JPS6223536B2

JPS6223536B2 -

Info

Publication number: JPS6223536B2
Application number: JP55056856A
Authority: JP
Inventors: Makoto Goto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1980-04-28
Filing date: 1980-04-28
Publication date: 1987-05-23
Also published as: JPS56153961A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、突極形電機子鉄心を有する回転電機
に関するものであり、特にコギング力を低減する
ことを目的としたものである。

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
マグネツトを配置し、ロータの回転位置をホール
素子等で検出して、通電する各相の巻線を順次選
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、この様な構成では、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るため
に、例えば米国特許第3299335号明細書に記載の
ごとき２相の電動機が提案されている。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相の巻線が施された突極構造の電機子
鉄心を使用し、ロータの回転位置に応じて、相補
的に各相の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の構成が
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、電機子鉄心が突極構造の場合
には、電機子鉄心が磁気的に不均一な構造である
ため、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力を発生させる
という問題がある。コギング力は、回転力の変動
となるため、通常の回転電機においては極力小さ
くしなければならない。

本発明者は、そのような点を考慮して、コギン
グ力を低減する一方法を特願昭53−144824号（特
開昭55−71162号）で提案した。まず、これにつ
いて説明する。第１図は上記先願にて提案した回
転電機の要部構成図である。同図において、ロー
タ１に取付けられた円環状のマグネツト２は、内
周にＮ極磁束を発生するＮ極部、Ｓ極磁束を発生
するＳ極部、および実効的に磁束を発生しない無
磁性極部（０に相当）を順次２組有している。こ
れらのＮ極部、Ｓ極部、無磁性極部は、その角度
幅を等しく（60゜）または略等しくされ、界磁部
を構成している。突極形の電機子鉄心３は、４個
の主突極４_a1，４_b1，４_a2，４_b2と、それらの主突
極の間に設けられた４個の補助突極５_a，５_b，５
_c，５_dを有し、各主突極４_a1，４_b1，４_a2，４_b2に
は巻線用溝７_a，７_b，７_c，７_d，７_e，７_f，７_g，
７_h、に各々巻線６_a1，６_b1，６_a2，６_b2が巻装さ
れている。巻線６_a1と６_a2および６_b1と６_b2は各々
直列接続した後に一端を共通接続して２相のコイ
ル６_a1，６_a2と６_b1，６_b2を形成している。各主突
極４_a1，４_b1，４_a2，４_b2の実効ピツチ（両端の巻
線用溝たとえば７_hと７_aの間隔）は、前記マグネ
ツト２の無磁性極部０の角度幅60゜に等しく、ま
たは略等しくされている。また、各補助突極５
_a，５_b，５_c，５_dの実効ピツチを残りの30゜に等
しくし、各主突極が等角度間隔90゜（マグネツト
３のＮ極部、Ｓ極部、無磁性極部の１組の角度の
半分）に配置されるようにしている。従つて、各
主突極の実効ピツチ（60゜）と各補助突極の実効
ピツチ（30゜）の比は整数比（本例では、２：１
＝４：２）となつている。さらに、各主突極およ
び補助突極のマグネツト３と対向する部分には、
主突極の実効ピツチの４分の１のピツチ、すなわ
ち15゜間隔で補助溝８_a，８_b，８_c，８_d，８_e，８
_f，８_g，８_h，８_i，８_j，８_k，８_l，８_n，８_o，８
_p，８_pが設けられている。この効果については後
述する。なお、第１図の回転電機の電動機および
発電機としての動作は、本発明に直接関係しない
ため、ここでの説明は省略する。

次に、第１図の回転電機のコギング力について
説明する。コギング力は、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、界磁用のマグネツト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、マグネツ
ト２のように２組のＮ極部、Ｓ極部、無磁性極部
を有する場合には、マグネツト２の有する磁気的
な周期、波形の基本的な調波成分は第２次調波成
分となる。ここで、ロータの１回転について１回
生ずる正弦波成分を第１次調波成分とする。すな
わち、マグネツト２は第２次調波成分を基本とし
て、第４次、第６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７_a〜７_hと補助溝８_a
〜８_pによつて生じる。

ここで、まず、補助溝を設けない場合について
考えると、巻線用溝７_a，７_bと７_c，７_dと７_e，７
_fと７_g，７_hは90゜毎に配置されているため、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４次成分となる。従つて、これを基本とし
て、第８次、第12次、………等の高調波成分をも
含んでいることになる。コギング力は、電機子鉄
心３の有する磁気的不均一性の成分と、マグネツ
ト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８_a〜８_pのないときのコギ
ング力は第４次、第８次、第12次………等の調波
成分を主に生じる。第１図の回転電機の電機子鉄
心３は、補助溝８_a〜８_p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、コギン
グ力の低減が図られている。これについて更に詳
しく説明する。マグネツト２に流出入する磁束
は、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入する。その結
果、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
とほぼ同等の磁気的効果を得ることができる。第
１図においては、主突極４_a1，４_b1，４_a2，４_b2の
実効ピツチ（両端の巻線用溝の中心間隔）を４等
分する位置、および補助突極５_a，５_b，５_c，５_d
の実効ピツチを２等分する位置に補助溝を設けて
いる。その結果、巻線用溝７_a〜７_hと補助溝８_a
〜８_pからなる溝の全体が回転中心Ａに対して等
角度間隔（15゜間隔）または略等角度間隔となる
ように配置されている。従つて、電機子鉄心３の
磁気的不均一性の周期・波形の基本的な成分は第
24次調波成分となり、その高調波である第48次、
第72次、………等が含まれることになる。その結
果、コギング力としては、主に第24次、第48次、
第72次、………等の調波成分が生じる。このよう
に、補助溝８_a〜８_pを設けることにより、第４、
第８、第12、第16、第20、第28、第32、………等
の調波成分のコギング力が欠落（または減小）
し、コギング力の低減効果は非常に大きい。しか
し、第１図の構成といえども前述の第24次調波成
分のコギング力の発生がいまだに大きく、実用上
許容できる範囲内にすることは困難であつた。こ
れは、マグネツト２にＮ極部、Ｓ極部と共に無磁
性極部を形成する必要があり、これによつてマグ
ネツト２の磁気的な周期・波形の高調波成分であ
る第24次成分がかなり大きいためであることが本
発明者によつて確認された。

本発明は、以上の観点から、マグネツト（界磁
部）にＮ極部、Ｓ極部と共に無磁性極部を順次形
成しながらも、前述のコギング力の発生に大きく
影響する調波成分を選択的に低減することによつ
て、全体のコギング力を更に小さくした回転電機
を提供するものである。以下、本発明を第２図に
示した実施例に基いて説明する。第２図は、第１
図の回転電機におけるマグネツト２の内周面の平
面展開図であり、その磁極の構成を示している。
同図のａは従来のマグネツト２の磁極構成を示し
ており、前述のように60゜間隔にＮ極部、無磁性
極部、Ｓ極部が２組配設されている。第２図ｂ
は、本発明におけるマグネツトの磁極構成を示し
ている。本例においては、マグネツト２_aの各磁
極（Ｎ極部、無磁性極部、Ｓ極部）に、前述のコ
ギング力に関与する成分を低減するようにスキユ
ーが設けられている。本発明の回転電機において
は、補助溝のピツチに対応したコギング力が主に
発生しやすいため、磁極のスキユー角は、この補
助溝のピツチに対応して15゜または略15゜とな
し、前述の第24次調波成分のコギング力を小さく
している。従つて、第２図ｂに示した磁極構成の
マグネツト２_aを第１図に示した回転電機のマグ
ネツト２の代りに使用したならば、コギング力は
さらに低減し、回転力の変動の少ない電動機また
は発電機を得ることができる。

しかしながら、第２図ｂの構成では、マグネツ
ト２ａに磁極を持たない無磁性極部０が存在し、
これをＮ極部やＳ極部と独立して形成する必要が
あり、実際に実現するうえで技術上の難点が大き
い。

このような点をさらに改良し、安定かつ確実に
コギング力を低減する界磁部（マグネツト）の磁
極の構成を第２図ｃ，ｄ，ｅに示す。第２図ｃに
おいては、界磁部のマグネツト２ｂのＮ極とＳ極
の一方の境界部分において（120／Ｒ）度（ここ
に、Ｒは界磁部のＮ極とＳ極の組数で、本例では
Ｒ＝２）に等しい、または略等しい角度幅の間、
回転軸に平行な方向（軸方向）に分離してＮ極と
Ｓ極を共存させることによつて、実質的に上述の
無磁性極部０を構成している。すなわち、界磁部
のマグネツト２ｂの磁束密度を軸方向（回転軸に
平行方向）に平均化した平均磁束密度は、Ｎ極部
においてＮ極のみ、Ｓ極部においてＳ極のみ、無
磁性極部において零（Ｎ極とＳ極で相殺する）ま
たは略零となつている。さらに、界磁部のＮ極
（図示の斜線部）とＳ極に所要角度のスキユーを
行うことにより、上記Ｎ極部とＳ極部と無磁性極
部に前述の補助溝のピツチ（電機子鉄心の溝のピ
ツチ）に対応した角度のスキユーを施し、コギン
グ力を低減している。

このように、Ｎ極とＳ極を軸方向に共存させる
ことによつて無磁性極部を構成するならば、界磁
部のマグネツト２ｂの全面にくまなくＮ極または
Ｓ極を形成すれば良いために、マグネツト２ｂの
着磁バラツキ、特に、無磁性極部におけるバラツ
キが低減し、スキユーの配置および効果が安定す
る。

さらに、大きなＮ極領域、Ｓ極領域を交互に配
置して、実効的にＮ極部、無磁性極部、Ｓ極部を
形成しているため、各領域の着磁が容易となる。
これは、着磁ヨークの各突極が各領域の形状にほ
ぼ一致しているため、突極が大きくとれ、着磁巻
線の巻回数を増やせることによる効果が大きい。

第２図ｄにおいては、第２図ｃの磁極構成にお
いて、第１番目の無磁性極部を構成するＮ極とＳ
極の位置を交換したものである。これにより、Ｎ
極部とＳ極部の境界線に対して隣接するＮ極領域
とＳ極領域の配置が略対称的となり、たとえばマ
グネツト２_cと電機子鉄心３の相対位置が軸方向
にずれた場合にも均一な電磁トルクを発生するよ
うにしている。このことについて更に説明する。
通常、電機子鉄心３の高さはマグネツト２_c（第
１図の２に相当）高さよりも少し低くされてい
る。このとき、電機子鉄心３が軸方向にずれる
と、各コイル６_a1，６_a2，６_b1，６_b2に鎖交する磁
束は変化する。しかし、コイル６_a1，６_b1への鎖
交磁束の変化は、それぞれ６_a2，６_b2への鎖交磁
束の変化と逆方向に生じるため、各相のコイル６
_a1，６_a2および６_b1，６_b2に鎖交する磁束の変化は
極めて小さなものとなる。その結果、電動機とし
ての発生トルクの均一性が保てる。

第２図ｅの例は、第２図ｄの磁極構成におい
て、無磁性極部の境界におけるスキユーの向きを
逆にした場合である。

この様に、電機子鉄心の主突極の実効ピツチと
補助突極の実効ピツチの比をＬ：Ｍ（ここに、
Ｌ、Ｍは２以上の整数で、ＬがＭよりも大きい）
に等しく、または略等しくし、主突極の実効ピツ
チの１／Ｌのピツチにて補助溝を設け、電機子鉄
心の巻線用溝と補助溝からなる溝の総数を10R個
（ここに、Ｒは界磁部のＮ極とＳ極の組数）以上
にし、電機子鉄心の上記溝の全体を等角度間隔、
または略等角度間隔に配置することによつて、コ
ギング力の基本調波成分を高次にし、そのコギン
グ調波成分を低減するように溝のピツチに対応し
たスキユーを界磁部の磁極に施すならば、コギン
グ力の低減と電磁トルクの均一性の両方を容易に
達成することができる。特に、前述の実施例に示
すように、電機子鉄心の巻線用溝と補助溝の総数
（＝24）をＲ（＝２）の12倍以上にし、界磁部の
Ｎ極とＳ極の一方の境界部分において回転軸に平
行方向に両極を共存させる領域を（120／Ｒ）度
＝60度、または略（120／Ｒ）度設け、円周上に
実質的にＮ極部とＳ極部と無磁性極部をＲ組順番
に形成するならば、界磁部の磁極部およびスキユ
ーの配置が安定し、スキユー角度も十分小さくで
き、その効果を十分に発揮することができる。

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である。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、これを回転駆動源として使用した
場合には、安価に高性能の音響機器を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の改良前に係る回転電機の要部
構造図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは第１図の回
転電機ならびに本発明の回転電機に使用されるロ
ータマグネツトの磁極構成例を示す平面展開図で
ある。１……ロータ、２_a〜２_d……マグネツト、３…
…電機子鉄心、４_a1，４_b1，４_a2，４_b2……主突
極、５_a〜５_d……補助突極、６_a1，６_b1，６_a2，
６_b2……巻線、７_a〜７_h……巻線用溝、８_a〜８_p
……補助溝。

Claims

【特許請求の範囲】１円周上に永久磁石材料によるＮ極とＳ極の磁
極を交互に合計Ｒ組（ここに、Ｒは２以上の整
数）有する界磁部と、複数相の巻線が巻回された
主突極と巻線を巻回されていない補助突極を交互
にそれぞれ2R個ずつ有する電機子鉄心を具備
し、前記界磁部の磁極面と前記電機子鉄心の突極が
対向しながら、前記界磁部と前記電機子鉄心のう
ち、いずれか一方を他方に対して回転させるよう
にした回転電機であつて、前記主突極の実効ピツチと前記補助突極の実効
ピツチの比をＬ：Ｍ（ここに、Ｌ、Ｍは２以上の
整数で、ＬがＭよりも大きい）に等しく、または
略等しくし、前記各突極の前記界磁部の磁極と対
向する部分に、前記主突極の実効ピツチの１／Ｌ
のピツチに補助溝を設け、前記電機子鉄心の巻線
用溝と前記補助溝からなる溝の総数を10R個以上
にし、前記電機子鉄心の前記溝の全体を等角度間
隔、または略等角度間隔に配置し、かつ、前記界磁部のＮ極とＳ極の一方の境界部
分において（120／Ｒ）度に等しい、または略等
しい角度幅の間、回転軸に平行な方向に分離して
Ｎ極とＳ極を共存させることにより、実質的にＮ
極部とＳ極部と無磁性極部を円周上に順番にＲ組
形成させ、さらに、前記界磁部のＮ極とＳ極に所
定角度幅のスキユーを行うことにより、前記Ｎ極
部とＳ極部と無磁性極部に前記電機子鉄心の溝の
ピツチに対応したスキユーを施した回転電機。