JP2006513681A - 外部回転子付き電動機 - Google Patents

Abstract

電動機は、固定子が固定して取り付けられ、かつ回転子が回転可能に取り付けられるシャフトを備える。シャフトは、シャフトに取り付けられてシャフト上に圧縮状態で保たれる複数のプレートにより強化される。シャフトに対する回転子の位置およびシャフトに対する回転子の回転速度は、高精度の光反射センサアセンブリによって判定される。シャフトは、静かな動作のために電動機が発生する事実上全ての振動を減衰させる取付け用ブロックによって、構造支持体に取り付けられる。回転子の延長部分により、より幅広のベルト、例えばトレッドミルでの動作への適合性が与えられる。

Description

［発明の背景］
発明の分野
本発明は、電動機の改良に関し、より詳細には外部回転子を有する電動機に関する。

関連技術の説明
電動機は、多くの異なる商用および住居用において普通に使用されている。電動機は、通常、回転子および固定子を含み、回転子および固定子のそれぞれが周辺の回りに配置された複数の磁石を備えている。回転子上の磁石の磁極および固定子上の磁石の磁極は、回転子の磁極が固定子上の対応する磁極に引き付けられるか、あるいは反発されて固定子に対して回転子の回転が行われるように制御される。磁極の制御は、回転子または固定子のいずれかの上で電磁巻線によって作られる一連の磁石のうちの少なくとも１つによって通常行われ、その磁石の極性は巻線を流れる電流の方向を変化させることによって変えることができる。

ほとんどの電動機においては、固定子はその電動機の外部ハウジングの一部であるかまたは外部ハウジングを形成し、回転子は、固定子内に取り付けられてその中で相対的に回転するためのシャフトを含む。しかし、いくつかの用途においては、回転子が電動機の外部にあり、固定子が電動機の内部にあることが望ましい。この構成はかご形電動機と呼ばれる場合がある。ほとんどの場合、電動機はブラシレス整流子（brushless commutators）およびＤＣ電源で駆動するため、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣ）と呼ばれることも多い。外部回転子を有する電動機は通常、ベルトなどの内側に配置されてそのベルトなどを駆動するために用いられる。そのような構成に適した用途は、マテリアル・ハンドリング環境またはトレッドミルであり得る。

マテリアル・ハンドリングの用途におけるかご形電動機には、いくつかの問題が付随する。外部回転子を有する電動機に関連する１つの難点は、そのパワー出力が通常は制限されており、単独の電動機によっては短いマテリアル・ハンドリングの運転しか駆動できず、また、電動機によって比較的軽量の物品しか駆動できないことである。電動機からの出力パワーは通常構成部品のサイズを大きくすることにより大きくなるが、かご形電動機の場合、サイズを大きくすることは実用的ではない。固定子の直径を増加させることは、回転子の重量が増えることおよびバランス条件のために望ましくない。固定子の長さを増加させると、結果として回転子と固定子との間の磁気的吸引に応答して固定子上に取り付けられているシャフトの振れ（deflection）が生じ、回転子と固定子が接触し、電動機の性能が悪くなるか、あるいは極端な場合においては、電動機の回転が全くできなくなる可能性がある。

別の難点は、特に高速または高トルクでの電動機の冷却である。軽負荷または低速では冷却は問題ではないが、パワー出力および速度がより高いこのような電動機に対する需要があるため、回転子部分から熱を移動させる必要性が明らかとなっている。マテリアル・ハンドリング用途における最も小型のかご形電動機は、内部のオイルで冷却されるが、これによりシール問題が生じる。

このような電動機に関する他の問題には、騒音、組立て、低速でスムーズに動作するための正確な制御伝達、およびトルク下での速度変化が含まれる。トルク出力が高いと、特に高速では、振動およびその結果生じる騒音は許容不可能なものとなる場合がある。さらに、ホール効果センサによって固定子に対する回転子の位置を判定することが知られているが、速度またはトルクの変化を細かく制御するにはこの方法の精度が許容不可能であることが分かっている。その上、このような電動機の長さはその構造により制限される。幅広のベルトが必要な用途、例えばトレッドミルでは、このような電動機は十分な長さを有さないため駆動ローラとなることは事実上できない。

［発明の概要］
これらおよび他の問題は、構造用支持体に固定して取り付けられるシャフトを含み、かつ巻線の極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線を有する内部固定子と、シャフトに回転可能に取り付けられ、かつ固定子の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石を有し、磁石はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子と、を備えるタイプの電動機に対する改良点を有する本発明により解決される。本発明の一態様では、固定子は、圧縮されなければ巻線を磁石に接触させる傾向がある外力によってシャフトが曲がるのを阻止するのに十分な圧縮下で、シャフト上に複数のプレートを備える。

好ましくは、複数のプレートは複数の巻線を保持する巻線コアを形成する。プレートは巻線磁極を形成し、巻線磁極は、巻線磁極上に巻線を保持するように各磁極の端部にキャップを有する。プレートは、少なくとも１つのロックナットにより圧縮状態に保たれ、巻線は、巻線の長手方向の軸がシャフトの長手方向の軸に対して鋭角を形成するようにコア上に配向される。通常、鋭角は１０°である。

本発明の別の態様は、構造用支持体に固定して取り付けられるシャフトを含み、かつ巻線極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線を有する内部固定子と、シャフトに回転可能に取り付けられ、かつ固定子の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石を有し、磁石はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子と、を備えるタイプの電動機の巻線コアを形成する方法である。本方法は、シャフトの長手方向の軸に対して鋭角に配向されるキー溝をシャフトに設けるステップと、各磁極の端部にキャップを有する放射状の磁極とキー溝に対応する形状のキーとをそれぞれが有するプレートを設けるステップと、シャフト上にストップを配置するステップと、複数のプレートがシャフトに取り付けられるまで、最初のプレートをストップに対して当接させてキー溝に沿って各プレートをシャフト上でスライドさせるステップと、積層構造（lamination）を形成するようにプレートを圧縮するステップと、積層構造を圧縮状態に保つように、シャフト上で最後のプレートに隣接させてロックナットを固定するステップとを含む。

同じタイプの巻線コアを形成する代替の方法は、少なくとも１つのキー溝を有する中空円筒型のジグを設けるステップと、中央開口部、それぞれの端部にキャップを有する放射状の磁極、およびキー溝に対応する形状のキーをそれぞれが有するプレートを設けるステップと、ジグ内にストップを配置するステップと、複数のプレートがジグ内に配置されるまで、最初のプレートをストップに対して当接させてキー溝に沿って各プレートをジグ内でスライドさせるステップと、シャフトを中央開口部内に押し込むステップと、積層構造を形成するようにプレートを圧縮するステップと、積層構造を圧縮状態に保つように、シャフト上で最後のプレートに隣接させてロックナットを固定するステップとを含む。

本発明のさらに別の態様では、同様のタイプの電動機は、少なくとも１つの取付け用ブロックによって構造用支持体に取り付けられるシャフトを含む。取付け用ブロックは、２つの対向するブッシュピンを有するヨークと、シャフトを保持するクランプとを有する。クランプはブッシュに取り付けられ、それにより、取付け用ブロックはねじれ安定性を維持しながらあらゆる方向への電動機の振動を減衰させる。

好ましくは、シャフトの端部はキー固定され、クランプは、キー固定されたシャフト端部を収容する形状の上部および下部接続プレートを備える。上部および下部接続プレートはそれぞれ、ブッシュと相補的な形状であり、間にブッシュをクランプするように互いに作用するようなサイズの凹部を有する。各凹部は、接続プレートの長手方向の軸に対して偏心的に位置付けられる。

本発明のさらなる態様は、構造用支持体に固定して取り付けられるシャフトを含み、かつ巻線極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線を有する内部固定子と、シャフトに回転可能に取り付けられ、かつ固定子の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石を有し、磁石はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子と、を備えるタイプの電動機を開示する。この態様では、電動機は、回転子の各回転につき１０００パルスを超える信号を生成することが可能なセンサアセンブリを含む。好ましくは、センサアセンブリは、光源、受光器（receptor）、および１０００を超える放射状溝を有するディスクを含む光反射(opt-reflective)センサを備え、放射状溝は、固定子に対する回転子の運動に対応してディスクと受光器との間で相対運動が行われるようにする。

最後に、本発明の別の態様は、構造用支持体に取り付けられるシャフトの第１の端部と、そのように取り付けられないシャフトの第２の端部とを有する、同様のタイプの電動機である。回転子は、第２のシャフト端部に近い端部に取り付けられる延長部を有する。第２のシャフトの一端部は構造用支持体に固定され、第２の端部はシャフトと同一直線上で延長部に回転可能に取り付けられる。

［発明の説明］
図１〜図３は、本発明の一態様による電動機１０を、電動機１０の動作を制御するための制御システム１２と一緒に示している第１の実施形態である。電動機１０は回転子２２内に置かれている固定子２０を含む。固定子２０はシャフト２４を含み、その上にスペーサ２８によって隔てられた、固定して取り付けられた複数の巻線アセンブリ２６（図４も参照）がある。ロッキング・ワッシャー３０が巻線アセンブリ２６をスペーサ２８に対してシャフト２４上に固定する。

シャフト２４は、巻線アセンブリから電動機の外面に対して必要となるような導線などの通路のためのコンジットを形成するための、少なくとも中空の端部を備えていることが好ましい。シャフト２４は、組立て中にシャフト２４に沿ってのスペーサ２８の長手方向の動きを制限するためにスペーサ２８と相互作用するカラー３６によって分割されている、中央に置かれた大口径部分２４ａを備えている。シャフトは複数の縮小された直径の部分２４ｂ、２４ｃ、および２４ｄを大口径部分２４ａの各端部に含む。ステップ・ダウンされた直径の各部分２４ａ〜２４ｄの接合が対応するショルダ２５ｂ、２５ｃ、および２５ｄを生成する。キー３８はシャフト２４に沿って長手方向に伸びている。

スペーサ２８は、ウェブ３４によって接続された中央ハブ３１および周辺の壁３３を含む。複数の開口部３５がウェブ３４を通して伸びている。放射状の開口部３７は周辺の壁３３を通って伸び、ウェブの開口部３５と交差し、周辺の壁３３の外面を周辺の壁３３とハブ３２との間の空間と流動的に接続する。ハブ３２の一端が中央の開口部の中に伸びている環状ストップ３９を含み、ハブ３２がシャフト上にスライド可能に取り付けられるときにシャフトのショルダ３６に突き合わされるようにサイズが決められ、それによってスペーサの長手方向の運動を制限している。

巻線アセンブリ２６は、それぞれ巻線コア４０を含み、巻線コア４０は軸方向の開口部４４およびキー溝４６を備えている複数の軸方向に整列されたディスク４２を含んでいる。複数のディスク４０の整列された軸方向の開口部４４およびキー溝４６は、巻線コア４０に対する軸方向の開口部およびキー溝を形成する。

各ディスク４２の周辺は複数の巻線磁極５０によって形成され、それらはディスク４２の回りに４０度の増分で間隔が空けられ、タブ５２によって分離されていることが好ましい。位置合わせされた巻線磁極５０が巻線の軸５１を形成する。巻線チャネル５４が各巻線磁極５０の周辺の回りに形成され、開口部を通過する中央の経路を備えている巻線５６を収容するようなサイズになっており、巻線５６を巻線磁極５０上にスライド可能に取り付けることができるようになっている。

巻線５６が各巻線磁極５０に設けられている。巻線５６は導電線の複数の巻線から形成され、その隙間の空間はエポキシで充填され、巻線を熱的に硬化させて剛性の構造にすることが好ましい。各巻線はシャフト２４の中空の内部を通過するリード５８（図２）を通して電気的制御システム１２に接続されている。

回転子２２は回転子ケージ６０を含み、アルミニウムの鋳物を含むことが好ましく、アルミニウムの鋳物は概ね円筒型のボディ６２を備えていて、そのボディの外面から並行のフィンガー６４のペアが伸び、その間に磁石スロット６６を形成している。磁石スロット６６は約６０度の間隔でボディ６２の周辺の回りに配置されている。ボディ６２は磁石スロット６６内に置かれている開口部６８を備えている。

回転子２２は、鋼から作られていることが好ましいカバー７２と、２つのペアの磁石７４とを含んでいる磁石アセンブリ７０をさらに含む。磁石７４は、カバー７２が磁石スロット６６内に位置しているときにボディ６２の磁石スロット６６内に適合するようにカバー７２上に配置されることが好ましい。

電動機１０は、外装ハウジング８０をさらに含み、回転子ケージ６０が外装ハウジング８０にスライド可能に収容され、固定子２０が回転子ケージ６０の内部でスライド可能に収容される。ハウジングは、炭素鋼から作られていることが好ましい。ハウジング８０の端部はエンド・キャップ８２によって閉じられており、エンド・キャップ８２は、アルミニウムから作られていることが好ましい。エンド・キャップ８２は、セラミック・ベアリング８６がスライド可能に取り付けられている凹部を備えている中央ハブ８４を含み、ベアリング８６はその凹部の内面の開口部の近くの軸方向の溝の中に収容されるスナップ・リングまたは同様な止め具８８によってハブ８４内に保持されている。

中央ハブ８４は、放射ウェブ９２によって周辺の壁９０に接続されている。周辺の壁９０は、ハウジングの内径に実質的に等しい外径を有している。放射ウェブ９２は、周辺の壁９０を超えて放射状に伸びている環状ストップ９４を含む。環状ストップ９４は、ハウジング８８の内径より大きい外径を有しており、エンド・キャップの周辺の壁９０の挿入深さを制限する。一連のフィン９６が放射ウェブ９２内に形成され、そこから軸方向に内側および外側に向かって伸びている。フィン９６は、電動機が回転する際の電動機１０の内部温度の冷却に役立つ。本質的にフィン９６は空冷のヒート・シンクとして働く。

エンド・キャップ８２は、環状ストップ１０２が伸びている軸方向の開口部１００を備えるカバー９８をさらに含む。同心リング１０４がカバー９８の中に形成され、エンド・キャップ８２の外面上の同心リング１０６に対応する。同心リング１０４および１０６は、カバー９８がシャフト２４上にスライド可能に取り付けられるときにネストし（入れ子となり）、電動機内に塵埃および他の粒子が入るのをブロックするためにラビリンスシールを形成する。

制御システム１２は、シャフト２４上に置かれているホール・センサ１１０および回転子ケージ６０上に取り付けられている対応する要素１１２を含む。要素１１２は、磁石７４の磁極に対応するように配置されている。ホール・センサ１１０は、巻線５６を流れる電流の方向を変える、回転子ケージ６０を固定子２０の回りに回転させる電気回路（図示せず）に接続されている。このタイプの電気的制御は広く知られており、ここではこれ以上詳しくは説明しない。

［第１の実施形態の電動機の組立て］
以下の組立ての説明は多くのステップを含む。これらのステップの多くのシーケンスは、重要ではない。したがって、組立ての説明は主として電動機１０を組み立てるために必要なステップおよび各種の部分の相互配線を示すためのものである。組立ての説明は、この組立てステップのシーケンスに制限されることは意図されていない。

図６を参照すると、電動機１０の組立ては磁石７４をカバー７２に対して組み立てることから始まる。磁石７４は、磁気密度が非常に大きいネオジムから作られていることが好ましい。例えば、１つの磁石スロット６６に対する各磁石ペアは、３５０ポンドの分離力を有している。磁石７４に対する大きな磁気密度および対応する大きな磁気力が与えられて、磁石の取扱いは慎重に行われなければならず、組立て中に磁石を互いに、あるいは他の磁気的物体に接近する位置に持ってくることは、その磁石がその物体と磁気的に結合することが望ましい場合でない限り、行ってはならない。

図６を参照すると、磁石を組み立てる際に、ベース１２２とカバー１２４とを含んでいるジグ１２０が、磁石７４をカバー７２に対して所定の向きに付加するために提供され、その磁石が回転子ケージ６０のボディ６２内の磁石の開口部６８内に適合するようになっている。ジグの底面１２２は、チャネル１２６を形成しているＵ字型の断面を有し、カバー７２をスライド可能に収容するためのサイズになっている。位置決め用開口部１２８が磁石スロット６６内の開口部６８の間隔に対応する間隔でチャネル１２６内に提供されている。

磁石７４をカバー７２に対して組み立てるために、対になっている磁石が位置決め用開口部１２８内に位置している。その開口部は磁石７４の上面がチャネル１２６の底面と同一平面上にあるか、あるいは僅かにそれより下がっているようなサイズになっている。次に、カバー１２４がチャネル１２６の開いている上面を閉じるためにジグの底面１２２上に置かれる。カバーはジグ１２０にクランプされて固定されていることが好ましい。次に、磁石のカバー７２がジグ１２０の開放端の１つ内にスライド可能に挿入される。鋼鉄の磁石カバー７２が磁石７４に出会うと、磁石はそれ自身で磁石カバー７２に付着する。磁石カバー７２と磁石７４との間の摩擦係数は十分に小さく、磁石をカバー７２から引き離すための分離力（約３５０ポンド）と比較して、カバー７２を磁石７４に関してスライドさせるために必要な力は比較的小さい（本発明の磁石の場合、約７０〜８０ポンド）。必要な場合、少量の潤滑剤をカバー７２または磁石７４のいずれかの上に置き、摩擦係数を減らし、それによってカバー７２を磁石７４上でスライドさせるのに必要な力を減らすことができる。カバー７２がジグ１２０内に完全に位置決めされると、ジグ・カバー１２４はクランプが外されて取り除かれる。次に、磁石カバー７２がチャネル１２６の開放端から持ち上げられ、それと一緒に磁石７４を運び、それが回転子ケージ６０の中に挿入するための正しい向きになる。

磁石７４を磁石カバーに対してそれぞれの所定の位置において取り付けるプロセスが、特定の回転子ケージ６０に対して必要な磁石アセンブリ７０の数に対して繰り返される。図に示されているように、６個の磁石アセンブリ７０が必要である。しかし、電動機のサイズによってこれより少ない数の、あるいはより多くの磁石アセンブリを使用することができる。完成された磁石アセンブリ７０は、組立て後に互いに十分遠くに離して貯蔵し、１つの磁石アセンブリが他の磁石アセンブリと結合するのを避ける必要がある。

磁石アセンブリ７０が組み立てられると、それらは回転子ケージ６０の磁石スロット６６の中に置かれる。それは磁石スロット６６の内部の磁石アセンブリ７０を同時にパンチすることによって行うことが好ましい。回転子ケージ６０はアルミニウムなどの非磁性材料から作られるのが好ましいので、磁石７４と回転子ケージ６０との間の磁気的相互作用はあまり重要なものではない。

固定子２０の組立てに進むと、先ず最初に各巻線コア４０が従来の方法で組み立てられる。巻線５６が巻線磁極５０上にスライド可能に取り付けられる。このプロセスが特定の電動機に対して必要な巻線アセンブリの数に対して繰り返される。図に示されているように、電動機１０は２つの巻線アセンブリ２６だけを必要とする。しかし、より少ない、あるいはより多くの巻線アセンブリが必要となるのは本発明の範囲内にあり、それは特定の動作パラメータ、特に電動機１０のパワー出力によって変わる。所与の巻線アセンブリ２６に対して、巻線アセンブリの数が多いほど、電動機はより多くのパワーを発生する。

図７を参照すると、巻線アセンブリ２６が完成されると、巻線アセンブリ２６、スペーサ２８、およびエンド・キャップ８２の１つをシャフト２４に取り付けることによって、固定子２０が組み立てられる。最初に、スペーサ２８が、環状ストップ３７がシャフト・カラー３６に突き合わされるまでシャフトの一端にスライド可能に取り付けられる。次に、巻線アセンブリ２６が、シャフト２４に対して配向され、巻線アセンブリ２６内のキー溝４６がシャフト２４上のキー３８と整列するように向けられる。巻線アセンブリ２６は巻線コア４０がスペーサ２８のハブ３２と突き合わされるまでシャフト２４上でスライドされる。ロッキング・ワッシャー３０が巻線コア４０との突き合わせ関係にシャフトの対向端上でスライド可能に取り付け、巻線コア４０をスペーサ２８に対して保持する位置にロックし、スペーサ２８はシャフト・カラー３６との突き合わせ関係になっている。

巻線アセンブリ２６がシャフト２４に取り付けられるとき、巻線５６の内部端が周辺の壁３３とスペーサ２８のハブ３２との間に収容されることは注目に値する。ハブ３２の端部および周辺の壁３３は、巻線コア４０と突き合わせ関係にあり、スペーサ２８の開放端を効果的に閉鎖し、その中の巻線５６の端部を封止する。したがって、巻線５６の内部端がスペーサ２８の閉じられた内面に保持され、それを通してウェブの開口部３５および対応する周辺の壁の開口部３７によってアクセスが提供される。

周辺の壁の開口部およびウェブの開口部３５を通してスペーサ２８の閉じられた内面に樹脂材料が注入される。スペーサ２８の内面を完全に埋めるのに十分な量の樹脂が注入される。樹脂で充填されたシャフト２４、巻線アセンブリ２６、およびスペーサ２８の固定子サブアセンブリが、その樹脂を硬化するのに適した温度まで加熱される。

シャフト２４、巻線アセンブリ２６、スペーサ２８、およびベークされた樹脂の充填から得られる固定子サブアセンブリは、シャフト２４だけの場合より曲げ剛性がずっと大きい構造を生じる。曲げ剛性の増加は巻線コア４０とシャフト２４との間の密接な適合、巻線コア４０とスペーサ２８との間の圧縮取付け、および樹脂充填のスペーサ２８を考えたサブアセンブリの断面積の実効的な増加によるものである。図２のライン１３０は、シャフト２４に従って作られているが、サブアセンブリの実効的な曲げ剛性を有するシャフトの実効径を表す。

これまで、巻線５６に対する導線がシャフト２４の内面を通して伸びている電気コンジットに接続されていることが前提とされていることに留意されたい。導線の接続は周知であり、本発明の実質的な部分を形成するわけではないので、これ以上詳しくは説明しない。また、シャフトのサブアセンブリが完成した後、従来の方法でホール・センサ１１０がシャフト２４に取り付けられることにも留意されたい。

シャフトのサブアセンブリが完了すると、既にセラミック・ベアリング８６が取り付けられているエンド・キャップ８２の１つが、ベアリングの端部がシャフト２４の減少した直径の部分２４ｂのショルダ２５ｃに突き合わされ、カバー・ストップ１０２がシャフト２４の減少した直径の部分２４ｃ上のショルダ２５ｄに突き合わされるまで、エンド・キャップのハブ８４内の開口部を通してシャフトをスライドさせることによってシャフト２４の端部に取り付けられる。

図８を参照すると、対応するエンド・キャップ８２に沿ってシャフトのサブアセンブリが回転子のボディ６２内にスライド可能に取り付けられる。第１の巻線アセンブリ２６が回転子ケージのボディ６２の内部に収容される際、磁石７４が巻線を引き付けて磁石と接触させる。磁石カバー７２への磁石７４の取付けの場合と同様に、磁石は非常に強い分離力を有しているが、摩擦係数が十分に小さく、固定子サブアセンブリを回転子ケージのボディ６２の内部でスライドさせることができる。必要な場合、シャフトのサブアセンブリまたは回転子ケージのボディ６２の内面のいずれかに潤滑剤を入れてスライドし易くすることができる。

固定子および回転子のサブアセンブリは、ハウジング８０内でスライド可能に取り付けられる。回転子／固定子のサブアセンブリの挿入時に、磁石７４がハウジング８０の一部分と結合し、結果としてハウジング８０の長手方向の軸とシャフト２４とが僅かにオフセットされる。回転子／固定子のサブアセンブリが完全に挿入されると、エンド・キャップの周辺の壁９０上のテーパ状の表面１２０がハウジングの端部に接触し、シャフト２４をその端部においてハウジング８０に対して中央に置くことになる。テーパ状の表面１２０のくさび効果によって、ハウジング８０から磁石のいくつかの結合が外され、結果としてハウジングとシャフトの長手方向の軸のスキュー（ゆがみ）が発生する。

必ずしも必要ではないが、ハウジングの内面には１つまたはそれ以上のエンボス加工があり、エンド・キャップ８２の周辺の壁９０には対応する数のへこみまたは溝があって、エンド・キャップの周辺の壁９０をハウジング８０の開放端の中に挿入する際に、そのエンボス加工が対応するへこみまたは溝の中に収容されてエンド・キャップ８２をハウジング８０の端部に対して実効的にロックするまで、周辺の壁９０を僅かに偏向させることが好ましい。

電動機１０の組立てを完了するために、他のエンド・キャップ８２がシャフト２４の対向端にスライド可能に取り付けられる。磁石７４の強さが与えられて、固定子２０の１つの側の少なくとも一部分が回転子ケージのボディ６２の内面と物理的に接触状態になり、結果としてシャフト２４がハウジング８０に関して僅かに軸外れになることを念頭に置かれたい。エンド・キャップ８２の周辺の壁９０の外部端は僅かにテーパ状１２０である。この構成によって、第２のエンド・キャップ８２がハウジング８０の開放端の中に挿入される際、エンド・キャップ８２の周辺の壁９０のテーパ状の、あるいはくさび状の外部端がハウジング８０の一部分の内部端と接触する。ハウジング８０の端部へ周辺の壁９０を続けて挿入することによって、ハウジング８０および回転子ケージ６０の軸方向に整列された長手方向の軸とシャフトの長手方向のアクセスとの位置合わせが始まる。エンド・キャップ８２の挿入が完了すると、巻線アセンブリ２６が回転子ケージのボディ６２の内面との接触から離れるように引き出される。次に、カバー９８がシャフト上にスライド可能に取り付けられ、中央ハブ８４を閉じ、セラミック・ベアリング８６を大気に関して封止する。

組み立てられた位置において、巻線アセンブリ２６の外面と、回転子ケージのボディ６２の内面との間に約０．５ｍｍのギャップがある。磁石７４の磁気力が非常に大きかった場合、磁石がハウジング８０と結合する傾向があり、それは固定子サブアセンブリの異常な曲げ剛性によって幸いにも対抗される。上記のような本発明による電動機は、３．０ｋＷのピーク・パワーを発生し、約９５％の効率で約８５０ｒｐｍにおいて１．６ｋＷの定常状態で動作することができる。発生される最大の一定トルクは、１８．２Ｎｍである。電動機１０のサイズが比較的小さい割りには、電動機１０は非常に高性能である。ハウジング８０の長さは約４１７ｍｍであり、直径は１１４．３ｍｍである。各巻線アセンブリ２６の長さは約１３５ｍｍである。

［動作］
電動機の動作は、周知の方法で制御されるので、一般的な詳細だけを説明する。すべての直流電動機と同様に、回転子は固定子に対して進められ、それはケースに応じて回転子上の永久磁石を引っ張るか、あるいは押すかのいずれかを行うように固定子上の磁極の極性を変化させることによって行われる。本発明による固定子は、固定子の周辺の回りに約４０°の間隔で置かれている巻線５６によって形成される９個の磁極５１を備えている。回転子上の永久磁石は、回転子の周辺の回りに６０°の増分で間隔が空けられている。永久磁石の幅は巻線の幅より僅かに大きい。

１つの永久磁石の磁極が１つの巻線磁極の上の中心にある時、次の永久磁石は一般的に隣接している磁極の隣とのちょうど間に中心が置かれ、永久磁石の一部分が各巻線の一部分に重なっている。次の磁石７４がふたたび巻線磁極５１の上の中心にある。磁石７４の磁極と、巻線５６との間の物理的な関係が固定されているとして、ホール・センサ１１０を使用して磁石の磁極の位置を感知し、対応する信号を出力することができる。その信号は、電子制御１２によって使用され、巻線を流れる電流の方向を変化させ、回転子の回転を続ける必要に応じて磁石７４を押すか、あるいは引っ張るかするのに必要なように巻線の極性を切り換える。ホール・センサは１つだけで済む。何故なら、永久磁石および巻線の数が分かっていて、既知の関係で配置されているからである。しかし、必要であれば、巻線５６の磁極のすべてまたはいくつかに対してホール・センサを固定子の回りに配置することもできる。

電子制御は回転子を固定子に対して進めることができるだけでなく、固定子に関して回転子の方向を逆転することもできる。同様に、電子制御は電動機の進行または逆行の動作のいずれかにブレーキを掛けるために効果的に使用することができる。電子制御による電動機の進行、逆行、およびブレーキのための技法は既知であり、ここでは詳しくは説明しない。

電動機の速度は巻線に印加される電圧の大きさを調整することによって制御される。電圧が増加するにつれて、電動機の速度は比例的に増加する。したがって、電動機の速度を制御するために必要なものは、単純で周知の電圧制御だけである。電動機の速度を制御するために電圧制御を使用することの利点は、電動機に対する電源およびその電動機によって駆動されている特定のマシンの内部抵抗の制限範囲内で速度が本質的に連続的に調整できることである。

定常状態の動作においては、電動機は約８０Ｗの熱エネルギーを発生する。電動機のサイズがそのパワーおよびそれが発生する熱に比べて小さい場合、特に磁石７４に及ぼす熱の負の性能上の影響がある場合は、その熱を放散させることが重要である。エンド・キャップ８２の上のフィンは、電動機によって発生される熱エネルギーを放散させるための空冷のヒート・シンクとして機能する。図２に示されているように、フィンはエンド・キャップの内面から外面へ伸びている。フィンの内面の位置は電動機の内部の空気を強制的に循環させ、熱が高まる領域をなくする。電動機の回転によってフィンが回転し、ハウジングの内部の空気が循環する。ハウジングの内部の空気の循環パターンはボディ６２の上の磁石スロット６６の間の開かれた空間を通過することによって長手方向に発生させることができる。回転子ケージの形状に沿ってエンド・キャップ上のフィンは複雑性を追加することなく、あるいは電動機のサイズを増加させることなしに、熱エネルギーを取り除く強制空冷のヒート・シンクを形成する。

［用途］
図９は、本発明による電動機１０に対する１つの可能な用途を示している。図９はトレッドミル１４０を示しており、これはデッキ１４２を含んでおり、その一端には本発明による電動機１０が取り付けられ、他端にはローラ１４４が取り付けられている。ベルトが電動機１０のハウジング８０の回りに引きずられ、ローラ１４４がデッキを間に捕らえる。ベルト１４６が電動機１０のハウジング８０と物理的に接触しているので、ハウジング８０の回転によってトレッドミルのベルトが回転する。

上記電動機１０は、２〜１２ｍｐｈで動作し、１４２ｒｐｍｓにおいて０．２７ＫＷ、８５４ｒｐｍｓにおいて１．６０ＫＷの所要電力が対応するように動作することが好ましい。

図１０は、電動機１０に対するもう１つの用途を示している。図１０において、単純なマテリアル・ハンドリング・システムが示されており、デッキ１５２を備えているコンベア１５０を含み、電動機１０が一端に取り付けられ、１つまたはそれ以上のローラ１５４がデッキ１５２上の各種の位置に取り付けられている。コンベア・ベルト１５６がローラ１５４と電動機１０との回りに引きずられる。ハウジング８０の回転によってコンベア・ベルト１５６が動く。

これらの用途のいずれにおいても、本発明は従来の技術の電動機に比べて有利である。本発明の電動機は、定常状態の動作に対して比較的高い出力（１．６ＫＷ）を備えていながら、直径が比較的短い（１１４ｍｍ）。電動機１０のプロファイルが小さいことによって、スペースが限られている広範囲の用途においてそれを使用することができる。また、プロファイルの縮小によって、ベルトのサイズが減少し、従来の比較的大きな直径の電動機に関する慣性的ブレーキングの問題も減少する。

本発明による電動機のもう１つの利点は、４巻線のアセンブリ２６を必要な介在しているスペーサ２８と一緒に単純に追加することによって電動機のパワー出力を増加させることができることである。そのような構成は、もちろん、比較的長いシャフト２４を必要とすることになる。しかし、従来の技術の設計とは違って、そのシャフトの長さは一般には重要ではない。何故なら、追加の巻線アセンブリ２６は追加のスペーサ２８を含み、それは一緒に、従来の技術の電動機において本質的なものであった振れを大幅に減少させる実効的に比較的大きな直径のシャフトを形成し、動作中に回転子と固定子が接触することを許すのに十分なシャフトの振れの負の結果を消去するからである。

［第２の実施形態］
図１１〜図１２は本発明による電動機２１０の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態の電動機２１０は、第１の実施形態の電動機１０と物理的にそして機能的に似ているか、あるいは同一である多くのコンポーネントを含む。したがって、可能な範囲に対して、第１の実施形態のコンポーネントに類似している第２の実施形態のコンポーネントには２００をプラスした同様な識別番号が付けられている。

電動機２１０は、電動機２１０の動作を制御するためのすべての電子回路を含んでいる電子制御システム２１２を含む。その電子制御システムは、制御システム１２と同じであり、したがって、ここでは示していない。電子制御システム１２は多くの周知の制御システムによって実現することができ、本発明の基本的な部分を形成しない。したがって、ここでは詳しくは説明しない。一般には制御システム１２は永久磁石の磁極に関連して各巻線磁極の場所を直接に、あるいは間接的に監視し、この情報を使用して巻線を流れる電流のスイッチングを制御し、回転子の回転（順方向または逆方向）、電動機の速度（一般的に電圧の大きさを変えることによる）、ブレーキを含めることができる電動機の加速／減速を制御することができる必要がある。

電動機２１０は、回転子２２２内に取り付けられている固定子２２０を含む。固定子２２０は回転しないシャフト２２４に固定して取り付けられている。回転子２２２はシャフト２２４に回転可能に取り付けられている。シャフトの端部は取付け用ブロック２２５によって固定して保持され、取付け用ブロック２２５はコンベア・システムの構造的要素、あるいは特定の用途の構造的要素にシャフトを取り付ける。

図１３および図１４を参照すると、シャフト２２４は一定の直径の中央の部分２２４Ａを含み、一端において環状ショルダ２２４Ｂで終わり、他端において環状ネック２２４Ｃにおいて終わる。環状ネック２２４Ｃはロッキング・リングの部分２２４Ｄへ移り、次に直径の減少したセンサ取付け部分２２４Ｅへ遷移する。環状溝２２４Ｆがセンサ取付け部分２２４Ｅとベアリング取付け部分２２４Ｇとの間に置かれている。直径の縮小されたキー２２４Ｈがベアリング取付け部分２２４Ｇから伸びている。環状ショルダ２２４Ｂから外側へのシャフト２２４の他の端部は構造が同様であり、それは環状溝２２４Ｆ、ベアリング取付け部分２２４Ｇおよびキー２２４Ｈを含む。固定子のキー溝２２４Ｉが端部の間の中央の部分２２４Ａの長さに沿って伸び、シャフト２２４の長手方向の軸２２４Ｊに対して１０度の角度に向けられている。キー溝２２４Ｉが選択的である理由は以下の組立てにて説明される。電気コンジット２２４Ｋがシャフトの一端部に設けられ、制御システムから巻線および内部センサへの導線のための通路を提供する。

図１５および図１６を参照すると、固定子２２０は、第１の実施形態の複数の巻線アセンブリ２６に比較して単独の巻線アセンブリ２２６がシャフト２２４に固定して取り付けられている。単独の巻線アセンブリ２２６は第１の実施形態の巻線アセンブリと構造が似ており、巻線コア２４０を含み、その回りに複数の巻線２５６が取り付けられている。巻線コア２４０は巻線コア４０の場合と同様に、複数のディスクやプレート２４２を含む。プレートはそれらがシャフト上に取り付けられるときに一連の巻線磁極２５０を形成する。各巻線磁極２５０はキャップ２５２において終わり、キャップ２５２は巻線２５６を効果的に保持する。巻線磁極２５０は巻線チャネル２５４によって隔てられている。

巻線２５６は従来のものであり、巻線磁極２５０の回りに巻かれた線を含む。巻線チャネル２５４は、振動を減らすために、樹脂（二成分エポキシ樹脂が好ましい）で満たされている。

巻線磁極２５０は、プレートの回りに中心に関して２０°ごとの間隔で配置されることが好ましい。各巻線磁極の対向端は好ましく互いに対して放射状に２０°オフセットされており、結果として隣接する巻線磁極の対向端が放射状に整列されている。言い換えれば、所与の回転方向を想定して、各巻線は先端および後端を有する。１つの巻線の後端は、後の巻線の先端と放射状に位置合わせされている。

図１１、図１２、図１７、および図１８を参照すると、第２の実施形態の電動機２１０に対する回転子２２２は第１の実施形態の電動機１０とは異なっており、永久磁石が直接に外装ハウジングに取り付けられているので、回転子ケージが不要になっている。第２の実施形態の回転子２２２は、複数の金属リング２６０がスライド可能に収容されるハウジング２８０を含む。

ハウジング２８０は本質的には第１の実施形態のハウジング８０と同じである。ハウジング２８０は開放端２７２を有する概ね円筒型のハウジングである。ハウジングの外面には開放端２７２に隣接するテーパ状の部分２７４がある。環状カラー２７６がハウジングの中空内部に置かれており、第１の内径２７８と第２の内径２８０との間の境界を形成している。第１の内径はリング２６０の外径に対応する。第２の内径２８０はカラー２７６から開放端２７２まで伸び、第１の内径２７８より大きい。

金属リング２６０がそれぞれの所望の位置に置かれると、ハウジング２８０の内部に接合される。金属リングはネオジム鉄ホウ素から作られていることが好ましい。例示としての実施形態においては、リングの外径は１０．４３ｃｍであり、内径は９．８３ｃｍである。各リングの幅は３．３５ｃｍであり、１０個のリングがハウジング２８０の内部にわたって伸びており、合計の長さは３３．５ｃｍとなっている。

金属リング２６０はハウジング２８０の内部にボンドされた後、磁化される。金属リングの、ハウジング２８０への挿入および取付けの後の金属リング２６０の磁化によって、ネオジム鉄ホウ素磁石の強さに関連した第１の実施形態の回転子に関係する組立ての問題点が実質的に解消される。

図１８を参照すると、各リングが交互に磁束の方向が変わっているセグメント２６２を有するように金属リング２６０が磁化されている。図１６の矢印２６５は、対応するセグメント２６２に対する磁場の方向を示している。好適には、セグメント２６２はリング２６０の回りに中心に関して約３０°ごとに磁束が変わることが好ましい。

セグメント２６２の３０°のスペーシングは各巻線コアの２０度のスペーシングと協働して、１つの巻線磁極の先端が所与のセグメント２６２を超えて回転する時、後の巻線磁極の約半分（１０°の円弧）が所定セグメントの下に置かれる。隣接する巻線と所与のセグメントとの間の重なりの結果、所与のセグメントまたは磁石に対して巻線における重なりがない第１の電動機に比べて、電動機に対する連続のパワー出力がより大きくなる。隣接する巻線と所与の磁石との間の重なりの量は、その電動機のパワー出力要求によって変わる可能性がある。

コントローラは回転子２２０が回転するための巻線５６と同じ方法で巻線２５６に流れる電流をスイッチする。本質的に、電流は永久磁石の中心線が対応する巻線の中心線を通過し、その巻線が最初に永久磁石を巻線の中心線に向かって引き付け、次にその永久磁石を巻線の中心線から遠ざけるように押す時に電流の方向がスイッチされる。永久磁石の長手方向の軸に対して巻線の角度の向きは、通常、永久磁石の長手方向の中心点が巻線の長手方向の中心点を通過する際に電流のスイッチングに導くことに留意されたい。

図１９および図２０を参照すると、エンド・キャップ２８２がハウジング２８０の開放端２７２を閉じるために設けられている。エンド・キャップ２８２はエンド・キャップ８２と同じであり、セラミック・ベアリング２８６に対する台座を集合的に形成するストップ２８７を有する通しの開口部２８５を形成している中央ハブ２８４を含む。環状溝２８８が中央ハブの内部端に置かれている。周辺の壁２９０が放射ウェブ２９２によって接続され、中央ハブ２８４から伸びている。放射ウェブ２９２の一部分が周辺の壁２９０から先へ伸びて周辺のストップ２９４を形成している。周辺の壁２９０の先端は、エンド・キャップをハウジング２８０へ挿入するのを助けるためにテーパ状２９１である。フィン２９６が放射ウェブ２９２から外へ向かって伸びている。

図２１および図２２を参照すると、カバー２９８が設けられており、環状ストップ３０２が中へ伸びる軸方向の開口部３００を備えている。同心リング３０４がカバー２９８の内面に形成され、中央ハブの開口部の境界を定めている同心リング３０６と噛み合って、カバー２９８がエンド・キャップ２８２に取り付けられる時にラビリンスシールを形成する。

図２３は、本発明による取付け用ブロック２２５を示す。取付け用ブロック２２５の独特の構造により、ねじれ安定性を維持しながらあらゆる方向への電動機の振動が減衰されるため、各種用途での電動機の性能は低下しない。取付け用ブロック２２５は、ほぼＵ字型のヨーク３１０を含み、その各アーム３１２には取付け用ねじボルト３１６を受け入れるアパーチャ３１４が伸びている。各アーム３１２から内側に伸びるピン３１８が、弾性ブッシュ３２０を収容する。クランプ３２２がボルト３２４により端部キー２２４Ｈを圧縮的に保持する。クランプ３２２は、下部接続プレート３２６および上部接続プレート３２８を含み、これらはそれぞれ互いに協働して端部キー２２４Ｈをクランプするように設計される。両方のプレート３２６、３２８の中央には、端部キー２２４Ｈと相補的な形状のキー形凹部３３０が位置付けられる。プレートはいずれも、各端部に開いているとともに各プレートを通る中心線Ａからオフセットされている半円筒型凹部３３２を有する。半円筒型凹部の直径は、ブッシュ３２０の直径と等しい（または実質的に等しい）。各プレートのキー形凹部３３０と各半円筒型凹部３３２との間には、アパーチャ３３４が位置付けられる。下部プレートのアパーチャ３３４は好ましくは螺刻されている。

図２４に示すように組み立てられると、接続プレート３２６、３２８はボルト３２４によって互いに固定され、電動機の端部キー２２４Ｈがキー形凹部３３０にネストし、ピン３１６の回りのブッシュ３２０が半円筒型凹部３３２に収容される。したがって、電動機アセンブリの全体が弾性ブッシュ３２０によってヨーク３１０上に支持されることが分かるであろう。金属間の接触がないため、電動機により発生する振動はブッシュ３２０によって完全に吸収され、それにより騒音が低減される。

さらに、半円筒型凹部３３２が偏心位置にあることにより、カバープレート９８、２９８の有無に関係なく取付け用ブロック２２５の使用が可能となる。カバープレート９８、２９８（図２、図７、図１１、および図２２を参照）の使用が選択的であることは理解されよう。図２５に示すように、カバープレート２９８が用いられる場合、例えば、接続プレート３２６、３２８は平坦側（flush side）３３６がカバープレートに隣接するように配置される。他方、図２６では、カバープレートが用いられない場合、接続プレート３２６、３２８は、突出側３３８が電動機に隣接するように配置され、カバープレートがある場合にカバープレートが占めることになる空間を占める。

［第２の実施形態の電動機の組立て］
第２の実施形態の電動機２１０の組立てを以下に説明する。第１の実施形態の電動機１０の場合と同様に、組立てステップの正確なシーケンスは本発明にとって重要ではない。組立てステップは単に本発明をより良く理解するために記述されており、そのシーケンスは限定的なものと考えられるべきではない。

固定子２２０の組立てプロセスは、固定子が磁気力を受けた時の振れに抵抗するのに必要な剛性を得るために重要ではない。これは、回転子と固定子との間のエアギャップが約１ｍｍと非常に小さいためである。エアギャップの変化は製造公差および他の影響により自然にもたらされるものである。電動機の一端と他端との間のエアギャップの寸法が異なることにより、固定子は曲がるかまたは振れることになり、振れが大きすぎると、回転子と固定子とが接触して、電動機からのパワー出力を事実上損なう可能性がある。

固定子２２０は２つの方法のうちの一方で組み立てられる。第１の方法は、キー溝２２４Ｉがシャフト２２４に存在する場合はキー溝２２４Ｉを利用する。環状ショルダ２２４Ｂに当接するようにスペーサ２８８がシャフト上に配置される。次に、キー溝２２４Ｉのサイズおよび形状に対応するキー開口部をそれぞれが有する複数のプレート２４２が、シャフト２２４の制御端にスライドされ、最初のプレートがスペーサ２８８に当接し、後続の各プレートが前のプレートに当接する。各プレートは０．３５ｍｍの厚さを有する打抜き加工された（stamped）すずから形成されることが好ましい。したがって、約９８０個のプレートがシャフト上に配置されるが、正確な数はシャフトの長さおよび最終的には電動機のサイズに応じて異なる。説明した方法での長さの上限は、電動機に関して約２０インチであることが分かっている。各プレートのキー２４６は、プレート２４２がシャフトに挿入される際にシャフトのキー溝２２４Ｉと整合される。プレートのキー２４６とシャフトのキー溝２２４Ｉとを整合し、プレート２４２をシャフト２２４上にスライドして挿入することによって、巻線コア２４０の巻線磁極２５０が作られる。

プレート２４２がシャフト２２４上に取り付けられると、第２のスペーサ２８８がシャフト上にスライド可能に取り付けられ、プレート２４２と突き合わせ接触状態に保たれる。重要なことだが、次に、プレートは例えば液圧プレスによって互いに対して圧縮される。圧縮力は、プレートの積層構造を形成するようなものであり、６×１０^４〜１０×１０^４ニュートンの範囲である。次に、ロックナット２８９が、積層構造を合わせて圧縮状態に保つのに十分なトルクでスペーサ２８８に突き当たるようにシャフト上に螺合される。圧縮により、圧縮されない場合よりも固定子に事実上３倍の剛性が与えられるため、回転子の磁石によって固定子に与えられる曲げモーメントに抵抗するようになる。次に、巻線２５６が従来の方法で巻線磁極２５０の回りに巻線を巻き付けることにより形成される。

固定子を組み立てる第２の方法は、シャフト２２４にキー溝がない場合にジグまたはケージを利用する。ケージは基本的に、壁から内側に突出している１つまたは複数のガイドを有する中空の円筒である。１つまたは複数のガイドは、ケージの長さに伸び、ケージの長手方向の軸に対して１０°の角度で配置される。ガイドは、相補的な形状のガイドまたは各プレートの磁極間のギャップに対応するサイズにされる。プレートはケージ内に重ねられ、ガイドがプレートを互いに隣接して適切な位置に配向する。スタックの各端部にはスペーサ２８８が配置される。次に、スペーサ２８８の一端が環状ショルダ２２４Ｂに突き合わされるまで、シャフト２２４はプレートのスタックの中央アパーチャに液圧で押し込まれる。

同じ押込み操作において、または別個のステップにおいて、プレートは上述の圧縮力によって圧縮されて積層構造になり、その積層構造を合わせて保つためにロックナットがシャフトに螺合される。

巻線２５６が巻線磁極２５０の回りに組み立てられると、固定子２２０および回転子２２２を組み立てることができる。好ましくは、固定子２２０は回転子２２２の内部にスライド可能に挿入される。リング２６０は既に磁化されていることが好ましいため、固定子２２０は回転子２２２の磁化されたリング２６０と接触するように引き込まれる。次に、固定子２２０を回転子２２２のリング２６０の内面を通してスライド可能に挿入することができる。第１の実施形態の場合と同様に、固定子２２０と回転子２２２との間の摩擦係数を減らすために潤滑剤を使用することができる。

ハウジング２８０に対するエンド・キャップ８２およびベアリング８６の取付けは、第１の実施形態について以前に説明されたものと同じであり、ここでは詳しくは説明しない。エンド・キャップ２８２と、セラミック・ベアリング２８６と、カバー２９８とが組み立てられると、そのアセンブリは上述のように取付け用ブロック２２５に取り付けられる準備ができている。

［第３の実施形態］
本発明による電動機４１０の第３の実施形態を図２７〜図３２に示す。第３の実施形態の電動機４１０は、第２の実施形態の電動機２１０と物理的および機能的に同様または同一の多くの構成部品を含む。したがって、可能な範囲内で、第１の実施形態と類似している第２の実施形態の構成部品には２００をプラスした同様な識別番号が付けられている。

第３の実施形態と第２の実施形態との主な相違点は、回転子４２２の長さと、任意所与の瞬間の巻線の位置を検出するセンサの構造とにある。図２７に示す第３の実施形態の変形形態では、一端と固定子上の積層構造との間に空間があるように回転子４２２およびシャフト４２４が伸長されていることが分かる。言い換えれば、積層構造は電動機の２端間の中央にはない。積層構造を中央に置くことは、電動機の効果的な機能に重要ではない。しかし、実現できる長さには限界があり、その限界は、磁石によって与えられる曲げモーメントによりシャフトが振れる傾向により決定され始める。

トレッドミルなどの特定の用途のために長さをより長くするには、図２８〜図３２の変形形態が許容可能な解決策であるということが分かっている。先ず図２８、図２９、および図３１を見ると、電動機部分４００がエンド・キャップ４８２を越えて伸びるカップリング部分４０２を有することが分かるであろう。カップリング部分４０２は、回転子４２２の端部において環状縁部４０６により画定される開放端４０４を有する。カップリング部分４０２のエンド・キャップ４８２を少し過ぎた所に、内部環状溝４０８と、カップリング部分の壁を通って溝まで伸びる複数のアパーチャ５００とがある。環状縁部４０６には少なくとも１つのスロット５０２が形成される。固定子４２０のシャフト４２４がエンド・キャップ４８２を過ぎたある地点で終わることが理解されるであろう。

図２８、図２９、および図３２は、延長部分５１０を最も良く示しており、電動機部分４００の長さはこの延長部分５１０の分だけ伸びている。延長部分５１０は、回転子延長部５１２および軸アセンブリ５１４を含む。回転子延長部５１２は、回転子４２２と実質的に同じ直径、厚さ、および組成を有する円筒構造である。回転子延長部５１２の近位端５１６は、環状縁部５１８において、環状縁部のわずかに内側で、かつ環状ショルダ５２０に近接して終端する。回転子延長部５１２の遠位端部５２２は、電動機のエンド・キャップ４８２と実質的に同じ構成を有するエンド・キャップ５２４により閉鎖される。エンド・キャップ５２４は、プレス嵌めおよび／または溶接によって回転子延長部に固定されることが好ましい。遠位環状ショルダ５２６は、エンド・キャップ５２４の内側にある。

軸アセンブリ５１４は、支持ブロック５２８および軸５３０を含む。支持ブロック５２８は、遠位環状ショルダ５２６に突き当たるように回転子延長部５１２の遠位端部５２２にプレス嵌めされる補強ディスクである。軸５３０は、キー端部５３２と、環状スペーシングボス５３８により隔てられる第１および第２のベアリング面５３４、５３６とを有する。第１のベアリング５４０が、スプリットリング５４４によって支持ブロック５２８の中央開口部５４２内に固定され、第２のベアリング（好ましくは二重）５４６が、別のスプリットリング５４８によってエンド・キャップ５２４内に固定される。軸には、第２のベアリング５４６に収容される第１のベアリング面５３４と、第１のベアリング５４０に収容される第２のベアリング面５３６とが取り付けられる。軸５３０の長手方向の軸がシャフト４２４の長手方向の軸と同一直線上にあることは理解されよう。

カプラー（coupler）５５０が、延長部分５１０とカップリング部分５００とを接続する。カプラー５５０は、一端に第１の環状縁部５５２と他端に第２の環状縁部５５４とを有する中空管である。管の第１の環状縁部付近から外側に放射リブ５５６が伸び、これは回転子４２２および延長部分５１０の外径に実質的に等しい外径を有する。放射リブは、一端が第１の環状ショルダ５５８と、他端が第２の環状ショルダ５６０と結合されている。カプラー５５０は、プレス嵌めおよび／または溶接によって延長部分５１０に固定され、カプラー５５０の第１の環状縁部５５２は回転子延長部５１０の近位環状ショルダ５２０に突き合わされ、回転子延長部の近位環状縁部５１８はカプラーの第１の環状ショルダ５５８に突き合わされる。必要な場合、回転子延長部の近位環状縁部５１８とカプラーの第１の環状ショルダ５５８との接合部に溶接物が配置される。

放射リブ５５６と第２の環状縁部５５４との間には、外部環状溝５６２がある。ここで図３０も見ると、スプリットクランプリング５６４が外部環状溝５６２に配置される。クランプリング５６４は、複数のねじ（螺刻された）アパーチャ５６６をそれぞれが有する２つの半リングを含む。ねじアパーチャ５６６は、回転子４００のカップリング部分４０２のアパーチャ５００と位置合わせされる（in registry with）ように配置される。クランプリングボルト５６８がアパーチャ５６６に螺合される。互いから１８０°の位置に配置された一対のロケータピン５６８が、カプラー５５０の外部環状溝５６２に取り付けられることにより、アパーチャ５００と５６６とが位置合わせされてクランプリング５６４の位置が維持される。クランプリングボルト５６８が外される（turned out）と、クランプリング５６４が外部環状溝５６２内にネストする。

この位置で、カプラー５５０の第２の環状縁部５５２は、回転子４２２のカップリング部分４０２の開放端４０４にプレス嵌め係合状態で収容されることができる。結合時には、カプラー５５０の第２の環状縁部５５２がエンド・キャップ４８２に突き合わされ、かつ／またはカップリング部分４０２の環状縁部４０６がカプラー５５０の環状ショルダ５６０に突き合わされることが分かるであろう。同時に、クランプリング５６４が環状溝４０８と位置合わせされる。クランプリングボルト５６８が挿入されると（turned in）、クランプリング５６４はカプラー５５０の外部環状溝５６２からカップリング部分４０２の環状溝４０８に移動し、これによりカプラーがカップリング部分にクランプされる。さらに固定するために、カプラー５５０の環状ショルダ５６０の近くから安全ピン５７０が突出し、スロット５０２に収容されてカップリング部分に対してカプラーが回転するのを防止する。

軸５３０のキー５３２は上述のような取付け用ブロックに固定され、シャフト４２４の外側端部は上述のような別の取付け用ブロックに固定される。延長部分５１０がこのようにして回転子４０２に固定され、軸がシャフトと位置合わせされると、回転子の回転により延長部分も回転するようになることは明らかであろう。したがって、電動機を、例えばトレッドミルなどにおいてより幅広のベルトとともに用いることができる。

［位置センサ］
本発明は、図３３および図３４に最もよく示される新規な位置センサ６００を包含するが、他の実施形態にも同様に適用可能である。位置センサ６００は、管状部分６０４と、フランジ部分６０６と、管状部分およびフランジ部分間に伸びる補強リブ６０８とを有する取付け用ブラケット６０２を含む。管状部分６０４は、シャフト２２４のセンサ部分２２４Ｅの外径と実質的に等しい内径を有するため、ブラケット６０２はシャフト上に収容されてシャフトに取り付けられることができる。管状部分６０４のピンホール６１０は、取付け用ピン６１２を収容するサイズであり、ブラケットはシャフトの孔６１４と位置合わせされるように配置される。ピン６１２が孔６１０および６１４の両方にプレス嵌めされると、ブラケット６０２は、フランジ部分６０６が固定子の最後のプレート２４２に平行にプレート２４２から離れた状態で、シャフト２２４にしっかりと固定される。

フランジ部分６０６は、好ましくはねじ付きの複数のアパーチャ６１６を有し、スペーサ６１８が各アパーチャを囲む。センサプレート６２０もまた、フランジ部分６０６のアパーチャ６１６と位置合わせされて配置される複数のアパーチャ６２２を含む。センサプレート６２０は、以下でより詳細に説明するように、センサ６２４、６２６を保持する。

エンド・キャップ２８２は、ハブ６３０から放射状に伸びる一連の内部リブ６２８を有する。ハブ６３０は、従来の方法でベアリング６３２を収容するサイズであり、ベアリング６３２はスプリットリング６３４によってハブ６３０内に保持される。ハブ６３０の環状端部６３６は平坦であり、隣接するリブ６２８の少なくとも一部が環状端部６３６と同一平面状にあることにより、内部に光ディスク６４０を収容するのに効果的な平面を形成する。光ディスクは、好ましくは薄い鋼（厚さ約０．２ｍｍのオーダ）であり、非常に細い放射状の溝から成るトラック６４２（幅約０．１ｍｍのオーダ）を有する。トラック６４２の半径は、溝の数が１，０００を越えるようなものである。ディスク６４０は、ハブ６３０の環状端部６３６に接着または他の方法で固着される。エンド・キャップ２８２からは、リブ６２８のペア間に一対おきに（in alternating spaces）一連のプレート６４４が軸方向に伸びる。各プレート６４４は弧状であり、ハブ６３０の長手方向の軸からの半径に従っている。

ホール効果センサ６２４は、プレート６４４が各磁石のアーム間の空間（open space）を通るようにセンサプレート６２０上に配置された一連のＣ字型の磁石６５０を含む。エンド・キャップ２８２は、プレート６４４が巻線の所与の磁極に対応するように巻線に対して配置されることが理解されよう。したがって、プレート６４４が磁石６５０を通ると、ホール効果によりセンサ６２４が回転子の回転における任意所与の瞬間の巻線の位置を判定することができる。

所与の瞬間における位置判定をより正確にする必要がある場合、第２のセンサ６２６は、光ディスク６４０上のトラック６４２に向けられる照射源（例えばＬＥＤ）と、トラックからの反射を検出する受光器（例えば光電トランジスタ）とを含む光反射器（opto-reflector）タイプのものである。トラック６４２の溝が光反射器センサを通過し、続いて次の溝が通過する前に隣接する平面から反射されるごとに、対応するパルス信号が生成されて、処理のためにコントローラに送られる。

本発明は、ある特定の実施形態に関連して特に説明してきたが、これは単なる例示としての方法であり、制限するものではないこと、および添付の特許請求の範囲が、従来の技術が許す範囲で広く解釈されるべきであることを理解されたい。

本発明による外部回転子付き電動機を示す。 図１のライン２−２に沿って切り取った電動機の断面図である。 図２のライン３−３に沿って切り取った電動機の断面図である。 本発明による固定子の１つのコイル・モジュールの斜視図である。 本発明による回転子ケージの斜視図である。 回転子ケージの静止磁石を組み立てるためのジグの斜視図である。 固定子に対する組立ての主なステップを示す斜視的な組立図である。 固定子に対して回転子を組み立てる主なステップを示す組立図である。 本発明による外部回転子付き電動機を組み込んでいるトレッドミルの斜視図である。 本発明による外部回転子付き電動機を組み込んでいるマテリアル・ハンドリング・システムの一部分の斜視図である。 第２の実施形態のシャフト、回転子、および固定子の間の空間的関係を示す第２の実施形態の電動機の長手方向の断面図である。 図１１のライン１２−１２に沿って切り取った断面図である。 角度付きのキー溝を示すシャフトの平面図である。 電気コンジットに対する内部通路を示すシャフトの１つの端部の部分拡大断面図である。 シャフトに取り付けられた固定子の長手方向の断面図であり、明確化のために回転子およびエンド・キャップは除外されている。 図１５のライン１６−１６に沿って切り取った断面図であり、明確化のためにシャフトは取り除かれている。 回転子およびハウジングの長手方向の断面図であり、明確化のために固定子、シャフト、およびエンド・キャップは取り除かれている。 図１７のライン１８−１８に沿って切り取った断面図であり、固定子に対する磁束の方向の変化を示す。 本発明による電動機のためのハウジングの開放端を閉鎖するためのエンド・キャップの端面図である。 図１９のライン１９−１９に沿って切り取った断面図である。 シャフトに対してカバーをシールするためのカバーの端面図である。 図２１のライン２２−２２に沿って切り取った断面図である。 本発明による取付け用ブロックの分解図である。 取付け用ブロックに取り付けられた本発明による組み立てられた電動機の端面図である。 取付け用ブロックおよび図２４のライン２５−２５に沿って切り取った電動機の一部の平面断面図である。 図２４と同様の取り付けブロックおよび電動機の一部の代替構成の平面断面図である。 本発明による外部回転子を有する電動機の第３の実施形態の一変形形態の断面図である。 本発明による電動機の第３の実施形態の第２の変形形態の断面図である。 本発明による電動機の第３の実施形態の分解図である。 図２８のライン３０−３０に沿って切り取った断面図である。 図２８に示す電動機の一部の断面図である。 図２８に示す電動機の延長部分の断面図である。 本発明によるセンサアセンブリの左側分解図である。 図３３のセンサアセンブリの右側分解図である。

Claims (16)

1. 構造用支持体に固定して取り付けられるシャフト（２４、２２４、４２４）を含み、かつ巻線極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線（５６、２５６）を有する内部固定子（２０、２２０、４２０）と、前記シャフト（２４、２２４、４２４）に回転可能に取り付けられ、かつ前記固定子（２０、２２０、４２０）の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石（７４、２６０）を有し、該磁石（７４、２６０）はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子と、を備えるタイプの電動機（１０、２１０、４１０）であって、
   前記固定子（２０、２２０、４２０）は、圧縮されなければ前記巻線（５６、２５６）を前記磁石に接触させる傾向がある外力によって前記シャフト（２４、２２４、４２４）が曲がるのを阻止するのに十分な圧縮下で、該シャフト上に複数のプレート（４２、２４２）を有することを特徴とする、電動機。
2. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
   前記複数のプレート（４２、２４２）は、前記複数の巻線（５６、２５６）を保持する巻線コア（４０、２４０）を形成する、請求項１に記載の電動機。
3. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
   前記プレート（４２、２４２）は巻線磁極（５０）を形成し、該巻線磁極は、該巻線磁極上に前記巻線（５６、２５６）を保持するように各磁極の端部にキャップを有する、請求項１または２に記載の電動機。
4. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
   前記プレート（４２、２４２）は、少なくとも１つのロックナットにより圧縮状態に保たれる、請求項１に記載の電動機。
5. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
   前記巻線（５６、２５６）は、該巻線の長手方向の軸が前記シャフトの長手方向の軸に対して鋭角を形成するように前記コア（４０、２４０）上に配向される、請求項１に記載の電動機。
6. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
   前記鋭角は１０°である、請求項５に記載の電動機。
7. 構造用支持体に固定して取り付けられるシャフト（２４、２２４、４２４）を含み、かつ巻線極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線（５６、２５６）を有する内部固定子（２０、２２０、４２０）と、前記シャフトに回転可能に取り付けられ、かつ前記固定子（２０、２２０、４２０）の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石（７４、２６０）を有し、該磁石はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子（２２、２２２、４２２）と、を備えるタイプの電動機（１０、２１０、４１０）の巻線コア（４０、２４０）を形成する方法であって、
   シャフト（２２、２２４、４２４）の長手方向の軸に対して鋭角に配向されるキー溝（４６）を前記シャフトに設けるステップと、
   各磁極の端部にキャップを有する放射状の磁極と前記キー溝に対応する形状のキー（３８）とをそれぞれが有するプレート（４２、２４２）を設けるステップと、
   前記シャフト（２４、２２４、４２４）上にストップ（３９、２８７）を配置するステップと、
   複数のプレートが前記シャフトに取り付けられるまで、最初のプレート（４２、２４２）を前記ストップ（３９、２８７）に対して当接させて前記キー溝（４６）に沿って前記各プレート（４２、２４２）を前記シャフト（２４、２２４、４２４）上でスライドさせるステップと、
   積層構造（lamination）を形成するように前記プレート（４２、２４２）を圧縮するステップと、
   前記積層構造を圧縮状態に保つように、前記シャフト（２４、２２４、４２４）上で最後のプレートに隣接させてロックナットを固定するステップと
   を含む、巻線コアを形成する方法。
8. 構造用支持体に固定して取り付けられるシャフト（２４、２２４、４２４）を含み、かつ巻線極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線（５６、２５６）を有する内部固定子（２０、２２０、４２０）と、前記シャフトに回転可能に取り付けられ、かつ前記固定子の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石（７４、２６０）を有し、該磁石はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子（２２、２２２、４２２）と、を備えるタイプの電動機（１０、２１０、４１０）の巻線コア（４０、２４０）を形成する方法であって、
   少なくとも１つのキー溝（４６）を有する中空円筒型のジグ（１２０）を設けるステップと、
   中央開口部（４４）、それぞれの端部にキャップを有する放射状の磁極、および前記キー溝（４６）に対応する形状のキー（３８）をそれぞれが有するプレート（４２、２４２）を設けるステップと、
   前記ジグ（１２０）内にストップを配置するステップと、
   複数のプレートが前記ジグ内に配置されるまで、最初のプレートを前記ストップに対して当接させて前記キー溝（４６）に沿って前記各プレート（４２、２４２）を前記ジグ（１２０）内でスライドさせるステップと、
   前記シャフトを前記中央開口部内に押し込むステップと、
   積層構造を形成するように前記プレート（４２、２４２）を圧縮するステップと、
   積層構造を圧縮状態に保つように、前記シャフト上で最後のプレートに隣接させてロックナットを固定するステップと
   を含む、巻線を形成する方法。
9. 構造用支持体に固定して取り付けられるシャフトを含み、かつ巻線極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線（５６、２５６）を有する内部固定子（２０、２２０、４２０）と、前記シャフトに回転可能に取り付けられ、かつ前記固定子（２０、２２０、４２０）の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石（７４、２６０）を有する外部回転子（２２、２２２、４２２）であって、前記磁石はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子（２２、２２２、４２２）と、を備えるタイプの電動機（１０、２１０、４１０）であって、
   前記シャフト（２２、２２４、４２４）は、少なくとも１つの取付け用ブロック（２２５）によって前記構造用支持体に取り付けられ、前記取付け用ブロックは、２つの対向するブッシュピン（bushed pin）（３１８）を有するヨーク（３１０）と、前記シャフト（２４、２２４、４２４）を保持するクランプ（３２２）とを有し、該クランプはブッシュ（３２０）に取り付けられ、それにより、前記取付け用ブロック（２２５）はねじれ安定性を維持しながらあらゆる方向への電動機の振動を減衰させることを特徴とする、電動機。
10. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
    前記シャフトの端部はキー固定され（keyed）、前記クランプ（３２２）は、前記キー固定されたシャフトの端部を収容する形状の上部および下部接続プレート（３２６、３２８）を備える、請求項９に記載の電動機。
11. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
    前記上部および下部接続プレート（３２６、３２８）はそれぞれ、前記ブッシュ（３２０）と相補的な形状であり、間に該ブッシュをクランプするように互いに作用するようなサイズの凹部（３３０、３３２）を有する、請求項１０に記載の電動機。
12. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
    前記各凹部（３３０、３３２）は、前記接続プレートの長手方向の軸に対して偏心的に位置付けられる、請求項１１に記載の電動機。
13. 構造用支持体に固定して取り付けられるシャフト（２４、２２４、４２４）を含み、かつ巻線極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線（５６、２５６）を有する内部固定子（２０、２２０、４２０）と、前記シャフトに回転可能に取り付けられ、かつ前記固定子の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石（７４、２６０）を有し、該磁石はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子（２２、２２２、４２２）と、を備えるタイプの偏心配置された電動機であって、
    前記取り付けられ、前記回転子の各回転につき１０００パルスを超える信号を生成することが可能なセンサアセンブリ（６００）を含むことを特徴とする、電動機。
14. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
    前記センサアセンブリ（６００）は光反射（opto-reflective）センサ（６２４、６２６）を備える、請求項１３に記載の電動機。
15. 電動機（１０、２１０、４１０）であって、
    前記光反射センサ（６２４、６２６）は、光源、受光器（receptor）、および１０００を超える放射状溝が配置されたディスクを含み、それにより、前記固定子に対する前記回転子の運動に対応して前記ディスクと前記受光器との間で相対運動が行われる、請求項１４に記載の電動機。
16. 構造用支持体に固定して取り付けられるシャフト（２４、２２４、４２４）を含み、かつ巻線極性を変えるように可逆電流を流すことが可能な複数の巻線（５６、２５６）を有する内部固定子（２０、２２０、４２０）と、前記シャフトに回転可能に取り付けられ、かつ前記固定子の周辺の回りに放射状に間隔を置いて配置された複数の磁石（７４、２６０）を有し、該磁石はそれぞれ少なくとも１つの所定の磁極を有する、外部回転子（２２、２２２、４２２）と、を備えるタイプの電動機（１０、２１０、４１０）であって、
    前記構造用支持体に取り付けられる前記シャフトの第１の端部と、そのように取り付けられない前記シャフトの第２の端部とを特徴とし、
    前記回転子は、前記第２のシャフト端部に近い端部に取り付けられる延長部を特徴とし、
    第２のシャフトの一端部は前記構造用支持体に固定され、第２の端部は前記シャフトと同一直線上で前記延長部に回転可能に取り付けられる、電動機。
    

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