JP5312519B2 - 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、前記ブラケットと前記ベアリングとの間に介在し前記ベアリングの外輪を取り囲んで支持し、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るベアリング支持部と、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、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４は、ベアリングに流れる放電電流の波形を示す図である。

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、ベアリング支持部１１ａ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ている。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。

ベアリング支持部１１ａは、モールドブラケット１１とベアリング１３との間に介在しベアリング１３の外輪ａを取り囲んで支持し、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ている。より具体的に説明すると、ベアリング支持部１１ａは、内周面１１ｂがベアリング１３の外輪ａに嵌合し、かつ、外周面１１ｃがモールドブラケット１１の内周部に嵌合する構造であり、軟磁性の磁性材料を混合した樹脂で構成されている。

ベアリング１３は、回転軸９と一体回転する内輪ｂと、ベアリング支持部１１ａの内周面１１ｂ側に設けられた外輪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、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４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、ベアリング支持部１１ａ、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、１５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４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４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１３、１５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３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３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３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３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４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。

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、モールドブラケット１１の一部を、軟磁性材料を混合した樹脂（ベアリング支持部１１ａ）に置き換えることによって、モールドブラケット１１の寸法を大幅に変更することなく、かつ、放電電流を効果的に減衰させるように構成されている。

モールドブラケット１１の一部を軟磁性材料を混合した樹脂に置き換えることによって放電電流が減衰する原理を説明する。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、モールドブラケット１１の一部をベアリング支持部１１ａで構成した場合、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、この磁界がベアリング支持部１１ａ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、ベアリング支持部１１ａで生じる鉄損によって素早く減衰する。

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の周囲に交番磁界を発生させる。この磁界がベアリング支持部１１ａ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、ベアリング支持部１１ａ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ベアリング支持部１１ａ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ベアリング支持部１１ａを用いてもよい。

また、上記説明では、モールドブラケット１１とベアリング１３との間にベアリング支持部１１ａを配設した構成例に関して説明したが、これに限定されるものではなく、金属ブラケット１２とベアリング１５との間にベアリング支持部１１ａを設けるようにしてもよい。このように構成した場合でも安価にベアリング１３、１５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ベアリング支持部１１ａは、モールドブラケット１１および金属ブラケット１２に両方に配設するようにしてもよく、このように構成した場合、モールドブラケット１１および金属ブラケット１２の何れかにベアリング支持部１１ａを配設した場合よりも、効果的にベアリング１３、１５の電食を抑制することが可能である。

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（フレーム）１０内に配設されたステータ（固定子）２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（モールドブラケット１１、金属ブラケット１２）と、このブラケット（モールドブラケット１１、金属ブラケット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、ブラケット（モールドブラケット１１、金属ブラケット１２）とベアリング１３、１５との間に介在し、ベアリング１３、１５の外輪ａを取り囲んで支持し、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るベアリング支持部１１ａ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。ただしこれらの手法では、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。本実施の形態にかかる電動機１は、ブラケット（モールドブラケット１１、金属ブラケット１２）の一部をベアリング支持部１１ａに置換するのみで放電電流を抑制することできるため、電動機１の製造設備の共通化が可能である。その結果、安価にベアリング１３、１５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（フレーム）１０内に配設されたステータ（固定子）２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（モールドブラケット１１、金属ブラケット１２）と、このブラケット（モールドブラケット１１、金属ブラケット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、ブラケット（モールドブラケット１１、金属ブラケット１２）とベアリング１３、１５との間に介在し、ベアリング１３、１５の外輪ａを取り囲んで支持し、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るベアリング支持部１１ａとを備えるようにしたので、安価にベアリング１３、１５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ベアリング支持部１１ａ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ベアリング支持部１１ａ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ベアリング支持部１１ａ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、ベアリング支持部１１ａ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、ベアリング支持部１１ａ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。

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 永久磁石
７ 支持部材
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
１１ａ ベアリング支持部
１１ｂ 内周面
１１ｃ 外周面
１２ 金属ブラケット
１３、１５ ベアリング
１４ インシュレータ
Ａ、Ｂ 放電電流の経路
ａ 外輪
ｂ 内輪
ｃ 転動体
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、
   前記ブラケットと前記ベアリングとの間に介在し、前記ベアリングの外輪を取り囲んで支持し、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るベアリング支持部と、
   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、
   前記ベアリング支持部の磁性材料は、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、
   前記ブラケットと前記ベアリングとの間に介在し、前記ベアリングの外輪を取り囲んで支持し、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るベアリング支持部と、
   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、
   前記ベアリング支持部の磁性材料は、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. 前記ベアリング支持部の磁性材料は、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. 前記ベアリング支持部は、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. 前記ベアリング支持部の磁性材料は、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。

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