JP6721826B2 - 回転電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、モータやダイナモのような回転電気機械に関し、特に回転軸のケーシング貫通部近傍に配したころがり軸受周辺に反軸端側から軸端側に向かって気流が生じる構造を有し、これに起因して油漏れが発生することを防止した回転電気機械に関するものである。

この種の回転電気機械として、特許文献１に示すもの等が挙げられる。

この回転電気機械は、ダイナモ試験装置の被試験体の出力軸に連結されて、擬似負荷装置として機能する回転電気機械を示している。

この回転電気機械は、回転軸を被試験体の出力軸に連結するために、当該回転軸がケーシングを貫通しており、図示しない反対側の軸端部も含めて、回転軸の両端はころがり軸受を介してケーシングに支持され、ころがり軸受は軸受ケースに収容されて、軸受ケースの両端と回転軸の隙間が非接触のシール機構でシールされた構造をなしている。

このような回転電気機械は、内部を冷却するために冷却空気流が導入されると、回転軸のケーシング貫通部近傍に配したころがり軸受周辺に反軸端側から軸端側に向かう気流が発生し、非接触のシール機構を通って軸受ケース内の油がケース外に漏出するという油漏れが発生する。

同文献のものは、ケースの内側に軸受ケースを覆う隔壁を設ける一方、回転軸と一体にシールリングを設けて、隔壁とシールリングの間をラビリンスパッキンでシールするとともに、ケースの外壁に通風孔を設けて、ケース内の空気が隔壁内に進入することを防止し、相対的に圧の高い空気が進入したとしても通風孔から逃がして、軸受ケースと回転軸の隙間に設けたシール機構を通って油とともにケース外に流出することを防止している。

特開２００８−６１４６８号公報

ところで、回転軸のケーシングを貫通した軸端部に被試験体の出力軸を連結するために、当該軸端部にフランジが取り付けられるのが一般的である。しかしながら、軸端部にこのようなフランジが取り付けられていると、フランジの回転時におけるいわゆる遠心ファンの原理によって回転軸のケーシング貫通部側に負圧が作られる。そして、この負圧が軸端隙間に直接作用し、軸受ケース内の空気の吸出し作用が生じる。軸受ケース内には、回転するころがり軸受や回転軸に触れた油が遠心力で振り切られて細かいミストになり、空気と混ざった混合物、いわゆるオイルミストになっているため、かかる吸出し作用によって、このオイルミストが軸受ケース内の空気とともに軸端に向かって移動し、軸端隙間のシール機構を介してケース外に吸い出されるという問題が生じる。このような問題は、上記文献で採用している隔壁や通風孔の有無によらない。

そこで図２（ａ）に示すように、回転軸１５がころがり軸受１６を介して軸受ケースＣ内にて支持され、軸受ケースＣの両端と回転軸１５の隙間が反軸端側の非接触のシール機構１９および軸端側の非接触のシール機構２９でシールされたこの種の軸受構造において、軸端側のドレン３０とともに反軸端側にもドレン２３を設け、このドレン２３近傍で重力により下に溜まった油を共通の連通路２５を介して排油路２６より排出し、ドレン２３の近傍で再ミスト化した油が回転軸２５に沿って必要以上にころがり軸受１６に供給されることを防止する手立てが考えられる。

さらには、図２（ｂ）に示すように、第２ドレン３０を第２シール機構２９上に開口させるとともに、ころがり軸受１６と第２シール機構２９の間に非接触の第３シール機構２０を構成して、給油路から流入した油がころがり軸受１６を通って第１ドレン２３より排出されるようにし、ころがり軸受１６から直的に第２シール機構２９に向かう気流を第３シール機構２０によって遮断することがより有効な手段として考えられる。

そこで、本発明者がこれらの対策を講じて油漏れ防止を図ったが、依然として油漏れの問題の解消には至らなかった。

本発明者はその原因を究明した結果、第１、第２、第３ドレン２３、３０、２０が連通路２５を介して連通しており、この連通路２５内にも上記の差圧によって反軸端側から軸端側に向かう差圧が生じているため、第１、第３ドレン２３、２４の周辺で発生したオイルミストが連通路２５を介して第２ドレン３０側に回り込み、第２シール機構２９を通って外部に吸い出されていること、つまり連通路２５がバイパス路になって油漏れ（オイルミストの漏出）が生じていることが新たに判明した。

本発明は、このような新たな着眼に立ってなされたものであって、差圧に起因して第１ドレンや第３ドレンのような内部ドレンから連通路を介して第２ドレンのような軸端側ドレンにオイルミストが回り込んで油漏れの発生原因となることをより効果的に解消可能とした回転電機機械を提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の回転電気機械は、回転軸を支持する転がり軸受及びこれを収容する軸受ケースと、前記軸受ケースと前記回転軸の隙間を非接触にシールするシール機構と、前記軸受ケース内に開口する給油路と、前記シール機構又は前記軸受ケース内に開口する軸端側ドレンおよび当該軸端側ドレンよりも反軸端よりに位置する内部ドレンと、これら軸端側ドレン及び内部ドレン間を連通する連通路と、この連通路の油を排油する排油路とを備え、前記軸受ケース内に反軸端側よりも軸端側を相対的に低圧とする差圧が生じるような、油潤滑構造の回転電気機械において、前記連通路又は前記軸端側ドレン、前記内部ドレンの一部に、当該内部ドレンと軸端側ドレンとの間におけるエアの直接的な流通を遮断する液位の油溜まり部が形成されるように構成したことを特徴とする。

このように構成すると、軸受ケース内に反軸端側よりも軸端側を相対的に低圧とする差圧が生じても、軸受潤滑に供し重力により落下した油を早期に内部ドレン、連通路を介して排油路に回収するとともに、内部ドレン周辺のオイルミストが連通路をバイパス路として軸端側ドレンへ回り込むことが有効に防止される。このため、差圧に起因した油の漏出をより確実に解消することができる。

具体的な実施の態様としては、前記シール機構が、前記転がり軸受の両側で軸受ケースと回転軸の隙間を非接触にシールする反軸端側の第１シール機構および軸端側の第２シール機構を備え、前記内部ドレンが前記転がり軸受と前記第１シール機構の間に開口する第１ドレンであり、前記軸端側ドレンが前記転がり軸受と前記第２シール機構の間に開口する第２ドレンである構成が挙げられる。ここで、シール機構間に開口するとは、何れか一方のシール機構上（シール機構内）に開口するものを含む。

特に、ころがり軸受から第２シール機構側へのオイルミストの直接の移動を防止するために、前記第１シール機構と前記第２シール機構の間であり且つ前記転がり軸受と前記第２シール機構の間において、前記軸受ケースと前記回転軸の隙間を非接触にシールする第３シール機構を設けるとともに、前記転がり軸受と前記第３シール機構の間に前記給油路を接続する場合には、前記第１ドレンは前記第１シール機構と前記ころがり軸受の間に開口し、前記第２ドレンは前記第２シール機構内に開口している構成が好ましい。

この場合、第２シール機構と前記第３シール機構の間に開口し且つ前記連通路に連通する位置に第３ドレンを設け、この第３ドレンも前記油溜まり部によって前記第２ドレンとの間が遮断され得るように構成しておくことがより好ましい。

回転電気機械の内部構成に影響を与えずに油漏れ対策を講じるために、前記回転軸を貫通させるケーシングの当該貫通部分に前記ころがり軸受および前記軸受ケースを配し、当該ケーシング内に前記給油路、前記排油路を配する場合には、前記連通路、前記各ドレンとともに前記油溜まり部も当該ケーシング内に設けていることが望ましい。

簡単な組み付けによって本発明を実現するためには、前記油溜まり部が、オーバーフローノズルを利用して構成されていることが好適である。

或いは、別個の要素部品を導入することなく発明を実現するためには、前記油溜まり部が、Ｓ字管状の流路を利用して構成されていることが好適である。

以上説明した本発明によれば、反軸端部から軸端部に向かう差圧によって軸受ケース内の油が内部ドレンから軸端側ドレン側に回りこんで外部に漏出することを効果的に防止した回転電気機械を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る回転電気機械の要部拡大断面図。 同実施形態の概念的な前提構成を説明するための模式図。 図１のＡ部断面図。 同実施形態における油溜まり部の作用を従来の不具合と対比して説明するための説明図。 本発明に係る油溜まり部の変形例を示す図。

以下、本発明の一実施形態に係る回転電気機械の一例である交流発電機を図面に基づき説明する。

図１に示す本実施形態の回転電気機械は、ダイナモ試験装置の被試験体の出力軸に連結されて、擬似負荷装置として機能する。この回転電気機械は、回転軸１５を支持する転がり軸受１６及びこれを収容する軸受ケースＣと、転がり軸受１６の両側で軸受ケースＣと回転軸１５の隙間を非接触にシールする反軸端側の第１シール機構１９および軸端側の第２シール機構２９と、軸受ケースＣ内に開口する給油路１８ａと、前記軸受ケースＣ内において転がり軸受１６と第１シール機構１９の間に開口する内部ドレンたる第１ドレン２３、および転がり軸受１６と前記第２シール機構２９の間、より具体的には第２シール機構２９上に開口する軸端側ドレンたる第２ドレン３０と、これら第１、第２ドレン２３，３０間を連通する連通路２５と、この連通路２５の油を排油する排油路２６とを備えた油潤滑構造を備える。本明細書において、第２ドレン３０に関し、第１シール機構１９と第２シール機構２９の間に開口するとは、既述したようにシール機構２９上に開口する概念を含んでいる。この図１の基本構成は図２（ｂ）の概念構成に対応している。

軸受ケースＣは、回転軸１５を貫通させるケーシング１８の当該貫通部分に配されているもので、ころがり軸受１６の外輪１６ａを支持する軸受支持部２０ａと、この軸受支持部２０ａの内方端および外方端に配置される反軸端側カバー１９ａおよび軸端側カバー２８とを備え、ころがり軸受１６を内部に収容している。第１シール機構１９は反軸端側カバー１９ａと回転軸１５の突起１９ｂとの間に迷路状の狭小隙間を形成するラビリンスシールであり、第２シール機構２９は軸端側カバー２８と回転軸１５との隙間に配された固定側部材と回転側部材の間にジグザグ状の狭小隙間を形成するラビリンスシールである。前述した第２ドレン３０はこの第２シール機構２９ａの迷路の途中に開口している。第１ドレン２３と第２ドレン３０は油が重力で落下する方向に延びており、連通路２５は略水平方向に延びて両ドレン２３、３０間を接続する状態に形成してある。排油路２６はこの連通路２５の途中に接続されて、油を更に重力で落下する方向に延びている。

また、第１シール機構１９と第２シール機構２９の間であり且つ転がり軸受１６と第２シール機構２９の間に、軸受ケースＣと回転軸１５の隙間を非接触にシールする第３シール機構２０を設けている。第３シール機構２０は軸受支持部２０ａの突起と内輪押え２０ｂの突起との間に迷路状の狭小隙間を形成するラビリンスシールである。そして、転がり軸受１６と第３シール機構２０の間に前記給油路１８ａを接続している。その結果、前記第１ドレン２３は第１シール機構１９ところがり軸受１６の間に開口し、第２シール機構２９上に開口することになるので、ころがり軸受１６と第２シール機構２９の間も積極的に排油することが望ましい。

そこで、内部ドレンとして第２シール機構２９と第３シール機構２０の間に開口する第３ドレン２４を更に設け、この第３ドレン２４も連通路２５に連通させている。この第３ドレンも油が重力で落下する方向に延びている。

これら給油路１８ａ、連通路２５、排油路２６、各ドレン２３、３０、２４は、軸受１６、軸受ケースＣとともにケーシング１８の壁部肉厚内に設けられている。

給油路１８ａにはポンプ２１の作動により潤滑油２２が点滴供給され、第１ラビリンスシール１９と第３ラビリンスシール２０との間に供給される。油２２の滴下量としては、１秒間に０．５〜１滴程度が好適である。供給された油２２は回転する軸受１６に直接供給され、あるいは回転軸１５に触れた際に遠心力で振り切られて細かいミストになり、空気と混ざった混合物であるオイルミストとなって軸受１６をオイルミスト潤滑する。軸受ケースＣ内で、油２２は接触によるミスト化と、壁面や油２２の表面との衝突することによる液相化とを繰り返す一方、重力により落下した油２２は第１ドレンに回収される。第３シール機構２０の存在によって軸受ケースＣ内を第２シール機構２９までオイルミストの状態で直接移動する油２２は低減し、第２シール機構２９や当該第２シール機構２９と第３シール機構３０の間の空間でも接触、液相化した油２２の第２ドレン３０、第３ドレン２４を通じた回収は行なわれる。

そして本実施形態では、図２（ｂ）の概念構成に加えてさらに、ドレン２３，２５、３０間を連通する連通路２５を利用して、両ドレン２３、２４、３０間におけるエアの直接的な流通を遮断する液位の油溜まり部ＯＡ（図４参照）が生成され得るようにしている。

図３は図１におけるＡ部拡大図である。油溜まり部ＯＡは、図１及び図３に示すように、第１ドレン２３および第２ドレン２９を連通させる水平方向に延びる連通路２５と、その中央付近で下方に延びる排油路２６との交叉部にオーバーフローノズル２７を配し、排油路２６から連通路２５に向かって当該オーバーフローノズル２７の上端開口２７ａを突出させた状態で設けている。また、連通路２５は、排油路２６と第２ドレン３０との間で小径孔部２５ａとなっており、その小径穴部２５ａの部分での連通路２５の上側壁面２５ａ１の位置がオーバーフローノズル２７の上端開口２７ａよりも下方に位置する関係に設定していて、第１ドレン２３および第２ドレン３０の間を図４（ｂ）に示すように油２２で満たし、エアの直接的な流通、回り込みを遮断可能に構成している。また、第３ラビリンスシール２０に関してもドレン２４が設けられて前記連通路２５に連通しているが、前述した液位はこの第２ドレン２４と第３ドレン３０を遮断する状態も実現している。換言すれば、オーバーフローノズル２７を排油路２６の一部と見れば、排油路２６の入口の高さが油溜まり部ＯＡの高さ（液位高さ）以上であって、かつ、互いにオイルミストが連通することを妨げたいドレン同士（この実施形態では２３、２４、３０）について、各ドレンの出口の高さを排油路２６の入口の高さ以下の関係に設定するという考えに基づく。前記オーバーフローノズル２７は、軸受ケース１８に取付ける際に排油路２６から軸受ケース１８にねじ込むだけで取り付け可能であるため、取付け作業を容易に行うことができる。

上記回転電気機械において、運転開始前に、あらかじめ油２２をオーバーフローノズル２７の上端近くまで充填して、各ドレン２３、２４、３０同士が連通しないようにおくことが好適である。

回転軸１５が例えば８０００ｒｐｍ以上で高速回転するにともなって、軸受ケースＣ内を反軸端側に比して軸端側を相対的に低圧とする差圧が生じた状態で、軸受ケースＣ内でオイルミストが発生しても、図４（ｂ）で示すように第１ドレン２３および第３ドレン２４並びに第２ドレン３０の連通が遮断されているので、これによるオイルミスト漏出の不都合が効果的に解消される。

この間、オイルミストが移動とともに壁面や油溜まり部ＯＡに溜まった油２２表面に衝突することで油と空気とが分離され、油溜まり生成部を構成するオーバーフローノズル２７の周辺の液位が上昇すると、オイル２２がオーバーフローノズル２７の上端開口２７ａから排油路２６を通って外部に適切に排出され、回収槽３１に回収されることとなる。

以上のように、本実施形態の回転電気機械は、回転軸１５を支持する転がり軸受１６及びこれを収容する軸受ケースＣと、軸受ケースＣと回転軸１５の隙間を非接触にシールする第１シール機構１９および第２シール機構２９と、軸受ケースＣ内に開口する給油路１８ａと、軸受ケースＣ内に開口する内部ドレンたる第１ドレン２３および第２シール機構２９上に開口する軸端側ドレンたる第２ドレン３０と、これら第１、第２ドレン２３、３０間を連通する連通路２５と、この連通路２５の油を排油する排油路２６とを備えた油潤滑構造の回転電気機械に適用される。そして、連通路２２又は第１、第２ドレン２３、３０の一部に、第１、第２ドレン２３、３０間におけるエアの直接的な流通を遮断する液位の油溜まり部ＯＡが稼動中に形成されるようにしている。

具体的には、第１シール機構１９は転がり軸受１６の内方すなわち反軸端側にあって軸受ケースＣと回転軸１５の隙間を非接触にシールする位置に配され、第２シール機構は転がり軸受１６の外方すなわち軸端側にあって軸受ケースＣと回転軸１５の隙間を非接触にシールする位置に配され、内部ドレンたる第１ドレン２３は転がり軸受１６と第１シール機構１９の間に開口する位置に配され、軸端側ドレンたる第２ドレン３０は転がり軸受１６と第２シール機構２９の間に開口する位置に配されている。

このように構成すると、軸受ケースＣ内に反軸端側よりも軸端側を相対的に低圧とする差圧が生じても、軸受潤滑に供し重力により落下した油２２を早期に第１ドレン２３、連通路２５を介して排油路２６に回収するとともに、第１ドレン２３周辺のオイルミストが連通路２５をバイパス路として第２ドレン３０へ回り込むことが有効に防止される。このため、本実施形態によれば差圧に起因した第２シール機構２９からの油２２の漏出を確実に解消することができる。

特に、第１シール機構１９と第２シール機構２９の間であり且つ転がり軸受１６と第２シール機構２９の間において、軸受ケースＣと回転軸１５の隙間を非接触にシールするシール機構として第３シール機構２０を更に設けるとともに、転がり軸受１６と第３シール機構２０の間に給油路１８ａを接続し、さらに第１ドレン２３は第１シール機構１９ところがり軸受１６の間に開口し、第２ドレン３０は第２シール機構２９内に開口する構成を採用している。

このようにすれば、給油路１８ａを通じてころがり軸受１６に効果的に油２２を供給するとともにころがり軸受１６から第２シール機構２９側に直接的にオイルミストが移動することを防止し、第２ドレン３０は第２シール機構２９内で液化した油を適切に回収して再気化による漏出を防止することができる。

さらに、内部ドレンとして、第２シール機構２９と第３シール機構２０の間に開口し且つ連通路２５に連通する位置に第３ドレン２４を設け、この第３ドレン２４も油溜まり部ＯＡによって第２ドレン３０との間が遮断され得るように構成しているので、軸受ケースＣ内の差圧によって第３シール機構２０から第２シール機構２９に向かって直接的に移動する油を確実に捕獲し、第３ドレンから第２ドレン３０へのオイルミストの回り込みも確実に防止することができる。

さらに、この実施形態は回転軸１５を貫通させるケーシング１８の当該貫通部分にころがり軸受１６および軸受ケースＣを配し、当該ケーシング１８内に給油路１８ａ、排油路２６を配する構成を採用し、各ドレン２３、２４、３０、油漏れ部ＯＡもケーシング１８内に設けるようにしているので、回転電気機械の内部構成に影響を与えずに適切な油漏れ対策を講じることができる。

さらにまた、油溜まり部ＯＡが、オーバーフローノズル２７を利用して構成されているため、組み付けが簡単であり、確実に本発明の効果を奏することができる。

なお、本発明に係る油溜まり部は、図示はしないが、Ｓ字管状の流路を利用したものであってもよい。すなわち、各ドレンをＳ字管状の流路によって構成し、そのＳ字管状の流路の末端でドレン間を共通の連通路に接続すれば、油溜まり部はＳ字管状の流路内に形成され、オイルミストの回り込みを連通路の手前で防止しつつ、油の適切な排出を実現することができる。そしてこの場合、油溜まり部の生成には安価な構造とすることができる。

また、本発明に係るオーバーフローノズルの他の実施例として、図５に示すオーバーフローノズル７７は、軸受支持部６８の排油路７６の上部に形成されるテーパ穴７６ａに対応するテーパ部７７ａとこれと一体の筒部７７ｂとを備える構成としてもよい。この場合、筒部７７ｂの内径を排油路７６の径よりも小さくしておき、テーパ部７７ａには筒部７７ｂの内面と排油路７６の内面を円滑に連接する凹曲面７７ｃを形成しておくことにより、油７２の粘度が高いものとなっても、油７２の自重落下を損なうことがない。

さらに、上記実施形態においては、内部ドレンである第１、第３ドレイン２３、２４と軸端側ドレンである第２ドレン３０の間を共通の油溜まりＯＡに連通させたが、例えば内部ドレンである第３ドレン２４と第２ドレン３０を共通の油だまりＯＡおよび排油路２６に連通させ、第１ドレン２３は別の排油路へ連通させても良い。

なお、上記実施形態はインナロータ型の回転電気機械について説明したが、アウタロータ型の回転電気機械であっても同様の効果が得られる。

その他、各部の具体的な構成は上述した実施形態のみ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形が可能である。

１５…回転軸
１６…ころがり軸受
１８…ケーシング
１９…反軸端側の第１シール機構
２０…第３シール機構
２３…内部ドレン（第１ドレン）
２４…内部ドレン（第３ドレン）
２５…連通路
２６…排油路
２７…オーバーフローノズル
２９…軸端側の第２シール機構
３０…軸端側ドレン（第２ドレン）
Ｃ…軸受ケース
ＯＡ…油溜まり部

Claims (7)

1. 回転軸を支持する転がり軸受及びこれを収容する軸受ケースと、前記軸受ケースと前記回転軸の隙間を非接触にシールするシール機構と、前記軸受ケース内に開口する給油路と、前記シール機構又は前記軸受ケース内に開口する軸端側ドレンおよび当該軸端側ドレンよりも反軸端よりに位置する内部ドレンと、これら軸端側ドレン及び内部ドレン間を連通する連通路と、この連通路の油を排油する排油路とを備え、前記軸受ケース内に反軸端側よりも軸端側を相対的に低圧とする差圧が生じるような、油潤滑構造の回転電気機械において、
   前記連通路又は前記軸端側ドレン、前記内部ドレンの一部に、当該内部ドレンと軸端側ドレンとの間におけるエアの直接的な流通を遮断する液位の油溜まり部が形成されるように構成したことを特徴とする回転電気機械。
2. 前記シール機構が、前記転がり軸受の両側で軸受ケースと回転軸の隙間を非接触にシールする反軸端側の第１シール機構および軸端側の第２シール機構を備え、前記内部ドレンが前記転がり軸受と前記第１シール機構の間に開口する第１ドレンであり、前記軸端側ドレンが前記転がり軸受と前記第２シール機構の間に開口する第２ドレンである請求項１に記載の回転電気機械。
3. 前記第１シール機構と前記第２シール機構の間であり且つ前記転がり軸受と前記第２シール機構の間において、前記軸受ケースと前記回転軸の隙間を非接触にシールするシール機構として第３シール機構を更に設けるとともに、前記転がり軸受と前記第３シール機構の間に前記給油路を接続している場合において、前記第１ドレンは前記第１シール機構と前記ころがり軸受の間に開口し、前記第２ドレンは前記第２シール機構内に開口している請求項２に記載の回転電気機械。
4. 前記内部ドレンが、前記第２シール機構と前記第３シール機構の間に開口し且つ前記連通路に連通する位置に第３ドレンを有し、この第３ドレンも前記油溜まり部によって前記第２ドレンとの間が遮断され得るように構成している請求項３に記載の回転電気機械。
5. 前記回転軸を貫通させるケーシングの当該貫通部分に前記ころがり軸受および前記軸受ケースを配し、当該ケーシング内に前記給油路、前記排油路を配している場合において、前記連通路、前記各ドレンとともに前記油溜まり部も当該ケーシング内に設けている請求項１〜４の何れかに記載の回転電気機械。
6. 前記油溜まり部が、オーバーフローノズルを利用して構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の回転電気機械の排油構造。
7. 前記油溜まり部が、Ｓ字管状の流路を利用して構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の回転電気機械の排油構造。
   

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