JP6481382B2 - 電動機 - Google Patents

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Description

本発明はロータのベアリング支持構造を改良した縦型の電動機に関するものである。
ショベルの旋回駆動源等として使用される縦型の電動機は、図８に示すように、上下方向に延びる電動機シャフト１を中心に回転するロータ２と、このロータ２の外周に配置されたステータ３がハウジング４に収容されて構成される。
ハウジング４は、上下いずれか一面(たとえば上面)が開口したハウジング本体５と、このハウジング本体５の上面開口部を閉塞する上部カバー部材(「エンドカバー」や「モータカバー」等と称される)６によって構成される。
上部カバー部材６は、ハウジング本体５の上端面に図示しないボルトによって取付けられ、電動機シャフト１の上部がこの上部カバー部材６に、下部がハウジング本体５の下部にそれぞれ上部、下部ベアリング(内、外輪間に複数のボールが介装されたころがり軸受)７，８を介して回転自在に支持される。
ステータ３は、電磁鋼板を積層して成るステータコア９と、このステータコア９に上下方向に巻装されたステータコイル１０とによって構成される。
ステータコイル１０は、上下両側の折り返し部分であるコイルエンド１０ａがステータコア９の上下両端面から突出する状態で巻装される。
なお、この明細書において、「電動機」とは、電動機と同一原理の発電機及び発電電動機を含むものとする。
ところで、ベアリング支持構造を備えた電動機においては、一般に、ベアリングに予め軸方向荷重(予圧)を加えることにより、ベアリング構成部材間の隙間を除去してベアリング自体の剛性を確保する構成がとられる。
そして、この予圧をかける手段として環状バネ(円周方向に波形の凹凸加工を施したリング状の板バネ)を用いる構成が公知である(特許文献１，２参照)。
特開平７−２４８０２３号公報 特開２００６−９７７６５号公報
しかし、上記公知技術によると、ベアリングの上下移動(スラスト方向のがたつき)そのものを積極的に抑制する構成ではないため、とくに縦型電動機、なかでもショベル用のような車載の縦型電動機において発生し易い、振動等による上下方向の荷重(スラスト荷重)によってベアリングの上下移動が生じ易い。
こうなると、環状バネが大きなたわみ変形の繰り返しによって早期に劣化するだけでなく、環状バネのたわみ変形及び劣化によって予圧が適正値から変化してしまい、ベアリングにも悪影響を及ぼすという課題があった。
そこで本発明は、環状バネによってベアリングに加える予圧を一定に保ちながら、環状バネの大きなたわみ変形の繰り返しによる劣化を防止することができる電動機を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、電動機シャフトを中心として回転するロータと、このロータの外周に配置されたステータと、上記電動機シャフトが上下方向に延びる状態で上記ロータ及びステータを収容するハウジングと、上記電動機シャフトの上下両側を回転自在に支持する状態で上記ハウジングに設けられた上部及び下部両ベアリングを具備する電動機において、上記下部ベアリングを上記電動機シャフト及びハウジングに対して軸方向に固定し、かつ、上記上部ベアリングに下向きの予圧を加える環状バネと、上記予圧に打ち勝つ上向きのスラスト荷重を上記上部ベアリングからハウジングに伝達する荷重伝達面を設けたものである。
この構成によれば、電動機シャフトに作用する下向きのスラスト荷重は下部ベアリングを介して、また環状バネのバネ力に打ち勝った上向きのスラスト荷重は荷重伝達面を介してそれぞれハウジングで支持することができる。
これにより、スラスト荷重によるベアリングの最小限に軸方向移動を抑えることができるため、環状バネによってベアリングに加える予圧を一定に保ちながら、環状バネの大きなたわみ変形の繰り返しによる早期の劣化を防止することができる。
本発明において、上記ハウジングを、少なくとも上下いずれか一面に開口部を備えたハウジング本体と、上記開口部を閉塞する状態で上記ハウジング本体に装着されるカバー部材によって構成し、上記カバー部材を上記荷重伝達面の上下方向位置で上カバーと下カバーに分割し、この両カバーの間隔をシムによって調整可能に構成するのが望ましい(請求項２)。
この構成によれば、シム調整により、環状バネの予圧(たわみ変形量)、及び荷重伝達面とこれに接触する部分の隙間を適正値に調整することができる。
また、上下のカバーの接合部分に生じる段差を目や手触りで確認し、段差が０となる状態を予圧・隙間調整の基準とすればよいため、調整作業が容易となる。
また本発明においては、上記環状バネを、上記上部ベアリングの外輪に下向きの予圧を加える状態で設ける。
この構成によれば、バネ力(予圧)をベアリング外輪に加えることでベアリング中心からバネ力の作用点までのモーメント長を大きくとることができるため、小さなバネ力で必要な予圧を得ることができる。
本発明において、上記上部ベアリングとハウジングの間にリング状のインサート部材を介装し、上記環状バネから上部ベアリングへの予圧の伝達、及び上部ベアリングとハウジングの間の上向きのスラスト荷重の伝達を上記インサート部材を介して行わせるように構成する。
このように、インサート部材を上部ベアリングとハウジングの間に介在させることによって環状バネを設置するために使用できる面の面積を拡大することができる。このため、環状バネの設置が容易となる。
この場合、上記インサート部材を上記上部ベアリングの外輪の上面と外側面とに跨る断面逆Ｌ字形に形成し、このインサート部材の上面側においてハウジングとの間に環状バネを設ける。
こうすれば、インサート部材の上面がベアリング外周からさらに外周側に張り出すため、環状バネの設置面積を一層拡大することができる。
すなわち、本発明では、上記上部ベアリングと上記ハウジングとの間にリング状のインサート部材が介在し、当該インサート部材は、上記上部ベアリングの外輪の上面と外側面とに跨る断面逆Ｌ字形に形成され、上記荷重伝達面が上記インサート部材における内周側の部分を介して上記外輪に対して軸方向に対向し、上記上向きのスラスト荷重が上記外輪、上記インサート部材における内周側の部分、及び上記荷重伝達面の順に伝達するように構成され、上記環状バネが上記荷重伝達面よりも径方向外側に設けられたバネ収容凹部に配置されて上記環状バネの少なくとも一部が上記外輪よりも径方向外側において上記インサート部材における外周側の部分に対して軸方向に対向し、上記環状バネが上記インサート部材を介して上記外輪に下向きの予圧を加えるように構成される。
本発明によると、環状バネによってベアリングに加える予圧を一定に保ちながら、環状バネの大きなたわみ変形の繰り返しによる劣化を防止することができる。
本発明の第１実施形態に係る電動機の断面図である。 図１の一部拡大図である。 第２参考形態に係る電動機の一部断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電動機の一部断面図である。 第４参考形態に係る電動機の一部断面図である。 本発明の第５実施形態に係る電動機の断面図である。 本発明の第６実施形態に係る電動機の断面図である。 従来の一般的な電動機の断面図である。
本発明の第１〜第６各実施形態を図１〜図７によって説明する。
第１実施形態(図１，２参照)
第１実施形態において、次の点は図８に示す従来技術と同じである。
(Ａ) 電動機は、上下方向に延びる電動機シャフト１１を中心に回転するロータ１２と、このロータ１２の外周に配置されたステータ１３がハウジング１４に収容されて構成される点。
(Ｂ) ハウジング１４は、上面が開口したハウジング本体１５と、このハウジング本体１５の上面開口部を閉塞する上部カバー部材１６によって構成される点。
(Ｃ) 上部カバー部材１６は、ハウジング本体５の上端面に図示しないボルトによって取付けられ、電動機シャフト１１の上部がこの上部カバー部材１６に、下部がハウジング本体１５の下部にそれぞれ上部、下部ベアリング(内、外輪間に複数のボールが介装されたころがり軸受)１７，１８を介して回転自在に支持される点。
(Ｄ) ステータ１３は、電磁鋼板を積層して成るステータコア１９と、このステータコア１９に上下方向に巻装されたステータコイル２０とによって構成される点。
(Ｅ) ステータコイル２０は、上下両側の折り返し部分であるコイルエンド２０ａがステータコア１９の上下両端面から突出する状態で巻装される点。
第１実施形態においては、上記構成を前提として、下部ベアリング１８が電動機シャフト１１及びハウジング１４(ハウジング本体１５)に対して焼き嵌め等によって軸方向に相対移動不能に固定されている。
また、上部ベアリング１７に下向きの予圧(軸方向荷重)を加える環状バネ２１と、上記予圧に打ち勝つ上向きのスラスト荷重を上部ベアリング１７からハウジング１４に伝達する荷重伝達面２２が設けられ、この荷重伝達面２２により上部ベアリング１７の軸方向移動が抑えられる。
上部カバー部材１６は、上カバー２３と下カバー２４に上下二分割され、両カバー２３，２４が上下積層状態で周方向複数個所にてボルト２５により接合されている。
なお、このボルト２５を、前記のように上部カバー部材１６全体をハウジング本体１５に接合するボルトとして兼用する構成をとってもよい。
一方、上部ベアリング１７の外周にインサート部材２６が設けられている。
このインサート部材２６は、上部ベアリング１７の外輪１７ａの上面と外側面とに跨る断面逆Ｌ字形に形成され、
(Ｉ) 外輪外側面を覆う側面部が外輪１７ａと下カバー２４の内周面の間に、外輪上面を覆う上面部が外輪１７ａと上カバー２３の下面の間にそれぞれ位置し、
(ＩＩ) 側面部が、下カバー２４の内周面に対して軸方向にスライドし得るようにスライド隙間ｃ１(図２参照)が形成される状態で
上部ベアリング１７に取付けられている。
ここで、インサート部材２６の上面部と接する上カバー下面の内周側部分において、外周側にバネ収容凹部２７が設けられ、このバネ収容凹部２７に環状バネ２１が収容されるとともに、内周側に荷重伝達面２２が、環状バネ２１と隣り合わせに並んだ状態で下向きに突出した面として設けられている。
環状バネ２１は、従来同様、円周方向に波形の凹凸加工を施したリング状の板バネとして形成されている。
この環状バネ２１は、インサート部材２６を介して上部ベアリング１７の外輪１７ａに下向きの一定のバネ力(予圧)を付勢するたわみ状態で設けられ、この状態で荷重伝達面２２とインサート部材２６の上面の間に調整隙間ｃ２が形成される。
いいかえれば、上記状態が得られるようにバネ収容凹部２７の深さ、環状バネ２１の自由高さ寸法、荷重伝達面２２とインサート部材上面の位置関係等が設定されている。
こうして、環状バネ２１によって上部ベアリング１７の外輪１７ａに一定の予圧が加えられ、図２中に矢印で示すようにこの予圧が外輪１７ａからボール１７ｂを介して内輪１７ｃに、さらに電動機シャフト１１、下部ベアリング１８を介してハウジング本体１５に伝達されるように構成されている。
この予圧構成により、上部ベアリング１７の構成部材間の隙間を除去してベアリング自体の剛性を確保することができる。
この場合、電動機シャフト１１に作用する下向きのスラスト荷重は、ハウジング１４(ハウジング本体１５)に固定された下部ベアリング１８を介してハウジング１４に支持される一方、環状バネ２１のバネ力に打ち勝った上向きのスラスト荷重は上部ベアリング１７、インサート部材２６、荷重伝達面２２を介してハウジング(エンドカバー１６の上カバー２３)で支持することができる。
これにより、スラスト荷重による上部ベアリング１７の軸方向移動を調整隙間ｃ２分だけの最小値に抑えることができるため、環状バネ２１によって上部ベアリング１７に加える予圧を一定に保ちながら、環状バネ２１の大きなたわみ変形の繰り返しによる早期の劣化を防止することができる。
ここで、上部ベアリング１７の軸方向移動量は、インサート部材２６と上カバー２３の間の調整隙間ｃ２によって決まる。従って、この調整隙間ｃ２は、環状バネ２１による一定の予圧が保たれる範囲でできるだけ小さい値(理想的には０)とするのが望ましい。
そこで、エンドカバー１６を構成する上下のカバー２３，２４の接合面間にシム２８が設けられ、このシム２８の厚みまたは枚数の調節により、上下両カバー２３，２４の間隔、つまりインサート部材２６と上カバー２３の上下位置関係であって、環状バネ２１による予圧(たわみ変形量)と調整隙間ｃ２をそれぞれ適正値に調整できるように構成されている。
この場合、上下のカバー２３，２４の接合部分(この実施形態では荷重伝達面２２と下カバー２４)に生じる段差を目や手触りで確認し、段差が０となる状態を予圧・隙間調整の基準とすればよいため、調整作業が容易となる。
加えて、第１実施形態によると次の効果を得ることができる。
(１) 環状バネ２１を、上部ベアリング１７の外輪１７ａに下向きの予圧を加える状態で設けているため、バネ力(予圧)をベアリング外輪１７ａに加えることでベアリング中心からバネ力の作用点までのモーメント長を大きくとることができる。このため、小さなバネ力で必要な予圧を得ることができる。
(２) 上部ベアリング１７とハウジング１４(上下両カバー２３，２４)の間にリング状のインサート部材２６を介装し、環状バネ２１から上部ベアリング１７への予圧の伝達、及び上部ベアリング１７とハウジング１４(上カバー２３)の間の上向きのスラスト荷重の伝達をインサート部材２６を介して行わせるように構成しているため、上部ベアリング１７の外輪上面に直接環状バネ２１を設置する場合(図５参照)と比べて、環状バネ２１の設置に使用できる面の面積を拡大することができる。このため、環状バネ２１の設置が容易となる。
とくに第１実施形態では、インサート部材２６を上部ベアリング外輪１７ａの上面と外側面とに跨る断面逆Ｌ字形に形成し、このインサート部材２６の上面側においてハウジング１４(上カバー２３)との間に環状バネ２１を設ける構成をとっているため、インサート部材２６の上面がベアリング外周からさらに外周側に張り出す。このため、環状バネの設置面積を一層拡大することができる。
他の実施形態
以下の第２〜第６各実施形態によっても基本的に第１実施形態と同じ効果を得ることができる。
なお、第２〜第６各実施形態において、第１実施形態と同一部分については同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。
図３に示す第２参考形態においては、インサート部材２６の上面部と接する上カバー下面の内周側部分において、第１実施形態とは逆に、内周側にバネ収容凹部２７と環状バネ２１が設けられるとともに、外周側に荷重伝達面２２が下向きに突出した面として設けられている。
図４に示す第３実施形態においては、環状バネ２１と荷重伝達面２２が、上部カバー部材１６の上カバー２３でなく、インサート部材２６の上面に並んで設けられている。
図５に示す第４参考形態においては、上記各実施形態のインサート部材２６を省略し、上部カバー部材１６を構成する上カバー２３の下面における上部ベアリング１７の外輪１７ａに対向する部分に環状バネ２１及び荷重伝達面２２が並んで設けられている。
この第４参考形態においては環状バネ２１のバネ力が上部ベアリング１７に直接作用することになる。
図６に示す第５実施形態においては、下面が開口したハウジング本体１５と、下面開口部を閉塞する状態でハウジング本体１５に取付けられた下部カバー部材２９によってハウジング１４Ａが構成され、ハウジング本体１５における上部ベアリング１７との接合部分にインサート部材２６が設けられ、環状バネ２１及び荷重伝達面２２が、ハウジング本体１５におけるインサート部材２６の上面に対向する部分(図４の第３実施形態のようにインサート部材２６でもよい)に設けられている。
図７に示す第６実施形態においては、上下両面が開口した筒状のハウジング本体１５と、上面開口部を閉塞する上部カバー部材１６と、下面開口部を閉塞する下部カバー部材２９によってハウジング１４Ｂが構成されている。
このハウジング構成において、第１〜第４各実施形態と同様に、上カバー２３と下カバー２４によって上部カバー部材１６が構成され、上カバー２３(インサート部材２６でもよい)に環状バネ２１及び荷重伝達面２２が設けられている。
ところで、上記各実施形態では、環状バネ２１と荷重伝達面２２を相隣接して設けたが、環状バネ２１による予圧付与機能、及び荷重伝達面２２による上向きスラスト荷重の伝達機能が確保される範囲でこれらを少し離間して設けてもよい。
１１ 電動機シャフト
１２ ロータ
１３ ステータ
１４，１４Ａ，１４Ｂ ハウジング
１５ ハウジング本体
１６ 上部カバー部材
１７ 上部ベアリング
１７ａ 外輪
１７ｂ ボール
１７ｃ 内輪
１８ 下部ベアリング
２１ 環状バネ
２２ 荷重伝達面
２３ 上部カバー部材を構成する上カバー
２４ 同、下カバー
２６ インサート部材
ｃ１ スライド隙間
ｃ２ 調整隙間
２７ バネ収容凹部
２８ シム
２９ 下部カバー部材

Claims (2)

  1. 電動機シャフトを中心として回転するロータと、このロータの外周に配置されたステータと、上記電動機シャフトが上下方向に延びる状態で上記ロータ及びステータを収容するハウジングと、上記電動機シャフトの上下両側を回転自在に支持する状態で上記ハウジングに設けられた上部及び下部両ベアリングを具備する電動機において、上記下部ベアリングを上記電動機シャフト及びハウジングに対して軸方向に固定し、かつ、上記上部ベアリングに下向きの予圧を加える環状バネと、上記予圧に打ち勝つ上向きのスラスト荷重を上記上部ベアリングからハウジングに伝達する荷重伝達面を設け、
    上記上部ベアリングと上記ハウジングとの間にリング状のインサート部材が介在し、当該インサート部材は、上記上部ベアリングの外輪の上面と外側面とに跨る断面逆Ｌ字形に形成され、
    上記荷重伝達面が上記インサート部材における内周側の部分を介して上記外輪に対して軸方向に対向し、上記上向きのスラスト荷重が上記外輪、上記インサート部材における内周側の部分、及び上記荷重伝達面の順に伝達するように構成され、
    上記環状バネが上記荷重伝達面よりも径方向外側に設けられたバネ収容凹部に配置されて上記環状バネの少なくとも一部が上記外輪よりも径方向外側において上記インサート部材における外周側の部分に対して軸方向に対向し、上記環状バネが上記インサート部材を介して上記外輪に下向きの予圧を加えるように構成されることを特徴とする電動機。
  2. 上記ハウジングを、少なくとも上下いずれか一面に開口部を備えたハウジング本体と、上記開口部を閉塞する状態で上記ハウジング本体に装着されるカバー部材によって構成し、上記カバー部材を上記荷重伝達面の上下方向位置で上カバーと下カバーに分割し、この両カバーの間隔をシムによって調整可能に構成したことを特徴とする請求項１記載の電動機。
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