JP2007288901A - ２軸同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の磁極数に応じて電機子を適切な位置に配置することを可能とし、確実な同期回転を得ることができる２軸同期電動機を提供する。
【解決手段】本発明の２軸同期電動機は、平行に配置される２本のロータ２ａ，２ｂと、ロータ２ａ，２ｂの外周面に取り付けられた永久磁石５ａ，５ｂと、永久磁石５ａ，５ｂの周囲に所定の空隙をもって配置される複数の電機子３とを備える。永久磁石のうち互いに対向する２つが磁気カップリングを形成するように２本のロータ２ａ，２ｂが配置される。電機子３は、その先端を結ぶ線が略楕円形状を形成するように配列される。各ロータに配置される永久磁石の磁極数Ｎ（Ｎ＝４以上の偶数）に対し、Ｍ（Ｍ＝（Ｎ−２）×３／２）個の電機子が、Ｄ（Ｄ＝３６０／Ｎ×２／３）度ピッチにて各ロータの周囲に配置される。電機子３は、楕円形状の長半径頂点Ｐ，Ｑから均等に配列されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、平行に配置された２本のロータを同期反転させる２軸同期電動機に関するものである。

従来から、特許文献１に開示されているように２本のロータを平行に配置し、各々のロータの全周に電機子を設けた２軸型電動機が知られている。この２軸型電動機においては、２本のロータはそれぞれ独立に駆動され、電機子の発生する磁界が互いに干渉しないような巻線関係を有している。また、特許文献２および３においては、２軸を同期して反転駆動できる２軸同期電動機が開示されている。この電動機では、永久磁石を周設した２本のロータが接触または近接するように設けられ、２本のロータは、相対向して形成された歯部の無配置部において、各ロータの永久磁石の異磁極面を相対向させた磁気カップリングを構成している。

特開昭６１−２８９１４３号公報 特開平４−１７８１４３号公報 特開２００１−３７１７５号公報

２つのロータを同期反転させるためには、ロータに固定される永久磁石に対して電機子を適切な位置に配置する必要がある。本発明は、永久磁石の磁極数に応じて電機子を適切な位置に配置することを可能とし、確実な同期回転を得ることができる２軸同期電動機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、平行に配置される２本のロータと、前記２本のロータの外周面に取り付けられた複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石の周囲に所定の空隙をもって配置される複数の電機子とを備え、前記永久磁石のうち互いに対向する２つが磁気カップリングを形成するように前記２本のロータが配置され、前記複数の電機子は、その先端を結ぶ線が略楕円形状を形成するように配列され、各ロータに配置される永久磁石の磁極数Ｎ（Ｎ＝４以上の偶数）に対し、Ｍ（Ｍ＝（Ｎ−２）×３／２）個の前記電機子が、Ｄ（Ｄ＝３６０／Ｎ×２／３）度ピッチにて各ロータの周囲に配置され、前記電機子が、前記楕円形状の長半径頂点から均等に配列されていることを特徴とする２軸同期電動機である。

本発明の好ましい態様は、前記電機子は、前記２つのロータの軸心を結ぶ線と直交する中心線に関して対称に配置されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記電機子に電流を供給する単一の三相電源をさらに備え、前記三相電源は、前記中心線に関して対称位置にある２つの電機子が異磁極を形成するように前記電機子に通電することを特徴とする。

本発明によれば、ロータに設けられた永久磁石の磁極数に応じて電機子を最適な位置に配置することができる。また、永久磁石の異磁極による磁気カップリング効果を強めるような磁界を電機子に発生させることができるので、より確実な同期回転を得ることができる。特に、本発明によれば、永久磁石の磁極数に応じて電機子の数およびピッチが自動的に求められるので、２軸同期電動機の設計が容易となる。

以下、本発明の実施形態に係る２軸同期電動機について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る２軸同期電動機の縦断面図であり、図２は図１に示す２軸同期電動機の横断面図である。本発明の２軸同期電動機は、ルーツ式ブロアやスクリュー式真空ポンプなどの容積式ポンプに好適に使用される。

ケーシング１内には、２本の回転軸６ａ，６ｂが互いに平行に配置され、それぞれの回転軸６ａ，６ｂは軸受７により回転自在に支持されている。なお、図示しないが、回転軸６ａ，６ｂにはポンプロータなどが連結される。それぞれの回転軸６ａ，６ｂには円筒状のロータ２ａ，２ｂが固定されており、ロータ２ａ，２ｂの外周面には６極の永久磁石５ａ，５ｂがそれぞれ配置されている。これらの永久磁石５ａ，５ｂは、Ｓ極とＮ極とが交互に外表面に現れるようにロータ２ａ，２ｂの外周面に固定されている。永久磁石５ａと永久磁石５ｂとの間には微小な空隙が設けられており、互いに接触することなく回転軸６ａ，６ｂを中心に回転するように配置されている。このような配置により、永久磁石５ａ，５ｂのうち互いに向き合う２つの永久磁石が互いに引き合い、異磁極による磁気カップリングが形成される。

永久磁石５ａの径方向外側には、６つの電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚが配置され、永久磁石５ｂの径方向外側には、６つの電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚが配置されている。それぞれの電機子は、鉄心Ａｃと、この鉄心Ａｃに巻き付けられたコイル４とから構成されている。図１に示すように、ロータ２ａ，２ｂ、永久磁石５ａ，５ｂ、電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚ、および電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚは、いずれもケーシング１およびブラケット８により形成された空間内に収容されている。

電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚおよび電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚ（以下、総称するときは電機子３という）は、それぞれ永久磁石５ａおよび永久磁石５ｂを囲むように配置されているが、永久磁石５ａ，５ｂの全周に亘って配置されてはいない。すなわち、図２に示すように、永久磁石５ａと永久磁石５ｂとが対向する領域には電機子は配置されていなく、電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚおよび電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚの先端を結ぶ線は略楕円形状を形成する。

図２に示すように、電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚと電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚとは、２つのロータ２ａ，２ｂの中心線Ｃ−Ｃに関して対称に配置されている。この中心線Ｃ−Ｃは、ロータ２ａ，２ｂの軸心間の中心点を通り、かつこれら２つの軸心を結ぶ線と直交する線として定義される。電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚは、楕円形状の長半径頂点Ｐから均等に配列されており、電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚは、楕円形状の長半径頂点Ｑから均等に配列されている。本実施形態では、電機子３のピッチ（隣り合う２つの電機子のロータ中心に関する中心角）は４０度である。なお、楕円形状の長半径頂点Ｐ，Ｑは、２本のロータ２ａ，２ｂの軸心を結ぶ線の延長線上に位置するのが最も適している。

図３は電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚのコイル群４Ｇａおよび電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚのコイル群４Ｇｂの結線図である。図３に示すように、コイル群４Ｇａとコイル群４Ｇｂは並列に結線され、かつ互いに逆相となるように結線されている。また、それぞれのコイル群４Ｇａ，４Ｇｂの三相結線方法はＹ結線である。なお、図示しないが、コイル群４Ｇａおよびコイル群４Ｇｂは単一の三相電源に接続されている。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は電機子に通電する様子を示す結線図である。図４（ａ）は、三相電源（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）からＵ相とＷ相との間に電流Ｉを流した状態を示す。この状態では、電流Ｉは電機子３ａｕから電機子３ａｘ，３ａｚを通って電機子３ａｗに向かって流れ、同時に、電機子３ｂｕから電機子３ｂｘ，３ｂｚを通って電機子３ｂｗに向かって流れる。図４（ｂ）はＶ相とＷ相との間に電流Ｉを流した状態を示す。この状態では、電流Ｉは電機子３ａｖから電機子３ａｙ，３ａｚを通って電機子３ａｗに向かって流れ、同時に、電機子３ｂｖから電機子３ｂｙ，３ｂｚを通って電機子３ｂｗに向かって流れる。図４（ｃ）はＵ相とＶ相との間に電流Ｉを流した状態を示す。この状態では、電流Ｉは電機子３ａｖから電機子３ａｙ，３ａｘを通って電機子３ａｕに向かって流れ、同時に、電機子３ｂｖから電機子３ｂｙ，３ｂｘを通って電機子３ｂｕに向かって流れる。

図５は通電のタイムチャートの例を示す図であり、ロータの機械的角度に対する電機子への通電タイミングを示す。図５に示すように、０度〜２０度の間において、Ｕ相とＷ相との間に電流Ｉが供給され、２０度〜４０度の間において、Ｖ相とＷ相との間に電流Ｉが供給される。そして、４０度〜６０度の間において、Ｕ相とＶ相との間に電流Ｉが供給される。なお、図５に示すＮ，Ｓは、電流の流れにより電機子３に形成される磁極を表している。

図６（ａ）〜図６（ｃ）は電機子の磁極とロータの磁極との関係を示す図であり、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す通電状態に対応してロータが矢印方向に回転する様子を示している。図５に示す通電タイミングに従って、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に電流Ｉを流すと、電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚおよび電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚには、ロータ２ａ，２ｂをそれぞれ反対方向に同期して回転させる移動磁界（回転磁界）が形成される。

すなわち、図６（ａ）は、Ｕ相からＷ相に通電した場合を示し、図５における０度位置の状態を示す。この状態では、ロータ２ａの外側に位置する電機子３ａｕ，３ａｘの磁極がＮ極となり、３ａｗ，３ａｚの磁極がＳ極になる。同時に、ロータ２ｂの外側に位置する電機子３ｂｕ，３ｂｘの磁極がＳ極になり、３ｂｗ，３ｂｚの磁極がＮ極になる。このとき、電機子３ａｖ，３ａｙおよび電機子３ｂｖ，３ｂｙに電流は供給されない。この磁極状態により、ロータ２ａ，２ｂは矢印に示す方向にそれぞれ２０度位置まで同期反転する。

図６（ｂ）は、Ｖ相からＷ相に通電した場合を示し、図５における２０度位置の状態を示す。この状態では、ロータ２ａの外側に位置する電機子３ａｖ，３ａｙの磁極がＮ極となり、３ａｗ，３ａｚの磁極がＳ極になる。同時に、ロータ２ｂの外側に位置する電機子３ｂｖ，３ｂｙの磁極がＳ極になり、３ｂｗ，３ｂｚの磁極がＮ極になる。このとき、電機子３ａｕ，３ａｘおよび電機子３ｂｕ，３ｂｘに電流は供給されない。この磁極状態により、ロータ２ａ，２ｂは矢印に示す方向にそれぞれ４０度位置まで同期反転する。

図６（ｃ）は、Ｖ相からＵ相に通電した場合を示し、図５における４０度位置の状態を示す。この状態では、ロータ２ａの外側に位置する電機子３ａｖ，３ａｙの磁極がＮ極となり、３ａｕ，３ａｘの磁極がＳ極になる。同時に、ロータ２ｂの外側に位置する電機子３ｂｖ，３ｂｙの磁極がＳ極になり、３ｂｕ，３ｂｘの磁極がＮ極になる。このとき、電機子３ａｗ，３ａｚおよび電機子３ｂｗ，３ｂｚに電流は供給されない。この磁極状態により、ロータ２ａ，２ｂは矢印に示す方向にそれぞれ６０度位置まで同期反転する。以降、このような磁極状態が繰り返し形成され、これによりロータ２ａ，２ｂが連続的に反転する。このように、１つの三相電源から電機子３に電流を流すと、２つのロータ２ａ，２ｂの中心線Ｃ−Ｃに関して対称の位置にある電機子同士は互いに異磁極を形成する。

図７は図６（ａ）に示す通電状態のとき発生する磁力線を示す図である。図７に示すように、ロータ２ａ，２ｂの駆動に使用されない、互いに近接する永久磁石同士は微小な空隙を介して互いに引き合い、磁気カップリングを形成する。同時に、中心線Ｃ−Ｃに関して対称位置にある電機子３は異磁極を形成するので、ロータ２ａ，２ｂの回転中は永久磁石５ａ，５ｂが形成する磁界と干渉することなく、電機子３は磁気カップリング効果をさらに強める磁界を発生させることができる。したがって、強固な同期を確保しつつロータ２ａ，２ｂを反転させることができる。

ここで、永久磁石の磁極数と電機子の数との関係について説明する。１つのロータに固定される永久磁石の磁極数（永久磁石の数）をＮとすると、その永久磁石の周囲に配置される電機子の数Ｍは次の式から求められる。
Ｍ＝（Ｎ−２）×３／２・・・（１）
ただし、Ｎは４以上の偶数、４，６，８…
また、電機子のピッチＤは次の式から求めることができる。
Ｄ＝３６０／Ｎ×２／３・・・（２）

図１および図２に示す第１の実施形態では、ロータ２ａの永久磁石５ａの磁極数Ｎは６であり、上記式（１）から配置すべき電機子の数Ｍは６となる。したがって、永久磁石５ａの周囲には６つの電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚが配置される。このときこれらの電機子のピッチは上記式（２）から４０度となる。ロータ２ｂの永久磁石５ｂの周囲に配置される電機子の数およびピッチも同様にして求められる。

第１の実施形態以外にも、上記式（１）および式（２）に従った、さまざまな実施形態が考えられる。図８（ａ）〜図８（ｃ）、および図９は本発明の第２の実施形態に係る２軸同期電動機を示す図であり、永久磁石の磁極数が４の場合の実施形態を示す。図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、ロータ２ａ，２ｂには４つの永久磁石５ａ，５ｂがそれぞれ固定されている。上記式（１）によれば、永久磁石の磁極数が４の場合、電機子の数は３となる。したがって、永久磁石５ａ，５ｂの径方向外側には電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗおよび電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗがそれぞれ配置されている。また、上記式（２）から、電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗおよび電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗのピッチは６０度となる。本実施形態においても、電機子３ａｕ，３ａｖ，３ａｗは楕円形の長半径頂点Ｐから均等に配置され、電機子３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗは楕円形の長半径頂点Ｑから均等に配置されている。

図９は本発明の第２の実施形態における通電のタイムチャートの例を示す図である。図８（ａ）および図９に示すように、０度〜３０度の間では、電機子３ａｕがＮ極となり、電機子３ａｗがＳ極となる。同時に、電機子３ｂｕがＳ極となり、電機子３ｂｗがＮ極となる。このとき、電機子３ａｖおよび電機子３ｂｖには通電されない。この磁極状態により、ロータ２ａ，２ｂは矢印に示す方向にそれぞれ３０度位置まで同期反転する。

図８（ｂ）および図９に示すように、３０度〜６０度の間では、電機子３ａｖがＮ極となり、電機子３ａｗがＳ極となる。同時に、電機子３ｂｖがＳ極となり、電機子３ｂｗがＮ極となる。このとき、電機子３ａｕおよび電機子３ｂｕには通電されない。この磁極状態により、ロータ２ａ，２ｂは矢印に示す方向にそれぞれ６０度位置まで同期反転する。

図８（ｃ）および図９に示すように、６０度〜９０度の間では、電機子３ａｖがＮ極となり、電機子３ａｕがＳ極となる。同時に、電機子３ｂｖがＳ極となり、電機子３ｂｕがＮ極となる。このとき、電機子３ａｗおよび電機子３ｂｗには通電されない。この磁極状態により、ロータ２ａ，２ｂは矢印に示す方向にそれぞれ９０度位置まで同期反転する。以降、このような磁極状態が繰り返し形成され、これによりロータ２ａ，２ｂが連続的に反転する。

本発明によれば、図６（ａ）および図８（ａ）に示すように、無通電状態の電機子３ａｖ，３ｂｖが永久磁石の磁極中心にそれぞれ位置し、Ｎ極を帯びた電機子３ａｕ，３ｂｕおよびＳ極を帯びた電機子３ａｗ，３ｂｗが永久磁石のＮ極とＳ極との境界面に概ね位置するようになる。このような永久磁石および電機子の位置関係は、ロータ２ａ，２ｂを良好に回転させることができる。さらに、本発明によれば、中心線Ｃ−Ｃに関して対称位置にある電機子は、永久磁石５ａ，５ｂの異磁極による磁気カップリング効果を強めるような磁界を発生することができる。

ここで、「電機子が、楕円形状の長半径頂点から均等に配列されている」の意味について説明する。上記式（１）に従えば、ロータに固定される永久磁石の数によって電機子の数が偶数になる場合（例えば、第１の実施形態）と奇数になる場合（例えば、第２の実施形態）とがある。電機子の数が偶数の場合、図２に示すように、頂点Ｐには電機子は配置されず、隣り合う２つの電機子（図２の例では電機子３ａｗ，３ａｘ）の中間点が頂点Ｐに一致するように配置される。そして、これら２つの電機子から等間隔に他の電機子（図２の例では電機子３ａｖ，３ａｕ，３ａｙ，３ａｚ）が配列される。電機子の数が奇数の場合、図８（ａ）に示すように、１つの電機子（図８（ａ）の例では電機子３ａｖ）が頂点Ｐに配置され、この電機子から等間隔で他の電機子（図８（ａ）の例では電機子３ａｕ，３ａｗ）が配列される。本発明では、いずれの場合も、「電機子が、楕円形状の長半径頂点から均等に配列されている」を意味する。このように電機子が等間隔に配置されていると、ロータの回転制御を効率よく行えるという利点が得られる。

上記第１および第２の実施形態は永久磁石の磁極数が６および４の例を示しているが、永久磁石の磁極数が８以上の場合にも、上記式（１）および式（２）から電機子の数およびピッチを求めることができることはいうまでもない。すなわち、上記式（１）および式（２）を用いれば、上述したような永久磁石と電機子との位置関係が得られ、かつ、磁気カップリング効果を補強するような磁力を電機子に発生させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る２軸同期電動機の縦断面図である。 図１に示す２軸同期電動機の横断面図である。 図１に示す電機子のコイル群の結線図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は電機子に通電する様子を示す結線図である。 通電のタイムチャートの例を示す図であり、ロータの機械的角度に対する電機子への通電タイミングを示す。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は電機子の磁極とロータの磁極との関係を示す図であり、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す通電状態に対応してロータが矢印方向に回転する様子を示す。 図６（ａ）に示す通電状態のとき発生する磁力線を示す図である。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る２軸同期電動機を示す図であり、２つのロータが同期反転する様子を示す。 本発明の第２の実施形態における通電のタイムチャートの例を示す図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ａ，２ｂ ロータ
３ａｕ，３ａｖ，３ａｗ，３ａｘ，３ａｙ，３ａｚ，３ｂｕ，３ｂｖ，３ｂｗ，３ｂｘ，３ｂｙ，３ｂｚ 電機子
４ コイル
５ａ，５ｂ 永久磁石
６ａ，６ｂ 回転軸
７ 軸受
８ ブラケット
Ａｃ 鉄心（ステータコア）
Ｃ−Ｃ ロータ中心線

Claims (3)

1. 平行に配置される２本のロータと、
   前記２本のロータの外周面に取り付けられた複数の永久磁石と、
   前記複数の永久磁石の周囲に所定の空隙をもって配置される複数の電機子とを備え、
   前記永久磁石のうち互いに対向する２つが磁気カップリングを形成するように前記２本のロータが配置され、
   前記複数の電機子は、その先端を結ぶ線が略楕円形状を形成するように配列され、
   各ロータに配置される永久磁石の磁極数Ｎ（Ｎ＝４以上の偶数）に対し、Ｍ（Ｍ＝（Ｎ−２）×３／２）個の前記電機子が、Ｄ（Ｄ＝３６０／Ｎ×２／３）度ピッチにて各ロータの周囲に配置され、
   前記電機子が、前記楕円形状の長半径頂点から均等に配列されていることを特徴とする２軸同期電動機。
2. 前記電機子は、前記２つのロータの軸心を結ぶ線と直交する中心線に関して対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載の２軸同期電動機。
3. 前記電機子に電流を供給する単一の三相電源をさらに備え、
   前記三相電源は、前記中心線に関して対称位置にある２つの電機子が異磁極を形成するように前記電機子に通電することを特徴とする請求項２に記載の２軸同期電動機。

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