JP3737750B2 - ハイブリッド磁石型直流機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流機における固定子にコイルと永久磁石とを備えたハイブリッド磁石型直流機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より開発が進められている低消費電力で高トルク小型モータは、自動車、ＯＡ機器、自販機、医療・福祉機器分野などで幅広く利用されている。通常、この種の分野に用いられているモータは、永久磁石を用いたモータがほとんどで、技術的にかなり成熟している。このため、飛躍的な高効率化、小型高トルク化は難しい。この小型高トルク化のためにハイブリッド磁石を利用したモータが知られている。
【０００３】
例えば特開２０００−１５０２２８号公報には、コイルと永久磁石の両方を備えたハイブリッド型磁石を用いたモータ（ステッピングモータ）が開示されている。図４に示すように、このハイブリッド磁石型モータに用いられるハイブリッド型磁石６１は、胴部６２ａと断面矩形の左右のアーム部６２ｂとによりコ字状に形成された鉄心６２に、励磁コイル６３を巻回して構成した電磁石６４と、永久磁石６５を両側から磁性部材６６で挟み込み、鉄心６２のアーム部６２ｂの両外側部間にわたって密着接合した角棒状の係合部材６７とを備える。永久磁石６５は鉄心６２のアーム部６２ｂ間に位置する。励磁コイル６３はその内空（コイル軸線方向）がモータの径方向を向いていない配置となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術に開示のハイブリッド磁石型モータは、励磁コイル６３の内空がモータの径方向を向いていなかったので、励磁コイル６３で発生した磁束をステータ側に向けるために鉄心６２を屈曲させたアーム部６２ｂを設けなければならなかった。このようなアーム部６２ｂによって磁束の経路を屈曲させる案内をすることは、磁束が回り道の経路をとることになって磁束効率が悪く、モータ効率の低下を招来するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、直流機において、電磁石と永久磁石とを備えたハイブリッド磁石を用いて固定子を構成し、電磁石と永久磁石の各磁束を有効に活かすことで、直流機始動時のコギングトルクを抑制できるとともに、高い回転トルクを得ることができるハイブリッド磁石型直流機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明では、ハイブリッド磁石型直流機は、筒状のヨークと、該ヨーク内に周方向に交互に異極となるように配列された複数の電磁石と、前記複数の電磁石を各々構成する固定鉄心間に同じ極同士が接触する状態で挟持される複数の永久磁石とを備えた固定子と、回転軸に一体回転可能に設けられるとともに、周面に複数の極歯を有する回転鉄心を備えた電機子を有する回転子とを備え、前記電磁石および前記電機子の非励磁時に、前記永久磁石の磁束が前記固定子内で閉回路を作るとともに、前記電磁石および前記電機子の励磁時に、前記永久磁石の磁束と前記電磁石の磁束とが共に前記極歯を介して前記回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作るように構成されたことを要旨とする。なお、「挟持される」とは、挟持された状態を指し、現実に両側の部材によって支持されていることは必須ではなく、両側の部材と当接していれば足りる。
【０００７】
この発明によれば、電磁石および電機子の非励磁（消磁）時には、永久磁石の磁束は回転鉄心を通らず固定子内で閉回路を作る。このため、直流機の駆動開始時のコギングトルクがほぼ「０」になる。一方、電磁石および電機子の励磁時には、永久磁石の磁束と電磁石の磁束とが共に極歯を介して回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作る。このため、電磁石の磁束＋永久磁石の磁束という強力な磁束を得ることができ、直流機の駆動時に高トルクが得られる。
【０００８】
上記目的を達成するために請求項２に記載の発明では、ハイブリッド磁石型直流機は、周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装され整流装置により常に回転力を生じる磁場を発生させる電機子と、前記回転鉄心に近接対向するポールコアを有する固定鉄心に固定コイルの内空が前記電機子を向くように巻装され周方向に交互に異極性の磁場を発生させる複数の電磁石、および複数の電磁石の間にそれぞれ設けられＮ極の固定鉄心にＮ極を当接しＳ極の固定鉄心にＳ極を当接した複数の永久磁石からなるハイブリッド磁石と、前記永久磁石と磁気離間して配置され前記固定鉄心と基端にて接触する磁気透過性の固定ヨークとを備えたことを要旨とする。
【０００９】
この発明によれば、永久磁石の磁気が電磁石の磁気の方向と同じになるように永久磁石が固定鉄心と当接して配置されているので、電磁石の磁束＋永久磁石の磁束という強力な磁束を得ることができる。さらに、固定コイルの内空は電機子を向いているので、電磁石の磁気の方向を電機子側に向くように固定鉄心を屈曲させるなどの形状をとる必要があまりない。このため、固定鉄心から出る磁束がトルクの発生に無駄なく用いられる。また、永久磁石が電磁石の間に設けられているので、コギングトルクが少なくなる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、複数の前記固定鉄心の周方向における間には、前記永久磁石が、前記電機子と近接対向する状態で周方向に沿って延びる前記ポールコアの両端延長部間に把持された状態で配置されている。
【００１１】
この発明によれば、延長部では電磁石の磁気と永久磁石の磁気が同じ極性で発生するので磁束が強力になり、しかも、永久磁石の磁束がヨーク側ではなくポールコアに流れやすくなる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記永久磁石は、そのＮ極とＳ極とを結ぶ方向が前記電機子の回転方向に沿うように配置されたことを要旨とする。
【００１３】
この発明によれば、永久磁石は電磁石の間にＮ極とＳ極とを結ぶ方向が電機子の回転方向（周方向）に沿う向きに配置されるので、周方向の向きにできる永久磁石の磁束によって、複数の電磁石間ではＮ極からＳ極に磁力線の極性が急変化せず徐々に変化する。従って、電磁石間では周方向に磁力線の極性が徐々に変化することによって、コギングトルクがさらに少なくなる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の発明において、前記ポールコアの延長部は板状であり、その延長部の先端は径方向に沿って屈曲され、その先端屈曲面にて前記永久磁石が当接することを要旨とする。
【００１５】
この発明によれば、固定鉄心の延長部の板状の先端屈曲面は大きな面になるので、永久磁石の端面の磁束密度の高い場所をとらえることができ、より強力な磁束が得られる。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記回転鉄心の極歯の数を「Ｔ」とすると、前記永久磁石の周方向の角度範囲は、（３６０／Ｔ）°以下であることを要旨とする。
【００１７】
この発明によれば、永久磁石を極力小さく、電磁石を極力大きく構成でき、電磁石を主体とした優れた直流機になる。
請求項７に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記永久磁石と前記固定ヨークとを磁気離間すべく該永久磁石と該固定ヨークとの間に絶縁材が介装されていることを要旨とする。
【００１８】
この発明によれば、絶縁材により、永久磁石と固定ヨークとが確実に磁気離間される。
上記目的を達成するために請求項８に記載の発明では、ハイブリッド磁石型直流機は、周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装され整流装置により常に回転力を生じる磁場を発生させる電機子を備えた回転子と、前記回転鉄心に近接対向し前記電機子周面に沿って湾曲したポールコアを有する固定鉄心に固定コイルの内空が前記電機子を向くように巻装され周方向に交互にＮ極，Ｓ極の磁場を前記電機子に通過させるように発生させる複数の電磁石、および複数の電磁石の間にそれぞれ設けられＮ極の固定鉄心の両端それぞれにＮ極を当接しＳ極の固定鉄心の両端それぞれにＳ極を当接し磁気方向が周方向において交互に異なる向きとなる複数の永久磁石からなるハイブリッド磁石と、前記永久磁石と磁気離間して配置され前記固定鉄心と基端にて接触する磁気透過性の固定ヨークとを備えた固定子と、を備え、前記電磁石および前記電機子の非励磁時に、前記永久磁石の磁束が前記固定子内で閉回路を作るとともに、前記電磁石および前記電機子の励磁時に、前記永久磁石の磁束と前記電磁石の磁束とが共に前記極歯を介して前記回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作るように構成されたことを要旨とする。
【００１９】
この発明によれば、電磁石および電機子の非励磁（消磁）時には、永久磁石の磁束は回転鉄心を通らず固定子内で閉回路を作る。このため、直流機の駆動開始時のコギングトルクがほぼ「０」になる。一方、電磁石および電機子の励磁時には、永久磁石の磁気が電磁石の磁気の方向と同じになるように永久磁石が固定鉄心と当接して配置されており、永久磁石の磁束と電磁石の磁束とが共に極歯を介して回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作る。このため、電磁石の磁束＋永久磁石の磁束という強力な磁束を得ることができ、直流機の駆動時に高トルクが得られる。また、固定コイルの内空は電機子を向いているので、電磁石の磁気の方向を電機子側に向くように固定鉄心を屈曲させるなどの形状をとる必要があまりない。このため、固定鉄心から出る磁束がトルクの発生に無駄なく用いられる。また、固定鉄心を構成する隣り合うポールコアの端部が互いに近接するが、Ｎ極に磁化するポールコア端部にそのＮ極が、Ｓ極に磁化するポールコア端部にそのＳ極が当接するように永久磁石を設けたことにより、固定コイルが作る磁力線が電機子のティースを確実に通過するようになる。その分、固定子と電機子との間を通る磁力線が増幅され、直流機が高トルクとなる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したハイブリッド磁石型の直流モータについて、図１〜図３に基づいて説明する。尚、図１には、直流モータの側断面、すなわち図２のＩ−Ｉ断面図が示されている。
図１に示すように、ハイブリッド磁石型直流機としての直流モータ１のモータハウジング２は、筒状のヨーク３と、ヨーク３の両端に固定された２つのエンドフレーム４，５とからなる。エンドフレーム４，５には各々の中心部に軸受６，７が固設されている。ヨーク３とエンドフレーム４，５とで形成される空間にはロータ１０が収容されている。ロータ１０の回転軸１１はエンドフレーム４の貫通孔４ａからその先端部を一部突出させた状態で、両軸受６，７により回転可能に支持されている。
【００２１】
直流モータ１はブラシ式直流モータであって、ロータ１０は、回転軸１１上に一体的に固定された電機子（アーマチャ）２０と、整流子（コンミテータ）２１とを有する。整流子２１は、エンドフレーム５側の内部に位置するように配置されている。ヨーク３とエンドフレーム５との間を内部で略区画するように配置された略円環状の台板２２には２つのブラシホルダ２３が支持されている。各ブラシホルダ２３に保持された２本のブラシ２４は、整流子２１を挟む両側から整流子２１の外周面に当接している。このブラシ２４には配線およびコネクタ（いずれも図示省略）を介して直流電流が給電されるようになっている。なお、整流子２１、ブラシホルダ２３およびブラシ２４により、整流装置が構成される。
【００２２】
図２に示すように、ヨーク３の内周面には、略円環状の固定子（ステータ）３０が固定されている。固定子３０は、電機子２０の外周面と所定のギャップで対向する状態に配置されている。本実施形態の固定子３０は、２つの電磁石３１，３２と永久磁石３３とを有するハイブリッド磁石として構成される。電磁石３１，３２は固定鉄心３４、３５と、その鉄心部に巻回されたコイル（以下、固定コイルと称す）３６，３７とを有している。
【００２３】
電機子２０は、回転軸１１に外嵌状態に固定された回転鉄心２５と、回転鉄心２５に巻回されたコイル（以下、回転コイルと称す）２６とを有する。回転鉄心２５には、その中央部から放射状にかつ等角度間隔に複数個（この例では１０個）の極歯としてのティース２５ａが延出形成されている。
【００２４】
隣り合うティース２５ａ間で形成される空間はスロット２５ｂを構成することになる。コイル２６は、ティース２５ａの軸部に巻回された状態でスロット２５ｂ内に収容されている。ティース２５ａに巻回されたコイル２６には、図１で示した整流子２１に当接するブラシ２４を介して直流電流が通電される。
【００２５】
一方、固定子３０は、図２に示すように直流モータ１の軸方向から見たときに、２つの電磁石３１，３２が電機子２０を挟んで対向配置された状態で組付けられている。各電磁石３１，３２の固定鉄心３４，３５は、略半円筒状の板材からなるポールコア３８，３９を備える。ポールコア３８，３９は、電機子２０のティース２５ａと所定のギャップで対向配置されている。固定鉄心３４，３５はポールコア３８，３９の外周面側中央（背面側中央）から径方向に延びるように設けられた突部３４ａ，３５ａを備え、固定コイル３６，３７は、固定鉄心３４，３５の突部３４ａ，３５ａに巻回されている。２つの固定コイル３６，３７はモータ軸方向から見たときに略半円弧をなす状態に対向配置されている。
【００２６】
固定コイル３６，３７は、配線およびコネクタ（いずれも図示省略）を介して直流電流が給電されるようになっている。直流モータ１を駆動させるためにその駆動用のスイッチがオンされると、電機子２０の回転コイル２６と、電磁石３１，３２の固定コイル３６，３７に直流が給電される。固定コイル３６，３７の巻回方向は、モータ外周面側から見たときに互いに逆巻きになるように設定されている。このため、固定コイル３６，３７が励磁された時は、図２において、左側に位置する電磁石３１のポールコア３８がＮ極に磁化し、右側に位置する電磁石３２のポールコア３９がＳ極に磁化するようになっている。
【００２７】
ポールコア３８，３９は、周方向両側に長く延出する延長部としての板状の延出部３８ａ，３９ａを有する。延出部３８ａ，３９ａはその周方向両端部で屈曲して径方向外側へ延びている。２つのポールコア３８，３９の各両端部では、径方向に延びる延出部３８ａ，３９ａが所定距離を隔して対向する状態にある。
【００２８】
２つの永久磁石３３，３３は、２つのポールコア３８，３９の各両端部で対峙する一対の延出部３８ａ，３９ａ間にそれぞれ挟持されている。すなわち永久磁石３３のＮ極は、Ｎ極のポールコア３８の延出部３８ａに当接し、永久磁石３３のＳ極は、Ｓ極のポールコア３９の延出部３９ａに当接している。永久磁石３３，３３はＮ極とＳ極を結ぶ方向がモータ周方向とほぼ一致する向きに配置されている。
【００２９】
因みに、各永久磁石３３，３３の周方向の角度範囲は、前記ティース２５ａの数を「Ｔ」とした場合、（３６０／Ｔ）°以下になるように設定されている。即ち、ティース２５ａの数が１０個であるので、各永久磁石３３，３３の角度範囲が、３６°以下と求められ、本実施形態では、同角度範囲が略３６°に設定されている。このように各永久磁石３３，３３を構成することで、各永久磁石３３，３３を極力小さく、各電磁石３１，３２を極力大きく構成することができる。そのため、各電磁石３１，３２を主体とした、より強力な磁界を発生する固定子３０を構成でき、直流モータ１の高出力化が図られている。
【００３０】
永久磁石３３および延出部３８ａ，３９ａの両外周面と、ヨーク３の内周面との間には、樹脂製板材からなる絶縁材４０が介装されている。この絶縁材４０の介在によって、永久磁石３３および延出部３８ａ，３９ａとヨーク３との間は磁気離間し、この間の磁気絶縁を確保している。このような磁気絶縁を確保することで、永久磁石３３の磁束が、必ず各ティース２５ａと対向するポールコア３８，３９の円弧状部分を経由するように設定されている。
【００３１】
電機子２０側の回転コイル２６は、回転鉄心２５において図２における上側略半分の各ティース２５ａがＮ極に磁化され、下側略半分の各ティース２５ａがＳ極に磁化されるようにその巻き方向が設定されている。そして直流モータ１の駆動時には、ロータ１０は図２における時計回り方向に回転する。
【００３２】
次に、このハイブリッド磁石型の直流モータ１の作用を図３に従って説明する。図３（ａ）は直流モータ１が停止している状態を示し、図３（ｂ）は直流モータ１の駆動状態を示す。
【００３３】
直流モータ１が停止している時は、回転コイル２６にも固定コイル３６，３７にも直流電流は流されない。図３（ａ）に示すように両コイル２６，３６，３７の励磁電流が「０」のときは、永久磁石３３の磁力線Ａは、実線で示すように固定子３０内のみを通る閉回路を作る。よって、漏れ磁束を無視すればコギングトルクが「０」になる。この結果、直流モータ１が駆動開始するときのコギングが発生し難くなる。
【００３４】
一方、直流モータ１が駆動される時には、ブラシ２４および整流子２１を介して回転コイル２６に直流電流が流されるとともに、固定コイル３６，３７に直流電流が流される。電機子２０側の回転コイル２６に流れる電流は、ロータ１０の回転に同期して向きが切り換わる。その結果、図３（ｂ）における電機子２０において、上側略半分に位置する各ティース２５ａがＮ極に磁化され、下側略半分に位置する各ティース２５ａがＳ極に磁化される。また固定子３０側の固定コイル３６，３７に流れる直流電流によって、図３（ｂ）における固定子３０では、左側のポールコア３８がＮ極に磁化し、右側のポールコア３９がＳ極に磁化する。
【００３５】
そして、ロータ１０の上側略半分のＮ極に磁化した各ティース２５ａは、固定子３０の左側略半分に位置するＮ極のポールコア３８から反発力を受けるとともに、固定子３０の右側略半分に位置するＳ極のポールコア３９から吸引力を受ける。同様に、ロータ１０の下側略半分のＳ極に磁化した各ティース２５ａは、固定子３０の右側略半分に位置するＳ極のポールコア３９から反発力を受けるとともに、固定子３０の左側略半分に位置するＮ極のポールコア３８から吸引力を受ける。このため、ロータ１０には図３（ｂ）における時計回り方向の回転駆動力が作用して、直流モータ１は回転駆動する。
【００３６】
この際、図３（ｂ）に示すように、固定コイル３６，３７が作る磁力線Ｂは、実線に示すような閉回路となる。このとき永久磁石３３の磁力線Ａは、固定コイル３６，３７の作る磁力線による引き込み作用によってポールコア３８，３９からティース２５ａを経由してロータ１０側へ引き込まれて、破線に示すように固定コイル３６，３７の磁力線Ｂと同じ方向となる。よって、固定コイル３６，３７の磁力線Ｂと永久磁石３３の磁力線Ａとが強め合う増幅作用によって、固定子３０と電機子２０との間を通る磁力線が増幅される。この結果、直流モータ１は大きな駆動トルクで回転する。
【００３７】
また、ポールコア３８，３９の一対の延出部３８ａ，３９ａはその径方向内側端部が互いに近接しているが、Ｎ極に磁化するポールコア３８の延出部３８ａにそのＮ極が、Ｓ極に磁化するポールコア３９の延出部３９ａにそのＳ極が当接する永久磁石３３を設けたことにより、固定コイル３６，３７が作る磁力線Ｂが電機子２０のティース２５ａを確実に通過するようになる。つまり、仮に永久磁石３３が無いとすると、ポールコア３８，３９の延出部３８ａ，３９ａの径方向内側端部が互いに近接しているため、電機子２０のティース２５ａを通過せず、直接、延出部３８ａから延出部３９ａに向かう磁力線が生じやすい。従って、本実施形態のように永久磁石３３を設けることにより、延出部３８ａ，３９ａと永久磁石３３とが反発するため、直接、延出部３８ａから延出部３９ａに向かう磁力線が生じなくなる。その分、固定子３０と電機子２０との間を通る磁力線が増幅され、直流モータ１が高トルクとなる。
【００３８】
また永久磁石３３のＮ極とＳ極とを結ぶ方向が、モータ周方向であることから、２つの電磁石３１，３２の間に磁力線の極性が変化する段差（ギャップ）が発生し難くなる。つまり、仮に永久磁石３３が無いとすると、２つの固定コイル３６，３７から各々出た互いに異極性の磁力線が、２つの電磁石３１，３２間に径方向の経路で複数本集中するため、モータ周方向において磁力線の極性の違いによる段差ができる。しかし、２つの電磁石３１，３２の間に、Ｎ極とＳ極がモータ周方向に対峙する向きに配置された永久磁石３３が介在することで、永久磁石３３のモータ周方向の経路をとる磁力線によって、２つの電磁石３１，３２の間の磁力線をモータ周方向に徐々に変化させるようにその極性の変化が緩やかにならされる。その結果、直流モータ１の駆動開始時にコギングトルクが一層発生し難くなる。
【００３９】
以上詳述したように本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１） 永久磁石３３の磁束が電磁石３１，３２の磁束と同じ方向になるように、永久磁石３３が固定鉄心３４，３５と当接して配置されているので、電磁石３１，３２の磁束＋永久磁石の磁束という強力な磁束を得ることができる。さらに、固定コイル３６，３７の内空は電機子２０側（つまり径方向）を向いている。よって、電磁石３１，３２の磁束の方向を電機子２０側に向くよう固定鉄心３４，３５を屈曲させるなどの形状をとる必要がない。このため、固定鉄心３４，３５から出る磁束は無駄なくトルク発生に有効に活用される。
【００４０】
（２） 永久磁石３３は、ポールコア３８，３９の延出部３８ａ，３９ａに対し、そのＮ極面がＮ極側の延出部３８ａに、Ｓ極面がＳ極側の延出部３９ａに当接している。よって、延出部３８ａ，３９ａでは電磁石３１，３２の磁気と永久磁石３３の磁気が同じ極性で発生するので磁束が強力になり、しかも、永久磁石３３の磁束がヨーク３側ではなくポールコア３８，３９に流れやすくなる。
【００４１】
（３） 永久磁石３３のＮ極とＳ極を結ぶ方向が、モータ周方向に沿うような向きに永久磁石３３を配置したので、永久磁石３３の磁束が周方向に起こるために、複数の電磁石３１，３２間ではＮ極からＳ極に磁力線が急変化せず徐々に極性が変化するので、コギングトルクがさらに少なくなる。
【００４２】
（４） ポールコア３８，３９の延長部を板状とし、その先端部を径方向外側に屈曲形成した延出部３８ａ，３９ａ間に、永久磁石３３をそのＮ極面とＳ極面が当接するように挟持した。このため、固定鉄心３４，３５の延出部３８ａ，３９ａの板状の先端屈曲面は大きな面になるので、永久磁石３３の極端面の磁束密度の高い場所をとらえることができ、より強力な磁束を得ることができる。従って、直流モータ１の駆動時に高トルクを得ることができる。
【００４３】
（５） 回転鉄心２５のティース２５ａの数を「Ｔ」とすると、永久磁石３３の周方向の角度範囲は、（３６０／Ｔ）°以下に設定したので、永久磁石３３を極力小さく、電磁石３１，３２を極力大きく構成でき、電磁石３１，３２を主体とした、より強力な磁界を発生する固定子３０を構成でき、高出力（高トルク）の優れた直流モータ１とすることができる。
【００４４】
（６） 永久磁石３３とヨーク３との間に絶縁材４０を介装したので、該永久磁石３３と該ヨーク３とを確実に磁気離間でき、この間の磁気絶縁を確実に確保することができる。
【００４５】
なお、実施の形態は、上記に限定されず以下の態様でも実施できる。
・ ポールコアの延長部を板状としその周方向両端部を径方向外側に屈曲させた延出部とすることで、永久磁石との当接面積を広く確保したが、ポールコアの延長部を屈曲する構成に限定されない。例えばポールコアを正面視円弧状のやや厚めの板材とし、その両端面に永久磁石を挟持する構造を採ることもできる。
【００４６】
・ ハイブリッド磁石型直流機は、インナーロータ式に限定されない。アウターロータ式で構成することもできる。
・ ティースの形状や数は、適宜変更できる。
【００４７】
・ 永久磁石が電磁石（ポールコア）の間に設けられる向きは、Ｎ極とＳ極とを結ぶ方向が略周方向であることに限定されない。例えば永久磁石を、Ｎ極とＳ極とを結ぶ方向がモータの略径方向となるように配置する。この場合、永久磁石の両端面に当接するポールコアの各延出部を、一方は永久磁石に対し径方向内側の端面にて当接するように延び、他方は永久磁石に対し径方向外側の端面にて当接するように延びるように構成する。この構成でも、コイル非励磁時に永久磁石の磁束が固定子内のみで閉回路を作り、コイル励磁時に永久磁石の磁束と電磁石の磁束とが極歯を介して回転鉄心内を同方向に通る閉回路を作ることはできる。
【００４８】
・ 固定子側の電磁石は２個に限定されない。つまり固定子側（ポールコア）の磁極は、周方向にＮ極とＳ極を交互に配置できるのであれば足り、この限りにおいて電磁石は偶数個であればよい。例えば固定子側に４個の電磁石を周方向に配列する構造を採ることもできる。もちろん電磁石を６個以上の複数個とすることもできる。
【００４９】
・ 永久磁石３３および延出部３８ａ，３９ａの両外周面と、ヨーク３の内周面との間に絶縁材４０を介装して相互間を磁気離間（磁気絶縁）するようにしたが、永久磁石３３および延出部３８ａ，３９ａとヨーク３との間に空隙を設け、その空隙で十分に磁気絶縁できれば、絶縁材４０を省略してもよい。
【００５０】
前記実施形態及び別例（各図面を含む）から把握される技術的思想を、以下に記載する。
（１） 周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装された電機子を備えた回転子と、前記回転鉄心に近接対向するポールコアを有する固定鉄心に固定コイルが内空を前記電機子に向くように巻装され周方向に交互に異極性の磁場を発生させる複数の電磁石、および複数の電磁石の間にそれぞれ設けられＮ極の固定鉄心にＮ極を当接しＳ極の固定鉄心にＳ極を当接した複数の永久磁石からなるハイブリッド磁石と、前記永久磁石と磁気離間して配置されるとともに、前記固定鉄心と固定コイルの内空に挿入配置される突部にて接触する磁気透過性の固定ヨークとを有する固定子とを備えたハイブリッド磁石型直流機。
【００５１】
（２）請求項２〜７及び前記（１）の技術的思想のいずれかにおいて、前記固定鉄心は、前記電機子の極歯と対向する円弧面を有するとともに磁極となるポールコアを備える。
【００５２】
（３）前記（２）の技術的思想において、前記ポールコアの円弧面は周方向に複数の極歯と一度に対向するだけの長さを有する。
（４）前記（２）又は（３）の技術的思想において、前記固定鉄心は、前記電機子の極歯と対向する円弧面を有するとともに磁極となるポールコアを備え、該ポールコアの円弧面の周方向長さは、前記永久磁石の周方向長さよりも長い。
【００５３】
（５）請求項２〜７及び前記（１）〜（４）の技術的思想のいずれかにおいて、前記固定鉄心には、前記ポールコアの外側面から略径方向に延びる突部が設けられており、前記固定コイルは該突部に巻回されている。なお、請求項２における「回転鉄心の基端」とは、突部の端部を指す。
【００５４】
（６）請求項１及び前記（１）の技術的思想において、前記電磁石を構成する固定コイルは、その内空が前記電機子を向く向きに配置されている。なお、「固定コイルの内空が前記電機子を向く向き」とは、固定コイルの軸心方向が電機子の略径方向となる向きである。
【００５５】
（７）請求項１及び前記（１），（６）の技術的思想のいずれかにおいて、前記電機子は、周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装され整流装置により常に回転力を生じる磁場を発生させるものである。
【００５６】
（８）請求項１〜８及び前記（１）〜（７）の技術的思想のいずれかにおいて、前記電磁石は２つである。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１〜８に記載の発明によれば、直流機において、電磁石と永久磁石を備えた固定子を構成し、電磁石と永久磁石の各磁束を有効に活かして、直流機始動時のコギングトルクを抑制できるとともに、駆動中に高い回転トルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態のハイブリッド磁石型直流機の側断面図。
【図２】 直流機の正断面図。
【図３】 直流機の作用を説明する断面図。
【図４】 従来技術におけるモータに使用されるハイブリッド型磁石を示す模式側面図。
【符号の説明】
１…ハイブリッド磁石型直流機、３…ヨーク、１０…回転子（ロータ）、１１…回転軸、２０…回転子を構成する電機子、２１…整流装置を構成する整流子（コンミテータ）、２４…整流装置を構成するブラシ、２５…回転鉄心、２５ａ…極歯としてのティース、２６…回転コイル、３０…固定子（ステータ）、３１，３２…固定子を構成する電磁石、３３…永久磁石、３４，３５…固定鉄心、３４ａ，３５ａ…固定鉄心を構成する突部、３６，３７…固定コイル、３８，３９…ポールコア、３８ａ，３９ａ…延長部としての延出部、４０…絶縁材。
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流機における固定子にコイルと永久磁石とを備えたハイブリッド磁石型直流機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より開発が進められている低消費電力で高トルク小型モータは、自動車、ＯＡ機器、自販機、医療・福祉機器分野などで幅広く利用されている。通常、この種の分野に用いられているモータは、永久磁石を用いたモータがほとんどで、技術的にかなり成熟している。このため、飛躍的な高効率化、小型高トルク化は難しい。この小型高トルク化のためにハイブリッド磁石を利用したモータが知られている。
【０００３】
例えば特開２０００−１５０２２８号公報には、コイルと永久磁石の両方を備えたハイブリッド型磁石を用いたモータ（ステッピングモータ）が開示されている。図４に示すように、このハイブリッド磁石型モータに用いられるハイブリッド型磁石６１は、胴部６２ａと断面矩形の左右のアーム部６２ｂとによりコ字状に形成された鉄心６２に、励磁コイル６３を巻回して構成した電磁石６４と、永久磁石６５を両側から磁性部材６６で挟み込み、鉄心６２のアーム部６２ｂの両外側部間にわたって密着接合した角棒状の係合部材６７とを備える。永久磁石６５は鉄心６２のアーム部６２ｂ間に位置する。励磁コイル６３はその内空（コイル軸線方向）がモータの径方向を向いていない配置となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術に開示のハイブリッド磁石型モータは、励磁コイル６３の内空がモータの径方向を向いていなかったので、励磁コイル６３で発生した磁束をステータ側に向けるために鉄心６２を屈曲させたアーム部６２ｂを設けなければならなかった。このようなアーム部６２ｂによって磁束の経路を屈曲させる案内をすることは、磁束が回り道の経路をとることになって磁束効率が悪く、モータ効率の低下を招来するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、直流機において、電磁石と永久磁石とを備えたハイブリッド磁石を用いて固定子を構成し、電磁石と永久磁石の各磁束を有効に活かすことで、直流機始動時のコギングトルクを抑制できるとともに、高い回転トルクを得ることができるハイブリッド磁石型直流機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明では、ハイブリッド磁石型直流機は、筒状のヨークと、該ヨーク内に周方向に交互に異極となるように配列された複数の電磁石と、前記複数の電磁石を各々構成する固定鉄心間に同じ極同士が接触する状態で挟持される複数の永久磁石とを備えた固定子と、回転軸に一体回転可能に設けられるとともに、周面に複数の極歯を有する回転鉄心を備えた電機子を有する回転子とを備え、前記電磁石および前記電機子の非励磁時に、前記永久磁石の磁束が前記固定子内で閉回路を作るとともに、前記電磁石および前記電機子の励磁時に、前記永久磁石の磁束と前記電磁石の磁束とが共に前記極歯を介して前記回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作るように構成されたことを要旨とする。なお、「挟持される」とは、挟持された状態を指し、現実に両側の部材によって支持されていることは必須ではなく、両側の部材と当接していれば足りる。
【０００７】
この発明によれば、電磁石および電機子の非励磁（消磁）時には、永久磁石の磁束は回転鉄心を通らず固定子内で閉回路を作る。このため、直流機の駆動開始時のコギングトルクがほぼ「０」になる。一方、電磁石および電機子の励磁時には、永久磁石の磁束と電磁石の磁束とが共に極歯を介して回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作る。このため、電磁石の磁束＋永久磁石の磁束という強力な磁束を得ることができ、直流機の駆動時に高トルクが得られる。
【０００８】
上記目的を達成するために請求項２に記載の発明では、ハイブリッド磁石型直流機は、周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装され整流装置により常に回転力を生じる磁場を発生させる電機子と、前記回転鉄心に近接対向するポールコアを有する固定鉄心に固定コイルの内空が前記電機子を向くように巻装され周方向に交互に異極性の磁場を発生させる複数の電磁石、および複数の電磁石の間にそれぞれ設けられＮ極の固定鉄心にＮ極を当接しＳ極の固定鉄心にＳ極を当接した複数の永久磁石からなるハイブリッド磁石と、前記永久磁石と磁気離間して配置され前記固定鉄心と基端にて接触する磁気透過性の固定ヨークとを備えたことを要旨とする。
【０００９】
この発明によれば、永久磁石の磁気が電磁石の磁気の方向と同じになるように永久磁石が固定鉄心と当接して配置されているので、電磁石の磁束＋永久磁石の磁束という強力な磁束を得ることができる。さらに、固定コイルの内空は電機子を向いているので、電磁石の磁気の方向を電機子側に向くように固定鉄心を屈曲させるなどの形状をとる必要があまりない。このため、固定鉄心から出る磁束がトルクの発生に無駄なく用いられる。また、永久磁石が電磁石の間に設けられているので、コギングトルクが少なくなる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、複数の前記固定鉄心の周方向における間には、前記永久磁石が、前記電機子と近接対向する状態で周方向に沿って延びる前記ポールコアの両端延長部間に把持された状態で配置されている。
【００１１】
この発明によれば、延長部では電磁石の磁気と永久磁石の磁気が同じ極性で発生するので磁束が強力になり、しかも、永久磁石の磁束がヨーク側ではなくポールコアに流れやすくなる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記永久磁石は、そのＮ極とＳ極とを結ぶ方向が前記電機子の回転方向に沿うように配置されたことを要旨とする。
【００１３】
この発明によれば、永久磁石は電磁石の間にＮ極とＳ極とを結ぶ方向が電機子の回転方向（周方向）に沿う向きに配置されるので、周方向の向きにできる永久磁石の磁束によって、複数の電磁石間ではＮ極からＳ極に磁力線の極性が急変化せず徐々に変化する。従って、電磁石間では周方向に磁力線の極性が徐々に変化することによって、コギングトルクがさらに少なくなる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の発明において、前記ポールコアの延長部は板状であり、その延長部の先端は径方向に沿って屈曲され、その先端屈曲面にて前記永久磁石が当接することを要旨とする。
【００１５】
この発明によれば、固定鉄心の延長部の板状の先端屈曲面は大きな面になるので、永久磁石の端面の磁束密度の高い場所をとらえることができ、より強力な磁束が得られる。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記回転鉄心の極歯の数を「Ｔ」とすると、前記永久磁石の周方向の角度範囲は、（３６０／Ｔ）°以下であることを要旨とする。
【００１７】
この発明によれば、永久磁石を極力小さく、電磁石を極力大きく構成でき、電磁石を主体とした優れた直流機になる。
請求項７に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記永久磁石と前記固定ヨークとを磁気離間すべく該永久磁石と該固定ヨークとの間に絶縁材が介装されていることを要旨とする。
【００１８】
この発明によれば、絶縁材により、永久磁石と固定ヨークとが確実に磁気離間される。
上記目的を達成するために請求項８に記載の発明では、ハイブリッド磁石型直流機は、周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装され整流装置により常に回転力を生じる磁場を発生させる電機子を備えた回転子と、前記回転鉄心に近接対向し前記電機子周面に沿って湾曲したポールコアを有する固定鉄心に固定コイルの内空が前記電機子を向くように巻装され周方向に交互にＮ極，Ｓ極の磁場を前記電機子に通過させるように発生させる複数の電磁石、および複数の電磁石の間にそれぞれ設けられＮ極の固定鉄心の両端それぞれにＮ極を当接しＳ極の固定鉄心の両端それぞれにＳ極を当接し磁気方向が周方向において交互に異なる向きとなる複数の永久磁石からなるハイブリッド磁石と、前記永久磁石と磁気離間して配置され前記固定鉄心と基端にて接触する磁気透過性の固定ヨークとを備えた固定子と、を備え、前記電磁石および前記電機子の非励磁時に、前記永久磁石の磁束が前記固定子内で閉回路を作るとともに、前記電磁石および前記電機子の励磁時に、前記永久磁石の磁束と前記電磁石の磁束とが共に前記極歯を介して前記回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作るように構成されたことを要旨とする。
【００１９】
この発明によれば、電磁石および電機子の非励磁（消磁）時には、永久磁石の磁束は回転鉄心を通らず固定子内で閉回路を作る。このため、直流機の駆動開始時のコギングトルクがほぼ「０」になる。一方、電磁石および電機子の励磁時には、永久磁石の磁気が電磁石の磁気の方向と同じになるように永久磁石が固定鉄心と当接して配置されており、永久磁石の磁束と電磁石の磁束とが共に極歯を介して回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作る。このため、電磁石の磁束＋永久磁石の磁束という強力な磁束を得ることができ、直流機の駆動時に高トルクが得られる。また、固定コイルの内空は電機子を向いているので、電磁石の磁気の方向を電機子側に向くように固定鉄心を屈曲させるなどの形状をとる必要があまりない。このため、固定鉄心から出る磁束がトルクの発生に無駄なく用いられる。また、固定鉄心を構成する隣り合うポールコアの端部が互いに近接するが、Ｎ極に磁化するポールコア端部にそのＮ極が、Ｓ極に磁化するポールコア端部にそのＳ極が当接するように永久磁石を設けたことにより、固定コイルが作る磁力線が電機子のティースを確実に通過するようになる。その分、固定子と電機子との間を通る磁力線が増幅され、直流機が高トルクとなる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したハイブリッド磁石型の直流モータについて、図１〜図３に基づいて説明する。尚、図１には、直流モータの側断面、すなわち図２のＩ−Ｉ断面図が示されている。
図１に示すように、ハイブリッド磁石型直流機としての直流モータ１のモータハウジング２は、筒状のヨーク３と、ヨーク３の両端に固定された２つのエンドフレーム４，５とからなる。エンドフレーム４，５には各々の中心部に軸受６，７が固設されている。ヨーク３とエンドフレーム４，５とで形成される空間にはロータ１０が収容されている。ロータ１０の回転軸１１はエンドフレーム４の貫通孔４ａからその先端部を一部突出させた状態で、両軸受６，７により回転可能に支持されている。
【００２１】
直流モータ１はブラシ式直流モータであって、ロータ１０は、回転軸１１上に一体的に固定された電機子（アーマチャ）２０と、整流子（コンミテータ）２１とを有する。整流子２１は、エンドフレーム５側の内部に位置するように配置されている。ヨーク３とエンドフレーム５との間を内部で略区画するように配置された略円環状の台板２２には２つのブラシホルダ２３が支持されている。各ブラシホルダ２３に保持された２本のブラシ２４は、整流子２１を挟む両側から整流子２１の外周面に当接している。このブラシ２４には配線およびコネクタ（いずれも図示省略）を介して直流電流が給電されるようになっている。なお、整流子２１、ブラシホルダ２３およびブラシ２４により、整流装置が構成される。
【００２２】
図２に示すように、ヨーク３の内周面には、略円環状の固定子（ステータ）３０が固定されている。固定子３０は、電機子２０の外周面と所定のギャップで対向する状態に配置されている。本実施形態の固定子３０は、２つの電磁石３１，３２と永久磁石３３とを有するハイブリッド磁石として構成される。電磁石３１，３２は固定鉄心３４、３５と、その鉄心部に巻回されたコイル（以下、固定コイルと称す）３６，３７とを有している。
【００２３】
電機子２０は、回転軸１１に外嵌状態に固定された回転鉄心２５と、回転鉄心２５に巻回されたコイル（以下、回転コイルと称す）２６とを有する。回転鉄心２５には、その中央部から放射状にかつ等角度間隔に複数個（この例では１０個）の極歯としてのティース２５ａが延出形成されている。
【００２４】
隣り合うティース２５ａ間で形成される空間はスロット２５ｂを構成することになる。コイル２６は、ティース２５ａの軸部に巻回された状態でスロット２５ｂ内に収容されている。ティース２５ａに巻回されたコイル２６には、図１で示した整流子２１に当接するブラシ２４を介して直流電流が通電される。
【００２５】
一方、固定子３０は、図２に示すように直流モータ１の軸方向から見たときに、２つの電磁石３１，３２が電機子２０を挟んで対向配置された状態で組付けられている。各電磁石３１，３２の固定鉄心３４，３５は、略半円筒状の板材からなるポールコア３８，３９を備える。ポールコア３８，３９は、電機子２０のティース２５ａと所定のギャップで対向配置されている。固定鉄心３４，３５はポールコア３８，３９の外周面側中央（背面側中央）から径方向に延びるように設けられた突部３４ａ，３５ａを備え、固定コイル３６，３７は、固定鉄心３４，３５の突部３４ａ，３５ａに巻回されている。２つの固定コイル３６，３７はモータ軸方向から見たときに略半円弧をなす状態に対向配置されている。
【００２６】
固定コイル３６，３７は、配線およびコネクタ（いずれも図示省略）を介して直流電流が給電されるようになっている。直流モータ１を駆動させるためにその駆動用のスイッチがオンされると、電機子２０の回転コイル２６と、電磁石３１，３２の固定コイル３６，３７に直流が給電される。固定コイル３６，３７の巻回方向は、モータ外周面側から見たときに互いに逆巻きになるように設定されている。このため、固定コイル３６，３７が励磁された時は、図２において、左側に位置する電磁石３１のポールコア３８がＮ極に磁化し、右側に位置する電磁石３２のポールコア３９がＳ極に磁化するようになっている。
【００２７】
ポールコア３８，３９は、周方向両側に長く延出する延長部としての板状の延出部３８ａ，３９ａを有する。延出部３８ａ，３９ａはその周方向両端部で屈曲して径方向外側へ延びている。２つのポールコア３８，３９の各両端部では、径方向に延びる延出部３８ａ，３９ａが所定距離を隔して対向する状態にある。
【００２８】
２つの永久磁石３３，３３は、２つのポールコア３８，３９の各両端部で対峙する一対の延出部３８ａ，３９ａ間にそれぞれ挟持されている。すなわち永久磁石３３のＮ極は、Ｎ極のポールコア３８の延出部３８ａに当接し、永久磁石３３のＳ極は、Ｓ極のポールコア３９の延出部３９ａに当接している。永久磁石３３，３３はＮ極とＳ極を結ぶ方向がモータ周方向とほぼ一致する向きに配置されている。
【００２９】
因みに、各永久磁石３３，３３の周方向の角度範囲は、前記ティース２５ａの数を「Ｔ」とした場合、（３６０／Ｔ）°以下になるように設定されている。即ち、ティース２５ａの数が１０個であるので、各永久磁石３３，３３の角度範囲が、３６°以下と求められ、本実施形態では、同角度範囲が略３６°に設定されている。このように各永久磁石３３，３３を構成することで、各永久磁石３３，３３を極力小さく、各電磁石３１，３２を極力大きく構成することができる。そのため、各電磁石３１，３２を主体とした、より強力な磁界を発生する固定子３０を構成でき、直流モータ１の高出力化が図られている。
【００３０】
永久磁石３３および延出部３８ａ，３９ａの両外周面と、ヨーク３の内周面との間には、樹脂製板材からなる絶縁材４０が介装されている。この絶縁材４０の介在によって、永久磁石３３および延出部３８ａ，３９ａとヨーク３との間は磁気離間し、この間の磁気絶縁を確保している。このような磁気絶縁を確保することで、永久磁石３３の磁束が、必ず各ティース２５ａと対向するポールコア３８，３９の円弧状部分を経由するように設定されている。
【００３１】
電機子２０側の回転コイル２６は、回転鉄心２５において図２における上側略半分の各ティース２５ａがＮ極に磁化され、下側略半分の各ティース２５ａがＳ極に磁化されるようにその巻き方向が設定されている。そして直流モータ１の駆動時には、ロータ１０は図２における時計回り方向に回転する。
【００３２】
次に、このハイブリッド磁石型の直流モータ１の作用を図３に従って説明する。図３（ａ）は直流モータ１が停止している状態を示し、図３（ｂ）は直流モータ１の駆動状態を示す。
【００３３】
直流モータ１が停止している時は、回転コイル２６にも固定コイル３６，３７にも直流電流は流されない。図３（ａ）に示すように両コイル２６，３６，３７の励磁電流が「０」のときは、永久磁石３３の磁力線Ａは、実線で示すように固定子３０内のみを通る閉回路を作る。よって、漏れ磁束を無視すればコギングトルクが「０」になる。この結果、直流モータ１が駆動開始するときのコギングが発生し難くなる。
【００３４】
一方、直流モータ１が駆動される時には、ブラシ２４および整流子２１を介して回転コイル２６に直流電流が流されるとともに、固定コイル３６，３７に直流電流が流される。電機子２０側の回転コイル２６に流れる電流は、ロータ１０の回転に同期して向きが切り換わる。その結果、図３（ｂ）における電機子２０において、上側略半分に位置する各ティース２５ａがＮ極に磁化され、下側略半分に位置する各ティース２５ａがＳ極に磁化される。また固定子３０側の固定コイル３６，３７に流れる直流電流によって、図３（ｂ）における固定子３０では、左側のポールコア３８がＮ極に磁化し、右側のポールコア３９がＳ極に磁化する。
【００３５】
そして、ロータ１０の上側略半分のＮ極に磁化した各ティース２５ａは、固定子３０の左側略半分に位置するＮ極のポールコア３８から反発力を受けるとともに、固定子３０の右側略半分に位置するＳ極のポールコア３９から吸引力を受ける。同様に、ロータ１０の下側略半分のＳ極に磁化した各ティース２５ａは、固定子３０の右側略半分に位置するＳ極のポールコア３９から反発力を受けるとともに、固定子３０の左側略半分に位置するＮ極のポールコア３８から吸引力を受ける。このため、ロータ１０には図３（ｂ）における時計回り方向の回転駆動力が作用して、直流モータ１は回転駆動する。
【００３６】
この際、図３（ｂ）に示すように、固定コイル３６，３７が作る磁力線Ｂは、実線に示すような閉回路となる。このとき永久磁石３３の磁力線Ａは、固定コイル３６，３７の作る磁力線による引き込み作用によってポールコア３８，３９からティース２５ａを経由してロータ１０側へ引き込まれて、破線に示すように固定コイル３６，３７の磁力線Ｂと同じ方向となる。よって、固定コイル３６，３７の磁力線Ｂと永久磁石３３の磁力線Ａとが強め合う増幅作用によって、固定子３０と電機子２０との間を通る磁力線が増幅される。この結果、直流モータ１は大きな駆動トルクで回転する。
【００３７】
また、ポールコア３８，３９の一対の延出部３８ａ，３９ａはその径方向内側端部が互いに近接しているが、Ｎ極に磁化するポールコア３８の延出部３８ａにそのＮ極が、Ｓ極に磁化するポールコア３９の延出部３９ａにそのＳ極が当接する永久磁石３３を設けたことにより、固定コイル３６，３７が作る磁力線Ｂが電機子２０のティース２５ａを確実に通過するようになる。つまり、仮に永久磁石３３が無いとすると、ポールコア３８，３９の延出部３８ａ，３９ａの径方向内側端部が互いに近接しているため、電機子２０のティース２５ａを通過せず、直接、延出部３８ａから延出部３９ａに向かう磁力線が生じやすい。従って、本実施形態のように永久磁石３３を設けることにより、延出部３８ａ，３９ａと永久磁石３３とが反発するため、直接、延出部３８ａから延出部３９ａに向かう磁力線が生じなくなる。その分、固定子３０と電機子２０との間を通る磁力線が増幅され、直流モータ１が高トルクとなる。
【００３８】
また永久磁石３３のＮ極とＳ極とを結ぶ方向が、モータ周方向であることから、２つの電磁石３１，３２の間に磁力線の極性が変化する段差（ギャップ）が発生し難くなる。つまり、仮に永久磁石３３が無いとすると、２つの固定コイル３６，３７から各々出た互いに異極性の磁力線が、２つの電磁石３１，３２間に径方向の経路で複数本集中するため、モータ周方向において磁力線の極性の違いによる段差ができる。しかし、２つの電磁石３１，３２の間に、Ｎ極とＳ極がモータ周方向に対峙する向きに配置された永久磁石３３が介在することで、永久磁石３３のモータ周方向の経路をとる磁力線によって、２つの電磁石３１，３２の間の磁力線をモータ周方向に徐々に変化させるようにその極性の変化が緩やかにならされる。その結果、直流モータ１の駆動開始時にコギングトルクが一層発生し難くなる。
【００３９】
以上詳述したように本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１） 永久磁石３３の磁束が電磁石３１，３２の磁束と同じ方向になるように、永久磁石３３が固定鉄心３４，３５と当接して配置されているので、電磁石３１，３２の磁束＋永久磁石の磁束という強力な磁束を得ることができる。さらに、固定コイル３６，３７の内空は電機子２０側（つまり径方向）を向いている。よって、電磁石３１，３２の磁束の方向を電機子２０側に向くよう固定鉄心３４，３５を屈曲させるなどの形状をとる必要がない。このため、固定鉄心３４，３５から出る磁束は無駄なくトルク発生に有効に活用される。
【００４０】
（２） 永久磁石３３は、ポールコア３８，３９の延出部３８ａ，３９ａに対し、そのＮ極面がＮ極側の延出部３８ａに、Ｓ極面がＳ極側の延出部３９ａに当接している。よって、延出部３８ａ，３９ａでは電磁石３１，３２の磁気と永久磁石３３の磁気が同じ極性で発生するので磁束が強力になり、しかも、永久磁石３３の磁束がヨーク３側ではなくポールコア３８，３９に流れやすくなる。
【００４１】
（３） 永久磁石３３のＮ極とＳ極を結ぶ方向が、モータ周方向に沿うような向きに永久磁石３３を配置したので、永久磁石３３の磁束が周方向に起こるために、複数の電磁石３１，３２間ではＮ極からＳ極に磁力線が急変化せず徐々に極性が変化するので、コギングトルクがさらに少なくなる。
【００４２】
（４） ポールコア３８，３９の延長部を板状とし、その先端部を径方向外側に屈曲形成した延出部３８ａ，３９ａ間に、永久磁石３３をそのＮ極面とＳ極面が当接するように挟持した。このため、固定鉄心３４，３５の延出部３８ａ，３９ａの板状の先端屈曲面は大きな面になるので、永久磁石３３の極端面の磁束密度の高い場所をとらえることができ、より強力な磁束を得ることができる。従って、直流モータ１の駆動時に高トルクを得ることができる。
【００４３】
（５） 回転鉄心２５のティース２５ａの数を「Ｔ」とすると、永久磁石３３の周方向の角度範囲は、（３６０／Ｔ）°以下に設定したので、永久磁石３３を極力小さく、電磁石３１，３２を極力大きく構成でき、電磁石３１，３２を主体とした、より強力な磁界を発生する固定子３０を構成でき、高出力（高トルク）の優れた直流モータ１とすることができる。
【００４４】
（６） 永久磁石３３とヨーク３との間に絶縁材４０を介装したので、該永久磁石３３と該ヨーク３とを確実に磁気離間でき、この間の磁気絶縁を確実に確保することができる。
【００４５】
なお、実施の形態は、上記に限定されず以下の態様でも実施できる。
・ ポールコアの延長部を板状としその周方向両端部を径方向外側に屈曲させた延出部とすることで、永久磁石との当接面積を広く確保したが、ポールコアの延長部を屈曲する構成に限定されない。例えばポールコアを正面視円弧状のやや厚めの板材とし、その両端面に永久磁石を挟持する構造を採ることもできる。
【００４６】
・ ハイブリッド磁石型直流機は、インナーロータ式に限定されない。アウターロータ式で構成することもできる。
・ ティースの形状や数は、適宜変更できる。
【００４７】
・ 永久磁石が電磁石（ポールコア）の間に設けられる向きは、Ｎ極とＳ極とを結ぶ方向が略周方向であることに限定されない。例えば永久磁石を、Ｎ極とＳ極とを結ぶ方向がモータの略径方向となるように配置する。この場合、永久磁石の両端面に当接するポールコアの各延出部を、一方は永久磁石に対し径方向内側の端面にて当接するように延び、他方は永久磁石に対し径方向外側の端面にて当接するように延びるように構成する。この構成でも、コイル非励磁時に永久磁石の磁束が固定子内のみで閉回路を作り、コイル励磁時に永久磁石の磁束と電磁石の磁束とが極歯を介して回転鉄心内を同方向に通る閉回路を作ることはできる。
【００４８】
・ 固定子側の電磁石は２個に限定されない。つまり固定子側（ポールコア）の磁極は、周方向にＮ極とＳ極を交互に配置できるのであれば足り、この限りにおいて電磁石は偶数個であればよい。例えば固定子側に４個の電磁石を周方向に配列する構造を採ることもできる。もちろん電磁石を６個以上の複数個とすることもできる。
【００４９】
・ 永久磁石３３および延出部３８ａ，３９ａの両外周面と、ヨーク３の内周面との間に絶縁材４０を介装して相互間を磁気離間（磁気絶縁）するようにしたが、永久磁石３３および延出部３８ａ，３９ａとヨーク３との間に空隙を設け、その空隙で十分に磁気絶縁できれば、絶縁材４０を省略してもよい。
【００５０】
前記実施形態及び別例（各図面を含む）から把握される技術的思想を、以下に記載する。
（１） 周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装された電機子を備えた回転子と、前記回転鉄心に近接対向するポールコアを有する固定鉄心に固定コイルが内空を前記電機子に向くように巻装され周方向に交互に異極性の磁場を発生させる複数の電磁石、および複数の電磁石の間にそれぞれ設けられＮ極の固定鉄心にＮ極を当接しＳ極の固定鉄心にＳ極を当接した複数の永久磁石からなるハイブリッド磁石と、前記永久磁石と磁気離間して配置されるとともに、前記固定鉄心と固定コイルの内空に挿入配置される突部にて接触する磁気透過性の固定ヨークとを有する固定子とを備えたハイブリッド磁石型直流機。
【００５１】
（２）請求項２〜７及び前記（１）の技術的思想のいずれかにおいて、前記固定鉄心は、前記電機子の極歯と対向する円弧面を有するとともに磁極となるポールコアを備える。
【００５２】
（３）前記（２）の技術的思想において、前記ポールコアの円弧面は周方向に複数の極歯と一度に対向するだけの長さを有する。
（４）前記（２）又は（３）の技術的思想において、前記固定鉄心は、前記電機子の極歯と対向する円弧面を有するとともに磁極となるポールコアを備え、該ポールコアの円弧面の周方向長さは、前記永久磁石の周方向長さよりも長い。
【００５３】
（５）請求項２〜７及び前記（１）〜（４）の技術的思想のいずれかにおいて、前記固定鉄心には、前記ポールコアの外側面から略径方向に延びる突部が設けられており、前記固定コイルは該突部に巻回されている。なお、請求項２における「回転鉄心の基端」とは、突部の端部を指す。
【００５４】
（６）請求項１及び前記（１）の技術的思想において、前記電磁石を構成する固定コイルは、その内空が前記電機子を向く向きに配置されている。なお、「固定コイルの内空が前記電機子を向く向き」とは、固定コイルの軸心方向が電機子の略径方向となる向きである。
【００５５】
（７）請求項１及び前記（１），（６）の技術的思想のいずれかにおいて、前記電機子は、周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装され整流装置により常に回転力を生じる磁場を発生させるものである。
【００５６】
（８）請求項１〜８及び前記（１）〜（７）の技術的思想のいずれかにおいて、前記電磁石は２つである。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１〜８に記載の発明によれば、直流機において、電磁石と永久磁石を備えた固定子を構成し、電磁石と永久磁石の各磁束を有効に活かして、直流機始動時のコギングトルクを抑制できるとともに、駆動中に高い回転トルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態のハイブリッド磁石型直流機の側断面図。
【図２】 直流機の正断面図。
【図３】 直流機の作用を説明する断面図。
【図４】 従来技術におけるモータに使用されるハイブリッド型磁石を示す模式側面図。
【符号の説明】
１…ハイブリッド磁石型直流機、３…ヨーク、１０…回転子（ロータ）、１１…回転軸、２０…回転子を構成する電機子、２１…整流装置を構成する整流子（コンミテータ）、２４…整流装置を構成するブラシ、２５…回転鉄心、２５ａ…極歯としてのティース、２６…回転コイル、３０…固定子（ステータ）、３１，３２…固定子を構成する電磁石、３３…永久磁石、３４，３５…固定鉄心、３４ａ，３５ａ…固定鉄心を構成する突部、３６，３７…固定コイル、３８，３９…ポールコア、３８ａ，３９ａ…延長部としての延出部、４０…絶縁材。
Claims (8)
- 筒状のヨークと、該ヨーク内に周方向に交互に異極となるように配列された複数の電磁石と、前記複数の電磁石を各々構成する固定鉄心間に同じ極同士が接触する状態で挟持される複数の永久磁石とを備えた固定子と、
回転軸に一体回転可能に設けられるとともに、周面に複数の極歯を有する回転鉄心を備えた電機子を有する回転子とを備え、
前記電磁石および前記電機子の非励磁時に、前記永久磁石の磁束が前記固定子内で閉回路を作るとともに、前記電磁石および前記電機子の励磁時に、前記永久磁石の磁束と前記電磁石の磁束とが共に前記極歯を介して前記回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作るように構成されたことを特徴とするハイブリッド磁石型直流機。 - 周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装され整流装置により常に回転力を生じる磁場を発生させる電機子と、
前記回転鉄心に近接対向するポールコアを有する固定鉄心に固定コイルの内空が前記電機子を向くように巻装され周方向に交互に異極性の磁場を発生させる複数の電磁石、および複数の電磁石の間にそれぞれ設けられＮ極の固定鉄心にＮ極を当接しＳ極の固定鉄心にＳ極を当接した複数の永久磁石からなるハイブリッド磁石と、
前記永久磁石と磁気離間して配置され前記固定鉄心と基端にて接触する磁気透過性の固定ヨークと
を備えたハイブリッド磁石型直流機。 - 複数の前記固定鉄心の周方向における間には、前記永久磁石が、前記電機子と近接対向する状態で周方向に沿って延びる前記ポールコアの両端延長部間に把持された状態で配置されている請求項２に記載のハイブリッド磁石型直流機。
- 前記永久磁石は、そのＮ極とＳ極とを結ぶ方向が前記電機子の回転方向に沿うように配置したことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド磁石型直流機。
- 前記ポールコアの延長部は板状であり、その延長部の先端は径方向に沿って屈曲され、その先端屈曲面にて前記永久磁石が当接する請求項４に記載のハイブリッド磁石型直流機。
- 前記回転鉄心の極歯の数を「Ｔ」とすると、前記永久磁石の周方向の角度範囲は、（３６０／Ｔ）°以下である請求項２に記載のハイブリッド磁石型直流機。
- 前記永久磁石と前記固定ヨークとを磁気離間すべく該永久磁石と該固定ヨークとの間に絶縁材が介装されている請求項２に記載のハイブリッド磁石型直流機。
- 周面に極歯を有する回転鉄心に回転コイルが巻装され整流装置により常に回転力を生じる磁場を発生させる電機子を備えた回転子と、
前記回転鉄心に近接対向し前記電機子周面に沿って湾曲したポールコアを有する固定鉄心に固定コイルの内空が前記電機子を向くように巻装され周方向に交互にＮ極，Ｓ極の磁場を前記電機子に通過させるように発生させる複数の電磁石、および複数の電磁石の間にそれぞれ設けられＮ極の固定鉄心の両端それぞれにＮ極を当接しＳ極の固定鉄心の両端それぞれにＳ極を当接し磁気方向が周方向において交互に異なる向きとなる複数の永久磁石からなるハイブリッド磁石と、前記永久磁石と磁気離間して配置され前記固定鉄心と基端にて接触する磁気透過性の固定ヨークとを備えた固定子と、を備え、
前記電磁石および前記電機子の非励磁時に、前記永久磁石の磁束が前記固定子内で閉回路を作るとともに、前記電磁石および前記電機子の励磁時に、前記永久磁石の磁束と前記電磁石の磁束とが共に前記極歯を介して前記回転鉄心を同方向に経由する閉回路を作るように構成されたハイブリッド磁石型直流機。
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