JPS60241759A - 同期電動機 - 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〕 この発明は、同期電動機に関するものである。

〔背景技術〕

第１０図はハイブリッドステップ同期電動機の従来の回
転子を示し、６０は回転軸、６１は永久磁石、６２は磁
性体で形成された磁極歯であり、磁極歯６２は永久磁石
６１により有極化されて固定子（図示せず）に対向する
。

しかしながら、この回転子は、永久磁石６１を有するた
め回転子慣性が大きく、そのためステップ電動機に要求
される瞬時立上り特性が悪く、また回転応答周波数範囲
が狭いという欠点があった。

しかも永久磁石６１の外周に磁性体６２を包囲する構造
のため複雑で強度上問題があり、またコストアップにな
った。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、回転子慣性を小さくでき構造が簡単
で堅牢にすることができる同期電動機を提供することで
ある。

〔発明の開示〕

この発明の同期電動機は、径方向でしかも方向が逆に着
磁された一対の円筒状永久磁石を軸方向に固定配置し、
それぞれの永久磁石の外周に対応して外周に磁極歯を有
しかつ相互間に磁気抵抗部を介在した一対の回転体を有
する回転子を遊嵌し、回転子の外周に固定子磁極子を固
定配置するとともにこの磁極子を励磁する励磁コイルを
設け、かつ前記磁極歯を永久磁石により有極化すること
を特徴としている。

このように構成したため、回転子から永久磁石を外すこ
とができ、しかも円筒状であるので回転子慣性を著しく
低減することができる。また磁性体と永久磁石とを結合
しなくてよいので構造が簡単になり、堅牢にでき、コス
トダウンを図ることができる。しかも回転子はＮ極とＳ
極とを有するので固定子との相互作用は強い。なお、固
定子の構造は従来と同様のものでよい。

この発明の一実施例を第１ないし第９図に基づいて説明
する。すなわち、この同期電動機は、固定子の構造上自
起動性を有するもので、まずこの同期電動機の動作原理
を第１図および第２図により説明する。すなわち、■は
回転子、２はコイル、３．４はヨーク５，５′に設けら
れた固定子磁極歯であり、回転子ｌは周面の周方向に多
数の磁極が交互に異なる極性で等間隔に着磁されている
（Ｎ、Ｓで表示）。またヨーク５．５′は相嵌合するこ
とによりコイル２のコイル枠２ａを抱持し、その固定子
磁極歯３．４がコイル２の内周で軸方向の両側から交互
に行き違いとなるように延出している。これらの固定子
磁極歯３．４の内周に回転子１が配設されてその磁極面
（Ｎ、Ｓ）が所定のギャップ（たとえば約０．３１）で
固定子磁極歯３．４に径方向に対向する。

固定子磁極歯３．４と回転子ｌの磁極（Ｎ、Ｓ）の関係
を展開状態で第２図に示す。まず、回転子ｌの磁極Ｎ、
Ｓの中心間間隔を電気角でα＋β／２とする。ここでα
＜１８０’、１８０°〈β。

α＋β−３６０°である。固定子磁極歯３．４はその幅
が相互に異なり、しかも細幅磁極歯３は一回転方向に偏
位して第２図ｆａｌのように細幅磁極歯３とその偏位側
の大幅磁極歯４との間隔をαとし、偏位方向と反対側の
大幅磁極歯４との間隔をβとなるようにしている。

このような構成において、無励磁状態では回転子ｌは磁
極Ｎが大幅磁極歯４に対して第２図ｔａｌの関係で安定
するか磁極Ｓが第２図（ｂｌの関係で安定する。これら
はいずれも回転子１の磁極Ｎ、Ｓの幅中心Ｘが大幅磁極
歯４の幅中心Ｙよりもさらに細幅磁極歯３の偏位方向Ｐ
と同方向に偏位した状態で安定している。この理由は、
無励磁状態では固定子磁極歯３．４に対して回転子１の
磁極Ｎ。

Ｓにより第２図＋ａ＋、　（ｂｌのいずれも吸引力が働
き、その周方向の吸引力成分は太幅磁極歯４よりも細幅
磁極歯３の方が、径方向対向面よりも周方向対向部分が
大となるため大きくなることによる。そのため細幅磁極
歯３の幅中心Ｚにどれに対向する磁極ＮまたはＳの幅中
心Ｘが一致するように接近してつり合うこととなる結果
、大幅磁極歯４の幅中心Ｙに対してこれに対向する磁極
Ｓ、またばＮの幅中心Ｚが偏位方向Ｐに偏位する。

つぎに励磁コイル２に交流が印加されると、ヨーク５．
５′および磁極歯３．４間のギヤツブを通じて磁路が形
成されるため、磁極歯３．４に対向磁極が現われる。交
流の半サイクルにおいて大幅磁極歯４がＮ極になったと
すると、細幅磁極歯３はＳ極となり、第２図ｔａｌに示
す状態となり、磁極歯３．４はそれぞれ回転子１の磁極
Ｎ、Ｓと同磁極となるため反発する。この場合、磁極Ｎ
の幅中心Ｘが大幅磁極歯４の幅中心Ｙから偏位方向Ｐに
偏位しているため大幅磁極歯４が細幅磁極歯３例の回転
子１の磁極Ｓと大きな吸引作用を生じ、この吸引力と前
記反発力により回転子ｌを偏位方向Ｐに回転させる。こ
のときの安定位置は、励磁状態では表面積の大きい大幅
磁極歯４の方が磁気的相互作用が大きくなるため、大幅
磁極歯４の幅中心Ｙに回転子ｌの磁極Ｓの幅中心Ｘを接
近させようとして第２図（Ｃ）の状態、すなわち無励磁
状態（第２図（ａ））よりもやや細幅磁極歯３側に接近
してつり合う。交流の半サイクルが終了した電位Ｏの状
態では無励磁となるため前記励磁状態の安定位置から前
記無励磁状態の安定位置へ移動する（したがって偏位方
向Ｐと同方向にわずか回転する）。続く残りの半サイク
ルについても同様に同じ動作で偏位方向Ｐに回転し、第
２図１ｄｌの励磁状態の安定位置に移動し、その半サイ
クルの終了点で第２図１ｄｌの位置と同じ無励磁安定状
態となる。

このようにして、自起動回転が半サイクル毎に行われ、
交流ｌサイクル当り、電気角α＋β＝３６０゜分偏位方
向Ｐに回転することとなる。

なお、無励磁状Ｗ３（第２図（８））で、交流が印加さ
れたときの半サイクルにおける大幅磁極歯４の極性がＳ
極になったとき（第２図山）で磁極歯４がＮ極になった
ときも同様）、相互に吸引力となるため回転方向（Ｐ）
と逆方向に励磁状態の安定位置へ回転するが、つぎの半
サイクルでは先に説明した第２図１ｄｌの励起状態とな
るため以降回転方向（Ｐ）に自起動回転する。

以上のような動作をする磁極歯３．４の幅の最適値は磁
極歯３の幅が磁極歯４の幅の約１／２〜１／３であり、
また磁極歯３の偏位量は１３０゜〈α＜　１５０’　（
したがって２１０°〈β〈２３０°）すなわち磁極Ｎ、
３間ピンチの間隔隔てた位置から３０°〜５０’である
。

つぎに、この発明の一実施例である第３図ないし第９図
において、ケース６は円筒形磁性体で形成され、固定子
ヨーク７と中心ヨーク８とを一体形成し、開口９を磁性
体カバーｌＯで閉塞している。中心ヨーク８は外周に円
筒状永久磁石１１゜１１′をかしめまたは接着剤により
嵌着し、これらの磁石１１．１１’は径方向に着磁（Ｎ
、Ｓで表示）されているが、磁化方向は異なっている。

磁石１１．１１’の相互間には磁気効率のため磁気抵抗
部（空隙等）１１ａを形成している。また中心ヨーク８
の空洞部の両端に一対の軸受１２．１２’が設けられ、
軸受１２，１２’に回転軸１３が軸支されている。回転
軸１３の一端部に非磁性金属保持板１４が取付けられ、
この保持板１４に円筒状磁性体で形成した一対の回転体
１５ａ、１５ｂが非磁性体よりなる磁気抵抗部１５Ｃを
介して一体的に連結され、その外周にそれぞれ等幅かつ
等間隔にたとえば５０個の磁極歯１６ａ、１６ｂを形成
し、さらに第５図のように互いに回転方向に半ピツチず
れるようにすなわち磁極歯器ａ、１６ｂ間の凹部に磁極
歯１６ｂが位置するように形成される。これらの回転体
１５ａ、１５ｂは焼結によりまたはうず電流損を考慮し
て磁性薄板を歯車状にプレス加工し軸方向に積層し、ビ
ン等により一体にかしめて形成することができる。この
ように、構成された回転子１５は保持板１４に保持され
て永久磁石１１．１１’の外周に所定のギヤ・ノブでｍ
欣された状態になる。

一方、固定子ヨーク７の内側で回転子１５の外周に対向
するように固定子１７が嵌着される。固定子１７はコイ
ル枠１８に励磁コイル１９が巻装され、コイル枠１８の
外周を包むようにヨーク２０が設けられ、コイル枠１８
の内周で軸方向の両側部から対向方向に互いに行き違い
となるように磁極歯片２１，２２を延出し、各磁極歯片
２１，２２が回転体１５ａ、１５ｂの軸方向にまたがる
ように配設されかつ周方向に交互に並べられる。各磁極
歯片２１，２２は所定数の固定子磁極歯２３゜２４を形
成しているが、このような磁極歯片２１゜２２はヨーク
２０から一体延出して折曲により形成するか、ヨーク２
０の両側部に孔を設けて別途用意した磁極歯片をその孔
に装着するようにしてもよい。

固定子磁極歯２３．２４と回転子１５例の磁極歯１６ａ
、１６ｂの関係は第８図のようにしている。すなわち、
第８図は回転体１５ａ、１５ｂを側面からみたもので、
磁極歯１６ａ、１６ｂは相互に半ピツチずれているため
、投影状態では両回転体１５ａ、１５ｂにより周方向に
連続的に磁極歯１６ａ、１６ｂが現れるが、わかりやす
くするために実線で回転体１５ａを示し、破線の部分で
回転体１５ｂの磁極歯１６ｂを示す。また固定子側の磁
極歯片２１の各磁極歯２３は回転体１５ａの磁極歯１６
ａと等間隔に設けられて相対向し、また磁極歯片２２の
磁極歯２４は回転体１５ｂの磁極歯１６ｂと等間隔に対
向するが、前記磁極歯２３よりも細幅でしかも回転子１
５の一周方向に所定量偏位している。この磁極歯２３，
２４の幅の大きさの関係および偏位量は第１図および第
２図の場合と同様である。したがって第９図の展開状態
で、各磁極歯片２１．２２の磁極歯２３．２４を相互に
交互に並べた場合を想定するとく想像線で示す）、磁極
歯１６ａ、１６ａ間（１ピツチ）がα＋βとして、細幅
磁極歯２４とその偏位側の太＠磁極歯２３との間隔は電
気各α、偏位側と反対側の大側磁極歯２３との電気各β
となり、磁極歯１６ａ、１６ｂが永久磁石のように着磁
されていない点を除けば想像線で示す磁極歯２３’、２
４’が間引きされただけで実質的に第２図（ａ）と同構
成になる。

この同期電動機の無励磁状態では、永久磁石１１のＮ極
、ギャップＧｌ、磁極歯１６ａ、ギャップＧ２、磁極歯
２３．２４、ヨーク２ｏ、固定子ヨーク７、中心ヨーク
８、永久磁石１１のＳ極の経路で磁束が流れ、このため
磁極歯１６ａにはＮ極が現われ、同様にして磁極歯１６
ｂにＳ極が現われ、全体として１００極分の磁極歯が構
成されたことになる。したがって、無励磁での安定位置
は第２図ｔａｇ、　ｔｂｌの場合と同様、大幅磁極歯２
３に対向する磁極歯１６ａの幅中心Ｘが幅中心Ｙよりも
偏位方向Ｐに所定量偏位したものとなる。さらに磁極コ
イル１９に交流を印加すると、半サイクル毎に磁極歯２
３．２４に相対向する磁極Ｎ、Ｓが交互に表われるため
、前記動作原理に従って半サイクル毎に回転子１５が半
ピンチ回転することとなる。こうして、たとえば交流が
６０）１ｚ出１２０極の場合１　／　６　ｒｐｍの超低
速を得ることができ、たとえば自動記録計のチャート送
りゃ電動タイプライタ−等の駆動源に使用でき、また入
力周波数を可変することで回転数を制御することができ
、また一定の直流電圧を印加した場合電動機は回らない
が回転子１５を安定位置にロックして保持する力（ホー
ルディングトルク）を発生するので位置決め装置にも使
用でき、ステップ電動機として使用することができる。

このように構成したため、この実施例は、磁石１１．１
１’を回転子１５側に設けないことにより、回転子慣性
が約１／３に小さくなり、共振点も高周波側に移り、起
動周波数範囲を広くとれる。

また、固定子１７側の磁極歯２３．２４も間引き構成と
するとさらに固定子１７例の構造が簡単になり製造容易
になる。さらに回転子構造を単純。

堅牢かつ安価にすることができる。また効率および回転
力に優れ、無励磁安定性が高く保持力が高いためステッ
プ動作できるので用途が広がる。

この実施例の変形例として、磁極歯２３．２４は磁極歯
片２１．２２として各磁極歯１６に対応して形成される
構成でもよい。−力値極歯２３゜２４は少なくとも１個
ずつ設けられればよい。自起動回転力は磁極歯幅の相違
による磁気的相互作用の回転方向成分の大きさの差と細
幅側磁極歯の一方向の偏位により達成されるからである
。その他各磁極歯２３．２４は磁極歯１６のピッチの整
数倍ごとに設ける態様が考えられる。また磁極歯２３．
２４の個数が多い場合は磁極歯相互はほぼ等しい数だけ
設けられればよいが少ない場合は等しくする必要がある
。無励磁状態の偏位は磁極歯２３．２４の相互の回転方
向吸引力成分の大きさの差異によるからである。さらに
磁極歯２３．２４は磁極歯＋６ａ、１６ｂのピッチの整
数倍の幅たとえば前記実施例の磁極歯片２１．２２自体
を磁極歯とし磁極歯２６．２７を除いたものでもよい。

無励磁の回転方向吸引力成分および励磁時の回転方向の
磁気力は磁極歯２３．２４の両側縁とその両側縁に対向
する磁極歯１６の周方向に対向する部分との間で主に生
しるからである。さらに前記とは逆に磁極歯１６ａ、１
６ｂ側を異幅かつ偏位させたり、磁極歯２３．２４側に
設定磁極数形成し、磁極歯１６側を間引き構成する等の
態様でも自起動性が得られる。また無励磁における磁束
の経路は、固定子ヨークと中心ヨークとを介さずに磁石
１１のＮ極、ギャップＧ１１回転体１５ａ、ギャップＧ
２．磁極歯２３．２４．ギャップ　Ｇ′２゜回転体１５
ｂ、ギャップｃ’、、磁石　１１′のＳ極、同Ｎ極、中
心ヨーク、磁石１１のＳ極で構成されるようにしてもよ
い。

〔発明の効果〕 以上のように、この発明の同期電動機によれば、効率お
よび回転力ともに優れるとともに回転慣性を著しく低減
でき速度制御範囲を拡大でき、回転子構造が節中かつ堅
牢にてき安価にしうるとともに、無励磁安定性が高くま
た保持力が高くステップモータとしても有益であるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の動作原理を説明するため
の電動機の分解斜視図、第２図はその無励磁および励磁
における動作説明図、第３図はこの発明の−・実施例の
断面図、第４図は回転子の斜視図、第５図はその部分拡
大斜視図、第６図は回転子および固定子の一部破断分解
斜視図、第７図は磁極歯片の斜視図、第８図は磁極歯の
位置関係を示す説明図、第９図はその展開状態の説明図
、第１Ｏ図は従来例の一部破断斜視図である。 １１．１１’・・・永久磁石、１３・・・回転軸、１５
・・・回転子、１５ａ、１５ｂ・・・回転体、１５ｃ・
・・磁気抵抗部、１６ａ、１６ｂ・・・磁極歯、１７・
・・固定子、１９・・・励磁コイル、２０・・・ヨーク
、２１．２２・・・磁極歯片、２３．２４・・・磁極歯
（磁極子）） 第１図 第８図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軸方向に並列に固定配置されて径方向に着磁されるとと
   もに互いに磁化方向が逆となる一対の円筒状永久磁石と
   、これらの永久磁石にそれぞれ所定のギヤツブを介して
   遊をされ相互間を磁気抵抗部を介して連結するとともに
   外周面にそれぞれ所定の磁極歯を形成した一対の磁性回
   転体を有する回転子と、この回転子の外周面に固定配置
   されて前記磁極歯に所定のギヤツブを介して対向する固
   定子磁極子と、この固定子磁極子を励磁する励磁コイル
   とを備え、前記回転子の一対の回転体の磁極歯をそれぞ
   れ前記永久磁石により有極化する磁路を構成した同期電
   動機。