JP2009225601A - モールド電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で軸受の電食を防止して、長寿命で信頼性の高いモールド電動機を提供することを目的とする。
【解決手段】この発明に係るモールド電動機１００は、固定子鉄心１に絶縁部材８を取り付け巻線２が施される固定子部１０と、モールド樹脂３とが一体成形され、軸方向の一方の端部に開口部を有するモールド固定子２０と、モールド固定子２０の開口部側の端部に固定され、インバータ部を有する基板５と、 モールド固定子２０内に開口部から挿入され、回転子４と、回転子４の軸孔に嵌合するシャフト１１と、シャフト１１に固定され回転子４の軸方向両端部の外側に位置する二つの軸受７ａ，７ｂとを有する回転子組立３０と、軸受７ａを保持し、モールド固定子２０の開口部側の軸方向端部に固定されるブラケット６と、基板５とブラケット６との間に設けられ、所定の誘電率で所定の厚さの誘電板１５とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図７

Description

この発明は、空気調和機や給湯器に使用されるモールド電動機に関する。さらに、詳しくは、モールド電動機の軸受における電食の発生を抑制する構造に関する。

空気調和機に使用される送風機を駆動するファンモータは、空気調和機本体の省エネルギー化に伴い、高効率化が要望されている。そのため誘導電動機に代わって、高効率のブラシレスＤＣモータ（モールド電動機の一例）が用いられることが多い。そして、ブラシレスＤＣモータの駆動方式として、ＰＷＭ方式（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調方式）が多く用いられる。

ＰＷＭ方式を使用する場合、モールド電動機に高周波スイッチング電圧が印加されるため、軸受の内外輪に電位差が生じ放電する。この放電により、軸受の転走面に波状磨耗が発生することがある。

軸受周辺から電流が軸受内に流れて転がり接触面にスパークが発生し、軸受転走面に生じる損傷を電食という。このスパークによって、初期の段階では表面に丸い斑点が生じる。この丸い斑点の部分は、スパークによる熱影響を受けて白層、変質層、焼戻し層などとなったもので周辺の正常な部分と金属組織や硬度が異なり、その後剥離に発展する可能性がある。また、電食がさらに進展した場合は波板状の横縞模様が生じて異音や振動を引き起こし、軸受として機能しなくなる。この現象によりモールド電動機から異常音が発生し、製品の不具合となる課題があった。

このような課題を解決するために、樹脂にて絶縁された固定子鉄心に巻線を巻装した固定子巻線と、固定子巻線を絶縁樹脂にてモールド一体成形して軸受を保持するハウジングを設けたモールド完成品において、ハウジング部の内部に一対の軸受をもつ回転自在の回転子の一方の軸受を保有し、もう一方の軸受をブラケットにて固定されたブラシレスモータ、あるいは固定子巻線を、軸受を保持するハウジングを設けずに絶縁樹脂にてモールド一体成形し、一対の軸受をもつ回転自在の回転子の両方の軸受をモールド完成品に圧入されたブラケットに挿入固定されたブラシレスＤＣモータにおいて、固定子鉄心は鉄心接続端子とブラケット接続端子を介してブラケットを短絡する構造にしたブラシレスＤＣモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１５９３０２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のブラシレスＤＣモータは、固定子鉄心とブラケットとを短絡するために、鉄心接続端子とブラケット接続端子とが必要であり、部品点数が多く、高価になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構造で軸受の電食を防止して、長寿命で信頼性の高いモールド電動機を提供することを目的とする。

この発明に係るモールド電動機は、電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心に絶縁部材を取り付け巻線が施される固定子部と、モールド樹脂とが一体成形され、軸方向の一方の端部に開口部を有するモールド固定子と、
モールド固定子の前記開口部側の端部に固定され、インバータ部を有する基板と、
モールド固定子内に開口部から挿入され、回転子と、回転子の軸孔に嵌合する回転軸と、回転軸に固定され回転子の軸方向両端部の外側に位置する二つの軸受とを有する回転子組立と、
軸受の一つを保持し、モールド固定子の開口部側の軸方向端部に固定されるブラケットと、
基板とブラケットとの間に設けられ、所定の誘電率で所定の厚さの誘電板とを備えたことを特徴とする。

この発明に係るモールド電動機は、基板とブラケットとの間に所定の誘電率で所定の厚さの誘電板を設けたことにより、インバータ部とブラケット間の浮遊容量を低減することができ、軸受の電食を防止して騒音の発生を抑制し、長寿命で高信頼性のモールド電動機を提供する効果を奏する。

実施の形態１．
図１乃至図４は実施の形態１を示す図で、図１はモールド電動機１００の部分断面図、図２は固定子部１０の基板５を取付る前の斜視図、図３は固定子部１０の基板５を取付後の斜視図、図４は簡略的に表したモールド電動機１００の電気回路のモデル図である。

図１に示すように、モールド電動機１００は、モールド固定子２０と、回転子組立３０と、ブラケット６とを備える。

モールド固定子２０は、固定子部１０にモールド樹脂３が施され一体成形される。

図１〜図３に示すように、固定子部１０は、電磁鋼板を積層して構成され複数のスロット（図示せず）を有する固定子鉄心１に絶縁部材８を取り付け、集中巻方式の巻線２が施される。更にモールド電動機１００を駆動するための電子部品（インバータを構成するスイッチング素子等）が実装される基板５が、絶縁部材８の一方の軸方向端面に取り付けられる。この状態のものを、固定子部１０と呼ぶ。

基板５は、絶縁部材８の一方の軸方向端部から軸方向に外に延びる絶縁部材８の突起１８に固定される。基板５の形状は、中央部に開口部を有する略円板状である。

回転子組立３０は、永久磁石（図示せず）を有する回転子４と、この回転子４の略中央部に形成された軸孔に嵌合するシャフト１１（回転軸）と、このシャフト１１に固定され回転子４の軸方向両端部の外側に位置する二つの軸受７ａ、７ｂとを備える。軸受７ａは、ブラケット６で保持される。また、軸受７ｂは、モールド樹脂３で保持される。回転子４は、例えば、永久磁石を用いた永久磁石形回転子である。軸受７ａは、ブラケット６に嵌合する外輪７ａ−１、及びシャフト１１に嵌合する内輪７ａ−２を備える。軸受７ｂも同様である。

軸受７ａ、７ｂには、例えば、玉軸受を使用する。玉軸受は、転動体が玉を使用している軸受で、主に受ける荷重の方向により、ラジアル玉軸受とスラスト玉軸受がある。図１に示す軸受７ａ、７ｂは、ラジアル玉軸受である。ラジアル玉軸受には、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、４点接触玉軸受、自動調心玉軸受、その他の軸受などがある。

モールド固定子２０の基板５側の軸方向端部は、モールド樹脂３で塞がれている（但し、シャフト１１を通す孔は開いている）。モールド固定子２０の他方の軸方向端部は開口しているので、この開口側から回転子組立３０をモールド固定子２０に挿入する。さらに、金属製のブラケット６をモールド固定子２０の開口部側に取り付ける。回転子組立３０をブラケット６とモールド樹脂３とで挟むように、ブラケット６を取り付けてモールド電動機１００が完成する。

図４は簡略的に表したモールド電動機１００の電気回路のモデル図である。図４に示す例は、モールド固定子２０の開口側の軸受７ａに対応するモデルである。尚、モールド固定子２０の開口側と反対側の軸受７ｂも類似のモデルとなる。

モールド電動機１００の各部品の間には、それぞれの浮遊容量（静電容量）が存在し、各々電気的に接続されている。インバータ部５ａの駆動素子を実装した基板５から、固定子部１０の巻線２にインバータ部５ａの出力電圧を印加することでそれぞれの浮遊容量の合成により軸受７ａ、７ｂの内外輪の間に電圧が発生する。

モールド電動機１００の各部品の間の浮遊容量には、以下に示すようなものがある。
（１）浮遊容量２２：インバータ部５ａと固定子鉄心１間の浮遊容量
（２）浮遊容量２３：固定子鉄心１と回転子４間の浮遊容量
（３）浮遊容量２５：固定子鉄心１とブラケット６間の浮遊容量
（４）浮遊容量２６：インバータ部５ａとブラケット６間の浮遊容量
（５）浮遊容量２７：軸受７ａの外輪７ａ−１と内輪７ａ−２間の浮遊容量
（６）浮遊容量２１：その他の浮遊容量

例えば、軸受７ａの外輪７ａ−１と内輪７ａ−２と電位差がある値以上になった場合、軸受７ａのグリスの絶縁破壊により放電する（軸受７ｂについても同じ）。この放電のエネルギーにより軸受７ａの転走面に傷がつき電食の現象となる。この放電が繰り返されることでモールド電動機１００に異常音が発生する。

尚、各浮遊容量はモールド電動機１００の構造によって異なり、図４の軸受７ａのモデルでは、軸受７ａの外輪７ａ−１と内輪７ａ−２間の浮遊容量の総和は、軸受７ａの外輪７ａ−１と内輪７ａ−２間の浮遊容量２７と、軸受７ａの外輪７ａ−１と内輪７ａ−２とに接触する系の浮遊容量の和となる。モールド電動機１００の構造が異なる場合は、軸受７ａの外輪７ａ−１、内輪７ａ−２の各系の浮遊容量が変わってくる。これらの浮遊容量を減らすことで電食を抑制することが可能である。

本実施の形態１では各系の浮遊容量の中で、浮遊容量２６（インバータ部５ａとブラケット６間の浮遊容量）を低減する。図１のモールド電動機１００において、固定子部１０におけるブラケット６とインバータ部５ａを備える基板５との位置を、シャフト１１の軸方向に対してそれぞれ反対側に配置する。ブラケット６とインバータ部５ａを備える基板５との距離が、ブラケット６が基板５の近傍にある場合に比べて大きくなる。

このような構造にすることで、高周波の発生源である基板５（インバータ部５ａを備える）と、軸受７ａの放電を促す役割となる金属製のブラケット６との間の距離を大きくすることで、浮遊容量２６（インバータ部５ａとブラケット６間の浮遊容量）が、小さくなる。

平行平板導体の静電容量Ｃは、次式で表される。
Ｃ＝εＳ／ｄ （１）
ここで、εは誘電体の誘電率、Ｓ［ｍ^２］は平行平板導体の面積、ｄ［ｍ］は平行平板導体の間隔である。

固定子部１０におけるブラケット６とインバータ部５ａを備える基板５との位置を、シャフト１１の軸方向に対してそれぞれ反対側に配置することで、（１）式におけるｄが十分に大きく取れて静電容量Ｃが小さくなり電食の抑制になる。これによりモールド電動機１００の長期信頼性が向上し、長寿命のモールド電動機１００を提供できる。

実施の形態２．
図５は実施の形態２を示す図で、モールド電動機１００の部分断面図である。図５に示すモールド電動機１００は、図１のモールド電動機１００に対して、軸受７ｂの位置が基板５よりも軸方向に離れ、モールド樹脂３の軸方向端部側に配置されている点が異なる。その他の構成は、実施の形態１のモールド電動機１００と同じである。

基板５と軸受７ｂとを軸方向に寸法Ｇ（所定寸法）だけ離す。これにより、インバータ部５ａと軸受７ｂ間の浮遊容量が低減し、電食の発生を抑制することができる。

実施の形態２のモールド電動機１００は、実施の形態１と同様、固定子部１０におけるブラケット６とインバータ部５ａを備える基板５との位置を、シャフト１１の軸方向に対してそれぞれ反対側に配置されている。そして、基板５と軸受７ｂとを軸方向に寸法Ｇ（所定寸法）だけ離している。これにより、さらにモールド電動機１００の長期信頼性が向上し、長寿命のモールド電動機１００を提供できる。

実施の形態３．
図６は実施の形態３を示す図で、モールド電動機１００の部分断面図である。図６に示すモールド電動機１００は、図５に示すモールド電動機１００に対して、基板５側にも、ブラケット６（第１のブラケット）とは別のブラケット１６（第２のブラケット）を備える点が異なる。

図６に示すモールド電動機１００は、図５に示すモールド電動機１００に比べて、モールド樹脂３と一体成形されるブラケット１６を備えるので、シャフト１１の同軸度が改善される。

図６のように、基板５の近傍にブラケット１６が配置される場合は、ブラケット１６が金属製であると、基板５のインバータ部５ａから浮遊容量を通して高周波漏れ電流が流れやすくなる。そのため、ブラケット１６を非導電性（例えば、樹脂）の材料にすることで浮遊容量を減らすことができ、電食の発生を抑えることが出来る。

ブラケット１６を非導電性（例えば、樹脂）の材料にすることで、（１）式の面積Ｓが減少して浮遊容量が小さくなる。

実施の形態４．
図７、図８は実施の形態４を示す図で、図７はモールド電動機１００の部分断面図、図８は変形例のモールド電動機１００の部分断面図である。図７に示すモールド電動機１００は、先ず固定子鉄心１に絶縁部材８を取付け、巻線２を施した固定子部１０を、モールド樹脂３にて成形して、軸方向の一方の端部に開口部を有するモールド固定子２０とする。次に、絶縁部材８の一方の軸方向端部（開口部側の端部）から軸方向に外に延びる絶縁部材８の突起１８をモールド固定子２０から突出させる。この絶縁部材８の突起１８に、インバータ部５ａを備える基板５を固定する。

回転子組立３０をモールド固定子２０の開口部側から、モールド固定子２０内に挿入する。そして、モールド固定子２０の開口部側にブラケット６を取付けてモールド電動機１００が完成する。

図７のモールド電動機１００は、インバータ部５ａを備える基板５とブラケット６とが、共にモールド固定子２０の開口部側にあって接近した配置となっている。

そのため、図１に示すモールド電動機１００に比べ、図７のモールド電動機１００のインバータ部５ａとブラケット６間の浮遊容量２６は大きく、電食が発生する可能性が大きい。

そこで、図７に示すように、基板５とブラケット６との間に、所定の誘電率をもつ所定の厚さの誘電板１５を挿入する。誘電板１５の材料は、例えば、樹脂、セラミック、雲母（マイカ）、繊維、鉱物、油等である。これらの材料の比誘電率は、例えば、テフロン（登録商標）が２、絹が１．３〜２、石綿が１．４〜１．５、ＡＢＳ樹脂が２．４〜４．１、ポリエチレンペレットが１．７程度（真空の比誘電率は１）である。これらを総合すると、誘電板１５の比誘電率は、１．３〜４．１程度になる。

基板５とブラケット６との間に、誘電板１５を挿入することにより、インバータ部５ａとブラケット６間の浮遊容量２６が小さくなり、電食の発生を防止できる。

図８は変形例のモールド電動機１００を示す。図８のモールド電動機１００は、図７の誘電板１５の部分を空気層１４としたものである。その他の構成は、図７と同じである。

空気層１４の誘電率は、誘電板１５の誘電率よりも小さくなり、略真空の誘電率に等しい。従って、（１）式のＳ／ｄをその分大きくすることができる。

誘電板１５の比誘電率は、前述のように１．３〜４．１程度であるから、空気層１４の浮遊容量を誘電板１５の浮遊容量と同等にするには、（１）式のＳ［ｍ^２］／ｄ［ｍ］が、誘電板１５の場合の１．３〜４．１倍でよいことになる。例えば、Ｓを一定とすると、ｄを１／（１．３〜４．１）倍に短くできる。これにより、モールド電動機１００の小型化が図れる。

基板５とブラケット６との間を、上記の条件を満たす空気層１４とすることにより、インバータ部５ａとブラケット６間の浮遊容量２６が小さくなり、電食の発生を防止できる。

実施の形態５．
図９は実施の形態５を示す図で、空気調和機２００の構成図である。空気調和機２００は、室内機５２と、室内機５２に接続する室外機５３とを備える。室外機５３には、送風機５４が設けられる。図示はしないが、室内機５２も送風機を備える。

室外機５３の送風機５４、室内機５２の送風機に、実施の形態１乃至４のいずれかのモールド電動機１００を搭載する。

電食を抑制することで長期信頼性が向上し、長寿命のモールド電動機１００を搭載することにより、空気調和機２００の信頼性が向上する。

実施の形態６．
図１０は実施の形態６を示す図で、給湯器３００の構成図である。給湯器３００は、室外機５５、タンク５６、浴槽５７を備える。

室外機５５は、送風機５８を搭載する。そして、送風機５８に実施の形態１乃至４のいずれかのモールド電動機１００を搭載する。

電食を抑制することで長期信頼性が向上し、長寿命のモールド電動機１００を搭載することにより、給湯器３００の信頼性が向上する。

実施の形態１を示す図で、モールド電動機１００の部分断面図。 実施の形態１を示す図で、固定子部１０の基板５を取付る前の斜視図。 実施の形態１を示す図で、固定子部１０の基板５を取付後の斜視図。 実施の形態１を示す図で、簡略的に表したモールド電動機１００の電気回路のモデル図。 実施の形態２を示す図で、モールド電動機１００の部分断面図。 実施の形態３を示す図で、モールド電動機１００の部分断面図。 実施の形態４を示す図で、モールド電動機１００の部分断面図。 実施の形態４を示す図で、変形例のモールド電動機１００の部分断面図。 実施の形態５を示す図で、空気調和機２００の構成図。 実施の形態６を示す図で、給湯器３００の構成図。

符号の説明

１ 固定子鉄心、２ 巻線、３ モールド樹脂、４ 回転子、５ 基板、５ａ インバータ部、６ ブラケット、７ａ 軸受、７ａ−１ 外輪、７ａ−２ 内輪、７ｂ 軸受、８ 絶縁部材、１０ 固定子部、１１ シャフト、１４ 空気層、１５ 誘電板、１６ ブラケット、１８ 突起、２１ 浮遊容量、２２ 浮遊容量、２３ 浮遊容量、２５ 浮遊容量、２６ 浮遊容量、２７ 浮遊容量、３０ 回転子組立、５２ 室内機、５３ 室外機、５４ 送風機、５５ 室外機、５６ タンク、５７ 浴槽、５８ 送風機、１００ モールド電動機、２００ 空気調和機、３００ 給湯器。

Claims (6)

1. 電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心に絶縁部材を取り付け巻線が施される固定子部と、モールド樹脂とが一体成形され、軸方向の一方の端部に開口部を有するモールド固定子と、
   前記モールド固定子の前記開口部側の端部に固定され、インバータ部を有する基板と、
   前記モールド固定子内に前記開口部から挿入され、回転子と、前記回転子の軸孔に嵌合する回転軸と、前記回転軸に固定され前記回転子の軸方向両端部の外側に位置する二つの軸受とを有する回転子組立と、
   前記軸受の一つを保持し、前記モールド固定子の前記開口部側の軸方向端部に固定されるブラケットと、
   前記基板と前記ブラケットとの間に設けられ、所定の誘電率で所定の厚さの誘電板とを備えたことを特徴とするモールド電動機。
2. 前記誘電板に代えて、前記基板と前記ブラケットとの間に以下の条件を満たす空気層を設けたことを特徴とする請求項１記載のモールド電動機。
   （ａ）前記基板の面積をＳ、前記基板と前記ブラケットとの間の距離をｄとしたとき、Ｓ［ｍ^２］／ｄ［ｍ］を前記空気層が前記誘電板で構成される場合に比べ、１．３〜４．１倍とする。
3. 電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心に絶縁部材を取り付け巻線が施され、前記絶縁部材にインバータ部を有する基板が固定される固定子部と、モールド樹脂とが一体成形され、軸方向の一方の端部に開口部を有するモールド固定子と、
   前記モールド固定子内に前記開口部から挿入され、回転子と、前記回転子の軸孔に嵌合する回転軸と、前記回転軸に固定され前記回転子の軸方向両端部の外側に位置する二つの軸受とを有する回転子組立と、
   前記一方の軸受を保持し、前記モールド固定子の前記開口部側の軸方向端部に固定されるブラケットとを備え、前記基板と前記他方の軸受とを軸方向に所定寸法離して配置することを特徴とするモールド電動機。
4. 電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心に絶縁部材を取り付け巻線が施され、前記絶縁部材にインバータ部を有する基板が固定される固定子部と、モールド樹脂とが一体成形され、軸方向の一方の端部に開口部を有するモールド固定子と、
   前記モールド固定子内に前記開口部から挿入され、回転子と、前記回転子の軸孔に嵌合する回転軸と、前記回転軸に固定され前記回転子の軸方向両端部の外側に位置する二つの軸受とを有する回転子組立と、
   前記一方の軸受を保持し、前記モールド固定子の前記開口部側の軸方向端部に固定される第１のブラケットと、
   前記他方の軸受を保持し、前記モールド固定子の前記開口部側と反対側に前記モールド樹脂と一体成形される非導電性の第２のブラケットとを備えたことを特徴とするモールド電動機。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のモールド電動機を搭載することを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載のモールド電動機を搭載することを特徴とする給湯器。

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