JP3933488B2

JP3933488B2 - ２軸同期電動機

Info

Publication number: JP3933488B2
Application number: JP2002038362A
Authority: JP
Inventors: 信人宮下; 善徳小島; 高典稲田; 幸三真武
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: JP2003244910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平行に配置した２本のロータを同期反転駆動する２軸同期電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開昭６１−２８９１４３号のように２本のロータを平行に配置し、各々のロータの全周に電機子を設けた２軸型電動機が知られている。この発明においては、２本のロータはそれぞれ独立に駆動され、この時電機子の発生する磁界が互いに干渉しないような巻線関係を開示している。また、特開平４−１７８１４３号においては、２軸を同期して反転駆動できる２軸同期電動機が提案されている。この電動機は永久磁石を周設した２本のロータが接触または近接するように設けられ、２本のロータは楕円状のケーシング内周面に電機子巻線を周設した電機子鉄芯内に並列軸支されている。２本のロータは、相対向して形成された歯部の無配置部において、各ロータの永久磁石の異磁極面を相対向させた磁気カップリングを構成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来の２軸駆動電動機は、いくつかの欠点を有している。特開昭６１−２８９１４３号においては、２本のロータは永久磁石を配置しておらず、同期して反転させるようにはなっていない。従って、２本のロータを同期して反転させることは不可能である。また、２本のロータを同期して反転駆動する２軸同期電動機は、特開平４−１７８１４３号に開示されているが、２本のロータは接触させて並列に軸支するか、隙間を設けて軸支するが、楕円状の内周形状を持つ電機子構造はロータ駆動時に、均等な偶力を発生できずロータを軸支する軸受に、偏芯した荷重をかけることになる。このため、接触した２本のロータにおいては回転時に、振動や騒音の原因となる。また、２本のロータの隙間を設けて配置した場合には、永久磁石の磁気吸引力により２本のロータ間には過大な力がかかり、軸支する軸受に偏芯した荷重が加わることになる。これは軸受の振動や、騒音、寿命について悪影響を与えるものである。
【０００４】
本発明は、係る事情に鑑みて為されたもので、２本のロータの磁気力カップリングによるラジアル方向のアンバランス荷重の問題を解決し、ロータを高速で安定して同期反転させることができ、且つコンパクトな構造とすることができる２軸同期電動機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の２軸同期電動機は、平行に配置した２本のロータを同期して反転駆動する２軸同期電動機において、前記ロータには、それぞれ永久磁石が配置され、前記２本のロータ間の中央には、共通の巻線を備えた電機子鉄芯が配置され、前記２本のロータの周囲には、接続鉄芯により一体に構成されたそれぞれ独立した巻線を備えた電機子鉄芯が配置され、前記共通の巻線を備えた電機子鉄芯とその両側に配置された前記接続鉄芯とは、金属材料からなる非磁性材のくさびを用いて相互に固定されていることを特徴とする。
【０００６】
前記２本のロータの周囲に配置された前記独立の巻線を備えた２個の電機子鉄芯は、接続鉄芯により連続した磁路が形成される。また、前記２本のロータ間に配置された共通の巻線を備えた電機子と、他の電機子とは、非磁性材のくさびを用いて相互に固定されている。
【０００７】
上記本発明によれば、２本のロータが平行に配置され、それぞれのロータには同極数の永久磁石が配置されているので、２本のロータ間に共通の巻線を備えた電機子鉄芯を介して異磁極を磁気カップリングするように同期反転させることができる。そして、２本のロータ間の鉄芯に形成されるカップリング磁束は、他の独立した電機子鉄芯を介して閉磁路が形成される。従って、２本のロータが互いに磁気カップリングして、同期反転回転力を強めると共に、磁気回路がそれぞれのロータの周囲に均等に配置された電機子鉄芯に均等に形成される。これにより、それぞれのロータには、その周囲に配置された３個の電機子鉄芯に対して磁気力がバランスして形成される。従って、２本のロータは同期反転し、ロータ軸受に過大な偏芯荷重がかからず、高速で安定した回転力が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態の２軸同期電動機の回転軸に沿った断面図であり、図２は図１の径方向に沿った断面図である。ケーシング１には、２本の回転軸６ａ，６ｂが平行に配置され、それぞれの回転軸６ａ，６ｂは軸受７により支承されている。図示はしないが、回転軸６ａ，６ｂに駆動対象のポンプロータ等が接続される。それぞれの回転軸６ａ，６ｂには、２極の永久磁石を外表面に周設したロータ２ａ，２ｂが配置されている。それぞれのロータ２ａ，２ｂに配置された永久磁石は、その外周面の片側がＮ極となり、他の片側がＳ極となる２極を形成するように配置されている。なお、ここでは２極の永久磁石を備えた例について説明するが、図３に示すように４極としてもよい。
【００１０】
ロータ２ａの２極の永久磁石外周面の更に外側には、これを取り囲むようにそれぞれ分割した電機子鉄芯３ａ１，３ａ２，３ｃが配置されている。同様に、ロータ２ｂの２極の永久磁石外周面の更に外側には、これを取り囲むようにそれぞれ分割した電機子鉄芯３ｂ１，３ｂ２，３ｃが配置されている。各電機子鉄芯は、それぞれ１２０°ずつずらせて軸対称に配置されている。
【００１１】
各電機子鉄芯３ａ１，３ａ２，３ｂ１，３ｂ２には、それぞれ独立の巻線４を装着している。２本のロータ２ａ，２ｂ間の中央に配置された電機子鉄芯３ｃには、共通の巻線４ｃを装着している。ここで、共通の巻線４ｃの巻数は、独立の巻線４の２倍の巻数となっている。
【００１２】
電機子鉄芯３ａ１と３ｂ１とは、図示するように接続鉄芯３０により一体の鉄芯で構成されている。従って、２個の永久磁石（ロータ）２ａ，２ｂおよび中央の電機子鉄芯３ｃを介して閉磁路が形成されるようになっている。同様に、電機子鉄芯３ａ２と３ｂ２とは、図示するように接続鉄芯３０により一体の鉄芯で構成されていて、２個の永久磁石２ａ，２ｂおよび中央の電機子鉄芯３ｃを介して閉磁路が形成されるようになっている。
【００１３】
従って、この２軸同期電動機においては、図２のＣＣ線に沿って、２本のロータ２ａ，２ｂおよびそれぞれのロータを取巻く電機子鉄芯が線対称となるように配置されている。また、ロータ２ａを取巻く３個の電機子鉄芯３ａ１，３ａ２，３ｃと、ロータ２ｂを取巻く３個の電機子鉄芯３ｂ１，３ｂ２，３ｃとは、それぞれ軸対称となるように１２０゜の均等振り分けにて配置されている。ここで中央の電機子鉄芯３ｃは、２軸のロータ２ａ，２ｂの間に配置され、線ＣＣに沿って対称であり、ロータ２ａ，２ｂの外周面と磁気カップリングするようにそれぞれの電機子鉄芯面が構成されている。
【００１４】
上述した２軸同期電動機の構成により、総電機子数は５個となり、総鉄芯数は３個となり、コンパクトな構成となる。電機子鉄芯３ａ１と３ｂ１との接続鉄芯３０には、逆台形状の凸状部９を備え、また電機子鉄芯３ｃの上記凸状部９に対面する部分に逆台形状の凸状部１０を備えている。そして、これらの逆台形状の凸状部９，１０に嵌合するように、非磁性の金属製のくさび５により鉄芯３ｃと一体構造の鉄芯３０とが固定されている。
【００１５】
これにより、永久磁石ロータの磁気カップリングにより形成される磁束が漏れを形成することなく、閉じた磁路を形成できると共に、各電機子鉄芯同士を固定することができる。また、くさび５として熱伝導性の良好な金属材料（例えばステンレス材やアルミ合金等）を用いることで、電動機駆動時に各巻線に発生する熱を素早くケーシング１に伝熱し、これにより電動機を冷却することができる。このため、ケーシング１は、例えば放熱性の良好なアルミ材料を用いることが好ましい。
【００１６】
次に、上記２軸同期電動機における２軸ロータの回転動作について図３乃至図５を参照して説明する。図４に示すように、電機子Ｕ１とＵ２の巻線は、逆相で且つ直列に接続され、同様に電機子Ｖ１とＶ２の巻線も逆相で且つ直列に接続されている。電機子Ｗ１とＷ２の巻線は共通の巻線であり、他の二つの巻線に対して２倍の巻数にて構成され、これらがＹ接続され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなる配線が構成される。これにより、それぞれのロータ２ａ，２ｂに対して、三相の巻線が１２０゜ずつの間隔を置いて均等に配置されていることになる。図４（ａ）においては、Ｕ相とＶ相との間に電流Ｉを流した状態を示し、（ｂ）にはＵ相とＷ相との間に電流Ｉを流した状態を示し、（ｃ）にはＶ相とＷ相との間に電流Ｉを流した状態をそれぞれ示している。
【００１７】
図５は、通電のタイミング例を示す。ここでは、３０゜までの間にＵ相とＶ相との間に電流Ｉを供給し、３０゜から６０゜の間にＵ相とＷ相との間に電流Ｉを供給する。そして、６０゜から９０゜の間にＶ相とＷ相との間に電流Ｉを供給し、９０度から１２０゜の間にＶ相からＵ相の間に電流Ｉを供給する。また、１２０゜から１５０゜の間にＷ相からＵ相に電流Ｉを供給し、１５０゜から１８０゜の間にＷ相からＶ相に電流Ｉを供給する。
【００１８】
図６は、回転動作における電機子磁極とロータ磁極との関係を示したものである。図を簡略化するために、ロータの回転および電機子巻線の通電状態を示している。図５に示す通電のタイミングに従って、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相間にそれぞれ電流Ｉを流すと、電機子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１およびＵ２，Ｖ２，Ｗ２に、ロータ２ａ，２ｂをそれぞれ反転して回転させる空間移動磁界が形成される。図６（ａ）では、Ｕ相からＶ相に通電した場合を示し、電機子Ｕ１の磁極がＮ極となり電機子Ｖ１の磁極がＳ極となる。同時に、電機子Ｕ２の磁極がＳ極となり、電機子Ｖ２の磁極がＮ極となる。これにより、ロータ２ａおよび２ｂはそれぞれ図示する方向に回転駆動される。
【００１９】
図６（ｂ）は、Ｕ相からＷ相に通電をした場合を示し、図５の通電タイミングにおける３０゜から６０゜の間に相当する。この場合には、電機子Ｕ１の磁極がＮ極となり、電機子Ｗ１の磁極がＳ極となり、電機子Ｕ２の磁極がＳ極となり、電機子Ｗ２の磁極がＮ極となる。これにより、ロータ２ａ，２ｂは、それぞれ矢印で示す方向に回転駆動される。図６（ｃ）は、Ｖ相からＷ相に通電した場合を示し、図５における６０゜から９０゜の間に相当する。これにより電機子Ｖ１の磁極がＮ極となり、電機子Ｗ１の磁極がＳ極となり、電機子Ｗ２の磁極がＮ極となり、電機子Ｖ２の磁極がＳ極となる。従って、ロータ２ａ，２ｂは、引き続き図示する方向に回転駆動される。このように、通電のタイミングに従って電流を切り換えることで、ロータ２ａ，２ｂには連続した同一方向への回転駆動力が付与される。
【００２０】
そして、通電に伴うロータ２ａ，２ｂの回転駆動動作と同時に、ロータ２ａ，２ｂの永久磁石の互いに異なる磁極面が共通の電機子鉄芯３ｃを介して対面することとなる。これにより、ロータの永久磁石同士の磁気カップリング力が作用する。一方で、他の独立した電機子鉄芯（３ａ１と３ｂ１および３ａ２と３ｂ２）は共通の接続鉄芯３０を介して一体的に構成されると共に磁気的に接続されている。従って、永久磁石の他の極も独立した鉄芯を介して閉磁路が形成され、これにより２個の永久磁石ロータ間で相互に閉磁路が構成され、磁気カップリング力が作用する。
【００２１】
例えば、図６（ａ）の状態においては、ロータ２ａのＳ極と、ロータ２ｂのＮ極が共通鉄芯３ｃを介して磁気カップリングし、ロータ２ａのＮ極とロータ２ｂのＳ極とがそれぞれ電機子鉄芯３ａ１，３ｂ１および接続鉄芯３０を介して磁気カップリングすると共に、電機子鉄芯３ａ２，３ｂ２および接続鉄芯３０を介して磁気カップリングする。換言すれば、ロータ２ｂのＮ極から共通鉄芯３ｃを通りロータ２ａのＳ極に入り、ロータ２ａのＮ極から電機子鉄芯３ａ１、接続鉄芯３０、電機子鉄芯３ｂ１を通りロータ２ｂのＳ極に戻る閉磁路が形成され、同様に電機子鉄芯３ａ２，接続鉄芯３０、電機子鉄芯３ｂ２を通る閉磁路が形成される。
【００２２】
即ち、２個の永久磁石ロータ２ａ，２ｂが定常的な閉磁路により相互に磁気カップリングした状態となっている。そして、この２個の永久磁石ロータ２ａ，２ｂの相互の磁気カップリング力は、それぞれのロータ２ａ，２ｂに対して各電機子鉄芯３ａ１，３ａ２，３ｃおよび３ｂｌ、３ｂ２，３ｃが軸対称に配置されているので、軸対称に作用する。それ故、永久磁石によるカップリング力および電機子巻線による駆動力ともに、偏心荷重を発生させることなく、安定したロータの回転が確保される。
【００２３】
なお、本発明の２軸同期電動機は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ロータを軸支する軸受に対して、偏心荷重をかけずに回転が可能となり、これにより振動・騒音を低く抑えて高速で安定した回転が可能となる。また、電機子（鉄芯および巻線）の数を全体で５個とすることができ、極めて単純な電機子の構造が得られる。
【００２５】
これにより、小型コンパクトで、且つ高性能な２軸同期電動機が得られる。また、分割された電機子鉄芯を熱伝導性の良好な非磁性のくさびにより固定することで、分割された電機子鉄芯同士の固定力を高めると共に、電機子巻線の発熱を効率よくモータケーシングに伝達して放熱することができる。総じて、本発明によれば小型コンパクトな構造で、且つ安定した運転動作が可能な２軸同期電動機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の２軸同期電動機の軸方向に沿った断面図である。
【図２】図１に示す２軸同期電動機（２極）の径方向に沿った断面図である。
【図３】図１に示す２軸同期電動機（４極）の径方向に沿った断面図である。
【図４】図１に示す２軸同期電動機の各巻線の結線図である。
【図５】各巻線の通電パターンを示すタイムチャートである。
【図６】各巻線の通電状態と、各電機子における磁極の形成状態と、ロータの回転との関係を示す図である。
【符号の説明】
１モータケーシング
２ａ，２ｂ２極の永久磁石ロータ
３ａ１，３ａ２，３ｂ１，３ｂ２電機子鉄芯
３ｃ共通鉄芯
３０接続鉄芯
４巻線
４ｃ共通巻線
６ａ，６ｂ回転軸
７軸受
９，１０逆台形状の凹状部

Claims

平行に配置した２本のロータを同期して反転駆動する２軸同期電動機において、
前記ロータには、それぞれ永久磁石が配置され、
前記２本のロータ間の中央には、共通の巻線を備えた電機子鉄芯が配置され、
前記２本のロータの周囲には、接続鉄芯により一体に構成されたそれぞれ独立した巻線を備えた電機子鉄芯が配置され、
前記共通の巻線を備えた電機子鉄芯とその両側に配置された前記接続鉄芯とは、金属材料からなる非磁性材のくさびを用いて相互に固定されていることを特徴とする２軸同期電動機。
前記接続鉄芯は、前記中央に配置された電機子鉄芯の両側に配置され、それぞれの前記接続鉄芯がケーシングに直接固定されていることを特徴とする請求項１記載の２軸同期電動機。
前記２本のロータの周囲に配置された前記それぞれ独立の巻線を備えた２個の電機子鉄芯は、前記接続鉄芯により連続した磁路が形成されることを特徴とする請求項１記載の２軸同期電動機。
前記２本のロータ間の中央に配置された前記共通の巻線を備えた電機子鉄芯の共通の巻線の巻数は前記独立の巻線の巻数の２倍であることを特徴とする請求項１記載の２軸同期電動機。
前記２本のロータの周囲に配置された前記独立の巻線を備えた電機子鉄芯は、それぞれの対応する相が逆相に接続されていることを特徴とする請求項１記載の２軸同期電動機。