JP2016029889A - 電動機およびそれを搭載した天井扇および送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子巻線にアルミニウム線を用いて軽量化と低コスト化を実現し、かつ品質を高く保つことが可能な電動機およびそれを搭載した送風機を提供する。【解決手段】電動機２は、固定子巻線（Ａ相巻線８およびＢ相巻線９）を巻装した固定子鉄心１６と、この固定子巻線の引出線８ａおよび９ａの各端末を接合する金属端子１８を装備した端子台１９を有する固定子２０と、回転駆動される回転子と、回転子を回転可能に支持する軸受部１４ａおよび１４ｂと、を備える。固定子巻線の少なくとも一部にアルミニウム線を用いている。アルミニウム線の端末と金属端子１８は半田により接合され、その接合部２７には、全体を覆って合成樹脂からなる最内層と最外層との二層以上の絶縁層１５を形成している。絶縁層１５は、最内層は、伸び率が最外層よりも大きい樹脂で構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、固定子巻線にアルミニウム線を用い、巻線と金属端子の接合部にコーティング処理を施した電動機およびそれを搭載した送風機に関するものである。

従来、この種の電動機には、固定子巻線に銅線を用いることが一般的である。（例えば、特許文献１参照）。

以下、その電動機について図６および図７を参照しながら説明する。

図６および図７に示すように、電動機１０１は、複数のスロット（図示せず）を円環状に設けた固定子鉄心１０３と、この固定子鉄心１０３の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子１３０を備えている。固定子鉄心１０３には、固定子巻線１０５および１０６が巻装され、この固定子巻線１０５、１０６の引出線１０５ａ、１０６ａの各端末が、端子台１０７に装備された金属端子１０８に接合されて固定子１２０を形成している。さらに、電動機１０１は、固定子鉄心１０３の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子１３０を備えている。固定子巻線１０５，１０６の引出線１０５ａおよび１０６ａは、それぞれの端末を金属端子１０８に絡げて半田接合している。固定子巻線１０５および１０６には銅線を用いている。

ここで、近年の銅価格の高騰により銅材料の代替化が望まれており、電動機の巻線材料にアルミニウム線を用いるものがある。（例えば、特許文献２参照）

特開２００９−７１９１３号公報 特開２００８−１７３００１号公報

このような従来の電動機においては、以下のような課題を有している。

ここでは従来の電動機を搭載した天井扇を例にして説明する。天井扇は一般的に屋内で使用する製品であるが、実際には例えば、大気中に海塩粒子を多く含む沿岸地域での使用や、電動機に雨水がかかるような屋外での使用等も想定され、様々な使用環境を考慮する必要がある。

金属は水分と酸素が共存すれば腐食する。アルミニウムはイオン化傾向が大きいため、水分、特に塩水に対し耐性が低く腐食速度が速い。アルミニウム線を用いる場合、アルミニウム線端末の絶縁被膜を除去したアルミニウム導体を金属端子に絡げて接合する。しかし、アルミニウム線端末と金属端子の接合部に塩水が浸入するとアルミニウムが腐食し、アルミニウム線の線径が細いと、接合部で断線に至る可能性がある。

そのため、アルミニウム線端末と金属端子の接合部に絶縁物を塗布して塩水の浸入を防ぐ方法があるが、接合部を十分に保護しなければ、塩水は様々な経路から接合部に浸入する。様々な経路とは例えば、金属端子と端子台の接合部付近や、金属端子の先端付近等の、絶縁物の肉厚が薄い部分から金属端子を経由するものであり、絶縁物の極めて小さな数μｍ程度のピンホールであっても塩水は浸入し接合部に至る。したがって、絶縁物の物理特性を十分に考慮して絶縁層を構成しないとアルミニウムは腐食するため、品質を高く保つことは難しい。

また、アルミニウム導体の表面には、酸化アルミニウム（融点２０２０℃）による被膜が形成されており、アルミニウム導体と金属端子の半田接合を妨げるため、酸化アルミニウム被膜を除去する必要がある。その方法は、外皮の絶縁被膜と同時に機械剥離する方法と、超音波溶着等により酸化被膜を割る方法がある。後者は酸化被膜の割れた箇所を介してアルミニウム導体と金属端子の半田接合が行なわれるが、酸化被膜はそのまま残るので酸化被膜には半田が付かず仕上りが不完全となる。このため、アルミニウムが露出する部分が生じるため、そこから腐食が進む可能性がある。よって、接合部の半田仕上りが不完全であっても、塩水等からの浸入を保護できる絶縁物を形成することが求められる。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、固定子巻線にアルミニウム線を用いても、品質を高く保つことが可能な電動機およびそれを搭載した送風機を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明の電動機は、複数のスロットを円環状に設けた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線と、前記固定子巻線の端末を接合する金属端子を装備した端子台とを有する固定子と、前記固定子鉄心の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子を備えた電動機であって、少なくとも一部にアルミニウム線を用いた前記固定子巻線と、前記アルミニウム線の端末と前記金属端子を半田により接合した接合部と、前記接合部の全体を覆って合成樹脂からなる最内層と最外層との二層からなる絶縁層と、を備え、前記最内層は、伸び率が前記最外層よりも大きい樹脂で構成し、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明の電動機によれば、効率良く接合部の露出を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制して、品質を高く保つという効果を得ることができる。また、固定子巻線の少なくとも一部にアルミニウム線を用いる構成にしたので、材料コストを低減し軽量化を図ることができる。

本発明の実施の形態１の電動機を搭載した天井扇の側面図 同電動機の全体構成を示す断面図 同電動機の固定子の部分断面による平面図 本発明の実施の形態１を示す図で、接合部のコーティングの状態を示す図３のＣ−Ｃ断面図 本発明の実施の形態２を示す図で、接合部のコーティングの状態を示す図３のＣ−Ｃ断面図 従来の電動機の構成を示す断面図 同電動機の端子接合部の状態を示す拡大図

本発明の電動機は、複数のスロットを円環状に設けた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線と、前記固定子巻線の端末を接合する金属端子を装備した端子台とを有する固定子と、前記固定子鉄心の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子を備えた電動機であって、少なくとも一部にアルミニウム線を用いた前記固定子巻線と、前記アルミニウム線の端末と前記金属端子を半田により接合した接合部と、前記接合部の全体を覆って合成樹脂からなる最内層と最外層との二層からなる絶縁層と、を備え、前記最内層は、伸び率が前記最外層よりも大きい樹脂で構成している。このため効率良く接合部の露出を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制して、品質を高く保つ電動機が得られる。また、固定子巻線にアルミニウム線を用いる構成にしたので、材料コストを低減し軽量化を図ることができる。

また、前記最内層に用いる樹脂は、０．０５〜０．８０Ｐａ・ｓの範囲の粘度を有するという構成にしてもよい。これにより、アルミニウム線端末と金属端子の接合部に施す絶縁層は、最内層に粘度の低い合成樹脂を用いて、接合部と特に凹凸部を含む金属端子基部の周辺を幅広く保護することになるので、効率良く接合部の露出を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制して、品質を高く保つことができるという効果を奏する。

また、前記最内層に用いる樹脂は、ポリオレフィン系樹脂であるという構成にしてもよい。これにより、最内層に耐湿性の良い絶縁コーティングを形成することになるので、効率良く接合部の露出を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制して、品質を高く保つことができるという効果を奏する。

また、前記最外層に用いる樹脂は、１０〜３００Ｐａ・ｓの範囲の粘度を有するという構成にしてもよい。これにより、アルミニウム線端末と金属端子の接合部に施す絶縁層は、最外層に粘度の高い合成樹脂を用いて、接合部と特に金属端子先端部の周辺の肉厚を確保して全体を覆うことになるので、効率良く接合部の露出を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制して、品質を高く保つことができるという効果を奏する。

また、前記最外層に用いる樹脂は、熱硬化性樹脂からなるという構成にしてもよく、また、前記最外層に用いる樹脂は、エポキシ樹脂であるという構成にしてもよい。これにより、アルミニウム線端末と金属端子の接合部に施す絶縁層は、最外層に粘度の高い熱硬化性樹脂を用いることで、熱硬化後に強固な絶縁層を形成し、接合部と特に金属端子先端部の周辺の肉厚を確保して保護することになるので、効率良く接合部の露出を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制するため、品質を高く保つことができるという効果を奏する。

また、前記絶縁層は、前記最内層と前記最外層の間に、中間層を設けるという構成にしてもよく、また、前記中間層に用いる樹脂は、シリコン樹脂であるという構成にしてもよい。これにより、アルミニウム線端末と金属端子の接合部に施す絶縁層の中間層に、粘度が最内層よりも高く、最外層よりも低いシリコン樹脂を用いることで、接合部と特に凹凸部を含む金属端子基部の周辺の肉厚を確保することになるので、効率良く接合部の露出を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制する効果が増大するため、品質を高く保つことができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の電動機を搭載した天井扇の側面図を示したものである。この天井扇１は、天井に取り付けられる扇風機であり、シーリングファンとも呼ばれ、駆動源として電動機２が利用される。支柱４は、天井に下向きに固定され、その支柱４には、中空軸６が接続されて、その先端に羽根３を備えた電動機２が取り付けられている。電動機２は本体カバー５と上部カバー１１とで覆われている。

図２は電動機の全体構成を示す断面図である。この電動機２は、外転型のコンデンサ誘導電動機であり、中空軸６には、インシュレータ７を介してＡ相巻線８（内側コイル）およびＢ相巻線９（外側コイル）を施した固定子鉄心１６が固定されている。この固定子鉄心１６の周囲に空隙を介し、中空軸６を中心として回転子鉄心１７が配設されている。そして、回転子鉄心１７は、回転子カバー１２に圧入保持されて、外転型の回転子としている。また、回転子カバー１２及び上部カバー１１には、軸受ハウジング部１３ａ・１３ｂが設けられ、軸受部１４ａ・１４ｂを介して中空軸６に回転可能に取り付けられている。

図３は電動機の固定子の部分断面による平面図である。固定子鉄心１６は複数枚の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなり、その中心部に中空軸６を圧入保持する中心孔２１を有している。この中心孔２１の外周側に円環状に位置してＡ相巻線８を巻装する第１歯部２２と、この第１歯部２２から更に外周方向に二股に延設してＢ相巻線９を巻装する第２歯部２３とを形成してなる。また、隣り合う第１歯部２２によって、第１スロット２４が形成され、二股に延設した第２歯部２３の間に第２スロット２５が形成されている。また、Ａ相巻線８およびＢ相巻線９には、アルミニウム線を用いている。固定子鉄心１６には樹脂成形品からなる端子台１９がねじ２６で締結されており、この端子台１９には金属端子１８（図示せず）が挿入保持されている。Ａ相巻線８およびＢ相巻線９の引出線８ａおよび９ａの各端末は、金属端子１８に絡げて半田接合され、その接合部２７には上から絶縁層１５によるコーティングが施されている。

図４は本発明の実施の形態１を示す図で、接合部のコーティングの状態を示す図３のＣ−Ｃ断面図である。図に示すように、アルミニウム線を用いたＡ相巻線８およびＢ相巻線９の引出線８ａおよび９ａは、それぞれの端末の絶縁被膜を除去した後、端子台１９に装備された金属端子１８に絡げられ、半田接合が施される。金属端子１８の材料は、黄銅にニッケル等のめっきを施したものである。

塩水が接合部２７に浸入する経路は大きく２つあり、端子台１９から金属端子基部３４を経由して接合部２７に至る場合と、絶縁層の上方部から金属端子先端部３５を経由して接合部２７に至る場合とがある。いずれも絶縁層１５の形成が不十分なことが原因であり、前者については金属端子基部３４付近が凹凸部を含むことから特に凹部に樹脂が入り込まず空隙や気泡が生じたり、後者については絶縁層の樹脂が塗布後に形状を保てず垂れて金属端子先端部付近が薄肉になるためである。絶縁物の極めて小さな数μｍ程度のピンホールであっても塩水は浸透する。

本発明が解決しようとする課題は、前述のようにアルミニウム線の引出線８ａおよび９ａの端末と金属端子１８の接合部２７に塩水が浸入することを防ぐことであり、アルミニウムの腐食を抑制することが可能な絶縁層１５を形成することである。

次に、実施の形態１における特徴的な構造について説明する。

図４において、アルミニウム線の引出線８ａおよび９ａの各端末と金属端子１８の接合部２７に施す絶縁層１５は、まず最内層３１として、ポリオレフィン系樹脂が接合部２７の全体を覆うように塗布形成されている。最内層３１の役割は、粘度の低い合成樹脂を用いて、接合部２７と特に凹凸部を含む金属端子基部３４の周辺を幅広く保護することにあるので、耐湿性の良い絶縁コーティングを形成することが可能なポリオレフィン樹脂が適している。これにより、接合部２７と、特に金属端子基部３４の根元付近の凹部にも樹脂が十分に入り込み、空隙や気泡なく確実に保護することができる。

また、最内層３１は刷毛塗り等による手作業や、ディスペンサ式自動塗布装置およびディップ装置等により塗布することができ、数分間で自然乾燥することから作業性が良く工程管理も容易となる。上記方法により最内層３１を塗布形成するためには、種々実験した結果からポリオレフィン樹脂の粘度を０．０５〜０．８０Ｐａ・ｓの範囲に設定することが好ましい。

次に、絶縁層１５の最外層３３として、エポキシ樹脂が最内層３１を覆うように塗布されており、２層構造を形成している。絶縁層１５の全体肉厚は、最低でも０．５ｍｍ以上を確保するように形成されている。最外層３３の役割は、粘度の高い合成樹脂を用いて、接合部２７と、特に金属端子先端部３５の周辺の肉厚を確保して全体を覆うことにあるので、塗布時の粘度が高いエポキシ樹脂が適している。これにより、接合部２７と、金属端子先端部３５付近の絶縁層の肉厚を確保することができる。

また、最外層３３はディスペンサ式自動塗布装置等により塗布することができるため、作業性が良く工程管理も容易となる。エポキシ樹脂の粘度が１０Ｐａ・ｓ以下になると、絶縁層の樹脂が塗布後に形状を保てず垂れて金属端子先端部付近が薄肉になる。よって、上記方法により最外層３３を塗布形成するためには、エポキシ樹脂の粘度を１０〜３００Ｐａ・ｓの範囲に設定することが好ましい。

また、最外層３３に用いるエポキシ樹脂は熱硬化性樹脂であり、１２０℃〜１３０℃の乾燥炉にて熱硬化させることができる。従来工程においてワニス含浸設備を使用している場合は、ワニス含浸前に実施する予備加熱工程の中でエポキシ樹脂を十分硬化させることができるため、新しく加熱設備を追加する必要がないので、余分な設備と工数を必要としない。このようにして、熱硬化後には、強固な最外層３３を形成することができる。

以上、最内層３１と最外層３３の特徴的な構造について示したが、上記材料の組合せおよび設定条件で使用されない場合は、所望の効果を得ることはできない。例えば、絶縁層１５にポリオレフィン樹脂のみを用いた場合、粘度が低いために金属端子先端部３５の周辺の肉厚を確保して全体を覆うことは困難である。また、絶縁層１５にエポキシ樹脂のみを用いた場合、粘度が高いために金属端子基部３４の根元付近まで確実に、空隙や気泡なく絶縁層１５を塗布形成することは困難である。よって、接合部２７に塩水が浸入することを防ぎ、アルミニウムの腐食を抑制することが可能な絶縁層１５を形成するためには、前述材料の組合せおよび設定条件で使用する必要がある。

次に、アルミニウム線端末（引出線８ａ、引出線９ａ）と金属端子１８の接合方法について説明する。

アルミニウム線の引出線８ａおよび９ａは、それぞれの端末の絶縁被膜を除去した後、アルミニウム導体を金属端子１８に絡げて半田接合が施される。

しかしながら、アルミニウム導体の表面には、酸化アルミニウム（融点２０２０℃）による被膜が形成されており、アルミニウム導体と金属端子の半田接合を妨げる。そのため、酸化アルミニウム被膜を除去する必要がある。その方法は、外皮の絶縁被膜と同時に機械剥離する方法と、超音波溶着等により酸化被膜を割る方法がある。後者は酸化被膜の割れた箇所を介してアルミニウム導体と金属端子の半田接合が行なわれるが、酸化被膜はそのまま残るので酸化被膜には半田が付かず仕上りが不完全となる。このため、アルミニウムが露出する部分が生じる。ここで、上記材料の組合せと設定条件で絶縁層１５を形成すれば、たとえ接合部２７の半田仕上りが不完全でアルミニウムの露出が生じたとしても、塩水等の浸透を保護することができる。

また、硬化後の物理特性において、最内層３１のポリオレフィン系樹脂は、最外層３３のエポキシ樹脂と比べて伸び率が大きい。これにより、電動機２に熱的衝撃が加えられ、接合部２７に熱膨張および熱収縮が生じた場合でも、伸び率の大きい最内層３１で吸収することにより、最外層３３に亀裂や剥離が発生するのを防止することになるので、接合部２７の露出と塩水の浸入を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制して、品質を高く保つことができる。

なお、実施の形態１では、金属端子１８は固定子鉄心に対して垂直になるように縦方向に配置しコーティングを施したが、方向には関係なく例えば固定子鉄心に対して横方向に配置しても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、天井扇１は羽根径が大きく、羽根を所定の回転数で回転させるだけのトルクを保持した電動機２が必要となる。そのため、電動機２としては、外転型の回転子と、複数の歯部を放射状に配設した多極の固定子とを備えた比較的大型のものが用いられる。このような天井扇１用の電動機２は、比較的重量があり、また巻線長も長くなることが課題である。すなわち、本実施の形態による電動機２が適しており、軽量化と低コスト化を実現し、かつ品質を高く保つ天井扇を提供することができる。

さらに、本実施の形態による電動機２は、例えば換気扇等の空気を循環させる装置にも適している。すなわち、換気扇等に搭載される電動機は、一般的に内部に空気を循環させる構造を備えている。このような送風機は、沿岸地域等の様々な環境で使用されるため、電動機の電解腐食に対する保護は必要であるから、本実施の形態による電動機２が適しており、効率良く接合部の露出を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制して、品質を高く保つ送風機を提供することができる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２を示す図で、接合部２７のコーティングの状態を示す図３のＣ−Ｃ断面図である。この図において、図１から図４と同じ構成要素については同一の符号を用い、その詳細な説明は省略する。

図５において、アルミニウム線の引出線８ａおよび９ａの各端末と金属端子１８の接合部２７に施す絶縁層１５は、まず最内層３１としてポリオレフィン系樹脂が接合部２７の全体を覆うように塗布される。次に、中間層３２としてシリコン樹脂がその上を覆うように塗布され、最後に最外層３３としてエポキシ樹脂がその上を覆うように塗布されており、３層構造を形成している。絶縁層１５の全体肉厚は、最低でも０．５ｍｍ以上を確保するように形成されている。

ここで、図５において、実施の形態１と異なるところは、中間層３２にシリコン樹脂を追加した点である。中間層３２の役割は、粘度が最内層３１よりも高く、最外層３３よりも低いシリコン樹脂を用いることで、更に効果的に、凹凸部を含む金属端子基部３４の周辺の肉厚を確保することになるので、シリコン樹脂が適しており、所望の絶縁層１５を形成することができる。

また、硬化後の物理特性においても、中間層３２に用いられるシリコン樹脂の伸び率は、最内層３１に用いられるポリオレフィン系樹脂と最外層３３に用いられるエポキシ樹脂の間の特性を有する。これにより、電動機２に熱的衝撃が加えられ、接合部２７に熱膨張および熱収縮が生じた場合でも、伸び率の大きい最内層３１および中間層３２で吸収することができる。このことにより、最外層３３に亀裂や剥離が発生するのを防止することになるので、接合部２７の露出と塩水の浸入を防ぎ、アルミニウム線の腐食を抑制する効果が増大して、品質をより高く保つことができる。

なお、実施の形態１及び実施の形態２で説明した電動機２は、Ａ相巻線８とＢ相巻線９にアルミニウム線を用いたが、一部をアルミニウム線で、残りを銅線という構成にしても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、電動機２は外転型の電動機としたが、内転型の電動機としても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、電動機２はコンデンサ誘導電動機としたが、直流電動機、いわゆるＤＣモータであっても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、送風機は天井扇としたが、換気扇等であっても良く、その作用効果に差異を生じない。

本発明にかかる電動機は、固定子巻線にアルミニウム線を用いて軽量化と低コスト化を実現し、かつ品質を高く保つことを可能とするものであるので、天井扇などの駆動用電動機として有用である。

１ 天井扇
２ 電動機
３ 羽根
４ 支柱
５ 本体カバー
６ 中空軸
７ インシュレータ
８ Ａ相巻線
８ａ 引出線
９ Ｂ相巻線
９ａ 引出線
１１ 上部カバー
１２ 回転子カバー
１３ａ，１３ｂ 軸受ハウジング部
１４ａ，１４ｂ 軸受部
１５ 絶縁層
１６ 固定子鉄心
１７ 回転子鉄心
１８ 金属端子
１９ 端子台
２０ 固定子
２１ 中心孔
２２ 第１歯部
２３ 第２歯部
２４ 第１スロット
２５ 第２スロット
２６ ねじ
２７ 接合部
３１ 最内層
３２ 中間層
３３ 最外層
３４ 金属端子基部
３５ 金属端子先端部

Claims (6)

1. 複数のスロットを円環状に設けた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線と、前記固定子巻線の端末を接合する金属端子を装備した端子台とを有する固定子と、前記固定子鉄心の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子を備えた電動機であって、
   少なくとも一部にアルミニウム線を用いた前記固定子巻線と、
   前記アルミニウム線の端末と前記金属端子を半田により接合した接合部と、
   前記接合部の全体を覆って合成樹脂からなる最内層と最外層との二層からなる絶縁層と、を備え、
   前記最内層は、
   伸び率が前記最外層よりも大きい樹脂で構成された電動機。
2. 前記最内層は、
   硬化前の粘度が前記最外層よりも低く硬化後の伸び率が前記最外層よりも大きい樹脂で構成され、
   前記最外層は、
   硬化前の粘度が前記最内層よりも高い樹脂で構成された請求項１記載の電動機。
3. 複数のスロットを円環状に設けた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線と、前記固定子巻線の端末を接合する金属端子を装備した端子台とを有する固定子と、前記固定子鉄心の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子を備えた電動機であって、
   少なくとも一部にアルミニウム線を用いた前記固定子巻線と、
   前記アルミニウム線の端末と前記金属端子を半田により接合した接合部と、
   前記接合部の全体を覆って合成樹脂からなる最内層と最外層との二層からなる絶縁層と、を備え、
   前記最内層はポリオレフィン系樹脂で構成された電動機。
4. 前記最外層はエポキシ樹脂で構成された請求項３記載の電動機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機を搭載した天井扇。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機を搭載した送風機。