JPS5899255A - 回転電気機械 - 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】 この発明は、電動機や発−電機など、電磁作用を利用し
た回転電気機械に関するものであって、さらに限定して
いえば、整流子を使用しない形式の直流電動機ないしは
直流発電機、或は単相交流直巻電動機に関するものであ
る。

直流電動機は、速度制御や可逆運転が比較的容易であり
、しかも応答性が高く、速度範囲が広く設定できるなど
め特色があるため、小形ロボットの駆動用などに使用さ
れている。特に近年では、牛導体制御素子や電池の発達
により、直流電源が比較的容易に得られるようになった
のに伴い、その用途も多様化する傾向にある。このよう
な直流電動機における最大の欠点は、摺動部における摩
耗や雑音に係る問題で十り、これは整流子を使用してい
る以上避は難い問題である。そこで現在、ロボット産業
等の分野では、信頼性の向上や雑音の低減化などを目的
として、直流駆動（ＤＣドラ・イブ）方式による電動機
の無整流子化が検討されている。

第１図及び第２図は、か−る直流駆動方式の一例トして
、４相ＤＯドライブによる電動機とその駆動手段を示し
たものである。整流子を用いた一般の直流電動機が、゛
整流を行う必要から、回転子側を電機子としているのに
対し、図示の電動機では、固定子側を電機子１とし、各
層の電機子巻線乳８．４．５が、回転子７を周回するよ
う電機子鉄心６の一方の周面から、これと対面する他方
の周面に亘って施されている。他方、回転子７には、回
転軸８を挾んでその両側に夫々異なる磁極Ｎ、　Ｂが対
極せしめられており、第２図において示すように、一方
の磁極夏から出た磁束φが、電機子１を回り込んで、他
の磁極Ｂ側から回転子７に戻るような磁路が形成されて
いる。従っていま、第２図に示すような回転子７の位置
において、各磁極４Ｂと対向する第１層の電機予巻Ｉｉ
２に、図示の方向の電流を流すと、回転、子７には、矢
印ａ方向の回転力が与えられている。

上記の説明から明らかなように、か−るｎｏドライブ方
式による電動機において、永続的な回転を得るためには
、刻々変化する回転子７の位置に応じて、各相の電機予
巻４ｍ２．８．４．５へ断続的に順次通電する、いわゆ
る転流手段が必要となる。例えば、第１図で示した転流
手段は、回転子７の位置を検知する位置検知素子９．１
０．同素子９，１０からの信号により、スイッチング素
子１１，１２゜１８．１４を順次作動（ＯＮ、０７ＩＦ
）させる制御器１５、及びこの制御器１５へ必要な直流
電力を供給する直流電源１６などを含んでおり、これに
より、各相の電機子巻線２．８．４．５へタイミングよ
く電流１１．ム、ｔｉ、ｉ４が流される。即ち、交流電
源１７から供給された駆動電流は、整流器１８及び平滑
コンデンサ１９により、直流電流として電機予巻＄　２
．８．４．５に供給されるが、この際、回転子７の位置
に応じてスイッチング素子１１，１２，１８，１４が作
動せしめられるので、各相の電機予巻Ｍ　２．８゜４．
５へは、第８図で示すような波形の電流ξ、ｉａ。

ｂ、ｉ４が断続的に順次流され、これにより回転子７に
永続的な呵転力が与えられる。

しかしながら、このような転流手段は、電動機の付随要
素として、製作コスト“を高める要因となるだけでなく
、電動機とこれに付随する駆動手段−を、一つの動力要
素として考えた場合、機構が全体的に複雑かつ大型化す
るという問題がある。

この発明は、か＼る従来の問題点を解消すべく、検討の
結果、回転子となる界磁側から、回転軸を中心として径
方向へ一様の磁束を出・すと共に、この磁束に対して略
直交する方向に配列した導体（電機子巻線）に、何れも
同じ方向の電流を与えることにより、上記の如き転流を
行わずに永続的な回転力が得られることに着目してなさ
れたものである。即ち、この発明は、固定子側となる管
状の。

電機子と、回転子側となる界磁回転子とを備え、界磁回
転子から回転軸を中心として径方向に主磁束が形成され
るようにし、一方電機子側−では、界磁回転子の何れか
一方の磁極と対向したエアギャップ側において、主磁束
に対して交差する方向にあって、かつ何れの電機子巻線
についても同じ方向に電流が流れるよ−うにしたもので
、これによ・り転流手段を用いずに永続的な回転が得ら
れるようにし、もって躯動手段の簡素化や製作コストの
低減などを図りたものである。

以下、この発明の構成を図示の実施例に基き、詳細に説
明する。

第４図及び第Ｆ１図は、この発明の基本的な実施例を示
したものである。固定子側となる電機子２０゛は、管状
の電機子鉄心２１に電機子巻線２２を巻装したもので、
一対のエンドブチケラ）４０．４０に挾まれるようにし
て固定されている。このエンドプラケラ）４０．４０は
、電機子鉄心２１両端（ブリッジ！Ｊｉ、！８）を保持
した鍔状の７ランジ４１゜４１と、その中心側にあって
、内側へ伸びたｌス４２．４２とからなり、このボス４
２．４２には、ベアリング４８．４８を介して回転軸８
１が回転自在に支持されている。他方、回転子側となる
界磁回転子８０は、上記回転軸８１に一定され、電機子
２０の内周側にあって、同回転軸８１と共に回転する◎ 第４図及び第６図で示した界磁回転子８０は、円柱−の
永久磁石により形成され、各磁極８．　Ｍは、夫々中心
側とそのｗｌｓ側において対極している。

このため、界磁回転子８０からは、回転軸８１を中心と
して径方向に主磁束φが形成されるようになっており、
特に図示の場合は、夏゛極から放射状に出た磁束が電機
子−鉄心２１に渡り、これがエンドブラケット４０．４
０を径で１極へ戻るという磁路が形成されているため、
主磁束φはこの磁路に沿って形成される。他方、電機子
２０側では、電機予巻＠２２が、上記回転軸８１ｔｔむ
電機子鉄心２１の径方向断面を周回するよう、トロイダ
ル状に巻装されており、これら総ての電機予巻＠２２は
、上記界磁回転子８０の一方の磁極夏または８と対向し
たエアギャップ４４側において、界磁回転子から生じる
主磁束φに対して交差する方向に配置されている。

この電気機械においてく電機子巻線２２が上記のような
状態で巻装されているため、エアギャップ４４側に臨ん
だ電機予巻、１ｉ２２に、何れも同じ方向の電流１を流
すことができる。従っていま、第４図で示す方向（エア
ギャップ４４＠において紙面下から上へ）に電流１を流
すと、この電流１は、界磁回転子８０から放射状に出る
主磁束φを切って直角に流れるため、界磁回転子８０に
時針と同じ方向の回転力が与えられ、無整流子の直流電
動機として動作する。また逆に、回転軸８１、つまり界
磁回転子８０を時針と反対の方向に強制的に回転すると
、電機予巻＠２２には、第４図で示す方向に永続的な電
圧Φが発生し、無整流子の直流発電機として動作する。

この電気機械において問題となるのは、電機予巻＠２２
のうち、界磁回転子８０と対向していない側の、いわゆ
る渡り線による影響である。即ち、電機子巻線２２を電
機子鉄心２１の径方向断面に周回させることから、どう
しても電機子鉄心２１の外周側にも電機子巻線２２が配
列されるが、この外周側にある渡り線には、運転に際し
て電流１による熱損失が発生する。しかし、このような
渡り線の影響は、主磁束φの磁路を遮断しないように、
渡り線と界磁回転子８００間を、磁気抵抗の高いもので
遮蔽することにより、成る程度避けることができ、特に
、一般の電動機などでも、運転に寄与しない、いわゆる
渡り線が全電機子巻線の４０％にも及ぶことがあること
を考慮すれば、上記の点は、この発明の本質的欠点では
ない。

第６図及び第７図は、この発明における電機子２０の実
施態様を示すものである。この実施態様では、電機子鉄
心２１が、径方向の１以上の断面で分割され、各分割片
２４．２４・・・の間に径方向のギャップ２５．２５・
・・が形成しである。さらに同電機子鉄心２１の内周面
には、径方向に切込んだ深溝２６．２６０６．と収納溝
２７．２７・・・が縦方向に亘って夫★形成され、この
うち収納溝２７．２７・・・には、電機子巻線２２が収
納されている。電機子鉄心２１の両端部は、長手方向に
伸び、エンドプラケ・νＦ４０．４０に接合固定するブ
リッジ２８．２８となっている。

この発明においては、電機子巻線２２が電機子鉄心２１
の径方向断面を周回するよう、トロトダル状に巻１され
ているため、電機子鉄心２１の周方向に沿って磁束（以
下「横磁束」という。−）が形成され易い。このため電
機子巻線２２のインダクタンスによ□す、始動時または
停止時などにおける電流１の変化が阻害されることによ
り、これが応答性の悪さや、振動となって現わ・れる。

そ１こで上記実施態様のように、分割によりギャップ２
５゜２５・・・を形成したり、または深溝２６．２６・
・・や収納溝２’ｌ、２’ｌ・・・を設けることにより
、周方向の磁気抵抗を高くとることができるので、横磁
束の発生な抑えることができる。従って、電機子２０の
インダクタンスを低減させることができ、応答性の悪さ
を改善することができる。また、収納溝２７゜２７・・
・に電機子巻線２２を収納させることにより、同巻＠２
２を確実に保持することができる。

第８図及び第９図は、この発明における界磁回転子８０
の実施態様を示すものであって、何れもその慣性の抑制
を図ったものである。第８図では、界磁回転子′８０が
永久磁石により形成され、その径方向断面が略コの字形
をなすよう、リム８８となる外周部とボス８４となる中
心部を残して、一方の端面側から深部に亘って欠落され
ている。また、第９図では、界磁回転子８０が、回転軸
８１に固定した磁極ホルダ８５、その外周側に嵌合した
リング状の磁石８６及びさらにその外周に嵌合した補強
リング８７からなっており、上記磁極ホルダ！Ｉ６は、
径方向の断面が■字形をなすよう、両端面から中央付近
まで欠落されている。そしてこれらの場合、何れも磁束
φの磁路が遮断されないように、エンドブラケット４０
のボス４２．４２が上記欠落部分に挿入されている。サ
ーボモータのように、制御用として電気的操作に使用さ
れる電動機は、極力応答性の優れたものが要求されるが
、この応答性は、電動機や発電機の電気的特性のほか、
回転子の慣性といった機械的要因に依存するところが大
きい。この実施態様のように、欠落部を設け、界磁回転
子８０の慣性を小さく抑えることによって、加速、減速
または始動トルクなど、何れの面でも高い、応答性が実
現できる。

第１０図乃至第１２図は、界磁回転子８０を電気的に励
磁するようにし、単相交流の直巻無整流予電動機として
構成した実施例を示すものである。

この実施例において、界磁回転子８０は、回転軸８１と
共に回転する回磁鉄心からなっており、この界磁鉄心は
、径方向断面が略Ｈ字形をなすよう、両端面から中央付
近まで切込んだ凹欠部８８．８８を有している。この凹
欠部８８．８８の中には、当該界磁鉄心を励磁するため
の界磁巻！１８９が収納され、この界磁巻４１ｉｉ８９
は、ホルダ８９ｍ、８９ｍを介してエンドブラケット４
０．４０に支持されている。この電動機において、外部
の商用電源などから、電機予巻＠２２と界磁巻ｌｌ８９
に夫々交流電流１を流すと、界磁回転子８０が界磁巻！
１８９を流れる電流１によって励磁されるため、界磁巻
１ｓ８９から界磁鉄心８８に至り、電機子鉄心２１及び
エンドブラケット４０を経て界磁巻ｓ８９に戻る磁路に
沿って、主磁束φが形成される。しかも、この磁束φは
、電機予巻＠２２を流れる電流１と略同じ位相で変化す
るので、界磁回転子８０には、常に一定方向の回転力が
与えられ、単相交流の無整流子電動機として作動する。

この場合において、上記磁束φの磁路を形成する部材、
例えば界磁鉄心（界磁回転子８０）、電機子鉄心２１、
エンドブラケット４０．４０などは、できる限り、磁性
体製の板材を周方向に多数積層して構成するのが望まし
い。図示の場合、界磁鉄心は、主磁束φに沿った面（径
方向の面）で分割された多数の板材４６，４６・・・−
を周方向に積層し、かつ、これら板材４６，４６・・・
を回転軸８１に固定して構成しである。また、電機子鉄
心２１は、やはり主磁束φに沿った面で分割された板材
４７゜４７・・・を周方向に多数積層し、これらを絶縁
体製のスペーサ４８．４８・・・と共に、全体として管
状をなすよう固定しである。さらに、エンドブラヶッ）
４０．４０も、多数の板材４９．４９・・・を周方向に
積層し、これらを外周側においてホルダ５０に固定しで
ある。電機予巻＠２２や界磁巻線８９に電流１を流した
場合、これら電流１の変化に伴う電磁誘導によって、上
記各部材に渦電流が発生するが、上記各部材を夫々多数
の板材の積層構造とすることによって、主磁束φに対し
て発生する渦電流損を低減することができ一１併せて上
記横磁束の発生を抑えることができる。

第１８図及び第１４図は、電機子２０または界磁回転子
８０のうち、何れか一方を部分的形状で形成した実施例
警示したものである。既にこれまでの説明から明らかな
通り、界磁回転子８０から形成される主磁束φは、周方
向に亘って一様であり、これに対して巻装される電機予
巻＄Ｉ２ｇもまた、径方向に亘って一様に配列できる。

従って、界磁回転子８０か、または電機子２０の何れか
一方を、半円形成は四分円形といったように、回転体の
一部を構成する部分的な形状としても電動機や発電機と
して作動させることができる。例えば、図示の実施例は
、電機子２０側を半円形に形成したもので、電機子巻線
２２に一定方向の電流１を流せば、界磁回転子８０に回
転が与えられ、また、界磁回転子８０を一定方向に回転
させれば、電機子巻線２２に一定方向の電流１が流れる
。もちろん、電機子２０側でなく、界磁回転子８０側番
部分的形状としても同じことで、このように一方の部材
の形状を成る程度自由に選択することにより、自由な設
計が可能になる。

以上説明した通り、この発明によれば、整流子を使用し
ない、いわゆる無整流子酸の直流機、或は単相交流直巻
電動機などの電気機械において、転流手段を用いずに永
続的な回転が可能となる。

従って駆動手段が全体的に簡素化されて、小型、軽量化
を図ることができると共に、これに伴りて製作コストの
低減も図れ、所期の目的を達成することができる０

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第８図は、無整流子をの直流機と嘱その駆動
手段の従来例を示すもので、第１図は、電源回路を含め
た駆動手段を示す結線図、第２図は、直流機の概略構造
を示す断面図、第８図は、同直流機の電機子巻拳へ通電
するタイミングを示すタイミングチャートである。第４
図と第５図は、夫々この発明の基本的実施例を示す直流
機の縦断正面図と縦断側面図である。第６図と第７図は
、夫々この発明の実施態様を示す電機子の縦断正面図と
縦断側面図である。第８図と第９図は、この発明の各実
施態様を示す直流機の縦断側面図である。第１０図乃至
第１２図は、この発明の実施例を示すもので、第１０図
は単相交流電動機の縦断側面図、第１１図、第１２図は
、夫々第１０図のムーム義、１−Ｂ線断面図である。第
１８図と第１４図は、夫々この発明の実施側番示す直流
機の略示縦断正面図と略示縦断側面図である。 ２０・・・電機子　　　　　２１・・・電機子鉄心２２
・−電機予巻！！　　　２６・・・深溝２７・・・収納
溝　　　　　８０・・・界磁回転子８１・・・回転軸　
　　　　８８・・・界磁鉄心８８ｍ・・・界磁鉄心の凹
欠部　８９・・・界磁巻線４４・・・エアギャップ　　
４６，４７．４９・・・板材Ｎ、　ＩＩ・−界磁回転子
の磁極　φ・・・主磁束特許出願人　　　鈴　木　　俊 代理人　弁理士　北　條　和　白 第１１図　　　　第１２図 り４ 第１３図　　　　第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 り電機子鉄心に巻線を施した管状の電機子と、これに対
   して回転する界磁回転子とを備え、界磁回転子には、回
   転軸を中心としそ径方向に主磁束が形成されるよう、中
   心側とその屑囲偶に互いに員なる磁極を対極させ、電機
   子が界磁回転子の何れか一方の磁極と対向するエアギャ
   ップ側において、上記主磁束に対して交差する方向にあ
   って、かつ何れの電機子巻線についても同じ方向の電流
   が流れるより１回転軸を含む電機子鉄心の径方向断面に
   、電機子巻線を周回させた回転電気機械。 ２電機子鉄心を径方向の１以上の断面で分割した特許請
   求の範囲第１項記載の回転電気機械。 ａ電機子鉄心に、径方向に切込んだ深溝を形成した特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の回転電気機械。 表電機子鉄心のエアギャップ側の局面に、縦方向の収納
   溝を設け、この収納溝に電機子巻線を収納した特許請求
   の範囲第１項乃至第８項記載の回転電気機械。 ａ主磁束の磁路が形成される部分を残して、界磁回転子
   の一部を欠落させた特許請求の範囲第１項乃至＃１１４
   項の何れかに記載の回転電気機械。 ａ昇磁回転子が、環状の凹欠部を有し、回転軸と共に回
   転する界磁鉄心からなり、上記突欠部に同鉄心を励磁す
   る界磁巻線が収納された特許請求の範Ｈ８１項乃至第４
   項の何れかに記載の回転電気機械。 Ｉ・主磁束により、閉磁路を形成する少くとも１以上の
   部材が、上記主磁束に沿った面で分割された磁性体製の
   板材を、周方向に積層して構成されている特許請求の範
   Ｈ第１項乃至第６項の何れかに記載の回転電気機械。 区電機子或は界磁回転子の何れか一方が、回転体の一部
   を構成する部分的形状を有する特許請求の範囲第１項乃
   至第７項の何れかに記載の回転電気機械。