WO2002035683A1 - Moteur electrique a rotor pouvant confiner un flux magnetique - Google Patents

Moteur electrique a rotor pouvant confiner un flux magnetique Download PDF

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WO2002035683A1
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Teruo Kawai
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Nihon Riken Co., Ltd
Cosmos Co., Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems

Definitions

  • a permanent magnet motor includes a plurality of exciting means arranged in a substantially annular shape at a predetermined interval from each other.
  • the exciting means are movably provided along the inner peripheral side of the exciting means, and each adjacent one has different magnetic poles on the side facing the exciting means.
  • Rotor with at least one pair of magnetized parts And an exciting current control means for supplying an exciting current based on a predetermined sequence, timing, and exciting polarity to the exciting means of the stay, and an electric motor comprising: A magnetic flux passing member is provided between the magnetic portions to allow the flow of magnetic flux, and when the exciting means is not excited, the magnetic flux between the magnetized portions passes through the magnetic flux passing member.
  • a magnetic member may be interposed between the magnetized portion of the rotor and the exciting means of the stay.
  • the magnetic flux that enters or exits one of the magnetized portions of the rotor passes through the magnetic flux. Since the magnetic flux flows between adjacent magnetic poles of different polarities through the member, the magnetic flux is confined in the rotor and does not cause any special interaction with the exciting means on the stay side. The mouth can be rotated with almost no load.
  • each magnetized portion provided on the rotor is attracted to the exciting means of the adjacent state which is excited to a different polarity. Therefore, the exciting means to be excited are sequentially set in a predetermined order, timing and The rotation is applied to the rotor and the excitation polarity is applied, thereby applying a rotational force to the rotor.
  • the magnetic flux passage member may be configured to have a plate-like magnetic body that connects between the magnetized portions of the rotor in a substantially arc shape, for example.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a permanent magnet motor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a mouth used in an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing the operation of the permanent magnet motor according to one embodiment of the present invention, part 1,
  • FIG. 4 is a diagram showing the operation of the permanent magnet motor according to one embodiment of the present invention
  • FIG. FIGS. 3 and 6 show the operation of a permanent magnet motor according to an embodiment.
  • FIGS. 4 and 7 show the operation of a permanent magnet motor according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. FIG. 8 is a diagram showing the configuration and operation of a permanent magnet motor according to a conventional example.
  • a permanent magnet motor includes a rotor 10 having a plurality of low salient poles 12, 12,. 4,....
  • Each of the salient poles 12, 12, ... has a permanent magnet 12a constituting a magnetized portion and a magnetic head 12b extending therefrom.
  • the permanent magnet 12 a has a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the rotor salient poles 12, 12,... Adjacent to each other on the outer peripheral surface of the rotor hub 14 have opposite ends in the rotor radial direction. They are arranged and fixed so as to be magnetic poles.
  • the permanent magnets 1 2a provided in each of the salient poles 12 are arranged and fixed so that different magnetic poles appear at the outer ends in the radial direction of the adjacent salient poles 12. I have.
  • a rotor ring Mp as a magnetic flux passing member having a substantially annular shape that connects the tips of the rotor salient poles 12 to each other is provided.
  • the rotor ring Mp is provided with a magnetic material formed in a thin plate shape so as to magnetically connect the tips of the rotor salient poles 12 to each other. Then, the difference between adjacent rotor salient poles 1 and 2 The magnetic poles are connected to each other so that the magnetic flux can flow between them.
  • a magnetic head 12 b formed in a substantially arc shape in accordance with the inner peripheral shape of the later-described salient pole 24, which will be described later, It is fixed so as to be interposed between the salient poles 24 and the permanent magnets 12a.
  • the magnetic material head 12 b has a projection formed by bulging a portion of the rotor ring Mp corresponding to the rotor salient pole 12 radially outward by a predetermined dimension. It has the shape of The dimensions such as the shape and the thickness in the radial direction of the magnetic head 12b are not limited to the substantially arcuate shape in the present embodiment, but may be appropriately determined through a prototype test or the like.
  • each permanent magnet 12a may be configured to face the salient pole 24 only through the rotating Mp.
  • a low-speed shaft 16 is fixed. Both ends of the mouth shaft 16 are rotatably supported by bearings not shown. As a result, the rotor 10 is connected to the magnetic heads 12 b provided at the tips of the salient poles 12 arranged at equal pitches along the outer periphery of the mouth hub 14. In a mode in which a constant air gap is maintained between each stay salient pole 24, the air gap is rotatably held along the inner periphery of the stay salient pole 24.
  • the stay 20 has a plurality of stay salient poles 24, which are excitation means extending radially outward and arranged at equal intervals in an annular shape along its outer periphery.
  • stay salient poles 24 are excitation means extending radially outward and arranged at equal intervals in an annular shape along its outer periphery.
  • eight sets of salient poles 24 are arranged at a pitch of 45 °, and one of the four sets of rotor salient poles 12 ,
  • the other salient poles 1 and 2 also face each other.
  • Such a configuration is useful for effectively utilizing the magnetic force from the salient poles 24 at each stage at the rotor salient poles 12, which will be described in detail in the section of operation.
  • the excitation control device 30 is a current switching device for controlling the direction of the excitation current supplied to the coils 24 b of the respective salient poles 24 and the on / off switching timing, and generally includes a transistor. It consists of a current switching element such as a thyristor and a control circuit for controlling on / off of the switching elements.
  • a current switching element such as a thyristor
  • a control circuit for controlling on / off of the switching elements.
  • an open loop configuration may be used from the viewpoint of drive control.
  • various existing sensors such as an optical sensor combined with a light-shielding plate (not shown) having a predetermined notch shape or a single-piece encoder are used.
  • the speed control of row 10 can be performed as appropriate.
  • the output signal of the rotation sensor is input to the control circuit of the excitation control device 30 and is used as a trigger signal for controlling on / off of the current switching element according to the rotation angle of the rotor 10. You.
  • Fig. 1 shows a state in which no exciting current is supplied to any of the coils 24b of the stator salient poles 24, and none of the stator salient poles 24 is energized.
  • the state of is shown.
  • the magnetic fluxes entering and exiting the respective magnets 12 a of the rotors 10 the respective magnets of the evening salient poles 12 —have different polarities of the other rotor salient poles 12 located on both sides. It flows through the rotor ring Mp between the magnetic poles of the rotor 10 and the magnetic poles of the rotor 10 and does not go out of the rotor 10, that is, is kept in a state of being confined in the rotor 10.
  • Fig. 1 also shows the state as a qualitative magnetic flux distribution with a "set of fine dots". As shown in the figure, the magnetic flux entering and exiting the permanent magnets 1 2a provided in each of the salient poles 12 is transmitted to the permanent magnets 1 2a of the other rotor salient poles 12 via the rotor ring M p. And it does not flow out of the area.
  • FIGS. 7 and 8 show the configuration and operation of a motor having a conventional rotor configuration without a mouth ring Mp.
  • the permanent magnets 12a of the row salient poles 12 exert magnetic attraction between the opposing stator salient poles 24. Therefore, unlike the case of the present embodiment described above, in the off state in which none of the stator salient poles 24 is excited, the rotor salient poles 12 attract each other to the opposite stay salient poles 24. Attempt to maintain state.
  • Fig. 8 shows a state in which the stationary salient pole 24 located forward in the rotational direction is excited to have a different polarity from the magnetic pole of the neighboring salient pole 12 in order to rotate the rotor 10 clockwise.
  • the rotor salient pole 1 2 rotational direction in front of and at the same time receiving the magnetic attraction force from stearyl Ichita salient poles 2 4 different polarity, Isseki stearyl deenergized which faces stator teeth 2 4
  • the magnetic attraction still acts between them.
  • the magnetic force of the permanent magnets 12a provided in the rotor salient poles 12 is increased.
  • the rotor is locked by the magnetic attraction force when the power is off. Starting was difficult. According to the present invention, the conventional difficulties related to such starting can be almost eliminated.
  • the salient poles 12 of the rotor 10 are composed of the exciting salient poles S 1, S 5 and S 3, S 7 located at the front in the rotation direction and the non-excited salient poles located at the rear of the respective rotation directions.
  • S 8, S 4, and S 2, S 6, reach the middle and continue to the excitation salient poles S 1, S 5 and S 3, S 7 magnetized by different magnetic poles located forward in the clockwise direction. Suction continues to rotate.
  • each salient pole 12 of the rotor 10 has reached a position substantially opposed to the excited salient poles SI, S5, S3, and S7.
  • the magnetic attractive force acting between each rotor salient pole 10 and the excited salient poles S1, S5, S3, S7 is in the radial direction of the rotor 10. Acting on It does not function effectively as a driving force for rotating the rotor 10.
  • the energization of the coils 24 of the stator salient poles S1, S5, S3, and S7, which have been excited so far, is cut off, and the coils located in front of the rotor rotation direction in the rotor rotation direction are respectively turned off.
  • An exciting current is supplied to the coils 24b of the salient poles S2, S6, S4, and S8 in the excited state to excite them.
  • the magnetic flux distribution around the rotor 10 corresponds to a state where the rotor 10 shown in FIG. 2 is shifted clockwise by 45 °.
  • each salient pole 12 of the row 10 is connected to a new salient pole S 2, S 6, S 4, S 8 which is located in the clockwise front and is excited to a new polarity.
  • the rotating magnetic force is applied again by the acting magnetic attraction, and the rotor 10 can continue to rotate clockwise.
  • the excitation is switched when the salient poles 12 of the row 10 are almost opposed to the stator salient poles 24 that are excited in different polarities.
  • a method was adopted in which the change in magnetic flux distribution when each rotor salient pole 12 approached the stator salient pole 24 energized with different polarities was sequentially analyzed using the finite element method.
  • the setting condition of the sensor may be adjusted so that the output signal of the rotation sensor that detects the rotation angle of the rotor 10 satisfies the optimization condition.
  • the electric motor according to the present invention having the above configuration, When none of the excitation means provided in the stay is excited, the magnetic flux from one of the permanent magnets in the mouth circulates between the other permanent magnets and different magnetic poles through the magnetic passage member. As a result, the rotor can be rotated with almost no load, and the startability is good.
  • each permanent magnet provided in the rotor is attracted to the exciting means of the stay which is excited to a nearby different polarity.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Description

明 細 書 磁束閉じ込め可能なロータを備えた電動機 技術分野
この発明は、 永久磁石を利用した電動機に係わり、 特に始動性に優れ高効率を 達成することができる電動機に関する。 背景技術
従来、 電気エネルギーを機械的な出力、 例えばトルクとして取り出せるように した変換システムとして、 種々の電動機が開発されてきた。 それら従来の電動機 にあっては、 ステ一夕、 ロータのいずれか又は両方に電磁石が用いられており、 それらの電磁石によって回転磁界を生成して口一夕を追従させるもの (例えば誘 導電動機) 、 あるいは、 永久磁石ステ一夕の磁界中に極性反転制御を可能として 設けられたロー夕を回転自在に配設し、 口一夕とステ一夕との間の磁束の相互作 用によって回転力を得るもの.(例えば一般的な直流電動機) などがある。
このような在来の電動機については、 永久磁石から発生する磁束を利用してェ ネルギー変換効率を高めようとする試みが種々なされてきた。 発明者らは、 特に 永久磁石が発生する磁束の分布を適切に制御することによって、 出力トルクに抗 して作用する磁気力を可及的に低減し、 これによる出力トルクの増大、 電磁エネ ルギ一から力学的エネルギーへの変換効率向上を達成すべく、 さまざまな構成を 有するトルク発生装置を試作開発してきた。 例えば、 本願発明者らによる特開平 7— 7 9 0 7号公報は、 回転子に永久磁石を付加することによって、 エネルギー 変換効率を高めることができる動力発生装置を提案している。本願発明者らが開 発、 提案してきたこれらの動力発生装置では、 回転子に付加された永久磁石と固 定子電磁石との間に磁性部材が介在するように構成し、 励磁された一の固定子電 磁石と永久磁石との間に存在する磁束が、 磁性部材内で両者を結ぶ線上付近に可 及的に収束するように計画されている。 これによつて、 回転子の回転方向後方に ある非励磁電磁石から受ける吸引力によって回転子が引き戻される方向に作用 する力、 いわば従来必然のごとく看過されてきた現象を防ぐことを意図したため である。
しかしながら、 種々の試作機を製作してエネルギー変換効率、 発生トルク等の 性能を検証したところ、 回転子の永久磁石に付加する磁性部材の形状寸法や固定 子電磁石の構造によっては、 磁性部材内で予期したほどの磁束域が形成されず、 十分な効率の向上が図れない場合があることが判明した。 また、 回転子に永久磁 石を組み込んであるために、 いずれの固定子電磁石にも通電されていない状態で は各永久磁石と近接している特定の固定子電磁石との間に吸引力が作用して、 い わば回転子が強固にロックされた状態となっており、 始動が困難となることがあ るという問題点も確認された。
この発明は上記のような開発過程において見出された問題点を解消するため になされたもので、 その目的は、 永久磁石が持つ磁気エネルギ一を有効に利用し て高効率高トルクを得られるとともに、 始動性にも優れた電動機を提供すること である。 発明の開示
上記の目的を達成するために、 本願発明に係わる永久磁石電動機は、 互いに所 定の間隔を隔てて略円環状に配設された複数の励磁手段を備えているステ一夕 と、 それら略円環状に配設された励磁手段の各々と対向すべく、 それら励磁手段 の内周側に沿つて移動可能に設けられ、 相隣接するそれぞれが前記励磁手段に臨 む側に互いに異なる磁極を有している少なぐとも一対の着磁部を備えたロータ と、 前記ステ一夕の励磁手段にあらかじめ定められた順序、 タイミング及び励磁 極性に基づいて励磁電流を供給する励磁電流制御手段とを備えた電動機であつ て、 前記口一夕の互いに隣り合う着磁部の間に磁束の流通を許容する磁束通過部 材が設けられており、 前記励磁手段が励磁されていない状態では、 前記着磁部同 士の間の磁束は前記磁束通過部材を介して流通し、 口一夕内に閉止されているた めに、 その口一夕の着磁部と前記ステ一夕の各励磁手段との間にはほとんどなん の相互作用も生じない一方、 前記励磁手段を前記励磁電流制御手段によって励磁 すると、 前記ロータの各着磁部は異なる磁性に磁化された各励磁手段から発生す る磁束によって吸引されて励磁手段の磁極の移動方向に追従して同期駆動され ることを特徴とする。
前記磁束通過部材は、 前記ロータの各着磁部の間を略円弧状に接続する板状磁 性体を有して構成することができる。
また、 前記ロータの着磁部と前記ステ一夕の励磁手段との間には、 磁性部材が 介在するように構成してもよい。
さらに、 前記ロータの前記隣り合う着磁部と前記磁束通過部材とで囲まれる領 域は、 非磁性材料で充填するように構成することができる。
上記の構成を備えた本発明に係る電動機は、 前記ステ一夕に設けられた励磁手 段がいずれも励磁されていない状態では、 ロータのいずれかの着磁部に出入りす る磁束は磁束通過部材を介して相隣り合う異なる極性の磁極との間で流通する ため、 その磁束はロータ内に閉じ込められてステ一夕側の励磁手段との間で格別 の相互作用を生じることがないから、 口一夕はほとんど負荷をかけることなく回 動させることができる。
そして、 前記ステ一夕の励磁手段が励磁電流制御手段によって励磁されると、 ロータに設けられている各着磁部は近接する異極性に励磁されたステ一夕の励 磁手段に吸引されるので、 励磁される励磁手段を順次所定の順序、 タイミング及 び励磁極性となるように切り換えていくことにより、 ロータに回転力が付与され る。
前記磁束通過部材は、 例えば前記ロータの各着磁部の間を略円弧状に接続する 板状磁性体を有する構成とすることができる。
また、 前記口一夕の各着磁部と前記ステ一夕の励磁手段との間に磁性部材を介 設すれば、 着磁部からの磁束がその磁性部材内で前記着磁部と近接する異極性の 励磁手段とを結ぶように収束する。
前記ロー夕の前記隣り合う着磁部と前記磁束通過部材とで囲まれる領域を非 磁性材料で充填すれば、 ロータの機械的強度を高めることができ、 適用可能な電 動機容量の範囲が拡張される。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の構成を示す図、 図 2は本発明の一実施形態に用いられる口一夕の斜視図、
図 3は本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の作用を示す図その 1、 図 4は本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の作用を示す図その 2、 図 5は本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の作用を示す図その 3、 図 6は本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の作用を示す図その 4、 図 7は従来例に係わる永久磁石電動機の構成及び作用を示す図その 1、 図 8は従来例に係わる永久磁石電動機の構成及び作用を示す図その 2である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明の一実施形態について、 添付図面を参照して詳細に説明する。 図 1と図 3ないし図 5は、 本発明の一実施形態に係わる永久磁石電動機の概略 構成を示す正面図である。 また、 図 2はその実施形態に用いられているロータを 示す概略斜視図である。 なお、 これらの図においては、 本装置の基本的な構成と 作用とを明瞭にするため、 装置のハウジングやフレームなど、 本発明の説明に関 して本質的でないと思われる部分については図示を省略した。
図 1に示すように、 本実施形態の永久磁石電動機は、 複数のロー夕突極 1 2, 1 2 ,.……を備えたロータ 1 0と、 複数のステ一夕突極 2 4, 2 4 , ……を備え たステ一タ 2 0とを有する。
口一夕 1 0は、 略円柱状に形成されたロー夕ハブ 1 4の外周に沿って等間隔に 径方向外方に向けて突設された複数のロータ突極 1 2を有する。 ここでは、 ロー 夕突極 1 2は 4極であり、 口一夕ハブ 1 4の周囲に 9 0 ° ピッチで固設されてい る。ロータハブ 1 4は、例えば鉄等の磁性材料を用いて一体的に形成すればよい。 その際、 そのような磁性材料によって形成された同一形状の薄板を積層して用い れば、 ロータハブ 1 4内部での渦電流発生を抑制することができるので、 本装置 が動作中にロー夕ハブ 1 4内に渦電流が生じることによる損失を低減すること ができる。
ロー夕突極 1 2, 1 2, ……は、 それぞれ着磁部を構成する永久磁石 1 2 aと それから延設された磁性体へッド 1 2 bとを有する。 永久磁石 1 2 aは略直方体 状の形状とされており、 ロータハブ 1 4の外周側面で相隣接しているロータ突極 1 2 , 1 2 , ……のロータ径方向端部が互いに反対極性の磁極となるように配置 され固設されている。 すなわち、 各口一タ突極 1 2に設けられる各永久磁石 1 2 aは、 隣り合う突極 1 2のロー夕径方向外方端部に互いに異なる磁極が現れるよ うに配置され固設されている。
本実施形態では、 これらのロータ突極 1 2の先端部を相互に接続する略円環形 状を備えた磁束通過部材としてのロータリング M pが設けられている。 このロー 夕リング M pは、 薄板状に形成した磁性材料を各ロータ突極 1 2の先端部を互い に磁気的に接続するように配設される。 そして、 相隣り合うロータ突極 1 2の異 なる磁極同士を接続してその間の磁束の流通を可能とする作用を果たすもので ある。 磁性材料の材質や厚さ、 幅などの形状寸法は、 永久磁石 1 2 aの磁気強度 などに基づき、 設計上口一夕突極 1 2同士の間の磁束の流通に十分な特性が得ら れるように決定することができる。 また、 口一夕リング M pは、 円環状に形成さ れた一体部材としてもよいし、 あるいは必要に応じていくつかの略円弧状等の部 材として形成しておき、 口一夕突極 1 2等と組合せるときに一体とするような構 成としてもよい。
また、 各ロータ突極 1 2の先端部に、 後述するステ一夕突極 2 4の内周側形状 に合わせて略弧状に形成された磁性体へッド 1 2 bが、 そのステ一夕突極 2 4と 永久磁石 1 2 aとの間に介揷されるように固設されている。 図 1及び図 2に示す ように、 磁性体ヘッド 1 2 bは、 前記ロー夕リング M pのロータ突極 1 2に当た る部分を所定寸法だけ径方向外方へ膨出させた突起部の形状を呈する。 なお、 こ の磁性体へッド 1 2 bの形状及び径方向厚み等の寸法は、 本実施形態にある略弧 状に限られることなく、 試作試験等を通じて適宜の形状寸法としてよい。 また、 ロータリング M pとは別部材として形成しても一向に構わない。 この磁性体へッ ド 1 2 b内では永久磁石 1 2 aからの磁束が近接した異極性のステ一タ突極 2 4 (後述) との間を結ぶように収束するから、 他のステ一夕突極 2 4との間で口 一夕 1 0の回転を妨げるような磁気的相互作用が生ずるのを低減する効果が得 られる。 なお、 磁性体へッド 1 2 bを省略して、 各永久磁石 1 2 aがロータリン グ M pのみを介してステ一夕突極 2 4と対向するように構成してもさしつかえ ない。
本実施形態のロー夕 1 0の場合、 図 1、 図 2などに示されているように、 相隣 り合うロータ突極 1 2とロー夕リング M p及び口一タハブ 1 4で画成される空 隙 Vが存在する。 この空隙 Vは、 そのまま空間として残しておいてもよいし、 口 一夕 1 0に要求される機械的強度の観点から適宜の非磁性樹脂等の材料を充填 するようにしてもよい。 後者については、 言い換えれば、 着磁部を構成する永久 磁石 1 2 aを含むロータ 1 0の本体部分を樹脂モールド等で一体的に形成し、 そ の後口一夕リング M pを取り付けるようにすることができる。 その他、 当業者で あれば、 種々の設計手法を用いて本発明のロータを実現することができるであろ う。
口一夕ハブ 1 4の中心部には、 ロー夕軸 1 6が揷通固定されている。 この口一 夕軸 1 6の両端部は、 図示を省略する軸受によって回動自在に支持されている。 これにより、 ロータ 1 0は、 口一夕ハブ 1 4の外周縁に沿って等ピッチで配設さ れた口一夕突極 1 2の先端に設けられた磁性体へッド 1 2 bと各ステ一夕突極 2 4との間に一定のエアギャップが保持される態様で、 ステ一夕突極 2 4の内周 に沿って回動自在に保持されている。
ステ一夕 2 0は、 その外周に沿って等間隔で円環状に配置されるとともに、 径 方向外方へ延設された励磁手段である複数のステ一夕突極 2 4を備える。 この実 施形態では、 8組のステ一夕突極 2 4が 4 5 ° ピッチで配設されており、 前記し た 4組のロータ突極 1 2のいずれかがステ一夕突極 2 4と対向すれば、 他の口一 夕突極 1 2もそれぞれ他のステ一夕突極 2 4と対向するようにしている。 このよ うな構成は、 各ステ一夕突極 2 4からの磁気力を各ロータ突極 1 2で有効に利用 するのに役立つが、 これについては作用の項で詳述する。
各ステ一夕突極 2 4は、 径方向外方に突設されているコア 2 4 aとその周囲に 巻回されている励磁コイル 2 4 bとを有している。 それぞれのコイル 2 4 bは、 後述する励磁制御装置 3 0 (励磁電流制御手段) の出力に電気的に接続されてい る。 また、 各ステ一夕突極 2 4のステ一夕 2 0外方側端部は、 ステ一タ突極 2 4 の一方の磁極からの磁束が流入する磁路を構成する環状のヨーク 2 6によって 接続されている。 なお、 本実施形態におけるポールピース 2 2を備えたステ一夕 突極 2 4の形状及び寸法はあくまでも例示であり、 所望の電動機特性等に応じて 適宜変更し得ることはいうまでもない。
励磁制御装置 3 0は、 前記それぞれのステ一夕突極 2 4のコイル 2 4 bに供給 される励磁電流の向きとそのオンオフ切換タイミングを制御するための電流ス イッチング装置であり、 一般に、 トランジスタ、 サイリス夕等の電流スィッチン グ素子と、 それらのスイッチング素子のオンオフを制御するための制御回路とか ら構成されている。 本発明に係る永久磁石電動機は、 基本的にはステ一夕突極 2 4の励磁制御に口一夕 1 0が同期駆動されるため、 駆動制御の面からはオープン ループ構成としてさしつかえない。 ただし、 ロータ 1 0の回転角度を検出するた めに、 例えば所定の切欠き形状を備えた遮光板 (図示省略) と組合せた光センサ や口一タリエンコーダのような、 既存の種々のセンサを適宜用いてロー夕 1 0の 速度制御を行うことができる。 その場合、 回転センサの出力信号は、 前記励磁制 御装置 3 0の制御回路に入力され、 ロータ 1 0の回転角度に応じて前記電流スィ ツチング素子のオンオフを制御するためのトリガ信号として使用される。
次に、 図 1、 及び図 3〜図 5を参照して、 上記の構成を有する本発明の一実施 形態に係わる電動機の作用を説明する。
まず、 図 1は、 ステ一タ突極 2 4のコイル 2 4 bのいずれにも励磁電流が供給 されておらず、 いずれのステ一夕突極 2 4も励磁されていない状態、 いわば電源 オフの状態を示している。 この状態では、 ロータ 1 0が備えているそれぞれの口 —夕突極 1 2の永久磁石 1 2 aに出入りする磁束は、 両隣りに配置されている他 のロータ突極 1 2の相異なる極性の磁極との間でロータリング M pを通じて流 通し、 ロータ 1 0の外部へ出ることがない、 いわばロータ 1 0内に閉じ込められ た状態が保たれている。 したがって、 ロー夕 1 2の各磁極とその口一夕 1 0を取 り囲むように配設されている各ステ一タ突極 2 4との間では、 なんらの磁気的相 互作用も生じさせない。 このため、 この状態では、 ロー夕 1 0を軸 1 6の回りに ほとんど負荷を作用させることなく回動させることができるのである。 上記の状 態を定性的な磁束分布として同じく図 1に「細かいドットの集合」で示している。 図示のように、 各口一タ突極 1 2に配設されている永久磁石 1 2 aに出入りする 磁束は、 ロータリング M pを介して他のロータ突極 1 2の永久磁石 1 2 aとの間 に分布しており、 ロー夕 1 0の外部に流出することはない。
このような本実施形態に係る電動機の性質は、 ステ一夕突極 2 4を励磁したと きに、 ロー夕 1 0がいずれのステ一夕突極 2 4に拘束されることもなく即座に追 従するという始動性の良さに寄与している。 いま、 比較例として、 口一夕リング M pを有しない従来のロータ構成を備える電動機の構成及び作用を図 7、 図 8に 示す。 このような構成においては、 各ロー夕突極 1 2の永久磁石 1 2 aは対向す る各ステ一タ突極 2 4との間に磁気吸引力を及ぼしあう。 したがって、 前記した 本実施形態の場合とは異なり、 いずれのステ一タ突極 2 4も励磁されないオフ状 態では、 ロータ突極 1 2は対向するステ一夕突極 2 4と吸引し合った状態を保持 しょうとする。
次に、 図 8は、 ロータ 1 0を時計方向に回転駆動すべく、 回転方向前方に位置 するステ一夕突極 2 4を近接するロー夕突極 1 2の磁極と異極性に励磁した状 態を示している。 この状態においても、 各ロータ突極 1 2は回転方向前方の異極 性のステ一タ突極 2 4から磁気吸引力を受けると同時に、 対向している非励磁の ステ一夕突極 2 4との間にも依然として磁気吸引力が作用している。 高トルクを 得ようとする場合には、 ロータ突極 1 2に備える永久磁石 1 2 aの磁力を大きく するが、 そうなると各ロータ突極 1 2と対向するステ一夕突極 2 4との間に作用 する吸引力はますます大きくなり、 電源オフ状態ではロータがステ一夕に対して 磁気吸引力によってロックされた状態となってしまい、 隣接するステ一夕突極 2 4を励磁しても始動が困難であった。 本発明では、 このような始動に関する従来 の困難性をほぼ解消することができたのである。
次に、 図 3は、 本実施形態に係る電動機を起動すべく、 所定のステ一夕突極 2 4のコイル 2 4 bを励磁した起動初期状態を示している。 前記のとおり、 この実 施形態の電動機では、 ステ一夕 2 0の突極 2 4が 8組、 ロータ 1 0側の突極 1 2 が 4組、 それぞれ等ピッチで設けられているので、 図示のとおり、 ステ一夕突極 2 4は 1個おきにロータ 1 0の突極 1 2と向かい合うことになる。
いま、 それぞれのステ一夕突極 2 4を識別するために、 各ステ一夕突極 2 4に 図示のとおり S 1〜S 8の符号を付けることにする。 起動初期状態においては、 S 1から S 8までのステ一夕突極 2 4のコイル 2 4 bのうち、 S 1および S 5を S極に、 S 3および S 7を N極に励磁するように電流を供給している。 前記のよ うに、 このときの各コイル 2 4 bに供給される励磁電流は、 励磁制御装置 3 0に よって制御される。 このようにステ一夕突極 2 4を励磁すると、 突極 S 1および S 5はロー夕 1 0の N極を吸引し、 突極 S 3および S 7はロー夕 1 0の S極を吸 引する。 そして、 ロー夕 1 0はこの磁気吸引力によって図示のように時計方向に 回転し始める。
次に、 ロータ軸 1 6に固設されているロータ 1 0が時計回りにステ一夕突極 2 4の配設ピッチの 1 Z 2程度回転すると、 図 4に示す状態になる。 ロータ 1 0の 突極 1 2は、 それぞれ回転方向前方に位置するステ一夕の励磁突極 S 1, S 5お よび S 3 , S 7と、 それぞれの回転方向後方に位置する非励磁突極 S 8 , S 4お よび S 2, S 6との中間付近に達しており、 引き続き時計回り前方に位置する異 なる磁極に磁化された励磁突極 S 1 , S 5および S 3, S 7に吸引されて回転し 続ける。
ロー夕 1 0が、 図 4の状態からさらに 1 Z 2ピツチ程度時計方向に回転すると、 図 5の状態となる。 このとき、 ロータ 1 0のそれぞれの突極 1 2は、 励磁された ステ一夕突極 S I , S 5 , S 3 , S 7にほぼ対向する位置に達している。 この状 態では、図示のとおり、各ロータ突極 1 0と励磁されたステ一夕突極 S 1, S 5 , S 3 , S 7との間に働く磁気吸引力はロータ 1 0の半径方向に作用しており、 も はやロータ 10を回転させるための駆動力として有効に機能しない。 そこで、 こ こまで励磁されていたステ一タ突極 S 1, S 5, S 3, S 7の各コイル 24 へ の通電を遮断し、 それらのロー夕回転方向前方にそれぞれ位置している非励磁状 態のステ一夕突極 S 2, S 6, S 4, S 8のコイル 24 bに励磁電流を供給して これらを励磁する。 これにより、 ロータ 10まわりの磁束分布は図 6に示される ように、 前記図 2に図示されているロータ 10を時計方向に 45° ずらした状態 に相当することとなる。 そのために、 ロー夕 10の各突極 12には、 それぞれの 時計方向前方に位置する新たに異極性に励磁されたステ一夕突極 S 2, S 6, S 4, S 8との間に作用する磁気吸引力によって再び回転駆動力が付与され、 ロー 夕 10は時計方向の回転を持続することができる。
なお、 ロー夕 10の回転速度制御を行う場合には、 各ステ一夕突極 24のコィ ル 24 bへの励磁電流を切換えるタイミングは、 ステ一夕 20の極数 (ステ一夕 20に設けられているステ一夕突極 24の数) nによって定まり、 (360/ n) 0 毎に切り替える必要がある。 したがって、 この実施形態にあってはステ一 夕 20の極数 n=8であるから、 下記の表 1に示すように、 (360/8) =4 5° 毎に励磁されるステ一夕突極 24を時計方向に切り換えていくことになる。 ただし、 この励磁するステ一夕突極 24を切り換えていく方向は、 所望のロータ 回転方向にしたがつて定めればよい。
ロー夕 ステ一夕突極の励磁極性
回転角 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8
0 ° S N S N
-
4 5 ° S N S N
9 0。 N S N S
1 3 5 ° N S N S
1 8 0。 S N S N
2 2 5 ° S N S N
2 7 0 ° N S N S
3 1 5。 N S N S
3 6 0。 S N S N また、 上記説明の中では、 ロー夕 1 0のそれぞれの突極 1 2が異極に励磁され たステ一タ突極 2 4とほぼ対向したときに励磁を切り換えるものとしたが、 より 厳密には、 異極性に励磁されているステ一夕突極 2 4に各ロータ突極 1 2が接近 していく際の磁束分布の変化を有限要素法を用いて逐次解析するなどの手法を 採用したり、 ステ一夕突極 2 4の励磁切換タイミングをパラメータとして出力特 性を測定比較したりすることによって、 出力トルクの増大やエネルギー変換効率 の向上だけでなく、 トルク変動抑制等の他の要素を加味して最適な励磁電流切換 タイミングを見出すことが可能である。 そして、 ロー夕 1 0の回転角を検出する 前記回転センサの出力信号がその最適化条件を満たすように、 センサの設定条件 を調整すればよいのである。
産業上の利用可能性
以上詳細に説明したように、 上記の構成を備えた本発明に係る電動機によれば、 ステ一夕に設けられた励磁手段がいずれも励磁されていない状態では、 口一夕の いずれかの永久磁石からの磁束は磁性通過部材を介して他の永久磁石の異なる 磁極との間で流通してロータの内部に閉じ込められるから、 ロー夕はほとんど負 荷をかけることなく回動させることができ、 始動性が良好である。
そして、 前記ステ一夕の励磁手段が励磁電流制御手段によって励磁されると、 ロータに設けられている各永久磁石は近接する異極性に励磁されたステ一夕の 励磁手段に吸引される。 これにより、 励磁される励磁手段を順次所定の順序、 タ ィミング及び励磁極性となるように切り換えていくことにより、 口一夕に回転力 が付与され、 高トルクを高効率で取出すことができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 互いに所定の間隔を隔てて略円環状に配設された複数の励磁手段を備えてい るステ一夕と、
それら略円環状に配設された励磁手段の各々と対向すべく、 それら励磁手段の 内周側に沿って移動可能に設けられ、 相隣接するそれぞれが前記励磁手段に臨む 側に互いに異なる磁極を有している少なくとも一対の着磁部を備えたロー夕と、 前記ステ一夕の励磁手段にあらかじめ定められた順序、 タイミング及び励磁極 性に基づいて励磁電流を供給する励磁電流制御手段とを備えた電動機であって、 前記ロータの互いに隣り合う着磁部の間に磁束の流通を許容する磁束通過部 材が設けられており、 前記励磁手段が励磁されていない状態では、 前記着磁部同 士の間の磁束は前記磁束通過部材を介して流通し、 口一夕内に閉止されているた めに、 その口一夕の着磁部と前記ステ一夕の各励磁手段との間にはほとんどなん の相互作用も生じない一方、
前記励磁手段を前記励磁電流制御手段によつて励磁すると、 前記ロータの各着 磁部は異なる磁性に磁化された各励磁手段から発生する磁束によって吸引され て励磁手段の磁極の移動方向に追従して同期駆動される
ことを特徴とする電動機。
2 . 前記磁束通過部材は前記ロータの各着磁部の間を略円弧状に接続する板状磁 性体を有していることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の電動機。
3 . 前記磁束通過部材は前記ロータの各着磁部の間を相互に接続する円環状に形 成された部材を備えて構成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記
4 . 前記着磁部は相隣接するそれぞれが前記励磁手段に臨む側に互いに異なる磁 極を有する永久磁石を備えて構成されていることを特徴とする請求の範囲第 1 項から第 3項までのいずれかに記載の電動機。
5 . 前記ロータの着磁部と前記ステ一夕の励磁手段との間に、 磁性部材が介在す るように構成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 3項までの いずれかに記載の電動機。
6 . 前記ロー夕の着磁部と前記ステ一夕の励磁手段との間に、 磁性部材が介在す るように構成されていることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の電動機。
7 . 前記ロータの前記隣り合う着磁部と前記磁束通過部材とで囲まれる領域が、 非磁性材料で充填されていることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 6項ま でのいずれかに記載の電動機。
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