JP4909671B2 - 軸方向空隙型電動機 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向空隙型電動機、特に回転軸の偏芯許容構造を備えた軸方向空隙型電動機に関するものである。

従来、低速高トルクが要求される電動機に対応する電動機として、回転軸方向に固定子と回転子とが対向して配置される軸方向空隙型電動機がある。従来の軸方向空隙型電動機は、コイルが巻回される固定子と、このコイルに回転軸方向に対向して配置され、複数対の永久磁石が周方向起磁力形に配置される回転子とからなり、固定子コイルに電流を流して回転磁界を発生させ、これに伴い固定子と回転子との間の磁気的な吸引力および反発力によって、回転子を回転させるものである（特許文献１、２参照のこと）。
特開２００２−１５３０２８号公報 特開平１１−１８７６３５号公報

しかしながら、これら従来の軸方向空隙型電動機では、電動機の設置による重量増加により、外部から伝達される振動が増幅され、モータが振動することがある。

本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、偏芯許容構造を備えることによりモータの振動を抑制する軸方向空隙型電動機を提供することを目的とする。

本発明は、永久磁石またはコイルの一方を周方向に所定間隔で複数個設置し、固定物に回転自在に支持される回転子と、前記回転子の回転中心線方向に前記永久磁石またはコイルの一方に対向するように前記永久磁石またはコイルの他方を備えた固定子とを備え、前記固定子が前記回転子の回転中心線方向に所定空隙を持って前記回転子に相対するように配置された電動機部を有する軸方向空隙型電動機において、前記回転子と前記固定子とを内装し、その内面に前記固定子を固定するケースと、前記ケースと前記回転子との間に設けられるとともに前記回転子を回転可能に支持し、前記回転子の回転中心線に対して直交する前記ケースの面に対して摺動するベアリングと、前記回転子の中心線に直交する方向に付勢力を生じ、前記回転子の中心線と前記固定子の中心線とを同一中心線となるように前記ケースを付勢する付勢手段と、前記固定物に対する前記ケースの相対回転を禁止し、かつ前記回転子の回転中心線に直交する方向への摺動を許可する手段を備えることを特徴とする軸方向空隙型電動機である。

本発明では、ケースがダイナミックダンパのマスとしての機能を有することになり、したがって、回転子や固定物からなる振動系の振動特性に応じてケースの質量及び振動方向のバネ特性を規定することにより、回転子から固定物へと伝達される振動や電動機の振動を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の軸方向空隙型電動機１の構成を示す断面図で、ロータ軸２の回転中心線（以下、中心線Ｘ１という。）がケース５の中心線Ｘ２に対して偏心している状態を示す。

本実施形態において、被回転部材を回転するロータ軸２と、ロータ軸２に固定された回転子３と、ロータ軸２の中心線Ｘ１方向に所定の空隙をもって回転子３に対向するように設けられた一対の固定子４とからなる電動機部１ａを、複数個ロータ軸２方向に配置して、ケース５内に収納し、軸方向空隙型電動機１を構成する。なお、本実施形態では２列の電動機部１ａを備えた軸方向空隙型電動機１を用いて説明するが、これに限らず、より複数個でも、あるいは１列の電動機部１ａからなる軸方向空隙型電動機１であってもよい。

ロータ軸２は、不図示の被回転部材にその一端が接続されるとともに、他端はベアリング２５を介して固定物３０に回転自在に支持される。

図２は、回転子３の形状を説明する図である。回転子３は図示しない被回転部材に接続するロータ軸２の中心線Ｘ１から直交方向に延出する４本の等長の腕部６を備える。これら腕部６は周方向に等間隔（図２では９０°間隔）で配置される。各腕部６の外周側の先端部には各腕部６を連結する円筒状のリング部材７が固定される。

図１に示すように、回転子３の腕部６には、永久磁石１２が取り付けられる。永久磁石１２は、それぞれ例えば図３に示すように中心線Ｘ１方向から見て略扇状に形成され、各腕部６の中間部を挟持するように固定される。永久磁石１２は、両側の端面１２ａがそれぞれロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する面に平行に形成される。なお、腕部６の数、形状等は実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。

ロータ軸２の中心線Ｘ１方向において、回転子３の永久磁石１２にそれぞれ一対の対向する位置には、それぞれ固定子４が後述するケース５のロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する面５ｅに固定される。固定子４は、ケース５に固定されたヨーク部８と、固定子４の中心線Ｘ２方向から見て略扇状の形状を有するティース部９と、ティース部９に巻回されるコイル１０とから構成される。ヨーク部８は、ティース部９をケース５に固定する。ティース部９の磁束を周方向に回して別のティース部９へ流す役割を果す。ティース部９は、中心線Ｘ１方向にヨーク部８から回転子３側に突出して形成され、その端面は永久磁石１２の端面１２ａに平行に形成される。またコイル１０は図示しない絶縁体等を介して、ティース部９から絶縁される。

回転子３と固定子４とからなる各電動機部１ａを収納するケース５は、有底円筒形状を有し、底部にロータ軸２が貫通する空間５ｆが形成された本体部５ａ、この本体部５ａの開口端を塞ぐとともに、ロータ軸２が貫通する空間５ｄを備える蓋部５ｂと、ケース内をケース５の中心線Ｘ２に直交する方向に仕切るように配置される中空円板状の仕切板５ｃとから構成される。ケース５と固定物３０との間には、ケース５が固定物３０に対して相対回転することなく、ロータ軸２に対して中心線Ｘ１に直交する所定方向への摺動を規制する不図示のリニアガイドを備え、ケース５に対してロータ軸２の相対回転を可能としている。

仕切板５ｃは、ケース５内を中心線Ｘ２方向に並ぶ２つの互いに等しい形状の空間５ｘ、５ｙに区画するとともに、その中心部にロータ軸２が挿通される。電動機部１ａはそれぞれ空間部５ｘ、５ｙ内に構成され、電動機部１ａを収納する空間部５ｘ、５ｙを形成するケース５の中心線Ｘ２に直交するケース５の面５ｅには前記固定子４が固定され、各固定子４間に回転子３が中心線Ｘ２方向に対面して配置され、電動機部１ａが構成される。なお、各電動機部１ａがケース５内に配置された状態で、回転子３と、回転子３に相対する一対の固定子４との中心線Ｘ２方向のそれぞれの空隙１４は所定値となるように設置される。

回転子３の各腕部６の先端部を連結する円筒状のリング部材７は、中心線Ｘ１を中心として形成される。リング部材７のロータ軸２の中心線Ｘ１方向の両側の端面７ａは、ケース５の内面５ｅと対面し、中心線Ｘ１に直交するように形成される。これら両端面７ａとケース５の面５ｅとの間にそれぞれベアリング１３が設置される。このベアリング１３は例えば円環状に配置され、ロータ軸２に対してケース５が中心線Ｘ１に直交する方向に摺動することを許容する。さらにリング部材７がケース５に摺接した状態でロータ軸２の中心線Ｘ１回りの回転を可能とする。なお、ベアリング１３としてはスライドベアリング等が考えられるが、これに限らず、ケース５のロータ軸２に対する摺動と回転子３の回転を可能とする手段であればよい。

ここで、ケース５のロータ軸２が貫通する空間５ｄ、５ｆの中心線Ｘ２に直交する方向の径は、ロータ軸２の直径に対して所定量だけ大きく形成される。前述のようにケース５は、中心線Ｘ１に直交する方向に摺動可能に構成されるが、この空間５ｄまたは空間５ｆの径とロータ軸２の直径との差によって、ケース５がロータ軸２に対してロータ軸２の中心線Ｘ１に直交する方向の移動量が規定される。

リング部材７の外周側には、ロータ軸２の中心線Ｘ１を中心線とする円筒状の支持部材１５が移動可能に所定の空隙をもって配置される。この支持部材１５とリング部材７との間にはベアリング１６が設けられ、相対回転可能に形成される。

支持部材１５の外周面とケース５の内周面との間には環状の環状空間５ｘ１、５ｙ１を区画し、区画される環状空間５ｘ１、５ｙ１は、ケース５がロータ軸２に対して、ロータ軸２の中心線Ｘ１に直交方向へ変位するのに伴い支持リング１５に対してケース５が変位することで、その断面が変形可能に構成される。ここで支持部材１５は、その内周面にベアリング１６を介して回転子３のリング部材７を支持しているため、リング部材７が回転しても支持部材１５は回転することない。

図３は、支持部材１５により区画された環状空間５ｘ１、５ｙ１内の構成を示す断面図であり、環状空間５ｘ１、５ｙ１はそれぞれ同様の構成を備えるため、図３では環状空間５ｙ１の構成を代表して説明する。

図３に示すように支持部材１５により区画された環状空間５ｙ１は、支持部材１５の外周に設けられた区画板１７によりさらに周方向にそれぞれ４つの空間５ｙａ〜５ｙｄに区画される。これら４つの空間５ｙａ〜５ｙｄは、回転子３の回転中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とが同一中心線となる場合において、その容積が等しくなるように区画される。区画板１７は、その基端が支持部材１５に揺動可能に支持され、その揺動中心に捩りコイルバネ１８などの付勢手段が配置される。このため区画板１７の外端は、ケース５の中心線Ｘ２に平行な内面５ｆに押し付けられる。

したがって、回転子３は、支持部材１５を介してケース５の内周面５ｆに対して捩りコイルバネ１８により支持された構成となる。このため、各捩りコイルバネ１８のバネ特性を同じとすると、ケース５に対して回転子３がロータ軸２の直交方向に変位した場合に、捩りコイルバネ１８の作用により回転子３にはケース５、つまり固定子４と同軸となるような付勢力が作用することになる。したがって、回転子３にその中心線Ｘ１に対して直交する方向の外力が作用しない場合には、捩りコイルバネ１８は、回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを同一中心線と一致させるように保持する。

なお、本実施形態では、回転子３に永久磁石１２を、固定子４にコイル１０を設置したが、逆に回転子にコイルを、固定子に永久磁石を設けるようにしてもよい。

次に作用を説明する。

本発明の軸方向空隙型電動機１は、固定子４のコイル１０に通電されると、回転磁界が発生し、これに伴い固定子４と回転子３との間の磁気的な吸引力および反発力によって、回転子３を所定方向に回転させる。この回転により回転子３のロータ軸２に連結する図示しない被回転部材が回転する。

ケース５は、固定物３０との間に不図示のリニアガイドを設けているため、固定物３０との間に相対回転は生じず、またロータ軸２に対してケース５が中心線Ｘ２に直交する所定方向に摺動することが許容される。また、ケース５がコイルバネ１８を介してロータ軸２に接続されている。このような構成とすることにより、ケース５はロータ軸２に対して所定のバネ特性で摺動可能な構成となるため、ケース５はダイナミックダンパのマスとしての機能を有することになる。したがって、ロータ軸２や固定物３０からなる振動系の振動特性に応じてケース５の質量と振動方向のバネ特性を規定することにより、ロータ軸２から固定物３０へと伝達される振動を低減することができる。なお、本実施形態では、ケース内にコイルバネ１８を設置する構成としたが、これに限らず、ケース５の外部とロータ軸２（回転子３）との間にコイルバネ１８を設置するようにしてもよい。さらには、コイルバネ１８に加えてダンパ等の減衰手段を設置するようにしてもよい。

また、回転子３のリング部材７に対してロータ軸２の中心線Ｘ１回りに相対回転可能に支持される支持部材１５がケース５との間に環状空間５ｘ１、５ｙ１を区画し、支持部材１５とケース５との間に捩りコイルバネ１８で付勢された区画板１７が介在する。このため、回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを一致させるように捩りコイルバネ１８の付勢力が作用する。このため、回転子３の中心線Ｘ１と固定子４の中心線Ｘ２とを同軸上に維持しやすくなる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の軸方向空隙型電動機１の構成を説明する断面図である。 回転子の構成図である。 図１の断面Ａ−Ａの断面図である。

符号の説明

１ 軸方向空隙型電動機
１ａ 電動機部
２ ロータ軸
３ 回転子
４ 固定子
５ ケース
６ 腕部
７ リング部材
８ ヨーク
９ ティース部
１０ コイル
１２ 永久磁石
１３ ベアリング
１４ 空隙
１５ 支持部材
１７ 区画板
１８ コイルバネ（付勢手段）
２５ ベアリング
３０ 固定物

Claims (4)

1. 永久磁石またはコイルの一方を周方向に所定間隔で複数個設置し、固定物に回転自在に支持される回転子と、
   前記回転子の回転中心線方向に前記永久磁石またはコイルの一方に対向するように前記永久磁石またはコイルの他方を備えた固定子とを備え、
   前記固定子が前記回転子の回転中心線方向に所定空隙を持って前記回転子に相対するように配置された電動機部を有する軸方向空隙型電動機において、
   前記回転子と前記固定子とを内装し、その内面に前記固定子を固定するケースと、
   前記ケースと前記回転子との間に設けられるとともに前記回転子を回転可能に支持し、前記回転子の回転中心線に対して直交する前記ケースの面に対して摺動するベアリングと、
   前記回転子の中心線に直交する方向に付勢力を生じ、前記回転子の中心線と前記固定子の中心線とを同一中心線となるように前記ケースを付勢する付勢手段と、
   前記固定物に対する前記ケースの相対回転を禁止し、かつ前記回転子の回転中心線に直交する方向への摺動を許可する手段を備えることを特徴とする軸方向空隙型電動機。
2. 前記ケースの相対回転を禁止し、かつ前記回転子の回転中心線に直交する方向への摺動を許可する手段は、前記固定物と前記ケースとの間に設置されるリニアガイドであることを特徴とする請求項１に記載の軸方向空隙型電動機。
3. 前記ベアリングの外周に前記ベアリングと同軸かつ相対回転可能に配置される支持部材を備え、
   前記付勢手段は、前記ケースと前記支持部材との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の軸方向空隙型電動機。
4. 前記ケースと前記回転子との間に減衰手段を設け、
   前記付勢手段は、前記ケースと前記回転子との間に設けられるスプリングであることを特徴とする請求項１に記載の軸方向空隙型電動機。