(57)【要約】【課題】軸受の外輪と内輪間の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った。【解決手段】電動機の回転体は、回転体の外周部を構成する外側鉄心と、シャフトに締結された内周部を構成する内側鉄心と、外側鉄心と内側鉄心との間に配置された誘電体で構成された絶縁層を備え、外側鉄心と前記内側鉄心との間の静電容量を調整可能とした。【選択図】図１
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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、前記シャフトを回転自在に支持する軸受と、前記軸受を固定するブラケットとを備えた電動機であって、
前記回転体は、前記回転体の外周部を構成する外側鉄心と、前記シャフトに締結された内周部を構成する内側鉄心と、前記外側鉄心と前記内側鉄心との間に配置された誘電体層とを備えており、前記外側鉄心と前記内側鉄心との間の静電容量を調整可能にしたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記誘電体層を半径方向に分割するような導電体を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記誘電体を複数備えたことを特徴とする請求項２に記載の電動機。
【請求項４】
分割された前記導電体のそれぞれの半径方向の厚みが異なることを特徴とする請求項２または３に記載の電動機。
【請求項５】
分割された前記誘電体は少なくとも２種類以上の誘電率の樹脂で構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の電動機。
【請求項６】
前記導電体と前記外側鉄心または前記内側鉄心を導通したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動機。
【請求項７】
前記外側鉄心と前記内側鉄心をコンデンサで導通したことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項８】
前記コンデンサが可変コンデンサであることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
【請求項９】
請求項１〜８に記載の電動機を備えた電気機器。
【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し、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およびそれを備えた電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
このような不具合を抑制するため、従来、電食を抑制するための技術が提案されている。例えば、特許文献１では、回転子に誘電体層を設けることで軸電圧を低くし、電食の発生を抑制している。
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような手法では、誘電体層による静電容量を利用して軸受の内輪に誘起される高周波電圧を抑制できるものの、適切な軸電圧となるように設定するには限度があった。
【０００６】
すなわち、誘電体層による静電容量を柔軟に変更可能であれば、適切な軸電圧を設定できる。また、静電容量を変更するには、両鉄心間の距離を変更することで絶縁樹脂の厚さを変更する、または両鉄心の軸方向の長さを変更することにより、両鉄心の対向面積を変更することなどにより可能である。また、誘電体層を形成する絶縁樹脂の誘電率を変更することによっても静電容量は変更可能である。
【０００７】
ところが、電気機器用の電動機の大きさは電気機器ごとにほぼ決められており、従って回転子の大きさも一般的に標準化されており、その寸法を大きく変更することは困難である。鉄心の形状なども変更するためには金型の変更が必要となるため柔軟に変更することは困難であり、また、磁石のヨークに用いる外側鉄心の軸方向の長さは電動機の効率などの特性に影響し、軸に締結する内側鉄心の軸方向長さは、回転子とシャフトの締結強度にも影響するため容易に変更することができない。
【０００８】
また、誘電体層を形成する絶縁樹脂の誘電率を変更するには、樹脂材料の変更などが必要となるが、樹脂材料を変更すると強度など他の項目の確認などが必要となり容易に変更できないうえ、電動機を取り付けるセットによっても変化する軸電圧を、鉄心の形状や軸方向の長さを変更することなく、樹脂材料の変更のみで最適に設定するのは困難であった。このため、従来の手法では、適切な軸電圧となるように、静電容量を設定するには限度があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００９／１１３３１１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、シャフトを回転自在に支持する軸受と、軸受を固定するブラケットとを備えた電動機である。本電動機の回転体は、回転体の外周部を構成する外側鉄心と、シャフトに締結された内周部を構成する内側鉄心と、外側鉄心と内側鉄心との間に配置された誘電体で構成された絶縁層を備え、外側鉄心と前記内側鉄心がもつ静電容量を、誘電体層に付属した導電体、または、静電容量調整部材により調整可能であることを特徴とすることで軸電圧を最適に設定できる。
【発明の効果】
【００１２】
このような構成により、外側鉄心と内側鉄心との静電容量を容易に変更でき、適切な軸電圧となるような構成を容易に実現できる。このため、本発明の電動機によれば、軸受の電食発生を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における電動機（ブラシレスモータ）の断面図
【図２】同電動機の回転体の斜視図および平面図
【図３】本発明の実施の形態２における電動機の回転体の側面断面図
【図４】本発明の電動機を搭載したエアコン室内機の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電動機であるブラシレスモータ１００の断面を示した構造図である。本実施の形態では、電気機器に搭載される電動機としてブラシレスモータ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。
【００１６】
図１において、固定子鉄心１１には、固定子鉄心１１を絶縁するためのインシュレータである絶縁樹脂１３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一体にモータケース１９内に固定され、外形が概略円筒状をなす固定子１０が構成されている。固定子１０は、例えばモールド材のような絶縁樹脂にて成型されているような構成であってもよい。
【００１７】
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、金属製の回転子鉄心２１を含む円柱状あるいは円板状の回転体２０と、回転体２０の中央を貫通するようにして回転体２０を締結したシャフト１６とを有している。回転体２０は、
固定子１０の内周側に対向して周方向に、例えばフェライト樹脂磁石やフェライト焼結磁石などの永久磁石である磁石２２を保持している。
【００１８】
そして、詳細については以下で説明するが、回転体２０は、図１に示すように、最外周部の磁石２２から内周側のシャフト１６に向かって、外側鉄心２５、誘電体層２３、内側鉄心２６と順に配置するような構造を有している。ここで、外側鉄心２５は回転子鉄心２１の外周部を構成し、内側鉄心２６は回転子鉄心２１の内周部を構成する。図１では、回転体２０として、これらの回転子鉄心２１、誘電体層２３および磁石２２が一体成形された構成例を示している。このように、固定子１０の内周側と回転体２０の外周側とが対向するように配置されている。
【００１９】
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ベアリングである。２つの軸受１５の一方は、例えばモールド樹脂などと一体成型された金属製のブラケット１７に固定され、他方は金属製のブラケット２４に固定されている。以上のような構成により、シャフト１６が２つの軸受１５に支承され、回転子１４が回転自在に回転する。
【００２０】
さらに、このブラシレスモータ１００は、駆動回路を実装したプリント基板１８をモータケース１９内に内蔵している。プリント基板１８には、巻線の電源電圧、制御回路の電源電圧および回転数を制御する制御電圧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が接続されている。
【００２１】
以上のように構成されたブラシレスモータ１００に対して、接続線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からの磁界と回転子１４の磁石２２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。
【００２２】
次に、以上のように構成されたブラシレスモータ１００における回転体２０の概要について説明する。図２は、本発明の実施の形態１における回転体２０の概観図である。図２に示すように、回転体２０は、最外周部に磁石２２を配置し、さらに内周側に向かって、回転子鉄心２１を構成する外側鉄心２５、誘電体層２３、回転子鉄心２１を構成する内側鉄心２６と順に配置されている。なお、誘電体層２３は絶縁樹脂で構成された層である。
【００２３】
本実施の形態では、電食抑制用として、このような誘電体層２３を設けている。また、誘電体層２３内部には導電体２８が一体に成型されている。回転体２０はこのように磁石２２、外側鉄心２５、誘電体層２３を構成する絶縁樹脂、導電体２８、および内側鉄心２６が一体成型された構成である。
【００２４】
また、内側鉄心２６の内周には、シャフト１６を挿入して締結するためのシャフト挿入孔２６ｂが形成されている。このシャフト挿入孔２６ｂにシャフト１６を挿入することで、軸受１５に支承される回転子１４が構成される。
【００２５】
回転体２０において、誘電体層２３は、絶縁物である絶縁樹脂２７と導電体２８が、回転体２０において、半径方向に層をなすように構成されており、外側鉄心２５と内側鉄心２６とは直列的に絶縁分離している。一方、誘電体層２３を構成する絶縁樹脂２７は、所定の誘電率を有した絶縁樹脂で形成されており、高周波電流は、外側鉄心２５と内側鉄心２６との間を流れることができる。
【００２６】
ところで、このような誘電体層２３を設けない場合、固定子鉄心を基準としたブラケット間のインピーダンスは高く、逆に、回転体に電気的に接続されたシャフト間のインピーダンスは低い。このようなインピーダンス成分を有した等価回路に対して、固定子鉄心などから発生したパルス幅変調の高周波電流などが流れ込むことになる。このため、ブラケットに電気的に接続された軸受の外輪と、軸受内輪側のシャフトとの間で、高周波電流による電位差が生じ、この電位差が高いと軸受に電食が生じる。
【００２７】
本実施の形態では、このような電食の発生を抑制するため、鉄心のみで形成されたインピーダンスの低い回転体に対して、図２に示すような誘電体層２３を設けることにより、例えばブラケット１７側のインピーダンスに近似するように、回転子１４のインピーダンスを高くしている。
【００２８】
すなわち、外側鉄心２５と内側鉄心２６との間に誘電体層２３を設けることで、回転子１４は、等価的に誘電体層２３による静電容量が直列接続された構成となり、回転子１４のインピーダンスを高くできる。そして、回転子１４のインピーダンスを高くすることにより、回転子１４からシャフト１６へと流れる高周波の電圧降下が大きくなるため、高周波電流によりシャフト１６に発生する電位を低くできる。
【００２９】
このような原理に基づき、本実施の形態のブラシレスモータ１００は、ブラケット１７に電気的に接続された軸受１５の外輪と、軸受１５の内輪側のシャフト１６との間での高周波電流による電位差を少なくしている。このため、軸受内輪と軸受外輪間には常に電位が低い状態で、その電位差が少なくなるようにバランスが保たれている状態となり、これによって、軸受における電食の発生を抑制している。
【００３０】
次に、このような回転体２０のさらに詳細な構造について説明する。図２においては、回転体２０の外側鉄心２５と内側鉄心２６は概略円筒状の形状をしているが、鉄心と絶縁樹脂の締結強度を向上させるために、鉄心と絶縁樹脂が、例えば半径方向に複数個の凸部、または凹部を有しており、絶縁樹脂を介して互いにかみ合うような構成であってもよく、また、多角形の形状をしていてもよい。また、図２では外側鉄心２５と内側鉄心２６の軸方向長さが同じ長さとなっているが、もちろん所期の特性を満たしていれば、軸方向長さが外側鉄心２５と内側鉄心２６とで異なっていてもよい。
【００３１】
さて、図２では、誘電体層２３はそれぞれ異なる径方向厚みを持つ外側絶縁樹脂２７ａと内側絶縁樹脂２７ｂで構成している。また、外側絶縁樹脂２７ａと内側絶縁樹脂２７ｂにはさまれるように導電体２８が一体に成型されている。外側鉄心２５と内側鉄心２６との間には所定の静電容量を有するキャパシタが形成されることになる。ちなみに、内径ａ、外形ｂ、長さＬの円筒形状の静電容量Ｃは、Ｃ＝２πεＬ／ｌｏｇ（ｂ／ａ）で表される。なおεは誘電率である。
【００３２】
ここで、この外側鉄心２５と内側鉄心２６との間の静電容量を調整して、最適な軸電圧に近づけることを考えると、例えば外側鉄心２５と内側鉄心２６との間の静電容量を大きくする必要がある場合には、導電体２８と外側鉄心２５または内側鉄心２６を導通体部品で導通させる。導通方法は、例えば、導電体２８と外側鉄心２５とを導電体部品を介して溶接する方法がある。
【００３３】
導電体２８と外側鉄心２５または内側鉄心２６を導通させることで、誘電体層２３の厚みは実質的に小さくなるので、外側鉄心２５と内側鉄心２６との間の静電容量Ｃは、上記式により、導通させない場合に比べて大きくなる。
【００３４】
また、外側絶縁樹脂２７ａの径方向厚さを内側絶縁樹脂２７ｂの径方向厚さより薄く構
成し、導電体２８と外側鉄心２５を導通すれば、誘電体層２３の厚みは実質的に内側絶縁樹脂２７ｂの厚さと等価となり、導通しない場合にくらべて静電容量は大きくなる。逆に導電体２８と内側鉄心２６を導通すれば、誘電体層２３の絶縁体の厚みは実質的に外側絶縁樹脂２７ａの厚さと等価となり、導通しない場合にくらべて静電容量は大きくなるが、導電体２８と外側鉄心２５を導通した場合にくらべて、さらに静電容量を大きくすることができる。
【００３５】
以上のように、外側絶縁樹脂２７ａと内側絶縁樹脂２７ｂの厚みを適宜選択し、導電体２８と導通する鉄心を適宜選択することで、静電容量の調整が容易に可能となる。
【００３６】
なお、導電体２８の軸方向長さは外側鉄心２５や内側鉄心２６の軸方向長さと異なる大きさで構成することや、導電体２８を複数用いて誘電体層を３つ以上に分割することや、外側絶縁樹脂２７ａと内側絶縁樹脂２７ｂにそれぞれ誘電率の異なる樹脂を用いることなどによって、外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量の調整できる幅を大きくすることができる。
【００３７】
このように、誘電体成型金型の変更や、外側鉄心２５と内側鉄心２６の軸方向長さの変更を必要とせず、回転体２０を成型した後においても外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量を調整することができるため、製造コストの増加を抑制することができる。
【００３８】
その際、外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量をあらかじめ小さく設定しておくことが望ましい。外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量を小さく設定しておくことで、外側鉄心２５と導電体２８、または、内側鉄心２６と導電体２８を導通させることにより、外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量をより大きく調整し、誘電体層２３による静電容量成分によって回転子１４のインピーダンスを高くし、シャフト１６経由で軸受１５の内輪側へと流れ込む高周波電流を抑え、軸受１５の内輪側の電位を低くしている。
【００３９】
また、電食の発生をより効果的に抑制するには、軸受内輪と軸受外輪間との電位差が少なくなるようにバランスを取る必要がある。すなわち、誘電体層２３による静電容量を適切に設定することで、軸受内輪と軸受外輪間との電位差、すなわち軸電圧が最も低くなるような最適状態を得ることができる。
【００４０】
（実施の形態２）
次に、外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量をコンデンサにより調整可能とした形態を説明する。図３は、外側鉄心２５と内側鉄心２６と絶縁樹脂２９で構成される回転子１４に、外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量調整部材として、外側鉄心２５と内側鉄心２６をコンデンサ３０で電気的に接続した構造を模式的に示す図である。
【００４１】
外側鉄心２５と内側鉄心２６をコンデンサ３０で電気的に接続することにより、外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量を調整することができる。外側鉄心２５と内側鉄心２６に接続するコンデンサ３０を、容量を変更可能な可変コンデンサ等にすると、外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量の調整が比較的容易となる。
【００４２】
このように、誘電体成型金型の変更や、外側鉄心２５と内側鉄心２６の軸方向長さの変更を必要とせず、回転体２０を成型した後においても外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量を調整することができるため、製造コストの増加を抑制することができる。
【００４３】
上述したように、本実施の形態では、誘電体層２３による静電容量成分によって回転子１４のインピーダンスを高くし、シャフト１６経由で軸受１５の内輪側へと流れ込む高周波電流を抑え、軸受１５の内輪側の電位を低くしている。また、電食の発生をより効果的
に抑制するには、軸受内輪と軸受外輪間との電位差が少なくなるようにバランスを取る必要がある。すなわち、誘電体層２３による静電容量を適切に設定することで、軸受内輪と軸受外輪間との電位差、すなわち軸電圧が最も低くなるような最適状態を得ることができる。
【００４４】
（実施の形態３）
本発明にかかる電動機を備えた電気機器の例として、エアコン室内機の構成を説明する。図４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のブラシレスモータ１００が適用できる。
【００４５】
なお、上述の説明では、本発明にかかる電気機器の実施形態として、エアコン室外機、エアコン室内機などに搭載される電動機を取り上げたが、その他の各種情報機器や産業機器など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。
【００４６】
以上説明したように、本発明の電動機は、回転子１４における回転体が、回転体の外周部を構成する外側鉄心２５と、シャフトに締結された内周部を構成する内側鉄心２６と、外側鉄心２５と内側鉄心２６との間に配置され、複数の誘電体を用いた誘電体層２３とを備えており、また、上述のように外側鉄心２５と内側鉄心２６との静電容量を容易に変更できる構成により、適切な軸電圧となるような構成を容易に実現できる。このため、本発明の電動機によれば、軸受の電食発生を効果的に抑制することができる。
【００４７】
また、外側鉄心２５または内側鉄心２６と導電体２８を導通させる、もしくは、外側鉄心２５または内側鉄心２６をコンデンサ３０で電気的に接続することにより、外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量を調整することができる。このように、誘電体成型金型の変更や、外側鉄心２５と内側鉄心２６の軸方向長さの変更を必要とせず、回転体２０を成型した後においても外側鉄心２５と内側鉄心２６の静電容量を調整することができるため、製造コストの増加を抑制することができる。
【００４８】
以上のごとく本発明の実施形態では、内側鉄心と導電体、または、外側鉄心と導電体を導通させることにより、また、外側鉄心と内側鉄心をコンデンサで電気的に接続することで外側鉄心と内側鉄心との静電容量を容易に変えることができる。そして、このように静電容量を変えることで、軸電圧が最も低くなる最適の静電容量、すなわち、回転子側の最適のインピーダンスを得ることができるが、この構造に上述した種々の構成を組み合わせることによっても、軸受の電食発生を効果的に抑制することができることは言うまでもない。
【００４９】
また、本発明の実施形態では例として外側鉄心に磁石を貼り付ける表面磁束型モータにて説明したが、外側鉄心に磁石を埋設する磁石埋め込み型モータにおいても、固定子の外側に回転子が配置されるモータにおいても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
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、軸受の電食発生を効果的に抑制することができる。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、エアコン室外機などに搭載される電動機に有効である。
【符号の説明】
【００５１】
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
１６  シャフト
１７  ブラケット
１８  プリント基板
１９  モータケース
２０  回転体
２１  回転子鉄心
２２  磁石
２３  誘電体層
２４  ブラケット
２５  外側鉄心
２６  内側鉄心
２６ｂ  シャフト挿入孔
２７、２９  絶縁樹脂
２７ａ  外側絶縁樹脂
２７ｂ  内側絶縁樹脂
２８  導電体
３０  コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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