JPS6046634B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、給電することにより回転出力を得ることがで
きる電動機あるいは外部から回転力を与えることにより
電気出力を得ることができる発電機といつた回転電機に
関するものである。

従来の回転電機、例えばブラシレス電動機では、ステー
タに３相の巻線を施し、ロータに多極マグネットを配置
し、ロータの回転位置をホール素子等て検出して、通電
する巻線を選択・切換えることにより、同一方向の回転
力を得ている。

しかし、この様な構成ては、３相の巻線を使用している
ため、ステータの巻線処理、ロータの回転位置の検出、
電流の通電制御手段等が難かしく、モータ構造および回
路構成が複雑となる。また、従来、上述のような欠点を
解消すべく２相の電動機の構造や駆動回路が提案されて
いる。

これは、ロータに無磁性極を含む多極の磁極を配置し、
ステータに２相の巻線を施された究極構造の電機子鉄心
を使用し、ロータの回転位置に応じて、相補的に巻線に
通電することにより、所定方向の持続的な回転力を得る
ようにしたものである。その結果、電動機の構造および
駆動回路は簡単となり、製造の容易な電動機となつてい
る。しかし、これは、電機子鉄心が究極構造の場合には
、電機子鉄心が磁気的に不均一な構造であるＪために、
例えば永久磁石などにより構成される界磁部との相互作
用によつてコギングカを発生させるという欠点がある。
コギングカは、回転力の変動となるため、通常の回転電
気においては極力小さくしなければならない。ｉ 本発
明は、そのような点を考慮して、究極構造を有しながら
もコギングカを著しく減小させたトルクむらの極少な高
効率の、しかも構造の簡単な電動機または発電機等の回
転電機を提供するものである。

以下に本発明を図示の実施例に基いて説明する。第１図
は、本発明の一実施例の要部構造図である。

同図において、ロータ１の内面に形成された界磁部２は
、Ｎ極，Ｓ極の２極に着磁された円弧状の永久磁石２ａ
，２ｂと、それらの間に形成された無磁性極部２ｃとに
よつて構成されている。すなわち、界磁部２は、Ｎ極，
Ｓ極，無磁性極の３極を有し、それらは円周を３等分（
１２００）または、ほぼ３等分するように配置されてい
る。なお、無磁性極は、永久磁化が零または、きわめて
弱い磁極である。３は磁ｌ体製の電機子鉄心であり、こ
れは中心点Ａより外側へ放射状に向かう２個の巻線用突
極４０，４ｂと、それらの巻線用突極４ａと４，の間に
位置する２個の補助突極５ａ，５５を一体的に有してい
る。

この電機子鉄心３の各突極は所要間隙あけて前記界磁部
２の磁極と対向し、各巻線用突極４ａ，４，にはそれぞ
れ１個の巻線６ａ，６，が巻装されている。なお、７ａ
，７，，７０，７ｄは巻線用突極４ａ，４ｂおよび補助
突極５ａ，５ｂの間に形成された巻線用溝であり、８ａ
，８，，８ｃ，８ｄ，８８，，８ｇ，８ｈは、コギング
カを低減するために設けられた補助溝である。

次に、第１図に示した実施例を電動機とした場合の動作
について説明する。

第２図は前記界磁部２の発生する磁束密度を１回転分に
ついて示した図である。同図において、実線はＮ極，Ｓ
極が発生する磁束密度を方形波状に近似したものであ一
リ、破線は実際の極の変化に伴なう磁束密度の変化を表
わしている。第３図は第１図の実施例の駆動方法を説明
するための図で、これについては後述する。

第４図は第１図の巻線用突極４ｂと補助突極５ａ．の間
の巻線用溝７，における磁束の分布を代表して示した図
である。

同図において、電機子鉄心３の巻線用突極４ｂより界磁
部２のＳ極に流入する磁束は、矢印の線にて示すように
、巻線用溝７，の中心線１にまで至つている。その結果
、各突極・の実効的なピッチは先端部分のピッチより広
くなり、突極の両端の溝の中心間隔となる。すなわち、
本実施例においては、巻線用突極４ａ，４ｂの実効ピッ
チは、界磁部２の無磁性極のピッチ（１２００）に等し
く、または、ほぼ等しくなり、補助突極５ａ，５ｂの実
効ピッチはほぼ６００となる。各巻線と鎖交する磁束は
巻線用突極に流出入する磁束に等しいため、巻線６ａ，
６ｂの実効ピッチは１２００にほぼ等しいといえる。巻
線６０，６，に一定の電流を流したときの発生トルクＴ
は、回転角の変化Δθに対する鎖交磁束の変化ΔΦの比
ｘ■と電流値１の積に比例する。

Ｊすなわち、となる。

巻線６ａ，６ｂの鎖交磁束の変化率（宰Ｔ）．（室？）
５は、第３図Ａ，ｂに示すように変化する。ここに、θ
は界磁部２の点Ｒ。と電機子鉄心３の点Ｋ。を回転中心
Ａよりみた回転角である。従つて、同図Ｃ，ｄに示すご
とく、一定値の電流１ａ，ｉｂを回転角に応じて２相に
切換えて通電するならば、同図ｅに示すように、むらの
ない回転トルクＴを得ることができる。第５図に本実施
例の駆動回路の一例を示す。

ホール素子１０にてロータの回転位置を検出し、トラン
ジスタＱｌ，Ｑ２をオン，オフさせるようにしている。
一方のトランジスタＱ１がオンのときには他方のトラン
ジスタＱ２はオフとなり、また逆にＱ１がオフのときに
はＱ２がオンとなる。このように相補的に２相の巻線６
ａ，６ｂに通電するならば、発生トルクに切れ目がなく
、均一な回転力を得ることができる。次に、第１図に示
した電動機のコギングカについて説明する。

コギングカは、磁場に貯えられた磁気エネルギーが界磁
部と電機子鉄心の回転位置に応じて変化することにより
生じるもので、第１図のごとく、界磁部２と電機子鉄心
３の両者に磁気的な周期性がある場合には、一般に、そ
の両方に共通して存在する調波成分（整合成分）のコギ
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、第２図に示すような特性の界磁部
２が有する磁気的な周期・波形の基本的な調波成分は第
１次調波成分となる。

ここで、１回転１回の正弦波成分を第１次調波成分とす
る。すなわち、界磁部２は第１次調波成分を基本として
、第２次，第３次， ・・などの高調波成分を含んで
いることになる。

一方、電機子鉄心３の磁気的不均一性は巻線用溝７ａ，
７ｂ，７ｃ，７ｄと補助溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８
ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈによつて生じ、これらの溝による
磁気的な変動は界磁部２の永久磁石の表面の各点からみ
たパーミアンス（磁気抵抗の逆数）の場所的な変動によ
つて表わされる。

まず、補助溝を設けない場合を考えるならば、巻線用溝
７ａ，７ｂと７ｃ，７ｄは１８０ば反対の位置にあるた
め、電機子鉄心３の磁気的不均一性の基本的な調波成分
は、第２次成分となる。

従つて、これを基本として、第４次，第６次， ・・・
・等の高調波成分をも含んでいることになる。コギング
カは、電機子鉄心３の有する磁気的不均一性の成分と、
界磁部２の有する調波成分が整合（一致）するときに発
生するから、補助溝８ａ〜８ｈのないときのコギングカ
は第２次，第４次，第６次・・・・・・等の調波成分を
主に生じる。

本実施例の電機子鉄心３は、補助溝８３〜８ｈを有する
ことにより、磁気的不均一性の状態は変化し、その結果
、第１図の電動機のコギングカは著しく小さくなつてい
る。以下に、そのことを第４図を参照して説明する。第
４図は巻線用溝７，の入口付近での磁束の分布を表わし
ているが、同図において界磁部２に流入する磁束は矢印
の線にて示されるように、大部分が磁気抵抗の高い溝部
を避けて電機子鉄心３の突極の先端部より流出している
。その結果、図示の破線Ｈよりも深い部分での磁束は非
常に少なくなる。従つて、溝７ｂの深さは破線Ｈより深
くても、磁気的には破線Ｈの深さのものとほぼ同等であ
る。他の巻線用溝７ａ，７０，７ｄについても同様であ
る。そこで、第１図に例示するごとく、巻線用溝とほぼ
等しい幅を有し、かつ巻線用溝より浅い開溝状の補助溝
であつても、巻線用溝とほぼ同等な磁気的効果を得るこ
とができることになる。

本実施例では、巻線用溝７ａと７ｄの間、７ｂと７ｃの
間を４等分する位置、および７ａと７ｂの間、７。

と７ｄの間を２等分する位置に補助溝を設けている。す
なわち、巻線用溝７ａ〜７ｄと補助溝８ａ〜８ｈとから
なる溝の全体が回転中心Ａに対して等角度間隔（３０る
間隔）または、ほぼ等角度間隔となるように配置されて
いる。従つて、本実施例の電機子鉄心の磁気的不均一性
の周期・波形の基本的な成分は第１２次調波成分となり
、その高調波である第２４次，第３欧，等が含まれるこ
とになる。

その結果、コギングカとしては、主に第１２次，第２４
次，第３欧， ・・・・等の調波成分が生じる。上述の
結果を、補助溝８ａ〜８ｈを設けない場合と比較すると
、第２，４，６，８，１０，１４，１６，・・・・等の
調波成分のコギングカが欠落（または減小）し、さらに
コギングカの基本的な調波成分の次数は、補助溝のない
楊合では第２次てあるのに対して、補助溝を設けること
により第１２次といつたように６倍の高次の成分となつ
ている。

一般に、コギングカの各成分の大きさは、界磁部の有す
る該当成分の大きさと電機子鉄心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、界磁部の有する調波成分は、通常、高次の成分に
なる程、その大きさは急速に減衰するから、第２次成分
に比較して第１２次成分はかなり小さいのが普通である
。

従つて、本発明のごとく補助溝を設けることにより、コ
ギングカに関与し得る界磁部および電機子鉄心の調波成
分の数が少なくなるだけでなく、コギングカの基本的な
調波成分が高次となることにより、コギングカは減小す
る。なお、第１図に示した本発明の実施例においては、
界磁部２をロータとし、電機子鉄心３をステータとした
が、本発明はそのような構造にのみに限られるものでは
なく、その関係が逆であつても得られる効果に差異はな
い。

また、第１図の実施例は、そのまま発電機としても使用
可能である。すなわち、ロータ１を外部力によソー定速
度にて回転駆動するならば、巻線６ａ，６，には第３図
Ａ，ｂに示す波形と相似した波形の発電電圧を得ること
ができる。従つて、例えばカソードを共通接続した２個
のダイオードの・各アノードに２相の発電電圧を供給し
て整流するならば、上記共通接続したカソードから回転
速度に対応した直流電圧を得ることができる。従つて、
本発明は電動機に限らす発電機としても適用可能である
。また、前述の実施例では電子整流子型電動機として使
用する例でもつて説明したが、ブラシにより駆動相を切
換えるようにしても良いことはいうまでもない。

本発明の別の実施例の要部構造図を第６図に示す。

同図において、ロータ１１に取付けられた円環状の永久
磁石により構成された界磁部１２は、内周面にＮ極，Ｓ
極，０極（無磁性極）を有している。界磁部１２の磁極
面と所要間隙あけて対向して配置された２個の巻線用突
極１３。，１３，を有する磁性体製の巻線用突極構成体
１３と、巻線用突極の間に位置する２個の補助突極１４
ａ，１４，とを有する磁性体製の補助突極構成体１４と
の組合せにより電機子鉄心が構成されている。なお、上
記巻線用突極構成体１３と補助突極構成体１４は磁気的
および機械的に連結されて固定されている。各巻線用突
極１３３，１３ｂの実効ピッチ（両端の巻線用溝の中心
間隔）は１２６効に等しく、または、ほぼ等しく、また
、各補助突極１４ａ，１４ｂの実効ピッチは５４たに等
しく、または、ほぼ等しくされている。

本実施例においても、巻線用溝１６と磁気的にほぼ同等
な効果を有する補助溝１７が設けられ、巻線用溝１６と
補助溝１７とからなる溝の全体が等角度間隔（１８助間
隔）または、ほぼ等角度間隔となるように配置されてい
る。また、界磁部１２の無磁性極（Ｏ極）のピッチは、
電機子鉄心の巻線用突極の実効ピッチ１２６ほと等しく
、または、ほぼ等しくされており、発生トルクのむらを
小さくしている。従つて、Ｎ極と．５極のピッチは１２
００より少し小さくて１１７．となる。次に、本実施例
のコギングカについて説明する。

界磁部１２の有する磁気的な周期・波形は、第１次調波
成分を基本として、第２次，第３次，．・・・・・等の
高調波成分を含んでいる。まず、補助溝のない場合にお
ける電機子鉄心の磁気的不均一性の周期・波形は、第２
次成分を基本として第４次，第６次， ・・・・等の調
波成分を含んでいる。従つて、補助溝のないときのコギ
ングカは第２−次，第４次，第６次， ・・・・等の調
波成分を主に有する大きなものとなる。一方、補助溝１
７を設けることにより、本実施例の電機子鉄心の有する
調波成分は、第２欧，第４欧，第６欧， ・・・・と１
皓の高次になる。

その結果、コギングカも第２欧調波成分を基本とする高
次成分となり、その大きさは著しく減小する。なお、第
６図の実施例に示しているように、電機子鉄心の巻線用
突極部に対して補助突極部を別体にするならば、巻線用
突極に巻線を施した後に補助突極構成体１４を取付けれ
ば良いので、巻線が容易となる。もちろん、本発明はそ
のような構造のみに限らず、たとえば珪素鋼板等の薄板
を金）型にて巻線用突極と補助突極を一体的に有するも
のを打抜き形成し、それらを所要枚数積層して電機子鉄
心を製作してもよい。このようにした場合には、巻線用
溝および補助溝の形状，精度は金型にて決まるために、
量産時のバラツキが少なくなり、コギングカを低減する
効果は安定する。また、補助溝の深さを浅くして、巻線
用突極の基部を先端より狭くするならは、巻線を収納す
る空間を大きくすることができるため、効率の良い回転
電機が得られる。さらに、補助溝の幅を巻線用溝の幅と
等しく、または、ほぼ等しくするならば、巻線用溝と磁
気的にほぼ同等な効果を容易に得ることができる。もち
ろん、補助溝を突極間の溝と同一または、ほぼ同一形状
としても良い。第７図に、本発明の更に別の実施例の要
部構造図を示す。本実施例は、第１図の実施例の構成を
２倍に多極化したものである。すなわち、ロータ２１に
取付けられた２個の円弧状の永久磁石２２ａ，２２ｂに
より界磁部が構成され、界磁部のＮ極，Ｓ極および無磁
性極部２２０，２２ｄは６００または、ほぼ６０無とさ
れている。電機子鉄心２３は４個の巻線用突極２４ａ１
，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２と４個の補助突極２５
ュ，２５ａ２，２５ｂ１，２５，２を有し、各巻線用突
極には、それぞれ１個の巻線２６ａ１，２６ａ２，２６
，１，２６ｂ２が巻装されている。巻線用突極および補
助突極の先端には、巻線用溝２７と磁気的にほぼ等しい
効果を有する補助溝２８が設けられ、巻線用溝２７と補
助溝２８からなる溝の全体が等角度間隔（１５補間隔）
または、ほぼ等角度間隔に配置されている。前述のよう
に、補助溝を設けることにより、電機子鉄心の磁気的不
均一性の周期・波形と界磁部の磁気的な周期・波形との
整合成分の基本的な調波成分の次数を高くするならば、
コギングカを減小させることができる。

その一方法として、先に説明した本発明の実施例ては、
巻線用溝と磁気的に同等または、ほぼ同等な効果を有す
る補助溝を付加し、補助溝および巻線用溝の全体を、電
機子鉄心の中心に対して、等角度間隔または、ほぼ等角
度間隔となるように配置することにより、電機子鉄心の
磁気的不均一性の周期・波形の基本的な調波成分の次数
を高くして、界磁部の磁気的な周期・波形による調波成
分との整合成分を高次の調波成分にしている。このよう
な配置は、巻線用突極の両端の溝の中心間隔と補助突極
の両端の溝の中心間隔との比を、ほぼ整数比Ｌ：Ｍ（こ
こに、Ｌ，Ｍは整数）となし、補助溝と巻線用溝とから
なる溝の全体を巻線用突極の両端の溝の中心間隔のＬ分
の１のピッチ毎に配置するならば容易に実現できる。

この場合、界磁部の無磁性極部０のピッチは、巻線用突
極の実効ピッチに等しく、または、ほぼ等しくすること
が望ましい。一般に、補助溝を設けた場合の電機子鉄心
の磁気的不均一性の周期・波形（調波成分）と界磁部の
磁気的な周期・波形（調波成分）との整合成分のなかで
支配的な成分の大きさを、補助溝のない場合の電機子鉄
心の磁気的な周期・波形（調波成分）との整合成分のな
かで支配的な成分の大きさに比較して小さくなるように
補助溝を配置すれば、コギングカを小さくできる。

通常の回転電機においては、電機子鉄心の磁気的不均一
性の周期・波形の支配的な調波成分の次数を高くするな
らば、コギングカは小さくなり、本発明の効果を容易に
得ることができる。

また、前述の実施例に示すように、補助溝の数を巻線用
溝の数よりも多くするならば、各溝を浅く、かつ小さく
できるため、補助溝による磁束の変動が小さくなり、高
性能の回転電機となし得る。

また、各巻線用突極に同数の補助溝を対称的に配置する
ならば、各巻線用突極に流出入する磁束のバラツキはな
く、回転電機の性能を一層良くし得る。

また、各巻線用突極の実効ピッチは無磁性極部（０極）
のピッチに限らず、一般に、（０極のピッチ）＋ｎ×（
Ｎ，Ｓ，Ｏ極の１組のピッチ）となす場合であつても本
発明は実施できる。

ここに、ｎは整数（０を含む）である。

また、前述の実施例では径方向にギャップを介して界磁
部と電機子鉄心が対向している場合を例示したが、本発
明はそのような構造のみに限らず、界磁部と電機子鉄心
が軸方向にギャップを介して対向している場合であつて
も同様に実施できる。

以上の説明から明らかなように、本発明は、効率が良く
、トルクむらが少なく、しかも構成が簡単な回転電機を
実現し得るものてある。

従つて、本発明に基づき、特に音響機器用電子整流子型
電動機を構成した場合には、安価に高性能な音響機器を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部構造図、第２図は界磁
部の発生する磁束密度の分布を表わした図、第３図Ａ，
ｂ，ｃ，ｄ，ｅは第１図の実施例の駆動方法を説明する
ための図、第４図は第１図の実施例における要部の磁束
分布を表わした図、第５図は第１図の実施例における駆
動回路例を示す図、第６図および第７図はそれぞれ本発
明の別の実施例の要部構造図である。 １，１１，２１・・・・・ロータ、２，１２・・・・・
・界磁部、２ａ，２ｂ，２２ａ，２２ｂ・・・・永久磁
石、２ｃ，２２。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 等しい角度幅もしくはほぼ等しい角度幅のＮ極部分
   とＳ極部分と無磁性極部分を円周上に順番にｋ組（ｋは
   １以上の整数）有する界磁部と、ｆ個（ｆは２ｋ以上の
   整数）の巻線用突極とｆ個の補助突極を交互に有する電
   機子鉄心を具備し、前記界磁部と電機子鉄心のうち、い
   ずれか一方が他方に対して回転自在にされた回転電気で
   あつて、前記巻線用突極の両端の溝の中心間隔と前記補
   助突極の両端の溝の中心間隔をほぼ整数比Ｌ：Ｍ（ここ
   に、Ｌ、Ｍは共に２以上の整数）となし、前記巻線用突
   極および補助突極の前記回磁部の磁極と対向する部分に
   ｆ・（Ｌ＋Ｍ−２）個の補助溝を設け、前記補助溝を含
   む前記電機子鉄心の溝の全体を前記巻線用突極の両端の
   溝の中心間隔のＬ分の１のピッチ毎に配置すると共に、
   前記各巻線用突極の両端の溝の中心間隔を前記無磁性極
   部分のピッチと前記Ｎ極部分、Ｓ極部分、無磁性極部分
   のｎ組（ｎは０を含む整数）のピッチの和に等しくもし
   くは略等しくしたことを特徴とする回転電機。