JP5173779B2

JP5173779B2 - 水中駆動モータ

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Publication number: JP5173779B2
Application number: JP2008318885A
Authority: JP
Inventors: 光明島村; 謙司松崎; 久士穂積; 成彦向井; 裕戸賀沢; 康弘湯口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: KR101151388B1; EP2237395A1; US20100259135A1; JP2009189234A; EP2237395A4; WO2009087963A1; KR20100091229A

Description

本発明は、水中で使用される水中駆動モータに関する。

一般的なモータの動作原理について、図４を用いて以下説明する。図４はモータを軸方向に垂直な面で切断した横断面図である。

モータ１００は、円筒形のモータハウジング１０１の内側に永久磁石で構成されたステータ１０２が配設されている。ステータ１０２を構成する永久磁石は、Ｓ極１０２ａ、１０２ｃ、Ｎ極１０２ｂ、１０２ｄとなるように配置されている。対向する永久磁石の内面の極性が異なる配置とすることにより、ステータ１０２の間に平行な磁場が発生する。ステータ１０２の内側にはロータ１０３が配置されている。ロータ１０３はコイル１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを巻きつけた鉄心１０５、鉄心１０５を支持するシャフト１０６から構成されている。鉄心１０５はシャフト１０６から放射状に伸びた突起部１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを有し、コイル１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃはそれぞれ突起部１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃに巻きつけられている。

以下、このような構成からなるモータ１００の動作について説明する。コイル１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃに電流を流し、突起部１０５ｂをＮ極に、突起部１０５ａ、１０５ｃをＳ極に磁化すると、突起部１０５ｂとＳ極１０２ｃが引き合い、また突起部１０５ａ、１０５ｃとＮ極１０２ｂが引き合ってロータ１０３が時計回りに回転する。コイル１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃに流す電流の方向を切り替えて、図４に示すシャフト１０６よりも上側をＮ極に、下側をＳ極になるよう制御することにより、ロータ１０３は時計回りに回転し続ける。ロータ１０３のトルクはシャフト１０６を介して外部に伝達され、モータ１００の出力となる。

このように、モータはステータとロータの磁界の相互作用によってロータが回転して駆動する。また、現在はステータにコイルを取り付けてロータに永久磁石を用いた構造や、ステータとロータの双方ともコイルを取り付けて磁界を発生させる構造、またロータの内側にステータを配置して外側のロータが回転する構造など、さまざまな構造のモータが用いられている。何れの構造のモータについても、水中で使用するには、コイルの短絡を防ぐために防水手段を講じる必要がある。

また、特に原子炉内で運用するロボット等に適用するモータは、耐水性のほかに耐放射性や、狭隘部での運用を可能とするためにより小型であることが求められる。単純にモータを小型にするとモータ出力が低下してしまうため、モータを小型化するには出力／体積比を向上させて必要な出力を維持できるようにする必要がある。コイルの電気容量を高めれば出力／体積比を向上することができるが、モータ運転時の発熱量も増加するため、コイルの放熱性を高めて焼損を防ぐ必要がある。

モータの放熱性を向上するために従来用いられている手法は、冷却空気をコイルの周辺に流入させて冷却を促進するものなど、気中での運用を想定している（例えば、特許文献１参照。）。

また、通常、水中で使用するモータは、モータをケーシング内に組み込んで防水し、ケーシング内を空気でパージする、ケーシング内の湿分を除去するなどして短絡を防止している（例えば、特許文献２参照。）。
特開平３−１７８５３５号公報特開２００１−８６６９０号公報

上述した冷却空気を用いてモータの放熱を促進する技術は気中での運用を前提としているため、水中ではケーシング内の防水を維持できなくなる。

したがって、本発明は、ケーシングによってモータを防水し、かつモータの放熱性を向上して、水中で使用可能であり従来よりも小型で必要な出力が得られる水中駆動モータの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による水中駆動モータは、ケーシングと、このケーシングに収容されたモータハウジングと、前記モータハウジングの内部に設けられたステータと、前記モータハウジングの内部に設けられ、このステータの磁界との相互作用によって回転するロータと、前記モータハウジングの内部に設けられ、前記ステータと前記ロータのうち少なくとも一方を磁化するコイルと、前記モータハウジングの内部に設けられ、前記ロータの回転によって回転するシャフトと、前記ケーシングに収容され、前記シャフトに連結されて前記シャフトの出力を低速高トルクに変換して減速機シャフトに出力する減速機と、前記モータハウジングと前記ケーシングとの間隙、および前記減速機と前記ケーシングの間隙に充填され空気よりも熱伝導率の高い電気絶縁物質と、を備えることを特徴とする。

本発明の水中駆動モータによれば、モータをケーシングに収容してコイルを防水する従来のモータよりも高い放熱性が得られるためコイルの大容量化が可能となり、コイルの大容量化によるモータの出力／体積比向上によってモータの小型化が可能となる。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１について、図１を用いて以下説明する。図１は本実施例による水中駆動モータの概要を示す縦断面図である。

水中駆動モータ１は、直列に配列された減速機３、モータ４、レゾルバ５と、これらを収容するケーシング２から構成されている。ケーブル１１がケーシング２を貫通してケーシング２内部へ引き込まれ、ケーブル１１はモータケーブル１２、レゾルバケーブル１３に分岐し、モータケーブル１２はモータ４、レゾルバケーブル１３はレゾルバ５にそれぞれ接続されている。モータケーブル１２は図示しない電源からモータ４へ給電を行う電線、レゾルバケーブル１３はレゾルバ５の出力信号を図示しない出力器へ送る電線であり、ケーブル１１はモータケーブル１２とレゾルバケーブル１３を束ねて被覆したものである。ケーブル１１のケーシング２貫通部は、例えば樹脂やＲＴＶゴム（室温加硫型ゴム）を用いて形成した保護部１４によって防水され固定されている。

減速機３からは減速機シャフト３１がケーシング２を貫通して突出しており、減速機シャフト３１はベアリング７に保持されている。減速機シャフト３１のケーシング２貫通部は、ケーシング２に設けられたＯリング６によって防水されている。減速機３はモータ４の出力を低速高トルクに変換して減速機シャフト３１に出力する。

また、ケーシング２と、ケーシング２に内蔵される減速機３、モータ４、レゾルバ５それぞれとの間隙には、電気絶縁材８が充填されている。電気絶縁材８には、例えばシリコーンを主成分とするゲル状素材、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン等の芳香族ポリエーテルケトン樹脂のうち少なくとも一つを用いる。

ブラシ付きのＤＣモータを例として、減速機３、モータ４、レゾルバ５の内部構造について、図２を用いて説明する。図２は減速機３、モータ４、レゾルバ５の内部構造の概要を示す縦断面図である。図２においては、減速機３として遊星歯車式減速機が１段組み込まれた例を示している。必要に応じて多段に構成して減速比を上げることも可能である。

図２における減速機３は、モータハウジング４１に収容されたモータシャフト４３と一体化した太陽歯車３２、太陽歯車３２を囲繞するように配置された複数の遊星歯車３３、さらに遊星歯車３３の外周に配置された内歯車３４と、遊星歯車３３の太陽歯車３２まわりの公転運動によって回転するプレート３５と、プレート３５と一体化した減速機シャフト３１から構成されている。

モータ４は、モータハウジング４１に収容されたロータ４２、ロータ４２と一体化したモータシャフト４３、ロータ４２の外周に配置されたコイル４８、モータケーブル１２に接続されたブラシ４６と、ブラシ４６と接触しコイル４８に流す電流の方向を切り替えるためのコミュテータ４７、コイル４８を囲繞するように配置され磁界を生成する永久磁石からなるステータ４４から構成されている。コイル４８はモータケーブル１２、ブラシ４６とコミュテータ４７を介して図示しない電源の給電を受けて磁界を発生する。前述したように、このコイル４８が発生した磁界とステータ４４の永久磁石による磁界の相互作用によってロータ４２を回転させる。モータシャフト４３の一端はレゾルバ５に、他端は減速機３に接続されている。また、モータシャフト４３を支持するよう、モータハウジング４１にベアリング４５が設けられている。

レゾルバ５は、モータシャフト４３に接続された励磁コイル５１と、励磁コイル５１を囲繞するように配置された検出コイル５２から構成されている。検出コイル５２にはレゾルバケーブル１３が接続されている。

本実施例の作用について以下説明する。モータケーブル１２よりブラシ４６、コミュテータ４７を介してロータ４２のコイル４８に給電を行い、ロータ４２とモータシャフト４３を回転させる。モータシャフト４３と一体化した太陽歯車３２が回転すると、内歯車３４が固定されているため、遊星歯車３３は内歯車３４および太陽歯車３２とかみ合いながら自転し、さらに太陽歯車３２のまわりを公転する。遊星歯車３３の公転によりプレート３５が回転し、プレート３５と一体化した減速機車シャフト３１が回転する。その結果、減速機３はモータシャフト４３の出力を低速高トルクに変換して減速機シャフト３１に出力する。この減速機シャフト３１は、例えばロボットの駆動部などに取り付けられる。

レゾルバ５は、モータシャフト４３の回転によって励磁コイル５１が回転すると、検出コイル５２が励磁コイル５１の回転角に応じた正弦波状の信号を出力する。この信号はレゾルバケーブル１３を介して図示しない出力装置へ出力される。レゾルバ５の出力信号によって、モータシャフト４３の回転角を読み取ることができる。

このように水中駆動モータ１を駆動させると、主にコイル４８の発熱によってモータ４が昇温する。電気絶縁材８は空気よりも伝熱性が高いため、ケーシング２内を空気でパージするよりもモータ４の放熱性を向上させることができる。

すなわち、本実施例で説明したＤＣモータのように流体への浸漬が不可能であるブラシ４６やコミュテータ４７が組み込まれたモータであっても、モータ４単体をケーシング２内に収め、モータ４単体とケーシング２の隙間に電気絶縁材８を充填した防水構造とすることで、モータ４の放熱性を高め、コイルの大容量化が可能となり水中駆動モータ１の体積に対する出力を高めることができるので小型で出力の大きなモータを得ることができる。

また、従来のようにケーシング２内を空気でパージする際に必要となる空気供給用のチューブを不要とすることができる。

また、長期の運用や衝撃などによってＯリング６や保護部１４、あるいはケーシング２の劣化、破損などの原因で水が侵入し得る隙間ができた場合であっても、固体である電気絶縁材８によって防水が維持され、健全性を向上することができる。

また、電気絶縁材８にタングステン粉末を混入することにより、耐放射性を向上させることも可能である。

なお、本実施例においてはステータ４４に永久磁石を、ロータ４２にコイル４８を設けた構成として説明したが、ステータ４４にコイルを取り付け、ロータ４２に永久磁石を用いた構造や、ステータ４４とロータ４２の双方ともコイルを取り付けて磁界を発生させる構造、またロータ４２の内側にステータ４４を配置して外側のロータ４２が回転する構造など、種々の異なった構造を有するモータであっても同様の効果を奏する。

本発明の実施例２について、図３を用いて以下説明する。図３は本実施例による水中駆動モータの概要を示す縦断面図である。なお、実施例１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例においては、湿度センサ２４をケーシング２の内側に設置している。湿度センサ２４でケーシング２内の湿度を監視することにより、例えば保護部１４からケーシング２内へ徐々に浸水しつつある状況において、浸水がモータ４やレゾルバ５に達して絶縁破壊が起こるよりも先に浸水を察知することが可能となる。また、湿度センサ２４の配置によって浸水箇所を特定することが可能である。例えば、保護部１４のようにケーシング２を貫通して防水処理を施した部位が複数あれば、それに併せて湿度センサ２４を複数配置することによって浸水箇所の特定が可能である。

本発明の実施例１による水中駆動モータの概要を示す縦断面図。図１に示した減速機、モータ、レゾルバの構造の概要を示す縦断面図。実施例２による水中駆動モータの概要を示す縦断面図。一般的なモータの概要を示す横断面図。

符号の説明

１水中駆動モータ
２ケーシング
３減速機
４モータ
５レゾルバ
６Ｏリング
７ベアリング
８電気絶縁材
１１ケーブル
１２モータケーブル
１３レゾルバケーブル
１４、２３保護部
２４湿度センサ
３１減速機シャフト
３２太陽歯車
３３遊星歯車
３４内歯車
３５プレート
４１モータハウジング
４２ロータ
４３モータシャフト
４４ステータ
４５ベアリング
４６ブラシ
４７コミュテータ
４８コイル
５１励磁コイル
５２検出コイル
１００モータ
１０１モータハウジング
１０２ステータ
１０２ａ、１０２ｃＳ極
１０２ｂ、１０２ｄＮ極
１０３ロータ
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃコイル
１０５鉄心
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ突起部
１０６シャフト

Claims

ケーシングと、
このケーシングに収容されたモータハウジングと、
前記モータハウジングの内部に設けられたステータと、
前記モータハウジングの内部に設けられ、このステータの磁界との相互作用によって回転するロータと、
前記モータハウジングの内部に設けられ、前記ステータと前記ロータのうち少なくとも一方を磁化するコイルと、
前記モータハウジングの内部に設けられ、前記ロータの回転によって回転するシャフトと、
前記ケーシングに収容され、前記シャフトに連結されて前記シャフトの出力を低速高トルクに変換して減速機シャフトに出力する減速機と、
前記モータハウジングと前記ケーシングとの間隙、および前記減速機と前記ケーシングの間隙に充填され空気よりも熱伝導率の高い電気絶縁物質と、
を備えることを特徴とする水中駆動モータ。
前記モータと直列に配列され前記ケーシングに収容された回転位相検出手段をさらに備え、
前記ケーシングと前記回転位相検出手段との間隙にも前記電気絶縁物質が充填されることを特徴とする請求項１記載の水中駆動モータ。
前記電気絶縁物質はシリコーンを主成分とするゲル状素材、芳香族ポリエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂のうち少なくともいずれかひとつを含有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の水中駆動モータ。
前記電気絶縁物質はタングステン粉末を含有することを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項記載の水中駆動モータ。
前記ケーシングを貫通して前記ケーシング内部へ引き込まれ、前記コイルと電気的に接続されたモータケーブルと、
前記ケーシング内側の、前記モータケーブルの前記ケーシング貫通部近傍に設けられた湿度センサを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の水中駆動モータ。