(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記回転子と前記ベアリングとの間に設けられ、前記回転軸の周りに周設され、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る磁性部材と、
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、
前記磁性部材の磁性材料は、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。
【請求項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、
前記回転子と前記ベアリングとの間に設けられ、前記回転軸の周りに周設され、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る磁性部材と、
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、
前記磁性部材の磁性材料は、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。
【請求項３】
前記磁性部材の磁性材料は、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。
【請求項４】
前記磁性部材は、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。
【請求項５】
前記磁性部材の磁性材料は、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。
【請求項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。
【請求項７】
前記回転軸の延在する方向における前記磁性部材の上端から下端までの高さは、前記回転軸の中心線から前記磁性部材の内周面までの距離よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６の何れか１つに記載の電動機。
【請求項８】
請求項１〜７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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機およびこれを用いた空調機に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５８１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、前記回転子と前記ベアリングとの間に設けられ、前記回転軸の周りに周設され、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る磁性部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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】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】図３は、環状磁性材料のモデル図である。
【図４】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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、磁性部材１６と、磁性部材１７とを有して構成されている。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
【数１】
0005312520.tif 000002
【００２３】
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。
【００２４】
【数２】
0005312520.tif 000003
【００２５】
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。
【００２６】
【数３】
0005312520.tif 000004
【００２７】
【数４】
0005312520.tif 000005
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
なお、軟磁性材料による放電電流の減衰効果を高めることが可能な効果的な磁性部材１６の形状に関して説明する。
【００３２】
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に示した磁性部材１６、１７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から磁性部材１６、１７の内周面３０までの距離をｒ１、軸（９）の中心線２０から磁性部材１６、１７の外周面４０までの距離をｒ２、磁性部材１６、１７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。
【００３３】
【数５】
0005312520.tif 000006
【００３４】
式（５）から明らかなように、磁束φｒは、高さｈが相対的に距離ｒ１よりも大きいほど大きくなる。磁束φｒの値が大きくなるほど鉄損が高まるため、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。そこで、本実施の形態にかかる電動機１は、回転子５とベアリング１３、１５との間に設けられた空間に、高さｈが相対的に距離ｒ１よりも大きく形成され、かつ、軟磁性材料を混合した樹脂（磁性部材１６、磁性部材１７）を設けることによって、電動機１の寸法を変更することなく放電電流を効果的に減衰させるように構成されている。
【００３５】
回転子５とベアリング１３、１５との間に磁性部材１６、１７を設け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、ベアリング１３と回転子５との間に磁性部材１６を配設し、またベアリング１５と回転子５との間に磁性部材１７を配設した場合、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、この磁界が磁性部材１６、１７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、磁性部材１６、１７で生じる鉄損によって素早く減衰する。
【００３６】
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。この磁界が磁性部材１６、１７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、磁性部材１６、１７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。
【００３７】
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。
【００３８】
また、上記説明では、樹脂と軟磁性材料とを混合して成る磁性部材１６、１７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磁性部材１６、１７を用いてもよい。
【００３９】
また、上記説明では、ベアリング１３と回転子５との間に磁性部材１６を配設し、かつ、ベアリング１５と回転子５との間に磁性部材１７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、磁性部材１６および磁性部材１７の何れか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、電動機１の寸法を変更する必要がなないため、安価に電動機１を製作することができ、かつ、ベアリング１３、１５の電食を抑制することが可能である。
【００４０】
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、回転子５とベアリング１３、１５との間に設けられ、回転軸９の周りに周設され、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る磁性部材１６、１７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くという課題があった。本実施の形態にかかる電動機１は、磁性部材１６、１７を配設するのみで放電電流を抑制することができるため、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。
【００４１】
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、回転子５とベアリング１３、１５との間に設けられ、回転軸９の周りに周設され、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る磁性部材１６、１７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。
【００４２】
また、本実施の形態にかかる磁性部材１６、１７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。
【００４３】
また、本実施の形態にかかる磁性部材１６、１７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。
【００４４】
また、本実施の形態にかかる磁性部材１６、１７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、磁性部材１６、１７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。
【００４５】
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、磁性部材１６、１７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。
【００４６】
また、本実施の形態にかかる磁性部材１６、１７は、回転軸９の延在する方向における磁性部材１６、１７の上端から下端までの高さｈが、回転軸９の中心線２０から磁性部材１６、１７の内周面３０までの距離ｒ１よりも大きくなるように構成されているので、放電電流を効果的に減衰させることが可能である。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
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  軟磁性ブラケット
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
１６、１７  磁性部材
２０  中心線
３０  内周面
４０  外周面
Ａ、Ｂ  放電電流の経路
ａ  外輪
ｂ  内輪
ｃ  転動体
ｈ  磁性部材の高さ
ｒ１  軸の中心線から磁性部材の内周面までの距離
ｒ２  軸の中心線から磁性部材の外周面までの距離
φｒ  磁束
μ’、μ’’  透磁率
【図１】
0005312520.tif 000007
【図２】
0005312520.tif 000008
【図３】
0005312520.tif 000009
【図４】
0005312520.tif 000010
【図５】
0005312520.tif 000011