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WO2009113311A1 - 電動機およびそれを備えた電気機器 - Google Patents

電動機およびそれを備えた電気機器 Download PDF

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Publication number
WO2009113311A1
WO2009113311A1 PCT/JP2009/001112 JP2009001112W WO2009113311A1 WO 2009113311 A1 WO2009113311 A1 WO 2009113311A1 JP 2009001112 W JP2009001112 W JP 2009001112W WO 2009113311 A1 WO2009113311 A1 WO 2009113311A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shaft
electric motor
dielectric layer
motor according
rotating body
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/001112
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
水上裕文
渡辺彰彦
Original Assignee
パナソニック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニック株式会社 filed Critical パナソニック株式会社
Priority to EP09720968.8A priority Critical patent/EP2254220B1/en
Priority to CN2009801087404A priority patent/CN101971460B/zh
Priority to JP2010502727A priority patent/JP5254310B2/ja
Priority to US12/922,125 priority patent/US8552601B2/en
Publication of WO2009113311A1 publication Critical patent/WO2009113311A1/ja

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    • 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
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • H02K1/30—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures using intermediate parts, e.g. spiders
    • H—ELECTRICITY
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor, and more particularly to an electric motor improved so as to prevent 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.
  • 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.
  • Z is an impedance
  • j is an imaginary number
  • ⁇ is an angular frequency
  • C is a capacitance
  • R is a resistance.
  • the impedance decreases as the capacitance increases or the resistance decreases.
  • the capacitance is small or the resistance is large, the impedance is high.
  • Patent Document 1 the impedance on the stator side is lowered by short-circuiting the fixed iron core and the bracket, thereby preventing the electrolytic corrosion of the bearing.
  • stator side bearing outer ring side
  • the impedance is high.
  • the potential on the bearing inner ring side is high while the potential on the bearing outer ring side is low, an unbalanced state occurs and a high shaft voltage is generated.
  • high shaft voltage may cause electric corrosion in the bearing.
  • Patent Document 1 discloses that the stator iron core and the bracket are short-circuited to reduce the impedance on the stator side (bearing outer ring side) as described above, and the rotor side (bearing inner ring side). ) Is used to approximate the impedance.
  • Patent Document 1 has the following problems. That is, since this conventional method is a method of short-circuiting, the impedance cannot be adjusted, and the shaft voltage may increase depending on the magnet material and structure of the rotor. Another problem is that since the impedance is lowered, the balance is always maintained between the bearing inner ring and the bearing outer ring with a high potential. In such a state, if the balance of impedance is lost due to the usage environment of the motor or variations in the assembly accuracy of the stator and rotor, the shaft voltage becomes high and electric corrosion tends to occur. The case was also considered as a possibility.
  • the impedance on the rotor side (bearing inner ring side) is increased to approximate the impedance on the stator side (bearing outer ring side), and the bearing inner ring side and the bearing outer ring side are Since the high-frequency potential can be balanced, it is possible to provide an electric motor that prevents the occurrence of electrolytic corrosion in a bearing and an electric device including the electric motor.
  • JP 2007-159302 A JP 2007-159302 A
  • An electric motor includes a stator including a stator core wound with a winding, a rotating body facing the stator and holding a plurality of permanent magnets in the circumferential direction, and passing through the center of the rotating body.
  • the rotor includes a shaft to which a rotating body is fastened, a bearing that supports the shaft, and a bracket that fixes the bearing, and a dielectric layer is provided between the shaft and the outer periphery of the rotating body.
  • the dielectric layer is an insulator for preventing electrolytic corrosion.
  • the dielectric layer provided between the shaft and the outer periphery of the rotor has a configuration in which the capacitance of the dielectric layer is equivalently connected in series in the rotor of low impedance.
  • the impedance on the side can be increased.
  • the rotor side impedance is increased in this way, it can be approximated to a high impedance stator side impedance.
  • a balance can be achieved so that the high-frequency potentials on the bearing inner ring side and the bearing outer ring side are equal.
  • the potential difference between the bearing inner ring and the outer ring can be reduced. For this reason, it is possible to prevent the occurrence of electrolytic corrosion of the bearing caused by a high frequency by PWM or the like.
  • the capacitance can be varied by changing the width and material of the dielectric layer.
  • the dielectric layer refers to a layer that intentionally changes the dielectric constant and thickness of the dielectric and the surface area of the conductive material (electrode) in contact with the dielectric, as if a dielectric element is interposed between the shaft and the rotating body. Is intended to be
  • the dielectric layer is an insulating resin such as a syndiotactic polystyrene resin.
  • the dielectric constant can be reduced. Thereby, even if the thickness of insulating resin is small, the impedance by the side of a rotor can be made higher.
  • the electric motor of the present invention has a configuration in which the dielectric layer is provided so as to circulate around the shaft between the shaft and the rotating body.
  • the electric motor of the present invention may have a configuration in which the dielectric layer is provided so as to circulate around the shaft between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the rotating body.
  • the rotating body includes an outer iron core constituting the outer peripheral portion, an inner iron core constituting the inner peripheral portion fastened to the shaft, and a dielectric layer, the outer iron core and the inner iron core, May be fixed through a dielectric layer.
  • the structure of the rotor that can be easily manufactured can be obtained, so that the productivity of the rotor can be improved.
  • the dielectric layer may be arranged so as to insulate and separate the inside and the outside.
  • the dielectric layer may include a hole portion.
  • the dielectric layer may have a shape in which a plurality of types of arcs having different radial widths are combined.
  • the electric motor of the present invention has a configuration in which the rotor is rotatably arranged on the inner peripheral side of the stator.
  • the electric motor of the present invention is provided with a dielectric layer so as to increase the impedance between the stator core and the shaft, and the potential difference between the outer ring and the inner ring of the bearing when driven is set to 10 V or less.
  • the impedance between the power supply lead wire and the shaft is set to 400 k ⁇ or more, or 520 k ⁇ or more.
  • the electric device of the present invention is equipped with the above-described electric motor.
  • FIG. 1 is a structural diagram showing a cross section of a brushless motor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the main part of the motor.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration example of the rotating body of the motor.
  • FIG. 4 is a diagram showing another specific configuration example of the rotating body of the motor.
  • FIG. 5 is a view showing another configuration example of the rotor of the motor.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a cross section of the rotor of the brushless motor used in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a method for measuring an axial voltage according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of complete waveform collapse.
  • FIG. 1 is a structural diagram showing a cross section of a brushless motor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the main part of the motor.
  • FIG. 3 is a diagram
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of partial waveform collapse.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of no waveform collapse.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a method for measuring an axial potential according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a waveform of the axial voltage when the insulating resin thickness is increased.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of an air conditioner indoor unit as an example of the electrical apparatus according to Embodiment 2 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 10 is configured by molding a stator core 11 around which a stator winding 12 is wound with an insulating resin 13 which is a mold material for integrally molding the mold.
  • a resin 21 as an insulator for insulating the stator core 11 is interposed between the stator core 11 and the stator winding 12.
  • 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 rotor core 31 holds a plurality of permanent magnets in the circumferential direction facing the inner peripheral side of the stator 10.
  • FIG. 1 shows a configuration example in which a rotor core 31 and a ferrite resin magnet 32 that is a permanent magnet are integrally formed. In this manner, the inner peripheral side of the stator 10 and the outer peripheral side of the rotating body 30 are arranged to face each other.
  • the bearing 15 is a bearing having a plurality of iron balls.
  • One of the two bearings 15 is fixed to an insulating resin 13 that is integrally molded with the mold, and the other is fixed to a metal bracket 17. With the configuration as described above, the shaft 16 is supported by the two bearings 15, and the rotor 14 rotates freely.
  • this brushless motor has a built-in printed circuit board 18 on which a drive circuit 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.
  • the printed circuit board 18 is connected with a power supply voltage for windings, a power supply voltage for the control circuit, and a lead wire for applying the control voltage and a ground line 20 for the control circuit.
  • the dielectric layer 50 is provided in the rotating body 30 between the shaft 16 and the outer periphery of the rotating body 30.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the main part of the brushless motor shown in FIG.
  • the rotating body 30 has a ferrite resin magnet 32 disposed on the outermost peripheral portion, and further toward the inner peripheral side, the outer core 31 a constituting the rotor core 31, the dielectric layer 50, the rotation It arranges in order with inner iron core 31b which constitutes child iron core 31.
  • the dielectric layer 50 is a layer formed of an insulating resin. In the present embodiment, such a dielectric layer 50 is provided for preventing electrolytic corrosion.
  • FIG. 2 shows an example in which the dielectric layer 50 is formed in a ring shape that circulates around the shaft 16 between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the rotating body 30.
  • the rotating body 30 has a configuration in which the ferrite resin magnet 32, the outer iron core 31a, the insulating resin forming the dielectric layer 50, and the inner iron core 31b are integrally formed.
  • the rotating body 30 is fastened to the shaft 16 at the fastening portion 51 on the inner periphery of the inner iron core 31b. Thereby, the rotor 14 supported by the bearing 15 is configured.
  • the dielectric layer 50 is a layer formed of an insulating resin that is an insulator, and insulates and separates the outer iron core 31a and the inner iron core 31b in series.
  • the dielectric layer 50 is formed of an insulating resin having a predetermined dielectric constant, and a high-frequency current can flow between the outer iron core 31a and the inner iron core 31b.
  • the rotor 30 of the rotor 14 with low impedance is provided with a dielectric layer 50 as shown in FIG. 2 so that the impedance of the rotor 14 is increased so as to approximate the impedance on the bracket 17 side. is doing. That is, by providing the dielectric layer 50 between the outer iron core 31a and the inner iron core 31b, the rotor 14 is equivalently configured in such a manner that the electrostatic capacitance of the dielectric layer 50 is connected in series. Impedance can be increased. That is, by increasing the impedance of the rotor 14, a high-frequency voltage drop flowing from the rotor 14 to the shaft 16 increases. As a result, the potential generated in the shaft 16 by the high frequency current can be lowered.
  • the brushless motor of the present embodiment reduces the potential difference due to the high-frequency current between the outer ring of the bearing 15 electrically connected to the bracket 17 and the shaft 16 on the inner ring side of the bearing 15. is doing. For this reason, the potential is always low between the bearing inner ring and the bearing outer ring, and the balance is maintained to reduce the potential difference, thereby preventing the occurrence of electrolytic corrosion in the bearing.
  • the impedance on the rotor 14 side can be set optimally. That is, by reducing the dielectric constant of the insulating resin forming the dielectric layer 50, increasing the thickness of the insulating resin (distance between the electrodes), or reducing the electrode area, the electrostatic capacity of the dielectric layer 50 is increased. Can be lowered. In this way, the impedance of the rotor 14 can be increased by reducing the capacitance of the dielectric layer 50.
  • a resin generally used for an insulating resin of an electric motor is a resin reinforced with an inorganic filler such as glass fiber in a polybutylene terephthalate (hereinafter referred to as PBT) resin or a polyethylene terephthalate (hereinafter referred to as PET) resin.
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • the dielectric constant of the SPS resin is 2.6 for the non-reinforced product and 2.8 for the reinforced product, which is lower than that of a general resin. Therefore, when the upper limit of the thickness of the insulating resin is structurally restricted and the impedance is not low enough for PBT resin or the like, the capacitance can be reduced by using the SPS resin.
  • the rotor core 30 is configured such that the dielectric layer 50 is separated into the outer iron core 31a and the inner iron core 31b. It is possible to integrally mold the insulating resin. For this reason, in comparison with a structure in which a dielectric layer is provided between the shaft and the rotor core, the structure as shown in FIG. 2 makes it possible to form the rotor 30 without the shaft, thereby improving productivity. Can be increased. Further, with the structure shown in FIG. 2, even if the type of the shaft 16 is changed, the shaft 16 can be fixed by caulking or press-fitting, so that the type change can be easily handled. Even productivity can be improved.
  • FIGS. 3 and 4 are diagrams showing specific configuration examples of the rotating body of the brushless motor in the embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 show a configuration example when the rotating body is viewed from above.
  • the rotating body shown in FIGS. 3 and 4 has a shape in which a plurality of types of arcs having different radial widths are combined between the outer iron core 31a and the inner iron core 31b in the radial direction, as shown in the respective drawings.
  • the dielectric layer 50 is provided. That is, the dielectric layer 50 has a shape that repeatedly circulates between a convex protrusion shape and a concave protrusion shape at least on either the outer peripheral side or the inner peripheral side. Further, the outer iron core 31a and the inner iron core 31b are fitted in the dielectric layer 50 having such a shape.
  • each protrusion is provided on each of the outer iron core 31a and the inner iron core 31b so that the protrusions for preventing idling are positioned opposite to each other.
  • the rotating body shown in FIG. 4 shows a configuration example in which the dielectric layer 50 includes a hole portion which is a gap 40 such as an air layer or a hole in a partial region thereof.
  • the rotating body shown in FIG. 4 is provided with a gap 40 in a thick portion so that the decrease in holding strength between the outer iron core 31a and the inner iron core 31b does not increase due to the gap 40.
  • four uniform and identical gaps 40 are provided so that the unbalance during rotation does not increase.
  • the upper limit of the thickness of the insulating resin is structurally regulated, and even when SPS resin is used, the impedance on the rotor side (bearing inner ring side) is low, the shaft voltage is high, and the amount of insulating resin used is high and the cost is high.
  • an electrostatic layer can be reduced by forming an air layer or a hole in a part of the insulating resin, and the impedance on the rotor side (bearing inner ring side) can be further increased.
  • FIG. 5 is a view showing another configuration example of the rotor of the brushless motor in the embodiment of the present invention.
  • the rotating body 30 shown in FIG. 5 has a ferrite resin magnet 32 disposed on the outermost peripheral portion, and is further disposed in order toward the inner peripheral side with a rotor core 31 and a dielectric layer 50 formed of insulating resin. Yes.
  • the rotor 30 shown in FIG. 5 has a configuration in which the ferrite resin magnet 32, the rotor core 31, and the insulating resin that forms the dielectric layer 50 are integrally formed as described above.
  • the rotating body 30 is fastened to the shaft 16 at the fastening portion 51 on the inner periphery of the dielectric layer 50. That is, the rotating body 30 is configured to be fastened to the shaft 16 through the dielectric layer 50.
  • the rotor 14 may have such a configuration, and the capacitance of the dielectric layer 50 is connected in series between the rotor core 31 and the shaft 16 so that the impedance of the rotor 14 can be increased.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a cross section of the rotor of the brushless motor used in the first embodiment. As shown in FIG. 6, the rotor core 31 and the shaft 16 are insulated by a dielectric layer 50.
  • the axial voltage when the thickness of the insulating resin forming the dielectric layer 50 was changed by changing the inner diameter of the rotor core 31 was measured.
  • the insulating resin material was implemented with two types of PBT resin having a dielectric constant of 3.6 and SPS resin having a dielectric constant of 2.8. The measurement was carried out by using the same stator and replacing each rotor. Minebea 608 (use of grease with a consistency of 239) was used for the bearing.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a measuring method of the shaft voltage according to the first embodiment.
  • 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.
  • Axis voltage is measured with a digital oscilloscope 130 (Tektronix DPO7104) and a high-voltage differential probe 120 (Tektronix P5205) to check whether the waveform collapses, and between peak-to-peak The measured voltage was taken as the axial voltage.
  • the waveform breakdown of the shaft voltage was classified into three categories: complete waveform collapse, partial waveform collapse, and no waveform collapse.
  • FIG. 8 to 10 are diagrams showing an example of such waveform collapse.
  • FIG. 8 shows a complete waveform collapse
  • FIG. 9 shows a partial waveform collapse
  • FIG. 10 shows a waveform without waveform collapse. 8 to 10, 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 positive side 120a of the high-voltage differential probe 120 is in contact with the outer periphery of the shaft 16 through the inner periphery of the shaft 16 through a lead wire 110 having a length of about 30 cm and a conductor of the lead wire having a diameter of about 15 mm. By doing so, it is electrically connected to the shaft 16.
  • the negative side 120b of the high-voltage differential probe 120 is electrically connected to the bracket 17 by bringing the tip of the lead wire 111 into conductive contact with the bracket 17 via the conductive tape 112 via the lead wire 111 having a length of about 30 cm. Connected. With such a configuration, measurement of an axial voltage which is a voltage between the bracket 17 and the shaft 16 was performed.
  • Example 1 The shaft voltage was measured in the same manner as in Example 1 by using a rotor having the same shape as in FIG. 6 and the rotor core 31 and the shaft 16 being not insulated.
  • Table 1 shows the measurement results of Example 1 and Comparative Example 1.
  • the axial voltage can be lowered by providing the dielectric layer 50. Furthermore, if the shaft voltage is 10 V or less, the number of waveform collapses (the breakdown voltage of the oil film inside the bearing) is extremely reduced, and the effect of preventing the occurrence of electrolytic corrosion in the bearing can be further enhanced. Moreover, since the insulation voltage is increased, the shaft voltage is reduced, and the waveform collapse is eliminated in the region of 6.5 V or less, so that the occurrence of electrolytic corrosion of the bearing can be further suppressed. Furthermore, by using the SPS resin as the insulating material, the axial voltage can be reduced with the same insulating thickness as compared with the case where the PBT resin is used.
  • Example 2 In Example 2, the impedance was measured with the same brushless motor as in Example 1.
  • the impedance was measured by measuring the impedance between the lead wire of the power supply voltage Vdc of the winding and the shaft 16 using an LCR meter ZM2353 and a test lead 2325A made by NF circuit design block. The measurement was performed in a non-rotating state, the brushless motor attitude was horizontal on the shaft, and the measurement conditions were a voltage of 1 V and a frequency of 10 kHz.
  • FIG. 11 is a diagram showing a method for measuring an axial potential according to the second embodiment.
  • the operating state and conditions are the same as in Example 1, and the axial potential is measured with a digital oscilloscope 130 (Tektronix DPO7104) and a passive probe 150 (Tektronix P6139A), and the peak-to-peak measurement.
  • the voltage was the axial potential.
  • the horizontal time at the time of measurement is the same condition of 50 ⁇ s / div as in the first embodiment, and the digital oscilloscope 130 is insulated by the insulation transformer 140.
  • the probe side 150a of the passive probe 150 is formed 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 and making the inner periphery thereof conductively contact the outer periphery of the shaft 16. , Electrically connected to the shaft 16. The measurement was performed by connecting the ground side 150b of the passive probe 150 to the ground of the stabilized power source used for the power source of the power source voltage Vdc of the winding. With such a configuration, the axial potential, which is the potential between the ground of the power supply voltage Vdc of the winding and the shaft 16, was measured.
  • Table 2 shows the measurement results of Example 2 and Comparative Example 2.
  • the rotor impedance can be set to 400 k ⁇ or more by providing the rotor with an insulating structure.
  • the impedance at the same thickness can be increased by using an SPS resin as the PBT resin. That is, in the case of a molded motor in which a stator core insulated with resin and a stator winding are molded integrally with an insulating resin, the impedance between the ground and the bracket (stator side) is about 500 k ⁇ . Therefore, by setting the impedance between the ground and the shaft to 400 k ⁇ or more, the impedance between the ground and the bracket (stator side) is approximated, so that the shaft voltage can be lowered.
  • the axial potential can be lowered by making the rotor have an insulating structure.
  • the axial potential at the same thickness can be lowered by using an SPS resin as the PBT resin.
  • Example 3 In the measurement of Example 1, the + side 120a of the differential probe 120 was connected to the shaft 16 (bearing inner ring), and the ⁇ side 120b was connected to the bracket 17 (bearing outer ring). Since the voltage waveforms shown in FIGS. 8 to 10 are upward, it can be seen that the potential on the shaft 16 (bearing inner ring) side is higher than that on the bracket 17 (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.
  • FIG. 12 is a diagram showing a waveform of the shaft voltage when the insulating resin thickness is increased.
  • the waveform of the axial voltage changes downward, that is, in the opposite direction to the cases of FIGS.
  • the shaft voltage waveform is downward, it can be determined that the direction of current flows from the bearing outer ring side to the bearing inner ring side. It can be determined that the direction of the voltage waveform changes because the impedance on the rotor 14 side is increased by increasing the insulation thickness of the rotor 14 and is higher than the impedance on the stator 10 side.
  • the power supply voltage Vdc of the winding was 391 V
  • the power supply voltage Vcc of the control circuit was 15 V
  • the control voltage Vsp was 3 V
  • the rotation speed was 1000 r / min
  • the brushless motor attitude was the shaft horizontal
  • the ambient temperature was 10
  • the test was conducted under the condition of 0 ° C. and no load.
  • a special bearing having only one of the seven iron balls of the bearing as an iron ball and the rest as a ceramic ball was attached to the output shaft side (substrate side).
  • a ceramic ball bearing was attached to the non-output shaft side (mold resin side) in order to obtain a completely insulated state.
  • the determination of electrolytic corrosion is determined to be the lifetime of electrolytic corrosion at the time of confirming abnormal hearing and wavy wear inside the bearing.
  • Table 3 shows the measurement results of Example 3 and Comparative Example 3.
  • the electrolytic corrosion life can be increased to about 2 to 3 times the conventional one. Furthermore, by setting the shaft voltage to 6.5 V or less and preventing the waveform from collapsing, the electrolytic corrosion life can be made about 3 to 4 times that of the prior art.
  • the impedance between the power supply lead wire and the shaft is 520 k ⁇ or more, the impedance on the rotor side becomes higher than the impedance on the stator side, and the current direction is changed from the bearing outer ring to the bearing inner ring.
  • the food life can be increased four times or more. That is, in the case of a molded motor in which a stator core insulated with resin and a stator winding are molded integrally with an insulating resin, the impedance between the ground and the bracket (stator side) is about 500 k ⁇ . .
  • the impedance between the ground and the shaft (rotor side) is set to 520 k ⁇ or more, the impedance between the ground and the shaft (rotor side) becomes higher than the impedance between the ground and the bracket (stator side).
  • the current direction can be changed from the bearing outer ring to the bearing inner ring.
  • Example 4 In the fourth embodiment, the rotating body having the structure shown in FIG. 3 and the rotating body having the structure shown in FIG. 4 are respectively replaced with the same stator used in the first embodiment, and the same method as in the first embodiment is used. The shaft voltage was measured. Further, impedance and axial potential were also measured in the same manner as in Example 2.
  • PBT resin was used as an insulating material for forming the dielectric layer 50.
  • the minimum thickness of the resin is 2.5 mm, and protrusions for preventing idling are provided on the outer iron core 31a and the inner iron core 31b.
  • Comparative Example 4 The measurement results of the axial voltage, impedance, and axial potential of the PBT resin produced in Example 1 with a 2.5 mm thickness insulation specification were used as comparative examples.
  • Table 4 shows the measurement results of Example 4 and Comparative Example 4.
  • the shaft voltage can be reduced by changing the shaft insulation as shown in FIG. 5 to the split core insulation as shown in FIG. Impedance and axial potential can be made equal.
  • the impedance can be increased and the axial potential can be reduced.
  • the electric motor of the present invention can reduce the shaft voltage and increase the impedance, and can reduce the shaft potential, compared with the conventional motor. Has an excellent effect.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of an air conditioner indoor unit as an example of the electric device according to the second embodiment of the present invention.
  • a brushless motor 201 is mounted in the casing of the air conditioner indoor unit 210.
  • a cross flow fan 212 is attached to the rotating shaft of the brushless motor 201.
  • the brushless motor 201 is driven by a motor driving device 213.
  • the brushless motor 201 is rotated by energization from the motor driving device 213, and the cross flow fan 212 is rotated accordingly.
  • air conditioned by an indoor unit heat exchanger (not shown) is blown into the room.
  • the electric motor shown in the above embodiment can be applied to the brushless motor 201.
  • the electric device of the present invention includes a brushless motor and a casing on which the brushless motor is mounted, and employs the electric motor of the present invention configured as described above as a brushless motor.
  • the brushless motor mounted on the air conditioner indoor unit is taken up as an embodiment of the electrical device according to the present invention.
  • the motor is mounted on other electrical devices, for example, various home appliances.
  • the present invention can also be applied to brushless motors, brushless motors mounted on various information devices, and brushless motors used in industrial equipment.
  • the electric motor of the present invention includes a stator including a stator core wound with a winding, a rotating body that holds a plurality of permanent magnets in the circumferential direction facing the stator, and the rotating body.
  • a rotor including a shaft with a rotating body fastened to penetrate the center, a bearing that supports the shaft, and a bracket that fixes the bearing are provided, and a dielectric layer is provided between the shaft and the outer periphery of the rotating body. It is a configuration.
  • the dielectric layer provided between the shaft and the outer periphery of the rotor has a structure in which the capacitance of the dielectric layer is equivalently connected in series in the low impedance rotor, and the impedance on the rotor side Can be increased.
  • the impedance between the bearing inner ring side and the bearing outer ring side can be approximated.
  • the example of the shape shown in FIGS. 2 to 5 has been described as the shape of the dielectric layer.
  • other shapes may be used depending on the capacitance of the dielectric layer. It is only necessary to increase the impedance of the rotor.
  • the example of the inner rotor type electric motor in which the rotor is rotatably disposed on the inner peripheral side of the stator has been described, but the outer rotor type in which the rotor is disposed on the outer peripheral side of the stator, and further the inner and outer peripheral types
  • a similar effect can be obtained by providing a dielectric layer as described above in a twin rotor type electric motor in which rotors are arranged on both sides.
  • the electric motor of the present invention can reduce the shaft voltage and is optimal for preventing the occurrence of electrolytic corrosion of the bearing. For this reason, it is effective mainly for electric devices that are required to reduce the price and increase the life of electric motors, for example, electric motors mounted in air conditioner indoor units, air conditioner outdoor units, water heaters, air purifiers, and the like.

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Abstract

　巻線を巻装した固定子鉄心（１１）を含む固定子と、固定子に対向して周方向に複数の永久磁石（３２）を保持した回転体（３０）とその回転体（３０）の中央を貫通するように回転体（３０）を締結したシャフト（１６）とを含む回転子と、シャフト（１６）を支持する軸受（１５）と、軸受（１５）を固定するブラケット（１７）とを備え、シャフト（１６）と回転体（３０）の外周との間に誘電体層（５０）を設ける。

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防止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、軸受内輪または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。
　従来、電食を防止するためには、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、電食防止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、固定子鉄心とブラケットを短絡させることで、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）。
　ところで、静電容量と抵抗とを並列接続したときのインピーダンスは、Ｚ＝１／ｊωＣ＋Ｒの関係式で表される。ここで、Ｚはインピーダンス、ｊは虚数、ωは角周波数、Ｃは静電容量、Ｒは抵抗を示す。この式からわかるように、静電容量が大きくまたは抵抗が小さくなるとインピーダンスは低くなる。また、逆に静電容量が小さくまたは抵抗が大きくなるとインピーダンスは高くなる。
　特許文献１では、固定鉄心とブラケットを短絡させることにより、固定子側のインピーダンスを低くし、これによって軸受の電食を防止している。
　すなわち、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（以下、基礎絶縁という）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。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。
　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を短絡させることで、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、回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスに近似させる方法を採用している。
　しかしながら、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、インピーダンス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、インピーダンスを低くする方法なので、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が保たれている状態で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、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。
　以上のように、本発明の電動機によれば、回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスを高くし、固定子側（軸受外輪側）のインピーダンスと近似させ、軸受内輪側と軸受外輪側との高周波的な電位のバランスをとることができるため、軸受における電食の発生を防止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ができる。
特開２００７－１５９３０２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複数の永久磁石を保持した回転体とその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軸受と、軸受を固定するブラケットとを備え、シャフトと回転体の外周との間に誘電体層を設けた構成である。
　また、この誘電体層は、電食防止用の絶縁物である。
　このような構成により、シャフトと回転体の外周との間に設けた誘電体層により、低インピーダンスの回転子において、等価的に誘電体層による静電容量が直列接続された構成となり、回転子側のインピーダンスを高くすることが可能となる。このようにして回転子側のインピーダンスを高くすると、高インピーダンスである固定子側のインピーダンスに近似させることができる。その結果、軸受内輪側と軸受外輪側との高周波的な電位が等しくなるようにバランスをとることができる。このように軸受内輪と外輪との間の電位差を少なくできる。このため、ＰＷＭなどによる高周波によって生じる軸受の電食の発生を防止することが可能となる。また、誘電体層の幅や材料を変えることにより、静電容量を可変できる。これにより、回転子側のインピーダンスを最適に設定することも可能となる。なお誘電体層とは、誘電体の誘電率および厚さや誘電体に接する導電物（電極）表面積を意図的に変化させる層のことを指し、あたかもシャフトと回転体との間に誘電素子を介在させることを意図している。
　また、本発明の電動機は、誘電体層が、例えばシンジオタクチックポリスチレン樹脂のような絶縁樹脂である。
　絶縁樹脂にシンジオタクチックポリスチレン（以下ＳＰＳという）樹脂を使用することで、低誘電率化することが可能となる。これにより、絶縁樹脂の厚さが小さくても、回転子側のインピーダンスをより高くすることができる。
　また、本発明の電動機は、誘電体層が、シャフトと回転体との間に、シャフトの周りを周回するように設けられた構成である。
　また、本発明の電動機は、誘電体層が、回転体の内周側と外周側との間に、シャフトの周りを周回するように設けられた構成であってもよい。
　また、本発明の電動機は、回転体が、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、誘電体層とを有し、外側鉄心と内側鉄心とが誘電体層を介して固着されているような構成であってもよい。
　このような構成とすることにより、容易に製造可能な回転体の構造とすることができるため、回転子の生産性を向上することができる。
　また、本発明の電動機は、誘電体層が、その内側と外側とを絶縁分離するように配置されていてもよい。
　また、本発明の電動機は、誘電体層が空孔部を含んでいてもよい。
　このように誘電体層の一部に空孔部としての空気層または空孔を形成することで、低誘電率化することが可能となり、回転子側のインピーダンスをより高くすることができる。
　また、本発明の電動機は、誘電体層が、径方向幅が異なる複数種類の円弧を組み合わせた形状であってもよい。
　また、本発明の電動機は、回転子が、固定子の内周側に回転自在に配置された構成である。
　また、本発明の電動機は、固定子鉄心とシャフトとの間のインピーダンスが高くなるように誘電体層を設けており、駆動させた際の軸受の外輪と内輪との電位差を１０Ｖ以下にしている。また、本発明の電動機は、電源リード線とシャフト間のインピーダンスを４００ｋΩ以上、あるいは５２０ｋΩ以上にしている。
　また、本発明の電気機器は、上述した電動機を搭載している。
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を示した構造図である。 図２は、同モータの要部を模式的に示した図である。 図３は、同モータの回転体の具体的な構成例を示した図である。 図４は、同モータの回転体の具体的な他の構成例を示した図である。 図５は、同モータの回転子の他の構成例を示した図である。 図６は、実施例１に用いたブラシレスモータの回転子の断面を示す図である。 図７は、実施例１の軸電圧の測定方法を示す図である。 図８は、完全波形崩れの一例を示す図である。 図９は、一部波形崩れの一例を示す図である。 図１０は、波形崩れなしの一例を示す図である。 図１１は、実施例２の軸電位の測定方法を示す図である。 図１２は、絶縁の樹脂厚を厚くしたとき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例としてのエアコン室内機の構成を示した模式図である。
符号の説明
　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
　２０　　グランド線
　２１　　樹脂（インシュレータ）
　３０　　回転体
　３１　　回転子鉄心
　３１ａ　　外側鉄心
　３１ｂ　　内側鉄心
　３２　　磁石
　４０　　空隙（空孔部）
　５０　　誘電体層
　１１０，１１１　　リード線
　１１２　　導電性テープ
　１２０　　差動プローブ
　１３０　　デジタルオシロスコープ
　１４０　　絶縁トランス
　１５０　　受動プローブ
　２０１　　ブラシレスモータ
　２１０　　エアコン室内機
　２１２　　クロスフローファン
　２１３　　モータ駆動装置
　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、固定子巻線１２が巻装された固定子鉄心１１を、モールド一体成形するためのモールド材である絶縁樹脂１３にてモールド成形をすることで固定子１０が構成されている。また、固定子鉄心１１と固定子巻線１２との間には、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。回転子鉄心３１は、固定子１０の内周側に対向して周方向に複数の永久磁石を保持している。図１では、回転子鉄心３１と永久磁石であるフェライト樹脂磁石３２と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３０の外周側とが対向するように配置されている。
　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ベアリングである。２つの軸受１５の一方はモールド一体成形する絶縁樹脂１３に固定され、他方は金属製のブラケット１７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。
　さらに、このブラシレスモータには駆動回路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、制御回路の電源電圧および制御電圧を印加するリード線と制御回路のグランド線２０とが接続されている。
　そして、本実施の形態では、シャフト１６と回転体３０の外周との間となる回転体３０において、誘電体層５０を設けたことを特徴としている。
　図２は、図１に示すブラシレスモータの要部を模式的に示した図である。図２に示すように、回転体３０は、最外周部にフェライト樹脂磁石３２を配置し、さらに、内周側に向かって、回転子鉄心３１を構成する外側鉄心３１ａ、誘電体層５０、回転子鉄心３１を構成する内側鉄心３１ｂと順に配置されている。また、誘電体層５０は、絶縁樹脂で形成された層である。本実施の形態では、電食防止用として、このような誘電体層５０を設けている。図２では、誘電体層５０が、回転体３０の内周側と外周側との間でシャフト１６の周りを周回するようなリング状に形成された一例を示している。回転体３０は、このように、フェライト樹脂磁石３２、外側鉄心３１ａ、誘電体層５０を形成する絶縁樹脂、および内側鉄心３１ｂが一体形成された構成である。また、内側鉄心３１ｂの内周の締結部５１において、回転体３０がシャフト１６に締結される。これにより、軸受１５に支承された回転子１４が構成される。
　回転体３０において、誘電体層５０は、絶縁物である絶縁樹脂で形成された層であり、外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとを直列的に絶縁分離している。一方、誘電体層５０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３１ａと内側鉄心３１ｂとに間を流れることができる。
　ところで、このような誘電体層５０を設けない場合、上述したように、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る。
　本実施の形態では、インピーダンスの低い回転子１４の回転体３０において、図２に示すような誘電体層５０を設けることにより、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。すなわち、外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとの間に誘電体層５０を設けることで、回転子１４は、等価的に誘電体層５０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。すなわち、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。そして、これによって、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。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防止している。
　また、誘電体層５０の幅や材料を変えることにより、静電容量を可変できるため、回転子１４側のインピーダンスを最適に設定することもできる。すなわち、誘電体層５０を形成する絶縁樹脂の誘電率を低くする、絶縁樹脂の厚さ（電極間距離）を大きくする、または電極面積を小さくすることなどにより、誘電体層５０による静電容量を低くできる。そして、このようにして、誘電体層５０による静電容量を低くすることで、回転子１４のインピーダンスを高くできる。
　また、誘電体層５０を形成する絶縁樹脂として、シンジオタクチックポリスチレン（以下、ＳＰＳという）樹脂を使用することで、低誘電率化することが可能となる。これにより、絶縁樹脂の厚さが小さくても、回転子１４のインピーダンスをより高くすることができる。すなわち、一般的に電動機の絶縁樹脂に使用される樹脂は、ポリブチレンテレフタレート（以下、ＰＢＴという）樹脂やポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴという）樹脂などにガラス繊維などの無機充填剤で強化されたものを使用しており、その材料は誘電率が約３．５程度となっている。これに対し、ＳＰＳ樹脂の誘電率は、非強化品で２．６、強化品で２．８と一般的な樹脂よりも低誘電率である。したがって、絶縁樹脂の厚みの上限が構造上規制され、ＰＢＴ樹脂などではインピーダンスが低く足りない場合は、ＳＰＳ樹脂を使用することで静電容量を小さくすることが可能となる。
　さらに、図２に示すように、誘電体層５０が外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとに分離するような回転体３０の構成とすることにより、製造工程において、シャフト１６がない状態で回転子鉄心と絶縁樹脂を一体成形することが可能となる。このため、シャフトと回転子鉄心間の誘電体層を設けるような構造と比較して、図２に示すような構造は、シャフトがない状態で回転体３０を成形することが可能となり、生産性を高めることができる。また、図２に示すような構造であれば、シャフト１６の品種が変っても、シャフト１６をカシメまたは圧入することで固定することが可能となるため、品種切替の対応が容易となり、これによっても、生産性を向上することができる。
　図３および図４は、本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの回転体の具体的な構成例を示した図である。図３および図４は、回転体を上面から見た構成例を示している。図３および図４に示す回転体は、それぞれの図に示すように、外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとの径方向の間において、径方向の幅が異なる複数種類の円弧を組み合わせたような形状の誘電体層５０を有している。すなわち、誘電体層５０は、少なくとも外周側と内周側のいずれかにおいて、凸の突起形状と凹の突起形状とを繰り返し周回するような形状である。また、外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとが、このような形状の誘電体層５０に嵌合している。
　図２に示したように誘電体層５０を完全なリング形状とした場合、回転時における空転などのおそれがある。これに対し、図３および図４に示すような誘電体層５０の形状とすることにより、空転防止のための突起が誘電体層５０と鉄心との間に挿入された構造となり、空転防止とともに回転強度を高めることができる。より具体例には、空転防止のための突起が互いに対向する位置となるように、各突起を外側鉄心３１ａおよび内側鉄心３１ｂそれぞれに設けている。
　また、図４に示す回転体は、誘電体層５０がその一部の領域に空気層または空孔のような空隙４０である空孔部を含む構成例を示している。図４に示す回転体は、空隙４０の影響で外側鉄心３１ａと内側鉄心３１ｂとの保持強度の低下が大きくならないように、厚肉の部分に空隙４０を設けている。また、回転中のアンバランスが大きくならないように、均等かつ同一形状の空隙４０を４箇所設けている。ところで、空気の誘電率は、１程度であるため、絶縁樹脂に比べて非常に小さい。したがって、絶縁樹脂の厚みの上限が構造上規制され、かつＳＰＳ樹脂を使用しても回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスが低く、軸電圧が高い場合や絶縁樹脂の使用量が多く高コストになる場合は、絶縁樹脂の一部に空気層や空孔を形成させることで静電容量を小さくすることが可能となり、回転子側（軸受内輪側）のインピーダンスをより高くすることができる。
　図５は、本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの回転子の他の構成例を示した図である。
　図５に示す回転体３０は、最外周部にフェライト樹脂磁石３２を配置し、さらに、内周側に向かって、回転子鉄心３１、絶縁樹脂で形成された誘電体層５０と順に配置されている。図５に示す回転体３０は、このように、フェライト樹脂磁石３２、回転子鉄心３１、誘電体層５０を形成する絶縁樹脂が一体形成された構成である。また、誘電体層５０の内周の締結部５１において、回転体３０がシャフト１６に締結される。すなわち、回転体３０が誘電体層５０を介してシャフト１６に締結されたような構成である。回転子１４はこのような構成であってもよく、回転子鉄心３１とシャフト１６との間に誘電体層５０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。
　以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施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、これらの実施例によって限定されるものではない。
　（実施例１）
　図６は、本実施例１に用いたブラシレスモータの回転子の断面を示す図である。図６に示すように、回転子鉄心３１とシャフト１６間を誘電体層５０により絶縁している。
　回転子鉄心３１の内径を変化させることで、誘電体層５０を形成する絶縁樹脂の厚さを変化させた場合の軸電圧を測定した。絶縁樹脂材料は、誘電率３．６のＰＢＴ樹脂と誘電率２．８のＳＰＳ樹脂の２種類で実施した。また測定は、同一固定子を使用し、それぞれの回転子を入替える方法で測定を実施した。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７は、本実施例１の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、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、波形崩れが発生しないかどうか確認を行い、ピーク－ピーク間の測定電圧を軸電圧とした。
　また、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。
　図８から図１０は、このような波形崩れの一例を示す図であり、図８は完全波形崩れ、図９は一部波形崩れ、図１０は波形崩れなしの場合の波形を示している。図８から図１０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、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。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とシャフト１６との間の電圧である軸電圧の測定を実施した。
　（比較例１）
　図６と同一の形状の回転子で、回転子鉄心３１とシャフト１６間が絶縁されていないものを使用して、実施例１と同様な方法で軸電圧を測定した。
　表１に、実施例１と比較例１との測定結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から明らかなように、誘電体層５０を設けることにより軸電圧を低くすることができる。さらに、軸電圧が１０Ｖ以下であれば、波形崩れ（軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧）の回数は極端に減少しており、軸受の電食発生を防止する効果をより高めることができる。また、絶縁厚さが厚くなることで、軸電圧は低下しており、６．５Ｖ以下の領域で波形崩れがなくなるため、さらに、軸受の電食発生を抑制することができる。さらには、絶縁材料にＳＰＳ樹脂を使用することでＰＢＴ樹脂を使用した場合よりも、同一絶縁厚さで低い軸電圧とすることができる。
　（実施例２）
　実施例２では、実施例１と同一のブラシレスモータでインピーダンスの測定を実施した。
　インピーダンスの測定は、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を使用して、巻線の電源電圧Ｖｄｃのリード線とシャフト１６間のインピーダンスを測定した。なお、測定は未回転の状態で、ブラシレスモータ姿勢はシャフト水平とし、測定条件は電圧１Ｖ、周波数１０ｋＨｚにて測定を実施した。
　また、運転中のインピーダンス状態を確認するために、運転中の軸電位を測定した。
　図１１は、本実施例２の軸電位の測定方法を示す図である。運転状態および条件は実施例１と同様とし、軸電位の測定は、デジタルオシロスコープ１３０（テクトロニクス製ＤＰＯ７１０４）と受動プローブ１５０（テクトロニクス製Ｐ６１３９Ａ）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位とした。
　測定時の横軸時間は実施例１と同様に５０μｓ／ｄｉｖの同一条件とし、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、受動プローブ１５０のプローブ側１５０ａ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。受動プローブ１５０の接地側１５０ｂは、巻線の電源電圧Ｖｄｃの電源に使用している安定化電源のグランドに接続して測定を実施した。このような構成で、巻線の電源電圧Ｖｄｃのグランドとシャフト１６との間の電位である軸電位の測定を実施した。
　（比較例２）
　図６と同一の形状の回転子で、回転子鉄心３１とシャフト１６間が絶縁されていないものを使用して、実施例２と同様な方法でインピーダンスと軸電位を測定した。
　表２に、実施例２と比較例２との測定結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２から明らかなように、回転子を絶縁構造とすることで、回転子のインピーダンスを４００ｋΩ以上とすることができる。また、同一厚さでのインピーダンスは、ＰＢＴ樹脂をＳＰＳ樹脂とすることで、高くすることが可能となる。すなわち、樹脂にて絶縁された固定子鉄心と固定子巻線とを絶縁樹脂にてモールド一体成形しているモールドモータの場合、グランドとブラケット間（固定子側）のインピーダンスは、５００ｋΩ程度であるため、グランドとシャフト間のインピーダンスを４００ｋΩ以上にすることで、グランドとブラケット間（固定子側）のインピーダンスに近似するため、軸電圧を低くすることができる。
　軸電位もインピーダンスと同様に、回転子を絶縁構造とすることで、軸電位を低くすることができる。また、同一厚さでの軸電位も同様に、ＰＢＴ樹脂をＳＰＳ樹脂とすることで、低くすることが可能となる。
　（実施例３）
　実施例１の測定では、差動プローブ１２０の＋側１２０ａをシャフト１６（軸受内輪）に接続し、－側１２０ｂをブラケット１７（軸受外輪）に接続した。図８から図１０に記載している電圧波形は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（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。
　図１２は、絶縁の樹脂厚を厚くしたときの軸電圧の波形を示す図である。図１２に示すように、絶縁の樹脂厚を厚くすることで、軸電圧の波形は下向き、すなわち図８から図１０の場合と逆向きに変化する。軸電圧波形が下向きの場合、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できる。電圧波形の方向が変化するのは、回転子１４の絶縁厚を厚くすることで回転子１４側のインピーダンスが高くなり、固定子１０側のインピーダンスよりも高い状態になったものと判断できる。
　また、上記絶縁仕様での電食防止効果を確認するために、絶縁厚が０．２ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍおよび２．５ｍｍの同一仕様のブラシレスモータを準備し、電食耐久試験にて電食抑制の効果確認を実施した。
　なお、電食耐久試験は、巻線の電源電圧Ｖｄｃを３９１Ｖ、制御回路の電源電圧Ｖｃｃを１５Ｖ、制御電圧Ｖｓｐを３Ｖ、回転数を１０００ｒ／ｍｉｎ、ブラシレスモータ姿勢をシャフト水平、雰囲気温度を１０℃とし、無負荷の条件下で試験を実施した。
　また、電食を通常よりも加速するため、軸受の鉄ボール７個の内１個のみを鉄ボールとして残りをセラミックボールとする特殊な軸受を出力軸側（基板側）に取り付けた。反出力軸側（モールド樹脂側）は、完全な絶縁状態とするためにセラミックボール仕様の軸受を取り付けた。
　また、電食の判定は、聴感での異常とベアリング内部の波状摩耗を確認した時点で、電食寿命と判断している。
　（比較例３）
　図６と同一の形状の回転子で、回転子鉄心３１とシャフト１６間が絶縁されていないものを使用して、実施例３と同様な方法で電流方向の確認と電食耐久試験を実施した。
　表３に、実施例３と比較例３との測定結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３の結果から明らかなように、回転子を絶縁構造とし軸電圧を１０Ｖ以下とすることで、電食寿命を従来よりも２～３倍程度にすることができる。さらに、軸電圧を６．５Ｖ以下とし、波形崩れのない状態とすることで、電食寿命を従来よりも３～４倍程度にすることができる。
　さらに、電源リード線とシャフト間のインピーダンスを５２０ｋΩ以上にすることで、回転子側のインピーダンスが固定子側のインピーダンスよりも高くなり、電流の方向を軸受外輪から軸受内輪に変化させることで、電食寿命を４倍以上にすることができる。すなわち、樹脂にて絶縁された固定子鉄心と固定子巻線とを絶縁樹脂にてモールド一体成形しているモールドモータの場合、グランドとブラケット間（固定子側）のインピーダンスは、５００ｋΩ程度である。そこで、グランドとシャフト間（回転子側）のインピーダンスを５２０ｋΩ以上にすることで、グランドとブラケット間（固定子側）のインピーダンスよりも、グランドとシャフト間（回転子側）のインピーダンスが高くなるため、電流方向を軸受外輪から軸受内輪にすることができる。
　（実施例４）
　実施例４では、図３に示した構造の回転体と図４に示した構造の回転体とを、実施例１で使用した同一の固定子にそれぞれ入替えて、実施例１と同様な方法で軸電圧を測定した。また、実施例２と同様な方法でインピーダンスと軸電位の測定も実施した。
　また、誘電体層５０を形成する絶縁材料にはＰＢＴ樹脂を使用した。樹脂厚の最小部分を２．５ｍｍとし、空転防止のための突起を外側鉄心３１ａ、内側鉄心３１ｂそれぞれに設けている。
　（比較例４）
　実施例１で作製したＰＢＴ樹脂の２．５ｍｍ厚絶縁仕様の軸電圧、インピーダンスおよび軸電位の測定結果を比較例とした。
　表４に、実施例４と比較例４との測定結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４の結果から明らかなように、図５に示したようなシャフト絶縁から図２に示したような分割鉄心絶縁に変更しても、電極面積を増加させない鉄心形状にすることで軸電圧、インピーダンスおよび軸電位を同等にすることができる。
　また、空隙４０のような空孔部を設けることにより、インピーダンスを高くし、軸電位の低減が可能となる。
　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、軸電圧が低減しインピーダンスを高くでき、軸電位の低減も可能となり、電動機の軸受電食の発生防止に極めて優れた効果を持つ。
　（実施の形態２）
　本実施の形態では、本発明における電気機器の例としてエアコン室内機の構成について説明する。
　図１３は、本発明の実施の形態２における電気機器の例としてのエアコン室内機の構成を示した模式図である。
　図１３において、エアコン室内機２１０の筐体内にはブラシレスモータ２０１が搭載されている。そのブラシレスモータ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。ブラシレスモータ２０１はモータ駆動装置２１３によって駆動される。モータ駆動装置２１３からの通電により、ブラシレスモータ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、ブラシレスモータ２０１は、例えば、上記実施の形態で示す電動機が適用できる。
　本発明の電気機器は、ブラシレスモータと、そのブラシレスモータが搭載された筐体とを備え、ブラシレスモータとして上記構成の本発明の電動機を採用したものである。
　以上の説明では、本発明にかかる電気機器の実施例として、エアコン室内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。
　以上説明したように、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子と、固定子に対向して周方向に複数の永久磁石を保持した回転体とその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軸受と、軸受を固定するブラケットとを備え、シャフトと回転体の外周との間に誘電体層を設けた構成である。このため、シャフトと回転体の外周との間に設けた誘電体層により、低インピーダンスの回転子において、等価的に誘電体層による静電容量が直列接続された構成となり、回転子側のインピーダンスを高くすることが可能となる。その結果、軸受内輪側と軸受外輪側とのインピーダンスを近似させることができる。これによって、軸受内輪側と軸受外輪側との高周波的な電位のバランスをとることができ、ＰＷＭなどによる高周波によって生じる軸受の電食の発生を防止することが可能となる。したがって、本発明の電動機によれば、軸受における電食の発生を防止した電動機を提供することができる。また、本発明の電動機を電気機器に組み込むことにより、軸受における電食の発生を防止した電動機を備えた電気機器を提供することができる。
　なお、実施の形態１では、誘電体層の形状として図２から図５に示した形状の例を挙げて説明したが、これ以外の形状であってもよく、誘電体層の静電容量により回転子のインピーダンスを高くできればよい。
　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な誘電体層を設けることによっても、同様の効果を得ることができる。
　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、軸受の電食発生を防止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電気機器で、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。

Claims (16)

  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複数の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軸受と、
    前記軸受を固定するブラケットとを備え、
    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電動機。
  2. 前記誘電体層は、電食防止用の絶縁物であることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  3. 前記誘電体層は、絶縁樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  4. 前記絶縁樹脂は、シンジオタクチックポリスチレン樹脂であることを特徴とする請求項３に記載の電動機。
  5. 前記誘電体層は、前記シャフトと前記回転体との間に、前記シャフトの周りを周回するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  6. 前記誘電体層は、前記回転体の内周側と外周側との間に、前記シャフトの周りを周回するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  7. 前記回転体は、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、前記誘電体層とを有し、
    前記外側鉄心と前記内側鉄心とが前記誘電体層を介して固着されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  8. 前記誘電体層は、その内側と外側とを絶縁分離するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  9. 前記誘電体層は、空孔部を含むことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  10. 前記誘電体層は、径方向幅が異なる複数種類の円弧を組み合わせた形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  11. 前記回転子は、前記固定子の内周側に回転自在に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  12. 前記固定子鉄心と前記シャフトとの間のインピーダンスが高くなるように前記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。
  13. 駆動させた際の前記軸受の外輪と内輪との電位差を１０Ｖ以下にしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  14. グランドと前記シャフト間のインピーダンスを４００ｋΩ以上にしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  15. グランドと前記シャフト間のインピーダンスを５２０ｋΩ以上にしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  16. 請求項１から１２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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