JP2003180060A - 環状ステータを備えた永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率を達成できかつ始動性のよい永久磁石
電動機を提供する。 【解決手段】 永久磁石電動機は、環状磁性体のステー
タリング２２と、その外周に沿って等間隔で配設された
ステータ突極２４とを備えたステータ２０と、前記ステ
ータリング２２の内周側に対向して等ピッチで設けられ
た４組の永久磁石１２ａを有し、それらの永久磁石１２
ａが前記ステータリング２２の内周に沿って回動自在に
支持されているロータ１０とを有する。励磁制御装置３
０によって、前記ステータ突極２４の励磁コイル２４ｂ
にあらかじめ定められた順序、タイミング及び励磁極性
に基づいて励磁電流を供給することにより、ロータ１０
は同期駆動される。前記励磁コイル２４ｂが励磁されて
いない状態では、前記永久磁石１２ａを備えたロータ１
０は前記ステータリング２２の内周側に沿ってほぼ無負
荷で回動自在とされており、始動性が良好である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、永久磁石を利用
した電動機に係わり、特に始動性に優れ高効率を達成す
ることができる永久磁石電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気エネルギーを機械的な出力、
例えばトルクとして取り出せるようにした変換システム
として、種々の電動機が開発されてきた。それら従来の
電動機にあっては、ステータ、ロータのいずれか又は両
方に電磁石が用いられており、それらの電磁石によって
回転磁界を生成してロータを追従させるもの（例えば誘
導電動機）、あるいは、永久磁石ステータの磁界中に極
性反転制御を可能として設けられたロータを回転自在に
配設し、ロータとステータとの間の磁束の相互作用によ
って回転力を得るもの（例えば一般的な直流電動機）な
どがある。

【０００３】このような在来の電動機については、永久
磁石から発生する磁束を利用してエネルギー変換効率を
高めようとする試みが種々なされてきた。発明者らは、
特に永久磁石が発生する磁束の分布を適切に制御するこ
とによって、出力トルクに抗して作用する磁気力を可及
的に低減し、これによる出力トルクの増大、電磁エネル
ギーから力学的エネルギーへの変換効率向上を達成すべ
く、さまざまな構成を有するトルク発生装置を試作開発
してきた。例えば、本願発明者らによる特開平７−７９
０７号公報は、回転子に永久磁石を付加することによっ
て、エネルギー変換効率を高めることができる動力発生
装置を提案している。本願発明者らが開発、提案してき
たこれらの動力発生装置では、回転子に付加された永久
磁石と固定子電磁石との間に磁性部材が介在するように
構成し、励磁された一の固定子電磁石と永久磁石との間
に存在する磁束が磁性部材内で両者を結ぶ線上付近に可
及的に収束するように計画されている。これによって、
回転子の回転方向後方にある非励磁電磁石から受ける吸
引力によって回転子が引き戻される方向に作用する力、
いわば従来必然のごとく看過されてきた現象を防ぐこと
を意図したためである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、種々の
試作機を製作してエネルギー変換効率、発生トルク等の
性能を検証したところ、回転子の永久磁石に付加する磁
性部材の寸法や固定子電磁石の構造によっては、磁性部
材内で予期したほどの磁束域が期待できず、十分な効率
の向上が図れない場合があることが判明した。また、回
転子に永久磁石を組み込んであるために、いずれの固定
子電磁石にも通電されていない状態では各永久磁石と近
接している特定の固定子電磁石との間に吸引力が作用し
ていわば回転子が強固にロックされた状態となってお
り、始動が困難となることがあるという問題点も確認さ
れた。

【０００５】この発明は上記のような開発過程において
見出された問題点を解消するためになされたもので、そ
の目的は、永久磁石が持つ磁気エネルギーを有効に利用
して高効率高トルクを得られるとともに、始動性にも優
れた永久磁石電動機を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願発明に係わる永久磁石電動機は、環状に連設
された磁性体と、その磁性体の外周に沿って配設された
複数の励磁手段とを備えたステータと、少なくとも一の
着磁部が前記ステータの環状磁性体の内周側に面して、
その環状磁性体の内周に沿って回動自在に設けられてい
るロータと、前記ステータの励磁手段にあらかじめ定め
られた順序、タイミング及び励磁極性に基づいて励磁電
流を供給する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁手段
が励磁されていない状態では、前記永久磁石を備えたロ
ータは前記ステータの内周側に沿ってほぼ無負荷で回動
自在とされており、前記励磁手段を前記励磁電流制御手
段によって励磁すると、前記ロータの各永久磁石は異な
る磁性に磁化された各励磁手段から発生する磁束によっ
て吸引されて励磁手段の磁極の移動方向に追従して同期
駆動されることを特徴とする。

【０００７】前記環状磁性体には、相隣り合う励磁手段
同士のほぼ中間付近にその環状磁性体の断面積が縮小さ
れた縮径部を設けることが好ましい。

【０００８】また、前記ロータの着磁部と前記ステータ
の環状磁性体との間には磁性部材が介設されていること
が好ましい。

【０００９】上記の構成を備えた本発明に係る永久磁石
電動機は、前記ステータに設けられた励磁手段がいずれ
も励磁されていない状態では、ロータの永久磁石とステ
ータの環状磁性体との間に作用する磁気吸引力がバラン
スしており、ロータはほとんど負荷をかけることなく回
動させることができる。

【００１０】そして、前記ステータの励磁手段が励磁電
流制御手段によって励磁されると、ロータに設けられて
いる各永久磁石は近接する異極性に励磁されたステータ
の励磁手段に吸引されるので、励磁される励磁手段を順
次所定の順序、タイミング及び励磁極性となるように切
り換えていくことにより、ロータに回転力が付与され
る。

【００１１】前記環状磁性体の相隣り合う励磁手段同士
のほぼ中間付近に断面積が縮小された縮径部を設けれ
ば、一つの励磁された励磁手段から他の異極性の励磁手
段へと回磁する磁束が低減される。

【００１２】前記ロータの着磁部と前記ステータの環状
磁性体との間に磁性部材を介設すれば、着磁部からの磁
束が磁性部材内でその着磁部と近接する異極性の励磁手
段とを結ぶように収束する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。図１〜図４
は、本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の概略
構成を示す正面図である。なお、これらの図において
は、本装置の基本的な構成と作用とを明瞭にするため、
装置のハウジングやフレームなど、本発明の説明に関し
て本質的でないと思われる部分については図示を省略し
た。

【００１４】図１に示すように、本実施形態の永久磁石
電動機は、複数のロータ突極１２，１２，……を備えた
ロータ１０と、複数のステータ突極２４，２４，……を
備えたリング状のステータ２０とを有する。

【００１５】ロータ１０は、略円柱状に形成されたロー
タハブ１４の外周に沿って等間隔に径方向外方に向けて
突設された複数のロータ突極１２を有する。ここでは、
ロータ突極１２は４極であり、ロータハブ１４の周囲に
９０゜ピッチで固設されている。ロータハブ１４は、例
えば鉄等の磁性材料を用いて一体的に形成すればよい。
その際、そのような磁性材料によって形成された同一形
状の薄板を積層して用いれば、ロータハブ１４内部での
渦電流発生を抑制することができるので、本装置が動作
中にロータハブ１４内に渦電流が生じることによる損失
を低減することができる。

【００１６】ロータ突極１２，１２，……は、それぞれ
着磁部を構成する永久磁石１２ａと磁性体ヘッド１２ｂ
とからなる。永久磁石１２ａは略直方体状の形状とされ
ており、ロータハブ１４の外周側面で相隣接しているロ
ータ突極１２，１２，……のロータ径方向端部が互いに
反対極性の磁極となるように配置され固設されている。
すなわち、各ロータ突極１２に設けられる各永久磁石１
２ａは、隣り合う突極１２のロータ径方向外方端部に互
いに異なる磁極が現れるように配置され固設されてい
る。

【００１７】各ロータ突極１２の先端部には、後述する
ステータリング２２の内周形状に合わせて略弧状に形成
された磁性体ヘッド１２ｂが、そのステータリング２２
と永久磁石１２ａとの間に介挿されるように固設されて
いる。なお、この磁性体ヘッド１２ｂの形状は、本実施
形態にある略弧状に限られることなく、試作試験等を通
じて適宜の形状寸法としてよい。この磁性体ヘッド１２
ｂ内では永久磁石１２ａからの磁束が近接した異極性の
ステータ突極２４（後述）との間を結ぶように収束する
から、他のステータ突極２４との間でロータ１０の回転
を妨げるような磁気的相互作用が生ずるのを低減する効
果が得られる。なお、磁性体ヘッド１２ｂを省略して、
各永久磁石１２ａがステータリング２２と対向するよう
に構成してもさしつかえない。

【００１８】ロータハブ１４の中心部には、ロータ軸１
６が挿通固定されている。このロータ軸１６は、その両
端部が図示を省略する軸受によって回動自在に支持され
ている。すなわち、ロータハブ１４の外周縁に沿って等
ピッチで配設されたロータ突極１２の先端に設けられた
磁性体ヘッド１２ｂとステータリング２２との間には一
定のエアギャップが保持されつつステータリング２２の
内周に沿って回動自在とされている。

【００１９】ステータ２０は、環状に形成された磁性体
からなるステータリング２２と、その外周に沿って等間
隔で径方向外方へ突設された励磁手段である複数のステ
ータ突極２４とを備える。この実施形態では、８組のス
テータ突極２４が４５゜ピッチで配設されており、前記
した４組のロータ突極１２のいずれかがステータ突極２
４と対向すれば、他のロータ突極１２もそれぞれ他のス
テータ突極２４と対向するようにしている。このような
構成は、各ステータ突極２４からの磁気力を各ロータ突
極１２で有効に利用するのに役立つが、これについては
作用の項で詳述する。

【００２０】各ステータ突極２４は、ステータリング２
２から径方向外方に８ヶ所突設されているコア２４ａと
その周囲に巻回されている励磁コイル２４ｂとを有して
いる。それぞれのコイル２４ｂは、後述する励磁制御装
置３０（励磁電流制御手段）の出力に電気的に接続され
ている。また、各ステータ突極２４のステータ２０外方
側端部は、ステータ突極２４の一方の磁極からの磁束が
流入する磁路を構成する環状のヨーク２６によって接続
されている。

【００２１】励磁制御装置３０は、前記それぞれのステ
ータ突極２４のコイル２４ｂに供給される励磁電流の向
きとそのオンオフ切換タイミングを制御するための電流
スイッチング装置であり、一般に、トランジスタ、サイ
リスタ等の電流スイッチング素子と、それらのスイッチ
ング素子のオンオフを制御するための制御回路とから構
成されている。本発明に係る永久磁石電動機は、基本的
にはステータ突極２４の励磁制御にロータ１０が同期駆
動されるため、駆動制御の面からはオープンループ構成
としてさしつかえない。ただし、ロータ１０の回転角度
を検出するために、例えば所定の切欠き形状を備えた遮
光板（図示省略）と組合せた光センサやロータリエンコ
ーダのような、既存の種々のセンサを適宜用いてロータ
１０の速度制御を行うことができる。その場合、回転セ
ンサの出力信号は、前記励磁制御装置３０の制御回路に
入力され、ロータ１０の回転角度に応じて前記電流スイ
ッチング素子のオンオフを制御するためのトリガ信号と
して使用される。

【００２２】次に、図１〜図４を参照して、上記の構成
を有する本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の
作用を説明する。まず、図１は、ステータ突極２４のコ
イル２４ｂのいずれにも励磁電流が供給されておらず、
いずれのステータ突極２４も励磁されていない状態、い
わば電源オフの状態を示している。この状態では、ロー
タ１０が備えているそれぞれのロータ突極１２の永久磁
石１２ａは、磁性体ヘッド１２ｂを介してステータリン
グ２２との間に磁気吸引力を及ぼしている。したがっ
て、各ロータ突極１２はその径方向外方へ向けて吸引力
が作用しているのみで、ロータ１０の中心に挿通されて
いるロータ軸１６についてみると、各ロータ突極１２に
作用する外方への吸引力は実質的にバランスがとれてい
る。また、このような一種の磁気力の平衡状態は、ステ
ータリング２２内に分布する磁力線がロータ１０の中心
に関してほぼ対称となっていることに起因しており、こ
の状態はロータ１０を軸１６の回りに回動させたとして
も変化しないから、各ロータ突極１２についてみると、
ステータリング２２との間で吸引力が作用しているにも
かかわらず、ロータ１０全体としてはほとんど負荷を作
用させることなく回動させることができるのである。上
記の状態を定性的な磁束分布として同じく図１に「細か
いドットの集合」で示している。図示のように、各ロー
タ突極１２に配設されている永久磁石１２ａのＮ極から
磁性体ヘッド１２ｂを通じて対向する磁性体ステータリ
ング２２に磁束が流れ込み、さらに隣り合う異極のロー
タ突極１２のＳ極に流入する。

【００２３】このような本実施形態に係る永久磁石電動
機の性質は、特定のステータ突極２４を励磁したときに
即座にロータ１０が追従するという始動性の良さにつな
がっている。いま、比較例として、同様のロータ構成を
備えながら各ステータ突極２４が互いに離隔して設けら
れている電動機の構成及び作用を図７、図８に示す。こ
のような構成によれば、各ロータ突極１２の永久磁石１
２ａは対向する各ステータ突極２４と吸引力を及ぼしあ
うが、周方向に隣接配置されているステータ突極２４と
の間にはエアギャップが存在するために、磁束が回磁し
ない。したがって、前記した本実施形態の場合とは異な
り、いずれのステータ突極２４も励磁されないオフ状態
であっても磁力線の平衡状態が生ずることはなく、ロー
タ突極１２は対向するステータ突極２４と吸引し合った
状態を保持しようとする。

【００２４】図８は、ロータ１０を時計方向に回転駆動
すべく、回転方向前方に位置するステータ突極２４を異
極性に励磁した状態を示している。この状態において
も、各ロータ突極１２は回転方向前方の異極性のステー
タ突極２４から磁気吸引力を受けると同時に、対向する
非励磁のステータ突極２４との間にも依然として磁気吸
引力が作用している。高トルクを得ようとする場合に
は、ロータ突極１２に備える永久磁石１２ａの磁力を大
きくするが、そうなると各ロータ突極１２と対向するス
テータ突極２４との間に作用する吸引力はますます大き
くなり、電源オフ状態ではロータがステータに対して磁
気吸引力によってロックされたような状態となってしま
い、隣接するステータ突極２４を励磁しても始動が困難
であった。本発明では、このような始動に関する従来の
困難性をほぼ解消することができたのである。

【００２５】次に、図２は、本実施形態に係る電動機を
起動すべく、所定のステータ突極２４のコイル２４ｂを
励磁した起動初期状態を示している。前記のとおり、こ
の実施形態の電動機では、ステータ２０の突極２４が８
組、ロータ１０側の突極１２が４組、それぞれ等ピッチ
で設けられているので、図示のとおり、ステータ突極２
４は１個おきにロータ１０の突極１２と向かい合うこと
になる。

【００２６】いま、それぞれのステータ突極２４を識別
するために、各ステータ突極２４に図示のとおりＳ１〜
Ｓ８の符号を付けることにする。起動初期状態において
は、Ｓ１からＳ８までのステータ突極２４のコイル２４
ｂのうち、Ｓ１およびＳ５をＳ極に、Ｓ３およびＳ７を
Ｎ極に励磁するように電流を供給している。前記のよう
に、このときの各コイル２４ｂに供給される励磁電流
は、励磁制御装置３０によって制御される。このように
ステータ突極２４を励磁すると、突極Ｓ１およびＳ５は
ロータ１０のＮ極を吸引し、突極Ｓ３およびＳ７はロー
タ１０のＳ極を吸引する。そして、ロータ１０はこの磁
気吸引力によって図示のように時計方向に回転し始め
る。

【００２７】次に、ロータ軸１６に固設されているロー
タ１０が時計回りにステータ突極２４の配設ピッチの１
／２程度回転すると、図３に示す状態になる。ロータ１
０の突極１２は、それぞれ回転方向前方に位置するステ
ータの励磁突極Ｓ１，Ｓ５およびＳ３，Ｓ７と、それぞ
れの回転方向後方に位置する非励磁突極Ｓ８，Ｓ４およ
びＳ２，Ｓ６との中間付近にきており、引き続き時計回
り前方に位置する異なる磁極に磁化された励磁突極Ｓ
１，Ｓ５およびＳ３，Ｓ７に吸引されて回転し続ける。

【００２８】ロータ１０が、図３の状態からさらに１／
２ピッチ程度時計方向に回転すると、図４の状態とな
る。このとき、ロータ１０のそれぞれの突極１２は、励
磁されたステータ突極Ｓ１，Ｓ５，Ｓ３，Ｓ７にほぼ対
向する位置に達している。この状態では、図示のとお
り、各ロータ突極１０と励磁されたステータ突極Ｓ１，
Ｓ５，Ｓ３，Ｓ７との間に働く磁気吸引力はロータ１０
の半径方向に作用しており、もはやロータ１０を回転さ
せるための駆動力として有効に機能しない。そこで、こ
こまで励磁されていたステータ突極Ｓ１，Ｓ５，Ｓ３，
Ｓ７の各コイル２４ｂへの通電を遮断し、それらのロー
タ回転方向前方にそれぞれ位置している非励磁状態のス
テータ突極Ｓ２，Ｓ６，Ｓ４，Ｓ８のコイル２４ｂに励
磁電流を供給してこれらを励磁する。これにより、ロー
タ１０は、図５に示される状態となる。これは、前記図
２に図示されているロータ１０を時計方向に４５゜ずら
した状態に相当し、ロータ１０の各突極１２には、それ
ぞれの時計方向前方に位置する新たに異極性に励磁され
たステータ突極Ｓ２，Ｓ６，Ｓ４，Ｓ８との間に作用す
る磁気吸引力によって再び回転駆動力が付与され、ロー
タ１０は時計方向の回転を持続することができる。

【００２９】なお、ロータ１０の回転速度制御を行う場
合には、各ステータ突極２４のコイル２４ｂへの励磁電
流を切換えるタイミングは、ステータ２０の極数（ステ
ータ２０に設けられているステータ突極２４の数）ｎに
よって定まり、（３６０／ｎ）゜毎に切り替える必要が
ある。したがって、この実施形態にあってはステータ２
０の極数ｎ＝８であるから、下記の表１に示すように、
（３６０／８）＝４５゜毎に励磁されるステータ突極２
４を時計方向に切り換えていくことになる。ただし、こ
の励磁するステータ突極２４を切り換えていく方向は、
所望のロータ回転方向にしたがって定めればよい。

【００３０】

【表１】 また、上記説明の中では、ロータ１０のそれぞれの突極
１２が異極に励磁されたステータ突極２４とほぼ対向し
たときに励磁を切り換えるものとしたが、より厳密に
は、異極性に励磁されているステータ突極２４に各ロー
タ突極１２が接近していく際の磁束分布の変化を有限要
素法を用いて逐次解析するなどの手法を採用したり、ス
テータ突極２４の励磁切換タイミングをパラメータとし
て出力特性を測定比較したりすることによって、出力ト
ルクの増大やエネルギー変換効率の向上だけでなく、ト
ルク変動抑制等の他の要素を加味して最適な励磁電流切
換タイミングを見出すことが可能である。そして、ロー
タ１０の回転角を検出する前記回転センサの出力信号が
その最適化条件を満たすように、センサの設定条件を調
整すればよいのである。

【００３１】次に、図５、図６を参照して本願に係る発
明の他の実施形態について説明する。これらはいずれも
前記第１の実施形態に係る電動機とステータ２０の構成
が異なるものである。まず、図５に示す電動機では、隣
り合うステータ突極２４の径方向内側端部をそれぞれ周
方向に延出させることによって図示の破線の部分で突き
合わせて密接させ、それによって一体構造のリングステ
ータ２２を形成している。前記実施形態で説明したリン
グステータ２２は一体構造として当初から形成してある
場合を示したが、設計製造上の都合により、いずれの構
造を採用しても同様な作用効果を奏するものである。

【００３２】また、図６はリングステータ２２の相隣り
合うステータ突極２４同士の中間付近にリングステータ
２２の断面積を減少させた縮径部２２ａを設けた構成を
示している。このような縮径部２２ａを設けると、リン
グステータ２２内に形成される磁気回路にとって抵抗と
なるため、一つの励磁されたステータ突極２４から他の
異極性のステータ突極２４へと回磁する磁束が低減され
る。したがって、励磁された各ステータ突極２４が発生
する磁束がロータ突極１２を吸引する磁気力により有効
に変換されることとなる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、上記の構成
を備えた本発明に係る永久磁石電動機によれば、ステー
タに設けられた励磁手段がいずれも励磁されていない状
態では、ロータの永久磁石とステータの環状磁性体との
間に作用する磁気吸引力がバランスしており、ロータは
ほとんど負荷をかけることなく回動させることができる
ので始動性が良好である。

【００３４】そして、前記ステータの励磁手段が励磁電
流制御手段によって励磁されると、ロータに設けられて
いる各永久磁石は近接する異極性に励磁されたステータ
の励磁手段に吸引される。これにより、励磁される励磁
手段を順次所定の順序、タイミング及び励磁極性となる
ように切り換えていくことにより、ロータに回転力が付
与され、高トルクを高効率で取出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の
構成を示す図である。

【図２】本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の
作用を示す図その１である。

【図３】本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の
作用を示す図その２である。

【図４】本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の
作用を示す図その３である。

【図５】本発明の他の実施形態に係わる永久磁石電動機
の構成を示す図である。

【図６】本発明のさらに他の実施形態に係わる永久磁石
電動機の構成を示す図である。

【図７】従来例に係わる永久磁石電動機の構成及び作用
を示す図その１である。

【図８】従来例に係わる永久磁石電動機の構成及び作用
を示す図その２である。

【符号の説明】

１０ ロータ １２ ロータ突極 １２ａ 永久磁石 １２ｂ 磁性体ヘッド １４ ロータハブ １６ ロータ軸 ２０ ステータ ２２ ステータリング（環状磁性体） ２４ ステータ突極 ２４ａ コア ２４ｂ コイル ２６ ヨーク ３０ 励磁制御装置（励磁電流制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河合 輝男 東京都大田区西蒲田７−４−３−905 Ｆターム(参考） 5H002 AA01 AA09 AB06 AE07 AE08 5H560 BB03 BB17 DA06 DB04 RR10 5H621 AA01 BB07 GA01 GA04 GA16 HH08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環状に連設された磁性体と、その磁性体
   の外周に沿って配設された複数の励磁手段とを備えたス
   テータと、 少なくとも一の着磁部が前記ステータの環状磁性体の内
   周側に面して、その環状磁性体の内周に沿って回動自在
   に設けられているロータと、 前記ステータの励磁手段にあらかじめ定められた順序、
   タイミング及び励磁極性に基づいて励磁電流を供給する
   励磁電流制御手段とを備え、 前記励磁手段が励磁されていない状態では、前記永久磁
   石を備えたロータは前記ステータの内周側に沿ってほぼ
   無負荷で回動自在とされており、 前記励磁手段を前記励磁電流制御手段によって励磁する
   と、前記ロータの各永久磁石は異なる磁性に磁化された
   各励磁手段から発生する磁束によって吸引されて励磁手
   段の磁極の移動方向に追従して同期駆動されることを特
   徴とする環状ステータを備えた永久磁石電動機。
2. 【請求項２】 前記環状磁性体には、相隣り合う励磁手
   段同士のほぼ中間付近にその環状磁性体の断面積が縮小
   された縮径部が設けられていることを特徴とする請求項
   １に記載の永久磁石電動機。
3. 【請求項３】 前記ロータの着磁部と前記ステータの環
   状磁性体との間に磁性部材が介設されていることを特徴
   とする請求項１に記載の永久磁石電動機。