JPH05308762A - 電気エネルギーと機械エネルギーとの変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、電気エネルギーと機械エネルギー
との変換装置及びその製造方法において、変位軌跡に従
って湾曲などしているものを提供する。 【構成】 入出力巻線と電機子導体とを貫通する閉磁路
の磁心を有し、前記電機子導体と磁束が鎖交する界磁源
を有し、前記電機子導体が可動となっている電気エネル
ギーと機械エネルギーとの変換装置において、電機子導
体は円弧軌跡に可動となっており、前記磁心は電機子導
体が貫通する部分においては電機子導体の軌跡に従って
湾曲しているものなど。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気エネルギーと機械エ
ネルギーとの変換装置にかかわり、特に電気エネルギー
から機械エネルギーへの変換装置としてはいわゆるボイ
スコイルモータと称する往復運動のアクチュエータとし
て用いられるものに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電動機や発電機には、界磁と電機子から
構成され、界磁源として、磁石を使用する場合と電流に
よるものがある。小型モータのブラシ付き直流モータや
ブラシレスモータそれに同期機などは、界磁として磁石
が数多く使用される。誘導型の電動機では、界磁は電流
を使用している。電機子コイルには、一般に直接回路か
ら供給されるものが多いが、誘導型では可動側に電磁誘
導で電流を誘導している。

【０００３】最近、電動機や発電機は、高速応答性、高
出力小型化の要求が高くなってきている。応答性をよく
する方法としては、可動部の負荷を軽減し応答性を改善
する方法と制御による方法とがある。しかし、制御によ
り応答性をよくするにも、負荷が大きければ電源電圧の
制限などから限界がある。従って、応答性を非常に要求
される場合には、負荷を軽減するしかなく、可動部の軽
量化が重要になっている。このため、コアレスモータや
ボイスコイルモータのように、可動部が電機子巻線だけ
で、磁心を使用しないものやさらにはコイルボビンも使
用しない機種が使われている。

【０００４】高出力小型化に対しては、希土類磁石など
の高エネルギー積の磁石を使用したり、加工精度を高く
して、可動側と固定側の間のギャップを小さくしたりし
ている。コアレスモータやボイスコイルモータでは、電
機子コイル巻線では高寸法精度のコイルを使用してい
る。また、コイル電流を高くするために、高温度に耐え
る絶縁皮膜の導線や接着剤を使用し、高出力小型化して
いる。

【０００５】このように、従来の電磁駆動方法および電
磁発電方法では、高応答性で高出力小型化のためにいろ
いろな方法がなされているが、可動部の軽量化、高寸法
精度のコイルやコイルの絶縁や接着の耐熱性の改善など
難しい問題が多い。特に、軽量で、高寸法精度が得ら
れ、かつ耐熱性でもあるコイルは得難い。

【０００６】そこで本発明者は先に可動コイルを軽量化
し、寸法精度、高耐熱性を実現した電磁駆動方法ないし
電磁発電方法を発明した（特願平２−９３１２５号）。
上記発明は入出力巻線と電機子導体と界磁源により構成
され、入出力巻線と電機子導体との間では電磁誘導で電
力伝達がなされ、界磁源より生じる磁束と電機子導体と
の間で、可動側の変位を通して電力と機械エネルギーの
変換が行なわれるものである。

【０００７】図２および図３はその具体的構成例を示す
ものであり、図２は一部断面を示す平面図、図３は図２
のＡ−Ａ′断面図である。磁心４ａ，４ｂには入出力巻
線１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが巻かれ、この４つのコイル
は磁心の磁束が強め合う向きに接続されている。さらに
磁心４ａ、４ｂの中央脚４ｐには電機子導体２が貫通し
ている。

【０００８】電機子導体２は２つの部材２ａ、２ｂより
なり、たとえばアルミニウムのブロックで作られ、１タ
ーンのコイルを形成する。電機子導体２ａ、２ｂにはア
ーム７が結合されており、機械エネルギーを伝達する。

【０００９】また、永久磁石からなる２つの界磁源３
ａ、３ｂが図中Ｎ極として示した方向に着磁されて取り
付けられている。界磁源３ａ、３ｂの一端はそれぞれ磁
心４ａ、４ｂに接し、磁心は界磁の磁束を通すヨークの
働きもしている。

【００１０】ここにおいて、電磁駆動方式として使用さ
れる場合には、入出力巻線１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに駆
動回路より電圧が印加され、電流が流れ、磁心４ａ、４
ｂに磁束が発生する。その磁束変化で、電機子導体２
ａ、２ｂに誘起電圧が発生し電流が流れる。その電機子
導体２ａ、２ｂに流れる誘起電流と界磁源である永久磁
石３ａ、３ｂから出る磁束の作用により、可動部である
電機子導体２ａ、２ｂに誘起力が矢印６の方向に発生
し、アーム７を通して負荷が伝えられる。

【００１１】電磁発電方法として使用する場合には、こ
の逆にアーム７を駆動すれば入出力巻線１ａ、１ｂ、１
ｃ、１ｄから出力がとり出せることになる。

【００１２】図２、図３の例において磁心４ａ、４ｂは
珪素鋼板等を打ち抜いた継ぎ目なしのものを積み重ねて
形成している。したがって入出力コイル１ａ、１ｂ、１
ｃ、１ｄは磁心に直接巻込むことになる。また電機子導
体は２つの部分２ａ、２ｂに分割できるようにし、磁心
を挿入してねじ止めして組立てる。

【００１３】上記の装置は特に電磁駆動方法に使用した
場合に実用上多くの利点があるが、可動部分として細い
巻線を多数回巻いたものでなく、導体のブロックが使用
できるので加工精度が得られ易く、固定側と可動側のギ
ャップを小さくできるので高エネルギー密度が可能とな
る。また電機子導体として軽量のアルミニウムやアルミ
ニウム合金を使用すれば応答性を良くでき、従来のよう
な巻線の発熱による絶縁物の劣化の問題で出力の制限を
受けるということもない。また可動部にリード線がない
からこれの断線の問題もない。界磁源として希土類磁石
など高性能のものを使用すれば、小型のものでもエネル
ギー密度は低下せず、従来は誘導型の電磁駆動方法は小
型になるとエネルギー密度が低下するとされていたが、
この問題はなくなる。これらの利点のためたとえば磁気
ディスクデータ記録装置や光ディスクデータ記録装置の
ヘッドの駆動など往復運動で特に高速応答性を要求され
る用途に適している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の電磁駆動方法な
いしは電磁発電方法においては電機子導体は磁心に沿っ
て運動することになるが、直線状の往復運動に限られ
る。この場合、電機子導体の支持方法が問題になること
があり、１箇所を回転軸で支持して円弧状の往復運動を
させた方が実用上便利なことが多い。このような回転軸
による支持の場合、直線運動に対する支持の場合に比べ
て摩擦力が小さい支持が可能であり、種々のアクチュエ
ータなどで応答性の良い円滑な運動が期待される。本発
明はこのようなことから円弧状の往復運動を可能とする
電気エネルギーと機械エネルギーとの変換装置を提供し
ようとするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するものであって、入出力巻線と電機子導体とを貫通す
る閉磁路の磁心を有し、前記電機子導体と磁束が鎖交す
る界磁源を有し、前記電機子導体が可動となっている電
気エネルギーと機械エネルギーとの変換装置において、
前記電機子導体は円弧軌跡に可動となっており、前記磁
心は電機子導体が貫通する部分においては電機子導体の
軌跡に従って湾曲していることを特徴とする電気エネル
ギーと機械エネルギーとの変換装置である。また上記に
おいて、電機子導体が、界磁源より生じる空間磁束密度
が十分に高い位置に配置され、かつ可動部の移動方向が
前記界磁源より生じる磁束と直角方向であることを特徴
とし、また磁心が界磁源のヨークとしても共用されてい
ることも特徴とする。

【００１６】またこれの特に好ましい構成のものとし
て、磁心は円弧状の２本の脚とこれと直交する直線状の
ヨークとを組み合せて構成され、前記の２本の脚のうち
一方には電機子導体が貫通し、他方には界磁源が磁心の
窓の部分で接しており、磁心のいずれかの部分に入出力
巻線が巻かれていることを特徴とするものである。

【００１７】また別の好ましい構成のものとして、磁心
は円弧状の３本の脚とこれと直交する直線状のヨークと
を組み合せて構成され、前記の３本の脚のうち中央の脚
には電機子導体が貫通し、他の２本の脚には界磁源が磁
心のそれぞれの窓の部分で接しており、磁心のいずれか
の部分に入出力巻線が巻かれていることを特徴とするも
のである。

【００１８】またこの装置の製造方法として、磁心のう
ち脚の部分はトロイダル鉄心を所定の円弧長さに切断し
たものを用い、ヨークの部分は積鉄心を用いて、これら
の突き合わせ部分を研磨して組み立てることを特徴とす
るものである。

【００１９】

【作用】本発明においては入出力巻線と電機子導体を貫
通する閉磁路の磁心を有する。これにより入出力巻線と
電機子導体との間で電磁誘導で電力伝達がなされる。さ
らに電機子導体と磁束が鎖交する界磁源を有する。これ
により界磁源より生ずる磁束と電機子導体との間で電気
エネルギーと機械エネルギーの変換が行なわれる。電機
子導体は磁心の磁束の変化による誘起電圧により機械エ
ネルギーとの変換を行い、本質的には外部電源を有しな
い。通常は１ターンの短絡コイルとして金属のブロック
が使用される。ここにおいて電機子導体は磁心に沿って
可動になっているが、その一部分を回転軸によって支持
されており、円弧軌跡の運動を行なう。このため磁心自
体も電機子導体が貫通する部分においては円弧状に湾曲
させる。

【００２０】界磁源は電機子導体が鎖交する磁束ができ
るだけ大きくなるような位置に設ける。そして可動部
（通常は電機子導体）の移動方向が界磁磁束と直交する
ようにするとエネルギー変換効率を大きくできる。この
場合界磁の磁路を形成するためのヨークと前記した磁心
とを共用させると装置の部品配置を合理的にでき、好都
合である。界磁源は永久磁石でも電磁石でも良いことは
当然であるが、多くの場合永久磁石の方が使用に便利で
ある。

【００２１】磁心の形状は４辺形としてこれのいずれか
の辺に入出力巻線と電機子導体が設けられているもので
もよい。さらに好ましくは日の字の形状でこれの中央脚
に電機子導体が設けられ、入出力巻線が適当な位置に対
称になるように設けられているものが電機子導体の機能
が向上し、電気エネルギー・機械エネルギーの変換効率
がよい。いずれにしても磁心は直線状の辺と電機子導体
の運動のための円弧状の辺とが組み合わさった形のなる
のでなんらかの方法でこのような形状にする必要があ
る。

【００２２】磁心には、透磁率が高い磁性材料を使用す
ることが必要であり、珪素鋼、鉄ニッケルや鉄コバルト
等の合金、それにアモルファス磁性材料等のように高透
磁率の磁性材料でつくられたものであることが好まし
く、できれば、厚さが０．２ｍｍ以下の板状磁性材料、
あるいは電気抵抗率が３０μΩｃｍ以上である磁性材料
や磁区細分化処理された磁性材料などのような低鉄損磁
性材料であると、電磁駆動方式および電磁発電方式の効
率や高周波性能がよくなるので好ましい。

【００２３】３０μΩｃｍ以上の電気抵抗率の磁性材料
は、４％以上のＳｉを含む珪素鋼板等である。厚さ０．
２ｍｍ以上の板状磁性材料、あるいは電気抵抗が３０μ
Ωｃｍ以下である磁性材料や磁区細分化処理されていな
い磁性材料では、高周波で駆動すると材料内に渦電流が
生じ、電力損失である鉄損が増すだけでなく、制御性に
も悪い影響を与える。またフェライト系の磁心材料を用
いることもでき、この場合、成型により直接本発明に必
要な曲線部分を有する磁心を製造できるので有利であ
る。

【００２４】入出力巻線の位置としては、電機子導体が
囲む磁心の部分とすると、即ち入出力巻線を電機子導体
と同じ断面に含まれる磁心の部分に施すと、磁心と鎖交
する磁束の量が多くできるので、電磁誘導による電力の
伝達が十分に行なわれるとともに、漏れ磁束が少なくな
るので、応答性も改善できる。一方、入出力巻線を電機
子導体と同じ断面に含まれる磁心の部分以外に施すと、
電機子導体や界磁源と同じ断面に位置せず、同じ入出力
巻線の電流に対する誘起力や同じ変位に対する発電電圧
等が大きくできる。上記入出力巻線を電機子導体等と別
の断面にする場合、電機子導体が貫通している脚の両端
の電機子導体の移動範囲外の部分に設ける方法、磁心の
ヨークの部分に設ける方法いずれでもよい。

【００２５】また装置の組み立てのため電機子導体か磁
心のいずれかには切れ目が必要である。電機子導体の場
合は磁心に装入したのちねじ止めして回路を形成するこ
とになる。電機子導体は軽量で電気伝導度が良いことか
らアルミニウムが適している。しかし、アルミニウムの
表面には酸化膜が形成しており突き合わせ面において電
気抵抗を生じ低周波特性が劣化する。このため本発明者
はアルミニウムの表面にニッケルメッキをすることによ
り突き合わせ面における電気抵抗を低下させ特性の改善
に成功している。しかし継ぎ目のない電機子導体を使用
できればこのような手間もなく、特性上も安定したもの
が得られる。

【００２６】また入出力巻線についても磁心に切れ目が
ないとボビン巻きのコイルをはめ込むことができず、磁
心に直接巻くため製作に手間がかかる。したがって本発
明においては磁心に切れ目を作っておいた方が有利であ
る。この場合の磁心の製造方法として円弧状の脚の部分
と直線状のヨークの部分とを別々に作り、突き合わせ部
分を研磨して組み立てるのが好ましい。珪素鋼板など薄
板の磁性材料から製作する場合、円弧状の部分は積み上
げた鉄心を曲げたり、扇形の材料を積み上げても当然で
きるが、所要の径のトロイダル鉄心を作り、所定の円弧
に切断すると容易に製作できる。

【００２７】

【実施例】図１は本発明装置の実施例を示す図で、電機
子導体の回転軸の方向から見たものである。また図４は
これのＢ−Ｂ′断面図、図５はＣ−Ｃ′で磁心に沿って
切断した断面図である。磁心４ｃは四辺形になっている
が、円弧状の２本の脚４ｐ、４ｑと直線状のヨーク４
ｓ、４ｔとを組み合わせて構成されている。これらそれ
ぞれは珪素鋼板などの板材料を積層したもので、四辺を
突き合わせて接着により固定し、磁心として組み立てら
れている。２本の脚のうちの一方４ｐには入出力巻線１
ｇが巻かれ、さらにその外側に電機子導体２が貫通して
いる。電機子導体２は回転軸８で支持され、アーム７に
より負荷あるいは動力源に接続されている。また他方の
脚４ｑには永久磁石の界磁源３が磁心の窓の部分に取り
付けられている。

【００２８】図６および図７はそれぞれ上記の図４およ
び図５と同様の図で、図１の断面図の関係になっている
が磁心の形状が異なっている。すなわち磁心４ｄは円弧
状の３本の脚４ｐ、４ｑ、４ｒとこれと直交する直線状
のヨーク４ｓ、４ｔとを組み合わせて構成されている。
３本の脚のうち中央の脚４ｐには入出力巻線１ｇが巻か
れ、さらにその外側には電機子導体２が貫通している。
他の２本の脚４ｑ、４ｒには永久磁石の界磁源３ａ、３
ｂが、図中Ｎ極として示した方向に着磁されてそれぞれ
磁心の窓の部分に取り付けられている。この装置は前記
の図４および図５の装置に比べて界磁源の磁束が電機子
導体の両側にあるため出力を大きくできる。また磁束の
漏洩も少なく応答性がよい。

【００２９】上記図１および図４から図７に示した実施
例においては入出力巻線は磁心の電機子導体が貫通して
いる脚の全長に亘って巻かれていたが、図２の場合と同
様にヨークの部分に入出力巻線１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ
を巻くこともできる。先の例のように入出力巻線は電機
子導体と同じ断面に含まれる磁心の部分に設けるほうが
漏れ磁束が少なく応答性は良いが、ヨークの部分に設け
た場合は界磁源の影響を受けないので先に述べたように
出力を大きくでき、また装置の組み立てが簡単になる場
合がある。また図８は図７と同様な方向からみた図であ
るが、入出力巻線１ｅ、１ｆを電機子導体２が貫通して
いる脚４ｐの両端の電機子導体の移動範囲外にすること
もできる。この場合は漏れ磁束は比較的少なく装置の組
み立ても容易である。

【００３０】磁心の材料として珪素鋼板などの板状の磁
性材料を素材とする場合、積層方法は種々考えられる。
脚の部分は扇形に打抜いた板を積層してもよい。ただし
この場合はヨークの部分とは積層の方向が異なることに
なる。脚の部分を製作する方法として、所定の円弧にな
る径のトロイダル鉄心を作製しておき切断するのが打抜
きダイスなどを必要とせず、小量生産から大量生産にも
適している。すなわち図９に示すように円形の巻鉄心９
を製作し歪取り焼鈍、接着などの処理をしたのち、切断
線１０の所で切り離せばよい。これをヨークとの突き合
わせ部分を研磨して用いる。ヨークの方は通常の方法で
積み鉄心とするが、脚との接続部分は十分に研磨して接
着などの方法で組み立てる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の装置によれば、ボイスコイルモ
ータなどにおいて電機子導体に円弧状の往復運動をさせ
ることができ、摩擦抵抗の小さい支持が可能なこととあ
いまって、種々のアクチュエータなどで応答性の良い円
滑な運動ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の実施例を示す図

【図２】先の発明の装置を示す図

【図３】図２の装置のＡ−Ａ′断面図

【図４】図１の装置のＢ−Ｂ′断面図

【図５】図１の装置のＣ−Ｃ′断面図

【図６】図１の装置の他の実施例のＢ−Ｂ′断面図

【図７】図１の装置の他の実施例のＣ−Ｃ′断面図

【図８】本発明の実施例を示す図

【図９】本発明の製造方法を説明する図

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入出力巻線と電機子導体とを貫通する閉
   磁路の磁心を有し、前記電機子導体と磁束が鎖交する界
   磁源を有し、前記電機子導体が可動となっている電気エ
   ネルギーと機械エネルギーとの変換装置において、前記
   電機子導体は円弧軌跡に可動となっており、前記磁心は
   電機子導体が貫通する部分においては電機子導体の軌跡
   に従って湾曲していることを特徴とする電気エネルギー
   と機械エネルギーとの変換装置。
2. 【請求項２】 電機子導体が、界磁源より生じる空間磁
   束密度が十分に高い位置に配置され、かつ可動部の移動
   方向が前記界磁源より生じる磁束と直角方向であること
   を特徴とする請求項１記載の電気エネルギーと機械エネ
   ルギーとの変換装置。
3. 【請求項３】 磁心が界磁源のヨークとしても共用され
   ていることを特徴とする請求項１または２記載の電気エ
   ネルギーと機械エネルギーとの変換装置。
4. 【請求項４】 磁心は円弧状の２本の脚とこれと直交す
   る直線状のヨークとを組み合せて構成され、前記の２本
   の脚のうち一方には電機子導体が貫通し、他方には界磁
   源が磁心の窓の部分で接しており、磁心のいずれかの部
   分に入出力巻線が巻かれていることを特徴とする請求項
   １記載の電気エネルギーと機械エネルギーとの変換装
   置。
5. 【請求項５】 磁心は円弧状の３本の脚とこれと直交す
   る直線状のヨークとを組み合せて構成され、前記の３本
   の脚のうち中央の脚には電機子導体が貫通し、他の２本
   の脚には界磁源が磁心のそれぞれの窓の部分で接してお
   り、磁心のいずれかの部分に入出力巻線が巻かれている
   ことを特徴とする請求項１記載の電気エネルギーと機械
   エネルギーとの変換装置。
6. 【請求項６】 入出力巻線は磁心のうち電機子導体が貫
   通している脚の全長にわたって巻かれていることを特徴
   とする請求項４または５記載の電気エネルギーと機械エ
   ネルギーとの変換装置。
7. 【請求項７】 入出力巻線は磁心のうち電機子導体が貫
   通している脚の両端の電機子導体の移動範囲外の部分に
   設けられていることを特徴とする請求項４または５記載
   の電気エネルギーと機械エネルギーとの変換装置。
8. 【請求項８】 入出力巻線が磁心のヨークの部分に設け
   られていることを特徴とする請求項４または５記載の電
   気エネルギーと機械エネルギーとの変換装置。
9. 【請求項９】 電機子導体が一体の金属環であることを
   特徴とする請求項１ないし８記載の電気エネルギーと機
   械エネルギーとの変換装置。
10. 【請求項１０】 磁心のうち脚の部分はトロイダル鉄心
    を所定の円弧長さに切断したものを用い、ヨークの部分
    は積鉄心を用いて、これらの突き合わせ部分を研磨して
    組み立てることを特徴とする請求項４または５記載の電
    気エネルギーと機械エネルギーとの変換装置の製造方
    法。