JP2019140761A - 回転電機および軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において軸受の電気的な絶縁を簡単な構造で実現する。【解決手段】回転電機は、ロータシャフト１１と回転子鉄心とを有する回転子と、固定子と、静止固定されてロータシャフト１１を回転子鉄心を挟んだ両側で回転可能に支持する２つの軸受構造１００とを備える。２つの軸受構造１００のそれぞれは、ロータシャフト１１の径方向外側に配されロータシャフト１１と摺動可能に接してロータシャフト１１からの反力を受ける軸受本体１１０と、軸受本体１１０の径方向外側に設けられて軸受本体１１０を支持するハウジング１２０と、ハウジング１２０の内面に取り付けられハウジング１２０の軸受本体１１０と対向する部分を覆う面状部１３１と、面状部１３１から径方向外側に突出し周方向に延びる突出部１３２とを有する絶縁部材１３０とを具備する。ハウジング１２０には、突出部１３２と嵌合する受け溝が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機およびその軸受構造に関する。

回転機械の代表的な例としての回転電機は、回転子と固定子を有する。回転子は、軸方向に延びて両端を軸受により回転可能に支持されたロータシャフトと、その径方向外側に取り付けられた回転子鉄心を有する。固定子は、回転子鉄心の径方向外側に設けられた固定子鉄心と、その径方向内側部分を軸方向に貫通する固定子巻線を有する固定子とを備える。

回転子鉄心および固定子は、通常、フレーム内に収納される。フレームの回転中心軸方向の両側は、軸受ブラケットにより閉止している。軸受はそれぞれ、軸受ブラケットにより支持されている。

軸受には、大別して、すべり軸受ところがり軸受とがある。一般に、高速で回転する回転電機に使用する場合は、すべり軸受が有利であり、回転電機の多くは、すべり軸受を使用している。

ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）により誘導電動機を運転すると、中性点電圧はゼロとならずコモンモード電圧が残る。この結果、ロータシャフトと大地間に電位差が生じる。

また、発電機の軸電圧は、固定子鉄心の磁気抵抗の不均一による軸の交鎖磁束の不平衡、静電荷の蓄積による静電作用、回転子巻線の接地による軸と軸受間の電位の発生等によるものである。

このような軸電圧が発生している状態では、軸受の油膜が切れると、ロータシャフトと軸受を含む経路で軸電流が流れる。この際、軸と軸受間にアークが流れ、軸受の回転部と静止部の金属に溶融現象を起こす。この溶融現象は、すべり軸受では、メタル部にピッチング（Ｐｉｔｔｉｎｇ）を、軸にスコーリング（Ｓｃｏｒｉｎｇ）と呼ばれるひっかき傷を生ずる。また、ころがり軸受では、リッジマーク（Ｒｉｄｇｅｍａｒｋ）として現れる。

また、軸電流が発生した場合、軸受が過熱して焼損に至ることも懸念される。あるいは、ロータシャフトと軸受の接触面の腐食の問題、異音の発生の問題などもある。

このための対策として、すべり軸受かころがり軸受かを問わず、軸受とその取り付け台との間に絶縁物を挿入し、軸電流の発生を防止している（特許文献１、２参照）。すなわち、電気的な絶縁物である絶縁部材が、たとえば、軸受メタルとハウジングとの間に挟まれた状態で設けられている。

特開２０００−２４５１００号公報 特開２００８−１４８４５３号公報

図５は、回転電機の従来の軸受構造３０の構成例を示す軸方向の上半立断面図である。また、図６は、絶縁部材およびその嵌め込みを説明するための図５のＡ部を中心に示す部分縦断面図である。図５および図６は、すべり軸受の場合を示している。

図５に示すように、従来、絶縁部材３３は、軸受本体３１に取り付けられている。絶縁部材３３の径方向外側表面は、ハウジング３２の内面と互いに密着するような形状に形成されている。

なお、図５および図６に示すように、以下、ロータシャフト１１の回転中心軸の延びる方向をｚ方向、回転中心軸から径方向外側に向かう方向をｒ方向と称することとする。

図６に示すように、軸受本体３１の径方向外側の表面には、周方向に延びた複数の受け溝３１ａが形成されている。それぞれの受け溝３１ａは、ｚ方向に軸受本体３１を穿つように広がっている。

絶縁部材３３は、軸受本体３１の径方向の外表面を覆う面状部３３ａと、面状部３３ａを軸受本体３１に固定する突出部３３ｂとを有する。突出部３３ｂは、最終的に受け溝３１ａ内の空間と同じ形状となっている。

このような、従来の軸受構造においては、受け溝３１ａの形成、絶縁部材３３の嵌めこみ、およびその後の最終組み立て状態までの成形等、必要とする手順が多く手間がかかっており、より簡潔な構成、方法が望まれていた。

そこで本発明は、回転電機において軸受の電気的な絶縁を簡単な構造で実現することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、回転中心軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に設けられた円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心を前記回転中心軸方向に貫通する複数の固定子巻線とを有する固定子と、静止支持されて、前記ロータシャフトを、前記回転子鉄心を挟んだ両側で回転可能に支持する２つの軸受構造と、を備える回転電機であって、前記２つの軸受構造のそれぞれは、前記ロータシャフトの径方向外側に配され前記ロータシャフトと摺動可能に接して前記ロータシャフトからの反力を受ける軸受本体と、前記軸受本体の径方向外側に設けられて、前記軸受本体を支持するハウジングと、前記ハウジングの内面に取り付けられ、前記ハウジングの前記軸受本体と対向する部分を覆う面状部と、前記面状部から径方向外側に突出し周方向に延びる突出部とを有する絶縁部材とを具備し、前記ハウジングには、前記突出部と嵌合する受け溝が形成されている、ことを特徴とする。

また、本発明は、回転中心軸方向に延びたロータシャフトと、回転子鉄心とを有する回転子と、固定子と、静止支持されて、前記ロータシャフトを備える回転電機の前記回転子鉄心を挟んだ両側でそれぞれ前記ロータシャフトを回転可能に支持する軸受構造であって、前記ロータシャフトの径方向外側に配され前記ロータシャフトと摺動可能に接して前記ロータシャフトからの反力を受ける軸受本体と、前記軸受本体の径方向外側に設けられて、前記軸受本体を支持するハウジングと、前記ハウジングの内面に取り付けられ、前記ハウジングの前記軸受本体と対向する部分を覆う面状部と、前記面状部から径方向外側に突出し周方向に延びる突出部とを有する絶縁部材とを具備し、前記ハウジングには、前記突出部と嵌合する受け溝が形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、回転電機において軸受の電気的な絶縁を簡単な構造で実現することができる。

本実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。 本実施形態に係る回転電機の軸受構造の構成を示す軸方向の上半立断面図である。 本実施形態に係る回転電機の軸受構造の絶縁部材およびその嵌め込みを説明するための図２のＢ部を中心に示す部分縦断面図である。 本実施形態に係る回転電機の軸受構造の絶縁部材の取り付け方法の手順を示すフロー図である。 回転電機の従来の軸受構造の構成例を示す軸方向の上半立断面図である。 回転電機の従来の軸受構造の構成例における絶縁部材およびその嵌め込みを説明するための図５のＡ部を中心に示す部分縦断面図である。 回転電機の従来の軸受構造の構成例における絶縁部材の取り付け方法の手順を示すフロー図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る回転電機およびその軸受構造について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。回転電機２００は、回転子１０、固定子２０、２つの軸受構造１００、フレーム４０、および２つの軸受ブラケット４５を有する。

回転子１０は、回転中心軸方向（軸方向）に延びたロータシャフト１１、およびロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１２を有する。以下、ロータシャフト１１の軸方向をｚ方向、回転中心軸から径方向に延びる方向をｒ方向と呼ぶこととする。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に配された円筒状の固定子鉄心２１、および固定子鉄心２１を軸方向に貫通する複数の固定子巻線２２を有する。固定子巻線２２は、固定子鉄心２１の径方向内側表面近くに形成されて周方向に互いに間隔をあけてｚ方向に延びた複数の固定子スロット（図示せず）内に収納されてｚ方向に延びている。

２つの軸受構造１００はそれぞれ、ロータシャフト１１の軸方向の両側を回転可能に支持する。

フレーム４０は、固定子２０の径方向外側に配されて、回転子鉄心１２および固定子２０を収納する。フレーム４０の軸方向の両端は、それぞれ軸受ブラケット４５により閉止されている。それぞれの軸受ブラケット４５は、それぞれの軸受構造１００を静止支持している。

図２は、本実施形態に係る回転電機の軸受構造の構成を示す軸方向の上半立断面図である。軸受構造１００は、軸受本体１１０、ハウジング１２０を有する。図２の軸受構造１００は、すべり軸受の場合を示している。

軸受本体１１０は、ロータシャフト１１の径方向外側を円周方向に包囲し、内面がロータシャフト１１と接触するような形状に形成されている。軸受本体１１０は、たとえば、２つの部分（図示しない）に分割可能に構成されている。２つの部分は、ロータシャフト１１の径方向の両側からロータシャフト１１を囲むように取り付けられた後に、たとえばねじ等により結合され一体化する。一体化された軸受本体１１０は、回転中心軸を中心にした回転体形状である。

軸受本体１１０の内面のロータシャフト１１との接触面は、ロータシャフト１１が回転する状態においてロータシャフト１１と摺動可能に接して、ロータシャフト１１との摺動面となる。軸受本体１１０は、摺動面に沿って拡がった摺動部材１１１を有する。摺動部材１１１の材質は、軸受本体１１０の摺動部材１１１以外の本体部１１２の材質と異なる。摺動部材１１１の材質は、たとえば、鉛、スズ、アンチモン、亜鉛などの低融点合金を主体とするすべり軸受用の合金（以下、ホワイトメタルと称する）である。摺動部材以外は、構造材料、すなわち構造強度を有する鉄鋼材料あるいはカーボン材料等を用いることができる。

軸受本体１１０は、摺動部材１１１にてロータシャフト１１と接し、ロータシャフト１１からの反力を受ける。軸受本体１１０の径方向外側は、軸方向の両側に向かって径が縮小する形状であり、たとえば、ロータシャフト１１の回転中心軸ＣＬを中心とする円錐形状、球面状あるいは回転楕円体面状に形成されている。軸受本体１１０の軸方向の中央部分には、少なくとも１か所、径方向に貫通する給油孔１１３が形成されている。

ハウジング１２０は、軸受本体１１０が受けるロータシャフト１１からの反力に抗して、軸受本体１１０を支持する。ハウジング１２０は、軸受ブラケット４５（図１）に支持されている。なお、ハウジング１２０が軸受ブラケット４５と一致に形成されていてもよい。

ハウジング１２０の径方向の内側面は、軸受本体１１０の外側面の形状に対向するような形状に形成されている。軸受本体１１０は、回転軸を中心にした回転体形状であるので、ハウジング１２０の径方向内側面も回転対称形状である。ハウジング１２０は、構造材料としての鉄鋼材料、あるいはカーボン材料等を用いることができる。

軸受本体１１０の軸方向の中央位置に対応する位置には、ハウジング１２０の内面に、周方向にわたり、潤滑油の通路としての窪み部１２１が形成されている。また、窪み部１２１に外部から連通するように、給油孔１２３が形成されている。

軸受本体１１０とハウジング１２０との間には、絶縁部材１３０が設けられており、曲面状に広がっている。絶縁部材１３０は、軸受本体１１０とハウジング１２０との間を電気的に絶縁する。絶縁部材１３０は、面状部１３１と突出部１３２とを有する。絶縁部材１３０の材料は、たとえば、シリコンゴム、エポキシ樹脂等の絶縁材である。

ハウジング１２０の径方向内側表面は、軸受本体１１０の径方向外側表面と、互いに密着するような形状に形成されている。軸受本体１１０とハウジング１２０とは、絶縁部材１３０の面状部１３１を介して、互いに密着している。ハウジング１２０についても、たとえば、２つの部分（図示しない）に分割可能に構成され、２つの部分は、軸受本体１１０の上下方向の両側から軸受本体１１０を囲むように取り付けられた後に、たとえばねじ等により一体に組み立てられる。

図３は、本実施形態に係る回転電機の軸受構造の絶縁部材およびその嵌め込みを説明するための図２のＢ部を中心に示す部分縦断面図である。軸方向に一方のみを図示しているが、他方もこれと面対称に形成されている。

面状部１３１はハウジング１２０の径方向の内側表面を覆うように取り付けられている。面状部１３１において、軸受本体１１０の給油孔１１３に対応する部分には、開口１３３が形成されている。

突出部１３２は、面状部１３１をハウジング１２０に固定する。突出部１３２は、軸方向に互いに間隔をおいて形成されている。複数の突出部１３２のそれぞれは、面状部１３１の外側表面からｒ方向に突出している。すなわち、面状部１３１の外側表面から延びる突出部側面１３２ａが、回転軸ＣＬに垂直な平面内にある。また、突出部１３２は、周方向に沿ってリング状に延びるように形成されている。

ハウジング１２０の径方向内側には、絶縁部材１３０の突出部１３２と嵌合する複数の受け溝１２４が形成されている。突出部１３２は、ｒ方向に突出しているので、受け溝１２４も、ｒ方向に深くなるように形成されている。すなわち、受け溝１２４の受け溝側面１２４ａが、回転軸ＣＬに垂直な平面内にある。

絶縁部材１３０は、ハウジング１２０の分割形態に対応して、同様に、分割される。分割された絶縁部材１３０のそれぞれが、分割されたハウジング１２０のそれぞれに取付けられた後に、互いに結合され一体化する。以下の説明では、分割およびそれぞれの取り付け後の一体化に関わる部分の説明は省略する。

なお、図３では、絶縁部材１３０の突出部１３２およびこれに対応するハウジング１２０の受け溝１２４のそれぞれの数は、一方に２つ、すなわち全体で４つ形成されている場合を例にとって示しているが、これに限定されない。一方に２つ、すなわち全体で２つの場合であってもよい。あるいは、それぞれ３つ以上の場合であってもよい。ハウジング１２０の径方向内側の曲面の形状、伝達荷重の大きさ、製作性等から適宜設定すればよい。

図４は、本実施形態に係る回転電機の軸受構造の絶縁部材の取り付け方法の手順を示すフロー図である。

まず、絶縁部材１３０の成形を行う（ステップＳ１１）。ハウジング１２０が上下に２分割の場合、絶縁部材１３０は、上側部分に嵌合する部分と下側部分に嵌合する部分に嵌合する部分を別個に成形する。

ステップＳ１１の次に、ハウジング１２０の受け溝１２４を形成する（ステップＳ１２）。ハウジング１２０の径方向内側表面は、回転軸を中心にした回転体表面形状である。また、受け溝１２４は、ｒ方向に深くなるように形成されている。このため、ハウジング１２０の径方向内側表面に、受け溝１２４を形成することは、旋盤を使用して容易に実施可能である。ここで、受け溝１２４を形成するに際しては、上下のハウジング１２０を一体にした状態で切削加工を行ってもよい。

なお、ステップＳ１２は、ステップＳ１１の次に行わずに、ステップＳ１１と並行して行ってもよい。

ステップＳ１１およびステップＳ１２の後に、ハウジング１２０の径方向の内表面に形成された受け溝１２４に、絶縁部材１３０の突出部１３２を嵌合させる（ステップＳ１３）。この際、ハウジング１２０の分割された各要素、たとえば、上下に分割されている場合は、ハウジング１２０の上半部、下半部のそれぞれと、絶縁部材１３０の上半部、下半部のそれぞれとを嵌合させる。受け溝１２４および突出部１３２は、それぞれｒ方向に形成されていることから、絶縁部材１３０の挿入は、絶縁部材１３０の向きを、突出部側面１３２ａと受け溝側面１２４ａとを平行となるようにして、絶縁部材１３０をｒ方向の一方向に移動させることにより可能であり、容易に行うことができる。

この後、回転電機２００の組み立て工程において、軸受構造１００の各部材を順次取り付ける。

図７は、従来の軸受構造の構成例における絶縁部材の取り付け方法の手順を示すフロー図である。

まず、絶縁部材３３の成形を行う（ステップＳ０１）。この際、面状部３３ａおよび突出部３３ｂを有するように成形を行う。

ステップＳ０１の次に、軸受本体３１に受け溝３１ａを形成する（ステップＳ０２）。軸受本体３１は、回転軸ＣＬまわりに回転対称である。したがって、軸受本体３１全体の切削は、ｚ方向に移動しながらｒ方向の距離を変化させるような切削となる。一方、受け溝３１ａは、ｚ方向に延びる溝である。このため、受け溝３１ａの形成の際は、切削時の構成は、全く異なった状態とする必要がある。

ステップＳ０１およびステップＳ０２の後に、軸受本体３１に形成された受け溝３１ａに、絶縁部材３３の突出部３３ｂを嵌合させる（ステップＳ０３）。絶縁部材３３は、ｚ方向に挿入することになる。

次に、絶縁部材３３の突出部３３ｂと受け溝３１ａとを嵌合させた状態で、絶縁部材３３を加熱する（ステップＳ０４）。加熱により絶縁部材３３が変形可能な状態となったら、絶縁部材３３を径方向内側からプレスする（ステップＳ０５）。プレスすることにより、絶縁部材３３の突出部３３ｂが、受け溝３１ａの奥まで浸透する。この結果、絶縁部材３３が常温に戻った際にも、突出部３３ｂが受け溝３１ａ内の空間を完全に満たした状態となる。

次に、軸受本体３１の外側表面に絶縁部材３３が取り付けられた状態で、その外側表面の仕上げを行う（ステップＳ０６）。これは、ステップＳ０４およびステップＳ０５における処理により、絶縁部材３３の表面形状が変形するためである。

このように、従来例の軸受構造３０においては、図６で示すように、絶縁部材３３のｚ方向に中央の両側にある突出部３３ｂが、互いにｚ方向に中央の側に向いており、絶縁部材３３を完全に成形した後に軸受本体３１の径方向の外側に取り付けることが困難である。このため、従来例の軸受構造３０においては、絶縁部材３３を形成するために複雑な手順をとる必要がある。

一方、本実施形態においては、前述のように、図３で示すような形状であり、図４で示したように、絶縁部材１３０を最終的な形状に形成した後に、ハウジング１２０の受け溝１２４に取付けることが可能である。このため、従来例の軸受構造３０に比べ、手順が単純である。したがって、本実施形態によれば、回転電機２００において電気的な絶縁を、より簡潔な構成およびより容易かつ確実な方法によって実現することが可能な軸受構造１００、およびそれを有する回転電機２００を提供することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、回転電機がフレームと軸受ブラケットを有する場合において、ハウジングが軸受ブラケットに支持されているか、あるいはハウジングが軸受ブラケットと一体に形成されている場合を例にとって示した。しかしながら、これには限定されずない。たとえば、回転電機が、フレームおよび軸受ブラケットを有さずに、軸受構造が、直接に外部から静止支持されている場合であってもよい。

また、実施形態では、軸受本体１１０の径方向外側表面およびハウジング１２０の径方向内側表面が回転軸を中心とした回転対称である場合を示したが、これに限定されない。たとえば、軸方向に垂直な断面が、円形ではなく、多角形の場合であってもよい。

さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…軸受構造、３１…軸受本体、３１ａ…受け溝、３２…ハウジング、３３…絶縁部材、３３ａ…面状部、３３ｂ…突出部、４０…フレーム、４５…軸受ブラケット、１００…軸受構造、１１０…軸受本体、１１１…摺動部材、１１２…本体部、１１３…給油孔、１２０…ハウジング、１２１…窪み部、１２２…固定用溝、１２３…給油孔、１２４…受け溝、１２４ａ…受け溝側面、１３０…絶縁部材、１３１…面状部、１３２…突出部、１３２ａ…突出部側面、１３３…開口、２００…回転電機

Claims (3)

1. 回転中心軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心とを有する回転子と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に設けられた円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心を前記回転中心軸方向に貫通する複数の固定子巻線とを有する固定子と、
   静止支持されて、前記ロータシャフトを、前記回転子鉄心を挟んだ両側で回転可能に支持する２つの軸受構造と、
   を備える回転電機であって、
   前記２つの軸受構造のそれぞれは、
   前記ロータシャフトの径方向外側に配され前記ロータシャフトと摺動可能に接して前記ロータシャフトからの反力を受ける軸受本体と、
   前記軸受本体の径方向外側に設けられて、前記軸受本体を支持するハウジングと、
   前記ハウジングの内面に取り付けられ、前記ハウジングの前記軸受本体と対向する部分を覆う面状部と、前記面状部から径方向外側に突出し周方向に延びる突出部とを有する絶縁部材とを具備し、
   前記ハウジングには、前記突出部と嵌合する受け溝が形成されている、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記軸受本体の径方向外側表面およびこれに対向する前記ハウジングの径方向内側表面は、それぞれが回転対称の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 回転中心軸方向に延びたロータシャフトと、回転子鉄心とを有する回転子と、固定子と、静止支持されて、前記ロータシャフトを備える回転電機の前記回転子鉄心を挟んだ両側でそれぞれ前記ロータシャフトを回転可能に支持する軸受構造であって、
   前記ロータシャフトの径方向外側に配され前記ロータシャフトと摺動可能に接して前記ロータシャフトからの反力を受ける軸受本体と、
   前記軸受本体の径方向外側に設けられて、前記軸受本体を支持するハウジングと、
   前記ハウジングの内面に取り付けられ、前記ハウジングの前記軸受本体と対向する部分を覆う面状部と、前記面状部から径方向外側に突出し周方向に延びる突出部とを有する絶縁部材とを具備し、
   前記ハウジングには、前記突出部と嵌合する受け溝が形成されている、
   ことを特徴とする軸受構造。

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