JP2010148211A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャル形モータおよび変速機構を含む装置全体の扁平化，小型化を実現する。
【解決手段】回転機械Ａは、アキシャル型モータＢと、変速機構Ｃとを共通のケース４０内に収納して構成されている。アキシャル型モータＢは、ロータ２０と、ステータ１０と、回転軸２９とを有している。変速機構Ｃは、外輪ギア２４と、遊星ギア２６と、太陽ギア２７とから構成される。変速機構Ｃの回転出力は、出力軸２１から外部の機器に伝達される。そして、外輪ギア２４は、ロータ本体２２と一体的に設けられている。このように、変速機構の一部（特定部材）である外輪ギア２４をロータ本体２２と一体的に設けることで、アキシャル形モータＢと変速機構Ｃとがつながった構造になる。これにより、アキシャル形モータＢと変速機構Ｃとを含む回転機械Ａ全体が、扁平化，小型化される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アキシャル型モータを備えた回転機械に係り、特に、扁平化、小型化対策に関する。

アキシャル型モータは、ロータとステータとが軸方向に対峙する構造を有している。そして、ロータとステータとを収納したケースから、ロータの回転軸が外方に延びており、これが出力軸となっている。そして、ケース外で、出力軸の回転を変速する変速機構（減速機構）が設けられている。
アキシャル型モータは、ラディアル型モータに比べ、軸方向のサイズが小さい扁平形状を有し、かつ、全体に小型化が可能な点に特徴がある。

特許文献１には、特殊なポリアミド樹脂により、出力軸と歯車とを一体成形することにより、歯車機構の小型化を図った構造が開示されている。
特許文献２には、モータの回転力を受けるローラと歯車とを一体設計した構造が開示されている（同文献の段落［００４５］）。
特許文献３には、樹脂成形により、モータの出力軸と歯車とを一体成形したものを使用することができる旨、開示されている（同文献の段落［００５４］）。
実開平１−１２３４４７号公報） 特開平１０−２７３２５０号公報 特開平８−１５４３６０号公報

上記いずれの各特許文献においても、モータの出力を外部機器に伝達する出力軸の先に、変速機構が配置されている。
しかるに、上記各文献の変速機構をアキシャル型モータの出力側に配置しても、この変速機構のために相当のスペースが必要となる。そのため、上記各文献の技術をそのまま採用したのでは、扁平性，小型性というアキシャル型モータの特徴を十分活かすことができない。

本発明の目的は、アキシャル形モータおよび変速機構を含む装置全体の扁平化，小型化を実現することにある。

本発明の回転機械は、アキシャル型モータと、変速機構と、出力軸とを備えている。アキシャル型モータは、ロータ本体を有するロータとステータとを，ロータ本体の回転軸の軸方向に相対向させたものである。
そして、変速機構の一部を構成する特定部材は、前記アキシャル型モータの前記ロータ本体と一体的に設けられている。

特定部材としては、変速機構の外輪ギア，太陽ギアや、遊星ギアの回転を支持する部材などがある。
特定部材と、ロータ本体とを一体的に設ける態様としては、個別の部材を直接連結する構造、共通の材料によって一体成形する方法、相異なる材料を用いてアウトサート成形（もしくはインサート成形）する方法などがある。

これにより、アキシャル型モータと変速機構とが、特定部材を介してつながった構造になる。したがって、モータと変速機構とが分離していた従来の装置に比べて、回転機械全体の厚さが低減される。よって、扁平性，小型性というアキシャル型モータの特性を生かすことができる。

一般的には、特定部材を、ロータ本体と一体的に設けられたロータギアとすることになる。
これにより、ロータ本体の回転力が、出力軸を介してではなく、直接ロータギアに伝達されるので、伝達効率が向上する。よって、アキシャル型モータの高出力化を実現することもできる。

特に、ロータギアを、外輪ギアとすることにより、簡素な構造で、減速機構として機能する変速機構を設けることができる。
ロータギアを外輪ギアとした場合でも、変速機構として各種構成が可能である。
もっとも簡素な構成は、外輪ギアに係合する遊星ギアと、遊星ギアに係合し、回転中心軸が出力軸である太陽ギアとを設けてものである。
これにより、製造コストが安価で、扁平化，小型化にも有利な減速機構が得られる。

また、ロータギアを外輪ギアとして、中心軸が固定された太陽ギアと、外輪ギアおよび太陽ギアとに係合する複数の遊星ギアとを設けることもできる。その場合、複数の遊星ギアの公転中心軸を出力軸とすればよい。

また、特定部材を、ロータ本体から軸方向に延びる支持部材とし、支持部材の回りに回転可能な遊星ギアを取り付けてもよい。そして、これに係合する太陽ギアおよび外輪ギアとを設けることができる。その場合には、太陽ギアの中心軸を固定し、外輪ギアの回転軸を出力軸とすることができる。

また、アキシャル形モータおよび変速機構を、共通のケースに収納することが好ましい。このとき、出力軸を、ケースから外方に延ばすことで、モータを外部機器の回転動力源として利用することができる。
このように構成することにより、変速機構を収納するためのケースが別途不要になるので、回転機械の扁平化，小型化をさらに進めることができる。

本発明の回転機械により、アキシャル形モータと変速機構とを含む装置全体の扁平化，小型化が可能で、高出力化も図ることができる。

（実施の形態１）
図１（ａ），（ｂ）は、実施の形態１に係る回転機械Ａの概略的な構造を示す断面図、およびIb-Ib線矢視図である。
図１（ａ）に示すように、回転機械Ａは、アキシャル型モータＢと、変速機構Ｃとを共通のケース４０内に収納して構成されている。

まず、アキシャル形モータＢの構造について、説明する。アキシャル型モータＢは、ロータ２０と、ステータ１０とから構成される。
「アキシャル型モータ」とは、このように、ロータ２０とステータ１０とが回転軸の軸方向ｚに対向して配置されるモータのことを示す。このような構成とすることで、モータの偏平化を図ることができる。さらに、コイルの巻数増加がモータの厚みの増加につながらない。よって、本実施の形態のアキシャル形モータBは、高出力化と小型化との両立を図ることが可能なモータである。

なお、本明細書においては、図１（ａ），（ｂ）に示すように、ロータ本体２２の回転軸に平行な方向を軸方向ｚ（スラスト方向）とする。回転軸に直交する方向を半径方向（ラジアル方向ｒ）とする。ステータ１０の円周の方向（ロータ本体２２の回転方向）を周方向θとする。

ステータ１０は、ケース４０側に固定されて不動状態に保持されるものであり、ステータコア１５と、コイル１３とから構成される。
ステータコア１５は、環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から軸方向ｚに突出するティース部１２とから構成されている。
ステータ１０は、ケース４０内で、モールド樹脂３０によって固着されている。モールド樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，ウレタン樹脂等が用いられる。

本実施の形態においては、図３に示すように、ヨーク部１１は積層磁性鋼板により、ティース部１２は金属性磁性粉末を加圧成形による粒子同士のネッキングにより結合もしくは樹脂で結合した圧粉磁性材料によって、それぞれ構成されている。
ティース部１２として、形状自由度が高く加工が容易な圧粉磁心を用いることで、生産効率も向上する。また、熱伝導率のよい圧粉磁心を用いることで、モータの放熱性を向上させることができる。さらに、衝撃荷重をかけることで容易に破壊できることから、リサイクル可能にすることができる。

そして、ヨーク部１１を積層磁性鋼板で、ティース部１２を圧粉磁性材料で形成する構成とすることで、ステータコア１５をハイブリッドステータコアとすることができる。従ってモータの駆動時における騒音を効果的に軽減することができる。よって、モータが配置される空間の静寂化を図ることができる。
ここで「ハイブリッドステータコア」とは、異なる特徴を持つ２つ以上の磁性材料を一体化して構成するステータコアのことを示す。

コイル１３は絶縁被覆導線であり、導線としては、丸線、平角線等、通常用いられるものであれば如何なるものであってもよい。

ロータ２０は、ロータ本体２２と、ロータ本体２２に取り付けられる回転子としての複数の永久磁石２３とから構成される。ロータ本体２２の回転軸２９は、モールド樹脂３０に固着された２個の軸受けＢＲ１，ＢＲ２により、回転自在に支持されている。
ロータ本体２２の材質としては、例えば鉄等の軟磁性体材料等、ロータ本体として通常用いられるものを適宜用いることができる。

永久磁石２３の材質としては、フェライト磁石や希土類磁石等で構成することができる。特に、軽くて磁力の大きいもの、また所定形状への加工が容易なものであることが好ましい。

ここで、本実施の形態の特徴は、図１（ａ）に示すように、内側に歯を有する外輪ギア２４（ロータギア）が、ロータ本体２２と一体的に設けられている点である。外輪ギア２４は、ロータ本体２２の永久磁石２３が取り付けられた面とは対向する側に、設けられている。

また、変速機構Ｃにおいて、外輪ギア２４と、出力軸２１との間には、遊星ギア２６と太陽ギア２７とが配置されている。ケース４０には、軸方向ｚに延びる支持部材２８が４カ所に設けられており、遊星ギア２６は、支持部材２８に装着された軸受けＢＲ３により、回転自在に支持されている。
そして、太陽ギア２７の回転中心軸が出力軸２１となっている。この出力軸２１は、ケース４０に取りつけられた軸受けＢＲ４により、回転自在に支持されている。
外輪ギア２４，遊星ギア２６，および太陽ギア２７により、アキシャル型モータBの回転を変速する変速機構C（本実施の形態では減速機構）が構成されている。

外輪ギア２４，遊星ギア２６，および太陽ギア２７の係合関係は、図１（ｂ）に示す通りである。外輪ギア２４が時計回りに回転すると、遊星ギア２６は、時計回りに自転するが、公転はしない。よって、太陽ギア２７は、反時計回りに回転することになる。
たとえば、太陽ギア２７の歯数を１６，遊星ギア２６の歯数を１６，外輪ギア２４の歯数を４８，とすると、変速機構Ｃの減速比は、３：１となる。

本実施の形態において、外輪ギア２４は、図１（ａ）に表示されているごとくロータ本体２２と連続している必要はない。むしろ、外輪ギア２４をロータ本体２２とは別の材料（たとえば耐摩耗性鉄合金など）によって構成する方が、機能的には好ましい。その場合には、ロータ本体２２と、外輪ギア２４とを、いずれかの部位で嵌合させて、接着，ねじ止め，強嵌合等により連結すればよい。
ただし、共通の金属材料によって、ロータ本体２２および外輪ギア２４を一体成形してもよい。また、相異なる材料を用いて、アウトサート成形（もしくはインサート成形）により、ロータ本体２２および外輪ギア２４を一体的に成形してもよい。

本実施の形態によると、以下の効果が得られる。
モータを配置した従来の装置においては、モータの出力軸の先に、本実施の形態の変速機構Ｃを配置することになる。それに対し、本実施の形態では、アキシャル形モータＢｔｏ出力軸との間に変速機構Ｃが設けられている。そして、変速機構Ｃの一部（特定部材）である外輪ギア２４と、ロータ本体２２とが一体化されている。このように、アキシャル形モータＢのロータ本体２２と、変速機構Ｃの一部がつながっているので、回転機械Ａ全体の軸方向ｚの寸法（厚さ）が低減される。つまり、より扁平化，小型化される。したがって、扁平性，小型性というアキシャル型モータの特性を生かすことができる。

また、ロータ本体２２の回転力が、出力軸を介してではなく、直接外輪ギア２４（ロータギア）に伝達されるので、回転力の伝達効率が向上する。よって、アキシャル型モータＢの高出力化を実現することもできる。

また、従来の構造では、モータと変速機構とは個別にケースに収納されることになる。それに対し、本実施の形態では、アキシャル型モータＢと変速機構Ｃとが共通のケース４０に収納されている。よって、アキシャル型モータＢおよび変速機構Ｃを含む回転機械Ａ全体のさらなる扁平化，小型化を図ることができる。

（実施の形態２）
図２（ａ），（ｂ）は、実施の形態２に係る回転機械Ａの概略的な構造を示す断面図、およびIIb-IIb線矢視図である。
図２において、実施の形態１と同じ構造の部材については、図１と同じ符号を付して、説明を省略する。

本実施の形態においても、ロータ本体２２と一体的に設けられる変速機構Ｃの一部（特定部材）は、外輪ギア２４である。また、ステータ１５は、実施の形態１と同様に、図３に示すハイブリッドステータである。
ただし、本実施の形態では、実施の形態１とは異なり、外輪ギア２４は、ケース４０に取りつけられた軸受けＢＲ５の内側で、回転自在となっている。

変速機構Ｃにおいて、外輪ギア２４と出力軸２１との間に、遊星ギア２６と太陽ギア２７とが配置されている点は、実施の形態１と同じである。
一方、本実施の形態では、太陽ギア２７は、モールド樹脂３０に固定されており、回転しない点で、実施の形態１とは異なる。

また、中心軸２１から延びる円板部材２５に、軸方向ｚに延びる支持部材２８が４カ所に設けられている。遊星ギア２６は、支持部材２８に装着された軸受けＢＲ４により、回転自在に支持されている。そして、円板部材２５の回転中心が出力軸２１となっている。つまり、出力軸２１は、遊星ギア２６の公転中心軸である。
そして、出力軸２１は、ケース４０に取りつけられた軸受けＢＲ３により、回転自在に支持されている。

外輪ギア２４，遊星ギア２６，および太陽ギア２７の係合関係は、図２（ｂ）に示す通りである。外輪ギア２４が時計回りに回転すると、遊星ギア２６は、時計回りに自転するとともに、太陽ギア２７と係合しつつ、時計回りに公転する。そして、遊星ギア２６の公転が、変速機構Ｃの出力として、出力軸２１から外部機器に取り出される。このとき、太陽ギア２７は、上述のように、固定されている。
たとえば、太陽ギア２７の歯数を１６，遊星ギア２６の歯数を１６，外輪ギア２４の歯数を４８，とすると、減速比は、４：１となる。

本実施の形態においても、外輪ギア２４をロータ本体２２とは別の材料によって構成して、両者を連結する方が、機能的には好ましい。
ただし、共通の金属材料によって、ロータ本体２２および外輪ギア２４を一体成形してもよい。また、相異なる材料を用いて、アウトサート成形（もしくはインサート成形）により、ロータ本体２２および外輪ギア２４を一体的に成形してもよい。

本実施の形態によっても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
すなわち、アキシャル型モータBおよび変速機構Ｃを含む回転機械Ａの軸方向ｚの寸法（厚さ）が低減され、より扁平化，小型化される。したがって、扁平性，小型性というアキシャル型モータの特性を生かすことができる。

また、ロータ本体２２の回転力が、直接外輪ギア２４（ロータギア）に伝達されるので、伝達効率が向上する。よって、アキシャル型モータＢの高出力化を実現することもできる。

さらに、アキシャル型モータＢと変速機構Ｃとが共通のケース４０に収納されるので、装置のさらなる扁平化，小型化を図ることができる。

（実施の形態３）
図４（ａ），（ｂ）は、実施の形態３に係る回転機械Ａの概略的な構造を示す断面図、およびIVb-IVb線矢視図である。
図４において、実施の形態２と同じ構造の部材については、図２と同じ符号を付して、説明を省略する。

本実施の形態においても、ステータ１５は、実施の形態１，２と同様に、図３に示すハイブリッドステータである。
しかし、本実施の形態においては、ロータ本体２２と一体的に設けられる変速機構Ｃの一部（特定部材）は、ロータ本体２２から軸方向ｚに延びる支持部材２８である。支持部材２８は、４カ所に設けられている。そして、遊星ギア２６は、支持部材２８に装着された軸受けＢＲ４により、回転自在に支持されている。また、ロータ本体２２は、ケース４０に取り付けられた軸受けＢＲ６により、回転自在に支持されている。
つまり、本実施の形態では、遊星ギア２６の公転中心が、ロータ本体２２の回転中心と同心である。

変速機構Ｃにおいて、遊星ギア２６に係合する外輪ギア２４と太陽ギア２７とが配置されている点は、実施の形態１，２と同じである。また、太陽ギア２７は、モールド樹脂３０に固定されており、回転しない点で、実施の形態２と同様である。

一方、本実施の形態では、外輪ギア２４は、出力軸２１に連結されている。つまり、出力軸２１は、外輪ギア２４の回転中心軸である。
そして、出力軸２１は、ケース４０に取りつけられた軸受けＢＲ３により、回転自在に支持されている。

外輪ギア２４，遊星ギア２６，および太陽ギア２７の係合関係は、図４（ｂ）に示す通りである。ロータ本体２２が時計回りに回転すると、遊星ギア２６は、時計回りに公転するとともに、太陽ギア２７と係合して、時計回りに自転する。このとき、太陽ギア２７は、上述のように、固定されている。
たとえば、太陽ギア２７の歯数を１６，遊星ギア２６の歯数を１６，外輪ギア２４の歯数を４８，とすると、減速比は、１：４となる。つまり、変速機構Cは，実施の形態１，２とは異なり、増速機として機能する。

本実施の形態においては、共通の金属材料によって、ロータ本体２２および支持部材２８を一体成形することが好ましい。
ただし、支持部材２８は、外輪ギア２４とをロータ本体２２とは別の材料によって構成して、両者をネジ止め等によって連結してもよい。
また、相異なる材料を用いて、アウトサート成形（もしくはインサート成形）により、ロータ本体２２および支持部材２８を一体的に成形してもよい。

本実施の形態によっても、実施の形態１、２と同様の効果が得られる。
すなわち、アキシャル型モータBおよび変速機構Ｃを含む回転機械Ａの軸方向ｚの寸法（厚さ）が低減され、より扁平化，小型化される。したがって、扁平性，小型性というアキシャル型モータの特性を生かすことができる。

また、ロータ本体２２の回転力が、直接遊星ギア２４の支持部材２８に公転駆動力として伝達されるので、伝達効率が向上する。よって、アキシャル型モータＢの高出力化を実現することもできる。

さらに、アキシャル型モータＢと変速機構Ｃとが共通のケース４０に収納されるので、装置のさらなる扁平化，小型化を図ることができる。

（他の実施の形態）
本発明において、ロータ本体２２と一体的に設けられる特定部材は、上記各実施の形態に限定されるものではない。たとえば、ロータギアを太陽ギアとしてもよい。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の回転機械は、各種産業機器の回転動力源として利用することができる。

実施の形態１に係る回転機械の概略的な構造を示す断面図、およびIb-Ib線矢視図である。 実施の形態２に係る回転機械の概略的な構造を示す断面図、およびIIb-IIb線矢視図である。 実施の形態１，２におけるハイブリッドステータを分解して示す斜視図である。 実施の形態３に係る回転機械の概略的な構造を示す断面図、およびIVb-IVb線矢視図である。

符号の説明

A 回転機械
B アキシャル形モータ
Ｃ 変速機構
１０ ステータ
１１ ヨーク部
１１ａ 嵌合穴
１１ｘ 磁性鋼板
１２ ティース部
１３ コイル
１５ ステータコア
２０ ロータ
２１ 出力軸
２２ ロータ本体
２３ 永久磁石
２４ 外輪ギア（特定部材）
２５ 円板部材
２６ 遊星ギア
２７ 太陽ギア
２８ 支持部材（特定部材）
２９ 回転軸
３０ モールド樹脂
４０ ケース
ＢＲ 軸受け

Claims (7)

1. ロータ本体を有するロータとステータとを、ロータ本体の回転軸の軸方向に相対向させてなるアキシャル型モータと、
   前記アキシャル型モータの回転出力を変速する変速機構と、
   前記変速機構の出力を外部に伝達する出力軸と、
   を備えた回転機械であって、
   前記変速機構の一部を構成する特定部材は、前記アキシャル型モータの前記ロータ本体と一体的に設けられている、回転機械。
2. 請求項１記載の回転機械において、
   前記特定部材は、前記ロータ本体と一体的に設けられたロータギアである、回転機械。
3. 請求項２記載の回転機械において、
   前記ロータギアは、内側に歯が形成された外輪ギアである、回転機械。
4. 請求項３記載の回転機械において、
   前記変速機構は、
   前記外輪ギアに係合する遊星ギアと、
   該遊星ギアに係合し、回転中心軸が前記出力軸である太陽ギアと、
   をさらに有している、回転機械。
5. 請求項３記載の回転機械において、
   前記変速機構は、
   中心軸が固定された太陽ギアと、
   前記外輪ギアおよび太陽ギアとに係合する遊星ギアとをさらに有しており、
   前記遊星ギアの公転中心軸が前記出力軸である、回転機械。
6. 請求項１記載の回転機械において、
   前記特定部材は、前記ロータ本体から軸方向に延びる支持部材であり、
   前記変速機構は、
   前記支持部材の回りに回転可能な遊星ギアと、
   前記遊星ギアに係合し、中心軸が固定された太陽ギアと、
   前記遊星ギアに係合し、前記出力軸に連結された外輪ギアと、
   をさらに有している、回転機械。
7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の回転機械において、
   前記アキシャル形モータおよび変速機構は、共通のケースに収納されており、
   前記出力軸は、前記ケースから外方に延びている、回転機械。

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