(57)【要約】電動機回転軸（110）を支持している電動機軸受（135）とモーターベル（130）の間に非導電絶縁リング（210）が挿入されている。通常は電動機回転軸と電動機軸受を通ってモーターベルに放電する漂遊電流の放電が、絶縁リングの非導電性により阻止される。さらに、漂遊軸電流に低インピーダンス代替経路を提供するために電動機回転軸を接地しうる。電動機回転軸を駆動するために高速スイッチング周波数変換器を使用すると、コモンモードチョーク、高速スイッチング周波数変換器のスイッチング周波数低減、および高速スイッチング周波数変換器に使用されている半導体装置のターンオン／ターンオフレート低減などの追加処置を施すことにより、電動機軸受を流れる漂遊電流を更に減少できる。
2005510189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーターベル内に装着された軸受によって支持される出力軸を有する電気機械装置において、
該モーターベル内に装着され且つ出力軸軸受の受座として働くことにより該出力軸と該軸受を該モーターベルから電気的に絶縁するように形成された非導電性材料からなる絶縁リングと、
該出力軸を接地するために該出力軸に連結された導電要素とを含む改良。
【請求項２】
該非導電性材料がプラスチック、ガラス繊維およびセラミックからなるグループから選択される、請求項1記載の改良。
【請求項３】
該絶縁リングが該モーターベルと別に機械加工されている、請求項1記載の改良。
【請求項４】
該絶縁リングが該モーターベルの中に射出成型されている、請求項1記載の改良。
【請求項５】
該導電要素がブラシおよび電気機械装置のハウジングに接続されたブラシワイヤを含む、請求項1記載の改良。
【請求項６】
コモンモード電圧を有する高速スイッチング変換器が電気機械装置を駆動し、コモンモードチョークが変換器出力端子に配置されている、請求項1記載の改良。
【請求項７】
パワースイッチング半導体装置を含む高速スイッチング変換器が電気機械装置を駆動し、パワースイッチング半導体装置のターンオン／ターンオフレートが、軸受の溝彫りを軽減するために、溝彫りの軽減を考慮せずに設定された通常ターンオン／ターンオフレートから低減されている、請求項1記載の改良。
【請求項８】
パワースイッチング半導体装置のターンオン／ターンオフレートが通常のレートから約50％低減されている、請求項7記載の改良。
【請求項９】
高速スイッチング変換器が電気機械装置を駆動し、高速スイッチング変換器のスイッチング周波数が、軸受の溝彫りを最小化するために、溝彫りの最小化を考慮せずに設定された通常スイッチング周波数から低減されている、請求項1記載の改良。
【請求項１０】
高速スイッチング変換器のスイッチング周波数が約10 kHzのレベルまで低減されている、請求項9記載の改良。
【請求項１１】
フレームと、
前部ローラー機構と、
後部ローラー機構と、
エンドレスベルトと、
電動機および絶縁リングとを含むエクササイズトレッドミルであって、
該前部ローラー機構はフレームに取り付けられて前部横軸の周りを回転し、
該後部ローラー機構はフレームに取り付けられて後部横軸の周りを回転し、
該エンドレスベルトは両ローラー機構の周りに掛け渡され、
該電動機は両ローラー機構の一方に駆動連結された出力軸を有し、該電動機は電動機固定子と電気的に接触しているモーターベルを有し、
該絶縁リングは該出力軸を支持する減摩軸受と該モーターベルとの間に配置され、該絶縁リングは該減摩軸受の受座として機能し、該出力軸は接地されている、エクササイズトレッドミル。
【請求項１２】
該絶縁リングが軸受の外レースおよび内レースの端面と隣接するモーターベルの部分との間の防壁として働くエンドフランジ部を含む、請求項11のエクササイズトレッドミル。
【請求項１３】
該絶縁リングエンドフランジの内径が該出力軸の外径に厳密に一致する、請求項12のエクササイズトレッドミル。
【請求項１４】
該絶縁リングがプラスチック、ガラス繊維およびセラミックからなるグループから選択された非導電性材料で構成されている、請求項11のエクササイズトレッドミル。
【請求項１５】
該絶縁リングが該モーターベルと別に機械加工され、その後、該モーターベルに挿入された、請求項11のエクササイズトレッドミル。
【請求項１６】
該絶縁リングがモーターベル中に直接成形された、請求項11のエクササイズトレッドミル。
【請求項１７】
該出力軸がブラシおよび電動機のハウジングに導くブラシワイヤを介して接地された、請求項11のエクササイズトレッドミル。
【請求項１８】
コモンモード電圧を有する高速スイッチング変換器が電動機を駆動し、コモンモードチョークが変換器出力端子に配置されている、請求項11のエクササイズトレッドミル。
【請求項１９】
パワースイッチング半導体装置を含む高速スイッチング変換器が電動機を駆動し、パワースイッチング半導体装置のターンオン／ターンオフレートが、該減摩軸受の溝彫りを軽減するために、溝彫りの軽減を考慮せずに設定された通常ターンオン／ターンオフレートから低減された、請求項11のエクササイズトレッドミル。
【請求項２０】
該パワースイッチング半導体装置のターンオン／ターンオフレートが通常のレートから約50%低減された、請求項19のエクササイズトレッドミル。
【請求項２１】
高速スイッチング変換器が電動機を駆動し、高速スイッチング変換器のスイッチング周波数が、減摩軸受の溝彫りを最小化するために、溝彫りの最小化を考慮せずに設定された通常スイッチング周波数から低減された、請求項11のエクササイズトレッドミル。
【請求項２２】
該高速スイッチング変換器のスイッチング周波数が約10 kHzのレベルまで低減された、請求項21のエクササイズトレッドミル。
【請求項２３】
電気機械装置用の絶縁リングであり、該絶縁リングは非導電性材料からなる円筒形本体部およびフランジ部を含み、電気機械装置の出力軸を減摩支持する軸受と電気機械装置のモーターベルとの間に円筒形本体部が介在することにより、該軸受が該モーターベル内に装着された時に該出力軸が該モーターベルから電気的に隔離され、該フランジ部は隣接する軸受の端部と対応するモーターベルの部分との間に介在している、絶縁リング。
【請求項２４】
該円筒形本体部がモーターベルにぴったりと係合するサイズの外径および軸受をぴったりと受けるサイズの内径を有する、請求項23の絶縁リング。
【請求項２５】
該フランジ部が出力軸をぴったりと取り囲む内径を有する、請求項23の絶縁リング。
【請求項２６】
該非導電性材料がプラスチックである、請求項23の絶縁リング。
【請求項２７】
該非導電性材料がガラス繊維である、請求項23の絶縁リング。
【請求項２８】
該絶縁リングがモーターベルと別に機械加工された、請求項23の絶縁リング。
【請求項２９】
該絶縁リングがモーターベルの中に射出成形された、請求項23の絶縁リング。
【請求項３０】
モーターベル内に装着された軸受によって支持される出力軸を有する電気機械装置において、該モーターベル内に取り付けられ且つ該出力軸軸受の受座として働くことにより該出力軸と該軸受を該モーターベルから電気的に絶縁するように形成された非導電性材料からなる絶縁リングを含む改良。
【請求項３１】
該絶縁リングがモーターベルと軸受の外レースの間に介在している環状帯部を含む、請求項30による改良。
【請求項３２】
該絶縁リングが更に、軸受外レースの端面と隣接するモーターベルの部分の間に位置するエンドフランジ部を含む、請求項31の改良。
【請求項３３】
該非導電性材料がプラスチックである、請求項30の改良。
【請求項３４】
該非導電性材料がガラス繊維である、請求項30の改良。
【請求項３５】
該絶縁リングがモーターベルと別に機械加工された、請求項30の改良。
【請求項３６】
該絶縁リングがモーターベル内に射出形成された、請求項30の改良。
【請求項３７】
フレームと、
前部ローラー機構と、
後部ローラー機構と、
エンドレスベルトと、
電動機および絶縁リングとを含むエクササイズトレッドミルであり、
該前部ローラー機構はフレームに取り付けられて前部横軸の周りを回転し、
該後部ローラー機構はフレームに取り付けられて後部横軸の周りを回転し、
該エンドレスベルトは両ローラー機構の周りに掛け渡され、
該電動機は両ローラー機構の一方に駆動連結された出力軸を有し、該電動機は電動機固定子と電気的に接触しているモーターベルを有し、
該絶縁リングは該出力軸を支持する減摩軸受とモーターベルの間に配置され、該絶縁リングは該出力軸軸受の受座として機能する、エクササイズトレッドミル。
【請求項３８】
該絶縁リングが該軸受の外レースおよび内レースの端面と隣接するモーターベルの部分の間で防壁として作用するエンドフランジ部を含む、請求項37のエクササイズトレッドミル。
【請求項３９】
該絶縁リングエンドフランジの内径が該出力軸の外径とぴったりと合う、請求項38のエクササイズトレッドミル。
【請求項４０】
該絶縁リングがプラスチック、ガラス繊維およびセラミックからなるグループから選択された非導電性材料から構成されている、請求項39のエクササイズトレッドミル。
【請求項４１】
該絶縁リングが該モーターベルと別に機械加工され、その後、該モーターベルに挿入された、請求項37のエクササイズトレッドミル。
【請求項４２】
該絶縁リングが該モーターベル内に直接成形された、請求項37のエクササイズトレッドミル。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、2001年11月6日に提出された出願No.10/011,823の一部継続出願である。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、電動機のような、回転軸を有する電気機械装置の分野に関し、更に具体的には、電動機の軸受を流れる漂遊電流を減少させて溝彫り（フルーティング）や他の損傷を防止するための単一構造または複数構造の組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般的に電気機械装置は、電気エネルギーの機械的回転エネルギーへの変換を必要とする多くの応用分野に使用される。回転の速度は電気機械装置のパラメーターに制御される。速度を制御するパラメーターは、電気機械装置の交流／直流の区別、入力の電圧レベル、装置自体の設計および入力電圧の周波数を含む。前記パラメーターの最後に挙げた入力電圧の周波数は、電気機械装置の速度を高精度に制御するように変化させることができる。
【０００４】
前記可変速電気機械装置駆動方式は、製造、輸送および発電を含む多数の産業界で使用されている。高パワー半導体技術に於ける最近の技術革新は、可変速電気機械装置駆動方式の応用分野に飛躍的な成長をもたらした。しかし、可変速駆動装置の出現により、駆動方式のパワーエレクトロニクスの高速スイッチング速度に基づく新たな問題が生じている。
【０００５】
新たな問題の一つは、電気機械装置の回転軸から適切に絶縁されていない電動機の場に発生する漂遊電流によって引き起こされる電動機軸受の溝彫りである。溝彫りは放電加工の一種であり、軸受の内レースまたは外レースの表面にしばしば見られる波形パターンを生じる。この種の損傷は、6年から10年持続する筈の軸受の寿命を僅か4ヶ月に減少させる。損傷を受けた回転軸や他の構成部品の交換に必要な保守作業が増えるために、この種の軸受破損で何百万ドルもの損失があったと推定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、電動機軸受を流れる漂遊電流を減少させることにより、溝彫りによる損傷を最小限に抑えるように設計された方法および構造に向けられる。本発明の目的は、上述の問題を改善し、改良された電気機械装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
典型的な電気機械装置は、予め決められた中心軸(axis)に沿って回転軸(shaft)を支持するハウジング構造物を有する。電気機械装置に含まれる固定子は、ハウジング構造物に固定され、中心軸(axis)の回りに半径方向に間隔を存して設けた複数の導電巻線を有する。回転軸に対して固定された回転子は固定子の半径方向内側に位置する。回転子は、中心軸(axis)の回りに半径方向に間隔を存して設けた複数の電流経路を有する。ハウジング構造物は、回転軸を回転可能に支持する少なくとも一つの軸受機構を保持している。一般に、電気機械装置は、両端で回転軸に回転可能に結合された二つの軸受機構を備えている。軸受機構は、装置ハウジングの両端に結合されているエンドモーターベルに収納されている。
【０００８】
電気機械装置を扱う時、常に、その場で発生する漂遊電流が簡明な軸電圧を生成する。高い軸電圧は、臨界レベルに達すると、電動機軸受の構成部品間にアークを生じる損傷電流を生成する。軸受と回転軸の間に介在する軸受グリースは弱誘電体として作用し、損傷電流を導く。損傷電流により軸受上に高温の局所パターンが生じ、局所パターンは軸受の物理的特性に不連続性を引き起こす。この損傷により、軸受の交換が必要となる回数が増加し、その結果、電動機の保守費用が増加する。
【０００９】
本発明は、電動機軸受を流れる漂遊電流の量、より具体的には、このような電流の電流密度の量を減少させるように設計された新規な絶縁リング、あるいは絶縁リングを含む構成の組み合わせからなる。この組み合わせは通常二つから五つの構造を含む。一つ目は、非導電性材料からなる絶縁リングをモーターベル内に取り付けることにより、電動機軸受の支持体として且つ電動機回転軸および電動機軸受をモーターベルから絶縁する防壁として作用する。絶縁リングは、電動機軸受を通って回転軸に、またはその逆に流れる電流によって引き起こされ得る軸受の故障の可能性を減少させる。あるいは、絶縁リングを直接モーターベル中に射出成形すれば、モーターベルを機械加工し且つ絶縁リングをモーターベルに圧入する必要がない。二つ目は、電動機回転軸を接地した場合、電動機軸受を通る経路に対する低インピーダンス代替経路が提供される。三つ目は、電気機械装置（例えば電動機）がコモンモード電圧を有する高速スイッチング変換器によって駆動される時、コモンモードチョークが使用できる。四つ目は、高速スイッチング変換器が使用される時も、変換器のスイッチング周波数を減少させることができる。五つ目は、更に、高速スイッチング変換器が使用される時、絶縁ゲートバイポーラートランジスター（IGBT）のような変換器に使用されるパワースイッチング半導体素子のターンオン／ターンオフレートを下げることができる。三、四および五つ目の構成は通常、電動機軸受を流れる電流の主な源泉であると考えられる高周波漂遊電流の発生を減少するように設計される。
【００１０】
本発明は、エクササイズトレッドミルに動力を供給するために用いられる電動機に有用である。このような電動機の速度は、ユーザーによって手動で、あるいはプログラムされた走行コースで自動的に、しばしば変更される。本発明の前記態様および付随する利点の多くは、添付図面と共に下記の詳細な説明を参照することによって、より良く理解され、より容易に認識されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、概して、電動機のように回転軸を有する電気機械装置の分野、更に具体的には、電動機軸受を漂遊電流が流れることにより生じる溝彫りや他の損傷から防ぐように設計された種々の構造の組み合わせに関する。
【００１２】
本発明の恩恵を大いに受ける電動機はエクササイズトレッドミルに使用されるものである。図1は典型的なエクササイズトレッドミル10を示す。トレッドミル10は縦枠12を有し、この縦枠の両端に前部ローラー機構14および後部ローラー機構16が横断方向に取り付けられている。両ローラー機構14、16の周りにエンドレスベルト18が掛け渡されている。縦枠には、第一縦レール部材20および第二縦レール部材22が含まれる。両縦レール部材は、トレッドミル枠構造の分野ではよく知られているように、間隔を置いて横材（図示されていない）で結合されている。比較的硬いデッキ24が、両縦レール部材20、22間に架かって支持されている。
【００１３】
ベルト18の上側踏面はデッキ24に支持されている。更にトレッドミル10は、駆動軸29を有する駆動電動機28を備えている。トレッドミルでは既に知られているように、前部ローラー機構14の端部に隣接して被動プーリー31が取り付けられている。被動プーリー31は駆動ベルト30に係合し、駆動ベルト30は駆動軸29に取り付けられた駆動プーリー33に係合している。
【００１４】
図2は、本発明を実施しうる好適実施形態である回転軸110を有する電気機械装置100を示す。電気機械装置100は、図1に示される駆動電動機28に相当する。電気機械装置の内部部品は、主ハウジング115および二つのエンドベル120、121で形成される構造体に封入されている。各エンドベルは、それぞれモーターベル130、131を回転軸110と略同芯に格納する端壁を含む。モーターベル130、131は電動機軸受135、136をそれぞれ支持している。回転軸110は、その減摩回転を容易にするため、電動機軸受135、136に軸受けされている。
【００１５】
電気機械装置は固定子113を有する。固定子113は、主ハウジング115の内側で回転軸110を取り囲み、運転中、所定位置に固定されたままである。固定子113の巻線128の切断面を125と126に示す。固定子113の内側に有る回転子129は、回転軸110を回転させるためにこれに固定されている。運転中、電流が固定子113の巻線128に流されると、円形路から発生する電磁力は回転子129と回転軸110を回転させる。このように、発生する回転エネルギーは広く応用されている。直流機や同期交流機を含む、この電気機械装置の変型は当該技術分野では良く知られており、ここではこれ以上詳細に述べない。本発明は、あらゆる電気機械装置に実施可能である。
【００１６】
本発明の好適実施形態を述べる前に電気機械装置100に関係する問題を述べる。高電圧が電気機械装置100に印加されると、大量の電流が固定子113の巻線128に発生し、所望の電磁力を生成して回転子129と回転軸110を回転させる。望まれない電磁力も電気機械装置100内に生成され、その結果、電気機械装置100の種々の金属部品間に望まれない電流が流れる。一般的には、望まれない電流は、主ハウジング115を接地することによって処理する。その結果、漂遊電流が電気機械装置100の外部の何かに放電する危険性を取り除く。しかし、漂遊電流は依然、連続放電加工によって電気機械装置の内部部品に損傷を与える。具体的には、漂遊電流は地面に放電する前に、回転軸110から電動機軸受135、136を通ってモーターベル130、131に、あるいはこの逆に流れうる。漂遊電流が繰り返され、さらに大きくなると、電動機軸受135、136は、漂遊電流がアークを発生させて軸受の物理的特性に非連続性をもたらす局所的損傷パターンを生じる傾向がある。この種の損傷は、溝彫り（フルーティング）として知られている。溝彫りは、軸受135、136の耐性を著しく減少させ、その結果、軸受135、136は、はるかに頻繁に交換しなければならない。漂遊電流は、特に、エクササイズトレッドミルに於いて直流機の高速と低速が頻繁に切り換えられる時に問題となる。直流機の励磁電圧の急激な変化により高密度の漂遊電流を生じ、その結果、電動機軸受に損傷を与えうる。
【００１７】
図3は、本発明の複数態様に従った絶縁リング210の等角投影図である。絶縁リング210は、溝彫りを引き起こす前記の漂遊電流経路を遮断するように設計されている。絶縁リング210の一端に、内向き半径方向フランジあるいは面212が形成されている。図2に示すように、フランジ212が隣接する軸受135、136の端部をそれぞれモーターベル130、131から分離し且つフランジ212の内径が回転軸110を密着して取り囲むように、絶縁リング210はモーターベル130、131内に座し、それによって回転軸110と軸受135、136をモーターベル130、131から分離する。
【００１８】
絶縁リング210はローラー軸受135、136の受座として作用するように構成されている。それゆえ、絶縁リング210の内径はローラー軸受135、136の外径と密接に一致している。
【００１９】
絶縁リング210は、電気機械装置100のモーターベル130、131に形成された受座にぴったり納まってローラー軸受135、136を受けるように加工できる、多種多様の非導電プラスチック材料（例えば、商品名“Ryton"で売られているガラス繊維充填プラスチック）、ガラス繊維、セラミック、あるいは他の好適な非導電性材料で構成できる。前記材料が、軸受135、136を着座させるのに適当な硬さと耐性を有し且つ軸受の高レベルな毎分回転数に対応する力に耐える材料でなければならないことも、この技術の熟練者には自明である。モーターベル130、131のどの部分も回転軸110と直接接触しないように絶縁リング210をモーターベルの空洞中に挿入することによって、漂遊電流経路は遮断される。
【００２０】
図2は、モーターベル130、131内に装着された絶縁リング210を示す。絶縁リング210は、モーターベル内にしっかりと納まり、電気機械装置100のモーターベルおよび回転軸110が互いに直接接触しないように軸受135、136を支持するように、適切な形状、寸法、仕様および公差に加工されている。
【００２１】
あるいは、モーターベルと回転軸110が互いに直接接触しないように、絶縁リング210を直接モーターベル中に射出成形することもできる。この処置では、モーターベル自体が「金型」の一部として作用する。射出成形処置の後、絶縁リングはそのままで、電動機軸受に正しく合うようにモーターベルを機械加工できる。
【００２２】
絶縁リング210の使用は軸受135、136を通る電流経路のインピーダンスを増加させるが、電気機械装置100の運転により或るレベルの軸電圧が常に発生する。この軸電圧は、増加して閾値を越えると、回転軸110を通して軸受135、136を含む他の隣接構成要素に電流を流そうとする。それ故に、本発明では、軸電圧により回転軸110内に生成されるあらゆる電流に最小抵抗（例えば8オーム）の経路を提供するように、回転軸110を接地してもよい。この軸接地は、この分野の熟練者にとって自明な種々の方法で達成しうる。一実施形態では、図2に示すように、回転軸110が、例えば銅製の輪状ブラシ220、ブラシワイヤ222および電動機ハウジング115を介して接地されている。ブラシワイヤ222は、例えば、モーターベル130、131内にばね負荷でブラシ220を固定するように構成されおよび配置されたばね等の種々の形をとりうる。
【００２３】
図4は、図2に示されるような、回転軸110から軸受135、136および絶縁リング210を通って電動機ハウジング115、そして地面に至る電気経路の、インダクタンス、インピーダンスおよびキャパシタンスの組み合わせからなる電気的等価を示す概略図である。具体的には、図2に対応している図４は、回転軸110から軸受の内輪135a、136a、軸受の潤滑油膜（弱誘電体）135b、136b、軸受の回転体135c、136c、軸受の別の潤滑油膜135d、136d、軸受の外輪135e、136e、絶縁リング210およびハウジング115を通って地面へ至る経路を示す。図4は、本発明に従って、回転軸110がブラシ220とブラシワイヤ222を介して接地されていることも示す。図4から明らかなように、絶縁リング210は軸受135、136を通る経路のインピーダンスを増加させるが、接地された回転軸110は軸受135、136を迂回して地面へ至る低インピーダンス経路を提供する。従って、このような二つの特徴の組み合わせにより、軸受135、136を通る電流を十分に減少させ、軸受の放電加工を防ぐ。例えば、業界では、電動機軸受のかなりの放電加工を適切に防ぐために、電流密度を約0.8Ap/mm2（以下に詳細に述べるように、電動機を駆動するためにPWM駆動装置のような周波数スイッチング変換器が使用される時）未満に維持すべきであることが知られている。絶縁リング210が使用されなければ、ブラシ220とブラシワイヤ222の抵抗は一般的に軸受135、136のインピーダンスより高いので、回転軸110の接地だけでは、軸受における上記のような低レベルの電流密度を達成するのは不可能であろう。
【００２４】
簡単に上述したように、溝彫り問題は、電気機械装置（例えば電動機）を駆動するために変速駆動装置（VSD）が使用される時に特に重大である。VSDは、パルス幅変調（PWM）駆動装置のような高速スイッチング周波数変換器からなる。PWM駆動装置は、絶縁ゲートバイポーラートランジスター（IGBT）やゲートターンオフトランジスター（GTO）のようなパワースイッチング半導体装置を含む。これらのトランジスターはパルス幅変調出力電圧波形を生成するのに使用される。
【００２５】
本出願の発明者は、電気機械装置がPWM駆動装置のような高速スイッチング周波数変換器214（図2）によって駆動される時に概して三種の好ましくない電流が生成されることを確認した。すなわち、高周波軸接地電流、高周波循環電流および容量性放電電流である。
【００２６】
高周波軸接地電流は、周波数変換器214の出力で発生するコモンモード電圧によって生じる。具体的には、コモンモード電圧出力の二つの電圧の合計が零にならない時、高周波の保護接地電圧が発生する。周波数変換器の帰路のインピーダンスが高過ぎ、且つ、電気機械装置100の固定子113の接地が十分でない場合、この電圧により高周波電流が固定子113から軸受135、136を通って回転軸110に流れ、それから地面に流れる（回転軸110は接地されていると仮定する）。
【００２７】
高周波循環電流も、二つの電圧の合計が零にならない時に周波数変換器の出力のコモンモード電圧によって生じる。コモンモード電圧はコモンモード外乱を引き起こし、固定子113の巻線の三相間に電流非対称を生じる。その結果、固定子周辺の電流の合計は零にならない。このような場合、高周波磁束変化が回転軸110の周囲に生じ、高周波軸電圧が発生する。この電圧は高周波循環電流を生じる。この電流は、回転子129に沿って軸方向に、軸受135、136の一方とハウジング115を通り、それから他方の軸受136、135 を通って流れる。このように、高周波循環電流は各軸受135、136で常に異なる符合を持つ。
【００２８】
最後に、容量性放電電流は、コンデンサとして作用する軸受潤滑油膜の電圧が破壊電圧に達した時に生じる。良好に動いている転がり軸受に於いては、軸受中の回転体が潤滑油膜によって内レースおよび外レースから分離されている。潤滑油膜は普通、誘電体として作用し、回転子電圧によって充電される。しかし、回転子電圧の周波数が十分高くなると、潤滑油膜はコンデンサを形成し、その静電容量は潤滑油の種類、温度および粘度、および潤滑油膜の厚さ等の種々のパラメーターに左右される。回転子電圧が或る破壊値すなわち閾値に達すると、コンデンサは放電し、高周波容量性放電電流が生成される。この場合、放電電流の量は、電気機械装置100の内部漂遊容量によって制限されるが、電流は周波数変換器が切り替わる度に発生する。このように、PWM駆動装置のような周波数変換器を構成するためにIGBTのような高速スイッチング半導体装置を使用することは容量性放電電流の生成に著しく寄与すると考えられる。さらに、PWM駆動装置に使用されているIGBTは、周波数変換器の出力端子に５〜８kV/μs、場合によれば10kV/μsもの非常に速い電圧上昇（dv/dt）を生じる。この電圧上昇も容量性放電電流の生成に寄与する。
【００２９】
要約すると、溝彫り問題は、少なくとも部分的に、電気機械装置を駆動する変換器の出力端子で零にならないコモンモード電圧によって引き起こされると理解されている。さらに、溝彫り問題は、電動機軸受を流れる高周波（５kHz〜10MHz）電流によって引き起こされると理解されている。この電流は、IGBTのような高速スイッチング（例えば、100ns当たりのスイッチング）半導体装置を含む、PWM駆動装置のような高速スイッチング周波数変換器の使用によって引き起こされる電磁干渉によって誘起される。このような理解に基づいて、本発明に従い、三つの新たな構造を提案する。各構造は、高周波電流の発生を減少させることによって溝彫り問題を緩和するよう設計される。すなわち、コモンモードチョークの使用、変換器駆動装置のスイッチング周波数の低減、周波数変換器で使用される半導体装置の点弧レートの低減である。
【００３０】
この技術分野で理解されているようなコモンモードチョークが、コモンモード電流、すなわち、コモンモード電圧を有する変換器の使用によって誘起される高周波電流に対し高インピーダンスを呈するように、変換器出力端子と電気機械装置100の間に配置される。
【００３１】
変換器のスイッチング周波数を下げることは、変換器出力端子のコモンモード電圧によって生成される高周波電流だけでなく、コンデンサとして作用する軸受潤滑油からの放電電流も減少させることを意図する。例えば、PWM駆動装置に使用される３〜12kHzの典型的スイッチング周波数は、出力の範囲によるが、約10kHz以下に下げることができる。この方法は、高周波軸接地電流、高周波循環電流および容量性放電電流の全てを減少させるのに効果がある。
【００３２】
変換器に使用される半導体装置の点弧レートを下げること、例えば、IGBTのターンオン／ターンオフレートを下げることは、変換器出力端子のコモンモード電圧によって生成される高周波電流、およびコンデンサとして作用する軸受潤滑油からの放電電流の両方を減少させることも意図している。例えば、100 ns当たりのスイッチングの通常ターンオン／ターンオフレートは、それによって生じる溝彫り問題を考慮せずに設定されているが、50％まで下げることができる。この処置は、高周波軸接地電流、高周波循環電流および容量性放電電流の全てを減少させるのに効果がある。
【００３３】
以上に述べた五つの構造を部分的あるいは全体的に組み合わせることにより、電気機械装置に存在する溝彫り問題を最適に減少させることができる。絶縁リング210（軸受135、136のインピーダンスを増加する）、接地された回転軸110（軸受を通る経路に対する低インピーダンス代替経路を提供する）、およびコモンモードチョーク、変換器214の低減スイッチング周波数、および低速IGBTターンオン/ターンオフレート（コモンモード電圧で高速スイッチング変換器を使用することによって発生する漂遊高周波電流を減少させる）の組み合わせは、軸受135、136に於ける漂遊電流、具体的には、その電流密度を減少させるように設計される。上述のように0.8Ap/mm2以下の電流密度が重大な溝彫り問題の防止に適切であると考えられる。本発明による五つの構造の様々な組み合わせを使用することにより、各応用態様に従って、溝彫り問題を軽減するために電動機軸受での望ましいレベルの電流密度を達成することができる。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態を図解および説明したが、当然のことながら、本発明の真意と範囲から逸脱しなければ、種々の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明に従って構成されたトレッドミルの斜視図である。
【図２】図２は、種々の内部構成部品を明らかにするために部分的に切り取った装置ハウジングを示す、電気機械装置の概略破断図である。
【図３】図３は、本発明の複数態様に従った絶縁リングの等角投影図である。
【図４】図４は、図２に示すような電動機回転軸からから地面への電気経路の電気的等価を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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