JP4954634B2 - 軸継手 - Google Patents

Description

本発明は、軸継手の改良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に使用される軸継手では、固定子の中心線と回転子の回転中心線とを同一中心線となるように構成され、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。しかしながら、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、この中心線に対する直交方向のズレ（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継手を提供することを目的とする。

本発明は、円筒状のケースと、このケース内に前記ケースの中心線と平行に配置され、前記中心線と直交方向に変位可能な回転軸と、前記回転軸の外周側に設けられるリング部材と、前記リング部材の外周に相対回転可能に嵌合される円筒状の支持部材と、前記支持部材の外周面と前記ケースの内周面との間に区画された環状空間部を前記回転軸の周方向に複数個の密閉された、かつ所定圧の流体が封入される隔室に区画する区画板と、前記リング部材の端面と前記ケースの内面との間に設けられ、前記中心線と直行方向への前記回転軸の摺動を許容するとともに、前記回転軸の前記中心線回りの回転を可能とするベアリングと、前記各隔室に封入する流体の移動に抵抗を付与する減衰手段と、を備えたことを特徴とする軸継手である。

本発明では、前記ケースと前記回転軸との間に、前記ケースの中心線に対する直交方向での前記回転軸の前記ケースに対する摺動を許容するとともに、前記回転軸の回転中心線回りの回転を可能とするベアリングを備えたので、ケースの中心線と回転軸の回転中心線との偏芯を許容することで、回転軸と被回転部材との中心線に対する直交方向の偏芯を許容でき、結果としてオルダムカップリングを用いる必要がなく、コストダウンや軽量化を図ることができる。

また、回転軸の外周部とケースとの間に、回転軸の直交方向の付勢力を生じさせる付勢手段を備えたので、ケース中心線と回転軸の回転中心線をと同一の中心線とする付勢力を作用させることができる。

さらに、ケース、区画板とリング部材に区画される空間内の圧力変化に基づいて、回転軸の回転中心線に対して直交する方向の摺動を減衰する減衰手段とを備えたので、回転軸の摺動を効率よく減衰することができる。

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の構成を示す断面図で、ロータ軸２の回転中心線（以下、中心線Ｘ１という。）がケース５の中心線に対して偏心している状態を示す。

本実施形態において、被回転部材を回転するロータ軸２と、ロータ軸２に固定された回転子３と、ロータ軸２の中心線Ｘ１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、ロータ軸方向に二列に配置して、ケース５内に収納し、軸方向空隙型電動機１を構成する。

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、この本体部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を備える蓋部５ｂと、ケース内を円筒形のケース５の中心線Ｘ２に直交する方向に仕切るように配置される中空円板状の仕切板５ｃとから構成される。仕切板５ｃは、ケース５内を中心線Ｘ２方向に並ぶ２つの互いに等しい形状の空間部５ｘ、５ｙに区画するとともに、その中心部にロータ軸２が挿通される。電動機部１ａはそれぞれ空間部５ｘ、５ｙ内に配置される。

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Ｘ１から直交方向に延出する４本の等長の腕部６を備える。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の外周側の先端部には各腕部６を連結する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の腕部６には、永久磁石１２が取り付けられる。永久磁石１２は、それぞれ例えば図３に示すように中心線Ｘ１方向から見て略扇状に形成され、各腕部６の中間部を挟持するように固定される。永久磁石１２は、両側の端面１２ａがそれぞれロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する面に平行に形成される。なお、腕部６の数、形状等は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。

ロータ軸２の中心線Ｘ１方向において、回転子３の永久磁石１２の両側にそれぞれ対向する位置には、それぞれ一対の固定子４がケース５のロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する内面５ｅと同じく仕切板５ｃの内面５ｅに固定される。固定子４は、ケース５に固定されたヨーク部８と、固定子４の中心線Ｘ２方向から見て略扇状の形状を有するティース部９と、ティース部９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。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。ティース部９は、中心線Ｘ１方向にヨーク部８から回転子３側に突出して形成され、その端面は永久磁石１２の端面１２ａに平行に形成される。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。

各電動機部１ａがケース５内に配置された状態で、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Ｘ１方向のそれぞれの空隙１４は所定値となるように設置される。

回転子３の各腕部６の先端部を連結する円筒状のリング部材７は、中心線Ｘ１を回転中心として形成される。リング部材７のロータ軸２の中心線Ｘ１方向の両側の端面７ａは、ケース５の内面５ｅとそれぞれ対面し、中心線Ｘ１に直交するように形成される。これら両端面７ａとケース５の内面５ｅとの間にそれぞれベアリング１３が設置される。このベアリング１３は例えばリング部材７と同径の円環状に配置され、ケース５に対してロータ軸２が中心線Ｘ１に直交する方向に摺動することを許容する。さらにリング部材７がケース５に摺接した状態でロータ軸２の中心線Ｘ１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の回転を可能とする手段であればよい。

ここで、ケース５のロータ軸２が貫通する空間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る。前述のように回転子３は、中心線Ｘ１に直交する方向に摺動可能に構成されるが、この空間５ｄの寸法とロータ軸２の直径との差によって、回転子３がケース５に対してロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する方向の移動量が規定される。

リング部材７の外周側には、ロータ軸２の中心線Ｘ１を中心線とする円筒状の支持部材１５が所定の間隙をもって配置される。支持部材１５は、ケース５の内面５ｅに摺接しながら移動可能に構成される。この支持部材１５とリング部材７との間にはベアリング１６が介装され、相対回転可能に形成される。

支持部材１５の外周面とケース５の内周面５ｆとの間には仕切板５ｃを介して２つに分割された環状の環状空間部５ｘ１、５ｙ１が区画される。環状空間部５ｘ１、５ｙ１は、回転子３がケース５内において、ロータ軸２の中心線Ｘ１に直交方向へ変位するのに伴い支持部材１５が変位することで、その断面が変形可能に構成される。ここで支持部材１５は、その内周面にベアリング１６を介して回転子３のリング部材７を支持しているため、リング部材７が回転しても支持部材１５は回転することなく、主としてロータ軸２の中心線Ｘ１に対する直交方向に変位するのみである。

図３は、支持部材１５により区画された環状空間部５ｘ１、５ｙ１内の構成を示す断面図であり、環状空間部５ｘ１、５ｙ１はそれぞれ同様の構成を備えるため、図３では環状隔室５ｙ１の構成を代表して説明する。

図３に示すように支持部材１５により区画された環状空間部５ｙ１は、支持部材１５の外周に設けられた区画板１７ａ〜１７ｈによりさらに周方向にそれぞれ偶数個、図では８つの密閉された隔室５ｙａ〜５ｙｈに区画される。これら８つの隔室５ｙａ〜５ｙｈは、ロータ軸２の回転中心線Ｘ１とケース５の中心線Ｘ２とが同一中心線となる場合において、その容積が互いに等しくなるように区画される。区画板１７ａ〜１７ｈは、その基端が支持部材１５に揺動可能に支持され、その揺動中心に捩りコイルバネ１８などの付勢手段が配置される。このため区画板１７ａ〜１７ｈの外端は、ケース５の内周面５ｆに常時押し付けられる。なお、区画板１７ａ〜１７ｈの長さは、支持部材１５とケース５の間に形成される最大隙間よりも大きく設定され、これにより、隔室５ｙａ〜５ｙｈが変形しても、必ずケース５の内周面５ｆに接触することが可能となっている。隔室５ｙａ〜５ｙｈ内には、例えば、空気、水及びＭＲ流体が所定の圧力でもって封入される。

したがって、ロータ軸２は、支持部材１５を介してケース５の内周面５ｆに対して捩りコイルバネ１８により浮動的に支持された構成となる。このため、各捩りコイルバネ１８のバネ特性を同じとすると、ケース５に対して支持部材１５がロータ軸２の直交方向に変位した場合に、隔室５ｙａ〜５ｙｈに封入した流体の圧力とともに、捩りコイルバネ１８の作用によりロータ軸２にはケース５と同軸となるような付勢力が作用することになる。したがって、ロータ軸２にその中心線Ｘ１に対して直交する方向の外力が作用しない場合には、隔室５ｙａ〜５ｙｈの流体の圧力と、捩りコイルバネ１８は、ロータ軸２の中心線Ｘ１とケース５の中心線Ｘ２とを一致させるように保持する。

また、偶数個の隔室５ｙａ〜５ｙｈを区画する区画板１７ａ〜１７ｈは、１つ置きに周方向に貫通するオリフィス状の貫通孔２０を備える。つまり、例えば区画板１７ｂ、１７ｄ、１７ｆ、１７ｈに貫通孔２０が形成される。このような構成により、例えば貫通孔２０を備えた区画板１７ｂを挟んで区画された隔室５ｙｂと５ｙｃとの間で容積差（＝圧力差）が生じ、区画板１７ａと１７ｂで区画された隔室５ｙｂ内の流体が貫通孔２０を通じて区画板１７ｂと１７ｃで区画された隔室５ｙｃとの間で流通可能となり、オリフィス状に形成された貫通孔２０の作用により減衰効果が生じる。なお、密閉される流体としてＭＲ流体を用いる場合には、貫通孔２０は回転子３及び固定子４近くに設けることが好ましいので、支持部材１５近くに形成する。

なお、本実施形態では、回転子３に永久磁石１２を、固定子４にコイル１０を設置したが、逆に回転子にコイルを、固定子に永久磁石を設けるようにしてもよい。

次に作用を説明する。

本発明の軸継手は、ロータ軸２に被回転部材が連結される場合には、被回転部材に作用するロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する方向の外力がロータ軸２を通じて回転子３にも作用することになる。ここで、前述したように、ロータ軸２がケース５に対してロータ軸２の中心線Ｘ１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、被回転部材からの外力に伴いロータ軸２が変位する場合、つまり、ケース５の中心線Ｘ２とロータ軸２の中心線Ｘ１が直交方向にズレが生じる（偏芯する）場合に、ベアリング１３の作用によりロータ軸２のケース５に対する直交方向の摺動が許容され、ロータ軸２はケース５の中心線Ｘ２に対して偏芯した位置を中心として回転することができる。このため、ロータ軸２と被回転部材とを同軸的に連結する場合において、その中心線を一致させる精度の許容範囲を大きく設定することができる。したがって、ロータ軸２と被回転部材との間のロータ軸の直交方向での偏芯を許容するための手段として、例えばオルダムカップリングを設ける必要がなく、コストの削減、軽量化を図ることができる。

また、ロータ軸２に連結するリング部材７に対してロータ軸２の中心線Ｘ１回りに相対回転可能に支持される支持部材１５がケース５との間に環状空間部５ｘ１、５ｙ１を区画し、支持部材１５とケース５との間に捩りコイルバネ１８で付勢された区画板１７が介在する。このため、ロータ軸２の中心線Ｘ１をケース５の中心線Ｘ２から偏芯させようとする外力がロータ軸２に作用した場合に、この外力に抗して中心線Ｘ１、Ｘ２が一致するように復元するように隔室５ｙａ〜５ｙｈに封入した流体の圧力及び捩りコイルバネ１８の付勢力が作用する。このため、外力の減少に伴いロータ軸２の中心線Ｘ１とケース５の中心線Ｘ２とを同軸上に維持しやすくなる。

また、外力が作用しない場合や被回転部材が接続されていない場合には、隔室５ｙａ〜５ｙｈに封入した流体の圧力及び捩りコイルバネ１８の作用により、ロータ軸２の中心線Ｘ１とケース５の中心線Ｘ２とを同一とする調芯作用が生じ、同一中心線とすることができる。

また、隔室５ｙａ〜５ｙｈを密閉する区画板１７ａ〜１７ｈの内、一つ置きにオリフィス状の貫通孔２０を形成した。このため、ロータ軸２がロータ軸２の直交方向にケース５に対して摺動するのに伴って隔室５ｙａ〜５ｙｈの容積変化が生じる場合、貫通孔２０を備えた区画板１７ｂ、１７ｄ、１７ｆ、１７ｈの周方向にて両側に位置する隔室５ｙａ〜５ｙｈ間を流体が貫通孔２０を通過して行き来する際に貫通孔２０のオリフィス効果により抵抗が生じて、ロータ軸２の中心線Ｘ２に直交する方向の摺動を減衰することができる。この減衰効果は、貫通孔２０を備えた区画板１７ｂ、１７ｄ、１７ｆ、１７ｈを挟んで位置する隔室５ｙａ〜５ｙｈ間の相互の容積差が大きいほど効果的である。したがって、例えばロータ軸２の回転時の振動により隔室５ｙａ〜５ｙｈに圧力変化が生じる場合、所定の区画板１７ｂ、１７ｄ、１７ｆ、１７ｈに設けた貫通孔２０の減衰効果によりロータ軸２の回転振動を低減することができる。

図４と図５は、第２の実施形態を説明するための図であり、図４は本発明の軸継手を用いた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り、図５は、環状空間部５ｘ１、５ｙ１内の構成を示す断面図である。

第１の実施形態では、所定の区画板１７ｂ、１７ｄ、１７ｆ、１７ｈに貫通孔２０を設けることで、貫通孔２０を設けた区画板１７ｂ、１７ｄ、１７ｆ、１７ｈを挟んで周方向で両側に位置する隔室５ｙａ〜５ｙｈ間での容積差に基づく貫通孔２０を介する流体の流れにより減衰効果を生じるようにしたが、この実施形態では、所定の区画板１７ｂ、１７ｄ、１７ｆ、１７ｈに設けた貫通孔２０に代えて隔室５ｙａ〜５ｙｈに通じるオリフィス効果を生じる貫通孔２１をケース５の底部に設け、さらにケース５の外部にこの貫通孔２１が開口する流体室２２を設け、空間と流体室２２との間の圧力差に応じて流体が行き来し、その際に貫通孔２１を通過することで、減衰効果を生じさせるようにした。

図を用いて説明すると、貫通孔２１はケース５の本体部５ａの底部５ｅにケース５の中心線Ｘ２に平行に各隔室５ｙａ〜５ｙｈに開口して設けられる。また、この貫通孔２１はケース５に固定された閉空間である流体室２２内に開口する。

ケース５の中心線Ｘ２とロータ軸２の中心線Ｘ１とが同一である場合において、各隔室５ｙａ〜５ｙｈ内の圧力と各流体室２２内の圧力を同一とする。この均一な圧力の状態からロータ軸２の中心線Ｘ２に直交する方向の外力によりケース５の中心線Ｘ２に対してロータ軸２の中心線Ｘ１が偏芯すると、これに伴って隔室５ｙａ〜５ｙｈに容積変化が生じ、隔室５ｙａ〜５ｙｈ内の圧力が変化する。この圧力変化により、隔室５ｙａ〜５ｙｈ内の圧力と各流体室２２内の圧力とに差が生じ、その圧力差に応じて流体室２２内の流体と隔室５ｙａ〜５ｙｈ内の流体とがオリフィスとしての貫通孔２１を通じて行き来する。これにより減衰効果が奏される。

本実施形態では、ケース５の本体部５ａに設けた貫通孔２１とケースと別体の流体室２２とを備えることで、第１の実施形態と同様の効果を生じつつ、現状オリフィスを備えていない軸方向空隙型電動機に後付けすることができる優位性がある。

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。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。

本発明の軸継手を用いた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。 第２の実施形態の構成を説明する断面図である。 図４の断面Ｂ−Ｂの断面図である。

符号の説明

１ 軸方向空隙型電動機
１ａ 電動機部
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
１１ 仕切板
１２ 永久磁石
１３ ベアリング
１４ 空隙
１５ 支持部材
１７ａ〜１７ｈ 区画板
１８ 付勢手段
２０、２１ 貫通孔

Claims (4)

1. 円筒状のケースと、
   このケース内に前記ケースの中心線と平行に配置され、前記中心線と直交方向に変位可能な回転軸と、
   前記回転軸の外周側に設けられるリング部材と、
   前記リング部材の外周に相対回転可能に嵌合される円筒状の支持部材と、
   前記支持部材の外周面と前記ケースの内周面との間に区画された環状空間部を前記回転軸の周方向に複数個の密閉された、かつ所定圧の流体が封入される隔室に区画する区画板と、
   前記リング部材の端面と前記ケースの内面との間に設けられ、前記中心線と直行方向への前記回転軸の摺動を許容するとともに、前記回転軸の前記中心線回りの回転を可能とするベアリングと、
   前記各隔室に封入する流体の移動に抵抗を付与する減衰手段と、
   を備えたことを特徴とする軸継手。
2. 前記区画板の一端を前記支持部材の外周に揺動可能に取り付け、かつ前記区画板の先端を前記ケース内周面に押し付ける付勢手段を設け、この付勢手段は、前記回転軸の回転中心線に直交する方向に作用する付勢力により、前記回転軸の回転中心線と前記ケースの中心線とが同一中心線となるようにすることを特徴とする請求項１に記載の軸継手。
3. 前記減衰手段として、前記区画板の１枚置きに前記各隔室内の流体が流通する貫通孔を備え、
   前記貫通孔を介して前記隔室間の流体の出入りにより前記回転軸の移動を減衰することを特徴とする請求項１または２に記載の軸継手。
4. 前記隔室と前記貫通孔を介して連通する流体室を前記ケースの外部に設け、
   前記隔室と前記流体室間の流体の出入りを前記貫通孔により制限して前記回転軸の移動を減衰することを特徴とする請求項１または２に記載の軸継手。