JP2006506939A - 固定子内に組み込まれた回転子支承部を備えた電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気機械、及びこの電気機械の組み立て法に関する。電気機械は、ケーシング内に受容された固定子（１）を有している。このケーシングはケーシングカバー（１２）によって閉鎖されている。さらに電気機械は回転子（７）を有していて、この回転子（７）は、転がり軸受（４）内に回転可能に受容された軸（５）を有している。転がり軸受（４）は、電気機械の固定子（１）内に支承された軸受リング（２）によって受容されている。

Description

電動モータにおいては、回転子（ロータ）は、ケーシング内又はケーシングカバー（モータシールド）内の軸受座部によって支承される。従って、回転子を包囲するケーシング並びにケーシングカバー（モータシールド）が、回転子（ロータ）を回転支承するための軸受座部を有している。

従来技術
今日使用されている電動モータにおいては、ケーシング内及びケーシングを包囲するケーシングカバー（ケーシングシールドとも称呼される）内に、軸受座部が設けられており、この軸受座部内に、電動モータの回転子を受容する転がり軸受が挿入される。転がり軸受として、玉軸受、またローラ軸受並びに組み合わされた軸方向／半径方向軸受が使用される。これはそれぞれ電動モータの使用目的に基づいている。ケーシング内に、又は電動モータのケーシングカバー（モータシールド）内に軸受座部を設けることによって、構成部分の寸法安定性に高い要求が課せられ、ひいては、電動モータの固定子に対してできるだけ同心的な回転子の支承を実現するために、比較的高価な製造技術的コストを必要とすることになる。電動モータの運転条件下で、回転子は固定子孔内で、できるだけ同心的に延びるエアギャップを有するようにする必要がある。電動モータの組み立て時に、固定子は原則として、円筒形のケーシング内に収縮ばめ（einschrumpfen）される。ケーシングとこのケーシングを閉鎖するケーシングカバー（モータシールド）との間の嵌合座着によって、回転子軸線に対する位置誤差が生じる。このような位置誤差は、回転子の外側と固定子孔の内側との間の同心的なエアギャップに関連した必要な寸法安定性を得るために、しばしば固定子孔を付加的に研削し、かつ固定子直径を後で回転切削加工することによって補正する必要がある。

固定子孔若しくは回転子外径を後加工することは、一方では、電動モータの固定子孔と回転子との間のエアギャップの同心性を得るために、さらに製造技術的なコストを必要とする。このエアギャップは、他方では電気機械において調節しようとする効率に多大な影響を及ぼす。

回転子の外径と固定子孔の内径との間の同心的なエアギャップを保証するための、付加的な研削若しくは後から実施される回転切削加工による手段は、電気機械のエアギャップを同心的に形成する可能性を提供するが、このような手段は、電動モータを大量生産する際に非常に不都合であり、かつ時間の浪費である非常に不満足な手段である。

発明の開示
本発明に従って提案された、回転子の支承部（軸受）を電気機械の固定子内に組み込むという解決策は、一方では、製造技術的な観点で見て固定子孔の内径と回転子の外径との間のエアギャップを減少させることができる。このことは、このような形式で得られた電気機械の電気的な効率に非常に好都合な影響を与える。何故ならば、当該構成部分の累積公差（Toleranzkette）は減少され、構成部分としてのケーシングカバー（モータシールド）とケーシングとを接合する際に調節される公差は、もはや、回転子の外径と固定子孔の内径との間に形成されるエアギャップに影響を与えることがないからである。

ケーシング内における電気機械の回転子支承部の公知の構成に対して、固定子内における回転子支承部の本発明による解決策は、１つの固有の組み立てユニットを形成しており、この組み立てユニットによれば、電気機械の製造プロセス中に、ケーシング閉鎖前において、つまり、前組み立てられた固定子と回転子とから成るユニットを電気機械のケーシング内に組み付ける前に、ロータ軸の自由回転によってエアギャップを検査することが可能である。

本発明によって提案された解決策によって、回転子を包囲する固定子孔に対して相対的に、回転子の角度誤差及び同心性に関連した高い寸法安定性が得られる。従来の構成では、ロータと固定子との間の可能な機械的接触による条痕（Streifen）形成の危険性に基づいて、ケーシング支承に関連した公差が大きくされるので、調節されたエアギャップはより大きくなる。非同期機械を設計する際に本発明による解決策を使用すれば、例えば構造的に既に、累積公差とはまったく無関係な、減少された同心的なエアギャップが得られる。

図面
以下に図面を用いて本発明を詳しく説明する。

図１は電動モータの固定子内に組み込まれた回転子支承部の第１実施例、
図２は電動モータの固定子内に組み込まれた回転子支承部の第２実施例、
図３は固定子内に組み込まれた回転子支承部の拡大図である。

実施例
図１は、電動モータとして構成された電気機械の固定子内に組み込まれた回転子支承部の第１実施例を示す。

図１に縦断面図で示した電気機械は、固定子１を有しており、この固定子１は、ほぼ円筒形のケーシング１０内に収容されていて、このケーシング１０はケーシングカバー１２（モーターシールド）によって閉鎖されている。固定子１は、その両端面側において固定子孔でそれぞれ端面側の凹部２０を有しているか、又は固定子外径で端面側の凹部２８，２９を有しており、これらの凹部２８，２９は、例えば周方向に延在する環状溝１９として構成されている。円筒形に構成されたケーシング１０によって包囲された固定子１の両端面側における凹部２０内にそれぞれ１つの軸受リング２が嵌め込まれている。軸受リング２は軸受座部２１を有していて、この軸受座部２１内に転がり軸受４が受容されている。この転がり軸受４は、ボールベアリングであるか又は組み合わされた円錐ころ軸受であってもよい。この円錐ころ軸受は軸方向力もまた半径方向力も受容することができる。軸受リング２によって包囲されている転がり軸受４内で、電気機械の回転子７が支承されている。回転子７は軸５を有しており、この軸５は、電動モータの両端面側においてケーシング１０を貫通していて、ケーシングカバー１２（モータシールド）を貫通する端部においてマグネットディスク１３を有している。マグネットディスク１３は回転子７の軸５の回転数を検出するために用いられる。

軸受リング２の領域内には絶縁ディスク３が配置されており、この絶縁ディスク３は、回転子７の短絡リング８．１若しくは金属薄板を、転がり軸受４から分離する。短絡リング８．１と転がり軸受４との間に十分な間隔が保たれている場合、絶縁ディスク３を組み込むことは省かれる。軸受リング２によってそれぞれ包囲されている転がり軸受４は、回転子７の軸５に取り付けられた固定リング６を介してその軸方向位置が固定されている。短絡リング８を介して、固定子１の巻線の各層は短絡可能である。固定子１の巻線に、コンタクトピン９を介して給電可能であり、このコンタクトピン９は電気機械のケーシングカバー１２（モータシールド）を貫通している。固定子１の巻線に給電するコンタクトピン９はケーシングカバー１２を貫通している。電気機械の固定子１を包囲するケーシング１０は円形シール１１を有しており、この円形シール１１によって、電動モータのケーシング１０の円筒形部分がケーシングカバー１２（モータシールド）に接続されている。

回転子７を固定子１の内周面に対して分離しているエアギャップは符号１５で示されている。エアギャップ１５は、一方では回転子７の外径１６によって、また他方では固定子１の孔の内径１７によって規定されている。

図１において縦断面図で示された本発明による支承部は、固定子１の端面側で、軸受リング２をそれぞれ受容する凹部２０若しくは２８，２９によって形成されている。この解決策によって、固定子１と回転子７とは、電動モータのケーシング１０内に前組み立て可能なユニットとして結合されており、この場合、製造プロセス中に既に、つまりケーシング１０を閉鎖する前に、固定子１の内孔内における回転子７の自由な回転運動に関連して、ケーシング１０の摩耗に基づくエアギャップ１５の検査が可能である。構造的に、例えば非同期機械として構成された電動モータにおいて、減少されたエアギャップを実現することができる。本発明に従って提案された解決策の累積公差（Toleranzkette）は、従来の解決策と比較して著しく短縮され、凹部２０，２８，２９が固定子１の端面側において形成される公差、並びに電気機械の固定子１の両端面側における、軸５のための転がり軸受を受容する軸受リング２の寸法安定性だけを有している。累積公差の減少に基づいて、固定子１の内孔に対する相対的な回転子７の角度誤差及び同心性に関連したより高い寸法安定性が得られる。縦断面図で示されているように、電気機械の固定子１内に回転子支承部が組み込まれていることによって、電気機械の製造時に経済的に大量生産することが可能である。

有利な形式で、凹部２０又は凹部２８，２９は、固定子１において薄板積層鉄心を形成する際に固定子１の両端面側の領域に打ち抜き成形プロセスで同時に製作することができる。固定子の内側に形成された凹部２０内に、又は固定子１の外側領域に位置する凹部２８，２９内に押し込まれる軸受リング２に、転がり軸受４が接合される。凹部２０，２８並びに２９は、それぞれ軸受リング２の軸受座部２１を形成しており、この軸受リング２は、図１に示した実施例では、固定子内側に位置する凹部２０内に押し込まれている。互いに接合された軸受リング２は転がり軸受４と一緒に、端面側で凹部２０，２８，２９内に押し込まれ、次いで回転子７が固定子１内に接合され、軸５が転がり軸受４のインナーレース内に押し込まれる。これは軸の両端部において行われる。軸受リング２は、固定子１の内側の凹部２０内に押し込まれると、回転子７のエアギャップ１５の一平面を形成する。

固定子１の積層鉄心の長さと回転子７の積層鉄心の長さとは同じであるので、エアギャプ１５は積層鉄心の全長に亘って形成されている。これによって場合によっては発生する電力損失は、固定子孔の内側に位置する凹部２０によって十分に避けられる。同様に、固定子プロセスはさらに経済的に維持され、固定子１によって形成された積層鉄心と回転子７によって形成された積層鉄心との間の長さの差は避けられ、ひいては打ち抜き屑が減少される。符号８．１は、回転子７における短絡リングを示しており、この短絡リングは回転子７に射出成形によって一体形成されている。短絡リング８．１は例えばアルミニウムより製作されている。

嵌め込まれた軸受リング２の材料は、巻線ヘッド内に電気的な回転磁界の影響が及ぼされるのを避けるために、非磁性若しくは非導電性である。

図２は、固定子内に組み込まれた回転子支承部の第２実施例を示している。

図２によれば、固定子１は、電動モータの円筒形に形成されたケーシング１０内に受容されており、電動モータは、円形シール１１によってケーシングカバー１２（モータシールド）と円筒形のケーシング１０との間で閉鎖されている。電気機械の固定子１内には、巻線ワイヤ若しくはコンタクトピン９を受容するための貫通孔２６が貫通して延びている。コンタクトピン９は、電気機械のケーシングカバー１２（モータシールド）から突き出している。

回転子７は軸５を有しており、この軸は転がり軸受４によって回転可能に支承されている。転がり軸受４は軸受リング２に支えられていて、この軸受リング２自体は、図１に示した実施例と同様に、固定子１の両端面側に形成された凹部２０，２８又は２９内に支承されている。回転子７は、図１に示した第１実施例と同様に、軸５を有している。回転子７の端面側に、射出成形された短絡リング８．１が受容されている。図２に示した変化実施例では、ケーシングカバー１２から突き出すコンタクトピン９を介して、電気機械の固定子１の巻線に給電が行われるようになっている。

転がり軸受４を軸受リング２内に接合した後で、転がり軸受４を備えた軸受リング２は、固定子１の両端面側における環状に延びる環状溝１９として構成される凹部２０，２８，２９内に接合される。回転子７を、固定子１の内径１７内に形成された孔内に接合する際に、短絡リング８．１が嵌め込まれる。この短絡リング８．１は、有利にはアルミニウムより製作されていて、鋼の熱膨張特性とは異なる熱膨張特性を有しており、このアルミニウムの膨張特性は、転がり軸受リングインナーレースの膨張特性とは異なっている。短絡リング８．１は、転がり軸受４のための軸受座部２７を形成している。転がり軸受４と短絡リング８．１との間には、図２に示されているように、軸受絶縁部１４が受容される。回転子７の端面側に射出成形で一体成形された短絡リング８．１には、伸張リング３０が射出成形されている（図３参照）。

短絡リング８．１は、回転子７の軸５と転がり軸受４との間で電流をガイドするようになっている。軸受絶縁部１４が設けられていて、この軸受絶縁部１４は、転がり軸受４の転がり軸受インナーレース２４と短絡リング８．１との間に挿入されている。転がり軸受４が挿入されていて、この転がり軸受４のインナーレース２４が、転動体２３のための非導電性の転動体走行軌道を有していれば（図３参照）、軸受絶縁部１４は省くことができる。

図３は、固定子に組み込まれた回転子支承部の拡大図である。

図２によれば、転がり軸受４を受容する軸受リング２が、固定子１の両端面側で、環状溝１９として構成された環状の凹部２０，２８，２９内に嵌め込まれている。これらの凹部２０，２８，２９は、図１に示した実施例と同様に、固定子１の内周面側にも、また固定子１の外周面に形成されていてよい。転がり軸受４（図示の実施例ではローラ軸受として構成されている）は、転がり軸受インナーレース２４を有しており、この転がり軸受インナーレース２４は、短絡レース８．１内に受容されている。短絡リング８．１の転がり軸受４の軸受座部３１の領域には切欠（Freistich）２５が設けられているので、転がり軸受４の転がり軸受インナーレース２４は面状に装着されるようになっている。転がり軸受４は、シリンダとして構成された転がり軸受２３と転がり軸受アウターレース２２とを有している。転がり軸受アウターレース２２は、軸受リング２の軸受座部２７に受容されている。符号１８で、固定子１の巻線の一部が示されている。回転子７の外径１６と固定子１の孔の内径１７との間に形成されたエアギャップは符号１５で示されている。固定子１と軸受リング２と、この軸受リング２内に接合された転がり軸受４とは、前組み立てされており、それによって、ロータ７の外径１６と固定子１の孔の内径１７との間の直径差に基づいて、このような形式で前組み立てされた組み立て構造群内の所定のエアギャップ１５が調節される。前組み立て中に調節されたエアギャップ１５は、固定子１と回転子７と軸受リング２と短絡リング８．１と転がり軸受４とから成る前組み立てされた構造群の組み立て中に、調節維持され、この構造群をケーシング１０内に組み付けることによって変化することはない。製造プロセス中に、前組み立てされた組み立てユニットは、図２に示されているように、ケーシング１０内にこの組み立てユニットを組み付ける前に、つまり円形シール１１によって円筒形のケーシング部分においてケーシングカバー１２を閉鎖する前に、エアギャップ１５の検査、つまり回転子７の確実な回転を可能にする。

エアギャップ１５の設計のための例として、次の値が挙げられる。回転子７の外径１６が４９．８ｍｍで公差＋／−０．０３ｍｍ、固定子１の孔の内径１７が５０ｍｍで公差が＋／−０．０３ｍｍの場合、最大で０．０７０ｍｍの余剰寸法又は最大で０．０５５ｍｍの余剰寸法をそれぞれ有する、０．１ｍｍのエアギャップ１５が得られる。エアギャプ１５のためのこの値は、公差のある構成部分を省くことによって当該の構成部分の累積公差を減少させることによって、得られる。軸受リング２並びに、この軸受リング２に組み込まれた転がり軸受４によって、製造プロセス中に、この組み立てユニットをケーシング１０内に受容する前に及びケーシングカバー１２を組み付ける前に、エアギャップ１５を規定して調節することができる。これによって、例えば非同期機械の設計時に、構造的に減少されたエアギャップ１５が実現される。このエアギャプ１５は、このような形式の電気機械の電気的な効率に肯定的な影響を与える。本発明に従って提案された解決策は、固定子１のスロット内におけるロータ７の角度誤差及び同心性に関連した高い寸法安定性を可能にする。接触による条痕形成の危険性を避けるために安全性を考慮した従来の設計によれば、ケーシング支承部に関連してより高い公差を選択することになる。これによって、より大きいエアギャプ寸法を生ぜしめる。固定子１と回転子７との間のエアギャプ１５の同心性及び寸法に影響を与える累積公差は、主として、軸受リング２を受容する凹部２０，２８，２９が固定子１の両端面側に形成される公差によって与えられる。累積公差内の別の部材として、軸受リング２における転がり軸受座部２７が挙げられ、場合によっては符号３０で示された伸張リングが挙げられる。この伸張リングは、熱の影響を受けて電気機械の運転中に生じる公差を補償する。電気機械の加熱時に生じる伸張は、転がり軸受４の転がり軸受インナーレース２４の領域内に挿入された伸張リング３０（短絡リング８．１内に射出成形されるか又は絶縁部１４として構成されている）を介して考慮される。

電動モータの固定子内に組み込まれた回転子支承部の第１実施例の断面図である。 電動モータの固定子内に組み込まれた回転子支承部の第２実施例の断面図である。 固定子内に組み込まれた回転子支承部の拡大図である。

符号の説明

１ 固定子、 ２ 軸受リング、 ３ 絶縁ディスク、 ４ 転がり軸受、 ５ 軸、 ６ 固定リング、 ７ 回転子、 ８ 固定子の短絡リング、 ８．１ 回転子７の短絡リング、 ９ コンタクトピン、 １０ ケーシング、 １１ 円形シール、 １２ ケーシングカバー、 １３ マグネットディスク、 １４ 軸受絶縁部、 １５ エアギャップ、 １６ 外径、 １７ 内径、 １８ 巻線、 １９ 環状溝、 ２０ 凹部、 ２１ 軸受座部、 ２２ 転がり軸受アウターレース、 ２３ 転動体、 ２４ 転がり軸受インナーレース、 ２５ 切欠、 ２６ 貫通孔、 ２７ 軸受座部、 ２８，２９ 凹部、 ３０ 伸張リング、 ３１ 短絡リング８．１の軸受座部

Claims (11)

1. ケーシングカバーによって閉鎖されたケーシング内に受容されている固定子（１）と、転がり軸受（４）内で回転可能に受容された軸（５）を有する回転子（７）とを備えた電気機械において、
   転がり軸受（４）が軸受リング（２）によって受容されており、該軸受リング（２）が電気機械の固定子（１）内に支承されていることを特徴とする、固定子内に組み込まれた回転子支承部を備えた電気機械。
2. 固定子（１）がその両端面側で、軸受リング（２）を受容するための開口（２０，２８，２９）を備えている、請求項１記載の電気機械。
3. 軸受リング（２）が非磁性材料より製作されている、請求項１記載の電気機械。
4. 転がり軸受（４）と回転子（７）の短絡リング（８．１）との間に軸受絶縁部（１４）が配置されている、請求項１記載の電気機械。
5. 軸受絶縁部（１４）が、伸張リングとして構成されていて、転がり軸受（４）の転がり軸受インナーレース（２４）の領域内に配置されている、請求項４記載の電気機械。
6. 転がり軸受（４）がインナーレース（２４）を有しており、該インナーレース（２４）が転がり軸受（２３）のための非導電性の走行面を有している、請求項１記載の電気機械。
7. 短絡リング（８．１）が、軸受座部（３１）を形成し、かつ転がり軸受（４）の転がり軸受インナーレース（２４）内に押し込まれている、請求項１記載の電気機械。
8. 請求項１記載の電気機械を組み立てる方法において、
   固定子（１）に設けられた凹部（２０，２８，２９）を、固定子（１）の巻線積層鉄心を形成する際に、打ち抜き作業中に固定子（１）の両端面側に形成することを特徴とする、電気機械を組み立てる方法。
9. 軸受リング（２）を固定子（１）の両端面側における凹部（２０，２８，２９）内に押し込む前に、転がり軸受（４）を軸受リング（２）に接合する、請求項８記載の方法。
10. 回転子（７）を固定子（１）に接合する際に、短絡リング（８．１）を軸受座部として、転がり軸受（４）の転がり軸受インナーレース（２４）内に押し込む、請求項８記載の方法。
11. 転がり軸受（４）の転がり軸受インナーレース（２４）の領域内に伸張リング（３０）を射出成形によって設ける、請求項８記載の方法。

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