JP6480390B2

JP6480390B2 - 回転機

Info

Publication number: JP6480390B2
Application number: JP2016166468A
Authority: JP
Inventors: 豊郎 ▲高▼田; 英明國松; 齋藤　久; 久齋藤; 諒佐々木
Original assignee: Kusatsu Electric Co Ltd; Samwha Electric Co Ltd
Current assignee: Kusatsu Electric Co Ltd; Samwha Electric Co Ltd
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: JP2018038101A

Description

本発明は、回転機に関し、特に、インバータモータなどの回転機に於いて発生する電荷蓄積に起因した電食に対する対策が施された回転機に関する。

一般的な回転機としてのモータは、機械機器を駆動する駆動源として広範囲な分野で多用されている。また、一般産業用のモータには、高いレベルのコスト性および耐久性が要求される。

このようなモータとして、近年はインバータモータが多用されるようになっている。インバータモータは、インバータ回路により回転数を任意に調整することができることから、効率を高めて消費電力を小さくできるので、様々な機器で多用されている。

しかしながら、インバータモータを駆動すると、シャフトはハウジングから電気的に浮いている状態であるため、静電容量によってシャフトには電荷が発生する。その電荷がシャフトとハウジングとの接点であるベアリングを介して放電される。ベアリングは、外輪と内輪との間に回転体を介装させることで構成されるが、これらの部材を経由して電荷が放電されることで傷がついてしまう電食が発生することがある。

係る電食を防止するための構成が特許文献１に記載されている。この特許文献の回転電機では、フレームに固定子を固定し、固定子から離間して内部に回転子が配置され、この回転子に連結された回転軸が転がり軸を介して回転自在に支承されている。また、回転軸に嵌合するシールパッキンが配置され、更にシールパッキンの近傍には導電性グリスが満たされている。かかる構成により、回転子とフレームとの間の導通性が長期間に渡り導電性グリスを介して確保され、電食の発生が抑制されている。

特許第４１０６７６３号公報

しかしながら、上記した回転電機では、シールパッキンの近傍に満たされた導電性グリスで、回転子とフレームとを導通させることで電食が発生することを防止していたが、導電性グリスは電気抵抗が低くない。具体的には、回転子の電荷を良好にフレームに逃がすためには、両者の間に存在する導電経路の抵抗率を５Ω・ｃｍ以下とする必要があるが、導電性グリスの抵抗率は低くても数十Ω・ｃｍである。このことから、導電性グリスを介して回転子の電荷を良好にフレームに逃がすことができず、電食の発生を必ずしも抑止することができない場合があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成でシャフトとケーシングとを導通させることで電食を抑止する回転機を提供することにある。

本発明の回転機は、ケーシングと、前記ケーシングの内部に固定配置される固定子と、前記固定子の内側で回転する回転子と、前記回転子と共に回転するシャフトと、前記シャフトと前記ケーシングとの間に配置されるベアリングと、外側部分が前記ケーシングに接触すると共に内側部分が前記シャフトに接触する導電性プレートと、を具備し、前記導電性プレートには、内側端部から半径方向外側に向かって伸びる複数の切込部が形成され、前記導電性プレートは、外側主面と、内側主面と、前記外側主面および前記内側主面の内側端部を繋ぐ内側面と、前記外側主面および前記内側主面の外側端部を繋ぐ外側面と、を有し、前記導電性プレートの内側部分は、前記シャフトの軸方向外側に向かって曲折され、前記導電性プレートの内側部分の前記内側主面が、前記導電性プレートに発生する曲げ応力により、前記シャフトの表面に接触し、前記ケーシングは前記シャフトが貫通して外部に導出される導出孔を有し、前記導出孔を取り囲む前記ケーシングの内壁を外側に向かって窪ませて凹状領域を形成し、前記導電性プレートは、前記凹状領域が形成された領域で前記ケーシングとの間に間隙が形成され、更に、前記導出孔が形成された領域で前記ケーシングとの間に間隙が形成されることを特徴とする。

また、本発明の回転機では、前記導電性プレートを前記ケーシングの内壁に押圧する押圧部材を更に具備することを特徴とする。

また、本発明の回転機では、前記切込部は、半径方向内側部分が半径方向外側部分よりも、前記シャフトが回転する側に配置されるように傾斜することを特徴とする。

本発明の回転機は、ケーシングと、前記ケーシングの内部に固定配置される固定子と、前記固定子の内側で回転する回転子と、前記回転子と共に回転するシャフトと、前記シャフトと前記ケーシングとの間に配置されるベアリングと、外側部分が前記ケーシングに接触すると共に内側部分が前記シャフトに接触する導電性プレートと、を具備し、前記導電性プレートには、内側端部から半径方向外側に向かって伸びる複数の切込部が形成され、前記導電性プレートは、外側主面と、内側主面と、前記外側主面および前記内側主面の内側端部を繋ぐ内側面と、前記外側主面および前記内側主面の外側端部を繋ぐ外側面と、を有し、前記導電性プレートの内側部分は、前記シャフトの軸方向外側に向かって曲折され、前記導電性プレートの内側部分の前記内側主面が、前記導電性プレートに発生する曲げ応力により、前記シャフトの表面に接触し、前記ケーシングは前記シャフトが貫通して外部に導出される導出孔を有し、前記導出孔を取り囲む前記ケーシングの内壁を外側に向かって窪ませて凹状領域を形成し、前記導電性プレートは、前記凹状領域が形成された領域で前記ケーシングとの間に間隙が形成され、更に、前記導出孔が形成された領域で前記ケーシングとの間に間隙が形成されることを特徴とする。このことから、長期に渡り導電性プレートとケーシングとを導通させ、回転機の運転状況下において電食が発生することを抑止することができる。

また、本発明の回転機では、前記導電性プレートを前記ケーシングの内壁に押圧する押圧部材を更に具備することを特徴とする。従って、導電性プレートとケーシングとをより確実に導通させることができる。

本発明の実施形態に係る回転機としてのインバータモータを示す斜視図である。本発明の実施形態に係る回転機としてのインバータモータを示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は拡大断面図である。（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る回転機としてのインバータモータに用いられる導電性プレートを示す斜視図である。本発明の実施形態に係る回転機としてのインバータモータに用いられる固定リングを示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係る回転機としてのモータ１０を図面に基づき詳細に説明する。以下の説明では、同一の構成を有する部位には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。以下の説明では、上下前後左右の各方向を適宜用いるが、前後は軸方向に沿う前後を意味しており、上方、下方、左方および右方は半径方向外側に対応している。

図１を参照して、本形態のモータ１０は、所謂インバータモータであり、その内部にインバータを有している。このインバータは、外部から供給される商用交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路で変換された直流電力を平滑化する平滑回路と、平滑化された直流電力を所定の周波数の交流電力に変換するインバータ回路と、から構成されている。このようなモータ１０は、ブラシレスモータとも称される。また、外部から直流電力が供給される場合もあり、このような場合は、直流電力を所定の周波数の交流電力に変換するインバータ回路がモータ１０に内蔵される。

ケーシング１１は、中空構造とされた略円筒形状を呈し、後述する固定子や回転子はケーシング１１に内蔵される。ケーシング１１は、前方側および後方側を向く円形側面の中央部分に、後述するシャフト１４が外部に導出される導出孔１７が形成されている。また、ケーシング１１の半径方向外側を向く側面を、羽根状に外部に突出させて放熱フィン１６が形成されている。モータ１０が回転することで発生する熱を、放熱フィン１６を経由して外部に放出することで、モータ１０が過熱状態になることが抑止される。また、ケーシング１１の前方側面の中央部分を前方に突出させることで突出部３２が形成されており、後述するベアリング１５や導電性プレート２０は突出部３２に収納される。かかる構成は、ケーシング１１の後方側面に関しても同様である。ここで、ケーシング１１は、アルミケース、絞り加工された鋼板、モールド一体成形品、またはこれらの組み合わせから構成される。

シャフト１４は、円柱状の鋼棒から成り、ケーシング１１を前後方向に貫通している。ケーシング１１の内部で磁気的作用により回転子が回転することで発生する動力は、シャフト１４を介して外部に取り出される。

図２を参照して、モータ１０の構成を詳述する。図２（Ａ）はモータ１０の中心を通過する切断面に於ける断面図であり、図２（Ｂ）は導電性プレート２０およびその周辺部を拡大して示す断面図である。

図２（Ａ）を参照して、ケーシング１１の内部には、モータ１０の固定子としてのコイル１２と、回転子としてのマグネット１３が内蔵されている。コイル１２は、ケーシング１１の内壁に固定された固定子鉄心４１に巻回されている。一方、マグネット１３は、シャフト１４が挿通する円筒状の回転子鉄心４２の外側表面に固着されている。換言すると、マグネット１３はシャフト１４に固着されており、シャフト１４と共に回転する。モータ１０の運転状況下では、上記したインバータ回路から電流が供給されたコイル１２が所定の磁界を発生させ、コイル１２とマグネット１３との間で磁気的作用が生じることで、シャフト１４が所定方向に所定の回転速度で回転する。

制御基板３０は、ケーシング１１の内部における前方部分に配置され、インバータを構成するトランジスタ等の電子部品が実装される。外部から供給された電力は、制御基板３０に実装されたインバータで所定の周波数の交流電力に変換された後に、コイル１２に供給される。ここで、制御基板３０は、ケーシング１１の後方部分に配置されてもよい。

図２（Ｂ）を参照して、ケーシング１１の前方端部に形成される突出部３２には、ベアリング１５、固定リング３５、導電性プレート２０が内蔵されている。

ベアリング１５は、ケーシング１１とシャフト１４との間に配置され、シャフト１４を回転自在に支持する機能を有する。ベアリング１５は、外輪３６と、内輪３７と、外輪３６と内輪３７との間に配置された鋼球３８とから成る。外輪３６はケーシング１１側に固定され、内輪３７はシャフト１４に固定され、鋼球３８は外輪３６と内輪３７との間で回転可能とされている。また、外部からの異物がベアリング１５に入り込むことを防止するために、外輪３６と内輪３７との間隙は封止されている。

導電性プレート２０は、ケーシング１１の軸方向内側面に当接するように、シャフト１４および導出孔１７と同心円的に配置されている。導電性プレート２０は、カーボン等の導電性粉末が添加された可撓性を有する合成樹脂から成り、その具体的形状は後述する。導電性プレート２０の外側部分の前方主面は、ケーシング１１の内壁に接触して導通している。また、導電性プレート２０の内側部分は略９０度曲折されており、導電性プレート２０の後方主面がシャフト１４の表面に接触している。シャフト１４に接触する導電性プレート２０の内側部分が曲折していることで、導電性プレート２０の曲折部３９の曲げ応力で、導電性プレート２０の内側部分がソフトにシャフト１４に押し当てられるようになる。従って、シャフト１４の回転に伴う導電性プレート２０の摩耗を抑制し、導電性プレート２０を長期にわたって使用することが可能と成る。

固定リング３５は、ベアリング１５と、導電性プレート２０との間に配置されている。固定リング３５の後方主面はベアリング１５に接触し、固定リング３５の前方主面は導電性プレート２０に接触している。固定リング３５を、ケーシング１１の内壁とベアリング１５との間に配置することで、シャフト１４と共に回転する内輪３７をケーシング１１の内壁から離間させている。また、本形態では、固定リング３５は、導電性プレート２０をケーシング１１の内側側面に押し付けており、これにより固定リング３５は確実にケーシング１１と導通するように成る。

凹状領域１８は、導出孔１７を取り囲む部分のケーシング１１の内壁を窪ませることで形成されている。導電性プレート２０の曲折部３９が、凹状領域１８に収納されることで、曲折部３９における導電性プレート２０の曲率を小さくして、曲折箇所に作用するストレスを小さくすることが出来る。

上記した構成のモータ１０を運転すると、コイル１２には電圧が印加される一方、シャフト１４は外部とは電気的に接続されていないので、シャフト１４には電荷が蓄積されることに成る。この電荷がケーシング１１側に移動する経路としては、シャフト１４を回転可能に支持するベアリング１５を経由する経路と、シャフト１４に当接する導電性プレート２０を経由する経路の２つが存在している。導電性プレート２０を経由する経路の抵抗値は、ベアリング１５を経由する経路する抵抗値よりも低い。従って、本形態では、モータ１０が運転することでシャフト１４に蓄積する電荷は、導電性プレート２０を経由してケーシング１１側に移動し、電荷がベアリング１５を経由しないので、上記した電食が発生することが抑止されている。また、導電性プレート２０は直にシャフト１４の表面に接触しており、両者の間に導電グリスなどの抵抗値が大きい物質が介在していないことから、導電性プレート２０を経路として電荷を容易にケーシング１１側に移動させることが出来る。

更に、導電性プレート２０が接触する部分のシャフト１４の表面は、導電性プレート２０の摩耗を抑制するために、滑らかな面とされている。シャフト１４の表面の十点平均粗さＲｚの好ましい値は３．２μｍ以下であり、特に好ましい値は０．８μｍ以下である。このようにすることで、導電性プレート２０の摩耗を抑制し、導電性プレート２０の寿命を延ばすことが出来る。

図３を参照して、上記したモータ１０に内蔵される導電性プレート２０の構成を詳述する。図３（Ａ）は導電性プレート２０を示す斜視図であり、図３（Ｂ）は他の形態の導電性プレート２０を示す斜視図である。

図３（Ａ）を参照して、導電性プレート２０は、概略的に円環状を呈する板状部材であり、上記したケーシング１１に取り付けた際に外側を向く外側主面２２と、外側主面２２に対向する内側主面２３と、外側主面２２と内側主面２３の内側端部を繋ぐ内側面２４と、外側主面２２と内側主面２３の外側端部を繋ぐ外側面２５と、を有している。

導電性プレート２０の中心部を円形に開口して形成した孔部２６の幅Ｌ２は、図２（Ｂ）に示すシャフト１４の直径Ｌ１よりも短く設定されている。これにより、導電性プレート２０の孔部２６にシャフト１４を貫通することで、導電性プレート２０の内側部分を曲折させ、導電性プレート２０の内側主面２３を、シャフト１４の表面にソフトに接触させることが出来る。

導電性プレート２０の孔部２６の周辺部には複数の切込部２１が形成されている。切込部２１は、導電性プレート２０の半径方向に対して平行または略平行に形成されており、孔部２６の外周部の円周方向に沿って等間隔または略等間隔に形成されている。

切込部２１は、導電性プレート２０の内側端部から、導電性プレート２０の中間部分まで連続して伸びる切断部として形成されている。切込部２１の外側の端部は、上記したシャフト１４の半径方向に於ける外縁部分を示す外周円２８に到達するまで、または外周円２８よりも外側まで延在している。そのようにすることで、図２（Ｂ）に示したように、導電性プレート２０の孔部２６にシャフト１４を挿通すると、切込部２１が形成されている導電性プレート２０の内側部分を、シャフト１４に沿って曲折させてソフトに接触させることが出来る。

更に、図２（Ｂ）を参照して、切込部２１の外側の端部は、導電性プレート２０の曲折部３９まで延在させてもよい。更には、切込部２１の外側の端部を、曲折部３９の中央部、または曲折部３９の外側端部まで延在させてもよい。このようにすることで、上記した効果を顕著にすることが出来る。

図３（Ｂ）を参照して、上記した切込部２１の他の形態を説明する。この図に示す切込部２１は、二点鎖線で示す半径方向から傾斜して形成されている。具体的には、矢印で示すシャフト１４の回転方向が時計回りの場合は、切込部２１は、その外側部分が反時計回りに向かって傾斜している。このようにすることで、導電性プレート２０が接触している状態のシャフト１４が回転することで、導電性プレート２０の内側部分に引っ張り応力が作用しても、その応力で導電性プレート２０の内側部分が破損してしまうことを抑制し、導電性プレート２０の寿命を延ばすことが出来る。更に切込部２１が形成された導電性プレート２０の内側部分が捻れてしまうことを抑制出来る。

図４を参照して、導電性プレート２０を押圧固定する押圧部材である固定リング３５の形状を説明する。固定リング３５は、リング状に成形された鋼板から成り、例えば、１２０度単位で厚み方向に波状に曲折加工されている。固定リング３５は、その形状に由来して、ウェーブワッシャとも称される。

固定リング３５は、図２（Ｂ）に示したように、厚み方向に圧縮された状態で、ベアリング１５と導電性プレート２０との間に配置される。これにより、固定リング３５がベアリング１５を後方に押圧することで、ベアリング１５をケーシング１１の内壁から離間している。また、固定リング３５が導電性プレート２０を前方に押圧することで、導電性プレート２０がケーシング１１の内壁に押し付けられ、導電性プレート２０がケーシング１１と電気的に接続する。更に、シャフト１４が回転することに伴い、シャフト１４に接触する導電性プレート２０が変位や変形することも抑制されている。

以上、本発明の実施形態を示したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記した本形態では、回転機としてインバータモータであるモータ１０を例示したが、インバータモータ以外のモータや発電機等に本形態の構成を適用することも出来る。

更に、図２（Ｂ）を参照して、導電性プレート２０の内側部分は必ずしも曲折される必要はなく、導電性プレート２０は平坦形状のまま、導電性プレート２０の内側の側面がシャフト１４の表面に接触するようにしてもよい。

更に、図２（Ｂ）では、導電性プレート２０はケーシング１１の内壁面に接触しているが、導電性プレート２０をケーシング１１の外側面に接触するようにしてもよい。このようにすることで、導電性プレート２０が経年劣化により摩耗した場合に、導電性プレート２０を容易に交換することができる。

１０モータ
１１ケーシング
１２コイル
１３マグネット
１４シャフト
１５ベアリング
１６放熱フィン
１７導出孔
１８凹状領域
２０導電性プレート
２１切込部
２２外側主面
２３内側主面
２４内側面
２５外側面
２６孔部
２８外周円
３０制御基板
３２突出部
３５固定リング
３６外輪
３７内輪
３８鋼球
３９曲折部
４１固定子鉄心
４２回転子鉄心

Claims

ケーシングと、前記ケーシングの内部に固定配置される固定子と、前記固定子の内側で回転する回転子と、前記回転子と共に回転するシャフトと、前記シャフトと前記ケーシングとの間に配置されるベアリングと、外側部分が前記ケーシングに接触すると共に内側部分が前記シャフトに接触する導電性プレートと、を具備し、
前記導電性プレートには、内側端部から半径方向外側に向かって伸びる複数の切込部が形成され、
前記導電性プレートは、外側主面と、内側主面と、前記外側主面および前記内側主面の内側端部を繋ぐ内側面と、前記外側主面および前記内側主面の外側端部を繋ぐ外側面と、を有し、前記導電性プレートの内側部分は、前記シャフトの軸方向外側に向かって曲折され、前記導電性プレートの内側部分の前記内側主面が、前記導電性プレートに発生する曲げ応力により、前記シャフトの表面に接触し、
前記ケーシングは前記シャフトが貫通して外部に導出される導出孔を有し、前記導出孔を取り囲む前記ケーシングの内壁を外側に向かって窪ませて凹状領域を形成し、
前記導電性プレートは、前記凹状領域が形成された領域で前記ケーシングとの間に間隙が形成され、更に、前記導出孔が形成された領域で前記ケーシングとの間に間隙が形成されることを特徴とする回転機。
前記導電性プレートを前記ケーシングの内壁に押圧する押圧部材を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の回転機。
前記切込部は、半径方向内側部分が半径方向外側部分よりも、前記シャフトが回転する側に配置されるように傾斜することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転機。