JP4169357B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石式回転電機、特にＯＡ機器等に使用されるハイブリッド（ＨＢ）型永久磁石式回転電機、特に永久磁石式ステッピングモータに関するものである。

３相永久磁石式ステッピングモータは２相式より低振動で且つドライブ回路もバイポーラ式で比較すればトランジスタの数が２相の８個に対し６個と少なくコストパホーマンスに優れたものと言える。しかし回転子極対数を増加していくと位置決め精度や低速での回転むらは向上するが、多数の磁歯の影響で永久磁石による界磁磁束に多くの高調波が含有され、３相機といえども振動、騒音を引き起こす。また３相機の固定子主極数は３の倍数の３、６、９、１２等があるが、ラジアル方向不平衡電磁力の出ない構造の３相機とするには６が最もシンプルな構造である。これに対し２相機で不平衡電磁力が出ない構造は固定子が８主極数となる。

これらの不平衡電磁力が出ない構成の２相、３相、５相機の固定子の構成と駆動回路を図５に示す。駆動回路は３相機がトランジスタの数で最も簡素であることが分かる。

３相６主極構成の回転電機、特にステッピングモータでは回転子の歯数を極力多くして高分解能として、位置決め精度の向上、低速時低回転ムラ化、高トルク化を、また小型薄形化を安価で達成することが求められている。

しかし回転子歯数を増加すると、永久磁石による磁束に高調波成分が増加し、軸受けと軸の隙間やベアリング外輪と前後ブラケットの間にわずかな隙間があると、振動や騒音が出やすくなり、また小型、薄形で高トルク化には高価な希土類磁石の使用を余儀なくされていた。また固定子と回転子間のエアギャップも極力小さくすることが必要であった。

本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。

本発明の永久磁石式回転電機は、先端に複数個の磁歯を有し、夫々３相巻線の各相が巻装された、環状磁性体から放射状に延びる６個の固定子磁極より成る固定子と、この固定子に空隙を介して且つ軸方向に配置された２組の回転子とより成り、上記各回転子の組が、軸方向に互いに離間した２個の回転子素子と、この２個の回転子素子によって挟持された、軸方向に磁化された永久磁石とより成り、上記各回転子素子がその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、上記各組の２個の回転子素子が互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ上記２つの組の互いに隣接する回転子素子の小歯の極性が互いに同一となるように配置されることを特徴とする。

本発明は、以下の効果を有する。

１）不平衡電磁力が出ない構成で最も高トルクな回転電機が得られる。

２）従って、同一トルクが従来の３相６主極式に対し、低グレードの永久磁石で可能となる。

３）低振動、低騒音の回転電機となる。

４）位置決め精度の優れたステッピングモータが得られる。

同一回転子の場合、固定子の主極（巻線極）数が少ないほど１主極当たりの鎖交磁束が増えるので、高トルク化に有利である。３相６主極固定子構造と２相８主極構造で同一の永久磁石回転子を組み込んだ場合の１相の発生トルクをそれぞれＴ６、Ｔ８とする。この場合、永久磁石回転子からでる総磁束量Φは同一になる。１相当たりのコイル巻数Ｎを両者同一とすると、６主極の場合は１主極当たりの鎖交磁束及び巻数は各々、（Φ／６）、（Ｎ／２）であり、１相当たり２個の主極で構成されるため、電流をＩとして数１となる。

これに対し、２相８主極の場合は１主極当たりの鎖交磁束及び巻数は各々、（Φ／８）、（Ｎ／４）であり、１相当たり、４個の主極で構成されるため、また１相の巻数が同じため電流も同一となり、数２となる。

数１と数２を比較すれば、６主極構造の３相機の方がトルクが４／３倍大きいことが分かる。

同様に５相機では不平衡電磁力が出ない固定子構成は１０主極数であることが知られている。その場合の１相分トルクは同様にして数３に示すようにＴ１０となる。

以上より不平衡電磁力が出ない構成の２相、３相、５相機では３相６主極が最も高トルクであることが分かる。

図１は本発明の３相６主極機の固定子と回転子の軸方向から見た側面図である。１８０度で対向している２個の固定子磁極は同相で同一極性に構成される。図２は軸を含む断面図である。１は固定子鉄心、２１，２２は磁性体よりなる外周にＮｒ個の歯を有する回転子素子で互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらせている。５１は円盤状永久磁石で軸４の方向に磁化されてこれらで１対の回転子組を構成する。そしてもう１対の同じ回転子組を同軸で結合配置する。この時隣接する回転子素子２２と２１は同一極性となるように２個の永久磁石５１を磁化する。また隣接する回転子素子２２と２１は同一歯位置として一体的に珪素綱板の積層カシメで構成するのが望ましい。３はコイル、４は回転軸、６，７は前後ブラケット、８はボールベアリングである。ブラケット６，７は固定子鉄心１の内径に嵌め合いでエアギャップを確保する所謂、内インロー方式とすることが望ましく、正確なエアギャップを保つことが可能になる。

この場合の望ましい回転子歯数Ｎｒは数４から誘導される。

ここでｎは１以上の整数とする。

数４の左辺、及び右辺は回転子のステップ角を表わし、これを整理すると数５が得られる。

ここでＮｒは偶数であり、この場合、３相６主極対称構造の望ましい形態となる。

図２に示すように永久磁石は２個使用するので、低グレード磁石でも高いトルクが得られることを図３に示す従来の２相８主極式の磁石１個使用の場合と比較して示す。従来の２相８主極式で使用する永久磁石は希土類磁石のネオジム磁石で残留磁束密度Ｂｒが１．３［Ｔ］（テスラー）のものを使用していた。これに対し、３相６主極で磁石が２個の場合は、磁石の残留磁束密度Ｂｒは数６で得られる。

この値はフェライト磁石で得られる値であり、極めて安価であり、２個使用してもネオジム磁石より安くなる。即ち、残留磁束密度Ｂｒが０．５［Ｔ］以下の磁石で十分実用トルクが得られる。あるいはエアギャップを拡大することも可能である。

図２に示す例ではラジアル方向吸引力は回転子素子が４個なので従来の２個の構成に比べてその分分散されてバランスしているので軸受け等のクリアランスによる振動や騒音は従来機より有利で低振動低騒音となし得る。更に６主極で不平衡電磁力は通常は出ないが、エアギャップのアンバランスがあればその分、６主極でも不平衡電磁力はでる。しかし本構成の２組の回転子対で隣接部が同極性に磁化されているとラジアル方向偶力は左右逆方向になるので不平衡電磁力は２重に消す機能を有するといえる。

図３は従来構成の回転子を２相８主極の固定子に組み込んだ例を示すものである。図１，２と同じ部品は同じ符号で示す。回転子は一対の所謂ハイブリッド回転子である。この場合はラジアル方向吸引力は回転子素子が２個で集中的にバランスしているので軸受け等のクリアランスによる振動や騒音を本発明のものより引き起こし易いといえる。また図４は従来の２組の回転子を３相６主極に組み込んだ図である。この場合、隣接する回転子素子２２と２１は異極性なので、両者間に非磁性体スペーサ９が必要になりこの厚み分、固定子と回転子には対向できない部分を生じトルク的にも不利となる。

本発明の３相６主極永久磁石式回転電機の正面図である。 図１に示す永久磁石式回転電機の縦断側面図である。 従来の２相８主極永久磁石式回転電機の縦断側面図である。 従来の３相６主極永久磁石式回転電機の縦断側面図である。 ２、３、５相機の固定子と駆動回路との関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 固定子鉄心
３ コイル
４ 回転軸
６ ブラケット
７ ブラケット
８ ボールベアリング
９ 非磁性体スペーサ
２１ 回転子素子
２２ 回転子素子
５１ 円盤状永久磁石

Claims (1)

1. 先端に複数個の磁歯を有し、夫々３相巻線の各相が巻装された、環状磁性体から放射状に延びる６個の固定子磁極より成る固定子と、この固定子に空隙を介して且つ軸方向に配置された２組の回転子とより成り、上記各回転子の組が、軸方向に互いに離間した２個の回転子素子と、この２個の回転子素子によって挟持された、軸方向に磁化された永久磁石とより成り、上記各回転子素子がその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、上記各組の２個の回転子素子が互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ上記２つの組の互いに隣接する回転子素子の小歯の極性が互いに同一となるように配置されることを特徴とする永久磁石式回転電機。

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