以下に、本発明にかかる電動機の回転子、電動機、空気調和機、および電動機の回転子の製造方法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100の側面断面図である。図1に示される電動機100は、モールド固定子10と、回転子20(「電動機の回転子」と定義する)と、モールド固定子10の軸方向一端部に取り付けられる金属製のブラケット30とを備える。電動機100は、例えば、回転子20に永久磁石を有し、インバータで駆動されるブラシレスDCモータである。
図2は、モールド固定子10の側面断面図である。モールド固定子10には、軸方向一端部(図2の右側)に開口部10bが形成され、回転子20がこの開口部10bに挿入される。モールド固定子10の軸方向他端部(図2の左側)には、回転子20のシャフト23(図1)の径より若干大きい孔11aが開けられている。モールド固定子10のその他の構成については、後述する。
図3は、モールド固定子10に回転子20が挿入された状態を示す側面断面図である。モールド固定子10の軸方向一端部の開口部10b(図2参照)から挿入された回転子20は、シャフト23の負荷側(図3の左側)がモールド固定子10の軸方向他端部の孔11a(図2参照)から外部(図3の左側)に出される。そして、回転子20の負荷側転がり軸受21a(転がり軸受の一例)が、モールド固定子10の反開口部側の軸方向端部の軸受支持部11に当接するまで押し込まれる。このとき、負荷側転がり軸受21aは、モールド固定子10の反開口部側の軸方向端部に形成された軸受支持部11で支持される。モールド固定子10に回転子20が挿入された後、シャフト23の反負荷側(図1の右側)には、反負荷側転がり軸受21b(転がり軸受の一例)が取り付けられる(一般的には、圧入による)。なお、詳細は後述するが、反負荷側転がり軸受21bとシャフト23の反負荷側との間には絶縁軸部63が設けられる。この絶縁軸部63は、筒状の金属製部材である金属スリーブ61の内周部に絶縁性樹脂(軸部60など)を一体成形して形成される。
図4は、ブラケット30の側面断面図である。ブラケット30は、モールド固定子10の開口部10bを閉塞するとともに、反負荷側転がり軸受21bを支持するものであり、モールド固定子10に圧入される。軸受支持部30aは、反負荷側転がり軸受21bを支持する。ブラケット30のモールド固定子10への圧入は、ブラケット30の略リング状で、断面がコの字状の圧入部30bを、モールド固定子10の内周部10a(モールド樹脂部)の開口部10b側に圧入することでなされる。ブラケット30の圧入部30bの外径は、モールド固定子10の内周部10aの内径よりも、圧入代の分だけ大きくなっている。ブラケット30の材質は、金属製で、例えば、亜鉛メッキ鋼板である。但し、亜鉛メッキ鋼板には限定されない。
以下、モールド固定子10の構成を説明する。図2に示されるモールド固定子10は、固定子40と、モールド成形用のモールド樹脂50とからなる。モールド樹脂50には、例えば、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が使用される。固定子40は、後述する基板等が取り付けられ、強度的に弱い構造であるため低圧成形が望ましい。そのため、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。
図5は、固定子40の斜視図である。図5に示される固定子40は、以下に示される構成である。
(1)厚さが0.1〜0.7mm程度の電磁鋼板が帯状に打ち抜かれ、かしめ、溶接、接着等で積層された帯状の固定子鉄心41を製作する。帯状の固定子鉄心41は、複数個のティース(図示せず)を備える。後述する集中巻のコイル42が施されている内側がティースである。
(2)ティースには、絶縁部43が施される。絶縁部43は、例えば、PBT(ポリブチレンテレフタレート)等の熱可塑性樹脂を用いて、固定子鉄心41と一体にまたは別体で成形される。
(3)絶縁部43が施されたティースに集中巻のコイル42が巻回される。複数個の集中巻のコイル42を接続して、例えば、三相のシングルY結線の巻線を形成する。但し、分布巻でもよい。
(4)三相のシングルY結線であるので、絶縁部43の結線側には、各相(U相、V相、W相)のコイル42が接続される端子44(電源が供給される電源端子44aおよび中性点端子44b)が組付けられる。電源端子44aは3個、中性点端子44bは3個である。
(5)基板45が結線側の絶縁部43(端子44を組付けられる側)に取り付けられる。リード線47を口出しするリード線口出し部品46が組付けられた基板45を絶縁部43に組付け、固定子40となる。固定子鉄心41に形成された絶縁部43の面取りされた角柱48が、基板45が備える角柱挿入穴(図示せず)に挿入されることにより、回転方向の位置決めがなされ、かつ、絶縁部43の基板設置面(図示せず)に基板45が設置されることにより軸方向の位置が決められる。また、基板45より突出する角柱48を熱溶着することで基板45と絶縁部43が固定され、かつ、固定子40が備える端子44の基板45より突出した部分を半田付けすることにより電気的にも接合される。基板45には、電動機100(例えば、ブラシレスDCモータ)を駆動するIC49a(駆動素子)、回転子20の位置を検出するホールIC49b(位置検出素子)等が実装されている。IC49aやホールIC49b等を「電子部品」と定義する。
次に、回転子20の構成を説明する。図6は、回転子20の側面断面図、図7は、負荷側転がり軸受21aおよび反負荷側転がり軸受21bを取り外した回転子20−1の側面断面図、図8は、負荷側から見た回転子20−1の側面図、図9は、シャフト23の側面断面図、図10は、図9に示されるシャフト23の反負荷側端部の拡大断面図、図11は、図9に示されるシャフト23の反負荷側端部の斜視図、図12は、回転子20の樹脂マグネット22を示す図、図13は位置検出用樹脂マグネット25を示す図である。
図6、図7に示されるように、回転子20(もしくは回転子20−1)は、ローレット23aが施されたシャフト23と、リング状の回転子の樹脂マグネット22(回転子のマグネットの一例)と、リング状の位置検出用樹脂マグネット25(位置検出用マグネットの一例)と、これらを一体成形する樹脂部24とで構成される。この樹脂部24は、シャフト本体(負荷側軸部)23eに設けられたローレット23aを中心とした外周に形成される。
回転子の樹脂マグネット22、シャフト23、および位置検出用樹脂マグネット25は、縦型成形機により射出された樹脂部24で一体化される。このとき、樹脂部24は、図8に示されるように、シャフト23の外周に形成される中央筒部24g(回転子の樹脂マグネット22の内側に形成される)と、回転子の樹脂マグネット22を中央筒部24gに連結し、かつ、シャフト23を中心として半径方向に放射状に形成された軸方向の複数のリブ24jとを有する。リブ24j間には、軸方向に貫通した空洞24kが形成される。なお、樹脂部24には、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)等の熱可塑性樹脂が用いられ、これらの樹脂にガラス充填剤を配合したものが好適である。
シャフト23の反負荷側(図6の右側)には、反負荷側転がり軸受21bが取り付けられる(一般的には圧入による)。また、ファン等が取り付けられるシャフト23の負荷側(図6で左側)には、負荷側転がり軸受21aが取り付けられる。負荷側転がり軸受21aは、シャフト23に圧入される内輪21a−1と、モールド固定子10の軸受支持部11で支持される外輪21a−2と、内輪21a−1と外輪21a−2との間で転動する転動体21a−3とを備える。転動体21a−3には、球またはころが用いられる。反負荷側転がり軸受21bは、シャフト23の絶縁軸部63を介して圧入される内輪21b−1と、ブラケット30の軸受支持部30aで支持される外輪21b−2と、内輪21b−1と外輪21b−2との間で転動する転動体21b−3とを備える。転動体21b−3には、球またはころが用いられる。
本実施の形態にかかる回転子20は、金属製(導電性を有する)のブラケット30で支持される反負荷側転がり軸受21bとシャフト23との間に絶縁軸部63が設けられる。図示例の絶縁軸部63は、金属スリーブ61と、この金属スリーブ61の内周部に一体成形で形成される軸部60(絶縁性樹脂)とにより構成される。このように構成することにより、反負荷側転がり軸受21bとシャフト23との間が絶縁軸部63で絶縁され、反負荷側転がり軸受21bとシャフト23との間における軸電流が抑制される。従って、負荷側転がり軸受21aおよび反負荷側転がり軸受21bの電食の発生が抑制される。また絶縁軸部63の軸部60は、金属スリーブ61と一体成形で形成されているため、金属スリーブ61と軸部60の小径部60bとの同軸度が向上する。すなわち回転子20とモールド固定子10の同軸度が向上するので、電動機の性能が向上する。
図9〜図11に示されるようにシャフト23は、シャフト本体23eと絶縁軸部63とで構成される。絶縁軸部63は、金属スリーブ61と、絶縁性樹脂を金属スリーブ61に一体成形することで形成される軸部60とにより構成される。また、本実施の形態にかかる回転子20は、シャフト23と回転子の樹脂マグネット22と位置検出用樹脂マグネット25とが熱可塑性樹脂(樹脂部24)で一体成形されている。
シャフト本体23eの外周には、シャフト23と樹脂部24との回り止めおよび抜け止めとして機能するローレット23aが施される。シャフト本体23eの反負荷側端部には、この反負荷側端部からシャフト本体23eの中心側に向かって突となる凹部23hが設けられている。凹部23hは、絶縁軸部63の小径部(突出部)60bをシャフト本体23eと嵌合するためのものである。絶縁軸部63は、シャフト本体23eの反負荷側端面23bに、その負荷側端部60eが接するように設けられている。
図10に示される絶縁軸部63は、前述したように金属スリーブ61に一体成形で形成される軸部60を有し、軸部60は大径部60aと、凹部23hに嵌合する小径部60bとを有する。金属スリーブ61は、大径部60aに配置され軸受嵌合部として機能する。
金属スリーブ61の外径d2は、シャフト本体23eの外径d1と概略同一の寸法となっている。金属スリーブ61は、機械加工、または絞り加工で形成され、例えばシャフト本体23e(負荷側軸部)と略同じ線膨張係数の金属、あるいは軸受と略同じ線膨張係数の金属(鉄など)を機械加工し形成するので、寸法精度、安定性に優れている。金属スリーブ61は、その外周面に反負荷側転がり軸受21bが圧入されることにより反負荷側転がり軸受21bに支持される。金属スリーブ61の長さL1は、金属スリーブ61とシャフト本体23eを絶縁するため、反負荷側転がり軸受21bと略同一の長さとなっている。金属スリーブ61の外周面には、スリット62が設けられている(図11参照)。図示例の金属スリーブ61には一例として1つのスリット62が設けられているが、複数のスリット62を設けてもよい。また図示例のスリット62は角形状であるが、スリット62の形状は他の形状でもよく例えば円形状(穴)でもよい。スリット62を設けることにより、金属スリーブ61に一体成形で軸部60を形成する際、樹脂材料がスリット62に流入する。そのためスリット62に流入した樹脂材料が金属スリーブ61の回り止めおよび抜け止めとして機能し、回転子20の信頼性が確保される。
大径部60aの長さLは、樹脂部24の中央筒部24gの軸部60側端面(反負荷側端面)から大径部60aの反負荷側端面60dまでの長さL1、すなわち、反負荷側転がり軸受21bの軸方向の長さよりも大きく形成されている。大径部60aの外径は、金属スリーブ61の負荷側端面61a(反負荷側端面60dから長さLを隔てた位置)から小径部60bまでは、シャフト本体23eの外径d1と略同一の寸法である。すなわち、大径部60aの外径は、金属スリーブ61の負荷側端面61aから小径部60bまでが、大径部60aの外周に設けられた金属スリーブ61の外径と略同一である。
軸部60の外周には、軸部60の負荷側端面(負荷側端部60e)から所定幅t隔てた位置まで軸方向に伸び、かつ、大径部60aの外周面60fの延長線上から径方向に所定高さhまで伸びて樹脂部24に埋設される樹脂注入口が設けられる。この樹脂注入口は、成形後に切断され、シャフト本体23eの軸中心から樹脂部24に向けて突状のゲート切断部60cとして外周面60fに残るものである。そして、樹脂部24の反負荷側に露出する軸部60の外周面60f(金属スリーブ61の外周面)には、反負荷側転がり軸受21bが挿入される。
なお、樹脂部24の反負荷側に露出する絶縁軸部63(軸部60)の外周面60fに突状のゲート切断部60cが残っている場合、反負荷側転がり軸受21bの挿入時に反負荷側転がり軸受21bの内径とゲート切断部60cとが接触して、想定外の応力が発生し、また、このゲート切断部60cが切断されてゴミとして付着することによる品質の低下が予想される。しかしながら、樹脂注入口を樹脂部24に埋設される部分に設けることにより、このような問題を解消できる。また、ゲート切断部60cが、シャフト本体23eの軸中心から樹脂部24に向けて突状(あるいは樹脂部24からシャフト本体23eの軸中心に向けて突状)に設けられている場合でも、樹脂が注入されることにより、ゲート切断部60cが絶縁軸部63(軸部60)の回り止めとして機能するため、品質の向上を図ることができる。
軸部60の材料には、例えば従来の電動機では、鉄(シャフト本体23e)とほぼ同じ線膨張係数の樹脂材料を使用するのが好ましいとして熱硬化性樹脂のBMC樹脂が挙げられるが、本発明ではPBT等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。金属スリーブ61に軸受を圧入するようにしたので寸法の経時変化が影響することなく、品質が確保される。BMC樹脂等の熱硬化性樹脂に比べ熱可塑性樹脂は成形時間が短くできるため成形コストが低減でき、電動機の低コスト化が可能である。
このように、本実施の形態の電動機100の回転子20では、ブラケット30で支持される反負荷側転がり軸受21bとシャフト本体23eとの間に絶縁軸部63が設けられ、この絶縁軸部63がシャフト本体23eに嵌合し組付けられてシャフト23が得られる。そして、絶縁軸部63により、反負荷側転がり軸受21bとシャフト本体23eとが絶縁され、軸電流が抑制され、負荷側転がり軸受21aおよび反負荷側転がり軸受21bの電食の発生が抑制される。また、絶縁軸部63の金属スリーブ61を軸受が支持するようにしたため、金属スリーブ61と軸受の結合が経時的にも安定し軸受の内輪クリープの発生が抑制されるので、電動機100の品質の向上を図ることが可能である。さらに軸部60が金属スリーブ61と一体成形で形成されているため、金属スリーブ61と軸部60の小径部60bとの同軸度が向上する。すなわち回転子20とモールド固定子10の同軸度が向上するので、電動機の性能が向上する。なお、本実施の形態では位置検出用樹脂マグネット25が用いられているが、本実施の形態の構造は、位置検出用樹脂マグネット25が用いられていない回転子20にも適用可能である。
また図10の例では、金属スリーブ61の外径d2がシャフト本体23eの外径d1と概略同一となるように形成されているが、以下のように構成してもよい。例えば金属スリーブ61は、その外径d2がシャフト本体23eの外径d1よりも僅かに大きくなるように製作され、その金属スリーブ61に軸部60を一体成形で形成した後、金属スリーブ61の外径を、シャフト23の中心部(シャフト本体23e)の外径d1と概略同一になるように調整してもよい。前述したように、スリット62に流入した樹脂材料が金属スリーブ61の回り止め、抜け止めになるため、金属スリーブ61に対して例えば機械加工等をした場合でも、金属スリーブ61が軸部60に対して空回りすることがなく、軸部60の成形後の金属スリーブ61の外径を調整することができる。このように軸部60を一体成形後の金属スリーブ61の外径を調整することで、寸法および同軸度の向上、ばらつきをより小さくでき、品質が向上する。
また本実施の形態では、金属スリーブ61に軸部60を一体成形して形成された絶縁軸部63を、シャフト本体23eに嵌合し組付けることを示したが、以下のように構成してもよい。例えば、金属スリーブ61とシャフト本体23eとを樹脂材料で一体成形することによって絶縁軸部(絶縁軸部63に相当)を製作してもよい。このように絶縁軸部を製作することによって、金属スリーブ61とシャフト本体23eとの同軸度がさらに向上し、品質が向上するだけでなく、金属スリーブ61とシャフト本体23eを組付ける工程が削減され、工程を簡略化されることで低コスト化を図ることができる。
なお、ゲート切断部60cは、1つに限定されるものではなく、大径部60aの負荷側端部60e付近、かつ、樹脂部24に埋設される部分にて複数設けてもよい。また、軸部60の大径部60aの樹脂部24に埋設される部分に、複数の突起60kをつけてもよい(図11参照)。この構成により、回り止めや、抜け止めがさらに確実になり、品質の向上を図ることができる。
また、絶縁軸部63を設けることによって反負荷側転がり軸受21bに流れる軸電流が小さくなり、これに伴い負荷側転がり軸受21aを流れる軸電流も小さくなるため、シャフト23の負荷側を絶縁しなくてもよい。
また、図10において、樹脂部24の中央筒部24g(樹脂部)の反負荷側端部には、絶縁軸部63へ反負荷側転がり軸受21bを挿入する際の軸方向の位置決めとなる軸受当接面24dが形成されている。また、中央筒部24gの外周部と軸受当接面24dとの間には、段差部24eが設けられる。段差部24eの直径d3は、反負荷側転がり軸受21bの外輪21b−2の内径よりも小さく形成する必要があり、図6に示されるように、反負荷側転がり軸受21bの内輪21b−1の外径と略同じか、若干小さく形成することが望ましい。
一般的に、転がり軸受は、転がり軸受の内部からグリースが外に漏れないように、もしくは外部からごみ等が浸入しないように外輪と内輪との間にカバーを設けている。このカバーは、転がり軸受の両端面より内側に位置する。そのため、段差部24eの直径d3を、反負荷側転がり軸受21bの内輪21b−1の外径よりも大きくしても、内輪21b−1の外径よりも大きい部分は、反負荷側転がり軸受21bに接触しない。従って、段差部24eの直径d3は、反負荷側転がり軸受21bの内輪21b−1の外径と略同じか、若干小さくする程度が実用的である。
また、段差部24eを設けることにより、シャフト23、回転子の樹脂マグネット22、および位置検出用樹脂マグネット25を樹脂で一体成形する際に、樹脂部24の中央筒部24gの軸受当接面24dをイレコで形成する場合、段差部24eまで前記イレコで形成する。そのため、金型の合わせ面は中央筒部24gの反負荷側端面24hに位置する。金型の合わせ面にバリが発生した場合でも、反負荷側転がり軸受21bは金型の合わせ面となる反負荷側端面24hに対して段差部24eの分だけ離れるため、このバリは、反負荷側転がり軸受21bに当接しない。従って、反負荷側転がり軸受21bに悪影響を及ぼす虞が少ない。
また、回転子20が、熱衝撃を受けると樹脂部24の中央筒部24gが割れる場合もある。そのような場合でも、中央筒部24gに段差部24eを設け、段差部24eの径方向の寸法は一定とし、両端の段差部24e(負荷側と反負荷側)間の中央筒部24gの径方向の厚さを大きくして対処することができる。
また、段差部24eの直径d3が、負荷側転がり軸受21aの外輪21a−2の内径よりも小さく、かつ、反負荷側転がり軸受21bの外輪21b−2の内径よりも小さく形成されているため、段差部24e間の中央筒部24gの径方向の厚さは、外輪21a−2、外輪21b−2の内径よりも大きくすることも可能である。
図12は回転子の樹脂マグネット22を示す図であり、図12(a)は左側面図、図12(b)は(a)のC−C断面図、図12(c)は右側面図である。回転子の樹脂マグネット22には、その内径の軸方向一端部(図12(b)では右側)に、樹脂成形時の型締め時にシャフト23と回転子の樹脂マグネット22との同軸を確保するための切欠き22aが形成されている。図12(c)の例では、切欠き22aは周方向に略等間隔で8箇所に形成されている。
また、回転子の樹脂マグネット22には、軸方向他端部(図12(b)では左側)の端面に、位置検出用樹脂マグネット25を据える台座22bが、周方向に略等間隔で形成されている。台座22bは、回転子の樹脂マグネット22の内径付近から外径に向かって形成され、台座22bの先端から位置決め用突起22cが径方向に回転子の樹脂マグネット22の外周部に向かって、その近くまで延びている。位置決め用突起22cは、樹脂部24による回転子のマグネット、位置検出用樹脂マグネット25、およびシャフト23の一体成形時に、回転子の樹脂マグネット22の周方向(回転方向)の位置決めに利用される。
図13は、位置検出用樹脂マグネット25を示す図であり、図13(a)は左側面図、図13(b)は正面図、図13(c)は(b)のD部拡大図である。位置検出用樹脂マグネット25は、内径側の軸方向両端部に段差部25bを備え、回転子20の軸方向端部側となる段差部25bには、樹脂部24の一部が充填され、この段差部25bは、位置検出用樹脂マグネット25の軸方向の抜け止めとして機能する。
図13には、両端部に段差部25bを備えた位置検出用樹脂マグネット25が示されているが、いずれか一方の端部に段差部25bがあり、それが回転子20の軸方向端部側に位置すればよい。なお、位置検出用樹脂マグネット25が両端部に段差部25bを備えている場合、回転子20の樹脂部24による一体成形時に、金型(下型)に位置検出用樹脂マグネット25をセットする際、裏表を気にせずにセットできるので作業性に優れる。
また、位置検出用樹脂マグネット25は、段差部25bに樹脂部24に埋設されると周方向の回り止めとなるリブ25a(断面が略三角)を周方向に略等間隔に8個備える。但し、リブ25aの数、形状、配置間隔は任意でよい。
なお、図6に示されるように、樹脂部24には、位置検出用樹脂マグネット25の内径を保持する金型の内径押さえ部24a、位置検出用樹脂マグネット25を金型(下型)にセットしやすくするためのテーパ部24b、および樹脂成形時の樹脂注入部24cが、樹脂成形後に形成される。
回転子の樹脂マグネット22は、熱可塑性樹脂に磁性材が混合され成形されたもので、図12に示される通り、内径に軸方向一端面からテーパ状に切欠き22aを設け、また、切欠き22aのある軸方向一端面の反対側の軸方向他端面に、位置検出用樹脂マグネット25を据える台座22bを備えている。シャフト23と一体に成形される回転子の樹脂マグネット22の台座22bによって、位置検出用樹脂マグネット25を回転子の樹脂マグネット22の端面から離すことが可能となり、位置検出用樹脂マグネット25の肉厚を最小、かつ、任意の位置に配置することが可能となり、回転子の樹脂マグネット22より安価な熱可塑性樹脂を充填することで、コストの低減が可能となる。
位置検出用樹脂マグネット25は、図13に示される通り、厚み方向の両側に段差部25bを持ち、かつ、樹脂で埋設されたとき回り止めとなるリブ25aを両側の段差部25bに備えている。また、位置検出用樹脂マグネット25の内径と位置検出用樹脂マグネット25の外径との同軸度は精度良く作られている。
なお、シャフト23と一体に成形される際、位置検出用樹脂マグネット25の外周にはテーパ状に樹脂(樹脂部24)が充填され、位置検出用樹脂マグネット25の外径のばらつきにも対応し、充填される樹脂は位置検出用樹脂マグネット25の片側の軸方向端面(外側)と回転子の樹脂マグネット22の軸方向両端面でせき止めるため、回転子の樹脂マグネット22の外径にバリが発生するのを抑えることが可能となり、品質の向上を図ることができる。
また、シャフト23との一体成形時のゲート口を回転子の樹脂マグネット22の内径よりもさらに内側に配置し、樹脂注入部24cを凸形状で配置することで、圧力の集中を緩和し、樹脂の充填が容易に、また、樹脂注入部24cの凸部を位置決めに利用することも可能である。
次に、変形例1の回転子20aを説明する。図14は、変形例1の回転子20aの側面断面図、図15は、変形例1のシャフト23−1の側面断面図である。
図6に示される回転子20と比較するとシャフト23−1の絶縁軸部72の構成が異なる。図6に示される回転子20では、絶縁軸部63が、シャフト本体23eの凹部23hに嵌合し組付けられている。これに対して図14に示される回転子20aでは、シャフト本体23e−1の反負荷側端部がシャフト本体23e−1の外径d1(図10参照)より小さい外径d4に形成される。この小径部(シャフト本体小径部23e−1a)には、絶縁軸部72を構成する軸部70の負荷側端部70bが嵌合し組付けられている。
軸部70の負荷側端部70bには、負荷側端面70gから軸部70の軸受嵌合部70a側に向かって突となる凹部70hが設けられている。凹部70hは、シャフト本体23e−1のシャフト本体小径部23e−1aを軸部70と嵌合するためのものである。軸部70は、シャフト本体23e−1の段差部23e−1bに、その負荷側端面70gが接するように設けられている。図示例では、シャフト本体小径部23e−1aの反負荷側端面23e−1cが凹部70hと当接し、かつ、シャフト本体23e−1とシャフト本体小径部23e−1aとの段差部23e−1bが負荷側端面70gと当接するまで挿入されている。
図6に示される回転子20と比較すると、図14に示される回転子20aは、シャフト本体23e−1の切削量、あるいは、切削工程を極力少なくすることが可能であり、このことによりコスト低減化を図ることができる。すなわち、図10に示されるシャフト本体23eの反負荷側端面23bには、凹部23hが形成されているため、この端部を切削する必要があるのに対して、図14に示されるシャフト本体23e−1は、その反負荷側端部にシャフト本体小径部23e−1aが形成されるため、シャフト本体23e−1の外周部の一部を切削するだけでよいからである。なお、図14では、シャフト本体小径部23e−1aには、一例としてシャフト本体小径部23e−1aと軸部70との回り止めおよび抜け止めとして機能するローレット23a−1が施されている。
次に、変形例2の回転子20bを説明する。図16は、変形例2の回転子20bの側面断面図、図17は、変形例2のシャフト23−2の側面断面図である。
図6に示される回転子20と比較すると、絶縁軸部82の構成が異なる。図6に示される回転子20では、絶縁軸部63が、シャフト本体(負荷側軸部)23eの凹部23hに嵌合し組付けられている。これに対して、図16に示される回転子20bでは、シャフト本体(負荷側軸部)23e−2の反負荷側端部が、絶縁軸部82を構成する軸部80の負荷側端部80bに設けられた凹部80hと嵌合し組付けられている。
軸部80の負荷側端部80bには、反負荷側端面80gから軸部80の軸受嵌合部80a側に向かって突となる凹部80hが設けられている。凹部80hは、シャフト本体23e−2の反負荷側端部23e−2aを軸部80と嵌合するためのものである。軸部80は、シャフト本体23e−2の反負荷側端面23e−2bが凹部80hと当接するまで挿入されている。
図6に示される回転子20と比較すると、図16に示される回転子20bは、シャフト本体23e−2の反負荷側端部23e−2aの切削が不要であるため、コスト低減化を図ることができる。また、軸部80に設けられた凹部80hがシャフト本体23e−2の反負荷側端部23e−2aの外周に嵌合し組付けられているため、軸受嵌合部80aとシャフト本体23e−2との同軸度の確保がより容易なことから、品質の向上を図ることができる。
次に、変形例3の回転子20cを説明する。図18は、変形例3の回転子20cの側面断面図である。回転子20cでは、絶縁軸部63を構成する軸部60の反負荷側端部にセンタ穴60jが形成されている。それ以外は図6に示される回転子20と同様の構成である。金型(上型)には、センタ穴60jの中心との同軸度が合わされた突起が設けられ、シャフト23、回転子の樹脂マグネット22、および位置検出用樹脂マグネット25を樹脂部24で一体化(成形)する際に金型が閉じられたとき、金型の突起がシャフト23のセンタ穴60jに嵌まり込むことにより、回転子の樹脂マグネット22とシャフト23との同軸度が向上する。なお、センタ穴60jは、シャフト本体23eの負荷側端部にも形成してよい。
なお、図1には、モールド固定子10側が負荷側となり、ブラケット30側が反負荷側となるように構成された電動機100が示されているが、電動機100は、負荷側と反負荷側とが逆となるように構成して同様の効果を得ることができる。また、図6、図14、図16、図18に示される回転子20は、永久磁石に熱可塑性樹脂に磁性材を混合して成形された回転子の樹脂マグネット22を使用したが、その他の永久磁石(希土類磁石(ネオジム、サマリウム鉄)、フェライト焼結等)を用いてもよい。また、位置検出用樹脂マグネット25も同様に、その他の永久磁石(希土類磁石(ネオジム、サマリウム鉄)、フェライト焼結等)を用いてもよい。
既に述べたように、インバータを用いて電動機の運転を行なう場合、パワー回路内のトランジスタのスイッチングに伴って発生する電動機の騒音の低減を図るため、インバータのキャリア周波数が高い値に設定される。キャリア周波数を高く設定するに伴って、電動機のシャフトへの高周波誘導により発生する軸電圧が増大し、シャフトを支持している転がり軸受の内輪と外輪との間に存在する電位差が大きくなるので、転がり軸受に電流が流れ易くなる。この転がり軸受に流れる電流は、内輪、外輪両軌道並びに転動体(内外輪の間を転がる玉やころ)の転動面に電食と呼ばれる腐食を発生させて、転がり軸受の耐久性を悪化させる。
本実施の形態の回転子20では、絶縁軸部63により、負荷側転がり軸受21aまたは反負荷側転がり軸受21bとシャフト23との間が絶縁され、軸電流が抑制される。従って本実施の形態の回転子20は、インバータを用いて電動機100の運転を行う場合発生する軸電流の低減に特に有効である。
図19は回転子20の製造工程を示す図である。図19により、回転子20の製造工程について説明する。
(1)位置検出用樹脂マグネット25および回転子の樹脂マグネット22の成形、脱磁を行うと共に、シャフト本体23eの加工を行う。シャフト本体23eには、樹脂部24を成形する部分にローレット23aが施される。さらに金属スリーブ61を加工する(ステップ1)。
(2)金属スリーブ61を金型にセットし、この金属スリーブ61へ、BMC樹脂またはPBT等の熱可塑性樹脂を一体成形して絶縁軸部63を形成する(ステップ2)。
(3)絶縁軸部63をシャフト本体23eに組付け、シャフト23とする(ステップ3)。
(4)位置検出用樹脂マグネット25を、段差部25bを有する端部を下にして下型にセットし、下型に設けられた内径押え部に位置検出用樹脂マグネット25の内径を保持させる。回転子の樹脂マグネット22の位置決め用突起22cを下型に設けられた位置決め用突起挿入部に嵌め合わせて下型にセットする(ステップ4)。
(5)シャフト23を下型にセットし、回転子の樹脂マグネット22の切欠き22aを、上型の切欠き押さえ部で押し当てるように型締めする(ステップ5)。
(6)樹脂(樹脂部24)を成形する(ステップ6)。回転子の樹脂マグネット22、位置検出用樹脂マグネット25、およびシャフト23を、樹脂部24により一体に成形する際、シャフト23に設けられた絶縁軸部63が、反負荷側転がり軸受21bへ圧入できるように、または反負荷側転がり軸受21bを保持できるように行う。
(7)回転子の樹脂マグネット22および位置検出用樹脂マグネット25の着磁を行う(ステップ7)。
(8)シャフト23に、負荷側転がり軸受21aおよび反負荷側転がり軸受21bを組付ける(ステップ8)。
上述の製造工程によれば、回転子の樹脂マグネット22と、絶縁軸部63を組み付けたシャフト23と、位置検出用樹脂マグネット25とが金型にセットされた状態で、これらの部品が樹脂(樹脂部24)で一体成形される。そのため、作業工程が低減し、回転子20のコスト低減を図ることができる。
また、回転子の樹脂マグネット22の台座22bにより、位置検出用樹脂マグネット25を回転子の樹脂マグネット22の端面から離すことができ、位置検出用樹脂マグネット25の肉厚を最小、かつ、任意の位置に配置することが可能となり、回転子の樹脂マグネット22より安価な熱可塑性樹脂を充填することで、コストの低減が可能となる。
また、位置検出用樹脂マグネット25は厚み方向に対称であるため、向きを合わせることなく金型にセットすることが可能である。
また、下型の位置検出用樹脂マグネット25をセットする際、外径が通過する部分を開口部が広くなるテーパにしているため(樹脂部24のテーパ部24b)、下型に引っ掛かることなくセットが可能なため、作業工程が簡素化により生産性の向上に伴いコストの低減が可能である。
また、位置検出用樹脂マグネット25は、下型にセットされたとき、その内径が、下型に備える内径押え部に保持される。このことにより、シャフト23および回転子の樹脂マグネット22との同軸度の精度が確保される。
また、上型に備える切欠き押さえ部が、回転子の樹脂マグネット22の内径に備える切欠き22aに押し当てられる。このことにより、シャフト23と回転子の樹脂マグネット22との同軸度の精度が確保される。
図20は、空気調和機300の構成図である。空気調和機300は、室内機310と、室内機310と接続される室外機320とを備える。室内機310には室内機用送風機(図示せず)が搭載され、室外機320には室外機用送風機330が搭載されている。そして、室外機用送風機330および室内機用送風機には、その駆動源として本実施の形態の電動機100が使用されている。空気調和機300の主要部品である室外機用送風機330および室内機用送風機に電動機100を用いることにより、空気調和機300の耐久性を向上させることが可能である。
なお、本実施の形態にかかる電動機100は、空気調和機300以外の電気機器(例えば換気扇、家電機器、工作機など)に搭載して利用することができる。
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電動機100の回転子20は、回転子のマグネット(樹脂マグネット22)およびシャフト23が樹脂部24により一体化され、シャフト23に転がり軸受を配置する電動機100の回転子20であって、転がり軸受は、負荷側転がり軸受21aおよび反負荷側転がり軸受21bで構成され、シャフト23は、負荷側転がり軸受21aに支持される負荷側軸部(シャフト本体23e)と、前記負荷側軸部の反負荷側端部に設けられる絶縁軸部(63、72、82)と、から成り、前記負荷側軸部の端面(反負荷側端面23bなど)は、樹脂部24の反負荷側軸方向端面(軸受当接面24d)よりも負荷側転がり軸受21a側に位置するようにしたので、絶縁軸部(63など)によって反負荷側転がり軸受21bとシャフト本体23eとが絶縁され、軸電流が抑制される。従って、負荷側転がり軸受21aおよび反負荷側転がり軸受21bの電食の発生が抑制される。また絶縁軸部(63など)を構成する金属スリーブ61に軸受が圧入されるため、金属スリーブ61と軸受の結合が経時的にも安定し軸受の内輪クリープの発生が抑制される。さらに絶縁軸部(63など)を構成する軸部(60など)は、金属スリーブ61と一体成形して形成されているため、金属スリーブ61と軸部60の小径部60bとの同軸度が向上し、または、金属スリーブ61とシャフト(23e−1、23e−2)との同軸度が向上する。すなわち回転子20とモールド固定子10の同軸度が向上する。その結果、電動機100の品質および性能の向上を図ることが可能である。
また本実施の形態にかかる負荷側軸部(シャフト本体23e−1)の反負荷側端部には、負荷側軸部側から絶縁軸部72側に突出し、かつ、負荷側軸部の外径d1より小さい外径d4に形成された突出部(シャフト本体小径部23e−1a)が形成され、絶縁軸部72は、反負荷側転がり軸受21bに支持される軸受嵌合部(70a)と、前記突出部が嵌合する凹部(70h)が形成されたシャフト結合部(負荷側端部70b、ゲート切断部70c)と、を有し、前記凹部には、前記突出部が嵌合し組付けられるので、シャフト本体23e−1の切削量、あるいは、切削工程を少なくすることができ、コスト低減を図ることが可能である。
また本実施の形態にかかる絶縁軸部82は、反負荷側転がり軸受21bに支持される軸受嵌合部80aと、負荷側軸部(シャフト本体23e−2)の反負荷側端部23e−2aが組み付けられる凹部80hが形成されたシャフト結合部(負荷側端部80b)と、を有し、凹部80hには、反負荷側端部23e−2aが嵌合し組付けられるので、シャフト本体23e−2の切削が不要であり、コスト低減を図ることが可能である。
また、本実施の形態にかかる絶縁軸部(63など)は、金属スリーブ61とシャフト本体23eを樹脂材料で一体成形することでも得られる。そのため、金属スリーブ61とシャフト本体23eの同軸度がさらに向上し、品質が向上するだけでなく、金属スリーブ61とシャフト本体23eを組付ける工程が削減され、工程を簡略化されることで低コスト化を図ることができる。
また、本実施の形態にかかる金属スリーブ61には、その外周部に1または複数のスリット62が設けられているので、金属スリーブ61の抜け止め、回り止めがなされ、信頼性が確保される。
また本実施の形態にかかる金属スリーブ61は、シャフト本体23e(負荷側軸部)と略同じ線膨張係数の金属が用いられているので、寸法精度、安定性に優れている。また本実施の形態にかかる絶縁性樹脂(軸部63など)の材料には、シャフト23と略同じ線膨張係数の樹脂材料が用いられているので、シャフト23や金属スリーブ61と軸部(60など)との間におけるクリープの発生が抑制され、電動機100の品質の向上を図ることができる。
また本実施の形態にかかる絶縁性樹脂(軸部63など)の材料には、熱硬化性樹脂のBMC(バルクモールディングコンパウンド)樹脂が用いられているので、シャフト23や金属スリーブ61と、絶縁性樹脂(軸部63など)との間におけるクリープの発生が抑制され、電動機100の品質の向上を図ることができる。
また本実施の形態にかかる電動機の回転子20は、シャフト本体部23eの外周に形成される樹脂部24の中央筒部24gと軸受当接面24dとの間に、段差部24eを設けることにより、シャフト23、回転子の樹脂マグネット22、および位置検出用樹脂マグネット25を樹脂で一体成形する際に、樹脂部24の中央筒部24gの軸受当接面24dをイレコで形成する場合、段差部24eまで前記イレコで形成する。そのため、金型の合わせ面は中央筒部24gの反負荷側端面24hになるので、金型の合わせ面にバリが発生しても反負荷側転がり軸受21bは金型の合わせ面となる反負荷側端面24hに対して段差部24eの分離れているので、バリは反負荷側転がり軸受21bに当接しない。そのため、反負荷側転がり軸受21bに悪影響を及ぼす虞が少ない。
また、回転子20が、熱衝撃を受けると樹脂部24の中央筒部24gが割れる場合もあるが、中央筒部24gに段差部24eを設け、段差部24e間の中央筒部24gの径方向の厚さを大きくして対処することができる。
また、絶縁軸部63の樹脂注入口が樹脂部24に埋設される部分に設けられているので、樹脂注入口が絶縁軸部63の外周にあり、ゲート切断部60cが凸(突出部)として残る場合の懸念が払拭される。
また、絶縁軸部63の樹脂部24に埋設される複数の突起が設けられているので、絶縁軸部63の軸方向および周方向の移動をさらに抑制することができる。
なお、電動機をインバータ駆動する場合、電動機の騒音の低減を図る目的から、インバータのキャリア周波数を高く設定するようにしているが、キャリア周波数を高く設定するに伴って、電動機のシャフトへの高周波誘導により発生する軸電圧が増大し、シャフトを支持している転がり軸受の内輪と外輪との間に存在する電位差が大きくなるので、転がり軸受に流れる電流も増加する。従って、本実施の形態の回転子20は、電動機100を、インバータを用いて運転を行う場合の軸電流の低減に特に有効である。ここでは回転子20の位置検出用樹脂マグネット25の磁極を検出するためのセンサであるホールIC49bを用いて検出する方法を述べたが、位置検出用樹脂マグネット25、ホールIC49bを用いず、コイルを流れる電流を電流検出器(図示せず)にて検出し、波形生成回路にマイコンなどを用いて電動機を運転するセンサレス駆動方式においても同様の効果があることは言うまでもない。
また、電動機100の活用例としては、換気扇、家電機器、工作機などに搭載して利用することができる。
また、本発明の実施の形態にかかる電動機の回転子、電動機、空気調和機、および電動機の回転子の製造方法は、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。