JP2014011827A - 回転電機及び圧縮機 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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
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Claims (8)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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