JP2016208579A - ベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア周波数によって発生する軸電圧増大に伴うベアリングの電蝕防止とベルト駆動によって発生する静電気発生に伴うベアリングの電蝕防止が可能になるともに、インバータ装置に内蔵された電子部品の静電破壊防止をも可能にしたベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機を提供する。【解決手段】この車両用ベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機は、発電機能及び電動機能を有する発電電動部２と、直流交流電力相互変換回路部をＰＷＭ駆動制御する制御回路部を有するインバータ装置３と、を備えている。フロントベアリング８は、内部に導電性グリース２６が封入されており、またリヤベアリング９の外輪５１とリヤブラケット５との間に電気絶縁性のベアリング収納体５３が介在している。【選択図】図１

Description

この発明は、直流交流電力相互変換回路とこの直流交流電力相互変換回路を制御する制御回路部とからなるインバータ装置と、発電機能及び電動機能を有する発電電動部とが一体のベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機に関する。

交流電動発電機のＰＷＭ駆動制御を用いて、インバータ装置の運転を行なう際に、スイッチングに伴って発生する交流電動発電機の騒音の低減を図る目的から、インバータ装置のキャリア周波数を高く設定するようになっている。
キャリア周波数を高く設定するに伴って、交流電動発電機の回転軸に高周波誘導に基づいて発生する電圧（軸電流）が増大することで、回転軸を支持している転がり軸受の内輪と外輪との間に存在する電位差が大きくなるので、転がり軸受に電流が流れ易くなっている。
この転がり軸受に流れる電流は、内輪、外輪両軌道並びに転動体の転動面に電蝕と呼ばれる腐食を発生させて、転がり軸受の寿命を悪化させるという問題点がある。

この軸受の寿命悪化を防止する手段として、軸受のグリース中に通電性物質を混入して、内輪と外輪との間での放電現象を回避した車両用交流発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、転がり軸受の寿命悪化を防止する手段として、転がり軸受を絶縁材を介して支持する軸受ブラケットを備え、軸受ブラケットの絶縁材と接触する側に凹部を設け、凹部に対応する凸部を設けた絶縁材の凸部を軸受ブラケットの凹部に嵌合して軸受ブラケットに絶縁材を固定した回転電機が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３-２３０２４８号公報 特開２０００-１５６９５２号公報

しかしながら、上記特許文献１のものでは、ベルトとプーリとの摩擦によって発生する静電気による軸受内での放電現象を抑制することができるものの、その静電気を軸受内部で通電させることによって、車両用交流発電機に内蔵される電子部品が静電破壊するという問題点があった。

また、上記特許文献２のものでは、ベルト駆動方式の観点から、駆動プーリ側のフロントベアリングにおいて、前記絶縁材に高負荷のベルト張力によるラジアル荷重が作用し、絶縁材が破損して絶縁破壊に至る結果、電蝕が発生し、転がり軸受の耐久性が悪化してしまうという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするのであって、ＰＷＭ駆動制御に必要なキャリア周波数によって発生する軸電圧増大に伴うベアリングの電蝕防止とベルト駆動によって発生する静電気発生に伴うベアリングの電蝕防止が可能になるともに、インバータ装置に内蔵された電子部品の静電破壊防止をも可能にしたベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機を提供することを目的とする。

この発明に係るベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機は、フロントブラケット及びリヤブラケットからなるハウジングと、このハウジング内に収納され、回転軸の両端部が前記フロントブラケット及び前記リヤブラケットにフロントベアリング、リヤベアリングを介して回転自在に支持されているとともに前記フロントベアリングから外部に突出した前記回転軸の部位に固定されたプーリを有する回転子と、この回転子の外側に囲って設けられ前記ハウジングに固定された固定子と、を有する、発電機能及び電動機能を有する発電電動部と、
前記プーリと反対側の前記ハウジングの外側に設けられ、前記固定子の電機子巻線に交流電力を供給し、かつ前記回転子の界磁巻線に直流電流を通電する直流交流電力相互変換回路部と、この直流交流電力相互変換回路部をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動制御する制御回路部と、を有するインバータ装置と、を備え、
前記フロントベアリングは、内部に導電性潤滑剤が封入されており、
また、前記リヤベアリングの外輪と前記リヤブラケットとの間に電気絶縁性のベアリング収納体が介在している。

この発明に係るベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機によれば、フロントベアリングは、内部に導電性潤滑剤が封入されており、またリヤベアリングの外輪とリヤブラケットとの間に電気絶縁性のベアリング収納体が介在しているので、ＰＷＭ駆動制御に必要なキャリア周波数によって発生する軸電圧増大に伴うベアリングの電蝕防止とベルト駆動によって発生する静電気発生に伴うベアリングの電蝕防止が可能になり、またインバータ装置に内蔵された直流交流電力相互変換回路部の各電子部品の静電破壊が防止される。

この発明の実施の形態１の車両用ベルト式制御装置一体型交流電動発電機を示す断面図である。 図１の車両用ベルト式制御装置一体型交流電動発電機の電気回路図である。

以下、この発明のベルト式制御装置一体型交流電動発電機について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１.
図１はこの発明の実施の形態１の車両用ベルト式制御装置一体型交流電動発電機１（以下、交流電動発電機と略称する。）を示す断面図である。
この交流電動発電機１は、発電機能及び電動機能を有する発電電動部２と、直流交流電力相互変換回路とこの直流交流電力相互変換回路を制御する制御回路部とからなるインバータ装置３と、を備えている。
発電電動部２は、フロントブラケット４及びリヤブラケット５からなるハウジング６と、このハウジング６内に収納され、回転軸７の両端部がフロントブラケット４及びリヤブラケット５にフロントベアリング８、リヤベアリング９を介して回転自在に支持された回転子１０と、この回転子１０の外側に囲って設けられフロントブラケット４とリヤブラケット５とに挟持されて固定された固定子１１と、を備えている。
また、発電電動部２は、回転軸７を介して回転子１０の回転状態を検出する回転センサー１２と、リヤブラケット５から突出した回転軸７の先端部に設けられたスリップリング１３と、ブラシホルダ１４に収納されているとともにスリップリング１３に先端面が摺接した一対のブラシ１５と、を備えている。

回転子１０は、界磁鉄心１６と、この界磁鉄心１６に巻装された界磁巻線１７と、を備えている。この界磁鉄心１６の両端面には、それぞれ冷却風を発生させるためのファン１８が取り付けられている。
界磁巻線１７は、スリップリング１３に接続線１９を介して電気的に接続されており、ブラシ１５からの界磁電流がスリップリング１３を介して界磁巻線１７に通電される。
固定子１１は、固定子鉄心２０と、この固定子鉄心２０に巻装された三相の電機子巻線２１と、を備えている。
フロントベアリング８は、単列玉軸受であり、内輪２４と、この内輪２４を複数個の転動体２７を介して囲った外輪２５と、内輪２４と外輪２５との間に封入されたカーボンブラックが添加された導電性潤滑剤である導電性グリース２６とから構成されている。
リヤベアリング９は、内輪５０と、この内輪５０を複数の転動体５２を介して囲った外輪５１と、外輪５１とリヤブラケット５との間に嵌入され熱可塑性樹脂で構成された電気絶縁性のベアリング収納体５３とから構成されている。
回転軸７の一端部は、フロントブラケット４から突出しており、その先端部にベルト５４を介して内燃機関（図示せず）と双方向にトルクを授受するためのプーリ２２が取り付けられている。
プーリ２２は、大きな張力に対してベルト５４の当接面の摩耗を防止するために、金属製、例えば鉄製あるいはアルミニウム製で構成され、プーリナット２３の締結力によりプーリ２２のボス部がフロントベアリング８の内輪２４の側面と直接、機械的及び電気的に面接触している。

プーリ２２と反対側のハウジング６の外側に設けられた保護用カバー３６で覆われたインバータ装置３は、電機子巻線２１に交流電力を供給し、かつ界磁巻線１７に直流電流を通電する直流交流電力相互変換回路部と、この直流交流電力相互変換回路部の動作を制御する制御回路部と、を備えている。
この直流交流電力相互変換回路部は、電機子巻線２１に交流電力を供給するパワー回路用半導体スイッチング素子２８を内包したパワーモジュール２９と、界磁巻線１７に直流電流を通電する界磁回路用半導体スイッチング素子３０を内包した界磁モジュール３１と、パワーモジュール２９及び界磁モジュール３１が実装され放熱フィン３３を有する冷却用のヒートシンク３４と、パワーモジュール２９の端子（図示せず）、界磁モジュール３１の端子（図示せず）にそれぞれ電気的に接続されインサート成形されたケース用ターミナル（図示せず）を有する、パワーモジュール用ケース３２、界磁モジュール用ケース３７と、を備えている。パワーモジュール２９、界磁モジュール３１を搭載したヒートシンク３４は、リヤブラケット５に固定されている。
制御回路部３５は、パワーモジュール２９、界磁モジュール３１と電気的に接続されパワーモジュール２９、界磁モジュール３１をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動制御する制御回路を有する制御基板３８，３９を備えている。

図２は、図１の交流電動発電機１の電気回路図である。
パワーモジュール２９は、６組の上アームと下アームが直列となる構成であり、下アームのアースがヒートシンク３４を介してリヤブラケット５に電気的に接続されている。
同様に界磁モジュール３１のアームのアースもヒートシンク３４を介してリヤブラケット５に電気的に接続されている。

次に、上記構成の交流電動発電機１の動作について説明する。
エンジンの始動時には、直流電力がバッテリ（図示せず）からインバータ装置３のパワーモジュール２９に送られ、直流電力が三相交流電力に変換され、この三相交流電力が電機子巻線２１に供給される。
一方、界磁モジュール３１により制御された界磁電流がブラシ１５、スリップリング１３、接続線１９、界磁巻線１７に供給されて回転子１０の界磁巻線１７に回転磁界が与えられ、回転子１０が回転駆動される。
この回転子１０の回転トルクが回転軸７、プーリ２２及びベルト５４を介して内燃機関に伝達され、エンジンが点火、始動される。

一方、内燃機関が始動されると、エンジンの回転トルクがクランクプーリ、ベルト５４及びプーリ２２を介して発電電動部２に伝達される。これにより、回転子１０が回転され、電機子巻線２１に三相交流電圧が誘起される。この三相交流電圧は、パワーモジュール２９により直流電力に整流され、バッテリ、電機負荷に供給される。
なお、回転センサー１２の信号出力は、制御回路部３５に送られ、回転子１０の回転位置の検出に用いられ、交流電動発電機１の発電動作及びエンジンの始動動作時の制御情報として利用される。

ところで、この実施の形態１の交流電動発電機１では、インバータ装置３は、ＰＷＭ駆動制御に必要なキャリア周波数が設定されている。
例えば、交流電動発電機１の騒音の低減を図る目的として、交流電動発電機１の固定子１１の固有振動数１〜３ＫＨｚから外れるように、インバータ装置３のキャリア周波数を高く設定するように４ｋＨｚに設定している。
キャリア周波数を高く設定するに伴って、交流電動発電機１の回転軸７に高周波誘導に基づいて発生する、軸電流が増大し、回転軸７を支持しているフロントベアリング８の内輪２４と外輪２５との間、リヤベアリング９の内輪５０と外輪５１との間に存在する電位差が大きくなり、フロントベアリング８、リヤベアリング９に電流が流れ易くなる。
この両方ベアリング８，９に流れる電流は、内輪２４，５０、外輪２５，５１の両軌道、並びに転動体２７，５２の転動面に電蝕と呼ばれる腐食を発生させて、フロントベアリング８、リヤベアリング９の寿命を悪化させる。
これに対して、この実施の形態では、フロントベアリング８の内部に導電性グリース２６を封入することで、フロントベアリング８の電蝕が防止される。
また、リヤブラケット５とリヤベアリング９との間に、電気絶縁性のベアリング収納体５３が介在しているので、フロントベアリング８と同様に、リヤベアリング９の電蝕が防止される。

また、交流電動発電機１として電動、発電を繰り返し使用する場合、駆動伝達効率の高めるため、ベルト５４の張力を高く設定する必要がある。
ベルト５４の張力を高く設定した場合、交流電動発電機１を長時間運転すると、加硫ゴム製のベルト５４と金属製のプーリ２２との間でベルト５４の摩耗が生じやすく、乾燥状態でベルト５４とプーリ２２との界面で発生した静電気が、フロントベアリング８、リヤベアリング９に流れる。
そして、一般的にこの静電気は、約数千Ｖともいわれ、パワーモジュール２９のパワー回路用半導体スイッチング素子２８と界磁モジュール３１の界磁回路用半導体スイッチング素子３０を容易に損傷させる。
これに対して、この実施の形態では、リヤブラケット５とリヤベアリング９との間に、静電気の約数千Ｖの電圧に耐え得る電気絶縁性のベアリング収納体５３が介在しているので、静電気による、パワー回路用半導体スイッチング素子２８、界磁回路用半導体スイッチング素子３０の損傷は防止される。
なお、熱可塑性のベアリング収納体５３は、機械的強度の点で劣るが、このベアリング収納体５３で囲まれたリヤベアリング９は、フロントベアリング８から離間しており、フロントベアリング８と比較して低負荷のラジアル荷重が作用することになり、リヤベアリング９側にベアリング収納体５３があっても、破損して絶縁破壊に至ることはない。
従って、ベアリング収納体５３により、リヤベアリング９の電蝕が防止されるとともに、パワーモジュール２９と界磁モジュール３１の静電破壊も確実に防止される。

この実施の形態では、フロントベアリング８内に導電性グリース２６を封入し、またリヤベアリング９の外輪５１とリヤブラケット５との間にベアリング収納体５３を介在させたことで、軸電流は、矢印Ａに示すように、回転子１０、回転軸７、フロントベアリング８の内輪２４、転動体２７、外輪２５及びフロントブラケット４の順で流れ、リヤベアリング９側には流れない。
また、静電気電流は、矢印Ｂに示すように、プーリ２２、フロントベアリング８の内輪２４、転動体２７、外輪２５及びフロントブラケット４の順で流れ、リヤベアリング９側には流れない。
このように、この実施の形態の交流電動発電機１では、フロントベアリング８側に導通機構を設けるとともにリヤベアリング９側に絶縁機構を設けることで、ＰＷＭ駆動制御に必要なキャリア周波数によって発生する軸電圧増大に伴うフロントベアリング８、リヤベアリング９の電蝕防止が防止される。
また、ベルト駆動によって発生するプーリ２２での静電気発生に伴うフロントベアリング８、リヤベアリング９の電蝕防止が可能となるともに、インバータ装置３に内蔵されたパワー回路用半導体スイッチング素子２８、界磁回路用半導体スイッチング素子３０の静電破壊も防止される。

また、フロントベアリング８は単列玉軸受であり、転動体２７と内輪２４との間、転動体２７と外輪２５との間の隙間が複列玉軸受やアンギュラ玉軸受に比べて小さく、常温でフロントブラケット４にフロントベアリング８を圧入する際に、複列玉軸受やアンギュラ玉軸受に比べ、転動体の位置ずれが生じにくい。
従って、複列玉軸受やアンギュラ玉軸受をフロントブラケット４に圧入する際には、アルミニウム製のフロントブラケット４を加熱して圧入部の径を膨大して圧入して転動体の位置ずれを防止する必要があるが、フロントベアリング８に単列玉軸受を用いることでフロントブラケット４を加熱することなく圧入しても、外輪２５あるいは内輪２４と転動体２７の導電性グリース２６の油膜厚さを均一にすることができ、フロントベアリング８の導電性を確保でき、加熱工程が不要となり生産性が向上する。

また、プーリ２２のボス部は、回転軸７に螺着されたプーリナット２３により押圧されてフロントベアリング８の内輪２４の側面に面接触しているので、ベルト５４とプーリ２２との界面で発生した静電気電流は、プーリ２２、フロントベアリング８の内輪２４、転動体２７、外輪２５及びフロントブラケット４の順に円滑に流れる。

なお、この実施の形態では、パワーモジュール２９、界磁モジュール３１の冷却性の観点から、ヒートシンク３４を介してリヤブラケット５に電気的に接続されているが、パワーモジュール２９、界磁モジュール３１を直接リヤブラケット５に電気的に接続しても同様の効果を奏する。

なお、上記実施の形態では、車両用ベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機について説明したが、車両用に限定されるものではなく、例えば船外機用にも適用できる。
また、潤滑剤としてグリースを用いたが、グリースは一例であり、例えばオイルであってもよい。
また、フロントベアリング８として、単列玉軸受以外でも、例えばころ軸受を用いてもよい。

１ 車両用ベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機、２ 発電電動部、３ インバータ装置、４ フロントブラケット、５ リアブラケット、６ ハウジング、７ 回転軸、８ フロントベアリング、９ リヤベアリング、１０ 回転子、１１ 固定子、１２ 回転センサー、１３ スリップリング、１４ ブラシホルダ、１５ ブラシ、１６ 界磁鉄心、１７ 界磁巻線、１８ ファン、１９ 接続線、２０ 固定子鉄心、２１ 電機子巻線、２２ プーリ、２３ プーリナット、２４ 内輪、２５ 外輪、２６ 導電性グリース（導電性潤滑剤）、２７ 転動体、２８ パワー回路用半導体スイッチング素子、２９ パワーモジュール、３０ 界磁回路用半導体スイッチング素子、３１ 界磁モジュール、３２ パワーモジュール用ケース、３３ 放熱フィン、３４ ヒートシンク、３５ 制御回路部、３６ 保護用カバー、３７ 界磁モジュール用ケース、３８，３９ 制御基板、５０ 内輪、５１ 外輪、５２ 転動体、５３ ベアリング収納体、５４ ベルト。

この発明に係るベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機は、フロントブラケット及びリヤブラケットからなるハウジングと、このハウジング内に収納され、回転軸の両端部が前記フロントブラケット及び前記リヤブラケットにフロントベアリング、リヤベアリングを介して回転自在に支持されているとともに前記フロントベアリングから外部に突出した前記回転軸の部位に固定されたプーリを有する回転子と、この回転子の外側に囲って設けられ前記ハウジングに固定された固定子と、を有する、発電機能及び電動機能を有する発電電動部と、
前記プーリと反対側の前記ハウジングの外側に設けられ、前記固定子の電機子巻線に交流電力を供給し、かつ前記回転子の界磁巻線に直流電流を通電する直流交流電力相互変換回路部と、この直流交流電力相互変換回路部をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動制御する制御回路部と、を有するインバータ装置と、を備え、
前記フロントベアリングは、内部に導電性潤滑剤が封入されており、
前記フロントベアリングの外輪は前記フロントブラケットに直接接触し、かつ前記フロントベアリングの内輪は前記回転軸に直接接触し、
また、前記リヤベアリングの外輪と前記リヤブラケットとの間のみに電気絶縁性のベアリング収納体が介在している。

Claims (5)

1. フロントブラケット及びリヤブラケットからなるハウジングと、このハウジング内に収納され、回転軸の両端部が前記フロントブラケット及び前記リヤブラケットにフロントベアリング、リヤベアリングを介して回転自在に支持されているとともに前記フロントベアリングから外部に突出した前記回転軸の部位に固定されたプーリを有する回転子と、この回転子の外側に囲って設けられ前記ハウジングに固定された固定子と、を有する、発電機能及び電動機能を有する発電電動部と、
   前記プーリと反対側の前記ハウジングの外側に設けられ、前記固定子の電機子巻線に交流電力を供給し、かつ前記回転子の界磁巻線に直流電流を通電する直流交流電力相互変換回路部と、この直流交流電力相互変換回路部をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動制御する制御回路部と、を有するインバータ装置と、を備え、
   前記フロントベアリングは、内部に導電性潤滑剤が封入されており、
   また、前記リヤベアリングの外輪と前記リヤブラケットとの間に電気絶縁性のベアリング収納体が介在している
   ベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機。
2. 前記フロントベアリングは、単列玉軸受である請求項１に記載のベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機。
3. 前記プーリの、前記回転軸に圧入された部位のボス部は、前記回転軸に螺着されたプーリナットにより押圧されて前記フロントベアリングの内輪の側面に面接触している請求項１または２に記載のベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機。
4. 前記導電性潤滑剤は、導電性グリースである請求項１〜３の何れか１項に記載のベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機。
5. 前記ベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機は、車両用ベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機である請求項１〜４の何れか１項に記載のベルト駆動式制御装置一体型交流電動発電機。

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