JP4061835B2

JP4061835B2 - 電動機

Info

Publication number: JP4061835B2
Application number: JP2000342377A
Authority: JP
Inventors: 弘中金; 晃司牧
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2020-11-06
Also published as: JP2002142440A; US20020053833A1; US6570274B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機に関するものである。
【０００２】
特に、電機子に一つのコイルを巻回して向かい合う磁極歯が互い違いになる磁極を上部と下部２ヶ所に有する電動機に関する。
【０００３】
【従来の技術】
従来の電動機は様々な構造の電動機が考えられている。しかし、従来の電動機は一つの極に一つ以上の巻線が巻かれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電動機を作る場合、一つの極に一つ以上の巻線を巻くことで、コストアップになり、小さい極ピッチの電動機には制約が多い。また、リニアモータにした構造では、電機子と二次側間の漏れ磁束が多く、励磁電流に対する電動機の推力が小さくモータ効率が悪い。さらに、電機子と二次側の間に磁気吸引力が一方向に働くため、二次側の支持機構に大きな負担がかかり、構造に歪みが生じて様々な弊害を生じ実用化が困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、極ピッチが小さくても一つの巻線で多極化が簡単な電動機であり、リニアモータにした場合は、電機子と二次側間を通る磁束の漏れを少なくして、電機子と二次側間に生ずる磁気吸引力を小さくする電動機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は磁性体で形成されたコアと該コアに巻回した巻線とを有する電機子と、該電機子と空隙を介して相対変動可能に支持された二次側とを備えた電動機において、前記電機子は前記二次側の変動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した一方の磁極歯列と、同じく前記二次側の変動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した他方の磁極歯列とを互い違いに有し、前記第１段に属する磁極歯と前記第２段に属する磁極歯との間に前記二次側を挟持し、これら磁極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように前記一方及び前記他方の磁極歯列を励磁する共通の巻線を備え、前記二次側，前記磁極歯，前記巻線により電動機を構成し、前記巻線を所定の制御回路に従って励磁することによって二次側を相対的に変動させ、前記電機子と空隙を介して前記二次側を同一円上に配置し、該二次側が回転運動することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。また、図中において、同一符号で示す構成要素は、同一物又は相当物である。
【０００９】
図１は本発明の一実施形態による電動機の基本構成図を示す。
【００１０】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態による電動機の基本構成であり、図２(ｂ)は、それらの基本構成を多極化にした概略の一例を示す。
【００１１】
図１（ａ）において、５１は第一の対向部を有するコアであり、５２は第二の対向部を有するコアである。前記コア５１と前記コア５２には上部と下部の磁極が互い違いになるように構成されている。
【００１２】
ここで、前記コア５１の上部磁極歯１１ａと下部磁極歯２１ｂを第一の対向部と定義し、前記コア５２の下部磁極歯１２ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よって、（２ｎ−１）番目のコアは第一の対向部、（２ｎ）番目のコアは第二の対向部になるように電機子を構成する（但し、ｎ＝１，２，３，……）。
【００１３】
また、図１（ａ）に示すように、前記コア５１と前記コア５２には一つの巻線４が巻回されるが、複数箇所に分割して巻回しても良い。
【００１４】
二次側６は前記コア５１の第一の対向部に挟持され、かつ、二次側が前記コア５２の第二の対向部に挟持され、電機子とは相対移動することを特徴とする電動機である。ここに、電機子はコアと巻線４からなり、二次側は永久磁石，磁性体，非磁性体からなる。
【００１５】
また、各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間に一定のギャップ８を設け、ギャップ８に前記二次側を通すと、二次側が第一の対向部に挟持され、かつ、二次側が前記第二の対向部に挟持された構造を形成する。上記により、本実施形態の電動機各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間ギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子を形成し、ギャップを通して二次側が相対移動する構造になる。
【００１６】
図２に、本実施形態の電動機の磁束が流れる概念と積層鋼板により組み立てられた概略図を示す。
【００１７】
上記のような構成にすれば、図２（ａ）に示すように電機子３の各対向部の上部磁極歯（１１ａ，２２ａ）と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）の間のギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子３を形成し、ギャップを通して二次側６が相対移動する構造になる。
【００１８】
また、本実施形態の電動機では、二次側６と上部磁極歯（１１ａ，２２ａ）に働く吸引力と二次側６と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）に働く吸引力の大きさはほぼ同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、二次側６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。
【００１９】
図２（ｂ）において、電機子３は積層鋼板からなり、前記第一の対向部と第二の対向部が交互に複数個配置された構造である。また、電機子３の巻線４が配置されるコア部と二次側６が挟持される対向部を有する磁極部を積層鋼板により分割製作して組み立てることを示す。
【００２０】
図３は本発明の電動機における配置の実施形態概略図を示す。
【００２１】
ここで、図３では、電機子３を２個直列に並べることを示す。Ａ相，Ｂ相間には電気角９０°の位相差を持たせて巻線の励磁を切換えることで移動磁界が発生し、二次側６が相対移動する。
【００２２】
本発明の電動機を複数個並列に配列し、複数個の二次側を一体化しても同様である。
【００２３】
電動機の電機子３を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合う相異なる電機子３の磁極歯とのピッチは（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合う電機子３の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とする。
【００２４】
なお、本発明の実施形態として、１相，２相電動機について説明したが、３相，４相，５相等の多相電動機として利用することができる。
【００２５】
図４は、本発明の実施形態による電動機の断面図を示す。
【００２６】
図４において、支持機構１４は電機子３側に、支持機構１５は二次側６側に設けられ相対移動する二次側６を支持する機構である。よって、二次側６は、支持機構１４，１５に支持されてトンネルを通るようにギャップ８を通して相対移動する。
【００２７】
図５は本発明の電動機における電機子をモールド化した実施形態を示す。
【００２８】
図５は巻線と積層鋼板、むく等によるコアを分割して組み立てた電機子をモールドしたイメージを示す。電機子３は積層鋼板，巻線，支持機構（図示せず）を含めてモールドしたものである。また、電機子３は図３に示すように電機子を直列に配置して、Ａ相，Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても良い。また、電機子を並列に配置して、Ａ相，Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても良い。
【００２９】
電機子３の形状はコアの形状に合わせて、角材状，円筒状等が可能であり、二次側６も同じく角材状，円筒状等が可能である。
【００３０】
図６と図７は本発明の電動機における回転機の一つの実施形態を示す。
【００３１】
図６において、前記電機子３と空隙を介して前記二次側６を同一円上に配置し、該二次側が回転運動することを特徴とする電動機である。二次側６には第１歯車１０１を備え、介在歯車１０３を介して、電機子３の内側の備えた第２歯車１０２にトルクを伝達する構造である。介在歯車１０３は軸１０４で支持されている。
【００３２】
図７の基本原理は図６と同じであるが、二次側６には第１歯車１０１を備え、介在歯車１０３を介して、電機子３の外側の備えた第２歯車１０２にトルクを伝達する構造である。
【００３３】
図７に示すように、電機子３を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合う相異なる電機子３の磁極歯とのピッチは（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合う電機子３の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とする。
【００３４】
図８は本発明の電動機における二次側（回転子）の一つの実施形態を示す。
【００３５】
図８（ａ）は永久磁石を用いた回転子構造であり、二次側６に第１歯車１０１を備えている。図８（ｂ）は凸凹の磁気抵抗の差を付けたリラクタンス形回転子構造であり、二次側６は凸凹の構造を第１歯車１０１の機能を兼用している。また、図８（ａ）と図８（ｂ）の構造を組み合わせた構造でも良い。
【００３６】
図９は本発明の電動機における組立の一つの実施形態を示す。
【００３７】
図９において、ベース１００には各相の電機子３と介在歯車１０３を支持する軸１０４が固定される。電機子３には二次側６が通る１０６を備え、図４に示す支持機構１４備えて一体化する構造にする。二次側６は前記支持機構１５を備え支持機構１４と相対的に支持され移動する。
【００３８】
図１０は本発明の電動機における回転機他の実施形態を示す。
【００３９】
図１０において、二次側６はアーム１０７を介在してシャフト回転軸１０８と一体化している。図６に示す歯車無しにした構造であるが、二次側６は一定範囲内の角度で往復回転を行う。
【００４０】
図１１と図１２は本実施形態の電動機を用いた制御ブロック図を示す。
【００４１】
図１１（ａ）は、前記第１部材と前記第２部材からなる電動機（図中Motor と表記）と前記第１部材と前記第２部材の相対的な変位(図中Displacementと表記)と磁極（図中Magnetic pole positionと表記）を検出するセンサ（図示せず）とその信号（図中Signals と表記）をフィードバックする制御部（図中Controllerと表記）と外部又は内部の電源（図中Power sourceと表記）からの電力で電動機を駆動するパワードライブ部（図中Driverと表記）からなるクローズループ制御システムを構成するブロック図を示す。制御部には、他からの速度指令等の指令（図中Instructionsと表記）が入力される。
【００４２】
図１１（ｂ）は、前記第１部材と前記第２部材からなる電動機（図中Motor と表記）と制御部（図中Controllerと表記）とパワードライブ部（図中Driverと表記）からなるオープンループ制御システムを構成する他のブロック図を示す。
【００４３】
図１２（ａ）は、前記第１部材と前記第２部材からなる電動機（図中Motor と表記）と、電圧センサと、制御部（図中Controllerと表記）と、パワードライブ部（図中Driverと表記）からなる磁極センサレス制御システムを構成する他のブロック図を示す。本実施形態においては、電圧センサを用いて電動機が発生する誘起電圧（図中Ｅｏと表記）を制御部内に読み込んでいる。制御器内では、誘起電圧の大きさから磁極位置を推定し、電動機を駆動する信号をパワードライブ部（図中Driverと表記）へ出力する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサを電動機部に取り付けることなく、安定に（脱調することなく）電動機を駆動できるようになる。
【００４４】
図１２（ｂ）は、前記第１部材と前記第２部材からなる電動機（図中Motor と表記）と、電流センサと、制御部（図中Controllerと表記）と、パワードライブ部（図中Driverと表記）からなる磁極センサレス制御システムを構成する他のブロック図を示す。本実施例においては、電流センサを用いて電動機に流れる電流（図中Ｉと表記）を制御部内に読み込んでいる。制御器内では、電動機に印加している電圧と検出電流値から、電動機の誘起電圧を演算し、磁極位置を推定演算する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサを電動機部に取り付けることなく、安定に（脱調することなく）電動機を駆動できるようになる。
【００４５】
図１３は本発明の電動機における回転機の他の実施形態を示す。
【００４６】
図１３において、二次側６の回転方向と第１歯車１０１の向きが図８で示した二次側と異なることである。第１歯車１０１に対して介在歯車１０３の付け方は第２歯車１０２に配置に合わせて必要に応じて使えば良い。
【００４７】
本発明の電動機を用いて回転機に応用すれば、極数が多くトルクが大きい効果がある。更に、径が大きくて薄い回転機が得られる。
【００４８】
本発明の電動機を用いてリニアモータに応用すれば、極数が多く推力が大きい効果がある。更に、支持機構の負担が少ない。
【００４９】
本発明の電動機は、前記電機子が固定的に支持され、前記二次側が変動することについて説明したが、前記二次側が固定的に支持され、前記電機子が変動することも可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電動機は有効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁極歯の漏れ磁束を少なくすることにより、電動機効率を良くし高出力化を可能にした。
【００５１】
また、本実施形態の電動機では、二次側６と上部磁極歯に働く吸引力と二次側と下部磁極歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、二次側６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電動機の基本構成。
【図２】本発明の電動機の磁束流れと積層鋼板により構成した組み立て概略。
【図３】本発明の電動機における配置の実施形態の概略。
【図４】本発明の電動機の断面図。
【図５】本発明の電機子をモールド化した実施形態。
【図６】本発明の電動機における他の実施形態の断面図（回転機その１）。
【図７】本発明の電動機における他の実施形態の断面図（回転機その２）。
【図８】本発明の電動機における二次側の実施形態（回転子その１）。
【図９】本発明の電機子における分組み立ての実施形態。
【図１０】本発明の電動機における他の実施形態の断面図（回転機その３）。
【図１１】本発明の電動機における制御ブロック図（制御その１）。
【図１２】本発明の電動機における制御ブロック図（制御その２）。
【図１３】本発明の電動機における二次側の実施形態（回転子その２）。
【符号の説明】
１，２…磁極、３…電機子、４…巻線（電機子側）、５…コア、６…二次側、１１ａ…磁極１の上部磁極歯、１２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２１ｂ…磁極２の下部磁極歯、２２ａ…磁極２の上部磁極歯。

Claims

磁性体で形成されたコアと該コアに巻回した巻線とを有する電機子と、
該電機子と空隙を介して相対変動可能に支持された二次側とを備えた電動機において、
前記電機子は前記二次側の変動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した一方の磁極歯列と、
同じく前記二次側の変動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した他方の磁極歯列とを互い違いに有し、
前記第１段に属する磁極歯と前記第２段に属する磁極歯との間に前記二次側を挟持し、これら磁極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように前記一方及び前記他方の磁極歯列を励磁する共通の巻線を備え、
前記二次側，前記磁極歯，前記巻線により電動機を構成し、前記巻線を所定の制御回路に従って励磁することによって二次側を相対的に変動させ、前記電機子と空隙を介して前記二次側を同一円上に配置し、該二次側が回転運動することを特徴とする電動機。
請求項１に記載の電動機において、回転運動する二次側から介在機構を用いてトルクを伝達することを特徴とする電動機。