JP2010209988A - 軸受およびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱がなく長期運転でも機能低下しない、また、軸受のクリープが生じず、エネルギーロスがない、低コスト・高信頼性で、電食しない軸受およびモータを提供する。
【解決手段】 玉やころなどの転動体で転がり支持し、潤滑剤として油またはグリースを使用する軸受において、前記軸受の内輪または外輪と前記転動体の間の接触部における前記潤滑剤の中央油膜厚さを０．２４μm以下としたものであり、これにより、絶縁破壊はするが電流集中が起こらず、接触部全体で絶縁破壊し、内・外輪の転走面や転動体の表面に損傷が生じない
【選択図】 図６

Description

本発明は、インバータ駆動モータや鉄道車両用主軸に使用される軸受等で発生する電食の防止に関する。

従来、一部のモータにおいて、軸受が電食するという問題がある。軸受の電食は、軸受の油膜が印加された電圧により絶縁破壊し、軸受の内輪・外輪や転動体の表面が放電によって溶融損傷することによって起こると言われている。そこで、電食防止に関する先行技術としては、（１）軸受のシールプレートを金属製の接触タイプとして電流をバイパスさせ油膜に電流を流さなくする方法（例えば、特許文献１）、（２）軸受外輪の外径面を樹脂などの絶縁物で被覆する方法（例えば、特許文献２）、（３）定常運転状態における軸受封入グリースの油膜パラメータΛ値（＝油膜厚さ÷表面粗さ）を１〜６になるように油膜厚さを厚くし絶縁破壊しにくくする方法（例えば、特許文献３）、（４）絶縁破壊電圧１Ｖ以下の油を使い絶縁破壊時の電力（＝電圧×電流）を小さくし損傷軽減を図る方法（例えば、特許文献４）などが提案されている。

特開平０９−２９１９４３号公報（明細書第３頁、図１） 特開２００５−２８２８６２号公報（明細書第７頁、図１） 特開２００６−１５３１３０号公報（明細書第４頁） 特開平１０−０２８３５０号公報（明細書第３頁、図２）

ところが、従来の技術には以下の問題があった。
（１）特許文献１における接触タイプのシールプレートの構造は接触することにより発熱となるうえ、長期の運転に伴い摩耗し接触しなくなりバイパス機能が無くなるという問題がある。
（２）また、特許文献２における絶縁物で被覆する方法では、コーティングに費用がかかったり、樹脂が弾性変形することにより軸受のクリープが生じると言う問題がある。
（３）特許文献３における油膜パラメータΛ値を１〜６となるように油膜厚さを厚くする方法では、Λ値１〜６が絶縁破壊しない根拠が薄弱である（裏付けが弱いのでもしかすると絶縁破壊するかも知れないというリスクがある）し、油膜厚さが厚すぎて回転時にエネルギーロスとなるという問題がある。
（４）特許文献４における絶縁破壊電圧を１Ｖ以下とする方法では、これを実現する方法が不明確であるし、小さくはなるにせよ損傷するという問題がある。
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、（１）発熱がなく長期の運転でも機能低下せず、（２）費用がかからず軸受のクリープも生じず、（３）明確な実験の裏付けにより効果の信頼性が高いうえにエネルギーロスもなく、（４）実現する方法が明確で全く損傷しない、すなわち電食しない軸受およびモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の本発明は、玉やころなどの転動体で転がり支持し、潤滑剤として油またはグリースを使用する軸受において、前記軸受の内輪または外輪と前記転動体の間の接触部における前記潤滑剤の中央油膜厚さを０．２４μm以下としたことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の軸受が、回転運動または直線運動を行う用途に適用されるモータであることを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載のモータにおいて、前記モータは基油の粘度が異なる複数のグリースを詰めた複数のグリースガンを備えることを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項２記載のモータにおいて、前記モータに使用される軸受を荷重支持以外の電流バイパス専用に使用することを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、請求項２記載のモータにおいて、前記モータに使用される軸受は、軸受の温度を可変することによって油膜厚さを変化させるものであることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、ヘルツ円の中央油膜厚さを０．２４μm以下としたことで、絶縁破壊はするが電流集中がおこらず接触部全体で絶縁破壊し、内・外輪の転走面や転動体の表面に損傷が生じない。
請求項２に記載の発明によると、請求項１記載の軸受を回転運動や直線運動を行うモータに適用することによって電食が生じない。
請求項３に記載の発明によると、請求項２に記載のモータにおいて、粘度の異なる複数のグリースを詰めた複数のグリースガンを備え、運転状況によってグリースを入れ替えることにより、常に電食しない安全な油膜厚さにでき、軸受が電食しない。
請求項４に記載の発明によると、請求項２に記載のモータにおいて、軸受を荷重支持以外の電流バイパス専用に使用することにより、荷重支持の軸受には電流が流れず、軸受が電食しない。
請求項５に記載の発明によると、請求項２に記載のモータにおいて、軸受の温度を可変することにより、油膜厚さを電食しない安全な油膜厚さにすることで、軸受が電食しない。

本発明の実施の形態を示す軸受であって、(ａ)は側断面図、(ｂ)は正面図 油膜絶縁破壊観察装置の外観を示す概略図 ガラスディスク停止時のカメラ画像 ガラスディスク回転時のカメラ画像 発光時のカメラ画像 油膜厚さと絶縁破壊開始電圧の関係を表わしたグラフであって、（ａ）は周速２８４ｍｍ／sec、温度２０℃、（ｂ）は周速３２６ｍｍ／sec、温度−１０℃、（ｃ）は周速６４２ｍｍ／sec、温度−１０℃の条件の下での測定結果 本発明の実施の形態の効果を説明する運転後のボールの拡大写真 本発明の実施の形態の効果を説明する運転中の干渉像 本発明の実施の形態の効果を説明する運転中の電流・電圧の波形データ 比較例を説明する運転後のボールの拡大写真 比較例を説明する運転中の干渉像 比較例を説明する運転中の電流・電圧の波形データ 本発明の第１実施例を示す軸受を組み込んだモータの側断面図 本発明の第１実施例の効果を示す運転後軸受の転走面の写真であり、（ａ）は本発明、（ｂ）は比較例 本発明の第２実施例の示すモータの側断面図 本発明の第３実施例を示すモータの側断面図 本発明の第４実施例を示すモータの側断面図

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。
図１は本発明の実施形態を示す軸受であって、(ａ)は側断面図、(ｂ)は正面図である。
図１において、１は軸受、１１は内輪、１２は玉、１３は外輪であり、軸受用鋼で出来ている。残る空間部分に図示しないグリースが詰められている。一般的に軸受１は外輪１３を固定し、内輪１１を回転させる状態で使用することが多いので、この場合を例に説明する。内輪１１が停止しているときは内輪１１と玉１２、玉１２と外輪１３は直接金属接触している。内輪１１の回転に伴い、玉１２は自転しながら内輪１１の回転速度の約半分の速度で公転する。このときグリースが内輪１１と玉１２の接触面に巻き込まれ油膜を形成し、電気的に絶縁状態になる。同時に外輪１３と玉１２の間も同様に油膜を形成し、電気的に絶縁状態になる。この油膜の挙動は、ボールとガラスディスクの組み合わせにより以下のとおりに詳しく調べることができる。
図２は油膜絶縁破壊観察装置の外観を示す概略図である。
図２において、２１はガラスディスク、２２は電極の膜、２３はばね、２４はボール、２５はブラシ、２６はプーリー、２７はシャフト、２８は絶縁物である。油膜絶縁破壊観察装置は、シャフト２７の上部先端側にガラスディスク２１を固定し、ガラスディスク２１の下面にボール２４を押し付けるためのばね２３を配設すると共に、シャフト２７およびボール２４にはそれぞれ軸電流を通電するためのブラシ２５を当接させるようになっている。シャフト２７の後端部にはプーリー２６を接続し、外部の図示しない駆動装置によりプーリー２６を駆動するようになっている。この装置のガラスディスク２１とボール２４の接触状態は、軸受の内輪（または外輪）と玉の接触状態の関係を模している。ガラスディスク２１の下面には可視光を透過する電極の膜２２を被覆している。また、ガラスディスク２１の下面にはグリース１４を薄く塗りつけている。ボール２４を下方のバネ２３に抗してガラスディスク２１に押しつけ、ガラスディスク２１を回転させると、ボールも供回りして自転する。その結果、ボール２４とガラスディスク２１の間にサブミクロンの油膜が形成される。図３はガラスディスク停止時のカメラ画像であり、図４はガラスディスク回転時のカメラ画像である。
まず、ガラスディスク停止時から説明する。荷重によりガラスディスクとボールは弾性変形し、本評価荷重の場合、直径０．４ｍｍ程度の円形で直接接触する。この接触円は弾性変形解析した研究者の名前からヘルツ円と呼ばれており、周知である。
次に、ガラスディスク回転時を説明する。ガラスディスクの回転に伴いボールが共回りし、油がガラスディスクとボールの間に巻き込まれ油膜を形成する。図４は左から油が巻き込まれている様子で中央部分が最も厚い油膜となる。この油膜の厚さは光干渉法で測定できる。図４の場合、干渉縞の縞次数から読み取った中央の油膜厚さは０．９３μm、最小油膜厚さ部は０．５０μmである。わずか直径０．４ｍｍという小さな面積のヘルツ円のなかにも油膜の厚さは中央油膜厚さや最小油膜厚さと厚さ分布をなし、干渉縞は馬蹄形となる。実際の軸受の場合も同様で、内輪と玉の間、玉と外輪の間で生じる油膜もこのようにヘルツ円のなかで厚さの分布をなす。この油膜絶縁破壊観察装置を用いて印加する電圧を大きくしていくと、ある電圧で絶縁破壊する。この絶縁破壊に伴い観察された発光時のカメラ画像を図５に示している。これより、０．９４μmの箇所が２点、絶縁破壊により発光が見られた。発光の直径は１０μm程度である。絶縁破壊時の電圧と電流はオシロスコープで測定するという方法で求める。この装置を使って発光と油膜厚さの関係を調べたところ、油膜厚さがある値より大きいと発光することが分かった。逆に言えばある油膜厚さ以下では発光しなかった。
図６は油膜厚さと絶縁破壊開始電圧の関係を表わしたグラフであって、（ａ）は周速２８４ｍｍ／sec、温度２０℃、（ｂ）は周速３２６ｍｍ／sec、温度−１０℃、（ｃ）は周速６４２ｍｍ／sec、温度−１０℃の条件の下での測定結果である。図６から、最小油膜厚さと中央油膜厚さをエラーバーで示し、発光する油膜厚さを○でプロットしている。発光する／しないの油膜厚さのしきい値は０．２４μmであった。
図７は本発明の実施の形態の効果を説明する運転後のボールの拡大写真であって、詳しくは油膜厚さ０．２４μm以下で８０秒間運転した後の状態を示したものである。図７において、電食痕は残っていない。図８は本発明の実施の形態の効果を説明する運転中の干渉像を示したものである。図８において、中央油膜厚さは０．２４μmである。図９は本発明の実施の形態の効果を説明する運転中の電流・電圧の波形データを示したものである。図９において、電圧の増減に併せて電流が流れている。また、電流がゼロ付近で不連続であることから直接接触ではなく、ある電圧まで耐えて絶縁破壊したことが分かる。その電圧をＶ３として膜の抵抗値、電流、電圧の値から計算して示しているが、約１．５Ｖである。
比較として、図１０は比較例を説明する運転後のボールの拡大写真であって、０．２４μmより厚い油膜厚さで８０秒間運転した後の状態を示したものである。図１０において、電食痕が残っている。図１１は比較例を説明する運転中の干渉像を示したものである。図１１において、中央油膜厚さ０．６５μm、最小油膜厚さ０．４１μmと、いずれの油膜厚さも０．２４μmより大きい。図１２は比較例を説明する運転中の電流・電圧の波形データを示したものである。図１２において、普段、電流は流れないが、たまに２００ｍＡ程度の電流がパルス的に流れている。
中央油膜厚さが０．２４μm以下だと油膜は絶縁破壊しても発光しない。これはヘルツ円全体（直径０．４ｍｍ）で絶縁破壊するためで、電流密度（＝電流／面積）が小さくなりボールやディスクは溶融損傷しない。逆に中央油膜厚さが０．２４μmより大きいと油膜はヘルツ円のさらにごく一部（直径１０μm）で絶縁破壊し、電流密度が大きくなりボールやディスクに溶融損傷が残る。
つまり本発明のポイントは、軸受の油膜厚さを０．２４μm以下とすることで電食を防止するものである。

以下、本発明の実施形態に伴う実施例の軸受を、図１３に基づいて説明する。図１３は本発明の第１実施例を示す軸受を組み込んだモータの側断面図である。
図において、３０はフレーム、３１はステータ、３２はロータ、３３はシャフト、３４はＬ側ブラケット、３５は反Ｌ側ブラケット、３６はＬ側軸受、３７は反Ｌ側軸受である。
本実施例では、モータの反Ｌ側軸受３７に中央油膜厚さが０．２４μm以下の軸受を、Ｌ側軸受３６に比較として中央油膜厚さが０．３０μm以下の軸受を組み込んだ。
このモータを１年間耐久試験した。図１４は試験後のＬ側軸受３６と反Ｌ側軸受３７の外輪の転走面の写真を示しており、（ａ）は本発明、（ｂ）は比較例である。図１４において、本発明（ａ）の反Ｌ側軸受には電食痕が生じず、比較（ｂ）のＬ側軸受に電食痕が生じていることが分かる。ガラスディスクとボールの組合せで調べたと同じく、実機の軸受およびこの軸受を組み込んだモータでも中央油膜厚さが０．２４μm以下の軸受を用いれば電食しない。

図１５は第２の実施例を示すモータであって、（ａ）は側面図、（ｂ)は正面図である。
図１５において、Ｌ側ブラケット３４の外部に複数のグリースガン３８を設置したもので、このグリースガン３８には基油の粘度が異なるグリースが詰め込まれている。油膜厚さはグリース基油の粘度、温度、回転速度によって変化させることができる。ユーザの仕様用途によって温度、回転速度で決まる油膜厚さが、電食が発生する危険な油膜厚さになる場合、グリース基油の粘度を変更して安全油膜厚さに調整し、電食が発生しないようにできる。

図１６は第３の実施例を示すモータの断面図である。
図１６において、通常の荷重支持用のＬ側軸受３６の外部に中央油膜厚さが０．２４μm以下の軸受３９を設けたものである。この軸受で電流がバイパスされるので、荷重支持用の軸受には電流が流れない。

図１７は第４の実施例を示すモータの断面図である。
図１７において、Ｌ側ブラケット３４の周囲にバンドヒータ４０を巻き付けている。先に述べたとおり、油膜厚さはグリース基油の粘度、温度、回転速度で決まる。ユーザの仕様用途でグリース基油の粘度、回転速度が変えられないときは、このバンドヒータでグリースを加熱し、油膜厚さが０．２４μm以下となるように制御する。

１ 軸受
１１ 内輪
１２ 玉
１３ 外輪
１４ グリース
２１ ガラスディスク
２２ 電極の膜
２３ ばね
２４ ボール
２５ ブラシ
２６ プーリー
２７ シャフト
２８ 絶縁物
２９ ブラシ
３０ フレーム
３１ ステータ
３２ ロータ
３３ シャフト
３４ Ｌ側ブラケット
３５ 反Ｌ側ブラケット
３６ Ｌ側軸受
３７ 反Ｌ側軸受
３８ グリースガン
３９ 電流バイパス目的の軸受
４０ バンドヒータ

Claims (5)

1. 玉またはころなどの転動体で転がり支持し、潤滑剤として油またはグリースを使用する軸受において、前記軸受の内輪または外輪と前記転動体の間の接触部における前記潤滑剤の中央油膜厚さを０．２４μm以下としたことを特徴とする軸受。
2. 請求項１記載の軸受が、回転運動または直線運動を行う用途に適用されることを特徴とするモータ。
3. 前記モータは、基油の粘度が異なる複数のグリースを詰めた複数のグリースガンを備えることを特徴とする請求項２記載のモータ。
4. 前記モータに使用される軸受を荷重支持以外の電流バイパス専用に使用することを特徴とする請求項２記載のモータ。
5. 前記モータに使用される軸受は、軸受の温度を可変することによって油膜厚さを変化させるものであることを特徴とする請求項２記載のモータ。

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