JP2007506398A - ローターアセンブリ - Google Patents

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Abstract

モーターなどの電気機械用ローターアセンブリ(1)は各端部にベアリング(7,8)を有するシャフト(2)上のローター(3)を具備してなり、このベアリングはローターおよびシャフトを回転可能に支持するよう構成されている。本アセンブリはさらに釣合せ部材(40)を具備し、この釣合せ部材からは、ローターアセンブリの釣合いを取るために構成材を除去可能である。釣合せ部材はローターに対して所定のポジションおよび向きで配置される。釣合せ部材はエンコーダーディスク(42)を含み、これはステータ(13)に対するローターのポジションの特定が可能となるよう構成される。一体式エンコーダーディスクを有する釣合せ部材を備えたことによってローターアセンブリの製造が容易になる。釣合せ部材が所定のポジションに配置されるとき、エンコーダーは自動的に所定のポジションを獲得し、したがってローターポジションを確実に決定できる。

Description

本発明は、たとえば、電動モーターあるいは発電機のような電気機械用のローターアセンブリに関する。
電動モーターは数多くのさまざまな用途で使用されており、しかも普通に家庭用機器において使用されている。たとえば真空掃除機において、モーターはファンの駆動に用いられ、このファンによって汚れた空気がその流入口を経て吸引される。汚れた空気は、サイクロン式あるいはバッグ式セパレータのような何らかの形態の分離デバイスを通過する。この分離デバイスは、空気流からゴミおよび塵を分離し、そして最後に空気は排気口から放出される。
スイッチドリラクタンス機械が近年ますます一般的なものとなってきている。スイッチドリラクタンスモーターにおいては、ステータは一組の磁極を有し、これは、磁極の各組と関連付けられた磁界の作用のもと、給電された磁極の対と並ぶようにローターを回転させるため順次給電される。異なる磁極の対の間で素早い切換えを行うことにより、ローターを極めて高速で回転させることができる。
スイッチドリラクタンス機械は、カーボンブラシを使用しないという利点がある(カーボンブラシは周期的に交換する必要があり、しかも摩滅するとき周囲にカーボン粒子を放出する)。その上、このモーターは相対的に長寿命であり、しかもその速度は、適正なブラシ寿命を維持するための必要性によって制限されない。
ステータ磁極に順次給電するため、ステータ磁極に対するローターのポジションは極めて正確に特定されなければならない。シャフト上に配置されたエンコーダーディスクを使用することが提案されている。作動時、このエンコーダーはシャフトと共に回転し、発信器と検出器との間で光の伝わりを断続的に遮るよう構成される。したがって、製造時、エンコーダーは、ローターの回転ポジションを特定できるように、ローターに対して所定のポジションおよび向きで、シャフト上に慎重に設置される必要がある。あるいは、エンコーダーはシャフト上に任意の向きで設置することも可能であるが、この向きは使用前にローターに対して確定される必要がある。
本発明は、ローターを支持するシャフトと、構成材をそこから選択的に除去可能な釣合せ部材とを具備してなるローターアセンブリであって、釣合せ部材はローターに対して所定の位置に配置され、釣合せ部材はさらにエンコーダー部材を具備してなるローターアセンブリを提供する。
一体式エンコーダー部材を有する釣合せ部材を設けたことにより、ローターアセンブリの製造およびセットアップが著しく簡素化される。この釣合せ部材は、ローターに対して所定のポジションで位置決めされる。したがって、一体式エンコーダー部材はまた、ローターに対して既知のポジションおよび向きで位置決めされる。
好ましくは、位置決め手段は、ローターの隣接磁極間に配置された突起の形態で設けられる。これによって所定ポジションでの釣合せ部材の位置決めが容易になる。
有利なことを言えば、一体式エンコーダー部材は少なくとも一つの開口部を有するディスク、さもなければチョッパーとして公知のディスクを具備してなる。
上記釣合せ部材は本体部およびスリーブからなっていてもよく、この場合、エンコーダー部材はスリーブ上に配置される。ゆえに、本体部とエンコーダーとの間の所定の距離が維持される。
本発明はスイッチドリラクタンス機械に応用でき、しかも特に、たとえば毎分100,000回転の高速で動作するような機械において有用である。
以下の実施形態は、真空掃除機のファンを駆動するのに使用されるモーターへの本発明の応用を説明したものであるが、いかなるタイプの用途に関しても、本発明はモーターおよび発電機の両方に応用可能であり、真空掃除機あるいは家庭用機器の分野に限定されないことは明白であろう。
ここで本発明について添付図面を参照し例証として説明する。
同じ参照数字は本明細書を通して同じ部材を意味する。
図１ないし図３は本発明に従って構成されかつ概して参照数字１によって指し示されるローターアセンブリを図示している。このローターアセンブリ１は、ローター部材３を有するローターシャフト２を具備してなる。ローター部材３は軸方向に積層された鋼板のスタックを具備してなり、これは一対の磁極３ａ,３ｂを形成するよう構成されている。シャフト２はまた、複数のブレード５を有する同心インペラ４を支持しており、このブレード５は、シャフト２からインペラの周縁へと向う流体の流れを接線方向に導くよう構成されている。
ベアリングアセンブリ７,８はシャフト２の上に設けられる。各ベアリングアセンブリ７,８は、ハウジング１１,１２によってシャフト２上で支持されたベアリング９,１０を具備してなる。ベアリング９,１０は、シャフト２に嵌着されかつその個々のハウジング１１,１２内に圧入されるよう構成される。各ベアリング９,１０は、インナーレース９ａ,９ｂと、アウターレース１０,１０ｂと、レース間に保持された複数のボールベアリング(図示せず)を具備してなる。ベアリング９,１０は、図４に示すように、ローター３がステータ１３内で回転可能に支持されることを可能にする。
ステータ１３は、四つの内側に突出する突極を有するよう構成された、鋼製薄板のスタックを具備してなる。直径方向に互いに対向する二つの磁極１３ａ,１３ｂが図４には示されている。各磁極は巻き線１４ａ,１４ｂを支持し、これらは共に第１の相を形成する。他の直径方向に対向する磁極(図示せず)も同様に個々の巻き線を収容するが、これは第２の相として機能する。各巻き線１４は、それぞれのステータ磁極のまわりの、何度も巻かれた(たとえば５０回以上)絶縁導電体からなる。
ハウジング１１,１２のそれぞれは、一対のＯリング１５ａ,１５ｂおよび１６ａ,１６ｂを支持する。各対のＯリングは、それぞれのハウジング内のベアリングの端部に概ね対応する位置に配置される。ステータアセンブリに対するローターアセンブリ１の柔軟な設置によって、ローターアセンブリ１は、作動時、それ自身の回転中心を獲得することが可能である。こうしてローターアセンブリ１は、偏倚運動を伴わずに、それ自身の重心を中心として回転する。それゆえローター磁極とステータとの間の間隙を相対的に小さくできる。間隙が小さくなればなるほど、ステータとローターとの間の磁気リラクタンスはますます小さくなり、したがって所定の電気入力によってモーターが発生できる出力がますます増大する。ゆえに機械の効率が改善される。
ベアリングアセンブリ７,８はローターシャフト２の末端部に配置される。この特徴は、特にローターアセンブリ１によってもたらされる高速運転時にシャフト２の釣合いを助ける。
ベアリング９,１０用のハウジング７,８は熱伝導性を有する。ベアリング９,１０から生じた熱はハウジング７,８によって放散される。ゆえにローターアセンブリは、ベアリングの過熱を伴わずに、長期間にわたって極めて高速で回転できる。
ハウジング７,８はまたそれぞれの、流体、たとえばグリースのリザーバ１７,１８を備え、これは作動時にベアリング９,１０に潤滑をもたらすよう構成される。通常、時間の経過と共にボールベアリングはレースからしみ出すグリースによってコートされる。グリースのリザーバ１７,１８は、ボールベアリングにその耐用期間を通じて潤滑をもたらす。
ローターアセンブリ１の質量が不均一に分布している場合、回転時、ローターアセンブリはふら付くことがあり、これは何らかの構成要素に歪みをもたらし、不均一な損耗を引き起こす。ゆえに、ローターアセンブリ１のシャフト２はまた、スリーブ４１上に、ディスク形本体部４０の形態の釣合せ部材を担持する。ディスク４０はプラスチック素材からなる。ローターアセンブリ１は釣合せ装置(図示せず)内に設置可能であり、この中で回転するようシャフト２が配置される。この釣合せ装置はローターアセンブリ１の不釣合いを検出するよう構成される。続いて、好ましくは自動制御のもと、シェービング、穿孔あるいは切削によって、釣合せディスク４０から構成材を除去するために工具が利用される。ローターアセンブリ１を釣合わせるためにディスク４０から構成材が除去される。
本発明によれば、釣合せ部材はさらに一体式エンコーダー部材を具備してなる。この実施形態では、エンコーダー部材は、複数の切欠き４８,４９を有するディスク４２を具備してなる。エンコーダーディスク４２はスリーブ４１によって支持されると共に、釣合せディスク４０から軸方向に離間させられている。
エンコーダーディスク４２はスリーブ４１上で所定のポジションに配置されるが、このポジションは所定の向きを含む。ゆえに、釣合せ部材がシャフト２の上に組み付けられ、そしてローター部材３に当接するよう配置されたとき、エンコーダー４２は自動的にローター部材に対して所定のポジションおよび向きを占有する。特に、ローター磁極に対する切欠き４８,４９の縁部のポジションが分かる。したがって、ローター部材３のポジションは正確に特定できる。以前は、エンコーダー部材はシャフト上に別個に組み付けられており、したがってエンコーダーとローター磁極との相対ポジションおよび向きは、ローターアセンブリが使用可能となる前に慎重に決定しなければならなかった。そういうわけで、本発明に係るローターアセンブリの製造およびセットアップは以前に比べて一層簡単なものである。
釣合せディスク４０が、したがってエンコーダー部材４２が所定のポジションを占有するのを確実なものとするため、軸方向に突出する突起４３,４４の形態の位置決め手段が設けられ、これは、ローター部材の磁極３ａ,３ｂ間の領域でローター部材３と係合するよう構成される。したがって、釣合せ部材は所望のポジションへと簡単に嵌め込むことができる。
釣合せ部材(エンコーダーディスク４２を含む)はローター部材３の直径よりも小さな直径を有し、これがローターアセンブリの製造を容易なものとする。製造時、ローターアセンブリの構成要素はシャフト上で組み立てられ、そしてローターアセンブリ全体は、ハウジング１１が端部キャップ２１に当接した状態で、ローター部材３のために設けられた開口部１９内に簡単に嵌め込まれる。以前、ローターアセンブリの個々の構成要素は、モーターあるいは発電機内に組み込まれる前に別個にバランス取りされており、この方法では、完成したローターアセンブリの理想的な釣合い条件を満足させられなかった。だが本発明のローターアセンブリは、モーターの最終組立て前に完成させることができる。ゆえに完成したローターアセンブリは、上述したように、釣合せ部材によって一つの工程でバランス取りできる。
ローターアセンブリ１はさらに第２の釣合せ部材４５を具備してなり、この第２の釣合せ部材４５はローター部材３の他端部に隣接配置される。第２の釣合せ部材４５は、ローター部材３の磁極３ａ,３ｂ間の領域に突出するよう配された一組の突起４６を有する。さらなる突起４７の組が、インペラ４の開口部と係合するよう設けられかつ構成されている。ローター部材３の両端に設けた釣合せ部材４０,４５は、ローター部材の積層物の支持を助ける。
エンコーダーディスク４２(すなわちチョッパー)が、図４において概して参照数字５０によって指し示すポジション検出手段と関連付けられる。ポジション検出手段５０は光源および光センサーを具備してなる。コード化ディスク４２は光源と検出器との間に配置され、このディスク面は光放射の方向と実質的に直交する。切欠き４８,４９は光源からの光がセンサーまで伝わることを可能にする。エンコーダーディスク４２がローターアセンブリ１のシャフト２と共に回転するとき、光源からの光は断続的に遮られる。ゆえに、光センサーはパルス光信号を受信する。光センサーからの信号は制御装置(図示せず)へと伝送される。
制御装置は駆動ユニットに電気的に接続されており、この駆動ユニットに対して、ステータ磁極部１３ａ,１３ｂのそれぞれの巻き線１４ａ,１４ｂが接続される。トルクは、各位相において、巻き線に流れる電流を順次切り換えることによって発生し、この結果、吸引磁力が、互いに接近しつつあるローターおよびステータ磁極間に生じる。電流は、各位相において、その位相のステータ磁極に最も近いローター磁極が整列ポジションを通過する前に断たれる。ゆえに、ローター磁極の回転ポジションの情報は極めて重要である。
インペラ４はローターシャフト２と共に回転し、空気をモーター内に引き込む。ベアリングアセンブリ８は、インペラ４の上流側で、シャフト２の端部に配置されたノーズコーンを形成する。したがって、インペラ４によって引き込まれた空気は、まず、ベアリングアセンブリ８を横切って流動する。ベアリング１０から生じる熱は、熱伝導性を有するベアリングハウジング１２によって放散される。ベアリングアセンブリ８を横切る空気流はベアリングハウジング１２を冷却するよう機能する。
ベアリングアセンブリ７のための第２の空気流用の流入口２２がまた、シャフトの他端に設けられる。ベアリング９から生じる熱は熱伝導ハウジング１１によって放散されるが、このハウジング１１は流入口２２からの空気流によって冷却される。
ステータ１３および巻き線１４は射出成形処理によってプラスチック素材２０を用いて密封されている。この射出成形では、プラスチック微粒子が溶融され、続いて所望の形状をなすよう圧力下で型空隙内に射出される。この処理の間に、ローターアセンブリ１用の開口部１９およびベアリングハウジング１１の一方を収容するための端部キャップ２１が同時に形成される。
図５には、上記モーターを使用できる真空掃除機３０の一例を示す。モーター駆動インペラ４は、ノズル３１、ホースおよび杖アセンブリ３２を経て、掃除機３０内に汚れた空気を引き込む。この汚れた空気はセパレータ３３に入るが、このセパレータは汚れた空気からゴミおよび塵を分離させる役割を果たす。このセパレータ３３は、(ここに示すような)サイクロン式セパレータとすることが、あるいはたとえばゴミバッグのような他のセパレータとすることができる。きれいになった空気は、掃除機の本体３４内に配置されたモーターハウジングに入る前にセパレータ３３を出る。プレモーターフィルターが通常はインペラの前の空気流路に配置され、セパレータ３３によって分離されなかった微細なゴミ粒子を濾過する。
作動時、モーターはインペラ４を(約100,000rpmの)極めて高い速度で回転させる。インペラ４のポンピング作用は掃除機を通って空気を引き込む。空気は続いてベアリングハウジングを横切って流動し、そしてインペラブレード５によって拡散出口２３を経て渦巻き形ケーシング２４内へと導かれる。
モーター後方フィルターを渦巻き形ケーシング２４の後の空気流路に配置可能である。だが、ブラシレスモーターを用いることで、そうしたフィルターの必要性は低減する。きれいになった空気は、その後、適当な排気口を経て掃除機から大気中に放出される。
上記実施形態の変形例は当業者には明白であり、それも本発明の範囲内のものである。たとえば、四極ステータ、二極ローター機械を説明したが、本発明は、そのステータおよびローターに別な数の磁極を有しかつ別な寸法を有するモーターを備えた機械にも同様に応用できる。
プラスチック素材からなる釣合せ部材および一体式ディスクについて説明したが、いかなる非磁性素材が用いられてもよいことが分かるであろう。
釣合せ部材をシャフト上の所定の位置に固定するのに用いた突起を、他の位置決め手段によって置き換えることも可能である。たとえば、ローターおよび／またはシャフト上の突起と協働する溝を設けてもよい。
本発明のローターアセンブリは、モーターおよび発電機(必ずしもスイッチドリラクタンス型である必要はない)に同様に応用可能であり、しかも芝刈り機、エアコンディショナー、ハンドドライヤーおよび送水ポンプのような、家庭用真空掃除機以外の機器にも応用可能である。
本発明に従って構成されたローターアセンブリを示す図である。 図１のローターアセンブリの分解組立図である。 図１および図２のローターアセンブリの断面図である。 図１ないし図３のローターアセンブリを具備してなるモーターの断面図である。 図４のモーターを具備してなる真空掃除機の側面図である。
符号の説明
１ ローターアセンブリ
２ ローターシャフト
３ ローター部材
３ａ,３ｂ 磁極
４ インペラ
５ ブレード
７,８ ベアリングアセンブリ
９,１０ ベアリング
９ａ,１０ａ インナーレース
９ｂ,１０ｂ アウターレース
１１,１２ ハウジング
１３ ステータ
１３ａ,１３ｂ 磁極
１４,１４ａ,１４ｂ 巻き線
１５ａ,１５ｂ,１６ａ,１６ｂ Ｏリング
１７,１８ リザーバ
１９ 開口部
２０ プラスチック素材
２１ 端部キャップ
２２ 流入口
２３ 拡散出口
２４ 渦巻き形ケーシング
３０ 真空掃除機
３１ ノズル
３２ ホースおよび杖アセンブリ
３３ セパレータ
３４ 掃除機本体
４０ 釣合せディスク
４１ スリーブ
４２ エンコーダーディスク
４３,４４ 突起
４５ 第２の釣合せ部材
４６,４７ 突起
４８,４９ 切欠き
５０ ポジション検出手段

Claims (22)

  1. ローターを支持するシャフトと、構成材を選択的にそれから除去可能な釣合せ部材とを具備してなるローターアセンブリであって、前記釣合せ部材は前記ローターに対して所定の位置に配置され、前記釣合せ部材はさらにエンコーダー部材を具備してなることを特徴とするローターアセンブリ。
  2. 前記ローターは複数の磁極を有すると共に、前記釣合せ部材は、隣接磁極間に配置された少なくとも一つの突起を有することを特徴とする請求項１に記載のローターアセンブリ。
  3. 前記エンコーダー部材は、少なくとも一つの切欠きを有するディスクを具備してなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のローターアセンブリ。
  4. 前記釣合せ部材は本体部およびスリーブを具備してなり、前記エンコーダー部材は前記スリーブ上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のローターアセンブリ。
  5. 前記本体部は前記ローターの一端部に隣接配置されることを特徴とする請求項４に記載のローターアセンブリ。
  6. 前記ローターの他端部に隣接配置された第２の釣合せ部材をさらに具備してなることを特徴とする請求項５に記載のローターアセンブリ。
  7. 前記釣合せ部材あるいは各釣合せ部材はプラスチック素材からなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のローターアセンブリ。
  8. 実質的に、図面を参照して説明するかあるいは図面に示したようなローターアセンブリ。
  9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のローターアセンブリを具備してなることを特徴とする電気機械。
  10. その内部に前記ローターアセンブリが回転するように配置されるステータと、光源と、光学検出器と、をさらに具備してなり、前記エンコーダー部材は、前記ローターアセンブリの回転時、前記光源と前記検出器との間で、光を断続的に遮るよう構成されていることを特徴とする請求項９に記載の電気機械。
  11. 前記ステータの電気巻き線と、前記検出器からの信号に従って前記巻き線に給電するよう構成された制御手段と、をさらに具備してなることを特徴とする請求項１０に記載の電気機械。
  12. 高速モーターの形態であることを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか１項に記載の電気機械。
  13. 実質的に、図面を参照して説明するかあるいは図面に示したような電気機械。
  14. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のローターアセンブリを具備してなることを特徴とするクリーニング機器。
  15. 請求項９ないし請求項１３のいずれか１項に記載の電気機械を具備してなることを特徴とするクリーニング機器。
  16. 実質的に、図５を参照して説明するかあるいは図５に示したようなクリーニング機器。
  17. ローターアセンブリ用の釣合せ部材であって、シャフト上の釣合せ部材をローターに対して所定のポジションで位置決めするよう構成された位置決め手段を具備してなり、さらにエンコーダー部材を具備してなることを特徴とする釣合せ部材。
  18. 前記位置決め手段は、ローター磁極間の領域に位置するよう配置された突起を具備してなることを特徴とする請求項１７に記載の釣合せ部材。
  19. 実質的に、図面を参照して説明するかあるいは図面に示したような釣合せ部材。
  20. シャフト上でのローターの組立ておよび前記シャフトへの釣合せ部材の組付けを含むローターアセンブリの製造方法であって、前記釣合せ部材を前記ローターに対して所定のポジションを占有するよう配置し、前記釣合せ部材がさらにエンコーダー部材を具備することを特徴とするローターアセンブリの製造方法。
  21. 前記ローターアセンブリのバランスを取るため前記釣合せ部材から構成材を選択的に除去するステップをさらに具備することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  22. 実質的に、図面を参照して説明するかあるいは図面に示したようなローターアセンブリの製造方法。
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