JP2007506399A - ローターアセンブリ - Google Patents

Abstract

モーターのような電気機械用の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配置されている。本アセンブリはさらに、Ｏリング(１５ａ,１５ｂ,１６ａ,１６ｂ)の形態の、ベアリング上の弾性手段を具備してなり、この弾性手段は、作動時、ローターがそれ自身の重心を中心として回転するよう配置される。これによってベアリングの損耗(これはローターがその幾何学的中心まわりに回転することによって生じ得る)が低減される。本ローターアセンブリは、モーターあるいは発電機のようなスイッチドリラクタンス機械において使用可能である。空気圧送手段(４)をシャフト上に設け、作動時、ベアリングを冷却するために、その少なくとも一つを横切って空気を引き込むよう構成できる。

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に順次給電される。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必要性によって制限されない。

従来型スイッチドリラクタンス機械に付随するであろう問題は、実現可能な極めて高速のローター回転のために、ステータ内でローターを支持するベアリングが損耗しやすい、というものである。これは、機械の信頼性に関して、あるいはその寿命に関してさえ、有害な影響を及ぼすであろう。

本発明は、各端部にベアリングを有するシャフト上のローターを具備し、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配置されているローターアセンブリであって、ベアリングと関係付けられた弾性手段をさらに具備してなるローターアセンブリを提供する。

ベアリングと関係付けられた弾性手段を設けたことによって、ローターがそれ自身の重心を中心として、特にローターアセンブリの共振速度以上で回転することが可能となる。ゆえにローターアセンブリは、ベアリングの損耗を低減させつつ、ローターアセンブリの共振速度以上の速度で回転するよう構成できる。

さらに、ローターシャフトの末端におけるベアリングの位置決めによって、複数の平面内で、完成したローターアセンブリを動的に釣り合わせることが可能となる。この機能によって、運転がスムーズで静かなものとなり、しかもベアリング寿命が延びる、という利点がもたらされる。

好ましくは、各ベアリングは熱伝導性素材からなるハウジング内に配置される。従来型ベアリングアセンブリでは、ベアリングは動作中に温度が上昇する傾向があり、しかも極めて高い回転速度では過熱することさえある。これによって従来は、そうしたベアリングの動作可能な回転速度が制限されていた。ベアリング用の熱伝導ハウジングを備えたことにより、ベアリングから生じる熱を放散させることが可能となる。ゆえに、ベアリングはローターアセンブリの共振速度以上の速度で回転することができる。

好ましくは、本ローターアセンブリはさらに、シャフト上に固定的に取り付けられたインペラを具備してなり、これは、本ローターアセンブリをたとえば真空掃除機における流体圧送装置として用いることを可能にする。インペラはベアリングハウジング間に、好ましくはこのハウジングの一方に隣接して配置される。作動時、インペラによって流入させられる流体は、インペラに達する前に、ハウジングの少なくとも一つを横切って引き込まれる。これがハウジングに冷却作用を及ぼし、さらに熱の放散を助ける。

有利なことを言えば、各ハウジングはベアリングに対して潤滑をもたらすための手段を備え、これは、ベアリングの耐用期間を通してローターアセンブリのスムーズな回転を保証する。

上記弾性手段は、たとえば各ハウジングに取り付けられた少なくとも一つのＯリングに関する、少なくとも一つの弾性マウントの形態をとることができる。好ましくは、一対のＯリングは、一つのリングが各ハウジングの各端部に取り付けられた状態で、各ハウジング上に設けられ、均等な荷重分配を可能にする。

電気機械での使用に関して、本ローターアセンブリはステータアセンブリ内に配置され、弾性手段は、ステータアセンブリ内でのローターアセンブリの柔軟な設置をもたらすように配置される。

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利用可能であり、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向う流体の流れを接線方向に導くよう構成されている。シャフト２はまた、光学エンコーダーディスク６の形態のポジションインジケーターを支持し、これによって、作動中、回転部材３の回転ポジションを特定することが可能となっている。

ベアリングアセンブリ７,８がシャフト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)とを具備してなる。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、鋼製薄板からなる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)も同様にそれぞれ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。

本発明に従って、ベアリングアセンブリ７,８は弾性手段１５,１６によって支持される。この実施形態では、弾性手段は、ハウジング１１,１２によって支持されたＯリング１５ａ,１５ｂ,１６ａ,１６ｂの形態で設けられる。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を担持する。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となる。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。

図６ａおよび図６ｂは本発明の背後にある概括的原理を示している。図６ａの連続した太い線は、その端部にベアリングアセンブリ７,８を有するローターアセンブリ１を示している。ベアリングを含むローターアセンブリ１は、ステータアセンブリ内で回転するよう配置される。図６ａは、ローターが臨界速度以下で回転しているときのローターアセンブリの状況を示す。ローターアセンブリの重心が中心から外れているので、ローターシャフトは、ローターアセンブリが回転するとき、いくらか撓もうとする。もちろん、シャフトの撓みの程度は、分かりやすくするため、この図では誇張している。

図６ｂを参照すると、本発明のローターアセンブリは所定の共振速度を超えたとき、ベアリング上の弾性手段が機能する。この弾性手段によって、シャフトの端部が、矢印によって示すような軌道運動を描くことが可能となる。こうしてローターアセンブリは、相対的に僅かな偏倚運動しか伴わずに、それ自身の重心を中心として回転し、シャフトを直線状に維持する。

堅固に設置されたベアリングアセンブリを有する従来型ローターアセンブリでは、ローターは臨界速度以上でその幾何学的中心のまわりを回転する。従来型ローターアセンブリのベアリングハウジングは堅固に設置され、軌道を描くことができないので、シャフトは撓もうとする。大きな不均衡力がローターアセンブリに加わり、これが今度はベアリングに半径方向のひずみを生じさせ、これによってその寿命が減少する。

ベアリングアセンブリと関連付けられた弾性手段のこの構成はまた、回転要素と固定要素との間で伝達される振動を低減し、したがってまた作動中に機械から生じる騒音を低減する。さらにローターアセンブリは、これまで実現可能であったよりも非常にスムーズに共振状況を乗り越える。

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。従来構造では、シャフトはその端部で支持されておらず、ローターが高速で回転するとき、その端部は外側に押しやられがちであった。この作用は特に、ローターがローターアセンブリの共振速度を超えた速度で駆動されるときに問題となる。これはまたシャフトの中央部を撓ませる。ゆえに、ローターがステータと接触するのを、さらにはステータと擦れ合うのを阻止するため、従来型の機械では、ローターとステータとの間に比較的大きな間隙が存在する。これは機械の効率に有害な影響を及ぼす。

本発明のローターアセンブリでは、ローターの偏倚運動は、これまで実現可能であったよりも小さなものであり、それゆえローターおよびステータの磁極間の間隙を従来型電気機械におけるよりも小さくできる。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。

ローターアセンブリを臨界速度以上で回転させることにこれまで付随していた問題は、ベアリングが非常に高温になることである。それゆえ、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によって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、レースからしみ出てくる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。

Ｏリング１５ａ,１５ｂ,１６ａ,１６ｂは制限された弾性を有し、ローターが、このローターのために設けられた開口部１９内で回転し、かつステータ１３と接触(これはローター部材３、ステータ、あるいは両方を損傷させる)しないことを確実なものとする。ローター部材３とステータ１３との間の間隙は必然的に小さなものとなり、トルクがローター部材に効率よく加えられることを確実なものとする。

Ｏリングは合成ゴム素材、たとえばエチレンプロピレンジエンモノマー(ＥＰＤＭ)あるいはシリコーンゴムから製造される。他の適当な素材も当業者には明白であろう。

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。

光学エンコーダーディスク６(すなわちチョッパー)がローターシャフト２の上に配置される。ディスクは、このディスクの、したがってローター部材３の回転ポジションを検出するよう構成された光学センサーと関連付けられる。光学センサーからの信号は制御装置(図示せず)に伝送される。エンコーダーディスク６はローター部材３のそれよりも小さな直径を有し、これによってローターアセンブリの製造を容易にする。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２２内に容易に納められる。以前は、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、完成したローターアセンブリの理想的なバランス条件は満たされなかった。だが、本発明に係る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、この結果、完成したローターアセンブリを一つの工程でバランス取りできる。

制御装置は駆動回路に電気的に接続されており、この駆動回路に対して、ステータ磁極部のそれぞれの巻き線が接続される。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の間に生じる。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。

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ことになる。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、シャフトの多端に設けられる。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、これは流入口２２からの空気流によって冷却される。

図５には上記モーターが使用可能な真空掃除機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３３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。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、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が低減する。きれいになった空気は、その後、掃除機から適当な排気口を経て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違う数の磁極を有しかつ違う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。

代替弾性手段を、たとえばハウジング用の弾性スリーブ、圧縮リングあるいはダンパーの形態で設けることができる。弾性手段はベアリングハウジングと一体であってもよく、あるいはベアリングとそれぞれのハウジングとの間に配設されてもよい。

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。 臨界速度以下での、本発明のローターアセンブリの回転を示す概略図である。 臨界速度以上での、本発明のローターアセンブリの回転を示す概略図である。

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 同心インペラ
５ ブレード
６ 光学エンコーダーディスク(ポジションインジケーター)
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
１５,１６ 弾性手段
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

Claims (19)

1. 各端部にベアリングを有するシャフト上のローターを具備し、前記ベアリングは前記ローターおよびシャフトを回転可能に支持するよう配置されているローターアセンブリであって、前記ベアリングと関係付けられた弾性手段をさらに具備してなることを特徴とするローターアセンブリ。
2. 前記ベアリングは前記シャフトのそれぞれの末端に配置されてい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. 前記ベアリングはそれぞれのハウジング内に配置され、かつ前記弾性手段は各ハウジングに対して取り付けられてい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. 前記ハウジングの少なくとも一つは熱伝導性を有することを特徴とする請求項３に記載のローターアセンブリ。
5. 前記ハウジングの少なくとも一つは、それぞれのベアリング用の潤滑流体のリザーバをさらに備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のローターアセンブリ。
6. 前記シャフト上に固定関係で取り付けられると共に前記ハウジング間に配置されたインペラをさらに具備してなり、作動時には、前記インペラによって流入させられる流体が前記ハウジングの少なくとも一つを横切って引き込まれるようになっていることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載のローターアセンブリ。
7. 前記弾性手段は、前記シャフトと実質的に同心の、各ハウジング上のＯリングを具備してなることを特徴とする請求項３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. 前記弾性手段は、前記シャフトと実質的に同心の、各ハウジング上の一対のＯリングを具備してなり、各対の前記リングは、前記ハウジング内の前記ベアリングのそれぞれの端部に概ね対応する位置に配置されていることを特徴とする請求項３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。
9. 前記弾性手段はゴム素材からなることを特徴とする請求項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。
10. 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。
11. 請求項１ないし請求項１０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電気機械。
12. その内部に前記ローターアセンブリが配置されるステータをさらに具備してなり、前記弾性手段が前記ベアリングと前記ステータとの間に介在させられていることを特徴とする請求項１１に記載の電気機械。
13. 前記ステータに対する前記ローターの回転ポジションを検出するための手段をさらに具備してなることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の電気機械。
14. 前記ステータの電気巻き線と、前記ポジション検出手段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１３に記載の電気機械。
15. 高速モーターの形態であることを特徴とする請求項１１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の電気機械。
16. 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。
17. 請求項１ないし請求項１０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クリーニング機器。
18. 請求項１１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の電気機械を具備してなるクリーニング機器。
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クリーニング機器。
    

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