(57)【要約】  電気機械では、軸受（ＷＬ）を介して有害な潤滑膜放電の起きるのを防止せねばならない。このため、電流源（ＩＱ）により軸受（ＷＬ）を通して電流を供給するように構成する。この結果、電流は両方の軸受要素の一方から潤滑膜を介して他方の軸受要素へと流れる。特に交流は潤滑膜を導電性とするのに適しており、潤滑膜によって規定されたキャパシタンスは充電することができず、又は僅かに充電できるだけであり、有害な放電電流を発生することがない。
2009527211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１能動部品（ＳＴ）と、該部品と磁気的に協動する第２能動部品（ＲＯ）と、能動部品（ＳＴ、ＲＯ）を相互に支承する軸受機構（ＷＬ）とを有する電気機械であって、
第１能動部品（ＳＴ）が第１軸受要素と結合され、第２能動部品（ＲＯ）が第２軸受要素と結合され、潤滑膜が両方の軸受要素を相互に分離し、潤滑膜を介して一方の軸受要素から他方の軸受要素へと電流を誘導できるように、電流源（ＩＱ）が軸受機構（ＷＬ）に直接又は間接的に接続されている電気機械。
【請求項２】
ハウジングを有し、前記両能動部品（ＳＴ、ＲＯ）の一方がこのハウジングと電気的に結合され、電流源（ＩＱ）が電流を軸受機構（ＷＬ）に導入するためにハウジングと結合されている請求項１記載の電気機械。
【請求項３】
電流源（ＩＱ）が軸受機構に交流を印加する請求項１又は２記載の電気機械。
【請求項４】
交流の周波数が９ｋＨｚより上である請求項３記載の電気機械。
【請求項５】
両方の軸受要素の間の電圧が実質零であるように電流源（ＩＱ）を調節可能な調節機構（ＲＥ）を有する請求項１から４の１つに記載の電気機械。
【請求項６】
電流源（ＩＱ）が軸受機構（ＷＬ）と非接触式に電気的に結合されている請求項１から５の１つに記載の電気機械。
【請求項７】
電流源（ＩＱ）がハウジングの内部で軸受機構（ＷＬ）と結合されている請求項２から６の１つに記載の電気機械。
【請求項８】
電流源（ＩＱ）が電気機械の端子電圧からエネルギーを入手する請求項１から７１つに記載の電気機械。
【請求項９】
電流源（ＩＱ）がモータ検出器と一体化されている請求項１から８の１つに記載の電気機械。
【請求項１０】
互いに移動可能な２つの軸受要素が潤滑膜によって相互に分離された電気機械軸受（ＷＬ）内での有害な軸受電流を防止する方法であって、潤滑膜を介して両方の軸受要素の一方から他方の軸受要素へと電流を流す方法。
【請求項１１】
両方の軸受要素に交流電流を供給する請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
交流の周波数が９ｋＨｚより上である請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
両方の軸受要素の間で電圧が零であるように供給電流を調節する請求項１０から１２の１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械内の有害な軸受電流を防止するための装置と、この装置を装備した電気機械に関する。更に、本発明は有害な軸受電流を防止するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の目的は、例えば蒸気又はガスタービンロータの支承時に現れる軸受内の潤滑膜放電を極力防止することである。これらのロータでは、羽根での流体噴流の摩擦により静電帯電が起きる。更に、歯車装置、ピストン機械又は別の機械的回転機械の軸受も保護せねばならない。可変速機械では、有害な軸受電流を基本的に防止せねばならない。
【０００３】
可変速モータは、今日主として電圧中間回路コンバータから給電される。電圧中間回路コンバータによる給電は、モータ軸受内に軸受電流を生じる。該軸受電流は、モータの設計によっては軸受の故障を早めることがある。該故障は、軸受摺動面の波状摩耗（振動、騒音）や軸受グリースの分解に起因する。
【０００４】
軸受電流、所謂循環電流を阻止すべく、しばしば電流絶縁軸受、例えば外輪又は内輪にセラミック絶縁体を有する軸受が使用される。選択的に、鋼輪とセラミック転動体とを有するハイブリッド軸受も循環電流およびＥＤＭ電流を防止すべく利用される。しかしこれらの軸受は極めて高価であり、それ故に極力避けられる。更に、軸受電流を防止すべくロータを接地ブラシで接地する解決策も公知である。しかし接地ブラシは摩耗を受け、殊に困難な周囲条件の下で確実な接触は与えられない。更に、ロックウェル社により、「インバータ駆動誘導モータの軸および軸受電流解」を題とする「産業白書」において、ロータとステータとの間に特殊なシールドを設けることが提案された。これに関連して更に、軸受電流を減らすための特殊なパルスパターンを有するコンバータも公知である。これらの解決策は、全て比較的高価又は費用を要する点で共通している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の課題は、軸受電流の問題を簡単に解決した電気機械を提供することである。更に、相応する方法をも提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によればこの課題は、第１能動部品と、該部品と磁気的に協動する第２能動部品と、両能動部品を相互に支承する軸受機構とを有する電気機械であって、第１能動部品が第１軸受要素と結合され、第２能動部品が第２軸受要素と結合され、潤滑膜が両方の軸受要素を相互に分離し、潤滑膜を介して一方の軸受要素から他方の軸受要素へと適切な電流を誘導できるように、電流源が軸受機構に直接又は間接的に接続されている電気機械によって解決される。本明細書において「能動部品」とは、回転電気機械のステータ又はロータであり、更にはリニアモータの一次部品又は二次部品でもある。
【０００７】
本発明は、更に互いに移動可能な２つの軸受要素が潤滑膜によって相互に分離された電気機械軸受内での有害な軸受電流を防止する方法であって、潤滑膜を介して両軸受要素の一方から他方へと流れる適切な電流を供給する方法を提供する。
【０００８】
本発明により潤滑膜に通電することによって、これまで高価なハイブリッド軸受が必要であった電気機械内に市販の軸受を利用できる。有害な軸受電流なしに、軸受の寿命は著しく高まる。
【０００９】
本発明の好ましい一実施形態では、電気機械がハウジングを有し、両方の能動部品の一方がこのハウジングと電気的に結合されており、電流源が電流を軸受機構に導入すべくハウジングと結合される。こうして例えば、電気機械の内部を変更することなく、本発明に係る電流源を電気機械に追加装備することが可能である。
【００１０】
電流源が軸受機構に交流を供給するとよい。交流の周波数は有効性のため９ｋＨｚより上とすべきであろう。こうして潤滑膜の電気的性質は、放電を可能とする一定の導電率が保証されるように有効に調節できる。
【００１１】
電気機械が、両方の軸受要素の間の電圧が実質零であるように電流源を調節可能な調節機構を有するとよい。こうして、潤滑膜を通して誘導される電流が十分に高く、それにも係わらず、潤滑膜を取り替えねばならない程に電流が過大になるのを防止できる。
【００１２】
電流源は、軸受機構と非接触式に電気的に結合できる。これによる利点は、移動する能動部品を特殊な接触機構、例えば接触ブラシと接触させる必要がない点である。本発明の他の好ましい１実施形態では、電流源はハウジングの内部で軸受機構と結合される。こうして電流源又はその接触機構も環境の影響から保護できる。
【００１３】
電流源が、そのエネルギーをモータの端子電圧から入手すると好ましい。こうして、軸受の通電用の特殊な電力供給は不要となる。
【００１４】
更に本発明に係る電流源は、モータ検出器に一体化できる。こうして、電気機械の駆動電子装置全体を小型にまとめることができる。
【００１５】
次に、添付図面に基づいて本発明を詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下で詳しく述べる実施例は本発明の好ましい実施形態である。基本的に本発明は、能動部品が互いに移動しかつ能動部品が相互に支承されている全種類の電気機械に応用可能である。特に、回転電気機械における諸利点は、ロータ給電式にしろステータ給電式にしろ、交流が給電されるのか直流が給電されるのかと無関係に得られる。
【００１７】
コンバータに起因した軸受電流の原因は、図１に示す電圧中間回路コンバータＵＲのパルスパターンにおける所謂「コモンモード電圧」又は「同相電圧」である。モータＤＭに印加されるコモンモード電圧Ｕ0は、例えばモータ巻線の星形接続の場合、中性点とモータハウジングとの間で直接測定できる。電圧中間回路コンバータＵＲの電子開閉素子ＳＥは中間回路ＺＫの電圧Ｕdを制御法に従ってモータ巻線ＭＷに接続する。所謂オンライン制御法とオフライン制御法が存在する。利用する制御法と無関係に図１の中性点ＳＰで基本的電圧推移Ｕ0が現れる。この電圧推移は、やはり図１に書き込んだ相間電圧ＵLLから生ずる。
【００１８】
電子開閉素子ＳＥの入切はモータ内の寄生キャパシタンスで電圧変化を生じ、電流を生ずる。図２は、ステータＳＴとロータＲＯとを含むステータ給電式三相モータＤＭ内のこの寄生キャパシタンスを示す。ロータＲＯの軸ＷＥは、例えば転がり軸受ＷＬを介してステータＳＴで支承されている。ステータＳＴの巻線ＭＷに電圧Ｕが印加される。
【００１９】
このモータ構造（図３も参照）は、モータ巻線とモータハウジングの間にキャパシタンスＣwh、モータ巻線とロータの間にキャパシタンスＣwr、ロータとモータハウジングの間にキャパシタンスＣrh、転動体と軸受輪の間に有効キャパシタンスＣb、潤滑膜の非線形抵抗Ｚn、そして軸受輪と転動体とから成る軸受の有効抵抗Ｒbを生ずる。
【００２０】
これらの電気量から、転がり軸受ＷＬのインピーダンスＺbの電気等価回路図も含めて三相モータの図３に示す単相等価回路図が生ずる。従ってキャパシタンスＣwhは相Ｕと接地ＰＥの間にある。このキャパシタンスＣwhと並列にキャパシタンスＣwr、Ｃrhの直列接続が配置されている。やはりキャパシタンスＣrhと並列に軸受インピーダンスＺbがある。この軸受インピーダンスＺbは、キャパシタンスＣbと潤滑膜抵抗Ｚnの並列接続から成り、この並列接続は軸受抵抗Ｒbと直列に接続されている。
【００２１】
有害な軸受電流は放電効果に伴い発生することがある。その際（図４、図５参照）、転がり軸受ＣbのキャパシタンスはＣwr、Ｃrh、Ｃbから成る容量分圧器を介して、潤滑膜がこの電圧を絶縁できる限り充電される。破壊電圧に達するとキャパシタンスＣbは軸受内部で短絡され、この短絡時にキャパシタンスＣrhは放電する。潤滑膜が絶縁する限り、軸受上の電圧はモータ構造によって予め与えられた軸受電圧比ＢＶＲ（bearing voltage ratio）に相応するコモンモード電圧の写しである。
【００２２】
軸受電圧比ＢＶＲは、軸受インピーダンスＺbの電圧ＵZbとキャパシタンスＣwhの電圧ＵCwhとの比によって与えられる。この比は、代表的には０．０２〜０．２の間にある。図７では、電圧ＵZbがＢＶＲの小さな値とＢＶＲの大きな値とについてその推移のなかに示唆されている。回路又はモータ巻線はインピーダンスＺを介して半分の中間回路電圧０．５Ｕdを供給され、この中間回路電圧は電圧ＵZbと同じ信号推移を有する。
【００２３】
図６に示す本発明に係る回路ＩＱにより、軸受ＷＬにとり無害な電流Ｉbが入力され、該電流は軸受ＷＬの潤滑膜を崩さない。潤滑膜は図３、図５に関連して触れたキャパシタンスＣbを形成する。即ち電流源ＩＱにより生成される電流Ｉhfは軸受電流Ｉbとして、軸受ＷＬを介して、即ちキャパシタンスＣbを介して流れ、しかし一部は機械ロータＲＯとハウジング又はステータＳＴの間のキャパシタンスＣrhを介しても流れる。
【００２４】
電流Ｉbは潤滑膜の短絡を引き起こし、キャパシタンスＣbの充電を防止する。こうして軸受内部の潤滑膜放電電流は排除され、軸受電圧比ＢＶＲは事実上零となる。入力される電流Ｉhfは、好ましくは９ｋＨｚ未満の周波数の高周波電流である。しかしこの好ましい周波数は、潤滑膜の組成に伴って変化することがある。
【００２５】
電流源ＩＱは軸受ＷＬの潤滑膜を経て給電するだけでなく、キャパシタンスＣwrを介して周波数コンバータ（図示せず）の開閉過程により入力結合されるエネルギーも吸収する。ここで補足的に述べれば、電流源は内部抵抗を有する電圧源としても構成し得る。
【００２６】
本発明の特別好ましい一実施形態に相応する図７によれば、調節器ＲＥは、エネルギーが入力するにも係わらず、軸受電圧ＵzbがキャパシタンスＣwrを介して零に調節されるように、制御される電流源ＩＱの電流を調整する。調節器ＲＥの実際値は、例えば低域フィルタＴＰを介して電流源の出力端から、又は直接にロータＲＯから取り出され、調節器ＲＥの出力電圧Ｕaが電流Ｉhfの値を制御する。この結果、有害な軸受電流を防止すべく調節した電流源ＧＩが生ずる。
【００２７】
電流源ＩＱは、例えばスリップリングを介して接触式に、又は好適な連結機構、例えばアンテナを介して非接触式に、ロータＲＯに連結される。高周波電流源の連結は、ロータＲＯの任意の箇所で、高周波信号の放射を最少にすべくモータの内部で、又は外部から、モータ軸ＷＥへと行うことができる。
【００２８】
高周波電流源ＩＱの動作用エネルギーは、モータの端子電圧から得ることができる。選択的に高周波電流源は独自の電力供給、例えばＤＣ２４Ｖを供給する。通電回路全体、ここでは調節された電流源ＧＩ又は単純な電流源ＩＱは、モータ検出器の構成要素とすることもでき、又はそのようなものとして実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】２点回路の電圧中間回路コンバータで給電されるモータの回路図である。
【図２】モータの断面図である。
【図３】図２のモータの単相等価回路図である。
【図４】電気配線を有する図２のモータを示す。
【図５】図４の配線に相応する等価回路図と軸受電流信号形状を示す。
【図６】軸とハウジングとの間に電流源を有するモータの本発明に係る接続を示す。
【図７】調節された電流源を有する図６のモータを示す。
【符号の説明】
【００３０】
ＩＱ  電流源、ＲＥ  調節機構、ＲＯ  第２能動部品、ＳＴ  第１能動部品、ＷＬ  軸受機構
【図１】
2009527211.tif 000003
【図２】
2009527211.tif 000004
【図３】
2009527211.tif 000005
【図４】
2009527211.tif 000006
【図５】
2009527211.tif 000007
【図６】
2009527211.tif 000008
【図７】
2009527211.tif 000009
【国際調査報告】
2009527211.tif 000010
2009527211.tif 000011
2009527211.tif 000012
2009527211.tif 000013
2009527211.tif 000014
2009527211.tif 000015