JP5073487B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、一般に電動機に関する。より具体的には、本明細書に開示されかつ請求されている本発明の着想は、電動機に巻回（ｗｉｎｄｉｎｇ）を設ける方法、それによって作製された巻回、およびこのような巻回に使用されるように適応された磁気ユニットに関する。本発明の着想は、電動機を利用するトータル・ステーション（ｔｏｔａｌ ｓｔａｔｉｏｎ）にも関する。

測量計器では、特に、いわゆるトータル・ステーションでは、この計器中の可動ユニットを必要な軸回りに回転させることによって、この可動ユニットを水平軸または垂直軸回りに位置決めすることが必要である。どちらの軸回りにおいても、通常、可動ユニットの回転は、歯車装置を介して、手動計器では手によって行われるか、または、追跡の手順で、すなわち、トータル・ステーションが標的に照準を合わせて追従するかもしくは特定の標的を既知の位置で発見する手順で、自動的に次々に位置を移動するように企図されている自動計器では、この歯車装置に連結された電動機によって行われる。このような歯車装置は、それらの目的に適うために非常に高精度である必要があり、その結果として極めて高価である。このような歯車装置では、一般に機械的なバックラッシおよびヒステリシス効果が存在し、電動機を制御するのに十分に安定性がありかつ厳密なサーボ・ループを得るためには電動機および可動ユニットに角度センサが必要になる。

可動ユニットを手によって強制的に移動させることを可能にすべき装置に高い歯車比を有する歯車装置が存在すると、電動機と可動ユニットとの間に摩擦クラッチが典型的に必要であり、歯車装置が定位置に留まっている間に可動ユニットの移動を可能にする。

上の種類の電動機駆動システムは、細部の複雑さのために高価であり、ギヤ・ホイールに関する公差に対して要求度も高い。ギヤ・ホイールは、必然的に摩滅、注油の必要性、整備間隔等を示唆する。

これらの目的のために従来技術で使用される電動機駆動システムは、高い歯車比（トータル・ステーションでは典型的に６００倍）を呈示し、これは、多少の遊びが存在することを内在的に意味する。従来技術で使用される一般的な電動機駆動装置は、２つの回転センサ、すなわち、迅速であるがそれほど正確ではない角度測定値を与える電動機軸上のセンサと、精度の高い調整情報を与える出軸上のセンサとが必要である。

測量計器用の電動機駆動システムの実施例が、米国特許第５９８７７６３号明細書および米国特許第５４７５９３０号明細書に見いだされ得る。ブラシレスＤＣ永久磁石電動機が国際公開第９９／０３１８８号パンフレット（ＰＣＴ／米国特許出願公開第９８／１４０１０号明細書）から知られており、電動機巻回を作製するための方法が米国特許第５１９７１８０号明細書から知られている。歯車を使用することに関する欠点は既に上で論じられた。米国特許第５１９７１８０号明細書に説明された巻回方法は、巻回のグループごとにそれぞれ巻回方向を逆にするステップを含むが、これは巻回に複雑さをもたらす恐れがある。

したがって、本明細書では、直接駆動システム（ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ）を設けることによって、ギヤ・ホールに対する必要性が排除される電動機が開示される。電動機のための新規な種類の巻回および対応する磁気システムも開示される。

本明細書に開示される本発明の電動機では、電力効率および利用可能なトルクが、従来技術のシステムに比べて大幅に向上され得る。一般的に言えば、これは、巻回の有効長さ全体にわたって電流が磁界に対して実際上垂直であることを可能にする巻回を有することによって促進される。しかも、本磁気システムはより均一な磁界を設けるように設計されるが、それは、特に、本発明の巻回との組合せで、電動機の効率およびトルクをさらに向上させる。

本発明は、巻回を作製する方法と、それによって得られる巻回と、このような巻回に使用されるように適応された磁気システムを有する電動機とに関する。本発明は、上で説明された問題を解決することに関する。

したがって、本発明の目的は、本明細書のプリアンブルで説明された用途に適合される電動機、すなわち、可動ユニットのより厳密な制御をもたらし、かつ特に直接駆動に適応される電動機を提供することである。

したがって本発明の実施形態によって獲得される１つの利点は、摩擦クラッチの使用が不要になることである。

本発明の電動機の着想の実施形態によって獲得される別の利点は、機械的な部分に対する要件がそれほど厳しくないこと、および本電動機は組立てが容易なことである。

本発明の実施形態によって獲得され得る別の利点は、軽量の電動機駆動システムが提供され得ることである。

さらに別の利点は、電動機中の磁界に可能な限り均一な流れを与える永久磁石の設計が提供され得ることである。

したがって、本発明は、性能を向上させるために、迅速かつ正確であり、バックラッシをいずれももたらさない直接駆動電動機（ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ｍｏｔｏｒ）を提供する。

本発明は、低い騒音水準を呈示する駆動システムも提供する。

本発明はさらに、低電力消費の電動機を提供する。これは、すなわち、磁界が最適化されることによって、また歯車手段がいずれも存在しないことによっても達成される。

本発明は、電動機用の巻回および磁気ユニットと、このような巻回および磁気ユニットが使用され得る電動機とを作製する方法において実現されることが好ましい。

本発明の目的、利点、および特徴を説明するために、以下では図面の図が参照される。

磁界中で導線に対して及ぼされる力は、Ｆ＝Ｂ＊Ｉ＊Ｌ＊ｓｉｎ（α）として表現され得るが、ここでＢは磁束密度（テスラ）、Ｉは導体中を流れる電流（Ａ）、αは電流と磁界との間の角度、Ｌは導線の長さ（ｍ）、そしてＦは、ＢおよびＩによって画定された平面に対して垂直な力のベクトル（Ｎ）である。これが図１に例示されている。及ぼされる力を最大化するためには、電流は磁束に対して垂直であるべきことがこの式から明白である。電流と磁束との間が直角のとき、ｓｉｎ（α）は１に等しく、したがって力は最大化される。電流と磁束とが平行であれば、ｓｉｎ（α）はゼロとなり、したがって力は及ぼされない。しかし、通常では、電流が磁束に対して垂直になるように巻回を電動機に設けることは非常に難しい。したがって、従来技術では、利用可能な駆動力が理論限界値を常に実質的に下回ってきた。

参照のために、従来の電動機の磁気システムが、図２のＦＥＭ−出力に例示されたように示されている。２つの鉄芯２０１および２０２（短絡鉄磁石保持体）が相互に同心配置されているのが示されている。これらの鉄芯に接触して対向側に、永久磁石２０３および２０４が装着されている。これらの２つの対向する磁石の間に、電動機の巻回を収容するように適応された空隙２０５が存在する。鉄芯、磁石、および磁石間エア・ギャップにおける磁界も示されている。磁界の分布（ＦＥＭ出力）は、図面から理解され得るように、特に鉄芯中で不均一である。この図から同様に理解され得るように、磁束が事実上存在しない空隙２０５の大きな領域が存在する。このような領域では、巻回中を流れる電流によって駆動力が生成されることはない。

本発明に係る電動機は、好ましくは固定巻回および回転磁気ユニットを呈示する。本電動機は水平軸または垂直軸を備えて配置され得る。

本発明に係る電動機は、計器（可動ユニット）を少なくとも１つの軸回りに回転させるように企図されており、力Ｆは回転円に対する接線に可能な限り近似するべきである。

上で説明されたように、回転のための可能な限り多くのトルクが生成されるべきであるので、巻回中の電流は、ｓｉｎ（α）＝ｓｉｎ（９０°）＝１であるように、理想的には磁束に対して垂直であるべきである。

これを達成するために、本発明に係る電動機は、回転の軸に対して半径方向のベクトルとして作用する磁束と、回転の軸に対して平行でありかつ磁束に対して垂直な軸方向のベクトルとしての電流とを有するように設計される。磁束は、電動機において半径方向平面内で磁極ごとに次々に方向が変化することに留意されるべきである。力Ｆは、半径Ｒにおいて作用して回転トルクに変わる。したがってＲに関して大きな値を選択する利点は、それが比較的に小さい電流から大きなトルクを与え、よって低電力消費をもたらすことである。

力Ｆが半径Ｒにおいて作用してトルクＭ＝Ｆ・Ｒを生成し、かつ磁束と巻回中の電流との間の角度αが９０°に近似され得るという想定下では、上の式はＭ＝Ｂ＊Ｉ＊Ｌ＊Ｒとなる。

固定巻回の結果として、従来技術の電動機で典型的に使用されるようなブラシまたは同様物に対する必要性がない。その代わりに、巻回中の電気位相（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ）を整流するために、固定子に対する回転子の回転位置を示す情報を供給するための角度センサが使用される。この角度センサは、同時係属のスウェーデン特許出願第０３０１１６４−０号明細書に説明されている種類でよい。角度センサは、これが空間を節約するばかりでなく、汚れおよび埃からセンサを保護することになるので、好ましくは電動機の内部に配置される。本計器は屋外で使用するように設計されており、したがって環境要件に耐え得るべきである。

したがって、本電動機は、電動機の磁気システムが電動機の回転部分（回転子）であるように配置され、巻回が固定部分（固定子）である点で従来にない設計である。これは、巻回が計器の他の要素に直接的に電気接続可能であり、ブラシまたは同様物が電動機の駆動または電力供給に不要であるという利点を有する。さらには、本電動機は、水平軸または垂直軸を直接駆動するために使用されるように適応されている。非常に精密な計器では、軸方向または半径方向の力が回転部分に対して存在しないことが大いに推奨される。したがって、巻回は、鉄が回転部分中の磁石と鉄との間に軸方向または半径方向の力を導入する恐れがあるので、鉄を含まないことが推奨される。

本電動機は、巻回を収容するためのエア・ギャップを有する同期電動機として特徴付けられ得る。

ここで、２つの模式図面３ａおよび３ｂを有する図３を参照すると、それは、本発明に係る電動機における電流と、磁界と、力と、トルクとの間の相互関係を例示する。第１の図面３ａでは、電動機の磁気ユニットが平面図で示されている。２つの鉄芯３０１および３０２が、互いに同心配置されているのが示されている。これらの鉄芯には、永久磁石３０３および３０４が装着されている。図面上には参照符号によって明示されていないけれども、図中のジグザグ線によって模式的に示されているように、永久磁石が鉄芯の周囲全体に同じ様態で設けられていることが理解されるべきである。電動機の巻回を収容するための空隙またはエア・ギャップ３０５が、２つの鉄芯３０１と３０２との間に存在する。永久磁石からの磁界は、矢印Ｂによって示され、生成された力は矢印Ｆによって示されて半径Ｒにおいて作用しており、そして得られるトルクは湾曲矢印Ｍによって示されている。明瞭さのために、磁界Ｂおよび生成された力Ｆのみが図中の一部分に示されている。しかし、磁界は鉄芯回りの永久磁石のそれぞれの対で生成されることが理解されよう。第２の図面３ｂには、電動機の巻回を通って流れる電流Ｉが示されている。明瞭さのために、実際の巻回がこの図面から割愛されており、電流のみが示されている。しかし、この電流は鉄芯間のエア・ギャップ３０５の中に収容された巻回に由来することが明白である。この図から、どのようにトルクが発生するかが理解される。電動機の動作中、巻回中の電流は、図中に模式的に示されたように、回転軸に対して平行な交番方向へ鉄芯３０１と３０２との間のエア・ギャップを通過する。したがって、電動機においてトルクを生成する力Ｆは、上で説明されたように連続的かつ効率的な様態で創出される。巻回中の電流は、磁界全域にわたって実質的に垂直であり、よって電流の任意所与の水準に関して実現可能な最も大きい力を与えることに留意されるべきである。

鉄芯３０１および３０１は、可動ユニットを固定するための穴３０７を有する円形板３０６上に配置される。

磁石および鉄芯の配置は、図３の磁気システム中の磁石ユニットの部分における模式図である図４ａでさらに検討され得る。例えば、４０３、４０３’、および４０４、４０４’で示されているように、永久磁石のそれぞれの対は、これらの磁気方向が同じ方にかつ隣接する磁石対とは反対に向くように、すなわち、内向きと外向きとを交番する磁束を生成するように向けられかつ配向されている。したがって、鉄芯の周囲では、永久磁石対４０３、４０３’によって生成された磁束は、隣接する磁石対４０４、４０４’によって生成された磁束とは逆に向けられ、以下同様である。磁気の向きは図中の矢印よって示されている。

本発明に従って使用される磁石の推奨される形状に留意されるべきである。これらの磁石は、鉄芯中の対応する凹部に嵌るように形成される。これらの磁石は、断面が本質的に三角形であるが、切断された縁部を有する細長い本体であり、該三角形は僅かに湾曲した基底線を有する。したがって、内芯４０２の中の磁石４０３’、４０４’は僅かに凸の基底線を有し、外芯４０１の中の磁石４０３、４０４は僅かに凹の基底線を有する。

したがって、磁石および鉄芯中の対応する凹部は、２つの隣接する磁石の間に間隙４１０が形成される小領域を除けば、一定の厚さを有する断面を形成することに留意され得る。鉄芯４０１および４０２が示されている。２つの鉄芯と磁石との間の同心エア・ギャップ４０５も示されている。このギャップの中に巻回がその位置を有する。

本発明に係るこのような構造体は、図４ｂのＦＥＭ−計算で例示されているように、鉄芯の中に非常に均一に分布された磁界を与えることが証明されている。これは、鉄が非常に効率的に利用され、主として構造体に重量を加えることになる非常に低い磁界を有する鉄が存在せず、かつ均質な磁界を有するという利点を与え、鉄の量は、それが全容積中で飽和に近似するように選択され、よってその重量をさらに削減し得る。図２におけるように従来の電動機に比べて、磁界を含まないかまたは非常に低い磁界を含む、磁極間の容積が大幅に削減され、これもまた利用可能な容積の効率的な利用に寄与する。鉄芯間のエア・ギャップ中の磁界が適切に分布され、かつ均一であることにも留意されるべきである。

鉄芯に推奨される材料は軟鉄であり、磁石に推奨される材料はＮｄＦｅＢ−またはＳｍＣｏ−合金であるが、例えば、１つまたは複数の希土類元素を含む他の種類の永久磁石も、必要な磁界が実現され得る限り使用されてよい。

したがって、本発明に係るこのような磁気ユニットはモータの回転部分であり、このモータはそれに装着された回転軸を有する。これは、モータの巻回部分が固定部分であることを可能にし、よってブラシまたは集電環を使用する必要もなく、巻回が電源に直接接続されることを可能にする。理解されるように、これは本発明の配置の大きな利点である。

回転電動機の磁気回路に関して上に開示された同じ設計原理は、直線電動機にも使用され得る。その場合には、磁石は直線的なまたは僅かに湾曲した鉄芯の中に配置される。どのように本明細書の教示が、上に提示された円形幾何学配置におけるばかりでなく、直線的な幾何学配置でも実施され得るかは当業者によって容易に理解されよう。このような直線的な構成では、回転運動を駆動するトルクＭを生成するために力Ｆを利用するのではなく、力Ｆは、移動または推進のために直接利用されることになる。このような場合では、典型的には、可動部分はその場合に巻回を収容するのに適切な何らかの装置である。

特殊な巻回およびその作製方法が、本発明のために考案された。本発明に係る巻回は、電動機の他の種類の磁石ユニットにも使用され得るばかりでなく、説明された磁石ユニットも他の種類の巻回に使用され得る。本巻回はさらに発電機または同様物で使用されてもよい。

巻回用に使用される導体の数は、電動機で使用される相（phases）の数（ｎ）に関連する。３つの相が好ましいことが判明しており、したがって、図６から９における例示では、３つの相の巻回の場合が選択されており、導体の数は６＝（２＊ｎ）である。一般に、ｎ−相の電動機では、巻回用の導体の数は、下でさらに詳細に説明されるように、本発明の巻回の着想では２ｎに等しくなるべきである。

図５には、本発明に係る典型的な巻回の最終形状が示されている。巻回の２つの任意に選択された区間における電流の方向が、矢印によって示されている。このような巻回が実現される様態が、下の本文を例示する以下の図に示されている。

図６は、本発明に係る巻回原理を示す模式図である。図示された巻回は、例示的な実施例として、６つの電気導体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６を有する。このような巻回を製造するとき、すべての電気導体は、例えば、マンドレル（ｍａｎｄｒｅｌ）（図示せず）の回りに同時に巻回されることが好ましい。したがって、各導体は１つの個別の第１の巻回を形成する。さらに具体的には、第１の導体Ｌ１は、導体の幾つかの巻きを含む第１の個別の巻回Ｗ１を形成し、残りの導体はそれぞれに他の個別の巻回を形成する。導体の数、よって個別の巻回の数は、当然のことであるが、これは単なる実施例であるので変更されてもよい。それぞれの個別の巻回Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６が完成されると、すべての電気導体は、形成された個別の巻回に対して軸方向へ、これらの巻回に隣接し、次の組の個別の巻回に適切な位置まで本質的に同時に移動される。換言すれば、一旦、導体（例えば、導体Ｌ１）が、第１の個別の巻回（例えば、巻回Ｗ１）を形成するために所定の巻数だけ巻回されたら、この導体は、同じ導体の追加的な巻回を形成するために、隣接する巻回（Ｗ２〜Ｗ６）を横切って定位置に移動される。それぞれの個別の巻回の幅は、２ｎ個の巻回の全幅が電動機の１対の磁極（２つの磁石対）に対応するように選択される。軸方向へ移動された導体端部がＬ１’、Ｌ２’、Ｌ３’、Ｌ４’、Ｌ５’、Ｌ６’として示されている。次いで、電動機における磁極の数のｎ倍に等しい個別の巻回の合計数を形成するために、巻回および移動が反復される。それぞれの個別の巻回は、導線の１層または数層を含んでもよいことに留意されるべきである。導線を巻回するとき、それは、複数の層を作製するために典型的には前後に移動される。したがって、奇数の層を有する個別の巻回では、この個別の巻回は導線が当該の個別の巻回の一方の端部に位置するときに終了され、他方で、偶数の層を有する個別の巻回では、それは導線が当該の個別の巻回の他方の端部に位置するときに終了されることになる。したがって、これらの導線の軸方向変位または移動の量は、個別の巻回がその一方の端部で終了されるか、それとも他方の端部で終了されるかに依存することになる。したがって典型的には、軸方向の移動量は、個別の巻回の幅の２ｎ倍または２ｎ−１倍になろう。図７は、後続工程で、どのように導体が、巻回全体の１つの端部または複数の端部で、接続Ｃ１において導体Ｌ１とＬ４とを、Ｃ２においてＬ２とＬ５とを、そしてＣ３においてＬ３とＬ６とを相互接続することによって接続され、それによって巻回グループＧ１、Ｇ２を有する巻回を実現するかを示すが、その場合に、任意の時点において、第１のグループの個別の巻回が一方向の電流の流れを呈示し、同じ時点において、隣接するグループの対応する個別の巻回が、その逆の方向の電流の流れを呈示する。換言すれば、接続Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３により、隣接するグループの対応する個別の巻回（同じ相に接続された）が逆相にある。これはその結果として、完成された巻回全体がマンドレルから取り外され、平坦化または圧縮され、かつ巻回の２つの外端を相互に会合させることによって円筒形の巻回に形成されるとき、巻回グループの数が、この円筒形回りで任意の２つの隣接する巻回グループの相互接続された個別の巻回が逆の電流方向を呈示するようになっていることを示す。図面では、導線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が電流の共通の流れ方向を有する場合に、巻回の第２の端部における相互接続Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に起因する、巻回の第１の端部における６つの導体中の電流方向が示されている。しかし、これらの電流は一般に位相がずれている（例えば、１２０度だけ）ことに留意されるべきである。

しかし、巻回は、さらなる方策を取ることなく平坦化されると、それぞれの個別の巻回の前部および後部が逆の電流方向を呈示し、それは適切な効果を与えるのではなく、望ましい力を打ち消すことに留意される。

図８は、平坦化される前の巻回の構造体の一部を模式的に例示し、他方で図９は、平坦化された後の巻回の構造体の一部を模式的に例示する。

図８では、図７に示された図に対して垂直な巻回断面が示されており、電流の方向は、円（「上へ」）およびバツ印（「下へ」）によって模式的に示されている。図中で、ｗ１ａおよびｗ１ｂは巻回Ｗ１の前および後部を表し、以下同様である。

本発明によれば、巻回が平坦化されるとき、それぞれの個別の巻回の前部は、同じ個別の巻回の後部に対して横方向へ変位される。その結果が図９に模式的に例示されている。今や、巻回Ｗ１、Ｗ２、およびＷ３の後部ｗ１ｂ、ｗ２ｂ、およびｗ３ｂはそれぞれ、巻回Ｗ４、Ｗ５、およびＷ６の前部ｗ４ａ、ｗ５ａ、ｗ６ａに対向して配置されており、それは対向する前部および後部の電流方向が一致することを意味する（図６における導体上に、また図８および９における巻回Ｗ１〜Ｗ６の前部および後部のそれぞれの上に示されている電流の方向から分かるように）。このような状況では、それぞれの個別の巻回は、巻回の一方の側（前側）の電流が一方向へ（例えば、「下へ」）流れ、他方で対向側（後側）の電流が逆方向へ（例えば、「上へ」）流れるように幾つかの導体ループを含むことが理解されるはずである。巻回Ｗ１中の導体Ｌ１によって形成された巻回後側が、巻回Ｗ４中の導体Ｌ４によって形成された巻回前側と会合するような様態で、巻回構造体の全体を平坦化または圧縮することによって、重なり領域内の電流の方向は、図９から明白であるように、導体Ｌ１およびＬ４で同じになる。例えば、第１の巻回Ｗ１の後側ｗ１ｂは、第４の巻回Ｗ４の前側ｗ４ａと重なることになり、電流はｗ１ｂおよびｗ４ａで同じ方向へ流れ、したがって、本発明の電動機によって生成されるトルクを増大する効果を有する。

さらには、巻回を平坦化した後に、その外端部が重なるように、すなわち、最後の３つの巻回半部分が、巻回部分ｗ１ａからｗ３ａに重なるように、円筒形に丸められる。最終的に、この構造体は、自己接着式（ｓｅｌｆ−ｂｏｎｄｉｎｇ）の導線が相互に付着し、導線を含む剛性の円筒形が得られるように加熱処理される。このような様態で、巻回中に重い鉄部分または同様物をいずれも必要とすることなく、電動機の回転部分のための巻回が実現され得る。加熱処理後に、巻回は最も軽量の実現可能な自己支持式構造体（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成する。

上で説明したように、巻回は、平坦化されるとき、同じ設計原理を使用して直線電動機でも使用され得ることが指摘されるべきである。

本発明の電動機の着想をトータル・ステーションのような測地計器で使用することが特に推奨される。トータル・ステーションでは、典型的に、制御回路および他の要素のほとんどまたはすべてがその可動部分（回転式の指方規によって支持された）の中に設けられる。特に、計器に電力を供給するバッテリ・パックが、典型的にこのような可動部分の中に配置される。したがって、本発明の電動機の着想をトータル・ステーションで使用するとき、電動機の巻回部分は、計器の該可動部分に対して好ましくは固定式である。よって、電源に対する巻回の電気接続部は、ブラシまたは滑動環をいずれも備えることなく作製され得る。

図１０は、本発明の電動機の着想が有利に利用されているトータル・ステーション１０００を模式的に示す。ほとんどのトータル・ステーションに関して言えば、それは、三脚１０１２の上に装着された基部１０１０と、方位軸１０３０回りに回転するように基部上に装着された指方規（ａｌｉｄａｄｅ）１０１４と、仰角軸１０４０回りに回転するように指方規に装着された望遠鏡１０１６とを具備する。この望遠鏡は、トータル・ステーションの使用中に測定点に照準が向けられる照準軸１０５０を有する。使用中、方位軸１０３０および仰角軸１０４０回りに計器を回転させることによって、照準軸を新たな測定点に迅速に調整することがしばしば望ましい。この目的のために、本発明の電動機の着想を活用することが特に推奨される。方位軸回りの回転のために、本明細書に開示された本発明の着想に係る電動機が、その巻回が指方規１０１４に対して固定式であるように搭載されることが好ましい。次いで、ブラシまたは滑動環を必要とすることなく、指方規の中に設けられたバッテリ・パックまたは同様物から電力が電動機に供給され得る。仰角軸１０４０回りの回転のために、別の電動機が同様に設けられてもよい。指方規の中に設けられた同じ電源が仰角回転を駆動するためにも使用される場合には、仰角回転用の電動機は、典型的には、その巻回が指方規に対して固定式であるように配置されることになる。

方位回転および仰角回転の駆動は、本発明の電動機の着想がトータル・ステーションで使用されるとき、歯車装置をいずれも必要とすることなく行われ得ることが特に理解されるべきである。歯車装置の除外は、電動機によって生成される高いトルクによって可能である。その結果として、機械的騒音が低減され、バックラッシが本質的に排除され、かつ新たな測定点に位置を決め直すことが迅速に行われ得る。

当然のことであるが、本発明の電動機は、その巻回が指方規に対して固定式であるように搭載される必要はない。特に、電源が基部の中に設けられている場合には、電動機の巻回が基部に対して固定式であることも可能である。

トータル・ステーションで本発明の電動機を使用することによって、他の利点も実現される。歯車装置がトータル・ステーションまたはその任意の部分の回転に不要であるので、したがってバックラッシおよびヒステリシス、注油要件、騒音、ならびにサーボ・ループの複雑さに関して上の導入部で留意された問題が軽減され得る。さらには、本発明の電動機の優れたトルクおよび制御性により、トータル・ステーションの方位および仰角調整がより速い速度で行われ得る。

本発明の範囲内で、上で述べられた変更以外にも様々な変更が、開示された実施形態に行われ得ることが明白であろう。

さらに他の変形が当業者に想到されよう。このような変形および変更はすべてが本発明の範囲内である。本明細書に選択されかつ説明された実施形態は、本発明の原理およびその実際の応用を説明するという目的を有するものであり、それによって当業者が様々な実施形態で、かつ企図された特定の用途に適切な様々な変形によって本発明を利用することを可能にするものである。したがって、以下の特許請求の範囲は、限定的な解釈が与えられているものではなく、開示された主題から導かれる変更および変形を包含するものと見なされるべきである。

電流と、磁界と、力との間の相互関係を例示する図である。 電動機の従来の磁気システムを例示する図である。 電流と、磁界と、力と、トルクとの間の相互関係を示す、本発明に係る電動機の磁気システムの実施例を示す図である。 電流と、磁界と、力と、トルクとの間の相互関係を示す、本発明に係る電動機の磁気システムの実施例を示す図である。 図３の磁気システムをさらに詳細に示す図である。 図３の磁気システム中の磁界を示しているＦＥＭ出力を示す図である。 本発明に係る典型的な巻回を示す図である。 本発明に係る巻回を作製する典型的な様態を示す図である。 本発明に係る巻回中の導体を接続する典型的な様態を模式的に示す図である。 図７に係る巻回中の電流の方向を例示する図である。 圧縮または平坦化された巻回中の電流の方向を例示する図である。 本発明の電動機の着想が有利に使用されているトータル・ステーションを模式的に示す図である。

Claims (15)

1. ｎ−相電動機のための巻回を作製する方法であって、
   （ａ） 少なくとも２ｎ個の複数の個別の巻回（Ｗ１〜Ｗ６）を得るために、同じ方向へ巻回される２ｎ個の複数の絶縁された導体（Ｌ１〜Ｌ６）を連続的に巻回するステップと、
   （ｂ） 前記導体を、ステップ（ａ）で得られた個別の巻回に隣接する位置に、形成された前記個別の巻回に対して軸方向へ移動するステップと、
   （ｃ） ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）を所定の回数反復するステップと、
   （ｄ） ｙが１からｎまでの整数であり、前記導体のＬ（ｙ）とＬ（ｙ＋ｎ）との対を相互接続するステップとを含む方法。
2. 同じ方向へ電流を導通するように適応された部分が相互に隣接して配置されるように、それぞれの個別の巻回の第１および第２の部分を変位することによって、前記巻回を平坦化するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記巻回を平坦化する間に、導体の相互接続された対が相互に隣接して配置される、請求項２に記載の方法。
4. 前記平坦化された巻回を円筒形状に形成するステップをさらに含み、前記巻回の一方の端部におけるｎ個の第１の部分が、前記巻回の他方の端部におけるｎ個の第２の部分に隣接して配置される、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記巻回は自己接着式導体を使用して作製され、自己支持式巻回構造体を得るために前記形成された巻回を熱処理するステップをさらに含む、請求項１ないし４の何れかに記載の方法。
6. ｎ−相電動機のための巻回であって、前記巻回は複数の個別の巻回を形成する２ｎ個の導線を含み、前記線の対はｎ個の巻回対を形成するために相互接続され、それぞれの対が前記電動機の１つの相に接続するように適応される巻回であり、
   前記巻回は、
   連続的に巻回された２ｎ個の複数の絶縁された導体（Ｌ１〜Ｌ６）を含み、前記巻回は、同じ方向へ巻回された少なくとも第１の２ｎ個の複数の個別の巻回（Ｗ１〜Ｗ６）を有し、
   前記第１の２ｎ個の複数の個別の巻回に隣接する少なくとも１つの他の２ｎ個の複数の個別の巻回を含み、
   ｙが１からｎまでの整数であり、前記導体のＬ（ｙ）とＬ（ｙ＋ｎ）との対が相互接続されて、前記ｎ個の相互接続された巻回対を設け、
   前記巻回はさらに、同じ方向へ電流を導通する巻回対におけるそれぞれの巻回の部分が相互に直近に隣接して配置されるために、それぞれの個別の巻回の第１および第２の部分が横方向へ変位されるように平坦化される、巻回。
7. 前記導体は、自己支持式巻回を設けるために相互に固着される、請求項６に記載の巻回。
8. 前記巻回全体が、回転電動機に適応された円形または円筒形を有する、請求項６又は７に記載の巻回。
9. 請求項６ないし８のいずれか一項に記載の巻回と、
   磁気ユニットであって、
   前記電動機のための巻回を間に収容するように適応されたエア・ギャップを画定する２つの鉄芯を備え、前記鉄芯には複数の細長い凹部がさらに設けられ、
   前記鉄芯の対応する凹部にそれぞれ嵌め込まれた複数の永久磁石を備え、
   前記凹部および前記永久磁石は本質的に三角形の相補的な断面を有し、
   前記本質的に三角形のそれぞれの磁石は、その基底線が、それが嵌め込まれる前記芯から離れて対面する状態で前記芯の１つに嵌め込まれ、
   前記鉄芯は環状エア・ギャップを画定するために円筒形でかつ同心であり、前記磁石は、それらの基底線のそれぞれが、前記鉄芯のそれぞれに対して同心である円と一致する状態で嵌められ、
   前記２つの同心の鉄芯の内側の方に嵌め込まれた前記磁石は僅かに凸の基底線を有し、前記２つの同心の鉄芯の外側の方に嵌め込まれた前記磁石は僅かに凹の基底線を有して、実質的に、それぞれの磁石の前記基底線全体が、それが嵌め込まれる前記芯に対して同心の円と一致するようになっている、磁気ユニットと、
   を備える、回転電動機。
10. 前記鉄芯は軟鉄から作製され、生成される磁界を閉ざす、請求項９に記載の回転電動機。
11. 前記永久磁石のそれぞれが１つまたは複数の希土類金属を含む、請求項９または１０に記載の回転電動機。
12. 請求項６ないし８のいずれか一項に記載の巻回と、
    磁気ユニットであって、
    前記電動機のための巻回を間に収容するように適応されたエア・ギャップを画定する２つの鉄芯を備え、前記鉄芯には複数の細長い凹部がさらに設けられ、
    前記鉄芯の対応する凹部にそれぞれ嵌め込まれた複数の永久磁石を備え、
    前記凹部および前記永久磁石は本質的に三角形の相補的な断面を有し、
    前記本質的に三角形のそれぞれの磁石は、その基底線が、それが嵌め込まれる前記芯から離れて対面する状態で前記芯の１つに嵌め込まれ、
    前記鉄芯は環状エア・ギャップを画定するために円筒形でかつ同心であり、前記磁石は、それらの基底線のそれぞれが、前記鉄芯のそれぞれに対して同心である円と一致する状態で嵌められ、
    前記２つの同心の鉄芯の内側の方に嵌め込まれた前記磁石は僅かに凸の基底線を有し、前記２つの同心の鉄芯の外側の方に嵌め込まれた前記磁石は僅かに凹の基底線を有して、実質的に、それぞれの磁石の前記基底線全体が、それが嵌め込まれる前記芯に対して同心の円と一致するようになっている、磁気ユニットと、
    を備え、
    前記鉄芯は、巻回を収容するための直線的かまたは僅かに湾曲したエア・ギャップを形成するために、実質的に直線的かまたはほんの僅かに湾曲しており、前記永久磁石は、それらの基底線のそれぞれが前記エア・ギャップの中心線に対して本質的に平行である状態で前記鉄芯のそれぞれに嵌め込まれる、直線電動機。
13. 請求項９ないし１１の何れかに記載の電動機が設けられ、且つ、可動ユニットを有し、前記可動ユニット要求された軸回りに回転させることによって、前記可動ユニットを水平軸または垂直軸回りに位置決めすることが可能な、測地計器。
14. 前記巻回は前記計器の可動部分に対して固定式であり、前記可動部分は前記電動機用の電源を担持する、請求項１３に記載の測地計器。
15. 前記電動機は前記計器の前記可動部分を直接駆動するために搭載される、請求項１３または１４に記載の測地計器。

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