JP2008521377A - 回転アクチュエータと直線アクチュエータを有する電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明に係る電気機械が第１機械部分（３０）を含み、第１機械部分は固定子要素（３１）および回転子要素（３２）を含み、かつ回転子要素（３２）の回転運動と相互作用する回転アクチュエータとして構成されている。電気機械（４０）がさらに第２機械部分（２０）を含み、第２機械部分は一次部品（１）および二次部品（２）を含み、かつ二次部品（２）の直線運動と相互作用する直線アクチュエータとして構成されている。第１機械部分（３０）の回転子要素（３２）と第２機械部分（２０）の二次部品（２）は互いに結合されている。第２機械部分（２０）の二次部品（２）は回転運動可能であり、かつ外回転子として構成されている。このような二次部品（２）でもって、リニアモータとして働く第２機械部分（２０）の比較的高い力を実現することができる。二次部品（２）はその中心で一次部品（１）に対して支承されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転アクチュエータを含む第１機械部分と直線アクチュエータを含む第２機械部分とを有する電気機械に関する。

冒頭に指摘した種類の電気機械は特に工作機械の駆動装置として、または例えば印刷機のローラ駆動装置として利用される。このような機械ではなかんずく、例えばフライス盤等の工具が回転運動も直線運動も行わねばならないとき、高い動力学が求められている。その際の目的は、回転運動の他に、特に伝動装置を切り換えることなく高い送り速度と高い精度で直線運動を実現することである。

このような利用目的の場合、例えば、回転駆動運動を変換するための回転アクチュエータも直線駆動運動を変換するための直線アクチュエータも有する電気機械が利用される。このため例えば、相応する異なる機械部分を有する電気機械が利用される。例えば第１機械部分は固定子要素と回転子要素とを含み、この回転子要素は、固定子要素との相互作用で、例えば回転子要素に固着された工具の回転駆動をもたらす。固定子要素は電気機械の、機械的に静止した固定子内に収容されている。それに対して回転子は、特に回転軸に固着された回転子要素を含む。固定子は一般に中空円筒として構成されており、その内部空間内に回転子は中実円筒として収容されている。固定子の固定子要素が固定子巻線を含み、固定子巻線は通電時に主磁界を発生し、この主磁界は回転子要素内の回転子巻線または永久磁石によって発生される励磁磁界と相互作用する。

回転アクチュエータとして構成されるこのような第１機械部分に結合された第２機械部分は、直線アクチュエータとして、第１機械部分の回転子要素と固着された軸の直線運動をもたらす。第２機械部分は特に、主磁界を発生する電気巻線を有する一次部品と、励磁磁界を発生するために例えば永久磁石を装備した二次部品とを含む。一次部品の巻線の個々の相は３つの正弦波状電流推移曲線で通電され、二次部品の直線運動をもたらすいわゆる移動磁界を生じる。

このような第２機械部分の一次部品は一般に回転電気機械の固定子要素と同様に中空円筒として構成されており、二次部品は回転電気機械の回転子要素と同様に中実円筒として構成され、一次部品の中空円筒の内部空間に配置されている。例えば工作機械内の限定された組込状況と高い送り力の実現とに基づいて、そこに嵌め込まれるリニアモータは一般にその能力の点で既に高く利用されている。そのことから、直線力が限定されているので公知のリニアモータでは限定的な送り力しか実現できなくなる。

本発明の課題は、直線アクチュエータとして構成される機械部分によって比較的高い送り力を達成可能な冒頭に指摘した種類の電気機械を明示することである。

この課題は、請求項１に記載した電気機械によって解決される。

本発明に係る電気機械は、固定子要素および回転子要素を含み、かつ回転子要素の回転運動と相互作用する回転アクチュエータとして構成される第１機械部分と、一次部品および二次部品を含み、かつ二次部品の直線運動と相互作用する直線アクチュエータとして構成される第２機械部分とを含む。第１機械部分の回転子要素と第２機械部分の二次部品は互いに結合されている。第２機械部分の二次部品は回転運動可能であり、かつ外回転子として構成されている。本発明によれば第２機械部分の二次部品は、中央に配置される栓状または管状要素または軸線方向に広がる穴を有し、この要素／穴でもって二次部品は一次部品に対して半径方向で支承されている。

第２機械部分の外回転子として構成される二次部品でもって、リニアモータとして働く第２機械部分の比較的強い力を実現することができる。というのも二次部品は電気機械の外寸を拡大することなくリニアモータのエアギャップ面積の増大を可能とするからである。これは、主磁界を発生する電気巻線を第２機械部分の一次部品内に収容することができるのに対して、励磁磁界を発生するための永久磁石が第２機械部分の二次部品内に収容されることによって達成することができる。一次部品が第２機械部分の内部に設けられる一方、二次部品が外回転子として、主に薄肉中空円筒として構成されているので、一次部品の比較的大きな外寸を達成することができ、一次部品の比較的大きな直径によって、比較的大きなエアギャップ面積を生じることもできる。このような配置によって、機械の作動時に二次部品に対して比較的強い磁気駆動力が生じ、直線駆動装置の力は高めることができる。外回転子配置の他の利点は、電気導体を外側から一次部品に巻回できるので、電気巻線が技術的に簡単に一次部品に装着できることにある。

一次部品が中空円筒として構成されて空洞を形成する場合、栓状または管状要素は軸線方向広がりにおいて一次部品の空洞内に突出し、この位置において一次部品に対して支承されている。例えば栓状または管状要素は、第２機械部分の二次部品が第１機械部分の回転子要素と結合される二次部品の端面で、二次部品に結合されている。このような配置でもって、栓状または管状要素を利用して一次部品の空洞内で支承を行うことが可能となり、一次部品の外径上で二次部品を直接支承するという技術的に一般に実現困難なことを行う必要がない。一次部品で支承するために二次部品が穴を有し、一次部品が相応する栓等を有することもできる。

本発明の有利な実施形態によれば、第２機械部分の一次部品は第１機械部分の回転子要素よりも大きな外径を有する。それとともに、外側の固定された固定子要素と内回転子として構成される回転子要素とを有する従来形式の回転アクチュエータとして第１機械部分を設けることが可能であり、回転子要素は直線アクチュエータの外回転子として構成される二次部品と結合されている。

栓状または管状要素は一次部品に対して例えば滑り軸受または玉軸受によって支承されている。別の実施形態において栓状または管状要素は一次部品に対して円筒ころ軸受によって支承されている。円筒ころ軸受は、電気機械の高い回転数が、但し単に僅かな軸線方向速度が達成されねばならない場合に特に有利である。

本発明の展開において、浸入する異物から軸受を密封するために栓状または管状要素と一次部品との間に隙間シールが設けられている。このような隙間シールは例えば単段または多段に構成されており、多段実施の場合、機械の軸線方向で、特に軸受の両側で、それぞれ栓状または管状要素と一次部品との間に複数のシールが設けられている。

例えば工作機械内の限定された組込状況とリニアモータの高い出力密度とのゆえに、第２機械部分の一次部品に冷却装置を組み込むと有利である。特に、液状冷却媒体、例えば冷却水を通すためのガイドが設けられており、これらのガイドは一次部品の内側空間内に配置されている。これは、一次部品から熱を軸線方向で排出するために一次部品の軸線方向に延びる縦穴が一次部品の内側領域内に設けてあることによって簡単に実現することができる。このような縦穴は、有利には、一次部品の端面で蛇行状に互いに結合されている。

本発明の別の実施形態において、一次部品から熱を軸線方向で排出するために冷却装置がいわゆるヒートパイプを含み、これらのヒートパイプが一次部品の内側領域内に配置されている。ヒートパイプとは、一般に密閉された熱管の末端間の温度差が僅かであっても既に比較的大きな熱量を送る熱管の態様の装置である。ヒートパイプは例えば真空にされた管の一部であり、管の内壁体は毛管構造を有する多孔質層で内張りされている。この層は低沸点液体を含浸されている。温かい方の管端で液体が蒸発して蒸発熱を吸収し、冷たい方の末端で凝縮して蒸発熱を放出する。内壁体の毛管作用によって凝縮液は再び温かい方の管端へと還流する。

さらに、一次部品から熱を軸線方向で排出するのにいわゆるクールジェットが適している。これは、一次部品の内側領域内に配置されかつ各１つの管配置を含む袋穴であり、一次部品から熱を軸線方向で排出するためにこの管配置でもって液状冷却媒体が各袋穴に導入可能、また各袋穴から排出可能である。

本発明のその他の有利な諸構成、諸展開は従属請求項に明示されている。

以下、図面に示した図に基づいて本発明が詳しく説明される。

回転／直線複合駆動を実現するための電気機械の実施形態が図に示してある。電気機械４０が第１機械部分３０を有し、第１機械部分は、図に詳しくは図示しない固定子巻線を備えた固定子要素３１を固定子内に有する。機械部分３０の固定子は中空円筒として構成され、軸に結合された回転子要素３２が中空円筒の内部空間内に配置され、回転運動可能である。固定子要素３１の固定子巻線が例えば機械部分３０の主磁界を発生する一方、励磁磁界を発生するのに役立つ励磁巻線（または代替的に永久磁石）は回転子要素上に配置されている。それにより、機械部分３０は一般に、回転子要素３２の回転運動との相互作用で回転アクチュエータとして働く。電動機動作のとき回転子要素３２はこれに固着された軸で固定子磁界によって動かされ、それに対して発電機動作のとき回転子要素３２の運動によって固定子要素３１の固定子巻線内に電流が発生される。

図による電気機械４０はさらに第２機械部分２０を有し、第２機械部分は機械部分３０とは異なり、二次部品の直線運動との相互作用で直線アクチュエータとして構成されている。機械部分２０が円筒形一次部品１を含み、一次部品１の個々のスロット内に電気巻線１２が装着されている。これは、電源網と結合され、異なる正弦波状電流推移曲線で通電される個々の相である。こうして電気機械４０の軸線方向で移動磁界が形成される。機械部分２０がさらに二次部品２を含み、この二次部品は回転運動可能であり、外回転子として構成されている。二次部品２は軸線方向で開口した中空円筒の態様に構成されており、結合要素１１を介して機械部分３０の回転子要素３２と結合されている。二次部品２の内側に配置される複数の永久磁石１３は励磁磁界を形成するのに役立つ。それにより、機械部分２０は二次部品２の直線運動との相互作用で直線アクチュエータとして働く。電動機動作のとき二次部品２は、一次部品１の巻線１２によって発生される移動磁界の結果、電気機械４０の軸線方向に動かされる。それに対して、発電機動作のとき軸線方向における二次部品２の直線運動によって一次部品１の電気巻線１２に電圧もしくは電流が発生される。

この実施形態において機械部分２０の二次部品２は中央に配置される栓状要素７を有し、この要素は電気機械４０の軸線方向に延びている。栓状要素７は軸線方向で一次部品１の空洞８内に延び、一次部品の空洞８内で一次部品に対して軸受９によって半径方向で支承されている。その際、栓状要素７は二次部品２の端面にある結合要素１１を介して二次部品２の外側領域に結合されている。こうして栓状要素７は機械部分３０の回転子要素３２と軸線方向で一直線に並んでいる。

個々の事例における要求条件に応じて軸受９は静液圧支承部を有する滑り軸受、玉軸受または円筒ころ軸受として実施することができる。円筒ころ軸受としての実施形態が有利であるのは特に、電気機械の高い回転数が、但し単に僅かな軸線方向速度が達成されねばならないときである。支承部の反対側は一次部品１の空洞８に向き合う内壁体にあり、こうして一次部品１を介して電気機械４０のハウジング３と強固に結合されている。一次部品１の内部空間内での栓状要素のこのような支承は、一次部品１の外径上で直接支承するのに対して、技術的観点から優先することができる。というのも後者は技術的に可能でないかまたは困難であるからである。

浸入する異物または流出する油脂から軸受９を密封するために栓状要素７と一次部品１との間に隙間シール１０が設けられている。隙間シールは技術的観点から有利である。というのも、二次部品２が栓状要素７と共に軸線方向に動くことに起因して、公知の接触密封系が機能しないからである。隙間シール１０は有利には多段で構成されており、電気機械４０の軸線方向でそれぞれ栓状要素７と一次部品１との間に複数のシール１０が設けられており、シールはこの場合軸受９の両側に配置されている。

一次部品１は環状に蓋１５と結合されており、この蓋はそれ自体ハウジング３に結合されている。従って、一次部品１は蓋１５を介して環状にハウジング３と結合されている。その結果、一次部品１から排出されるべき熱は一次部品１と蓋１５との間のこの環状面を介してのみ行うことができる。これにより、一次部品１からの比較的僅かな熱流のみを達成することができ、全体として直線駆動装置の比較的僅かな出力のみが可能である。この理由から、機械部分２０の一次部品１が冷却装置を有し、この実施形態においてこの冷却装置は縦穴４を含み、水の態様の冷却液を介して、発生する廃熱を一次部品１から軸線方向で排出するためにこれらの縦穴は一次部品１の内側領域で軸線方向に配置されている。これらの縦穴４は一次部品１の端面５、６で蛇行状に互いに結合されている。別の実施形態によればヒートパイプも、発生する廃熱を一次部品１から軸線方向に導き出し、蓋１５の冷却体を介して周囲に放出するのに適している。その際、ヒートパイプは一次部品１の内側領域内の縦穴４と類似の配置で設けることができる。

他の有利な実施形態において冷却装置として袋穴、いわゆるクールジェットが設けられており、袋穴は一次部品の内側領域に配置され、それぞれ１つの管配置を含み、この管配置でもって液状冷却媒体は、熱を一次部品１から軸線方向で排出するために各袋穴に導入可能、また各袋穴から排出可能である。冷却水はこのような袋穴に流入し、温められて袋穴から流出する。

一次部品１の内側領域内のこのような冷却装置でもって、栓状要素７と空洞８内でのその支承と組合せて、十分に冷却された領域に支承部９が常にあるという他の利点を達成することができる。というのも、一次部品内の冷却装置によって軸受が巻線１２の熱負荷から遮断されているからである。さらに、空洞８内に配置される検出器１４も、空洞８内の熱負荷が少ないという利点を得る。というのも、この検出器はやはり冷却装置によって一次部品１内の巻線１２の熱負荷から遮断されているからである。検出器１４は、二次部品２の軸線方向位置を検出するのが役目である。

機械部分３０の回転子要素３２の外径に比べて一次部品１の外径が大きいので一次部品１と二次部品２との間に比較的大きなエアギャップ面積が達成可能であり、直線駆動装置で達成可能な力は二次部品を内回転子として配置するのに比べて著しく高めることができる。本発明に係る配置の他の利点は一次部品１の巻線１２が外部から比較的簡単に装着できることにあり、そのことは電気機械の製造に費用上好ましく作用する。

本発明による電気機械４０は特別有利には、例えば印刷機に含まれたローラ駆動装置において利用可能である。これに関連して電気機械４０は例えば印刷機の回転運動および直線運動されるべきローラを駆動するための電動駆動機構として役立つ。他の有利な１実施形態において本発明に係る電気機械は、工作機械の回転運動および直線運動されるべき工具を電動駆動機構として駆動するために工具駆動装置において利用される。

本発明に係る電気機械の有利な実施形態を示す。

符号の説明

１ 一次部品
２ 二次部品
３ ハウジング
４ 縦穴
５、６ 端面
７ 栓状要素
８ 空洞
９ 軸受
１０ 隙間シール
１１ 結合要素
１２ 巻線
１３ 永久磁石
１４ 検出器
１５ 蓋
２０、３０ 機械部分
３１ 固定子要素
３２ 回転子要素
４０ 電気機械

Claims (17)

1. 電気機械であって、
   ・固定子要素（３１）および回転子要素（３２）を含み、かつ回転子要素（３２）の回転運動と相互作用する回転アクチュエータとして構成される第１機械部分（３０）と、
   ・一次部品（１）および二次部品（２）を含み、かつ二次部品（２）の直線運動と相互作用する直線アクチュエータとして構成される第２機械部分（２０）とを有し、
   ・第１機械部分（３０）の回転子要素（３２）と第２機械部分（２０）の二次部品（２）が互いに結合されており、
   ・第２機械部分（２０）の二次部品（２）が回転運動可能であり、かつ外回転子として構成されており、
   ・第２機械部分（２０）の二次部品（２）が、中央に配置される栓状または管状要素（７）または軸線方向に広がる穴を有し、この要素／穴でもって二次部品（２）が一次部品（１）に対して半径方向で支承されている電気機械。
2. 第２機械部分（２０）の一次部品（１）が、第１機械部分（３０）の回転子要素（３２）の外径よりも大きな外径を有する請求項１記載の電気機械。
3. ・第２機械部分（２０）の一次部品（１）が空洞（８）を形成し、
   ・軸線方向に広がる栓状または管状要素（７）が一次部品（１）の空洞（８）内に突出しており、
   ・栓状または管状要素（７）が一次部品の空洞（８）内で一次部品（１）に対して支承されている請求項１または２記載の電気機械。
4. 第２機械部分（２０）の二次部品（２）が第１機械部分（３０）の回転子要素（３２）と結合される二次部品（２）の端面（１１）で、栓状または管状要素（７）が二次部品（２）に結合されている請求項１、２または３記載の電気機械。
5. 栓状または管状要素（７）が一次部品（１）に対して滑り軸受（９）または玉軸受（９）によって支承されている請求項１乃至４のいずれか１つに記載の電気機械。
6. 栓状または管状要素（７）が一次部品（１）に対して円筒ころ軸受（９）によって支承されている請求項１乃至４のいずれか１つに記載の電気機械。
7. 浸入する異物から軸受（９）を密封するために栓状または管状要素（７）と一次部品（１）との間に隙間シール（１０）が設けられている請求項１乃至６のいずれか１つに記載の電気機械。
8. 機械（４０）の軸線方向で、特に軸受（９）の両側で、それぞれ栓状または管状要素（７）と一次部品（１）との間に複数のシール（１０）が設けられている請求項７記載の電気機械。
9. 第２機械部分（２０）の一次部品（１）が冷却装置（４）を有する先行請求項のいずれか１つに記載の電気機械。
10. 冷却装置が液状冷却媒体を通すためのガイド（４）を含み、これらのガイドが一次部品（１）の内側領域内に配置されている請求項９記載の電気機械。
11. 一次部品（１）から熱を軸線方向で排出するために冷却装置が縦穴（４）を含み、これらの縦穴が一次部品の軸線方向で一次部品（１）の内側領域内に配置されている請求項１０記載の電気機械。
12. 一次部品（１）の端面（５、６）で縦穴（４）が蛇行状に互いに結合されている請求項１１記載の電気機械。
13. 一次部品（１）から熱を軸線方向で排出するために冷却装置がヒートパイプ（４）を含み、これらのヒートパイプが一次部品（１）の内側領域内に配置されている請求項９乃至１２のいずれか１つに記載の電気機械。
14. 冷却装置が袋穴を含み、これらの袋穴が一次部品（１）の内側領域内に配置されかつ各１つの管配置を含み、一次部品（１）から熱を軸線方向で排出するためにこの管配置でもって液状冷却媒体が各袋穴に導入可能、また各袋穴から排出可能である請求項９乃至１３のいずれか１つに記載の電気機械。
15. 第２機械部分（２０）の一次部品（１）が電気機械（４０）のハウジング配置（３、１５）の端面に環状に結合されており、ハウジング配置（３）が第１、第２機械部分（２０、３０）を取り囲む先行請求項のいずれか１つに記載の電気機械。
16. 回転運動および直線運動されるべきローラを駆動するための電動駆動機構として電気機械（４０）が構成されている特に印刷機のローラ駆動装置における先行請求項のいずれか１つに記載の電気機械（４０）の使用。
17. 工作機械の回転運動および直線運動されるべき工具を駆動するための電動駆動機構として電気機械（４０）が構成されている工具駆動装置における請求項１〜１５のいずれか１つに記載の電気機械（４０）の使用。

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