JPH0433560A - 誘導子形回転電機 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ステッピングモータ、高周波発電機等の誘導
十形回転電機に関するものである。

（従来の技術） 近年、ＯＡ、ＦＡ用の精密制御機器の駆動機構部のアク
チュエータとして、小形・軽量である高出力密度（モー
タトルク／モータ重量）のモータの開発が要望されてい
る。

一般的に、高トルクを発生するモータとして誘導子（歯
）を有するステッピングモータがあげられる。

ところで、従来のハイブリッ１−形スチッピングモータ
は、磁性材料にケイ素鋼板のみを使用しており、モータ
構成はケイ素鋼板磁性材料からなるステータ鉄心の円周
方向に複数個のステータ極歯を設け、各ステータ極歯に
は多相巻線を有し、各ステータ極歯の内周面には同様に
複数個のステータ小歯を有したステータと、ステータ小
歯に対向するロータの外周面に複数個のロータ歯を形成
したケイ素鋼板磁性材料からなる積層したブロックのロ
ータ鉄心を有し、２ブロックのロータ鉄心間に軸方向に
着磁された円板状永久磁石を軸方向に挟み込み、更に２
ブロックのロータ鉄心は互いにロータ歯を１／２歯ピッ
チずらしたロータから構成されている。

（発明が解決しようとする課題） 上記したように従来のステッピングモータは、空隙面に
多数の誘導子（歯）を有するため、ロータ位置による磁
気抵抗の変化に伴って空隙磁束密度が変化する。これに
より、磁気エネルギが変化して、１〜ルクを生じる。

しかしながら、高１〜ルクとするため、空隙長を狭くし
たり磁気装荷・電気装荷を大きくすると鉄心の歯部が磁
気飽和して、第８図（ａ）（ｂ）に示すように歯側面へ
の磁束の漏れにより第９図に示すように歯と溝の位置関
係により生じる磁気抵抗変化（磁束密度変化）は小さく
なる。他の方式の回転電機機械と比較して、ステッピン
グモータはトルク発生原理的に磁気抵抗変化を利用して
いるため、磁気抵抗変化社（磁気エネルギ変化量）の減
少により大きな影響を受け、トルクはあまり増加しない
。従って、原理的には他の一般回転電機と比較して大き
なトルクを発生するが、実際には鉄心歯部の磁気飽和に
よりトルクは減少し、高トルクとするにはモータを大形
化しなければならなかった。

そこで、本発明は、鉄心を高飽和磁束密度特性を有する
磁性材料で形成し、鉄心歯部の溝部に永久磁石を挿入す
ることにより、高トルク、高出力の誘専十形回転電機を
提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） −へ− 本発明は、高飽和磁束密度特性を有するＦｅ　−Ｃｏ系
合金からなるステータ鉄心の円周方向に複数個のステー
タ極歯を設け、このステータ極歯にはそれぞれ多相巻線
を巻回すると共に、内周面に複数個のステータ小歯を設
け、かっこのステータ小歯の溝部に半径方向に着磁され
た棒状永久磁石を挿入したステータと、ステータ小歯に
対向する外周面に複数個のロータ歯を設けた高飽和磁束
密度特性を有するＦｅ　−Ｃｏ系合金からなる１ブロッ
クのロータ鉄心を形成し、２ブロックの前記ロータ鉄心
間に軸方向に着磁された円盤状永久磁石を軸方向に挟み
込み、かつ２ブロックのロータ鉄心は互いにロータ歯を
１／２歯ピツチずらし、ロータ歯の溝部には棒状永久磁
石が挿入されたロータから成り、棒状永久磁石の磁化方
向は円盤状永久磁石の作る磁束と極性が逆方向となるよ
うにしたことを特徴とする誘導十形回転電機である。

（作用） 一般の同期機等の回転電機の出力は、Ｂｉ１則に従い、
下式で表わされる。

Ｐ＝ｋｌ　　・　Ｂ　・（ＡＴ）　　・Ｌ−ｆｋｌ：定
数 Ｂ　：空隙磁束密度 へＴ二アンペアターン Ｌ　：鉄心軸方向長さ ｆ　：励磁周波数 従って、高飽和磁束密度磁性材を鉄心に使用しても、鉄
心コアバック、ティース幅を狭くすることができ、巻線
の占積率が−ヒがることにより巻線のターン数を多くで
きるのみである。そして、」二式のＡＴが１０％近く増
えることにより、出力も１．１倍しか増加せず、あまり
効果は得られない。

一方、ステッピングモータ等の誘心十形回転電機は、空
隙面に多数の誘導子（歯）を有するため、ロータ位置に
よる磁気抵抗の変化に伴って空隙磁束密度が変化する。

これにより、磁気エネルギが変化してトルクや出力を生
じる。

出力簡易式は、次のように表わされる。

Ｐ＝に２１Ｂｍａｘ−Ｂｍｉｎ）ＩＡＴ）・Ｌ−ｆに２
：定数 Ｌ　：鉄心軸方向長さ Ｂｍａｘ　：最大磁束密度 Ｂｍｉｎ　：最小磁束密度 ｆ　：励磁周波数 ステッピングモータ等の誘導十形電気機械に於ては、発
生した磁束は空隙部で鉄心のステータ小歯、ロータ歯に
集中しようとし、さらには空隙面の鉄心はステータ小歯
、ロータ歯と溝からなるステータ小歯、ロータ歯の磁路
断面積は小さくなる。

従って、誘導十形電気機械の磁気回路の中では、他の鉄
心部分と比較して鉄心のステータ小歯、ロータ歯の磁束
密度はかなり高くなり、ひいては、磁気飽和を生じてＩ
−ルク増加率の低下又はトルクの低下をきたす。そして
、高トルク、高出力とするため、空隙長を狭くしたり磁
気装荷・電気装荷を大きくすると鉄心のステータ小歯、
ロータ歯の磁束密度は１８〜２２ｋＧａｕｓｓとなり磁
気飽和して、第８図（ａ）、　（ｂ）に示すように歯側
面への磁束の漏れ量がかなり増加し、第９図に示すよう
に歯と溝の位置関係により生じる磁気抵抗変化（磁束密
度変化）は小さくなるため、トルクの増加量は僅かであ
り、さらには減少することもある。従って、単位空隙面
積当りの出力は他方式の回転電気機械と比較して、ステ
ッピングモータ等の誘心十形回転電機は電気装荷（アン
ペアコンダクタ）を大きくしても、ある範囲を越えると
飽和してほとんど増加しない。誘導十形回転電機は、原
理的には他の一般回転電機と比較して大きなトルクを発
生するが、実際は鉄心の歯部の磁気飽和によりトルクは
減少して、高トルクとするにはモータを大形化しなけれ
ばならない大きな欠点がある。

本発明は、鉄心に高飽和磁束密度特性を有するＦｅ　−
Ｃｏ系合金を使用しており、第６図に示す磁気特性曲線
から飽和磁束密度は約２３ｋＧａｕｓｓ以上であるので
、上記した問題点を解決することができる。

磁気飽和が生じ易い鉄心の小歯部で消費される起磁力は
小さくなり、高トルクとするため電気装荷・磁気装荷を
大きくしても歯部の磁気飽和の影響が小さくなる。又、
一般回転電機に高飽和磁束密度磁性材を採用したときと
同様に鉄心コアパック。

ティース幅を狭くすることができ、巻線の占積率が上が
ることにより巻線のターン数が増加し、出力も僅かであ
るがさらに増加する。

更に、主界磁磁束を発生する円盤状永久磁石により空隙
部に作られた主界磁磁束と逆極性に、磁化された棒状永
久磁石を鉄心溝部に挿入し強制的に鉄心歯の溝部に漏れ
る主界磁磁束を抑えるので、磁束密度変化は大となり、
かつ、より高電気装荷・磁気装荷としても磁気飽和の影
響は小さくなる。

従って、鉄心の歯と溝の位置関係により生じる等測的な
磁気抵抗変化（磁束密度変化）斌が増加して高出力・高
トルクを発生することが可能となる。

以」二のように本発明によれば、他方式の回転電機であ
る誘導機、同期機よりも高出力の誘導十形回転電機を得
ることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
１図は、本発明の一実施例のハイブリッ１〜形ステッピ
ングモータの縦断面図であり、第２図は、第１−図のＡ
−Ａ線に沿った横断面図であり、第３図は第１図のＢ−
Ｂ線に沿った横断面図であり、第４図（ａ）は、第２図
のＬＬ　Ａ　１１部の拡大図であり、第４図（ｂ）は、
第３図の′Ａ″部の拡大図である。

第１図、第２図及び第３図に示すように高飽和磁束密度
特性を有する４９％Ｆｅ　−４９％Ｃｏ−２％■からな
る合金材料で製作され積層したステータ鉄心１は、内周
側に円周方向に沿って８個のステータ極歯２を等間隔で
設け、このステータ極歯２の内周面に５個のステータ小
歯３ａ、３ｂを設けている。

又、各ステータ極歯２には２相巻線４を設け、ステータ
小歯３ａ、３ｂの各溝には棒状永久磁石５ａ、５ｂを挿
入・固定する。ここで、棒状永久磁石５ａ、５ｂは、半
径方向に沿って着磁されている。

ロータ６は、高飽和磁束密度特性を有する４９％Ｆｅ−
４９％Ｇｏ＝２％■からなる合金材料で製作され積層し
てブロック状とした２個のロータ鉄心７ａ。

７ｂの間に、軸方向に着磁された円板状永久磁石８を挟
み込み、各ロータ鉄心７ａ、７ｂの外周部に設けたロー
タ歯９ａ、９ｂを互いに］／２歯ピッチ分円周方向にず
らした位置で回転軸１０に固定している。

ロータ鉄心７ａ、　７ｂにはそれぞれ５０個のロータ歯
９ａ。

９ｂが設けられ、このロータ歯９ａ、９ｂの各溝には半
径方向に沿って着磁された棒状永久磁石１］、ａ、　１
１．ｂを挿入・固定する。

尚、棒状永久磁石５ａ、５ｂ及びｌｌａ、　ｌｌｂは、
円板状永久磁石８が空隙部で発生する主界磁磁束と逆方
向となるように着磁されている。

次に、以上のように構成された実施例の作用を説明する
。

ステッピングモータに於ては、発生した磁束がステータ
小歯とロータ歯に集中し、さらに空隙面の鉄心はステー
タ小歯、ロータ歯と溝からなるため、ステータ小歯、ロ
ータ歯の磁路断面積は約１／２に小さくなる。従って、
モータの磁気回路の中では、鉄心のステータ小歯、ロー
タ歯の磁束密度は他の部分よりかなり高くなっており、
第６図のＢ　−Ｈ特性に示すように従来のステッピング
モータに採用されているケイ素鋼板では１６ｋＧａｕｓ
ｓ近くで磁気飽和するために、鉄心のステータ小歯、ロ
ータ歯は磁気飽和領域近くで使用されていることになる
。この時、磁気飽和により歯の磁気抵抗は高くなり、歯
と溝の磁気抵抗差は小さくなる。

ステッピングモータは、歯と溝の磁気抵抗の差によりト
ルクを発生することから、トルク増加率の低下又はトル
クの低下をまねく。

従って、従来のステッピングモータの発生１〜ルクは磁
気装荷・電気装荷に比例せず、さらに巻線に流す電流を
高電流領域では増大したにもかかわらず、トルクはほぼ
一定か又は低下する現象が生じる。

ところが、本発明では、実際上鉄心歯部が磁気飽和を生
じた状態で使用されている誘導十形回転電機に於て、高
飽和磁束密度特性を有する４９％Ｆｅ−４９％Ｃ０−２
％■からなる合金材料を使用しており、この４９％Ｆｅ
−４９％Ｃｏ−２％■合金磁気特性であるＢ−Ｈ特性は
、第６図に示すようにケイ素鋼板に比較して優れている
。同図より磁気飽和が生じるのは、磁束密度が２３ｋＧ
ａｕｓｓ以上の範囲である。

以」二のような磁性材の磁気特性により、従来のステッ
ピングモータ及び本発明のステッピングモータの磁気エ
ネルギ特性は第７図に示すようになる。

同図から分るように従来のステッピングモータの磁気エ
ネルギ変化量はあまり増加せず、トルクの増加も僅かと
なる。一方、本発明のステッピングモータでは同図に示
すように高起磁力領域ではまだ歯部の磁気飽和が生じて
おらず、磁気エネルギは十分に増加し、１ヘルクは増加
する。同図の斜線部は、本発明のステッピングモータが
従来のステッピングモータと比較して増加した磁気エネ
ルギ変化量である。

次に、ステータ及びロータ歯の溝部に設けた棒状□永久
磁石の作用は以下のようになる。ロータに設けた円盤状
永久磁石は軸方向に磁化されており、この円盤状永久磁
石により空隙部に主界磁磁束を形成する。第５図に示す
ように主界磁磁束と逆方向にステータ小歯３ａ、３ｂの
溝に設けた棒状永久磁石は５ａ、　５ｂとロータ歯７ａ
、　７ｂの溝に設けた棒状永久磁石］、１ａ、　ｌｌｂ
は磁化されているため、主磁束が＝１４− ステータ小歯３ａ、　３ｂとロータ歯７ａ、　７ｂの溝
部に漏れようとする磁束を強制的に抑えてステータ小歯
３ａ、３ｂとロータ歯７ａ、　７ｂの歯頭部を通過させ
ようとする。従って、ステータ歯とロータ歯の溝が対向
したときに溝部に漏れる磁束がないため、ステータ小歯
とロータ歯が対向したときとステータ小歯とロータ歯の
溝が対向したときでは磁束密度変化は大きく、等測的な
磁気抵抗変化も大きくなっており、磁気エネルギ変化量
の増加となり高出力・高トルクが実現できる。更に、よ
り一層、高電気装荷・磁気装荷となっても磁気飽和によ
る磁気抵抗変化量の減少は抑制され、実用範囲では出力
・トルクは飽和せずに増加する。

従って、同一のモータ体積・磁気装荷・電気装荷でより
大きなトルクを発生することができるため、小形・高ト
ルクのハイブリッド形ステッピングモータとなる。

尚、本発明は、上記した実施例（以下、第１−の実施例
という）に限定されるものではなく、種々変形実施でき
る。

第１０図は、本発明の他の実施例（バリアプルリアクタ
ンス形ステッピングモータ）を示す横断面図である。同
図に示すように高飽和磁束密度特性を有する４９％Ｆｅ
−４９％Ｃｏ−２％Ｖからなる合金材料で製作され積層
されたステータ鉄心１２は、内周側に円周方向に沿って
６個のステータ極歯１３を設け、このステータ極歯１３
の内周面にはそれぞれ２個のステータ小歯１４を設け、
各ステータ極歯１３には２相巻線４を設け、ステータ小
歯１４の溝には半径方向に沿って着磁された棒状永久磁
石〕５を挿入・固定する。

又、ロータ１６は、高飽和磁束密度特性を有する４９％
Ｆｅ　−４９％Ｃｏ−２％■からなる合金材料で製作さ
れ、外周面に等間隔で１４個のロータ歯１７を設は積層
したロータ鉄心１８を回転軸１０に固定し、ロータ歯１
７の溝には半径方向に沿って着磁された棒状永久磁石１
９を挿入・固定する。

以」二のように構成された実施例も、上記した第１の実
施例と同様の作用で同様の効果が得られる。

第１１図は、本発明のさらに異なる他の実施例（パーマ
ネントマクネット形ステッピングモータ）を示す横断面
図である。同図に於て、ステータ鉄心１．ステータ極歯
２．ステータ小歯３は、上記した第１−の実施例と同様
であり、各ステータ極歯２には２相巻線４が設けられ、
ステータ小歯３の溝には半径方向に沿って着磁された棒
状永久磁石２０を挿入・固定する。

又、ロータ２１は、高飽和磁束密度特性を有する４９％
Ｆｅ　−４９％ｃｏ−２％■からなる合金材料で製作さ
れ、回転軸１０に固定したロータ本体２２と、このロー
タ本体２２の外周に固定され、外周面に等間隔で多極着
磁された永久磁石２３で形成されている。

以上のように構成された実施例も、」二記した第１の実
施例と同様の作用で同様の効果が得られる。

更に、本発明は、他の誘導子（歯）を有する電気機器で
ある誘導十形電動機（リニアモータも含む）・発電機に
も適用できる。

第１２図は５本発明を適用したりニアモータの側面図で
ある。同図に於て、２４は高飽和磁束密度特性を有する
４９％ＦＣ−４９％Ｃｏ−２％Ｖからなる合金＝１６− 月利で製作され積層してなる可動子鉄心で、この可動子
鉄心２４の下部には、上下方向（又は厚さ方向）に沿っ
て着磁され、それぞれの極性が異なるように配置された
永久磁石２５ａ、　２５ｂを介して可動子極歯２６．２
６が設けられている。この可動子極歯２６は、高飽和磁
束密度特性を有する４９％Ｆｅ−４９％Ｃｏ−２％Ｖか
らなる合金材料で製作され、下方に２個の可動子歯部２
７．２７を設けると共に、各可動子歯部２７の後述する
固定子と空隙を介して対向する下面に２個の可動子歯２
８．２８を設ける。この可動子歯２８の溝に上下方向に
沿って着磁される棒状永久磁石２９を挿入・固定する。

可動子極歯２６には２相巻線４が設けられている。

一方、固定鉄心３０は、高飽和磁束密度特性を有する４
９％Ｆｅ　−４９％Ｃ０−２％■からなる合金材料で製
作され、北記した可動子歯２８に空隙を介して対向する
上面に固定子歯３１を設け、この固定子歯３１の溝に」
二下方向に着磁された棒状永久磁石３２を挿入・固定す
る。

以上のように構成された実施例も、上記した第１の実施
例と同様の作用で同様の効果が得られる。

その他、鉄心の歯部の溝に挿入する棒状永久磁石は、ス
テータ側又はロータ（可動子を含む）側の何れか一方に
挿入・固定しても本発明の効果（ただし、小さくなる）
を得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、誘導子回転電機の
鉄心に高飽和磁束密度特性を有するＦｅ　−Ｃｏ系合金
材料を使用し、歯の溝に界磁主磁束と逆方向に着磁され
た永久磁石を挿入・固定しているので、歯の磁気飽和の
影響を小さく、等価な磁気抵抗変化（磁気エネルギ変化
）を大きくし、より高トルクを発生することができる。

従って、小形・高トルクの誘導子回転電機を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は第
１図のＡ−Ａ線に沿った横断面図、第３図は第１図のＢ
−Ｂ線に沿った横断面図、第４図（ａ）（ｂ）は第２図
及び第３図の部分拡大図を示し、（ａ）は第２図のＩＩ
　Ａ　１１部、（ｂ）は第３図の“Ａ　”部、第５図（
ａ）（ｂ）は本発明の一実施例の作用を示す説明図、第
６図は本発明に関連するＦｅ−Ｃｏ−Ｖ合金とケイ素鋼
板の磁気特性を示すＢ−Ｈ特性曲線図、第７図は本発明
のモータと従来のケイ素鋼板のみからなるモータの磁気
エネルギ変化量の比較を示す説明図、第８図（ａ）（ｂ
）は一般の誘導十形回転電機の空隙歯間部の磁束線図、
第９図は誘導十形回転電機に於けるロータ回転位置に対
する磁気抵抗変化を示す説明図、第１０図は本発明の他
の実施例を示す横断面図、第１１図は本発明のさらに異
なる他の実施例を示す横断面図、第１２図は本発明のさ
らに異なる他の実施例を示す側面図である。 １・・・ステータ鉄心、　　　　２・・ステータ極歯３
・・・ステータ小歯、　　　４・・・多相巻線５ａ、　
５ｂ、　ｌｌａ、　］、１ｂ−棒状永久磁石６・・・ロ
ータ、　　　　　　　７ａ、７ｂ・・・ロータ鉄心８・
・・円板状永久磁石、　　９ａ、　９ｂ・・・ロータ歯
１０・・回転軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高飽和磁束密度特性を有するＦｅ−Ｃｏ系合金か
   らなるステータ鉄心の円周方向に複数個のステータ極歯
   を設け、このステータ極歯にはそれぞれ多相巻線を巻回
   すると共に、内周面に複数個のステータ小歯を設け、か
   つこのステータ小歯の溝部に半径方向に着磁された棒状
   永久磁石を挿入したステータと、前記ステータ小歯に対
   向する外周面に複数個のロータ歯を設けた高飽和磁束密
   度特性を有するＦｅ−Ｃｏ系合金からなる１ブロックの
   ロータ鉄心を形成し、２ブロックの前記ロータ鉄心間に
   軸方向に着磁された円盤状永久磁石を軸方向に挟み込み
   、かつ２ブロックの前記ロータ鉄心は互いに前記ロータ
   歯を１／２歯ピッチずらし、前記ロータ歯の溝部には半
   径方向に着磁された棒状永久磁石が挿入されたロータで
   構成し、前記棒状永久磁石の磁化方向は前記円盤状永久
   磁石の作る磁束と極性が逆方向となるようにしたことを
   特徴とするハイブリッド式誘導子形回転電機。
2. （２）高飽和磁束密度特性を有するＦｅ−Ｃｏ系合金か
   らなるステータ鉄心の円周方向に複数個のステータ極歯
   を設け、このステータ極歯にはそれぞれ多相巻線を巻回
   すると共に、内周面に複数個のステータ小歯を設け、か
   つこのステータ小歯の溝部に半径方向に着磁された棒状
   永久磁石を挿入したステータと、前記ステータ小歯に対
   向する外周面に複数個のロータ歯を設けた高飽和磁束密
   度特性を有するＦｅ−Ｃｏ系合金からなるロータ鉄心を
   有し、前記ロータ歯の溝部には半径方向に着磁された棒
   状永久磁石が挿入されたロータで構成したことを特徴と
   するバリアブルリアクタンス式誘導子形回転電機。
3. （３）高飽和磁束密度特性を有するＦｅ−Ｃｏ系合金か
   らなるステータ鉄心の円周方向に複数個のステータ極歯
   を設け、このステータ極歯にはそれぞれ多相巻線を巻回
   すると共に、内周面に複数個のステータ小歯を設け、か
   つこのステータ小歯の溝部に半径方向に着磁された棒状
   永久磁石を挿入したステータと、高飽和磁束密度特性を
   有するＦｅ−Ｃｏ系合金からなるロータの外周面に多極
   着磁された永久磁石を設けたロータで構成したことを特
   徴とするパーマネットマグネット式誘導子形回転電機。