JP5357769B2 - 鐘型ロータを備えた回転磁界機械 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前段部に記載の電気的回転磁界機械に関する。

汎用的な回転磁界機械は、鐘型ロータとも呼ばれている。それらは、一般に、固定された内部及び外部ステータと、回転可能に支持されたロータとを備えており、ロータは鐘型部によって形成されている。鐘型部には、磁気バイアスを掛けるための永久磁石を配置することができる。

その様な回転磁界機械は、国際特許ＷＯ２００６／０００２６０号により知られている。しかしながら、そこに記載されている回転磁界機械は、基本的な構造が表されているだけである。同様の回転磁界機械並びに先行技術への参照は、国際特許ＷＯ２００６／０００２６０号の調査報告書の中に述べられている。

国際特許ＷＯ２００６／０００２６０号

本発明の目的は、国際特許ＷＯ２００６／０００２６０号に示されている基本的なモータ構造を、このモータ構造が、一方では、費用効果の高いやり方で製造され且つ熱放散を促進させ、他方では、機械的剛性を実現し優れた同心運転を達成することができるロータ構造を構築する、というやり方で、更に発展させたアッセンブリ構造を引き出すことである。ここでは、モータは、高い効率と低い慣性モーメントを同時に確保できるものでなくてはならない。もう１つの目的は、その様なモータアッセンブリにおいて、ディテントトルク（静止トルク）ひいては同心運転特性を最適化することができる手段を明らかにすることである。

上記目的は、本発明により、請求項１に記載の特徴を備えた電気的駆動機構によって実現されている。この駆動機構の他の好都合な改良点は、従属請求項に記載の特徴から明らかになってゆくであろう。

本発明のよる電気的駆動機構の縦断面図を示している。 或る代わりのハウジングアッセンブリを示している。 ロータアッセンブリの変型を示している。 励磁コイルを備えたステータの横断面図を示している。 強磁性管を鞘式に又は収縮装着式に取り付けたステータの横断面図を示して いる。

本発明による駆動機構の様々な改良点について、図面を参照しながら以下説明する。

図１は、本発明による駆動機構の縦断面図を示している。駆動軸１は、２つの転がり軸受１ａと１ｂによって駆動機構のハウジング内に回転可能に支持されているものであって、駆動機構内に発生するトルクを伝達するために設けられている。

ハウジングは、３つの部分から構成されている。第１の前方ハウジング部分２ａは、ステータ１１と励磁コイル９並びに軸受１ｂを支持しており、アルミ鋳物として形成されているのが望ましい。第２の前方ハウジング部分２ｂは、駆動軸１の転がり軸受１ａを支持し、フランジ取り付け部の働きをしている。この目的で、ハウジング部分２ｂには適したボアホール２０が設けられている。第３の中間ハウジング部分２ｃは、２つのハウジング部分２ａと２ｂを互いに接続すると共に、同時に、磁気回路の帰還ヨークを形成している。上記理由により、中間ハウジング部分２ｃは、強磁性鋼で形成されている。

渦電流損失を低減するために、電気シート製の外部ステータ２ｄを、図１ａに示している様に、ハウジング部分２ｃの中へ挿入することも考えられる。これには、中間ハウジング部分２ｃを異なる材料で形成できること、又は単純な旋盤加工品として製造することができるようになるという利点がある。

上記ハウジング構造であれば、アッセンブリを簡素化できるだけでなく、更には、非常にコンパクトなモータ設計が可能になる。二重の空隙によって磁気帰還を切り離すことで、非常に低い慣性モーメントを実現することができると共に、同時にコンパクトな構造空間内に非常に高いモーメントを実現することができる。従って、磁気帰還ヨークを形成しているハウジング部分２ｃを、非常に薄い壁（大凡、溝の幅の半分の厚さ）となるように構成することができ好都合である。この構成配置によって、ロータが可能な限り大きい直径を有するように構成することが可能になり、これにより大きなトルクを発生させるため大きなレバーアームが設けられる。

先行技術のロータモータとは対照的に、当該帰還ヨークは回転しないため、接点保護のリスクが生まれない。通例的に、回転式帰還ヨークを備えた従来の外部ロータモータには、その上、接点保護を確保するためにハウジングに内蔵する必要があった。

ロータ３は、２つの部品で形成されている。ロータ３の一方の部品は、円筒壁３ａで形成されており、その上に底壁３ｂが形成され、鐘形を形成している（図１）。円筒壁３ａには、底壁３ｂから遠ざかる方向を向いている側に、半径方向外向きに突き出たカラー３ｃが形成されているのが望ましい。具体的に、鐘型部３を深絞り加工品として製造すれば費用効果が高くなるということが示唆される。

ロータの他方の部品は、巻き込み要素４により形成されている。鐘型部３は、溶接継ぎ手を介して巻き込み要素４に接続されているのが望ましい。鐘型部３の底壁３ｂの溶接継ぎ手を介して鐘型部と巻き込み要素４を接続することは、この場合に示唆される選択肢である。

巻き込み要素４は、圧入接続により軸１に接続されているのが望ましい。言うまでもなく、巻き込み要素は、正の嵌合で軸に通して回転不能に装着することもできる。巻き込み要素４は、断面がカップ状をしている、即ち、その部分断面がＵ字型であって、第１の広い面を有する内側円筒壁４ａを備えており、Ｕ字の空いている側が永久磁石１３の方向を指すように配置されている。

巻き込み要素４も、深絞り加工品又は鋳物として製造することができる。この実施形態は、軸１との圧入接続のために可能な限り広い面を作り出し、可能な限り空間を節約できる構造を作り出している。

第２の円筒壁４ｂも、内側に向いており、その外壁は、ロータ鐘型部３ａの円筒壁の内壁に押し付けられている。ロータ３の高い剛性と優れた同心運転特性はこれにより実現されている。これは、巻き込み要素４の構成によるところが大きい。

軸は、弾性的可撓性を有するロッド５を介して、軸１の出力部に圧入装着されているセンサターゲット６と接続されているのが望ましい。弾性的可撓性を有するロッド５は、別の軸受７によってハウジング部分内に支持されている。この様に延長することは、電子センサ評価システム８を、端部に、即ちハウジングに直接取り付けることができ、而して、電子システム１０に直接接続することができるようになることを示唆している。

代わりに、軸１をセンサターゲットまで延長してそこに支持されるようにすることもできる。しかしながら、その場合は、結果的にロータの慣性モーメントが大きくなり、その上、係合領域２ｆの熱伝達容量が小さくなる。

ステータ１１は、励磁コイル９を支持しており、励磁コイルは、シングルコイルとして構成され、打ち抜き格子１２によって互いに接続されているのが望ましい。

鐘型部と巻き込み要素とから成るロータは、薄壁鐘型部の円筒壁３ａの内側の永久磁石１３を支持している。永久磁石１３は、ロータに備わっている剛性が増すように、リング磁石として構成されているのが望ましい。

要求される剛性が実現できるように、鐘型部は金属材料で形成するのがなお一層有利である。非強磁性物質を材料として選択するということは、ステータが励磁された時にロータに作用する半径方向の力が極僅かにしかならないことを示唆している。磁気特性の欠如により、ステータが電気的に励磁された時、鐘型部にはステータから引力が掛からないため、半径方向の力は小さいものとなる。永久磁石の半径方向の力の作用は、励磁されたステータとロータと外部ステータの間の二重の空隙により釣り合いが保たれる。総じて、半径方向の力が非常に小さいことは、結果的に、ロータの同心運転特性に対して有利な効果を発揮することになる。この特性は、制御モータに使用した場合に特に顕著に表れる。当該モータは、従って、ロータと磁気帰還ヨークが一体型部品として形成されており、従って、励磁ステータとロータの間の１つの空隙しか無い点で、他のモータとは著しく異なる。

代わりに、鐘型部は、強磁性材料で形成することもできる。このやり方では、励磁束の一部が鐘型部付近を覆っており、有効磁気抵抗が小さくなるために、電気特性が向上する。而して、効率が改善される。しかしながら、構造に掛かる応力は増す。従って、材料は要件に基づいて選択されるべきである。

出力軸１の軸受は、鋸歯状リングと軸シールリング１４でシールされている。

図１ｂは、ロータの代わりの実施形態を示している。巻き込み要素は、図１の巻き込み要素に対応している。永久磁石を固定又は支持する円筒壁１４は、ここでは、管として形成されており、巻き込み要素の円筒壁４ｂの外側に被せられている。このやり方では、ロータの設計を可能な限り簡略化することができる。この場合は、管は、金属材料、炭素繊維複合材料、又はガラス繊維材料として構成することができる。特に管を炭素繊維とした実施形態では、管を非常に薄い壁とすることができるので、慣性モーメントを大幅に削減することができるようになる。巻き込み部との接続は、溶接継ぎ手（金属材料）によるか又は接着結合により実施することができる。このロータ構造は、機械的強度が僅かに低いため、特に小型モータに適している。

図２は、ステータの横断面図を示している。励磁コイル９を備えた励磁ステータ１１が示されている。磁束１５は、永久磁石１０と鐘型部の円筒壁３ａ／１４とハウジング部分２ｃを介してステータ１１付近を覆っている。

ステータの溝は、直線的なフランク面１１ａを有しており、電気機械工学では慣例になっているポールシューは備えていない。ポールシューを省略し、直線的なフランク面１１ａを選定したことにより、ステータにシングルコイルを取り付けることが可能になり、その場合、コイルは事前に幾何学的に高い精度で巻いておくことができるので、銅充填比を高めることができる。

図２には、コイルを固定する方法の３つの変型例を示している。第１の変型例では、溝１１はシート１６で絶縁される。次いで、コイル９が、ステータに取り付けられ、注型用樹脂１７に鋳込まれ固着される。注型用樹脂１７は、而して、固定機能を果たし、その上、熱伝達機能も有している。

先行技術によれば、ディテントトルク（静止トルク）を小さくするために、溝には通例的にポールシューが設けられている。しかしながら、ポールシューでは、単一歯巻きは使えず、ニードル巻き技法が必要になるため、小さい銅充填比しか実現できない。より高い銅充填比は、溝の構成によって実現することができる。永久磁石１３の適切で有利な磁極対溝の組合せ又は斜め磁化を用いれば、この技法でも非常に低いディテントトルクが実現できる。

第２の変型例では、コイルは、ステータ上に取り付けられ、対応する楔１８を使用してステータの中に固定されている。楔を取り付けるために、溝のフランク面１１ａには、楔１８を押し込むための小さい陥凹部１１ｂが設けられている。モータがディテントトルク及び実際の運転に関しての厳しい要件を満たすには、楔１８は磁気特性を有する材料で形成すること、即ち、楔１８は磁気プラスチック又は強磁性鋼の何れかで形成することが目的にかなっている。楔１８はステータの外輪郭を完全に閉じることになるので、磁石はあまり強く磁極に引かれなくなる。このため、ディテントトルクは可能な範囲で著しく低下する。これは、僅かに低下した磁気特性と釣り合いが取れているはずであり、何故なら、磁束の一部は楔を覆って閉じており、従ってモーメントの生成に寄与しないからである。楔を取り付ける場合には、更に良好な固定と熱伝達を実現するために、コイルをステータと一体にモールド成形することも考えられる。

この技法は、空隙が１つしかない古典的な外部ロータモータにも使用することができる。

楔１８に代わるものとして、薄壁を有する強磁性管１９をステータに鞘式に又は収縮装着式に取り付けることも考えられる。この管１９は、図２の左下に断面で示されている。

１：駆動軸、１ａ，１ｂ：転がり軸受、１ｅ：軸端、２ａ，２ｂ：前方ハウジング部分、２ｃ：中間ハウジング部分、２ｄ：外部ステータ、２ｅ：前方陥凹部、２ｆ：係合領域、２ｐ：前方板、３：ロータ、３ａ：円筒壁、３ｂ：底壁、３ｃ：カラー、４：巻き込み要素、４ａ：内側円筒壁、４ｂ：外側円筒壁、４ｃ：底壁、５：ロッド、６：ターゲット、７：軸受、８：電子センサ評価システム、９：励磁コイル、１０：電子システム、１１：内部ステータ、１１ａ：フランク面、１２：打ち抜き格子、１３：永久磁石、１４：軸シールリング、１６：シート、１７：注型用樹脂、１８：楔、１９：薄壁を有する管、２０：ボアホール

Claims (20)

1. 内部ステータ（１１）と、軸（１）に取り付けられたロータ（３）とを備えている電気的回転磁界機械であって、
   複数の永久磁石（１３）が、前記ロータ（３）の円筒壁（３ａ）の内側に押し付けられた状態に配置されており、
   前記永久磁石（１３）は、前記内部ステータ（１１）の少なくとも１つの電気的励磁コイル（９）と共同で、前記ロータ（３）の前記円筒壁（３ａ）を透過する励磁束を生成し、
   前記ロータ（３）は、前記軸（１）を前記円筒壁（３ａ）と回転しないように接続する巻き込み要素（４）を備え、
   前記円筒壁（３ａ）は、前記巻き込み要素（４）を取り囲み、少なくとも部分的には当該巻き込み要素（４）に押し付けられ、当該巻き込み要素（４）に取り付けられ、
   前記巻き込み要素（４）は、底壁（４ｃ）と円筒外壁（４ｂ）とを備えているカップ状部品であり、
   前記底壁（４ｃ）は、前記軸（１）を挿通するための軸方向開口部を有しており、
   前記底壁（４ｃ）には、前記軸方向開口部を縁取る内側円筒壁（４ａ）が設けられ、具体的には当該底壁（４ｃ）上に形成されており、
   前記内側円筒壁（４ａ）は、前記カップ状部品（４）の内部まで突き出て前記軸（１）への取り付け部の役目を果たしている、電気的回転磁界機械において、
   前記永久磁石（１３）を支持する前記円筒壁（３ａ）は、薄壁となるように構成されており、
   前記円筒壁（３ａ）の壁厚は、前記巻き込み要素（４）の壁厚よりも薄いことを特徴とする、電気的回転磁界機械。
2. 請求項１に記載の電気的回転磁界機械において、
   前記永久磁石（１３）は、前記ロータ（３）の前記円筒壁（３ａ）の内側に押し付けられており、
   前記ロータ（３）の前記円筒壁（３ａ）は、前記巻き込み要素（４）の前記円筒外壁（４ｂ）の外側に押し付けられ、及び／又は、取り付けられていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
3. 請求項１に記載の電気的回転磁界機械において、
   半径方向に内側を向いた底壁（３ｂ）が、前記永久磁石（１３）を支持する前記ロータ（３）の前記円筒壁（３ａ）上に形成されるか、又は、取り付けられており、
   前記半径方向に内側を向いた底壁（３ｂ）は、前記巻き込み要素（４）の前記底壁（４ｃ）の外側に、具体的には溶接によって、取り付けられていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
   前記永久磁石（１３）を支持する前記円筒壁（３ａ）は、非強磁性材料で構成されていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
   前記電気的回転磁界機械のハウジングは、２つの前方ハウジング部分（２ａ、２ｂ）と、両者の間に配置された中間ハウジング部分（２ｃ）とを備えており、
   一方の前方ハウジング部分（２ａ）は、前記内部ステータ（１１）を支持し、
   前記中間ハウジング部分（２ｃ）は、外部ステータを支持し、それぞれ磁気帰還ヨークを形成していることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
6. 請求項５に記載の電気的回転磁界機械において、
   前記磁気帰還ヨークは、鋼管として形成されている前記中間ハウジング部分（２ｃ）を介して効果を発揮することを特徴とする、電気的回転磁界機械。
7. 請求項５に記載の電気的回転磁界機械において、
   渦電流損失を低減する電気シート（２ｄ）が、前記中間ハウジング部分（２ｃ）に配置され、具体的には受け入れられていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
8. 請求項５乃至７の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
   前記ロータ（３）は、前記円筒壁（３ａ）と前記半径方向に内側を向いた底壁（３ｂ）とを備えた鐘形に形成され、
   前記内部ステータ（１１）を支持する前記一方の前方ハウジング部分（２ａ）は、前記ロータ（３）の鐘形の中へ延伸する係合領域（２ｆ）を備えている、ことを特徴とする、電気的回転磁界機械。
9. 請求項５乃至７の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
   前記軸（１）は、両方の前方ハウジング部分（２ａ、２ｂ）内で転がり軸受（１ａ、１ｂ）によって回転可能に支持されていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
10. 請求項８又は９に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記軸（１）は、当該軸（１）の一方の軸端（１ｅ）が、前記係合領域（２ｆ）の前方陥凹部（２ｅ）内に、軸受（１ｂ）によって支持されていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
11. 請求項８乃至１０の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記軸（１）の一方の軸端（１ｅ）は、前記ロータ（３）内で、前記係合領域（２ｆ）の前方陥凹部（２ｅ）の中に、軸受（１ｂ）によって支持されており、
    前記軸受（１ｂ）と前記軸端（１ｅ）とは、前記ロータ（３）の前記永久磁石（１３）に囲まれた領域に配置されている
    ことを特徴とする、電気的回転磁界機械。
12. 請求項１１に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記ロータ（３）の中へ突き出ている前記軸端（１ｅ）は、当該ロータ（３）の軸方向範囲よりも短く、具体的には、当該ロータ（３）の長さの半分しかないか、又は、当該ロータ（３）の長さの半分より短いことを特徴とする、電気的回転磁界機械。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
    ターゲット（６）が、前記ロータ（３）の中へ延伸している前記軸（１）の前記軸端（１ｅ）に取り付けられるか、又は、これと一体化されており、
    前記ターゲット（６）の動作は、センサ機器（８）により判定されることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
14. 請求項１３に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記ターゲット（６）を支承する特に弾性的で可撓性を有するロッド（５）が、前記ロータ（３）の中へ延伸している前記軸（１）の前記軸端（１ｅ）に配置されており、
    前記ロッド（５）は、前記ターゲット（６）の近くに配置された追加の軸受（７）により、前記内部ステータ（１１）を支持する一方の前方ハウジング部分（２ａ）の中に支持されていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
15. 請求項１乃至１４の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記コイル（９）を収納する溝は、軸方向に延長して前記軸（１）に対して平行であり、極の側壁である直線的なフランク面（１１ａ）を有していることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記電気的励磁コイル（９）は、注型用樹脂（１７）を使って前記内部ステータ（１１）の外周に形成された溝の中に鋳込まれているか、又は、楔（１８）を使用して当該溝に固定することを特徴とする、電気的回転磁界機械。
17. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記内部ステータ（１１）の溝は、薄壁を有する管（１９）により閉じられており、
    前記管（１９）は具体的には強磁性材料で構成されていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
18. 請求項１７に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記管（１９）は、前記内部ステータ（１１）に鞘式に又は収縮装着式に取り付けられていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
19. 請求項１乃至１８の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記永久磁石（１３）は、リング磁石として構成されていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。
20. 請求項１乃至１９の何れか１項に記載の電気的回転磁界機械において、
    前記ロータ（３）の前記円筒壁（３ａ）は、金属材料、炭素繊維複合材料、又はガラス繊維材料で構成されていることを特徴とする、電気的回転磁界機械。

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