JP6868690B2 - 回転アクチュエータ - Google Patents

Description

アクチュエータ。

高極数モータは、高いトルク及び軽量に対する潜在性等の多くの利点を有する。ＷＩＰＯ公開特許出願第ＷＯ２０１７／０２４４０９（Ａ１）号において、中実ステータは、ロボット工学において使用されるとき等の、速度が比較的低いときに、渦電流を最小化することに関して、適切な性能を提供することができるということが示されている。

高速用途に対して、積層体の使用は、渦電流損失を低減するために好ましい。高極数軸モータは、非常に薄いプロファイルを有し（トルク対重量の潜在性を利用する場合）、したがって、積層体から構築することが非常に困難であるということが課題である。例えば、単一のロータ及び単一のステータ構成が使用される場合、エアギャップにわたってステータ及びロータを共に引っ張る力は、エアギャップが維持されないように、積層された構造を共に保持する接着線を剪断することが予想されるであろう。

回転アクチュエータは、ステータが２つのロータ間に位置付けられている二重ロータ構成を使用することを含む、いくつかの方法でこの問題を解決する。この構成の利点は、ステータ上の磁気力が、常に、ポストの各々上で、両方の軸方向において合理的に等しいということである。これは、ポストの各々における負荷を低減し、ステータアセンブリ内の接着線の各々における応力を低減する。ポストの各々における接線力もまた、全出力下にあるとき、非常に高くあり得るが、これらの力もまた、接着線が、いかなるときでも高度に応力を受けないように、各ポストにおいて平衡化される。

したがって、一実施形態では、電気機械であって、
ロータ間に配設されたステータであって、ロータが、電気機械の軸の周囲のステータに対する回転のために軸受上に装着されており、ロータが、それぞれのエアギャップによって、ステータから分離されており、ステータが、構造部材で形成されており、各構造部材が、積層体で形成されており、各積層体が、軸方向に延在をする最小寸法を有し、各構造部材が、スロットと、磁気ポストであって、構造部材による磁気ポストの支持のためにスロット内に固定されている、磁気ポストと、を有する、ステータと；一連の整流された電磁極を生成するためにポストの周囲に配設されている、１つ以上の電気的導体と；を備える、電気機械が開示される。

ここで、同様の参照文字が同様の要素を示す図面を参照して、回転アクチュエータの実施形態を、例として説明する。

磁石を有するロータと、スラスト軸受と、４点接触軸受と、積層されたポストを有するステータと、ステータの積層された構造部材と、中実構造部材と、導体と、を示す、高速アクチュエータの実施形態の断面図である。 積層された構造部材間に具設された積層されたポストを有する、例示的な実施形態の図である。 積層の好ましいスタックレイアップを示す、ステータの積層された構造部材の図である。ここでは、半径方向の切り込みが、ステータポストスロットの半径方向に内方又は外方にあり、各隣接する層に対して交互になる。 中実構造部材が存在しない、ステータの積層された構造部材への積層されたステータポストの具設を示す図である。 装着特性を有する中実構造部材が存在する、ステータの積層された構造部材への積層されたステータポストの具設を示す図である。 積層された構造部材の積層体において、ステータポストスロットの内方及び外方の両方において作製された半径方向の切り込みによって、どのように渦電流経路が破断されるかを示す。 ロータ内の磁石の配向、及び積層されたステータポストにわたる磁束経路を示すための、ステータ及びロータの断面図である。 ２つの積層された構造片、及び積層されたステータポストを有する、最終積層アセンブリの図である。 いくつかのポスト及びコイルが取り外されている、ステータの切り欠き図である。

ステータが２つのロータ間に位置付けられている、二重ロータ構成を使用する、回転アクチュエータが開示される。この構成の利点は、ステータ上の磁気力が、常に、ポストの各々上で、両方の軸方向において合理的に等しいということである。これは、ポストの各々における負荷を低減し、ステータアセンブリ内の接着線の各々における応力を低減する。ポストの各々における接線力もまた、全出力下にあるとき、非常に高くあり得るが、これらの力もまた、接着線が、いかなるときでも高度に応力を受けないように、各ポストにおいて平衡化される。

構造的強度及び剛性、並びに高い熱伝導性を有する、この構成における「バックアイロン」（実際には、従来の単一ステータと同様に磁束経路の一部にはならない）を使用することが望ましい。アルミニウムは、重量に対する高い強度、及び高い熱伝導性に関して、優れた選択肢であろうが、アルミニウムはまた、高い電気伝導性を有するため、特に、高い動作速度において、高い渦電流を生成するであろう。

バックアイロンのためのアルミニウムの構造的及び熱的利益を利用するために、ポストを受容するためにディスク内にスロットを有する、２つ以上のアルミニウムディスクのスタックと、ポストの各々の周囲の電気伝導経路を排除するために、スロットから半径方向に外方又は内方等の追加のスロットと、を使用する、回転アクチュエータが開示される。アルミニウムの単一片は、渦電流を防止するために、半径方向のスロットと共に使用され得るが、半径方向に内方から半径方向に外方に層から層に交互になる渦電流スロットを有する積層されたアルミニウム構造は、所与の厚さに対してより強く、かつより強固な構造を提供するということが、本発明者らによって考えられる。これは、１つの層上の渦電流スロットが、次のアルミニウム層上の材料の非スロットリングと整列し、そのため、２つの隣接する層が、整列された渦電流スロットを有しないためである。

バックアイロン積層体中のアルミニウムは、コーティングされ得るが、それらは、好ましくは、硬質陽極酸化仕上げ等により、陽極酸化される。陽極酸化は、本質的に、高い誘電体強度、及び合理的に良好な熱伝導性を提供する、セラミックコーティングである。

電気モータ／アクチュエータは、渦電流損失を低減するように、電磁ポストのための強磁性材料積層体を利用する、ステータからなり得る。また、デバイスから熱を出すために、ステータ構造において、高熱伝導材料が使用されることが好ましい。ロータは、必要に応じて発揮する、鉄材料から作製され得る。

図１に示されるように、電気機械は、骨格２６と、ロータ５０及び５２間に配設された構造積層体アセンブリ５６と、を有する、ステータを備え、ロータ５０、５２は、電気機械の軸の周囲のステータに対する回転のために、軸受３２、３４上に装着されている。軸の近似位置は、図４においてＡとして識別される。ロータ５０、５２は、それぞれのエアギャップ５８によって、ステータから分離されている。図２に示されるように、ステータ構造積層体アセンブリ５６は、構造部材２４を備え得、各構造部材は、図２に示されるように、環状積層体３８、４０で形成され、各積層体３８、４０は、軸方向に延在する最小寸法を有する。各構造部材２４、及び対応する積層体は、開口又はスロット６０と、構造部材２４による磁気ポストの支持のための、スロット６０内に固定された（図４に示されるような）磁気ポスト３６と、を有する。スロット６０は、半径方向に延在する最長寸法、周方向に延在する中間寸法、及び軸方向に延在する深さを有し得る。図２に示されるように、１つ以上の電気的導体２０は、一連の整流された電磁極を生成するために、ポスト３６の周囲に配設されている。Ｍ極及びＮポストが存在し得、Ｎ及びＭの最大公約数は、３以上である。

図５に示されるように、骨格２６は、外側骨格６８と、内側骨格７０と、を備え、構造部材２４は、外側骨格の内方及び内側骨格の外方にそれぞれ延在する、リッジ６２のいずれかの側部で固設されている。構造部材２４は、接着剤等の任意の好適な手段によって、リッジ６２に固設され得る。

ロータ５０、５２は、互いの鏡像であり、かつ、その外側周辺において、例えば、ボルト又はねじ（図示せず）で、互いに固設されている。図１に示されるように、ロータ５０、５２は、ステータの内側において、ラジアル軸受３４上で、かつステータの外側において、スラスト又は軸方向の軸受３２上で、ステータに対する回転のために装着されている。軸受レースは、ステータの骨格２６上、及びロータ５０、５２内に形成されている。ステータ骨格２６は、任意の好適な手段によって、骨格２６の内側周辺において、固定された構造に固設され得る。次いで、ロータ５０、５２の外方周辺２８は、出力として使用され得る。巻線２０のための電力は、チャネル（図示せず）を通じて、骨格２６の内側部を通じて供給され得る。図２に示されるように、構造部材２４間のステータポスト２２の半径方向の長さは、冷却流体の流動のために使用され得るステータの周囲のチャネル６４を形成するように、ステータ骨格２６のリッジ６２間の距離未満であり得る。ステータ骨格２６の内側部内のチャネル（図示せず）は、チャネル６４の内外に冷却流体を流動させるために使用され得る。

例示的な実施形態は、ステータポスト積層のために鉄合金を、かつ構造積層体のためにアルミニウム合金を使用し得る。電気機械のステータは、ポスト２２が内部に固定されるスロットを有する構造積層体２４で形成される。構造積層体２４は、軸方向において最も薄い寸法を有し、半径方向において環状である。

図３に示されるように、構造積層体２４に関して、図６に示されるように、ステータポストの周囲の渦電流ループ経路４２を除去するように、ポストスロットから材料の縁部までの半径方向の切り込み４６を有することが好ましい。スロットもまた、例えば、２つのポスト間毎に周方向に、ポスト間に存在し得る。好ましい実施形態は、図３において見られるように、１つの層につき対向する半径方向の切り込みを有し、これらは、「Ｍ」３８及び「Ｗ」４０積層体と称され得る。これは、構造積層体の全層上の渦電流ループ経路４２を除去しつつ、別の層上の各スロットの一方又は両方の側部の重複セクションによって、アルミニウム層における十分な強度及び剛性を依然として維持するためのものである。図２に示される実施形態では、各積層されたアセンブリ２４内に５つの層を有することが示されているが、これに限定されず、層の数量は、設計範囲によって左右される。次いで、これは、強度要件を有し、かつ各層上の遮断された渦電流経路による渦電流損失を低減する、より厚いアセンブリと、各層間の陽極酸化された表面等の電気的絶縁と、を創出する。

次いで、構造積層体２４に対して垂直に装着されることが好ましいステータポスト積層体３６は、２つの構造積層体間に装着されて、ステータを創出し、これは、図４において見ることができ、ここでは、実施形態は、内側及び外側半径方向位置におけるタブによって、構造積層体間に機械的に固定されている。このアセンブリは、干渉を有し、かつ共に押圧されて、図８に見られるように、中実アセンブリ４８を創出することが好ましくあり得る。次いで、このサブアセンブリを、ポッティング化合物においてコーティングして、ステータポストから構造積層体への熱を取るのに役立つように、別の材料を追加することが好ましくあり得る。磁気ポストは、タブを形成するそれぞれのショルダを画定する拡大された中央セクションを有し得、それぞれのショルダは、構造部材に係合して、構造部材内の磁気ポストの軸方向の移動に抵抗する。ポスト及び構造部材は、チャンバ６６を共に画定する。

この好ましい構成において、ポスト積層３６は、２つのステータポストに対して使用され、単一の磁気双極子として作用する。これは、側部５０に対して１ピッチ回転された極５４を形成するように、ロータが、側部５２上に磁石３０を有することを必要とする。図７に見られるように、Ｎ極が、ロータの他方の側部上のＳ極の真向かいに存在するように、そのため、軸方向に対向する磁石は、反対の極性を有する。

チャンバ６６及びチャネル６４は、共に、図２及び図９に見られるように、２つの構造積層体間にチャンバ４４を創出し、これは、構造部材２４又はポストによって占有されない、ステータ骨格とロータとの間の空間を通って延在し得る。このチャンバは、流体又は気体で充填されて、ステータ及びステータコイルから熱を除去し得る。これは、流体又は気体が、ステータポスト及び構造積層部材の中心に直接接触して、これが、効果的な熱伝達を可能にするため、好ましい。これは、デバイスが、より高い電流で稼働することを可能にしつつ、安定した所望の温度を維持するため、これは、好ましくあり得る。このチャンバ内の流体又は気体は、入口及び出口（図示されていないが、内側骨格内に存在し得る）間の圧力差に起因して、チャンバを通って流動することが好ましい。流体若しくは気体はまた、静止したままであり得るか、又は空冷が好ましい場合には、周囲の空気も自然対流により流動し得る。

デバイスを製造するために、ポスト及びアルミニウムディスクが組み立てられるときに、２つの積層された構造部材間にスペーサを挿入することが必要又は有用であり得る。次いで、コイルが追加され、かつステータがポッティングされた後、スペーサは、ポッティング化合物が、積層されたアルミニウムディスク間の空間を充填することを防止する。このスペーサは、好ましくは、溶解性材料、又はワックス等の溶融性材料から作製され、これは、ポッティングが完了した後に、溶解又は溶融することによって除去することができる。

積層されたステータアセンブリを別のエンティティに取り付けるために、組み立てプロセス中に、積層体間に、中実部材を挿入することが必要とされ得る。これは、図５に示されており、ここでは、例示的な部材が、構造積層間に挿入されている。この例示的な部材は、ＩＤ及びＯＤ上の軸受が使用されること、並びにステータ骨格２６のＩＤフランジ７２上のボルト孔パターンを可能にする。

示されるコイル２０の代わりに、単一の組のコイルが、より短いポストを有する２つの構造部材間で使用され得、これは、構造部材から突出するに過ぎない。これは、冷却利益を有しないであろうが、より低いプロファイルのアセンブリとなるであろう。

ステータの各側部にロータが存在すると、各ポストの両方の軸方向の端部上に等しい力で作用するロータ極に起因する、ステータ極上の均衡が取れた軸方向の力が存在する。これは、ステータポスト積層体の剪断力を排除する傾向があり、これは、積層体間の接着剤層への歪みを低減する。（アルミニウム層化ディスク間のポストのより広いセクションと）２つのアルミニウム層化ディスク間のステータポスト積層体を機械的に固設することは、接着剤が機能しない場合でさえも、積層体の移動に抵抗する。この設計は、各層における交互になるＩＤ−ＯＤスロットの結果として、構造部材の積層体における渦電流を低減する。各連続層とのＩＤからＯＤへの交互は、隣接する層上の各渦電流防止スロットの少なくとも１つの側部に遮断されていない表面を提供する。

構造部材にアルミニウムを使用することは、優れた熱放散特性を有する、より軽量の構造をもたらす。組み立て前に、これらの層を陽極酸化することは、層間の最小限の熱的絶縁を伴う、電気絶縁を提供する。アルミニウム層化ディスク間の空間は、内部流体冷却のためにも使用することができる。

２０ ステータコイル
２２ ステータポスト積層体
２４ ステータ非鉄構造積層体
２６ ステータ骨格
２８ 外側ロータハウジング
３０ ロータ磁石
３２ スラスト軸受
３４ ボール軸受
３６ ステータポスト積層アセンブリ
３８ 「Ｍ」非鉄ステータ構造積層体
４０ 「Ｗ」非鉄ステータ構造積層体
４２ 不連続渦電流ループ経路
４４ 内部ステータ冷却チャンバ
４６ 半径方向の切り込み
４８ ステータポスト及び構造積層体
５０ ロータ側１
５２ ロータ側２
５４ ロータ極
５６ 構造積層体アセンブリ
５８ エアギャップ
６０ スロット
６２ ステータ骨格上のリッジ
６４ ステータ構造部材の内側の周囲のチャネル
６６ 構造部材間及びポスト間のチャンバ

Claims (17)

1. 電気機械であって、
   ロータ間に配設されたステータを備え、
   前記ロータは前記電気機械の軸の周囲の前記ステータに対する回転のために軸受上に装着されており、前記ロータはそれぞれのエアギャップによって、前記ステータから分離されており、
   前記ステータは軸方向に離間して配置された２つの構造部材及び磁気ポストを備え、各構造部材は積層体で形成されており、各積層体の最小寸法は軸方向に延びており、各積層体は、前記磁気ポストの周囲の電流回路の完成に対する障壁として機能する半径方向の切り込みを含み、それぞれの積層体の前記半径方向の切り込みは、前記積層体のポストスロットから隣接する縁部まで作製され、前記半径方向の切り込みが、前記ポストスロットの対向する側部間の隣接する積層体上で交互になっており、
   各構造部材が、ポストスロットを有し、前記磁気ポストは前記構造部材による前記磁気ポストの支持のために前記ポストスロット内に固定されており、
   前記電気機械は、
   一連の整流された電磁極を生成するために前記ポストの周囲に配設されている、１つ以上の電気的導体を備える、
   電気機械。
2. Ｍ極及びＮポストが存在し、Ｎ及びＭの最大公約数が、３以上である、請求項１に記載の電気機械。
3. 各ポストが、電気絶縁積層体又は粉末を含む、渦電流低減特性を含む、請求項１又は２に記載の電気機械。
4. 前記ポストが、積層された鉄材料を含む、請求項１に記載の電気機械。
5. 前記ポストが、電気的に絶縁された粉末化材料を含む、請求項１に記載の電気機械。
6. 前記構造部材が装着されているステータ骨格を更に備える、請求項１に記載の電気機械。
7. 前記各構造部材が、前記ステータ骨格上のリッジによって軸方向に離間されている、請求項６に記載の電気機械。
8. 前記ステータ骨格が、半径方向内側部と、半径方向外側部と、を備える、請求項６に記載の電気機械。
9. 前記軸受が、前記ロータと前記骨格の半径方向内側部との間のラジアル軸受と、前記ロータと前記骨格の前記半径方向外側部との間の軸方向のスラスト軸受と、を備える、請求項８に記載の電気機械。
10. 前記構造部材が、前記各構造部材と、前記ポストと、前記骨格の半径方向内側部と、前記骨格の半径方向外側部との間にチャンバを形成し、チャネルが、前記骨格の前記半径方向内側部の周囲に延在し、前記チャンバ及び前記チャネルが、組み合わさって、前記ステータ内に冷却チャンバを形成する、請求項７に記載の電気機械。
11. 前記半径方向の切り込みが、止まりスロットからなる、請求項１に記載の電気機械。
12. 前記磁気ポストが、積層されている、請求項１に記載の電気機械。
13. 前記磁気ポストが、磁性材料を含む、請求項１２に記載の電気機械。
14. 前記積層された磁気ポストが、前記構造部材の両方の側部上で軸方向に外方に延在し、かつ全ての前記構造部材を通過し、各ポストが、磁気双極子を形成し、前記ロータの軸方向に対向する磁石が、反対の極性を有する、請求項１２に記載の電気機械。
15. 前記構造部材が、非磁性材料を含む、請求項１に記載の電気機械。
16. 前記構造部材の前記積層体が、陽極酸化アルミニウムを含む、請求項１５に記載の電気機械。
17. 前記磁気ポストが、それぞれのショルダを画定する、拡大された中央セクションを有し、前記それぞれのショルダが、前記各構造部材に係合して、前記構造部材内の前記磁気ポストの軸方向の移動に抵抗する、請求項１に記載の電気機械。

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