JP4909689B2 - 軸方向空隙型電動機 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向空隙型電動機、特に回転軸の偏芯許容構造を備えた軸方向空隙型電動機に関するものである。

従来、低速高トルクが要求される電動機に対応する電動機として、回転軸方向に固定子と回転子とが対向して配置される軸方向空隙型電動機がある。従来の軸方向空隙型電動機は、コイルが巻回される固定子と、このコイルに回転軸方向に対向して配置され、複数対の永久磁石が周方向起磁力形に配置される回転子とからなり、固定子コイルに電流を流して回転磁界を発生させ、これに伴い固定子と回転子との間の磁気的な吸引力および反発力によって、回転子を回転させるものである（特許文献１、２参照のこと）。
特開２００２−１５３０２８号公報 特開平１１‐１８７６３５号公報

しかしながら、これら従来の軸方向空隙型電動機では、固定子の中心線と回転子の回転軸中心線とを同一中心線として構成され、たとえば回転子に接続する被回転部材の回転中心線も回転子の回転中心線と同一にする必要が生じるが、組み立て精度等を考慮するとバラツキを除去することができず、この中心線のズレ（偏芯量）を許容するために、例えばオルダムカップリングを回転子と被回転部材間に設置することが行われている。

このため、オルダムカップリングの設定に伴い、コストアップや重量増加という課題が生じる。

本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、偏芯許容構造を備えた軸方向空隙型電動機を提供することを目的とする。

本発明は、被回転部材に接続する回転軸を備え、永久磁石またはコイルの一方を周方向に所定間隔で複数個設置した回転子と、前記回転子の回転中心線方向に前記永久磁石またはコイルの一方に対向するように前記永久磁石またはコイルの他方を備えた固定子とを備え、前記固定子が前記回転子の回転中心線方向に所定空隙を持って前記回転子に相対するように配置された電動機部を有する軸方向空隙型電動機において、前記回転子と前記固定子とを内装し、その内面に前記固定子を固定するケースと、前記ケースと前記回転子との間に設けられるとともに前記回転子を回転可能に支持し、前記回転子の回転中心線に対して直交する前記ケースの面に対して摺動するベアリングを備え、前記固定子は、前記回転子が回転する場合の、前記回転子の最も外側の軌跡と前記回転子の最も内側の軌跡とに渡って設けられることを特徴とする軸方向空隙型電動機である。

本発明では、回転子の回転中心線とケースの中心線、つまり固定子の中心線とのズレを許容するベアリングを備えたので、ズレを許容するために回転子と被回転部材間に設けていたオルダムカップリングを廃止することができ、コストの低減や軽量化を図ることができる。

また、回転子が回転する場合の最も外側の軌跡と最も内側の軌跡とを固定子の中心線に直交する方向に渡って固定子を設けたので、コイルと永久磁石との間の磁界を適正に形成し、回転子と固定子との間の偏芯に伴う電動機の効率の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の軸方向空隙型電動機１の構成を示す回転子３の回転中心線を含む断面図である。

本実施形態において、被回転部材に接続するロータ軸２と、ロータ軸２に固定された回転子３と、ロータ軸２方向に所定の空隙をもって回転子３に対向するように設けられた一対の固定子４とからなる電動機部１ａを、複数個ロータ軸２方向に配置して、ケース５内に収納し、軸方向空隙型電動機１を構成する。なお、本実施形態では２列の電動機部１ａを備えた軸方向空隙型電動機１を用いて説明するが、これに限らず、より複数個でも、あるいは１列の電動機部１ａからなる軸方向空隙型電動機１であってもよい。

図２は、回転子３の形状を説明する図である。回転子３は図示しない被回転部材に接続するロータ軸２の中心線に直交する方向に延出する４本の腕部６を備え、これら腕部６は周方向に等間隔（図２では９０°間隔）で配置される。各腕部６の先端部には各腕部６を連結するロータ軸２と同軸の円筒状のリング部材７が固定される。

図１に示すように、回転子３の各腕部６の中間部には、永久磁石１２が腕部６に取り付けられる。永久磁石１２は、例えば図３に示すように中心線方向から見て略扇状に形成され、永久磁石１２の端面１２ａは、回転子３の中心線に直交する面として形成される。なお、永久磁石１２の数、形状等は本実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。

一対の固定子４は、ロータ軸２の中心線方向にて回転子３の永久磁石１２にそれぞれ対向する位置にそれぞれ設けられる。固定子４は、ヨーク部８と、ヨーク部８から回転子３側に突出し、中心線方向から見て扇状のティース部９と、ティース部９に形成された溝部に巻回されるコイル１０とから構成される。ヨーク部８は、ティース部９をケース５に固定するとともに、ティース部９の磁束を周方向に回して別のティース部９へ流す役割を果す。またコイル１０は図示しない絶縁体等を介して、ティース部９から絶縁される。ティース部９は、さらにコイル１０が巻回される本体部９ａと、その先端部においてコイル１０を位置決めするとともに、回転子３と対面するつば部９ｂとから構成される。

ここで、固定子４の形状について説明する。固定子４のティース本体部９ａに巻回されたコイル１０は、図３に示すように、固定子４の中心線方向から見て、永久磁石１２と略同一形状の扇状に形成されるが、ティース部９を構成するつば部９ｂは、永久磁石１２に比してロータ軸２の中心線に直交方向に、つまり半径方向に長い形状を有している。これは、永久磁石１２が固定される回転子３が固定子４に対して偏芯可能に構成されるため、回転子３に伴って永久磁石１２の偏芯し、最大偏芯時でも永久磁石１２と固定子４のつば部９ｂとが固定子４の中心線方向で対面するように固定子４のつば部９ｂの形状を設定するためである。

図３中に示す円Ｃ１は、永久磁石１２が偏芯時を考慮して回転した場合の最も外側の軌跡である最外軌跡を示し、円Ｃ２は同様に最も内側の軌跡である最内軌跡を示している。この円Ｃ１、Ｃ２で囲まれる領域において、固定子４の中心線に直交する方向にて円Ｃ１と円Ｃ２とに渡ってティース部９のつば部９ｂを形成することで、回転子３の偏芯時においても固定子４の中心線方向から見てつば部９ｂと永久磁石１２の全体とが対面する状態とすることができる。なお、ティース部９のつば部９ｂの形状は、回転子３の中心線と固定子４の中心線との回転時の偏芯量と回転子３の永久磁石１２の形状から設定することが可能である。

各電動機部１ａを収納するケース５は、有底円筒形状を有する本体部５ａと、本体部５ａの開口端を塞ぐとともに、ロータ軸２が貫通する空間５ｄを備えた蓋部５ｂとを備える。ケース５内部には、中空円板状の仕切板５ｃが配置され、この仕切板５ｃは、本体部５ａ及び蓋部５ｂと平行に、ケース５の中心線に直交方向に沿って設置され、ケース５内をその中心線方向に２つの空間部５ｘ、５ｙに区画する。本体部５ａの底面と蓋部５ｂと仕切板５ｃはケース５の中心線に対して直交方向に形成される面５ｅを備える。

そして、各空間部５ｘ、５ｙ内の面５ｅに固定子４のヨーク８が固定され、各固定子４に対面して回転子３の永久磁石１２が配置され、電動機部１ａが構成される。なお、各電動機部１ａが構成された状態で、回転子３と、回転子３に相対する一対の固定子４との中心線方向のそれぞれの空隙１４が所定値となるように回転子３と固定子４とが設置される。

ここで、ケース５の蓋部５ｂの空間５ｄは、ロータ軸２の直径に対して所定量だけ大きく形成され、前述のように回転子３はロータ軸２に直交する方向に摺動可能に構成されるが、この空間５ｄの径とロータ軸２の直径との差によって回転子３のケース５に対するロータ軸２の直交方向の相対的な摺動量が規定される。

回転子３の腕部６の先端部を連結する円筒状のリング部材７は、その両側の端面７ａが、中心線方向にてケース５と仕切板５ｃの各面５ｅに面して形成され、このリング部材７の端面７ａとケース５と仕切板５ｃの面５ｅ間にベアリング１３がそれぞれ配置される。このベアリング１３は、ケース５の面５ｅに対して回転子３のロータ軸２の回転中心線に直交方向の摺動を可能とし、かつケース５の面５ｅ上での回転子３のロータ軸２回りの回転を可能とする。なお、ベアリング１３としてはスライドベアリング等が考えられるが、これに限らず、回転子３のケース５に対する摺動と回転子３の自転を可能とする手段であればよい。

なお、本実施形態では、回転子３に永久磁石を、固定子４にコイルを設置したが、逆に回転子３にコイルを、固定子４に永久磁石を設けるようにしてもよい。この場合には、コイルを回転子３の腕部６に摺動可能に設ける。

次に作用を説明する。

本発明の軸方向空隙型電動機１は、例えば、ケース５を固定し、回転子３に固定されるロータ軸２を被回転部材に接続した状態で固定子４のコイル１０に通電される。固定子４のコイル１０に通電されると、回転磁界が発生し、これに伴い固定子４と回転子３との間の磁気的な吸引力および反発力によって、回転子３を所定方向に回転させる。この回転により回転子３に接続する図示しない被回転部材が回転する。

ロータ軸２は被回転部材に接続されるため、被回転部材に作用する外力がロータ軸２にも作用することになる。回転子３が固定子４に対してロータ軸２の中心線に対して直交方向に摺動を可能とするベアリング１３を備えているため、被回転部材の変位に伴いロータ軸２が摺動する場合に、ベアリング１３の作用により回転子３の固定子４の中心線に直交する方向の摺動が許容され、回転子３は固定子４の中心線に対して偏芯した位置を中心線として回転することができる。

ここで回転子３は、固定子４の中心線に対して直交方向に偏芯可能な構成であり、被回転部材の変位に伴い、回転子３の回転中心位置により回転子３の回転する軌跡が固定子４の中心線に対して変化することになる。このため、永久磁石１２とコイル１０との位置関係が固定子４の中心線に対して直交方向にズレて磁気的に非効率な位置関係となり、結果として電動機としての効率が低下することになる。そこで、本発明では、回転子３の回転軌跡の最外軌跡と最内軌跡とを考慮し、固定子４の中心線に直交する方向、つまり半径方向に永久磁石１２の最外軌跡と最内軌跡とに渡ってコイル１０が巻回されるティース部９のつば部９ｂを構成するようにした。

このような構成により、回転子３の中心線が固定子４の中心線に対して偏芯した状態で回転子３が回転しても、回転子３の永久磁石１２と固定子９のつば部９ｂとの半径方向の接触長さは、永久磁石１２の半径方向の長さを常に確保することができる。これにより、コイル１０と永久磁石１２との間の磁界を適正に形成し、回転子３と固定子４との間の偏芯に伴う電動機の効率の低下を抑制することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の軸方向空隙型電動機の構成を説明する断面図である。 回転子の構成図である。 図１の断面Ａ−Ａの断面図である。

符号の説明

１ 軸方向空隙型電動機
２ ロータ軸
３ 回転子
４ 固定子
５ ケース
６ 腕部
７ リング部材
８ ヨーク
９ ティース部
１０ コイル
１２ 永久磁石
１３ ベアリング

Claims (2)

1. 被回転部材に接続する回転軸を備え、永久磁石またはコイルの一方を周方向に所定間隔で複数個設置した回転子と、
   前記回転子の回転中心線方向に前記永久磁石またはコイルの一方に対向するように前記永久磁石またはコイルの他方を備えた固定子とを備え、
   前記固定子が前記回転子の回転中心線方向に所定空隙を持って前記回転子に相対するように配置された電動機部を有する軸方向空隙型電動機において、
   前記回転子と前記固定子とを内装し、その内面に前記固定子を固定するケースと、
   前記ケースと前記回転子との間に設けられるとともに前記回転子を回転可能に支持し、前記回転子の回転中心線に対して直交する前記ケースの面に対して摺動するベアリングを備え、
   前記固定子は、前記回転子が回転する場合の、前記回転子の最も外側の軌跡と前記回転子の最も内側の軌跡とに渡って設けられることを特徴とする軸方向空隙型電動機。
2. 前記固定子にコイルを備える場合において、前記固定子は、前記ケースに固定されるヨーク部と、前記コイルが巻回されるティース部とを備え、前記ティース部は、前記コイルが巻回される本体部と、この本体部の先端に形成され、前記回転子と対面するつば部とからなり、
   前記つば部は、前記回転子が回転する場合の、前記回転子の最も外側の軌跡と前記回転子の最も内側の軌跡とに渡って設けられることを特徴とする請求項１に記載の軸方向空隙型電動機。