JP4894493B2

JP4894493B2 - 絶縁リング及び回転電機

Info

Publication number: JP4894493B2
Application number: JP2006333184A
Authority: JP
Inventors: 道雄小川; 孝誠辻; 悟林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: JP2008148453A

Description

この発明は、インバータ駆動される回転電機の軸受に流れる電流に起因する電食を防止するための絶縁リング及びこの絶縁リングを用いた回転電機に関するものである。

インバータ装置によって回転速度を制御されるファンモータや水中ポンプなどの、所謂ＰＷＭインバータ装置とＰＷＭインバータ装置によって駆動される回転電機とからなる駆動装置を使った製品においては、前記回転電機の軸受に電食が生じる現象があり、当該電食により軸受が損傷する。このため、従来から、このような電食による軸受の損傷を軽減あるいは防止するため、種々の改善提案がなされている。

例えば、誘導電動機の回転軸を固定する転がり軸受の外輪の外周部に熱可塑性エラストマの層を形成して、ボ−ル或いはベアリング全体をセラミック（絶縁物）で形成し、回転軸とア−ス側とを絶縁することにより、電食による軸受の損傷を防止するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、他の例として、軸受の回転部分と静止部分との間の空隙に導電グリ−スを充填し、モ−タの回転子とモ−タのフレームケースとを電気的に導通させ両者間の電位差を減少させることにより、電食による軸受の損傷を防止するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、他の例として、軸受外輪の外周に、セラミックス層と金属層を積層した２層もしくは３層構造を形成することにより、電食による軸受の損傷を防止するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

更にまた、他の例として、凸部を設けた絶縁材と凹部を設けたブラケットを勘合させ、軸受とブラケットとの間に前記絶縁材を介在させることにより、電食による軸受の損傷を防止するものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開平１０−１８４６９９号公報（図５、段落番号００７０〜００７２）特開２００１−１０７８８７号公報（図１〜図６、段落番号０００８〜００１０）特開２００２−１８１０５４号公報（図１〜図５、段落番号００１０〜００２３）特開２０００−１５６９５２号公報（図１〜図４、段落番号００２６〜００３８）

しかしながら、前述の特許文献１及び特許文献２のような機械的手段に依存した軸受の電食対策では次のような問題が生じる。
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。

この発明は、前述のような従来の実情に鑑みてなされたもので、安価に且つ長期に亘って安定して軸受の電食を軽減することができる絶縁リング及び回転電機を提供することを目的とするものである。

この発明に係る絶縁リングは、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としたものである。
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。

この発明によれば、安価に且つ長期に亘って安定して軸受の電食を軽減することができる絶縁リング及び回転電機を得ることができる。

実施の形態１．
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。

また、ブラケット６と転がり軸受７の外輪との間に、転がり軸受７の電食を軽減する絶縁リング８が挿入されている。
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。

なお、絶縁リング８の外リング８ａ及び内リング８ｂの材料としては、加工性、入手性の点から、例えば鋼板、ステンレス、アルミ、銅、鋳物、チタン、タングステンなどを用いる。
また、絶縁体８ｃの材料としては、体積抵抗率が１×１０^１０Ω・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１×１０^１０Ω・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１×１０^１０Ω・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。

また、絶縁リング８の絶縁体８ｃには、低収縮化や、強度及び弾性率向上のために無機物の粉末を配合することができる。
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

また、この絶縁リング８は次のように製作される。
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。

また、本実施の形態で用いられる絶縁リング８は、上述のように構成されているため、静電容量及びインピーダンスを、電食の原因と考えられる現象に対して効果的である値に容易に最適化することができる。
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。

ところが、表１に示すように、絶縁リング８は、その静電容量が大きくなると循環電流が多く流れる（650pFの場合、300mAの循環電流が流れる）ため、静電容量が大きくなる薄膜絶縁構造物では十分な電食抑制効果が得られない。つまり、絶縁リング８の静電容量は、小さすぎず、大きすぎない値に最適化する必要がある。
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。

表１．絶縁リングの静電容量と循環電流

本実施の形態で用いられる絶縁リング８構造によれば、内外リング８ａ、８ｂの径を調整し両者間の絶縁体８ｃが挿入される隙間を調整することにより、静電容量がモータの固定子−ロータ間の静電容量よりも10倍以上で且つ循環電流を1/100以下に抑制できる構造を容易に得ることができる。
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。

以上説明したように、本実施の形態１の絶縁リング８構造によれば、内外リング８ａ、８ｂの径を調整し両者間の絶縁体が挿入される隙間を調整するだけで、即ち極めて容易に、静電容量及びインピーダンスを最適化することができる。
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。

なお実施の形態１において、転がり軸受７の軸方向移動を阻止するとともに、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ため、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が、内リング８ｂにて転がり軸受７の軸方向移動を阻止する必要がない場合には、内リング８ｂにＬ字状の折曲部８ｂａを設ける必要はない。但しこの場合、内リング８ｂとブラケット６とが電気的接続されないよう、内リング８ｂとブラケット６との間に絶縁体８ｃを介在させるなどして両者間を電気的絶縁する構成を考慮する必要がある。

実施の形態２
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。

実施の形態３．
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。

実施の形態４．
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。

この発明に係る絶縁リングは、ブラケットと転がり軸受の外輪との間に配置されて用いられる。

この発明の実施の形態１における回転電機の縦断面図である。この発明の実施の形態１における絶縁リングを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。この発明の実施の形態１における絶縁リングの製造方法を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。この発明の実施の形態２における絶縁リングを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。この発明の実施の形態３における絶縁リングを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。この発明の実施の形態４における絶縁リングを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１回転軸、２回転子鉄心、３固定子、４固定子コイル、５フレーム、６ブラケット、７転がり軸受、８絶縁リング、８ａ外リング、８ｂ内リング、８ｃ絶縁体、８ｂａ折曲部、８ａａ凹部、８ｂｂ凹部、８ａｂ凹部、８ｂｃ凹部

Claims

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。