JPS6114743B2

JPS6114743B2 -

Info

Publication number: JPS6114743B2
Application number: JP52140323A
Authority: JP
Inventors: Makoto Goto; Kazuji Kobayashi; Kenichiro Okumura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-11-22
Filing date: 1977-11-22
Publication date: 1986-04-21
Also published as: JPS5472410A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、巻線が施された巻線用突極を有する
突極構造の電機子鉄心を永久磁石と対向させて配
置した電動機のごとき回転電機に関するもので、
特に、トルク変動が少なく、効率の良い電動機を
実現可能にしたものである。

従来のこの種の回転電機、例えば電動機の要部
構成を第１図に示す。これを説明すると、永久磁
石１は回転中心Ｏに対して等角度間隔または、ほ
ぼ等角度間隔（22.5゜）毎に16極に多極着磁され
た円環状の磁石であり、これは回転子を構成して
いる。上記永久磁石１の着磁面に対向して、12個
の巻線用突極３a₁，３b₁，３c₁，３a₂，３b₂，３
a₃，３b₃，３c₃，３a₄，３b₄，３c₄を等角度間隔
または、ほぼ等角度間隔（30゜）毎に有する電機
子鉄心２が配置され、これは固定子を構成してい
る。上記の各巻線用突極３a₁〜３c₄にはそれぞれ
１個の巻線４a₁，４b₁，４c₁，４a₂，４b₂，４c₂
４a₃，４b₃，４c₃，４a₄，４b₄，４c₄が巻装され
ており、それらは永久磁石１の磁極との相対位置
関係について位相差を有する３相の巻線群すなわ
ち、４a₁〜４a₄からなる巻線群４Ａ，４b₁〜４b₄
からなる巻線群４Ｂ，４c₁，４c₄からなる巻線群
４Ｃに別かれている。

従つて、たとえばホール素子のごとき磁気感応
素子を使用した周知の回転位置検出手段により、
永久磁石１の回転位置を検出して、第２図に示す
ごとき半導体スイツチ回路５により、通電する巻
線群を切換えるならば、回転子を同一方向へ回転
させ得る。

しかし、この従来例においては、永久磁石１の
１磁極ピツチ（22.5゜）に比較して、巻線用突極
間のプツチが30゜（約1.33倍）と広いために、巻
線用突極に不要な磁束が流入し、トルク・リツプ
ルが増大すると共に効率が低下する。このことに
ついて第３図乃至第６図を参照して説明する。

第３図は、第１図における巻線用突極３b₁と３
c₁の間の溝における磁束の分布を示す要部拡大図
である。同図に示しているごとく、磁束は磁気抵
抗の高い溝の部分をさけて巻線用突極３b₁，３c₁
に吸収される。他の巻線用突極の間の溝について
も同様である。その結果、各巻線用突極の実効的
なピツチは先端部分のピツチより広くなり、本従
来例では、ほぼ30゜となる。巻線と鎖交する磁束
は巻線用突極に流入する磁束に等しいから、各巻
線の実効ピツチは巻線用突極の実効ピツチと一致
し、ほぼ30゜となる。

第４図は上記従来例の永久磁石１と巻線４a₁と
の関係を示す概略展開図である。同図において、
永久磁石１は平面展開されており、また、巻線４
a₁は等価的に実効ピツチ30゜の１ターン巻線６に
置き換えてある。ここで、巻線６に電流ｉを流す
と、永久磁石１との電磁作用により回転力Ｍが生
じる。その大きさは、フレミングの左手の法則に
より、電流と磁束密度に比例するから、次式で表
わせる。

Ｍ∞ｉ・〔Ｂ_M（θ_０＋15゜）−Ｂ_M（θ_０−15
゜）〕ここに、Ｂ_M（θ）は永久磁石１の表面磁束密
度であり、一般に第５図に示すごとく、２磁極の
ピツチ45゜を基本ピツチとして台形波状に変化す
る。

また、θ_０は回転角を表わし、第１図に示すよ
うに永久磁石１の基準点Ａと電機子鉄心２の基準
点Ｂと回転中心Ｏとがなす角∠AOBである。回
転角θ_０の変化に対する第１図の各巻線群４Ａ
（４a₁〜４a₄）、４Ｂ（４b₁〜４b₄）、４Ｃ（４c₁〜
４c₄）の各実効ピツチ両端における磁束密度の差
の変化を第６図ａに示す。この場合、一定値の電
流ｉ_A，ｉ_B，ｉ_Cを第６図ｂのように回転角に応
じて各巻線群４Ａ，４Ｂ，４Ｃに順次流すと、回
転力Ｍは第６図ｃとなる。各巻線群に一定電流を
流したときの回転力の変動分がトルク・リツプル
であるから、前記の従来例においては第６図ｃの
ΔＭとなる。従つて、第１図に示した従来例のト
ルク・リツプルは大きい。

以上の説明および第６図から明らかなように、
各巻線群４Ａ，４Ｂ，４Ｃの磁束密度差の平坦部
の角度幅Ｗを広くすれば、トルク・リツプルΔＭ
は減少する。永久磁石１の表面磁束密度Ｂ_M
（θ）の分布は第５図に示すごとくであるから、
一般に巻線の実効ピツチを永久磁石１の１磁極ピ
ツチ（本例において22.5゜）の奇数倍に近づける
程、磁束密度差の平坦部の角度は広がり、トル
ク・リツプルは減少する。巻線の実効ピツチは巻
線用突極の実効ピツチに等しいから、巻線用突極
の実効ピツチを永久磁石１の１磁極ピツチの奇数
倍にすれば良いといえる。

以上のような考えに基づき、本発明において
は、隣接する巻線用突極が永久磁石との相対位置
関係について、ほぼ逆相となるように配置された
複数個の巻線用突極からなる突極ブロツクを設け
ることにより、各巻線用突極の実効ピツチを容易
に永久磁石の１磁極ピツチの奇数倍にほぼ等しく
している。

以下、本発明を、各巻線用突極の実効ピツチを
１磁極ピツチにほぼ等しく構成した電動機の場合
を例にとつて、図面とともに説明する。

第７図は本発明の一実施例の要部構成図であ
る。同図において、永久磁石１は回転中心Ｏに対
して等角度間隔または、ほぼ等角度間隔（22.5
゜）毎に16極着磁された円環状の磁石であり、回
転子を構成している。上記永久磁石１の着磁面に
対向して、永久磁石１の１磁極ピツチ（22.5゜）
とほぼ等しいピツチを有する15個の巻線用突極１
３a₁，１３a₂，１３a₃，１３a₄，１３a₅，１３
b₁，１３b₂，１３b₃，１３b₄，１３b₅１３c₁，１
３c₂，１３c₃，１３c₄，１３c₅と、３個の補助突
極１５ａ，１５ｂ，１５ｃとを有する電機子鉄心
１２が設置され、これは固定子を構成している。
なお、上記補助突極１５ａは巻線用突極１３a₅と
１３b₁の間に、補助突極１５ｂは巻線用突極１３
b₅と１３c₁の間に、そして補助突極１５ｃは巻線
用突極１３c₅と１３a₁の間にそれぞれ位置せら
れ、かつ、それらの先端部は前記永久磁石１の着
磁面と所要間隙あけて対向するようになつてい
る。

また、前記巻線用突極１３a₁〜１３a₅，１３b₁
〜１３b₅，１３c₁〜１３c₅および補助突極１５ａ
〜１５ｃは一体的に形成され、これらの各突極を
有する電機子鉄心１２は例えば硅素鋼板積層体な
どによつて構成できる。また、上記の各巻線用突
極１３a₁〜１３c₅には、それぞれ１固の巻線１４
a₁，１４a₂，１４a₃，１４a₄，１４a₅，１４b₁，
１４b₂，１４b₃，１４b₄，１４b₅，１４c₁，１４
c₂，１４c₃，１４c₄，１４c₅がそれぞれ巻装され
ている。第７図より明らかなごとく、上記14個の
巻線用突極は永久磁石１との相対位置関係につい
て３相の突極ブロツクすなわち、１３a₁〜１３a₅
からなる第１の突極ブロツク、１３b₁〜１３b₅か
らなる第２の突極ブロツク、そして１３c₁〜１３
c₅からなる第３の突極ブロツクとに分かれてい
る。補助突極１５ａ〜１５ｃは上記各突極ブロツ
クの間に配置され、それらの突極ブロツクの両側
に位置する巻線用突極１３a₁，１３a₅，１３b₁，
１３b₅，１３c₁，１３c₅に不要な磁束が流入しな
いようになつている。そして、各突極ブロツクの
隣接する巻線用突極は、永久磁石１との相対位置
関係について逆相すなわち、一方がＮ極に対向す
る場合に他方がＳ極に対向するようになつてい
る。従つて、巻線１４a₁〜１４c₅は３相の巻線群
すなわち、１４a₁〜１４a₅からなる第１の巻線群
１４Ａと、１４b₁〜１４b₅からなる第２の巻線群
１４Ｂと、１４c₁〜１４c₅からなる第３の巻線群
１４Ｃに分かれることになる。

また、上記各巻線群１４Ａ〜１４Ｃにおいて、
第８図に示すごとく、隣接する巻線には逆方向の
電流が流れるように巻装・接続されている。本実
施例においても例えばホール素子のごとき磁気感
応素子を使用した周知の回転位置検出手段によ
り、永久磁石１の回転位置を検出して、第８図に
示すごとき半導体スイツチ回路１６により、通電
する巻線群を順次切り換えてゆけば、回転子を同
一方向へ回転させることができる。

次に本実施例のトルク・リツプルについて説明
する。

第７図から明らかなごとく、各巻線用突極の実
効的なピツチは永久磁石１の１磁極ピツチとほぼ
等しくなつている。従つて、各巻線の実効ピツチ
が１磁極ピツチにほぼ等しい。ここで、永久磁石
１の表面磁束密度Ｂ_M（θ）の分布が先述の従来
例と同様に第５図のごときものであれば、各巻線
群の巻線の実効ピツチ両端の磁束密度の差は第９
図ａのごとくなる。そして、先述の従来例と同様
に、第９図ｂのごとく一定電流を回転角θ_０に応
じて通電する巻線群を切換えるならば、第９図ｃ
のごとく、一様な回転力を得ることができ、トル
ク・リツプルを大巾に減少させることができる。

次に、第７図の本発明の実施例に係る電動機の
効率と第１図の従来例の電動機の効率とを比較す
る。本発明の実施例の１相当りの巻線用突極数
（巻線の個数）は５個であり、従来例の４個より
も多い。従つて、１相当りの磁極利用率は本発明
の実施例の方が良い。

また、すでに説明したごとく、本発明の実施例
はトルク・リツプルによる平均トルクの低下がな
いため、一定電流の入力に対する１ターン当りの
出力トルクは本発明の実施例の方が大きい。

従つて、本発明の実施例の電動機の効率は従来
例の電動機の効率と比較して良いといえる。

本実施例に示すように、隣接する巻線用突極が
永久磁石との相対位置関係について、ほぼ逆相と
なるような複数個の巻線用突極からなる突極ブロ
ツクを設けるならば、各巻線用突極の実効的なピ
ツチを容易に永久磁石の１磁極ピツチのｌ倍（た
ぞし、ｌは奇数）のほぼ等しくできるため、トル
ク・リツプルは減少する。特に、ｌ＝１の場合は
永久磁石の磁極の利用率が良くなり、効率の良い
電動機を得ることができる。

また、本実施例に示すように、各突極ブロツク
の間に補助突極１５ａ〜１５ｃを設けるならば、
各突極ブロツクの両側に位置する巻線用突極への
不要な磁束の流入を防止できるためトルク・リツ
プルを更に減少させ得る。

また、本実施例においては、同一相の巻線が隣
接しているために、連続的な巻線が容易となり、
製造上、有利となる。

第７図に例示した電動機に更に改良を加えて、
コギング力を更に減少させた本発明の他の実施例
に係る電動機の要部構成図を第１０図に示す。以
下、この実施例について説明するが、永久磁石１
の着磁極数（16極）、電機子鉄心２２の巻線用突
極、補助突極および巻線の配置については第７図
の実施例と同様であるため、ここでのそれらの符
号ならびに説明は省略する。この第１０図に示す
実施例の特徴とするところは、各巻線用突極の永
久磁石１の着磁面と対向する部分に、補助溝d₁〜
d₅，e₁〜e₅，f₁〜f₅，g₁〜g₅，h₁〜h₅，i₁〜i₅，j₁〜
j₅，k₁〜k₅，l₁〜l₅を、回転中心Ｏを通る軸心線
の長手方向（図面の紙面に対して垂直な方向）に
設けている点である。なお、a₁〜a₆，b₁〜b₆，c₁
〜c₆は突極の間の溝である。

次に本実施例のコギング力について説明する。

一般に、永久磁石１と電機子鉄心２２の間の空
間に貯えられた磁気エネルギーが、永久磁石１の
回転位置に応じて変化することにより、コギング
力が生じる。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１は１磁極ピ
ツチを基本周期として、その高調波成分の磁気的
な変動分を有している。従つて、永久磁石１の１
磁極ピツチを基本周期として、電機子鉄心２２の
磁気的な変動の状態を考えれば良く、一般にその
変動量を小さくするならばコギング力は小さくな
る。電機子鉄心２２の磁気的な変動は、突極の間
の溝a₁〜a₆，b₁〜b₆，c₁〜c₆および補助溝d₁〜
d₅，e₁〜e₅，f₁〜f₅，g₁〜g₅，h₁〜h₅，i₁〜i₅，j₁〜
j₅，k₁〜k₅，l₁〜l₅により生じる。これらの各溝
による磁気的な変動は、永久磁石１の表面の各点
からみた電機子鉄心２２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、第
１１図に示すごとくとなる。第１１図のａは、突
極の間の溝a₁〜a₆，b₁〜b₆，c₁〜c₆による磁気的
な変動の状態を表わしている。溝a₁〜a₆を基準に
とるならば、溝b₁〜b₆は１磁極ピツチの1/3の位
相差、溝c₁〜c₆は１磁極ピツチの2/3の位相差が
ある。補助溝d₁〜d₅，e₁〜e₅，f₁〜f₅による磁気
的変動の状態を第１１図ｂに示す（溝a₁〜a₆を基
準にしている）。補助溝d₁〜d₅，e₁〜e₅，f₁〜f₅
は、それぞれのグループ間において所要の位相差
を設けてあると共に、突極の間の溝a₁〜a₆，b₁〜
b₆，c₁〜c₆とも所要の位相差が設けてある。同様
に、g₁〜g₅，h₁〜h₅，i₁〜i₅による磁気的な変動
の状態を第１１図ｃに示し、補助溝j₁〜j₅，k₁〜
k₅，l₁〜l₅による磁気的な変動の状態を第１１図
ｄに示す（溝a₁〜a₆を基準にしている）。これら
の補助溝g₁〜g₅，h₁〜h₅，i₁〜i₅，j₁〜j₅，k₁〜
k₅，l₁〜l₅も、それぞれのグループ間において所
要の位相差を設けてあると共に、突極の間の溝a₁
〜a₆，b₁〜b₆，c₁〜c₆および前記補助溝d₁〜d₅，
e₁〜e₅，f₁〜f₅とも所要の位相差が設けてある。
従つて、第１０図の実施例の電機子鉄心２２の磁
気的な変動の状態の合成変動分は、第１１図ａに
示された突極の間の溝による磁気的な変動分と第
１１図ｂ，ｃ，ｄに示された補助溝による磁気的
な変動分を加算合成することにより求まる。その
結果を第１１図ｅに示す。これを、補助溝を設け
ない場合の磁気的な変動の状態である第１１図ａ
と比較するならば、変動の周波数（磁気的な変動
分の谷と谷のピツチの逆数）は高くなり、かつ変
動の大きさは小さくなつている。

コギング力は永久磁石１の磁極による磁気的な
変動と電機子鉄心２２の溝による磁気的な変動の
相互作用として発生し、永久磁石１の１磁極ピツ
チを基本周期としたときの電機子鉄心２２の合成
の磁気的変動分の大きさが減少しているので、本
実施例のコギング力は補助溝を設けることによつ
てかなり小さくなつている。

本実施例に示すように、電機子鉄心が有する突
極の永久磁石と対向する部分に、電機子鉄心の磁
気的な変動の状態を変化させ得る補助溝を設け
て、電機子鉄心の突極の間の溝による磁気的な変
動分を補助溝による磁気的な変動分により相殺
し、合成の変動分を減少させるならば、コギング
力は小さくなる。また、一般に、変動の周波数が
高くなる程、永久磁石の有する変動の大きさも小
さくなるため、電機子鉄心と永久磁石の相互作用
により生じるコギング力は小さくなる。従つて、
電機子鉄心の合成の変動分の周波数を高くするよ
うに補助溝を配置するならば、その効果はより大
となる。

本実施例では、永久磁石１の１磁極ピツチを基
本周期としたときの電機子鉄心の突極の間の溝a₁
〜a₆，b₁〜b₆，c₁〜c₆の位相と、補助溝d₁〜d₅，
e₁〜e₅，f₁〜f₅，g₁〜g₅，h₁〜h₅，i₁〜i₅，j₁〜j₅，
k₁〜k₅，l₁〜l₅の位相を異ならせることにより
（各溝のグループ内では位相が一致しているがグ
ループ間での位相は異なつている）、突極の間の
溝による磁気的な変動分（永久磁石１の１磁極ピ
ツチを基本周期として各突極の間の溝による磁気
的な変動を合成した変動分で第１１図ａに示され
ている）を補助溝による磁気的な変動分（永久磁
１の１磁極ピツチを基本周期として各補助溝によ
る磁気的な変動を合成した変動分で第１１図ｂ，
ｃ，ｄの磁気的変動分を合成したものに相当す
る）によつて相殺させて電機子鉄心２２の合成の
磁気的な変動分の大きさを減少させていると共
に、変動の周波数（磁気的な変動分の谷と谷の間
のピツチの逆数）も高くしている。その結果、本
実施例のコギング力は大幅に減少している。

また、本実施例の電機子鉄心を例えば硅素鋼板
の積層体などのような磁性体により一体的に形成
するならば、突極の間の溝および補助溝の形状や
配置の精度が良くなり、補助溝の効果が安定す
る。

しかし、補助突極と巻線用突極が一体的に形成
されない場合でも、本発明の効果は得られる。

なお、補助溝の個数、形状、配置は図示の実施
例のものだけに限定されるものではないことはい
うまでもない。

また、前述の本発明の実施例においては、３相
駆動方式の電動機を例にとつて説明したが、本発
明は一般の多相駆動方式の電動機について適用可
能である。

以上のように本発明はトルク・リツプルが小さ
く、効率が良い、しかもコギング力の小さい電動
機を実現し得るものである。従つて、本発明に基
いて特にトコードプレーヤーやテープレコーダな
どの音響機器用電子整流子型電動機を構成した場
合には、振動やトルク変動を極少にし得るため、
極めて高性能の音響機器を実現し得るものであ
る。

また、前述の本発明の実施例においては、電機
子鉄心を固定子とし、永久磁石を回転子とした
が、この関係は逆であつても良く、さらに、図示
のような外転型に限らず、内転型としても本発明
の効果は得られる。

また、電機子鉄心の各突極は硅素鋼板積層体に
限らず、鉄板により形成されていても本発明の効
果は得られる。もちろん、本発明は電動機とした
場合に特に効果的であるが、必要に応じて発電機
とすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電動機の一例の要部構成図、第
２図はその電動機における巻線群の構成と通信制
御回路例を示す図、第３図は同電動機における電
機子鉄心の突極の間の磁束の分布を示す要部拡大
図、第４図は同電動機における永久磁石と巻線の
関係を示す概略展開図、第５図は同電動機におけ
る永久磁石の磁束密度の分布図、第６図ａ，ｂ，
ｃは同電動機の回転角に対する磁束密度差と巻線
電流および回転力の関係を示す図、第７図は本発
明の一実施例の要部構成図、第８図は同本発明の
実施例における巻線群の構成と通電制御回路例を
示す図、第９図ａ，ｂ，ｃは同本発明の実施例の
回転角に対する磁束密度差と巻線電流および回転
力の関係を示す図、第１０図は本発明の他の実施
例の要部構成図、第１１図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは
第１０図の実施例における補助溝の効果を説明す
るための磁気的変動を示す図である。１……永久磁石、１２，２２……電機子鉄心、
１３a₁〜１３c₅……巻線用突極、１４a₁〜１４c₅
……巻線、１４Ａ〜１４Ｃ……巻線群、１５ａ〜
１５ｃ……補助突極、a₁〜a₆，b₁〜b₆，c₁〜c₆…
…突極の間の溝、補助溝d₁〜d₅，e₁〜e₅，f₁〜
f₅，g₁〜g₅，h₁〜h₅，i₁〜i₅，j₁〜j₅，k₁〜k₅，l₁〜
l₅……補助溝。

Claims

【特許請求の範囲】１等ピツチ間隔もしくは、ほぼ等ピツチ間隔に
多極着磁された永久磁石と、前記永久磁石と対向
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、前記巻線用突極に巻装された多相の巻
線を具備し、前記永久磁石と電機子鉄心のうち、
いずれか一方を他方に対して回転自在に構成し、
前記電機子鉄心が有する突極の前記永久磁石と対
向する部分に補助溝を設け、前記永久磁石の１磁
極ピツチを基本周期としたときの前記電機子鉄心
の突極の間の溝の位相と前記補助溝の位相を異な
らせたことを特徴とする回転電機。２永久磁石の１磁極ピツチを基本周期としたと
きの電機子鉄心の突極の間の溝による磁気的な変
動分と補助溝による磁気的な変動分との合成の磁
気的変動分の周波数を、前記突極の間の溝による
磁気的な変動分の周波数よりも高くしたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転電機。３電機子鉄心は巻線用突極の間に永久磁石の着
磁面と対向するごとく位置する磁性体製の補助突
極を含めて構成されていることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の回転電機。