JP4853572B2 - 電動機およびそれを備えた電気機器 - Google Patents

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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防止するように改良された電動機およびそれを備えた電気機器に関する。
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ずコモンモード電圧が発生する。そして、このコモンモード電圧によって、軸受の外輪と内輪との間に電位差(以下、軸電圧という)が発生する。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、軸受の内部に高周波電流が流れ、軸受内部に電食が発生する。電食が進行した場合、軸受内輪または外輪の内部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(例えば、特許文献1参照)。
特に電食が発生しやすい条件として、モータ印加電圧が高い地域(例えば商用電源240V地域など)で、比較的低温時、かつモータとして回転数変動が少ない状態で長時間運転した場合に起こりやすいことが知られている。
ところで、従来、電食を防止するためには、以下のような対策が考えられている。
(1)軸受内輪と外輪を導通状態にする。
(2)軸受内輪と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、電食の防止には非常に効果はあるが、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、軸電圧部分と並列に軸電圧低減用の分圧回路を設ける方法が挙げられる。より具体的には電動機のシャフトに金属製の円盤(導電体)を設け、この円盤をブラケットに近接させて静電容量を形成する。このような構成により、軸電圧を低減する方法が公知である(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、特許文献2に記載されたような構成では、シャフトに円盤を設ける必要があるため、部品点数や製造工数が増加するという課題があった。さらに、静電容量を増加させるには、例えば円盤の面積を大きくする必要があり、大掛かりな構成となり、電動機の小型化には不向きであるという課題もあった。したがって、小型化を求められる電動機への適用や量産性を考慮した場合、特許文献2のような手法を採用することは非常に困難であった。
特開2007−159302号公報 特開2000−152564号公報
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、固定子に対向して周方向に複数の永久磁石を保持した回転体と回転体の中央を貫通するように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、軸受を固定するブラケットとを備え、巻線と軸受の内輪との間のインピーダンス、および巻線と軸受の外輪との間のインピーダンスの少なくともいずれかのインピーダンスを調整するインピーダンス調整部材を含む。
また、このインピーダンス調整部材は、固定子鉄心と軸受の内輪との間のインピーダンスと、固定子鉄心と軸受の外輪との間のインピーダンスとを近似あるいは一致させる整合部材である。
このような構成により、インピーダンス調整部材を適切に調整することによって、固定子鉄心と軸受の内輪との間のインピーダンスと、固定子鉄心と軸受の外輪との間のインピーダンスとを整合させることができる。それぞれのインピーダンスをこのように整合させることにより、本電動機を駆動したとき、高周波電流によって軸受の内輪と外輪とに生じる電位を近似あるいは一致させることができる。すなわち、これによって、軸受の内輪と外輪との電位差である軸電圧を低減できる。このため、このような簡易な構成によって軸受内部に発生する電食を防止することができる。
また、整合部材は、固定子鉄心とブラケットとの間に設けたインピーダンス成分を有する部材である。
また、固定子鉄心とブラケットとの間が、インピーダンス成分を有する部材によって電気的に接続されている。
また、インピーダンス成分を有する部材は、誘電素子と抵抗素子との少なくともいずれかである。
また、固定子鉄心と軸受の内輪との間のインピーダンスを基準としたとき、固定子鉄心と軸受の外輪との間のインピーダンスは、基準の+10%増から−75%減までの範囲内としている。
このような構成により、大掛かりな構成とすることは必要なく、簡易な構成で軸受内部に発生する電食を防止することができ、小型化にも適した電動機を実現できる。
また、固定子は樹脂にて絶縁された固定子鉄心に巻線を巻装し、この樹脂をインピーダンス調整部材として、樹脂の誘電率を3.0以下としてもよい。
また、固定子鉄心を巻装する巻線を絶縁樹脂にてモールド一体成形したハウジング部を設け、軸受は一対の軸受で構成され、一方の軸受をハウジング部の内部に設け、他方の軸受をブラケットに固定し、絶縁樹脂をインピーダンス調整部材として、絶縁樹脂の誘電率を3.0以下としてもよい。
また、整合部材として、回転体の外周とシャフトとの間に設けたインピーダンス成分を有する部材としてもよい。
このような構成によっても、大掛かりな構成とすることは必要なく、簡易な構成で軸受内部に発生する電食を防止することができ、小型化にも適した電動機を実現できる。
また、本発明の電気機器は、上述したような電動機を搭載した構成である。
本発明の実施の形態1における電動機の構造を示す断面図 ブラシレスモータの静電容量の概略分布モデル図 電食が発生するメカニズムを説明するための、各構成部材間を等価的な静電容量および抵抗成分で表した等価回路図 電食が発生するメカニズムを説明するための、固定子側の静電容量も考慮した等価回路図 本発明の実施の形態1における電動機を駆動させた際の各構成部材間を等価的な静電容量および抵抗成分で表した等価回路図 本発明の実施の形態1において、固定子鉄心とブラケットとの間に抵抗素子を接続したときの等価回路図 本発明の実施の形態1における電動機の軸電圧の測定方法を示す図 本発明の実施の形態1における電動機の軸電圧の電圧波形を示す図 本発明の実施の形態1における電動機の軸電流の測定方法を示す図 本発明の実施の形態2における電動機の構造を示す断面図 本発明の実施の形態3における電動機の構造を示す断面図 本発明の実施の形態3における電動機を駆動させた際の各構成部材間を等価的な静電容量および抵抗成分で表した等価回路図
以下本発明を実施するための最良の形態を、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における電動機の構造を示す断面図である。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、巻線である固定子巻線12が巻装された固定子鉄心11は、モールド一体成形するためのモールド材である絶縁樹脂(以下、モールド材という)13にてモールド成形されている。これによって、固定子10を含むハウジング部が構成されている。また、固定子鉄心11と固定子巻線12との間には、固定子鉄心11を絶縁するインシュレータとしての樹脂(以下、インシュレータという)21が介在している。
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。回転子鉄心31は、固定子10の内周側に対向して周方向に複数の永久磁石を保持している。図1では、回転子鉄心31と永久磁石であるフェライト樹脂磁石32と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15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ベアリングである。2つの軸受15の一方はモールド一体成形するモールド材13に固定され、他方は金属製のブラケット17に固定されている。すなわち、軸受15の外輪側がモールド材13およびブラケット17に固定され、軸受15の鉄ボールや潤滑剤を介し、軸受15の内輪側において、その内輪にシャフト16が固着されている。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。なお、このような構造により、固定子鉄心11とブラケット17とはモールド材13により絶縁されている。また、他方の軸受15の外輪側はブラケット17と直流電気的に接続され、両軸受15の内輪側はシャフト16および回転子鉄心31と直流電気的に接続されている。そして、本電動機が駆動されたとき、軸受15の内輪と外輪との間において潤滑剤やその油膜などを介した絶縁状態が生じる。
さらに、このブラシレスモータには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にはPWM方式のインバータ駆動回路が搭載されている。このインバータ駆動回路により固定子巻線12が駆動される。このようなプリント基板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、制御回路の電源電圧および制御電圧を印加するリード線と制御回路のグランド線20とが接続されている。
そして、本実施の形態では、さらに、固定子鉄心11とブラケット17との間に誘電素子であるキャパシタ40を電気的に接続している。このような接続を行うため、具体的には、まず、固定子鉄心11の側面に位置するモールド材13の一部を切削して貫通孔41を設け、固定子鉄心11の一部を露出させている。そして、貫通孔41を通して、露出させた固定子鉄心11の一部に接続ピン42の一端を接続する。さらに、接続ピン42の他端にキャパシタ40の一端を接続し、キャパシタ40の他端をブラケット17に接続している。
本実施の形態では、固定子巻線12と軸受15の外輪との間のインピーダンスを調整するため、インピーダンス調整部材としてこのようなインピーダンス成分を有した素子であるキャパシタ40を配置している。より具体的には、固定子鉄心11と軸受15の外輪との間のインピーダンスが、固定子鉄心11と軸受15の内輪との間のインピーダンスに近似あるいは一致するように、それぞれのインピーダンスを整合させるため、固定子鉄心11とブラケット17との間にキャパシタ40を設けている。すなわち、固定子鉄心11とブラケット17との間に、それぞれのインピーダンスを整合させるための整合部材としてキャパシタ40を設けることにより、固定子鉄心11と軸受15の外輪との間のインピーダンスが調整される。そして、このような調整により、それぞれのインピーダンスが近似あるいは一致する。
本実施の形態では、それぞれのインピーダンスをこのように整合させることにより、本電動機を駆動したとき、高周波電流によって軸受15の内輪と外輪とに生じる電位を近似あるいは一致させ、これによって軸受内部に発生する電食を防止している。
ここで、電食が発生するメカニズムの一例について説明する。
図2は、図1に示すブラシレスモータの静電容量の概略分布モデル図である。なお、図2では電食が発生するメカニズムを判りやすく説明するため、固定子鉄心11とブラケット17との間のキャパシタ40を省略している。
図2において、静電容量C1は、固定子巻線12とプリント基板18との間の静電容量である。静電容量C1の値は、モールド一体成形する絶縁樹脂13の誘電率および絶縁距離に主に依存する。
静電容量C2は、プリント基板18とブラケット17との間の静電容量である。静電容量C2の値は、空間絶縁距離に主に依存する。
静電容量C3は、シャフト16とブラケット17間の静電容量である。静電容量C3の値は、軸受15内部の潤滑剤の誘電率および油膜厚に主に依存する。
静電容量C4は、固定子鉄心11と回転子14間の静電容量である。静電容量C4の値は、空隙距離に主に依存する。
静電容量C5は、固定子鉄心11と固定子巻線12間の静電容量である。静電容量C5の値は、固定子鉄心を絶縁する樹脂21の誘電率と厚さに主に依存する。
静電容量C6は、固定子の絶縁樹脂13とシャフト16間の静電容量である。静電容量C6の値は、静電容量C3と同様に、軸受15内部の潤滑剤の誘電率および油膜厚に主に依存する。
静電容量C7は、固定子巻線12と軸受15間の静電容量である。静電容量C7の値は、静電容量C1と同様に、固定子の絶縁樹脂13の誘電率および絶縁距離に主に依存する。ここで、図中のVdcは、プリント基板18に印加される電圧である。
このような構成のブラシレスモータをPWM方式のインバータにより駆動した場合、コモンモード電圧が発生し、静電容量C1からC7および抵抗成分によって軸電圧が発生する。この軸電圧に対して特定の条件下では、軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧が発生し、電食に至るケースがある。
固定子巻線12をPWM方式のインバータにより駆動すると、各構成部材間の静電容量C1からC7および抵抗成分を介して、ループ状の高周波の循環電流が発生する。循環電流のルートとしては、例えば、固定子鉄心11から固定子巻線12、プリント基板18、ブラケット17、軸受15、シャフト16、回転子14、そして固定子鉄心11に戻るというルートがある。そのときに、軸受15内部で潤滑剤であるグリスの油膜が切れたり、または油膜厚が薄くなったりすると、それに伴い局所的な絶縁破壊による放電現象が発生する。この放電現象により軸受15の転送面に微小の放電痕が形成され、それが長時間継続することで電食に至ることがある。この放電現象の発生は、コモンモード電圧が静電容量C1からC7および抵抗成分で分圧されるため、軸受15にかかる軸電圧の大きさに密接に関係してくる。
図3は、電食が発生するメカニズムを説明するための、各構成部材間を等価的な静電容量および抵抗成分で表した等価回路図である。図3では、固定子鉄心11とブラケット17とを短絡部材90により短絡させた場合の一例を示している。
また、図3では、固定子巻線12に発生した電位により、次のような2つのルートで高周波の電流が流れるような等価回路を示している。すなわち、一方のルートは、固定子巻線12から、固定子鉄心11を絶縁する樹脂21およびモールド一体成形する絶縁樹脂13、固定子鉄心11、ブラケット17、そして軸受15の外輪までへのルートである。他方のルートは、固定子巻線12から、樹脂21および絶縁樹脂13、固定子鉄心11、回転子14の永久磁石、回転子鉄心、シャフト16、そして軸受15の内輪までへのルートである。
このようなルートを図3に示すような等価回路で表している。すなわち、図3において、コモンモード電圧Eは、固定子巻線12に発生した電位に対応する。また、図3に示す等価回路は、固定子巻線12と固定子鉄心11との間のインピーダンスZcs、固定子側のインピーダンスZst8、および回転子側のインピーダンスZrtを含む。
インピーダンスZcsは、固定子巻線12から樹脂21および絶縁樹脂13を介して固定子鉄心11までの共通ルートでのインピーダンスを示す。図3では、固定子巻線12と固定子鉄心11との間における静電容量Ccsと抵抗Rcsとを並列接続した等価回路によるインピーダンスZcsとして示している。
固定子側のインピーダンスZst8は、固定子鉄心11から短絡部材90およびブラケット17を介して軸受15の外輪まで、前述の一方のルートに対応したインピーダンスを示す。図3では、固定子鉄心11から軸受15の外輪までの抵抗RsbによるインピーダンスZst8として示している。
回転子側のインピーダンスZrtは、固定子鉄心11から回転子14の永久磁石、回転子鉄心およびシャフト16を介して軸受15の内輪まで、前述の他方のルートに対応したインピーダンスを示す。図3では、2つの並列回路のそれぞれを直列接続した等価回路のインピーダンスZrtとして示している。一方の並列回路は、固定子鉄心11と回転子14との間の空隙における静電容量Cgapと抵抗Rgapとを並列接続した回路である。また、他方の並列回路は、回転子14の永久磁石から軸受15の内輪までにおける静電容量Cmgと抵抗Rmgとを並列接続した回路である。
そして、図3に示すように、軸受15の内輪と外輪との間を、静電容量Cbbと抵抗Rbbとを並列接続した等価回路の構成としている。この並列回路両端において、電圧Vsが軸受15の外輪の電圧を示し、電圧Vrが軸受15の内輪の電圧を示している。
ここで、回転子側のインピーダンスZrtは、
Figure 0004853572
となる。インピーダンスZrtは、固定子鉄心および回転子永久磁石の表面積、固定子鉄心と回転子永久磁石との空隙距離や、回転子に用いられる永久磁石材質、および回転子鉄心までの永久磁石の厚さなどにより決まる。
また、固定子側のインピーダンスZst8は、
Figure 0004853572
となる。
ここで、固定子側として固定子鉄心11とブラケット17とが短絡されているため、(式1)と(式2)とを比較すると、固定子側のインピーダンスZst8は、回転子側のインピーダンスZrtよりも低い。すなわち、Zrt>Zst8の状態となっている。つまり、軸受15の内輪の電圧Vrは、Zrtのインピーダンスが高いため低い電圧となり、軸受15の外輪の電圧VsはZst8のインピーダンスが低いため高い電圧となる。したがって、軸受15の内輪と外輪との間には、電圧値(Vs−Vr)となる軸電圧が発生する。
そして、軸受15の内輪と外輪との間で生じるこのような軸電圧により放電現象が発生し、この放電現象によって電食現象が生じる。この電食現象が繰り返されることにより、軸受15の転送面が荒れ、波状摩耗現象に至ると最終的にモータの異常音の発生につながる。また、軸電圧が高いほどこのような放電現象が発生しやすくなる。
また、以上の説明では、固定子側のインピーダンスZst8は抵抗成分である抵抗Rsbのみとして説明したが、実際には静電容量も含む。すなわち、抵抗成分に加えて、固定子鉄心11とブラケット17との間のモールド材13やプリント基板18、さらにはプリント基板18とブラケット17との間の空間などによる静電容量が存在する。図4は、これら固定子側の静電容量も考慮した等価回路図である。図4での静電容量Csbおよび抵抗Rsbがこれらの静電容量や抵抗成分を示している。また、この場合の固定子側のインピーダンスZst9は、
Figure 0004853572
となる。
このような、静電容量Csbを考慮すると、固定子側のインピーダンスZst9はより低くなり、軸受15の外輪の電圧Vsはやはり高い電圧となる。
以上説明したように、固定子鉄心11から軸受15の内輪までのインピーダンスと外輪までのインピーダンスが異なることにより生じる軸電圧が電食発生の一要因となる。
次に、上述のように構成された本実施の形態の電動機によって電食が防止できる原理について説明する。
図5は、本実施の形態における電動機を駆動させた際、各構成部材間を等価的な静電容量および抵抗成分で表した等価回路図である。
図5では、固定子巻線12に発生した電位により、次のような2つのルートで高周波の電流が流れるような等価回路を示している。すなわち、一方のルートは、固定子巻線12から、固定子鉄心11を絶縁するインシュレータ21およびモールド材13、固定子鉄心11、キャパシタ40、ブラケット17、そして軸受15の外輪へのルートである。他方のルートは、固定子巻線12から、インシュレータ21およびモールド材13、固定子鉄心11、回転子14の永久磁石、回転子鉄心31、シャフト16、そして軸受15の内輪へのルートである。
このようなルートを図5に示すような等価回路で表している。図5において、コモンモード電圧Eは、固定子巻線12に発生した電位に対応する。また、図5に示す等価回路は、固定子巻線12と固定子鉄心11との間のインピーダンスZcs、固定子側のインピーダンスZst1、および回転子側のインピーダンスZrtを含む。
インピーダンスZcsは、固定子巻線12からインシュレータ21およびモールド材13を介して固定子鉄心11までの共通ルートでのインピーダンスを示す。図5では、固定子巻線12と固定子鉄心11との間における静電容量Ccsと抵抗Rcsとを並列接続した等価回路によるインピーダンスZcsとして示している。固定子巻線12と固定子鉄心11とはインシュレータ21やモールド材13で絶縁されているため、静電容量CcsがインピーダンスZcsの主成分となる。
固定子側のインピーダンスZst1は、固定子鉄心11からキャパシタ40およびブラケット17を介して軸受15の外輪まで、前述の一方のルートに対応したインピーダンスを示す。図5では、固定子鉄心11から軸受15の外輪までの抵抗Rsbと、固定子鉄心11とブラケット17との間に接続されたキャパシタ40の静電容量C40との直列接続によるインピーダンスZst1として示している。固定子側のインピーダンスZst1は、
Figure 0004853572
となる。固定子鉄心11やブラケット17の抵抗成分である抵抗Rsbは比較的低いため、静電容量C40がインピーダンスZst1の主成分となる。
回転子側のインピーダンスZrtは、固定子鉄心11から回転子14の永久磁石、回転子鉄心31およびシャフト16を介して軸受15の内輪まで、前述の他方のルートに対応したインピーダンスを示す。図5では、2つの並列回路のそれぞれを直列接続した等価回路のインピーダンスZrtとして示している。一方の並列回路は、固定子鉄心11と回転子14との間の空隙における静電容量Cgapと抵抗Rgapとを並列接続した回路である。また、他方の並列回路は、回転子14の永久磁石から軸受15の内輪までにおける静電容量Cmgと抵抗Rmgとを並列接続した回路である。インピーダンスZrtは式1となる。固定子鉄心11と回転子14との間は空隙であり、永久磁石から軸受15の内輪までは金属が接続された構成であるため、静電容量Cgapおよび抵抗RmgがインピーダンスZrtの主成分となる。
そして、図5に示すように、軸受15の内輪と外輪との間を、静電容量Cbbと抵抗Rbbとを並列接続した等価回路の構成としている。この並列回路両端において、電圧Vsが軸受15の外輪の電圧を示し、電圧Vrが軸受15の内輪の電圧を示している。
ここで、上述したように固定子鉄心11とブラケット17とを短絡した場合、固定子側のインピーダンスは、回転子側のインピーダンスよりも低くなる。これに対して、本実施の形態では、固定子鉄心11とブラケット17との間にキャパシタ40を接続している。このような構成により、固定子側のインピーダンスZst1は式4で示すようになり、固定子鉄心11とブラケット17とを短絡した場合に比べて、インピーダンスが高くなる。すなわち、キャパシタ40の静電容量C40を調整してその容量値を適切に設定することで、固定子側のインピーダンスZst1を回転子側のインピーダンスZrtに近似あるいは一致させ、それぞれのインピーダンスを整合させることができる。さらに、固定子側のインピーダンスZst1と回転子側のインピーダンスZrtとを近似あるいは一致させることにより、軸受15の外輪の電圧Vsと内輪の電圧Vrとが近似あるいは一致する。したがって、軸受15の内輪と外輪との間に生じる電位差、すなわち電圧値(Vs−Vr)の軸電圧を低く抑えることが可能となる。これによって、軸電圧が軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧に達することを抑制できるため、軸受内部に発生する電食を防止できる。
なお、以上、固定子側のインピーダンスを高くするために、固定子鉄心11とブラケット17との間に誘電素子としてのキャパシタ40を接続した構成例を挙げて説明したが、他の構成とすることも可能である。
すなわち、本実施の形態の変形例として、固定子鉄心11とブラケット17との間に抵抗素子を接続するような構成であってもよい。図6は、固定子鉄心11とブラケット17との間に抵抗素子を接続したときの等価回路図である。図6に示すように、図5での静電容量C40に代えて、抵抗R41が抵抗Rsbに直列に接続される。また、具体的な構成としては、図1でのキャパシタ40に代えて、抵抗器を接続することで実現できる。また、このときの固定子側のインピーダンスZst2は、
Figure 0004853572
となる。すなわち、固定子鉄心11とブラケット17との間にキャパシタ40を接続した場合と同様に、抵抗R41を調整してその抵抗値を適切に設定することで、固定子側のインピーダンスZst2を回転子側のインピーダンスZrtに整合させることができる。そして、これにより、軸受15の外輪の電圧Vsと内輪の電圧Vrとを近似あるいは一致させ、軸受15の内輪と外輪との間の軸電圧を低く抑えることができる。
また、以上の説明では、固定子鉄心11とブラケット17との間に誘電素子あるいは抵抗素子を接続するような構成について説明したが、誘電素子と抵抗素子とを並列接続や直列接続し、それらを固定子鉄心11とブラケット17との間に接続するような構成であってもよい。また、誘電素子や抵抗素子のような部品を、固定子鉄心11とブラケット17との間に接続するような構成に限定されず、例えば、所定の誘電率を有した樹脂や所定の抵抗値を有した抵抗体などの部材を固定子鉄心11とブラケット17との間に設けるような構成であってもよい。
以下、本実施の形態について実施例を用いてより具体的に説明する。
(実施例1)
図1に示したブラシレスモータを使用し、ブラケット17と接続ピン42との間に直列に、10pF、47pF、100pF、330pFおよび560pFの誘電素子をそれぞれキャパシタ40として接続し、軸電圧および軸電流の測定を実施した。なお、誘電素子には、ラジアルリード形のプラスチックフィルムコンデンサを使用した。
各部位の静電容量およびインピーダンスは、アジレントテクノロジー製LCRメータ4263Aを使用し、測定電圧1V、測定周波数10kHzにて測定を実施した。
図7に、軸電圧の測定方法を示す。軸電圧測定時には直流安定化電源を使用し、巻線の電源電圧Vdcを391V、制御回路の電源電圧Vccを15V、回転数を制御する制御電圧Vspを3Vとし、回転数を1000r/minとした同一運転条件下で測定を行った。なお、運転時のブラシレスモータ姿勢はシャフト水平とした。
軸受の外輪の電圧Vsと内輪の電圧Vrとは、デジタルオシロスコープ130(テクトロニクス製TDS640A)により、図8に示すような電圧波形を観測し、波高値を測定電圧とした。測定時の横軸時間は50μs/divの同一条件とした。なお、デジタルオシロスコープ130は、絶縁トランス140にて絶縁している。
軸受の外輪の電圧Vsの測定については、外輪近傍のブラケット17に導電性テープ112にてリード線111を接続し、そのリード線111にプローブ120の先端121を接続し、測定している。このとき、プローブ120のグランド122は電源のグランドに接続している。内輪の電圧Vrの測定については、リード線110の一端での導体を直径約8mmのループ状にし、そのループ状にした内周を内輪近傍のシャフト16の外周に導電接触させ、リード線110の他端にプローブ120の先端121を接続し、測定している。このとき、プローブ120のグランド122は電源のグランドに接続している。
図9に軸電流の測定方法を示す。軸電流の測定についても、軸電圧の測定と同様の運転条件およびモータ姿勢にて実施した。電流値の測定については、日置電機製の3156リークカレントハイテスタ150を使用して実施した。なお、電流値は外装−外装間漏れ電流測定モードでAC電流値を測定している。
上記測定においては、軸受の外輪と内輪とが常に絶縁状態となるセラミックボール仕様の軸受を全て使用した。通常の鉄ボール仕様では、軸受の外輪と内輪とが導通したりしなかったりするため正確な測定ができないためである。
(比較例1)
キャパシタ40を接続せず、かつブラケット17と固定子鉄心11とを短絡しない状態で、実施例1と同様に軸電圧および軸電流を測定した。
(比較例2)
キャパシタ40を接続せず、かつブラケット17と固定子鉄心11とを短絡した状態で、実施例1と同様に軸電圧および軸電流を測定した。
実施例1、比較例1、比較例2の測定結果を表1に示す。
Figure 0004853572
表1から明らかなように、固定子鉄心11とブラケット17との間にプラスチックフィルムコンデンサを直列に接続することによって、固定子鉄心11とブラケット17(軸受の外輪)との間のインピーダンスを、固定子鉄心11とシャフト16(軸受の内輪)との間のインピーダンスに近似させることができる。また、表1に示されるように、軸電流についても同様に低減することができる。特に、固定子鉄心11と軸受の内輪との間のインピーダンスを基準としたとき、この基準に対して、固定子鉄心11と軸受の外輪との間のインピーダンスが、基準の+10%増から−75%減までの範囲内であれば、軸電圧または軸電流を比較例1および比較例2よりも小さくすることが可能となる。
(実施例2)
実施例1と同一仕様のブラシレスモータを使用し、ブラケット17と接続ピン42との間に直列に、470kΩ、220kΩ、170kΩ、100kΩ、56kΩの抵抗素子をそれぞれ接続して、実施例1と同様な方法で、軸電圧および軸電流の測定を実施した。なお、抵抗素子には、リードタイプの炭素皮膜固定抵抗器を使用した。
実施例2、比較例1、比較例2の測定結果を表2に示す。
Figure 0004853572
表2から明らかなように、固定子鉄心11とブラケット17との間に炭素皮膜固定抵抗器を直列に接続することによって、固定子鉄心11とブラケット17(軸受の外輪)との間のインピーダンスを、固定子鉄心11とシャフト16(軸受の内輪)との間のインピーダンスに近似させることができる。また、表2に示されるように、軸電流についても同様に低減することができる。特に、固定子鉄心11と軸受の内輪との間のインピーダンスを基準としたとき、この基準に対して、固定子鉄心11と軸受の外輪との間のインピーダンスが、基準の+10%増から−65%減の範囲内であれば、軸電圧または軸電流を比較例1および比較例2よりも小さくすることが可能となる。
(実施の形態2)
図10は、本発明の実施の形態2における電動機の構造を示す断面図である。実施の形態1との比較において、本実施の形態では、キャパシタ40、貫通孔41および接続ピン42を設けていない。さらに、本実施の形態では、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を、誘電率が3.0以下であるインシュレータ211としている。なお、図10において、図1と同一の構成要素については同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。
本実施の形態では、固定子巻線12と軸受15の外輪との間のインピーダンスを調整するため、インピーダンス調整部材としてこのような誘電率が3.0以下のインシュレータ211を、固定子鉄心11と固定子巻線12との間に配置している。本実施の形態では、インシュレータの誘電率を低くすることにより、本電動機を駆動したとき、高周波電流によって軸受15の内輪と外輪とに生じる電位を低くし、これによって軸受内部に発生する電食を防止している。
次に、このように構成された本実施の形態の電動機によって電食が防止できる原理について説明する。
例えば図5の等価回路図に示すように、コモンモード電圧Eは、インシュレータを介しているため、インシュレータに対応した静電容量Ccsと抵抗Rcsは、軸受15の内輪の電圧Vrと外輪の電圧Vsとのそれぞれに影響を与える。固定子巻線12と固定子鉄心11との間のインピーダンスZcsは、
Figure 0004853572
となる。
一般的に電動機に使用されるインシュレータの誘電率は、1MHzの周波数測定条件下で3.2〜4.0程度のものである。これに対して、本実施の形態ではインシュレータ211の誘電率が3.0以下の低誘電率である材料を選択している。すなわち、このような選択により、固定子鉄心11を絶縁するインシュレータの静電容量Ccsを低減しており、これによって、インシュレータのインピーダンスZcsを高くしている。また、インシュレータのインピーダンスZcsは、固定子側のインピーダンスおよび回転子側のインピーダンスとそれぞれ直列接続となっている。このため、インシュレータのインピーダンスZcsを高くすると、インシュレータでの分担電圧が高くなる。その結果、軸受15の内輪の電圧Vrおよび外輪の電圧Vsは、それぞれ低くなる。すなわち、インピーダンスの高いインシュレータ211を用いると、電圧Vrおよび電圧Vsのそれぞれを低くすることができるため、電圧Vrと電圧Vsとの電位差である軸電圧も低くすることができる。これによって、軸電圧が軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧に達することを抑制できるため、軸受内部に発生する電食を防止できる。
なお、以上、インシュレータ211を低誘電率としたような一例を挙げて説明したが、固定子巻線12と固定子鉄心11との間のインピーダンスZcsは、実際には絶縁樹脂であるモールド材13の影響も受ける。すなわち、コモンモード電圧Eは、インシュレータ211およびモールド材13を介しているため、モールド材13による静電容量や抵抗成分も、軸受15の内輪の電圧Vrと外輪の電圧Vsとに影響を与える。このため、インピーダンス調整部材として、モールド材13の誘電率が3.0以下の低誘電率である材料を選択してもよい。また、インピーダンス調整部材として、誘電率が3.0以下のインシュレータおよび誘電率が3.0以下のモールド材を選択するような構成であってもよい。
以下、本実施の形態について実施例を用いてより具体的に説明する。
(実施例3)
実施例1と同一仕様のブラシレスモータを使用し、インシュレータ211の材料のみ誘電率2.8に変更したものを使用し、ブラケット17と固定子鉄心11とを短絡した状態にして、実施例1と同様な方法で、軸電圧および軸電流を測定した。インシュレータ211の材料には、出光石油化学製シンジオタクチックポリスチレン(SPS)樹脂(ザレックS120)を使用した。
なお、比較例2のインシュレータ材料は、従来から使用している一般的なポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂の成形材料で誘電率は3.6である。
(比較例3)
実施例1と同一仕様のブラシレスモータを使用し、インシュレータ211の材料のみ誘電率5.8に変更したものを使用し、ブラケット17と固定子鉄心11とを短絡した状態にして、実施例1と同様な方法で、軸電圧および軸電流を測定した。インシュレータ211の材料には、ウィンテックポリマー製ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂(ジュラネックス6302T)を使用した。
実施例3、比較例2、比較例3の測定結果を表3に示す。
Figure 0004853572
表3から明らかなように、インシュレータ211の誘電率が3.0以下である低誘電率材料を使用することによって、固定子巻線12と固定子鉄心11との間の静電容量が低くなり、固定子巻線12と固定子鉄心11との間のインピーダンスを高くできる。さらに、これによって、軸受の外輪の電圧Vsおよび内輪の電圧Vrをともに低くでき、結果的に軸電圧を低減することができる。また、軸電流についても、軸電圧の低下に伴い低減することができる。
(実施例4)
実施例1と同一仕様のブラシレスモータを使用し、モールド材13のみ誘電率2.1に変更したものを使用し、ブラケット17と固定子鉄心11とを短絡した状態にして、実施例1と同様な方法で、軸電圧および軸電流を測定した。モールド材13は、不飽和ポリエステル(UP)樹脂に、ガラスバルーンを充填剤として添加し、低誘電率化している。
なお、比較例2のモールド材13は、従来から使用している一般的なガラス繊維や炭酸カルシウムなどの充填剤を添加した不飽和ポリエステル(UP)樹脂の成形材料で誘電率は3.9である。
(比較例4)
実施例1と同一仕様のブラシレスモータを使用し、モールド材13のみ誘電率5.7に変更したものを使用し、ブラケット17と固定子鉄心11とを短絡した状態にして、実施例1と同様な方法で、軸電圧および軸電流を測定した。モールド材13は、不飽和ポリエステル(UP)樹脂に、酸化チタンを充填剤として添加し、高誘電率化している。
上記、樹脂材料の誘電率の確認は、JIS K 6911に準拠し、23℃、50%RH、1MHzの条件にて測定を行った。
実施例4、比較例2、比較例4の測定結果を表4に示す。
Figure 0004853572
表4から明らかなように、モールド材13の誘電率が3.0以下である低誘電率材料を使用することによって、固定子巻線12と固定子鉄心11との間の静電容量が低くなり、固定子巻線12と固定子鉄心11との間のインピーダンスを高くできる。さらに、これによって、軸受の外輪の電圧Vsおよび内輪の電圧Vrをともに低くでき、結果的に軸電圧を低減することができる。また、軸電流についても、軸電圧の低下に伴い低減することができる。
(実施の形態3)
図11は、本発明の実施の形態3における電動機の構造を示す断面図である。実施の形態1との比較において、本実施の形態では、キャパシタ40、貫通孔41および接続ピン42を設けていない。さらに、本実施の形態では、回転子鉄心31とシャフト16との間にインピーダンス成分を有した絶縁樹脂311を介在させている。実施の形態1では固定子巻線12と軸受15の外輪との間のインピーダンスを調整したのに代えて、本実施の形態では、絶縁樹脂311を介在させ、固定子巻線12と軸受15の内輪との間のインピーダンスを調整するような構成としている。なお、図11において、図1と同一の構成要素については同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。
本実施の形態では、固定子巻線12と軸受15の内輪との間のインピーダンスを調整するため、インピーダンス調整部材として、回転子鉄心31とシャフト16との間にインピーダンス成分を有した絶縁樹脂311を介在させている。より具体的には、固定子鉄心11と軸受15の内輪との間のインピーダンスが、固定子鉄心11と軸受15の外輪との間のインピーダンスに近似するように、それぞれのインピーダンスを整合させるため、回転子鉄心31とシャフト16との間に、それぞれを絶縁分離する絶縁樹脂311を介在させている。このような絶縁樹脂311を整合部材として介在させることにより、固定子鉄心11と軸受15の内輪との間のインピーダンスが調整される。
次に、このように構成された本実施の形態の電動機によって電食が防止できる原理について説明する。
図12は、本電動機を駆動させた際、各構成部材間を等価的な静電容量および抵抗成分で表した等価回路図である。
図12において、固定子側のインピーダンスZst3は、固定子鉄心11からブラケット17を介して軸受15の外輪までのインピーダンスを示す。図12では、固定子鉄心11から軸受15の外輪までの抵抗Rsbと、固定子鉄心11とブラケット17との間の静電容量Csbとの直列接続によるインピーダンスZst3として示している。すなわち、固定子鉄心11とブラケット17との間は電気的な接続がないため、図3で示したインピーダンスZst8に比べて、インピーダンスZst3のほうが高い。
また、回転子側のインピーダンスZrt3は、固定子鉄心11から回転子14の永久磁石、回転子鉄心31、インピーダンス調整部材としての絶縁樹脂311、シャフト16を介して軸受15の内輪までのインピーダンスを示す。図12に示すように、例えば図5の回転子側のインピーダンスZrtと比較して、インピーダンスZrt3は、絶縁樹脂311に対応した静電容量Cplと抵抗Rplとをさらに含む。回転子側のインピーダンスZrt3は、
Figure 0004853572
となる。すなわち、絶縁樹脂311がない場合よりも回転子側のインピーダンスを高くすることが可能となる。
したがって、固定子鉄心11とブラケット17との間を短絡しない場合には、固定子側のインピーダンスZst3は高くなる。このため、本実施の形態では、絶縁樹脂311を回転子鉄心31とシャフト16との間に介在させて回転子側のインピーダンスZrt3も高くすることで、それぞれのインピーダンスを近似あるいは一致させている。すなわち、回転子鉄心31とシャフト16との間に介在させた絶縁樹脂311による静電容量を調整して、その容量値を適切に設定することで、回転子側のインピーダンスZrt3を固定子側のインピーダンスZst3に近似あるいは一致させ、それぞれのインピーダンスを整合させることができる。さらに、回転子側のインピーダンスZrt3と固定子側のインピーダンスZst3とを近似あるいは一致させることにより、軸受15の外輪の電圧Vsと内輪の電圧Vrとが近似あるいは一致する。このため、軸受15の内輪と外輪との間に生じる軸電圧を低く抑えることが可能となる。これによって、軸電圧が軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧に達することを抑制できるため、軸受内部に発生する電食を防止できる。
以下、本実施の形態について実施例を用いてより具体的に説明する。
(実施例5)
実施例1と同一の固定子仕様のブラシレスモータで、回転子をシャフト16とシャフト外径よりも2mm大きい内径の回転子鉄心31を一体成形し、シャフト16と回転子鉄心31との間に絶縁樹脂を1mm介在させた仕様としている。このような回転子の仕様のブラシレスモータを、ブラケット17と固定子鉄心11とを短絡しない状態にして、実施例1と同様な方法で、軸電圧および軸電流を測定した。一体成形に使用した材料には、誘電率が2.8の出光石油化学製シンジオタクチックポリスチレン(SPS)樹脂(ザレックS120)および誘電率が3.6のポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂を使用した。また、回転子鉄心31の外周には、希土類磁石粉末に約3wt%のエポキシ樹脂を混合し、リング状に成形、加熱硬化した希土類樹脂磁石を接着している。
なお、比較例1の回転子は、回転子鉄心31の内径にシャフト16を圧入したもので、シャフト16と回転子鉄心31との間に樹脂はない状態である。また、回転子鉄心31の外周には、実施例5と同一の希土類樹脂磁石を回転子鉄心31の外径に接着している。
(比較例5)
実施例1と同一の固定子仕様のブラシレスモータで、回転子は回転子鉄心31の内径にシャフト16を圧入したもので、シャフト16と回転子鉄心31との間に樹脂はない状態である。また、回転子鉄心31の外周には、フェライト樹脂磁石を回転子鉄心31の外径に接着した仕様としている。このような回転子の仕様のブラシレスモータを、ブラケット17と固定子鉄心11とを短絡しない状態にして、実施例1と同様な方法で、軸電圧および軸電流を測定した。フェライト樹脂磁石は、フェライト磁石に約10wt%のポリアミド樹脂を混合し、リング状に成形したもので、上述の希土類樹脂磁石よりも約4倍の厚みを有している。
実施例5、比較例1、比較例5の測定結果を表5に示す。
Figure 0004853572
表5から明らかなように、回転子鉄心31とシャフト16との間に絶縁樹脂311を介在させることで、固定子鉄心11とシャフト16(軸受の内輪)との間の静電容量が低くなり、回転子側のインピーダンスZrt3が高くなる。このことで、軸受15の内輪の電圧Vrが低くなり、結果的に軸電圧を低減することができる。また、軸電流についても、軸電圧の低下に伴い低減することができる。また、回転子鉄心31とシャフト16との間の絶縁樹脂311に誘電率3.0以下の材料を選択することで、さらに軸電圧および軸電流を低減することができる。
なお、以上の説明では電気機器としてのエアコン用に搭載されたブラシレスモータである電動機の一例を挙げて説明したが、このようなエアコン室外機やエアコン室内機に加えて、給湯機、空気清浄機、食器洗い乾燥機など各種情報機器に搭載される電動機や、産業機器に使用される電動機にも適用できる。
本発明の電動機は、軸電圧を減少させることが可能であり、軸受の電食発生を防止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、食器洗い乾燥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(モールド材)
14 回転子
15 軸受
16 シャフト
17 ブラケット
18 プリント基板
20 グランド線
21,211 樹脂(インシュレータ)
30 回転体
31 回転子鉄心
32 フェライト樹脂磁石
40 キャパシタ
41 貫通孔
42 接続ピン
110,111 リード線
112 導電性テープ
120 プローブ
121 プローブの先端
122 プローブのグランド
130 デジタルオシロスコープ
140 絶縁トランス
150 リークカレントハイテスタ
311 絶縁樹脂

Claims (18)

  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複数の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、
    前記シャフトを支持する軸受と、
    前記軸受を固定するブラケットとを備え、
    前記巻線と前記軸受の内輪との間のインピーダンス、および前記巻線と前記軸受の外輪との間のインピーダンスの少なくともいずれかのインピーダンスを調整するインピーダンス調整部材を含み、
    前記インピーダンス調整部材は、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近似あるいは一致させる整合部材であることを特徴とする電動機。
  2. 前記整合部材は、前記固定子鉄心と前記ブラケットとの間に設けたインピーダンス成分を有する部材であることを特徴とする請求項に記載の電動機。
  3. 前記固定子鉄心と前記ブラケットとの間が、前記インピーダンス成分を有する部材によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項に記載の電動機。
  4. 前記インピーダンス成分を有する部材は、誘電素子と抵抗素子との少なくともいずれかであることを特徴とする請求項に記載の電動機。
  5. 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を基準としたとき、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は、前記基準に対して+10%から−75%までの範囲内としたことを特徴とする請求項に記載の電動機。
  6. 前記固定子鉄心を巻装する前記巻線を絶縁樹脂にてモールド一体成形したハウジング部を設け、
    前記軸受は一対の軸受で構成され、
    一方の前記軸受を前記ハウジング部の内部に設け、他方の前記軸受を前記ブラケットに固定したことを特徴とする請求項に記載の電動機。
  7. 前記整合部材は、前記固定子鉄心と前記ブラケットとの間に設けたインピーダンス成分を有する素子であることを特徴とする請求項に記載の電動機。
  8. 前記固定子鉄心と前記ブラケットとの間が、前記インピーダンス成分を有する部材によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項に記載の電動機。
  9. 前記インピーダンス成分を有した素子は、誘電素子と抵抗素子との少なくともいずれかであることを特徴とする請求項に記載の電動機。
  10. 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を基準としたとき、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は、前記基準に対して+10%から−75%の範囲内としたことを特徴とする請求項に記載の電動機。
  11. 前記固定子は、樹脂にて絶縁された前記固定子鉄心に前記巻線を巻装し、
    前記樹脂を前記インピーダンス調整部材として、前記樹脂の誘電率を3.0以下としたことを特徴とする請求項1に記載の電動機。
  12. 前記固定子鉄心を巻装する前記巻線を絶縁樹脂にてモールド一体成形したハウジング部を設け、
    前記軸受は一対の軸受で構成され、
    一方の前記軸受を前記ハウジング部の内部に設け、他方の前記軸受を前記ブラケットに固定したことを特徴とする請求項11に記載の電動機。
  13. 前記固定子は、樹脂にて絶縁された前記固定子鉄心に前記巻線を巻装し、
    前記固定子鉄心を巻装する前記巻線を絶縁樹脂にてモールド一体成形したハウジング部を設け、
    前記軸受は一対の軸受で構成され、
    一方の前記軸受を前記ハウジング部の内部に設け、他方の前記軸受を前記ブラケットに固定し、
    前記絶縁樹脂を前記インピーダンス調整部材として、前記絶縁樹脂の誘電率を3.0以下としたことを特徴とする請求項1に記載の電動機。
  14. 前記整合部材は、前記回転体の外周と前記シャフトとの間に設けたインピーダンス成分を有する部材であることを特徴とする請求項に記載の電動機。
  15. 前記インピーダンス成分を有する部材は、前記回転体の外周と前記シャフトとを絶縁分離することを特徴とする請求項14に記載の電動機。
  16. 前記インピーダンス成分を有する部材は、前記回転体の外周と前記シャフトとを絶縁分離する絶縁樹脂であることを特徴とする請求項15に記載の電動機。
  17. 前記固定子鉄心に巻装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から請求項16までのいずれか一項に記載の電動機。
  18. 請求項1から請求項16までのいずれか一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。
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