KR20030066441A - 전기모터용 구름 베어링 - Google Patents

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KR20030066441A
KR20030066441A KR10-2003-0006694A KR20030006694A KR20030066441A KR 20030066441 A KR20030066441 A KR 20030066441A KR 20030006694 A KR20030006694 A KR 20030006694A KR 20030066441 A KR20030066441 A KR 20030066441A
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KR10-2003-0006694A
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부뜨로미쉘
도이예아멜루이
갈루치프란쎄스쏘
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악티에볼라게트 에스카에프
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Abstract

본 발명은 베어링 장치에 관한 것으로, 베어링 장치(21)는 원통형 홈에 끼워지는 외측 링(24), 상기 링에 형성되는 베어링 트랙, 베어링 트랙과 접촉하여 배치되는 일련의 구름요소(26), 및 외측 링의 외부 원통형 면으로부터 형성되는 환형 목(33)에 장착되는 하나 이상의 팽창 보정 칼라(35)를 포함하고, 상기 칼라는 외측 링을 형성하는 재료보다 큰 팽창계수를 갖는 재료로 형성되고 50㎛ 이하의 외측 링의 외경과 20㎛ 이상의 외측 링의 외경 사이의 외경을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

전기모터용 구름 베어링 {ROLLING BEARING, ESPECIALLY FOR AN ELECTRIC MOTOR}
본 발명은 구름 베어링에 관련된 것으로, 특히 전기모터와 같은 적용예에 관련된 것이다.
전기모터는 일반적으로 하우징을 포함하고, 그 내부에는 고정된 고정자와 고정자에 회전가능하게 회전자가 장치된다. 모터는 보통 회전자 축의 각 단부에 위치되는 강체 구(rigid ball) 형태의 두 개의 베어링에 의해 회전하도록 장치된다.
"강체 구" 형태의 베어링은 보통 구의 중앙을 가르는 평면에 대해 대칭이 되는 단면 형상을 갖고, 상대적으로 중요하고 완화된 축하중이 될 수 있는 레이디얼 하중에 견디도록 제공되는 환형 베어링 트랙을 갖는다. 두 개의 베어링은 내측 링에 의해 축에 압입끼워맞춤된다.
베어링의 외측 링은 모터 하우징의 원통형 홈에 장착되고, 상기 하우징은 보통 알루미늄 계열 경합금으로 제조된다. 상기 두 개의 베어링 중 하나의 외측 링은 써클립 및/또는 쇼울더와 같은 적절한 수단에 의해 하우징 내에서 축방향으로 움직일 수 없고 또는 상기 하우징 내에 클램핑될 수 있다.
나머지 베어링의 외부링은 하우징 내에서 축방향으로 "자유"상태로, 즉 축 공차를 갖고 장치된다. 사실, 전기모터의 다양한 구성요소들 간의 상이한 팽창작용으로 전기모터의 온도가 상승하는 경우, 하우징에 대해 축방향으로 고정된 제 1 베어링에서 제 2베어링까지의 축방향 거리는 다소 변하게 된다. 따라서, 제 2 베어링은 작동시 상기 하우징에 대해 외측 링이 회전할 수 없게 하면서 하우징에 대한 축방향으로 다소 이동할 수 있어야 한다.
특허 제 FR-A-2 585 095호에서 외측 링의 외주에 가공된 원형 홈에 이중성형된 합성수지 칼라를 갖는 외측 링이 장착된 베어링이 공개되고 있다. 상기 칼라는 베어링의 외측 링의 외측 원통형 면에 대해 반경 방향으로 이동하여 모터의 온도가 상승할 때 외부 베어링이 하우징의 홈에 대해 회전하는 것을 막는다.
경합금으로 제조된 모터 하우징의 팽창계수는 강으로된 베어링의 링보다 약 두배 정도 크다. 따라서, 온도의 상승은 베어링의 외측 링과 하우징 홈 사이의 반경방향 이완에 의해 전달된다. 플라스틱 재료로 만들어진 칼라는 경합금 하우징에 비해 큰 팽창계수를 갖고, 베어링의 내부 마찰 때문에 억제해야할 홈에 대한 외측 링의 불필요한 회전을 일으킨다. 칼라는 베어링의 외경에 비해 큰 외경을 갖는다.
이러한 방식으로, 예를 들어 직경 32mm의 베어링에서, 칼라의 직경에 대한 공차가 +20 에서 +50㎛, 다시말해 +30 에서 +70인 반면 베어링의 외측 링의 직경에 대한 공차는 0 에서 -10㎛이다. 결국, 칼라는 베어링의 외측 링 표면에 대해 반경 방향으로 영구히 이동한다.
상기 장치는 온도가 상승하면서 외측 링이 우발적으로 회전하는 것을 방지하는 데 상대적으로 만족스럽지만 특정 결점을 방지하지는 못한다.
홈에 베어링을 장착하는 데는 상당한 수축이 필요하고 따라서 프레스에서 실시되어야 한다. 칼라는 뒤 쪽 칼라의 외주면에 대해 반경 방향으로 이동하는 외측 링에 배치되기 때문에, 이것은 수축과정에서 칼라가 손상되거나 빠지는 위험을 수반한다. 베어링을 홈에 클램핑하는 것은 다양한 온도에서 상기 충분히 자유로운 베어링을 축방향으로 이동하게 하지 않는다. 결국, 베어링은 특히 중간 및 저온에서 불규칙한 하중을 받게되고 수명이 단축된다.
본 발명의 목적은 상기 다양한 문제를 해결하는 것이다.
본 발명의 목적은 보정 칼라를 구비한 향상된 베어링을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 전기모터의 축방향 단면도,
도 2는 본 발명의 기술사상에 따른 베어링의 정면도,
도 3은 모터에 장착된 도 2의 베어링의 축방향 단면도,
도 4 및 도 5는 각각 고온 및 저온에서 도 3의 세부도면, 및
도 6은 온도와 홈의 변위의 함수로 베어링에 적용되는 축방향 작용력을 나타낸 곡선이다.
* 도면의 주요부분에 대한 설명
1 : 전기모터 2 : 하우징
3 : 고정자 4 : 회전자
10 : 보어 12 : 홈
22 : 내측 링 24 : 외측 링
23,25 : 베어링 트랙 33,34 : 목
35,36 : 칼라
본 발명의 기술사상에 따라, 베어링 장치는 원통형 홈에 맞춰질 외측 링, 상기 링에 형성된 베어링 트랙, 베어링 트랙에 접촉되게 배치된 일련의 구름 요소, 및 외측 링의 외측 원통형 표면으로부터 형성된 원형 목(throat)에 장치된 팽창 보정 칼라를 포함한다.
칼라는 외측 링을 형성하는 재료보다 큰 팽창계수를 갖는 재료로 형성된다. 칼라는 외측 링의 외경 50㎛ 이하에서 외측 링의 외경 20㎛ 사이의 외경을 갖는다.
바람직하게는, 베어링 외측 링의 외경과 경합금 하우징의 홈 사이의 조정은 선택되고 주위 온도에서 정확하게 이루어진다.
본 발명의 한 실시예에서, 칼라 외경의 공차는 호칭직경에 대해 +10 및 -50㎛이고 보다 바람직하게는 10 및 -30㎛이다.
본 발명의 한 실시예에서, 외측 링 외경의 공차는 호칭직경에 대해 0 및 -10㎛이다.
베어링은 바람직하게는 두 개의 외측 링 목에 장치되는 두 개의 보정 칼라를 포함하고, 상기 목들은 축방향으로 이격된다. 베어링은 구름 요소의 중앙을 가로지르는 평면에 대해 대칭형상을 갖는다.
구름 요소와 접촉상태로 외부 베어링 트랙이 제공되는 베어링은 고체 판으로 만들어진 내측 링을 포함한다.
본 발명의 한 실시예에서, 링은 합성재료로 제조된다. 특히 링은 폴리아미드로 제조된다.
베어링은 모터의 회전자 부분과 같은 기계적 기관을 형성하며 원통형 보어가 제공되는 홈에 장치될 수 있다. 홈은 경합금으로 제조될 수 있다.
본 발명의 목적은 하우징, 하우징에 장치된 고정자, 회전자, 및 하우징과 회전자 사이에 장치된 상기한 바와 같은 하나 이상의 베어링을 포함하는 전기모터를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에서, 하우징은 경합금, 특히 알루미늄 및/또는 마그네슘을 포함하는 금속합금으로 제조된다.
본 발명의 한 실시예에서, 칼라의 열팽창 계수는 베어링의 외측 링을 포함하는 재료 및 상기 링의 홈을 포함하는 재료보다 크다.
즉, 칼라의 외주면은 베어링의 외측 링의 원통형 외측 면에 대해 10㎛ 까지 반경 방향으로 돌출하거나 또는 앞의 것에 대해 25㎛까지 수축될 수 있다. 베어링의 외측 링의 외경은 호칭치수에 대해 0 내지 +10㎛의 공차를 갖고 경합금의 홈은베어링 외부링의 외경과 동일한 호칭치수에 대해 0 내지 +16㎛의 공차를 가지며, 외부링에 대한 칼라의 경미한 최대 반경 방향 돌출로 생기는 칼라에 대한 손상없이 홈 내에 베어링을 장치시키는 것이 특히 용이하다.
저온, 특히 0℃ 부근 또는 이하에서, 베어링의 외측 강철링과 하우징의 경합금 홈 사이에 간섭이 발생한다. 상기 간섭은 홈 내에서 베어링 외측 링의 회전을 없게하고 확실히 센터링을 하는 반면에 적당한 축하중 하에서 외부링의 경미한 축방향 운동을 일으킨다.
이와는 반대로, 온도가 상승할 때, 예를 들어 120℃ 까지, 칼라와 홈 사이의 간섭은 베어링 외측 링의 홈에 대한 회전을 없게 하고 확실히 센터링을 한다. 강철 외측 링의 팽창계수는 1.5×10-5이고, 경합금 하우징은 2.3×10-5이며, 보정칼라의 경우는 13×10-5이다. 칼라는 외측 링보다 상당히 많이 팽창하고, 따라서 평균 및 상승된 온도에서 현저한 팽창을 보정한다.
특히, 칼라는 하우징의 홈보다 반경 방향으로 보다 급속히 팽창하고, 따라서 하우징 내에서 베어링 외측 링의 회전을 피하고 베어링과 홈 즉, 모터의 고정자와 회전자 사이에서 확실한 센터링을 하면서 뒤의 것에서 효과적으로 고정된다. 모터의 성능은 모터의 성능을 향상시키는 틈새의 감소와 함께 고정자와 회전사 사이에 존재하는 틈새에 특히 의존하기 때문에 이 마지막 포인트는 특히 중요하다. 틈새가 작아질수록 회전자와 고정자의 센터링의 정확성에 대한 요구가 증가하게 된다.
어떤 적용예에서, 자동차의 방향을 보조하기 위한 상기 전기모터에서는 이러한 요구가 특히 엄격하고, 고정자에 대한 회전자의 센터링 오차는 50㎛를 넘어서는 않된다. 본 발명은 이러한 요구조건을 충족시킨다.
또한, 고온 영역에서, 칼라의 구조는 일시적으로 수정될 수 있고, 칼라는 유연하고 전성이 있어 외측 링에 요구되는 하중 하에서 축방향의 경미한 운동을 하기에 충분하다.
예를 들면, 하기와 같은 기계적 특성을 갖는 PA11 타입의 폴리아미드로 칼라를 제조할 수 있다:
- 20℃에서 탄성계수 2200MPa
- 푸아송비 0.4
- 열팽창계수 13×10-5.
본 발명은 제한적이지 않은 하기 다양한 실시예의 상세한 설명과 첨부된 도면에 의해 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1에 보인 바와 같이, 전기모터(1)는 경합금으로 제조된 하우징(2), 하우징(2)과 일체로 형성된 고정자(3), 로터(4)및 로터(4)가 장착된 축(5)을 포함한다. 하우징(2)은 원통형 부분(6), 원통형 부분(6)의 한 단부에 위치된 방사상 환형 부분(7) 및 원형 형상으로 반대편 단부에 위치되는 방사상 부분(8)을 포함한다.
원통형 보어(10)를 형성하는 축부분(9), 보어에 인접한 쇼울더(11) 및 쇼울더(11) 반대편에 보어(10)를 따라 위치된 홈(12)은 상기 방사상 환형 부분(7)과 일체로 형성된다. 원통형 보어(14)를 형성하는 축부분(13)은 방사상 원판부분(8)과일체로 형성되어 전기모터(1) 내부를 향해 축방향으로 팽창한다. 종래 형식의 베어링(15)은 축 가장자리(9)의 보어(10) 내의 외부링에 의해 장착되고 쇼울더(11)와 홈(12)에 위치된 써클립(16)에 의해 축방향으로 고정된다. 베어링(15)은 축(5)의 외부 원통형 면 상에 내측 링의해 장착되고 축(5) 상에 형성된 쇼울더(17) 및 축(5) 상에 가공된 홈에 장착된 써클립(18)에 의해 축방향으로 고정된다.
베어링(19)은 축(5)의 쇼울더(20)에 접할 때 까지 외측 링에 의한 압축고정의 형식으로 축의 한 단부에 장착된다. 압축고정은 축(5)과 베어링(19)을 확실히 결합시키지만, 예를 들어 축의 단부에 설치되는 써클립과 같이 베어링의 외측 링과 축 사이에 추가적인 결합수단이 있어야 한다. 베어링(19)의 외부링은 축부분(13)에 대한 베어링(19) 외측 링의 상대적 축방향 운동이 선택적으로 가능하게 축부분(13)의 보어(14) 내에 장착된다. 볼은 물론 베어링의 링 또한 강으로 제조되고, 반면 하우징은 예를 들어 알루미늄 계 경합금으로 제조된다.
경합금이 특히 베어링(19)의 외측 링인 강보다 현저히 높은 확장계수를 갖는 바와 같이, 저온의 영역에서 베어링을 손상시키는 축하중을 베어링에 효과적으로 전달하면서 하우징 내에 베어링(19)의 외측 링을 배치하는 데 상당한 축방향 작용력이 필요하다. 반대로, 고온 영역에서, 베어링(19)의 내부 드래그 토크로 인한 하우징에 대한 외측 링의 회전에 의해 과도한 틈새가 전달될 수 있다.
이러한 현상을 피하기 위해, 베어링(19)을 도 3에 도시된 바와 같은 베어링(21)으로 대체한다. 베어링(21)은 환형 베어링 트랙(23)을 갖는 내측 링(22), 환형 베어링 트랙(25)을 갖는 외측 링(24), 일련의 구름요소(26), 이 경우에는 베어링 트랙(23,25) 사이에 합성재료로 만들어진 케이지(27)에 의한 규칙적인 원주 상의 공간에 배열된 볼을 포함한다.
외측 링(24)은 베어링 트랙(25)의 양 측면에 배치되고 금속판으로 제조된 밀봉 플랜지(30,31)를 지지하며 좁은 통로로 밀봉상태를 형성하도록 내측 링(22)의 원통형 스팬에 근접하게 확장하는 두 개의 홈(28,29)을 포함한다.
또한, 외측 링(24)은 두 개의 목(33,34)이 가공되어 있고 및 구름요소(26)의 중앙을 가로지르는 평면에 대해 환형 및 대칭 단면을 가지며 축방향 단면에서는 U 형상을 나타내는 외측 원통형 표면(32)을 포함한다. 예를 들어 폴리아미드 PA11과 같은 합성재료로 제조되어 각각의 목(33,34)에 장착된 각 칼라(35,36)는 외측 링(24)의 원통형 외측 면(32)을 동일 면에 있게 한다.
좀 더 정확하게는, 각각의 칼라(35,36)는 50㎛ 감소한 외측 링(24)의 외경과 20㎛ 증가된 외측 링(24)의 동일한 외경 사이의 외경을 갖는 원통형 외측 면을 갖는다. 이것을 얻기 위해, 칼라(35,36) 외경에 대한 공차는 상기 칼라(35,36)의 호칭치수에 비해 10㎛ 내지 -50㎛ 사이에 있고, 상기 공차는 10내지 -30㎛ 사이인 것이 바람직하다.
호칭치수에 대한 외측 링의 외경에 대한 공차 또한 0 내지 -10㎛로 제공된다. 따라서 주위온도에서, 칼라(35,36)는 외측 링(24)의 외부 면에 대해 돌출하지 않을 것이고, 또는 약간 낮은 온도에서 거의 돌출하지 않아 칼라(35,36)에 힘을 가하거나 손상없이 하우징(2)의 축 가장자리(13)의 보어(14)와 같이 보어 내에 베어링을 압축고정하는 것이 용이할 수 있다.
칼라(35,36)는 홈(33,34)에 몰딩을 주입하여 몰딩될 수 있다. 이러한 방식으로, 칼라는 몰딩 후 도 4에서와 같이 외부 면(32)에 대해 다소 돌출하거나 또는 도 5에서와 같이 다소 오목해질 수 있다.
목(33,34)은 외측 링(24)의 원통형 외측 면(32)이 베어링의 정면 방사상 표면중 하나와 목(33) 사이의 제 1 부분, 목(33,34) 사이의 제 2 부분, 및 목(34)과 제 1 부분과 반대되는 방사상 정면 표면 사이의 제 3 부분으로 이루어지는 세 부분으로 축방향으로 이격된다.
축 가장자리(13)의 보어(14) 내에 베어링(21)을 용이하게 장착하기 위해, 상기 보어는 호칭치수에 대해 0 내지 +16㎛ 사이의 공차를 가질 수 있다. 이것은 베어링을 쉽게 설치할 수 있다는 것을 의미한다.
예를 들어, 외경 50mm 이하의 베어링에서 상기 외경에 대해 0 내지 -10㎛ 사이의 공차가 제공될 수 있고, 반면에 50 내지 80mm의 외경을 갖는 베어링에 대해서는 0 내지 -15㎛의 공차가 제공될 수 있다.
외측 링(22)이 축(5)에 장착될 수 있다.
도 6에서 홈을 형성하는 축 가장자리의 보어 내에서 이동하기 위해 다양한 온도에 따라 베어링에 적용되는 축방향 힘의 변화가 도시된다. 이것은 홈과 칼라가 있는 베어링 사이에 최대 간섭을 제공하는 직경공차를 갖는 외측 호칭직경 32mm의 베어링이다. 따라서, 곡선은 가로축과 상기 곡선 사이의 지역을 한정하는 엔벨로프 곡선이고 내부는 다른 작은 직경 간섭에 대응하는 곡선이다.
0℃ 이하의 온도에서, 경합금 하우징과 베어링의 강철 외부링의 접촉이 압도적이고, 반면 0℃ 이상에서는 경합금 하우징과 보정 칼라의 접촉이 우세하다. 0℃ 이상의 온도에서 축하중은 500N 이하이고, 0 내지 30℃ 사이의 주위온도에서는 400N 내지 500N이다.
20℃의 온도에서 볼때, 하중은 80℃ 부근의 200N이 될 때 까지 온동에 대한 함수로 단순감소한다. 온도가 0℃ 이한인 곳에서, 하중은 온도에대한 함수로 더 큰 경사를 갖고 단순감소하는 경향을 보인다.
본 발명에 의해, 베어링은 저온에서는 손상 없이 용이한 압축고정을 가능하게 하는 베어링의 외측 링의 외부 면에 대해 돌출하지 않고 고온에서는 베어링의 외측 링보다 상당히 큰 홈의 확장이 상기 두 요소의 불연속 회전에 의해 전달되지 않도록 하면서 보정 칼라의 확장으로 압축고정을 유지하는 보정칼라가 있는, 다양한 적용예 특히 전기모터 분야에 완벽하게 적용된다.
따라서, 전기모터는 작은 방사상 틈새를 갖도록 제작되어 성능이 향상된다. 홈에 대한 외측 링의 회전이 모터의 수명에 해로운 것과 마찬가지로 수명에 해로운 과도한 하중을 피할 수 있다.
본 발명의 베어링은 열팽창에 대한 보정 칼라를 구비하여, 베어링의 성능을 향상시키고 불규칙한 축하중으로 인한 수명 단축을 해소할 수 있다.

Claims (11)

  1. 원통형 홈에 끼워지는 외측 링(24), 상기 링에 형성된 베어링 트랙, 베어링 트랙과 접촉하여 배열된 일련의 구름요소(26) 및 외측 링의 외부 원통형 면으로부터 형성된 환형 목(33)에 장치되며 외측 링을 형성하는 재료보다 큰 팽창계수를 갖는 재료로 형성되는 하나 이상의 팽창 보정 칼라(35)를 포함하는 베어링 장치(21)에 있어서,
    상기 칼라는 50㎛ 이하의 외측 링의 외경과 20㎛ 이상의 외측 링의 외경 사이의 외경을 갖는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    칼라의 외경에 대한 공차는 호칭직경에 대해 +10 및 -50㎛ 인 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    칼라의 외경에 대한 공차는 호칭직경에 대해 +10 및 -30㎛인 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외측 링의 외경에 대한 공차는 호칭직경에 대해 0 및 -10㎛인 것을 특징으로하는 베어링 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 장치는 외측 링의 두 개의 목(33,34)에 장착된 두 개의 보정 칼라(35,36)을 포함하고, 상기 목은 축방향으로 이격된 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외측 링은 강으로 제조된 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    칼라는 합성재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  8. 원통형 보어가 제공되는 홈 및 상기 홈에 장착되는 상기 전 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 기계요소.
  9. 제 8 항에 있어서,
    홈은 경합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 기계요소.
  10. 제 9 항에 있어서,
    홈은 알루미늄 또는 마그네슘 계 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 기계요소.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    칼라의 열팽창 계수는 베어링의 외측 링을 포함하는 재료 및 상기 링의 홈을 포함하는 재료보다 큰 것을 특징으로 하는 기계요소.
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