JPH0669286B2 - 転動子形電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固定子と可動子の間の空隙のない転動子形電
動機に関する。

〔従来技術と問題点〕

従来、電動機という概念は、固定子に対向して空隙を介
して回転自在に支承された回転子が、回転磁界に追随し
て回転する手段であり、これを直線状に展開したのがリ
ニアモータである。

ここで、小形で大きな力を発生するリラクタンス電動機
を考える。

電動機の回転子がＡの位置で巻線に電を流したとき、Ｂ
の位置まで移動したさいの力（平均値）は移動時に電源
から与えた余分のエネルギー△Ｅを移動距離で除算した
値になる。

いま、簡略化するため磁気飽和を無視して説明する。

コアに巻いたコイルの巻数をＮ、 それと叉交する磁束をφ、 電流をＩ、 A,Bの位置でのパーミアンスをＰ_Ａ,P_Ｂ、 とすると力Ｆは、 Ｆ＝△Ｅ／△ｘ ＝（Ｐ_Ｂ−Ｐ_Ａ）N²I²／２△ｘ ……（１） ここで、△ｘは位置A,Bの間の移動距離ある。

式（１）から大きな力を発生さすには、小さな移動距離
で大きなパーミアンスの変化を生じる磁気回路を考え出
す必要がある。

従来の電動機では固定子に対して回転子が一定の空隙を
もって回転するため、パーミアンス差（Ｐ_Ｂ−Ｐ_Ａ）を
大きくすることがむづかしい。

加工精度，ベアリング精度を高めて空隙長を小さくすれ
ば、ある程度可能であるが、コストアップになり実用性
を欠く。

特に、電動機が小形になれば、相対的に空隙長を小さく
することは一層困難になる。

〔発明の目的〕

ここにおいて、本出願人はさきに特願昭60−197226号
（特開昭62−60463号）昭60・９・６出願，発明の名称
・電動機）により回転子が固定子上を空隙長零で転動す
るローラ機構を有する電動機を提案したが、 本発明は、パーミアンスの変化を極限まで大きくして、
少ない電流でもって大きなトルクを発生する電動機を実
現する手段であり、特に低速で停止位置で大きなホール
ディングトルクを発生させる小形のステッピングモータ
として有効な転動子形電動機を提供することを、その目
的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するために、 リラクタンス形の電動機では固定子歯と回転子歯が対向
し合っているときといないときのパーミアンスの差に比
例してトルクが発生することに着目し、 回転子を多角柱とし、 固定子コア上で転動させ、 パーミアンス差を非常に大きくし小形で大トルクを発生
させる ことを特徴とする転動子形電動機である。

〔実施例〕

本発明の一実施例における斜視図を第１図に表わす。

電動機の回転子を多数個の多角柱の転動子１とその保持
機構とから構成し、転動子１を固定子のコア2,4の上を
直接転動させることにより、大きな力を発生させる。

多角柱１本だけに注目し、その動作原理を示している。

いま、転動子１がコアＡ・２の位置にあるとき、コイル
Ｂ・５から見たパーミアンスをＰ_Ａとする。

コイルＢ・５に電流Ｉを流すと転動子１とコアＢ・４と
の間に吸引力が働き、転動してコアＢ・４の位置に転動
する。このときのコイルＢ・５から見たパーミアンスＰ
_Ｂとする。

転動子１がコアA,コアＢの位置にあるときの起磁力Ｎ_ｉ
と磁束φ_Ａ，φ_Ｂの関係を第２図に表わす。

コアＢの位置にあるとき、励磁されたコアＢ・４に転動
子１の一面が空隙零で密着するため大きな磁束が流れ、
単位起磁力あたりの磁束すなわちパーミアンスＰ_Ｂは大
きな値になる。

したがって、得られる力（コアＡ→コアＢ間の平均）Ｆ Ｆ＝（Ｐ_Ｂ−Ｐ_Ａ）N²I²／２△ｘ は大きくなる。なお、磁束−起磁力特性を示す第２図に
おいて、（Ｐ_Ｂ−Ｐ_Ａ）N²I²／２はその大きい実線の斜
線を施した三角形の面積である。

比較のために従来の通常の電動機の起磁力と磁束の関係
を点線で表わす。

第３図に磁気飽和を考慮したときの磁束−起磁力特性図
を示す。

実線が本発明、点線が通常電動機である。

このように、電動機の回転子を多角柱でもって構成し、
固定子のコアの上を転動させることにより、従来の電動
機よりはるかに大きな力を発生させることが可能にな
る。

また、転動子の各移動位置での力は Ｆ＝（N²I²／２）・（dp／dx） ……（２） ここで、Ｐはｘの位置でのパーミアンス であり、転動子の面がコアに近ずいたとき、非常に大き
な値になる。即ち、コアＢの位置でのホールディングト
ルクが非常に大きくなる。

電動機として動作させるには、第１図のコアＡ・2,コア
Ｂ・４に続けて多数のコアを円周上に配置する（回転形
の電動機）、または線状に配置する（直線運動形電動
機）とともに、転動子を多数用いてそれらを機械的に結
合しておけばよい。

これを具体的にした本発明の他の実施例を、第４図の斜
視図で説明する。

コア２_Ｒ,2_Ｓ,2_Ｔ、４_Ｒ,4_Ｓ,4_Ｔ，……を横に３列に配
置し、それぞれのコア列に励磁用の導線６_Ｒ,6_Ｓ,6_Ｔを
通す。第４図は導線６_Ｒに電流を流したときの静止状態
で、電流を導線６_Ｓ,6_Ｔ，……と順に切換えると、転動
子１_ａには右方向のコア４_Ｒとの間に吸引力が働き、右
方向に転動し転動子１_ｂとなる。

第４図は直線形電動機の例であるが、力を外部に取り出
す保持機構は図示していない。

なお、転動子１_ａ,1_ｂ……の外周長とコア２_Ｒ〜４_Ｒ,2
_Ｓ〜４_Ｓ,2_Ｔ〜４_Ｔ，……のピッチとの間には整数比の
関係にしておく。

回転形を構成した本発明の別の実施例における要部の正
面図を第５図に表わす。

これはアウタロータ形になっており、固定子が内側に配
置されている。

回転軸方向手前にＲ相のコア２_Ｒ,4_Ｒ，……と巻線６_Ｒ
があり、図示しないが、その背後にコアを１／３ピッチ
ずつずらして、Ｓ相,T相が設けられている。

導線６_Ｒ,6_Ｓ,6_Ｔと電流を順次切換えて流すことによ
り、回転運動が得られる。

このとき各転動子１_ａ,1_ｂ，……の移動は、その両側に
設られお互いに結合された保持機構７に伝えられ、外部
に作用する力として取出される。

なお、転動子１_ａ,1_ｂ，……の各面は、固定子のコア２
_Ｒ,2_Ｓ,2_Ｔ,4_Ｒ,4_Ｓ,4_Ｔ，……と密着するように凹の曲
面となっている。この凹状の曲面が、滑り防止手段とし
て機能している。

小形化するときに適した本発明の第４の実施例の構成を
表わす側面図，正面図を第６図，第７図に示す。

巻線６_Ｒ,6_Ｓ,6_ＴとR,S,T相のように電流を切り換える
ことにより、転動子１_ａ〜１_ｉ……は右方向に移動す
る。

本構造は、固定子コア２_Ｒ,2_Ｓ,2_Ｔは機械加工によって
多数の歯２_Rt,2_St,2_Ttを作ることができる。

この固定子歯２_Rt,2_St,2_Ttのピッチを1mm以下にするこ
とにより、小形で大きなトルクを発生する電動機が実現
できる。

第６図の実施例では、巻線６_Ｒ,6_Ｓ,6_ＴのＲ相,S相,T相
が移動方向に配置しているが、移動方向と直角方向に各
巻線６_Ｒ,6_Ｓ,6_Ｔを配置することも可能である。この第
５の実施例の正面図を第８図に表わす。

第６図・第７図および第８図の手段を、固定子コア，転
動子（保持機構を含む）を円形に継ぎ合せたように構成
して、回転形の電動機が得られる（第６の実施例）。

固定子コア２_Ｒの面と転動子１_ａの面が近ずいたとき、
パーミアンスの変化（dp／dx）は非常に大きくなり、力
も急激に大きくなる。

Ｆ＝（N²I²／２）（dp／dx） 第９図は、本発明の第６の実施例の要部の側面図であ
る。

固定子コア２_Ｒ面と転動子１_ａ面の密着の程度を小さく
した手段であり、第９図（ａ）は転動子１_ａの転動する
面を曲面化しており、第９図（ｂ）は固定子コア２_Ｒの
転動子１_ａの対向面を曲面に形成している。

各相（R,S,T相）の停止位置での力は小さくなるが、従
来の電動機よりはなおかつ大きな力を発生させることが
できる。

大きな推力を発生し、かつ固定子コア２_Ｒ,2_Ｓ,2_Ｔ，…
…と転動子１_ａ,1_ｂ，……の相対的つまり位相的な位置
関係を保証する手段を設けた本発明の第７の実施例の要
部の概念図を第10図に示す。

第10図（ａ）は側面図、第０図（ｂ）は正面図で、固定
子側には移動方向に沿って補助ガイド〔たとえばラック
（rack）〕９を設け、転動子側にはその転動軸を回転中
心とする歯車〔たとえばピニオン（pinion）〕８をそな
える。これら歯車８及び補助ガイド９が、滑り防止手段
として機能している。

以上の実施例では外側に回転子すなわち転動子が設けら
れたが、固定子を外側に設けた構造でも同等の作用を実
現できる。

また、回転子つまり転動子と固定子を回転軸方向に配置
したアキシャルギャップ形の電動機も同様にできる。こ
のときは、転動子１_ａ,1_ｂ，……は多角錐に似た形状と
なる。

しかして、本発明は、転動子１_ａ,1_ｂ，……にシャフト
鋼のようにごく弱い半硬磁性材料を用いることにより、
電流を切った後も残留磁束が残り、自己保持の力を出す
ことができ、自己保持形の電動機も提供することができ
る。

固定子コア２_Ｒ,2_Ｓ,2_Ｔ、４_Ｒ,4_Ｓ,4_Ｔ，……に残留磁
束の残りやすい低いグレイドの電気鉄板を用いても同じ
効果がある。

低速の位置決め用の電動機に適し、少ない電力で高いホ
ールディング力が要求される分野に好適である。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、固定子コアと回転子コア即ち
転動子との密着性が良く、空隙によるパーミアンスの制
約が取り除かれ、非常に大きな力を発生することがで
き、小形で大きな力を発生する電動機を提供することが
できる。

また、本発発明は従来の電動機のように空隙を保つため
のベアリングが不要で、かつ高精度の加工が不要であ
る。

保持力が非常に大きく、ステップ的動作をするものに適
し、外乱の力をうけても位置ずれを起こしにくく高精度
である。

さらに、転動子に半硬磁性材料を使えば自己保持形転動
子形電動機となり、固定子コアに低グレイドの電気鉄板
を用いても同様であり、低速位置決め電動機に適し、少
ない電力で高いホールディング力の要求される分野に最
適である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は磁束−起
磁力特性図、第３図は磁気飽和を考慮したときの磁束−
起磁力特性図、第４図は本発明の他の実施例・直線形電
動機の要部の斜視図、第５図は本発明の別の実施例・ア
ウタロータ形電動機の要部の正面図、第６図，第７図は
本発明の第４の実施例の側面図，正面図、第８図ないし
第10図は本発明の第５ないし第７の実施例の説明図であ
る。 1,1_ａ,1_ｂ，……１_ｉ……転動子 2,2_Ｒ,2_Ｓ,2_Ｔ,4,4_Ｒ,4_Ｓ,4_Ｔ……固定子コア 3,5,6_Ｒ,6_Ｓ,6_Ｔ……励磁巻線（コイル） ７……保持機構 ８……歯車 ９……補助ガイド。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コアとこのコアに巻回されて移動磁界を発
   生させる励磁巻線とから成る固定子と、強磁性体より構
   成され前記固定子の表面を転動する転動子と、この転動
   子を転動自在に保持する保持機構と、より構成された転
   動子形電動機において、 前記固定子は複数のコアとこれらのコアに各々巻回され
   て夫々のコアに移動磁界を発生させる複数の励磁巻線と
   より構成され、かつ、前記転動子の転動方向に並列に配
   列された複数の固定子より成り、 前記複数のコアは複数相の個別各相に相当する個別コア
   より構成され、かつ、前記複数の励磁巻線も複数相の個
   別各相に相当する個別巻線より構成され、更に、 前記複数の固定子は前記転動子の転動方向と直交する方
   向に所定のピッチずつ位置ずれされて配列されると共
   に、前記転動子は多角柱形状に形成されていることを特
   徴とする転動子形電動機。
2. 【請求項２】転動子の外周長と固定子の位置ずれピッチ
   とが整数比となるように前記複数の固定子が配列されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の転動子形電動機。
3. 【請求項３】多角柱に形成された前記転動子の各面とこ
   れに対向する固定子の面とがほぼ同一平面または所定曲
   面を形成する特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   転動子形電動機。
4. 【請求項４】前記固定子及び前記転動子のうちの何れか
   一方は磁束が残留する材料より構成されてこの残留磁束
   により自己保持機能が与えられている特許請求の範囲第
   １項ないし第３項の何れかに記載の転動子形電動機。
5. 【請求項５】前記複数の固定子は同一平面上に配列され
   ており、前記転動子はこれらの複数の固定子上を転動す
   ることにより平面状ないしは直線状の移動軌跡を有する
   特許請求の範囲第１項ないし第４項の何れかに記載の転
   動子形電動機。
6. 【請求項６】前記複数の固定子は所定形状の曲面上に配
   列されており、転動子はこれら複数の固定子上を転動す
   ることにより曲面状の移動軌跡を有する特許請求の範囲
   第１項ないし第４項の何れかに記載の転動子形電動機。
7. 【請求項７】前記多角柱の転動子と前記複数の固定子の
   間には互いの接触面の滑りを防止する滑り防止手段を設
   けた特許請求の範囲第１項ないし第６項の何れかに記載
   の転動子形電動機。