JP3791080B2 - 永久磁石界磁同期機 - Google Patents
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Description
本発明は,主に低速で駆動し、直線又は回転運動をするサーボモータ、或いはダイレクトドライブモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、パルスモータや同期モータは、永久磁石を用いて界磁を与えれば、コンパクトな構成で高い推力を得ることが知られており、様々な構造のものが開発されている。図10はその1つの例を示しており、特開平2−151256号公報に開示された直線形のパルスモータである。図において、1は図示しない基礎に固定された磁性体の固定子であり、2は該固定子1の上にエアギャップを介して左右の移動方向に移動可能に支持された可動子である。固定子1の上面には溝18bを挟んで移動方向にピッチPで歯18aが形成されており、歯18aと溝18bの幅はほぼ同じになっている。可動子2は同じ構造のA相電磁石27及びB相電磁石28と、これらを剛に固定する図示しない固定部材からなっており、前記2つの磁石の移動方向の中心間距離は5.25Pとなっている。A相電磁石27は移動方向の側面から見ると略C形をしており、移動方向の前後に2つの磁極を形成してそれぞれコイルが巻回されている。該磁極は移動方向の中心間距離が2.5Pであり、前記2つの磁極の先端部には3つの溝を介して0.5Pのピッチで歯が形成されており、該溝には永久磁石68が挿嵌されている。該永久磁石68は移動方向に着磁されており、隣り合う該永久磁石68の着磁方向が入れ替わっている。A相電磁石27の2つのコイルは磁極に流れる磁束が加算されるように巻回されている。このような構成において、A相電磁石27に左回りの磁束が流れるようコイルに電流を供給すると、A相電磁石27の左側磁極には左から1番目と3番目の歯に下向きの磁束が流れ、右側磁極には左から2番目と4番目の歯に上向きの磁束が流れるので、可動子2の移動方向の位置は図10の状態で安定保持される。次に、B相電磁石28に前記A相電磁石と同じように磁束が左回りに流れるようコイルに電流を供給すると、B相電磁石28の左側磁極には、左から1番目と3番目の歯に下向きの磁束が流れ、右側磁極には左から2番目と4番目の歯に上向きの磁束が流れるので、可動子2の移動方向の位置は図10の状態から左に0.25Pずれた位置で保持される。さらにA相電磁石27に前記とは逆向きの電流を供給すると、前記と同じようなメカニズムで磁束が逆向きに流れるので可動子2の移動方向の位置は図10の位置から0.5P左にずれた位置で保持される。これに加えて、B相電磁石28に前記B相電磁石とは逆向きの電流を供給すると、前記と同じようなメカニズムで磁束が逆向きに流れるので可動子2の移動方向の位置は図10の位置から0.75P左にずれた位置で保持される。このようにして、A相とB相の電磁石の電流を交互に供給すると可動子2は左に移動させることができるのである。前記説明から、逆の手順で電流を供給すると可動子2を右側に移動させることも明らかである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前記の従来技術によると、次のような問題があった。すなわち、前記従来例のモータ定数を向上するときは、固定子1の磁極ピッチを小さくするので、可動子2の磁極ピッチも小さくなる。この結果、可動子2の溝に挿入する永久磁石68の厚さも薄くなり、薄い磁石を多数用意しなければならなくなって、歩留まりが悪くなり、工数がかかってコスト高となっていた。このような傾向は、直線形のモータに限らず回転形のモータについても同様にあり、問題となっていた。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため,本発明は、移動方向に等間隔の磁性体の歯列を備えた直線状の固定子と、磁極の先端に永久磁石を固着してコイルを巻回した複数の電磁石からなり、前記磁極が前記固定子とエアギャップを介して前記移動方向に移動可能に支持された可動子とからなるm相(m=2、3、4・・・)の永久磁石界磁同期機において、前記固定子は移動方向に沿って左右に歯列が設けられ各歯列は溝をおいて等ピッチPで歯が形成されているとともに、前記左右の歯列は互いに0.5Pだけ移動方向にずれて設けられており、前記可動子は、中心間距離が移動方向に電気角で位相差±180/m度離れた同じ構造のm個の電磁石と、該m個の電磁石を剛に固定する固定部材からなり、前記電磁石は、移動方向に向かって左右に設けられた同じ形状の複数のC形鉄心と、該複数のC形鉄心の間に挿設された非磁性材の中間材と、コイルからなるとともに、前記複数のC形鉄心の磁極の先端部には溝を挟んで移動方向に0.5Pのピッチで歯が形成されて歯が形成された磁極先端部には2つの鉄心の間の前記中間材の下側に棒状の永久磁石が挿嵌されており、前記永久磁石は移動方向に向かって順次向きが入れ替わるようピッチ0.5Pで左右方向に着磁されており、前記コイルは前記永久磁石を挟んでいる前記磁極の外周に巻回されたことを特徴としている。
【0005】
また、本発明は、移動方向に等間隔の磁性体の歯列を備えた直線状の固定子と、磁極の先端に永久磁石を固着してコイルを巻回した複数の電磁石からなり、前記磁極が前記固定子とエアギャップを介して前記移動方向に移動可能に支持された可動子とからなるm相(m=2、3、4・・・)の永久磁石界磁同期機において、前記固定子は、移動方向に4つの歯列が形成されてそれぞれ溝を挟んで歯がピッチPで形成され、両外側の歯列と両内側の歯列が移動方向に0.5Pずれて形成されており、前記可動子は、中心間距離が移動方向に電気角で位相差±180/m度離れて配置された同じ構造のm個の電磁石と、該m個の電磁石を固定する固定部材からなるものであり、該電磁石は、C形の鉄心ブロックと、該鉄心ブロックの2つの磁極ブロックに巻回されたコイルからなり、前記鉄心ブロックは、C形の複数の鉄心と、該鉄心の間に設けられた非磁性の中間材とが移動方向に重ねて固着されており、前記磁極ブロックの磁極の先端部中央には移動方向の溝が形成されて棒状の永久磁石が挿嵌されており、前記鉄心の中心間距離は0.5Pであって、前記永久磁石は移動方向に0.5Pのピッチで向きが順次入れ替わるよう左右方向に着磁したのである。
【0006】
さらに、回転可能に支持された鉄心で構成する回転子と、該回転子とエアギャップを介し、鉄心と永久磁石とコイルで構成する固定子からなり、前記回転子の表面にはピッチPで周方向等間隔に軸方向の歯が形成され、前記固定子は周方向等間隔に複数の磁極が形成されるとともに、該磁極の先端面にはピッチ0.5Pで周方向等間隔に軸方向の歯が形成された回転形の永久磁石界磁同期機であって、固定子と回転子には軸方向に複数個の区域が設けられ、固定子には、各区域の境界に軸方向に着磁されて周方向にピッチ0.5Pで着磁の方向が反転する円環状の永久磁石が挿嵌されるとともに、隣り合う該永久磁石の磁極の方向が反転するよう着磁され、回転子には、1つおきの区域の歯が同じように形成されるとともに、隣り合う区域の歯がピッチ0.5Pだけ周方向にずれて形成したのである。
【0007】
【発明の実施の形態】
このようにすると、従来に比べて、界磁用の永久磁石の形状を単純な形状とすることができるので、製作時の作業性が大いに向上するとともに、モータ定数の向上ができるのである。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図1は本発明の第1の実施例を示す2相の直線形永久磁石界磁同期機の構造図であり、(a)は移動方向の横から見た側面図、(b)は固定子の平面図である。図2(a)、(b)は図1の断面図であり、(c)はA相電磁石21の下面を示す図である。これらの図において、1は図示しない基礎に固定された固定子、2は該固定子の上にエアギャップを介して左右の移動方向に移動可能に支持された可動子である。固定子1は非磁性の細長い中間材13と、図の左側から右側の移動方向に向かって見て、その左右に設けられた磁性体の左側歯列11と、右側歯列12から構成されており、図示しない手段によってこれらが互いに剛に固定されている。左側歯列11の上面には歯11aと溝11bがほぼ同じ幅で交互に設けられており、歯11aのピッチはPとなっている。右側歯列12は左側歯列11と同じものであるが、歯12aの移動方向中心位置は歯11aの移動方向中心位置と0.5Pずれている。そして左側歯列11の歯11aの上面と、右側歯列12の歯12aの上面とは同一平面内にある。
【0008】
可動子2は同じ構造のA相電磁石21及びB相電磁石22と、これらを固定する固定部材23から構成されており、図示しない支持機構によって可動子2の下面と固定子1の上面がエアギャップを介して、対面しつつ左右の移動方向に移動可能に支持されている。A相電磁石21とB相電磁石22は図1(a)に示すようにC字形をしており、図2(a)、(b)に示すように中間材36を間に挟んで同じ形状の鉄心を合わせて固着されている。そして2つの磁極312と322には通電時に磁束が加算されるようコイル41、42が巻回されている。磁極311と磁極312の先端部には溝を挟んで4個の歯5112と5111、5122と5121、5132と5131、5142と5141が形成されており、その移動方向のピッチは0.5Pとなっている。また、これらの歯と溝の幅は略同じとなっている。歯が形成された磁極先端部には、2つの鉄心の間の中間材36の下側に、棒状の永久磁石61が挿嵌されており、歯5111と5112、5121と5122、5131と5132、5141と5142に向かって着磁されている。そして、図2(c)に示すように、0.5Pのピッチで着磁方向が逆になっている。歯を形成して永久磁石を挿嵌する状況は磁極322、332、342についても同様である。
【0009】
このような構成において、A相電磁石21を励磁したときの状態について図3を用いて説明する。図3において、(a)は磁極311の移動方向断面図であって(b)のD−D’断面を示し、(b)は歯5111を含むA相電磁石21の移動方向と直角な面の断面であって(a)のC−C’断面を示し、(c)は磁極312の移動方向の断面図であって(b)のE−E’断面を示している。コイル41、42に図3(a)のように電流を供給するとA相電磁石内には左回りの磁束が生じる。この磁束は磁極311、312、321、322の先端部では永久磁石61、62の着磁の影響を受けて、該永久磁石61、62のところではS極からN極へ磁束が通過し、図3の各図に示すように磁束が流れる。すなわち、図1の左側から移動方向の右側を見て、磁極311、312については、一番手前の歯5111、5112では右側に流れ、2番目の歯5121、5122では左側に流れ、3番目の歯5131、5132では右側に流れ、4番目の歯5141、5142では左側に流れて、磁極321、322についても同じような流れをする。従って、固定子1に対する可動子2の移動方向の位置は図3に示す位置で安定保持される。
【00010】
次にA相電磁石とB相電磁石の励磁電流を切替えていくときの状況について説明する。図4(a)、(b)が切替のステップ1、図4(c)、(d)がステップ2、図5(a)、(b)がステップ3、図5(c)、(d)がステップ4であり、それぞれ移動方向に沿った断面図は、いずれも図3のE−E’断面を示している。A相電磁石21を励磁するステップ1の状態は図3に示した状態と同じである。ステップ2では、ステップ1のA相電磁石21と同じ向きの電流を与えてB相電磁石22を励磁するので、磁束の流れも同様になり、可動子2の移動方向の位置は図4(c)のところで安定保持される。ステップ3では、ステップ1の時と逆向きの電流を与えるので磁束の向きは逆となり、可動子2の移動方向の位置は図5(a)のところで安定保持される。ステップ4では、ステップ2の時と逆向きの電流を与えるので磁束の向きは逆となり、可動子2の移動方向の位置は図5(c)のところで安定保持される。このように4つのステップで可動子2に与える電流を切替ていくと、各ステップ毎に、移動子2は移動方向に沿って0.25Pずつ移動し、4ステップで固定子1の歯のピッチPだけ後方、すなわち図4(a)の左側方向に移動する。電流を前記4ステップと逆の順序で切替えて供給すると前記とは逆の前方に移動する。
以上、2相の直線形の永久磁石界磁同期機について述べたが、本願発明は2相に限られるものではなく、3相以上の多相の同期機についても適用することができる。
【00011】
次に本発明の第2の実施例について図を用いて説明する。図6は本発明の第2の実施例を示す3相の直線形永久磁石界磁同期機の構造図であり、(a)は移動方向の横から見た側面図、(b)は固定子の平面図である。図7(a)は可動子の下面を示し、(b)、(c)は図6の断面図である。図6において、固定子1は珪素鋼板を積層して作られており、図の左側から右側の移動方向を見て左右に層ができるように積層されている。そして、固定子1の上面では、移動方向に4つの歯列が形成されており、それぞれ溝を挟んで歯がピッチPで形成されている。4つの歯列のうち、両外側の左外歯列14及び右外歯列17と、両内側の左内歯列15及び右内歯列16とは移動方向に0.5Pずれて形成されている。
【0012】
可動子2は同じ構造のU相電磁石24及びV相電磁石25、W相電磁石26と、これらを固定する固定部材23から構成されており、図示しない支持機構によって可動子2の下面と固定子1の上面がエアギャップを介して対面しつつ左右の移動方向に移動可能に支持されている。そして、U相電磁石24及びV相電磁石25、W相電磁石26は中心間距離が8P/3離れて配置されている。U相電磁石24は図7(b)に示すように移動方向から見てC字形をしており、C形の鉄心ブロックとその鉄心ブロックの2つの磁極ブロックに巻回されたコイルからなっている。そして図6(a)に示すように非磁性の中間材を間に挟んで同じ形状の鉄心を移動方向に重ねて固着されている。積み重ねた鉄心の中心間距離は固定子の歯のピッチPの半分の0.5Pとなっている。そして左右の2つの磁極ブロックには通電時に磁束が加算されるようコイル451、452が巻回されている。該磁極の先端部中央には移動方向の溝が形成されてそこに棒状の永久磁石651、652が挿嵌されており、移動方向に向かって左右の方向に着磁されており、0.5Pのピッチで着磁の方向が交互に入れ替わっている。左右の磁極に挿嵌した永久磁石651、652は同じ向きに着磁されているので、U相電磁石24の下面は図7(a)のようになっている。以上の構成をしているため、図6の位置関係にあるときのJ−J’の断面は図7(b)のように、両外側の歯が閉じた磁気回路の一部をなしており、K−K’の断面は図7(c)のように、両内側の歯が閉じた磁気回路の一部をなしている。以上はU相電磁石24の説明であるが、V相電磁石25とW相電磁石26も同じように作られている。
【00013】
以上の構成において、U相電磁石24に図8(a)に示すように電流を供給すると、永久磁石651、652の磁極の向きの影響を受けて図に示すように磁束が流れる。積層した他の鉄心を含むL−L’、M−M’の断面は、図8(b)、(c)のようになり、可動子1の移動方向位置はエアギャップの磁束が真下を向く同図の位置で安定保持される。V相電磁石25に前記U相電磁石24と同じ電流を供給すると、同じようなメカニズムでP/3右にずれた位置で安定保持され、さらにW相電磁石に電流を供給するとさらにP/3右にずれた位置で安定保持される。従って、3相の電磁石を3相励磁すると1サイクルで固定子の歯のピッチPだけ右に移動することができる。逆の順序で励磁すると左側に移動することができる。
以上、3相の直線形の永久磁石界磁同期機について述べたが、本願発明は3相に限られるものではなく、2相以上の多相の同期機について適用することができる。
【00014】
次に本発明の第3の実施例を説明する。図9は本発明を適用した回転形永久磁石界磁同期機の構造図であり、固定子の中で回転子が回転するインナーロータ形の同期機を示している。図において206は図示しない軸受で支持されて回転可能になっている軸であり、205はその外周に固着された非磁性のカラーである。201、202、203、204は珪素鋼板を積層した回転子鉄心であり、間に非磁性材を挟んで軸方向に積み重ねられ、カラー205の外周に固着されている。回転子鉄心201、202、203、204の外周には、周方向のピッチPの間隔で、軸方向の歯が形成されており、歯の周方向位置は、回転子鉄心201と203は同じであり、回転子鉄心202と204はこれと0.5Pずれて形成されている。
【00015】
291、292、293、294は珪素鋼板を積層した固定子鉄心であり、それぞれの間の外周側に非磁性材を挟んで軸方向に積み重ねられている。固定子鉄心291、292、293、294の内周側には、内側に突き出た周方向の6個の磁極2911、2912、2913、2914、2915、2916が形成されおり、それぞれの内周面には周方向のピッチ0.5Pの間隔で、軸方向の歯が周方向に形成されている。固定子鉄心291、292、293、294の前記歯の間には、円環の一部をなす磁石691、692、693が挿嵌されて軸方向に着磁されており、軸方向の隣り合う磁石の磁極の向きが逆になっている。固定子の6個の磁極には固定子鉄心291、292、293、294にわたってコイル49が巻回されており、3相交流モータと同じように結線されている。
【00016】
以上のような構成において、固定子に3相交流電流を供給すると、周方向のある磁極に着目して磁束の流れを見ると、前記実施例と同様に磁石691、692、693の着磁の向きの影響を受けるため、固定子鉄心291と293の歯と、固定子鉄心292と294の歯には、交流電流の励磁によって半周期ずれて磁束の流れの向きが入れ替わる。このようなメカニズムは周方向に配置された6個の磁極のいずれについても同じであり、前記3相の直線形永久磁石界磁同期機と同様に交流励磁の1周期に対して回転子の周方向ピッチPだけ回転子を回転させることができる。逆回転についても前記実施例と同様である。この例では、回転子が固定子の内側で回転する場合を述べたが、回転子が固定子の外側で回転するアウタロータの同期機についても適用できることは言うまでもない。また、軸方向を4つの区域に分けた場合を述べたが、区分けの数も4つに限られないことも明らかである。
【00017】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、直線形であっても回転形であっても、界磁用の永久磁石は単純な形状のものでよく、従来の同期機の構造に比べて数量も多量を必要としない。従って、製作する際の作業性がよく、部品点数が少なくてすみ、安価に製作できるとともに、永久磁石界磁モータの信頼性を高める効果がある。また、本発明によると、可動子の磁極の歯のピッチの中に永久磁石の幅が含まれることはなく、磁石の着磁のピッチを短くして歯ピッチを最小にすることができるので、モータ定数を向上できるという効果がある。
【00018】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す構造図
【図2】第1実施例の動作説明図
【図3】第1実施例の動作説明図
【図4】第1実施例の動作説明図
【図5】第1実施例の動作説明図
【図6】本発明の第2実施例を示す構造図
【図7】第2実施例の動作説明図
【図8】第2実施例の動作説明図
【図9】本発明の第3実施例を示す構造図
【図10】従来例の構造図
【符号の説明】
1 固定子
11、12、14、15、16、17 歯列
11a、12a、14a、15a、16a、17a、18a 歯
11b、12b、14b、15b、16b、17b、18b 溝
13 中間材
2 可動子
201、202、203、204 回転子鉄心
205 カラー
206 軸
21、27 A相電磁石
22、28 B相電磁石
23 固定部材
24 U相電磁石
25 V相電磁石
26 W相電磁石
271 磁極
291、292、293、294 固定子鉄心
311、312、321、322、331、332、341、342、2911磁極
351、352、353、354 鉄心
36 中間材
41、42、43、44、451、452、462、472、481、49 コイル
5111、5112、5121、5122、5131、5132、5141、5142、5211、5212、5312、5412 歯
61、62、63、64、651、652、662、672、68 永久磁石
Claims (3)
- 移動方向に等間隔の磁性体の歯列を備えた直線状の固定子と、磁極の先端に永久磁石を固着してコイルを巻回した複数の電磁石からなり、前記磁極が前記固定子とエアギャップを介して前記移動方向に移動可能に支持された可動子とからなるm相(m=2、3、4・・・)の永久磁石界磁同期機において、
前記固定子は移動方向に沿って左右に歯列が設けられ各歯列は溝をおいて等ピッチPで歯が形成されているとともに、前記左右の歯列は互いに0.5Pだけ移動方向にずれて設けられており、
前記可動子は、中心間距離が移動方向に電気角で位相差±180/m度離れた同じ構造のm個の電磁石と、該m個の電磁石を剛に固定する固定部材からなり、
前記電磁石は、移動方向に向かって左右に設けられた同じ形状の複数のC形鉄心と、該複数のC形鉄心の間に挿設された非磁性材の中間材と、コイルからなるとともに、前記複数のC形鉄心の磁極の先端部には溝を挟んで移動方向に0.5Pのピッチで歯が形成されて歯が形成された磁極先端部には2つの鉄心の間の前記中間材の下側に棒状の永久磁石が挿嵌されており、
前記永久磁石は移動方向に向かって順次向きが入れ替わるようピッチ0.5Pで左右方向に着磁されており、
前記コイルは前記永久磁石を挟んでいる前記磁極の外周に巻回されている
ことを特徴とする永久磁石界磁同期機。 - 移動方向に等間隔の磁性体の歯列を備えた直線状の固定子と、磁極の先端に永久磁石を固着してコイルを巻回した複数の電磁石からなり、前記磁極が前記固定子とエアギャップを介して前記移動方向に移動可能に支持された可動子とからなるm相(m=2、3、4・・・)の永久磁石界磁同期機において、
前記固定子は、移動方向に4つの歯列が形成されてそれぞれ溝を挟んで歯がピッチPで形成され、両外側の歯列と両内側の歯列が移動方向に0.5Pずれて形成されており、
前記可動子は、中心間距離が移動方向に電気角で位相差±180/m度離れて配置された同じ構造のm個の電磁石と、該m個の電磁石を固定する固定部材からなるものであり、
該電磁石は、C形の鉄心ブロックと、該鉄心ブロックの2つの磁極ブロックに巻回されたコイルからなり、
前記鉄心ブロックは、C形の複数の鉄心と、該鉄心の間に設けられた非磁性の中間材とが移動方向に重ねて固着されており、前記磁極ブロックの磁極の先端部中央には移動方向の溝が形成されて棒状の永久磁石が挿嵌されており、
前記鉄心の中心間距離は0.5Pであって、前記永久磁石は移動方向に0.5Pのピッチで向きが順次入れ替わるよう左右方向に着磁された
ことを特徴とする永久磁石界磁同期機。 - 回転可能に支持された鉄心で構成する回転子と、該回転子とエアギャップを介し、鉄心と永久磁石とコイルで構成する固定子からなり、前記回転子の表面にはピッチPで周方向等間隔に軸方向の歯が形成され、前記固定子は周方向等間隔に複数の磁極が形成されるとともに、該磁極の先端面にはピッチ0.5Pで周方向等間隔に軸方向の歯が形成された回転形の永久磁石界磁同期機であって、
固定子と回転子には軸方向に複数個の区域が設けられ、
固定子には、各区域の境界に軸方向に着磁されて周方向にピッチ0.5Pで着磁の方向が反転する円環状の永久磁石が挿嵌されるとともに、隣り合う該永久磁石の磁極の方向が反転するよう着磁され、
回転子には、1つおきの区域の歯が同じように形成されるとともに、隣り合う区域の歯がピッチ0.5Pだけ周方向にずれて形成されている
ことを特徴とする回転形の永久磁石界磁同期機。
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