JP7331418B2 - 回転子および回転子を備えた電動機 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁部材を有する回転子およびその回転子を備えた電動機に関する。

従来の電動機には、回転磁界を発生させる固定子の内側に、永久磁石を有する回転子を回転可能に配置したインナーロータ型の永久磁石電動機が知られている。この永久磁石電動機は、例えば、空気調和機に搭載する送風ファンの回転駆動用として用いられる。

この永久磁石電動機は、高周波スイッチングを行うＰＷＭ方式のインバータで駆動する場合に、軸受の内輪と外輪の間に電位差（軸電圧）を生じる。この軸電圧が軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧に達すると、軸受内部に電流が流れて軸受に電食を発生させる。この軸受の電食を防止するために、例えば、絶縁部材を有する回転子を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この回転子は、例えば、環状の永久磁石と、永久磁石の内径側に位置する環状の外周側鉄心と、外周側鉄心の内径側に位置する環状の内周側鉄心と、外周側鉄心と内周側鉄心の間に位置する絶縁部材と、内周側鉄心の中心軸の方向に貫通する貫通穴に固着されたシャフトを備えている。

このような回転子の絶縁部材は、外周側鉄心と内周側鉄心を連結する連結部であり、例えば、外周側鉄心と内周側鉄心の間に充填された樹脂で形成されている。

特開２０１０－１６６６８９号公報

ところで、上述した軸受の電食は、永久磁石電動機をＰＷＭ方式のインバータで駆動すると、固定子の巻線の中性点電位が零にならず、コモンモード電圧と呼ばれる電圧が発生する。このコモンモード電圧は、スイッチングによる高周波成分が含まれるため、永久磁石電動機の内部の浮遊容量によって、軸受の外輪と内輪の間に軸電圧を発生させる。

コモンモード電圧は、固定子の巻線とシャフトの間の静電容量分布と、シャフトとインバータ駆動用回路基板の間の静電容量により、軸受の内輪側（シャフト側）の電位として分圧される。そして、コモンモード電圧は、固定子の巻線とブラケットの間の静電容量とブラケットとインバータ駆動用回路基板の間の静電容量により、軸受の外輪側（ブラケット側）の電位として分圧される。この軸受の内輪側と外輪側の電位差が軸電圧となる。

回転子の絶縁部材の厚みの上限が構造上規制され、且つ材料として絶縁性樹脂（例えばＰＢＴ樹脂）を使用しても回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスが低く、軸電圧が高い場合に、軸電圧を抑制するため、特許文献１に記載の先行技術では、絶縁部材の一部に空気層や空孔を形成するようにしている。空気の比誘電率は、ほぼ１であるため、３程度のＰＢＴに比べて比誘電率が小さい（即ち、空気は絶縁性樹脂よりも絶縁性が高い）。したがって、空気層や空孔を設けることによって回転子の静電容量を小さくすることが可能となり、回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスを高くするようにしている。

しかしながら、特許文献１に記載された、絶縁部材に空気層を形成するための空孔を、多数形成する場合には、絶縁部材の強度が低下するおそれがあった。
その一方で、永久磁石電動機の使用環境や駆動時の固定子巻線からの発熱によって、絶縁部材に熱応力が生じる。熱応力が絶縁部材の一部に集中すると、絶縁部材の耐久性の低下や割れやクラックの発生が懸念される。この熱応力を緩和することも望まれていた。

そこで、本発明は、強度を保ちつつ熱割れを防止できる絶縁部材を有する回転子およびその回転子を備えた電動機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の回転子の一態様は、外周側鉄心と、内周側鉄心と、外周側鉄心と内周側鉄心を連結する連結部とを備える。連結部は、絶縁性樹脂で形成される。連結部の軸方向の両端面には、環状に配置された複数の第１の凹部と、円周方向に隣り合う第１の凹部同士を繋ぐ複数の第２の凹部とが設けられる。第２の凹部の深さは、第１の凹部の深さよりも浅く形成される。

本発明の電動機の一態様は、モータ外郭に固定された固定子と、固定子の内径側に配置された回転子とを備える。回転子は、永久磁石が固定される環状の外周側鉄心と、外周側鉄心の内径側に位置する内周側鉄心と、外周側鉄心と内周側鉄心の間に位置し、絶縁性樹脂で形成された連結部と、内周側鉄心に連結されるとともに、モータ外郭に軸受によって回転自在に支持されたシャフトとを備える。回転子は、連結部の軸方向の両端面に、環状に配置された複数の第１の凹部と、円周方向に隣り合う第１の凹部同士を繋ぐ複数の第２の凹部とが設けられる。第２の凹部の深さは、第１の凹部の深さよりも浅く形成される。

本発明によれば、絶縁性樹脂で形成された連結部の強度を保ちつつ熱割れを防止することができる。

本発明に係る永久磁石電動機を示す縦断面図である。 本発明に係る永久磁石電動機の回転子における外周側鉄心の斜視図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本発明に係る永久磁石電動機の回転子における内周側鉄心の斜視図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本発明に係る永久磁石電動機の回転子における絶縁部材の斜視図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本発明に係る永久磁石電動機の回転子の斜視図である。 図５の回転子の平面図である。 図６のＡ－Ａ断面図である。 図６のＢ－Ｂ断面図である。 図７のＣ－Ｃ断面図である。 図７のＤ－Ｄ断面図である。 本発明に係る永久磁石電動機の回転子、シャフトおよび第２軸受の斜視図である。 本発明に係る永久磁石電動機を示す横断面図である。 図１または図１２の永久磁石電動機が、空気調和機の室外機に取り付けられる様子を示す斜視図である。 図１左側の部分拡大図である。

次に、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、現実のものとは必ずしも一致しないことに留意すべきである。したがって、具体的な構成部品については以下の説明を参酌して判断すべきものである。

また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

以下に、本発明の一実施形態に係る電動機について説明する。

＜電動機の全体構成＞
図１乃至図１２は、第１実施形態における電動機１の構成を説明する図である。これらの図に示すように、この永久磁石電動機１は、例えば、ブラシレスＤＣモータである。この電動機１は、図１３に示すような空気調和機の室外機１０に搭載される送風ファンを回転駆動するために用いられる。空気調和機の室外機１０は、例えば、室外機１０のベース１０１にねじ留めされる底板１０２と、室外機１０の上部に固定される上板１０３と、電動機１が取り付けられる台座１０４と、底板１０２と上板１０３と台座１０４とが固定される２本の支柱１０５とを備える。電動機１は、台座１０４の中央部にねじ留めされる。

以下では、回転磁界を発生する固定子２の内周側に、永久磁石３１を有する回転子３を回転可能に配置したインナーロータ型の永久磁石電動機１を例に説明する。本実施形態における永久磁石電動機１は、固定子２と、回転子３と、モータ外郭６を備えている。

＜固定子と回転子＞
固定子２は、円筒形状のヨーク部とヨーク部から内径側に延びる複数のティース部を有した固定子鉄心２１と、インシュレータ２２を介してティース部に巻回された巻線２３を備えている。この固定子２は、固定子鉄心２１の内周面を除いて、樹脂で形成されたモータ外郭６で覆われている。

回転子３は、固定子２の固定子鉄心２１の内周側に所定の空隙（ギャップ）を持って回転自在に配置されている。この回転子３は、固定子鉄心２１に対向する外周面に環状に永久磁石３１を配置した表面磁石型である。永久磁石３１は、後述する外周側鉄心３２の外周面に固定されている。このシャフト３５は、内周側鉄心３４に連結されており、回転子２で生じた動力がシャフト３５を介して負荷（送風ファン）へと伝達され、送風ファンを回転駆動するようになっている。また、シャフト３５は、第１軸受４１および第２軸受４２によって支持され、第１軸受４１が第１ブラケット５１に、第２軸受４２が第２ブラケット５２にそれぞれ支持されることで、回転子３が回転自在に支持されている。

＜軸受とブラケット＞
第１軸受４１は、回転子３のシャフト３５の一端側（出力側）を支持している。第２軸受４２は、回転子３のシャフト３５の他端側（反出力側）を支持している。第１軸受４１および第２軸受４２は、例えば、ボールベアリングが用いられる。

第１ブラケット５１は、金属製（鋼板やアルミニウムなど）であり、モータ外郭６の一端側すなわちシャフト３５の出力側に配置されている。この第１ブラケット５１は、第１軸受４１を収容するための第１軸受収容部５１１と、第１軸受収容部５１１の開放端から周りに広がるフランジ部５１２を有する。第１軸受収容部５１１は、シャフト３５を通すための貫通穴が設けられた底部を有する円筒形状に形成されており、第１ブラケット５１のフランジ部５１２は、モータ外郭６の成形時にインサート成形され、モータ外郭６と一体になっている。

この第１軸受収容部５１１の内面に第１軸受４１の外輪が圧入され、この第１軸受４１の内輪に支持されたシャフト３５の出力側が、第１軸受収容部５１１の底部の中央に形成された貫通穴から外部に突出されている。

第２ブラケット５２は、金属製（鋼板やアルミニウムなど）であり、モータ外郭６の他端側すなわちシャフト３５の反出力側に固定されている。この第２ブラケット５２は、円板状のブラケット本体部５２１と、モータ外郭６の反出力側の端部を閉塞する外縁部５２０と、第２軸受４２を収容するための第２軸受収容部５２２とを有する。

第２ブラケット５２は、外縁部５２０がモータ外郭６の反出力側の端部にねじ留めされている。第２軸受収容部５２２は、ブラケット本体部５２１の中央部に、モータ外郭６側（出力側）から凹設された円形の底面を有する穴として形成されている。

第１軸受４１は、第１ブラケット５１に設けられた第１軸受収容部５１１に収容され、第２軸受４２は、第２ブラケット５２に設けられた第２軸受収容部５２２に収容されている。そして、第１軸受４１と第１軸受収容部５１１、第２軸受４２と第２軸受収容部５２２はそれぞれ電気的に導通している。

第２ブラケット５２は、径方向において第２軸受収容部５２２と外縁部５２０との間にヒートシンクを一体的に備える。これにより、電動機１の省スペース化を図ることができる。
第２ブラケットは、ヒートシンクとして、シャフト３５の反出力側に、外方へ向けて立設した放熱フィン５２３を備え、伝熱部材７１を介し、電動機１を制御するための回路基板７２（特に、回路基板７２に搭載された電子部品７２１）からの熱が、放熱フィン５２３によって効率的に放熱されるようになっている。

＜本発明に係る回転子の構造、作用および効果＞
次に、本実施形態における永久磁石電動機１において、図２乃至図１０を用いて、本発明に係る回転子３の構造やその作用および効果について説明する。
永久磁石電動機１では、第１軸受４１や第２軸受４２に電食が生じないようにするため、図１に示すように、回転子３の一部に絶縁部材３３を備えている。以下、回転子３の具体的構成について説明する。

回転子３は、図１乃至図１１に示すように、外径側から内径側に向かって、永久磁石３１と、外周側鉄心３２と、絶縁部材（連結部）３３と、内周側鉄心３４と、シャフト３５を備えている。

永久磁石３１は、図１，１１及び図１２に示すように、Ｎ極とＳ極が円周方向に等間隔に交互に表れるように複数（例えば８または１０個）の永久磁石片３１１で環状に形成されている。なお、永久磁石３１は、磁石粉末を樹脂で固めることで環状に形成されたプラスチックマグネットを用いてもよい。

外周側鉄心３２は、図２に示すように、環状に形成されており、図１１および図１２に示すように、永久磁石３１の内径側に位置している。外周側鉄心３２には、後述する絶縁部材３３との回り止めの機能を確保するために、内周面（図２参照）から外径側に凹み、回転子３の軸Ｏの方向（以下、軸方向）に延びた複数（例えば円周方向に５個）の内周側凹部３２１を備えている。すなわち、内周側凹部３２１が、絶縁部材３３に対する回り止めを行うキー溝（回転する部材との間での滑りを防止する溝。キー溝により部材間の締結力が向上し、動力の伝達効率を高めることができる）として機能する。さらに外周側鉄心３２には、永久磁石３１の位置決めをするために、外周面から外径側に突出する複数（例えば円周方向に１０個）の外周側突起３２２を備えている。

複数の内周側凹部３２１は、絶縁部材３３の端面から軸方向に延びるとともに、円周方向に等間隔に配置されている。本実施形態では、内周側凹部３２１は、軸方向において、外周側鉄心３２の両端部からそれぞれ延びるように２個配置される。これにより、外周側鉄心３２は、軸方向に隣接する内周側凹部３２１同士の間に隔壁３２３（抜止部）が存在し、この隔壁３２３によって絶縁部材３３（連結部）の（両軸方向への）抜け止めを行うことができる。

複数の外周側突起３２２は、それぞれ軸方向に延びるとともに、円周方向に等間隔に配置されている。また、各々の外周側突起３２２は、軸方向において、外周側鉄心３２の一端から他端まで延びるように配置される。

内周側鉄心３４は、図３に示すように、環状に形成されており、図５乃至図１０に示すように、外周側鉄心３２の内径側に位置している。内周側鉄心３４には、後述する絶縁部材３３との回り止めの機能を確保するために、外周面（図３参照）から内径側に凹み、軸方向に延びた複数（例えば円周方向に６個）の外周側凹部３４１を備えている。すなわち、外周側凹部３４１が、絶縁部材３３に対する回り止めを行うキー溝として機能する。

複数の外周側凹部３４１は、軸方向に延びるとともに円周方向に等間隔に配置されている。本実施形態では、外周側凹部３４１は、軸方向の中央に配置される隔壁３４４（抜止部）により区画されている。そのため、外周側凹部３４１は、内周側鉄心３４の両端部からそれぞれ延びるように２個配置される。これにより、内周側鉄心３４は、軸方向に隣接する外周側凹部３４１同士の間に隔壁３４４が存在し、この隔壁３４４（抜止部）によって絶縁部材３３（連結部）の（両軸方向への）抜け止めを行うことができる。

そして、内周側鉄心３４の中心には、軸方向に貫通する貫通穴３４３を備えている。内周側鉄心３４の貫通穴３４３にはシャフト３５が通され、シャフト３５と内周側鉄心３４とが連結される。なお、内周側鉄心３４は、この貫通穴３４３と内周側鉄心３４の外周面との間に、重量を軽くするための肉抜き用の複数の貫通穴３４２を備えてもよい。これらの複数の貫通穴３４２は、軸方向から見て、貫通穴３４２が形成された内周側鉄心３４の形状がスポーク状になるように、円周方向に等間隔に配置されている。

絶縁部材３３は、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの誘電体の樹脂で形成されており、外周側鉄心３２と内周側鉄心３４の間に位置している。絶縁部材３３は、外周側鉄心３２と内周側鉄心３４の間に樹脂が充填されるインサート成形により、外周側鉄心３２と内周側鉄心３４と一体に成形されている。この絶縁部材３３は、外周側鉄心３２と内周側鉄心３４の間の静電容量（固定子２の巻線２３とシャフト３５の間の静電容量の一部）を小さくしており、第１軸受４１および第２軸受４２の内輪側の電位を下げることで内輪側と外輪側の電位差が小さくなるよう調整されている。

図４に示すように、絶縁部材３３は、外周面に、上述した外周側鉄心３２の内周側凹部３２１と係合する（複数の）外周側凸部３３８を備える。また、絶縁部材３３は、内周面に、内周側鉄心３４の外周側凹部３４１と係合する（複数の）内周側凸部３３９を備える。

ここで、外周側鉄心３２と絶縁部材（連結部）３３との間に設けられ、外周側鉄心３２と絶縁部材３３との間での回り止めを行う係合部（内周側凹部３２１および外周側凸部３３８）を第１の凹凸係合部とし、絶縁部材３３と内周側鉄心３４との間に設けられ、絶縁部材３３と内周側鉄心３４との間での回り止めを行う係合部（内周側凸部３３９および外周側凹部３４１）を第２の凹凸係合部と呼ぶこととする。上述のように、本実施形態では、外周側鉄心３２および内周側鉄心３４に、凹凸係合部（第１の凹凸係合部および第２の凹凸係合部）の凹部を形成し、絶縁部材（連結部）３３に、凹凸係合部の凸部を形成した場合を例示した。

なお、凹凸係合部における凹部と凸部のそれぞれを、回転子鉄心（３２、３４）と絶縁部材３３のどちらに配置するかは、上述の場合と逆になってもよい。例えば、凹凸係合部の凸部を、外周側鉄心３２および内周側鉄心３４に設け、凹凸係合部の凹部を、絶縁部材３３に設けてもよい。

この第１の凹凸係合部３２１、３３８および第２の凹凸係合部３３９、３４１は、図２～４及び図７、８に示されるように、軸方向において隣接する内周側凹部３２１同士の間に隔壁３２３（抜止部）が形成され、軸方向において隣接する外周側凹部３４１同士の間に隔壁３４４（抜止部）が形成されているため、外周側鉄心３２および内周側鉄心３４に対する絶縁部材３３の抜け止めを行うことができる。よって、上述のように、第１の凹凸係合部３２１、３３８および第２の凹凸係合部３３９、３４１は、各凹凸の係合で回り止めと抜け止めの機能を併せ持つことができる。

ここで、回転子３の回転時に、キー（回転体を軸に締結する機械要素）として機能する凹凸係合部が受けるせん断応力について考える。大きさがＴ［Ｎ・ｍ］のトルクを伝達する軸において、凹凸係合部（キー）が配置される位置が中心軸Ｏから半径ｒ［ｍ］の位置とすると、凹凸係合部の形状が一様であると仮定したときに凹凸係合部に働くせん断応力τ［Ｐａ］は、τ＝α×Ｔ／ｒ（α：比例定数）で表すことができる。また、外周側鉄心３２と絶縁部材３３との間に設けられた第１の凹凸係合部の径方向位置（すなわち外周側鉄心３２の内径）ｒ１と、絶縁部材３３と内周側鉄心３４との間に設けられた第２の凹凸係合部の径方向位置（すなわち内周側鉄心３４の外径）ｒ２とを比較すると、常にｒ１＞ｒ２が成り立つ。さらに、外周側鉄心３２と絶縁部材３３の間で伝達されるトルクと、絶縁部材３３と内周側鉄心３４の間で伝達されるトルクは等しいと見做すことができる。そのため、外径側の部材間（外周側鉄心３２と絶縁部材３３との間の第１の凹凸係合部）に働くせん断応力τ１よりも、内径側の部材間（内周側鉄心３４と絶縁部材３３の間の第２の凹凸係合部）に働くせん断応力τ２の方が、常に大きくなる（すなわち常にτ１＜τ２が成り立つ）。そこで、円周方向における第２の凹凸係合部３３９、３４１の個数を、円周方向における第１の凹凸係合部３２１、３３８の個数よりも多くすることで、内径側の部材間に設けられた個々の第１の凹凸係合部３２１、３３８に働くせん断応力を小さくし、絶縁部材３３の回り止めをさらに強固にすることができる。

シャフト３５は、内周側鉄心３４が備える貫通穴３４３に通され、圧入やカシメなどによって内周側鉄心３４に固着されている。

空気調和機に搭載される送風ファンを回転駆動するために用いられる永久磁石電動機１は、ＰＷＭ方式のインバータで駆動されるため、巻線の中性点電位が零にならず、コモンモード電圧と呼ばれる電圧が発生する。このコモンモード電圧に起因して、永久磁石電動機１の内部の浮遊容量によって、第１軸受４１や第２軸受４２の外輪と内輪の間に電位差（軸電圧）が発生する。この軸電圧が軸受内部油膜の絶縁破壊電圧に達すると、軸受内部に電流が流れて軸受内部に電食を発生させる。

上記の回転子３において、絶縁部材３３は、図４乃至図１０に示すように、円筒形状に形成され、回転子３の静電容量を低減させるために、軸方向の一端に第１軸方向穴３３１が形成され、軸方向の他端に同様に回転子３の静電容量を低減させるための第２軸方向穴３３２が形成されている。これらの第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２は、円周方向に等間隔に複数（例えば１０個）形成されている。複数の第１軸方向穴３３１のそれぞれの間、および、複数の第２軸方向穴３３２のそれぞれの間には、隔壁３３４が一様に形成され、円周方向に隣接する第１軸方向穴３３１同士、および、円周方向に隣接する第２軸方向穴３３２同士を区切っている。ここで、回転子３の平面図および底面図は同一である。隔壁３３４は、絶縁部材３３（連結部）の機械的強度を高めており、回転子３が回転する際、内周側鉄心３４と外周側鉄心３２間で回転運動の動力を十分に伝達させることができる。

さらに、図７に示すように、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２は、軸方向で互いに対向しており、絶縁部材３３の軸方向の中央（軸方向に対向する第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２の間）には、互いの穴の深さが同じになるように区切る壁部３３３が設けられている。壁部３３３は、絶縁部材３３（連結部）の機械的強度を高めており、回転子３が回転する際、内周側鉄心３４と外周側鉄心３２間で回転運動の動力を十分に伝達させることができる。また、この壁部３３３が設けられることで、壁部３３３の一端側には第１軸方向穴３３１の底部３３５ｃが形成され、壁部３３３の他端側には第２軸方向穴３３２の底部３３５ｃが形成されている。そして、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２のそれぞれの底部３３５ｃから軸方向に沿って側壁３３５ａおよび側壁３３５ｂが形成されている。

このように、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２は、壁部３３３が形成されることによって、両端面から軸方向に沿う方向に深さを有する構造になっている。また、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２は、図６乃至図９に示すように、軸方向から見た端面形状が円周方向に沿う円弧状に形成されているとともに、それぞれが等間隔に複数（例えば円周方向に１０個）形成されている。

ここで、例えば、半径が小さく軸方向に厚い回転子３に対して第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２を形成するときは、回転子３の半径が小さいので、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２の半径方向の長さ（幅）Ｒも小さく制限される。

また、本実施形態における絶縁部材３３は、ＰＢＴやＰＥＴなどの誘電体の樹脂を外周側鉄心３２および内周側鉄心３４とともに一体成型することで形成されるため、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２の成型時の金型の抜き勾配を考慮すると、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２の半径方向の長さ（幅）Ｒを大きくすることができない。

このような回転子３の静電容量を低減させるためには、例えば、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２の深さを深くすることが考えられる。しかしながら、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２の深さを深くしすぎると、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２を区切る壁部３３３の厚さが薄くなり、絶縁部材３３の機械的強度が低下することから、機械的強度を確保するためには適当な厚さの壁部３３３が必要となる。ここでは機械的強度を高めるため、外周側鉄心３２の隔壁３２３（抜止部）の軸方向厚さ、および、内周側鉄心３４の隔壁３４４（抜止部）の軸方向厚さを、壁部３３３の（軸方向）厚さに概ね等しくしている。

また、本実施形態では、上述したように、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２は、図６乃至図９に示すように、軸方向から見た際の端面形状を円周方向に沿う円弧状に形成している。すなわち、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２の半径方向の長さ（幅）Ｒを円周方向で一定にすることで、穴の大きさを限られた空間内で大きくし、かつ、回転子３の静電容量を低減させることができる。

上述のように、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２の大きさや形状は、回転子３の静電容量の低減と機械的強度の確保の両方を考慮して決定される。

ところで、一般的に、樹脂の線膨張係数は、金属の線膨張係数に比較して１０倍以上大きい。そのため、樹脂製の絶縁部材３３は、温度上昇時の膨張量や温度降下時の収縮量が、金属製の外周側鉄心３２および内周側鉄心３４に比較して大きくなる。

そして、絶縁部材３３は、図６乃至図８に示すように、側壁３３５ａ、３３５ｂが、半径方向に薄く、軸方向に厚い。そのため、絶縁部材３３における側壁３３５ａ、３３５ｂの膨張量や収縮量は、半径方向に比較して軸方向の方が大きくなる。

また、絶縁部材３３の壁部３３３および隔壁３３４の膨張量や収縮量は、半径方向の成分と軸方向の成分に分けられるが、半径方向への膨張や収縮は外周側鉄心３２および内周側鉄心３４によって規制されるので、半径方向の膨張量や収縮量に比べて軸方向の膨張量や収縮量の方が大きくなりやすい。

ここで、図７および図８に示される、外周側鉄心３２と内周側鉄心３４とに挟まれた絶縁部材３３は、膨張や収縮による軸方向での変位（位置の変化）が、膨張や収縮する前に軸方向のどの位置にあったかによって変動する。すなわち、絶縁部材３３は、軸方向の中央部分を境として両軸方向に向かってそれぞれ膨張または収縮するため、絶縁部材３３において軸方向の中央部分から遠い箇所程、変位が大きくなる。例えば、軸方向の中央部分（壁部３３３付近）は、膨張前後での軸方向の変位は殆どない。一方、軸方向の端部（端部３３５ｄ付近）は、膨張前後で軸方向の変位が大きい。なお、絶縁部材３３は、径方向の幅が小さい上に、径方向への膨張及び収縮が規制されているため、膨張及び収縮による径方向での変位は、軸方向の位置に依らず殆ど変わらない。

また、絶縁部材３３において半径方向への膨張や収縮が外周側鉄心３２および内周側鉄心３４によって規制される箇所は、熱応力が集中しやすい。そのため、本実施形態においては、絶縁部材３３の壁部３３３および隔壁３３４に熱応力が集中してしまう。

このように、絶縁部材３３の側壁３３５ａ、３３５ｂ、壁部３３３、隔壁３３４の温度上昇による膨張を考えたときに、半径方向への膨張に比べて軸方向への膨張量が大きくなりやすい上に、膨張が規制された箇所や変位量が大きい箇所に特に熱応力が集中する。

そして、この絶縁部材３３の膨張の影響により、図７に示される壁部３３３と側壁３３５ａおよび３３５ｂとが交わる部分に熱応力が集中するが、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２（第１の凹部）が設けられていることにより、この第１の凹部側に力を逃がすことができ、熱応力を緩和できる。
加えて、絶縁部材３３の膨張の影響により、側壁３３５ａおよび３３５ｂの軸方向の端部に熱応力が集中するが、上述の第１の凹部が設けられていることにより、この第１の凹部側に力を逃がすことができ、熱応力を緩和できる。

一方、図８に示される隔壁３３４は、径方向への膨張を外周側鉄心３２と内周側鉄心３４とに規制されるとともに、軸方向の端部３３５ｄ付近の膨張による変位量が特に大きくなる。そのため、絶縁部材３３の膨張の影響により、特に、外周側鉄心３２および内周側鉄心３４の内側および外側の縁部に被さっている絶縁部材３３の軸方向の端部３３５ｄ付近が割れやすい。

そこで、絶縁部材３３は、上述した熱割れを防止するために、図６および図８に示すように、環状に配置されている第１軸方向穴３３１同士の間および第２軸方向穴３３２同士の間となる位置において、軸方向の一端に第３軸方向穴３３６が形成され、軸方向の他端に同様に第４軸方向穴３３７が形成されるようにした。これらの第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７（第２の凹部３３６，３３７）は、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２（第１の凹部３３１、３３２）と同一円周上に形成されるとともに、円環状に配置されている。
また、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７（第２の凹部）は、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２と同様に、円周方向に等間隔に複数（例えば１０個）形成されている。さらに、各々の第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７は、上述した隔壁３３４と軸方向に重なるように配置されている。また、第３軸方向穴３３６と第４軸方向穴３３７は、図６乃至図９に示すように、軸方向から見た際の端面形状を円周方向に沿う円弧状に形成されている。また、第３軸方向穴３３６や第４軸方向穴３３７が、第１軸方向穴３３１や第２軸方向穴３３２と連続することで、絶縁部材３３の軸方向の両端面には環状の凹溝部が形成されている。すなわち、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２を第１の凹部とし、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７を第２の凹部としたとき、絶縁部材（連結部）３３の軸方向の両端面に、環状に形成された環状の凹溝部（３３１、３３６、および、３３２、３３７）が設けられる。この環状の凹溝部は、両端面における径方向の長さ（幅）Ｒを円周方向で一定にすることで、円周方向で均一に力を分散することができる。

なお、特に、第２の凹部（第３軸方向穴３３６、第４軸方向穴３３７）の底部（隔壁３３４の軸方向端部の位置）が、回転子鉄心（外周側鉄心３２および内周側鉄心３４）の軸方向の端面よりも軸方向中央部側となるように形成されるとき、絶縁部材３３における熱応力の集中が抑制されることが確認されている。これを踏まえ、本実施形態においては、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７の深さは、絶縁部材３３の軸方向の端面から５．５ｍｍの深さとなるよう形成されている。一方、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２の深さは、絶縁部材３３の軸方向の端面から１６．５ｍｍの深さとなるように形成されている。

ここで、図１４および表１に示されるように、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２の深さ（第１の凹部の深さ）をＭ［ｍｍ］、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７の深さ（第２の凹部の深さ）をＳ［ｍｍ］、外周側鉄心３２および内周側鉄心３４の軸方向長さ（コア積厚）をＬ［ｍｍ］、壁部３３３の軸方向の厚さ（中央壁厚さ）をＣ［ｍｍ］とする。
このとき、第２の凹部（３３６、３３７）の底部が、回転子鉄心（３２、３４）の軸方向の端面よりも軸方向中央部側となる条件は、図１４からも分かるように、
２Ｍ＋Ｃ－２Ｓ＜Ｌ
となることである。回転子３は、この条件式を満たすように設計されることが望ましい。すなわち、この条件式を満たすことで、より確実に絶縁部材３３の熱割れを防止することができる。なお、２Ｍ＋Ｃは絶縁部材３３の軸方向長さに一致する。

よって、第２の凹部である第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７の形成によって、絶縁部材３３の軸方向の長さが大きい領域を減らして絶縁部材３３の総体積を減少させることができ、絶縁部材３３の軸方向への膨張量や収縮量を小さくすることができる。また、第２の凹部３３６、３３７が設けられていることにより、軸方向の端部３３５ｄ付近にかかる力を第２の凹部側に逃がすことができ、熱応力の緩和を行い、熱応力の集中を抑制することができる。このため、絶縁部材３３の熱応力の集中による耐久性の低下を抑制することができ、熱割れやクラックの発生を抑制して長寿命化することができる。

すなわち、図５乃至図８に示されるように、これら複数の第３軸方向穴３３６（第２の凹部）は、環状に配置されている複数の第１軸方向穴３３１（第１の凹部）同士の間に配置されるとともに、円周方向に隣り合う第１軸方向穴３３１同士を繋ぐように形成されている。同様に、複数の第４軸方向穴３３７（第２の凹部）は、環状に配置されている複数の第２軸方向穴３３２（第１の凹部）同士の間に配置されるとともに、円周方向に隣り合う第２軸方向穴３３２同士を繋ぐように形成されている。これにより、熱応力の集中を抑制することができる。

また、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７の深さは、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２の深さより小さく（浅く）形成されている。これにより、円周方向に隣り合う第１軸方向穴３３１同士の間、および円周方向に隣り合う第２軸方向穴３３２同士の間に、第２軸方向穴３３２同士を区画する隔壁３３４を形成することができ、絶縁部材３３（連結部）の強度を高めることができる。

また、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２を第１の凹部とし、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７を第２の凹部としたとき、絶縁部材（連結部）３３の軸方向の両端面に、環状に形成された環状の凹溝部（３３１、３３６、および、３３２、３３７）が設けられる。これにより、絶縁部材３３の軸方向の端部において、側壁３３５ａ，３３５ｂが径方向の環状の凹溝部側に膨張できるようになるので、熱応力の影響を更に緩和し、絶縁部材３３の熱割れを防止できる。

上記説明では、永久磁石電動機１の使用環境や駆動状態で固定子２の巻線２３での発熱によって絶縁部材３３が熱膨張する場合について説明した。それだけでなく、永久磁石電動機１の使用環境や駆動状態によって温度降下する際の熱収縮時にも第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２の底部周辺や、絶縁部材３３の端部周辺における熱応力の集中を緩和することができる。
本実施形態では、熱応力を抑制するために、絶縁部材３３に、第１の凹部３３１、３３２と、第２の凹部３３６、３３７を設け、絶縁部材３３の軸方向への厚み（および樹脂の体積）を小さくし、熱膨張時と熱収縮時の応力を下げ、絶縁部材３３の熱割れを防止することができる。

したがって、シャフト３５を支持する第１軸受４１および第２軸受４２の電食を防止するために回転子３に絶縁部材３３を配置し、絶縁部材３３に第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２と、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７とを形成した場合に、直径の小さな回転子３を製作する際に問題となる絶縁部材３３に発生する熱応力の集中を緩和させることができる。
その結果、外周側鉄心３２と内周側鉄心３４との間の連結強度を保持しながら、この間のインピーダンスを高め、回転子３の静電容量を低減する小型の回転子３を製作することができる。また、回転子３を備える永久磁石電動機１も小型化することができる。

ここで、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２の少なくとも一方、または、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７の少なくとも一方に、静電容量や耐久性を調整するための部材（樹脂、金属など）が取り付けられてもよい。

また、上記各実施形態では、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２と、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７の、軸方向から見た際の端面形状が、円周方向に沿う円弧状に形成される場合を説明したが、各軸方向穴の形状はこれに限られない。また、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２と、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７のそれぞれの個数は、１０個に限定されるものではなく、任意の個数とすることができる。

また、上記各実施形態では、第１軸方向穴３３１および第２軸方向穴３３２を壁部３３３に対して対称形状に形成しているが、これに限定されるものではなく、第１軸方向穴３３１と第２軸方向穴３３２が壁部３３３に対して非対称形状（例えば軸方向から見てＣ型）に形成されてもよい。同様に、第３軸方向穴３３６および第４軸方向穴３３７が壁部３３３に対して非対称形状（例えば軸方向から見てＣ型）に形成されてもよい。

さらに、上記各実施形態では、外周側鉄心３２の外周面に永久磁石３１を配置した表面磁石型の回転子３に本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、外周側鉄心３２の外周面に対する弦位置に軸方向に延長するスロットを形成し、このスロット内に永久磁石を配置した埋込磁石型の回転子にも本発明を適用することができる。

１…永久磁石電動機
２…固定子
１０…室外機
１０１…ベース
１０２…底板
１０３…上板
１０４…側板
２１…固定子鉄心
２２…インシュレータ
２３…巻線
３…回転子
３１…永久磁石
３１１…永久磁石片
３２…外周側鉄心
３２１…内周側凹部（第１の凹凸係合部）
３２３…隔壁（抜止部）
３３…絶縁部材（連結部）
３３ａ…一端面
３３ｂ…他端面
３３１…第１軸方向穴（第１の凹部）
３３２…第２軸方向穴（第１の凹部）
３３３…壁部
３３４…隔壁
３３５ａ，３３５ｂ…側壁
３３５ｃ…底部
３３５ｄ…端部
３３６…第３軸方向穴（第２の凹部）
３３７…第４軸方向穴（第２の凹部）
３３８…外周側凸部（第１の凹凸係合部）
３３９…内周側凸部（第２の凹凸係合部）
３４…内周側鉄心
３４１…外周側凹部（第２の凹凸係合部）
３４３…貫通穴
３４４…隔壁（抜止部）
３５…シャフト
４１…第１軸受
４２…第２軸受
５１…第１ブラケット
５１１…第１軸受収容部
５１２…フランジ部
５２…第２ブラケット
５２１…ブラケット本体部
５２２…第２軸受収容部
５２３…放熱フィン
６…モータ外郭
７１…伝熱部材
７２…回路基板
Ｏ…中心軸

Claims (8)

1. 外周側鉄心と、内周側鉄心と、前記外周側鉄心と前記内周側鉄心を連結する連結部とを備え、
   前記連結部は絶縁性樹脂で形成され、
   前記連結部の軸方向の両端面には、それぞれ環状の凹溝部が形成され、
   前記軸方向で対向する２つの前記凹溝部の間には、前記凹溝部同士を区切る底壁部が形成され、
   前記底壁部は、前記軸方向に第１の厚みを有する第１底壁部と、前記軸方向に第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する第２底壁部とを有し、
   前記連結部は、前記第１底壁部及び前記第２底壁部が円周方向に交互に設けられることにより、前記軸方向において深さの異なる凹溝部が形成される
   回転子。
2. 外周側鉄心と、内周側鉄心と、前記外周側鉄心と前記内周側鉄心を連結する連結部とを備え、
   前記連結部は絶縁性樹脂で形成され、
   前記連結部の軸方向の両端面には、環状に配置された複数の第１の凹部と、円周方向に隣り合う前記第１の凹部同士を繋ぐ複数の第２の凹部と、が設けられ、
   前記第２の凹部の深さは、前記第１の凹部の深さよりも浅く形成され、
   前記連結部には、円周方向に隣り合う前記第１の凹部同士を区画する複数の隔壁が設けられ、
   前記第２の凹部と前記隔壁とは、前記軸方向に重なって配置され、
   複数の前記第１の凹部と複数の前記第２の凹部とが連続することで、前記連結部の軸方向の両端面には、環状の凹溝部が形成され、
   前記軸方向に対向する２つの前記凹溝部の間には、前記凹溝部同士を区切る底壁部が円周方向全体に亘って形成される
   回転子。
3. 請求項１または２に記載の回転子であって、
   前記外周側鉄心と前記連結部との間に設けられ、前記外周側鉄心と前記連結部との間での回り止めを行う第１の凹凸係合部と、
   前記連結部と前記内周側鉄心との間に設けられ、前記連結部と前記内周側鉄心との間での回り止めを行う第２の凹凸係合部と、
   を備える
   回転子。
4. 請求項３に記載の回転子であって、
   前記軸方向に隣接する前記第１の凹凸係合部同士の間、および、前記軸方向に隣接する前記第２の凹凸係合部同士の間の、少なくとも一方には、前記外周側鉄心または前記内周側鉄心に対する前記連結部の抜け止めを行う抜止部が形成されている
   回転子。
5. 請求項３または４に記載の回転子であって、
   前記第２の凹凸係合部の個数は、前記第１の凹凸係合部の個数より多い
   回転子。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の回転子であって、
   前記絶縁性樹脂は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）である
   回転子。
7. モータ外郭に固定された固定子と、前記固定子の内周側に配置された回転子と、を備えた電動機であって、
   前記回転子は、永久磁石が固定される環状の外周側鉄心と、前記外周側鉄心の内周側に位置する内周側鉄心と、前記外周側鉄心と前記内周側鉄心の間に位置し、絶縁性樹脂で形成された連結部と、前記内周側鉄心に連結されるとともに、前記モータ外郭に軸受によって回転自在に支持されたシャフトとを備え、
   前記連結部の軸方向の両端面には、それぞれ環状の凹溝部が形成され、
   前記軸方向で対向する２つの前記凹溝部の間には、前記凹溝部同士を区切る底壁部が形成され、
   前記底壁部は、前記軸方向に第１の厚みを有する第１底壁部と、前記軸方向に第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する第２底壁部とを有し、
   前記連結部は、前記第１底壁部及び前記第２底壁部が円周方向に交互に設けられることにより、前記軸方向において深さの異なる凹溝部が形成される
   回転子を備えた電動機。
8. モータ外郭に固定された固定子と、前記固定子の内周側に配置された回転子と、を備えた電動機であって、
   前記回転子は、永久磁石が固定される環状の外周側鉄心と、前記外周側鉄心の内周側に位置する内周側鉄心と、前記外周側鉄心と前記内周側鉄心の間に位置し、絶縁性樹脂で形成された連結部と、前記内周側鉄心に連結されるとともに、前記モータ外郭に軸受によって回転自在に支持されたシャフトとを備え、
   前記連結部の軸方向の両端面には、環状に配置された複数の第１の凹部と、円周方向に隣り合う前記第１の凹部同士を繋ぐ複数の第２の凹部と、が設けられ、
   前記第２の凹部の深さは、前記第１の凹部の深さよりも浅く形成され、
   前記連結部には、円周方向に隣り合う前記第１の凹部同士を区画する複数の隔壁が設けられ、
   前記第２の凹部と前記隔壁とは、前記軸方向に重なって配置され、
   複数の前記第１の凹部と複数の前記第２の凹部とが連続することで、前記連結部の軸方向の両端面には、環状の凹溝部が形成され、
   前記軸方向に対向する２つの前記凹溝部の間には、前記凹溝部同士を区切る底壁部が円周方向全体に亘って形成される
   回転子を備えた電動機。

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