JP2009544266A - 電気機械の回転子並びにその回転子を備えた電気機械 - Google Patents

Abstract

電気機械（１）の回転子（２３）は回転子軸（４）と回転子鉄心（５）と回転子制動体（６）とを有している。その回転子鉄心（５）と回転子制動体（６）は互いに軸方向に間隔を隔てて回転子軸（４）上に固定されている。本発明に基づいて、回転子鉄心（５）と回転子制動体（６）は互いに固く直結されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転子が回転子軸と回転子鉄心と回転子制動体とを有する電気機械の回転子に関する。その回転子鉄心と回転子制動体は一般的には互いに軸方向に間隔を隔てて回転子軸上に固定されている。

本発明はまた、固定子と上記回転子とを備えた電気機械に関する。

回転電気機械特に電動機は、固定子と回転可能に支持された回転子とを有している。その回転子は典型的に回転子軸上に固定された回転子鉄心を有している。

ロボット工業に採用され、あるいは回転子軸に結合された駆動構成要素を位置決めするために採用される電気機械は知られている。

かかる電気機械は、好適には、回転子およびこれに結合された駆動構成要素を制動するための制動装置を有している。

その制動装置は、電気機械の無給電状態で回転子軸に結合された駆動構成要素を停止するための停止ブレーキとすることができる。かかる電気機械はサーボモータとも呼ばれる。

その制動装置は非常用ブレーキでもよい。非常用ブレーキの作動時、電気機械並びにこの電気機械に結合された駆動構成要素は確実に制動される。ここで非常時とは、例えば電気機械の故障時、給電周波数変換装置の故障時あるいは電気機械の制御装置の故障時である。回転子およびこれに結合された駆動構成要素の制動によって、例えば駆動構成要素が制動されずに機械的ストッパに向けて走行し衝突することが防止される。

かかる電気機械において、回転子鉄心と回転子制動体は、制動装置の構成部品として回転子軸上に互いに軸方向に間隔を隔てて固定されている。ここで「軸方向」とは、電気機械の回転軸線に対して平行方向を意味する。回転子制動体は通常は回転対称に形成されている。その回転子制動体はその固定のために回転子軸上に固く焼きばめることができる。

その代わりにあるいはそれに加えて、回転子制動体は回転子軸にねじ結合あるいはピン結合することができる。

回転子およびこれに結合された駆動構成要素は、回転子制動体の外周面（ラジアル面）あるいはアキシャル端面に作用する制動力によって制動される。ここで「ラジアル」とは、回転軸線に向かう方向ないし回転軸線から離れる方向を意味する。回転子制動体は制動エネルギの熱吸収のために好適には中実（solid）に形成されている。

制動装置は制動力を与えるためにブレーキシューを有し、そのブレーキシューは作動装置によって回転子制動体の外周面および／又はアキシャル端面に押し付けられる。ブレーキシュー並びにその作動装置は、好適には、電気機械のハウジング内に設けられている。その作動は電気機械式、空気圧式あるいは液圧式に行われる。

あるいはまた制動装置は、軸方向に作用するばねを介して回転子制動体のアキシャル端面に回転不能に取り付けられた固定円盤を有することもできる。その固定円盤は軸方向において固定子制動体に対向して位置する。制動力を与えるために固定円盤を固定子制動体に引き寄せる永久磁石をその固定子制動体に設けることができる。また相対磁界を発生するために、固定子制動体にコイルを設けることができる。そのコイルが電流により励磁されたとき、制動力が高められる。

上述した電気機械が特にロボット工業においてあるいは位置決めのために使用される場合、回転角を高精度で解析する回転検出器が必要である。その回転検出器は通常は電気機械の回転子軸の軸端に設けられる。その回転検出器で発生される回転検出器信号は、周波数変換装置の高動特性制御ユニットの制御のために必要とされる。

上述した構造の回転子における欠点は、制動装置が電気機械および給電周波数転換装置の制御挙動に影響を与えることにある。特に高動特性的用途の場合に、制動体の慣性質量が回転検出器に影響を与える。これは制御回路を不安定にさせる。その原因は回転子制動体によって発生されるねじれ振動にあり、このねじれ振動は回転検出器ないしその後続の調整装置により誤って運動として検出される。

通常、接線方向の変位は１°よりかなり小さい。しかしその変位は、回転子の激しい加速時ないし制動時において、回転子鉄心と回転子制動体との間でねじれ振動運動を生じさせる。その原因はねじれ応力下における回転子軸の弾性挙動にある。

その発生されたねじれ振動は１つあるいは複数の典型的共振周波数を有する。ねじれ振動を制御技術的に抑制するために、その都度の共振周波数に合わされたフィルタ系が必要である。

本発明の課題は、上述の欠点が解消された電気機械の回転子を提供することにある。

また本発明の課題は、それに適した電気機械を提供することにある。

この課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴を有する電気機械によって解決される。本発明に基づく回転子の有利な実施態様は従属請求項２〜８に記載されている。本発明に基づく回転子を備えた適切な電気機械が請求項９に挙げられている。この電気機械の有利な実施態様は従属請求項１０〜１３に記載されている。

本発明に基づいて、回転子鉄心と回転子制動体は互いに固く直結されている。特に、回転子鉄心と回転子制動体との間における（回転子鉄心から回転子制動体への、あるいはその逆向きへの）トルク伝達は摩擦結合継手を基礎としている。そのトルク伝達は追加的にかみ合い結合継手を介して行うことができる。

機械的直結によって、特に従来における回転子の場合のような回転子鉄心と回転子制動体との間の接線方向の変位ないしひねりは生じない。ここで「接線」とは回転軸線の周りの方向を意味する。

回転子鉄心と回転子制動体との直結によって、回転子全体の剛性が高められる。その結果として、ねじれ振動の共振周波数が高周波数側に変移する。これは広範囲にわたる制御を可能とする。同時にこのねじれ振動は従来に比べて小さな振幅を有する。

かかる回転子を備えた電気機械は、有利に、高い動特性で運転できる。共振周波数を抑制するためのフィルタ系は不要とすることができる。

特に有利な実施態様において、回転子鉄心と回転子制動体はそれらの互いに向き合うアキシャル端面で相互に結合されている。

その機械的結合は例えば接着結合である。この場合、片側あるいは両側のアキシャル端面に接着剤層が着けられる。回転子鉄心と回転子制動体の軸方向圧着後およびそれに続く硬化後、回転子鉄心と回転子制動体との間における大きなトルク伝達が可能となる。

それに代えてあるいはそれに加えて、回転子鉄心と回転子制動体との間における外周の環状突合せ箇所に沿って、シーム溶接あるいは点溶接列を設けることができる。

他の実施態様において、回転子鉄心と回転子制動体は、軸方向に作用する固定装置によって相互に結合されている。

その固定装置は例えば回転子鉄心と回転子制動体を互いに締め付ける締付けベルトやクランプとすることができる。

有利な実施態様において、その固定装置は複数の固定手段を有している。これらの固定手段は円周方向に規則的に分布して配置されている。特にそれらの固定手段は互いに等しい角度間隔を隔てて配置されている。あるいはまた、固定手段の分布は予め定められた範囲の内部でも行うことができる。

これによって有利に、回転子鉄心と回転子制動体との間における一様なトルク伝達が保証される。

その固定手段は例えばねじ、ボルト、ピンやドグ（回し金）とすることができる。

好適には、他の実施態様において、回転子鉄心および回転子制動体にそれぞれ軸方向に延びる空所が存在している。また、この固定装置はそれらの空所にそれぞれ配置される固定手段を有している。

その空所およびその中にはめ込まれる固定手段によって、組立が単純化される。

その空所は、好適には、断面円形をしている。特にその空所はボルト、広げマンドレル、ドグ（回し金）あるいはねじをはめ込むための孔である。

回転子鉄心における軸方向空所に雌ねじが設けられる。回転子制動体における軸方向孔は、雌ねじ付き軸方向空所の横断面より幾分大きな横断面を有している。

軸方向空所並びに孔は、回転子鉄心と回転子制動体がその回転子制動体の回転子鉄心とは反対のアキシャル端面からねじ結合できるように整合されている。このために、ボルトは回転子制動体における孔を貫通して差し込まれる。続いて、ボルトが回転子鉄心における雌ねじにねじ込まれることによって、回転子制動体が回転子鉄心にねじ結合される。それに応じて、回転子鉄心と回転子制動体は互いに締付け固定される。

その代わりにあるいはそれに加えて、回転子鉄心と回転子制動体のねじ結合を、回転子鉄心の回転子制動体とは反対のアキシャル端面の側から行なうことができる。

上述した固定方式が好適と見なされる。機械部品を相互に固く結合するために、当該技術者において多種多様の取付け方式が知られている。即ち、ボルトのほかに、締付けスリーブ、ペグ（合くぎ）、ドグ（回し金）並びにドグを広げるための円錐要素（テーパシャンク）が利用される。

他の実施態様において、回転子鉄心および回転子制動体は、回転子軸に沿って最小値と最大値との間で変化しているラジアル広がり寸法を有している。また、空所は回転子軸からその最小値より小さなラジアル距離を有している。

空所の軸方向に延びる切断線が回転子鉄心および回転子制動体において完全にあるいは少なくともほぼ完全に延びている回転子鉄心および回転子制動体の範囲におけるラジアル距離を最小ラジアル広がり寸法と呼ぶ。

この処置のもとで、固定手段は回転軸線に対してできるだけ大きな半径方向距離を有する。また、その固定手段は回転子鉄心ないし回転子制動体の材料ないしその複合材料により少なくともほぼ完全に取り囲まれている。これによって、回転子鉄心と回転子制動体との間における大きなトルク伝達が可能となる。

他の実施態様において、回転子制動体は補助的に半径方向に作用する固定要素によって回転子軸に固く結合されている。その固定手段として、ねじ、ボルト、ピン、ドグ（回し金）などを利用することができる。

この処置によって、回転子全体の剛性が一層高められる。

他の実施態様において、回転子制動体は特に回転子軸上に焼きばめられている。

焼きばめによって固い摩擦結合継手が生ずる。この固定様式の場合、固定手段が有利に省ける。

本発明の課題はまた、固定子と本発明に基づく回転子とを有する電気機械特に電動機によって解決される。

かかる回転子を備えた電気機械は、有利に、高い動特性で運転できる。

それに応じて、その電気機械は、或る実施態様において、特に回転子を制動および／又は停止するための制動装置を有している。その回転子制動体は制動装置の構成部品であり、回転子軸の回転軸線に関してほぼ回転対称に形成されている。

その制動装置はブレーキシューあるいはブレーキライニングを作動するための作動装置を有する。その作動装置によって、回転子制動体がその外周面および／又はアキシャル端面を介して制動および／又は停止される。ブレーキシュー並びにその作動装置は、好適には、電気機械のハウジング内に設けられている。その作動は電気機械式、空気圧式あるいは液圧式で行うことができる。

他の実施態様において、電気機械は回転子軸の軸端に取り付けられた回転検出器を有している。

これによって、電気機械の制御ないし調整はその周波数変換装置を介して行える。

特別な実施態様において、回転検出器は回転子軸の回転子制動体側のアキシャル端に固定されている。

回転子制動体と回転検出器との短い軸方向間隔によって、回転子および特に回転子軸のねじり弾性が制御技術上において無視できる。電気機械の制御ないし調整はより高い動特性で行える。

電気機械は特にサーボモータである。かかるサーボモータは特にロボット工業において並びに機械構成要素および設備構成要素を位置決めするために必要とされる。

他の有利な実施態様および本発明の有利な発展形態は従属請求項から理解できる。

以下図に示した実施例を参照して本発明並びにその有利な実施例を詳細に説明する。

図１は従来における電気機械１を概略縦断面図で示している。図１における電気機械１は機械式制動可能な電動機である。

この電気機械１は固定子２と回転子３を有している。この回転子３は回転子軸４と回転子鉄心５と回転子制動体６を有している。その回転子鉄心５と回転子制動体６は回転子軸４に固く結合されている。符号Ａは電気機械１の回転軸線である。この回転軸線Ａは回転子鉄心５並びに回転子制動体６の対称軸線と一致している。通常、回転子鉄心５と回転子制動体６は互いに軸方向に間隔を隔てて回転子軸４上に設けられている。回転子鉄心５から回転子制動体６へのトルク伝達は従来において専らないしほぼ専ら回転子軸４を介して行われる。

回転子軸４はその両側軸端が例えば転がり軸受のような軸受７で支持されている。その軸受７並びに固定子２は、通常、電気機械１のハウジング８内に配置されている。

回転子制動体６は電気機械１の制動装置（図示せず）の構成部品である。回転子制動体６は回転対称で中空円筒形をしている。この回転子制動体６は例えば回転子４上に焼きばめられ、あるいは以下に図２の例で示されているように、ラジアル固定手段によって回転子軸４に固く結合される。回転子制動体６は例えば鋼あるいはアルミニウムで作られる。

図１の例において、回転子制動体６は回転子の出力軸側とは反対のアキシャル端面９を介して制動される。制動力を与えるために、回転子制動体６のアキシャル端面９はブレーキ作動装置１１のブレーキシュー１０に対向して位置している。そのブレーキ作動装置１１は図１の形態では、圧縮空気を供給して回転子制動体６のアキシャル端面９に向けてブレーキラム１２を動かすエアシリンダである。その作動方向は矢印で示されている。ブレーキ作動装置１１は、好適には、電気機械１のハウジング８内に設けられている。

制動トルク伝達を増大するために、回転子制動体６はそのアキシャル端面９に半径方向張出部１３を有し、この半径方向張出部１３は、回転子軸４に対して回転子制動体６の図示された残留部より大きな半径方向距離を有している。その半径方向張出部１３は好例としてブレーキディスクを形成している。

回転子制動体６はその外周面１４を介して制動することもできる。この場合、その外周面１４はブレーキハブを形成する。

図１の右側部分に、回転子軸４の回転運動を検出するための回転検出器１５が示されている。この回転検出器１５は破線で示された回転検出器軸１６を有し、この軸１６は回転子軸４の軸端１７に固く結合されている。符号１８は好例として回転検出器１５を機械的に防護するためのキャップである。

図２は従来における回転子を縦断面図で示している。図２の左側部分に回転子鉄心５が示されている。図２の右側部分に回転子制動体６が示されている。この回転子制動体６はラジアル固定手段２０によって回転子軸４に固く結合されている。その図示された機械的継手はかみ合い結合兼摩擦結合継手である。

その代わりにあるいはそれに加えて、回転子制動体６を回転子軸４に焼きばめることができる。かかる機械的継手は純粋な摩擦結合継手である。

図３は本発明に基づく回転子２３を縦断面図で示している。本発明に基づいて、回転子鉄心５と回転子制動体６は互いに固く直結されている。

図示された実施例において、回転子制動体６は回転子軸４の出力軸側とは反対の側に位置し、回転子鉄心５は回転子軸４の出力軸の側に配置されている。

また回転子鉄心５と回転子制動体６の軸方向位置を上述の場合と逆に置き換えることもできる。

図３の実施例において、回転子鉄心５と回転子制動体６は互いに対向して位置するアキシャル端面２４、２５で相互に結合されている。好適には、その両アキシャル端面２４、２５は平らであり、図３に示されているように、回転子軸４の回転軸線Ａに対して垂直に形成されている。両アキシャル端面２４、２５はまた、例えば円錐状や球面状のように任意の幾何学的表面にすることもできる。重要なことは、両アキシャル端面２４、２５が摩擦結合的トルク伝達のためにできるだけ大きな相互接触面が存在するように互いに調和されていることにある。

図３の実施例において、複数のボルトが固定手段２６として存在している。好適には、それらの固定手段２６は円周方向に規則的に分布して配置されている。固定手段２６の数は例えば２個、３個、６個、８個などとすることができる。図３の実施例において、その数は図示された断面において固定手段２６がちょうど軸心に対して両側に正対して位置するように偶数にされている。図４にその規則的分布の例が示されている。

回転子鉄心５および回転子制動体６にそれぞれ固定手段２６を受けるために、その固定手段２６が内部に配置される軸方向に延びる空所２７、２８が存在している。符号２７は回転子鉄心側空所であり、符号２８は回転子制動体側空所である。図３の実施例において、回転子鉄心側空所２７はそれぞれ、図示されたボルト２６の雄ねじに合わされた雌ねじを有している。回転子制動体側空所２８はそれぞれ、回転子鉄心側空所２７の雌ねじ直径より幾分大きな直径を有する孔である。回転子鉄心５と回転子制動体６を相互に結合するために、それらのボルト２６は回転子制動体６の空所２８を貫通し、回転子鉄心５の空所２７にねじ込まれる。そのねじ結合によって、回転子鉄心５と回転子制動体６が互いに固く締付け固定される。その締付け力は本発明に基づく回転子２３のねじり剛性を有利に高める。

好適には、回転子制動体６のアキシャル端面９に、ねじ結合時にボルト２６のボルト頭部３０がはまり込む円筒状凹所２９が設けられている。そのボルト頭部３０は例えば六角穴付きボルト頭部とすることができる。

これによって、回転子制動体６のアキシャル端面９に、回転子２３を制動するための大きな面が有利に用意される。

回転子鉄心５と回転子制動体６は、回転子軸４に沿って最小値Ｂと最大値Ｃとの間で変化しているラジアル広がり寸法を有している。また、回転子鉄心５および回転子制動体６における空所２７、２８は、回転子軸４から最小値Ｂより小さなラジアル距離Ｄを有している。そのラジアル距離Ｄはそれぞれの空所２７、２８の最大ラジアル距離に関係している。

図３の実施例において、ラジアル距離Ｄは最小値Ｂより小さな値を有している。図示された空所２７、２８は、回転子鉄心５および回転子制動体６において軸方向に延びるその切断線に完全に沿って延びている。この処置のもとで、ボルト２６は回転軸線Ａに対してできるだけ大きなラジアル距離Ｄを有している。また、ボルト２６は回転子鉄心５ないし回転子制動体６の材料によって完全に取り囲まれている。これによって、回転子鉄心５と回転子制動体６との間の特に大きなトルク伝達が可能となる。

図３の実施例において、回転子鉄心５並びに回転子制動体６は回転子軸４上に焼きばめられている。回転子鉄心５と回転子制動体６はそれぞれ回転子軸４上にはめ込むために、常温状態において回転子軸４の外径より幾分小さな内径をした孔を有する。回転子軸４上へのはめ込みが可能となるように、回転子鉄心５と回転子制動体６の両部品の加熱によってその内径が拡大される。それらが冷えた後、両回転体５、６と回転子軸４との高い摩擦結合が生ずる。

その代わりに、回転子制動体６は、図２に従来の形態で示されているように、補助的に半径方向に作用する固定手段によって、回転子軸４に固く結合することもできる。その固定手段として、ねじ、ボルト、ピン、ドグ（回し金）などが利用できる。

図３の実施例において、ボルト２６は回転子鉄心５を回転子制動体６に結合するための軸方向に作用する固定装置に相当する。

あるいはまた、両回転体５、６を相互に機械式に締め付ける締付けベルトやクランプも利用できる。その締付けベルトは例えば、両回転体５、６の互いに相反する側のアキシャル端面３１、９に機械的に結合されたスチールベルトやスチールロープとすることができる。

本発明に基づく回転子２３は例えば電動機や発電機のような電気機械１の構成部品である。その電気機械１は同期機あるいは非同期機である。かかる電気機械は有利に高い動特性で運転できる。

特にその電気機械１は図３に示されているように、回転子２３を制動および／又は停止するための制動装置（図示せず）を備えた電動機である。その回転子制動体６は制動装置の構成部品である。

回転子制動体６は、図３の実施例において、制動装置（図示せず）によって回転子制動体６の外周面１４ないしアキシャル端面９を介して制動ないし停止される。その作動は例えば電気機械式、空気圧式あるいは液圧式で行わうことができる。

図３の実施例において、電気機械１の回転検出器１５が回転子軸４の軸端１７に取り付けられている。図３の実施例において、回転検出器１５は回転子軸４の回転子制動体６に軸方向に隣接する軸端１７に取り付けられている。

これによって、回転子制動体６と回転検出器１５との軸方向間隔が、回転子２３のねじり弾性および特に回転子軸４のねじり弾性が制御技術上において無視できるように小さくなる。電気機械の制御ないし調整はより高い動特性で行うことができる。

特に本発明に基づく電気機械１はサーボモータである。かかるサーボモータは、特に有利に、ロボット工業並びに機械設備および設備構成要素の位置決めに採用できる。

図４は本発明に基づく回転子を図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図で示している。

図４の実施例において、好例として６個のボルト２６が固定手段として回転子制動体６の円周方向に規則的に分布して配置されている。それらのボルト２６は互いに６０°の等角度Ｗ間隔を隔てて配置されている。固定手段２６ないしボルトの分布は予め決定された範囲の内部に行うこともできる。

従来における電気機械の概略縦断面図。 従来における回転子の縦断面図。 本発明に基づく回転子の縦断面図。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った本発明に基づく回転子の断面図。

１ 電気機械
４ 回転子軸
５ 回転子鉄心
６ 回転子制動体
９ アキシャル端面
１７ 軸端
２３ 回転子
２４ アキシャル端面
２５ アキシャル端面
２７ 空所
２８ 空所

Claims (13)

1. 回転子軸（４）と回転子鉄心（５）と回転子制動体（６）とを有し、その回転子鉄心（５）と回転子制動体（６）が互いに軸方向に沿い回転子軸（４）上に固定されている電気機械（１）の回転子であって、
   回転子鉄心（５）と回転子制動体（６）が相互に回転しないように直結されていることを特徴とする電気機械の回転子。
2. 回転子鉄心（５）と回転子制動体（６）が、それらの互いに向き合うアキシャル端面（２４、２５）で相互に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 回転子鉄心（５）と回転子制動体（６）が、軸方向に作用する固定装置によって相互に結合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転子。
4. 固定装置が円周方向に規則的に分布して配置された複数の固定手段（２６）を有していることを特徴とする請求項３に記載の回転子。
5. 回転子鉄心（５）および回転子制動体（６）にそれぞれ軸方向に延びる空所（ ２７、２８）が存在し、
   固定装置が前記空所（２７、２８）内にそれぞれ配置される固定手段（２６） を有している、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の回転子。
6. 回転子鉄心（５）および回転子制動体（６）が回転子軸（４）に沿って最小値（Ｂ）と最大値（Ｃ）との間で変化しているラジアル距離を有し、
   前記空所（２７、２８）がその最小値（Ｂ）より小さなラジアル距離（Ｄ）を有している、
   ことを特徴とする請求項５に記載の回転子。
7. 回転子制動体（６）が補助的に半径方向に作用する固定要素によって回転子軸（４）に固く結合されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の回転子。
8. 回転子制動体（６）が回転子軸（４）上に焼きばめられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の回転子。
9. 固定子（２）と請求項１ないし８のいずれか１つに記載の回転子（２３）とを備えていることを特徴とする電気機械。
10. 電気機械が回転子（２３）を制動および／又は停止するための制動装置を有し、
    回転子制動体（６）がその制動装置の構成部品である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の電気機械。
11. 電気機械が回転子軸（４）の軸端（１７）に固定された回転検出器（１５）を有していることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電気機械。
12. 回転検出器（１５）が回転子軸（４）の回転子制動体（６）側の軸端（１７）に取り付け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. 電気機械がサーボモータであることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれか１つに記載の電気機械。

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