(57)【要約】【課題】入力系統や構造を簡単にするとともに、高速回転時においても高トルクを出力することのできる電動機を提供する。【解決手段】遊星歯車６１を設けてなる電動機１において、ケーシング２内に設けられ、出力用の主軸３とともに回転するインナーローター４と、当該インナーローター４と一体的に回転する主動歯車４２と、当該主動歯車４２と対向するケーシング２の内側に設けられる固定歯車２２と、前記主動歯車４２と固定歯車２２の間で回転する遊星歯車６１と、当該インナーローター４とケーシング２の間に設けられ、当該遊星歯車６１の回転軸を軸支した状態で当該遊星歯車６１の公転方向へ回転するアウターローター５とを設けるようにする。そして、インナーローター４とアウターローター５を同一方向に回転させ、誘起電圧を端子電圧と同方向にして高トルクを出力できるようにする。【選択図】図３
2009296812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遊星歯車を設けてなる電動機において、
ケーシング内に設けられ、出力用の主軸とともに回転するインナーローターと、
当該インナーローターと一体的に回転する歯車と、
当該歯車と対向するケーシングの内側に設けられる固定歯車と、
前記歯車と固定歯車の間で回転する遊星歯車と、
当該インナーローターとケーシングの間に設けられ、当該遊星歯車の回転軸を軸支した状態で当該遊星歯車の公転方向へ回転するアウターローターと、
を設けてなることを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記遊星歯車が、主軸と直交する方向を回転軸としてアウターローターに取り付けられるものである請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記遊星歯車が、主軸と平行な方向を回転軸としてアウターローターに取り付けられるものである請求項１に記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、駆動源として用いられる電動機に関するものであり、より詳しくは、極めて簡単な構成で高速回転させた場合であっても高いトルクを出力することのできる電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、原油価格の高騰や自動車排出ガス規制などから、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車など電気エネルギーを利用する次世代自動車が注目されている。なかでも、これら次世代自動車の駆動源であるモータについては、競合他社との差別化を図ることから、その高出力化や小型化に向けての研究開発が盛んになってきている。
【０００３】
このようなモータとして、例えば特許文献１には、モータを複数結合させることで高速の出力が得られるようにした高速モータが提案されている。
【０００４】
この特許文献１に記載の高速モータは、図９に示すように、第一のモータ７１の出力軸に第二のモータ７２の円筒状ヨークを結合させることによって第一のモータ７１と同一の回転数で第二のモータ７２の円筒状ヨークの内周面に固着して配設された固定子を回転させるようにしたものである。そして、このようなモータを動作させる場合は、第一のモータ７１によって第二のモータ７２の固定子を回転させるとともに、第二のモータ７２によって第二のモータ７２の回転子を回転させる。そして、最終出力段の出力軸からは、２台のモータの回転数の和に相当する高速回転を出力させるようにする。
【特許文献１】特開平９−２４７９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この特許文献１に記載される高速モータでは、以下に示すような問題がある。
【０００６】
すなわち、この特許文献１に記載される高速モータは、２台のモータを結合して、第二のモータの固定子と回転子を回転させて高速の出力が得られるようにしているため、電力供給が二系統となってしまい、構造も複雑なものになってしまう。また、２台のモータをタンデムに結合する構成となっていることから、モータの回転軸方向に延びた形状となってしまい、高速モータの配置場所が制限されてしまうという問題があった。
【０００７】
さらには、一般に、スイッチド・リラクタンスモータは、高速回転になるに従ってトルクが小さくなってしまうが、高速回転時においても高トルクを出力できるようにすることが望ましい。しかるに、図９に示す従来のモータでは、第一のモータと第二のモータとを合わせたトルクが出力されるが、上述したスイッチド・リラクタンスモータの特性上、高速回転時に高いトルクを出力することができないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、入力系統や構造を簡単にするとともに、高速回転時においても高トルクを出力することのできる電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、遊星歯車を設けてなる電動機において、ケーシング内に設けられ、出力用の主軸とともに回転するインナーローターと、当該インナーローターと一体的に回転する歯車と、当該歯車と対向するケーシングの内側位置に設けられる固定歯車と、前記歯車と固定歯車の間で回転する遊星歯車と、当該インナーローターとケーシングの間に設けられ、当該遊星歯車の回転軸を軸支した状態で当該遊星歯車の公転方向へ回転するアウターローターとを設けるようにしたものである。
【００１０】
なお、ここでインナーローターやアウターローターは、コイルや永久磁石などをそれぞれ設けるものであって、例えば、インナーローター側にコイルを設け、アウターローター側に永久磁石を設ける場合のほか、インナーローター側に磁石を設け、アウターローター側にコイルを設ける場合、あるいは、インナーローターとアウターローターにそれぞれコイルを設ける場合なども含むようにしたものである。
【００１１】
また、このような遊星歯車として、例えば、傘歯車などのように、主軸と直交する方向を回転軸としてアウターローターに取り付けられる遊星歯車を用いるようにする。
【００１２】
また、このような遊星歯車として、例えば、平歯車などのように、主軸と平行な方向を回転軸としてアウターローターに取り付けられる遊星歯車を用いるようにする。
【００１３】
このように構成すれば、インナーローターの回転に伴って、遊星歯車が自転しながら公転し、その遊星歯車を軸支しているアウターローターがインナーローターと同一方向に追従する（図５）。このとき、アウターローターの方がインナーローターよりも慣性トルクが大きいので、図６に示すように、それぞれに作用する電磁力により発生したトルク（以下、「電磁トルク」という）は、アウターローターの慣性トルクを減少させる方向に働き、その減少したトルクがインナーローターに伝わる。その結果、インナーローターにおける電磁トルクの作用方向が、インナーローターの回転方向と逆方向になり、インナーローターのアウターローターに対する相対回転数による誘起電圧が端子電圧と同一方向になって、高速回転時における高いトルクを出力させることができるようになる。しかも、従来のように２系統の電動機を連結させるような複雑な機構を採用することなく、簡単な構成で高速回転時における高いトルクを出力させることができるようになる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、遊星歯車を設けてなる電動機において、ケーシング内に設けられ、出力用の主軸とともに回転するインナーローターと、当該インナーローターと一体的に回転する歯車と、当該歯車と対向するケーシングの内側位置に設けられる固定歯車と、前記歯車と固定歯車の間で回転する遊星歯車と、当該インナーローターとケーシングの間に設けられ、当該遊星歯車の回転軸を軸支した状態で当該遊星歯車の公転方向へ回転するアウターローターとを設けるようにしたので、電力の入力系統を一つにすることができ、簡単な構成で高速回転時においても高トルクを出力することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態における電動機１の斜視図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面を示した図である。また、図３および図４は、それぞれ図２におけるＢ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面を示した図である。また、図５は、本実施の形態における電動機１の動作状態を示した図であり、図６は、本実施の形態における電動機１の原理を示したものである。
【００１７】
本実施の形態における電動機１は、ＤＣ電源を利用してなるものであって、図１や図２に示すように、外部に固定されるケーシング２と、そのケーシング２内で主軸３を回転させるインナーローター４と、インナーローター４の外側で回転するアウターローター５とを備えている。そして、そのインナーローター４とアウターローター５との間に、遊星歯車６１をアウターローター５に軸支した状態で設け、これによってインナーローター４とアウターローター５を同一方向に回転させるとともに、高速回転時においても高いトルクを出力できるようにしたものである。以下、本実施の形態の具体的構成について詳細に説明する。
【００１８】
まず、ケーシング２は、内部にインナーローター４やアウターローター５を備えるもので、円筒状をなす部材によって構成される。このケーシング２の前方には、軸孔を設けて主軸３の先端を突出させ、また、そのケーシング２の後方には、エンドブラケット２１を取り付けて主軸３を軸支させるようにしている。
【００１９】
このケーシング２の内側に設けられるインナーローター４には、図２や図３に示すように、導線を巻き付けたコイル４１と、主動歯車４２と、入力部４３が設けられる。このコイル４１は主軸３の外周部に沿って複数設けられており、主軸３と一体となって同一方向に回転する。なお、このコイル４１については、この実施の形態では１２０度毎に３箇所設けるようにしているが、このスロット数について適宜変更することができる。このコイル４１の鉄心には、導線が巻き付けられており、入力部４３を介して外部からのＤＣ電流が入力されるようになっている。
【００２０】
一方、主軸３の後端部側に設けられる入力部４３は、図２に示すように、主軸３の外周部に円弧状に設けられた整流子４４と、その整流子４４を挟みこむ一対のブラシ４５とを備えて構成されるもので、外部からのＤＣ電流の供給を受ける。このブラシ４５は、整流子４４に摺動接触するようになっており、その他端をアウターローター５の外側回転体５１の後面部５３に設けられたリング状の金属部材５４に接触させるようになっている。一方、この金属部材５４の反対側にも第二ブラシ４６が接触するように設けられており、そこから外部のＤＣ電流を供給することによって、外側回転体５１を回転させながらインナーローター４に電力を供給する。
【００２１】
このインナーローター４に設けられる主動歯車４２は、主軸３に固定された略円錐台状をなすものであって、中心軸から放射状に歯面を設けて構成される。この主動歯車４２は、歯面をケーシング２の前方へ向けて主軸３に固定され、主軸３と一体的に回転できるようになっている。
【００２２】
この主動歯車４２と対向するケーシング２には固定歯車２２が取り付けられる。この固定歯車２２は、主動歯車４２と同一の構成をなすもので、歯面が主動歯車４２と対向するようにケーシング２の内側に固定された状態で取り付けられる。すなわち、この固定歯車２２は、主軸３の回転などに従動することなく常に停止した状態となっており、主動歯車４２のみが主軸３と一体的に回転するようになっている。
【００２３】
連結機構は、主動歯車４２と固定歯車２２との間に挟み込まれる遊星歯車６１を備えて構成されるものであって、この遊星歯車６１の回転軸を外側回転体５１に軸支させることによってインナーローター４とアウターローター５を連結させる。この遊星歯車６１は、図２や図４に示すように外側回転体５１をなす円筒状ヨークの前面側の軸部５２で軸支される。そして、インナーローター４の主動歯車４２を回転させることによって遊星歯車６１を主軸に対して公転させ、これに伴って、アウターローター５を同一方向に追従回転させる。
【００２４】
この遊星歯車６１を軸支する外側回転体５１は、インナーローター４のコイル４１の外側を覆うようにしたもので、このコイル４１に対向する位置に永久磁石５５を取り付けて構成される。この外側回転体５１は、前方の中心部と後面部５３の中心部に主軸３を通すことによって主軸３に沿って回転する。
【００２５】
次に、このように構成された電動機１のインナーローター４とアウターローター５、遊星歯車６１の回転動作について説明する。
【００２６】
まず、外部からＤＣ電流を供給すると、電力線を介して第二ブラシ４６にプラス極とマイナス極の電力が供給される。そして、その第二ブラシ４６に接触するリング状の金属部材５４を介して（第一）ブラシ４５に電力が供給され、整流子４４を介してコイル４１の導線に電力が供給される。すると、コイル４１の導線に流れる電流と、外側回転体５１の永久磁石５５から出る磁束とによって、フレミングの左手の法則に基づく電磁力が発生し、コイル４１が一方向に回転し始める。このとき、コイル４１が固定されている主軸３についてもコイル４１と一体となって回転する。そして、このとき、この主軸３に固定されている主動歯車４２も回転する。この主動歯車４２が回転し始めると、主動歯車４２と固定歯車２２との間に挟み込まれた遊星歯車６１が自転する。このとき固定歯車２２はケーシング２に固定され、主動歯車４２が回転しているので、この遊星歯車６１も主動歯車４２の回転方向と同一方向に回転する。すなわち、この遊星歯車６１は、主動歯車４２の回転方向と同一方向に公転し、これに伴って、図５に示すように、アウターローター５もインナーローター４に追従するように回転する。
【００２７】
次に、このように構成される電動機１における電磁トルクの作用について説明する。なお、図６の電磁トルクの作用図においては、説明の便宜上、インナーローター４を円形とし、アウターローター５を長方形状で示している。
【００２８】
まず、電磁トルクは、インナーローター４とアウターローター５のそれぞれに作用する。なお、この機構では、インナーローター４は高速回転し、アウターローター５は相対的に低速回転し、これに対応して、アウターローター５は慣性トルクが大きくなり、また、逆に、インナーローター４は慣性トルクが小さくなる。
【００２９】
このような機構において、インナーローター４だけに着目すると、インナーローター４はアウターローター５から電磁トルクを受ける。このとき、アウターローター５の方がインナーローター４よりも慣性トルクが大きいので、その作用した電磁トルクは、アウターローター５の慣性トルクを減少させる方向に働く。その結果、インナーローター４には、その減少したトルクが伝わり、図６（ａ）における太い矢印の慣性トルクが働く。
【００３０】
一方、アウターローター５について着目すると、アウターローター５は、電磁トルクをインナーローター４から受ける。このとき、アウターローター５の方が慣性トルクが大きいので、その電磁トルクは、インナーローター４の慣性トルクを増加させる方向に働く。その結果、アウターローター５には、その増加したトルクが伝わる（図６（ｂ））。
【００３１】
このとき、図６（ａ）に着目すると、コイル４１を有しているインナーローター４の回転方向とは逆向きに電磁トルクが働くことが分かる。そこで、インナーローター４のアウターローター５に対する相対回転数に基づく誘起電圧を考えると、フレミングの右手の法則により誘起電圧が端子電圧と同一方向となり、高速回転時であっても電動機１にかかる正味の電圧が増加することとなって、高いトルクを出力することができるようになる。補足として、一般にＤＣモータは、電磁トルクの方向と回転子の回転方向が同じである。そこで、当該回転子の回転数に基づく誘起電圧を考えると、フレミングの右手の法則より誘起電圧が端子電圧と反対方向となる。当該誘起電圧（逆起電力）のために、ＤＣモータにかかる正味の電圧は減少する。
【００３２】
また、この電動機１における高トルクの出力を次のように考えることもできる。すなわち、本実施の形態における電動機１は、インナーローター４に追従するようにアウターローター５が回転する。このとき、インナーローター４の回転数をＡ、アウターローター５の回転数をＢとすると、主軸３から出力される回転数はＡであるのに対して、インナーローター４のアウターローター５に対する相対回転数は（Ａ−Ｂ）である。ここで、一般に、ＤＣモータは、高速回転になるに従ってトルクが減少するが、ここでは、（Ａ−Ｂ）の回転数におけるトルクでＡの回転をさせることができる。換言すれば、高速回転させた場合であっても、低速回転時における高いトルクで回転させることができる。
【００３３】
このように本実施の形態では、遊星歯車６１を設けてなる電動機１において、ケーシング２内に設けられ、出力用の主軸３とともに回転するインナーローター４と、当該インナーローター４と一体的に回転する主動歯車４２と、当該主動歯車４２と対向するケーシング２の内側に設けられる固定歯車２２と、前記主動歯車４２と固定歯車２２の間で回転する遊星歯車６１と、当該インナーローター４とケーシング２の間に設けられ、当該遊星歯車６１の回転軸を軸支した状態で当該遊星歯車６１の公転方向へ回転するアウターローター５とを設けるようにしたので、従来のように入力系統を複数設けることなく高速回転させることができ、しかも、高速回転させた場合であっても高トルクを出力することができるようになる。
【００３４】
また、上記実施の形態では、遊星歯車６１として傘歯車を設けるようにしているが、このように傘歯車を設けることによって、遊星歯車６１によって伝達される力を、大きい歯面で受けることができ、動力伝達用として電動機１が比較的大きいトルクに耐えられるようになる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施形態を一例として実現されるが、これを異なる種々の方法によっても実現させることができる。
【００３６】
例えば、上記実施の形態では、インナーローター４にコイル４１、アウターローター５に永久磁石５５を設ける場合について説明したが、これに限らず、インナーローター４に永久磁石５５、アウターローター５にコイル４１を設けてもよいし、それぞれにコイル４１を設けるようにしてもよい。
【００３７】
また、上記実施の形態では、連結機構を構成する遊星歯車６１として、主軸３と直交する方向を回転軸とする傘歯車を用いる場合について説明したが、これに限らず、例えば、図７や図８に示すような平歯車によって遊星歯車６１を構成してもよい。すなわち、インナーローター４側に内歯車４２ａを設けるとともに、ケーシング２の内側にも外歯車２２ａを設け、これらの歯車に噛み合うように遊星歯車６１ａを平歯車として設ける。この平歯車は主軸３と平行に外側回転体５１に取り付けられており、平歯車を公転させることによって外側回転体５１を回転させるようになっている。このような構成とした場合であっても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができ、また、平歯車で遊星歯車６１を構成することによって、遊星歯車６１によって伝達される力を分解させることなくアウターローター５に伝達させることができる。これにより、高い伝達効率によって両ローターを回転させることができるようになる。なお、図７や図８において、第一の実施の形態と同じ符号を示したものは、同じ構成を有しているものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施の形態における電動機の斜視図
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面を示した状態図
【図３】図２におけるＢ−Ｂ断面を示した状態図
【図４】図２におけるＣ−Ｃ断面を示した状態図
【図５】電動機の回転状態を示す図
【図６】電動機の動作原理を示す図
【図７】他の実施形態における電動機の断面図
【図８】図７におけるＤ−Ｄ断面を示した状態図
【図９】特許文献１の電動機を示す断面図
【符号の説明】
【００３９】
１・・・電動機
２・・・ケーシング
２１・・・エンドブラケット
２２・・・固定歯車
３・・・主軸
４・・・インナーローター
４１・・・コイル
４２・・・主動歯車
４３・・・入力部
４４・・・整流子
４５・・・ブラシ
４６・・・第二ブラシ
５・・・アウターローター
５１・・・外側回転体
５２・・・軸部
５３・・・後面部
５４・・・リング上の金属部材
５５・・・永久磁石
６１・・・遊星歯車
【図１】
2009296812.tif 000003
【図２】
2009296812.tif 000004
【図３】
2009296812.tif 000005
【図４】
2009296812.tif 000006
【図５】
2009296812.tif 000007
【図６】
2009296812.tif 000008
【図７】
2009296812.tif 000009
【図８】
2009296812.tif 000010
【図９】
2009296812.tif 000011