JP6458049B2 - 回転電機及び回転電機一体型装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機及び回転電機一体型装置に係り、反負荷側の軸受によって回転軸が片持ちで支持されてなる回転電機及び回転電機一体型装置に関する。

回転電機（電動機（モータ）及び発電機）には、軸電流が、回転軸を支持する軸受に電食を発生させるという問題がある。
特許文献１は、回転軸を支持する軸受として、点接触する玉軸受に変えて線接触するころ軸受を採用することで、単位面積あたりに流れる放電エネルギを抑え、電食を低減する電動機を開示する。更に、特許文献１は、絶縁材として機能するグリースの粘度を低くすることで油膜破壊電圧を低減させることで、放電エネルギを更に抑えることを開示する。なお、特許文献１は、低粘度グリースによって油膜が薄くなり、絶縁性が低下（油膜切れ）する虞に対しては、接触面積が大となるころ軸受を採用することで、トレードオフのバランスを取ることも開示する。

特許文献２は、ガス配管等といった導電性配管の継手部分をボルト接続の際に使用する絶縁ワッシャを開示する。この絶縁ワッシャを耐熱性樹脂から得ることにより、高温下で発生するプリープ現象に起因するボルトの頻繁な増し締めを不要にしつつ絶縁性を確保することを開示する。

特開平１０−３２２９６５号公報 特開２００５−２６８１２１公報

ここで、回転軸の一方端部のみを軸受で支持する所謂片軸持ち型回転電機について考える。片軸持ち型回転電機は、例えば、内燃機関等の他の駆動源と回転軸を一体的に接続し、電動機や発電機として利用する場合もある。回転軸の一体化や装置全体の小型化を図るために、電機子等を格納するハウジングも他の駆動源の外部筺体等と一体的に接続するのも一般に行われている。例えば、車両用のエンジン駆動軸と回転電機の回転電機を一体接続すると共にエンジン筺体と回転電機筺体も一体接続するような場合である。

更に他の装置を一体的に付加する場合もある。車両用途の装置の場合、オイルやクーラントポンプを回転電機筺体と一体となるように設置・接続し、ポンプ・回転電機・エンジンが一体に構成される場合もある。ポンプ内にも羽根車を回転させる動力を伝達させるシャフトがあるが、回転電機の回転軸と一体又は独立して設置しているに関わらず、ポンプシャフトを支持する軸受を備えるのが一般的である。なお、エンジンの駆動軸も、種々の軸受を備える。

回転電機のハウジング、エンジン筺体及びポンプ筺体は、一般には導電性部材から構成されることから、このような装置は電気的にも接続されている状態となる。よって、回転電機で発生した軸電流は、エンジン駆動軸からエンジン軸受を介してエンジン筺体へと流れ、その後、電機的に接続された回転電機のハウジングを介して回転電機の軸受に還流したり、回転電機ハウジングから更にポンプ筺体に流れ、ポンプシャフトの軸受に還流したりすることになる。即ち電機的に接続された夫々の装置の軸受で電食が発生する虞がある。

特許文献１のように、回転電機の軸受そのものに絶縁性を持たせれば、回転電機の軸受電食の防止に有効であるが、回転電機と他の装置が一体化した構成であれば、回転電機の軸受のみを電食防止しても、エンジンやポンプといった電気的に接続された回転電機以外の他の装置夫々の軸受電飾を防止することはできない。よって、他の装置の全ての軸受夫々を、同様に絶縁性を持つものとする必要があるが、装置の特性によって必ずしも絶縁性が十分に確保された軸受を適用することができない虞もあり又コスト的にも課題は残る。

この点、特許文献２のように、導電性部材の接続に際し、ボルト・ナット等の留め具の座面側に、絶縁ワッシャを適用し、個々の装置を電気的に非接続とすることで、軸電流の流路を形成しないようすることも考えられる。
しかしながら、一般にワッシャの強度は低く、強度的には使用範囲は狭小である。例えば、高強度ボルトを使用しての大きい締め付けトルクが必要な環境では、破損等の事情により使用することができない。また、特許文献２では、高温下での機能低下による増し締めの対策として耐熱性樹脂からなるワッシャを開示するが、高締め付けトルクといった圧力に関する開示はなく、利用範囲は従来からのワッシャの域を脱しえない。

片軸持ち型回転電機を用いる場合に、装置設計の自由度を確保しつつ低コストで使用環境に対する耐久性を有する軸受電食の防止手法が望まれる。

上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち固定子に面対向して配置された回転子と固定された回転軸と、前記回転軸の一方端部付近に配置された軸受と、前記回転軸よりも径方向端部が大であり、中央部を前記回転軸の他方端面と対向させて回転軸径方向に延伸し、該回転軸と同方向に回転する他の回転体と連結する連結部と、一方端面が開口する概略筒形状の内筒空間を有し、他方端面で前記軸受を支持して、前記固定子、回転子及び回転軸を前記内筒空間に配置する筺体とを有する片軸持ち型の回転電機であって、前記回転軸の他方端面と、前記連結部との当接面の間に配置するシート状の第１絶縁部材と、前記連結部を、前記回転軸の他方端面側に回転軸方向から締結する複数のボルトと、前記連結部と、前記ボルトとの当接面との間に配置するシート状の第２絶縁部材と、前記ボルトの外周を絶縁するスリーブと、を有する構成である。

更には、前記ボルトを貫通する貫通穴を有し、前記第２絶縁部材と前記ボルト座面との間に配置する当板を備える構成である。

本発明によれば、軸電流の影響を受ける軸受の電食を効率的に防止することができる。本発明の他の課題・構成・効果は、以下の記載から明らかになる。

本発明を適用した第１実施形態による片軸持ち型回転電機の構成を示す側断面図である。 第１実施形態による回転電機と、エンジン及びポンプとを一体に構成した回転電機一体型装置の概要構成を示す模式図である。 第１実施形態による回転電機とエンジンとの連結部分の構造を示す側断面図である。 第１実施形態による回転軸の負荷側端面、連結部及び当板を負荷側から反負荷側に向かって回転軸方向から夫々観察した様を示す模式図である。 第１実施形態による回転軸と、連結部との連結部分に関する要部拡大側断面図である。 第２実施形態による連結部と、フライホイルとの連結部分に関する要部拡大側断面図である。

以下、図面を用いて、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
本発明を適用した第１実施形態による回転電機１００の例を説明する。
図１に、回転電機１００の側断面構成を示す。なお、同図において、回転軸７の延伸方向のうち連結部８を配置する側（同図右側）を負荷側、軸受６を配置する方向（同図左側）を反負荷側と称する。

回転電機１００は、外ハウジング１、内ハウジング２、エンドブラケット３、固定子４、回転子５、軸受６、回転軸７及び連結部８を備える。外ハウジング１は、その内周面と部分的に外周面が接触する概略筒形状の内ハウジング２を内包し、両者の反負荷側の端部が、エンドブラケットと接続される。エンドブラケット３の中央付近には、軸受６が配置される。軸受６には、回転軸７の反負荷側が接続され、回転軸７を回転可能に支持する。回転軸７の周面に固定された回転子５は、径方向に所定のギャップを介して固定子４と磁極が対向するように配置される。固定子４は、外周面が内ハウジング２の内周面と接触し、持しされる。回転軸７の負荷側端部付近には、連結部８が配置される。連結部８は、後述するエンジン１２０のシャフト軸１２１と一体的に接続固定する際に、連結部分として機能する。

図２に、回転電機１００と、他の装置とを一体的に構成した装置例を示す。図２（ａ）において、エンジン１２０は、４つのピストン・シリンダを備える内燃機関であり、筺体からクランクシャフト等のシャフト軸１２１の端部が露出し、その先端部にはフライホイル１２１を備える。本実施形態において、フライホイル１２１は、連結部８と共にシャフト軸１２１と、回転電機１００の回転軸７とを直接連結する機能を有する。エンジン１２０の筺体は、フライホイルハウジング３３を介して回転電機１００の外ハウジング１の負荷側に形成されたフランジと構造的及び電気的に接続される。

また、回転電機１００の反負荷側方向には、エンジン１２０等に冷却液やオイル（以下、「冷却液等」という。）を供給する為のポンプ１３０が設置される。ポンプ１００は、冷却液等を循環させる羽根車（不図示）を有し、その羽根車に駆動力を伝達するポンプ軸１３２と接続される。ポンプ軸１３２は、両端部付近の夫々が軸受１３１で回転可能に支持されると共に、一方端部がギヤ等の導電性部材を介して回転電機１００の回転軸７と接続される。本実施の形態では、両者の接続として、ポンプ軸１３２の負荷側端部に外歯車１３２ａが形成され、当該負荷側端部を回転電機１００の回転軸７の反負荷側端部の軸心部分に形成された内歯車７ｃに挿入・歯合させるスプラインギアを適用するものとする（図１参照。）。なお、電気的な接続関係があればスプラインギアに限定するものではない。

エンジン１２０のシャフト軸１２１の回転に伴って回転軸７が回転することで、回転電機１００は発電を行い又ポンプ１３０は、冷却液等の循環を行うようになっている。なお、本実施形態において、回転電機１００は、発電機として機能するものとして説明するが、本発明はこれに限るものではなく、エンジン１２０等に駆動力を供給する電動機（モータ）であってもよい。

ここで、エンジン１２０のシャフト軸１２１から、筺体、フライホイルハウジング１２５、回転電機１００のハウジング（外ハウジング１及び内ハウジング２を含む。）、軸受６、ポンプ１３０の筺体、軸受１３１、ポンプ軸１３２及び回転軸７までは、連結部８とフライホイル１２２との間を除き、電気的に接続された状態であるものとする。
よって、仮に連結部８とフライホイル１２２との間が電気的に接続された状態になるとした場合には、図２（ｂ）に示すように、上述した図２（ａ）の構成は、経路７７Ａ、７７Ｂ、７７Ｃという軸電流の帰還経路が構成される状態となる。

このような状態では、仮に回転電機１００の軸受６を絶縁したとしても、依然としてポンプ１３０の２つの軸受１３１の夫々には、経路２４Ｂ及び２４Ｃには帰還経路が残り、これらの軸受電食の課題が残る。２つの軸受１３１の一方のみを更に絶縁したとしても、他方の帰還経路は残る。同様に、エンジン１２０のシャフト軸１２１を支持する軸受等（不図示）にも、軸受電食が発生する。
本実施形態では、軸電流の全帰還経路２４Ａ、２４Ｂ及び２４Ｃの共通経路である連結部８とフライホイル１２２の間を絶縁することで、電気的な接続状態にある全ての軸受の電食を防止することを特徴の一つとする。

図３〜図５に、連結部８とフライホイル１２２との連結部分の構成を示す。
図３において、回転軸７の負荷側端部は、外周を切削等することによって小径化された柱体形状の突出部７ａを有する。また、回転軸７の負荷側端部において、突出部７ａの付け根から回転軸７外周に至るまでの径方向段差面７ｂには、回転軸方向に締めこまれるボルト４０のボルト穴４０ａが複数設けられる
連結部８は、外ハウジング１の内径よりも小で且つ回転軸７の径よりも大となる金属性の円盤部材からなる。連結部８は、中央に、この突出部７ａの径よりも所定サイズ大となる内径の穴部３０を中心に有する。また、連結部８の穴部３０の周囲に沿って、ボルト４０を貫通させるため複数の貫通穴３１を有し、それよりも径方向外側の外周付近に、フライホイル３１とボルト止めするための複数の貫通穴３２を有する。

当板３７は、所定の厚みからなる金属性の円筒形状からなり、突出部７ａの径と概略同径或いは僅かに大となる内径のリング形状となる。また、当板３７は、両端部間にボルト４０を貫通させるための貫通穴３９を複数有する。

回転軸７の突出部７ａに、穴部３０介して連結部８を設置し、その後、当板３７を設置し、これらをボルト４０で締めこむことで、連結部８が回転軸７に固定されるようになっている。

また、フライホイル１２２は、外周側が回転軸方向に肉厚となる反筒形状の円盤からなり、中心付近が、複数のボルト１２３によって、シャフト軸１２１の端部に固定される。フライホイル１２２の外周側肉厚部分に、複数のボルト穴が設けられ、連結部８外周側の貫通穴３２を介してボルト３５を締めこむことで、連結部８と固定される。

図５に、回転軸７の負荷側端部付近と、連結部８との要部拡大図を示す。連結部８を回転軸７及び当板３７で挟んでボルト固定するに際し、回転軸７の径方向段差面７ｂに、絶縁部材４５Ａを設置する。絶縁部材４５は、径方向段差面７ｂと概略同形の薄いシート状の環状部材からなる。即ち径方向段差面７ｂと、連結部８との当接面に絶縁部材４５Ａが設置されることとなる。

本実施形態では、絶縁紙としてアラミド繊維を織り込んだものを適用するものとする。絶縁紙は、厚みが均一で絶縁性に優れており、薄い故に回転軸７及びシャフト軸１２１に対するスラスト方向の寸法差に与える影響が殆どなく、好適である。更には、アラミド繊維を含む絶縁紙は、必要な耐熱性、機械的強度の面においても優れる。このため本実施形態は、高強度ボルトによる強固な締め付けトルクが要求され、ボルト座面等に絶縁ワッシャ等を使用できない環境にも適用することができる。

絶縁部材４５Ａと同様に、当板３７と、連結部８と間の当接面にも概略同形・同種の絶縁紙からなる絶縁部材４５Ｂを設置する。更に、ボルト４０のネジ山を外周側から覆うスリーブ４４を配置する。スリーブ４４は、樹脂等からなる筒形状の絶縁部材であり、少なくとも回転軸段差面７ｂから、ボルト４０の座面までを覆う長さとなっている。

径方向段差面７ｂと連結部８の間の当接面に絶縁部材４５Ａを、連結部８と当板４４の間の当接面に絶縁部材４５Ｂを夫々配置し、貫通穴３１及び３２の内径空間に予め配置若しくはボルト４０にスリーブ４４を予め設置してボルト４０で固定することで、回転軸７と、連結部８とが絶縁されるようになっている。なお、連結部８中央の穴部３０の内径は、回転軸７の突出部７ｂの外形よりも大であることから、回転軸方向に同一の位置決めがされたボルト穴にボルト４０を介して固定することで、穴部３０と、突出部７ｂの外周と間に空隙の非接触が確保される。

このように第１実施形態によれば、回転電機１００及び回転電機１００を起点とする他の機器の軸電流経路を遮断することができ、回転電機１００と電気的な接続状態にある軸受の電食を防止することができる。

また、回転軸７は、全ての軸電流経路の共通経路であることから、当該回転軸７を絶電することのみで、他の装置を含めた全ての軸受の電食を防止することがでる。経済性や部品選択の自由度で優位であると言える。

また、第１実施形態では、耐熱性及び機械的強度に優れる絶縁紙を使用するため、ワッシャのような使用環境の制限がなく、更には、ボルト止め時のワッシャ・プレートといった微細部品が不要で、組立作業でも優位である。特に、本実施形態では、ボルト４０の座面は当板８と直設接触する構成であることから、ボルト４０を回し締めする際、ワッシャのように絶縁部材４５Ｂが、座面との回転摩擦によって損傷する虞が低下し、回転軸方向の締め圧を受けるのみである（絶縁部材４５Ａも同様である。）。

なお、第１実施形態では、当板８を設ける例であるが、必ずしも必須の構成ではなく、当板８を設置することなく、ボルト座面と絶縁部材４５Ｂを直接当接する構成とすることも可能である。

また、本実施形態では、薄い絶縁部材を使用するため、スラスト方向寸法に与える影響が無いという優位性があると言える。

更に、回転電機１００は、他の装置との軸直結構成等の用途に用いる片持ち型回転電機であることから、予め回転軸７と連結部８とが絶縁されている構成であると、他の装置と組み付ける際に、絶縁作業が不要となり、装置組立が容易という効果を期待することができる。

〔第２実施形態〕
第１実施形態では、回転軸７と、連結部８との接続部を絶縁する構成であった。第２実施形態では、連結部８とフライホイル１２２との接続部を絶縁することを特徴の一つとする。なお、以下の説明で、回転軸７と連結部８の連結構成は第１の実施形態の構成ではなく電気的な絶縁の無い構成で連結されているものとする。また、第１実施形態と同様の機能・作用を有する部材は同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

図６に、連結部８とフライホイル１２２との接続部分の要部拡大図を示す。第２実施形態は、連結部８の外周側に設けられた貫通穴３２を介して、当該貫通穴３２と回転軸方向に同位置決めされ、フライホイル１２２の端面に形成されたボルト穴にボルト３５を締めこみ、固定するようになっている。

ボルト３５の座面と、連結部８との間には、絶縁部材５０Ａを配置する。絶縁部材５０Ａは、ボルト３５のヘッドよりも大径且つボルトヘッドの外周形状と概略同形状のリング形状を有する。また、絶縁部材５０Ａは、第１実施形態の絶縁部材４５Ａと同様にアラミド繊維を織り込んだ絶縁紙を適用するものとする。

連結部８と、フライホイル１２２との間には、絶縁部材５０Ｂを配置する。絶縁部材５０Ｂは、絶縁部材５０Ａと同様にアラミド繊維を織り込んだ絶縁紙であり、フライホイル１２２と、連結部８との当接面の形状に概略応じた環状形状を有する。

ボルト３５は、外周のネジ山を覆うように、樹脂等の絶縁材からなる筒形状のスリーブ５３を設置するようになっている。スリーブ５３は、ボルト３５と、貫通穴３２の内径との絶縁を行うことから、少なくとも連結部８の厚さ分と同程度の長さがよい。
本構成により、連結部８と、フライホイル１２２を絶縁することができ、軸電流の経路を遮断し、軸受の電食を防止することができる。

なお、第２実施形態では、回転軸７と連結部８の連結構成は第１の実施形態の構成ではなく、電気的絶縁がない連結としたが、上述の第２実施形態の構成に第１実施形態の構成を適用すれば、更に、軸電食防止の角度が向上するのは言うまでもない、
以上、本発明を実施するための第１及び第２実施形態を説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更や置換が可能である。例えば、連結部８、必ずしも円盤形状である必要はなく、楕円形や種々の矩形或いはボルト止め位置のみを直線的に包含する長方形板状部材やこれの組合せであってもよい。

また、回転軸７の負荷側端部に突出部７ａを必ずしも設ける必要はなく、回転軸７の負荷側端面が平面であってもよい。

更には、回転電機１００ではなく、これと接続するエンジン１２０のフライホイル１２２と、シャフト軸１２１との構成に、上述の回転軸７と、連結部８との接続構成を適用してもよい。

また、回転電機１００の電機子構成は、ラジアルギャップ型に限定されるものではなくアキシャルギャップ型であってもよい。

１…外ハウジング、２…内ハウジング、３…エンドブラケット、４…固定子、５…回転子、６…軸受、７…回転軸、７ａ…突出部、７ｂ…径方向段差面、７ｃ…内歯車、８…連結部、３０…穴部、３１・３２・３９…貫通穴、３７…当板、３５・４０…ボルト、４０ａ…ボルト穴、４４・５３…スリーブ、４５Ａ…絶縁部材、４５Ｂ…絶縁部材、５０Ａ・５０Ｂ…絶縁部材、
７７Ａ・７７Ｂ・７７Ｃ…軸電流の還流経路、１００…回転電機、１２０…エンジン、１２１…シャフト軸、１２２…フライホイル、１２５…フライホイルハウジング、１３０…ポンプ、１３１…軸受、１３２…ポンプシャフト、１３２ａ…外歯車

Claims (5)

1. 固定子に面対向して配置された回転子と固定された回転軸と、
   前記回転軸の一方端部付近に配置された軸受と、
   前記回転軸よりも径方向端部が大であり、中央部を前記回転軸の他方端面と対向させて回転軸径方向に延伸し、該回転軸と同方向に回転する他の回転体と連結する連結部と、
   一方端面が開口する概略筒形状の内筒空間を有し、他方端面で前記軸受を支持して、前記固定子、回転子及び回転軸を前記内筒空間に配置する筺体とを有する片軸持ち型の回転電機であって、
   前記回転軸の他方端面と、前記連結部との当接面の間に配置するシート状の第１絶縁部材と、
   前記連結部を、前記回転軸の他方端面側に回転軸方向から締結する複数のボルトと、
   前記連結部と、前記ボルトとの当接面との間に配置するシート状の第２絶縁部材と、
   前記ボルトの外周を絶縁するスリーブと、を有し、
   前記ボルトを貫通する貫通穴を有し、前記第２絶縁部材と前記ボルト座面との間に配置する当板を備え、
   前記筺体の開口側端部が、前記他の回転体を包含する他の装置の筺体と電気的に接続するものである片軸持ち型の回転電機。
2. 請求項１に記載の片軸持ち型の回転電機であって、
   前記第１及び第２絶縁部材が、絶縁紙である片軸持ち型の回転電機。
3. 請求項２に記載の片軸持ち型の回転電機であって、
   前記絶縁紙が、アラミド繊維を包含するものである片軸持ち型の回転電機。
4. 固定子と、回転軸に固定された回転子と、前記回転軸の一方端部を回転可能に支持する軸受と、一方端部側が開口する概略筒形状の内筒空間を有し、他方端面で前記軸受を支持すると共に前記固定子、回転子、回転軸及び軸受を前記内筒空間に配置する筺体とを有する回転電機と、
   前記筺体の開口端部と電気的に接続された筺体を有し、内部に前記回転軸と同一方向に回転するシャフトを配置する第１装置とを備え、
   前記回転軸よりも径方向端部が大であり、中央部を前記回転軸の他方端面と対向させて回転軸径方向に延伸する第１連結部と、
   前記シャフトよりも径方向端部が大であり、中央部を前記シャフトの端面と対向させて回転軸方向に延伸する第２連結部と、
   前記回転軸の他方端面と前記シャフトの端面とが対向するように、前記第１連結部と前記第２連結部とが、径方向端部側で連結されてなる回転電機一体型装置であって、
   前記回転軸の他方端面と前記第１連結部との当接面の間に配置するシート状の第１絶縁部材と、
   前記第１連結部を、前記回転軸の他方端面側に回転軸方向から締結する複数のボルトと、
   前記ボルトと、前記ボルトとの当接面との間に配置するシート状の第２絶縁部材と、
   前記ボルトの外周を絶縁するスリーブと、を有し、
   前記ボルトを貫通する貫通穴を有し、前記第２絶縁部材と前記ボルト座面との間に配置する当板を備える回転電機一体型装置。
5. 固定子に面対向して配置された回転子と固定された回転軸と、
   前記回転軸の一方端部付近に配置された軸受と、
   前記回転軸よりも径方向端部が大であり、前記回転軸の他方端部付近から回転軸径方向に延伸し、該回転軸と同方向に回転する他の回転体と連結する為の連結部と、
   一方端面が開口する概略筒形状の内筒空間を有し、他方端面で前記軸受を支持して、前記固定子、回転子及び回転軸を前記内筒空間に配置する筺体とを有する片軸持ち型の回転電機であって、
   前記連結部が、該連結部の外周に沿って回転軸方向に貫通する複数の貫通穴を等間隔で有し、
   前記他の回転体の端面から径方向に延伸し、前記貫通穴に対応するボルト穴が形成された他の連結部と、前記連結部とを回転軸方向から締結する為のボルトと、前記ボルトの座面と、前記連結部との当接面に配置されたシート状の第１絶縁部材と、
   前記他の連結部と、前記連結部との当接面に配置されたシート状の第２絶縁部材と、
   前記ボルトの外周と前記貫通穴の内周を絶縁するスリーブとを有し、
   前記ボルトを貫通する貫通穴を有し、前記第１絶縁部材と前記ボルト座面との間に配置する当板を備え、
   前記筺体の開口側端部が、前記他の回転体を包含する他の装置の筺体と電気的に接続するものである回転電機。

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