JP4504123B2

JP4504123B2 - 永久磁石を利用したモータ

Info

Publication number: JP4504123B2
Application number: JP2004200153A
Authority: JP
Inventors: 庸市川井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: JP2006025505A

Description

本発明は永久磁石を利用したモータ、特にリニアモータに好適なモータの構造に関する。

図９、図１０、図１１、図１２は、出願人らが下記特許文献１で開示した従来技術による永久磁石を利用したモータである。図１０は図９の断面ＡＡ、図１１は図９の断面ＢＢを示している。また、図１２（ａ）は図９の可動子３を再掲したものであり、図１２（ｂ）は固定子１側から見たこの可動子３を図１２（ａ）に対応する位置に配置した図である。

図９、図１２において、可動子３には、それぞれ３組のＮ極磁極５，Ｓ極磁極６と、Ｎ極磁極５，Ｓ極磁極６間に補助磁石１０を有した３組の可動子磁極４ａ，４ｂ，４ｃが可動子移動方向に配置されおり、Ｎ極磁極５、Ｓ極磁極６、補助磁石１０は、図１２に示すように交互にＮ極、Ｓ極となるように配置される。Ｎ極磁極５とＳ極磁極６は、図１０，図１１に示されているように５ａ，５ｂと６ａ，６ｂで構成されており、５ａ，６ａは、特許第３３４４６４５号におけるＮ極補助磁極とＳ極補助磁極に相当する。

各可動子磁極には３相の交流巻線１６が巻回されている。Ｕ相巻線は図中の記号でＳＵ１，ＳＵ２、Ｖ相巻線は図中の記号でＳＶ１，ＳＶ２、Ｗ相巻線は図中の記号でＳＷ１，ＳＷ２である。各相の可動子磁極４ａ，４ｂ，４ｃは、固定子１の突極２に対して電気角的に１２０度づつシフトした位置に配置されている。

可動子３を構成する電磁鋼板は、図１０、図１１におけるＮ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂであり、それぞれ、Ｎ極磁極、Ｓ極磁極と磁気的に接続されている。図１２の可動子磁極４ａは、可動子３の形状を理解し易いようにＳ極磁気ヨーク３ｂの断面図を示してある。

また、可動子内部には、Ｎ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。

上記のように構成された従来技術における永久磁石を利用したモータの３相の交流巻線に電流を印可すると、Ｕ、Ｖ、Ｗ相巻線の印可方向により、３組の可動子磁極では、Ｎ極もしくはＳ極のどちらか一方に励磁され、Ｎ極もしくはＳ極の大きな一つの磁極となる。そして各可動子磁極および共通永久磁石１３を通過した磁束１９は、固定子側を通過し、３次元的な立体磁路を構成する。この時、可動子と固定子に位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子に推力が発生する。

さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ相→Ｖ、Ｗ相、すなわちＳＵ１，ＳＶ２，ＳＷ２をプラス、ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＷ１をマイナスになるように電流を流すと、図９の可動子磁極４ａはＳ極に、可動子磁極４ｂ，４ｃはＮ極になり、磁束１９で示すように、磁束は可動子磁極４ａの裏側のＳ極磁気ヨーク３ｂから可動子磁極４ｂ，４ｃの表側のＮ極磁気ヨーク３ａに流れ、つぎに可動子磁極４ｂ，４ｃのＮ極磁極５の表側から固定子に流れ、可動子磁極４ａのＳ極磁極６よりＳ極磁気ヨーク３ｂへ戻るという３次元立体磁路を構成する。すると、図９の可動子３と固定子１の境界部に図示した矢印の方向に力が働き、可動子３は右側に移動する。

上述したように図９から図１２に示した従来技術の永久磁石を利用したモータにおいて、可動子磁極４ａ，４ｂ，４ｃに配置したＮ極磁極５とＳ極磁極６は、巻線に電流を印加することにより共通の磁極となり、Ｎ極とＳ極間で磁束がクローズする漏れ磁束が発生しないため、モータ推力が向上する。

また、補助磁石１０の他に、共通永久磁石１３からも磁束を供給することで、磁束密度を電磁鋼板の飽和磁束密度である１．７テスラ程度まで高めて使用できるため、可動子表面に大きな磁束を発生させることができ、大きな推力を発生できる。

また、可動子側へ永久磁石と巻き線の両方を配置することにより、高価な永久磁石をストロークの長いステータ側に使用することなく、ステータは、珪素鋼板を積層しただけの単純な構造となるため、モータコストが低減する。さらに、ステータに永久磁石がないため、切粉の付着がおこらず、耐環境性も改善する。

特許第３３４４６４５号

しかし、上述したような従来技術の永久磁石を利用したモータには次のような課題があった。

図１０、図１１に示したヨーク入口１４，１５の断面積は、Ｎ極及びＳ極磁極の可動子と固定子の境界面の断面積の半分程度に小さくなるため、巻線１６への印加電流を大きくしていくと、この部分で磁束が飽和しモータ推力が低下するという問題があった。

また、従来技術の永久磁石を利用したモータに使用される可動子の材料は、高速域での鉄損の発生を低減するために、電磁鋼板を図１０のＮ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂに示す方向に積層したものが用いられていた。このような電磁鋼板で構成された可動子の巻線に電流を印可すると、磁束は、図９〜図１１に示すように電磁鋼板を積層方向に横断し、可動子３及び固定子１内に３次元立体磁路として生成される。この時、永久磁石を利用したモータを駆動するために３相巻線に印加する電流を変化させると、特に可動子３のＮ極及びＳ極磁極付近で、電磁鋼板の積層方向に横断して生成される磁束が大きく変化するため、磁極を構成する電磁鋼板に渦電流が流れ、電磁鋼板の電気抵抗に応じた鉄損が発生し、モータが発熱するという問題があった。

また、上述した渦電流は、磁極を通過する磁束を打ち消すように働くため、各磁極に流れる磁束が低下しモータ推力が低下するという問題があった。同様に、磁束が電磁鋼板の積層方向を横断して生成されるため、可動子の磁極および磁気ヨークを構成する各電磁鋼板の表面に塗布してある非磁性の絶縁被膜や電磁鋼板間の空気層が磁気絶縁部として働き磁気抵抗が大きくなることで各磁極に流れる磁束が低下し、発生推力が低下するという問題があった。

本発明は、これらの問題点の解決をめざすものである。本発明の目的の一つは、ヨーク入口１４，１５付近の磁束の飽和を防止するような構成とすることでモータ推力を向上させることにある。また、本発明の別の目的は、可動子の磁極部分において磁束１９がスムーズに形成されるような構成とすることでモータ発熱を低減すると共にモータ推力を向上させた永久磁石を利用したモータを提供することにある。

本発明における永久磁石を利用したモータは、移動可能に設けられた可動子と固定された固定子を備えたモータであって、前記可動子は、その移動方向に沿って配置された共通永久磁石と、前記共通永久磁石を挟んで両側に設けられたＮ極磁気ヨークおよびＳ極磁気ヨークと、前記磁気ヨークと磁気的に結合され、可動子の移動方向と直交し、かつＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置された複数のＮ極磁極およびＳ極磁極と、前記Ｎ極磁極と隣接するＳ極磁極の間に配置された補助磁石と、前記複数のＮ極磁極およびＳ極磁極に巻回された交流巻線とを備え、前記固定子は、前記可動子と所定のエアギャップを設けて配置され、可動子と向かい合う面に複数の凹凸部をもつ軟磁性材料で形成され、前記Ｎ極磁極は、Ｎ極磁気ヨーク側で広くなりＳ極磁気ヨーク側で狭くなる台形形状の軟磁性材料で形成されており、前記Ｓ極磁極は、Ｓ極磁気ヨーク側で広くなりＮ極磁気ヨーク側で狭くなる台形形状の軟磁性材料で形成されていることを特徴とする。
また、前記Ｎ極磁極及びＳ極磁極の軟磁性材料は、軟磁性材料のブロックで形成されていることを特徴とする。

Ｎ極磁極５は、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側で広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側で狭くなる台形形状の軟磁性材料で形成されており、Ｓ極磁極６は逆に、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側で広く、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側で狭くなるような台形形状の軟磁性材料で形成されているので、ヨーク入口１４，１５付近の磁束の飽和を防止効果が期待できる。また、Ｎ極磁極とＳ極磁極は、可動子３の移動方向に対して垂直な方向に積層した電磁鋼板、もしくは軟磁性材料のブロックより形成することで、渦電流の発生や絶縁被膜，電磁鋼板間の空気層による磁束の低下を抑え、モータ発熱を低減すると共にモータ推力を向上させた永久磁石を利用したモータを提供することが期待できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１、図２、図３は、実施例１に係る永久磁石を利用した永久磁石を利用したモータを示した図である。図２は図１の断面ＤＤ、図３（ａ）は図１の可動子３を再掲したものであり、図３（ｂ）は固定子１側から見たこの可動子３を図３（ａ）に対応する位置に配置した図である。図１、図２、図３を参照しながら、本実施形態について説明する。

図１、図２、図３において、３は可動子、３ａはＮ極磁気ヨーク、３ｂはＳ極磁気ヨークであり、３ａ，３ｂは電磁鋼板を積層して構成される。また、１６は３相交流巻線を表し、図中の記号ＳＵ１，ＳＵ２はＵ相巻線、ＳＶ１，ＳＶ２はＶ相巻線、ＳＷ１，ＳＷ２はＷ相巻線である。また、１０は補助磁石である。

また、５はＮ極磁極、６はＳ極磁極を表し、Ｎ極磁極５とＳ極磁極６は軟磁性材料であり、可動子３の移動方向に対して垂直な方向に積層した電磁鋼板か、もしくは軟磁性材料のブロックで形成されている。軟磁性材料のブロックとして適している材料は、ＳＭＣ（Soft Magnetic Composite）と呼ばれる鉄粉に絶縁皮膜をコーティングした軟磁性材料を圧粉成型した材料であり、内部に発生しようとする渦電流を、各鉄粉をコーティングする絶縁皮膜により絶縁するため、鉄損を低減することができモータ効率が向上する。さらに、Ｎ極磁極５は、図３に示すようにＮ極磁気ヨーク３ａ側で広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側で狭くなる台形形状をしており、Ｓ極磁極６は逆に、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側で広く、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側で狭くなるような台形形状をしている。Ｎ極磁極５とＳ極磁極６は、図１に示すように、磁極間に補助磁石１０を挟んで、Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ・・・の順に配置される。また、図２で示すように、可動子内部にはＮ極磁気ヨーク３ａとＳ極磁気ヨーク３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。

図１において、３相交流巻線にＵ相→Ｖ，Ｗ相に電流を印可した時に、図の磁束１９で示すような磁束が可動子と固定子を３次元的に横断して生成される３次元立体磁路を構成することは図９〜図１２で示した従来の永久磁石を利用したモータで説明した通りである。この時、固定子から可動子に生成される磁束１９は、図２に示すように、Ｓ磁極からＳ極磁気ヨークに流れ込む際に、Ｓ極磁気ヨークのヨーク入口１４（図示していない１５も同様）で集中するが、Ｎ極磁極５は、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側で広く、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側で狭くなる台形をしており、Ｓ極磁極６は逆に、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ側で広く、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側で狭くなるような台形をしているため、ヨーク入口１４，１５の磁束飽和限界が高くなり、モータ推力が向上する。

また、図２において、同じく固定子１から可動子３に流れ込んだ磁束１９のうち、Ｎ極磁気ヨーク３ａ側から流れ込んだ磁束は、固定子１に流れ、次にＳ極磁極６を通ってＳ極磁気ヨーク３ｂに流れようとするが、Ｓ極磁極６は可動子３の移動方向に対して垂直な方向に積層した電磁鋼板か、もしくは軟磁性材料ブロックにより形成されているため、従来の永久磁石を利用したモータのように、Ｓ極磁極内で磁束が電磁鋼板の積層方向を横断することなく、スムーズにＳ極磁極６を通ってＳ極磁気ヨーク３ｂに流れる。その結果、磁気抵抗が低下し、磁束１９の磁束密度が増加するため発生推力が向上する。

また、モータが駆動され、磁束が変化した場合でも、Ｓ極磁極６が、可動子３の移動方向に対して垂直な方向に積層した電磁鋼板で形成されている場合には、磁束は電磁鋼板に沿った方向に生成され、磁束変化により生成される渦電流は電磁鋼板の表面にコーティングされた絶縁皮膜により、電磁鋼板間にまたがる大きな渦電流とならないため、電磁鋼板の電気抵抗に応じて発生する鉄損が小さく抑えられ、モータの発熱が低減する。また、Ｓ極磁極が軟磁性材料のブロックであるＳＭＣ材で形成されている場合には、鉄粉同士が互いに電気的に絶縁され、渦電流によって軟磁性材料の電気抵抗に応じて発生する鉄損が小さく抑えられるため、モータの発熱が低減する。

尚、ここではＳ極磁極６について説明したが、Ｎ極磁極５においても、同様の効果を奏する。

一方、磁束１９は共通永久磁石１３の前後において電磁鋼板の積層方向を横断するように流れているが、この部分は共通永久磁石１３の強力な界磁により磁束変化が少ないため、鉄損による発熱は少ない。

図４，図５，図６は、実施例２に係る永久磁石を利用したモータを示した図であり、図５は図４の断面ＥＥ、図６（ａ）は、図４の可動子３３を再掲したものであり、図６（ｂ）は固定子３１側から見たこの可動子３３を図６（ａ）に対応する位置に配置した図である。実施例１と同様、可動子と固定子間で３次元磁路を生成するモータであるが、実施例１と構成が異なる永久磁石を利用したモータを示している。図４，図５，図６を参照しながら、本実施形態について説明する。

図４，図５，図６において、３３は可動子、３３ａはＮ極磁気ヨーク、３３ｂはＳ極磁気ヨークであり、３３ａ，３３ｂは電磁鋼板を積層して構成される。また、４６は３相交流巻線を表し、図中にはＵ、Ｖ、Ｗ相を表す記号を示す。また、４０は補助磁石である。

また、３５はＮ極磁極、３６はＳ極磁極を表し、Ｎ極磁極３５とＳ極磁極３６は軟磁性材料であり、可動子３の移動方向に対して垂直な方向に積層した電磁鋼板か、もしくは軟磁性材料のブロックで形成されている。軟磁性材料のブロックとして適している材料は、ＳＭＣ（Soft Magnetic Composite）と呼ばれる鉄粉に絶縁皮膜をコーティングした軟磁性材料を圧粉成型した材料であり、鉄損を低減できるため、モータ効率が向上する。さらに、Ｎ極磁極３５は、図６（ｂ）に示すようにＮ極磁気ヨーク３３ａ側で広く、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側で狭くなる台形形状をしており、Ｓ極磁極３６は逆に、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側で広く、Ｎ極磁気ヨーク３３ａ側で狭くなるような台形形状をしている。Ｎ極磁極３５とＳ極磁極３６は、図４に示すように、磁極間に補助磁石４０を挟んで、Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ・・・の順に配置される。また、図５で示すように、可動子内部にはＮ極磁気ヨーク３３ａとＳ極磁気ヨーク３３ｂと磁気的に接続された共通永久磁石１３が配置される。

実施例２と実施例１の実施形態で示した永久磁石を利用したモータの構造上の違いは、３相交流巻線４６として分布巻を配置している点と、可動子の磁極ピッチと固定子磁極ピッチが異なるバーニア構造を採用している点である。

上記のように構成された実施例２における永久磁石を利用したモータの３相の交流巻線に電流を印可すると、Ｕ、Ｖ、Ｗ相巻線の印可方向により、Ｎ極，Ｓ極の複数対の磁極が、巻線の起磁力によりＮ極もしくはＳ極のどちらかに励磁される。そして可動子内にＮ極磁極３５からＮ極磁気ヨーク３３ａ，共通永久磁石磁極１３，Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ，Ｓ極磁極３６，固定子３１を通過して再びＮ極磁極３５へ戻る３次元的な立体磁路が構成される。この時、可動子と固定子に位置に応じた磁気抵抗差力が生することで、可動子に推力が発生する。

さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ相→Ｖ、Ｗ相に電流を流すと、図４に示す３対の磁極がそれぞれＮ極もしくはＳ極に励磁され、磁束２９に示すように、可動子３３のＳ極磁極３６から裏側のＳ極磁気ヨーク３３ｂ，共通永久磁石１３を通って表側のＮ極磁気ヨーク３３ａ，Ｎ極磁極３５に流れ、つぎに固定子３１を通って再びＳ極磁極３６へ戻る２つの３次元立体磁路が形成される。すると、図４の可動子３３と固定子３１の境界部に図示した矢印の方向に力が働き、可動子３３は左側に移動する。

上記のように実施例２のモータは、バーニア構造を採用しているが、図４，図５，図６に示すように、共通磁石１３とＮ極磁気ヨーク３３ａ、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ、Ｎ極磁極３５、Ｓ極磁極３６、凹凸のついた固定子３１を設け、３相交流巻線４６に電流を印可することにより、Ｎ極磁極３５から、磁気ヨーク３３ａ，共通磁石１３，Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ，Ｓ極磁極３６，固定子３１を通り再びＮ極磁極３５へ戻る３次元の立体磁路を生成する点は、実施例１と同様である。したがって、Ｎ磁極３５とＳ極磁極３６が軟磁性材料で形成されており、Ｎ極磁極３５は、Ｎ極磁気ヨーク３３ａ側で広く、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側で狭くなる台形形状をしており、Ｓ極磁極３６は逆に、Ｓ極磁気ヨーク３３ｂ側で広く、Ｎ極磁気ヨーク３３ａ側で狭くなるような台形形状をしているので、実施例１と同様の効果を得られる。

本実施の形態に示した技術は、様々に拡張可能である。例えば、共通磁石とＮ極磁気ヨーク、Ｓ極磁気ヨーク、補助磁石で形成した、Ｎ極磁極、Ｓ極磁極、凹凸のついた固定子を設け、交流巻線に電流を印可することにより、Ｎ極磁極から、磁気ヨーク、共通磁石、Ｓ極磁気ヨーク、Ｓ極磁極、固定子を通り再びＮ極磁極へ戻る３次元の立体磁路を生成する永久磁石を利用したモータであれば、巻線の巻回方式や、磁極の配置によらず、ここに述べた技術を適用することができる。

また、実施例１において示した４ａ，４ｂ，４ｃの３つの可動子磁極の内、可動子磁極４ａ，４ｂを用いて図７に示すような２相交流巻線で駆動する永久磁石を利用したモータを形成することも有効である。この態様においても、巻線にＵ相→Ｖ相に電流を印加、すなわち、ＳＵ１とＳＶ２をプラス、ＳＵ２とＳＶ１をマイナスに印加した場合には、前記第１の実施形態と同様、可動子磁極４ａはＳ極に、可動子磁極４ｃはＮ極になる。このため、磁束１９で示すように、磁束はＳ極磁極６から、Ｓ極磁気ヨーク３ｂ、共通永久磁石１３、Ｎ極磁気ヨーク３ａ，Ｎ極磁極５，固定子１を通って再びＳ極磁極６に戻る３次元立体磁路を構成する。したがって、実施例１に説明した技術が適用可能となる。

また、上記特許文献１と同様に、図８に示すように、永久磁石を利用したモータを複数個、モータの進行方向と垂直な方向に積層配置したモータにおいても、実施例１、実施例２に示したような本実施の形態の技術を適用可能である。

さらに、上述した実施例１と実施例２の技術を、回転型のモータに適用することも可能である。

なお、上述した実施例においては、Ｎ極磁気ヨーク３ａ、Ｓ極磁気ヨーク３ｂは電磁鋼板を積層して構成されるが、電磁鋼板の使用に限定する必要はなく、Ｎ極磁極５やＳ極磁極６と同様軟磁性材料を使用するなどしてもよい。

本発明の永久磁石を利用したモータの実施例１を示す図である。図１の永久磁石を利用したモータのＤ〜Ｄ断面図である。図３（ａ）は図１の可動子３を再掲したものであり、図３（ｂ）は固定子１側から見たこの可動子３を図３（ａ）に対応する位置に配置した図である。本発明の永久磁石を利用したモータの実施例２を示す図である。図４の永久磁石を利用したモータのＥ〜Ｅ断面図である。図６（ａ）は、図４の可動子３３を再掲したものであり、図６（ｂ）は固定子３１側から見たこの可動子３３を図６（ａ）に対応する位置に配置した図である。本発明の２相の永久磁石を利用したモータを示す図である。本発明の永久磁石を利用したモータを複数個並べた図である。従来技術の永久磁石を利用したモータを示す図である。図９の永久磁石を利用したモータのＡ〜Ａ断面図である。図９の永久磁石を利用したモータのＢ〜Ｂ断面図である。図９の永久磁石を利用したモータの可動子と可動子を下から見た従来の永久磁石を利用したモータを示す視図である。

符号の説明

１固定子、３可動子、５Ｎ極磁極、６Ｓ極磁極、３ａＮ極用磁気ヨーク、３ｂＳ極磁気ヨーク、１０補助磁石、１３共通永久磁石、１４，１５ヨーク入口、１６巻線、１９磁束。

Claims

移動可能に設けられた可動子と固定された固定子を備えたモータであって、
前記可動子は、
その移動方向に沿って配置された共通永久磁石と、
前記共通永久磁石を挟んで両側に設けられたＮ極磁気ヨークおよびＳ極磁気ヨークと、
前記磁気ヨークと磁気的に結合され、可動子の移動方向と直交し、かつＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置された複数のＮ極磁極およびＳ極磁極と、
前記Ｎ極磁極と隣接するＳ極磁極の間に配置された補助磁石と、前記複数のＮ極磁極およびＳ極磁極に巻回された交流巻線とを備え、
前記固定子は、前記可動子と所定のエアギャップを設けて配置され、可動子と向かい合う面に複数の凹凸部をもつ軟磁性材料で形成され、
前記Ｎ極磁極は、Ｎ極磁気ヨーク側で広くなりＳ極磁気ヨーク側で狭くなる台形形状の軟磁性材料で形成されており、
前記Ｓ極磁極は、Ｓ極磁気ヨーク側で広くなりＮ極磁気ヨーク側で狭くなる台形形状の軟磁性材料で形成されていることを特徴とする永久磁石を利用したモータ。
請求項１に記載の永久磁石を利用したモータにおいて、
前記Ｎ極磁極及びＳ極磁極の軟磁性材料は、軟磁性材料のブロックで形成されていることを特徴とする永久磁石を利用したモータ。