JP5312518B2 - 電動機および空調機 - Google Patents

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、円環状を成し、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、前記永久磁石の磁性材料よりも軟磁性の磁性材料を含んで構成された支持部材と、を備えたことを特徴とする。

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。 図３は、環状磁性材料のモデル図である。 図４は、ソフトフェライトの複素透磁率の周波数特性図である。 図５は、ベアリングに流れる放電電流の波形を示す図である。 図６は、ブラシレスＤＣモータのロータの断面図である。

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との間に配設され軟磁性材料を混合した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、所定の保磁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の磁性材料よりも弱い保磁力を有する磁性材料（例えば軟磁性材料）を樹脂に混合して構成され、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り、図３は、環状磁性材料のモデル図であり、図４は、ソフトフェライトの複素透磁率の周波数特性図であり、図５は、ベアリング１３、１５に流れる放電電流の波形を示す図である。

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。

経路Ａには、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などの導体が存在する事から、電気回路としてはＲＬＣ直列回路に相当する。このとき、経路Ａに流れる放電電流をｉとした場合、この電流ｉは、式（１）のような方程式に則り流れる。

なお、式（１）において、Ｒは経路中の抵抗、Ｌはインダクタンス、Ｃはキャパシタンス、Ｅは軸電圧を示す。このとき放電電流の波形は、式（２）の結果の符号にて決まる。

空調機などに適用される小型の送風用電動機では、ベアリング１３や回転軸９などの材料が鉄あるいは銅であり抵抗Ｒが極めて小さい。従って、インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣが支配的となるため、式（２）＜０となる。そのため、送風用電動機における放電電流は、図５の電流カーブＡのように減衰振動の電流波形として観測される。さらに、式（１）での減衰振動および共振周波数ｆは、式（３）および式（４）の通りとなる。

放電電流のエネルギーの大きさは、式（３）の指数関数のべき乗項−Ｒ／２Ｌにより影響を受けるため、虚数部の抵抗Ｒが大きい場合、放電電流は、図５の電流カーブＢのように早く減衰する。すなわち、虚数部の抵抗Ｒが大きくなるに従い、放電電流によるベアリングの損傷が小さくなる。また、小型の送風用電動機での放電電流の共振周波数ｆは、数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚとなることから、この共振周波数近傍で鉄損が極大となる材料をＲＬＣ直列回路内に挿入する事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。

次に、共振周波数近傍で抵抗動作をする材料に関して説明する。

図４には、この共振周波数近傍で抵抗動作を示す材料の透磁率の周波数特性の一例として、軟磁性材料の一種であるソフトフェライトに関する特性が示されている。縦軸は透磁率、横軸は周波数である。ソフトフェライトの複素透磁率μをμ＝μ’−ｉμ’’で表す場合、図４に示される透磁率μ’は、複素透磁率μの実数部（インダクタンス成分）を表し、図４に示される透磁率μ’’は、複素透磁率μの虚数部（抵抗成分）を表す。図４から明らかなように、透磁率μ’’は、数ＭＨｚから徐々に増加し１００ＭＨｚ程度で極大となるため、放電電流に含まれる高周波成分に対して抵抗Ｒとして働く。従って、放電電流の減衰振動のエネルギーは、ソフトフェライト内で熱に変化され、その結果、図５に示される電流カーブＢのように放電電流を効果的に減衰させることができる。ソフトフェライトは、たとえばＭｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトなどである。

なお、軟磁性材料による放電電流の減衰効果は、図２に示される実線の経路Ａ上のどの位置でも得られるが、その最も効果的な部位に関して説明する。

図３には、環状の磁性材料のモデルが示される。図３では、説明の便宜上、図１に示した支持部材７を、環状の磁性材料と見立て、また図１に示した回転軸９を、環状の磁性材料の内周部に貫設される軸と見立てている。ここで、軸（９）の中心線２０から磁性材料（７）の内周面７ａまでの距離をｒ１、軸（９）の中心線２０から磁性材料（７）の外周面７ｂまでの距離をｒ２、磁性材料（７）の高さをｈ、放電電流が軸（９）に電流が流れた際に発生する磁束をφｒと定義したとき、磁束φｒは式（５）の如くとなる。

式（５）から明らかなように、磁束φｒは、距離ｒ１が小さいほど大きくなり、放電電流の減衰効果が高まる。すなわち、磁束φｒの値が大きくなるほど鉄損が高まるため、経路Ａにおいて距離ｒ１が最も小さくなる位置に磁性材料（７）を配設することが望ましい。従って、図１に示される経路Ａにおいて距離ｒ１が最も小さくなる位置は回転軸９の周辺であるため、この回転軸９の周囲に軟磁性材料を配設することによって、図５に示される電流カーブＢのように放電電流を効果的に減衰させることができる。

ただし、既成の電動機１に上述した軟磁性材料を配設する場合、電動機の構造を変えることなく適用することが望ましい。

そこで、本実施の形態にかかる電動機１は、その寸法を変更することなく、かつ、放電電流を効果的に減衰させるために、支持部材７を軟磁性材料を混合した樹脂で形成するように構成されている。

上述したＲＬＣ直列回路において、抵抗Ｒは、放電電流が経路Ａ上の抵抗成分（例えばベアリング１３、１５の抵抗）を通ることによって生じる損失（銅損）を表す。一方、軟磁性材料を混合した樹脂で支持部材７を構成した場合、経路Ａに放電電流が流れることによって回転軸９の周囲に交番磁界が発生し、この磁界が支持部材７に作用することによって鉄損（ヒステリシス損）が生じて、その鉄損が抵抗として作用する。従って、経路Ａに流れる放電電流（高周波成分）は、支持部材７で生じる鉄損によって素早く減衰する。また、本実施の形態によれば、支持部材７の距離ｒ１、距離ｒ２、および高さｈなどの寸法を変更することなく電動機１を製造することが可能である。

次に、支持部材７に、軟磁性性材の一つであるソフトフェライトを用いることで得られるさらなる効果について説明する。

図６は、ブラシレスＤＣモータのロータ５の断面図であり、例えば、図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。図６には、ソフトフェライトを混合した樹脂で形成された支持部材７と、この支持部材７の外周面を取り囲む４つの永久磁石６ａ〜６ｄとが示されている。さらに、図６には、永久磁石６ａ〜６ｄによって発生する磁束を示している。

永久磁石６ａ〜６ｄを用いた電動機１の性能（トルクや効率など）は、ロータ５の表面（永久磁石６ａ〜６ｄの外周側）に出来るだけ多くの磁束を供給することで向上する。一方、図６のような形状の場合、永久磁石６ａ〜６ｄの磁束は、ロータ５の内側（永久磁石６ａ〜６ｄの内周側）に配設された支持部材７を通過するため、この支持部材７の透磁率もロータ５の性能に影響を及ぼす。例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの樹脂を用いた支持部材７の透磁率は、空気と同等の約１（H/m）であるが、支持部材７に、ソフトフェライトを混合した樹脂を用いた支持部材７の透磁率は、図４から明らかなように、透磁率μ’が１００（H/m）以上となるため、ロータ５の表面に供給される磁束（支持部材７を通過した磁束）が向上し、電動機１の性能を向上させることができる。なお、永久磁石６ａ〜６ｄの磁束が一方向であることから周波数はＤＣであり、透磁率の複素成分（μ’’）は十分低く、ヒステリシス損などの損失は発生しないことは言うまでも無い。

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の周囲に交番磁界が発生させ、この磁界が支持部材７に作用することによって鉄損が生じる。この鉄損は、抵抗として作用するため、放電電流は、支持部材７のソフトフェライト内で熱に変化され、電流カーブＢのように減衰する。

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。

また、上記説明では、樹脂と軟磁性材料とを混合して成る支持部材７を用いた実施例を説明したが、軟磁性材料のみで構成された支持部材７を用いてもよい。

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１０（フレーム）内に配設されたステータ２（固定子）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（１１、１２）と、このブラケット１１、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、円環状を成し永久磁石６を支持可能に回転軸９と永久磁石６との間に配設され永久磁石６の磁性材料よりも軟磁性の磁性材料を含んで構成された支持部材７と、を備えるようにしたので、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。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。特に、支持部材７の製造方法がインサート成形である場合において、支持部材７の形状変更を伴うときには、金型、設備、および工程などの変更が伴うため、製造コストの増加が顕著である。本実施の形態にかかる電動機１は、支持部材７の寸法変更が発生しないため、支持部材７の材料変更のみ放電電流を抑制することが可能である。すなわち、製造設備の共通化が可能であるため、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することが可能である。

また、本実施の形態にかかる電動機１は、モールドフレーム１０（フレーム）内に配設されたステータ２（固定子）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（１１、１２）と、このブラケット１１、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、円環状を成し永久磁石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、永久磁石６の保磁力よりも弱い保磁力を有する磁性材料を含んで構成された支持部材７と、を備えるようにしたので、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することが可能である。

また、本実施の形態にかかる支持部材７の磁性材料は、軟磁性材料のみで構成するようにしてもよい。このように構成した場合、放電電流をより一層効果的に抑制することが可能である。

また、本実施の形態にかかる支持部材７の磁性材料は、回転軸９に電圧が誘起されることによって回転軸９に流れる電流の共振周波数付近における複素透磁率の虚数部の値が上昇するように構成されている。すなわち、放電電流の共振周波数ｆが１０ＭＨｚ以上の領域において、複素透磁率の虚数部の値が増大するように構成したので、小型の送風用電動機での放電電流の共振周波数（数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ）において、この放電電流を効果的に減衰させることができる。

また、本実施の形態にかかる支持部材７の磁性材料は、ソフトフェライトで構成するようにしたので、支持部材７を射出成形で製造する場合、容易に製造することが可能である。ソフトフェライトは、他の金属系軟磁性材料（例えば、鉄、ケイ素鋼など）に比して粒径が小さいため、ソフトフェライトを混合した樹脂の射出成形に適しているからである。

また、本実施の形態にかかるモールドブラケット１１は、固定子２に設けられた巻線３に印加される高周波電圧を生成するインバータ８を内蔵するようにしたので、インバータ８内の配線が巻線３とベアリング１３との間において導体として作用するため、巻線３とベアリング１３との間における絶縁距離が縮まり、回転軸９に流れる電流がより大きくなる。このように、回転軸９に大きな電流が流れた場合でも、支持部材７によって放電電流を効果的に減衰させることが可能である。

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。

また、軟磁性材料は、樹脂単体よりも比重が大きいため、本実施の形態にかかる支持部材７と同一形状の従来の支持部材と比べて、ロータ５のイナーシャ（慣性）を大きくすることができる。従って、本実施の形態にかかる電動機１によれば、トルクリップルなどによる回転変動が抑制され、騒音を低減することが可能である。

また、軟磁性材料を混合した支持部材７は、ロータ５の外周部でヨークとして作用するため、ロータ５の空隙磁束が増加する。従って、本実施の形態にかかる電動機１によれば、電動機１のトルクおよび効率を向上させることができる。

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、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 永久磁石
７ 支持部材
７ａ 内周面
７ｂ 外周面
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
２０ 軸中心
Ａ、Ｂ 放電電流の経路
Ｒ 抵抗
ａ 外輪
ｂ 内輪
ｃ 転動体
ｈ 磁性材料の高さ
ｒ１ 軸の中心線から磁性材料の内周面までの距離
ｒ２ 軸の中心線から磁性材料の外周面までの距離
φｒ 磁束
μ’、μ’’ 透磁率

Claims (7)

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、
   円環状を成し、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、前記永久磁石の磁性材料よりも軟磁性の磁性材料を含んで構成された支持部材と、
   を備え、
   前記回転軸には、回転軸に電圧が誘起されることによって電流が流れ、
   前記支持部材の磁性材料は、前記電流による交番磁界によってこの電流の共振周波数付近における複素透磁率の虚数部の値が上昇する特性を有することを特徴とする電動機。
2. 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前記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、
   円環状を成し、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、前記永久磁石の保磁力よりも弱い保磁力を有する磁性材料を含んで構成された支持部材と、
   を備え、
   前記回転軸には、回転軸に電圧が誘起されることによって電流が流れ、
   前記支持部材の磁性材料は、前記電流による交番磁界によってこの電流の共振周波数付近における複素透磁率の虚数部の値が上昇する特性を有することを特徴とする電動機。
3. 前記支持部材の磁性材料は、軟磁性材料のみで構成されてい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. 前記支持部材は、磁性材料を混合した樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
5. 前記支持部材の磁性材料は、ソフトフェライトで構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の電動機。
6. 前記ブラケットには、前記固定子に設けられた巻線に印加される高周波電圧を生成するインバータが内蔵されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の電動機。
7. 請求項１〜６の何れか１つに記載の電動機を、室内機および／または室外機のファン駆動用電動機として備えた空調機。

Images