JPS5950761A - 永久磁石直流機の電動機フレ−ムおよび固定子組立体ならびに永久磁石直流機 - 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】 （技術分野） 本発明は永久磁石を有する直流機に関し、そのフレーム
を、そのフレームの内寸法および外寸法に比較してより
大型で強力な電機子を収納できるように構成したもので
ある。

本発明は永久磁石を有する直流電動機および発電機に等
しく適用可能である。例示の便宜上から、以下では電動
機を例にとって本発明を開示する。

（従来技術） 永久磁石直流電動機は、比較的小型、軽量の構造で比較
的大きな量の力を発生することができることから、極め
て広い範囲に適用されている。

この種電動機は、モータハウジングを形成するフレーム
の内部に構成されている。そのフレームは極数に応じて
、円形、矩形その他の断面形状とすることができる。フ
レームの内壁に沿って永久磁石が取付けられ、その内部
に取付けられる電機子が磁石に対して、わずかな間隔を
おいて回転できるようにフレーム内には十分な空間が残
されている。

円形状のハウジングを有する電動機においては、一般に
、磁石は弧状となして、ハウジングの内側にはめ込まれ
ている。

矩形状のフレームにおいては、磁石は、一方の側を平担
となしてフレームの平面状の側壁ニ貼着されている。あ
るいは、磁石を三角形状としてフレームの隅部に固定す
ることもできる。

電動機の電機子は、典型的には複数の巻線を有し、その
巻線は、ブラシおよび機械的な整流子を介して、あるい
は、多種類にわたるブラシレス整流子のひとつを介して
外部電力源に接続されている。その整流子は電機子巻線
に電圧が選択的に加えられるようにして、電機子におい
て発生する磁界が、平均して、永久磁石によって発生す
る固定子の磁界に対して９θ度の角度をもつようにする
。

直流電動機における電機子の磁界と固定子の磁界との間
の角度が平均して９０度であるので、電機子のシルクが
、理論的にその最大値をとる。

永久磁石モータにおける固定子磁界は永久磁石によって
発生するので、磁界の形成には電力は一切用いられない
。それゆえ、固定子磁束は電機子電流のすべてのレベル
において本質的に一定に維持され、速度−トルク曲線は
広範囲にわたって直線となる。数多くの応用にあたり、
このことは同等の巻線形フィールド電動機に対して、実
質的に有利な点である。特に、分巻電動機に関しては、
電機子反作用磁束は磁極片を介した低磁気抵抗経路に追
従する傾向がある。電流レベルが一層高くなると、磁極
の位置において角度のシフトをもたらし、かつ有効磁束
レベルを一層低下させてしまう。永久磁石電動機におい
て用いられる種類の永久磁石は極めて高い保磁力を有し
ているので、磁性材料は、電機子又作用磁界が入りこむ
ときには常に磁束のいかなる変化にも抗する。

永久磁石電動機には更に次のような利点もある。

力から機械的力への変換の際には常に巻線自身に熱損失
が生じるからである。それゆえ、永久磁石電動機は、本
質的に、電力供給の要求を簡単にし、それと同時に冷却
の要求も低くてすむ。ここに開示する本発明によれば、
これら永久磁石電動機の設計特性を更に向上させること
ができる。

直流電動機は、動作速度において、比較的大きい量のト
ルクを発生することができるので、電動機により、小さ
いスペースで比較的大きい量のトルクを作り出す必要が
あるロボット工学等の応用に対して常に大きな需要があ
る。

従来、永久磁石とフレームとを組合せた厚みが、より小
型で一層強力な永久磁石直流電動機の構成を制限する主
な要因となっていた。電気的電動機設計は磁界中に導線
を位置させることに基礎を置いている。コイルに巻回さ
れた導線の各１巻きは、フィルにより囲まれた空間に存
在する磁界の強さを増す。それゆえ、電動機の出力は、
永久磁石の周囲の空間あるいは電動機の空隙における磁
気、すなわち磁束の強さに依存する。そして、磁束は、
電動機中に存在する磁束密度、透磁率および磁界の強さ
を含むいくつかの他の要因に依存する。磁東密度はある
面積における磁束の密度の目安である。透磁率は媒体が
磁界を支持する度合いである。

比透磁率は種々の材料の磁界を支持する能力を表わすの
に用いる。空気の比透磁率はｌであり、これに対して鉄
や鋼などの強磁性材料の透磁率は数１００である。大抵
の電動機は鉄あるいは鋼で構成される。その理由は、鉄
材料を含む磁気回路の磁束は非鉄材料で構成された磁気
回路の数１００倍であるからである。最後に、磁界の強
さは磁気回路の周囲にどのように起磁力が用いられるか
を表わすものである。

これら要因のすべては、電動機フレームの構造に密接な
影響Ｂ及ぼす。たとえ十分な強度を有する材料を発見で
きたとしても、フレームを余り薄くすることはできない
。その理由は、フレームの質量およびフレーム材料の透
磁率を十分なものとして、永久磁石および電機子によっ
て発生した磁束を適切に伝達することが必要であるから
である。

電動機によって発生する力は電機子の直径の２乗と電機
子の長さとの積に比例する。同じ断面寸法を維持したま
まで出力を増大させるには、電動機を長くすればよい。

しかしながら、多くの場合、寸法上の制限によって電動
機の長さを増大させることはできない。これまで、電機
子の長さを長くすることなく電動機の出力を増大させる
唯一の他の方法は、電動機の断面寸法を大きくしてより
大きな直径を有する電機子を収容することであった。

この場合にも、一層強力な電動機は得られるものの、そ
の寸法を大きくすることによってのみ実現されることに
なる。

それゆえ、本発明は、電動機フレームの厚みを選択的に
減少させて、永久磁石を据えるくぼんだ座を形成する。

磁石座を設けることによって、種々の点において電動機
を通る磁束の伝達および流れを変化させることができ、
その結果として電動機の高効率化を実現できる。

（目　　的） それゆえ、本発明の目的は、フレームの内寸法および外
寸法に比較してより大型で強力な電機子を収納できるよ
うにした永久磁石直流電動機に対する電動機フレームお
よび固定子組立体を提供することにある。

本発明の他の目的は、電機子から電動機フレームの部分
への磁束の流れを変化できるようにし、以て正味の空隙
磁束を増大させるようにした構成を有する永久磁石直流
電動機を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、放熱特性を高めた永久磁石
電動機を提供することにある。

（発明の構成） 本発明では、これらＪ５よび他の目的を達成するために
、予定の長さであって、連続した壁を有し−その内表面
により、回転自在に取付けた電機子を収容する貫通空間
を限定してなる金属フレームを具える。そのフレームの
内壁には、そのフレームの周上に空間的に離れた間隙を
おいて、かつフレームの少くとも一部の長さにわたって
延在する複数の弧状にくぼんだ座を形成する。座の範囲
に沿ってフレームの壁の断面の厚みは減少する。座の形
状は弧状であるので、円弧を形成する。それぞれのくぼ
んだ座には永久磁石を配置する。磁石は座の１つに固着
されるための凸面と、空間に向きあう反対側の凹面とを
有する。凹面は全体として、電機子を収容する適切な寸
法を有する円弧を形成する。

以下に記述する本発明の好適な実施例によれば、フレー
ムの内壁は矩形状であり、フレームのｑつの平面状の側
面のそれぞれをくぼませて１つの磁石の座を設ける。本
発明では、フレームの内側および外側の隅部に丸みをつ
けるのが好適で坐る。　　　′さらにまた、名産の頂点
におけるフレームの壁の厚みを、それぞれの座の間の壁
の厚みの約半分にするのが好適である。

以下に開示する本発明の実施例によれば、フレームの１
辺の外側の長さに対する電機子の最大直径の比を、はぼ
ｌ対Ｏａｔ／とする。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

ここで、図面を特に参照するに、本発明に係る永久磁石
直流電動機を第１図の包括参照番号ｌθで（／り） 示す。電動機は、一般に、慣例の設計のスロット付の鉄
心電機子７．２を具え、その電機子／コは軸／３上に取
付けられて回転できるようにされている。電つジング／
乙によって覆う。第１ＩＪにおいて、キャップ／ｌＩと
アクセサリハウジング／Ａとの間には、一つの金属製の
電動機フレームモジュール〃を設ける。アクセサリハウ
ジング／乙、キャップ／りおよび２つの電動機フレーム
モジュール、２ｏを透磁性のあるボルト、２ユによりす
べて結合する。このボルトココは、適切に位置決めされ
、つき合せ可能に心合せされた孔２／（第３図参照）を
通して延在され、ナツト刀により固着する。第１図に例
示した特定の電動機は一つの電動機フレームモジュール
、２ｏを示しているが、本発明に係る電動機は、電機子
の長さおよびその他の事情に応じて、モジュール〃企７
つ具えたもの、そのようなモジュールを一つまたはそれ
以上具えたもの、あるいは、多数の磁石片を有する金属
フレームをｌっ具えたものとすることができる。

第３図はかかるフレームモジュール２０のうちの１つを
断面で示す。フレームモジュール−〇ハ、角をとって丸
くした内側および外側の隅部をもつけぼダ角形状であり
、その内部に空間、２４Ｚを形成する。

フレームモジュール、２０のグつの平面状内側面のそれ
ぞれには、適切な加工法によって、くぼんだ座ｊを形成
する。名題とを弧形状とし、相互に規則的なものとする
。すなわち、座おを形成したフレームモジュール曜の壁
が集合的に円を形成する。

それぞれの座２左の頂点あるいは中心におけるフレーム
モジュール〃の壁の厚みを、各座、２夕相互間における
壁の厚みのほぼ半分とする。それぞれの座おには弧状の
永久磁石、２７を配設し、例えばＲｅｘｉｔｅＰコＳＢ
　　（商品名）等の接着剤全用いて固着する。

磁石ハ「アルニコ（ａｌｎｉｃｏ　）　Ｊ　、セラミッ
クあるいはサマリウムコバルト型の磁石とすることがで
きる。かかる構成を第７図に分解して示す。磁石、２７
と、／または複数のフレームモジュールごとは電動機の
固定子組立体を集合的に構成する。

第５図はフレームモジュール〃をその内部に配設した電
機子／コの他の断面図である。第９図示のように、フレ
ームモジュール〃のりっの内側隅部Δにより比較的大き
な空間を形成する。この構成によって、電機子／λとフ
レームモジュールにとの響および永久磁石磁束は減少す
る。その理由は、磁束の相互作用は距離に反比例するか
らである。

加えて、第３図示の構成によれば、磁石コク同志の領域
および電機子７．２とフレームモジュール曜との間の領
域の容積が大であるので、より大きな冷却効果がある。

それぞれの磁石の裏側にある壁を薄くしたので、より一
層重要な効果が得られる。上述したように、座ｊの各々
の頂点における壁の厚みは、フレームモジュール３の他
の部分における壁の厚みの約半分である。壁の厚みを減
少させたことが、電動機動作中の磁束の流れに影響を及
ぼす。第６図は本発明により構成された電動機１０の磁
石磁束の結合（／り　） （図中上半分）と電機子磁束の結合（図中下半分）とを
示す。括弧（トＲ）をつけて示す領域１Ｂ゛′は、くぼ
みの裏側の薄い壁を貫く磁束密度が、フレームの他の領
域に比べてより一層高いことを示す。

電機子磁束の「ビンチング（ｐｉｎｃｈｉｎｇ　）　Ｊ
　＆；ｌよって、座Ｊの裏側の薄いフレーム壁において
磁気飽和が生じる。それゆえ、電機子磁束ζＪＲ小にな
る。

磁石の磁束は影響を受けないので、正味の空隙磁束が得
られ１それにより、発電機においては電圧出力が一層大
きくなり、電動機においてはより大きなトルクが発生ず
る。さらにまた、磁束が最小になるので、整流時の火花
発生が実質的に減少する。

再び、第６図を参照するに、括弧をつけて示す領域１Ｃ
”は座Ｊのひとつに対応して磁石の磁束のつながりにつ
いて示している。この磁石の磁束の結合は、直角に、磁
石、２７およびフレームモジュールにの隣接する壁の範
囲まで包含する。磁束の結合は、左右対称であり、座２
左の頂点において壁が最も薄くなっている点から発散す
る。この発散ｒ　ノ５？　） 点においては「零」となり、この領域で磁石の磁束の流
れが存在しないことを示している。この点においては磁
石の磁束の流れが存在しないので、その磁石の磁束は何
ら悪影響を受けない。

第３図に示したところから明らかなように、磁石コクを
座３のくぼみに設けることによって、ハウジングモジュ
ール〃の内部に電機子／コを収容可能なより大きな空間
を形成できる。従って、慣例の永久磁石電動機と等しい
外側寸法を有するフレームモジュールにによって、より
大きな電機子／、２を収容できることになる。例えば、
７辺の長さが１０．１　ｃｍ　（’１インチ）の慣例の
電動機フレームに設けることができる実用上最大の電機
子の直径は７＊Ａ　ｃｒＢ　（３インチ）である。本発
明に係る電動機フレームにおいては、直径ざ−３ｃｍ　
（３１／′ｌｌ−インチ）の電機子を収容できる。かか
る構成によれば、より大きな冷却能力およびその他の利
点を得ることができるのに加えて、より低出力の電動機
と同一の寸法でより強力な電動機を製作することができ
る。電機子７．２は、大きな表面積を有するので、それ
自体で冷却器として働く傾向にあり、従って熱をより速
かに放散できる。すなわち、慣例の電動機と等しいパワ
ー出力を発生する電動機を、より小さい寸法で製作でき
る。

このことを第３図に示す。第３図は、円形状（図中中央
）および矩形状（図中右）を有する従来の永久磁石電動
機の構成例と対比して、本発明によるフレームモジュー
ル〃および電機子／２（図中左）を示す。これら３つの
断面において、電機子は正確に同一寸法であり、その他
すべての要因も等しくして、実質的に同一の出力を発生
する。これから明らかなように、フレームモジュール〃
によって、より小型の電動機を実現できるようになる。

この要因は、速度のフィードバック制御のできる直流電
動機が、重量および寸法が制限要因となっている産業用
ロボットおよびその他の用途に用いるように適合するよ
うになるにつれてより一層重要となる。

上述と同様の概念を、円形フレーム電動機について説明
する。第２図は、参照番号り０で包括的に示す円形フレ
ーム電動機を示し、この電動機ｑｏは一端にエンドキャ
ップｌＩ／を具え、他端にアクセサリハウジングｌＩコ
を具える。一つの円形フレームモジュール＃をキャップ
／Ｉ／およびアクセサリハウジング侵と同心に配列し、
それらの側壁に、つき合わせ可能に心合せしてあけたボ
ルト孔グ６（第ｙ図参照）を通してポルドグ５を延在さ
せることによって、一つの円形７し呻ムモジュール件を
相互に接続する。フレームモジュール件の内壁により形
成された中央空間グクの内部にスロット付の鉄心電機子
りを取付けて回転できるようにする。第１図示の矩形電
動機ＩＯと同様に、第２図の一つのフレームモジュール
１ＩＩＩの例示も便宜上のものである。所望の特別の用
途に応じて、いかなる所望の長さの１個または複数個の
フレームモジュール４（ｆ　ｉ　用イることができる。

第７図において、フレームモジュール件の１つを断面図
で示す。フレームモジュール件の内壁には各象限にひと
つづつ、くぼみのついた座３０を形成する。フレームモ
ジュール〃における座３と同様に、６座ＳＯは隣接する
座と互いに直角になるようにする。座りθを適切に形成
して、６座Ｓθの対向する側壁と垂直な仮想の延長線に
より、フレームモジュール件に対して、半径ではなく接
線を定めるようにする。

弧状の永久磁石３−．２を各くぼみ５θにはめ合わせて
接着し、集合的に電動機の固定子組立体を構成する。矩
形フレームモジュール〃と同様に、フレームモジュール
件によれば、慣例の円形電動機ハウジングと全く同一の
外形寸法を有する電動機の内部に、より大きい電機子ｌ
Ｉｔを配置することができる。しかしながら、円形フレ
ームモジュール１ＩＩＩは本来対称形であるので、フレ
ームモジュール％における電機子磁束を減少させたこと
による利点は達成されるが、冷却能力を一層大きくする
ということはほぼ同程度に実現することはできない。

（効　果） 以上述べたように、本発明によれば、フレーム　　　゛
の内寸法および外寸法に比較して、より大型で強力な電
機子を収納できる永久磁石直流機を実現できる。

なお、本発明は、その範囲を逸脱することなく、種々の
細部を変更することができる。さらに、本発明に係る電
動機の好適な実施例についての上述した記載は、単に説
明のためのものであって本発明を何ら限定するものでは
なく、本発明は特許請求の範囲によって定義されるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る矩形のフレームを具えた永久磁石
直流電動機の例を示す斜視図、第２図は本発明に係る円
形のフレームを具えた永久磁石直流電動機の例を示す斜
視図、第３図は第１図示の電動機ｐｉｔ様子を省略して
示す断面図、 第９図は第、２図示の電動機を電機子を省略して示す断
面図、 第３図は第１図示の電動機について、説明のために電機
子の一部のみを断面として示す断面図、第６図は本発明
に係る矩形の電動機フレームハウジングおよび電機子の
断面図を、磁束の結合と電機子の磁束の結合とを破線で
示す断面図、第７図は本発明に係る電動機を部分的に破
断して示す斜視図、 第３図はそれぞれ同一寸法の％ｉ電機子含む３つの電動
機フレームを示す断面図であり、慣例の円形電動機フレ
ーム（図中央）および矩形電動機フレーム（同右）と対
比して本発明に係る電動機フレームを図中左に配して示
す断面図である。 ｌθ・・・永久磁石Ｔｔｉ流電動機、 ／２・・・電機子、 １３・・・軸、 ／ｌ・・・エンドキャップ、 １６・・・アクセサリハウジング、 １７・・・整流子、 〃・・・電動機フレームモジュール、 コト・・孔、 ２コ・・・ボルト、 ｎ・・・ナツト、 評・・・空間、 ｊ・・・座、 コア・・・永久磁石、 ４１ｏ・・・円形フレーム電動機、 ｑ／・・・エンドキャップ、 侵・・・アクセサリハウジング、 件・・・円形７レームモジユール、 グよ・・・ボルト、 １１Ａ・・・孔、 ｌＩ７・・・空間、 ｌＩｇ・・・電機子、 りＯ・・・座、 タコ・・・永久磁石。 特許出願人　　　パワトロン　ディビジョン　オブコン
トラヴエス　ゴーツ コーポレイション （Ｊ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／）　（ａ）　　予定の長さであって連続した壁を有し
   、その内表面により貫通空間を形成し、その貫通空間内
   に回転自在に取付けた電機子を収容するようにした金属
   フレームと、 （ｂ）該フレームの内壁に形成され、そのフレームの周
   上に空間的に離れた間隔をおいて、かつ前記フレームの
   少くとも一部の長さにわたって延在する弧状にくぼんだ
   座であって、該座の範囲に沿って前記フレームの壁の断
   面の厚みを減少させるようにした複数の座と、 （ｃ）　　該複数の座のひとつに嵌合して接着される凸
   面と、その反対側の、前記空間に対向する凹面とを有す
   る複数の永久磁石とを具え、 前記フレームの内寸法および外寸法に比較してより大型
   かつ強力な電機子を収納できるようにしたことを特徴と
   する永久磁石直流機の電動機フレームおよび固定子組立
   体０ コ）特許請求の範囲第１項記載の永久磁石直流機の電動
   機フレームおよび固定子組立体において、前記フレーム
   の内壁により円を形成することを特徴とする永久磁石直
   流機の電動機フレームおよび固定子組立体。 ３）特許請求の範囲第７項記載の永久磁石直流機の電動
   機フレームおよび固定子組立体において、前記フレーム
   の内壁により矩形を形成し、前記フレームのｑつの平面
   のそれぞれをくぼませて前記複数の座の１つを設けたこ
   とを特徴とする永久磁石直流機の電動機フレームおよび
   固定子組立体。 ｌＩ）特許請求の範囲第３項記載の永久磁石直流機のｔ
   ｇ動ｉフレームおよび固定子組立体において、前記フレ
   ームの断面は、はぼ矩形であり、前記フレームの内側お
   よび外側の隅部に丸みをつけたことを特徴とする永久磁
   石直流機の電動機フレームおよび固定子組立体。 夕）特許請求の範囲第グ項記載の永久磁石直流機の電動
   機フレームおよび固定子組立体において、前記フレーム
   の各辺の長さを１０．１　ｃｍ　（’Ｉインチ）となし
   て前記フレームが直径ｇ、３　ｃｍ　（３／／’Ｉイン
   チ）の電機子を収容するようにしたことを特徴とする永
   久磁石直流機の電動機フレームおよび固定子組立体。 ６）特許請求の範囲第３項記載の永久磁石直流機の電動
   機フレームおよび固定子組立体において、各班の頂点に
   おける前記フレームの壁の厚みを、各班の間の壁の厚み
   のほぼ一分のノにしたことを特徴とする永久磁石直流機
   の電動機フレームおよび固定子組立体。 り）特許請求の範囲第１項記載の永久磁石直流機の電動
   機フレームおよび固定子組立体において、前記磁石はサ
   マリウムコバルトであることを特徴とする永久磁石直流
   機の電動機フレームおよび固定子組立体。 ｆｆ）　　（ａ）　　予定の長さであって連続した壁を
   有し、その内表面により貫通空間を形成する金属フレー
   ムと、 （ｂ）　　該フレームの内壁に形成され、そのフレーム
   の周上に空間的に離れた間隔をおいて、かつ前記フレー
   ムの少くとも一部の長さにわたって延在する弧状にくぼ
   んだ座であって、該座の範囲に沿って前記フレームの壁
   の断面の厚みを減少させるようにした複数の座と、 （ｃ）　　該複数の座のひとつに嵌合して接着される凸
   面と、その反対側の、前記空間に対向する凹面とを有す
   る複数の永久磁石と、（ｄ）　　前記空間の内部に、前
   記磁石に対して間隔をおいて近接して配設されて回転す
   るようにした電機子とを具え、 マシンフレームの内寸法および外寸法に比較してより大
   型かつ強力な電機子を収納できるようにしたことを特徴
   とする永久磁石直流機。 ９）特許請求の範囲第３項記載の永久磁石直流機におい
   て、前記フレームの内壁により矩形を形成し、前記フレ
   ームのダつの平面のそれぞれをくぼませて前記複数の座
   の１つを設けたことを特徴とする永久磁石直流機。 ／の　特許請求の範囲第９項記載の永久磁石直流機にお
   いて、前記フレームの断面は、はぼ矩形であり、前記フ
   レームの内側および外側の隅部に丸みをつけたことを特
   徴とする永久磁石直流機。 ／／）　　特許請求の範囲第９項記載の永久磁石直流機
   において、前記フレームの各辺の長さを／θ０．２ＣＩ
   Ｉ（ｌＩインチ）となして前記フレームが直径ｇ、３ｃ
   ｍ　（３１７１１インチ）の電機子を収容するようにし
   たことを特徴とする永久磁石直流機。 ｌコ）特許請求の範囲第９項記載の永久磁石直流機にお
   いて、各班の頂点における前記フレームの壁の厚みを、
   各班の間の壁の厚みのほぼ一分の（り） ｌにしたことを特徴とする永久磁石直流機。 ／Ｊ）　　特許請求の範囲第３項記載の永久磁石直流機
   において、前記磁石はサマリウムコバルトであることを
   特徴とする永久磁石直流機。 ｌダ）特許請求の範囲第３項記載の永久磁石直流機にお
   いて、前記フレームは断面形状が円であることを特徴と
   する永久磁石直流機。 （以下、余白） （６）