JP4894493B2 - 絶縁リング及び回転電機 - Google Patents
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Description
即ち、特許文献1に記載のようなセラミックベアリングを使用する誘導電動機では、セラミックベアリングの価格が汎用の金属で構成されるベアリングに比べて数10倍の価格となり、汎用電動機に適用する際には無視できない金額となり、また種類も少ない。
また、特許文献2に記載のようなベアリングに封入するグリースとして導電性グリースを用いた誘導電動機では、電気伝導性を持たせるために微小のカーボン粉がグリース内に存在するが、中途半端な導通でかえってスパークが発生したり、カーボンの粉は異物とみなされるので、転動面よりはじきだされるため効果が持続しない。
また、特許文献3のように絶縁材がセラミックから構成される場合、設計の自由度が小さく、価格が高い。
更にまた、特許文献4のように絶縁材とブラケットに凹凸を付けて勘合する場合、絶縁材とブラケットに嵌め合いの加工精度が要求される。また、絶縁材に直接負荷がかかる構造だと、絶縁材の破損などにより、長期信頼性に欠ける。
またこの発明に係る回転電機は、金属製の外リングと、この外リング内に所定間隙を介して同軸状に配される金属製の内リングと、前記外リングと内リングとの間に介在され、両者間を電気的絶縁する絶縁体とを備える構成の絶縁リングを、ブラケットと軸受との間に介在させたものである。
以下この発明の実施の形態1を、図1〜図3を用いて説明する。
図1はこの発明の実施の形態1における回転電機(電動機)の構造を示す図である。
この回転電機は、回転軸1と回転子鉄心2からなる回転子と、この回転子の外側に所定の隙間を開けて配置された、固定子コイル4を有する金属製の固定子3と、この固定子3の外側に配置した金属製のフレーム5と、このフレーム5の両端部に電気的に接続された金属製のブラケット6と、このブラケット6に対して回転子の回転軸1を回転自在に支持する、内外輪及び転動体が金属製である転がり軸受7とを備えており、固定子3のスロットに配置された固定子コイル5に、インバータから電力を供給することで可変速駆動される。
この絶縁リング8は、図2に詳細に示すように、金属製の外リング8aと、この外リング8a内に所定間隙を介して同軸状に配される金属製の内リング8bと、外リング8aと内リング8bとの間に介在され、前記外リング8aと内リング8bとの間の隙間を埋めることにより外リング8aと内リング8bとの間を電気的絶縁する注形樹脂からなる絶縁体8cとを備える構成となっている。なお、この絶縁リング8は、回転電機の容量などに応じて、その内外リング8a、8bの内外径寸法、絶縁体8cの厚み、軸方向寸法が選定される。
またこの絶縁リング8の内リング8bは、転がり軸受7の外輪における外部側側面に当接するL字状の折曲部(当接部)8baを有し、この折曲部8baにて転がり軸受7の軸方向移動を阻止している。また、絶縁リング8の絶縁体8cは、内リング8bの折曲部8baとブラケット6との間にも介在してその間を電気的絶縁するよう、内リング8bの折曲部8baのブラケット側面に延在して設けられている。
また、絶縁体8cの材料としては、体積抵抗率が1×1010Ω・cm以上で、かつ外リング8a及び内リング8bとの線膨張係数の差が60×10−6ppm/℃以下である注形樹脂を用いる。
体積抵抗率が1×1010Ω・cm以上かつ金属部との線膨張係数の差が60×10−6ppm/℃以下の樹脂として、具体的にはエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、熱可塑性エラストマーが挙げられる。なお、体積抵抗率が1×1010Ω・cmよりも低いと、十分な絶縁効果が得られない。また、線膨張係数の差が60×10−6ppm/℃よりも大きいと運転・停止時の熱サイクルにより熱歪による応力が増し、クラックが発生する。
無機物の粉末としては、たとえば、溶融シリカ、結晶シリカ、カンラン石、ウォラストナイト、コージエライトもしくはフォルステライトなどのケイ酸塩化合物、アルミナ、水和アルミナ、水酸化アルミニウム、中空ガラスビーズ、ガラス繊維、酸化マグネシウム、酸化チタン、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト、タルク、チタン酸カリ繊維、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、三酸化アンチモン、無水石こう、硫酸バリウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、フッ化アルミニウム、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムまたはホウ酸アルミニウムなどの粉末が挙げられる。なお、無機物の粉末は、それぞれ単独で、または、任意に組み合わせて用いることができる
即ち、図3のように、第1の注形冶具9、この第1の注形冶具9に嵌め込まれた内リング8b、及びこの内リング8bと同心状に配置される外リング8aを、第2の注形冶具10に取り付ける。なおこの時、注形樹脂からなる絶縁体8cが注入時に、その取り付け部から絶縁体8cが漏洩しないよう密封して取り付ける。そして、絶縁体8cを、上方から注入する。絶縁体8cを所定の温度、所定の時間加熱して硬化させた後、第2の注形冶具10及び第1の注形冶具9を取外し、図2に示すような絶縁リング8を得る。そして、転がり軸受7との当接部及びブラケット6との当接部の同心度を出すため、内リング8bの内周もしくは外リング8aの外周を機械加工し、また絶縁体8cの注形面を、外リング8aの端面と面一となるよう加工することで絶縁リング8を得る。
このように絶縁リング8は、大掛かりな設備を必要とせず、極めて簡単な設備で製作することができる。
即ち、電食の原因と考えられる現象として、(1)中性点電圧に起因する軸受誘起電圧及び(2)循環電流(フレーム→ブラケット→軸受→固定子→軸受→ブラケット→フレームを内部の磁界の時間的変化に起因する電流)がある。
(1)中性点電圧に起因する軸受誘起電圧を抑制するためには、固定子と回転子間の静電容量より絶縁リング8の静電容量を十分大きい値(モータの固定子−ロータ間の静電容量よりも10倍以上)にする必要がある。
また、(2)循環電流を抑制するためには、大電流が瞬間(立ち上がり周波数数MHzから数100MHz)に流れるので、その電流を1/100以下に抑制するために十分なインピーダンスが必要(Z=1/(2×π×f(周波数)×静電容量))となる。
なお、表1は、絶縁体8cとしてエポキシ樹脂を使用し、回転電機の回転数が2000rpmの場合の実験データである。
なお、絶縁リング8の合成静電容量は、200pF以下であることが好ましい。
また、絶縁体8cが金属製の内外リング8a、8bで保護されるので、絶縁体8cに直接負荷が掛からず、長期に亘って安定した電食抑制効果が得られる。
また、外リング8aの外周側と内リング8bの内周側には転がり軸受7のはめ合い公差(同心度)が必要であるが、絶縁体8c側(外リング8aの内周側と内リング8bの外周側)にはそれよりも同心度を必要とせず、また絶縁体8cに加工精度を求めない構造となるので、汎用樹脂・汎用加工で安価に作製することが可能となる。また、専用の金型を必要とせず、冶具組立時の寸法精度不足や樹脂の硬化収縮があっても安定して信頼性の高い絶縁リング8を得ることができる。
また、内リング8bに、転がり軸受7の外輪における外部側側面に当接するL字状の折曲部8baを設け、且つこの折曲部8baとブラケット6との間に絶縁体8cを延在させて設けているので、この折曲部8baにて転がり軸受7の軸方向移動を阻止できるとともに、特に新たに絶縁構造物を追加することなく、ブラケット6と転がり軸受7の外輪との間を電気的絶縁することができる。
次に実施の形態2について図4を用いて説明する。
この実施の形態2に係る絶縁リング8は、外リング8aの内周部及び内リング8bの外周部に、軸方向に延在する凹部8aa、8bbを、等間隔に複数個所(この実施の形態の場合は4個所)設けたものである。
この結果、この絶縁リング8を図3に示すように製作する際、注形樹脂からなる絶縁体8cが凹部8aa、8baにも注入されることになる。このため、この絶縁リング8を図1に示すように回転電機に設置した場合、外リング8a及び内リング8bが、絶縁体8cに対して周方向に滑るのを防止でき、信頼性の高い絶縁リング8を得ることができる。
なお、凹部8aa、8bbに代えて、凸部にしても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、外リング8aと絶縁体8cとの間の滑りのみを防止したい場合には、外リング8aの内周部のみに凹部8aaまたは凹部を設ければよく、また内リング8bと絶縁体8cとの間の滑りのみを防止したい場合には、内リング8bの外周部のみに凹部8baまたは凹部を設ければよい。
次に実施の形態3について図5を用いて説明する。
この実施の形態3に係る絶縁リング8は、外リング8aの内周部及び内リング8bの外周部の一部に、径方向に凹む凹部8ab、8bcを、等間隔に複数個所(この実施の形態の場合は4個所)設けたものである。
この結果、この絶縁リング8を図3に示すように製作する際、注形樹脂からなる絶縁体8cが凹部8ab、8bcにも注入されることになる。このため、この絶縁リング8を図1に示すように回転電機に設置した場合、外リング8a及び内リング8bが、絶縁体8cに対して軸方向に滑るのを防止できるとともに、周方向に滑るのを防止でき、信頼性の高い絶縁リング8を得ることができる。
なお、凹部8ab、8bcに代えて凸部にしても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、外リング8aと絶縁体8cとの間の滑りのみを防止したい場合には、外リング8aの内周部のみに凹部8abまたは凹部を設ければよく、また内リング8bと絶縁体8cとの間の滑りのみを防止したい場合には、内リング8bの外周部のみに凹部8bcまたは凹部を設ければよい。
次に実施の形態4について図6を用いて説明する。
この実施の形態4に係る絶縁リング8は、外リング8aと内リング8bとの間に、L字状の折曲部8dd(転がり軸受7の外輪における外部側側面とブラケット6との間に介在される)を有する金属製の中間リング8dを設け、外リング8aと中間リング8dとの間、及び中間リング8dと内リング8bとの間に、注形樹脂からなる絶縁体8e、8cを夫々設けたものである。
なお、この絶縁リング8の絶縁体8eは、中間リング8dの折曲部8ddとブラケット6との間にも介在するよう、中間リング8dの折曲部8ddに沿って設けられている。
この実施の形態によれば、絶縁体を複数層にすることで、絶縁リング8の合成静電容量を下げ、少ない注形樹脂で循環電流を抑制できる。
なお、この絶縁リング8には、実施の形態2,3で説明した構成も適用することができる。また、中間リング8dは、必要に応じて2個以上設けて、3層以上の構成としてもよい。
Claims (8)
- 回転電機のブラケットと、回転子を回転自在に支承する転がり軸受の外輪との間に介在される絶縁リングにおいて、
金属製の外リングと、
この外リング内に所定間隙を介して同軸状に配される金属製の内リングと、
前記外リングと内リングとの間に介在され、両者間を電気的絶縁すると共に、前記外リング及び/または内リングに設けた凹部或いは凸部と係合し、前記外リング及び/または内リングの周方向へのすべりを防止する注形樹脂から構成された絶縁体と、
を備えることを特徴とする絶縁リング。 - 前記外リングと内リングとの間に所定間隙を介して同軸状に配される少なくとも一個の金属製の中間リングを有し、前記絶縁体は、前記各リング間の隙間に夫々介在されることを特徴とする請求項1に記載の絶縁リング。
- 前記中間リングの前記絶縁体と接触する面に、1個もしくは複数個の凹部または凸部を設けたことを特徴とする請求項2に記載の絶縁リング。
- 前記内リングは、前記転がり軸受の外輪における外部側側面に当接する当接部を有することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の絶縁リング。
- 前記絶縁体は、前記内リングの当接部のブラケット側面に延在して設けられていることを特徴とする請求項4に記載の絶縁リング。
- 前記凹部または凸部は、前記リングの軸方向に延在して設けられていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の絶縁リング。
- 前記凹部または凸部は、前記リングが絶縁体に対し周方向及び軸方向に滑るのを防止するよう、前記リングの一部に設けられていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の絶縁リング。
- 回転子と、
この回転子の外側に所定の隙間を開けて配置された金属製の固定子と、
この固定子の外側に配置した金属製のフレームと、
このフレームの両端部に電気的に接続された金属製のブラケットと、
このブラケットに対して前記回転子の回転軸を回転自在に支持する、内外輪および転動体が金属製である転がり軸受とを備えてなる回転電機において、
前記請求項1〜請求項7の何れかに記載の絶縁リングが、前記ブラケットと転がり軸受の外輪との間に配置されていることを特徴とする回転電機。
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