JP6558576B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば車両において電動機や発電機として使用される回転電機に関する。
従来、車両に搭載されて使用される回転電機として、ハウジングと、該ハウジングに一対の軸受を介して回転可能に支持された回転軸と、該回転軸に取り付けられて該回転軸と一体的に回転する回転子と、前記ハウジングに、前記回転子と対向して取り付けられた固定子と、を備えたものが一般的に知られている。そして、特許文献1には、前記軸受に対し、前記回転軸の軸方向にスライド自在とした支持部材を介して前記回転軸の軸方向に圧力を付与する予圧装置としてのバネワッシャを備えた回転電機が開示されている。
特開2013−70510号公報
ところで、上記のような回転電機において、軸受の寿命を向上させるために、面圧を下げることは有効であるが、特許文献1のように、面圧を下げる手段としてバネワッシャを使用することは以下の問題がある。
(A)バネワッシャを使用することで軸受にアキシャル荷重が負荷されることから、転動体が軌道輪の肩に乗り上げる肩乗り上げを発生させてしまい、逆に寿命を低下させてしまう場合がある。
(B)ラジアル荷重が大きい場合、面圧を低下させるためには大きな予圧が必要となり、深溝玉軸受ではなくアンギュラ玉軸受を使用しなければならない場合がある。一般に、アンギュラ玉軸受は回転軸方向に2個対向させて用いられるため、深溝玉軸受に比べて軸方向サイズが大きくなり、回転電機の軸方向長さが大きくなってしまう。
(C)バネ部品が増えることによってコストが増加する。
(D)玉軸受の組み付けを行う際には、軸受寿命の向上や回転のガタツキ低減を狙い、運転時の軸受すきまを0に設定する0狙いが最も望ましいが、運転すきまが負になると軸受の寿命は図11に示すように大幅に低下する。なお、「運転すきまが負になる」とは、玉軸受を構成する内輪とボール又はボールと外輪が、圧入時に膨張又は収縮して圧接することによって弾性変形した状態になることをいう。
よって、面圧を下げるためには、負荷される荷重を受ける軸受の転動体の数を増加させればよい。つまり、ラジアルすきまが小さくなればよい。しかし、ラジアルすきまは必要以上に小さくすることはできず、上記のように負すきまになると極端に軸受の寿命が低下するため、正すきまの範囲で使用する必要がある。
なお、すきまが大きくなる要因は、下限値を決めた時、(a)軸受単体でのすきまのバラツキ、(b)圧入部の公差によるすきまの膨張又は収縮のバラツキ、の2点である。このうち、(a)軸受単体でのすきまのバラツキを抑制することは限界があるが、(b)圧入時のすきまの膨張又は収縮の影響を緩和することは可能である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、転動体の肩乗り上げの発生が無く、軸受に高ラジアル荷重が負荷されても軸受寿命の向上をなし得るようにした回転電機を提供することを解決すべき課題とする。
上記課題を解決するためになされた本発明は、
ハウジング(10)と、前記ハウジングに圧入支持されている一対の軸受(16,17)と、一対の前記軸受に圧入支持されている回転軸(25)と、前記回転軸に固定された回転子(30)と、前記回転子と径方向に対向して配置され前記ハウジングに固定された固定子(40)と、を備えた回転電機(1)において、
前記軸受に設けられることなく、前記ハウジングにおける前記軸受が圧入支持されている周壁面である支持面(11f)に設けられた、径方向に凹んで軸方向に延びる切欠き溝(28)を備え、
前記切欠き溝は、前記支持面における前記回転軸から前記軸受に荷重が負荷される側に対して前記回転軸の軸中心を挟んで反対側に設けられている。
この構成によれば、軸受が圧入支持されているハウジングの支持面及び軸受に圧入支持されている回転軸の被支持面のうちの少なくとも一方に、切欠き溝が設けられている。そのため、軸受を組み付ける際にハウジング又は回転軸に作用する引張力又は収縮力が緩和され、締め代によるすきま収縮率が低下する。すきま収縮率が低下することで、圧入時の公差によるすきま収縮量のバラツキが少なくなるので、すきまを低減することができる。これにより、軸受に高ラジアル荷重が負荷されても軸受寿命を向上させることができる。また、軸受にアキシャル荷重の負荷が無いため、転動体の肩乗り上げ発生を回避することができる。さらに、ハウジングの支持面又は回転軸の被支持面に設けられた切欠き溝は、圧入時に空気の逃げ道となるので、圧入荷重が安定する効果も得ることができる。
なお、本明細書において、「圧入支持されている」とは、径方向に圧力が掛かった状態で支持されていることを意味する。また、「すきま収縮率」とは、回転軸と軸受内輪による圧入締め代及びハウジングと軸受外輪による圧入締め代に対して、ラジアルすきまが減少する割合のことをいう。
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲に記載された各請求項の構成に何ら影響を及ぼすものではない。
実施形態1の回転電機を模式的に示す軸方向断面図である。 図1に示す回転電機のフロント側軸受部分を拡大した拡大断面図である。 図2のIII−III線矢視断面図である。 実施形態1の回転電機においてプーリに架設されたテンションベルトにより掛かる荷重方向を示す説明図である。 実施形態1の回転電機においてプーリに掛かる荷重方向に対して切欠き溝を反荷重方向側に設けたことを示す説明図である。 変形例1の回転電機の回転軸が他の回転装置の回転軸と同軸上に連結されている状態を示す説明図である。 変形例2の回転電機のフロント軸受部分をハウジング内側から見た斜視図である。 変形例2の回転電機のフロント軸受部分をハウジング内側から見た正面図である。 変形例3の回転電機のフロント軸受部分をハウジング内側から見た斜視図である。 変形例3の回転電機のフロント軸受部分をハウジング内側から見た正面図である。 軸受寿命と運転時すきまとの関係を示す線図である。
以下、本発明の回転電機の実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。なお、各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。また、下記の説明において、特に明示しない限り、「軸方向一端側」は、図1の右側のこととし、「軸方向他端側」は、図1の左側のこととする。また、「鉛直方向上方部」は、図1の上方部のこととし、「鉛直方向下方部」は、図1の下方部のこととする。
〔実施形態1〕
本実施形態の回転電機1は、車両に搭載されて電動機として使用されるものである。この回転電機1は、図1に示すように、冷却液の流通路13を有するハウジング10と、ハウジング10に圧入支持されている一対の軸受16,17と、一対の軸受16,17に両端部がそれぞれ圧入支持されている回転軸25と、回転軸25の外周面に固定されてハウジング10内に配置された回転子30と、回転子30と径方向に対向して配置されハウジング10に固定された固定子40と、を備えている。
ハウジング10は、内側円筒部11aを有し軸方向一端側が開口した有底円筒状のフロントハウジング11と、内側円筒部11aの外周側に嵌合された外側円筒部12aを有し軸方向他端側(図1の左側、以下同じ。)が開口した有底円筒状のリアハウジング12とから構成されている。このハウジング10は、フロントハウジング11の内側円筒部11aの外周側に、リアハウジング12の外側円筒部12aを互いの開口側を対向させた状態で軸方向に嵌合することにより組み付けられている。フロントハウジング11とリアハウジング12は、周方向の複数箇所においてボルト10aで締結されている。
フロントハウジング11の内側円筒部11aと、リアハウジング12の外側円筒部12aの間には、所定幅で周方向に一周するように形成された冷却液の流通路13が設けられている。即ち、内側円筒部11aの外周面には、径方向内方側へ凹み所定幅で周方向に一周する凹溝11bが設けられているとともに、外側円筒部12aの内周面の凹溝11bと対向する部位には、径方向外方側へ凹み所定幅で周方向に一周する凹溝12bが設けられており、これら凹溝11bと凹溝12bとにより流通路13が形成されている。
リアハウジング12の外側円筒部12aの鉛直方向上方部には、流通路13に連通した導入口13aが設けられている。この導入口13aには、導入管15aが連結されており、この導入管15aを介して、ポンプ等を有する図示しない冷却液供給装置により、流通路13に図示しない冷却液が導入されるようになっている。また、リアハウジング12の外側円筒部12aの鉛直方向下方部には、流通路13に連通した導出口13bが設けられており、この導出口13bに連結された導出管15bを介して、流通路13から外部へ冷却液が導出されるようになっている。
フロントハウジング11の底部11cの中央部には、軸方向内方側(図1の右側)へ突出する円筒状基部11dが設けられている。円筒状基部11dの内側には、軸方向に貫通し軸方向一端側に位置する大径部と軸方向他端側に位置する小径部とからなる貫通孔11eが設けられている。貫通孔11eの大径部には、図2及び図3に示すように、内輪16aと、外輪16bと、複数の転動体としてのボール16cと、一対のダストシール16dと、ボール16cを保持する図示しない保持器とを有するフロント軸受16が配設されている。本実施形態では、フロント軸受16として、6個のボール16cを有する公知の深溝玉軸受が採用されている。
フロント軸受16は、フロントハウジング11の貫通孔11eの大径部に外輪16bが圧入支持された状態で取り付けられている。即ち、フロント軸受16の外輪16bは、フロントハウジング11の貫通孔11eの大径部に対して締め代を持たせた状態で軸方向に挿入されることにより、支持面11fとなる大径部の周壁面に対して径方向に圧力が掛かった状態で固着されている。この外輪16bが圧入支持されているフロントハウジング11の支持面11fには、図3及び図5に示すように、径方向外方に凹み軸方向に延びる第1切欠き溝28が設けられている。
一方、フロント軸受16の内輪16aの内孔には、回転軸25の一端部が圧入支持された状態で取り付けられている。即ち、回転軸25の一端部は、フロント軸受16の内輪16aの内孔に対して締め代を持たせた状態で軸方向に挿入されることにより、回転軸25の被支持面25aとなる一端部外周面が内輪16aの内孔の周壁面に対して径方向に圧力が掛かった状態で固着されている。この内輪16aの内孔に圧入支持されている回転軸25の被支持面25aには、図3及び図5に示すように、径方向内方に凹み軸方向に延びる第2切欠き溝29が設けられている。
このフロント軸受16は、円筒状基部11dの軸方向一端側の端面にボルト18aで締結されたリング状のリテーナプレート18によって、フロントハウジング11に支持固定されている。そして、回転軸25の他端側先端部は、フロント軸受16よりも軸方向他端側へ突出しており、その先端部の外周面には、ナット26aによりプーリ26が回転軸25と同軸状に固着されている。このプーリ26と他の機器に設けられた図示しないプーリには、回転軸25のトルクを伝達するテンションベルト27(図4参照)が架設される。
そのため、第1及び第2切欠き溝28,29は、フロント軸受16に負荷される荷重の方向と反対方向側に設けられている。即ち、本実施形態の場合には、図4に示すように、プーリ26に架設されたテンションベルト27の張力F1,F2の合成ベクトルF3がプーリ26に対して作用する。この合成ベクトルF3は、図5に示すように、フロント軸受16に対して荷重F4として負荷される。よって、第1及び第2切欠き溝28,29は、図3に示すように、フロント軸受16に負荷される荷重F4の方向と反対方向側に設けられている。これにより、フロント軸受16の内輪16a及び外輪16bが、第1及び第2切欠き溝28,29の上でブリッジ状になって曲げ荷重を加えることが防止される。
なお、第1及び第2切欠き溝28,29は、図3〜図5に示すように、回転電機1が搭載される車両の天方向側に設けられている。これにより、第1及び第2切欠き溝28,29から水等の異物がハウジング10内に入り難くなるので、ロバスト性が向上する。
円筒状基部11dの外周面には、例えばPEEK(ポリエーテルエーテルキトン)などの電気絶縁材料を用いて薄肉円筒状に成形されたシール部材21が、円筒状基部11dの外周面に密着した状態に配設されている。このシール部材21は、軸方向他端部に径方向外方に突出するリング状の鍔部21aを有する。また、シール部材21は、軸方向中央部の内周面に径方向内方側へ突出する凸部21bを有し、この凸部21bに当接するリテーナプレート18によって円筒状基部11dからの抜け出しが防止されている。
一方、リアハウジング12の底部12cの中央部には、軸方向内方側(図1の左側)へ突出する円筒状基部12dが設けられている。円筒状基部12dの内側には、軸方向に貫通する貫通孔12eが設けられている。この貫通孔12eの軸方向中間部には、径方向内方側に突出するリング状の中間底部12fが設けられている。これにより、貫通孔12eは、軸方向他端側に位置する大径部と、中間底部12fの内孔によって形成された小径部とを有する。
そして、中央に軸方向一端側へ凹んだ円形凹部を有する軸受ボックス19が、円筒状基部12dの軸方向他端側の端面にボルト19aで締結されている。この軸受ボックス19は、円形凹部が貫通孔12eの大径部に嵌合された状態で取り付けられている。軸受ボックス19の円形凹部の中央部には、中間底部12fの内孔よりも大きい円孔が内孔と同軸状に形成されている。
軸受ボックス19の円形凹部の内部には、図1に示すように、内輪17aと、外輪17bと、複数の転動体としてのボール17cと、一対のダストシール17dと、ボール16cを保持する図示しない保持器とを有するリア軸受17が配設されている。本実施形態では、リア軸受17として、6個のボール17cを有する公知の深溝玉軸受が採用されている。但し、このリア軸受17は、フロント軸受16に比較して、ボール17cの大きさや外径寸法などが小さい小型のものが採用されている。なお、フロント軸受16がリア軸受17よりも大型のものが採用されているのは、プーリ26に架設されたテンションベルト27の張力により、回転軸25の軸方向他端部に軸直角方向への大きな荷重が作用するからである。
このリア軸受17は、外輪17bが軸受ボックス19の円形凹部の周壁面に圧入支持されている。即ち、リア軸受17は、軸受ボックス19の円形凹部の周壁面に対して締め代を持たせた状態で軸方向に挿入されていることにより、支持面12gとなる円形凹部の周壁面に対して径方向に圧力が掛かった状態で固着されている。
そして、円筒状基部12dの外周面には、シール部材21と同じ電気絶縁材料を用いて薄肉円筒状に成形されたシール部材22が、円筒状基部12dの外周面に密着した状態に配設されている。このシール部材22は、軸方向他端部に径方向外方に突出するリング状の鍔部22aを有する。
そして、回転軸25の軸方向中央部(フロント軸受16とリア軸受17の間)の外周面には、外周部に埋設された複数の図示しない永久磁石により極性が周方向に交互に異なるように複数の磁極が形成された回転子30が嵌合固定されている。回転子30の磁極の数は、回転電機により異なるため限定されるものではないが、本実施形態の場合には、8極(N極:4、S極:4)の磁極が形成されている。
固定子40は、周方向に配列された複数の図示しないスロットを有する円環状の固定子コア41と、スロットに収容されて固定子コア41に所定の方法で巻装された三相の相巻線よりなる固定子巻線45と、を備えている。固定子コア41のスロットは、本実施形態では固定子巻線45が2倍スロットの分布巻きであるため、回転子30の磁極数(8)に対し、固定子巻線45の一相あたり2個の割合で形成されている。つまり、8×3×2=48個のスロットが形成されている。固定子コア41に巻装された固定子巻線45は、固定子コア41の軸方向一端側に突出した複数の導体線により全体としてリング状に形成された第1コイルエンド47を有し、固定子コア41の軸方向他端側に突出した複数の導体線により全体としてリング状に形成された第2コイルエンド48を有する。
以上のように構成された本実施形態の回転電機1は、図示しないインバータから固定子巻線45に交流電流が通電されると、固定子コア41が励磁されることにより回転子30が回転軸25と一体になって所定方向に回転する。これにより、回転軸25のトルクが、プーリ26及びこのプーリ26に架設されたテンションベルトを介して、他の機器に動力として供給される。
これと同時に、冷却液の循環経路上に設けられた冷却液供給装置等が作動を開始し、ハウジング10に設けられた導入口13aから流通路13内に冷却液が導入され、導入された冷却液は流通路13を導出口13bに向かって流動し、導出口13bから循環経路に戻される。このとき、流通路13を流通する冷却液により、固定子巻線45の発熱により昇温したハウジング10が冷却される。
以上のように、本実施形態の回転電機1によれば、フロント軸受16の外輪16bが圧入支持されているフロントハウジング11の支持面11f及びフロント軸受16の内輪16aに圧入支持されている回転軸25の被支持面25aの少なくとも一方に、第1切欠き溝28又は第2切欠き溝29が設けられている。そのため、フロント軸受16を組み付ける際にフロントハウジング11又は回転軸25に作用する引張力又は収縮力が緩和され、締め代によるすきま収縮率が低下する。すきま収縮率が低下することで、圧入時の公差によるすきま収縮量のバラツキが少なくなるので、すきまを低減することができる。これにより、フロント軸受16に高ラジアル荷重が負荷されても軸受寿命を向上させることができる。
特に、本実施形態では、フロントハウジング11の支持面11f及び回転軸25の被支持面25aの両方に、第1切欠き溝28又は第2切欠き溝29が設けられているため、すきま収縮率をより緩和することができるので、フロント軸受16のすきまをより小さくすることができる。
また、フロント軸受16にアキシャル荷重の負荷が無いため、ボール16cの肩乗り上げ発生を回避することができる。さらに、第1及び第2切欠き溝28,29は、フロント軸受16を圧入により組み付ける際に、空気の逃げ道となるので、圧入荷重が安定する効果も得ることができる。
また、本実施形態では、第1及び第2切欠き溝28,29は、フロント軸受16に負荷される荷重F4の方向と反対方向側に設けられている。これにより、フロント軸受16の内輪16a及び外輪16bが、第1及び第2切欠き溝28,29の上でブリッジ状になって曲げ荷重を加えることを防止することができる。
また、本実施形態では、第1及び第2切欠き溝28,29は、回転電機1が搭載される車両の天方向側に設けられているため、第1及び第2切欠き溝28,29から水等の異物がハウジング10内に入り難くなるので、ロバスト性を向上させることができる。
〔変形例1〕
上記の実施形態1の回転電機1では、回転軸25に取り付けられたプーリ26やテンションベルト27を介して回転軸25のトルクを伝達するようにされていた。これに対して、変形例1では、図6に示すように、回転軸25が、例えばトランスミッションやエンジン、ギアボックス、車軸、ホイール等の他の回転装置の回転軸50と同軸上に連結されている点で、上記実施形態1と異なる。この場合、両回転軸25,50は、スプライン嵌合により連結されているが、例えばスプロケットとチェーンや、歯車等の他の連結方法を採用してもよい。変形例1の回転電機によれば、回転軸25に作用するラジアル方向の荷重が小さくなるため、軸受寿命をさらに向上させることができる。
〔変形例2〕
上記の実施形態1の回転電機1では、第1及び第2切欠き溝28,29が1個ずつ設けられていたが、図7及び図8に示す変形例2のように、例えば第1切欠き溝28を、回転軸25の回転方向(周方向)に沿って複数設けるようにしてもよい。変形例2の場合には、フロントハウジング11の支持面11fに、8個の第1切欠き溝28が周方向全域に亘って等ピッチで配列されている。これにより、フロント軸受16のすきま収縮率の低下効果を高めることができる。
この場合、第1切欠き溝28の個数(変形例2では8個)は、フロント軸受16のボール16cの個数(変形例2では7個)に対して、約数及び倍数とならないようにするのが好ましい。このようにすれば、ボール16cが第1切欠き溝28の箇所を通過する時に発生する音の共振を防止することができる。
なお、実施形態1のようにプーリ26及びテンションベルト27が採用されている場合には、等ピッチで配列される複数の第1切欠き溝28を、フロント軸受16に負荷される荷重F4の方向と反対方向側に設けるようにしてもよい。また、この場合には、等ピッチで配列される複数の第1切欠き溝28を、回転電機が搭載される車両の天方向側に設けるようにするのが好ましい。
なお、変形例2では、第1切欠き溝28だけについて説明したが、回転軸25の被支持面25aに設けられる第2切欠き溝29についても、第1切欠き溝28と同様に設けることができる。
〔変形例3〕
上記の変形例2では、フロントハウジング11の支持面11fに、8個の第1切欠き溝28が周方向に等ピッチで配列されていたが、図9及び図10に示す変形例3のように、複数の第1切欠き溝28を、回転軸25の回転方向(周方向)に不等ピッチで配列するようにしてもよい。変形例3の場合には、4個の第1切欠き溝28が周方向に不等ピッチで配列されている。即ち、図10に示すように、周方向に隣接する2個の第1切欠き溝28,28同士の離間角度α,β,γが全て異なるようにされている。これにより、フロント軸受16のボール16cが第1切欠き溝28の箇所を通過する時に発生する音の共振を防止することができる。
また、4個の第1切欠き溝28は、図示しないプーリ及びテンションベルトによってフロント軸受16に負荷される荷重F4の方向と反対方向側に設けられている。さらに、4個の第1切欠き溝28は、回転電機が搭載される車両の天方向側に設けられている。これにより、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。
〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。
例えば、上記の実施形態1では、第1及び第2切欠き溝28,29の両方がフロント軸受16に設けられていたが、本発明では、第1及び第2切欠き溝28,29のうちの少なくとも一方を設けるようにすることができる。また、上記の実施形態1では、第1及び第2切欠き溝28,29がフロント軸受16だけに設けられていたが、本発明では、フロント軸受16及びリア軸受17のうちの少なくとも一方に、第1及び第2切欠き溝28,29のうちの少なくとも一方を設けるようにすることができる。
また、上記の実施形態1では、フロント軸受16及びリア軸受17として、深溝玉軸受が採用されていたが、本発明では、その他の玉軸受やころ軸受等に分類される転がり軸受を好適に採用することができる。
なお、上記の実施形態1では、回転電機として、車両用電動機の例を説明したが、本発明は、例えば、軸やシャフト等の回転する部材を有するものであれば任意の機器に適用することができる。例えば、発電機や電動機、電動発電機等が該当する。発電機には電動発電機が発電機として作動する場合を含み、電動機には電動発電機が電動機として作動する場合を含む。
1…車両用電動機(回転電機)、 10…ハウジング、 11f…支持面、 16…フロント軸受、 17…リア軸受、 25…回転軸、 25a…被支持面、 28…第1切欠き溝、 29…第2切欠き溝、 30…回転子、 40…固定子、 50…他の回転装置の回転軸。

Claims (6)

  1. ハウジング(10)と、前記ハウジングに圧入支持されている一対の軸受(16,17)と、一対の前記軸受に圧入支持されている回転軸(25)と、前記回転軸に固定された回転子(30)と、前記回転子と径方向に対向して配置され前記ハウジングに固定された固定子(40)と、を備えた回転電機(1)において、
    前記軸受に設けられることなく、前記ハウジングにおける前記軸受が圧入支持されている周壁面である支持面(11f)に設けられた、径方向に凹んで軸方向に延びる切欠き溝(28)を備え、
    前記切欠き溝は、前記支持面における前記回転軸から前記軸受に荷重が負荷される側に対して前記回転軸の軸中心を挟んで反対側に設けられている回転電機。
  2. 前記切欠き溝は、回転電機が搭載される車両の天方向側に設けられている請求項に記載の回転電機。
  3. 前記切欠き溝は、前記支持面に1個設けられている請求項1又は2に記載の回転電機。
  4. 前記切欠き溝は、前記回転軸の回転方向に沿って複数設けられている請求項1又は2に記載の回転電機。
  5. 複数の前記切欠き溝は、前記回転軸の回転方向に不等ピッチで配列されている請求項に記載の回転電機。
  6. 前記回転軸は、他の回転装置の回転軸(50)と同軸上に連結されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の回転電機。
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