JP2007151317A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のロータを備えている場合に、ロータに発生するアンバランスを解消するようにバランス調整を行うことができる回転電機を提供する。
【解決手段】対向配置され、装着に際し周方向位置決めを必要とする複数個のロータを有する回転電機において、各ロータ１３，１４におけるアンバランスベクトルの総和が最小になるように、各ロータ１３，１４を配置した。各ロータ１３，１４は、対応するロータ間において一方のロータの偏重心位相が他方のロータの逆相付近に位置するように配置した。ロータが永久磁石のように固定磁極対を有する場合、ロータの周方向位置決めピッチ数を、磁極数と同数又は整数倍とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、複数のロータを有する場合に回転体としてのバランスを調整することができる回転電機に関する。

従来、ロータについて回転体としてのバランス調整をしたロータ構造が知られている。このようなロータ構造を有するものとして、例えば、「電動送風機」（特許文献１参照）或いは「回転シリンダー装置」（特許文献２参照）がある。
「電動送風機」は、回転子を貫通する回転軸を有する電動機と、回転軸の一端に取り付けられ、電動機によって回転する回転ファンと、質量の分布を非対称とした略リング状のアンバランス部材を備え、アンバランス部材が、回転軸に貫通されて回転子のアンバランス位置と逆位相に装着されている。

また、「回転シリンダー装置」は、同軸に配置された上シリンダー及び下シリンダーと、上シリンダーに取り付けられた記録再生用磁気ヘッド及び消去用磁気ヘッドと、上シリンダーを駆動するモータとを備え、ロータマグネットから突出形成されたＰＧマグネットと消去用磁気ヘッドとを同位相又は１８０°対向した位相で配置し、これにより単一のバランス板によって装置の回転動バランスをとることができるようにした。
特開２００３−１２９９５５号公報 特開平６−６０３４８号公報

しかしながら、従来の「電動送風機」或いは「回転シリンダー装置」のように、複数のアンバランスを逆位相に配置することにより解消する方法では、固定磁極を持つ複数のロータを備えている場合、複数のロータの位相を逆位相に配置することが困難であった。
この発明の目的は、複数のロータを備えている場合に、ロータに発生するアンバランスを解消するようにバランス調整を行うことができる回転電機を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、対向配置され、装着に際し周方向位置決めを必要とする複数個のロータを有する回転電機において、各ロータにおけるアンバランスベクトルの総和が最小になるように、各ロータを配置している。

この発明によれば、対向配置され、装着に際し周方向位置決めを必要とする複数個のロータを有する回転電機は、各ロータにおけるアンバランスベクトルの総和が最小になるように、各ロータが配置されている。このため、複数のロータを備えている場合に、ロータに発生するアンバランスを解消するようにバランス調整を行うことができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施の形態に係る回転電機の内部構造を示す説明図である。図１に示すように、回転電機１０は、ケース１１の内部に、固定子（ステータ）１２と、ステータ１２を挟み込むように両側に配置された２個の回転子（ロータ）１３，１４を有している。つまり、この回転電機１０は、磁極や突極等の周方向位置決めを要するロータを複数個設けて構成されており、この例では、ステータが１個でロータが２個の１ステータ２ロータ構造を有している。

ケース１１は、円筒部１５と、円筒部１５の両端開口を塞ぐ２個の蓋部１６，１７からなり、円筒部１５の内周面にステータ１２が固定され、両蓋部１６，１７の蓋面中心を、２個のロータ１３，１４に共通する回転軸１８が貫通している。
ステータ１２は、円盤の中央が開口する円環状に形成されており、ステータ周方向に沿って複数箇所に固定子巻線（コイル）１９を有している。２個のロータ１３，１４は、円盤状に形成されており、ステータ１２との間にエアギャップを有して対向するように、盤面中央を貫通する回転軸１８に嵌合状態に取り付けられている。各ロータ１３，１４には、ステータ１２の各コイル１９に対応して配置された複数の永久磁石２０が、エアギャップ面に露出するように埋設されている。

回転軸１８は、蓋部１６の貫通孔に取り付けた１個のベアリング２１、及び蓋部１７の貫通孔に取り付けた２個のベアリング２２，２２を介して、ケース１１に回転自在に支持されている。この回転軸１８は、径の異なる２つの径拡大部を有しており、ロータ１３は回転軸１８に直接取り付けられ、ロータ１４は回転軸１８を拡径した拡径部１８ａに取り付けられ、ロータ１３とロータ１４に挟まれた中央拡径部１８ｂは拡径部１８ａよりも更に拡径されている。
ロータ１３とロータ１４は、ロータ周方向における位置決め手段として、例えば、キー２３を用い、キー２３を各ロータ１３，１４と回転軸１８の双方に係止させることにより、回転軸１８に対しロータ周方向任意の位置で、それぞれ回転軸１８及び拡径部１８ａに固定されている。

上述した構成を有する回転電機１０の場合、ロータ１３及びロータ１４は、それぞれ、ある回転位相にある大きさの回転アンバランス量を持っており、高速回転体として用いる場合、ダイナミックバランスをとる必要がある。このアンバランス状態の発生は、各ロータ１３，１４に装着した永久磁石２０の取り付け状態のバラツキや部品の加工公差等、多くの要因に基づく。

図２は、図１の２個のロータをエアギャップ側から見たそれぞれの対向面を模式的に示し、（ａ）は一方のロータの平面図、（ｂ）は他方のロータの平面図である。図２に示すように、ロータ１３（（ａ）参照）とロータ１４（（ｂ）参照）は、何れも極数が１６であり、永久磁石２０は、Ｎ極（２０ｎ）とＳ極（２０ｓ）が交互に、且つ、同一極性が向き合わず異なった極性が向き合うように配置されている。
これら２個のロータ１３，１４のそれぞれには、ある角度位相でのアンバランスベクトル、即ち、ロータ１３にアンバランスベクトルＡ（（ａ）参照）が、ロータ１４にアンバランスベクトルＢ（（ｂ）参照）が、存在する。

従って、これらのアンバランスベクトルＡ，Ｂを解消しようとすれば、２個のロータ１３，１４を回転軸１８に嵌合する際に、一方のアンバランス位相が他方のアンバランス位相の逆相に位置するように、アンバランスベクトルＡから１８０°離間した位置Ｘ（（ｂ）参照）にアンバランスベクトルＢが位置するようにすればよい。つまり、一方のロータ１４（１３）の偏重心位相が他方のロータ１３（１４）の逆相付近に位置するように、２個のロータ１３，１４を配置する。
しかしながら、ロータ周方向の所定位置への位置決めを必要とする永久磁石２０が存在する回転電機用のロータ１３，１４においては、必ずしも、アンバランスベクトルＡから１８０°離間した位置Ｘの方向に、アンバランスベクトルＢを配置することができるとは限らない。

そこで、アンバランスベクトルＡから１８０°離間した位置Ｘの方向に、最も近く、且つ、磁極のロータ周方向位置がずれない位置関係に、ロータ１３及びロータ１４を配置するようにする。このため、各ロータ１３，１４のロータ周方向位置決め手段であるキー２３のロータ周方向幅を、磁極のロータ周方向幅と同じに、即ち、ロータ平面全範囲を磁極数で割った角度α（α＝３６０°／磁極数）の範囲（（ａ）参照）と同等に形成すれば、磁極がずれることなく必ず一致するように配置することができる。また、磁極数は、その整数倍であっても同様である。つまり、ロータが、永久磁石２０のように固定磁極対を有する場合、ロータの周方向位置決めピッチ数を、磁極数と同数又は整数倍とする。

上記構成を有する場合、逆相付近における位相の最大ズレ角度β（（ｂ）参照）は、角度αよりも必ず小さく（α≧β）することができる。図２（ｂ）において、矢印Ａは、ロータ１３のアンバランスベクトルＡ、矢印Ｂは、ロータ１４のアンバランスベクトルＢ、矢印Ｃは、トータルアンバランスベクトルを示す。
なお、ここでは、２個のロータ１３，１４を有する場合について説明したが、ロータを３個以上有する場合についても適用することができ、ロータを複数個有する場合、各ロータにおけるアンバランスベクトルの総和（トータルアンバランスベクトル）が最小になるように、各ロータを配置すれば良い。

図３は、この発明の他の実施の形態に係る回転電機の内部構造を示す説明図である。図３に示すように、回転電機２５は、ロータ１３及びロータ１４に代えて、重心をオフセットさせて中央拡径部１８ｂに取り付けた、ロータ２６及びロータ２７を有している。その他の構成及び作用は、回転電機１０と同様である。
ロータ２６及びロータ２７は、それぞれの盤面中央部をステータ１２の中央空間部分に位置するように屈曲させると共に、屈曲部を互いに密着させて形成した、重心オフセット部２６ａ，２７ａを有している。つまり、ロータ２６及びロータ２７の回転軸１８との固定部（シャフト固定部）が、エアギャップ面に対し他方のロータ側にオフセットして形成されており、両ロータ間距離は、シャフト固定部の方がエアギャップ部よりも短い（図３参照）。

この重心オフセット部２６ａ，２７ａは、中央拡径部１８ｂの外表面に、ロータ周方向における位置決め手段として、例えば、スプライン軸構造２８を形成し、スプライン軸構造２８に重心オフセット部２６ａ，２７ａを係止させることにより、回転軸１８に対しロータ周方向任意の位置で、共に中央拡径部１８ｂに固定される。
中央拡径部１８ｂの回転軸方向両側には、外向きフランジ２９が形成されており、重心オフセット部２６ａ，２７ａは、何れも中央拡径部１８ｂに固定されると共に両外向きフランジ２９，２９の間に挟持される（図４参照）。重心オフセット部２６ａ，２７ａは、外向きフランジ２９，２９の間に挟持されることで、回転軸方向の位置決めが行われる。

このように、重心オフセット部２６ａ，２７ａを有することにより、各ロータ２６，２７のアンバランスの回転軸方向位置が、両ロータ２６，２７間の中央部付近に移動するので、中央拡径部１８ｂにおける回転モーメント（矢印参照）が軽減される。
つまり、回転電機１０のロータ１３及びロータ１４（図１参照）では、モーメントアーム（ロータ間距離）が中央拡径部１８ｂの回転軸方向長さ分あるので、もしも、ロータ重心が回転軸１８からずれていると、偶力が発生してしまう。これに対し、回転電機２５のロータ２６及びロータ２７（図４参照）では、モーメントアームを短くすることが可能になり、その結果、偶力の発生を防止することができる。

図４は、この発明の更に他の実施の形態に係る回転電機の内部構造を示す説明図である。図４に示すように、回転電機３０は、中央拡径部１８ｂの回転軸方向両側に形成された外向きフランジ２９，２９の代わりに、中央拡径部１８ｂの回転軸方向中央に全周に渡って形成された１個のリブ形状部３１を有している。その他の構成及び作用は、回転電機２５と同様である。

リブ形状部３１は、ロータ２６とロータ２７の間の中央拡径部１８ｂの回転軸方向中央に配置されて、ロータ２６及びロータ２７の回転軸方向の位置決めを行う回転軸方向位置決め手段として機能し、同時に、ロータ全体のアンバランス調整を行うこともできる。ロータ全体のアンバランス調整は、例えば、一部を削り取る等のリブ形状部３１の形状変更等の調整を行うことにより、ロータ２６及びロータ２７の合計アンバランス量を修正する。また、リブ形状部３１を設けることで、中央拡径部１８ｂにおける回転モーメント（矢印参照）も軽減される。

上述したように、対向配置され、装着に際し周方向位置決めを必要とする複数個のロータを有する回転電機において、各ロータにおけるアンバランスベクトルの総和が最小になるように、各ロータを配置した。また、各ロータは、対応するロータ間において一方のロータの偏重心位相が他方のロータの逆相付近に位置するように配置した。これにより、複数のロータを組み立ててなるロータの初期アンバランス量を低減することができる。
また、ロータが永久磁石のように固定磁極対を有する場合、ロータの周方向位置決めピッチ数を、磁極数と同数又は整数倍とする。これにより、各ロータの極性を必ず一致させることができることに加えて、最大アンバランス位相ずれ量を、３６０°/磁極数以下に調整することができる。

また、各ロータと回転軸との固定部が、エアギャップ面に対し他方のロータ側にオフセットして形成され、ロータ間距離は、固定部の方がエアギャップ部よりも短い。これにより、結果的に各ロータの重心軸方向位置が複数ロータの中心に近づくので、ピッチング方向のモーメントを低減することができる。
また、各ロータの回転軸に、各ロータの回転軸方向位置決めを行うと共にロータ全体のアンバランス調整を行うリブ形状部を有する。これにより、リブ形状部で各ロータのアンバランス合計をキャンセルするようにバランス調整を行うことができるので、調整箇所が減り、ピッチングモーメントに悪影響を及ぼさない。

このように、この発明によれば、対向配置され、装着に際し周方向位置決めを必要とする複数個のロータを有する回転電機は、各ロータにおけるアンバランスベクトルの総和が最小になるように、各ロータが配置されているため、複数のロータを備えている場合に、ロータに発生するアンバランスを解消するようにバランス調整を行うことができる。

この発明の一実施の形態に係る回転電機の内部構造を示す説明図である。 図１の２個のロータをエアギャップ側から見たそれぞれの対向面を模式的に示し、（ａ）は一方のロータの平面図、（ｂ）は他方のロータの平面図である。 この発明の他の実施の形態に係る回転電機の内部構造を示す説明図である。 この発明の更に他の実施の形態に係る回転電機の内部構造を示す説明図である。

符号の説明

１０，２５，３０ 回転電機
１１ ケース
１２ ステータ
１３，１４，２６，２７ ロータ
１５ 円筒部
１６，１７ 蓋部
１８ 回転軸
１８ａ 拡径部
１８ｂ 中央拡径部
１９ コイル
２０ 永久磁石
２０ｎ Ｎ極
２０ｓ Ｓ極
２１，２２ ベアリング
２３ キー
２６ａ，２７ａ 重心オフセット部
２８ スプライン軸構造
２９ 外向きフランジ
３１ リブ形状部
Ａ アンバランスベクトル
Ｂ アンバランスベクトル
Ｃ トータルアンバランスベクトル
α 角度
β 最大ズレ角度

Claims (5)

1. 対向配置され、装着に際し周方向位置決めを必要とする複数個のロータを有する回転電機において、
   前記各ロータにおけるアンバランスベクトルの総和が最小になるように、前記各ロータを配置したことを特徴とする回転電機。
2. 前記各ロータは、対応するロータ間において一方のロータの偏重心位相が他方のロータの逆相付近に位置するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータが永久磁石のように固定磁極対を有する場合、前記ロータの周方向位置決めピッチ数を、磁極数と同数又は整数倍とすることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記各ロータと回転軸との固定部が、エアギャップ面に対し他方のロータ側にオフセットして形成され、ロータ間距離は、前記固定部の方がエアギャップ部よりも短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記各ロータの回転軸に、前記各ロータの回転軸方向位置決めを行うと共にロータ全体のアンバランス調整を行うリブ形状部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
   
   

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