JP2015122904A - ブレーキモータ、巻上機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ効率が高いブレーキモータなどを提供すること。
【解決手段】ブレーキモータ１は、モータステータ２と、モータステータ２の円筒中空部２ａ内に回転自在に配置されるモータロータ３と、モータロータ３の回転中心部を貫通するモータ軸４と、モータ軸４の軸方向一方の先端部に、軸方向に移動可能に取り付けられる可動コア５ａを有するブレーキユニット５と、円周方向に配置される複数の鉄片１４と、鉄片１４を保持する保持部材１５と、を有するプルロータ６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブレーキモータ、巻上機に関する。

従来のプルロータ式のブレーキを備えたブレーキモータは、モータロータ、プルロータ、および可動コア（ブレーキドラム）が、モータ軸に回転不能に取り付けられ、モータロータ、プルロータ、可動コアおよびモータ軸が全て一体的に回転する構造が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１２−２１１００１号公報

特許文献１のようなブレーキモータでは、モータ起動時には、モータトルクがブレーキトルクを上まわるまでの間ではモータ軸は回転しない。したがって、プルロータも回転しないので、プルロータの鉄片には、回転磁界が交番磁界として作用する。このことから、鉄片内の磁束密度は、本来の磁束密度よりも低く抑えられる。この低い磁束密度でもブレーキを解放するには、可動コアを大きくするか、ブレーキばね力を小さくしても所定のブレーキ力が発生するように、ブレーキユニットのブレーキドラムおよびブレーキブロックを大型化しなければならない。その結果、モータ効率が低下してしまうことが考えられる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モータ効率を向上させることができるブレーキモータを提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、モータステータと、モータステータの円筒中空部内に回転自在に配置されるモータロータと、モータロータの回転中心部を貫通するモータ軸と、モータ軸の軸方向一方の先端部に、軸方向に移動可能に取り付けられる磁性体製の可動コアを有するブレーキユニットと、円周方向に配置される複数の磁性体片と、磁性体片を保持する保持部材と、を有するプルロータを備え、プルロータは、モータロータと前記可動コアとの間に配置されると共に、前記モータステータの円筒中空部内において、モータ軸に対して相対回転可能に取付けられている、こととする。

また、上記発明に加えて、保持部材は、磁性体片よりも比重が小さい材料で形成されている、ことが好ましい。

また、本発明の巻上機は、上記発明のブレーキモータを使用していることとする。

本発明によると、プルロータの小型化と、モータ効率が高いブレーキモータを提供することが可能となる。

本発明に係るブレーキモータの全体構成を示す断面図である。 ブレーキモータを構成するプルロータを示す断面斜視図である。 プルロータを構成する鉄片の配列を示す断面斜視図である。 電気角０度のときのプルロータの回転位置を示す説明図である。 電気角９０度のときのプルロータの回転位置を示す説明図である。 ブレーキモータ起動時における可動コアに作用する電磁力の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係るブレーキモータ１について、図面を参照しながら説明する。

（ブレーキモータ１の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るブレーキモータ１の全体構成を示す断面図である。なお、以下で説明するブレーキモータ１は、ブレーキ付の三相交流誘導モータである。図１に示すように、ブレーキモータ１は、円筒形状のモータステータ２と、モータステータ２の円筒中空部２ａ内に回転自在に配置されるモータロータ３と、モータロータ３の回転中心を貫通するモータ軸４とを備えている。そして、ブレーキモータ１は、モータ軸４の軸方向一方の先端部（図１では、左側先端部）にスプライン結合によって取り付けられたブレーキユニット５と、モータロータ３とブレーキユニット５との間においてモータステータ２の円筒中空部２ａ内に配置されると共に、モータ軸４に相対回転可能に取付けられるプルロータ６とを備えている。プルロータ６は、モータ軸４との間にボールベアリング７を介在させて取り付けられている。したがって、プルロータ６は、モータ軸４（モータロータ３）の回転とは別個に回転可能となっている。

モータステータ２には、コイル２ｂが巻回されており、モータステータ２は、モータフレーム８の内筒部に押し込まれて固定されている。モータフレーム８は、モータステータ２、モータロータ３、およびブレーキユニット５を収容した状態で、ブレーキブロック９と協働して内部空間を封止している。ブレーキブロック９の内周面は、ブレーキ制動面９ａとなる。

モータロータ３は、モータ軸４に固定されている。モータ軸４には、ブレーキユニット５の配置範囲にスプライン４ａが形成されている。そして、モータ軸４の両先端の各々は、モータフレーム８に配置された軸受１０ａと、ブレーキブロック９に配置された軸受１０ｂで回転可能に支持されている。図１では軸受としてボールベアリングを例示している。

ブレーキユニット５は、磁性体である鉄系材料で形成された可動コア５ａと、可動コア５ａのブレーキブロック９側の先端部に固定されたコーン型のブレーキドラム５ｂとから構成されている。可動コア５ａの内周面にはスプライン５ｃが形成されており、スプライン５ｃとモータ軸４のスプライン４ａとを嵌合させることで、ブレーキユニット５はモータ軸４と一体となって回転し、軸方向に進退可能となっている。ブレーキドラム５ｂは、略椀形状をしており、ブレーキブロック９側の外周縁にはコーン形状のリング状のブレーキライニング１１が固定されている。図１では、ブレーキライニング１１は、ブレーキブロック９のブレーキ制動面９ａに押圧された状態を表している。

可動コア５ａのプルロータ６側の端面にはブレーキドラム５ｂ側に向かって掘り下げられた円環状の溝５ｄが形成されている。そして、その溝５ｄ内にブレーキばね１２が配設されている。ブレーキばね１２は、一方の端部がモータ軸４に固定されたばね受け部材１３に当接し、他方の端部は、溝５ｄの底面に当接しており、ブレーキユニット５をブレーキブロック９側に押し付けている。図１は、ブレーキ制動の状態を表しているので、可動コア５ａとプルロータ６との間には、ギャップＧが形成されている。

プルロータ６は、円周方向に等間隔で配置される複数の磁性体片としての鉄片１４と、鉄片１４を保持する略円筒形状の保持部材１５と、を有して構成されている。磁性体は、いわゆる強磁性体であって、鉄、またはコバルト、ニッケルなどの金属を含む合金等である。本実施の形態では鉄を材料とした鉄片１４を用いている。保持部材１５は、鉄片１４を中心軸Ｐから放射状に保持するものであり、鉄片１４に加わる衝撃およびモータの発熱に耐えうるアルミニウムなどの非磁性の軽金属材料を用いる。なお、保持部材１５は、鉄片１４よりも比重が小さい材料を用いることが好ましい。プルロータ６の詳細な構成は、図２および図３を参照して説明する。

（プルロータ６の構成）
図２は、ブレーキモータ１を構成するプルロータ６を示す断面斜視図であり、図３は、プルロータ６を構成する鉄片１４の配列を示す断面斜視図である。図２、図３は共に、プルロータ６の中心軸Ｐを通り、中心軸Ｐに直角な平面で切断した断面斜視図を表している。なお、図２、図３では、モータロータ３側方向をＸ１とし、ブレーキユニット５側方向をＸ２として表し説明する。図２に示すように、プルロータ６は、複数の鉄片１４と、鉄片１４を保持する保持部材１５と、保持部材１５を保持する円筒形状のプルロータ芯部材１６とから構成されている。鉄片１４は、円周方向に等間隔で保持部材１５に埋め込まれるようにして固定されている。鉄片１４の外周面１４ａは、保持部材１５の外周面１５ａと同じ円周面内に露出されている。なお、外周面１４ａを外周面１５ａよりも突出させてもよい。モータステータ２の円筒中空部２ａ（図１参照）と、外周面１４ａとの間には、プルロータ６が回転中にモータステータ２に接触しない程度の最小限の空隙が設けられている。保持部材１５は、プルロータ芯部材１６とその外周に複数の鉄片１４を等間隔で配置し、これらの部品と共にインサート鋳造法に一体的に成形され、その後、所望の形状に切削成形されている。

鉄片１４は、保持部材１５のＸ１方向端面１５ｂからＸ２方向端面１５ｃを貫通している。そして、鉄片１４のＸ１方向端面１４ｂは、保持部材１５のＸ１方向端面１５ｂおよびプルロータ芯部材１６の鍔部１６ａのＸ１方向端面１６ｂとは同じ平面内にある。鉄片１４のＸ２方向端面１４ｃは、保持部材１５のＸ２方向端面１５ｃおよびプルロータ芯部材１６の端面１６ｃと同じ平面内にあるか、もしくは、Ｘ２方向端面１５ｃよりも突出させてもよい。また、鉄片１４のＸ２方向端面１４ｃの面積は、Ｘ１方向端面１４ｃの面積よりも大きく設定されている。なお、プルロータ芯部材１６の内筒部１６ｄには、リング形状の突出部１６ｅが設けられており、ボールベアリング７（図１参照）が圧入される。なお、プルロータ芯部材１６の材質は、機械的強度があれば特に限定されない。また、プルロータ芯部材１６は、保持部材１５と一体に形成したものとしてもよく、その場合には、非磁性体製とする。

図３に示すように、鉄片１４はプルロータ６の中心軸Ｐから放射状に、かつ周方向に等間隔に配列されている。したがって、鉄片１４は、外周面１４ａ、内周面１４ｄおよび段部外周面１４ｅは、中心軸Ｐを中心とする同心円となっている。そして、隣り合う鉄片１４の間には、図２に示すように、保持部材１５の一部が隙間なく入り込んでいる。

（プルロータ６の回転動作）
図４は、４極三相誘導電動機の電気角０度のときのプルロータ６の回転位置を示す説明図、図５は、電気角９０度のときのプルロータ６の回転位置を示す説明図である。なお、図４、図５は、図１のブレーキユニット５側（図の左側）方向からプルロータ６とモータステータ２を見た状態を表している。プルロータ６は、モータ軸４に対して相対回転可能に取り付けられているので、ブレーキ作動中でモータ軸４が拘束されていても回転磁界に同期して回転できるようにしている。ブレーキを開放するため可動コアを吸引するときに、プルロータは極めて短時間に回転磁界と同速度で回転するようになるので、プルロータ６の鉄片１４には回転磁界との回転数の差により生じる交番磁界が作用せず、モータステータ２が発生する磁界を効率よく可動コア５ａを吸引する電磁力に変換することができる。このことから、プルロータ６を小型化でき、モータ効率が高いブレーキモータ１を実現できる。

図４に示す電気角０度は、回転磁界が０度位置にあるときであり、コイル位置２ｂ‐１，２ｂ‐２の間に鉄片１４‐１が位置する。図５に示すように、４極三相誘導電動機の場合は、回転磁界が電気角９０度まで位相移動したときには、鉄片１４‐１は、その位相移動に追従して電気角の１／２（４５度）分だけ電気角０度位置から回転移動し、この時の鉄片１４は、コイル位置２ｂ‐３，２ｂ‐４の間に位置する。こうして、プルロータ６は、鉄片１４に回転磁界が作用すると、鉄片１４が回転磁界に追従し回転するので、交流電流がモータステータ２に通電されても、鉄片１４には、ほぼ一定強さの磁界が作用する。

（ブレーキ制動動作）
続いて、ブレーキ制動動作について図１を参照して説明する。既述したように、図１は、ブレーキ制動状態を表している。モータステータ２の通電を遮断（電流ＯＦＦ）すると、モータステータ２には回転磁界は発生せず、プルロータ６に対する吸引力も発生しない。つまり、プルロータ６に磁気吸引力が作用しないので、ブレーキユニット５は、ブレーキばね１２の弾性力によってブレーキブロック９方向に押動される。そして、ブレーキライニング１１がブレーキブロック９のブレーキ制動面９ａを押圧する。ブレーキユニット５とモータ軸４とは、スプライン結合されていることから、モータ軸４およびモータロータ３が同時に回転を停止する。

モータロータ３が制動されている状態で、モータステータ２に通電すると、モータステータ２に回転磁界が発生する。プルロータ６は、この回転磁界に追従して回転を開始する。プルロータ６の回転は、回転磁界にほぼ同期することから交番磁界は発生せず、起動直後から強力な電磁力が発生し、可動コア５ａを吸引する。すると、ブレーキライニング１１がブレーキブロック９のブレーキ制動面９ａから離れてブレーキ制動を解除し、モータロータ３が回転し始める。このことから、起動時に、きわめて短時間でブレーキ制動を解除できる。ブレーキ解除以降、モータロータ３とプルロータ６は、同期して回転する。

（ブレーキモータ起動時における可動コアに作用する電磁力の変化）
図６は、ブレーキモータ起動時における可動コアに作用する電磁力の変化を示す図で、実線は本発明のブレーキモータ１の場合を示し、点線は特許文献１の構造（プルモータがモータ軸と一体回転する構造）の場合を示している。なお、図６は、ブレーキモータ起動直後からごく短時間の電磁力の変化を示している。図６に示すように、０．００３秒までは、このブレーキモータ１と従来構造のものとでは大きな違いがないが、０．００３秒を過ぎると差異が大きくなり、やがて、ブレーキモータ１は、従来構造のものに比べ１．５倍程度の電磁力となっている。モータステータ２に通電すると、モータステータ２に回転磁界（交流による磁界）が発生し、プルロータ６は、モータ軸４とは相対回転が可能であるため、回転磁界に追従して回転しようとする。ブレーキモータ起動後０．００３秒付近までは、プルロータ６自身の慣性からプルロータ６の回転開始が遅れているので、従来構造のものと電磁力に差異は無いが、０．００３秒を過ぎて鉄片１４が、回転磁界に追従して回転していると、鉄片１４のそれぞれには直流電流による磁界のような一定の磁界が作用し、交番磁界として作用しないので、交番磁界（磁界の向きがＮＳ逆向きに繰り返し作用する磁界）による損失がほとんど発生せず、磁束の流れがよくなり、可動コア５ａに作用する電磁力が従来に比べ大きく上昇する。

ただし、モータロータ３とプルロータ６が、同期回転に達した時点では、可動コア５ａに作用する電磁力は、従来構造と本発明の構造によるものとの差はほとんどなくなる。

従来技術によれば、モータロータ３、プルロータ６、および可動コア５ａが、モータ軸４と一体的に回転する構造であるため、モータ起動時において、モータトルクがブレーキトルクを上まわるまでの間は、モータ軸６は回転しない。したがって、プルロータ６も回転しないので、プルロータ６の鉄片１４には、回転磁界は交番磁界として作用し、鉄片内の磁束密度は、本来の磁束密度よりも低く抑えられ、ブレーキ吸引力をもっとも必要とするモータ起動時に、可動コア５ａに作用する電磁力が不十分となる。それに対し、本発明によるブレーキモータ１は、プルモータ６をモータ軸４に対して相対回転可能に取り付け、ブレーキ作動中でモータ軸４が拘束されていても、プルロータ６が回転磁界に同期して回転できるようにしているので、モータ軸４が回転していない起動時でも、回転磁界に追従してプルモータ６が回転する。このことによって、回転するプルロータ６の鉄片１４に交番磁界が発生せず、モータステータ２が発生する磁界を効率よく可動コア５ａを吸引する電磁力に変換することができる。その結果、小型化が可能で、モータ効率の高いブレーキモータ１を実現できる。

また、保持部材１５は、鉄片１４よりも比重が小さいアルミニウムなどで形成されている。そのことによって、プルロータ６の慣性モーメントを小さくできるので、プルロータ６は、モータステータ２に発生する回転磁界にすみやかに追従して回転することができる。

以上説明したプルロータ式のブレーキを備えたブレーキモータ１は、モータ効率が高いこと、起動時に、きわめて短時間でブレーキ制動を解除できることから、電気チェーンブロックや電気ホイストなどの巻上機として有効である。

なお、ブレーキモータとしては、三相交流誘導モータとしたが、単相交流誘電モータ、交流同期モータなど他のブレーキモータにも適用できる。また、モータ軸４とブレーキユニット５との間の取り付けは、スプライン構造ではなく、軸方向にスライド可能で回転不能に結合する他の結合構造としてもよい。また、鉄片１４は、等間隔に配置されているが、一部を不等間隔にしたり、全てを不等間隔にしてもよい。

１…ブレーキモータ
２…モータステータ
２ａ…円筒中空部
３…モータロータ
４…モータ軸
５…ブレーキユニット
５ａ…可動コア
６…プルロータ
７…ボールベアリング
１４…鉄片（磁性体片）
１５…保持部材

Claims (3)

1. モータステータと、
   前記モータステータの円筒中空部内に回転自在に配置されるモータロータと、
   前記モータロータの回転中心部を貫通するモータ軸と、
   前記モータ軸の軸方向一方の先端部に、軸方向に移動可能に取り付けられる磁性体製の可動コアを有するブレーキユニットと、
   円周方向に配置される複数の磁性体片と、前記磁性体片を保持する保持部材を有するプルロータと、を備え、
   前記プルロータは、前記モータロータと前記可動コアとの間に配置されると共に、前記モータステータの円筒中空部内において、前記モータ軸に対して相対回転可能に取付けられている、
   ことを特徴とするブレーキモータ。
2. 請求項１に記載のブレーキモータにおいて、
   前記保持部材は、前記磁性体片よりも比重が小さい材料で形成されている、
   ことを特徴とするブレーキモータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のブレーキモータを使用していることを特徴とする巻上機。

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