JP2011160564A - 回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】低慣性、高剛性で、高出力を得ることが可能であるとともに、容易に組立を行うことが可能な回転機を提供する。
【解決手段】回転機１は、ケーシング２と、ケーシング２内部に挿通された回転軸３と、ケーシング２の端部に固定され、回転軸３の両端部を軸回りに回転可能に支持する一対の第一の軸受６と、回転軸３に互いに間隔を有して軸方向に配列して設けられた複数のロータ４と、ケーシング２の内周面に固定されて複数のロータ４のそれぞれと対応したステータ５と、ケーシング２にロータ４同士の間で固定され、回転軸３の中間部を回転可能に支持する少なくとも一つの第二の軸受７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力の供給により回転駆動し、あるいは、トルクの入力により発電する回転機に関する。

従来から、電力の供給により回転駆動する電動機や、トルクの入力により発電する発電機などの回転機は、様々な技術分野で利用されている。例えば、自動車の試験装置においては、自動車の駆動輪に対して負荷を与えるのを目的として、駆動輪とともにローラを介して回転する回転軸に回転機としてダイナモメータが取り付けられている。このようなダイナモメータに使用される回転機としては、低慣性、高速、大トルクのものが要求される。このため、回転子鉄心の軸方向中間部に静圧軸受ジャーナルを設けるとともに、固定子鉄心の軸方向中間部に、静圧軸受ジャーナルを回転自在に支持する中間静圧軸受を設けた回転機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。そして、このような回転機によれば、中間静圧軸受により、回転子の曲げ剛性を高くすることができ、回転子を細長くできるので、低慣性化を図ることができるとされている。

特開２０００−３４１９０８号公報

しかしながら、特許文献１の回転機では、一つの回転子に対して、対応する一つの固定子を設けるのみであるから、結局、ロータの慣性モーメントを抑えるとともに剛性を確保しつつ、出力の増大を図るには限界があった。また、回転子の中間部に静圧軸受ジャーナルを組付け、また、固定子に中間静圧軸受を組み付けて、これらをそれぞれケーシング及び回転軸に組み付ける構成であるため、組立精度を確保することが困難であるという問題があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、低慣性、高剛性で、高出力を得ることが可能であるとともに、容易に組立を行うことが可能な回転機を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の回転機は、ケーシングと、ケーシング内部に挿通された回転軸と、前記ケーシングの端部に固定され、前記回転軸の両端部を軸回りに回転可能に支持する一対の第一の軸受と、前記回転軸に互いに間隔を有して軸方向に配列して設けられた複数のロータと、前記ケーシングの内周面に固定されて複数の前記ロータのそれぞれと対応した複数のステータと、前記ケーシングに前記ロータ同士の間で固定され、前記回転軸の中間部を回転可能に支持する少なくとも一つの第二の軸受とを備えることを特徴としている。

この構成によれば、回転軸に複数のロータが設けられており、複数組のロータとステータとによって出力を得ることができるので、これにより全体として高出力を得ることができる。また、複数のロータは軸方向に配列しているので、上記のとおり高出力を得つつも、径方向の寸法を小さくして慣性モーメントを抑えることができる。その一方で、回転軸は、その両端が第一の軸受で支持されているだけでなく、中間部が第二の軸受でも支持されているので、回転軸とロータとで構成される回転体全体の剛性を高めることができる。そして、ロータ、ステータ、第一の軸受及び第二の軸受のそれぞれが別々にケーシングまたは回転軸に組み付けられているので、上記のように低慣性、高剛性で、高出力を得ることができるとともに、容易に組立を行うことができる。

また、前記ケーシングは、前記ケーシングの外部から内部に、前記回転軸の径方向外周側から前記第二の軸受を挿入可能な開口部を有し、前記第二の軸受は、少なくとも二部材に分割可能であることがより好ましい。

この構成によれば、各部材を独立してケーシングまたは回転軸に組み付けて、組立を行うことができる。すなわち、まず、ケーシング内部に、ステータ、及び、第二の軸受の分割された一方の部材を組み付ける。そして、ロータが組み付けられた回転軸をケーシング内部に挿通させ、第一の軸受によって回転軸をケーシングに支持された状態に組み付ける。次に、ケーシングの開口部から第二の軸受の分割された他方の部材を組み付けることで、ケーシング、回転軸、ロータ、ステータ、第一の軸受及び第二の軸受を組み立てることができる。

また、各前記ステータを、それぞれ独立して制御する制御部を備えることがより好ましい。
この構成によれば、制御部によって対応する各ステータに制御信号を出力することで、複数組のロータとステータとによって出力を得ることができる。そして、制御部によって各ステータを独立して制御することで、各ステータにより等しく出力を発生させることができ、これにより回転軸の軸方向に異なるトルクが作用してしまうことなく、ロータとステータとの各組によって安定した出力を得ることができる。

また、前記制御部は、入力信号に基づいて各ステータで必要な出力と対応する指令信号を出力する主制御部と、前記ステータと対応してそれぞれ設けられ、該主制御部から入力される前記指令信号に基づいて前記ステータを制御する副制御部とを備えることがより好ましい。

この構成によれば、主制御部によって、入力信号に対して、各ステータで必要な出力と対応する指令信号を出力することができる。そして、副制御部によって入力された指令信号に基づいて、それぞれ対応するステータを制御することによって、各ロータ及びステータにより略等しい出力を発生させて、全体として入力信号と対応した出力を得ることができる。

本発明の回転機によれば、回転軸の軸方向に配列して設けられた複数のロータと、これら複数のロータに対応した複数のステータと、ロータ同士の間でケーシングに固定された第二の軸受とを備えることで、低慣性、高剛性で、高出力を得ることが可能であるとともに、容易に組立を行うことができる。

この発明の実施形態の回転電動機の断面図である。

図１は、この発明に係る実施形態を示している。図１に示すように、この実施形態の回転機である回転電動機１は、例えば、車両の試験装置に、ダイナモメータとして搭載されるものである。回転電動機１は、略円筒状のケーシング２と、該ケーシング２に挿通された回転軸３と、回転軸３に設けられた複数のロータ４と、ケーシング２の内周面に各ロータ４と対応して固定された複数のステータ５と、各構成の制御を行う制御部１０とを備える。

ケーシング２は、略円筒状の本体部２１と、本体部２１の両端部を閉塞する端部支持板２２とを備える。端部支持板２２の中央部には、それぞれ、貫通孔が形成されており、第一の軸受６が嵌合固定されている。第一の軸受６としては、ころがり軸受や滑り軸受などが適用される。そして、回転軸３は、両端部において、それぞれ第一の軸受６に軸回りに回転可能に支持されている。

また、ロータ４は、例えば、図示しないが、略円盤状の鋼板を軸方向に積層して構成された鉄心部と、鉄心部に軸方向に挿通されるとともに、周方向に複数配列され永久磁石により構成され、全体として略円筒状の形状を呈して回転軸３に嵌合されている。ここで、ロータ４は、回転軸３の軸方向に互いに間隔を有して複数、本実施形態では第一のロータ４Ａ、第二のロータ４Ｂ及び第三のロータ４Ｃと３つ配列して設けられている。

また、ステータ５は、各ロータ４と対応して、該ロータ４の外周側に複数、本実施形態では第一のステータ５Ａ、第二のステータ５Ｂ及び第三のステータ５Ｃと３つ配列して設けられている。各ステータ５は、図示しないが、略ドーナツ状の鋼板を軸方向に積層して構成された鉄心部と、鉄心部に巻き回されたコイルとで構成されている。

また、ケーシング２の本体部２１内周面において、ステータ５同士の間には、略環状の軸受支持部２３が突出するようにして設けられている。そして、各軸受支持部２３には、第二の軸受７が嵌合固定され、回転軸３が軸回りに回転可能に支持されている。なお、ケーシング２の本体部２１には、第二の軸受７を外部から内部へ、径方向外周から挿入可能な開口部２４を有しており、組立後においては閉塞されている。第二の軸受７としては、滑り軸受などが適用され、後述するように少なくとも半円状の二部材に分割されることが好ましい。

また、回転軸３には、内部に軸方向に冷却流体として冷却油を供給可能な供給孔３１が形成されており、ケーシング２から突出する一端部３ａ端面に供給側開口を形成し、該開口から冷却油を供給することが可能となっている。また、供給孔３１は、回転軸３の他端部３ｂ側において、径方向に延びて外周側に吐出側開口を形成し、これにより一端側から供給された冷却油を回転軸３の回転に伴って遠心力を利用して吐出側開口からケーシング２内部に吐出させ、ケーシング２の内部を冷却することが可能となっている。また、回転軸３の一端部３ａにはエンコーダ８が設けられており、これにより回転軸３の回転速度を検出することが可能であり、制御部１０に入力信号として入力されている。

制御部１０は、エンコーダ８からの入力信号が入力される主制御部であるマスターインバータ１００と、マスターインバータ１００からの指令信号が入力される副制御部であるスレーブインバータ１０１、１０２とを備える。マスターインバータ１００は、エンコーダ８から入力される入力信号に基づいて、回転軸３が所定の回転速度で回転するようにフィードバック制御するものである。具体的には、マスターインバータ１００は、入力信号から必要なトルクを演算して、各ステータ５によって略等しいトルクを発生させるように指令信号としてトルク指令値または電流指令値を出力するトルク演算部１００ａと、第一のステータ５Ａと接続されてトルク演算部１００ａから出力される指令信号と対応したトルク指令電流を出力するインバータ本体部１００ｂとを有する。インバータ本体部１００ｂでは、第一のステータ５Ａの特性と応じた構成とされていて、トルク演算部１００ａから入力される指令信号に対して、第一のステータ５Ａで該指令信号と対応するトルクを発生可能なトルク指令電流を生成し、第一のステータ５Ａに入力することが可能となっている。

スレーブインバータ１０１、１０２は、第二のステータ５Ｂと第三のステータ５Ｃとのそれぞれと対応して設けられている。各スレーブインバータ１０１、１０２は、対応する第二のステータ５Ｂまたは第三のステータ５Ｃの特性に応じた構成とされていて、マスターインバータ１００から入力される指令信号に対して、第二のステータ５Ｂまたは第三のステータ５Ｃで該指令信号と対応するトルクを発生可能なトルク指令電流を生成し、第二のステータ５Ｂまたは第三のステータ５Ｃに入力することが可能となっている。

次に、この実施形態の回転電動機１の作用について説明する。
制御部１０において、マスターインバータ１００のトルク演算部１００ａに、外部から、回転数などの外部入力信号が入力されると、トルク演算部１００ａは、該外部入力信号と、エンコーダ８からの入力信号に基づいて、全体として必要なトルクを演算する。そして、本実施形態では、三組のロータ４とステータ５を備えているので、トルク演算部１００ａは、各組で略等しく、かつ、全体として、外部入力信号に応じたトルクを発生させるように、指令信号を出力する。指令信号は、第一のステータ５Ａと対応する自らのインバータ本体部１００ｂに入力されるとともに、第二のステータ５Ｂ及び第三のステータ５Ｃのそれぞれと対応するスレーブインバータ１０１、１０２に入力される。

そして、マスターインバータ１００のインバータ本体部１００ｂ及び各スレーブインバータ１０１、１０２では、入力される指令信号に応じたトルク指令電流を、対応する第一のステータ５Ａ、第二のステータ５Ｂまたは第三のステータ５Ｃに出力する。このため、各ステータ５では、入力されたトルク指令電流により、各指令信号に応じたトルクを対応する各ロータ４に発生させることができる。このため、全体として高出力を得ることができるとともに、各ステータ５で対応するロータ４に略等しいトルクを発生させることができ、これにより回転軸３の軸方向に異なるトルクが作用してしまうことなく、ロータ４とステータ５との各組によって安定した出力を得ることができる。

また、複数のロータ４は軸方向に配列しているので、上記のとおり高出力を得つつも、径方向の寸法を小さくして慣性モーメントを抑えることができる。その一方で、回転軸３は、その両端部３ａ、３ｂが第一の軸受６で支持されているだけでなく、中間部が第二の軸受７でも支持されているので、回転軸３とロータ４とで構成される回転体全体の剛性を高めることができる。そして、ロータ４、ステータ５、第一の軸受６及び第二の軸受７のそれぞれが別々にケーシング２または回転軸３に組み付けられているので、上記のように低慣性、高剛性で、高出力を得ることができるとともに、容易に組立を行うことができる。

特に、本実施形態では、ケーシング２の本体部２１に第二の軸受７を挿入可能な開口部２４を有し、また、第二の軸受７が少なくとも二部材に分割可能な構成となっている。このため、以下のように、各部材を独立してケーシング２または回転軸３に組み付けて、組立を行うことができ、より容易に組立を行うことができる。すなわち、まず、ケーシング２の本体部２１の内部に、ステータ５、及び、第二の軸受７の分割された一方の部材を組み付ける。そして、ロータ４が組み付けられた回転軸３をケーシング２内部に挿通させる。この状態で、ケーシング２の端部支持板２２を本体部２１に組み付けるとともに、第一の軸受６に回転軸３を挿入させた上で、該第一の軸受６を端部支持板２２に嵌合固定させて、これにより回転軸３をケーシング２に支持された状態とする。次に、ケーシング２の開口部２４から第二の軸受７の分割された他方の部材を組み付けることで、ケーシング２、回転軸３、ロータ４、ステータ５、第一の軸受６及び第二の軸受７を組み立てることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、上記実施形態では、制御部１０において、マスターインバータ１００は、入力信号に応じて必要なトルクを演算し指令信号を出力するとともに、自身も対応するステータ５に指令信号と対応するトルク指令電流を出力するものとしたが、これに限るものではない。すなわち、すべてのステータ５に対して、それぞれスレーブインバータが対応するように設けて、マスターインバータは、指令電流を各スレーブインバータに入力するのみとしても良い。

１ 回転電動機（回転機）
２ ケーシング
３ 回転軸
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ ロータ
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ ステータ
６ 第一の軸受
７ 第二の軸受
１０ 制御部
１００ マスターインバータ
１０１、１０２ スレーブインバータ

Claims (4)

1. ケーシングと、
   ケーシング内部に挿通された回転軸と、
   前記ケーシングの端部に固定され、前記回転軸の両端部を軸回りに回転可能に支持する一対の第一の軸受と、
   前記回転軸に互いに間隔を有して軸方向に配列して設けられた複数のロータと、
   前記ケーシングの内周面に固定されて複数の前記ロータのそれぞれと対応した複数のステータと、
   前記ケーシングに前記ロータ同士の間で固定され、前記回転軸の中間部を回転可能に支持する少なくとも一つの第二の軸受とを備えることを特徴とする回転機。
2. 請求項１に記載の回転機において、
   前記ケーシングは、前記ケーシングの外部から内部に、前記回転軸の径方向外周側から前記第二の軸受を挿入可能な開口部を有し、
   前記第二の軸受は、少なくとも二部材に分割可能であることを特徴とする回転機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転機において、
   各前記ステータを、それぞれ独立して制御する制御部を備えることを特徴とする回転機。
4. 請求項３に記載の回転機において、
   前記制御部は、入力信号に基づいて各ステータで必要な出力と対応する指令信号を出力する主制御部と、
   前記ステータと対応してそれぞれ設けられ、該主制御部から入力される前記指令信号に基づいて前記ステータを制御する副制御部とを備えることを特徴とする回転機。

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