JP2016540484A - 電磁モータ - Google Patents

Abstract

固定子（１１）及び動子（１２）を備えた電磁モータであって、固定子及び動子の少なくとも一方が巻線を有する。少なくとも１つの巻線は、プリント回路（１３）から構成されている。プリント回路を巻線として使用することによって、銅線で巻線を巻き付ける作業時間及び銅材料の節約ができるほか、精確な回線設計をも実現することができ、電磁モータの小型化に効果的である。

Description

本発明は、電動機及び発電機を含むモータ分野に関し、特に電磁モータに関する。

電磁モータは、２００年近くの歴史を有し、電磁効果を基に電気エネルギーと力学的エネルギーとの変換に用いられる。発電機と電動機との可逆性に基づき、本明細書でいうモータは、発電機を含むほか、電動機をも含み、又は、発電機の機能と電動機の機能と二重の機能を有する可逆モータを含む。説明を平易にするため、以下、電動機を例として説明する。しかしながら、当該技術は発電機にも適用できることを、当業者は理解すべきである。

電磁モータは、長期の発展を経て、種類が様々であるが、通常、固定子及び動子を有する。本明細書では、モータにおける駆動する部材を動子と言い、モータにおける相対的に固定されている部材を固定子という。特性によってモータの種類を分類してよい。例えば、駆動電流によって、直流モータ及び交流モータに分けられる。固定子と動子との構造によって、アキシャルモータ及びディスクモータに分けられる。励磁モードによって、励磁巻線を有するモータ及び励磁巻線を有しないモータに分けられる。ロータの駆動形態によって、ロータリモータ及びリニアモータに分けられる。ここで、ロータリモータの動子は、回転子ともいう。上記の異なる特性を重ね合わせて、様々な異なる形態のモータを生成してよい。

従来のモータでは、通常、銅線を用いて巻線が巻き付けられており、巻線の一貫性を確保するために、専用の巻線装置を用いて巻線が巻き付けられる場合がある。そのため、従来のモータを一部の応用分野（例えば、小型モータ分野）に用いることは困難である。そこで、上記の応用分野において、電磁モータを代替するほかのタイプのモータが開発されている。例えば、超音波モータ（ＵＳＭ：Ｕｌｔｒａ Ｓｏｎｉｃ Ｍｏｔｏｒ）である。しかしながら、超音波モータにも、動作電圧が高く、製造の一貫性が悪く、共振モードで動作する場合に生産効率が低いという限界がある。

本発明に係る電磁モータは、固定子及び動子を備える。前記固定子及び前記動子の少なくとも一方は巻線を有する。ここで、少なくとも１つの巻線はプリント回路から構成されている。

本発明に係る電磁モータによれば、プリント回路を巻線として使用することで、銅線で巻線を巻き付ける作業時間及び銅材料の節約ができるほか、精確な回線設計をも実現することができ、電磁モータの小型化に効果的である。

以下、図面と併せて、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。

本発明に係る１つのアキシャルモータの固定子及び動子の断面概略図である。 本発明に係る１つの４層プリント回路の巻線方式の概略図である。 本発明に係るもう１つの４層プリント回路の巻線方式の概略図である。 本発明に係る１つのプリント回路の平面配置方式の概略図である。 実施形態１に係るディスクモータの構成概略図である。 実施形態１における動子の磁極面概略図である。 実施形態２に係るディスクモータの固定子及び動子の端面概略図である。 実施形態２における固定子及び動子の磁心とＰＣＢ又はＦＰＣ巻線との組合せ概略図である。 実施形態３に係る複合モータ固定子及び動子の端面概略図である。 実施形態３における固定子端面の磁心とＰＣＢ又はＦＰＣ巻線との組合せ概略図である。 実施形態４に係るリニアモータの構成概略図である。 実施形態４における固定子の磁心とＰＣＢ又はＦＰＣ巻線との組合せ概略図である。 本発明に係るもう１つのリニアモータの構成概略図である。

本発明に係る電磁モータの１つの構成例が、図１に示されている。図１では、アキシャルモータを例として説明するが、他のタイプのモータ（ディスクモータ、リニアモータ等）を本発明のモータに適用してもよい。本実施形態において、モータは、固定子１１及び動子１２を備えている。固定子１１及び動子１２は、共に巻線１３（説明を平易にするため、図１には１つの巻線溝に位置する巻線のみが示されている。）を有する。これらの巻線は、プリント回路から構成されている。なお、具体的なモータ設計に基づいて、固定子１１及び動子１２の一方のみが巻線を有してもよい。

本発明に係るプリント回路は、例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ、Ｐｒｉｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）のような硬板から構成されてもよく、フレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣ、Ｆｌｅｘｉ ｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）のような軟性板から構成されてもよい。ＰＣＢ又はＦＰＣは、単層回路を有してもよく、多層回路（２層以上の回路。例えば、２層、４層、６層、８層、１０層又は１２層等の回路）から構成されてもよい。多層回路を採用することにより、巻線が占める空間が大幅に圧縮され、線材のコストが減縮され、抵抗の消耗及び発熱が減少する。

プリント回路は、例えば、通常の銅材料、又は、銅以外の金属及びその複合材料のような導電材料で製作されてよく、好ましくは、超電導体で製作されてよい。これによって、モータの銅損傷及び発熱が大幅に低下し、モータの性能及び信頼性が向上し、寸法の縮小に効果的である。例えば、スタンフォード大学の張首晟教授によって提案されたフッ化スズ（Ｓｔａｎｅｎｅ）複合超電導体を用いて製作されたフッ化スズ単層格子複合材料フィルムは、エッジが常温で超伝導性能を有する。このような超伝導フィルム材料をＰＣＢ又はＦＰＣの電気回路に用いれば、優れた性能が得られる。

１つの巻線は、１枚のＰＣＢ又はＦＰＣ、２枚以上のＰＣＢ又はＦＰＣ、或いは、ＰＣＢ及びＦＰＣの両方で実現されてもよい。成熟したプリント回路の製作技術に基づいて、所定のコイル構成に従ってプリント回路の構造に対して配置し、全体（１枚のＰＣＢ又はＦＰＣ）の方式又は複数枚（端部に接続が必要な回線を溶接する。）の方式で必要な巻線を実現することができる。図２、図３及び図４は、複数種類の典型的なプリント回路の配置方式を示す。図中の矢印は、電流方向の例であり、巻線の必要な構造に基づいてプリント回路の配置及び／又は取付方式を対応するように設計してよいことは、当業者であれば容易に理解できるであろう。図２は、軸方向に多層重なる平面螺旋巻線の方式を示す。まず、単層において螺旋巻線を行い、その後、穿孔を介して別の層に入り、螺旋巻線を行い続ける。各層の螺旋回路は、１枚の単層のＰＣＢ又はＦＰＣであってもよいし、層間が導電貫通孔を介して接続された複数層のＰＣＢ又はＦＰＣのうちの１層であってもよい（以
下同様）。図３は、径方向に多層ネストされた立体螺旋巻線の方式を示す。まず、異なる層間において螺旋巻線を行い、次に、内部から外部へ（又は外部から内部へ）立体螺旋巻線を行う。このような方式は、直径が異なる複数の縦式コイルのネスティングと見なされてよい。図４は、プリント回路の平面配置方式を示す。プリント回路をＦＰＣから構成する場合、破線の表示に従ってＦＰＣの端部を溶接すれば、１グループの螺旋巻線を形成することができる。図４におけるプリント回路の配置方式は、ＰＣＢにも適用される。しかしながら、ＰＣＢは、折れ曲げることができないため、２つ以上のＰＣＢを繋ぎ合わせて螺旋巻線を形成する必要がある。図４は、１層の回線配置のみを示しているが、複数層であってもよく、それぞれに対して溶接を行えばよい。

図１における巻線１０３は、様々な適切なプリント回線を用いて形成してよい。例えば、図４におけるＦＰＣを採用し、１つ又は複数のＦＰＣ（単層又は多層）をコイル溝内に挿入し、固定子１１（又は動子１２）が対応する部位を迂回した後、端部を溶接すれば、必要な巻線を得ることができる。このような巻線方法は、加工が簡単であり、コストが低い。また、巻線がより軽いため、損耗がさらに軽減される。コイル溝は不規則性を有するため、複数のＰＣＢ又はＦＰＣを使用して空間を十分に利用してよい。また、複数層又は複数本のＦＰＣを使用すると、コイルのターン数を増やすのに効果的である。実際の生産において、放熱及び巻線の固定のため、ＰＣＢ又はＦＰＣに対する放熱パックを製作してよい。例えば、熱伝導ゴムを用いてＰＣＢ又はＦＰＣの巻線が配置された後のコイル溝に流し込んでもよい。

空間に余裕がある場合には、よりコンパクト且つ経済的なモータを実現するために、固定子（又は動子）のすべての巻線を、単一のＰＣＢ又はＦＰＣに印刷してよい。ＰＣＢ又はＦＰＣにおける回路が印刷されていない部分は、必要に応じて保留又は開孔されてよく、これによって、固定子又は動子の機械的構造と容易に協働し合う。具体的には、実際のニーズに応じて設計すればよい。

プリント回路の巻線は、プリント回路がＰＣＢ又はＦＰＣから引き出された後に、必要な電気接続方式に従って接続すればよい。当該方式は、銅線で巻かれた従来の巻線の接続方式に類似してよく、説明を省略する。従って、本発明に係るモータにおいて、従来の交流又は直流の駆動モードを採用してもよいし、ステッピング駆動モードを採用してもよい。通常、ステッピングモータの駆動制御は、磁極の極性を交互に変換することによって実現される。モータの１ステップが１つの磁極の位置に対応し、通常、最小ステップ長の精度は、１ステップ又はハーフステップである。本発明に係るモータでは、巻線がＰＣＢ又はＦＰＣで構成されているため、多くの制御チップをＰＣＢ又はＦＰＣに集積することができ、ステッピングモータの制御を容易に実現することができる。

以下、具体的な実施形態を介して、本発明に係るズームレンズ電磁モータについて例を挙げて説明する。なお、例えば、巻線の選択方式等、既に詳細に説明した上記内容について、説明を省略する。

＜実施形態１＞
図５及び図６に示すように、本発明の１つの実施形態において、電磁モータは、ディスクモータであり、固定子１０１及び動子１０２を備えている。固定子１０１及び動子１０２は、中空構造を有する。動子１０２は、固定子１０１の外側に設けられている。具体的には、固定子１０１は、中空の位置決めスリーブ構成であり、基板１０４（実施形態１では、固定子巻線を印刷するためのＰＣＢ又はＦＰＣ）に固定されている。少なくとも１ペアの動子の磁極１０２２が、動子の底部に取り付けられている。基板１０４には、少なくとも２つの固定子巻線１０１３が印刷されている（例えば、図２又は図３に示す巻線方式を採用）。動子は、位置決めスリーブの外側に設けられ、位置決めスリーブを巡って回転
することができる。動子は、純鉄心であってよい。この場合、動子の磁極１０２２を鉄心内に容易に嵌めることができる。動子は、プラスチック等の非磁性材料で製作されてもよい。この場合、動子の磁極１０２２は、非磁性材料の表面に取り付けられ、又は、非磁性材料の中に嵌め込まれる。磁極は、端面から突出する必要はない。１つのカバーを追加した場合、磁極は、カバーの端面の高さと同じか、カバーの端面から若干後退した位置にあってよい。一定の規則に沿って固定子巻線に交流又は直流の電流を供給すると、固定子巻線と動子の磁極との間に回転磁界が生成される。当該磁界は、磁極を介して動子を回転させる。

実施形態１において、固定子１０１のすべての巻線は、１枚のＰＣＢ又はＦＰＣに印刷されている。これによって、モータ全体の構成がコンパクトになる。また、動子１０２は、固定子の外側に設けられ、中空のスリーブ構造を形成しており、光学分野のような一部の特殊分野において、例えばレンズ群の取付に用いられる等、応用価値を大いに有する。他の実施形態では、固定子１０１が動子１０２の外側に設けられてもよく、動子１０２がソリッドであってもよい。この場合は、光学分野への応用が不便であるが、例えば機械式伝動等への応用が便利である。

＜実施形態２＞
図７及び図８に示すように、本発明のもう１つの実施形態において、電磁モータは、ディスクモータであり、固定子２０１及び動子２０２を備えている。実施形態１との主な相違点として、動子は、励磁巻線として用いられた動子巻線２０２３を有する。具体的には、動子２０２の回転子スリーブ２０２１は、固定子スリーブ２０１１内に設けられている。固定子２０１の基板２０４には、２つの固定子電極（導電性リング）２０１４が設けられている。動子２０２の基板（実施形態１では、動子巻線２０２３を印刷するためのＰＣＢ又はＦＰＣ）２０５には、２つの動子電極（導電性ばね片）２０２４が設けられている。２つの動子電極（導電性ばね片）２０２４は、それぞれ回転の過程において２つの導電性リングと電気接続を保つ。これによって、固定子２０１は、導電性リング及び導電性ばね片を介して動子巻線に給電する。

実施形態２では、動子２０２の端面と固定子２０１の端面とが接触している。動子２０２の磁極２０２２は、動子２０２の端面より若干低い位置にあり、固定子２０１の磁極２０１２の寸法は、動子の磁極の凹みで生成した孔より大きい。これにより、動子２０２の端面が固定子２０１の磁極を通過する際に、衝突が生じない。

動子の位置を容易に測定して、精確に制御するために、実施形態２では、動子２０２の磁極２０２２は、ホール磁石リングとしても用いられる。固定子２０１にホール感知デバイス２０６を設けることにより、動子の位置を測定することができる。

コンパクトなモータ構成を得るために、実施形態２における固定子２０１のすべての巻線２０１３及び動子２０２のすべての巻線２０２３は、それぞれ１枚の回路基板（即ち、基板２０４及び基板２０５）に印刷されている。図８に示すように、よりコンパクトなモータ構成及びより良好な電気的性能を得るために、固定子２０１の磁極２０１２及び動子２０２の磁極２０２２は、それぞれ一体化方法で（例えば、全体に押下することにより成形した鉄心又は磁心等を採用して）形成されている。基板２０４及び基板２０５における各巻線の内部には、対応する磁極を嵌め込むための貫通孔が設けられている。他の実施形態では、固定子及び動子の一方の巻線のみが１つのＰＣＢ若しくはＦＰＣから構成され、又は、固定子及び動子の一方の磁心のみが一体化方法で形成されてよい。

＜実施形態３＞
図９及び図１０に示すように、本発明のもう１つの実施形態において、電磁モータは、
アキシャルモータを基にした複合モータであり、固定子３０１（アキシャルモータの固定子の磁極は、不図示）、動子３０２（アキシャルモータの動子の磁極は、不図示）、及び、ＰＣＢ又はＦＰＣで実現されたアキシャルモータの巻線３０３を備える。固定子及び／又は動子の１つの端面には、ディスクモータの磁極及び巻線が設けられている。

ディスクモータの磁極及び巻線は、ディスクモータの固定子の磁極及び巻線（ある場合）、並びに、ディスクモータの動子の磁極及び巻線（ある場合）を含む。図１０に示すように、ディスクモータにおける固定子の磁極３０１２は、固定子の端面において一体化方法で形成されてもよく、単独に取り付けられてもよい。ディスクモータにおける動子の磁極は、アキシャルモータの動子の磁極と一体であってもよいし、アキシャルモータにおける動子の磁極の磁気回路と分離してもよい。分離する方式が採用されたディスクモータにおける動子の磁極３０２２は、動子の端面において一体化方法で形成されてもよく、動子の端面に単独に取り付けられてもよく、また、アキシャルモータにおける動子の磁極の磁気回路と相互に連通しても分離してもよい。ディスクモータの動子の磁極とアキシャルモータの動子の磁極とが一体である場合は、アキシャルモータ及び端面上のディスクモータ（以下、"端面モータ"と略称する。）は同期運転が行われる。ディスクモータの動子の磁極とアキシャルモータの動子の磁極とが離れている場合は、設計及び応用において、より大きな自由度及び柔軟性を得ることができる。例えば、端面モータとアキシャルモータとの磁極ペア数が異なってよい。また、端面モータとアキシャルモータとは、異なる用途に用いられてよく、例えば、一方は駆動に用いられ、もう一方は励磁に用いられてよい。また、端面モータ及びアキシャルモータの一方は交流駆動が採用され、他方は直流駆動が採用されてよい。また、車両に用いられる場合は、端面モータとアキシャルモータとは、異なる段階における異なる作用を果たしてよく、例えば、起動の際には、両方が電動機として使用され、等速で前進する際には、一方のみが使用され、緊急ブレーキの際には、制動距離が縮むように、一方が発電するために使用され、他方が逆方向駆動するために使用されてよい。

実施形態２と同様に、端面モータの巻線（例えば、図１０における固定子巻線３０１３）は、１枚のＰＣＢ又はＦＰＣ基板３０４に印刷されてよい。各巻線の内部には、対応する固定子の磁極３０１２を嵌め込むための貫通孔が設けられている。端面モータの動子が動子巻線を有する場合は、同様な方式を採用して実現してもよい。

端面モータがその役割をより効果的に果たすように、実施形態３では、固定子が内部に位置し、動子が外部に位置するという構成が採用されている。即ち、固定子の磁極及び巻線は、円周方向において動子の磁極及び巻線によって囲まれている。このような構成によって、動子の直径が増大し、それによって端面モータの有効面積も増大し、ひいては複合モータのエネルギー密度が増加する。他の実施形態では、固定子が外部に位置し、動子が内部に位置するという従来の構成を採用してもよい。また、固定子が内部に位置し、動子が外部に位置するという上記の構成は、端面モータを有しないアキシャルモータにも適用される。

通常、アキシャルモータの両端には余分なスペースがあり、 これらのスペースはほとんど利用されていない。一方、ディスクモータの軸方向にも余分なスペースがあり、これらのスペースもほとんど利用されていない。この点、実施形態３は、アキシャルモータの一端にディスクモータを配置することにより、エネルギー密度がより高い複合電磁モータを実現することができると共に、重機の小型化に効果的である。なお、この思想に基づいて、必要に応じて、アキシャルモータの両端にディスクモータの磁極及び巻線を配置してもよい。

上記の本発明に係る各ディスクモータ（端面モータを有する複合モータを含む）によれ
ば、ステッピングモータによる従来の駆動方法を採用する際に、特別な優位性を有する。ステッピングのセルフロック性能がより良好であり、単一ステップの位置決め精度がより高く、ステップ電圧（又は電流）を制御する閾値の範囲がより大きい。これは、ディスクモータの電磁力が、磁界の変化がないとき、軸方向に沿うからである。この方向における磁極の力の非対称性が、モータの駆動をもたらすことはない。従って、磁極の円周位置の非対称性こそが、モータの各ステップの位置の精度上での僅かな相違に繋がる。一方、本発明に係るディスクモータは、一体化されたＰＣＢ又はＦＰＣコイル及び磁極構成を容易に用いることができることから、精度が効果的に確保される。例えば、図１０において、固定子における２つの隣接する磁極間のスパン３０７は、ステッピングモータの１ステップである。

＜実施形態４＞
図１１及び図１２に示すように、本発明のもう１つの実施形態において、電磁モータは、リニアモータであり、固定子４０１（リニアモータの一次側に相当する。）及び動子４０２（リニアモータの二次側に相当する。）を備えている。固定子４０１の巻線４０１３は、１列に配列されて、回路基板（図１１には、２層の回線が概略的に示され、ＰＣＢ又はＦＰＣが複数層の構成を有してよいことが示されている。）に印刷されている。各巻線の内部には、対応する磁極又は鉄心４０１２（図１２における点線の輪郭は、回線板に隠されている磁極又は鉄心のアンダーレイ部分を示す。）を嵌め込むための貫通孔が設けられている。

上記の構成から、形状の規則性により、リニアモータの巻線は、ＰＣＢ又はＦＰＣ印刷回線の方式で実現されることに非常に適していることがわかる。図１２に示すように、すべての固定子巻線は、穿孔を有する１枚のＰＣＢ又はＦＰＣ基板４０４において実現できる。この場合、製作及び取付が便利である。なお、固定子が長い場合は、複数枚のＰＣＢ又はＦＰＣを使用してもよい。固定子の磁極又は鉄心は、一体化方法で全体的なダイカストによって形成されてもよく、複数個（又は複数枚）の取付によって形成されてもよい。

また、リニアモータについて、二次固定、一次運動の方式を採用してもよいことを、当業者は理解できるであろう。図１３に示すように、固定子５０１は、リニアモータの二次側に相当し、動子５０２は、リニアモータの一次側に相当する。この場合における動子の磁極及び巻線の構成は、上記の固定子の磁極及び巻線の構成に類似するため、説明を省略する。

上記説明したのは、両側式リニアモータであるが、２つの固定子のうちの１つ（又は２つの動子のうちの１つ）を取り除けば、片側式リニアモータになる。

以上、具体的な例を用いて本発明の原理及び実施形態について詳述した。上記の実施形態は、本発明を理解するためのみであり、本発明を限定するものではない。当業者は、本発明の思想に基づいて、上記の具体的な実施形態を変更することができる。

Claims (12)

1. 固定子（１）及び動子（１２）を備え、前記固定子及び前記動子の少なくとも一方は巻線を有し、少なくとも１つの前記巻線はプリント回路（１３）から構成されていることを特徴とする電磁モータ。
2. 前記プリント回路は１層又は２層以上の回路を有するプリント回路基板又はフレキシブルプリント回路基板から構成され、且つ／或いは、前記プリント回路にフッ化スズ複合超電導体を含む超電導体が用いられたことを特徴とする請求項１に記載の電磁モータ。
3. 前記プリント回路基板又は前記フレキシブルプリント回路基板上のプリント回線は、軸方向に多層重なる平面螺旋巻線の方式、径方向に多層ネストされた立体螺旋巻線の方式、及び、端部溶接の平面配置の方式の少なくとも１つを採用したものであることを特徴とする請求項２に記載の電磁モータ。
4. アキシャルモータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁モータ。
5. 前記アキシャルモータにおける固定子及び動子の少なくとも一方の１つの端面にディスクモータの磁極及び巻線がさらに配置され、又は、
   前記固定子及び前記動子の少なくとも一方の２つの端面にディスクモータの磁極及び巻線がさらに配置されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁モータ。
6. 前記固定子の端面における前記ディスクモータの磁極は、一体化方法で形成され、且つ／或いは、
   前記動子の端面における磁極は、前記アキシャルモータにおける動子の磁極と一体化され、或いは、前記アキシャルモータにおける動子の磁極の磁気回路と分離し且つ一体化方法で形成され、或いは、前記アキシャルモータにおける動子の磁極の磁気回路と分離し且つ当該動子の端面に単独に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の電磁モータ。
7. 前記アキシャルモータの固定子の磁極及び巻線は、円周方向において、前記アキシャルモータの動子の磁極及び巻線によって囲まれていることを特徴とする請求項４に記載の電磁モータ。
8. ディスクモータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁モータ。
9. 前記ディスクモータの固定子及び動子の少なくとも一方は中空構成を有し、前記固定子が前記動子の外側に設けられ、又は、前記動子が前記固定子の外側に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の電磁モータ。
10. 前記ディスクモータの固定子又は動子のすべての巻線は１つの回路基板に印刷され、又は、前記ディスクモータの固定子のすべての巻線及び前記ディスクモータの動子のすべての巻線はそれぞれ１つの回路基板に印刷されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の電磁モータ。
11. 前記固定子又は前記動子の磁極は一体化方法で形成され、又は、前記固定子の磁極及び前記動子の磁極はそれぞれ一体化方法で形成され且つ前記回路基板における各巻線の内部に対応する磁極を嵌め込むための貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１０に
    記載の電磁モータ。
12. リニアモータであり、前記リニアモータの固定子又は動子の巻線は１列に配列されて回路基板に印刷され、各巻線の内部に対応する磁極又は鉄心を嵌め込むための貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁モータ。

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