JPH10164807A - 永久磁石形同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石形同期電動機のトルクリップルを
低減し、銅損を少なくして電動機の性能を向上し、同時
に巻線作業を容易にする。 【解決手段】電機子鉄心と、該電機子鉄心の片側面に移
動磁界の方向に等間隔で形成された複数のティースと、
該ティースに巻回したコイルとからなる固定子と、前記
ティースとエアギャップを介して対面する多極の永久磁
石を固着した可動子とからなる永久磁石形同期電動機に
おいて、前記ティースは前記電機子鉄心の幅の一部にの
み形成し、前記コイルは前記電機子鉄心の幅いっぱいに
巻く。ティースに関しては、ポールシューのないストレ
ートとするか、ポールシューを形成し、後者にあって
は、ティースが挿入されないコイルの内側部分と対面す
る可動子表面が、前記ティース先端の対面する可動子表
面よりも高くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置や
ＦＡ機器に用いられる電動機のうち、精度や速度、応答
性で高い性能が求められ、リップルや損失が小さな永久
磁石形の同期電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】電動機に永久磁石を用いるとコンパクト
な構成で高いトルクを得ることが知られており、様々な
構造のものが考えられている。一般的な同期電動機は、
回転子に永久磁石を備え、固定子の電機子鉄心にコイル
を巻回して構成されている。しかし、この構造は、高性
能の永久磁石が開発されつつある今日では、トルクを高
くできるものの、鉄損やコギングトルクも増大させてし
まうことが問題となっていた。これを解決するため、コ
イルの巻き方を改善したものが開発され、特開昭６３−
１５４０５１号公報に開示されている。この技術を図を
用いて説明する。図５は従来の永久磁石形同期電動機の
正断面図であり、図６は固定子のコイルの巻線形態図で
ある。この電動機は、３相６極の永久磁石形同期電動機
であり、毎相毎極のスロット数は１となっている。従っ
て、電機子鉄心６５には、１８個のスロット＃１〜＃１
８が周方向に等間隔に形成されている。これに巻回する
コイルは、下コイル辺８２と上コイル辺８３を有する１
つのコイルを例にとると、下コイル辺８２はスロット＃
１６内の下側に埋設され、上コイル辺８３は３つ右のス
ロット＃１の上側に埋設される。下コイル辺８４と上コ
イル辺８５を有するもう１つのコイルの場合は、下コイ
ル辺８４はスロット＃１内の下側に埋設され、上コイル
辺８５は３つ右のスロット＃４の上側に埋設されてお
り、同じ形状のコイルが同じような巻き方をして他のス
ロットにも埋設され、直列接続されてＵ相のコイルをな
している。Ｖ相のコイルとＷ相のコイルも、Ｕ相のコイ
ルと同じ巻き方をして巻回されており、１個ずれたスロ
ットに埋設されている。この３相のコイルは、必要に応
じて結線方法が選定され、３相電動機とされる。この同
期電動機の回転子には、図５に示すように、回転軸２１
の表面に６個の永久磁石４６が固着されており、隣り合
う永久磁石の極性が異なるよう着磁されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが前記の従来技
術によると、次のような問題があった。すなわち、各コ
イルの上コイル辺はエアギャップ内に配置され、スロッ
トに埋設する他方の下コイル辺と一体になっているの
で、コイルエンドが他のコイルのコイルエンドと干渉
し、所定の巻線を構成するのが容易ではなかった。ま
た、上コイル辺と下コイル辺が同じコイルの一部であり
ながら、断面形状が食い違うため、巻線する際に位置決
め作業を伴い、作業性が極めて悪いという欠点があっ
た。さらに、この作業を必要とするためエアギャップに
巻回されたコイルの位置が揃わなくなりがちで、電動機
を駆動するときにトルクリップルが発生し、回転リップ
ルが生じるなど被駆動系に様々な弊害をもたらすという
問題があった。前記の作業性をよくするためコイルエン
ドを長くすると、コイルの銅損が増加して電動機の効率
が低下することになり、作業性と効率の何れかを犠牲に
しなければならなかった。このように、従来のコイルの
巻き方では、コイルの位置に起因する様々な弊害があり
問題となっていたのである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明はこれらの欠点を
解消するためになされたものであり、精度や速度、応答
性で高い性能が得られ、リップルや損失が小さな永久磁
石形の同期電動機を提供することを目的とする。そこで
本発明は、電機子鉄心と、該電機子鉄心の片側面に移動
磁界の方向に等間隔で形成された複数のティースと、該
ティースに巻回したコイルとからなる固定子と、前記テ
ィースとエアギャップを介して対面する多極の永久磁石
を固着した可動子とからなる永久磁石形同期電動機にお
いて、前記ティースは前記電機子鉄心の幅の一部に形成
され、前記コイルは前記電機子鉄心の幅いっぱいに巻い
たのである。電機子鉄心に形成されたティースはストレ
ートなものとするか、先端にポールシューを形成するか
の何れかとし、後者にあっては、ティースが挿入されて
いないコイルに対面する可動子の永久磁石はティース先
端に対面する可動子の永久磁石よりも厚く、同時に高く
するか、或いは、厚みが一定で円筒状をした可動子の永
久磁石の表面のうち、ティースが挿入されていないコイ
ルに対面する部分には、磁極に一致して磁性体のポール
シューを固着したのである。また、前記永久磁石形同期
電動機をエアギャップが円筒状となるよう回転形の永久
磁石形同期電動機とし、あるいは、エアギャップが平面
状となるよう直線形の永久磁石形同期電動機としたので
ある。

【０００５】

【発明の実施の形態】このようにすると、巻線作業が容
易になって、コイルを精度良く位置決めして固着するこ
とができるようになり、コイルエンドも短くできること
から、低コストで高効率、高精度のモータを提供するこ
とができるようになるのである。以下、本発明の実施の
形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施
例を示す回転形の永久磁石形同期電動機の断面図であ
り、（ａ）、（ｂ）は正断面図、（ｃ）は軸方向断面図
である。また（ａ）は（ｃ）のＡ−Ａ’面の断面図であ
り、（ｂ）は（ｃ）のＢ−Ｂ’面の断面図である。図２
はそのコイルの巻線形態図である。図１において１は回
転子であり、図示しない軸受で回転可能に支持された回
転軸２と、該回転軸２の外周に固着された磁性体の回転
子鉄心３と、周方向等間隔に複数の磁極を有して前記回
転子鉄心３の外周に固着された第１の永久磁石４１、第
２の永久磁石４２、非磁性のリング９１とから構成され
ている。非磁性のリング９１は回転子鉄心３の軸方向中
央にあって、第１の永久磁石４１と第２の永久磁石４２
の間に挿着されており、第２の永久磁石４２の外径は第
１の永久磁石４１の外径より大きくなっている。第１の
永久磁石４１と第２の永久磁石４２は周方向に１４の磁
極を持ち、径方向に着磁されて、周方向の磁極の位置が
第１の永久磁石４１と第２の永久磁石４２とで同じにな
っている。なお、この例では着磁の方向が径方向となっ
ているが、周方向に１４の磁極が形成されれば周方向に
着磁されても何ら構わない。

【０００６】５は固定子であり、円筒状の鉄心の内径側
にティース７を形成した磁性体の電機子鉄心６１と、電
機子鉄心６１の円筒状の鉄心が軸方向に延長して形成さ
れた環状鉄心６２と、ティース７に巻回したコイル８か
らなっている。電機子鉄心６１と環状鉄心６２は珪素鋼
板を積層して一体に固着されている。ティース７は周方
向等間隔に１２個設けられており、先端にポールシュー
が形成され、コイル８が巻回されている。コイル８は
（ｃ）に示すように、内側の一部にティース７が挿入さ
れ、残る一部は空心となるよう集中巻きされている。テ
ィース７の先端と第１の永久磁石４１は円筒状のエアギ
ャップを介して対面しており、環状鉄心６２の内側にあ
るコイル８と第２の永久磁石４２は円筒状のエアギャッ
プを介して対面している。１２個のティースに巻回され
たコイルの接続状況は図２の巻線形態図に示すようにな
っている。Ｕ相のコイルはティースＴ１、Ｔ２、Ｔ７、
Ｔ８に図２の方向に巻回して接続され、Ｕ、Ｎ端子を持
ち、Ｖ相のコイルはティースＴ５、Ｔ６、Ｔ１１、Ｔ１
２に図２の方向に巻回して接続され、Ｖ、Ｎ端子を持
ち、Ｗ相のコイルは、ティースＴ９、Ｔ１０、Ｔ３、Ｔ
４に図２の方向に巻回して接続され、Ｗ、Ｎ端子を持
つ。このような結線によって３相電動機をなしている。
そして、上記の構成から分かるように、本実施例は、３
相１４極１２スロットの電動機となっており、毎極毎相
のスロット数は２／７となっている。このような構成の
電動機をＵ、Ｖ、Ｗ相の順に励磁すると時計方向に回転
磁界が発生し、回転子１は右に回転する。逆に励磁する
と回転子１は左に回転させることができる。以上の実施
例では、コイルが集中巻きされているため、巻線作業が
容易であると同時にコイルエンドを含めても従来のもの
に比べてコイルの長さが非常に短く、コイルに生じる銅
損が小さいのである。

【０００７】次に本発明の第２実施例について説明す
る。図３は本発明の第２実施例を示す回転形の永久磁石
形同期電動機の断面図であり、（ａ）、（ｂ）は正断面
図、（ｃ）は軸方向断面図である。また（ａ）は（ｃ）
のＡ−Ａ’面の断面図であり、（ｂ）は（ｃ）のＢ−
Ｂ’面の断面図である。この実施例の固定子５は第１実
施例と同じであり、回転子１は第１実施例と異なる。回
転子鉄心３の外周に固着された永久磁石４３は回転子鉄
心３と同じ長さの円筒状をしており、周方向に１４の磁
極を持ち、径方向或いは周方向に着磁されている。環状
鉄心６２の内側にある永久磁石４３の外周には、永久磁
石４３の１４個の磁極のところに１４個のポールシュー
９２が固着されており、外周が円筒の一部をなしてい
る。そして、ポールシュー９２を固着していない永久磁
石４３の表面とティース７の先端の間のエアギャップ
と、ポールシュー９２の表面と環状鉄心６２の内側のコ
イル８の内周面の間のエアギャップが同じ大きさとなっ
ている。このような構成の電動機の動作は第１実施例と
同じである。

【０００８】次に本発明の第３実施例について説明す
る。本発明の第３実施例は、図１に示す第１実施例また
は図３に示す第２実施例において、ティース７の先端に
ポールシューを形成しないと言うものである。ポールシ
ューを形成しないティース７には、先端付近までコイル
８が巻回されており、ティース７の先端とコイル８の端
面が同じ円筒面に位置するので、回転子１の回転子鉄心
３に固着する永久磁石は断面が均一の円筒状となってい
る。このような構成の電動機は前記２つの実施例と同じ
ように作動することは言うまでもない。このような構造
を採用する場合、作業上の都合から、コイル８からティ
ース７の先端が突き出ることになる場合があるが、その
ような場合は、回転子１を第１実施例や第２実施例のよ
うにすることで対応することができる。

【０００９】以上は回転形の実施例について述べたが、
本発明によると直線形の電動機にも適用することができ
るので図を用いて説明する。図４は本発明の第４の実施
例を示す直線形の永久磁石形同期電動機の断面図であ
り、（ａ）、（ｂ）は移動方向に沿った面の断面図であ
り、（ｃ）は移動方向と直角な面の正断面図である。
（ａ）は（ｃ）のＡ−Ａ’面の断面図であり、（ｂ）は
（ｃ）のＢ−Ｂ’面の断面図である。図において５１は
固定子であり、移動方向に向かって左右には、移動方向
に等ピッチのティース７１が形成された電機子鉄心６３
を備え、移動方向に向かって中央には、電機子鉄心６３
と一体になった平形鉄心６４を備えている。電機子鉄心
６３と平形鉄心６４は珪素鋼板が積層されて一体となっ
ている。ティース７１には先端にポールシューが形成さ
れており、左右のティース７１、７１に巻回されたコイ
ル８１は中央、すなわち平形鉄心６４の上の部分が空心
になっている。可動子１１は非磁性の平板状のテーブル
２１と、その下側に固着された３つの永久磁石４４、４
５、４４と、移動方向に移動可能に支持する図示しない
支持機構とからなっている。永久磁石４４は電機子鉄心
６３のティース先端とエアギャップを介して対面し、永
久磁石４５は平形鉄心６４の上のコイル８１と前記エア
ギャップと同じ大きさのエアギャップを介して対面して
おり、永久磁石４５が永久磁石４４より厚くなってい
る。永久磁石４４、４５は移動方向に等ピッチで極性が
反転するよう着磁されており、ティース７１の１２ピッ
チ当たりで永久磁石４４、４５が１４ピッチとなってい
る。このような構造をしているため、図１に示した第１
実施例の回転形の永久磁石形同期電動機の閉じた形を開
いて展開し平面にしたものと同じような構造となってい
る。従って、コイルは同じように巻かれており、３相励
磁することによって移動方向に直線移動することができ
る。図４にはティース７１の先端にポールシューを形成
して永久磁石４５を永久磁石４４より厚くしたものを示
したが、回転形の変形例で示したように、永久磁石４
４、４５を同じ厚さの一体の永久磁石としてその表面の
うちの永久磁石４５の位置に相当するところにポールシ
ュー９２に相当する磁性体のポールシューを固着するも
のであってもよく、また、ティース７１の先端にポール
シューを形成せずストレートにするということも、前記
の回転形のものと同様である。

【０００１０】以上、回転形と平面形の永久磁石形同期
電動機のいくつかの実施例を述べたが、これらの実施例
のコイルは集中巻きであり、コイルが相互に干渉するこ
とはなく、巻線作業をする上で障害となるものがないの
で容易に作業を進めることができる。また、ティース
７、７１にポールシューを形成せずにストレートとした
場合は、コイルを予め巻回しておくことができるので、
巻線作業はさらに容易になるという利点を有する。

【０００１１】前記の電動機は、いずれも毎極毎相のス
ロット数が２／７であったが、本発明の趣旨に従えばそ
の数値は前記に限定されることがないのは言うまでもな
い。また、回転形同期電動機については、円環状の永久
磁石が径方向に着磁されたものを示したが、着磁の方向
を周方向としてもよく、円環状の永久磁石に代えて複数
個に分割したセグメントの永久磁石を用いても何ら差し
支えることがない。

【０００１２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によるとティ
ースのある電機子を備えた同期電動機と、ティースのな
い電機子を備えた同期電動機の中間にある次の特徴、す
なわち （１）コギング力や磁気吸引力が小さく、位置決め精度
が向上すると同時に支持機構の負担が軽減され寿命が延
びる。 （２）電気的時定数が小さいため、高速応答する用途に
向いている。 （３）高速運転時の電機子鉄損が小さく、高速運転する
用途に高効率のものが実現できる。 などを併せ持つ電動機を提供する上で、電機子に巻回す
るコイルを集中巻きすることができるので、巻線作業が
容易になって生産性が向上し、同時に、従来のコイルエ
ンドが排除されてコイルの銅損が低減し、電動機の効率
を向上する効果がある。ポールシューのないティースを
有する電動機においては巻線作業が一層容易である。ま
た、コイルの形状がシンプルで巻線作業が容易であるた
め、コイルの設置精度が向上してコイルの位置ずれによ
るトルクリップル或いは推力リップルを低減する効果が
ある。

【０００１３】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の回転形電動機の断面図

【図２】コイルの巻線形態図

【図３】第２実施例の回転形電動機の断面図

【図４】第４実施例の直線形電動機の要部断面図

【図５】従来の電動機の正断面図

【図６】従来の電動機のコイルの巻線形態図

【符号の説明】

１ 回転子 ２ 回転軸 ３ 回転子鉄心 ４１ 第１の永久磁石 ４２ 第２の永久磁石 ４４、４５ 永久磁石 ５、５１ 固定子 ６１、６３ 電機子鉄心 ６２ 環状鉄心 ６４ 平形鉄心 ７、７１ ティース ８、８１ コイル ９１ リング ９２ ポールシュー １１ 可動子 ２１ テーブル

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電機子鉄心と、該電機子鉄心の片側面に移
   動磁界の方向に等間隔で形成された複数のティースと、
   該ティースに巻回したコイルとからなる固定子と、前記
   ティースとエアギャップを介して対面する多極の永久磁
   石を固着した可動子とからなる永久磁石形同期電動機に
   おいて、前記ティースは前記電機子鉄心の幅の一部に形
   成され、前記コイルは前記電機子鉄心の幅いっぱいに巻
   かれたことを特徴とする永久磁石形同期電動機。
2. 【請求項２】電機子鉄心に形成されたティースはストレ
   ートになっていることを特徴とする請求項１記載の永久
   磁石形同期電動機。
3. 【請求項３】電機子鉄心に形成されたティースは先端に
   ポールシューが形成されているとともに、ティースが挿
   入されていない部分のコイルに対面する可動子の永久磁
   石は前記ティース先端に対面する可動子の永久磁石より
   も厚く、同時に高くなっていることを特徴とする請求項
   １記載の永久磁石形同期電動機。
4. 【請求項４】電機子鉄心に形成されたティースは先端に
   ポールシューが形成されているとともに、厚みが一定で
   円筒状をした可動子の永久磁石の表面のうち、前記ティ
   ースが挿入されていない部分のコイルに対面する部分に
   は、磁極に一致して磁性体のポールシューが固着された
   ことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期電動
   機。
5. 【請求項５】エアギャップが円筒状をなし、回転形の電
   動機であることを特徴とする請求項１ないし４記載の永
   久磁石形同期電動機。
6. 【請求項６】エアギャップが平面状をなし、直線形の電
   動機であることを特徴とする請求項１ないし４記載の永
   久磁石形同期電動機。 【０００１】