JP2014143865A - 電動機およびこれを備えた電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ駆動される電動機において、軸受けの外輪と内輪間に電位差が生じ、軸受け内部の油膜の絶縁破壊電圧に達すると軸電流が流れ、軸受内部に電食が発生するという課題があった。
【解決手段】固定子と、固定子に対向して周方向に磁石を保持した回転体と、回転体を締結したシャフトとを含む回転子と、シャフトを支持する軸受と、軸受を固定する２つの導電性のブラケットを備え、２つのブラケットを電気的に接続し、シャフトと回転体の外周との間に誘電体層を設けたモールドモータにおいて、シャフトに磁性体と導体からなる軸電流抑制装置を少なくとも１つ以上設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機およびそれを備えた電気機器に関し、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およびこれを備えた電気機器に関するものである。

近年、電動機の駆動方式としては、電動機の可変速性や高効率化のために、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式（以下、適宜、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。

しかしながら、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。

一般的に、洗濯機や食器洗い乾燥器などの水まわりで使用され、感電のおそれのある電動機は、充電部の絶縁（基礎絶縁）以外に、独立した絶縁（付加絶縁）を追加する必要がある。一方、これ以外のエアコン室内機、エアコン室外機、給湯器、空気清浄機などに使用される電動機は、感電のおそれがないため、付加絶縁は必要としない。

したがって、エアコン室内機、エアコン室外機、給湯器、空気清浄機などに使用される電動機は、回転子を絶縁構造としていないために、回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスは低い状態にある。それに対して、固定子側（軸受外輪側）は、絶縁構造となっているため、インピーダンスは高い状態にある。

この場合、インピーダンスによる電圧降下の差が生じ、軸受内輪側の電位は高いのに対して軸受外輪側の電位は低いためアンバランス状態となり、高い軸電圧が発生してしまうこととなる。そして、この軸電圧が軸受内の絶縁耐電圧よりも高くなると絶縁破壊が生じて軸電流が流れ、電食が発生する可能性があった。

また、家電機器の送風機駆動用等に使用される電動機は、低騒音かつ低振動であることが強く要求されており、この要求に応えるため、固定子鉄心及び巻線更に場合によっては電子部品が搭載された回路基板等を合成樹脂で一体に成形したモールドモータが主流となっている。

このモールドモータでは、モールド材が樹脂のため軸受を固定するには強度が不十分であり、樹脂成形のため寸法精度が悪く、伝達負荷で発生したラジアル方向の力によって軸受とブラケットとの間で滑り現象によるクリープが発生しやすくなるため、予め鋼板で加工され寸法精度の良好な金属製のブラケットを軸受の固定に用いることが一般的になっているが、固定子がブラケットから絶縁されるために、固定子側のインピーダンスが高くなり、軸受の外輪と内輪との電圧差が大きくなり、このため、軸電圧がより高くなるという課題があった。

電食を抑制する方法の一つとして、軸電流検出器と軸電流と逆位相の電流を発生させる装置をシャフトに設け軸電流を低減させる方法がある（例えば特許文献１参照）。

特開昭６０−９６１５０号公報

しかしながら、上記特許文献１のような方法は、次のような課題があった。すなわち、軸電流防止回路として、軸電流検出センサ、軸電流検出センサの出力信号の位相を逆位相にする位相反転回路、位相反転回路の出力信号を所定レベルに増幅する増幅回路、この増幅回路の出力信号であるところの回転軸の軸電流とほぼ同一の電流値で逆位相の電流を前記回転軸に流す軸電流発生コイルを必要とするため、電動機を含む構成が大変複雑かつ高価なものとなっていた。

さらに、軸受は回転子の両端に設置されるので、軸電流検出器は回転子と軸受の間に配設され、逆位相の軸電流を発生するコイルは回転子に対してもう一方側の軸受との間に配設されることとなり、軸受毎で異なる軸電流が流れた場合には対応できなかった。

本発明の電動機は、上記課題に鑑みなされたものであり、ＰＷＭ駆動される電動機のシャフトに磁性体と導体からなる軸電流を抑制する機構を装着することにより、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。

上記目的を達成するために、本発明の電動機は、巻線を巻装した固定子鉄心を含む固定子と、前記固定子に対向して周方向に永久磁石を保持した回転体と、前記回転体の中央を貫通するように前記回転体を締結したシャフトとを含む回転子と、前記シャフトを回転自在に支持する２つの軸受と、前記軸受を固定する２つの導電性のブラケットとを備えた電動機において、前記電動機のシャフトに磁性体と導体からなる軸電流抑制装置を少なくとも１つ以上設けたものである。

また、軸電流抑制装置は、シャフトに周回する形で配設されたリング状の磁性体に巻回した導体の両端を短絡して構成されたものである。

また、磁性体は、磁化曲線の傾きが大きな材料で構成されたものである。

また、軸電流抑制装置は、原点がシャフト中心上に存在する仮想円を芯として巻回された導体を、導体の巻回中心の透磁率が他の部分よりも高い樹脂で成形されたものである。

以上のように、本発明によれば、複雑な回路を用いることなく各々の軸受けに対応した軸電流抑制効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１における電動機の断面図 同電動機の軸電流抑制装置の斜視図 同電動機の電流と磁束の関係を示す図 同電動機の軸電流波形図 本発明の実施の形態２における電動機の軸電流抑制装置の断面図

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１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を絶縁するための樹脂であるインシュレータが介在して、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、回転子鉄心３１を含む円板状の回転体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、例えばフェライト樹脂磁石などの永久磁石３２を保持している。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１５（後述の１５ａおよび１５ｂ）が取り付けられている。軸受１５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１５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１５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１５の外輪側が固定されている。図１では、出力軸側の軸受１５ａがブラケット１７により固定され、反出力軸側の軸受１５ｂがブラケット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２つの軸受１５に支承され、回転子１４が回転自在に回転する。

さらに、こ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、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、大地のアースから絶縁されている。

すなわち、これら電源回路やグランド線などは、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からの磁界と永久磁石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１５で支持されるとともに、それぞれの軸受１５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１５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１５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ブラケット１９により固定している。また、このブラケット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。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つば部１９ｂとを有している。

円筒部１９ａの内周径は軸受１５ｂの外周径とほぼ等しく、円筒部１９ａに軸受１５ｂを圧入することにより、軸受１５ｂはブラケット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、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、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。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ブラケット１９の面積を抑制し、さらに絶縁樹脂１３でブラケット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ブラケット１７により固定している。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、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、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、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。

シャフトには軸電流を抑制する機構として、軸電流抑制装置が一つ以上設けられている。ここで示す軸電流抑制装置２０は図２に示すようなリング状の磁性体２１に導体２２を巻回し、この導体の両端が短絡して構成されており、モールド樹脂２３などで導体が固着されシャフト１６に圧入、接着などにより固定される。

図３に簡単な電流と磁束の発生を示す。軸電圧Ｖがシャフトに印加された場合、軸電流Ｉｓ＝Ｖ／Ｒｓｈ（ここで、Ｒｓｈはシャフトの抵抗）が流れる。軸電流が流れると、アンペアの法則によりシャフトを中心に同心円筒状に磁界Φ＝Ｉｓ／Ｒｍ（ここで、Ｒｍはシャフトの磁気抵抗）が発生し、シャフトの外周に配置されたリング状の磁性体に磁界が集中する。

軸電流は軸受の内輪と外輪の絶縁が破壊したときのみ流れるパルス状の電流であるため、磁性体中に生じる磁界Φの大きさもそれにともなって変化するため、磁性体に巻回された導体には磁束の変化を妨げる方向に逆起電力Ｕ＝−（ｄΦ／ｄｔ）が生じ、導体中に電流Ｉ２＝（∫Ｕｄｔ）／Ｌが流れる（ここで、Ｌは導体のインダクタンス）。

導体に流れる電流Ｉ２により磁性体中に磁束が発生するが、これは軸電流により発生した磁束とは逆方向であるため磁性体中の磁束はＩ２により弱められる。その結果、磁性体中の磁束と鎖交する位置関係にあるシャフトに流れる軸電流も低減される。

図４に磁界解析による簡易モデルで計算した軸電流波形と導体電流波形を示す。軸電流抑制装置を設置することにより、軸電流の最大値が低減できることが確認された。

磁性体の磁化曲線の傾きが高い材料、例えばアモルファスなどでは磁性体中の磁束がより高くなるので導体に流れる電流値も大きくなり、軸電流低減効果が高くなる。導体中に流れる電流Ｉ２は磁性体の磁化特性、導体のインダクタンスや抵抗などにより変化するので、軸受の耐電圧とシャフトの抵抗に適した値のものを選択することにより、より高い軸電流低減効果が得られる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における電動機の軸電流抑制装置の断面を示した構造図である。軸電流抑制装置は全体が樹脂などでモールドされ、導体の巻回の内側２４がそれ以外の部分よりも透磁率の高い材質、または樹脂に混入した透磁率の高い物質が集中する
ように成形されたものである。このような形態でも同様の効果が得られる。

電食対策として軸受の内輪と外輪にかかる電圧差である軸電圧を低くする手法がさまざま取られている。例えばインピーダンス調整部材により出力側と反出力側のブラケットを導通させたり、ブラケットと電動機の固定子鉄心を導通させるなどがある。

また、回転子側においてもシャフトと回転子鉄心もしくは永久磁石との間に誘電体層５０を設けることによりインピーダンスを調整し、前記固定子鉄心と前記軸受の内輪との間のインピーダンスと、前記固定子鉄心と前記軸受の外輪との間のインピーダンスとを整合させて電食を発生しにくくしている。これらの電動機に本発明の軸電流抑制装置を設置することにより、さらに電食発生の確率を少なくすることが可能となる。

本発明のモールドモータは、軸電流を減少させることにより、軸受の電食発生を抑制するのに最適である。このため、主に電動機の低価格化および高寿命化が要望される電気機器で、例えばエアコン室内機、エアコン室外機、給湯機、空気清浄機など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
１３ａ 本体突出部
１４ 回転子
１５、１５ａ、１５ｂ 軸受
１６ シャフト
１７ ブラケット
１８ プリント基板
１９ ブラケット
１９ａ 円筒部
１９ｂ つば部
２０ 軸電流抑制装置
２１ 磁性体
２２ 導体
２３ モールド樹脂
２４ 導体の巻回の内側
３０ 回転体
３１ 回転子鉄心
３２ 永久磁石
５０ 誘電体層

Claims (6)

1. 巻線を巻装した固定子鉄心を含む固定子と、前記固定子に対向して周方向に永久磁石を保持した回転体と、前記回転体の中央を貫通するように前記回転体を締結したシャフトとを含む回転子と、前記シャフトを回転自在に支持する２つの軸受と、前記軸受を固定する２つの導電性のブラケットとを備えた電動機において、
   前記シャフトに磁性体と導体からなる軸電流抑制装置を少なくとも１つ以上設けたことを特徴とする電動機。
2. 前記軸電流抑制装置は、前記シャフトに周回する形で配設されたリング状の磁性体に巻回した導体の両端を短絡して構成されたことを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 前記磁性体は、磁化曲線の傾きが大きな材料で構成されたことを特徴とする請求項２記載の電動機。
4. 前記軸電流抑制装置は、原点が前記シャフト中心上に存在する仮想円を芯として巻回された導体を、前記導体の巻回中心の透磁率が他の部分よりも高い樹脂で成形されたことを特徴とする請求項１記載の電動機。
5. 前記固定子鉄心に巻回した前記巻線を駆動するパルス幅変調方式のインバータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機を搭載したことを特徴とする電気機器。