JPS6046632B2 - 電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は究極構造の電機子鉄心を有する電動機に関す
るものである。

一般に、巻線を施すために電機子鉄心を究極構造にし
た電動機は、究極構造でない電動機と比較して巻線に多
くの界磁磁束を鎖交させることができるため、小型、軽
量で大きな出力トルクを出す電動機となる。

しかし、電機子鉄心が究極構造という磁気的に不均一
な構造であるために、たとえば界磁部として永久磁石を
使用する場合、永久磁石との相互作用によつてコギング
カを発生させるという欠点がある。

以下、このことについて図面を参照して説明する。 第
１図は従来の電動機の一例の要部構成図てある。

同図において、ロータ１に取付けられた永久磁石２は、
等角度間隔（９０゜）または、ほぼ等角度間隔に４極の
磁極を有する円環状の磁石であり、界磁部を構成してい
る。電機子鉄心３は、３個の巻線用突極４ａ，４ｂ，４
ｃを有し、それらは等角度間隔（１２０ｂ）または、ほ
ぼ等角度間隔に位置し、前記永久磁石２の磁極と所要間
隙あけて配置されている。

各巻線用突極４ａ，４ｂ，４ｃの先端部の幅（以後、こ
れを対向ピッチと呼ぶ）は、永久磁石２の１磁極ピッチ
とほぼ等しく、突極に流入する磁束の最大値を大きくす
るように考えられている。また、各巻線用突極４ａ，４
ｂ，４ｃには、それぞれ１個の駆動コイル５ａ，５ｂ，
５ｃが巻装されている。前記巻線用突極４ａ，４ｂ，４
ｃは永久磁石２の磁極との相対位置関係について独立な
３相に分かれている。

従つて、たとえばホール素子などの磁気感応素子により
、永久磁石２の回転位置を検出し、トランジスタのごと
き半導体スイッチによつて、通電する駆動コイルを順次
切換えて行くならば、ロータ１を同一方向へ連続して回
転させ得る。次に、このような第１図の従来例の電機子
鉄心３が有する磁気的な変動分とコギングカの関係につ
いて説明する。

一般に、永久磁石２と電機子鉄心３の間の磁場に貯えら
れた磁気エネルギーが、その両者の相対位置に応じて変
価することにより、コギングカが生じる。

磁気エネルギーは磁束密度の２乗に関係する量であるか
ら、永久磁石２は１磁極ピッチを基本周期として、その
高調波成分の磁気的な変動分を主に有している。従つて
、永久磁石２の１磁極ピッチを基本周期として、電機子
鉄心３の磁気．的な変動分を考えれば良く、一般に、そ
の変動分を小さくするか、変動の周波数を高くするなら
ば、永久磁石２との相互作用であるコギングカは小さく
なる。第１図に示す従来例の電機子鉄心３の磁気的な．
変動は突極の間の溝６ａ，６ｂ，６ｃにより生じ、永久
磁石２の表面の各点からみた電機子鉄心３のパーミアン
ス（磁気抵抗の逆数）の場所的な変動によつて表わされ
る。

上記各溝６ａ〜６ｃは、ほぼ同一の形状をなし、永久磁
石２の磁極と・の相対位置関係について溝６ａ，６ｂ，
６ｃの間には１磁極ピッチの１１３の位相差がある。従
つて、電機子鉄心３の有する合成の磁気的な変動分は第
２図に実線で示すようになる。なお、第２図に示す破線
Ａ，ｂ，ｃは各溝６ａ，６ｂ，６ｃの磁気的な変動分を
表わしている。第２図から明らかなように、第１図に示
す従来例の電機子鉄心３の磁気的な変動分は３つの山、
谷を有する大きな変動となる。

その結果、コギングカもロータの１磁極ピッチの回転に
対して力速方向一減速方向一加速方向と３回力の向きが
変化する。もちろん、第１図に示す従来例の電動機にお
いノて、突極の間の溝を小さくするように、巻線用突極
の対向ピッチを広げるならば、電機子鉄心３の磁気的な
変動の大きさは小さくなり、コギングカを減少させるこ
とが可能となる。

しかし、そのようにした場合には巻線用突極の対向ピッ
チが１磁・極ピッチよりも、かなり大きくなるため、巻
線用突極に流入する磁束の最大値が減少して効率が低下
すると共に、ロータの回転に対する磁束の増加率（また
は減少率）が一様となる範囲が狭くなり、その結果、発
生トルクの変動が大きくなるた”め、好ましくない。本
発明は、以上の点を考慮して、効率を低下させることな
くコギングカを容易に小さくし得る電動機を提供するも
のてある。

第３図に本発明の一実施例の要部構成図を示す。

これを説明すると、ロータ１に取付けられた永久磁石２
は、等角度間隔（９００）または、ほぼ等角度間隔に４
極の磁極を有する円環状の磁石であり、これは第１図の
示来例と同様である。電機子鉄心１３は、外周に３個の
巻線用突極１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、３個の補助突極
１７ａ，１７ｂ，１７ｃを放射状に一体的に有しており
、これは例えば硅素鋼板の積層体によつて構成されてい
る。上記巻線用突極１４ａ〜１４ｃと補助突極１７ａ〜
１７ｃとは図示のごとく、それらの中心線の間が回転中
心すなわち、点に対して等角度間隔（６０回）または、
ほぼ等角度間隔となるように交互に配置されている。ま
た、各巻線用突極１４ａ，１４ｂ，１４ｃには、それぞ
れ１個の駆動コイルが巻装されており、それらは永久磁
石２との相対位置関係について独立な３相に分かれてい
る。従つて、たとえばホール素子などの磁気感応素子に
より永久磁石２の回転位置を検出し、トランジスタのご
とき半導体スイッチによつて、通電する各相の駆動コイ
ルを順次切換えて行くならば、ロータ１を同一方向へ連
続して回転させることができる。なお、かかる駆動回路
については周知のものを使用できるので、ここでの詳し
く説明は省略する。次に、本実施例の電機子鉄心１３が
有する磁気的な変動分について説明する。

電機子鉄心１３は、前述のように各巻線用突極１４ａ，
１４ｂ，１４ｃの間に補助突極１７ａ，１７ｂ，１７ｃ
を有している。その結果、電機子１３全体として見た場
合、突極の間の溝は１６ａ１，１６ａ２，１６ｂ１，１
６ｂ２，１６Ｃ１，１６Ｃ２と６つに増え、それぞれの
角度間隔はおよそ１０５６と１５６になつている。上記
各溝１６ａ１，１６ａ２，１６ｂ１，１６ｂ２，１６Ｃ
１，１６Ｃ２の幅は第１図の従来例（約３０１）と較べ
て約１０のであるため、それぞれの溝による磁気的な変
動分は小さく、また、各溝の位相は永久磁石２の磁極と
の相対位置関係について１磁極ピッチの１１６の位相差
で個々の独立な位相となつている。そのため、各溝１６
ａ１，１６ａ２，１６ｂ１，１６ｂ２，１６Ｃ１，１６
Ｃ２の磁気的な変動分は〜第４図に破線Ａｌ９ａ２９ｂ
ｌ９ｂ２９ｃｌ９ｃ２で示すようになる。従つて、電機
子鉄心１３としての合成の磁気的変動分は第４図に実線
で示すように６つの山、谷を有するようになる。これを
第１図に示す従来例の場合（第２図の実線）と比較する
と、変動の大きさは小さくなり、かつ変動の支配的な成
分の次数も２倍の高次となつている。一般に、コギング
カの各成分の大きさは、電機子鉄心の有する該当成分の
大きさと、界磁部である永久磁石の有する該当成分の大
きさの積に関係し、その積が小さくなればコギングカの
該当成分の大きさも小さくなる。また、永久磁石の有す
る成分は、通常、高次の成分になる程、その大きさは減
衰する。従つて、電機子鉄心の有する磁気的な変動分の
大きさが小さい点と、変動の支配的な成分の次数が高次
であることにより、第３図に示す本発明の実施例のコギ
ングカは著しく小さくなつている。

以上の説明から明らかなように、電機子鉄心の有する磁
気的な変動分の大きさを小さくするか、または、その支
配的な成分の次数を高次にするならば、コギングカを容
易に小さくできる。本発明は、電機子鉄心の突極の間の
溝が永久磁石の磁極との相対位置関係について独立な位
相となる相数を多くするように磁性体製補助突極を巻線
用突極間に配設することにより、前述の条件を実現した
ものである。また、前述の本発明の実施例のように補助
突極が配置されるならば、巻線用突極の両側に位置する
溝の間隔が小さくできるため、巻線用突極の対向ピッチ
を容易に１磁極ピッチに近づけることができる。

従つて、効率の良い、トルク変動の少ない電動機となる
。本発明は補助突起を配置するため、永久磁石の極数に
比較して巻線用突極の数が少ない場合に効果的である。
従つて、駆動コイルの個数が少ない製造の簡単な電動機
を安価に得ることができる。なお、前述の第３図の実施
例では、永久磁石の１磁極ピッチの２倍を基本周期とす
るときの磁極との相対位置関係について、電機子鉄心の
有する巻線用突極が独立な位相となる相数は３相であり
、補助突極を設けることにより、電機子鉄心の有する突
極間の溝による磁気的な変動分の支配的な成分の次数を
６にして、コギングカを減少させた。

一般に、相数が（２ｒＴ１＋１）相（ただし、ｍ≧１）
の場合には、電機子鉄心の有する磁気的な変動分の支配
的な成分の次数を１とすると、とする→又に請献コギン
グカを小さくすることができる。

前述の第３図の実施例に示すように、巻線用突極と補助
突極を、それらの中心線の間が回転中心０に対して等角
度間隔または、ほぼ等角度間隔となるごとく交互に配置
し、巻線用突極の両側に位置する溝の間隔を１磁極ピッ
チのはぼ〔１±１１２（２ｒＴ１＋１）〕倍にするなら
ば、容易に上記の条件を実現できる。もちろん、それ以
外の配置でも可能であることはいうまでもない。また、
前述の実施例では、巻線用突極と補助突極とを同一の磁
性体にて形成した電機子鉄心を使用しているために、各
突極の配置、形状の精度は良くなつている。

しかし、本発明はそのような構造のみに限定されるもの
ではなく、第５図、第６・図に例示するごとき構造のも
のも含まれる。これについて説明すると、第５図は本発
明の別の実施例の要部構成図であり、図中のロータ１お
よび永久磁石２は前述の第３図の実施例と同様てある。
３個の巻線用突極２４ａ，２４ｂ，２４ｃを放射状に有
する巻線用突極構成体２２と、３個の補助突極２７ａ，
２７ｂ，２７ｃを放射状に有する補助突極構成体２３と
で電機子鉄心が形成され、かつ上記２２と２３は磁気的
に結合されている。

上記巻線用突極２４ａ〜２４ｃと補助突極２７ａ〜２７
ｃは、それらの中心線の間が回転中心０に対して等角度
間隔（６００）または、ほぼ等角度間隔となるごとく交
互に配置され、また、各巻線用突極２４ａ，２４ｂ，２
４ｃには、それぞれ１個の駆動コイル２５ａ，２５ｂ，
２５ｃが巻装されている。本実施例においても巻線用突
極は永久磁石２の磁極との相対位置関係について独立な
３相に分かれており、その駆動原理は前述の第３図の実
施例と同様である。第５図の実施例においては、巻線用
突極２４ａ，２４ｂ，２４ｃと補助突極２７ａ，２７ｂ
，２７ｃによつて形成される溝２６ａ１，２６ａ２，２
６ｂ１，２６Ｙ）２，２６ｃ１，２６ｃ２において、溝
２６ａ１と２６ａ２との角度間隔、溝２６ｋｇと２６ｂ
２との角度間隔および溝２６Ｃ１と２６Ｃ２との角度間
隔を４５角とし、また、溝２６Ｃ２と２６ａ１との角度
間隔、溝２６ａ２と２６ｂ１との角度間隔および溝２６
■と２６Ｃ１との角度間隔を７５角としている。その結
果、上記６つの突極間の溝２６ａ１，２６ａ２，２６ｂ
１，２６］）２，２６ｃ１，２６ｃ２は、永久磁石２の
１磁極ピッチを基本周期とするとき、それぞれが独立な
位相となる。また、それらの各溝の間隔も狭くできるた
め、各溝による磁気的な変動分は小さくなる。従つて、
本実施例の電機子鉄心の有する突極の間の溝による磁気
的な変動分は小さくなり、かつ変動の支配的な成分の次
数も高くなる。その結果、本電動機のコギング力は小さ
くなる。このように、巻線用突極構成体２２と補助突極
構成体２３とを別々の磁性部材にて形成するならは、駆
動コイルを巻装した後に両者を連結すれば．良いから製
造が容易となる。

また、突極の間の溝幅も容易に狭くできる。また、本実
施例に示すように、巻線用突極の対向ピッチが永久磁石
の１磁極ピッチよりも短くなつた場合でも上述と同様の
効果が得られることは・いうまでもない。

更に、前述の第３図および第５図に示した本発明の実施
例は、いずれも３相駆動方式の電動機について示し奇数
相の場合について説明したが、本発明はそのような構造
のみに限らず、偶数相の場合でも実施できる。

第６図は４相駆動方式として本発明のもう一つの実施例
の要部構成図てある。

これを説明すると、ロータ３１に取付けられた永久磁石
３２は等角度間隔（６０に）または、ほぼ等角度間隔に
６極の磁極を有する円環状の磁石である。電機子鉄心３
３は、４個の巻線用突極３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４
ｄと４個の補助突極３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄを
有し、それらの突極は、それらの中心線の間が回転中心
０に対して等角度間隔（４５０）となるごとく交互に配
置されている。各巻線用突極３４ａ〜３４ｄには、それ
ぞれ１個の駆動コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ
が巻装されている。また、上記各巻線用突極３４ａ〜３
４ｄは永久磁石３２の磁極との相対位置関係について、
独立な４相に分かれている。

従つて、この実施例においても、たとえばホール素子な
どの磁気感応素子により永久磁石３２の回転位置を検出
して、半導体スイッチにより、通電する各相の駆動コイ
ルを順次切換えて行くならば、ロータ３１を同一方向へ
連続して回転させることができる。この第６図の実施例
においては、巻線用突極３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４
ｄの両側に存在する溝３６ｄ２と３６ａ１，３６ａ２と
３６ｂ１，３６ｂ２と３６Ｃ１，３６Ｃ２と３６ｄ１の
間隔を１磁極ピッチの約５１４（７５０）となし、各巻
線用突極３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの間に補助突
極３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄを配置して、突極の
間の溝の４組３６ａ１，３６ｃ１，３６ａ２，３６ｃ２
，３６ｂ１，３６ｄ１，３６１），，３６ｄ２が永久磁
石３２の１磁極ピッチを基本周期とするときの磁極との
相対位置関係について独立な位相となつている。それら
の構による磁気的な変動分を示すと第７図ａの鎖線Ａｌ
，ｃｌ，ａ２，Ｃ２，ｂｌ，ｄｌ，ｂ２，ｄ２のごとく
となり、それらの合成変動分は同図に実線で示すごとく
となる。なお、同図においては溝３６■，３６ｄ２を基
準とした。参考までに補助突極を設けない場合すなわち
、第６図において補助突極３７ａ〜３７ｄを除去した場
合の電機子鉄心の磁気的な変動分を第７図ｂに示す。第
７図Ａ，ｂを比較すると明らかなように、本発明のごと
く補助突極を設けることにより電機子鉄心の磁気的な変
動分の大きさは小さくなり、かつ、変動の支配的な成分
の次数も２から４へと２倍の高次となつている。従つて
、本実施例の電動機はコギングカが小さいものであるこ
とがわかる。このように、永久磁石の１磁極ピッチの２
倍を基本周期とするときの磁極との相対位置関係につい
て、独立な位相となる巻線用突極の相数が偶数であつて
も、本発明は実施できる。

特に、相数を２ｒＴ１（ただし、ｍ≧２）とするとき、
電機子鉄心の磁気的な変動分の支配的な成分の次数１を
、とするように補助突極を配置するならば、コギングカ
を容易に小さくさせ得る。前述の本発明の各実施例で示
したように、巻線用突極と補助突極を、それらの中心線
の間が回転中心に対して等角度間隔となるごとく交互に
配置し、かつ巻線用突極の両側に位置する溝の間隔を１
磁極ピッチのほぼ〔１±１１２７Ｔ１．〕倍とするなら
ば、容易に上記の条件を実現し得る。なお、前述の本発
明の各実施例においては、永久磁石により界磁を行なう
ことにより磁束のバラツキを少なくし安定な界磁を得る
ようにしたが、本発明は、そのような界磁発生構造のみ
に限らず、その他、たとえば界磁コイルに電流を流すよ
うな界磁発生構造も採用可能で、一般には、等ピッチ間
隔または、ほぼ等ピッチ間隔でＮ，Ｓ極が磁化される界
磁部であれば良い。

また、磁極がスキューを有していても有効である。また
、前述の本発明の各実施例においては、ロータに界磁部
を設けたが、本発明は界磁部を固定子とし、電機子鉄心
を回転子とした場合も同様に実施できるし、さらには外
転型に限らず、内転型であつても良い。また、電機子鉄
心の各突極は硅素鋼板の積層体に限らず、鉄板を適当に
折り曲げて形成しても良い。以上の説明から明らかなよ
うに、本発明は、駆動コイルの個数が少なくて製造の容
易な、しかもコギングカが小さく、効率の良い電動機を
安価に実現し得るもので、特に滑らかな回転トルクを必
要とするレコードプレーヤやテープレコーダのごとき音
響機器の回転駆動源に使用して多大の効果をもたらすも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電動機の要部構成図、第２図は第１図の
電動機の電機子鉄心が有する磁気的な変動分を示す図、
第３図は本発明の一実施例の要部構成図、第４図は第３
図の実施例の電機子鉄心が有する磁気的な変動分を示す
図、第５図および第６図はそれぞれ本発明の別の実施例
の要部構成図、第７図Ａ，ｂは第６図の実施例の電機子
鉄心および本発明を無関係の電機子鉄心が有する磁気的
な変動分を示す図である。 １，３１・・・・・・ロータ、２，３２・・・・・永久
磁石、３，１３，３３・ ・・電機子鉄心、１４ａ〜１
４ｃ，２４ａ〜２４ｃ，３４ａ〜３４ｄ・・・・巻線用
突極、１５ａ〜１５ｃ，２５ａ〜２５ｃ，３５ａ〜３５
ｄ・・・・・・駆動コイル、１６ａ１，１６ａ２，１６
ｂ１，１６ｂ２，１６ｃ１，１６ｃ２，２６ａ１，２６
ａ２，２６ｂ１，２６ｂ２，２６ｃ１，２６ｃ２，３６
ａ１，３６ａ２，３６ｂ１，３６１１５，，３６ｃ１，
３６ｃ２，３６ｄ１，３６ｄ２・・・・・・溝、１７ａ
〜１７ｃ，２７ａ〜２７ｃ，３７ａ〜３７ｄ・・・・・
補助突極、２２・・・・・・巻線用突極構成体、２３・
・・・・・補助突極構成体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 等ピッチ間隔または、ほぼ等ピッチ間隔に複数個の
   磁極を有する界磁部と、上記界磁部の磁極と対向して配
   置された複数個の巻線用突極を有する電機子鉄心と、上
   記巻線用突極に巻装された（２ｍ＋１）相（ただし、ｍ
   ≧１）の駆動コイルを有し、上記巻線用突極の数を上記
   界磁部の磁極数よりも少なくし、かつ上記界磁部と上記
   電機子鉄心のうち、いずれか一方を他方に対して回転自
   在とした電動機であつて、上記巻線用突極の間の溝部に
   磁性体製の補助突極を上記界磁部の磁極と対向させて配
   設し、かつ上記巻線用突極の両側に存在する溝の間隔を
   上記界磁部の１磁極ピッチの〔１±１／２（２ｍ＋１）
   〕倍に等しくもしくは略等しくして、上記補助突極なら
   びに上記巻線用突極を含む上記電機子鉄心が有する突極
   の間の溝による磁気的な変動分の支配的な成分の次数を
   、２・（２ｍ＋１）にしたことを特徴とする電動機。 ２ 等ピッチ間隔または、ほぼ等ピッチ間隔に複数個の
   磁極を有する界磁部と、上記界磁部の磁極と対向して配
   置された複数個の巻線用突極を有する電機子鉄心と、上
   記巻線用突極に巻装された２ｍ相（ただし、ｍ≧１）の
   駆動コイルを有し、上記巻線用突極の数を上記界磁部の
   磁極数よりも少なくし、かつ上記界磁部と上記電機子鉄
   心のうち、いずれか一方を他方に対して回転自在とした
   電動機であつて、上記巻線用突極の間の溝部に磁性体製
   の補助突極を上記界磁部の磁極と対向させて配設し、か
   つ上記巻線用突極の両側に存在する溝の間隔を上記界磁
   部の１磁極ピッチの〔１±１／２ｍ〕倍に等しくもしく
   は略等しくして、上記補助突極ならびに上記巻線用突極
   を含む上記電機子鉄心が有する突極の間の溝による磁気
   的な変動分の支配的な成分の次数を、２ｍにしたことを
   特徴とする電動機。