JP2020041629A - Dynamic pressure bearing device and rotary electrical machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動圧軸受装置及びこれを備えた回転電機に関する。 The present invention relates to a dynamic pressure bearing device and a rotating electric machine including the same.
従来、工作機械やハードディスク装置などに適用されるスピンドル装置においては、回転軸を非接触で支持する動圧軸受装置が用いられている(例えば、特許文献1参照)。同文献1に記載の動圧軸受装置は、回転軸と、当該回転軸のラジアル荷重を支持する軸受とを備えている。回転軸の外周面または軸受の内周面には、回転軸の回転方向に対して傾斜して延びる一対の溝からなり、V字状をなす複数のヘリングボーン状溝が形成されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a spindle device applied to a machine tool, a hard disk device, or the like, a dynamic pressure bearing device that supports a rotating shaft in a non-contact manner has been used (for example, see Patent Document 1). The dynamic pressure bearing device described in
こうした動圧軸受装置では、回転軸の回転に伴い、ヘリングボーン状溝に空気や潤滑油などの流体が流入すると、当該流体が圧縮されることでその動圧が増大される。回転軸は、こうして増大された動圧によって軸受の内周面から浮いた状態で、すなわち非接触状態で回転可能に支持される。 In such a dynamic pressure bearing device, when a fluid such as air or lubricating oil flows into the herringbone-shaped groove with the rotation of the rotating shaft, the fluid is compressed and the dynamic pressure is increased. The rotating shaft is rotatably supported in a state of floating from the inner peripheral surface of the bearing by the increased dynamic pressure, that is, in a non-contact state.
ところで、上述したようなヘリングボーン状溝を有する動圧軸受装置では、回転軸の回転速度が増大するほど流体が圧縮されてその動圧が増大される。このため、回転軸と軸受との隙間に適切な動圧を発生させるために、回転軸を所定の回転速度以上で回転させる必要がある。しかしながら、こうした流体の圧縮に伴って流体の温度が上昇するため、流体によって加熱されることで回転軸及び軸受が熱膨張するようになる。これにより、回転軸と軸受との隙間が小さくなることで回転軸の円滑な回転が阻害されるおそれがある。 By the way, in the dynamic pressure bearing device having the herringbone groove as described above, the fluid is compressed and the dynamic pressure increases as the rotation speed of the rotating shaft increases. Therefore, in order to generate an appropriate dynamic pressure in the gap between the rotating shaft and the bearing, it is necessary to rotate the rotating shaft at a predetermined rotation speed or higher. However, since the temperature of the fluid increases with the compression of the fluid, the rotating shaft and the bearing thermally expand by being heated by the fluid. As a result, the clearance between the rotating shaft and the bearing is reduced, so that smooth rotation of the rotating shaft may be hindered.
本発明の目的は、回転軸を円滑に回転させることのできる動圧軸受装置及び回転電機を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a dynamic bearing device and a rotating electric machine that can rotate a rotating shaft smoothly.
上記目的を達成するための動圧軸受装置は、回転軸と、前記回転軸の外周面を回転可能に支持する軸受と、を備え、前記回転軸の外周面及び前記軸受の内周面のいずれか一方には、前記回転軸の回転方向の前側ほど互いに離間するように前記回転方向に対して傾斜して延在する一対の溝を含む動圧発生溝が前記回転方向に複数設けられており、前記溝の深さ、前記溝の幅、前記溝の前記回転方向に対する傾斜角度、及び前記溝の延在方向における長さの少なくとも1つが、前記一対の溝の一方と他方とで互いに異なっている。 A dynamic pressure bearing device for achieving the above object includes a rotating shaft, a bearing rotatably supporting an outer peripheral surface of the rotating shaft, and any one of an outer peripheral surface of the rotating shaft and an inner peripheral surface of the bearing. On one side, a plurality of dynamic pressure generating grooves including a pair of grooves extending inclining with respect to the rotation direction are provided in the rotation direction so as to be further apart from each other as the front side in the rotation direction of the rotation shaft. At least one of the depth of the groove, the width of the groove, the inclination angle of the groove with respect to the rotation direction, and the length in the extending direction of the groove is different between one and the other of the pair of grooves. I have.
上記軸受装置においては、回転軸の回転に伴って一対の溝内に空気が流入すると、当該空気が圧縮されることでその動圧が増大される。回転軸は、こうして増大された動圧によって軸受の内周面から浮いた状態で、すなわち非接触状態で回転可能に支持される。 In the above-described bearing device, when air flows into the pair of grooves with the rotation of the rotary shaft, the air is compressed to increase the dynamic pressure. The rotating shaft is rotatably supported in a state of floating from the inner peripheral surface of the bearing by the increased dynamic pressure, that is, in a non-contact state.
上記構成によれば、溝の深さ、溝の幅、溝の回転軸の回転方向に対する傾斜角度、及び溝の延在方向における長さの少なくとも1つが、一対の溝の一方と他方とで互いに異なるため、回転軸の回転時に一対の溝の一方において発生する動圧と他方において発生する動圧とに差が生じる。これにより、回転軸と軸受との間では、一対の溝のうち動圧の高い方から低い方へ空気が移動するようになる。このことから、動圧発生溝により圧縮されることで高温になった空気は、回転軸と軸受との間を軸線方向に沿って流れることとなる。こうした空気の流れにより、回転軸と軸受との間に高温の空気が滞留しにくくなり、回転軸及び軸受の温度上昇、ひいては熱膨張により回転軸と軸受との隙間が小さくなることを抑制することができる。したがって、回転軸を円滑に回転させることができる。 According to the above configuration, at least one of the depth of the groove, the width of the groove, the inclination angle of the groove with respect to the rotation direction of the rotating shaft, and the length in the extending direction of the groove is mutually different between one and the other of the pair of grooves. Because of the difference, a difference occurs between the dynamic pressure generated in one of the pair of grooves and the dynamic pressure generated in the other when the rotation shaft rotates. Thereby, between the rotating shaft and the bearing, air moves from the higher dynamic pressure of the pair of grooves to the lower dynamic pressure. For this reason, the air which has become high temperature by being compressed by the dynamic pressure generating groove flows between the rotating shaft and the bearing along the axial direction. This flow of air makes it difficult for high-temperature air to stay between the rotating shaft and the bearing, thereby suppressing a rise in the temperature of the rotating shaft and the bearing and, consequently, a reduction in the gap between the rotating shaft and the bearing due to thermal expansion. Can be. Therefore, the rotating shaft can be smoothly rotated.
また、上記目的を達成するための回転電機は、上記動圧軸受装置と、前記回転軸に固定されたロータと、前記ロータの外周に配置されたステータと、を備える。
同構成によれば、上記動圧軸受装置と同様な作用効果を奏することができるため、回転電機の回転軸を円滑に回転させることができる。
Further, a rotating electric machine for achieving the above object includes the dynamic pressure bearing device, a rotor fixed to the rotating shaft, and a stator arranged on an outer periphery of the rotor.
According to this configuration, the same operation and effect as those of the above-described hydrodynamic bearing device can be obtained, so that the rotating shaft of the rotating electric machine can be smoothly rotated.
本発明によれば、回転軸を円滑に回転させることができる。 According to the present invention, the rotation shaft can be smoothly rotated.
以下、図1〜図4を参照して、動圧軸受装置を備えた回転電機の一実施形態について説明する。
図1に示すように、回転電機10は、筒状のハウジング20と、ハウジング20の内部に設けられ、回転軸31及び回転軸31の外周面31aを回転可能に支持する軸受32を有する動圧軸受装置30と、回転軸31に固定されたロータ50と、ロータ50の外周に配置されたステータ60とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of a rotating electric machine including a hydrodynamic bearing device will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
As shown in FIG. 1, the rotating
ハウジング20は、片側に底部23を有する筒状の本体部21と、本体部21の開口22を閉塞する蓋部24とにより構成されている。
本体部21の底部23及び底部23と対向する蓋部24の中央には、貫通孔25,26がそれぞれ設けられている。各貫通孔25,26には、軸受32が内嵌されている。なお、本実施形態の軸受32は、回転軸31のラジアル荷重を支持するラジアル軸受である。
The
Through
回転軸31の外径は、軸受32の内径よりも僅かに小さい。すなわち、回転軸31と軸受32とが同一軸線上にある状態において、回転軸31の外周面31aと軸受32の内周面32aとの間には、全周にわたって隙間(クリアランス)が設けられている。
The outer diameter of the rotating
ロータ50には、複数の永久磁石(図示略)が埋め込まれている。
ステータ60は、ハウジング20の内面に取り付けられるとともにコイル61が巻き付けられている。
A plurality of permanent magnets (not shown) are embedded in the
The
図1及び図2に示すように、回転軸31の外周面31aのうち軸受32の内周面32aに対向する部分には、ヘリングボーン状の動圧発生溝40が回転軸31の回転方向Xに複数設けられている。なお、回転軸31の回転方向Xは、図1において回転軸31を右方から視た場合の反時計回りの方向である。また、以降において、回転軸31の回転方向Xを単に回転方向Xと称する。また、回転軸31の軸線方向Yを単に軸線方向Yと称する。
As shown in FIGS. 1 and 2, a herringbone-shaped dynamic
動圧発生溝40は、回転方向Xの前側ほど互いに離間するように回転方向Xに対して傾斜して延在する一対の溝(第1溝41,第2溝42)により構成されている。動圧発生溝40の回転方向Xの後側には、第1溝41と第2溝42とが合流する合流部40aが形成されている。第1溝41は、合流部40aよりも軸線方向Yにおいてロータ50及びステータ60から離間する側に位置している。第2溝42は、合流部40aよりも軸線方向Yにおいてロータ50及びステータ60に近接する側に位置している。
The dynamic
図2及び図3に示すように、本実施形態では、第1溝41と第2溝42とで溝深さが互いに異なっている。より具体的には、図3に示すように、第1溝41の深さD1は、第2溝42の深さD2よりも大きい(D1>D2)。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the present embodiment, the
図2に示すように、第1溝41及び第2溝42は、溝深さ以外の点においては、合流部40aを通って軸線方向Yに直交する仮想平面を中心に対称な形状を有している。すなわち、溝41,42の幅、溝41,42の回転方向Xに対する傾斜角度、及び溝41,42の延在方向における長さについては、第1溝41と第2溝42とで同一である。
As shown in FIG. 2, the
ここで、図4に示すように、互いに同一の溝深さを有する一対の溝と当該溝にて発生する動圧との関係には、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧が低くなる溝深さの範囲と、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧高くなる溝深さの範囲とが存在する。 Here, as shown in FIG. 4, the relationship between the pair of grooves having the same groove depth and the dynamic pressure generated in the groove is such that the smaller the groove depth, the smaller the dynamic pressure generated in the groove. There is a range of the groove depth that decreases and a range of the groove depth where the dynamic pressure generated in the groove increases as the groove depth decreases.
本実施形態では、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧が低くなる溝深さの範囲内において、溝41,42の深さを互いに異ならせている。すなわち、上記範囲内において、第2溝42において発生する動圧が第1溝41において発生する動圧よりも低くなるように、第1溝41の深さD1及び第2溝42の深さD2を設定している。
In the present embodiment, the depths of the
本実施形態の作用について説明する。
まず、本実施形態の動圧軸受装置30の基本的な作用について説明する。
回転軸31の回転に伴って、回転軸31の外周面31aに設けられた動圧発生溝40の溝41,42には、回転方向Xの前側から周囲の空気が流入する。溝41,42に流入した空気は、溝41,42の延在方向に沿って回転方向Xの後側に向かって流れ、合流部40aにおいて合流して圧縮されることで動圧が増大される。これにより、合流部40aには周囲よりも高い動圧が発生する。こうした動圧は、回転軸31及び軸受32の全周にわたって発生する。そして、当該動圧が所定の動圧よりも大きくなることで回転軸31は軸受32に対して浮上することとなる。これにより、回転軸31は軸受32に対して非接触状態で回転可能に支持される。
The operation of the present embodiment will be described.
First, the basic operation of the
With the rotation of the
本実施形態の動圧軸受装置30は、第2溝42において発生する動圧が第1溝41において発生する動圧よりも小さくなるように、第1溝41の深さD1が第2溝42の深さD2よりも大きく設定されている。このため、動圧発生溝40による動圧が発生した際に、第1溝41から、第1溝41における動圧よりも動圧の低い第2溝42に向かう空気の流れ、すなわち軸線方向Yにおいてハウジング20の内側に向かう空気の流れが生じる。なお、回転軸31の外周面31aには、軸線方向Yの両側に動圧発生溝40が設けられているため、動圧軸受装置30全体としてハウジング20の内側に向かう空気の流れが生じることとなる。こうした空気の流れにより、回転電機10の駆動によって発熱したロータ50及びステータ60が冷却される。
The dynamic
本実施形態の効果について説明する。
(1)動圧軸受装置30の回転軸31の外周面31aには、回転方向Xの前側ほど互いに離間するように回転方向Xに対して傾斜して延在する一対の溝41,42を含む動圧発生溝40が回転方向Xに複数設けられている。動圧発生溝40は、一対の溝41,42の深さが互いに異なっている。
The effect of the present embodiment will be described.
(1) The outer peripheral surface 31a of the
こうした構成によれば、一対の溝41,42の深さが互いに異なるため、回転軸31の回転時に第1溝41において発生する動圧と第2溝42において発生する動圧とに差が生じる。これにより、回転軸31と軸受32との間では、一対の溝42,42のうち動圧の高い方から低い方へ空気が移動するようになる。このことから、動圧発生溝40により圧縮されることで高温になった空気は、回転軸31と軸受32との間を軸線方向に沿って流れることとなる。こうした空気の流れにより、回転軸31と軸受32との間に高温の空気が滞留しにくくなり、回転軸31及び軸受32の温度上昇、ひいては熱膨脹により回転軸31と軸受32との隙間が小さくなることを抑制することができる。したがって、回転軸31を円滑に回転させることができる。
According to such a configuration, since the depths of the pair of
(2)回転電機10は、動圧軸受装置30と、回転軸31に固定されたロータ50と、ロータ50の外周に配置されたステータ60とを備える。動圧軸受装置30の動圧発生溝40は、一対の溝41,42のうち、ロータ50及びステータ60に近接する側の第2溝42内にて発生する動圧が、ロータ50及びステータ60から離間する側の第1溝41内にて発生する動圧よりも低くなるように、深さが互いに異なっている。
(2) The rotating
こうした構成によれば、上記作用を奏することから、ロータ50及びステータ60の発熱を抑制することができるため、動圧軸受装置30の効果(1)と同様な効果を奏することができる。したがって、回転電機10の回転軸31を円滑に回転させることができる。
According to such a configuration, since the above operation is achieved, the heat generation of the
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧が低くなる溝深さの範囲内において溝41,42の深さを互いに異ならせることで、軸線方向の外側から内側に向かう空気の流れを生じさせた。これと同様にして、図4に示すように、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧が高くなる溝深さの範囲内において、溝41,42の深さD3,D4を互いに異ならせることで、軸線方向の外側から内側に向かう空気の流れを生じさせてもよい。
This embodiment can be implemented with the following modifications. The present embodiment and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
In the above-described embodiment, the depth of the
第1溝41において発生する動圧と第2溝42において発生する動圧とを異ならせるための構成は、溝深さだけではない。溝41,42の深さ、溝41,42の幅、溝41,42の回転方向Xに対する傾斜角度、及び溝41,42の延在方向における長さの少なくとも1つを、第1溝41と第2溝42とで互いに異ならせることによって、第1溝41において発生する動圧と第2溝42において発生する動圧とを異ならせることができる。以下、図5〜図7を参照して、その変更例について説明する。なお、以下の図5〜図7にそれぞれ示す第1〜第3変更例において、上記実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すとともに、対応する構成については、それぞれ「100」、「200」、「300」を加算した符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
The configuration for making the dynamic pressure generated in the
・図5に示すように、本実施形態の動圧軸受装置30に代えて、第1溝141において発生する動圧と第2溝142において発生する動圧とに差が生じるように、第1溝141の回転方向Xに対する傾斜角度α1と第2溝142の回転方向Xに対する傾斜角度α2とを互いに異ならせた動圧軸受装置130を採用することもできる。なお、本第1変更例では、傾斜角度α1が傾斜角度α2よりも大きい(α1>α2)。こうした構成によれば、上記実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
As shown in FIG. 5, instead of the dynamic
・図6に示すように、本実施形態の動圧軸受装置30に代えて、第1溝241において発生する動圧と第2溝242において発生する動圧とに差が生じるように、第1溝241の幅W1と第2溝242の幅W2とを互いに異ならせた動圧軸受装置230を採用することもできる。なお、本第2変更例では、幅W1が幅W2よりも大きい(W1>W2)。こうした構成によれば、上記実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
As shown in FIG. 6, instead of the dynamic
・図7に示すように、本実施形態の動圧軸受装置30に代えて、第1溝341において発生する動圧と第2溝342において発生する動圧とに差が生じるように、第1溝341の延在方向における長さL1と第2溝342の延在方向における長さL2とを互いに異ならせた動圧軸受装置330を採用することもできる。なお、本第3変更例では、長さL1が長さL2よりも長い(L1>L2)。こうした構成によれば、上記実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
As shown in FIG. 7, instead of the dynamic
・回転軸31の外周面31aに代えて、軸受32の内周面32aに動圧発生溝40を設けることもできる。
-Instead of the outer peripheral surface 31a of the
10…回転電機、20…ハウジング、21…本体部、22…開口、23…底部、24…蓋部、25,26…貫通孔、30,130,230,330…動圧軸受装置、31,131,231,331…回転軸、31a,131a,231a,331a…外周面、32…軸受、32a…内周面、40,140,240,340…動圧発生溝、40a,140a,240a,340a…合流部、41,141,241,341…第1溝、42,142,242,342…第2溝、50…ロータ、60…ステータ、61…コイル。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記回転軸の外周面を回転可能に支持する軸受と、を備え、
前記回転軸の外周面及び前記軸受の内周面のいずれか一方には、前記回転軸の回転方向の前側ほど互いに離間するように前記回転方向に対して傾斜して延在する一対の溝を含む動圧発生溝が前記回転方向に複数設けられており、
前記溝の深さ、前記溝の幅、前記溝の前記回転方向に対する傾斜角度、及び前記溝の延在方向における長さの少なくとも1つが、前記一対の溝の一方と他方とで互いに異なっている、
動圧軸受装置。 A rotation axis,
Bearing that rotatably supports the outer peripheral surface of the rotating shaft,
One of the outer peripheral surface of the rotating shaft and the inner peripheral surface of the bearing has a pair of grooves extending obliquely with respect to the rotation direction so as to be more separated from each other as the front side in the rotation direction of the rotation shaft. A plurality of dynamic pressure generating grooves, including:
At least one of the depth of the groove, the width of the groove, the inclination angle of the groove with respect to the rotation direction, and the length in the extending direction of the groove is different between one of the pair of grooves and the other. ,
Dynamic pressure bearing device.
前記回転軸に固定されたロータと、
前記ロータの外周に配置されたステータと、を備える、
回転電機。 A hydrodynamic bearing device according to claim 1,
A rotor fixed to the rotating shaft,
And a stator disposed on the outer periphery of the rotor.
Rotating electric machine.
請求項2に記載の回転電機。 Of the pair of grooves, the dynamic pressure generated in the groove on the side close to the rotor and the stator is lower than the dynamic pressure generated in the groove on the side separated from the rotor and the stator, At least one of a depth of the pair of grooves, a width of the pair of grooves, an inclination angle of the pair of grooves with respect to the rotation direction, and a length in an extending direction of the pair of grooves is different from each other.
The rotating electric machine according to claim 2.
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Cited By (1)
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CN114909319A (en) * | 2022-05-20 | 2022-08-16 | 珠海格力电器股份有限公司 | Rotating shaft assembly, rotor assembly and compressor |
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