JP2016013014A - エアパージ構造を備えた電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングの内側に供給されたエアが、ハウジングの前端における回転軸の周りの環状開口に到達するまでの間の圧力損失を軽減できる電動機を提供する。
【解決手段】本発明の電動機Ｍは、回転子鉄心１を収容する筒状のハウジング２と、ハウジング２の外側に突き出した第１の端部３１、及びハウジング２の内側に位置する第２の端部３２を有する回転軸３と、回転軸３の第１の端部３１と回転子鉄心１との間に配置され、回転軸３をハウジング２の内側で回転可能に支持する軸受４Ａと、を備える。ハウジング２は、回転軸３の第２の端部３２が配置される内部空間２６にエアを供給するエア供給源を接続可能なエア供給孔２７を備え、回転軸３は、第２の端部３２に設けられたエア流入口３５から、第１の端部３１と軸受４Ａとの間に位置する部分領域３３の周面に設けられたエア流出口３６まで延びる貫通孔３４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、洗浄水及び切削油等の異物がハウジング内に進入するのを防止するエアパージ構造を備えた電動機に関する。

種々の工作機械用の主軸モータの中には、洗浄水及び切削油等が飛散する環境下で使用されるものがある。そのため、多くの主軸モータは、洗浄水及び切削油等の異物がハウジングの内側に進入するのを防止するために、ハウジングの構成部材間の接合部にシール材を設けたり、ハウジングと出力軸との間の空隙にオイルシールを設けたりした密閉構造を採用している。ただし、主軸モータに実装されるオイルシールは出力軸と直接的に接触するので、出力軸が高速回転する場合には、短時間でオイルシールが摩耗してハウジングの密閉性が損なわれる虞がある。

これに関連して、特許文献１には、ハウジング内に圧縮エアを送り込むことでハウジング内に異物が進入するのを防止するエアパージ構造を備えた主軸モータが提案されている。より具体的に、特許文献１の主軸モータは、ステータコアとロータとの間に形成されたエア流路と、出力側の軸受を迂回するようにフロントハウジングの内側に形成されたエア排出路と、を備えている。そして、特許文献１の主軸モータは、リアハウジングの内側に供給された圧縮エアを、上記のエア流路及びエア排出路を経由して、フロントハウジングの前面に設けられた回転軸の周りの環状開口まで導くようになっている。これにより、上記の圧縮エアが回転軸の周りの環状開口を通ってハウジングの外側に排出されるので、洗浄水又は切削油等の異物が環状開口を通ってハウジングの内側に進入することが防止される。

ところが、主軸モータの回転軸が高速で回転する間は、上記の環状開口の近傍に負圧が発生することが知られている。従って、工作機械の主軸と主軸モータとが直接的に結合される場合、すなわち、上記の環状開口が工作機械の加工エリアに近接する場合には、洗浄水又は切削油等のミストが負圧によって吸引されて環状開口まで到達しやすくなる。このようなミストがハウジング内に進入するのを防止するためには、特に高い圧力の圧縮エアをハウジングの内側に供給する必要がある。しかし、特許文献１の主軸モータにおいては、ハウジングの内側に供給された圧縮エアが上記の環状開口に到達するまでの間に、ステータコアとロータとの間の狭いエア流路、及び軸受を迂回するように湾曲したエア排出路を通過する必要があるので、圧縮エアがハウジングの内側を通過する際の圧力損失が大きくなる虞がある。

特開２００７−１０５８５０号公報

ハウジングの内側に供給されたエアパージ用のエアが、ハウジングの前端における回転軸の周りの環状開口に到達するまでの間の圧力損失を軽減できる電動機が求められている。

本発明の第１の態様によれば、回転子鉄心を収容する筒状のハウジングと、ハウジングの外側に突き出した第１の端部、及びハウジングの内側に位置する第２の端部を有する、回転子鉄心に固定された回転軸と、第１の端部と回転子鉄心との間に配置され、回転軸をハウジングの内側で回転可能に支持する軸受と、を備える電動機であって、ハウジングは、第２の端部が位置する内部空間にエアを供給するエア供給源を接続可能なエア供給孔を備え、回転軸は、第２の端部に設けられたエア流入口から、第１の端部と軸受の間に位置する回転軸の部分領域における回転軸線周りの周面に設けられたエア流出口まで延びる貫通穴を備える、電動機が提供される。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、貫通穴が、第２の端部の端面から回転軸の延在方向に沿って延びる第１のエア流路と、第１のエア流路の延在方向の終端から周面まで延びる第２のエア流路と、を形成する、電動機が提供される。
本発明の第３の態様によれば、第２の態様において、第２のエア流路が、回転軸の延在方向に対して垂直に延びる、電動機が提供される。
本発明の第４の態様によれば、第２の態様において、第２のエア流路が、回転軸の延在方向に対して斜めに、かつ回転子鉄心から離れる方向に延びる、電動機が提供される。

本発明の第１の態様によれば、ハウジングの内部空間にエア供給孔を介してエアパージ用のエアを供給することで、ハウジングの前端における回転軸の周りの環状開口の近傍まで到達した洗浄水又は切削油等の異物がハウジングの内側に進入するのを確実に防止することができる。また、第１の態様によれば、ハウジングの内部空間に供給されたエアが、回転軸に形成された貫通孔を通ってハウジングの内側の軸線方向空隙まで移動するので、ハウジングの各部に複雑な形状のエア流路を設ける必要が無くなる。すなわち、第１の態様によれば、回転軸を支持する前方の軸受を迂回して軸線方向空隙に至るような複雑な形状のエア流路をハウジング側に設ける必要が無くなる。
本発明の第２の態様によれば、ハウジングの内部空間に供給されたエアが、回転子鉄心と固定子鉄心との間の狭い空隙を通過するのではなく、回転軸の内側を軸線方向に沿って直線的に延びる第１のエア流路を通過するので、当該エアがハウジングの前方部分における回転軸の周りの環状開口に到達するまでの間の圧力損失を軽減することができる。このように、第２の態様によれば、回転軸の周りの環状開口及びエア供給孔を除いた箇所で概ね密封されたハウジングの効率的なエアパージを実現することができる。
本発明の第３の態様によれば、回転軸の貫通孔が、第２の端部の端面から部分領域まで軸線方向に沿って延びる第１の孔、及び第１の孔の終端において第１の孔に対して垂直に延びて部分領域を貫通する第２の孔のみから形成されるので、貫通孔を有する回転軸の製造工程を簡略化することができる。
本発明の第４の態様によれば、第１のエア流路の終端に到達したエアが第２のエア流路の各々に流入するときの流れ抵抗が比較的小さくなるので、ハウジングの内部空間に供給されたエアが回転軸の周りの環状開口に到達するまでの間の圧力損失をさらに軽減することができる。このように、第４の態様によれば、回転軸の周りの環状開口及びエア供給孔を除いた箇所で概ね密封されたハウジングのさらに効果的なエアパージを実現することができる。

本発明の１つの実施形態による例示的な電動機を示す縦断面図である。 本実施形態による電動機のエアパージ構造の変形例を示す、図１と同様の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に記載される内容は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲や用語の意義等を限定するものではない。

図１を参照して、本発明の１つの実施形態の電動機について説明する。本実施形態の電動機は、回転子と固定子が協働して動力を発生させる回転式の電動機であり、種々の負荷装置、例えば、工作機械の主軸を回転駆動する主軸モータである。そして、本実施形態の電動機は、そのハウジング内に洗浄水及び切削油等の異物が進入するのを防止するエアパージ構造を備えている。図１は、本実施形態による例示的な電動機Ｍの縦断面図である。図１のように、本例の電動機Ｍは、筒状の回転子鉄心１と、回転子鉄心１を収容する筒状のハウジング２と、回転子鉄心１に固定された回転軸３と、回転軸３をハウジング２の内側で回転可能に支持する一対の軸受４Ａ，４Ｂと、を備えている。これらについて以下に詳細に説明する。なお、以下の説明では、回転軸３の延在方向を「軸線方向」と称することがある。

先ず、本例の回転子鉄心１は、複数の電磁鋼板が積層された構造を有しており、その外周面には、フェライト磁石又はネオジム磁石等の図示しない複数の平板状の永久磁石が貼り付けられている。本例の回転子鉄心１は、後述する固定子巻線ＳＷを流れる電流によって形成される回転磁界の影響を受けて、所定の回転軸線ＲＡの周りで回転可能である。続いて、本例の回転軸３は、回転子鉄心１の中心孔に嵌入されており、回転子鉄心１と一緒に回転軸線ＲＡの周りで回転するように一対の軸受４Ａ，４Ｂによって支持されている。より具体的に、本例の回転軸３は、回転子鉄心１の両端を通り越して延在していて、一方の軸受４Ａによって回転子鉄心１の前方で支持されている。同様に、本例の回転軸３は、他方の軸受４Ｂによって回転子鉄心１の後方で支持されている。ここでいう「前方」とは、ハウジング２の外側に突き出した回転軸３の第１の端部３１に近い方の位置を表しており、「後方」とは、回転軸３の第１の端部３１から遠い方の位置を表している。

続いて、本例のハウジング２は、回転子鉄心１を取り囲むように回転子鉄心１と同心に配置された筒状の固定子鉄心２０と、固定子鉄心２０の前方に配置された筒状の前方部分２１と、固定子鉄心２０の後方に配置された筒状の後方部分２２と、後方部分２２の後端の開口を閉塞するように後方部分２２のさらに後方に配置された後方カバー２３と、から構成されている。ここで、本例の固定子鉄心２０は、複数の電磁鋼板が積層された構造を有しており、その内周面には、軸線方向に沿って延びる複数のスロット（図示しない）が等間隔で形成されている。それらスロットの各々には固定子巻線ＳＷが配置されており、固定子巻線ＳＷの引き出し線（図示しない）は、後述する端子箱５の金属端子部と電気的に接続されている。従って、端子箱５に交流電源が接続されると、固定子巻線ＳＷに流れる交流電流によって回転子鉄心１の周りに回転磁界が形成される。

本例の固定子鉄心２０は、ボルト等の図示しない結合手段によって、前方部分２１及び後方部分２２のそれぞれと結合されている。また、本例の後方カバー２３は、ボルト等の図示しない結合手段によって後方部分２２と結合されている。図１のように、本例のハウジング２は、後述する前方部分２１の環状開口２４及び後方部分２２のエア供給孔２７を除いた箇所では、外部環境に対して概ね密閉されている。また、本例の後方カバー２３は、軸線方向の後方に突き出した中空のキャップ又はハット状の形態を有している。そして、本例の後方カバー２３は、上述した回転軸３の第１の端部３１とは反対側の第２の端部３２が配置される内部空間２６を、後方部分２２と一緒に形成している。ハウジング２の前方部分２１及び後方部分２２の構造について以下に詳細に説明する。

図１のように、前方部分２１の軸線方向の前端には、軸線方向に対して垂直に配置された壁部２１１が設けられており、この壁部２１１には、軸線方向に沿って延びる柱状の中心孔２１２が形成されている。この壁部２１１の中心孔２１２の内周面には、前方の軸受４Ａが嵌着される円周溝２１３が形成されている。以下では、前方部分２１から軸線方向に突き出した回転軸３の第１の端部３１と、前方部分２１の壁部２１１に嵌着された前方の軸受４Ａと、の間の位置する回転軸３の軸線方向の部分領域３３を、他の部分領域とは区別して「部分領域３３」と称することがある。また、ハウジング２の後方部分２２における軸線方向の所定位置には、軸線方向に対して垂直に配置された壁部２２１が設けられており、この壁部２２１には、軸線方向に沿って延びる柱状の中心孔２２２が形成されている。この壁部２２１の中心孔２２２の内周面には、後方の軸受４Ｂの外輪が嵌着される円周溝２２３が形成されている。

図１中のハウジング２における前方部分２１の近傍を参照すると、本例の前方部分２１の壁部２１１には、上記の中心孔２１２よりも小さい直径の中心孔を有する環状の狭窄部２１４がさらに設けられている。環状の狭窄部２１４は、壁部２１１と一体に形成されてもよいし、壁部２１１とは別個に形成されてから壁部２１１に取り付けられてもよい。図１のように、狭窄部２１４の中心孔の直径は、狭窄部２１４に対応する軸線方向の位置における回転軸３の直径よりも僅かに大きくされる。このように、狭窄部２１４の内周面と回転軸３の外周面との間には、ハウジング２の外側と内側との間を連絡する環状開口２４が設けられている。環状開口２４の半径方向の幅は、狭窄部２１４に到達した異物の大部分がハウジング２の内側に進入するのを防止できる程度に小さくされる。また、本例の狭窄部２１４は、前方の軸受４Ａが嵌着される円周溝２１３から所定距離だけ軸線方向の前方に離間している。従って、前方部分２１の狭窄部２１４と前方の軸受４Ａとの間には、軸線方向に沿って延びる中空円筒状の空隙２５が設けられる。この空隙２５を以下では「軸線方向空隙２５」と称することがある。

今度は図１中のハウジング２における後方部分２２及び後方カバー２３の近傍を参照すると、本例による後方部分２２の外周面には、電動機Ｍを外部電源に接続する接続端子（図示しない）を備えた端子箱５が取り付けられている。また、本例による後方カバー２３のさらに後方には、電動機Ｍを冷却するために軸線方向に沿って送風するファンモータ６が取り付けられている。より具体的に、本例のファンモータ６は、後方カバー２３の後端面に対向するファン６０と、軸線方向に沿って延在してファン６０を収容する筒状の本体６１と、を有している。図１のように、本体６１の軸線方向の後端には、軸線方向に対して垂直に配置された端壁６２が設けられており、上記のファン６０は本体６１の端壁６２の内面に取り付けられている。なお、本体６１の端壁６２には、軸線方向に沿って延びる複数の通気孔（図示しない）が形成されている。そして、本体６１の軸線方向の前端には、後方カバー２３を取り囲むように後方部分２２の後端に取り付けられている。

次に、本例の電動機Ｍのエアパージ構造について説明する。図１のように、本例のハウジング２の後方部分２２の周壁には、回転軸３の第２の端部３２が配置されるハウジング２の内部空間２６と外部空間との間を連絡するエア供給孔２７が形成されている。より具体的に、本例のエア供給孔２７の外側の開口は、上記の端子箱５に覆われた後方部分２２の外周面に設けられており、この外側の開口には、ハウジング２の内部空間２６にエアパージ用のエアを供給する種々のエア供給源（図示しない）を接続できるようになっている。本例のエア供給孔２７を通って内部空間２６の供給されるエアの流路が、図１中の矢印Ａ１１で表されている。

また、本例の回転軸３には、上述したハウジング２の内部空間２６と軸線方向空隙２５との間を連絡する貫通孔３４が形成されている。図１のように、本例の貫通孔３４は、回転軸３の第２の端部３２に設けられたエア流入口３５から、上述した回転軸３の部分領域３３における回転軸線ＲＡの周りの周面に設けられたエア流出口３６まで延びている。より具体的に、本例の回転軸３は、第２の端部３２の端面３２０に設けられたエア流入口３５と、部分領域３３の周面に等間隔で設けられた２つのエア流出口３６と、を有している。ただし、回転軸３の部分領域３３の周面には、１つのエア流出口３６のみが設けられてもよいし、等間隔で配置された３つ以上のエア流出口３６が設けられてもよい。図１のように、本例のエア流出口３６は、ハウジング２の前方部分２１の狭窄部２１４よりも軸線方向の後方に配置されている。

図１のように、本例の回転軸３の貫通孔３４は、エア供給孔２７からハウジング２の内部空間２６に供給されたエアパージ用のエアを、前方部分２１の内側の軸線方向空隙２５まで導くためのエア流路を形成している。より具体的に、本例の回転軸３の貫通孔３４は、第２の端部３２の端面３２０に設けられたエア流入口３５から部分領域３３まで軸線方向に沿って延びる第１のエア流路（図１中の矢印Ａ１２を参照）と、第１のエア流路の終端から部分領域３３の周面に設けられた各々のエア流出口３６まで軸線方向に対して垂直に延びる第２のエア流路（図１中の矢印Ａ１３を参照）と、を形成している。すなわち、本例の回転軸３の貫通孔３４は、第２の端部３２の端面３２０から部分領域３３まで直線的に延び、そこから２つに分岐して部分領域３３の周面に到達している。

上述したように、本例のエア流出口３６は、ハウジング２の狭窄部２１４よりも軸線方向の後方に配置されているので、回転軸３の貫通孔３４を通り抜けたエアパージ用のエアは、エア流出口３６からハウジング２の内側の軸線方向空隙２５に流れ込む。次いで、軸線方向空隙２５に流れ込んだエアは、回転軸３の周りの環状開口２４を通ってハウジング２の外部に放出される。従って、本例の電動機Ｍによれば、環状開口２４の近傍まで到達した洗浄水又は切削油等の異物がハウジング２の内側に進入するのを確実に防止することができる。また、本例の電動機Ｍによれば、ハウジング２の内部空間２６に供給されたエアが、回転軸３に形成された貫通孔３４を通ってハウジング２の内側の軸線方向空隙２５まで移動するので、ハウジング２の各部に複雑な形状のエア流路を設ける必要が無くなる。すなわち、本例の電動機Ｍによれば、前方の軸受４Ａを迂回して軸線方向空隙２５に至るような複雑な形状のエア流路をハウジング２側に設ける必要が無くなる。

また、本例の電動機Ｍによれば、ハウジング２の内部空間２６に供給されたエアが、回転子鉄心１と固定子鉄心２０との間の狭い空隙を通過するのではなく、回転軸３の内側を軸線方向に沿って直線的に延びる第１のエア流路（図１中の矢印Ａ１２を参照）を通過するので、当該エアがハウジング２の前方部分２１における回転軸３の周りの環状開口２４に到達するまでの間の圧力損失を軽減することができる。このように、本例の電動機Ｍによれば、環状開口２４及びエア供給孔２７を除いた箇所で概ね密封されたハウジング２の効率的なエアパージを実現することができる。さらに、本例の電動機Ｍによれば、回転軸３の貫通孔３４が、第２の端部３２の端面３２０から部分領域３３まで軸線方向に沿って延びる第１の孔、及び第１の孔の終端において第１の孔に対して垂直に延びて部分領域３３を貫通する第２の孔のみから形成されるので、貫通孔３４を有する回転軸３の製造工程を簡略化することができる。

次に、本実施形態による電動機Ｍのエアパージ構造の変形例について説明する。図２は、電動機Ｍのエアパージ構造の変形例を示す、図１と同様の縦断面図である。図２の電動機Ｍの各部には、図１の電動機Ｍの各部と同様の符号が付与されている。図１と図２を比較すると分かるように、両図の電動機Ｍの相違点は、回転軸３に形成された貫通孔３４の形状のみである。より具体的に、図２における回転軸３の貫通孔３４は、第２の端部３２の端面３２０に設けられたエア流入口３５から、前方の軸受４Ａに対応する回転軸３の部分領域３７まで、軸線方向に沿って延びる第１のエア流路（図２中の矢印Ａ２２を参照）と、第１のエア流路の終端から部分領域３３の周面に設けられた各々のエア流出口３６まで、軸線方向に対して斜めに、かつ回転子鉄心１から離れる方向に延びる第２のエア流路（図２中の矢印Ａ２３を参照）と、を形成している。なお、図２中の矢印Ａ２１は、図１中の矢印Ａ１１と同様に、エア供給孔２７を通って内部空間２６の供給されるエアの流路を表している。

このように、図１における第２のエア流路の軸線方向に対する傾斜角度θ₁が９０°であるのに対して（θ₁＝９０°）、図２における第２のエア流路の軸線方向に対する傾斜角度θ₂は０°よりも大きく、かつ９０°よりも小さくされる（０°＜θ₂＜９０°）。好ましくは、図２における第２のエア流路の軸線方向に対する傾斜角度θ₂は０°よりも大きく、かつ４５°よりも小さくされる（０°＜θ₂＜４５°）。これにより、第１のエア流路の終端に到達したエアが第２のエア流路の各々に流入するときの流れ抵抗が比較的小さくなるので、ハウジング２の内部空間２６に供給されたエアが回転軸３の周りの環状開口２４に到達するまでの間の圧力損失をさらに軽減することができる。このように、本例の電動機Ｍによれば、環状開口２４及びエア供給孔２７を除いた箇所で概ね密封されたハウジング２のさらに効果的なエアパージを実現することができる。

本発明は、上記の実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で種々改変されうる。例えば、回転軸３の貫通孔３４のエア流入口３５が、ハウジング２の内部空間２６に位置する第２の端部３２に設けられる限りは、貫通孔３４のエア流入口３５の具体的な個数及び配置等が、図１及び図２等に示される例のみに限定されることはない。同様に、回転軸３の貫通孔３４のエア流出口３６が、ハウジング２から突き出した第１の端部３１と前方の軸受４Ａとの間に位置する部分領域３３の周面に設けられる限りは、貫通孔３４のエア流出口３６の具体的な個数及び配置等が、図１及び図２等に示される例のみに限定されることはない。また、上記の実施形態では、永久磁石が回転子鉄心の外周面に貼り付けられた構造を有するＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータが採用されているものの、本発明の電動機Ｍは、永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれた構造を有するＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータであってもよいし、その他の構造を有するモータであってもよい。さらに、上述した電動機Ｍの各部の寸法、形状、及び材質等は一例にすぎず、本発明の効果を達成するために多様な寸法、形状、及び形状等が採用されうる。

１ 回転子鉄心
２ ハウジング
２０ 固定子鉄心
２１ 前方部分
２１１ 壁部
２１２ 中心孔
２１３ 円周溝
２１４ 狭窄部
２２ 後方部分
２２１ 壁部
２２２ 中心孔
２２３ 円周溝
２３ 後方カバー
２４ 環状開口
２５ 軸線方向空隙
２６ 内部空間
２７ エア供給孔
３ 回転軸
３１ 第１の端部
３２ 第２の端部
３２０ 端面
３３ 部分領域
３４ 貫通孔
３５ エア流入口
３６ エア流出口
３７ 部分領域
４Ａ 軸受
４Ｂ 軸受
５ 端子箱
６ ファンモータ
６０ ファン
６１ 本体
６２ 端壁
Ｍ 電動機
ＲＡ 回転軸線
ＳＷ 固定子巻線

Claims (4)

1. 回転子鉄心を収容する筒状のハウジングと、
   前記ハウジングの外側に突き出した第１の端部、及び前記ハウジングの内側に位置する第２の端部を有する、前記回転子鉄心に固定された回転軸と、
   前記第１の端部と前記回転子鉄心との間に配置され、前記回転軸を前記ハウジングの内側で回転可能に支持する軸受と、を備える電動機であって、
   前記ハウジングは、前記第２の端部が位置する内部空間にエアを供給するエア供給源を接続可能なエア供給孔を備え、
   前記回転軸は、前記第２の端部に設けられたエア流入口から、前記第１の端部と前記軸受の間に位置する前記回転軸の部分領域における回転軸線周りの周面に設けられたエア流出口まで延びる貫通穴を備える、電動機。
2. 前記貫通穴が、前記第２の端部の端面から前記回転軸の延在方向に沿って延びる第１のエア流路と、前記第１のエア流路の延在方向の終端から前記周面まで延びる第２のエア流路と、を形成する、請求項１に記載の電動機。
3. 前記第２のエア流路が、前記回転軸の延在方向に対して垂直に延びる、請求項２に記載の電動機。
4. 前記第２のエア流路が、前記回転軸の延在方向に対して斜めに、かつ前記回転子鉄心から離れる方向に延びる、請求項２に記載の電動機。

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