JP2016134973A - 交流モータ用のロータ組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ベアリングに作用する軸電圧を低減することで、ベアリング電食を抑制できる交流モータ用のロータ組立体の提供【解決手段】交流モータ用のロータ組立体は、軸方向に延在するシャフトと、前記シャフトまわりに固定されるロータコアと、前記シャフトに設けられるベアリングと、軸方向の前記ロータコアの延在範囲に少なくとも一部が含まれる態様で、軸方向に延在する導体部材と、前記導体部材の第１位置と、前記シャフトの第３位置とを電気的に接続する第１導体と、前記第１位置よりも軸方向で第１の側にある前記導体部材の第２位置と、前記シャフトの第４位置とを電気的に接続する第２導体とを備え、前記第３位置は、軸方向で前記第４位置よりも前記第１の側にある。【選択図】図１

Description

本開示は、交流モータ用のロータ組立体に関する。

ＥＤＭ電流（Electrostatic discharge machining bearing currents）に起因したベアリング電食を抑制するための技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開2011‐72113号公報 特開2014‐187754号公報

従来の方法は、ベアリングの転動体を絶縁性のセラミックで形成し又は絶縁コーティングすることで、転動体自体に電流を流さないようにするアプローチや、軸電流の経路中に絶縁材料を配置して軸電流を遮断するアプローチを取る。

本開示は、ベアリングに作用する軸電圧を低減することで、ベアリング電食を抑制できる交流モータ用のロータ組立体の提供を目的とする。

本開示の一局面によれば、軸方向に延在するシャフト（４２）と、
シャフト（４２）まわりに固定されるロータコア（４０）と、
シャフト（４２）に設けられるベアリング（５０）と、
軸方向のロータコア（４０）の延在範囲に少なくとも一部が含まれる態様で、軸方向に延在する導体部材（６２）と、
導体部材（６２）の第１位置（Ｐ１）と、シャフト（４２）の第３位置（Ｐ３）とを電気的に接続する第１導体（６４）と、
第１位置（Ｐ１）よりも軸方向で第１の側にある導体部材（６２）の第２位置（Ｐ２）と、シャフト（４２）の第４位置（Ｐ４）とを電気的に接続する第２導体（６６）とを備え、
第３位置（Ｐ３）は、軸方向で第４位置（Ｐ４）よりも軸方向で第１の側にある、交流モータ（１）用のロータ組立体（４）が提供される。

本開示によれば、ベアリングに作用する軸電圧を低減することで、ベアリング電食を抑制できる交流モータ用のロータ組立体が得られる。

一実施例によるモータ１を概略的に示す断面図である。 軸電圧低減部品６０の単品状態の斜視図である。 軸電圧低減部品６０の構成要素のそれぞれの単品状態を示す斜視図である。 ロータ組立体４に生じうる軸電圧の説明図である。 モータ１に形成される等価回路を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

図１は、一実施例によるモータ１を概略的に示す断面図である。図１には、モータ１の回転軸Ｉを通る切断面による断面図が示されている。以下では、周方向、径方向及び軸方向は、特に言及しない限り、モータ１の回転軸Ｉを基準とする。また、以下では、一例として、モータ１は、モータ１の回転軸Ｉが水平になる向きで搭載されているものとし、図１に示すような左右方向を定義する。但し、実際のモータ１の搭載の向きは任意である。

モータ１は、ハイブリッド車又は電気自動車で使用される走行用モータであってよい。モータ１のタイプは、直流電圧をインバータにより交流に変換し駆動されるブラシレス交流モータを含む。モータ１は、例えば３相交流ブラシレスモータである。駆動方式は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式であってよい。

モータ１は、ステータ２と、ロータ組立体４とを含む。

ステータ２は、ステータコア２０と、コイル（図示せず）とを含む。ステータコア２０は、例えば積層鋼板から形成される。コイルは、ステータコアのスロット（図示せず）に設けられる。コイルは、円形断面のコイル線により形成されてもよいし、カセットコイルのような平角断面のコイル線により形成されてもよい。

ロータ組立体４は、ロータコア４０と、シャフト４２と、ベアリング５０と、軸電圧低減部品６０とを含む。

ロータコア４０は、シャフト４２まわりに固定される。ロータコア４０は、モータ１の回転軸Ｉまわりに設けられる。図１には、軸方向のロータコア４０の延在範囲が参照符号９０で示されている。以下では、軸方向のロータコア４０の延在範囲を、単に「ロータコア延在範囲９０」とも称する。

ロータコア４０は、回転軸Ｉと同心の円筒形であり、ステータコア２０の内径側に配置される。ロータコア４０は、例えば積層鋼板から形成される。ロータコア４０は、永久磁石（図示せず）を外径側の表面又は内部に備える。

シャフト４２は、軸方向に延在し、モータ１の回転軸Ｉを画成する。シャフト４２は、少なくともロータコア延在範囲９０の全体にわたって、軸方向に延在する。図示の例では、シャフト４２は、ロータコア延在範囲９０の両側でベアリング５０により支持される。シャフト４２には、軸電圧低減部品６０が設けられる。図示の例では、シャフト４２は、中空部材であり、内部空間に軸電圧低減部品６０が設けられる。

ベアリング５０は、シャフト４２に設けられる。例えば、ベアリング５０は、シャフト４２をモータケース（図示せず）に、モータケース（図示せず）に対して回転可能に支持する。ベアリング５０は、図１に示すように、ボールベアリングであってよい。ベアリング５０は、図１に示すように、ロータコア延在範囲９０の両側にそれぞれ設けられてよい。

軸電圧低減部品６０は、ロータコア延在範囲９０内に少なくとも一部が含まれる態様で設けられる。図示の例では、図１に示すように、軸電圧低減部品６０は、回転軸Ｉと同心の円筒形であり、ロータコア延在範囲９０の全体にわたって、軸方向に延在する。

軸電圧低減部品６０は、ロータコア延在範囲９０においてシャフト４２に発生する軸電圧の影響（ベアリング５０への影響）を低減する機能を有する。軸電圧は、モータ１を駆動する際に生じるモータ１の軸まわり（回転方向）の磁束の変動に起因して発生する。ベアリング５０に作用する軸電圧の大きさが、ベアリング５０のグリスの油膜の絶縁破壊電圧を超えるとベアリング電流（放電電流）、即ちＥＤＭ電流が流れる。ＥＤＭ電流は、シャフト４２、ベアリング５０及びモータケース（図示せず）を介して循環する。このＥＤＭ電流は、ベアリング５０の金属表面に損傷を与え、ベアリング５０の電食を引き起こす。本実施例では、軸電圧低減部品６０を設けることで、シャフト４２に発生する軸電圧のベアリング５０への影響を低減し、ベアリング５０の電食を抑制する。軸電圧低減部品６０の機能及び構成については後述する。

次に、図１乃至図３を参照して、軸電圧低減部品６０の構成について説明する。

図２は、軸電圧低減部品６０の単品状態の斜視図である。図３は、軸電圧低減部品６０の構成要素のそれぞれの単品状態を示す斜視図であり、（Ａ）は、導体部材６２を示し、（Ｂ）は、第１導体６４及び第２導体６６をそれぞれの単品状態で示し、（Ｃ）は、絶縁部材６８を示す。

軸電圧低減部品６０は、導体部材６２と、第１導体６４と、第２導体６６と、絶縁部材６８とを含む。

導体部材６２は、ロータコア延在範囲９０内に少なくとも一部が含まれる態様で、軸方向に延在する。図示の例では、導体部材６２は、軸電圧低減部品６０に対応した円筒形であり、ロータコア延在範囲９０の全体にわたって、軸方向に延在する。導体部材６２は、金属のような導体により形成される。導体部材６２は、第１導体６４及び第２導体６６を介してシャフト４２に電気的に接続される。

第１導体６４は、図１に示すように、軸方向に延在し、導体部材６２の第１位置Ｐ１と、シャフト４２の第３位置Ｐ３とを電気的に接続する。図示の例では、シャフト４２の第３位置Ｐ３は、導体部材６２の第１位置Ｐ１に対して軸方向で右側に離間する。第１導体６４は、図３（Ｂ）に示すように、軸方向の両端に端子部６４１を有し、各端子部６４１が導体部材６２及びシャフト４２にそれぞれ第１位置Ｐ１及び第３位置Ｐ３にて接合される。

第２導体６６は、図１に示すように、軸方向に延在し、導体部材６２の第２位置Ｐ２と、シャフト４２の第４位置Ｐ４とを電気的に接続する。図示の例では、シャフト４２の第４位置Ｐ４は、導体部材６２の第２位置Ｐ２に対して軸方向で左側に離間する。第２導体６６は、図３（Ｂ）に示すように、軸方向の両端に端子部６６１を有し、各端子部６６１が導体部材６２及びシャフト４２にそれぞれ第２位置Ｐ２及び第４位置Ｐ４にて接合される。

第２位置Ｐ２は、第１位置Ｐ１よりも軸方向で第１の側（図示の例では右側）にある。また、第３位置Ｐ３は、第４位置Ｐ４よりも軸方向で第１の側（図示の例では右側）にある。図示の例では、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２は、軸方向でロータコア延在範囲９０の両端に対応するように設定される。また、第３位置Ｐ３及び第４位置Ｐ４は、軸方向でロータコア延在範囲９０の両端に対応するように設定される。第１位置Ｐ１は、第４位置Ｐ４と略同一の軸方向の位置であり、第２位置Ｐ２は、第３位置Ｐ３と略同一の軸方向の位置である。

絶縁部材６８は、導体部材６２とシャフト４２との間の直接的な導通（即ち第１導体６４及び第２導体６６を介した間接的な導通を除く導通）を防止するために設けられる。具体的には、図１に示すように、絶縁部材６８は、円筒形であり、径方向でシャフト４２と導体部材６２との間に設けられる。即ち、絶縁部材６８は、導体部材６２の外周面を形成する態様で、シャフト４２の内周面に接合される。これにより、導体部材６２がシャフト４２に対して支持される。

図示の例では、第１導体６４及び第２導体６６は、絶縁部材６８の内部に設けられる。即ち、第１導体６４及び第２導体６６は、それぞれの端子部６４１及び端子部６６１以外の部分が絶縁部材６８内に配置される。端子部６４１及び端子部６６１は、絶縁部材６８から露出し、それぞれ、シャフト４２及び導体部材６２に接合される。尚、第１導体６４及び第２導体６６は、それぞれ、互いに絶縁されている限り、任意の周方向の位置に設けられてよい。

次に、図４乃至図５を参照して、軸電圧低減部品６０の機能について説明する。

図４は、ロータ組立体４に生じうる軸電圧の説明図である。図５は、ロータ組立体４に生じうる軸電圧に関連した等価回路を示す図である。尚、図５において、Ｒ１は、第３位置Ｐ３から第４位置Ｐ４までの軸方向の区間（以下、Ｐ３‐Ｐ４区間）におけるシャフト４２の抵抗成分であり、Ｒ２は、Ｐ３‐Ｐ４区間における軸電圧低減部品６０（導体部材６２、第１導体６４及び第２導体６６）の抵抗成分である。また、Ｒ３は、軸電圧Ｖ１に起因した電流が流れる経路におけるＰ３‐Ｐ４区間以外の経路部分の抵抗成分である。図５において、Ｒ１及びＲ３により形成される回路部分は、シャフト４２、ベアリング５０及びモータケース（図示せず）により形成される。従って、ベアリング５０に流れる電流は、図５の電流Ｉ３に対応する。

上述の如く、軸電圧は、モータ１を駆動する際に生じるモータ１の軸まわり（回転方向）の磁束の変動に起因して発生する。尚、モータ１の軸まわりの磁束の変動は、主に、軸方向でロータコア延在範囲９０内で生じる。モータ１の軸まわりの磁束の変動は、シャフト４２のみならず、ロータコア延在範囲９０内にある導体部材６２にも影響するため、軸電圧は、シャフト４２のみならず、導体部材６２にも生じる。図４には、モータ１の軸まわりの磁束が方向Ｍに発生したときに発生するシャフト４２及び導体部材６２における軸電圧が参照符号Ｖ１、Ｖ２によりそれぞれ模式的に示されている。尚、モータ１の軸まわりの磁束の変動はシャフト４２及び導体部材６２に対して同様に作用するため、図４に示すように、軸電圧Ｖ１、Ｖ２は、互いに同一の方向に発生する。以下では、図４に示す方向の軸電圧Ｖ１、Ｖ２が発生した状態（右側が高電位側となる状態）について、説明する。尚、モータ１の軸まわりの磁束が逆方向になると、それに応じて逆方向に軸電圧Ｖ１、Ｖ２が発生する。

ここで、本実施例では、上述の如く、導体部材６２は、第１導体６４及び第２導体６６を介してシャフト４２に電気的に接続される。この際、導体部材６２においては、第２位置Ｐ２は、第１位置Ｐ１に対して軸方向で右側にあるのに対して、シャフト４２においては、第４位置Ｐ４は、第３位置Ｐ３に対して軸方向で左側にある。即ち、導体部材６２の高電位側（右側）は、シャフト４２の低電位側（Ｐ４参照）に電気的に接続され、導体部材６２の低電位側（左側）は、シャフト４２の高電位側（Ｐ３参照）に電気的に接続される。従って、電気回路としては、図５に示すように、軸電圧Ｖ１、Ｖ２が互いに相殺する方向となり、Ｐ３‐Ｐ４区間の電位差が低減される。これにより、ベアリング５０に作用する軸電圧が低減され、ベアリング５０の電食を抑制できる。

また、図５に示すように、ベアリング５０に流れる電流Ｉ３は、シャフト４２のＰ３‐Ｐ４区間に流れる電流Ｉ１から、軸電圧低減部品６０に流れる電流Ｉ２を差し引いた値となる。即ち、Ｉ３＝Ｉ１−Ｉ２である。従って、ベアリング５０のグリスの油膜の絶縁破壊電圧を超えないように、例えば抵抗成分Ｒ１，Ｒ２を調整することで、理論上、ベアリング５０に流れる電流Ｉ３を無くすことができる。例えば、Ｉ１＝Ｉ２、即ち、Ｖ１／Ｒ１＝Ｖ２／Ｒ２とすることで、理論上、ベアリング５０に流れる電流Ｉ３を無くすことができる。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した実施例では、導体部材６２は、円筒形（リング状）であるが、形状は任意である。導体部材６２は、ロータコア延在範囲９０内に少なくとも一部が含まれることでシャフト４２と同一の方向に軸電圧が発生する構成であればよい。例えば、導体部材６２は、中実の円柱状の形態（例えば棒状の部材）であってもよい。

また、上述した実施例では、第１位置Ｐ１乃至第４位置Ｐ４は、ロータコア延在範囲９０の両端に対応して設定されている。これにより、軸電圧の発生要因となる磁束変動が生じる軸方向範囲（ロータコア延在範囲９０）の全体に係る軸電圧Ｖ１の影響を低減できる。しかしながら、軸電圧Ｖ１、Ｖ２が互いに相殺する方向となる関係を保つ限り、第１位置Ｐ１乃至第４位置Ｐ４の任意のいずれか又は全てが、図１に示す位置から、軸方向にずれてもよい。

また、上述した実施例では、軸電圧低減部品６０は、図２に示すように一体的に形成されているが、一体化されずにシャフト４２に対して設けられてもよい。また、軸電圧低減部品６０は、多層基板により形成されてもよい。この場合、導体部材６２は、例えば銅のベタパターンにより形成されてもよい。

なお、以上の実施例に関し、さらに以下を開示する。

（１）
軸方向に延在するシャフト（４２）と、
シャフト（４２）まわりに固定されるロータコア（４０）と、
シャフト（４２）に設けられるベアリング（５０）と、
軸方向のロータコア（４０）の延在範囲に少なくとも一部が含まれる態様で、軸方向に延在する導体部材（６２）と、
導体部材（６２）の第１位置（Ｐ１）と、シャフト（４２）の第３位置（Ｐ３）とを電気的に接続する第１導体（６４）と、
第１位置（Ｐ１）よりも軸方向で第１の側にある導体部材（６２）の第２位置（Ｐ２）と、シャフト（４２）の第４位置（Ｐ４）とを電気的に接続する第２導体（６６）とを備え、
第３位置（Ｐ３）は、軸方向で第４位置（Ｐ４）よりも軸方向で第１の側にある、交流モータ（１）用のロータ組立体（４）。

（１）に記載の構成によれば、シャフト（４２）及び導体部材（６２）に軸電圧が発生したとき、導体部材（６２）の高電位側は、シャフト（４２）の低電位側に電気的に接続され、導体部材（６２）の低電位側は、シャフト（４２）の高電位側に電気的に接続される。これにより、シャフト（４２）及び導体部材（６２）は、シャフト（４２）に発生する軸電圧と導体部材（６２）に発生する軸電圧とが打ち消し合う方向で電気的に接続されるので、ベアリング（５０）に作用する軸電圧が低減され、ベアリング（５０）の電食を抑制できる。

（２）
導体部材（６２）は、軸方向のロータコア（４０）の延在範囲の全体にわたって軸方向に延在する、（１）に記載の交流モータ（１）用のロータ組立体（４）。

（２）に記載の構成によれば、軸電圧の発生要因となる磁束変動が生じる軸方向範囲である軸方向のロータコア（４０）の延在範囲の全体にわたってシャフト（４２）に発生する軸電圧に対して、導体部材（６２）に発生する軸電圧を逆方向に印加できる。これにより、軸電圧の発生要因となる磁束変動が生じる軸方向範囲の全体にわたってシャフト（４２）に発生する軸電圧の、ベアリング（５０）への影響を低減できる。

（３）
第１位置（Ｐ１）及び第２位置（Ｐ２）は、軸方向のロータコア（４０）の延在範囲の両端に対応するように設定され、
第３位置（Ｐ３）及び第４位置（Ｐ４）は、軸方向のロータコア（４０）の延在範囲の両端に対応するように設定される、（２）に記載の交流モータ（１）用のロータ組立体（４）。

（３）に記載の構成によれば、軸電圧の発生要因となる磁束変動が生じる軸方向範囲である軸方向のロータコア（４０）の延在範囲の全体にわたってシャフト（４２）に発生する軸電圧に対して、導体部材（６２）に発生する軸電圧を最大限に逆方向に印加できる。これにより、軸電圧の発生要因となる磁束変動が生じる軸方向範囲の全体にわたってシャフト（４２）に発生する軸電圧の、ベアリング（５０）への影響を効率的に低減できる。

（４）
導体部材（６２）は、円筒状の形態であり、シャフト（４２）の中空内部に設けられる、（１）〜（３）のうちのいずれか１項に記載の交流モータ（１）用のロータ組立体（４）。

（４）に記載の構成によれば、導体部材（６２）を、シャフト（４２）の中空内部を利用して実装できる。

１ モータ
２ ステータ
４ ロータ組立体
２０ ステータコア
４０ ロータコア
４２ シャフト
５０ ベアリング
６０ 軸電圧低減部品
６２ 導体部材
６４ 第１導体
６６ 第２導体
６８ 絶縁部材
９０ ロータコア延在範囲
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置
Ｐ３ 第３位置
Ｐ４ 第４位置

Claims (4)

1. 軸方向に延在するシャフトと、
   前記シャフトまわりに固定されるロータコアと、
   前記シャフトに設けられるベアリングと、
   軸方向の前記ロータコアの延在範囲に少なくとも一部が含まれる態様で、軸方向に延在する導体部材と、
   前記導体部材の第１位置と、前記シャフトの第３位置とを電気的に接続する第１導体と、
   前記第１位置よりも軸方向で第１の側にある前記導体部材の第２位置と、前記シャフトの第４位置とを電気的に接続する第２導体とを備え、
   前記第３位置は、軸方向で前記第４位置よりも軸方向で前記第１の側にある、交流モータ用のロータ組立体。
2. 前記導体部材は、軸方向の前記ロータコアの延在範囲の全体にわたって軸方向に延在する、請求項１に記載の交流モータ用のロータ組立体。
3. 前記第１位置及び前記第２位置は、軸方向の前記ロータコアの延在範囲の両端に対応するように設定され、
   前記第３位置及び前記第４位置は、軸方向の前記ロータコアの延在範囲の両端に対応するように設定される、請求項２に記載の交流モータ用のロータ組立体。
4. 前記導体部材は、円筒状の形態であり、前記シャフトの中空内部に設けられる、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の交流モータ用のロータ組立体。

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