WO2022202651A1 - 絶縁転がり軸受 - Google Patents

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WO2022202651A1
WO2022202651A1 PCT/JP2022/012540 JP2022012540W WO2022202651A1 WO 2022202651 A1 WO2022202651 A1 WO 2022202651A1 JP 2022012540 W JP2022012540 W JP 2022012540W WO 2022202651 A1 WO2022202651 A1 WO 2022202651A1
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resin
peripheral surface
resin coating
outer ring
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崇 西河
紘一 稲野
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Ntn株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K5/173—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings

Definitions

  • the present invention relates to insulated rolling bearings, and more particularly to insulated rolling bearings used in devices such as general-purpose motors, generators, traction motors of railway vehicles, etc., which have a structure in which current may flow inside the bearings during use.
  • electrical discharge may occur between the rolling elements and the outer ring raceway surface or between the inner ring raceway surface, causing electrolytic corrosion in the discharge portion.
  • electrical corrosion may also occur in bearings used in devices such as other generators that have a structure in which current may flow inside the bearings.
  • Patent Document 1 a resin film formed of a resin composition containing glass fibers and a filler having a specific resistance of 1 ⁇ 10 10 ⁇ cm or more and a thermal conductivity of 10 W/m ⁇ K or more is provided. Insulated rolling bearings have been proposed. Fillers are used to improve the heat dissipation properties of resin coatings, and examples include SiC (silicon carbide), AlN (aluminum nitride), BeO (beryllia), BN (boron nitride), Al 2 O 3 (alumina ) and other powders and fibers. Further, Patent Document 1 describes that the total content of the glass fiber and the filler is 20% by mass to 60% by mass, and the content of the filler is 10% by mass to 40% by mass. is described.
  • Patent Document 2 describes reducing the diameter of the glass fibers contained in the resin coating to increase the overall length of the glass fibers when the content is the same. It is said that this improves the adhesiveness between the glass fiber and the resin, and compensates for the decrease in the mechanical strength of the resin coating. On the other hand, if the diameter of the glass fiber is less than 5 ⁇ m, the mechanical strength such as impact strength is lowered and the production cost is increased. ing.
  • the resin composition for forming the resin coating is It is described to contain a synthetic resin, a fibrous material that reinforces the synthetic resin, and hexagonal boron nitride (h-BN) that improves the thermal conductivity of the resin coating.
  • JP 2004-218846 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-140168 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-63826
  • Patent Documents 1 and 3 the heat dissipation of the resin film is improved by filling the high thermal conductive filler, which is considered to lead to the improvement of the temperature rise characteristics of the bearing.
  • the content of the resin material is reduced, which may impair the moldability.
  • Patent Document 2 it is proposed to compensate for the decrease in mechanical strength by reducing the diameter of the glass fiber and increasing the length of the entire glass fiber. It is thought that the glass fiber is likely to break at
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides an insulated rolling bearing having a resin coating on the outer peripheral surface of the outer ring, etc., while ensuring good moldability, and improving the heat dissipation and mechanical strength of the resin coating. It is an object to provide a compatible insulated rolling bearing.
  • An insulated rolling bearing includes an inner ring and an outer ring, raceway surfaces formed on the outer peripheral surface of the inner ring and the inner peripheral surface of the outer ring, and a plurality of rolling elements interposed between the raceway surfaces.
  • an insulating rolling bearing having a resin coating on at least one peripheral surface selected from the inner peripheral surface of the outer ring and the outer peripheral surface of the outer ring, wherein the resin coating comprises at least polyphenylene sulfide (PPS) resin, glass fiber, It is characterized by being made of a resin composition containing an inorganic filler having a thermal conductivity of 10 W/m ⁇ K or more and a thermoplastic elastomer.
  • thermoplastic elastomer The content of the thermoplastic elastomer is 1% by mass to 10% by mass with respect to the entire resin composition.
  • the total content of the glass fiber and the inorganic filler is 20% by mass to 70% by mass with respect to the entire resin composition.
  • the inorganic filler is characterized by being at least one selected from silicon carbide, beryllia, boron nitride, silicon nitride, magnesium hydroxide, alumina, and magnesium carbonate.
  • the resin film is characterized by having a portion with a thickness of 1 mm or less.
  • the flow direction of the resin in the resin film is along the entire circumference of the bearing ring from one side to the other side in the axial direction of the peripheral surface.
  • the resin coating is a coating formed on the peripheral surface and axial end faces on both sides thereof by injection molding, and the flow direction of the resin in the resin coating is the same along the entire circumference of the bearing ring: It is characterized by extending from one axial end face to the other axial end face via the peripheral surface.
  • the rolling bearing is characterized by being a bearing that rotatably supports the main shaft of the traction motor of the railway vehicle.
  • the rolling bearing includes a plurality of drive units having rotor blades and a motor for rotating the rotor blades, is mounted on an electric vertical take-off and landing aircraft that flies by the rotation of the rotor blades, and supports the rotating shaft of the drive unit. characterized by being
  • the insulated rolling bearing of the present invention has a resin coating on at least one peripheral surface selected from the inner peripheral surface of the inner ring and the outer peripheral surface of the outer ring. Since it is composed of a resin composition containing an inorganic filler having a conductivity of 10 W/m ⁇ K or more and a thermoplastic elastomer, it is possible to improve the heat dissipation of the resin coating while having electrical insulation.
  • the thermoplastic elastomer can compensate for the decrease in formability that accompanies the addition of fillers (high thermal conductivity fillers).
  • the thermoplastic elastomer can also improve the mechanical properties of the resin coating, particularly impact resistance. As a result, in an insulated rolling bearing having a resin coating, it is possible to achieve both heat dissipation and mechanical strength of the resin coating while maintaining moldability.
  • thermoplastic elastomer Since the content of the thermoplastic elastomer is 1% by mass to 10% by mass with respect to the entire resin composition, the fluidity of the resin composition during molding and the resistance of the resin coating can be improved while suppressing a decrease in elastic modulus. It can improve impact resistance.
  • the total content of the glass fiber and the inorganic filler is 20% by mass to 70% by mass with respect to the entire resin composition, the heat dissipation property and mechanical strength of the resin coating are further improved.
  • the flow direction of the resin in the resin film is from one side to the other side in the axial direction of the circumferential surface over the entire circumference of the bearing ring. It is defined in the direction (the direction from one side in the axial direction to the other side in the axial direction).
  • the resin coating is formed by simultaneously injecting and filling the molten resin over the entire circumference of the molding cavity, so that the weld portion is not formed in the resin coating.
  • the resin film has no local areas where the strength is low, and the mechanical strength is further improved.
  • the resin coating is a coating formed on the peripheral surface and the axial end faces on both sides thereof by injection molding. Since it extends from the directional end face to the other axial end face via the peripheral face, the weld portion is not formed in the resin film, and the mechanical strength is further improved.
  • the insulated rolling bearing of the present invention has improved heat dissipation properties while maintaining the mechanical strength of the resin coating, so it is possible to improve the temperature rise characteristics of the bearing and suppress the deterioration of the grease lubrication life. Therefore, it can be suitably used as a bearing that rotatably supports the main shaft of the traction motor of a railway vehicle, and can contribute to improving the reliability of the traction motor for railway vehicles and reducing maintenance man-hours and costs.
  • FIG. 1 is an enlarged sectional view showing an example of an insulated rolling bearing of the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a molding die for insert-molding the outer race of FIG. 1
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing another example of the insulated rolling bearing of the present invention
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a railway vehicle bogie to which the insulated rolling bearing of the present invention is applied; It is a figure which shows the structure of a main motor.
  • FIG. 3 is an enlarged view showing a configuration around a fixed-side rolling bearing; It is an enlarged drawing which shows the structure around the rolling bearing of a free side.
  • 1 is a perspective view of an electric vertical take-off and landing aircraft equipped with an insulated rolling bearing of the present invention
  • FIG. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a motor in the drive section of the electric vertical take-off and landing aircraft;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a deep groove ball bearing.
  • An insulated rolling bearing 1 has an inner ring 2 having an inner ring raceway surface on its outer peripheral surface and an outer ring 3 having an outer ring raceway surface on its inner peripheral surface arranged concentrically, and a plurality of balls ( rolling elements) 4 are arranged. This ball 4 is held by a retainer 5 .
  • a ferrous material can be used for the inner ring 2, outer ring 3, and ball 4.
  • ferrous materials include bearing steel such as SUJ2 used for rolling bearings, carburized steel, carbon steel for machine structural use, cold rolled steel, hot rolled steel, and the like.
  • the outer peripheral surface 3a and the end surfaces 3b, 3b' of the outer ring 3 are covered with a resin film 6.
  • Two rows of circumferential grooves are formed on the outer peripheral surface 3a of the outer ring 3, and circumferential grooves are formed on both end surfaces 3b and 3b' of the outer ring 3, respectively.
  • Part of the resin coating 6 is buried in these circumferential grooves.
  • the resin coating 6 is formed by insert-molding a resin composition, which will be described later, on the outer ring 3, and is formed on the outer peripheral surface 3a of the outer ring 3 and axial end surfaces on both sides thereof (end surfaces 3b, 3b). ') is formed.
  • the thickness of the resin coating 6 (excluding the portion of the circumferential groove; the same shall apply hereinafter) is not particularly limited.
  • the resin coating 6 may be formed so that the thickness of the portions formed on the outer peripheral surface 3a and the end surfaces 3b, 3b' of the outer ring 3 is substantially constant.
  • the resin coating 6 may be formed so that the thickness of the resin coating 6 formed on the outer peripheral surface 3a of the outer ring 3 is thinner than the thickness of the resin coating 6 formed on the end surfaces 3b, 3b' (Fig. 1).
  • the resin coating 6 is composed of a resin composition containing at least a PPS resin, glass fibers, an inorganic filler with a thermal conductivity of 10 W/m ⁇ K or more, and a thermoplastic elastomer. This resin composition will be described below.
  • PPS resin is a crystalline thermoplastic resin with a polymer structure in which the benzene rings are in the para position and linked by sulfur bonds.
  • PPS resin has a melting point of about 280° C. and a thermal conductivity of about 0.3 W/m ⁇ K, and is a type of so-called super engineering plastic that is excellent in heat resistance, dimensional stability, chemical resistance, and flame retardancy.
  • a crosslinked PPS resin can be obtained, for example, by heat-treating in the presence of oxygen during the production process to raise the molecular weight to a required level.
  • a crosslinked PPS resin has a two-dimensional or three-dimensional crosslinked structure in which some molecules are crosslinked with each other via oxygen.
  • the linear type PPS resin does not contain a crosslinked structure in the molecule because there is no heat treatment in the manufacturing process, and the molecule is one-dimensional linear.
  • the content of the PPS resin is not particularly limited, but a higher content is advantageous in terms of fluidity, but tends to cause a decrease in heat dissipation.
  • the content of the PPS resin is, for example, 20% by mass to 70% by mass, preferably 29% by mass to 50% by mass, based on the total resin composition.
  • Glass fibers are obtained by spinning inorganic glass containing SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , CaO, MgO, Na 2 O, K 2 O, Fe 2 O 3 and the like as main components.
  • alkali-free glass (E glass), alkali-containing glass (C glass, A glass) and the like can be used.
  • the average fiber length of the glass fiber is not particularly limited, it is preferably 0.1 mm or longer, more preferably 0.2 mm or longer. If the average fiber length is less than 0.1 mm, the reinforcing effect may be reduced and the wear resistance may be reduced. Also, the upper limit of the average fiber length is, for example, 1 mm or less, and may be 0.8 mm or less. In addition, the average fiber length in this specification is the number average fiber length. Also, the average fiber diameter of the glass fiber is not particularly limited, but is, for example, 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 15 ⁇ m. The average fiber diameter can be measured with an electron microscope, an atomic force microscope, or the like, which is commonly used in this field. The average fiber diameter can be calculated as a number average fiber diameter based on the above measurements.
  • the content of glass fiber is not particularly limited, but a higher content is advantageous in terms of mechanical strength, but tends to cause a decrease in fluidity.
  • the content of the glass fiber is, for example, 10% by mass to 50% by mass, preferably 10% by mass to 30% by mass, based on the total resin composition. If the glass fiber content is less than 10% by mass, it is difficult to obtain the effect of improving the mechanical strength, and there is a risk that the creep resistance and the like will deteriorate.
  • Inorganic fillers with a thermal conductivity of 10 W/m ⁇ K or more are blended mainly to improve the thermal conductivity of the resin coating.
  • silicon carbide, beryllia, nitride At least one selected from boron, silicon nitride, magnesium hydroxide, alumina, and magnesium carbonate is preferably used.
  • the thermal conductivities of these materials are shown in Table 1 below.
  • the thermal conductivity of the inorganic filler is preferably 15 W/m ⁇ K or more. Moreover, it is preferable that the inorganic filler has high electrical insulation.
  • the specific resistance value is preferably 10 10 ⁇ cm or more, more preferably 10 12 ⁇ cm or more.
  • the content of the inorganic filler is not particularly limited, but a higher content is advantageous in terms of heat dissipation, but tends to cause a decrease in mechanical strength and fluidity.
  • the content of the inorganic filler is, for example, 10% by mass to 50% by mass, preferably 30% by mass to 50% by mass, relative to the entire resin composition. If the content of the inorganic filler is less than 10% by mass, it may become difficult to obtain the effect of thermal conductivity.
  • thermoplastic elastomer used in the resin composition is not particularly limited, but polyolefin-based, polystyrene-based, polyvinyl chloride-based, polyurethane-based, polyester-based, polyamide-based, polybutadiene-based, etc., having a lower melting point than PPS resin are used. is preferable from the standpoint of improving moldability.
  • a thermoplastic elastomer can be used in consideration of heat resistance, water resistance, chemical resistance, availability, and the like.
  • Olefin-based elastomers have excellent heat resistance and electrical insulation.
  • Olefin elastomers include a blend type in which rubber particles are simply dispersed in resin, an implant type in which hard segments and soft segments are polymerized step by step during the reaction, and an olefin resin and unvulcanized rubber that are vulcanized in a mixer.
  • a dynamic cross-linking type which is kneaded at a high temperature while simultaneously reacting with a sulfur agent, can be used.
  • Polyester elastomer has excellent water resistance, chemical resistance, and heat resistance.
  • a polyester thermoplastic elastomer is an ester-ether type or ester-ester type multi-block copolymer comprising an aromatic polyester as a hard segment and an aliphatic polyether or aliphatic polyester as a soft segment.
  • the content of the thermoplastic elastomer is, for example, 0.5% by mass to 30% by mass, preferably 1% by mass to 20% by mass, more preferably 1% by mass to 10% by mass, relative to the entire resin composition. %.
  • a well-known additive for resin may be added to the resin composition to the extent that the effect of the present invention is not impaired.
  • an inorganic filler (excluding glass fiber) having a thermal conductivity of less than 10 W/m ⁇ K may be added to the resin composition.
  • a particularly preferred form of the resin composition used in the present invention includes 29% to 50% by mass of a PPS resin, glass fiber, and an inorganic filler having a thermal conductivity of 10 W/m ⁇ K or more, based on the total resin composition. 20% to 70% by mass (preferably 40% to 70% by mass), and 1% to 10% by mass of thermoplastic elastomer. By specifying the total amount of the glass fiber and the inorganic filler, it is easy to achieve both heat dissipation and mechanical strength.
  • the resin composition contains more inorganic fillers than glass fibers, and has 10% to 30% by mass of glass fibers and 30% by mass of the inorganic filler with respect to the entire resin composition. % to 50 mass %. More preferably, the glass fiber has an average fiber length of 200 ⁇ m or more and an average fiber diameter of 10 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • a raceway ring (for example, an outer ring) is injection-molded with a molten resin. For example, injection molding is performed at temperatures above 300°C.
  • FIG. 2(a) shows a cross-sectional view of the main part of the molding die
  • FIG. 2(b) shows an explanatory view of the insulated rolling bearing obtained by the method of FIG. 2(a).
  • the molding die is composed of a movable side mold plate 7 and a fixed side mold plate 8.
  • a fixed side die plate 8 is brought into contact with a movable side die plate 7 to form a cavity C with the bearing ring (the outer ring 3 in FIG. 2) arranged inside the mold.
  • the cavity C is formed in a shape corresponding to the resin coating 6 (see FIG. 1).
  • the cavity C has a cavity formed on the outer peripheral surface 3 a side of the outer ring 3 and cavities formed on the end surface 3 b side and 3 b ′ side of the outer ring 3 .
  • Cavity C is connected to runner 9 by gate G.
  • FIG. 2(a) shows a partial cross-sectional view
  • the cavity C is formed in an annular shape along the shape of the outer ring 3. As shown in FIG.
  • the gate G is provided facing the cavity on the end surface 3b side of the outer ring 3.
  • the molten resin flows inside the mold as indicated by the arrow (MD) in FIG. 2(b). Specifically, the molten resin is guided from the cavity on the side of the end surface 3b of the outer ring 3 through the cavity on the side of the outer peripheral surface 3a of the outer ring 3 to the cavity on the side of the end surface 3b' of the outer ring 3.
  • the resin is solidified by cooling for a certain period of time after holding pressure. After that, the mold is opened to obtain an outer ring having a resin film 6 formed on the outer peripheral surface and both end surfaces. In this case, a gate mark 10 is formed on one axial end face of the resin coating 6 .
  • the flow direction (MD) of the resin in the resin coating 6 is continuous from one axial end face to the other axial end face via the outer peripheral face over the entire circumference of the outer ring 3. in line with the target.
  • the resin flow direction (MD) of the resin coating 6 formed on the outer ring 3 is on a straight line from the width surface to the opposite width surface via the outer peripheral surface.
  • the gate system is a disk gate. Disk gates are continuous around the circumference, unlike pin gates (distributed around the circumference). Therefore, since the molten resin flows in the same direction from one axial end face to the other axial end face, a weak weld portion is not formed.
  • the position of the gate is not particularly limited, but it is preferable to provide the gate so that the resin film flows in the direction of flow (MD) of the resin as shown in FIG.
  • a gate G may be provided at a position facing the circumferential groove 3d of the end surface 3b of the outer ring 3. As shown in FIG.
  • the gate G is provided so that the direction in which the molten resin is injected from the gate G coincides with the axial direction of the cavity C.
  • the direction in which the molten resin is injected from the gate G may be inclined at a predetermined angle with respect to the axial direction of the cavity C, or may be orthogonal.
  • the thickness of the resin coating is not particularly limited, but if the thickness is too thin, molding of the resin coating tends to be difficult, making it difficult to secure the mechanical strength of the resin coating. In addition, it becomes difficult to ensure electrical properties such as insulation resistance value, withstand voltage, and capacitance required for an insulated rolling bearing. On the other hand, if the thickness of the resin film is too thick, the heat dissipation of the bearing ring (for example, the outer ring) may deteriorate, which may affect the lubrication life. In addition, there is a possibility that the creep deformation of the resin coating due to fitting with the housing or pressing on the end surface side may increase.
  • the thickness of the resin coating is set, for example, within the range of 0.3 mm to 2 mm, preferably within the range of 0.3 mm to 1.5 mm. It is preferable that the resin coating has a portion with a thickness of 1 mm or less (for example, at a portion formed on the outer peripheral surface 3a of the outer ring 3 in FIG. 1).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a cylindrical roller bearing.
  • the insulated rolling bearing 11 has an inner ring 12 having an inner ring raceway surface on its outer peripheral surface and an outer ring 13 having an outer ring raceway surface on its inner peripheral surface arranged concentrically. 14 are placed.
  • the cylindrical rollers 14 are retained by retainers 15 .
  • the outer peripheral surface 13a and both end surfaces 13b, 13b of the outer ring 13 are coated with the resin film 16.
  • This resin coating 16 is formed of the resin composition described above.
  • the thickness of the resin coating 16 can be the thickness described above. As a specific method of injection molding, the method described above (FIG. 2, etc.) can be applied.
  • the configuration of the insulated rolling bearing of the present invention is not limited to the configurations shown in FIGS. It can also be applied to bearings, thrust tapered roller bearings, thrust needle roller bearings, thrust self-aligning roller bearings, and the like.
  • the insulated rolling bearings shown in FIGS. 1 to 3 are configured such that the outer peripheral surface and both end surfaces of the outer ring are coated with a resin coating
  • the present invention is not limited to this.
  • the outer peripheral surface of the outer ring may be coated with a resin film.
  • the bearing ring on which the resin film is formed is not limited to the outer ring, and may be the inner ring.
  • the resin coating is formed on at least the inner peripheral surface of the inner ring.
  • 4 to 7 show an example of application to a bearing that rotatably supports the main shaft of a main motor of a railway vehicle.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of this truck.
  • the bogie 21 is a bogie provided in a railway vehicle, and includes a bogie body 22, a traction motor 30, a coupling 24, a drive device 25, an axle 26, wheels 27, and an axle. and a bearing device 28 .
  • the main electric motor 30 is supported by the carriage body 22 at the main electric motor mounting portion 22a.
  • a main shaft 23 of the main electric motor 30 is connected to a driving device 25 via a coupling 24 .
  • the driving device 25 has a small gear 25a fixed to the main shaft 23 and a large gear 25b fixed to the axle 26.
  • the small gear 25a and the large gear 25b are arranged so as to mesh with each other.
  • a pair of wheels 27 are fixed to the axle 26 , and both ends thereof are supported by axle bearing devices 28 with respect to the carriage body 22 .
  • the axle bearing device 28 is supported by the truck main body 22 on the underframe 22b.
  • the main shaft 23 is rotated by the operation of the main electric motor 30 .
  • the rotation of the main shaft 23 is transmitted to the driving device 25 via the coupling 24, and the small gear 25a fixed to the main shaft 23 rotates.
  • the rotation of the small gear 25a rotates the large gear 25b that meshes with the small gear 25a.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the main motor 30.
  • the traction motor 30 includes a stator 32 having a coil 32a, a rotor 33 arranged to face the stator 32, and a frame 31 arranged to surround the stator 32 and the rotor 33.
  • a main shaft 23 is fixed to a portion including the central portion (rotating shaft) of the rotor 33 so as to pass therethrough.
  • three-phase alternating current is first supplied to the coils 32 a of the stator 32 .
  • a rotating magnetic field is formed around the rotor 33 and an induced current is generated in the rotor 33 by this rotating magnetic field.
  • the traction motor 30 further includes a first bearing device 40 and a second bearing device 45 that support the main shaft 23 so as to be rotatable around the axis with respect to members disposed facing the outer peripheral surface 23a.
  • the first bearing device 40 has a first rolling bearing (deep groove ball bearing) 41 that supports the fixed side of the main shaft 23, and the second bearing device 45 has a second rolling bearing that supports the free side of the main shaft 23.
  • a bearing (cylindrical roller bearing) 46 is provided. These rolling bearings support the main shaft 23 and the rotor 33 of the traction motor 30 and receive the load due to the weight of the rotor 33 itself.
  • Each of the first rolling bearing 41 and the second rolling bearing 46 is an insulating rolling bearing of the present invention. These rolling bearings are also called traction motor bearings.
  • FIG. 6 is an enlarged view showing the configuration of the first bearing device 40.
  • the first bearing device 40 includes a first rolling bearing 41, a housing 42, a stopper 43, an end lid 44, and an oil drainer 44a.
  • the inner ring 41 a of the first rolling bearing 41 is sandwiched between the stopper 43 and the oil slinger 44 a , and the inner peripheral surface of the inner ring 41 a is in contact with the outer peripheral surface 23 a of the main shaft 23 .
  • the outer peripheral surface of the outer ring 41b is fixed to the housing 42 via the resin coating 41c.
  • the inner ring 41a is used with the main shaft 23 by interference fit
  • the outer ring side is used with the housing 42 by intermediate fit. Both end surfaces of the outer ring 41b are pressed by housing components (the housing 42 and the end cap 44) via the resin coating 41c, and fixed in the axial direction.
  • FIG. 7 is an enlarged view showing the configuration of the second bearing device 45. As shown in FIG. The configuration of the second bearing device 45 is the same as that of the first bearing device 40 except for the type of rolling bearing.
  • the first rolling bearing 41 is an open bearing in which the bearing space between the inner ring 41a and the outer ring 41b is not closed by a seal member, and lubricant (lubricating oil or grease) is supplied to this bearing space.
  • lubricant lubricating oil or grease
  • the lubricant intervenes in the raceway surface and the like to perform lubrication.
  • it is good also as the aspect which provides a sealing member and encloses a lubricant.
  • the grease or the like generates heat due to the friction between the rolling elements and the raceway surface and the cage, and the resistance to stirring the grease, resulting in a high temperature.
  • Any grease that is normally used for traction motor bearings can be used without any particular limitation.
  • traction motor bearings undergo maintenance such as grease replacement and condition inspections in conjunction with regular inspections of railway vehicles.
  • the frequency of maintenance required for traction motor bearings is one of the dominant factors in the frequency of maintenance required for traction motors and, by extension, railway vehicles.
  • the frequency of maintenance required for traction motor bearings is governed by the lubrication life of grease. Grease deteriorates due to oxidation of the base oil, etc. Therefore, the lubrication life of grease generally becomes longer when the temperature of the bearing is lower. Therefore, it is necessary to reduce the bearing temperature in order to reduce maintenance frequency of the traction motor and reduce maintenance costs.
  • the traction motor bearings may be damaged by electrolytic corrosion due to the application of leakage voltage during use.
  • the insulated rolling bearing of the present invention can be applied to other uses such as general-purpose motors and generators, in addition to the bearings for traction motors described above.
  • general-purpose motors and generators in addition to the bearings for traction motors described above.
  • flying cars which are attracting attention as means of transportation in place of automobiles. Flying cars are expected to solve various social problems, and are expected to be used in various situations such as movement within and between regions, tourism and leisure, emergency medical care, and disaster relief.
  • VTOL vertical take-off and landing aircraft
  • eVTOL electric vertical take-off and landing aircraft
  • An electric vertical take-off and landing aircraft equipped with the insulated rolling bearing of the present invention will be described based on FIG.
  • An electric vertical take-off/landing aircraft 51 shown in FIG. 8 is a multicopter having a body portion 52 positioned in the center of the aircraft body and four driving portions 53 arranged in the front, rear, left, and right.
  • the drive unit 53 is a device that generates lift and propulsion of the electric vertical take-off and landing aircraft 51 , and the electric vertical take-off and landing aircraft 51 flies by driving the drive unit 53 .
  • the electric vertical take-off and landing aircraft 51 only needs to have a plurality of driving units 53, and the number is not limited to four.
  • the body part 52 has a living space in which passengers (for example, about 1-2 people) can board.
  • This living space is equipped with an operating system for determining the direction of travel and altitude, as well as instruments that indicate altitude, speed, flight position, and so on.
  • Four arms 52a extend from the body portion 52, and a driving portion 53 is provided at the tip of each arm 52a.
  • the arm 52a is integrally provided with an annular portion that covers the rotating circumference of the rotor blade 54 in order to protect the rotor blade 54.
  • a skid 52b is provided at the bottom of the main body 52 to support the aircraft during landing.
  • the drive unit 53 has a rotor blade 54 and a motor 55 that rotates the rotor blade 54 .
  • a pair of rotor blades 54 are provided on both sides in the axial direction with the motor 55 interposed therebetween.
  • Each rotor blade 54 has two blades extending radially outward.
  • the main body 52 is provided with a battery (not shown) and a control device (not shown). Controllers are also called flight controllers. Control of the electric vertical take-off and landing aircraft 51 is performed by the control device, for example, as follows. Based on the difference between the current attitude and the target attitude, the control device outputs a rotation speed change command to the motor 55 to adjust the lift force. Based on the command, an amplifier provided in the motor 55 adjusts the amount of electric power sent from the battery to the motor 55, and the rotation speed of the motor 55 (and the rotor blades 54) is changed. In addition, the number of rotations of the motors 55 is adjusted simultaneously for a plurality of motors 55, thereby determining the attitude of the airframe.
  • FIG. 9 shows a partial cross-sectional view of the motor in the driving section.
  • the above-described rotary blade is attached to one end side (upper side of the drawing) of the rotating shaft 57 of the motor 55, and the rotor is attached to the other end side (lower side of the drawing).
  • the rotor is arranged to face a stator fixed to the housing and is rotatable relative to the stator.
  • the motor 55 can employ a configuration of an outer rotor type brushless motor or an inner rotor type brushless motor.
  • the motor 55 includes a housing (device housing) 56, a rotor (not shown), a stator (not shown), an amplifier (not shown), and two rolling bearings (deep groove ball bearings) 61, 61. and
  • the housing 56 has an outer cylinder 56a and an inner cylinder 56b, between which a cooling medium flow path 56c is provided. Excessive temperature rise can be prevented by flowing the cooling medium through the flow path 56c.
  • the rolling bearings 61, 61 rotatably support the rotating shaft 57 within the inner cylinder 56b.
  • a resin film 64 is formed on the outer peripheral surface and both end surfaces of an outer ring 63 of a rolling bearing 61 .
  • the rolling bearing 61 corresponds to the insulating rolling bearing of the present invention.
  • the outer ring 63 and the resin coating 64 have substantially the same outer diameter shape as the fitting portion on the inner periphery of the housing, and are directly fitted to the housing 56 without interposing a bearing housing or the like.
  • An inner ring spacer 58 and an outer ring spacer 59 are inserted between the rolling bearings 61 and 61 to apply preload.
  • the outer ring spacer 59 is provided with nozzle members 60 , 60 for injecting lubricating oil for cooling and lubricating the rolling bearings 61 , 61 .
  • the nozzle member 60 internally has a lubricating oil flow path that guides air oil supplied from an external lubricating oil supply device (not shown) to the bearing space.
  • the bearing configuration in the driving portion is not limited to the configuration in FIG. In FIG. 9, the rotating shaft of the motor and the rotating shaft of the rotor blades are the same rotating shaft, but the rotating shaft of the motor and the rotating shaft of the rotor blades may be connected via a transmission mechanism.
  • the rolling bearing that supports the rotating shaft in the drive section may be the rolling bearing that supports the rotating shaft of the motor, or the rolling bearing that supports the rotating shaft of the rotor.
  • the resin coating provides electrical insulation, ensuring good moldability, and the heat dissipation and mechanical strength of the resin coating. It can be applied to various rolling bearings used in devices with flowing structures. In particular, it is suitable for rolling bearings used in supporting structures for traction motor main shafts of railroad vehicles, and rolling bearings in driving parts of electric vertical take-off and landing aircraft.

Landscapes

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Abstract

外輪の外周面などに樹脂被膜を有する絶縁転がり軸受において、良好な成形性を確保しつつ、樹脂被膜の放熱性と機械的強度が両立された絶縁転がり軸受を提供する。絶縁転がり軸受１は、内輪２および外輪３と、内輪２の外周面および外輪３の内周面に形成される軌道面と、軌道面間に介在する複数の玉４とを備え、外輪３の外周面３ａに樹脂被膜６を有し、その樹脂被膜６は、少なくとも、ポリフェニレンサルファイド樹脂と、ガラス繊維と、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機系充填材と、熱可塑性エラストマーとを含む樹脂組成物からなる。

Description

絶縁転がり軸受
　本発明は絶縁転がり軸受に関し、特に、汎用モータ、発電機、鉄道車両の主電動機など、使用上、軸受内部に電流が流れるおそれがある構造の装置に用いられる絶縁転がり軸受に関する。
　例えば、鉄道車両の主電動機に用いられる転がり軸受において、転動体と外輪軌道面との間または内輪軌道面との間で放電が生じ、放電部分に電食を生じることがある。また、その他の発電機など、軸受内部を電流が流れるおそれがある構造の装置に用いられる軸受においても、同様に電食を生じることがある。
　このような電食を防止する手段として、従来、軸受の軌道輪の外表面に樹脂被膜を形成することが知られている。例えば、特許文献１では、ガラス繊維と、比抵抗が１×１０１０Ω・ｃｍ以上で且つ熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の充填材とを含む樹脂組成物で形成した樹脂被膜を有する絶縁転がり軸受が提案されている。充填材は樹脂被膜の放熱性を改善するために用いられており、例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｅＯ（べリリア）、ＢＮ（窒化ホウ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などの粉末、繊維などが挙げられている。また、特許文献１には、ガラス繊維と充填材の合計の含有量は２０質量％～６０質量％であることが記載され、また充填材の含有量は１０質量％～４０質量％であることが記載されている。
　また、特許文献２には、樹脂被膜に含まれるガラス繊維の直径を小さくして、同じ含有量とした場合のガラス繊維全体の長さを長くすることが記載されている。これにより、ガラス繊維と樹脂との接着性が向上し、樹脂被膜の機械的強度の低下を補えるとしている。一方、ガラス繊維の直径が５μｍ未満であると、衝撃強度などの機械的強度が低下するとともに、製造コストが高くなることから、ガラス繊維の直径は５μｍ～９μｍ（好ましくは６μｍ～８μｍ）とされている。
　また、特許文献３には、電食防止を目的として、転がり軸受の軌道輪に設けられる樹脂被膜の放熱性の向上と加工コストの低減を両立するため、樹脂被膜を形成する樹脂組成物は、合成樹脂、合成樹脂を強化する繊維材、および樹脂被膜の熱伝導率を向上させる六方晶窒化ホウ素（ｈ－ＢＮ）を含むことが記載されている。
特開２００４－２１８８４６号公報 特開２００５－１４０１６８号公報 特開２０２０－６３８２６号公報
　ところで、近年では、人手不足の状況を受けて、多くの産業分野において工数削減が求められている。例えば、鉄道分野においてもメンテナンス工数などの削減に対する要求が強くなっている。鉄道車両の主要機器の一つである主電動機のメンテナンスインターバルは、転がり軸受のグリース潤滑寿命によるところが大きい。そのため、転がり軸受の昇温特性を改善することで、主電動機のメンテナンス頻度や工数の削減、信頼性の向上などが期待される。
　この点、上記特許文献１および特許文献３では、高熱伝導充填材を充填することにより、樹脂被膜の放熱性を改善しており、ひいては軸受の昇温特性の改善に繋がると考えられる。しかし、充填材を充填することで、樹脂材料の含有量が少なくなり、成形性を損なうおそれがある。また、上記特許文献２では、ガラス繊維の直径を小さくし、ガラス繊維全体の長さを長くすることで、機械的強度の低下を補うことが提案されているが、ペレット製造工程や射出成形工程でガラス繊維が折れやすくなると考えられる。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、外輪の外周面などに樹脂被膜を有する絶縁転がり軸受において、良好な成形性を確保しつつ、樹脂被膜の放熱性と機械的強度が両立された絶縁転がり軸受を提供することを目的とする。
　本発明の絶縁転がり軸受は、内輪および外輪と、上記内輪の外周面および上記外輪の内周面に形成される軌道面と、上記軌道面間に介在する複数の転動体とを備え、上記内輪の内周面および上記外輪の外周面から選ばれた少なくとも一つの周面に樹脂被膜を有する絶縁転がり軸受であって、上記樹脂被膜は、少なくとも、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂と、ガラス繊維と、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機系充填材と、熱可塑性エラストマーとを含む樹脂組成物からなることを特徴とする。
　上記熱可塑性エラストマーの含有量が、上記樹脂組成物全体に対して１質量％～１０質量％であることを特徴とする。
　上記ガラス繊維および上記無機系充填材の合計の含有量が、上記樹脂組成物全体に対して２０質量％～７０質量％であることを特徴とする。
　上記無機系充填材が、炭化ケイ素、ベリリア、窒化ホウ素、窒化ケイ素、水酸化マグネシウム、アルミナ、および炭酸マグネシウムから選ばれる少なくとも１種以上であることを特徴とする。
　上記樹脂被膜は、厚みが１ｍｍ以下の部分を有することを特徴とする。
　上記樹脂被膜における樹脂の流れ方向が、軌道輪の全周において、上記周面の軸方向の一方側から他方側に沿っていることを特徴とする。
　上記絶縁転がり軸受において、上記樹脂被膜は、射出成形によって上記周面およびその両側の軸方向端面に形成される被膜であり、上記樹脂被膜における樹脂の流れ方向が、上記軌道輪の全周において、一方の軸方向端面から上記周面を介して他方の軸方向端面に沿っていることを特徴とする。
　上記転がり軸受は、鉄道車両の主電動機の主軸を回転自在に支持する軸受であることを特徴とする。
　上記転がり軸受は、回転翼および該回転翼を回転させるモータを有する駆動部を複数備え、上記回転翼の回転によって飛行する電動垂直離着陸機に搭載され、上記駆動部における回転軸を支持する軸受であることを特徴とする。
　本発明の絶縁転がり軸受は、内輪の内周面および外輪の外周面から選ばれた少なくとも一つの周面に樹脂被膜を有し、その樹脂被膜は、少なくとも、ＰＰＳ樹脂と、ガラス繊維と、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機系充填材と、熱可塑性エラストマーとを含む樹脂組成物からなるので、電気絶縁性を有しながら、樹脂被膜の放熱性を改善でき、また上記無機系充填材（高熱伝導充填材）の添加に伴う成形性の低下を、熱可塑性エラストマーによって補うことができる。また、熱可塑性エラストマーによって、樹脂被膜の機械的特性、特に耐衝撃性も改善することができる。これにより、樹脂被膜を有する絶縁転がり軸受において、成形性を維持しつつ、樹脂被膜の放熱性と機械的強度を両立することができる。
　熱可塑性エラストマーの含有量が、樹脂組成物全体に対して１質量％～１０質量％であるので、弾性率の低下を抑制しつつ、成形時の樹脂組成物の流動性や、樹脂被膜の耐衝撃性を改善できる。
　ガラス繊維および無機系充填材の合計の含有量が、樹脂組成物全体に対し２０質量％～７０質量％であるので、樹脂被膜の放熱性と機械的強度に一層優れる。
　樹脂被膜における樹脂の流れ方向が、軌道輪の全周において、上記周面の軸方向の一方側から他方側に沿っている、つまり、軌道輪の全周において樹脂の配向の方向性が所定の方向（軸方向の一方側から軸方向の他方側に向かう方向）に規定されている。この場合、当該樹脂被膜は、成形キャビティの全周にわたり溶融樹脂が同時に射出充填されることで形成されることになるので、ウェルド部が樹脂被膜に形成されない。その結果、樹脂被膜は、局所的に強度が低いところがなくなり、機械的強度が一層向上する。
　さらに、絶縁転がり軸受において、樹脂被膜は、射出成形によって周面およびその両側の軸方向端面に形成される被膜であり、樹脂被膜における樹脂の流れ方向が、軌道輪の全周において、一方の軸方向端面から上記周面を介して他方の軸方向端面に沿っているので、ウェルド部が樹脂被膜に形成されず、機械的強度が一層向上する。
　本発明の絶縁転がり軸受は、樹脂被膜の機械的強度を保ちつつ、放熱性が改善されているので、軸受の昇温特性を改善し、グリースの潤滑寿命の低下などを抑制できる。このため、鉄道車両の主電動機の主軸を回転自在に支持する軸受として好適に利用でき、鉄道車両用主電動機の信頼性の向上、メンテナンス工数やコストの削減に貢献できる。
　また、近年において開発が進められている電動垂直離着陸機では、モータが高容量化され電食の発生が懸念されるところ、本発明の絶縁転がり軸受は、上記特性を有する樹脂被膜を有しているので、駆動部における回転軸を支持する軸受として利用することで電食の発生を低減できる。
本発明の絶縁転がり軸受の一例を示す拡大断面図である。 図１の外輪にインサート成形する成形金型の要部断面図などである。 本発明の絶縁転がり軸受の他の例を示す拡大断面図である。 本発明の絶縁転がり軸受が適用される鉄道車両の台車の構成を示す図である。 主電動機の構成を示す図である。 固定側の転がり軸受周囲の構成を示す拡大図である。 自由側の転がり軸受周囲の構成を示す拡大図である。 本発明の絶縁転がり軸受が搭載される電動垂直離着陸機の斜視図である。 電動垂直離着陸機の駆動部におけるモータの一部断面図である。
　本発明の絶縁転がり軸受の一例について、図１を用いて説明する。図１は深溝玉軸受の断面図である。絶縁転がり軸受１は、外周面に内輪軌道面を有する内輪２と内周面に外輪軌道面を有する外輪３とが同心に配置され、内輪軌道面と外輪軌道面との間に複数の玉（転動体）４が配置される。この玉４は、保持器５により保持される。
　内輪２、外輪３、および玉４には鉄系材料を用いることができる。鉄系材料としては、転がり軸受などに使用されるＳＵＪ２などの軸受鋼、浸炭鋼、機械構造用炭素鋼、冷間圧延鋼、熱間圧延鋼などが挙げられる。
　図１において、外輪３の外周面３ａおよび端面３ｂ、３ｂ’は樹脂被膜６で被覆されている。外輪３の外周面３ａには円周溝が２列形成され、外輪３の両端面３ｂ、３ｂ’にはそれぞれ円周溝が形成されている。樹脂被膜６の一部は、これらの円周溝に埋没している。樹脂被膜６は、図２に示すように、外輪３に対して、後述する樹脂組成物をインサート成形することで形成され、外輪３の外周面３ａおよびその両側の軸方向端面（端面３ｂ、３ｂ’）に形成されている。
　樹脂被膜６の厚み（円周溝の部分を除く、以下同じ）は特に限定されない。例えば、外輪３の外周面３ａおよび端面３ｂ、３ｂ’に形成される部分において厚みが略一定になるように樹脂被膜６を形成してもよい。また、外輪３の外周面３ａに形成される樹脂被膜６の厚みが、端面３ｂ、３ｂ’に形成される樹脂被膜６の厚みよりも薄くなるように樹脂被膜６を形成してもよい（図１参照）。
　本発明では、樹脂被膜６は、少なくとも、ＰＰＳ樹脂と、ガラス繊維と、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機系充填材と、熱可塑性エラストマーとを含む樹脂組成物で構成される。以下には、この樹脂組成物について説明する。
　ＰＰＳ樹脂は、ベンゼン環がパラの位置で、硫黄結合によって連結されたポリマー構造を持つ結晶性の熱可塑性樹脂である。ＰＰＳ樹脂は、融点約２８０℃、熱伝導率約０．３Ｗ／ｍ・Ｋを有し、耐熱性、寸法安定性、耐薬品性、難燃性に優れる所謂スーパーエンジニアリングプラスチックの一種である。
　ＰＰＳ樹脂は、分子構造から架橋型、リニア型などがあるが、これらの分子構造や分子量に限定されることなく使用することができる。架橋型のＰＰＳ樹脂は、例えば、製造工程中に酸素存在下で熱処理を行ない、分子量を必要な水準に高めることで得られる。架橋型のＰＰＳ樹脂は、分子の一部がお互いに酸素を介して架橋された二次元または三次元の架橋構造を有する。一方、リニア型のＰＰＳ樹脂は、製造工程において熱処理がないために分子中に架橋構造は含まれず、分子は一次元の直鎖状とされている。
　ＰＰＳ樹脂の含有量は、特に限定されないが、含有量が多い方が流動性において有利な反面、放熱性の低下を招きやすい。ＰＰＳ樹脂の含有量は、樹脂組成物全体に対して、例えば２０質量％～７０質量％であり、２９質量％～５０質量％が好ましい。
　ガラス繊維は、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３などを主成分とする無機ガラスから紡糸して得られる。一般に、無アルカリガラス（Ｅガラス）、含アルカリガラス（Ｃガラス、Ａガラス）などを使用できる。
　ガラス繊維の平均繊維長は、特に限定されないが、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．２ｍｍ以上が好ましい。平均繊維長が０．１ｍｍ未満であると、補強効果が小さくなり、耐摩耗性が低下するおそれがある。また、平均繊維長の上限値は、例えば１ｍｍ以下であり、０．８ｍｍ以下であってもよい。なお、本明細書における平均繊維長は数平均繊維長である。また、ガラス繊維の平均繊維径は、特に限定されないが、例えば５μｍ～２０μｍであり、好ましくは１０μｍ～１５μｍである。平均繊維径は、本分野において通常使用される電子顕微鏡や原子間力顕微鏡などにより測定できる。平均繊維径は、上記測定に基づき数平均繊維径として算出できる。
　ガラス繊維の含有量は、特に限定されないが、含有量が多い方が機械的強度において有利な反面、流動性の低下を招きやすい。ガラス繊維の含有量は、樹脂組成物全体に対して、例えば１０質量％～５０質量％であり、１０質量％～３０質量％が好ましい。ガラス繊維の含有量が１０質量％未満であると、機械的強度の向上効果が得られにくく、耐クリープ性などが低下するおそれがある。
　熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機系充填材は、主に樹脂被膜の熱伝導性の改善のために配合される。また、その他の特性（電気絶縁性、耐水性、耐薬品性、耐熱性、硬度（相手攻撃性））や入手取得性などを考慮して、上記無機系充填材として、炭化ケイ素、ベリリア、窒化ホウ素、窒化ケイ素、水酸化マグネシウム、アルミナ、および炭酸マグネシウムから選ばれる少なくとも１種以上を用いることが好ましい。なお、これらの熱伝導率を下記の表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記無機系充填材の熱伝導率は１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましい。また、上記無機系充填材として電気絶縁性が高いことが好ましい。例えば、比抵抗値が１０１０Ω・ｃｍ以上が好ましく、１０１２Ω・ｃｍ以上がより好ましい。
　上記無機系充填材の含有量は、特に限定されないが、含有量が多い方が放熱性において有利な反面、機械的強度や流動性の低下を招きやすい。上記無機系充填材の含有量は、樹脂組成物全体に対して、例えば１０質量％～５０質量％であり、３０質量％～５０質量％が好ましい。上記無機系充填材の含有量が１０質量％未満であると、熱伝導性の効果が得られにくくなるおそれがある。
　上記樹脂組成物に用いる熱可塑性エラストマーは、特に限定されないが、ポリオレフィン系、ポリスチレン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系など、ＰＰＳ樹脂よりも融点の低いものを用いることが成形性の改善の面で好ましい。熱可塑性エラストマーは、耐熱性、耐水性、耐薬品性、入手取得性などを考慮して、用いることができる。
　オレフィン系エラストマーは、耐熱性、電気絶縁性に優れている。オレフィン系エラストマーとしては、単純にゴム粒子を樹脂中に分散させたブレンド型、反応時にハードセグメントとソフトセグメントとを段階的に重合させたインプラント型、混合機でオレフィン樹脂と未加硫ゴムと加硫剤とを同時に反応させながら高温混練した動的架橋型などを用いることができる。
　ポリエステル系エラストマーは、耐水性、耐薬品性、耐熱性に優れている。ポリエステル系熱可塑性エラストマーは、ハードセグメントとして芳香族ポリエステル、ソフトセグメントとして脂肪族ポリエーテルまたは脂肪族ポリエステルからなるエステル－エーテル型またはエステル－エステル型のマルチブロック共重合体である。
　熱可塑性エラストマーの含有量が多くなると樹脂組成物の流動性や耐衝撃性が向上する一方、多くなりすぎると弾性率が低下する傾向がある。熱可塑性エラストマーの含有量は、樹脂組成物全体に対して、例えば０．５質量％～３０質量％であり、好ましくは１質量％～２０質量％であり、より好ましくは１質量％～１０質量％である。
　なお、本発明の効果を阻害しない程度に、上記樹脂組成物に対して周知の樹脂用添加剤を配合してもよい。例えば、上記樹脂組成物に対して、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の無機系充填材（ガラス繊維を除く）を配合してもよい。
　上述した各材料の含有量は、成形性、機械特性などに基づいて設定できる。本発明に用いる樹脂組成物の特に好ましい形態は、樹脂組成物全体に対して、ＰＰＳ樹脂を２９質量％～５０質量％、ガラス繊維および熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機系充填材を合計で２０質量％～７０質量％（好ましくは４０質量％～７０質量％）、熱可塑性エラストマーを１質量％～１０質量％含む。ガラス繊維と上記無機系充填材の合計量を規定することで、放熱性および機械的強度の両立を図りやすい。また、上記樹脂組成物は、ガラス繊維よりも上記無機系充填材を多く含み、かつ、樹脂組成物全体に対して、ガラス繊維を１０質量％～３０質量％、上記無機系充填材を３０質量％～５０質量％含むことが好ましい。さらに、上記ガラス繊維は、平均繊維長が２００μｍ以上であり、かつ、平均繊維径が１０μｍ～１５μｍであることがより好ましい。
　上記樹脂組成物を構成する各材料を、必要に応じて、ヘンシェルミキサー、ボールミキサー、リボンブレンダーなどにて混合した後、二軸混練押出し機などの溶融押出し機にて溶融混練し、成形用ペレットを得ることができる。該成形用ペレットを用いて、軌道輪（例えば外輪）に溶融樹脂を射出成形する。例えば、射出成形は３００℃以上の温度で行われる。
　この射出成形について図２を用いて説明する。図２（ａ）は成形金型の要部断面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）の方法により得られた絶縁転がり軸受の説明図を示す。
　図２（ａ）において、成形金型は可動側型板７と固定側型板８とで構成されている。この成形金型の内部に軌道輪（図２では外輪３）を配置した状態で、可動側型板７に固定側型板８が衝合されて、キャビティＣが形成される。キャビティＣは、樹脂被膜６（図１参照）に対応する形状に形成される。具体的には、キャビティＣは、外輪３の外周面３ａ側に形成されるキャビティと、外輪３の端面３ｂ側、３ｂ’側に形成されるキャビティとを有する。キャビティＣは、ゲートＧによってランナー９と連結されている。なお、図２（ａ）は一部断面図を示しているが、キャビティＣは外輪３の形状に沿って、円環状に形成される。
　図２（ａ）において、ゲートＧは、外輪３の端面３ｂ側のキャビティに面して設けられている。ゲートＧから溶融樹脂が注入されると、図２（ｂ）の矢印（ＭＤ）で示すように、金型内を溶融樹脂が流れる。具体的には、溶融樹脂は、外輪３の端面３ｂ側のキャビティから、外輪３の外周面３ａ側のキャビティを通って、外輪３の端面３ｂ’側のキャビティへ導かれる。
　そして、溶融樹脂が充填された後、保圧を経て、一定時間冷却して樹脂が固化される。その後、型開きすることで外周面および両端面に樹脂被膜６が形成された外輪が得られる。この場合、樹脂被膜６の一方の軸方向端面には、ゲート痕１０が形成される。
　図２（ｂ）の絶縁転がり軸受１では、樹脂被膜６における樹脂の流れ方向（ＭＤ）が、外輪３の全周において、一方の軸方向端面から外周面を介して他方の軸方向端面に連続的に沿っている。この場合、外輪３に形成された樹脂被膜６の樹脂の流れ方向（ＭＤ）が、幅面から外周面を介して反対側の幅面まで一直線上であるともいえる。
　図２において、ゲート方式はディスクゲートである。ディスクゲートは、ピンゲート（円周上に分散している）とは異なり、円周上に連続している。そのため、溶融樹脂が、一方の軸方向端面から他方の軸方向端面に同じ方向に流れるため、強度の弱いウェルド部が形成されない。
　射出成形において、ゲートの位置は、特に限定されないが、樹脂被膜において、図２に示すような樹脂の流れ方向（ＭＤ）が形成されるようにゲートを設けることが好ましい。具体的なゲートの位置として、例えば、図２（ａ）に示すように、外輪３の端面３ｂの円周溝３ｄと対向する位置にゲートＧを設けてもよい。
　また、図２（ａ）では、ゲートＧが、そのゲートＧから溶融樹脂が注入される方向がキャビティＣの軸方向と一致するように設けられているが、これらの方向が異なるようにゲートを設けてもよい。例えば、ゲートＧから溶融樹脂が注入される方向がキャビティＣの軸方向に対して、所定角度傾斜するように、また直交するように設けてもよい。
　図２において、射出成形後、必要に応じて、樹脂被膜の外周面と幅面に研磨加工を施し、所望の寸法・精度に仕上げることで絶縁転がり軸受が得られる。
　樹脂被膜の厚みは特に限定されないが、厚みが薄すぎると樹脂被膜の成形が困難になりやすく、樹脂被膜の機械的強度が確保しにくくなる。また、絶縁転がり軸受として必要な絶縁抵抗値、耐電圧、静電容量などの電気的特性を確保しにくくなる。一方で、樹脂被膜の厚みが厚すぎると、軌道輪（例えば外輪）の放熱性が悪くなり、潤滑寿命に影響する可能性がある。また、ハウジングとの嵌合や、端面側の押えによる樹脂被膜のクリープ変形が大きくなるおそれがある。これらを考慮して、樹脂被膜の厚みは、例えば０．３ｍｍ～２ｍｍの範囲内に設定され、好ましくは０．３ｍｍ～１．５ｍｍの範囲に設定される。樹脂被膜は、厚みが１ｍｍ以内の部分を（例えば、図１の外輪３の外周面３ａに形成される箇所に）有することが好ましい。
　本発明の絶縁転がり軸受の他の例について、図３を用いて説明する。図３は円筒ころ軸受の断面図である。絶縁転がり軸受１１は、外周面に内輪軌道面を有する内輪１２と内周面に外輪軌道面を有する外輪１３とが同心に配置され、内輪軌道面と外輪軌道面との間に複数の円筒ころ１４が配置される。この円筒ころ１４は、保持器１５により保持される。また、図３においても、外輪１３の外周面１３ａおよび両端面１３ｂ、１３ｂは樹脂被膜１６で被覆されている。この樹脂被膜１６は、上述の樹脂組成物によって形成される。また、樹脂被膜１６の厚みも、上述の厚みなどを適用できる。射出成形の具体的な方法も、上述（図２など）の方法を適用できる。
　本発明の絶縁転がり軸受の構成は、上記図１～図３の構成に限らない、例えば、本発明の絶縁転がり軸受は、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などにも適用できる。
　上記図１～図３の絶縁転がり軸受は、外輪の外周面および両端面に樹脂被膜が被覆された構成としたが、これに限らない。例えば、外輪の外周面のみに樹脂被膜が被覆された構成としてもよい。また、樹脂被膜が形成される軌道輪は外輪に限らず、内輪でもよい。この場合、内輪の少なくとも内周面に上述の樹脂被膜が形成される。
　次に、本発明の絶縁転がり軸受の適用例を説明する。図４～図７には、鉄道車両の主電動機の主軸を回転自在に支持する軸受に適用した例を示す。
　まず、図４では、主電動機用主軸の支持構造を有する鉄道車両の台車の構成を説明する。図４は、この台車の構成を示す図である。図４に示すように、台車２１は、鉄道車両に備えられる台車であって、台車本体２２と、主電動機３０と、カップリング２４と、駆動装置２５と、車軸２６と、車輪２７と、車軸軸受装置２８とを備えている。主電動機３０は、主電動機取付部２２ａにおいて台車本体２２に支持されている。また、主電動機３０の主軸２３は、カップリング２４を介して駆動装置２５に接続されている。駆動装置２５は、主軸２３に固定された小歯車２５ａと、車軸２６に固定された大歯車２５ｂとを有し、小歯車２５ａと大歯車２５ｂとは互いに噛み合うように配置されている。車軸２６には、一対の車輪２７が固定されており、その両端は車軸軸受装置２８により台車本体２２に対して支持されている。また、車軸軸受装置２８は、台枠２２ｂにおいて台車本体２２に支持されている。
　図４を参照して、主電動機３０による車輪２７の動作について説明する。まず、主電動機３０が動作することにより主軸２３が回転する。このとき、主軸２３の回転は、カップリング２４を介して駆動装置２５に伝達され、主軸２３に固定された小歯車２５ａが回転する。この小歯車２５ａの回転により、小歯車２５ａと噛み合う大歯車２５ｂが回転する。この大歯車２５ｂに固定された車軸２６が回転することにより、車軸２６の両端に固定された車輪２７が回転し、台車２１が走行する。
　図５は、主電動機３０の構成を示す図である。図５に示すように、主電動機３０は、コイル３２ａを有するステータ３２と、ステータ３２に対向するように配置されたロータ３３と、ステータ３２およびロータ３３を取り囲むように配置されたフレーム３１とを主に備えている。ロータ３３の中心部（回転軸）を含む部位には、主軸２３が貫通するように固定されている。主電動機３０において、まず、３相交流電流がステータ３２のコイル３２ａに供給される。このとき、ロータ３３の周りに回転磁界が形成され、この回転磁界によりロータ３３に誘導電流が発生する。このように、ロータ３３の周りに回転磁界が形成され、かつロータ３３に誘導電流が発生することにより、ロータ３３を回転軸周りに回転させるように働く電磁力が発生し、ロータ３３が回転する。このロータ３３の回転は、主軸２３を介して外部に取り出される。
　主電動機３０は、主軸２３をその外周面２３ａに対向して配置される部材に対して軸周りに回転自在に支持する第１軸受装置４０および第２軸受装置４５をさらに備えている。第１軸受装置４０は、主軸２３の固定側を支持する第１の転がり軸受（深溝玉軸受）４１を備えており、第２軸受装置４５は、主軸２３の自由側を支持する第２の転がり軸受（円筒ころ軸受）４６を備えている。これらの転がり軸受は、主電動機３０の主軸２３およびロータ３３を支持し、ロータ３３の自重による荷重を受ける。第１の転がり軸受４１、第２の転がり軸受４６がそれぞれ本発明の絶縁転がり軸受である。なお、これらの転がり軸受を主電動機用軸受ともいう。
　図６は、第１軸受装置４０の構成を示す拡大図である。図６に示すように、第１軸受装置４０は、第１の転がり軸受４１と、ハウジング４２と、ストッパ４３と、端蓋４４と、油切り４４ａとを備えている。第１の転がり軸受４１の内輪４１ａは、ストッパ４３と油切り４４ａとにより挟まれ、内輪４１ａの内周面が主軸２３の外周面２３ａに接触している。また、外輪４１ｂの外周面が樹脂被膜４１ｃを介してハウジング４２に対して固定されている。例えば、内輪４１ａは主軸２３としまりばめ、外輪側はハウジング４２と中間ばめで使用される。また、外輪４１ｂの両端面は樹脂被膜４１ｃを介してハウジング部品（ハウジング４２および端蓋４４）により押えられ、軸方向に固定されている。
　また、図７は、第２軸受装置４５の構成を示す拡大図である。第２軸受装置４５の構成は、転がり軸受の形式が異なるものの、それ以外の構成は第１軸受装置４０と同様である。
　図６において、第１の転がり軸受４１は、内輪４１ａと外輪４１ｂとの間の軸受空間がシール部材により閉じられない開放形軸受とされ、潤滑剤（潤滑油やグリース）がこの軸受空間に供給されることで、該潤滑剤が軌道面などに介在して潤滑がなされる。また、シール部材を設けて潤滑剤を封入する態様としてもよい。軸受回転時には、グリースなどは転動体と軌道面や保持器との摩擦、グリースの撹拌抵抗により発熱し、高温になる。なお、グリースなどには、通常、主電動機用軸受に用いられるものであれば特に制限なく用いることができる。
　一般に、主電動機用軸受は、鉄道車両の定期検査に合わせて、グリースの入れ替えや状態検査などのメンテナンスが行われる。主電動機用軸受のメンテナンス必要頻度は、主電動機ひいては鉄道車両のメンテナンス必要頻度の支配要因の一つである。また、主電動機用軸受のメンテナンス必要頻度は、グリースの潤滑寿命により支配される。グリースは、基油の酸化などにより劣化が進行するため、一般的にグリースの潤滑寿命は、軸受の温度が低い方が長くなる。そのため、主電動機のメンテナンス頻度を少なくし、メンテナンスコストを低減するためには、軸受温度の低減が必要である。また、主電動機用軸受には使用中に漏洩電圧が印加されることで電食による損傷が生じることがある。
　図４～図７に示すように、本発明の絶縁転がり軸受を主電動機用軸受に適用することで、通電による電食を防止しつつ、高速回転により軸受の温度が上昇する場合であっても、その発熱をハウジング部品などを介して放出することができる。これにより、発熱によるグリースの劣化や潤滑不良に伴う軸受寿命の低下を防止でき、鉄道車両の信頼性向上やメンテナンスコストなどの削減に寄与できる。
　本発明の絶縁転がり軸受は、上述の主電動機用軸受以外にも、汎用モータ、発電機など他の用途にも適用できる。例えば、近年、自動車に代わる移動手段として注目されている空飛ぶクルマにも適用できる。空飛ぶクルマは、種々の社会的問題の解消に期待されており、地域内移動、地域間移動、観光・レジャー、救急医療、災害救助など、様々な場面での活用が期待されている。
　空飛ぶクルマとしては、垂直離着陸機（ＶＴＯＬ；Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔａｋｅ－Ｏｆｆ ａｎｄ Ｌａｎｄｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ）が注目されている。垂直離着陸機は、空と離発着場を垂直に昇降できることから、滑走路が必要とならず、利便性に優れる。特に、近年ではＣＯ２の削減に向けた社会的要請などからバッテリとモータで飛行するタイプの電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ）が開発の主流となっている。
　本発明の絶縁転がり軸受が搭載される電動垂直離着陸機について、図８に基づいて説明する。図８に示す電動垂直離着陸機５１は、機体中央に位置する本体部５２と、前後左右に配置された４つの駆動部５３を有するマルチコプターである。駆動部５３は、電動垂直離着陸機５１の揚力および推進力を発生させる装置であり、駆動部５３の駆動によって電動垂直離着陸機５１が飛行する。電動垂直離着陸機５１において駆動部５３は複数あればよく、４つに限定されない。
　本体部５２は乗員（例えば１～２名程度）が搭乗可能な居住空間を有している。この居住空間には、進行方向や高度などを決めるための操作系や、高度、速度、飛行位置などを示す計器類などが設けられている。本体部５２からは４本のアーム５２ａがそれぞれ延び、各アーム５２ａの先端に駆動部５３が設けられている。図８において、アーム５２ａには、回転翼５４を保護するため、回転翼５４の回転周囲を覆う円環部が一体に設けられている。また、本体部５２の下部には、着陸時に機体を支えるスキッド５２ｂが設けられている。
　駆動部５３は、回転翼５４と、該回転翼５４を回転させるモータ５５とを有する。駆動部５３において、回転翼５４はモータ５５を挟んで軸方向両側に一対設けられている。各回転翼５４は、径方向外側へ延びる２枚の羽根をそれぞれ有する。
　本体部５２には、バッテリ（図示省略）および制御装置（図示省略）が設けられている。制御装置はフライトコントローラとも呼ばれる。電動垂直離着陸機５１の制御は、制御装置によって、例えば以下のように実施される。制御装置が、現姿勢と目標姿勢の差から揚力を調整すべきモータ５５に回転数変更の指令を出力する。その指令に基づいて、モータ５５に備えられたアンプがバッテリからモータ５５へ送る電力量を調整し、モータ５５（および回転翼５４）の回転数が変更される。また、モータ５５の回転数の調整は、複数のモータ５５に対して、同時に実施され、それによって機体の姿勢が決まる。
　図９は、駆動部におけるモータの一部断面図を示している。図９において、モータ５５の回転軸５７の一端側（図上側）には上述の回転翼が取り付けられ、他端側（図下側）にはロータが取り付けられる。ロータは、ハウジングに固定されたステータに対向配置され、該ステータに対して回転可能になっている。なお、モータ５５は、アウターロータ型のブラシレスモータや、インナーロータ型のブラシレスモータの構成を採用できる。
　図９において、モータ５５は、ハウジング（装置ハウジング）５６と、ロータ（図示省略）と、ステータ（図示省略）と、アンプ（図示省略）と、２個の転がり軸受（深溝玉軸受）６１、６１とを備える。ハウジング５６は外筒５６ａと内筒５６ｂを有し、これらの間には冷却媒体流路５６ｃが設けられている。この流路５６ｃに冷却媒体を流すことにより、過度の温度上昇を防止できる。また、転がり軸受６１、６１は、内筒５６ｂ内で回転軸５７を回転自在に支持している。図９において、転がり軸受６１の外輪６３の外周面および両端面に樹脂被膜６４が形成されている。転がり軸受６１が、本発明の絶縁転がり軸受に相当する。
　転がり軸受６１において、外輪６３および樹脂被膜６４の外径形状は、ハウジング内周の嵌合部と略同一の形状であり、ハウジング５６に対して、軸受ハウジングなどを介さずに直接嵌合されている。転がり軸受６１および６１の間には内輪間座５８、外輪間座５９が挿入され、予圧が印加されている。外輪間座５９には、転がり軸受６１、６１の冷却および潤滑のために潤滑油を噴射するためのノズル部材６０、６０が設けられている。ノズル部材６０は、外部の潤滑油供給装置（図示省略）から供給されるエアオイルを軸受空間に導く潤滑油流路を内部に有する。
　電動垂直離着陸機では、ドローンに比べて、モータが高容量化されることから、駆動電流が大きくなり、そのモータの回転軸に発生する電圧（軸電圧）が増大すると考えられる。それに伴って、電食の発生が懸念されるが、本発明の絶縁転がり軸受を適用することで、通電による電食を好適に防止できる。また、高速回転により軸受の温度が上昇する場合であっても、樹脂被膜が優れた熱伝導性を有することから、軸受の発熱をハウジングなどを介して放出することができる。その結果、軸受の異常の発生を抑制し、電動垂直離着陸機の安全な飛行などに繋がる。
　なお、駆動部における軸受構成は、図９の構成に限定されない。図９では、モータの回転軸と回転翼の回転軸とを同一の回転軸としたが、モータの回転軸と回転翼の回転軸とが伝達機構を介して接続された構成であってもよい。この場合、駆動部における回転軸を支持する転がり軸受は、モータの回転軸を支持する転がり軸受でもよく、回転翼の回転軸を支持する転がり軸受でもよい。
　本発明の絶縁転がり軸受において、樹脂被膜によって電気絶縁性を有しており、良好な成形性を確保しつつ、樹脂被膜の放熱性と機械的強度が両立されているので、軸受内部を電流が流れるような構造の装置に用いられる種々の転がり軸受に適用できる。特に、鉄道車両の主電動機用主軸の支持構造に用いる転がり軸受や、電動垂直離着陸機の駆動部における転がり軸受などに好適である。
　１　　絶縁転がり軸受
　２　　内輪
　３　　外輪
　４　　玉（転動体）
　５　　保持器
　６　　樹脂被膜
　７　　可動側型板
　８　　固定側型板
　９　　ランナー
　１０　ゲート痕
　１１　絶縁転がり軸受
　１２　内輪
　１３　外輪
　１４　円筒ころ（転動体）
　１５　保持器
　１６　樹脂被膜
　２１　台車
　２２　台車本体
　２３　主軸
　２４　カップリング
　２５　駆動装置
　２６　車軸
　２７　車輪
　２８　車軸軸受装置
　３０　主電動機
　３１　フレーム
　３２　ステータ
　３３　ロータ
　４０　第１軸受装置
　４１　第１の転がり軸受
　４２　ハウジング
　４３　ストッパ
　４４　端蓋
　４５　第２軸受装置
　４６　第２の転がり軸受
　４７　ハウジング
　４８　ストッパ
　４９　端蓋
　５１　電動垂直離着陸機
　５２　本体部
　５３　駆動部
　５４　回転翼
　５５　モータ
　５６　ハウジング
　５７　回転軸
　５８　内輪間座
　５９　外輪間座
　６０　ノズル部材
　６１　転がり軸受
　６２　内輪
　６３　外輪
　６４　樹脂被膜
　Ｃ　　キャビティ
　Ｇ　　ゲート

Claims (9)

  1. 　内輪および外輪と、
    　前記内輪の外周面および前記外輪の内周面に形成される軌道面と、
    　前記軌道面間に介在する複数の転動体とを備え、
    　前記内輪の内周面および前記外輪の外周面から選ばれた少なくとも一つの周面に樹脂被膜を有する絶縁転がり軸受であって、
    　前記樹脂被膜は、少なくとも、ポリフェニレンサルファイド樹脂と、ガラス繊維と、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の無機系充填材と、熱可塑性エラストマーとを含む樹脂組成物からなることを特徴とする絶縁転がり軸受。
  2. 　前記熱可塑性エラストマーの含有量が、前記樹脂組成物全体に対して１質量％～１０質量％であることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
  3. 　前記ガラス繊維および前記無機系充填材の合計の含有量が、前記樹脂組成物全体に対して２０質量％～７０質量％であることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
  4. 　前記無機系充填材が、炭化ケイ素、ベリリア、窒化ホウ素、窒化ケイ素、水酸化マグネシウム、アルミナ、および炭酸マグネシウムから選ばれる少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
  5. 　前記樹脂被膜は、厚みが１ｍｍ以下の部分を有することを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
  6. 　前記樹脂被膜における樹脂の流れ方向が、軌道輪の全周において、前記周面の軸方向の一方側から他方側に沿っていることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
  7. 　前記絶縁転がり軸受において、前記樹脂被膜は、射出成形によって前記周面およびその両側の軸方向端面に形成される被膜であり、前記樹脂被膜における樹脂の流れ方向が、前記軌道輪の全周において、一方の軸方向端面から前記周面を介して他方の軸方向端面に沿っていることを特徴とする請求項６記載の絶縁転がり軸受。
  8. 　前記転がり軸受は、鉄道車両の主電動機の主軸を回転自在に支持する軸受であることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
  9. 　前記転がり軸受は、回転翼および該回転翼を回転させるモータを有する駆動部を複数備え、前記回転翼の回転によって飛行する電動垂直離着陸機に搭載され、
    　前記駆動部における回転軸を支持する軸受であることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
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