JPWO2015063882A1

JPWO2015063882A1 - 電動機および軸受構造

Info

Publication number: JPWO2015063882A1
Application number: JP2015544688A
Authority: JP
Inventors: 後藤　隆; 隆後藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: JP5885896B2; WO2015063882A1; CN205509736U

Abstract

玉軸受１０の外輪１２とモータハウジング６（またはベアリングハウジング７）との間に設置されるスリーブ２０は、円筒形状の樹脂部材２１および当該樹脂部材２１の少なくとも内外周面を覆う金属部材２２から成り、金属部材２２が玉軸受１０の外輪１２とモータハウジング６（またはベアリングハウジング７）とにそれぞれ面接触する。

Description

この発明は、グリス封入式玉軸受を用いてシャフトを回転自在に支持する電動機および軸受構造に関する。

高速回転用の軸受は、工作機械および自動車用として広く使用されている。最も一般的な軸受は、内輪と外輪の間に複数の玉を介在させてグリスを封入した構成のグリス封入式玉軸受である。高速回転に使用される軸受は内部発熱が高いため、耐久寿命の延命が重要課題となっている。

軸受の寿命を確保するために、軸受の内部構造の変更（例えば、玉と軌道面の接触面積を減少させる）、軸受材料の変更（例えば、グリスの動粘度を減少させてグリス自体の耐熱性を向上させる）等の放熱対策を実施していた。また、軸受を製品内で使用する際に、軸受に放熱材を取り付けたり（例えば、特許文献１参照）、軸受の内輪を固定するシャフトにヒートパイプを使用したり（例えば、特許文献２参照）、プーリを軸受の外輪に一体成形したりして（例えば、特許文献３参照）、放熱性を確保していた。

他方、軸受を用いて回転部材（以下、シャフトを例にする）を回転自在に支持する場合、シャフト自体の振動を考慮する必要がある。例えば、シャフトの固有振動数と製品自体の固有振動数が一致して共振する場合、振動振幅が増幅され、内部部品の損傷を招く。高速回転するシャフトの振動を減衰するためには、シャフト自体の固有振動数を出来るだけ高く設定する必要があった。

シャフトの固有振動数を高く設定するために、シャフトの剛性を高める（長さを短く、太くする）必要があるが、製品の都合上（例えば、コスト低減、重量低減、体積低減）、シャフトの固有振動数を高く設定することが困難な場合があった。その場合、シャフトの固有振動数を高める、またはシャフトの共振倍率を下げるために、軸受にトレランス・リングを装着したり（例えば、特許文献４参照）、Ｏリングを装着したり（例えば、特許文献５参照）、高振動減衰金属を設置したりして（例えば、特許文献６参照）、振動を減衰させていた。

特開２０１２−１４９７４２号公報特開２０１３−５７３００号公報特開２０１０−９０９６９号公報特表２０１０−５２５２７６号公報特表２０１０−５３５９６９号公報特開２００４−２５１４１７号公報

ここで、上記特許文献１〜６の構成を電動機に適用した場合を考える。
特許文献１，２の場合、軸受をシャフトに圧入すると、ハウジング側は隙間嵌めになるため、軸受とハウジングの間に空気層があり、軸受からハウジングへの放熱経路を確保できない。
特許文献３の場合、軸受と樹脂製ハウジングを一体成形するので、軸受と樹脂製ハウジングの間に空気層が無く、伝熱は阻害されないが、最終放熱経路が樹脂となるため放熱率が低い。高放熱性樹脂を採用してハウジングを構成した場合には放熱率の向上が期待されるが、コストが高くなる。
なお、特許文献１〜３では振動減衰の効果は期待できない。

特許文献４の場合、軸受とハウジングの間にトレランス・リングを設置して振動を減衰させるが、トレランス・リングは線接触であるため、軸受の放熱効果が低い。
特許文献５の場合、軸受とハウジングの間にＯリングを設置して振動を減衰させるが、Ｏリングは線接触であるため、軸受の放熱効果が低い。また、組み立ての際に、Ｏリングの圧縮応力が軸方向に掛かるため、組付性が悪化する。
特許文献６の場合、軸受とハウジングの間に高振動減衰金属を設置して振動を減衰させるが、高振動減衰金属は高温になると振動減衰効果が大幅に低下してしまう特性のため、軸受と高振動減衰金属の間に低熱伝導部材を介在させる必要があり、軸受からハウジングへの放熱経路を確保できない。

このように、上記特許文献１〜６の構成では放熱と振動減衰のいずれか一方の効果しか期待できないという課題があった。そのため、放熱と振動減衰の両方の効果を得るためには、特許文献１〜３の放熱構造と特許文献４〜６の振動減衰構造を組み合わせて使用することになり、構造の複雑化、組付性の悪化、高コスト化などを招く。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、容易に放熱および振動減衰の効果を得られる軸受構造、およびこの軸受構造を用いた電動機を提供することを目的とする。

この発明の電動機は、円筒形状の樹脂部材および当該樹脂部材の少なくとも内外周面を覆う金属部材から成り、玉軸受の外輪とハウジングとの間に設置されて、金属部材が玉軸受の外輪とハウジングとにそれぞれ面接触するスリーブを備えるものである。

この発明の軸受構造は、内輪側に固定された第１の部材と外輪側に固定された第２の部材とを相対回転自在に支持するグリス封入式の玉軸受と、円筒形状の樹脂部材および当該樹脂部材の少なくとも内外周面を覆う金属部材から成り、玉軸受の外輪と第２の部材との間に設置されて、金属部材が玉軸受の外輪と第２の部材とにそれぞれ面接触するスリーブとを備えるものである。

この発明によれば、主としてシャフトの振動減衰機能を担う樹脂部材と、主として玉軸受の放熱機能を担う金属部材とを一体化してスリーブを構成することにより、容易に振動減衰および放熱の効果が得られる。さらに、金属部材を玉軸受とハウジングに面接触させることにより、スリーブを介した玉軸受からハウジングへの放熱性を向上できる。

この発明によれば、主として第１の部材の振動減衰機能を担う樹脂部材と、主として玉軸受の放熱機能を担う金属部材とを一体化してスリーブを構成することにより、容易に振動減衰および放熱の効果が得られる。さらに、金属部材を玉軸受と第２の部材に面接触させることにより、スリーブを介した玉軸受から第２の部材への放熱性を向上できる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す断面図である。図１のＡ枠内の構造を拡大した図である。実施の形態１に係る電動機に用いるスリーブの共振曲線を示すグラフである。実施の形態１に係る電動機に用いるスリーブの共振曲線を示すグラフである。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１に示すように、電動機１は、電動機本体２を収容するモータハウジング６と、シャフト３を回転自在に支持するグリス封入式の玉軸受１０と、一方の玉軸受１０を収容するベアリングハウジング７と、玉軸受１０の外輪１２側に取り付けられたスリーブ２０とを備えている。

電動機本体２は、主に、シャフト３と、シャフト３に固着された回転子４と、回転子４を囲うようにモータハウジング６に設置された固定子５などを備えている。これら以外の構成（コイルなど）は図示を省略する。電動機本体２としては、約３万ｒｐｍ〜１０万ｒｐｍ程度の回転数を有する高速回転用のモータ構造（例えば、磁気誘導子型モータ構造）のものを想定しているが、これに限定されるものではない。

２つの玉軸受１０は、シャフト３の両端部にそれぞれ隙間嵌めされて、シャフト３（第１の部材）とハウジング６，７（第２の部材）とを相対回転自在に支持する。この玉軸受１０は、内輪１１と外輪１２の間に複数の玉１３を介在させ、グリスを封入して成る。内輪１１はシャフト３に接し、外輪１２はモータハウジング６側またはベアリングハウジング７側のスリーブ２０に接している。また、モータハウジング６に設置された方の玉軸受１０は、与圧バネ９に付勢されて軸方向に固定されている。

高速回転用の電動機本体２に使用される玉軸受１０は、内部発熱が高いため、放熱性の確保が重要である。また、高速回転するシャフト３の振動を減衰させる必要もある。そこで、本実施の形態１では、放熱と振動減衰の機能を有するスリーブ２０を使用する。

図２の拡大図に示すように、スリーブ２０は、円筒形状の樹脂部材２１と、樹脂部材２１の少なくとも内外周面を覆う金属部材２２とから構成されている。金属部材２２は、切削またはプレス（絞り加工）により断面Ｕ字状の円環形状に製作され、その内側に樹脂材が注入されて樹脂部材２１が成形される。注入時、注入樹脂量を管理することにより、金属部材２２と樹脂部材２１の間に隙間が発生することを防止する。隙間が発生すると、スリーブ２０の伝熱効率が悪化するためである。

このスリーブ２０を玉軸受１０に圧入して嵌合させ、金属部材２２の内周面側を玉軸受１０の外輪１２に面接触させると共に、金属部材２２の外周面側をモータハウジング６またはベアリングハウジング７に面接触させる。スリーブ２０と玉軸受１０を圧入させることにより、面接触部分に隙間が発生することを防止する。また、スリーブ２０が面接触するので、玉軸受１０、スリーブ２０、およびモータハウジング６（またはベアリングハウジング７）の間の伝熱効率が向上し、放熱性が向上する。

モータハウジング６およびベアリングハウジング７は、熱伝導率の高いアルミニウムを使用し、例えばダイカストで製作されている。また、モータハウジング６のスリーブ２０に対向する外周部に放熱フィン６ａを設けて、放熱性を向上させることが望ましい。同様に、ベアリングハウジング７のスリーブ２０に対向する外周部に放熱フィン７ａを設けて、放熱性を向上させることが望ましい。
また、図示は省略するが、モータハウジング６およびベアリングハウジング７に水冷通路などを設けて、放熱性を向上させてもよい。

玉軸受１０が発する熱の大部分は、金属部材２２を経由してモータハウジング６へ伝熱され（図２の熱伝達経路Ｂ１）、放熱フィン６ａから放熱される（図２の放熱経路Ｃ）。
また、玉軸受１０が発する熱の一部は、外輪１２側の金属部材２２、樹脂部材２１、モータハウジング６側の金属部材２２を経由してモータハウジング６へ伝熱され（図２の熱伝達経路Ｂ２）、放熱フィン６ａから放熱される（図２の放熱経路Ｃ）。
図示は省略するが、ベアリングハウジング７に設置された玉軸受１０も同様の熱伝達経路と放熱経路を構成する。

ここで、スリーブ２０の詳細を説明する。
樹脂部材２１は、玉軸受１０を囲むような円筒形状である。この樹脂部材２１は、主に、シャフト３の振動を減衰させる機能を担い、樹脂材（またはゴム材）を変更して硬度を変更することで振動減衰効果を調整可能である。例えば、シリコン系またはブチル系のゴム材（高分子材料）に減衰効果を付加する場合、ベースのゴム材に炭素（カーボン）および樹脂フィラーなどを添加する。その際、添加量を増減することで、振動減衰効果の大小を変更できる。
このため、スリーブ２０の形状変更を伴うことなく、振動減衰性を管理可能である。

図３および図４に、スリーブ２０の共振曲線を示す。各グラフの横軸は周波数、縦軸は共振倍率である。図３において、樹脂部材２１の硬度を高くすると、共振曲線がＬ０からＬ１に変化し、共振周波数（固有振動数）がｆ０からｆ１に上がる。一方、図４において、樹脂部材２１の硬度を低くすると、共振曲線がＬ０からＬ２に変化し、共振倍率がｐ０からｐ２に下がる。
よって、振動源であるシャフト３の周波数に応じて、樹脂部材２１の硬度を変更し、共振周波数および共振倍率のいずれか一方または両方を調整することによって、振動減衰性を調整できる。

また、玉軸受１０の発熱によりスリーブ２０が温度上昇するため、樹脂部材２１には、熱硬化性の樹脂材を使用することが望ましい。
さらに、図２に示した熱伝達経路Ｂ２を介した放熱性を向上させるために、樹脂部材２１に、少なくとも０．３Ｗ／ｍＫ以上の放熱性を有する樹脂材を使用することが望ましい。
樹脂部材２１の樹脂材（またはゴム材）を変更することで、放熱効果を調整可能である。
一般的に、樹脂材（ポリフェニレンサルファイド；ＰＰＳ、ナイロン、エポキシ）を高放熱化させる場合、ベースの樹脂材に高熱伝導フィラーを添加する。その際、添加量を増減することで、放熱効果の大小を変更できる。
このため、スリーブ２０の形状変更を伴うことなく、放熱性を管理可能である。

他方、スリーブ２０の金属部材２２は、シャフト３の回転軸方向の断面がＵ字状になった円環部材であり、樹脂部材２１を覆っている。この金属部材２２は、主に、玉軸受１０の発熱をモータハウジング６またはベアリングハウジング７へ伝熱して放熱させる機能を担い、熱伝導性を有する金属材を使用して構成される。
また、金属部材２２は、玉軸受１０の外輪１２より剛性が低い金属材（例えば、バネ鋼材）を使用することが望ましい。これにより、スリーブ２０を玉軸受１０に圧入するときに、玉軸受１０の外輪１２の変形を抑制し、玉軸受１０の内部隙間を減少させない。

また、金属部材２２のＵ字の開口側の内周縁部に、Ｃ面取りまたはＲ面取りを施して、面取り部２３を設けている。この面取り部２３は、スリーブ２０を玉軸受１０に圧入する際にガイドとして機能する。これにより、スリーブ２０の組付性が向上する。

さらに、金属部材２２のＵ字の折曲部２４側の内周縁部を、複数箇所で屈曲させて多角部２５を設けている。この多角部２５が、スリーブ２０を玉軸受１０に圧入する際に積極的に変形して、折曲部２４に掛かる応力を吸収するので、金属部材２２と外輪１２との面接触を確保できる。

次に、電動機１の組立手順の一例を説明する。この例では、最初に、モータハウジング６側、続いてベアリングハウジング７側を組立てるが、逆の手順でもかまわない。
先ず、モータハウジング６側の玉軸受１０にスリーブ２０を圧入し、このスリーブ２０をモータハウジング６に圧入する。続いて、与圧バネ９を玉軸受１０の一端面に設置し、スリーブ２０の内径で与圧バネ９を位置決めする。続いて、シャフト３を玉軸受１０に隙間嵌めする。これで、モータハウジング６に玉軸受１０、スリーブ２０およびシャフト３が組み付いた状態となる。

続いて、ベアリングハウジング７側の玉軸受１０にスリーブ２０を圧入し、このスリーブ２０をベアリングハウジング７に圧入する。続いて、モータハウジング６に組み付いたシャフト３を、ベアリングハウジング７側の玉軸受１０に隙間嵌めする。最後にベアリングハウジング７とモータハウジング６の突き合わせ部分をバンド８（またはボルトなど）で締結する。

以上より、実施の形態１によれば、スリーブ２０は、円筒形状の樹脂部材２１および当該樹脂部材２１の少なくとも内外周面を覆う金属部材２２から成り、玉軸受１０の外輪１２とモータハウジング６（またはベアリングハウジング７）との間に設置されて、金属部材２２が玉軸受１０の外輪１２とモータハウジング６（またはベアリングハウジング７）とにそれぞれ面接触するように構成にした。このため、１つの部品で容易に放熱および振動減衰の効果を得ることができる。また、金属部材２２が、玉軸受１０の外輪１２とモータハウジング６（またはベアリングハウジング７）に面接触するので、熱伝達経路Ｂ２（図２に示す）を介した放熱性が向上する。

また、実施の形態１によれば、スリーブ２０の金属部材２２は、シャフト３の回転軸方向の断面がＵ字状であって、当該Ｕ字の折曲部２４を複数箇所で曲げて多角部２５にした。
このため、断面Ｕ字状の金属部材２２が構成する熱伝達経路Ｂ１（図２に示す）を介して、玉軸受１０の熱を効率的に放熱できる。また、スリーブ２０を玉軸受１０に圧入する際に、多角部２５が積極的に変形して、金属部材２２の内周面に掛かる応力を吸収するので、金属部材２２と玉軸受１０の外輪１２との面接触を確保することができる。

また、実施の形態１によれば、スリーブ２０は、樹脂部材２１の材質および硬度のいずれか一方、または両方を変更することにより、共振倍率および共振周波数のいずれか一方、または両方を調整可能にした。これにより、スリーブ２０の形状を変更することなく、振動減衰性を向上できる。

また、実施の形態１によれば、スリーブ２０の樹脂部材２１を、放熱性を有する樹脂材で構成するようにしたので、スリーブ２０の形状を変更することなく、放熱性を向上できる。

また、実施の形態１によれば、スリーブ２０は、金属部材２２に熱硬化性を有する樹脂部材２１が注入されて成るので、金属部材２２と樹脂部材２１の間に隙間が生じず、高い伝熱効率を得ることができる。また、熱硬化性の樹脂部材２１を用いることにより、断面Ｕ字状の金属部材２２の開口部を塞ぐ必要がない。
なお、樹脂部材２１として湿気硬化性樹脂を用いてもよい。

また、実施の形態１によれば、スリーブ２０を、玉軸受１０の外輪１２とモータハウジング６（またはベアリングハウジング７）との間に圧入したので、隙間無く密着させることができる。よって、玉軸受１０の熱を、スリーブ２０を介してモータハウジング６（またはベアリングハウジング７）から外部へ、効率的に放熱できる。

また、実施の形態１によれば、モータハウジング６およびベアリングハウジング７を、熱伝導率の高いアルミニウムで構成するようにしたので、効率的に放熱できる。

また、上記説明では、玉軸受１０とスリーブ２０とを備える軸受構造を電動機１に適用した例を説明したが、工作機械などにも適用可能である。

なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る軸受構造は、グリス封入式玉軸受とハウジングの間に、放熱および振動減衰の効果を有するスリーブを設置したので、高速回転用の電動機などに用いるのに適している。

１電動機、２電動機本体、３シャフト（第１の部材）、４回転子、５固定子、６モータハウジング（第２の部材）、６ａ，７ａ放熱フィン、７ベアリングハウジング（第２の部材）、８バンド、９与圧バネ、１０玉軸受、１１内輪、１２外輪、１３玉、２０スリーブ、２１樹脂部材、２２金属部材、２３面取り部、２４折曲部、２５多角部。

Claims

回転子が固着されたシャフトと、
前記回転子を囲うように固定子が設置されたハウジングと、
前記ハウジングに対して前記シャフトを回転自在に支持するグリス封入式の玉軸受とを備える電動機において、
円筒形状の樹脂部材および当該樹脂部材の少なくとも内外周面を覆う金属部材から成り、前記玉軸受の外輪と前記ハウジングとの間に設置されて、前記金属部材が前記玉軸受の外輪と前記ハウジングとにそれぞれ面接触するスリーブを備えることを特徴とする電動機。
前記スリーブの前記金属部材は、前記シャフトの回転軸方向の断面がＵ字状であって、当該Ｕ字の折曲部が多角形状であることを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記スリーブは、前記樹脂部材の材質および硬度のいずれか一方、または両方を変更することにより、共振倍率および共振周波数のいずれか一方、または両方が調整されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記スリーブの前記樹脂部材は、放熱性を有することを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記スリーブは、前記金属部材に熱、又は湿気硬化性を有する前記樹脂部材が注入されて成ることを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記スリーブは、前記玉軸受の外輪と前記ハウジングとの間に圧入されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記ハウジングは、アルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
内輪側に固定された第１の部材と外輪側に固定された第２の部材とを相対回転自在に支持するグリス封入式の玉軸受と、
円筒形状の樹脂部材および当該樹脂部材の少なくとも内外周面を覆う金属部材から成り、前記玉軸受の外輪と前記第２の部材との間に設置されて、前記金属部材が前記玉軸受の外輪と前記第２の部材とにそれぞれ面接触するスリーブとを備える軸受構造。