JPS5925559A - 無効分力を除去した電機子コイル - 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】 本発明は、エッチングにより絶縁基板上に構成した電機
子コイルに関するものである。

近年、無鉄芯型直流電動機は、コギングがなく、制御が
容易で小型にも構成できる等の理由によって、多くの音
響機器等に使用されており、特に軸方向空隙型のものは
偏平で簡素な構造となる利点を有しておシ、用途の多様
化も期待されるものである。

このような利点を有するにもかかわらず、無鉄芯軸方向
空隙型直流電動機は、具備する電機子コイルの形状によ
って後述する無効分力を発生する欠点を有していた。

本発明は、エツチングによるいわゆるプリントコイルを
用いて無効分力を除去する効果を有する電機子コイルを
提供するものである。

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

図中、同一記号は同一部材または同一作用を示す。

第１図（ａ）は従来の無鉄芯軸方向空隙型直流電動機の
電機子コイルの配置図の一例である。絶縁基板１の上面
部に配設された扇形の電機子コイル２−ａ、２−ｂ、２
−ｃ、の間隔は１２０度づつとなっており、前記絶縁基
板ｌばその下面部にちるヨーク（図示せず）と一体に筐
体（図示せず）に固定されている。

また、前記電機子コイルの上部には空隙を介して界磁磁
石３（点線で示す）が回転軸（図示せず）と一体に回転
自在に取付けられている。

該界磁磁石３は、第１図（ｂ）に示すようにＮ、　Ｓ極
が交互に９０度づつ軸方向（紙面に対し垂直力向）に４
極着磁された磁極３−１．３−２．３−３．３−４を有
している。

上記したような界磁磁石の構成のため、前記電機子コイ
ル２＝−ａ、２７ｂ、２−ｃはトルク発生に寄与する導
体部（以下有効導体部と記す）の開角は磁極中と等しく
９０度となっている。該開角を示すものが直線Ｍ　−１
とＭ−２であり、それぞれ界磁磁石３の内外周による（
同心円である）円の中心Ｐから径方向への直線である。

そして実際の電機子コイルは、複数ターンであるから直
線Ｍ−１１とＭ−２を中心に左右に巾Ｄ１とＤ２をもっ
て、エツチングにより複数本の線状導体で構成されてい
る。

電機子コイルの外縁の大きさを決定する前記中Ｄ２は、
他の電機子コ４ルと隣接し合う限界を示す直線Ｍ（Ｍ、
−１、Ｍ−２と同様に、前記中心Ｐから径方向への直線
で示す）をもって最大値が決定されている。

捷だ、図示を省略したが、基板ｌ上には回転子となる界
磁磁石の磁極位置を検出する位置検出素子が所定の数だ
け配設され、該位置検出素子の出力信号によって動作す
る制御回路によって各電機子コイルに順次通電され前記
回転子が回転するようになっている。

第１図（ａ）に示したような電機子コイルの配置関係と
なっているため、電機子コイルは、前記界＠磁石３の磁
界下にあってトルク発生に寄与する有効導体部と、磁界
外となってトルク発生には寄与しない無効導体部とに分
けられる。

第１図（Ｃ）は前記の有効導体部と無効導体部を電機子
コイル２−ｂｅ例にして示したもので、他の電機子コイ
ルも同様となっている。ここで、有効導体部は斜線を旋
した部分Ａ−１とＡ−２で示し、無効導体部は斜線部以
外にある部分Ｂ−１とＢ−２で示しである。

上記した有効導体部が発生するトルクの様子を示したも
のが第２図（ａ）である。第２図（ａ）は第１図（旬の
有効導体部Ａ−１に相当し、該有効導体部がすべて同一
極内（ここではＮ極内とする）にあった場合を示す。　
　　・ 線状導体Ｗ−１は、有効導体部を構成する巻線のうち電
機子コイルの最内周にある線状導体を示し、Ｗ−には最
外周に巻回されている線状導体を示す。

前述したように、ここでは直線Ｍ−１から線状導体Ｗ−
１とＷ−ｋに至るそれぞれの短離Ｄ１とＤ２の金言１が
コイル１］となるが　いま、Ｄ１＝Ｄ２、の場合を述べ
る。

線状導体Ｗ−１が発生するトルクｊ＋ば、該線状導体Ｗ
−１の磁界中における長さをλ１、該長さ１１の中間の
点ｔｃとし、Ｃと中心Ｐを結ぶ腕Ｐ−Ｃの長さをｒｌと
し、線状導体Ｗ−１を示す直線と前記腕Ｐ−Ｃのなす角
度をαとすれば、磁束密度がＢコイルを流れる電流が■
の場合、フレミングの左手の法則により、線状導体Ｗ−
１が直角方向に受ける力Ｆｌ＋は、 Ｆ見１＝Ｂ・■・し となり、腕Ｐ−Ｃに直角方向の力Ｆｍ１は、Ｆｒｎ　Ｉ
　＝Ｆ又　１−ＣＯ５α であり、したがって ｔ　＋＝ｒ　＋−Ｆｍ＋＝Ｂ・Ｉ　・ｌ＋　・ｒ　１・
ｃｏｓａとなり、電機子コイルを固定すれば界磁磁石が
力を受はトルクｊ＋で起動することになる。

前記した力Ｆ、Ｈ＋、Ｆｒｒｒ＋が働く方向は、図のＣ
を作用点としたベクトル図として示す。力Ｆｌ＋は線状
導体Ｗ−１に直角であシ、力Ｆｍ１は腕Ｐ−Ｃに直角で
ある。

ここに、図からも分るように、力１’ｉ’ｌ＋が存在す
ることになり、この力Ｆｌ＋　　はトルクに寄与する力
（腕Ｐ−ヰに直角方向の力）とはならない無効分力であ
るといえる。そして、力Ｆｎｔの大きさは、 Ｆｎｌ−ＦＬｌｏｓｉｎ　ａ である。また電、電機子コイル最外周にある線状導体Ｗ
−ｋが受ける力の様子は、該線状導体Ｗ−にの中点Ｅを
作用点とし、線状導体Ｗ−ｋに直角な力を４ｅｔ、腕Ｐ
−Ｅに直角な力を４ｍ１とし、無効分力を干ｎｌとして
示す。

上記した無効分力は最内周線状導体Ｗ−１から最外周線
状導体Ｗ−ｋまでの間にある各線状導体によって大きさ
が、角度αが変数であるため、異なっており、また巾ハ
内に含まれる線状導体による無効分力の向きは、角度α
が正であるために界磁磁石の半径方向でかつ外向き（遠
心方向）の力であり、巾Ｄ２内に含捷れる線状導体によ
る無効分力は、角度αが負となるため、図示のように内
向き（求心方向）の力となる。

前記した外向きの無効分力をＦｎ、内向きの周１と、最
外周におけるものであシ、Ｄｌ−Ｄ２ならばＦｎ＋−ｆ
ｒｎ＋　　トｉ　ル。

第２図（ｂ）は、無効分力が線状導体Ｗ−１からＶｔｌ
−にの間で変化する様子を示したもので、Ｆｎ及び＋ｎ
について各３つ（１本口、Ｘ本口、ｙ木目の線状導体）
の力を代表して示しである。

ここで、Ｆｎ及び＋ｎの大きさはともに、直線Ｍ−１に
近づく（添え字の数が増す）に従って小さくなり、角度
αがＯとなる０点で０となる。

であり、したがって、 がちり、巾Ｄ１内の線状導体（ｋ／２本）に働く無効分
力の総和をＦＮとすれば、 ｋ／２ ＦＮ＝ΣＦｎａ ａ＝１ であり、１〕Ｄ２内においては無効分力の総和を￥Ｎで
ある。

このことによって、ＦＮと子Ｎは向きが反対で大きさの
等しい偶力となる。第２図（ａ）　（ｂ）は有効導体部
Ａ−１について示しているが、この時Ｓ極内にありＡ−
１と同等の磁界の強さのもとにある有効導体部Ａ−２に
おいても、上記と同様の状態となっており、第２図（Ｃ
）に示すように、電機子コイルを剛体とすれば、有効導
体部Ａ−１及びＡ−２内において、捩れが起こることに
なる。

数が剛体としての電機子コイルの固有振動数付近となれ
は共振状態を呈し、音としてエネルギーのロスが増加し
、回転機に不用な雑音を発生することになり、また効率
の悪化をも来たすものである。

したがって、上記したような回転トルクに寄与しない無
効分力は極力減少させるようにしなければならない。

前述した無効分力の発生する状況は、１つＤｌとＤ２が
等しい条−件で述べたが、巾Ｄ１とＤ２が等しくない場
合でも、無効分力が発生することは明らかで、この場合
ＦＮと十Ｎ（ハ、向きが反対であるが大きさは等しくな
く、したがって偶力ではないが捩れを引き起すことには
かわりなく、やはり除去しなければならないものである
。

第３図（ａ）（ｌ−１：、本発明による実施例で、前記
無効分力を除去するような構成としたもので、従来例に
おける有効導体部Ａ−１と同一の箇所の詳細図である。

また、第３図（ｂ）は、本発明による構成とした場合の
電機子コイルの配置図であり、電機子コイル４−ａ、４
−ｂ、４−Ｃより構成されている。そして、第３図（ａ
）、（ｂ）ともに、電機子コイルの形状以外（界磁磁石
の大きさ、極数、コイル数等）は第２図までの従来例の
条件と同一となっている。

第３図（ａ）において、電機子コイルを構成する線状導
体はＶ−１からＶ−ｋまでのに本（図では１０本）とな
っており、該線状導体は結局螺旋状になっているため同
一電流が流れるものである。

また、第２図（ａ）で示した従来例の線状導体Ｗ−ｉと
Ｗ−ｋを、第３図（ａ）に示すとすれば、直線Ｍ−１か
ら巾Ｄ１、Ｄ２の箇所に一点鎖線で示す位置となる。

第３図（ａ）における電機子コイルは、図からもわかる
ように、有効導体部において、各線状導体は平行となっ
ておらず、すべそ中心Ｐから半径方向に延長された直線
に沿って配設されている。即ち、有効導体部においては
、線状導体は放射状となっている。

電機子コイル最内゛周の線状導体Ｖ−１の位置は、従来
め最内周線状導体Ｗ−１と界磁磁石３の内周３−ｂの交
点をＧ−１とした場合、点Ｇ−１と中心Ｐを結ぶ直線Ｍ
−３に沿って配設さされ、最外周線状導体Ｖ−には、直
線ＩＶＩ−１に関し前記線状導体Ｖ−１と対称の位置と
なっての意味をもつ直線Ｍと重なった位置となっている
。

結局、最内周線状導体Ｖ−１において、界磁磁石の磁界
内に電流が流入する箇所を該導体上の点Ｇ−１とし、磁
界外に流出する箇所を点Ｇ−２とし、また最外周線状導
体Ｖ−ｋにおいて前記と同様箇所をそれぞれ点Ｊ−１、
Ｊ−２とすると、点Ｇ−２とＪ−２から中心Ｐを結ぶ直
線Ｍ−３とＭの各線上にそれぞれ点Ｇ−１とＪ−１が位
置しており、また他の各線状導体においても磁界内に電
流が流入する点と、磁界外に電流が流出する°点とを結
ぶ直線が前記界磁磁石の半径方向と一致しているもので
ある。

上記のように構成された電機子コイルについて、有効導
体部における、各線状導体（Ｖ−１・・・Ｖ−ｋ）に発
生する力は、たとえば線状導体Ｖ−１については、第２
図（ａ）で述べた角度αがゼロとなっているため該導体
に直角（υ１」ち腕Ｐ−Ｈに対しても直角）な力Ｆ１の
みであり、無効分力は発生せず、したがってトルクＴ１
は、磁界中における線状導体ｖ−１の長さをＬｌとし、
その中点をＨとしたとき腕Ｐ−Ｈの長さがＲ＋であれば
（磁束密度をＢ、電流を■としたとき）’ｌ’１＝１３
・■・Ｌｌ−Ｒ１ となり、回転力にのみ寄与するトルクが得られることと
ｊ、−る。

上記した例では、点Ｊ−１を従来コイルの線状導体Ｗ−
にと界磁磁石内周３−ｂとの交点として、直線Ｍ上に最
外周線状導体Ｖ−ｋを配したが、実際はこのような配設
を子ると隣接する他の電機子コイルと接触または重なシ
合ってしまうためＪ−１を内周３−ｂ上の直線Ｍ−１寄
りに選ぶようにすればよく、また、そうした場合でも放
射状となっておれば無効分力の発生は々く、本発明の効
果を完室咲現するものである。

第３図（ｂ）は、第３図（ａ）の詳細図によって説明し
た構成とした電機子コイルを、絶縁基板１上に複数個（
本図では３個）配設した配置図であるが、上述した隣接
する箇所を示す直線Ｍ上への線状導体の配設は避けてい
るものである。

ところで、第３図（ａ）において、有効導体部の各線状
導体の間隔は（放射状であるために）界ｆｆｌｆｆｌ石
の外周３−ａの近傍で最大となり、この間隔のまま屈曲
させて磁石外周に沿って配設すると、必要以上にコイル
面積が拡大することとなる。

そこで、本発明においては第４図（ａ）図示のように、
線状導体のＸ−Ｘ断面を示すと、一本の線状導体の巾ｄ
を有効導体部の最外部近傍（線状導体Ｖ−１においては
、点Ｇ−２の近傍）のそれより小とし、各線状導体を密
集して配設しである。

この方法は、絶縁基板上に配した導電材料をエツチング
によって線状導体とする方法であれば達成できるもので
ある。したがって本発明による実施例においては、電機
子コイルはエッチングによるいわゆるプリントコイルと
なっている。

しかし、上記した（ｄを小さくする）方法をとると、界
磁磁石の外周に位置する線状導体抵抗は大きくなり、無
効部分における電流ロスが大きくなる。

そこで、第４図（ｂ）図示のように、エツチング後の線
状導体Ｖ−１、Ｖ−２、・・・Ｖ−にの各上面にさらに
導電材Ｑ−ＩＸＱ−２、・Ｑ−ｋを付加することによっ
て抵抗の増加を防止している。このことによって、上方
向に厚さが増加するが、この箇所（界＠磁石３の外部で
外筒に沿った近傍）の上方向には接触すべき部材はない
ので支障とはならない。

導電材Ｑ−１、Ｑ−２、・・Ｑ’−ｋを付加する方法と
しては半田鍍金や蒸着による方法がある。

以上は、界磁磁石３の外周３−ａの外側にあってトルク
発生に寄与しない無効導体部についての説明であったが
、該界磁磁石３の内周３−すの内側にある無効導体部に
ついても第４図（ｂ）の方法が適応されるものである。

以上述べたように本発明によれば、有効導体部の線状導
体の配設を放射状にしたことにより、トルクに寄与しな
い無効分力を除去でき、結果的に損失となる雑音や振動
を減少させしたがって効率の改善も達成できるものであ
る。

また、本実施例においては界磁磁石が４極で電機子コイ
ルが３個の場合を示したが、同形状の電機子コイルであ
れば前記極数及びコイル数によらず効果が達成できるこ
とは明白である。

さらに、界磁磁石を外力によって回転させ、電機子コイ
ルから電気信号を取り出す発電機の構成とした場合でも
、無効分力がないということは発電においては、界磁磁
石がたとえば正弦波着磁の場合に、発電される波形は無
効成分のない（歪みの少ない）正弦波形となり無歪発電
に効果があるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は従来の電機子コイルの配置図、第１図（
ｂ）は界磁磁石の詳細図、第１図（Ｃ）は第１図（ａ）
における電機子コイル２−ｂの有効導体部と無効導体部
を示す詳細図、第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は従来の
電機子コイルの有効導体部における力の分布の説明図、
第３図（ａ）は本発明による電機子コイルの詳細図、第
３図（ｂ）は本発明による電機子コイルの配置図、第４
図（ａ）　（ｂ）は本発明による電機子コイルの断面図
をそれぞれ示す。 １　絶縁基板、　　２−ａ、２−ｂ、２−Ｃ１４−ａ、
　　４−ｂ、　　４　　ｃ−電機子コイル、３・・・界
ｅ＆両磁石　　Ｖ−１、−Ｖ−に、Ｗ−１、・・・Ｗ−
ｋ・・・線状導体。 特許出願人 （Ｃ） が−２ 弗２・−図 （（１＞ （枡　　　　　　　　　　（Ｃ） 蔓４　図 （ｄ） （イ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　エツチングにより、絶縁基板上に線状導体を
   略螺旋状に構成してなる電機子コイルにおいて、偏平で
   円環状をなし軸力向に着磁された複数の磁極を有する界
   磁磁石の磁界下にあって、トルク発生に寄与する部分を
   構成する複数の線状導体のそれぞれにおいて、磁界内に
   電流が流入する点と磁界外に電流が流出する点とを゛結
   ぶ直線が前記界磁磁石の半径方向と一致するように構成
   したことを特徴とする無効分力を除去した電機子コイル
   。
2. （２）　　前記特許請求の範囲第（１）項において、前
   記界磁磁石の磁界外にある線状導体に導電材料を付着し
   たことを特徴とする無効分力を除去した電機子コイル。