑制することができるため、電動機１の製造設備の共通化が可能である。その結果、安価にベアリング１３、１５の電食を抑制することが可能である。

また、本実施の形態にかかる抵抗体１８は、回転子５とベアリング１３との間（または回転子５とベアリング１５との間）に設けるようにしたので、回転子５とベアリング１３との間（または回転子５とベアリング１５との間）に設けられた隙間を有効に利用して放電電流を効果的に抑制することができると共に、支持部材７と回転軸９との間に抵抗体１８を全体的に設ける場合に比べて加工工数を減らすことができる。

また、本実施の形態にかかる電動機１は、永久磁石６を支持可能に回転軸９と永久磁石６との間に配設される支持部材７を有し、抵抗体１８は、回転子５と支持部材７との間に設けるようにしたので、回転子５とベアリング１３との間（または回転子５とベアリング１５との間）に隙間が殆ど設けられていない電動機１における放電電流を、効果的に抑制することができると共に、支持部材７と回転軸９との間に抵抗体１８を全体的に設ける場合に比べて加工工数を減らすことができる。

また、本実施の形態にかかる空調機は、電動機１を室内機ファン駆動用電動機として備えるようにしたので、ベアリング１３、１５の電食による騒音を軽減することができる。特に、ベアリング１３、１５の電食によって問題となるのは騒音であり、空調機の室内機は、居住空間で長時間使用するために静音性が求められ、電食の耐力を向上することが製品の信頼性に大きく寄与するからである。

なお、本発明の実施の形態にかかる電動機および空調機は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略するなど、変更して構成することも可能であることは無論である。

以上のように、本発明は、電動機に適用可能であり、特に、寸法を変更することなく、かつ、安価にベアリングの電食を抑制可能な発明として有用である。

１ 電動機
２ ステータ（固定子）
３ 巻線
４ ステータコア
５ ロータ（回転子）
６ 永久磁石
７ 支持部材
８ インバータ
９ 回転軸
１０ モールドフレーム
１１ モールドブラケット
１２ 金属ブラケット
１３、１５ ベアリング
１４ インシュレータ
１８ 抵抗体
２０ 中心線
Ａ、Ｂ 放電電流の経路
ａ 外輪
ｂ 内輪
ｃ 転動体

Claims (4)

1. フレーム内に配設された固定子と、
   前記固定子と対向して回転軸に周設された永久磁石を有する回転子と、
   前記フレームの両端に配設され前記回転軸を支持する一対のブラケットと、
   前記ブラケットに装着され前記回転軸を支持する一対のベアリングと、
   を備え、
   前記各ベアリング間における前記回転軸の表面には、前記回転軸の抵抗率よりも高い抵抗率の抵抗体が施されていることを特徴とする電動機。
2. 前記抵抗体は、前記回転子と前記ベアリングとの間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記永久磁石を支持可能に前記回転軸と前記永久磁石との間に配設される支持部材を有し、
   前記抵抗体は、前記回転子と前記支持部材との間に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
4. 請求項１〜３の何れか１つに記載の電動機を、室内機ファン駆動用電動機として備えた空調機。

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