JP2019054593A - 異物の侵入を抑制する電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転シャフトが高速にて回転する場合に効果的に異物の侵入を抑制するオイルシールを備える電動機を提供する。
【解決手段】電動機１は、回転シャフト１３に対向する部分を含む対向部材２２と、弾性を有するシール部材４１と、シール部材４１を支持する環状部材４２とを備える。回転シャフト１３の外周面には、磁石５１が配置されている。環状部材４２の内周面には、コイルユニット５３が配置されている。回転シャフト１３が回転すると、磁力により回転シャフト１３と同じ向きに環状部材４２が回転する。シール部材４１は、環状部材４２と共に、回転シャフト１３の回転速度よりも小さい回転速度にて回転する。
【選択図】図３

Description

本発明は、異物の侵入を抑制する電動機に関する。

電動機は、異物が飛散する環境にて使用される場合がある。たとえば、工作機械の主軸ヘッドは、ワークを加工する加工室に配置される。主軸ヘッドは、切削した時に生じる切粉および切削液などの異物が飛散する環境にて使用される。主軸ヘッドは、主軸を回転する電動機を含む。電動機の内部に異物が侵入すると、巻線に絶縁不良が生じたり、又は軸受けの機能が損なわれたりする虞がある。

電動機は、他の部材に連結される回転シャフトを含むロータと、ロータを取り囲むハウジングとを備える。回転シャフトは回転軸の周りに回転する。ハウジングに回転シャフトを固定することはできないために、電動機は、ハウジングと回転シャフトとの間から異物が内部に侵入することを抑制する機構を備えることが好ましい。

従来から回転シャフトとハウジングとの間を通って異物が侵入することを抑制する構造が検討されている。従来の技術においては、回転シャフトとハウジングとの間に、オイルシールを配置することが知られている（例えば、特開２００４−３６７９８号公報）。オイルシールは、ハウジングに固定され、オイルシールの先端のリップ部が回転シャフトの外周面と摺動するように形成される。

また、回転シャフトが低速にて回転する場合にはオイルシールの機能を有し、回転シャフトが高速にて回転する場合には、ラビリンスシールの機能を有する密閉構造を備える電動機が知られている（例えば、特開平７−５５０１２号公報および特開平９−２８０５３号公報）。

また、オイルシールおよびラビリンスシールの他に、筐体の内部の液体が外部に流出することを抑制する構造として、メカニカルシールが知られている（例えば、特開２０１３−９６５６８号公報）。

特開２００４−３６７９８号公報 特開平７−５５０１２号公報 特開平９−２８０５３号公報 特開２０１３−９６５６８号公報

ハウジングと回転シャフトとの間にオイルシールを配置することにより、回転シャフトとハウジングとの間から異物の侵入を抑制することができる。しかしながら、オイルシールは、回転シャフトが回転している期間中に常に回転シャフトに接触する。このために、例えば毎分８０００回転を超えるような高速にて回転シャフトが回転する場合に、回転シャフトに接触する部分が摩擦により発熱する場合がある。または、回転シャフトに接触する部分が摩耗する場合がある。この結果、オイルシールの密閉性能が低下したり、オイルシールが経年劣化したりする場合がある。

オイルシールの代わりに、部材同士の間隔を狭くして、空気が流れにくくするように形成されたラビリンスシールを採用することが考えられる。ところが、ラビリンスシールは、空気が流通する流路が狭いものの、空気の流路が存在するために、密閉性能が劣るという問題がある。特に、回転シャフトが低速にて回転する場合または回転シャフトが停止している場合には、密閉性能が低くなるという問題がある。

本開示の一態様の電動機は、回転シャフトを含むロータと、回転シャフトを支持するハウジングとを備える。電動機は、ハウジングに固定され、回転シャフトに対向する部分を含む対向部材を備える。電動機は、弾性を有し、環状に形成されたシール部材と、シール部材を支持する環状部材とを備える。シール部材は、径方向の内側の端部が回転シャフトに接触し、径方向の外側の端部が対向部材に接触している。環状部材は、回転シャフトと同一の回転軸にて回転するように形成されている。回転シャフトの外周面には、磁気を発生する第１の磁気発生部材が配置されている。環状部材の内周面には、磁気を発生する第２の磁気発生部材が第１の磁気発生部材に対向するように配置されている。第１の磁気発生部材および第２の磁気発生部材は、回転シャフトが回転すると、磁力により回転シャフトと同じ向きに環状部材が回転するように形成されている。シール部材は、回転シャフトの回転速度よりも小さい回転速度にて環状部材と共に回転する。

本開示の一態様によれば、回転シャフトが高速にて回転する場合に効果的に異物の侵入を抑制するオイルシールを備える電動機を提供することができる。

実施の形態における電動機の端部の断面図である。 実施の形態における電動機の概略正面図である。 実施の形態における電動機のシール部材の部分の拡大断面図である。 実施の形態におけるシール部材の斜視図である。 環状部材の概略斜視図である。 環状部材の内面に配置されるコイルユニットの概略平面図である。 回転シャフトおよびシール部材の表面の速度を説明する拡大平面図である。

図１から図７を参照して、実施の形態における電動機について説明する。本実施の形態の電動機は、異物が飛散する環境にて使用される。本実施の形態の電動機は、ワークに対して工具を相対的に動かすことによりワークを加工する工作機械に配置される。工作機械は、工具が取り付けられる主軸を回転させる主軸ヘッドを含む。本実施の形態の電動機は、主軸ヘッドに配置されている。

主軸ヘッドは、工作機械の加工室に配置される。主軸ヘッドの周りには、ワークを切削した時に生じる切粉および加工室に噴射される切削液の液滴などの異物が存在する。本実施の形態の電動機は、これらの異物が電動機の内部に侵入することを抑制する構造を有する。

図１は、本実施の形態の電動機の先端の部分の概略断面図である。図２は、本実施の形態の電動機の先端の部分の概略正面図である。図１および図２は、回転シャフトに他の部材が連結される側の端部を示している。なお、図２においては、シール部材４１に斜線を付している。電動機１は、ロータ１１と、ステータ１２とを備える。ステータ１２は、例えば、軸方向に積層された複数の磁性鋼板にて形成されるステータコアと、コイル１６とを有する。ロータ１１は、回転シャフト１３と、回転シャフト１３の外側に固定され、複数の磁石を有するロータコア１７とを有する。回転シャフト１３は、回転力を伝達する主軸などの他の部材に連結される。

回転シャフト１３は、回転軸ＲＡの周りに回転する。本実施の形態の軸方向とは、回転シャフト１３の回転軸ＲＡが延びる方向を示す。本実施の形態の径方向とは、回転軸ＲＡを中心とする円の半径方向を示す。本実施の形態の周方向とは、回転軸ＲＡを中心とする円の円周の方向を示す。また、電動機１において、回転シャフト１３が他の部材に連結される側を前側と称する。また、前側と反対側を後側と称する。図１に示す例では、矢印８１が電動機１の前側を示している。

電動機１は、前側の部分に配置されたハウジング２１を含む。ハウジング２１は、ロータ１１を取り囲むように筒状に形成されている。ハウジング２１には、ステータ１２が固定されている。ハウジング２１は、第１のベアリング１４を支持する支持部材２５を含む。ハウジング２１は、ベアリング１４を介してロータ１１を回転可能に支持する。ベアリング１４は、回転シャフト１３の前側の端部を回転可能に支持している。

図３に、シール部材が配置されている部分の拡大断面図を示す。第１のベアリング１４は、回転シャフト１３を回転させるための軸受である。第１のベアリング１４は、外輪３１、内輪３２、および外輪３１と内輪３２との間に配置された玉３３を含む。内輪３２は、回転シャフト１３と共に回転する。ハウジング２１の支持部材２５は、ベアリング１４の外輪３１を支持している。

本実施の形態における電動機１は、回転シャフト１３に対向する部分を有する対向部材２２を備える。本実施の形態における対向部材２２は、ハウジング２１に固定されている。対向部材２２は、板状に形成されている。対向部材２２は、回転シャフト１３を取り囲むように環状に形成されている。本実施の形態の対向部材２２は、接着剤にてハウジング２１に固定されているが、この形態に限られず、対向部材は、ボルト等の締結部材によりハウジングに固定されていても構わない。

対向部材２２は、回転シャフト１３の外周面に対向する部分としての対向部２２ａを有する。対向部２２ａは、面状に形成されている。対向部２２ａは、回転シャフト１３の外周面と平行に延びるように形成されている。すなわち、回転シャフト１３の外周面と、対向部２２ａの内周面との間隔は、周方向において一定である。

本実施の形態の対向部材は、板状に形成されているが、この形態に限られない。対向部材は、回転シャフトに対向する部分を有するように任意の形状にて形成することができる。また、対向部材の対向部は、シール部材を押圧する方向に弾性を有していても構わない。

図４に、本実施の形態におけるシール部材の斜視図を示す。図２から図４を参照して、対向部材２２と回転シャフト１３とに挟まれる領域には、オイルシールとしてのシール部材４１が配置されている。シール部材４１は、弾性を有する部材にて形成されている。シール部材４１は、環状に形成されている。シール部材４１は、基部４１ａと、基部４１ａから回転シャフト１３の外周面に向かって延びる内側リップ部４１ｂと、基部４１ａから対向部２２ａに向かって延びる外側リップ部４１ｃとを有する。内側リップ部４１ｂは、回転シャフト１３の外周面と摺動する。外側リップ部４１ｃは、対向部材２２の対向部２２ａの表面と摺動する。

内側リップ部４１ｂおよび外側リップ部４１ｃは、径方向に変形するように弾性を有する。内側リップ部４１ｂおよび外側リップ部４１ｃは、例えば、ニトリルゴムまたはフッ素ゴム等のゴムにより形成することができる。内側リップ部４１ｂは、弾性力により回転シャフト１３に押し付けられる。外側リップ部４１ｃは、弾性力により対向部材２２の対向部２２ａに押し付けられる。

シール部材は、内側リップ部および外側リップ部を有する任意の構成を有することができる。例えば、シール部材４１の基部４１ａの内部には、基部４１ａの形状を維持するための金属環が配置されていても構わない。また、内側リップ部４１ｂおよび外側リップ部４１ｃには、接触する部材に向かって押圧されるように、ばねを含んでいても構わない。

本実施の形態におけるシール部材４１は、回転シャフト１３の回転軸ＲＡと同軸状に回転するように形成されている。電動機１は、シール部材４１を回転させる為の軸受としての第２のベアリング４４を含む。第２のベアリング４４は、第１のベアリング１４と同軸状に配置されている。ベアリング４４は、外輪４５、内輪４６、および外輪４５と内輪４６との間に配置された玉４７を含む。ベアリング４４の外輪４５は、支持部材２６に固定されている。支持部材２６は、支持部材２５に固定されている。ベアリング４４は、支持部材２６を介してハウジング２１に支持されている。

電動機１は、第２のベアリング４４に固定された環状部材４２を含む。環状部材４２は、ベアリング４４の内輪４６に固定されている。環状部材４２は、回転シャフト１３と同一の回転軸ＲＡにて回転するように形成されている。シール部材４１の基部４１ａは、環状部材４２に固定されている。シール部材４１は、環状部材４２およびベアリング４４の内輪４６と一体的に回転する。

本実施の形態における電動機１は、シール部材４１を回転軸ＲＡの周りに回転させる駆動機構を備える。駆動機構は、回転シャフト１３の外周面に配置された第１の磁気発生部材を含む。第１の磁気発生部材は、磁気を発生するように形成されている。また、駆動機構は、環状部材４２の内周面に配置された第２の磁気発生部材を含む。第２の磁気発生部材は、磁気を発生するように形成されている。第２の磁気発生部材は、第１の磁気発生部材に対向するように配置されている。

本実施の形態における駆動機構は、磁力によりシール部材４１を回転させる。駆動機構は、回転シャフト１３と同じ向きに環状部材４２を回転させる。駆動機構は、回転シャフト１３の回転速度よりも小さい回転速度にて環状部材４２を回転させるように形成されている。

本実施の形態の第１の磁気発生部材は、回転シャフト１３の外周面に配置された複数の磁石５１を含む。本実施の形態の磁石５１は、永久磁石である。複数の磁石５１は、周方向に互いに離れて配置されている。複数の磁石５１は、互いに等間隔になるように配置されている。本実施の形態においては、外側がＳ極になる磁石５１と、外側がＮ極になる磁石５１が、周方向に沿って交互に配置されている。すなわち、複数の磁石５１は、隣り合う磁石の磁極が異なるように配置されている。

図５に、本実施の形態における環状部材の概略斜視図を示す。図３および図５を参照して、環状部材４２は、回転シャフト１３を取り囲むように環状に形成されている。第２の磁気発生部材は、環状部材４２の内周面に配置された複数のコイルユニット５３を含む。複数のコイルユニット５３は、周方向に互いに離れて配置されている。コイルユニット５３は、環状部材４２の内周面に沿って等間隔に配置されている。コイルユニット５３は、回転シャフト１３に配置された磁石５１に対向するように配置されている。

図６に、本実施の形態におけるコイルユニットの概略正面図を示す。コイルユニット５３は、導線が巻回されたコイル５４と、導線に接続された抵抗素子５５とを有する。本実施の形態におけるコイルユニット５３は、コイル５４の平面形状が四角形になるように形成されている。抵抗素子５５は、コイル５４の導線の一方の先端と他方の先端とに接続されている。

コイル５４に流れる電流値は、抵抗素子５５の抵抗値に応じて定まる。抵抗素子５５は、コイル５４の導線に流れる電流の大きさを調整する機能を有する。コイルユニット５３は、この形態に限られず、コイルにより磁気を発生できる任意の形態を採用することができる。

本実施の形態におけるシール部材４１は、駆動機構により、回転シャフト１３が回転すると磁力の作用により回転する。図２および図３を参照して、回転シャフト１３が矢印８３に示す方向に回転する。磁石５１が回転シャフト１３と共に回転する。磁石５１が生成する磁束は、磁石５１に対向するコイルユニット５３を横切る。コイルユニット５３のコイル５４には誘導電流が流れる。そして、コイルユニット５３から誘導電流による磁気が発生する。磁石５１が発生する磁気とコイルユニット５３が生成する磁気との作用により、コイルユニット５３には磁力が作用する。磁力は、磁石５１が移動する方向に作用する。この結果、環状部材４２は、回転シャフト１３が回転する方向と同じ方向に回転する。そして、シール部材４１は、矢印８４に示すように、環状部材４２と共に回転する。

シール部材４１が回転すると、内側リップ部４１ｂは、回転シャフト１３の外周面に摺動する。また、外側リップ部４１ｃは、対向部２２ａに摺動する。このように、シール部材４１が、回転シャフト１３の外周面および対向部材２２の対向部２２ａと接触しながら回転することにより、ハウジング２１の内部の密閉が維持される。換言すると、シール部材４１により、回転シャフト１３の周りの密閉構造を形成することができる。ハウジング２１と回転シャフト１３との間の部分から異物が電動機１の内部に侵入することを抑制することができる。

駆動機構は、シール部材４１の回転速度（角速度）が、回転シャフト１３の回転速度（角速度）よりも遅くなるように形成されている。シール部材４１の回転速度は、コイルユニット５３の抵抗素子５５を変更することにより、調整することができる。抵抗値の大きな抵抗素子５５を選定することにより、コイル５４に流れる電流値を小さくすることができる。コイルユニット５３から発生する磁束密度を小さくすることができる。この結果、シール部材４１の回転速度を小さくすることができる。

一方で、抵抗値の小さな抵抗素子５５を選定することにより、シール部材４１の回転速度を大きくすることができる。すなわち、抵抗素子５５の抵抗値が小さくなるほど、シール部材４１の回転速度を回転シャフト１３の回転速度に近づけることができる。このように、コイルユニット５３が抵抗素子５５を含むことにより、適切な抵抗値を有する抵抗素子５５を選定して、所望の回転速度にてシール部材４１を回転させることができる。

次に、シール部材の回転速度について詳細に説明する。図７は、本実施の形態における回転シャフト、シール部材、および対向部材の拡大概略正面図である。ここでの例では、回転シャフト１３の回転速度を角速度ω１とする。また、シール部材４１の回転速度を角速度ω２とする。角速度ω１は、角速度ω２よりも大きい（ω１＞ω２）。回転シャフト１３は、半径ａを有する。シール部材４１は、径方向の幅ｂを有する。幅ｂは、対向部材２２と回転シャフト１３との間隔に対応する。

図３および図７を参照して、角速度ω１にて回転している回転シャフト１３の外周面における周方向の速度は、ａω１になる。速度ａω１は、矢印８５にて示している。また、シール部材４１の内側リップ部４１ｂの接触部における周方向の速度は、ａω２になる。速度ａω２は、矢印８６にて示している。

従来の技術によるオイルシールの構造では、シール部材が静止している。このために、シール部材のリップ部に対する回転シャフトの周方向の相対速度は、速度ａω１になる。これに対して、本実施の形態の構造では、内側リップ部４１ｂに対する回転シャフト１３の周方向の相対速度は、ａ（ω１−ω２）になる。本実施の形態における内側リップ部４１ｂに対する回転シャフト１３の相対速度は、従来の技術のオイルシールのリップ部の相対速度よりも小さくなる。すなわち、本実施の形態の電動機１は、オイルシールと回転シャフトとが摺動する部分における相対速度を小さくすることができる。このため、オイルシールにおいて、回転シャフトと摺動する部分の発熱および摩耗を抑制することができる。

次に、シール部材４１の外側リップ部４１ｃの接触部の周方向の速度は、（ａ＋ｂ）ω２になる。速度（ａ＋ｂ）ω２は、矢印８７にて示されている。対向部材２２は、静止しているために、この周方向の速度は、対向部材２２に対する外側リップ部４１ｃの周方向の相対速度になる。この速度（ａ＋ｂ）ω２は、回転シャフトの外周面における周方向の速度ａω１よりも小さいことが好ましい。この構成により、従来のオイルシールのリップ部の相対速度よりも、本実施の形態における外側リップ部の相対速度を遅くすることができる。シール部材の外側リップ部の発熱および摩耗を抑制することができる。

コイルユニット５３の抵抗素子５５の抵抗値は、上記の条件を満たすように選定することが好ましい。すなわち、電動機は、シール部材の回転速度が回転シャフトの回転速度よりも小さくなり、かつ、外側リップ部の周方向の速度が、回転シャフトの表面における周方向の速度よりも小さくなるように形成されることが好ましい。

また、回転シャフト１３に配置された磁石５１が発生する磁束密度、磁石５１の個数、磁石５１同士の間隔、コイル５４の大きさ、コイル５４の形状、コイル５４の巻き数、コイルユニット５３同士の間隔等は、上記の条件を満たすように選定することが好ましい。

このように、本実施の形態の電動機１は、シール部材４１の内側リップ部４１ｂおよび外側リップ部４１ｃにおいて、従来の技術におけるオイルシールのリップ部よりも相対速度を小さくすることができる。このため、シール部材のリップ部における発熱および摩耗を抑制することができる。本実施の形態の電動機は、長期間にわたって、シール部材の信頼性を維持することができる。

特に、回転シャフトが高速にて回転すると、シール部材の発熱および劣化が生じやすくなる。このために、本実施の形態の密閉構造は、回転シャフトが高速にて回転する電動機に好適である。高速で回転する電動機としては、回転シャフト１３の回転数が８，０００ｒｐｍ以上の電動機を例示することができる。

ここで、工作機械の主軸を回転させる主軸モータは、高速にて回転する。また、主軸モータを含む主軸ヘッドは、異物が飛散する加工室の内部に配置される。主軸ヘッドは、異物が電動機の内部に侵入しない構造が必要である。このために、本発明の密閉構造を有する電動機は、工作機械の主軸モータに好適である。

また、電動機の回転数の上限値は、シール部材の材質に依存する。それぞれのシール部材には、回転数の上限値が定められている。また、回転数の上限値は、電動機の回転シャフトの直径にも依存する。本実施の形態における電動機は、シール部材の発熱および摩耗を抑制することができるために、従来の技術における電動機の回転数の上限値よりも大きな回転数にて回転シャフトを回転させることができる。

本実施の形態の電動機では、コイルの誘導電流を利用した電磁力にて、シール部材が回転する。磁力を用いた駆動機構としては、この形態に限られず、磁力を利用した任意の形態を採用することができる。本実施の形態の第１の磁気発生部材は、複数の永久磁石であり、第２の磁気発生部材は、複数のコイルユニットであるが、この形態に限られない。第１の磁気発生部材および第２の磁気発生部材は、環状部材が回転するように磁気を発生する任意の部材を採用することができる。例えば、第１の磁気発生部材として回転シャフトの外周面に外側がＮ極になるように複数の永久磁石を配置し、第２の磁気発生部材として環状部材の内周面に内側がＳ極になるように複数の永久磁石を配置することができる。この構成によっても、回転シャフトの回転に伴ってシール部材を回転させることができる。また、回転シャフトおよび環状部材のうち少なくとも一方に、磁気発生部材として電磁石が配置されていても構わない。

本実施の形態のコイルユニット５３においては、コイル５４の導線に抵抗素子５５が接続されているが、この形態に限られず、コイル５４を構成する導線として抵抗を有する導線が用いられていても構わない。

更に、本実施の形態におけるコイルユニット５３の抵抗素子５５は、抵抗値が変化しないが、この形態に限られない。抵抗素子として、抵抗値を変化させることができる可変抵抗器を採用することができる。可変抵抗器の抵抗値を変化させることにより、シール部材の回転速度を調整することができる。例えば、電動機の組立て工程において、シール部材が設計の回転速度にて回転するように可変抵抗器の抵抗値を調整することができる。

また、外部からの信号により抵抗値を変化させることができる可変抵抗器を採用することができる。この構成により、電動機を組み立てた後においても、容易にシール部材の回転速度を調整することができる。シール部材を高速で回転させる場合に、抵抗値を小さくすることができる。例えば、ワークの加工内容に応じて工具および主軸モータの回転速度が設定される。そして、主軸モータの回転速度に対応して、シール部材の回転速度を調整することができる。

本実施の形態における電動機は、工作機械の主軸を回転させる電動機であるが、この形態に限られず、異物が侵入する虞のある環境に配置される任意の電動機に本発明を適用することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１ 電動機
１１ ロータ
１３ 回転シャフト
１４ ベアリング
２１ ハウジング
２２ 対向部材
２２ａ 対向部
４１ シール部材
４１ｂ 内側リップ部
４１ｃ 外側リップ部
４２ 環状部材
４４ ベアリング
４６ 内輪
５１ 磁石
５３ コイルユニット
５４ コイル
５５ 抵抗素子

Claims (4)

1. 回転シャフトを含むロータと、
   前記回転シャフトを支持するハウジングと、
   前記ハウジングに固定され、前記回転シャフトに対向する部分を含む対向部材と、
   弾性を有し、環状に形成されたシール部材と、
   前記シール部材を支持する環状部材とを備え、
   前記シール部材は、径方向の内側の端部が前記回転シャフトに接触し、径方向の外側の端部が前記対向部材に接触し、
   前記環状部材は、前記回転シャフトと同一の回転軸にて回転するように形成されており、
   前記回転シャフトの外周面には、磁気を発生する第１の磁気発生部材が配置されており、
   前記環状部材の内周面には、磁気を発生する第２の磁気発生部材が前記第１の磁気発生部材に対向するように配置されており、
   前記第１の磁気発生部材および前記第２の磁気発生部材は、前記回転シャフトが回転すると、磁力により前記回転シャフトと同じ向きに前記環状部材が回転するように形成されており、
   前記シール部材は、前記回転シャフトの回転速度よりも小さい回転速度にて前記環状部材と共に回転する、電動機。
2. 前記第１の磁気発生部材は、周方向に互いに離れて配置された複数の永久磁石であり、
   前記第２の磁気発生部材は、前記永久磁石に対向するように、周方向に互いに離れて配置された複数のコイルユニットである、請求項１に記載の電動機。
3. 前記コイルユニットは、導線が巻回されたコイルと、前記導線に接続された抵抗素子とを含む、請求項２に記載の電動機。
4. 前記回転シャフトの端部を支持するように形成され、前記ハウジングに支持された第１のベアリングと、
   前記ハウジングに支持され、前記第１のベアリングと同軸状に配置された第２のベアリングとを備え、
   前記環状部材は、前記第２のベアリングの内輪に固定されており、
   前記第２のベアリングの内輪、前記環状部材、および前記シール部材が一体的に回転する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機。

Images