JP6925304B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子及び固定子を備えた回転電機に関する。

回転電機において、巻線の中性点電位変動などにより回転軸に電圧が発生すると、回転軸に発生した電圧は、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生じる電食現象が発生してしまう。

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、インバータの変調方式による中性点基本波電圧の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及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、固定子の円環状ヨーク及び円環状ヨークと併設された磁性コアとともにコイルを巻回して閉路を構成するキャンセルコイルを設け、円環状ヨーク内を円周方向に流れる不平衡磁束をキャンセルコイルに貫かせて三次の電圧を誘導することにより不平衡磁束を妨げる電流をキャンセルコイルに流して、軸電圧を低減することで軸受の電食を抑制する方法が提示されている。

特開２０１８−２６８９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される発明は、回転トルクへの影響を最小限にするために、一つの閉路に三つの要素コイルを直列に接続する必要があるため、構造及び加工が複雑となる。一方、一つの要素コイルだけで閉路を構成すると、回転トルクを発生する有効磁束まで低減してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構造及び加工を複雑とせず、有効磁束に影響を及ぼすことなく軸電圧を低減して、軸受電食を抑制した回転電機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、本発明は、円筒状に形成された固定子と、固定子の内側に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軸受及び第２軸受と、固定子、第１軸受及び第２軸受を支持する外郭と、一端が第１軸受に接続され、他端が第２軸受に接続されたキャンセル線とを備える。固定子は、円環状のヨークと、ヨークの内周面から径方向に突出する複数のティースとを有する固定子鉄心と、固定子鉄心に絶縁物を介して巻回された電機子巻線とを有する。キャンセル線は、ヨークの内周を貫通している。

本発明によれば、構造及び加工を複雑とせず、有効磁束に影響を及ぼすことなく軸電圧を低減して、軸受電食を抑制した回転電機を得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の縦断面図 実施の形態１に係る回転電機の横断面図 実施の形態１に係る回転電機の固定子の斜視図 実施の形態１に係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に係る回転電機の３倍の周波数の電圧を重畳した相電圧と相間電圧と中性点電圧の基本波波形とを示す図 実施の形態１に係る回転電機の中性点電圧波形と軸受電圧波形との実例を示す図 本発明の実施の形態２に係る回転電機の横断面図 本発明の実施の形態３に係る回転電機の横断面図 本発明の実施の形態４に係る回転電機の横断面図 実施の形態４に係る回転電機の固定子の斜視図

以下に、本発明の実施の形態に係る回転電機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の縦断面図である。図２は、実施の形態１に係る回転電機の横断面図である。図２は、図１中のII-II線に沿った断面を示している。図３は、実施の形態１に係る回転電機の固定子の斜視図である。回転電機１０は、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及び第２軸受１５とを備えている。また、回転電機１０は、固定子１１、第１軸受１４及び第２軸受１５を支持する外郭１６を備えている。

第１軸受１４は、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。第２軸受１５は、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及び内輪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。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及び内輪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摩耗するのを防止している。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摩耗するのを防止している。

固定子１１は、円環状のヨーク１７及びヨーク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からなる固定子鉄心１９と、電機子巻線２０とを有する。以下、ティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６全体を指してティース１８という。固定子鉄心１９は透磁率の高い磁性材料で形成される。ヨーク１７は、ヨーク部１７１，１７２，１７３，１７４，１７５，１７６を備える。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。ティース１８１とティース１８２とは、ヨーク部１７１で接続されている。ティース１８２とティース１８３とは、ヨーク部１７２で接続されている。ティース１８３とティース１８４とは、ヨーク部１７３で接続されている。ティース１８４とティース１８５とは、ヨーク部１７４で接続されている。ティース１８５とティース１８６とは、ヨーク部１７５で接続されている。ティース１８６とティース１８１とは、ヨーク部１７６で接続されている。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が巻回されており、電機子巻線２０と同じスロット２１内を貫通してキャンセル線２２が設けられている。キャンセル線２２は、一端２２ａが第１軸受１４の外輪１４ｇに電気的に接続され、他端２２ｂが第２軸受１５の外輪１５ｇと電気的に接続されている。

図４は、実施の形態１に係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側及び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側及び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相及び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の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の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のレグを構成している。第１のレグ、第２のレグ及び第３のレグは、直流電源４０に並列に接続されている。第１のレグから出力端子Ｒが出ており、回転電機１０のＵ相と接続されている。第２のレグから出力端子Ｓが出ており、回転電機１０のＶ相と接続されている。第３のレグから出力端子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、直流電圧変換器で電圧調整してもよい。

次に、軸受電食発生原理と、実施の形態１にかかる回転電機１０において電食が抑制される仕組みについて説明する。

インバータ３０は、直流電源４０の直流電圧Ｖ_ＤＣが印加される。インバータ３０は、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オン又はオフし、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及びマイナス側の電位ＰＳＣのいずれに接続するか、又はどちらにも接続しないようにする。インバータ３０は、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相正弦波電圧となるように動作する。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の電圧波形を見ると、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で、各レグの上段のアームをオンするか下段のアームをオンするかを決める。ただし、直流電圧Ｖ_ＤＣの範囲の中で、相間電圧をできるだけ大きくとるために、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。

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すると、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、相間電圧は正弦波電圧となる。

図５は、実施の形態１に係る回転電機の３倍の周波数の電圧を重畳した相電圧と相間電圧と中性点電圧の基本波波形とを示す図である。出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔにおける電圧は、Ｕ相、Ｖ相及び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による軸電圧が発生し、第１軸受１４及び第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、パルス幅変調された矩形波状の電圧のため、実際には電機子巻線２０全体の電圧も矩形波状に変動している。したがって、第１軸受１４及び第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電圧が印加され、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６は、実施の形態１に係る回転電機の中性点電圧波形と軸受電圧波形との実例を示す図である。中性点電圧よりも鈍ってはいるが、中性点電圧の変動により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。

インバータ３０の出力を電機子巻線２０へ印加すると、零相電圧と呼ばれる電機子巻線２０全体の電圧は、上記のように重畳された３倍の周波数の正弦波で振れ、中性点電圧となって現れる。中性点電圧は、ヨーク１７に円周方向に循環する磁束を発生させる。ヨーク１７を円周方向に循環する磁束は、回転軸１３と同様にヨーク１７を貫通しているキャンセル線２２にも誘導起電力による電圧を発生させる。ヨーク１７を円周方向に循環する磁束による回転軸１３への誘導起電力と、ヨーク１７を円周方向に循環する磁束によるキャンセル線２２への誘導起電力とは等しい。このため、回転軸１３に電気的につながっている第１軸受１４の内輪１４ｎ及び第２軸受１５の内輪１５ｎの間の電位差とキャンセル線２２に電気的につながっている第１軸受１４の外輪１４ｇ及び第２軸受１５の外輪１５ｇの間の電位差は、等しくなる。したがって、第１軸受１４の内輪１４ｎと第１軸受１４の外輪１４ｇとの間の電位差及び第２軸受１５の内輪１５ｎと第２軸受１５の外輪１５ｇと間の電位差は、概ね零となるため、第１軸受１４及び第２軸受１５の内部で放電が発生することがなくなり、第１軸受１４及び第２軸受１５の電食が抑制される。

実施の形態１に係る回転電機１０は、構造及び加工を複雑とせず、有効磁束に影響を及ぼすことなく軸電圧を低減して、第１軸受１４及び第２軸受１５の電食を抑制できる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る回転電機の横断面図である。図７は、図１中のII-II線に沿った断面に相当する断面を示している。実施の形態１に係る回転電機１０は、キャンセル線２２を１箇所のスロット２１に通す構造としたが、実施の形態２に係る回転電機１０は、ティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６の各ティースに、キャンセル線２２を巻回して、全部を直列結線して巻き始めと巻き終わりを第１軸受１４の外輪１４ｇ及び第２軸受１５の外輪１５ｇへ接続している。

実施の形態２に係る回転電機１０においても、キャンセル線２２には回転軸１３と同等の誘導起電力による電圧が発生し、第１軸受１４の内輪１４ｎと第１軸受１４の外輪１４ｇとの間の電位差及び第２軸受１５の内輪１５ｎと第２軸受１５の外輪１５ｇとの間の電位差は概ね零となる。したがって、実施の形態２に係る回転電機１０は、第１軸受１４及び第２軸受１５の内部で放電が発生することがなくなり、第１軸受１４及び第２軸受１５の電食が抑制される。

実施の形態２に係る回転電機１０は、ティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６にキャンセル線２２を巻きつけることで、キャンセル線２２を安定して固定することができ回転電機１０の生産性が向上するとともに、振動によるキャンセル線２２の断線といった不具合を抑制できる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る回転電機の横断面図である。図８は、図１中のII-II線に沿った断面に相当する断面を示している。実施の形態１及び実施の形態２では、キャンセル線２２に回転軸１３と同等の誘導起電力を発生させる構造としたが、外郭１６が金属などの導電性材料の場合は、キャンセル線２２の両端から第１軸受１４の外輪１４ｇ、軸受箱１６ｆ、外郭１６、軸受箱１６ｒ及び第２軸受１５の外輪１５ｇを経由する電流が流れると、キャンセル線２２の両端の電位差が、第１軸受１４の内輪１４ｎと第２軸受１５の内輪１５ｎとの間の電位差よりも低下してしまう場合がある。

実施の形態３に係る回転電機１０は、図８に示すようにヨーク１７に複数回キャンセル線２２を巻回して、キャンセル線２２に発生する誘導起電力を回転軸１３に発生する誘導起電力よりも高くすることにより、外郭１６経由の電流が流れてキャンセル線２２の両端の電位差が低下する分を補える。

実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４に係る回転電機の横断面図である。図９は、図１中のII-II線に沿った断面に相当する断面を示している。図１０は、実施の形態４に係る回転電機の固定子の斜視図である。実施の形態３に係る回転電機１０では、キャンセル線２２に発生する誘導起電力は回転軸１３に発生する誘導起電力との巻数比により整数倍となるため、キャンセル線２２の両端の電位差を回転軸１３の電位差とぴったり合わせられない場合がでてくる。そこで、実施の形態４に係る回転電機１０は、図９に示すように、キャンセル線２２と直列にコンデンサ５０を接続して外郭１６経由の電流の大きさを調整する。キャンセル線２２にコンデンサ５０を直列接続することにより、キャンセル線２２の両端の電位差を第１軸受１４の内輪１４ｎと第２軸受１５の内輪１５ｎとの間の電位差と概ね等しくすることができ、第１軸受１４及び第２軸受１５の電食を抑制できる。

また、実施の形態１及び実施の形態２では、中性点電圧の変動の基本波分についてもキャンセル線２２の両端に発生させるようにしたが、図１０に示すように、実施の形態４に係る回転電機１０は、キャンセル線２２にコンデンサ５０を直列接続してインバータ３０のスイッチングによる高周波の矩形波成分だけをキャンセル線２２の両端に発生させることにより、軸受電食を抑制できる。

なお、図１、図２及び図３には、キャンセル線２２が直接第１軸受１４の外輪１４ｇ及び第２軸受１５の外輪１５ｇに接続された構造を示しているが、軸受箱１６ｆ，１６ｒが導電性の材料で形成されているならば、キャンセル線２２を軸受箱１６ｆ，１６ｒへ接続して軸受箱１６ｆ，１６ｒと第１軸受１４の外輪１４ｇ及び第２軸受１５の外輪１５ｇとの接触による導通でキャンセル線２２の電圧を第１軸受１４の外輪１４ｇ及び第２軸受１５の外輪１５ｇへ伝えてもよい。

また、上記実施の形態１から実施の形態４では、ころがり軸受を例に説明したが、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タイプの軸受であれば、キャンセル線２２を回転支持部に接続することにより、軸受に電食を抑制できる。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軸受には、すべり軸受を例示できるが、これに限定はされない。

上記実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３では、中性点電圧の変動する原理がわかり易いように、インバータ３０はパルス幅変調方式であり、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本発明は有効である。また、本発明は、インバータ３０の駆動方式が台形波駆動又は矩形波駆動である場合も有効である。

また、インバータ３０からの電圧供給でなくても、中性点電圧が変動する電源形態であれば、軸電圧により第１軸受１４及び第２軸受１５に電食が発生する可能性がある。本発明は、インバータ３０以外の中性点電圧が変動する電源であっても、第１軸受１４及び第２軸受１５の電食を抑制することができる。また、本発明は、電機子巻線２０が集中巻でなく、分布巻である場合にも同様の効果が得られる。

上記の各実施の形態においては、３相４極の永久磁石式同期電動機について説明したが、相数、極数及び電動機の種類は例示した構成に限定されるものではない。すなわち、本発明は、誘導電動機又はリラクタンス電動機といった交流電動機であれば適用可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の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、本発明の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、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、２２ キャンセル線、２２ａ 一端、２２ｂ 他端、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 コンデンサ、１７１，１７２，１７３，１７４，１７５，１７６ ヨーク部。

Claims (5)

1. 円筒状に形成された固定子と、前記固定子の内側に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軸受及び第２軸受と、前記固定子、前記第１軸受及び前記第２軸受を支持する外郭と、一端が前記第１軸受に接続され、他端が前記第２軸受に接続されたキャンセル線とを備え、
   前記固定子は、
   円環状のヨークと、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とを有する固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に絶縁物を介して巻回された電機子巻線とを有し、
   前記キャンセル線は、前記ヨークの内周を貫通し、複数の前記ティースに前記電機子巻線と同じ方向に巻回されていることを特徴とする回転電機。
2. 円筒状に形成された固定子と、前記固定子の内側に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軸受及び第２軸受と、前記固定子、前記第１軸受及び前記第２軸受を支持する外郭と、一端が前記第１軸受に接続され、他端が前記第２軸受に接続されたキャンセル線とを備え、
   前記固定子は、
   円環状のヨークと、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とを有する固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に絶縁物を介して巻回された電機子巻線とを有し、
   前記キャンセル線は、前記ヨークに巻回されていることを特徴とする回転電機。
3. 前記キャンセル線に直列に接続されたコンデンサを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記第１軸受及び前記第２軸受は、前記回転軸と接触する回転部と、前記回転部を回転可能に支持する回転支持部と、前記回転支持部を収容する軸受箱とを有し、
   前記キャンセル線は、前記第１軸受の前記回転支持部と前記第２軸受の前記回転支持部とに接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記第１軸受及び前記第２軸受は、前記回転軸と接触する回転部と、前記回転部を回転可能に支持する回転支持部と、前記回転支持部を収容する軸受箱とを有し、
   前記軸受箱は、導電性を有し、
   前記キャンセル線は、前記第１軸受の前記軸受箱と前記第２軸受の前記軸受箱とに接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。

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