JP4160358B2

JP4160358B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4160358B2
Application number: JP2002309599A
Authority: JP
Inventors: 武治石川
Original assignee: Natsume Optical Corp
Current assignee: Natsume Optical Corp
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP2004147425A

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、例えばステッピングモータやサーボモータなどに代表されるブラシレスモータや発電機に応用可能な回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータに代表されるブラシレスモータにおいては、ステータとロータとが同軸状に配置され、ロータとして回転軸にロータマグネットを備え、ステータとしてハウジング側に固定されたステータコア（積層コア）に電機子巻線が巻き回されたものが用いられている。一般に交流電源を全波整流して得られた直流電源よりインバータ回路を通じて所望の周波数を有するパルス電圧を生成して印加することにより、入力パルス電圧に比例した回転角だけマグネットロータが回転するようになっている。
【０００３】
また、ロータ側にマグネットを使用せず磁性体のみで構成した電動機として、自己起動型の同期電動機が提案されている（例えば特許文献１参照）。この電動機は、固定子側には９０度ずつ位相をずらせて軸心方向へ突設されたＥ型磁気ヨークが４箇所に配置されている。各磁気ヨークの中心脚部に励磁巻線が巻き回され、脚部内端側に一対の磁性体吸引用基体が接合されている。磁性体吸引用基体は硬磁性体の両側に軟磁性体を結合されたハイブリッド構造をしており、軟磁性体の脚部端面との接合面との反対側面（内面側）を磁束作用面に形成されている。また、回転子は筒状磁性体よりなり、周面部に複数の歯型状の磁極が形成されている。固定子側の磁性体吸引用基体は、磁気ヨークの励磁巻線に順次通電して、軟磁性体の磁束作用面による回転子の磁極のうち接近するものを吸引することにより回転子を回転駆動するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５８２２１号公報（図１参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記自己起動型の同期電動機においては、磁気ヨークにおいて電磁石で発生した磁束と磁性体吸引用基体で発生した磁束を重畳して磁束作用面より回転子の接近する磁極（歯型）に作用するようになっている。
しかしながら、回転子の歯型状磁極の磁束作用面及び磁気ヨークの磁束作用面の面積が小さい（特に棒状永久磁石の軟磁性体部分のみを利用している）ため、電磁石との相互作用により磁束作用面から発生する磁束が飽和し易く、磁極数が増えるほど或いは回転子が大型化すると吸引作用のみによる大幅な回転トルク性能や回転速度の向上は望めない。また、Ｅ型磁気ヨークの中央磁脚部に励磁コイルを巻き付け、脚部内端側に磁性体吸引用基体を設ける構成であるため、回転子径に比べて固定子側の外径が大径化し易く、Ｅ型磁気ヨークを非磁性体円筒内で設置数を増やすにはスペースに限界があり、回転子の回転位置に応じた高精細な通電制御がし難い。また、Ｅ型磁気ヨークを非磁性体円筒内に周方向にバランス良く配置固定するのが難しいという課題があり、磁気ヨークの磁極端（先端）に接合されるハイブリッド構造の磁石は均一な磁性材料よりなる通常の永久磁石より高価であり、製造コストも嵩む。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、簡易な構成で回転トルクを向上させ、回転効率が良くエネルギーロスの少ない回転電機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
即ち、回転軸と同軸状に嵌め込まれた筒状の磁性体の外周に非磁性部を介して等間隔で固定され、径方向にＮ極及びＳ極に着磁された可動側永久磁石を有するロータと、前記ロータを囲繞して設けられた筒状のステータコアの内璧側に軸芯方向に突設された突極部が周方向に等間隔で形成され、各突極部間に周方向にＮ極及びＳ極に着磁された固定側永久磁石が同極側を各突極部に向けて設けられ、前記各突極部に巻き回された励磁コイルへの通電により各突極部の先端面に形成される磁束作用面よりロータ側に作用する磁束を発生させる電磁石を備えたステータと、を具備し、前記ステータコアの各突極部に巻き回された励磁コイルは、通電により突極部先端側に発生する磁極が隣接する固定側永久磁石の磁極と同極となるように巻き回されており、ステータ磁極は、選択された電磁石への通電により当該電磁石から発生した磁束に両側で隣接する固定側永久磁石の磁極から発生した磁束を重畳して突極部の磁束作用面よりロータ側に作用させ、同極のロータ磁極との反発及び異極のロータ磁極との吸引によりロータが回転駆動され、前記電磁石の励磁コイルへ通電されない間は、固定側永久磁石の両側磁極から発生した磁束は、隣接する突極部を含むステータコアを通じて磁気閉回路が各々形成されることを特徴とする。
具体的には、ロータ磁極が対向するステータ磁極と同極となる位置の電磁石の励磁コイルを選択して同時に通電する際にロータ磁極が反発し、異極となる隣りのステータ磁極にロータ磁極が吸引される通電パターンを繰り返すことにより、前記ロータが回転方向に付勢されて回転駆動されることを特徴とする。
また、他の構成としては、回転軸に交差して設けられた円板状の非磁性体の周縁部に軸方向にＮ極及びＳ極に着磁された可動側永久磁石が周方向に等間隔で配設されたロータと、軸方向断面がコ字状のステータコアが両側脚部を軸芯方向に向け前記ロータを囲繞して周方向に等間隔で配設され、各ステータコアの胴部に励磁コイルが巻き回されてなる電磁石と、各ステータコアの両側脚部の外側に各々設けられた軸方向にＮ極及びＳ極に着磁された固定側永久磁石と、該固定側永久磁石の外側に各々一体に重ね合わせられたリング状のヨークと、を備えたステータと、を具備し、前記ステータコアの胴部に巻き回された励磁コイルは通電により当該ステータコアの両側脚部に形成される磁極と両側で隣接する固定側永久磁石の磁極と同極となるように巻き回されており、ステータ磁極は、選択された電磁石への通電により当該電磁石から発生した磁束に隣接する固定側永久磁石の磁極から発生した磁束を重畳して両側脚部の内側対向面に形成される磁束作用面より作用させ、同極のロータ磁極との反発及び異極のロータ磁極との吸引によりロータが回転駆動されることを特徴とする。
具体的には、ロータ磁極が対向するステータ磁極と同極となる位置の電磁石の励磁コイルを選択して同時に通電する際にロータ磁極が反発し、異極となる隣りのステータ磁極にロータ磁極が吸引される通電パターンを繰り返すことにより、前記ロータが回転方向に付勢されて回転駆動されることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。本発明に係る回転電機の実施の形態としては、主としてブラシレスモータ、例えばステッピングモータに応用可能なインナーロータ型の回転電機について説明する。
[第１実施例]
図１は回転電機の模式平面図、図２はロータの斜視説明図、図３は図１の回転電機の部分拡大平面図、図４（ａ）〜（ｅ）は回転電機の動作原理を示す説明図、図５はロータが１回転する間のステータの励磁コイルへの通電パターンを例示するタイミングチャート、図６は図５の通電切換えが行われる際のロータ回転位置を示す説明図である。
【０００９】
先ず、回転電機の概略構成について図１〜図３を参照して説明する。
図１において、１はロータである。ロータ１は、回転軸２の外側に筒状の非磁性体３及び磁性体４が同心状に嵌め込まれている。磁性体４の外周には非磁性部３ａを介して可動側永久磁石５が等間隔で固定されている。可動側永久磁石５は、周方向に所定角度ずつ位相がずれた位置に配設されており、本実施例では９０度ずつ位相が異なる位置に４極分設けられている。可動側永久磁石５は径方向にＮ極及びＳ極に着磁されており、磁束作用面（外周面）がＮ極とＳ極とが交互になるように配置されている。可動側永久磁石５としてはネオジウム系磁石やサマリウム系磁石などの希土類磁石が好適に用いられる。
【００１０】
図１において、６はステータである。ステータ６は、筒状のステータコア７を備えている。ステータコア７は、ケイ素鋼鈑などの金属磁性板が内側に突起部を有するリング状に打ち抜かれたものを複数積層プレスして一体にかしめられた積層コアが用いられる。ステータコア７は内周側に軸心方向に向かって突極部８が突設されている。突極部８は、周方向に等間隔（３０度間隔）で設けられており、本実施例では１２極分突設されている。各突極部８の両側には、周方向にＮ極・Ｓ極に着磁された固定側永久磁石９が吸着固定されている。ロータ１とステータ６との磁極数の比は１対３に構成されている。固定側磁石９と隣接する各突極部８の両側面はハの字状に傾斜面１０に形成されている。これにより、固定側永久磁石９より発生したより多くの磁束が突極部８を通過して磁束作用面（先端面）１１よりロータ１へ作用させることができる。固定側永久磁石９としてはネオジウム系磁石やサマリウム系磁石などの希土類磁石が好適に用いられる。
【００１１】
また、図１において、各突極部８の胴部には励磁コイル１２が巻き回され、電磁石１３が形成される。各電磁石１３は、励磁コイル１２へ通電することにより各突極部８の磁束作用面１１よりロータ１側に作用する磁束を発生させる。各励磁コイル１２は、通電により突極部８に発生する磁極が隣接する固定側永久磁石９の磁極と同極となるように巻き回されている。これにより、図３において、ステータコア７の選択された電磁石１３への通電により当該電磁石１３から発生した磁束に両側で隣接する固定側永久磁石９の磁極から発生した磁束を重畳して突極部８の磁束作用面１１より作用させ、同極のロータ磁極との反発及び異極のロータ磁極との吸引によりロータ１が回転駆動される。
ステータ６の電磁石１３に通電されない状態では、ロータ１は磁気抵抗が最も少ない位置、即ち各ロータ磁極と突極部とが対向した位置で静止している（図１参照）。よって、ロータ磁極が対向するステータ磁極と同極となる位置の電磁石の励磁コイル１２（本実施例では９０度ずつ位相がずれた励磁コイル１２）を選択して同時に通電する際にロータ磁極が反発し、異極となる隣りのステータ磁極にロータ磁極が吸引される通電パターンを繰り返すことにより、ロータ１が回転方向に付勢されて回転駆動される
【００１２】
図２において、ロータ１の可動側永久磁石５は、磁性体４の外周に４箇所に吸着固定されている。可動側永久磁石５は外周側コーナー部が面取りされており、該面取り部５ａが非磁性部３ａのテーパー状のガイド面３ｂに当接することにより径方向外側への脱落や位置ずれを抑えている。非磁性部３ａは、筒状の磁性体４に対して非磁性ブロック片が例えばビス１４により固定されている。非磁性ブロック片は、ビス１４の替わりに嵌合若しくは接着など他の方法で固定されていても良い。
【００１３】
ここで、上述した回転電機の動作原理について、図４（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。図４（ａ）において、平行に配置された棒状の鉄片１５の間にＮＳに着磁された棒磁石１６を介在させて、両側鉄片１５が吸着されてコ字状の第１の磁石１７が形成されている。この第１の磁石１７の両側鉄片１５の長手方向の端面に磁性体１８（鉄板など）を近づけると吸着される。このとき、第１の磁石１７及び磁性体１８には図の破線矢印Ａに示す磁路が形成されている。第１の磁石１７に磁性体１８が吸着されると、棒磁石１６から発生した磁束が漏れなく矩形状に閉じた磁気閉回路が形成される。
【００１４】
次に、図４（ｂ）において、対向する磁極がＮＳに着磁された馬蹄形磁石１９を第１の磁石１７の鉄片１５の外側より吸着させて第２の磁石２０が形成されている。この第２の磁石２０は、棒磁石１６と馬蹄形磁石１９の磁極が鉄片１５の両側より同極側が向かい合うようにして吸着されている。この第２の磁石２０の両側鉄片１５の長手方向端面に磁極が形成されて、磁性体１８（鉄板など）を近づけると吸着される。このとき、第２の磁石２０及び磁性体１８には棒磁石１６より発生した破線矢印Ａに示す磁路の他に馬蹄形磁石１９より発生した破線矢印Ｂに示す磁路が形成されている。棒磁石１６と馬蹄形磁石１９の磁極は同極どうしが対向配置されているので、鉄片１５及び磁性体１８内を同じ向きに通過する磁束が形成される。第２の磁石２０に磁性体１８が吸着されると、棒磁石１６及び馬蹄形磁石１９から発生した磁束が漏れなく閉じた磁気閉回路が形成される。したがって、磁性体１８を通過する磁束密度が増える分、第１の磁石１７に比べて、強固に磁性体１８を吸着することができる。
【００１５】
図４（ｃ）において、第２の磁石２０のうち棒磁石１６を棒状鉄片１５に置き換えると、実線矢印Ｃに示す磁路が形成されて、馬蹄形磁石１９の対向する磁極より発生した磁束は、鉄片１５のブロックを直線的に通過して磁気閉回路が形成される。このため、第２の磁石２０の両側鉄片１５の長手方向端面に、磁性体１８（鉄板など）を近づけても、両側鉄片１５の長手方向には磁路が形成されないので、磁性体１８は吸着されない。
このように、鉄片１５間に棒磁石１６を介在させた場合と、鉄片１５を介在させた場合とで使い分けることにより、鉄片１５の長手方向端面において磁界を発生させたり発生させなくして、磁性体１８の吸着／吸着解除の制御が行える。
【００１６】
そこで、図４（ｄ）において、第２の磁石２０の構成において、棒磁石１６に替えて電磁石２１を設けることにより、図４（ｂ）（ｃ）の機能を併せ持つ第３の磁石２２が形成できる。即ち、コ字状のヨーク（継鉄）２３の胴部２３ｂに励磁コイル２４を巻き回し、両側脚部２３ａの外側より馬蹄形磁石１９を吸着させたものである。この励磁コイル２４は通電により対向する馬蹄継磁石１９の磁極と同極となるようにヨーク２３に巻き回されている。
【００１７】
よって、第３の磁石２２において、励磁コイル２４に通電すると、図４（ｂ）と同様の磁界が発生して、ヨーク２３の両側脚部２３ａの長手方向に同じ向きで電磁石２１及び馬蹄形磁石１９より発生した磁束による磁路Ａ、Ｂが形成され、ヨーク２３の磁極である両側脚部２３ａの長手方向の端面に磁性体１８を強固な吸引力で吸着することができる。また、励磁コイル２４へ通電しないときには、図４（ｃ）と同様の磁界が発生して、馬蹄形磁石１９より発生した磁束はヨーク２３の胴部２３ｂを直線的に通過して磁気閉回路が形成される。このため、ヨーク２３の両側脚部２３ａの長手方向端面に磁性体１８（鉄板など）を近づけても吸着されない。
【００１８】
本実施例のステータ６は、図４（ｄ）に示す第３の磁石２２の構成を応用したものである。即ち、図３において、ヨーク２３に相当するステータコア７には、軸心方向に突設された突極部８が周方向に等間隔で設けられている。各突極部８には励磁コイル１２が巻き回されて電磁石１３が形成されている。また馬蹄形磁石１９の替わりに突極部８の先端両側に固定側永久磁石９を固着して設けられている。固定側永久磁石９の磁極は、電磁石１３の励磁コイル１２への通電により突極部８に生ずる磁極と同極の磁極（例えば、ステータ磁極Ｐ１の場合にはＮ極、ステータ磁極Ｐ１´の場合にはＳ極）が突極部８に臨むように設けられている。
【００１９】
ステータコア７のステータ磁極Ｐ１、Ｐ１´、Ｐ２に形成される磁気回路について説明する。ステータ磁極Ｐ１、Ｐ１´Ｐ２に設けられた各電磁石８の励磁コイル１２へ通電されない間は、突極部８間の各固定側永久磁石９のＮＳ磁極から発生した磁束は隣接する突極部８を含むステータコア７を通じて図３の破線矢印Ｌ１、Ｌ１´、Ｌ６´のように互いに異なる向きに磁気閉回路が形成される。このとき、ステータ６側からロータ１へ磁束が漏れることはない。
【００２０】
ステータ磁極Ｐ１の励磁コイル１２のみに通電すると、破線矢印Ｌ１、Ｌ６´の磁気回路は崩れて、電磁石１３により突極部８の先端側がＮ極に磁化され、該電磁石１３より発生した磁束（矢印Ｅ）と、両側の固定側永久磁石９の磁極（Ｎ極）より発生した磁束（矢印Ｍ）とを重畳させて突極部８の磁束作用面（先端面）１１よりロータ１側に作用させるようになっている。尚、ステータ磁極Ｐ１は突極部８の後端側がＳ極に磁化されるので、Ｓ極側にはステータコア７の円弧部を通じて磁気閉回路Ｌ１´Ｌ６（図１参照）からの磁束も収束させることができる。これにより、ステータ磁極Ｐ１に対向する同極（Ｎ極）のロータ磁極Ｒ１が反発し、隣りの異極（Ｓ極）に磁化されたステータ磁極Ｐ２´（図１参照）に吸引されることにより、図３の矢印方向に強力な回転トルクが発生する。
【００２１】
次に、回転電機のロータ１が１回転する間のステータ６の励磁コイルへの通電パターンの一例について、図５に示すタイミングチャートに基づいて、図６のロータの回転位置を参照しながら説明する。図５において、上段側がステータ磁極を示し、下段側がロータ磁極を示す。また、ロータ１の回転方向は、図６の矢印方向（時計回り方向）に回転するようになっているものとし、上段側のステータ磁極をＰ１、Ｐ１´〜Ｐ６、Ｐ６´とし、下段側のロータ磁極をＲ１〜Ｒ４として説明する。尚、図６のステータコア７に記載された矢印はステータコア７に発生する磁束の向きを示す。
【００２２】
先ず、図６（ａ）において、ロータ磁極Ｒ１がステータ磁極Ｐ１、Ｐ１´に対向した位置にあるとき、図５（ａ）においてステータ磁極Ｐ１、Ｐ２´、Ｐ４、Ｐ５´に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ４は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ１、Ｒ２とＰ２´、Ｒ３とＰ４、Ｒ４とＰ５´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ１がＰ２´に、Ｒ２がＰ４に、Ｒ３がＰ５´に、Ｒ４がＰ１に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ１´とＰ２、Ｐ３とＰ３´、Ｐ４´とＰ５、Ｐ６とＰ６´）には、図６（ａ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００２３】
そして、ロータ１は６０度時計回り方向へ回転して図６（ｂ）の位置まで回転する。ここで、図５（ｂ）においてステータ磁極Ｐ２、Ｐ３´、Ｐ５、Ｐ６´に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ４は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ２、Ｒ２とＰ３´、Ｒ３とＰ４、Ｒ４とＰ５´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ１がＰ３´に、Ｒ２がＰ５に、Ｒ３がＰ６´に、Ｒ４がＰ２に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ１とＰ１´、Ｐ２´とＰ３、とＰ４とＰ４´、Ｐ５´とＰ６）には、図６（ｂ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００２４】
そして、ロータ１は更に６０度時計回り方向へ回転して図６（ｃ）の位置まで回転する。ここで、図５（ｃ）においてステータ磁極Ｐ１´、Ｐ３、Ｐ４´、Ｐ６に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ４は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ３、Ｒ２とＰ４´、Ｒ３とＰ６、Ｒ４とＰ１´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ１がＰ４´に、Ｒ２がＰ６に、Ｒ３がＰ１´に、Ｒ４がＰ３に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ２とＰ２´、Ｐ３´とＰ４、とＰ５とＰ５´、Ｐ６´とＰ１）には、図６（ｃ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００２５】
そして、ロータ１は更に６０度時計回り方向へ回転して図６（ｄ）の位置まで回転する。ここで、図５（ｄ）においてステータ磁極Ｐ１、Ｐ２´、Ｐ４、Ｐ５´に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ４は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ４、Ｒ２とＰ５´、Ｒ３とＰ１、Ｒ４とＰ２´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ１がＰ５´に、Ｒ２がＰ６´に、Ｒ３がＰ２´に、Ｒ４がＰ４に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ１´とＰ２、Ｐ３とＰ３´、Ｐ４´とＰ５、Ｐ６とＰ６´）には、図６（ｄ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００２６】
そして、ロータ１は更に６０度時計回り方向へ回転して図６（ｅ）の位置まで回転する。ここで、図５（ｅ）においてステータ磁極Ｐ２、Ｐ３´、Ｐ５、Ｐ６´に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ４は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ５、Ｒ２とＰ６´、Ｒ３とＰ２、Ｒ４とＰ３´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ１がＰ６´に、Ｒ２がＰ２に、Ｒ３がＰ３´に、Ｒ４がＰ５に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ１とＰ１´、Ｐ２´とＰ３、Ｐ４とＰ４´、Ｐ５´とＰ６）には、図６（ｅ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００２７】
そして、ロータ１は更に６０度時計回り方向へ回転して図６（ｆ）の位置まで回転する。ここで、図５（ｆ）においてステータ磁極Ｐ１´、Ｐ３、Ｐ４´、Ｐ６に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ４は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ６、Ｒ２とＰ１´、Ｒ３とＰ３、Ｒ４とＰ４´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ１がＰ１´に、Ｒ２がＰ３に、Ｒ３がＰ４´に、Ｒ４がＰ６に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ２とＰ２´、Ｐ３´とＰ４、Ｐ５とＰ５´、Ｐ６´とＰ１）には、図６（ｆ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００２８】
更に６０度回転すると図６（ａ）の位置に戻りロータ１が１回転する。以降は上述したステータ６の励磁コイル１２への通電パターンが繰り返し行われる。尚、ステータ６の各励磁コイル１２への通電制御は、ロータ１の回転位置をホール素子などの磁気センサーや、ロータリーエンコーダを用いた回転位置検出に基づいて図示しない制御部により行なわれる。
【００２９】
［第２実施例］
次にロータ１及びステータ６の磁極数を変更した他例について図７〜図９を参照して説明する。第１実施例と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。図７は回転電機の模式平面図、図８はロータが１／２回転する間のステータコイルへの通電パターンを例示するタイミングチャート、図９は図８の通電切換えが行われる際のロータの回転位置を示す説明図である。
【００３０】
図７において、本実施例は、ロータ１とステータ６との磁極数の比が１対２に形成された場合を例示している。ロータ１は、可動側永久磁石５は、４５度ずつ位相がずれた位置にＲ１〜Ｒ８まで８極分設けられている。可動側永久磁石５は径方向にＮ極及びＳ極に着磁されており、磁束作用面（外周面）がＮ極とＳ極とが交互になるように配置されている。また、ステータ６の突極部８は、周方向に等間隔（２２．５度間隔）で設けられており、本実施例ではステータ磁極Ｐ１、Ｐ１´〜Ｐ８、Ｐ８´まで１６極分突設されている。各突極部８の両側には、周方向にＮ極・Ｓ極に着磁された固定側永久磁石９が固着されている。
【００３１】
次に、回転電機のロータ１が１／２回転する間のステータ６の励磁コイルへの通電パターンの一例について、図８に示すタイミングチャートに基づいて、図９のロータ１の回転位置を参照しながら説明する。図８において、上段側がステータ磁極を示し、下段側がロータ磁極を示す。また、ロータ１の回転方向は、図９の矢印方向（時計回り方向）に回転するようになっているものとし、上段側のステータ磁極をＰ１、Ｐ１´〜Ｐ８、Ｐ８´とし、下段側のロータ磁極をＲ１〜Ｒ８として説明する。尚、図９のステータコア７に記載された矢印はステータコア７に発生する磁束の向きを示す。
【００３２】
先ず、図９（ａ）において、ステータ６の電磁石１３に通電されない状態では、ロータ１は磁気抵抗が最も少ない位置、即ち各ロータ磁極と突極部とが対向した位置で静止している。ロータ磁極Ｒ１がステータ磁極Ｐ１に対向した位置にあるとき、図８（ａ）においてステータ磁極Ｐ１、Ｐ１´、Ｐ３、Ｐ３´、Ｐ５、Ｐ５´、Ｐ７、Ｐ７´に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ８は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ１、Ｒ２とＰ１´、Ｒ３とＰ３、Ｒ４とＰ３´、Ｒ５とＰ５、Ｒ６とＰ５´、Ｒ７とＰ７、Ｒ８とＰ７´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ１がＰ１´に、Ｒ３がＰ３´に、Ｒ５がＰ５´に、Ｒ７がＰ７´に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ２とＰ２´、Ｐ４とＰ４´、Ｐ６とＰ６´、Ｐ８とＰ８´）には、図９（ａ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００３３】
そして、ロータ１は２２．５度時計回り方向へ回転して図９（ｂ）の位置まで回転する。ここで、図８（ｂ）においてステータ磁極Ｐ２´、Ｐ３、Ｐ４´、Ｐ５、Ｐ６´、Ｐ７、Ｐ８´、Ｐ１に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ８は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ１、Ｒ２とＰ２´、Ｒ３とＰ３、Ｒ４とＰ４´、Ｒ５とＰ５、Ｒ６とＰ６´、Ｒ７とＰ７、Ｒ８とＰ８´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ２がＰ３に、Ｒ４がＰ５に、Ｒ６がＰ７に、Ｒ８がＰ１に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ１´とＰ２、Ｐ３´とＰ４、Ｐ５´とＰ６、Ｐ７´とＰ８）には、図９（ｂ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００３４】
そして、更にロータ１は２２．５度時計回り方向へ回転して図９（ｃ）の位置まで回転する。ここで、図８（ｃ）においてステータ磁極Ｐ２、Ｐ２´、Ｐ４、Ｐ４´、Ｐ６、Ｐ６´、Ｐ８、Ｐ８´に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ８は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ２、Ｒ２とＰ２´、Ｒ３とＰ４、Ｒ４とＰ４´、Ｒ５とＰ６、Ｒ６とＰ６´、Ｒ７とＰ８、Ｒ８とＰ８´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ１がＰ２´に、Ｒ３がＰ４´に、Ｒ５がＰ６´に、Ｒ７がＰ８´に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ１とＰ１´、Ｐ３とＰ３´、Ｐ５とＰ５´、Ｐ７とＰ７´）には、図９（ｃ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００３５】
そして、更にロータ１は２２．５度時計回り方向へ回転して図９（ｄ）の位置まで回転する（１／４回転）。ここで、図８（ｄ）においてステータ磁極Ｐ１´、Ｐ２、Ｐ３´、Ｐ４、Ｐ５´、Ｐ６、Ｐ７´、Ｐ８に相当する励磁コイル１２に同時に通電する。このとき、ロータ磁極Ｒ１〜Ｒ８は近接するステータ磁極と同極どうし（Ｒ１とＰ３、Ｒ２とＰ３´、Ｒ３とＰ４、Ｒ４とＰ５´、Ｒ５とＰ５、Ｒ６とＰ７´、Ｒ７とＰ８、Ｒ８とＰ１´）が反発し、通電された隣りの異極側のステータ磁極に（Ｒ２がＰ４に、Ｒ４がＰ５に、Ｒ６がＰ８に、Ｒ８がＰ２に）各々吸引されて矢印方向へ回転する。
尚、通電されないステータ磁極間（Ｐ２´とＰ３、Ｐ４´とＰ５、Ｐ６´とＰ７、Ｐ８´とＰ１）には、図９（ｄ）の矢印に示すように固定側永久磁石９と両側突極部８を含むステータコア７に磁気閉回路が形成される。
【００３６】
以下、ロータ１が更に１／４回転する際の通電パターン（図８の（ｅ）〜（ｈ））は、上述した図８（ａ）〜（ｄ）と同様であり説明を省略する。このときのロータ１の回転位置を図９（ｅ）〜（ｈ）に示す。このような、通電パターンを４回繰り返すことにより、ロータ１は１回転する。ロータ１及びステータ６の磁極数を増やすことで、回転角度の微細な制御を行うことができる。
【００３７】
［第３実施例］
次に、回転電機の他例について図１０（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図１０（ａ）はステータコアの一方側の脚部より永久磁石及びヨークを外した状態を示すステータの分解斜視図、図１０（ｂ）は、ステータの側面図、図１０（ｃ）はステータの径方向断面図、図１０（ｄ）はロータの斜視図である。
【００３８】
図１０（ｄ）において、ロータ２５は、回転軸２６に交差して設けられた円板状の非磁性体２７が取り付けられている。この非磁性体２７の周縁部には軸方向にＮ極及びＳ極に着磁された可動側永久磁石２８が周方向に等間隔で８箇所（８極）配設されている。可動側永久磁石２８は、軸方向両端側に形成された磁束作用面がＮ極とＳ極とが交互になるように配置されている。可動側永久磁石２８としてはネオジウム系磁石やサマリウム系磁石などの希土類磁石が好適に用いられる。また、可動側永久磁石２８は外周側コーナー部が面取りされており、該面取り部２８ａが非磁性体２７のテーパー状のガイド面２７ａに当接することにより径方向外側への脱落や位置ずれを抑えている。
【００３９】
次に、図１０（ａ）〜（ｃ）を参照して、ステータ２９の構成について説明する。軸方向断面がコ字状のステータコア３０が両側脚部３０ａを軸芯方向に向け、ロータ２５を囲繞して周方向に等間隔で１６箇所（１６極分）に配設されている（図１０（ａ）参照）。ステータコア３０は、ケイ素鋼鈑などの金属磁性板が複数積層プレスして一体にかしめられた積層コアや、継鉄などのブロック状コアが用いられる。各ステータコア３０の胴部３０ｂには励磁コイル３１が巻き回されて電磁石３２が形成されている。各ステータコア３０の両側脚部３０ａの外側には、軸方向にＮ極及びＳ極に着磁された固定側永久磁石３３が各々設けられている。固定側永久磁石３３としてはネオジウム系磁石やサマリウム系磁石などの希土類磁石が好適に用いられる（図１０（ｃ）参照）。また、固定側永久磁石３３の外側にはリング状のヨーク（継鉄）３４が各々重ね合わせられ一体に設けられている。このリング状のヨーク３４は、固定側永久磁石３３を介して各電磁石３２どうしを周方向に連結し、固定側永久磁石３３の外側磁極どうしを結ぶ磁気閉回路を形成するものである。これにより、各電磁石３２に無通電状態において、固定側永久磁石３３より発生した磁束が外部へ漏れないように、周方向に隣り合う固定側永久磁石３３どうしがステータコア３０を通じて磁気閉回路を形成するようになっている（図１０（ｂ）参照）。
【００４０】
ステータコア３０の胴部３０ｂに巻き回された励磁コイル３１は通電により当該ステータコア３０の両側脚部３０ａに形成される磁極と隣接する固定側永久磁石３３の磁極と同極となるように巻き回されている。このため、ステータ磁極は、選択された電磁石３２への通電により当該電磁石３２から発生した磁束に隣接する固定側永久磁石３３の磁極から発生した磁束を重畳して両側脚部３０ａの内側対向面に形成される磁束作用面３０ｃより作用させ、同極のロータ磁極との反発及び異極のロータ磁極との吸引によりロータ２５が回転駆動される。
ステータ２９の電磁石３２に通電されない状態では、ロータ２５は磁気抵抗が最も少ない位置、即ち各ロータ磁極と突極部とが対向した位置で静止している。よって、ロータ磁極が対向するステータ磁極と同極となる位置の電磁石の励磁コイル（本実施例では２２．５ずつ位相がずれた励磁コイル）３１を選択して同時に通電する際にロータ磁極が反発し、異極となる隣りのステータ磁極にロータ磁極が吸引される通電パターンを繰り返すことにより、ロータ２５が回転方向に付勢されて回転駆動される。尚、励磁コイル３１への通電パターンは、第２実施例と同様であるので説明を省略する。
【００４１】
以上のように、ステータ６、２９に設けられた電磁石１３、３２に通電した際に、当該電磁石１３、３２から発生した磁束に固定側永久磁石９、３３の磁極から発生した磁束を重ね合わせてステータ磁極からロータ磁極へ作用させて磁極どうしの反発力及び吸引力を利用して大きな回転トルクが得られる。また、通電されない電磁石１３、３２では、ステータコア７、３０を通じて磁気閉回路が形成されて磁束が漏れないので、回転効率が良くエネルギーロスの少ない回転電機を提供できる。
また、ロータ磁極が対向するステータ磁極と同極となる位置の励磁コイルを選択して同時に通電する際に磁極どうしが反発し、異極となる隣りのステータ磁極に吸引される通電パターンを繰り返すことにより、ロータ１、２５が確実に回転方向に付勢されて回転駆動され、回転位置制御がし易い回転電機を提供できる。
【００４２】
本発明は、上述した各実施の態様に限定されるものではなく、ロータ１及びステータ５の極数や、通電パターンは任意に設計変更可能である。等、法の精神を逸脱しない範囲で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係る回転電機の構成によれば、ステータに設けられた電磁石と固定側永久磁石の磁極から発生した磁束を重ね合わせてステータ磁極を通じて漏れなくロータ磁極へ作用させて磁極どうしの反発力及び吸引力を利用して大きな回転トルクが得られる。また、ステータの通電されない各電磁石では、固定側磁石より発生した磁束は、ステータコアを通じて磁気閉回路が形成されて磁束が外部に漏れないので、回転効率が良くエネルギーロスの少ない回転電機を提供できる。
また、ロータ磁極が対向するステータ磁極と同極となる位置の励磁コイルを選択して同時に通電する際に磁極どうしが反発し、異極となる隣りのステータ磁極に吸引される通電パターンを繰り返すことにより、ロータが確実に回転方向に付勢されて回転駆動され、回転位置制御がし易い回転電機を提供できる。よって、簡易な構成によって、省エネルギーで高トルクを実現したステッピングモータやサーボモータなどの汎用性の高いブラシレスモータや発電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係る回転電機の模式平面図である。
【図２】ロータの斜視説明図である。
【図３】図１の回転電機の部分拡大平面図である。
【図４】回転電機の動作原理を示す説明図である。
【図５】ロータが１回転する間のステータの励磁コイルへの通電パターンを例示するタイミングチャートである。
【図６】図５の通電切換えが行われる際のロータの回転位置を示す説明図である。
【図７】第２実施例に係る回転電機の模式平面図である。
【図８】ロータが１／２回転する間のステータの励磁コイルへの通電パターンを例示するタイミングチャートである。
【図９】図８の通電切換えが行われる際のロータの回転位置を示す説明図である。
【図１０】第３実施例に係るステータの分解斜視図、ステータの側面図、ステータの径方向断面図及びロータの斜視図である。
【符号の説明】
１、２５ロータ
２、２６回転軸
３、２７非磁性体
３ａ非磁性部
４、１８磁性体
５、２８可動側永久磁石
６、２９ステータ
７、３０ステータコア
８突極部
９、３３固定側永久磁石
１０傾斜面
１１、３０ｃ磁束作用面
１２、２４、３１励磁コイル
１３、２１、３２電磁石
１４ビス
１５鉄片
１６棒磁石
１７第１の磁石
１９馬蹄形磁石
２０第２の磁石
２２第３の磁石
２３、３４ヨーク
３０ａ脚部
３０ｂ胴部

Claims

回転軸と同軸状に嵌め込まれた筒状の磁性体の外周に非磁性部を介して等間隔で固定され、径方向にＮ極及びＳ極に着磁された可動側永久磁石を有するロータと、
前記ロータを囲繞して設けられた筒状のステータコアの内璧側に軸芯方向に突設された突極部が周方向に等間隔で形成され、各突極部間に周方向にＮ極及びＳ極に着磁された固定側永久磁石が同極側を各突極部に向けて設けられ、前記各突極部に巻き回された励磁コイルへの通電により各突極部の先端面に形成される磁束作用面よりロータ側に作用する磁束を発生させる電磁石を備えたステータと、を具備し、
前記ステータコアの各突極部に巻き回された励磁コイルは、通電により突極部先端側に発生する磁極が隣接する固定側永久磁石の磁極と同極となるように巻き回されており、ステータ磁極は、選択された電磁石への通電により当該電磁石から発生した磁束に両側で隣接する固定側永久磁石の磁極から発生した磁束を重畳して突極部の磁束作用面よりロータ側に作用させ、同極のロータ磁極との反発及び異極のロータ磁極との吸引によりロータが回転駆動され、前記電磁石の励磁コイルへ通電されない間は、固定側永久磁石の両側磁極から発生した磁束は、隣接する突極部を含むステータコアを通じて磁気閉回路が形成されることを特徴とする回転電機。
ロータ磁極が対向するステータ磁極と同極となる位置の電磁石の励磁コイルを選択して同時に通電する際にロータ磁極が反発し、異極となる隣りのステータ磁極にロータ磁極が吸引される通電パターンを繰り返すことにより、前記ロータが回転方向に付勢されて回転駆動されることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記固定側磁石が隣接する各突極部の両側面は傾斜面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
回転軸に交差して設けられた円板状の非磁性体の周縁部に軸方向にＮ極及びＳ極に着磁された可動側永久磁石が周方向に等間隔で配設されたロータと、
軸方向断面がコ字状のステータコアが両側脚部を軸芯方向に向け前記ロータを囲繞して周方向に等間隔で配設され、各ステータコアの胴部に励磁コイルが巻き回されてなる電磁石と、各ステータコアの両側脚部の外側に各々設けられた軸方向にＮ極及びＳ極に着磁された固定側永久磁石と、該固定側永久磁石の外側に各々一体に重ね合わせられたリング状のヨークとを備えたステータと、を具備し、
前記ステータコアの胴部に巻き回された励磁コイルは通電により当該ステータコアの両側脚部に形成される磁極と両側で隣接する固定側永久磁石の磁極と同極となるように巻き回されており、ステータ磁極は、選択された電磁石への通電により当該電磁石から発生した磁束に隣接する固定側永久磁石の磁極から発生した磁束を重畳して両側脚部の内側対向面に形成される磁束作用面より作用させ、同極のロータ磁極との反発及び異極のロータ磁極との吸引によりロータが回転駆動されることを特徴とする回転電機。
ロータ磁極が対向するステータ磁極と同極となる位置の電磁石の励磁コイルを選択して同時に通電する際にロータ磁極が反発し、異極となる隣りのステータ磁極にロータ磁極が吸引される通電パターンを繰り返すことにより、前記ロータが回転方向に付勢されて回転駆動されることを特徴とする請求項４記載の回転電機。