JP2014011827A - 回転電機及び圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータシャフト周りの磁気不平衡が原因となり軸の両端の軸受に従来流れていた循環電流を軸受以外の経路に流すことで軸受の電食防止を図るとともにメンテナンス性に優れた回転電機を提供すること。
【解決手段】シャフト６と、シャフト６が回転することにより回転する回転子４と、回転子４と固定子２とを内部に有するハウジング１０と、シャフト６を回転自在に支持する軸受１５，１６と、を備えた回転電機において、シャフト６の周りの磁束が不平衡となることによって生じる誘起電流が流れる電流経路１９をシャフト６にブラシを設けることなく形成し、電流経路１９により誘起電流が軸受１５，１６に流れないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の特に軸受の電食防止に関するものである。

近年、省エネ、高効率運転の観点から、インバータを用いた回転電機の可変速運転が盛んに行われている。しかしながら、インバータにより駆動される回転電機ではさまざまな課題が新たに発生している。具体的には、インバータ駆動の回転電機ではインバータやインバータと回転電機を接続するハーネスから発せられる放射・伝導ノイズの抑制と周囲の機器の誤動作防止が課題となっている。さらに、回転電機では、急峻なインバータサージ電圧に伴う絶縁劣化への対策が課題となっている。また、インバータの不平衡電圧、電流成分にともない、回転電機の軸−ハウジング間や軸−軸端子間に電圧、電流が発生し軸受が電食する問題が発生しており、この対策が課題となっている。

図１７は、従来の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路の一例を示すものであり、図１７に示すように、磁気不平衡に伴って生じる電流がシャフト４４から軸受１５、１６を流れることで軸受における電食が生じる虞がある。この軸受の電食防止技術については、例えば以下の先行技術文献がある。

特開２００８−１４８４５３号公報 特開２０１０−１５８１４１号公報 特開２０１１−７２１１３号公報 特開２０１１−２０５７２４号公報 特開２００７−１６６８１３号公報

上記した何れの先行技術文献においても軸受に流れる電流を絶縁するため、それぞれ、軸受の外輪とハウジングの間、内輪とシャフトの間、軸受の内輪と外輪の間の転動体、シャフトとロータ間、シャフトの両端の間に絶縁を施している。

しかしながら、一般にセラミックスなどの無機絶縁材料は、金属材料に比べて硬いため加工が容易ではなく、また、金属材料に比べて脆いため使用時には重荷重が加わらない条件でしか使用できないという問題がある。一方で、エポキシ、不飽和ポリエステルなどの有機絶縁材料は、高温環境下や油、冷媒、湿度が存在する環境下では絶縁材料がクリープ変形するという問題があり、さらに化学反応によって機械強度や、絶縁特性が低下する問題がある。このため、軸受に流れる電流を絶縁物で絶縁することで必ずしも全ての回転電機の軸受電食を防止することは困難であった。

一方、軸受に流れる電流を絶縁する以外の軸受電食対策として、例えば特許文献４の段落０００６、０００７に記載されているようにシャフトを接地し、軸受に電流を流さないようにする方法も行われてきた。しかしながら、回転するシャフトにカーボンブラシなどを接触させて接地する場合、カーボンブラシが磨耗するため、定期的なメンテナンスが必要となる問題があった。
以上の状況を鑑み、本発明では、特にロータシャフト周りの磁気不平衡が原因となり軸の両端の軸受に従来流れていた循環電流を軸受以外の経路に流すことで軸受の電食防止を図るとともにメンテナンス性に優れた回転電機を提供することを目的とする。

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採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「シャフトと、シャフトが回転することにより回転する回転子と、回転子と固定子とを内部に有するハウジングと、シャフトを回転自在に支持する軸受と、を備えた回転電機において、シャフトの周りの磁束が不平衡となることによって生じる誘起電流が流れる電流経路をシャフトにブラシを設けることなく形成し、電流経路により誘起電流が軸受に流れないようにすること」を特徴とする。

本発明によれば、特にロータシャフト周りの磁気不平衡が原因となり軸の両端の軸受に従来流れていた循環電流を軸受以外の経路に流すことで軸受の電食防止を図るとともにメンテナンス性に優れた回転電機を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路。 実施例１の回転電機のロータＡ−Ａ′断面図（永久磁石モータの場合）。 実施例１の回転電機のロータＡ−Ａ′断面図（インダクションモータの場合）。 実施例２の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路。 実施例２の回転電機のロータＢ−Ｂ′断面図。 実施例２の回転電機のロータＣ−Ｃ′断面図。 実施例３の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路。 実施例３の回転電機のロータＤ−Ｄ′断面図。 実施例４の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路。 実施例４の回転電機のロータＥ−Ｅ′断面図。 実施例５の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路。 実施例５の回転電機のロータＦ−Ｆ′断面図。 実施例６の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路。 実施例６の回転電機のエンドブラケットＧ−Ｇ′断面図。 実施例７の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路。 実施例７の回転電機のステータ、ロータＨ−Ｈ′断面図。 従来の回転電機の構成および磁気不平衡に伴う電流経路。 本発明の回転電機を用いたインバータ駆動装置（圧縮機）。

本発明の実施形態を、以下に図面を用いて説明する。

図１を用いて実施例１の回転電機１の構成および磁気不平衡に伴う電流経路を示す。本実施例は回転電機の軸受に流れる電流のうち、特にロータシャフト周りの磁気不平衡が原因となって軸の両端の軸受に従来流れていた循環電流を軸受以外の経路に流すようにするものである。なお、本実施例においては従来のような回転体と不動体間のしゅう動、接触を介さずに軸受以外の経路に流すものであり、これにより軸受の電食を防止するとともにメンテナンス性に優れた回転電機を提供することを目的としている。

回転電機１は回転磁界を作り出すステータ２（固定子）と回転磁界に伴い回転しトルクを発生するロータ４（回転子）とから構成される。ステータ２では縦にハッチングしたステータコアに挿入したステータコイル３にインバータ１１から可変周波数の電流を供給することで回転磁界を生成することができる。回転電機１のステータ２はさらにハウジング１０に焼き嵌め、圧入、ネジ止めなどの方法で固定される。ロータ４ではハッチングしたロータコア５がシャフト６に圧入や焼き嵌めで挿入され締結されることでシャフト６が回転することによりロータ４（回転子）が回転する。ロータコア５の部材７は、永久磁石モータの場合には永久磁石であり、インダクションモータの場合には二次巻線である。

ロータ４のシャフト６の両端は軸受１５、１６によって回転自在に支持され、軸受１５、１６はハウジングの一部を構成するエンドブラケット１２、１３によって支持される。ここで本実施例の回転電機１では特にシャフト６に軸方向に穴８が空けられる。また、穴８には軸方向に導体部材（導体棒９）が挿入され、導体棒９の両端はエンドブラケット１２、１３にそれぞれ締結されたサポート治具１７、１８に接続される。シャフト６の先端には負荷機と接続し動力を伝えるためのギヤ１４が先端に接続される。

本実施例の回転電機のシャフト６に不平衡磁束１０００が鎖交した際に流れる電流の経路を破線１９で示す。電流は不平衡磁束の時間変化を打消す方向に流れる。従来においては、このようなシャフト６の周りの磁束が不平衡となることによって生じる誘起電流は、軸受１５、１６を電流が流れてしまうために電食の原因となっていたが、本実施例では破線１９で示す導体棒９、サポート治具１７、エンドブラケット１２、ハウジング１０、サポート治具１８のように電流が流れるため、軸受１５、１６には電流が流れず、電食の発生を防止することが可能となる。すなわち、本実施例では電流経路が、シャフト６の軸方向に形成された穴に導体部材（導体棒９）が挿入され、導体部材の両端がハウジング１０と電気的に接続されることにより形成される。

また、本実施例ではシャフト６にカーボンブラシを設ける必要がなく、導体棒９はシャフト６と機械的に接触していないため、従来のカーボンブラシのような磨耗は発生しない。このためメンテナンス性に優れている。

図２と図３に、それぞれ図１の回転電機１が永久磁石モータ、インダクションモータである場合のロータ４のＡ−Ａ′断面を示す。永久磁石モータの場合、図１の部材７は永久磁石２１である。ロータシャフト６には穴８が設けられており、穴の中には導体棒９が挿入されている。一方、インダクションモータの場合には、図１の部材７は二次導体３１である。インダクションモータの場合にもシャフト６には穴８が設けられており、穴の中には導体棒９が挿入されている。

図４に実施例２の回転電機４０の構成および磁気不平衡に伴う電流経路を示す。回転電機４０は回転磁界を作り出すステータ２と回転磁界に伴い回転しトルクを発生するロータ４から構成される。なお、実施例１との違いを明確にするため、実施例１と同じ構成の部材には同じ番号を使用して示している。実施例２では、実施例１と異なりシャフト４４には穴は設けられていない。本実施例ではシャフト４４の周囲のロータコア５に軸方向に複数の貫通穴が設けられており、穴には導体棒４１が挿入されている。また複数の導体棒４１の両端は短絡板４２、４３によって相互およびシャフト４４と接続されている。

すなわち、本実施例の電流経路は、回転子（ロータ４）のロータコア５の軸方向に形成された複数の穴にそれぞれ導体部材（導体棒４１）が挿入され、該複数の導体部材の両端がそれぞれ短絡するための短絡部材（短絡板４２、４３）により接続される。また、本実施例では短絡部材（短絡板４２、４３）がシャフト４４と電気的に接続されて電流流路が形成される。

本実施例の回転電機のシャフト４４に不平衡磁束１０００が鎖交した際に流れる電流の経路を破線４５で示す。電流は不平衡磁束の時間変化を打消す方向に流れる。従来は軸受を電流が流れていたが、本実施例ではシャフト４４、短絡板４２、導体棒４１、短絡板４３で作る閉回路に電流が流れるため、軸受１５、１６には電流が流れず電食は発生しない。また、導体棒４１はロータ４とともに回転するため、カーボンブラシのような接触・しゅう動部が生じず、メンテナンス性に優れる。

図５と図６に、それぞれ図４の回転電機のＢ−Ｂ′断面、Ｃ−Ｃ′断面を示す。本実施例ではシャフト４４の周囲に複数の穴が設けられ、穴には導体棒４１が挿入されている。また、ロータ４の軸方向端部では短絡板４２、４３によって複数の導体棒４１とシャフト４４が電気的に短絡されている。

図７に実施例３の回転電機７０の構成および磁気不平衡に伴う電流経路を示す。回転電機７０は回転磁界を作り出すステータ２と回転磁界に伴い回転しトルクを発生するロータ４から構成される。なお、図７では実施例２との違いを明確にするため、実施例２と同じ構成の部材には同じ番号を使用して示している。本実施例では短絡板７２、７３とシャフト４４は接続されておらず、複数の導体棒４１のみが相互に接続されている。

本実施例の回転電機のシャフト４４に不平衡磁束１０００が鎖交した際に流れる電流の経路を破線で示す。電流は不平衡磁束の時間変化を打消す方向に流れる。不平衡磁束１０００がシャフト４４に鎖交すると従来は軸受を電流が流れていたが、本実施例では導体棒４１と短絡板７２、７３で作る閉回路に電流７５が流れるため、軸受には電流が流れず電食は発生しない。また、導体棒４１はロータ４とともに回転するため、カーボンブラシのような接触・しゅう動部が生じず、メンテナンス性に優れる。

図８に図７のＤ−Ｄ′断面図を示す。導体棒４１の端部は短絡板７２、７３で接続されている。このため、不平衡磁束１０００と鎖交する複数の導体棒４１と短絡板７３および反対側の短絡板７２で作る閉回路に電流が流れる。なお、同じ効果は複数の導体棒の数を増やし導体棒が周方向に連続して配置された状態でも得られる。つまり、図７の導体棒４１をロータコア５の外周側に円管となるように配置しても同じ効果が得られる。

図９に実施例４の回転電機９０の構成および磁気不平衡に伴う電流経路を示す。回転電機９０は回転磁界を作り出すステータ２と回転磁界に伴い回転しトルクを発生するロータ４から構成される。なお、図９では実施例２との違いを明確にするため、実施例２と同じ構成の部材には同じ番号を使用して示している。本実施例では実施例２のロータ４の両端に磁性体リングコア９１、９２を設置している。つまり、回転子４の軸方向の両端のそれぞれの外周部にリング形状の磁性体部材（磁性体リングコア９１、９２）を配置したものである。このようにすることによって、２つの磁性体リングコア９１、９２に挟まれた空間に電流９５を効率的に閉じ込めることができ、軸受の電食を防止できる。

図１０に図９のＥ−Ｅ′断面図を示す。導体棒４１および短絡板４３を外周から包み込むように磁性体リングコア９１、９２が設けられている。磁性体リングコアの内部で逆方向に循環する電流では、磁性体リングコアに鎖交するアンペアターンが０となるためインダクタンスは発生しない。しかし、この磁性体リングコア９１、９２から外部に電流が漏れる場合、磁性体リングコア９１、９２に鎖交するアンペアターンが発生するためインダクタンスが発生し電流が流れにくくなる。この結果、磁性体リングコア９１、９２で挟んだ空間に循環電流を閉じ込めることができる。

図１１に実施例５の回転電機１１０の構成および磁気不平衡に伴う電流経路を示す。回転電機１１０は回転磁界を作り出すステータ２と回転磁界に伴い回転しトルクを発生するロータ４から構成される。なお、図１１では実施例４との違いを明確にするため、実施例４と同じ構成の部材には同じ番号を使用して示している。本実施例では磁性体リングコア１１１をロータ４の中央部に設置している。回転子４の軸方向の少なくとも一箇所の外周部にリング形状の磁性体部材（磁性体リングコア１１１）を配置することが望ましいが、図１１のように磁性体リングコア１１１を配置することで、内周の空間に電流１１５を効率的に閉じ込めることができ、軸受の電食を防止できる。

図１２に図１１のＦ−Ｆ′断面図を示す。導体棒４１およびシャフト４４を外周から包み込むように磁性体リングコア１１１が設けられている。磁性体リングコアの内周部で逆方向に循環する電流では、磁性体リングコアに鎖交するアンペアターンが０となるためインダクタンスは発生しない。しかし、この磁性体リングコアの内周で逆方向に循環しないで外部に電流が漏れる場合、磁性体リングコアに鎖交するアンペアターンが発生するためインダクタンスが発生し電流が流れにくくなる。この結果、磁性体リングコアの内周の空間に循環電流を閉じ込めることができる。

図１３に実施例６の回転電機１３０の構成および磁気不平衡に伴う電流経路を示す。回転電機１３０は回転磁界を作り出すステータ２と回転磁界に伴い回転しトルクを発生するロータ４から構成される。なお、図１３では実施例４との違いを明確にするため、実施例４と同じ構成の部材には同じ番号を使用して示している。本実施例では磁性体リングコア１３１、１３２をエンドブラケット１２、１３に、それぞれサポート治具１３３、１３４を使って取り付けている。このようにすることによって、２つのリングコアに挟まれた空間に電流１３５を効率的に閉じ込めることができ、軸受の電食を防止できる。

図１４に図１３のＧ−Ｇ′断面図を示す。磁性体リングコア１３２がサポート治具１３４によってエンドブラケット１３に取り付けられている。実施例６では、磁性体コアはロータに取り付けていないため、ロータの重量バランスを取りやすい利点がある。

図１５に実施例７の回転電機１５０の構成および磁気不平衡に伴う電流経路を示す。回転電機１５０は回転磁界を作り出すステータ２と回転磁界に伴い回転しトルクを発生するロータ４から構成される。なお、図１５では実施例５との違いを明確にするため、実施例５と同じ構成の部材には同じ番号を使用して示している。固定子（ステータ２）は回転子（ロータ４）の外周方向に配置されており、固定子（ステータ２）の内周側にリング形状の磁性体リングコア１５１を取り付けている。このようにすることによって、実施例５と同様に磁性体リングコア１５１の内周の空間に電流１３５を効率的に閉じ込めることができ、軸受の電食を防止できる。

図１６に図１４のＨ−Ｈ′断面図を示す。磁性体コア１５１がステータコアの内周に取り付けられている。本実施例では、磁性体リングコアがロータ４に取り付けていないため、ロータ４の重量バランスを取りやすい利点がある。

図１８に実施例１の回転電機とインバータを組み合わせて圧縮機（インバータ駆動装置）を構成した場合の例を示す。圧縮機１８０は円管部１８１と上下に設けられた蓋１８２、１８３によって冷媒および潤滑油を閉じ込め、この中で冷媒を圧縮して図示しない冷熱サイクル機器に供給している。具体的には、回転電機のシャフト１８４の上部にはスクロールなどの圧縮機構部１８９が取り付けられている。また、シャフトの下部には潤滑油を貯めておきこれをシャフトに空けた穴を通して上部に供給している。本発明の実施例８では、シャフトの穴１８５に導体棒１８６を貫通させ、さらに蓋１８２、１８３をネジ穴によって締結することで固定している。

実施例８のインバータ駆動装置のシャフト１８４に不平衡磁束１０００が鎖交した際に流れる電流の経路を破線で示す。電流は不平衡磁束の時間変化を打消す方向に流れる。不平衡磁束１０００がシャフト１８４に鎖交すると従来は軸受を電流が流れていたが、実施例８では導体棒１８６と蓋１８２、１８３、円管１８０で作る閉回路に電流１９０が流れるため、軸受には電流が流れず電食は発生しない。

１、４０、７０、９０、１１０、１３０、１５０、１７０ 回転電機
２ ステータ（固定子）
３ ステータコイル
４ ロータ（回転子）
５ ロータコア
６、４４、１８４ シャフト
９、４１ 導体棒
１０ ハウジング
１１ インバータ
１２、１３ エンドブラケット
１５、１６ 軸受
１７、１８、１３３、１３４ サポート治具
４２、４３、７２、７３ 短絡板
９１、９２、１１１、１３１、１３２ 磁性体リングコア
１０００ 不平衡磁束

Claims (8)

1. シャフトと、
   該シャフトが回転することにより回転する回転子と、
   該回転子と固定子とを内部に有するハウジングと、
   前記シャフトを回転自在に支持する軸受と、を備えた回転電機において、
   前記シャフトの周りの磁束が不平衡となることによって生じる誘起電流が流れる電流経路を前記シャフトにブラシを設けることなく形成し、前記電流経路により前記誘起電流が前記軸受に流れないようにすることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記電流経路は、前記シャフトの軸方向に形成された穴に導体部材が挿入され、該導体部材の両端が前記ハウジングと電気的に接続されることにより形成されることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記回転子は前記シャフトの周囲に取り付けられて該シャフトとともに回転し、
   前記電流経路は、前記回転子の軸方向に形成された複数の穴にそれぞれ導体部材が挿入され、該複数の導体部材の両端がそれぞれ短絡するための短絡部材により接続されることにより形成されることを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記電流経路は、さらに前記短絡部材が前記シャフトと接続されることにより形成されることを特徴とする回転電機。
5. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記回転子の軸方向の両端のそれぞれの外周部にリング形状の磁性体部材を配置したことを特徴とする回転電機。
6. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記回転子の軸方向の少なくとも一箇所の外周部にリング形状の磁性体部材を配置したことを特徴とする回転電機。
7. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記固定子は前記回転子の外周方向に配置され、
   前記固定子の内周側にリング形状の磁性体部材を配置したことを特徴とする回転電機。
8. 冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
   該圧縮機構部を駆動する回転電機と、を備えた圧縮機において、
   前記回転電機は請求項１〜７の何れかに記載の回転電機であることを特徴とする圧縮機。