JP2019503643A - 電動機械 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、電動機械をその構造および組み立てに関して簡略化すること、ならびにその動力を向上することである。前記目的を達成するために、本発明は、トルクを伝達するための要素を電動機械に装備することを提案し、要素のうちの少なくとも１対が非円形連結部として設計される。

Description

本発明は電動機械に関する。

電動機械とは電気モータ、発電機などのことである。
電気モータには、または発電機の場合でも、トルクを伝達しなければならないいくつかの連結部がある。モータの種類に応じて、異なるモータの概念が用いられる。しかし、すべてのモータにおいて、モータを駆動すること、または発電機の場合には電気を発生することを担う、構成要素がモータ軸上に必要とされる。これらの構成要素は、回転できないようにモータ軸／発電機軸に恒久的に連結されなければならない。特定のモータでは、回転できないようにモータ軸にやはり連結されなければならない別の構成要素が必要とされる。モータ軸に連結されるべき構成要素には、たとえば、コレクタ、アーマチュア（巻線）、回転板パッケージ、整流子などがある。

発電機および電気モータ構成におけるほとんどの連結部は、スプライン、フェザーキー連結、または収縮連結として設計される。
収縮連結は特に多くの取り付け作業を必要とし、対応するコスト（構成要素の加熱または冷却、望ましくない高温または低温構成要素の処理、組み立て中の高いエネルギーコスト、加熱中に起こり得る構成要素の歪み、不適正な加熱による高い損傷可能性）、ならびに組み立て中の技術的欠点（組み立て中の冷却が速すぎることによる、長い連結部を接合するときの作業損失）を伴う。収縮連結部が冷却された後には、修正／分解という選択肢はもはや可能性がない。保守作業時に破壊せずに分解することは不可能である。

他の連結（スプライン、フェザー・キー連結）には技術的欠点があり、通常は取り付け空間が最適に利用されない。たとえば、スプラインは、硬化させなければならない場合にはその作業機能を失う。フェザーキー連結は、製造業界における連結の中で最悪のタイプのものである（アンバランス、切り欠き効果、費用のかかる製造、費用のかかる組み立て、好ましくないトルク挙動、バックラッシュ）。

本発明は、電動機械の構築および組み立てを簡単にするという課題に基づいている。

この課題を解決するために、本発明では、請求項１に記載の特徴を有する電動機械を提案する。後続の記述では、別の独立した発明の解決策を提示する。
本発明の目的は、取り付け空間および重量を節減できるように、組み立て上の有利な点を獲得できるように、また保守のしやすさを向上できるようにして、生産工程を最適化し、生産コストを低減し、連結部を最適化することにある。

本発明では、トルク伝達に使用される連結部のうちの少なくとも１つが、連結されるべき要素（通常は軸／ハブ・アセンブリ）が非円形断面を有するようにして設計されることを提案する。これらは、非円形連結部と呼ばれ、特定の場合には多角形連結部と呼ばれる。本発明の目的のために、「非円形連結部」という用語は一般に、非円形要素、すなわち円形断面を有していないものについて用いられる。一方、多角形連結部とは、たとえばサイクロイドと呼ばれる輪郭を生成できる、特定の非円形連結部のことである。これらには、内サイクロイド、外サイクロイド、短縮および延伸バージョンなどが含まれる。

この非円形連結部は、革新的な製造技術によって、特に、製造される要素の非円形回転によって、生産される要素を意味すると理解される。これらの要素は円形断面を有さずに、これから逸脱する、多角形もあり得る断面を有する。一方で、たとえば、軸の八角形端部を収容する八角形ハブが、組み立ておよび保守をかなり容易にし、同時に、極めて良好なトルク伝達を可能にすることは自明である。製造中、新規の非円形回転工程はまた、製造に必要な材料の量を減らすだけでなく、より速い加工時間を可能にする。さらに、必要とされる製造エネルギーが少ない。

これらの連結部は、アンバランスがないこと、ゼロ・バックラッシュ、セルフセンタリング、低ノッチ効果、最小取り付け空間での最適なトルク挙動、簡単な組み立て、硬化連結部の場合でも高い作業品質を特徴とする。

多角形段付きまたは円錐多角形連結部を使用することによって、電気モータまたは発電機のほとんどすべての連結部を非円形連結部として設計することができる。
多角形（非円形）段付き連結部が特に、構成要素の加熱または冷却が不要であるので、収縮連結部を置き換えるのに適している。取り付けは非常に単純化することができる。別法として、円錐形の非円形プロファイルを使用することができる。非円形連結部を使用することによって、連結部長さを減らすことができ、取り付け空間を節減でき、あるいは取り付け空間を追加機能（たとえば、嵌合）用に解放することができる。

このような連結部の利点には、極めて低コストでの非常に単純化された組み立て（構成要素の加熱が不要）、円形摩擦連結ではない非円形ポジティブ・フィットによる、または非円形ポジティブ摩擦連結による連結部長さの短縮、取り付け空間の確保、重量低減（エネルギー効率、効率のレベルの改善、より良い動作）、組み立て工程が非常に単純化された後の高い作業品質（アンバランスなし）がある。構成要素は、分解してから再度取り付けることができる（極めて低いモータの修理コスト）。

多角形／非円形連結部を電気モータまたは発電機に使用すると、フォームフィット連結をすべての連結部に使用できるので、結果としてかなりの改善点がもたらされ、駆動の動作信頼性が向上する。非円形連結部を使用することにより、モータ開発者には、より多くの動力および／またはより多くの機能を同じ取り付け空間に収容する可能性が開ける。非円形連結部を使用することにより、製造コストを著しく減らすことができる一方で、エネルギー効率は向上する。

さらなる発明の解決策として、出力軸端もまた非円形になるように設計されるべきことが提案される。非円形連結部がいずれにせよ使用される場合、この連結部は１つの型締め操作で共製造することができ、これには製造品質および製造コストにプラスの効果がある。同じことが、個別の部分間の作業品質を改善するための１つの型締め操作における、モータ軸の円形部分（たとえば、ベアリングシート）および非円形連結部の機械加工にも当てはまる。これにより、より高い回転速度を完成品で実現することが可能になる。出力軸端でも非円形連結部の技術的利点には、アンバランスなし、セルフセンタリング、動作能力が同じでよりコンパクトな設計、ゼロ・バックラッシュなどがある。

加えて、別の独立した発明の解決策として、モータ／発電機のファン・ホイールもまた多角形／非円形手法で軸に連結されるべきであることも提案される。ここでも、非円形段付き設計または円錐形の非円形プロファイルが、連結部形状として適している。

本発明によれば、薄板パッケージとロータ軸の連結ということになると、延伸トロコイドが特に興味深い。一方が薄板金属部材であるので、特にそうである。
本発明の解決策は、非円形回転工程を使用することによる高度の経済効率を特徴とする。これは高い精度を可能にし、それにより、たとえばスプラインの場合のようなバックラッシュがもはやない連結部を作り出すことができる。たとえば、フェザーキー連結部の場合のようなアンバランスもまたない。非円形回転工程はねじり剛性の、安全な大型連結部の生産を可能にする。接合は、特に段付き設計、円錐形連結部または類似の連結部を使用する場合に、加熱または冷却をせずに行うことができ、セルフセンタリングであり、従来のスプライン連結部と比較して、良好な伝達特性により、より小さい取り付け空間に収容することができ、あるいは同じ取り付け空間において、より高い動作信頼性および／またはより大きい力の伝達を可能にすることができる。連結要素（軸およびハブ）は、同じ工程を用いて製造することができる。

特に、ロータ軸との、薄板の積層体からなる連結部の場合には、相手側、すなわち薄板の積層体を機械加工によって生産できないので、延伸形状、たとえば延伸トロコイドが使用されることがある。

本発明によれば、多角形連結部の個々の要素は異なる材料から形成することができ、このことがまた、単純化および改善の可能性につながる。
本発明のさらなる利点および特徴は、図に基づく以下の説明から得られる。図は以下を示す。

電気モータの出力軸領域の非円形軸・ハブ連結部の概略図。 図１による軸・ハブ連結部に関する力分配曲線の図。 薄板パッケージとモータ軸（ロータ）の間の非円形軸・ハブ連結部の概略図。 図２による軸・ハブ連結部に関する力分配曲線の図。 図２の視線ＩＩＩにおいての本発明による非円形軸・ハブ連結部の概略図。

図１は、軸１によって提供されるハブ・シート２と、ハブ・シート２が受ける構成要素５（たとえばギヤ・ホイール）のハブとによる軸・ハブ連結部を示す。ハブ・シート２と構成要素５のハブは多角形連結部を構成する。すなわち、ハブ・シート２は断面が多角形の外側輪郭を有し、構成要素５は、たとえば、ハブ・シート２の外側輪郭に対応する内側輪郭の穴として設計されたレセプタクルを有する。使用される多角形プロファイルは、たとえば五角形とすることができる。原則として、非円形プロファイル、のような多角形プロファイルには当然、対応する数の角が必要に応じてあり得る。したがって、本発明は五角形の多角形プロファイルに限定されない。

図１に示されるように、ハブ・シート２と、それが受ける構成要素５とは、軸１の長手方向１１の長さが等しく、図１の紙面に対して幅が等しい。図１の図平面に対し、ハブ・シート２の左側および右側はそれぞれ、連結領域３または連結領域４によって制限され、連結領域３および４は、ハブ・シート２とは異なり断面が円形である。

図２に示されるように、図示の設計例のハブ・シート２は、別の２つの径方向肩部９および１０を有し、そのため、３つの段Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩによって３段ハブ・シート２が形成される。それに応じて、構成要素５のハブ（薄板金属の積層体）が本発明の多段態様のハブ・シート２用に設計される。

ハブ・シートの個々の段Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩは、図２の図平面に対して同じ幅であり、すなわち、モータ軸１の長手方向１１に対して同じ長さである。
ハブ・シート２の第２の段ＩＩを形成する径方向肩部９は、設計および用途に応じて、少なくとも２、３ミリメートルだけ、最大で数ミリメートルだけ、ハブ・シート２の第１の段Ｉの上に半径方向に出っ張る。同様に、径方向肩部１０によって形成される第３の段ＩＩＩは、径方向肩部９によって半径方向に設けられたハブ・シート２の第２の段ＩＩの上に出っ張る。

図３は、図２の視線方向ＩＩＩにおいての本発明による軸・ハブ連結部を示す。この図からは、ハブ・シートの個々の径方向肩部９および１０と、個々の段Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩとがはっきり見える。この図は特に、ハブ・シート２が五角形の多角形プロファイルを形成するのに対し、図２を参照すると、ハブ・シート２に左側も右側も隣接している連結領域３および４は、断面が円形である。

負荷状態で、（たとえば、図２の図平面に対して構成要素５の右側にかかる）力が、図３に力矢印Ｆで示されたのと同様に作用する場合には、図２ａに一例として示された、ハブ・シート２の領域の軸１への負荷が生じることになる。図２ａは、軸１のハブ・シート２の領域の力および／または応力分配８を示す線図であり、軸１に導入される力は、ｘ軸６に従ってハブ・シート２の軸方向延伸によってｙ軸７に伝達される。この線図から分かるように、これにより力または応力曲線８が得られ、この曲線は、図２の図平面に対して左から右に向かってハブ・シート２の段Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩごとに上昇する。図２の図平面に対して、最大負荷は、ハブ・シート２のそれぞれの段Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩの右側に生じる。

ここで、図１ａおよび図２ａは説明の目的のためにだけ提供されており、科学的または技術的に正確なものでは決してないことが強調されるべきである。
力の最高点は、０とＦ_ｍａｘの間の中間値にほぼ相当する平均力を画定する。この平均力は、軸・ハブ連結の効率の尺度であり、この中間値は破線で示されている。

最新技術の軸・ハブ連結部では、図１ａに示された力または応力分配８が生じる。図１ａと図２ａの線図を比較すると、ハブ・シート２に導入されるどちらの総力も同じ大きさであるが、ハブ・シート２の個々の段Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩに作用する最大力に対しては、本発明による設計によって力分配が実現されていることが示される。または逆に言うと、本発明による軸・ハブ連結部はより弾力性があり、より大きい平均力を伝達することができる。その結果、本発明の設計の形態では、軸１にかかる最大負荷が、同じ力の印加に対し最新技術と比較して最小化される。この最大負荷の最少化は、本発明の設計の形態によるハブ・シート２の個々の段Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩに最大の力および／または応力を分配することによって実現される。この応力分配により、最新技術と比較して接触腐食の改善（すなわち低減）が達成される。あるいは、本発明の軸・ハブ連結部は、著しく効率的とみなすことができ、すなわち、すべての点で著しい改善を示す。連結部の機能のさらなる最適化が、目標とされた異なる様々な段の特大のものによって実現され得る。

この軸・ハブ技術を電動機械のトルク伝達連結部に適用することが本出願の目的である。設計例に基づく大まかな図は、結果として得られる電動機械の利点を示す。

１ モータ軸
２ ハブ・シート／軸・ハブ連結部
３ 連結領域
４ 連結領域
５ 構成要素
６ ｘ軸
７ ｙ軸
８ 力分配
９ 径方向肩部
１０ 径方向肩部
１１ 長手方向
Ｉ 段
ＩＩ 段
ＩＩＩ 段
Ｆ 力
Ｆ_ｍａｘ 最大力

Claims (8)

1. トルクを伝達するための要素が設けられた電動機械であって、少なくとも１つの要素が、非円形断面の連結領域を有することを特徴とする、電動機械。
2. 出力軸端が非円形断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の電動機械。
3. 非円形断面の前記領域が非円形回転工程を用いて形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気駆動機械。
4. 非円形断面の前記領域が、円形領域を回転させるために使用される同じ型締め操作で、非円形回転工程を使用して形成されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 非円形断面の前記領域がサイクロイド輪郭を有することを特徴とする、請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
6. 非円形断面の前記領域が多角形であり、該領域の全長にわたって異なる直径の段を有することを特徴とする、請求項１乃至５の何れか一項に記載の電気駆動機械。
7. 非円形断面の前記領域が円錐形であることを特徴とする、請求項１乃至６の何れか一項に記載の電気駆動機械。
8. 非円形断面の前記領域を有する複数の要素を備えることを特徴とする、請求項１乃至７の何れか一項に記載の電気駆動機械。

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