JP2015177587A - 回転直動同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 より高い出力を得ることのできる回転直動モータの提供。
【解決手段】 中心軸線と平行方向に一様な磁界を与える線状磁界発生手段について中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、中心軸線の周りで周方向に一様な磁界を付与するリング状磁界発生手段について中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子とを含む。可動子の外表面を含む仮想円筒面には、中心軸線と平行な第１仮想線を１〜ｎの順番に等角度で設定し、中心軸線を周回するｍ本の第２仮想線１〜ｍを順番に等間隔で与え、Ｘ番目の第１仮想線とＹ番目の第２仮想線の交点において、ＸとＹがともに奇数の交点及び偶数の交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石が配置される。また、隣り合う第１仮想線同士の中心線及び隣り合う第２仮想線同士の中心線の交点に突極としての磁性体板を配置する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、略円筒形の固定子の内孔に配置された可動子を周方向に回動させるとともに軸方向にも往復動させ得る回転直動同期モータに関する。

モータの可動子を回動せしめるとともにその軸方向にも往復動させ得る回転直動モータが知られている。かかるモータでは、周方向に可動子を回転（回動）せしめるための回転磁界と、軸方向に可動子を直動（往復動）せしめるための直動磁界とを略円筒形の固定子の内孔に向けて与え、永久磁石を表面に与えられた可動子が該内孔の内部で回転及び直動して出力が取り出される。

例えば、特許文献１では、可動子を回動させるためのロータリ巻線及び直動させるためのリニア巻線を備えた固定子鉄心と、これに対応した可動子と、を組み合わせた回転直動モータが開示されている。該可動子の表面には、Ｎ極磁石が周方向及び軸方向に１極置きに配置されているとともに、この各Ｎ極磁石とは周方向及び軸方向で１極ずらした位置にＳ極磁石が周方向及び軸方向に１極置きに配置されている。つまり、軸方向には同種の磁極磁石が１極置きに配置され、且つ、周方向にも同種の磁極磁石が１極置きに配置されている。これにより、ロータリ巻線及びリニア巻線のそれぞれに対する磁極が互いに独立して存在することになるから、ロータリ巻線に三相交流を印加すると可動子が回動し、リニア巻線に三相交流を印加すると可動子が軸線方向に直動するのである。また、両巻線にそれぞれ三相交流を印加すると可動子は螺旋運動をする。

また、特許文献２では、小ストロークながら比較的簡単な構造で高い力率及び効率を得られ制御性にも優れるとされるリニア直流モータについて、直動だけでなく回動も可能とさせる方法について述べている。ここでは、特許文献１と同様に、ロータリ巻線及びリニア巻線の２つの巻線を与えた固定子鉄心に、表面に市松模様状に永久磁石を配置した可動子とを組み合わせている。可動子の軸方向には同種の磁極磁石が１極置きに配置され、円周方向にも同種の磁極磁石が１極置きに配置されていることで、ロータリ巻線及びリニア巻線のそれぞれに対する磁極が互いに独立するようにしている。よって、ロータリ巻線に三相交流を印加して回転を制御し、一方、リニア巻線に直流を印加して直動を制御することができるとしている。

ところで、回転子に永久磁石を用いた永久磁石モータに対して、強磁性体である鉄などの棒体表面に凹凸を与えただけの回転子を含むリラクタンスモータが知られている。永久磁石を用いずに、回転子の固定子に対する角度位置と回転子の表面の凹凸部における磁気抵抗の不均一さとによって固定子からの磁気エネルギーを変化させ、これにより発生する力で回転子を回転させるのである。リラクタンスモータは簡単な構造である一方、永久磁石モータのように永久磁石の磁力によって出力を向上させ得ない。そこで、リラクタンスモータに永久磁石を与えて出力を向上させた永久磁石併用リラクタンスモータも提案された。

例えば、特許文献３では、リラクタンスモータにおいて、有効磁束を増加させて出力の向上を与えるよう、鉄からなる回転子に永久磁石を与えた回転子構造を開示している。リラクタンスモータの回転子に与えられた凸部について、この磁極の側面に永久磁石を配置することで該磁極の側面（凸部に隣接する凹部）に漏れる固定子コイルからの磁束を抑制し有効磁束を増加できるとしている。

また、永久磁石モータの回転子における永久磁石の周囲に磁性部材を配置してリラクタンストルクを重畳的に得ようとする永久磁石モータも提案されている。

特開２００４−３４３９０３号公報 特開２００５−０２０８８５号公報 特開平１１−０２７９１３号公報

回転直動モータにおいても出力の向上が要求されるが、上記したようなリラクタンスモータや永久磁石モータとは異なり、可動子における固定子のロータリ巻線及びリニア巻線のそれぞれからの磁界の作用を考慮しなければならない。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、略円筒形の固定子の内孔に配置され且つ永久磁石を表面に与えられた可動子を周方向に回動させるとともに軸方向にも往復動させ得る回転直動同期モータにおいて、より高い出力を得ることのできる回転直動同期モータを提供することにある。

本発明による回転直動同期モータは、略円筒形の固定子の内孔における中心軸線上に同軸配置された略棒状の可動子を該中心軸線の周りに回動させ及び該中心軸線に沿って往復動させ得る回転直動同期モータであって、前記固定子は、前記中心軸線と平行方向に一様であって前記内孔の内表面から前記中心軸線へ向けた方向に磁界を与える線状磁界発生手段について前記中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、前記中心軸線の周りで周方向に一様であって前記内孔の内表面から前記中心軸線へ向けた方向に磁界を付与するリング状磁界発生手段について前記中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子と、を含み、前記可動子は、外表面を含む仮想円筒面において、前記中心軸線と平行に前記中心軸線の周囲を等角度にｎ分割した各分割位置に１〜ｎ（ｎ；自然数）の順番に設定した第１仮想線と、前記中心軸線の周囲を周回し前記中心軸線に沿った等間隔位置に１〜ｍ（ｍ；自然数）の順番に設定した第２仮想線と、を与えられ、Ｘ番目の前記第１仮想線とＹ番目の前記第２仮想線の交点（Ｘ、Ｙはそれぞれｎ及びｍ以下の自然数）において、ＸとＹをともに奇数とする交点及び偶数とする交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石を配置し、且つ、隣り合う前記第１仮想線同士の中心線及び隣り合う第２仮想線同士の中心線の交点に突極としての磁性体板を配置することを特徴とする。

かかる発明によれば、インナーローター型の回転直動同期モータにおいて、線状磁界発生手段及びリング状磁界発生手段のそれぞれからの磁界に対して磁性体板からのリラクタンスによるトルク及び推力をそれぞれ重畳的に得ることができて、より高い出力を効率よく得ることができる。

また、本発明による回転直動同期モータは、略棒状の固定子の中心軸線上に同軸配置された略円筒形の可動子を該中心軸線の周りに回動させ及び該中心軸線に沿って往復動させ得る回転直動同期モータであって、前記固定子は、前記中心軸線と平行方向に一様であって外表面から放射方向外側に磁界を与える線状磁界発生手段について前記中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、前記中心軸線の周りで周方向に一様であって前記外表面から放射方向外側に磁界を付与するリング状磁界発生手段について前記中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子と、を含み、前記可動子は、内表面を含む仮想円筒面において、前記中心軸線と平行に前記中心軸線の周囲を等角度にｎ分割した各分割位置に１〜ｎ（ｎ；自然数）の順番に設定した第１仮想線と、前記中心軸線の周囲を周回し前記中心軸線に沿った等間隔位置に１〜ｍ（ｍ；自然数）の順番に設定した第２仮想線と、を与えられ、Ｘ番目の前記第１仮想線とＹ番目の前記第２仮想線の交点（Ｘ、Ｙはそれぞれｎ及びｍ以下の自然数）において、ＸとＹをともに奇数とする交点及び偶数とする交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石を配置し、且つ、隣り合う前記第１仮想線同士の中心線及び隣り合う第２仮想線同士の中心線の交点に突極としての磁性体板を配置することを特徴とする。

かかる発明によれば、アウターローター型の回転直動同期モータにおいて、線状磁界発生手段及びリング状磁界発生手段のそれぞれからの磁界に対して磁性体板からのリラクタンスによるトルク及び推力をそれぞれ重畳的に得ることができて、より高い出力を効率よく得ることができる。

上記した発明において、前記磁性体板は、その少なくとも一部を前記板状磁石の背面下に配置させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、磁石磁束によるトルクや推力を減じること無く、高い出力を効率よく得ることができる。

上記した発明において、前記板状磁石は、その少なくとも一部を前記磁性体板の背面下に配置させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、磁石磁束の変化を緩和して可動子の回転及び直動の動作を滑らかにすることができる。

上記した発明において、前記板状磁石は、その端部から前記第１仮想線及び／又は前記第２仮想線に沿って且つ前記交点に向かって幅を拡げた形状を有していることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、可動子の位置の変化による磁石磁束の急激な変化を減じて可動子の回転及び直動の動作を滑らかにすることができる。

また、本発明による回転直動同期モータは、略円筒形の固定子の内孔における中心軸線上に同軸配置された略棒状の可動子を該中心軸線の周りに回動させ及び該中心軸線に沿って往復動させ得る回転直動同期モータであって、前記固定子は、前記中心軸線と平行方向に一様であって前記内孔の内表面から前記中心軸線へ向けた方向に磁界を与える線状磁界発生手段について前記中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、前記中心軸線の周りで周方向に一様であって前記内孔の内表面から前記中心軸線へ向けた方向に磁界を付与するリング状磁界発生手段について前記中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子と、を含み、前記可動子は、外表面を含む仮想円筒面において、前記中心軸線と平行に前記中心軸線の周囲を等角度にｎ分割した各分割位置に１〜ｎ（ｎ；自然数）の順番に設定した第１仮想線と、前記中心軸線の周囲を周回し前記中心軸線に沿った等間隔位置に１〜ｍ（ｍ；自然数）の順番に設定した第２仮想線と、を与えられ、Ｘ番目の前記第１仮想線とＹ番目の前記第２仮想線の交点（Ｘ、Ｙはそれぞれｎ及びｍ以下の自然数）において、ＸとＹをともに奇数とする交点及び偶数とする交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石を配置し、且つ、隣り合う前記第１仮想線同士又は第２仮想線同士の中心線上に突極としての磁性体板をストライプ状に配置することを特徴とする。

かかる発明によれば、インナーローター型の回転直動同期モータにおいて、線状磁界発生手段及びリング状磁界発生手段のそれぞれからの磁界に対して磁性体板からのリラクタンスによるトルク又は推力を重畳的に得ることができて、回転又は直動についてより高い出力を効率よく得ることができる。

さらに、本発明による回転直動同期モータは、略棒状の固定子の中心軸線上に同軸配置された略円筒形の可動子を該中心軸線の周りに回動させ及び該中心軸線に沿って往復動させ得る回転直動同期モータであって、前記固定子は、前記中心軸線と平行方向に一様であって外表面から放射方向外側に磁界を与える線状磁界発生手段について前記中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、前記中心軸線の周りで周方向に一様であって前記外表面から放射方向外側に磁界を付与するリング状磁界発生手段について前記中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子と、を含み、前記可動子は、内表面を含む仮想円筒面において、前記中心軸線と平行に前記中心軸線の周囲を等角度にｎ分割した各分割位置に１〜ｎ（ｎ；自然数）の順番に設定した第１仮想線と、前記中心軸線の周囲を周回し前記中心軸線に沿った等間隔位置に１〜ｍ（ｍ；自然数）の順番に設定した第２仮想線と、を与えられ、Ｘ番目の前記第１仮想線とＹ番目の前記第２仮想線の交点（Ｘ、Ｙはそれぞれｎ及びｍ以下の自然数）において、ＸとＹをともに奇数とする交点及び偶数とする交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石を配置し、且つ、隣り合う前記第１仮想線同士又は第２仮想線同士の中心線上に突極としての磁性体板をストライプ状に配置することを特徴とする。

かかる発明によれば、アウターローター型の回転直動同期モータにおいて、線状磁界発生手段及びリング状磁界発生手段のそれぞれからの磁界に対して磁性体板からのリラクタンスによるトルク又は推力を重畳的に得ることができて、回転又は直動についてより高い出力を効率よく得ることができる。

本発明による回転直動同期モータの斜視図である。 本発明による回転直動同期モータの（ａ）側断面図及び（ｂ）（ａ）の部分拡大図である。 本発明による回転直動同期モータの要部の断面斜視図である。 本発明による回転直動同期モータの要部の斜視図である。 本発明による回転直動同期モータの要部の（ａ）斜視図及び（ｂ）展開図である。 本発明による回転直動同期モータの要部の展開図（拡大図）である。 回転直動同期モータの電流進角に対する（ａ）トルク換算値及び（ｂ）推力の関係を示す図である。 回転直動同期モータの要部の正断面図である。 本発明による回転直動同期モータの要部の斜視図である。 本発明による他の回転直動同期モータの要部の展開図である。 本発明による他の回転直動同期モータの要部の展開図である。

本発明の１つの実施例による回転直動同期モータについて、図１乃至図７を用いて説明する。

図１に示すように、回転直動同期モータ１は、略円筒形の固定子２とその内孔２７ａに挿通された略棒状の可動子３とを備える。可動子３は略円筒形の可動子鉄心３３を含み、これに図示しないハブなどで固定された軸体３９が与えられている。軸体３９は固定子２の端面に固定された軸受け２９に支持されて、軸方向への往復動及び周方向への回動を可能としている。つまり、可動子３は固定子２の内孔２７ａの中心軸線Ｌ上に同軸で配置され、中心軸線Ｌ周りの回動（Ａ）及び中心軸線Ｌに沿った直線運動による往復動（Ｂ）を可能とし、軸体３９を介してかかる回動（Ａ）及び往復動（Ｂ）を外部へ伝達させることができる。

図２及び図３に示すように、固定子２の側壁には、内周側に開口し周方向に沿って延びる周溝２１が軸方向に複数等間隔で並列するように設けられている。また、周溝２１より内周側の位置に、内周側に開口し軸方向に沿って延びる直溝２２が周方向に複数等間隔（等角度）で並列して設けられている。図では、周溝２１を１２スロット、直溝２２を１２スロット備えている。周溝２１及び直溝２２のそれぞれには周方向巻線２３及び軸方向巻線２４が収納されている。その結果、周方向巻線２３は、軸方向巻線２４の外周側に位置している。

固定子２はその側壁の外周部分でヨーク２５を形成するとともに、各周溝２１及び各直溝２２の間に、内周側に向けて延びるように角柱状のティース２６を形成する。各ティース２６の先端には、周方向及び軸方向それぞれの寸法をティース２６の寸法より大きくした板状の鍔部２７を備える。鍔部２７のそれぞれは互いに離間しており、その内周側の表面を仮想的に延長して連続させたときに円筒体の内孔２７ａを画定する湾曲面を有して並んでいる。固定子２の鉄心は、ヨーク２５、ティース２６及び鍔部２７により形成されている。かかる鉄心は軟磁性体であるが、特に、磁気的な異方性のない、三次元等方磁気特性を有する材料であることが好ましい。磁束の流れを三次元的に導き得る鉄心によれば、周方向巻線２３により発生する周方向に一様なリング状磁界と、軸方向巻線２４により発生する軸方向に一様な線状磁界とをそれぞれ中心軸線Ｌの方向に向けて、すなわち可動子３に向けて偏り無く導き得るのである。特に、電気抵抗の相対的に高い圧粉磁心を鉄心に用いることで、渦電流の発生を抑制し、高速で磁界を変化させても渦電流損を抑制でき、制御の応答性も高め得るのである。

図４を併せて参照すると、周方向巻線２３のそれぞれには、三相交流が印加される。例えば、図面左手前側から２極分の相と方向を表示すると、順に、Ｕ相右回り（Ｒ）、Ｗ相左回り（Ｌ）、Ｖ相右回り、Ｕ相左回り、Ｗ相右回り、Ｖ相左回りとなり、更に図面奥側に位置する他の周方向巻線２３においても同様に繰り返される。つまり、中心軸線Ｌの周りで周方向に一様なリング状磁界を発生し、鍔部２７の内表面から中心軸線Ｌへ向けた方向にかかる磁界を与える固定子が中心軸線Ｌに沿った方向に等間隔で並んでいることとなる。周方向巻線２３はいわゆる分布巻であって、これにより、リング状磁界による軸方向の移動磁界を形成させ得る。

また、軸方向巻線２４のそれぞれについても三相交流が印加される。例えば、図面左手前側から見て反時計回りに２極分の相と方向を表示すると、順に、Ｕ相負（図面左手前方向）、Ｖ相正（図面右奥方向）、Ｗ相負、Ｕ相正、Ｖ相負、Ｗ相正となり、以降、同様に繰り返される。つまり、中心軸線Ｌと平行方向に一様な線状磁界を発生し、鍔部２７の内表面から中心軸線Ｌへ向けた方向にかかる磁界を与える固定子が中心軸線Ｌの周囲を等角度に分割した各分割位置に並んでいることとなる。軸方向巻線２４も分布巻であって、これにより、線状磁界による周方向の回転磁界を形成させ得る。

再び図２を参照すると、可動子３はその可動子鉄心３３の外表面に沿うように湾曲した平板形状の永久磁石からなる板状磁石４を備える。板状磁石４は、鍔部２７により画定された円筒体の内表面からわずかに離間させてこれに対向させるように配置される。また、可動子３は可動子鉄芯３３の外表面に沿うように湾曲した平板形状の磁性体からなる磁性体板３４を備える。磁性体板３４も、鍔部２７より画定された円筒体の内表面からわずかに離間させてこれに対向させるように配置される。なお、磁性体板３４は、透磁率の高い軟磁性体であることが好ましく、また、可動子鉄芯３３と連続して一体に形成されていてもよい。

図５（ａ）に示すように、可動子３に配置される板状磁石４は長方形の四隅を長方形に切り取った外周形状を有する平板で表（外周側）にＮ極を向けたＮ極磁石４１と、同一形状で表にＳ極を向けたＳ極磁石４２との２種類である。

図５（ｂ）を併せて参照すると、可動子鉄心３３の外表面に沿って軸方向に延びる中心軸線Ｌと平行な第１配置線３１（３１−１〜３１−４）は、周方向に等間隔、すなわち可動子鉄心３３の外表面を等角度（本実施例においては９０度）に分割した位置に仮想的に設定される。また、周方向に沿って周回する第２配置線３２（３２−１〜３２−２）は、軸方向に等間隔に仮想的に設定される。その上で、Ｎ極磁石４１は第１配置線３１−１及び３１−３と第２配置線３２−１との交点の上にその中心を位置させて配置され、Ｓ極磁石４２は第１配置線３１−２及び３１−４と第２配置線３２−２との交点の上にその中心を位置させて配置されている。すなわち、Ｎ極磁石４１は奇数番目の第１配置線３１及び奇数番目の第２配置線３２の交点上に配置され、Ｓ極磁石４２は偶数番目の第１配置線３１及び偶数番目の第２配置線３２の交点上に配置される。その他の交点には板状磁石は配置されない。ここで、Ｎ極磁石４１及びＳ極磁石４２は、その外周形状の各辺をそれぞれ第１配置線３１及び第２配置線と平行にするよう配置される。このようにＮ極磁石４１及びＳ極磁石４２を同数配置する場合に、第１配置線３２及び第２配置線３２はそれぞれ偶数本となる。

また、隣り合う第１配置線３１同士の中心線である第１追加配置線３７及び隣り合う第２配置線３２同士の中心線である第２追加配置線３８が仮想的に設定される。ここでは、さらに軸方向の端部側にも第２配置線３２に対して等間隔で第２追加配置線３８を追加して軸方向端部にも配置させる。このとき、可動子鉄心３３の外表面を含む仮想円筒面に、すなわち外表面の形成する円筒面を軸方向に延長させた仮想面上にも上記と同様に第２配置線３２を配置すれば、軸方向の端部側に追加された第２追加配置線３８も第２配置線３２同士の中心線となる。そして磁性体板３４は第１追加配置線３７及び第２追加配置線３８の交点の上にその中心を位置して配置される。つまり、磁性体板３４は、第１追加配置線３７に沿ってその複数が間欠的に配置されるとともに、第２追加配置線３８に沿ってその複数が間欠的に配置される。また、磁性体板３４の外周形状は長方形であり、上記した板状磁石４の長方形に切り取った四隅のそれぞれに沿う向き及び位置に配置されている。結果として、板状磁石４の四隅は磁性体板３４の外周形状に合わせて切り取られた形状となっているのである。可動子３の軸方向の端部（図３（ｂ）において上下端部）に配置される磁性体板３４は、可動子鉄芯３３の軸方向の端面に沿って切り取られた外周形状を有している。

次に、上記した回転直動同期モータ１における動作について、図４乃及び図５を用いて説明する。

図４及び図５を参照しつつ、軸方向巻線２４によって与えられる線状磁界による可動子３の動きについて説明する。軸方向巻線２４に三相交流を印加させると、各軸方向巻線２４は軸方向に一様な線状磁界を周期的に発生・消失させるが、このとき周方向に並列する各軸方向巻線２４には互いに位相差を持って電流が流れ、線状磁界の強度は周方向に順次変化する。すなわち、可動子３の外表面において、第１配置線３１に沿った方向には一様な磁界が与えられるとともに、第２配置線３２に沿った方向には時間的に変化する磁界（移動磁界）が与えられる。

ここで、図５（ｂ）に示すように、可動子３の外表面が通過し得る位置であって固定子２に対して固定位置である仮想円筒面において、軸方向に延びる幅の狭い帯状の仮想領域３５を仮定する。仮想領域３５と平行な第１配置線３１（３１−１〜３１−４）のうち、第１配置線３１−３が最も近接しており、仮想領域３５にはＮ極磁石４１が位置している。すなわち、仮想領域３５に最も近接する第１配置線３１上にあるＮ極磁石４１又はＳ極磁石４２のいずれか一方が仮想領域３５に位置するのである。つまり、軸方向巻線２４から与えられる線状磁界が時間的に変化すると、仮想領域３５の磁界が変化する。一方、仮想領域３５内にはＮ極磁石４１又はＳ極磁石４２のいずれか一方が位置しているから、可動子３には仮想領域３５の磁界によって引力又は斥力が働き、これが時間的に変化するから、可動子３が周方向に移動する。換言すれば、可動子３は周方向に移動する線状磁界によって板状磁石４からの磁石磁束によるトルクを得て周方向に回動する。一方で、線状磁界による軸方向への移動磁界は発生しないから、可動子３は軸方向へは移動しない。すなわち、軸方向巻線２４によって発生する線状磁界による移動磁界に可動子３を同期させて周方向に回動させ得る。

また、仮想領域３５の磁界は磁性体板３４に対しては常に引力を働かせる。ここで、周方向に回動する可動子３の外表面において、磁性体板３４の複数は第２追加配置線３８に沿って間欠的に配置されているので、仮想領域３５を間欠的に通過する。つまり、可動子３は、周方向に磁気抵抗の低いいわゆる突極としての磁性体板３４の複数を間欠的に配置されているため、軸方向巻線２４からの磁界に対して磁性体板３４からのリラクタンスによるトルクを得ることができる。

同様に、図４及び図５を参照しつつ、周方向巻線２３によって与えられるリング状磁界による可動子３の動きについて説明する。周方向巻線２３に三相交流を印加させると、各周方向巻線２３は周方向に一様なリング状磁界を周期的に発生・消失させるが、このとき軸方向に並列する各周方向巻線２３には互いに位相差を持って電流が流れ、リング状磁界の強度は軸方向に順次変化していく。すなわち、可動子３の外表面において、第２配置線３２に沿った方向には一様な磁界が与えられるが、第１配置線３１に沿った方向には時間的に変化する磁界（移動磁界）が与えられる。

ここで、図５（ｂ）に示すように、上記した仮想円筒面において、周方向に延びる幅の狭い帯状の仮想領域３６を仮定する。仮想領域３６と平行な第２配置線３２（３２−１、３２−２）のうち、第２配置線３２−２が最も近接しており、仮想領域３６にはＳ極磁石４２のみが位置している。すなわち、仮想領域３６に最も近接する第２配置線３２上にあるＮ極磁石４１又はＳ極磁石４２のいずれか一方が仮想領域３６に位置するのである。つまり、周方向巻線２３から与えられるリング状磁界が時間的に変化すると、仮想領域３６の磁界が変化する。一方、仮想領域３６内にはＮ極磁石４１又はＳ極磁石４２のいずれか一方が位置しているから、可動子３には仮想領域３６の磁界によって引力又は斥力が働き、これが時間的に変化するから、可動子３が軸方向に移動する。換言すれば、可動子３は軸方向に移動するリング状磁界によって板状磁石４からの磁石磁束による推力を得て軸方向に移動する。一方で、リング状磁界による周方向への移動磁界は発生しないから、可動子３は周方向へは移動しない。すなわち、周方向巻線２３によって発生するリング状磁界による移動磁界に可動子３を同期させて軸方向に往復動させ得る。

また、仮想領域３６の磁界は磁性体板３４に対しては常に引力を働かせる。ここで、軸方向に往復動する可動子３の外表面において、磁性体板３４の複数は第１追加配置線３７に沿って間欠的に配置されているので、仮想領域３６を間欠的に通過する。つまり、可動子３は、軸方向に磁気抵抗の低いいわゆる突極としての磁性体板３４の複数を間欠的に配置されているため、周方向巻線２３からの磁界に対して磁性体板３４からのリラクタンスによる推力を得ることができる。

つまり、このような可動子３を備える回転直動同期モータ１によれば、周方向巻線２３及び軸方向巻線２４のそれぞれを独立して制御することで、可動子３の往復動及び回動を容易に制御できる。また、軸方向巻線２４及び周方向巻線２３のそれぞれに対して、板状磁石４からの磁石磁束によるトルク及び推力に併せて磁性体からなる磁性体板３４からのリラクタンスによるトルク及び推力を重畳的に得て、高い出力を効率良く得ることができる。なお、回転直動同期モータ１は、図示しない可動子３の位置を検出するセンサを含み、検出された可動子３の位置に基づいて決定される位相の電流を周方向巻線２３及び軸方向巻線２４のそれぞれに与える。

さらに上記した実施例及びその変形例におけるトルクや推力に関し、図６及び図７を用いて説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、可動子３として、磁性体板３４の外周形状を長方形とし、板状磁石４の外周形状については磁性体板３４に合わせて長方形から四隅を切り取った形状とする。また、図６（ｂ）に示すように、可動子３−１として、板状磁石４−１の外周形状を長方形とし、これに合わせて磁性体板３４−１の形状を長方形から２箇所の隅を切り取った形状とする。かかる可動子３−１によっても上記と同様に可動子３−１に作用する回転のトルク及び直動の推力を大きくし得るが、可動子３に比べて板状磁石４−１の面積を大としたので、板状磁石４１からの磁石磁束によるトルク及び推力は大きくなる。

図７には、可動子３、可動子３−１、及び可動子３の磁性体板３４を取り除いたもの（可動子鉄芯３３に板状磁石４のみを取り付けた可動子）のそれぞれの電流進角に対する、（ａ）周方向のトルク換算値、及び、（ｂ）軸方向の推力についてのシミュレーション結果、を示した。板状磁石４のみの場合に比べ、磁性体板３４を追加した可動子３では得られるトルク及び推力のピーク値が大きく、また、ピークが電流進角の増大する側にシフトしている。さらに、可動子３−１によれば、板状磁石４−１の面積が広く可動子３よりもトルク及び推力のピーク値が大きくなる。なお、ここには示していないが、可動子３−１の場合であっても、磁性体板３４−１を取り除いた場合に比べるとトルク及び推力のピーク値は大きくなる。

なお、上記した実施例では、周方向巻線２３を軸方向巻線２４の外側に配置したが、周方向巻線２３を内側に配置してもよい。また、周方向巻線２３及び軸方向巻線２４はそれぞれ集中巻とすることもできる。

また、図８（ａ）に示すように、磁性体板３４は、少なくともその一部を板状磁石４の下側、すなわち可動子３の中心軸線Ｌ側に位置させるように重ねて配置してもよい。この場合、板状磁石４を可動子３の外周側に位置させて、板状磁石４からの磁石磁束によるトルクや推力を減じることなく、高い出力を効率良く得ることができる。

また、図８（ｂ）に示すように、板状磁石４は、少なくともその一部を磁性体板３４の下側、すなわち可動子３の中心軸線Ｌ側に位置させるように重ねて配置してもよい。この場合、磁性体板３４を可動子３の外周側に位置させて、一部を可動子３の内周側に位置させた板状磁石４からの磁石磁束の変化を緩和して可動子の回転及び直動の動作を滑らかにすることができる。なお、板状磁石４と磁性体板３４との間には、適宜、空隙が設けられる。

また、図９に示すように、板状磁石４及び磁性体板３４は可動子３の外表面でなく、可動子鉄芯３３の内部に埋め込んでもよい。すなわち、板状磁石４を長方形の平板として、可動子鉄心３３の所定位置内部に埋め込むのである。このとき、上記と同様にＮ極磁石４１は、奇数番目の第１配置線３１及び奇数番目の第２配置線３２の交点近傍に埋め込まれ、また、Ｓ極磁石４２は偶数番目の第１配置線３１及び偶数番目の第２配置線３２の交点近傍に埋め込まれている。更に、非磁性体の板状体からなる非磁性体板５０は、板状磁石４の配置されていない第１配置線３１及び第２配置線３２の交点近傍に埋め込まれている。ここで、非磁性体板５０は長方形の四隅に長方形の切り欠きを与えた板状体とすることで、磁性体からなる可動子鉄心３３の一部がこの切り欠きに位置し、磁気抵抗の低い、いわゆる突極を形成するのである。かかる可動子３によっても、上記と同様に高い出力を効率良く得ることができる。なお、非磁性体板５０の箇所は、空洞としてもよい。

次に、他の実施例として、可動子上の板状磁石及び磁性体板の配置について図１０及び図１１を用いて説明する。

図１０（ａ）に示すように、可動子３ａにおいて、磁性体板３４ａは軸方向に長く可動子鉄心３３の軸方向の一端から他端まで延びる帯状体であり、第１追加配置線３７のそれぞれを中心として配置されている。つまり、磁性体板３４ａの複数は軸方向に向いたストライプ状に配置されるとともに、第２配置線３２に沿って間欠的に配置されている。このとき、板状磁石４ａは磁性体板３４ａに重ならないように、上記した板状磁石４の外周形状、すなわち長方形から四隅を切り取った形状について、さらに周方向の端部を切り取った長方形の外周形状を有している。ここで、上記と同様に、可動子３ａの外表面が通過し得る位置であって固定子２に対して固定位置である仮想円筒面において、軸方向及び周方向のそれぞれに延びる幅の狭い帯状の仮想領域３５及び仮想領域３６を仮定する。

このような可動子３ａによれば、Ｎ極磁石４１ａ及びＳ極磁石４２ａは上記した可動子３と同様に配置されており、仮想領域３５及び３６の磁界による可動子３ａの動作も同様となる。つまり、可動子３ａは周方向に移動する線状磁界によって板状磁石４ａからの磁石磁束によるトルクを得て周方向に回動できるとともに、軸方向に移動するリング状磁界によって板状磁石４ａからの磁石磁束による推力を得て軸方向に往復動できる。

ここで、磁性体板３４ａは、軸方向に向いたストライプ状に配置されており、軸方向に往復動する可動子３ａの外表面において仮想領域３６に対して磁気抵抗を変化させずに通過する。つまり、磁性体板３４ａは、リング状磁界による軸方向への移動磁界からはリラクタンスによるトルクを得ることはない。一方、磁性体板３４ａの複数は、第２配置線３２に沿って間欠的に配置されているので、周方向に回動する可動子３ａの外表面において仮想領域３５を間欠的に通過する。つまり、可動子３ａは、周方向の回動に対して磁気抵抗の低いいわゆる突極としての磁性体板３４ａの複数を間欠的に配置されているため、軸方向巻線２４からの磁界に対して磁性体板３４ａからのリラクタンスによるトルクを得ることができる。また、上記した可動子３の磁性体板３４に比べて、磁性体板３４ａの軸方向の寸法が大きく、軸方向に延びる仮想領域３５を周方向に通過する場合の仮想領域３５に対する磁気抵抗の変化も大きくでき、磁性体板３４ａからのリラクタンスによって得るトルクを大きくし得る。すなわち、このような磁性体板３４ａの配置は、特に周方向のトルクを大きくしたい場合に好適である。

次いで、図１０（ｂ）に示すように、可動子３ｂにおいて、磁性体板３４ｂは周方向に長く可動子鉄心３３を周方向に周回するように延びる帯状体であり、第２追加配置線３８のそれぞれを中心として配置されている。つまり、磁性体板３４ｂの複数は周方向に向いたストライプ状に配置されるとともに、第１配置線３１に沿って間欠的に配置されている。このとき、板状磁石４ｂは磁性体板３４ｂに重ならないように、上記した板状磁石４の外周形状、すなわち長方形から四隅を切り取った形状について、さらに軸方向の端部を切り取った長方形の外周形状を有している。ここで、上記と同様に、可動子３ｂの外表面が通過し得る位置であって固定子２に対して固定位置である仮想円筒面において、軸方向及び周方向のそれぞれに延びる幅の狭い帯状の仮想領域３５及び仮想領域３６を仮定する。

このような可動子３ｂによれば、Ｎ極磁石４１ｂ及びＳ極磁石４２ｂは上記した可動子３と同様に配置されており、仮想領域３５及び３６の磁界による可動子３ｂの動作も同様となる。つまり、可動子３ｂは周方向に移動する線状磁界によって板状磁石４ｂからの磁石磁束によるトルクを得て周方向に回動できるとともに、軸方向に移動するリング状磁界によって板状磁石４ｂからの磁石磁束による推力を得て軸方向に往復動できる。

ここで、磁性体板３４ｂは周方向に向いたストライプ状に配置されており、周方向に回動する可動子３ｂの外表面において仮想領域３５に対して磁気抵抗を変化させずに通過する。つまり、磁性体板３４ｂは、線状磁界による周方向への移動磁界からはリラクタンスによる推力を得ることはない。一方、磁性体板３４ｂの複数は、第１配置線３１に沿って間欠的に配置されているので、軸方向に往復動する可動子３ｂの外表面において仮想領域３６を間欠的に通過する。つまり、可動子３ｂは、軸方向の往復動に対して磁気抵抗の低いいわゆる突極としての磁性体板３４ｂの複数を間欠的に配置されているため、周方向巻線２３からの磁界に対して磁性体板３４ｂからのリラクタンスによる推力を得ることができる。また、上記した可動子３の磁性体板３４に比べて、磁性体板３４ｂの周方向の寸法が大きく、周方向に延びる仮想領域３６を軸方向に通過する場合の仮想領域３６に対する磁気抵抗の変化も大きくでき、磁性体板３４ｂからのリラクタンスによって得る推力を大きくし得る。すなわち、このような磁性体板３４ｂの配置は、特に軸方向の推力を大きくしたい場合に好適である。

更に、図１１に示すように、可動子として、外周形状を略楕円形とした板状磁石４ｃ及び磁性体板３４ｃを備えた可動子３ｃを用いることもできる。ここで、板状磁石４ｃの外周形状は磁性体板３４ｃの外周形状に沿うように楕円の一部を凹ませている。また、板状磁石４ｃ及び磁性体板３４ｃは上記した可動子３の板状磁石４及び磁性体板３４と同様に配置され、軸方向の端部（図の上下端）においては、可動子鉄芯３３の軸方向の端面に沿って一部を切り取られた外周形状を有する。

かかる可動子３ｃによっても、上記した可動子３と同様に、周方向巻線２３及び軸方向巻線２４のそれぞれを独立して制御することで、可動子３ｃの往復動及び回動を容易に制御できる。また、軸方向巻線２４及び周方向巻線２３からの磁界に対して磁性体からなる磁性体板３４ｃからのリラクタンスによるトルク及び推力を重畳的に得て、出力を向上させることができる。

さらに、板状磁石４ｃは、略楕円形状であるので、その端部から第１配置線及び第２配置線に沿って且つこれらの交点に向かって幅を拡げた形状を有している。これにより、可動子３ｃの位置の変化による磁石磁束の急激な変化を減じて可動子３ｃの回動及び往復動を滑らかにすることができる。

板状磁石及び磁性体板の外周形状は上記したものに限らず、例えば菱形や六角形などの多角形や、他の形状とすることもできる。

また、上記した実施例ではインナーローター型の回転直動同期モータについて説明したが、アウターローター型の回転直動同期モータとすることもできる。すなわち、可動子を略円筒形とするとともに、その内孔に略棒状の固定子を挿通し、固定子の周囲で円筒形の可動子が回転及び直動するのである。可動子における板状磁石及び磁性体板の配置についてはインナーローター型の回転直動同期モータの場合と同様であるのでその説明は省略する。かかる実施例によっても、板状磁石からの磁石磁束によるトルク及び／又は推力に併せて磁性体板からのリラクタンスによるトルク及び／又は推力を重畳的に得て、高い出力を効率良く得ることができる。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。

１ 回転直動同期モータ
２ 固定子
３、３−１、３ａ、３ｂ、３ｃ 可動子
４、４−１、４ａ、４ｂ、４ｃ 板状磁石
２７ａ 内孔
３１ 第１配置線
３２ 第２配置線
３４、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 磁性体板
３７ 第１追加配置線
３８ 第２追加配置線

Claims (7)

1. 略円筒形の固定子の内孔における中心軸線上に同軸配置された略棒状の可動子を該中心軸線の周りに回動させ及び該中心軸線に沿って往復動させ得る回転直動同期モータであって、
   前記固定子は、
   前記中心軸線と平行方向に一様であって前記内孔の内表面から前記中心軸線へ向けた方向に磁界を与える線状磁界発生手段について前記中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、前記中心軸線の周りで周方向に一様であって前記内孔の内表面から前記中心軸線へ向けた方向に磁界を付与するリング状磁界発生手段について前記中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子と、を含み、
   前記可動子は、
   外表面を含む仮想円筒面において、前記中心軸線と平行に前記中心軸線の周囲を等角度にｎ分割した各分割位置に１〜ｎ（ｎ；自然数）の順番に設定した第１仮想線と、前記中心軸線の周囲を周回し前記中心軸線に沿った等間隔位置に１〜ｍ（ｍ；自然数）の順番に設定した第２仮想線と、を与えられ、
   Ｘ番目の前記第１仮想線とＹ番目の前記第２仮想線の交点（Ｘ、Ｙはそれぞれｎ及びｍ以下の自然数）において、ＸとＹをともに奇数とする交点及び偶数とする交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石を配置し、且つ、
   隣り合う前記第１仮想線同士の中心線及び隣り合う第２仮想線同士の中心線の交点に突極としての磁性体板を配置することを特徴とする回転直動同期モータ。
2. 略棒状の固定子の中心軸線上に同軸配置された略円筒形の可動子を該中心軸線の周りに回動させ及び該中心軸線に沿って往復動させ得る回転直動同期モータであって、
   前記固定子は、
   前記中心軸線と平行方向に一様であって外表面から放射方向外側に磁界を与える線状磁界発生手段について前記中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、前記中心軸線の周りで周方向に一様であって前記外表面から放射方向外側に磁界を付与するリング状磁界発生手段について前記中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子と、を含み、
   前記可動子は、
   内表面を含む仮想円筒面において、前記中心軸線と平行に前記中心軸線の周囲を等角度にｎ分割した各分割位置に１〜ｎ（ｎ；自然数）の順番に設定した第１仮想線と、前記中心軸線の周囲を周回し前記中心軸線に沿った等間隔位置に１〜ｍ（ｍ；自然数）の順番に設定した第２仮想線と、を与えられ、
   Ｘ番目の前記第１仮想線とＹ番目の前記第２仮想線の交点（Ｘ、Ｙはそれぞれｎ及びｍ以下の自然数）において、ＸとＹをともに奇数とする交点及び偶数とする交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石を配置し、且つ、
   隣り合う前記第１仮想線同士の中心線及び隣り合う第２仮想線同士の中心線の交点に突極としての磁性体板を配置することを特徴とする回転直動同期モータ。
3. 前記磁性体板は、その少なくとも一部を前記板状磁石の背面下に配置させることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転直動同期モータ。
4. 前記板状磁石は、その少なくとも一部を前記磁性体板の背面下に配置させることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転直動同期モータ。
5. 前記板状磁石は、その端部から前記第１仮想線及び／又は前記第２仮想線に沿って且つ前記交点に向かって幅を拡げた形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の回転直動同期モータ。
6. 略円筒形の固定子の内孔における中心軸線上に同軸配置された略棒状の可動子を該中心軸線の周りに回動させ及び該中心軸線に沿って往復動させ得る回転直動同期モータであって、
   前記固定子は、
   前記中心軸線と平行方向に一様であって前記内孔の内表面から前記中心軸線へ向けた方向に磁界を与える線状磁界発生手段について前記中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、前記中心軸線の周りで周方向に一様であって前記内孔の内表面から前記中心軸線へ向けた方向に磁界を付与するリング状磁界発生手段について前記中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子と、を含み、
   前記可動子は、
   外表面を含む仮想円筒面において、前記中心軸線と平行に前記中心軸線の周囲を等角度にｎ分割した各分割位置に１〜ｎ（ｎ；自然数）の順番に設定した第１仮想線と、前記中心軸線の周囲を周回し前記中心軸線に沿った等間隔位置に１〜ｍ（ｍ；自然数）の順番に設定した第２仮想線と、を与えられ、
   Ｘ番目の前記第１仮想線とＹ番目の前記第２仮想線の交点（Ｘ、Ｙはそれぞれｎ及びｍ以下の自然数）において、ＸとＹをともに奇数とする交点及び偶数とする交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石を配置し、且つ、
   隣り合う前記第１仮想線同士又は第２仮想線同士の中心線上に突極としての磁性体板をストライプ状に配置することを特徴とする回転直動同期モータ。
7. 略棒状の固定子の中心軸線上に同軸配置された略円筒形の可動子を該中心軸線の周りに回動させ及び該中心軸線に沿って往復動させ得る回転直動同期モータであって、
   前記固定子は、
   前記中心軸線と平行方向に一様であって外表面から放射方向外側に磁界を与える線状磁界発生手段について前記中心軸線の周囲を等角度に分割した各分割位置に与えた第１固定子と、前記中心軸線の周りで周方向に一様であって前記外表面から放射方向外側に磁界を付与するリング状磁界発生手段について前記中心軸線に沿った等間隔位置に与えた第２固定子と、を含み、
   前記可動子は、
   内表面を含む仮想円筒面において、前記中心軸線と平行に前記中心軸線の周囲を等角度にｎ分割した各分割位置に１〜ｎ（ｎ；自然数）の順番に設定した第１仮想線と、前記中心軸線の周囲を周回し前記中心軸線に沿った等間隔位置に１〜ｍ（ｍ；自然数）の順番に設定した第２仮想線と、を与えられ、
   Ｘ番目の前記第１仮想線とＹ番目の前記第２仮想線の交点（Ｘ、Ｙはそれぞれｎ及びｍ以下の自然数）において、ＸとＹをともに奇数とする交点及び偶数とする交点にはそれぞれ互いに逆極を表に向けた板状磁石を配置し、且つ、
   隣り合う前記第１仮想線同士又は第２仮想線同士の中心線上に突極としての磁性体板をストライプ状に配置することを特徴とする回転直動同期モータ。

Images