JP5508253B2 - 軸方向磁束の電気機械 - Google Patents

Description

本発明は電気機械に関するものであって、詳しくは軸方向磁束の電気機械に関するものである。本発明は軸方向磁束モータに適切なものであって、それを例に本発明を説明する。本発明は軸方向磁束ジェネレータにも適用可能である。

電動モータは、二つの軸受を必要とする。使用される軸受は出来るだけ低コストであることが望ましい。一般に、転がり軸受及び深みぞ玉軸受が低コストである。軸方向磁束モータにはこの種の軸受は適切なものではない。というのは、回転子と固定子との間の大きな引力にもとづく大きな軸方向（スラスト）荷重が軸方向磁束モータの中の一方の軸受に作用するからである。半径方向磁束モータにおいてはこのような問題はない。というのは、力は構造体内部で釣り合いがとれ、軸受に過大な荷重は作用しないからである。軸方向磁束モータにおける大きなスラスト荷重は軸受の寿命を縮め、軸方向磁束モータにおける課題となっている。

深みぞ玉軸受は、静かに運転しかつ長寿命とするために通常予圧荷重（“pre-load”force）として知られている最小軸力を必要としている。しかしながら、軸方向磁束モータにおいて発生される軸力は、推しょうされる予圧荷重に比較して非常に大きなものである。実際のところ、軸方向磁束モータにおける深みぞ玉軸受に作用する軸方向荷重は軸受の寿命を著しく縮めている。

従って、予圧を保ちづけることができ、軸受に作用するスラスト荷重を低減する手段を提供する必要がある。このことは、軸方向磁束モータにおける軸受の寿命を長くし、従って、この軸受を組みこんだ装置の使用寿命を長くする。

本発明は軸方向磁束の電気機械を提供していて、電気機械は、ハウジングと、前記ハウジングの中に配置された固定子と、少なくとも主軸受を介して前記ハウジングにより支持された回転軸と、前記ハウジングの中で前記回転軸に固定された回転子であって、前記回転子と前記固定子との間の磁気引力が前記主軸受に軸スラストを発生している回転子と、前記主軸受における荷重を低減するために、前記軸スラストの方向と反対方向に前記回転軸を付勢する付勢手段と、を具備する。

電気機械における付勢手段は電気機械の回転軸に直接的又は間接的に接続されていて、回転子と固定子との間の磁気引力により発生される軸方向スラストの方向と反対方向の力を発生するようになっている。このことが、主軸受に作用する荷重を低減するようになっている。この方法により、主軸受の寿命が著しく増大する。さらなる利点は、荷重の低減により主軸受の摩擦損失が低減することである。このことが、モータ効率を改善している。

前記回転軸に固定された第二軸受を含んでいて、前記第二軸受は前記回転軸を前記ハウジングに支持しており、前記付勢手段が、前記第二軸受と前記ハウジングとの間に配置されたばねを含んでおり、そして前記第二軸受及び前記回転軸を前記主軸受から離間している。

好ましくは、前記ばねが波形座金を含んでいる。力に応じて二つ以上の波形座金が使用される。

ある実施形態において、前記ハウジングが端部遮へいを含んでいて、前記第二軸受が前記端部遮へいの外側で前記回転軸に固定されており、前記波形座金は前記端部遮へいの外表面と第二軸受との間に配置されている。この方法により、波形座金が第二軸受及び回転軸を主軸受から離間している。

前記第二軸受は前記回転軸にぴったりと固定されていて、そして前記端部遮へいに滑動可能に支持されている。この方法により、第二軸受が回転軸と共に波形座金により軸受に作用される力にもとづいて軸方向に移動することができるけれども、半径方向には移動しない。

第二軸受は端部遮へいを越えて突出していないように、前記端部遮へいが前記回転軸の周囲に外側を向いた凹部を含んでいて、前記第二軸受及びばね座金が前記凹部の中に配置されている。

好適な実施形態において、前記付勢手段が、前記回転子と前記固定子との間の磁気引力による軸スラストを弱めていて、主軸受における荷重が前記第二軸受における荷重と等しくなっている（反対方向であるが）。ほとんどの使用下において、この構造体が軸受の最長寿命を提供している。

前記電気機械が、前記回転子に固定された複数の磁石を有している永久磁石モータである。

以下に、図面を参照して本発明における実施形態を詳述する。本説明は例示のものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではないことが理解されるべきである。

図１は、本発明の原理を示めす軸方向磁束モータの概略図である。 図２は、本発明におけるブラシレス軸方向磁束モータ直流モータの断面図である。 図３は、図２に図示するモータの分解図である。 図４は、ベアリングに作用するスラスト荷重に対するベアリングの寿命を示めすグラフである。

図１は、軸方向磁束直流（ＤＣ）モータの概略図である。モータはハウジング１と、ハウジング１の中に配置された固定子３と、主軸受７及び第二軸受９を介してハウジング１に支持されている回転軸５とを有している。モータは回転軸５に固定された回転子１１と回転子に取り付けられた永久磁石１３とを含んでいる。回転子１１における永久磁石１３と固定子３との間の磁気引力が方向“Ａ”の軸スラストを主軸受７に作用している。モータはばね１５で図示されている付勢手段を含んでいて、その付勢手段は主軸受７に作用する荷重を低減するように方向“Ｂ”に回転軸５を付勢するべく配置されている。

本発明の原理は、回転軸５に対して磁力の方向と反対方向に力を作用することに基づいている。このことは多くの方法により達成されていて、一例が図２，３に図示されている。

図２は、軸方向磁束モータブラシレス直流モータの断面を図示している。

図２において、モータがハウジングを含んでいて、ハウジングは第一端部遮へい４１、第二端部遮へい４３及び管状ケーシング４５を備えている。固定子２３がハウジングの中に配置されていて、軸２５は主軸受２７及び第二軸受２９を介してハウジングに支持されている。主軸受２７及び第二軸受２９は「深みぞ玉軸受」である。回転子３１はハウジングの中の軸２５に固定され、そして複数の永久磁石３３が回転子３１に固定されている。回転子３１と固定子２３との間の磁気引力は方向“Ａ”の軸スラストを主軸受２７に対して作用している。

第一端部遮へい４１の外表面と第二軸受２９との間に配置された波形座金３５の形状をした付勢手段は、第二軸受２９及びそこにぴったりと固定された回転軸２５を主軸受２７から離間している。すなわち、回転軸に作用する力は方向“Ａ”と反対方向に作用している。本実施形態において、第二軸受２９及び波形座金３５は第一端部遮へい４１における凹部に配置されている。

図３は図２に示めすモータの分解図である。図２及び図３の符号は同一部品を表わしている。

モータ３は図３に図示する順番に配置され組立てられている。回転子３１及び軸２５が第一に組み立てられる。続いて、第一端部遮へい４１が回転子に図示する方向に対して遊動可能に取り付けられ、第一端部遮へい４１の凹部が位置決めジグ（locating jig）により軸２５と同心になっている。
続いて、波形座金３５が第一端部遮へい４１の凹部に納まるように置かれる。軸受２９は軸２５に機械加工された肩に接触するまで押し込まれる。この操作の間中、軸受は凹部の中へ押し込まれ、波形座金３５の一部を押圧する。この操作が完了すると、軸受２７は軸２５の対向端部に押し付けることができる。第二端部遮へい４３は固定子２３とケース４５とに取り付けられ、そして一体に組み立てられモータが完成する。

図４は、種々の荷重に対する深みぞ玉軸受の寿命を示めすグラフである。本例において、磁気荷重は６００Ｎであり、第二軸受における予圧（pre-load force）は１５０Ｎである。もし、磁力と釣合いのとれた予圧を行なうことにより、軸受におけるスラスト荷重を７５０Ｎから４５０Ｎに低減すると、寿命は４，０００時間から２０，０００時間へと長くなる。すなわち、軸受の寿命は５倍の長さになる。

本発明の結果は、以下のとおりである。
・モータの寿命及びその信頼性が増加する
・モータに使用される軸受のコストが低減される

例えば、回転子と固定子との間の磁気引力が６００Ｎであるとすると、波形座金が反対方向に３００Ｎの力を発生するのに使用される。このことが主軸受における荷重を３００Ｎに低減し、そして第二軸受に３００Ｎの力を反対方向に作用している。二つの力が釣り合って、そして各軸受に作用する荷重が等しくなり、その結果各軸受の寿命、従ってモータの寿命を最大のものとしている。図４に図示するように、４０００時間から５０，０００時間への増加となっている。

本発明の好適な実施形態を詳述したが、本発明の精神及び請求の範囲を逸脱することなく変更が行なわれてもよいことは、当業者において理解されるであろう。

Claims (8)

1. 第１の端部およびその反対側の第２の端部とを有するハウジングと、
   前記ハウジングの中に配置された固定子と、
   ハウジングの第１の端部に配設された少なくとも１つの主軸受とハウジングの第２の端部に配設された第２の軸受を介して前記ハウジングにより支持された回転軸と、
   前記ハウジングの中で第２の軸受と固定子の間で前記回転軸に固定された１個の回転子であって、前記回転子と前記固定子との間の磁気引力が前記主軸受に軸スラストを発生している回転子と、
   第２軸受と固定子の間に配設されたばねであって、前記主軸受における荷重を低減するために、前記軸スラストの方向と反対の主軸受から離反する方向に前記回転軸および第２の軸受けを付勢するばねと、
   を具備する片側に軸方向磁束を有する電気機械。
2. 前記ばねが波形座金を含んでいる、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記ハウジングの第２端部が回転子に隣接する端部遮へいを含んでいて、前記第二軸受が前記端部遮へい内で前記回転軸に固定されており、前記ばねは前記端部遮へいの外表面と第二軸受との間に配置されている、請求項１又は２に記載の電気機械。
4. 前記第二軸受は前記回転軸にぴったりと固定されていて、そして前記端部遮へいに滑動可能に支持されている、請求項３に記載の電気機械。
5. 前記端部遮へいが前記回転軸の周囲に凹部を含んでいて、前記第二軸受及びばねが前記凹部の中に配置されている、請求項３又は４に記載の電気機械。
6. 前記ばねが、前記回転子と前記固定子との間の磁気引力による軸スラストを弱めていて、主軸受における荷重が前記第二軸受における荷重と等しくなっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
7. 前記電気機械が、前記回転子に固定された複数の磁石を有している永久磁石モータである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
8. 第１の端部および第２の端部を有するハウジングと、
   前記ハウジングの中に配置されハウジングの第１の端部に結合された固定子と、
   回転軸であって、ハウジングの第１の端部を通ってハウジング内に延伸し、ハウジング内に位置せしめられる第１の端部とハウジングの外部に位置せしめられる反対側の第２の端部を有する回転軸と、
   軸に結合されている主軸受であって、ハウジングの第１の端部に支持されている主軸受と、
   軸に結合されている第２の軸受であって、ハウジングに支持されている第２の軸受と、
   前記ハウジングの中で第２の軸受と固定子の間で前記回転軸に固定された１個の回転子であって、前記回転子と前記固定子との間の磁気引力が前記主軸受に軸スラストを発生している回転子と、
   ハウジングの第２の端部と回転軸の第１の端部の間に配設されたばねであって、前記主軸受にかかる荷重を低減するために、前記軸スラストの方向と反対のハウジングの第２の端部に向かう方向に前記回転軸および第２の軸受けを付勢するばねと、
   を具備する片側に軸方向磁束を有する電気機械。

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