JP2004248363A - クローポールモータ - Google Patents
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Abstract
【課題】コギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、部品の種類を減少させてコストの低減を図る。
【解決手段】界磁磁極21が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子20と、界磁磁極21に対向して等ピッチで配置されたクローポール13,13’が一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨーク12にそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材11,11と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが同軸上に複数個結合されると共に、各相ユニット間で界磁磁極21に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子10と、を備え、各相のコイルに電流を通流して界磁子20と電機子10とを相対的に回転させるクローポールモータに関する。クローポール13,13’を、界磁磁極21との間の距離が周方向両端部に向かうに従って長くなる立体形状とする。
【選択図】 図1
【解決手段】界磁磁極21が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子20と、界磁磁極21に対向して等ピッチで配置されたクローポール13,13’が一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨーク12にそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材11,11と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが同軸上に複数個結合されると共に、各相ユニット間で界磁磁極21に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子10と、を備え、各相のコイルに電流を通流して界磁子20と電機子10とを相対的に回転させるクローポールモータに関する。クローポール13,13’を、界磁磁極21との間の距離が周方向両端部に向かうに従って長くなる立体形状とする。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体形状であるかぎ爪状磁極(claw−pole)を有するクローポールモータに関し、特にコギングトルクの抑制やコストの低減を可能にしたクローポールモータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は、クローポールモータの第1の従来技術を示す分解斜視図である。図5において、100は固定子としての電機子、200は回転子としての界磁子であり、これらの電機子100及び界磁子200によって三相のインナーロータ型クローポールモータが構成されている。
【0003】
電機子100は、相数の自然数倍個(図5は三相の例であるため、三相の1倍個すなわち3個)の相ユニット100a,100b,100cを同軸上に連結して構成されている。各相ユニット100a,100b,100cは、リング状に形成されたコイル110と、これを取り巻くように形成された第1軟磁性部材120及び第2軟磁性部材130とから構成されている。
【0004】
第1軟磁性部材120及び第2軟磁性部材130は、鋼板を加工して形成される高透磁率部材であり、第1軟磁性部材120を構成する断面L字形のヨークの内周部には、電機子100の中心軸に並行して、ほぼ平板状のクローポール121が内周方向に等ピッチで下方に向け折曲形成されている。また、第2軟磁性部材130を構成する断面L字形のヨークの内周部には、同じく電機子100の中心軸に並行して、ほぼ平板状のクローポール131が内周方向に等ピッチで上方に向け折曲形成されている。つまり、隣り合うクローポール121,131はそれぞれ別個のヨークに磁気結合されている。
そして、各クローポール121,131は電機子100の内周に沿って交互に配置されており、これらのクローポール121,131のピッチは後述する界磁子200の界磁磁極(NS磁極)210のピッチと等しくなっている。
【0005】
一方、界磁子200は、円筒状に配置された界磁磁極210及び回転軸220を有し、界磁磁極210は周方向に異極(N極、S極)が交互に配置されている。
また、この界磁子200を電機子100の内部空間に同心状に配置した状態では、界磁磁極210と電機子100側のクローポール121,131とが対向するようになっている。
【0006】
このように構成することにより、電機子100のコイル110に電流を通流すると隣り合うクローポール121,131が互いに逆極性に励磁されるため、界磁子200の界磁磁極210を所定位置に吸引することができる。
図5の例では、各相ユニット100a,100b,100cのクローポール121,131は電気角で60°ずつ周方向の位置が順次ずれている。よって、三相ユニットに三相交流電流を通流することにより、界磁子200の界磁磁極210は各相ユニット100a,100b,100cのクローポール121,131に順次、連続的に吸引されて回転する。
【0007】
この種のクローポールモータは、安価なステッピングモータとして実用化されており、例えばプリンタのドラム駆動などに用いられている。更に、例示したモータは電気的には通常の三相永久磁石モータと同様であるため、回転位置センサを取り付けて位置フィードバック制御を行うことも可能である。
なお、第1軟磁性部材120及び第2軟磁性部材130の代表的な構成方法は、図に示したように、それぞれクローポール121,131を有する2個のヨークを、コイル110を挟み込むようにして結合するものである。このような構成方法をとる場合、各軟磁性部材120,130は、板状の軟磁性材料をプレス加工して成形するのが一般的となっている。
【0008】
次に、図6は第2の従来技術を示す分解斜視図である。
前述した図5の従来技術では、界磁磁極210からクローポール121,131の表面に至る磁束がクローポール121,131の付け根に集中するため磁気飽和が顕著になり、トルクを増加できないという問題がある。
そこで、軟磁性材料を平板状ではなく、部位により断面積が異なる立体形状に加工して、クローポールの磁束が集中する部位の断面積を増やすことにより磁気飽和を緩和し、トルクを増加させるようにした構造が、図6に示す如く提案されている。
【0009】
図6はクローポールモータの組立工程を示したもので、第1軟磁性部材170及び第2軟磁性部材180によりコイル160を軸方向両側から挟み込んで一つの相ユニット150aを形成し、同一構成の三つの相ユニット150a,150b,150cを同軸上に連結することにより電機子150が形成される。
なお、250は界磁磁極260及び回転軸270を有する界磁子である。
【0010】
第1軟磁性部材170において、171はリング状のヨーク、172はヨーク171に磁気的に結合され、かつ付け根部分の断面積が大きくなるように形成された突起状のクローポールであり、これらのクローポール172は、コイル160の内部空間を通って第2軟磁性部材180の内周面の凹部183に嵌合されるようになっている。また、第2軟磁性部材180において、181はリング状のヨークであり、182はヨーク181に磁気的に結合されて付け根部分の断面積が大きくなるように形成された突起状のクローポールである。
なお、この従来技術では第1軟磁性部材170及び第2軟磁性部材180の構造が互いに若干異なり、また、図5の従来技術の構造とも異なっているが、その動作原理は図5と同様である。
【0011】
図6に示したような立体形状のクローポールを有する電動機は、例えば後述の非特許文献1に示されるように、自動車のオルタネータとして従来から用いられている。
自動車のオルタネータにおけるクローポールは、各ポールごとに極性が固定された界磁磁極として用いられており、渦電流が流れないことから、クローポールを磁性体の金属の塊によって形成することが可能である。
【0012】
これに対して、図5,図6のように電機子側にクローポールを有するクローポールモータでは、クローポールの極性が時間的に変化するので、渦電流を実用的な範囲に抑制するためには、クローポールの材料として金属の塊を使用することができない。
そこで、このような渦電流を抑制する観点から、表面に絶縁処理を施した磁性粉末を固着して成形する方法が用いられる。この種の方法により形成されたクローポールを有するモータについては、例えば非特許文献2に開示されている。
【0013】
【非特許文献1】
エンジン電装研究会編著「自動車工学シリーズ エンジン電装部品」ISBN4−381−10077−8 C3053, P.109
【非特許文献2】
A.G. Jack, et al“Claw Pole Armature Permanent Magnet MachinesExploiting Soft Iron Powder Metallurgy”Proceedings of IEEE International Electric Machines and Drives Conference ’97
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
電機子側にクローポールを有するクローポールモータでは、一般に界磁子の界磁磁極数と電機子のクローポールの数とが等しいため、コイルの無通流状態では、界磁磁極の磁束によって界磁磁極とクローポールとが揃う方向に比較的大きな力が働き、この力がいわゆるコギングトルクの原因となる。
また、図5や図6に示した従来技術のように、クローポールと界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向にわたって一定であると、図2(a)に示す如く、各相ユニットのコギングトルク波形の極性が入れ替わる際の変化率が大きくなり、全ての相を合成したコギングトルク波形に大きな脈動が発生する。
【0015】
更に、軟磁性部材内部のコイルを引き出すためにヨークに形成される開口部は、磁路の断面積を減少させて磁気特性を悪化させるため、この開口部の配置や大きさ等を最適に設計することが要請されている。
また、軟磁性部材の立体加工では一般に高価な金型を用いるため、低コスト化の観点から、部品の種類を少なくすることが望ましい。
【0016】
そこで本発明は、軟磁性部材を加工する場合の形状の自由度に着目し、構造を改良してコギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、更に、部品の種類を減少させてコストの低減を図ったクローポールモータを提供しようとするものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、N極及びS極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にK(Kは2以上の整数)個連結されると共に、これらK個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
前記クローポールを、前記界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向両端部に向かうに従って長くなるような立体形状としたものである。
【0018】
請求項2に記載した発明は、N極及びS極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にK(Kは2以上の整数)個連結されると共に、これらK個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材を、同一部材により形成したものである。
【0019】
請求項3に記載した発明は、請求項2に記載したクローポールモータにおいて、コイルを引き出すための開口部を、クローポールの側辺の延長上に位置するヨークの周縁部に形成したものである。
【0020】
請求項4に記載した発明は、請求項3に記載したクローポールモータにおいて、一対の磁性部材を結合した際に開口部の位置が一致するように前記開口部を配置したものである。
【0021】
請求項5に記載した発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載したクローポールモータにおいて、一対の磁性部材が、粉末磁性体により形成された軟磁性部材であることを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は本発明の第1実施形態を示す主要部の断面図であり、クローポールモータの一つの相ユニットの軸方向中心部を軸に垂直な面で切断した断面を示している。
図1において、10は電機子、11はこの電機子10を構成する一方の軟磁性部材であり、リング状のヨーク12の内周面には1個置きにクローポール13が軸方向に突設されている。なお、13’は他方の軟磁性部材に形成されたクローポールである。
【0023】
また、20は電機子10の内部空間に同心的に配置される界磁子であり、クローポール13,13’の極数と同数でN極,S極が交互に配置された円筒状の界磁磁極21と、回転軸22とを備えている。なお、クローポール13,13’の磁極ピッチと界磁磁極21の磁極ピッチとは等しくなっている。
【0024】
本実施形態でも、図6に示した如く一対の軟磁性部材によってコイルを挟み込むことにより電機子10の一相分の相ユニットが形成されるものであるが、図では他方の軟磁性部材及びコイルを省略してある。
また、電機子10は、相ユニットを同軸上にK個(Kは2以上の整数であり、三相であれば3個)連結して構成され、各相ユニット間では、界磁磁極21に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成される。
【0025】
さて、従来ではクローポールと界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向にわたって一定であるが、この実施形態では、クローポール13,13’と界磁磁極21との間の距離を、クローポール13,13’の周方向両端部に向かうにつれて長くしてある。すなわち、図1において、aはクローポール13,13’と界磁磁極21との間の最短距離を結んだ最短距離線であり、個々のクローポール13,13’の界磁磁極21との対向面は、クローポール13,13’の周方向両端部に向かうに従って最短距離線aから遠ざかっている。
【0026】
上記のような構造とすることにより、クローポール13,13’を通り抜ける磁束の界磁子20の回転に伴う変化が緩やかになり、図2(b)に示す如く、各相ユニットのコギングトルク波形は正弦波に近くなると共に、コギングトルク波形の極性が入れ替わる際の変化率を図2(a)の従来技術よりも小さくすることができる。従って、合成コギングトルク波形の脈動も小さくなり、スムーズな回転が可能になる。
なお、コギングトルク波形が一つの相ユニットについて完全な正弦波である場合、三相分を合成すると相殺されてゼロとなるので、一つの相ユニットのコギングトルク波形を正弦波に近付けることが、全体のコギングトルク低減において重要である。
【0027】
次に、図3は本発明の第2実施形態における電機子の相ユニットの分解斜視図である。
この実施形態では、同一形状、同一構造の2個の軟磁性部材14を、コイル30を挟んで反対向きに結合することにより、一相分の相ユニットが形成される。軟磁性部材14において、15はリング状のヨーク、16はヨーク15と磁気的に結合されたクローポールであり、このクローポール16は、同一の他方の軟磁性部材14のクローポール16の相互間に形成された凹部16aに嵌合可能である。また、15aはコイル30を外部に引き出すためにヨーク15の周縁部に形成された開口部である。
【0028】
なお、図3におけるクローポール16の形状は図1の第1実施形態と異なっているが、この第2実施形態でも、図1のように、クローポールと界磁磁極との間の距離を、クローポールの周方向両端部に向かうにつれて長くすることが可能であり、そのようなクローポールを有する同一の軟磁性部材を反対向きにしてコイルを挟んで2個結合することにより、電機子を形成してもよい。
【0029】
一般に、粉末磁性体を成型して立体的な軟磁性部材を形成するための型は高価であるため、本実施形態のように同一構造の軟磁性部材14を2個用いることによって型の種類を半減することができ、モータの低コスト化に大きく寄与する。なお、同一部材に互いに嵌合可能な凹凸部(クローポール16及び凹部16a)を設けることは容易であり、これによって一対の軟磁性部材14の位置決めを高精度に行うことができる。
【0030】
図4は、本発明の第3実施形態における電機子の相ユニットの説明図である。図4(a),(b)において、17はリング状のヨーク15とクローポール18とを有する軟磁性部材、15aは内部のコイルを引き出すためにヨーク15に形成された開口部である。
この実施形態においても、図3と同様に同一構造の軟磁性部材17をコイルを挟んで反対向きに結合することにより、一相分の相ユニットが形成される。また、この相ユニットを同軸上にK個(Kは2以上の整数)連結して電機子が構成され、各相ユニット間では、界磁磁極に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれている点も各実施形態と同様である。
【0031】
ここで、クローポール18の側辺18aの延長上に位置するヨーク15の周縁部に開口部15aを形成することにより、図4(b)のように、一方の軟磁性部材17のクローポール18を他方の軟磁性部材17のクローポール相互間の凹部に嵌合して二つの軟磁性部材17を結合する際に、二つの開口部15aをちょうど合致させることができ、この開口部15aから内部のコイルを容易に引き出すことができる。
なお、開口部15aは軟磁性部材17における磁路の断面積を減少させるため、磁気飽和を緩和して鉄損を低減させる観点から、開口部15aの面積をできるだけ小さくすることが望ましい。
【0032】
上記各実施形態では、本発明をインナーロータ型モータに適用した場合につき説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、例えばアウターロータ型モータや、円筒状の界磁子の内外両方に電機子を有するモータにも適用可能である。
また、本発明のクローポールモータは三相モータ以外の多相モータにも適用可能であり、相数に制約はない。
【0033】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、クローポールやコイル引き出し用の開口部を含む軟磁性部材の構造を改良してコギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、また、同一の一対の軟磁性部材を用いることで部品の種類を少なくしてコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態における相ユニットの断面図である。
【図2】従来技術及び本発明の実施形態におけるクローポールの構造とコギングトルク波形の説明図である。
【図3】本発明の第2実施形態における相ユニットの分解斜視図である。
【図4】本発明の第3実施形態における相ユニットの説明図である。
【図5】第1の従来技術を示す分解斜視図である。
【図6】第2の従来技術を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
10:電機子
11,14,17:軟磁性部材
12,15:ヨーク
13,13’,16,18:クローポール
15a:開口部
16a:凹部
18a:側辺
20:界磁子
21:界磁磁極
22:回転軸
30:コイル
a:最短距離線
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体形状であるかぎ爪状磁極(claw−pole)を有するクローポールモータに関し、特にコギングトルクの抑制やコストの低減を可能にしたクローポールモータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は、クローポールモータの第1の従来技術を示す分解斜視図である。図5において、100は固定子としての電機子、200は回転子としての界磁子であり、これらの電機子100及び界磁子200によって三相のインナーロータ型クローポールモータが構成されている。
【0003】
電機子100は、相数の自然数倍個(図5は三相の例であるため、三相の1倍個すなわち3個)の相ユニット100a,100b,100cを同軸上に連結して構成されている。各相ユニット100a,100b,100cは、リング状に形成されたコイル110と、これを取り巻くように形成された第1軟磁性部材120及び第2軟磁性部材130とから構成されている。
【0004】
第1軟磁性部材120及び第2軟磁性部材130は、鋼板を加工して形成される高透磁率部材であり、第1軟磁性部材120を構成する断面L字形のヨークの内周部には、電機子100の中心軸に並行して、ほぼ平板状のクローポール121が内周方向に等ピッチで下方に向け折曲形成されている。また、第2軟磁性部材130を構成する断面L字形のヨークの内周部には、同じく電機子100の中心軸に並行して、ほぼ平板状のクローポール131が内周方向に等ピッチで上方に向け折曲形成されている。つまり、隣り合うクローポール121,131はそれぞれ別個のヨークに磁気結合されている。
そして、各クローポール121,131は電機子100の内周に沿って交互に配置されており、これらのクローポール121,131のピッチは後述する界磁子200の界磁磁極(NS磁極)210のピッチと等しくなっている。
【0005】
一方、界磁子200は、円筒状に配置された界磁磁極210及び回転軸220を有し、界磁磁極210は周方向に異極(N極、S極)が交互に配置されている。
また、この界磁子200を電機子100の内部空間に同心状に配置した状態では、界磁磁極210と電機子100側のクローポール121,131とが対向するようになっている。
【0006】
このように構成することにより、電機子100のコイル110に電流を通流すると隣り合うクローポール121,131が互いに逆極性に励磁されるため、界磁子200の界磁磁極210を所定位置に吸引することができる。
図5の例では、各相ユニット100a,100b,100cのクローポール121,131は電気角で60°ずつ周方向の位置が順次ずれている。よって、三相ユニットに三相交流電流を通流することにより、界磁子200の界磁磁極210は各相ユニット100a,100b,100cのクローポール121,131に順次、連続的に吸引されて回転する。
【0007】
この種のクローポールモータは、安価なステッピングモータとして実用化されており、例えばプリンタのドラム駆動などに用いられている。更に、例示したモータは電気的には通常の三相永久磁石モータと同様であるため、回転位置センサを取り付けて位置フィードバック制御を行うことも可能である。
なお、第1軟磁性部材120及び第2軟磁性部材130の代表的な構成方法は、図に示したように、それぞれクローポール121,131を有する2個のヨークを、コイル110を挟み込むようにして結合するものである。このような構成方法をとる場合、各軟磁性部材120,130は、板状の軟磁性材料をプレス加工して成形するのが一般的となっている。
【0008】
次に、図6は第2の従来技術を示す分解斜視図である。
前述した図5の従来技術では、界磁磁極210からクローポール121,131の表面に至る磁束がクローポール121,131の付け根に集中するため磁気飽和が顕著になり、トルクを増加できないという問題がある。
そこで、軟磁性材料を平板状ではなく、部位により断面積が異なる立体形状に加工して、クローポールの磁束が集中する部位の断面積を増やすことにより磁気飽和を緩和し、トルクを増加させるようにした構造が、図6に示す如く提案されている。
【0009】
図6はクローポールモータの組立工程を示したもので、第1軟磁性部材170及び第2軟磁性部材180によりコイル160を軸方向両側から挟み込んで一つの相ユニット150aを形成し、同一構成の三つの相ユニット150a,150b,150cを同軸上に連結することにより電機子150が形成される。
なお、250は界磁磁極260及び回転軸270を有する界磁子である。
【0010】
第1軟磁性部材170において、171はリング状のヨーク、172はヨーク171に磁気的に結合され、かつ付け根部分の断面積が大きくなるように形成された突起状のクローポールであり、これらのクローポール172は、コイル160の内部空間を通って第2軟磁性部材180の内周面の凹部183に嵌合されるようになっている。また、第2軟磁性部材180において、181はリング状のヨークであり、182はヨーク181に磁気的に結合されて付け根部分の断面積が大きくなるように形成された突起状のクローポールである。
なお、この従来技術では第1軟磁性部材170及び第2軟磁性部材180の構造が互いに若干異なり、また、図5の従来技術の構造とも異なっているが、その動作原理は図5と同様である。
【0011】
図6に示したような立体形状のクローポールを有する電動機は、例えば後述の非特許文献1に示されるように、自動車のオルタネータとして従来から用いられている。
自動車のオルタネータにおけるクローポールは、各ポールごとに極性が固定された界磁磁極として用いられており、渦電流が流れないことから、クローポールを磁性体の金属の塊によって形成することが可能である。
【0012】
これに対して、図5,図6のように電機子側にクローポールを有するクローポールモータでは、クローポールの極性が時間的に変化するので、渦電流を実用的な範囲に抑制するためには、クローポールの材料として金属の塊を使用することができない。
そこで、このような渦電流を抑制する観点から、表面に絶縁処理を施した磁性粉末を固着して成形する方法が用いられる。この種の方法により形成されたクローポールを有するモータについては、例えば非特許文献2に開示されている。
【0013】
【非特許文献1】
エンジン電装研究会編著「自動車工学シリーズ エンジン電装部品」ISBN4−381−10077−8 C3053, P.109
【非特許文献2】
A.G. Jack, et al“Claw Pole Armature Permanent Magnet MachinesExploiting Soft Iron Powder Metallurgy”Proceedings of IEEE International Electric Machines and Drives Conference ’97
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
電機子側にクローポールを有するクローポールモータでは、一般に界磁子の界磁磁極数と電機子のクローポールの数とが等しいため、コイルの無通流状態では、界磁磁極の磁束によって界磁磁極とクローポールとが揃う方向に比較的大きな力が働き、この力がいわゆるコギングトルクの原因となる。
また、図5や図6に示した従来技術のように、クローポールと界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向にわたって一定であると、図2(a)に示す如く、各相ユニットのコギングトルク波形の極性が入れ替わる際の変化率が大きくなり、全ての相を合成したコギングトルク波形に大きな脈動が発生する。
【0015】
更に、軟磁性部材内部のコイルを引き出すためにヨークに形成される開口部は、磁路の断面積を減少させて磁気特性を悪化させるため、この開口部の配置や大きさ等を最適に設計することが要請されている。
また、軟磁性部材の立体加工では一般に高価な金型を用いるため、低コスト化の観点から、部品の種類を少なくすることが望ましい。
【0016】
そこで本発明は、軟磁性部材を加工する場合の形状の自由度に着目し、構造を改良してコギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、更に、部品の種類を減少させてコストの低減を図ったクローポールモータを提供しようとするものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、N極及びS極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にK(Kは2以上の整数)個連結されると共に、これらK個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
前記クローポールを、前記界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向両端部に向かうに従って長くなるような立体形状としたものである。
【0018】
請求項2に記載した発明は、N極及びS極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にK(Kは2以上の整数)個連結されると共に、これらK個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材を、同一部材により形成したものである。
【0019】
請求項3に記載した発明は、請求項2に記載したクローポールモータにおいて、コイルを引き出すための開口部を、クローポールの側辺の延長上に位置するヨークの周縁部に形成したものである。
【0020】
請求項4に記載した発明は、請求項3に記載したクローポールモータにおいて、一対の磁性部材を結合した際に開口部の位置が一致するように前記開口部を配置したものである。
【0021】
請求項5に記載した発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載したクローポールモータにおいて、一対の磁性部材が、粉末磁性体により形成された軟磁性部材であることを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は本発明の第1実施形態を示す主要部の断面図であり、クローポールモータの一つの相ユニットの軸方向中心部を軸に垂直な面で切断した断面を示している。
図1において、10は電機子、11はこの電機子10を構成する一方の軟磁性部材であり、リング状のヨーク12の内周面には1個置きにクローポール13が軸方向に突設されている。なお、13’は他方の軟磁性部材に形成されたクローポールである。
【0023】
また、20は電機子10の内部空間に同心的に配置される界磁子であり、クローポール13,13’の極数と同数でN極,S極が交互に配置された円筒状の界磁磁極21と、回転軸22とを備えている。なお、クローポール13,13’の磁極ピッチと界磁磁極21の磁極ピッチとは等しくなっている。
【0024】
本実施形態でも、図6に示した如く一対の軟磁性部材によってコイルを挟み込むことにより電機子10の一相分の相ユニットが形成されるものであるが、図では他方の軟磁性部材及びコイルを省略してある。
また、電機子10は、相ユニットを同軸上にK個(Kは2以上の整数であり、三相であれば3個)連結して構成され、各相ユニット間では、界磁磁極21に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成される。
【0025】
さて、従来ではクローポールと界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向にわたって一定であるが、この実施形態では、クローポール13,13’と界磁磁極21との間の距離を、クローポール13,13’の周方向両端部に向かうにつれて長くしてある。すなわち、図1において、aはクローポール13,13’と界磁磁極21との間の最短距離を結んだ最短距離線であり、個々のクローポール13,13’の界磁磁極21との対向面は、クローポール13,13’の周方向両端部に向かうに従って最短距離線aから遠ざかっている。
【0026】
上記のような構造とすることにより、クローポール13,13’を通り抜ける磁束の界磁子20の回転に伴う変化が緩やかになり、図2(b)に示す如く、各相ユニットのコギングトルク波形は正弦波に近くなると共に、コギングトルク波形の極性が入れ替わる際の変化率を図2(a)の従来技術よりも小さくすることができる。従って、合成コギングトルク波形の脈動も小さくなり、スムーズな回転が可能になる。
なお、コギングトルク波形が一つの相ユニットについて完全な正弦波である場合、三相分を合成すると相殺されてゼロとなるので、一つの相ユニットのコギングトルク波形を正弦波に近付けることが、全体のコギングトルク低減において重要である。
【0027】
次に、図3は本発明の第2実施形態における電機子の相ユニットの分解斜視図である。
この実施形態では、同一形状、同一構造の2個の軟磁性部材14を、コイル30を挟んで反対向きに結合することにより、一相分の相ユニットが形成される。軟磁性部材14において、15はリング状のヨーク、16はヨーク15と磁気的に結合されたクローポールであり、このクローポール16は、同一の他方の軟磁性部材14のクローポール16の相互間に形成された凹部16aに嵌合可能である。また、15aはコイル30を外部に引き出すためにヨーク15の周縁部に形成された開口部である。
【0028】
なお、図3におけるクローポール16の形状は図1の第1実施形態と異なっているが、この第2実施形態でも、図1のように、クローポールと界磁磁極との間の距離を、クローポールの周方向両端部に向かうにつれて長くすることが可能であり、そのようなクローポールを有する同一の軟磁性部材を反対向きにしてコイルを挟んで2個結合することにより、電機子を形成してもよい。
【0029】
一般に、粉末磁性体を成型して立体的な軟磁性部材を形成するための型は高価であるため、本実施形態のように同一構造の軟磁性部材14を2個用いることによって型の種類を半減することができ、モータの低コスト化に大きく寄与する。なお、同一部材に互いに嵌合可能な凹凸部(クローポール16及び凹部16a)を設けることは容易であり、これによって一対の軟磁性部材14の位置決めを高精度に行うことができる。
【0030】
図4は、本発明の第3実施形態における電機子の相ユニットの説明図である。図4(a),(b)において、17はリング状のヨーク15とクローポール18とを有する軟磁性部材、15aは内部のコイルを引き出すためにヨーク15に形成された開口部である。
この実施形態においても、図3と同様に同一構造の軟磁性部材17をコイルを挟んで反対向きに結合することにより、一相分の相ユニットが形成される。また、この相ユニットを同軸上にK個(Kは2以上の整数)連結して電機子が構成され、各相ユニット間では、界磁磁極に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれている点も各実施形態と同様である。
【0031】
ここで、クローポール18の側辺18aの延長上に位置するヨーク15の周縁部に開口部15aを形成することにより、図4(b)のように、一方の軟磁性部材17のクローポール18を他方の軟磁性部材17のクローポール相互間の凹部に嵌合して二つの軟磁性部材17を結合する際に、二つの開口部15aをちょうど合致させることができ、この開口部15aから内部のコイルを容易に引き出すことができる。
なお、開口部15aは軟磁性部材17における磁路の断面積を減少させるため、磁気飽和を緩和して鉄損を低減させる観点から、開口部15aの面積をできるだけ小さくすることが望ましい。
【0032】
上記各実施形態では、本発明をインナーロータ型モータに適用した場合につき説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、例えばアウターロータ型モータや、円筒状の界磁子の内外両方に電機子を有するモータにも適用可能である。
また、本発明のクローポールモータは三相モータ以外の多相モータにも適用可能であり、相数に制約はない。
【0033】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、クローポールやコイル引き出し用の開口部を含む軟磁性部材の構造を改良してコギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、また、同一の一対の軟磁性部材を用いることで部品の種類を少なくしてコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態における相ユニットの断面図である。
【図2】従来技術及び本発明の実施形態におけるクローポールの構造とコギングトルク波形の説明図である。
【図3】本発明の第2実施形態における相ユニットの分解斜視図である。
【図4】本発明の第3実施形態における相ユニットの説明図である。
【図5】第1の従来技術を示す分解斜視図である。
【図6】第2の従来技術を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
10:電機子
11,14,17:軟磁性部材
12,15:ヨーク
13,13’,16,18:クローポール
15a:開口部
16a:凹部
18a:側辺
20:界磁子
21:界磁磁極
22:回転軸
30:コイル
a:最短距離線
Claims (5)
- N極及びS極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にK(Kは2以上の整数)個連結されると共に、これらK個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
前記クローポールを、前記界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向両端部に向かうに従って長くなるような立体形状としたことを特徴とするクローポールモータ。 - N極及びS極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にK(Kは2以上の整数)個連結されると共に、これらK個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材を、同一部材により形成したことを特徴とするクローポールモータ。 - 請求項2に記載したクローポールモータにおいて、
コイルを引き出すための開口部を、クローポールの側辺の延長上に位置するヨークの周縁部に形成したことを特徴とするクローポールモータ。 - 請求項3に記載したクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材を結合した際に開口部の位置が一致するように前記開口部を配置したことを特徴とするクローポールモータ。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載したクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材が、粉末磁性体により形成された軟磁性部材であることを特徴とするクローポールモータ。
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-
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- 2003-02-12 JP JP2003033339A patent/JP2004248363A/ja not_active Withdrawn
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