JP2013150374A - 回転電機の軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機に装備した転がり軸受について、その疲労寿命，潤滑寿命の向上が図れるような改良策を備えた回転電機の軸受装置を提供する。
【解決手段】グリース封止形転がり軸受７を装備した回転電機の軸受装置において、前記軸受７の外輪７ａを支持するハウジング８にヒータ９を付設し、回転電機の運転時における転がり軸受７の外輪温度が内輪温度と同等な温度となるように前記ヒータ９を通電制御するものとし、具体的には軸受７の外輪７ａの温度検知手段としてハウジング８に温度センサ１０を配置した上で、該温度センサ８の検出温度と、回転速度センサ１１の検出値を基に求めた内輪７ｂの温度とを対比してヒータ９を通電制御するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、グリース封止形転がり軸受を採用した回転電機の軸受装置に関し、詳しくは前記転がり軸受の疲労寿命，潤滑寿命を延ばす対応策に係わる。

グリース封止形転がり軸受を採用した回転電機では、グリースの潤滑寿命を高めるために、回転電機の内方空間に冷却風を通風するなどして軸受を冷却し、回転電機の運転中におけるグリースの早期劣化を防いで高い潤滑性能と潤滑寿命を保つようにしている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、周知のように潤滑油（基油）に増ちょう剤，添加剤を加えて調製した半固体状のグリースは、その成分，ちょう度によって使用温度範囲が定められており、軸受が過度に加熱されると増ちょう剤の網目構造が破壊されてグリースとしての特性を失うことから、前記のように回転電機では、その運転に伴う固定子鉄心，固定子コイル，回転子鉄心の発熱の影響を受けて軸受温度が過度に上昇するのを防ぐようにしている。

ここで、回転電機に組み込んだ転がり軸受は、その内輪を回転子の軸上に嵌め込んで固定支持し、外輪は軸受のハウジングに取付けた上で、固定子側のフレーム両端に配したエンドブラケットに固定支持している。

なお、回転電機の冷却方式として、例えば水冷回転電機では、固定子を支持するフレームの周面に形成した冷媒通路に冷却水などを流して冷却するようにしている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−９５７４１号公報 特開２００４−２２９４１８号公報

ところで、回転電機に組み込んだグリース封止形転がり軸受には、先記した軸受温度の過度な上昇に起因するグリース性状の劣化，潤滑寿命の低下のほかに、次記のような問題点もある。すなわち、回転電機の運転状態で軸受の軌道体（内輪，外輪）と転動体（鋼球）との間の転がり面に大きな圧縮荷重が加わると、前記増ちょう剤の網目構造が破壊されてグリースが液状化し、そのために軌道面と転動体との間の油膜が破れて軸受の転がり面に摩擦接触が生じてピーキング，フレーキングなどの軌道面損耗が進行して軸受の疲労寿命が低下する。

かかる点、前記した液冷回転電機では、電機内部構造を包囲するフレームの周面に形成した冷媒通路に冷却水などを流して強制冷却するようにしている。したがって、このフレーム対し伝熱的に配置されている固定子、軸受のハウジングに取付けた転がり軸受の外輪などの固定側部材は、その発熱がフレームに伝熱して放熱されるので冷却され易い。これに対して、固定子鉄心とギャップを隔てて対向する回転子鉄心、およびその回転軸の軸上に設けた軸受の内輪，鋼球などの可動側部材は、フレームと直接伝熱的に配置されてないので、前記固定側部材に比べ放熱性が低くて冷却されにくい。

このために、回転電機の運転中には、転がり軸受の外輪と内輪との間に温度差（内輪が高温，外輪が低温），およびこの温度差に伴う内輪／外輪間に熱膨張差が生じ、これが基で内輪，外輪と鋼球との間の転がり面に作用するラジアル方向の圧縮荷重が増加し、その結果として軸受の転がり面に先記した機械的損耗（ピーリング，フレーキング）が生じ易くなって軸受の疲労寿命が低下するようになる。なお、この場合に軸受の発生熱量は、回転電機の回転数（回転速度）が大きくなるほど大きくなるため、高速回転電機では軸受の疲労寿命に及ぼす影響も大きくなる。

そのほか、この転がり軸受に使用するグリースについても、回転電機の停止から起動して低速，高速運転までの回転数変化、および周囲環境温度などの使用条件に適合した粘度（ちょう度）のグリースを選定する必要があるが、低温（停止時）から高温（運転時）で適度な粘度，潤滑性能を発揮する使用温度範囲の広いグリースはコスト的に高価である。

したがって、回転電機の停止時でも運転時とほぼ同じ軸受温度に保つことかできれば、低温(停止時)での粘度を考慮することなしにグリースの使用温度範囲を前記温度に特化して選定することができるので潤滑寿命、およびコスト，メンテナンス面でも有利となる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決して転がり軸受の疲労寿命，潤滑寿命を向上し、併せてグリースの使用温度範囲を高温側に特化してコストの低減が図れるように改良した回転電機の軸受装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、グリース封止形転がり軸受を装備した回転電機の軸受装置において、前記軸受の外輪を支持するハウジングにヒータを付設し、回転電機の運転時における転がり軸受の外輪温度が内輪温度と同等な温度となるように前記ヒータを通電制御するものとし（請求項１）、具体的には前記ヒータを次記のような態様で通電制御するようにする。
（１）前記軸受装置において、転がり軸受の外輪温度検知手段としてハウジングに温度センサを配置し、該温度センサの検出温度と、回転電機の回転数を基に求めた内輪温度とを対比してヒータを通電制御する（請求項２）。
（２）回転電機の運転停止時には、前記ヒータを通電してグリースが適正な粘度を維持するように軸受を加熱する（請求項３）。

上記軸受装置によれば、軸受のハウジングに付設したヒータの通電制御により、回転電機の運転時における転がり軸受の内輪と外輪との間の熱膨張差を低く抑えて軸受の転がり面に作用する荷重応力を低減することができ、これにより転がり面の劣化進行を低めて軸受の疲労寿命，およびグリースの潤滑寿命を延ばすことができる。

また、回転電機の運転停止時には、前記ヒータを通電してグリースを予熱しておくことにより、この軸受に使用するグリースは低温における粘度を考慮する必要がなく、高温側の使用温度範囲に特化して高温用のグリースを選定することが可能となるので、これによりコスト低減，グリース寿命の向上化が図れるほか、軸受の起動トルクも低減できる。

本発明の実施例による回転電機の軸受装置の構成図である。 図１におけるヒータの通電制御系の略示フロー図である。

以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。
図１において、１は回転電機の固定子鉄心、２は固定子コイル、３は回転子鉄心、４は回転軸、５はフレーム、６はブラケット、７はグリース封止形転がり軸受、８は軸受のハウジング、９はヒータ、１０は温度センサ、１１は回転速度センサである。

ここで、ヒータ９は例えばフィルムヒータを転がり軸受７の外輪７ａを取付けたハウジング８の周面に巻き付け、その通電により外輪７ａを加熱する。また、温度センサ１０には例えばサーミスタを用いて外輪７ａの温度を検出する。

一方、回転軸４と一体に回転する軸受７の内輪７ｂは回転速度に比例した摩擦抵抗の影響を受けて温度上昇し、高速回転領域での内輪温度は回転数Ｎの２乗に定数ｋを掛けた値（＝ｋ×Ｎ^２）にほぼ比例する特性を持つことが知られている。そこで、図示のように回転軸４の周面に対向配置した回転速度センサ１１で内輪７ｂの回転数Ｎを検出することにより、内輪温度を推測して求めることができる。

そして、回転電機の運転状態では、図２で示すように前記温度センサ１０，および回転速度センサ１１の検出信号をコントローラに入力してヒータ９を次記のように通電制御する。すなわち、コントローラでは、温度センサ１０で検出した軸受７の外輪温度と、回転速度センサ１１で検出した回転数から求めた内輪温度とを比較し、外輪の温度が内輪の温度よりも低い場合にはコントローラから出力する通電制御指令でヒータ９を通電ＯＮとして外輪７ａを加熱し、外輪温度が内輪７ｂと同等な温度まで上昇すればヒータ９の通電をＯＦＦする。

上記のように、回転電機の運転状態でヒータ９を通電制御することにより、転がり軸受７の外輪７ａ，７ｂの温度をほぼ平衡状態に保つことができる。これにより内輪７ｂと外輪７ａの間の熱膨張差が無くなり、軸受７の転がり面に作用する圧縮荷重が低減して軸受の疲労寿命，およびグリースの潤滑寿命を延ばすことができる。

また、この実施例では、回転電機の停止時にヒータ９を通電して軸受７を加熱し、この軸受に注入したグリースを予熱するようにしている。したがって、グリースの選定に当たっては停止時の低温におけるグリース粘度の高まりを考慮する必要がなく、その使用温度範囲を高温側に特化して高温用のグリースを選定することが可能となり、これによりコスト低減，グリース寿命の向上化が図れるほか、軸受の起動トルクも低減できて回転電機の起動が円滑に行える。

１ 固定子鉄心
３ 回転子鉄心
４ 回転軸５
５ フレーム
７ 転がり軸受
７ａ 外輪
７ｂ 内輪
７ｃ 鋼球
８ 軸受のハウジング
９ ヒータ
１０ 温度センサ
１１ 回転速度センサ

Claims (3)

1. グリース封止形転がり軸受を搭載した回転電機の軸受装置において、前記軸受の外輪を支持するハウジングにヒータを付設し、回転電機の運転時における転がり軸受の外輪温度が内輪温度と同等な温度となるように前記ヒータを通電制御することを特徴とする回転電機の軸受装置。
2. 請求項１に記載の軸受装置において、転がり軸受の外輪温度検知手段としてハウジングに温度センサを配置し、該温度センサの検出温度と、回転電機の回転数を基に求めた内輪の温度とを対比してヒータを通電制御することを特徴とする回転電機の軸受装置。
3. 請求項１に記載の軸受装置において、回転電機の運転停止時には、前記ヒータを通電してグリースが適正な粘度を維持するように軸受を加熱することを特徴とする回転電機の軸受装置。