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JP6332376B2 - 永久磁石電動機 - Google Patents

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Description

本発明は、絶縁部材を有する回転子を備えた永久磁石電動機に関する。
従来の永久磁石電動機には、回転磁界を発生する固定子の内部に、永久磁石を有する回転子を回転可能に配置したインナーロータ型の永久磁石電動機が知られている。この永久磁石電動機は、例えば、空気調和機に搭載する送風ファンを回転駆動するために用いられる。
この永久磁石電動機を高周波スイッチングを行うPWM方式のインバータで駆動すると、軸受の内輪と外輪の間に電位差(軸電圧)が生じ、この軸電圧が軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧に達すると、軸受内部に電流が流れて軸受内部に電食を発生させる。この軸受の電食を防止するために、例えば、絶縁部材を有する回転子を備えたものが知られている。この回転子は、例えば、環状の永久磁石と、永久磁石の内径側に位置する環状の外周側鉄心と、外周側鉄心の内径側に位置する環状の内周側鉄心と、外周側鉄心と内周側鉄心の間に位置する絶縁部材と、内周側鉄心の中心軸の方向に貫通する貫通穴に固着されたシャフトを備えている。
このような回転子の絶縁部材は、例えば、外周側鉄心と内周側鉄心の間に充填された樹脂で形成されている。また、回転子の外周側鉄心と内周側鉄心は、それぞれに複数の凸部が形成されている。複数の凸部は、外周側鉄心および内周側鉄心と絶縁部材との回り止めのために、それぞれ、外周側鉄心の内周面から内径側に突出し、内周側鉄心の外周面から外径側に突出するものである(例えば、特許文献1参照)。さらに、特許文献1に記載の回転子では、外周側鉄心と内周側鉄心に形成されたそれぞれの凸部が、内周側鉄心の中心軸から径方向を見たときに重なる位置に配置されている。
特開2012−39875号公報
ところで、上述した軸受の電食は、永久磁石電動機をPWM方式のインバータで駆動すると、固定子の巻線の中性点電位が零にならず、コモンモード電圧と呼ばれる電圧が発生する。このコモンモード電圧は、スイッチングによる高周波成分が含まれるため、永久磁石電動機の内部の浮遊容量分布によって、軸受の外輪と内輪の間に軸電圧を発生させる。
コモンモード電圧は、固定子の巻線とシャフトの間の静電容量分布と、シャフトとインバータ駆動用回路基板の間の静電容量分布により、軸受の内輪側(シャフト側)の電位として分圧される。そして、コモンモード電圧は、固定子の巻線とブラケットの間の静電容量分布と、ブラケットとインバータ駆動用回路基板の間の静電容量分布により、軸受の外輪側(ブラケット側)の電位として分圧される。この軸受の内輪側と外輪側の電位差が軸電圧となる。
このような軸電圧を抑制するために、軸受の内輪側(シャフト側)の電位と軸受の外輪側(ブラケット側)の電位をバランスさせることが必要であり、引用文献1に記載の回転子では、外周側鉄心と内周側鉄心の間に絶縁部材を充填して、外周側鉄心と内周側鉄心の間の静電容量(固定子の巻線とシャフトの間の静電容量分布の一部)を小さくして軸受の内輪側の電位を下げて内輪側と外輪側の電位を合わせている。
しかしながら、特許文献1に記載の回転子のように、外周側鉄心と内周側鉄心に形成されたそれぞれの凸部が、内周側鉄心の中心軸から径方向を見たときに重なる位置に配置され、それぞれの凸部の間に絶縁部材が充填された構造では、それぞれの凸部の間の距離が近くなる。回転子の外周側鉄心と内周側鉄心の間の静電容量は、これらの凸部の間の距離に依存し、凸部の間の距離が近くなると、外周側鉄心と内周側鉄心の間の静電容量が大きくなる。外周側鉄心と内周側鉄心の間の静電容量が大きくなると、内輪側の電位が高くなり、軸電圧を抑制できず、この結果、軸受の電食を生じさせるおそれがあった。
本発明は上記問題点に鑑み、回転子の外周側鉄心および内周側鉄心と絶縁部材との回り止めの機能を確保しつつ軸受の電食を防止することができる永久磁石電動機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の永久磁石電動機は、固定子と前記固定子の内部に配置された回転子を備え、回転子は、環状の永久磁石と、永久磁石の内径側に位置する環状の外周側鉄心と、外周側鉄心の内径側に位置する環状の内周側鉄心と、外周側鉄心と内周側鉄心の間に位置する絶縁部材と、内周側鉄心の中心軸に沿って設けられたシャフトを備えている。
そして、外周側鉄心は、内周面から内径側に突出する複数の外周側凸部を備え、内周側鉄心は、外周面から外径側に突出する複数の内周側凸部を備え、外周側凸部と内周側凸部は、内周側鉄心の中心軸から径方向を見たときに重ならない位置に配置され、少なくとも、前記外周側凸部に外径側に凹むように形成された外周側凹部と、前記内周側凸部に内径側に凹むように形成された内周側第1凹部のいずれか一方を有することを特徴とする。
本発明の永久磁石電動機によれば、回転子の外周側鉄心および内周側鉄心と絶縁部材との回り止めの機能を確保しつつ軸受の電食を防止することができる。
本発明による永久磁石電動機を示す説明図である。 本発明による永久磁石電動機の回転子を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A’断面図である。 本発明による永久磁石電動機の回転子を示す横断面図である。 本発明による永久磁石電動機の回転子の第2の実施形態を示す横断面図である。 本発明による永久磁石電動機の回転子の第3の実施形態を示す横断面図である。
<モータの全体構成>
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図1乃至図5は、本実施形態における永久磁石電動機1の構成を説明する図である。図1乃至図5に示すように、この永久磁石電動機1は、例えば、ブラシレスDCモータであり、空気調和機の室内機に搭載される送風ファンを回転駆動するために用いられる。以下では、回転磁界を発生する固定子2の内部に、永久磁石31を有する回転子3を回転可能に配置したインナーロータ型の永久磁石電動機1を例に説明する。本実施形態における永久磁石電動機1は、固定子2と、回転子3と、第1軸受41と、第2軸受42と、第1ブラケット51と、第2ブラケット52を備えている。
<固定子と回転子>
固定子2は、円筒形状のヨーク部とヨーク部から内径側に延びる複数のティース部とを有した固定子鉄心21を備え、インシュレータ22を介してティース部に巻線23が巻回されている。この固定子2は、固定子鉄心21の内周面を除いて、樹脂で形成されたモータ外郭6で覆われている。回転子3は、環状の永久磁石31とシャフト35を有し、永久磁石31は、後述する外周側鉄心32や絶縁部材33や内周側鉄心34を介してシャフト35の周囲に一体的に配置されている。この回転子3は、固定子2の固定子鉄心21の内周側に所定の空隙(ギャップ)をもって回転自在に配置されている。
<軸受とブラケット>
第1軸受41は、回転子3のシャフト35の一端側(出力側)を支持している。第2軸受42は、回転子3のシャフト35の他端側(反出力側)を支持している。第1軸受41および第2軸受42は、例えば、ボールベアリングが用いられる。
第1ブラケット51は、金属製(鋼板やアルミニウムなど)であり、回転子3のシャフト35の一端側のモータ外郭6に固定されている。第1ブラケット51は、底面を有する円筒形状のブラケット本体部511と、底面に設けられ第1軸受41を収容するための第1軸受収容部512を有する。第1ブラケット51のブラケット本体部511は、モータ外郭6の外周面に圧入されている。第1ブラケット51の第1軸受収容部512は、底面を有する円筒形状に形成されており、底面の中央に孔を有し、この孔からシャフト35の一端側が突出している。
第2ブラケット52は、金属製(鋼板やアルミニウムなど)であり、回転子3のシャフト35の他端側のモータ外郭6に配置されている。第2ブラケット52は、第2軸受42を収容するための第2軸受収容部521と、第2軸受収容部521の周りに広がるフランジ部522を有する。第2ブラケット52の第2軸受収容部521は、底面を有する円筒形状に形成されており、第2ブラケット52のフランジ部522は、一部が樹脂で覆われモータ外郭6と一体になっている。
第1軸受41は、第1ブラケット51に設けられた第1軸受収容部512に収容され、第2軸受42は、第2ブラケット52に設けられた第2軸受収容部521に収容されており、第1軸受41と第1軸受収容部512、第2軸受42と第2軸受収容部521はそれぞれ電気的に導通している。
<回転子の具体的な構成>
<回転子の第1の実施形態>
以上のように構成された永久磁石電動機1では、第1軸受41や第2軸受42に電食が生じないようにするため、図1に示すように、回転子3の一部に絶縁部材33を備えている。以下、回転子3の第1の実施形態について説明する。回転子3は、図1乃至図3に示すように、外径側から内径側に向って、永久磁石31と、外周側鉄心32と、絶縁部材33と、内周側鉄心34と、シャフト35を備えている。
永久磁石31は、環状に形成されており、N極とS極が周方向に等間隔に交互に表れるように複数(例えば8個)の永久磁石片311が配置されている。なお、永久磁石31は、磁石粉末を樹脂で固めることで環状に形成されたプラスチックマグネットを用いてもよい。外周側鉄心32は、環状に形成されており、永久磁石31の内径側に位置している。外周側鉄心32には、後述する絶縁部材33との回り止めの機能を確保するために、内周面321から内径側に突出する複数(例えば8個)の外周側凸部322を備えている。複数の外周側凸部322は、中心軸Oの方向に延びるとともに周方向に等間隔に配置されている。
内周側鉄心34は、環状に形成されており、外周側鉄心32の内径側に位置している。内周側鉄心34には、後述する絶縁部材33との回り止めの機能を確保するために、外周面341から外径側に突出する複数(例えば8個)の内周側凸部342と、中心に中心軸Oの方向に貫通する貫通穴343を備えている。複数の内周側凸部342は、中心軸Oの方向に延びるとともに周方向に等間隔に配置されている。絶縁部材33は、PBTやPETなどの誘電体の樹脂で形成されており、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間に位置している。絶縁部材33は、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間に樹脂が充填されることで、外周側鉄心32と内周側鉄心34に一体成形されており、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量(固定子2の巻線23とシャフト35の間の静電容量分布の一部)を小さくして第1軸受41および第2軸受42の内輪側の電位を下げて内輪側と外輪側の電位を合わせている。シャフト35は、内周側鉄心34に備えた貫通穴343に圧入やカシメなどによって固着されている。
<本発明に関わる回転子の構造、作用および効果>
次に、本実施形態における永久磁石電動機1において、図2および図3を用いて、本発明に関わる回転子1の構造や、その作用および効果について説明する。上記した回転子3の構成において、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342とが、背景技術の欄で述べた特許文献1に記載の回転子のように、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重なる位置に配置された場合、次のような問題がある。
空気調和機に搭載する送風ファンを回転駆動するために用いられる永久磁石電動機1は、PWM方式のインバータで駆動されるため、巻線の中性点電位が零にならず、コモンモード電圧と呼ばれる電圧が発生する。このコモンモード電圧に起因して、永久磁石電動機1の内部の浮遊容量分布によって、第1軸受41や第2軸受42の外輪と内輪の間に電位差(軸電圧)が発生する。この軸電圧が軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧に達すると、軸受内部に電流が流れて軸受内部に電食を発生させる。
回転子3は、絶縁部材33が外周側鉄心32と内周側鉄心34の間に充填されて、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量を小さくする構造になっているが、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の距離が他の部分に比べて外周側凸部322と内周側凸部342の間で近くなる。このような外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量は、外周側凸部322と内周側凸部342の間の距離に依存し、外周側凸部322と内周側凸部342の間の距離が近くなると、その部分の静電容量が大きくなり、全体として外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量が大きくなる。
外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量が大きくなると、軸電圧が上昇し、第1軸受41や第2軸受42に電食が発生するおそれがある。このため、回転子3の外周側鉄心32および内周側鉄心34と絶縁部材33との回り止めの機能を確保しつつ、第1軸受41や第2軸受42の電食を防止する必要性があった。
そこで、本発明における回転子3では、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342を、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重ならない位置に配置するようにしている。この結果、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の距離が、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342の間で、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重なる位置に配置された場合と比べて広くなっている。したがって、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量は、外周側凸部322と内周側凸部342が内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重なる位置に配置された場合と比べて小さくすることができる。この結果、内輪側の電位を下げて内輪側と外輪側の電位を合わせ、軸電圧を抑制することができるため、第1軸受41や第2軸受42に電食が発生するのを防止することができる。
なお、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量の測定結果を示すと、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342を、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重ならない位置に配置した場合は17.51pF、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重なる位置に配置した場合は17.93pFとなった。外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量は、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342を、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重ならない位置に配置した場合の方が、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重なる位置に配置した場合よりも小さくなる結果が得られた。
そして、絶縁部材33は、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342の形状に沿って外周側鉄心32と内周側鉄心34の間に充填されているため、外周側鉄心32および内周側鉄心34と絶縁部材33との回り止めの機能を確保することができる。
<回転子の第2の実施形態>
次に、図4を用いて、本発明における回転子3の第2の実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる点は、外周側鉄心32と内周側鉄心34の構造にあり、外周側鉄心32の外周側凸部322に外周側凹部323が形成されている点と、内周側鉄心34に内周側第2凹部345が形成されている点である。なお、回転子3のこれ以外の構成については、上述した実施形態と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、以下の説明において、第2の実施形態は、外周側凹部323と内周側第2凹部345が形成されているものであるが、本発明はこれに限らず、外周側凹部323または内周側第2凹部345のいずれか一方が形成されているものでもよい。
まず、回転子3は、図4に示すように、外周側鉄心32の外周側凸部322は、その先端側から外径側に凹んだ外周側凹部323が形成されている。外周側凹部323は、シャフト35と平行に中心軸Oの方向に貫通し、シャフト35に対し垂直な断面が円弧形状に形成されている。なお、この外周側凹部323は外周側凸部322に形成することで、外周側鉄心32を通過する磁束の流れの妨げとならないよう配慮されている。この結果、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の距離が近くなる部分にあたる外周側鉄心32の外周側凸部322に外周側凹部323が形成されていると、次のような作用と効果が得られる。外周側鉄心32の外周側凸部322は、外周側凹部323の部分をみると、図3に示すように、外周側凹部323が形成されていない場合に比べて、絶縁部材33を挟んで内周側鉄心34との距離が広がるので、絶縁部材33の径方向の厚みが広くなる。したがって、外周側凸部322と内周側鉄心34との距離を調整することで、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量を調整することができ、第1軸受41や第2軸受42の電食を防止することができる。
さらに、外周側鉄心32の外周側凸部322に形成された外周側凹部323を円弧形状に形成することで、外周側凹部323は、回転子3の組立時に用いられる金型に備えた位置決めピンに嵌合する部分を兼ねた凹部としている。この結果、金型内に外周側鉄心32と内周側鉄心34を配置する場合、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342を、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重ならない位置に配置するときの位置決めに役立たせることができる。
また、回転子3は、図4に示すように、内周側鉄心34は、外周面341から内径側に凹んだ内周側第2凹部345が形成されている。内周側第2凹部345は、外周側凸部322の外周側凹部323に対して内周側鉄心34の中心軸Oから径方向に見たときに重なる位置に配置されている。内周側第2凹部345は、シャフト35と平行に中心軸Oの方向に貫通し、シャフト35に対し垂直な断面が円弧形状に形成されている。この結果、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の距離が近くなる部分にあたる位置であり、外周側凸部322の外周側凹部323に対して内周側鉄心34の中心軸Oから径方向に見たときに重なる位置に内周側第2凹部345が形成されていると、次のような作用と効果が得られる。内周側鉄心34は、内周側第2凹部345の部分をみると、外周側鉄心32の外周側凸部322に外周側凹部323のみが形成されている場合に比べて、絶縁部材33を挟んで外周側鉄心32の外周側凸部322との距離がさらに広がるので、絶縁部材33の径方向の厚みがさらに広くなる。したがって、外周側凸部322と内周側鉄心34との距離を調整することで、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量を調整することができ、第1軸受41や第2軸受42の電食を防止することができる。
さらに、内周側鉄心34の内周側第2凹部345を円弧形状に形成することで、内周側第2凹部345は、外周側凹部323と同様に、回転子3の組立時に用いられる金型に備えた位置決めピンに嵌合する部分を兼ねた凹部としている。この結果、金型内に外周側鉄心32と内周側鉄心34を配置する場合、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342を、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重ならない位置に配置するときの位置決めに役立たせることができる。
<回転子の第3の実施形態>
次に、図5を用いて、本発明における回転子3の第3の実施形態について説明する。上述した第2の実施形態と異なる点は、内周側鉄心34の構造にあり、上述した第2の実施形態のように、内周側鉄心34には内周側第2凹部345は形成されず、内周側鉄心34の内周側凸部342に内周側第1凹部344が形成されている点である。なお、回転子3のこれ以外の構成については、上述した実施形態と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
回転子3は、図5に示すように、内周側鉄心34の内周側凸部342は、その先端側から内径側に凹んだ内周側第1凹部344が形成されている。内周側第1凹部344は、シャフト35と平行に中心軸Oの方向に貫通し、シャフト35に対し垂直な断面が円弧形状に形成されている。この結果、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の距離が近くなる部分にあたる内周側鉄心34の内周側凸部342に内周側第1凹部344が形成されていると、次のような作用と効果が得られる。内周側鉄心34の内周側凸部342は、内周側第1凹部344の部分をみると、図3に示すように、内周側第1凹部344が形成されていない場合に比べて、絶縁部材33を挟んで外周側鉄心32との距離が広がるので、絶縁部材33の径方向の厚みが広くなる。したがって、上述した第2の実施形態と同様に、外周側鉄心32と内周側凸部342との距離を調整することで、外周側鉄心32と内周側鉄心34の間の静電容量を調整することができ、第1軸受41や第2軸受42の電食を防止することができる。
さらに、内周側鉄心34の内周側凸部342に形成された内周側第1凹部344を円弧形状に形成することで、内周側第1凹部344は、回転子3の組立時に用いられる金型に備えた位置決めピンに嵌合する部分を兼ねた凹部としている。この結果、上述した第2の実施形態と同様に、金型内に外周側鉄心32と内周側鉄心34を配置する場合、外周側鉄心32の外周側凸部322と内周側鉄心34の内周側凸部342を、内周側鉄心34の中心軸Oから径方向を見たときに重ならない位置に配置するときの位置決めに役立たせることができる。
なお、第2の実施形態と第3の実施形態による回転子3では、外周側鉄心32の外周側凸部322に形成された外周側凹部323は、円弧形状に形成されているが、本発明はこれに限らず、矩形形状に形成されていてもよい。また、第2の実施形態による回転子3では、内周側鉄心34の外周面341に形成された内周側第2凹部345は、円弧形状に形成されているが、本発明はこれに限らず、矩形形状に形成されていてもよい。また、第3の実施形態による回転子3では、内周側鉄心34の内周側凸部342に形成された内周側第1凹部344は、円弧形状に形成されているが、本発明はこれに限らず、矩形形状に形成されていてもよい。
1 永久磁石電動機
2 固定子
21 固定子鉄心
22 インシュレータ
23 巻線
3 回転子
31 永久磁石
311 永久磁石片
32 外周側鉄心
321 内周面
322 外周側凸部
323 外周側凹部
33 絶縁部材
34 内周側鉄心
341 外周面
342 内周側凸部
343 貫通穴
344 内周側第1凹部
345 内周側第2凹部
35 シャフト
41 第1軸受
42 第2軸受
51 第1ブラケット
511 ブラケット本体部
512 第1軸受収容部
52 第2ブラケット
521 第2軸受収容部
522 フランジ部
6 モータ外郭
O 中心軸

Claims (2)

  1. 固定子と前記固定子の内部に配置された回転子を備え、
    前記回転子は、環状の永久磁石と、前記永久磁石の内径側に位置する環状の外周側鉄心と、前記外周側鉄心の内径側に位置する環状の内周側鉄心と、外周側鉄心と内周側鉄心の間に位置する絶縁部材と、前記内周側鉄心の中心軸に沿って設けられたシャフトを備えた永久磁石電動機であって、
    前記外周側鉄心は、内周面から内径側に突出する複数の外周側凸部を備え、
    前記内周側鉄心は、外周面から外径側に突出する複数の内周側凸部を備え、
    前記外周側凸部と前記内周側凸部は、前記内周側鉄心の中心軸から径方向を見たときに重ならない位置に配置され
    少なくとも、前記外周側凸部に外径側に凹むように形成された外周側凹部と、前記内周側凸部に内径側に凹むように形成された内周側第1凹部のいずれか一方を有することを特徴とする永久磁石電動機。
  2. 前記内周側鉄心には、前記外周側凸部に対して前記内周側鉄心の中心軸から径方向を見たときに重なる位置に配置され、外周面から内径側に凹んだ内周側第2凹部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石電動機。
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