JP6410562B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気掃除機のモータのような高速回転する電動機に関するものであり、特に回転体の回転軸を支持する軸受構造に関するものである。

一般的に高速回転する回転体を有する電動機にはボールベアリングのような転がり軸受が使用されている。ボールベアリングのように内部に隙間を持つ軸受を使用する場合には、２個の軸受外輪のどちらか１つは軸方向にスライドできるようにし、ばね等の圧力により軸受内部の隙間をなくすことができるように予圧を付加する構造が採用されている。この場合、スライドする側の軸受外輪と軸受ハウジングとの間の空隙を過度に小さく設定し過ぎると、軸受の外輪が軸方向に円滑に動かず、軸受内部の隙間をなくすことが困難となる。

軸受内部隙間をゼロにすることで、軸受の振動、回転異音による騒音をより小さくできる。軸受外輪と軸受ハウジングとの空隙が小さいとき、回転子の不釣合いによって生じる径方向の振動が軸受外輪を介して接触した軸受ハウジングに直接伝播するため、軸受ハウジングの役割をなすケーシングに振動が生じてしまい、上述したような問題が生じる。従来の回転軸を支持する構造としては、転がり軸受は、皿バネにより内輪に予圧を付与した状態で軸に固着されている。そして、第１の外輪にはスリーブが外嵌固着されると共に、スリーブとハウジングの内周面との間に形成された間隙には潤滑剤が充填されているものがあった（特許文献１参照）。

特開２００１−２９５８３７号公報

上記特許文献１にあっては、高速回転する回転体を有する電動機において、回転子の不釣合いによって生じる径方向振動が軸受外輪から軸受ハウジングへ伝播することを抑制することはできる。しかし軸方向の振動を軸受端面から軸受ハウジングに伝播することを抑制できない。また軸受外輪と軸受ハウジングの空隙に潤滑剤を充填すると、潤滑剤が軸受端面と軸受ハウジングの間に回り込むおそれがある。これにより予圧を付加するばね等の部材と軸受ハウジング間の摩擦力が低下し、軸が滑ってしまい、偏心による電磁加振力の増加で振れ回りが大きくなってしまい、振動が生じると共に、回転異音による騒音が生じるという問題点があった。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、軸受の径方向と軸方向の振動が軸受ハウジングに伝播するのを抑制し、高速回転する回転体を有する電動機であっても振動の増大と騒音の発生を抑制できる電動機の軸受構造を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機は、ブラケット及びフレーム内に設置された固定子及び電機子と、電機子に挿入されたシャフトと、シャフトの軸方向２箇所においてシャフトを回転可能に支持するための第１軸受及び第２軸受を備えたものであって、第２軸受の外輪は上記ブラケットの内周に固定され、第１軸受の軸方向端面と第１軸受の軸方向端面に対向するフレームの端面との間にのみ介在すると共に軸方向に予圧を付加するばね性を持つ部材及び弾性部材を備え、第１軸受の外輪とフレームの内周との間には径方向の隙間を設けたものである。

又この発明に係る別の電動機は、ブラケット及びフレーム内に設置された固定子及び電機子と、電機子に挿入されたシャフトと、シャフトの軸方向２箇所においてシャフトを回転可能に支持するための第１軸受及び第２軸受を備えたものであって、第２軸受の外輪はブラケットの内周に固定され、第１軸受の軸方向端面とフレームとの間には軸方向に予圧を付加するばね性を持つ部材と弾性部材とを介在させるとともに、シャフトが水平方向に向くように電動機を水平に置いた場合にフレームと軸方向に予圧を付加するばね性を持つ部材の間に働く最大静止摩擦力が電機子に働く重力よりも大きくなるよう設定したものである。

上記のように構成することにより、第１軸受の外輪とフレーム内周に設けた隙間内で第１軸受が変位するため、径方向に働く電機子及びファンの持つ不釣合いによる遠心力を緩和し、フレームへの振動の伝播を抑制できる。従ってフレームの振動の増大を抑制し、騒音の発生を抑制することができる。又この発明に係る別の電動機によれば、フレームの加工がさらに容易となり、製造工程を削減できるため、コストを抑制する効果が得られる。

実施の形態１に係る電動機を利用した電機掃除機用モータの内部構造を示す断面図である。 図１においてフレームのハウジング部を示す拡大断面図である。 実施の形態１に係る環状の波形ワッシャを示す平面図（Ａ）、側面図（Ｂ）である。 軸受の外輪とハウジング内周との隙間と、フレームに生じる振動値の関係を実験に基づき正規化したグラフである。 実施の形態３に係る環状のワッシャを示す平面図（Ａ）、側面図（Ｂ）である。 実施の形態４によるフレームのハウジング部を示す拡大断面図である。 実施の形態５による電機掃除機用モータの内部構造を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電動機を利用した電機掃除機用モータの内部構造を示す断面図、図２は図１においてフレームのハウジング部を示す拡大断面図である。又図３は実施の形態１に係る環状の波形ワッシャを示す平面図（Ａ）、側面図（Ｂ）である。電気掃除機用モータ１は４００００ｒｐｍ以上の高速回転域で使用されるため、家庭用ＡＣ１００Ｖで運転でき、高速回転に対応できるブラシ付きユニバーサルモータが一般に用いられる。電気掃除機用モータ１の組立においては、まず固定子３をフレーム５に圧入固定し、フレーム５の軸受ハウジングの端面に波形ワッシャ１１（図３に示すように環状に形成されると共に、波形の側面を有しているものであり、以下波形ワッシャと略す）、弾性部材１２の順に挿入する。

ここで、電機子鉄心６に界磁巻線７が巻線された電機子２にはシャフト８が挿入され、このシャフト８は軸方向２カ所において２つの転がり軸受である軸受９ａ、９ｂで回転可能に支持されている。又ファン４側の軸受９ｂ（第２軸受）の外輪はブラケット１０のハウジング内周と接着されることにより固定されており、電機子２を挿入して、ブラケット１０とフレーム５をねじ止めすることで軸が支持される。

ファン４とは反対側にある軸受９ａ（第１軸受）の外輪とフレーム５のハウジング内周との間には径方向に隙間１５が設けられている。そして電機子２とファン４の中心軸に対するアンバランスによって生ずる遠心力に対して充分対処できるように隙間１５は設けられている。軸受内部隙間（軸受９ａの軸方向端面とハウジングの間の隙間）をなくすための予圧を加えるために環状の波形ワッシャ１１が組込まれており、この環状の波形ワッシャ１１のばね圧により、軸方向に軸受９ａの外輪がスライドする構造となっている。即ち波形ワッシャ１１は軸方向に予圧を付加するばね性を持つ部材としての役割を有する。

電気掃除機用モータ１のように４００００ｒｐｍ以上の高速回転域で回転するモータは、回転体である電機子２、ファン４自身の重量分布が中心軸に対して非対称となっている場合、即ち不釣合い量を持つ場合に、その量に相当する遠心力が生じて軸受９ａ、９ｂを振動させるため、大きな振動が発生する。これら電機子２、ファン４の持つ不釣合い量は、加工工程においてある一定の基準で修正することが一般に行なわれている。そのためある不釣合い量をもつ回転体の遠心力と、その時の振動振幅が計算により求められ、ある基準内における最大の振動振幅量Ａが求まる。ここで軸受９ａの外輪とフレーム５のハウジング内周との隙間１５に関しては、電機子２及びファン４の持つ不釣合い量により発生する遠心力によりモータ使用時に軸受９ａが径方向に振動するときの最大の振動振幅Ａが隙間１５未満になるように隙間１５を設定する。

これにより軸受９ａ外輪とフレーム５のハウジング内周が高速回転域で接触することなく回転できる。図４は実施の形態１による軸受９ａの外輪とフレーム５のハウジング内周との隙間１５と、フレーム５に生じる振動値の関係を実験に基づき正規化したグラフである。図４において、隙間ゼロの場合を隙間量が１００％であるとし、その場合のフレーム５の振動値を１００％とする。Ａ１は径方向に振動するときの最大の振動振幅Ａが隙間内に十分に収まるような隙間１５に相当する隙間量を指す。隙間ゼロの場合の隙間量と振動値を元に正規化した隙間量の比率を横軸に、フレーム振動値の比率を縦軸に示す。すなわちＡ１以上の隙間をあけることで、振動振幅Ａがその隙間内に収まるため、軸受９ａの振動がフレーム５へ伝播することを抑制でき、フレーム５の振動が抑制されることとなる。図４に示すように、もとの隙間からＡ１に設定することで、軸受９ａの外輪からフレーム５のハウジング内周への振動伝播が抑制されるため、約７割振動値が低減し、さらに隙間を拡大すると一定の値に収束する。

環状の波形ワッシャ１１に加えて、軸受９ａの外輪の軸方向端面と環状の波形ワッシャ１１の間に弾性部材１２（例えばゴム材）を配置した構成にする。これにより波形ワッシャ１１は軸受９ａ、９ｂに対し適正な予圧を付加し、弾性部材１２は軸受９ａに接触しているため、軸受９ａの軸方向の振動を吸収するとともに、回転体の持つ不釣り合いによる径方向に働く遠心力を緩和する。弾性部材１２のみ設けた場合には、適正な予圧を付加するために、板厚を十分に厚く軸方向隙間を大きく設定する必要がある。一方波形ワッシャ１１のみ設けた場合には十分な振動吸収効果が得られない。これに対し波形ワッシャ１１と弾性部材１２を組み合わせることにより、適正な予圧の付加と振動吸収を同時に効率よく達成できる。また、軸受９ａの外輪とハウジング内周に設けた隙間１５内で軸受９ａが変位するため、径方向に働く電機子２及びファン４の持つ不釣合いによる遠心力を緩和し、ハウジングへの振動の伝播を抑制でき、フレーム５の振動の増大を抑制し、騒音の発生を抑制することができる。

また軸受９ａの振動がハウジングであるフレーム５に伝播すると、フレーム５にねじ止め固定されているブラシ１３が大きく振動し、整流子１４とブラシ１３の間で摺動摩擦が大きくなり、ブラシ寿命の低下を招くことがある。しかし上記のように構成することにより、軸受端面から伝わる軸方向及び径方向の振動をハウジングに伝播することを抑制するため、ブラシ１３の寿命の低下を防止できる。一般にはフレーム５に軸受９ａの保持機構を設けることで、軸の真円度を確保するとともに、フレーム５におけるハウジング端面に対する軸の傾きを確保している。上記のように構成した場合、加振される軸受９ａからブラシ１３までの振動伝播の経路が長くとれ、振動の距離による減衰効果も同時に得られる。

また一般的な軸受支持構造では、軸受９ａとハウジング間の隙間をすきまばめ公差の設定で嵌め合いするため、ハウジング径の公差が数μｍ〜十数μｍとになるよう非常に精度よく加工する必要があるため、板金絞り加工等で所定の精度を確保することが困難となり、コストも高くなる。一方本実施形態のフレーム５であるハウジングは遠心力に応じて隙間１５を十分に幅を持たせて設定すればよいため、加工精度を厳しくする必要はなく、コストを抑制することができる。

また本実施形態の構造では、電機子２及びファン４の持つ不釣合いによる遠心力を考慮し、十分な隙間１５を設けているため、上記特許文献１に示すように軸受外輪とハウジングの空隙に潤滑剤を充填する必要がなく、軸受からハウジングへの振動の伝播を抑制することができる。そのため軸受外輪とハウジングとの空隙に潤滑剤を充填した場合、潤滑剤が軸受端面とハウジング間に回り込み、予圧を付加する環状の波形ワッシャ１１とハウジング間の摩擦力が低下し、シャフト８が滑ってしまい、偏心による電機子２と固定子３間の電磁加振力の増加で電機子２の振れ回りが大きくなることで振動が増大してしまうといった問題も生じることがない。このように本実施形態では潤滑剤を充填する工程がなく、環状の波形ワッシャ１１と弾性部材１２をハウジング内に挿入し、ファン４側の軸受９ｂ側においては軸受外輪に対して接着されたブラケット１０が装着された状態の電機子２を同じく挿入し、ブラケット１０をねじによりフレーム５と締結することで軸受回りの組立が完了する。従って組立工程が簡素化され、製造工程の自動化が容易である。

実施の形態２．
本実施形態においては、実施の形態１に示された構造において、図２における軸受９ａとハウジング間の隙間１５において、左右の隙間量の合計値を２０μｍ以上設けたものである。図４で示した隙間量と振動値の関係よりある隙間以上を設けることで、振動値の増大を抑制することができる。４００００ｒｐｍ以上の回転数では、余裕を考慮して軸受９ａとハウジング間に２０μｍ以上の隙間があれば回転時に径方向の振動が伝播することが無く、振動の増大と騒音の発生を抑制することができる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３に係る環状のワッシャを示す平面図（Ａ）、側面図（Ｂ）である。本実施形態においては、環状の波形ワッシャ１１の代わりに図５に示すような皿ばね１６を設けたものである。その他にも軸方向に軸受９ａに対して予圧を付加する役割を成すばね性を持つ部材を配置してもよい。この構成においても、波形ワッシャ１１と同様に軸方向に大きい予圧を付加できる。更には軸受９ａとハウジング間に隙間１５が設けられているため、回転時に径方向の振動が伝播することが無く、振動の増大と騒音の発生を抑制することができる。

実施の形態４．
図６は実施の形態４によるフレームのハウジング部を示す拡大断面図である。図６において、フレーム１７には軸受９ａを収納するための凹部４０を設けており、更にこの凹部４０におけるハウジングの軸方向の寸法ｂ２が軸受９ａの軸方向の寸法ｂ１よりも小さく構成されている。この構造によれば、回転時に径方向の振動がフレーム１７に伝播することが無く、振動の増大と、騒音の発生を抑制することができる。さらに軸受９ａの軸方向の幅が異なる複数の機種を設計する場合でも、同じフレーム１７を使用することができる。従ってフレーム加工や自動組立工程において部品の共通化が図れるため、搬送治具を共通にでき、更には組立が容易となる。従って設備投資コストを抑えることが可能となる。

実施の形態５．
図７は実施の形態５による電機掃除機用モータの内部構造を示す断面図である。本実施形態においては、図７に示すように、フレーム１８は軸受９ａの保持機構（凹部４０）を持たないものである。そして電機掃除機１のシャフト８が水平方向に向くように電機掃除機１を水平に置いた場合（即ち図７に示した状態から９０度回転させて所謂横向きに置いた場合）にフレーム１８と波形ワッシャ１１間に働く最大静止摩擦力が電機子２に働く重力より大きくなるよう予圧力を与えたものである。

この構造によれば、回転時に径方向の振動がフレーム１８に伝播することが無く、振動の増大と、騒音の発生を抑制することができ、設備投資コストを低く抑えることができる。更にはフレームの加工が上記実施の形態１〜４の場合に比べてさらに容易となり、製造工程を削減できるため、コストを抑制する効果が得られる。また実施の形態１〜実施の形態４に記載の構造のように、フレームに軸受９ａの保持機構（凹部）を設ける場合には、シャフト８が固定子３の径方向に対して垂直に組立てられる必要があり、フレームの加工精度を確保するのが困難となり、コストもかかる。一方本実施形態によれば、軸受９ａの保持機構を設ける必要がないので、上記実施の形態１〜４に比べて加工精度を高くする必要もなく、製造コストも抑制できる。
尚本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

２ 電機子、３ 固定子、５，１７，１８ フレーム、８ シャフト、
９ａ，９ｂ 軸受、１０ ブラケット、１１ 波形ワッシャ、１２ 弾性部材、
１５ 隙間、１６ 皿ばね、４０ 凹部。

Claims (7)

1. ブラケット及びフレーム内に設置された固定子及び電機子と、
   上記電機子に挿入されたシャフトと、
   上記シャフトの軸方向２箇所において上記シャフトを回転可能に支持するための第１軸受及び第２軸受を備えた電動機であって、
   上記第２軸受の外輪は上記ブラケットの内周に固定され、
   上記第１軸受の軸方向端面と上記第１軸受の軸方向端面に対向する上記フレームの端面との間にのみ介在すると共に軸方向に予圧を付加するばね性を持つ部材及び弾性部材を備え、
   上記第１軸受の外輪と上記フレームの内周との間には径方向の隙間を設けたことを特徴とする電動機。
2. 上記弾性部材は、上記第１軸受の軸方向端面と上記ばね性を持つ部材との間に挟まれて配置され軸方向に予圧を付加することを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 上記軸方向に予圧を付加するばね性を持つ部材として波形ワッシャまたは皿ばねを用いたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動機。
4. 上記第１軸受の外輪と上記フレームの内周との間には上記外輪の外周側全周に亘り径方向の上記隙間を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機。
5. 上記第１軸受の外輪と上記フレームの内周との間の径方向の上記隙間は、上記電動機使用時に上記第１軸受が径方向に振動するときの最大の振動振幅に基づいて設定されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電動機。
6. 上記フレームには上記第１軸受を収納するための凹部を設け、上記凹部における軸方向の寸法が上記第１軸受の軸方向の寸法よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電動機。
7. ブラケット及びフレーム内に設置された固定子及び電機子と、
   上記電機子に挿入されたシャフトと、
   上記シャフトの軸方向２箇所において上記シャフトを回転可能に支持するための第１軸受及び第２軸受を備えた電動機であって、
   上記第２軸受の外輪は上記ブラケットの内周に固定され、
   上記第１軸受の軸方向端面と上記フレームとの間には軸方向に予圧を付加するばね性を持つ部材と弾性部材とを介在させるとともに、上記シャフトが水平方向に向くように上記電動機を水平に置いた場合に上記フレームと上記軸方向に予圧を付加するばね性を持つ部材の間に働く最大静止摩擦力が上記電機子に働く重力よりも大きくなるよう設定したことを特徴とする電動機。

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