JP2014117110A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭ方式でインバータ駆動される電動機において、軸受の電食の発生を抑制する。
【解決手段】巻線を巻装した固定子と、前記固定子に対向して周方向に磁石を保持した回転体と、前記回転体を締結したシャフトとを含む回転子と、前記シャフトを支持する軸受を備えたインバータ駆動電動機において、前記固定子は、その内周に複数の磁極を備え、複数枚の板状体が積層されており、磁極の内周端には、複数枚の板状体のうち最外層を含む少なくとも１枚の板状体が前記磁石と実質的に平行となるように折り曲げられた延長部が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関するもので、特に軸受の電食の発生を抑制するように改良された電動機に関する。

近年、電動機はパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式（以下、ＰＷＭ方式という）のインバータにより駆動する方式を採用するケースが多くなってきている。こうしたＰＷＭ方式のインバータ駆動の場合、巻線の中性点電位が零とならないため、軸受の外輪と内輪間に電位差（以下、軸電圧という）を発生させる。

軸電圧は、スイッチングによる高周波成分を含んでおり、軸電圧が軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧に達すると、軸受内部に微小電流が流れ軸受内部に電食が発生する。電食が進行した場合、軸受内輪、軸受外輪または軸受ボールに波状摩耗現象が発生して異常音に至ることがあり、電動機における不具合の主要因の１つとなっている。

従来、電食を抑制するためには、以下のような対策が考えられている。
（１）軸受内輪と軸受外輪を導通状態にする。
（２）軸受内輪と軸受外輪を絶縁状態にする。
（３）軸電圧を低減する。

上記（１）の具体的方法としては、軸受の潤滑剤を導電性にすることが挙げられる。但し、導電性潤滑剤は、時間経過とともに導電性が悪化することや摺動信頼性に欠けるなどの課題がある。また、回転軸にブラシを設置し、導通状態にする方法も考えられるが、この方法もブラシ摩耗粉やスペースが必要となるなどの課題がある。

上記（２）の具体的方法としては、軸受内部の鉄ボールを非導電性のセラミックボールに変更することが挙げられる。この方法は、電食抑制の効果は非常に高いが、コストが高い課題があり、汎用的な電動機には採用できない。

上記（３）の具体的方法としては、非磁性導体からなる静電シールド板を用いて、固定子と回転子との間の静電容量を遮蔽することにより、静電容量分布を変化させて軸電圧を低減する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）
また、回転子鉄心を外側鉄心と内側鉄心の二つに分解し、外側鉄心と内側鉄心の間に誘電体層を設け、回転子の静電容量を調整することによって、軸電圧を低減する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３５４６７７６号公報 特開２０１０−１６６６８９号公報

しかしながら、特許文献１のような従来の方法の場合のみでは、回転子と固定子との静電容量のバランスをとることが難しく、更なる軸電圧の低減が難しいという課題があった。また、非磁性導体の静電シールドでは磁束の影響を受けない為、電動機の効率は低下しないが、増加することもなく、更なる電動機の高効率化に課題があった。

また、特許文献２による方法は電食抑制の効果は大きいが、コイルエンドの巻線精度や、電動機を取り付ける電気機器などの影響によって、静電容量分布にバラツキが発生してしまう場合があり、安定した軸電圧が得られ難く、更なる電食抑制の信頼性向上が難しいという課題があった。

本発明の電動機は、上記課題に鑑みなされたものであり、軸受における電食の発生を抑制した電動機およびそれを備えた電気機器を提供することを目的とする。

本発明の電動機は、上記目的を達成するために、巻線を巻装した固定子と、前記固定子に対向して周方向に磁石を保持した回転体と、前記回転体を締結したシャフトとを含む回転子と、前記シャフトを支持する軸受を備えた電動機において、前記固定子は、その内周に複数の磁極を備え、複数枚の板状体が積層されており、磁極の内周端には、複数枚の板状体のうち最外層を含む少なくとも１枚の板状体が前記磁石と平行となるように折り曲げられた延長部が形成されていることを特徴とした電動機である。

また、前記固定子の磁極の折り曲げた延長部が、前記磁石の平行方向において、前記固定子の巻線の頂点よりも高くなっていることを特徴としている。また、前記固定子が、前記電動機の電源のＮラインに接続していることを特徴としている。さらに、前記回転体の外周部を構成する外側鉄心と、シャフトに締結された内周部を構成する内側鉄心と、外側鉄心と内側鉄心との間に誘電体層が配置されたことを特徴としている。

本発明の電動機によれば、軸受における電食の発生を抑制した電動機およびそれを備えた電気機器を提供することができる。

本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの断面を示した構造図 図１の固定子鉄心の磁極近傍の拡大図

以下、本発明について、図面及び表を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態及び実施例によって本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おける電動機の断面を示した構造図である。本実施の形態では、電気機器としてのエアコン用に搭載され、送風ファンを駆動するためのブラシレスモータである電動機の一例を挙げて説明する。また、本実施の形態では、回転子が固定子の内周側に回転自在に配置されたインナロータ型の電動機の例を挙げて説明する。

図１において、固定子鉄心１１には、固定子鉄心１１を絶縁するインシュレータとしての樹脂２１が介在して、固定子巻線１２が巻装されている。そして、このような固定子鉄心１１は、他の固定部材とともにモールド材としての絶縁樹脂１３にてモールド成形されている。本実施の形態では、これらの部材をこのようにモールド一体成形することにより、外形が概略円筒形状をなす固定子１０が構成されている。

固定子１０の内側には、空隙を介して回転子１４が挿入されている。回転子１４は円板状の回転体３０と、回転体３０の中央を貫通するようにして回転体３０を締結したシャフト１６とを有している。回転体３０は、固定子１０の内周側に対向して周方向に永久磁石
であるフェライト樹脂の磁石３２を保持している。そして図１に示すように、最外周部のフェライト樹脂の磁石３２から内周側のシャフト１６に向かって、回転子鉄心３１の外周部を構成する外側鉄心３１ａ、軸電圧調整層としての誘電体層５０、回転子鉄心３１の内周部を構成する内側鉄心３１ｂと順に配置するような構造を有している。

図１では、回転体３０として、これらの外側鉄心３１ａ、内側鉄心３１ｂ、誘電体層５０およびフェライト樹脂の磁石３２が一体成形された構成例を示している。このように、固定子１０の内周側と回転体３０の外周側とが対向するように配置されている。

回転子１４のシャフト１６には、シャフト１６を支持する２つの軸受１５ａ及び軸受１５ｂが取り付けられている。軸受１５ａ及び軸受１５ｂは、複数の鉄ボールを有した円筒形状のベアリングであり、軸受１５ａ及び軸受１５ｂの内輪側がシャフト１６に固定されている。図１では、シャフト１６がブラシレスモータ本体から突出した側となる出力軸側において、軸受１５ａがシャフト１６を支持し、その反対側（以下、反出力軸側と呼ぶ）において、軸受１５ｂがシャフト１６を支持している。

そして、これらの軸受１５ａ及び軸受１５ｂは、それぞれ導電性を有した金属製のブラケットにより、軸受１５ａ及び軸受１５ｂの外輪側が固定されている。図１では、出力軸側の軸受１５ａが出力軸側ブラケット１７により固定され、反出力軸側の軸受１５ｂが反出力軸側ブラケット１９により固定されている。以上のような構成により、シャフト１６が軸受１５ａ及び軸受１５ｂに支承され、回転子１４が回転自在に回転する。なお、軸受１５ａ及び軸受１５ｂは、その軸受内部の内部空間の一部を満たすグリスが充填されている。

さらに、本実施形態のブラシレスモータには制御回路を含めた駆動回路を実装したプリント基板１８が内蔵されている。このプリント基板１８を内蔵したのち、出力軸側ブラケット１７を固定子１０に圧入することにより、ブラシレスモータが形成される。また、プリント基板１８には、巻線の電源電圧Ｖｄｃ、制御回路の電源電圧Ｖｃｃおよび回転数を制御する制御電圧Ｖｓｐを印加するリード線や制御回路のグランド線などの接続線２０が接続されている。

なお、駆動回路を実装したプリント基板１８上のゼロ電位点部は、大地のアースおよび１次側（電源）回路とは絶縁され、大地のアースおよび１次側電源回路の電位とは、フローティングされた状態である。ここで、ゼロ電位点部とは、プリント基板１８上における基準電位としての０ボルト電位の配線のことであり、通常グランドと呼ばれるグランド配線を示している。接続線２０に含まれるグランド線は、このゼロ電位点部、すなわちグランド配線に接続される。

また、駆動回路が実装されたプリント基板１８に接続される巻線の電源電圧を供給する電源回路、制御回路の電源電圧を供給する電源回路、制御電圧を印加するリード線および制御回路のグランド線などは、巻線の電源電圧を供給する電源回路に対する１次側（電源）回路、制御回路の電源電圧を供給する電源回路に対する１次側（電源）回路、これら１次側（電源）回路と接続された大地のアースおよび独立して接地された大地のアースのいずれとも電気的に絶縁されている。

つまり、１次側（電源）回路電位および大地のアースの電位に対して、プリント基板１８に実装された駆動回路は電気的に絶縁された状態であることから、電位が浮いた状態となっている。これは電位がフローティングされた状態とも表現され、よく知られている。また、このようなことから、プリント基板１８に接続される巻線の電源電圧を供給する電源回路および制御回路の電源電圧を供給する電源回路の構成は、フローティング電源とも
呼称され、これもよく知られた表現である。

以上のように構成された本ブラシレスモータに対して、接続線２０を介して各電源電圧および制御信号を供給することにより、プリント基板１８の駆動回路により固定子巻線１２が駆動される。固定子巻線１２が駆動されると、固定子巻線１２に駆動電流が流れ、固定子鉄心１１から磁界が発生する。そして、固定子鉄心１１からの磁界とフェライト樹脂の磁石３２からの磁界とにより、それら磁界の極性に応じて吸引力および反発力が生じ、これらの力によってシャフト１６を中心に回転子１４が回転する。

次に、本ブラシレスモータのより詳細な構成について説明する。まず、本ブラシレスモータは、上述したように、シャフト１６が２つの軸受１５ａ及び軸受１５ｂで支持されるとともに、それぞれの軸受１５ａ及び軸受１５ｂもブラケットにより固定され、支持されている。さらに、上述したようなクリープによる不具合を抑制するため、本実施の形態では、それぞれの軸受１５ａ及び軸受１５ｂが、導電性を有した金属製のブラケットにより固定されるような構成としている。

すなわち、本実施の形態では、予め鋼板で加工され寸法精度の良好な導電性のブラケットを軸受１５ａ及び軸受１５ｂの固定に採用している。特に、電動機の高出力化が要求される場合には、このような構成とすることがより好ましい。

具体的には、まず、反出力軸側の軸受１５ｂに対して、軸受１５ｂの外周径とほぼ等しい外周径の反出力軸側ブラケット１９により固定している。また、この反出力軸側ブラケット１９は、絶縁樹脂１３とモールド一体成形されている。

すなわち、図１に示すように、反出力軸側における絶縁樹脂１３の形状は、本ブラシレスモータ本体から反出力軸方向へと突出する本体突出部１３ａを有した形状である。この本体突出部１３ａの本体内部側に、インナーブラケットとして反出力軸側ブラケット１９を配置し、絶縁樹脂１３とモールド一体成形している。

反出力軸側ブラケット１９は中空円筒状となるカップ形状を有しており、より具体的には、一方を開いたブラケットの円筒部１９ａと、開いた側の円筒端部から外方向に少しだけ広がった環状のブラケットのつば部１９ｂとを有している。ブラケットの円筒部１９ａの内周径は軸受１５ｂの外周径とほぼ等しく、ブラケットの円筒部１９ａに軸受１５ｂを圧入することにより、軸受１５ｂは反出力軸側ブラケット１９を介するようにして絶縁樹脂１３にも固定されることになる。

このように構成することで、軸受１５ｂの外輪側は金属製の反出力軸側ブラケット１９に固定されるため、クリープによる不具合を抑制できる。また、ブラケットのつば部１９ｂの外周径は軸受１５ｂの外周径よりも少しだけ大きくしている。

すなわち、ブラケットのつば部１９ｂの外周径は、軸受１５ｂの外周径よりも大きく、かつ少なくとも回転体３０の外周径よりも小さくしている。反出力軸側ブラケット１９をこのような形状とすることにより、例えばつば部が回転体３０の外周を超えて固定子１０まで広がるような構造に比べて、コスト高となる金属材料の使用を抑制している。

また、このように金属製の反出力軸側ブラケット１９の面積を抑制し、さらに絶縁樹脂１３で反出力軸側ブラケット１９の外郭を覆うようにモールド一体成形しているため、軸受１５ｂから発生する騒音を抑制することもできる。

次に、出力軸側の軸受１５ａに対しては、固定子１０の外周径とほぼ等しい外周径の出
力軸側ブラケット１７により固定している。出力軸側ブラケット１７は概略円板形状であり、円板の中央部に軸受１５ａの外周径とほぼ等しい径の突出部を有しており、この突出部の内側は中空となっている。プリント基板１８を内蔵したのち、このような出力軸側ブラケット１７の突出部の内側を軸受１５ａに圧入するとともに、出力軸側ブラケット１７の外周に設けた接続端部と固定子１０の接続端部とが嵌合するように、出力軸側ブラケット１７を固定子１０に圧入することにより、本ブラシレスモータが形成される。

このように構成することで、組立作業の容易化を図るとともに、軸受１５ａの外輪側は金属製の出力軸側ブラケット１７に固定されるため、クリープによる不具合も抑制している。

図２は、本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの固定子鉄心部を拡大した構造図である。ブラシレスモータには、図２のように固定子１０において、固定子鉄心１１はその内周に複数の磁極を備え、複数枚の板状体が積層されており、磁極の内周端には、複数枚の板状体のうち最外層を含む少なくとも１枚の板状体が前記磁石と平行となるように折り曲げられた延長部３３が設けられている。また、延長部３３は固定子巻線１２のコイルエンド部の頂点の高さ（破線４０）よりも延長されている。

さらに固定子磁極はモータ電源のＮラインと接続されている。さらに、回転体３０において、シャフト１６と回転体３０の外周との間に軸電圧調整層としての誘電体層５０を設けている。

上記の様な構成とすることで、固定子磁極の折り曲げられた延長部３３により、固定子巻線１２のコイルエンド部と回転体３０との間が空間的に仕切られ、固定子巻線１２のコイルエンド部と磁極の延長部３３との間で静電結合が起こり、固定子巻線１２のコイルエンド部と回転体３０との間の静電容量が置き換えられたことにより、静電容量の分布を調整することができ、軸電圧を低減することが出来る。

また、磁極の延長部３３の長さにより、固定子巻線１２のコイルエンド部と回転子１４との間の静電容量の大きさが変化し、固定子巻線１２の頂点の高さ（破線４０）よりも磁極の延長部３３が延長されていることにより、固定子巻線１２のコイルエンド部と回転子１４との静電容量が安定化する。

固定子巻線１２の頂点の高さ（破線４０）よりも磁極の延長部３３が延長されていない場合、固定子巻線１２のコイルエンド部と回転子１４との間の静電容量が安定性せず、結果としてモータ軸電圧が安定化しない。これは固定子磁極の延長部３３が固定子巻線１２の頂点の高さ（破線４０）よりも延長されることにより、固定子巻線１２のコイルエンド部と回転体３０との間が十分にシールドされる為である。

また、固定子磁極がモータ電源のＮラインと接続されることにより、固定子巻線１２のコイルエンド部と回転体３０との間の静電容量がさらに低下し、軸電圧が安定化する。これは固定子磁極がＮラインと接続することによりアーシングされる為、固定子巻線１２のコイルエンド部と回転体３０との間の静電容量をさらに小さくできる為である。

また、固定子磁極の延長部３３を用いることで、回転子磁石と固定子磁極との対抗面積を大きくすることにより、集磁効果が向上し、電動機の駆動効率を向上させることが出来る。

また、回転体３０に誘電体層５０を用いており、外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとの間隔を誘電体層５０の厚みにより調節し、電動機の固定子と回転子とのインピーダンスの
バランスをとることにより、更なる軸電圧の低減を果たすことができ、同時に軸電圧のバラツキを低減することが可能となる。

軸電圧のバラツキは固定子側の静電容量分布のバラツキが大きい為に発生しやすく、固定子側は製造工法における巻線形状のバラツキや、特に電動機を電気機器に搭載した場合に、電気機器と固定子との間に静電容量が発生し、電動機の外部要因により静電容量分布が変化しやすい為である。

しかしながら、延長部３３を用いることにより、固定子と回転子との間の静電容量を遮断することによって、固定子側の静電容量分布のバラツキが回転子側に及ぼす影響度が小さくなる為、軸電圧のバラツキ低減を図ることが可能である。

すなわち、上記の構成にすることで、軸電圧を低減し、さらに軸電圧のバラツキを低減し、また、電動機の駆動効率を向上させることが可能となる。

本発明の電動機は、軸受の電食発生を抑制したものであり、主に電動機の低価格化および高寿命化、高効率化が要望されるエアコン室内機などの機器に搭載される電動機に有効である。

１０ 固定子
１１ 固定子鉄心
１２ 固定子巻線
１３ 絶縁樹脂
１４ 回転子
１５ａ 軸受
１５ｂ 軸受
１６ シャフト
１７ 出力軸側ブラケット
１８ プリント基板
１９ 反出力軸側ブラケット
１９ａ ブラケットの円筒部
１９ｂ ブラケットのつば部
２０ 接続線
２１ 樹脂（インシュレータ）
３０ 回転体
３１ａ 外側鉄心
３１ｂ 内側鉄心
３２ 磁石
３３ 延長部
５０ 誘電体層

Claims (4)

1. 巻線を巻装した固定子と、前記固定子に対向して周方向に磁石を保持した回転体と、前記回転体を締結したシャフトとを含む回転子と、前記シャフトを支持する軸受を備えた電動機において、前記固定子は、その内周に複数の磁極を備え、複数枚の板状体が積層されており、前記磁極の内周端には、前記複数枚の板状体のうち最外層を含む少なくとも１枚の板状体が前記磁石と実質的に平行となるように折り曲げられた延長部を備えたことを特徴とする電動機。
2. 前記延長部が、前記磁石の平行方向において、前記巻線のコイルエンド部の頂点よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記固定子を前記電動機の電源のＮラインに接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機。
4. 前記回転体は、前記磁石と接する外側鉄心と、前記シャフトに接する内側鉄心と、前記外側鉄心と前記内側鉄心との間の誘電体層を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機。