JP7222329B2 - 軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気圧を利用して回転軸をラジアル方向に支持するフォイル軸受を有する軸受装置に関するものである。

特許文献１に記載のフォイル軸受は、回転軸の外周に配置される筒状のトップフォイルと、トップフォイルの外周面に沿って延設されるとともにトップフォイル側に突出する山部が周方向に間隔を置いて並ぶ波形状をなすバンプフォイルと、同バンプフォイルの外周面を支持するハウジングとを有している。

上記フォイル軸受では、回転軸の回転停止時においては、同回転軸の外周面とトップフォイルの内周面とが接触している。そして、回転軸の回転が開始されると、同回転軸の外周面とトップフォイルの内周面との間に空気が侵入して空気膜が形成される。このときトップフォイルが拡径する態様で外周側に変形するため、これに伴い同トップフォイルから回転軸が浮上するようになる。このようにして回転軸は非接触状態で支持される。

また上記フォイル軸受では、トップフォイルの外周面がバンプフォイルによって弾性的に支持されている。回転軸の回転速度が高くなると、同回転軸の外周面とトップフォイルの内周面との隙間の空気圧力が高くなるため、バンプフォイルの圧縮方向への弾性変形量が大きくなり、トップフォイルの外周側への変形量も大きくなる。このようにフォイル軸受では、回転軸の回転速度が高くなるほど同回転軸とトップフォイルとの隙間が大きくなるといったように、同隙間が自動的に調整される。

特開２００２－６１６４５号公報

上記フォイル軸受では、その構造上、回転軸の回転開始時や低速回転時において同回転軸とトップフォイルとが摺動した状態になってしまう。そして、これがトップフォイルや回転軸の摩耗を招き、ひいては軸受装置の耐久性能の低下を招く一因になる。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性能の向上を図ることのできる軸受装置を提供することにある。

上記課題を解決するための軸受装置は、転がり軸受およびフォイル軸受によって回転軸をラジアル方向に支持する軸受装置であって、前記回転軸は、筒状をなすとともに回転時において外方に膨らむように変形する構造の中空部を有しており、前記転がり軸受は、前記回転軸における前記中空部以外の部分の周囲に同回転軸の外周面との間に隙間を有する状態で配置され、前記回転軸の回転停止時において前記転がり軸受の下部が前記回転軸に接触するとともに前記転がり軸受の上部が前記回転軸に接触しない構造をなしており、前記フォイル軸受は、前記回転軸の回転時において前記中空部が変形したときの同中空部の外面に沿った形状をなすとともに前記中空部の外周面に接触しない態様で同外周面に対向配置された対向部と、前記対向部を前記回転軸側に付勢するバネ部と、前記バネ部の外周側の部分を支持するハウジングと、を有している。

上記構成では、回転軸の回転停止時や低速回転時においては、中空部が変形していないため、あるいは中空部の変形量が小さいために、回転軸の外周面とフォイル軸受の対向部との隙間が大きくなる。このときには、フォイル軸受は回転軸をラジアル方向に支持するための軸受として機能しない状態になる。ただし、このとき回転軸が自重によって転がり軸受に接触する位置まで下方に移動して偏心するため、回転軸はその状態で転がり軸受によって回転可能に支持されるようになる。このように上記構成によれば、回転軸の回転停止時や低速回転時には、回転軸を転がり軸受によって回転可能に支持させることによって同回転軸とフォイル軸の対向部とを非接触状態にすることができるため、フォイル軸受の対向部や回転軸の摩耗を抑えることができる。

回転軸の高速回転時においては、中空部に作用する遠心力によって同中空部が外方に膨らむように変形して、回転軸の外周面とフォイル軸受の対向部との隙間が適度に小さくなる。そして、このときにはフォイル軸受の対向部と回転軸の外周面との隙間に動圧（空気膜）が発生して、同フォイル軸受が非接触状態で作動するようになる。

しかも、このとき上記隙間で発生した動圧によって、回転軸が偏心していない正規の位置まで移動するようになるため、回転軸の外周面と転がり軸受の内面とが対向する部分の全体に隙間が形成されるようになる。これにより、転がり軸受は回転軸をラジアル方向に支持するための軸受として機能しない状態になる。

このように上記構成によれば、回転軸の高速回転時には、回転軸をフォイル軸受によって回転可能に支持させることによって、回転軸と転がり軸受とを非接触状態にして同転がり軸受を非作動状態にすることができるため、転がり軸受の耐久性能の向上を図ることができる。

本発明によれば、軸受装置の耐久性能の向上を図ることができる。

一実施形態の軸受装置の正面端面図。 同軸受装置の図１の２－２線に沿った断面図。 高速回転時における回転軸の中空部およびその周辺の正面断面図。 回転停止時および低速回転時における転がり軸受の状態を示す側面断面図。 高速回転時における転がり軸受の状態を示す側面断面図。 フォイル軸受の分解斜視図。 回転停止時および低速回転時におけるフォイル軸受の状態を示す側面端面図。 高速回転時におけるフォイル軸受の状態を示す側面端面図。

以下、軸受装置の一実施形態について説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態の軸受装置は、転がり軸受１１およびフォイル軸受１２を有している。これら転がり軸受１１およびフォイル軸受１２により、軸支対象の電動機２０の回転軸２１がラジアル方向に支持されている。本実施形態では、転がり軸受１１およびフォイル軸受１２からなる軸受部１３が電動機２０のケース２２内に設けられている。軸受部１３は、回転軸２１の軸線方向に間隔を置いた位置、詳しくは電動機２０のステータ２３やロータ２４を間に挟む位置に各別に設けられている。

以下、軸受部１３の具体構造について説明する。なお、二つの軸受部１３の基本構造は同一であるため、軸受部１３の各部を同一の符号を付して示し、以下では一方の軸受部１３の基本構造についてのみ説明するとともに他方の軸受部１３の基本構造についての説明は省略する。

電動機２０の回転軸２１は外面が同一径で延びる円柱状をなしている。回転軸２１の軸線方向における中央部分は、電動機２０のロータ２４が一体になっている。回転軸２１の中央部分は、詳しくは、鉄合金等の磁性材料によって形成された中心軸部２４Ａと、中心軸部の外周を覆うように配置された永久磁石からなる円筒状の中間層２４Ｂと、中間層２４Ｂの外周を覆うように配置された炭素繊維樹脂からなる円筒状の外層２４Ｃとからなる三層構造になっている。

また、回転軸２１の軸線方向における両端部分は中空構造の中空部２５になっている。中空部２５は、円筒形状の周壁２５Ａと円筒形状における両開口を塞ぐ蓋壁２５Ｂとによって構成されている。回転軸２１における中空部２５とその周辺部分とは、アルミニウム合金によって形成されている。本実施形態では、この中空部２５が、回転軸２１の各部のうちの前記フォイル軸受１２によって支持される部分にあたる。

図３に示すように、中空部２５は、回転軸２１の高速回転時において周壁２５Ａに作用する遠心力によって同周壁２５Ａにおける軸線方向の中央部分が外方に膨らむように変形して樽形状になる構造をなしている。なお図３では、中空部２５の周壁２５Ａの変形態様の理解を容易にするために、同周壁２５Ａの変形量を実際の変形量（例えば、１００μｍ）よりも誇張して示している。

図２、図４および図５に示すように、転がり軸受１１は三つのベアリング部３０によって構成されている。各ベアリング部３０は、ケース２２内に軸線方向に延びる態様で立設された支持シャフト３１と、同支持シャフト３１に回転可能に支持された円環状のボールベアリング３２とによって構成されている。それらベアリング部３０は、回転軸２１におけるロータ２４と中空部２５との間に挟まれた部分の周囲に等間隔で並ぶように配置されている。

各ベアリング部３０は、三つのボールベアリング３２のうちの少なくとも一つの外周面と回転軸２１の外周面との間に隙間が形成される態様で配置されている。具体的には、図４に示すように、回転軸２１の回転停止時においては、下方に配置される二つのボールベアリング３２が回転軸２１の外周面に接触した状態になるとともに、上方に配置される残りの一つのボールベアリング３２が回転軸２１に接触しない状態になる。また図５に示すように、回転軸２１の高速回転時においては、全てのボールベアリング３２が回転軸２１の外周面に接触しない状態になる。なお図４および図５では、転がり軸受１１による回転軸２１の支持状態についての理解を容易にするために、各ベアリング部３０と回転軸２１との隙間を実際の隙間（例えば、１００μｍ）よりも誇張して示している。

図１および図６に示すように、フォイル軸受１２は回転軸２１の中空部２５の周囲に配置される。
フォイル軸受１２は、回転軸２１の中空部２５の外周面に対向配置される対向部としてのトップフォイル４０と、トップフォイル４０の外周に配置されて同トップフォイル４０を弾性的に支持するバネ部としてのバンプフォイル４１とを備えている。また、フォイル軸受１２は、バンプフォイル４１の外周に配置されて同バンプフォイル４１の外周面を支持する円筒状のハウジング４３を備えている。ハウジング４３の両開口の内縁には、円環状のリング部４５が設けられている。ハウジング４３は、軸線方向に延びる態様で、ケース２２の内部に固定されている。フォイル軸受１２は、回転軸２１の外周面とハウジング４３の内周面との間に、トップフォイル４０およびバンプフォイル４１が配置された構造になっている。

トップフォイル４０は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。トップフォイル４０の周方向の一端部４０Ａは保持端であり、周方向における他端部４０Ｂは自由端である。一端部４０Ａは、径方向の外側に向けて突出するとともに、ハウジング４３の内周面に形成された凹溝４４内に挿入されている。他端部４０Ｂは、周方向において一端部４０Ａとの間に隙間を有している。本実施形態では、回転軸２１の回転停止時において、同回転軸２１の外周面とトップフォイル４０の内周面とが接触しない構造になっている。

バンプフォイル４１は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。バンプフォイル４１は、トップフォイル４０の外周面に沿って延設されている。バンプフォイル４１は、上記トップフォイル４０側に突出する山部が周方向に間隔を置いて並ぶ波形状をなしている。フォイル軸受１２では、バンプフォイル４１における隣り合う山部の間に配置される各谷部がハウジング４３の内周面に支持された状態で、同バンプフォイル４１の各山部がトップフォイル４０の外周面に当接することによって、同トップフォイル４０が弾性的に支持されている。

バンプフォイル４１の周方向における一端部４１Ａは保持端であり、周方向における他端部４１Ｂは自由端である。一端部４１Ａは、径方向の外側に向けて突出するとともに、トップフォイル４０の一端部４０Ａに重ね合わされた状態でハウジング４３の凹溝４４内に挿入されている。したがって、凹溝４４内には、トップフォイル４０の一端部４０Ａとバンプフォイル４１の一端部４１Ａとが重ね合わされた状態で挿入されている。これにより、トップフォイル４０およびバンプフォイル４１がハウジング４３内において回り止めされた状態で保持されている。バンプフォイル４１の一端部４１Ａと他端部４１Ｂとの間には、周方向における隙間が形成されている。

本実施形態では、図３に示すように、回転軸２１の中空部２５が回転時において樽形状になる態様で変形する構造になっている。そして本実施形態では、トップフォイル４０、バンプフォイル４１、およびハウジング４３の内周面がいずれも、回転軸２１の高速回転時において中空部２５が変形したときの同中空部２５の外面に沿った形状、具体的には、軸線方向における中央部分が外方に膨らんだ樽形状になっている。

以下、本実施形態の軸受装置による作用について説明する。
回転軸２１の回転停止時においては、フォイル軸受１２の内部に動圧（空気膜）が発生しない。また、回転軸２１の低速回転時においては、フォイル軸受１２の内部に動圧が発生するとはいえ、その動圧は低い。そのため、回転軸２１の回転停止時や低速回転時においては、フォイル軸受１２は回転軸２１をラジアル方向に支持するための軸受として機能しない状態になる。

図１および図７に示すように、回転軸２１の回転停止時においては、同回転軸２１の中空部２５の周壁２５Ａに遠心力が作用しないため、中空部２５の周壁２５Ａが変形しない。また、回転軸２１の低速回転時においては、同回転軸２１の中空部２５の周壁２５Ａに作用する遠心力が小さいため、中空部２５の周壁２５Ａの変形量が小さい。こうした回転軸２１の回転停止時や低速回転時においては、回転軸２１の外周面とフォイル軸受１２のトップフォイル４０との隙間が大きくなる。なお図７では、フォイル軸受１２による回転軸２１の支持状態についての理解を容易にするために、トップフォイル４０と回転軸２１との隙間を実際の隙間よりも誇張して示している。

このときには、回転軸２１が自重によって転がり軸受１１の下方の二つのボールベアリング３２に接触する位置まで下方に移動して偏心するとともに、その状態で転がり軸受１１によって回転可能に支持されるようになる。このように本実施形態によれば、回転軸２１の回転停止時や低速回転時には、回転軸２１を転がり軸受１１によって回転可能に支持させることによって同回転軸２１とフォイル軸受１２のトップフォイル４０とを非接触状態にすることができる。これにより、トップフォイル４０や回転軸２１の摩耗を抑えることができる。

本実施形態では、回転軸２１の回転に伴って同回転軸２１の中空部２５が外方に膨らむ構造になっているため、回転軸２１の回転停止時や低速回転時における同回転軸２１の中空部２５とフォイル軸受１２のトップフォイル４０との隙間を大きくすることができる。これにより、回転軸２１の回転停止時や低速回転時における前述の構造、すなわちフォイル軸受１２のトップフォイル４０に回転軸２１の外周面が接触しない状態を保ちつつ回転軸２１が正規の回転中心から偏心した状態で転がり軸受１１に支持されるといった構造を容易に実現することができるようになっている。

一方、図３に示すように、回転軸２１の高速回転時においては、回転軸２１の中空部２５の周壁２５Ａに作用する遠心力によって同中空部２５の周壁２５Ａが外方に膨らむように変形する。これに伴って、図１および図８に示すように、回転軸２１の外周面とフォイル軸受１２のトップフォイル４０との間隙が、それらの間に動圧（空気膜）を形成可能な程度に小さくなる。そして、このときフォイル軸受１２のトップフォイル４０と回転軸２１の外周面との間隙において発生する動圧により、同フォイル軸受１２が非接触状態で作動するようになる。なお図８では、フォイル軸受１２による回転軸２１の支持状態についての理解を容易にするために、中空部２５の変形量やトップフォイル４０と回転軸２１との間隙を実際の値よりも誇張して示している。

しかも、図５に示すように、このとき上記間隙で発生した動圧によって、回転軸２１が偏心していない正規の位置に移動するようになるため、回転軸２１の外周面と転がり軸受１１の三つのボールベアリング３２との間にそれぞれ隙間が形成されるようになる。したがって、このとき転がり軸受１１は回転軸２１をラジアル方向に支持するための軸受として機能しない状態になる。このように本実施形態によれば、回転軸２１の高速回転時には、回転軸２１をフォイル軸受１２によって回転可能に支持させることによって、回転軸２１と転がり軸受１１とを非接触状態にして同転がり軸受１１を非作動状態にすることができる。そのため、転がり軸受１１の耐久性能の向上を図ることができる。

なお本実施形態では、転がり軸受１１が軸受として機能する状態から機能しない状態に切替わるようになる回転軸２１の回転速度、すなわちフォイル軸受１２および転がり軸受１１のうちの同フォイル軸受１２のみが軸受として機能する状態に切り替わる回転軸２１の回転速度が、転がり軸受１１のボールベアリング３２の信頼性が高いままで維持される速度範囲の値になるように、軸受装置の各部の形状や変形特性が定められている。これにより、フォイル軸受１２が軸受として機能しない低速回転時において回転軸２１を回転可能に支持させるために転がり軸受１１が設けられるとはいえ、フォイル軸受１２が十分に機能するようになる回転軸２１の高速回転時において転がり軸受１１の信頼性が低下することが抑えられるようになる。

このように本実施形態によれば、フォイル軸受１２を有する軸受装置の耐久性能の向上を図ることができる。
本実施形態では、回転軸２１の高速回転時において、中空部２５が樽形状になる態様で変形する。また、フォイル軸受１２のトップフォイル４０が樽形状をなしている。そのため、回転軸２１の高速回転時においては、図８に示すように、外方に凸状をなす回転軸２１の中空部２５の周壁２５Ａが、同じく外方に凸状をなすフォイル軸受１２のトップフォイル４０に嵌まるようになる。これにより、フォイル軸受１２のトップフォイル４０に対する回転軸２１の中空部２５の軸線方向位置が規制されるようになるため、同回転軸２１の軸線方向への位置ずれを抑えることができる。

ここで本実施形態では、回転軸２１の低速回転時において、回転軸２１の外周面と転がり軸受１１のボールベアリング３２の内面との間に隙間を有する状態で、同回転軸２１が転がり軸受１１によって回転可能に支持される。そのため本実施形態の軸受装置では、回転軸と転がり軸受との間に隙間がない状態で同回転軸を転がり軸受によって支持する構造の軸受装置と比較して、回転軸２１の回転状態が不安定になり易いと云える。

この点、本実施形態では、図１に示すように、転がり軸受１１およびフォイル軸受１２からなる軸受部１３が、回転軸２１の軸線方向に間隔を置いた位置、詳しくは電動機２０のロータ２４を間に挟む位置に各別に設けられている。これにより、軸受装置を二つの軸受部１３によって回転軸２１を支持する両持ち構造にすることができるため、回転軸を一つの軸受部によって支持する片持ち構造のものと比較して、回転軸２１を安定した状態で支持することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）回転軸２１の回転停止時や低速回転時には、回転軸２１を転がり軸受１１によって回転可能に支持させることによって同回転軸２１とフォイル軸受１２のトップフォイル４０とを非接触状態にすることができるため、トップフォイル４０や回転軸２１の摩耗を抑えることができる。しかも、回転軸２１の高速回転時には、回転軸２１をフォイル軸受１２によって回転可能に支持させることによって、回転軸２１と転がり軸受１１とを非接触状態にして同転がり軸受１１を非作動状態にすることができるため、転がり軸受１１の耐久性能の向上を図ることができる。したがって本実施形態によれば、フォイル軸受１２を有する軸受装置の耐久性能の向上を図ることができる。

（２）中空部２５を、回転軸２１の高速回転時において樽形状になる態様で変形する構造にした。これにより、回転軸２１の高速回転時において、外方に凸状をなす回転軸２１の中空部２５の周壁２５Ａが同じく外方に凸状をなすフォイル軸受１２のトップフォイル４０に嵌まるようになるため、同回転軸２１の軸線方向への位置ずれを抑えることができる。

（３）転がり軸受１１およびフォイル軸受１２からなる軸受部１３を、電動機２０のロータ２４を間に挟む位置に各別に設けるようにした。そのため、回転軸２１を二つの軸受部１３によって安定した状態で支持することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・回転軸２１の中空部２５を合成樹脂材料によって形成してもよい。
・ボールベアリング３２に代えて、例えばローラーベアリングなどといった他の転がり軸受を採用することができる。

・トップフォイル４０を回転軸２１側に付勢した状態で支持することができるのであれば、バンプフォイル４１の形状やハウジング４３の内周面の形状は任意に変更可能である。

・回転停止時における中空部２５の形状を樽形状にしてもよい。同構成によっても、回転軸２１の回転停止時や低速回転時においては同回転軸２１の外周面とフォイル軸受１２のトップフォイル４０との隙間を大きくすることができ、回転軸２１の高速回転時においては回転軸２１の外周面とフォイル軸受１２のトップフォイル４０との隙間をそれらの間に空気膜を形成可能な程度に小さくすることができる。

・回転停止時における中空部の形状を軸線方向中央が凹んだ鼓形状にしてもよい。この場合には、フォイル軸受のトップフォイルを、鼓形状にしたり同一径で延びる円筒形状にしたりするなど、回転軸の中空部が変形したときの同中空部の外面に沿った形状にすればよい。

・中空部２５を、回転軸２１の軸線方向における両端のうちの一方が開口した円筒状に形成してもよい。同構成では、回転軸２１の中空部は、高速回転時において、樽形状になるのではなく、軸線方向の端部に向かうに連れて拡径した形状、いわゆるファンネル形状になる。こうした構成においては、フォイル軸受のトップフォイルの形状を、回転軸の中空部が変形したときの同中空部の外面に沿った形状、具体的にはファンネル形状にすればよい。

・転がり軸受１１とフォイル軸受１２とからなる軸受部１３を一つのみ設けるようにしてもよい。
・上記実施形態の軸受装置は、バネ部材としてバンプフォイルが設けられたフォイル軸受を有する軸受装置に限らず、板ばね部材や金属メッシュ部材などバネ部が設けられたフォイル軸受を有する軸受装置にも適用することができる。

・上記実施形態の軸受装置は、リーフ型のフォイル、いわゆるリーフフォイルが複数設けられたフォイル軸受を有する軸受装置にも適用することができる。同構成においては、各リーフフォイルの自由端、すなわち回転軸の外周面に対向する部分が対向部に相当し、各リーフフォイルの固定端側の部分、すなわちハウジング側の部分がバネ部に相当する。

・電動機２０のステータやロータ２４の構造は、任意に変更可能である。
・上記実施形態の軸受装置は、電動機の回転軸以外の回転軸を軸支対象とする軸受装置にも適用することができる。

１１…転がり軸受、１２…フォイル軸受、１３…軸受部、２０…電動機、２１…回転軸、２２…ケース、２３…ステータ、２４…ロータ、２４Ａ…中心軸部、２４Ｂ…中間層、２４Ｃ…外層、２５…中空部、２５Ａ…周壁、２５Ｂ…蓋壁、３０…ベアリング部、３１…支持シャフト、３２…ボールベアリング、４０…トップフォイル、４０Ａ…一端部、４０Ｂ…他端部、４１…バンプフォイル、４１Ａ…一端部、４１Ｂ…他端部、４３…ハウジング、４４…凹溝、４５…リング部。

Claims (4)

1. 転がり軸受およびフォイル軸受によって回転軸をラジアル方向に支持する軸受装置であって、
   前記回転軸は、筒状をなすとともに回転時において外方に膨らむように変形する構造の中空部を有しており、
   前記転がり軸受は、前記回転軸における前記中空部以外の部分の周囲に配置され、前記回転軸の回転停止時において前記転がり軸受に前記回転軸の下部が接触するとともに前記転がり軸受に前記回転軸の上部が接触しない構造をなしており、
   前記フォイル軸受は、前記回転軸の回転時において前記中空部が変形したときの同中空部の外面に沿った形状をなすとともに前記中空部の外周面に接触しない態様で同外周面に対向配置された対向部と、前記対向部を前記回転軸側に付勢するバネ部と、前記バネ部の外周側の部分を支持するハウジングと、を有している、軸受装置。
2. 前記中空部は、回転時において樽形状になる態様で変形する構造になっている
   請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記対向部は、前記回転軸の外周に配置される樽形状のトップフォイルであり、
   前記バネ部は、前記トップフォイルの外周面に沿って延設されるとともに前記トップフォイル側に突出する山部が周方向に間隔を置いて並ぶ波形状をなすバンプフォイルである
   請求項２に記載の軸受装置。
4. 前記転がり軸受および前記フォイル軸受からなる軸受部が、前記回転軸の軸線方向に間隔を置いた位置に各別に設けられている
   請求項１～３のいずれか一項に記載の軸受装置。

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