CN117980612A - 旋转传动转轴单元、以及使用其的发动机和变频器试验台和emc试验设备装置 - Google Patents

Abstract

提供可在高转速高扭矩下有效地进行旋转传动的易于设置的旋转传动单元。还提供使用该转轴单元的在长间距下传递高扭矩高旋转的传动装置和试验装置。在刚性的筒的两端设置轴承，通过这些轴承，以可旋转的方式支承纤维强化树脂制的中心转轴，从而实现设置、校准容易，可实现高扭矩高速旋转的旋转传动转轴单元。仅通过支承转轴单元的刚性筒，就可获得中心转轴的轴位置的稳定性，由于形成单元，向设置位置的装卸也容易，与旋转轴的轴的校准也容易，可实现长间距下的旋转传动，所以可实现发动机试验台和EMC试验装置的高速化。

Description

旋转传动转轴单元、以及使用其的发动机和变频器试验台和 EMC试验设备装置

技术领域

本发明涉及可在高转速高扭矩下有效地进行旋转传动的易于设置的旋转传动单元。

本发明还涉及使用上述转轴单元的发动机试验台用传动转轴，以及使用该转轴的传递存在于电波暗室的室内与室外的发动机或发电机等机械旋转装置之间的高扭矩高旋转，但屏蔽电磁噪声的传动装置和试验装置。

用于发动机试验用发动机试验台的话，可获得能够传递发动机与负载之间的高速旋转高扭矩的设置精度高的旋转传动装置，而且在用于对EV(电动车，Electric Vehicle)、HV(混合动力车，Hybrid Vehicle)、PHEV·PHV(插电式混合动力车，Plug-in HybridVehicle)、FCV(燃料电池车，Fuel Cel lVehicle)等中所使用的汽车的动力用电动机和变频器系统在电波暗室内模拟实际车辆行驶状态的同时实施作为部件的EMC评价试验的装置中，可获得适合于在前所未有的长间距、高速旋转下使用的旋转传动机构。

背景技术

将旋转的转轴收纳于作为刚体的管内，刚体管负担轴向推力和扭矩反作用力，旋转转轴仅传递旋转力的形式的旋转传动手段作为扭矩管在汽车的动力传动领域中周知。

这样的汽车的扭矩管中的外侧刚性筒因为即使在悬挂装置的摇动状态下也由刚体管负担轴向推力，所以具有不需要转轴的旋转力传递机构应对摇动、以及单纯地有效保护旋转转轴的优点，因此一直以来被用于汽车的伴随摇动的位置的旋转力传递。

然而，以往的扭矩管虽然将金属转轴放入金属刚体管，但以可旋转的方式支承转轴的轴承例如专利文献1那样从刚体管的长边方向看位于接近中央的位置，或者例如专利文献2那样并非金属刚体管，而是连结旋转转轴的旋转装置的轴支承旋转转轴，没有单独作为转轴单元的通用性，而且也没有假定传递例如每分钟2万转这样的高速旋转。

对于所述专利文献2这样以往的旋转转轴的支承，所连结的驱动侧和/或被驱动侧的旋转轴支承旋转转轴，因此无法单独通过扭矩管保证旋转转轴的校准，依赖于驱动装置和被驱动装置的轴，对于需要长间距旋转传动的发动机试验台这样的装置，旋转传动转轴的校准非常困难。

此外，旋转转轴为金属制，支承旋转转轴的轴承间的距离大的话，会发生跳绳现象，因此无法实现每分钟2万转这样的高速旋转。

作为使用高速旋转传动装置的领域，一直以来，汽车驱动用发动机的EMC试验是将供试机器(发动机)设定为运转状态(预备/通常运转等)实施。然而，发动机不是原本的汽车行驶时的负荷状态，而处于空转状态。

此外，用于发动机控制的变频器的EMC试验作为负荷连接发动机，但与上述同样，不是模拟汽车行驶状态的负荷状态。

针对以往的这种EMC评价方法，制定有作为国际标准的CISPR 25Edition 4:2016(辐射测定)和ISO 11452-2:2019(抗扰度试验)，规定了关于试验配置的条件。根据这些标准，设置于电波暗室内的作为供试品的电动机必须以机械方式与电波暗室外的负载发动机连接。

然而，在电波暗室壁上开孔，使将电动机与负载发动机以机械方式连接的高速旋转的转轴贯穿于电波暗室的内侧与外侧的情况下，供试机器(电动机)与安装于电波暗室内侧壁的电波吸收体的前端的距离在上述的国际标准中被规定为1000mm以上。因此，如果考虑电波吸收体和所连接的联轴节等机械机构部分，电动机与负载发动机的距离预计在1500mm以上。

如果使用国际标准的试验配置图中所见的1000mm以上的转轴进行高速旋转，存在由于转轴的自重和挠曲发生跳绳现象而导致设备破损的危险，但国际标准中未规定特别的应对方法。

一直以来，通过在高速旋转状态下进行试验的电动机的附近位置设置减速机来尽可能缩短高速旋转的转轴部分，是连接于负载发动机的转轴侧的转速减速到数分之一至数十分之一，从而抑制跳绳现象的发生。

然而，由于在电动机与负载发动机之间按照减速机，需要其冷却系统和温度管理、机械部分的保养以及它们的静电和电磁波的应对策略等。另外，由于将减速机加入转轴中，电动机的评价试验中也包含减速机的效率等除电动机以外的不确定的因素，因此必须在考虑这些因素的基础上实施评价。

作为旋转力传递装置的轻量化技术的现有例子，存在如专利文献3的技术。

该文献中记载有“后侧的螺旋桨轴44如后所述在空间上有余地，因此为实现轻量化和高刚性化，采用碳纤维强化树脂(CFRP)制的中空管”(段落编号0044)，揭示了在汽车的螺旋桨轴中为了轻量化和高刚性化而采用CFRP制的旋转力传递手段。然而，这是汽车的螺旋桨轴，没有与电动机的EMC试验的相关性，并非显示在所需的扭矩和转速下，也在EMC试验的电波暗室中的室内与室外之间传递旋转力的技术。

专利文献4中也同样将“动力传动轴用转轴采用用作为轻量高强度原材料的CFRP(碳纤维强化塑料)形成的管状的CFRP构件”(段落编号0018)作为高刚性且轻量的旋转传动转轴进行揭示，并非用于试验台或EMC试验的技术，而且是连将旋转转轴收纳于刚性筒的构成都不是的单纯的转轴。

此外，专利文献3和4中的利用并非以本次的发明实现的低速旋转至15000rpm以上的高速旋转为目的的技术。

作为涉及用于电动车等的发动机的发电机试验和EMC试验的现有技术，未发现适合于上述的国际标准那样的在长间距下进行高速旋转的要求的发明的专利文献。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利特开2009-280053号公报

专利文献2:日本专利特开2006-143130号公报

专利文献3:日本专利特开2016-055658号公报

专利文献4:日本专利特开2011-017413号公报

发明的概要

发明所要解决的技术问题

使用发电机的试验台等中可使用的具通用性的旋转传动转轴时，在旋转转轴的发电机侧与发动机侧准确对准轴的校准作业非常困难。本申请的发明将在该驱动侧与被驱动侧之间进行旋转传动的装置中，使校准作业容易作为课题，也将即使旋转转轴的旋转力输入侧与输出侧的间距长也可实现高速旋转作为课题，还将在对驱动侧与被驱动侧进行电波屏蔽的装置中，除上述以外，还可在高速旋转、高扭矩传动的同时进行良好的电波屏蔽等事项作为课题。

将驱动源旋转装置与被驱动旋转装置用旋转转轴连结的情况下，驱动源与被驱动旋转装置都被固定于地面，驱动源装置与被驱动装置的旋转轴的校准必须达到高精度。因此，驱动源和被驱动旋转装置的芯均必须准确地与连结两者的旋转转轴一致。为了该校准作业，制成旋转转轴两端附近的轴承必须以正确地支承旋转转轴的状态相对于固定驱动源和被驱动旋转体的平台固定。

此外，使用以往的转轴的旋转传动机构中，支承轴承间的距离为例如700mm的长间距的情况下，因为会发生跳绳现象，所以无法实现每分钟2万转这样的高速旋转。

另外，电波暗室旋转装置的试验中，必须在电波暗室壁开孔，使高速旋转的旋转转轴贯通该孔，所以电波暗室对电磁波的屏蔽当然会不可避免地比无孔的状态差。

此外，发动机的扭矩和减速机的减速比存在反比的关系，因此由于安装减速机，减速机的输出轴处的转速减少，但扭矩增加。即，可将所连接的负荷发动机的转速抑制至数分之一，但扭矩需要达到数倍。换言之，通过按照减速机，可使电动机以高旋转进行运转，但由于扭矩变小，作为电动机的试验不足。

因此，理想的是不按照减速机而采用旋转和扭矩为1:1的传动机构，现有技术中，如果制成无减速机的试验机，则连接作为供试机器的电动机与负荷发动机的转轴变长，如果高速旋转，会发生跳绳现象，可能会造成机器、设备的破损。

因此，存在提供可传递的扭矩大，转轴的长度长，该条件下具有即使高速旋转也不会发生问题，通过电波暗室壁的电磁噪声被完全屏蔽，或者被尽可能抑制的性能的旋转传动机构的课题。

本发明提供解决可这些课题的旋转传动转轴单元、旋转传动机构、以及电波暗室。本发明可解决这些课题，所以能够简便、高精度地提供可实现低速旋转高扭矩或高速旋转低扭矩等各种条件下的发动机等旋转电气机器的试验设备，还能够提供可实现EMC试验的装置。

解决技术问题所采用的技术方案

本申请的发明包括以下的形态。

[1]一种传递旋转的转轴单元，它是包含中心转轴、以及中心转轴贯穿其中的刚性筒的转轴单元，所述刚性筒通过其两端部以可旋转的方式支承中心转轴并在两端部具有轴承，其中，所述中心转轴为纤维强化树脂制。

[2]根据[1]所述的转轴单元，其中，所述两端部的轴承间的距离为700mm以上。

[3]根据[2]所述的转轴单元，其中，中心转轴具有能够以每分钟2万转以上旋转的弯曲刚性相对质量比。

[4]根据[1]～[3]中的任一项所述的转轴单元，其中，中心转轴为碳纤维强化树脂制。

[5]根据[1]～[4]中的任一项所述的转轴单元，其中，中心转轴单元和刚性筒具导电性，中心转轴单元于刚性筒在两端轴承位置电气导通。

[6]根据[5]所述的装置，其中，将中心转轴与刚性筒电气导通的手段包括填充中心转轴与刚性筒之间的空间的导电体。

[7]一种旋转机间旋转传动装置，其中，包含[1]～[6]中的任一项所述的转轴单元、驱动侧架台和被驱动侧架台，所述转轴单元在刚性筒两端位置分别固定于驱动侧架台和被驱动侧架台。

[8]一种电波暗室，其中，具有[7]所述的旋转传动装置。

需要传递旋转的转轴的试验台中，支承于固定在地面的轴承的单纯的旋转转轴的情况下，需要调整2个轴承的相对位置，校准作业产生困难，与之相对，如果是用刚性筒的两端部支承旋转转轴的结构、所谓扭矩管形式的转轴，仅将刚性筒固定于地面，就可完成旋转转轴的两端的校准，所以本申请发明的发明人想到仅通过准确地设置刚性筒的定位，就可容易地进行旋转驱动源与被驱动旋转装置这两者的校准。

此外，本申请发明的发明人发现，为了在不发生跳绳现象的情况下实现高速旋转，如果旋转转轴的弯曲刚性与质量密度的比(本说明书中，称为弯曲刚性对质量比)大，即，弯曲刚性大，该条件下重量轻就可实现。另外，还想到为此使用碳纤维强化树脂制的转轴即可。

也想到碳纤维强化树脂制的转轴含碳，因此可使所传导的旋转转轴的电荷经由，金属轴承立刻释放至接地电位。

另外，还想到虽然使转轴和覆盖其的导电性刚性筒、例如金属制刚性筒罩贯通电波暗室壁，但可通过与金属罩电连接的导电性纤维包围转轴表面的圆周来屏蔽高频波。

跳绳现象在使用金属转轴的情况下，轴承间的距离超过700mm时无法防止。

本发明中，不使用减速机，最大限度利用负荷发动机的扭矩能力。由于不使用减速机，因此虽然作为供试机器的电动机与电波暗室外的负荷发动机的距离长，但使用碳纤维强化树脂制的转轴，所以轻量高刚性，低速旋转至高速旋转都不会产生问题。

本发明中，对于导电性刚性筒一词，意指铝、铁、铜、黄铜等金属类的导电性，即，将室温下具有2×10^-8Ωm～100×10^-8Ωm的体积电阻值的材质称为导电性，刚体一词也指具有这些金属所具有的程度的刚性。

此外，试验台一词是指将固定于地面的旋转力驱动源与同样固定于地面的被驱动旋转转轴连结，进行旋转驱动源的输出试验或旋转状态下的电波试验等某种试验的设备。

另外，“转轴长度”一词是指刚性筒两端的轴承间的距离。

导电性刚性筒最好是圆筒，但因为是刚体，只要不发生导电性刚性筒的位置变化即可，因此如果刚性筒固定于设备设置场所的地面，旋转转轴的支承位置就被固定，可获得足以旋转转轴校准的旋转转轴的旋转轴位置的稳定化。如果在导电性刚性筒的两端附近的位置分别固定于设置场所地面，轴承相对于设置场所地面的定位比依赖于刚性筒的刚性的定位更可靠，旋转转轴的轴承定位最准确。

该地面可以是使旋转转轴的两端的相对位置确定不动的平台。

此外，作为旋转转轴的壳体的导电性刚性筒具刚性，所以贯通壁的情况下的与壁的接合部在运转时的位置变动也极小。

将高速旋转的转轴用作为导电性刚性筒的屏蔽箱遮蔽，在屏蔽箱的两端用金属轴承支承旋转转轴，可期待接地的效果。

另外，在屏蔽箱的两端使导电性树脂刷与转轴的周围接触，占据空间，从而使屏蔽效果提高。

屏蔽箱具导电性，与电磁屏蔽壁电连接，确保电磁屏蔽。

发明的效果

本发明的转轴单元由于刚性筒通过筒两端的轴承以可旋转的方式支承旋转转轴，因此旋转转轴的旋转轴定位通过刚性筒得到保证，不需要通过旋转转轴连结的旋转机器的旋转轴进行校准，而且由于刚性筒及其两端的轴承所支承的旋转转轴是纤维强化树脂制，因此即使刚性筒是前所未有的长筒，跳绳现象的发生也得到防止，具有可实现每分钟2万转以上的高速旋转的效果。因此，具有即使在通过转轴进行旋转传动且2台旋转机器之间的距离长的情况下，也可传递高速旋转的效果。

此外，本发明的转轴单元中，单元的刚性筒保证旋转转轴的轴位置精度，所以即使降低对于转轴单元进行旋转传动的驱动源和负载的设置定位的要求精度，转轴单元的定位精度也可由刚性筒保证，因此容易实施可高速旋转的定位。

即，如果实施单元的刚性筒的定位，也就实施了设置位置上的旋转转轴的旋转支承轴承的空间定位，所以旋转转轴的校准简便。

导电性刚性筒为刚体，所以旋转转轴的轴承定位准确，具有防止跳绳现象的效果。

此外，作为旋转转轴的壳体的导电性刚性筒具刚性，所以贯通壁的情况下的与壁的接合部在运转时的位置变动也极小。

旋转转轴为纤维强化树脂制，弯曲刚性相对于质量足够高，所以具有即使刚性筒两端支承间的距离为700mm以上，也不会发生高速旋转时的跳绳现象的效果。作为纤维强化树脂，碳纤维强化树脂或芳纶纤维强化树脂最适合。并且，如果使用碳纤维，对于后述的使用电波暗室的EMC试验装置也最适合。

使用本申请发明的转轴单元的电波暗室的情况下，可实现EMC试验所需的从低扭矩至高扭矩的宽范围的扭矩和从每分钟数十转的低速至每分钟数万转的高速旋转，能够进行国际标准所规定的EMC试验。

通过转轴采用碳纤维强化树脂，可抑制跳绳现象的发生。

因此，可实现比以往更高的扭矩且传递高速旋转，例如甚至可用转轴长度900mm或更长的装置实现每分钟2万转、传递扭矩350Nm。

附图的简单说明

图1是示出本发明的转轴单元的一例的图。

图2是示出使用本发明的转轴单元的旋转机间旋转传动装置的例子的图。

图3是具有使用本发明的转轴单元的旋转传动装置的电波暗室的图。

实施发明的方式

图1是本发明的转轴单元的一例。进行旋转传动的中心转轴1为纤维强化树脂制，该中心转轴1沿具有刚性的刚性筒2的轴向贯穿刚性筒2，在刚性筒2的两端，通过支承3以可旋转的方式支承。

刚性筒2也可为轴承间的距离为700mm以上的筒，轴承间的距离可为1400mm。为了实现轻量且可耐受高速旋转的旋转转轴，转轴1较好是碳纤维强化树脂制的中空转轴。

刚性筒2较好是圆筒形的金属制的筒，具有足以在例如每分钟2万转这样的高速旋转时也不会引发共振、变形的厚度。

此外，中心转轴1和刚性筒2介以轴承3组合的本发明的转轴单元只要牢固地设置转轴单元的刚性筒2，就可完成作为旋转转轴的支承点的轴承3的定位，因此旋转传动的驱动侧和被驱动侧无需确保中心转轴的旋转轴的定位精度，可作为转轴单元用于各种用途。

图2示出具备本发明的转轴单元的发动机试验台的例子。

作为驱动侧旋转机的例如发动机4将旋转力通过某种旋转传动接头施加于中心转轴1，旋转力通过中心转轴1，或是经由中心转轴1和某种旋转传动接头传递至作为负载侧旋转机的发电机6。

发电机4和发电机6被固定于牢固的设置底座7、8，但中心转轴1的可旋转的支承通过设于刚性筒2的两端的轴承3进行，刚性筒2设置固定于设置底座5。

中心转轴的旋转轴校准精度通过轴承3和刚性筒2实现，所以发电机4和发电机6侧可获得更多旋转传动接头的自由度。

此外，中心转轴和刚性筒2可与发电机4和发电机6的支承底座分开，因此可阻断由发电机4和发电机6产生的振动。

图3示出具备本发明的转轴单元的可用于EMC试验等的电磁屏蔽室的转轴贯穿位置上的屏蔽室壁的部分剖视图。

为了电磁屏蔽，近刚性筒2的轴承的外侧设有电磁屏蔽刷9。图3中，与图2同样，驱动旋转机位于图的左侧，负载旋转机位于右侧，如果屏蔽室的室内为图3的左侧，则屏蔽壁10的右侧为屏蔽室的室外。

屏蔽壁10通过直接接触、介以例如金属网等导电性的柔软物质的接触、将柔软的金属蛇腹连接于屏蔽壁和导电性刚性筒2等方式与刚性筒2电气导通，从而实现电磁屏蔽。

导电性的刚性筒2可在与屏蔽壁3接合的同时，介以设置底座5固定于设置装置的地面、例如两端附近，但并不一定固定在两端位置。

中心转轴1为纤维强化树脂制，中心转轴1与具导电性的刚性筒2通过轴承3和导电性刷9相互电气导通。

导电性刷以足以屏蔽所期望的频率的电磁波的密度填充中心转轴的整个周围的与导电性刚性筒之间的间隙。

因为电流通过导电转轴而不侵入，经过旋转转轴和壳体2的导通手段，从壳体2释放至壁，壁的一侧至另一侧的电流或电磁波的泄漏得到防止。屏蔽壁与导电性壳体的电磁波泄漏足够小，不需要完全密闭。

该电波暗室例如为适合用于电动车用电动机的EMC试验的电波暗室。

导电性刷9可以是金属刷。

使用基于本发明的旋转传动机构的电波暗室可在确保电磁屏蔽性的情况下，实现如前所述的传递前所未有的高扭矩且高速旋转的旋转运动来进行试验。因此，使用其的EMC试验用电波暗室可进行前所未有的高速旋转下的试验。

基于本发明的电波暗室可实现EMC试验中所需的9kHz～数GHz的电波的有效屏蔽。

符号的说明

1 中心转轴

2 刚性筒

3 轴承

4 驱动旋转机

5 转轴单元支承底座

6 负载旋转机

7 驱动侧底座

8 负载侧底座

9 电磁屏蔽刷

10 屏蔽壁

Claims (8)

1.一种传递旋转的转轴单元，它是包含中心转轴、以及中心转轴贯穿其中的刚性筒的转轴单元，所述刚性筒通过其两端部以可旋转的方式支承中心转轴并在两端部具有轴承，其中，所述中心转轴为纤维强化树脂制。

2.根据权利要求1所述的转轴单元，其中，所述两端部的轴承间的距离为700mm以上。

3.根据权利要求2所述的转轴单元，其中，中心转轴具有能够以每，万转以上旋转的弯曲刚性相对质量比。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的转轴单元，其中，中心转轴为碳纤维强化树脂制或芳纶纤维强化树脂制。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的转轴单元，其中，中心转轴单元和刚性筒具导电性，中心转轴单元于刚性筒在两端轴承位置电气导通。

6.根据权利要求5所述的转轴单元，其中，将中心转轴与刚性筒电气导通的手段包括填充中心转轴与刚性筒之间的空间的导电体。

7.一种旋转机间旋转传动装置，其中，具有权利要求1～6中的任一项所述的转轴单元，转轴单元在刚性筒两端位置分别固定于驱动侧架台和被驱动侧架台。

8.一种电波暗室，其中，具有权利要求1～6中的任一项所述的转轴单元。