JP2019205327A

JP2019205327A - モータ

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Publication number: JP2019205327A
Application number: JP2018101053A
Authority: JP
Inventors: 中村　喜代治; Kiyoji Nakamura; 喜代治中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2019-11-28
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: DE102019111038A1; US20190360531A1; JP7087677B2; DE102019111038B4; CN110535279B; US10935078B2; CN110535279A

Abstract

【課題】メカニカルシールおよび軸受への潤滑油の供給を効率よく行うことができ、モータの駆動時の温度上昇を抑えることができるモータを提供する。【解決手段】モータ１のメカニカルシール１０は、ロータ３の回転シャフト５に挿通され、シール面１１ａを有するシールリング１１と、回転シャフト５に固定され、シールリング１１のシール面１１ａに接触するシール面１２ａを有するメイティングリング１２と、を備えている。メイティングリング１２には、メイティングリング１２のシール面１２ａよりもメイティングリング１２の外縁側に、潤滑油が軸受６側に流れる貫通孔１４が形成されている。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、ロータの回転シャフトを支承する軸受の近傍にメカニカルシールを備えたモータに関する。

従来、この種のメカニカルシールを備えるモータとして、特許文献１には、メカニカルシール構造を備えたモータが提案されている。このモータでは、メカニカルシールのメイティングリングとシールリングとのシール面に潤滑油を保持した状態でこれらをシールするとともに、軸受に潤滑油を供給するように構成されている。

特開２００４−７２９４９号公報

ところで、特許文献１の如きメカニカルシール構造を備えるモータでは、メイティングリングの外周面とモータハウジングとの間から、軸受に潤滑油を供給する構造が採用されることが多い。この際に、ロータで発熱した熱は、メイティングリングから潤滑油に放熱されるが、メイティングリングの表面積が十分確保されていないため、ロータの熱をメイティングリングで、効果的に放熱することは難しい。そこで、メイティングリングの放熱効率を上げるためにメイティングリングの直径を大きくすると、メイティングリングの放熱面積を大きくすることができるが、メイティングリングの外周面とモータハウジングとの間の潤滑油の流路断面が減少してしまうため、軸受に流れる潤滑油の供給を安定して確保することが難しくなる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、本発明では、ロータの回転シャフトを回転自在に支持する軸受への潤滑油の供給を安定して確保するとともに、モータの駆動時の温度上昇を抑えることができるモータを提供する。

前記課題に鑑みて、本発明に係るモータは、モータハウジング内にロータとステータとを備え、前記ロータの回転シャフトを前記モータハウジングに回転自在に支持する軸受と、前記軸受よりも前記回転シャフトの端部側に配置され、前記軸受に供給される潤滑油を前記モータハウジングに対してシールするメカニカルシールと、を備えたモータであって、前記メカニカルシールは、前記ロータの回転シャフトに挿通され、シール面を有するシールリングと、前記回転シャフトに挿通された状態で固定され、前記シールリングのシール面に接触するシール面を有するメイティングリングと、を備えており、前記メイティングリングには、前記メイティングリングの前記シール面よりも前記メイティングリングの外縁側に、前記潤滑油が前記軸受側に流れる潤滑油通路が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、モータの駆動時に発生する熱は、ロータの回転シャフトに伝達され、伝達された熱は、回転シャフトに固定されたメイティングリングにさらに伝達される。また、メイティングリングとシールリングとの摩擦熱も加わり、メイティングリングの温度は上昇する。この際、軸受に供給される潤滑油は、メイティングリングのシール面よりも外縁側に形成された潤滑油通路を通して軸受に流れるため、潤滑油でメイティングリングに伝達された熱を吸熱することができる。このような結果、メイティングリングを含むモータの温度上昇を抑えることができ、軸受への潤滑油の供給を安定して行うことができる。

ここで、潤滑油通路は、メイティングリングの周縁部に形成された切欠きまたは貫通孔などを挙げることができ、潤滑油を、軸受側に通過させることができるのであれば、特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記潤滑油通路は、前記メイティングリングに形成された貫通孔である。

この態様によれば、潤滑油通路を貫通孔にすることにより、メイティングリングの外面と貫通孔の壁面とにより、メイティングリングの熱を効率的に放熱することができる。切欠きの場合に比べて、メイティングリングに挿通される回転シャフトにより近い位置に、放熱面積のより広い壁面を有した貫通孔が存在するので、潤滑油でメイティングリングに伝達された熱をより効率的に吸熱することができる。

さらに、前記したメイティングリングの形状については特に規定されるものでないが、より好ましい態様としては、前記メイティングリングの外周面には、周方向に沿って延在した複数のフィンが形成されている。

この態様によれば、メイティングリングの外周面に周方向に沿って複数のフィンを形成することにより、メイティングリングの表面積を増加させることができ、フィンから熱を効率良く放熱することができる。このような結果、潤滑油との熱交換の効率を高めることで、メイティングリングの温度上昇を抑えることができ、結果としてモータの駆動時の温度上昇を抑制できる。

本発明によれば、ロータの回転シャフトを支承する軸受への潤滑油の供給を、メイティングリングの貫通孔により、安定して確保するとともに、モータの駆動時に発熱する熱を、メイティングリングから潤滑油に放熱し、モータの温度上昇を抑えることができる。

本発明の実施形態に係るモータの一実施形態を示す断面図である。図１のメカニカルシール部分を示す要部断面図である。図２Ａのメカニカルシールの分解状態を示す要部断面図である。図２Ａのメカニカルシールのメイティングリングの正面図である。図３ＡのＡ−Ａ線に沿ったメイティングリングの矢視方向の断面図である。本発明に係るモータの他の実施形態のメカニカルシール部分を示す断面図である。図４のメカニカルシールのメイティングリングの正面図である。図５ＡのＢ−Ｂ線に沿ったメイティングリングの矢視方向の断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るモータの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るモータの断面図、図２Ａは、図１のメカニカルシール部分を示す要部断面図、図２Ｂは、図２Ａのメカニカルシールの分解状態を示す要部断面図、図３Ａは、図２Ａのメカニカルシールのメイティングリングの正面図、図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ線に沿ったメイティングリングの矢視方向の断面図である。

本実施形態のモータ１は、モータハウジング２内にロータ３と、ステータ４とを備えている。モータハウジング２は、モータ１の筐体を構成するものであり、ロータ３とステータ４とを収容している。モータハウジング２は、ロータ３、ステータ４等を収容する本体部２ａと、本体部２ａの開口を塞ぐ蓋体２ｂで構成されている。

ロータ３は回転シャフト５の外周に固定されており、回転シャフト５は、軸受６，７を介して、モータハウジング２に回転自在に支持されている。軸受６，７には、球軸受などの転がり軸受が用いられている。ステータ４は、モータハウジング２内で、その内壁に沿って固定されている。ロータ３は、例えば永久磁石型のロータであり、ステータ４は、例えばヨークとコイルを備えるものである。

モータ１は、軸受６よりも回転シャフト５の端部側に配置されるメカニカルシール１０を備えている。本実施形態では、メカニカルシール１０は、軸受６に近接している。なお、軸受７にもメカニカルシールを設けるようにしてもよい。メカニカルシール１０は、軸受６に供給される潤滑油をモータハウジング２に対してシールする機能を有している。すなわち、潤滑油が軸受６，７に供給される潤滑空間から、潤滑油がモータハウジング２の外部に漏れることを防止している。

具体的には、図２Ｂに示すように、メカニカルシール１０は、基本的にはシールリング１１と、メイティングリング１２と、シールリング１１をメイティングリング１２に付勢するバネ１３と、を備えている。

シールリング１１は、ロータ３の回転シャフト５に挿通され、シール面１１ａを有している。シールリング１１は、回転シャフト５に沿って移動自在になっている。メイティングリング１２は、回転シャフト５に挿通された状態で固定され、シールリング１１のシール面１１ａに潤滑油を介して接触するシール面１２ａを有している。バネ１３は、シールリング１１をメイティングリング１２に付勢することにより、メイティングリング１２のシール面１２ａに、シールリング１１のシール面１１ａを押圧している。

シールリング１１のシール面１１ａは、回転シャフト５の中心軸と直交する方向に延在する平坦面であり、メイティングリング１２のシール面１２ａも、回転シャフト５の中心軸と直交する方向に延在する平坦面であるため、両シール面１１ａ，１２ａは互いに密着するような平坦面となっている。

メイティングリング１２は回転シャフト５とともに回転するものであり、シールリング１１はモータハウジング２に装着され、バネ１３は、シールリング１１をメイティングリング１２に向けて付勢している。シールリング１１のシール面１１ａと、メイティングリング１２のシール面１２ａとの間には、潤滑油の油膜が形成されている。

これにより、シールリング１１は、メイティングリング１２とともに回転せず、シール面１１ａ，１２ａに形成された潤滑油の油膜を介してメイティングリング１２と密着状態で摺動するようになっている。したがって、シールリング１１とメイティングリング１２とのシール面１１ａ，１２ａで潤滑油はシールされる。

シールリング１１は、モータハウジング２と回転シャフト５とにより形成された取付凹部２ｃ内において、ケース１５に収容された状態で、モータハウジング２に装着されている。具体的には、ケース１５内にバネ１３およびシールリング１１が開口から挿入され、バネ１３は、シールリング１１をメイティングリング１２の方向に付勢している。

本実施形態では、ケース１５の開口方向に延出している薄肉の筒状部１５ａとシールリング１１の段差部との間に、断面が円形のＯリング１６が介在されている。このＯリング１６によりケース１５とシールリング１１との間のシールが形成され、ケース１５内部の潤滑油がモータハウジング２の外へ漏れることを防止することができる。

また、ケース１５には、外周面より内方に向けて突出した突部１５ｂが形成され、突部１５ｂは、シールリング１１の外周に形成された凹部１１ｂ内に入り込んでいる。突部１５ｂと凹部１１ｂにより、シールリング１１がケース１５に対して回転することを防止するとともに、シールリング１１が回転軸方向に移動する移動量を規制することができる。

これにより、シールリング１１がケース１５内で回転シャフト５とともに回転することを防止し、シール面１１ａがメイティングリング１２のシール面１２ａに押圧されても、突部１５ｂがバネ１３の受金１３ａに当接して、バネ１３により、シールリング１１がケース１５から飛び出すことを防止することができる。ケース１５に形成された突部１５ｂと、シールリング１１に形成された凹部１１ｂは、外周面に沿って複数個所に形成されることが好ましい。

メイティングリング１２は、金属製の円板で形成され、中心孔１２ｂが回転シャフト５の小径部５１に圧入により嵌合し、回転シャフト５の小径部５１と大径部５２との段差に当接している。メイティングリング１２は、シールリング１１のシール面１１ａと接触するシール面１２ａを備えており、両シール面１１ａ，１２ａは平坦な円滑面に形成されている。

メイティングリング１２には、メイティングリング１２のシール面１２ａよりもメイティングリング１２の外縁側に、潤滑油が軸受６側に流れる貫通孔１４が形成されている。より具体的には、本実施形態では、シールリング１１のシール面１１ａで、貫通孔１４の一部が覆われないように、貫通孔１４は、シールリング１１のシール面１１ａよりも、メイティングリング１２の外縁側に形成されている。本実施形態では、貫通孔１４は、メイティングリング１２のシール面１２ａ側から軸受６側に潤滑油が流れる潤滑油通路である。本実施形態では、貫通孔１４は、回転シャフト５の周りの円周上に９０°の間隔で、等間隔に４個形成されている。なお、メイティングリング１２は金属製に限られるものではなく、セラミック等の円板でもよく、貫通孔は４個に限られるものではない。

前記した軸受６は、本実施形態ではアンギュラ型の玉軸受が用いられ、図２Ａに示すように、内輪６ａが回転シャフト５に圧入嵌合で固定され、外輪６ｂはモータハウジング２の本体部２ａに形成された取付凹部２ｃに、受部材１７とスペーサリング１８を介して固定されている。これらの部材を固定した状態で、取付凹部２ｃ内に形成される空間に、潤滑油が流れる油路２０（図１参照）の一部が形成される。

ここで、スペーサリング１８は、軸受６の内輪６ａとメイティングリング１２との間隔を一定に保っている。メイティングリング１２は、受部材１７の凹部１７ａ内に位置するように配置されており、凹部１７ａ内で隙間Ｓ（図２Ｂ参照）が形成されるように設定されている。このような隙間Ｓを形成することにより、この隙間Ｓを油路２０の一部として、潤滑油を流すことができる。

モータ１には、上述したように、軸受６，７に潤滑油を供給する油路２０が形成されている。図１に示すように、モータハウジング２の本体部２ａには、中心軸ＣＬに沿った方向に、油路２０の一部として第１油路２０ａが形成されている。さらに、軸受６用として、第１油路２０ａと連通する第２油路２０ｂと、第２油路２０ｂ端部から軸受６方向に延長した細径の第３油路２０ｃとが形成されている。また、軸受７用として、第１油路２０ａに連通するように、蓋体２ｂの厚さ方向に沿って形成された第４油路２０ｄと、第４油路２０ｄに連通する第５油路２０ｅと、第５油路２０ｅから軸受７方向に延長された細径の第６油路２０ｆと、が形成されている。

軸受６用の第３油路２０ｃは、図２Ａ等に示すように、軸受６を固定している受部材１７に形成された供給路１７ｂに連通し、供給路１７ｂは、受部材１７の端面に開口している。受部材１７の端面は、メイティングリング１２のシール面１２ａとシールリング１１とのシール面１１ａとの接触面よりも外周側に位置しており、供給路１７ｂから流れ出た潤滑油が、メイティングリング１２のシール面１２ａ側に供給されるように、油路が形成されている。また、図１に示すように、軸受７用の第６油路２０ｆから流れ出た潤滑油が、軸受７に供給されるように、油路が形成されている。

前記した軸受６，７に潤滑油を供給すべく、油路２０に潤滑油を送る循環装置２１は、図１に示すように、循環ポンプ２２と循環用モータ２３とを備えている。モータハウジング２は、本体部２ａの下部に、軸受６，７に供給された潤滑油が滴下して溜まるオイルパン２ｄを備えている。そして、循環装置２１は、オイルパン２ｄで溜められた潤滑油を循環ポンプ２２に送る配管２５と、循環ポンプ２２からモータハウジング２の第１油路２０ａに潤滑油を送る配管２６とを備えている。

前記の如く構成された本実施形態のモータ１の作用について以下に説明する。モータ１を駆動するときは、まず潤滑油の循環装置２１を作動させる。これにより、軸受６，７に潤滑油が強制的に供給される。具体的には、モータハウジング２のオイルパン２ｄに貯留された潤滑油は、循環用モータ２３で駆動された循環ポンプ２２により配管２５，２６を通して送出され、モータハウジング２の上部の注入口から第１油路２０ａに注入される。注入された潤滑油は、第１油路２０ａ、第２油路２０ｂ、第３油路２０ｃの順に、これらを通過し（図１の矢印Ｙ１参照）、受部材１７の供給路１７ｂの開口から放出される（図２Ａの矢印Ｙ２参照）。

潤滑油の一部は、シールリング１１のシール面１１ａと、メイティングリング１２のシール面１２ａとの接触面に供給され、これらの間に油膜が形成される。さらに、メイティングリング１２の貫通孔１４を通して軸受６に潤滑油が供給される（図２Ａの矢印Ｙ３参照）とともに、メイティングリング１２の外周面１２ｃを通過して、軸受６に潤滑油が供給される（図２Ａの矢印Ｙ４参照）。

一方、第１油路２０ａから、これと連通する第４油路２０ｄに潤滑油が流れ、さらに、潤滑油は、第５油路２０ｅ、第６油路２０ｆの順にこれらを通過し、軸受７に供給される（図１の矢印Ｙ５参照）。そして、軸受６に供給された潤滑油は、図１の矢印Ｙ６のように流れ、オイルパン２ｄに貯留される。なお、軸受７に供給された潤滑油も、図示していないが、同様に滴下し、オイルパン２ｄに貯留される。そして、貯留された潤滑油が循環装置２１で送出される。このようにして、潤滑油の循環経路が形成される。

このあと、モータ１に通電して、モータ１のロータ３を回転させると、回転シャフト５に固定されたメイティングリング１２は一体的に回転する。このとき、シールリング１１は回転シャフト５とともに回転しないため、メイティングリング１２のシール面１２ａと、シールリング１１のシール面１１ａとの接触面に供給された潤滑油により、シール面１１ａとシール面１２ａの全周に潤滑油の油膜が形成される。

このように、メカニカルシール１０に潤滑油を供給することで、シールリング１１のシール面１１ａと、メイティングリング１２のシール面１２ａとの間に、油膜が形成されるため、シール面１１ａ，１２ａ同士の摩耗を抑制できるとともに、円滑な摺動が可能となる。また、摺動するシール面１１ａ，１２ａ同士から発生する騒音を抑制することができる。そして、シール面１１ａ，１２ａ同士が潤滑油の油膜で覆われるため、シール性能が安定して、モータハウジング２から外部への潤滑油の漏洩を防止できる。

さらに、モータ１の駆動時に発生する熱は、ロータ３の回転シャフト５に伝達され、伝達された熱は、回転シャフト５に固定されたメイティングリング１２にさらに伝達される。また、メイティングリング１２とシールリング１１との摩擦熱も加わり、メイティングリングの温度は上昇する。

この際、軸受６に供給される潤滑油は、メイティングリング１２の外縁側に形成された貫通孔１４を通して軸受６に流れるとともに、メイティングリング１２の外周面１２ｃを通過して軸受６に流れるため、潤滑油でメイティングリング１２に伝達された熱を吸熱することができる。このような結果、メイティングリング１２を含むモータ１の温度上昇を抑えることができ、軸受６への潤滑油の供給を安定して行うことができる。これにより、モータ１の磁気特性の低下を抑えることができる。特に、ロータ３に、永久磁石を用いる場合には、昇温による永久磁石の減磁を抑えることができる。

さらに、油路２０である潤滑油通路として、たとえば、貫通孔１４の代わりにメイティングリング１２の周縁部に切欠きを設けてもよいが、本実施形態の如く、貫通孔１４を設けることにより、切欠きの場合に比べて、メイティングリング１２により広い放熱面積を確保することができる。さらに、切欠きの場合に比べて、メイティングリング１２に挿通される回転シャフト５により近い位置に、放熱面積のより広い壁面を有した貫通孔１４を設けることができるため、潤滑油でメイティングリング１２に伝達された熱をより効率的に吸熱することができる。

つぎに、本発明に係るモータの他の実施形態を図４，図５Ａ，および図５Ｂに基づき詳細に説明する。図４は、本発明に係るモータの他の実施形態のメカニカルシール部分を示す要部断面図であり、図５Ａは、図４のメカニカルシールのメイティングリングの正面図であり、図５Ｂは、図５ＡのＢ−Ｂ線に沿ったメイティングリングの矢視方向の断面図である。なお、この実施形態は、前記した実施形態に対し、メイティングリングの形状が異なり、メイティングリングの外周面にフィンが形成されている。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態のモータ１Ａでは、メカニカルシール１０Ａのメイティングリング３０は、金属製の円板で形成され、回転シャフト５の中心軸ＣＬと直交する方向に延在するシール面３０ａを備えている。メイティングリング３０は、中心孔３０ｂが、回転シャフト５の小径部５１に圧入により嵌合し、回転シャフト５の小径部５１と大径部５２との段差に当接している。メイティングリング３０のシール面３０ａは、シールリング１１のシール面１１ａと接触し、両シール面３０ａ，１１ａに潤滑油が供給されて油膜が形成され、動的シールが形成されている。

そして、メイティングリング３０には、メイティングリング３０のシール面３０ａよりもメイティングリング３０の外縁側に、潤滑油が軸受側に流れる貫通孔３１が形成されている。本実施例においても、この貫通孔３１は、回転シャフト５の周りの円周上に等間隔で４個形成されている。メイティングリング３０の外周面３０ｃには、周方向に沿って延在したフィン３２が複数形成されている。本実施例において、フィン３２は２本平行に突出して形成されている。フィン３２の断面は、矩形状となっている。

本実施形態においては、メイティングリング３０は、外縁に複数のフィン３２が形成されているため、メイティングリング３０の表面積を大きくできるとともに、潤滑油がフィン３２に沿って全周に亘って形成された溝部に潤滑油が入り込むことができ、放熱性能が向上する。このため、シールリング１１とメイティングリング３０との接触による摩擦熱を、より効率よく放熱することができ、モータ１Ａの温度上昇を抑制することができる。

メイティングリング３０の外縁に形成されたフィンは、前記のように断面が矩形のものに限られず、半円状、山型状、台形状等、適宜の形状とすることができる。いずれにしても、メイティングリングの外縁の表面積を大きくするものであれば、形状はいかなるものでもよい。また、フィンの個数は、２個に限定されるものでなく、フィンが３個以上形成されていてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態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本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

本実施形態では、メイティングリングの外縁側に形成された貫通孔が、円周上に等間隔で４個形成された例を示したが、さらに多数とすることで、軸受への潤滑油の供給を増量することができ、貫通孔内を流通する潤滑油により、モータの温度上昇をさらに抑えることができる。

さらに、本実施形態では、メイティングリングのシール面よりもメイティングリングの外縁側に、潤滑油が前記軸受側に流れる貫通孔を複数設けたが、たとえば、上述した如く、メイティングリングのシール面よりもメイティングリングの外縁側に、潤滑油が軸受側に流れるように、メイティングリングの外縁の一部を切欠いた切欠きを複数設けてもよい。

本発明の活用例として、前記した実施形態のモータを用いて各種の装置に使用することができ、前記実施形態のモータを取付けることによって圧縮装置やポンプモータを駆動源とする各種の装置等の用途にも適用することができる。特に、圧縮装置は、流体を圧縮するものであり、装置自体の発熱が大きいため、温度上昇を抑制することができる本実施形態のモータを有効に適用できるものである。

１，１Ａ：モータ、２：モータハウジング、３：ロータ、４：ステータ、５：回転シャフト、６，７：軸受、１０，１０Ａ：メカニカルシール、１１：シールリング、１１ａ：シール面、１２，３０：メイティングリング、１２ａ，３０ａ：シール面、１３：バネ、１４：貫通孔（潤滑油通路）、２０：油路、２１：潤滑油の循環装置、３１：貫通孔（潤滑油通路）、３２：フィン

Claims

モータハウジング内にロータとステータとを備え、前記ロータの回転シャフトを前記モータハウジングに回転自在に支持する軸受と、前記軸受よりも前記回転シャフトの端部側に配置され、前記軸受に供給される潤滑油を前記モータハウジングに対してシールするメカニカルシールと、を備えたモータであって、
前記メカニカルシールは、前記ロータの回転シャフトに挿通され、シール面を有するシールリングと、前記回転シャフトに挿通された状態で固定され、前記シールリングのシール面に接触するシール面を有するメイティングリングと、を備えており、
前記メイティングリングには、前記メイティングリングの前記シール面よりも前記メイティングリングの外縁側に、前記潤滑油が前記軸受側に流れる潤滑油通路が形成されていることを特徴とするモータ。
前記潤滑油通路は、前記メイティングリングに形成された貫通孔であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
前記メイティングリングの外周面には、周方向に沿って延在した複数のフィンが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。