KR20200088282A - 전기 절연 롤링 베어링 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 회전하는 부품(11)을 지지부(12)에 대해 회전 지지하기 위한 전기 절연 롤링 베어링(100)에 관한 것으로, 상기 롤링 베어링은, 내주 측에 형성된 제1 롤링 요소 궤도륜 표면(5)을 갖는 금속성 외부 링(1); 외주 측에 형성된 제2 롤링 요소 궤도륜 표면(6)을 갖는 금속성 내부 링(2); 상기 제1 롤링 요소 궤도륜 표면과 제2 롤링 요소 궤도륜 표면(5, 6) 사이에 롤링 운동을 하도록 배열된 복수의 금속 롤링 요소(3); 외부 링(1) 및/또는 내부 링(2) 및/또는 롤링 요소(3) 상에 적어도 부분적으로 제공되고, 하나 이상의 비전도성 재료로 이루어진 하나 이상의 절연층(9)을 포함하는 절연 코팅(7);을 포함하며, 이 경우 하나 이상의 절연층(9)의 비전도성 재료는, 회전 부품(11)과 지지부(12) 사이에 200메가옴을 초과하는 전기 저항이 존재하도록, 금속 산질화물로 형성된다.
Description
본 발명은, 내주 측에 형성된 제1 롤링 요소 궤도륜 표면을 갖는 금속성 외부 링; 외주 측에 형성된 제2 롤링 요소 궤도륜 표면을 갖는 금속성 내부 링; 제1 롤링 요소 궤도륜 표면과 제2 롤링 요소 궤도륜 표면 사이에 롤링 운동을 하도록 배열된 복수의 금속 롤링 요소; 외부 링 및/또는 내부 링 및/또는 롤링 요소 상에 적어도 부분적으로 제공되고, 하나 이상의 비전도성 재료로 이루어진 하나 이상의 절연층을 구비한 절연 코팅;을 포함하는, 지지부에 대해 회전하는 부품을 회전 지지하기 위한 전기 절연 롤링 베어링에 관한 것이다.
본 발명의 사용 분야는 특히, 회전하는 부품, 예를 들어 샤프트가 지지부, 예를 들어 하우징에 대해 회전 지지될 수 있는 용례로 확대되고 있다. 이 경우, 운동 역학적 반전의 범주에서, 지지부가 예를 들어 고정형 샤프트로서 형성될 수도 있으며, 이러한 고정형 샤프트에 대해 회전형 부품, 예를 들어 기어 휠이 회전한다. 본 발명의 관심 대상인 유형의 롤링 베어링은, 모든 통상적인 롤링 베어링 타입, 특히 볼 롤링 베어링, 배럴 롤링 베어링, 원통형 롤링 베어링 또는 테이퍼 롤링 베어링을 포함한다.
상기 유형의 롤링 베어링이 전류를 안내하거나 발생시키는 용례에 사용되는 경우, 예를 들어 롤링 베어링형 회전자가 장착된 전기 모터에 사용되는 경우, 대개는 구조적인 경계 조건의 범주에서, 지지부에 대해 회전하는 부품의 절연 파괴(electric breakdown)가 방지되어야 한다. 이러한 목표는, 일반적인 유형의 전기 절연 롤링 베어링에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 범주에서 "전기 절연" 롤링 베어링이란, 롤링 베어링의 부품을 통한 전류 흐름, 즉, 외부 링이 배치되어 있는 제1 연결 부품으로부터, 롤링 요소를 거쳐 내부 링으로 그리고 계속해서 내부 링이 배치되어 있는 제2 연결 부품으로의 전류 흐름이 롤링 베어링의 영역에 있는 절연 코팅에 의해 중단되는 롤링 베어링으로서 이해된다. 이 경우, 상기 두 연결 부품은 예를 들어 회전 부품과 지지부이다.
EP 0 417 744 A2호는 전기 절연 미끄럼 베어링에 근거하며, 이 미끄럼 베어링의 절연층은, 롤링 베어링의 외부 링을 둘러싸는 탄성 중합체 재료 층으로 구성된다. 이 경우, 탄성 중합체 재료 층은, 0.1 내지 2㎜의 두께 및 80A 내지 60D의 쇼어 경도 그리고 100메가옴 이상의 전기 저항을 갖는 절연 필름으로서 형성된다. 이와 같이 외주연을 둘러싸는 절연 코팅의 제공은, 롤링 베어링의 외부 기하 치수, 특히 직경의 불리한 확대를 초래하며, 이러한 문맥에서 절연층의 재료 특성에 좌우되는, 지지 부재 내에서의 외부 링의 고착 상태도 악화시킨다.
EP 2 815 143 A1호로부터, 본 발명과 관련해서 종래 기술에 속하는 전기 절연 롤링 베어링을 위한 또 다른 기술적 해결책이 도출되며, 여기서는 서로 부합하는 롤링 요소 궤도륜 표면들 중 적어도 하나에 절연 코팅이 제공됨으로써 전술한 단점이 제거된다. 그 외에, 롤링 요소를 상응하게 코팅하는 것도 제안된다. 이러한 맥락에서 절연 코팅이 롤링 베어링의 롤링 영역에 직접 배치되기 때문에, 절연 코팅은 롤링 베어링 작동 중에 기계 부하에 노출된다. 절연 코팅의 상응하는 디자인 및 재료 선택에 의해, 마찰 공학적 특성의 개선 또는 마모 방지가 성취되는 점도 명시되어 있다. 이와 관련하여, 이미 공지된 절연 코팅은 산화물 세라믹으로 이루어진, 예를 들어 Al2O3, SiO2, TiO2 또는 ZrO로 이루어진 절연층을 포함한다. 이와 같은 산화물 세라믹은 한 편으로는 전기 절연체이고, 다른 한 편으로는 특히 마모 방지에 유리한 소정의 기계 부하 수용 능력도 발휘한다. 코팅은, 롤링 요소 궤도륜 표면에 박층 형태로 도포되고, 이러한 점에서 롤링 베어링의 기하 치수에 영향을 미치지 않는다. 하지만, 실제로 롤링 요소 궤도륜 표면에 산화물 세라믹 박층을 적층하는 것은 상당히 복잡하고, 산화물 세라믹 층은 깨지기가 쉽다.
그렇기 때문에, 본 발명의 과제는, 제조 기술적으로 재생 가능하게 간단한 방식으로 효과적인 전기 절연 효과가 달성될 정도로, 절연 코팅을 구비한 전기 절연 롤링 베어링을 더욱 개선하는 것이다.
상기 과제는, 청구항 1의 특징부의 특징들과 연계된 청구항 1의 전제부에 따른 전기 절연 롤링 베어링을 전제로 해결된다. 청구항 1에 후속하는 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 재현한다.
지지부에 대해 회전하는 부품을 회전 지지하기 위한 본 발명에 따른 전기 절연 롤링 베어링은,
- 내주 측에 형성된 제1 롤링 요소 궤도륜 표면을 갖는 금속성 외부 링,
- 외주 측에 형성된 제2 롤링 요소 궤도륜 표면을 갖는 금속성 내부 링,
- 제1 롤링 요소 궤도륜 표면과 제2 롤링 요소 궤도륜 표면 사이에 롤링 운동을 하도록 배열된 복수의 금속 롤링 요소,
- 외부 링 및/또는 내부 링 및/또는 롤링 요소 상에 적어도 부분적으로 제공되고, 하나 이상의 비전도성 재료로 이루어진 하나 이상의 절연층을 구비한 절연 코팅
을 포함하며, 이 경우,
- 하나 이상의 절연층의 비전도성 재료는, 회전 부품과 지지부 사이에 200메가옴을 초과하는 전기 저항이 존재하도록, 금속 산질화물(metal oxynitride)로 형성된다.
금속 산질화물로 이루어진 하나 이상의 절연층을 포함하는 상기와 같은 절연 코팅은, 회전 부품 및 지지부와 같은 연결 부품들 사이에 탁월한 전기 절연을 구현하는 것을 가능하게 한다. 이와 같은 절연 코팅의 높은 기계 부하 수용 능력에 의해, 상기 절연 코팅은 롤링 베어링의 마찰 공학적 접촉 부하를 받는 구역에서도 사용될 수 있다. 이 경우, 전기 절연 롤링 베어링의 높은 수명이 달성된다. 또한, 절연 코팅이 바람직한 박층 기법에 의해, 거의 설치 공간 중립적으로 도포될 수 있음으로써, 제조의 범주에서 롤링 베어링의 디자인 변경 또는 롤링 베어링의 추후 가공이 불필요하게 된다.
장점은 특히, 절연층의 이미 공지된 재료로서의 산화물 세라믹과 달리, 금속 산질화물의 전기적 특성과 기계적 특성 및 이와 더불어 마찰 공학적 특성까지도, 산소 대 질소의 명시된 비율 및 결합 파트너로서 사용된 금속에 의해 매우 정확하게 조정될 수 있다는 데 있다. 실험을 통해, 상기와 같은 장점으로 인해 폭넓은 전기적 및 기계적 특성값 스펙트럼을 갖는 전기 절연 롤링 베어링이 간단한 방식으로 제조될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
절연 코팅은 하나 이상의 절연층을 포함하며, 이 경우 단 하나의 절연층이 존재할 수도 있고, 동일하거나 상이한 조성의 금속 산질화물로 이루어진 복수의 절연층이 존재할 수도 있다.
바람직하게는, 금속 산질화물의 금속 성분이 Cr, Al, Ta, Si, Ti, V, Zr, Hf, Nb, Mo, La, Ce, Y 및 W(원소 주기율표에 상응하는 약어들)를 포함하는 그룹의 하나 이상의 금속으로부터 선택된다. 적합한 금속 산질화물의 예는 AlON, SiAlON, CrON이다.
금속성 외부 링 또는 내부 링에 대한 절연 코팅의 접착성을 최대화하기 위하여, 본 발명을 개선하는 또 다른 일 조치에 따라, 절연 코팅이 외부 링 또는 내부 링의 금속성 표면에 인접하여 접착제 층을 포함하는 구성이 제안된다.
이 경우, 접착제 층은 바람직하게 금속, 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 붕소화물, 금속 산화물, 전기 전도성 금속 산질화물, 금속 규화물을 포함하는 재료 그룹으로부터 선택된 접착제 재료로 이루어진다. 실험을 통해, 특히 이러한 금속 화합물이 금속성 표면에 대한 절연 코팅의 접착성의 개선을 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다.
추가로 또는 대안적으로, 이러한 접착제 층은 롤링 요소의 금속성 표면에 대한 절연 코팅의 접착성을 개선하기 위해 롤링 요소의 영역에서도 사용될 수 있다.
선택적으로, 절연 코팅은, 특히 마찰 공학적 특성을 개선하기 위하여, 하나 이상의 절연층 상에 제공된 커버층도 포함할 수 있다. 바람직하게, 이러한 커버층은 비정질 탄소층으로서, 특히 수소 함유 비정질 탄소층으로서 형성되거나, 무수소(hydrogen-free) 비정질 탄소 층으로서도 형성된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 절연층은 10마이크로미터 이하의 층 두께로 형성된다. 특히, 상기 두께 범위의 최대값에서는, 높은 수준의 전기 절연 및 그와 동시에 높은 수명이 달성되면서도 층 두께가 충분히 얇게 유지됨으로써, 롤링 베어링에 전기 절연 특성을 부여하기 위하여 상기 롤링 베어링의 디자인을 변경할 필요가 없어진다.
접착제 층 및/또는 커버층이 존재하는 경우에는, 절연 코팅의 전체 층 두께를 최대 15마이크로미터로 정하는 것이 바람직하다. 롤링 베어링의 영역에 배치된 이와 같은 절연 코팅에 의해, 요구되는 200메가옴 이상의 전기 저항이 생성될 수 있다.
원하는 사양을 설정하기 위하여, 금속 산질화물로 이루어진 하나 이상의 절연층을 위한 재료 선택 및 층 두께를 통해, 하나 이상의 절연층의 전기 저항을 변동시킬 수 있다. 이때, 산소 대 질소의 비율 변화를 통해 절연층의 전기 저항이 변동될 수 있으며, 이 경우 산소 함량의 증가가 전기 저항의 상승을 유도한다. 질소 함량의 증가가 절연층의 취성을 감소시킴으로써, 롤링 하중을 받는 롤링 베어링의 표면 영역에서의 사용이 가능해진다.
또한, 가급적, 선택적인 접착제 층, 하나 이상의 절연층 및 선택적인 커버층을 포함하는 층들 모두의, 또는 그 중 일부 층의 둘레에, 박층 기법을 이용해서 절연 코팅을 도포하는 것도 제안된다. 이 경우, 특히 이미 공지되어 있는 PVD 기법 또는 PACVD 기법(PVD = Physical Vapour Deposition; PACVD = Plasma-Assistant Chemical Vapour Deposition)이 적합한 것으로 입증되었다. 이로써, 충분히 얇은 고품질 층을 도포하기 위하여, 절연 코팅의 기상 증착이 수행될 수 있다.
본 발명을 개선하는 또 다른 조치들이 이하에서 도면들에 기초한 본 발명의 바람직한 일 실시예의 상세한 설명과 함께 더 상세하게 기술된다.
도 1은 원통형 롤링 베어링 형태의 전기 절연 롤링 베어링의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 롤링 베어링의 내부 코팅된 외부 링의 개략적 세부 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 롤링 베어링의 내부 코팅된 외부 링의 개략적 세부 단면도이다.
도 1에 따라, 본 실시예의 전기 절연 롤링 베어링(100)은 레이디얼 베어링으로서 형성되어 있고, 실질적으로 외부 링(1), 내부 링(2) 그리고 이들 링 사이에 배열된 롤링 요소(3)로 구성되며, 이들 부재는 케이지(4) 내에 보유된다. 본 실시예에서 케이지(4)는 플라스틱 재료로 형성된 한편, 외부 링(1), 내부 링(2) 및 롤링 요소(3)는 경화강으로 제조되었고, 이로써 재료로 인해 전기 전도성을 갖는다.
이와 관련하여 금속성 외부 링(1)의 내주 측에는, 제1 롤링 요소 궤도륜 표면(5)이 형성되어 있다. 그에 상응하게, 내부 링(2)의 외주 측에는 제2 롤링 요소 궤도륜 표면(6)이 형성되어 있다. 상기 두 롤링 요소 궤도륜 표면(5 및 6)은, 본 실시예에서 원통형 롤러로 형성된 롤링 요소(3)의 형상에 매칭되어 있다.
본 실시예에서는, 제1 롤링 요소 궤도륜 표면(5) 상에 이하에서 기술되는 절연 코팅(7)(도 2 참조)이 도포되어 있다. 또는, 절연 코팅(7)이 대안적으로 외부 링(1)의 외부 면에도 도포될 수 있다.
롤링 베어링(100)은, 지지부(12)에 대해 회전하는 부품(11)을 회전 지지하도록 설계되어 있으며, 이 경우 본 실시예에서 내부 링(2)은 회전 부품(11)에 고정되어 있고, 지지부(12)는 외부 링(1)에 고정되어 있다. 그러나 본원의 한 대안 실시예에서는, 이와 반대로, 회전하는 부품이 외부 링(1)에 고정되고, 지지부(11)가 내부 링에 고정될 수도 있다.
도 2에 따르면, 본 실시예에서 예시적으로 외부 링(1)을 참조하여 기술된 절연 코팅(7)이, 먼저 외부 링(1)의 강재 금속성 표면(13)에 제공된 선택적인 접착제 층(8)으로 이루어지며, 이 접착제 층(8)은 본 실시예에서 접착 촉진 금속, 여기서는 특히 크롬으로 이루어진다. 선택적인 접착제 층(8) 상에는, 금속 산질화물 형태의 하나 이상의 비전도성 재료로 이루어진 절연층(9)이 제공된다. 본 실시예에서는 금속 산질화물로서 예를 들어 SiAlON이 사용된다. 절연층(9)은, 본 실시예에서 8마이크로미터의 두께를 갖는다. 절연 코팅(7)은, 절연 코팅(7)의 마찰 공학적 특성을 개선하기 위해, 하나 이상의 절연층(9) 상에 제공되고 수소 함유 비정질 탄소로 이루어진 선택적 커버층(1)을 더 포함한다.
본 실시예에서, 선택적 접착제 층(8), 하나 이상의 절연층(9) 및 선택적 커버층(10)은 바람직하게 각각 박층 기법에 의해 기상 증착되며, 이 경우 절연 코팅(7)을 위한 15마이크로미터의 전체 층 두께는 초과되지 않는다.
본 발명은 전술한 실시예로 한정되지 않는다. 따라서 예를 들어, 도 2에 참조 부호 "3"으로 표시되어 있는 바와 같이, 절연 코팅(7)을 추가로 또는 대안적으로 롤링 베어링(100)의 롤링 요소(3) 상에 제공하는 것도 가능하다. 마찬가지로, 대안적으로 또는 추가로, 도 2에 참조 부호 "2"로 표시되어 있는 바와 같이, 절연 코팅(7)을 내부 링(2)에, 특히 내부 링(2)의 롤링 요소 궤도륜 표면(6)에 제공하는 것도 가능하다.
당연히, 다른 횡단면 형상을 갖는 롤링 요소(3)도 고려될 수 있다. 하나 이상의 절연층(9)이 재료에 기인하여 금속성 기판과 연계하여 충분한 접착 강도를 갖는 경우에는, 접착제 층(8)이 생략될 수 있다. 이와 관련하여, 하나 이상의 절연층(9)의 증착은, 외부 링(1) 및/또는 내부 링(2) 및/또는 롤링 요소(3)의 금속성 표면(13)에 직접 수행된다.
이 경우, 절연 코팅(9)이 외부 링(1)의 외주연면에 그리고/또는 내부 링(2)의 내주연면에 배치될 수도 있다.
접착제 층(8)이 없고 커버층(10)이 없다면, 단순한 1층 시스템이 생성될 것이다. 원하는 사양에 따라 하나 이상의 절연 코팅(7)의 마찰 공학적 특성이 개선되어야 하는 경우, 예를 들어 접착제 층(8) 및/또는 커버층(10)의 추가 증착에 의해, 2층 시스템으로서의 형성도 가능하다. 본 실시예는 레이디얼 베어링을 지향하고 있지만, 당연히 다른 타입의 롤링 베어링도 본 발명에 따라 장착될 수 있다.
1: 외부 링
2: 내부 링
3: 롤링 요소
4: 케이지
5: 제1 롤링 요소 궤도륜 표면
6: 제2 롤링 요소 궤도륜 표면
7: 절연 코팅
8: 접착제 층
9: 절연층
10: 커버층
11: 회전하는 부품 또는 지지부
12: 지지부 또는 회전하는 부품
13: 금속성 표면
100: 롤링 베어링
2: 내부 링
3: 롤링 요소
4: 케이지
5: 제1 롤링 요소 궤도륜 표면
6: 제2 롤링 요소 궤도륜 표면
7: 절연 코팅
8: 접착제 층
9: 절연층
10: 커버층
11: 회전하는 부품 또는 지지부
12: 지지부 또는 회전하는 부품
13: 금속성 표면
100: 롤링 베어링
Claims (10)
- 회전하는 부품(11)을 지지부(12)에 대해 회전 지지하기 위한 전기 절연 롤링 베어링(100)으로서,
- 내주 측에 형성된 제1 롤링 요소 궤도륜 표면(5)을 갖는 금속성 외부 링(1),
- 외주 측에 형성된 제2 롤링 요소 궤도륜 표면(6)을 갖는 금속성 내부 링(2),
- 상기 제1 롤링 요소 궤도륜 표면과 제2 롤링 요소 궤도륜 표면(5, 6) 사이에 롤링 운동을 하도록 배열된 복수의 금속 롤링 요소(3),
- 외부 링(1) 및/또는 내부 링(2) 및/또는 롤링 요소(3) 상에 적어도 부분적으로 제공되고, 하나 이상의 비전도성 재료로 이루어진 하나 이상의 절연층(9)을 포함하는 절연 코팅(7)을 포함하는, 전기 절연 롤링 베어링에 있어서,
- 하나 이상의 절연층(9)의 비전도성 재료는, 회전 부품(11)과 지지부(12) 사이에 200메가옴을 초과하는 전기 저항이 존재하도록, 금속 산질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링(100). - 제1항에 있어서, 금속 산질화물의 금속 성분이 Cr, Al, Ta, Si, Ti, V, Zr, Hf, Nb, Mo, La, Ce, Y 및 W를 포함하는 그룹의 하나 이상의 금속으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 절연 코팅(7)이 외부 링(1) 및/또는 내부 링(2)의 금속성 표면(13)에 인접하여 접착제 층(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 절연 코팅(7)이 각각의 롤링 요소(3)의 금속성 표면(13)에 인접하여 접착제 층(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 접착제 층(8)이 금속, 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 붕소화물, 금속 산화물, 전기 전도성 금속 산질화물, 금속 규화물을 포함하는 재료 그룹으로부터 선택된 접착제 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 절연 코팅(7)이, 하나 이상의 절연층(9) 상에 제공되고 비정질 탄소로 이루어진 커버층(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 절연층(9)이 0마이크로미터 초과, 10마이크로미터 이하의 범위 내에 있는 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
- 제1항 내지 제7항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 절연층(9)을 포함하고, 선택적으로 접착제 층(8) 및/또는 커버층(10)을 더 포함하는 절연 코팅(7)이 0마이크로미터 초과, 15마이크로미터 이하의 범위 내에 있는 전체 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
- 제1항 내지 제8항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 절연 코팅(7)이 PVD 기법 또는 PACVD 기법에 의해 적어도 부분적으로 도포되는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
- 제1항 내지 제9항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 절연 코팅(7)이 적어도 금속성 외부 링(1)의 제1 롤링 요소 궤도륜 표면(5) 상에, 그리고/또는 적어도 금속성 내부 링(2)의 제2 롤링 요소 궤도륜 표면(6) 상에, 그리고/또는 적어도 롤링 요소(3)의 금속성 표면(13) 상에 제공되는 것을 특징으로 하는, 전기 절연 롤링 베어링.
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