JP2016149916A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、軸受電圧に起因するジュール損失の抑制と軸受電食の抑制とを可能とすることである。【解決手段】回転電機６０は、ロータ軸６２に固定されるロータ１２と、ステータ１４と、ロータ１２とステータ１４を内部に収容するモータケース１６と、モータケース１６に固定されロータ軸６２を回転自在に支持する軸受３０，４０と、ロータ軸６２の軸方向に沿って配置される導体部材６６と、ロータ軸６２周りの不均衡磁束５０によって軸受３０，４０に生じる電圧差を軸受電圧ＶIとして、軸受３０，４０の絶縁破壊電圧以上の軸受電圧ＶIに対しては低いインピーダンスを有し、軸受３０，４０の絶縁破壊電圧未満の軸受電圧ＶIに対しては高いインピーダンスを有して、軸受３０，４０の外部において導体部材６６とステータ１４との間に設けられる軸受外部回路８０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、ロータを支持する軸受に軸受電圧が発生し得る構造を有する回転電機に関する。

回転電機において、ロータ軸周りに不均衡な磁束分布があると、不均衡磁束の周りに誘導電圧が生じ、その誘導電圧によってステータに対しロータ軸を支持する軸受のステータ側とロータ軸側との間に軸受電圧が発生する。軸受電圧が高くなって絶縁破壊電圧以上になると、軸受を介したロータ軸とステータのループに誘導電流が流れる。これによって軸受に電流集中が生じジュール損失が発生する。また軸受に電食現象が生じて軸受面が損傷し、ロータ軸の回転に異音が生じ、回転負荷が重くなり、回転電機の動作に支障が生じる。

これを防止するため、特許文献１では、ロータ軸の軸方向に形成した貫通穴に導体部材を挿入し、ステータと導体部材とを短絡して軸受に誘導電流を流さない方法を開示している。

特開２０１４−０１１８２７号公報

特許文献１の方法では、ロータ軸に沿って配置される導体部材とステータとがループ状に短絡されているので、不均衡磁束による誘導電流は、軸受を介したロータ軸とステータのループよりも、導体部材とステータを短絡したループに流れる。したがって、不均衡磁束による軸受電圧が発生しても軸受に電流が流れず軸受電食を防止できる。その反面、軸受電圧が絶縁破壊電圧以下のときでも導体部材には軸受電圧による電流が流れ、その分のジュール損失が回転電機の効率の低下につながる。

また、特許文献１の構造では導体部材とステータが短絡されているので、不均衡磁束による軸受電圧がそのままでは検出できず、軸受電圧に応じた電食抑制制御を行うことができない。

本発明の目的は、軸受電圧に起因するジュール損失の抑制と軸受電食の抑制とを可能とする回転電機を提供することである。他の目的は、軸受電圧に応じて電食抑制制御を行える回転電機を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る回転電機は、ロータ軸に固定されるロータと、ロータの内周側に配置されるステータと、ロータとステータを内部に収容するモータケースと、モータケースに固定されロータ軸を回転自在に支持する軸受と、ロータ軸の軸方向に沿って配置される導体部材と、ロータ軸周りの不均衡磁束によってモータケースとロータ軸の間に電圧差があるときに軸受に生じる電圧差を軸受電圧として、軸受の絶縁破壊電圧以上の軸受電圧に対しては低いインピーダンスを有し、軸受の絶縁破壊電圧未満の軸受電圧に対しては高いインピーダンスを有して、軸受の外部において導体部材とステータとの間に設けられる軸受外部回路と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る回転電機において、軸受外部回路は、軸受の絶縁破壊電圧以下のツェナー電圧を有するツェナー素子の２つについてそれぞれのアノード側を互いに接続し、一方側のカソードを導体部材に接続し、他方側のカソードをステータに接続するツェナー回路であることが好ましい。

本発明に係る回転電機において、不均衡磁束による軸受電圧が交流電圧でありその周波数が高いほど高い電圧となる軸受交流電圧であって、軸受外部回路は、軸受交流電圧の周波数が高い領域で低いインピーダンスを有し、軸受交流電圧の周波数が低い領域で高いインピーダンスを有する容量型回路であることが好ましい。

本発明に係る回転電機において、不均衡磁束による軸受電圧が交流電圧でありその周波数が特定周波数領域で高い電圧となる軸受交流電圧であって、軸受外部回路は、軸受交流電圧の特定周波数領域で低いインピーダンスを有する共振回路であることが好ましい。

本発明に係る回転電機において、軸受外部回路は、軸受電圧検出部と、軸受電圧が軸受の絶縁破壊電圧以上であると検出されたときに、導体部材とステータの間を短絡するスイッチ素子と、を含むことが好ましい。

本発明に係る回転電機において、スイッチ素子に代えて、軸受電圧検出部の検出値に応じて回転電機の運転条件を変更し軸受電圧を低下させる制御信号を出力する制御部を含むことが好ましい。

本発明に係る回転電機は、軸受の絶縁破壊電圧以上の軸受電圧に対しては低いインピーダンスを有し、軸受の絶縁破壊電圧未満の軸受電圧に対しては高いインピーダンスを有する軸受外部回路が導体部材とステータとの間に設けられる。これによって、不均衡磁束による軸受電圧が絶縁破壊電圧以上となったときに、導体部材とステータとが低いインピーダンスで接続されるので、特許文献１と同様に、軸受に電流が流れず、軸受電食を抑制できる。また、不均衡磁束による軸受電圧が絶縁破壊電圧未満のときは、導体部材とステータとの間が高インピーダンスとなるので、導体部材に流れる電流が抑制されてそのジュール損失が低く抑えられる。

本発明に係る回転電機において、軸受の絶縁破壊電圧以下のツェナー電圧を有するツェナー素子の２つについてそれぞれのアノード側を互いに接続し、一方側のカソードを導体部材に接続し、他方側のカソードをステータに接続する。これによって、軸受電圧がツェナー電圧以上となると導体部材とステータとが低インピーダンスで導通し、それまでは、導体部材とステータとの間が絶縁状態である。これによって、軸受電食を抑制し、導体部材のジュール損失を抑制できる。

本発明に係る回転電機において、不均衡磁束による軸受電圧が交流電圧でありその周波数が高いほど高い電圧となる軸受交流電圧であるときは、軸受交流電圧の周波数が高く軸受交流電圧が高い領域では、導体部材とステータとの間が容量型の低いインピーダンスで接続される。これにより、軸受に電流が流れず、軸受電食が抑制される。また、軸受交流電圧の周波数が低く軸受交流電圧が低い領域では、導体部材とステータとの間が容量型の高いインピーダンスとなるので、導体部材のジュール損失が抑制される。

本発明に係る回転電機において、不均衡磁束による軸受電圧が交流電圧でありその周波数が特定周波数領域で高い電圧となる軸受交流電圧であるときは、軸受交流電圧の特定周波数領域で低いインピーダンスを有する共振回路で導体部材とステータとが接続される。これにより、軸受交流電圧が高いときに電流が流れず、軸受電食が抑制される。また、軸受交流電圧が低いときには、導体部材とステータとの間が高いインピーダンスとなるので、導体部材のジュール損失が抑制される。

本発明に係る回転電機において、軸受外部回路は、軸受電圧検出部を有する。これにより、不均衡磁束による軸受電圧が検出される。そして検出された軸受電圧が軸受の絶縁破壊電圧以上であるときに、導体部材とステータとの間がスイッチ素子で短絡される。これにより軸受電食を抑制でき、また、軸受電圧が絶縁破壊電圧以下のときには導体部材とステータとの間が電気的に開放されるので、導体部材のジュール損失をゼロにすることができる。

本発明に係る回転電機において、スイッチ素子に代えて設けられる制御部は、軸受電圧検出部の検出値に応じて回転電機の運転条件を変更し軸受電圧を低下させる制御信号を出力する。これにより、軸受電圧の大きさに応じて、例えば回転電機の回転数等を変更する等によって、不均衡磁束を低減する処理を行い、軸受電食の抑制を行うことができる。

不均衡磁束によって軸受電食が生じることを説明する図である。図１（ａ）は回転電機の全体断面図であり、（ｂ）は軸受部分の拡大図である。 本発明に係る実施の形態における回転電機の構成図である。 本発明に係る実施の形態における回転電機の軸受外部回路としてのツェナー回路を示す図である。 不均衡磁束による軸受電圧の周波数依存性を示す図である。 本発明に係る実施の形態における回転電機の軸受外部回路としての容量型回路を示す図である。 本発明に係る実施の形態における回転電機の軸受外部回路としての共振回路を示す図である。 本発明に係る実施の形態における回転電機の軸受外部回路として、軸受電圧検出部とスイッチとを含む回路を示す図である。 本発明に係る実施の形態における回転電機の軸受外部回路として、軸受電圧検出部と制御部とを含む回路を示す図である。 図８における制御の手順を示すフローチャートである。 比較例として軸受外部回路を有さない回転電機についての断面図である。 図２と図１と図１０の作用比較図である。横軸は軸受電圧で縦軸は電流である。図１１（ａ）は、図２の作用を示す図、（ｂ）は図１の作用を示す図、（ｃ）は図１０の作用を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機がハイブリッド車両に搭載されるものとするが、これは説明のための例示であって、これ以外の用途であって回転電機が高速回転するものであれば本発明が適用される。また、回転電機として、三相５極でステータにコイルが巻回されロータに磁石が設けられる同期型回転電機を述べるが、これは説明のための例示であって、これ以外の形式であってもよい。例えば、ロータがリラクタンス型でもよく、埋め込み磁石型でもよい。極数は５極以外でもよい。また、不均衡磁束は、ロータ軸の回転周波数を基準として１５次の不均衡としたが、一般的にｎ次の不均衡としてよい。軸受は、コロと外輪と内輪で構成されるものを述べるが、潤滑油を用いてステータ側とロータ軸側との間が絶縁状態となる軸受であれば本発明が適用できる。

以下で述べる形状、寸法、材質等は、説明のための例示であって、回転電機の仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。

最初に、回転電機において軸受電食が生じる現象について、図１を用いて説明する。図１は、一般的な回転電機１０の断面図である。図１（ａ）は全体断面図であり、（ｂ）は軸受周りの拡大図である。回転電機１０は、ハイブリッド車両に搭載される三相同期型のモータ・ジェネレータである。回転電機１０は、ロータ１２とステータ１４と、モータケース１６と、ロータ軸２０と、軸受３０，４０とを含む。

ロータ１２は、所定の形状に成形された複数の積層鋼板を積層して形成される円環状の磁性体部品であるロータコアに磁極を形成する複数の永久磁石を埋め込んだもので、中心にロータ軸２０と固定するための穴が設けられる。ロータコアとしては、積層鋼板に代えて、磁性粉末を一体化成形したものを用いてもよい。図１では永久磁石の図示を省略した。永久磁石は、ステータ１４に巻回されるコイルに所定の通電を行うことで発生する回転磁界と協働してトルクを発生し、これによってロータコアと一体となってロータ軸２０を回転させる。

ステータ１４は、円環状のステータコアと、ステータコアに巻回されるコイルとを含む。ステータコアは、ロータコアと同様に、所定の形状に成形された複数の積層鋼板を積層して形成される円環状の磁性体部品である。積層鋼板に代えて、磁性粉末を一体化成形したものを用いてもよい。図１では、ステータコアに巻回されたコイルとして、ステータコアの軸方向の両端部に突き出る部分であるコイルエンド１８を示した。

モータケース１６は、ステータ１４の外周側を固定しロータ軸２０の両端を軸受３０，４０で回転自在に支持し、ステータ１４の内周側に所定の磁気ギャップを空けてロータ１２を配置して収納する。かかるモータケース１６としては、適当な強度と耐熱性と耐油性とを有する金属材料を所定の形状に成形したものを用いる。金属材料としては、鋳鉄等の鉄材が用いられる。

ロータ軸２０は、ロータ１２の中心穴に固定配置され、ステータ１４とロータ１２の協働によってロータ１２が回転するときは、ロータ１２と一体となって回転し、トルクを出力する回転電機１０の出力軸である。

軸受３０，４０は、モータケース１６の軸方向両端部に設けられる軸受支持穴に配置され、ロータ軸２０の両端を回転自在に支持する転がり軸受である。軸受３０，４０の構造は同じであるので、軸受３０に代表させ、図１（ｂ）に軸受３０周りの拡大図を示した。軸受３０は、ステータ１４に固定される外輪３２と、ロータ軸２０に固定される外輪３２と、内輪３４の内側の軸受面と内輪３４の外側の軸受面によって転がり自在に支持される円筒形のコロ３６とを含んで構成される。コロ３６の外周面と、コロ３６が転がる内輪３４の軸受面及び外輪３２の軸受面には潤滑油が供給され、コロ３６の回転によって絶縁膜である油膜３８が形成される。

図１（ａ）の不均衡磁束５０は、ロータ軸２０の周りについて不均衡な分布をする磁束である。不均衡磁束５０が生じる理由としては、ロータ軸２０に対してロータ１２とステータ１４が完全な軸対称でない機械的な非対称性が考えられる。例えば、軸受３０，４０の不均一摩耗等によるものも含まれる。もう１つは、ロータ軸２０に対して、磁束の流れが完全な軸対称性でない磁気的非対称性が考えられる。ハイブリッド車両では、回転電機が高速回転することが多く、その軸受電食は、磁気的非対称性による不均衡磁束の高周波変動によることが主原因と考えられる。

図１（ａ）に、回転電機１０の長手方向をＸ方向として示した。Ｘ方向はロータ軸２０の延びる方向である。不均衡磁束５０の磁束φはＸ軸周りに円環状に流れる。図１（ａ）に磁束φの流れる方向をθ方向として示した。θ方向は、右ねじがθ方向に切られているとしてその進む方向が＋Ｘの方向となる回転方向である。不均衡磁束５０が変動するとき、不均衡磁束５０の変動を打ち消すように交流の誘導電圧Ｖ_Iが生じる。電流の流れるパスがあると誘導電圧Ｖ_Iの正負の方向に従って誘導電流Ｉ_Iが流れる。誘導電流Ｉ_Iの流れる方向は、磁束φの周りに円環状に生じ、磁束φを打ち消す逆磁束を発生する方向である。図１（ａ）に示すように、誘導電流Ｉ_Iの流れる方向は、円環状の磁束φの中心軸側であるロータ軸２０の側で＋Ｘから−Ｘへ向かう方向であり、円環状の磁束φの外側であるモータケース１６側で−Ｘから＋Ｘへ向かう方向である。

誘導電流Ｉ_Iが流れるパスとしては、ステータ１４が固定されるモータケース１６−軸受３０−ロータ軸２０−軸受４０−モータケース１６がある。図１（ｂ）に示すように、油膜３８が存在し、その膜厚が有する絶縁破壊電圧Ｖ₀よりも誘導電圧Ｖ_Iが低い間は、軸受３０は外輪３２とコロ３６、コロ３６と内輪３４の間が絶縁されているので、上記パスに誘導電流Ｉ_Iは流れず外輪３２と外輪３２の間に誘導電圧Ｖ_Iが生じる。外輪３２はモータケース１６に接続され、内輪３４はロータ軸２０に接続されるので、モータケース１６とロータ軸２０との間に電圧差が生じるときに軸受３０にも電圧差が生じる。軸受に生じる電圧差を軸受電圧と呼ぶと、軸受電圧は誘導電圧Ｖ_Iと同じもので交流電圧である。以下では、場合によって誘導電圧Ｖ_Iを軸受電圧Ｖ_Iと言い換える。

軸受電圧Ｖ_Iが油膜３８の絶縁破壊電圧Ｖ₀以上になると、場合によってスパーク５６等が生じ、外輪３２−コロ３６−内輪３４の間が導通し、誘導電流Ｉ_Iが流れる。このときは、絶縁破壊電圧Ｖ₀以上となった部分等に電流集中が生じジュール損失が発生する。また外輪３２や内輪３４に電食現象が生じて軸受面が損傷し、ロータ軸２０の回転に異音が生じ、回転負荷が重くなり、回転電機１０の動作に支障が生じる。

以上が回転電機１０において軸受電食が生じる現象の説明である。軸受電食が生じない方法として、特許文献１（図１１参照）では、ロータ軸２０に対し平行に導体部材を配置し、導体部材とモータケース１６とでループ状の導体パスを形成し、そこに誘導電流Ｉ_Iを流す。軸受３０，４０を経由するパスよりも導体部材を経由するパスの方が低い抵抗値となるようにすれば、軸受３０，４０に誘導電流Ｉ_Iが流れず軸受電食は生じない。その反面、導体部材によって常時ループ状の導体パスが存在するので、軸受電圧Ｖ_Iが軸受３０の絶縁破壊電圧Ｖ₀以下の低い電圧であってもこの導体パスに電流が流れ、その分のジュール損失が回転電機の効率の低下につながる。

図２は、軸受電食を抑制し、ジュール損失を低減することができる回転電機６０の構成を示す図である。回転電機６０は、図１の回転電機１０と比べて、主に２つの点で相違する。

１つは、ロータ軸６２の軸方向に沿って導体部材６６が配置されることである。導体部材６６は、ロータ軸６２においてその軸方向に沿って中心貫通穴６４を設け、その中に配置される。導体部材６６が回転するロータ軸６２に接触しないように、中心貫通穴６４の内径は導体部材６６の外径よりも小さく設定される。かかる導体部材６６は、高い導電率を有する金属材料の棒材を用いる。例えば、鉄、アルミニウム、銅等の棒材が用いられる。

導体部材６６の＋Ｘ方向の一端側は、モータケース１６の＋Ｘ方向の一端側から延びる一端部材７２に電気的に接続される。なお、ロータ軸６２のトルク出力を取り出す出力軸部７０がこの一端側の内側に設けられる。導体部材６６の−Ｘ方向の他端側は、モータケース１６の−Ｘ方向の他端側に設けられる他端部材７４と絶縁材７８を介して支持される。つまり、導体部材６６の一端側はモータケース１６に短絡され、他端側はモータケース１６から絶縁されて配置される。

もう１つは、軸受電食抑制外部回路８０である。以下では、軸受電食抑制外部回路８０を単に、軸受外部回路８０と呼ぶ。軸受外部回路８０は、２つの端子８２，８４を有し、端子８２は、導体部材６６の他端側に接続され、端子８４はモータケース１６の他端部材７４と接続される。これにより、導体部材６６−端子８２−軸受外部回路８０−端子８４−モータケース１６−導体部材６６の回路ループ８６が形成され、端子８２と端子８４の間に軸受電圧Ｖ_Iが現れる。

軸受外部回路８０は、軸受３０，４０に電食を生じさせる誘導電流Ｉ_Iが流れないようようにし、かつジュール損失を抑制するための回路である。

図３から図６は、軸受外部回路８０として、軸受３０，４０の絶縁破壊電圧Ｖ₀以上の軸受電圧Ｖ_Iに対しては低いインピーダンスを有し、軸受３０，４０の絶縁破壊電圧Ｖ₀未満の軸受電圧Ｖ_Iに対しては高いインピーダンスを有する回路の例を示す図である。

図３は、軸受外部回路８０としてツェナー回路９０を用いる例である。ツェナー回路９０は、軸受３０，４０の絶縁破壊電圧Ｖ₀以下のツェナー電圧Ｖ_Tを有するツェナー素子９２，９４の２つを互いに逆接続の関係で直列接続したものである。２つのツェナー素子９２，９４は、それぞれのアノード（Ａ）側が互いに接続され、一方側のカソード（Ｋ）が端子８２として導体部材６６に接続され、他方側のカソード（Ｋ）が端子８４として、他端部材７４からモータケース１６を介してステータ１４に接続される。

これによって、軸受電圧Ｖ_Iがツェナー電圧Ｖ_T以下のときは端子８２と端子８４の間が高インピーダンスとなって誘導電流Ｉ_Iが導体部材６６に流れずジュール損失が発生しない。また、軸受電圧Ｖ_Iがツェナー電圧Ｖ_T以上となると端子８２と端子８４の間が低インピーダンスとなり、誘導電流Ｉ_Iが導体部材６６に流れ、軸受３０，４０には流れないので軸受電食を抑制できる。

軸受３０，４０の絶縁破壊電圧Ｖ₀の大きさは、軸受３０，４０の寸法と、油膜３８を構成する潤滑油の材質によって予め分かっているので、ツェナー素子９２，９４としては、軸受３０，４０の絶縁破壊電圧Ｖ₀よりやや低めのツェナー電圧Ｖ_Tを有するものを用いる。これによって、軸受３０，４０に発生する軸受電圧Ｖ_Iが絶縁破壊電圧Ｖ₀より小さいツェナー電圧Ｖ_T以上となるときに、誘導電流Ｉ_Iがツェナー回路を介して導体部材６６に流れるようにできる。

図１で述べたように、不均衡磁束は変動する。回転電機１０が回転動作すると、その回転数に応じて軸受電圧Ｖ_Iも変動するので、これを周波数ｆで振幅の絶対値がＶ_Iである軸受交流電圧と呼ぶ。図４は、軸受交流電圧の周波数ｆとその振幅の絶対値Ｖ_Iとの関係を示す図である。パラメータとしては回転電機１０の駆動電流をとった。図４に示すように、回転電機１０が高速回転になるほど周波数ｆが上昇するので軸受交流電圧の絶対値Ｖ_Iが高くなる。また、回転電機１０の出力トルクが大きくなるほど駆動電流が大きくなるので軸受交流電圧の絶対値Ｖ_Iが高くなる。

図５は、軸受外部回路８０として容量型回路９６を用いる例である。容量型回路９６は、コンデンサで構成でき、軸受交流電圧の周波数ｆが高い領域で低いインピーダンスを有し、軸受交流電圧の周波数が低い領域で高いインピーダンスを有する。コンデンサの両端子の一方側は端子８２として導体部材６６に接続され、他方側は端子８４として、他端部材７４からモータケース１６を介してステータ１４に接続される。

これによって、周波数ｆが低く軸受交流電圧の絶対値Ｖ_Iが小さい領域では端子８２と端子８４の間が高インピーダンスとなり導体部材６６を流れる電流が少ないので、ジュール損失を抑制できる。また、周波数ｆが高く軸受交流電圧の絶対値Ｖ_Iが大きい領域では端子８２と端子８４の間が低インピーダンスとなり導体部材６６を流れる電流を大きくでき、その分軸受３０，４０に流れる誘導電流Ｉ_Iが少なくなるので、軸受電食を抑制できる。

図６は、図５の容量型回路９６の変形例で、軸受外部回路８０として共振回路９８を用いる例である。共振回路９８としてはコンデンサ１００とコイル１０２を直列接続して構成される。共振回路９８は、コンデンサ１００の容量値Ｃとコイル１０２のインダクタンスＬで定まる特定周波数領域で低いインピーダンスを有し、それ以外の周波数領域では高いインピーダンスを有する。共振回路９８の両端子の一方側は端子８２として導体部材６６に接続され、他方側は端子８４として、他端部材７４からモータケース１６を介してステータ１４に接続される。

回転電機１０の構造と駆動条件が決まれば、軸受３０，４０の軸受電圧Ｖ_Iが絶縁破壊電圧Ｖ₀となる回転電機１０の閾値回転数が分かるので、その回転数に対応する軸受交流電圧の閾値周波数ｆ_thが分かる。共振回路９８の特定周波数領域の設定について閾値周波数ｆ_thを含むようにする。例えば、共振回路９８の共振周波数を閾値周波数ｆ_thとする。

これによって、周波数が低く特定周波数領域にまだ入ってないときは、共振回路９８のインピーダンスが高く導体部材６６を流れる電流が少ないので、ジュール損失を抑制できる。また、周波数ｆが高くなって特定周波数領域に入ると、端子８２と端子８４の間が低インピーダンスとなり導体部材６６を流れる電流を大きくでき、その分軸受３０，４０に流れる誘導電流Ｉ_Iが少なくなるので、軸受電食を抑制できる。

図７から図９は、軸受外部回路８０に軸受電圧検出部１０４を設け、軸受電圧Ｖ_Iを検出し、検出された軸受電圧Ｖ_Iに応じてジュール損失抑制と軸受電食の抑制とを行う例を示す図である。

図７の軸受検出回路１０４では、端子８２，８４の間に軸受電圧Ｖ_Iが現われるので、これを軸受電圧検出部１０４で検出する。軸受電圧検出部１０４としては一般的な電圧検出手段を用いることができる。検出された軸受電圧Ｖ_Iはスイッチ素子１０６に送られる。スイッチ素子１０６は、端子８２，８４の間に直列接続され、軸受電圧検出部１０４から送られてくる信号が予め定めた閾値電圧以上となるときにオンする閾値電圧作動型スイッチ回路である。

スイッチ素子１０６がオンすると、端子８２と端子８４の間が短絡状態となり、オフのときは開放状態である。閾値電圧は、軸受３０，４０の絶縁破壊電圧Ｖ₀よりやや低めに設定される。これによって、軸受３０，４０に発生する軸受電圧Ｖ_Iがスイッチ素子１０６の閾値電圧以上となったときに、スイッチ素子１０６が短絡状態となり、誘導電流Ｉ_Iがスイッチ素子１０６を通して介して導体部材６６に流れ、軸受３０，４０に流れないので、軸受電食を防止できる。軸受３０，４０に発生する軸受電圧Ｖ_Iがスイッチ素子１０６の閾値電圧よりも低いときは、スイッチ素子１０６が開放状態であるので、導体部材６６に誘導電流Ｉ_Iが流れず、ジュール損失が発生しない。

図８に示す軸受外部回路８０は、図７におけるスイッチ素子１０６に代えて、軸受電圧検出部１０４の検出値に応じて回転電機１０の運転条件を変更し軸受電圧Ｖ_Iを低下させる制御信号１１０を出力する制御部１０８を含む。図７では、閾値電圧を境にして導体部材６６とステータ１４との間が短絡状態か開放状態となるが、図８では、軸受電圧Ｖ_Iの大きさに応じて、回転電機１０の動作条件を変更できる。図４に示されるように、軸受電圧Ｖ_Iは周波数依存性と駆動電流依存性を有するので、軸受電食を抑制するためには、回転電機１０において、回転数や出力トルクを変更することがよい。

図９は、制御部１０８の制御処理の手順を示すフローチャートである。まず、軸受電圧検出部１０４によって軸受電圧Ｖ_Iを検出する（Ｓ１０）。検出は、予め定めた制御周期で行われる。次に、検出された軸受電圧Ｖ_Iが軸受３０，４０の絶縁破壊電圧Ｖ₀以上か否かが判断される（Ｓ１２）。判断が肯定されると、軸受電圧低減処理を行うための制御信号１１０が制御部１０８から出力される。出力された制御信号は、図示しない回転電機制御装置に伝送される（Ｓ１４）。Ｓ１４の処理が終了し、またはＳ１２の判断が否定されたときは、Ｓ１０に戻る。このようにして、軸受電圧Ｖ_Iが常時監視され、必要に応じて回転電機１０の回転数やトルクの変更処理が行われる。

なお、図８の軸受外部回路８０の構成を、図３、図５、図６、図７のいずれか１の構成と併用してもよい。そのようにすることで、回転電機１０の運転状況によって回転数やトルク等の変更が難しいときでも、図３、図５、図６、図７のいずれか１の構成を用いることで、軸受電食の抑制、ジュール損失の抑制を行うことができる。

上記構成の作用効果を従来技術と比較して以下に説明する。比較する従来技術としては、図１で説明した回転電機１０と、特許文献１で述べられている回転電機５９である。特許文献１の回転電機５９の構造を図１０に示す。この回転電機５９は、図２の回転電機６０から軸受外部回路８０を設けず、導体部材６６の一端部がモータケース１６の一端部材７２に電気的に接続され、導体部材６６の他端部がモータケース１６の他端部材７４に電気的に接続される。これによって、モータケース１６を介したステータ１４と導体部材６６とで常時ループ状の導体パス８５が形成される。

図１１は、本発明に係る技術と従来技術とを比較した図である。図１１の各図において、横軸に軸受電圧Ｖ_Iを取り、縦軸にジュール損失を発生する箇所の電流を取った。本発明に係る技術は、軸受外部回路８０の構成によってその作用効果の内容がやや異なるので、図３のツェナー回路９０を軸受外部回路８０として用いる例を取り上げた。図１１（ａ）は、本発明に係る回転電機６０について、（ｂ）は従来技術の回転電機１０について、（ｃ）は従来技術の図１０の回転電機５９についての図である。

図１１（ａ）に示すように、図２の回転電機６０においてツェナー電圧Ｖ_Tを軸受３０，４０の絶縁破壊電圧Ｖ₀よりも低く設定するので、軸受電圧Ｖ_Iがツェナー電圧Ｖ_T未満である範囲では軸受外部回路８０の電流＝０である。軸受電圧Ｖ_Iがツェナー電圧Ｖ_Tに達すると、ツェナー回路９０が導通し電流が流れる。そのことを軸受外部回路８０のＩ−Ｖ特性として太線で示した。したがって、軸受３０，４０の生じる軸受電圧Ｖ_Iはツェナー電圧Ｖ_T以上にはならず、軸受電食が生じない。また、軸受電圧Ｖ_Iがツェナー電圧Ｖ_T未満である範囲では、軸受３０，４０の油膜３８、導体部材６６、軸受外部回路８０のいずれにおいても誘導電流Ｉ_Iが流れず、それによるジュール損失＝０である。

図１１（ｂ）に示すように、図１の回転電機１０においては、導体部材６６も軸受外部回路８０も設けられないので、軸受電圧Ｖ_Iが絶縁破壊電圧Ｖ₀に達すると、軸受３０，４０において油膜３８が破れ、外輪３２と内輪３４の間がコロ３６を介して導通し電流が流れる。そのことを軸受３０のＩ−Ｖ特性として太線で示した。したがって、軸受電圧Ｖ_Iが絶縁破壊電圧Ｖ₀未満である範囲では、軸受３０，４０の油膜３８に誘導電流Ｉ_Iが流れず、それによるジュール損失＝０である。

図１１（ｃ）に示すように、図１０の回転電機５９においては、導体部材６６とモータケース１６が常時短絡状態であるので、軸受３０，４０には誘導電流Ｉ_Iが流れないので、軸受電食は生じない。しかし軸受電圧Ｖ_Iが発生すればそれに応じて電流が流れる。そのことを導体部材６６のＩ−Ｖ特性として太線で示した。したがって、軸受電圧Ｖ_Iに応じて導体部材６６に誘導電流Ｉ_Iが流れ、その分ジュール損失が発生する。

このように、本発明に係る構成によれば、ロータ軸２０周りの不均衡磁束５０によってモータケース１６とロータ軸２０との間に電圧差が生じるときに、軸受電食を抑制しながら、ジュール損失を抑制することができる。

１０，５９，６０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ モータケース、１８ コイルエンド、２０，６２ ロータ軸、３０，４０ 軸受、３２ 外輪、３４ 内輪、３６ コロ、３８ 油膜、５０ 不均衡磁束、５６ スパーク、６４ 中心貫通穴、６６ 導体部材、７０ 出力軸部、７２ 一端部材、７４ 他端部材、７８ 絶縁材、８０ 軸受（電食抑制）外部回路、８２，８４ 端子、８５ 導体パス、８６ 回路ループ、９０ ツェナー回路、９２，９４ ツェナー素子、９６ 容量型回路、９８ 共振回路、１００ コンデンサ、１０２ コイル、１０４ 軸受電圧検出部、１０６ スイッチ素子、１０８ 制御部、１１０ 制御信号。

Claims (6)

1. ロータ軸に固定されるロータと、
   ロータの内周側に配置されるステータと、
   ロータとステータを内部に収容するモータケースと、
   モータケースに固定されロータ軸を回転自在に支持する軸受と、
   ロータ軸の軸方向に沿って配置される導体部材と、
   ロータ軸周りの不均衡磁束によってモータケースとロータ軸との間に電圧差があるときに軸受に生じる電圧差を軸受電圧として、軸受の絶縁破壊電圧以上の軸受電圧に対しては低いインピーダンスを有し、軸受の絶縁破壊電圧未満の軸受電圧に対しては高いインピーダンスを有して、軸受の外部において導体部材とステータとの間に設けられる軸受外部回路と、
   を備えることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   軸受外部回路は、
   軸受の絶縁破壊電圧以下のツェナー電圧を有するツェナー素子の２つについてそれぞれのアノード側を互いに接続し、一方側のカソードを導体部材に接続し、他方側のカソードをステータに接続するツェナー回路であることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   不均衡磁束による軸受電圧が交流電圧でありその周波数が高いほど高い電圧となる軸受交流電圧であって、
   軸受外部回路は、
   軸受交流電圧の周波数が高い領域で低いインピーダンスを有し、軸受交流電圧の周波数が低い領域で高いインピーダンスを有する容量型回路であることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１に記載の回転電機において、
   不均衡磁束による軸受電圧が交流電圧でありその周波数が特定周波数領域で高い電圧となる軸受交流電圧であって、
   軸受外部回路は、
   軸受交流電圧の特定周波数領域で低いインピーダンスを有する共振回路であることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機において、
   軸受外部回路は、
   軸受電圧検出部と、
   軸受電圧が軸受の絶縁破壊電圧以上であると検出されたときに、導体部材とステータの間を短絡するスイッチ素子と、
   を含むことを特徴とする回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機において、
   スイッチ素子に代えて、軸受電圧検出部の検出値に応じて回転電機の運転条件を変更し軸受電圧を低下させる制御信号を出力する制御部を含むことを特徴とする回転電機。

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