JP2008263698A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受けの電食を低減でき、しかも回転シャフトの強度に優れる電動機を提供する。
【解決手段】固定子２はケース６に取り付けられた固定子コア２１と、固定子コア２１に巻回された巻線２２とを有している。回転子コア１は上記の回転子コア本体１１と、連結部１２とを有しており、金属製の回転シャフト５が連結部１２を介して回転子コア本体１１と連結して設けられている。回転シャフトは軸受け３を介して、回転自在にケース６に取り付けられている。より詳細には軸受け３は、回転シャフトを支持する内輪３１と、ケースに取り付けられた外輪３２と、内輪３１と外輪３２との間で転がる転動体３３とを有している。転動体３３は例えば玉あるいはころであって、内輪３１及び外輪３２と共に金属製である。
【選択図】図１

Description

この発明は電動機に関する。特にパルス幅変調制御によって駆動される電動機の、回転シャフトを支持する軸受けに関する。

パルス幅変調（以下「ＰＷＭ」と称す）制御を行うインバータは、入力する直流電圧を高周波でチョッピングして出力する。そして、当該インバータによって駆動される電動機には上記チョッピングされた電圧が印加される。

通常、この電動機の外枠は例えば接地線を用いて接地される。そして上記駆動のための電圧は、電動機の構成部品と大地間に存在する静電容量で分圧される。当然のことながら軸受けも、当該分圧を受け持つことになる。

軸受けは、内輪及び外輪並びにこれら両者の間に介在する転動体を有している。そして内輪及び外輪と、転動体との間のわずかな隙間において受け持つ電圧が、この隙間の破壊電圧を越えた場合、放電現象が生じる。放電現象が発生すると、軸受けの転動面には、電食と呼ばれる損傷を受けることになる。かかる放電現象において軸受けを流れる電流は数ＭＨｚ以上にも達する高周波である。

軸受け電食を抑制するために、絶縁層を付加した絶縁軸受けなるものも提案されている。本発明に関連する文献を示す。

特開２００５−２８２８６２号公報 特開２００６−１１５６７２号公報 「一般用低圧三相かご形誘導電動機をインバータ駆動する場合の適用指針に関する補足説明資料−誘導電動機をインバータ駆動する場合の軸受け電食について−」、日本電機工業会技術資料、ＪＥＭ−ＴＲ１６９、２００４年２月

特許文献１には軸受けに０．５ｍｍ程度の薄い絶縁層を付加した構成が開示されている。しかしこのように薄い絶縁層では、比較的低周波数の電流については遮断できるが、ＰＷＭ制御を採用した場合に発生する放電電流のように周波数が高い電流については、軸受け電食を抑制することは困難である。これは周波数が高いほど容量性リアクタンスが大幅に低下するからである。

特許文献２には軸受けで保持される回転軸全体をフッ素系樹脂で構成する技術が開示されている。しかしかかる構成は回転軸の機械的強度を高めにくいという難点がある。

本願発明は上記の観点からなされたもので、軸受けの電食を低減でき、しかも回転シャフトの強度に優れる電動機を提供することを目的としている。

この発明は、パルス幅変調制御によって駆動される電動機であって、接地されたケース（６）と、前記ケースに取り付けられた固定子コア（２１）と、前記固定子コアに巻回された巻線（２２）と、前記固定子コアとギャップを開けて対向し、金属製の回転シャフト（５）が設けられた回転子コア（１）と、前記ケースに取り付けられた外輪（３２）と、前記回転シャフトを支持する内輪（３１）とを有する軸受け（３）と、前記回転シャフトから前記軸受けを介して前記ケースに至る経路において、前記軸受けに接触して介在し、厚さが１ｍｍ以上である絶縁体（４１、４２）とを備える。

前記絶縁体（４１、４２）の誘電率は３以上である。

例えば前記絶縁体（４１）は前記外輪（３２）と前記ケース（６）との間に設けられる。望ましくは前記外輪（３２）の外径は１４０ｍｍ以下である。

例えば前記絶縁体（４２）は前記内輪（３２）と前記回転シャフト（５）との間に設けられる。

この発明にかかる電動機によれば、回転シャフトと接地との間の電位差が、軸受けの寄生容量と、絶縁体を挟んで寄生する寄生容量とに分圧される。よって軸受けにかかる電位差を低減でき、以て軸受けの電食を低減できる。しかも回転シャフトには金属製のものを採用できるので、強度に優れる。

第１の実施の形態．
図１はこの発明の第１の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図であり、回転シャフトに平行な断面を示す。当該電動機はインバータ９の駆動により、パルス幅変調制御によって駆動される。

当該電動機はケース６内に、固定子２が固定されており、固定子２に対して円筒状のギャップを介して回転子コア本体１１が対向している。ケース６は金属製であって接地されている。

固定子２はケース６に取り付けられた固定子コア２１と、固定子コア２１に巻回された巻線２２とを有している。回転子コア１は上記の回転子コア本体１１と、連結部１２とを有しており、金属製の回転シャフト５が連結部１２を介して回転子コア本体１１と連結して設けられている。

回転シャフトは軸受け３を介して、回転自在にケース６に取り付けられている。より詳細には軸受け３は、回転シャフトを支持する内輪３１と、ケースに取り付けられた外輪３２と、内輪３１と外輪３２との間で転がる転動体３３とを有している。転動体３３は例えば玉あるいはころであって、内輪３１及び外輪３２と共に金属製である。

本実施の形態では、絶縁体４１と、金属製の貫挿部７１とを有している。貫挿部７１はケース６に固定され、絶縁体４１を介して軸受け３が貫挿される。つまり外輪３２は貫挿部７１と直接に接触するのではなく、両者の間には絶縁体４１が介在する。

図１には上述の電動機において寄生する静電容量を併記した。すなわち固定子コア２１と巻線２２との間の寄生容量Ｃｗｓ、回転子コア本体１１と固定子コア２１との間の寄生容量Ｃｇ、回転子コア本体１１と巻線２２との間の寄生容量Ｃｗｒ、内輪３１と外輪３２との間の寄生容量Ｃｂ、絶縁体４１が形成する寄生容量Ｃｉを併記した。

回転子コア本体１１と連結部１２と回転シャフト５と内輪３１との間は導通している。また巻線２２にはインバータ９からチョッパリングされたパルス状の電圧が印加される。

図２はこれらの寄生容量の接続関係についての、電動機の等価回路を示す回路図である。寄生容量Ｃｉ，Ｃｂが直列に接続された構成が、寄生容量Ｃｇに対して並列に接続される。この並列接続された構成と寄生容量Ｃｗｒとが直列に接続された構成が、寄生容量Ｃｗｓに対して並列に接続される。図２において記号Ｗは巻線２２側の電位を示し、記号Ｓは固定子コア２１側の電位を示す。

上述のように、内輪３１及び外輪３２と転動体３３との間にはわずかな隙間がある。この隙間に、破壊電圧以上の電圧が印加された場合、放電により転動面に損傷を与えることになる。

上述の隙間は、一般的に、軸受けのサイズが大きくなればなるほど広く作製されている。しかしながら、回転シャフト５及び貫挿部７１へのしめしろや、回転シャフト５が受ける荷重に因り、実際に電動機が駆動されているときには、上述の隙間は、１μｍ以下となる場合がある。

この隙間において絶縁破壊が発生する電圧を考えると、大気中の絶縁破壊は３．０ｋＶ／ｍｍの電界強度で発生することから、軸受け３が許容できる電圧は、おおよそ３Ｖ以下となる。

一方、回転電機の設計仕様や、配電電圧、接地状況にも依存するものの、軸受け電食対策を行わない回転電機をＰＷＭインバータで駆動した場合、軸受け３で受け持つ電圧（以下「軸電圧」と称す）は１５Ｖ程度にまで達する。

また、回転電機の設計においては、寸法、トルク特性、効率で例示される、さまざまな要求事項から設計が行われる。よって電動機の各部分での静電容量の組合せ、ひいては電圧の受け持ちの分布は多岐にわたる。

従って、信頼度の高い回転電機を作製するには、おおよその回転電機において軸受け３が許容できる３Ｖ以下に、軸電圧を低減するための一般的な低減策が要求される。具体的には低減策を施さない場合の軸電圧を上述の１５Ｖ程度から３Ｖ以下へと１／５に低減することが望ましいので、挿入すべき絶縁体の静電容量は、軸受けの静電容量の１／４以下とする必要がある。

図４は軸受け３の外輪３２の径（軸受外輪径）と、寄生容量Ｃｂの静電容量との関係を示すグラフである。一般に静電容量は対向する導電体の面積に比例して増加するので、軸受外輪径が大きいほど寄生容量Ｃｂの静電容量は増加する。電食対策用のブラシを付加することができない小型モータで、汎用的に使用される軸受外輪径は１４０ｍｍ以下である。そのような小型モータの全ての軸受を対象として考慮すれば、軸受けの静電容量は１．６ｎＦ以下となることが望まれる。

図２に示されるように、電動機全体にかかる電圧は寄生容量Ｃｗｒと、寄生容量Ｃｇ，Ｃｂ，Ｃｉの接続構造との直列接続で分圧される。そして寄生容量Ｃｇ，Ｃｂ，Ｃｉの接続構造において寄生容量Ｃｂ，Ｃｉは直列に接続されるので、寄生容量Ｃｉの静電容量が小さいほど、軸受け３が受け持つ電圧分は小さくなる。

図３は軸電圧を３Ｖ以下にするために絶縁体４１に必要な厚さを、軸受外輪径に対してプロットしたグラフである。ここでは比誘電率が３，５，７の場合を例示している。比誘電率が高いほど、寄生容量Ｃｉの静電容量は増加するので、必要な厚さは厚くなる。一般な絶縁体の比誘電率は特別なものを除きほぼ３以上を示すので、先述の、汎用的に使用される軸受外輪径が１４０ｍｍ以下の全ての軸受けを対象として考慮すれば、絶縁体の厚さは１ｍｍ以上であることが望ましい。

例えば比誘電率が３以上の絶縁材料として、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリイミド系、シリコン系樹脂を主たる成分とする材料を挙げることができる。比誘電率が３未満であれば、より静電容量は低くなって軸電圧を低減する効果が高く、望ましい。かかる材料としては例えばフッ素樹脂を主たる成分とする材料を挙げることができる。これらの材料に強度を増すためのガラス繊維や、無機質を含有してもよい。

以上のように第１の実施の形態によれば、回転シャフト５と接地との間の電位差が、軸受け３の寄生容量Ｃｂと、絶縁体４１を挟んで寄生する寄生容量Ｃｉとに分圧される。よって軸受け３にかかる電位差を低減でき、以て軸受け３の電食を低減できる。しかも回転シャフト５には金属製のものを採用できるので、強度に優れる。

第２の実施の形態．
図５はこの発明の第２の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図であり、回転シャフトに平行な断面を示す。

第２の実施の形態にかかる電動機は、第１の実施の形態にかかる電動機と、軸受け３の周辺の構成のみ異なっている。

本実施の形態では、金属製の貫挿部７２と絶縁体４２とを有している。貫挿部７２はケース６に固定されて軸受け３が貫挿される。つまり外輪３２が貫挿部７２と直接に接触する。他方、内輪３１は絶縁体４１を介して回転シャフト５を保持している。

つまり第１の実施の形態と第２の実施の形態とは、回転シャフト５ら軸受け３を介してケース６に至る経路において、軸受け３に接触する絶縁体が介在するという観点で共通する。

図５にも寄生する静電容量を併記した。但し絶縁体４２が形成する寄生容量に記号Ｃｉを用いた。かかる寄生容量の接続関係が第１の実施の形態と異なるのは、寄生容量Ｃｂ，Ｃｉのいずれがケース６に近いかという点のみである。そして寄生容量Ｃｂ，Ｃｉは直列に接続されるので、寄生容量の接続についての等価回路は図２と同じになる。

そして第１の実施の形態では絶縁体４１が外輪３２側に設けられており、第２の実施の形態では絶縁体４２が内輪３１側に設けられている点で相違はあるものの、軸受内輪面の面積は外輪面に比べて十分小さいため、外輪３２に設けられた絶縁体４１に要求される厚さを内輪３１側に設けられた絶縁体４２の厚さとして採用すれば、絶縁体４２の静電容量は十分に小さくすることができ、第１の実施の形態と同様に奏功する。

この発明の第１の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図である。 寄生容量の接続関係についての、電動機の等価回路を示す回路図である。 絶縁体に必要な厚さをプロットしたグラフである。 軸受外輪径と、寄生容量の静電容量との関係を示すグラフである。 この発明の第２の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 回転子コア
２１ 固定子コア
２２ 巻線
３ 軸受け
３１ 内輪
３２ 外輪
４１，４２ 絶縁体
５ 回転シャフト
６ ケース

Claims (5)

1. パルス幅変調制御によって駆動される電動機であって、
   接地されたケース（６）と、
   前記ケースに取り付けられた固定子コア（２１）と、
   前記固定子コアに巻回された巻線（２２）と、
   前記固定子コアとギャップを開けて対向し、金属製の回転シャフト（５）が設けられた回転子コア（１）と、
   前記ケースに取り付けられた外輪（３２）と、前記回転シャフトを支持する内輪（３１）とを有する軸受け（３）と、
   前記回転シャフトから前記軸受けを介して前記ケースに至る経路において、前記軸受けに接触して介在し、厚さが１ｍｍ以上である絶縁体（４１，４２）と
   を備える電動機。
2. 前記絶縁体（４１，４２）の誘電率は３以上である、請求項１記載の電動機。
3. 前記絶縁体（４１）は前記外輪（３２）と前記ケース（６）との間に設けられる、請求項１又は請求項２記載の電動機。
4. 前記外輪（３２）の外径は１４０ｍｍ以下である、請求項３記載の電動機。
5. 前記絶縁体（４２）は前記内輪（３２）と前記回転シャフト（５）との間に設けられる、請求項１又は請求項２記載の電動機。

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