(57)【要約】【課題】焼き付きの発生を抑制できる動圧軸受装置及び回転電機を提供する。【解決手段】動圧軸受装置３０の回転軸３１の外周面３１ａには、回転方向Ｘの前側ほど互いに離間するように回転方向Ｘに対して傾斜して延在する一対の溝４１，４２を含む動圧発生溝４０が回転方向Ｘに複数設けられている。動圧発生溝４０は、一対の溝４１，４２の深さが互いに異なっている。【選択図】図２
2020041629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の外周面を回転可能に支持する軸受と、を備え、
前記回転軸の外周面及び前記軸受の内周面のいずれか一方には、前記回転軸の回転方向の前側ほど互いに離間するように前記回転方向に対して傾斜して延在する一対の溝を含む動圧発生溝が前記回転方向に複数設けられており、
前記溝の深さ、前記溝の幅、前記溝の前記回転方向に対する傾斜角度、及び前記溝の延在方向における長さの少なくとも１つが、前記一対の溝の一方と他方とで互いに異なっている、
動圧軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載の動圧軸受装置と、
前記回転軸に固定されたロータと、
前記ロータの外周に配置されたステータと、を備える、
回転電機。
【請求項３】
前記一対の溝のうち、前記ロータ及びステータに近接する側の溝内にて発生する動圧が、前記ロータ及びステータから離間する側の溝内にて発生する動圧よりも低くなるように、前記一対の溝の深さ、前記一対の溝の幅、前記一対の溝の前記回転方向に対する傾斜角度、及び前記一対の溝の延在方向における長さの少なくとも１つが互いに異なっている、
請求項２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動圧軸受装置及びこれを備えた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工作機械やハードディスク装置などに適用されるスピンドル装置においては、回転軸を非接触で支持する動圧軸受装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。同文献１に記載の動圧軸受装置は、回転軸と、当該回転軸のラジアル荷重を支持する軸受とを備えている。回転軸の外周面または軸受の内周面には、回転軸の回転方向に対して傾斜して延びる一対の溝からなり、Ｖ字状をなす複数のヘリングボーン状溝が形成されている。
【０００３】
こうした動圧軸受装置では、回転軸の回転に伴い、ヘリングボーン状溝に空気や潤滑油などの流体が流入すると、当該流体が圧縮されることでその動圧が増大される。回転軸は、こうして増大された動圧によって軸受の内周面から浮いた状態で、すなわち非接触状態で回転可能に支持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−３０４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したようなヘリングボーン状溝を有する動圧軸受装置では、回転軸の回転速度が増大するほど流体が圧縮されてその動圧が増大される。このため、回転軸と軸受との隙間に適切な動圧を発生させるために、回転軸を所定の回転速度以上で回転させる必要がある。しかしながら、こうした流体の圧縮に伴って流体の温度が上昇するため、流体によって加熱されることで回転軸及び軸受が熱膨張するようになる。これにより、回転軸と軸受との隙間が小さくなることで回転軸の円滑な回転が阻害されるおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、回転軸を円滑に回転させることのできる動圧軸受装置及び回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための動圧軸受装置は、回転軸と、前記回転軸の外周面を回転可能に支持する軸受と、を備え、前記回転軸の外周面及び前記軸受の内周面のいずれか一方には、前記回転軸の回転方向の前側ほど互いに離間するように前記回転方向に対して傾斜して延在する一対の溝を含む動圧発生溝が前記回転方向に複数設けられており、前記溝の深さ、前記溝の幅、前記溝の前記回転方向に対する傾斜角度、及び前記溝の延在方向における長さの少なくとも１つが、前記一対の溝の一方と他方とで互いに異なっている。
【０００８】
上記軸受装置においては、回転軸の回転に伴って一対の溝内に空気が流入すると、当該空気が圧縮されることでその動圧が増大される。回転軸は、こうして増大された動圧によって軸受の内周面から浮いた状態で、すなわち非接触状態で回転可能に支持される。
【０００９】
上記構成によれば、溝の深さ、溝の幅、溝の回転軸の回転方向に対する傾斜角度、及び溝の延在方向における長さの少なくとも１つが、一対の溝の一方と他方とで互いに異なるため、回転軸の回転時に一対の溝の一方において発生する動圧と他方において発生する動圧とに差が生じる。これにより、回転軸と軸受との間では、一対の溝のうち動圧の高い方から低い方へ空気が移動するようになる。このことから、動圧発生溝により圧縮されることで高温になった空気は、回転軸と軸受との間を軸線方向に沿って流れることとなる。こうした空気の流れにより、回転軸と軸受との間に高温の空気が滞留しにくくなり、回転軸及び軸受の温度上昇、ひいては熱膨張により回転軸と軸受との隙間が小さくなることを抑制することができる。したがって、回転軸を円滑に回転させることができる。
【００１０】
また、上記目的を達成するための回転電機は、上記動圧軸受装置と、前記回転軸に固定されたロータと、前記ロータの外周に配置されたステータと、を備える。
同構成によれば、上記動圧軸受装置と同様な作用効果を奏することができるため、回転電機の回転軸を円滑に回転させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転軸を円滑に回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の回転電機の構成を模式的に示す断面図。
【図２】図１のＡ部を展開して模式的に示す拡大断面図。
【図３】図２の３−３線に沿った断面図。
【図４】動圧発生溝における一対の溝の深さと発生する動圧との関係を示すグラフ。
【図５】図２に対応する図であって、第１変更例における動圧軸受装置の動圧発生溝を中心とした拡大断面図。
【図６】図２に対応する図であって、第２変更例における動圧軸受装置の動圧発生溝を中心とした拡大断面図。
【図７】図２に対応する図であって、第３変更例における動圧軸受装置の動圧発生溝を中心とした拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図１〜図４を参照して、動圧軸受装置を備えた回転電機の一実施形態について説明する。
図１に示すように、回転電機１０は、筒状のハウジング２０と、ハウジング２０の内部に設けられ、回転軸３１及び回転軸３１の外周面３１ａを回転可能に支持する軸受３２を有する動圧軸受装置３０と、回転軸３１に固定されたロータ５０と、ロータ５０の外周に配置されたステータ６０とを備えている。
【００１４】
ハウジング２０は、片側に底部２３を有する筒状の本体部２１と、本体部２１の開口２２を閉塞する蓋部２４とにより構成されている。
本体部２１の底部２３及び底部２３と対向する蓋部２４の中央には、貫通孔２５，２６がそれぞれ設けられている。各貫通孔２５，２６には、軸受３２が内嵌されている。なお、本実施形態の軸受３２は、回転軸３１のラジアル荷重を支持するラジアル軸受である。
【００１５】
回転軸３１の外径は、軸受３２の内径よりも僅かに小さい。すなわち、回転軸３１と軸受３２とが同一軸線上にある状態において、回転軸３１の外周面３１ａと軸受３２の内周面３２ａとの間には、全周にわたって隙間（クリアランス）が設けられている。
【００１６】
ロータ５０には、複数の永久磁石（図示略）が埋め込まれている。
ステータ６０は、ハウジング２０の内面に取り付けられるとともにコイル６１が巻き付けられている。
【００１７】
図１及び図２に示すように、回転軸３１の外周面３１ａのうち軸受３２の内周面３２ａに対向する部分には、ヘリングボーン状の動圧発生溝４０が回転軸３１の回転方向Ｘに複数設けられている。なお、回転軸３１の回転方向Ｘは、図１において回転軸３１を右方から視た場合の反時計回りの方向である。また、以降において、回転軸３１の回転方向Ｘを単に回転方向Ｘと称する。また、回転軸３１の軸線方向Ｙを単に軸線方向Ｙと称する。
【００１８】
動圧発生溝４０は、回転方向Ｘの前側ほど互いに離間するように回転方向Ｘに対して傾斜して延在する一対の溝（第１溝４１，第２溝４２）により構成されている。動圧発生溝４０の回転方向Ｘの後側には、第１溝４１と第２溝４２とが合流する合流部４０ａが形成されている。第１溝４１は、合流部４０ａよりも軸線方向Ｙにおいてロータ５０及びステータ６０から離間する側に位置している。第２溝４２は、合流部４０ａよりも軸線方向Ｙにおいてロータ５０及びステータ６０に近接する側に位置している。
【００１９】
図２及び図３に示すように、本実施形態では、第１溝４１と第２溝４２とで溝深さが互いに異なっている。より具体的には、図３に示すように、第１溝４１の深さＤ１は、第２溝４２の深さＤ２よりも大きい（Ｄ１＞Ｄ２）。
【００２０】
図２に示すように、第１溝４１及び第２溝４２は、溝深さ以外の点においては、合流部４０ａを通って軸線方向Ｙに直交する仮想平面を中心に対称な形状を有している。すなわち、溝４１，４２の幅、溝４１，４２の回転方向Ｘに対する傾斜角度、及び溝４１，４２の延在方向における長さについては、第１溝４１と第２溝４２とで同一である。
【００２１】
ここで、図４に示すように、互いに同一の溝深さを有する一対の溝と当該溝にて発生する動圧との関係には、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧が低くなる溝深さの範囲と、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧高くなる溝深さの範囲とが存在する。
【００２２】
本実施形態では、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧が低くなる溝深さの範囲内において、溝４１，４２の深さを互いに異ならせている。すなわち、上記範囲内において、第２溝４２において発生する動圧が第１溝４１において発生する動圧よりも低くなるように、第１溝４１の深さＤ１及び第２溝４２の深さＤ２を設定している。
【００２３】
本実施形態の作用について説明する。
まず、本実施形態の動圧軸受装置３０の基本的な作用について説明する。
回転軸３１の回転に伴って、回転軸３１の外周面３１ａに設けられた動圧発生溝４０の溝４１，４２には、回転方向Ｘの前側から周囲の空気が流入する。溝４１，４２に流入した空気は、溝４１，４２の延在方向に沿って回転方向Ｘの後側に向かって流れ、合流部４０ａにおいて合流して圧縮されることで動圧が増大される。これにより、合流部４０ａには周囲よりも高い動圧が発生する。こうした動圧は、回転軸３１及び軸受３２の全周にわたって発生する。そして、当該動圧が所定の動圧よりも大きくなることで回転軸３１は軸受３２に対して浮上することとなる。これにより、回転軸３１は軸受３２に対して非接触状態で回転可能に支持される。
【００２４】
本実施形態の動圧軸受装置３０は、第２溝４２において発生する動圧が第１溝４１において発生する動圧よりも小さくなるように、第１溝４１の深さＤ１が第２溝４２の深さＤ２よりも大きく設定されている。このため、動圧発生溝４０による動圧が発生した際に、第１溝４１から、第１溝４１における動圧よりも動圧の低い第２溝４２に向かう空気の流れ、すなわち軸線方向Ｙにおいてハウジング２０の内側に向かう空気の流れが生じる。なお、回転軸３１の外周面３１ａには、軸線方向Ｙの両側に動圧発生溝４０が設けられているため、動圧軸受装置３０全体としてハウジング２０の内側に向かう空気の流れが生じることとなる。こうした空気の流れにより、回転電機１０の駆動によって発熱したロータ５０及びステータ６０が冷却される。
【００２５】
本実施形態の効果について説明する。
（１）動圧軸受装置３０の回転軸３１の外周面３１ａには、回転方向Ｘの前側ほど互いに離間するように回転方向Ｘに対して傾斜して延在する一対の溝４１，４２を含む動圧発生溝４０が回転方向Ｘに複数設けられている。動圧発生溝４０は、一対の溝４１，４２の深さが互いに異なっている。
【００２６】
こうした構成によれば、一対の溝４１，４２の深さが互いに異なるため、回転軸３１の回転時に第１溝４１において発生する動圧と第２溝４２において発生する動圧とに差が生じる。これにより、回転軸３１と軸受３２との間では、一対の溝４２，４２のうち動圧の高い方から低い方へ空気が移動するようになる。このことから、動圧発生溝４０により圧縮されることで高温になった空気は、回転軸３１と軸受３２との間を軸線方向に沿って流れることとなる。こうした空気の流れにより、回転軸３１と軸受３２との間に高温の空気が滞留しにくくなり、回転軸３１及び軸受３２の温度上昇、ひいては熱膨脹により回転軸３１と軸受３２との隙間が小さくなることを抑制することができる。したがって、回転軸３１を円滑に回転させることができる。
【００２７】
（２）回転電機１０は、動圧軸受装置３０と、回転軸３１に固定されたロータ５０と、ロータ５０の外周に配置されたステータ６０とを備える。動圧軸受装置３０の動圧発生溝４０は、一対の溝４１，４２のうち、ロータ５０及びステータ６０に近接する側の第２溝４２内にて発生する動圧が、ロータ５０及びステータ６０から離間する側の第１溝４１内にて発生する動圧よりも低くなるように、深さが互いに異なっている。
【００２８】
こうした構成によれば、上記作用を奏することから、ロータ５０及びステータ６０の発熱を抑制することができるため、動圧軸受装置３０の効果（１）と同様な効果を奏することができる。したがって、回転電機１０の回転軸３１を円滑に回転させることができる。
【００２９】
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧が低くなる溝深さの範囲内において溝４１，４２の深さを互いに異ならせることで、軸線方向の外側から内側に向かう空気の流れを生じさせた。これと同様にして、図４に示すように、溝深さが小さいほど当該溝において発生する動圧が高くなる溝深さの範囲内において、溝４１，４２の深さＤ３，Ｄ４を互いに異ならせることで、軸線方向の外側から内側に向かう空気の流れを生じさせてもよい。
【００３０】
第１溝４１において発生する動圧と第２溝４２において発生する動圧とを異ならせるための構成は、溝深さだけではない。溝４１，４２の深さ、溝４１，４２の幅、溝４１，４２の回転方向Ｘに対する傾斜角度、及び溝４１，４２の延在方向における長さの少なくとも１つを、第１溝４１と第２溝４２とで互いに異ならせることによって、第１溝４１において発生する動圧と第２溝４２において発生する動圧とを異ならせることができる。以下、図５〜図７を参照して、その変更例について説明する。なお、以下の図５〜図７にそれぞれ示す第１〜第３変更例において、上記実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すとともに、対応する構成については、それぞれ「１００」、「２００」、「３００」を加算した符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
【００３１】
・図５に示すように、本実施形態の動圧軸受装置３０に代えて、第１溝１４１において発生する動圧と第２溝１４２において発生する動圧とに差が生じるように、第１溝１４１の回転方向Ｘに対する傾斜角度α１と第２溝１４２の回転方向Ｘに対する傾斜角度α２とを互いに異ならせた動圧軸受装置１３０を採用することもできる。なお、本第１変更例では、傾斜角度α１が傾斜角度α２よりも大きい（α１＞α２）。こうした構成によれば、上記実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
【００３２】
・図６に示すように、本実施形態の動圧軸受装置３０に代えて、第１溝２４１において発生する動圧と第２溝２４２において発生する動圧とに差が生じるように、第１溝２４１の幅Ｗ１と第２溝２４２の幅Ｗ２とを互いに異ならせた動圧軸受装置２３０を採用することもできる。なお、本第２変更例では、幅Ｗ１が幅Ｗ２よりも大きい（Ｗ１＞Ｗ２）。こうした構成によれば、上記実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
【００３３】
・図７に示すように、本実施形態の動圧軸受装置３０に代えて、第１溝３４１において発生する動圧と第２溝３４２において発生する動圧とに差が生じるように、第１溝３４１の延在方向における長さＬ１と第２溝３４２の延在方向における長さＬ２とを互いに異ならせた動圧軸受装置３３０を採用することもできる。なお、本第３変更例では、長さＬ１が長さＬ２よりも長い（Ｌ１＞Ｌ２）。こうした構成によれば、上記実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
【００３４】
・回転軸３１の外周面３１ａに代えて、軸受３２の内周面３２ａに動圧発生溝４０を設けることもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１０…回転電機、２０…ハウジング、２１…本体部、２２…開口、２３…底部、２４…蓋部、２５，２６…貫通孔、３０，１３０，２３０，３３０…動圧軸受装置、３１，１３１，２３１，３３１…回転軸、３１ａ，１３１ａ，２３１ａ，３３１ａ…外周面、３２…軸受、３２ａ…内周面、４０，１４０，２４０，３４０…動圧発生溝、４０ａ，１４０ａ，２４０ａ，３４０ａ…合流部、４１，１４１，２４１，３４１…第１溝、４２，１４２，２４２，３４２…第２溝、５０…ロータ、６０…ステータ、６１…コイル。
【図１】
2020041629.tif 000003
【図２】
2020041629.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020041629.tif 000007
【図６】
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【図７】
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