(57)【要約】【課題】  長時間の検証試験が必要となる軸受の転がり疲れ寿命を設計段階で容易に予測し、１０万時間以上の転がり疲れ寿命となるような軸受、予圧構造を決定することができるファンモータを提供する。【解決手段】  外輪６と内輪７との間に複数の転動体８が配置され、かつ回転する前記転動体８と前記外輪６および前記内輪７との間に潤滑油が介在するように構成された１以上の軸受５と、前記軸受５の前記内輪７に嵌合されて、モータの回転力により回転する回転軸１０と、この回転軸１０に固定されるとともに放射状に複数の羽根１４を設けた羽根車１１とを有するファンモータであって、前記軸受５に加わるＳＩ単位系で表された軸方向荷重が、前記軸受５のＳＩ単位系で表された基本動定格荷重と前記軸受のＳＩ単位系で表された外径との積の１．２倍以下になるように設定したファンモータ。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪と内輪との間に複数の転動体が配置され、かつ回転する前記転動体と前記外輪および前記内輪との間に潤滑油が介在するように構成された１以上の軸受と、前記軸受の前記内輪に嵌合されて、モータの回転力により回転する回転軸と、この回転軸に固定されるとともに放射状に複数の羽根を設けた羽根車とを有するファンモータであって、前記軸受に加わるＳＩ単位系で表された軸方向荷重が、前記軸受のＳＩ単位系で表された基本動定格荷重と前記軸受のＳＩ単位系で表された外径との積の１．２倍以下になるように設定したことを特徴とするファンモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐久性の向上を図り得るファンモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファンモータは、電子機器の冷却に利用されることが多い。
一般に、ファンモータを使用する装置本体には、１０年間あるいは１０万時間の耐用寿命が求められているのに対して、ファンモータの寿命は３〜６年と短く、ファンモータの交換が必要となる。このため、長寿命のファンモータが開発されている。長寿命化の技術的ポイントは、モータの放熱設計を見直し、軸受が高温にならないようにすることである(信学技報EMD96-37、通信装置用ファンの長寿命化の検討)。
【０００３】
しかしながら、軸受温度のみでは、長寿命化を行うことは難しい。すなわち、軸受の寿命には、前述の技術的ポイントの潤滑油寿命と軸受金属の疲労による転がり疲れ寿命の２つを検討する必要がある。このうち、転がり疲れ寿命については、前述の資料では、非常に長く、ファン寿命への影響は無視できるとしているが、仔細に検討すると、この結論には誤りがある。つまり、前述の資料では、ボールベアリングの転がり疲れ寿命は下記の式で与えられるとしている。
【０００４】
Ｌｈ=ａ１×ａ２×ａ３×(Ｃ／Ｐ)3×１０6/６０
ここで、ａ１は信頼度係数、ａ２は材料係数、ａ３は使用条件係数、Ｐは動等価荷重、Ｃは基本動定格荷重である。
【０００５】
このうち、前述の資料では、ａ３は１としているが、使用条件係数ａ３は潤滑の状態に深くかかわり、しかも、後述のように、ファンモータ用の軸受では０．１となることもある(ＮＳＫテクニカルレポートＰ４２-４３、油膜パラメータと転がり疲れ寿命)。すなわち、設計によっては、転がり疲れ寿命が３年ということもあり得るのである。ファンモータの設計では、実績に基づいた軸受、予圧構造を採用しているため、前述のように、転がり疲れ寿命が極端に短くなることはないが、例えば、新しい構造の採用や、現在の製品の構造を見直す場合、長時間の検証試験が必要となる。
【特許文献１】特開２０００−０６００６３号公報
【特許文献２】特開１１−７５３４０号公報
【非特許文献１】信学技報EMD96-37、通信装置用ファンの長寿命化の検討
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、転がり軸受では、軸受外輪、内輪の空転を防止するためと、軸方向、径方向の振動を防止するために、軸方向に荷重すなわち予圧を加えて使用する。この際、予圧により、転動体と内輪、外輪が押し付けあうことで、金属疲労が生じ、故障に至ることが知られている。したがって、軸受に軸方向に加わる荷重すなわち予圧が大きいほど、金属疲労が大きく、転がり疲れ寿命は小さくなる。転がり疲れ寿命は、予圧の３乗に反比例することが知られており、先の転がり疲れ寿命式Ｌｈ=ａ１×ａ２×ａ３×(Ｃ／Ｐ)3×１０6/６０の基本動定格荷重Ｃとは、軸受が１００万回転した際に１０％が故障する予圧である。基本動定格荷重Ｃは軸受メーカーのカタログに記載されている。
ただし、転がり疲れ寿命は、潤滑状態とも深く関わっていて、潤滑が良好であれば、転がり疲れ寿命は大きく、潤滑不良状態では、転がり疲れ寿命は小さくなる。この影響を表すのが、使用条件係数ａ３であり、理想的な潤滑状態での寿命との比で表している。
【０００７】
潤滑の状態と転がり疲れ寿命との関係は、古くから研究されていて、転動体と内外輪間に生成する潤滑油の油膜厚と転動体、内外輪表面の粗さとの比で表される油膜パラメータと関連することが知られている(ＮＳＫテクニカルレポートＰ４２-４３、油膜パラメータと転がり疲れ寿命)。
転動体と内外輪間に生成する油膜厚は、Dowsonらの研究による弾性流体潤滑理論により算出できる(油圧と空気圧、Vo18、No.4、p229-235、ころがり軸受(弾性流体潤滑理論の適用)、高田)。
なお、以上の計算は実際の油膜厚とも、一致することが実験で検証されている(相原、小型玉軸受によるEHL油膜厚さ測定)。
【０００８】
すなわち、弾性流体潤滑理論に基づき、潤滑油の最小油膜厚を計算し、転動体、内外輪の表面粗さとから油膜パラメータを算出すると、先の転がり疲れ寿命式の使用条件係数ａ３を決定でき、理論的には、先の課題すなわち、軸受の転がり疲れ寿命を設計段階で予測できることになる。
しかしながら、以上の計算は、専門性が非常に高く、設計者が行えるものではない。
【０００９】
そこで、軸受メーカーでは、簡易的に計算できる図表を公表しているが(ＮＳＫテクニカルマニュアル、ＥＨＬ油膜パラメータの計算図表)、内径が１０ｍｍ以上の軸受が対象であり、ファンモータに使用される小径の玉軸受に用いることはできない。
本発明は、長時間の検証試験が必要となる軸受の転がり疲れ寿命を設計段階で容易に予測し、１０万時間以上の転がり疲れ寿命となるような軸受、予圧構造を決定することができるファンモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するため、外輪と内輪との間に複数の転動体が配置され、かつ回転する前記転動体と前記外輪および前記内輪との間に潤滑油が介在するように構成された１以上の軸受と、前記軸受の前記内輪に嵌合されて、モータの回転力により回転する回転軸と、この回転軸に固定されるとともに放射状に複数の羽根を設けた羽根車とを有するファンモータであって、前記軸受に加わるＳＩ単位系で表された軸方向荷重が、前記軸受のＳＩ単位系で表された基本動定格荷重と前記軸受のＳＩ単位系で表された外径との積の１．２倍以下になるように設定したことにある。
【発明の効果】
【００１１】
このように、長時間の検証試験結果、あるいは実績をもとに決定していた軸受、予圧構造を設計段階で容易に決定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるファンモータの断面図であり、図２は、軸受部を拡大して示す断面図である。
【００１３】
図１および図２において、１はファンモータのハウジングであり、このハウジング１は、通常、円筒状あるいは角筒状の外枠２と、この外枠２の中心に軸方向に設けられた筒状スリーブ３と、この筒状スリーブ３の一端と外枠２とを連結した支持部材４とで構成されている。
筒状スリーブ３の内周面側には、１以上、通常２個の軸受５が配設されている。これら軸受５は、図３に示すように、外輪６と、内輪７と、これら外輪６および内輪７との間に配置された複数の転動体８と、これら転動体８を保持するリテーナ９とで構成されている。前記外輪６、内輪７および転動体８との間にはグリース等の潤滑油が充填されている。
上記軸受５の軸線上には、内輪７側に嵌合されるようにして回転軸１０が配置され、この回転軸１０にファンモータの羽根車１１が固定されている。羽根車１１は、支持部１２ａを介して回転軸１０に固定され、筒状スリーブ３の外側に同心状に配置された筒体１２と、この筒体１２の内周面側に設けられた回転子１３と、筒体１２の外周側に放射状に設けられた複数の羽根１４とで構成されている。前記筒状スリーブ３の外周面には、前記回転子１３に対向するように固定子１５が設けられている。
【００１４】
前記筒状スリーブ３の内周面側には、軸方向の中間部分に小径部３ａが設けられ、この小径部３ａの両側に軸受５の外輪６を固定する大径部３ｂが設けられている。この小径部３ａと大径部３ｂの段差部３ｃの片面に、外輪６の端面が係止されるようにして一方の軸受５ａを配設している。また、段差部３ｃの反対側の面には、軸方向にスプリング１６を介在して他方の軸受５ｂが配設されている。一方の軸受５ａの開放端側には、羽根車１１の支持部１２ａが設けられて係止されており、他方の軸受５ｂの開放端側には、ストッパ１７が回転軸１０に取付けられて、係止されている。スプリング１６は、軸受５ｂに軸方向の荷重すなわち予圧を与えて、軸受５ｂが振動することを防止するとともに、軸受５ｂの外輪６および内輪７が空転することを防止している。
【００１５】
次に、前記軸受５ｂに軸方向の荷重すなわち予圧を与える条件を説明する。
まず、発明者らは、ファンモータに利用される小径玉軸受について、簡易的に計算できる方法はないか、検討した。
市販されている小径玉軸受695、625、626(小径玉軸受の品番を示す)について、弾性流体潤滑理論に基づき、使用条件係数ａ３を算出して、転がり疲れ寿命を求めたのが、図４である。ここでは、温度は６０℃とし、潤滑油はリチウム石鹸とエステル基油を主成分とするグリースとした。図４中、横軸は、基本動定格荷重に対する軸方向荷重すなわち予圧の割合を示し、縦軸は、全体の１０％の軸受が故障するまでの時間、すなわちＬ１０寿命を示す。図４から予圧が基本動定格荷重の３％以下という比較的小さな値でも、Ｌ１０寿命が１０万時間未満となることが分かる。図４の軸受５ごとの寿命曲線が、一本に重なるような指標を見出せれば、軸受５の転がり疲れ寿命を設計段階で予測し、１０万時間以上の転がり疲れ寿命となる軸受５、予圧構造を決定するという課題を解決できる。発明者らは、先の計算結果と軸受５の諸元との組合せを種々検討した結果、図５に示すように、基本動定格荷重と軸受外径との積とＬ１０寿命との関係が、軸受型番によらず、ほぼ一致することを見出した。図５から、Ｌ１０寿命が１０万時間以上となる条件は容易に見出すことができ、ＳＩ単位系で表された軸方向の荷重を軸受５のＳＩ単位系で表された基本動定格荷重とＳＩ単位系で表された軸受外径との積の１．２倍以下とすれば良いことが分かる。すなわち、軸方向荷重＜（基本動定格加重×軸受の外径）×１．２を満足するように設定する。
なお、軸方向荷重は小さすぎると、振動や滑りが発生するが、この問題は寿命とは異なり、かつ短時間の実験で確認できるため、設計に長時間、多大な手間を要することはない。この軸方向荷重の上限値は寿命に関係し、下限値は振動や滑りなどの故障に関係する。この発明は、寿命に関するものなので、上限のみを規定している。
【００１６】
例えば、軸受として型番６９５を採用した場合、本発明にしたがって、計算すると、予圧は、６９５の基本動定格荷重１０８０Ｎと６９５の外径０．０１３ｍとの積の１．２倍となり、１６．８Ｎ以下とすればよいことが分かる。
外輪６、内輪７の空転、軸受５の振動に関しては、試作品あるいは類似の製品にて実験を行い、必要な予圧の下限を求めることができる。すなわち、長時間の検証試験なしで、予圧の適正範囲を求めることができる。
【００１７】
以上のように、求められた予圧を達成するためのスプリング１６のバネ定数とスプリング１６の高さは容易に求められ、解決しようとする課題の１０万時間以上の転がり疲れ寿命となるような軸受、予圧構造を決定することができる。
【００１８】
なお、実施例では、固定子が中心にあるアウターローター型で、かつ羽根車が軸流式のファンであるが、固定子が外側にあるインナーローター型であっても、羽根車が遠心式あるいは横流式であっても、軸受に予圧を与える構造は共通しているため、同様にして、適正な予圧を求めることが可能である。
また、軸方向の荷重には、径方向の荷重も影響を与えるため、径方向の荷重の影響を考慮した等価軸荷重を求める必要があるが、これは、設計上の問題であり、本発明の実施にあたっては、なんらの支障となるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のファンモータにおける一実施例の断面図である。
【図２】図１の軸受部分の拡大断面図である。
【図３】図１の軸受の拡大断面図である。
【図４】小径玉軸受695、625、626について、転がり疲れ寿命を算出した結果である。
【図５】基本動定格荷重と軸方向荷重との積と転がり疲れ寿命との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  ハウジング
２  外枠
３  筒状スリーブ
４  支持部材
５，５ａ，５ｂ  軸受
６  外輪
７  内輪
８  転動体
９  リテーナ
１０  回転軸
１１  羽根車
１２  筒体
１３  回転子
１４  羽根
１５  固定子
１６  スプリング
１７  ストッパ
【図１】
2005261105.tif 000003
【図２】
2005261105.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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