JP5256346B2 - 圧縮媒体用ロータリモータ - Google Patents

Description

この発明は、圧縮媒体用ロータリモータの構造に関し、特には圧縮気体又は圧縮蒸気により駆動されるモータに関する。

空気又は蒸気による従来のモータの現在知られている構造は、クランク機構及び可逆移動ピストンを含む。その欠点として、ピストンの方向転換時におけるエネルギー損失が大きいことが挙げられる。同様の対応策として、クランク機構に代えて斜角板を配したモータが挙げられる。欧州特許第１０８４３３４号による更なる対応策が存在する。該特許は、圧縮空気がピストンに向けて放出されるピストン上死点においてピストン遅延を可能とする特殊なクランク機構を備える。圧縮空気の膨張によりピストンは運動を再開する。この対応策は技術的に極めて困難であり、モータ効率の低下を伴うものである。

ロータリエアモータの更に知られている構造として、米国特許第５１７４７４２号、特開平１１−１７３１０１又は特開平７−２４７９４９に記載されているように、インペラと移動可能なシール薄層とを偏心的に取り付けるものがある。これらの対応策では、エネルギー伝達に回転の全行程を利用することができないため、効率が悪かった。これらの対応策の更なる欠点として、シール薄層の摩耗率が高いこと、潤滑剤が必要であること、及び特殊構造材料の使用が必要であること、従って生産上の要求が高いことが挙げられる。

最後に、２種以上の形状のインペラを備えたロータリエアモータによる対応策が知られている。これらのインペラは回転時に柔軟且つ多様な作業空間を創出するもので、例えば特開平６０ー１７６０１、旧チェコスロバキア社会主義共和国特許第１７３４４１号、チェコ共和国特許第２９６４８６号又は米国特許第４７９７０７７号に記載されている。これらの対応策によっても、エネルギー伝達のために回転の全行程を利用することは不可能である。更なる欠点は、シーリングのために広い領域が必要である点、モータの総重量が大きい点及び生産上の要求が高い点にある。最後に、本発明によるロータリピストンモータの対応策として米国特許第３２２１６６４号が知られている。この特許において、ロータリピストンは例えば固定的なステータに固定されたベアリングボードに配置された内歯と噛合する３つのサテライトホイール上に偏心的に設けられたペグの支援により、複合的な回転及び同時の円運動を行う。サテライトホイールは内歯に沿って転動し、中央シャフトフランジ内に埋め込まれたサテライトホイールの中央ペグは円に沿って移動し、これにより中央シャフトを引っ張り、回転運動させる。シール蓋はロータリピストンで固定され、これによりステータの前面に沿って移動する。シール蓋に円形のカットを設けることで、動作時に付属部品から圧縮媒体が安定して流入及び流出する。この対応策の欠点として、構造が著しく困難であることが挙げられ、特にロータリピストンから発生するジャイロモーメントの全体が中央シャフトに伝達される点が挙げられる。

提示された発明は、可動部品量が最小化されているために動作期間の機械的分割作業のための特殊な任意部品を必要とせず、製造が容易で作業効率及び信頼度が高く、環境にやさしい、ロータリモータの新規で簡便な構造を導入することを課題とする。

定義された目標は、本発明の圧縮媒体用ロータリモータにより達せられる。該ロータリモータは、相互に結合されると共に平行に取り付けられた２枚のベアリングプレートの間に取り付けられた少なくとも１つのインペラ及び少なくとも１つのステータを含み、ベアリングプレートは、インペラの、両面を有する駆動クランクを取り付けるべく調節され、駆動クランクには、シール蓋を備えるステータチャンバ内に取り付けられるロータリピストンが取り付けられている。本発明の本質は、楕円形の断面を有するロータリピストンが、丸みのある頂部を有する対称形状の三角形のチャンバに取り付けられており、その各々から圧縮媒体の導入及び導出のための少なくとも１つのポートが設けられていて、駆動シャフトの軸と同一であるロータリピストンの長手軸（ｏ _ｐ ）は、ロータリピストンの回転と逆方向へステータが同時回転運動することにより、すなわちステータの偏心量（ｅ）を半径とする円に沿って全てのポイントが平行（並行）して前進することにより、偏心量値を有するステータチャンバの長手軸に対して移動するよう、ロータリピストンが前記チャンバに取り付けられることにある。これは、中央コグホイールが取り付けられたクランク上の一方のベアリングプレートに対してなされ、中央コグホイールの周囲には３つのサテライトコグホイールが等間隔に配置されている。サテライトコグホイールが、ベアリングプレートに回転するよう取り付けられたペグに固定され、ペグ軸に対し偏心量（ｅ）をもってステータに固定された駆動ピンの助けを受けてステータと結合されている。

本発明の更なる本質は、ロータリピストンが、楕円形の長軸（ａ）及び短軸（ｂ）と偏心量（ｅ）との関係がａ＝ｂ＋２ｅとなるように形成されており、部分的に、チャンバの丸みを有する頂部が相互に１２０度揺動し、ステータチャンバの長手軸（ｏ_ｓ）から距離（ｖ_ｖ）の位置に形成され、ｖ_ｖ＝ａ＋ｅであり、部分的に、チャンバの頂部の丸みはロータリピストンの丸みと一致し、部分的に、頂部に対向するチャンバの壁は、内接円の半径と一致する距離（ｖ_ｓ）の位置に形成され、ｖ_ｓ＝ｂ＋ｅとなる値を有し、部分的に、頂部と壁の間のチャンバ表面の移行部は、動作中のロータリピストンが描く包絡線により形成される点にある。

最後に、本発明の本質は、サテライトコグホイールは中央コグホイールの歯数の中間（半数）の歯数を有する点にあり、それらのペグはペグベアリングの支援によりベアリングプレートに取り付けられ、各ペグの外前部には、偏心量（ｅ）の値のオフセットを有する固定開口部が設けられ、各固定開口部には、駆動ピンの取り付け用のガイドベアリングが取り付けられ、駆動ピンはサテライトコグホイールと同一の間隔でステータに取り付けられる点にある。

この対応策の次の利点は、移動部品をベアリング内に設置することでそれらを正確に動作させ、同時的に方向付けられた動作を行わせることが容易であり、従ってロータリピストンとステータとの間の隙間を最小限とすることができる点にある。これにより、ロータリピストンはステータの内部接触を行わずに回転可能となり、モータの全般的な効率及び耐用年数が増大する。従って、接触領域に注油を行う必要がなくなり、特に蒸気による運転の際に有利である。重要な利点として、クランクに１つ以上のロータリピストンを追加し、所与のステータを同期的な機構と連結し、従ってコグホイールとそれらの関連する駆動ピンとの組と連結するだけで、偏心量（ｅ）を半径とする円に沿って全てのポイントが平行（並行）して前進する際のステータの回転動作のダイナミックバランスをとることができる点が挙げられる。同時に、モータは、バイパス弁のタイミングを変更するだけで回転方向を極めて容易に反転させることができる。この対応策にはモータが低騒音性であり、且つ運転時に放出物が発生しないという環境上の利点もある。自動注油ベアリング及びプラスチック製中央コグホイールを使用した場合、モータはオイルなしで完全に動作可能である。 本発明によるモータ構造の特定の例を添付図面の各図に概略的に示す。

モータの縦断面図である。 中央コグホイール側から見たモータの概略側面図である。 楕円形のインペラピストンの形状、三角形のステータチャンバの形状、及びステータチャンバのカバー曲線の形状を形成するためのインペラ及びステータの幾何学的概略図である。 楕円形のインペラピストンの形状、三角形のステータチャンバの形状、及びステータチャンバのカバー曲線の形状を形成するためのインペラ及びステータの幾何学的概略図である。 楕円形のインペラピストンの形状、三角形のステータチャンバの形状、及びステータチャンバのカバー曲線の形状を形成するためのインペラ及びステータの幾何学的概略図である。 図６は、動作中のモータの特定の位相を示す図である。

ロータリモータは、インペラ１及びステータ２からなる。インペラ１とステータ２とは、その周辺部に等間隔で配置されたボルトなどのスペーシング要素４によって相互に結合され、同時に取り付けられた２枚のベアリングプレート３の間に取り付けられる。ベアリングプレート３の中央部には、シャフトベアリング５が取り付けられている。ベアリング５には、両面設計されたインペラ１用駆動シャフト１１が取り付けられている。駆動シャフト１１には、楕円形の断面を有するロータリピストン１２が、楕円形の長軸ａ及び短軸ｂと偏心量ｅとの関係がａ＝ｂ＋２ｅとなるように軸方向に位置合わせされて取り付けられている。

ロータリピストン１２は、環状ステータ２の三角形のチャンバ２１に取り付けられる。チャンバ２１の前面２２の２面にはシール蓋６が好適にはボルトにより取り付けられている。シール蓋６には駆動シャフト１１が自在に通過可能な中央開口部６１が設けられている。ステータ２のチャンバ２１の形状は、３つの対称部品により形成される。チャンバ２１の丸みを有する頂部２１１は相互に１２０度揺動し、ステータ２のチャンバ２１の長手軸ｏ_ｓから距離ｖ_ｖの位置に形成され、ｖ_ｖ=ａ+ｅである。チャンバ２１の頂部２１１の丸みはロータリピストン１２の丸みと一致している。頂部２１１に対向するチャンバ２１の壁２１２は、内接円の半径と一致すると共にｖ_ｓ＝ｂ＋ｅとなる距離ｖ_ｓの位置に形成される。

頂部２１１と壁２１２の間のチャンバ２１の移行部２１３は、動作中のロータリピストン１２の包絡線により形成される。図３及び図５より明らかであるように、ロータリピストン１２の長手軸ｏ_ｐは、偏心量ｅの値を有するステータ２のチャンバ２１の長手軸ｏ_ｓに対して移動される。各頂部２１１には、動作媒体を出入りさせるための少なくとも１つのポート２１４が形成されている。

ベアリングプレート３のうち一方の外側において、駆動シャフト１１上に中央コグホイール７が取り付けられている。中央コグホイール７の周囲には１２０度の等間隔で３つのサテライトコグホイール８が取り付けられている。サテライトコグホイール８は中央コグホイール７の歯数の中間（半数）の歯数を有する。サテライトコグホイール８はペグ８１に固定されている。ペグ８１は、例えばベアリングプレート３においてピボットベアリング８２の支援により回動される。各ペグ８１の外表面８１１には、偏心量ｅの値のオフセットを有する固定開口部８１２が設けられる。各固定開口部８１２には、駆動ピン２３の固定用のガイドベアリング８１３が取り付けられている。駆動ピン２３は、サテライトコグホイール８と同一の間隔でステータ２内に例えば圧入されることにより取り付けられ、駆動クランク１１上のステータ２の回転運動を伝達する役割を果たす。

以上の説明より、ロータリモータの包括的な説明は表面上においてのみ行われたもので、示された対応策の本質に影響を及ぼさない、バイパス弁（その制御、導入、潤滑、冷却を含む）、はずみ車などの更なる関連の図示されていない構造部品について解決するものではないことがわかる。同様に、円運動を行う要素の名称として「ステータ２」を使用することは発明者の意識的な目的である。この要素は、実際にステータ２を逆方向に回転するロータリピストン１２に対して作用する。

ロータリピストン１２の楕円形状及びステータ２の三角形のチャンバ２１の形状の作製の際、ロータリモータのサイズ評価用の主なパラメータは選択可能な偏心量ｅの値であり、ゆえにステータ２の三角形のチャンバ２１の軸ｏ_ｓのロータリピストン１２の軸ｏ_ｐへの選択可能な変位の値であり、単純な回転動作が実施される。ロータリピストン１２のカットの選択が最適である場合、楕円形の長軸の長さａが偏心量ｅの値の５〜６倍であり、従って短軸ｂはロータリピストン１２が９０度回転することで三角形のチャンバ２１の壁に接触しなければならず、且つ偏心量ｅの２倍よりも小さい長さを有する。三角形のチャンバ２１は、丸みを有する頂部２１１と壁２１２の間の遷移曲線が、偏心量（ｅ）を半径値とし偏心量ｅの値を以て平行に移動する方法にて、全てのポイントがどの移動時点においても偏心量ｅを半径とした円に沿って回転するステータ２に対し逆方向に同時に２倍の速度で回転するロータリピストン１２の包絡線を形成する内接円によって寸法的に規定されるように形成される。ロータリピストン１２とステータ２との複合的な移動は、楕円形の中心が所与の角度をなして半径が偏心量ｅである円に沿って、同時に楕円形の軸ｏ_ｐに沿って移動する際に、ステータ２が固定的であり、ロータリピストン１２が惑星様の移動を行う対応策により代替可能である。すなわちロータリピストン１２は図５に示されるように中間の角度で逆方向に回転する。これにより、丸みを有する頂部２１１との接線接触により包絡線を生ずる楕円形の最遠接点を見出すことが可能である。この接点はロータリピストン１２の楕円形の側部に接する対向面上にある。

モータの作動はステータ２の頂部２１１に１つのアーチを有するロータリピストン１２の位置から認識可能である。当該位置において圧縮媒体導入用の所与のポート２１４を遮断し、一方でその表面においてステータ２の壁２１２と相互に対称的な接触を行う。図６に示すように、ロータリピストン１２が回転する際、両方の壁２１２との接触点が後退を開始し、チャンバ２１内に作業空間２１５が生じる。この作業空間２１５において、隣接するポート２１４を通じて図示しないバイパス弁により作動媒体の導入が開始される。作動媒体は膨張することで最大限に、すなわちロータリピストン１２の回転において９０度、ロータリピストン１２を回転させる。同時に、ロータリピストン１２の反対側において、第２の頂点２１１による作業空間２１５内の先行する作業サイクルが終了し、所与のポート２１４を介して空間内が空になる。空になった後、頂部２１１近傍のロータリピストン１２はホームポジションへ戻り、上述した工程が反復される。チャンバ２１の三角形状に対し、６０度回転する毎に、すなわち１回転につき６回、ロータリピストン１２の回転方向に対向する方向に圧縮媒体の導入が行われる。作動ピストンが９０度回転した時点で作業空間２１５が最大となるが、６０度回転した時点で隣接する頂部２１１による次の作業サイクルが既に開始されることから、関連する頂部２１１の作業空間２１５内で特定の作業サイクルが実行され、また相互に同時に行われることが認識可能である。

上述した構造上の対応策はロータリモータの唯一の可能な設計ではなく、サイズや要求される負荷によって、各頂部において、１つではなく２つのポート２１４に別々に圧縮媒体を出入りさせることが可能である。また、ベアリングプレート３の設計及び結合はインペラ１及びステータ２の特定の構造設計によって異なっていてもよい。

本発明によるロータリモータは、異なる産業分野にも適用可能であり、機械、自動車及び他の装置の環境にやさしい駆動装置として輸送可能である。

Claims (3)

1. 圧縮媒体用ロータリモータであって、相互に結合されると共に同時に取り付けられた２枚のベアリングプレート（３）の間に取り付けられた少なくとも１つのインペラ（１）及び少なくとも１つのステータ（２）を含み、前記ベアリングプレート（３）は、両側面に導出される前記インペラ（１）の駆動シャフト（１１）を取り付けるべく調節され、前記駆動シャフト（１１）にはシール蓋（６）を備える前記ステータ（２）のチャンバ（２１）内に取り付けられるロータリピストン（１２）が取り付けられ、楕円形の断面を有する前記ロータリピストン（１２）は、頂部（２１１）の各々が圧縮媒体の導入及び導出用の少なくとも１つのポート（２１４）を備える場合に、駆動シャフトの軸（１１）と同一の前記ロータリピストン（１２）の長手軸（ｏ_ｐ）が、前記ロータリピストン（１２）の回転と逆方向へ前記ステータ（２）が同時回転運動すること、すなわち偏心量（ｅ）を半径とする円に沿って前記ステータ（２）の全てのポイントが並行して前進することにより、偏心量（ｅ）の値を有する前記ステータ（２）の前記チャンバ（２１）の長手軸（ｏ_ｓ）に対して移動するように、丸みを有する頂部（２１１）を備える対称形状の三角形のチャンバ（２１）内に取り付けられ、前記ベアリングプレート（３）の一方に対し、前記駆動シャフト（１１）上に中央コグホイール（７）が取り付けられ、前記中央コグホイール（７）の周囲に等間隔に３つのサテライトコグホイール（８）が取り付けられ、前記サテライトコグホイール（８）は、前記ベアリングプレート（３）内で回動すると共にペグ軸（８１）に対して偏心量（ｅ）をもって前記ステータ（２）に固定された前記駆動ピン（２３）の支援により、前記ペグ（８１）に強固に取り付けられている、ロータリモータ。
2. 前記ロータリピストン（１２）は、楕円形の長軸（ａ）及び短軸（ｂ）と偏心量（ｅ）との関係がａ＝ｂ＋２ｅとなるように作製され、部分的に、前記チャンバ（２１）の相互に１２０度揺動する前記丸みを有する頂部（２１１）は、前記ステータ（２）の前記チャンバ（２１）の前記長手軸（ｏ_ｓ）から距離（ｖ_ｖ）の位置に形成され、ｖ_ｖ＝ａ＋ｅであり、部分的に、前記チャンバ（２１）の前記頂部（２１１）の丸みは、前記ロータリピストン（１２）の丸みと一致し、部分的に、前記頂部（２１１）に対向する前記チャンバ（２１）の壁（２１２）は、内接円の半径と一致すると共にｖ_ｓ＝ｂ＋ｅとなる距離（ｖ_ｓ）の位置に形成され、部分的に、前記頂部（２１１）と前記壁（２１２）との間の前記チャンバ（２１）表面の移行部（２１３）は、前記ロータリピストン（１２）の移動により形成される包絡線によって形成される、請求項１に記載のロータリモータ。
3. 前記サテライトコグホイール（８）は前記中央コグホイール（７）の歯数の中間の歯数を有し、前記サテライトコグホイール（８）のペグ（８１）は前記ベアリングプレート（３）にピボットベアリング（８２）の支援により取り付けられ、前記各ペグ（８１）の外表面（８１１）には偏心量（ｅ）の値のオフセットを有して固定開口部（８１２）が設けられ、前記各固定開口部（８１２）には、駆動ピン（２３）を固定するためのガイドベアリング（８１３）が取り付けられ、前記駆動ピン（２３）は前記サテライトコグホイール（８）と同一の間隔で前記ステータ（２）に取り付けられる、請求項１又は２に記載のロータリモータ。

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