JP7267238B2

JP7267238B2 - 電気機器

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Publication number: JP7267238B2
Application number: JP2020096357A
Authority: JP
Inventors: 拓也中村; 淳一尾▲崎▼; 正典東耕
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2023-05-01
Anticipated expiration: 2040-06-02
Also published as: JP2021191167A

Description

本開示は、回転子と固定子とを備える回転電機および電気機器に関する。

回転電機において、巻線の中性点電位変動などに伴う静電誘導による回転軸とアースとの間に発生する電圧は、回転子を支持する軸受に印加される。軸受に印加される電圧が軸受潤滑油の絶縁破壊電圧を超えた場合には、放電により軸受面が局部発熱して溶融痕が発生する電食現象が問題となる。

近年の回転電機は、高周波のインバータで駆動されるようになっており、中性点における巻線の相間電圧の基本波である中性点基本波電圧のインバータの変調方式による変動が増加している。また、インバータのスイッチングによる矩形波状の電圧が短周期で重畳されて波高値が高くなっている。インバータ制御の回転電機は、中性点基本波電圧の変動の増加および波高値の増大に起因して放電回数が増加しており、短期間に電食が進行して異常な振動騒音が発生する場合がある。

特許文献１には、軸受の電食を抑制する固定子が開示されている。特許文献１に記載の固定子は、円環状ヨークと、磁性材料からなり、円環状ヨークと併設される磁性コアと、磁性コアが併設される円環状ヨークの内周側および外周側に円環状のヨークの軸方向にコイルを巻き回して閉路を構成するキャンセルコイルと、を備える。キャンセルコイルは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれに対応する３つの要素コイルを含み、３つの要素コイルは、円環状ヨークの円周方向の複数の箇所に配置される。これによって、円環状ヨーク内を円周方向に流れる不平衡磁束がキャンセルコイルを貫くことによって三次の電圧が誘導される。そして、三次の電圧が誘導されることで、キャンセルコイルには、不平衡磁束を妨げる向きの電流が流れる。この結果、回転軸に発生する電圧が低減され、軸受の電食が抑制される。

特開２０１８－２６８９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、キャンセルコイルを構成する３つの要素コイルを、円環状ヨークの円周方向の複数の箇所に配置し、直列に接続する必要があった。そのため、特許文献１に記載の固定子は、構造および加工が複雑になるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、従来に比して簡素な構造および加工によって、軸受における電食を抑制することができる電気機器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の電気機器は、固定子と、固定子の内側に空隙を介して配置された回転子と、回転子に固定された回転軸と、回転軸を回転可能に支持する第１軸受および第２軸受と、外郭と、導電部材と、を有する回転電機と、回転電機の回転軸に固定される羽根と、を備える。固定子は、円環状のヨーク、およびヨークの内周面から径方向に突出する複数のティースを含む固定子鉄心と、固定子鉄心に巻回された電機子巻線と、を有する。外郭は、固定子、第１軸受および第２軸受を支持する。導電部材は、回転軸に電気的に接続され、外郭のうち回転軸が貫通する面である貫通面と間隔をおいて配置され、回転軸に対し回転対称な導電性材料からなる。導電部材は、外郭の貫通面と羽根との間に配置される。

本開示によれば、従来に比して簡素な構造および加工によって、軸受における電食を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１による回転電機の構成の一例を示す断面図図１のＩＩ－ＩＩ断面図実施の形態１による回転電機のインバータと電機子巻線との結線図実施の形態１による回転電機の直流電圧ＶＤＣおよび電位ＰＳＣの中間の電位からみた３倍の周波数の電圧を重畳した相電圧、相間電圧および中性点電圧の基本波波形の一例を示す図実施の形態１による回転電機の中性点電圧波形および軸電圧波形の一例を示す図一般的な回転電機において外郭が接地された場合の等価回路を示す図実施の形態１による回転電機において外郭が接地された場合の等価回路を示す図実施の形態２による回転電機の構成の一例を示す断面図実施の形態３による回転電機を備える換気扇の断面図

以下に、本開示の実施の形態にかかる回転電機および電気機器を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による回転電機の構成の一例を示す断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ断面図である。以下では、回転電機１０として、３相４極集中巻の永久磁石式同機電動機を例として取り上げる。回転電機１０は、内周面が円筒状に形成された固定子１１と、固定子１１の内側に空隙を介して配置された円筒状の回転子１２と、回転子１２に固定された回転軸１３と、回転軸１３を回転可能に支持する第１軸受１４および第２軸受１５と、固定子１１並びに第１軸受１４および第２軸受１５を支持し、固定子１１および回転子１２を内包する外郭１６と、を備える。なお、回転軸１３は、回転子１２と一体に設けられていてもよい。

第１軸受１４は、外輪１４ｇと、内輪１４ｎと、転動体１４ｔと、を備える。外輪１４ｇの内部に転動体１４ｔを介して内輪１４ｎが回転可能に支持されており、軸受箱１６ｆで外輪１４ｇが保持されている。転動体１４ｔは、不図示の保持器にて一定の間隔に保持されている。転動体１４ｔが外輪１４ｇおよび内輪１４ｎに設けられた溝を転がることによりスムースな回転が可能となっている。外輪１４ｇ、転動体１４ｔ、保持器、内輪１４ｎ間には、グリースなどの潤滑油が入っており、転がり面に薄い油膜を形成して金属と金属とが直接接触して磨耗するのを防止している。

第２軸受１５は、外輪１５ｇと、内輪１５ｎと、転動体１５ｔと、を備える。外輪１５ｇの内部に転動体１５ｔを介して内輪１５ｎが回転可能に支持されており、軸受箱１６ｒで外輪１５ｇが保持されている。転動体１５ｔは、不図示の保持器にて一定の間隔に保持されている。転動体１５ｔが外輪１５ｇおよび内輪１５ｎに設けられた溝を転がることによりスムースな回転が可能となっている。外輪１５ｇ、転動体１５ｔ、保持器、内輪１５ｎ間には、グリースなどの潤滑油が入っており、転がり面に薄い油膜を形成して金属と金属とが直接接触して磨耗するのを防止している。以上のように、実施の形態１では、第１軸受１４および第２軸受１５が転がり軸受である場合を示している。

固定子１１は、円環状のヨーク１７およびヨーク１７の内周面から径方向に突出する複数のティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６を含む固定子鉄心１９と、電機子巻線２０と、を有する。以下では、ティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６は、全体を指す場合には、ティース１８と称される。ティース１８は、ヨーク１７から回転子１２に向けて突出している。円環状のヨーク１７の内側に、内周面が円筒状となるように、ティース１８が配置される。つまり、ティース１８によって、円環状のヨーク１７の内側には円柱状の空間が形成され、この円柱状の空間に回転子１２が配置される。固定子鉄心１９は透磁率の高い磁性材料で形成される。電機子巻線２０は、ティース１８に不図示の絶縁物を介して巻回されている。

固定子鉄心１９には、電機子巻線２０を通すためにヨーク１７とティース１８とに囲まれたスロット２１が設けられている。

ティース１８にはＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２の６個のコイルから成る電機子巻線２０が巻回されている。

回転軸１３は、第１軸受１４が配置される外郭１６の面１６Ａを貫通する。以下では、面１６Ａは貫通面と称される。回転電機１０は、回転軸１３に電気的に接続され、貫通面１６Ａと間隔をおいて配置され、回転軸１３に対して回転対称な導電性材料からなる導電部材５０を備える。図１では、導電部材５０は円盤状である場合が示される。

図３は、実施の形態１による回転電機のインバータと電機子巻線との結線図である。Ｕ相は二つのコイルＵ１，Ｕ２が直列接続されている。Ｖ相は二つのコイルＶ１，Ｖ２が直列接続されている。Ｗ相は二つのコイルＷ１，Ｗ２が直列接続されている。Ｕ相のＵ１側、Ｖ相のＶ１側およびＷ相のＷ１側は、インバータ３０に接続されている。Ｕ相のＵ２側、Ｖ相のＶ２側およびＷ相のＷ２側は互いに接合されて中性点Ｎとなっており、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相は、Ｙ結線されている。

インバータ３０は、アームをなす６個のスイッチング素子３１，３２，３３，３４，３５，３６を備えている。上段のアームをなすスイッチング素子３１と下段のアームをなすスイッチング素子３４とが直列に接続されて第１レグを構成している。上段のアームをなすスイッチング素子３２と下段のアームをなすスイッチング素子３５とが直列に接続されて第２レグを構成している。上段のアームをなすスイッチング素子３３と下段のアームをなすスイッチング素子３６とが直列に接続されて第３レグを構成している。第１レグ、第２レグおよび第３レグは、直流電源４０に並列に接続されている。第１レグから出力端子Ｒが出ており、回転電機１０のＵ相と接続されている。第２レグから出力端子Ｓが出ており、回転電機１０のＶ相と接続されている。第３レグから出力端子Ｔが出ており、回転電機１０のＷ相と接続されている。

直流電源４０は、商用電源といった交流給電であれば交流電源を整流素子で整流後、コンデンサで平滑することで得られる。直流電源４０は、電気自動車などによる直流給電であれば、蓄電池から直接得られるが、直流電圧変換器であるＤＣ（Direct Current）－ＤＣコンバータで電圧調整してもよい。

次に、軸受における電食の発生原理、および実施の形態１による回転電機１０において軸受における電食が抑制される仕組みについて説明する。以下では、軸受における電食は、軸受電食と称される。

インバータ３０は、直流電源４０の直流電圧ＶＤＣを、スイッチング素子３１，３２，３３，３４，３５，３６をパルス幅変調信号に基づいて高速にオンまたはオフし、出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電位が第１状態および第２状態のいずれかになるように選択する。第１状態は、出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電位を直流電源４０のプラス側の電位ＶＳおよびマイナス側の電位ＰＳＣのいずれかに接続する状態である。第２状態は、出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電位を直流電源４０のプラス側の電位ＶＳにもマイナス側の電位ＰＳＣにも接続しない、フローティングの状態である。これによって、回転電機１０の電機子巻線２０の相間電圧の平均値の位相差が１２０度ずれた３相電圧となるようにインバータ３０は動作する。パルス幅変調には相間電圧の基本波の平均値を正弦波とする正弦波駆動の他に、台形波状とする台形波駆動、矩形波状とする矩形波駆動など様々な駆動方式があるが、いずれの駆動方式においても電位ＰＳＣを基準に出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの短時間での実際の電圧波形は、矩形波となる。

正弦波駆動のパルス幅変調は、原理的には電機子巻線２０へ印加する所望の正弦波状基本波と三角波搬送波との大小を比較することによって、各レグの上段のアームをオンするかまたは下段のアームをオンするかを決める。ただし、直流電圧ＶＤＣの範囲の中で、相間電圧をできるだけ大きくとれるように、電機子巻線２０へ印加する正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波を各相の相電圧へ重畳したものを三角波搬送波と比較することがある。この場合、相電圧の平均値は馬蹄形の波形となるが、相間では重畳した３倍の周波数の正弦波は差し引かれるため、相間電圧は所望の正弦波電圧となる。

図４は、実施の形態１による回転電機の直流電圧ＶＤＣおよび電位ＰＳＣの中間の電位からみた３倍の周波数の電圧を重畳した相電圧、相間電圧および中性点電圧の基本波波形の一例を示す図である。出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔにおける電圧は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相電圧を示している。出力端子Ｒと出力端子Ｓとの間の電圧Ｒ－Ｓは、Ｕ相とＶ相との相間電圧を示している。出力端子Ｓと出力端子Ｔとの間の電圧Ｓ－Ｔは、Ｖ相とＷ相との相間電圧を示している。出力端子Ｔと出力端子Ｒとの間の電圧Ｔ－Ｒは、Ｗ相とＵ相との相間電圧を示している。正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波の電圧を電機子巻線２０へ印加すると、零相電圧とよばれる電機子巻線２０全体の電圧は、前述の重畳された３倍の周波数の正弦波で振れ、中性点Ｎの中性点電圧となって現れる。零相電圧により、ヨーク１７には円周方向に循環する磁束が発生する。そして、ヨーク１７を貫通している回転軸１３には電磁誘導起電力および静電誘導による軸電圧が発生し、第１軸受１４および第２軸受１５の油膜に電圧が印加される。

このとき、前述したようにインバータ３０の出力電圧の基本波は正弦波状であるが、実際には、パルス幅変調された矩形波状の電圧であるため、電機子巻線２０全体の電圧も矩形波状に変動している。この高周波の矩形波状の電圧は、電機子巻線２０から外郭１６、電機子巻線２０から回転軸１３などに存在する静電容量を通じて回転軸１３に印加されることとなる。

第１軸受１４および第２軸受１５の油膜には基本波だけの場合に比べて波高値が高い高周波の矩形波状の電圧が重畳され、絶縁破壊による放電が頻繁に発生して、軸受面の劣化が急速に進む。

図５は、実施の形態１による回転電機の中性点電圧波形および軸電圧波形の一例を示す図である。この図で、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。軸電圧波形５２０は、中性点電圧波形５１０よりも鈍ってはいるが、中性点電圧の変動によって誘起された軸電圧が６０マイクロ秒程度の周期で発生している。

次に、中性点電圧と軸電圧との関係を簡易的な等価回路で示す。図６は、一般的な回転電機において外郭が接地された場合の等価回路を示す図である。ここで、中性点電圧はＶ_Nで示され、中性点Ｎから回転軸１３までの静電容量はＣｎｓで示され、第１軸受１４および第２軸受１５の内輪１４ｎ，１５ｎから外輪１４ｇ，１５ｇまでの静電容量はＣｓｂで示され、回転軸１３から外郭１６までの静電容量はＣｓｆ１で示される。現実には各々に抵抗およびインダクタンス成分が存在するが、簡便のために省略している。中性点電圧Ｖ_Nは、前述の３つの静電容量Ｃｎｓ，Ｃｓｂ，Ｃｓｆ１によるインピーダンスにより分圧され、静電容量Ｃｓｂに分圧される電圧が軸電圧となる。つまり、軸電圧をＶａとすると、軸電圧Ｖａは、次式（１）によって示される。
Ｖａ＝Ｃｎｓ／（Ｃｓｂ＋Ｃｓｆ１）×Ｖ_N ・・・（１）

一方、図１に示されるように、実施の形態１の回転電機１０は、外郭１６に近接した回転軸１３上の位置に導電性材料からなる円盤状の導電部材５０をさらに備える。円盤状の導電部材５０は、回転軸１３と電気的に接続されており、円盤状の導電部材５０と回転軸１３とは同電位となっている。

図７は、実施の形態１による回転電機において外郭が接地された場合の等価回路を示す図である。図７に示されるように、図６の等価回路と比較して、静電容量Ｃｓｂ，Ｃｓｆ１と並列接続となるように、回転軸１３から外郭１６までの静電容量Ｃｓｆ２が追加されている。静電容量Ｃｓｆ２は、円盤状の導電部材５０と外郭１６との静電容量である。静電容量Ｃｓｆ２が追加されることで、並列接続された静電容量Ｃｓｂ，Ｃｓｆ１からなる合成インピーダンスは低下し、静電容量Ｃｓｂに分圧される軸電圧は低下する。この結果、軸受電食が抑制される。つまり、実施の形態１による回転電機１０の場合の軸電圧Ｖａは、次式（２）によって示される。
Ｖａ＝Ｖ_N×Ｃｎｓ／（Ｃｓｂ＋Ｃｓｆ１＋Ｃｓｆ２）・・・（２）

この円盤状の導電部材５０と外郭１６との静電容量Ｃｓｆ２は、次式（３）で概算することができる。ただし、εは空気の誘電率であり、Ｓは円盤状の導電部材５０と外郭１６とが対面する部分の表面積であり、ｄは円盤状の導電部材５０と外郭１６との距離であるとする。
Ｃｓｆ２＝ε×Ｓ／ｄ・・・（３）

このため、円盤状の導電部材５０の直径を変えることで、外郭１６と対面する部分の表面積Ｓを変えることができ、この結果、静電容量Ｃｓｆ２の値を調節することができる。したがって、静電容量Ｃｓｂに分圧される軸電圧Ｖａを容易に調節することが可能である。

次に、数値を用いた例により、軸電圧抑制の効果を示す。図６において、Ｖ_N＝７０［Ｖ］，Ｃｎｓ＝５［ｐＦ］，Ｃｓｂ＝３０［ｐＦ］，Ｃｓｆ１＝３０［ｐＦ］であるとき、（１）式より軸電圧Ｖａは５．８［Ｖ］となる。

回転電機１０の外郭１６が、直径Φが１３０［ｍｍ］であり、高さが１００［ｍｍ］である略円筒形であり、ここに直径Φが１３０［ｍｍ］の円盤状の導電部材５０を１［ｍｍ］の間隔をおいて設置するものとする。（３）式より、円盤状の導電部材５０と外郭１６との静電容量Ｃｓｂ２は１１７．５［ｐＦ］となる。この場合の回転電機１０の等価回路は、図７に示されるものとなり、第１軸受１４および第２軸受１５を含む回転軸１３から外郭１６までの間の静電容量は６０［ｐＦ］から１７７．５［ｐＦ］へ変化したことになる。円盤状の導電部材５０の取り付け前の第１軸受１４および第２軸受１５を含む回転軸１３から外郭１６までの間の静電容量をＣａとし、取り付け後の第１軸受１４および第２軸受１５を含む回転軸１３から外郭１６までの間の静電容量をＣｂとする。取り付け後に対する取り付け前の静電容量の比率Ｃａ／Ｃｂは０．３４となる。つまり、円盤状の導電部材５０を取り付け後の軸電圧Ｖａは、円盤状の導電部材５０を取り付ける前の軸電圧Ｖａに０．３４を乗算した２．０［Ｖ］となる。すなわち、軸電圧Ｖａを円盤状の導電部材５０の取り付け前の約３４％に抑制することができる。

実施の形態１では、回転電機１０は、外郭１６の外側で外郭１６に接触しない位置で回転軸１３に電気的に接続される円盤状の導電部材５０を備える。これによって、回転軸１３と外郭１６との間の静電容量が増加し、回転軸１３と外郭１６と並行して接続される第１軸受１４および第２軸受１５の内輪１４ｎ，１５ｎと外輪１４ｇ，１５ｇとの間の静電容量との合成インピーダンスを低下させることができる。すなわち、第１軸受１４および第２軸受１５の内輪１４ｎ，１５ｎから外輪１４ｇ，１５ｇにかかる軸電圧Ｖａを低下させることができる。この結果、回転電機１０の動作中における第１軸受１４および第２軸受１５での放電回数の増加を抑制し、第１軸受１４および第２軸受１５における電食を抑制することができるという効果を有する。

また、回転電機１０の内部の構造を変更することがなく、かつ簡素な導電部材５０を取り付けるだけで、上記した第１軸受１４および第２軸受１５における電食を抑制することができるという効果を有する。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２による回転電機の構成の一例を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同一構成要素には、同一の構成要素を付して、その説明を省略し、実施の形態１と異なる部分について説明する。実施の形態２の回転電機１０は、実施の形態１の円盤状の導電部材５０に代えて、回転軸１３に導電体からなるお椀状の導電部材５１を備える。お椀状の導電部材５１は、外郭１６の貫通面１６Ａと、貫通面１６Ａ側の側面と、を予め定められた距離を置いて覆うように配置される。すなわち、お椀状の導電部材５１は、外郭１６の貫通面１６Ａと対向して配置される底面部５１１と、底面部５１１の外周に沿って設けられる側面部５１２と、を有する。お椀状の導電部材５１も、回転軸１３と電気的に接続されており、お椀状の導電部材５１と回転軸１３とは同電位となっている。

お椀状の導電部材５１と外郭１６とが対面する部分の表面積は、実施の形態１に比べて増加し、静電容量Ｃｓｆ２はより大きな値となる。そのため、図７に示される等価回路において、静電容量Ｃｓｂ，Ｃｓｆ１，Ｃｓｆ２からなる合成インピーダンスはより小さな値となる。この結果、静電容量Ｃｓｂに分圧される軸電圧Ｖａをより小さな値とすることができ、軸受電食を抑制することができる。

次に、数値を用いた例により、軸電圧抑制の効果を示す。お椀状の導電部材５１は、直径Φが１３０［ｍｍ］の円盤状の底面部５１１に、幅が１００［ｍｍ］の円筒状の側面部５１２を接合した形状であるものとする。また、お椀状の導電部材５１は、外郭１６と１［ｍｍ］の間隔をおいて設置されるものとする。その他は、実施の形態１の数値例と同様であるとすると、お椀状の導電部材５１と外郭１６との静電容量Ｃｓｆ２は、４７８．９［ｐＦ］となる。このとき、第１軸受１４および第２軸受１５を含む回転軸１３から外郭１６までの間の静電容量は６０［ｐＦ］から５３８．９［ｐＦ］へと変化したことになり、お椀状の導電部材５１の取り付け前後の第１軸受１４および第２軸受１５を含む回転軸１３から外郭１６までの間の静電容量の比率Ｃａ／Ｃｂは０．１１となる。つまり、お椀状の導電部材５１を取り付け後の軸電圧Ｖａは、お椀状の導電部材５１を取り付ける前の軸電圧Ｖａに０．１１を乗算した０．６［Ｖ］となる。すなわち、軸電圧Ｖａをお椀状の導電部材５１の取り付け前の約１１％に抑制することができる。

導電部材５０，５１と外郭１６が対面する部分の表面積を増加させ、導電部材５０，５１の取り付け前後の第１軸受１４および第２軸受１５を含む回転軸１３から外郭１６までの間の静電容量の比率Ｃａ／Ｃｂを、実施の形態１では０．３４まで変化させ、実施の形態２では０．１１まで変化させる例を挙げた。しかし、導電部材５０，５１の取り付けにより静電容量をこれ以上に変化させるためには、精度上の制約が生じる。一般的に、例に挙げた体格の回転電機１０において、回転子１２と固定子１１との間の空隙長と、回転軸１３の軸中心からのずれである偏心量との比率である偏心率＝偏心量／空隙長は、３０％程度とされている。例えば、空隙長が０．３［ｍｍ］であるとすると、偏心量は０．０９［ｍｍ］となる。

ここで、実施の形態２においてお椀状の導電部材５１と外郭１６との間の間隔が０．０９［ｍｍ］のときのお椀状の導電部材５１の取り付け前後の静電容量の比率Ｃａ／Ｃｂは０．１０となる。よって、実施の形態１，２で示した導電部材５０，５１と外郭１６との間の間隔を０．０９［ｍｍ］よりも小さくすると、導電部材５０，５１と外郭１６とが接触する場合が多くなることになる。このため導電部材５０，５１と外郭１６との間の間隔を小さくすることで静電容量を大きくするためには、加工精度または組立精度の向上が必要となり、大きな投資または組立方法の変更等が必要となる。

また、回転電機１０の体格を大きくすることで、静電容量Ｃｓｆ２を大きくすることはできるが、体格増加に伴い、静電容量Ｃｎｓ，Ｃｓｂ，Ｃｓｆ１もともに増加することになるため、導電部材５０，５１の取り付け前後の静電容量の比率Ｃａ／Ｃｂを小さくすることはできない。

従って、大きな投資または組立方法の変更などを伴わず簡素な方法で、導電部材５０，５１の取り付け前後の静電容量の比率Ｃａ／Ｃｂを変更できる範囲は、０．１０以上１未満が妥当であると考えられる。

実施の形態２では、回転電機１０は、外郭１６の貫通面１６Ａと、外郭１６の貫通面１６Ａ側の側面と、を予め定められた間隔をおいて覆うように配置されるとともに、回転軸１３に電気的に接続されるお椀状の導電部材５１を備える。これによって、第１軸受１４および第２軸受１５を含む回転軸１３と外郭１６との間の静電容量が実施の形態１の場合に比してさらに増加し、第１軸受１４および第２軸受１５の内輪１４ｎ，１５ｎから外輪１４ｇ，１５ｇにかかる軸電圧Ｖａを実施の形態１の場合に比して低下させることができる。この結果、回転電機１０の動作中における第１軸受１４および第２軸受１５での放電回数の増加を抑制し、軸受電食を抑制することができるという効果を有する。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３による回転電機を備える換気扇の断面図である。換気扇６０は、回転電機１０を備える電気機器の一例である。換気扇６０は、本体部６１に搭載される上記した実施の形態１，２で説明した回転電機１０と、回転電機１０の回転軸１３の先端に固定される羽根６２と、を備える。図９では、回転軸１３に円盤状の導電部材５０が設けられる実施の形態１による回転電機１０が本体部６１に搭載される例が示されている。

一例では、換気扇６０の本体部６１は、建築物の天井板６３の開口を通じて天井裏に設置される。換気扇６０は、天井板６３の開口で露出した本体部６１を覆うグリル６４を有する。回転電機１０が回転し羽根６２も回転すると、図９の矢印Ａで示される空気の流れが発生する。

実施の形態１，２で説明したように、回転電機１０の回転軸１３に取り付けられた導電部材５０，５１は外郭１６に近接して取り付けられているため、羽根６２の取り付けおよび空気の流れを阻害することなく、回転電機１０の動作中において発生する軸電圧Ｖａを抑制することができるという効果を有する。

実施の形態４.
実施の形態１から３では、回転電機１０の回転軸１３に新たに円盤状の導電部材５０またはお椀状の導電部材５１などの部材を取り付ける構造とした。しかし、実施の形態３の換気扇６０において、羽根６２を金属製としてもよい。つまり、回転軸１３に設けられる導電部材によって、羽根６２が構成される。この場合にも、回転軸１３に電気的に接続した導電部材である羽根６２が外郭１６と対面することとなる。この結果、第１軸受１４および第２軸受１５を含む回転軸１３と外郭１６との間の静電容量を大きくすることができ、回転電機１０の動作中において発生する軸電圧Ｖａを抑制することができるという効果を有する。

実施の形態５.
実施の形態３の換気扇６０において、羽根６２が樹脂製の場合には、外郭１６と対面する部位に導電性の部材または金属箔などを設けてもよい。実施の形態４において、羽根６２が樹脂製である場合も同様に、外郭１６と対面する部位に導電性の部材または金属箔などを設けてもよい。このようにすることで、上記した実施の形態と同様に、回転軸１３に電気的に接続された導電部材が外郭１６と対面することとなり、回転軸１３と外郭１６との間の静電容量を大きくすることができ、回転電機１０の動作中において発生する軸電圧Ｖａを抑制することができるという効果を有する。

上記実施の形態１から５の回転電機１０または回転電機１０を備える電気機器では、回転軸１３を回転可能に支持する第１軸受１４および第２軸受１５が、転がり軸受である場合を例に挙げて説明した。しかし、第１軸受１４および第２軸受１５が、すべり軸受などの回転部と回転部を回転可能に支持する回転支持部との間に絶縁性の膜が形成される種類の軸受であれば、上記した実施の形態１から５を適用することができる。

また、上記実施の形態１から５では、中性点電圧Ｖ_Nの変動する原理がわかり易いように、インバータ３０のパルス幅変調方式として、電機子巻線２０へ印加する正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波を各相の相電圧へ重畳したものを三角波搬送波と比較する方式で説明した。しかし、インバータ３０からパルス幅変調された矩形波状の電圧が電機子巻線２０全体へ印加されて、中性点Ｎは矩形波状に変動するため、３倍の周波数の正弦波を各相の相電圧へ重畳していない場合にも、上記した実施の形態１から５は有効である。また、インバータ３０の駆動方式が、台形波駆動または矩形波駆動である場合にも、上記した実施の形態１から５を適用することができる。

また、インバータ３０からの電圧供給でなくても、中性点電圧Ｖ_Nが変動する電源形態であれば、軸電圧による第１軸受１４および第２軸受１５に電食が発生する可能性がある。上記した実施の形態１から５は、インバータ３０以外の中性点電圧Ｖ_Nが変動する電源であっても、第１軸受１４および第２軸受１５の電食を抑制することができる。さらに、電機子巻線２０は集中巻でなく、分布巻の場合にも、同様の効果が得られる。さらにまた、相数または極数、巻線方式、電動機の種類は限定されるものではなく誘導電動機またはリラクタンス電動機などの交流電動機なら上記した実施の形態の効果が得られる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０回転電機、１１固定子、１２回転子、１３回転軸、１４第１軸受、１４ｇ，１５ｇ外輪、１４ｎ，１５ｎ内輪、１４ｔ，１５ｔ転動体、１５第２軸受、１６外郭、１６Ａ貫通面、１６ｆ，１６ｒ軸受箱、１７ヨーク、１８，１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６ティース、１９固定子鉄心、２０電機子巻線、２１スロット、３０インバータ、３１，３２，３３，３４，３５，３６スイッチング素子、４０直流電源、５０，５１導電部材、６０換気扇、６１本体部、６２羽根、６３天井板、６４グリル、５１１底面部、５１２側面部。

Claims

円環状のヨーク、および前記ヨークの内周面から径方向に突出する複数のティースを含む固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された電機子巻線と、を有する固定子と、
前記固定子の内側に空隙を介して配置された回転子と、
前記回転子に固定された回転軸と、
前記回転軸を回転可能に支持する第１軸受および第２軸受と、
前記固定子、前記第１軸受および前記第２軸受を支持する外郭と、
前記回転軸に電気的に接続され、前記外郭のうち前記回転軸が貫通する面である貫通面と間隔をおいて配置され、前記回転軸に対し回転対称な導電性材料からなる導電部材と、
を有する回転電機と、
前記回転電機の前記回転軸に固定される羽根と、
を備え、
前記導電部材は、前記外郭の前記貫通面と前記羽根との間に配置されることを特徴とする電気機器。
前記導電部材を接続しない状態での前記回転軸を回転させたときの前記回転軸と前記外郭との間の静電容量をＣａとし、前記導電部材を接続した状態での前記回転軸を回転させたときの前記回転軸と前記外郭との間の静電容量をＣｂとしたときの、Ｃｂに対するＣａの比率Ｃａ／Ｃｂは、０．１０以上かつ１未満であることを特徴とする請求項１に記載の電気機器。
前記導電部材は、円盤状であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機器。
前記導電部材は、前記外郭の前記貫通面と、前記外郭の側面のうち前記貫通面側の部分と、を覆うように設けられるお椀状であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機器。
前記第１軸受および前記第２軸受は、回転する回転部と、前記回転部の外側に配置され、前記回転部を回転可能に支持する回転支持部と、を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の電気機器。