WO2021166394A1

WO2021166394A1 - 空気動圧軸受モータ

Info

Publication number: WO2021166394A1
Application number: PCT/JP2020/046674
Authority: WO
Inventors: 雅俊大林; 恭佑笹生; 中田　佑希; 内田　俊哉
Original assignee: 日本電産コパル電子株式会社
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2021-08-26
Also published as: JP2021136699A; CN115136472A; JP7387487B2

Abstract

空気動圧軸受モータ（１０）は、シャフト（１）と、シャフト（１）の空気動圧によるラジアル方向の軸受を構成し、側面に溝（２１）が形成された円筒形状の軸受スリーブ（２）と、軸受スリーブ（２）の側面に隣接して設けられ、固定子を構成する巻線コア（５）と、溝（２１）に塗布され、軸受スリーブ（２）と巻線コア（５）を接着する接着剤（６）とを備え、軸受スリーブ（２）と巻線コア（５）との間に、溝（２１）の接着剤（６）が塗布されていない部分による第１の隙間が形成され、軸受スリーブ（２）の溝（２１）でない側面と巻線コア（５）との間に、巻線コア（５）の同軸精度を出すための第２の隙間が形成される。

Description

空気動圧軸受モータ

　本発明の実施形態は、空気動圧軸受モータに関する。

　一般に、空気動圧軸受を用いたモータである空気動圧軸受モータが知られている。例えば、空気動圧軸受モータを備え、熱膨張を考慮して耐久性を向上させた軸流ファンが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

　しかしながら、空気動圧軸受を構成する軸受スリーブは、熱膨張率の差により巻線コアと接触することで変形することがある。このような軸受スリーブの変形は、空気動圧軸受性能を低下させる。

特開２０１９－６０２８０号公報

　本発明の実施形態の目的は、熱膨張を考慮した空気動圧軸受を備える空気動圧軸受モータを提供することにある。

　本発明の実施形態に係る空気動圧軸受モータは、シャフトと、前記シャフトの空気動圧によるラジアル方向の軸受を構成し、側面に溝が形成された円筒形状の軸受スリーブと、前記軸受スリーブの側面に隣接して設けられ、固定子を構成するコアと、前記溝に塗布され、前記軸受スリーブと前記コアを接着する接着剤とを備え、前記軸受スリーブと前記コアとの間に、前記溝の前記接着剤が塗布されていない部分による第１の隙間が形成され、前記軸受スリーブの前記溝でない側面と前記コアとの間に、前記コアの同軸精度を出すための第２の隙間が形成される。

図１は、本発明の第１実施形態に係るモータの構成を示す断面図である。図２は、第１実施形態に係るモータのコアの形状の一例を示す斜視図である。図３は、第１実施形態に係るモータの巻線コアが軸受スリーブの側面に接着される前の状態を示す状態図である。図４は、第１実施形態に係るモータの巻線コアが軸受スリーブの側面に接着される途中の状態を示す状態図である。図５は、第１実施形態に係る接着部の隙間の幅による軸受スリーブの変形抑制効果を示すグラフ図である。図６は、第１実施形態に係る接着剤の硬度による軸受スリーブの変形抑制効果を示すグラフ図である。図７は、本発明の第２実施形態に係るモータの構成を示す断面図である。図８は、本発明の第３実施形態に係るモータの構成を示す断面図である。

　（第１実施形態）　
　図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ１０の構成を示す断面図である。図面において、同一部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。　
　モータ１０は、空気動圧軸受を採用した空気動圧軸受モータである。例えば、モータ１０は、軸流ファンに用いられる。具体的には、モータ１０の駆動により回転するようにインペラー等の羽根が設けられることで、軸流ファンが構成される。なお、モータ１０は、軸流ファンに限らず、どのような装置に設けられてもよい。

　モータ１０は、シャフト１、軸受スリーブ２、スラスト軸受部３、ハブ４、巻線コア５、及び、接着剤６を備える。

　シャフト１は、回転体の回転軸であり、回転軸方向を長手方向とする円柱形状である。シャフト１は、軸受スリーブ２に回転可能に挿入される。

　軸受スリーブ２は、内部に挿入されたシャフト１をモータ１０の回転の中心に維持するように設けられる。軸受スリーブ２は、回転軸方向を長手方向とする円筒形の側面に溝２１が形成された形状である。例えば、軸受スリーブ２の材質は、ステンレス鋼材（ＳＵＳ）又は黄銅である。

　軸受スリーブ２は、シャフト１がラジアル方向に変動するのを抑制するための空気動圧軸受である。シャフト１が回転すると、シャフト１の周りの空気動圧により、シャフト１と軸受スリーブ２の隙間が一定に保たれることで、シャフト１の変動が抑制される。したがって、シャフト１の回転時では、シャフト１と軸受スリーブ２は、非接触に保たれる。

　溝２１は、巻線コア５を接着するための接着剤６が塗布される箇所である。溝２１は、軸受スリーブ２の側面の円周周りに形成される。溝２１は、軸受スリーブ２の側面の全周に渡り形成された１つの溝でもよいし、巻線コア５が接着される箇所毎に形成された複数の溝でもよい。溝２１は、回転軸方向に、巻線コア５の上端よりも少し下からハブ４の上端まで形成される。

　スラスト軸受部３は、シャフト１のスラスト方向の変動を抑制する軸受を構成する部分である。スラスト軸受部３は、固定マグネット３１及び回転マグネット３２で構成される。固定マグネット３１は、固定子側（例えば、ハブ４）に設けられる。回転マグネット３２は、シャフト１の回転中心部から突き出た凸部１１周側側面を覆うように設けられる。固定マグネット３１と回転マグネット３２の引力により、シャフト１のスラスト方向の変動が抑制される。なお、スラスト軸受部３は、永久磁石による軸受のようにシャフト１が非接触に保たれる非接触型としたが、接触型でもよい。また、スラスト軸受部３は、無くてもよい。

　ハブ４は、モータ１０の底面に位置し、軸受スリーブ２の下部を支持するように設けられる。ハブ４は、全体的に高さの低い円筒形状である。ハブ４の上部には、軸受スリーブ２の下部が圧入される。なお、ハブ４は、軸受スリーブ２を支持するような構成であれば、どのような構成でもよいし、いくつの部材で構成されてもよい。また、ハブ４を軸受スリーブ２に圧入して組み立てても、温度変化による変形の影響を小さくなるように、ハブ４は、軸受スリーブ２と線膨張係数が同一又は近い材料にする等の設計がされることが望ましい。

　巻線コア５は、モータ１０の固定子を構成し、コア（鉄心）にコイルが巻かれた部材である。巻線コア５は、軸受スリーブ２の側面が中央の穴に嵌まるように配置される。これにより、軸受スリーブ２の側面の円周周りに巻線コア５の内周面が隣接する。巻線コア５の側面には、円周上に等間隔で径方向にコアとなる突き出た部分が設けられる。この突き出た部分のそれぞれにコイルが巻かれる。巻線コア５の内周側の下端面がハブ４の上端と合わさるように接触することで、巻線コア５の直角精度が出される。なお、巻線コア５は、いくつ設けられてもよい。また、巻線コア５のコア５１は、薄い板を回転軸方向に積み重ねて形成し、渦電流損失を抑制する構造でもよい。例えば、巻線コア５の材質は、ケイ素鋼板である。

　図２を参照して、巻線コア５を構成するコア５１の形状の一例を説明する。　
　コア５１は、円筒形状部５１１及び複数の巻き芯５１２で構成される。円筒形状部５１１は、軸受スリーブ２の外周に嵌まるように円筒形状に形成される。巻き芯５１２は、円筒形状部５１１の側面から円周上に等間隔で突き出るように形成される。図２では、９つの巻き芯５１２が形成されたコア５１を図示しているが、いくつ設けられてもよい。各巻き芯５１２にコイルが巻かれることで、巻線コア５が形成される。

　接着剤６は、軸受スリーブ２と巻線コア５を接着するための接着剤であり、温度変化による巻線コア５の変形により生じる外力を、軸受スリーブ２の側面に伝えないようにするための緩衝材の機能を有する。接着剤６は、緩衝材の機能を持たせるために、硬化しても所定の弾性を持つ材質を採用する。接着剤６の硬度は、デュロメータ硬度で、Ａ３０以上Ａ８０以下が望ましい。

　軸受スリーブ２の側面と巻線コア５の間には、インロー部Ｐ１、非接着部Ｐ２、及び、接着部Ｐ３が形成され、軸受スリーブ２の側面とハブ４の内周面との間には、圧入部Ｐ４が形成される。

　インロー部Ｐ１は、巻線コア５の同軸精度を出すための部分である。例えば、インロー部Ｐ１の隙間は、約０．０２ｍｍであり、インロー部Ｐ１の垂直方向の長さは、０．５ｍｍ以上が望ましい。

　非接着部Ｐ２は、軸受スリーブ２の側面の溝２１で、接着剤６が塗布されていない部分である。非接着部Ｐ２は、インロー部Ｐ１に接着剤６が流れないようにするための隙間である。非接着部Ｐ２の垂直方向の長さは、０．５ｍｍ以上が望ましい。非接着部Ｐ２は、インロー部Ｐ１と接着部Ｐ３との間に少なくとも１つ設けられていれば、何処にいくつ設けられてもよい。

　接着部Ｐ３は、軸受スリーブ２の側面の溝２１で、接着剤６が塗布されている部分である。接着部Ｐ３は、温度変化による巻線コア５の変形により生じる外力を、接着剤６の弾性により軸受スリーブ２の側面に伝えないようにするための緩衝部分である。接着部Ｐ３の隙間は、０．０３ｍｍ以上０．２ｍｍ以下が望ましい。接着部Ｐ３は、いくつ設けられてもよい。

　圧入部Ｐ４は、軸受スリーブ２がハブ４に圧入されることで、軸受スリーブ２と外周面とハブ４の内周面が密着する部分である。これにより、軸受スリーブ２がハブ４に固定される。

　ここで、ハブ４は、材料及び形状の自由度が高い。このため、ハブ４を軸受スリーブ２に圧入して組み立てても、温度変化による変形の影響を小さくなるように、ハブ４は、軸受スリーブ２と線膨張係数が同一又は近い材料にする等の設計がされる。

　図３及び図４を参照して、接着剤６により、巻線コア５を軸受スリーブ２の側面に接着する方法について説明する。
　図３は、巻線コア５が軸受スリーブ２の側面に接着される前の状態を示す状態図である。図４は、巻線コア５が軸受スリーブ２の側面に接着される途中の状態を示す状態図である。

　まず、図３に示すように、軸受スリーブ２がハブ４に圧入され状態で、溝２１に接着剤６を塗布する。塗布された接着剤６の盛り上がりの高さは、接着部Ｐ３の隙間（又は、溝２１の深さ）よりも大きくする。即ち、接着剤６の最も高い部分が、溝２１が形成されていない軸受スリーブ２の側面の高さを超えるようにする。

　次に、図４に示すように、巻線コア５を軸受スリーブ２の上から被せるように装着する。これにより、巻線コア５の下端部で接着剤６が溝２１の上で引き延ばされることで、接着部Ｐ３の隙間を埋めるように、接着剤６が充填される。また、接着剤６は、下方に引き延ばされるため、インロー部Ｐ１の隙間に接着剤６が入り込むことはない。

　図５及び図６を参照して、温度変化による軸受スリーブ２の内径変化の検証結果について説明する。
　図５は、接着部Ｐ３の隙間の幅による軸受スリーブ２の変形抑制効果を示すグラフ図である。プラスは内径広がり、マイナスは内径締まりを示す。

　検証条件は、巻線コア５の材質をケイ素鋼板、軸受スリーブ２の内径寸法を直径８ｍｍ、基準温度を２３℃、内径変化後の確認温度を８０～８５℃で行った。

　サンプルＳ１は、接着部Ｐ３の隙間を０．０２ｍｍとし、サンプルＳ２は、接着部Ｐ３の隙間を０．０５ｍｍとし、サンプルＳ３は、接着部Ｐ３の隙間を０．１ｍｍとしている。

　図５に示すように、接着部Ｐ３の隙間を大きくするほど、軸受スリーブ２の内径変化が抑制されることが分かる。

　図６は、接着剤６の硬度による軸受スリーブ２の変形抑制効果を示すグラフ図である。プラスは内径広がり、マイナスは内径締まりを示す。

　検証条件は、巻線コア５の材質をケイ素鋼板、軸受スリーブ２の内径寸法を直径９ｍｍ、接着部Ｐ３の隙間を０．１ｍｍ、基準温度を２３℃、内径変化後の確認温度を８５℃で行った。

　サンプルＳ４は、接着剤６の硬度をＡ９０とし、サンプルＳ５は、接着剤６の硬度をＡ７０とし、サンプルＳ６は、接着剤６の硬度をＡ３０としている。なお、硬度は、デュロメータ硬度で示している。

　図６に示すように、接着剤６の硬度を低くするほど、軸受スリーブ２の内径変化が抑制されることが分かる。

　本実施形態によれば、軸受スリーブ２の側面に、接着剤６を塗布するための溝２１を設け、接着剤６により軸受スリーブ２の側面に巻線コア５を接着することで、温度変化による軸受スリーブ２の変形を抑制することができる。これにより、モータ１０の駆動中に巻線コア５が高温になっても、空気動圧軸受の性能の低下を抑制することができる。

　巻線コア５の内周側上端部分と軸受スリーブ２の溝２１よりも上部にある部分との間に、インロー部Ｐ１を設けることで、巻線コア５の同軸精度を出すことができる。また、図３及び図４に示すようにモータ１０を製造することで、インロー部Ｐ１が接着剤６で埋まることを防ぐことができる。なお、インロー部Ｐ１は、巻線コア５の内周側下端部分と軸受スリーブ２の溝２１よりも下部にある部分との間に設けてもよい。

　ここで、ハブ４は、材料及び形状の自由度が高い。このため、ハブ４は、軸受スリーブ２と線膨張係数が同一又は近い材料にする等、温度変化による変形の影響を抑制するように、材料又は形状を決定することができる。一方、コア５１は、モータを構成する回転子の役割があるため、材料及び形状に制約がある。したがって、コア５１は、ハブ４と同様の対策をすることはできない。このように制約のあるコア５１でも、本実施形態のように構成することで、温度変化による変形の影響を抑制するように、軸受スリーブ２に固定することができる。

　（第２実施形態）　
　図７は、本発明の第２実施形態に係るモータ１０Ａの構成を示す断面図である。
　モータ１０Ａは、図１に示す第１実施形態に係るモータ１０において、軸受スリーブ２を軸受スリーブ２Ａに代えたものである。軸受スリーブ２Ａは、第１実施形態に係る軸受スリーブ２において、溝２１を下側（ハブ４側）に延ばした溝２１Ａを形成したものである。即ち、溝２１Ａは、巻線コア５の下側からはみ出るように形成される。その他の点は、第１実施形態と同様である。

　軸受スリーブ２Ａがハブ４に圧入された状態では、溝２１Ａの下側部分がハブ４に入り込むことで、軸受スリーブ２Ａの側面とハブ４の内周面との間に、非接着部Ｐ５が形成される。非接着部Ｐ５の下には、圧入部Ｐ４が位置する。その他の点は、第１実施形態と同様である。

　非接着部Ｐ５は、巻線コア５の上部に位置する非接着部Ｐ２と同様に、温度変化による巻線コア５の変形により生じる外力を軸受スリーブ２の側面に伝えないようにするための緩衝部分となる。非接着部Ｐ５の一部又は全部に接着剤６が充填されてもよい。この場合であっても、ハブ４の側面は、巻線コア５と比較して薄肉であるため、軸受スリーブ２Ａを変形させるような外力は発生し難い。

　本実施形態によれば、ハブ４の内部に挿入される部分まで延びる溝２１Ａを軸受スリーブ２Ａの側面に形成することで、第１実施形態による作用効果に加え、第１実施形態よりも、温度変化による軸受スリーブ２の変形を抑制することができる。

　（第３実施形態）　
　図８は、本発明の第３実施形態に係るモータ１０Ｂの構成を示す断面図である。
　モータ１０Ｂは、図１に示す第１実施形態に係るモータ１０において、軸受スリーブ２を軸受スリーブ２Ｂに代えたものである。軸受スリーブ２Ｂは、第１実施形態に係る軸受スリーブ２において、溝２１の最下部が巻線コア５の下端よりも上の位置になるように溝２１Ｂを形成したものである。即ち、溝２１Ｂは、巻線コア５の回転軸方向の長さよりも短く形成される。その他の点は、第１実施形態と同様である。

　軸受スリーブ２Ｂに巻線コア５が取り付けられた状態では、巻線コア５の上部に、インロー部Ｐ１ａ及び非接着部Ｐ２ａが形成され、巻線コア５の下部に、インロー部Ｐ１ｂ及び非接着部Ｐ２ｂが形成される。その他の点は、第１実施形態と同様である。

　インロー部Ｐ１ａ，Ｐ１ｂは、設けられている位置以外については、第１実施形態に係るインロー部Ｐ１と同様である。非接着部Ｐ２ａ，Ｐ２ｂは、設けられている位置以外については、第１実施形態に係る非接着部Ｐ２と同様である。

　本実施形態によれば、巻線コア５の回転軸方向の長さよりも短く溝２１Ｂを軸受スリーブ２Ｂの側面に形成することで、２つのインロー部Ｐ１ａ，Ｐ１ｂを設けることができる。これにより、第１実施形態による作用効果に加え、第１実施形態よりも、巻線コア５の同軸精度又は直角精度を出し易くすることができる。

　なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、構成要素を削除、付加又は変更等をしてもよい。このような実施形態が上述した実施形態と直接的に異なるものであっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。

Claims

　シャフトと、
　前記シャフトの空気動圧によるラジアル方向の軸受を構成し、側面に溝が形成された円筒形状の軸受スリーブと、
　前記軸受スリーブの側面に隣接して設けられ、固定子を構成するコアと、
　前記溝に塗布され、前記軸受スリーブと前記コアを接着する接着剤とを備え、
　前記軸受スリーブと前記コアとの間に、前記溝の前記接着剤が塗布されていない部分による第１の隙間が形成され、
　前記軸受スリーブの前記溝でない側面と前記コアとの間に、前記コアの同軸精度を出すための第２の隙間が形成されたこと
を特徴とする空気動圧軸受モータ。
　前記接着剤は、デュロメータ硬度で、Ａ８０以下であること
を特徴とする請求項１に記載の空気動圧軸受モータ。
　前記第２の隙間は、前記コアの上部と下部に形成されたこと
を特徴とする請求項１に記載の空気動圧軸受モータ。
　前記軸受スリーブの下部が挿入された状態で前記軸受スリーブを支持する支持部材を備え、
　前記コアは、前記支持部材の上端との接触により直角精度が出されていること
を特徴とする請求項１に記載の空気動圧軸受モータ。
　前記軸受スリーブの下部が挿入された状態で前記軸受スリーブを支持する支持部材を備え、
　前記軸受スリーブと前記支持部材との間に、前記溝による第３の隙間が形成されたこと
を特徴とする請求項１に記載の空気動圧軸受モータ。