JP5645028B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、回転電機に関する。

特許文献１には、減速機を用いずに負荷を直接駆動する、いわゆるダイレクトドライブ型の電動モータが記載されている。この電動モータでは、モータステータとモータロータとを収納した空間の上部が、ドーナツ板状のシール板で蓋をされている。シール板は、その外周側がハウジング外筒に片持ちに固定されており、内周縁のシールリップが出力軸の外周面に摺接してモータ収納空間を密封する。

実開平５−４７５１号公報

上記従来技術では、モータステータを保護するためのシール板によりモータ収納空間が密封される上、モータステータとシール板との間に対流のない空気層が形成されるので、放熱性が低いという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、固定子を保護しつつ、放熱性を高めることができる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、磁気的空隙を介して対向配置された固定子及び回転子と、前記固定子を内部に収納して固定するハウジングと、前記回転子に連結され、軸受により回転可能に配置された出力軸と、前記出力軸に連結され、前記ハウジングの軸方向端部を空隙を介して覆う円板部、及び、前記円板部の前記固定子側に突出して設けられた複数の羽根部、を備えたファンと、を有する回転電機が適用される。

本発明の回転電機によれば、ステータを保護しつつ、放熱性を高めることができる。

実施形態の回転電機の全体構成を表す軸方向断面図である。 比較例として示す図１中のＡ部拡大図である。 回転カバーの外観全体を斜視で表した図である。 実施形態の図１中のＡ部拡大図である。 変形例の回転カバーの外観全体を斜視で表した図である。 変形例の図１中のＡ部拡大図である。 径方向ラビリンス構造の突起部を設けた場合の図１中のＡ部拡大図である。 軸方向ラビリンス構造の突起部を設けた場合の図１中のＡ部拡大図である。 噛み合わせラビリンス構造を設けた場合の図８中のＢ部拡大図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る回転電機１の構成について説明する。軸断面で見た図１に示すように、回転電機１は、固定部２と、回転部３とを備え、回転部３を固定部２の内側に備えたインナーロータ型のダイレクトドライブモータ（以下、ＤＤモータという）である。

固定部２は、主に備える構成部として、ハウジング４と、底面ブラケット５と、電機子コイル６と、２つのスラストベアリング７とを有している。ハウジング４は、全体が略円筒形状であって、当該回転電機１が備えるほとんどの構成部品をその内部に収納する。底面ブラケット５は、ハウジング４と同じ外径の円板形状の底面部５ａと、当該底面部５ａの中心に突出させた中空管状の固定シャフト５ｂとを一体に備えている。この底面ブラケット５は、ハウジング４の中心位置に固定シャフト５ｂを貫通させつつ、底面部５ａをハウジング４の一方（図中の下方）の開口部を塞ぐように固定している。電機子コイル６は、ハウジング４の内周側面で周方向に並べるように複数設けられている。なお、電機子コイル６が各請求項記載の固定子に相当する。

回転部３は、主に備える構成部として、出力軸８と、永久磁石９と、回転カバー１０とを有している。出力軸８は、全体が略中空管状で構成されており、一方の端部にはフランジ８ａが形成されている。この出力軸８は、上記ハウジング４の開放端側（図中の上方側）にフランジ８ａを位置させつつ上記固定シャフト５ｂの外周面に嵌合し、２つのスラストベアリング７（軸受）を介して固定シャフト５ｂに軸方向で固定されたまま軸周りで回転可能に支持されている。永久磁石９は、出力軸８の外周側面で周方向に並べるよう複数設けられており、上記電機子コイル６と径方向で磁気的空隙を介して対向するよう配置されている。回転カバー１０は、全体が略ドーナツ形状（環状）の円板部材であり、上記出力軸８のフランジ８ａに図示しないボルトなどで取り付けることでハウジング４の開放端側の開口部を覆うよう配置される。なお、永久磁石９が各請求項記載の回転子に相当する。

このように構成された回転電機１は、複数の電機子コイル６にそれぞれ同じ所定周波数の電力を給電することでハウジング４内部の周方向に交番磁界を発生させ、固定部２の永久磁石９がそれら交番磁界による引力と斥力を受けることで出力軸８にトルクを発生し、当該回転部３全体を回転させる。また、複数の電機子コイル６の間で所定周波数の変化の順序を切り替えることにより、出力軸８の正転と逆転を切り替えることができる。

以上のように構成された回転電機１は、減速機を介さず出力軸８に負荷機械（負荷対象物；特に図示せず）を直接連結させて駆動するＤＤモータとして機能する。このため、回転電機１の固定部２側本体と出力軸８との間の間隙（もしくは摺接部分）が大気中に晒されやすく、近年ではＤＤモータの用途の多様化に伴って上記の間隙を通じたハウジング４内部への塵や埃の侵入を防ぐための防塵性能が要求されている。

一般的な防塵構成としては、上記のような回転カバー１０でハウジング４の開口部を覆う構成以外にも、固定部２に設けた弾性材のオイルシールを出力軸８に摺接させる構成（特に図示せず）がある。防塵性能の観点だけではオイルシールの方が有利であるが、摩擦による回転電機１のトルク損失が生じたり、シール部材の摩耗や発熱を抑えるために回転電機１の定格回転数自体を低く設定する必要があったり、また定期的にシール部材の交換や潤滑油の補給などのメンテナンスが必要であるなどの不利な点が多い。そのため、回転電機１の性能や運用利便性を優先する場合には、本実施形態のように回転カバー１０による防塵構成を適用する場合が多い。

最も単純な回転カバーの構成は単なる環状平板であるが、さらに図２に示す比較例のように、その外周の縁部を屈曲させてハウジング４の開口部外周と径方向に所定の間隙を介して遊嵌させる（非接触となる）だけの構成が一般的であった。しかしこの回転カバー１０１の構成では、当該回転カバー１０１によってハウジング４の内部空間が密封される上、当該回転カバー１０１と熱源である電機子コイル６との間に対流のない空気層１１０が形成されるので、放熱性が低いという問題があった。

これに対して本実施形態では、図３、図４に示す構成の回転カバー１０を備えることで、上記放熱性の問題を解決した。すなわち、全体斜視図（一部破断）である図３に示すように、回転カバー１０はその環状平板部（円板部）１０ａの内面側（図中の左手前側の平面）に複数の羽根部１０ｂを備えて全体が回転ファンとして構成されている。図示する本実施形態の例における羽根部１０ｂの具体的な構成としては、上記図１のＡ部を拡大した図４（軸方向断面図）に示すように内周側から外周側にかけて連続的に軸方向の厚さが増加する逆テーパー状の突出部分１０ｃに対し、周方向に均等配置した６カ所の位置に略半円形状のエンボス加工を施すことで６つの羽根部１０ｂに分割して形成されている。

略半円形状のエンボス加工部分１０ｄは、その円弧部分を当該回転カバー１０の径方向外周側に向けているため、各羽根部１０ｂは径方向の内周側から外周側にかけて周方向の幅が増加し、最も外周側では６つの羽根部１０ｂが周方向全体に亘って円環状に一体に接続している。この円環状に接続された部分は、その外周側面（ハウジング４側の端面）がハウジング４の内周面と微小な空隙を介して対向するように配置されている。また、各羽根部１０ｂは、それぞれ周方向（回転方向）に関し対称な形状で形成されている。

以上説明した実施形態によれば、次のような効果を得る。すなわち、本実施形態の回転電機１は、回転ファンとして機能する回転カバー１０を有する。回転カバー１０は、電機子コイル６の軸方向端部を覆う環状平板部１０ａを備えており、これにより電機子コイル６を外部の異物（水、塵埃や土砂等）から保護することができる。また、回転カバー１０は、環状平板部１０ａの電機子コイル６側に突出して設けられた複数の羽根部１０ｂを備える。この羽根部１０ｂは、出力軸８が回転する際に環状平板部１０ａと共に回転し、電機子コイル６と回転カバー１０との間の空気層１１０に円周方向の強制対流を生じさせる。これにより、電機子コイル６と空気層１１０との間の熱伝達率を向上できることから、電機子コイル６で発生する熱の放熱性を高めることができる。

また、電機子コイル６と永久磁石９が収納される空間の密封性を高めるために、例えば回転カバー１０の環状平板部１０ａとハウジング４とが接触する構造とする場合、当該接触により摩擦トルクが増加してモータ特性の低下を招いたり、接触により回転カバー１０の摩耗が生じることから定期的にメンテナンスが必要となる。これに対し、本実施形態では回転カバー１０とハウジング４とが非接触であるので、モータ特性を低下させることがなく、またメンテナンスフリーとすることができる。

また、本実施形態では特に、複数の羽根部１０ｂのハウジング４側の端面が周方向全体に亘って接続されており、当該接続された端面がハウジング４と微小な空隙を介して対向するように配置されている。これにより、電機子コイル６と永久磁石９が収納されるハウジング４の内部空間の密封性を高め、外部からの異物の侵入を防止できる。また、環状平板部１０ａの外周縁部を屈曲形状とする等により、回転カバー１０とハウジング４との間でラビリンス構造を形成することも可能となり、この場合には密封性をさらに向上できる。

また、本実施形態では特に、回転カバー１０の各羽根部１０ｂが回転方向に対称形状となるように形成されている。これにより、回転電機１が正転、逆転のどちらの回転方向で駆動する場合でも、回転カバー１０による冷却機能を同様に発揮することができる。

また、いわゆるダイレクトドライブ型の回転電機１では、出力軸８が負荷機械に直接固定されるので、回転電機１の熱が負荷対象物に伝熱し易い。このため、回転電機１の放熱性が低いと負荷機械に熱による影響を及ぼすおそれがある。したがって、ダイレクトドライブ型の回転電機１に本実施形態を適用することで、回転電機１の熱による負荷機械への影響を低減することが可能である。

なお、回転カバー１０に設ける複数の羽根部は、当該回転カバー１０の回転時に電機子コイル６との間の空気層１１０を適切に撹拌できる構成であればよい。そのため、上記図３、図４に示した構成以外にも、例えばそれら図３、図４にそれぞれ対応する図５、図６に示すような構成としてもよい。すなわち、上記図１のＡ部を拡大した図６（軸方向断面図）に示すように外周側から内周側にかけて連続的に軸方向の厚さが増加する逆テーパー状の突出部分１０ｅに対し、周方向に均等配置した６カ所の位置に略半円形状のエンボス加工を施して６つの羽根部１０ｆを分割形成してもよい。この例の略半円形状のエンボス部分１０ｇは、その円弧部分を当該回転カバー１０Ａの径方向内周側に向けているため、各羽根部１０ｆは径方向の外周側から内周側にかけて周方向の幅が増加し、最も内周側では６つの羽根部１０ｆが周方向全体に亘って円環状に一体に接続している。このように構成した各羽根部１０ｆもまた、それぞれ周方向に関し対称な形状で形成され、回転電機１が正転、逆転のどちらの回転方向で駆動する場合でも回転カバー１０Ａによる冷却機能を同様に発揮することができる。

なお、羽根部１０ｂ、１０ｆの形状や数は図示する例に限られず、空気の撹拌性能を有する他の形状や設置数で形成してもよい。また、上記実施形態の例では、回転カバー１０、１０Ａが冷間圧延鋼材の削り出しで形成することを想定しているが、他にも樹脂などの材料で作成してもよい。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。

（１）回転カバーが突起部を有する場合
上記実施形態では、ハウジング４の開口部外周側で回転カバー１０の環状平板部１０ａの外周縁部が屈曲形状としているとともに、ハウジング４の開口部内周側で回転カバー１０の羽根部１０ｂの外周側円環接続部と近接していることにより、当該回転カバー１０とハウジング４との間でラビリンス構造を形成して密封性を向上していが。本発明はこれに限られず、他にも回転カバー１０の外周縁部にそれ自体でラビリンス構造として機能する突起部を備えてもよい。

例えば、上記図４、図６に対応する図７に示すように、回転カバー１０Ｂの外周縁部の屈曲形状部分１０ｈで、その内周面に複数の突起部１０ｉを設けてもよい。これら突起部１０ｉは、当該屈曲形状部分１０ｈの内周面から回転軸中心に向けて突出し、その先端部がハウジング４の開口部外周側面と微小な空隙を介して対向している。各突起部１０ｉは、回転軸周りに連続した回転体であり（つまり径方向幅の狭い環状平板）、互いに軸方向に近接して並設されている。これら突起部１０ｉの間の空間が微小なチャンバーとなり、それぞれが外部からの空気や異物の侵入を食い止める。それらチャンバーが連続して配置しているために、全体で異物の流入を防ぐラビリンス構造として機能する。

以上説明した本変形例によれば、次のような効果を得る。すなわち、本変形例の回転電機１は、回転カバー１０Ｂの環状平板部１０ａがハウジング４との間にラビリンス構造を形成可能な突起部１０ｉを有する。これにより、電機子コイル６と永久磁石９が収納される空間の密封性を高め、外部からの異物の侵入を効果的に防止できる。さらに、羽根部１０ｂによってラビリンス構造を形成する必要がないので、羽根部１０ｂの形状の自由度を向上することができる。

なお、突起部は上述したように径方向に突出させる以外にも、図８に示すように回転カバー１０Ｃの軸方向に突出させる構成としてもよい。この場合には、複数の突起部１０ｊは、環状平板部１０ａの外周縁部から軸方向に突出し、その先端がハウジング４の開口部の軸方向端面と微小な空隙を介して対向している。この場合の各突起部１０ｊもまた、回転軸周りに連続した回転体であり（つまり軸方向長さの短い円筒形状）、互いに径方向に近接して並設されている。これら突起部１０ｊの間の空間が微小なチャンバーとなり、それぞれが外部からの空気や異物の侵入を食い止める。それらチャンバーが連続して配置しているために、全体で異物の流入を防ぐラビリンス構造として機能する。

また、上記図８中のＢ部を拡大した図９に示すように、ハウジング４の開口部の軸方向端面において回転カバー１０側の各チャンバーにそれぞれ噛み合う複数の突起部４ａを形成してもよく、これによりさらに防塵性能の高いラビリンス構造を実現できる。

なお、上記実施形態及び各変形例では、回転電機としてモータを例に説明したが、発電機に適用してもよい。

以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 回転電機
２ 固定部
３ 回転部
４ ハウジング
４Ｃ ハウジング
４ａ 突起部
５ 底面ブラケット
５ａ 底面部
５ｂ 固定シャフト
６ 電機子コイル（固定子）
７ スラストベアリング（軸受）
８ 出力軸
９ 永久磁石（回転子）
１０ 回転カバー（ファン）
１０Ａ〜Ｃ 回転カバー（ファン）
１０ａ 環状平板部（円板部）
１０ｂ 羽根部
１０ｆ 羽根部
１０ｉ 径方向突起部
１０ｊ 軸方向突起部
１０１ 回転カバー
１１０ 空気層

Claims (6)

1. 磁気的空隙を介して対向配置された固定子及び回転子と、
   前記固定子を内部に収納して固定するハウジングと、
   前記回転子に連結され、軸受により回転可能に配置された出力軸と、
   前記出力軸に連結され、前記ハウジングの軸方向端部を空隙を介して覆う円板部、及び、前記円板部の前記固定子側に突出して設けられた複数の羽根部、を備えたファンと、を有する
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記ファンは、
   前記ハウジングと非接触となるように設けられる
   ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記複数の羽根部は、
   各々の前記ハウジング側の端面が周方向全体に亘って接続され、当該接続された端面が前記ハウジングと微小な空隙を介して対向するように配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記円板部は、
   前記ハウジングとの間にラビリンス構造を形成可能な突起部を有する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の回転電機。
5. 前記羽根部は、
   回転方向に対称形状となるように形成される
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記出力軸は、
   負荷対象物に直接固定される
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機。
   

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