JP5252790B2 - 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、前記回転子の回転軸の中心線方向に前記永久磁石または前記コイルの一方に対向するように前記永久磁石または前記コイルの他方を設置した固定子とを備え、前記固定子が前記回転子の回転軸の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が設けられ、前記回転子は、前記回転軸と同軸の円筒状に形成されるリング部材と、前記回転軸の中心線と直交する方向に前記回転軸から延出して前記リング部材と前記回転軸との間を連結する腕部とを備え、前記回転軸の中心線に対する直交方向での前記回転子の前記ケースに対する摺動を許容するとともに、前記回転子の回転軸の中心線回りの回転を可能とし、前記ケースと前記リンク部材との間に設けられるベアリングが備えられ、前記回転子に設置した前記永久磁石または前記コイルの一方は、前記ベアリングによって前記回転軸の中心線に直交する方向へ摺動可能に設けられ、前記回転子に摺動可能に設けられた前記永久磁石または前記コイルの一方を前記回転軸の中心線に直交する方向であって前記回転軸の外側へと付勢する付勢手段が備え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、回転子の回転軸の中心線と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、回転子の回転軸の中心線に直交する方向に摺動可能に永久磁石またはコイルの一方を回転子に設けたので、回転軸の中心線方向から見た、回転子に設置した永久磁石またはコイルの一方と固定子に設置した永久磁石またはコイルの他方との位置関係が、コイル通電に伴う磁力と回転子の回転に伴って生じる永久磁石またはコイルに作用する遠心力の作用により、回転軸の中心線に直交する方向でほぼ一致することになり、電動機の効率を向上することができる。

さらに、回転子に摺動可能に設けられた永久磁石またはコイルの一方を回転軸の中心線に直交する方向であって前記回転軸の外側へと付勢する付勢手段を備えたので、回転子の回転速度が低く、永久磁石またはコイルに作用する遠心力が小さい場合であっても、永久磁石またはコイルを適正な位置に移動させ、電動機の効率を向上することができる。

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に摺動可能に取り付けられる。永久磁石１２は、例えば図３に示すように軸方向から見て略扇状に形成され、永久磁石１２の端面１２ｂは、回転子３の中心線に直交する面として形成される。

永久磁石１２は、図１の断面Ｂ−Ｂに示すように、ロータ軸２の中心線に対して直交する方向に形成された貫通孔１２ａを備え、この貫通孔１２ａ内に各腕部６が配置され、永久磁石１２は各腕部６に沿ってロータ軸２の中心線に対して直交する方向へ摺動可能に設けられる。永久磁石１２の摺動は、腕部６基端のロータ軸２と、後述するケース５の面５ｅに設けられたリング部材１６との間で規制される。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。

さらに図１に示すように、ロータ軸２と各永久磁石１２との間には永久磁石１２をロータ軸２の中心線に直交する方向、すなわち回転子３の半径方向へ付勢するスプリング１５が配置される。スプリング１５は回転子３の腕部６を挿通して同軸状に設けられるコイルスプリングであり、スプリング１５をロータ軸２と各永久磁石１２間に設けることで、各永久磁石１２は、スプリング１５の付勢力により、ロータ軸２の外側へと付勢される。なお、各永久磁石１２の外周側、すなわち回転子３のリング部材７との間にもスプリングを設置するようにしてもよい。この場合のスプリングは、永久磁石１２をロータ軸２側へと付勢する付勢力を生じさせることができる。ロータ軸２の中心線に対して直交する方向の付勢力が、永久磁石１２に内側及び外側方向にそれぞれ作用するため、それぞれのスプリングのバネ特性を選択し、永久磁石１２の位置を調整することができるようにする。

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から回転子側に突出し、永久磁石１２と略同形状の扇状のティース部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。

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。この面５ｅに永久磁石１２のロータ軸中心線の直交方向の摺動を規制する前述のリング部材１６が設置される。リング部材１６は、固定子４の中心線と同軸に設置される円筒状の部材であり、ティース部９に巻回されたコイル１０の外周に沿う様に設置される。リング部材１６は、永久磁石１２のロータ軸２の中心線の直交方向への摺動を規制し、かつ回転子３の回転中心線の直交方向の摺動を規制しないように形成される。

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としてはスラスト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。

ここで、永久磁石１２が腕部６に対して摺動可能に設けられているため、コイル通電前にロータ軸２の中心線方向から見て回転子３が固定子４とずれた位置にある場合でも、コイル通電による固定子４と回転子３間の磁気的な吸引力と、回転子３の回転に伴って生じる永久磁石１２に作用する遠心力により、回転子３の永久磁石１２は腕部６に沿ってロータ軸の中心線に直交する方向に摺動する。図３に示すように、ロータ軸２の中心線方向から見て、永久磁石１２が中心線に直交する方向で固定子４（コイル１０）にほぼ一致する位置に移動する。夫々の永久磁石１２は、ロータ軸２が１回転するとケース５とロータ軸２の中心線の偏芯量に等しい分だけ半径方向に移動することになる。

このように、回転子３を構成する腕部６に対して永久磁石１２を摺動可能に形成したので、コイル１０への通電に伴う磁力の作用と永久磁石１２に作用する遠心力により永久磁石１２が腕部６に沿って摺動し、回転子３と固定子４との位置関係がロータ軸２の中心線方向から見て、回転子３の中心線に直交する方向で略一致するように修復される。したがって、コイル通電時に、この回転子３と固定子４とが中心線方向から見て中心線に直交する方向でほぼ一致する位置関係にあるため、磁界が適正化され電動機の効率を向上することができる。

なお、回転子３の回転速度が低い場合には、永久磁石１２に作用する遠心力が小さく、コイル１０と永久磁石１２との位置関係が適正となり難く、電動機の効率が向上しない恐れがある。しかしながら本発明では、ロータ軸２と永久磁石１２との間に、永久磁石１２をロータ軸２の中心線に直交する方向へ付勢するスプリング１５を備えた。このため、回転子３の回転速度が低く、永久磁石１２に作用する遠心力が小さい場合でも、スプリング１５の付勢力により永久磁石１２が摺動し、磁気的な吸引力により永久磁石１２がコイル１０に対して中心線に直交する方向でほぼ一致する位置関係となり、磁界が適正化され電動機の効率を向上することができる。

また、永久磁石１２のロータ軸２の中心線に直交する方向の摺動を規制するリング部材１６を設けたので、永久磁石１２がリング部材１６に接触することで、永久磁石１２の外側への摺動を規制することができる。永久磁石１２がリング部材１６に接触する位置は、リング部材１６がコイル１０の外周に沿って配置されるため、コイル通電時に、この回転子３と固定子４とが中心線方向から見て中心線に直交する方向でほぼ一致する位置関係になる。このため、コイル１０と永久磁石１２との間で生じる磁界が適正化され電動機の効率を確実に向上することができる。

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
１５ スプリング
１６ リング部材

Claims (5)

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、
   前記回転子の回転軸の中心線方向に前記永久磁石または前記コイルの一方に対向するように前記永久磁石または前記コイルの他方を設置した固定子とを備え、
   前記固定子が前記回転子の回転軸の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が設けられ、
   前記回転子は、前記回転軸と同軸の円筒状に形成されるリング部材と、前記回転軸の中心線と直交する方向に前記回転軸から延出して前記リング部材と前記回転軸との間を連結する腕部とを備え、
   前記回転軸の中心線に対する直交方向での前記回転子の前記ケースに対する摺動を許容するとともに、前記回転子の回転軸の中心線回りの回転を可能とし、前記ケースと前記リンク部材との間に設けられるベアリングが備えられ、
   前記回転子に設置した前記永久磁石または前記コイルの一方は、前記ベアリングによって前記回転軸の中心線に直交する方向へ摺動可能に設けられ、
   前記回転子に摺動可能に設けられた前記永久磁石または前記コイルの一方を前記回転軸の中心線に直交する方向であって前記回転軸の外側へと付勢する付勢手段が備えられることを特徴とする軸方向空隙型電動機。
2. 前記付勢手段は、前記回転軸と前記回転子に設置された前記永久磁石または前記コイルの一方との間に設置さ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。
3. 前記回転子に設置された前記永久磁石または前記コイルの一方は、前記回転軸から半径方向に伸びる腕部に摺動可能に設けられ、
   前記付勢手段は、前記腕部に同軸状に設置されるコイルスプリングであることを特徴とする請求項１または２に記載の軸方向空隙型電動機。
4. 前記永久磁石または前記コイルの一方の前記回転軸の中心線に直交する方向の摺動量を規制する手段を設けたことを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の軸方向空隙型電動機。
5. 前記摺動量規制手段は、前記固定子の中心線と同軸上に配置された円筒状のリング部材であることを特徴とする請求項４に記載の軸方向空隙型電動機。