JP6461615B2 - 回転システム - Google Patents

Description

本発明は、被回転部材が固定された回転軸部を回転させる回転システムに関するものである。

従来、送風機の羽根や発電機の回転子等の被回転部材をモータで駆動する回転システムが用いられている。このような回転システムでは、モータの回転軸部に被回転部材を直接接続した状態で、回転軸部を回転させることが多い。また、回転軸部を転がり軸受で保持し、円滑に回転軸部を回転させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載の回転システムでは、回転軸部を転がり軸受のみで保持していることから、転がり軸受に掛かる負担が大きく、転がり軸受の部分で回転エネルギーを損失する割合も大きい。そこで、本願出願人は、図５，図６に示されるような回転システム５１を提案している（例えば、特許文献２参照）。この回転システム５１は、中心軸にモータ５２の回転軸部５３が連結された円筒状の回転枠５４と、回転枠５４の中心軸と同軸上に配置された固定軸部５５と、回転枠５４の内周に外輪５６ａが固定され、固定軸部５５に内輪５６ｂが固定された転がり軸受５６とを備えている。また、回転枠５４には被回転部材である発電機の回転子５７が固定される。よって、この回転システム５１によれば、固定軸部５５に転がり軸受５６を介して回転自在に保持された回転枠５４が回転駆動されることで回転子５７が回転することから、回転エネルギーの損失を抑えることが可能であると考えていた。

特開２００３−３４３４８７号公報（図１等） 特願２０１３−２５８９７９号（図１等）

ところが、特許文献２に記載の従来技術を採用したとしても、被回転部材（発電機の回転子５７）の負荷が回転軸部５３や転がり軸受５６などに掛かるため、回転軸部５３を回転させる際に転がり軸受５６に生じる摩擦抵抗が大きくなり、転がり軸受５６の部分で回転エネルギーを損失してしまう。また、摩擦抵抗が大きくなることにより、モータ５２の消費電力も増える傾向にある。ゆえに、回転エネルギーの損失をさらに低減させることが可能な回転システムが求められている。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転エネルギーの損失をよりいっそう低減させることが可能な回転システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、第１の回転軸部を有する第１のモータと、前記第１の回転軸部と同軸上に配置された第２の回転軸部を有する第２のモータと、前記第１の回転軸部または前記第２の回転軸部に固定される被回転部材と、外輪及び内輪の間に複数の転動体を転動可能に保持した転がり軸受とを備え、前記第１の回転軸部が有する軸受保持部に前記外輪が固定され、前記第２の回転軸部に前記内輪が固定され、前記第１のモータ及び前記第２のモータは、前記第１の回転軸部及び前記第２の回転軸部を互いに逆方向に回転させることを特徴とする回転システムをその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明では、第１のモータが有する第１の回転軸部が回転するのに伴い、第１の回転軸部に固定された転がり軸受の外輪が回転して転動体が転動を開始すると同時に、第２のモータが有する第２の回転軸部が、第１の回転軸部とは逆方向に回転する。その結果、第２の回転軸部に固定された内輪と転動体との接触部分において、内輪の回転方向が転動体の転動方向と一致するため、内輪の回転力と転動体の回転力とが相殺されにくくなる。よって、被回転部材の負荷が回転軸部や転がり軸受などに掛かることに起因する抵抗、即ち、回転軸部を回転させる際に転がり軸受に生じる摩擦抵抗や摺動抵抗を小さくすることができ、転がり軸受の部分での回転エネルギーの損失をよりいっそう低減させることができる。また、摩擦抵抗が小さくなることにより、モータの消費電力を抑えることができる。しかも、摩擦抵抗や摺動抵抗によりロスしていたモータの電気エネルギーを、回転エネルギーとして効率良く用いることができる。

なお、回転システムとしては、発電機、ギヤモータ、ブラシレスモータ、送風機、コンプレッサ、冷凍機などが構成できる。その被回転部材の具体例としては、発電機の回転子（請求項３）、電動機（モータ）の回転軸、送風機の羽根、コンプレッサ用のモータの回転子などが挙げられる。また、転がり軸受としては、球体（ボール）を転動体として用いた玉軸受や、ころを転動体として用いたころ軸受などが挙げられる。玉軸受としては、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、四点接触玉軸受、自動調心玉軸受などのラジアル玉軸受が好適に使用されるほか、スラスト玉軸受、スラストアンギュラ玉軸受などのスラスト玉軸受が好適に使用される。また、ころ軸受としては、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受などのラジアルころ軸受が好適に使用されるほか、スラスト円筒ころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト円錐ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などのスラストころ軸受が好適に使用される。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記軸受保持部は、筒状をなし、内周側に前記転がり軸受が嵌合されるとともに、外周側に前記被回転部材が取り付けられることをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、被回転部材及び転がり軸受をスラスト方向において同じ位置に配置できるため、被回転部材をブレることなく安定的に動作させることができる。また、転がり軸受が筒状をなす軸受保持部の内周側に収容されるため、回転システム全体の小型化を図りやすくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記被回転部材は発電機の回転子であることをその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、被回転部材である発電機の回転子が重い場合であっても、回転子が固定された回転軸部を小さな力で回転させることができるため、小さなエネルギーで発電を行うことが可能である。

以上詳述したように、請求項１〜３に記載の発明によると、回転エネルギーの損失をよりいっそう低減させることができる。

本実施形態における回転システムを示す概略断面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 （ａ）は本実施形態における転がり軸受の動きを示す要部断面図、（ｂ）は従来技術における転がり軸受の動きを示す要部断面図。 他の実施形態における回転システムを示す概略断面図。 従来技術における回転システムを示す概略断面図。 図５のＢ−Ｂ線断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１，図２に示されるように、回転システム１は、第１の動力源である第１のモータ１０と、第２の動力源である第２のモータ２０と、被回転部材である発電機の回転子３０とを備えている。第１のモータ１０は第１の回転軸部１１を有している。第１の回転軸部１１は、棒状をなす軸部本体１２と、軸部本体１２の先端部に取り付けられた筒状の軸受保持部１３とを有している。軸部本体１２は、転がり軸受１４によって保持されている。また、軸受保持部１３は、略円筒状をなす保持部本体１５と、保持部本体１５の基端（図１では右端）側を塞ぐ略円板状の底部１６とによって形成されている。保持部本体１５（軸受保持部１３）の外周側には、発電機の回転子３０が継手３１を介して固定されている。また、底部１６の中心部には軸部本体１２が挿通しており、底部１６は、継手１７を介して軸部本体１２に連結されている。一方、第２のモータ２０は、第１の回転軸部１１と同軸上に配置された棒状の第２の回転軸部２１を有している。なお、本実施形態では、第１のモータ１０及び第２のモータ２０の出力が互いに等しくなっている。

また、図１〜図３に示されるように、回転システム１は転がり軸受４０を備えている。転がり軸受４０は、保持部本体１５（軸受保持部１３）の内周側に嵌合されている。また、転がり軸受４０は、外輪４０ａ及び内輪４０ｂの間に複数のボール４１（転動体）を転動可能に保持した構造を有している。即ち、本実施形態の転がり軸受４０は深溝玉軸受である。そして、外輪４０ａは軸受保持部１３の内周に固定され、内輪４０ｂは第２の回転軸部２１に固定されている。

従って、本実施形態の回転システム１では、第１のモータ１０を駆動させると、第１のモータ１０が有する第１の回転軸部１１（及び軸受保持部１３）が時計回り方向（図２に示す矢印Ｆ１方向）に回転する。これに伴い、軸受保持部１３の内周側に嵌合している転がり軸受４０の外輪４０ａも、時計回り方向に回転する（図３（ａ）参照）。このとき、転がり軸受４０のボール４１は、時計回り方向に自転する。また、軸受保持部１３の回転に伴って、発電機の回転子３０が時計回り方向（矢印Ｆ１方向）に回転し、発電が行われる。

ところで、図５，図６に示す従来の回転システム５１では、転がり軸受５６の内輪５６ｂが固定軸部５５に固定されているため、内輪５６ｂが回転することはない（図３（ｂ）参照）。この場合、転がり軸受５６のボール５６ｃと内輪５６ｂとの間に摩擦抵抗や摺動抵抗が生じてしまうため、ボール５６ｃの回転力が低下してしまい、転がり軸受５６の外輪５６ａのトルクＴ２も低下してしまう。

そこで、本実施形態では、外輪４０ａが回転してボール４１が転動を開始すると同時に、第２のモータ２０を駆動させている。この場合、第２のモータ２０が有する第２の回転軸部２１が、第１の回転軸部１１とは逆方向、本実施形態では反時計回り方向（図２に示す矢印Ｆ２方向）に回転する。これに伴い、第２の回転軸部２１に固定されている転がり軸受４０の内輪４０ｂも、反時計回り方向に回転する（図３（ａ）参照）。このとき、内輪４０ｂとボール４１との接触部分において、内輪４０ｂの回転方向がボール４１の自転方向と一致するため、内輪４０ｂの回転力とボール４１の回転力とが相殺されにくくなる。ゆえに、転がり軸受４０の外輪４０ａのトルクＴ１は、従来よりも大きくなる。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の回転システム１では、第２の回転軸部２１に固定された転がり軸受４０の内輪４０ｂと、第１の回転軸部１１に固定された外輪４０ａの回転によって転動するボール４１との接触部分において、内輪４０ｂの回転方向をボール４１の転動方向と一致させている。その結果、内輪４０ｂの回転力とボール４１の回転力とが相殺されにくくなり、第１の回転軸部１１を回転させて発電機による発電を行う際に転がり軸受４０に生じる摩擦抵抗や摺動抵抗が小さくなるため、転がり軸受４０の部分での回転エネルギーの損失をよりいっそう低減させることができる。また、摩擦抵抗が小さくなることにより、第１のモータ１０の消費電力を大幅に抑えることができる。特に、多くのエネルギーを要する発電機の起動時において、第１のモータ１０の消費電力を抑えることができる。しかも、摩擦抵抗や摺動抵抗によりロスしていた第１のモータ１０の電気エネルギーを、回転エネルギーとして効率良く用いることができる。

（２）本実施形態では、第１のモータ１０のトルクが第２のモータ２０のトルクによってサポートされるだけでなく、第１のモータ１０のトルクと第２のモータ２０のトルクとが合成されてより大きなトルクＴ１（図３（ａ）参照）となる。その結果、第１のモータ１０の回転数、ひいては、発電機の回転子３０の回転数が下がりにくくなるため、発電機による発電をより効率良く行うことができる。即ち、第２のモータ２０は第１のモータ１０のパワーアシストとなる。

（３）本実施形態では、発電機の回転子３０が固定された第１の回転軸部１１を、従来のモータ５２（図５参照）よりも出力が小さいモータ（第１のモータ１０）を用いて回転させることができる。このため、小さなエネルギーで発電を行うことが可能である。

（４）本実施形態では、第２の回転軸部２１が第１の回転軸部１１と同軸上に配置されるため、例えば、第１の回転軸部１１と同軸上に配置される回転軸部と第２の回転軸部２１とをつなぐ動力伝達機構などを設けなくても済む。よって、回転システム１の小型化を図ることができる。

（５）本実施形態では、転がり軸受４０が筒状をなす軸受保持部１３の内周側に収容されているため、転がり軸受４０にごみが付着しにくくなる。ゆえに、ごみの付着に起因する摩擦抵抗や摺動抵抗の増大を回避することができる。

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、発電機の回転子３０が第１の回転軸部１１に固定されていたが、図４に示すように、回転子６１などの被回転部材を第２の回転軸部６２に固定してもよい。しかしながら、回転子６１を第２の回転軸部６２に固定すると、回転システム６０が転がり軸受４０のスラスト方向に大型化されてしまい、第２の回転軸部６２が延長されて回転システム６０全体が重くなるため、回転子は第１の回転軸部に固定されることが好ましい。

・上記実施形態では、第１のモータ１０及び第２のモータ２０の出力が互いに等しくなっている。しかし、第２のモータ２０の出力を第１のモータ１０の出力よりも小さくしてもよい。即ち、モータに主従の関係を持たせてもよい。このようにすれば、より小さなエネルギーで発電を行うことが可能である。なお、第１のモータ１０の出力を第２のモータ２０の出力よりも小さくすることも可能である。

・上記実施形態では、軸受保持部１３と第２の回転軸部２１とに１個の転がり軸受４０が固定されていたが、２個以上の転がり軸受４０が固定されていてもよい。

・上記実施形態の軸受保持部１３は、筒状をなしていたが、筒状でなくてもよい。例えば、軸受保持部を、略円板状の底部１６のみによって形成し、転がり軸受４０を底部１６に取り付けてもよい。

・上記実施形態の回転システム１は、モータ１０，２０を駆動して発電機から電力を取り出すシステムであったが、モータ、ポンプ、エンジンなどの動力源を用いて被回転部材を回転させることにより、２つのモータ１０，２０から電力を取り出すシステムに変更してもよい。

・上記実施形態では、第１のモータ１０が第１の動力源として用いられ、第２のモータ２０が第２の動力源として用いられていたが、発電機、ポンプ、エンジンなどの他の構成を第１の動力源及び第２の動力源として用いてもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）第１の回転軸部を有する第１の動力源と、前記第１の回転軸部と同軸上に配置された第２の回転軸部を有する第２の動力源と、前記第１の回転軸部または前記第２の回転軸部に固定される被回転部材と、外輪及び内輪の間に複数の転動体を転動可能に保持した転がり軸受とを備え、前記第１の回転軸部が有する軸受保持部に前記外輪が固定され、前記第２の回転軸部に前記内輪が固定され、前記第１の動力源及び前記第２の動力源は、前記第１の回転軸部及び前記第２の回転軸部を互いに逆方向に回転させることを特徴とする回転システム。

１，６０…回転システム
１０…第１のモータ
１１…第１の回転軸部
１３…軸受保持部
２０…第２のモータ
２１，６２…第２の回転軸部
３０，６１…被回転部材としての発電機の回転子
４０…転がり軸受
４０ａ…外輪
４０ｂ…内輪
４１…転動体としてのボール

Claims (3)

1. 第１の回転軸部を有する第１のモータと、
   前記第１の回転軸部と同軸上に配置された第２の回転軸部を有する第２のモータと、
   前記第１の回転軸部または前記第２の回転軸部に固定される被回転部材と、
   外輪及び内輪の間に複数の転動体を転動可能に保持した転がり軸受と
   を備え、
   前記第１の回転軸部が有する軸受保持部に前記外輪が固定され、前記第２の回転軸部に前記内輪が固定され、
   前記第１のモータ及び前記第２のモータは、前記第１の回転軸部及び前記第２の回転軸部を互いに逆方向に回転させる
   ことを特徴とする回転システム。
2. 前記軸受保持部は、筒状をなし、内周側に前記転がり軸受が嵌合されるとともに、外周側に前記被回転部材が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の回転システム。
3. 前記被回転部材は発電機の回転子であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転システム。

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