JP2594813B2 - 可変磁気抵抗モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に電気モータに関するものであり、と
りわけ、高トルクの可変磁気抵抗モータを扱ったもので
ある。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕

可変磁気抵抗部材または回転子を磁束によって固定子
部材に対しステップ式に回転させるタイプの可変磁気抵
抗モータは、当該技術において一般に周知のものであ
る。1976年10月５日にKordikに対し発行された米国特許
第3,984,711号には、典型的な可変磁気抵抗モータの動
作が説明されている。一般に、可変磁気抵抗モータに関
連した問題の一つは、固定子部材に巻き付けられた電気
巻線を励磁することによって固定子部材に発生する磁束
には、隣接した同時に励磁の固定子部材の間から漏れる
傾向があるという点である。隣接する固定子部材間にお
けるこの磁束の漏れによって、モータをステップモータ
として使用する場合には、回転子を停止すなわち回り止
め位置まで回転させ、そこに保持するのに、さらに多く
の磁束が実際には用いられることになる。従って、漏れ
磁束の影響を克服して、回転子の回転と、その停止位置
への保持の両方または一方に必要なトルクを発生するた
めには、より多くの電流が必要になる。このため、可変
磁気抵抗モータの場合、一般に、所望のモータトルク特
性を発生するのに必要な付加電力消費によって生じる熱
を散逸させるには、所定のトルクに対して質量を増すこ
とが必要となる。

質量対トルク比の高い可変磁気抵抗モータは、一般
に、例えば、モータの取り付けられるロボットのアーム
に加えて、モータ自体も持ち上げることがモータに要求
されるロボット工学のような多くの用途において望まし
いものではない。発生する磁束をより効率の良い磁束経
路に拘束して、巻線に加えられる所定量の電流に対する
モータのトルクが大きくなるようにすることにより、動
作効率を改善し、可変磁束抵抗モータのトルクを増大さ
せようとする多数のアプローチが行われてきた。Kordik
は、隣接する固定子巻線の磁極部材間に永久磁石を配置
することによって、巻線に生じた磁束をより効率の良い
経路に拘束している。

1984年10月２日、Chaiに対し発行された米国特許4,47
5,051号では、発生する磁束をより短い磁気経路に拘束
することにより、可変磁気抵抗モータの効率を改善し、
トルクを増す試みがなされている。Chaiは、非巻線磁極
部材の横方向の中心にアライメントがとれるように、固
定子アセンブリの外周に凹所を設け、磁束が非巻線磁極
部材から巻線磁極部材へ通るのに利用できる固定子の鉄
に制限を加えている。非巻線磁極部材は二つの隣接する
巻線磁極部材によって共用されているため、ある位相か
らの漏れ磁束は、隣接する位相の固定子に生じた磁束か
ら取り去られることになり、この漏れ磁束のためにトル
クの低下が生じることになる。

これまで、連続した磁気的に結合した固定子アセンブ
リを備えた可変磁気抵抗モータでは不可能であった透磁
性の増大と損失の減少を実現するには、可変磁気抵抗モ
ータの固定子アセンブリに方向性磁気材料を利用するの
が有利である。

従って、本発明の目的は、トルク対質量比が高く、既
知の可変磁気抵抗モータに関連した欠点を克服する可変
磁気抵抗モータを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、隣接する固定子部材を磁
気的に互いに絶縁することによって、隣接する固定子部
材間における磁束の漏れを防ぐようになっている可変磁
気抵抗モータを提供することにある。

本発明のさらにもう一つの目的は、より安価で、製造
しやすい可変磁気抵抗モータを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、可変磁気抵抗モータには、回転子の
回転軸の軸周方向に配置された複数の固定子セグメント
から成る円筒状の固定子アセンブリが含まれている。各
セグメントには、巻線磁極部材のそれぞれの側に間隔を
あけて横方向に配置された巻線突極部材と比巻線突極部
材が備わっている。非磁性スペーシングピンが隣接する
固定子セグメント間に配置され、隣接する固定子セグメ
ントの互いの間隔を保ち、固定子アセンブリの外周から
内周へ十分に伸びる半径方向の内側に突き出たチャネル
を形成して、固定子セグメントを互いに磁気的に完全に
絶縁している。本発明の実施例の一つでは、ほぼ環状の
非磁性シエルが、同軸をなすように、アセンブルした固
定セグメントの外周を包囲し、かつ、係合して、圧縮力
を半径方向の内側に向け、これによって、固定子セグメ
ントの円筒状で、精密にアライメントをとり、間隔をあ
けた配置が維持されるようになっている。

本発明のもう一つの実施例では、固定子セグメント
は、チャネルの片側を形成する外側に面した各表面から
ほぼ横方向に伸びる相補形タブをかみ合わせることによ
り、円筒状で精密にアライメントをとり、間隔をあけた
配置が維持されるようになっている。非磁性ピンすなわ
ち合わせ釘は、タブによって受けとめられて連結される
と同時に、半径方向の内側に突き出したチャネルが、固
定子アセンブリの外周から内周へ十分に伸び、固定子セ
グメントを互いに磁気的に完全に絶縁する状態に維持さ
れることになる。

モータの質量低下に貢献する本発明のもう一つの態様
は、各固定子セグメントの背面の鉄または磁性材料の幅
が巻線磁極部材の幅の1/2になっている点である。巻線
磁極部材に生じる磁束は、巻線磁極部材から回転子、非
巻線磁極部材、固定セグメントの背面の鉄へと流れ、巻
線磁極部材に戻ってくる二つの一連の経路に均等に分割
される。可変磁気抵抗モータにおける磁性材料の質量軽
減は、部分的には、隣接する固定子セグメント間の完全
な磁気絶縁によるものであり、この絶縁によって効率的
な磁束経路が得られることになる。

〔実施例〕

ここで図面を参照し、とりわけ第１図に関し考察する
が、本発明は、可変磁気抵抗モータ10を例として説明す
る。このモータ10には、固定子アセンブリ12に対し、回
転軸42のまわりを回転するように支持された回転子16の
軸方向に配置された多数の固定子セグメント14、14から
成る円筒状固定子アセンブリ12が含まれている。本発明
は回転モータとして開示されているが、本発明の原理
は、線形モータにも適用可能である。

各固定子セグメント14は、多数のラミネーションから
構成され、巻線磁極部材の両側に横方向に間隔をあけて
配置された巻線突極部材28及び二つの非巻線突極部材3
0、32を備えている。巻線突極部材28のそれぞれには、
そのまわりに巻線34が取りつけられている。

各巻線突極部材28には、歯36がついており、各非巻線
突極部材30、32には歯38がついている。巻線突極部材28
の歯36の数は、非巻線突極部材30及び32の歯38の合計数
と等しい。回転子16は、可変磁気抵抗部材として働き、
その歯40は、歯36、38に対し円周方向に配置されてい
る。回転子16は、巻線34、34を順次付勢すると、回転軸
42のまわりをステップ式に回転する。回転子16には、さ
らに、それを貫通して軸方向に伸び、回転子からの磁束
の漏れを防ぎ、さらに、モータの質量を減らす、大きい
中央開口44が設けられている。回転子16は、突極部材の
内側に図示されているが、突極部材が半径方向の外側に
伸び、回転子が突極部材の外側に位置するようにするこ
ともできるのは理解できよう。

非磁性ピンすなわち合わせくぎ18、18は、すぐ隣接し
た固定子セグメント14、14の向かい合った側部20、22に
受けとめられて、協働し、隣接する固定子セグメント間
に、一般に24で示された、半径方向に内側に突き出した
連続した非磁性チャネルを形成する。各チャネル24、24
は、固定子アセンブリ12の外周から内周へ充分に伸び、
各固定子セグメントを互いに磁気的に完全に絶縁してい
る。固定子セグメント間における磁気絶縁によって、固
定子セグメントの一つの生じた磁束が漏れて、もう一つ
の隣接した固定子セグメントに発生した磁束から引き去
られるのが防止され、この結果、加えられる所定の大き
さの電流に対するトルクの低下は生じなくなる。

ほぼ環状の非磁性シェル26は、固定子セグメント14、
14の外周に対して、同軸をなすように包囲して係合し、
圧縮力を半径方向の内側に向けて、固定子アセンブリ12
を構成する固定子セグメントの円筒状で、精密にアライ
メントのとれた配置が維持される。

ピン18、18及びシェル26は、任意の適当な非磁性材料
でつくることができる。回転子と固定子は、任意の適当
な磁性材料でつくることができる。固定子セグメントの
独特な完全に磁気的に絶縁された構成によって、固定子
アセンブリに異方性すなわち方向性の磁性材料を用いる
ことにより、透磁性を増し、磁束の損失を減らすことが
可能になる。方向性磁性材料を用いると、効率が良くな
り、従って、モータ巻線に加えられる所定の大きさの電
流に対するトルクが増すことになる。

第１図の可変磁気抵抗モータの三相による実施例の場
合、巻線突極部材28、28は、それぞれ二つの巻線突極部
材、例えば、Ａ及びＡ′を含む三つの相A,B、及びＣに
ブループ分けされるが、これらは、互いに180゜の間隔
をあけて配置されている。各相A,B,及びＣの巻線突極部
材28、28は、他の三つの相のそれぞれ巻線突極部材によ
って互いに隔離されている。巻線34、34は、同相の突極
部材28、28の巻線が同時に励磁されるようにあらかじめ
決められた方法で、励磁される。可変磁気抵抗モータの
一般動作に関するさらに詳細については、既述の米国特
許3,984,711号を参照しなければならないが、この特許
の内容は、参考として本明細書にも組み入れられてい
る。

図示実施例の場合、回転子16には、一定のピッチを備
え、回転子の円周方向に機械的に互いに2.25゜の間隔を
あけて配置された歯がついている。各固定子セグメント
14の巻線突極部材28の歯36と非巻線突極部材30、32の歯
38も、一定のピッチを備え、互いに、やはり機械的に2.
25゜の間隔をあけて配置されている。従って、向かい合
って配置された固定子セグメントの歯は、同じ機械的関
係に保たれるので、回転子16の歯40は、同相の固定子セ
グメント、例えばＡ及びＡ′に関連した突極部材の歯3
6、38とのアライメントがとれることになる。

歯40と歯36、38との関係は、すぐ隣接した固定子セグ
メントに関連した突極部材の歯が歯の1/3だけ、すなわ
ち、電気的に120゜だけシフトされるということであ
る。

第２図をここで参照すると、固定子セグメント14が図
示されている。固定子セグメントのラミネーションは、
固定子セグメントと突極の歯を一つの構造として打ち抜
く従来の打抜き加工を利用して作られている。固定子は
個々のセグメントからアセンブルするため、各固定子セ
グメントは、固定子アセンブリ自体と比べると面積的に
はかなり小さい。従って、その鍛造打型は、従来の設計
による固定子ラミネーションの打抜き加工に必要な鍛造
打型に比べてかい小さくなる。従って、鍛造打型のコス
トが低下し、さらに付随して材料も節約されることにな
る。さらに、各ラミネーションには、その表面に部分的
に“へこみ”が打ち抜かれており、ラミネーションをか
み合わせるようにして、多数のラミネーションを重ねる
と、所望の固定子アセンブリが得られるようになってい
る。

各固定子セグメント14には、それぞれ、その各面20、
22に間隔をあけて凹所54、54が打抜き加工されている。
固定子セグメント14、14を組み立て、アライメントをと
って、円筒状の固定子アセンブリ12にする際、凹所54、
54は少しリーマ仕上げされ、調整されて、確実に、非磁
性スペーシングピン18、18が凹所表面に対し精密に任意
決めされ、係合して、固定子セグメントのシフトまたは
移動が防止される。

各固定子セグメント14の背面の鉄領域は、一般に46で
表示されているが、その幅48は巻線突極部材28の幅50の
1/2になっている。非巻線突極部材30、32の幅52は、背
面の鉄46の幅46に等しい。背面の鉄46の幅と巻線及び非
巻線突極部材の幅の関係については、図３の論考におけ
る磁束経路の記述と関連して、さらに説明を加える。

ここで、図３を参照すると、可変磁気抵抗モータ10の
部分図が示されている。巻線34の励磁によって巻線突極
部材28に生じる磁束は、分割され、その1/2の磁束が、
図示のように巻線突極部材28の歯36、回転子16のアライ
メントをとった歯40、非巻線突極部材32の歯38と進み、
突極部材32と突極部材28の間における固定子セグメント
14の背面の鉄領域46を横切り、突極部材28へ戻っていく
一連の経路をたどることになる。同様に巻線突極28に生
じた磁束のもう半分は、巻線突極部材28の歯36、回転固
定子16のアライメントをとった歯40、非巻線突極部材30
の歯38と進み、突極部材30と突極部材28の間における背
面の鉄領域46を横切り、突極部材28へ戻っていく一連の
経路をたどることになる。従って、非巻線突極部材30及
び32の幅と、背面の鉄領域46の幅とさらに、回転子16の
幅は、これらセクションには発生した全磁束の1/2しか
伝わらないので、巻線突極部材28の幅の1/2しか必要な
い。さらに、固定子セグメントは、磁気的に隣接する固
定子セグメントから絶縁されているので、固定子セグメ
ントの一つからもう一つの固定子セグメントへ磁束が漏
れるようなことはなく、さらに、磁束伝達能力は、固定
子セグメントに関連した巻線突極部材に生じる最大磁束
にまで低下する。

ここで、第４図を参照すると、固定子セグメント62の
面58及び固定子セグメント64の面60から、相補形かみ合
いタブ50、52及び53、56がそれぞれ伸びている。非磁性
ピンすなわち合わせくぎ66、66が、タブのアライメント
をとることによって形成される穴に挿入される。固定子
のセグメント間における磁気的に完全に絶縁されたスペ
ーシングを保つため、面58と60の間に形成されるチャネ
ルには、エポキシまたは他の適当な非磁性接着材用いる
ことができる。

トルク対質量比の高い可変磁気抵抗モータについて、
望ましい実施例によって説明してきた。本発明の精神を
逸脱することなく、多くの修正及び置換えを行うことが
可能であることは理解できよう。例えば、円筒状固定子
アセンブリを構成する固定子セグメントには、非磁性エ
ンドリングと固定子セグメントを通って伸びる細長いロ
ッドを受ける穴を背面の鉄領域に設けるようにすること
もできる。このロッドにねじを切り、各端部にナットを
はめられるようにし、ナットを回すと、ロッド長が短く
なり、従って、エンドリング間に固定子アセンブリをは
さんで、保持できるようにすることも可能である。従っ
て、本発明の説明は、制限のためではなく、例示のため
に行ったものである。

【図面の簡単な説明】

本発明の特徴及び長所については、図面に関連しておこ
なわれた上記説明及びクレームから容易に明らかになる
が、図面中： 第１図は、本発明を具現化した可変磁気抵抗モータの三
相による実施例の端面図であり、第２図は、第１図の可
変磁気抵抗モータの固定子セグメントの端面図であり、
第３図は、第１図の可変磁気抵抗モータの回転子と固定
子の突極部材間における磁束経路と歯の関係を表した概
略図であり、単一の固定子セグメントについて示したも
のであり、第４図は、固定子セグメントを精密にアライ
メントをとって、互いに間隔をあけて配置された状態に
保ための相補形タブのかみ合い構造の概略を示した、部
分端面図である。 10……可変磁気抵抗モータ、 12……固定子アセンブリ、 14、62、64……固定子セグメント、 16……回転子、 18……非磁性スペーシング手段（非磁性ピン）、 20、22……固定子セグメントの面、 24……チャネル、28……巻線突極部材、 30、32……非巻線突極部材、34……巻線、 36……巻線突極部材の歯、 38……非巻線突極部材の歯、 40……回転子の歯、44……回転子の開口、 50、52、53、54……相補形タブ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸（42）の回りで回転するように支持
   された回転子（16）と； 前記回転子の回転軸の軸周方向に配置された複数のセグ
   メント（14）を備え、前記セグメント（14）のそれぞれ
   に、第１の一つの突極部材（28）と第２の二つの突極部
   材（30,32）が設けられており、前記第２の二つの突極
   部材（30,32）は、前記第１の突極部材（28）の両側に
   対し間隔をあけて配置され、前記第１の突極部材（28）
   には磁極面と、前記磁極面の第１の複数の歯（36）が備
   わっており、前記第２の突極部材（30,32）には、それ
   ぞれ、磁極面と、前記磁極面の第２の複数の歯（38）が
   備わっている、円筒状の固定子アセンブリ手段（12）
   と； 前記固定子の隣接するセグメント（14）間に配置され
   て、前記隣接する固定子のセグメントが互いに間隔を保
   つようにし、前記固定子のセグメントの間隔をあけるこ
   とによって、前記固定子アセンブリ手段（12）の周囲に
   配される複数の半径方向の内側に突き出たチャネル（2
   4）が形成され、前記各チャネル（24）が前記固定子ア
   センブリ手段（12）の外周から内周へ十分に伸びて、前
   記セグメント（14）を互いに磁気的に完全に絶縁し、あ
   るセグメント（14）の第２の突極（30,32）の一方と、
   隣接するセグメント（14）の第２の突極（30,32）の一
   方が、各チャネル（24）の両側に配置されるようにする
   非磁性スペーシング手段（18）と； 前記複数のセグメント（14）の前記第１の突極部材（2
   8）と前記第２の突極部材（30,32）のいずれか一方に、
   １対１の配置が施された電気的に付勢できる複数の巻線
   （34）と； 前記回転子（16）に設けられた、回転子の回転軸（42）
   と同軸をなし、前記第１（28）及び第２（30,32）の突
   極部材の前記歯（36,38）と協働する第３の複数の歯（4
   6）を備えた可変磁気抵抗部材から構成される： 可変磁気抵抗モータ（10）。