(57)【要約】【課題】  軸電圧による軸受の電食を防止するとともに定期的なメンテナンスを必要とせず、かつ安価な電食対策の電動機を提供する。【解決手段】  本発明の電動機は、鉄心１ａに固定子巻線１ｂを巻回した固定子１と、回転軸３に固定された回転子２と、回転軸３の両端部に設けた軸受５とからなるもので、回転軸３の表面に回転軸３の透磁率より高い透磁率の磁性体からなる高透磁率部を設けたものである。この高透磁率部が設けられた部位を軸受と鉄心の端部との間にするとよい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心に固定子巻線を巻回した固定子と、回転軸に固定された回転子と、前記回転軸の両端部に設けた軸受とからなる電動機において、
前記回転軸の表面に前記回転軸の透磁率より高い透磁率の磁性体からなる高透磁率部を設けたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記高透磁率部の部位が、前記軸受と前記鉄心の端部との間であることを特徴とする請求項１記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置駆動によって引き起こされる回転軸受部の電食を防止する電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動機を可変速するため、電力変換装置が用いられている。また、高速のパワーデバイスの開発により、電力変換装置のキャリア周波数の高速化が進んでおり、電力変換装置のスイッチング時には急峻な電圧変化が生じる。
【０００３】
従来の電力変換装置により駆動される電動機の構造を図５に示す。図において、１は固定子、２は回転子、３は回転軸、４はフレーム、５は軸受である。固定子１は鉄心１ａに固定子巻線１ｂを巻回している。  
電力変換装置は、スイッチング動作時に、コモンモード電圧を発生させる。このコモンモード電圧はステップ状の急峻な電圧であり、回転軸３に軸電圧を発生させる。電動機のコモンモード等価回路を図６に示す。図において、５ａは負荷側の軸受部、５ｂは反負荷側の軸受部、７は固定子巻線１ｂとフレーム４の間の浮遊容量、８は固定子巻線１ｂと回転子２の間の浮遊容量、９は回転子２とフレーム４間の浮遊容量、１０は本体である。このコモンモード電圧が電動機の各部の浮遊容量により分圧されたものである。この軸電圧は、回転軸３と接地電位となっているフレーム４との間の電圧である。従って、軸電圧が大きい場合には、軸受５の内輪−外輪間には大きな電圧が発生して、軸受５の内部では放電現象が引き起こり過大なベアリング電流が流れて、結果として電食が発生する。
このベアリング電流の流れる経路として、図７に示す３つの経路が考えられる。第１は図７（a）に示すように固定子巻線→回転子→回転軸→軸受→フレームとなる非循環経路であり、第２は図７（b）に示すように負荷側軸受→軸受→フレーム→反負荷側軸受→回転軸→負荷側軸受となる循環経路であり、第３は図７（c）に示すように回転子→回転軸→軸受→フレーム→回転子となる循環経路である。
【０００４】
この軸電圧に起因する軸受の電食を防止するため、次のような対策が考えられている（例えば、特許文献１参照）。
第１は、つぎのようなバイパス方式によるものである。
（１）回転軸または回転軸とつながった回転体の一部にブラシをあてる。
（２）軸受の潤滑剤として導電性がある物を使用する。
（３）軸電圧を負荷機器側へ逃がす。
（４）バイパス用の軸受を１つ追加する。
第２は、電流経路を遮断する方式によるものである。すなわち、回転子と回転軸との間を、回転軸と軸受内輪との間を、軸受の内輪と外輪との間を、軸受の外輪と軸受箱との間を、軸受箱とフレームとの間をそれぞれ絶縁する。
【特許文献１】特開２００３−１９９２８５号公報４、図２−図５
【非特許文献１】社団法人日本電機工業会（JAMA）誘導機技術専門委員会著「誘導電動機を電力変換装置駆動する場合の軸受電食について」、２００３年、ｐ．１−５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来の電食対策を施した電動機では、次のような問題がある。
第１の対策のブラシを当てる方法では、信頼性が低いこと、定期的なメンテナンスを必要とするのでコストアップを引き起こすことがある。また、導電性を有する潤滑剤を使用する方法では、潤滑剤の種類が少ないため仕様に合わないこと、経年劣化を引き起こし導電性が低下することがある。また、軸電圧を負荷側へ逃す方法では、負荷側の軸受に電食を引き起こしかねない。また、バイパス用の軸受を追加する方法では、コストアップを引き起こし、定期的なメンテナンスを必要とし、２４時間連続運転などの用途には、対応することができない。
第１の対策の電流経路を遮断する方法では、電動機のコストに比べ、対策に要するコストの割合が大きく、遮断効果が不十分な場合もある。
【０００６】
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、軸電圧による軸受の電食を防止するとともに定期的なメンテナンスを必要とせず、かつ安価な電食対策の電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、ベアリング電流が流れる経路の一部である回転子と軸受との間の回転軸部にインダクタンス値を持たせるものである。
また、請求項２に記載の発明は、ベアリング電流が流れる経路の一部である回転子と軸受との間の回転軸部に故意にインダクタンス値を持たせるために回転子と軸受との間の回転軸部において回転軸よりも透磁率が高い磁性体で表面処理加工するものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によると、回転子−フレーム間の電圧を分圧させることができ、また、ベアリング電流が流れる経路のインダクタンス値を増加させることにより軸電圧のｄｖ／ｄｔを小さくすることができるので、軸受内での放電現象を低減することができる。
請求項２に記載の発明によると、定期的なメンテナンスを必要とせず、安価な電食対策の電動機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の電食対策を施した電動機の断面図である。図において、６は高透磁率部である。他の符号は従来と同じであるため、説明を省略する。
高透磁率部６は、回転子２の端部と軸受５間の回転軸３の表面に、回転軸３よりも透磁率が高いニッケルからなる磁性体を電解メッキにより、表面加工したものである。
本発明が特許文献１および非特許文献１と異なる部分は、回転軸自体に回転子−フレーム間の電圧を分圧させる効果を持たせたこと。また、軸電圧のｄｖ／ｄｔを小さくすることを備えた部分である。
つぎに、本実施例の動作について述べる。図２は、本発明の電動機のコモンモード等価回路を示す回路図である。図において、高透磁率部６がインダクタンスと等価になる。他の符号は従来と同じである（図６）。
固定子巻線１ｂにコモンモード電圧Ｖｃが印加されると、浮遊容量７、８が発生する。回転子２と軸受５との間の回転軸部５ａ、５ｂにおいて回転軸３よりも透磁率が高い高透磁率部６を設ることによりベアリング電流が流れる経路に直列にインダクタンスが挿入されることと等価になり、回転軸３自体に回転子２とフレーム４間の電圧を分圧させる効果を持たせることができる。また、軸電圧のｄｖ／ｄｔを小さくすることができ、ベアリング電流を低減することができる。
なお、従来の電動機のコモンモード等価回路（図６）では、回転子と軸受との間の回転軸部において回転軸よりも透磁率が高い磁性体で表面処理加工されていない場合、ベアリング電流が通る経路の成分は軸受内の静電容量および電動機の各部浮遊容量により形成されているため、結果として軸受には大きな電圧が発生し、かつ軸電圧のｄｖ／ｄｔも大きくなる。そのため、軸受内の静電容量および電動機の各部浮遊容量にチャージされていた電荷により、軸受内の潤滑油の油膜で放電現象が発生する。
【００１１】
つぎに本発明の効果を調べるため、ベアリング電流をシミュレーションした結果について述べる。
図３は本発明の電食対策を施した電動機のベアリング電流をシミュレーションした結果である。なお、比較のため、従来の電動機についても同様に行った結果を図８に示す。図において、Ｖｃはコモンモード電圧、Ｖｓは軸電圧、Ｉｂはベアリング電流である。
本発明の場合、透磁率が高い磁性体により表面加工されたことによって発生するインダクタンス値を10ｕＨとして計算を行った。その結果、ベアリング電流Ｉｂは、２０ｍＡpeakと小さいものであった。これに対して比較のために行った従来の電動機では、ベアリング電流Ｉｂは０．４Ａpeakであった。したがって、本発明の電動機ベアリング電流は、従来の電動機のそれより２０分の１の小さな値であり著しい効果のあることが分かった。
また、本発明のベアリング電流Ｉｂの周波数解析を行った結果を図４に示す。同様に従来の電動機の解析結果を図９に示す。
１０ＭＨｚ以上の領域において、ベアリング電流Ｉｂを比較すると、本発明のものでは１００μＡオーダと小さい値であるが、従来のものでは数百μＡからｍＡオーダと大きい値である。本発明のものは従来のものに比べておよそ１０ｄＢ程度の低減効果があることが分かる。
このように、回転子と軸受との間の回転軸部において回転軸よりも透磁率が高い磁性体で表面処理加工するような構成をしているので、ベアリング電流を低減することができ、回転軸受部の電食を低減することができる。
なお、本実施例では、高透磁率部をニッケルの電解メッキによる方法で表面処理したが、これに限られるものではなく、磁性体として透磁率が回転軸より大きいものであればどんなものでもよく、例えば粉末状のフェライトを表面処理用の液体に混合してスプレーによる塗布やはけ塗りの方法を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
ベアリング電流を低減することによって、回転軸受部の電食を低減することができるので、２４時間連続運転およびクリーンルーム内のファン用電動機という用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例を示す電食対策の電動機の断面図
【図２】本発明の電動機のコモンモード等価回路を示す回路図
【図３】本発明の電動機のベアリング電流を示す波形図
【図４】図３のベアリング電流の周波数解析結果を示すグラフ
【図５】従来の電動機を示す断面図
【図６】ベアリング電流が流れる経路を示す説明図
【図７】従来の電動機のコモンモード等価回路を示す回路図
【図８】従来の電動機のベアリング電流を示す波形図
【図９】図８のベアリング電流の周波数解析結果を示すグラフ
【符号の説明】
【００１４】
１  固定子
１ａ  鉄心
１ｂ  固定子巻線
２  回転子
３  回転軸
４  フレーム
５  軸受
５ａ  軸受部（負荷側）
５ｂ  軸受部（反負荷側）
６  高透磁率部
７  浮遊容量（固定子巻線−フレーム間）
８  浮遊容量（固定子巻線−回転子間）
９  浮遊容量（回転子−フレーム間）
１０  本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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