JP4575891B2

JP4575891B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4575891B2
Application number: JP2006064241A
Authority: JP
Inventors: 真一郎吉田; 昭橋本; 興起仲; 正夫守田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: JP2007244118A; US7990008B2; CN101056029A; DE102007010838A1; US20070210666A1; CN101056029B

Description

この発明は、可変速電動機あるいは可変速発電機等の回転電機、特に、固定ステータ及び可動ステータの周方向電気角位置を相対的に変えることが可能な回転電機の構造に関するものである。

従来、可変速回転電機として、固定ステータと、固定ステータと相対的周方向位置を可変できる可動ステータを備えた構造の回転電機（例えば、特許文献１参照）や、ロータとステータの間に円筒部材を配置し、円筒部材を駆動装置で回転駆動できるような構造の回転電機（例えば、特許文献２）があり、上記構造において磁束を制御し、省電力化や回転数範囲拡大を狙った技術が開示されている。

特開２００３−９４８６号（３頁３１〜４６行、図５）特開２００２−１９９６８１号（６頁４〜１５行、図４）

特許文献１の回転電機においては、具体的な構造は開示されていないが、可動ステータに巻回されたコイル引出線の配置が不十分となる。つまり、コイル引出線の配置によっては、可動ステータが回転することによりコイル引出線が不規則に移動し、コイル線が急激に折り曲げられたり、過剰なテンションが作用したり、場合によってはロータあるいは可動ステータに巻き込まれ断線するというような問題点があった。

また、特許文献２の回転電機は、駆動装置の定期的な保守作業であるギアへのグリスアップやトラブル時の部品交換などを行う際、ハウジングを分解してベアリングや軸を取外して、駆動装置を取り外す必要がある。そのために、組立性やメンテナンス性が悪く信頼性のある構成とは言えない。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、機器構成をコンパクトにし、メンテナンス性もよく、信頼性の高い回転電機を得ることを目的としている。

第１の発明に係る回転電機は、ハウジングと、ハウジングの内周側に固定された固定ステータと、ハウジングの内周側に回動可能に支持された可動ステータと、固定ステータ及び可動ステータの内周側に同心状に配置されたロータと、可動ステータを所定角度回動する可動ステータ駆動部を備え、可動ステータ駆動部は、ハウジング内部に収まるように設けられると共に、その一部である固定部材がハウジングの外に面するように設置されて、可動ステータ駆動部が単体でハウジングの外部から着脱可能であることを特徴とする。

第２の発明に係る回転電機は、ハウジングと、ハウジングの内周側に固定された固定ステータと、ハウジングの内周側に回動可能に支持された可動ステータと、固定ステータ及び可動ステータの内周側に同心状に配置されたロータと、可動ステータを所定角度回動する可動ステータ駆動部を備え、可動ステータ端にガイドリングが設けられており、可動ステータが所定角度回動可能となるように、可動ステータからハウジング外部へのコイル引出線がガイドリングに対して緩やかな螺旋状に貯線されていることを特徴とする。

第１の発明に係る回転電機によれば、可動ステータ駆動部をハウジングに対して着脱可能にすることにより、可動ステータ駆動部の組み立て及び取り外しが容易にできるため、可動ステータ駆動部の部品への給油、給脂や部品交換等のメンテナンスが容易に行える。そのため、回転電機自体の信頼性が向上する。

第２の発明に係る回転電機によれば、可動ステータが所定角度回動可能となるように可動ステータのコイル引出線がハウジング内部に貯線されているので、コイル引出線が急激に折り曲げられたり、過剰なテンションが作用したりすることがなく、信頼性の向上が図れる。また、コイル引出線をハウジング内に内蔵するため、防塵あるいは機械的接触による断線を防ぐことで、信頼性を向上することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による回転電機を示す縦断面図であり、図２は図１の回転電機のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図に示すように、本実施の形態の回転電機は、円筒状のハウジング９の内周面に固定された固定ステータ１と、固定ステータ１の内側に所定空隙を介して同心状に配置された回動可能な可動ステータ２と、可動ステータ２の内周側に所定空隙を介して同じく同心状に配置されたロータ５を備えている。

固定ステータ１の磁極ティースには複数相のステータ巻線３が巻回されている。また、可動ステータ２は複数相のステータ巻線４を有しており、ステータ巻線４は例えばモールド樹脂などの非磁性かつ非導電体の材料を用いて一体化されている。固定ステータ１及び可動ステータ２のステータ巻線３及び４は、各相毎に固定ステータ１及び可動ステータ２間で直列に接続されている。

ロータ５は、その外周面に周方向に沿って所定ピッチで永久磁石６が取り付けられるとともに、その中央に回転出力を取り出すためのシャフト７が取り付けられている。そして、シャフト７の両端は、ハウジング９のベアリング支持部９ａ、９ｂに取り付けられたベアリング８ａ、８ｂにより回転自在に支持されている。

可動ステータ２は、非磁性、非導電体でできた支持円筒１０の外周部に固定されている。この支持円筒１０は、ハウジング９にベアリング１１ａ、１１ｂを介して回転可能に取り付けられている。そのため、可動ステータ２は固定ステータ１に対して相対回転が可能な構成となっている。また、支持円筒１０には所定機械角分を有する平歯車１２が取り付けられている。この平歯車１２は、ギアシャフト１３に取り付けられた平歯車１４と噛み合い、さらにギアシャフト１３に設けられた歯車が駆動モータ１６のウォームギア１７と噛み合う構成となっている。駆動モータ１６はギアボックス１８のモータ支持板１５に固定されている。

上記のような構成において、駆動モータ１６を駆動してウォームギア１７、キアシャフト１３、平歯車１４を介して平歯車１２を所定の機械角度分回動させると、可動ステータ２が支持円筒１０と共に所定角度分だけ回動する。これにより、固定ステータ１及び可動ステータ２の周方向の電気的位相が相対的に変化し、それらの合成電圧を可変にすることができる。

本実施の形態で特徴的な点は、図３に示すように、ギアシャフト１３、平歯車１４、ウォーム歯車１７、モータ支持板１５、駆動モータ１６及びモータ支持板１５を、ハウジング９に対して取外しが可能なギアボックス１８に設置している点である。ギアボックス１８はハウジング９に対して例えばねじにより固定される。つまり、ギアシャフト１３、平歯車１４、ウォーム歯車１７、モータ支持板１５、駆動モータ１６、モータ支持板１５、及びギアボックス１８から構成される可動ステータ駆動部を、ハウジング９に着脱自在に配置していることを特徴とする。

このような構造であれば、ギアボックス１８のみを容易に取外すことができ、ギアボックス１８及び支持円筒１０に取り付けられている歯車等に対してグリスアップを行ったり、部品の交換が容易にできるなどメンテナンス性が飛躍的に上がるため、機器の信頼性を向上することができる。

また、上記可動ステータ駆動部は、可動ステータ２に設けられたギアと、当該ギアと噛み合うギア及びそれを駆動するモータから構成されているので、単純な機構で精度よく可動ステータ２の回転方向の位置決めを行うことができる。

さらに、上記可動ステータ駆動部のギア及びモータはハウジング９内に配置されているので、機器をコンパクトに設置でき、設置余裕度を広げることができるとともに、可動ステータ駆動機構をハウジングによって保護しているので装置の信頼性を確保できる。

一方、可動ステータ２からのコイル引出線１９は、ハウジング９内に貯線されている。具体的には、コイル引出線１９は、支持円筒１０に取り付けられたガイドリング２０に対して緩やかな螺旋状になるように巻回されている。この場合、コイル引出線１９の巻付角度は｛３６０°＋（３６０°／ロータ５の極数）｝以上、つまりロータ５が８極の場合、コイル引出線１９の巻付角度は４０５°以上が好ましい。言い換えれば、コイル引出線１９は、｛（１＋１／ロータの極数）×可動ステータ外周長｝以上の長さが貯線されていることが好ましい。なお、コイル引出線１９はハウジング９の出口部でシリコンゴム２７によるモールドで固定される。

このような構造にすることにより、コイル引出線１９が急激に折り曲げられたり、過剰なテンションが作用したりすることがなく、また、ロータ５や可動ステータ２に巻き込まれ断線する恐れがなくなり、信頼性の向上が図れる。

また、コイル引出線１９がガイドリング２０に沿って緩やかに巻きつけられており、可動ステータ２の回転に伴い、コイル引出線１９の弛み分がガイドリング１９に巻きつき又は解かれることでコイル引出線１９に無理なテンションが作用しないようにすることできる。また、コイル引出線１９がロータ７に巻き込まれることを防ぐことが可能なので、信頼性を向上することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、固定ステータ１と可動ステータ２が同心状に配置された構造の回転電機について説明したが、本実施の形態２では、固定ステータ１と可動ステータ２が軸方向に並列的に配置された構造の回転電機に適用した例について説明する。

図４はこの発明の実施の形態２による回転電機を示す断面図である。図に示すように、本実施の形態の回転電機は、円筒状のハウジング９の内周面に固定ステータ１及び可動ステータ２が軸方向に並列的に配置されている。そして、これら固定ステータ１及び可動ステータ２の内周側に所定空隙を介してロータ５が同心状に配置されている。

固定ステータ１にはステータ巻線３が巻回されており、可動ステータ２にはステータ巻線４が巻回されている。ロータ５は、その外周面に周方向に沿って所定ピッチで永久磁石６が取り付けられるとともに、その中央に回転出力を取り出すためのシャフト７が取り付けられている。そして、シャフト７の両端は、ハウジング９のベアリング支持部９ａ、９ｂに取り付けられたベアリング８ａ、８ｂにより回転自在に支持されている。

可動ステータ２は、非磁性、非導電体でできた支持円筒１０の外周部に固定されている。この支持円筒１０は、ハウジング９にベアリング１１ａ、１１ｂを介して回転可能に取り付けられている。そのため、可動ステータ２は固定ステータ１に対して相対回転が可能な構成となっている。また、支持円筒１０には所定機械角分を有する平歯車１２が取り付けられている。この平歯車１２は、ギアシャフト１３に取り付けられた平歯車１４と噛み合い、さらにギアシャフト１３に設けられた歯車が駆動モータ１６のウォームギア１７と噛み合う構成となっている。駆動モータ１６は、ギアボックス１８のモータ支持板１５に固定されている。

本実施の形態で特徴的な点は、上記実施の形態１と同様に、ギアシャフト１３、平歯車１４、ウォーム歯車１７、モータ支持板１５、駆動モータ１６及びモータ支持板１５を、ハウジング９に対して取外しが可能なギアボックス１８に設置している点である。ギアボックス１８はハウジング９に対して例えばねじにより固定される。つまり、ギアシャフト１３、平歯車１４、ウォーム歯車１７、モータ支持板１５、駆動モータ１６、モータ支持板１５、及びギアボックス１８から構成される可動ステータ駆動部を、ハウジング９に着脱自在に配置していることを特徴とする。

一方、可動ステータ２からのコイル引出線１９は、ハウジング９内に貯線されている。具体的には、コイル引出線１９は、支持円筒１０に取り付けられたガイドリング２０に対して緩やかな螺旋状になるように巻回されている。この場合、コイル引出線１９の巻付角度は｛３６０°＋（３６０°／ロータ５の極数）｝以上、つまりロータ５が８極の場合、コイル引出線１９の巻付角度は４０５°以上が好ましい。言い換えれば、コイル引出線１９は｛（１＋１／ロータの極数）×可動ステータ外周長｝以上の長さが貯線されていることが好ましい。なお、コイル引出線１９はハウジング９の出口部でシリコンゴム２７によるモールドで固定される。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による回転電機を示す縦断面図である。本実施の形態では、支持円筒１０に取り付けられた平歯車１２と噛み合うような平歯車２１が取り付けられた回転角度センサ２２がセンサ取付板２３を介してハウジング９に取り付けられている。なお、その他の構成は実施の形態１で示した回転電機の構造と同様である。

本実施の形態では、上記のような構造を採用することにより、可動ステータ２が所定回動範囲を越えることで生じる、コイル引出線１９の断線や機械破損を防止する効果がある。また、固定ステータ１と可動ステータ２の回転方向の相対位置を検出することができ、ロータ５の回転数に応じた最適な制御が可能となる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態３による回転電機を示す横断面図である。図６に示すように、ハウジング９に対して回転可能に支持された支持円筒１０に可動側ストッパ２４が設置してあり、一方、ハウジング９から軸方向に向かって固定側ストッパ２５ａ、２５ｂが取付けられている。支持円筒１０の回転範囲は、固定側ストッパ２５ａ、２５ｂの範囲内である。可動ステータ２を設置した支持円筒１０が上記範囲外に回転移動しようとしても、図７に示すように、可動側ストッパ２４と固定側ストッパ２５が接触し、それ以上は回転できない。

以上のように本実施の形態によれば、可動ステータ２を回転駆動させる駆動モータ１６の誤動作により所定値以上に回動しようとした場合でも、可動側ストッパ２４と固定側ストッパ２５が接触することにより、コイル引出線１９が可動範囲外に回転移動することがなく、コイル引出線１９が断線することを防止することができる。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５による回転電機を示す一部横断面図であり、図９はこの発明の実施の形態５による回転電機を示す縦断面図である。実施の形態１では、可動ステータ２は支持円筒１０に取付けられており、支持円筒１０はハウジング９に対してベアリング１１ａ、１１ｂによって回転支持されていた。

本実施の形態では、ベアリング１１ａ、１１ｂの代わりに複数のころ２６を図９に示すように周方向に支持円筒１０に設置して、上記ころ２６を介して支持円筒１０をハウジング９に対して支持する構造とする。

本実施の形態によれば、径の大きなベアリング１１ａ、１１ｂを使用するよりころ２６を使用する方がコストを安くすることができる。

この発明は、例えば、工作機械用主軸モータ、自動車の駆動用モータ、もしくは発電機等に用いられる可変速永久磁石回転電機に適用可能な回転電機である。

この発明の実施の形態１による回転電機を示す縦断面図である。図１の回転電機のＩＩ−ＩＩ線断面図である。この発明の実施の形態１による可動ステータ駆動部の詳細を示す断面図である。この発明の実施の形態２による回転電機を示す縦断面図である。この発明の実施の形態３による回転電機を示す縦断面図である。この発明の実施の形態４による回転電機を示す横断面図である。この発明の実施の形態４による回転電機の動作を説明する一部横断面図である。この発明の実施の形態５による回転電機を示す一部横断面図である。この発明の実施の形態５による回転電機を示す縦断面図である。

符号の説明

１固定ステータ、２可動ステータ、３ステータ巻線、４ステータ巻線、
５ロータ、６永久磁石、７シャフト、８ａ，８ｂベアリング、９ハウジング、１０支持円筒、１１ａ，１１ｂベアリング、１２平歯車、１３ギアシャフト、
１４平歯車、１５モータ支持板、１６駆動モータ、１７ウォームギア、
１８ギアボックス、１９コイル引出線、２０ガイドリング、２１平歯車、
２２回転角度センサ、２３センサ取付板、２４可動側ストッパ、
２５ａ，２５ｂ固定側ストッパ、２６ころ。

Claims

ハウジングと、上記ハウジングの内周側に固定された固定ステータと、上記ハウジングの内周側に回動可能に支持された可動ステータと、上記固定ステータ及び上記可動ステータの内周側に同心状に配置されたロータと、上記可動ステータを所定角度回動する可動ステータ駆動部を備え、
上記可動ステータ駆動部は、上記ハウジング内部に収まるように設けられると共に、その一部である固定部材が上記ハウジングの外に面するように設置されて、上記可動ステータ駆動部が単体で上記ハウジングの外部から着脱可能であることを特徴とする回転電機。
ハウジングと、上記ハウジングの内周側に固定された固定ステータと、上記ハウジングの内周側に回動可能に支持された可動ステータと、上記固定ステータ及び上記可動ステータの内周側に同心状に配置されたロータと、上記可動ステータを所定角度回動する可動ステータ駆動部を備え、
上記可動ステータ端にガイドリングが設けられており、
上記可動ステータが上記所定角度回動可能となるように、上記可動ステータから上記ハウジング外部へのコイル引出線が上記ガイドリングに対して緩やかな螺旋状に貯線されていることを特徴とする回転電機。
上記固定ステータの内周側に上記可動ステータが同心状に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
上記固定ステータと上記可動ステータとが軸方向に並列的に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
上記可動ステータ駆動部は、上記可動ステータに設けられたギアと、当該ギアと噛み合うギア及びそれを駆動するモータから構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
上記可動ステータ駆動部のギア及びモータは上記ハウジング内に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
上記コイル引出線は、｛（１＋１／ロータの極数）×可動ステータ外周長｝以上の長さが貯線されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
上記可動ステータ端に設けられたギアと噛み合うように配置された回転角度センサを備えたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
上記可動ステータの回動範囲を規制するストッパを備えたこと特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
上記可動ステータは、ころを介して上記ハウジングに対して回動可能に支持されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転電機。