JP2006262656A - Electric motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コアレス型あるいはスロットレス型の電動機に関する。 The present invention relates to a coreless type or slotless type electric motor.
従来の直動電動機には、環状の電機子コイルの複数個を互いに重複しないように順次走行方向に沿って隣接配列したコアレス型の電機子電機子コイル群からなる固定子と、矩形状の複数個の永久磁石を互いに隣り合う磁極同士が異極となるように配列してなる可動子とを備え、固定子と可動子とを磁気的空隙を介して上記電機子コイルと永久磁石とが互いに対向するように配置し、固定子の各電機子コイルに順次時間差をもつように通電制御することにより、可動子を上記電機子コイルおよび永久磁石の配列方向に沿って直線的に移動させるようにした構成のものがある。 A conventional linear motor includes a stator composed of a coreless armature armature coil group in which a plurality of annular armature coils are successively arranged along the traveling direction so as not to overlap each other, and a plurality of rectangular armature coils. A movable element in which magnetic poles adjacent to each other are arranged in different polarities, and the armature coil and the permanent magnet are connected to each other via a magnetic gap. The armatures are arranged so as to face each other and the armature coils of the stator are controlled to be energized sequentially so that there is a time difference, so that the mover moves linearly along the arrangement direction of the armature coils and permanent magnets. There is a thing of the structure.
この場合、従来技術では、可動子が移動する方向と直交する方向における永久磁石の長さWMAGと電機子コイルの長さLとは同じ長さになるように、つまりWMAG=Lとなるように設定されている(例えば、特許文献1参照)。 In this case, in the prior art, the length W MAG of the permanent magnet and the length L of the armature coil in the direction orthogonal to the direction in which the mover moves are equal to each other, that is, W MAG = L. (For example, refer to Patent Document 1).
このように、従来技術では、可動子が移動する方向と直交する方向における永久磁石の長さWMAGと電機子コイルの長さLとは同じ長さになるように(WMAG=L)設定されており、電機子コイルと磁束との鎖交割合を示す有効鎖交率や、電機子コイルに流れる電機子電流によるトルクあるいは推力への変換効率について十分に考慮されていない。したがって、有効鎖交率やトルクあるいは推力への変換効率の観点から見ると、効率の悪い範囲にも永久磁石が無駄に配置されており、このため、高価な永久磁石を多く使用している割には所望の電動機出力が得られず、逆に、同じ電動機出力を得る場合にはコスト高になるという課題がある。 Thus, in the prior art, the length W MAG of the permanent magnet and the length L of the armature coil in the direction orthogonal to the direction in which the mover moves are set to be the same length (W MAG = L). Therefore, the effective linkage ratio indicating the linkage ratio between the armature coil and the magnetic flux, and the conversion efficiency to the torque or thrust due to the armature current flowing through the armature coil are not sufficiently considered. Therefore, from the viewpoint of the effective linkage rate and the efficiency of conversion to torque or thrust, permanent magnets are disposed wastefully even in a low efficiency range. For this reason, a lot of expensive permanent magnets are used. However, there is a problem that the desired motor output cannot be obtained, and conversely, when the same motor output is obtained, the cost increases.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、所望の電動機出力を維持しつつも、高価な永久磁石の無駄な使用を極力削減してコストダウンを図ることが可能なコアレス型あるいはスロットレス型の電動機を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a coreless type capable of reducing cost by reducing unnecessary use of expensive permanent magnets while maintaining a desired motor output. Another object is to provide a slotless type electric motor.
上記の目的を達成するために、本発明は、電機子側ユニットと界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットは、環状の電機子コイルの複数個が順次配列されてなり、また、上記界磁側ユニットは、界磁鉄心上に方形状の複数個の永久磁石が隣り合う磁極同士が互いに異極となるように配列されてなり、上記電機子側ユニットと界磁側ユニットとは、磁気的空隙を介して上記電機子コイルと永久磁石とが互いに対向するように配置され、上記電機子側ユニットおよび界磁側ユニットのいずれか一方が上記電機子コイルおよび永久磁石の配列方向に沿って相対的移動するように構成されている電動機において、次の構成を採用している。 In order to achieve the above object, the present invention includes an armature unit and a field unit, and the armature unit includes a plurality of annular armature coils arranged in sequence. The field side unit is formed by arranging a plurality of rectangular permanent magnets on a field iron core so that adjacent magnetic poles are different from each other, and the armature side unit and the field side unit Is arranged so that the armature coil and the permanent magnet face each other with a magnetic gap therebetween, and either the armature side unit or the field side unit is arranged in the arrangement direction of the armature coil and the permanent magnet. The following configuration is adopted in the motor configured to move relative to the motor.
すなわち、本発明に係る電動機は、上記電機子コイルと永久磁石とが相対移動する方向と直交する方向に沿う上記電機子コイルの両側の直線状をしたストレート部の長さをLS、これらの各ストレート部間を結ぶ略円弧状をしたコイルエンド部におけるコイル外周側の半径をR2、上記永久磁石と電機子コイルとが相対移動する方向と直交する方向に沿って延びる永久磁石の長さをWMAGとした場合、当該永久磁石の長さWMAGが、
LS≦WMAG≦LS+7R2/4
の関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
That is, in the electric motor according to the present invention, the length of the straight straight portion on both sides of the armature coil along the direction orthogonal to the direction in which the armature coil and the permanent magnet move relative to each other is expressed as L S. The radius of the coil outer periphery side of the substantially arc-shaped coil end portion connecting the straight portions is R 2 , and the length of the permanent magnet extending along the direction perpendicular to the direction in which the permanent magnet and the armature coil move relative to each other. If the set to W MAG, the length W MAG of the permanent magnet,
L S ≦ W MAG ≦ L S +
It is characterized by being set to satisfy the relationship.
本発明によれば、永久磁石に基づく磁束が電機子コイルに対して実質的に有効に鎖交する領域にだけに永久磁石を配置するため、従来に比べて永久磁石の無駄な使用を削減することができ、高価な永久磁石が削減された分だけコストダウンを図ることができる。しかも、電機子コイルに鎖交する磁束数は従来とほぼ同等となるので、従来と同等の電動機出力を維持することができる。 According to the present invention, since the permanent magnet is disposed only in the region where the magnetic flux based on the permanent magnet is substantially effectively linked to the armature coil, the useless use of the permanent magnet is reduced compared to the conventional case. The cost can be reduced by the amount of expensive permanent magnets reduced. In addition, since the number of magnetic fluxes linked to the armature coil is almost the same as the conventional one, the same motor output as the conventional one can be maintained.
特に、本発明を直動電動機に適用した場合には、永久磁石の使用量が削減された分だけ互いに向き合う永久磁石間の吸引力が低減するので、薄い界磁鉄心を用いても界磁側ユニットの所定の剛性が得られるようになり、小型化が可能となる。 In particular, when the present invention is applied to a direct acting motor, the attractive force between the permanent magnets facing each other is reduced by the amount of use of the permanent magnets, so even if a thin field core is used, the field side The predetermined rigidity of the unit can be obtained, and the size can be reduced.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1における回転電動機の断面図、図2は同回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotary electric motor according to
この実施の形態1の回転電動機は、電機子側ユニット1と、この電機子側ユニット1の内側に磁気的空隙2を介して配置された界磁側ユニット3とを備える。そして、この実施の形態1では、電機子側ユニット1が固定子、界磁側ユニット3が回転子として構成されている。なお、これとは逆に、電機子側ユニット1を回転子、界磁側ユニット3を固定子とした構成であってもよい。
The rotary electric motor according to the first embodiment includes an
電機子側ユニット1は、アルミやプラスチックなどの弱磁性材からなる円筒状の電機子固定台4と、この電機子固定台4の内周面の周方向に沿ってモールド樹脂などを用いて一体的に接合配列された複数の電機子コイル5とからなる。そして、この実施の形態1における各電機子コイル5は、電機子鉄心を用いずに、空芯、あるいは弱磁性材料からなる巻芯に巻回して構成された、いわゆるコアレス型のものである。
The
また、界磁側ユニット3は、シャフト7に軸支された界磁鉄心8と、この界磁鉄心8の外周面において周方向に沿って取り付けられた永久磁石9とからなる。そして、この場合の永久磁石9は、隣り合う磁極同士が互いに異極となるように着磁されている。したがって、電機子側ユニット1の電機子コイル5と界磁側ユニット3の永久磁石9とは、磁気的空隙2を介して互いに対向している。
The
ここで、電機子コイル5と永久磁石9とが相対移動する方向をX方向、このX方向と直交する方向をY方向と名付けた場合、上記の電機子コイル5は、Y方向に沿う左右両側の直線状をしたストレート部5aと、各ストレート部5a間を結ぶ上下の略円弧状をしたコイルエンド部5bとを有し、これら5a,5bによって全体が平面視でトラック状に形成されている。
Here, when the direction in which the armature coil 5 and the
そして、いま、ストレート部5aの長さをLS、コイルエンド部5bにおけるコイル外周側の半径をR2、Y方向に沿って延びる永久磁石9の長さをWMAGとすると、この実施の形態1では、永久磁石9の長さWMAGが、
LS≦WMAG≦LS+7R2/4 (1)
の関係を満たすように設定されている。
Now, let L S be the length of the
L S ≦ W MAG ≦ L S +
It is set to satisfy the relationship.
特には、上記永久磁石9の長さWMAGが、
LS≦WMAG≦LS+3R2/2 (2)
の関係を満たすように設定されることが一層望ましい。
In particular, the length W MAG of the
L S ≦ W MAG ≦ L S +
It is more desirable to set so as to satisfy this relationship.
なお、永久磁石9のX方向の幅W0は、電動機の要求特性に応じた電機子コイル数や磁極数によって自ずと規定されるので、本発明の対象ではない。
Note that the width W0 in the X direction of the
次に、式(1),(2)の条件を設定する理由について以下に説明する。
この実施の形態1では、電機子コイル5と磁束との実質的な鎖交割合を示す有効鎖交率に着目して(1),(2)の条件を満たす永久磁石9のY方向の適切な長さWMAGの設定を行う。そのために、まず、図3に示すように、電機子コイル5の片端側のコイルエンド部5bに着目して座標系を定める。すなわち、コイルエンド部5bが略円弧状に形成されるとき、その円の中心を原点Oにおき、原点Oを通るX方向の軸をx軸、原点Oを通りかつ電機子コイル5のトラック形状の平面と同じ平面上のY方向の軸をy軸とする。そして、x=0を基点として、コイルエンド部5bの内周側の半径をR1、外周側の半径をR2とする。また、y軸上のある位置yに対応するコイルエンド部5bの内周側のx座標をx1、外周側のx座標をx2とする。
Next, the reason for setting the conditions of the expressions (1) and (2) will be described below.
In the first embodiment, paying attention to the effective linkage ratio indicating the substantial linkage ratio between the
このx1およびx2の値によってコイルエンド部5bの位置yにおける局所的な鎖交磁束数が変化する。永久磁石9による磁束が電機子コイル5と鎖交する場合の有効鎖交率は一般に短節巻係数kPと称される。いま、コアレス型やスロットレス型の電動機を前提とし、かつ、コイルエンド部5bの内周側の位置および外周側の位置での各電気角をθ1およびθ2とすれば、短節巻係数kpは、次式(3)で与えられる。
kP=(cosθ1−cosθ2)/(θ2−θ1) (3)
なお、この式(3)は、電機子コイル5の中心に鉄心が存在する、いわゆるコアドモータには適用不可であり、コアレス型やスロットレス型の電動機に限って適用可能である。
Local flux linkage at position y of the x 1 and x
k P = (cos θ 1 −cos θ 2 ) / (θ 2 −θ 1 ) (3)
The expression (3) is not applicable to a so-called cored motor in which an iron core exists at the center of the
位置座標xを電気角へ変換する関数をξ(x)とすると、ある位置yにおける短節巻係数kP(y)は、次式(4)で表される。
kP(y)={cos(ξ(x1))−cos(ξ(x2))}/{ξ(x2)−ξ(x1)}
(4)
Assuming that a function for converting the position coordinate x into an electrical angle is ξ (x), the short-pitch coefficient k P (y) at a certain position y is expressed by the following equation (4).
k P (y) = {cos (ξ (x 1 )) − cos (ξ (x 2 ))} / {ξ (x 2 ) −ξ (x 1 )}
(4)
図4は、y=0の場合の短節巻係数kP(0)で規格化したkP(y)/kP(0)の値を、位置座標yとの関係で示した特性図である。なお、同図には、R1=R2/4とした場合、およびR1=2R2/4とした場合の2通りのグラフを示している。いずれのグラフにおいても、y≧3R2/4の領域においてkP(y)/kP(0)が急峻に低下している。これは、y≧3R2/4の領域に永久磁石9を配置しても磁束がほとんど電機子コイル5に鎖交しないということを示している。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the value of k P (y) / k P (0) normalized by the short-pitch coefficient k P (0) in the case of y = 0 in relation to the position coordinate y. is there. Incidentally, in the figure, shows a graph of two types of cases when the R 1 =
したがって、y≧3R2/4の領域にある永久磁石9を省略しても、y=R2に至るまで永久磁石9が存在する場合と比べて電機子コイル5と鎖交する磁束数には大差がない。つまり、電機子コイル5の片側のコイルエンド部5bに着目したとき、原点Oからy=3R2/4に至るまでの領域にだけ永久磁石9を設けた場合であっても、従来のように原点Oからy=R2に至るまで永久磁石9を設けた場合と比べて電機子コイル5と鎖交する磁束数は実質的に変わらない。
Thus, even if omitted
ゆえに、いま、このコアレス型の回転電動機を組み立てる際に永久磁石9と電機子コイル5とがY方向に沿って相対的に位置ずれを起こす場合を考慮すると、電機子コイル5と鎖交する磁束数が従来の場合と実質的に変わることなく永久磁石9の長さを短くするのに必要な上限は、永久磁石9のY方向の一端側をコイルエンド部5bのy=3R2/4に至るまでの長さとし、他端側をコイルエンド部5bのy=R2に至るまでの長さとしたときである。このときの永久磁石9の全長WMAGは、
WMAG=LS+3R2/4+R2=LS+7R2/4
となる。また、永久磁石9は、電機子コイル5のストレート部5aの長さLS分を最低限確保しておく必要があるので、これが長さWMAGの下限となる。したがって、永久磁石9の長さWMAGとしては、
LS≦WMAG≦LS+7R2/4
の関係、すなわち、前述の式(1)の条件を満たす必要がある。
Therefore, considering the case where the
W MAG = L S + 3R 2 /4 +
It becomes. Moreover, since it is necessary for the
L S ≦ W MAG ≦ L S +
In other words, it is necessary to satisfy the above condition, that is, the condition of the above-described expression (1).
また、永久磁石9と電機子コイル5とのY方向に沿う相対的な位置ずれを考慮する必要がなく、かつ、電機子コイル5と鎖交する磁束数を実質的に変えずに永久磁石9の長さを式(1)の場合よりもさらに短くするには、永久磁石9のY方向の両端をそれぞれ、コイルエンド部5bのy=3R2/4に至るまでの長さとしたときである。このとき、永久磁石9の全長WMAGは、
WMAG=LS+(3R2/4)×2=LS+3R2/2
となる。また、永久磁石9は、電機子コイル5のストレート部5aの長さLS分を最低限確保しておく必要があるので、結局、電機子コイル5に磁束が鎖交する率の高い領域にのみ永久磁石9を配置するのに必要な永久磁石9の長さWMAGは、
LS≦WMAG≦LS+3R2/2
の関係、すなわち、前述の式(2)の条件を満たす必要がある。
Further, there is no need to consider the relative displacement between the
W MAG = L S + (3R 2/4) × 2 = L S +
It becomes. In addition, since the
L S ≦ W MAG ≦ L S +
That is, it is necessary to satisfy the above condition, that is, the condition of the above-described formula (2).
このように、この実施の形態1では、従来のようにy=R2まで永久磁石9を配置した場合と同等の磁束数を、より少ない永久磁石9の使用量で確保することができる。このため、コアレス型の回転電動機を構成する材料の中でも特に高価な永久磁石9の使用量を削減できるので、コアレス型の回転電動機のコストダウンを図ることができる。特に、式(2)の条件を満たすようにすれば、電機子コイル5と鎖交する磁束数を実質的に変えずに永久磁石9の長さWMAGを(1)の条件の場合よりもさらに短くできるため、永久磁石9の使用量を一層削減することができる。
Thus, in the first embodiment, the number of magnetic fluxes equivalent to the case where the
実施の形態2.
図5は本発明の実施の形態2における回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
FIG. 5 is a plan view showing an armature coil and a permanent magnet constituting the rotary electric motor according to
この実施の形態2においても、回転電動機の基本的な構成は図1に示した実施の形態1と同じであるが、電機子コイル5と永久磁石9の寸法関係が実施の形態1の場合と異なっている。すなわち、上記の実施の形態1では、有効鎖交率に着目して永久磁石9の長さWMAGを設定しているが、この実施の形態2では、電機子コイル5に流れる電機子電流と永久磁石9の界磁磁束とによるトルクへの変換効率に着目して永久磁石9の長さWMAGを設定している。
Also in the second embodiment, the basic configuration of the rotary motor is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, but the dimensional relationship between the
いま、コイルエンド部5bのコイル内周側の半径をR1とした場合、永久磁石9の長さWMAGが、
LS≦WMAG≦LS+αR1+3R2/4 (5)
(ただし、α=1.1〜1.2)
の関係を満たすように設定されている。
Now, if the radius of the inner circumference side of the coil of the
L S ≦ W MAG ≦ L S +
(However, α = 1.1 to 1.2)
It is set to satisfy the relationship.
特には、
LS≦WMAG≦LS+2αR1 (6)
(ただし、α=1.1〜1.2)
の関係を満たすように設定されることが一層望ましい。
in particular,
L S ≦ W MAG ≦ L S + 2αR 1 (6)
(However, α = 1.1 to 1.2)
It is more desirable to set so as to satisfy this relationship.
次に、式(5),(6)の条件を設定する理由について以下に説明する。
この実施の形態2では、電機子電流と界磁磁束とによるトルクへの変換効率に着目して(5),(6)の条件を満たす永久磁石9の適切な長さWMAGの設定を行う。このコアレス型の回転電動機のトルクTは、次式(7)で与えられる。
T=PN・φMAG・kP・kD・kS・Γ (7)
ここに、PNは極対数、φMAGは永久磁石9に基づく磁束数、kDは分布巻係数、kSはスキュー係数、Γは電機子起磁力である。
本発明では、kD、kS、およびφMAGの値には依存しない。よって、以降、コイルエンド部5bにおけるΓを導出する。
Next, the reason for setting the conditions of equations (5) and (6) will be described below.
In the second embodiment, an appropriate length W MAG of the
T = P N · φ MAG · k P · k D · k S · Γ (7)
Here, P N is the number of pole pairs, φ MAG is the number of magnetic fluxes based on the
In the present invention, it does not depend on the values of k D , k S , and φ MAG . Therefore, Γ in the
フレミングの左手の法則により明らかなように、電機子コイル5を流れる電流の内、ベクトル分解したY方向の成分のみがトルクに変換される。電機子コイル5に流れる電機子電流をIとすると、座標(x,y)における電機子電流のY方向成分の絶対値Iyは、次の式(8)で与えられる。
As is apparent from Fleming's left-hand rule, only the component in the Y direction which is vector-decomposed among the current flowing through the
したがって、位置yにおけるIyの平均値は、次の式(9)で求められる。 Therefore, the average value of Iy at the position y is obtained by the following equation (9).
一方、位置yにおける電機子コイル5の巻数n(y)は次の式(10)のようになる。
On the other hand, the number of turns n (y) of the
すなわち、各電機子コイル5の現在の巻数をNとすると、0≦y≦R1の領域ではNである。位置yがR1より大きな領域では式(10)に示すように、yが増加してコイルエンド部5bの外周に近付くほど巻数Nが減少する。当然、y=R2となると巻数Nはゼロとなる。
That is, assuming that the current number of turns of each
よって、電機子コイル5の起磁力Γ(y)は、次の式(11)のようになる。
Therefore, the magnetomotive force Γ (y) of the
図6は、y=0の場合の起磁力Γ(0)で規格化したΓ(y)/Γ(0)の値を、位置座標yとの関係で示した特性図である。なお、同図には、R1=R2/4とした場合、およびR1=2R2/4とした場合の2通りのグラフを示している。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the value of Γ (y) / Γ (0) normalized by the magnetomotive force Γ (0) when y = 0 in relation to the position coordinate y. Incidentally, in the figure, shows a graph of two types of cases when the R 1 =
図6から分かるように、α=1.1〜1.2とすると、R1=R2/4としたグラフの場合にはy≧α・R2/4(=αR1)の領域、R1=2R2/4としたグラフの場合にはy≧α・2R2/4(=αR1)の領域において、Γ(y)/Γ(0)が急峻に低下している。つまり、いずれのグラフにおいても、y≧αR1の領域においてΓ(y)/Γ(0)が急峻に低下している。これは、y≧αR1の領域に永久磁石9を配置しても、電機子コイル5に流れる電流がほとんどトルクに変換されないことを示している。つまり、y≧αR1の領域に永久磁石9を配置しても、トルク変換効率が極度に悪いことを意味する。
As can be seen from FIG. 6, when the alpha = 1.1 to 1.2, the region of R 1 = R 2/4 y ≧ α · if the the graphs R 2/4 (= αR 1 ), R in the region of 1 = 2R 2/4 and when the graph is y ≧ α · 2R 2/4 (= αR 1), Γ (y) / Γ (0) is decreased sharply. That is, in any graph, Γ (y) / Γ (0) sharply decreases in the region of y ≧ αR 1 . This indicates that even if the
したがって、y≧αR1の領域に永久磁石9を配置しても、y=R2に至るまで永久磁石9を設けた場合と比べてトルクは大差がない。つまり、電機子コイル5の片側のコイルエンド部5bに着目したとき、y=αR1までの領域にのみ永久磁石9を設けた場合でも、従来のように、原点oからy=R2に至るまで永久磁石9を設けた場合と比べてトルクは実質的に変わらない。
Therefore, even if the
ゆえに、いま、このコアレス型の回転電動機を組み立てる際に永久磁石9と電機子コイル5とがY方向に沿って相対的に位置ずれを起こす場合を考慮すると、発生トルクが従来の場合と実質的に変わることなく永久磁石9の長さを短くするために必要な上限は、永久磁石9のY方向の一端側をコイルエンド部5bのy=αR1に至るまでの長さとし、他端側をコイルエンド部5bのy=3R2/4に至るまでの長さとしたときである。このときの永久磁石9の全長WMAGは、
WMAG=LS+αR1+3R2/4
となる。また、永久磁石9は、電機子コイル5のストレート部5aの長さLS分を最低限確保しておく必要があるので、これが長さWMAGの下限となる。したがって、永久磁石9の長さWMAGとしては、
LS≦WMAG≦LS+αR1+3R2/4
の関係、すなわち、前述の式(5)の条件を満たす必要がある。
Therefore, considering the case where the
W MAG = L S + αR 1 +
It becomes. Moreover, since it is necessary for the
L S ≦ W MAG ≦ L S +
In other words, it is necessary to satisfy the above condition, that is, the condition of the above-described expression (5).
また、永久磁石9と電機子コイル5とのY方向に沿う相対的な位置ずれを考慮する必要がなく、かつ、発生トルクを実質的に変えずに永久磁石9の長さを式(5)の場合よりもさらに短くするための上限は、永久磁石9のY方向の両端をそれぞれ、コイルエンド部5bのy=αR1に至るまでの長さとしたときである。このとき、永久磁石9の全長WMAGは、
WMAG=LS+αR1×2=LS+2αR1
となる。また、永久磁石9は、電機子コイル5のストレート部5aの長さLS分を最低限確保しておく必要があるので、結局、効率よくトルクに変換できる領域にのみ永久磁石9を配置するのに必要な永久磁石9の長さWMAGは、
LS≦WMAG≦LS+3αR1
の関係、すなわち、前述の式(6)の条件を満たす必要がある。
Further, it is not necessary to consider the relative displacement between the
W MAG = L S + αR 1 × 2 = L S + 2αR 1
It becomes. Further, since the
L S ≦ W MAG ≦ L S + 3αR 1
That is, it is necessary to satisfy the above condition, that is, the condition of the above-described formula (6).
図7は、永久磁石9のY方向の長さWMAGを変化させ、これに伴う永久磁石9の体積当たりのトルク変換への有効利用率を調べた結果を示す特性図である。この場合、横軸にはWMAG−LSの値をとり、また、縦軸の有効利用率として、電機子コイル5のストレート部5aのみに永久磁石9を配置した場合、すなわち(WMAG−LS=0)の場合の有効利用率を基準値=1.0としている。なお、ストレート部5aの長さLSの長短によっても有効利用率が幾分異なるため、LSの値が異なる3通りの電機子コイル5の場合を示している。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the results of examining the effective utilization rate for the torque conversion per volume of the
図7から分かるように、いずれのLSにおいても、WMAG−LSが(3R2/4+1.1R1)よりも小さい領域で有効利用率が0.9以上となっている。すなわち、式(5)で示された条件内であれが有効利用率が高い。逆に、WMAG−LSが(3R2/4+1.1R1)よりも大きくなって式(5)の条件から外れると有効利用率が低下し、永久磁石9の長さWMAGが電機子コイル5のY方向の長さと一致(WMAG−LS=2R2)したときに有効利用率は最低となる。
As can be seen from Figure 7, in any of the L S, W MAG -L S is (3R 2 /4+1.1R 1) effective utilization rate smaller area than has become 0.9 or more. That is, the effective utilization rate is high under the condition shown by the equation (5). Conversely, W MAG -L S is (3R 2 /4+1.1R 1) is larger than the reduced deviates from the condition when the effective utilization rate of the formula (5), the length W MAG of the
このように、この実施の形態2では、効率よくトルクに変換できる領域にのみ永久磁石9を配置するため、永久磁石9の体積あたりのトルク変換への有効利用率が大きい。これは、逆に言えば、同じトルクを発生させるのに必要な永久磁石9の体積は少なく済むことを意味するので、実施の形態1の場合よりも永久磁石9の使用量をさらに削減することができ、コアレス型の回転電動機のコストダウンを図ることができる。特に、式(6)の条件を満たすようにすれば、発生トルクを実質的に変えずに永久磁石9の長さを式(5)の条件の場合よりもさらに短くできるため、永久磁石9の使用量を一層削減することができる。
Thus, in this
実施の形態3.
図8はこの実施の形態3における回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
FIG. 8 is a plan view showing an armature coil and a permanent magnet constituting the rotary electric motor according to the third embodiment.
上記の実施の形態1,2では、電機子コイル5のY方向両端にあるコイルエンド部5bが半円弧状に形成されているが、この実施の形態3では、コイルエンド部5bの中央に直線状の部分5cが形成されている。
In the first and second embodiments, the
このような構成にあっては、コイルエンド部5bの直線状の部分5cは、フレミングの左手の法則によりトルクを発生しない。したがって、コイルエンド部5bの直線状の部分5cは極力短い方が好ましい。しかしながら、コイルエンド部5bの直線状の部分5cが存在していても、実施の形態1,2と同様に式(1),(2)、あるいは式(5),(6)の条件を満たすように永久磁石9の長さWMAGを設定すれば、永久磁石9を有効に利用できる領域にのみ配置できるため、安価なコストでコアレス型の回転電動機を構成することができる。
In such a configuration, the
実施の形態4.
この実施の形態4における回転電動機の基本的な構成は図1に示した実施の形態1と同じである。ただし、実施の形態1では、アルミやプラスチックなどの弱磁性材からなる円筒状の電機子固定台4の内周面に沿ってモールド樹脂などを用いて電機子コイル5を一体的に接合配列してコアレス型としているのに対して、この実施の形態4では、弱磁性材からなる電機子固定台4を用いる代わりに、強磁性材からなる円筒状の電機子鉄心を用い、この電機子鉄心の内周面に沿って、空芯もしくは弱磁性材料からなる巻芯に巻回した電機子コイル5を接合配列してスロットレス型の回転電動機を構成している。
The basic configuration of the rotary motor in the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. However, in the first embodiment, the armature coils 5 are integrally joined and arranged along the inner peripheral surface of the cylindrical
このような構成のスロットレス型の回転電動機にあっても、前述の式(3)に示した短節巻係数の式を適用することができる。したがって、この実施の形態4の場合も、実施の形態1〜3と同様に、式(1),(2)、あるいは式(5),(6)の条件を満たすように永久磁石9のY方向の長さWMAGを設定することにより、永久磁石9を有効に利用できる領域にのみ配置できる。このため、安価なコストでスロットレス型の回転電動機を得ることができる。
Even in the slotless type rotary electric motor having such a configuration, the expression of the short-pitch winding coefficient shown in the above-described expression (3) can be applied. Therefore, in the case of the fourth embodiment, as in the first to third embodiments, the Y of the
実施の形態5.
図9は本発明の実施の形態5における直動電動機を示す斜視図、図10は図9におけるA−A線に沿う断面図である。
FIG. 9 is a perspective view showing a direct acting motor according to
この実施の形態5の直動電動機は、電機子側ユニット1と、この電機子側ユニット1を上下で挟むように磁気的空隙2を介して配置された界磁側ユニット3とを備える。そして、この実施の形態5では、電機子側ユニット1よりも界磁側ユニット3の方が進行方向(X方向)の長さが長尺になるように形成して、電機子側ユニット1が可動子、界磁側ユニット3が固定子として構成されている。なお、これとは逆に、界磁側ユニット3よりも電機子側ユニット1の方が進行方向の長さが長尺になるように形成して、電機子側ユニット1を固定子、界磁側ユニット3を可動子とした構成であってもよい。
The direct acting motor according to the fifth embodiment includes an
電機子側ユニット1は、アルミやプラスチックなどの弱磁性材からなる電機子固定台4と、この電機子固定台4の進行方向(X方向)に沿ってモールド樹脂11などを用いて一体的に接合配列された複数の電機子コイル5とからなり、各電機子コイル5同士はリード線12により互いに結線されている。
The
そして、この実施の形態5の各電機子コイル5は、電機子鉄心を用いずに、空芯あるいは弱磁性材料からなる巻芯に巻回した、いわゆるコアレス型のものであって、図2に示したように、Y方向に沿う左右両側の直線状をしたストレート部5aと、各ストレート部5a間を結ぶ上下の略円弧状をしたコイルエンド部5bとによって全体が平面視でトラック状に形成されている。
And each
また、界磁側ユニット3は、断面コ字形の界磁鉄心8と、この界磁鉄心8の上下の互いの対向面においてX方向に沿って配列固定された多数の永久磁石9とからなる。そして、この場合の永久磁石9は、隣り合う磁極同士が互いに異極となるように着磁されている。したがって、電機子側ユニット1の電機子コイル5と界磁側ユニット3の永久磁石9とは磁気的空隙2を介して互いに対向している。
The
実施の形態1〜4に示した回転電動機の場合には、式(7)で示したトルクの式が適用できるが、この実施の形態5では直動電動機であるため、次の推力の式(12)とする必要がある。
T=(π/τ)・φMAG・kP・kD・kS・Γ (12)
ここに、πは円周率、τは隣り合う永久磁石9間の距離である。
In the case of the rotary electric motors shown in the first to fourth embodiments, the torque equation shown in the equation (7) can be applied. However, since the fifth embodiment is a direct acting motor, the following thrust equation ( 12).
T = (π / τ) · φ MAG · k P · k D · k S · Γ (12)
Here, π is the circumference ratio, and τ is the distance between adjacent
しかし、この実施の形態5の場合でも、式(8)〜式(11)に示した式に変更はない。したがって、実施の形態1〜4と同様に、式(1),(2)、あるいは式(5),(6)の条件を満たすように永久磁石9のY方向の長さWMAGを設定することにより、永久磁石9を推力として有効に利用できる領域にのみ配置できる。このため、安価なコストでコアレス型の直動電動機を得ることができる。
However, even in the case of the fifth embodiment, there is no change in the equations shown in the equations (8) to (11). Therefore, as in the first to fourth embodiments, the length W MAG in the Y direction of the
また、この実施の形態5の直動電動機の場合には、界磁側ユニット3を構成する断面コ字形の界磁鉄心8の上下の互いの対向面に永久磁石9が固定されているので、向かい合う永久磁石9同士が互いに吸引する力を生じる。このため、従来はこの吸引力に耐えて形状を保持するため、界磁鉄心8を分厚くして所定の剛性を得ている。
Further, in the case of the direct acting motor according to the fifth embodiment, since the
これに対して、この実施の形態5では、永久磁石9の使用量を削減できるので、これに伴って永久磁石9の吸引力も低減し、その結果、永久磁石9を支持する界磁鉄心8の厚さを薄くしても所定の剛性が得られる。このため、コアレス型の直動電動機を小型化することができる。
On the other hand, in the fifth embodiment, the amount of the
さらに、この実施の形態5のように、電機子側ユニット1を可動子、界磁側ユニット3を固定子とした場合、界磁側ユニット3には電機子側ユニット1が所定距離分を移動するだけの多くの永久磁石9を配置する必要があるため、特に永久磁石9の使用量の削減効果が大きい。
Further, when the
実施の形態6.
図11は本発明の実施の形態6における直動電動機を示す断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a direct acting motor according to
上記の実施の形態5の直動電動機は、電機子側ユニット1の電機子コイル5に電機子鉄心がないないコアレス型の直動電動機としたが、この実施の形態6では、電機子コイル5を厚さ方向に複数段(本例では2段)に分割し、各電機子コイル5の間に電機子鉄心13を挿入してスロットレス型の直動電動機が構成されている。
The direct acting motor of the fifth embodiment is a coreless direct acting motor in which the
このような構成のスロットレス型の回転電動機にあっても、前述の式(3)に示した短節巻係数の式を適用することができる。したがって、この実施の形態6の場合も、実施の形態5と同様に、式(1),(2)、あるいは式(5),(6)の条件を満たすように永久磁石9のY方向の長さWMAGを設定することにより、永久磁石9を推力として有効に利用できる領域にのみ配置することができる。このため、安価なコストでスロットレス型の直動電動機を得ることができる。しかも、永久磁石9を支持する界磁鉄心8の厚さを薄くしても所定の剛性が得られるため、スロットレス型の直動電動機を小型化することができる。
Even in the slotless type rotary electric motor having such a configuration, the expression of the short-pitch winding coefficient shown in the above-described expression (3) can be applied. Therefore, in the case of the sixth embodiment, similarly to the fifth embodiment, the
また、電機子側ユニット1を可動子、界磁側ユニット3を固定子とした場合、界磁側ユニット3には電機子側ユニット1が所定距離分を移動するだけの多くの永久磁石9を配置する必要があるため、特に永久磁石9の使用量の削減効果が大きい。
When the
上記の実施の形態1〜6に対して、さらに次のような変形例や応用例を考えることができる。 The following modifications and application examples can be further considered for the first to sixth embodiments.
上記の実施の形態1〜6では、電機子側ユニット1を構成する電機子コイル5、および界磁側ユニット3を構成する永久磁石9をY方向に沿って配置しているが、電機子側ユニット1を構成する電機子コイル5および界磁側ユニット3を構成する永久磁石9のいずれか一方、もしくは双方をY方向に対して所定角度だけ傾斜して配置した構成とすることもできる。このような構成とした場合、回転電動機ではトルクの脈動を小さくすることができ、また、直動電動機では推力の脈動を小さくすることができる利点がある。
In said Embodiment 1-6, although the
上記の実施の形態1〜6では、永久磁石9が磁気的空隙2と接しているが、永久磁石9をモールド樹脂やSUS材などの非磁性材料で覆った構成としてもよい。この構成によれば、高価な永久磁石9を保護できるという利点がある。
In the above first to sixth embodiments, the
上記の実施の形態1〜6では、永久磁石9が界磁鉄心8上に露出しているが、永久磁石9が界磁鉄心8の内部に埋め込まれた構成とすることもできる。この構成によれば、高価な永久磁石9を保護でき、かつ、弱め界磁制御を行うことによってリラクタンストルクまたはリラクタンス推力を得ることができ、大トルク化または大推力化を図ることができる。
In the first to sixth embodiments, the
上記の実施の形態1〜4では、界磁側ユニット3が電機子側ユニット1の内部にある場合を示したが、界磁側ユニット3が電機子側ユニット11の外部にある場合にも本発明を適用することができる。また、上記の実施の形態1〜6では3相モータの場合を示したが、これに限らず何相のモータでも本発明は適用できる。さらにまた、本発明は永久磁石9の磁極数と電機子コイル5の数の比によらず適用可能である。
In the above-described first to fourth embodiments, the case where the
1 電機子側ユニット、2 磁気的空隙、3 界磁側ユニット、4 電機子固定台、
5 電機子コイル、5a ストレート部、5b コイルエンド部、8 界磁鉄心、
9 永久磁石。
1 armature side unit, 2 magnetic gap, 3 field side unit, 4 armature fixing base,
5 armature coil, 5a straight part, 5b coil end part, 8 field iron core,
9 Permanent magnet.
Claims (6)
上記電機子コイルと永久磁石とが相対移動する方向と直交する方向に沿う上記電機子コイルの両側の直線状をしたストレート部の長さをLS、これらの各ストレート部間を結ぶ略円弧状をしたコイルエンド部における電機子コイル外周側の半径をR2、上記永久磁石と電機子コイルとが相対移動する方向と直交する方向に沿って延びる永久磁石の長さをWMAGとした場合、当該永久磁石の長さWMAGが、
LS≦WMAG≦LS+7R2/4
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする電動機。 An armature side unit and a field side unit, wherein the armature side unit is formed by sequentially arranging a plurality of annular armature coils, and the field side unit is disposed on the field iron core. A plurality of rectangular permanent magnets are arranged so that adjacent magnetic poles are different from each other, and the armature side unit and the field side unit are connected to the armature coil via a magnetic gap. The permanent magnets are arranged so as to face each other, and one of the armature side unit and the field side unit is configured to relatively move along the arrangement direction of the armature coils and the permanent magnets. In the electric motor,
The length of the straight straight portion on both sides of the armature coil along the direction orthogonal to the direction in which the armature coil and the permanent magnet move relative to each other is L S , and a substantially arc shape connecting the straight portions. In the case where the radius of the armature coil outer peripheral side in the coil end portion that is made R 2 , and the length of the permanent magnet extending along the direction orthogonal to the direction in which the permanent magnet and the armature coil move relative to each other is W MAG , The length W MAG of the permanent magnet is
L S ≦ W MAG ≦ L S + 7R 2/4
An electric motor characterized by being set so as to satisfy the relationship.
LS≦WMAG≦LS+3R2/2
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項1記載の電動機。 The length W MAG of the permanent magnet is
L S ≦ W MAG ≦ L S + 3R 2/2
The electric motor according to claim 1, wherein the electric motor is set so as to satisfy the relationship.
LS≦WMAG≦LS+αR1+3R2/4
(ただし、α=1.1〜1.2)
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項1記載の電動機。 The radius of the inner circumference side of the coil of the coil end portion when the R 1, the length W MAG of the permanent magnet,
L S ≦ W MAG ≦ L S + αR 1 + 3R 2/4
(However, α = 1.1 to 1.2)
The electric motor according to claim 1, wherein the electric motor is set so as to satisfy the relationship.
LS≦WMAG≦LS+2αR1
(ただし、α=1.1〜1.2)
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項1記載の電動機。 The radius of the inner circumference side of the coil of the coil end portion when the R 1, the length W MAG of the permanent magnet,
L S ≦ W MAG ≦ L S + 2αR 1
(However, α = 1.1 to 1.2)
The electric motor according to claim 1, wherein the electric motor is set so as to satisfy the relationship.
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