JPH0793808B2

JPH0793808B2 - 永久磁石可動部材を有する電気モータ

Info

Publication number: JPH0793808B2
Application number: JP62322625A
Authority: JP
Inventors: クロード・ウーデ
Original assignee: ポルテスキャップ
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: JPH01177851A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、電動機に関するものであり、より特定的に
いえば、固定子および多極永久磁石配置の可動部材を備
える型のモータに関するものである。

そのようなモータの可動部材は、通常、２つの平行な実
質的に平面状の表面を有し、その上に永久磁石配置の磁
極が現われ、その厚さは、他の方向の可動部材の寸法よ
り実質的に小さい。磁化は、そのような平行な平面に表
面に垂直でありかつ部材の移動方向に垂直な方向であ
り、前記実質的に平面状の表面の各々は、少なくとも一
連の同じ極性の磁極を示す。モータの固定子は、少なく
とも１つの電気付勢コイルに結合される１つ以上の磁気
回路を備える。その磁気回路は、互いに面しかつ可動部
材の磁極が配置されるエアギャップの少なくとも一部を
形成する少なくとも２つの極部分を備える。

この一般的な型の公知のモータにおいて、エアギャップ
は、次の考察を基準として寸法決めされている。付勢コ
イルのアンペアターンniは、エアギャップに生じる磁界
Ｈおよびエアギャップ幅Ｅと、ni＝H.Eの関係がある。n
iの値は、特定的に、固定子の構造において必要な熱放
散によって限定される。

したがって、niの所与の値に対してモータによって伝達
されるトルクＣを増加させるために、関係Ｃ＝γ.niに
現われかつアンペアターンあたりのトルクを表わすファ
クタγを増加させる必要がある。

アンペアターンあたりのトルクを増加させる明らかな方
法は、システムに含まれる磁気エネルギを増加させかつ
その結果としてその永久磁石の体積を増加させることで
ある。上述の平行な表面における永久磁石の寸法は、モ
ータの大きさおよび多極磁石配置に必要な極の数によっ
て限定されかつ定められる。残りの寸法は、エアギャッ
プの幅の方向における寸法であり、かつしたがって前記
エアギャップ幅Ｅとして比較的大きい値を選択し、その
ため対応する比較的厚い永久磁石を使用することができ
るのが妥当であるように思われる。この傾向はまた、稀
土類材料のより厚い磁石がそれほど脆くないということ
によって、かつ同じパワーまたは体積の他のモータと比
べて、この型のモータの性能、特に動的な性能が一般に
良好であることによって裏付けられた。

通常の方法では、モータの性能が実際に最適とならず、
予期しない小さなエアギャップが生じ、かつしたがって
薄い永久磁石は、アンペアターンあたりの最大トルクな
らびに電気料金率および加速度のような非常に良好な動
特性を与えることが知られている。

この発明の主たる目的は、特定的にアンペアターンあた
りの高トルクを伝達しかつ可動部材の高電気料金率およ
び加速度を示す、初めに説明した型の電気モータを提供
することである。

したがって、この発明によれば、最小エアギャップ幅
は、0.385P＋1.4≦P/E≦0.706P＋1.85の関係によって限
定される範囲に選択され、ここでＰは可動部材上の同じ
符号の磁極の中心間の間隔おびよびエアギャップの最小
幅の領域の中心間の間隔であり、かつＥはエアギャップ
の幅であり、両者はミリメートルで測定される。永久磁
石の厚さＬは、最適には、Ｅから必要な機械的クリアラ
ンスを減じた値に対応する。

この発明の実施例の次の説明は、アンペアターンあたり
のトルクが前記範囲内で最大値を有しかつその範囲外で
は動特性が急速に減少することを示す。

この発明はまた、可動部材が永久磁石配置の一方側に透
磁材料の平坦なヨーク部分を備える一方、固定子の極が
前記永久磁石配置の他方側に面している型のモータに適
用される。

この明細書およびクレーム全体を通じて、用語「エアギ
ャップ」は、説明した磁気回路の空気の実際の空間を規
定せず、透磁材料の向かい合った部分の間の空間、かつ
したがって種々の実施例において永久磁石が配置される
空間全体を規定する。たとえば、可動部材が上で説明し
たヨーク部分を含む実施例において、エアギャップは、
そのヨーク部分と固定子の反対側の極部分との間を延在
する。他方、永久磁石が固定子の２つの向かい合った極
部分の間に配置されれば、エアギャップはその向かい合
った極部分の間を延在する。

好ましい実施例では、可動部材の一方側すなわちいずれ
かの側に配置される１つ以上の極部分は、可動部材の移
動方向に、四角形または台形の輪郭を有する歯形の部分
を含む。この場合、エアギャップの最小幅Ｅは、さらに
P/E＜3.6の関係を満たさなければならない。

この発明の好ましい実施例では、モータは、モータ軸上
に回転のために取付けられる平坦な環状の円板を備え、
かつ固定子は、環状の円板のいずれの側で実質的に面す
る関係で、その円板に向かって軸に平行な方向に延在す
る複数の歯形の極部分を備える。エアギャップ幅は、以
下で説明するが、そのような環状の円板の内部から外部
へわずかに増加することもまた有効であるだろう。

この発明、その目的および利点は、添付の図面によって
図解される次の説明に鑑みよりよく理解されよう。

第１図およひ第２図は、初めに説明した型の典型的なモ
ータを示し、かつそれはClaude Oudetの米国特許45188
83に説明されている。この発明による特定の寸法決め規
則は、以下でさらに説明するが、この種のモータに都合
よく適用され得る。

上述の米国特許4518883に説明されているように、第１
図および第２図は、ステッパモータを示し、その回転エ
レメント１は、硬質磁気材料でできた環状の円板２およ
び非磁性体、たとえば軽合金または塑性材料からできた
支持フランジ３を備える。回転エレメント１は、モータ
軸４上に取付けられ、その軸は、モータのケーシング7,
8に固定される２つの軸受５および６によって支えられ
る。円板２は、軸方向に磁化され、その面2Nの各々上
に、円板の自由環状ゾーンに沿って規則的に配列される
交互の極性の磁極を呈し、ここでＮは第１図のモータの
場合たとえば50に等しい自然数である。

第１図および第２図によるモータの固定子は、同じ形状
の４つの磁気固定子回路を備え、これらの回路９の１つ
の下方部分は第１図では完全に見えており、前記図はさ
らに隣接した回路10の下方部分の２分の１を示してい
る。

各固定子回路は、透磁材料のプレートまたは積層板のア
センブリによって形成される複数対の極部分、たとえば
第２図の対116および126を備える。その極部分は、極部
分116の場合参照番号100によって示される対称な軸平面
を有し、かつ１対の極部分、たとえば116および126の自
由端13および14は、磁化された円板２が移動する狭いエ
アギャップを形成する。一般的に言って、複数対の極部
分は、それらの４つが図示されているが、極部分のグル
ープを形成し、磁化された円板のいずれかの側に配置さ
れる極部分は、電気コイル、たとえば152および162でそ
れぞれ結合される。これらのコイルの各々は、コイルの
本体、たとえば172および182によって支えられ、これら
のコイルの本体また、対応する極部分のための支えを構
成する。

したがって、各固定子回路は、極部分の第１および第２
のグループ、たとえば第１図に表わされるグループ91お
よび92を備え、その図にはこれらのグループのそれぞれ
の底部極部分111,112,113,114および115,116,117,118が
見られる。磁化された円板のいずれかの側で、エアギャ
ップを形成する端部と向かい合っている極部分の端部、
すなわち第２図に示される端部19および20は、透磁材料
からできたそれぞれのヨーク部分、たとえばヨーク部分
21および22によって互いに結合される。

第１図および第２図によるモータの好ましい実施例で
は、各固定子回路9,10,…は別個のヨークを備え、かつ
それらは各回路の２つのグループのアセンブリの外側の
極部分、たとえば回路９については極部分111および118
の間を延在する。異なるヨーク部分は、23および24のよ
うな対応する固定部分を介してモータのケーシング7,8
に固定され、コイルの本体は、従来の手段によって、対
応するヨーク部分に固定される。第１図はさらに、グル
ープ91の底部のコイル151の本体171を示す。

機械的に連続するヨーク部分を用いる構造上の変形は、
種々の回路の間に飽和可能な狭部を設け、磁気的な観点
からこれらの回路を実質的に分離することにある。

１つのグループの極部分対の対称な軸平面は、互いの間
2kπ/Nに少なくともほぼ等しい角度を形成し、ここでｋ
は好ましくは１に等しい自然数であり、これは回転する
部分の磁化された円板の面上に現われる同じ名前の極の
周期数に対応する。同じ回路の第１のグループのうち極
部分の１つの極部分および第２のグループの１つの極部
分の対称なそれぞれの軸平面は、互いの間に（2r＋１）
π/Nに少なくともほぼ等しい角度を形成し、ここでｒは
自然数であり、これは、たとえば第１のグループ91の極
部分および第２のグループ92の極部分が、磁化された円
板の異なる名前の極とそれぞれ協働するような角シフト
に対応し、かつこれは円板のいずれかの側について当て
はまる。第１図の場合、ｒは各グループの考えられる極
部分によって１から４の値をとる。

各磁気電子回路では、コイルは付勢され、そのためモー
タの軸方向に生じる磁界は２つのグループの極部分対に
ついては逆極性である。したがって、第１図に示される
固定子の下方部分の平面図では、たとえば、付勢されて
支えられる回路９の極部分の面、たとえば13上に示され
る極ＮおよびＳが現われる。磁界は、２つのヨーク部分
を介して各固定子回路で、すなわち磁化された円板の平
面に平行な平面内で閉じている。この磁界は、ベースと
して磁化された部分２を有しかつその両側に延材する２
つの円筒状の環状空間部分内に実質的に含まれる。

この発明が適用される型のモータの他の実施例は、第３
図および第４図に表わされる。

第３図に示されるモータは、２段モータであり、その各
段は、それぞれの固定子部分31および32ならびに対応す
る回転自在な部材33および34を備える。各回転自在な部
材は、磁化可能な材料、たとえばサマリウム−コバルト
から作られる薄い平面上の環状の円板の形のそれぞれの
回転子部分35および36を備える。これらの円板は、それ
らの軸に平行に磁化され、それらの平面状の表面の各々
上に、交互に北極および南極となりかつ各表面の環状ゾ
ーンに沿って規則的分布される磁極を呈する。それらの
円板は、他の十分な態様で、対応する支持部分37,38上
に貼着されすなわち固定され、その支持部分はまた、環
状の平坦な円板の形である。また、支持円板は、たとえ
ば２つの玉軸受のそれぞれの内部レース39および40の側
面上に溶接によって固定され、その玉軸受の対応する外
部レースすなわちリングは、それぞれ41および42によっ
て示され、各玉軸受のボールの縦列は、43および44によ
って示される。２つの玉軸受の内部レースは、モータの
軸45上に取付けられ、モータの組立時に定められるその
最終的な位置にこの軸で固定している。

第３図のモータの２つの固定子部分31および32の各々
は、対応する電気制御コイル46,47を備え、この電気制
御コイルは、環状形でありかつモータ軸に対して同軸的
に配設される。各コイルは、それぞれ48,49および50,51
によって示される２つの環状部分を備える磁気回路に結
合される。これらの環状部分は、非常に良好な透磁性を
有する材料から作られ、かつ磁気抵抗もまたこの領域で
は低いままであるように周辺の平面状の接触ゾーン52お
よび53に沿って対になって接触している。他方、部分48
ないし51の各々は、一連の歯、たとえば54を備え、各固
定子部分に、この表面に沿って可変である環状のエアギ
ャップを形成するような態様で周囲全体にわたって分布
される内部環状部分を有する。第３図に示されるよう
に、磁気回路の軸部分はこうしてＣの形状を有し、かつ
回転子の各部分の環状ゾーンは、これらの磁気回路によ
って形成されるそれぞれのエアギャップに配設される。

第３図のモータでは、磁気回路の外部部分48および51
は、モータの玉軸受の対応する外部リングすなわちレー
ス41および42上に取付けられる。支持プレート55は、同
様に玉軸受の一方のリング41の外部柱面の一部上に固定
される。

２つの固定子部分31および32の内部部分49および50は、
モータの軸に垂直な環状の柱面56に沿って接触してい
る。変更された構造上の形に従って、平面状の平行な表
面を有する中間エレメントは、部分49および50の間に配
設されることができ、そのため部分49および50は、表面
56のようなそれらの平面状の環状表面の平行な関係を維
持しつつ間隔をあけられることができるだろう。

第３図には、制御コイルが嵌められるコイルの本体部
分、たとえば57、およびモータの組立を容易にするため
に回転子の２つの部分の間に配設されてもよい塑性材料
のセパレータ58がさらに示される。

第４図は、第３図の線IV−IVに沿った断面図として、モ
ータの或るエレメント、かつ特定的には半径方向に配向
されかつ見える環状部分49の内周に沿って規則的に配列
される歯54の構成を示す。

第１図ないし第４図に関連して説明されるモータの実施
例では、多極永久磁石配置が置かれるエアギャップは、
実質的に面する関係で可動部材のいずれかの側に配置さ
れる実質的に長方形の形状の２連の歯の間に形成され
る。その歯の中心を介して円に沿って測定される、同じ
位相に関係するグループの連続する歯の間隔は、少なく
ともほぼ、すなわち高調波の除去のための可能なシフテ
ィングを除いて、Ｐ、すなわち可動部材上の磁極ピッ
チ、すなわち前記磁極の中心を介して円に沿って測定さ
れる同じ名前の磁極間の距離に等しい。向かい合った極
面間の軸方向の距離Ｅは、モータのエアギャップの最小
幅を表わす。このエアギャップは、可動部材の１点、す
なわち回転子の場合の円の経路に沿って可変であり、そ
の変化は、Ｅと別個の極部分間の空間における理論上の
無限値との間の変化であり、かつＥと第３図および第４
図の場合の連続する歯の間の限定された大きい方の値と
の間の変化である。

エアギャップに配置される永久磁石の厚さは、すべの場
合、Ｌによって示される。

第５図は、代わりの配置を概略的に示し、可動部材60
は、高透磁性のヨーク部分61を備え、そのヨーク部分61
は、第１図ないし第４図の前述の例の１つに類似である
永久磁石配置62と一体でなければならずまたは一体にさ
れる。第５図の場合、固定子は、磁石配置の一方側、す
なわちヨーク部分61に接続される側と反対側に配設され
る歯付き固定部分63、およびヨーク部分の反対側の配設
されかつ必要な機械的クリアランスに少なくとも対応す
る距離ｅだけヨーク部分から間隔があけられた他の固定
子部分64を備える。永久磁石配置62は厚さＬを有する。
エアギャップは、第５図では、固定子部分63のおよびヨ
ーク部分61の向かい合った表面間の空間として規定され
る。固定子部分63は、一例として、Ｐだけ互いに間隔が
あけられた極を形成する丸形の歯を示す。極部分または
それを形成する固定子部分の形状は、もちろん固定子が
それに応じて構成されるという条件で、他の例の１つま
たは前述の例のいずれかと同様に変えられることができ
る。第５図に図解されるような非対称配置の場合の最小
エアギャップ幅は、Ｅ′で示される。

この発明によれば、最小エアギャップ幅ＥまたはＥ′
は、次のそれぞれの関係を満たさなければならない： 0.385P＋1.4≦P/E≦0.706P＋1.85 0.385P＋1.4≦P/2E′≦0.706P＋1.85 ここでＰおよびＥまたはＥ′は、回転子の移動の中間の
経路に沿ってまたはその上でミリメートルで測定され
る。回転装置では、実際の磁極ピッチの長さは回転子の
直径を増加させるにつれて増加するので、P/Eを所与の
一定値に維持するために、この長さはまた最小エアギャ
ップ幅ＥまたはＥ′を半径方向に増加させることによっ
て補償されてもよい。

第６図は、特定的に、P/Eの範囲をＰの関数として示す
グラフである。この発明によるP/Eの範囲の限界は、直
線P/E_minおよびP/E_max′によって示され、平均のまたは
好ましいエアギャップの最小幅E_avは、点線P/EE_avに対
応する。

第６図はまた、中間の磁極ピッチP₁およびP₂をそれぞれ
有するモータの構造の２つの例の場合を図解しており、
磁極ピッチP₁を有するモータは、第１図および第２図に
図解されるような構造を有し、かつモータの幅P₂は、第
３図および第４図による構造を有する。これらの２つの
場合、第６図は、横軸として表わされるNm/Atにおける
アンペアターンあたりのトルクγの変化を、P/E、すな
わちP₁/EおよびP₂/Eの関数として示す。Ｅおよび対応す
る磁石の厚さＬが増加するにつれてトルクが増加するこ
とが予期されるであろうが、トルクはE_maxに対応する限
界を越えると急速に減少することはその変化から明らか
である。

モータの動特性、たとえば回転子の電気料金率および加
速度、この発明の最適な範囲外では急速に減少するよう
に思われ、そのため前記範囲は、実際にこの型のモータ
のかなり臨界的な予期しない寸法決めを表わしている。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のモータの１つの実施例の固定子の下
部の部分平面図である。第２図は、第１図に部分的に表わされるモータの、破線
Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆに沿った軸方向断面図である。第３図は、２段を有する２相同期モータの軸方向断面図
である。第４図は、第３図の線IV−IVに沿った断面図である。第５図は、モータにおける最小エアギャップ幅の定義を
示す概略図であり、回転子はヨーク部分を備える。第６図はこの発明によるP/E、すなわち磁極ピッチ／エ
アギャップ幅の範囲をＰの関数として、かつγの変化を
２つの異なるモータの型に対するそれぞれの範囲におけ
るＥの関数として示すグラフである。図において、１は回転エレメント、２は円板、９および
10は磁気固定子回路、31,32および63は固定子部分、62
は永久磁石配置、111,112,113,114,115,116,117および1
18は極部分である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子および磁石の使用の場において実質
的に線形の減磁特性を有する磁性材料の多極永久磁石配
置の可動部材を備える電気モータであって、前記可動部
材は２つの平行な実質的に平面状の表面を有し、その表
面上には前記永久磁石配置の磁極が現われ、その表面は
配置の永久磁石の厚さを表わす距離Ｌだけ間隔があけら
れ、その距離すなわち厚さＬは前記平行な表面の前記部
材の寸法より実質的に小さく、磁化の方向は前記表面に
垂直であり、前記永久磁石配置は前記実質的に平面状の
表面の各々上に、少なくとも一連の同極性の磁極を形成
し、それらの中心はその移動経路に沿って測定される長
さＰによって互いに間隔があけられ、モータの固定子は
少なくとも１つの電気付勢コイルと結合される少なくと
も１つの磁気回路を備え、前記回路は互いに面しかつ前
記永久磁石配置の前記磁極が配置されるエアギャップの
少なくとも一部分を形成する少なくとも２つの極部分を
含み、エアギャップ幅は前記可動部材の移動方向に沿っ
て変化しかつ最小値Ｅを有し、エアギャップの最小幅の
領域の中心は前記可動部材の移動方向に沿って少なくと
もほぼ前記長さＰだけ間隔があけられ、前記最小エアギ
ャップ幅Ｅは0.385P＋1.4≦P/E≦0.706P＋1.85の関係を
満たし、ここでＰおよびＥはミリメートルで測定され、
一方、永久磁石配置の永久磁石の前記厚さＬはＥから必
要な機械的クリアランスを減じた値に対応する、電気モ
ータ。
【請求項２】可動部材の一方側に配置される少なくとも
１つの極部分は、可動部材の移動方向に四角形または台
形の輪郭を有する１つ以上の歯形部分を含み、かつ前記
幅ＥはP/E＜3.6の関係を満たす、特許請求の範囲第１項
に記載の電気モータ。
【請求項３】前記可動部材は、モータ軸上に回転のため
に取付けられる平坦な環状の円板を備え、かつ前記固定
子は、環状の円板のいずれかの側で実質的に面する関係
で、前記円板に向かって軸に平行な方向に延在する複数
の歯形の極部分を備える、特許請求の範囲第１項または
第２項に記載の電気モータ。
【請求項４】前記エアギャップ幅Ｅは、前記環状の円板
の内部から外部にわずかに増加する、特許請求の範囲第
３項に記載の電気モータ。
【請求項５】固定子および磁石の使用の場において実質
的に線形の減磁特性を有する磁性材料の多極永久磁石配
置の可動部材を備える電気モータであって、前記可動部
材は２つの平行な実質的に平面状の表面を有し、その第
１の表面上には前記永久磁石配置の磁極が現われ、その
表面は前記平行な表面における前記部材の寸法より実質
的に小さい距離だけ間隔があけられ、磁化の方向は前記
表面に垂直であり、前記永久磁石配置は前記平面状の表
面の前記第１の表面上に少なくとも一連の１つの極性の
磁極を形成し、それらの中心はその移動経路に沿って測
定される長さＰだけ互いに間隔があけられており、前記
可動部材は実質的に一定の厚さを有しかつ前記実質的に
平面状の表面の第２の表面を形成する透磁材料の平坦な
ヨーク部分を備え、モータの固定子は少なくとも１つの
電気付勢コイルと結合される少なくとも１つの磁気回路
を備え、前記回路は可動部材の前記第１の実質的に平面
状の表面に面しかつ前記可動部材の移動の方向に沿って
変化しかつ最小値Ｅ′を有する幅のエアギャップの少な
くとも一部分を前記ヨーク部分で規定する少なくとも１
つの極部分を備え、前記最小値が生じる領域は前記可動
部材の移動方向に沿って少なくともほぼ前記長さＰだけ
間隔があけられており、前記最小値Ｅ′は0.385P＋1.4
≦P/2E′≦0.706P＋1.85の関係を満たし、ここでＰおよ
びＥ′はミリメートルで測定される、電気モータ。
【請求項６】前記１つ以上の極部分は、可動部材の移動
方向に四角形または台形の輪郭を有する１つ以上の歯形
部分を含み、かつ前記値Ｅ′は2P/E′＜3.6の関係を満
たす、特許請求の範囲第５項に記載の電気モータ。