JP3478741B2

JP3478741B2 - 回転機のベアリング電流低減装置

Info

Publication number: JP3478741B2
Application number: JP31739098A
Authority: JP
Inventors: 康之奥村
Original assignee: 松下エコシステムズ株式会社
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2003-12-15
Anticipated expiration: 2018-11-09
Also published as: JP2000152564A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転機の軸受部に
流れるベアリング電流を低減する回転機のベアリング電
流低減装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、誘動機を始めとする回転機を回転
数制御する方法としてインバータ等の電力変換機によっ
て駆動するのが一般的となってきた。インバータ駆動の
方式として電圧形ＰＷＭインバータが最も良く知られて
いる。この種のインバータ駆動方式では、変調正弦波信
号の振幅に比例したパルス幅の一定キャリア周期を持つ
矩形波状の電圧パルス列を誘導機に印加して、誘導機の
固定子巻き線に流れる電流を変調正弦波信号の周波数に
等しい正弦波が流れるようにして誘導機を駆動する。

【０００３】さて、最近の高速電力用半導体素子の発展
に伴って、電圧形ＰＷＭインバータのキャリア周波数の
高周波化が進み、インバータのスイッチング時に生じる
急峻な電圧変化に起因して発生する誘導機のベアリング
電流による軸受部の不具合が指摘されている。このベア
リング電流には、例えば、「ＰＷＭインバータによって
発生する誘導電動機のベアリング電流」（ショータン・
チェン、アイイーイーイー・トランザンクション・オン
・エナジーコンバージョン、１１号１巻ナンバー１、１
９９６年３月）（Analysis of Induction Motor Beari
ng Currents Caused by PWM Inverters、IEEE Transact
ions on Energy Conversion．Vol．１１，No.１,March
1996）に紹介されているように、振幅が最も大きく頻繁
に発生する放電モードのベアリング電流がある。この種
のベアリング電流は、インバータから誘導機の巻き線に
供給される立ち上がりの急峻なコモンモード電圧が、誘
導機の巻き線と固定子間の結合容量、巻き線と回転子間
の結合容量および固定子と回転子間のエアーギャップ容
量によって構成される閉じた回路系に印加されたときに
発生する応答電圧として、固定子と回転子間の静電容量
に蓄積された軸電圧の放電現象として発生するものであ
る。固定子と回転子間の静電容量に蓄積された軸電圧
が、軸受部の油膜を絶縁破壊させて軸受部を導通状態に
させ、軸受部を介して静電容量に蓄積された軸電圧を放
電させるとき流れる放電電流が放電モードのベアリング
電流である。

【０００４】図７は従来のＰＷＭインバータに駆動され
た誘導機の原理的回路図を示し、図８は従来のＰＷＭイ
ンバータに駆動された誘導機の各部の波形を説明する説
明図である。図７、図８を併用して、ＰＷＭインバータ
が誘導機巻き線系にコモンモード電圧を供給するコモン
モード電圧の発生メカニズムを説明する。

【０００５】図７において、インバータ１０１はスイッ
チング素子１０２〜１０７および直流電源１０８から成
り、インバータ１０１のＲ相、Ｓ相およびＴ相出力端子
１０９〜１１１は誘導機１１２の固定子巻き線１１３の
Ｒ相、Ｓ相およびＴ相タップ１１４〜１１６にそれぞれ
結線されている。誘導機１１２のフレームグランド端子
１１７は、インバータ１０１のフレームグランド端子１
１８に接続され、さらに、フレームグランド端子１１８
は大地にアース接続されている。

【０００６】図８の（ａ），（ｂ），（ｃ）はキャリア
波信号Ｖｃと各相のインバータ指令値ＵＲ、ＵＳ、ＵＴ
との比較により、インバータ１０１におけるＯＮ−ＯＦ
Ｆ制御信号の形成を説明するものである。図８におい
て、横軸を時間軸にとり、図８の（ａ），（ｂ），
（ｃ）の太線で図示された正弦波がインバータ１０１の
Ｒ，Ｓ，Ｔ各相のインバータ指令値（ＵＲ，ＵＳ，Ｕ
Ｔ）を示す。同図上に三角波状の細線で示された波形が
キャリア波信号Ｖｃである。キャリア波信号Ｖｃがイン
バータ指令値ＵＲ，ＵＳ，ＵＴよりも低いときは、該当
するスイッチング素子１０２〜１０４側が導通し、スイ
ッチング素子１０５〜１０７側が非導通となる。逆に、
キャリア波信号Ｖｃがインバータ指令値ＵＲ，ＵＳ，Ｕ
Ｔよりも高いときは、該当するスイッチング素子１０２
〜１０４側が非導通となり、スイッチング素子１０５〜
１０７側が導通となる。

【０００７】図８の（ｄ），（ｅ），（ｆ）は図７に図
示されるスイッチング素子のアーム対（１０２，１０
５），（１０３，１０６），（１０４，１０７）の中間
点と大地との間に形成される電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴを示
す。説明の簡略化のため図８の（ａ），（ｄ）でＲ相に
おける関係について説明する。キャリア波電圧ＶＣがイ
ンバータ指令値ＵＲより高いときは、スイッチング素子
１０５が導通しアーム対（１０２，１０５）と大地間の
電圧ＶＲは零となる。尚、Ｅｄは直流電源１０８の両端
の電圧値である。次に、キャリア波電圧ＶＣがインバー
タ指令値ＵＲより低いときは、スイッチング素子１０２
が導通しアーム対（１０２，１０５）と大地間の電圧Ｖ
Ｒは＋Ｅｄとなる。

【０００８】図８の（ｇ）は巻き線１１３に印加される
コモンモード電圧の関係を示す。巻き線１１３の中性点
１１９の大地を基準とする電位、すなわち、中性点電位
ＶＮＯは、通常、上述の電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴの平均電
圧（数１）となる。

【０００９】

【数１】

【００１０】ゆえに、中性点電位ＶＮＯには、上述の電
圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ三相分を重ね合わせたコモンモード
の電圧が発生している。すなわち、中性点電位ＶＮＯに
はＰＷＭスイッチングパターン３相分を重ね合せた波形
が発生することになる。

【００１１】図９は、従来のインバータ駆動された誘導
機のコモンモード等価回路図である。図に示すように、
誘導機１１２には、巻き線１１３と固定子１２０との間
に結合容量１２１が存在し、また、巻き線１１３と回転
子１２２との間にも結合容量１２３が存在している。さ
らに、固定子１２０と回転子１２２との間にはエアーギ
ャップ容量１２４が存在している。ここでは、誘導機が
適当な回転数で回転して軸受装置１２５が流体潤滑モー
ドとなっている場合について考える。この場合、軸受装
置１２５は非導通状態となるが、巻き線１１３、結合容
量１２１、結合容量１２３、および、エアーギャップ容
量１２４によって図示するような閉じた回路系１２６が
構成される。インバータ１０１から巻き線１１３と固定
子１２０との間にコモンモード電圧ｅｉ（ｔ）が印加さ
れると、閉じた回路系１２６を介してエアーギャップ容
量１２４の両端に軸電圧ｖｒｓ（ｔ）が発生する。すな
わち、インバータ１０１が供給するコモンモード電圧ｅ
ｉ（ｔ）に対する閉じた回路系１２６の応答電圧として
軸電圧ｖｒｓ（ｔ）が発生する。

【００１２】図１０は、従来のインバータ駆動された誘
導機の簡略化コモンモード等価回路図である。図に示す
ように、巻き線１１３は、抵抗１２７とインダクタンス
１２８の直列回路に置き換えられている。巻き線１１３
と固定子１２０との間の結合容量１２１は結合容量１２
９，１３０に、巻き線１１３と回転子１２２との間の結
合容量１２３は結合容量１３１，１３２に簡略化されて
いる。固定子１２０と回転子１２２との間のエアーギャ
ップ容量１２４は、前述した巻き線１１３の抵抗１２７
とインダクタンス１２８と結合容量１２９〜１３２とで
閉じた回路系１２６を構成するように接続されている。
コモンモード電圧ｅｉ（ｔ）が結合容量１２９の両端に
印加されると、閉じた回路系１２６を経てエアーギャッ
プ容量１２４の両端に軸電圧ｖｒｓ（ｔ）が発生する。
すなわち、インバータが供給するコモンモード電圧に対
する閉じた回路系１２６の応答電圧として軸電圧が発生
する。同図で図示するように、抵抗１３３、インダクタ
ンス１３４、およびスイッチ１３５は、軸受装置１２５
の等価回路を示すものである。誘導機１１２が停止また
は低速で回転しているとき、軸受装置１２５は境界潤滑
状態となりスイッチ１３５は常に導通状態となり、エア
ーギャップ容量１２４には軸電圧は発生しない。誘導機
１１２が適当な回転数で回転しているとき、軸受装置１
２５は流体潤滑となりスイッチ１３５は普段は非導通状
態となるが、ときどき導通状態となる。ゆえに、軸受装
置１２５が流体潤滑となる場合では、軸受装置１２５が
非導通状態のとき、前述した理由からエアーギャップ容
量１２４に軸電圧が蓄積されるが、ときどき、軸受装置
１２５が導通状態となると、エアーギャップ容量１２４
に蓄積された軸電圧は、抵抗１３３、インダクタンス１
３４およびスイッチ１３５を経て放電する。このとき、
抵抗１３３、インダクタンス１３４、およびエアーギャ
ップ容量１２４より成る直列共振回路が構成されるが、
エアーギャップ容量１２４に充電された軸電圧がこの直
列共振回路を経て流れる放電電流が放電モードのベアリ
ング電流となる。

【００１３】図１１は、コンピュータシミュレーション
を使って計算させた軸電圧の波形と、実際に測定した軸
電圧の波形を比較したタイムチャートである。

【００１４】図１１の（ｂ）は、図１０に示す簡略化コ
モンモード等価回路に適当な回路常数を設定し、図１１
の（ａ）で示す振幅Ｅｄ／３の階段状波形をコモンモー
ド電圧とした場合において、コンピュータシミュレーシ
ョンを使って、エアーギャップ容量１２４の両端に応答
電圧として発生する軸電圧を計算させた波形を示す。図
１１の（ｃ）は、軸受装置１２５が常に非導通状態とな
る場合において、実際に測定した軸電圧の波形を示す。
図を見て明らかなように、コンピュータシミュレーショ
ンにより計算した軸電圧（ｂ）は、実際に測定した軸電
圧（ｃ）とほとんど同等であり、簡易化コモンモード等
価回路に基づきコンピュータシミュレーションを使って
計算した軸電圧波形が、実際の誘導機で測定される軸電
圧波形を良く再現していることがわかる。

【００１５】図１１の簡易型コモンモード等価回路にお
いて、コモンモード電圧ｅｉ（ｔ）に対する、軸電圧ｖ
ｒｓ（ｔ）の応答を現す閉じた回路系１２６の伝達関数
をＧ（Ｓ）とすると、伝達関数Ｇ（Ｓ）は定義から以下
の（数２）で示す式となる。

【００１６】

【数２】

【００１７】ただし、Ｖｒｓ（Ｓ）,Ｅｉ（Ｓ）は、そ
れぞれ、ｖｒｓ（ｔ）,ｅｉ（ｔ）のラプラス変換式で
ある。

【００１８】図１０の簡易型コモンモード等価回路にお
いて、Ｒ１は抵抗１２７の抵抗、Ｌ１はインダクタンス
１２８のインダクタンス、Ｃ１０は結合容量１２９の静
電容量、Ｃ１１は結合容量１３０の静電容量、Ｃ２０は
結合容量１３１の静電容量、Ｃ２１は結合容量１３２の
静電容量、Ｃ３はエアーギャップ容量１２４の静電容量
とおいて回路方程式をたてた後、伝達関数Ｇ（Ｓ）につ
いて解くと、伝達関数Ｇ（Ｓ）は以下の（数３）で示す
式となる。

【００１９】

【数３】

【００２０】ここでζは減衰係数,ωnは角周波数,αは
係数,Ａは係数で、それぞれ（数４）,（数５）,（数
６），（数７）で示す式のことである。

【００２１】

【数４】

【００２２】

【数５】

【００２３】

【数６】

【００２４】

【数７】

【００２５】インバータより振幅Ｅｄ／３の階段状波形
が誘導機に印加された場合、すなわち、コモンンモード
電圧Ｅｉ(Ｓ)を（数８）としたとき

【００２６】

【数８】

【００２７】応答電圧として発生する軸電圧Ｖｒｓ(Ｓ)
は（数３）および（数８）より（数９）となる。

【００２８】

【数９】

【００２９】（数９）の第１項は直流成分で、第２項は
２次遅れ要素だから、減衰係数ζの値が（数１０）とな
るとき

【００３０】

【数１０】

【００３１】軸電圧Ｖｒｓ(Ｓ)は振動しつつ直流成分Ｖ
ｒｓ０に収束する。減衰係数ζの値が（数１１）となる
とき

【００３２】

【数１１】

【００３３】軸電圧Ｖｒｓ(Ｓ)は非振動となり直流成分
Ｖｒｓ０に収束する。ここで、直流成分Ｖｒｓ０は（数
１２）に示す式のことである。

【００３４】

【数１２】

【００３５】ここで、（数１２）に（数５）、（数
６）、（数７）を代入すると（数１３）となる。

【００３６】

【数１３】

【００３７】図１２は、従来のインバータ駆動された誘
導機において、減衰係数ζの値の選び方によって変化す
る軸電圧の波形を説明した説明図である。

【００３８】図１２の（ａ）で示すような振幅Ｅｄ／３
の階段状波形がコモンモード電圧ｅｉ（Ａｔ）として印
加された場合、閉じた回路系１２６の応答電圧として発
生する軸電圧Ｖｒｓ（ｔ）は、２次遅れ要素のインデシ
ャル応答としての挙動を示す。すなわち、減衰係数ζが
（数１１）で示す範囲内にある場合、２次遅れ要素は過
制動または臨界制動となるから、図１２の（ｂ）で図示
するように、軸電圧Ｖｒｓ（ｔ）は非振動となり直流成
分Ｖｒｓ０に収束する。次に、減衰係数ζが（数１０）
で示す範囲内にある場合、２次遅れ要素は不足制動とな
るから、図１２の（ｃ）で図示するように、軸電圧Ｖｒ
ｓ（ｔ）は振動しつつ直流成分Ｖｒｓ０に収束する。こ
の場合、減衰係数ζが１と比較して小さくなればなるほ
ど振動の程度も激しくなる。通常の誘導機では、減衰係
数ζは（数１０）の範囲内となり、軸電圧は振動しつつ
直流成分Ｖｒｓ０に収束する。

【００３９】図１３は、従来のインバータ駆動された誘
導機について、最も大きなベアリング電流が発生する瞬
間におけるコモンモード電圧、軸電圧およびベアリング
電流を説明した説明図である。

【００４０】図１３の（ａ）で示すような振幅Ｅｄ／３
の階段状波形がコモンモード電圧ｅｉ（ｔ）として誘導
機に印加された場合、図１２の（ｃ）で説明したのと同
様に、軸電圧Ｖｒｓ（ｔ）は図１３の（ｂ）で図示する
ように、大きく振動しつつ直流成分Ｖｒｓ０（測定結果
からＶｒｓ０＝５Ｖ）に収束する。軸電圧Ｖｒｓ（ｔ）
が最大ピーク電圧Ｖｒｓｍａｘ（測定結果からＶｒｓｍ
ａｘ＝４２Ｖ）となる付近で軸受装置１２５が導通する
と、エアーギャップ容量１２４に充電された軸電圧は図
１０の軸受装置１２５の抵抗１３３、インダクタンス１
３４、およびスイッチ１３５を経て放電する。このとき
抵抗１３３、インダクタンス１３４およびエアーギャッ
プ容量１２４より成る直列共振回路が構成され、エアー
ギャップ容量に充電された軸電圧がこの直列共振回路を
経て放電するとき流れる電流がベアリング電流となる。
ベアリング電流ｉｂ（ｔ）は、図１３の（ｃ）で図示し
たような減衰振動波となるが、ベアリング電流の最大ピ
ーク電流Ｉｂｍａｘ（測定結果からＩｂｍａｘ＝５２０
ｍＡ）は放電直前のエアーギャップ容量１２４に充電さ
れた軸電圧に比例する。すなわち、放電直前にエアーギ
ャップ容量１２４に充電される軸電圧が大きいほど大き
なベアリング電流が得られる。ゆえに、軸電圧Ｖｒｓ
（ｔ）が最大ピーク電圧Ｖｒｓｍａｘとなる付近で軸受
装置１２５が導通すると、放電直前でエアーギャップ容
量に蓄積される軸電圧も最大となるので、このとき最も
大きなベアリング電流が発生する。

【００４１】以上で述べたように、ＰＷＭインバータに
駆動された通常の誘導機では、軸電圧が大きく振動し、
軸電圧が最大ピーク電圧Ｖｒｓｍａｘとなる付近で軸受
装置が導通すると軸電圧の放電現象として発生するベア
リング電流は最も大きな振幅となり、軸受の摩耗、回転
軸の損傷、潤滑油の風化を招き、場合によっては軸受を
損傷または破壊することがある。従って、このような障
害が発生しないように、回転機にベアリング電流低減装
置が用いられている。通常、このベアリング電流低減装
置としては、軸受部を絶縁する方法と回転軸を接地する
方法があるが、軸受部を絶縁する方法は、構造が複雑に
なり、組立工程に細心の注意を要し、工数が多くかか
り、かつ回転機によっては機械的構造上軸受部の絶縁が
できないものもあるので、通常は軸受部を絶縁するより
は簡単で、実施し易い回転軸を接地する方法が用いられ
ている。

【００４２】従来、この種のベアリング電流を低減する
ベアリング電流低減装置は、特開昭５８−７８７７０号
公報、特開昭５４−８８０１号公報、実開昭６３−１２
４０５７号公報、および実開昭５８―７８７６９号公報
に記載されたものが知られている。

【００４３】以下、その従来のベアリング電流低減装置
について図１４を参照しながら説明する。図に示すよう
に、従来の回転軸を接地する方式の軸電流低減装置１３
６はアースブラシホルダ１３７、アースブラシホルダ支
え１３８およびアースブラシ組立体１３９から構成され
ている。アースブラシホルダ支え１３８は、導電材料の
板材を略Ｌ字状に曲げて作られ、その略Ｌ字状の垂直辺
の端部は、ベアリングブラケット１４０とベアリングブ
ラケット１４０に接合されたシールド玉軸受１４１より
成る軸受装置１２５のベアリングブラケット１４０の部
分にボルト１４２を介して取り付けられ、略Ｌ字状の水
平辺には後述するアースブラシホルダ１３７が取付けら
れている。ベアリングブラケット１４０は誘導機１１２
のフレーム１４３にボルト１４４を介して取付けられて
いる。アースブラシホルダ１３７はホルダシャンク１４
５およびキャップ１４６より成り、ホルダシャンク１４
５はアースブラシホルダ支え１３８の水平辺にねじまた
は半田付け等で固定され、その内側には後述するアース
ブラシ組立体１３９の取付け穴１４７が設けられてい
る。アースブラシ組立体１３９はアースブラシ１４８、
ばね１４９、ピグテール１５０およびピグテール支え１
５１より成っている。従って、アースブラシホルダ１３
７のホルダシャンク１４５の取付け穴１４７にアースブ
ラシ組立体１３９を挿入し、ホルダシャンク１４５にキ
ャップ１４６を取付ければ、アースブラシ１４８は、ば
ね１４９を介して回転軸１５２に押し付けられて接触
し、回転子軸１５２は、常にアースブラシ１４８、ピグ
テール１５０、ピグテール支え１５１、キャップ１４
６、ホルダシャンク１４５、アースブラシホルダ支え１
３８、ベアリングブラケット１４０およびフレーム１４
３を介して接地される。

【００４４】

【発明が解決しようとする課題】以上で述べたように、
従来のＰＷＭインバータに駆動された誘導機では、イン
バータ１０１より誘導機１１２の巻き線１１３にＲ相、
Ｓ相およびＴ相のＰＷＭスイッチングパターン三相分を
重ね合わせたコモンモード電圧が供給される。さらに、
巻き線１１３と固定子１２０との間の結合容量１２１、
巻き線１１３と回転子１２２との間の結合容量１２３、
および、固定子１２０と回転子１２２との間のエアーギ
ャップ容量によって閉じた回路系１２６が構成され、閉
じた回路系１２６の結合容量１２９に印加されるコモン
モード電圧に対する応答電圧として、エアーギャップ容
量１２４の両端に軸電圧が発生する。従来の誘導機で
は、閉じた回路系１２６のコモンモード電圧に対する軸
電圧の応答を現す伝達関数Ｇ（Ｓ）は２次遅れ要素を含
むが、実在する誘導機では、減衰係数ζが１に比較して
かなり小さな値となるため、インバータ１０１から立ち
上がりの急峻な階段状波形が印加されたとき、２次遅れ
要素は不足制動となるため軸電圧は激しく振動し、軸電
圧の最大ピーク電圧Ｖｒｓｍａｘが大きくなる。軸電圧
が最大ピーク電圧Ｖｒｓｍａｘとなる付近で軸受装置が
導通すると、軸電圧の放電現象として発生するベアリン
グ電流も大きくなり、軸受の摩耗、回転軸の損傷、潤滑
油の風化を招き、場合によっては軸受装置を損傷または
破壊するという問題があった。

【００４５】また、このような問題を解決するための従
来のベアリング電流低減装置では、アースブラシ１４８
は、ばね１４９により回転子軸１５２に押し付けられて
いるので、回転子軸１５２の表面を摩耗、損傷させない
ように、カーボンを主成分とした非常に軟質の導電材料
で作られているため摩耗が早く、早いものは２〜３箇月
で、長くても６〜７箇月でアースブラシを交換しなけれ
ばならないという欠点があった。

【００４６】以上述べたように、従来のＰＷＭインバー
タにより駆動された誘導機では、軸電圧が激しく振動す
るので、軸電圧の放電電流として発生するベアリング電
流も大きくなってしまうという課題があり、ベアリング
電流を低減または消滅させて軸受部の摩耗、回転軸の損
傷、潤滑油の風化、軸受装置の損傷または破壊を防止す
ることが要求されている。

【００４７】また、従来のベアリング電流低減装置で
は、ブラシの摩耗による保守を数箇月毎に行う必要があ
るという課題があり、長時間使用しても保守する必要な
くベアリング電流を低減できる低減方法が要求されてい
る。

【００４８】本発明は、このような従来の課題を解決す
るものであり、ベアリング電流を低減させて軸受部の摩
耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受装置の損傷また
は破壊を防止することができ、かつ、長時間使用しても
保守する必要なくベアリング電流を低減することができ
る回転機のベアリング電流低減装置を提供することを目
的としている。

【００４９】

【００５０】

【００５１】

【００５２】

【００５３】

【課題を解決するための手段】本発明の回転機のベアリ
ング電流低減装置は上記目的を達成するために、回転機
のベアリング電流を低減するものにおいて、回転子軸に
対して垂直方向に回転子軸に取り付けられ回転子軸と同
じ大きさの円板部分を切り取った１枚以上の回転円環
と、内輪部を回転子軸に取付けた１個以上の軸受装置
と、回転子軸に対して垂直方向に前記軸受装置の外輪部
に取り付けられ前記軸受装置の外輪部と同じ大きさの円
板部分を切り取った前記軸受と同数の固定円環とを備
え、前記固定円環は隣接する固定円環間を導線を介して
接続し、固定円環の１つは導線を介して回転機フレーム
に固定し、前記回転円環と前記固定円環は、静電容量を
生ずるように非接触となる位置に交互に配置したことを
特徴とする回転機のベアリング電流低減装置としたもの
である。

【００５４】本発明によれば、ベアリング電流を低減さ
せて軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができ、また、長
時間使用しても保守する必要なくベアリング電流を低減
することができる回転機のベアリング電流低減装置が得
られる。

【００５５】また他の手段は、回転機のベアリング電流
を低減するものにおいて、回転子軸に対して垂直方向に
回転子軸に取り付けられ回転子軸と同じ大きさの円板部
分を切り取った回転支持円環と、回転子軸に対して同心
円状に前記回転支持円環に取り付けた半径の異なる１個
以上の回転円筒と、回転子軸に対して垂直方向に回転機
フレームに取り付けられ回転子軸の半径よりも大きな半
径を持つ円板部分を切り取った固定支持円環と、回転子
軸に対して同心円状に前記固定支持円環に取り付けた半
径の異なる１個以上の固定円筒を備え、前記固定円筒と
前記回転円筒間は、静電容量を生ずるように非接触とな
る位置に交互に配置したことを特徴とする回転機のベア
リング電流低減装置としたものである。

【００５６】本発明によれば、ベアリング電流を低減さ
せて軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風化、軸受
装置の損傷または破壊を防止することができ、また、長
時間使用しても保守する必要なくベアリング電流を低減
することができる回転機のベアリング電流低減装置が得
られる。

【００５７】

【発明の実施の形態】本発明は、回転子軸に固定した回
転円環をフレームに固定した固定円環と非接触で接近し
た位置に配置させることにより、回転円環と固定円環と
の間で静電容量を形成させるか、または、回転子軸に固
定した回転円環をフレームに固定した固定中空円柱と非
接触で接近した位置に配置させることにより、回転円環
と固定中空円柱との間で静電容量を形成させるか、また
は、回転子軸に固定した回転円環を軸受装置を介して回
転子軸に取り付け導線を介してフレームに接続固定した
固定円環と非接触で接近した位置に配置させることによ
り、回転円環と固定円環との間で静電容量を形成させる
か、または、回転子軸に固定した回転円筒をフレームに
固定した固定円筒と非接触で接近した位置に配置させる
ことにより、回転円筒と固定円筒との間で静電容量を形
成させるようにしたものであって、これによって、誘導
機の巻き線と固定子との間の結合容量、巻き線と回転子
との間の結合容量および固定子と回転子との間のエアー
ギャップ容量によって構成される閉じた回路系のコモン
モード電圧に対する軸電圧の応答は、２次遅れ要素を有
する伝達関数として表現されるが、伝達関数の減衰係数
ζを１に比較して十分大きな値にとなるように、固定子
と回転子との間のエアーギャップ容量を十分大きな値に
設定すれば、閉じた回路系の伝達関数の２次遅れ要素を
過制動で動作させることができ、軸電圧を振動させずに
単調に増加させつつ直流成分に収束させることが可能と
なる。さらに、固定子と回転子との間のエアーギャップ
容量を十分大きな値とすることにより、軸電圧の収束値
となる直流成分も減少するので、放電直前の軸電圧を小
さく抑えることになり、軸電圧の放電現象として発生す
るベアリング電流を低減することができるという作用を
有する。

【００５８】また、回転円板と固定円環、回転円板と固
定中空円柱、または、回転円筒と固定円筒とを非接触で
配置するようにしたものであり、従来のベアリング電流
低減装置のように軟質の導電材料で作られたアースブラ
シが回転軸に押し付けられて摩耗するような個所がない
ため、長時間使用しても保守する必要がないという作用
を有する。

【００５９】以下、本発明の実施例について図面を参照
しつつ詳細に説明する。（実施例１）図１に示すように、内径ｒ２の円板部分を
切り取った外径ｒ１の回転円環１（２）は、誘導機１１
２の半径ｒ２の回転子軸１５２に対して垂直方向に回転
子軸１５２に取付けられ、回転子軸１５２の半径ｒ２よ
りも大きな内径ｒ３の円板部分を切り取った外径ｒ４の
固定円環３（４）は、回転子軸１５２に対して垂直方向
に回転円板１（２）から距離ｄの間隔を隔てて誘導機１
１２の内径がｒ４のフレーム１４３の内壁に取付けられ
ている。回転円環１，２、固定円環３，４は、それぞ
れ、隣接する固定円環、回転円環との間で静電容量を生
ずるように非接触となるように間隔ｄを隔てて交互に配
置されている。回転子軸１５２の軸受装置１２５は、ベ
アリングブラケット１４０とこれに接合されたシールド
玉軸受１４１より成り、ベアリングブラケット１４０は
ボルト１４４を介してフレーム１４３に取り付けられて
いる。

【００６０】回転円環１と固定円環３の重なり合う部分
の面積Ｓ１（ｍ²）は（数１４）で示す面積となる。

【００６１】

【数１４】

【００６２】回転円環１と固定円環３との間の静電容量
をＣ１とおくと、Ｃ１は（数１５）に示す値となる。

【００６３】

【数１５】

【００６４】ここで、ε0は真空中の誘電率である。同
様に、固定円環３と回転円環２との間の静電容量、回転
円環２と固定円環４との間の静電容量はＣ１に等しくな
るので、全ての回転円環と固定円環との間で形成される
合成静電容量Ｃｚは（数１６）で示す静電容量となる。

【００６５】

【数１６】

【００６６】以上の（数１４）、（数１５）、（数１
６）から全ての回転円環と固定円環との間で形成される
合成静電容量Ｃｚは（数１７）で示す静電容量となる。

【００６７】

【数１７】

【００６８】実施例１の回転子と固定子との間のエアー
ギャップ容量Ｃ３’は、全ての回転円環と固定円環との
間で形成される合成静電容量Ｃｚと、誘導機１１２の固
定子１２０と回転子１２２との間のみで形成されるエア
ーギャップ容量Ｃ３とを合成した静電容量となる。ゆえ
に、実施例１のエアーギャップ容量Ｃ３’は（数１８）
で示す静電容量となる。

【００６９】

【数１８】

【００７０】実施例１のエアーギャップ容量を（数１
８）で示すＣ３’に設定した場合において、軸電圧が非
振動となるための条件は、従来例で述べたように（数
４）および（数１１）より（数１９）となる。

【００７１】

【数１９】

【００７２】（数１９）をＣ３’について解くと（数２
０）となる。

【００７３】

【数２０】

【００７４】回転円環の外径ｒ１，固定円環の内径ｒ
３、回転円環と固定円環の間隔ｄ、または、回転円環と
固定円環の段数を適当に選んで、全ての回転円環と固定
円環との間で形成される合成静電容量Ｃｚを十分大きな
静電容量に設定して、エアーギャップ容量Ｃ３’が（数
２０）を満足できるようにすれば、減衰係数ζは１以上
となり、閉じた回路系１２６の伝達関数の２次遅れ要素
は過制動となり、軸電圧は振動せずに単調に増加しつつ
直流成分Ｖｒｓ０に収束する。

【００７５】さらに、エアーギャップ容量Ｃ３’を十分
大きな値に設定すると、（数１３）で明らかなように、
軸電圧の収束値である直流成分Ｖｒｓ０が小さく抑えら
れるので、放電直前の軸電圧は常に小さく抑圧され、軸
電圧の放電現象として発生するベアリング電流も小さく
抑えることができる。

【００７６】図２は実施例１のベアリング電流低減装置
を備えたインバータ駆動の誘導機におけるコモンモード
電圧、軸電圧およびベアリング電流を図示したタイムチ
ャートである。図２では、全ての回転円環と固定円環と
の間で形成される合成静電容量をＣｚ＝４８０ｐＦに設
定した場合について説明している。

【００７７】図２の（ａ）で示すような階段状波形がコ
モンモード電圧として誘導機に印加されると、実施例１
では、軸電圧が非振動となる条件である（数２０）を満
足する十分大きなエアーギャップ容量Ｃ３’が設定され
ているので、軸電圧は、図２の（ｂ）で示すような非振
動で直流成分Ｖｒｓ０に収束するような波形が得られ
る。エアーギャップ容量Ｃ３’が十分大きいと、従来例
で述べた（数１３）で明らかなように、軸電圧の収束値
である直流成分Ｖｒｓ０は小さく抑えられる。軸電圧
が、このような低レベルの直流成分Ｖｒｓ０（測定結果
からＶｒｓ０＝５Ｖ）で落ち着いている時、軸受がたま
たま導通すると、図２の（ｃ）に示すようなベアリング
電流が流れるが、放電直前の軸電圧が小さいので振幅の
小さなベアリング電流（測定結果からベアリング電流の
最大波高値はＩｂｍａｘ＝６０ｍＡ）しか流れない。

【００７８】図３は、ベアリング電流低減装置を備えた
インバータ駆動の誘導機における合成静電容量Ｃｚとベ
アリング電流の最大波高値Ｉｂｍａｘとの関係を図示し
たグラフである。図３のグラフは、実施例１のベアリン
グ電流低減装置を備えた誘導機において、全ての回転円
環と固定円環との間で形成される合成静電容量を適当な
Ｃｚに設定したとき、軸受に流れるベアリング電流を観
測し、ベアリング電流の最大波高値Ｉｂｍａｘを測定し
て、これらの関係を図示したものである。図３から明ら
かなように、ベアリング電流低減装置が無い場合、最大
波高値が５３０ｍＡ程度のベアリング電流が発生する
が、回転円環と固定円環との間で形成される合成静電容
量をＣｚ＝４８０ｐＦに設定したベアリング電流低減装
置を備えた誘導機において、ベアリング電流の最大波高
値はその約十分の一程度に抑圧されており（Ｉｂｍａｘ
＝６０ｍＡ）効果的にベアリング電流が低減されている
ことがわかる。

【００７９】（実施例２）図４に示すように、内径ｒ２
の円板部分を切り取った外径ｒ１の回転円環１（２）
は、誘導機１１２の半径ｒ２の回転子軸１５２に対して
垂直方向に回転子軸１５２に取付けられ、回転子軸１５
２の半径ｒ２よりも大きな内径ｒ３の円柱部分を取り去
った外径ｒ４の固定中空円柱５（６）は、回転子軸１５
２に対して同心円状に回転円環１（２）から距離ｄの間
隔を隔てて誘導機１１２の内径がｒ４のフレーム１４３
の内壁に取付けられている。回転円環１，２、固定中空
円柱５，６は、それぞれ、隣接する固定中空円柱、回転
円環との間で静電容量を生ずるように非接触となるよう
に間隔ｄを隔てて交互に配置されている。回転子軸１５
２の軸受装置１２５は、ベアリングブラケット１４０と
これに接合されたシールド玉軸受１４１より成り、ベア
リングブラケット１４０はボルト１４４を介してフレー
ム１４３に取り付けられている。

【００８０】回転円環１と固定中空円柱５の重なり合う
部分の面積Ｓ２（ｍ²）は（数２１）で示す面積とな
る。

【００８１】

【数２１】

【００８２】回転円環１と固定中空円柱５との間の静電
容量をＣ２とおくと、Ｃ２は（数２２）に示す値とな
る。

【００８３】

【数２２】

【００８４】ここで、ε０は真空中の誘電率である。同
様に、固定中空円柱５と回転円環２との間の静電容量、
回転円環２と固定中空円柱６との間の静電容量はＣ２に
等しくなるので、全ての回転円環と固定中空円柱との間
で形成される合成静電容量Ｃｚは（数２３）で示す静電
容量となる。

【００８５】

【数２３】

【００８６】以上の（数２１）、（数２２）、（数２
３）から全ての回転円環と固定円環との間で形成される
合成静電容量Ｃｚは（数２４）で示す静電容量となる。

【００８７】

【数２４】

【００８８】実施例２において、回転円環の外径ｒ１，
固定中空円柱の内径ｒ３，回転円環と固定中空円柱との
間隔ｄ、または、回転円環と固定中空円柱の段数を適当
に設定して、全ての回転円環と固定中空円柱との間で形
成される合成静電容量Ｃｚを十分大きな静電容量に設定
して、固定子と回転子との間のエアーギャップ容量Ｃ
３’を（数２０）を満足する範囲に設定すれば、実施例
１と同様の理由により、ベアリング電流を低減すること
ができる。以降、ベアリング電流を低減できる説明は実
施例１と同様の説明となるので省略する。

【００８９】（実施例３）図５に示すように、内径ｒ２
の円板部分を切り取った外径ｒ１の回転円環１（２）
は、誘導機１１２の半径ｒ２の回転子軸１５２に対して
垂直方向に回転子軸１５２に取付けられ、軸受装置７
（１１）の内輪部８（１２）は、半径ｒ２の回転子軸１
５２に取付けられ、半径ｒ３の円板部分を切り取った半
径ｒ４の固定円環９（１３）は、回転子軸１５２に対し
て垂直方向に回転円環１（２）と距離ｄの間隔を隔てた
位置に軸受装置７（１１）の外周面の半径がｒ３の外輪
部１０（１４）の外周面に取付けられている。回転円環
１，２、固定円環９，１３は、それぞれ、隣接する固定
円環、回転円環との間で静電容量を生ずるように非接触
となるように間隔ｄを隔てて交互に配置されている。固
定円環９と固定円環１３は導線１５を介して接続され、
固定円環１３は導線１６を介して誘導機１１２のフレー
ム１４３の内壁に接続固定されている。回転子軸１５２
の軸受装置１２５は、ベアリングブラケット１４０とこ
れに接合されたシールド玉軸受１４１より成り、ベアリ
ングブラケット１４０はボルト１４４を介してフレーム
１４３に取り付けられている。

【００９０】回転円環１と固定円環９の重なり合う部分
の面積Ｓ３（ｍ²）は（数２５）で示す面積となる。

【００９１】

【数２５】

【００９２】回転円環１と固定円環９との間の静電容量
をＣ３とおくと、Ｃ３は（数２６）に示す値となる。

【００９３】

【数２６】

【００９４】ここで、ε０は真空中の誘電率である。同
様に、固定円環９と回転円環２との間の静電容量、回転
円環２と固定円環１３との間の静電容量はＣ３に等しく
なるので、全ての回転円環と固定円環との間で形成され
る合成静電容量Ｃｚは（数２７）で示す静電容量とな
る。

【００９５】

【数２７】

【００９６】以上の（数２５）、（数２６）、（数２
７）から全ての回転円環と固定円環との間で形成される
合成静電容量Ｃｚは（数２８）で示す静電容量となる。

【００９７】

【数２８】

【００９８】実施例３において、回転円環の外径ｒ１，
固定円環の内径ｒ３，回転円環と固定円環との間隔ｄ、
または、回転円環と固定中空円柱の段数を適当に設定し
て、全ての回転円環と固定中空円柱との間で形成される
合成静電容量Ｃｚを十分大きな静電容量に設定して、固
定子と回転子との間のエアーギャップ容量Ｃ３’を（数
２０）を満足する範囲に設定すれば、実施例１と同様の
理由により、ベアリング電流を低減することができる。
以降、ベアリング電流を低減できる説明は実施例１と同
様の説明となるので省略する。

【００９９】（実施例４）図６に示すように、半径ｒ１
の円板部分を切り取った半径ｒ１の回転支持円環１７
は、誘導機１１２の回転子軸１５２に対して垂直方向に
回転子軸１５２に取付けられ、半径ｒ２の外壁，半径ｒ
３の内壁を持つ回転円筒１８、および、半径ｒ４の外
壁，半径ｒ５の内壁を持つ回転円筒１９は、回転子軸１
５２に対して同心円状に回転支持円環１７に取付けられ
ている。同様に、半径ｒ６の円板部分を切り取った半径
ｒ７の固定支持円環２０は、誘導機１１２の回転子軸１
５２に対して垂直方向にフレーム１４３の内壁に取付け
られ、半径ｒ８の外壁および半径ｒ９の内壁を持つ固定
円筒２１、および、半径ｒ１０の外壁および半径ｒ６の
内壁を持つ回転円筒２２は、回転子軸１５２に対して同
心円状に固定支持円環２０に取付けられている。回転円
環１８，１９、固定円筒２１，２２は、それぞれ、隣接
する固定円環、回転円筒との間で静電容量を形成するよ
うに非接触となる位置に交互に配置されている。回転子
軸１５２の軸受装置１２５は、ベアリングブラケット１
４０とこれに接合されたシールド玉軸受１４１より成
り、ベアリングブラケット１４０はボルト１４４を介し
てフレーム１４３に取り付けられている。

【０１００】回転円筒１８（１９）と固定円筒２１（２
２）の軸方向に重なり合う部分の長さをＬとすると、回
転円筒１８と固定円筒２１との間で形成される静電容量
Ｃ４１は（数２９）となる。

【０１０１】

【数２９】

【０１０２】固定円筒２１と回転円筒１９との間で形成
される静電容量Ｃ４２は（数３０）となる。

【０１０３】

【数３０】

【０１０４】回転円筒１９と固定円筒２２との間で形成
される静電容量Ｃ４３は（数３１）となる。

【０１０５】

【数３１】

【０１０６】全ての回転円筒と固定円筒との間で形成さ
れる合成静電容量Ｃｚは（数３２）で示す静電容量とな
る。

【０１０７】

【数３２】

【０１０８】全ての回転円筒と固定円筒との間で形成さ
れる合成静電容量Ｃｚは（数２９），（数３０），（数
３１），（数３２）より（数３３）で示す静電容量とな
る。

【０１０９】

【数３３】

【０１１０】実施例４において、回転円筒と固定円筒の
内壁の半径ｒ３，ｒ９，ｒ５、外壁の半径ｒ８，ｒ４，
ｒ１０、回転円筒１８，１９と固定円筒２１，２２の軸
方向に重なり合う部分の長さＬ、または、回転円筒と固
定円筒の段数を適当に選んで、全ての回転円筒と固定円
筒との間で形成される合成静電容量Ｃｚを十分大きな静
電容量に設定して、固定子と回転子との間のエアーギャ
ップ容量Ｃ３’を（数２０）を満足する範囲に設定すれ
ば、実施例１と同様の理由により、ベアリング電流を低
減することができる。以降、ベアリング電流を低減でき
る説明は実施例１と同様の説明となるので省略する。

【０１１１】

【発明の効果】以上の実施例から明らかなように、本発
明によれば、実施例１の回転子軸に取り付けられた回転
円環とフレームに取り付けられた固定円環、実施例２の
回転子軸に取り付けられた回転円環とフレームに取り付
けられた固定中空円柱、実施例３の回転子軸に取り付け
られた回転円環と軸受装置を介して回転子軸に取付けら
れフレームに接続固定された固定円環、または、実施例
４の回転子軸に取り付けた回転円筒とフレームに取り付
けた固定円筒を非接触で接近させて静電容量を形成し、
固定子と回転子との間のエアーギャップ容量を大きく設
定することによって、インバータより誘導機に印加され
る立ち上がりの急峻なコモンモード電圧の応答電圧とし
て発生する軸電圧を非振動で動作させ、この時同時に、
軸電圧の収束値となる直流成分も小さくなるので、放電
直前の軸電圧を著しく小さく抑えることができ、軸電圧
の放電現象として発生するベアリング電流を低減するこ
とができ、軸受部の摩耗、回転軸の損傷、潤滑油の風
化、軸受装置の損傷または破壊を防止することがでとい
う効果のある回転機のベアリング電流低減装置を提供で
きる。

【０１１２】また、本発明によれば、実施例１の回転子
軸に取り付けた回転円環とフレームに取り付けた固定円
環、実施例２の回転子軸に取り付けた回転円環とフレー
ムに取り付けた固定中空円柱、実施例３の回転子軸に取
り付けた回転円環とフレームに取り付けた固定円環、ま
たは、実施例４の回転子軸に取り付けた回転円筒とフレ
ームに取り付けた固定円筒を非接触で接近させるだけで
ベアリング電流の低減が可能となるので、従来のベアリ
ング電流低減装置のように軟質の導電材料を回転軸に押
し付けているため、数ヶ月でブラシ交換を必要とするよ
うな保守の必要なもくベアリング電流を低減することが
できるという効果のある回転機のベアリング電流低減装
置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の回転機のベアリング電流低
減装置の側面図

【図２】同ベアリング電流低減装置を備えたインバータ
駆動の誘導機におけるコモンモード電圧、軸電圧および
ベアリング電流を図示したタイムチャート

【図３】同ベアリング電流低減装置を備えたインバータ
駆動の誘導機における合成静電容量Ｃｚとベアリング電
流の最大波高値Ｉｂｍａｘとの関係を図示したグラフ

【図４】同実施例２の回転機のベアリング電流低減装置
の側面図

【図５】同実施例３の回転機のベアリング電流低減装置
の側面図

【図６】同実施例４の回転機のベアリング電流低減装置
の側面図

【図７】従来のＰＷＭインバータに駆動された誘導機の
原理的回路図

【図８】同ＰＷＭインバータに駆動された誘導機の各部
の波形を説明する説明図

【図９】同インバータ駆動された誘導機のコモンモード
等価回路図

【図１０】同インバータ駆動された誘導機の簡略化コモ
ンモード等価回路図

【図１１】同インバータ駆動された誘導機において、コ
ンピュータシミュレーションを使って計算させた軸電圧
の波形と、実際に測定した軸電圧の波形を比較したタイ
ムチャート

【図１２】同インバータ駆動された誘導機において、減
衰係数ζの値の選び方によって変化する軸電圧の波形を
説明した説明図

【図１３】同インバータ駆動された誘導機について、最
も大きなベアリング電流が発生する瞬間におけるコモン
モード電圧、軸電圧およびベアリング電流を説明した説
明図

【図１４】同ベアリング電流低減装置の側面図

【符号の説明】

１回転円環２回転円環３固定円環４固定円環５固定中空円柱６固定中空円柱７軸受装置８内輪部９固定円環１０外輪部１１軸受装置１２内輪部１３固定円環１４外輪部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転機のベアリング電流を低減するもの
において、回転子軸に対して垂直方向に回転子軸に取り
付けられ回転子軸と同じ大きさの円板部分を切り取った
１枚以上の回転円環と、内輪部を回転子軸に取付けた１
個以上の軸受装置と、回転子軸に対して垂直方向に前記
軸受装置の外輪部に取り付けられ前記軸受装置の外輪部
と同じ大きさの円板部分を切り取った前記軸受と同数の
固定円環とを備え、前記固定円環は隣接する固定円環間
を導線を介して接続し、固定円環の１つは導線を介して
回転機フレームに固定し、前記回転円環と前記固定円環
は、静電容量を生ずるように非接触となる位置に交互に
配置したことを特徴とする回転機のベアリング電流低減
装置。
【請求項２】回転機のベアリング電流を低減するもの
において、回転子軸に対して垂直方向に回転子軸に取り
付けられ回転子軸と同じ大きさの円板部分を切り取った
回転支持円環と、回転子軸に対して同心円状に前記回転
支持円環に取り付けた半径の異なる１個以上の回転円筒
と、回転子軸に対して垂直方向に回転機フレームに取り
付けられ回転子軸の半径よりも大きな半径を持つ円板部
分を切り取った固定支持円環と、回転子軸に対して同心
円状に前記固定支持円環に取り付けた半径の異なる１個
以上の固定円筒を備え、前記固定円筒と前記回転円筒間
は、静電容量を生ずるように非接触となる位置に交互に
配置したことを特徴とする回転機のベアリング電流低減
装置。