WO2015001782A1 - 電動機およびそれを備えた電気機器 - Google Patents

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WO2015001782A1
WO2015001782A1 PCT/JP2014/003458 JP2014003458W WO2015001782A1 WO 2015001782 A1 WO2015001782 A1 WO 2015001782A1 JP 2014003458 W JP2014003458 W JP 2014003458W WO 2015001782 A1 WO2015001782 A1 WO 2015001782A1
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electric motor
shaft
bracket
bearing
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PCT/JP2014/003458
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渡辺　彰彦
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/16—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields
    • H02K5/173—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings
    • H02K5/1732—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/40—Structural association with grounding devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor, and more particularly to an electric motor improved so as to suppress the occurrence of electrolytic corrosion of a bearing.
  • PWM pulse width modulation
  • the neutral point potential of the winding does not become zero, and therefore a potential difference (hereinafter referred to as shaft voltage) is generated between the outer ring and the inner ring of the bearing.
  • the shaft voltage includes a high-frequency component due to switching.
  • the shaft voltage reaches the dielectric breakdown voltage of the oil film inside the bearing, a minute current flows inside the bearing and electric corrosion occurs inside the bearing.
  • electrolytic corrosion progresses, a wavy wear phenomenon may occur in the bearing inner ring, the bearing outer ring or the bearing ball, resulting in abnormal noise, which is one of the main causes of problems in the motor.
  • a power supply circuit of a drive circuit (including a control circuit) that drives an electric motor by an inverter by a PWM method, and a primary circuit of the power supply circuit and a ground to the ground on the primary circuit side are electrically Insulated configuration.
  • the bearing lubricant As a specific method of the above (1), it is possible to make the bearing lubricant conductive.
  • the conductive lubricant has problems such as deterioration of conductivity with time and lack of sliding reliability.
  • electrical_connection state is also considered, this method also has subjects, such as a brush abrasion powder and space being required.
  • a method of reducing the axial voltage by eliminating the electrostatic capacitance component by electrically short-circuiting the stator core and the metal bracket having conductivity is a conventional method.
  • Is known see, for example, Patent Document 1.
  • many configurations are disclosed in which the stator core of the motor is electrically connected to the earth ground (see, for example, Patent Document 2).
  • a method of reducing the axial voltage by electrically short-circuiting two brackets, providing a dielectric layer on a rotating body, and changing the electrostatic capacity is conventionally known (see, for example, Patent Document 3).
  • Patent Document 1 has the following problems. That is, since this conventional method is a method of short-circuiting, the capacitance cannot be adjusted, and the shaft voltage may increase depending on the magnet material and structure of the rotor. Another problem is that the method needs to keep a balance between the bearing inner ring and the bearing outer ring with a high potential at all times because of the short circuit method. In such a state, if the balance of capacitance is lost due to the usage environment of the motor or the variation in assembly accuracy between the stator and rotor, the shaft voltage becomes high and electric corrosion tends to occur. The case of end was also considered as a possibility.
  • the configuration of the subject of the present application includes a power supply circuit of a drive circuit (including a control circuit) that drives an electric motor in an inverter by a PWM method, a primary side circuit and a primary circuit of the power supply circuit. It is an electrically insulated configuration from the ground to the ground on the side circuit side. Therefore, adopting a configuration in which the stator core of the motor is electrically connected to the earth ground in the prior art and taking this into account will solve the problem from the viewpoint of the specifications and characteristics of the motor. Other issues were also considered and some were difficult.
  • the lead wire or conductive tape that short-circuits the two brackets is used. The problem that the electric corrosion occurred due to the shaft voltage balance between the two brackets being cut off during the production process of the motor or during the use of the motor was considered.
  • the electric motor according to the present invention includes a stator including a stator iron core wound with a winding, a rotating body holding a permanent magnet in a circumferential direction facing the stator, and a rotating body penetrating through the center of the rotating body.
  • a rotor including a fastened shaft, two bearings for supporting the shaft, and two conductive brackets for fixing the bearings to each other are provided. Further, the two conductive brackets are electrically insulated from each other.
  • the electrostatic capacity A between the stator core and one bracket and the electrostatic capacity B between the stator core and the other bracket are set so as to approximate or match.
  • the relationship between the capacitance A and the capacitance B may be 0.4A ⁇ B ⁇ 2.5A.
  • the shaft voltages of the two bearings can also be increased. Can be approximated. Then, by approximating the shaft voltages of the two bearings, it is difficult for high-frequency currents to flow through the shaft, so that the shaft voltage is stabilized and the occurrence of electrolytic corrosion is suppressed. Furthermore, since it is only necessary to approximate one capacitance and the other capacitance, the step of electrically shorting the two brackets can be omitted, and the two brackets electrically short-circuited However, there is no need to consider cutting during the production process or use of the motor.
  • the effect of suppressing the electrolytic corrosion of the bearing can be obtained without adopting a configuration in which the stator core of the motor is electrically connected to the earth ground.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a brushless motor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing another configuration example of the motor.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method of measuring the capacitance between the stator core and the bracket.
  • FIG. 4 is a perspective view of the rotor of the brushless motor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of another rotor of the motor.
  • FIG. 6 is a perspective view of still another rotor of the motor.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a method of measuring the capacitance between the shaft and the rotating body.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a measuring method of the shaft voltage.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a brushless motor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing another configuration example of the motor.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of complete waveform collapse.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of partial waveform collapse.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of no waveform collapse.
  • FIG. 12 is a diagram showing a waveform of the shaft voltage when the current direction is from the bearing outer ring to the bearing inner ring.
  • FIG. 13 is a structural diagram of an air conditioner indoor unit as an example of the electrical apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 14 is a structural diagram of an air conditioner outdoor unit as an example of an electric device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 15 is a structural diagram of a water heater as an example of an electrical apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 16 is a structural diagram of an air purifier as an example of an electrical apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 1 is a structural diagram showing a cross section of the electric motor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • an example of an electric motor that is mounted for an air conditioner as an electric device and that is a brushless motor for driving a blower fan will be described.
  • an example of an inner rotor type motor in which a rotor is rotatably arranged on the inner peripheral side of a stator will be described.
  • a stator winding 12 is wound around a stator core 11 with a resin 21 as an insulator for insulating the stator core 11 interposed therebetween.
  • a stator core 11 is molded with an insulating resin 13 as a molding material together with other fixing members.
  • the stator 10 whose outer shape is substantially cylindrical is formed by integrally molding these members in this way.
  • a rotor 14 is inserted inside the stator 10 through a gap.
  • the rotor 14 includes a disk-shaped rotating body 30 including the rotor core 31 and a shaft 16 to which the rotating body 30 is fastened so as to penetrate the center of the rotating body 30.
  • the rotating body 30 holds a resin magnet 32 that is a permanent magnet in the circumferential direction facing the inner peripheral side of the stator 10.
  • the bearing 15 is a cylindrical bearing having a plurality of iron balls, and the inner ring side of the bearing 15 is fixed to the shaft 16.
  • a bearing 15a on the output shaft side supports the shaft 16 on the output shaft side where the shaft 16 protrudes from the brushless motor body, and on the opposite side (hereinafter referred to as the non-output shaft side)
  • a bearing 15 b on the output shaft side supports the shaft 16.
  • bearings 15 are fixed to the outer ring side of the bearing 15 by metal brackets having conductivity.
  • the output shaft side bearing 15 a is fixed by a bracket 17
  • the non-output shaft side bearing 15 b is fixed by a bracket 19.
  • the counter-output shaft side bearing 15b is fixed by the counter-output shaft side bracket 19 having an outer diameter substantially equal to the outer diameter of the bearing 15b.
  • the bracket 19 generally has a cup shape that is a hollow cylindrical shape, and includes a cylindrical portion 19a that is open on one side, and an annular collar portion 19b that slightly extends outward from the cylindrical end portion on the open side. have.
  • the output shaft side bearing 15 a is fixed by an output shaft side bracket 17 having an outer diameter substantially equal to the outer diameter of the stator 10.
  • the bracket 17 is generally disk-shaped, and has a protrusion into which the bearing 15a is inserted at the center of the disk. Further, the bracket 17 and the bracket 19 are not electrically connected to each other, and are configured to be electrically insulated from each other.
  • the shaft 16 is supported by the two bearings 15 and the rotor 14 rotates freely.
  • this brushless motor incorporates a printed circuit board 18 on which a drive circuit (including a control circuit and the like) that drives an inverter by a PWM method is mounted. After the printed board 18 is built in, the brushless motor is formed by press-fitting the bracket 17 into the stator 10. Also connected to the printed circuit board 18 are connection wires 20 such as a lead wire for applying a winding power supply voltage Vdc, a control circuit power supply voltage Vcc and a control voltage Vsp for controlling the number of revolutions, and a ground wire for the control circuit. Yes.
  • the zero potential point on the printed circuit board 18 on which the drive circuit is mounted is insulated from the earth ground and the primary side (power supply) circuit, and is floated from the earth ground and the potential of the primary side power supply circuit. It is in the state.
  • the zero potential point portion is a wiring of 0 volt potential as a reference potential on the printed circuit board 18, and indicates a ground wiring called a normal ground.
  • the ground line included in the connection line 20 is connected to the zero potential point, that is, the ground wiring.
  • a power supply circuit that supplies a power supply voltage of a winding connected to the printed circuit board 18 on which the drive circuit is mounted, a power supply circuit that supplies a power supply voltage of the control circuit, a lead wire that applies the control voltage, and a ground line of the control circuit
  • the primary side (power supply) circuit for the power supply circuit that supplies the power supply voltage of the winding
  • the primary side (power supply) circuit for the power supply circuit that supplies the power supply voltage of the control circuit
  • these primary side (power supply) circuits It is electrically isolated from both the connected earth ground and the independently grounded earth earth.
  • the drive circuit mounted on the printed circuit board 18 is electrically insulated from the primary side (power supply) circuit potential and the ground potential, the potential is floated. Yes. This is also expressed as a state where the potential is floating, and is well known. For this reason, the configuration of the power supply circuit that supplies the power supply voltage of the winding connected to the printed circuit board 18 and the power supply circuit that supplies the power supply voltage of the control circuit is also called a floating power supply, which is also well known. It is an expressed expression.
  • the stator windings 12 are driven by the drive circuit of the printed circuit board 18 by supplying each power supply voltage and control signal to the brushless motor configured as described above via the connection line 20.
  • a drive current flows through the stator winding 12 and a magnetic field is generated from the stator core 11.
  • the magnetic field from the stator core 11 and the magnetic field from the resin magnet 32 generate an attractive force and a repulsive force according to the polarities of the magnetic fields, and the rotor 14 rotates around the shaft 16 by these forces.
  • the stator core 11 and the bracket 17 and the stator core 11 and the bracket 19 are not electrically connected but are in an insulated state, and the bracket 17 and the bracket 19 are mutually connected. It is configured to be electrically insulated.
  • capacitance A the capacitance between the stator core 11 and the bracket 17
  • capacitance B the capacitance between the stator core 11 and the other bracket 19 are described.
  • the capacitance A on the bracket 17 side and the capacitance B on the bracket 19 side are set so as to approximate or coincide with each other, whereby the potential generated in the bracket 17 and the bracket 19 is reduced. Equipotentialization is attempted. Then, by making the bracket 17 and the bracket 19 equipotential, the shaft voltage is stabilized so that the high-frequency current hardly flows through the shaft 16. In the present embodiment, the occurrence of electrolytic corrosion is suppressed based on such a principle.
  • the lead wire and the conductive tape for short-circuiting the two brackets can be obtained by adopting a method that balances one electrostatic capacity and the other electrostatic capacity in this way. It is possible to suppress the occurrence of electrolytic corrosion without using it.
  • the difference between the axial voltages of the two bearings 15 is reduced by the configuration in which the electrostatic capacity A and the electrostatic capacity B are substantially equal based on the above-described consideration, and the oil film inside the bearings. It was possible to observe the suppression effect on the occurrence of dielectric breakdown. Furthermore, in the approximate relationship between the electrostatic capacity A and the electrostatic capacity B, it is effective to suppress the occurrence of dielectric breakdown even in a range where 0.4A ⁇ B ⁇ 2.5A. I was able to observe. That is, even if the electrostatic capacitance B is within the range of 0.4 times (2/5 times) and 2.5 times (5/2 times) of the electrostatic capacity A, the occurrence of electrolytic corrosion Can be suppressed.
  • the capacitance A may be within the range of 0.4 times (2/5 times) or more and 2.5 times (5/2 times) or less of the capacitance B. Can be prevented from occurring if the capacitance is within the range of 0.4 times (2/5 times) or more and 2.5 times (5/2 times) or less of the other capacitance. .
  • the present embodiment will be described more specifically by giving the results of measurement using a plurality of samples.
  • the present invention is not limited to the following sample examples, and is not limited to these sample examples unless the gist of the present invention is changed.
  • a stator assembly as a plurality of samples with different combinations of capacitance A and capacitance B was produced. Furthermore, three types of rotors 14 having different configurations were also produced. And the comparison in the structure which combined the some sample and the three types of rotor 14 was performed, and the effect with respect to electrolytic corrosion etc. was verified.
  • the outer diameter of the flange portion 19b of the bracket 19 is adjusted, or the distance between the bracket 19 and the stator core 11 is examined and adjusted to obtain a desired electrostatic capacity value. It has gained. Further, with respect to the capacitance B, a desired capacitance value is obtained not only by the configuration shown in FIG. 1 but also by the configuration in which the capacitor 22 is connected as shown in FIG. That is, as the electrostatic capacity B, a larger electrostatic capacity value is obtained by connecting the stator core 11 and the bracket 17 with the lead wire 23 via the capacitor 22 as an electrostatic capacity adjusting member. Further, as the insulating resin 13 for integrally molding the mold, BMC (unsaturated polyester molding material) which is a thermosetting resin was used.
  • the capacitances A and B are measured with the capacitance between the stator core 11 and the brackets 17 and 19 with the rotor 14 removed (the bearing 15 is also removed) as a measurement frequency of 10 kHz. Measuring.
  • the drive frequency of an electric motor driven by a recent PWM inverter is approximately 10 KHz, and the measurement frequency is set to 10 KHz accordingly.
  • FIG. 3 is a diagram showing a method of measuring the capacitance between the stator core 11 and the brackets 17 and 19.
  • the rotor 14 is removed from the electric motor, and the brackets 17 and 19 are reattached to the stator 10.
  • the stator core connection metal 62 for capacitance measurement is electrically connected to the stator core 11, and the capacitance between the stator core connection metal 62 and the bracket is measured by the LCR meter 60.
  • the measurement conditions at this time were measured at a measurement frequency of 10 kHz, a measurement temperature of 20 ° C., and a voltage level of 1V.
  • an LCR meter ZM2353 and a test lead 2325A manufactured by NF circuit design block were used as the LCR meter 60 used for the measurement.
  • stator assembly As described above, the following stator assembly as a plurality of samples was produced.
  • stator assemblies As described above, five types of stator assemblies were produced. Furthermore, the following three types of rotors were produced.
  • the first rotor As the first rotor, a rotor including a dielectric layer 50 as shown in FIG. 4 was produced.
  • the rotor diameter is 50 mm
  • the dielectric layer 50 is formed of PBT resin containing 20% glass fiber
  • the thickness of the dielectric layer 50 in the radial direction is 2.5 mm.
  • the capacitance C between the shaft 16 and the outermost circumferential surface of the rotating body 30 is set to 6.5 pF.
  • the dielectric layer 50 is provided between the outer iron core 31a and the inner iron core 31b, and the outer iron core 31a and the inner iron core 31b are electrically insulated by the dielectric layer 50.
  • the high-frequency potential on the bearing inner ring side can be easily adjusted by adjusting the material and thickness of the dielectric layer 50.
  • a rotor having a configuration as shown in FIG. 5 was produced as a second rotor.
  • the second rotor has a rotor diameter of 50 mm and a resin magnet 32 is directly fastened to the shaft 16.
  • the capacitance C between the shaft 16 and the outermost circumferential surface of the rotating body 30 is set to 15 pF.
  • a rotor having a configuration as shown in FIG. 6 was produced as a third rotor.
  • the rotor diameter is 50 mm
  • the radial thickness of the resin magnet 32 is 12.5 mm
  • the diameter of the rotor core 31 is 25 mm.
  • the capacitance C between the shaft 16 and the outermost circumferential surface of the rotating body 30 is set to 35 pF.
  • the resin magnet at this time is a nylon ferrite resin magnet containing about 88 to 92 wt% of ferrite magnet powder.
  • the capacitance C of each rotor described above was measured as shown in FIG. That is, the copper foil 63 is attached to the outermost circumferential surface of the rotating body 30, and the capacitance between the copper foil 63 and the shaft 16 is measured by the LCR meter 60. Moreover, the measurement conditions at this time were measured at a measurement frequency of 10 kHz, a measurement temperature of 20 ° C., and a voltage level of 1V. Moreover, at the time of a measurement, the shaft 16 was fixed on the wooden board of thickness 20mm, and it measured.
  • a brushless motor was manufactured by combining the above-described three kinds of rotors with respect to each of the above-described stator assemblies, and the shaft voltage was measured.
  • Minebea 608 (use of grease with a consistency of 239) was used for the bearing.
  • FIG. 8 is a diagram showing a measuring method of the shaft voltage.
  • a DC stabilized power supply was used, the power supply voltage Vdc of the winding was 391 V, the power supply voltage Vcc of the control circuit was 15 V, and the measurement was performed under the same operating conditions at a rotational speed of 1000 r / min. The rotational speed was adjusted by the control voltage Vsp, and the brushless motor posture during operation was horizontal on the shaft.
  • the axis voltage is measured by observing the voltage waveform with the digital oscilloscope 130 (Tektronix DPO7104) and the high-voltage differential probe 120 (Tektronix P5205), and measuring the peak-to-peak measurement voltage.
  • the shaft voltage was used.
  • the + side 120a of the high-voltage differential probe 120 is connected to the outer periphery of the shaft 16 by making the conductor of the lead wire into a loop shape having a diameter of about 15 mm through the lead wire 110 having a length of about 30 cm. By making contact, the shaft 16 is electrically connected.
  • the negative side 120b of the high-voltage differential probe 120 is connected to the bracket 17 or the bracket 19 via the conductive tape 112 through the lead wire 111 having a length of about 30 cm. 17 or the bracket 19 is electrically connected.
  • the waveform breakdown of the shaft voltage was divided into three categories: complete waveform collapse, partial waveform collapse, and no waveform collapse.
  • the state without waveform collapse is a state in which the oil film inside the bearing 15 does not cause dielectric breakdown and is a state in which the occurrence of electrolytic corrosion can be prevented.
  • the waveform collapse state is a state in which the oil film in the bearing 15 is causing dielectric breakdown, and is a state in which electrolytic corrosion is generated depending on the operation time.
  • 9 to 11 are diagrams showing such waveform examples.
  • FIG. 9 shows a complete waveform collapse
  • FIG. 10 shows a partial waveform collapse
  • FIG. 11 shows a waveform example when there is no waveform collapse. For example, in the case as shown in FIG.
  • the pulse waveform corresponding to the switching by PWM is observed without waveform collapse.
  • dielectric breakdown has occurred inside the bearing 15, and it is observed that the pulse waveform corresponding to the switching by PWM has collapsed and disappeared.
  • the horizontal axis time at the time of measurement is the same condition of 50 ⁇ s / div.
  • the digital oscilloscope 130 is insulated by an insulation transformer 140.
  • the direction of the current flowing in the bearing when the waveform collapses is determined from the direction of the shaft voltage waveform. Since the voltage waveforms shown in FIGS. 9 to 11 are higher than the zero voltage line, it can be seen that the potential on the shaft 16 (bearing inner ring) side is higher than that on the bracket 17 or bracket 19 (bearing outer ring) side. . Therefore, it can be determined that the direction of current flows from the bearing inner ring side to the bearing outer ring side. On the contrary, when the voltage waveform is downward from the zero voltage line as shown in FIG. 12, it is determined that the direction of the current flows from the bearing outer ring side to the bearing inner ring side.
  • Table 1 shows the evaluation results for a brushless motor in which three types of rotors are combined for each of the stator assemblies described above.
  • the shaft voltage Vb of the bearing 15b is not substantially affected by the electrostatic capacitance C on the rotor side, and is substantially the same.
  • the capacitance C is 15 pF
  • the axial voltage Va on the electrostatic capacitance A side is ⁇ 1.0 V
  • the axial voltage Vb on the electrostatic capacitance B side is ⁇ 1.1 V
  • the axial voltage Va and the axial voltage Vb are Are almost equal.
  • the waveform collapse state of the shaft voltage is all without waveform collapse.
  • both the brackets 17 and 19 are equipotential, it is considered that the high frequency current through the shaft 16 is difficult to flow, the shaft voltage is stabilized, and the waveform collapse is eliminated. From such a result, it is possible to suppress the occurrence of electrolytic corrosion by setting the capacitance on one bracket side and the capacitance on the other bracket side so as to approximate or match.
  • the axial voltage Vb on the electrostatic capacitance B side in this case is ⁇ 8.3 V, and the axial voltage is large.
  • the measured waveform of the axial voltage on the electrostatic capacitance A side is affected by the side of the electrostatic capacitance B having a large axial voltage. It is thought that it became the state of.
  • the electric motor of the present invention has a very excellent effect in suppressing the occurrence of electric corrosion of bearings in the electric motor because the shaft voltage is reduced as compared with the conventional electric motor. Further, since it is only necessary to approximate or match the electrostatic capacities of one bearing side and the other bearing side with a common stator core, the step of electrically shorting the two brackets is omitted. be able to. Furthermore, it is not necessary to consider that two brackets that are electrically short-circuited are cut during the production process or use of the motor.
  • the electric motor 201 is mounted in the casing 211 of the air conditioner indoor unit 210.
  • a cross flow fan 212 is attached to the rotating shaft of the electric motor 201.
  • the electric motor 201 is driven by an electric motor driving device 213. By energization from the electric motor drive device 213, the electric motor 201 rotates, and the crossflow fan 212 rotates accordingly.
  • the rotation of the cross flow fan 212 blows air conditioned by an indoor unit heat exchanger (not shown) into the room.
  • an indoor unit heat exchanger not shown
  • the electric motor 201 for example, the one of the first embodiment can be applied.
  • an air conditioner outdoor unit 301 has a motor 308 mounted inside a housing 311.
  • the electric motor 308 has a fan 312 attached to a rotating shaft and functions as a blower electric motor.
  • the air conditioner outdoor unit 301 is partitioned into a compressor chamber 306 and a heat exchanger chamber 309 by a partition plate 304 erected on the bottom plate 302 of the housing 311.
  • a compressor 305 is disposed in the compressor chamber 306.
  • the heat exchanger chamber 309 is provided with a heat exchanger 307 and a blower motor.
  • the fan motor 312 rotates with the rotation of the motor 308 driven by the motor driving device 303 housed in the electrical component box 310, and blows air to the heat exchanger chamber 309 through the heat exchanger 307.
  • the electric motor 308 for example, the one in the first embodiment can be applied.
  • an electric motor 333 is mounted in a housing 331 of the water heater 330.
  • a fan 332 is attached to the rotating shaft of the electric motor 333.
  • the electric motor 333 is driven by an electric motor driving device 334. By energization from the electric motor drive device 334, the electric motor 333 rotates, and the fan 332 rotates accordingly.
  • Rotation of the fan 332 blows air necessary for combustion to a fuel vaporization chamber (not shown).
  • the electric motor 333 for example, the one in the first embodiment can be applied.
  • an electric motor 343 is mounted in the housing 341 of the air purifier 340.
  • An air circulation fan 342 is attached to the rotating shaft of the electric motor 343.
  • the electric motor 343 is driven by an electric motor driving device 344.
  • the electric motor 343 is rotated by energization from the electric motor driving device 344, and the fan 342 is rotated accordingly. Air is circulated by the rotation of the fan 342.
  • the electric motor 343 for example, the one in the first embodiment can be applied.
  • the electric motor of the present invention can reduce the shaft voltage and is optimal for suppressing the occurrence of electrolytic corrosion of the bearing. For this reason, it is effective for a motor that is mainly mounted on an air conditioner indoor unit, an air conditioner outdoor unit, a water heater, an air purifier, or the like, for a device that requires a reduction in price and long life of the motor.

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Abstract

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２つの軸受と、軸受をそれぞれに固定しかつ相互に電気的に絶縁された２つの導電性のブラケットとを備える。さらに、本電動機は、固定子鉄心と一方のブラケットとの間の静電容量Ａと固定子鉄心と他方のブラケットとの間の静電容量Ｂとが、近似あるいは一致するように設定している。さらに、本電動機は、静電容量Ａと静電容量Ｂとの関係を、０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａとしている。

Description

電動機およびそれを備えた電気機器
　本発明は、電動機に関するもので、特に軸受の電食の発生を抑制するように改良された電動機に関するものである。
　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ないため、軸受の外輪と内輪間に電位差（以下、軸電圧という）を発生させる。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、軸受内部に微小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、軸受外輪または軸受ボール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。
　なお、電動機をＰＷＭ方式にてインバータ駆動する駆動回路（制御回路などを含む）の電源供給回路と、その電源供給回路の１次側回路および１次側回路側の大地へのアースとは電気的に絶縁された構成であった。
　従来、電食を抑制するためには、以下のような対策が考えられている。
（１）軸受内輪と軸受外輪を導通状態にする。
（２）軸受内輪と軸受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非導電性の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、電食抑制の効果は非常に高いが、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、固定子鉄心と導電性を有した金属製のブラケットとを電気的に短絡させることで、静電容量成分を無くして軸電圧を低減する方法が、従来、公知である（例えば、特許文献１参照）。また、電動機の軸受の電食を抑制する従来技術には、電動機の固定子鉄心などを大地のアースへ電気的に接続する構成も多々開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、２つのブラケットを電気的に短絡させ、回転体に誘電体層を設け、静電容量を変化させて軸電圧を低減する方法が、従来、公知である（例えば、特許文献３参照）。
　しかしながら、まず、特許文献１のような従来の方法は、次のような課題があった。すなわち、この従来の方法は短絡させる方法なので、静電容量の調整が不可能であり、回転子の磁石材質や構造によっては、軸電圧が高くなってしまう場合があった。また、他の課題として、短絡させる方法なので、軸受内輪と軸受外輪間には常に電位が高い状態でバランスを保つ必要があることが挙げられる。このような状態の場合、電動機の使用環境や固定子と回転子の組立精度バラツキなどによって、静電容量のバランスが崩れてしまうと、逆に軸電圧が高くなり電食が発生しやすくなってしまうというケースも可能性として考察された。
　また、本件出願の課題における構成は、上述したとおり、電動機をＰＷＭ方式にてインバータ駆動する駆動回路（制御回路などを含む）の電源供給回路と、その電源供給回路の１次側回路および１次側回路側の大地へのアースとは電気的に絶縁された構成である。したがって、従来技術の、電動機の固定子鉄心などを大地のアースへ電気的に接続する構成を採用し、これを加味した構成によって課題解決を図ることは、電動機の仕様・特性の観点で、さらなる別の課題も考察され、難しいものがあった。
　また、２つのブラケットを電気的に短絡させ、回転体に誘電体層を設け、静電容量を変化させて軸電圧を低減する方法では、２つのブラケットを短絡しているリード線や導通テープが、電動機の生産工程過程や電動機の使用の最中に切断され、２つのブラケットでの軸電圧のバランスが崩れ、電食が発生するという課題が考察されていた。
特開２００７－１５９３０２号公報 特開２００４－２２９４２９号公報 特開２０１０－１５８１５２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２つの軸受と、軸受をそれぞれに固定する２つの導電性のブラケットを備える。また、２つの導電性のブラケットは、相互に電気的に絶縁されている。そして、固定子鉄心と一方のブラケットとの間の静電容量Ａと固定子鉄心と他方のブラケットとの間の静電容量Ｂとが、近似あるいは一致するように設定した構成である。
　さらに、本発明の電動機は、静電容量Ａと静電容量Ｂとの関係が０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａであってもよい。
　このような構成により、固定子鉄心と一方のブラケットの間の静電容量と、固定子鉄心と他方のブラケットの間の静電容量とを近似あるいは一致させることで、２つの軸受の軸電圧も近似させることができる。そして、２つの軸受の軸電圧も近似させることにより、シャフトを介しての高周波電流が流れにくい状態にして、軸電圧を安定させ、電食の発生を抑制している。さらに、一方の静電容量と他方の静電容量とを近似させればよいため、２つのブラケットを電気的に短絡させる工程を省略することができ、かつ、電気的に短絡させた２つのブラケットが電動機の生産工程や使用中に切断することを考慮する必要が無い。
　このように、電動機の固定子鉄心などを大地のアースへ電気的に接続する構成を採用しなくとも、軸受の電食を抑制する効果が得られる。
図１は、本発明の実施の形態１におけるブラシレスモータの断面図である。 図２は、同モータの他の構成例を示す断面図である。 図３は、固定子鉄心とブラケットとの間の静電容量の測定方法を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１におけるブラシレスモータの回転子の斜視図である。 図５は、同モータの他の回転子の斜視図である。 図６は、同モータのさらに他の回転子の斜視図である。 図７は、シャフトと回転体との間の静電容量の測定方法を示す図である。 図８は、軸電圧の測定方法を示す図である。 図９は、完全波形崩れの一例を示す図である。 図１０は、一部波形崩れの一例を示す図である。 図１１は、波形崩れなしの一例を示す図である。 図１２は、電流方向が軸受外輪から軸受内輪の場合の軸電圧の波形を示す図である。 図１３は、本発明の実施の形態２における電気機器の一例としてのエアコン室内機の構造図である。 図１４は、本発明の実施の形態３における電気機器の一例としてのエアコン室外機の構造図である。 図１５は、本発明の実施の形態４における電気機器の一例としての給湯機の構造図である。 図１６は、本発明の実施の形態５における電気機器の一例としての空気清浄機の構造図である。
　以下、本発明の電動機およびそれを備えた電気機器について、図面を用いて説明する。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１における電動機の断面を示した構造図である。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、固定子鉄心１１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２１が介在して、固定子巻線１２が巻装されている。そして、このような固定子鉄心１１は、他の固定部材とともにモールド材としての絶縁樹脂１３にてモールド成形されている。本実施の形態では、これらの部材をこのようにモールド一体成形することにより、外形が概略円筒形状をなす固定子１０が構成されている。
　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。回転体３０は、固定子１０の内周側に対向して周方向に永久磁石である樹脂磁石３２を保持している。
　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円筒形状のベアリングであり、軸受１５の内輪側がシャフト１６に固定されている。図１では、シャフト１６がブラシレスモータ本体から突出した側となる出力軸側において、出力軸側の軸受１５ａがシャフト１６を支持し、その反対側（以下、反出力軸側と呼ぶ）において、反出力軸側の軸受１５ｂがシャフト１６を支持している。
　そして、これらの軸受１５は、それぞれ導電性を有した金属製のブラケットにより、軸受１５の外輪側が固定されている。図１では、出力軸側の軸受１５ａがブラケット１７により固定され、反出力軸側の軸受１５ｂがブラケット１９により固定されている。
　より具体的には、まず、反出力軸側の軸受１５ｂに対して、この軸受１５ｂの外周径とほぼ等しい外周径の反出力軸側のブラケット１９により固定している。ブラケット１９は、概略には中空円筒状となるカップ形状を有しており、一方を開いた円筒部１９ａと、開いた側の円筒端部から外方向に少しだけ広がった環状のつば部分１９ｂとを有している。また、出力軸側の軸受１５ａに対しては、固定子１０の外周径とほぼ等しい外周径の出力軸側のブラケット１７により固定している。このブラケット１７は、概略には円板形状であり、円板の中央部には、軸受１５ａが挿入される突出部を有している。また、ブラケット１７とブラケット１９とは、相互に電気的に接続されておらず、互いに電気的に絶縁状態となるように構成している。
　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。
　さらに、このブラシレスモータには、ＰＷＭ方式にてインバータ駆動する駆動回路（制御回路などを含む）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Ｖｄｃ、制御回路の電源電圧Ｖｃｃおよび回転数を制御する制御電圧Ｖｓｐを印加するリード線や制御回路のグランド線などの接続線２０が接続されている。
　なお、駆動回路を実装したプリント基板１８上のゼロ電位点部は、大地のアースおよび１次側（電源）回路とは絶縁され、大地のアースおよび１次側電源回路の電位とは、フローティングされた状態である。ここで、ゼロ電位点部とは、プリント基板１８上における基準電位としての０ボルト電位の配線のことであり、通常グランドと呼ばれるグランド配線を示している。接続線２０に含まれるグランド線は、このゼロ電位点部、すなわちグランド配線に接続される。
　また、駆動回路が実装されたプリント基板１８に接続される巻線の電源電圧を供給する電源回路、制御回路の電源電圧を供給する電源回路、制御電圧を印加するリード線および制御回路のグランド線などは、巻線の電源電圧を供給する電源回路に対する１次側（電源）回路、制御回路の電源電圧を供給する電源回路に対する１次側（電源）回路、これら１次側（電源）回路と接続された大地のアースおよび独立して接地された大地のアースのいずれとも電気的に絶縁されている。
　つまり、１次側（電源）回路電位および大地のアースの電位に対して、プリント基板１８に実装された駆動回路は電気的に絶縁された状態であることから、電位が浮いた状態となっている。これは電位がフローティングされた状態とも表現され、よく知られている。また、このようなことから、プリント基板１８に接続される巻線の電源電圧を供給する電源回路および制御回路の電源電圧を供給する電源回路の構成は、フローティング電源とも呼称され、これもよく知られた表現である。
　以上のように構成された本ブラシレスモータに対して、接続線２０を介して各電源電圧および制御信号を供給することにより、プリント基板１８の駆動回路により固定子巻線１２が駆動される。固定子巻線１２が駆動されると、固定子巻線１２に駆動電流が流れ、固定子鉄心１１から磁界が発生する。そして、固定子鉄心１１からの磁界と樹脂磁石３２からの磁界とにより、それら磁界の極性に応じて吸引力および反発力が生じ、これらの力によってシャフト１６を中心に回転子１４が回転する。
　さらに、本実施の形態では、固定子鉄心１１とブラケット１７との間および固定子鉄心１１とブラケット１９との間は、電気的には接続せずに絶縁状態とし、ブラケット１７とブラケット１９とも互いに電気的に絶縁状態となるように構成している。そして、この構成において、固定子鉄心１１とブラケット１７との間の静電容量（以下、静電容量Ａとして説明する）と、固定子鉄心１１ともう一つのブラケット１９との間の静電容量（以下、静電容量Ｂとして説明する）との関係を適切に設定することにより、軸受１５に生じる電食の発生をより効果的に抑制している。
　すなわち、ＰＷＭ駆動を用いた電動機内においては、固定子鉄心１１で発生する高周波電力の静電的な誘導や静電容量を介した結合が一つの要因となって、ブラケット１７、１９などに電位を発生させているものと推測される。さらに、ブラケット１７、１９によって軸受１５の外輪を直接に固定しているため、外輪はブラケット１７、１９と電気的に接続されている。その結果、ブラケット１７、１９に接する軸受１５の外輪とシャフト１６に接する軸受１５の内輪と間に電位差（すなわち、軸電圧）が生じ、この電位差が大きいと上述したように、電食の原因となる油膜絶縁破壊を引き起こすものと考えられる。
　そこで、本実施の形態では、ブラケット１７側の静電容量Ａとブラケット１９側の静電容量Ｂとが近似あるいは一致するように設定し、これによって、ブラケット１７とブラケット１９とに発生する電位の等電位化を図っている。そして、ブラケット１７とブラケット１９との等電位化を図ることで、シャフト１６を介しての高周波電流が流れにくい状態として軸電圧を安定させている。本実施の形態では、このような原理に基づいて電食の発生を抑制している。
　また、本実施の形態では、このように、一方の静電容量と他方の静電容量とのバランスを取るような手法とすることで、２つのブラケットを短絡するためのリード線や導通テープを用いることなく電食発生の抑制を可能としている。
　詳細については以下で説明するが、上述のような考察に基づき静電容量Ａと静電容量Ｂとをほぼ等しくした構成により、２つの軸受１５の軸電圧の差を小さくし、軸受内部の油膜の絶縁破壊発生に対する抑制効果を観測できた。さらに、静電容量Ａと静電容量Ｂとの近似関係において、０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａの関係となる範囲においても、絶縁破壊発生を抑制することに対して効果的であることが観測できた。すなわち、静電容量Ｂが静電容量Ａの０．４倍（２／５倍）以上、かつ２．５倍（５／２倍）以下となる範囲内であっても、電食の発生を抑制できる。なお、見方を変えて、静電容量Ａが静電容量Ｂの０．４倍（２／５倍）以上、かつ２．５倍（５／２倍）以下となる範囲内としてもよく、一方の静電容量が他方の静電容量の０．４倍（２／５倍）以上、かつ２．５倍（５／２倍）以下となる範囲内であれば、電食の発生を抑制できる。
　次に、本実施の形態について、複数のサンプルを用いて測定した結果を挙げてより具体的に説明する。なお、本発明は以下のサンプル例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない限りにおいて、これらのサンプル例によって限定されるものではない。
　図１に示すような構成や図２に示すような構成に基づき、静電容量Ａと静電容量Ｂとの組み合せが異なる複数のサンプルとしての固定子組立品を作製した。さらに、構成が異なる３種類の回転子１４も作製した。そして、複数のサンプルと３種類の回転子１４とを組み合わせた構成において比較を行い、電食に対する効果などを検証した。
　まず、静電容量Ａに関しては、ブラケット１９のつば部分１９ｂの外径を調整したり、ブラケット１９と固定子鉄心１１との間の距離を検討・調整したりして所望の静電容量値を得ている。また、静電容量Ｂに関しては、図１に示すような構成に加えて、図２に示すようなコンデンサ２２を接続した構成によっても所望の静電容量値を得ている。すなわち、静電容量Ｂとして、固定子鉄心１１とブラケット１７とを静電容量調整部材としてのコンデンサ２２を介して、リード線２３で接続することで、大きめの静電容量値を得ている。また、モールド一体成形するための絶縁樹脂１３としては、熱硬化性樹脂であるＢＭＣ（不飽和ポリエステル成形材料）を使用した。
　また、静電容量Ａ、Ｂの測定は、回転子１４を取り外した状態（軸受１５も取り外す）での、固定子鉄心１１とブラケット１７、１９との間の静電容量を、測定周波数１０ｋＨｚとして測定している。近年のＰＷＭ方式のインバータにより駆動する電動機の駆動周波数は概ね１０ＫＨｚであり、これにあわせて、測定周波数を１０ＫＨｚとしている。
　図３は、固定子鉄心１１とブラケット１７、１９との間の静電容量の測定方法を示す図である。図３に示すように、電動機から回転子１４を取り出し、ブラケット１７、１９を固定子１０に取り付け直した状態の固定子組立品としている。そして、静電容量測定用の固定子鉄心接続金属６２を固定子鉄心１１に電気的に接続し、ＬＣＲメータ６０によって、固定子鉄心接続金属６２とブラケット間の静電容量を測定している。また、このときの測定条件は、測定周波数１０ｋＨｚ、測定温度２０℃、電圧レベル１Ｖで、測定した。測定に使用したＬＣＲメータ６０は、エヌエフ回路設計ブロック製のＬＣＲメータＺＭ２３５３およびテストリード２３２５Ａを使用した。
　以上のようにして、複数のサンプルとしての次のような固定子組立品を作製した。
　まず、静電容量Ａと静電容量Ｂとが近似あるいは一致したときの検証を行うため、図２に示すような固定子鉄心１１とブラケット１７とにコンデンサ２２を並列接続した構成とすることで、Ｂ≒Ａとした固定子組立品を作製した。このときの静電容量Ａは１６ｐＦ、静電容量Ｂは１７ｐＦである。
　また、静電容量Ａと静電容量Ｂとの近似関係の範囲を検証するため、次の４種類の固定子組立品を作製した。
　図１に示すような構成で、ブラケット１９のつば部分１９ｂの外径調整などをしてＢ＝４Ａとした固定子組立品を作製した。このときの静電容量Ａは７ｐＦ、静電容量Ｂは２８ｐＦである。
　次に、図１に示すような構成で、同様に調整を行い、Ｂ≒２．５Ａとした固定子組立品を作製した。このときの静電容量Ａは７ｐＦ、静電容量Ｂは１７ｐＦである。
　次に、ブラケット１９のつば部分１９ｂの外径を調整し、図２に示すような構成で、固定子鉄心１１とブラケット１７とをコンデンサ２２を介して、リード線２３で接続し、コンデンサ２２の静電容量を検討することで、Ｂ≒０．４Ａとした固定子組立品を作製した。このときの静電容量Ａは１６ｐＦ、静電容量Ｂは６．２ｐＦである。
　次に、同様に調整を行い、Ｂ≒０．２７Ａとした固定子組立品を作製した。このときの静電容量Ａは１６ｐＦ、静電容量Ｂは４．３ｐＦである。
　以上のようにして、５種類の固定子組立品を作製した。さらに、次に示すような３種類の回転子を作製した。
　第１の回転子として、図４に示すような誘電体層５０を含む構成の回転子を作製した。この第１の回転子は、回転子直径を５０ｍｍとし、誘電体層５０をガラス繊維２０％含有のＰＢＴ樹脂で形成し、誘電体層５０のラジアル方向の厚さを２．５ｍｍとしている。このような構成にすることで、シャフト１６と回転体３０の最外円周面との間の静電容量Ｃを６．５ｐＦとした。なお、誘電体層５０は、外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとの間に設けられており、誘電体層５０によって外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとは電気的に絶縁されている。軸受内輪側の高周波的な電位を誘電体層５０の材質や厚さの調整によって、容易に調整することができる。
　次に、第２の回転子として、図５に示すような構成の回転子を作製した。この第２の回転子は、回転子直径を５０ｍｍとし、シャフト１６に樹脂磁石３２を直接締結している。このような構成としたことで、シャフト１６と回転体３０の最外円周面との間の静電容量Ｃを１５ｐＦとした。
　次に、第３の回転子として、図６に示すような構成の回転子を作製した。この第３の回転子は、回転子直径を５０ｍｍとし、樹脂磁石３２のラジアル方向の肉厚を１２．５ｍｍとし、回転子鉄心３１の直径を２５ｍｍとしている。このような構成にすることで、シャフト１６と回転体３０の最外円周面との間の静電容量Ｃを３５ｐＦとした。
　このときの樹脂磁石は、フェライト磁石粉末を約８８～９２ｗｔ％含有したナイロン系フェライト樹脂磁石である。
　また、上述の各回転子の静電容量Ｃの測定は、図７に示すようにして行った。すなわち、回転体３０の最外円周面に銅箔６３を貼り付け、ＬＣＲメータ６０によって、銅箔６３とシャフト１６間の静電容量を測定している。また、このときの測定条件は、測定周波数１０ｋＨｚ、測定温度２０℃、電圧レベル１Ｖで測定した。また、測定時には、厚さ２０ｍｍの木製板の上にシャフト１６を固定し測定した。
　次に、上述した固定子組立品それぞれに対して上述の３種類の回転子を組み合わせて、ブラシレスモータを作製し、軸電圧を測定した。軸受には、ミネベア製６０８（グリースはちょう度２３９のものを使用）を使用した。
　図８は、軸電圧の測定方法を示す図である。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とし、回転数１０００ｒ／ｍｉｎの同一運転条件下で測定を行った。なお、回転数は制御電圧Ｖｓｐにて調整し、運転時のブラシレスモータ姿勢はシャフト水平とした。
　軸電圧の測定は、図８に示すように、デジタルオシロスコープ１３０（テクトロニクス製ＤＰＯ７１０４）と高電圧差動プローブ１２０（テクトロニクス製Ｐ５２０５）により、電圧波形を観測して、ピーク・ピーク間の測定電圧を軸電圧とした。ここで、高電圧差動プローブ１２０の＋側１２０ａは、長さ約３０ｃｍのリード線１１０を介し、リード線の導体を直径約１５ｍｍのループ状にして、その内周をシャフト１６の外周に導電接触させることで、シャフト１６に電気的に接続している。また、高電圧差動プローブ１２０の－側１２０ｂは、長さ約３０ｃｍのリード線１１１を介し、ブラケット１７またはブラケット１９にリード線１１１の先端を導電性テープ１１２にて導電接触させることで、ブラケット１７またはブラケット１９に電気的に接続している。このような構成で、ブラケット１７またはブラケット１９とシャフト１６との間の電圧である出力軸側の軸受１５ａ、反出力軸側の軸受１５ｂの軸電圧の測定を実施した。さらに、このとき、軸電圧の測定とともに、波形崩れが発生しないかどうかの確認も行った。
　この軸電圧の波形崩れについては、完全波形崩れ、一部波形崩れ、波形崩れなしの３分類に区分けを行った。波形崩れなしの状態は、軸受１５内部の油膜が絶縁破壊を起こしていない状態であり、電食の発生を防止できる状態である。逆に、波形崩れの状態は、軸受１５内部の油膜が絶縁破壊を起こしている状態であり、運転時間によっては電食を発生させる状態である。図９から図１１は、このような波形例を示す図であり、図９は完全波形崩れ、図１０は一部波形崩れ、図１１は波形崩れなしの場合の波形例を示している。例えば、図１１のような場合では、軸受１５内部で絶縁破壊が起きていないため、ＰＷＭでのスイッチングに応じたパルス波形は波形崩れなしで観測されている。逆に、図９のような場合では、軸受１５内部で絶縁破壊が起きており、ＰＷＭでのスイッチングに応じたパルス波形が崩れて無くなったように観測されている。図９から図１１までにおいて、測定時の横軸時間は、５０μｓ／ｄｉｖの同一条件としている。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。
　また、波形崩れ時に軸受内を流れる電流方向については、軸電圧波形の向きから判断している。図９から図１１に示している電圧波形は、ゼロ電圧ラインよりも上向きであることから、シャフト１６（軸受内輪）側の電位がブラケット１７またはブラケット１９（軸受外輪）側よりも高いことがわかる。したがって、電流の方向は軸受内輪側から軸受外輪側へ流れているものと判断できる。逆に、図１２のように電圧波形がゼロ電圧ラインよりも下向きの場合は、電流の方向は軸受外輪側から軸受内輪側へ流れているものと判断している。
　上述した固定子組立品それぞれに対して３種類の回転子を組み合わせたブラシレスモータにおける評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から明らかなように、Ｂ≒Ａとした場合、回転子側の静電容量Ｃによって軸電圧が変わるものの、静電容量Ａ側となる軸受１５ａの軸電圧Ｖａと静電容量Ｂ側となる軸受１５ｂの軸電圧Ｖｂとは、回転子側の静電容量Ｃにはあまり影響されず、ほぼ同じ大きさとなっている。例えば、静電容量Ｃが１５ｐＦの場合、静電容量Ａ側の軸電圧Ｖａは－１．０Ｖ、静電容量Ｂ側の軸電圧Ｖｂは－１．１Ｖとなり、軸電圧Ｖａと軸電圧Ｖｂとはほぼ等しい。さらに、軸電圧の波形崩れの状態も、すべて波形崩れなしとなっている。すなわち、上述した考察のとおり、ブラケット１７側の静電容量Ａとブラケット１９側の静電容量Ｂとが近似あるいは一致するように設定することによって、両ブラケット１７、１９の電位も等電位化されるものと考えられる。そして、両ブラケット１７、１９が等電位化されるため、シャフト１６を介しての高周波電流が流れにくい状態となって、軸電圧が安定し、波形崩れも無くなるものと考えられる。このような結果より、一方のブラケット側の静電容量と他方のブラケット側の静電容量とを近似あるいは一致するように設定することによって、電食発生の抑制することが可能となる。
　さらに、上述した静電容量Ａと静電容量Ｂとの関係範囲０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａの下限であるＢ≒０．４Ａとした場合、各静電容量Ｃの回転体を使用しても、軸電圧の波形は、波形崩れなし、または一部波形崩れの状態となった。また、０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａの上限であるＢ≒２．５Ａとした場合でも、各静電容量Ｃの回転体を使用しても、軸電圧の波形は、波形崩れなし、または一部波形崩れの状態となった。
　一方、０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａの範囲外での場合、軸電圧の波形は、各静電容量Ｃの回転体を使用しても、波形崩れ状態、または一部波形崩れの状態である。表中の「（○）」「（△）」を記載しているのは、軸電圧の大きさから判断すれば波形崩れなし、または、一部波形崩れの状態になるはずの場合である。例えば、Ｂ＝４Ａとし、静電容量Ｃ＝６．５ｐＦの場合、静電容量Ａ側の軸電圧Ｖａは、－１．８Ｖであり、軸電圧としては小さく、波形崩れなし「○」評価となるはずである。ところが、この場合の静電容量Ｂ側の軸電圧Ｖｂは、－８．３Ｖとなっており、軸電圧としては大きくなっている。このため、実測した静電容量Ａ側の軸電圧の波形としては、軸電圧の大きい静電容量Ｂ側の影響を受けて、波形崩れなし「（○）」ではなく一部波形崩れ「△」の状態になったと考えられる。
　以上のような考察より、静電容量Ａと静電容量Ｂとの近似関係において、０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａの関係となる範囲においても、電食が発生し難く、ベアリング寿命に影響を及ぼさないと推察できる。
　このように、固定子鉄心１１と２つのブラケット１７、１９の静電容量Ａ、Ｂを、０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａの範囲で調整することで、電位のアンバランスを抑制して、２つの軸受１５の軸電圧の差を小さくできる。そして、２つの軸受１５の軸電圧の差を小さくすることで、軸受内部の油膜の絶縁破壊を防止することができる。
　また、２つの軸電圧の差を小さくすることで、片方の軸受１５の波形崩れ（軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧）が、もう一つの軸受１５に影響を及ぼすことを防止でき、軸受の電食発生を抑制する効果をより高めることができる。
　これらの結果からもわかるように、本発明の電動機は、従来の電動機に比べて、軸電圧が低減し、電動機の軸受電食の発生抑制に極めて優れた効果を持つ。さらに、固定子鉄心を共通にして一方の軸受側と他方の軸受側との両静電容量を、近似あるいは一致させるのみでよいため、２つのブラケットを電気的に短絡させるような工程を省略することができる。さらに、電気的に短絡させた２つのブラケットが電動機の生産工程や使用中に切断することを考慮する必要も無い。
　（実施の形態２）
　本発明にかかる電動機を搭載した電気機器の例として、まず、エアコン室内機の構成を実施の形態２として、詳細に説明する。
　図１３において、エアコン室内機２１０の筐体２１１内には、電動機２０１が搭載されている。その電動機２０１の回転軸には、クロスフローファン２１２が取り付けられている。電動機２０１は、電動機駆動装置２１３によって駆動される。電動機駆動装置２１３からの通電により、電動機２０１が回転し、それに伴いクロスフローファン２１２が回転する。
　そのクロスフローファン２１２の回転により、室内機用熱交換器（図示せず）によって空気調和された空気を室内に送風する。ここで、電動機２０１は、例えば、上記実施の形態１のものが適用できる。
　（実施の形態３）
　次に、本発明にかかる電動機を搭載した電気機器の例として、エアコン室外機の構成を実施の形態３として、詳細に説明する。図１４において、エアコン室外機３０１は、筐体３１１の内部に電動機３０８を搭載している。その電動機３０８は、回転軸にファン３１２を取り付けており、送風用電動機として機能する。
　エアコン室外機３０１は、筐体３１１の底板３０２に立設した仕切り板３０４により、圧縮機室３０６と熱交換器室３０９とに区画されている。圧縮機室３０６には、圧縮機３０５が配設されている。熱交換器室３０９には、熱交換器３０７および送風用電動機が配設されている。仕切り板３０４の上部には、電装品箱３１０が配設されている。
　その送風用電動機は、電装品箱３１０内に収容された電動機駆動装置３０３により駆動される電動機３０８の回転に伴い、ファン３１２が回転し、熱交換器３０７を通して熱交換器室３０９に送風する。ここで、電動機３０８は、例えば、上記実施の形態１のものが適用できる。
　（実施の形態４）
　次に、本発明にかかる電動機を搭載した電気機器の例として、給湯機の構成を実施の形態４として、詳細に説明する。図１５において、給湯器３３０の筐体３３１内には、電動機３３３が搭載されている。その電動機３３３の回転軸には、ファン３３２が取り付けられている。電動機３３３は、電動機駆動装置３３４によって駆動される。電動機駆動装置３３４からの通電により、電動機３３３が回転し、それに伴いファン３３２が回転する。
　そのファン３３２の回転により、燃料気化室（図示せず）に対して燃焼に必要な空気を送風する。ここで、電動機３３３は、例えば、上記実施の形態１のものが適用できる。
　（実施の形態５）
　次に、本発明にかかる電動機を搭載した電気機器の例として、空気清浄機の構成を実施の形態５として、詳細に説明する。図１６において、空気清浄機３４０の筐体３４１内には、電動機３４３が搭載されている。その電動機３４３の回転軸には、空気循環用のファン３４２が取り付けられている。電動機３４３は、電動機駆動装置３４４によって駆動される。
　電動機駆動装置３４４からの通電により、電動機３４３が回転し、それに伴いファン３４２が回転する。そのファン３４２の回転により空気を循環する。ここで、電動機３４３は、例えば、上記実施の形態１のものが適用できる。
　上述の説明では、本発明にかかる電気機器の実施例として、エアコン室外機、エアコン室内機、給湯機、空気清浄機などに搭載される電動機を取り上げたが、その他の電動機にも、また、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ことは言うまでもない。
　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、軸受の電食発生を抑制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
　１４　　回転子
　１５　　軸受
　１５ａ　　出力軸側の軸受
　１５ｂ　　反出力軸側の軸受
　１６　　シャフト
　１７　　ブラケット
　１８　　プリント基板
　１９　　ブラケット
　１９ｂ　　つば部分
　２１　　樹脂
　２２　　コンデンサ
　２３　　リード線
　３０　　回転体
　３１　　回転子鉄心
　３１ａ　　外側鉄心
　３１ｂ　　内側鉄心
　３２　　樹脂磁石
　５０　　誘電体層
　２１０　　エアコン室内機
　３０１　　エアコン室外機
　３３０　　給湯器
　３４０　　空気清浄機

Claims (8)

  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２つの軸受と、
    前記軸受をそれぞれに固定し、かつ相互に電気的に絶縁された２つの導電性のブラケットを備え、
    前記固定子鉄心と一方の前記ブラケットとの間の静電容量Ａと、前記固定子鉄心と他方の前記ブラケットとの間の静電容量Ｂとが、近似あるいは一致するように設定したことを特徴とする電動機。
  2. 前記静電容量Ａと前記静電容量Ｂとの関係が０．４Ａ≦Ｂ≦２．５Ａであることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  3. 前記静電容量Ａと前記静電容量Ｂとは、測定周波数１０ＫＨｚで測定された静電容量であることを特徴とする請求項２に記載の電動機。
  4. 前記静電容量Ａと前記静電容量Ｂとは、前記回転子を取り外した状態で測定された静電容量であることを特徴とする請求項２に記載の電動機。
  5. 前記２つのブラケットの少なくとも一方と前記固定子鉄心とは、絶縁樹脂により一体成形されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  6. 前記固定子鉄心と前記ブラケットのいずれか一方または両方との間に、静電容量調整部材を接続したことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  7. 前記シャフトと前記回転体の外周との間に、誘電体層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  8. 請求項１から７のいずれか１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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