JP2012147622A - Coreless motor, robot hand mounted with coreless motor and robot - Google Patents

Coreless motor, robot hand mounted with coreless motor and robot Download PDF

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Koji Takeda
幸二 竹田
Shigenori Sasai
重徳 笹井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a coreless motor having high winding efficiency and high torque.SOLUTION: A coreless motor is configured by disposing a permanent magnet having a cylindrical shape inside a hollow air-core coil. Further, an air-core coil is formed by winding a cable therearound in a rhombus shape. Furthermore, one diagonal of the rhombus shape is set to be parallel with a central axis of the permanent magnet, and a length of the other diagonal is set to correspond to an angular range with an angle being 1.2 times through 1.6 times as large as an angle in which a magnetic pole of the permanent magnet is changed with respect to the central axis of the permanent magnet. Hereby, rotational torque of the coreless motor configuring the air-core coil by winding the cable therearound in the rhombus shape can be enhanced. In addition to the above, high winding efficiency thereof can be realized as a result that the cable is wound therearound in the rhombus shape.

Description

本発明は、電力を用いて回転トルクを発生させるモーターに関し、特に円筒形状の空芯
巻線と、その内側に設けられて多極に着磁された永久磁石とを組み合わせて構成したコア
レスモーター、およびコアレスモーターを搭載したロボットハンドあるいはロボットに関
する。
The present invention relates to a motor for generating rotational torque using electric power, and in particular, a coreless motor configured by combining a cylindrical air-core winding and a multi-pole magnetized permanent magnet provided inside thereof, And a robot hand or robot equipped with a coreless motor.

円筒形状に形成された空芯巻線の内側に、多極に着磁された永久磁石によるローターが
設けられ、空芯巻線に流す電流の向きを切り換えることによって、ローターを回転させる
コアレスモーター(インナーローター形式のコアレスモーター)が知られている。あるい
は、空芯巻線をローターとし、その内側に設けられた永久磁石をステーターとするアウタ
ーローター形式のコアレスモーターも知られている(たとえば特許文献1)。これらのコ
アレスモーターには、コアが無いためにローターの回転慣性が小さくなって応答性が向上
し、更に小型化が比較的容易であるという利点がある。また、これらのコアレスモーター
は、永久磁石が形成する磁界の中で巻線に電流を流したときに、巻線が受けるローレンツ
力を利用して回転トルクを発生させることを動作原理としている。
A coreless motor that rotates a rotor by switching the direction of the current that flows through the air-core winding is provided inside the air-core winding that is formed in a cylindrical shape. An inner rotor type coreless motor) is known. Alternatively, an outer rotor type coreless motor is also known in which an air-core winding is a rotor and a permanent magnet provided inside the rotor is a stator (for example, Patent Document 1). Since these coreless motors do not have a core, they have the advantage that the rotational inertia of the rotor is reduced and the responsiveness is improved, and further downsizing is relatively easy. Further, these coreless motors are based on the principle of generating rotational torque using Lorentz force received by a winding when a current is passed through the winding in a magnetic field formed by a permanent magnet.

ここで、ローレンツ力は、磁界の方向から見て電流の向き(従って巻線の向き)に直角
な方向に作用する。従って、巻線の方向がローターの回転軸の方向に直交している部分で
は、ローレンツ力が発生しても回転軸の方向に向いてしまうので、ローレンツ力を回転ト
ルクに変換することができない。すなわち、ローターの回転軸に直交している部分の巻線
は、回転トルクの発生に寄与していないので、いわゆる巻線効率を低下させる。そして、
巻線効率が低下すると、電気抵抗による電力消費(いわゆる銅損)が増加したり、重量が
増加したりするなどの弊害を引き起こす。
Here, the Lorentz force acts in a direction perpendicular to the direction of the current (and hence the direction of the winding) as seen from the direction of the magnetic field. Therefore, in a portion where the direction of the winding is orthogonal to the direction of the rotation axis of the rotor, even if a Lorentz force is generated, it is directed to the direction of the rotation axis, so the Lorentz force cannot be converted into a rotation torque. That is, the portion of the winding that is orthogonal to the rotational axis of the rotor does not contribute to the generation of rotational torque, so that so-called winding efficiency is reduced. And
When the winding efficiency decreases, power consumption (so-called copper loss) due to electrical resistance increases, and the weight increases.

そこで、菱形形状に巻線を巻く技術も提案されている。巻線を菱形形状に巻けば、ロー
ターの回転軸に直交する部分が発生しないようにすることができるので、巻線効率を向上
させることができる(特許文献2)。
Therefore, a technique for winding a wire in a diamond shape has also been proposed. If the winding is wound in a rhombus shape, a portion orthogonal to the rotation axis of the rotor can be prevented from being generated, so that the winding efficiency can be improved (Patent Document 2).

特開2007−236123号公報JP 2007-236123 A 特開2007−124892号公報JP 2007-124882 A

しかし、コアレスモーターにおいても、他の方式のモーターと同様に、高トルク化に対
する要請は常に存在している。従って、巻線効率が高く、高い回転トルクを発生させるこ
とが可能なコアレスモーターの開発が望まれている。特に、ロボットハンドやロボットの
アクチュエーターとして組み込むためには、小型で効率が良く、且つ高トルクを発生可能
なモーターが必要となるが、このようなモーターは存在しないという問題があった。
However, as with other types of motors, there is always a demand for higher torque in coreless motors. Therefore, it is desired to develop a coreless motor that has high winding efficiency and can generate high rotational torque. In particular, in order to be incorporated as a robot hand or a robot actuator, a small, efficient motor capable of generating a high torque is required, but there is a problem that such a motor does not exist.

この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになさ
れたものであり、巻線効率が高く、高い回転トルクを発生させることが可能なコアレスモ
ーターの提供を目的とする。
The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems of the prior art, and aims to provide a coreless motor with high winding efficiency and capable of generating high rotational torque. To do.

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明のコアレスモーターは次の構
成を採用した。すなわち、
電線を巻回することによって中空の円筒形状に形成された空芯巻線と、該空芯巻線の内
周側に設けられて外周面が多極に着磁された円筒形状の永久磁石とを備え、該空芯巻線に
電流を流すことによって回転トルクを発生させるコアレスモーターであって、
前記永久磁石は、該永久磁石の中心軸から見て所定の単位磁極角度の間隔で、交互に極
性が切り換わるように着磁されており、
前記空芯巻線は、前記電線を折り曲げて菱形形状のループ状に形成された単位巻回要素
が、前記永久磁石の中心軸に対して所定角度ずつ位置をずらして複数設けられることによ
って形成された空芯巻線であり、
前記単位巻回要素の菱形形状は、一方の対角線が前記永久磁石の中心軸と平行であり、
他方の対角線が、該永久磁石の中心軸に対して前記単位磁極角度の1.2倍から1.6倍
の角度範囲となる長さの菱形形状であることを要旨とする。
In order to solve at least a part of the problems described above, the coreless motor of the present invention employs the following configuration. That is,
An air core winding formed into a hollow cylindrical shape by winding an electric wire, and a cylindrical permanent magnet provided on the inner peripheral side of the air core winding and having an outer peripheral surface magnetized in multiple poles; A coreless motor that generates rotational torque by passing a current through the air-core winding,
The permanent magnet is magnetized so that the polarity is alternately switched at intervals of a predetermined unit magnetic pole angle when viewed from the central axis of the permanent magnet,
The air-core winding is formed by bending a plurality of unit winding elements formed in a rhombus-like loop shape by shifting the position with respect to the central axis of the permanent magnet. Air core winding,
The rhombus shape of the unit winding element is such that one diagonal line is parallel to the central axis of the permanent magnet,
The other diagonal line has a rhombus shape having a length in the range of 1.2 to 1.6 times the unit magnetic pole angle with respect to the central axis of the permanent magnet.

こうした構成を有する本発明のコアレスモーターにおいては、中空の円筒形状に形成さ
れた空芯巻線の内側に、円筒形状の永久磁石が設けられている。また、空芯巻線は、菱形
形状に形成された複数の単位巻回要素が、所定角度ずつ位置をずらして設けられることに
よって形成されている。そして、単位巻回要素の菱形形状は、一方の対角線が永久磁石の
中心軸と平行であり、他方の対角線が、永久磁石の中心軸に対して単位磁極角度の1.2
倍から1.6倍の角度範囲となる長さに設定されている。
In the coreless motor of the present invention having such a configuration, a cylindrical permanent magnet is provided inside an air core winding formed in a hollow cylindrical shape. The air-core winding is formed by providing a plurality of unit winding elements formed in a rhombus with a position shifted by a predetermined angle. In the rhombus shape of the unit winding element, one diagonal line is parallel to the central axis of the permanent magnet, and the other diagonal line has a unit magnetic pole angle of 1.2 with respect to the central axis of the permanent magnet.
The length is set to an angle range of double to 1.6 times.

一般に電線を菱形形状に巻回して空芯巻線を構成するコアレスモーターでは、菱形形状
の対角線の中、永久磁石の中心軸に直交する方の対角線(回転方向の対角線)の長さが、
永久磁石の中心軸に対して単位磁極角度となるように設定されている。しかし、回転方向
の対角線の長さを延長することで、菱形形状に巻回された空芯巻線を有するコアレスモー
ターの回転トルクを向上させられる可能性がある。詳細には後述するが、このような着想
に基づいて詳しく検討してみると、回転方向の対角線の長さを、永久磁石の中心軸に対し
て単位磁極角度の1.2倍から1.6倍の角度範囲となる長さに設定しておけば、回転ト
ルクを向上させることが可能であることが見いだされた。従って、このようにすることで
、巻線効率が高く、しかも、高い回転トルクを発生させることが可能なコアレスモーター
を実現することが可能となる。
Generally, in a coreless motor that forms an air-core winding by winding an electric wire in a rhombus shape, the length of the diagonal line that is perpendicular to the central axis of the permanent magnet (diagonal line in the rotation direction) is
The unit magnetic pole angle is set with respect to the central axis of the permanent magnet. However, by extending the length of the diagonal line in the rotational direction, there is a possibility that the rotational torque of the coreless motor having the air-core winding wound in a rhombus shape may be improved. As will be described in detail later, the length of the diagonal line in the rotation direction is 1.2 times 1.6 to 1.6 times the unit magnetic pole angle with respect to the central axis of the permanent magnet. It has been found that if the length is set to be a double angle range, the rotational torque can be improved. Therefore, by doing in this way, it is possible to realize a coreless motor having high winding efficiency and capable of generating high rotational torque.

また、上述した本発明のコアレスモーターにおいては、空芯巻線にN相(但しNは2以
上の整数)の電流を流すものとしたときに、複数の単位巻回要素を、永久磁石の中心軸に
対して単位磁極角度のN分の1に相当する角度ずつ位置をずらして設けることによって、
空芯巻線を形成するようにしても良い。
In the above-described coreless motor of the present invention, when a N-phase current (where N is an integer of 2 or more) is passed through the air-core winding, the plurality of unit winding elements are arranged at the center of the permanent magnet. By shifting the position by an angle corresponding to 1 / N of the unit magnetic pole angle with respect to the axis,
An air core winding may be formed.

こうすれば、単位磁極角度ずつ位置をずらして設けられた単位巻回要素をまとめること
で、複数の単位巻回要素をN相に分けることができる。そして、複数の単位巻回要素をN
相に分けて駆動してやれば、コアレスモーターの回転トルクの変動を小さくすることが可
能となる。
In this way, by uniting the winding elements provided by shifting the position by the unit magnetic pole angle, a plurality of unit winding elements can be divided into N phases. A plurality of unit winding elements are
If the drive is divided into phases, the fluctuation of the rotational torque of the coreless motor can be reduced.

また、上述した本発明のコアレスモーターは、巻線効率が高く、高トルクを発生させる
ことができるので、ロボットハンドあるいはロボットに組み込んで使用されるモーターと
して特に優れている。
The coreless motor of the present invention described above is particularly excellent as a motor used by being incorporated in a robot hand or a robot because it has high winding efficiency and can generate high torque.

本実施例のコアレスモーターの外観形状を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the external appearance shape of the coreless motor of a present Example. 本実施例のコアレスモーターの空芯巻線の構造を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structure of the air core winding of the coreless motor of a present Example. 一般的なコアレスモーターの動作原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation principle of a general coreless motor. 従来の菱形巻線のメリットおよびデメリットについて示した説明図である。It is explanatory drawing shown about the merit and demerit of the conventional rhombus winding. 本実施例の単位巻回要素で得られる回転力を算出するための前提事項を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the premise for calculating the rotational force obtained with the unit winding element of a present Example. 本実施例の単位巻回要素が発生する回転力の導出過程を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the derivation | leading-out process of the rotational force which the unit winding element of a present Example generate | occur | produces. 単位巻回要素を移動させたときに得られる回転力の変化を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the change of the rotational force obtained when a unit winding element is moved. 本実施例のコアレスモーターによって得られる回転力を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the rotational force obtained by the coreless motor of a present Example. 単位巻回要素の回転方向の対角線の長さと、回転力の平均値との関係を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the relationship between the length of the diagonal of the rotation direction of a unit winding element, and the average value of rotational force. 本実施例のコアレスモーターをロボットハンドの関節部分に組み込んだ様子を例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated a mode that the coreless motor of a present Example was integrated in the joint part of the robot hand. ロボットのアクチュエーターとして本実施例のコアレスモーターを組み込んだ様子を例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated a mode that the coreless motor of a present Example was integrated as an actuator of a robot.

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施
例を説明する。
A.本実施例のコアレスモーターの構造:
B.コアレスモーターの動作原理:
C.本実施例のコアレスモーターで得られる回転力:
D.適用例:
Hereinafter, in order to clarify the contents of the present invention described above, examples will be described in the following order.
A. Structure of coreless motor of this embodiment:
B. Coreless motor operating principle:
C. Rotational force obtained with the coreless motor of this embodiment:
D. Application example:

A.本実施例のコアレスモーターの構造 :
図1は、本実施例のコアレスモーター100の構造を示した説明図である。図1(a)
に示されるように、本実施例のコアレスモーター100は、円筒形状の空芯巻線110の
内側に、円柱形の永久磁石120が収容されて、永久磁石120の中心軸と同軸に回転軸
122が設けられている。永久磁石120は、中心軸から等角度でN極とS極とが交互に
切り換わるように着磁されている。また、空芯巻線110は、電線を巻回することによっ
て中空の円筒形状に形成された後、樹脂によって固められて構成されている。
A. Coreless motor structure of this embodiment:
FIG. 1 is an explanatory view showing the structure of the coreless motor 100 of this embodiment. FIG.
As shown in the figure, the coreless motor 100 of this embodiment includes a cylindrical permanent magnet 120 accommodated inside a cylindrical air-core winding 110, and a rotating shaft 122 coaxially with the central axis of the permanent magnet 120. Is provided. The permanent magnet 120 is magnetized so that the N pole and the S pole are alternately switched at an equal angle from the central axis. The air-core winding 110 is formed by being formed into a hollow cylindrical shape by winding an electric wire and then being hardened with a resin.

尚、回転軸122が永久磁石120に設けられていることから明らかなように、本実施
例のコアレスモーター100は、永久磁石120がローターとなり、空芯巻線110がス
テーターとなったいわゆるインナーローター形式のコアレスモーター100である。もち
ろん、このような構成に限られるものではなく、空芯巻線110に回転軸122を設ける
ことによって、いわゆるアウターローター形式のコアレスモーター100を構成すること
も可能である。
As is apparent from the fact that the rotating shaft 122 is provided on the permanent magnet 120, the coreless motor 100 of this embodiment is a so-called inner rotor in which the permanent magnet 120 serves as a rotor and the air-core winding 110 serves as a stator. A coreless motor 100 of the type. Of course, the configuration is not limited to this, and the coreless motor 100 of the so-called outer rotor type can be configured by providing the rotating shaft 122 in the air-core winding 110.

図1(b)は、回転軸122の方向から、本実施例のコアレスモーター100の底面を
見た様子を示す説明図である。詳細には後述するが、本実施例のコアレスモーター100
の空芯巻線110は、電線を菱形形状に何回も巻回することによって形成した単位コイル
112を、所定角度ずつ位置をずらして重ねることによって形成されている。また、単位
コイル112をずらす角度は、永久磁石120で等角度間隔で磁極が切り換わる角度(以
下では、単位磁極角度と呼ぶ)の半分の角度に設定されている。
FIG. 1B is an explanatory diagram showing a state in which the bottom surface of the coreless motor 100 of this embodiment is viewed from the direction of the rotating shaft 122. As will be described in detail later, the coreless motor 100 of the present embodiment.
The air-core winding 110 is formed by stacking unit coils 112 formed by winding an electric wire many times in a rhombus shape while shifting the position by a predetermined angle. The angle by which the unit coil 112 is shifted is set to an angle that is half of the angle at which the magnetic poles are switched at equal angular intervals by the permanent magnet 120 (hereinafter referred to as the unit magnetic pole angle).

図2は、本実施例の空芯巻線110の構造を示した説明図である。尚、前述したように
空芯巻線110は、永久磁石120の周囲を取り巻く中空の円筒形状に形成されているが
、理解の便宜を図るために、図2では、円筒形状の空芯巻線110および永久磁石120
が平面上に展開した状態で表示されている。図2(a)に示されるように、単位コイル1
12は、ほぼ菱形形状に形成されており、この菱形形状の単位コイル112が等距離ずつ
位置をずらしながら重ねられることによって、空芯巻線110が形成されている。尚、図
2では円筒形状の空芯巻線110を平面に展開した状態で表示されているから、図2の図
面上で単位コイル112が等しい「距離」ずつ位置がずれていることは、実際の空芯巻線
110では等しい「角度」ずつ位置がずれていることに対応する。
FIG. 2 is an explanatory view showing the structure of the air-core winding 110 of the present embodiment. As described above, the air core winding 110 is formed in a hollow cylindrical shape surrounding the periphery of the permanent magnet 120. For convenience of understanding, however, in FIG. 110 and permanent magnet 120
Is displayed on a flat surface. As shown in FIG. 2A, the unit coil 1
12 is formed in a substantially rhombus shape, and the air-core winding 110 is formed by overlapping the rhombus-shaped unit coils 112 while shifting their positions by equal distances. In FIG. 2, the cylindrical air core winding 110 is displayed in a state of being developed on a plane. Therefore, it is actually the case that the unit coils 112 are displaced by the same “distance” on the drawing of FIG. 2. This corresponds to the fact that the position of each air core winding 110 is shifted by the same “angle”.

また、本実施例のコアレスモーター100では、これら複数の単位コイル112が2つ
のグループに分けられており、同じグループの単位コイル112は、一続きの電線を巻回
することによって形成されている。以下では、一方のグループを「a相」と呼び、他方の
グループを「b相」と呼ぶことにする。これらa相の単位コイル112aとb相の単位コ
イル112bとは、交互に重ねられている。すなわち、a相の単位コイル112aの上に
、所定距離(角度)だけ位置をずらしてb相の単位コイル112bが重ねられ、そのb相
の単位コイル112bの上に所定距離(角度)だけ位置をずらしてa相の単位コイル11
2aが重ねられるといったように、a相の単位コイル112aとb相の単位コイル112
bとが交互に重ねられている。図2(b)あるいは図2(c)には、空芯巻線110を構
成する複数の単位コイル112の中から、a相の単位コイル112aのみあるいはb相の
単位コイル112bのみを抜き出した様子が示されている。上述したように、a相の単位
コイル112aとb相の単位コイル112bとは、永久磁石120の単位磁極角度の半分
の角度ずつ位置をずらして設けられている。そして、a相の単位コイル112aとb相の
単位コイル112bとは、互い違いに設けられているから、a相の単位コイル112a同
士、あるいはb相の単位コイル112b同士は、単位磁極角度ずつ、位置をずらして設け
られていることになる。
Further, in the coreless motor 100 of the present embodiment, the plurality of unit coils 112 are divided into two groups, and the unit coils 112 of the same group are formed by winding a series of electric wires. Hereinafter, one group is referred to as “a phase” and the other group is referred to as “b phase”. These a-phase unit coils 112a and b-phase unit coils 112b are alternately stacked. That is, the b-phase unit coil 112b is overlapped on the a-phase unit coil 112a by shifting the position by a predetermined distance (angle), and the position is set on the b-phase unit coil 112b by a predetermined distance (angle). Staggered a-phase unit coil 11
The a-phase unit coil 112a and the b-phase unit coil 112 are overlapped, such as 2a.
b and are alternately stacked. 2B or 2C, only the a-phase unit coil 112a or only the b-phase unit coil 112b is extracted from the plurality of unit coils 112 constituting the air-core winding 110. It is shown. As described above, the a-phase unit coil 112a and the b-phase unit coil 112b are provided with their positions shifted by half the unit magnetic pole angle of the permanent magnet 120. Since the a-phase unit coils 112a and the b-phase unit coils 112b are provided alternately, the a-phase unit coils 112a or the b-phase unit coils 112b are positioned at unit magnetic pole angles. It will be provided by shifting.

ここで、a相あるいはb相の単位コイル112は、一本の電線が菱形形状に何度も巻回
されることによって形成されている。以下では、菱形形状に一回だけ巻回された電線を、
「単位巻回要素114」と呼ぶことにする。菱形形状の単位巻回要素114は、図2の紙
面上で左右方向(すなわち、永久磁石120の回転方向)および、これに直交する方向の
二つの対角線を有している。そして、本実施例のコアレスモーター100では、図2(d
)に示されるように、永久磁石120の回転方向に沿った対角線の長さ(実際には角度範
囲)が、永久磁石120の極性が切り換わる単位磁極角度(図中ではpと表示)の1.2
倍〜1.6倍に設定されている。このようにすることで、本実施例のコアレスモーター1
00では、巻線効率が高く、高い回転トルクを発生させることが可能となる。以下、この
点について詳しく説明する。
Here, the a-phase or b-phase unit coil 112 is formed by winding a single electric wire many times in a diamond shape. Below, the wire wound only once in the rhombus shape,
This will be referred to as “unit winding element 114”. The diamond-shaped unit winding element 114 has two diagonal lines in the left-right direction (that is, the rotation direction of the permanent magnet 120) and the direction orthogonal to the left-right direction on the paper surface of FIG. In the coreless motor 100 of the present embodiment, FIG.
), The length of the diagonal line in the rotation direction of the permanent magnet 120 (actually, the angle range) is 1 of the unit magnetic pole angle (indicated as p in the figure) at which the polarity of the permanent magnet 120 switches. .2
Double to 1.6 times are set. By doing in this way, the coreless motor 1 of the present embodiment.
At 00, the winding efficiency is high and a high rotational torque can be generated. Hereinafter, this point will be described in detail.

B.コアレスモーターの動作原理 :
先ず始めに、一般的なコアレスモーターの動作原理について簡単に説明しておく。図3
は、一般的なコアレスモーターの動作原理を示した説明図である。一般的なコアレスモー
ターでは、電線は菱形形状ではなく長方形に巻回されている。図3には、長方形に巻回さ
れた単位巻回要素116が示されている。単位巻回要素116の短辺の長さ(実際には角
度範囲)は、永久磁石120の単位磁極角度pと同じに設定されている。
B. Coreless motor operating principle:
First, the operation principle of a general coreless motor will be briefly described. FIG.
These are explanatory drawings showing the operating principle of a general coreless motor. In a typical coreless motor, the electric wire is wound in a rectangle instead of a diamond shape. FIG. 3 shows a unit winding element 116 wound in a rectangular shape. The length of the short side (in practice, the angle range) of the unit winding element 116 is set to be the same as the unit magnetic pole angle p of the permanent magnet 120.

単位巻回要素116が、永久磁石120の磁極に対して図3(a)に示すような位置関
係にあるときに、破線で示した方向の電流を単位巻回要素116に流してやる。すると、
フレミングの左手の法則によって、単位巻回要素116には図中に白抜きの矢印で示した
方向のローレンツ力が作用する。ここで、単位巻回要素116はステーター側であるから
動かない。このため、永久磁石120が反作用を受けて回転するようになる。図中に示し
た黒塗りの矢印は、永久磁石120の回転方向を表している。
When the unit winding element 116 is in a positional relationship as shown in FIG. 3A with respect to the magnetic pole of the permanent magnet 120, a current in the direction indicated by the broken line is passed through the unit winding element 116. Then
According to Fleming's left-hand rule, the unit winding element 116 is subjected to Lorentz force in the direction indicated by the white arrow in the drawing. Here, the unit winding element 116 does not move because it is on the stator side. For this reason, the permanent magnet 120 receives a reaction and rotates. Black arrows shown in the figure indicate the rotation direction of the permanent magnet 120.

また、永久磁石120が回転すると、図3(b)に示したように、単位巻回要素116
に及ぼす磁界の向きが逆転する。従って、同じ方向に電流を流し続けていたのでは、ロー
レンツ力の方向が逆転して、永久磁石120を回転させ続けることができなくなる。そこ
でこのような場合には、単位巻回要素116に流す電流の向きを逆転させる。こうすれば
、単位巻回要素116に及ぼす磁界の向きが反転しても、ローレンツ力の方向は同じに保
つことができるので、永久磁石120の回転を継続することができる。このようにコアレ
スモーターでは、永久磁石120の回転に応じて電流の向きを切り換えることによって、
単位巻回要素116に作用するローレンツ力を回転トルクに変換している。
Further, when the permanent magnet 120 rotates, as shown in FIG.
The direction of the magnetic field exerted on is reversed. Therefore, if the current continues to flow in the same direction, the direction of the Lorentz force is reversed and the permanent magnet 120 cannot continue to rotate. Therefore, in such a case, the direction of the current flowing through the unit winding element 116 is reversed. In this way, even if the direction of the magnetic field exerted on the unit winding element 116 is reversed, the direction of the Lorentz force can be kept the same, so that the rotation of the permanent magnet 120 can be continued. Thus, in the coreless motor, by switching the direction of the current according to the rotation of the permanent magnet 120,
Lorentz force acting on the unit winding element 116 is converted into rotational torque.

ここで、図3から了解できるように、回転トルクに変換できるのは、単位巻回要素11
6の中で、回転軸に沿った方向を向いている部分(図3に示した例では、長方形の長辺に
対応する部分)である。長方形の短辺の部分は、永久磁石120の磁界が作用しないので
ローレンツ力が発生しないか、ローレンツ力が作用しても回転軸に沿った方向に作用する
ので回転トルクに変換することができない。従って、単位巻回要素116の中のこのよう
な部分は、電流を流しても単に抵抗となるだけであり、巻線効率を大きく低下させる。単
位巻回要素116を菱形形状としてやれば、こうした問題は生じない。その一方で、単位
巻回要素116を菱形形状とした場合には、別の問題が懸念される。
Here, as can be understood from FIG. 3, the unit winding element 11 can be converted into rotational torque.
6 is a portion facing the direction along the rotation axis (in the example shown in FIG. 3, the portion corresponding to the long side of the rectangle). Since the magnetic field of the permanent magnet 120 does not act on the short side portion of the rectangle, Lorentz force does not occur, or even if Lorentz force acts, it acts in the direction along the rotation axis and cannot be converted into rotational torque. Therefore, such a portion in the unit winding element 116 merely becomes a resistance even when a current is passed, and the winding efficiency is greatly reduced. If the unit winding element 116 has a diamond shape, such a problem does not occur. On the other hand, when the unit winding element 116 has a rhombus shape, another problem is concerned.

図4は、菱形形状の単位巻回要素114によるメリットおよびデメリットを説明するた
めの説明図である。尚、図中に示されるように、従来の菱形形状の単位巻回要素114で
は、菱形の二つの対角線の中で永久磁石120の回転方向(図上では左右方向)の対角線
の長さ(実際には角度範囲)は、永久磁石120の単位磁極角度pと同じに設定されてい
る。
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the advantages and disadvantages of the diamond-shaped unit winding element 114. As shown in the figure, in the conventional diamond-shaped unit winding element 114, the diagonal length (actually in the horizontal direction in the figure) of the permanent magnet 120 among the two diagonal lines of the rhombus Angle range) is set to be the same as the unit magnetic pole angle p of the permanent magnet 120.

先ず、菱形形状の単位巻回要素114によるメリットとしては、たとえば、図4(a)
を見れば明らかなように、菱形形状の単位巻回要素114では全ての部分で回転トルクを
発生させることが可能となり、巻線効率が大きく向上することが挙げられる。また、永久
磁石120の磁極の境界が、菱形形状の中央にある場合には、図3に示した長方形の単位
巻回要素116の場合と同等の回転トルクを得ることができる。
First, as a merit by the diamond-shaped unit winding element 114, for example, FIG.
As can be seen from the above, in the diamond-shaped unit winding element 114, it is possible to generate a rotational torque in all parts, and the winding efficiency is greatly improved. Further, when the boundary of the magnetic poles of the permanent magnet 120 is at the center of the rhombus, a rotational torque equivalent to that of the rectangular unit winding element 116 shown in FIG. 3 can be obtained.

しかし、永久磁石120の磁極の境界が菱形形状の中央にない場合は、回転トルクが低
下する。このことが、菱形形状の単位巻回要素114のデメリットとなる。たとえば図4
(b)に示した例では、図面上で菱形形状の左側の斜辺では、途中で磁界の向きが逆転し
ている。このため左側の斜辺では、途中でローレンツ力の方向が逆転し、回転トルクを打
ち消そうとする結果、回転トルクの低下を引き起こす。
However, when the boundary between the magnetic poles of the permanent magnet 120 is not at the center of the rhombus shape, the rotational torque decreases. This is a disadvantage of the diamond-shaped unit winding element 114. For example, FIG.
In the example shown in (b), the direction of the magnetic field is reversed halfway along the left side of the rhombus in the drawing. For this reason, on the left oblique side, the direction of the Lorentz force is reversed in the middle, and as a result of trying to cancel the rotational torque, the rotational torque is reduced.

そこで本願の発明者らは、図4(b)中に細い破線で示したように単位巻回要素114
の左右方向(回転方向)の対角線の長さを延長することによって、回転トルクの低下を補
えるのではないかと着想した。そして、このような着想を得た上で、以下に説明するよう
な詳細な検討を加えた結果、新たな知見を見いだすことによって本願発明を完成させた。
Therefore, the inventors of the present application, as shown by a thin broken line in FIG.
The idea was that the decrease in rotational torque could be compensated by extending the length of the diagonal line in the left-right direction (rotation direction). And after obtaining such an idea, as a result of adding a detailed study as described below, the present invention was completed by finding new knowledge.

C.本実施例のコアレスモーターで得られる回転力 :
図5は、本実施例の単位巻回要素114で得られる回転力を算出するための前提事項を
示した説明図である。図5(a)に示されるように、単位巻回要素114の菱形形状の左
右方向(回転方向)の対角線の長さ(実際には角度範囲に対応)を「u」、上下方向(回
転軸方向)の対角線の長さを「v」、斜辺の長さを「d」とする。また、永久磁石120
の磁極が切り換わる角度範囲(単位磁極角度)を「p」とする。更に、永久磁石120の
磁極が切り換わる境界から、単位巻回要素114の菱形形状の中心までの距離を「t」と
する。このようすると、単位巻回要素114の形状は、左右方向(回転方向)の対角線の
長さを示す変数uによって表され、単位巻回要素114の位置は、永久磁石120の磁極
の境界から単位巻回要素114の中心までの距離を示す変数tによって表されることにな
る。
C. Rotational force obtained with the coreless motor of this embodiment:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing preconditions for calculating the rotational force obtained by the unit winding element 114 of the present embodiment. As shown in FIG. 5 (a), the length of the diagonal line of the rhombic shape of the unit winding element 114 (actually corresponding to the angle range) is “u”, and the vertical direction (rotation axis) The length of the diagonal line of “direction” is “v”, and the length of the hypotenuse is “d”. In addition, the permanent magnet 120
An angle range (unit magnetic pole angle) at which the magnetic poles of the magnetic poles are switched is defined as “p”. Furthermore, the distance from the boundary where the magnetic pole of the permanent magnet 120 is switched to the center of the rhombus shape of the unit winding element 114 is “t”. In this case, the shape of the unit winding element 114 is represented by the variable u indicating the length of the diagonal line in the left-right direction (rotation direction), and the position of the unit winding element 114 is determined from the boundary of the magnetic pole of the permanent magnet 120 by the unit. This is represented by a variable t indicating the distance to the center of the winding element 114.

また、永久磁石120の磁界が単位巻回要素114に及ぼす状態には、二つの状態が存
在する。すなわち、変数tの値が小さい間は、図5(b)に示したように、単位巻回要素
114の左側の斜辺では途中で磁界の向きが切り換わるが、右側の斜辺では磁界の向きが
切り換わらない状態(以下、第1状態と呼ぶ)となる。また、変数tの値が大きくなると
、図5(c)に示したように、単位巻回要素114の左側の斜辺および右側の斜辺の何れ
でも、途中で磁界の向きが切り換わる状態(以下、第2状態と呼ぶ)となる。尚、第1状
態では、磁界が逆転している部分の長さを「d2」とし、逆転していない部分の長さを「
d1」とする。また、第2状態では、磁界が逆転している部分の長さを「d2」および「
d4」とし、逆転していない部分の長さを「d1」および「d3」とする。
In addition, there are two states in which the magnetic field of the permanent magnet 120 exerts on the unit winding element 114. That is, while the value of the variable t is small, as shown in FIG. 5B, the direction of the magnetic field is changed halfway along the left oblique side of the unit winding element 114, but the direction of the magnetic field is changed along the right oblique side. The state is not switched (hereinafter referred to as the first state). Further, when the value of the variable t increases, as shown in FIG. 5C, the state of the magnetic field switching in the middle of any of the left and right hypotenuses of the unit winding element 114 (hereinafter, (Referred to as the second state). In the first state, the length of the portion where the magnetic field is reversed is “d2”, and the length of the portion where the magnetic field is not reversed is “
d1 ". In the second state, the length of the portion where the magnetic field is reversed is set to “d2” and “
d4 ”and the lengths of the non-reversed portions are“ d1 ”and“ d3 ”.

ちなみに、図5(b)に示した状態に対して左右が逆転した状態、すなわち、単位巻回
要素114の右側の斜辺では途中で磁界の向きが切り換わり、左側の斜辺では磁界の向き
が切り換わらない状態は、第1状態で変数tが負の値を取る場合と考えることができる。
更に、磁極の境界が単位巻回要素114の中心を通る状態は、第1状態で変数tが「0」
の場合と考えることができる。
By the way, the direction of the magnetic field is switched in the middle of the right side of the unit winding element 114, and the direction of the magnetic field is switched on the left side of the unit winding element 114. The state that does not change can be considered as a case where the variable t takes a negative value in the first state.
Further, the state where the boundary of the magnetic pole passes through the center of the unit winding element 114 is the first state, and the variable t is “0”.
Can be considered as the case.

始めに、図5(b)に示した第1状態について検討する。図5(b)の第1状態では、
左側の斜辺の一部で磁界の向きが逆転しているので、この部分では逆方向にローレンツ力
が作用する。従って、単位巻回要素114の左上の斜辺(以下では、この斜辺を第1辺と
呼ぶ)では、磁界の向きが逆転していない部分には斜辺に対して直角に、正方向のローレ
ンツ力F1が作用し、磁界の向きが逆転している部分には斜辺に対して直角に、負方向の
ローレンツ力f1が作用する。尚、小文字のfのローレンツ力は、負方向(回転トルクを
打ち消す方向)のローレンツ力を表し、大文字のFのローレンツ力は、正方向(回転トル
クを増やす方向)のローレンツ力を表すものとする。同様に、単位巻回要素114の左下
の斜辺(以下では、この斜辺を第2辺と呼ぶ)でも、正方向のローレンツ力F2、および
負方向のローレンツ力f2が作用する。また、単位巻回要素114の右下の斜辺(以下で
は、この斜辺を第3辺と呼ぶ)、および右上の斜辺(以下では、この斜辺を第4辺と呼ぶ
)では、それぞれ正方向のローレンツ力F3、およびF4が作用する。従って、単位巻回
要素114の第1辺〜第4辺に作用するこれらローレンツ力の回転方向(図面上では左右
方向)の成分が、回転トルクに変換される回転力となる。特に、正方向のローレンツ力F
1〜F4の回転方向の成分は、回転トルクを増加させる回転力となり、負方向のローレン
ツ力f1、f2の回転方向の成分は、回転トルクを減少させる回転力となる。尚、以下で
は、ローレンツ力の回転方向の成分は、添字xを付けて表記するものとする。たとえば、
F1xは、ローレンツ力F1の回転方向の成分を表すものとする。
First, the first state shown in FIG. In the first state of FIG.
Since the direction of the magnetic field is reversed in a part of the left hypotenuse, the Lorentz force acts in the opposite direction in this part. Accordingly, in the upper left hypotenuse of the unit winding element 114 (hereinafter, this hypotenuse is referred to as the first side), the Lorentz force F1 in the positive direction is perpendicular to the hypotenuse in the part where the direction of the magnetic field is not reversed. And a Lorentz force f1 in the negative direction is applied to the portion where the direction of the magnetic field is reversed at a right angle to the hypotenuse. Note that the Lorentz force of a small letter f represents a Lorentz force in the negative direction (direction to cancel the rotational torque), and the Lorentz force of a capital letter F represents a Lorentz force in the positive direction (a direction in which the rotational torque is increased). . Similarly, a positive Lorentz force F2 and a negative Lorentz force f2 also act on the lower left hypotenuse of the unit winding element 114 (hereinafter, this hypotenuse is referred to as the second side). Further, the lower right hypotenuse (hereinafter, this hypotenuse is referred to as the third side) and the upper right hypotenuse (hereinafter, this hypotenuse is referred to as the fourth side) of the unit winding element 114 are respectively positive Lorentz. Forces F3 and F4 act. Therefore, the component of the rotation direction (left-right direction in the drawing) of these Lorentz forces acting on the first side to the fourth side of the unit winding element 114 becomes the rotation force converted into the rotation torque. In particular, the positive Lorentz force F
The components in the rotational direction of 1 to F4 are rotational forces that increase the rotational torque, and the rotational direction components of the negative Lorentz forces f1 and f2 are rotational forces that decrease the rotational torque. In the following, the rotational direction component of the Lorentz force is described with the suffix x. For example,
F1x represents the rotational direction component of the Lorentz force F1.

図5(c)に示した第2状態についても、ほぼ同様なことが成立する。すなわち、単位
巻回要素114の第1辺〜第4辺には、正方向のローレンツ力F1〜F4、および負方向
のローレンツ力f1〜f4が作用し、それらローレンツ力の回転方向の成分が回転力とな
る。尚、図5(c)では、図示が煩雑となることを避けるため、それぞれのローレンツ力
の回転方向の成分のみが表示されている。
The same is true for the second state shown in FIG. That is, positive Lorentz forces F1 to F4 and negative Lorentz forces f1 to f4 act on the first side to the fourth side of the unit winding element 114, and the rotational direction components of these Lorentz forces rotate. It becomes power. Note that in FIG. 5C, only the components in the rotational direction of the respective Lorentz forces are displayed in order to avoid complicated illustration.

以上の検討に基づいて、一つの単位巻回要素114で得られる回転力Fを、第1状態、
第2状態のそれぞれについて導出する。図6は、回転力Fの導出過程を示した説明図であ
る。図6(a)には、第1状態での回転力Fの導出過程が示されており、図6(b)には
、第2状態での回転力Fの導出過程が示されている。図中の「B」は磁界の強さを表し、
「I」は単位巻回要素114に流れる電流を表している。
Based on the above examination, the rotational force F obtained by one unit winding element 114 is set to the first state,
Derived for each of the second states. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the process of deriving the rotational force F. FIG. 6 (a) shows a process for deriving the rotational force F in the first state, and FIG. 6 (b) shows a process for deriving the rotational force F in the second state. “B” in the figure represents the strength of the magnetic field,
“I” represents a current flowing through the unit winding element 114.

先ず始めに、図6(a)に示した第1状態での回転力Fの導出過程について簡単に説明
する。第1状態となるのは、t+u/2<pが成り立つときである。簡単のために、tが
0以上の場合についてだけ考えると、第1状態となるのは、変数tの値が、0≦t<(p
−u/2)の範囲を取る場合となる。
First, a process for deriving the rotational force F in the first state shown in FIG. 6A will be briefly described. The first state is when t + u / 2 <p holds. For simplicity, considering only the case where t is greater than or equal to 0, the first state is that the value of the variable t is 0 ≦ t <(p
-U / 2).

また、フレミングの左手の法則によれば、単位長さ当たりに作用するローレンツ力は、
磁界の強さBと、電流Iとに比例する。従って、第1辺に作用する正方向のローレンツ力
F1は、電線の長さd1に、BおよびIを乗算した値d1・B・Iとなり、回転方向の成
分F1xは、その余弦成分(d1・B・I・cosθ)となる。他の三辺に作用する正方
向のローレンツ力の回転方向の成分F2x〜F4xについても同様に、それぞれ(d1・
B・I・cosθ)、(d・B・I・cosθ)、(d・B・I・cosθ)となる。そ
して、これらを合計した値が、正方向の回転力となる。
Also, according to Fleming's left-hand rule, the Lorentz force acting per unit length is
It is proportional to the magnetic field strength B and the current I. Accordingly, the positive Lorentz force F1 acting on the first side is a value d1 · B · I obtained by multiplying the length d1 of the wire by B and I, and the component F1x in the rotational direction is its cosine component (d1 · B · I · cos θ). Similarly, in the rotational direction components F2x to F4x of the positive Lorentz force acting on the other three sides, (d1 ·
B · I · cos θ), (d · B · I · cos θ), and (d · B · I · cos θ). And the value which totaled these becomes the rotational force of a positive direction.

また、第1辺に作用する負方向のローレンツ力の回転方向の成分f1xは、電線の長さ
d2に、BおよびIを乗算した値の余弦成分であるから、(d2・B・I・cosθ)と
なる。第2辺についても同様に、f2xは(d2・B・I・cosθ)となる。尚、図5
(b)に示したように、第1状態では、第3辺および第4辺には負方向のローレンツ力は
作用しない。従って、f3x、f4xは「0」となる。そして、これらを合計した値が、
負方向の回転力となる。結局、第1状態で、単位巻回要素114に作用するローレンツ力
の回転方向の成分(すなわち、回転力)は、正方向の回転力から負方向の回転力を減算す
ることによって求められ、2・B・I・v・(1−2t/u)となる。
Further, the rotation direction component f1x of the negative Lorentz force acting on the first side is a cosine component obtained by multiplying the length d2 of the electric wire by B and I. Therefore, (d2 · B · I · cos θ ) Similarly for the second side, f2x is (d2 · B · I · cos θ). Note that FIG.
As shown in (b), in the first state, the Lorentz force in the negative direction does not act on the third side and the fourth side. Therefore, f3x and f4x are “0”. And the sum of these values is
Negative rotational force. Eventually, in the first state, the rotational component of the Lorentz force acting on the unit winding element 114 (that is, the rotational force) is obtained by subtracting the negative rotational force from the positive rotational force. B · I · v · (1-2t / u).

第2状態での回転力Fも、同様にして導出できる。先ず、第2状態となるのは、変数t
の値が、(p−u/2)よりも大きく、(u/2)よりも小さいとき、すなわち、(p−
u/2)≦t<(u/2)の範囲を取る場合である。また、第1辺〜第4辺に作用する正
方向のローレンツ力F1〜F4や、負方向のローレンツ力f1〜f4、およびそれらの回
転方向の成分も同様にして求めることができる。その結果、第2状態で、単位巻回要素1
14に作用するローレンツ力の回転方向の成分(すなわち、回転力)は、正方向の回転力
から負方向の回転力を減算することによって求められ、2・B・I・v・(2p/u−4
t/u)となる。
The rotational force F in the second state can be derived in the same manner. First, the second state is the variable t
Is larger than (p−u / 2) and smaller than (u / 2), that is, (p−
This is a case where u / 2) ≦ t <(u / 2). Further, the positive Lorentz forces F1 to F4 acting on the first side to the fourth side, the negative Lorentz forces f1 to f4, and the components in the rotation direction thereof can be obtained in the same manner. As a result, in the second state, the unit winding element 1
14 is obtained by subtracting a negative rotational force from a positive rotational force, and 2 · B · I · v · (2p / u). -4
t / u).

図7は、回転方向(図上では左右方向)の対角線の長さが「u」の単位巻回要素114
を、永久磁石120に対して移動させたときに得られる回転力Fを示したグラフである。
グラフの横軸には、永久磁石120に対する単位巻回要素114の位置を示す変数tが取
られている。変数tが0〜(p−u/2)の範囲にあるときは、単位巻回要素114が第
1状態となるから、図6(a)を用いて前述したように、回転力Fは、2・B・I・v・
(1−2t/u)によって求められる。また、変数tが(p−u/2)〜(u/2)の範
囲にあるときは単位巻回要素114が第2状態となるから、図6(a)を用いて前述した
ように、回転力Fは、2・B・I・v・(2p/u−4t/u)によって求められる。図
7中に示した実線は、このようにして求められた回転力Fを表している。
FIG. 7 shows a unit winding element 114 in which the length of the diagonal line in the rotation direction (left-right direction in the figure) is “u”.
It is the graph which showed the rotational force F obtained when this is moved with respect to the permanent magnet 120. FIG.
On the horizontal axis of the graph, a variable t indicating the position of the unit winding element 114 with respect to the permanent magnet 120 is taken. When the variable t is in the range of 0 to (p−u / 2), the unit winding element 114 is in the first state. Therefore, as described above with reference to FIG. 2 ・ B ・ I ・ v ・
It is calculated by (1-2t / u). Further, when the variable t is in the range of (p−u / 2) to (u / 2), the unit winding element 114 is in the second state, and as described above with reference to FIG. The rotational force F is obtained by 2 · B · I · v · (2p / u-4t / u). The solid line shown in FIG. 7 represents the rotational force F obtained in this way.

また、単位巻回要素114が永久磁石120に対して反対方向に移動する場合(すなわ
ち、変数tが負の値となる場合)の回転力Fは、実線で示した回転力Fを、t=0を中心
に反転させたものと考えて良い。図7中に示した太い破線は、このようにして求められた
回転力Fを表している。更に、単位巻回要素114が、永久磁石120の単位磁極角度p
に相当する角度だけ移動すると、単位巻回要素114に作用する磁界の向きが逆転するが
、単位巻回要素114に流す電流の向きも逆転させるので、結局、単位巻回要素114が
単位磁極角度pだけ移動しても全く同様なことが成り立つ。従って、図7中に細い破線で
示した回転力Fが発生することになる。
Further, when the unit winding element 114 moves in the opposite direction with respect to the permanent magnet 120 (that is, when the variable t has a negative value), the rotational force F indicated by the solid line is t = You can think of it as inverted around zero. The thick broken line shown in FIG. 7 represents the rotational force F obtained in this way. Further, the unit winding element 114 has a unit magnetic pole angle p of the permanent magnet 120.
The direction of the magnetic field acting on the unit winding element 114 is reversed, but the direction of the current passed through the unit winding element 114 is also reversed, so that the unit winding element 114 eventually becomes a unit magnetic pole angle. The same is true even if only p is moved. Accordingly, the rotational force F indicated by a thin broken line in FIG. 7 is generated.

そして、図2(b)を用いて前述したように、a相の単位コイル112a同士は単位磁
極角度pずつ離して設けられているので、図7に示した回転力Fは、a相の複数の単位コ
イル112aで得られる回転力Fを示していると考えることができる。更に、b相の単位
コイル112bについては、a相の単位コイル112aに対して単位磁極角度pの半分の
角度だけずれているだけで、その他については全く同様なことが成り立つと考えて良い。
そして、これらa相の単位コイル112aで得られる回転力Fと、b相の単位コイル11
2bで得られる回転力Fとを合計した値が、コアレスモーター100の空芯巻線110が
発生する回転力Fとなり、この回転力Fに回転半径を乗算した値が、コアレスモーター1
00の回転トルクとなる。
As described above with reference to FIG. 2B, the a-phase unit coils 112a are provided apart from each other by the unit magnetic pole angle p. Therefore, the rotational force F shown in FIG. It can be considered that the rotational force F obtained by the unit coil 112a is shown. Further, regarding the b-phase unit coil 112b, it can be considered that the same thing is true for the rest, except that the unit coil 112b is shifted by half the unit magnetic pole angle p with respect to the a-phase unit coil 112a.
Then, the rotational force F obtained by the a-phase unit coil 112a and the b-phase unit coil 11 are obtained.
The total value of the rotational force F obtained in 2b is the rotational force F generated by the air-core winding 110 of the coreless motor 100, and the value obtained by multiplying the rotational force F by the rotational radius is the coreless motor 1.
The rotation torque is 00.

図8は、本実施例のコアレスモーター100によって得られる回転力Fを示した説明図
である。図8(a)にはa相の単位コイル112aで得られる回転力Faが示されており
、図8(b)にはb相の単位コイル112bで得られる回転力Fbが示されている。尚、
単位コイル112は、何度も電線が巻回されており、複数の単位巻回要素114によって
構成されているから、実際の単位コイル112によって得られる回転力は、それぞれの回
転力Fa,Fbに、単位コイル112に電線が巻回される回数nを乗算した値となる。し
かし、説明が煩雑となることを避けるため、以下ではn=1であるものとして説明する。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the rotational force F obtained by the coreless motor 100 of the present embodiment. 8A shows the rotational force Fa obtained by the a-phase unit coil 112a, and FIG. 8B shows the rotational force Fb obtained by the b-phase unit coil 112b. still,
Since the unit coil 112 is wound with an electric wire many times and is composed of a plurality of unit winding elements 114, the actual rotational force obtained by the unit coil 112 is the respective rotational force Fa, Fb. The value obtained by multiplying the unit coil 112 by the number n of times the wire is wound. However, in order to avoid complicated description, the following description will be made assuming that n = 1.

空芯巻線110が発生する回転力Fは、a相の単位コイル112aによって得られる回
転力Faと、b相の単位コイル112bによって得られる回転力Fbとを合計したもので
あるから、図8(c)に示す波形となる。図示されているように、合計した回転力Fは、
2・B・I・vと、8・B・I・v・(1−p/u)との間で、p/2の周期で変動する
波形となる。
The rotational force F generated by the air-core winding 110 is the sum of the rotational force Fa obtained by the a-phase unit coil 112a and the rotational force Fb obtained by the b-phase unit coil 112b. The waveform shown in (c) is obtained. As shown, the total rotational force F is
Between 2 · B · I · v and 8 · B · I · v · (1−p / u), the waveform varies with a period of p / 2.

尚、図8(a)に示したa相の回転力Faが最小となるタイミングでは、図8(b)に
示したb相の回転力Fbが最大となり、逆に、図8(b)に示したb相の回転力Fbが最
小となるタイミングでは、図8(a)に示したa相の回転力Faが最大となる。このため
、a相の回転力Faとb相の回転力Fbとを合計して得られた回転力Fでは、それぞれの
回転力Fa,Fbよりも変動幅が小さくなっている。
At the timing when the a-phase rotational force Fa shown in FIG. 8 (a) is minimized, the b-phase rotational force Fb shown in FIG. 8 (b) is maximized, and conversely in FIG. 8 (b). At the timing at which the b-phase rotational force Fb is minimized, the a-phase rotational force Fa illustrated in FIG. 8A is maximized. For this reason, in the rotational force F obtained by summing the a-phase rotational force Fa and the b-phase rotational force Fb, the fluctuation range is smaller than the respective rotational forces Fa and Fb.

このようにして得られた回転力Fの平均の回転力Faveを求めると、2・B・I・v
・(4−u/p−2・p/u)が得られる。得られた算出式には、単位巻回要素114の
回転方向の対角線の長さを示す変数uが含まれている。従って、平均の回転力Faveは
、変数uの取り方によって増減する。
When the average rotational force Fave of the rotational force F obtained in this way is obtained, 2 · B · I · v
(4-u / p-2 · p / u) is obtained. The obtained calculation formula includes a variable u indicating the length of the diagonal line in the rotation direction of the unit winding element 114. Therefore, the average rotational force Fave increases or decreases depending on how the variable u is taken.

また、図4(b)を用いて前述したように、巻線が菱形形状に巻回された従来のコアレ
スモーターでは、菱形形状の回転方向の対角線の長さが単位磁極角度pに相当する長さに
設定されており、本願発明では、この長さを延長することによって回転トルクの向上を意
図している。そこで、変数uが単位磁極角度p以上となる範囲に着目して、平均の回転力
Faveの挙動を調べてみる。
Further, as described above with reference to FIG. 4B, in the conventional coreless motor in which the winding is wound in a diamond shape, the length of the diagonal line in the rotation direction of the diamond shape corresponds to the unit magnetic pole angle p. The present invention intends to improve the rotational torque by extending this length. Therefore, paying attention to the range where the variable u is equal to or larger than the unit magnetic pole angle p, the behavior of the average rotational force Fave will be examined.

図9は、単位巻回要素114の回転方向の対角線の長さuを変更したときに、平均の回
転力Faveが変化する様子を示した説明図である。尚、参考として、変数uが単位磁極
角度pよりも小さな値を取る場合も、破線によって表示してある。図9中に実線で示され
るように、平均の回転力Faveは、変数uが、単位磁極角度pに対して、2の平方根倍
の値を取るときに最大値となる。すなわち、菱形形状をした単位巻回要素114の回転方
向の対角線の長さuを、永久磁石120の単位磁極角度pに対応する長さに対して、2の
平方根倍に設定しておけば、コアレスモーター100の回転トルクを最も高くすることが
可能となる。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing how the average rotational force Fave changes when the length u of the diagonal line in the rotational direction of the unit winding element 114 is changed. For reference, even when the variable u takes a value smaller than the unit magnetic pole angle p, it is indicated by a broken line. As shown by a solid line in FIG. 9, the average rotational force Fave becomes the maximum value when the variable u takes a value that is a square root multiple of 2 with respect to the unit magnetic pole angle p. That is, if the length u of the diagonal line in the rotational direction of the unit winding element 114 having a rhombus shape is set to a square root of 2 with respect to the length corresponding to the unit magnetic pole angle p of the permanent magnet 120, It becomes possible to make the rotational torque of the coreless motor 100 the highest.

もっとも、実際の単位巻回要素114は、図5(a)に示したように完全な菱形形状に
形成できるわけではない。また、永久磁石120が形成する磁界の強さも、極性が切り換
わる境界付近では弱くなる。これらの影響で、実際の単位巻回要素114で回転トルクが
最も高くなるのは、2の平方根倍から多少変動し得る。更に、回転トルクが最も高くなる
条件から多少外れたとしても、巻線が従来の菱形形状に巻回されたコアレスモーターに比
べれば、依然として回転トルクが大きく向上しているものと考えられる。これらの要素を
考慮すると、菱形形状の単位巻回要素114の回転方向の対角線の長さuを、永久磁石1
20の単位磁極角度pに対応する長さに対して、1.2〜1.6倍程度の範囲内になるよ
うに設定しておけば、コアレスモーター100の回転トルクを大きく向上させることがで
きる。もちろん、この場合でも、単位巻回要素114は菱形形状をしているので、巻線効
率が低下することはない。その結果、本実施例のコアレスモーター100は、巻線効率が
高く、高い回転トルクを発生させることが可能となる。
However, the actual unit winding element 114 cannot be formed in a complete rhombus shape as shown in FIG. Further, the strength of the magnetic field formed by the permanent magnet 120 is also weak near the boundary where the polarity is switched. Due to these effects, the highest rotational torque in the actual unit winding element 114 may vary somewhat from the square root of 2 times. In addition, even if the rotational torque is slightly different from the highest condition, it can be considered that the rotational torque is still greatly improved as compared with the coreless motor in which the winding is wound in a conventional diamond shape. Considering these elements, the length u of the diagonal line in the rotational direction of the diamond-shaped unit winding element 114 is set as the permanent magnet 1.
If the length corresponding to 20 unit magnetic pole angles p is set within a range of about 1.2 to 1.6 times, the rotational torque of the coreless motor 100 can be greatly improved. . Of course, even in this case, since the unit winding element 114 has a rhombus shape, the winding efficiency does not decrease. As a result, the coreless motor 100 of this embodiment has high winding efficiency and can generate high rotational torque.

D.適用例 :
上述した本実施例のコアレスモーター100は、応答性も高いというコアレスモーター
の利点を保ったまま、巻線効率が高く、高い回転トルクも発生させることができるという
優れた特性を有している。このため、本実施例のコアレスモーター100は、ロボットハ
ンドの関節に組み込む用途のコアレスモーターとして特に適している。
D. Application example:
The coreless motor 100 of the present embodiment described above has excellent characteristics that the winding efficiency is high and high rotational torque can be generated while maintaining the advantage of the coreless motor that the response is high. For this reason, the coreless motor 100 of the present embodiment is particularly suitable as a coreless motor for use in a robot hand joint.

図10は、本実施例のコアレスモーター100をロボットハンド200の関節部分に組
み込んだ様子を例示した説明図である。図示したロボットハンド200には、2本の指2
02が向かい合うようにして設けられており、それぞれの指202には、根本を含めて3
つの関節が設けられている。本実施例のコアレスモーター100は、応答性が高く、高ト
ルクが発生可能であるため、関節を滑らかに動かすことが可能である。また、巻線効率が
高いので、コアレスモーター100内での電力損失(いわゆる銅損)を抑制することがで
きるので、こうした用途に特に適している。
FIG. 10 is an explanatory view exemplifying a state in which the coreless motor 100 of this embodiment is incorporated in the joint portion of the robot hand 200. The illustrated robot hand 200 has two fingers 2
02 are provided to face each other, and each finger 202 has 3 including the root.
There are two joints. Since the coreless motor 100 of this embodiment has high responsiveness and can generate high torque, the joint can be moved smoothly. In addition, since the winding efficiency is high, power loss (so-called copper loss) in the coreless motor 100 can be suppressed, which is particularly suitable for such applications.

また、図11は、ロボット500のアクチュエーターとして本実施例のコアレスモータ
ー100を組み込んだ様子を例示した説明図である。上述したように、本実施例のコアレ
スモーター100は、応答性や電力効率が高い上に、高いトルクを出力可能という優れた
特性を有している。このため、本実施例のコアレスモーター100をアクチュエーターと
して用いることで、高性能なロボット500を構成することが可能となる。
FIG. 11 is an explanatory view illustrating the state in which the coreless motor 100 of this embodiment is incorporated as an actuator of the robot 500. As described above, the coreless motor 100 of the present embodiment has excellent characteristics such as high responsiveness and power efficiency and high torque output. For this reason, by using the coreless motor 100 of this embodiment as an actuator, a high-performance robot 500 can be configured.

以上、本実施例および変形例のコアレスモーターについて説明したが、本発明は上記す
べての実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において
種々の態様で実施することが可能である。
The coreless motor of the present embodiment and the modification has been described above, but the present invention is not limited to all the embodiments and modifications described above, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. It is.

たとえば上述した実施例および変形例では、コアレスモーター100がa相およびb相
の二相のモーターであるものとして説明したが、三相以上の任意のコアレスモーター10
0に対しても、本発明を好適に適用することが可能である。
For example, in the above-described embodiments and modifications, the coreless motor 100 has been described as a two-phase motor of a phase and b phase. However, any coreless motor 10 having three or more phases may be used.
The present invention can be preferably applied to 0.

100…コアレスモーター、 110…空芯巻線、 112…単位コイル、
114…単位巻回要素、 116…単位巻回要素、 120…永久磁石、
122…回転軸、 200…ロボットハンド、 202…指、
500…ロボット、 p…単位磁極角度
100: Coreless motor, 110: Air core winding, 112 ... Unit coil,
114: Unit winding element, 116: Unit winding element, 120 ... Permanent magnet,
122 ... Rotating axis 200 ... Robot hand 202 ... Finger
500 ... Robot, p ... Unit magnetic pole angle

Claims (4)

電線を巻回することによって中空の円筒形状に形成された空芯巻線と、該空芯巻線の内
周側に設けられて外周面が多極に着磁された円筒形状の永久磁石とを備え、該空芯巻線に
電流を流すことによって回転トルクを発生させるコアレスモーターであって、
前記永久磁石は、該永久磁石の中心軸から見て所定の単位磁極角度の間隔で、交互に極
性が切り換わるように着磁されており、
前記空芯巻線は、前記電線を折り曲げて菱形形状のループ状に形成された単位巻回要素
が、前記永久磁石の中心軸に対して所定角度ずつ位置をずらして複数設けられることによ
って形成された空芯巻線であり、
前記単位巻回要素の菱形形状は、一方の対角線が前記永久磁石の中心軸と平行であり、
他方の対角線が、該永久磁石の中心軸に対して前記単位磁極角度の1.2倍から1.6倍
の角度範囲となる長さの菱形形状であるコアレスモーター。
An air core winding formed into a hollow cylindrical shape by winding an electric wire, and a cylindrical permanent magnet provided on the inner peripheral side of the air core winding and having an outer peripheral surface magnetized in multiple poles; A coreless motor that generates rotational torque by passing a current through the air-core winding,
The permanent magnet is magnetized so that the polarity is alternately switched at intervals of a predetermined unit magnetic pole angle when viewed from the central axis of the permanent magnet,
The air-core winding is formed by bending a plurality of unit winding elements formed in a rhombus-like loop shape by shifting the position with respect to the central axis of the permanent magnet. Air core winding,
The rhombus shape of the unit winding element is such that one diagonal line is parallel to the central axis of the permanent magnet,
A coreless motor having a rhombus shape having a length in which the other diagonal line is in the range of 1.2 to 1.6 times the unit magnetic pole angle with respect to the central axis of the permanent magnet.
前記空芯巻線にN相(但しNは2以上の整数)の電流を流すことによって回転トルクを
発生させる請求項1に記載のコアレスモーターであって、
前記空芯巻線は、前記複数の単位巻回要素が、前記永久磁石の中心軸に対して前記単位
磁極角度の前記N分の1に相当する角度ずつ位置をずらして設けられた空芯巻線であるコ
アレスモーター。
The coreless motor according to claim 1, wherein a rotational torque is generated by flowing an N-phase current (where N is an integer of 2 or more) through the air-core winding,
The air-core winding has an air-core winding in which the plurality of unit winding elements are displaced from each other by an angle corresponding to 1 / N of the unit magnetic pole angle with respect to the central axis of the permanent magnet. Coreless motor that is a wire.
請求項1または請求項2に記載のコアレスモーターを搭載したロボットハンド。   A robot hand equipped with the coreless motor according to claim 1. 請求項1または請求項2に記載のコアレスモーターを搭載したロボット。   A robot equipped with the coreless motor according to claim 1.
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