JP2021025531A - Bearing device - Google Patents

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Abstract

To provide a bearing device capable of achieving improvement in durability performance.SOLUTION: A rotary shaft 21 includes a hollow part 25 which has a cylindrical shape and which deforms so as to bulge outwardly during rotation. A rolling bearing 11 is arranged in a state of having a gap between an outer peripheral surface of the rotary shaft 21 and itself. At the rotation stop time of the rotary shaft 21, a lower part of the rolling bearing 11 comes into contact with the rotary shaft 21, and an upper part of the rolling bearing 11 does not come into contact with the rotary shaft 21. A foil bearing 12 includes: a top foil 40 which has a shape along an outside surface of the hollow part 25 when the hollow part 25 deforms at the rotation time of the rotary shaft 21, and which is oppositely arranged on the outer peripheral surface in such a manner that it does not come into contact with the outer peripheral surface of the hollow part 25; and a bump foil 41 for energizing the top foil 40 to the rotary shaft 21 side. The foil bearing 12 has a housing 43 for supporting the outer peripheral side of the bump foil 41.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、空気圧を利用して回転軸をラジアル方向に支持するフォイル軸受を有する軸受装置に関するものである。 The present invention relates to a bearing device having a foil bearing that supports a rotating shaft in the radial direction by utilizing air pressure.

特許文献1に記載のフォイル軸受は、回転軸の外周に配置される筒状のトップフォイルと、トップフォイルの外周面に沿って延設されるとともにトップフォイル側に突出する山部が周方向に間隔を置いて並ぶ波形状をなすバンプフォイルと、同バンプフォイルの外周面を支持するハウジングとを有している。 The foil bearing described in Patent Document 1 has a tubular top foil arranged on the outer circumference of a rotating shaft and a mountain portion extending along the outer peripheral surface of the top foil and protruding toward the top foil in the circumferential direction. It has a wavy bump foil that is lined up at intervals and a housing that supports the outer peripheral surface of the bump foil.

上記フォイル軸受では、回転軸の回転停止時においては、同回転軸の外周面とトップフォイルの内周面とが接触している。そして、回転軸の回転が開始されると、同回転軸の外周面とトップフォイルの内周面との間に空気が侵入して空気膜が形成される。このときトップフォイルが拡径する態様で外周側に変形するため、これに伴い同トップフォイルから回転軸が浮上するようになる。このようにして回転軸は非接触状態で支持される。 In the foil bearing, when the rotation of the rotating shaft is stopped, the outer peripheral surface of the rotating shaft and the inner peripheral surface of the top foil are in contact with each other. Then, when the rotation of the rotating shaft is started, air invades between the outer peripheral surface of the rotating shaft and the inner peripheral surface of the top foil to form an air film. At this time, the top foil is deformed to the outer peripheral side in a manner in which the diameter is expanded, so that the rotating shaft rises from the top foil. In this way, the rotating shaft is supported in a non-contact state.

また上記フォイル軸受では、トップフォイルの外周面がバンプフォイルによって弾性的に支持されている。回転軸の回転速度が高くなると、同回転軸の外周面とトップフォイルの内周面との隙間の空気圧力が高くなるため、バンプフォイルの圧縮方向への弾性変形量が大きくなり、トップフォイルの外周側への変形量も大きくなる。このようにフォイル軸受では、回転軸の回転速度が高くなるほど同回転軸とトップフォイルとの隙間が大きくなるといったように、同隙間が自動的に調整される。 Further, in the foil bearing, the outer peripheral surface of the top foil is elastically supported by the bump foil. When the rotation speed of the rotating shaft increases, the air pressure in the gap between the outer peripheral surface of the rotating shaft and the inner peripheral surface of the top foil increases, so that the amount of elastic deformation of the bump foil in the compression direction increases, and the top foil The amount of deformation to the outer peripheral side also increases. In this way, in the foil bearing, the clearance is automatically adjusted so that the clearance between the rotating shaft and the top foil increases as the rotational speed of the rotating shaft increases.

特開2002−61645号公報JP-A-2002-61645

上記フォイル軸受では、その構造上、回転軸の回転開始時や低速回転時において同回転軸とトップフォイルとが摺動した状態になってしまう。そして、これがトップフォイルや回転軸の摩耗を招き、ひいては軸受装置の耐久性能の低下を招く一因になる。 Due to the structure of the foil bearing, the rotating shaft and the top foil are slid at the start of rotation of the rotating shaft or at a low speed. This causes wear of the top foil and the rotating shaft, which in turn causes deterioration of the durability performance of the bearing device.

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性能の向上を図ることのできる軸受装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a bearing device capable of improving durability performance.

上記課題を解決するための軸受装置は、転がり軸受およびフォイル軸受によって回転軸をラジアル方向に支持する軸受装置であって、前記回転軸は、筒状をなすとともに回転時において外方に膨らむように変形する構造の中空部を有しており、前記転がり軸受は、前記回転軸における前記中空部以外の部分の周囲に同回転軸の外周面との間に隙間を有する状態で配置され、前記回転軸の回転停止時において前記転がり軸受の下部が前記回転軸に接触するとともに前記転がり軸受の上部が前記回転軸に接触しない構造をなしており、前記フォイル軸受は、前記回転軸の回転時において前記中空部が変形したときの同中空部の外面に沿った形状をなすとともに前記中空部の外周面に接触しない態様で同外周面に対向配置された対向部と、前記対向部を前記回転軸側に付勢するバネ部と、前記バネ部の外周側の部分を支持するハウジングと、を有している。 The bearing device for solving the above problems is a bearing device that supports the rotating shaft in the radial direction by a rolling bearing and a foil bearing, and the rotating shaft has a tubular shape and bulges outward during rotation. The rolling bearing has a hollow portion having a deformable structure, and the rolling bearing is arranged around a portion of the rotating shaft other than the hollow portion with a gap between the rotating shaft and the outer peripheral surface of the rotating shaft. The structure is such that the lower part of the rolling bearing comes into contact with the rotating shaft and the upper part of the rolling bearing does not come into contact with the rotating shaft when the rotation of the shaft is stopped, and the foil bearing has the structure when the rotating shaft is rotated. A facing portion that has a shape along the outer surface of the hollow portion when the hollow portion is deformed and is arranged to face the outer peripheral surface of the hollow portion so as not to contact the outer peripheral surface of the hollow portion, and the facing portion on the rotation shaft side. It has a spring portion for urging the spring portion and a housing for supporting a portion on the outer peripheral side of the spring portion.

上記構成では、回転軸の回転停止時や低速回転時においては、中空部が変形していないため、あるいは中空部の変形量が小さいために、回転軸の外周面とフォイル軸受の対向部との隙間が大きくなる。このときには、フォイル軸受は回転軸をラジアル方向に支持するための軸受として機能しない状態になる。ただし、このとき回転軸が自重によって転がり軸受に接触する位置まで下方に移動して偏心するため、回転軸はその状態で転がり軸受によって回転可能に支持されるようになる。このように上記構成によれば、回転軸の回転停止時や低速回転時には、回転軸を転がり軸受によって回転可能に支持させることによって同回転軸とフォイル軸の対向部とを非接触状態にすることができるため、フォイル軸受の対向部や回転軸の摩耗を抑えることができる。 In the above configuration, when the rotation of the rotating shaft is stopped or at a low speed, the hollow portion is not deformed, or the amount of deformation of the hollow portion is small, so that the outer peripheral surface of the rotating shaft and the facing portion of the foil bearing The gap becomes large. At this time, the foil bearing does not function as a bearing for supporting the rotating shaft in the radial direction. However, at this time, since the rotating shaft moves downward to a position where it comes into contact with the rolling bearing due to its own weight and is eccentric, the rotating shaft is rotatably supported by the rolling bearing in that state. As described above, according to the above configuration, when the rotating shaft is stopped or rotated at a low speed, the rotating shaft is rotatably supported by a rolling bearing so that the rotating shaft and the facing portion of the foil shaft are in a non-contact state. Therefore, it is possible to suppress wear of the facing portion of the foil bearing and the rotating shaft.

回転軸の高速回転時においては、中空部に作用する遠心力によって同中空部が外方に膨らむように変形して、回転軸の外周面とフォイル軸受の対向部との隙間が適度に小さくなる。そして、このときにはフォイル軸受の対向部と回転軸の外周面との隙間に動圧(空気膜)が発生して、同フォイル軸受が非接触状態で作動するようになる。 When the rotating shaft rotates at high speed, the centrifugal force acting on the hollow portion deforms the hollow portion so as to bulge outward, and the gap between the outer peripheral surface of the rotating shaft and the facing portion of the foil bearing becomes moderately small. .. At this time, a dynamic pressure (air film) is generated in the gap between the facing portion of the foil bearing and the outer peripheral surface of the rotating shaft, and the foil bearing operates in a non-contact state.

しかも、このとき上記隙間で発生した動圧によって、回転軸が偏心していない正規の位置まで移動するようになるため、回転軸の外周面と転がり軸受の内面とが対向する部分の全体に隙間が形成されるようになる。これにより、転がり軸受は回転軸をラジアル方向に支持するための軸受として機能しない状態になる。 Moreover, since the dynamic pressure generated in the gap at this time causes the rotating shaft to move to a regular position where the rotating shaft is not eccentric, there is a gap in the entire portion where the outer peripheral surface of the rotating shaft and the inner surface of the rolling bearing face each other. It will be formed. As a result, the rolling bearing does not function as a bearing for supporting the rotating shaft in the radial direction.

このように上記構成によれば、回転軸の高速回転時には、回転軸をフォイル軸受によって回転可能に支持させることによって、回転軸と転がり軸受とを非接触状態にして同転がり軸受を非作動状態にすることができるため、転がり軸受の耐久性能の向上を図ることができる。 As described above, according to the above configuration, when the rotating shaft rotates at high speed, the rotating shaft is rotatably supported by the foil bearing, so that the rotating shaft and the rolling bearing are brought into a non-contact state and the rolling bearing is put into a non-operating state. Therefore, it is possible to improve the durability performance of the rolling bearing.

本発明によれば、軸受装置の耐久性能の向上を図ることができる。 According to the present invention, the durability performance of the bearing device can be improved.

一実施形態の軸受装置の正面端面図。The front end view of the bearing device of one embodiment. 同軸受装置の図1の2−2線に沿った断面図。A cross-sectional view of the bearing device along line 2-2 of FIG. 高速回転時における回転軸の中空部およびその周辺の正面断面図。A front sectional view of the hollow portion of the rotating shaft and its periphery during high-speed rotation. 回転停止時および低速回転時における転がり軸受の状態を示す側面断面図。A side sectional view showing a state of a rolling bearing at the time of rotation stop and at low speed rotation. 高速回転時における転がり軸受の状態を示す側面断面図。A side sectional view showing a state of a rolling bearing at the time of high-speed rotation. フォイル軸受の分解斜視図。An exploded perspective view of a foil bearing. 回転停止時および低速回転時におけるフォイル軸受の状態を示す側面端面図。The side end view which shows the state of the foil bearing at the time of a rotation stop and a low speed rotation. 高速回転時におけるフォイル軸受の状態を示す側面端面図。Side end view showing the state of the foil bearing at the time of high-speed rotation.

以下、軸受装置の一実施形態について説明する。
図1および図2に示すように、本実施形態の軸受装置は、転がり軸受11およびフォイル軸受12を有している。これら転がり軸受11およびフォイル軸受12により、軸支対象の電動機20の回転軸21がラジアル方向に支持されている。本実施形態では、転がり軸受11およびフォイル軸受12からなる軸受部13が電動機20のケース22内に設けられている。軸受部13は、回転軸21の軸線方向に間隔を置いた位置、詳しくは電動機20のステータ23やロータ24を間に挟む位置に各別に設けられている。
Hereinafter, an embodiment of the bearing device will be described.
As shown in FIGS. 1 and 2, the bearing device of the present embodiment includes a rolling bearing 11 and a foil bearing 12. The rotating shaft 21 of the electric motor 20 to be supported by the rolling bearing 11 and the foil bearing 12 is supported in the radial direction. In the present embodiment, a bearing portion 13 including a rolling bearing 11 and a foil bearing 12 is provided in the case 22 of the electric motor 20. The bearing portions 13 are separately provided at positions spaced apart from each other in the axial direction of the rotating shaft 21, specifically, at positions sandwiching the stator 23 and rotor 24 of the electric motor 20.

以下、軸受部13の具体構造について説明する。なお、二つの軸受部13の基本構造は同一であるため、軸受部13の各部を同一の符号を付して示し、以下では一方の軸受部13の基本構造についてのみ説明するとともに他方の軸受部13の基本構造についての説明は省略する。 Hereinafter, the specific structure of the bearing portion 13 will be described. Since the basic structures of the two bearing portions 13 are the same, each portion of the bearing portion 13 is designated by the same reference numeral. In the following, only the basic structure of one bearing portion 13 will be described and the other bearing portion will be described. The description of the basic structure of 13 will be omitted.

電動機20の回転軸21は外面が同一径で延びる円柱状をなしている。回転軸21の軸線方向における中央部分は、電動機20のロータ24が一体になっている。回転軸21の中央部分は、詳しくは、鉄合金等の磁性材料によって形成された中心軸部24Aと、中心軸部の外周を覆うように配置された永久磁石からなる円筒状の中間層24Bと、中間層24Bの外周を覆うように配置された炭素繊維樹脂からなる円筒状の外層24Cとからなる三層構造になっている。 The rotating shaft 21 of the electric motor 20 has a columnar shape whose outer surface extends with the same diameter. The rotor 24 of the electric motor 20 is integrated with the central portion of the rotating shaft 21 in the axial direction. Specifically, the central portion of the rotating shaft 21 includes a central shaft portion 24A formed of a magnetic material such as an iron alloy, and a cylindrical intermediate layer 24B composed of permanent magnets arranged so as to cover the outer periphery of the central shaft portion. It has a three-layer structure composed of a cylindrical outer layer 24C made of carbon fiber resin arranged so as to cover the outer periphery of the intermediate layer 24B.

また、回転軸21の軸線方向における両端部分は中空構造の中空部25になっている。中空部25は、円筒形状の周壁25Aと円筒形状における両開口を塞ぐ蓋壁25Bとによって構成されている。回転軸21における中空部25とその周辺部分とは、アルミニウム合金によって形成されている。本実施形態では、この中空部25が、回転軸21の各部のうちの前記フォイル軸受12によって支持される部分にあたる。 Further, both end portions of the rotating shaft 21 in the axial direction are hollow portions 25 having a hollow structure. The hollow portion 25 is composed of a cylindrical peripheral wall 25A and a lid wall 25B that closes both openings in the cylindrical shape. The hollow portion 25 and the peripheral portion thereof in the rotating shaft 21 are formed of an aluminum alloy. In the present embodiment, the hollow portion 25 corresponds to a portion of each portion of the rotating shaft 21 supported by the foil bearing 12.

図3に示すように、中空部25は、回転軸21の高速回転時において周壁25Aに作用する遠心力によって同周壁25Aにおける軸線方向の中央部分が外方に膨らむように変形して樽形状になる構造をなしている。なお図3では、中空部25の周壁25Aの変形態様の理解を容易にするために、同周壁25Aの変形量を実際の変形量(例えば、100μm)よりも誇張して示している。 As shown in FIG. 3, the hollow portion 25 is deformed into a barrel shape by the centrifugal force acting on the peripheral wall 25A during high-speed rotation of the rotating shaft 21 so that the central portion of the peripheral wall 25A in the axial direction bulges outward. It has a structure of In FIG. 3, in order to facilitate understanding of the deformation mode of the peripheral wall 25A of the hollow portion 25, the deformation amount of the peripheral wall 25A is exaggerated from the actual deformation amount (for example, 100 μm).

図2、図4および図5に示すように、転がり軸受11は三つのベアリング部30によって構成されている。各ベアリング部30は、ケース22内に軸線方向に延びる態様で立設された支持シャフト31と、同支持シャフト31に回転可能に支持された円環状のボールベアリング32とによって構成されている。それらベアリング部30は、回転軸21におけるロータ24と中空部25との間に挟まれた部分の周囲に等間隔で並ぶように配置されている。 As shown in FIGS. 2, 4 and 5, the rolling bearing 11 is composed of three bearing portions 30. Each bearing portion 30 is composed of a support shaft 31 erected in the case 22 so as to extend in the axial direction, and an annular ball bearing 32 rotatably supported by the support shaft 31. The bearing portions 30 are arranged so as to be arranged at equal intervals around a portion of the rotating shaft 21 sandwiched between the rotor 24 and the hollow portion 25.

各ベアリング部30は、三つのボールベアリング32のうちの少なくとも一つの外周面と回転軸21の外周面との間に隙間が形成される態様で配置されている。具体的には、図4に示すように、回転軸21の回転停止時においては、下方に配置される二つのボールベアリング32が回転軸21の外周面に接触した状態になるとともに、上方に配置される残りの一つのボールベアリング32が回転軸21に接触しない状態になる。また図5に示すように、回転軸21の高速回転時においては、全てのボールベアリング32が回転軸21の外周面に接触しない状態になる。なお図4および図5では、転がり軸受11による回転軸21の支持状態についての理解を容易にするために、各ベアリング部30と回転軸21との隙間を実際の隙間(例えば、100μm)よりも誇張して示している。 Each bearing portion 30 is arranged in such a manner that a gap is formed between the outer peripheral surface of at least one of the three ball bearings 32 and the outer peripheral surface of the rotating shaft 21. Specifically, as shown in FIG. 4, when the rotation of the rotating shaft 21 is stopped, the two ball bearings 32 arranged below are in contact with the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and are arranged above. The remaining one ball bearing 32 is not in contact with the rotating shaft 21. Further, as shown in FIG. 5, at the time of high-speed rotation of the rotating shaft 21, all the ball bearings 32 are in a state of not contacting the outer peripheral surface of the rotating shaft 21. In FIGS. 4 and 5, in order to facilitate understanding of the support state of the rotating shaft 21 by the rolling bearing 11, the gap between each bearing portion 30 and the rotating shaft 21 is larger than the actual gap (for example, 100 μm). Exaggerated.

図1および図6に示すように、フォイル軸受12は回転軸21の中空部25の周囲に配置される。
フォイル軸受12は、回転軸21の中空部25の外周面に対向配置される対向部としてのトップフォイル40と、トップフォイル40の外周に配置されて同トップフォイル40を弾性的に支持するバネ部としてのバンプフォイル41とを備えている。また、フォイル軸受12は、バンプフォイル41の外周に配置されて同バンプフォイル41の外周面を支持する円筒状のハウジング43を備えている。ハウジング43の両開口の内縁には、円環状のリング部45が設けられている。ハウジング43は、軸線方向に延びる態様で、ケース22の内部に固定されている。フォイル軸受12は、回転軸21の外周面とハウジング43の内周面との間に、トップフォイル40およびバンプフォイル41が配置された構造になっている。
As shown in FIGS. 1 and 6, the foil bearing 12 is arranged around the hollow portion 25 of the rotating shaft 21.
The foil bearing 12 has a top foil 40 as an opposing portion arranged to face the outer peripheral surface of the hollow portion 25 of the rotating shaft 21, and a spring portion arranged on the outer periphery of the top foil 40 to elastically support the top foil 40. It is equipped with a bump foil 41 as a. Further, the foil bearing 12 includes a cylindrical housing 43 that is arranged on the outer periphery of the bump foil 41 and supports the outer peripheral surface of the bump foil 41. An annular ring portion 45 is provided on the inner edges of both openings of the housing 43. The housing 43 is fixed inside the case 22 so as to extend in the axial direction. The foil bearing 12 has a structure in which a top foil 40 and a bump foil 41 are arranged between the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and the inner peripheral surface of the housing 43.

トップフォイル40は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。トップフォイル40の周方向の一端部40Aは保持端であり、周方向における他端部40Bは自由端である。一端部40Aは、径方向の外側に向けて突出するとともに、ハウジング43の内周面に形成された凹溝44内に挿入されている。他端部40Bは、周方向において一端部40Aとの間に隙間を有している。本実施形態では、回転軸21の回転停止時において、同回転軸21の外周面とトップフォイル40の内周面とが接触しない構造になっている。 The top foil 40 is formed by rolling a flexible metal plate material such as stainless steel into a tubular shape. One end 40A in the circumferential direction of the top foil 40 is a holding end, and the other end 40B in the circumferential direction is a free end. The one end portion 40A projects outward in the radial direction and is inserted into the concave groove 44 formed on the inner peripheral surface of the housing 43. The other end 40B has a gap between it and the one end 40A in the circumferential direction. In the present embodiment, when the rotation of the rotating shaft 21 is stopped, the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and the inner peripheral surface of the top foil 40 do not come into contact with each other.

バンプフォイル41は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。バンプフォイル41は、トップフォイル40の外周面に沿って延設されている。バンプフォイル41は、上記トップフォイル40側に突出する山部が周方向に間隔を置いて並ぶ波形状をなしている。フォイル軸受12では、バンプフォイル41における隣り合う山部の間に配置される各谷部がハウジング43の内周面に支持された状態で、同バンプフォイル41の各山部がトップフォイル40の外周面に当接することによって、同トップフォイル40が弾性的に支持されている。 The bump foil 41 is formed by rolling a flexible metal plate material such as stainless steel into a tubular shape. The bump foil 41 extends along the outer peripheral surface of the top foil 40. The bump foil 41 has a wavy shape in which mountain portions protruding toward the top foil 40 are arranged at intervals in the circumferential direction. In the foil bearing 12, each mountain portion of the bump foil 41 is supported on the inner peripheral surface of the housing 43, and each mountain portion of the bump foil 41 is supported on the outer peripheral surface of the top foil 40. The top foil 40 is elastically supported by abutting against the surface.

バンプフォイル41の周方向における一端部41Aは保持端であり、周方向における他端部41Bは自由端である。一端部41Aは、径方向の外側に向けて突出するとともに、トップフォイル40の一端部40Aに重ね合わされた状態でハウジング43の凹溝44内に挿入されている。したがって、凹溝44内には、トップフォイル40の一端部40Aとバンプフォイル41の一端部41Aとが重ね合わされた状態で挿入されている。これにより、トップフォイル40およびバンプフォイル41がハウジング43内において回り止めされた状態で保持されている。バンプフォイル41の一端部41Aと他端部41Bとの間には、周方向における隙間が形成されている。 One end 41A of the bump foil 41 in the circumferential direction is a holding end, and the other end 41B in the circumferential direction is a free end. The one end portion 41A projects outward in the radial direction and is inserted into the concave groove 44 of the housing 43 in a state of being overlapped with the one end portion 40A of the top foil 40. Therefore, one end 40A of the top foil 40 and one end 41A of the bump foil 41 are inserted in the concave groove 44 in a superposed state. As a result, the top foil 40 and the bump foil 41 are held in the housing 43 in a detented state. A gap in the circumferential direction is formed between one end 41A and the other end 41B of the bump foil 41.

本実施形態では、図3に示すように、回転軸21の中空部25が回転時において樽形状になる態様で変形する構造になっている。そして本実施形態では、トップフォイル40、バンプフォイル41、およびハウジング43の内周面がいずれも、回転軸21の高速回転時において中空部25が変形したときの同中空部25の外面に沿った形状、具体的には、軸線方向における中央部分が外方に膨らんだ樽形状になっている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the hollow portion 25 of the rotating shaft 21 is deformed in a barrel shape during rotation. In the present embodiment, the inner peripheral surfaces of the top foil 40, the bump foil 41, and the housing 43 are all along the outer surface of the hollow portion 25 when the hollow portion 25 is deformed during high-speed rotation of the rotating shaft 21. The shape, specifically, the central portion in the axial direction is a barrel shape that bulges outward.

以下、本実施形態の軸受装置による作用について説明する。
回転軸21の回転停止時においては、フォイル軸受12の内部に動圧(空気膜)が発生しない。また、回転軸21の低速回転時においては、フォイル軸受12の内部に動圧が発生するとはいえ、その動圧は低い。そのため、回転軸21の回転停止時や低速回転時においては、フォイル軸受12は回転軸21をラジアル方向に支持するための軸受として機能しない状態になる。
Hereinafter, the operation of the bearing device of this embodiment will be described.
When the rotation of the rotating shaft 21 is stopped, no dynamic pressure (air film) is generated inside the foil bearing 12. Further, at the time of low-speed rotation of the rotating shaft 21, although dynamic pressure is generated inside the foil bearing 12, the dynamic pressure is low. Therefore, when the rotation of the rotating shaft 21 is stopped or at a low speed, the foil bearing 12 does not function as a bearing for supporting the rotating shaft 21 in the radial direction.

図1および図7に示すように、回転軸21の回転停止時においては、同回転軸21の中空部25の周壁25Aに遠心力が作用しないため、中空部25の周壁25Aが変形しない。また、回転軸21の低速回転時においては、同回転軸21の中空部25の周壁25Aに作用する遠心力が小さいため、中空部25の周壁25Aの変形量が小さい。こうした回転軸21の回転停止時や低速回転時においては、回転軸21の外周面とフォイル軸受12のトップフォイル40との隙間が大きくなる。なお図7では、フォイル軸受12による回転軸21の支持状態についての理解を容易にするために、トップフォイル40と回転軸21との隙間を実際の隙間よりも誇張して示している。 As shown in FIGS. 1 and 7, when the rotation of the rotating shaft 21 is stopped, the centrifugal force does not act on the peripheral wall 25A of the hollow portion 25 of the rotating shaft 21, so that the peripheral wall 25A of the hollow portion 25 is not deformed. Further, when the rotating shaft 21 is rotating at a low speed, the centrifugal force acting on the peripheral wall 25A of the hollow portion 25 of the rotating shaft 21 is small, so that the amount of deformation of the peripheral wall 25A of the hollow portion 25 is small. When the rotation of the rotating shaft 21 is stopped or at a low speed, the gap between the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and the top foil 40 of the foil bearing 12 becomes large. In FIG. 7, the gap between the top foil 40 and the rotating shaft 21 is exaggerated from the actual gap in order to facilitate understanding of the support state of the rotating shaft 21 by the foil bearing 12.

このときには、回転軸21が自重によって転がり軸受11の下方の二つのボールベアリング32に接触する位置まで下方に移動して偏心するとともに、その状態で転がり軸受11によって回転可能に支持されるようになる。このように本実施形態によれば、回転軸21の回転停止時や低速回転時には、回転軸21を転がり軸受11によって回転可能に支持させることによって同回転軸21とフォイル軸受12のトップフォイル40とを非接触状態にすることができる。これにより、トップフォイル40や回転軸21の摩耗を抑えることができる。 At this time, the rotating shaft 21 moves downward to a position where it comes into contact with the two ball bearings 32 below the rolling bearing 11 due to its own weight and is eccentric, and in that state, it is rotatably supported by the rolling bearing 11. .. As described above, according to the present embodiment, when the rotating shaft 21 is stopped or rotated at a low speed, the rotating shaft 21 is rotatably supported by the rolling bearing 11 so that the rotating shaft 21 and the top foil 40 of the foil bearing 12 are rotatably supported. Can be in a non-contact state. As a result, wear of the top foil 40 and the rotating shaft 21 can be suppressed.

本実施形態では、回転軸21の回転に伴って同回転軸21の中空部25が外方に膨らむ構造になっているため、回転軸21の回転停止時や低速回転時における同回転軸21の中空部25とフォイル軸受12のトップフォイル40との隙間を大きくすることができる。これにより、回転軸21の回転停止時や低速回転時における前述の構造、すなわちフォイル軸受12のトップフォイル40に回転軸21の外周面が接触しない状態を保ちつつ回転軸21が正規の回転中心から偏心した状態で転がり軸受11に支持されるといった構造を容易に実現することができるようになっている。 In the present embodiment, since the hollow portion 25 of the rotating shaft 21 bulges outward as the rotating shaft 21 rotates, the rotating shaft 21 of the rotating shaft 21 when the rotation is stopped or at a low speed. The gap between the hollow portion 25 and the top foil 40 of the foil bearing 12 can be increased. As a result, the rotating shaft 21 moves from the normal rotation center while maintaining the above-mentioned structure when the rotating shaft 21 stops rotating or rotating at a low speed, that is, the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 does not contact the top foil 40 of the foil bearing 12. A structure in which the rolling bearing 11 is supported in an eccentric state can be easily realized.

一方、図3に示すように、回転軸21の高速回転時においては、回転軸21の中空部25の周壁25Aに作用する遠心力によって同中空部25の周壁25Aが外方に膨らむように変形する。これに伴って、図1および図8に示すように、回転軸21の外周面とフォイル軸受12のトップフォイル40との間隙が、それらの間に動圧(空気膜)を形成可能な程度に小さくなる。そして、このときフォイル軸受12のトップフォイル40と回転軸21の外周面との間隙において発生する動圧により、同フォイル軸受12が非接触状態で作動するようになる。なお図8では、フォイル軸受12による回転軸21の支持状態についての理解を容易にするために、中空部25の変形量やトップフォイル40と回転軸21との間隙を実際の値よりも誇張して示している。 On the other hand, as shown in FIG. 3, when the rotating shaft 21 is rotating at high speed, the peripheral wall 25A of the hollow portion 25 of the rotating shaft 21 is deformed so as to bulge outward due to the centrifugal force acting on the peripheral wall 25A of the hollow portion 25. To do. Along with this, as shown in FIGS. 1 and 8, the gap between the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and the top foil 40 of the foil bearing 12 is such that a dynamic pressure (air film) can be formed between them. It becomes smaller. Then, at this time, the dynamic pressure generated in the gap between the top foil 40 of the foil bearing 12 and the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 causes the foil bearing 12 to operate in a non-contact state. In FIG. 8, in order to facilitate understanding of the support state of the rotating shaft 21 by the foil bearing 12, the amount of deformation of the hollow portion 25 and the gap between the top foil 40 and the rotating shaft 21 are exaggerated from the actual values. Is shown.

しかも、図5に示すように、このとき上記間隙で発生した動圧によって、回転軸21が偏心していない正規の位置に移動するようになるため、回転軸21の外周面と転がり軸受11の三つのボールベアリング32との間にそれぞれ隙間が形成されるようになる。したがって、このとき転がり軸受11は回転軸21をラジアル方向に支持するための軸受として機能しない状態になる。このように本実施形態によれば、回転軸21の高速回転時には、回転軸21をフォイル軸受12によって回転可能に支持させることによって、回転軸21と転がり軸受11とを非接触状態にして同転がり軸受11を非作動状態にすることができる。そのため、転がり軸受11の耐久性能の向上を図ることができる。 Moreover, as shown in FIG. 5, the dynamic pressure generated in the gap at this time causes the rotating shaft 21 to move to a regular position where it is not eccentric. Therefore, the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and the rolling bearing 11 are three. A gap is formed between each of the ball bearings 32. Therefore, at this time, the rolling bearing 11 does not function as a bearing for supporting the rotating shaft 21 in the radial direction. As described above, according to the present embodiment, when the rotating shaft 21 rotates at high speed, the rotating shaft 21 is rotatably supported by the foil bearing 12 so that the rotating shaft 21 and the rolling bearing 11 are brought into a non-contact state and rolled in the same manner. The bearing 11 can be inactive. Therefore, the durability performance of the rolling bearing 11 can be improved.

なお本実施形態では、転がり軸受11が軸受として機能する状態から機能しない状態に切替わるようになる回転軸21の回転速度、すなわちフォイル軸受12および転がり軸受11のうちの同フォイル軸受12のみが軸受として機能する状態に切り替わる回転軸21の回転速度が、転がり軸受11のボールベアリング32の信頼性が高いままで維持される速度範囲の値になるように、軸受装置の各部の形状や変形特性が定められている。これにより、フォイル軸受12が軸受として機能しない低速回転時において回転軸21を回転可能に支持させるために転がり軸受11が設けられるとはいえ、フォイル軸受12が十分に機能するようになる回転軸21の高速回転時において転がり軸受11の信頼性が低下することが抑えられるようになる。 In the present embodiment, the rotation speed of the rotating shaft 21 that switches from the state in which the rolling bearing 11 functions as a bearing to the state in which it does not function, that is, only the foil bearing 12 of the foil bearing 12 and the rolling bearing 11 is a bearing. The shape and deformation characteristics of each part of the bearing device are adjusted so that the rotational speed of the rotating shaft 21 that switches to the functioning state is a value in the speed range in which the ball bearing 32 of the rolling bearing 11 is maintained with high reliability. It is fixed. As a result, although the rolling bearing 11 is provided to rotatably support the rotating shaft 21 at low speed rotation in which the foil bearing 12 does not function as a bearing, the rotating shaft 21 allows the foil bearing 12 to function sufficiently. It becomes possible to suppress a decrease in reliability of the rolling bearing 11 at the time of high-speed rotation.

このように本実施形態によれば、フォイル軸受12を有する軸受装置の耐久性能の向上を図ることができる。
本実施形態では、回転軸21の高速回転時において、中空部25が樽形状になる態様で変形する。また、フォイル軸受12のトップフォイル40が樽形状をなしている。そのため、回転軸21の高速回転時においては、図8に示すように、外方に凸状をなす回転軸21の中空部25の周壁25Aが、同じく外方に凸状をなすフォイル軸受12のトップフォイル40に嵌まるようになる。これにより、フォイル軸受12のトップフォイル40に対する回転軸21の中空部25の軸線方向位置が規制されるようになるため、同回転軸21の軸線方向への位置ずれを抑えることができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to improve the durability performance of the bearing device having the foil bearing 12.
In the present embodiment, when the rotating shaft 21 is rotated at high speed, the hollow portion 25 is deformed in a barrel shape. Further, the top foil 40 of the foil bearing 12 has a barrel shape. Therefore, when the rotating shaft 21 is rotating at high speed, as shown in FIG. 8, the peripheral wall 25A of the hollow portion 25 of the rotating shaft 21 having an outwardly convex shape is also an outwardly convex foil bearing 12. It will fit in the top foil 40. As a result, the axial position of the hollow portion 25 of the rotating shaft 21 with respect to the top foil 40 of the foil bearing 12 is regulated, so that the positional deviation of the rotating shaft 21 in the axial direction can be suppressed.

ここで本実施形態では、回転軸21の低速回転時において、回転軸21の外周面と転がり軸受11のボールベアリング32の内面との間に隙間を有する状態で、同回転軸21が転がり軸受11によって回転可能に支持される。そのため本実施形態の軸受装置では、回転軸と転がり軸受との間に隙間がない状態で同回転軸を転がり軸受によって支持する構造の軸受装置と比較して、回転軸21の回転状態が不安定になり易いと云える。 Here, in the present embodiment, when the rotating shaft 21 is rotating at a low speed, the rotating shaft 21 has a rolling bearing 11 with a gap between the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and the inner surface of the ball bearing 32 of the rolling bearing 11. Rotatably supported by. Therefore, in the bearing device of the present embodiment, the rotating state of the rotating shaft 21 is unstable as compared with the bearing device having a structure in which the rotating shaft is supported by the rolling bearing in a state where there is no gap between the rotating shaft and the rolling bearing. It can be said that it is easy to become.

この点、本実施形態では、図1に示すように、転がり軸受11およびフォイル軸受12からなる軸受部13が、回転軸21の軸線方向に間隔を置いた位置、詳しくは電動機20のロータ24を間に挟む位置に各別に設けられている。これにより、軸受装置を二つの軸受部13によって回転軸21を支持する両持ち構造にすることができるため、回転軸を一つの軸受部によって支持する片持ち構造のものと比較して、回転軸21を安定した状態で支持することができる。 In this regard, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the bearing portions 13 including the rolling bearing 11 and the foil bearing 12 are located at positions spaced apart from each other in the axial direction of the rotating shaft 21, specifically, the rotor 24 of the electric motor 20. Each is separately provided at a position sandwiched between them. As a result, the bearing device can have a double-sided structure in which the rotating shaft 21 is supported by two bearing portions 13, so that the rotating shaft has a cantilever structure in which the rotating shaft is supported by one bearing portion. 21 can be supported in a stable state.

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
(1)回転軸21の回転停止時や低速回転時には、回転軸21を転がり軸受11によって回転可能に支持させることによって同回転軸21とフォイル軸受12のトップフォイル40とを非接触状態にすることができるため、トップフォイル40や回転軸21の摩耗を抑えることができる。しかも、回転軸21の高速回転時には、回転軸21をフォイル軸受12によって回転可能に支持させることによって、回転軸21と転がり軸受11とを非接触状態にして同転がり軸受11を非作動状態にすることができるため、転がり軸受11の耐久性能の向上を図ることができる。したがって本実施形態によれば、フォイル軸受12を有する軸受装置の耐久性能の向上を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the effects described below can be obtained.
(1) When the rotating shaft 21 stops rotating or rotates at a low speed, the rotating shaft 21 is rotatably supported by the rolling bearing 11 so that the rotating shaft 21 and the top foil 40 of the foil bearing 12 are in a non-contact state. Therefore, wear of the top foil 40 and the rotating shaft 21 can be suppressed. Moreover, when the rotating shaft 21 rotates at high speed, the rotating shaft 21 is rotatably supported by the foil bearing 12 so that the rotating shaft 21 and the rolling bearing 11 are brought into a non-contact state and the rolling bearing 11 is put into a non-operating state. Therefore, it is possible to improve the durability performance of the rolling bearing 11. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to improve the durability performance of the bearing device having the foil bearing 12.

(2)中空部25を、回転軸21の高速回転時において樽形状になる態様で変形する構造にした。これにより、回転軸21の高速回転時において、外方に凸状をなす回転軸21の中空部25の周壁25Aが同じく外方に凸状をなすフォイル軸受12のトップフォイル40に嵌まるようになるため、同回転軸21の軸線方向への位置ずれを抑えることができる。 (2) The hollow portion 25 has a structure that deforms in a barrel shape when the rotating shaft 21 rotates at high speed. As a result, when the rotating shaft 21 is rotating at high speed, the peripheral wall 25A of the hollow portion 25 of the rotating shaft 21 which is convex outward is fitted into the top foil 40 of the foil bearing 12 which is also convex outward. Therefore, the positional deviation of the rotating shaft 21 in the axial direction can be suppressed.

(3)転がり軸受11およびフォイル軸受12からなる軸受部13を、電動機20のロータ24を間に挟む位置に各別に設けるようにした。そのため、回転軸21を二つの軸受部13によって安定した状態で支持することができる。 (3) Bearing portions 13 including rolling bearings 11 and foil bearings 12 are separately provided at positions sandwiching the rotor 24 of the electric motor 20. Therefore, the rotating shaft 21 can be supported by the two bearing portions 13 in a stable state.

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態および以下の変更例は、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。 The above embodiment can be modified and implemented as follows. The above embodiment and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.

・回転軸21の中空部25を合成樹脂材料によって形成してもよい。
・ボールベアリング32に代えて、例えばローラーベアリングなどといった他の転がり軸受を採用することができる。
The hollow portion 25 of the rotating shaft 21 may be formed of a synthetic resin material.
-Instead of the ball bearing 32, another rolling bearing such as a roller bearing can be adopted.

・トップフォイル40を回転軸21側に付勢した状態で支持することができるのであれば、バンプフォイル41の形状やハウジング43の内周面の形状は任意に変更可能である。 The shape of the bump foil 41 and the shape of the inner peripheral surface of the housing 43 can be arbitrarily changed as long as the top foil 40 can be supported in a state of being urged toward the rotating shaft 21 side.

・回転停止時における中空部25の形状を樽形状にしてもよい。同構成によっても、回転軸21の回転停止時や低速回転時においては同回転軸21の外周面とフォイル軸受12のトップフォイル40との隙間を大きくすることができ、回転軸21の高速回転時においては回転軸21の外周面とフォイル軸受12のトップフォイル40との隙間をそれらの間に空気膜を形成可能な程度に小さくすることができる。 -The shape of the hollow portion 25 when the rotation is stopped may be a barrel shape. Even with this configuration, the gap between the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and the top foil 40 of the foil bearing 12 can be increased when the rotating shaft 21 is stopped or at low speed, and when the rotating shaft 21 is rotating at high speed. In, the gap between the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 and the top foil 40 of the foil bearing 12 can be made small enough to form an air film between them.

・回転停止時における中空部の形状を軸線方向中央が凹んだ鼓形状にしてもよい。この場合には、フォイル軸受のトップフォイルを、鼓形状にしたり同一径で延びる円筒形状にしたりするなど、回転軸の中空部が変形したときの同中空部の外面に沿った形状にすればよい。 -The shape of the hollow portion when the rotation is stopped may be a drum shape with a concave center in the axial direction. In this case, the top foil of the foil bearing may have a shape along the outer surface of the hollow portion of the rotating shaft when the hollow portion of the rotating shaft is deformed, such as a drum shape or a cylindrical shape extending with the same diameter. ..

・中空部25を、回転軸21の軸線方向における両端のうちの一方が開口した円筒状に形成してもよい。同構成では、回転軸21の中空部は、高速回転時において、樽形状になるのではなく、軸線方向の端部に向かうに連れて拡径した形状、いわゆるファンネル形状になる。こうした構成においては、フォイル軸受のトップフォイルの形状を、回転軸の中空部が変形したときの同中空部の外面に沿った形状、具体的にはファンネル形状にすればよい。 The hollow portion 25 may be formed in a cylindrical shape in which one of both ends of the rotating shaft 21 in the axial direction is open. In the same configuration, the hollow portion of the rotating shaft 21 does not have a barrel shape at the time of high-speed rotation, but has a shape in which the diameter increases toward the end in the axial direction, that is, a so-called funnel shape. In such a configuration, the shape of the top foil of the foil bearing may be a shape along the outer surface of the hollow portion of the rotating shaft when the hollow portion is deformed, specifically, a funnel shape.

・転がり軸受11とフォイル軸受12とからなる軸受部13を一つのみ設けるようにしてもよい。
・上記実施形態の軸受装置は、バネ部材としてバンプフォイルが設けられたフォイル軸受を有する軸受装置に限らず、板ばね部材や金属メッシュ部材などバネ部が設けられたフォイル軸受を有する軸受装置にも適用することができる。
-Only one bearing portion 13 including the rolling bearing 11 and the foil bearing 12 may be provided.
-The bearing device of the above embodiment is not limited to a bearing device having a foil bearing provided with a bump foil as a spring member, but also a bearing device having a foil bearing provided with a spring portion such as a leaf spring member or a metal mesh member. Can be applied.

・上記実施形態の軸受装置は、リーフ型のフォイル、いわゆるリーフフォイルが複数設けられたフォイル軸受を有する軸受装置にも適用することができる。同構成においては、各リーフフォイルの自由端、すなわち回転軸の外周面に対向する部分が対向部に相当し、各リーフフォイルの固定端側の部分、すなわちハウジング側の部分がバネ部に相当する。 -The bearing device of the above embodiment can also be applied to a bearing device having a leaf type foil, that is, a foil bearing provided with a plurality of so-called leaf foils. In the same configuration, the free end of each leaf foil, that is, the portion facing the outer peripheral surface of the rotating shaft corresponds to the facing portion, and the portion on the fixed end side of each leaf foil, that is, the portion on the housing side corresponds to the spring portion. ..

・電動機20のステータやロータ24の構造は、任意に変更可能である。
・上記実施形態の軸受装置は、電動機の回転軸以外の回転軸を軸支対象とする軸受装置にも適用することができる。
-The structure of the stator and rotor 24 of the electric motor 20 can be arbitrarily changed.
-The bearing device of the above embodiment can also be applied to a bearing device whose axis is a rotating shaft other than the rotating shaft of the electric motor.

11…転がり軸受、12…フォイル軸受、13…軸受部、20…電動機、21…回転軸、22…ケース、23…ステータ、24…ロータ、24A…中心軸部、24B…中間層、24C…外層、25…中空部、25A…周壁、25B…蓋壁、30…ベアリング部、31…支持シャフト、32…ボールベアリング、40…トップフォイル、40A…一端部、40B…他端部、41…バンプフォイル、41A…一端部、41B…他端部、43…ハウジング、44…凹溝、45…リング部。 11 ... Rolling bearing, 12 ... Foil bearing, 13 ... Bearing part, 20 ... Electric motor, 21 ... Rotating shaft, 22 ... Case, 23 ... Stator, 24 ... Rotor, 24A ... Central shaft part, 24B ... Intermediate layer, 24C ... Outer layer , 25 ... hollow part, 25A ... peripheral wall, 25B ... lid wall, 30 ... bearing part, 31 ... support shaft, 32 ... ball bearing, 40 ... top foil, 40A ... one end, 40B ... other end, 41 ... bump foil , 41A ... one end, 41B ... the other end, 43 ... housing, 44 ... concave groove, 45 ... ring part.

Claims (4)

転がり軸受およびフォイル軸受によって回転軸をラジアル方向に支持する軸受装置であって、
前記回転軸は、筒状をなすとともに回転時において外方に膨らむように変形する構造の中空部を有しており、
前記転がり軸受は、前記回転軸における前記中空部以外の部分の周囲に同回転軸の外周面との間に隙間を有する状態で配置され、前記回転軸の回転停止時において前記転がり軸受の下部が前記回転軸に接触するとともに前記転がり軸受の上部が前記回転軸に接触しない構造をなしており、
前記フォイル軸受は、前記回転軸の回転時において前記中空部が変形したときの同中空部の外面に沿った形状をなすとともに前記中空部の外周面に接触しない態様で同外周面に対向配置された対向部と、前記対向部を前記回転軸側に付勢するバネ部と、前記バネ部の外周側の部分を支持するハウジングと、を有している、軸受装置。
A bearing device that supports the rotating shaft in the radial direction by rolling bearings and foil bearings.
The rotating shaft has a hollow portion having a tubular shape and a structure that deforms so as to bulge outward during rotation.
The rolling bearing is arranged in a state where there is a gap between the rolling bearing and the outer peripheral surface of the rotating shaft around a portion other than the hollow portion of the rotating shaft, and when the rotation of the rotating shaft is stopped, the lower portion of the rolling bearing is placed. The structure is such that the upper part of the rolling bearing does not come into contact with the rotating shaft while in contact with the rotating shaft.
The foil bearing has a shape along the outer surface of the hollow portion when the hollow portion is deformed during rotation of the rotating shaft, and is arranged so as to face the outer peripheral surface of the hollow portion so as not to contact the outer peripheral surface of the hollow portion. A bearing device having a facing portion, a spring portion that urges the facing portion toward the rotating shaft side, and a housing that supports a portion on the outer peripheral side of the spring portion.
前記中空部は、回転時において樽形状になる態様で変形する構造になっている
請求項1に記載の軸受装置。
The bearing device according to claim 1, wherein the hollow portion has a structure that deforms in a barrel shape when rotating.
前記対向部は、前記回転軸の外周に配置される樽形状のトップフォイルであり、
前記バネ部は、前記トップフォイルの外周面に沿って延設されるとともに前記トップフォイル側に突出する山部が周方向に間隔を置いて並ぶ波形状をなすバンプフォイルである
請求項2に記載の軸受装置。
The facing portion is a barrel-shaped top foil arranged on the outer circumference of the rotating shaft.
The second aspect of claim 2, wherein the spring portion is a bump foil having a wave shape extending along the outer peripheral surface of the top foil and having mountain portions protruding toward the top foil side at intervals in the circumferential direction. Bearing equipment.
前記転がり軸受および前記フォイル軸受からなる軸受部が、前記回転軸の軸線方向に間隔を置いた位置に各別に設けられている
請求項1〜3のいずれか一項に記載の軸受装置。
The bearing device according to any one of claims 1 to 3, wherein bearing portions including the rolling bearing and the foil bearing are separately provided at positions spaced apart from each other in the axial direction of the rotating shaft.
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