JP2008043053A - 軸方向空隙型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】偏芯許容構造を備えた軸方向空隙型電動機を提供する。
【解決手段】本発明は、固定子４が回転子３の回転軸方向に所定空隙１４を持って回転子に相対するように配置された軸方向空隙型電動機において、回転子と固定子とを内装するケースと回転子との間に、ケースの中心線に対する直交方向での回転子の摺動を許容するとともに、回転子の回転軸回りの回転を可能とするベアリング１３と、永久磁石１２の外周側において回転子に設けられるリング部材７と、その外周側にて回転子の回転軸回りに摺動可能に設置される支持部材１５と、ケースと支持部材との間に、回転子の回転軸に直交する方向に付勢力を生じる付勢手段１７ａとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸方向空隙型電動機、特に回転軸の偏芯許容構造を備えた軸方向空隙型電動機に関するものである。

従来、低速高トルクが要求される電動機に対応する電動機として、回転軸方向に固定子と回転子とが対向して配置される軸方向空隙型電動機がある。従来の軸方向空隙型電動機は、コイルが巻回される固定子と、このコイルに回転軸方向に対向して配置され、複数対の永久磁石が周方向起磁力形に配置される回転子とからなり、固定子コイルに電流を流して回転磁界を発生させ、これに伴い固定子と回転子との間の磁気的な吸引力および反発力によって、回転子を回転させるものである（特許文献１、２参照のこと）。
特開２００２−１５３０２８号公報 特開平１１−１８７６３５号公報

しかしながら、これら従来の軸方向空隙型電動機では、固定子の中心線と回転子の回転中心線とを同一中心線として構成され、たとえば回転子に接続する被回転部材の回転中心線も回転子の回転中心線と同一にする必要が生じるが、組み立て精度等を考慮するとバラツキを除去することができず、この中心線に対する直交方向のズレ（偏芯量）を許容するために、例えばオルダムカップリングを回転子と被回転部材間に設置することが行われている。

このため、オルダムカップリングの設定に伴い、コストアップや重量増加という課題が生じる。

本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、偏芯許容構造を備えた軸方向空隙型電動機を提供することを目的とする。

本発明は、永久磁石またはコイルの一方を周方向に所定間隔で複数個設置した回転子と、前記回転子の中心線方向に前記永久磁石またはコイルの一方に対向するように前記永久磁石またはコイルの他方を備えた固定子とを備え、前記固定子が前記回転子の中心線方向に所定空隙を持って前記回転子に相対するように配置された電動機部を有する軸方向空隙型電動機において、前記回転子と前記固定子とを内装し、前記固定子を固定するケースと、前記ケースと前記回転子との間に、前記ケースの中心線に対する直交方向での前記回転子の摺動を許容するとともに、前記回転子の中心線回りの回転を可能とするベアリングと、前記回転子に設置された前記永久磁石または前記コイルの一方の外周側に設けられるリング部材と、前記リング部材の外周側にて前記回転子の中心線回りに前記リング部材と相対回転可能に設置される支持部材と、前記ケース内面と前記支持部材との間に、前記回転子の中心線に直交する方向に付勢力を生じ、前記回転子の中心線と前記固定子の中心線とを同一中心線となるように付勢する付勢手段と、を備えたことを特徴とする軸方向空隙型電動機である。

本発明では、ケースと回転子に接続する支持部材との間に、回転子の回転軸に直交する方向に付勢力を生じ、回転子の回転中心線と固定子の中心線とを同一中心線とする付勢手段を備えたので、回転子に外力が作用する場合においても回転子の回転中心線と固定子の中心線との回転子の回転軸に直交する方向のズレを抑制することができる。このため、従来、このズレを許容するために設けていたオルダムカップリングを設定する必要がなく、コスト低減や軽量化を図ることができる。

また、被回転部材を外部から位置決めすることが不要となり、電動機で被回転部材を保持することができるため、構造の簡素化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の軸方向空隙型電動機１の構成を示す断面図で、ロータ軸２の回転中心線（以下、中心線Ｘ１という。）がケース５の中心線に対して偏心している状態を示す。

本実施形態において、被回転部材を回転するロータ軸２と、ロータ軸２に固定された回転子３と、ロータ軸２の中心線Ｘ１方向に所定の空隙をもって回転子３に対向するように設けられた一対の固定子４とからなる電動機部１ａを、複数個ロータ軸方向に配置して、ケース５内に収納し、軸方向空隙型電動機１を構成する。なお、本実施形態では２列の電動機部１ａを備えた軸方向空隙型電動機１を用いて説明するが、これに限らず、より複数個でも、あるいは１列の電動機部１ａからなる軸方向空隙型電動機１であってもよい。

図２は、回転子３の形状を説明する図である。回転子３は図示しない被回転部材に接続するロータ軸２の中心線Ｘ１から直交方向に延出する４本の等長の腕部６を備える。これら腕部６は周方向に等間隔（図２では９０°間隔）で配置される。各腕部６の外周側の先端部には各腕部６を連結する円筒状のリング部材７が固定される。

図１に示すように、回転子３の腕部６には、永久磁石１２が取り付けられる。永久磁石１２は、それぞれ例えば図３に示すように中心線Ｘ１方向から見て略扇状に形成され、各腕部６の中間部を挟持するように保持される。永久磁石１２は、両側の端面１２ａがそれぞれロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する面に平行に形成される。なお、腕部６の数、形状等は実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。

ロータ軸２の中心線Ｘ１方向において、回転子３の永久磁石１２にそれぞれ一対の対向する位置には、それぞれ固定子４が後述するケース５のロータ軸の中心線Ｘ１に直交する面５ｅに固定される。固定子４は、ケース５に固定されたヨーク部８と、固定子４の中心線Ｘ２方向から見て略扇状の形状を有するティース部９と、ティース部９に巻回されるコイル１０とから構成される。ヨーク部８は、ティース部９をケース５に固定する。ティース部９の磁束を周方向に回して別のティース部９へ流す役割を果す。ティース部９は、中心線Ｘ１方向にヨーク部８から回転子３側に突出して形成され、その端面は永久磁石１２の端面１２ａに平行に形成される。またコイル１０は図示しない絶縁体等を介して、ティース部９から絶縁される。

回転子３と固定子４とからなる各電動機部１ａを収納するケース５は、有底円筒形状を有する本体部５ａ、この本体部５ａの開口端を塞ぐとともに、ロータ軸２が貫通する貫通空間５ｄを備える蓋部５ｂと、ケース内をケース５の中心線Ｘ２に直交する方向に仕切るように配置される中空円板状の仕切板５ｃとから構成される。仕切板５ｃは、ケース５内を中心線Ｘ２方向に並ぶ２つの互いに等しい形状の空間５ｘ、５ｙに区画するとともに、その中心部にロータ軸２が挿通される。電動機部１ａはそれぞれ空間部５ｘ、５ｙ内に構成され、電動機部１ａを収納する空間部５ｘ、５ｙを形成するケース５の中心線Ｘ２に直交するケース５の面５ｅには前記固定子４が固定され、各固定子４間に回転子３が中心線Ｘ２方向に対面して配置され、電動機部１ａが構成される。なお、各電動機部１ａがケース５内に配置された状態で、回転子３と、回転子３に相対する一対の固定子４との中心線Ｘ２方向のそれぞれの空隙１４は所定値となるように設置される。

回転子３の各腕部６の先端部を連結する円筒状のリング部材７は、中心線Ｘ１を中心として形成される。リング部材７のロータ軸２の中心線Ｘ１方向の両側の端面７ａは、ケース５の内面５ｅと対面し、中心線Ｘ１に直交するように形成される。これら両端面７ａとケース５の面５ｅとの間にそれぞれベアリング１３が設置される。このベアリング１３は例えば円環状に配置され、ケース５に対してロータ軸２が中心線Ｘ１に直交する方向に摺動することを許容する。さらにリング部材７がケース５に摺接した状態でロータ軸２の中心線Ｘ１回りの回転を可能とする。なお、ベアリング１３としてはスライドベアリング等が考えられるが、これに限らず、回転子３のケース５に対する摺動と回転子３の回転を可能とする手段であればよい。

ここで、ケース５のロータ軸２が貫通する貫通空間５ｄは、ロータ軸２の直径に対して所定量だけ大きく形成される。前述のように回転子３は、中心線Ｘ１に直交する方向に摺動可能に構成されるが、この貫通空間５ｄの径とロータ軸２の直径との差によって、回転子３がケース５に対してロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する方向の移動量が規定される。

リング部材７の外周側には、ロータ軸２の中心線Ｘ１を中心線とする円筒状の支持部材１５が移動可能に所定の空隙をもって配置される。この支持部材１５とリング部材７との間にはベアリング１６が設けられ、相対回転可能に形成される。

支持部材１５の外周面とケース５の内周面との間には環状の環状空間５ｘ１、５ｙ１を区画し、区画される環状空間５ｘ１、５ｙ１は、回転子３がケース５内において、ロータ軸２の中心線Ｘ１に直交方向へ変位するのに伴い支持リング１５が変位することで、その断面が変形可能に構成される。ここで支持部材１５は、その内周面にベアリング１６を介して回転子３のリング部材７を支持しているため、リング部材７が回転しても支持部材１５は回転することなく、リング部材７（つまり、回転子３）のロータ軸２の中心線Ｘ１に対する直交方向の変位に伴って変位するのみである。

図３は、支持部材１５により区画された環状空間５ｘ１、５ｙ１内の構成を示す断面図であり、環状空間５ｘ１、５ｙ１はそれぞれ同様の構成を備えるため、図３では環状空間５ｙ１の構成を代表して説明する。

図３に示すように支持部材１５により区画された環状空間５ｙ１は、支持部材１５の外周に設けられた区画板１７によりさらに周方向にそれぞれ４つの空間５ｙａ〜５ｙｄに区画される。これら４つの空間５ｙａ〜５ｙｄは、回転子３の回転中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とが同一中心線となる場合において、その容積が等しくなるように区画される。区画板１７は、その基端が支持部材１５に揺動可能に支持され、その揺動中心に捩りコイルバネ１８などの付勢手段が配置される。このため区画板１７の外端は、ケース５の中心線Ｘ２に平行な内面５ｆに押し付けられる。

したがって、回転子３は、支持リング１５を介してケース５の内周面５ｆに対して捩りコイルバネ１８により支持された構成となる。このため、各捩りコイルバネ１８のバネ特性を同じとすると、ケース５に対して回転子３がロータ軸２の直交方向に変位した場合に、捩りコイルバネ１８の作用により回転子３にはケース５、つまり固定子４と同軸となるような付勢力が作用することになる。したがって、回転子３にその中心線Ｘ１に対して直交する方向の外力が作用しない場合には、捩りコイルバネ１８は、回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを同一中心線と一致させるように保持する。

なお、本実施形態では、回転子３に永久磁石１２を、固定子４にコイル１０を設置したが、逆に回転子にコイルを、固定子に永久磁石を設けるようにしてもよい。

次に作用を説明する。

本発明の軸方向空隙型電動機は、固定子４のコイル１０に通電されると、回転磁界が発生し、これに伴い固定子４と回転子３との間の磁気的な吸引力および反発力によって、回転子３を所定方向に回転させる。この回転により回転子３のロータ軸２に連結する図示しない被回転部材が回転する。

ロータ軸２を介して回転子３に被回転部材が連結される場合には、被回転部材に作用するロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する方向の外力がロータ軸２を通じて回転子３にも作用することになる。ここで、前述したように、回転子３が固定子４（＝ケース５）に対してロータ軸２の中心線Ｘ１に対して直交方向に摺動を可能とするベアリング１３を備えているため、被回転部材からの外力に伴いロータ軸２が変位する場合、つまり、ケース５（固定子４）の中心線Ｘ２とロータ軸２（回転子３）の中心線Ｘ１が直交方向にズレが生じる（偏芯する）場合に、ベアリング１３の作用により回転子３の固定子４に対する直交方向の摺動が許容され、回転子３は固定子４の中心線に対して偏芯した位置を中心として回転することができる。このため、ロータ軸２と被回転部材とを同軸的に連結する場合において、その中心線を一致させる精度の許容範囲を大きく設定することができる。したがって、ロータ軸２と被回転部材との間のロータ軸の直交方向での偏芯を許容するための手段として、例えばオルダムカップリングを設ける必要がなく、コストの削減、軽量化を図ることができる。

また、回転子３のリング部材７に対してロータ軸２の中心線Ｘ１回りに相対回転可能に支持される支持部材１５がケース５との間に環状空間５ｘ１、５ｙ１を区画し、支持部材１５とケース５との間に捩りコイルバネ１８で付勢された区画板１７が介在する。このため、回転子３の中心線Ｘ１を固定子４の中心線Ｘ２から偏芯させようとする外力がロータ軸２に作用した場合に、この外力に抗して中心線Ｘ１、Ｘ２が一致するように復元するように捩りコイルバネ１８の付勢力が作用する。このため、外力の減少に伴い回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを同軸上に維持しやすくなる。

また、外力が作用しない場合や被回転部材が接続されていない場合には、捩りコイルバネ１８を備えたので捩りコイルバネ１８の作用により、回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを同一とする調芯作用が生じ、同一中心線とすることができる。

次に図４〜図６を用いて第２の実施形態を説明する。第１の実施形態では、回転子３が付勢手段１７ａを介してケース５（＝固定子４）に支持されることにより、回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを同一とする付勢力が作用する構成とした。これに対して本実施形態では、支持部材１５と区画板１７とケース５により区画された空間５ｙａ〜５ｙｄ内を密閉状態となる構成として、この空間内に流体を供給、排出する構成を追加して、空間内の圧力を制御することで、常時、回転子３と固定子４との中心線Ｘ１、Ｘ２が同一中心線となることを目的とした実施形態である。

なお、密閉される空間５ｙａ〜５ｙｄ内には、それぞれ流体、例えば、空気、油やＭＲ流体が供給、排出され、そのための給排口２０が追加される。この給排口２０は、環状空間５ｘ１、５ｙ１をさらに区画した空間５ｘａ〜５ｘｄ、５ｙａ〜５ｙｄにそれぞれ設けても良いが、図１に示すように電動機部１ａが軸方向に２列に配置される場合には、中心線Ｘ１方向に並列する空間５ｘａ〜５ｘｄ及び５ｙａ〜５ｙｄとをそれぞれ連通する連通口１９を仕切板５ｃに設けて、互いに連通する空間の一方に給排口２０を設けるようにしてもよい。

本実施形態は、各区画板１７の縁部にシールを設け、各空間５ｘａ〜５ｘｄ、５ｙａ〜５ｙｄを密閉する。各空間５ｘａ〜５ｘｄ、５ｙａ〜５ｙｄ内の圧力を検出するセンサあるいは推定する手段を設け、この検出あるいは推定した圧力値をコントローラ３０で読み込み、コントローラ３０は、回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とが同一中心線となるように各空間内に供給する、あるいは排出する流体流量を制御するものである。

図４は、本実施形態の油圧制御系の構成の一例を示す概略図であり、まず、各空間５ｘａ〜５ｘｄ、５ｙａ〜５ｙｄ内の圧力をそれぞれ検出する圧力センサ２０ａ〜２０ｄを設ける。さらに各空間へ流体を供給するポンプ２３を備え、このポンプ２３からポンプ通路２５を通じて作動油が各空間内の流体の出入りを制御する２位置制御弁２１ａ〜２１ｄに送られる。ポンプ通路２５途中には各空間への流体の流量を制御する流量制御弁２２ａ〜２２ｄが備えられる。さらに各空間から排出された流体はリターン通路２６を通じてタンク２４に貯留される。検出された各空間の圧力に基づいて各２位置制御弁２１ａ〜２１ｄ、各流量制御弁２２ａ〜２２ｄ及びポンプ２３の運転状態を制御し、回転子３の回転中心線と固定子４の中心線とが同一軸となるように制御するコントローラ３０から構成される。

なお、本実施形態では、回転子３に永久磁石を、固定子４にコイルを設置したが、逆に回転子３にコイルを、固定子に永久磁石を設けるようにしてもよい。

次に作用を説明する。

回転子３の中心線Ｘ１がケース５の中心線Ｘ２に対してロータ軸２の直交方向にズレる（偏芯する）ような外力が被回転部材を介して回転子３に作用している場合に、偏芯に伴う各空間５ｘａ〜５ｘｄ、５ｙａ〜５ｙｄの圧力変化を圧力センサ２０ａ〜２０ｄの検出値により検出し、コントローラ３０が回転子３と固定子４の同一中心線を維持するように制御する。具体的には、回転子３の変位により圧力が上昇した前記空間は外力により変形したと判断し、ポンプ２３を稼動する。ポンプ２３から吐出された作動油は、圧力差に応じて各空間が同一の容積となるように所定開度に制御された流量制御弁を通じて２位置制御弁に送られ、圧力が上昇した所定の空間内に供給される。

このように、流体を所定の空間内に供給して圧力を上昇させて、回転子３の中心線Ｘ１の位置を固定子４の中心線Ｘ２と同一であった偏芯前に復帰させるようにする。なお、圧力を上昇させる所定の空間に対面する空間内の圧力を低減するようにするなど、各空間の圧力を制御して回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とが同一中心線となるように制御してもよい。

したがって、ロータ軸２が、例えば等速ジョイントを介して被回転体に接続するような、被回転体の位置が一意に決まらない場合であっても、回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを同一中心線とすることができる。また、ロータ軸２を被回転体に直接接続した場合において、被回転体に作用する外力によりロータ軸２、つまり回転子３の中心線Ｘ１と、固定子４の中心線Ｘ２とが偏芯した場合にもコントローラ３０の圧力制御により、偏芯を補正し、回転体３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを同一に制御することが可能となる。

図７は第３の実施形態の構成を説明する断面図である。

第１の実施形態では、ケース５と、回転子３に接続する支持部材１５との間を区画板１７と付勢手段１７ａを用いて支持したが、この実施形態では、区画板１７と付勢手段１７ａに代えて、流体を密閉した袋状の弾性部材２５を支持部材１５とケース５間の環状空間５ｘ１、５ｙ１に複数個配置したことを特徴とする。

本実施形態の構成により、第１の実施形態と同様の効果を有するとともに、ボール状の弾性部材２５を複数個、環状空間５ｘ１、５ｙ１に配置するのみのため、第１の実施形態に比して、構成が容易で、組み立てやすく、またコストの低減を図ることができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の軸方向空隙型電動機１の構成を説明する断面図である。 回転子の構成図である。 図１の断面Ａ−Ａの断面図である。 第２の実施形態の構成を説明する断面図である。 図４の断面Ｂ−Ｂの断面図である。 第２の実施形態の油圧系の構成を説明する概略図である。 第３の実施形態の構成を説明する断面図である。

符号の説明

１ 軸方向空隙型電動機
１ａ 電動機部
２ ロータ軸
３ 回転子
４ 固定子
５ ケース
６ 腕部
７ リング部材
８ ヨーク
９ ティース部
１０ コイル
１１ 仕切板
１２ 永久磁石
１３ ベアリング
１４ 空隙
１５ 支持部材
１７ 区画板
１８ 付勢手段
２５ 弾性部材
３０ コントローラ

Claims (5)

1. 永久磁石またはコイルの一方を周方向に所定間隔で複数個設置した回転子と、
   前記回転子の中心線方向に前記永久磁石またはコイルの一方に対向するように前記永久磁石またはコイルの他方を備えた固定子とを備え、
   前記固定子が前記回転子の中心線方向に所定空隙を持って前記回転子に相対するように配置された電動機部を有する軸方向空隙型電動機において、
   前記回転子と前記固定子とを内装し、前記固定子を固定するケースと、
   前記ケースと前記回転子との間に、前記ケースの中心線に対する直交方向での前記回転子の摺動を許容するとともに、前記回転子の中心線回りの回転を可能とするベアリングと、
   前記回転子の外周側に設けられるリング部材と、
   前記リング部材の外周に前記リング部材と同軸かつ相対回転可能に配置される支持部材と、
   前記ケース内面と前記支持部材との間に、前記回転子の中心線に直交する方向に付勢力を生じ、前記回転子の中心線と前記固定子の中心線とを同一中心線となるように付勢する付勢手段と、
   を備えたことを特徴とする軸方向空隙型電動機。
2. 前記支持部材と前記ケースとの間に区画された環状空間を前記回転軸の周方向に複数の空間に区画し、前記支持部材に揺動可能に設けられる区画板を備え、
   前記付勢手段は、この区画板を前記ケースに弾性的に押圧接触することを特徴とする請求項１に記載の軸方向空隙型電動機。
3. 前記付勢手段は、前記環状空間内に配置され、所定圧力の流体を密閉した弾性部材であることを特徴とする請求項１に記載の軸方向空隙型電動機。
4. 前記各空間は、それぞれ密閉状態に保持され、
   前記各空間内に流体を供給あるいは排出する手段と、
   前記各空間内の圧力を検出または推定する手段と、
   前記回転子の中心線と前記固定子の中心線との直交方向のズレに伴う前記各空間内の圧力変化に基づいて、前記回転子の中心線と前記固定子の中心線との軸芯のズレを補正するように前記各空間内の圧力を制御するコントローラとを備えることを特徴とする請求項２に記載の軸方向空隙型電動機。
5. 前記ベアリングは、前記ケースの中心線に対して直交して設けられた面と、この面に対面する回転子との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の軸方向空隙型電動機。