JP6278603B2 - モータ及び動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却液を使用するモータに関する。

モータおよび減速機を互いに連通する空間内に密封し、この空間内で潤滑油を循環させる構造の油浴式モータが知られている。例えば、特許文献１には、モータの回転軸を中空にし、外部の冷却流体供給部から回転軸の穴を通してハウジング内のロータ収容空間にオイル含有冷媒を吹き出すように構成された回転電気が開示されている。

特開平１１−４１８６１号公報

上記のような油浴式モータにおいて、モータの高性能化のためにステータにスキューを施すことがある。このようなモータでは、ロータ回転時にスキューによって潤滑油が一方向に導かれ、ロータの両側の空間で潤滑油面の高さが異なる現象が発生する。この現象が発生すると、モータ軸受の潤滑が不十分になったり、モータの冷却性能が低下してしまったりする。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ステータまたはロータのスキューに起因する冷却液（潤滑油）の偏りを低減する技術を提供することにある。

本発明のある態様は、出力軸を有するロータと、コイルが巻回されたステータと、ロータおよびステータを収容し冷却液が封入されたケーシングと、を備えるモータである。ロータおよびステータの少なくとも一方にスキューが形成されており、ロータまたはステータの軸方向全長において、該軸方向に対するスキューの方向が逆転している。

この態様によると、ロータの回転時に、スキューが形成されたステータまたはロータの両端からスキューを構成するスロット内に互いに逆向きに冷却液が流れ込むため、冷却液の流れが相殺されて、ロータ両端のいずれかの空間での冷却液面の上昇が生じにくくなる。よって、冷却液をモータの摺動部やコイルに行き渡らせることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ステータまたはロータのスキューに起因する冷却液の偏りを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る油浴式モータを使用する動力伝達装置の断面図である。 ステータスキューの概念図である。 （ａ）、（ｂ）は、ステータスキューに起因する冷却液の液面差を説明する図である。 ステータスキュー形状の一例を示す図である。 ステータスキュー形状の一例を示す図である。 ステータスキュー形状の一例を示す図である。 ステータスキュー形状の一例を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る油浴式のモータを使用する動力伝達装置１００の一部を、中心軸を含む鉛直面で切断したときの断面図である。

動力伝達装置１００は、一部のみ示す減速機１０と、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータ１２と、湿式多板ブレーキ機構１４とが一体化された装置である。

ＩＰＭモータ１２は、共に積層鋼板で構成されたステータ６４およびロータ６６を備える。ロータ６６の積層鋼板には軸方向に延びる空隙６６Ａが複数形成されており、この空隙内に永久磁石７６Ａ、７６Ｂが埋め込まれている。永久磁石がロータ内に埋め込まれているＩＰＭモータは、永久磁石がロータの表面に貼り付けられているＳＰＭモータに比べて効率が高い。ロータ６６を構成している積層鋼板は、ボルト６７によって一体化され、図示しない係合部を介してモータ出力軸７０と一体化されている。なお、ボルトではなく、カシメや接着により一体化されてもよい。モータ出力軸７０の後部側（図１の左側）は、軸受８２を介して、モータケーシング６０から内側に延出する延出部６０Ａに回転自在に支持されている。

モータ出力軸７０の先端側（図１の右側）は、スプライン７０Ａを介して任意の構成の減速機１０の入力軸１６と連結される。

ステータ６４は、モータケーシング６０に固定されている。ステータ６４の複数のスロットにはそれぞれ絶縁紙が挿入され、また、磁場を形成するためのコイルがスロットを跨いで所定回数巻回されている。コイルの巻回のための折り返しの部分が、コイルエンド６８Ａ、６８Ｂとして、ステータ６４の両端から軸方向に突出している。

図示していないが、ロータ６６と対面するステータ６４の内周面には、電圧波形の改善やコギングトルクの低減を目的とした、スロットの開口部からなるスキューが形成されている。

ロータ６６の軸方向両端面には、ロータ内に埋め込まれた永久磁石が回転中に飛びなさないようにするための端板７２、７４がそれぞれ取り付けられている。端板は例えばステンレスまたはアルミ製である。なお、端板はアルミに限らず非磁性体であればよく、例えば樹脂製でもよい。

ブレーキ機構１４は、ＩＰＭモータ１２の出力軸７０の回転を制動する。ブレーキ機構１４は、ステータ６４に巻回されているコイルのコイルエンド６８Ａの半径方向内側に収められており、複数の摩擦板を有する多板式制動部７８を備える。多板式制動部７８の摩擦板は、複数（図示の例では４枚）の固定摩擦板７８Ａと、複数（図示の例では３枚）の回転摩擦板７８Ｂとで構成されている。

固定摩擦板７８Ａは、ＩＰＭモータ１２のモータケーシング６０の後端を塞ぐように配置されたブレーキピストン８４と、ケーシング６０の延出部６０Ａとの間で、図示しない貫通ピンによって円周方向に固定されるとともに、貫通ピンに沿って軸方向に移動可能とされている。

一方、回転摩擦板７８Ｂは、ロータ６６と一体的に回転するモータ出力軸７０側に組み込まれ、出力軸７０と一体的に回転可能である。出力軸７０の外周には、軸方向に沿ってスプライン７０Ｂが形成されており、回転摩擦板７８Ｂの内周端がスプライン７０Ｂと係合している。これにより、回転摩擦板７８Ｂは、出力軸７０とスプライン７０Ｂを介して円周方向に一体化されると共に、出力軸７０の軸方向に沿って移動可能となっている。回転摩擦板７８Ｂの表面には、摩擦シート（図示せず）が接着されている。

ブレーキピストン８４は、油路８６を介して図示しない油圧機構と連通するシリンダ内で摺動するように配置されている。油圧機構から油路８６を介してシリンダ内に圧油が供給され、固定摩擦板７８Ａをブレーキピストン８４が軸方向に押圧するように構成されている。

ＩＰＭモータ１２のロータ６６、出力軸７０、ブレーキ機構１４の摩擦板７８Ａ、７８Ｂ、減速機１０の入力軸１６は、全て同軸に配置される。

ＩＰＭモータ１２およびブレーキ機構１４は、共に湿式で構成され、かつ減速機１０、ＩＰＭモータ１２、およびブレーキ機構１４の内部空間は密閉された一続きの空間となっている。この空間内に冷却液が封入されており、冷却液が空間内を流通可能となっている。この冷却液は、ＩＰＭモータのロータ６６およびステータ６４の冷却のみならず、減速機とモータ内の軸受および摺動部の潤滑油の役割も同時に果たしている。なお、冷却液は潤滑油に限定されず、純粋に冷却目的のものであってもよい。

図１には、モータ停止時の冷却液の液面が網掛けによって示されている。本実施形態では、中心軸が水平になった状態で、ＩＰＭモータ１２の軸受８２の一部が浸かる程度の量の冷却液がケーシング６０内に封入されている。

ＩＰＭモータ１２のステータ６４に対してロータ６６および出力軸７０が回転し、出力軸７０の回転がスプライン７０Ａを介して減速機１０の入力軸１６に伝達される。入力軸１６の回転が減速機により減速されて出力される。

続いて、ブレーキ機構１４による動力伝達装置１００の制動作用を説明する。

所定の制動制御に基づいて、油圧機構から油路８６を介してシリンダ内に圧油が供給され、ブレーキピストン８４がシリンダ内を減速機側（図中の右方向）に移動する。この結果、最も反減速機側に位置する固定摩擦板７８Ａがブレーキピストン８４に押されて減速機側に移動する。すると、複数の固定摩擦板７８Ａと回転摩擦板７８Ｂが次々に強い力で接触する。上述したように、固定摩擦板７８Ａは貫通ピンを介して円周方向に固定されており、回転摩擦板７８Ｂは、出力軸７０に組み込まれているスプライン７０Ｂを介して出力軸７０と円周方向に一体化されている。そのため、固定摩擦板７８Ａと回転摩擦板７８Ｂが、回転摩擦板７８Ｂに接着された摩擦シートを介して強く接触することによって、出力軸７０の制動作用が発生する。

制動制御が終了すると、シリンダ内の圧油の供給が停止されるため、延出部６０Ａとブレーキピストン８４の間に介在されたばね８４Ａの復元力により、ブレーキピストン８４が元に戻り、各固定摩擦板７８Ａが元の軸方向位置に復帰する。これに伴って回転摩擦板７８Ｂも元の軸方向位置に復帰し、固定摩擦板７８Ａと回転摩擦板７８Ｂの接触が解かれて制動作用が消滅する。

図２は、ステータ内周面を外周側から観察した様子を示す概念図である。上述したように、積層鋼板に形成されているスロットの開口部を周方向に少しずつずらして積層することによって、ステータ内周面に複数のスキューＫａが形成される。このスキューによりステータ内での磁束密度分布が平滑化されるため、スロット高調波を低減して正弦波に近づけることができ、トルクリップルやコギングといったトルク変動特性を改善することができる。

スキュー角θ（ｒａｄ、電気角）は、以下の手順で設定される。モータの極数をＰ、スロット数をＳとすると、一般に次式で表されるｎ次成分の高調波が大きくなる。
ｎ＝Ｓ／（Ｐ／２）±１ （１）
スキュー角θのスキューを設けると、各次数の高調波成分には、次式で算出される係数Ｋ_ｓｎが乗じられる。
Ｋ_ｓｎ＝ｓｉｎ（ｎθ／２）／（ｎθ／２） （２）
よって、式（１）で求められるｎに対して係数Ｋ_ｓｎが０以上１未満のできるだけ小さな値になるように、スキュー角θを設定すればよい。

図１に示すような油浴式モータにおいて、ステータ内周面にスキューを形成すると、以下の現象が生じる。ロータ６６が回転すると、ケーシング６０内の冷却液はその粘性のためにロータ表面に引きずられ、ロータの回転方向と同じ方向に流れ出す。特に、ロータとステータ間のギャップに存在する冷却液は、ステータ内周面に形成されているスキューＫａによって、スキューの傾斜している側へと軸方向に押し出される（図２中の白抜き矢印を参照）。この結果、ロータよりも反減速機側にある空間８０Ｌと減速機側にある空間８０Ｒとで液面の高さが異なる現象が発生する。

空間８０Ｌ、８０Ｒのいずれの液面が高くなるかは、ロータの回転方向とステータ内周面のスキューの傾斜方向とによって決まる。図３は、図２に示すスキューがステータ内周面に形成されている場合のケーシング内での液面差を説明する概念図である。

図３（ａ）は、反負荷側（図中の左側）からみて出力軸７０が時計回りに回転するときの液面差を示す。この場合、図２中の白抜き矢印の方向に冷却液が流れるので、反減速機側の空間８０Ｌの液面の方が減速機側の空間８０Ｒよりも高くなる。

図３（ｂ）、は反負荷側からみて出力軸７０が反時計回りに回転するときの液面差を示す。この場合、図２中の白抜き矢印とは反対方向に冷却液が流れるので、減速機側の空間８０Ｒの液面の方が反減速機側の空間８０Ｌよりも高くなる。

上記のような液面の不均衡はモータの作動中持続する。このため、減速機１０およびモータ１２内の軸受が冷却液に浸からない状態になり、十分な潤滑性能が確保できなくなるおそれがある。また、モータの主たる発熱源であるコイル６８のうち冷却液に浸かる部分が減少するため、モータの放熱性能が低下する。

これを改善すべく、反減速機側の空間８０Ｌと減速機側の空間８０Ｒとを結ぶバイパスを別途形成したり、両空間内の冷却液をポンプ等を用いて強制的に循環させたりする解決手法が考えられる。しかし、これらの手法では、加工費や設備コストが増加したりバイパスが目詰まりしたりするという問題がある。また、ケーシング内に封入する冷却液の量を増加させる解決手法も考えられる。しかし、この手法を採用すると、冷却液の粘性抵抗によるロータの回転負荷が増大し、モータ効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、ステータ内周面に形成するスキューの形状を工夫することによって、モータ作動中の冷却液の不均衡を低減するようにした。

図４ないし７は、本実施形態に係るモータのステータ内周面に形成されるスキュー形状の一例を示す図である。これらは、図２と同様に、ステータ内周面を外周側から観察した様子を示す概念図である。

図４は、「く」の字形のスキューＫｂを示す。スキューＫｂは、ステータの中間で軸方向に対するスキューの傾きまたは向きが上下に逆転している。こうすることで、スキューが形成されたステータの両端からスキューを構成するスロット内に互いに逆向きに冷却液が流れ込む（図３中の白抜き矢印を参照）ため、流れが相殺されて、反減速機側空間８０Ｌまたは減速機側空間８０Ｒのいずれかでの冷却液面の上昇が生じにくくなる。

スキューＫｂは、ステータの軸方向長さの中心に対して左右対称に形成されると好ましい。こうすると、ステータの両端からの冷却液の流れの強さが同程度になり、流れが相殺されやすい。

各スキューは、その軸方向の両端部において、ロータに対するステータの位相角が同じであれば、任意の形状をとってよい。また、スキューＫｂのステータ周方向の長さ、すなわちスキュー角θは、図２に示したような回転軸に対するスキューの方向が一定である従来のスキューＫａのステータ周方向の長さと同じであることが好ましい。これにより、スキュー本来の目的であるスロット高調波の低減が、従来のスキューと同程度になる。これは、本実施形態に係るスキューの位相差の最大値および最小値が、スキューの方向が一定である従来のスキューにおける位相差の最大値および最小値と同一であると言い換えることができる。

図４のように、ステータ軸方向の一点でスキューが折れ曲がっていると、ステータスロット内へのコイルまたは絶縁紙の挿入時に、コイルの絶縁被膜や絶縁紙表面に折れ部のエッジで傷を付けてしまい、絶縁性能が低下するおそれがある。そこで、図５に示すように、一点で中心軸に対するスキューの方向が変化するのではなく、スキューの方向が軸方向に連続的に変化するような円弧形状のスキューＫｃを形成してもよい。これにより、コイルの絶縁被膜や絶縁紙表面に傷が付きにくくなる。なお、この場合も、スキューＫｃのステータ周方向の長さθは、図２に示した従来のスキューの方向が一定であるスキューＫａのステータ周方向の長さと同じであることが好ましい。

なお、円弧形状の部分が、ステータの軸方向全長の一部にだけ存在していてもよい。

スキューのステータ周方向の長さが、図２に示した従来のスキューの方向が一定であるスキューＫａのステータ周方向の長さと同じであれば、中心軸に対するスキューの方向変化が複数点存在してもよい。例えば、図６に示すように、その一部が軸と平行な直線であり全体として台形のスキューＫｄを形成してもよいし、図７に示すように、３箇所で角度変化する折れ線形のスキューＫｅを形成してもよい。なお、スロット高調波の低減のためには、直線部はなるべく短い方がよい。直線部がステータの一端または両端に存在していてもよい。

ステータ６４の内周面ではなく、ロータ６６の外周面にスキューが形成されていてもよい。上記の実施形態は、ステータスキューをロータスキューに置き換えることでそのまま適用可能である。また、ステータ６４の内周面とロータ６６の外周面の両方にスキューが形成されていてもよい。後者の場合、ステータとロータのスキューの捻り方向は同一である。

以上説明したように、本実施形態によれば、ロータの回転時に、スキューが形成されたステータまたはロータの両端からスキューを構成するスロット内に互いに逆向きに冷却液が流れ込むため、冷却液の流れが相殺されて、ロータ両端のいずれかの空間での冷却液面の上昇が生じにくくなる。よって、ポンプ等の外部装置を用いたりバイパスを形成したりすることなく、冷却液をモータおよび減速機の摺動部に行き渡らせることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、ＩＰＭモータの反負荷側にブレーキ機構が配置された構成を例に説明したが、減速機とＩＰＭモータの間にブレーキ機構が配置されている構成であっても本発明を適用することができる。また、これ以外の構成でも、軸受等の摺動部の潤滑油とモータの冷却液とが共通化される任意の構造の油浴式モータに本発明を適用することができる。

実施の形態では、減速機１０、ＩＰＭモータ１２、およびブレーキ機構１４が一続きの空間で油浴されていることを述べた。しかしながら、モータのみが油浴されている構成、モータとブレーキ機構のみが油浴されている構成、またはモータと減速機のみが油浴されている構成に対しても、本発明を適用することができる。

１０ 減速機、 １２ ＩＰＭモータ、 ６０ ケーシング、 ６４ ステータ、 ６６ ロータ、 ７０ モータ出力軸、 １００ 動力伝達装置、 Ｋａ〜Ｋｅ ステータスキュー。

Claims (3)

1. 出力軸を有するロータと、コイルが巻回されたステータと、前記ロータおよび前記ステータを収容し冷却液が封入されたケーシングと、前記出力軸を回転自在に支持する軸受とを備え、ロータおよびステータの少なくとも一方にスキューが形成されたモータであって、
   前記ケーシング内には、前記出力軸を水平にした状態にあるとき、前記軸受が浸かる量の冷却液が封入され、
   前記ロータまたは前記ステータの軸方向全長において、該軸方向に対するスキューの方向が逆転しており、
   前記ロータが時計回り及び反時計回りのいずれの方向に回転したときでも、前記軸受が前記冷却液に浸かるように前記スキューが形成されていることを特徴とするモータ。
2. 前記ロータまたは前記ステータの軸方向両端においてロータとステータの位相角が同じ状態にあり、前記スキューの位相差の最大値および最小値が、スキューの方向が一定である場合のスキューの位相差の最大値および最小値と一致するように、前記スキューが形成されることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. モータと減速機とを備える動力伝達装置であって、
   前記モータは、出力軸を有するロータと、コイルが巻回されたステータと、前記ロータおよび前記ステータを収容し冷却液が封入されたケーシングとを備え、
   前記ロータおよびステータの少なくとも一方にはスキューが形成され、
   前記減速機は、前記ケーシングの内部空間と一続きの内部空間を有し、
   前記ロータが時計回り及び反時計回りのいずれの方向に回転したときでも、前記減速機の内部の摺動部が前記冷却液に浸かるように前記スキューが形成されていることを特徴とする動力伝達装置。

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