JP2009011115A - パルスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 可動子側鉄芯のみに歯先磁石を採用した低コスト構成において、低い起磁力領域からの推力向上効果を発揮させることを可能とするパルスモータを実現する。
【解決手段】 複数の鉄芯歯を有する第１鉄芯と複数の鉄芯歯を有する第２鉄芯とが、空隙を介して対向配置されると共に、バイアス永久磁石を有するパルスモータにおいて、
隣り合う前記鉄芯歯の歯底部より所定距離を有する空間部を隔てて前記バイアス永久磁石の極性に拮抗する極性の向きで挿入された歯先磁束発生部材を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の鉄芯歯を有する第１鉄芯と複数の鉄芯歯を有する第２鉄芯とが、空隙を介して対向配置されると共に、バイアス永久磁石を有するパルスモータに関するものである。

複数の鉄芯歯を有する第１鉄芯と複数の鉄芯歯を有する第２鉄芯とが、空隙を介して対向配置されると共に、バイアス永久磁石を有するパルスモータについては、特許文献１に技術開示がある。

図６は、従来構成のパルスモータの平面図、図７はその右側面図である。バイアス永久磁石２０を、第１鉄芯を形成する鉄芯１０と鉄芯１１で挟み、鉄芯１０と１１は励磁用コイル３０で巻かれている。

鉄芯１０，１１は、第２鉄芯を形成する鉄芯１３と空隙を介して対向配置されている。鉄芯１０及び鉄芯１１は、複数の鉄芯歯Ｃ１０，Ｃ１１を有し、その鉄芯歯は鉄芯１３の鉄芯歯Ｃ１３に空隙を介して対向し、鉄芯歯Ｃ１０とＣ１１の位相は１／２Ｐ(ピッチ)ずれている。

あるいは、鉄芯歯Ｃ１０とＣ１１を同位相とし、鉄芯歯Ｃ１３をバイアス永久磁石２０の中央位置で２体に分け、鉄芯歯Ｃ１３が互いに鉄芯歯Ｃ１０とＣ１１に対する位相が１／２Ｐずれるように構成されている。

鉄芯歯Ｃ１０と隣接するＣ１０の間の歯底部に、歯先磁束発生部材を形成する永久磁石による歯先磁石２１が、バイアス永久磁石２０の極性に拮抗する極性の向きで挿入されている。更に鉄芯１３の鉄芯歯Ｃ１３と隣接するＣ１３間に、鉄芯１０と１１に挿入した極性と同方向に歯先磁石２１を挿入する構成もある。

バイアス永久磁石２０のＮ極２０ｎから生じたバイアス磁束Φ_Ｂは、鉄芯１０の鉄芯歯Ｃ１０から空隙を介し、鉄芯歯Ｃ１３を経由し、再び鉄芯歯Ｃ１１の歯底部空隙を介して鉄芯１１に入り、バイアス磁石２０のＳ極２０ｓに戻る。

励磁用コイル３０が発生する磁束Φ_Ｅは、鉄芯歯Ｃ１０から空隙を介し鉄芯歯Ｃ１３を経由し、鉄芯１３を当該突極に隣接する他突極に対向する鉄芯歯Ｃ１３まで通過し、そのＣ１３から空隙を介し鉄芯１０の他の突極の鉄芯歯Ｃ１０を経由し、再び鉄芯１０を通り励磁用コイル３０に戻ってくる。

この磁束Φ_Ｅは、鉄芯１１でも同様に動作している。推力Ｆは、鉄芯歯Ｃ１０とＣ１１及び鉄芯歯Ｃ１３に対向位相が変化する間の通過磁束の変化の大きさと入力起磁力に比例し、次式で表記される。
Ｆ＝１／２・ＮＩ・Δφ／Δθ （１）
ＮＩ；入力起磁力，θ；鉄芯歯の移動量

鉄芯歯Ｃ１０−Ｃ１３及びＣ１１−Ｃ１３間を通過する合成磁束Φ＝Φ_Ｂ±Φ_Ｅの強弱によって推力Ｆを発生させる。鉄芯１０と鉄芯１１の発生する推力は互いに逆方向である。鉄芯１０と鉄芯１１が鉄芯１３と間で発生する推力の和が機械出力として発生させる推力Ｆとなる。

推力を発生する際、鉄芯歯Ｃ１０とＣ１１及びＣ１３の歯底部から歯底漏洩磁束Φ_Ｌが生じる。この歯底漏洩磁束Φ_Ｌは、鉄芯材料の飽和磁束密度Ｂｓに近づくと増大する。この歯底漏洩磁束Φ_Ｌは、ΔΦ／Δθを減少させるために、飽和磁束密度Ｂｓの領域では式（１）に従い、推力飽和を生じてしまう。

この推力飽和を改善する為、歯先磁石２１をバイアス永久磁石２０の極性と拮抗する方向に挿入することにより漏洩磁束Φ_Ｌを抑制し、ΔΦ／Δθ減少を改善させ、鉄芯材料の飽和磁束密度Ｂｓに近づいた領域でも推力向上を図れるように構成されている。

図８は、起磁力ＮＩ（Ｎは励磁用コイルの巻回数、Ｉは励磁電流）と鉄心の磁束φ（磁束密度Ｂ）の関係を示す特性図であり、飽和特性を有している。バイアス用永久磁石２０は、起磁力ＮＩに適当なバイアスΦ_Ｂ（Ｂ_Ｂ）を与え、磁束密度の変化が直線領域となるＱ点に動作点をシフトさせている。

特開平６−２２５５１１号公報

図９は、起磁力ＮＩと発生推力Ｆの関係を示す特性図である。歯先磁石なしの従来例Ｆ１及び歯先磁石付の従来例Ｆ２との比較において、歯先磁石２１による推力向上効果が発揮されるのは、歯先磁石なしの構成が推力飽和を生じた高起磁力以降であり、低起磁力の領域では、歯先磁石なしの従来例Ｆ１よりも推力特性が低下してしまうことが問題であった。

歯先磁石２１なしの構成に比較し、推力飽和しない低起磁力領域から推力の向上効果を得るためには、可動子の鉄心１０，１１側の歯先磁石２１に加えて固定子側の鉄芯１３にも歯先磁石２１を挿入した構成を採用する必要がある。

しかし、リニアモータや平面（サーフェス）モータ等の応用では、可動子に比べ、固定子側の歯先磁石２１の挿入は、ストローク範囲全てに必要であり高コストであること、特に平面モータでは運動方向が２次元的なため、運動方向が特定できない故に歯先磁石の極性が選択できない等の問題があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、可動子側鉄芯のみに歯先磁石を採用した低コスト構成において、低い起磁力領域からの推力向上効果を発揮させることを可能とするパルスモータの実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）複数の鉄芯歯を有する第１鉄芯と複数の鉄芯歯を有する第２鉄芯とが、空隙を介して対向配置されると共に、バイアス永久磁石を有するパルスモータにおいて、
隣り合う前記鉄芯歯の歯底部より所定距離を有する空間部を隔てて前記バイアス永久磁石の極性に拮抗する極性の向きで挿入された歯先磁束発生部材を備えることを特徴とするパルスモータ。

（２）前記歯先磁束発生部材は、永久磁石あるいは補助コイルであることを特徴とする（１）に記載のパルスモータ。

（３）前記補助コイルは、前記歯底部に形成された所定長の補助歯に巻回されていることを特徴とする（２）に記載のパルスモータ。

（４）前記空間部は、空気（真空の透磁率）で充填されていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のパルスモータ。

（５）前記空間部は、前記鉄芯の透磁率とは異なる透磁率を有する部材で充填されていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のパルスモータ。

（６）前記空間部は、圧電素子または磁歪素子で充填されていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のパルスモータ。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）図９に示す推力特性において、歯先磁石なしの従来例Ｆ１及び歯先磁石付の従来例Ｆ２と比較した本発明構成の特性Ｆ３では、低起磁力領域から歯先磁石なしの従来特性Ｆ１を上回る推力向上効果が発揮され、高起磁力領域を含む全領域で従来構成による特性Ｆ１，Ｆ２よりも高い推力特性を得ることができる。

（２）鉄芯１０と鉄芯１１側のみに歯先磁石２１を挿入する構成が可能であるため、低コストのパルスモータを実現することができる。

（３）リニアモータや平面モータ等の電磁アクチュエータでの使用形態で、運動方向の制約を受けないパルスモータを実現することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したパルスモータの一実施形態を示す平面図、図２はその要部拡大図である。図６及び図７で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図６及び図７に示した従来構成に対する改良点は、歯先磁石２１の配置である。配置の特徴は、従来構成では、隣り合う鉄芯歯Ｃ１０及び隣り合う鉄芯歯Ｃ１１で形成される歯間室の歯底部に密着していた歯先磁石２１と歯底部との間に、寸法δ_Ｂの空間部（真空の透磁率μ０）Ａを設けた構成にある。

この空間部には、鉄芯１０、鉄芯１１及び鉄芯１３の透磁率μsに対し、μs’≠μsとなるような透磁率μs’の物質を挿入する構成でもよい。尚、鉄芯歯Ｃ１０とＣ１１の歯頭と歯先磁石２１の歯頭面側の距離δtは、δｔ≧０であり、できるだけδｔ≒０が望ましい。

また、合成磁束Φによる歯先磁石２１周辺の磁界の強さＨによって消磁されないように、歯先磁石２１の材料及び厚さ寸法Ｔｔを選択する。

運動方向が決定されている電磁アクチュエータでは、歯先磁石２１は鉄芯１３側に設けてもよい。或いはコストを問題にしなければ、鉄芯１０，鉄芯１１及び鉄芯１３の両方に設けても良い。

通常鉄芯１０，鉄芯１１及び鉄芯１３は、鉄損を減らすために積層鋼板で構成されるが、本発明では積層鋼板でも無垢材でも適用することができる。

次に、本発明構成の動作を説明する。図８の起磁力と磁束（磁束密度）の特性図に示すように、ハイブリッド型パルスモータにおいて、バイアス永久磁石２０は、飽和磁束密度Ｂｓを持つ磁性材料の動作点をＱ点に移動させる（バイアスする）。これにより励磁用コイル３０による起磁力ＮＩに比例した可逆推力が得られる。

鉄芯１０，１１には動作点Ｑに相当するバイアス磁場Ｈ_Ｂ(起磁力に比例)が作用しており、鉄芯中は、ほぼ同じと見なせる。鉄芯歯Ｃ１０とＣ１１及びＣ１３が対向する空隙には、鉄芯歯Ｃ１０とＣ１１と鉄芯歯１３の作る歯列の形状に依存したバイアス磁場Ｈ_Ｂ´がある。バイアス磁場Ｈ_Ｂ´は歯列の位相θの関数となっており、Ｈ_Ｂ´（θ）∝Ｈ_Ｂ（θ）である。

図６、図７の従来構成では、歯先磁石２１は鉄芯１０と１１の歯底部に密着しているので、バイアス磁場Ｈ_Ｂが直に作用する。このため、歯先磁石２１には大きな減磁界が作用し、磁力が弱まっている。これにコイル磁束が印加されると、バイアス磁場Ｈ_Ｂが鉄芯１０と１１内で増減するため、歯先磁石２１に作用している減磁界が、それに応じて増減するが弱い磁力しか発生しない。

従って、漏洩磁束Φ_Ｌの抑制効果が高起磁力(コイル)側で働き、鉄芯材料の飽和磁束Φ_Ｓの範囲全体の有効利用に寄与しない。これに対して本発明構成では、歯先磁石２１を歯底部からの寸法δ_Ｂ＞０に配置することにより、歯先磁石２１へのバイアス磁場Ｈ_Ｂの減磁作用を大幅に弱めることができる。

このため、漏洩磁束Φ_Ｌの抑制効果が歯先磁石なしの構成に対し、低起磁力(コイル)側でも効果的に働く。さらにコイル励磁の増加に比例して歯先磁石２１の磁束が増減し、
バイアス磁束Φ_Ｂ±歯先磁石磁束Φ_Ｔ±コイル励磁磁束Φ_Ｅ＝合成磁束Φ
で表される合成磁束Φの総量を減少させ磁気飽和を改善し、且つ、磁束変化ΔΦ／Δθを最大にする。

従って、鉄芯材料の持つ飽和磁束Φ_Ｓ(飽和磁束密度Ｂｓ)の範囲を最大限に有効利用できるので、式(１)に基づき起磁力の全範囲で推力向上を図ることが可能となる。

次に、図３乃至図５により、本発明の他の実施形態を説明する。図３に示す実施形態では、歯先磁束発生部材を歯先磁石２１に代えて補助コイル３１を鉄芯歯Ｃ１０及び鉄芯歯Ｃ１１の歯間室に挿入した構成を特徴とする。

補助コイル３１は鉄芯歯Ｃ１０及びＣ１１の歯底から距離δ_Ｂだけ離れて配置する。即ち、δ_Ｂ＞０である。補助コイル３１は空芯コイル状である。空間４０には、図１と同様に、空気(真空の透磁率μ_０)で満たすか、或いは鉄芯１０，鉄芯１１及び鉄芯１３の透磁率μｓに対してμｓ’≠ μｓなる透磁率μｓ’を持つ物質を挿入する。

補助コイル３１の動作は、図１の歯先磁石２１と同じ作用を発揮する。補助コイルが発生する磁束Φ_Ｔが合成磁束Φを減少させ、鉄芯の磁束飽和を緩和する様に補助コイル３１を励磁する。磁束Φ_Ｔと合成磁界Φの関係は、図１の動作原理と同じである。

補助コイル３１の効果は、基本的には図１と同じであるが、歯先磁石２１に比べて能動的にΦ_Ｔを制御できる。これにより、推力特性及び合成磁束Φを自由に変化させることができるので、図１の実施形態とは別の効果もある。

例えば、歯先磁石なしの構成をとる電磁アクチュエータが加速を終了し等速運動に移行した際には、バイアス永久磁石２０の磁束Φ_Ｂによる渦電流によって電磁制動作用が生じて慣性運動を妨げる。等速運動を持続したい場合には、この電磁制動作用を減じるために推力Ｆを発生させる必要があり、余分な電力損失が生じる。

また、鉄芯１３は渦電流によるジュール熱を発生させ、効率を悪化させる。補助コイルの構成を用いれば、加速終了後はバイアス永久磁石２０の磁束Φ_Ｂを減じるように補助コイルを励磁することによって、電磁制動及び渦電流を抑制し、鉄芯１３のジュール熱を減少させることができる。尚、補助コイル３１の電力は、推力に依る電磁制動抑制電力以下に制御することで効率が向上する。

図４の実施形態は、基本構成は図１と同じであるが、歯先磁石２１に代えて補助コイル３１を鉄芯歯Ｃ１０及び鉄芯歯Ｃ１１の間に挿入する。この場合、補助コイル３１は鉄芯歯Ｃ１０及び鉄芯歯Ｃ１１の歯底部に密着させる。更に鉄芯１０と鉄芯１１の鉄芯歯Ｃ１０（Ｃ１１）と隣接する鉄芯歯Ｃ１０（Ｃ１１）の中間に補極歯Ｃ１２を設ける。

この補極歯Ｃ１２は、鉄芯歯Ｃ１０の歯頭から距離δ_Ｔだけ段差を付け、δ_Ｔ≧０の関係を持たせる。この実施形態での補助コイル３１の動作及び効果は、図３の実施形態での補助コイル３１と同じである。

図５の実施形態は、基本構成は図１と同じであるが、鉄芯１０及び鉄芯１１の鉄芯歯Ｃ１０，Ｃ１１の歯底部と歯先磁石２１の間に作る空間部に、圧電素子または磁歪素子５０を挿入した構成である。歯先磁石２１は、この圧電素子または磁歪素子５０に締結されており、鉄芯１０及び鉄芯１１に対し可動できるようになっている。

圧電素子または磁歪素子５０の寸法は、δ_Ｂ＞０である。圧電素子または磁歪素子５０の透磁率μｓ’は、鉄芯１０，鉄芯１１及び鉄芯１３の透磁率μｓに対して、μｓ’≠ μｓである。

圧電素子または磁歪素子５０は、電気的制御によりその寸法δ_Ｂを制御することが可能である。従って、鉄芯１０，鉄芯１１の鉄芯歯Ｃ１０，Ｃ１１の歯底部と歯先磁石２１の距離δ_Ｂを制御できる。

歯先磁石２１の減磁効果は、距離δ_Ｂに依存している。このため、圧電素子または磁歪素子５０により、歯先磁石２１の発生させる磁束Φ_Ｔを能動的に制御ができる。磁束Φ_Ｔと合成磁界Φの関係は、図１の動作原理と同じである。従って、圧電素子または磁歪素子５０の基本的な効果は、図１及び図３，図４の実施形態と同じである。

本発明を適用したパルスモータの一実施形態を示す平面図である。 図１の要部拡大図である。 本発明を適用したパルスモータの他の実施形態を示す平面図である。 本発明を適用したパルスモータの更に他の実施形態を示す平面図である。 本発明を適用したパルスモータの更に他の実施形態を示す平面図である。 従来構成のパルスモータの平面図である。 従来構成のパルスモータの右側面図である。 起磁力ＮＩと鉄心の磁束φ（磁束密度Ｂ）の関係を示す特性図である。 起磁力ＮＩと発生推力Ｆの関係を示す特性図である。

符号の説明

１０，１１ 第１鉄芯
１３ 第２鉄芯
２０ バイアス永久磁石
２１ 歯先磁石
３０ 励磁用コイル
Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１３ 鉄芯歯

Claims (6)

1. 複数の鉄芯歯を有する第１鉄芯と複数の鉄芯歯を有する第２鉄芯とが、空隙を介して対向配置されると共に、バイアス永久磁石を有するパルスモータにおいて、
   隣り合う前記鉄芯歯の歯底部より所定距離を有する空間部を隔てて前記バイアス永久磁石の極性に拮抗する極性の向きで挿入された歯先磁束発生部材を備えることを特徴とするパルスモータ。
2. 前記歯先磁束発生部材は、永久磁石あるいは補助コイルであることを特徴とする請求項１に記載のパルスモータ。
3. 前記補助コイルは、前記歯底部に形成された所定長の補助歯に巻回されていることを特徴とする請求項２に記載のパルスモータ。
4. 前記空間部は、空気（真空の透磁率）で充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパルスモータ。
5. 前記空間部は、前記鉄芯の透磁率とは異なる透磁率を有する部材で充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパルスモータ。
6. 前記空間部は、圧電素子または磁歪素子で充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパルスモータ。

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