JP5312520B2 - Electric motors and air conditioners - Google Patents
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Description
本発明は、電動機およびこれを用いた空調機に関する。 The present invention relates to an electric motor and an air conditioner using the same.
空調機に搭載される送風機用電動機(以下単に「電動機」と称する)は、構造的利便性などの観点から、インバータを内蔵したものが多く存在する。この電動機をインバータで駆動する場合、インバータのスイッチングに伴い、回転子軸端間、あるいは固定子(ステータ)に巻回された巻線と固定子のコア(ステータコア)との間に、電圧が誘起されることが知られている。ここで、回転軸を支持するベアリングが、内輪、外輪、および転動体で構成されたベアリングである場合、前記の電圧は、内輪と外輪との間に印加され、ベアリング内部に放電を生じ、電食と呼ばれる不具合を引き起こす虞がある。そのため、インバータ駆動の電動においては、このような電食を防止するための構造的な対策が種々提案されている。 Many blower motors (hereinafter simply referred to as “motors”) installed in an air conditioner have built-in inverters from the viewpoint of structural convenience. When this motor is driven by an inverter, a voltage is induced between the rotor shaft ends or between the winding wound around the stator (stator) and the stator core (stator core) as the inverter is switched. It is known that Here, when the bearing that supports the rotating shaft is a bearing composed of an inner ring, an outer ring, and a rolling element, the voltage is applied between the inner ring and the outer ring, causing discharge inside the bearing, There is a risk of causing a problem called food. For this reason, various structural measures for preventing such electric corrosion have been proposed for inverter-driven electric motors.
例えば、下記特許文献1に記載の技術は、フレームに装着される2つのベアリングの外輪を電気的に接続し、巻線とステータコアとの間に発生した電圧をベアリングに伝えないように構成されている。
For example, the technology described in
しかしながら、上記特許文献1の技術には、ブラケットおよびフレームの構造を変更する必要があり、従来型の電動機を製造するための設備の共用化が困難となるため、コストが増大するという課題があった。
However, the technique disclosed in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安価にベアリングの電食を抑制可能な電動機および空調機を得ることを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at obtaining the electric motor and air conditioner which can suppress the electrolytic corrosion of a bearing cheaply.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、フレーム内に配設された固定子と、前記固定子と対向して回転軸に周設された永久磁石を有する回転子と、前記フレームの両端に配設され前記回転軸を支持する一対のブラケットと、前記ブラケットに装着され前記回転軸を支持する一対のベアリングと、前記回転子と前記ベアリングとの間に設けられ、前記回転軸の周りに周設され、前記永久磁石の磁性材料よりも軟磁性の磁性材料を含んで構成される磁性部材と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention includes a stator disposed in a frame, and a rotor having a permanent magnet disposed around a rotation shaft so as to face the stator. A pair of brackets disposed at both ends of the frame and supporting the rotating shaft, a pair of bearings mounted on the bracket and supporting the rotating shaft, and provided between the rotor and the bearing, And a magnetic member that is provided around a rotation axis and includes a magnetic material that is softer than the magnetic material of the permanent magnet.
この発明によれば、支持部材の材料変更のみで放電電流を抑制するようにしたので、安価にベアリングの電食を抑制することができる、という効果を奏する。 According to the present invention, since the discharge current is suppressed only by changing the material of the support member, there is an effect that the electrolytic corrosion of the bearing can be suppressed at a low cost.
以下に、本発明にかかる電動機および空調機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of an electric motor and an air conditioner according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態.
図1は、本発明の実施の形態にかかる電動機の断面図である。図1に示される電動機1は、主たる構成として、ステータ2と、ロータ5と、回転軸9と、ベアリング13と、ベアリング15と、ステータ2へ回転磁界を発生させるためのインバータ8と、モールドフレーム10と、モールドブラケット11と、金属ブラケット12と、磁性部材16と、磁性部材17とを有して構成されている。
Embodiment.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an electric motor according to an embodiment of the present invention. An
ステータ2は、ステータコア4をインシュレータ14にて覆い、かつ、巻線3を巻回した構造であり、インバータ8のスイッチングに伴い回転磁界を発生する。
The
ロータ5は、ステータ2と対向して回転軸9に周設された永久磁石6と、回転軸9と永久磁石6との間に配設され樹脂で形成された円環状の支持部材7とを有して構成されている。そして、ロータ5は、ステータ2からの回転磁界によって回転力を得て回転軸9にトルクを伝達し、回転軸9に設けられた図示しない負荷(例えば空調機の室内機に内蔵されるファン)を駆動する。
The
永久磁石6は、所定の保磁力を有する磁性材料(例えば硬磁性材料)で構成されている。支持部材7は、永久磁石6を回転軸9へ機械的に固定する。モールドフレーム10は、インバータ8と一体的に形成され、ステータ2およびロータ5を内包する。
The
モールドフレーム10は、インバータ8と一体的に形成され、ステータ2およびロータ5を内包する。モールドブラケット11は、モールドフレーム10の上部側(図1の上側)にてモールドフレーム10と一体的に形成され、ベアリング13の外輪aを取り囲んで支持する。金属ブラケット12は、モールドフレーム10の下部(図1の下側)側にてモールドフレーム10と一体的に形成され、ベアリング15の外輪aを取り囲んで支持する。
The
ベアリング13は、回転軸9と一体回転する内輪bと、モールドブラケット11に設けられた外輪aと、内輪bの回転方向に所定間隔を保持しつつ配設され内輪bと外輪aとの間に転動自在に配置された複数の転動体cとで構成されている。ベアリング15も同様に、内輪bと、金属ブラケット12に設けられた外輪aと、複数の転動体cとで構成されている。
The
次に、電食の発生原理と電食の抑制機構に関して説明する。 Next, the generation principle of electrolytic corrosion and the mechanism for suppressing electrolytic corrosion will be described.
図2は、ベアリング13、15に流れる放電電流の経路を説明するための図であり、図3は、環状磁性材料のモデル図であり、図4は、ソフトフェライトの複素透磁率の周波数特性図であり、図5は、ベアリング13、15に流れる放電電流の波形を示す図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a path of a discharge current flowing through the
電動機1をインバータ8で駆動する場合、印加される電源に不平衡が生じたり、ステータ2に施された各相の巻線3に不平衡が生じることによって、インバータ8のスイッチングに伴い、回転軸9の軸端間等に電圧が誘起される。この電圧がベアリング13、15内部の油膜の絶縁破壊電圧を超えたとき、ベアリング13、15の内部には微小電流(放電電流)が流れる。そして、この放電電流が、ベアリング13、15の内部に電食を発生させる。電食が進行した場合、内輪b、外輪a、または転動体cに、波状の摩耗現象が発生し、この摩耗現象に起因した異常音が電動機における不具合の主要因の1つとなっている。
When the
図2には、放電電流の経路の一例が示され、放電電流は、実線に示すような「経路A」で電動機1内を流れ、インバータ8、モールドブラケット11、ベアリング13、回転軸9、ベアリング15、金属ブラケット12、ステータ2、および巻線3の導体を通流する。なお、点線で示される「経路B」のように、放電電流がロータ5からステータ2に直接流れる経路も考えられるが、本実施の形態では、支持部材7が樹脂などの電気的な絶縁物であるため、ロータ5内のラジアル方向のインピーダンスが高く、放電経路としては無視できる。従って、以下の説明では、実線で示される経路Aを放電経路として説明する。
FIG. 2 shows an example of a discharge current path. The discharge current flows through the
経路Aには、モールドブラケット11、ベアリング13、回転軸9、ベアリング15、金属ブラケット12、ステータ2、および巻線3などの導体が存在する事から、電気回路としてはRLC直列回路に相当する。このとき、経路Aに流れる放電電流をiとした場合、この電流iは、式(1)のような方程式に則り流れる。
Since there are conductors such as the
なお、式(1)において、Rは経路中の抵抗、Lはインダクタンス、Cはキャパシタンス、Eは軸電圧を示す。このとき放電電流の波形は、式(2)の結果の符号にて決まる。 In Equation (1), R represents resistance in the path, L represents inductance, C represents capacitance, and E represents axial voltage. At this time, the waveform of the discharge current is determined by the sign of the result of Expression (2).
空調機などに適用される小型の送風用電動機では、ベアリング13、15や回転軸9などの材料が鉄あるいは銅であり抵抗Rが極めて小さい。従って、インダクタンスLおよびキャパシタンスCが支配的となるため、式(2)<0となる。そのため、送風用電動機における放電電流は、図5の電流カーブAのように減衰振動の電流波形として観測される。さらに、式(1)での減衰振動および共振周波数fは、式(3)および式(4)の通りとなる。
In a small blower motor applied to an air conditioner or the like, the materials such as the
放電電流のエネルギーの大きさは、式(3)の指数関数のべき乗項−R/2Lにより影響を受けるため、虚数部の抵抗Rが大きい場合、放電電流は、図5の電流カーブBのように早く減衰する。すなわち、虚数部の抵抗Rが大きくなるに従い、放電電流によるベアリング13、15の損傷が小さくなる。また、小型の送風用電動機での放電電流の共振周波数fは、数十MHz〜数百MHzとなることから、この共振周波数近傍で鉄損が極大となる材料をRLC直列回路内に挿入する事によって放電電流が素早く減少し、電食を抑止することが可能となる。
Since the magnitude of the energy of the discharge current is affected by the exponential term −R / 2L of the exponential function in Expression (3), when the resistance R of the imaginary part is large, the discharge current is as shown by a current curve B in FIG. It decays quickly. That is, as the resistance R of the imaginary part increases, damage to the
次に、共振周波数近傍で抵抗動作をする材料に関して説明する。 Next, a material that performs a resistance operation near the resonance frequency will be described.
図4には、この共振周波数近傍で抵抗動作を示す材料の透磁率の周波数特性の一例として、軟磁性材料の一種であるソフトフェライトに関する特性が示されている。縦軸は透磁率、横軸は周波数である。ソフトフェライトの複素透磁率μをμ=μ’−iμ’’で表す場合、図4に示される透磁率μ’は、複素透磁率μの実数部(インダクタンス成分)を表し、図4に示される透磁率μ’’は、複素透磁率μの虚数部(抵抗成分)を表す。図4から明らかなように、透磁率μ’’は、数MHzから徐々に増加し100MHz程度で極大となるため、放電電流に含まれる高周波成分に対して抵抗Rとして働く。従って、放電電流の減衰振動のエネルギーは、ソフトフェライト内で熱に変化され、その結果、図5に示される電流カーブBのように放電電流を効果的に減衰させることができる。ソフトフェライトは、たとえばMn−Zn系フェライト、Ni−Zn系フェライトなどである。 FIG. 4 shows characteristics relating to soft ferrite, which is a kind of soft magnetic material, as an example of frequency characteristics of magnetic permeability of a material that exhibits a resistance operation near the resonance frequency. The vertical axis represents magnetic permeability, and the horizontal axis represents frequency. When the complex permeability μ of soft ferrite is expressed by μ = μ′−iμ ″, the permeability μ ′ shown in FIG. 4 represents the real part (inductance component) of the complex permeability μ and is shown in FIG. The permeability μ ″ represents the imaginary part (resistance component) of the complex permeability μ. As apparent from FIG. 4, the magnetic permeability μ ″ increases gradually from several MHz and reaches a maximum at about 100 MHz, and thus acts as a resistance R against a high-frequency component included in the discharge current. Accordingly, the energy of the decay oscillation of the discharge current is changed to heat in the soft ferrite, and as a result, the discharge current can be effectively attenuated as shown by the current curve B shown in FIG. Examples of the soft ferrite include Mn—Zn ferrite and Ni—Zn ferrite.
なお、軟磁性材料による放電電流の減衰効果を高めることが可能な効果的な磁性部材16の形状に関して説明する。
An effective shape of the
図3には、環状の磁性材料のモデルが示される。図3では、説明の便宜上、図1に示した磁性部材16、17を環状の磁性材料と見立て、また図1に示した回転軸9を環状の磁性材料の内周部に貫設される軸と見立てている。ここで、軸(9)の中心線20から磁性部材16、17の内周面30までの距離をr1、軸(9)の中心線20から磁性部材16、17の外周面40までの距離をr2、磁性部材16、17の高さをh、放電電流が軸(9)に電流が流れた際に発生する磁束をφrと定義したとき、磁束φrは式(5)の如くとなる。
FIG. 3 shows a model of an annular magnetic material. In FIG. 3, for convenience of explanation, the
式(5)から明らかなように、磁束φrは、高さhが相対的に距離r1よりも大きいほど大きくなる。磁束φrの値が大きくなるほど鉄損が高まるため、図5に示される電流カーブBのように放電電流を効果的に減衰させることができる。そこで、本実施の形態にかかる電動機1は、回転子5とベアリング13、15との間に設けられた空間に、高さhが相対的に距離r1よりも大きく形成され、かつ、軟磁性材料を混合した樹脂(磁性部材16、磁性部材17)を設けることによって、電動機1の寸法を変更することなく放電電流を効果的に減衰させるように構成されている。
As apparent from the equation (5), the magnetic flux φr increases as the height h is relatively larger than the distance r1. Since the iron loss increases as the value of the magnetic flux φr increases, the discharge current can be effectively attenuated as shown by the current curve B shown in FIG. Therefore, the
回転子5とベアリング13、15との間に磁性部材16、17を設けることによって放電電流が減衰する原理を説明する。上述したRLC直列回路において、抵抗Rは、放電電流が経路A上の抵抗成分(例えばベアリング13、15の抵抗)を通ることによって生じる損失(銅損)を表す。一方、ベアリング13と回転子5との間に磁性部材16を配設し、またベアリング15と回転子5との間に磁性部材17を配設した場合、経路Aに放電電流が流れることによって回転軸9の周囲に交番磁界が発生し、この磁界が磁性部材16、17に作用することによって鉄損(ヒステリシス損)が生じて、その鉄損が抵抗として作用する。従って、経路Aに流れる放電電流(高周波成分)は、磁性部材16、17で生じる鉄損によって素早く減衰する。
The principle that the discharge current is attenuated by providing the
以下、動作を説明する。インバータ8のスイッチングに伴い、回転軸9の軸端間等に電圧が誘起されることによって生じた放電電流は、回転軸9の周囲に交番磁界を発生させる。この磁界が磁性部材16、17に作用することによって鉄損が生じる。この鉄損は、抵抗として作用するため、放電電流は、磁性部材16、17のソフトフェライト内で熱に変化され、電流カーブBのように減衰する。
The operation will be described below. The discharge current generated by the voltage induced between the shaft ends of the rotating shaft 9 with the switching of the inverter 8 generates an alternating magnetic field around the rotating shaft 9. This magnetic field acts on the
なお、上記説明では、電動機1を空調機の室内機に適用した場合に関して説明したが、これに限定されるものではなく、電動機1は室外機にも適用可能である。
In the above description, the case where the
また、上記説明では、樹脂と軟磁性材料とを混合して成る磁性部材16、17を用いた実施例を説明したが、軟磁性材料のみで構成された磁性部材16、17を用いてもよい。
In the above description, the embodiment using the
また、上記説明では、ベアリング13と回転子5との間に磁性部材16を配設し、かつ、ベアリング15と回転子5との間に磁性部材17を配設した構成例に関して説明したが、これに限定されるものではなく、磁性部材16および磁性部材17の何れかを設けるようにしてもよい。このように構成した場合でも、電動機1の寸法を変更する必要がなないため、安価に電動機1を製作することができ、かつ、ベアリング13、15の電食を抑制することが可能である。
In the above description, a configuration example in which the
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電動機1は、モールドフレーム(フレーム)10内に配設されたステータ(固定子)2と、ステータ2と対向して回転軸9に周設された永久磁石6を有する回転子5と、モールドフレーム10の両端に配設され回転軸9を支持する一対のブラケット(モールドブラケット11、金属ブラケット12)と、このブラケット(モールドブラケット11、金属ブラケット12)に装着され回転軸9を支持する一対のベアリング13、15と、回転子5とベアリング13、15との間に設けられ、回転軸9の周りに周設され、永久磁石6の磁性材料よりも軟磁性の磁性材料を含んで構成される磁性部材16、17とを備えるようにしたので、電食の要因となる放電電流を効果的に減衰させることが可能である。従来では、電食の耐力を向上させるため、ブラケットおよびフレームの構造を変更する手法や、回転軸9とベアリング13、15の内輪bとの間に絶縁スリーブを介在させる手法や、ベアリング13、15の転動体cにセラミックを用いる技術などが存在する。ただしこれらの手法では、製造コストが増大を招くという課題があった。本実施の形態にかかる電動機1は、磁性部材16、17を配設するのみで放電電流を抑制することができるため、電動機1の製造設備の共通化が可能である。その結果、安価にベアリング13、15の電食を抑制することが可能である。
As described above, the
また、本実施の形態にかかる電動機1は、モールドフレーム(フレーム)10内に配設されたステータ(固定子)2と、ステータ2と対向して回転軸9に周設された永久磁石6を有する回転子5と、モールドフレーム10の両端に配設され回転軸9を支持する一対のブラケット(モールドブラケット11、金属ブラケット12)と、このブラケット(モールドブラケット11、金属ブラケット12)に装着され回転軸9を支持する一対のベアリング13、15と、回転子5とベアリング13、15との間に設けられ、回転軸9の周りに周設され、永久磁石6の保磁力よりも弱い保磁力を有する磁性材料を含んで構成される磁性部材16、17とを備えるようにしたので、安価にベアリング13、15の電食を抑制することが可能である。
Further, the
また、本実施の形態にかかる磁性部材16、17の磁性材料は、軟磁性材料のみで構成するようにしてもよい。このように構成した場合、放電電流をより一層効果的に抑制することが可能である。
Further, the magnetic material of the
また、本実施の形態にかかる磁性部材16、17の磁性材料は、回転軸9に電圧が誘起されることによって回転軸9に流れる電流の共振周波数付近における複素透磁率の虚数部の値が上昇するように構成されている。すなわち、放電電流の共振周波数fが10MHz以上の領域において、複素透磁率の虚数部の値が増大するように構成したので、小型の送風用電動機での放電電流の共振周波数(数十MHz〜数百MHz)において、この放電電流を効果的に減衰させることができる。
In addition, the magnetic material of the
また、本実施の形態にかかる磁性部材16、17の磁性材料は、ソフトフェライトで構成するようにしたので、磁性部材16、17を射出成形で製造する場合、容易に製造することが可能である。ソフトフェライトは、他の金属系軟磁性材料(例えば、鉄、ケイ素鋼など)に比して粒径が小さいため、ソフトフェライトを混合した樹脂の射出成形に適しているからである。
Further, since the magnetic material of the
また、本実施の形態にかかるモールドブラケット11は、固定子2に設けられた巻線3に印加される高周波電圧を生成するインバータ8を内蔵するようにしたので、インバータ8内の配線が巻線3とベアリング13との間において導体として作用するため、巻線3とベアリング13との間における絶縁距離が縮まり、回転軸9に流れる電流がより大きくなる。このように、回転軸9に大きな電流が流れた場合でも、磁性部材16、17によって放電電流を効果的に減衰させることが可能である。
Further, since the
また、本実施の形態にかかる磁性部材16、17は、回転軸9の延在する方向における磁性部材16、17の上端から下端までの高さhが、回転軸9の中心線20から磁性部材16、17の内周面30までの距離r1よりも大きくなるように構成されているので、放電電流を効果的に減衰させることが可能である。
Further, the
また、本実施の形態にかかる空調機は、電動機1を室内機ファン駆動用電動機として備えるようにしたので、ベアリング13、15の電食による騒音を軽減することができる。特に、ベアリング13、15の電食によって問題となるのは騒音であり、空調機の室内機は、居住空間で長時間使用するために静音性が求められ、電食の耐力を向上することが製品の信頼性に大きく寄与するからである。
Moreover, since the air conditioner according to the present embodiment is provided with the
なお、本発明の実施の形態にかかる電動機および空調機は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略するなど、変更して構成することも可能であることは無論である。 The electric motor and the air conditioner according to the embodiment of the present invention show an example of the content of the present invention, and can be combined with another known technique, and depart from the gist of the present invention. Of course, it is possible to change and configure such as omitting a part within the range.
以上のように、本発明は、電動機に適用可能であり、特に、寸法を変更することなく、かつ、安価にベアリングの電食を抑制可能な発明として有用である。 As described above, the present invention can be applied to an electric motor, and is particularly useful as an invention capable of suppressing electric corrosion of a bearing at a low cost without changing dimensions.
1 電動機
2 ステータ(固定子)
3 巻線
4 ステータコア
5 ロータ(回転子)
6 永久磁石
7 支持部材
8 インバータ
9 回転軸
10 モールドフレーム
11 モールドブラケット
11a 軟磁性ブラケット
11b 内周面
11c 外周面
12 金属ブラケット
13、15 ベアリング
14 インシュレータ
16、17 磁性部材
20 中心線
30 内周面
40 外周面
A、B 放電電流の経路
a 外輪
b 内輪
c 転動体
h 磁性部材の高さ
r1 軸の中心線から磁性部材の内周面までの距離
r2 軸の中心線から磁性部材の外周面までの距離
φr 磁束
μ’、μ’’ 透磁率
1
3 Winding 4
6
Claims (8)
前記固定子と対向して回転軸に周設された永久磁石を有する回転子と、
前記フレームの両端に配設され前記回転軸を支持する一対のブラケットと、
前記ブラケットに装着され前記回転軸を支持する一対のベアリングと、
前記回転子と前記ベアリングとの間に設けられ、前記回転軸の周りに周設され、前記永久磁石の磁性材料よりも軟磁性の磁性材料を含んで構成される磁性部材と、
を備え、
前記回転軸には、回転軸に電圧が誘起されることによって電流が流れ、
前記磁性部材の磁性材料は、前記電流による交番磁界によってこの電流の共振周波数付近における複素透磁率の虚数部の値が上昇する特性を有することを特徴とする電動機。 A stator disposed in the frame;
A rotor having a permanent magnet disposed around a rotation shaft facing the stator;
A pair of brackets disposed at both ends of the frame and supporting the rotating shaft;
A pair of bearings mounted on the bracket and supporting the rotating shaft;
A magnetic member that is provided between the rotor and the bearing, is provided around the rotation axis, and includes a magnetic material that is softer than the magnetic material of the permanent magnet;
Equipped with a,
In the rotating shaft, a current flows when a voltage is induced in the rotating shaft,
The motor according to claim 1, wherein the magnetic material of the magnetic member has a characteristic that the value of the imaginary part of the complex permeability near the resonance frequency of the current is increased by the alternating magnetic field generated by the current .
前記固定子と対向して回転軸に周設された永久磁石を有する回転子と、
前記フレームの両端に配設され前記回転軸を支持する一対のブラケットと、
前記ブラケットに装着され前記回転軸を支持する一対のベアリングと、
前記回転子と前記ベアリングとの間に設けられ、前記回転軸の周りに周設され、前記永久磁石の保磁力よりも弱い保磁力を有する磁性材料を含んで構成される磁性部材と、
を備え、
前記回転軸には、回転軸に電圧が誘起されることによって電流が流れ、
前記磁性部材の磁性材料は、前記電流による交番磁界によってこの電流の共振周波数付近における複素透磁率の虚数部の値が上昇する特性を有することを特徴とする電動機。 A stator disposed in the frame;
A rotor having a permanent magnet disposed around a rotation shaft facing the stator;
A pair of brackets disposed at both ends of the frame and supporting the rotating shaft;
A pair of bearings mounted on the bracket and supporting the rotating shaft;
Provided between the rotor and the bearing, it is circumferentially provided around the rotation axis, and the magnetic member configured to include a magnetic material having a weak coercive force than coercive magnetic force of the permanent magnet,
Equipped with a,
In the rotating shaft, a current flows when a voltage is induced in the rotating shaft,
The motor according to claim 1, wherein the magnetic material of the magnetic member has a characteristic that the value of the imaginary part of the complex permeability near the resonance frequency of the current is increased by the alternating magnetic field generated by the current .
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