JP2006304592A - 永久磁石を固定するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】改善された特性を有する交流周期サーボモータを実現する。
【解決手段】本発明は、２つの固定子半体の間に配置されたディスクの形態の回転子（５５、５６）を有する交流同期サーボモータに関する。回転子は、回転子のシャフトに対して平行に延長する磁力線を有する偶数個の平らな永久磁石片（５６）を備える。永久磁石片（５６）は、シャフト上に支持されているハブ（５５）の周りを延長する隙間を含む環状連続体を形成している。磁石片は、磁気的に非伝導性の材料から製造され、シャフトの軸がそれに対して垂直に延長している平行なプレーン内において延長する磁極表面（Ｎ、Ｓ）として作用する平らな側部を有する。永久磁石片（５６）は、内部に向かって半径方向に配置された限定表面を有し、それぞれ、ハブ（５５）の周辺プレーンの１つのものの上に支持される。周辺プレーンおよび限定表面は、協働手段（５７、５８、５９、６０）を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、それぞれ、回転子を支持するシャフト用のベアリングが提供されており、それぞれ、複数の半径方向の溝を有する磁鉄部とこれらの半径方向の溝内に挿入されたリードを有する電気コイルを有する２つの固定子半体間にディスクの形状の回転子が配置されている種類の交流同期サーボモータに関するものであって、回転子は、シャフトに対して平行に延長する磁力線を有する偶数個の平らな永久磁石部を備え、この永久磁石部は、シャフト上に支持されたハブの周りを延長する隙間を含む環状の連続体を形成し、かつ、磁気的に非伝導性の材料からなり、かつ、シャフトの軸がそれに対して垂直に延長する平行なプレーン内において延長し、連続してＮ極とＳ極に交互に変化する磁極表面として機能する側部を有しており、この結果、隣接する永久磁石部間の隙間が、外部に向かって半径方向に広がっている。

このような設計の回転子を有するモータについては、例えば、特許文献１に開示されている。しかしながら、これは、明らかに、例えば、携帯型のカセットテープレコーダ装置のキャプスタンシャフトを駆動するものなどの相対的に低出力のモータを含んでいる。

このようなモータの更なる代表的な例は、特許文献２に記述されており、このモータの設計と機能の原理は、本引用により、本出願に包含される。

特許文献２などの回転子に永久磁石が固定されたフラット形またはディスクモータにおいては、ディスクの形状に起因して磁石と回転子の接触表面が非常に小さいため、磁石を固定することが困難である。モータの速度が相対的に低い場合には（すなわち、磁石の慣性（容積）が相対的に小さい場合には）、これは問題とはならない（このような場合には、磁石の接着剤中のエポキシ樹脂により、磁石の遠心力に対して対抗可能である）。しかしながら、高速が要求される場合には、回転子の回転によって生じる遠心力によって磁石が移動しないようにするという問題点が生じることになる。

これを防止するべく、従来技術による解決策においては、磁石と同一の直径を有する帯（ｂａｎｄ）の使用を提案している。この帯を相対的に弾力のある材料から製造することにより、磁石を損傷し得る機械的な張力の使用を伴うことなしに、作動状態における磁石の膨張および収縮を処理できるようにしなければならないことは、明らかである。同時に、帯は、磁石の半径方向の遠心力に負けてはならない（この力は、モータ内における磁石の役割に不可欠である）。

特開昭５３−１１６４１０号公報 米国特許第４，６２９，９２０号明細書

しかしながら、（モータの速度または相対的に大きな作業直径へのモータのシフトに起因し、あるいは、容積の増大によって）遠心力が増大すると、帯が破断点に向かって伸長し、回転子の底部における固定状態から磁石が解放される現象が現れる。モータがその回転を継続し、遠心力が継続するに伴い、（その固定部品を失った）磁石は、回転子から離れることになる。帯が半径方向の出口を遮断しているため、磁石は、通常、軸方向に出てくることになる（換言すれば、磁石が帯から上方に旋回する）。この状態が、図１に概略的に示されている。

この軸方向の移動を回避するべく、エポキシ樹脂を有する薄いグラスファイバディスクなどのいくつかの既存の解決策が存在している。これらの解決策は、有効ではあるものの、磁石と金属シート間の空隙を増大させることになる。これは、磁石の磁力の減少を意味しており、この結果、モータから得られるトルクが減少することになる。この減少を補償するべく、相対的に大きな磁石が必要となり、これは、その慣性と遠心力を増大させ、従って、その軸方向の力を増大させることになる。このように、最終的には、これらの変数のすべてを含む妥協の産物である解決策しかもたらさない悪循環が始まることになるのである。

本発明の目的は、既知のシステムを改善することにある。

更に詳しくは、改善された特性を有するモータを提供することが、本発明の目的である。

本発明の更なる目的は、所定のトルクに必要な容積および原材料の量の低減に関するこれらのモータタイプの効率の最適化にある。

従って、本発明は、フラット形ブラシレス電気モータ（軸方向磁束）内の回転子に対して永久磁石を固定するシステムに関係しているが、本発明の原理は、半径方向磁束のモータに拡張することも可能である。

本発明による交流同期サーボモータは、請求項１の特徴によって定義されている。従属請求項には、様々な実施例が定義されている。

以下のいくつかの実施例に関する説明と添付の図面を参照することにより、本発明について十分に理解することができよう。

米国特許第４，６２９，９２０号および図１を参照すれば、この従来技術による提案形状は、回転子の形状の変更を示唆している。この特許においては、磁石は、遠心力から保護するための外部帯３２によって保持されており、かつ、軸方向の力用の非磁性材料のプレート３３を有している。この構成は効率的ではあるが、近年実験されている機械化された磁石の発展により、軸方向の力用の新しい固定システムの概念が可能となっている。

具体的には、この図１に示されている交流同期サーボモータは、ディスクの形状の回転子１と、この回転子１がその間に配置されている２つの固定子半体２および３と、を備える。回転子１に対向する１つの固定子半体２の反対側の端部は、ケーシング部４によって支持されており、ボルト５を介して取り付けられている（図には、これらのボルトの中の１つのみが示されている）。ボールベアリング６の外側条溝は、ケーシング部４のボア７内に位置しており、このボールベアリングの内側条溝は、回転子１を支持するシャフト９の小直径端部部分８上に位置し、このシャフトのショルダー部１０に対して配置されている。環状ディスク１１が、ボルト１２により、ケーシング部４の外側部に取り付けられている。環状ディスクスプリング１３が、この環状ディスク１１とボールベアリング１３の外側条溝との間に配置されている。

回転子１に対向するもう１つの固定子半体３の反対側の軸方向端部は、ケーシング部１４上において支持されており、ボルト（図示されてはいない）によってケーシング部１４に取り付けられている。第２ボールベアリング１５の外側条溝は、ケーシング部１４のボア１６内に位置している。このボールベアリング１５の内側条溝は、回転子を支持するシャフト９の小直径端部セクション１７上に位置している。環状ディスク１８が、ボルト１９により、ケーシング部に取り付けられている。ボールベアリング１５の外側条溝は、この環状ディスク１８により、ケーシング部１４上のショルダー部２０に対して押圧されており、この結果、軸方向における移動が制止されている。推力伝達リング２１が、ボールベアリングの内側条溝とシャフト９のショルダー部２２との間に挿入されている。更なる推力伝達リング２３が、ボールベアリング１５の反対側に配置されており、これは、ナット２４により、ボールベアリング１５の内側条溝に対して押圧されている。ナット２４は、シャフト９のネジ部２５に螺嵌されている。

回転子１と２つの固定子半体２および３とを１つに封入している２つのケーシング部４および１４は、ボルト２６およびナット２７によって相互結合されている（これらは、図１には、それぞれ１つのみが示されている）。

固定子半体２および３のそれぞれは、ウェブ材料によって適切に巻かれたリング形状の磁鉄部２８を備える。回転子１に対して開いている複数の半径方向の溝２９が、それぞれの磁鉄部２８内に配置されており、これらは、いずれも、磁鉄部の内側円周端から外側円周端に向かって延長している。それぞれの磁鉄部２８の半径方向の溝２９内には、電気コイル３０のリードが挿入されている。２つの固定子半体２および３のコイル３０は、電気的に相互接続されている。

回転子１は、シャフト９上に堅固に取り付けられ、かつ、環状の形状と、その外部直径に比べて小さな軸方向の寸法と、を有しているハブ３１を備える。ハブ３１は、例えば、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｓｔｅｅｌまたはチタニウムなどの磁気的に非伝導性の材料から製造されている。

図２によれば、ハブ３１の外側周辺部は、偶数個のコーナーを具備する正多角形の側部に沿って延長する平らなプレーン３１Ａによって形成されている。図示の実施例においては、ハブ３１の外側周辺部は、８つの平らなプレーン３１Ａと、これと同数の中間のコーナー３１Ｂと、を備える。ハブ３１の平らな周辺プレーン３１Ａのそれぞれの上には、永久磁石部３４の平らな限定プレーン３１Ａが、支持されており、例えば、２成分接着手段などの接着剤によって取り付けられている。永久磁石片３４は、図２において明瞭に観察可能なものなどの略台形の形状を具備する平らなプレーンである。それぞれの永久磁石片の半径方向外側の限定プレーン３４Ｂは、図２に示されているものなどのように、屋根のように折れ曲がっているか、または回転子１の軸の周りを延長する円形のラインに沿って膨らんでいる。

環状の連続配列として相互に連続した永久磁石片３４の間には、隙間３５がそのまま残されている。好ましくは、永久磁石片３４は、希土類の材料から製造されており、横方向に磁化されることにより、磁力線が、ＮおよびＳの極表面として機能するそれぞれの永久磁石片の略台形の平らな側部に対して垂直に延長している（すなわち、シャフト９の軸に対して平行に延長している）。隣接する永久磁石片３４は、回転子１のそれぞれの側部において、ＮおよびＳの磁極が相互に連続するように、反対に磁化されている。好ましくは、すべての永久磁石片３４は、同一の形状およびサイズを有するように製造されており、かつ、単一方向に磁化した後に、ハブ３１上において、交互に１８０°異なる向きに取り付けられている。

隣接する永久磁石片３４は、互いに対向する限定表面３４Ｃおよび３４Ｄを備えており、この間には、前述の隙間３５の個々のものが存在している。隣接する永久磁石片３４の個々の対向する限定表面３４Ｃおよび３４Ｄは、ハブ３１のエッジ３１Ｂが配置されている場所において互いに接触している。対向する限定表面３４Ｃおよび３４Ｄは、この接触点から回転子１の外側円周に向かって広がっており、この結果、隣接する永久磁石片３４の間の隙間３５のそれぞれは、図２において明瞭に見て取れるように、楔形の形状を有している。

２つの平行プレーン内において延長するすべての永久磁石片３４の平らな側部は、例えば、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｓｔｅｅｌまたはチタニウムなどの磁気的に非伝導性の材料から構成された２つの平行な環状のカバーディスク３３によってコーティングされており、例えば、２成分接着剤などの接着剤により、これらのカバープレートに接着されている。それぞれのカバープレートの内側の円周端部３６は、ハブ３１の周りを把持しており、スポット溶接３７により、これに取り付けられている。カバープレート３３の外側の円周に近接した状態で、軸方向の距離片３８が、２つのカバープレート間のそれぞれの隙間３５内に配置されており、スポット溶接３９によって２つのカバープレートに接続されている。それぞれのカバープレート３３の外側の円周端部は、永久磁石片３４の外側の限定表面３４Ｂを超えて半径方向に延長しており、この結果、そこに周辺チャネル４０が形成されている。周辺チャネル４０内には、磁気的に非伝導性の材料（好ましくは、グラスファイバ材料）からなる弾力性を有する帯３２が配置されており、永久磁石片３４を包んでいる。帯３３の目的は、永久磁石片からハブに対して機械的なトルクを安全に伝達するべく、高回転速度において、永久磁石片３４の半径方向内側の限定表面３４Ａをハブ３１の平面的な周辺側部３１Ａに当接した状態で堅固に有し、これにより、堅固にロックされた状態で回転可能に永久磁石片３４をハブ３１に堅固にロックすることにある。

２つのカバープレート３３には、永久磁石片３４間の隙間３５に並んだ複数の開口部４１が提供されている。これらの開口部４１および隙間３５は、回転子１のウィンドウを形成しており、必要に応じて、回転子１をバランスさせるための材料片をこの中に挿入または接着剤で接着可能である。カバープレート３３が、前述のように、金属材料から構成されている場合には、カバープレート内の渦電流を減衰させると共に回転子１の質量の低減に有用な更なる（例えば、スロットなどの）開口部４２が、適宜、これらに提供される。

回転子１の回転軸の方向において計測した場合に、カバープレート３３の厚さは、この同一の方向において計測した永久磁石片３４の厚さに比べて小さく、そして、この永久磁石の厚さは、回転子１の外部直径と比べた場合に小さい。回転子の外部直径が、例えば、役１３０ｍｍである場合には、永久磁石片３４の厚さは、軸方向において計測した場合に、例えば、３．２〜４．０ｍｍとなり、この結果、それぞれのカバープレート３３の厚さは、例えば、０．２〜０．３ｍｍとなろう。このような回転子（これは、更に、特定の相対的に重い強磁性材量をまったく含んでいない）は、相対的に小さな質量を有しており、この結果、対応する質量の慣性によってかかる負荷が相対的に小さいことは明らかである。この結果、回転子は、コイル３０によって固定子半体２および３内に生成される移動磁場に起因し、相対的に迅速に加速および減速可能であり、この結果、一方における固定子半体２および３の瞬間的な磁場と回転子１の個々の対応する回転位置との間に存在する時間的な遅延は、小さい。換言すれば、前述の回転子１は、固定子コイル３４に供給する交流の周波数の変化に対して、その回転運動を特に迅速に調節する位置にある。

２つのカバープレート３３と帯３２は、回転子１の機械的な剛性を増大させるのみならず、回転子１と固定子半体２および３の磁鉄部２８との間の空隙内に進入可能な異物によって相対的に容易に損傷可能な希土類の永久磁石片３４を保護するべく更に機能している。

回転子１のハブ３１は、シャフト９の非円形セクション３１上に適切に配置されており、シャフトセクション３１の断面に対応した形状である中央開口部４３が、このために提供されている。ただし、シャフトセクション３１と開口部４３を円形に設計し、圧入によってハブ３１をシャフトセクション３１に取り付けることも可能である。

この図１〜３に概略的に示されている従来技術の軸方向磁束モータの形状においては、磁石３４は、回転子１を形成するハブ３１と共に小さく平らな接触表面３４Ａを有している。この小さな磁石表面３４Ａをハブ３１に接着するだけでは、高速で稼働する際に磁石３４に作用し得る遠心力に対して十分なものとはならないであろう。このため、軸方向の固定剤と同時に帯３２を回転子１に装着することにより、固定子への磁石３４の吸引を回避することが必要である。

原則的に、直径において、モータの性能には関係しない利用可能な空間が存在しておれば、帯３２の厚さは、なんらの問題点も提示しない。しかしながら、磁石と固定子との間に存在する距離は、大きな影響を有している。可能な最小の値を有していない場合には、磁気空隙が増大し、固定子を形成するコイルに向かって同一の磁束線を伝達するために、より大きな磁気容量が必要となるため、この厚さは、磁気的な観点において興味深い。この結果、帯３２によって実行される磁石の固定により、磁気空隙が増大し、システムの効率が低下することになる。

本発明の焦点は、軸方向の補強を低減または回避することにあり、かつ、磁石自体が、その軸方向において適用される強度を許容するということにある。

本発明によるシステムの第１実施例は、図４に示されているものである。それぞれの磁石４５（これは、図１〜３と関連して説明した磁石３４に対応している）は、ハブ４８（これは、前述のハブ３１に対応している）の外側周辺部上に平らなプレーン４７によって形成された正多角形（この場合には、八角形）とアライメントするスロットの形態の小さくまっすぐな溝４６を有している。これらの平らなプレーン４７は、磁石４５が円筒形の表面に配置された場合に、溝４６内に挿入されることにより、発生し得るスリップに対して（キーに類似した方式で）磁石を固定する。この実施例においては、プレーン４７と協働する溝４６は、磁石４５を軸方向において維持している。

この実施例においては、遠心力から磁石４５を制止するべく、帯３２（図１〜３を参照されたい）と同一のバンドが必要である。

目的は、同一の磁石容積を維持し、これにより、費用は同一であるが、軸方向の固定（即ち、図１〜３のプレート３３）を不要とすることにより、磁気空隙を低減し、この結果、モータのトルクを増大させることにあった。

類似のシステムをこれと反対の形態にすることも可能であり、これが、図５に示されている変形である。この場合には、平らなプレーン４９は、ハブ５１からではなく、磁石５０から突出している。この結果、磁石５０の底部の突出した平らなプレーン４９は、磁石５０に対する軸方向の力を相殺するべく、ガイドとして溝５２内に導入されることになろう。この実施例においても、回転の遠心力によって離れる磁石５０のスリップを回避するべく、（図１〜３に示されている）バンド３２が必要となろう。

なお、この第１実施例およびその変形においては、当然のことながら、磁石をハブ上に取り付ける際に接着材料を追加することも可能である。

第２実施例においては、ハブに磁石を固定する手段を、軸方向の力の閉じ込めのみならず、遠心力用のものとして設計することが可能である。図６に示されているこの実施例においては、提案の形状は、ハブ内の対応する溝またはスロット内に挿入される磁石５４上の蟻継ぎ部５３の形状を有している。ただし、当業者であれば、このような磁石５４の取り付けには、ハブを好ましくは２つの部分から形成することが必要となることを理解しよう。

本実施例の主要な利点は、この結果、回転子の周りの帯が不要となり、従って、回転子の製造時間が減少し、結果的に、コストも同様に低減されるという点にある。

当然のことながら、前述の第１実施例と同様に、この第２実施例も、磁石片上ではなく、ハブ上に蟻継ぎ部分を配置した変形を有することができ、この場合には、磁石片が、前記蟻継ぎ部分を挿入するための対応する溝またはスロットを備えることになる。

図７に示されている第３実施例の概念は、ハブ５５内に、孔５８を、そして、磁石５６内に、対応する孔５７を、少なくとも穿孔した後に、ボルト５９を追加することにより、ハブ５５に対して磁石５６を固定するというものである。ボルト５９を使用すれば、接着剤を使用する必要はなく、従って、組立作業の時間が節約される。

ボルト５９に加え、ボルト５９の隣に平行に位置する少なくとも１つのピン６０または別のボルトを追加することにより、ボルト５９を中心とした磁石５６の回転を防止することも可能であろう。

ボルト５９またはピン６０の代わりに、止めネジを使用することも好ましい。止めネジは、ヘッドを具備していないネジであり、本体の対象箇所内に嵌め込む特殊なキー（アレンキー）を使用して堅く締結する。

ピンまたは止めネジは、機械的な干渉によって固定するものであるため、孔を穿孔し、ボルトと同様にネジ山を切る必要がある。

米国特許第４，６２９，９２０号に開示されている従来技術によるサーボモータの軸方向の断面図である。 軸方向において観察した図１のサーボモータの回転子の一部を観察者に面したカバープレートを部分的に除去して開示する図である。 従来技術による解決策の別の図を概略的に示す図である。 本発明の第１実施例の概略図である。 本発明の第１実施例の変形の概略図である。 本発明の第２実施例を示す図である。 本発明の第３実施例を示す図である。

Claims (10)

1. それぞれ、回転子を支持するシャフト（９）用のベアリング（６、１５）が提供されており、それぞれ、複数の半径方向の溝（２９）と前記半径方向の溝内に挿入されたリードを有する電気コイル（１３０）とを具備する磁鉄部（２８）を備える２つの固定子半体（２、３）間に配置されたディスクの形状の回転子（１）を有する交流同期サーボモータであって、
   前記回転子（１）は、前記シャフト（９）に対して平行に延長する磁力線を具備した偶数個の平らな永久磁石片（３４）を備え、
   前記永久磁石片（３４）は、前記シャフト上に支持されているハブ（３１）の周りを延長する隙間（３５）を含む環状連続体を形成しており、かつ、磁気的に非伝導性の材料から構成されており、かつ、前記シャフト（９）の前記軸がそれに対して垂直に延長している平行なプレーン内において延長し、連続的にＮおよびＳ極を交互に変化させる磁極表面（Ｎ、Ｓ）として機能する平らな側部を有しており、
   この結果、隣接する永久磁石片（３４）間の前記隙間は、外に向かって半径方向に広がっており、
   前記ハブ（３１）の外側周辺部は、正多角形の側部に沿って延長するプレーン（３１Ａ）と、これらの間に配置されたエッジ（３１Ｂ）と、を備え、
   前記永久磁石片（３４）は、内部に向かって半径方向に配置された限定表面（３４Ａ）を有し、これらは、それぞれ、ハブ（３１）の前記周辺プレーン（３１Ａ）の１つ上において支持されており、
   前記プレーン（３１Ａ）および前記限定表面（３４Ａ）は、前記ハブ（３１）上において前記磁石片（３４）を固定する協働手段を備えることを特徴とするサーボモータ。
2. 前記協働手段は、平らなプレーン（４７）と、対応する溝（４６）と、を備える請求項１に記載のサーボモータ。
3. 前記平らなプレーン（４７）は、ハブ（４８）上に位置しており、前記溝は、磁石片（４５）上に位置している請求項２に記載のサーボモータ。
4. 前記平らなプレーン（４７）は、前記磁石片（５０）上に位置しており、前記溝は、前記ハブ（５１）上に位置している請求項２に記載のサーボモータ。
5. 前記協働手段は、前記ハブ（５５）と前記磁石片（５６）とを１つにネジ止めするボルト（５９）を備える請求項１に記載のサーボモータ。
6. 前記磁石片（５６）が回転しないようにするピン（６０）を更に備える請求項５に記載のサーボモータ。
7. 前記協働手段は、前記ハブ（５５）と前記磁石片（５６）とをネジ止めする止めネジ（５９）を備える請求項１に記載のサーボモータ。
8. 前記回転子（１）の周りに配置された帯を更に備える請求項１〜７のいずれか一項に記載のサーボモータ。
9. 前記協働手段は、前記ハブ内の対応する溝またはスロット内に挿入される前記磁石片（５４）上の蟻継ぎ部（５３）を備える請求項１に記載のサーボモータ。
10. 前記協働手段は、前記磁石片（５４）内の対応する溝またはスロット内に挿入される前記ハブ上の蟻継ぎ部を備える請求項１に記載のサーボモータ。