電動工具用モーターにおける玉軸受の選定、配置、適用方法を詳しく解説します。
概要
電動工具用モーターの玉軸受の選定と適用は、モーターの設計、製造、試験、使用、保守に携わる技術者に求められる基本的な技能です。
電動工具用モーターとその制御技術が成熟するにつれ、用途は広がり、使用量と適用範囲も大きく拡大しています。使用時にはさまざまな問題が生じ、その多くは電気的な問題と機械的な問題に分けられます。機械的な問題の中では、軸受に関するものが大きな割合を占めます。これらを詳しく分析すると、軸受自体の品質に起因するものはごくわずかです。関連メーカーの統計によれば、軸受の品質問題は機械的故障の5%以下で、残る95%はモーター軸受の使用・適用上の問題です。電気技術者にとって、軸受の適用は避けて通れず、解決しなければならない重要な課題です。
軸受は、機械動作を担うアクチュエーターの主要部品です。同時に、標準部品としての軸受には、多くの設計要素が標準選択肢として用意されています。軸受の適用技術とは、設計済みの軸受を正しく選定し、照査計算、工程での使用、運転と保守、運転監視、故障後の分析を行うための技術です。
重要な要素：精度等級、回転速度、基本動定格荷重、寿命
参照規格：GB/T 271-2017、GB/T6391-2010、ISO 281 2007
1. はじめに
玉軸受の形式はGB/T 271-2017を参照してください。電動工具用モーターで最もよく使われるのは深溝玉軸受で、スラスト玉軸受も少数使われています。モーターのライフサイクルは軸受の選定から始まり、故障分析までを重視します。軸受が十分に機能するためには、モーター構造内に転がり軸受を正しく配置することが最も重要です。通常、モーター内での配置と軸受選定は相互に関係し、反復検討と相互検証を経て決定されます。その結果が軸受使用の出発点となり、後に生じる可能性のあるあらゆる軸受問題を検討する際の図面設計上の原点になります。
2. 電動工具用モーターの転がり軸受の配置
2.1 モーター構造内の軸受とその役割
一般的な電動工具の構造は、モーターローター（軸、ローター鉄心、巻線）、ステーター（ステーター鉄心、ステーター巻線、端子箱、エンドカバー、軸受カバーなど）、接続部品（軸受、シール、カーボンブラシなど）といった主要部品で構成されます。
モーターの構成部品の中には、アキシアル荷重とラジアル荷重を受けても内部に相対運動がないものや、内部で動いても両荷重を受けないものがあります。内部で運動しながら、すなわち内輪、外輪、転動体が相対運動しながらアキシアル荷重とラジアル荷重を受けるのは軸受だけです。そのため、軸受自体がモーター構造の中でも影響を受けやすい部品となり、産業用モーターにおける配置の重要性が際立ちます。
2.2 モーター内の転がり軸受配置の基本手順
電動工具用モーターの転がり軸受の配置とは、モーター構造の設計時に、技術者が軸系の各位置へ異なる形式の軸受を組み込んでいく作業です。正しく配置するためには、次の検討が必要です。
手順1：工具内の転がり軸受の使用条件を把握します。主な項目は次のとおりです。
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横形モーターか立形モーターか：電動ドリル、電動のこぎり、電動ハンマーなど、電動工具にはさまざまな種類があります。モーターを縦向きに取り付けるか横向きに取り付けるかを確認してください。これによって軸受への荷重方向が変わります。横形モーターでは重力が主にラジアル荷重となり、立形モーターでは主にアキシアル荷重となるため、軸受形式の選択とモーター内の配置に大きく影響します。
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必要なモーター回転速度：回転速度の要件は、軸受の寸法と形式、モーター内での配置方法に影響します。
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軸受の動荷重計算：モーターの回転速度、定格出力・トルクなどのパラメーターに基づき、GB/T6391-2010／ISO 281 2007を参照して玉軸受の動荷重を計算し、適切な寸法や精度等級などを選びます。
手順2：軸方向の移動要件、振動、騒音、防じん、ハウジング材料の違い、モーターの傾きなど、その他の要件を確認します。
つまり、電動工具用モーターの軸受設計と選定に着手する前に、実際の使用条件を十分に把握することが、合理的で信頼性の高い選定につながります。
手順3：軸受形式を決めます。最初の二つの手順を踏まえ、軸受荷重と採用する固定側・自由側の軸系構造を検討し、荷重特性に応じてそれぞれに適切な軸受形式を選びます。
3.1 2個の深溝玉軸受による構造
2個の深溝玉軸受を使う構造は、産業用モーターで最も一般的な軸系構造です。主な軸支持構造を2個の深溝玉軸受で構成し、両者で軸を支持します。
下図に示します。
図中の軸突出側の軸受が固定側、反対側が自由側です。両側の軸受で軸系のラジアル荷重を受け、固定側の軸受（この構造では軸突出側）がアキシアル荷重を受けます。
一般に、この軸受配置はモーターのアキシアル荷重とラジアル荷重が大きくない用途に適しています。最も一般的なのは、カップリングを介して負荷につながる小型モーターの構造です。
主に電動ドリル、電動丸のこ、電動ハンマー、電動はつり工具に用いられます。
4. まとめ
本記事では、モーター内の軸受に関する基本概念、手順、代表的な配置を紹介しました。軸受配置は幅広い知識を総合的に活用する作業であり、技術者には軸受の基本性能を理解したうえで、実際の使用条件に応じて柔軟に適用することが求められます。配置を決めた後は、荷重条件に応じて各種の照査計算を行い、寸法を確定し、図面上の公差とはめあいを決めます。さらに潤滑の選択や給油経路の設計などを行って初めて、軸受選定に伴う図面作業が完了したといえます。