JP2008211942A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents
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Abstract
永久磁石式回転電機で巻き線極を少なくして、高トルクで薄型、且つ、安価なステッピングモータを含む回転電機の実現を課題とする。
【解決手段】
磁性体板の積層体をm個同心的に分布配置させて非磁性体にて、あるいは磁性体で軸方向のその一部を、固着させ、その内周部でエアギャップを介して回転子と対向し、その外周部は、多角形を含む環状磁性体から突き出たm個のコイルを有した該積層体の軸方向長さより短い突極部と接合させてコイルエンドの軸方向への突き出しを吸収するようにしたことを手段とする回転電機。但しmは整数。
【選択図】 図7
Description
要求されている。この問題を解決するものとして本願発明者の一人はすでに次の特許を取得をしている。本願はこれらの先行特許の改良に関する。
2)固定子を例えば圧粉鉄心で一体的に作ればコイルエンドを吸収するために軸方向に固定子鉄心に窪みを設ければよいがそれでは固定子の小さな誘導子字磁歯を強度を有して且つ精度良く成形するのは困難である問題があった。
「手段1」
磁性体板の積層体をm個同心的に分布配置させて非磁性体にてあるいは磁性体で軸方向のその一部を固着させ、その内周部でエアギャップを介して回転子と対向し、その外周部は、多角形を含む環状磁性体から突き出たm個のコイルを有した該積層体の軸方向長さより短い突極部と接合させてコイルエンドの軸方向への突き出しを吸収するようにしたことを手段とする回転電機。
「手段2」
手段1でm個の磁性体板の積層体は回転子と対向する部分には複数個の磁歯を有し、また回転子はその外周に均等に複数Nr個の磁歯を有した磁性円板でお互いに歯ピッチの1/2ピッチ分づらして軸方向に磁化した永久磁石を挟持した所謂ハイブリッド型回転子あるいは複数Nr個の歯を有した回転子を2個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの1/2ピッチ分づらして挟持した単位回転子を2組、共通回転軸上に設けて、2組の単位回転子の近接あるいは隣接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化された特殊ハイブリッド型回転子あるいはその外周に均等にNr個の極対数を有した円筒状永久磁石式回転子であることを手段とする回転電機。
「手段3」
手段1及び2で固定子環状磁性体はコイルエンドを吸収する顎部を有した圧粉磁性体であることを手段とする回転電機。
「手段4」
手段1及び2で固定子環状磁性体は積層鋼鈑で軸方向厚みはコイルを有する突極部厚みと同じであることを手段とする回転電機。
「手段5」
手段1乃至4にてmは4として、回転子歯数は4n±1であることを手段とする2相式永久磁石式回転電機。
「手段6」
手段1乃至4にてmは3または6として、回転子歯数は3n±1であることを手段とする3相式永久磁石式回転電機。
2)珪素鋼鈑の積層式により形成した環状磁性体の場合はその外周に顎部はできないので軸受けを支持する前後ブラケットは平らな板状には成らないが固定子部の材料を珪素鋼鈑に統一できる。あるいは前後ブラケットは平らな板状としてコイル部は露出させて温度上昇を下げる構造としても良い。
3)本発明でハイブリッド型回転子とすれば高トルクが得られる。固定子の歯部は珪素鋼鈑をプレス打ち抜き後するので板厚とほぼ同じ大きさまで幅歯を小さくでき多極高分解能化に有利。回転子を円筒磁石式回転子とすれば磁束分布が正弦波状になるので低振動な回転電機が得られる。
4)2相式でm=4とすれば簡素で、特殊ハイブリッド型回転子回転子により不平衡電磁力のない低振動で小型高トルクの回転電機が安価に提供できる。
5)3相式でm=3とすれば簡素で、特殊ハイブリッド型回転子回転子により不平衡電磁力のない低振動で小型高トルクの回転電機が安価に提供できる。
図3でラジアル方向に伸びた4個のアームは軸受け7を支持するものである。特殊ハイブリッド型回転子は複数Nr個(図2では15個)の歯を有した回転子25,26を2個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの1/2ピッチ分づらして挟持した第一の単位回転子として更に同様に27,28なる回転子を2組、お互いに歯ピッチの1/2ピッチ分づらして挟持した第二の単位回転子とし、共通回転軸上に設けて、2組の単位回転子の近接あるいは隣接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化する回転子である。このようにすれば2相4主極でも不平衡電磁力は発生しないため低振動な回転電機が得られる。その理由は引用文献1に説明されているのでここでは説明は省略する。また理由は後述するが4主極固定子の構成とすると高トルクが得られる。本図1でのモータユニットAはこれらの回転子とそれを回転自在に支える軸受け12とエンドリング2及び4個の歯部1で構成されている。本発明は次に説明するモータユニットBとの合体で回転電機の機能と本発明の特長を発揮するものである。
図2は2相式であり4個の歯部1のうち180°で対向しているものが1相であり1相分巻き線はお互いに異極性となるように巻き線電流で励磁される。この場合、回転子歯数は4n±1に選べば4個の歯部は90度対称配置となり望ましい。また歯部1は誘導子磁歯がない極数の少ない構成でも本発明は適応化のであるがトルクは回転子歯数に比例するため高トルクにするには歯部1は誘導子磁歯があるほうが望ましい。
磁気短絡を防ぐために図3と同じく90度ごとに4箇所穴を設けて磁束が飽和して磁気抵抗を大きくして回転子からの漏洩磁束を減らしコイルとの鎖交磁束が大きくなるようにしている。穴でなくその部分を細くしても良い。名前をエンドリングとしたが歯部1の両サイドに限らず強度を必要とする場合はその中央部等に適宜追加しても良い。1なる歯部積層体の軸方向でその一部を磁性体で固着すれば磁気漏洩は少なくて済む。エンドリングは磁性板で板厚及びその幅は小さいほうが磁気漏洩を少なくするために望ましい。
図6は図5の軸方向から見た正面図であり、片側のエンドリング3をはずして見た図である。また略正方形の環状圧粉鉄心4は対称形のため一部の図示は省略しコイル5の図示も省略してある。また歯部1は樹脂モールドで固着しても良い。
固定子を例えば圧粉鉄心で一体的に作ればコイルエンドを吸収するために軸方向に固定子鉄心に窪みを設ければよいがそれでは固定子の小さな誘導子字磁歯を強度を有して且つ精度良く成形するのは困難である。本発明では固定子の小さな誘導子字磁歯は珪素鋼鈑をプレスで打ち抜き製作するので一般に珪素鋼鈑の板厚みと同じ歯幅にできる。0.35mmの珪素鋼鈑では0.35mmの歯幅が可能であり圧粉鉄心で一体的に作る固定子では不可能な高分解能モータが可能になる。
T1=N NriΦm (1)
1相分トルクは(1)式で表される。Nrは回転子歯数、Nはコイル巻き数、iは電流、Φmは回転子からの永久磁石の磁束のコイルとの鎖交磁束である。
両者同一線径で同一トータル巻数Ntとする。また回転子から出るトータル磁束量は両者の固定子の歯数が例えば48(8主極は8×6=48、4主極では4×12=48)と等しいとした場合は両者の固定子鉄心の磁気抵抗差を無視し同じ値のΦtと近似できるので8主極機、4主極機の各1主極の巻数、磁束を各々N8
、N4、Φ8、Φ4として、次式が成立する。
Φ8=Φt/8 (2)
Φ4=Φt/4 (3)
N8=Nt/8 (4)
N2=Nt/4 (5)
(1)〜(5)式より、8主極 4主極機のトルク、T8、T4は各々以下となる。
T8=2*4(Nt/8)Nri(Φt/8)
=NtNriΦT/8 (6)
T2=2*2(Nt/4)Nri(Φt/4)
=NtNriΦt/4 (7)
(6)、(7)より、4主極機は従来の8主極機のモータより約2倍のトルクが出せることになる。しかし通常の単位回転子の場合、4主極機は不平衡電磁力が発生し騒音や振動が大きくなる。そこで不平衡電磁力が発生しない単位回転子AとBを近接させて近接回転子同士が同一極性となるようにするわけである。従って本願のものはコイルが2個なので巻き数が半分とすればトルクは4主極機の半分の従来の8主極機と同じで構造が極めて簡単な2巻き線で8巻き線式と同じトルクが得られまた不平衡電磁力が発生しないことになる。
90/Nr=(−/+){(360/4)−360n/Nr} (8)
但しnは1以上の整数。
(8)式の左辺、及び右辺は本構成のステップ角を表すしこれを整理すると(9)式が得られる。
Nr=4n±1 (9)
Nrは,2相2巻き線極2補助主極構造の望ましい形態となり図1のX軸とY軸は直交する。また固定子磁極(1)と(3)、及び(2)と(4)は機械角で180°の位置となる。
ステップ角は例えばn=19でNr=75となり、2相機では(90/Nr)度がステップ角となるので、1.2度ステップ角の固定子の回転電機が得られる。また図1の図示の例はn=6でNr=25、3.6度ステップ角となる。
またZ軸で対称にすれば裏表交互積層とすれば珪素鋼鈑のフープ材の圧延厚み差を吸収できる。3相の場合も同様な計算で(10)式が得られる。
Nr=3n±1 (10)
2,3
:エンドリング
4 :圧粉鉄心、
5 :コイル、
6 :積層鉄心、
7 :軸受け
12 :出力軸
25,26,27,28,31 :回転子
29、30
:永久磁石
32
:固定子鉄心
Claims (6)
- 磁性体板の積層体をm個同心的に分布配置させて非磁性体にて、あるいは磁性体で軸方向のその一部を、固着させて、その内周部でエアギャップを介して回転子と対向し、その外周部は、多角形を含む環状磁性体から突き出たm個のコイルを有した該積層体の軸方向長さより短い突極部と接合させてコイルエンドの軸方向への突き出しを吸収するようにしたことを特徴とする回転電機。mは整数。
- 請求項1でm個の磁性体板の積層体は回転子と対向する部分には複数個の磁歯を有し、また回転子はその外周に均等に複数Nr個の磁歯を有した磁性円板でお互いに歯ピッチの1/2ピッチ分づらして軸方向に磁化した永久磁石を挟持した所謂ハイブリッド型回転子あるいは複数Nr個の歯を有した回転子を2個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの1/2ピッチ分づらして挟持した単位回転子を2組、共通回転軸上に設けて、2組の単位回転子の近接あるいは隣接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化された特殊ハイブリッド型回転子あるいはその外周に均等にNr個の極対数を有した円筒状永久磁石式回転子であることを特徴とする回転電機。
- 請求項1及び2で固定子環状磁性体はコイルエンドを吸収する顎部を有した圧粉磁性体であることを特徴とする回転電機。
- 請求項1及び2で固定子環状磁性体は積層鋼鈑で軸方向厚みはコイルを有する突極部厚みと同じであることを特徴とする回転電機。
- 請求項1乃至4にてmは4として、回転子歯数は4n±1であることを特徴とする2相式永久磁石式回転電機。
- 請求項1乃至4にてmは3または6として、回転子歯数は3n±1であることを特徴とする3相式永久磁石式回転電機。
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