JP2000270520A

JP2000270520A - 回転機のベアリング電流低減装置

Info

Publication number: JP2000270520A
Application number: JP11075198A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Okumura; 康之奥村; Takanori Yokoyama; 隆則横山; Masayoshi Tojo; 正佳東城; Takahiro Asai; 貴裕朝井
Original assignee: Matsushita Seiko Co Ltd
Current assignee: Panasonic Ecology Systems Co Ltd
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2000-09-29
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JP3068821B1

Abstract

(57)【要約】【課題】回転機に発生するベアリング電流を低減させ
て軸受部の摩耗、回転軸の損傷、破壊を防止し、かつ長
時間使用しても保守する必要がないベアリング電流低減
装置を提供する。【解決手段】回転機の金属筐体とフレームを導線で接
続し、回転機の回転子軸に連結した回転軸に取付けた回
転する金属板と、フレームに取り付けた金属板との間で
静電容量を形成するように非接触で接近した位置に配置
させて、回転機の固定子と回転子との間のエアーギャッ
プ容量を十分大きく設定すれば、インバータより回転機
に供給される急峻な電圧変化に対する軸電圧挙動を非振
動でダンピングすることができ、さらに、軸電圧の収束
値となる直流成分も減少するので、放電直前の軸電圧を
抑圧して軸電圧の放電現象として発生するベアリング直
流を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転機の軸受部に
流れるベアリング電流を低減する誘導機のベアリング電
流低減装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、誘動機を始めとする回転機を回転
数制御する方法としてインバータ等の電力変換機によっ
て駆動するのが一般的となってきた。インバータ駆動の
方式として電圧形ＰＷＭインバータが最も良く知られて
いる。この種のインバータ駆動方式では、変調正弦波信
号の振幅に比例したパルス幅の一定キャリア周期を持つ
矩形波状の電圧パルス列を誘導機に印加して、誘導機の
固定子巻き線に流れる電流を変調正弦波信号の周波数に
等しい正弦波が流れるようにして誘導機を駆動する。

【０００３】さて、最近の高速電力用半導体素子の発展
に伴って、電圧形ＰＷＭインバータのキャリア周波数の
高周波化が進み、インバータのスイッチング時に生じる
急峻な電圧変化に起因して発生する誘導機のベアリング
電流による軸受部の不具合が指摘されている。このベア
リング電流には、例えば、「ＰＷＭインバータによって
発生する誘導電動機のベアリング電流」（ショータン・
チェン、アイイーイーイー・トランザンクション・オン
・エナジーコンバージョン、１１号１巻ナンバー１、１
９９６年３月）（ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｄｕｃ
ｔｉｏｎＭｏｔｏｒＢｅａｒｉｎｇＣｕｒｒｅｎ
ｔｓＣａｕｓｅｄｂｙＰＷＭＩｎｖｅｒｔｅｒ
ｓ、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｎ
ｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．
１，Ｍａｒｃｈ１９９６）に紹介されているように、
振幅が最も大きく頻繁に発生する放電モードのベアリン
グ電流がある。この種のベアリング電流は、インバータ
から誘導機の巻き線に供給される立ち上がりの急峻なコ
モンモード電圧が、誘導機の巻き線と固定子間の結合容
量、巻き線と回転子間の結合容量および固定子と回転子
間のエアーギャップ容量によって構成される閉じた回路
系に印加されたときに発生する応答電圧として、固定子
と回転子間の静電容量に蓄積された軸電圧の放電現象と
して発生するものである。固定子と回転子間の静電容量
に蓄積された軸電圧が、軸受部の油膜を絶縁破壊させて
軸受部を導通状態にさせ、軸受部を介して静電容量に蓄
積された軸電圧を放電させるとき流れる放電電流が放電
モードのベアリング電流である。

【０００４】図７は従来のＰＷＭインバータに駆動され
た誘導機の原理的回路図を示し、図８は従来のＰＷＭイ
ンバータに駆動された誘導機の各部の波形を説明する説
明図である。図７、図８を併用して、ＰＷＭインバータ
が誘導機巻き線系にコモンモード電圧を供給するコモン
モード電圧の発生メカニズムを説明する。

【０００５】図７において、インバータ１０１はスイッ
チング素子１０２〜１０７および直流電源１０８から成
り、インバータ１０１のＲ相、Ｓ相およびＴ相出力端子
１０９〜１１１は誘導機１１２の固定子巻き線１１３
のＲ相、Ｓ相およびＴ相タップ１１４〜１１６にそれぞ
れ結線されている。誘導機１１２のフレームグランド端
子１１７は、インバータ１０１のフレームグランド端子
１１８に接続され、さらに、フレームグランド端子１１
８は大地にアース接続されている。

【０００６】図８の（ａ），（ｂ），（c）はキャリア
波信号Ｖ_cと各相のインバータ指令値Ｕ_R、Ｕ_S、Ｕ_Tとの
比較により、インバータ１０１におけるＯＮ−ＯＦＦ制
御信号の形成を説明するものである。図８において、横
軸を時間軸にとり、図８の（a），（b），（c）の太線
で図示された正弦波がインバータ101のＲＳ、Ｔ各相の
インバータ指令値（Ｕ_R，Ｕ_S，Ｕ_T）を示す。同図上に
三角波状の細線で示された波形がキャリア波信号Ｖｃで
ある。キャリア波信号Ｖ_cがインバータ指令値Ｕ_R、
Ｕ_S、Ｕ_Tよりも低いときは、該当するスイッチング素子
１０２〜１０４側が導通し、スイッチング素子１０５〜
１０７側が非導通となる。逆に、キャリア波信号Ｖcが
インバータ指令値Ｕ_R、Ｕ_S、Ｕ_Tよりも高いときは、該
当するスイッチング素子１０２〜１０４側が非導通とな
り、スイッチング素子１０５〜１０７側が導通となる。

【０００７】図８の（ｄ），（ｅ），（ｆ）は図７に図
示されるスイッチング素子のアーム対（１０２，１０
５），（１０３，１０６），（１０４，１０７）の中間
点と大地との間に形成される電圧Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_Tを示
す。説明の簡略化のため図８の（a），（d）でＲ相にお
ける関係について説明する。キャリア波電圧Ｖ_cがイン
バータ指令値Ｕ_Rより高いときは、スイッチング素子１
０５が導通しアーム対（１０２，１０５）と大地間の電
圧Ｖ_Rは零となる。尚、Ｅ_dは直流電源１０８の両端の電
圧値である。次に、キャリア波電圧Ｖ_cがインバータ指
令値Ｕ_Rより低いときは、スイッチング素子１０２が導
通しアーム対（１０２，１０５）と大地間の電圧Ｖ_Rは
＋Ｅ_dとなる。

【０００８】図８の（Ｇ）は巻き線１１３に印可される
コモンモード電圧の関係を示す。巻き線１１３の中性点
１１９の大地を基準とする電位、すなはち、中性点電位
Ｖ _NOは、通常、上述の電圧Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_Tの平均電圧
（数１）となる。

【０００９】

【数１】

【００１０】ゆえに、中性点電位Ｖ_NOには、上述の電圧
Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_T三相分を重ね合わせたコモンモードの電
圧が発生している。すなわち、中性点電位Ｖ_NOにはＰＷ
Ｍスイッチングパターン３相分を重ね合せた波形が発生
することになる。

【００１１】図９は、従来のインバータ駆動された誘導
機のコモンモード等価回路図である。図に示すように、
誘導機１１２には、巻き線１１３と固定子１２０との間
に結合容量１２１が存在し、また、巻き線１１３と回転
子１２２との間にも結合容量１２３が存在している。さ
らに、固定子１２０と回転子１２２との間にはエアーギ
ャップ容量１２４が存在している。ここでは、誘導機が
適当な回転数で回転して軸受装置１２５が流体潤滑モー
ドとなっている場合について考える。この場合、軸受装
置１２５は非導通状態となるが、巻き線１１３、結合容
量１２１、結合容量１２３、および、エアーギャップ容
量１２４によって図示するような閉じた回路系１２６が
構成される。インバータ１０１から巻き線１１３と固定
子１２０との間にコモンモード電圧_ei（ｔ）が印加され
ると、閉じた回路系１２６を介してエアーギャップ容量
１２４の両端に軸電圧_vrs（ｔ）が発生する。すなは
ち、インバータ１０１が供給するコモンモード電圧
_ei（ｔ）に対する閉じた回路系１２６の応答電圧として
軸電圧_vrs（ｔ）が発生する。

【００１２】図１０は、従来のインバータ駆動された誘
導機の簡略化コモンモード等価回路図である。図に示す
ように、巻き線１１３は、抵抗１２７とインダクタンス
１２８の直列回路に置き換えられている。巻き線１１３
と固定子１２０との間の結合容量１２１は結合容量１２
９、１３０に、巻き線１１３と回転子１２２との間の結
合容量１２３は結合容量１３１、１３２に簡略化されて
いる。固定子１２０と回転子１２２との間のエアーギャ
ップ容量１２４は、前述した巻き線１１３の抵抗１２７
とインダクタンス１２８と結合容量１２９〜１３２とで
閉じた回路系１２６を構成するように接続されている。
コモンモード電圧_ei（ｔ）が結合容量１２９の両端に印
可されると、閉じた回路系１２６を経てエアーギャップ
容量１２４の両端に軸電圧_vrs（ｔ）が発生する。すな
わち、インバータが供給するコモンモード電圧に対する
閉じた回路系１２６の応答電圧として軸電圧が発生す
る。同図で図示するように、抵抗１３３、インダクタン
ス１３４、およびスイッチ１３５は、軸受装置１２５の
等価回路を示すものである。誘導機１１２が停止または
低速で回転しているとき、軸受装置１２５は境界潤滑状
態となりスイッチ１３５は常に導通状態となり、エアー
ギャップ容量１２４には軸電圧は発生しない。誘導機１
１２が適当な回転数で回転しているとき、軸受装置１２
５は流体潤滑となりスイッチ１３５は普段は非導通状態
となるが、ときどき導通状態となる。ゆえに、軸受装置
１２５が流体潤滑となる場合では、軸受装置１２５が非
導通状態のとき、前述した理由からエアーギャップ容量
１２４に軸電圧が蓄積されるが、ときどき、軸受装置１
２５が導通状態となると、エアーギャップ容量１２４に
蓄積された軸電圧は、抵抗１３３、インダクタンス１３
４およびスイッチ１３５を経て放電する。このとき、抵
抗１３３、インダクタンス１３４、およびエアーギャッ
プ容量１２４より成る直列共振回路が構成されるが、エ
アーギャップ容量１２４に充電された軸電圧がこの直列
共振回路を経て流れる放電電流が放電モードのベアリン
グ電流となる。

【００１３】図１１は、コンピュータシュミレーション
を使って計算させた軸電圧の波形と、実際に測定した軸
電圧の波形を比較したタイムチャートである。

【００１４】図１１の（ｂ）は、図１０に示す簡略化コ
モンモード等価回路に適当な回路常数を設定し、図１１
の（ａ）で示す振幅Ｅ_d／３の階段状波形をコモンモー
ド電圧とした場合において、コンピュータシュミレーシ
ョンを使って、エアーギャップ容量１２４の両端に応答
電圧として発生する軸電圧を計算させた波形を示す。

【００１５】図１１の（ｃ）は、軸受装置１２５が常に
非導通状態となる場合において、実際に測定した軸電圧
の波形を示す。図を見て明らかなように、コンピュータ
シュミレーションにより計算した軸電圧（ｂ）は、実際
に測定した軸電圧（ｃ）とほとんど同等であり、簡易化
コモンモード等価回路に基づきコンピュータシュミレー
ションを使って計算した軸電圧波形が、実際の誘導機で
測定される軸電圧波形を良く再現していることがわか
る。

【００１６】図１０の簡易型コモンモード等価回路にお
いて、コモンモード電圧_ei（ｔ）に対する、軸電圧ｖ_rs
（ｔ）の応答を現す閉じた回路系１２６の伝達関数をＧ
（Ｓ）とすると、伝達関数Ｇ（Ｓ）は定義から以下の
（数２）で示す式となる。

【００１７】

【数２】

【００１８】ただし、Ｖ_rs（Ｓ）,Ｅ_i（Ｓ）は、それぞ
れ、ｖ_rs（ｔ）,_ei（ｔ）のラプラス変換式である。

【００１９】図１０の簡易型コモンモード等価回路にお
いて、Ｒ₁は抵抗１２７の抵抗、Ｌ₁はインダクタンス１
２８のインダクタンス、Ｃ₁₀は結合容量１２９の静電容
量、Ｃ₁₁は結合容量１３０の静電容量、Ｃ₂₀は結合容量
１３１の静電容量、Ｃ₂₁は結合容量１３２の静電容量、
Ｃ₃はエアーギャップ容量１２４の静電容量とおいて回
路方程式をたてた後、伝達関数Ｇ（Ｓ）について解く
と、伝達関数Ｇ（Ｓ）は以下の（数３）で示す式とな
る。

【００２０】

【数３】

【００２１】ここでζは減衰係数,ωnは角周波数,αは
係数,Ａは係数で、それぞれ（数４）,（数５）,（数
６），（数７）で示す式のことである。

【００２２】

【数４】

【００２３】

【数５】

【００２４】

【数６】

【００２５】

【数７】

【００２６】インバータより振幅Ｅ_d／３の階段状波形
が誘導機に印加された場合、すなわち、コモンンモード
電圧Ｅ_i（Ｓ）を（数８）としたとき

【００２７】

【数８】

【００２８】応答電圧として発生する軸電圧Ｖ_rs（Ｓ）
は（数３）および（数８）より（数９）となる。

【００２９】

【数９】

【００３０】（数９）の第１項は直流成分で、第２項は
２次遅れ要素だから、減衰係数ζの値が（数１０）とな
るとき

【００３１】

【数１０】

【００３２】軸電圧Ｖ_rs(Ｓ)は振動しつつ直流成分Ｖ
_rs0に収束する。

【００３３】減衰係数ζの値が（数１１）となるとき

【００３４】

【数１１】

【００３５】軸電圧Ｖ_rs(Ｓ)は非振動となり直流成分Ｖ
_rs0に収束する。

【００３６】ここで、直流成分Ｖ_rs0は（数１２）に示
す式のことである。

【００３７】

【数１２】

【００３８】ここで、（数１２）に（数５）、（数
６）、（数７）を代入すると（数１３）となる。

【００３９】

【数１３】

【００４０】図１２は、従来のインバータ駆動された誘
導機において、減衰係数ζの値の選び方によって変化す
る軸電圧の波形を説明した説明図である。

【００４１】図１２の（ａ）で示すような振幅Ｅ_d／３
の階段状波形がコモンモード電圧_ei（ｔ）として印加さ
れた場合、閉じた回路系１２６の応答電圧として発生す
る軸電圧Ｖ_rs（ｔ）は、２次遅れ要素のインデシャル応
答としての挙動を示す。すなはち、減衰係数ζが（数１
１）で示す範囲内にある場合、２次遅れ要素は過制動ま
たは臨界制動となるから、図１２の（ｂ）で図示するよ
うに、軸電圧Ｖｒｓ（ｔ）は非振動となり直流成分Ｖ
_rs0に収束する。次に、減衰係数ζが（数１０）で示す
範囲内にある場合、２次遅れ要素は不足制動となるか
ら、図１２の（c）で図示するように、軸電圧Ｖ
_rs（ｔ）は振動しつつ直流成分Ｖ_rs0に収束する。この
場合、減衰係数ζが１と比較して小さくなればなるほど
振動の程度も激しくなる。通常の誘導機では、減衰係数
ζは（数１０）の範囲内となり、軸電圧は振動しつつ直
流成分Ｖ_rs0に収束する。

【００４２】図１３は、従来のインバータ駆動された誘
導機について、最も大きなベアリング電流が発生する瞬
間におけるコモンモード電圧、軸電圧およびベアリング
電流を説明した説明図である。

【００４３】図１３の（ａ）で示すような振幅Ｅ_d／３
の階段状波形がコモンモード電圧_ei（ｔ）として誘導機
に印加された場合、図１２の（ｃ）で説明したのと同様
に、軸電圧Ｖ_rs（ｔ）は図１３の（b）で図示するよう
に、大きく振動しつつ直流成分Ｖ_rs0（測定結果からＶ
_rs0＝５Ｖ）に収束する。軸電圧Ｖ_rs（ｔ）が最大ピー
ク電圧Ｖ_rsmax（測定結果からＶ_rsmax＝４２Ｖ）となる
付近で軸受装置１２５が導通すると、エアーギャップ容
量１２４に充電された軸電圧は図１０の軸受装置１２５
の抵抗１３３、インダクタンス１３４、およびスイッチ
１３５を経て放電する。このとき抵抗１３３、インダク
タンス１３４およびエアーギャップ容量１２４より成る
直列共振回路が構成され、エアーギャップ容量に充電さ
れた軸電圧がこの直列共振回路を経て放電するとき流れ
る電流がベアリング電流となる。ベアリング電流ｉ
_b（ｔ）は、図１３の（ｃ）で図示したような減衰振動
波となるが、ベアリング電流の最大ピーク電流Ｉ
_bmax（測定結果からＩ_bmax＝５２０ｍＡ）は放電直前の
エアーギャップ容量１２４に充電された軸電圧に比例す
る。すなわち、放電直前にエアーギャップ容量１２４に
充電される軸電圧が大きいほど大きなベアリング電流が
得られる。ゆえに、軸電圧Ｖ_rs（ｔ）が最大ピーク電圧
Ｖ _rsmaxとなる付近で軸受装置１２５が導通すると、放
電直前でエアーギャップ容量に蓄積される軸電圧も最大
となるので、このとき最も大きなベアリング電流が発生
する。

【００４４】以上で述べたように、ＰＷＭインバータに
駆動された通常の誘導機では、軸電圧が大きく振動し、
軸電圧が最大ピーク電圧Ｖ_rsmaxとなる付近で軸受装置
が導通すると軸電圧の放電現象として発生するベアリン
グ電流は最も大きな振幅となり、軸受の摩耗、回転軸の
損傷、潤滑油の風化を招き、場合によっては軸受を損傷
または破壊することがある。従って、このような障害が
発生しないように、回転機にベアリング電流低減装置が
用いられている。通常、このベアリング電流低減装置と
しては、軸受部を絶縁する方法と回転軸を接地する方法
があるが、軸受部を絶縁する方法は、構造が複雑にな
り、組み立て工程に細心の注意を要し、工数が多くかか
り、かつ回転機によっては機械的構造上軸受部の絶縁が
できないものもあるので、通常は軸受部を絶縁するより
は簡単で、実施し易い回転軸を接地する方法が用いられ
ている。

【００４５】従来、この種のベアリング電流を低減する
ベアリング電流低減装置は、特開昭５８−７８７７０号
公報、特開昭５４−８８０１号広報、実開昭６３−１２
４０５７号広報、および実開昭５８―７８７６９号広報
に記載されたものが知られている。

【００４６】以下、その従来のベアリング電流低減装置
について図１４を参照しながら説明する。図に示すよう
に、従来の回転軸を接地する方式の軸電流低減装置１３
６はアースブラシホルダ１３７、アースブラシホルダ支
え１３８およびアースブラシ組立体１３９から構成され
ている。アースブラシホルダ支え１３８は、導電材料の
板材を略Ｌ字状に曲げて作られ、その略Ｌ字状の垂直返
の端部は、ベアリングブラケット１４０とベアリングブ
ラケット１４０に接合されたシールド玉軸受１４１より
成る軸受装置１２５のベアリングブラケット１４０の部
分にボルト１４２を介して取り付けられ、略Ｌ字状の水
平辺には後述するアースブラシホルダ１３７が取付けら
れている。ベアリングブラケット１４０は誘導機１１２
の金属筐体１４３にボルト１４４を介して取付けられて
いる。アースブラシホルダ１３７はホルダシャンク１
４５およびキャップ１４６より成り、ホルダシャンク１
４５はアースブラシホルダ支え１３８の水平返にねじま
たは半田付け等で固定され、その内側には後述するアー
スブラシ組立体１３９の取付け穴１４７が設けられてい
る。アースブラシ組み立体１３９はアースブラシ１４
８、ばね１４９、ピグテール１５０およびピグテール支
え１５１より成っている。従って、アースブラシホルダ
１３７のホルダシャンク１４５の取付け穴１４７にアー
スブラシ組立体１３９を挿入し、ホルダシャンク１４５
にキャップ１４６を取付ければ、アースブラシ１４８
は、ばね１４９を介して回転子軸１５２に押し付けられ
て接触し、回転子軸１５２は、常にアースブラシ１４
８、ピグテール１５０、ピグテール支え１５１、キャッ
プ１４６、ホルダシャンク１４５、アースブラシホルダ
支え１３８、ベアリングブラケット１４０および金属筐
体１４３を介して接地される。

【００４７】

【発明が解決しようとする課題】以上で述べたように、
従来のＰＷＭインバータに駆動された誘導機では、イン
バータ１０１より誘導機１１２の巻き線１１３にＲ相、
Ｓ相およびＴ相のＰＷＭスイッチングパターン三相分を
重ね合わせたコモンモード電圧が供給される。さらに、
巻き線１１３と固定子１２０との間の結合容量１２１、
巻き線１１３と回転子１２２との間の結合容量１２３、
および、固定子１２０と回転子１２２との間のエアーギ
ャップ容量によって閉じた回路系１２６か構成され、閉
じた回路系１２６の結合容量１２９に印加されるコモン
モード電圧に対する応答電圧として、エアーギャップ容
量１２４の両端に軸電圧が発生する。一般的な誘導機で
は、閉じた回路系１２６のコモンモード電圧に対する軸
電圧の応答を現す伝達関数Ｇ（Ｓ）は２次遅れ要素を含
み、減衰係数ζが１に比較してかなり小さな値となるた
め、インバータ１０１から立ち上がりの急峻な階段状波
形が印加されたとき、２次遅れ要素は不足制動となるた
め軸電圧は激しく振動し、軸電圧の最大ピーク電圧Ｖ
_rsmaxが大きくなる。軸電圧が最大ピーク電圧Ｖ_rsmaxと
なる付近で軸受装置が導通すると、軸電圧の放電現象と
して発生するベアリング電流も大きくなり、軸受の摩
耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化を招き、場合によって
は軸受装置を損傷または破壊するという問題があった。

【００４８】また、このような問題を解決するための従
来のベアリング電流低減装置では、アースブラシ１４８
は、ばね１４９より回転子軸１５２に押し付けられてい
るので、回転子軸１５２の表面を摩耗、損傷させないよ
うに、カーボンを主成分とした非常に軟質の導電材料で
作られているため摩耗が早く、早いものは２〜３箇月
で、長くても６〜７箇月でアースブラシを交換しなけれ
ばならないという欠点があった。

【００４９】以上述べたように、従来のＰＷＭインバー
タにより駆動された誘導機では、軸電圧が激しく振動す
るので、軸電圧の放電電流として発生するベアリング電
流も大きくなってしまうという課題があり、ベアリング
電流を低減または消滅させて軸受部の摩耗、回転軸の損
傷、潤滑油の風化、軸受装置の損傷または破壊を防止す
ることが要求されている。

【００５０】また、従来のベアリング電流低減装置で
は、ブラシの摩耗による保守を数箇月毎に行う必要があ
るという課題があり、長時間使用しても保守する必要な
くベアリング電流を低減できる低減方法が要求されてい
る。

【００５１】本発明は、このような従来の課題を解決す
るものであり、ベアリング電流を低減させて軸受部の摩
耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受装置の損傷また
は破壊を防止することができ、かつ、長時間使用しても
保守する必要なくベアリング電流を低減することができ
るベアリング電流低減装置を提供することを目的として
いる。

【００５２】

【課題を解決するための手段】本発明のベアリング電流
低減装置は上記目的を達成するために、回転機のベアリ
ング電流を低減するものにおいて、回転機の金属筐体に
導線を介して接続されるフレームと、回転機の回転子軸
に連結され軸受装置を介してフレームに取り付けられる
回転軸と、回転軸に対して垂直方向に回転軸に取り付け
られ回転軸断面と同じ大きさの円板部分を切り取った１
枚以上の回転円環と、回転軸に対して垂直方向にフレー
ムに取り付けられ回転軸の半径よりも大きな半径を持つ
円板部分を切り取った１枚以上の固定円環とを備え、前
記回転円環と前記固定円環とは、静電容量を生ずるよう
に非接触となる位置に交互に配置したことを特徴とする
回転機のベアリング電流低減装置としたものである。

【００５３】本発明によれば、ベアリング電流を低減さ
せて軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができ、また、長
時間使用しても保守する必要なくベアリング電流を低減
することができるベアリング電流低減装置が得られる。

【００５４】また他の手段は、回転機のベアリング電流
を低減するものにおいて、回転機の金属筐体に導線を介
して接続されるフレームと、回転機の回転子軸に連結さ
れ軸受装置を介してフレームに取り付けられる回転軸
と、回転軸に対して垂直方向に回転軸に取り付けられ回
転軸断面と同じ大きさの円板部分を切り取った１枚以上
の回転円環と、回転軸に対して同心円状にフレームに取
り付けられ回転軸の半径よりも大きな半径を持つ円柱部
分を切り取った１柱以上の固定中空円柱とを備え、前記
回転円環と前記固定中空円柱は、静電容量を生ずるよう
に非接触となる位置に交互に配置したことを特徴とする
回転機のベアリング電流低減装置としたものである。

【００５５】本発明によれば、ベアリング電流を低減さ
せて軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができ、また、長
時間使用しても保守する必要なくベアリング電流を低減
することができるベアリング電流低減装置が得られる。

【００５６】また他の手段は、回転機のベアリング電流
を低減するものにおいて、回転機の金属筐体に導線を介
して接続されるフレームと、回転機の回転子軸に連結さ
れ軸受装置を介してフレームに取り付けられる回転軸
と、回転軸に対して垂直方向に回転軸に取り付けられ回
転軸断面と同じ大きさの円板部分を切り取った１枚以上
の回転円環と、内輪部を回転軸に取付けた１個以上の軸
受装置と、回転軸に対して垂直方向に前記軸受装置の外
輪部に取り付けられ前記軸受装置の外輪部と同じ大きさ
の円板部分を切り取った前記軸受と同数の固定円環とを
備え、前記固定円環は隣接する固定円環間に導線を介し
て接続し、固定円環の１つは導線を介してフレームに固
定し、前記回転円環と前記固定円環は、静電容量を生ず
るように非接触となる位置に交互に配置したことを特徴
とする回転機のベアリング電流低減装置としたものであ
る。

【００５７】本発明によれば、ベアリング電流を低減さ
せて軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができ、また、長
時間使用しても保守する必要なくベアリング電流を低減
することができるベアリング電流低減装置が得られる。

【００５８】また他の手段は、回転機のベアリング電流
を低減するものにおいて、回転機の金属筐体に導線を介
して接続されるフレームと、回転機の回転子軸に連結さ
れ軸受装置を介してフレームに取り付けられる回転軸
と、回転軸に対して垂直方向に回転軸に取り付けられ回
転軸断面と同じ大きさの円板部分を切り取った回転支持
円環と、回転軸に対して同心円状に前記回転支持円環に
取り付けた半径の異なる１個以上の回転円筒と、回転軸
に対して垂直方向にフレームに取り付けられ回転軸の半
径よりも大きな半径を持つ円板部分を切り取った固定支
持円環と、回転軸に対して同心円状に前記固定支持円環
に取り付けた半径の異なる１個以上の固定円筒を備え、
前記固定円筒と前記回転円筒間は、静電容量を生ずるよ
うに非接触となる位置に交互に配置したことを特徴とす
る回転機のベアリング電流低減装置としたものである。

【００５９】本発明によれば、ベアリング電流を低減さ
せて軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができ、また、長
時間使用しても保守する必要なくベアリング電流を低減
することができるベアリング電流低減装置が得られる。

【００６０】

【発明の実施の形態】本発明は、フレームを回転機の金
属筐体と導線で接続した回転機の軸電流低減装置におい
て、回転軸に取り付けた回転円環をフレームに取り付け
た固定円環と非接触で接近した位置に配置させることに
よって回転円環と固定円環との間で静電容量を形成させ
るか、または、回転軸に取り付けた回転円環をフレーム
に取り付けた固定中空円柱と非接触で接近した位置に配
置させることによって回転円環と固定中空円柱との間で
静電容量を形成させるか、または、回転軸に取り付けた
回転円環を軸受装置を介して回転子軸に取り付け導線を
介してフレームに固定接続した固定円環と非接触で接近
した位置に配置させることによって回転円環と固定円環
との間で静電容量を形成させるか、または、回転軸に取
り付けた回転円筒をフレームに取り付けた固定円筒と非
接触で接近した位置に配置させることによって回転円筒
と固定円筒との間で静電容量を形成させて回転機の固定
子と回転子の間のエアーギャップ容量を補強するように
したものである。

【００６１】回転機の巻き線と固定子との間の結合容
量、巻き線と回転子との間の結合容量および固定子と回
転子との間のエアーギャップ容量によって構成される閉
じた回路系のコモンモード電圧に対する軸電圧の応答
は、２次遅れ要素を有する伝達関数として表現される
が、伝達関数の減衰係数ζを１に比較して十分大きな値
にとなるように、固定子と回転子との間のエアーギャッ
プ容量を十分大きな値に設定すれば、閉じた回路系の伝
達関数の２次遅れ要素を過制動で動作させることがで
き、軸電圧を振動させずに単調に増加させつつ直流成分
に収束させることが可能となる。さらに、固定子と回転
子との間のエアーギャップ容量を十分大きな値とするこ
とにより、軸電圧の収束値となる直流成分も減少するの
で、放電直前の軸電圧を小さく抑えることになり、軸電
圧の放電現象として発生するベアリング電流を低減する
ことができるという作用を有する。

【００６２】また、回転円板と固定円環、回転円板と固
定中空円柱、または、回転円筒と固定円筒とを非接触で
配置するようにしたものであり、従来のベアリング電流
低減装置のように軟質の導電材料で作られたアースブラ
シが回転軸に押し付けられて摩耗するような個所がない
ため、長時間使用しても保守する必要がないという作用
を有する。

【００６３】

【実施例】（実施例１）図１に示すように、フレーム１
は誘導機１１２の金属筐体１４３に導線２を介して接続
されている。回転軸３は誘導機１１２の回転子軸１５２
に連結されている。半径ｒ２の回転軸の断面と同じ大き
さの円板部分を切り取った外周半径ｒ₁の回転円環４
（５）は、回転軸３に対して垂直方向に回転軸３に取付
けられている。回転軸３の半径ｒ₂よりも大きな内周半
径ｒ₃の円板部分を切り取った外周半径ｒ₄の固定円環６
（７）は、回転軸３に対して垂直方向に回転円環４
（５）から距離ｄの間隔を隔てて内周半径ｒ₄のフレー
ム１の内壁に取付けられている。回転円環４,５、固定
円環６,７は、それぞれ、隣接する固定円環、回転円環
との間で静電容量を形成するように非接触で間隔ｄを隔
てて交互に配置されている。回転軸３に取り付けられた
軸受装置８は、ベアリングブラケット９とこれに接合さ
れたシールド玉軸受１０より成り、ベアリングブラケッ
ト９はボルト１１を介してフレーム１に取り付けられて
いる。

【００６４】回転円環４（５）と固定円環６（７）の重
なり合う部分の面積Ｓ₁（ｍ²）は（数１４）で示す面積
となる。

【００６５】

【数１４】

【００６６】回転円環４と固定円環６との間の静電容量
をＣ₁とおくと、Ｃ₁は（数１５）に示す値となる。

【００６７】

【数１５】

【００６８】ここで、ε₀は真空中の誘電率である。

【００６９】同様に、固定円環６と回転円環５との間の
静電容量、および、回転円環５と固定円環７との間の静
電容量はＣ₁に等しくなり、全ての回転円環と固定円環
との間で形成される合成静電容量Ｃ_zは（数１６）で示
す静電容量となる。

【００７０】

【数１６】

【００７１】以上の（数１４）、（数１５）、（数１
６）から全ての回転円環と固定円環との間で形成される
合成静電容量Ｃ_zは（数１７）で示す静電容量となる。

【００７２】

【数１７】

【００７３】実施例１の誘導機１１２の回転子と固定子
間のエアーギャップ容量Ｃ₃'は、全ての回転円環と固定
円環間で形成される合成静電容量Ｃ_zと、誘導機１１２
の固定子１２０と回転子１２２間のみで形成されるエア
ーギャップ容量Ｃ₃とを合成した静電容量となる。ゆえ
に、実施例１のエアーギャップ容量Ｃ₃'は（数１８）で
示す静電容量となる。

【００７４】

【数１８】

【００７５】軸電圧が非振動となるための条件は、従来
例で述べた（数４）のＣ₃をＣ₃'に置き換えて（数１
１）から（数１９）となる。

【００７６】

【数１９】

【００７７】（数１９）をＣ₃'について解くと（数２
０）となる。

【００７８】

【数２０】

【００７９】回転円環の外周半径ｒ₁，固定円環の内周
半径ｒ₃、回転円環と固定円環の間隔ｄ、または、回転
円環と固定円環の段数を適当に選んで、全ての回転円環
と固定円環との間で形成される合成静電容量Ｃ_zを十分
大きな静電容量に設定して、エアーギャップ容量Ｃ₃’
が（数２０）を満足できるようにすれば、減衰係数ζは
１以上となり、閉じた回路系１２６の伝達関数の２次遅
れ要素は過制動となり、軸電圧は振動せずに単調に増加
しつつ直流成分Ｖ_rs0に収束する。

【００８０】さらに、エアーギャップ容量Ｃ₃'を十分大
きな値に設定すると、（数１３）で明らかなように、軸
電圧の収束値である直流成分Ｖ_rs0が小さく抑えられる
ので、放電直前の軸電圧は常に小さく抑圧され、軸電圧
の放電現象として発生するベアリング電流も小さく抑え
ることができる。

【００８１】図２は実施例１のベアリング電流低減装置
を備えたインバータ駆動の誘導機におけるコモンモード
電圧、軸電圧およびベアリング電流を図示したタイムチ
ャートである。図２では、全ての回転円環と固定円環と
の間で形成される合成静電容をＣ_z＝４８０ｐＦに設定
した場合について説明している。

【００８２】図２の（ａ）で示すような階段状波形がコ
モンモード電圧として誘導機に印加されると、実施例１
では、軸電圧が非振動となる条件である（数２０）を満
足する十分大きなエアーギャップ容量Ｃ₃'が設定されて
いるので、軸電圧は、図２の（ｂ）で示すような非振動
で直流成分Ｖ_rs0に収束するような波形が得られる。エ
アーギャップ容量Ｃ₃'が十分大きいと、従来例で述べた
（数１３）で明らかなように、軸電圧の収束値である直
流成分Ｖ_rs0は小さく抑えられる。軸電圧が、このよう
な低レベルの直流成分Ｖ_rs0（測定結果からＶ_rs0＝５
Ｖ）で落ち着いている時、軸受がたまたま導通すると、
図２の（ｃ）に示すようなベアリング電流が流れるが、
放電直前の軸電圧が小さいので振幅の小さなベアリング
電流（測定結果からベアリング電流の最大波高値はＩ
_bmax＝６０ｍＡ）しか流れない。

【００８３】図３は、ベアリング電流低減装置を備えた
インバータ駆動の誘導機における合成静電容量Ｃ_zとベ
アリング電流の最大波高値Ｉ_bmaxとの関係を図示したグ
ラフである。図３のグラフは、実施例１のベアリング電
流低減装置を備えた誘導機において、全ての回転円環と
固定円環との間で形成される合成静電容量を適当なＣ _z
に設定したとき、軸受に流れるベアリング電流を観測
し、ベアリング電流の最大波高値Ｉ_bmaxを測定して、こ
れらの関係を図示したものである。図３から明らかなよ
うに、ベアリング電流低減装置が無い場合、すなはち回
転円冠と固定円冠の間で形成される静電容量Ｃ_zを零と
したとき、最大波高値が５２０ｍＡ程度のベアリング電
流が発生するが、回転円環と固定円環との間で形成され
る合成静電容量をＣ_z＝４８０ｐＦに設定したベアリン
グ電流低減装置を備えた誘導機において、ベアリング電
流の最大波高値はその約十分の一程度に抑圧されており
（Ｉ _bmax＝６０ｍＡ）効果的にベアリング電流が低減さ
れていることがわかる。

【００８４】（実施例２）図４に示すように、フレーム
１は誘導機１１２の金属筐体１４３に導線２を介して接
続されている。回転軸３は誘導機１１２の回転子軸１５
２に連結されている。半径ｒ２の回転軸の断面と同じ大
きさの円板部分を切り取った外周半径ｒ₁の回転円環４
（５）は、回転軸３に対して垂直方向に回転軸３に取付
けられている。回転軸３の半径ｒ₂よりも大きな内径ｒ₃
の円柱部分を取り去った外周半径ｒ₄の固定中空円柱１
２（１３）は、回転軸３に対して同心円状に回転円板４
（５）から距離ｄの間隔を隔てて内周半径がｒ₄のフレ
ーム１の内壁に取付けられている。回転円環４，５、固
定中空円柱１２，１３は、それぞれ、隣接する固定中空
円柱、回転円環との間で静電容量を生ずるように非接触
となるように間隔ｄを隔てて交互に配置されている。回
転軸３に取り付けられた軸受装置８は、ベアリングブラ
ケット９とこれに接合されたシールド玉軸受１０より成
り、ベアリングブラケット９はボルト１１を介してフレ
ーム１４３に取り付けられている。

【００８５】回転円環４（５）と固定中空円柱１２（１
３）の重なり合う部分の面積Ｓ₂（ｍ²）は（数２１）で
示す面積となる。

【００８６】

【数２１】

【００８７】回転円環１と固定中空円柱５との間の静電
容量をＣ₂とおくと、Ｃ₂は（数２２）に示す値となる。

【００８８】

【数２２】

【００８９】ここで、ε₀は真空中の誘電率である。

【００９０】同様に、固定中空円柱１２と回転円環５と
の間の静電容量、回転円環５と固定中空円柱１３との間
の静電容量はＣ₂に等しくなるので、全ての回転円環と
固定中空円柱との間で形成される合成静電容量Ｃ_zは
（数２３）で示す静電容量となる。

【００９１】

【数２３】

【００９２】以上の（数２１）、（数２２）、（数２
３）から全ての回転円環と固定中空円柱との間で形成さ
れる合成静電容量Ｃ_zは（数２４）で示す静電容量とな
る。

【００９３】

【数２４】

【００９４】実施例２において、実施例１と同様の理由
により、回転円環の外周半径ｒ₁，固定中空円柱の内周
半径ｒ₃，回転円環と固定中空円柱との間隔ｄ、また
は、回転円環と固定中空円柱の段数を適当に設定して、
全ての回転円環と固定中空円柱との間で形成される合成
静電容量Ｃ_zを十分大きな静電容量に設定して、固定子
と回転子との間のエアーギャップ容量Ｃ₃’を（数２
０）を満足する範囲に設定すれば、ベアリング電流を低
減することができる。以降、ベアリング電流を低減でき
る説明は実施例１と同様の説明となるので省略する。

【００９５】（実施例３）図５に示すように、フレーム
１は誘導機１１２の金属筐体１４３に導線２を介して接
続されている。回転軸３は誘導機１１２の回転子軸１５
２に連結されている。外周半径ｒ₂の回転軸の断面と同
じ大きさの円板部分を切り取った外周半径ｒ₁の回転円
環４（５）は、回転軸３に対して垂直方向に回転軸３に
取付けられている。軸受装置１４（１５）の内輪部１６
（１７）は、回転軸３に取付けられ、軸受装置１４（１
５）の外輪部１８（１９）の外周面に内接する半径ｒ₃
の円板部分を切り取った外周半径ｒ₅の固定円環２０
（２１）は、回転軸３に対して垂直方向に回転円環４
（５）と距離ｄの間隔を隔てた位置に軸受装置１４（１
５）の外周半径がｒ₃の外輪部１８（１９）の外周面に
取付けられている。回転円環４,５、固定円環２０,２１
は、それぞれ、隣接する固定円環、回転円環との間で静
電容量を生ずるように非接触となるように間隔ｄを隔て
て交互に配置されている。固定円環２０と固定円環２１
は導線２２を介して接続され、固定円環２１は導線２３
を介してフレーム１の内壁に固定接続されている。

【００９６】回転軸３に取り付けられた軸受装置８は、
ベアリングブラケット９とこれに接合されたシールド玉
軸受１０より成り、ベアリングブラケット９はボルト１
１を介してフレーム１に取り付けられている。

【００９７】回転円環４（５）と固定円環２０（２１）
の重なり合う部分の面積Ｓ₃（ｍ²）は（数２５）に示す
面積となる。

【００９８】

【数２５】

【００９９】回転円環４と固定円環２０との間の静電容
量をＣ₃とおくと、Ｃ₃は（数２６）に示す値となる。

【０１００】

【数２６】

【０１０１】ここで、ε₀は真空中の誘電率である。

【０１０２】同様に、固定円環２０と回転円環５との間
の静電容量、回転円環５と固定円環２１との間の静電容
量はＣ₃に等しくなるので、全ての回転円環と固定円環
との間で形成される合成静電容量Ｃ_zは（数２７）で示
す静電容量となる。

【０１０３】

【数２７】

【０１０４】以上の（数２５）、（数２６）、（数２
７）から全ての回転円環と固定円環との間で形成される
合成静電容量Ｃ_zは（数２８）で示す静電容量となる。

【０１０５】

【数２８】

【０１０６】実施例３において、実施例１と同様の理由
により、回転円環の外周半径ｒ₁，固定円環の内周半径
ｒ₃，回転円環と固定円環との間隔ｄ、または、回転円
環と固定中空円柱の段数を適当に設定して、全ての回転
円環と固定中空円柱との間で形成される合成静電容量Ｃ
_zを十分大きな静電容量に設定して、誘導機１１２の固
定子と回転子との間のエアーギャップ容量Ｃ₃'を（数２
０）を満足する範囲に設定すれば、ベアリング電流を低
減することができる。以降、ベアリング電流を低減でき
る説明は実施例１と同様の説明となるので省略する。

【０１０７】（実施例４）図６に示すように、フレーム
１は誘導機１１２の金属筐体１４３に導線２を介して接
続されている。回転軸３は誘導機１１２の回転子軸１５
２に連結されている。半径ｒ₂の回転軸３の断面と同じ
大きさの円板部分を切り取った外周半径ｒ₆の回転支持
円環２４は、回転軸３に対して垂直方向に回転軸３に取
付けられ、外周半径をｒ₆，内周半径をｒ₇とする回転円
筒２５、および、外周半径をｒ₈、内周半径をｒ₉とする
回転円筒２６は、回転軸３に対して同心円状に回転支持
円環２４に取付けられている。同様に、回転軸３の外周
半径ｒ₂よりも大きな半径ｒ₁ ₀の円板部分を切り取った
外周半径ｒ₄の固定支持円環２７は、回転軸３に対して
垂直方向に内周半径がｒ₄のフレーム１の内壁に取付け
られ、外周半径をｒ₁₁、内周半径をｒ₁₂とする固定円筒
２８、および、外周半径をｒ₁₃、内周半径をｒ₁₀とする
回転円筒２９は、回転軸３に対して同心円状に固定支持
円環２７に取付けられている。回転円環２５,２６、固
定円筒２８,２９は、それぞれ、隣接する固定円環、回
転円筒との間で静電容量を形成するように非接触となる
位置に交互に配置されている。回転軸３の軸受装置８
は、ベアリングブラケット９とこれに接合されたシール
ド玉軸受１０より成り、ベアリングブラケット９はボル
ト１１を介してフレーム１に取り付けられている。

【０１０８】回転円筒２５（２６）と固定円筒２８（２
９）の軸方向に重なり合う部分の長さをＬとすると、回
転円筒２５と固定円筒２８との間で形成される静電容量
Ｃ₄₁は（数２９）となる。

【０１０９】

【数２９】

【０１１０】固定円筒２８と回転円筒２６との間で形成
される静電容量Ｃ₄₂は（数３０）となる。

【０１１１】

【数３０】

【０１１２】回転円筒２６と固定円筒２９との間で形成
される静電容量Ｃ₄₃は（数３１なる。

【０１１３】

【数３１】

【０１１４】全ての回転円筒と固定円筒との間で形成さ
れる合成静電容量Ｃ_zは（数３２）で示す静電容量とな
る。

【０１１５】

【数３２】

【０１１６】全ての回転円筒と固定円筒との間で形成さ
れる合成静電容量Ｃ_zは（数２９），（数３０），（数
３１），（数３２）より（数３３）で示す静電容量とな
る。

【０１１７】

【数３３】

【０１１８】実施例４において、実施例１と同様の理由
により、回転円筒と固定円筒の内周半径ｒ₇，ｒ₉，
ｒ₁₂、外周半径ｒ₈，ｒ₁₁，ｒ₁₃、回転円筒２５,２６と
固定円筒２８,２９の軸方向に重なり合う部分の長さ
Ｌ、または、回転円筒と固定円筒の段数を適当に選ん
で、全ての回転円筒と固定円筒との間で形成される合成
静電容量Ｃ_zを十分大きな静電容量に設定して、誘導機
１１２の固定子と回転子との間のエアーギャップ容量Ｃ
₃'を（数２０）を満足する範囲に設定すれば、ベアリン
グ電流を低減することができる。以降、ベアリング電流
を低減できる説明は実施例１と同様の説明となるので省
略する。

【０１１９】

【発明の効果】以上の実施例から明らかなように、本発
明によれば、回転機の金属筐体とベアリング電流低減装
置を導線で接続し、実施例１の回転軸に取り付けられた
回転円環とフレームに取り付けられた固定円環、実施例
２の回転軸に取り付けられた回転円環とフレームに取り
付けられた固定中空円柱、実施例３の回転軸に取り付け
られた回転円環と軸受装置を介して回転軸に取付けられ
フレームに固定接続された固定円環、または、実施例４
の回転軸に取り付けた回転円筒とフレームに取り付けた
固定円筒を非接触で接近させて静電容量を形成し、回転
機の固定子と回転子との間のエアーギャップ容量を補強
することによって、インバータより誘導機に印加される
立ち上がりの急峻なコモンモード電圧の応答電圧として
発生する軸電圧を非振動で動作させ、この時同時に、軸
電圧の収束値となる直流成分も小さくなるので、放電直
前の軸電圧を著しく小さく抑えることができ、軸電圧の
放電現象として発生するベアリング電流を低減すること
ができ、軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、
軸受装置の損傷または破壊を防止することがでという効
果のあるベアリング電流低減装置を提供できる。

【０１２０】また、本発明によれば、実施例１の回転円
環と固定円環、実施例２の回転円環と固定中空円柱、実
施例３の回転円環と固定円環、または、実施例４の回転
円筒と固定円筒を非接触で接近させる事によってベアリ
ング電流を低減しているので、従来のベアリング電流低
減装置のように軟質の導電材料を回転軸に押し付けてい
るため、数ヶ月でブラシ交換を必要とするような保守の
必要なもくベアリング電流を低減することができるとい
う効果のあるベアリング電流低減装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のベアリング電流低減装置の
側面図

【図２】同ベアリング電流低減装置を備えたインバータ
駆動の誘導機におけるコモンモード電圧、軸電圧および
ベアリング電流を図示したタイムチャート

【図３】同ベアリング電流低減装置を備えたインバータ
駆動の誘導機における合成静電容量Ｃ_zとベアリング電
流の最大波高値Ｉ_bmaxとの関係を図示したグラフ

【図４】本発明の実施例２のベアリング電流低減装置の
側面図

【図５】本発明の実施例３のベアリング電流低減装置の
側面図

【図６】本発明の実施例４のベアリング電流低減装置の
側面図

【図７】従来のＰＷＭインバータに駆動された誘導機の
原理的回路図

【図８】従来のＰＷＭインバータに駆動された誘導機の
各部の波形を説明する説明図

【図９】従来のインバータ駆動された誘導機のコモンモ
ード等価回路図

【図１０】従来のインバータ駆動された誘導機の簡略化
コモンモード等価回路図

【図１１】従来のインバータ駆動された誘導機におい
て、コンピュータシュミレーションを使って計算させた
軸電圧の波形と、実際に測定した軸電圧の波形を比較し
たタイムチャート

【図１２】従来のインバータ駆動された誘導機におい
て、減衰係数ζの値の選び方によって変化する軸電圧の
波形を説明した説明図

【図１３】従来のインバータ駆動された誘導機につい
て、最も大きなベアリング電流が発生する瞬間における
コモンモード電圧、軸電圧およびベアリング電流を説明
した説明図

【図１４】従来のベアリング電流低減装置の側面図

【符号の説明】

１フレーム２導線３回転軸４回転円環５回転円環６固定円環７固定円環８軸受装置１２固定中空円柱１３固定中空円柱１４軸受装置１５軸受装置１６内輪部１７内輪部１８外輪部１９外輪部２０固定円環２１固定円環２２導線２３導線２４回転指示円環２５固定円筒２６固定円筒２７固定指示円環２８回転円筒２９回転円筒

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１月２５日（２０００．１．２
５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】回転機のベアリング電流低減装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【従来の技術】近年、誘導機を始めとする回転機を回転
数制御する方法としてインバータ等の電力変換機によっ
て駆動するのが一般的となってきた。インバータ駆動の
方式として電圧形ＰＷＭインバータが最も良く知られて
いる。この種のインバータ駆動方式では、変調正弦波信
号の振幅に比例したパルス幅の一定キャリア周期を持つ
矩形波状の電圧パルス列を誘導機に印加して、誘導機の
固定子巻き線に流れる電流を変調正弦波信号の周波数に
等しい正弦波が流れるようにして誘導機を駆動する。

【０００３】さて、最近の高速電力用半導体素子の発展
に伴って、電圧形ＰＷＭインバータのキャリア周波数の
高周波化が進み、インバータのスイッチング時に生じる
急峻な電圧変化に起因して発生する誘導機のベアリング
電流による軸受部の不具合が指摘されている。このベア
リング電流には、例えば、「ＰＷＭインバータによって
発生する誘導電動機のベアリング電流」（ショータン・
チェン、アイイーイーイー・トランザンクション・オン
・エナジーコンバージョン、１１号１巻ナンバー１、１
９９６年３月）（ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｄｕｃ
ｔｉｏｎＭｏｔｏｒＢｅａｒｉｎｇＣｕｒｒｅｎ
ｔｓＣａｕｓｅｄｂｙＰＷＭＩｎｖｅｒｔｅｒ
ｓ、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｎ
ｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．
１，Ｍａｒｃｈ１９９６）に紹介されているように、
振幅が最も大きく頻繁に発生する放電モードのベアリン
グ電流がある。この種のベアリング電流は、インバータ
から誘導機の巻き線に供給される立ち上がりの急峻なコ
モンモード電圧が、誘導機の巻き線と固定子間の結合容
量、巻き線と回転子間の結合容量および固定子と回転子
間のエアーギャップ容量によって構成される閉じた回路
系に印加されたときに発生する応答電圧として、固定子
と回転子間の静電容量に蓄積された静電圧の放電現象と
して発生するものである。固定子と回転子間の静電容量
に蓄積された軸電圧が、軸受部の油膜を絶縁破壊させて
軸受部を導通状態にさせ、軸受部を介して静電容量に蓄
積された軸電圧を放電させるとき流れる放電電流が放電
モードのベアリング電流である。

【０００６】図８の（ａ），（ｂ），（ｃ）はキャリア
波信号Ｖ_cと各相のインバータ指令値Ｕ_R、Ｕ_S、Ｕ_Tとの
比較により、インバータ１０１におけるＯＮ−ＯＦＦ制
御信号の形成を説明するものである。図８において、横
軸を時間軸にとり、図８の（ａ），（ｂ），（ｃ）の太
線で図示された正弦波がインバータ１０１のＲＳ、Ｔ各
相のインバータ指令値（Ｕ_R，Ｕ_S，Ｕ_T）を示す。同図
上に三角波状の細線で示された波形がキャリア波信号Ｖ
_Cである。キャリア波信号Ｖ_Cがインバータ指令値Ｕ_R、
Ｕ_S、Ｕ_Tよりも低いときは、該当するスイッチング素子
１０２〜１０４側が導通し、スイッチング素子１０５〜
１０７側が非導通となる。逆に、キャリア波信号Ｖ_Cが
インバータ指令値Ｕ_R、Ｕ_S、Ｕ_Tよりも高いときは、該
当するスイッチング素子１０２〜１０４側が非導通とな
り、スイッチング素子１０５〜１０７側が導通となる。

【０００７】図８の（ｄ），（ｅ），（ｆ）は図７に図
示されるスイッチング素子のアーム対（１０２，１０
５），（１０３，１０６），（１０４，１０７）の中間
点と大地との間に形成される電圧Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_Tを示
す。説明の簡略化のため図８の（ａ），（ｂ）でＲ相に
おける関係について説明する。キャリア波電圧Ｖ_Cがイ
ンバータ指令値Ｕ_Rより高いときは、スイッチング素子
１０５が導通しアーム対（１０２，１０５）と大地間の
電圧Ｖ_Rは零となる。尚、Ｅ_dは直流電流１０８の両端の
電圧値である。次に、キャリア波電圧Ｖ_Cがインバータ
指令値Ｕ_Rより低いときは、スイッチング素子１０２が
導通しアーム対（１０２，１０５）と大地間の電圧Ｖ_R
は＋Ｅ_dとなる。

【０００８】図８の（Ｇ）は巻き線１１３に印可される
コモンモード電圧の関係を示す。

【０００９】巻き線１１３の中性点１１９の大地を基準
とする電位、すなわち、中性点電位Ｖ_NOは、通常、上述
の電圧Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_Tの平均電圧（数１）となる。

【００１０】

【数１】

【００１１】ゆえに、中性点電位Ｖ_NOには、上述の電圧
Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_T三相分を重ね合わせたコモンモードの電
圧が発生している。すなわち、中性点電位Ｖ_NOにはＰＷ
Ｍスイッチングパターン３相分を重ね合せた波形が発生
することになる。

【００１２】図９は、従来のインバータ駆動された誘導
機のコモンモード等価回路図である。図に示すように、
誘導機１１２には、巻き線１１３と固定子１２０との間
に結合容量１２１が存在し、また、巻き線１１３と回転
子１２２との間にも結合容量１２３が存在している。さ
らに、固定子１２０と回転子１２２との間にはエアーギ
ャップ容量１２４が存在している。ここでは、誘導機が
適当な回転数で回転して軸受装置１２５が流体潤滑モー
ドとなっている場合について考える。この場合、軸受装
置１２５は非導通状態となるが、巻き線１１３、結合容
量１２１、結合容量１２３、および、エアーギャップ容
量１２４によって図示するような閉じた回路系１２６が
構成される。インバータ１０１から巻き線１１３と固定
子１２０との間にコモンモード電圧ｅ_i（ｔ）が印加さ
れると、閉じた回路系１２６を介してエアーギャップ容
量１２４の両端に軸電圧Ｖ_rs（ｔ）が発生する。すなわ
ち、インバータ１０１が供給するコモンモード電圧ｅ_i
（ｔ）に対する閉じた回路系１２６の応答電圧として軸
電圧Ｖ_rs（ｔ）が発生する。

【００１３】図１０は、従来のインバータ駆動された誘
導機の簡略化コモンモード等価回路図である。図に示す
ように、巻き線１１３は、抵抗１２７とインダクタンス
１２８の直列回路に置き換えられている。巻き線１１３
と固定子１２０との間の結合容量１２１は結合容量１２
９、１３０に、巻き線１１３と回転子１２２との間の総
合容量１２３は結合容量１３１、１３２に簡略化されて
いる。固定子１２０と回転子１２２との間のエアーギャ
ップ容量１２４は、前述した巻き線１１３の抵抗１２７
とインダクタンス１２８と結合容量１２９〜１３２とで
閉じた回路系１２６を構成するように接続されている。
コモンモード電圧ｅ_i（ｔ）が結合容量１２９の両端に
印可されると、閉じた回路系１２６を経てエアーギャッ
プ容量１２４の両端に軸電圧Ｖ_rs（ｔ）が発生する。す
なわち、インバータが供給するコモンモード電圧に対す
る閉じた回路系１２６の応答電圧として軸電圧が発生す
る。同図で図示するように、抵抗１３３、インダクタン
ス１３４、およびスイッチ１３５は、軸受装置１２５の
等価回路を示すものである。誘導機１１２が停止または
低速で回転しているとき、軸受装置１２５は境界潤滑状
態となりスイッチ１３５は常に導通状態となり、エアー
ギャップ容量１２４には軸電圧は発生しない。誘導機１
１２が適当な回転数で回転しているとき、軸受装置１２
５は流体潤滑となりスイッチ１３５は普段は非導通状態
となるが、ときどき導通状態となる。ゆえに、軸受装置
１２５が流体潤滑となる場合では、軸受装置１２５が非
導通状態のとき、前述した理由からエアーギャップ容量
１２４に軸電圧が蓄積されるが、ときどき、軸受装置１
２５が導通状態となると、エアーギャップ容量１２４に
蓄積された軸電圧は、抵抗１３３，インダクタンス１３
４およびスイッチング１３５を経て放電する。このと
き、抵抗１３３，インダクタンス１３４、およびエアー
ギャップ容量１２４より成る直列共振回路が構成される
が、エアーギャップ容量１２４に充電された軸電圧がこ
の直列共振回路を経て流れる放電電流が放電モードのベ
アリング電流となる。

【００１４】図１１は、コンピュータシュミレーション
を使って計算させた軸電圧の波形と、実際に測定した軸
電圧の波形を比較したタイムチャートである。

【００１５】図１１の（ｂ）は、図１０に示す簡略化コ
モンモード等価回路に適当な回路常数を設定し、図１１
の（ａ）で示す振幅Ｅ_d／３の階段状波形をコモンモー
ド電圧とした場合において、コンピュータシュミレーシ
ョンを使って、エアーギャップ容量１２４の両端に応答
電圧として発生する軸電圧を計算させた波形を示す。

【００１６】図１１の（ｃ）は、軸受装置１２５が常に
非導通状態となる場合において、実際に測定した軸電圧
の波形を示す。図を見て明らかなように、コンピュータ
シュミレーションにより計算した軸電圧（ｂ）は、実際
に測定した軸電圧（ｃ）とほとんど同等であり、簡易化
コモンモード等価回路に基づきコンピュータシュミレー
ションを使って計算した軸電圧波形が、実際の誘導機で
測定される軸電圧波形を良く再現していることがわか
る。

【００１７】図１０の簡易型コモンモード等価回路にお
いて、コモンモード電圧ｅ_i（ｔ）に対する、軸電圧Ｖ
_rs（ｔ）の応答を現す閉じた回路系１２６の伝達関数を
Ｇ（Ｓ）とすると、伝達関数Ｇ（Ｓ）は定義から以下の
（数２）で示す式となる。

【００１８】

【数２】

【００１９】ただし、Ｖ_rs（Ｓ），Ｅ_i（Ｓ）は、それ
ぞれ、Ｖ_rs（ｔ），ｅ_i（ｔ）のラプラス変換式であ
る。

【００２０】図１０の簡易型コモンモード等価回路にお
いて、Ｒ₁は抵抗１２７の抵抗、Ｌ₁はインダクタンス１
２８のインダクタンス、Ｃ₁₀は結合容量１２９の静電容
量、Ｃ₁₁は結合容量１３０の静電容量、Ｃ₂₀は結合容量
１３１の静電容量、Ｃ₂₁は結合容量１３２の静電容量、
Ｃ₃はエアーギャップ容量１２４の静電容量とおいて回
路方程式をたてた後、伝達関数Ｇ（Ｓ）について解く
と、伝達関数Ｇ（Ｓ）は以下の（数３）で示す式とな
る。

【００２１】

【数３】

【００２２】ここでζは減衰係数，ω_nは角周波数，α
は係数，Ａは係数で、それぞれ（数４），（数５），
（数６），（数７）で示す式のことである。

【００２３】

【数４】

【００２４】

【数５】

【００２５】

【数６】

【００２６】

【数７】

【００２７】インバータより振幅Ｅ_d／３の階段状波形
が誘導機に印加された場合、すなわち、コモンモード電
圧Ｅ_i（Ｓ）を（数８）としたとき

【００２８】

【数８】

【００２９】応答電圧として発生する軸電圧Ｖ_rs（Ｓ）
は（数３）および（数８）より（数９）となる。

【００３０】

【数９】

【００３１】（数９）の第１項は直流成分で、第２項は
２次遅れ要素だから、減衰係数ζの値が（数１０）とな
るとき

【００３２】

【数１０】

【００３３】軸電圧Ｖ_rs（Ｓ）は振動しつつ直流成分Ｖ
_rs0に収束する。

【００３４】減衰係数ζの値が（数１１）となるとき

【００３５】

【数１１】

【００３６】軸電圧Ｖ_rs（Ｓ）は非振動となり直流成分
Ｖ_rs0に収束する。

【００３７】ここで、直流成分Ｖ_rs0は（数１２）に示
す式のことである。

【００３８】

【数１２】

【００３９】ここで、（数１２）に（数５）、（数
６）、（数７）を代入すると（数１３）となる。

【００４０】

【数１３】

【００４１】図１２は、従来のインバータ駆動された誘
導機において、減衰係数ζの値の選び方によって変化す
る軸電圧の波形を説明した説明図である。

【００４２】図１２の（ａ）で示すような振幅Ｅ_d／３
の階段状波形がコモンモード電圧ｃ_i（ｔ）として印加
された場合、閉じた回路系１２６の応答電圧として発生
する軸電圧Ｖ_rs（ｔ）は、２次遅れ要素のインデシャル
応答としての挙動を示す。すなわち、減衰係数ζが（数
１１）で示す範囲内にある場合、２次遅れ要素は過制動
または臨界制動となるから、図１２の（ｂ）で図示する
ように、軸電圧Ｖ_rs（ｔ）は非振動となり直流成分Ｖ
_rs0に収束する。次に、減衰係数ζが（数１０）で示す
範囲内にある場合、２次遅れ要素は不足制動となるか
ら、図１２の（ｃ）で図示するように、軸電圧Ｖ
_rs（ｔ）は振動しつつ直流成分Ｖ_rs0に収束する。この
場合、減衰係数ζが１と比較して小さくなればなるほど
振動の程度も激しくなる。通常の誘導機では、減衰係数
ζは（数１０）の範囲内となり、軸電圧は振動しつつ直
流成分Ｖ_rs0に収束する。

【００４３】図１３は、従来のインバータ駆動された誘
導機について、最も大きなベアリング電流が発生する瞬
間におけるコモンモード電圧、軸電圧およびベアリング
電流を説明した説明図である。

【００４４】図１３の（ａ）で示すような振幅Ｅ_d／３
の階段状波形がコモンモード電圧ｅ_i（ｔ）として誘導
機に印加された場合、図１２の（ｃ）で説明したのと同
様に、軸電圧Ｖ_rs（ｔ）は図１３の（ｂ）で図示するよ
うに、大きく振動しつつ直流成分Ｖ_rs0（測定結果から
Ｖ_rs0＝５Ｖ）に収束する。軸電圧Ｖ_rs（ｔ）が最大ピ
ーク電圧Ｖ_rsmax（測定結果からＶ_rsmax ４２Ｖ）とな
る付近で軸受装置１２５が導通すると、エアーギャップ
容量１２４に充電された軸電圧は図１０の軸受装置１２
５の抵抗１３３、インダクタンス１３４、およびスイッ
チ１３５を経て放電する。このとき抵抗１３３、インダ
クタンス１３４およびエアーギャップ容量１２４より成
る直列共振回路が構成され、エアーギャップ容量に充電
された軸電圧がこの直列共振回路を経て放電するとき流
れる電流がベアリング電流となる。ベアリング電流ｉ_b
（ｔ）は、図１３の（ｃ）で図示したような減衰振動波
となるが、ベアリング電流の最大ピーク電流Ｉ_bmax（測
定結果からＩ_bmax＝５２０ｍＡ）は放電直前のエアーギ
ャップ容量１２４に充電された軸電圧に比例する。すな
わち、放電直前にエアーギャップ容量１２４に充電され
る軸電圧が大きいほど大きなベアリング電流が得られ
る。ゆえに、軸電圧Ｖ_rs（ｔ）が最大ピーク電圧Ｖ
_rsmaxとなる付近で軸受装置１２５が導通すると、放電
直前でエアーギャップ容量に蓄積される軸電圧も最大と
なるので、このとき最も大きなベアリング電流が発生す
る。

【００４５】以上で述べたように、ＰＷＭインバータに
駆動された通常の誘導機では、軸電圧が大きく振動し、
軸電圧が最大ピーク電圧Ｖ_rsmaxとなる付近で軸受装置
が導通すると軸電圧の放電現象として発生するベアリン
グ電流は最も大きな振幅となり、軸受の摩耗、回転軸の
損傷、潤滑油の風化を招き、場合によっては軸受を損傷
または破壊することがある。従って、このような障害が
発生しないように、回転機にベアリング電流低減装置が
用いられている。通常、このベアリング電流低減装置と
しては、軸受部を絶縁する方法と回転軸を接地する方法
があるが、軸受部を絶縁する方法は、構造が複雑にな
り、組み立て工程に細心の注意を要し、工数が多くかか
り、かつ回転機によっては機械的構造上軸受部の絶縁が
できないものもあるので、通常は軸受部を絶縁するより
は簡単で、実施し易い回転軸を接地する方法が用いられ
ている。

【００４６】従来、この種のベアリング電流を低減する
ベアリング電流低減装置は、特開昭５８−７８７７０号
公報、特開昭５４−８８０１号公報、実開昭６３−１２
４０５７号公報、および実開昭５８−７８７６９号公報
に記載されたものが知られている。

【００４７】以下、その従来のベアリング電流低減装置
について図１４を参照しながら説明する。図に示すよう
に、従来の回転軸を接地する方式の軸電流低減装置１３
６はアースブラシホルダ１３７、アースブラシホルダ支
え１３８およびアースブラシ組立体１３９から構成され
ている。アースブラシホルダ支え１３８は、導電材料の
板材を略Ｌ字状に曲げて作られ、その略Ｌ字状の垂直返
の端部は、ベアリングブラケット１４０とベアリングブ
ラケット１４０に接合されたシールド玉軸受１４１より
成る軸受装置１２５のベアリングブラケット１４０の部
分にボルト１４２を介して取り付けられ、略Ｌ字状の水
平辺には後述するアースブラシホルダ１３７が取付けら
れている。ベアリングブラケット１４０は誘導機１１２
の金属筐体１４３にボルト１４４を介して取付られてい
る。アースブラシホルダ１３７はホルダシャンク１４５
およびキャップ１４６より成り、ホルダシャンク１４５
はアースブラシホルダ支え１３８の水平返にねじまたは
半田付け等で固定され、その内側には後述するアースブ
ラシ組立体１３９の取付け穴１４７が設けられている。
アースブラシ組み立体１３９はアースブラシ１４８、ば
ね１４９、ピグテール１５０およびピグテール支え１５
１より成っている。従って、アースブラシホルダ１３７
のホルダシャンク１４５の取付け穴１４７にアースブラ
シ組立体１３９を挿入し、ホルダシャンク１４５にキャ
ップ１４６を取付ければ、アースブラシ１４８は、ばね
１４９を介して回転子軸１５２に押し付けられて接触
し、回転子軸１５２は、常にアースブラシ１４８、ピグ
テール１５０、ピグテール支え１５１、キャップ１４
６、ホルダシャンク１４５、アースブラシホルダ支え１
３８、ベアリングブラケット１４０および金属筐体１４
３を介して接地される。

【００４８】

【発明が解決しようとする課題】以上で述べたように、
従来のＰＷＭインバータに駆動された誘導機では、イン
バータ１０１より誘導機１１２の巻き線１１３にＲ相、
Ｓ相およびＴ相のＰＷＭスイッチングパターン三相分を
重ね合わせたコモンモード電圧が供給される。さらに、
巻き線１１３と固定子１２０との間の結合容量１２１、
巻き線１１３と回転子１２２との間の結合容量１２３、
および、固定子１２０と回転子１２２との間のエアーギ
ャップ容量によって閉じた回路系１２６が構成され、閉
じた回路系１２６の結合容量１２９に印加されるコモン
モード電圧に対する応答電圧として、エアーギャップ容
量１２４の両端に軸電圧が発生する。一般的な誘導機で
は、閉じた回路系１２６のコモンモード電圧に対する軸
電圧の応答を現す伝達関数Ｇ（Ｓ）は２次遅れ要素を含
み、減衰係数ζが１に比較してかなり小さい値となるた
め、インバータ１０１から立ち上がりの急峻な階段状波
形が印加されたとき、２次遅れ要素は不足制動となるた
め軸電圧は激しく振動し、軸電圧の最大ピーク電圧Ｖ
_rsmaxが大きくなる。軸電圧が最大ピーク電圧Ｖ_rsmaxと
なる付近で軸受装置が導通すると、軸電圧の放電現象と
して発生するベアリング電流も大きくなり、軸受の摩
耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化を招き、場合によって
は軸受装置を損傷または破壊するという問題があった。

【００４９】また、このような問題を解決するための従
来のベアリング電流低減装置では、アースブラシ１４８
は、ばね１４９より回転子軸１５２に押し付けられてい
るので、回転子軸１５２の表面を摩耗、損傷させないよ
うに、カーボンを主成分とした非常に軟質の導電材料で
作られているため摩耗が早く、早いものは２〜３箇月
で、長くても６〜７箇月でアースブラシを交換しなけれ
ばならないという欠点があった。

【００５０】以上述べたように、従来のＰＷＭインバー
タにより駆動された誘導機では、軸電圧が激しく振動す
るので、軸電圧の放電電流として発生するベアリング電
流も大きくなってしまうという課題があり、ベアリング
電流を低減または消滅させて軸受部の摩耗、回転軸の損
傷、潤滑油の風化、軸受装置の損傷または破壊を防止す
ることが要求されている。

【００５１】また、従来のベアリング電流低減装置で
は、ブラシの摩耗による保守を数箇月毎に行う必要があ
るという課題があり、長時間使用しても保守する必要な
くベアリング電流を低減できる低減方法が要求されてい
る。

【００５２】本発明は、このような従来の課題を解決す
るものであり、ベアリング電流を低減させて軸受部の摩
耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受装置の損傷また
は破壊を防止することができ、かつ、長時間使用しても
保守する必要なくベアリング電流を低減することができ
るベアリング電流低減装置を提供することを目的として
いる。

【００５３】

【課題を解決するための手段】本発明のベアリング電流
低減装置は上記目的を達成するために、回転機のベアリ
ング電流を低減するものにおいて、回転機の金属筐体に
導線を介して接続されるフレームと、回転機の回転子軸
に連結され軸受装置を介してフレームを取り付けられる
回転軸と、回転軸に対して垂直方向に回転軸に取り付け
られ回転軸断面と同じ大きさの円板部分を切り取った１
枚以上の回転円環と、内輪部を回転軸に取付けた１個以
上の軸受装置と、回転軸に対して垂直方向に前記軸受装
置の外輪部に取り付けられ前記軸受装置の外輪部と同じ
大きさの円板部分を切り取った前記軸受と同数の固定円
環とを備え、前記固定円環は隣接する固定円環間に導線
を介して接続し、固定円環の１つは導線を介してフレー
ムに固定し、前記回転円環と前記固定円環は、静電容量
を生ずるように非接触となる位置に交互に配置したこと
を特徴とする回転機のベアリング電流低減装置としたも
のである。

【００５４】本発明によれば、ベアリング電流を低減さ
せて軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができ、また、長
時間使用しても保守する必要なくベアリング電流を低減
することができるベアリング電流低減装置が得られる。

【００５５】また他の手段は、回転機のベアリング電流
を低減するものにおいて、回転機の金属筐体に導線を介
して接続されるフレームと、回転機の回転子軸に連結さ
れ軸受装置を介してフレームに取り付けられる回転軸
と、回転軸に対して垂直方向に回転軸に取り付けられ回
転軸断面と同じ大きさの円板部分を切り取った回転支持
円環と、回転軸に対して同心円状に前記回転支持円環に
取り付けた半径の異なる１個以上の回転円筒と、回転軸
に対して垂直方向にフレームに取り付けられ回転軸の半
径よりも大きな半径を持つ円板部分を切り取った固定支
持円環と、回転軸に対して同心円状に前記固定支持円環
に取り付けた半径の異なる１個以上の固定円筒を備え、
前記固定円筒と前記回転円筒間は、静電容量を生ずるよ
うに非接触となる位置に交互に配置したことを特徴とす
る回転機のベアリング電流低減装置としたものである。

【００５６】本発明によれば、ベアリング電流を低減さ
せて軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができ、また、長
時間使用しても保守する必要なくベアリング電流を低減
することができるベアリング電流低減装置が得られる。

【００５７】

【発明の実施の形態】本発明は、フレームを回転機の金
属筐体と導線で接続した回転機の軸電流低減装置におい
て、回転軸に取り付けた回転円環を軸受装置を介して回
転子軸に取り付け導線を介してフレームに固定接続した
固定円環と非接触で接近した位置に配置させることによ
って回転円環と固定円環との間で静電容量を形成させる
か、または、回転軸に取り付けた回転円筒をフレームに
取り付けた固定円筒と非接触で接近した位置に配置させ
ることによって回転円筒と固定円筒との間で静電容量を
形成させて回転機の固定子と回転子の間のエアーギャッ
プ容量を補強するようにしたものである。

【００５８】回転機の巻き線と固定子との間の結合容
量、巻き線と回転子との間の結合容量および固定子と回
転子との間のエアーギャップ容量によって構成される閉
じた回路系のコモンモード電圧に対する軸電圧の応答
は、２次遅れ要素を有する伝達関数として表現される
が、伝達関数の減衰係数ζを１に比較して十分大きな値
にとなるように、固定子と回転子との間のエアーギャッ
プ容量を十分大きな値に設定すれば、閉じた回路系の伝
達関数の２次遅れ要素を過制動で動作させることがで
き、軸電圧を振動させずに単調に増加させつつ直流成分
に収束させることが可能となる。さらに、固定子と回転
子との間のエアーギャップ容量を十分大きな値とするこ
とにより、軸電圧の収束値となる直流成分も減少するの
で、放電直前の軸電圧を小さく抑えることになり、軸電
圧の放電現象として発生するベアリング電流を低減する
ことができるという作用を有する。

【００５９】また、回転円環と固定円環、または、回転
円筒と固定円筒とを非接触で配置するようにしたもので
あり、従来のベアリング電流低減装置のように軟質の導
電材料で作られたアースブラシが回転軸に押し付けられ
て摩耗するような個所がないため、長時間使用しても保
守する必要がないという作用を有する。

【００６０】

【実施例】軸電圧が非振動になる例を例１として以下説
明する。

【００６１】図１に示すように、フレーム１は誘導機１
１２の金属筐体１４３に導線２を介して接続されてい
る。回転軸３は誘導機１１２の回転子軸１５２に連結さ
れている。半径ｒ₂の回転軸の断面と同じ大きさの円板
部分を切り取った外周半径ｒ₁の回転円環４（５）は、
回転軸３に対して垂直方向に回転軸３に取付けられてい
る。回転軸３の半径ｒ₂よりも大きさ内周半径ｒ₃の円板
部分を切り取った外周半径ｒ₄の固定円環６（７）は、
回転軸３に対して垂直方向に回転円環４（５）から距離
ｄの間隔を隔てて内周半径ｒ₄のフレーム１の内壁に取
付けられている。回転円環４，５、固定円環６，７は、
それぞれ、隣接する固定円環、回転円環との間で静電容
量を形成するように非接触で間隔ｄを隔てて交互に配置
されている。回転軸３に取り付けられた軸受装置８は、
ベアリングブラケット９とこれに接合されたシールド玉
軸受１０より成り、ベアリングブラケット９はボルト１
１を介してフレーム１に取り付けられている。

【００６２】回転円環４（５）と固定円環６（７）の重
なり合う部分の面積Ｓ₁（ｍ²）は（数１４）で示す面積
となる。

【００６３】

【数１４】

【００６４】回転円環４と固定円環６との間の静電容量
をＣ₁とおくと、Ｃ₁は（数１５）に示す値となる。

【００６５】

【数１５】

【００６６】ここで、ε₀は真空中の誘電率である。

【００６７】同様に、固定円環６と回転円環５との間の
静電容量、および、回転円環５と固定円環７との間の静
電容量はＣ₁に等しくなり、全ての回転円環と固定円環
との間で形成される合成静電容量Ｃ_zは（数１６）で示
す静電容量となる。

【００６８】

【数１６】

【００６９】以上の（数１４）、（数１５）、（数１
６）から全ての回転円環と固定円環との間で形成される
合成静電容量Ｃ_zは（数１７）で示す静電容量となる。

【００７０】

【数１７】

【００７１】誘電機１１２の回転子と固定子間のエアー
ギャップ容量Ｃ₃′は、全ての回転円環と固定円環間で
形成される合成静電容量Ｃ_zと、誘導機１１２の固定子
１２０と回転子１２２間のみで形成されるエアーギャッ
プ容量Ｃ₃とを合成した静電容量となる。ゆえに、エア
ーギャップ容量Ｃ₃′は（数１８）で示す静電容量とな
る。

【００７２】

【数１８】

【００７３】軸電圧が非振動となるための条件は、従来
例で述べた（数４）のＣ₃とＣ₃′に置き換えて（数１
１）から（数１９）となる。

【００７４】

【数１９】

【００７５】（数１９）をＣ₃′について解くと（数２
０）となる。

【００７６】

【数２０】

【００７７】回転円環の外周半径ｒ₁、固定円環の内周
半径ｒ₃、回転円環と固定円環の間隔ｄ、または、回転
円環と固定円環の段数を適当に選んで、全ての回転円環
と固定円環との間で形成される合成静電容量Ｃ_zを十分
大きな静電容量に設定して、エアーギャップ容量Ｃ₃′
が（数２０）を満足できるようにすれば、減数係数ζは
１以上となり、閉じた回路系１２６の伝達関数の２次遅
れ要素は過制動となり、軸電圧は振動せずに単調に増加
しつつ直流成分Ｖ_rs0に収束する。

【００７８】さらに、エアーギャップ容量Ｃ₃′を十分
大きな値に設定すると、（数１３）で明らかなように、
軸電圧の収束値である直流成分Ｖ_rs0が小さく抑えられ
るので、放電直前の軸電圧は常に小さく抑圧され、軸電
圧の放電現象として発生するベアリング電流も小さく抑
えることができる。

【００７９】図２はベアリング電流低減装置を備えたイ
ンバータ駆動の誘導機におけるコモンモード電圧、軸電
圧およびベアリング電流を図示したタイムチャートであ
る。図２では、全ての回転円環と固定円環との間で形成
される合成静電容量をＣ₂−４８０ｐＦに設定した場合
について説明している。

【００８０】図２の（ａ）で示すような階段状波形がコ
モンモード電圧として誘導機に印加されると、軸電圧が
非振動となる条件である（数２０）を満足する十分大き
なエアーギャップ容量Ｃ₃′が設定されているので、軸
電圧は、図２の（ｂ）で示すような非振動で直流成分Ｖ
_rs0に収束するような波形が得られる。エアーギャップ
容量Ｃ₃′が十分大きいと、従来例で述べた（数１３）
で明らかなように、軸電圧の収束値である直流成分Ｖ
_rs0は小さく抑えられる。軸電圧が、このような低レベ
ルの直流成分Ｖ_rs0（測定結果からＶ_rs0＝５Ｖ）で落ち
着いている時、軸受がたまたま導通すると、図２の
（ｃ）に示すようなベアリング電流が流れるが、放電直
前の軸電圧が小さいので振幅の小さなベアリング電流
（測定結果からベアリング電流の最大波高値はＩ_bmax＝
６０ｍＡ）しか流れない。

【００８１】図３は、ベアリング電流低減装置を備えた
インバータ駆動の誘導機における合成静電容量Ｃ_zとベ
アリング電流の最大波高値Ｉ_bmaxとの関係を図示したグ
ラフである。図３のグラフは、ベアリング電流低減装置
を備えた誘導機において、全ての回転円環と固定円環と
の間で形成される合成静電容量を適当なＣ_zに設定した
とき、軸受に流れるベアリング電流を観測し、ベアリン
グ電流の最大波高値Ｉ _bmaxを測定して、これらの関係を
図示したものである。図３から明らかなように、ベアリ
ング電流低減装置が無い場合、すなわち回転円環と固定
円環の間で形成される静電容量Ｃ_zを零としたとき、最
大波高値が５２０ｍＡ程度のベアリング電流が発生する
が、回転円環と固定円環との間で形成される合成静電容
量をＣ_z＝４８０ｐＦに設定したベアリング電流低減装
置を備えた誘導機において、ベアリング電流の最大波高
値はその約十分の一程度に抑圧されており（Ｉ_bmax＝６
０ｍＡ）効果的にベアリング電流が低減されていること
がわかる。

【００８２】次に軸電圧が非振動になる他例を例２とし
て以下説明する。

【００８３】図４に示すように、フレーム１は誘導機１
１２の金属筐体１４３に導線２を介して接続されてい
る。回転軸３は誘導機１１２の回転子軸１５２に連結さ
れている。半径ｒ₂の回転軸の断面と同じ大きさの円板
部分を切り取った外周半径ｒ₁の回転円環４（５）は、
回転軸３に対して垂直方向に回転軸３に取付けられてい
る。回転軸３の半径ｒ₂よりも大きな内径ｒ₃の円柱部分
を取り去った外周半径ｒ₄の固定中空円柱１２（１３）
は、回転軸３に対して同心円状に回転円板４（５）から
距離ｄの間隔を隔てて内周半径がｒ₄のフレーム１の内
壁に取付けられている。回転円環４，５、固定中空円柱
１２，１３は、それぞれ、隣接する固定中空円柱、回転
円環との間で静電容量を生ずるように非接触となるよう
に間隔ｄを隔てて交互に配置されている。回転軸３に取
り付けられた軸受装置８は、ベアリングブラケット９と
これに接合されたシールド玉軸受１０より成り、ベアリ
ングブラケット９はボルト１１を介してフレーム１４３
に取り付けられている。

【００８４】回転円環４（５）と固定中空円柱１２（１
３）の重なり合う部分の面積Ｓ₂（ｍ²）は（数２１）で
示す面積となる。

【００８５】

【数２１】

【００８６】回転円環１と固定中空円柱５との間の静電
容量をＣ₂とおくと、Ｃ₂は（数２２）に示す値となる。

【００８７】

【数２２】

【００８８】ここで、ε₀は真空中の誘導率である。

【００８９】同様に、固定中空円柱１２と回転円環５と
の間の静電容量、回転円環５と固定中空円柱１３との間
の静電容量はＣ₂に等しくなるので、全ての回転円環と
固定中空円柱との間で形成される合成静電容量Ｃ_zは
（数２３）で示す静電容量となる。

【００９０】

【数２３】

【００９１】以上の（数２１）、（数２２）、（数２
３）から全ての回転円環と固定中空円柱との間で形成さ
れる合成静電容量Ｃ_zは（数２４）で示す静電容量とな
る。

【００９２】

【数２４】

【００９３】例１と同様の理由により、回転円環の外周
半径ｒ₁，固定中空円柱の内周半径ｒ₃，回転円環と固定
中空円柱との間隔ｄ、または、回転円環と固定中空円柱
の段数を適当に設定して、全ての回転円環と固定中空円
柱との間で形成される合成静電容量Ｃ_zを十分大きな静
電容量に設定して、固定子と回転子との間のエアーギャ
ップ容量Ｃ₃′を（数２０）を満足する範囲に設定すれ
ば、ベアリング電流を低減することができる。以降、ベ
アリング電流を低減できる説明は例１と同様の説明とな
るので省略する。

【００９４】（実施例１）図５に示すように、フレーム
１は誘導機１１２の金属筐体１４３に導線２を介して接
続されている。回転軸３は誘導機１１２の回転子軸１５
２に連結されている。外周半径ｒ₂の回転軸の断面と同
じ大きさの円板部分を切り取った外周半径ｒ₁の回転円
環４（５）は、回転軸３に対して垂直方向に回転軸３に
取付けられている。軸受装置１４（１５）の内輪部１６
（１７）は、回転軸３に取付けられ、軸受装置１４（１
５）の外輪部１８（１９）の外周面に内接する半径ｒ₃
の円板部分を切り取った外周半径ｒ₅の固定円環２０
（２１）は、回転軸３に対して垂直方向に回転円環４
（５）と距離ｄの間隔を隔てた位置に軸受装置１４（１
５）の外周半径がｒ₃の外輪部１８（１９）の外周面に
取付けられている。回転円環４，５、固定円環２０，２
１は、それぞれ、隣接する固定円環、回転円環との間で
静電容量を生ずるように非接触となるよう間隔ｄを隔て
て交互に配置されている。固定円環２０と固定円環２１
は導線２２を介して接続され、固定円環２１は導線２３
を介してフレーム１の内壁に固定接続されている。

【００９５】回転軸３に取り付けられた軸受装置８は、
ベアリングブラケット９とこれに接合されたシールド玉
軸受１０より成り、ベアリングブラケット９はボルト１
１を介してフレーム１に取り付けられている。

【００９６】回転円環４（５）と固定円環２０（２１）
の重なり合う部分の面積Ｓ₃（ｍ²）は（数２５）に示す
面積となる。

【００９７】

【数２５】

【００９８】回転円環４と固定円環２０との間の静電容
量をＣ₃とおくと、Ｃ₃は（数２６）に示す値となる。

【００９９】

【数２６】

【０１００】ここで、ε₀は真空中の誘電率である。

【０１０１】同様に、固定円環２０と回転円環５との間
の静電容量、回転円環５と固定円環２１との間の静電容
量はＣ₃に等しくなるので、全ての回転円環と固定円環
との間で形成される合成静電容量Ｃ_zは（数２７）で示
す静電容量となる。

【０１０２】

【数２７】

【０１０３】以上の（数２５）、（数２６）、（数２
７）から全ての回転円環と固定円環との間で形成される
合成静電容量Ｃ_zは（数２８）で示す静電容量となる。

【０１０４】

【数２８】

【０１０５】実施例１において、例１と同様の理由によ
り、回転円環の外周半径ｒ₁，固定円環の内周半径ｒ₃，
回転円環と固定円環との間隔ｄ、または、回転円環と固
定中空円柱の段数を適当に設定して、全ての回転円環と
固定中空円柱との間で形成される合成静電容量Ｃ_zを十
分大きな静電容量に設定して、誘導機１１２の固定子と
回転子との間のエアーギャップ容量Ｃ₃′を（数２０）
を満足する範囲に設定すれば、ベアリング電流を低減す
ることができる。以降、ベアリング電流を低減できる説
明は例１と同様の説明となるので省略する。

【０１０６】（実施例２）図６に示すように、フレーム
１は誘導機１１２の金属筐体１４３に導線２を介して接
続されている。回転軸３は誘導機１１２の回転子軸１５
２に連結されている。半径ｒ₂の回転軸３の断面と同じ
大きさの円板部分を切り取った外周半径ｒ₆の回転支持
円環２４は、回転軸３に対して垂直方向に回転軸３に取
付けられ、外周半径をｒ₆，内周半径をｒ₇とする回転円
筒２５、および、外周半径をｒ₈、内周半径をｒ₉とする
回転円筒２６は、回転軸３に対して同心円状に回転支持
円環２４に取付けられている。同様に、回転軸３の外周
半径ｒ₂よりも大きな半径ｒ₁ ₀の円板部分を切り取った
外周半径ｒ₄の固定支持円環２７は、回転軸３に対して
垂直方向に内周半径ｒ₄のフレーム１の内壁に取付けら
れ、外周半径をｒ₁₁、内周半径をｒ₁₂とする固定円筒２
８、および、外周半径をｒ₁₃、内周半径をｒ₁₀とする回
転円筒２９は、回転軸３に対して円心円状に固定支持円
環２７に取付けられている。回転円環２５，２６、固定
円筒２８，２９は、それぞれ、隣接する固定円環、回転
円筒との間で静電容量を形成するように非接触となる位
置に交互に配置されている。回転軸３の軸受装置８は、
ベアリングブラケット９とこれに接合されたシールド玉
軸受１０より成り、ベアリングブラケット９はボルト１
１を介してフレーム１に取り付けられている。

【０１０７】回転円筒２５（２６）と固定円筒２８（２
９）の軸方向に重なり合う部分の長さをＬとすると、回
転円筒２５と固定円筒２８との間で形成される静電容量
Ｃ₄₁は（数２９）となる。

【０１０８】

【数２９】

【０１０９】固定円筒２８と回転円筒２６との間で形成
される静電容量Ｃ₄₂は（数３０）となる。

【０１１０】

【数３０】

【０１１１】回転円筒２６と固定円筒２９との間で形成
される静電容量Ｃ₄₃は（数３１）となる。

【０１１２】

【数３１】

【０１１３】全ての回転円筒と固定円筒との間で形成さ
れる合成静電容量Ｃ_zは（数３２）で示す静電容量とな
る。

【０１１４】

【数３２】

【０１１５】全ての回転円筒と固定円筒との間で形成さ
れる合成静電容量Ｃ_zは（数２９），（数３０），（数
３１），（数３２）より（数３３）で示す静電容量とな
る。

【０１１６】

【数３３】

【０１１７】実施例２において、例１と同様の理由によ
り、回転円筒と固定円筒の内周半径ｒ₇，ｒ₉，ｒ₁₂、外
周半径ｒ₈，ｒ₁₁，ｒ₁₃、回転円筒２５，２６と固定円
筒２８，２９の軸方向に重なり合う部分の長さＬ、また
は、回転円筒と固定円筒の段数を適当に選んで、全ての
回転円筒と固定円筒との間で形成される合成静電容量Ｃ
_zを十分大きな静電容量に設定して、誘導機１１２の固
定子と回転子との間のエアーギャップ容量Ｃ₃′を（数
２０）を満足する範囲に設定すれば、ベアリング電流を
低減することができる。以降、ベアリング電流を低減で
きる説明は、例１と同様の説明となるので省略する。

【０１１８】

【発明の効果】以上の実施例から明らかなように、本発
明によれば、回転機の金属筐体とベアリング電流低減装
置を導線で接続し、実施例１の回転軸に取り付けられた
回転円環と軸受装置を介して回転軸に取付けられフレー
ムに固定接続された固定円環、または、実施例２の回転
軸に取り付けた回転円筒とフレームに取り付けた固定円
筒を非接触で接近させて静電容量を形成し、回転機の固
定子と回転子との間のエアーギャップ容量を補強するこ
とによって、インバータより誘導機に印加される立ち上
がりの急峻なコモンモード電圧の応答電圧として発生す
る軸電圧を非振動で動作させ、この時同時に、軸電圧の
収束値となる直流成分も小さくなるので、放電直前の軸
電圧を著しく小さく抑えることができ、軸電圧の放電現
象として発生するベアリング電流を低減することがで
き、軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができるという効
果のあるベアリング電流低減装置を提供できる。

【０１１９】また、本発明によれば、実施例１の回転円
環と固定円環、または、実施例２の回転円筒と固定円筒
を非接触で接近させる事によってベアリング電流を低減
しているので、従来のベアリング電流低減装置のように
軟質の導電材料を回転軸に押し付けているため、数ヶ月
でブラシ交換を必要とするような保守の必要なベアリン
グ電流を低減することができるという効果のあるベアリ
ング電流低減装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】軸電圧が非振動になる例１のベアリング電流低
減装置の側面図

【図４】軸電圧が非振動になる例２のベアリング電流低
減装置の側面図

【図５】本発明の実施例１のベアリング電流低減装置の
側面図

【図６】本発明の実施例２のベアリング電流低減装置の
側面図

【図７】従来のＰＷＭインバータに駆動された誘導機の
原理的回路

【図１１】従来のインバータ駆動された誘導機におい
て、コンピュータシミュレーションを使って計算させた
軸電圧の波形と、実際に測定した軸電圧の波形を比較し
たタイムチャート

【図１４】従来のベアリング電流低減装置の側面図

【符号の説明】１フレーム２導線３回転軸４回転円環５回転円環６固定円環７固定円環８軸受装置１２固定中空円柱１３固定中空円柱１４軸受装置１５軸受装置１６内輪部１７内輪部１８外輪部１９外輪部２０固定円環２１固定円環２２導線２３導線２４回転支持円環２５固定円筒２６固定円筒２７固定支持円環２８回転円筒２９回転円筒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者東城正佳大阪府大阪市城東区今福西６丁目２番61号松下精工株式会社内 (72)発明者朝井貴裕大阪府大阪市城東区今福西６丁目２番61号松下精工株式会社内Ｆターム(参考） 5H605 AA12 BB05 BB10 CC02 CC04 EB10 EB30 5H611 AA01 BB05 PP03 QQ05 QQ06 UA05 UA08 UB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転機のベアリング電流を低減するもの
において、回転機の金属筐体に導線を介して接続される
フレームと、回転機の回転子軸に連結され軸受装置を介
してフレームに取り付けられる回転軸と、回転軸に対し
て垂直方向に回転軸に取り付けられ回転軸断面と同じ大
きさの円板部分を切り取った１枚以上の回転円環と、回
転軸に対して垂直方向にフレームに取り付けられ回転軸
の半径よりも大きな半径を持つ円板部分を切り取った１
枚以上の固定円環とを備え、前記回転円環と前記固定円
環とは、静電容量を生ずるように非接触となる位置に交
互に配置したことを特徴とする回転機のベアリング電流
低減装置。
【請求項２】回転機のベアリング電流を低減するもの
において、回転機の金属筐体に導線を介して接続される
フレームと、回転機の回転子軸に連結され軸受装置を介
してフレームに取り付けられる回転軸と、回転軸に対し
て垂直方向に回転軸に取り付けられ回転軸断面と同じ大
きさの円板部分を切り取った１枚以上の回転円環と、回
転軸に対して同心円状にフレームに取り付けられ回転軸
の半径よりも大きな半径を持つ円柱部分を切り取った１
柱以上の固定中空円柱とを備え、前記回転円環と前記固
定中空円柱は、静電容量を生ずるように非接触となる位
置に交互に配置したことを特徴とする回転機のベアリン
グ電流低減装置。
【請求項３】回転機のベアリング電流を低減するもの
において、回転機の金属筐体に導線を介して接続される
フレームと、回転機の回転子軸に連結され軸受装置を介
してフレームに取り付けられる回転軸と、回転軸に対し
て垂直方向に回転軸に取り付けられ回転軸断面と同じ大
きさの円板部分を切り取った１枚以上の回転円環と、内
輪部を回転軸に取付けた１個以上の軸受装置と、回転軸
に対して垂直方向に前記軸受装置の外輪部に取り付けら
れ前記軸受装置の外輪部と同じ大きさの円板部分を切り
取った前記軸受と同数の固定円環とを備え、前記固定円
環は隣接する固定円環間に導線を介して接続し、固定円
環の１つは導線を介してフレームに固定し、前記回転円
環と前記固定円環は、静電容量を生ずるように非接触と
なる位置に交互に配置したことを特徴とする回転機のベ
アリング電流低減装置。
【請求項４】回転機のベアリング電流を低減するもの
において、回転機の金属筐体に導線を介して接続される
フレームと、回転機の回転子軸に連結され軸受装置を介
してフレームに取り付けられる回転軸と、回転軸に対し
て垂直方向に回転軸に取り付けられ回転軸断面と同じ大
きさの円板部分を切り取った回転支持円環と、回転軸に
対して同心円状に前記回転支持円環に取り付けた半径の
異なる１個以上の回転円筒と、回転軸に対して垂直方向
にフレームに取り付けられ回転軸の半径よりも大きな半
径を持つ円板部分を切り取った固定支持円環と、回転軸
に対して同心円状に前記固定支持円環に取り付けた半径
の異なる１個以上の固定円筒を備え、前記固定円筒と前
記回転円筒間は、静電容量を生ずるように非接触となる
位置に交互に配置したことを特徴とする回転機のベアリ
ング電流低減装置。