JP2020073828A - 電器機器の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動周波数に応じて電食の発生を抑制する。【解決手段】転がり軸受は、インバータモータの駆動周波数を５０Ｈｚ以上４０００Ｈｚ以下に制御する制御回路から１ｍ以内の位置で使用される。転がり軸受は、電気抵抗値が１０１０Ω・ｃｍ以上である絶縁性の転動体を含む複数の転動体を備える。絶縁性の転動体は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、および酸化ケイ素から選ばれる少なくとも１種以上を含むセラミックス焼結体である。【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受に関する。

インバータは、直流電力を交流電圧に変換する装置或いは装置の一部のことをインバータと呼ぶ。バッテリー電源の交流変換装置、直流電気鉄道のインバータ装置などである。一方、日本においては相数・電圧・周波数の異なる交流を得るために、商用電源の単相交流、三交流を、一旦整流器で直流に変換してから、再度交流にするための、整流器(コンバータ)とインバータを組合せ、同一パッケージに収容した電力変換装置全体をインバータと呼ぶことも多い。エレベータ、ポンプ、ファン、鉄道車両、電気自動車、エアコンディショナー、冷蔵庫や工場など使用される機器類、サーバー、パソコンなどのバックアップ電源装置、自動車用12V電源で家庭用１００Ｖ機器を使う車載用インバータ、太陽光発電におけるパワーコンディショナーなど家電から大型機器まで様々な電器装置の出力の制御を可能としている。
従来、インバータに近接するベアリング（軸受）部材、特にベアリングボールには軸受鋼（ＳＵＪ２等）の金属が用いられていた。

一方、インバータは、高周波電流を用いてインバータ制御回路を制御していることからＥＤＭ電流（金属表面を放電現象により破壊してしまう電流）や高周波循環電流が発生し易かった。特に、軸受鋼等の金属では電食という現象が発生し軸受寿命が低くなり信頼性のある回転駆動を提供できずにいた。
このような不具合を解決するために近年はモータのシャフトをアースしたり、モータの外周に電磁ノイズを遮蔽する金属を着けたりすることが試みられるようになっていた。例えば、特開２００６−３２８２７３号公報（特許文献１）では、軸受内に導電性グリースを充填してアース効果を得ている。しかしながら、導電性グリースは経時変化や液漏れなどの問題を有していた。

特開２００６−３２８２７３号公報

しかしながら、どちらも軸受またはモータに何らかの付属品を取り付ける必要があった。付属品の取付は作業工程を増やすため、製造工程を繁雑にしていた。
本発明は上記したような問題を解決するためになされたものであって、５０Ｈｚ以上で駆動するインバータにおいて、ＥＭＤ電流や高周波循環電流の発生により電食現象の発生を抑制したインバータ近傍に使用する軸受を提供するものである。また、電食現象の発生を抑制してあるので、インバータおよびそれを用いた電器機器の信頼性をも向上させることができる。

本発明の一態様は、インバータモータの駆動周波数を５０Ｈｚ以上４０００Ｈｚ以下に制御する制御回路から１ｍ以内の位置で使用される転がり軸受であって、電気抵抗値が１０^１０Ω・ｃｍ以上である絶縁性の転動体を含む複数の転動体を備え、絶縁性の転動体が酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、および酸化ケイ素から選ばれる少なくとも１種以上を含むセラミックス焼結体である。上記転がり軸受を具備する電器機器は、工場等で使用される機器、サーバー、パソコン、エレベータ、ポンプ、ファン、家電、電気自動車、鉄道車両のいずれか１種であることが好ましい。

本発明によれば、インバータ近傍で使用する軸受において、複数個の転動体の中に電気抵抗値１０^７Ω・ｃｍ以上のものを用いているので、ＥＭＤ電流や高周波循環電流の発生を抑制できる。そのため、５０Ｈｚ以上の駆動周波数を有する電流によりインバータ制御回路を駆動させても、アース効果を得るための部材を取り付ける必要がない。その結果、軸受およびモータの組立工程を簡素化することができ、その上で、モータの信頼性をも向上させることができる。

本発明の軸受の一例を示す図。

本発明のインバータ近傍で使用する転がり軸受は、５０Ｈｚ以上の周波数で稼働するインバータにおいて、転がり軸受は複数の転動体を有し、少なくとも１つ以上の転動体は絶縁性セラミックスまたは絶縁コーティングにより電気抵抗値が１０^７Ω・ｃｍ以上としたものであることを特徴とするものである。
インバータは、直流を交流に変換するインバータ制御回路を有している。交流はプラスとマイナスが周期的に変化するものであり、この周期的変化が周波数となる。インバータは、周波数の変化に応じて回転速度を制御する方式である。複数のギアを組合せて回転数を制御する方式と比べて、ギアチェンジのような複雑な構成部品を要しないので軽量化できる。

インバータの周波数が大きくなればなるほどプラスマイナスの変化速度が速くなる。このプラスマイナスの変化時にインバータ制御回路周辺には電磁誘導が生じる。この電磁誘導は、金属部品などの導電体を伝って軸受内部に伝わっていく。伝わった電磁誘導は、ＥＭＤ電流または／および高周波循環電流となる。ＥＭＤ電流または／および高周波循環電流が発生すると軸受に使われている回転軸および転動体（ベアリングボール）にも伝わっていく。このとき、回転軸および転動体が軸受鋼（ＳＵＪ２）などの導電部材であると、ＥＭＤ電流または／および高周波循環電流により電食現象が発生する。電食現象により、回転軸または転動体が腐食され、均一な回転運動を維持できなくなる。特に、稼働周波数５０Ｈｚ以上のインバータ近傍で使用する軸受けには電食現象が生じ易かった。
それに対し、本発明ではインバータ近傍で使用する軸受に用いられる複数個の転動体のうち、少なくとも１つ以上の転動体は絶縁性セラミックスまたは絶縁コーティングにより電気抵抗値が１０^７Ω・ｃｍ以上としたものを用いている。
また、電気抵抗値が１０^７Ω・ｃｍ以上の転動体の数は多ければ多いほど良く、すべての転動体が電気抵抗値が１０^７Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。また、電気抵抗値は１０^１０Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。また、電気抵抗値の測定は２端子法による電気抵抗測定器により測定するものとする。

電気抵抗値１０^７Ω・ｃｍ以上の絶縁性の転動体を用いることにより、ＥＭＤ電流または／および高周波循環電流が回転軸および転動体に伝わることを防ぐことができる。
このような絶縁性を有する転動体としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、酸化ケイ素、フッ素樹脂、エンジニアリング樹脂から選ばれる少なくとも１種以上を主成分とするものが挙げられる。
酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、酸化ケイ素の少なくとも１種を主成分とするセラミックスは、必要に応じ、焼結助剤を添加し、焼結したセラミックス焼結体が挙げられる。また、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、酸化ケイ素のセラミックス焼結体は、いずれも電気抵抗値１０^７Ω・ｃｍ以上の絶縁体（絶縁性セラミックス焼結体）である。この絶縁性を低下させないように焼結助剤を選定するものとする。セラミックス焼結体の中で、酸化イットリウムを焼結助剤として使った窒化ケイ素焼結体は摺動特性が優れているので好ましい。

また、電気抵抗値１０^７Ω・ｃｍ以上の転動体としては、金属部材の表面に、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化クロム、フッ素樹脂、エンジニアリング樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の溶射膜を施したものも挙げられる。
金属部材では前述の通り電食現象が生じてしまうが、絶縁性の溶射膜を設けることにより、絶縁性セラミックス焼結体と同等の絶縁性を維持することができる。溶射膜の膜厚は２〜３００μｍの範囲が好ましい。溶射膜の膜厚が２μｍ未満では膜?れが生じる可能性があり、３００μｍを超えるとそれ以上の効果が得られない。また、これら溶射膜は軸受鋼（ＳＵＪ２）となじみが良いので優れた接合強度が得られる。

なお、絶縁性セラミックス焼結体と絶縁性溶射膜とを比較すると、溶射膜は成膜工程が必要であるため製造工程が煩雑である。また、膜厚の均一制御が必要である。従って、絶縁性セラミックス焼結体からなる転動体の方が好ましい。
図１に軸受の一例を示した。図中、１は軸受、２は転動体（ベアリングボール）、３は内輪、４は外輪である。内輪が回転軸に固定され軸受として機能する。また、外輪、内輪、回転軸は軸受鋼（ＳＵＪ２）により形成されている。
通常、軸受には転動体が８〜２０個使われている。前述のような絶縁性を有する転動体を少なくとも１個以上使えば、５０Ｈｚ以上で稼働するインバータ近傍に使用される軸受において電食を抑制することができる。
また、複数個の転動体のうち、何個を絶縁性にすべきかについては、電気抵抗値が１０^７Ω・ｃｍ以上の転動体の個数をＰ（個）、軸受の回転数をＭ（ｒｐｍ）、インバータの駆動周波数をＦ（Ｈｚ）としたとき、Ｐ×Ｍ≧６０Ｆ、を満たすことが好ましい。なお、軸受の回転数Ｍ（ｒｐｍ）とは使用環境での最高回転数である。

本発明においては、すべての転動体を電気抵抗値が１０^７Ω・ｃｍ以上の絶縁性を具備するものを使うことが好ましい。しかしながら、絶縁性の転動体は軸受鋼（ＳＵＪ２）でできたものと比べて高価である。そのため、複数個の転動体のうち、一部を軸受鋼製転動体に置き換えるとコストダウンに効果的である。このとき、Ｐ×Ｍ≧６０Ｆを満たす関係であれば電食を効果的に抑制することができる。
例えば、軸受の回転数Ｍが５０００ｒｐｍ、インバータの駆動周波数Ｆが２００Ｈｚのとき、Ｐ×５０００≧６０×２００、Ｐ≧２．４、よって３個以上を電気抵抗値１０^７Ω・ｃｍ以上のものにすれば電食を効果的に防ぐことができる。

軸受に搭載される転動体（ベアリングボール）の数は任意ではあるが、通常８〜２０個の範囲内である。例えば、駆動周波数３０００Ｈｚ、回転数５０００ｒｐｍのとき、Ｐ×Ｍ≧６０Ｆ→Ｐ×５０００≧６０×３０００→Ｐ≧３６となり、Ｐ値が転動体の個数以上になるときは、すべての転動体が電気抵抗値１０^７Ω・ｃｍ以上の絶縁性転動体を使うものとする。

また、電食が起きると内輪または回転軸といった転動体と接する箇所、または転動体自身が削れてしまう。その結果、安定した回転運動が提供できなくなる。また、安定した回転運動か否かの判定には回転時の音を測定する方法が効果的である。例えば、一定の回転速度における摺動音が電食されると摺動音が大きくなる。
また、インバータの駆動周波数が４０００Ｈｚ以下であることが好ましい。絶縁性を有する転動体を使うことにより電食を効果的に防ぐことが可能となるが、あまり周波数が高くなり過ぎると転動体の絶縁性だけでは電食抑制効果が不十分になるおそれがある。そのため、絶縁性転動体を使うときは、駆動周波数５０〜４０００Ｈｚのインバータ近傍で使用する軸受に好適である。より好ましくは５０〜１０００Ｈｚである。

インバータは、このような軸受と制御回路を組合せて構成される。制御回路には、ＡＣ／ＤＣコンバータ、インバータ制御回路、スイッチング素子としてのサイリスタやＩＧＢＴ素子などが挙げられる。インバータ制御回路は、ＰＷＮ（パルス幅変調）駆動が一般的に用いられている。本発明のインバータ用軸受は電食の発生を抑制しているので、インバータ制御回路と軸受を、例えば１ｍ以内の近傍に設置しても電食による影響を受け難い。従って、制御回路と軸受の配置による制約を受けない。そのため、エアコンディショナーや洗濯機などの家電から、電気自動車や鉄道車両など、様々な電器機器のインバータ近傍で適用できる。言い換えれば、電食による影響を受けない信頼性の高い電器機器を提供することができる。なお、１ｍ以内の近傍とは、インバータモータの軸受およびインバータモータの近くに配置される軸受の両方を含むものとする。

以下、本発明の実施の形態について、実施例を参照して説明する。
（実施例１〜４、比較例１）
内輪（内径５ｃｍ）、外輪（外径８ｃｍ）に直径１ｃｍの転動体（ベアリングボール）を８個組込んだインバータ用軸受を製造した。内輪および外輪は軸受鋼（ＳＵＪ２）で構成した。
転動体は、ＳＵＪ２製球体（電気抵抗値１０^４Ω・ｃｍ）と、窒化ケイ素焼結体製球体（電気抵抗値１０^１２Ω・ｃｍ以上）をそれぞれ用意し、表１に示す割合で用いた。
このようなインバータ用軸受をインバータモータに組込み電器機器用インバータモータを製造した。各インバータモータの電食試験を行った。軸受をインバータモータに組込んだ（インバータと軸受は１ｍ以内に配置）。
インバータモータの電食の測定は、周波数１００Ｈｚ、外輪側にて回転速度７０００ｒｐｍで連続４００時間稼動させた際に、マイクロフォン(ピックアップセンサー)で音の強さを測定し、そのセンサ出力が３０ｄＢを上回る場合を振動「有」とし、２５ｄＢを上回り３０ｄＢ以下を振動「ややあり」、２５ｄＢ未満の場合を振動「無」とした。なお、モータ稼働１時間後の摺動音はいずれも２５ｄＢ未満であった。測定の結果を表１に示す。

表１から分かる通り、本実施例の転がり軸受を用いた場合には、いずれの場合にも振動が低く抑えられ、電食も発生しなかったことが確認された。これは実施例に係る軸受は、Ｐ×Ｍ≧６０Ｆとして、Ｐ×７０００≧６０×１００からＰ≧０．９となる。よって、絶縁性転動体を１個以上使ったものはいずれも電食が防止された。

（実施例５〜８、比較例２）
内輪（内径８ｃｍ）、外輪（外径１０ｃｍ）に直径１ｃｍの転動体（ベアリングボール）を１２個組込んだインバータモータ用軸受を製造した。内輪および外輪は軸受鋼（ＳＵＪ２）で構成した。
転動体は、ＳＵＪ２製球体（電気抵抗値１０^４Ω・ｃｍ）と、窒化ケイ素焼結体製球体（電気抵抗値１０^１２Ω・ｃｍ以上）をそれぞれ用意し、表２に示す割合で用いた。
次にインバータモータの駆動周波数を８００Ｈｚ、回転速度を８０００ｒｐｍに変えた以外は実施例１と同様のインバータモータを製造した。同様に振動の増加の有無で電食の有無を確認した。なお、軸受をインバータモータに組込んだ（インバータと軸受は１ｍ以内に配置）。その結果を表２に示す。

表から分かる通り、Ｐ×Ｍ≧６０Ｆとして、Ｐ×８０００≧６０×８０００、Ｐ≧６、となる。この条件を満たす実施例６〜８には電食は確認されなかったが、満たさない実施例５ではやや有となった。

（実施例９〜１２）
実施例１において絶縁性転動体として、ＳＵＪ２に酸化アルミニウム溶射膜（膜厚３μｍ）を設けた電気抵抗値１０^１０Ω・ｃｍ以上のものを用い、同様の測定を行った。なお、インバータモータと軸受は１ｍ以内に配置した。その結果を表３に示す。

絶縁性転動体として電気抵抗値１０^１０Ω・ｃｍのものであっても有効に活用できた。

（実施例１３〜１５）
窒化珪素焼結体（電気抵抗値１０^１２Ω・ｃｍ以上）を実施例１３、エンジニアリング樹脂（電気抵抗値１０^１３Ω・ｃｍ）を実施例１４、酸化クロム溶射膜（膜厚１００μｍ）を施したＳＵＪ２球（電気抵抗値１０^８Ω・ｃｍ以上）を実施例１５として表４に示す条件でインバータ用軸受を構成し、実施例１と同様の方法で電食の有無を測定した。転動体の直径は１ｃｍに統一し、軸受は転動体の全個数が１６個のものを用いた。なお、インバータモータと軸受は１ｍ以内に配置した。その結果を表４に示す。

Ｐ×Ｍ≧６０Ｆから実施例１３はＰ≧３６、実施例１４はＰ≧２０、実施例１５はＰ≧４０となる。いずれもＰ値が転動体の全個数より大きいためすべてが絶縁性転動体でなければならなかった。

１…軸受
２…転動体（ベアリングボール）
３…内輪
４…外輪

本発明の一態様は、インバータモータを具備する電器機器の使用方法であって、電器機器は、インバータモータの駆動周波数を５０Ｈｚ以上２０００Ｈｚ以下に制御する制御回路と、制御回路から１ｍ以内に設置された転がり軸受と、を具備し、転がり軸受は、ＳＵＪ２材からなる内輪と、ＳＵＪ２材からなる外輪と、絶縁性セラミックスを含むとともに電気抵抗値が１０^１０Ω・ｃｍ以上である絶縁性のベアリングボールを含む、複数のベアリングボールと、を備え、絶縁性のベアリングボールの個数をＰ（個）、転がり軸受の使用環境での最高回転数をＭ（ｒｐｍ）、インバータモータの駆動周波数をＦ（Ｈｚ）としたとき、Ｐ×Ｍ≧６０Ｆを満たし、且つＰが６以上の整数であることにより、電食の発生を抑制する。上記電器機器は、工場等で使用される機器、サーバー、パソコン、エレベータ、ポンプ、ファン、家電、電気自動車、鉄道車両のいずれか１種であることが好ましい。

インバータは、このような軸受と制御回路を組合せて構成される。制御回路には、ＡＣ／ＤＣコンバータ、インバータ制御回路、スイッチング素子としてのサイリスタやＩＧＢＴ素子などが挙げられる。インバータ制御回路は、ＰＷＭ（パルス幅変調）駆動が一般的に用いられている。本発明のインバータ用軸受は電食の発生を抑制しているので、インバータ制御回路と軸受を、例えば１ｍ以内の近傍に設置しても電食による影響を受け難い。従って、制御回路と軸受の配置による制約を受けない。そのため、エアコンディショナーや洗濯機などの家電から、電気自動車や鉄道車両など、様々な電器機器のインバータ近傍で適用できる。言い換えれば、電食による影響を受けない信頼性の高い電器機器を提供することができる。なお、１ｍ以内の近傍とは、インバータモータの軸受およびインバータモータの近くに配置される軸受の両方を含むものとする。

表から分かる通り、Ｐ×Ｍ≧６０Ｆとして、Ｐ×８０００≧６０×８００、Ｐ≧６、となる。この条件を満たす実施例６〜８には電食は確認されなかったが、満たさない実施例５ではやや有となった。

Claims (8)

1. インバータモータの駆動周波数を５０Ｈｚ以上４０００Ｈｚ以下に制御する制御回路から１ｍ以内の位置で使用される転がり軸受であって、
   電気抵抗値が１０^１０Ω・ｃｍ以上である絶縁性の転動体を含む複数の転動体を備え、
   前記絶縁性の転動体は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、および酸化ケイ素から選ばれる少なくとも１種以上を含むセラミックス焼結体である、転がり軸受。
2. 前記セラミックス焼結体は、窒化ケイ素焼結体である、請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記セラミックス焼結体は、希土類酸化物をさらに含む、請求項１または請求項２に記載の転がり軸受。
4. 前記絶縁性の転動体の電気抵抗値が１０^１２Ω・ｃｍ以上である、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の転がり軸受。
5. 前記絶縁性の転動体の個数は、前記複数の転動体の個数未満である、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の転がり軸受。
6. 前記転がり軸受は、前記インバータモータに設けられており、
   前記駆動周波数１００Ｈｚ、外輪側にて前記転がり軸受の回転速度７０００ｒｐｍで前記インバータモータを連続４００時間駆動させた際に生じる摺動音をピックアップセンサを用いて測定したとき、センサ出力が２５ｄＢ未満である、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の転がり軸受。
7. 前記駆動周波数を５０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下に制御する制御回路から１ｍ以内の位置で使用される、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の転がり軸受。
8. 前記転がり軸受は、工場用機器、サーバ、パーソナルコンピュータ、エレベータ、ポンプ、ファン、家庭用電化製品、電気自動車、および鉄道車両の少なくとも一つに設けられている、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の転がり軸受。

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