特開 2024-1458 電動機用転がり軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024001458

(43)【公開日】2024-01-10

(54)【発明の名称】電動機用転がり軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 19/16 20060101AFI20231227BHJP

   F16C 33/66 20060101ALI20231227BHJP

   F16C 33/44 20060101ALI20231227BHJP

   F02B 39/10 20060101ALI20231227BHJP

   H02K 5/173 20060101ALI20231227BHJP

【ＦＩ】

F16C19/16

F16C33/66 A

F16C33/44

F02B39/10

H02K5/173 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022100129

(22)【出願日】2022-06-22

(71)【出願人】

【識別番号】000114215

【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】小澤 一仁

【テーマコード（参考）】

3G005

3J701

5H605

【Ｆターム（参考）】

3G005EA04

3G005EA16

3G005EA20

3G005FA04

3G005FA14

3G005GB55

3G005GD02

3G005GD03

3G005KA02

3J701AA02

3J701AA12

3J701AA32

3J701AA42

3J701AA54

3J701AA81

3J701BA10

3J701BA34

3J701BA49

3J701BA50

3J701CA32

3J701CA40

3J701DA11

3J701EA02

3J701EA10

3J701EA13

3J701EA14

3J701EA41

3J701EA53

3J701EA78

3J701EA80

3J701FA06

3J701FA44

3J701FA60

3J701GA21

3J701GA24

3J701GA29

3J701XB03

3J701XB33

5H605EB10

(57)【要約】

【課題】過酷な使用環境下においても不具合が生じることのない電動機用の転がり軸受を提案する。
【解決手段】本発明の電動機用の回転軸を軸支する電動機用転がり軸受２１は、互いに相対回転可能に対向配置された一対の内輪２１inおよび外輪２１outと、一対の内輪２１inおよび外輪２１outの間に転動可能に組み込まれた複数の転動体２１ballと、複数の転動体２１ballを一定の間隔を保持しながら回転自在に保持する保持器２１rtと、を備え、保持器２１rtは、非磁性の金属材料からなり、保持器２１rtの硬度がロックウェル硬さＨＲＣ３０乃至４５である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電動機の回転軸を軸支する電動機用転がり軸受であって、
互いに相対回転可能に対向配置された一対の内輪および外輪と、
前記一対の内輪および外輪の間に転動可能に組み込まれた複数の転動体と、
前記複数の転動体を一定の間隔を保持しながら回転自在に保持する保持器と、
を備え、
前記保持器は、非磁性の金属材料からなり、
前記保持器の硬度がロックウェル硬さＨＲＣ３０乃至４５である
電動機用転がり軸受。

【請求項2】

前記保持器は、オーステナイト系非磁性鋼である
請求項１に記載の電動機用転がり軸受。

【請求項3】

前記保持器は、銀メッキが施されている
請求項２に記載の電動機用転がり軸受。

【請求項4】

前記転動体は、セラミックボールからなる
請求項１乃至３何れか１項に記載の電動機用転がり軸受。

【請求項5】

前記内輪および外輪は、耐熱鋼である
請求項１に記載の電動機用転がり軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動機用転がり軸受に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自動車の電動化に伴い、排気ガスを用いるのではなく、または、排気ガスと共に補助的に電動モータを用いてターボチャージャーのタービンホイールを回転させることにより過給応答性を向上させる電動ターボチャージャーが普及しつつある。

【0003】

このような電動ターボチャージャーにおいては、電動モータによってタービンホイールを回転させると共にコンプレッサホイールを回転させることにより圧縮した空気をエンジンに送り込むことができる。このため、電動ターボチャージャーにおいては、エンジンの回転数に依存することなく圧縮した空気をエンジンに供給することができるので所謂ターボラグを解消することができる。

【0004】

このような電動ターボチャージャーでは、電動モータにより発生する磁界によってコンプレッサホイールおよびタービンホイールに接続されたシャフトを軸支する軸受のリテーナ（保持器）が磁化されてしまうことがある。そのような場合、リテーナが軸受の内輪または外輪に偏った状態で接触して回転バランスが乱れ、軸受の不具合が発生する恐れがある。

【0005】

このような電動ターボチャージャーとは異なるが、一般的なサーボモータにおいてモータ軸を軸支する軸受の保持器が金属製の場合、モータ軸の加減速時などに電磁ブレーキのマグネットコイルから生じる強磁界（磁場）の影響により保持器が磁化されてしまうことがある。このようにサーボモータにおいて保持器が磁化されてしまうと、軸受の保持器が内輪または外輪に偏った状態で接触し、偏摩耗を招くおそれがあった。

【0006】

そこでサーボモータに用いられる軸受の保持器を非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼材製とすることにより、強磁場および高温下であっても保持器が偏った状態で内輪または外輪に接触することを防止することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００９－１４８０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１のサーボモータにおける軸受を電動ターボチャージャーに用いる場合は想定されておらず、コンプレッサホイールと接続されたシャフトが例えば１０万回転以上の高速回転になるような過酷な使用環境下においても不具合が生じないという保証はなかった。

【0009】

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、過酷な使用環境下においても不具合が生じることのない電動機用の転がり軸受を提案することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題は、以下の本発明により解決される。即ち、本発明の電動機用の回転軸を軸支する電動機用転がり軸受は、互いに相対回転可能に対向配置された一対の内輪および外輪と、前記一対の内輪および外輪の間に転動可能に組み込まれた複数の転動体と、前記複数の転動体を一定の間隔を保持しながら回転自在に保持する保持器と、を備え、前記保持器は、非磁性の金属材料からなり、前記保持器の硬度がロックウェル硬さＨＲＣ３０乃至４５である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施の形態にかかる電動機用転がり軸受を用いた電動ターボチャージャーユニットの全体構成を示す斜視図である。

【図2】本発明の一実施の形態にかかる電動機用転がり軸受を用いた電動ターボチャージャーユニットのタービンホイール側の部分拡大断面図である。

【図3】本発明の他の実施の形態にかかる電動機用転がり軸受を用いた電動ターボチャージャーユニットの部分拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜本実施の形態＞
なお、本実施の形態の説明において、以下の説明では、便宜上、電動ターボチャージャーユニット１０のシャフト１７が回転する際の軸線Ｘが延びる方向を回転軸Ｘ方向または軸線Ｘ方向とする。また、以下の説明では、便宜上、回転軸Ｘ方向において矢印ａ方向をコンプレッサー側すなわち吸気側、矢印ｂ方向をタービン側すなわち排気側とする。また、軸線Ｘに垂直な径方向において、軸線Ｘから遠ざかる矢印ｃ方向を外側とし、軸線Ｘに近づく矢印ｄ方向を内側とする。

【0013】

図１は、本発明の一実施の形態にかかる電動機用転がり軸受を用いた電動ターボチャージャーユニットの全体構成を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施の形態にかかる電動機用転がり軸受を用いた電動ターボチャージャーユニットのタービンホイール側の部分拡大断面図である。なお、図２ではタービンホイール側の部分拡大断面図のみを示し、コンプレッサホイール側の部分拡大図については省略する。以下、タービンホイール側の部分拡大断面図において図中右側をタービンホイール側とし、図中左側をコンプレッサホイール側として以下説明する。

【0014】

図１および図２に示すように、電動ターボチャージャーユニット１０は、排気ガスの排出流路中にタービンホイール（以下、「タービンインペラ」と呼ぶ場合があるものとする。）１３が配置され、空気の吸入流路中にコンプレッサホイール（以下、「コンプレッサインペラ」と呼ぶ場合があるものとする。）１５が配置された状態でエンジン近傍に設けられている。

【0015】

この種の電動ターボチャージャーユニット１０は、エンジンの回転数が低回転であってタービンホイール１３の回転数が上がらないときに、電動モータ３０のアシストによりタービンホイール１３を回転させることによってターボラグを解消するものである。

【0016】

なお、この電動ターボチャージャーユニット１０は、自動車のエンジン近傍に取り付けられ、タービンホイール１３の回転数が例えば最大１２万回転乃至１５万回転以上のような高速回転下で使用されることを前提としている。

【0017】

電動ターボチャージャーユニット１０は、軸受ハウジング１１を軸線Ｘ方向に沿って貫通するシャフト１７を有している。シャフト１７の一端および他端は、軸受ハウジング１１から外方に突出している。

【0018】

シャフト１７のコンプレッサホイール側（矢印ａ方向）に突出した一端に対してコンプレッサホイール１５が一体に固定され、シャフト１７のタービンホイール側（矢印ｂ方向）に突出した他端に対してタービンホイール１３が一体に固定されている。

【0019】

すなわち、電動モータ３０によってタービンホイール１３が回転すると、当該タービンホイール１３と一体に固定されたシャフト１７を介してコンプレッサホイール１５が回転する。

【0020】

軸受ハウジング１１は、その内部にシャフト１７の一端側および他端側を軸支する軸受２１、２３を固定する円筒形状のボス部１２ａ、１２ｂを有している。軸受ハウジング１１は、オイル等の潤滑油を供給するための流路１１ｒを有し、ボス部１２ａ、１２ｂと後述する内側支持部材１４との間の隙間に潤滑油（オイルフィルム）を供給する。また軸受ハウジング１１は、そのほぼ中央に電動モータ３０を収容可能な円柱状の内側空間Ｓを有している。

【0021】

電動モータ３０は、ステータ３１およびロータ３３を有している。ステータ３１は、ステータコア３１１、インシュレータ（図示せず）、および、コイル３１２によって構成されている。ステータコア３１１の外周面には、インシュレータを介してコイル３１２の巻線が巻回されている。

【0022】

ロータ３３は、ロータヨーク３３１および当該ロータヨーク３３１の周囲に固定されたマグネット３３３によって構成されている。ロータヨーク３３１は、シャフト１７とスぺーサ１８を介して一体に固定されている。ロータ３３のマグネット３３３とステータ３１のステータコア３１１との間は僅かな隙間が形成されている。

【0023】

ステータ３１のコイル３１２とロータ３３のマグネット３３３との電磁気的作用によってロータ３３がシャフト１７と一体となって軸線Ｘを中心に回転すると、シャフト１７と一体化されたタービンホイール１３およびコンプレッサホイール１５が同時に回転することになる。

【0024】

軸受ハウジング１１のボス部１２ａ、１２ｂの内側（矢印ｄ方向）には、円筒形状の内側支持部材１４がそれぞれ固定されている。ボス部１２ａおよび１２ｂの内側支持部材１４は同一構成であるため、ここでは、ボス部１２ａの内側支持部材１４について説明する。内側支持部材１４は、軸受２１を支持する部材であり、ボス部１２ａ、１２ｂの内周面とは僅かな隙間を介して配置されている。

【0025】

内側支持部材１４は、タービンホイール側（矢印ｂ方向）の一端に対して、互いに近接するように突出した突出部１４ｔと、コンプレッサホイール側（矢印ａ方向）の他端に対して互いに背向するようにフランジ状に突出したストッパ部１４ｓと、突出部１４ｔとストッパ部１４ｓとの間を繋ぐ円筒形状の円筒部１４ｃとを有している。

【0026】

内側支持部材１４の突出部１４ｔは、側面視円環状の部分であって、後述する軸受２１の外輪２１outの側面に当接する外輪当接面１４tgと、後述する予圧バネ１６と当接する予圧受面１４tpとを有している。

【0027】

内側支持部材１４のストッパ部１４ｓは、軸受ハウジング１１のボス部１２ａにおける先端側のショルダー部分１２ａｓの端面と接触することが可能な程度に外側(矢印ｃ方向)へ延びており、軸線Ｘ方向において内側支持部材１４のタービンホイール側(矢印ｂ向)への移動を規制している。

【0028】

内側支持部材１４の円筒部１４ｃは、軸線Ｘと同心円状に形成された円筒状部分であって、その内周面に軸受２１の外輪２１outが嵌入されて一体に固定されている。なお、円筒部１４ｃには、外輪２１outよりもコンプレッサホイール側（矢印ａ方向）に軸線Ｘとは直交する方向に貫通した貫通孔１４ｃｈが形成されており、この貫通孔１４ｃｈを流路として潤滑油が軸受２１に対して供給される。なお、軸受２１、２３は同一構造であり、以後、軸受２１について説明し、軸受２３については省略する。

【0029】

軸受２１は、互いに相対回転可能に対向配置された一対の内輪（インナーレース）２１inおよび外輪（アウターレース）２１outと、一対の内輪２１inおよび外輪２１outの間に転動可能に組み込まれた例えばセラミックボールからなる複数の転動体２１ballと、複数の転動体２１ballを一定の間隔を保持しながら回転自在に保持する保持器（リテーナ）２１rtとを有するアンギュラ玉軸受である。

【0030】

この軸受２１は、アンギュラ玉軸受であるので、ラジアル荷重およびスラスト荷重の両方を支持することができる。なお軸受２１は、アンギュラ玉軸受に限るものではなく、通常の転がり軸受、ローラを用いたころ軸受等のその他種々の保持器（リテーナ）を必要とする軸受を用いることができる。

【0031】

軸受２１の外輪２１outは、オーステナイト系の耐熱鋼からなり、例えばAMS6490、AMS6491（M50材）規格等の高速度鋼である。外輪２１outは、内側支持部材１４の円筒部１４ｃの内周面に圧入されて一体化すると共に、外輪２１outのタービンホイール側（矢印ｂ方向）の側面と内側支持部材１４の突出部１４ｔとが当接している。

【0032】

軸受２１の内輪２１inについても、外輪２１outと同様にオーステナイト系の耐熱鋼からなり、例えばAMS6490、AMS6491（M50材）規格等の高速度鋼である。内輪２１inは、シャフト１７の外周面に圧入されて一体化すると共に、当該内輪２１inのタービンホイール側（矢印ｂ方向）の側面とシャフト１７の段部１７ｄとが当接している。

【0033】

また、内輪２１inのコンプレッサホイール側の側面はシャフト１７の外周面に固定された円筒形状のスペーサ１８におけるタービンホイール側（矢印ｂ方向）の端面１８ｔと当接している。

【0034】

因みに、内輪２１inおよび外輪２１outは、オーステナイト系の耐熱鋼に限らず、フェライト系の耐熱鋼やマルテンサイト系の耐熱鋼等のその他種々の耐熱鋼であってもよい。すなわち、タービンホイール１３の回転数が例えば最大１２万回転乃至１５万回転以上のような高速回転下で使用可能な素材であればよい。

【0035】

内側支持部材１４の突出部１４ｔとボス部１２ａを形成している軸受ハウジング１１の底面との間の空間には予圧バネ１６が配置されている。したがって、予圧バネ１６は内側支持部材１４を介して軸線Ｘ方向の電動モータ１０側へ向かって軸受２１に予圧を付与している。

【0036】

また、内側支持部材１４の円筒部１４ｃの内周面には軸受２１を覆うと共に、軸受２１の潤滑油を収容して保持する蓋１９が取り付けられている。蓋１９は、略Ｕ字の皿形状を有しており、その底面にシャフト１７の外径よりも僅かに大きい内径からなる貫通孔を有している。

【0037】

かかる構成に加えて、電動ターボチャージャーユニット１０に用いられる軸受２１は、保持器２１rtの素材として非磁性体金属が用いられている。非磁性体金属の具体例としては、オーステナイト系ステンレス鋼、高マンガン鋼、アルミニウム、銅などを用いることができる。

【0038】

これにより、電動ターボチャージャーユニット１０の軸受２１は、非磁性体金属からなる保持器２１rtを用いたことにより、電動モータ３０の磁場の影響を受けることが無く、保持器２１rtが内輪２１inまたは外輪２１outに偏って回転不良を起こし、不具合が発生することを未然に防止することができる。

【0039】

また、保持器２１rtは、タービンホイール１３の最大１２万回転乃至１５万回転以上のような高速回転下であっても破損に耐えられる程度の硬度として、そのロックウェル硬さＨＲＣ３０乃至４５を有している。したがって、軸受２１は、電動ターボチャージャーユニット１０のシャフト１７が高速に回転する過酷な使用環境下であっても破損することを未然に防止することができる。

【0040】

＜実施例＞
電動ターボチャージャーユニット１０の軸受２１は、実際上、タービンホイール１３と一体化されたシャフト１７の最大回転数が１２００００ｒｐｍ～１５００００ｒｐｍ程度で用いられ、排気ガスが８５０℃および軸受温度が３００℃程度の条件下で用いられる。

【0041】

軸受２１の内輪２１inおよび外輪２１outは、オーステナイト系の耐熱鋼である所謂M-50(AMS6490,AMS6491)が素材として用いられている。具体的には、保持器２１rtは、ＨＰＭ７５（日立金属株式会社）が用いられている。ＨＰＭ７５は、時効処理等の調質により使用硬さをＨＲＣ３５～４５とすることができる高硬度非磁性快削鋼である。

【0042】

また保持器２１rtに用いられるＨＰＭ７５は、非磁性鋼であり、主に、炭素（Ｃ）０．６０％、ケイ素（Ｓｉ）０．３％、マンガン（Ｍｎ）６．５％、ニッケル（Ｎｉ）７．５％、Ｃｒ（クロム）１０．０％、モリブデン（Ｍｏ）２．０％、バナジウム（Ｖ）１．３％を含有し、その他として硫黄（Ｓ）０．１％、Ｃｕ（銅）２．５％、アルミニウム（Ａｌ）１．０％を快削物質として含有している。

【0043】

このようにＨＰＭ７５は、切削の容易さのために快削物質として硫黄（Ｓ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）が含まれているため切削速度に優れている。ただし、これに限らず、保持器２１rtの素材としては、メッキ不良を低減するために快削物質を含まない非磁性鋼を用いることができる。この場合、保持器２１rtの表面には銀メッキなどの固体潤滑膜が形成される。これにより保持器２１rtは、耐食性、耐摩耗性を向上することができる。

【0044】

＜他の実施の形態＞
なお、本実施の形態の電動ターボチャージャーユニット１０は、排気ガスの排出流路中にタービンホイール１３が配置され、空気の吸入流路中にコンプレッサホイール１５が配置された状態でエンジン近傍に取り付けられている場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、従来のターボチャージャーのコンプレッサホイールとエンジンのインテークマニホールドとの間の吸入流路中にコンプレッサホイール１５だけが配置された電動ターボチャージャーユニットに適用するようにしてもよい。

【0045】

また、本実施の形態においては、図２に示したように、軸受２１を内側支持部材１４の円筒部１４ｃの内周面に嵌入されて一体に固定されているようにした場合について述べた。しかしながら、本発明はこれに限らず、図３に示すように、アンギュラ玉軸受からなる軸受２１０を用いるようにしてもよい。この場合、軸受２１０においては、内側支持部材１４０の円筒部１４０ｃが当該軸受２１０の外輪となっている。つまり、内側支持部材１４０と軸受２１０とは、互いの中心軸が一致した状態で予め一体化されているため、軸ブレが生じることを未然に防止している。

【0046】

なお、内側支持部材１４０のストッパ部１４０ｓにおいては、一部に切欠部１４０ｓｃが形成されている。したがって内側部材１４０は、ストッパ部１４０ｓの切欠部１４０ｓｃが軸受ハウジング１１のボス部１２ａにおけるショルダー部分１２ａｓと部分的に係止されているため、ボス部１２ａに対して内側部材１４０の回転が規制されている。

【0047】

また、本実施の形態における軸受２１は、電動ターボチャージャーユニット１０に用いられる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、バッテリー冷却ファンモータ等のその他種々の電動機に用いられるようにしてもよい。

【0048】

以上、本発明の電動機用転がり軸受について、好ましい実施の形態を挙げて説明したが、本発明の電動機用転がり軸受は上記実施の形態の構成に限定されるものではない。その他、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の電動機用転がり軸受を適宜改変することができる。かかる改変によってもなお本発明の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

【符号の説明】

【0049】

１０…電動ターボチャージャーユニット、１１…軸受ハウジング、１２ａ、１２ｂ…ボス部、１３…タービンホイール、１４，１４０…内側支持部材、１５…コンプレッサホイール、１６…予圧バネ、１７…シャフト、１８…スペーサ、１９…蓋、２１，２３，２１０…軸受、２１in…内輪、２１out…外輪、２１ball…転動体、２１rt…保持器、３０…電動モータ、３１…ステータ、３３…ロータ、３１１…ステータコア、３１２…コイル、３３１…ロータヨーク、３３３…マグネット。

【図1】

【図2】

【図3】