JP5015621B2

JP5015621B2 - 永久磁石式２相回転電機

Info

Publication number: JP5015621B2
Application number: JP2007020429A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本; 隆弥加藤
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Servo Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: JP2008187846A

Description

本発明は巻き線極と巻き線を有しない補助極で構成される固定子と２個の永久磁石を互いに逆方向に反発磁化したハイブリッド型永久磁石式回転子を組み合わせたステッピングモータ等の回転電機に関する。

小型で高トルク、低振動がＯＡ機器等に使用されるステッピングモータ等の回転電機に
要求されている。この問題を解決するものとして本願発明者の一人はすでに次の特許を取得をしている。本願はこれらの先行特許の改良に関する。

日本国特許第３７６２９８１号米国特許ＵＳＰ６７８１２６０Ｂ２

１）ハイブリッド（以下ＨＢと略す）のステッピングモータ等の多極回転電機で単位回転子を２個同軸で密着連結してお互いにその永久磁石同士を逆極性に磁化する構造の回転電機では特許文献１及び２に固定子主極を４個（本願の図５）とし２相巻き線として、不平衡電磁力をなくし２相８主極モータより高トルクを実現している。しかし巻き線インダクタンスが２相８主極モータより大きくなり低速回転領域では高トルクを実現しているが例えば回転子歯数５０のステップ角が１．８度品では約１５００ｒｐｍ以上の回転領域では図６、図７に示した従来の２相８主極モータより電流が流れないためトルクが低下する問題があった。
２）特許文献１及び２に固定子主極を４個とした２相巻き線モータは２相８主極モータより巻き線が簡単で安価となるが、市場では更なる安価なモータの要求がある。
３）市場では２相８主極モータとトルクがほぼ同じで更に小形且つ安価なモータの要求が強くある。

本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
四辺形を含めた多角形や略環状の磁性体より突き出て設けた、2相式で２つの巻き線極と２つの補助極で構成された固定子主極の各先端に複数個の誘導子を有し、１相分の主極は１個の巻き線極と１個の補助極が機械角で略１８０°隔てた位置として各々の複数の小歯位置はお互いに電気角で１８０°隔てた位置とし、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数Nｒ個の歯を有した回転子を２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分ずらして挟持した単位回転子を２組、単位回転子ＡとＢとして共通回転軸上に設けて、単位回転子ＡとＢの近接あるいは隣接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて、回転自在に単位回転子Ａ側のブラケットと単位回転子Ｂ側のブラケットにて固定子両側よりエアギャップを確保して組立されることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段２」
手段１で回転子歯数はNｒ＝４ｎ±１であることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段３」
手段１で回転子は回転子周方向にＮ極とＳ極が交互に配置された円筒型永久磁石を含む回転子であることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段４」
請求項３において回転子の極対数が４ｎ±１であることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段５」
手段１から４においてモータ出力軸位置が該環状形の固定子のセンターと異なる位置であることを手段とした小型化を実現する永久磁石式回転電機。
「手段６」
手段1及び２において永久磁石をフェライト磁石としたことを手段とする永久磁石式回転電機。

１）固定子は巻き線極と補助極含めて４個であるので４巻き線式に対しインダクタンスは焼く半分となり従来の８巻き線式とほぼ同じ巻き線インダクタンスとトルクが得られる。また従来の４主極（巻き線極）と比較して低速時のトルクは半分であるが高速時（約１５００ｒｐｍ時）はインダクタンスが小さいので勝る。
２）同一回転子径で従来の８巻き線極モータに対し、同程度の出力トルクでモータサイズが８３％程度に小型化出来る。
３）薄型モータのＨＢ機ではボンド磁石やフェライト磁石のような磁気エネルギーの低い安価な磁石でも使用が可能となりコストーパフォーマンスに優れた永久磁石式回転電機が提供できる。
４）２巻き線極のため巻き線が簡素で、特殊回転子により不平衡電磁力のない小型高トルクの回転電機が安価に提供できる。

以下図面によって説明する。

図１は本発明の省主極構造固定子である２相２巻き線極で２補助極の固定子と特殊ＨＢ型回転子の組み合わせによる回転電機の軸方向から見た構成図である。但し軸の図示は省略してある。１は固定子鉄心であり、略四辺形を含む多角形や円形形状も可能なものであり、２はハイブリッド（以下ＨＢと略す）回転子の場合の図である。３は巻き線である。図１でＹ１−Ｙ２軸とＸ１−Ｘ２軸の交点が出力軸位置である。出力軸位置より図１では外形を正方形とすれば巻き線３の分だけ、ａ＞ｂとなる。またＺ１−Ｚ２軸に対し、回転子歯数Nｒ＝４ｎ±１と選べば線対称となる。図２は図１の軸を含めた断面図である。
固定子の２相２巻き線極で２補助極主極の各先端には複数個の誘導子を有し、１相分の主極は１個の巻き線極と１個の補助極が機械角で略１８０°隔てた位置として各々の複数の小歯位置はお互いに電気角で１８０°隔てた位置とし、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数Nｒ個（図１では２５個の歯が均等に配置されているが固定子極誘導子磁歯と対抗する部分のみ図示）の歯を有した回転子２１，２２の２個で軸方向に磁化した永久磁石５１をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分ずらして挟持した単位回転子をもう一組（２３、５１、２４）の計２組、単位回転子ＡとＢとして共通回転軸４上に設けて、単位回転子ＡとＢの近接あるいは隣接する回転子同士２２と２３は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて、回転自在に単位回転子Ａ側のブラケットと単位回転子Ｂ側のブラケットにて固定子両側よりエアギャップを確保して組立される。固定子（１）と（２）は機械角で１８０°隔てているのが望ましいが回転子歯数が後述するがｎを１以上の整数として４ｎ±１と等しくとらない場合は１８０度に近い値に設計することになる。
また２組の単位回転子は密着させてもよいが２２と２３を近接させてその間に薄い非磁性板や導電性板を入れると着磁がし易くなる。
このとき例えば図１及び図２を参照して１相のみ励磁され、Ｎ極の回転子２１が１相のＳ極に励磁された巻き線主極（１）と対向していれば、１相分の補助極（２）はＮ極に磁化されてＮ極の回転子２１とは非対向（歯と溝で対向し電気角で１８０度）の位相関係になる。逆に回転子のＳ極２２とは１相分の補助極（３）は歯が対向することになる。そして回転子Ａの回転子磁束は励磁１相分巻き線コイル３と鎖交することになる。このとき励磁されてない２相分の固定子主極の歯と回転子歯とは電気角で９０度の位相関係にある。これらの回転子と固定子の歯位置関係は図３に示すようになる。また回転子Ｂも１相分固定子と同様に対向して軸方向に同じ2つの磁気回路が形成されるので１回転子の場合の半分と磁気回路が短くできる。
図１、図２より本発明はコイルが２個しかなく回転子軸がモータのセンターでなく異中心にあるためその分小形にできる。

図４と図３で本発明の構成でも不平衡電磁力がキャンセルされることを説明する。
図３で固定子（１）と回転子２１及び２３で図４のラジアル方向吸引力Ｆ１、Ｆ４が発生する。同様に補助極（３）で回転子２２及び２３でＦ２、Ｆ３が発生する。これらのラジアル方向吸引力は打ち消しあっている。図４で前後ブラケットを各々６，７とし、８なる軸受けの中心に支点を取ったモーメント力Ｍでみてもキャンセルされる。
即ち
Ｍ＝Ｌ_１Ｆ_１+（Ｌ_１+Ｌ_２+Ｌ_３+Ｌ_４）Ｆ_４−（Ｌ_１+Ｌ_２）Ｆ_２-（Ｌ_１+Ｌ_２+Ｌ_３）Ｆ_３
（１）
また次の（２）（３）式が成立する。
Ｆ_１＝Ｆ_２＝Ｆ_３＝Ｆ_４（２）
Ｌ_２＝Ｌ_４（３）
（１）式の右辺に（２）、（３）を代入すれば
Ｍ＝０（４）
となりモーメント力Ｍはキャンセルされる。
ポイントは補助極によるＦ_２，Ｆ_３が巻き線極のＦ_１，Ｆ_４と漏洩磁束を無視すれば同じ値となることにある。
図５、図６、図７は従来技術の図である。図５は引例の特許文献１の巻き線を省略した図であり回転子は本願図２と同じものである。前述したように本願及び８巻き線極式に比べ巻き線が４個なのでインダクタンスが約２倍と大きく低速で通常の８巻き線極に対して後述するように約２倍の高トルクであるが高速回転にトルクが小さくなる問題があつた。これを本願のようにすれば低速時トルクは半分の８巻き線極と同じでコイルが２個となるためインダクタンスも半減するので高速時トルクは通常の８巻き線極並になる。図６は巻き線の図示を省略した通常の８巻き線極の固定子３０と回転子３１の２相ＨＢ型回転電機を示す図であり、図７は軸を含む断面図である。図７は前述したＨＢ回転子でお互いに歯ピッチの１／２ずらせた歯位置に構成されている回転子３１，３２と軸方向に磁化された永久磁石３３の単位回転子が使用されている。１５、１６は前後ブラケットである。

引例の特許文献１の２相４主極と８主極固定子に同一の単位回転子を組み合わせた場合のトルクを前述した特許文献１で説明したが再度説明する。本願構成はこの引例特許文献１に示す２相４主極モータの約半分のトルクとなる。
Ｔ１＝N ＮｒｉΦｍ（５）
１相分トルクは（５）式で表される。Ｎｒは回転子歯数、Ｎはコイル巻き数、ｉは電流、Φｍは回転子からの永久磁石の磁束のコイルとの鎖交磁束である。
両者同一線径で同一トータル巻数Nｔとする。また回転子から出るトータル磁束量は両者の固定子の歯数が例えば４８（８主極は８×６＝４８、４主極では４×１２＝４８）と等しいとした場合は両者の固定子鉄心の磁気抵抗差を無視し同じ値のΦｔと近似できるので８主極機、４主極機の各１主極の巻数、磁束を各々Ｎ８
、Ｎ４、Φ８、Φ４として、次式が成立する。

Φ８＝Φｔ／８（６）
Φ４＝Φｔ／４（７）
Ｎ８＝Nｔ／８（８）
Ｎ２＝Nｔ／４（９）

（５）〜（９）式より、８主極４主極機のトルク、Ｔ８、Ｔ４は各々以下となる。

Ｔ８＝２＊４（Ｎｔ／８）Ｎｒｉ（Φｔ／８）
＝ＮｔＮ_ｒｉΦ_T／８（１０）
Ｔ２＝２*２（Ｎｔ／４）Ｎｒｉ（Φｔ／４）
＝ＮｔＮｒｉΦｔ／４（１１）

（１０）、（１１）より、４主極機は従来の８主極機のモータより約２倍のトルクが出せることになる。しかし通常の単位回転子の場合、４主極機は不平衡電磁力が発生し騒音や振動が大きくなる。そこで不平衡電磁力が発生しない単位回転子ＡとＢを近接させて近接回転子同士が同一極性となるようにするわけである。従って本願のものはコイルが２個なので巻き数が半分とすればトルクは４主極機の半分の従来の８主極機と同じで構造が極めて簡単な２巻き線で８巻き線式と同じトルクが得られまた不平衡電磁力が発生しないことになる。

本願の２巻き線極２補助主極の場合、望ましい回転子歯数Nｒは図１を参照して以下の式から誘導される。

９０／Ｎｒ＝（−／＋）｛（３６０／４）−３６０ｎ／Ｎｒ｝（１２）

但しｎは１以上の整数。
（１２）式の左辺、及び右辺は本構成のステップ角を表すしこれを整理すると（９）式が得られる。

Nｒ=４ｎ±１（１３）

N_ｒは，２相２巻き線極２補助主極構造の望ましい形態となり図１のＸ軸とＹ軸は直交する。また固定子磁極（１）と（３）、及び（２）と（４）は機械角で１８０°の位置となる。
ステップ角は例えばｎ＝１９でＮｒ＝７５となり、２相機では（９０／Ｎｒ）度がステップ角となるので、１．２度ステップ角の固定子の回転電機が得られる。また図１の図示の例はｎ＝６でＮ_ｒ＝２５、３．６度ステップ角となる。
またＺ軸で対称にすれば裏表交互積層とすれば珪素鋼鈑のフープ材の圧延厚み差を吸収できる。

図２で永久磁石は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従来の２相８主極式の磁石1個使用の（図６、図７の構成）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でネオジム磁石で残留磁束密度Ｂｒが１．３［Ｔ］を使用していた。これに対し、本願の場合は磁石が2個なので、磁石のＢｒは次式で得られる。

Bｒ =１．３［Ｔ］×（１／２）（３／２）（４／８）＝０．４８７５［Ｔ］ (１４）

式（１４）の（１／２）は１個の磁石で励磁する回転子の外周面積が同一サイズの従来
の８主極と組み合わせた通常のＨＢ型回転子と比較して略１／２になるため永久磁石から発生する磁束も半分でよいので磁石の面積が同じなら磁石の磁束密度は半分でよいとの理由、（３／２）は永久磁石の磁路長さが半減するために鉄心部でのパーミアンスが単純約２倍となるが、エアギャップや磁路の磁束密度の低下を考慮してトータルでパーミアンスが約３／２倍に近似したものである。（４／８）は（４主極／８主極）を意味しトルクは前述した（１０）式と（１１）式の関係から主極数に反比例することによるものである。
この（１４）式におけるＢｒの値の磁石でＢｒが１．３［Ｔ］（テスラ）のネオジム磁石を使用した８主極モータと同程度のトルクが得られることになる。式（１４）の結果はコンピユターでの磁場解析結果とほぼ一致している。
このＢｒの値はフェライト磁石に相当する。フェライト磁石はＢｒが０．５［Ｔ］で保持力Ｈｃｊ＝２７５ＫＡ／ｍ程度でその減磁曲線は磁束密度を垂直に保持力を水平に取った座標の第二象限で直線となり、磁路に組まれた永久磁石のパーミアンス係数を勾配とした原点を通過する直線と減磁曲線との交点が動作点となるがその動作点磁束密度はほぼ永久磁石のＢｒに比例することから近似的に（１４）式が成立する。フェライト磁石は希土類磁石に比べて極めて安価であり、２個使用してもネオジム磁石より安くなる。即ち０．５［Ｔ］以下の磁石で十分実用トルクが得られる。０．５［Ｔ］以下の磁石であれば乾式や湿式の焼結フェライト磁石に限らず樹脂をバインダーとしたボンド（プラスチック）磁石でもよい。焼結フェライト磁石では例えば外形２５ｍｍで厚みは２ｍｍ程度が量産する限度であり、それより薄いと割れ不良が多発する。これをボンド磁石にすれば割れ不良は解決する。
２相４巻き線極固定子と前述の２連回転子で不平衡電磁力を抑えながら０．５［Ｔ］以下のローグレードの永久磁石を採用することにより、従来の高価なネオジム焼結磁石やサマリユムコバルト磁石のような希土類磁石を採用した同サイズモータに対しトルクを同等あるいは倍増することも可能であり今までにはない画期的な新技術といえる。

これまでの本発明の説明は２組のＨＢ型回転子の構成で説明してきた。これに対し例えば図1で固定子はそのままで回転子のＮ極Ｓ極を交互に円周方向に磁化した円筒磁石の図8に示した回転子と入れ替えても良い。
即ち図1の場合ではＮＳの対数が２５であればよい。この場合不平衡電磁力は図2で２１，２４が円筒磁石のＮ極、２２，２３が円筒磁石のＳ極に相当するので同様にキャンセルされる。Ｎｒ個の極対数円筒磁石であればＮｒ＝４ｎ±１も同様に成立する。ｎは１以上の整数。

本発明による回転電機は安価な構造と安価な磁石で従来の２相８巻き線式と同等のトルクが出せるのでＯＡ機器である複写機やプリンターの用途に対し安価で高トルクなモータの提供が可能であり、エアギャップも大きく出来るので低振動のアクチュエータとなり、工業的に大きな寄与が期待される。その他、医療機器、ＦＡ機器、ロボット、遊戯機械、住宅設備機器への応用も大いに期待される。

本発明の回転電機の図図１の側面断面図本発明の歯位置の図本発明のラジアル吸引力の図従来の回転電機の図別の従来の回転電機の図図６の側面断面図本発明の固定子と組み合わせる別の回転子

符号の説明

１、３０：固定子
２，２１，２２，２３，２４，３１，３２：回転子
３、：巻き線、
４、：出力軸
５１、３３：永久磁石、
６、１５：前ブラケット、
７、１６：後ブラケット
８：軸受け

Claims

四辺形を含めた多角形や略環状の磁性体より突き出て設けた、２相式で２つの巻き線極と２つの補助極で構成された固定子主極の各先端に複数個の誘導子を有し、１相分の主極は１個の巻き線極と１個の補助極が機械角で略１８０°隔てた位置として各々の複数の小歯位置はお互いに電気角で１８０°隔てた位置とし、各相の主極は機械角で９０°隔てて配置され、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数Ｎｒ個の歯を有した回転子を２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分ずらして挟持した単位回転子を２組、共通回転軸上に設けて、２組の単位回転子の近接あるいは隣接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて、回転自在にエアギャップを確保して組立され、共通回転軸であるモータ出力軸が該環状形の固定子のセンターと異なる位置に配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１で回転子歯数はＮｒ＝４ｎ±１であることを特徴とする永久磁石式回転電機。但し、ｎは１以上の整数。
四辺形を含めた多角形や略環状の磁性体より突き出て設けた、２相式で２つの巻き線極と２つの補助極で構成された固定子主極の各先端に複数個の誘導子を有し、１相分の主極は１個の巻き線極と１個の補助極が機械角で略１８０°隔てた位置として各々の複数の小歯位置はお互いに電気角で１８０°隔てた位置とし、各相の主極は機械角で９０°隔てて配置され、エアギャップを介して回転自在に設けられた回転子を周方向にＮ極とＳ極が交互に配置された円筒型永久磁石を含み、該回転子の出力軸が該環状形の固定子のセンターと異なる位置に配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項３において、回転子の極対数が４ｎ±１であることを特徴とする永久磁石式回転電機。