JP3890584B2 - 永久磁石形同期電動機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、推力リップルやコギング力の小さいことが要求される一定速送り用リニアモータや、トルクリップルや速度リップルの小さい回転形サーボモータなどのギャップワインディング方式の永久磁石形同期電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のギャップワインディング方式の永久磁石形同期電動機としては、ヘリカル巻の電機子巻線とした特開平５−９５６４４号公報に開示されたものや、集中巻のコイルを重ねずに配置した特開平８−１０７６６５号公報に開示されたものや、集中巻のコイルを重ねて配置した特開平８−２１４５２９号公報、特開平１０−２３７３５号公報に開示されたものがある。これらは、コギング力が発生せず、ピーク推力を大きく出し得る優れた特長がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術には次のような問題があった。
(1) 特開平８−１０７６６５号公報に開示されたものは、集中巻のコイルを重ねず配置する簡単な構造である長所を有するものの、そのコイルの空心部分は巻線が全く配置されないために、巻線の占積率が低くモータ定数が小さかった。つまり所定の推力を発生させるのに発熱が大きいという問題があった。
(2) また、特開平８−２１４５２９号公報、特開平１０−２３７３５号公報に開示されたものは、コイルの空心部分も他相のコイルの巻線が配置されるためにモータ定数が大きくなるものの、コイルエンド部分が他相のコイルと干渉するために、コイル両側が大きく膨らむという問題があった。つまり、３相のモータの場合には、３つのコイルエンドが重なり、かつ、相間の絶縁を取るための絶縁シート等が介在されるため、大きく膨らんでしまうという問題である。さらに、コイル間の結線作業も大変面倒なものとなっていた。
本発明は、このような問題を解消するためになされたもので、コイルエンド部分の重なりが小さく小形で、かつコイル間の結線作業も容易に行なうことができるギャップワインディング方式の永久磁石形同期電動機を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明は、複数Ｎ個の集中巻にしたコイルからなる電機子巻線の少なくとも片方の面を、界磁とした複数個の永久磁石と空隙を介して対向させて配置した毎極毎相のコイル数ｑが２／５、１／２、４／７、３／５、３／４、４／５、２／３の永久磁石形同期電動機において、
前記電機子巻線は、前記集中巻にしたコイルのうち、極ピッチをλとして、コイルピッチ
τ＝２λ／３ｑ
おきに重ならないようにＮ／２個並べた第１層コイルと、同じくコイルピッチτおきに重ならないようにＮ／２個並べた第２層コイルを持ち、
前記第１層コイルと前記第２層コイルの空心部分の幅β×τが、
τ／２≦β・τ＜τ
の関係にあり、前記第１層コイルの空心部分に前記第２層コイルの巻線部分が入り込むように配置し、前記第１層コイルのコイルエンドもしくは前記第２層コイルのコイルエンド、もしくは前記第１層コイルと第２層コイルの両方のコイルエンドを曲げて構成するようにしたものである。
また、前記第１層コイルのコイルエンドと前記第２層コイルのコイルエンドの隙間に、前記電機子巻線の結線を行うためのパターンを施した絶縁シートを挿入するようにしたものである。
さらには、前記電機子巻線を、非磁性材のプレート板の両側に配置して構成したり、前記永久磁石を前記電機子巻線と同じ幅とし、前記永久磁石を幅方向に複数個に分割するとともに、前記第１層コイルもしくは第２層コイルの幅方向の形状に沿って、ほぼ同一のギャップ長となるように段差を設けて配置して構成したものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
［第１の実施例］
図１は本発明の第１の実施例を示すリニアモータの正断面図、図２はリニアモータの進行方向の構成を示すもので、（ａ）は電機子巻線を示す平面図、（ｂ）は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は結線兼用の絶縁シートを示す平面図、図４は結線部分の拡大図である。なお、この第１の実施例では、３相で毎極毎相のコイル数ｑが１／２の可動コイル形リニアモータに本発明を適用した例を示している。
固定子１は、２つの固定子１Ａと固定子１Ｂから構成され、それぞれ界磁とした永久磁石２Ａ、２Ｂとそれを貼り付けたバックヨーク３Ａ、３Ｂから構成されている。永久磁石２Ａ、２Ｂは、固定子１Ａ、１Ｂ間に挟み込まれるように配置された可動子４の進行方向に隣接する永久磁石２Ａ、２Ｂと異極になるように並べて配置され、また、対向する永久磁石２Ａ、２Ｂの極性も異極となるように配置されている。
前記可動子４は、電機子巻線５とそれを固定する図示しないフレーム、ガイドにより構成され、固定子１Ａと固定子１Ｂ間を進行方向に移動自在としている。前記電機子巻線５は大きく分けて第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂから構成されている。第１層コイル５Ａは３相分の集中巻したコイルであるＵ1 、Ｖ1 、Ｗ1 の３つから成り、第２層コイル５Ｂも同じく３相分の集中巻したコイルであるＵ2 、Ｖ2 、Ｗ2 の３つから成る。第１層コイル５Ａは、図２において上からＵ1 、Ｗ1 、Ｖ1 の順に配置され、第２層コイル５Ｂは、Ｖ2 、Ｕ2 、Ｗ2 の順に配置されている。これらのコイルピッチτは、極ピッチをλとしたとき、
τ＝２λ／３ｑ＝２λ／（３×１／２）＝４λ／３
となっている。
また、第１層コイル５Ａもしくは第２層コイル５Ｂの空心部分の幅β×τは、コイル相間の絶縁シート分の厚さをεとしたとき、
β・τ＝τ／２＋３・ε
となっている。
このように構成された第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂは、各々が重ならないように並べたギャップワインディング方式の同期電動機の電機子巻線を構成している。
本発明の特徴とする構造は、さらに第１層コイル５Ａの空心部分に丁度第２層コイル５Ｂの巻線部分が来るように同一面状に配置することである。この際に、第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂのコイルエンド部分が重なるが、それらを互いに上下方向に曲げている。また、第１層コイル５Ａと、第２層コイル５Ｂの両側の上下コイルエンド間には、他相のコイルとの絶縁をとるための結線兼用絶縁シート６が挿入されている。
このように構成された電機子巻線５は、従来の毎極毎相のコイル数がｑ＝１／２のギャップワインディング方式の同期電動機の巻線配置と同じであるにも関わらず、コイルエンドが３つではなく２つしか重ならないように構成されている。つまり、コイルエンド部分が大きく膨らむことがなく、より扁平なリニアモータを構成している。また、空心部分にも巻線が配置されるために巻線の占積率が高く、大きなモータ定数を得ることができる。
次に電機子巻線５の結線方法について説明する。
図３は、第１層コイル５Ａを取り除いたときの上からの結線兼用絶縁シート６と第２層コイル５Ｂの配置を示している。
第１層コイル５Ａや第２層コイル５Ｂの巻き始めである巻始コイル端Ｓは、その空心部分に位置し、巻き終わりである巻終コイル端Ｅはコイル外周に位置する。そのため、それらを同相のコイル同士で結線する必要がある。また、２段になったコイルエンド部分はその間で絶縁をとる必要がある。そこで、１枚ものの結線兼用の絶縁シート６を上下のコイルエンド間に挿入し、結線と絶縁の作業を一度に行っている。結線兼用の絶縁シート６としては、例えばポリイミドフィルム等に銅箔がパターン化されたフレキシブルプリント基板等を用いている。コイル間の結線は、銅箔のパターンである巻始端子７、渡り線８、巻終端子９、およびスルーホール１０によって行っている。また、巻始端子７および巻終端子９は、表面をメッキ処理し、それ以外の渡り線部分はポリイミドによりコーティングしている。
ここで、図４に基づいて、Ｗ相の電機子巻線を例にとって結線方法について説明する。
まず、Ｗ相端子１１を結線兼用絶縁シート６の表側にあるＷ1 コイルの巻終コイル端１２に結線し、Ｗ1 コイルの巻始コイル端１３を巻始端子７に結線する。前記巻始端子７は、渡り線８、図示しないスルーホールを通って結線兼用の絶縁シート６の裏側にある図示しない端子に接続される。次に、前記巻終端子９を、結線兼用の絶縁シート６の裏側にある図示しないＷ2 コイルの巻終コイル端に結線するとともに、Ｗ2 コイルの巻始コイル端を巻始端子に結線する。そして、巻始端子からスルーホールを通って、図３に示すように、結線兼用の絶縁シート６の表側にある渡り線を通って中性点であるＮ端子１４に接続する。Ｕ、Ｖ相についても同様に、Ｕ相端子１５からＮ端子１４、Ｖ相端子１６からＮ端子１４まで結線する。
［第２の実施例］
次に第２の実施例について説明する。図５は第２の実施例を示すリニアモータの断面図である。
第２の実施例の基本構造は、第１の実施例と同じであるが、電機子巻線の配置の仕方が異なっている。
この第２の実施例では、同一面状に配置した第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂの電機子巻線を、非磁性のプレート板であるプリント基板１７上に配置し、その裏側にも同じように構成した電機子巻線を配置している。この際、第１層コイル５Ａのコイルエンド部のみを曲げている。また、このプリント基板１７には、上下の電機子巻線５の結線および第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂの結線を行うためのパターンが施されている。
この第２の実施例は、第１の実施例に対して電機子部分の強固をはかったものであり、より剛性を向上させ、高加減速に向いた可動子形状としたものである。
［第３の実施例］
次に第３の実施例について説明する。図６は第３の実施例を示すリニアモータの断面図である。第３の実施例の基本構造は、第１の実施例と同じであるが、極ピッチに対するモータ幅が小さい場合の形状に有利となる構造とした点が異なっている。
極ピッチに対するモータ幅が小さい場合には、モータ幅に対するコイルエンド部分の占める割合が大きくなる。つまり、モータ幅に対する磁石幅が小さくなるために、モータの体格の割に推力が低下してしまう。そこで、第３の実施例では、電機子巻線５の幅と同じ幅となるように永久磁石２Ａ、２Ｂの幅も拡げ、さらに、この永久磁石２Ａ、２Ｂを幅方向に分割している。図６においては、第１層コイル５Ａおよび第２層コイル５Ｂのそれぞれの片側のコイルエンドの幅がコイル全体の幅に対し１／４となっているため、４個の永久磁石２Ａ、２Ｂを配置している。そして、コイルエンドに対向する永久磁石２Ａ、２Ｂは、第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂの直線部分が対向している内側の永久磁石２Ａ、２Ｂに対し、段差を設けて配置している。つまり、永久磁石２Ａ、２Ｂと電機子巻線５間のギャップが一定となるように永久磁石２Ａ、２Ｂを配置している。このような構成にすることによって、コイルエンド部分も少しは推力を発生することができ、モータ幅が小さくても推力の大きい永久磁石同期電動機を得ることができる。
［第４の実施例］
次に第４の実施例について説明する。図７は第４の実施例を示す回転形の同期電動機の正断面図、図８は側断面図である。この第４の実施例は、３相で毎極毎相のコイル数ｑが１／２の回転形の同期電動機に本発明を適用した例を示している。
回転子１８は、シャフト１９の外径に位置する回転子ヨーク２０上に８個の界磁とした永久磁石２Ｃを貼り付けて構成している。
固定子２１は、円筒状の電機子コア２２と、その内周に配置した電機子巻線５とで構成している。電機子巻線５は、第１の実施例と同様に、大きく分けて第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂから構成されている。第１の実施例では全部で６個のコイルとしていたが、第４の実施例では８極で構成されているために、コイルの数は全部で１２個となっている。これらのコイルは、第１の実施例と同様に構成され、それを円形状に成形している。また、第１層コイル５Ａは、コイルエンド部分を折り曲げず、第２層コイル５Ｂのみを電機子コア２２側に曲げている。
この第４の実施例からもわかるように、本発明は、回転形の永久磁石同期電動機においても容易に適用できるものである。
このように、本発明のギャップワインディング方式の永久磁石形同期電動機は、毎極毎相のコイル数ｑが１／２の場合、第１層コイル５Ａまたは第２層コイル５Ｂのみで毎極毎相のコイル数ｑ' が１／４のモータとして成り立っている。したがって、毎極毎相のコイルｑ' で構成した第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂを組み合わせることによって他の極数とコイル数を選ぶことができる。また、非重ね集中巻きのギャップワインディング方式の永久磁石形同期電動機で十分な推力、トルクを発生するものは、ｑ' ＝２／１０、ｑ' ＝２／７、ｑ' ＝３／１０、ｑ' ＝３／８、ｑ' ＝２／５、ｑ' ＝１／３である。よって、永久磁石形同期電動機は毎極毎相のコイル数であるｑ＝２／５、ｑ＝１／２、ｑ＝４／７、ｑ＝３／５、ｑ＝３／４、ｑ＝４／５、ｑ＝２／３を採用すればよいということになる。
なお、前記各実施例においては、界磁側を固定子として構成しているが、電機子巻線側を固定子として構成するようにしてもよい。また、電機子巻線を２つの固定子で挟む構成でなくとも、電機子巻線の片方の面のみ固定子に対向させる構成としてもよい。さらに、電機子巻線のコイルエンドは、第１層コイルもしくは第２層コイルのいずれか一方を曲げるようにしても、あるいは両方を曲げるようにしてもいずれでもよい。
【０００６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば次のような効果がある。
(1) 従来技術のようにコイルエンド部分が３個も重ならず、第１層コイル５Ａと第２層コイル５のコイルエンド２個だけであり、かつ、その重なった部分は単に第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂのコイルエンドを上下に曲げるだけでよいので、従来技術に比べより扁平な永久磁石形同期電動機を提供することができる。
(2) さらに、コイルエンド部の絶縁も、第１層コイル５Ａと第２層コイル５Ｂのコイルエンド間に１枚の絶縁シートを挿入するだけでよく、かつ、その絶縁シートをフレキシブルプリント基板等によって結線も兼ねてコイル間の結線を行うことにより、結線作業と絶縁作業の無駄を省いた安価なものが提供できる。
(3) さらには、極ピッチに対するモータ幅が小さいような永久磁石同期電動機においても、永久磁石を分割し、コイルエンド部分も力を発生することにより、推力またはトルクを十分に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例における可動コイル形リニアモータを示す正断面図。
【図２】 本発明の第１の実施例におけるリニアモータの進行方向の構成を示すもので、（ａ）は電機子巻線を示す平面図、（ｂ）は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】 本発明の第１の実施例における結線兼用絶縁シートを示す平面図。
【図４】 本発明の第１の実施例における結線方法を示す拡大図。
【図５】 本発明の第２の実施例における可動コイル形リニアモータを示す正断面図。
【図６】 本発明の第３の実施例における可動コイル形リニアモータを示す正断面図。
【図７】本発明の第４の実施例における回転モータを示す正面断面図。
【図８】本発明の第４の実施例における回転モータを示す側断面図。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ 固定子、
２Ａ、２Ｂ 永久磁石、
３Ａ、３Ｂ バックヨーク、
４ 可動子、
５ 電機子巻線、
５Ａ 第１層コイル、
５Ｂ 第２層コイル、
６ 結線兼用絶縁シート、
７ 巻始端子７Ａ、
８ 渡り線、
９ 巻終端子、
１０ スルーホール、
１１ Ｗ相端子、
１２ Ｗ1 コイルの巻終コイル端、
１３ Ｗ1 コイルの巻始コイル端、
１４ Ｎ端子、
１５ Ｕ相端子、
１６ Ｖ相端子、
１７ プリント基板
１８ 回転子、
１９ シャフト、
２０ 回転子ヨーク、
２１ 固定子、
２２ 電機子コア

Claims (4)

1. 複数Ｎ個の集中巻にしたコイルからなる電機子巻線の少なくとも片方の面を、界磁とした複数個の永久磁石と空隙を介して対向させて配置した毎極毎相のコイル数ｑが２／５、１／２、４／７、３／５、３／４、４／５、２／３の永久磁石形同期電動機において、
   前記電機子巻線は、前記集中巻にしたコイルのうち、極ピッチをλとして、コイルピッチ
   τ＝２λ／３ｑ
   おきに重ならないようにＮ／２個並べた第１層コイルと、同じくコイルピッチτおきに重ならないようにＮ／２個並べた第２層コイルからなり、
   前記第１層コイルと前記第２層コイルの空心部分の幅β×τが、
   τ／２≦β・τ＜τ
   の関係にあり、前記第１層コイルの空心部分に前記第２層コイルの巻線部分が入り込むように配置し、少なくとも前記第１層コイルのコイルエンド、もしくは前記第２層コイルのコイルエンドの一方を曲げたことを特徴とする永久磁石形同期電動機。
2. 前記第１層コイルのコイルエンドと前記第２層コイルのコイルエンドの隙間に、絶縁シートを挿入し、かつ、前記絶縁シートは前記電機子巻線の結線を行うためのパターンが施されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形同期電動機。
3. 前記電機子巻線を非磁性材のプレート板の両側に配置して構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石形同期電動機。
4. 前記永久磁石を前記電機子巻線と同じ幅とし、前記永久磁石を幅方向に複数個に分割するとともに、前記第１層コイルもしくは第２層コイルの幅方向の形状に沿ってほぼ同一のギャップ長となるように段差を設けて配置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの項に記載の永久磁石形同期電動機。

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