JP2011152037A - 固定子及びこの固定子に装着された回転子を有する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで製造可能なモータを提供する。
【解決手段】固定子１が、回転子２のシャフト５の第１端部４のための第１軸受３と、シャフトの第２端部７のための第２軸受６とを有する。第１及び第２軸受３、６がそれぞれ永久磁石８、９を有し、永久磁石８、９はシャフト５に磁力を及ぼす。あるいは、シャフト５が永久磁石として形成され、第１及び第２軸受３、６がそれぞれ強磁性体部を有する。シャフト５の２つの端部４、７の少なくとも１つが点支持により軸方向に支持される。この装置は例えばファンである。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子とこの固定子に装着された回転子とを有する装置であって、固定子が回転子のシャフトの第１端部のための第１軸受と、シャフトの第２端部のための第２軸受とを有する装置に関する。

このような装置は、先行技術において電動ファン等が公知である。シャフトの２つの軸受は、例えばジャーナル軸受の形状である。このようなジャーナル軸受は摩耗がさけられず、この結果、生じる騒音が増加し、寿命が短くなるという欠点が公知である。出願人が本願と同じ特許文献１によると、回転子をシャフトの一方の端部だけで固定子に取り付けることも可能である。しかし、このためにはシャフトを固定子に軸方向に固定することが必要なので、さらに費用がかかり、特に組立て時に適切な手段を必要とする。

例えば、特許文献２及び特許文献３により磁気軸受もまた公知である。これらの軸受は複雑な閉ループ制御が必要であり、概して超電導材料が必要である。これらの軸受は、例えば小型ファン等の多くの用途に使用することができない。磁気的に負荷を緩和する軸受も公知であるが、これらもまた多くの用途に適さない。

ドイツ特許公開第３９２８７４９号 ドイツ特許公開第４４３６８３１号 ドイツ特許公開第１９６４１４３８号

本発明は、非常にコスト効率よく製造可能な、冒頭に記載したタイプの装置を提供することを目的とする。また、このような装置は、小型ファン等の大量生産型の製品に使用することを目的とする。

請求項１によると、本発明の目的は、第１及び第２の軸受がそれぞれ永久磁石を有し、この永久磁石は前記シャフトに磁力を及ぼし、又は、前記シャフトが永久磁石として形成され、前記第１及び第２軸受がそれぞれ強磁性体部を有し、前記シャフトの２つの端部の１つが点支持（ａ ｐｏｉｎｔ ｂｅａｒｉｎｇ）によって軸方向に支持されることにより達成される。このように、本発明による装置では、モーターが点支持によって一方に支持され、磁力により回転子を実質的に中心に位置させる。回転子の質量慣性力が付加的位置安定性に寄与することが試験により証明された。このためラジアル軸受は実質的に全く必要ではない。衝突等の外乱（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）が起こった場合、シャフトは中心位置から半径方向にずれるが、その後、磁力により再び中心位置に自動的に戻る。２つの軸受は非常にコスト効率よく製造することができる。必要なものは２つの永久磁石だけである。２つの永久磁石は比較的小型にすることができるので、大きな追加的空間を必要としない。軸方向の固定は不要である。本発明による装置は、具体的にはＣＨ−Ａ−６９２８８０に開示されるような整流子のない直流モーターとともに使用することが特に適切であることが試験で証明されている。このような直流モーターは基本的に回転子に半径方向分力ではなく、軸方向分力が作用する。シャフトが永久磁石からなり、各軸受が強磁性体部を有していても、これらの効果は達成される。

本発明の一展開によると、シャフトの２つの端部の一方だけが点で軸方向に支持され、シャフトの他の端部は機械的に自由に動くことができる。従って、シャフトの一方の端部の先端領域にのみ摩擦が生じる。この結果、摩擦力と摩耗を最小にすることができる。シャフトの自由な端部は機械的に無負荷で、対応する永久磁石の磁場にのみさらされる。特に、整流子のない直流モーターを備えた小型ファンのこのような軸受は非常に頑強で、比較的激しい振動に対してもダメージを受けないことが見い出された。

本発明の一展開によると、少なくとも１つの軸受がシャフトを半径方向に強制的に保持する手段を備える。好ましくは両方の軸受がこのようにして半径方向に強制的に保持される。振動を受けた場合、このような強制的な保持によりシャフト及び／又は回転子の半径方向への許容できない偏位を防止することができる。対応する偏位の後、シャフトは磁力によって自動的に中央に戻る。従って、強制的な保持又は強制的な保持手段は衝撃荷重を受けたときにのみ機能する。強制的な保持は、軸受の一部をつば又はスリーブの形状にすることによって、簡単な方法で達成することができる。

本発明の一展開によると、一方の永久磁石がシャフトに対して吸引効果を有し、他方の永久磁石がシャフトに対して反発効果を有する。シャフトは引き付ける永久磁石に点で接触する。反発する側では、シャフトはこのとき機械的に自由に可動であることが好ましい、及び／又は、反発する永久磁石からある距離を置いて離れている。この距離は、例えば数１００分の１ミリメートルと、極めて小さくてもよい。シャフトは強磁性体物質から非常にコスト効率よく製造することが可能である。両方の永久磁石がシャフトに対して吸引効果を有する実施形態も可能である。この場合、一方の永久磁石が他方の永久磁石より大きい引力を有することが好ましい。

シャフトは２つの永久磁石の一方に点で直接接触してもよい。しかし、この場合、間接的支持も可能であり、例えば、シャフトは永久磁石の１つに設けられた摩擦低減被膜の上に支持される。このような被膜用材料として、ポリアミド、好ましくはプラスチック、及び／又はモリブデンを含有するポリアミドが特に適している。

シャフトが永久磁石で形成される場合、少なくとも１つの強磁性体部がシャフトに向かって湾曲していれば、シャフトの中心戻りが特に確実となる。

さらなる有利な特徴は、従属項、下記の説明及び図面によりもたらされる。

本発明による装置の概略断面図である。 図１に示す装置の軸方向断面の立体図である。 本発明による装置の、図１の矢印IIIの方向から見た図である。 本発明による装置の、図１の矢印IＶの方向から見た概略立体図である。 装置の一変形例の軸方向断面の立体図である。

本発明の例示の実施形態を、図を参照して以下でさらに詳細に説明する。

装置１０はファン、特に小型ファンを形成し、回転子２が取り付けられた固定子１を有する。固定子１は２つの固定子部品１ａと１ｂからなり、図３に示すようにこれらの固定子部品１ａと１ｂは係止突部２１により互いに取り外し可能に連結されている。この場合、図に示すように、固定子部品１ａは方形で箱状であり、固定子部品１ｂは基本的に平坦でプレート状である。回転子２が回転しているときに流れが軸方向に固定子１を通過することができるように、２つの固定子部品１ａと１ｂは開き、流路２６を形成する。これにより、回転子２が回転しているときに、図１の右から左へと空気が流れる。

固定子部品１ａは軸受板２９を中央に有し、この軸受板２９は枠形状の固定子部品１ａの一部にウェブ２２を介して接続される。詳細には示されていないが、整流子のない直流モーターのコイル２７と制御要素がこの軸受板２９の片面に配置される。コイル２７は円環状磁石２８と相互作用し、この円環状磁石２８は回転子２に連結される。整流子のない直流モーターはＣＨ−Ａ−６９２８８０に従い設計することができる。しかし、他の適切なモーターを使用することもできる。図３に示すように、固定子部品１ｂも同様に複数のウェブ１０を有し、これらのウェブはリング３０を介して互いに中央で連結する。第１軸受３０はこのリング３０に設置される。軸受３０は環状の第１ホルダー１３を有し、この第１ホルダー１３の内部に第１永久磁石８が設置される。第１ホルダー１３はリング３０に挿入され、例えばここには図示しない係止手段によってリング３０に取り付けられる。永久磁石８は第１ホルダー１３に堅固に接続される。第２軸受６は第２永久磁石９と第２ホルダー１４により形成される。この第２ホルダー１４は軸受板２９の一部をなす。第２永久磁石９はこの第２ホルダー１４と軸受板２９に堅固に接続される。永久磁石９と第２ホルダー１４は第２軸受６を形成する。

２つの軸受３と６は回転子２のシャフト５を支持するために用いられる。このシャフト５はフランジ２５を介して回転子２に堅固に接続され、第１端部４と第２端部７を有する。この場合では、第１端部４は第２端部７よりかなり短い。シャフト５は強磁性物質からなり、少なくとも第１永久磁石８により軸方向に引き付けられる。第２永久磁石９は反発効果が第２端部７とシャフト５に作用するように設計してもよい。第２永久磁石９がシャフト５に対して吸引効果を有する実施形態も可能であるが、吸引力は第１永久磁石８よりかなり小さい。従って、シャフト５は第１永久磁石８の方へ引っ張られ、一点で、ここでは接触点１５で第１永久磁石８に接触する。図示のように、第１端部１４は対応して湾曲している。シャフト５が第１永久磁石８と接触する側の永久磁石８には、平らな被膜１１が設けられ、この被膜１１はポリアミド等の低摩擦材料から製造される。摩擦抵抗をできるだけ小さくするために、ポリアミドはモリブデンを含んでもよい。しかし、第１端部４が直接永久磁石８に接触する実施形態もまた可能である。図示のように、永久磁石８の両サイドに被膜１１を設けてもよい。これにより、組み立てる際に永久磁石８はどちらの方向にも挿入することができる。図に示すように、第１端部４は比較的短い。従って、フランジ２５は第１永久磁石８から比較的近い距離にある。どの場合においても、この距離は第２永久磁石９との距離の数分の１である。シャフト５が接触する被膜１１の表面は好ましくは平面であるが、平面ではない表面にすることもできる。

第１ホルダー１３と第１端部４の間には環状の中間領域１６がある。回転子２が回転するとき、第１ホルダー１３は通常、接触していない。第１端部４は第１永久磁石８の磁力だけで支持されるので、装置１０に大きな衝撃荷重がかかったときに、この第１端部４は半径方向にそれる可能性がある。この半径方向への偏位は第１ホルダー１３によって制限される。従って、第１端部４は第１永久磁石８の磁場から離れられず、このような荷重がかかった後にその都度この磁場によって再び中心に戻る。第２ホルダー１４は第２端部７に対して同様の機能を持つ。対応する中間領域に、ここでは参照符号１７を付ける。第２端部７と永久磁石９との間の距離は短めにしてもよく、永久磁石９には同様に被膜１２が設けられる。しかし、端部７もまた第２永久磁石９に弾性的に接触させてもよい。この弾性力は比較的小さいが、固定子部品１ｂのウェブ２０によってもたらされる。ここでは、第２端部７と第２永久磁石９との接触も同様に点形状である。

モーターは、力を回転子２に軸方向に導入することが好ましい。これにより回転子２を特に安定的に支持することができる。従って、半径方向において、モーターは回転子２に実質的に力を及ぼさない。さらに、回転子２の回転中に質量慣性力が支持安定性を支援する。

図示した例示の実施形態では、装置１０は空気を軸方向に流すファンである。しかし、原理上、装置１０は放射状のファンにすることもできる。しかしまた、空気の代わりに、例えば水などの異なる媒体を装置１０に通過させることができる。最後に、装置１０は例えばタービンの形状であってもよい。従って、この場合、装置１０に流れる媒体が回転子２を駆動し、発電機を介して電力を生み出す。例として、装置１０は電気器具に固定して装着させることができる。このために４つの開口部１９が固定子１に設けられ、ここでは図示しない、例えば、取り付けねじ等の保持に適応する。図示した例示の実施形態では、回転子２には複数の羽根１８が設けられる。これらの羽根１８は適用に応じて様々な設計にすることができる。

装置１０の軸受は非常にコスト効率よく製造することができる。潤滑油が不要である。回転子２と固定子１の間には極めて小さな摩擦しか存在しない。実質的に広い温度範囲で軸受摩擦の変化は起きない。それ自体が公知である多くの磁石が永久磁石８及び９として使用に適している。従って、特別な磁石は必要ではなく、閉ループ制御も不要である。従って、軸受は受動型磁気軸受である。

図５に示した装置１０’もまた固定子１’と回転子２’を有し、回転子２’は磁石２８’を有したモーターを備える。しかし、この実施形態ではシャフト５’は永久磁石として形成されている。ベアリング３’及び６’はそれぞれ強磁性体部３２又は３３を有し、シャフト５’はこの強磁性体部３２又は３３に一点で取り付けられる。図に示すように、２つの強磁性体部３２と３３は、それぞれ第一端部４’と第２端部７’に向かって湾曲する。この結果、磁場はシャフト５’を中心とし、外乱（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）後に再び中心位置に自動的に戻る。

１ 固定子
１ａ 固定子部品
１ｂ 固定子部品
２ 回転子
３ 第１軸受
４ 第１端部
５ シャフト
６ 第２軸受
７ 第２端部
８ 第１永久磁石
９ 第２永久磁石
１０ 装置
１１ 被膜
１２ 被膜
１３ 第１ホルダー
１４ 第２ホルダー
１５ 接触シャフト
１６ 中間領域
１７ 中間領域
１８ 羽根
１９ 開口部
２０ ウェブ
２１ 係止突部
２２ ウェブ
２３ 連結開口部
２４ 回転子
２５ フランジ
２６ 流路
２７ コイル
２８ 磁石
２９ 軸受板
３０ リング
３１ 軸受部
３２ 湾曲
３３ 軸受部

Claims (12)

1. 固定子（１）と該固定子に取り付けられた回転子（２）を有し、前記固定子（１）が、前記回転子（２）のシャフト（５）の第１端部（４）のための第１軸受（３）と、前記シャフト（５）の第２端部（７）のための第２軸受（６）とを有する装置であって、
   前記第１及び第２軸受（３，６）がそれぞれ永久磁石（８，９）を有し、前記永久磁石（８，９）は前記シャフト（５）に磁力を及ぼし、又は、
   前記シャフト（５）が永久磁石として形成され、前記第１及び第２軸受（３，６）がそれぞれ強磁性体部（３２，３３）を有し、
   前記シャフト（５）の２つの端部（４，７）の少なくとも１つが点支持（ａｐｏｉｎｔ ｂｅａｒｉｎｇ）により軸方向に支持される装置。
2. 前記２つの端部（４）の１つだけが点で軸方向に支持される、請求項１に記載の装置。
3. 前記２つの軸受（３，６）の少なくとも１つが前記シャフト（５）を半径方向に強制的に保持する手段を有する、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記２つの永久磁石（８，９）の少なくとも１つ、又は前記シャフト（５）の少なくとも１つの端部（６，７）が少なくとも１つの摩擦低減被膜（１１，１２）を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 前記被膜（１１，１２）がプラスチック、特にポリアミドから製造される請求項４に記載の装置。
6. 前記プラスチックがモリブデン等の摩擦低減成分からなる、請求項５に記載の装置。
7. 前記回転子（２）がモーターで駆動される、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. 前記モーターが整流子のない直流モーターである、請求項７に記載の装置。
9. 前記モーターが、前記回転子（２）に半径方向の分力を実質的に及ぼさないように設計される、請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記装置がファン、特に小型ファンである、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
11. 前記装置がタービンの形状である、請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記２つの強磁性体部（３２，３３）の少なくとも１つがシャフト（５）に向かって湾曲する、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。

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