JPH0336947A - 強磁性永久磁石を使用した直流機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、主磁極および／または補極に薄い高張力永久
磁石を使用した直流発電機もしくは、電動機（以降直流
機と総称する）に関する。具体的に言えば、主磁極は、
電機子反作用により発生した減磁力に耐えるように形成
された薄い永久磁石より構成され、補極は、界磁フレー
ムとはエアギャップを介して離れている薄い永久磁石よ
り構成されており、これにより、比較的広い直流機の有
効負荷範囲において、整流領域内の電機子反作用を効果
的に打ち消し、整流子とブラシとの間に発生する火花を
低減する。

〔従来の技術〕

永久磁石式直流機は、言うまでもなく、本技術分野で良
く知られており相対運動が固定子と電機子との間に発生
する。かような発電機においては、固定子と電機子にそ
れぞれ複数の永久磁石の磁極があり、その他に電気的導
線より成る捲線がある。

一般に、固定子には永久磁石が取り付けられており、捲
線が組み付けられている電機子は固定内で回転する。

電機子と固定子の極との間には、エアギャップが形成さ
れており、これにより、電導性の電機子捲線に電気が送
られて磁界が発生して直流電動機が回転するか、あるい
は、電機子を回転せしめて発電機内の電機子捲線に電流
が発生するように、永久磁石の磁界が作用する。電動機
の場合には、電機子内の電流により固定子と電機子との
間に相対運動が起り、これに対し発電機においては、固
定子の磁界内の相対運動により電流が発生する。

直流機の電機子内の電導性捲線に電流が流れると、磁束
が導体の回りに発生し、−固定子と電機子との間の空間
に磁界が形成される。この磁界が与える作用が、主磁極
の偏極である。この偏極は、電機子の反作用として知ら
れている。さらに、電機子の反作用は、導線を流れる電
機子電流（これは負荷として知られている）と、電流の
方向とにより変化する。電流、すなわち負荷が増大する
と、電機子の反作用も増大する。

電機子の反作用は、固定子磁極の内周面に作用し、磁束
密度がその１つの端部に増加し、他の端部で磁束密度が
減少する。作用を受ける端部は、電機子の回転方向に相
対しており、最初の相対する端部は立上りの先端であり
、もう１つの端部は立下りの後端である。直流電動機の
場合、立上り先端の磁束密度が増加し、一方で立下り後
端の磁束は減少する。直流発電機の場合、これと反対で
ある。立上りまたは立下りのいずれかの端部で磁束が過
度に減少すると、その端部で永久磁石材の減磁が発生す
る。

直流機の電機子反作用による永久磁石の減磁を防止する
ために、電機子反作用により減磁しないよう十分な強度
を有する磁石を使用することがよく知られている。代表
的な例として、減磁に耐える磁石を設計する手法では、
半径方向に磁石の厚さを全体的に増加し、及び／あるい
は、磁石の円周上の長さを減少させる方法が採用されて
いる。

電機子反作用の影響を受ける磁束経路の全長は、磁石の
厚さとエアギャップを含めて、減磁力を打ち消すか、あ
るいは弱めなければならない。しかし、この方法には、
直流機の大きさと重量が増大して、そのため効率が低下
する欠点がある。

また、減磁を防止する方法として、シールドあるいは板
のような他の要素を永久磁石の上に被覆するか取り付け
ることも知られている。例えば、米国特許第４，４７１
，２５２号１９８４年１１月９日ウェストを参照のこと
。ウェストの特許には、各永久磁石の極面の凹部にシー
ルドを備え、一方で電機子と固定子との間に一定な幅の
エアギャップを形成するように改良した永久磁石材の直
流機が開示されている。このシールドは、減磁を防止す
るため、シールドにより覆われた磁極の部分の磁束密度
を分布し直す働きをする。

その他に、同様な直流機が、アブカワ他の米国特許第４
．６３９．６２３号１９８７年１月２７日付に開示され
ている。この直流機は、永久磁石の凹部に固定された高
飽和磁束密度の板を有する永久磁石より或っており、磁
石とその板とによって、磁極と電機子との間に円周に沿
って実質的に一定なエアギャップが形成されている。上
記アブカワ他の特許、及び米国特許第４．５５４，４７
４号１９８５年１１月１９日付モリシタ他は、そのほか
に、直流機の永久磁石の磁極の立上り端部側に補極を使
用することを開示している。

減磁を防止する永久磁石を直流機内に備える種々の試み
が、米国特許第４．１１０．７１８号オード他に開示さ
れており、各永久磁石の磁極は、減磁端部（すなわち立
下り端部〉に、高磁力を有する磁性材の磁石を備えた複
合磁石より構成されている。

これらの既知の装置の場合、生産するためには、凹部の
加工、板またはシールドの取り付け、複合磁石の形成な
と、ほかに数段階の工程が必要であり、有利でない。か
ような工程はまた、発電機の大きさと重量の低減に顕著
な改良がなく、これに関連した製造コストが増大すると
言う点で不利である。

強磁性永久磁石の導入とともに、これを使用した技術が
、米国特許第４．１０４，７８７号１９７８年８月８日
付、及び第４，１５１．４３５号１９７９年４月２４日
付、ジャンデス力に開示されており、直流機の大きさを
低減することが、次第に可能となった。この比較的小型
の発電機は、特に自動車用ウィンドコントローラのよう
な自動車の使用環境で有利であることが明らかになった
。

しかし、電機子のりアクタンス磁束による減磁を補償す
るために、磁石は減磁力に耐えるに十分に厚いことが、
必要であることに変りはない。かような磁性化原材料の
厚さを増加すると、磁石が総体的にかなり薄いとしても
、非常にコスト高となる。同様に、米国特許第４．４５
３，０９７号１９８４年６月５日付ロードは、強磁性永
久磁石を使用しており、磁石を変更せずに、電機子反作
用の磁界に耐えるため磁石素材の高磁力に依存している
。換言すれば、この磁石は、減磁に耐えるに十分で一定
の厚さを有している。

その場合に明白なことは、端部における電機子反作用に
よる減磁々東に十分に耐え、トルクまたは電流の発生に
必要な強い磁界を備え、強磁性永久磁石に伴う製造費と
材料費とを最小限にするような強磁性永久磁石に対する
必要性があることである。

電機子反作用のもう１つの作用は、直流機に負荷が加え
られた時、直流機の中立面が偏位することである。前述
したように、負荷は、電動機または発電機としてそれぞ
れ使用された場合、電機子の電導性捲線に電流を供給す
るか、または電流が発生する状態に相当する。

直流電動機の場合、直流が、通常ブラシ及び整流子によ
り電機子捲線へ供給される。ブラシと整流子の目的は、
電機子捲線へ流れる電流の方向を切り換えることである
が（よく知られているように）、また中立面を通過する
コイルを必ず短絡する。整流中に、コイル内の磁界の磁
束との相互作用が最小であり、コイル内の電位差が最低
であるように、ブラシは、コイルが中立面にある時に、
コイルを短絡することが望ましい。しかし、上述のよう
に、電機子の反作用は、電機子捲線に加えられた負荷に
比例する程度に中立面を偏位する。

直流電動機の場合、偏位の方向は電機子の回転方向と反
対である。しかし、完全な整流を行うためには、ブラシ
の軸は中立面の軸と一致することが必要である。従って
、発電機が負荷状態にある時には、ブラシの軸が、中立
面の新しい位置に動くか、または何らかの手段により中
立面の動きを防止しなければならない。

直流機の主磁極の間の整流領域に補極を使用することは
、本技術分野では周知の方法である。かような補極は、
主極の間の中立面と同一直線上にある界磁フレームに接
合するか、または一体的に組み込まれた透磁他極（界磁
フレームと同じ〉より戊っており、補極には、調整用磁
束より成る磁界を形成するための捲線が装着され、この
磁束により、整流されるべき電機子コイル内に誘起した
電圧が打ち消される。補極捲線は、電機子捲線と直列に
接続しており、従って、電機子電流により、補極捲線は
電機子の周囲に磁界を形成する。さらに、補極の磁界は
、電機子反作用の影響を相殺し、はんの僅かでも打ち消
し、電機子電流が増加するか減少するにつれて、電機子
反作用に比例して増減するように形成される。つまり、
捲線された補極は、自己調整型である。

電機子捲線と直列に接続した補極を利用した直流機の事
例は、米国特許第４，４３５，６６４号１９８４年３月
６日付ポーセル、及び同第４，５１６．０４６号１９８
５年５月７日付マーシアに開示されている。ボーセルの
特許は、そのほかに、補極の先端部を形成し、また補助
捲線を加えることにより、主磁極上の影響を軽減し、火
花が発生しない整流子に改良するために補極に対し加え
た変更を開示している。マーシア特許は、強磁性希土類
磁石が、電動機の速度に対応して主磁気に加えられるか
、または差し引かれる磁束を形成するため、補助捲線何
種を有する主磁極として使用されている構造を開示して
いる。

しかし、これらの既知の補極は、その用途が、補極捲線
を収容する程十分に大きい発電機に限られる。代表的例
として、補極は大型で高馬力の直流電動機に使用される
だけであり、占有場所の心配もなく、高トルクの出力が
必要とされる。

この最新の強磁性永久磁石の材料を取り扱う場合、十分
なトルクを発生するために高密度磁束を保持しながら、
出来るだけ少ない材料を使用することが、主な関心事で
ある。さらに、この強磁性永久磁石により、例えば、非
常に狭い限られた空間で作動する自動車用装置に適した
小型電動機を型造することが出来る。捲線はより広い空
間を必要とし、その結果電動機の大きさが増大するので
、捲線付の極を採用して電動機の効率を改善しようとす
る試みは、上述の目的を間違いなくくつがえすであろう
。かような試みが、マーシアの特許で示されている。

その他に、より強力な磁石が主磁極に使用され、それに
よって直流機の直径が小さくなった場合、電機子面と界
磁フレームの内径との距離は短くなり、従って電機子の
多くの磁束線が、整流領域の空隙に形成される。このよ
うに、整流領域に磁束が増加すると、薄い強磁性磁石に
より得られた効率が相殺されることになる。

従って、強磁性磁石が空間節減のために主磁極として使
用され、電機子反作用を効果的に打ち消すことにより効
率が改善されている直流機が要望されていることは明ら
かである。

〔目的及び課題を解決するための手段〕本発明の第一の
目的は、先行技術に関連した不利な点を解消した直流機
を提供することである。

本発明のその他の目的は、主磁極に強磁性永久磁石を使
用し、この強磁性永久磁石によって、トルクまたは電流
を発生するため主磁極が強力な磁界を十分に形成し、端
部に加えられ電機子反作用の減磁力に十分に耐え、他方
で、強磁性永久磁石の原材料の使用量を最小限に止どめ
ている直流機を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、主磁極に薄い強磁性永久磁
石を使用しており、電機子反作用による減磁作用を受け
る永久磁石の端部が、電機子と減磁作用を受ける主磁極
の端部とのエアギャップを増大させるように、主磁極面
の弧状面域から張り出ている直流機を提供することであ
る。

本発明のさらに他の目的は、界磁フレーム内に磁界を形
成している少なくとも２個の主磁極と界磁フレーム内に
回転不能に配置された電機子とより構成され、電機子と
界磁フレームの主電極との間にエアギャップを形成し、
各主磁極が、総体的にほぼ一定の厚さを有する強磁性永
久磁石より成り、かつほぼ円心の円弧状の主部分と、減
磁力に対抗するため電機子と永久磁石の端部の主磁極と
の間のエアギャップを増大するための手段とを備えてい
る直流機を提供することである。

なお、他の目的は、本発明の直流機に永久磁石を提供す
ることであり、前記永久磁石は、直流機の電機子の外円
周面に対し同心状の円弧部と、直流機の電機子から離れ
るように伸張した張り出し部とより成る極面を有し、極
面の張り出し部と円弧部とは交線に沿って接続しており
、張り出し部は交線において、円弧部と接している。

さらに、他の目的は、直流電機子または直流発電機に関
し、本発明の永久磁石の主磁極を提供することである。

直流電動機の場合、接している張り出し部は立下り後端
に配置されている。直流発電機の場合、この配置が逆で
ある。

また、本発明の目的は、整流域内の直流機の整流特性を
改善するために補極を有する直流機を提供することでも
あり、補極は永久磁石より構成されている。永久磁石は
、直流機の有効負荷範囲の全域において電機子反作用に
対抗してその効果を増大するため、界磁フレームと非磁
性的に接続していることが望ましい。

補極により電機子反作用を効果的に打ち消すことにより
、効率を改善する主磁極として強磁性磁石を使用する直
流機を提供することも、本発明の目的である。本発明に
おいて、電機子反作用は、界磁フレームから分離してい
る永久磁石の補極により効果的に打ち消される。換言す
れば、各永久磁石は非磁性手段によって界磁フレームか
ら分離している。利点として、このような永久磁石の補
極は、電機子の表面に十分に接近して保持されているの
で、電機子への作用の形態を明確に設定することが出来
る。その上、補極は、直流機の有効負荷範囲の全域にお
いて有利であることが、思いもかけずに知られるように
もなった。その成果によって、本発明の直流機は、有効
負荷の範囲で作動し、さらに火花を発生せずに効果的に
整流することが出来るのである。

直流機に関する前記目的と利点は、磁界を形成するに十
分な厚さの強磁性永久磁石使用している主磁極に備え、
かづ電機子反作用による減磁に対抗するための端部に向
かってエアギャップを増加せしめるために、端部（直流
電動機の場合、立下り後端に〉張り出し部を有す主磁極
を備えることにより達成される。詳しく言えば、主磁極
の永久磁石は、一定な厚さの円心部と、同じ一定厚さの
張り出し部より戊り、張り出し部は、接する状態で円心
状の円弧部と接合している。直流機はまた、主磁極の間
に永久磁石の補極を備えており、各補極の各永久磁石は
、補極から発した磁束が、効果的に大きいエアギャップ
によって、補極の適切な強度値に限定されるように、磁
性的であるが不電導性の部材により、電機子の近くに保
持されている。

本発明のこれらの目的及びその他の目的、特徴利点は、
本発明にもとず〈実施態様を、図示することのみを目的
として、示している付属図面と合わせて見てみると、以
降の説明から一層明らかになるであろう。

〔発明の効果〕

本発明により設計された主磁極及び／または補極は、す
べてのタイプの整流子を使用している直流機に適用する
ことが出来る。この用途には、工業用に使用される極く
小馬力から大馬力の範囲にわたる直流電動機、及びすべ
ての大きさの直流発電機がある。新しい強力な磁性材料
が発見されたので、この磁性材料は、電動機及び発電機
の大きさを比例して効果的に低減するために、本発明と
同じ設計標準によって適用出来ることは明らかである。

永久磁石の補極は、磁界コイルとして捲線を使用してい
る直流機に適用することが出来ることは知られており、
永久磁石の補極は、直流機の負荷範囲において電機子反
作用を効果的に打ち消すために、分離した形態で捲線付
の主磁極の間に容易に取り付けることが出来る。

〔実施例〕

図について説明する。第１図には直流発電機が示されて
いる。明確にするために、同じ原理が直流機にも適用出
来ることが理解されているとし、直流機１０の好適な実
施態様は直流電動機として説明する。

第１図において、直流電動機は、電動機の磁界の磁束回
路を界磁フレーム１２内に形成せしめる透磁性材により
製作された界磁フレーム１２について示されている。界
磁フレーム１２が、単一の磁性材として製作することが
出来、あるいは、積層された磁性材より製作することが
出来ることは、知られている。適切な磁性材は鉄であり
、これは一般に圧縮成型され焼結された鉄粉より戊って
いる。通常、直流電動機の場合、界磁フレームは単一磁
性体より製作される。界磁フレーム１２には主磁極ｔ４
があり、４個の主磁極が第１図に示さ。

れており、これらが界磁内に磁界を形成している。

主磁極１４は、界磁フレーム１２の内径に沿って連続し
、主磁極・１４の各中心間の間隔を９０°として配置さ
れている。主磁極１４の各種の間に均等に、補極１６が
あり、補極は同様に９０’の間隔を保っている。補極１
６は、整流域内に電機子反作用によって発生した磁束を
打ち消すために、界磁フレーム内の整流域として知られ
ている領域に配置されている。電機子反作用の概念はよ
く知られており、補極は一般に整流域で使用されている
。これらは、先に〔産業上の利用分野〕において明確に
説明されている。

界磁フレーム１２内に主磁界を形成するために、主磁極
１４の最深部の底面に永久磁石がある。この永久磁石１
８は、強磁性永久磁石材より戊っており、この素材は、
超磁気エネルギーの技術分野では現在知られている。本
発明に好適な代表的磁性材はネオジム鉄の磁性材であっ
て、これは、ジエネラムモータ社（ミシガン州デトロイ
ト）のデルコレミイ部門からマグネクエンチの商品名で
入手することが出来る。この種類の磁石には、磁性材が
非常に薄い層で永久磁石として使用出来る他に、直流電
動機のトルク出力に十分な磁界を形成するに足る磁気エ
ネルギーを有しているという点で有利である。しかし、
この種の磁性材による永久磁石は、型造上、難しく、高
価でもある。その上、取り扱いに慎重さを要する硬い焼
結素材は脆弱であるので、この磁石の厚さには、ａ準的
薄さの点で限界がある。−従来の電動機の設計では、立
下り後端は過負荷状態に減磁されるので、磁石をこの限
界まで下げて製作することは出来ない。電動機はすべて
、スタート時には過負荷状態にあることは知られている
。従って、本発明は、永久磁石１８の磁性材の量を最小
Σ、さらに十分な磁界を確実に形成するという利点を持
っている。

このような強磁性永久磁石材を効率的に有効に使用して
いる主磁極を提供するために、主磁極１４は、本発明の
基本原理を考察する目的から、極面に沿って４個の同等
な放射状の円弧片Ａ、Ｂ。

Ｃ，Ｄに幾何学的に配分されており、各円弧片は、この
実施態様の代表例では、回転角１５°に等しい。各円弧
片の実際の大きさは、以下に説明するように、特定の生
産設計に当って、代表的磁界の形状を計算することによ
り決定され、ここでは１つの設計例が示されているに過
ぎない。永久磁石１８自体は、円弧片Ｂ、Ｃ，Ｄより構
成されているが、第１の円弧片Ａは、立上り先端２４と
して設定された界磁フレームの放射状の延長部分まで形
成されている。または、永久磁石１８は、全体的にある
いは部分的に円弧片Ａも通って延長することが出来る。

隆起部２５が、各磁石１８を所定の位置に固定し易くす
るために、各主磁極１４の端部に設けられている。永久
磁石１８は、永久磁石１８と界磁フレーム１２との間の
適切な層状あるいは線状の接着剤により所定の位置に保
持される。ほかに適切な手段も考えられる。

永久磁石１８は、２つの部分に配分されており、第１の
部分２０は、同心状の円弧部として界磁フレーム１２と
、円弧片ＢとＣに沿った電動機内の電機子の表面とに伸
張している。永久磁石１８のもう１つの部分は、永久磁
石１８の張り出し部２２であり、この部分は電機子の表
置から離れるように伸張しており、この電機子の表面は
第１図に界磁フレーム内の一点鎖線で図示されている。

張り出し部はほぼ平坦な極面であり、張り出し部２２の
局面の平坦部は、円弧片ＣとＤとの接点において、円心
状の円弧部の円に接しており、この接点が円弧部２０の
境界を形成している。言い換えると、張り出し部２２は
、円弧片ＣとＤとの接点にある円心状の円弧部２０から
伸張し、その接点においてその円弧部に接している。従
って、交線が円弧片ＣとＤとの接点に形成されており、
好適な本実施態様の場合、この交線は、各主磁極の中心
から、直流電動機に関する第１図の矢印Ｅで示された電
機子の回転方向にある線１５’（４極電動機の場合〉で
ある。

電動機を個々に物理的に設計する場合、張り出し部の角
度と開始位置は、減磁化に対する抵抗がある限り、修正
もしくは調和させることが出来る。

直流電動機の電機子の回転方向Ｅを考慮に入れると、界
磁フレーム２４の部分は、以降、立上り先端に該当し、
永久磁石２２の張り出し部は立下り後端に相当する。

この主磁極の設計は、永久磁石材の強磁性と、電機子反
作用による立下り後端２２の永久磁石材の減磁化の効果
的防止法の利点をすべて利用しており、他方で立上り先
端２４における電機子反作用の利点も取り入れている。

電機子にって発生した電機子反作用の磁束は、電流とし
て電機子捲線に加えられ、主磁極の立下り後端を減磁す
る傾向があり、他方で、立上り先端の磁界強度を高める
ことは、直流電動機において周知のことである。

また、電機子反作用の程度は、電機子捲線に加えられた
電流量に比例することも知られている。

主磁極１４の立上り先端２４を界磁フレーム１２の一部
として形成することにより、電機子反作用により立上り
先端に沿って増加した磁束は、永久磁石１８を立上り先
端まで伸張する必要もなく、主磁極１４を補うために効
果的に使用される。従って、永久磁石の全長の３／４は
、電機子反作用を立上り先端で利用することが出来る。

永久磁石の全長の３／４の利点は、電機子が低負荷で作
動する場合に、−層高くなる。立上り先端２４の磁束は
電機子反作用により変化し、同様に負荷に比例する。従
って、低負荷の状態では、立上り先端２４において磁束
が減少する。この立上り先端の磁束減少の現象は、自動
車の始動電動機に効果的に利用することが出来る。すな
わち、始動電動機は、低負荷においてより高速に向かう
傾向があり、自由に高速化する。従って、始動電動機は
、制動作用もなく、低負荷で速く回転する。これはギヤ
減速付始動電動機に関連する問題である。負荷が５０Ａ
の場合、磁束が約１５％減少することが最近明らかにな
った。その上、約２０ＯＡの負荷が加えられるまで、立
上り先端２４は、磁石の全長の磁気強度までは達しない
。この特性は、第６図に関して以降に明確される。

電機子反作用によって発生した立下り後端２２の減磁力
に効果的に対抗するため、電機子表面と主磁極との間の
ニアギャップＸに沿った部分２２の永久磁石は、減磁力
を弱めなければならない。

従って、電機子表面から離れるように部分２２を張り出
すことにより、エアギャップが増加し、減磁化に対抗す
る能力も増大する。

その他に、張り出し部２２によって、永久磁石１８は一
定の厚さで形成することが出来、同心状の円弧部２０は
、磁界の強度に必要な厚さに形成され、張り出し部２２
は、同一の一定厚さに維持され、減磁化を制御する。従
って、減磁化に対抗するために、磁石全体を厚くする必
要はない。仮に、同一の一定厚さく磁界に必要なだけの
厚さ）が、張り出し部２２によってエアギャップを増加
せずに、立下り後端までの間に維持されたならば、換言
すれば、磁石全体が、立下り後端まで同心状の円弧部と
同じように形成されたならば、磁界強度を有するに必要
な厚さでは、電機子反作用による減磁化に対抗するには
十分でない。従って、本発明の磁極は、磁石の磁界を形
成するに十分なだけの厚さの永久磁石１８を有利に使用
しており、また減磁化に十分に対抗する。これは、電機
子から離れて張り出した立下り後端から界磁フレームの
正規の同心状円弧部までの間で、エアギャップを増加し
たことによるものである。さらに、永久磁石１８を製作
するに必要な磁性材の量は最低となり、そのコストも同
様に低減する。言うまでもなく、このことは、非常に高
価な強磁性磁石材を扱う場合に、非常に重要であり、効
率はコストにより重みづけられなければならない。同様
に、主磁極を有利な形状にすることにより、主磁極１４
の立下り後端の減磁化力を取り囲むこともなく、負荷電
流により生じた電機子反作用に耐える広いエアギャップ
が形成され、磁極は連続した最小厚さとすることが出来
る。最小厚さの磁石は、そのほかに、高トルクの小型モ
ータに利用される。

永久磁石の主磁極が、すべて同心状円弧部で構成されて
いる場合には、減磁化に対抗するために、５０％さらに
厚くなければならず、その上、余分の磁性材が発生する
全磁束のうち僅かな量だけが、磁極から提供される。こ
の事情を強調するために、第９図に、永久磁石の主磁極
により発生した、主磁極と補極上の磁界の全磁束の形状
が示されており、実線は、円心状円弧部２０と張り出し
部２２とを有する永久磁石１８を表し、点線は、５０％
厚く、すべて同心状の永久磁石を表している。追加した
磁性材は、全磁束をほんの僅か、５％足らず増加したに
過ぎず、また永久磁石材に関連するコストが５０％増大
していることは、−見して明らかである。

再び第１図に関して、補極１６について以下に詳細に説
明する。各補極１６は永久磁石２６より或っており、前
記永久磁石は、主磁極１４の永久磁石１８として使用さ
れている磁性材と類似しているか、または同一の強磁性
永久磁石材により形成されている。永久磁石２６は、電
機子の表面に接近して保持され、そのニアギャップＸは
、主磁極のエアギャップと同一であることが好ましく、
このようにして、主磁極１４間の整流域に発生する電機
子反作用の影響を打ち消すために、永久磁石によって電
機子に有効な磁束パターンを設定することが出来る。永
久磁石が電機子に十分接近していない場合には、永久磁
石の焦点は、対象領域から消失して、火花と諸損失を適
確に制御することは出来ないであろう。永久磁石２６は
すべて、非磁性の支持台２８より成る手段によって支持
されている。さらに、渦電流損を防止するため支持台は
また、不電導体である。

支持台２８を非磁性材で製作しているので、永久磁石２
６は、基本的に界磁フレーム１２から分離している。こ
の分離構造は１つの特徴であり、永久磁石２６を電機子
面に接近させて保持し、また補極１６の減磁化を防止し
、補極永久磁石２６の磁界強度を制御するために必要な
エアギャップを設定出来るという利点を持っている。第
６．７．８図の磁界の形状に関して、今後−層明白にな
り、説明も行うが、補極による正味の磁束は、主磁極よ
りもさらに低い水準にある。その上、補極の磁性材は、
減磁化防止のため主磁極とほとんど同一の磁気強度を有
しているに違いないが、適切な作用を行うためのエアギ
ャップによって、磁気強度は低下するに違いない。要約
すると、永久磁石２６からの磁束は、支持台２８を横断
し界磁フレーム１２へ達する磁束の流れに効果的に制約
される。

基本的に、界磁フレームと永久磁石との間にはニアギャ
ップＹが形成されており、エアギャップは、永久磁石２
６の厚さと比較すると相対的に大きく、界磁フレーム１
２への永久磁石２６の影響を拘束している。従って、強
磁性永久磁石材によって、永久磁石２６もまた非常に薄
くなっている（主磁極１４の永久磁石１８よりも薄いで
あろう）。

本発明の永久磁石補極の分離構造には、派生的利点とし
て、電流が電機子に供給された状態では、各補極１６は
、電動機の有効負荷の全範囲で有効であることが判明し
たことが挙げられる。先行技術型の捲線付補極の場合、
補極への電流が電機子捲線に供給された電流に比例して
増加するように、補極は、通常、電機子捲線と直列に捲
かれている。

このような構成では、補極は電機子捲線に関して自己調
整型であり、全負荷範囲において有効である。しかし、
本発明の永久磁石補極１６は、補極自体を他に制御しな
くても、電機子に加えられた有効負荷の全域において効
果があることが知られた。この種の電動機の有効負荷域
内で負荷が変化する時に、補極１６を動かすか、あるい
は変化させる必要はない。

上述の利点は、第１０図に強調されており、補極に使用
された好適な磁性材の固有特性曲線Ｍが示されており、
縦軸に磁束密度Ｂキロガウス、横軸に飽和保磁力Ｈキロ
エルステッドを表している。

例えば、２４℃の標準の減磁曲線の場合、線Ｍは、電動
機の作動に使用出来る磁気と磁束とを表す。

線５０は、−０，０６ユニツトの磁石と０．２８ユニツ
トのエアギャップを有する実施態様について描かれた傾
斜した線であり、この勾配はＢ／Ｈ。

すなわちエアギャップの幅を磁石の幅で割った値にほぼ
等しい。線５２．５４．５６は、それぞれ、電機子捲線
に加えられた負荷２０ＯＡ、３００Ａ。

４００Ａの減磁力に相当する。線５０と５６との間の線
Ｍに沿った距離は、本発明の電動機に関する全負荷範囲
の補極磁束密度の変化量である。図かられかるように、
磁束密度は、Ｂ１からＢ２の範囲で電機子電流と共に余
り変化していない。ＢとＢ２は、それぞれ、４００Ａと
２０ＯＡにおける密東密度を表す。特に、上述の“マグ
ネクエンチ”のようなネオジム鉄磁石を使用したエアギ
ャップ０．２８ユニツトで０．０６ユニツトの磁石の場
合、磁束密度Ｂ１は、４００Ａ負荷で０゜４５キロガウ
ス、Ｂ２は、２００Ａ負荷で０．７０キロガウスである
ことが分り、有効負荷の全域において、磁束密度の差は
、僅かに０．２５キロガウスであった。

本発明による直流電動機の磁界の全磁束を表した磁界の
形状が、第６．７．８図に示されている。

第６図は、２００Ａの負荷を受けた場合、主磁極と補極
との電気角２４０°の範囲における磁束パターンを示し
ている。主磁極は、縦軸の両側６０°まで、電気角で１
２０℃の範囲で表されており、補極は■により表されて
いる。主磁極と補極との間の全磁束は、横軸の上方に維
持されている。補極は、整流の開始時点で、磁束が逆の
極性（横軸下方）に突然変化しないように設定されてお
り、また、電機子コイルの接続点がブラシの立下り後端
を通過するまで、電機子コイルの誘導電圧と競合させる
ことにより、整流域内の電機子コイルの端末間の電圧を
低い値に保持している。ブラシの幅は、ｂの文字で表さ
れている。横軸に関する磁界の全磁束形状の位置は、補
極の幅と磁性材の厚さ、図示の実施態様の場合、幅０．
３８ｉｎ、厚さ０．１０ｉｎ、により決まる。立下り後
端の磁束を表している第６図の磁界形状上の部分は、第
４象限の６０°のマークの上方にほぼ円形の曲線で示さ
れている。これは、第１図の実施態様により設計された
主磁極を使用することによるものであり、主磁極には、
界磁フレーム１２の一部として形成された立上り先端が
ある。従って、第７図と第８図に見られるように、比較
的に大きい負荷が加えられた場合に電機子反作用が働く
ようには、２００Ａの負荷による電機子反作用が、主磁
極の立上り先端に大きくは影響しないことが分る。

第７図には、主磁極が６０°のマークの間に表され、補
極がＩで示されている第６図に類似した磁界形状が示さ
れている。同様に、補極の幅と厚さ（第６図と同じ）に
より、整流の開始時点で磁束が逆の極性に突然変化しな
いにするため、主磁極と補極との間の全磁束は、横軸の
上方に形成されている。しかし、この磁界形状では、電
機子捲線に加えられた３００Ａの負荷による電機子反作
用により、主磁極の立上り先端は非常に大きい影響を受
ける。第４象限の６０°のマークの上方に見られるよう
に、磁界形状のピークが、電機子反作用による立上り先
端のかなり増加した磁束を表している。この領域の磁束
は、電機子のアンペアターンに実質的に比例するので、
第６図の磁界形状と比較すると、大きい差異が見られる
。電機子反作用とエアギャップの長さは、鉄がかなり飽
和に達するまで、磁束の基本的決定要因である。実際に
、界磁フレーム１２の延長部２４より構成している立上
り先端は、主磁極の端部で電機子の歯部を過飽和したり
、望ましくない鉄損が発生することを防止するため、立
下り後端と同様に、張り出すことも出来る。界磁フレー
ムの延長部２４の立上り先端の張り出た極面は、第１図
に点線Ｆで表されている。

第８図の磁界形状は、電機子捲線に加えられた４００Ａ
の負荷を示しており、主磁極は、縦軸に近い６０゛のマ
ークの間に表され、補極は■で示されている。再び同様
に、補極は横軸の上方にその全磁束を形成し、整流の開
始時点で全磁束が逆の極性に突然変化するのを防止して
いる。この磁界形状では、立上り先端が、電機子反作用
により立上り先端への影響が増加したため、第６図と第
７図より″著しく高いことが分る。

その他に、第６．７．８図の各図では、ブラシの幅すは
、補極の幅の中にあり、従ってブラシと整流子との火花
は、本発明の永久磁石の補極により、有効負荷の全域に
おいて、効果的に減少するか、もしくは消滅している。

また、２０ＯＡ、３［）ＤＡ、４００Ａの各負荷の界磁
フレームの各補極領域の全磁束は、各ケースで大きくは
差がない。

非可変性の永久磁石が補極として使用されていても、そ
の磁束は類似している。再度強調するが、かような有利
な結果は、界磁フレームから離れている補極の永久磁石
の分離関係によるものである。

かような薄い強磁性永久磁石の補極は、本発明の永久磁
石の主磁極と全く同様なことが言える。

従って、電動機の直径は小さくなり、他方、効率が高く
なる。明らかに、高トルク及び／または高速で、小型の
優秀な電動機が得られる。

第２図に、主磁極のより基本的な形式が１４’で示され
ている。この主磁極１４′は、同様に、説明のため円弧
片Ａ、ＢＳＣ，Ｄに配分されている。しかし、この主磁
極は、円心状円弧部２０を有する永久磁石１８′、張り
出した立下り後端部２２、張り出した立上り先端部より
或っている。

隆起部３２も、磁石を所定の位置に保持するため、隆起
部２５と共に形成されている。一般に、接着剤が、磁石
１８′と界磁フレーム１２との間に使用される。この永
久磁石の設計によれば、張り出し立下り後端２２の減磁
に対抗するだけでなく、磁石は電機子反作用により維持
されているので、立上り先端の磁束は減少することはな
い。従って、磁石及びトルクは著しく損失することなく
、磁石は一定の厚さに確保される。

その・ほかに、本発明は、電機子と、負荷状態で減磁力
を受ける界磁フレームの主磁極の端部との間に、徐々に
増加するエアギャップを取り入れることを基本的課題と
している。上述のように、その端部のエアギャップと永
久磁石の厚さによって、電機子反作用の反対の力を弱め
なければならないことは、重要である。従って、第１１
図に示すように、背後に徐々に増加するエアギャップを
有する全体が円心状の永久磁石を使用して、増加するエ
アギャップを、主磁極１４′の永久磁石の背後に放射状
に形成することも考えられ、主磁極の界磁フレームの張
り出し支持面３３により形成される。しかし、その場合
、磁石の端部は、物理的に不安定な位置にある。このよ
うな場合、有効なエアギャップの境界を設定するため、
非磁性材Ｇによりその端部を支持することが可能である
。考えられる材料の１つに、シリコーンゴムがある。従
って、このような主磁極は、減磁に対する抵抗力が、連
続した磁石の厚さと全エアギャップとの合計に直接比例
するという良い例でもある。この場合、エアギャップは
２つある。

第３図において、改造補極が、永久磁石の安全性を高め
た選択例で示されている。この場合、支持手段は、表面
側を除いて、永久磁石をすべての側面から包んでいる外
周の隆起物を有する非磁性の台３４より或っている。第
１図の実施態様と同様に、主磁極と連続したニアギャッ
プＹも形成されている。

永久磁石より成る補極構造のほかの改造実施態様は、第
４図、第５図に示されている。他の各実施態様において
、補極の永久磁石３６は、非磁性クリップタイプの支持
台３８と４０の中にそれぞれ保持されている。

第４図において、支持台３８には、界磁フレーム１２内
に設けられた凹部４１の中に弾性的に保持している脚部
３９がある。凹部４１には角度のある端部４２があり、
この端部によって、支持台３８は、外方に偏位した弾性
脚部３９と一緒に界磁フレームへ保持されている。補極
の永久磁石は同じように、安全性を高めるために外周隆
起部４３によって、クリップタイプの支持台３８に接着
されている。上述のように、脚部３９は、永久磁石３６
と、本発明の分離補極の構造の界磁フレーム１２との間
の必要にして有効なニアギャップＹを確保している。

第５図において、クリップタイプの支持台４０には同様
に、永久磁石３６の効果的に分離したニアギャップＹを
形成するために脚部４４がある。

さらに、′外方に偏位した弾性脚部４５は、補極に隣接
した主磁極の側面に確実に係合し、補極を所定の位置に
固定している。また同様に、永久磁石３６は、周囲の外
周隆起部４７により所定の位置に接着されている。脚部
４４は、第４図の脚部３９と同様に、界磁フレーム内の
凹部にも保持されていることに留意されたい。

上述の説明は、ネオジム鉄及びサマリウムコバルトのよ
うな強磁性磁石の使用を前提としている。

しかし、フェライト磁石を使用している電動機は、これ
らの同一原理に沿って設計することが出来ることは知ら
れているが、得られる利益は大きくはない。

本発明による各種実施態様が開示され、上述されている
ことは明らかであるが、実施態様がそれに限定されるも
のでなく、本技術の習熟者には明らかのように多くの変
更と変形が可能であり、従って、本発明がここに開示さ
れ、述べられている細部に限定されるものでなく、本発
明は、添付した請求範囲に含まれる変更と変形を全て包
含するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１つ実施態様により形成された主磁極
と補極の１つの設計例の界磁フレーム組立の断面図であ
る。 第２図は、本発明による異なる主磁極と界磁フレームの
設計例を示す部分断面図である。 第３図は、界磁フレームに関する本発明の補極の詳細な
取付を示す部分断面図である。 第４図は、本発明による他の変形補極とクリップタイプ
の支持構造を示す部分断面図である。 第５図は、他のクリップタイプの支持構造を有するさら
に他の変形補極を示す部分断面図である。 第６図は、電機子捲線負荷２００Ａにおける、本発明に
よる直流機の電気角２４０°範囲の磁界形状のグラフ図
である。 第７図は、電機子捲線負荷３００Ａにおける、本発明に
よる直流機の電気角２４０°範囲の磁界形状のグラフ図
である。 第８図は、電機子捲線負荷４００Ａにおける、本発明に
よる直流機の電気角２４０°範囲の磁界形状のグラフ図
である。 第９図は、本発明により、直流機内の各種属さの永久磁
石の磁界比較のグラフ図である。 第１０図は、磁化（キロガウス）と飽和保磁力（キロエ
ルステッド）との比較として、本発明の補極用に適した
強磁性材の磁気特性のグラフ図である。 第１１図は、本発明による漸増エアギャップを有する他
の主磁極の設計例を示す部分断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）界磁フレームと回転可能に配置された電機子とを有
   し、エアギャップが電機子の外表面と界磁フレームの主
   磁極面との間に構成され、界磁フレームに固定され、界
   磁フレームに磁界を形成し、少なくとも主磁極面の１部
   を構成している永久磁石であって、円心状円弧部と、円
   弧面とほぼ平坦な面とを有する極面を共に形成している
   張り出し部と、減磁力を受け、かつ前記減磁力に耐える
   前記永久磁石の端部に向かってエアギャップを漸増する
   前記張り出し部とより構成されており、前記円弧面と前
   記ほぼ平坦な面とが接合している前記極面上に交線が形
   成され、前記ほぼ平坦な面が前記円弧面から減磁力を受
   ける前記永久磁石の前記端部へ全体的に伸張している前
   記永久磁石。 ２）前記ほぼ平坦な面が、前記極面の交線上で前記円弧
   面と接している請求項１記載の永久磁石。 ３）前記永久磁石が、前記同心状円弧部と張り出し部の
   全体にわたってほぼ均一な厚さである請求項１記載の永
   久磁石。 ４）前記永久磁石が、前記同心状円弧部と前記張り出し
   部との全体においてほぼ均一な厚さを有する請求項２記
   載の永久磁石。 ５）前記同心状円弧部が、３０°の円弧にほぼ伸張し、
   前記張り出し部が、前記３０°の円弧部より約１５°伸
   張している請求項２記載の永久磁石。 ６）前記永久磁石がネオジム鉄の磁性材より成っている
   請求項５記載の永久磁石。 ７）前記同心状円弧部に隣接した第２の張り出し部をさ
   らに有し、これにより前記円弧面の各反対側のほぼ平坦
   な面によって極面を形成し、各ほぼ平坦な面が前記円弧
   面と接合している前記極面上の交線において、各ほぼ平
   坦な面が前記円弧面と接している請求項１記載の永久磁
   石。 ８）前記同心状円弧部が３０°の円弧にほぼ伸張し、前
   記張り出し部が前記３０°の円弧部より約１５°伸張し
   ている請求項７記載の永久磁石。 ９）前記永久磁石が、前記円心状円弧部と各張り出し部
   との全体においてほぼ均一な厚さを有する請求項８記載
   の永久磁石。 １０）直流機との組合せにおいて、前記永久磁石が界磁
   フレームの主磁極に固定され前記界磁フレーム内に磁界
   を形成し、電機子装置が前記界磁フレーム内に回転可能
   に配置されて前記電機子装置の外表面と前記永久磁石の
   前記極面との間にエアギャップを形成し、前記エアギャ
   ップが円心状円弧部においてほぼ一定にして前記張り出
   し部において次第に増大しており、それによって前記張
   り出し部が前記主磁極の立下り後端に構成され、前記直
   流機が電動機の場合、電機子反作用によって発生した減
   磁力に効果的に対抗する請求項４記載の永久磁石。 １１）少なくとも２個の主磁極を備えている界磁フレー
   ム内に磁界を形成するための装置を有する磁束伝導材の
   界磁フレームと、電機子捲線を有する前記界磁フレーム
   内に回転可能に配置された電機子、その外表面と前記主
   磁極の極面との間にエアギャップを形成している前記電
   機子とより構成されており、磁界を形成する前記装置が
   、前記主磁極の各極に対し１個の永久磁石が配置されて
   いる複数の強磁性永久磁石より成り、各永久磁石が全体
   的にほぼ均一な厚さであって、前記電機子外表面とこれ
   に沿ってほぼ同心である同心状円弧部と、前記減磁力に
   対抗する前記直流機が負荷を受けている場合に減磁力を
   受ける各永久磁石の端部の主磁極と電機子との間にエア
   ギャップを増大させるための装置とを有する直流機。 １２）各永久磁石がさらにエアギャップを増大する前記
   装置として前記端部に張り出し部を有する請求項１１記
   載の直流機。 １３）各永久磁石の前記同心状円弧部及び前記張り出し
   部が、前記の回転中心の廻りに円弧面とほぼ平坦な面と
   を有する極面を共に形成し、さらに、前記円弧面と前記
   のほぼ平坦な面が接合し、前記のほぼ平坦な面が前記円
   弧面から前記端部の全体に伸張している前記極面上に交
   線がある請求項１２記載の直流機。 １４）前記同心状円弧部が３０°の円弧にほぼ伸張し、
   前記張り出し部が前記３０°の円弧より約１５°伸張し
   ている請求項１３記載の直流機。 １５）前記永久磁石がネオジム鉄の磁性材より成る請求
   項１４記載の直流機。 １６）さらに、前記同心状円弧部に隣接した第２の張り
   出し部を有し、これにより前記円弧面の各反対側にほぼ
   平坦な面を有する極面を形成し、各ほぼ平坦な面が、各
   ほぼ平坦な面が前記円弧面に接合している極面上の交面
   で前記円弧面に接している請求項１３記載の直流機。 １７）前記同心状円弧部が３０°の円弧にほぼ伸張し、
   各張り出し部が前記３０°の円弧より１５°伸張してい
   る請求項１６記載の直流機。 １８）さらに、電機子反作用に対抗し、直流機の整流特
   性を改善するために、前記主磁極の間の整流域にある前
   記界磁フレームに接続した補極装置を有し、前記補極装
   置が補極の永久磁石より成る請求項１６記載の直流機。 １９）補極の永久磁石が前記電機子へ最高の効果を与え
   るように前記電機子の外表面に近接して前記補極の永久
   磁石を保持するため、前記補極装置がまた、前記界磁フ
   レームと前記永久磁石との間に非磁性支持装置も有し、
   前記補極の永久磁石から前記界磁フレームへの磁束の伝
   播を抑制し、これにより、前記非磁性支持装置が、電機
   子の外表面と主磁極との間のエアギャップと連続して、
   補極の永久磁石と界磁フレームとの間にエアギャップを
   効果的に形成している請求項１８記載の直流機。 ２０）直流機が直流電動機であり、各永久磁石の張り出
   し部が、電機子反作用に対抗するために立下り後端に設
   けられている請求項１２記載の直流機。 ２１）電機子反作用による磁束を前記界磁フレーム内の
   前記磁界へ指向させるため、各主磁極の立上りを先端と
   しての界磁フレームの伸張部をさらに有する請求項２０
   記載の直流機。 ２２）前記界磁フレームの伸張部がまた、エアギャップ
   を立上り先端へ向かって増大させるため、前記電機子か
   ら離れるように張り出ている請求項２１記載の直流機。 ２３）エアギャップを増大するための前記装置が、エア
   ギャップを前記端部で増大するために各永久磁石の背後
   に各主磁極に形成された張り出た支持面を有する請求項
   １１記載の直流機。 ２４）前記界磁フレーム内に磁界を形成するための装置
   を有する透磁性素材の界磁フレーム、少なくとも２個の
   主磁極を有する前記の装置と、前記界磁フレーム内に回
   転可能に配置され、前記主磁極の面と共にエアギャップ
   を形成し、外面を有する電機子装置と、 前記主磁極の間の少なくとも１つの整流域の前記界磁フ
   レームに接続し、前記直流機の整流特性を改善するため
   の補極装置、永久磁石より成る前記補極装置より構成さ
   れる直流機。 ２５）前記永久磁石と前記界磁フレームとの間に非磁性
   支持装置を有する請求項２４記載の直流機。 ２６）前記永久磁石の作用を前記電機子装置に集中させ
   るために前記電機子装置の外表面に接近して前記永久磁
   石を保持するように、前記非磁性支持装置が前記永久磁
   石と前記界磁フレームとに固定された支持要素を有して
   おり、これにより、前記支持装置が、前記電機装置と前
   記主磁極との間のエアギャップと連続して、前記永久磁
   石と前記界磁フレームとの間に比較的大きいエアギャッ
   プを効果的に形成している請求項２４記載の直流機。 ２７）前記支持要素が、前記電機子装置に向い合う側面
   を除いて、前記永久磁石を全側面で囲んでいる隆起部を
   有している請求項２６記載の直流機。 ２８）前記主磁極が前記界磁フレーム内に前記磁界を形
   成するための永久磁石を有し、前記主磁極の前記永久磁
   石がすべて、中心線を軸とした円弧面とほぼ平坦な面と
   を一体に形成し、前記円弧面と前記のほぼ平坦な面が接
   合しかつ前記のほぼ平坦な面が前記円弧面が前記極面を
   形成している前記永久磁石の端部まで全体的に伸張して
   いる前記極面上に交線がある同心状円弧部と張り出し部
   と有している請求項２４記載の直流機。 ２９）前記のほぼ平坦な面が、前記極面上の交線におい
   て前記円弧面と接している請求項２８記載の直流機。 ３０）前記主磁極の前記永久磁石が、前記同心円弧部と
   前記張り出し部の全体にわたってほぼ均一な厚さを有し
   ている請求項２９記載の直流機。