(57)【要約】【課題】軸受の電食に起因する電動機の劣化を抑制した電動機およびそれを備えた電気機器を提供する。【解決手段】固定子巻線１２を巻装した固定子鉄心１１を含む固定部材を絶縁樹脂１３にてモールド一体成形した固定子１０と、シャフト１６を中心に固定子１０に対向して配置された回転子１４と、シャフト１６を回転自在に支持する２つの軸受１５ａ、１５ｂと、それらの軸受を固定するブラケット１７とを備え、２つの軸受１５ａ、１５ｂのいずれか片側の軸受の外輪と内輪との間を電気的に絶縁状態にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線を巻装した固定子鉄心を含む固定部材を絶縁樹脂にてモールド一体成形した固定子と、
シャフトを中心に前記固定子に対向して配置された回転子と、
前記シャフトを回転自在に支持する２つの軸受と、
前記軸受を固定するブラケットとを備え、
前記２つの軸受のいずれか片側のみの軸受の外輪と内輪との間を電気的に絶縁状態にしたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記軸受は、外輪と内輪との間に複数個配置される転動体を有し、
前記軸受の外輪、内輪および転動体のうち、少なくとも１つを電気的絶縁材料によって形成したことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記電気的絶縁材料が、セラミックス材料であることを特徴とする請求項２に記載の電動機。
【請求項４】
前記２つの軸受のうち、一方の軸受を前記ブラケットに固定し、他方の軸受を前記絶縁樹脂に固定したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機。
【請求項５】
前記２つの軸受を、大きさの異なったそれぞれのブラケットに固定したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機。
【請求項６】
前記ブラケットは金属製であることを特徴とする請求項４または５に記載の電動機。
【請求項７】
請求項１から６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機およびそれを備えた電気機器に関するもので、特に軸受の電食に起因する電動機の劣化を抑制するように改良された電動機およびそれを備えた電気機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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信号を含んでおり、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（以下、軸電流という）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である転動体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。
【０００３】
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）軸電圧を低減する。
（３）軸受内輪と軸受外輪を絶縁状態にする。
【０００４】
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。
【０００５】
上記（２）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１参照）。
【０００６】
一般的に、洗濯機や食器洗い乾燥機などの水まわりで使用され、感電のおそれのある電動機は、充電部の絶縁（基礎絶縁）以外に、独立した絶縁を追加（以下、付加絶縁という）する必要がある。一方、これ以外のエアコン室内機、エアコン室外機、給湯機、空気清浄機などに使用される電動機は、感電のおそれがないため、付加絶縁は必要としない。したがって、エアコン室内機、エアコン室外機、給湯機、空気清浄機などに使用される電動機は、回転子を絶縁構造としていないために、回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスは、低い状態にある。
【０００７】
それに対して、固定子側（軸受外輪側）は、絶縁構造となっているため、インピーダンスは高い状態にある。この場合、軸受内輪側の電位は高いのに対して軸受外輪側の電位は低いためアンバランス状態となり、高い軸電圧が発生してしまうこととなる。そして、このような高い軸電圧により軸受に電食が発生する可能性があった。
【０００８】
このような状態を避けるために、特許文献１は、固定子鉄心とブラケットとを短絡させることで、その間の静電容量成分をなくし、上述したように固定子側（軸受外輪側）のインピーダンスを低くしている。そして、固定子側のインピーダンスを回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスに近似させることで、軸受の内外輪間の電位差である軸電圧も低く
している。
【０００９】
ところが、特許文献１のような方法は、インピーダンスを低くするので電圧降下が少なくなり、軸受の内輪側の電圧に加えて外輪側の電圧も高くなる。このため、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、インピーダンスのバランスが崩れてしまうと、逆に軸電圧が高くなりやすく電食も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。
【００１０】
また、上記（３）の具体的方法としては、電動機に使用される複数個の軸受全てに対して、内部の鉄転動体を電気的絶縁材であるセラミックスに変更することが従来、公知である（例えば、特許文献２参照）。この方法は、電食抑制の効果は非常に高いが、コストが高くなるという課題があった。
【００１１】
ところで、近年、例えば特許文献１にも開示されているように、固定子側の固定子鉄心などの固定部材をモールド材などで一体にモールドして、信頼性を高めたモールド電動機が提案されている。さらに、モールドの一部分である樹脂ハウジングで軸受も固定するような構造とすることにより、簡易な構成でモールド電動機を実現できる。一方、軸受を固定する強度を考えた場合、樹脂などのモールド材による固定に比べて、金属製のブラケットによる固定のほうが強度的に勝っている。このため、近年では、電動機に要求される固定強度に応じて、軸受が、選択的に金属製ブラケットやモールド材により固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−１５９３０２号公報
【特許文献２】特開２００７−１６８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電動機は通常２つの軸受でシャフトを支持するが、上述したモールド電動機のように片側の軸受を金属製のブラケットで固定し、反対側の軸受を樹脂ハウジングで固定した場合、電食の発生という観点から、次のような課題があった。すなわち、金属製のブラケットは導電性であるのに対して、樹脂ハウジングは強固な絶縁性能を有している。このため、樹脂ハウジング側の軸受の内外輪間には、軸電流が流れにくいのに対し、導電性であるブラケット側では絶縁性能が低下し軸受の内外輪間に軸電流が流れやすい状態となり、金属製のブラケット側の軸受に電食が発生しやすくなってしまうというような状況が考察される。
【００１４】
このように、例えば２つの軸受の固定部材の材質が異なると、一方の軸受に集中して電食が発生しやすくなる。さらには、例えば、２つの軸受をそれぞれ金属製のブラケットで固定した場合でも、ブラケットの大きさや位置によって絶縁性能がアンバランスとなり、一方の軸受に電食が集中しやすくなることもあった。このような現象が生じると、電動機の寿命は一方の軸受に依存してしまうことになる。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、軸受の電食に起因する電動機の劣化を抑制した電動機およびそれを備えた電気機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記従来の課題を解決するために、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部材を絶縁樹脂にてモールド一体成形した固定子と、シャフトを中心に固定子に対
向して配置された回転子と、シャフトを回転自在に支持する２つの軸受と、軸受を固定するブラケットとを備え、２つの軸受のいずれか片側の軸受の外輪と内輪との間を電気的に絶縁状態にした構成である。
【００１７】
このような構成により、絶縁状態にした片側の軸受には軸電流が流れにくくなり、電食による劣化の進行を抑えることができる。すなわち、電食が発生しやすい片側の軸受にはこのような絶縁状態にした軸受を使用し、電食が発生しにくい側の軸受には一般的な鉄転動体を有した軸受を使用することで、軸受の電食による互いの寿命を近似させることができる。その結果、電動機の寿命を伸ばすことができる。
【００１８】
また、本発明の電動機は、軸受が、外輪と内輪との間に複数個配置される転動体を有し、片側の軸受において、その外輪、その内輪およびその転動体のうち、少なくとも１つを電気的絶縁材料によって形成した構成である。このような構成により、軸受の外輪、内輪および転動体のいずれかが電気的絶縁材料で形成されているため、形成された軸受内部を流れる軸電流を低減できる。
【００１９】
また、本発明の電動機は、電気的絶縁材料が、セラミックス材料で形成された構成である。このような構成により、セラミックス材料は高抵抗であるため、形成された軸受内部を流れる軸電流を低減できる。
【００２０】
また、本発明の電動機は、２つの軸受のうち、一方の軸受をブラケットに固定し、他方の軸受を絶縁樹脂に固定した構成である。また、本発明の電動機は、２つの軸受を、大きさの異なったそれぞれのブラケットに固定した構成であってもよい。また、本発明の電動機は、上記ブラケットが金属製である。
【００２１】
このような構成により、２つの軸受に対する絶縁性能がアンバランスであっても、電食が発生しやすい片側の軸受には絶縁状態にした軸受を使用し、電食が発生しにくい側の軸受には一般的な鉄転動体を有した軸受を使用することで、軸受の電食による互いの寿命を近似させることができ、軸受の電食に起因する電動機の劣化を抑制できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電動機およびそれを備えた電気機器によれば、２つの軸受の電食による互いの寿命を近似させることができ、電動機としての寿命を伸ばすことができる。このため、軸受の電食に起因する電動機の劣化を抑制した電動機およびそれを備えた電気機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態における電動機を搭載したエアコン室外機の内部構成図
【図２】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
【図３】本発明の実施の形態２における電動機の断面を示した構造図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本実施形態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。
【００２５】
（実施の形態１）
図１はエアコンの室外機の内部構成を示す図である。エアコン室外機１０１は、筐体１１１の内部に電動機１０８を搭載している。その電動機１０８は回転軸にファン１１２を取り付けており、送風用電動機として機能する。そして、筐体１１１の底板１０２に立設した仕切り板１０４により、圧縮機室１０６と熱交換器室１０９とに区画されている。圧
縮機室１０６には圧縮機１０５が配設され、熱交換器室１０９には熱交換器１０７および前記送風用の電動機１０８が配設されている。また仕切り板１０４の上部には電装品箱１１０が配設されている。電動機１０８は電装品箱１１０内に収容された電動機駆動装置１０３により駆動され、ファン１１２が回転することで、矢印のように熱交換器１０７を通して熱交換器室１０９に送風する。
【００２６】
次に、図２を用いて、電動機１０８について詳細に説明する。図２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。電動機１０８はブラシレスモータで、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となっている。
【００２７】
固定子鉄心１１には固定子鉄心１１を絶縁する樹脂であるインシュレータ２２が介在して、巻線としての固定子巻線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。
【００２８】
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。回転子鉄心３１は、固定子１０の内周側に対向して周方向に、永久磁石である複数のフェライト樹脂磁石３２保持しており、回転子鉄心３１とフェライト樹脂磁石３２とが一体成形されている。このように、固定子１０の内周側と回転体３０の外周側とが対向するように配置されている。
【００２９】
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１５ａ、１５ｂが取り付けられている。軸受１５ａ、１５ｂは外輪と内輪との間に複数の転動体を有した円筒形状のベアリングであり、その内輪側がシャフト１６に固定されている。
【００３０】
図２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、軸受１５ｂ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、軸受１５ａがシャフト１６を支持している。そして、反出力軸側の軸受１５ａは、導電性を有した金属製のブラケット１７により、その外輪側が固定されている。また、出力軸側の軸受１５ｂは、モールド一体成形する絶縁樹脂１３により、その外輪側が固定されている。以上のような構成により、シャフト１６が２つの軸受１５ａ、１５ｂに支承され、回転子１４が回転自在に回転する。
【００３１】
ここで、反出力軸側の軸受１５ａの外輪４１と内輪４２とを電気的に絶縁状態にするために、反出力軸側の軸受１５ａの転動体４０を電気的絶縁材料であるセラミックス材料で構成している。一方、出力軸側の軸受１５ｂは、内輪、外輪および転動体が一般的な鉄材料により形成されている。すなわち、本実施の形態のブラシレスモータは、２つの軸受１５ａ、１５ｂのうち、外輪４１と内輪４２との間を電気的に絶縁状態にした一方の軸受１５ａを金属製のブラケット１７に固定し、他方の軸受１５ｂを絶縁樹脂１３に固定している。
【００３２】
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５０を介して各相に電圧を供給することにより、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からの磁界とフェライト樹脂磁石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。
【００３３】
さらに詳細に説明すると、図２に示すように、出力軸側における絶縁樹脂１３の形状は
、本ブラシレスモータ本体から出力軸方向へと突出する本体突出部１３ａを有した形状である。本体突出部１３ａの内側は中空円筒状となる形状を有している。この中空円筒状の中空円筒部の径は軸受１５ｂの外周径とほぼ等しく、この中空円筒部に軸受１５ｂを挿入することにより、軸受１５ｂは絶縁樹脂１３に固定されることになる。
【００３４】
これに対し、反出力軸側の軸受１５ａに対しては、固定子１０の外周径とほぼ等しい外周径の金属製のブラケット１７により固定している。ブラケット１７は概略円板形状であり、円板の中央部に軸受１５ａの外周径とほぼ等しい径の突出部１７ａを有しており、この突出部１７ａの内側は中空となっている。この突出部１７ａの内側に軸受１５ａを挿入するとともに、ブラケット１７の外周に設けた接続端部と固定子１０の接続端部とが嵌合するように、ブラケット１７を固定子１０に圧入することにより、本ブラシレスモータが形成される。このように構成することで、組立作業の容易化を図るとともに、軸受１５ａの外輪側は金属製のブラケット１７に固定されるため、軸受１５ａを強固に固定できる。
【００３５】
ところで、以上のように構成されたブラシレスモータを電気的にみると、まず、軸電圧を発生させる信号の発生源としては、ＰＷＭ方式の高周波のスイッチングで駆動される固定子巻線１２を巻装した固定子鉄心１１が主な発生源と考えられる。そして、上述したように、回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスは低く、固定子側（軸受外輪側）は高い状態にある。
【００３６】
すなわち、回転子側のインピーダンスとして、固定子鉄心１１から軸受１５ａ、１５ｂの内輪までの間を考えると、固定子鉄心１１と回転体３０とはわずかな空隙を介して対面しているとともに、回転体３０およびシャフト１６は導電体であるため、この間のインピーダンスは低い状態といえる。さらに、この間のインピーダンスは低いため、固定子鉄心１１から発生した高周波信号は減衰せずに軸受１５ａ、１５ｂの内輪に達し、その結果、軸受１５ａ、１５ｂの内輪には高電位の高周波の電圧が生じるものと考えられる。
【００３７】
これに対し、固定子側のインピーダンスとして、固定子鉄心１１から軸受１５ａ、１５ｂの外輪までの間を考えると、例えば軸受１５ｂの外輪に接続された絶縁樹脂１３の本体突出部１３ａは、固定子鉄心１１からある程度の間隔を持って導電性の材料などを介さずに配置されるため、この間のインピーダンスは高い状態といえる。また、軸受１５ａの外輪４１に接続された金属性のブラケット１７は、導電体であるため、軸受１５ａ側のインピーダンスは、軸受１５ｂ側のインピーダンスよりは低くなっている。さらに、これらの間のインピーダンスは回転子側のインピーダンスよりは高い。このため、固定子鉄心１１から発生した高周波電流は減衰して軸受１５ａ、１５ｂの外輪に達し、その結果、軸受１５ａ、１５ｂの外輪には回転子側より低電位の高周波電圧が生じるものと考えられる。
【００３８】
すなわち、固定子側と回転子側とを比較したとき、固定子側と回転子側とのインピーダンスがアンバランス状態であるため、軸受１５ａ、１５ｂの内輪と外輪との間に電位差、すなわち軸電圧が生じ、軸受１５ａ、１５ｂに軸電流が流れることになる。そして、このような軸電流の流れによって内輪と外輪との間での磨耗が加速され、電食と呼ばれる磨耗劣化が進行すると考えられる。
【００３９】
さらに、金属性のブラケット１７で固定した軸受１５ａと絶縁樹脂１３で固定した軸受１５ｂとを比較したとき、両方の軸受１５ａ、１５ｂとも鉄転動体を配置したと仮定すると、軸受１５ｂよりもインピーダンスが低い側となる軸受１５ａのほうの軸電流が多く流れるものと考察される。
【００４０】
このように、固定子側（軸受外輪側）の構成が異なるため、出力軸側の軸受１５ａと反出力軸側の軸受１５ｂとのインピーダンスがアンバランス状態となり、２つの軸受１５ａ
、１５ｂに流れる軸電流の値は各々で異なることになる。そして、絶縁樹脂１３で固定された軸受１５ｂの内外輪間には軸電流が流れにくいのに対し、導電性であるブラケット１７で固定された軸受１５ａの内外輪間には、軸電流が流れやすくなる状況が考えられる。
【００４１】
このため、本実施の形態のブラシレスモータは、同一軸受で比較した場合に軸電流が大きくなると考えられる側の軸受、すなわち軸受１５ａの転動体４０をセラミックス材料とし、軸受１５ａの外輪４１と内輪４２との間の電気的な絶縁を強固にしている。これによって、軸受１５ａの内外輪間に流れる軸電流を抑制できるため、軸電流によって生じる電食の進行を抑えることが可能になる。一方、軸受１５ｂの内外輪間には軸電流が流れにくい構造であるため、軸受１５ｂの転動体を一般的な鉄転動体としても電食は発生しにくい。
【００４２】
よって、電食によって軸受が劣化するまでの寿命を考えた場合、軸受１５ａと軸受１５ｂとの互いの寿命が近似することになるため、結果として本ブラシレスモータの寿命を伸ばすことができる。さらに、一方の軸受のみにセラミックス材料の転動体を用いればよいため、軸受全てにセラミックス材料の転動体を用いるような構成に比べて、コストを抑えることができる。
【００４３】
なお、以上の説明では、出力軸側の軸受１５ａに流れる軸電流が、反出力軸側の軸受１５ｂに流れる軸電流より大きいため、軸受１５ａの転動体４０をセラミックス材料とした一例を挙げて説明した。しかし、例えば、軸受１５ａを固定するブラケット１７の大きさや形状、さらには、固定子鉄心１１から軸受１５ａまでの間隔と軸受１５ｂまでの間隔との差、その間の絶縁樹脂１３の状態など、構造によって、出力軸側の軸受１５ａと反出力軸側の軸受１５ｂとのインピーダンスは異なる。すなわち、上述した例とは逆に、同一軸受での比較において、金属製のブラケットで固定した側の軸受に流れる軸電流のほうが小さくなるような場合もあり得る。このため、その際には、金属製のブラケットで固定しない側の軸受の転動体をセラミックス材料にすることは言うまでもない。
【００４４】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における他の構成の電動機の断面を示した構造図である。図３では２つの軸受１５ａ、１５ｂそれぞれを金属製のブラケットで固定するような構成例を示している。すなわち、図３に示すように、出力軸側の軸受１５ｂは、ブラケット１７よりも径の小さいブラケット１９を介して絶縁樹脂１３に固定されている。
【００４５】
このように、２つの軸受１５ａ、１５ｂそれぞれを金属製のブラケットで固定するような構成であっても、ブラケットの大きさなどや電動機の構造によって、出力軸側の軸受１５ｂと反出力軸側の軸受１５ａとのインピーダンスは異なり、軸電流も異なることになる。すなわち、このような構成であっても、軸電流が大きくなるほうの軸受の転動体をセラミックス材料にすればよい。
【００４６】
なお、上記実施の形態１および２では、軸受の転動体をセラミックス材料にする構成としているが、外輪、内輪のいずか一方、もしくは転動体を含む全てを電気的絶縁材料として、例えばセラミックス材料とする場合においても、同様の効果が得られる。
【００４７】
また、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したが、回転子が固定子の外周側に配置されたアウタロータ型、さらには内外周両側に回転子を配置したツインロータ型の電動機において上述したように軸電流が大きいほうの軸受の外輪と内輪を電気的に絶縁状態にする構成とすることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００４８】
また、エアコン室外機に搭載されるブラシレスモータを取り上げたが、その他の電気機器に搭載される電動機、例えば、各種家電用機器に使用されるブラシレスモータや、各種情報機器に搭載されるブラシレスモータ、産業機器に使用されるブラシレスモータにも適用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の電動機は、電食に起因する電動機の劣化を抑制できるため、主に電動機の高寿命化および低価格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。
【符号の説明】
【００５０】
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
１５ａ、１５ｂ  軸受
１６  シャフト
１７、１９  ブラケット
３０  回転体
３１  回転子鉄心
３２  フェライト樹脂磁石
４０  転動体
４１  外輪
４２  内輪
１０１  エアコン室外機
１０３  電動機駆動装置
１０８  電動機
１１２  ファン
【図１】
2012222841.tif 000003
【図２】
2012222841.tif 000004
【図３】
2012222841.tif 000005