JP6727450B2 - 電動機、及び電動機を備えた空気調和機 - Google Patents

電動機、及び電動機を備えた空気調和機 Download PDF

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Description

本発明は、電動機、及び電動機を駆動源として備えた空気調和機に関するものである。
従来、電動機として回転子と固定子とを備えているものがある。回転子は、モータケースの中心に回転自在に設けられた回転軸と、回転軸の周りに設けられたロータマグネットとを有している。固定子は、鉄心と、鉄心の周りに巻回された磁束コイルとを有している。回転子及び固定子は、固定子の鉄心が回転子のロータマグネットを取り囲むように配置されている。さらに、回転子のロータマグネットの位置を検知する磁気センサが設けられている。そして、磁気センサ出力に基づいてロータマグネットの位置が演算され、回転子の位置情報に基づいて、所望の回転出力が得られるよう、磁束コイルの駆動電流が制御される(例えば、特許文献1)。
特開2003−319631号公報
磁気センサは、ロータマグネットの位置を検知するため、回転軸の軸方向におけるロータマグネットの一方の端部側に配置される。しかしながら、ロータマグネットは固定子の鉄心に取り囲まれており、鉄心には磁束コイルが巻回されている。従って、磁気センサの配置位置によっては、固定子の磁束コイルからの漏れ磁束の影響を受ける場合がある。磁束コイルの漏れ磁束の影響を受けると、磁気センサ出力の位相ズレの要因となり、電動機の効率が低下し、最大出力の低下を招くという問題がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、効率及び最大出力が高レベルに維持される電動機、及び当該電動機を備えた空気調和機を提供することを目的とする。
本発明に係る電動機は、鉄心と、前記鉄心に巻回された磁束コイルとを有する固定子と、回転軸と、前記回転軸の外周に設けられた円筒状のロータマグネットとを有する回転子と、印加される磁束に基づいて電気信号を出力するセンサ部を有する磁気センサとを備え、前記固定子と前記回転子は、前記ロータマグネットが前記鉄心に対向するよう配置されている電動機であって、前記ロータマグネットは、メインマグネット部と、前記メインマグネット部と一体的に形成され、前記メインマグネット部の外径より小さい外径を有するセンサマグネット部とを有し、前記磁気センサは、前記センサマグネット部の側に配置され、前記センサマグネット部の磁束に基づいて前記回転子の位置を検知して前記電気信号を出力し、前記センサマグネット部の外周縁は、前記センサ部の中心よりも、前記回転軸から離れた位置に位置しており、前記メインマグネット部の端部の、前記回転軸の軸方向における位置は、前記固定子の前記磁束コイルの前記磁気センサ側のコイルエンドの、前記回転軸の軸方向における位置よりも、前記磁気センサに近いものである。
また、本発明に係る空気調和機は、上述の電動機を室内機用送風機及び室外機用送風機の少なくとも一方の駆動源として搭載しているものである。
本発明に係る電動機によると、固定子の磁束コイルからの漏れ磁束の磁気センサに対する影響が抑制されると共に、センサマグネット部からの磁束がより強く磁気センサに印加される。その結果、電動機の最大出力を高レベルに維持することができる。また、本発明に係る空気調和機によれば、室内機用送風機及び室外機用送風機を効率よく駆動することができる。
本発明の実施の形態1に係る電動機を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電動機のブロック図である。 本発明の実施の形態1に係る電動機の内部を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電動機の一部の要素の相対的位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電動機の磁気センサに印加される磁束を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電動機の磁気センサのブロック図である。 本発明の実施の形態1に係る電動機の磁気センサの内部構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態2に係る電動機の内部を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和機の装置構成を示す図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和機のブロック図である。
以下に、本発明における電動機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面においては各構成部材の大きさは実際の装置とは異なる場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電動機を示す図である。図1には、電動機1の一部を後述する回転軸31の軸芯を含む面で切断した部分断面が示されている。電動機1は、3相のブラシレスDC(Direct Current)モータであり、モールド固定子10と、回転子30と、磁気センサ50と、ブラケット60とを有している。
モールド固定子10は、固定子20と、円盤状の内蔵基板11と、モールド成形用のモールド樹脂12を有している。固定子20は、固定子鉄心21と、磁束コイル22と、インシュレータ23を有している。固定子鉄心21はリング状の部材であり、電磁鋼板を積層して構成されている。固定子鉄心21には、周方向において一定の間隔をあけて複数のスロット(図示せず)が設けられている。インシュレータ23は絶縁部材であり、複数のスロットのそれぞれと一体成型されている。複数のスロットのそれぞれにおいて、固定子鉄心21には磁束コイル22が巻回されている。後述するように、固定子20において磁束コイル22は3相を構成している。固定子20と内蔵基板11はモールド樹脂12により一体成型されている。モールド樹脂12には、熱硬化性樹脂が用いられる。モールド固定子10の内部には、回転子30が収容される凹部が形成されている。
回転子30は、回転軸31と、回転子絶縁部32と、ロータマグネット40を有している。回転子絶縁部32は、円環状の部材であり、回転軸31の外周部に設けられている。ロータマグネット40は円筒状の部材であり、回転子絶縁部32の外周に設けられている。ロータマグネット40において回転子絶縁部32の反対側の外周面は、固定子鉄心21と対向している。回転軸31は、出力側軸受33と反出力側軸受34とにより、軸芯周りに回転自在に支持されている。ロータマグネット40は、フェライト磁石、又は、希土類磁石を熱可塑性の樹脂材料と混合して構成されるボンド磁石を射出成形することにより作製される。射出成形用の金型には磁石が組み込まれており、ロータマグネット40の成形は磁場配向をかけながら行われる。
導電性部材のブラケット60は、モールド固定子10の上述の凹部の開口部を塞ぐようにしてモールド固定子10の内周部に嵌め込まれると共に、反出力側軸受34を支持している。反出力側軸受34の外輪がブラケット60の底部の内側に嵌め込まれ、断面形状がU字状のブラケット60の圧入部61が、モールド固定子10の開口部に圧入されている。
内蔵基板11は、パワーIC(Integrated Circuit)と、制御部と、磁気センサ50とが実装された回路を備えている。内蔵基板11は、出力側軸受33と固定子20との間において、回転軸31の軸線方向に対して垂直に配置されている。パワーIC及び制御部については後述する。内蔵基板11は、本発明の基板である。
磁気センサ50は、例えばホールICであり、回転子30の位置を検知するセンサである。固定子20の磁束コイル22が3相を構成しているのに対応して、内蔵基板11には3つの磁気センサ50が実装されている。ホールICは出力信号がデジタル信号であり、2つのタイプがある。1つは、センサ部と増幅部が別々の半導体チップで構成されており、センサ部はシリコン以外の半導体で構成され、増幅部はシリコンで構成されるタイプである。本明細書では、このタイプを非シリコン型ホールICと呼ぶ。もう1つは、センサ部と増幅部が1つのシリコン半導体チップで構成されるタイプである。本実施の形態1では、磁気センサ50に非シリコン型ホールICが用いられている。磁気センサ50については後述する。
内蔵基板11にはリード線13を有するリード口出し部14が配置されている。リード線13は、電動機1の上位システム、例えば空気調和機のユニット側の基板に接続されている。内蔵基板11のステータ面に制御IC、磁気センサ、及び受動部品が配置される。受動部品には抵抗及びコンデンサが含まれる。パワーICがリードタイプの場合は、パワーICのみ反ステータ面に配置し、片面フロー工程にて実装可能である。パワーICが面実装タイプの場合、パワーICもステータ面に配置し、片面リフローで実装可能となる。尚、電動機1の制御部とパワーICとを単一のICで構成してもよい。
図2は、本発明の実施の形態1に係る電動機のブロック図である。制御部70は電動機1を全体的に制御するものであり、専用のIC若しくはマイクロコントローラである。パワーIC80と固定子20の磁束コイル22は、磁束コイル端子を介して接続されている。電動機1は、回転子30のロータマグネット40の磁極位置に応じて、パワーIC80を構成する6つパワートランジスタ81A、81B、81C、81D、81E、及び81Fを適切なタイミングでスイッチングすることにより、回転動力を得る。尚、以降の説明において、パワートランジスタ81A〜81Fを総称してパワートランジスタ81と呼ぶ場合がある。
パワートランジスタ81はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、ブリッジ接続されて構成されている。ホールICである3つの磁気センサ50から、磁極位置信号が制御部70に入力される。また、上述の上位システムから出力される速度指令信号が制御部70に入力される。制御部70では、入力された磁極位置信号に基づいて回転子30の磁極位置が演算され、演算された回転子30の磁極位置と速度指令信号とに応じたスイッチング信号が生成される。スイッチング信号はパワーIC80に出力される。
パワーIC80に出力されたスイッチング信号はパワーICのゲートドライブ回路82に入力される。ゲートドライブ回路82において、スイッチング信号に基づいて6つのパワートランジスタ81A〜81Fの駆動信号が生成され、パワートランジスタ81A〜81Fのそれぞれに入力される。その結果、固定子20の磁束コイル22のU相巻線22U、V相巻線22V、及びW相巻線22Wに順次、駆動電流が供給され、U相巻線22U、V相巻線22V、及びW相巻線22Wは励磁される。その結果、図1に示す回転子30は回転する。
上述のように、回転子30の回転位置はホールICである3つの磁気センサ50により検出される。磁気センサ50から出力されるデジタルの位置信号は制御部70に入力される。制御部70では、入力された位置信号に基づいて回転子30の回転数を演算する。回転子30の回転数を示す信号は、制御部70から、上述の電動機1の上位システムに送信される。
制御部70は、過電流検出用抵抗71の両端電圧が一定電圧以上になったとき、パワートランジスタ81A〜81Fを強制的にオフすることにより過電流保護を実現する。また、制御部70は、不図示の感温素子からの信号を受け、パワートランジスタ81A〜81Fを強制的にオフすることにより、過熱保護を実現する。
上述の内蔵基板11において、パワートランジスタ81A〜81Fのそれぞれ、ゲートドライブ回路82、保護回路83、ゲートドライブ回路82とパワートランジスタ81との間の過電流検出用抵抗71、及び不図示のゲート回路を別々の部品で構成してもよい。
一般的に、駆動回路の電源電圧が高圧の場合、回路の各パターン間で絶縁距離を取らなければならず、パターン配線が困難である。特に、電動機1に内蔵される駆動回路はスペースの制約が厳しい。この場合、高圧回路である上アーム用ゲート回路はパワートランジスタ81とは逆の基板面に配置し、低圧回路である下アーム用ゲート回路はパワートランジスタ81と同じ基板面に配置する。これにより、より小さい面積にパターン配線することができる。特に、パワートランジスタ81が面実装部品の場合、このようなパターン配線は有効である。
尚、電動機1に、磁気センサ50と抵抗とコンデンサのみ実装されている基板を内蔵し、パワーIC80及び制御部70を外付けとしてもよい。また、パワートランジスタ81はIGBTで構成されているが、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)で構成してもよい。
図3は、本発明の実施の形態1に係る電動機の内部を模式的に示す図である。図4は、本発明の実施の形態1に係る電動機の一部の要素の相対的位置関係を示す図である。図4は、電動機1の一部の要素を回転軸31に垂直な仮想平面に投影して示している。図3に示すように、ロータマグネット40は、磁気センサ50に近い側のセンサマグネット部41と、ブラケット60に近い側のメインマグネット部42とを有している。センサマグネット部41はメインマグネット部42と一体的に形成されている。センサマグネット部41の外径は、メインマグネット部42の外径よりも小さい。また、固定子20の磁束コイル22から発生する磁束の影響を極力小さくするため、磁気センサ50は、磁束コイル22からより遠い位置、つまり、回転軸31により近い位置に配置されている。
また、図4に示すように、回転軸31に垂直な仮想平面上において、センサマグネット部41の外径は、回転軸31の軸芯AXを中心とし磁気センサ50のセンサ中心を通る円CRよりも大きい。換言すると、センサマグネット部41の外周縁は、磁気センサ50の中心C1よりも、回転軸31から離れた位置に位置している。
さらに、回転軸31の軸方向において、センサマグネット部41の磁気センサ50側の端部の位置T11は、固定子20の磁束コイル22の磁気センサ50側のコイルエンドの位置T12よりも、磁気センサ50により近い位置に位置している。
図5は、本発明の実施の形態1に係る電動機の磁気センサに印加される磁束を模式的に示す図である。センサマグネット部41の外径をメインマグネット部42の外径と同一とした場合の、センサマグネット部41の位置及びセンサマグネット部41から磁気センサ50に印加される磁束が点線で示されている。上述のように、ロータマグネット40は磁場配向をかけて成形されているため、軸方向端部から発する磁力よりも外周から発する磁力の方が高い。センサマグネット部41の外径がメインマグネット部42の外径と同一の場合、上述のように、磁気センサ50を回転軸31により近い位置に配置すると、細い点線で示す相対的に磁力の低い磁束は磁気センサ50に流入する。しかしながら、太い点線で示す相対的に磁力の高い磁束は磁気センサ50に流入しにくい。これに対し、センサマグネット部41の外径を上述のように小さくすることにより、太い実線で示すように、ロータマグネット40から磁気センサ50に流入する高い磁力の磁束を増やすことができる。
また、センサマグネット部41の外径を回転軸31の軸芯AXを中心とし磁気センサ50のセンサ中心を通る円CRよりも大きくすることにより、固定子20の磁束コイル22から発する磁束をセンサマグネット部41により遮断することが可能となる。その結果、磁束コイル22から発生する磁束の磁気センサ50への影響を抑制することができる。磁束コイル22の磁束が磁気センサ50に印加されてしまうと、磁気センサ50の出力の位相ズレの要因となり、電動機1の最大出力及び効率の低下を招く。しかしながら、本実施の形態1によれば、磁束コイル22からの磁束の影響を抑制することができるため、電動機1の最大出力の低下を抑えることができ、電動機1の効率を高レベルに維持することができる。
また、本実施の形態1では、センサマグネット部41の磁気センサ50側の端部の位置T21は、磁束コイル22の磁気センサ50側のコイルエンドの位置T12よりも、磁気センサ50に近い。従って、固定子20の磁束コイル22からの漏れ磁束を、センサマグネット部41で遮断することができ、固定子20の磁束コイル22からの漏れ磁束による磁気センサ50への影響を抑制することができる。その結果、位相ズレによる電動機1の誤動作、並びに電動機1の最大出力の低下を抑えることができ、電動機1の効率を高レベルに維持することができる。
図6は、本発明の実施の形態1に係る電動機の磁気センサのブロック図である。図7は、本発明の実施の形態1に係る電動機の磁気センサの内部構成を模式的に示す図である。磁気センサ50はセンサ部51と、増幅部52とを有している。センサ部51は、印加される磁束に基づいて電気信号を出力し、増幅部52は、センサ部51から出力される電気信号を増幅する。センサ部51の半導体チップは、例えばアンチモン化インジウムなどのシリコン以外の半導体で構成され、増幅部52の半導体チップは、シリコンで構成されている。尚、図6において、出力段はパイポーラトランジスタとプルアップ抵抗とで構成されているが、これに限るものではない。出力段は、プッシュプル出力でもよく、トランジスタはMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)でもよい。
図7に示すように、磁気センサ50は図1に示す内蔵基板11に接続されるピン53及びピン54が設けられている。磁気センサ50の上下方向において、センサ部51の中心C2は磁気センサ50のボディの中心C1とは一致していない。すなわち、センサ部51は、その中心C2が、磁気センサ50の上下方向において、ピン53及びピン54が設けられている側よりも、ピン53及びピン54が設けられている側の反対側に近くなるよう、磁気センサ50内に配置されている。尚、磁気センサ50の横方向において、センサ部51の中心C2は磁気センサ50の中心C1と一致している。上述のように、センサマグネット部41の外周縁は、磁気センサ50の中心C1よりも、回転軸31から離れた位置に位置している。従って、センサマグネット部41の外周縁は、センサ部51の中心C2よりも、回転軸31から離れた位置に位置している。
図3に示すように、磁気センサ50は内蔵基板11においてロータマグネット40に対向する面側に実装されているが、磁気センサ50の実装は、ピン53及びピン54を介している。従って、磁気センサ50を内蔵基板11に実装した状態では、センサ部51はロータマグネット40により近い位置に位置することになる。その結果、ロータマグネット40から磁気センサ50に流入する磁束を増やすことができ、回転子30の位置検出をより高い精度で実行することができる。
また、上述のように、本実施の形態1では、固定子20と内蔵基板11はモールド樹脂12により一体成型されており、磁気センサ50には応力が生じる。従って、センサ部51の半導体チップがシリコンである場合、大きなオフセットが発生する場合がある。しかしながら、本実施の形態1では、センサ部51の半導体チップをシリコン以外の半導体で構成しているため、この応力に起因するオフセットを抑制することができる。
実施の形態2.
図8は、本発明の実施の形態2に係る電動機の内部を模式的に示す図である。実施の形態1と同様、電動機100のロータマグネット150は、磁気センサ50に近い側のセンサマグネット部151と、ブラケット60に近い側のメインマグネット部152とを有している。また、センサマグネット部151とメインマグネット部152は一体的に形成されている。センサマグネット部151の外径は、メインマグネット部152の外径よりも小さい。回転軸31の軸方向において、メインマグネット部152の磁気センサ50側の端部の位置T21は、固定子20の磁束コイル22の磁気センサ50側のコイルエンドの位置T22よりも、磁気センサ50により近い位置に位置している。その他の構成は実施の形態1と同様である。
本実施の形態2によれば、固定子20の磁束コイル22からの漏れ磁束を、メインマグネット部152で遮断することができる。従って、固定子20の磁束コイル22からの漏れ磁束による磁気センサ50への影響を抑制することができる。その結果、位相ズレによる電動機1の誤動作、並びに電動機1の最大出力の低下を抑えることができ、電動機1の効率を高レベルに維持することができる。
実施の形態3.
図9は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機の装置構成を示す図である。図10は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機のブロック図である。空気調和機200は室内機210と、室内機210に接続される室外機220とを備えている。室外機220は、圧縮機221と、熱源側熱交換器222と、熱源側熱交換器222に送風する室外機用送風機223と、電動機224とを備えている。制御部225は室外機220の各部を制御するものであり、例えばマイクロコントローラで構成される。電動機224は室外機用送風機223の駆動源であり、制御部225により制御される。室内機210は、絞り装置211と、負荷側熱交換器212、負荷側熱交換器212に空気を送る室内機用送風機213と、電動機214とを備えている。制御部215は室内機210の各部を制御するものであり、例えばマイクロコントローラで構成される。電動機214は室内機用送風機213の駆動源であり、制御部215により制御される。電動機214及び電動機224には、実施の形態1の電動機1若しくは実施の形態2の電動機100が用いられる。
本実施の形態3によれば、室内機用送風機213及び室外機用送風機223を効率よく駆動することができる。
本実施の形態3では、電動機214及び電動機224の双方に電動機1若しくは電動機100が用いられているがこれに限るものではない。電動機214及び電動機224の少なくとも一方に電動機1若しくは電動機100が用いられていればよい。
尚、電動機1及び電動機100は、空気調和機200の他にも、例えば換気扇、家電機器、若しくは工作機などに搭載して利用することができる。
1 電動機、10 モールド固定子、11 内蔵基板、12 モールド樹脂、13 リード線、14 リード口出し部、20 固定子、21 固定子鉄心、22 磁束コイル、22U U相巻線、22V V相巻線、22W W相巻線、23 インシュレータ、30 回転子、31 回転軸、32 回転子絶縁部、33 出力側軸受、34 反出力側軸受、40 ロータマグネット、41 センサマグネット部、42 メインマグネット部、50 磁気センサ、51 センサ部、52 増幅部、53 ピン、54 ピン、60 ブラケット、61 圧入部、70 制御部、71 過電流検出用抵抗、80 パワーIC、81 パワートランジスタ、81A パワートランジスタ、81B パワートランジスタ、81C パワートランジスタ、81D パワートランジスタ、81E パワートランジスタ、81F パワートランジスタ、82 ゲートドライブ回路、83 保護回路、100 電動機、150 ロータマグネット、151 センサマグネット部、152 メインマグネット部、200 空気調和機、210 室内機、211 絞り装置、212 負荷側熱交換器、213 室内機用送風機、214 電動機、215 制御部、220 室外機、221 圧縮機、222 熱源側熱交換器、223 室外機用送風機、224 電動機、225 制御部。

Claims (6)

  1. 鉄心と、前記鉄心に巻回された磁束コイルとを有する固定子と、
    回転軸と、前記回転軸の外周に設けられた円筒状のロータマグネットとを有する回転子と、
    印加される磁束に基づいて電気信号を出力するセンサ部を有する磁気センサとを備え、
    前記固定子と前記回転子は、前記ロータマグネットが前記鉄心に対向するよう配置されている電動機であって、
    前記ロータマグネットは、メインマグネット部と、前記メインマグネット部と一体的に形成され、前記メインマグネット部の外径より小さい外径を有するセンサマグネット部とを有し、
    前記磁気センサは、前記センサマグネット部の側に配置され、前記センサマグネット部の磁束に基づいて前記回転子の位置を検知して前記電気信号を出力し、
    前記センサマグネット部の外周縁は、前記センサ部の中心よりも、前記回転軸から離れた位置に位置しており、
    前記メインマグネット部の端部の、前記回転軸の軸方向における位置は、前記固定子の前記磁束コイルの前記磁気センサ側のコイルエンドの、前記回転軸の軸方向における位置よりも、前記磁気センサに近い電動機。
  2. 前記センサ部の中心は、前記磁気センサの中心よりも前記センサマグネット部に近い位置に位置している請求項1に記載の電動機。
  3. 前記センサマグネット部の端部の、前記回転軸の軸方向における位置は、前記固定子の前記磁束コイルの前記磁気センサ側のコイルエンドの、前記回転軸の軸方向における位置よりも、前記磁気センサに近い請求項1又は2に記載の電動機。
  4. 前記磁気センサは、前記センサ部から出力される前記電気信号を増幅する増幅部を有し、前記磁気センサの出力信号は、デジタル信号である請求項1〜のいずれか一項に記載の電動機。
  5. 前記センサ部は、シリコン以外の半導体で構成され、前記増幅部はシリコンで構成され、前記磁気センサが実装される基板は、前記固定子と樹脂で一体成型されている請求項に記載の電動機。
  6. 請求項1〜のいずれか一項に記載の電動機を室内機用送風機及び室外機用送風機の少なくとも一方の駆動源として搭載している空気調和機。
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