JP2008211942A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
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

本発明はハイブリッド型永久磁石式回転子を組み合わせたステッピングモータ等の回転電機に関する。

小型で高トルク、低振動がＯＡ機器等に使用されるステッピングモータ等の回転電機に
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。

日本国特許第３７６２９８１号 米国特許ＵＳＰ６７８１２６０Ｂ２

１）ハイブリッド（以下ＨＢと略す）のステッピングモータ等の多極回転電機で単位回転子を２個同軸で密着連結してお互いにその永久磁石同士を逆極性に磁化する構造の回転電機では特許文献１及び２に固定子主極を４個とし２相巻き線として、不平衡電磁力をなくし２相８主極モータより高トルクで且つコイル数が少ないため安価を実現している。しかし巻き線極である固定子子主極を４個とすると８主極モータよりコイルエンドが大きくなり軸方向に薄型モータとする場合は問題があった。
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。

本発明を実現するには以下の手段による。
「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N_ｒ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N_ｒ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N_ｒ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。

１）主極数を少なくすると高トルクとなりそのコイルエンドは本発明により吸収され、圧粉鉄心により形成した環状磁性体の場合はその外周に顎部があるので軸受けを支持する前後ブラケットは平らな板状が可能で構造が簡素にできる。また圧粉鉄心部は鉄損が小さくできる。
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。

以下図面によって説明する。

図１は本発明の長所を最も良く発揮する形態の一つである特殊ハイブリッド型回転子と２相４主極の構成に本発明を適応した場合のモータユニットＡの断面図である。図２は図１の軸方向から見た図であり回転子歯と固定子歯の関係位置を明確にした図である。モータユニットＡは珪素鋼鈑より形成し積層した歯部１を４個同心円状に９０度間隔で配置しそれらを固着させるために２なるエンドリング板を設けている。エンドリング板２は非磁性体の場合は単なる中心に穴を有する円板でよいが珪素鋼鈑等の磁性板の場合は磁気短絡を防ぐために図３のような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。また２は軸受けを支持することも可能である。
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N_ｒ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。

図４は図３とは異なるエンドリングの例であり軸受けを支持しない構成のものであるのでラジアル方向のアームは無い。珪素鋼鈑等の磁性板で構成されている。
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５は図３のエンドリング３を両サイドに使用し前述した特殊ハイブリッド回転子を組み合わせたモータユニットＡと略正方形の環状圧粉鉄心４で４個の巻き線極がラジアル方向に突き出てコイル５を有し且つコイルエンドを吸収する顎部を設けてありモータユニットＢを形成する。そしてモータユニットＡの外周にユニットＢの４箇所突き出た巻き線極が結合し合体され回転電機の機能を発揮する。この場合、コイル４個のコイルエンドは固定子部に吸収されるので薄型モータ化に有利である。尚４の顎部を含む長さはモータユニットＡの軸方向長さと同じにすることが望ましい。図５では省略してあるが前後のブラケットが板状のシンプルなものでコイル５も覆い軸受けを支持出来るためである。ハイブリッド型ステッピングモータの場合は０．０５ｍｍ程度の小さなエアギャップとするためこれらのエンドブラケットは例えば固定子の磁歯部内周をガイドとするように適当な突起や段差をつけて所謂内インロー方式とすることもできる。
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。

図７は図１に示したモータユニットＡに別のモータユニットＢを合体させた別の本発明の実施例であり、図８はそ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積層鉄心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。モータユニットＢを構成する固定子環状磁性体６は積層鋼鈑で圧粉鉄心４のような顎部は無く単純に平らでありコイルを巻く突極部を４個有し全体の軸方向厚みはコイルを有する突極部厚みと同じである。コイル５の軸方向長さはモータユニットＡの長さと同等以下にすれば薄型モータが可能である。珪素鋼鈑の積層式により形成した環状磁性体６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。あるいは図７のように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。

図９は従来技術の２相８主極ハイブリッド式回転電機の正面図、図１０はその軸を含む断面図である。後述するように８主極では４主極のトルクが半分である。尚図１０の通常のハイブリッド回転子を本発明で磁性体板の積層体をｍ個のｍを８とすれば不平衡電磁力が発生しないので使用することができる。また３相でｍを３または６としても良い。この場合、回転子歯数は３ｎ±１と選べば歯部は１２０度あるいは６０度の均等配置となり望ましい。ｎは１以上の整数である。

図１１に示す円筒状永久磁石にＮ極Ｓ極交互に着磁した回転子を本発明の回転子としても良い。この場合はハイブリッド回転子より磁束が正弦波分布のため低振動回転が得られる。またこの極対数はハイブリッド回転子の歯数と等価な機能となる。即ち図２の場合ではＮＳの対数が１５であればよい。この場合不平衡電磁力はキャンセルされる。尚Ｎｒ個の極対数円筒磁石であればＮｒ＝４ｎ±１でｎ＝４の場合である。ｎは１以上の整数である。

引例の特許文献１の２相４主極と８主極固定子に同一の単位回転子を組み合わせた場合のトルクを前述した特許文献１で説明したが再度説明する。本願構成はこの引例特許文献１に示す２相４主極モータの約半分のトルクとなる。
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）
＝ＮｔＮ_ｒｉΦ_T／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。

本願の２巻き線極２補助主極の場合、望ましい回転子歯数Nｒは図１を参照して以下の式から誘導される。

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）

N_ｒ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Ｎ_ｒ＝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）

本発明による回転電機は薄型で高トルク且つ安価な構造であるのでＯＡ機器である複写機やプリンターの用途に対し安価で高トルクなモータの提供が可能であり、工業的に大きな寄与が期待される。その他、医療機器、ＦＡ機器、ロボット、遊戯機械、住宅設備機器への応用も大いに期待される。

本発明の回転電機のユニットの図 図１の正面図 本発明のエンドリングの図 本発明の別のエンドリングの図 本発明の回転電機の完成図 図５の正面図 別の本発明の回転電機の完成図 図７の正面図 従来技術の図 図９の断面図 本発明に適応できる別の回転子の図

符号の説明

１、 ：固定子歯部
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)

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。
2. 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N_ｒ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N_ｒ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N_ｒ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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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