JP2005198374A

JP2005198374A - 回転電機

Info

Publication number: JP2005198374A
Application number: JP2004000008A
Authority: JP
Inventors: Takamasa Tsuji; 孝誠辻; Kotaro Wada; 耕太郎和田; Hirotaka Muto; 浩隆武藤; Akira Imanaka; 晶今中; Takuya Shibata; 拓也柴田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】新たな金型を必要とせず、従って部品点数が増加しないためコストアップを招くことなく電食を防止できる、安定した電食防止構造を有する回転電機を提供する。
【解決手段】回転軸１に固定された金属製の回転子２と、この回転子の外側に隙間を設けて配置された金属製のステータ３と、このステータの外側に設けられ該ステータを保持する金属製のフレーム４と、このフレームの軸方向両端部に配設された金属製のブラケット５と、このブラケットに固定され上記回転軸を回転自在に支持する軸受６とを備えた回転電機において、上記回転子から軸受を経由してフレームに至る構成系内に絶縁コーティング７を介装し、上記軸受により形成される静電容量に対して該絶縁コーティングにより形成される静電容量が直列に接続されるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばインバータにより高いキャリア周波数で作動させる電動モータなどに好ましく用いられる回転電機に関し、特に転がり軸受などの軸受の電食防止構造の改善に関するものである。

従来の回転電機における転がり軸受（ベアリング）の電食防止装置では、例えば特開２０００−２９９９５９号公報（公報中の図１）に示されるように、モータケースと転がり軸受の外輪との間に絶縁部材を設ける発明が開示されている。この電動モータを高いキャリア周波数で作動させると、回転軸とモータケースとの間に大きな電位差が生じる場合がある。この場合でも、絶縁部材によりモータケースと転がり軸受とが電気的に絶縁されているため、転がり軸受の内輪と外輪が等電位となる。この例では絶縁部材としてＰＢＴ、ＰＰＳ、ＰＡ６６、ＰＡ６などから選択された合成樹脂に、ガラス繊維、シリカ粒子およびチタン酸カリウム繊維から選択された充填材を、成形収縮率が１．５体積％以下となるように添加した合成樹脂材料を射出成型した円環で電食を防止するようにしている。（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−２９９９５９号公報（第１頁、図１）

上記のような従来の回転電機における電食防止構造では、絶縁部材を射出成形により形成しているため、（１）容量の異なるモータの軸受ごとに金型を用意する必要がある。（２）成形部品は回転子と固定子の同心度を保つ必要があるため、ある程度の精度（１０から１００μｍ程度）で外周、内周側の寸法を調整する必要があることから、金型と加工にコストがかかる問題があった。また、モータは常温から１００℃付近まで熱が加わるため金属との膨張率の差があると、樹脂の割れなどの問題点もあった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、新たな金型を必要とせず、従って部品点数が増加しないためコストアップを招くことなく電食を防止できる安定した電食防止構造を有する回転電機を提供することを目的とするものである。

この発明による回転電機は、回転軸に固定された金属製の回転子と、この回転子の外側に隙間を設けて配置された金属製のステータと、このステータの外側を囲繞するように設けられ該ステータを保持する金属製のフレームと、このフレームの軸方向両端部に配設された金属製のブラケットと、このブラケットに固定され上記回転軸を回転自在に支持する軸受とを備えた回転電機において、上記回転子から軸受を経由してフレームに至る構成系内に絶縁コーティングを介装し、上記軸受により形成される静電容量に対して該絶縁コーティングにより形成される静電容量が直列に接続されるようにしてなるものである。

この発明によれば、回転子から軸受を経由してフレームに至る構成系内に絶縁コーティングを介装し、上記軸受により形成される静電容量に対して該絶縁コーティングにより形成される静電容量が直列に接続されるようにしたので、電食防止構造を構成するための新たな金型を必要とせず、部品点数が増加しないためコストアップを招くことなく電食が防止され、また、温度変化による割れなどの恐れがない安定した電食防止構造を有する回転電機を提供することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明による実施の形態１になる電食防止構造を施した回転電機としての電動モータを模式的に示す断面図である。図に示すように、この電動モータ１０は、回転軸１と、この回転軸１に固定された金属製の回転子２と、この回転子２の外側に所定の隙間を開けて配置された金属製のステータ（固定子）３と、このステータ３の外側を囲繞するように設けられ、該ステータ３を保持する円筒状の金属製のモータフレーム（以下、単にフレームという）４と、このフレーム４の軸方向両側部に配設された金属製のモータブラケット（以下、単にブラケットという）５ａ、５ｂ（図においてａ（図の左側）は反負荷側、ｂ（図の右側）は負荷側とする）と、上記回転軸１をこのブラケット５ａ、５ｂに対して回転自在に支持する、内輪６１ａ、６１ｂと外輪６３ａ、６３ｂと転動体６２ａ、６２ｂが金属製である軸受としての転がり軸受６ａ、６ｂ（以下、区別の必要がない限り軸受６と言う）を備えている。

そして、この実施の形態１ではモータの回転軸１と回転子２とが接触する部分における少なくとも一方の側に絶縁コーティング７ａ、７ｂが施され、回転軸１と回転子２を電気的に絶縁している。さらに、電食防止の効果をより確実にするために、回転子２と回転軸１の間の回転子２側に、該回転子２の軸方向中央部の内径を大きくして、回転軸１との間に中空部分２１を設けることにより、コーティングで形成される静電容量を小さくしている。なお、８はステータ３の図示を省略しているスロット部に巻回された固定子巻線である。また、図中、同一符号は各実施の形態を通じて同一もしくは相当部分を示すものとする。

上記絶縁コーティング７ａ、７ｂは、例えば絶縁樹脂を用いた静電塗装によって形成することができる。好ましく用いることができる絶縁樹脂としては、例えばＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＦＡ（四フッ化エチレン−パーフルオロビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（四フッ化エチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（三フッ化塩化エチレン樹脂）、ＥＰＥ、ＥＣＴＦＥ等のフッ素系絶縁樹脂材料を挙げることができる。これら絶縁樹脂材料によるコーティングは、膜厚が約１００μｍから約５００μｍの範囲内で調整される。

上記膜厚が１００μｍ未満では、絶縁コーティング７ａ、７ｂにピンホールを生じる可能性があり、また、電気的な容量（静電容量）が大きくなり、電食対策の効果が少なくなるので好ましくない。また、上記膜厚が５００μｍを超えると、コーティング時に膜のたれが生じ易く、表面の面精度の確保が困難となり、さらに割れが発生するなどの問題があるため、上記範囲内とすることが望ましい。

上記のように構成された電動モータ１０は、上記ステータ３に配置された固定子巻線８に図１では図示を省略しているインバータ交流電源から電力を供給することで回転軸１が回転する。図２は、比較のために電食防止構造が施されていないモータ内の軸受に生じる電圧の等価回路を示したものである。インバータ９にモータ１０が接続されている。図２中ではモータ１０部分は等価回路で示している。固定子巻線Ｘｍの中性点１１にインバータ駆動によって電圧が発生すると、モータ１０内の浮遊容量によって軸受部分に電圧が誘起される。

つまり固定子巻線とフレーム間の静電容量Ｃｓｆ、固定子巻線と回転子間の静電容量Ｃｓｒ、回転子とフレーム間の静電容量Ｃｒｆと軸受の静電容量Ｃｂで電圧を分担することによって、軸受間に電圧が印加される。印加された電圧が軸受の絶縁破壊電圧を超えると放電が発生し、継続的に放電が発生すると放電によって軸受の内部に電食と呼ばれる電気腐食が生じる。なお、Ｒｂは軸受の抵抗、１２は回転子部分に相当するノードである。

一方図１に示す実施の形態１の構成によれば、図３の等価回路図に示すように固定子巻線Ｘｍの中性点１１にインバータ駆動によって電圧が発生するが、軸受６部によって形成される静電容量Ｃ_ｂと絶縁コーティング７ａ、７ｂ部によって形成される静電容量Ｃ_ｉｎｓが直列に接続されることになり、電圧がそれぞれの静電容量で分担される。軸受６の外輪６３と内輪６１間に印加される電圧Ｖ_ｂは、図３のノード１２の回転子から、接地されているフレーム間に印加される電圧をＶ_ｎとすると、下記式１で表わせる。ただし、軸受６の抵抗Ｒ_ｂは軸受のインピーダンスに対して小さいとして無視している。

例えば、汎用モータの軸受静電容量合計（反負荷側、負荷側の軸受は並列回路となる）Ｃ_ｂが５００ｐＦ程度であるとすると、絶縁コーティング７ａ、７ｂの静電容量をコーティングの厚さ、面積を調整することにより５０ｐＦにすると、絶縁コーティング７ａ、７ｂを施すことによって軸受６の外輪６３と内輪６１間の電圧は、絶縁コーティングを施す前に比して約１０％に抑制できる。軸受６に流れる電流は、この部分のインピーダンスが大きくなるため抑制できる。上記の値は一例であるが、電食を防止するには軸受６の静電容量に対して絶縁コーティング７ａ、７ｂの静電容量が同等以下であれば効果を発揮する。好ましくは１／１０以下にすることが望ましい。

上記絶縁コーティング７ａ、７ｂ部によって形成される静電容量は、該絶縁コーティングの厚み、回転軸１の軸方向のコーティング長さを変化させることによって所要の値が得られる。因みに絶縁コーティング７ａ、７ｂの内径をａ、絶縁コーティングの外径をｂ、絶縁コーティングの回転軸１方向の長さをＬとすると、該絶縁コーティング７ａ、７ｂの静電容量Ｃ_ｉｎｓは次の式２で表わせる。

なお、上式中、ε_０：真空中の比誘電率（８．８５４×１０^−１２Ｆ／ｍ）、ε_ｉｎｓ：絶縁材の比誘電率である。
例えば、絶縁コーティング７ａ、７ｂの内径を２０ｍｍ、外径を２０．３ｍｍ（絶縁コーティング膜厚を４００μｍ）、軸方向の絶縁コーティング長の合計（負荷側、反負荷側の回転子との接触面の軸方向長さ）を１０ｍｍとすると、テフロン（登録商標）系樹脂の比誘電率はＰＦＡの場合２．１であるので、絶縁コーティング７ａ、７ｂの静電容量は約６０ｐＦとなる。従って、軸受６の静電容量が例えば５００ｐＦ程度の場合、軸受６に印加される電圧を約１０％に抑制できる。

汎用モータでは中性点電圧がインバータ駆動によって約２００Ｖ程度のレベルで発生し、図３に示した回路で電位分担して軸受６に電圧が誘起される。例えば、軸受６の内輪６１と接している回転軸１側から接地側のフレーム４間に印加される電圧を約１０Ｖ程度とすると、上記の構成では軸受６の外輪６３と内輪６１間の電圧が約１Ｖとなる。一般的に印加される電圧が低いほど軸電食が発生しにくくなるため、モータ軸受の耐久性を向上させることが可能となる。

一方で、回転子２と回転軸１が接触する面すべてを絶縁コーティングすることを考える。式２のＬが例えば１５０ｍｍとすると、静電容量は９００ｐＦとなり、軸受６の静電容量より大きくなってしまい、式１から低減率は約６５％となり電食抑制の効果は減少することがわかる。このように絶縁コーティング７ａ、７ｂを設けることによって、従来の対策のような、樹脂成形物を射出成形する必要がなくなり、容量の異なるモータ毎に金型を製作する必要もなくなるため、コストアップを招かない。また部品点数の増加を招かないため製造コストも低減できる。

さらに、回転子２の中空部分２１の長さを調整する尤度（軸方向の調整可能幅が大きい）があるため、軸受の静電容量に対して最適な容量を持った絶縁コーティング７ａ、７ｂを形成することが可能となる。通常使用されるモータでは、例えば常温から１００℃付近まで熱が加わるため、金属との膨張率の差があると成形樹脂を使用すると割れなどの問題を引き起こす可能性があるが、フッ素系の絶縁樹脂は伸び、圧縮力に対して十分な尤度があるので割れ等を生じない。また、軸ブラシを用いないため粉塵等の問題も生じず、例えばクリーンルームなどでの使用に対しても問題を生じることがない。

以上のように実施の形態１によれば、回転子１から軸受６を経由してフレーム４に至る構成系内における、回転軸１と回転子２との間にこれらの間を電気的に絶縁する絶縁コーティング７ａ、７ｂを介装したことにより、上記軸受６により形成される静電容量Ｃ_ｂに対して該絶縁コーティングにより形成される静電容量Ｃ_ｉｎｓが直列に接続され、インバータによる高いキャリア周波数で作動させた場合でも、回転軸１とブラケット５との間に取り付けられた軸受６内に電流が流れることが防止されて、軸受６の耐久性が向上する。また、従来の対策のような、樹脂成形物を射出成形する必要がないため、異なるモータ容量ごとに金型を製作する必要もなくなり、コストアップを生じることがない。また、粉塵等の問題も生じないなどの効果が得られる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による電食防止構造を施した回転電機としての電動モータを模式的に示す断面図である。図に示すように、モータ１０の回転軸１と回転子２の間のどちらか一方の側に、上記実施の形態１と同様の絶縁コーティング７ａ、７ｂが施されており、さらにこの実施の形態２では電食防止の効果をより確実にするために、回転子２と回転軸１の間の回転軸１側に、該回転軸の中央部分の外径を小さくすることにより中空部分１３を設けて、回転子２と回転軸１とを部分的に離間させて絶縁コーティング７ａ、７ｂが介装された回転軸１と回転子２で形成される静電容量を小さくしている。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成されたこの発明の実施の形態２では、回転軸１と回転子２の間に絶縁コーティング７ａ、７ｂを介在させたことにより、上記実施の形態１と同様に電食抑制効果を発揮することは言うまでも無いが、回転軸１側に構成された中空部分１３は機械加工のみで形成可能であるため、実施の形態１より更に安価に電食防止構造を構成できるメリットがある。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による電食防止構造を施した電動モータを模式的に示す要部断面図である。図に示すように、この実施の形態３では、モータ１０のフレーム４と、その両端部に配置されたブラケット５ａ、５ｂとの間の何れか一方の対向部分に上記実施の形態１と同様の絶縁材料で、膜厚が同様に約１００μｍから約５００μｍの範囲内からなる絶縁コーティング１４ａ、１４ｂが施され、これらフレーム４とブラケット５ａ、５ｂとの間の電気的絶縁が行われている。なお、ブラケット５ａ、５ｂを固定するために、スルーボルト１５が固定子３とブラケット５ａ、５ｂを貫通し、両端部がナット１６で固定されているが、固定子３とスルーボルト１５との間は図示を省略している絶縁物で絶縁されている。

上記のようにフレーム４とブラケット５ａ、５ｂとの間に好ましくはフッ素系樹脂からなる絶縁コーティング１４ａ、１４ｂを施した実施の形態３によれば、インバータにより高いキャリア周波数で作動させた場合でも、回転軸１とブラケット５との間に取り付けられた軸受６内に電流が流れることが防止されて、軸受６の耐久性が向上する。また、モータの回転による絶縁部材のすべりによる磨耗が全くない箇所に絶縁が施されているため、より耐久性が向上した安定した電食防止効果を有する。さらに、このような電食防止の効果により、モータの耐久性をさらに向上させる効果が得られる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４による電食防止構造を施した電動モータの要部を模式的に示す側面図である。図に示すように、この実施の形態４では、ブラケット５ａ（５ｂ）とフレーム４間の静電容量を最適にするために、両ブラケット５ａ（５ｂ）のフレーム４に対向する周縁部分を周方向に４箇所切除し、軸方向から見たときにフレーム４の端部がブラケット５ａ（５ｂ）の切除部分５１ａ（５１ｂ）で見えるように歯車状に形成されている。その他の構成は上記実施の形態３と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態４では、絶縁コーティング１４ａ、１４ｂ部分の静電容量を上記実施の形態３のものよりもさらに低減することが可能となり、転がり軸受６の外周、内周間の電圧を低減することができ、電食防止の効果により、モータの耐久性をさらに向上させる効果がある。なお、図示を省略しているがブラケット５ａ（５ｂ）に切除部分５１ａ（５１ｂ）を形成したが、フレーム４のブラケットとの対向部分に切除部分を形成し、ブラケット５ａ（５ｂ）の周縁部との間に空隙を設けるようにしても同様の効果が期待できる。

なお、上記実施の形態１〜４の電食防止構造をそれぞれ任意に組み合わせることによって、更に軸受６に加わる電圧、電流が抑制可能であるため、より高い電食防止効果を期待することができる。さらに、絶縁コーティング７を設ける位置も上記実施の形態に限定されるものではなく、要するに回転子２から軸受６を経由してフレーム４に至る構成系内の何れかに絶縁コーティングが介装され、軸受６により形成される静電容量に対して該絶縁コーティングにより形成される静電容量が直列に接続されるように構成されていれば同様の効果が期待できる。また、軸受６が転がり軸受である場合について説明したが、これに限定されるものではない。さらに、回転軸１と回転子２との間のスリップを防ぐためのキーを設けた回転電機（図示省略）であっても、キーの部分の凹凸に沿って絶縁コーティングを同様に設け、あるいは、所要の強度を有する絶縁性のキーを用いることにより、同様の効果を期待することができる。

この発明の実施の形態１による電食防止構造を施した回転電機としての電動モータの要部を模式的に示す断面図である。比較のため、電食防止構造が施されていないモータ内の転がり軸受に生じる電圧の等価回路を説明する回路図である。図１に示す実施の形態１に電動モータの転がり軸受に生じる電圧の等価回路を示す回路図である。この発明の実施の形態２による電食防止構造を施した回転電機としての電動モータの要部を模式的に示す断面図である。この発明の実施の形態３による電食防止構造を施した回転電機としての電動モータの要部を模式的に示す断面図である。この発明の実施の形態４による電食防止構造を施した電動モータの要部を模式的に示す側面図である。

符号の説明

１回転軸、２回転子、３固定子、４フレーム（モータフレーム）、５ａ、５ｂブラケット（モータブラケット）、６軸受（転がり軸受）、７ａ、７ｂ絶縁コーティング、８固定子巻線、９インバータ、１０電動モータ、１３、２１中空部分、１４ａ、１４ｂ絶縁コーティング、１５スルーボルト、１６ナット。

Claims

回転軸に固定された金属製の回転子と、この回転子の外側に隙間を設けて配置された金属製のステータと、このステータの外側を囲繞するように設けられ該ステータを保持する金属製のフレームと、このフレームの軸方向両端部に配設された金属製のブラケットと、このブラケットに固定され上記回転軸を回転自在に支持する軸受とを備えた回転電機において、上記回転子から軸受を経由してフレームに至る構成系内に絶縁コーティングを介装し、上記軸受により形成される静電容量に対して該絶縁コーティングにより形成される静電容量が直列に接続されるようにしてなることを特徴とする回転電機。
上記絶縁コーティングは、上記回転軸と回転子の間に設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
上記回転軸と回転子との間の軸方向中央部に中空部分を形成してなることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
上記絶縁コーティングは、上記フレームと上記ブラケットの間に設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
上記ブラケットは、周縁部における上記フレームとの対向部分の一部を切除してなることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
上記絶縁コーティングは、フッ素系絶縁樹脂材料からなる膜厚が１００μｍから５００μｍの範囲内に形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の回転電機。