JP2009184829A - 直接駆動装置を有する機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、支承の問題を和らげまたは完全に取り除くことである。
【解決手段】可動部品（２４）とこの可動部品（２４）を移動させるための直接駆動装置（１０、１６）とを有する機械であって、直接駆動装置がステータ（１０）とロータユニット（１６）とを含むものにおいて、ロータユニット（１６）が連結機構（２６；３０、３０’、３２、３２’、３４）を介して可動部品（２４）と連結されており、この連結機構がロータユニット（１６）に対する可動部品（２４）の相対移動を可能とし、直接駆動装置が、ステータ（１０）の実効部（１４）とロータユニット（１６）の実効部（２０）との間の間隔（ｄ）を保持するための間隔保持装置（１８）を含む機械。
【選択図】図２

Description

本発明は、直接駆動装置によって可動部品を移動させる機械に関する。

直接駆動装置はしばしばいわゆるビルトインモータとして提供される。機械製造業者は機械のステータとロータ（固定子と回転子）を受け取るが、ロータはステータに対してまだ最終的に支承されてはいない。むしろステータに対するロータの本来の支承は機械の内部で行われる。ステータは機械の別の第１部材と結合され、ロータは機械の別の第２部材と結合され、普通は剛性に結合される。次に機械の前記別の第２部材は機械の前記別の第１部材に対して相対的に支承され、こうしてステータに対してロータの間接的支承が得られる。直接駆動装置として電気モータが使用される場合、モータの良好な働きは、ステータとロータとの間に、より正確に云えば作用する磁界が存在するステータ実効部とロータ実効部との間に、所定の空隙がいかに正確に守られるのかに強く依存している。機械の支承はしばしば、空隙を精確に調整するのに不十分であることが分かった。この問題は大型機械、特に特別大きな機械では一層強く現れる。ロータの直径が３〜５メートルでなければならない回転式モータが使用される場合、上記種類の機械における支承は１つの挑戦課題である。最新の望遠鏡や風力発電所でも該当することがあるような２０〜５０メートルの直径を機械が有する場合、従来の機械組立て構想は適していないことが分かった。

本発明の課題は、支承の問題を和らげまたは完全に取り除くことである。

この課題は、請求項１による特徴を有する機械と請求項９による特徴を有する機械とによって解決される。即ち、「可動部品とこの可動部品を移動させるための直接駆動装置とを有する機械であって、この直接駆動装置がステータとロータユニットとを含むものにおいて、ロータユニットが連結機構を介して可動部品と連結されており、この連結機構がロータユニットに対する可動部品の相対移動を可能とし、前記直接駆動装置が、ステータの実効部とロータユニットの実効部との間の間隔を保持するための間隔保持装置を含む機械。」または「固定部品とこの固定部品に対して移動可能な部品とこの可動部品を移動させるための直接駆動装置とを有する機械であって、この直接駆動装置がステータユニットとロータとを含むものにおいて、ステータユニットが連結機構を介して固定部品と連結されており、この連結機構がステータユニットに対する固定部品の相対移動を可能とし、直接駆動装置が、ロータの実効部とステータユニットの実効部との間の間隔を保持するための間隔保持装置を含む機械。」である。

ロータユニット、つまり回転機械におけるロータ、リニアモータにおける多数のロータセグメントは従来、直接駆動装置によって移動されるべき部品と剛性に結合されていたが、本発明では本発明の第１観点によりロータユニットは連結機構を介して可動部品と連結されており、この連結機構は、特にその構造、使用材料およびその設計全体によって、ロータユニットに対する可動部品の相対移動を可能とする。それに対して直接駆動装置はステータの実効部とロータユニットの実効部との間の間隔を保持するための間隔保持装置を含む。ロータユニットを可動部品と剛性に結合することが省かれることによって、直接駆動装置の外側で機械内に設けられる軸受はロータユニットの実効部が形成された部分とステータの実効部が形成された部分との間にもはや空隙を直接確保する必要がない。むしろ本発明は、いずれにしても磁界によってロータユニットがステータの方に引っ張られるとの認識に依拠している。ロータユニットと可動部品との間の相対移動を可能とすることによってロータユニットはこの引力の結果として、可動部品用に提供される支承にかかわりなく移動することができる。その際、正確に規定された空隙が守られることは間隔保持装置によって保証されている。間隔保持装置がステータとロータユニットとの間の他の引力を阻止する範囲で、ロータユニットはこの引力に従う。

単純な実施形態では、間隔を保持する目的でロータユニットに、もしくはロータユニットの１つのセグメント、有利には複数のセグメントに、少なくとも１対の支持ローラが取付けられる。支持ローラはロータユニットの本体で、もしくはロータユニットの各セグメントの本体で回転可能に支承され、この本体に前記実効部がある。支持ローラは直接にステータに沿って転動することができる。こうしてロータ本体はステータから固定間隔にある。

この間隔保持装置はレール系を含むこともできる。その際、ステータに少なくとも１つのレールが取付けられる。ロータユニットは好適な仕方でレールに沿って走行しなければならない。このためにロータユニットに、もしくはロータユニットのセグメントに切欠き部を設けておくことができる。好ましくは、レール上を滑動できる案内シューが用意されている。

連結機構がロータユニットに対する可動部品の相対移動を任意方向で可能とすることも考えられる。しかしロータユニット移動方向での相対移動は阻止されるのが好ましい。というのも、さもないと可動部品が規定された移動を行なわないことが起き得るからである。換言するなら、その場合連結機構はロータユニットの移動方向とは異なる１方向（または複数の方向）にのみ相対移動を可能とすべきであろう。つまりリニアモータの場合相対移動は直線移動に垂直な方向でのみ可能である。回転移動のとき相対移動は、この場合回転子として形成されるロータを基準に軸線方向成分と半径方向成分を有することができるが、接線方向成分を持つことはできない。

柔軟な仕方で可動部品をロータユニットと連結する連結機構を形成することは単純な手段で可能である。連結機構は少なくとも１つの平らな帯板状（それゆえに曲げ往復動可能な）金属要素を含むことができる。このような金属要素は薄板として、または複数の薄板を備えた薄板構造体として形成しておくことができる。

所望する相対移動、特にロータユニットの移動方向とは異なる方向のみでの相対移動は、継手、例えば玉継手が利用されるときにも達成可能である。結合棒を介して２つの玉継手を互いに連結し、基本状態のとき結合棒をリニアモータの移動方向と平行に延設することが可能である。

本発明は直接駆動装置によって駆動される可動部品を備えたすべての機械において利用可能である。特に特別大きな機械の設計時に本発明に対する需要が増大したとしても、本発明は小型機械においても利用可能である。望遠鏡、風力発電所等の前記機械の場合、直接駆動装置は一般に回転式直接駆動装置となる。本発明は、直接駆動装置が電気リニアモータであるときにも応用可能である。

後者の場合、ステータが直線的に延びる要素を有し、この直線的に延びる要素の相反する側の脇を複数のロータユニットが通過（両側配置）するようになった対称な実施形態が有利であることが分かった。これらのロータユニットはそれぞれ１つの可動部品と連結され、これらの可動部品は互いに剛性に結合されている。この連結は上記の仕方で、つまり両方のロータユニットのそれぞれにおいてロータユニットの可動部品の相対移動を可能とする連結機構によって行われる。いずれにしても両方のロータユニットに間隔保持装置、例えば前記支持ローラが設けられてもいる。両方の可動部品が互いに剛性に結合されていることによって両方のロータユニットが連結される。これにより配置全体を安定させることができる。それに加えてこのような両側配置の場合、両方のロータユニットに作用する力が相互に相殺されるので部材の応力は減らすことができる。支持ローラを使用する場合、例えば個々のロータユニットの支持ローラは単一のロータユニットをステータに配置した場合よりも負荷されることがそれぞれ少なくなる。

相対移動を許容する連結機構を介してロータユニットを可動部品と連結する代わりに、連結機構を介して機械のステータユニットを機械の固定部品と連結しておくこともでき、この場合にはこの連結機構によりステータユニットと固定部品との間の相対移動が可能となる。本発明の第１観点について述べたすべてのことは本発明のこの第２観点による機械でも同様に応用される。

以下、本発明の好ましい実施形態が図面を参考に述べられる。

以下に述べる本発明の実施形態では、ロータとステータとを備えた電気リニアモータによって或る機械内で部材が移動するものとする。本発明は、回転式直接駆動装置が使用される機械にも応用可能である。

電気リニアモータは一次側と二次側を有する。普通、二次側に永久磁石が設けられ、一次側には強磁性体、通常は鉄から成るコアと、このコアに巻回したコイルが設けられる。コイルが通電され、電流によって生成されかつ鉄心によって強められた磁界は二次側の永久磁石の磁界と相互作用し、こうして移動方向において一次側と二次側との間にスラスト力が生成される。

基本的にリニアモータの両方の部品は、具体的応用時に構造上何が必要であるのかに応じて、可動式または固定式のいずれかに実施することができる。

図１〜図３を参考に以下に述べる実施形態では、電気リニアモータの場合二次側が固定され、１つもしくは複数の一次側が移動可能であると前提されている。従って二次側はステータに一致し、複数の一次側はロータユニットを形成する。

図に符号１０とした二次側が鋼板１２を有し、磁気軌道１４、つまり交互に極性（N-S-N-・・・）が替わっている永久磁石列が鋼板上に取付けられている。鋼板１２は磁気の帰還路に役立つ。二次側１０に対して相対的に多数の一次側１６が移動可能である。一次側１６のコイルは図示されていない。一次側１６には複数の支持ローラ１８が取り付けられ、これらは一次側１６が鋼板１２上を転動できることを可能とする。支持ローラ１８を固着された本来の一次側本体２０は支持ローラ１８が存在するので磁気軌道１４に対して所定の間隔ｄで保持され、一次側１６は矢印２２で示した方向に移動する。機械内で一次側１６は普通、絶えず同じ方向に移動するのでなく、再び逆方向にも戻る。

ところで肝要なのは、可動部品２４を直接駆動装置によって、つまり二次側１０と一次側１６との協動によって移動させることである。このため可動部品２４が一次側１６と連結される。ここでは先行技術におけるような剛性結合ではなく、柔軟な結合が設けられている。この柔軟な結合は、図１と図２にリニアスライダとして図示した可動部品２４が両方向矢印２２による移動方向とは異なる方向に移動できることを可能とする。一次側１６が、従って可動部品２４もｘ軸に沿って移動すると、可動部品２４が一次側１６に対してｙ軸およびｚ軸方向に相対移動することが可能である。

このことは、図１による実施形態では、矢印２８に相応して曲げ可能な帯板状金属要素２６を介して可動部品２４が一次側１６と連結されているので可能である。図２による実施形態では連結機構が２つの玉継手３０、３０’を含み、玉継手３０は剛性の結合部３２を介して一次側１６と結合され、玉継手３０’はやはり剛性の結合部３２’を介して可動部品２４と結合されている。剛性の結合棒３４が玉継手に係合する。結合棒３４が剛性であるので、ｘ方向では、つまり矢印２２の方向では、可動部品２４と一次側１６との間では相対移動が可能でなく、駆動力は一次側１６から可動部品２４へと最適に伝達される。それに対してｙ方向とｚ方向では可動部品２４は一次側に対して相対的に移動可能であり、その際例えば支承部内の凸凹または不平衡も補償することができる。それゆえに、可動部品２４の支承部にそんなに厳しい条件を要求する必要がない。特に、可動部品２４の支承部は空隙の値ｄを直接調整する必要がない。むしろ動作時に磁気軌道１４と磁気部品１６の本体２０との間に磁気引力が生じ、これによりいずれにせよ支持ローラ１８が鋼板１２に沿って転動し、空隙は規定値ｄを有する。こうして空隙は小さくなることも大きくなることもなく、可動部品２４の支承部がこの空隙ｄを確定する必要はない。

図２の実施形態は特に対称な配置で実現することができる。そのような配置が図３に示してある。その際、二次側１０が対称に形成されている。すなわち、鋼板１２の相反する側に両磁気軌道１４があり、相反する側に沿ってそれぞれ一次側１６が走行する。図３の実施形態でも可動部品２４との結合は図２に示した仕方で保証されている。一方で図３に示す上側ロータユニットの可動部品２４、他方で図３に示す下側ロータユニットの可動部品がここではＵ形本体３６と結合されており、この本体自体が剛性であり、可動部品２４は互いに剛性に結合されている。従って各一次側１６に対する一方の可動部品２４の相対移動は各一次側１６に対する他方の可動部品２４の相対移動を直接に規定する。それゆえに、図３の配置は上側および下側の一次側１６に対して、従って支持輪１８に対して、上と下とで対称な力作用を引き起こす。これにより配置全体が特に安定する。支持輪１８は図３による対称実施形態の場合、一次側１６が片側でのみ支持輪１８で鋼板１２上を走行する場合よりも少ない負荷を受ける。

一方で玉継手３０、３０’、剛性結合部３２、３２’および結合棒３４とを備えた柔軟な連結機構と、また間隔保持装置の機能を有する支持ローラ１８との協動によって、直接駆動装置で駆動されるべき機械内で可動部品を固定部品に対して柔軟に支承することが可能となる。空隙ｄを正確に調整するために先行技術で要求されるような厳しい条件が支承部に求められることはない。

本発明の１観点では、一次側および二次側の機能を上記とは反転させることも可能である。つまり、機械のステータまたはステータユニットと、機械の可動部品が対向支承されている機械の固定部品との間で柔軟な連結を行うことも可能である。

この反転が図４に示してある。図４は図３と同じ部材を示しているが、機能が変化している。それゆえに、同一の部材には１００加えた符号が付けてある。

いまや一次側１６が移動しかつロータユニットの一部である代わりに、この実施形態では二次側１１０がロータであり、一次側１１６がステータユニットを形成する。違いはロータ１１０の領域における矢印１２２の配置によって示してある。特に部材１２４は図２の部材２４とは異なり可動部品でなく、機械の固定部品である。それに対してロータ１１０は機械の図４に図示しない可動部品と結合されている。

ロータ１１０は両方向矢印１２２の方向で、一次側１１６を有するステータユニットの脇を往復転動し、支持ローラ１１８が回転する。

本発明の第１実施形態の略図である。 本発明の第２実施形態の略図である。 図２の第２実施形態の他の細部を概略示す図である。 本発明の第４実施形態の略図である。

１０ ステータ
１２ 要素
１４ 実効部
１６ ロータユニット
１８ 間隔保持装置、支持ローラ
２０ 実効部
２４ 可動部品
２６ 連結機構、金属要素
３０ 継手
１１０ ロータユニット
１１２ 要素
１１４ 実効部
１１６ ステータユニット
１２０ 実効部
１２４ 固定部品
ｄ 間隔

Claims (10)

1. 可動部品（２４）とこの可動部品（２４）を移動させるための直接駆動装置（１０、１６）とを有する機械であって、この直接駆動装置がステータ（１０）とロータユニット（１６）とを含むものにおいて、ロータユニット（１６）が連結機構（２６；３０、３０’、３２、３２’、３４）を介して可動部品（２４）と連結されており、この連結機構がロータユニット（１６）に対する可動部品（２４）の相対移動を可能とし、前記直接駆動装置が、ステータ（１０）の実効部（１４）とロータユニット（１６）の実効部（２０）との間の間隔（ｄ）を保持するための間隔保持装置（１８）を含む機械。
2. 前記間隔保持装置が、ロータユニットもしくはロータユニットのセグメント（１６）に取付けられた支持ローラ（１８）を含む請求項１記載の機械。
3. 前記間隔保持装置が、ステータに取付けられた少なくとも１つのレールと、ロータユニットもしくはロータユニットのセグメントに取付けられた少なくとも１つの案内シューとを含む請求項１記載の機械。
4. 連結機構（２６；３０、３０’、３２、３２’、３４）が、ロータユニットの移動方向とは異なる１つまたは複数の方向でのみ相対移動を可能とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の機械。
5. 前記連結機構が少なくとも１つの平らな帯板状金属要素（２６）を含む請求項１ないし４のいずれか１つに記載の機械。
6. 前記連結機構が少なくとも１つの継手（３０、３０’）と好ましくは少なくとも１つの玉継手とを有する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の機械。
7. 前記直接駆動装置が電気リニアモータ（１０、１６）として形成されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載の機械。
8. ステータ（１０）が直線的に延びる要素（１２）を有し、直線的に延びる要素（１２）の相反する側にそれぞれ１つのロータユニットが設けられており、両方のロータユニットがそれぞれ１つの可動部品（２４）と連結され、これらの可動部品（２４）が互いに剛性に結合された部品（３６）としてなる請求項７記載の機械。
9. 固定部品（１２４）とこの固定部品に対して移動可能な部品とこの可動部品を移動させるための直接駆動装置（１１０、１１６）とを有する機械であって、この直接駆動装置がステータユニットとロータとを含むものにおいて、ステータユニット（１１６）が連結機構（１３０、１３０’、１３２、１３２’、１３４）を介して固定部品（１２４）と連結されており、この連結機構がステータユニット（１１６）に対する固定部品（１２４）の相対移動を可能とし、直接駆動装置が、ロータ（１１０）の実効部（１１４）とステータユニット（１１６）の実効部（１２０）との間の間隔（ｄ）を保持するための間隔保持装置（１１８）を含む機械。
10. 前記直接駆動装置が電気リニアモータ（１１０、１１６）として形成され、ロータ（１１０）が直線的に延びる要素（１１２）を有し、この直線的に延びる要素（１１２）の相反する側にそれぞれ１つのステータユニットが設けられており、この両方のステータユニットがそれぞれ１つの固定部品（１２４）と連結され、これらの固定部品（１２４）が互いに剛性に結合された部品としてなる請求項９記載の機械。

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