JP6751563B2 - 軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸部と軸受から構成される軸受装置に関する。

回転する物体（回転体）には、回転の運動エネルギーが蓄えられる。例えば図１のような円柱状の回転体１００が、平面に垂直なｚ軸を回転軸として回転速度ｖ［回転数／ｓ］で回転する場合を想定する。回転体１００の角速度をω［ｒａｄ／ｓ］とすると、運動エネルギーＥは式（１）で表される。
Ｅ＝１／２×Ｉｐ×ω^２ ・・・・（１）

ここでＩｐは、回転体１００の平面に垂直なｚ軸回りの慣性モーメント［ｋｇ・ｍ^２］であり、極慣性モーメントと呼ばれる。回転体１００の任意の質量質点における質量ｍ［ｋｇ］と、回転の中心（ｚ軸）から質量質点までの距離（図１の例では半径ｒ）が大きくなると、極慣性モーメントＩｐも大きくなる。したがって、質量質点における質量ｍ、回転の中心（ｚ軸）から質量質点までの距離ｒ、及び角速度ω（回転速度ｖ）の値が大きいほど、回転体１００の運動エネルギーＥは大きくなる。

この物理現象を利用して、電力を回転体（例えばフライホイール）の運動エネルギーに変換して蓄積するとともに、回転体に蓄積されている運動エネルギーを必要な時に電気エネルギーに変換して取り出す技術の開発が進められている。

一般に、回転体は軽量化のために円筒であることが多く、その中空部の中心に駆動軸が通される。円筒状の回転体は、円板状の接続部を介して駆動軸と接続される。例えば、特許文献１には、円板状の接続部を介して円筒状のフライホイールが回転軸に接続されている超電導フライホイ−ル電力貯蔵装置が開示されている。

特開２００３−２１９５８１号公報

通常、回転体の回転軸部は、図示しない軸受部により回転可能に支持される。回転軸部と軸受部との間には、回転方向と反対向きの摩擦力が働き、回転体はこの摩擦力に抗しながら回転する。摩擦力は、回転体の重量（回転軸部にかかる重量）が大きいほど大きく、また回転軸部の回転速度が高速であるほど大きい。特許文献１に記載されたようなフライホイールの重量は大きく、その回転速度は非常に高速である。

また、軸受部に回転可能に支持された回転体は、回転体の重量と軸受部の構成とによって決まる固有振動数で振動（振れ回り）することが知られており、高速回転であるほど振動が大きくなる。重量の大きな回転体が高速で回転すると、回転軸部と軸受部との間の摩擦力が大きくなり、振れ回りが大きくなる。

振れ回りを抑えるために、回転軸部及び軸受部の軸方向の長さを長くしたり、回転軸部を軸受部にきつく嵌めたりすると、加工公差に起因する傾き（振れ回り）が発生し、軸受部の耐久性が弱くなる。反対に、回転軸部と軸受部の寸法を調整して回転軸部と軸受部の嵌め合いを緩くすると、回転中に回転軸部が軸受部の内周面を滑りやすくなって摩擦力が大きくなり、その結果振れ回りが大きくなる。特に、特許文献１のような超電導フライホイ−ル電力貯蔵装置では、フライホイールを真空中に配置するため、作業性の問題等から回転軸部と軸受部をきつく嵌め合いできない。また、真空中では２つの物体間の摩擦係数が、大気中の摩擦係数よりも大きくなることが知られている。

上記の状況から、回転中における回転軸部と軸受部との間の摩擦をなくすことが望まれていた。

本発明の一態様の軸受装置は、回転軸部と軸受部から構成される。
回転軸部は、円柱状の第１の回転軸部と、該第１の回転軸部の軸方向の端部に連設された、第１の回転軸部と同一の軸を有し第１の回転軸部よりも小径の円柱状の第２の回転軸部と、第１の回転軸部の軸方向の端部に形成された凸部又は凹部を有する係合部とを備える。
軸受部は、第２の回転軸部が挿入される挿入部を有する円筒状の内輪と、該内輪の外周面側に設けられた、内輪よりも大きい径を有する円筒状の外輪と、内輪と外輪の間に転動自在に設けられた複数個の転動体と、内輪の第２の回転軸部が挿入される側の軸方向の端部に、回転軸部の係合部の凸部又は凹部に対応する凹部又は凸部が形成された被係合部とを備える。

本発明の少なくとも一態様によれば、回転中における回転軸部と軸受部との間の摩擦をなくすことができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

回転体の説明図である。 本発明の一実施形態に係る軸受装置の全体構成例を示す概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係る軸受装置を構成する回転軸部の概略斜視図である。 図４Ａは回転軸部の側面図、図４Ｂは回転軸部の正面図である。 本発明の一実施形態に係る軸受装置を構成する軸受部の概略斜視図である。 図５の軸受部に対するＸ−Ｘ´線の矢視図である。 図７Ａは軸受部の内輪の正面図、図７Ｂは内輪の側面図である。

＜１．一実施形態＞
以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図２に、本発明の一実施形態に係る軸受装置の全体構成例の概略を示す。
図２に示すように、軸受装置１は、回転軸部２と軸受部３から構成される。軸受部３は、回転軸部２を回転自在に支持する。回転軸部２は、反時計回りに回転する。

［回転軸部］
図３、図４Ａ、図４Ｂを参照しながら回転軸部２について説明する。
図３は、軸受装置１を構成する回転軸部２の概略斜視図である。
図４は、回転軸部の説明に供する図であり、図４Ａは回転軸部の側面図、図４Ｂは回転軸部の正面図である。

回転軸部２は、フライホイール等の回転体の回転軸部、又は電動発電機などの駆動軸部である。回転軸部２の軸受部３に挿入される側の端部１３と反対側の端部１４に、フライホイール等の回転体の回転軸部又は電動発電機の駆動軸部が、直接又は継ぎ手を介して連結されてもよい。

回転軸部２は、円柱状の第１の回転軸部１１と、第１の回転軸部１１の軸方向の端部３０（端面）に連設された円柱状の第２の回転軸部１２から構成される。第２の回転軸部１２は、第１の回転軸部１１と同一の軸（図４Ａの一点鎖線）を有し、第２の回転軸部１２の直径は、第１の回転軸部１１の直径よりも小さい。また、回転軸部２は、第１の回転軸部１１の端部３０に形成された凸部又は凹部を有する係合部２０を備える。この凸部又は凹部は、端部３０のうち第２の回転軸部１２が設けられていない部分に形成されている。

図３及び図４Ａに示すように、第１の回転軸部１１の係合部２０は、第１の係合部２１、第２の係合部２２、第３の係合部２３、及び第４の係合部２４から構成される。第１〜第４の係合部２１〜２４は、端部３０の周方向に９０度の間隔で設けられており、第１の回転軸部１１の軸を中心として点対称の配置である。

第１〜第４の係合部２１〜２４の各々の凸部は、２個の段部を有する。第１〜第４の係合部２１〜２４の形状は同じであるので、代表して第３の係合部２３を説明する。第３の係合部２３では、端部３０（端面）に第１の段部３２が設けられている。第１の段部３２は、端部３０との間に第１の段差部３１（回転軸部側段差部の一例）を有する。また、第１の段部３２の上面における第１の段差部３１と反対側に、第２の段部３４が設けられている。第２の段部３４は、第１の段部３２との間に第２の段差部３３（回転軸部側段差部の一例）を有する。第２の段部３４の第２の段差部３３と反対側は、第３の段差部３５を介して端部３０と連続している。第１の段差部３１、第２の段差部３３、及び第３の段差部３５はそれぞれ、径方向（端部３０の外周側から軸に向かう方向）に沿って形成されている。

第２の段部３４は、周方向に角度θ_１に相当する長さを有し、第１の段部３２は、周方向に角度（θ_２−θ_１）に相当する長さを有する（図４Ｂ）。例えば、θ_１は１４度であり、θ_２は４４度である。また、第３の段差部３５の高さをｈとすると、第１の段差部３１及び第２の段差部３３の高さはｈ／２である（図４Ａ）。例えば、第２の回転軸部１２の直径は１０ｍｍ、第３の段差部３５の高さｈは１ｍｍである。これらの数値は一例であることは勿論である。

回転軸部２は、一例としてＳ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）を用いて構成することができるが、この例に限らない。

［軸受部］
図５、図６、図７Ａ、図７Ｂを参照しながら軸受部３について説明する。
図５は、軸受装置１を構成する軸受部３の概略斜視図である。
図６は、図５の軸受部に対するＸ−Ｘ´線の矢視図である。
図７は、軸受部の説明に供する図であり、図７Ａは軸受部の内輪の正面図、図７Ｂは内輪の側面図である。

軸受部３には転がり軸受が適用される。本実施形態では、軸受部３にアンギュラ玉軸受を適用しているが、他の玉軸受でもよい。あるいは、軸受部３は転動体にころを用いるころ軸受でもよい。

軸受部３は、内輪５１と、内輪５１の外周側に設けられた外輪５２と、転動体５３と、保持器５４を備える。内輪及び外輪は軌道輪とも呼ばれる。

内輪５１は円筒状であり、第２の回転軸部１２が挿入される挿入部５１ｈを有する。本実施形態では、挿入部５１ｈは貫通孔であるが、貫通していなくてもよい。外輪５２も内輪５１と同様に円筒状であり、内輪５１よりも大きい径を有する。即ち、外輪５２の内径は、内輪５１の外径よりも大きい。内輪５１と外輪５２の間には、円筒状の保持器５４が配置されている。保持器５４には、周方向に複数の貫通孔が形成されており、保持器５４は、複数の貫通孔により複数の転動体５３（玉）を転動自在に保持する。軸受部３において、内輪５１と外輪５２が転動体５３を中心に別々の方向に回転することができる。

アンギュラ玉軸受が適用された軸受部３では、転動体５３と内輪５１、及び転動体５３と外輪５２とは接触角を持って接している（図６参照）。それゆえ、軸受部３は、軸方向の荷重（アキシアル荷重）、及び軸に垂直な方向（径方向）の荷重（ラジアル荷重）に対する負荷能力を備える。

軸受部３は、内輪５１の第２の回転軸部１２が挿入される側の軸方向の端部７０（端面）に、回転軸部２の係合部２０の凸部又は凹部に対応する凹部又は凸部が形成された被係合部６０を備える。

図５及び図７Ａに示すように、内輪５１に形成された被係合部６０は、第１の被係合部６１、第２の被係合部６２、第３の被係合部６３、及び第４の被係合部６４から構成される。第１〜第４の被係合部６１〜６４は、端部７０の周方向に９０度の間隔で設けられており、内輪５１の軸（図７Ａの２本の一点鎖線の交点）を中心として点対称の配置である。

第１〜第４の被係合部６１〜６４の各々の凹部は、２個の溝部を有する。第１〜第４の被係合部６１〜６４の形状は同じであるので、代表して第３の被係合部６３を説明する。ここで、本実施形態における凹部は、有底の穴や凹みに限らず、溝部などの基準面（例えば端部７０）よりも下がった面を持つ形状や状態を含むものである。

第３の被係合部６３では、端部７０（端面）に第１の溝部７２が設けられている。第１の溝部７２は、端部７０との間に第１の段差部７１（軸受部側段差部の一例）を有する。また、第１の溝部７２の底面における第１の段差部７１と反対側に、第２の溝部７４が設けられている。第２の溝部７４は、第１の溝部７２との間に第２の段差部７３（軸受部側段差部の一例）を有する。第２の溝部７４の第２の段差部７３と反対側は、第３の段差部７５を介して端部７０と連続している。第１の段差部７１、第２の段差部７３、及び第３の段差部７５はそれぞれ、径方向（端部７０の外周側から軸に向かう方向）に沿って形成されている。

第２の溝部７４は、周方向に角度θ_１１に相当する長さを有し、第１の溝部７２は、周方向に角度（θ_１２−θ_１１）に相当する長さを有する（図７Ａ）。例えば、θ_１１は１５度であり、θ_１２は４５度である。即ち、軸受部３の第１の溝部７２及び第２の溝部７４は、回転軸部２の第１の段部３２及び第２の段部３４よりも長い（大きい）。また、第３の段差部７５の高さをｈとすると、第１の段差部７１及び第２の段差部７３の高さはｈ／２である（図７Ｂ）。例えば、内輪５１の挿入部５１ｈの直径は１０ｍｍ、第３の段差部７５の高さｈは１ｍｍである。これらの数値は一例であることは勿論である。

軸受部３は、一例としてＳＵＪ（高炭素クロム軸受鉄鋼材）を用いて構成することができるが、この例に限らない。

なお、本実施形態では、軸受部３の内輪５１の外径を、回転軸部２の第１の回転軸部１１の直径よりも大きくしている。このようにすることで、作業者が回転軸部２の第１の回転軸部１１を内輪５１の挿入部５１ｈに挿入する際に、回転軸部２の係合部２０と軸受部３の被係合部６０とのかみ合わせの状態を確認しながら作業を進めることができる。

［軸受装置の動作］
作業者は、軸受部３の軸が鉛直方向の状態で、内輪５１の挿入部５１ｈに回転軸部２の第２の回転軸部１２を端部１３側から挿入する。ここで、回転軸部２の第１〜第４の係合部２１〜２４の各々が、軸受部３の第１〜第４の被係合部６１〜６４のいずれかに挿入されるように、回転軸部２の第２の回転軸部１２を端部１３側から軸受部３の内輪５１の挿入部５１ｈに挿入する。第２の回転軸部１２の直径と内輪５１の挿入部５１ｈの直径は、同一又はほぼ同一（実質的に同一）である。したがって、第２の回転軸部１２が内輪５１の挿入部５１ｈに挿入されることで、第２の回転軸部１２が内輪５１の挿入部５１ｈに嵌め合わされた状態に装着される（図２参照）。

第２の回転軸部１２の円柱面と内輪５１の挿入部５１ｈ（内周面）との間には静止摩擦力（摩擦抵抗）が働いている。回転軸部２の回転速度が高速ではないとき、回転軸部２が回転しても第２の回転軸部１２の円柱面と内輪５１の内周面とは相対的に静止した状態であり、回転軸部２が回転するとともに内輪５１が回転する。

しかし、回転軸部２の回転速度が高速になるにつれて、回転軸部２と軸受部３との間の静止摩擦力に抗して、第２の回転軸部１２の円柱面が内輪５１の内周面を滑り始める。第２の回転軸部１２の円柱面が内輪５１の内周面を滑ると、回転軸部２の係合部２０と軸受部３の被係合部６０が係合する。即ち、回転軸部２が回転中に、回転軸部２の第１〜第４の係合部２１〜２４の第１及び第２の段差部３１，３３が、軸受部３の第１〜第４の被係合部６１〜６４の第１及び第２の段差部７１，７３に係合する。それにより、第２の回転軸部１２の円柱面が内輪５１の内周面を滑り出すような高速で回転軸部２が回転する場合でも、軸受部３の内輪５１が回転軸部２の回転に追従して確実に回転する。回転軸部２の回転方向は、反時計回りである。

以上のように構成される本実施形態では、回転軸部２の軸方向に垂直な端面（端部３０）に、段差を有する係合部２０を形成するとともに、軸受部３の軸方向に垂直な端面（端部７０）に、回転軸部２の係合部２０と対応する形状の溝部を有する被係合部６０を形成した。そして、回転軸部２の第２の回転軸部１２の円柱面が軸受部３の内輪５１の内周面を滑り出したときに、回転軸部２の係合部２０と軸受部３の被係合部６０が係合して軸受部３の内輪５１が回転する。したがって、回転中における回転軸部２の第２の回転軸部１２と軸受部３の内輪５１との間の摩擦がなくなる。それゆえ、回転軸部２の第２の回転軸部１２から軸受部３の内輪５１へ摩擦のない回転運動の伝達が可能となる。

また、本実施形態は、回転中における回転軸部２の第２の回転軸部１２と軸受部３の内輪５１との間の摩擦がなくなるため、エネルギーの損失を低減することができる。

また、本実施形態は、回転中における回転軸部２の第２の回転軸部１２と軸受部３の内輪５１との間の摩擦がなくなるため、回転軸部２の振れ回りの発生が抑えられる。

また、本実施形態は、回転中における回転軸部２の第２の回転軸部１２と軸受部３の内輪５１との間の摩擦がなくなるため、高速回転及び真空内での使用が可能である。本実施形態は、軸受装置１を摩擦係数が大きくなる真空環境下で使用するのに有効である。

また、従来は振れ回りを抑えるために、回転軸部及び軸受部の軸方向の長さを長くすることが行われていたが、本実施形態は振れ回りが抑えられるため、回転軸部及び軸受部の軸方向の長さを短くすることができ、軸受装置１の小型化が可能となる。

さらに、軸受部３に掛けられる軸方向の荷重（アキシアル荷重）は、一般に軸受部３の径（内輪５１の内周面の周長）に比例する。本実施形態では、軸受部３の端部７０によっても回転軸部２の荷重を支持するため、軸受部３を小型化できる。

＜２．変形例＞
本発明は上述した各実施形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。

例えば、上述した実施形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることは可能である。また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

また、上述した実施形態おいて、回転軸部２の係合部２０は、第１〜第４の係合部２１〜２４の４個の係合部を有するとともに、軸受部３の被係合部６０は、回転軸部２の係合部２０に対応して、第１〜第４の被係合部６１〜６４の４個の被係合部を有するが、係合部及び被係合部はそれぞれ１個でもよい。但し、複数の係合部及び被係合部が所定の間隔で軸を中心に点対称に配置されていることで、軸受装置１がより安定して動作する。

また、上述した実施形態では、第１〜第４の係合部２１〜２４は２個の段部、並びに第１〜第４の被係合部６１〜６４は２個の溝部を有するが、段部及び溝部が１個でもよい。また、第１〜第４の係合部２１〜２４並びに第１〜第４の被係合部６１〜６４の各々が３個以上の段部及び溝部を有していてもよい。この場合、回転軸部２の係合部２０と軸受部３の被係合部６０が３以上の段差部で係合するため、回転軸部２の係合部２０と軸受部３の被係合部６０の各々が備える段差部にかかる力が分散される。それゆえ、軸受装置１のより安定した回転動作が可能となる。

また、上述した実施形態では、回転軸部２の係合部２０に段部（凸部）を形成し、軸受部３の被係合部６０に溝部（凹部）を形成したが、逆の構成でもよい。

また、上述した実施形態において、回転軸部２の係合部２０の第２の段部３４を形成する位置は、第１の段部３２の上面における第１の段差部３１の反対側でなくてもよい。例えば、第２の段部３４が、第１の段部３２の上面の周方向における中央でもよい。
軸受部３の被係合部６０の第２の溝部７４は、回転軸部２の係合部２０の第２の段部３４の位置に対応して形成される。

また、上述した実施形態は、フライホイール電力貯蔵装置の他、回転軸部と軸受部が必要とされる装置に汎用することができる。また、軸受装置１の回転軸部２及び軸受部３の軸が鉛直方向である例を説明したが、回転軸部２及び軸受部３の軸が水平方向等の他の方向でもよい。

１…軸受装置、 ２…回転軸部、 ３…軸受部、 １１…第１の回転軸部、 １２…第２の回転軸部、 １３…端部、 １４…端部、 ２０…係合部、 ２１…第１の係合部、 ２２…第２の係合部、 ２３…第３の係合部、 ２４…第４の係合部、 ３０…端部（端面）、 ３１…第１の段差部、 ３２…第１の段部、 ３３…第２の段差部、 ３４…第２の段部、 ３５…第３の段差部、 ５１…内輪、 ５１ｈ…貫通孔、 ５２…外輪、 ５３…転動体、 ５４…保持器、 ６０…被係合部、 ６１…第１の被係合部、 ６２…第２の被係合部、 ６３…第３の被係合部、 ６４…第４の被係合部、 ７０…端部（端面）、 ７１…第１の段差部、 ７２…第１の溝部、 ７３…第２の段差部、 ７４…第２の溝部、 ７５…第３の段差部

Claims (6)

1. 回転軸部と軸受部から構成される軸受装置であって、
   前記回転軸部は、
   円柱状の第１の回転軸部と、
   前記第１の回転軸部の軸方向の端部に連設された、前記第１の回転軸部と同一の軸を有し前記第１の回転軸部よりも小径の円柱状の第２の回転軸部と、
   前記第１の回転軸部の軸方向の前記端部に凸部又は凹部が周方向に沿って形成された複数段階の段差を有する係合部と、を備え、
   前記軸受部は、
   前記第２の回転軸部が挿入される挿入部を有する円筒状の内輪と、
   前記内輪の外周面側に設けられた、前記内輪よりも大きい径を有する円筒状の外輪と、
   前記内輪と前記外輪の間に転動自在に設けられた複数個の転動体と、
   前記内輪の前記第２の回転軸部が挿入される側の軸方向の端部に、前記回転軸部の前記係合部の前記複数段階の段差の凸部又は凹部に対応する凹部又は凸部が周方向に沿って形成された複数段階の段差を有する被係合部と、を備える
   軸受装置。
2. 前記回転軸部の前記端部に周方向に沿って形成された前記複数段階の段差、及び前記軸受部の前記端部に周方向に沿って形成された前記複数段階の段差は、前記軸を中心として点対称の配置である
   請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記軸受部の前記複数段階の段差は、前記内輪の前記端部に径方向に沿って形成された軸受部側段差部を有し、
   前記回転軸部の前記複数段階の段差は、前記第１の回転軸部の前記端部に径方向に沿って形成された回転軸部側段差部を有し、
   前記第１の回転軸部の前記端部に形成された前記回転軸部側段差部と、前記内輪の前記端部に形成された前記軸受部側段差部が係合する
   請求項１又は２に記載の軸受装置。
4. 前記回転軸部の前記係合部の前記複数段階の段差は、２以上の前記回転軸部側段差部を有し、
   前記軸受部の前記被係合部の前記複数段階の段差は、２以上の前記軸受部側段差部を有する
   請求項３に記載の軸受装置。
5. 前記回転軸部は、複数の前記係合部を備え、
   前記軸受部は、前記回転軸部の前記係合部と同数の前記被係合部を備える
   請求項１乃至４のいずれかに記載の軸受装置。
6. 前記軸受部の内輪の外径が、前記回転軸部の前記第１の回転軸部の直径よりも大きい
   請求項１乃至５のいずれかに記載の軸受装置。
   

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