JP2013252035A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】手動により動力伝達の切断が可能な回転電機を小型化する技術を提供する。
【解決手段】回転電機１は、静止部２および回転部３を備える。回転部３は、中心軸９の軸方向に沿って延びるシャフト２１と、シャフト２１が軸方向に関して相対移動するように、シャフト２１の周囲に配置されているロータマグネット３３と、シャフト２１から軸方向に直交する径方向の外側に向かって広がっており、ロータマグネット３３が発生させる磁場により、前記ロータマグネット３３と結合する純鉄リング３１３を有する。静止部２は、シャフト３１を軸方向に移動可能とし、かつ、シャフト２１を中心軸９周りに回転可能に支持する中軸受部２５１および底軸受部２５３と、ロータマグネット３３の径方向外側に配置されており、ロータマグネット３３の外周に回転磁場を発生させるコイル部２３とを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機に関する。

回転電機は、回転動力を発生させる動力源として様々な装置で利用されている。例えば、回転電機が生み出す回転動力は、動力伝達機構介して、そのままの形で利用されたり、あるいは、直線的な動力等に適当に変換されて利用されたりしている。

例えば電気錠においては、回転量を容易に制御できるステッピングモータ等の回転電機が、利用されている（例えば、引用文献１）。この電気錠においては、回転電機の動力が、動力伝達機構によって、デッドボルト（かんぬき）の直線的な移動に利用され、これにより電気錠の施解錠が実現されている。

ところで、回転電機には、ロータ側もしくはステータ側のどちらか一方に界磁としての永久磁石が設けられ、他方にコア（鉄芯）に巻かれたコイルが設けられるものが知られている。この種の回転電機においては、非通電時においても、永久磁石とコアとの間に静止トルクが作用する。このため、回転軸を回転させるためには、一定以上のトルクが必要とされる。したがって、回転電機の動力伝達を切断するためには、クラッチ機構を設ける必要があった。例えば、引用文献１に記載の電気錠には、回転電機の動力伝達を切断するため、回転電機の外部の動力伝達機構にクラッチ機構が接続されている。

また、クラッチ機構を内蔵した電磁クラッチ内蔵モータも知られている（特許文献２）。この電磁クラッチ内蔵モータは、モータ部と電磁クラッチ部とが一体的に備えて構成されている。具体的には、電磁クラッチ部のＯＮ／ＯＦＦ作動に基づいて、モータ部のシャフトがピニオンギヤなどの出力部材に選択的に接続されることで、その回転動力が伝達される。

特開２００７−１００３７３号公報 特開２００７−２０２３０１号公報

ところが、特許文献１に記載の電気錠ように、回転電機本体の外部にクラッチ機構を設けた場合、クラッチ機構を有する回転電機が大型化してしまうという問題があった。また、特許文献２に記載の電磁クラッチ内蔵モータの場合、動力伝達を切断するための電磁力を発生させる必要があり、小型化することが困難となっている。また、特許文献２に記載の電磁クラッチ内蔵モータの場合、停電時などの電磁クラッチに電気を供給できない場合などにおいて、手動で動力伝達を切断することが困難であるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、手動により動力伝達の切断が可能な回転電機を小型化する技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、第１の態様は、静止部、および、前記静止部に対して所定の中心軸周りに回転可能に支持されている回転部を備える回転電機において、前記回転部は、前記中心軸の軸方向に沿って延びるシャフトと、前記シャフトを前記軸方向に関して相対移動可能とし、かつ、前記シャフトの周囲に配置されているロータマグネットと、前記シャフトから前記軸方向に直交する径方向の外側に向かって広がっており、前記ロータマグネットが発生させる磁場により、前記ロータマグネットと結合する磁性体とを含み、前記静止部は、前記シャフトを前記軸方向に移動可能とし、かつ、前記シャフトを前記中心軸周りに回転可能に支持する軸受部と、前記ロータマグネットの径方向外側に配置されており、前記ロータマグネットの外周に回転磁場を発生させるコイル部とを含む。

また、第２の態様は、第１の態様に係る回転電機において、前記シャフトに接続されている送りねじと、前記送りねじに螺合するナット部を含むスライド部と、前記スライド部の移動を規定する案内部とをさらに備える。

また、第３の態様は、第１または２の態様に係る回転電機において、前記ロータマグネットと前記コイル部とが、ステッピングモータを構成する。

第１から第３までの態様に係る回転電機によると、コイル部に引き付けられるロータマグネットに対して、シャフト（回転軸）を軸方向に移動させることで、磁性体をロータマグネットから離間させることができる。これにより、ロータマグネットとシャフトとが切り離されるため、回転電機の動力伝達を容易に切断することができる。したがって、クラッチ機構を比較的単純な構成で実現できるため、手動で動力伝達を切断可能な回転電機を小型化することができる。

第２の態様に係る回転電機によると、送りねじを回転させることで、スライド部を案内部にしたがって直線移動させることができる。また、スライド部に対して、ロータマグネットと磁性体とを引き離す方向に力をかけることで、容易に動力伝達を切断することができる。

第３の態様に係る回転電機によると、シャフトの回転量を電気的に制御することができる。

実施形態に係る回転電機の縦断面図である。 可動軸側から見た回転電機の正面図である。 送りねじに固定されたシャフトの側面図である。 可動軸をハウジングから突出させたときの回転電機の縦断面図である。 動力伝達が切断されたときの回転電機の縦断面図である。

以下、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数が誇張または簡略化されて図示されている場合がある。

｛１． 実施形態｝
図１は、実施形態に係る回転電機１の縦断面図である。また、図２は、可動軸４５側から見た回転電機１の正面図である。図１および以降の各図には、回転電機１の構成要素の位置関係を説明するために、右手系のＸＹＺ直交座標系が付されている。このＸＹＺ直交座標系において、Ｘ軸方向は回転電機１の中心軸９に沿う方向とされている。また、回転電機１のハウジング２１の内側に向く方向を＋Ｘ方向とし、ハウジング２１の外側に向く方向を−Ｘ方向としている。また、中心軸９に沿う方向を軸方向と称し、中心軸９に直交する方向を径方向と称する場合がある。

本実施形態に示される回転電機１は、ステッピングモータを構成する者とするが、必ずしもステッピングモータに限定されるものではない。また、回転電機１は、例えば後述する電気錠において、施解錠を実施するための動力源として利用される。ただし、回転電機１の用途は、電気錠の動力源に限定されるものではなく、その他の装置の動力源としても利用できる。

図１に示されるように、回転電機１は、静止部２、回転部３および直線移動部４を備えている。回転部３は、静止部２に対して回転可能に支持されている。

静止部２は、ハウジング２１、コイル部２３、中軸受部２５１および底軸受部２５３を有している。

ハウジング２１は、断面視略円形の有底筒状部分２１１と、断面視略矩形の筒状部分２１３とを有している。有底筒状部分２１１は、コイル部２３、中軸受部２５１、底軸受部２５３および回転部３を内部に収容している。筒状部分２１３は、該有底の断面略円形（楕円形を含む）の有底筒状部分２１１の−Ｘ側中央部分から−Ｘ方向に向けて延びている。筒状部分２１３には、直線移動部４が内部に挿通されている。筒状部分２１３の横断面（長手方向と直角をなす平面に沿って切った切り口）の開口面積は、有底筒状部分２１１の横断面の開口面積よりも小さくなっている。

有底筒状部分２１１の底部中央には、底軸受部２５３が固定されている。底軸受部２５３は、回転部３のシャフト３１の後端部を回転自在に支持しつつ、かつ、シャフト３１を軸方向に移動可能に支持している。有底筒状部分２１１の底部中央には、凹部２１１ａが形成されている。この凹部２１１ａは、シャフト３１が＋Ｘ側に移動したときに進入する空間を形成している（図５参照）。中軸受部２５１は、有底筒状部分２１１と筒状部分２１３の接続部分において、筒状部分２１３の中空部に嵌め込まれて固定されている。筒状部分２１３は、シャフト３１を回転可能に支持しつつ、かつ、該シャフト３１を軸方向に移動可能に保持している。

コイル部２３は、ヨーク２３１に覆われた状態で、回転部３のロータマグネット３３の外周に複数配置されている。ヨーク２３１は、ハウジング２１の内周面に固定されたヨークホルダ２３３によって保持されている。コイル部２３に通電されることにより、ロータマグネット３３の外周に回転磁場が発生し、ロータマグネット３３が中心軸９周りに回転する。図示を省略するが、各コイル部２３は、ハウジング２１の有底筒上部分２１３に設けられたコネクタ５を介して、不図示の制御回路に接続されている。制御回路は、各コイル部２３に対して、電力供給を予め定められたタイミングで行うことにより、ロータマグネット３３の回転量を制御する。

回転部３は、シャフト３１、ロータマグネット３３および真鍮部材３５を備えている。

シャフト３１は、中心軸９に沿って延びる略円柱形状の部材である。上述のように、シャフト３１は、中心軸９周りに回転可能な状態で支持されている。シャフト３１は、直線移動部４を構成する送りねじ４１に接続されている。

ロータマグネット３３は、中心軸９に沿って貫通孔が形成されている、略円筒状部材であり、その内部に真鍮部材３５が圧入されている。真鍮部材３５には、中心軸９に沿って貫通孔が形成されており、該貫通孔にシャフト３１が挿通されている。真鍮部材３５の内周面とロータマグネット３３の外周面との間には、若干の隙間が形成されている。このため、シャフト３１は、ロータマグネット３３および真鍮部材３５に対して相対的に軸方向に移動可能とされ、かつ、相対的に中心軸９周りに回転可能とされている。

シャフト３１には、径方向に広がる部分を有する純鉄リング３１３が固定されている。純鉄リング３１３は、ロータマグネット３３が発生させる磁場により、該ロータマグネット３３と結合する。図１に示されるように、純鉄リング３１３は、真鍮部材３５の直径と略同じ直径の円柱状小径部３１３ａと、該円柱状小径部３１３ａよりも径方向に大きい円柱状大径部３１３ｂとで構成されている。純鉄リング３１３は、シャフト３１に圧入されて固定されていてもよいが、不図示の接着材等を介して接着固定されていてもよい。

図１に示されるように、真鍮部材３５の＋Ｘ側端面は、ロータマグネット３３よりも−Ｘ側に低い位置とされている。また、ロータマグネット３３の＋Ｘ側端面には、純鉄リング３１３の円柱状大径部３１３ｂよりも僅かに大きい径を有する凹部３３１が形成されている。このため、図１に示されるように、純鉄リング３１３がロータマグネット３３に結合した状態では、純鉄リングの円柱状小径部３１３ａが、ロータマグネット３３と真鍮部材３５とで形成される凹部に嵌まり込み、かつ、円柱状大径部３１３ｂがロータマグネット３３の凹部３３１嵌まり込むこととなる。このように純鉄リング３１３をロータマグネット３３に合体させることで、純鉄リング３１３とロータマグネット３３とを安定的に結合させることができる。

純鉄リング３１３がロータマグネット３３に結合することにより、シャフト３１が純鉄リング３１３を介して、ロータマグネット３３と一体化される。この状態でコイル部２３に通電されると、シャフト３１およびロータマグネット３３が一体的に回転することとなる。純鉄リング３１３は、本発明に係る磁性体の一例である。

なお、純鉄リング３１３の形状は、図１等に示されるものに限定されるものではなく、適宜変形可能である。つまり、純鉄リング３１３は、ロータマグネット３３が発生させる磁場により、ロータマグネット３３と結合するものであれば、どのような形状であってもよい。また、純鉄リング３１３は、鉄製のものに限定されるものではない。純鉄リング３１３の代わりに、永久磁石等を用いることも妨げられない。

直線移動部４は、中心軸９に沿って配置された送りねじ４１と、該送りねじ４１に螺合するナット部４３を有する可動軸４５とを備えている。

図３は、送りねじ４１に固定されたシャフト３１の側面図である。図３に示されるように、シャフト３１は、送りねじ４１の＋Ｘ側の頭部において、Ｘ軸方向に沿って形成された穴部に挿入されて、圧入固定されている。ただし、送りねじ４１にシャフト３１を固定できるのであれば、どのような方法で固定されていてもよい。シャフト３１が送りねじ４１に固定されているため、コイル部２３の通電によりシャフト３１が回転すると、送りねじ４１が中心軸９周りに回転することとなる。

図４は、可動軸４５がハウジング２１の外側に突出させたときの回転電機１の縦断面図である。送りねじ４１が回転することで、ナット部４３および可動軸４５が回転しようとする。しかしながら、可動軸４５の外周面が、筒状部分２１３の内周面に摺接することで、可動軸４５の回転が抑制される。このため、ナット部４３が送りねじ４１に沿ってスライドすることで、可動軸４５がＸ軸方向に直線移動する。例えば送りねじ４１が右ねじである場合、送りねじ４１が＋Ｘ側から見て時計回りに回転することで、可動軸４５がハウジング２１から突出する方向に直線移動する（図４参照）。このように、ナット部４３および可動軸４５は、本発明に係るスライド部の一例である。また、筒状部分２１３はスライド部の移動を規定する案内部の一例である。

なお、直線移動部４の構成は、図１等に示されるものに限定されるものではなく、適宜変形可能である。つまり、直線移動部４は、シャフト３１の回転を直線方向の移動に変換するものであれば、どのように構成されていてもよい。

図５は、動力伝達が切断されたときの回転電機１の縦断面図である。ロータマグネット３３に純鉄リング３１３が結合している状態（図４または図１参照）で、可動軸４５がハウジング２１の内側（＋Ｘ方向）へ押圧されると、送りねじ４１が同方向へ押し込まれる。これにより、シャフト３１および純鉄リング３１３が＋Ｘ方向へ移動することとなる。このとき、ロータマグネット３３は、コイル部２３のコアに引き付けられるため、純鉄リング３１３がロータマグネット３３から離間することとなる（図５参照）。つまり、可動軸４５を押し込む力が比較的弱い場合でも、回転電機１の動力伝達を容易に切断することができる。このように、回転電機１では、純鉄リング３１３がクラッチ機構として機能する。

また、図４に示されるように、可動軸４５がハウジング２１から突出した状態で、ハウジング２１の内側へ向けて押圧された場合、上述のように、純鉄リング３１３がロータマグネット３３から離間するとともに、ナット部４３も＋Ｘ方向に押し込まれる。このとき、シャフト３１は、ロータマグネット３３に対して、トルクフリーの状態で自由に回転する。これにより、送りねじ４１が回転して、ナット部４３および可動軸４５で構成されるスライド部が、ハウジング２１の内側へ移動することとなる。つまり、回転電機１の場合、比較的弱い力で、可動軸４５をハウジング２１の内側へ押し込むことができる。

次に、純鉄リング３１３がロータマグネット３３に結合している状態で、コイル部２３に通電してシャフト３１を回転させる場合について説明する。可動軸４５がハウジング２１から外側に突出している状態（図４参照）で、送りねじ４１が可動軸４５をハウジング２１の内側へ引っ張り込むように回転した場合、送りねじ４１およびシャフト３１には、ハウジング２１の外側へ押しだされる方向（つまり、−Ｘ方向）に力が作用する。このため、純鉄リング３１３がロータマグネット３３に圧接されることとなる。したがって、シャフト３１とロータマグネット３３が強固に連結されるため、可動軸４５をハウジング２１内に強力に引き込むことができる。

このような回転電機１を電気錠として利用する場合、可動軸４５をデッドボルトとして利用することが考えられる。もちろん、可動軸４５にデッドボルトを別途連結してもよい。この場合、電気錠の施錠状態を、可動軸４５をハウジング２１から突出させた状態とし、解錠状態を、可動軸４５をハウジング２１に引っ込めた状態とすることが考えられる。ここで、可動軸４５の移動は、通常時は、コイル部２３への通電により制御することにより実現することができる。

また、手動による鍵の解錠操作（例えば、扉に取り付けられたつまみの回転操作等）を実現するため、この操作に連動して施錠状態にある可動軸４５をハウジング２１に押し込める動力伝達機構を設ければよい。これにより、非通電時において、手動での解錠操作を行うことができる。上述したように、回転電機１の可動軸４５は、非常に弱い力でハウジング２１に引っ込めることができるため、手動による解錠も容易に実現することができる。

以上のように、本実施形態に係る回転電機１によると、コイル部２３に引き付けられるロータマグネット３３に対して、シャフト２１（回転軸）を軸方向に移動させることで、純鉄リング３１３（磁性体）をロータマグネット３３から離間させることができる。これにより、ロータマグネット３３とシャフト２１とが切り離されるため、回転電機１の動力伝達を容易に切断することができる。したがって、クラッチ機構を比較的単純な構成で実現できるため、手動で動力伝達を切断可能な回転電機１を小型化することができる。

また、ロータマグネット３３とコイル部２３とが、ステッピングモータを構成することで、シャフト２１の回転方向および回転量を制御することができる。これにより、可動軸４５の移動方向および移動量を高精度に制御することができる。

｛２． 変形例｝
以上、実施形態について説明してきたが、本発明は上記のようなものに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

例えば、上記実施形態に係る回転電機１では、直線移動部４が設けられていることにより、回転電機１の回転動力を直線動力に変換している。しかしながら、直線移動部４の代わりに、シャフト３１の回転動力がそのまま外部に伝達する動力伝達部材が設けられることも考えられる。この場合においても、その動力伝達部材をハウジング２１側へ押し込むことで、純鉄リング３１３をロータマグネット３３から外すことができるため、容易に手動による、回転電機１の動力伝達の切断を実現することができる。

また、上記実施形態に係る回転電機１では、真鍮部材３５がロータマグネット３３と一体化されており、シャフト３１と真鍮部材３５との間に隙間が形成されている。しかしながら、真鍮部材３５をシャフト３１と一体化することも考えられる。この場合の一例として、ロータマグネット３３と真鍮部材３５との間に隙間を形成することで、シャフト３１に一体化された真鍮部材３５を、ロータマグネット３３に対して軸方向に移動可能に構成することが考えられる。

また、純鉄リング３１３をロータマグネット３３側に付勢する付勢手段（ばねなど）を設けることで、純鉄リング３１３がロータマグネット３３と結合しやすいように構成することも考えられる。また、付勢手段の付勢力を調整することで、純鉄リング３１３をロータマグネット３３から離間させるのに必要な可動軸４５を押し込む力を調整することができる。

また、上記実施形態では、ロータマグネット３３の＋Ｘ側に純鉄リング３１３が配置されている。このため、可動軸４５をハウジング２１の内側へ押し込むことで、シャフト３１が＋Ｘ側へ移動し、シャフト３１とロータマグネット３３の連結が解除される。しかしながら、ロータマグネット３３の−Ｘ側に純鉄リング３１３（磁性体）を配置することも考えられる。具体的には、図示を省略するが、純鉄リング３１３をロータマグネット３３と中軸受部２５１との間の位置に設けることが考えられる。この場合、純鉄リング３１３がロータマグネット３３に対して、−Ｘ側から結合することで、シャフト３１とロータマグネット３３が連結される。また、可動軸４５がハウジング２１の外側へ引き出されることで、シャフト３１が−Ｘ側へ移動し、シャフト３１とロータマグネット３３の連結が解除されることとなる。

さらに、上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせることができる。

本発明は、回転電機に利用できる。

１ 回転電機
２ 静止部
２１ シャフト
２１ ハウジング
２１１ 有底筒状部分
２１３ 筒状部分（案内部）
２３ コイル部
２５１ 中軸受部（軸受部）
２５３ 底軸受部（軸受部）
３ 回転部
３１ シャフト
３１３ 純鉄リング（磁性体）
３３ ロータマグネット
３３１ 凹部
３５ 真鍮部材
４ 直線移動部
４３ ナット部（スライド部）
４５ 可動軸（スライド部）
５ コネクタ
９ 中心軸

Claims (3)

1. 静止部、および、前記静止部に対して所定の中心軸周りに回転可能に支持されている回転部を備える回転電機において、
   前記回転部は、
   前記中心軸の軸方向に沿って延びるシャフトと、
   前記シャフトを前記軸方向に関して相対移動可能とし、かつ、前記シャフトの周囲に配置されているロータマグネットと、
   前記シャフトから前記軸方向に直交する径方向の外側に向かって広がっており、前記ロータマグネットが発生させる磁場により、前記ロータマグネットと結合する磁性体と、
   を含み、
   前記静止部は、
   前記シャフトを前記軸方向に移動可能とし、かつ、前記シャフトを前記中心軸周りに回転可能に支持する軸受部と、
   前記ロータマグネットの径方向外側に配置されており、前記ロータマグネットの外周に回転磁場を発生させるコイル部と、
   を含む、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記シャフトに接続されている送りねじと、
   前記送りねじに螺合するナット部を含むスライド部と、
   前記スライド部の移動を規定する案内部と、
   をさらに備える、回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記ロータマグネットと前記コイル部とが、ステッピングモータを構成する、回転電機。

Images