JPS59159655A - 電気機械の動作方法及び電気機械 - 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】 発明の背東 本発明は電動機又は発゛電機、味に磁束源として永久磁
石を用いる電動機又は発電機であって、動良し、線形の
速度−トルク特性を改良１一で電動機又は発電機のエネ
ルギー密オ及び出力密度を最大にしたものを１指してい
る。

本明細書では、下記の用語を時々使うが、参照するのに
便ならしめるため夫々の意味を述べてある。

（１）磁束・・・起磁力によりできるエイ・ルギー場の
一特性。これの状態が大きさの点で変化すると、これと
鎖交している導電体内に電圧が誘起される。

磁束は（仮想的な）一本又は複数本の線であると考えら
れる。

（２）磁束密度（Ｂ）・・・単位面積を垂直方間に通る
磁束の大きさ。

（８）飽和ａ東密度（Ｂ８）・・・材料内′ＶＣ誘起で
きる最大磁束密度。これは測定された磁束ｄ度から４窒
の磁束！，ＩＩｆを引いたものである。

（４）残留磁束密ｉ（Ｂ）・・・永久磁石材料が飽和さ
せられ、引ぎ紐いて磁界強度がゼロ成上った後に残留す
る永久磁石材料の磁束密度。

（５）起磁力ＣＦ）・・・６荷の時間微分の空間的分布
。

これにより磁界が示される。

（６）磁界強度（Ｈ／）・・・線積分により起磁力に関
係してくる磁界の一特性（即ち、単位長当りの起磁力）
っ時として保磁力と呼ばれる。これは電流ループ又は永
久磁石により発生させられる。

（７）固有磁界強度（Ｈ　）・・・永久磁石材料が飽和
させられた後、この永久磁石材料内の磁束密度をゼロ成
上げるのに要する磁界強オ（即ち、最大保持力）。

（８）減磁曲線・・・永久磁石材料のヒステリシスルー
プの第２象限の部分。これはＢｒとＨｃとにより終端す
る曲線の部分である。

（９）エネルギーｇ　（Ｂ｝｛）・・・永久磁石どうし
を比軟する工学上の便宜的な単位。材料の峨磁曲線上の
一点での磁束密度と磁界強度の積。体積当りのエネルギ
ーの単位。

（１０）最大エネルギーｓｔ（ＢＨｉｎａｘ）・・・減
磁曲線上の如何なる他の点よりも大きいＢとＨの積。

（１１）エネルギー密度（Ｅ／■）・・・エネルギー積
を８πで割ることにより見出されるｃｙｓ単位での単位
体積当りのエイ・ルギー。

（１２）出力密度・・・電動機又は発′４＠の単位体積
当りの出力。

（１８）変換効率・・・電動機又は発成機の出力の入力
に封子る比。

（１４）動作点・・・永久磁石の減磁曲線上の、この永
久磁石が磁気回路内で用いられる点。これは永久磁石が
用いられる磁気回路の空隙の寸法若しくはその多の物理
特性又は外部磁界若しくは導電のような他の外部の影響
により決まる。

（１５）コツキング（ｃｏｇｇｉｎｇ）　　・・・回転
子を次の歯まで一つの歯だけ送るのにトルクを必要とす
るような歯付き部品を用いる′電気機械の一特性。・・
・ステップモータで用いると便利である。

（１６）リラクタンス（Ｒ）・・・磁気回路又は磁気回
路の構成要素内での起磁力の磁束に対する比。磁気回路
の特定の要素のリラクタンスは磁力縁の方向での要素の
長さに比例し、要素の透磁率と断面積とに反比例する。

（１７）　ｇ形の速ＩＡｊ−）ルク特性・・・電動機の
出力トルクが゛電動機の回転速度の上昇に比例してほぼ
線形に減少する電動機の特性。

アルニコ、フェライト、コバルト又はその他のタイプの
いずれであれ、永久（磁気的に「硬質の」）′磁石を用
いる電動機及び発電気のような電気機械の伝統的な設計
は残留磁束の点の近くの動作点で磁石を動作させるので
あるが、これは磁石を含む磁気回路の空隙分を十分小さ
くして磁気回路のリラクタンスをできるだけ小さくし、
これにより磁束密度をできるだけ大きくすることにより
達成される。このような回転電気機械では、磁気回路の
磁束源として働らく永久磁石は回転子細（に飯けてもよ
く、固定子側に設けてもよく、磁気回路と相１互作用し
て′電動機の回転又は発電機の出力電力を生ずる電気機
械の導体の界磁巻線を反対の要素に取り付、ける。そし
て普通はこの反対の要素は永久磁石と共に磁気回路を形
成する軟質の磁性材料のコアに固定てる。磁気回路の前
述した空隙分は晋堰水久磁石とコアとの間に存在し、こ
れを小さくすれば通常磁気回路のリラクタンスが小さく
なる。

このように磁気回路のりラフタンスが小さくなれば、下
記の基・５盾回面６公式に従って磁気回路の磁束を最大
にする４１８石の動作点を作り出す。

空隙は、空気の透磁率が低いため、通常磁気回路にリラ
クタンスを持ち込む最大の要因である（謳ｆｇや高周波
動作により悪影響されない限り磁石及びコアの透磁率は
通常高い）。

空隙を小さくして永久磁石機械の１市東を大きくするこ
とは通常歯付とコア構造を採用することにより達成され
るが、この歯付きコア構造は歯と歯の間に巻線を装着す
るためのスペースを与えると共に、歯の先端を永久磁石
の極く近傍に持ってくることにより実効空隙を小さくし
ている。過去において、時として設計者は特別な理由、
例えばコツキングを防ぐためとが、１か単で経済市に巻
線を着脱させるためとか、製造を容易にするためとか、
歯を通る磁界分布に件な５４調波を除去して正弦波磁界
を得るため等の理由で永久磁石装置で歯付きコア構造を
捨てていた。しかし、このように永久磁石装置で歯を除
いた尋合ですら、設計者はできるだけ空隙を短かくして
磁気回路内の磁束を最大にするように努力してきた。過
去の歯なし永久磁石設計の一例がカルベ（ｋａｒｕｂｅ
　）の米国特許第４，１８０，７６９号に示されている
が、これは安価に巻線の着脱ができるようにするために
歯なしコア構造を採用したものであるが、電動機のトル
クの要件を満足するように巻線の寸法をできるだけ小さ
くしつつ、これと両立する形で９１をできるだけ小さく
している。カメルベーク（Ｋａｍｅｒｂｅｅｋ）他の米
国特許第４．１８５，１０７号も歯なしコア構造を用い
ているが、これは高調波を除去して正弦波磁界を得るた
めであって、矢張りできるだけ大きな回転子を用いるこ
とにより空隙をできるだけ小さくしている。同じような
醒なしコア設計がポルケルリング（Ｖｏｌｋｅｒｌｉｎ
ｇ　）他の米国特許第２．９５２．７８８号、ファウル
ハーバ−（ｐａｕｌｂａｂｅｒゝ・の米国特許第３，３
６０．６６８号、力ヵミ（Ｋａｇａｍｉ　）の米国特許
第４，０１９，０７５号、乃びカルベ（Ｋａｒｕｂ＋ｅ
　）の米国特許第４．０８０，５４０号に示されている
。

空隙を小さくし、従って磁気回路の磁束を最大にするこ
とが過去において永久磁石′電動機及び発電機の設計の
指針となっていたことにはいくつかの理由がある。一つ
の理由はこのような電動機又は発電機（（より与えられ
る出力が磁束密ずに比例するととが元られており、通常
は出力を最大にしたいから、対応して磁束密Ｉ「を最大
にする願望があるからである。

一層重要なことは、不町逆的な永久磁石の減磁を避ける
ため永久磁石を高磁束密度で動作させるように過去の教
育が設計者に強調していたことである。凡ゆる永久磁石
電動機又は発心磯で不町逆的な減磁の問題は深刻な問題
である。帽し、何等かの外部からの影響が動作中に永久
磁石の動作点を変え、動作点が減磁曲線の「ひざＪ（ｋ
ｎｅｅ）に近づきすぎろＲそれがあるからである。この
後で何等かの理由で磁束密度が更に下り、次に増大する
と、動作点は元の減磁曲線に沿わず、小さなループの曲
線に沿い、磁束ぞ度が小さくなる。このような動作点の
移行を起こす外部の影響がサイクリックに銑＜場合は、
一つ一つ現われる順次に小さくなるループに沿う順次の
サイクリックな変化において更に減磁が生じ、最后に可
逆的な小ループが現われる。この最終段階に達すると減
磁がそれ以上進むことはないが、以后磁石はずっと低い
ｉＷ東密度で動作し、これに対応してエネルギーの損失
を伴なう。初期動作点が可成り低い磁束密度のところに
ある場合にこのようなｇ磁を起こす外部の影響には下記
のものがある。即ち、（１）　？Ｍ　Ｉｆ変化−これは
減磁曲線の形状を変える。（２）磁気回路のリラクタン
スの変化−これはｒＭ　Ｉｆ、周波数又は機砿的な変化
により生じ、リラクタンスを大きくして磁束密度を小さ
くし、動作点を減磁曲線上で低い方に移行させる。（８
）装置の巻線によって作られる外部の逆磁界の変化。こ
れらの危険があるため、過去の４Ｘ肯は一様に設計者に
動作点を、予想される温度レベルを考えて、減磁曲線の
ひざよりも相当に昼い所、それ故残留磁采“そ度点に近
い可成り高い磁束密度の点にとるように勧めていた。

前述したように、これは空隙の寸法を小さくすることに
より達成される。

多くの設計者は過去においても上述した空隙の寸法をで
きるだけ小さくし、磁束密度を大ぎくする一般に受は容
れられている慣行は永久磁石電動機の出力を大きくし且
つ不可逆的な減磁を防ぐが、理論的に可能な限り高い出
力桁ＩＷの永久磁石電動磯を与えろものではない（即ち
、理論的に所定の出力を取り出せるものの中で容隋がで
きるだけ小さい水入６Ｑ石五動機を与えるものではない
）ことに気付いていた。これは、出力は出力トルクに比
例し、この出力トルクが磁束密度に比例するが、出力密
度は永久磁石の寸法（即ち１．坏と極との間の長さ及び
磁束の方向に垂直な面積）に逆比例するためである。こ
のような永久磁石の寸法は直軸・機の全容積に影響する
。永久磁石の（ｒＪｃ磁曲線曲線招宋密Ｉｆ　７’；″
−増大すると対応して磁界強ｑが減少し、逆も成立する
ようなものである。従って、前述し。

た磁気回路の基礎方程式によれば、ｌ＋ｌｉ束密頃が所
定のパーセント増大させる時は、対ｊ、６シて磁界強Ｉ
Ｗが減るため、磁石の長さを比例する以上に長くして磁
界強度の減少を補償し、これにより増大した磁束密度を
支えるに足る十分な起磁力（磁界強度Ｈｍと磁石長Ｌｍ
の積）を与えるようにする必要がある。同じように、磁
界強収を所定のノく−セント増大させる時は、対応して
磁束密度が減少するため、磁石の面積を比例する以上に
大きくして所望の磁束密度を保つようにする必要がある
。関連する磁石の寸法の増大が比例しない程度は、場合
により磁束密度又は磁界強度が最大になる時増大する。

これは出力密度が最大になる点は減磁曲線上の最大磁界
強度の点と最大磁界強度の点との間のどこかの動作点に
対応することを承す。理論的に出力音饗を最大にするこ
とは磁石を減磁曲線上の圃栄密闇と磁界’Ｊ　Ｉｆの積
（即ち、永久磁石のエネルギー積）アー最大になる点で
動作させることにより達成されることが数学的に示され
ていた。

しかし、（出力ｆＳ度ではなく）出力を最大にしたいと
いう願望や、一層普通には理論的に最大出力密度となる
動作点の近傍で動作させると永久磁石の不可逆的な減磁
が生ずるのではないかという１危惧の念が逆の方向を示
し、前述したように磁束密度を最大にする原理が一般に
受は容れられていた。従って、設計目標が永久磁石装置
の出力密層を最大にすることにおかれている時ですら、
伝統的な答は、不可逆的な減磁をおそれて、アルニコ磁
石のような残留磁束密度が可成り高い永久磁石材料を選
び、空隙を短かくして磁束密層を太きくするというもの
であった。蓋し、これが出力密度を最大にする実際的な
（即ち、永久磁石の安定性と両立する）方法であると考
えられているからである。、これは動作点を城磁曲線上
で最大エネルギー積、従って理論上の最大出力密度の点
に対応する低い磁束密度の点又はその近傍にとることと
相反することである。

９隋は必らずしも永久磁石装置の回転子と固定子の間に
設ける必要はない。例えば、西ドイツのシーメンス社は
歯のない固定子と円筒状の二極アルニコ永久磁石機械子
とを有し、この管状の永久磁石の内部に非磁性体の亜鉛
のコアを有する電動機を売っている。ここでは回転子と
固定子の間に空隙がないばかりでなく、亜鉛が非磁性体
のため、磁気回路の管状永久磁石自体の中１（非常に大
きな空禰が存在し、磁気回路のリラクタンスをＪト常に
大佐なものにしている。この特別な電動機に対して行な
われた試験の示すところによれば、磁気１回路内に大き
な空隙が存在するため磁気回路のリラクタンスが高くな
って、測定された磁束密度力ζアルニコ永久磁石の残留
磁束密度のほぼ／□０となり、動作点が７ｊ１曲線の「
ひざ」のずっと下にきて、高度の不可４的な減磁が起き
ている。これ（ま磁石のエネルギー容ψを哲効に利用す
るもので（′！。

ないから、これは水入磁石Ｌ＠機及び発′区磯の一般に
受は容れられている設計原理が磁気回路の空隙分をでき
るだけ小さくし、これに、より磁束密度を最大にして磁
石の動作点を不ロエ逆的な減磁を生ずる区域からできる
だけ離すことを方針とする理由を示している。

任意すべきことは必らずしも同一の設計原理と問題が非
永久Ｉ石装置、即ち動作中に磁気回路の起磁力が誘起さ
れる装置にあてはまるとは限らないことである。これに
はいくつかの理由カ玉ある。

第１に、非永久磁石装置では不可逆的な減磁の危険がな
いことである。第、２に、永久磁石が磁界強度と、磁束
密度と、磁気回路のりラフタンスとの間に相当に予じめ
定められた関係が存在する第２象限の減磁曲線に沿って
動作するのに対し、非永久誘導磁石はヒステリシス曲線
の第１象限で動作し、ここでは磁界強度と磁束密度とが
磁気回路のりラフタンスに依存する必要はなく、むしろ
主として誘起された（磁界に依存し得ることである。こ
のような非永久磁石機械の例はいくつかあり、例えば、
ホースレイ（Ｈｏｒｓｌｅｙ　）の米国特許第３．０８
２．Ｌ３７号、ワタナベ（Ｗａｔａｎａｂｅ　）他の米
国特許第３．９６３．９５０号及びベローバ（Ｂｅ１ｏ
ｖａ　）他の米国特許第４．２３８．７０２号があり、
ここでは非永久磁石により誘起される磁気回路の設計の
フレキシビリティを大きくするため囚のないコアと、０
丁成り高いリラクタンスの幅広の空隙とが用いられてき
た。しかし、このように伊隙ン広くすると効率に比べて
費用がかかる。賑し、リラクタンスの高い磁気回路では
リラクタンスの低い磁気回路におけるよりも同一の磁束
密度を誘起するのに一層大鉾な入力電力を必要とし、こ
れには一層大きな熱損失が伴なうからである。

またコア及び／又は巻線がないため、異なる原理と問題
とがあてはまるジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ　）の米国
特許第４．１５１，４８１号に示されているようないく
つかのタイプの永久磁石装置も存在する。

本発明が関係するコアと巻線とを右する一層正規のタイ
プの永久磁石機械の設計に戻ると、上述した法論は設計
者が゛槻＠機又は’ｊＦ＝　’ｉｉｒ、優の永久磁石の
出力桁ぼを大きくする実際的な道は主として不可プ的な
ｇ磁を避けるため磁気回路のりラフタンスを小さくして
磁束密度な大きくすることであるという原理に従ってぎ
た理由ゲ指摘している。理論上の最大出力密度は本肖は
減磁曲線の残留磁束密度の点に近い磁束密度の高い点で
得られるのではなく、減磁曲線の中間点の磁束密度が一
層低し・点で得られ、ここではエネルギー積の磁束そ度
の因子はいくらか小さいが、磁界預１緩の因子が著しく
大きくなるため、両者の積が最大（直をとることが知ら
れていたにもかかわらず、上述したところが伝統的なア
プローチの仕方であった。（これは非永久磁石の場合の
ヒステリシス曲線の第１象限での状況と対照的である。

この場合は理論的にエネルギー積が最大となる点は通常
磁束畜産が最大となる点に対応する）。永久磁石の減磁
曲線上でエネルギー積と出力密度が最大になる動作点は
前述した理由で当業者が避けるが、それ１（もかかわら
ず理論上エネルギー積と出力密吐とを最大にする動作点
を有効に利用できるようにする実用的なアプローチが考
案されれば、出力密度を最大にすることは極めて有利で
あり、永久磁石装置な軽微的に使うことになる。

しかし、理論上エネルギー積が最大になる点又はその近
傍で永久磁石を動作させるために不可逆的な減磁の問題
を克服しても全ての問題を解決したことにはならない。

磁束密度が減少した条件下で出力を最大にし、そうする
ことにおいて入力要件を小さくし、永久磁石装置の速聞
−トルク考性の線形性を進める問題が残っている（後右
は永久磁石装置の精密な制御を簡単にするのを助ける）
。

また無駄な熱発生を小さくすることに依存する変換効率
の問題が基本的に残っている。

理論上永久磁石のエネルギー積と出力生変とを最大にす
ることに対応する磁束密度の低い動作点はいく通りかの
方法で作ることができる。理論上最大エネルギー積の動
作点を得るためには、磁気回路の磁束密度を残留磁束密
度の点より相当に低い減磁曲線上の中間点進上げねばな
らず、また磁束密度は前述した基本的な磁気回路の公式
によれば磁気回路のりラフタンスに反比例するから、磁
気１司路のリラクタンスを大きくする撞々の方法が所望
の動作点を与えろものと考えることができる。

一つの可能な方法は永久磁石とコアの間の空隙をＸｔす
る（即ち、？隙を広げる）ものであり、もう一つの可能
な方法は窒１等を磁気ｌ１６内の他の場所、例えば中伊
管状永久磁石回転子の内部に入れ、この内部を空気又は
非磁性材料で充たすことである。もう一つの方法は透磁
率又はコア材料の断面積な小さくし、これによりリラク
タンスを大きくするものである。これらの手段のいずれ
かにより磁気回路のリラクタンスが過度に増大すると、
永久磁石が最大エネルギー積に対応する点よりも遥かに
低い磁束密度で動作し、このため出力密度が下り、前述
したシーメンス社の′電動機の場合のように不可逆的な
減磁が生ずる危険が大羨くなる。

また、これらの方法ｆ）一つしか無駄な熱発生を小さく
して変換効率を高めない。コア材料の透磁率又は断１ｍ
ｌ積を小さくすることはかえって熱発生を大きくする。

また永久Ｉｌａ石とコアの間取外の場所に空隙を入れる
ことは熱発生を小さくすることと無関係である。

永久磁石４、兜１１幾及び発社機で困っているもう一つ
の問題は過大な鉄損を伴なう旨周波数の問題である。こ
れはヒステリシス及び渦は流による熱発生の形態をとり
、効率に悪影響を及ぼし、速度−トルク特性の非線形性
を増し、巻線の最大動作周波数と電動機又は発に磯の回
転速度を制約する。

タマル（１゛ａｍａｒｕ　’）他の米国特許第３．６５
７．５８３号ウエつイ・ルベルグ（Ｗｅｎｎｅｒｂｅｒ
ｇ　）の米国特許第２．８８５．６４５号及び英国特許
第７６０．２６９号はいずれも磁気的に軟質のフェライ
トコア材料を用−いることにより非永久磁石装置の高周
波用途での上述したコアエネルギー世を減らす利点を教
示している。しかし、たいがいの永久磁石は磁気的に軟
質のフェライトの飽和磁束密度よりも高い残留磁束密度
を有し、前述した理由でこのような残留磁束密度の近傍
で動作させるのがｆ）通であり、また全ての１気機械の
伝統的な設計原理はコアの飽和磁束密度を少なくとも磁
気回路に得られる磁束密度と同程度に大ぎくして利用軒
並な＠東苦度を十分に利用することを要求するから、磁
気８勺に軟質のフェライトその他の潜在的にブれたコア
材料をそのコア材料の飽和磁束密度よりも痛い残留磁束
密度を有する永久磁石と組合せて用いることは不１菌当
であると考えられてきた。それ故、このように潜在的に
優れたコア材料をこのコア材料の飽和磁束Ｔ３度よりも
高い残留ＩＩＢ東密ずを有する永久磁石を用いる装置で
どのようにして利用するかを教示するものは見当らない
。

従って、必要なものは永久磁石を、永久磁石の不可逆的
な減磁を伴なうことなく理論的に最大のエネルギー撰及
び出力桁ｉを与える動作点ないしその近傍で；１ｉＩＩ
作させることができる永久磁石電動機及び発′１硯様の
設計アプローチである。また、このような動作点を作る
態Ａ′４は出力、変換効率及び永久磁石機械の速度−ト
ルク特性の線形性を最大にするのに適したものである必
要がある。最后に、設計は磁気的に軟％のフェライトそ
の他の有用な低損失コア材料ケコア材料の飽和＠東密度
よりも高い残留磁束塑度を有する永久磁石と共存させて
利甲できるものである必要がある。

発明の要旨 本発明は永久磁石゛電動機及び発′１１主としてブラシ
レス回転形のものを対象とするが、直線運動をするよう
な他のタイプのものにも適用できる）の設計及び動作の
原理であって、上述した相反する要求を全て両立するよ
うに満足し、出力密度、変換動ギ及び速度−トルク特性
の線形性を最大にする原理を目指すものである。本発明
の原理を適用すると、所定の永久磁石機械及び出力レベ
ルにつき最小で・且つ最も効率の良い永久磁石機械が得
られる。換言すれば、所定の外部容積及び所定の永久磁
石材料１（つぎ最も強力で効率の高い永久磁石機械が得
られる。

永久磁石の動作点を磁石の減磁曲線上の理論的に最大エ
ネルギー積の小ないしその近傍に設定するために選ば２
′また方法は、永久磁石とコアとの間の空隙を調祭しく
即ち、広げ）、これ１でより磁気回路のリラクタンスを
十分に大キ＜シて磁気回路と永久磁石の磁束密：「を理
論的に最大エネルギー積の動作点に対応する磁束密度に
近いａ采密ぜ進上げることである。この動作点の選択か
ら通常予懇される不可逆的な減磁が起こる危険はいく辿
りかの方法で回避できる。これらの方法の一つば減磁曲
線の形が、たとえ動作点が理論的に最大エネルギー積の
、６の近傍にある時でも、前述した外部の影響による動
作点の変化が、不可逆的ではなく、可逆的な減磁しか起
こさないようなものである排他的な群から選ばれた永久
磁石を使用することである。この永久磁石の排他的な群
にはバリウム又はストロンチウム　フェライト磁石１．
希土類及び他のコバルト永久磁石（例えばサマリウム　
コバルト及び白金コバルト）並びにその他の残留磁束密
質の大きさと固有磁界強度の大きさとの間の比が約２：
１を越えないタイプの永久１み石、又はそれらの混合物
である。この排他的な群に含まれないのハアルニコ（ア
ルミニウムーニッケルーコバルト）永久磁石である。

動作点を理論上エネルギー、漬が最大になる点（で設定
する手段と］７て永久磁石とコアとの間に、逼の広い空
隙を設けることはまた巻線により作られる外部の逆磁界
の変化が動作点に及ぼす影響を小さく１．且つ巻線内で
発生した熱による温度変化が減磁曲線と磁気回路のりラ
フタンスに及ぼ−を影響を小さくすることにより不ηＦ
逆的な減磁を防ぐ上で助けとなる。理由は後に説明する
。

幅広の９．＠を選ぶことは更に永久磁石機械の出力と変
換効率を大きくする上で意義がある。本発明によれば、
空隙の寸法は（前述したカルベの特許におけるように巻
線の寸法のような他の因子により決まるのではなく）専
ら永久磁石の所望の動作点により決まり、空隙は所望の
動作点に対応して磁束密度を下げるために広げられてい
るから、この幅広の空隙を埋める偕々の巻回が大きい及
び／又は巻数が多い断面積が大ぎな巻線を利用すること
ができる。この大きな巻線は最大エネルギー積の点ない
しその近傍の永久磁石動作点と組み合せて用いると大き
な利益を与える。例えば、巻線内でのオーミンクな熱発
生と出力の比は個々の巻線が太いものを用いれば断面積
が大きくなるため抵抗が低くなることにより下り、これ
により熱損失が小さくなるため変換効系が向上する。同
じように並列又は直列に接−絖される巻線の巻数を大き
くすると各巻線を流れる電流は巻数の増大と比較しても
十分小さくなり、これまたオーミンクな熱発生と出力の
比を下げる。オーミンクな熱発生の弐Ｐ−ＩＲから熱発
生は電流の二乗と抵抗の一乗とにより変化することが判
かる。このように巻線の巻数を増やすと抵抗の大きさが
大きくなるにもかかわらず、これにより与えられるＪ、
ｉ、流の二乗の減少が抵抗の一乗の増大よりも全熱損失
にきいてくる。

オーミックな熱１発生を小さくすると、装置の温１ｆに
よる変動も小さくなり、これにより前述した渦電に敏感
な減磁効果が小さくなり、Ａ囲にある他の開度に感応す
る部品が過電に熱せられるのを防ぎ、装置の速度−トル
ク特性の線形性を高める。

また太い巻線はさもなければ理論上最大エネルギー積を
与える動作点に対応する低い磁束密度から結果する出力
のｌ減少を補償する。

また、広げられた空隙は巻線により発生させられた外部
の逆磁界の変化が磁石の動作点に及ぼす形勢を小さくす
ること尾より不可逆的な減５仔を防ぐのに役立つ。前述
した磁気回路の基佛公式によれば、永久磁石により作ら
れた磁束密度だけでなく、巻線の外部の逆磁界により作
られた磁束密度も含む磁気回路の全磁束は下記の通りと
なる。

上式から判かることは、たとえ広げられた空隙を巻線で
充たして電流又は巻数を増大させ、最大エネルギー積の
点に対応する永久磁石の減少した磁束密度を補償するこ
とにより巻線（ＮＩ）の起磁力（ｍｍｆ）が増大する場
合でも、？１ｉＪｉが広がることによる磁気回路のりラ
フタンスの増大が普通は永久磁石内の巻線により誘起さ
れる減磁するような磁束のレベルにこれを低くするよう
な影響を与える。

例えば、コアの歯を取り除き、又はこのような歯が最初
からないため空隙長を２倍にしてリラクタンスを２倍に
しようとしても、取り巻いている巻線の内偵ｉに位置す
る永久磁石回転子の寸法が小さくなるため、巻線で元た
される空隙の＠面積がこれにより２倍となることはない
。従って、磁気回路のりラフタンスが２倍になろうとも
、巻数、従って起磁力及び巻線コイルにより永久磁石内
に誘起される減磁する磁束は２倍より小さい。それ故、
巻線の減磁する磁束により起こされる永久磁石の動作点
の移動は実際には小さくなり、動作点を減磁曲線の「ひ
ざ」に近く（即ち、最大エネルギー積の近傍）とっても
、不可逆的な減磁を起こす危険はない。

上述したように永久磁石とコアの間の２１Ｊを広くとり
、それを有効に利用することは、永久磁石の動作点を空
゛暉の巻線により設定する場合、このような動作点は巻
線により誘導される磁束にＱよとんど依存しないことを
認識したことｊ（より可能となったのである。

注意すべきことは、磁気回路の全部のリラクタンスが仮
想的に拡大された孕１能内圧あると仮定すると、永久磁
石により発生させら九たエネルギー積ち磁束密度と磁界
強度との積は仮想的に専ら空隙内に集中され、そとでう
まく巻線と相互作用することである。このようにして最
大エネルギー積の動作点を用いる場合は、磁石のエネル
ギー密度と空隙内のエネルギー密度とが両方ともほぼ最
大になる。

過去の設計理論の下で永久磁石の動作点を磁束密度が高
い点に選ぶ時は、対応して高レベルの磁束を取り扱える
コア材料が必要であった。し力・し、本発明に従って減
磁曲線上の理論的に最大エネルギー積を与える点近傍で
動作させる時得られる低い磁束密度を利用する場合は、
飽和凪東密度がずっと低いコア材料を使用することがで
きる。この場合はコア材料の胞相磁束密Ｉぜよりずっと
高い残留磁束摺度を宜する永久磁石と絹み合わせて磁気
的に軟質のフェライト又はアモルファス金属のコア材料
を用いることができ、それらが持つ高周波数で動作でき
、損失が低いという利点を享受１−ることができる。こ
のようにして、動作点を最大エネルギー積の点ないしそ
の近傍にとると、コアからの１１損失が小さくなるため
変換効率が上り、高周仮用途での速バートルク特性の線
形性が大きくなる。これは高周波、低損失の南相磁束密
度が低いコア材料を残留磁栄密ずが高い永久磁石と共に
便用することにより実現される。また、このようなコア
材料のリラクタンスは動作周波数が高くなってもこのよ
うな永久磁石と共に過去において使用きれてきた鉄その
他のコア材料程に犬ざくならないから、磁気回路のリラ
クタンスの安定性、従つで動作点の安定度が大きくなり
、これにより永久磁石の不可逆的な減磁が生ずる危険は
更に小さくなる。

ここで発明者により一般的な数学公式が導びかれており
、この公式を用いればどんな永久磁石電動機又は発電機
の磁気回路でも永久磁石な理論上最大エネルギー積の動
作点ないしその近傍で動作させる目的を達成させられる
ように設計することができる。この公式は磁気回路内の
全ての空隙の全長と同じ磁気回路内の全ての永久磁石の
全長との間に所望の比を確立才ろ。この公式１でよれば
、この比は採用された特定の永久磁石材料の仮想的な固
負磁界強ｊｒ（永久磁石の減磁曲線の「ひざ」より上の
部分を磁界強＃軸に投影することにより決デろ）と、こ
の特定の永久磁石材料の残留（、Ｈ東密度との間の比に
比例する。この公式は下記の辿りである。

ｍｔＢｒ ここでり、ｔは磁気回路内の全ての空隙の全しであり、
ＬＩＩｌｔは同じ磁気回路内の全ての永久磁石の全長で
あり、Ｕ　は自由空間の透磁率（ｃｆＩｓ　葦位系では
ｌ）であり、Ｈｏｐは減磁曲線のひざから上の部分から
投影した磁石の仮想的な固有磁界強度であり、Ｂ　は永
久磁石の残留磁束密度である。この公式は簡易化された
近似式である。羨し、成る種の仮定がなされており、減
磁曲線のひざから上の部分はほぼ直線であると仮定して
おり、著しい温ｔ＃変化はないものと仮冨しており、周
辺磁界はないものと仮定しているからである。何等かの
相当な湿度変化が予想される場合（例えば外部状況によ
り）は、予想される最低の動作温度で磁石の減価曲線に
設計公式を適用して熱によるｇ磁が生ずる危険を最小に
１−るのが賢明である。

前述したように本発明が妹によく使えるフェライト、希
土類その他のコバルト永久磁石の減磁曲線の特性のため
、上述した公式は通常最良の結果を与え、ここではＬ２
ｔがほぼＬｍｔＶＣ等しい。これは従来の設計原理の下
で永久磁石電動機及び発電機で従来から用いられてぎた
のよりずっと高い全空隙長の全鏝石長に対する比であっ
て、これは磁束密度を最大にする１頃向にある。本発明
によれば、Ｌ、ｔのＬｍｔＫ対する比は使用する永久磁
石材料により異なるが、０．５〜２．０の範囲内でなけ
ればならず、０．８〜１．２の範囲内であれば好適であ
る。

従って、本発明の主たる目的は、水久磁石准動楼又は発
電機を、永久磁石の不可逆的な減磁な伴なわずに、理論
上最大エネルギー積を与える動作点ないしその近傍の永
久磁石の動作点で動作させ、永久磁石の工坏ルギー密変
及び伊舗内のエネルギー密硬を最大にする方法を提供す
るにある。

本発明のもう一つの主たる目的は、上述した理論上最大
エイ・ルギー積を与える動作点と両立する態様で永久磁
石電動機又は発４１〃の出力品度と変換効率を最大にす
るにある。

本発明の史にもう一つの主たる目的は、可成り残留磁束
密度が高い永久磁石を飽和磁束ぞ度がとの残留磁束密度
より相当に低いコア材料と両立する形で使用し、このよ
うなコア材料、例えば磁気的に軟質のフェライトのイ１
」点を特定の川辺で必要とする時に利用できるようにす
るにある。

本発明の上述した目的、特徴及び効果並びにその他の目
的、特徴及び効果は以下の図面につき、詳細ｊでなされ
ろ説明を読めば容哄に理解できよう。

１２１面についての詳細な説明 第１−１は従来の回転するブラシレス永久磁石は動機の
内部の簡略化された軸方向から見た断面図であり、ここ
では鉄の骨２０ＶＣｊ１２り付けられた４個の永久磁石
１２．１４．１６及び１８を具える半径方向に対称な４
極回転子１０が、同心的に巻かれた界固定子２２内で回
転できるように、軸２０を支える拳１受（り１示せず）
内に軸承されている。第１〜９図の全てを通じて、固定
子２２の巻線２４を流れろ交流はホール効果素子と適白
な回路のような普通の手段で回転子ｌＯＯ位瞳と同期が
とられている。この手段については図面を簡明ならしめ
るため図示しないが、その一般的形式、についてはＫａ
　ｒｕｂ　ｅの米国％ｐｇ　＋、１８０．７ｅ９号明細
杏に記載されており、この明細書をここでの参考文献と
する。永久磁石１２．１４．１６及び１８は任意の市販
されている永久磁石材料で作ることができるが、比較の
ため一各図を通して全ての永久磁石は、特ニ断らない限
り１、第１０図の減磁曲線を有するサマリウムコバルト
のような希土類コバルトでできているものと看做す。固
定子２２は種々の周知技術のいずれかを用いて横み重ね
られた電気鋼又は他の鉄合金の板から歯付き積層板を打
抜いて固定子コア２６を形成し、次に固定子コア２６の
歯ｚａｂの間のスロワ）２６ａＫ巻線２４を挿入し７、
その後で普通性なわれるように全構体をエポキシに侵す
か又は全構体にワニスを真窒含侵させることによって作
る。

電１ｅｆｔＪ機の４個の基本的な半径方向に対称な磁気
回路の一つを通る磁路を第１図に点線２８で示す。

磁気回路は回転子１０の永久磁石１４の南極と永久磁石
１２の北極との間の部分と、固定子コアｚ６の部分と、
夫々永久磁石１２及び１４と固定子コアの歯との間の２
個の空隙８０及び８２０部分とを含む。この磁気回路の
全リラクタンスは永久磁石１２及び１４．軸２０．空（
イ）８０及び８２並びに固定子コア２６の個々のリラク
タンスの和である。しかし、通常の条件の下では全ての
実質的なリラクタンスの唯一つの成分は空＠８０及び８
２によるものであって、これらの空隙内には磁性材料は
存在しないが、第１　Ｌ＆ｌに示すように非常に狭くシ
て磁気回路の全リラクタンスが小さくなるようにしであ
る。こうすることば姿返せば、磁気回路の磁束及び磁束
イぜを大きくすることである。この時磁気回路のリラク
タンスが小さく、従って磁束密度が高いため、永久磁石
の動作点はほぼ第１０図にＸｌで示した点にくる。江意
すべきことは、この動作点は永久磁石の残留磁束密度Ｂ
ｒに非常に近く、点Ｘ１の磁束密度と磁界強度との積に
よつ決する長方形８４の面積で表わされるエネルギー積
が可成り小さいことである。この結果エネルギー績が可
成り小さな永久磁石になる。

第５図は本発明の原理に従って設計されている点を除い
て紀１図の機械に対応する機械を示したものである。第
５図の回転子１１０の構造は第１ツｉの回転子１０と同
じであって、同一の減磁曲線を有する。しかし、第５図
の同定子１２２は第１図の固定子２２と全く異なる。固
定子コア１２６上には歯がないため、各空隙″１８０及
び１８２の実効長Ｌ！ｊ＋−は第１図の空隙３ｏ及びδ
２の実効長より相当に大きい。こうして第１図のε８気
回路２８の全空ｌｌＡ長（で対して銅５図の磁気回路１
２８の全窒師長を大きくすると、第５図の磁気回路のリ
ラクタンスは第１図の磁気回路のりラフタンスよりも相
当に大ぎくなる。これは案５図１のｌ］気気路路内磁束
密ｍ′が第１図の吐気回路内のｂａ采ぞ度よりも相当に
小さく、縞１ｏ図の減磁曲線上の所作姿が長方形ニー３
６の面積（（より表わされる理論上の最大エネルギー、
ｉ：ｉの点：Ａ２ないしその近傍の減磁−ｊ（線上の中
ＩＬｔ１点にくることを意味する。長方プ杉３６の面積
は長方形８４の面イアよりも花信に大きく、これに対応
して大きなエネルギー積を与えろ。

第１Ｍｃｒ′）従米仮術の例では空隙８ｏ及び３２が小
さいため全空隙長のり１８で衣わされる磁気回路の全磁
石長に対する比は約１＝４しがない。

これと対照的に２、全空隙長（２Ｌ、）の、第５図で点
線１２８で辰わされた磁気回路の全磁石長（２Ｌｍ）に
対する比は１：１のオーダーである。

これは＠に述べた全空隙長と磁気回路の全磁石長との間
の比を確定する一般的な数学公式と合う。

この公式によれば、この比は、永久磁石の減磁曲線の「
ひざ」に当る部分の上の部分を磁界強明晩に投影するこ
と１（より決まる特定の永久磁石材料の仮想のｍｌ有磁
界強・！Ｆ（即ち、第１０図のＨ）ｐ と、こい永久磁石材料の残留磁束密度（舅ｌｏ図□ のＢｒ）との間の比（Ｃ比例する。（式では実際の固右
磁界強音Ｈ８よりもむしろ投影された仮想の固４　ｉＧ
界５Ｍｌ’１ｆＨｏ、の方が使われる。蓋し、Ｈｃｐの
方がＢ　と部み合わさって、減磁曲線の、本茜明によれ
ば減→を起こすことなく動作点を有効にとれる「ひざ」
の上の部分の勾配を一層正確ＶＣ表わすことかできるか
らである。）第１０図の特定の減ｆｉＱ曲線によれば、
Ｈが８．０００エルステッドｐ で、Ｂ、が８．ＯＱＯガウスであ石から、式によれば全
空隙反の全磁石長に対する比は１：ｌであり、これは第
５図の磁気回路１２８の轡合、２　Ｌ、が２Ｌｒｎに等
しく、それ故り、がＬｍＫ奔しくなければならないこと
を意味する。

第５図で固定子コア１２６から図を取り除き、その結果
空隙を磁石長に対（−で広げることは巻線１２４を大き
くするための空間を与える。巻線１２４は空隙を相当に
埋め、最適の利益を与える。

前に述べたように、この拡大された巻線は永久磁石のエ
ネルギーの大部分が与えられる拡大されプこ窒隙内に位
置しているから、出力を大きくすると共にその減Ｓ効果
を下げ、出力に対する巻線内の抵抗での熱発生の比を小
さくする。これは変換効率を大きくし、・１・拠度変動
、従ってｌ黒度に敏感な減磁効果を小さくし、装置の速
度−トルり特性の線形性を促進し、近くにある佃の１品
１８′に敏ｔ＄な部品の過熱を防ぐ。

第５図の電動機が町成り高辻で高周波数で動作すること
を意図している時は、固定子コア１２６を磁気的に軟質
のフェライト、アモルファス金属又は他の高周彼数用低
損矢コア材料で作ると好適である。殊に、スビ坏ル構造
を有する磁気的に軟質のフェライト（これはたいがい式
ＸＦｅ２Ｏ４で表わされ、ここでＸはマンガン、亜鉛、
コノ（ルト。

ニッケル若しくは他の金属イオン又はその任意の混合物
である）ならば何でも使うことができる。

高周波動作では、このような材料の鉄損は第１図の固定
子鉄心２６を作るような最高のは気鋼のｉないし−とな
ろう。第１０図から明らかなように、磁気的に軟質のフ
ェライトの飽相ａ東密度Ｂ８は第１し１の狭い空隙構造
とたちうちできない。蓋し、第１１の磁石の動作、４．
ＸＩの磁束密度はフェライトコア材料の飽和磁束′ｆｉ
度よりも悪く、少なくとも等しい位に高い飽和磁束密劇
を有する鉄のようなコア材料を採用しない限り維持でき
ないからである。これと対照的に、本発明の原理に従い
、空陣長と磁石長との同の比をずっと大きくすることに
より作られた動作、９Ｘ２はフェライト材料を永久磁石
と屑を並べるものにする。澹し、動作点ｘ２は磁束留ザ
がフェライト材料の飽和磁束密度よりも低い点にあり、
それ故動作点Ｘ２の達成が動作点ＸＩの場合のようにフ
ェライト材料で妨げられることはない。このようなフェ
ライト材料を用いると、熱の形で過大な鉄損を生ずるこ
となしに、非常に高い回転速度と動作周波斂とを達成す
ることができ、これは更に出力、変換効率及び速關−ト
ルク特性の線形性を最高にし、導度に敏感な減磁効果を
小−さくし、近傍の他の温度に敏感な部品に悪い高温の
影響が及ぶのをも小さくする。

第１１図は市販されている代表的な永久磁石材料の減磁
曲線をいくつか示したもので、これらの材料はアルニコ
材料を除いて、本発明で使甲オるのに適している。各曲
線毎に点線が示されているが、これは減磁曲線のひざの
上の部分を磁界強度軸に投影したものであって、本発明
に従って全孕隙長の全磁石長に対する比を決めるための
式を適用する上で必要なＨ９ｐの値にどのようにして料
理するかを示したものである。このような比はＡ常１の
近傍にあり、特定の永久磁石材料に依存して０．５〜２
．０の範囲内に入らなければならず、０．８〜１．２の
範囲内に入ると好適である。

第１１図はまた何故アルニコ磁石が本発明で使用するの
に不向きかを示している。それは残留磁束密度Ｂ　と同
有磁界強眩Ｈとの間の比が極めてｒ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　Ｃ天きく（約２０　：
　１　）、このため減磁曲線が急峻になって、初期動作
点が残留点の極く近くでない限り、減ｌｌ会を伴なわな
くても磁束密鞭のほんの僅かの変動も受は容れ難いもの
となるためである。

（役に、本発明で１史用するのに適した永久磁石材料は
残留磁束密度現Ｂ　の大きさと固有磁界強度Ｈ８の大き
さとの間の比がずっと小さいものであって、このような
比は約２：１より扁くすることはできない。

第２図はＫａｒｕｂｅの米国特許ｉ４．１１，７６９号
明細書に示されている永久磁石′ｉ　動機を示す。この
電動機は回転子の上に磁石が取りつけられているのでは
なく、回転子自体か鹸化されて等方性磁石になっている
４極回転子８８を具えることを特徴とする。またとのｔ
　＠＋索は回転子３８から長さり、の空隙４２により隔
てられている歯なし固定子、コアΦ、０を具えることを
特徴とし、空＠４２内に巻線４壬が挿入されている。第
２図の電動機の４個の半径方向に対称な磁気回路の一つ
を点線４６で示すが、これは長さＬｒｎの磁石部分と、
長さり、の２個の’２Ｖ’Ａの部分と、固定子コア４０
の部分とから改る。前に指摘したように、この電動機は
歯なしコア構造を採用しており、このため巻線の着脱が
安価にできるが、空隙の応力を小さくするため巻線のサ
イズな■動機のトルク要件を満足する節囲内でできるだ
け小さくする必弗がある。

従って、磁気回路４６の全空＠長２Ｌ９と磁石長Ｌｒｎ
との間の比は概略１：３にすぎない。それ故、この永久
磁石の動作点は第１図の電動機の動作点程残留点から離
れることはない。

これと対照的に、第β図の゛電動機に対応するが、本発
明の原理に従って設計された電動機を第６図に示す。こ
の第６図の電動機は外側の寸法は第２図の電動機と同じ
であるが、動作点Ｘ２　（第１０図）が永久磁石回転子
１３８の理論上最大エネルギー積を与える点の近傍にと
られるためエイ、ルギー密哩が相当に大ぎい。理論上最
大エネルギー績を与える点に動作点をとることは磁気回
路１４６の全空隙長２Ｌ、の磁石長Ｌｍに対する比を大
きくし、両者がほぼ等しくなるようにすることにより行
なわれる。これは回転子１３８とコア１４０との１の空
隙１４２をひろげ、これに対応して永久磁石回転子１８
８の１匹径を小さくすることを必要とし、こうしてひろ
げられた？１１．ｉ４ｚは本発明の原理によれば拡大さ
れた巻線１４４で満たされる。

第３図し’Ｌ　Ｋａｍｅｒｂｅｅｋ他の米国特許第４．
１８５．１０７号明細傅に示されている電動機を示すが
、この電動機は２極永久磁石回転子４８を具えることを
特徴とし、この回転子４８の中心に鋼の軸４９があり、
回転子４８は空隙５０により固定子コア５２から隔てら
れており、固定子コア５２の周りに可成り平らな巻線５
４が巻かれている。この電動機の２１固の直径方向に対
向する磁気回路の一つな点線５６で示すが、この磁気回
路には全９隙長２Ｌ。

と全磁石長２Ｌｍとが含まれる。第１図の電動機と同じ
様に、磁気回路の全空ｌ！１１艮と全磁石長との聞の比
は約１：４にすぎ７″、【い。第２図の電動機と同じよ
うに、第８図の電動機でも歯なしコアが用いられている
が、これは永久磁石回転子４８のエネルギー積を最大に
すること以外の目的を有し、ここでは高調波な除去して
正弦渡場を得るために歯なしコアが用いられたのである
。しかし、４麻体内でできるだけ大きな回転子を用いる
ことにより空隙を／ＪＳさくすることが強−されている
。

第７Ｍは第８図のは１助機に相当するが、本発明の原理
に従って設計された′電動機を示す。この′電動機は、
側６図の１動機と同じ様に、永久磁石回転子１４８の龍
径を相当に小さくし、回転子１４８と固定子コア１５２
との１」にずっと大ぎな空１賽１５０が得られるように
なっている。第７図のイ植磯では第８図の電動機の外側
巻線がないが、これは外側゛巻録は磁気回路の外にあっ
て、それ故出力に寄与１−ないからである。本発明の原
理に従い、第７図の２個の９隙長Ｌｙはほぼ２個の磁石
長Ｌｍ１．乞等しく、ひろげられた空隙１５０は拡大さ
れた巻線１５４でほぼ満たされている。

）ご４図は、前に述べた、西ドイツのシーメンス社製ノ
永久磁石電動機の主要県を賃略化された形態で示したも
のである。この電動機は歯なし固定子コア５８を有し、
この固定子コア５８が円筒形の２極管状アルニコ永久磁
石回転千６０を取、り囲み、この管状永久磁石の内側に
非磁性体の亜鉛コア６２があり、その中心に鋼の軸６８
が設けられている。巻線６４を回転子６０を゛固定子コ
ア５８から隔てる空＠６６内に入るように固定子コア５
８に固定する。この場合は点線６８で示された、電動機
の２個の直径的に対向する磁気回路の一つには回転子６
０と固ｗ子コア５８との間の２個の空隙り、たけてなく
、亜鉛（６ｚ）が非磁性体のため、管状永久磁石６０自
体の内側に２個の非常に大ぎな実効空隙り、Ｚが存在し
、磁気回路のりラフタンスを著しく増大させる。磁気回
路の全磁石長は第４図に示すような２個の距離都である
。ここでも磁気回路６８の全９隙長２Ｌ、＋２Ｌ、の全
磁石長２Ｌｍに対する比が４伏するが、この比は第１．
２及び８図の電動機の関係とほぼ逆である。

蓋し、第４図では全空隙長がほぼ全磁石長の８倍・であ
るからである。このため動作点での磁製密度が理論上を
号大エネルギー槓を与える一１作点の磁束Ｗｌｆよりず
っと小さくなり、事実上、前述したようにアルニコ磁石
（６０）の大きな減Ｉ？Ｂに至る。

第４図の電動機て相当する′直動機を本発明の原理に一
層従った磁気回路を有するよう［（歯割”するとすれば
、はぼ第８図に示したようなものとなろう。ここでは管
状永久磁石回転子１６０が第４図の管状回転子よりも相
当（でｊ２メく、全磁石長２Ｌ、］を大ぎくしている。

亜鉛コア１６２は仔：当に小さくなり、このため空隙長
Ｌ　ｙ　ｚは相当に小さくなる。

他方回転子１６０と固定子コア１５８との；」の伊鐸１
６６はほぼ第４図の父さＬｇと１占１−で、全体として
磁気回路１６８内の２　Ｌ２　＋　２　Ｌｙ、、ｂ”＆
丈ｉｔ２Ｌｍに等しくなる。また、適過なフェライト又
は希土類コバルト永久磁石がアルニコ材料（ことって代
わることになる。しかし、本発明に係る電動機に１６２
のような亜鉛コアを全く持たせな℃・ように設計すると
一層好適である。むしろ第７図の′４動４幾に似せて磁
克回路の全空隙をほぼ巻線で亜鉛コアの場合のように９
隙を無駄にしなし・ように設計すると好適である。

第９図は本発明に従って設計されたもう一つのタイプの
′電動機を示す。本例では永久磁石回転子１７０が出石
鋼の外（ｌｉｌｌケーシング１７２を具え、これに一対
のアーチ状の永久６Ｒ石１７４が取り付けられているが
、この永久磁石回転子１７０が内１Ｈ１１固定子１７６
を中心として回転する。この内情１１固足子１７６はコ
アリング１７８を有し、これを巻線１８０が取り巻いて
いる。、電動機の２個の直径的に対向する磁気回路の一
つを点線１８２で示しである。磁気回路はコアリング１
７８と巻線１８０の中心部１８８を避けて通る。それ故
、この中心部は磁性材料とする必要はな℃・。磁気回路
の２個の磁石長をＬｍで示し、２個の空隙長をり。

で示す。本発明の一般的な設計公式によれば、２Ｌｍを
ほぼ２Ｌ、と等しくし、所屋の動作点を理論上の最大エ
ネルギー債の点ないしその近傍に置く。

上述した全ての機械において、巻線は絶縁して固定子状
に固定する。そしてエポキシのような適゛当な材料に、
浸し、その形状を保ち、巻綜と回転子の間に必要な機械
的突隙を維持するようにすることができる。これらの機
械のいずれにおいても回転子と固定子の役目を逆にする
ことができ、また′回転子を回転要素とすることもでき
るし、固定子を回転要素とすることもできる。同じよう
に永久磁石を内部部材に設けるとともできるし、外部部
材に設けることもできろ。また１′−じように巻屍に対
して設けることもできるし、コア（で対して設けること
もできる。これらのｉ゛１気磁気の代表的な棹１１Ｊｊ
としては水入磁石直流゛亀を機、タコメータ、１司期発
銃１幾、発電機及びステップモータがある。

この発明の詳細な説明の４国で使用された用語と表現と
は説明のために用いられているのであって、これによっ
て発明の範囲を制限ｆるものではない。

またこのような用語と表現を用いることにおいて、ここ
に示され、説明された特徴の均等物Ｚ除くことを：ｅ−
図しているものではない。本発明の範囲は特許請求の範
囲のみによ、って焼戻され且つ制限されるものであるこ
とを認識すべきである。

壬１図面のｊ９ｉＪ丘な説、明 第１〜４図は過宏において承認されていた設計原理に従
って構成された過去の種々のタイプの永久磁石回転篭＠
機の内部構造を示す部分断面図−第５′−８図は第１〜
４は）に夫゛々対応する本発明の原理に従って設計され
た電動機の内部構造を示す部分断面図、 第９図は同じく本発明の原理に従って設計されたもう一
つのタイプの回転゛醒動ｊ幾の内部を示す軸方同所面図
、 舅１０図は永久磁石の減磁曲線と磁気的に軟質のフェラ
イトコア材料の磁化曲線の説明図、抗１１図は種々の既
知の永久磁石、材料についての＄、磁曲線を示すに９図
１である。

１０　、１１０・・・回転子、 １２　、１４　、１６　、１８・・・永久磁石、２０・
・・＠２２，１２２・・・固定子、２４　、１２４・・
・固足子巷線、２６　、１２６・・・固定子コア、（２
６ａ・・・スロット、２６ｂ・・・菌）２８・・・磁路
、　　　　　　８０　、ｌ、　１８０．１８２・・・空
隙、３４　、３６・・・エネルギー積を袋わす長方形、
３８　、１１・・・４極回転子、４０　、１４０・・・
固定子コア、４２　、１４２・・・９隙、　　　　４４
　、１４４・・・巻線、４６　、１４６・・・沼気回路
、　　４８　、１４８・・・２極回転子、４９・・・軸
、　　　　　　　５０　、１５０・・・９−１５２　、
１６２・・・固定子コア、５４　、１５４・・・巻線、
５６　、１５６・・・磁気回路、　　５８　、１５８・
・・固定子コア、６０　、１６０・・・回転子、 ６２　、１６２・・・非磁性体のコア、６８・・・軸、
　　　　　　　６４・・・−を規、６６　、１６６・・
・９修、　　　　１３８　、１６８・・・磁気回路、１
９０・・・永久磁石回転子、１７２・・・外側ケーシン
グ、１’７４・・・アーチ状の永久磁石、 １７６・・・内（ｉ：：　固Ｗ子、　　　１７８・・・
コアリング、１８０・・・巻部−１１８２・・・磁気回
路、１８８−中心部、　　　　Ｌ、ｎ・・・１．ｉ１石
長、Ｌ、・・空隙長。

石五界５雀洩　　Ｘｌθ３エルステ、ド手続補正書 昭和５８年　１３　　月２６日 １、事件の表示 昭和５８年　特　許　願第　３２６７δ号２、発明の名
称 電気＠械の動作方法及しく電気１笈械 ３、補正をする者 ４１件との関イ、ｙ　特許出Ｍ１人 名称　　　サーボ・モータ　テクノロジー・コーポレー
ション外１名 ５゜ １、明則書第１２頁第１６行の「永久磁石」を「ブｌラ
シレス永久磁石」に訂正する。

２同第２３頁第１４行〜范２４頁第１６行を削除する。

８同第２７頁第１９行の「永久磁石装（ａ」を「ブラシ
レス永久磁石装行」に訂市する。

４同第３５頁第８行の「装置の速度」を「ブラシレス装
置の速度」に訂正する。

５同第５３頁第２０行〜范５４頁縞１行を次の通りにｇ
１正する。

「　第４図は、本発明に従って構成されたのではない、
仮想的なタイプの永久宅石電動機゛の主要素′ｆ、簡略
化された形」 ６、同第５５頁第３〜４行を「音度よりずっと小さくな
り、事冥土、大きし１３しこ至ることができる。」に訂
正し、 向頁第１６〜１７行を「希土類コバルト永久ｉ６石を用
いることもあろう。しかし、本発明に係る電動機」に訂
正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　永久磁石とコアとを互に予じめ定ぬられた関係を持
   たせて取り付けるステップと、上記永久磁石と上記コア
   との間の空隙内に導電体の巻線を設けるステップと、上
   記永久磁石とこの巻線との（■に相対運動を許すステッ
   プとを含み、上記永久磁石と上記コアとを予じめ定めら
   れた寸法の空隙により互に離し、上記永久磁石と、上６
   ｃ＋コアと、上記空隙とでＩ′ｌ仔気囲気回路成し、こ
   の磁気回路内で上配水久磁石が予じめ定められた磁束密
   度と予しめ定められた磁界強度とで動作し、更に上記の
   予じめ矩められた磁束密度と上記の予じめ足められた磁
   界強度との積がエネルギー積に対応し、上記の予じめ定
   められた磁束密度と上記の予しめ定められた磁界強度と
   が前記空隙の前記寸法により決まり、前記永久磁石が序
   じめ定められた残留磁束密度と、この残留磁束密度より
   も低い磁束密度で生ずる予じめ定められた最大エネルギ
   ー績とを有する′ば気機械の動作方法において、前記空
   隙の前記寸法を、前記エネルギー積をほぼ最大に才ろ磁
   界強度と、対応する予じめ定められた磁束密度とを得る
   ように選択し、前記永久磁石を前記相対運動時に上記の
   最大エネルギー績の近傍で動作さぜることを特徴とする
   電気機械の動作方法。 λ　前記永久磁石と、前記コアと、前記空隙とで磁気回
   路ケ形成し、この磁２回路中の前記空！：銀内に予じめ
   足められた１１８東蓄電と予じめ定められた磁界強度と
   が誘導され、この空隙内の予じめ足められた磁！Ｘ、佑
   ［２と予じめ定められた磁界ゴ閾とが前記空隙の前記寸
   法により決まると共に前記空隙内のエネルギー密度に対
   応し、更に前記空隙の前記寸法を、前記空隙内の予じめ
   定められた磁束密度の値が前記残留磁束密度よりも相当
   に低く、前記相対運ｇｔｈ時１（前記空隙内の前記エネ
   ルギー密度がほぼ最大になるように選択することを含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電気機械
   の動作方法。 ８、＠記磁気回路がその中に動作するように設けられた
   １個又は複数個の空隙と、その中に動作するように設け
   られた１個又は複数個の相互に協働する永久磁石とを有
   し、前記磁気回路が上記１個又は複数個の空隙の全長か
   ら成る全空隙長と、前記１個又は複数個の磁石の全長か
   ら成る全磁石長とを有することを特徴とする特許、１１
   々求の範囲第１項又は第２嘔に記載のｄ気機械の動作方
   法。 ４、　更に前記空隙の寸法を、前記全空隙長の前記全磁
   石長に対する比が０．５ないし２の範囲に入るように選
   択することを含むことを特徴とする特許請求のにσ囲第
   ３項記載の４気機械の動作方法。 ５　更に前記空隙の寸法を、前記全空隙長のＨ４ｒ記全
   磁石長に対する比が０．８ないし１．２のわ囲に入るよ
   うに］８択することを含むことを特徴とする特許請求の
   旬囲第８項記載の電気機械の動作方法。 ６　更に前記空隙の寸法を、前駅全空隙長の前記全磁石
   長に対する比かほぼ１になるように選択することを含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の磁気機株
   の動作方法。 ７、　前記＋ａ磁気回路その中にωｊ作するように設け
   られた１個又は複数個の空隙と、その中に動作するよう
   に設けられた相互に協働する１個又は複数個の永久磁石
   とを右し、この磁気回路が前記１個又（ｉ複数個の空隙
   の全長から成る全空隙長と、前配置個又は複数個の永久
   磁石の全長から成る全磁石長とを有し、この永久磁石が
   減磁曲線を有する％肝請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の電気・限械の動作方法において、残留磁束密度と、
   Ｍ有磁界強靭と、残留磁束密度と固有磁界強度との間に
   あるひざとを％徽とし、更に前記空隙の寸法と前記磁石
   とを式 ％式％ に従って選択し、ここで り、を二全窒隙長 Ｌｍｔ”全磁石長 Ｕ　−自由空間の透磁率 Ｂ　−残留磁束密度 Ｈｏ、　＝仮想的な固有磁界強度 とし、更にＨ８ｐを減磁曲線のひざとＢｒとの間の部分
   を減磁曲線の磁界強度軸迄延長することにより求めるこ
   とを特徴とする電気イ幾械の動作方法。 ８、　長さがｂ↑（記全空隙長に含丘れろ各空隙をはぼ
   完全にｉ１■記巻線で光だ−１−ことを釣機とする荷、
   １４８行求０則５囲第８項ないし概７項のいずれか一項
   に記載の成気磯樒の動作方法。 ９、　前記コアを、前記永久磁石の前記残墳′磁栄イｊ
   攻より低い予じめ定められた飽和磁束密度を有する磁気
   的１（軟質の材料から作り、更１（前記空隙の寸法を、
   前記永久磁石の磁気密度を上記の磁気的に軟質の材料の
   上記飽和磁束密度よりも低い磁束密度に制限するように
   選択することを含むことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第８項のいずれか一項に記載の電気機１戎の
   動作方法。 １０、＠記の磁気的に軟質の材料を磁気的に軟質のフェ
   ライトとすることを特徴とする特許請求の範囲編９項記
   載の′電気機械の動作方法。 ＩＬ　　前記の磁気的に軟質の材料をアモルファス金属
   とすることを特徴とする特許請求の範囲第９項記家の電
   気機械の動作方法。 １２　　更に前記相対運動時眞前症水久磁石の不可逆的
   な減磁を笑質、的に防止するステップを含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないＬ第１１項のいずれか
   一項に記載の電気機械の動作方法。 １＆　前記永久磁石が宜する残留磁束密１（の大きさと
   固有磁界強度との間の比が約２−１以下であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１２項記載の電気機械の動作
   力法。 １４　　予じめ定められた残留磁束密度を有する永久磁
   石と、予じめ定められた寸法の９隙によりこの永久磁石
   から離されているコアと、この空隙内の上記永久磁石と
   上記コアとの間に設けられる導電体の巻線と、上記永久
   磁石と上記巻線との間に相対運動を許す手段とを設け、
   上記永久磁石と、上記コアと、上記空隙とで磁気回路を
   形成し、この磁気回路内で上記永久磁石が予じめ定めら
   れた磁束密度と予じめ定められた磁界強度とで動作し、
   更に上記の予じめ定められた磁束密度と上記の予じめ定
   められた磁界強度との積がエネルギー績に対応し、上記
   の予じめ定められた磁束密度と上記の予じめ定められた
   磁界強度とが前記空隙の前記寸法により決まり、前記永
   久磁石が前記の予じめ定められた残留磁束密度よりも低
   い磁束密度で生ずる予じめ定゛められた最大エネルギー
   積を有する電気機械において、前記空隙の前記寸法を、
   前６ピエネルギー積をほぼ最大にする磁界強度と、対応
   する予じめ定められた磁束密度とを得るのに十分にし、
   前記永久磁石を前記相対運動時に上記の最大エネルギー
   積の近傍で動作させることを特徴とする電気機械。 ＩＩＩＬ　　前記永久磁石と、前記コアと、前記空隙と
   で磁気回路を形成し、この磁気回路中の前記空隙内に予
   じめ定められた磁束密度と予じめ定められた磁界強度と
   が誘ど工され、この゛空隙内の予じめ定められたｉｔ＋
   密度と予じめ定められた磁界強度とが前記空隙の前記寸
   法により次まると共に前記空隙内のエイ・ルギー密度に
   対応し、更に前記９隙の前記寸法を、前記空隙内の予じ
   め定められた磁束４度の値が前記残ｍＭ！Ｌ９１密度よ
   りも相当に低く、前記相対運動時に前記空隙内の前記エ
   ネルギー密度がほぼ最大になるのに十分なものにするこ
   とを含むことＺ特徴とする特許請求の範囲第１４項記載
   の磁気機械。 １６　　前記磁気回路がその中ｉＣ動作するように設け
   られた１個又は複数個の空隙と、その中に動作するよう
   に設けられた１個又は複数個の相互に協動する永久磁石
   とを有し、前記磁気回路が上記１個又は複数個の空隙の
   全長から成る全空隙長と、前記１個又は複数個の磁石の
   全長から成る全磁石長とを有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１４項又は第１５項に記載の電気機械。 １１、前記全空隙長の前記全磁石長に対する比が０．５
   ないし２の範囲に入るようにしたことを特徴とする特許
   請求の剌囲第１６項記載の電気機械。 １＆　前記全伊徐長の前記全磁石長に対′￥ろ比が０．
   ８ないし１．２の範囲に入るよう１（シたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１６項記載の電気機械。 １９、前記全空峰長の前記全磁石長に′対する比がほぼ
   １になるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １６項記載の電気機械。 ２０、前記磁気回路がその中に動作するように設けられ
   た１１１ｉ！ｉｌ又は複数個の空隙と、その中に動作す
   るように設けられた相互に協働する１個又は複数個の永
   久磁石とを有し、この磁気回路が前記１個又は複数個の
   空隙の全長から成る全空隙長と、前記１個又は複数個の
   永久磁石の全長から成る全磁石長とな有し、この永久磁
   石が減磁曲線を有する特許請求の範囲第１４項又は第１
   ゛５項に記載の電気機械において、残留磁束密度と、固
   有磁界強度と、残留磁束密度と固有磁界強度との間にあ
   るひざとな％徴とし、前配空暁の寸法と前記磁石とを式 に従って選択し、ここで り１．＝全生隙長 Ｌ□＝全磁石長 Ｕ　−自由空間の透磁率 Ｂ　＝残留磁束密度 Ｈ−仮想的な固有磁界強度 ｐ とし、更にＨ９ｐを減磁曲線のひざとＢｒとの間の部分
   を減磁曲線の磁界強度軸迄延艮することにより求めるこ
   とを特徴とする電気機械。 ２Ｌ　　長さが前８ｉ：Ｉ全空隙長に含まれる各空隙を
   ほぼ完全に前記巻線で元だしたこ・とを特徴とする特許
   請求の範囲第１６項ないし第２０項のいずれか一項に記
   載の電気機械。 ２＆　前記コアを、前記永久磁石の前記残留磁束密１Ｗ
   より低い予じめ定められた飽和磁束密度を有する磁気的
   に軟質の材料から作り、前賀己空師の寸法を、前記永久
   磁石の磁気密度を上記の磁気的に軟質の材料の上記飽和
   磁束密度よりも低い磁束密度に制限するのに十分なもの
   にしたことを特徴とする請求 １４珀ないし第２１項のいずれか一項に記載の電気機械
   。 ２＆　前記の磁気的に軟質の材料を磁気的に軟質のフェ
   ライトとしたことを特徴とする％許請求の範囲第２ｚ項
   紀載の電気機械。 ２４、前記の磁気的に軟質の材料をアモルファス金縛と
   したことを＃！徴と１−る特許請求の範囲第２２項記載
   の電気機械。 ２五　更に前記相対運動時に前記永久磁石の不可逆的な
   減磁を実質的に防止する手段を′￥むことを特徴とする
   特許請求の範囲第１４項ないし第２４項のいずれか一項
   に記載の電気機械。 一一一作→≠婉鴫 ２＆　前記永久磁石が有する残菌磁束密度の大きさと固
   有磁界強度との間の比が約２：１以下にしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第２５項記載の゛電気機械０