JPS5827752B2

JPS5827752B2 - 直進電機

Info

Publication number: JPS5827752B2
Application number: JP53142594A
Authority: JP
Inventors: 誠後藤; 一二小林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1978-11-17
Filing date: 1978-11-17
Publication date: 1983-06-11
Also published as: JPS5568871A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、給電することにより直進力を得ることができ
る直進移動電動機、あるいは外部から直進駆動力を与え
ることにより電気出力を得ることができる直進移動発電
機のごとき直進電機に関するものである。

一般に、電機子鉄心に溝を設けて電機子巻線を施した直
進電機は、溝を設けていない直進電機に比較して電機子
鉄心に多くの界磁磁束を効率良く鎖交させることができ
るため、小型、軽量で大きな出力が得られる直進電機と
なる。

しかし、電機子鉄心が巻線用の溝を有する場合には、電
機子鉄心が磁気的に不均一な構造であるため、たとえば
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
ってコギング力を発生させるという欠点がある。

さらに、永久磁石の着磁状態と電機子鉄心の突極配置と
は、コギング力に密接な関係があると共に、出力のリッ
プルとも密接な関係があり、その両者を同時に小さくす
ることは難かしかった。

本発明は、そのような欠点を考慮し、巻線用の溝を有す
る突極構造の電機子鉄心を使用しながらもコギング力と
共に出力リップルも同時に減少させた直進電機を提供す
るものである。

以下、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例の要部構成図である。

同図において、移動体１に取付けられた界磁部２は、等
ピッチ間隔または、はぼ等ピッチ間隔にＮ極、Ｓ極を交
互に４極有する平板状の永久磁石にて構成されている。

電機子鉄心３は６個の巻線用突極３ａ１．３ｂ１．３ｃ
１．３ａ。

＋３ｂ２ｔ３ｃ２と、それらの巻線用突極の間に位置す
る５個の補助突極４ａ、４ｂ、４ｃ、４．ｄ、４ｅと
、電機子鉄心３の両端に位置する２個の補助炎１ｔ５ａ
、５ｂを一体的に有し、前記各巻線用突極および補助突
極の先端は界磁部２の磁極面と所要間隙あけて対向して
いる。

界磁部２と電機子鉄心３は相対的に移動可能であり、本
実施例では界磁部２が移動し、電機子鉄心３が固定され
ている。

各巻線用突極３１，３ｂｌｊ３ＣＩ＋３ａ２
ｙ３ｂ２ｙ３（７２には、それぞれ１個の電機子
巻線６ａｌ）６ｂ１，６ｃ１，６ｂ２，６ｏ２が巻
装され、巻線６ａｘ、６ａ２ｔ６ｂｔｊ６ｂ２
ｊ６ｃ＋７６０２は３相のＹ結線されている。

第２図に本実施例の駆動回路の一列を示す。

界磁部２と電機子鉄心３の相対位置を例えばホール素子
等の磁電変換素子にて検出し、電流を通電すべき相を選
択する駆動相選択手段９の出力信号により、トラン４ジ
スタＱａ＋Ｑｂ？ＱＣを制御している。

その結果、所定方向の駆動力を得ることができる。

この関係を第３図乃至第６図を用いて説明する。

第３図は巻線用突極３゜Ｉ、３ａ２と補助突極４ｃ
の間の巻線用溝の付近の磁束の分布を代表して表わして
いる。

同図において、界磁部２から出た磁束は矢印の線で示す
ように、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３Ｃ１４Ｃ，３ａ２に吸いとられる。

その結果、突極に磁束が流出入する突極の実効的なピッ
チは突極の先端のピッチよりも広くなり、はぼ突極の両
端の溝の中心間隔となる。

本実施例では、各巻線用突極３ａ＋、３ｂ＋ｔ３
ｃｔｔ３ａ２、３ｔ）２１３ｃ２の両端の溝の中
心間隔は、界磁部２の１磁極ピツチＴの１６／１５倍に
等しいか、または、はぼ等しくしている。

また、各補助突極４ａ、４ｂ。４ｃ、４ｄ、４ｅ
の両端の溝の中心間隔は１磁極ピツチＴの４／１５倍に
等しいか、または、はぼ等しくしている。

巻線６ａ２に鎖交する磁束は、巻線用突極３ａ２に流
入する磁束と等しいから、巻線６ａ２の実効ピッチは
、はぼ１６Ｔ／１５といえる。

他の巻線についても同様である。

従って、界磁部２と巻線６ａ□ との関係は、原理的に
は第４図に示す概略展開図となる。

同図において、巻線６ａ２は等価的に実効ピッチ１６
Ｔ／１５の１タ一ン巻線１０に置きかえである。

ここで、巻線１０に電流■を流すと、界磁部２との電磁
作用によって駆動力Ｆが生じる。

その大きさは、フレミングの左手の法則により、電流と
磁束密度に比例する。

すなわち、通電された巻線の発生する駆動力は、その巻
線の実効ピンチの一端側のコイル辺による発生力（電流
と磁束密度の積）と他端側のコイルによる発生力（電流
と磁束密度の積）の代数的な加算によって求められる。

電流の向きは巻線の両コイル辺において逆方向であるか
ら（第４図参照）駆動力は巻線の実効ピッチの両端にお
ける磁束密度間の差と電流値の積に比例することになる
。

般に、界磁部２の発生する磁束密度Ｂｘの分布波形はそ
の磁極の配置に対応して第５図に示すような台形波状に
変化する（Ｎ極の発生する磁束密度を正とすればＳ極の
発生ずる磁束密度は負となる）また、界磁部２の磁極の
存在しない位置における磁束密度は、はぼ零となってい
る。

巻線５ａ＋と６ａ２は直列に接続されて１相の巻線とな
っているために（第２図参照）、この相の巻線６ａｌ
、５ａ２に電流を流したときの１駆動力は、６ａｌの
実効ピッチ両端の磁束密度の差と６ａ２の実効ピッチ両
端の磁束密度の差を代数的に加算した合成の磁束密度差
に比例する。

巻線６ｂ１。６ｂ２および巻線６Ｃ１ｔ６ｃ２に
ついても同様である。

第１図に示す界磁部２の定点Ａ。と電機子鉄心３の定点
Ｂ０との変位差Ｚの変化に対する３相の巻線５ａ１，６
ａ２，６ｖ、６１）２．６ｃ：＋６０２の合成の磁
束密度差の変化を第６図に示す。

このとき、一定値の電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃを第７図に示
すように、相対変位Ｚに応じて３相の巻線６ａ１２６ａ
２ｔ６ｂ＋、６ｂ２．６ｃ＋ｔ６Ｃ，２に順次
流すと、駆動力Ｆは第８図のごとくとなる。

一定電流を通電するときの駆動力Ｆの変動分が、直進電
動機の出力リツビルであるから、本実施例の出力リップ
ルは第８図のＪＦとなり、非常に小さい。

以上の説明および第６図乃至第８図から明らかなように
、各相の巻線５ａ＋、５ａ２．６ｂ＋？６ｂ２、
５ｃｔｔ６（！２の合成の磁束密度差の平担
部分の幅Ｘ（第６図参照）を広くするならば、出力リッ
プルは減少する。

界磁部２の磁束密度Ｂｘの分布は第５図のごとくであ
るから、巻線用突極の実効ピッチを界磁部２の１磁極ピ
ツチＴに近づける程、平狽部分の幅Ｘが広がり、出力リ
ップルは減少する。

一般には、巻線用突極の実効ピッチを界磁部２の１磁極
ピツチの奇数倍にするならば、出力リップルは減少する
。

このような考えのもとに、本発明においては補助突極を
設けて、不要な磁束が巻線用突極と鎖交しないようにし
、巻線用突極の実効ピッチを界磁部２の１磁極ピツチの
奇数倍に近づけ、または等しくしている。

次に、本実施例におけるコギング力について説明する。

コギング力は界磁部と電機子鉄心の間の磁場に貯えられ
た磁気エネルギーが両者の相対的な変位に応じて変動す
ることにより生じるものであり、特に、界磁部の磁気的
不均一性（磁極に起因）と電機子鉄心の磁気的不均一性
（溝に起因）の両者に関係して発生する。

磁気エネルギーは界磁部２の発生する磁束密度の２乗に
関係する量であるから、界磁部２の有する磁気的な周期
、波形（磁束密度を２乗した波形）は１磁極ピツチＴ毎
に繰返えされた周期波形となる。

すなわら、界磁部２は周期Ｔの成分を基本として、周期
Ｔ／２、Ｔ／３、Ｔ／４、・・・等の高調波
成分を含んでいることになる。

一方、電機子鉄心３が有する磁気的な変動（磁気的不均
一性）は、突極の間に形成される巻線用溝７と巻線用突
極もしくは補助突極の先端に設けられた補助溝８によっ
て生じ、界磁部２の表面の各点から見た電機子鉄心３の
パーミアンス（磁気抵抗の逆数）の場所的な変動によっ
て表わされる。

界磁部２の有する磁気的な周期、波形と電機子鉄心３の
有する磁気的な変動の相互作用によってコギング力を生
じるものであり、第１図のごとく界磁部２と電機子鉄心
３の両者に周期性がある場合には、一般に、その両者に
共通して存在する周期成分（これを整合成分という）の
コギング力が主に生じる。

界磁部２の磁気的な周期、波形は１磁極ピツチＴを基本
周期とした周期変動であるから、電機子鉄心３の磁気的
な変動を１磁極ピツチ毎にかさねて考えれば良く、一般
に、その合成の変動分を小さくするか、変動のピッチを
短かく（周波数を高く）するならば、界磁部２との相互
作用であるコギング力は小さくなる。

さて、第３図に示すごとく、巻線用溝７の部分に流入す
る磁束は矢印の線で示すように、大部分が磁気抵抗の荒
い溝部をさけて、電機子鉄心３の突極に吸いとられる。

その結果、図示の破線Ｈ１゜１１２より深く入り込む磁
束は非常に少なくなる。

従って、巻線用溝７の深さは破線Ｈ，，Ｈ２よりも深く
ても、磁気的には破線Ｈ０，Ｈ２のものとほぼ同等であ
る。

そこで、第１図に例示するごとく巻線用突極３ａ、＋
、３ｔ）＋ｔ３ｃ：＋ｔ３ａ２ｙ３ｂ２，３
Ｃ２および両端の補助突極５ａ、５ｂに巻線用溝と磁
気的にほぼ同等な効果を有する浅い開溝状の補助溝８を
設けるならば、電機子鉄心３の有する磁気的平均−性の
状態は変化する。

この第１図に例示した本発明の実施例においては、各巻
線用突極３ａｌ、３ｂ１，３Ｃ１，３ａ２，３ｂ２゜
３ｃ２の両端の溝の中心間隔を１６Ｔ／１５とし、巻
線用突極の間に位置する補助突極４ａ、４ｂ。

４ｃ、４ｄ、４ｅの両端の溝の中心間隔を４Ｔ／１５と
し、補助溝８を巻線用突極の両端の溝の中心間隔を４等
分する位置に配置している。

すなわち、巻線用溝および補助溝からなる溝の全体が、
はぼ等ピッチ（本例では４Ｔ／１５）となるように配
置されている。

従って、本実施例での界磁部２の磁極面に対向している
電機子鉄心３の部分を、１磁極ピツチＴを基本としてみ
るときの合成の変唐分は、第９図ａに実線Ｍで示すよう
に、主に１５個の山、谷を有する小さな変動となる。

なお、同図ａの一点鎖線ｍ１は巻線用溝７による磁気的
な変動を表わし、破線ｍ２は補助溝８による磁気的な変
動を表わしている。

界磁部２と電機子鉄心３の相対位置に伴って、界磁部２
の磁極と対向する溝は変化するが、合成変動分の変動振
幅および変動の周期は、はぼ一定である。

コギング力は界磁部の有する磁気的な周期、波形と電機
子鉄心の有する磁気的な変動とが整合（一致）するとき
に生じる。

従って、本実施例のコギング力は界磁部２の１磁極ピツ
チの移動に対して主に１５往復（３０回）力の向きが変
化する小さなものとなる。

第９図すに補助溝８を設けない場合の電機子鉄心３の合
成の磁気的変動分を示す。

この場合の合成の変動分は、突極の間に形成された巻線
用溝７による磁気的な変動〔第９図ａのｍｌ〕だけ
を合威したものであり、３個の山、谷を有する大きな変
動となる。

その結果、コギング力も界磁部２の１磁極ピツチの移動
に対して３往復（６回）力の向きが変化する大きなもの
となる。

第９図ａ、ｂを比較するならば、補助溝８を設けること
により磁気的変動の大きさは小さくなり、■ かつ磁気的変動の支配的な成分の周期も１５倍の高次
となっている。

一般に、コギング力の各成分の大きさは、電機子鉄心の
有する該当成分の大きさと、界磁部である永久磁石の有
する該当成分の大きさの積に関係し、その積が小さくな
れはコギング力の該当成分の大きさも小さくなる。

また、永久磁石の有する成分は、通常、高次の成分にな
る程、その大きさは急速に減衰している。

従って、電機子鉄心の右する磁気的な変動分の大きさが
小さい点と、変動の支配的な成分の周期が短いことによ
り、第１図に示す本発明の実施例のコギング力は著しく
小さくなっている。

すなわち、本発明のごとく補助溝を設けることにより電
機子鉄心の磁気的な変動の状態を変化させ、コギング力
の支配的な成分の周期を短くするならば、コギング力は
減小する。

なお、第１図に示した本発明の実施例においては電機子
鉄心３を固定子とし、界磁部２を移動させる場合に限ら
れるものではなく、その関係が逆であっても良く、得ら
れる効果に差異はない。

また、第１図の実施例は、そのまま直進発電機としても
使用可能である。

すなわち、移動体１を外力により駆動するならば、巻線
５ａｌ、６ａ２。

６ｂｌ＋６ｂ２２６ｃ１ｊ６ｃ２に３相の発電
電圧を得ることができる。

従って、たとえばアノードを共通接続した３個のダイオ
ードの各カソードに上記３相の発電電圧を供給して整流
するならば、アノードからは移動速度に対応した直流電
圧を得ることができる。

従って、本発明は直進電動機に限らず直進発電機として
も適用可能である。

また、前述の実施例では電子整流子型直進電動機を例に
とって説明したが、ブラシ等により駆動相を切換えるよ
うにしても良い。

さらに本発明は永久磁石を使用した簡単かつ安定な界磁
部はもちろんのこと、その他の構造のものであっても、
固定磁界を発生する界磁部であれは適用できる。

また、本発明の実施例に示すように、補助溝の深さを浅
くして、突極の基部を先端より狭くするならば、巻線を
収納する空間を大きくすることができるため、効率の良
い直進電機となる。

さらに、補助溝の幅を突極間の溝幅とほぼ等しくするな
らば、磁気的にほぼ同等な効果を容易に得ることができ
る。

もちろん、補助溝の構造を突極間の溝とほぼ同一１状と
しても良い。

また、珪素鋼板の薄板を金型にて打抜き、第１図の図面
に垂直方向に積層固定して電機子鉄心を構成するならば
、各突極および溝の配置精度が良くなり、補助溝の効果
が安定した量産が容易となる。

第１０図に本発明の別の実施列の要部構成図を示す。

本実ｍｆ＋ｌＪは電機子鉄心の対向長に比較して界磁部
の対向長が長くなっている。

同図において、移動体１１に取付けられた平板状の永久
磁石にて構成される界磁部１２は、等ピッチ間隔Ｔまた
は、はぼ等ピッチ間隔にてＮ極、Ｓ極が交互に配置され
ている。

電機ｆ鉄心１３は２個の巻線用突極１３ａと１３ｂと、
それらの間に位置する補助突極１４と、電機子鉄心１３
の両端に位置する補助突極１５ａ、１５ｂとを有してい
る。

各巻線用突極１３ａ、１３ｂには巻線１６ａ、１５
ｂが巻装されており、それらに交鎖する磁屯は１磁極
ビツナＴの偽の位置差を有している。

従って、界磁部１２と電機子鉄心１３との相対位置に応
じて電流を通電する巻線および電流方向を切換えるなら
は、所定方向の持続セる駆動力を得ることができる。

本実施例においては、各巻線用突極１３ａ。

１３ｂの先端に２個の補助溝１８を設けて電機子鉄心１
３の合成の磁気的変動分を小さくしている。

これらの補助溝１８は突極の間に形成される巻線用溝１
７と磁気的に同等または、はぼ同等の効果を有しており
、補助溝１８と巻線用１７とからなる溝の全体が、はぼ
３Ｔ／８ピッチ間隔に配置されている。

また、両端の補助突極１５ａ、１５ｂには端に行くほど
界磁部１２との対向間隙が犬となるごとくテーパーがつ
けられており、その結果、本実施例のコギング力は小さ
くなっている。

なお、前述の実施例では各巻線用突極の実効ピッチを界
磁部の１磁極ピツチに、はぼ等しくしているか、本発明
はそのような場合に限らず、たとえは図示の実施例の界
磁部の１磁極ピツチをも。

１／、、、、、、、等にした場合のように、一般σこ、
巻線用突極の実効ピッチを界磁部の１磁極ピツチの奇数
倍に近い場合であっても実施できる。

もちろん、１磁極ピツチの奇数倍に等しい場合であって
も良く、補助溝を配置することによりコギング力は低減
できる。

一般に、補助溝の中心と、それに隣接する溝（巻線用溝
または補助溝）の中心とのピッチを界磁部の１磁極ピツ
チの整数倍と異なるように補助溝を設けるならば、コギ
ング力を小さくし得る。

その他、コギング力を低減させる補助溝の配置は多くの
変形が考えられるか、しかし、補助溝の個数を巻線用溝
の個数と等しく、または多くするならば、谷溝を浅く、
かつ小さくできるため、補助溝の部分における磁束の変
動は小さくなり、直進電機の性能は向上する。

また、各巻線用突極に同数個の補助溝を対称的に配置す
るならば、各巻線用突極に流出入する磁束のバラツキは
なくなり、直進電機の性能は良くなる。

前述の実施例に示すように、巻線用溝と磁気的に等しい
か、または、はぼ等しい効果を有する補助溝を突極の先
端に設け、溝（巻線用溝および補助溝）の全体が等ピッ
チまたは、はぼ等ピッチ間隔に配置するならば、簡単に
コギング力を小さくできる。

このような構成は、巻線用突極の間に補助突極を設け、
巻線用突極の実効ピッチと補助突極の実効ピッチとの比
をＬ：Ｋ（ここにＬおよびＫは整数）とし、溝（巻線用
溝および補助溝）の全体を巻線用突極の実効ピッチのＬ
分の１毎に配置するならば容置に実現できる。

もらろん、各補助溝が同一の磁気的効果をもたない場合
、および溝の全体が等ピッチ間隔に配置されていない場
合でも、本発明は有効である。

また、補助突極を配置することにより、巻線用突極の実
効ピッチを１磁極ピツチの奇数倍に近づけることができ
ると共に、巻線用溝の幅、深さを小さくできるために、
形状の小さな補助溝により巻線用溝と磁気的に同等な効
果が得られ、補助溝の個数を多くできるため、コギング
力を十分小さくできる。

すなわち、補助突極は出力のリップルの低減と共に、補
助溝との紹合せにおけるコギング力の低減に対しても有
用である。

もちろん、補助突極に補助溝を設けても良い。

さらに、電機子鉄心の巻線用突極および巻線の相数は前
述の実施例に限定されず、一般に、多相の直進電機を実
現可能である。

また、電機子鉄心の巻線用突極が等ピッチ間隔にて配置
されている場合に限らず、突極間のピッチに粗密が存在
する場合においても、本発明は実施できる。

また、界磁部の磁極が不等ピッチ間隔に配置されている
場合、および無磁性の部分が有する場合においても、本
発明は有効である。

以上のように、本発明はコギング力が小さく、出力リッ
プルが小さく、かつ効率の良い直進電動機あるいは直進
発電機を実現し得る。

従って、本発明に基づき、特にレコードプレーヤなどの
音響器用電子整流子型直進電機を構成した場合には、振
動や、駆動力のむらを極小にし得るため、極めて高性能
な音響機器とし得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部構成図、第２図は同実
施ｆ＋１の駆動回路の一＝ｆ！Ｉを示す図、第３図は同
実施例における要部の磁束分布を代表的に表わした図、
第４図は同実施例における要部の概略展開図、第５図は
同実施例における界磁部の磁束密度分布を表わす図、第
６図、第７図、第８図は同実施例の駆動動作を説明する
ための図、第９図ａ、ｂは同実施例におけるコギング力
の低減効果を比較説明するための図、第１０図は本発明
の別の実施例の要部構成図である。１．１１・・・・・・移動体、２，１２・・・・・・界
磁部、３゜１３・・・・・・電機子鉄心、３ａ＋、
３ａ２、３ｂ１３ｂ２．３ｃ＋、３ｃ２、１
３ａ、１３ｂ・−−−−−巻線用突極、４ａ〜４
ｅ、５ａ、５ｂ、１４、１５ａ。１５ｂ・・・・・・補助突極、５ａｔ、５ａ２，５ｂ
＋。６ｂ２．６ｃｔ、６Ｃ２、１６ａ、１６ｂ−巻
線、７．１７・・・・・・巻線用溝、８，１８・・・・
・・補助溝、９・・・・・・駆動相選択手段、１０・・
・・・・等価１ターン巻線。

Claims

【特許請求の範囲】１複数個の磁極を有する界磁部と、前記界磁部に対向
する位置に、電機子巻線が巻装された巻線用突極を有す
る電機子鉄心を具備し、前記界磁部と電機子鉄心のうち
、いずれか一方を他方に対して直進可能に構成し、前記
電機子鉄心に所要個数の補助突極を設けて前記巻線用突
極の両側に位置する溝の中心間隔を前記界磁部の１磁極
ピツチの奇数倍に等しく、または、はぼ等しくし、かつ
、前記巻線用突極の前記界磁部と対向する位置に補助溝
を設け、前記補助溝の中心ど隣接する溝の中心の間隔を
前記界磁部の１磁極ピツチの非整数倍にしたことを特徴
とする直進電機。２複数個の磁極を有する界磁部と、前記界磁部に対向
する位置に、電機子巻線が巻装された巻線用突極を有す
る電機子鉄心を具備し、前記界磁部と電機子鉄心のうち
、いずれか一方を他方に対して直進可能に構成し、前記
電機子鉄心には前記巻線用突極に隣接した所要個数の補
助突極を設け、かつ前記巻線用突極の前記界磁部と対向
する部分に補助溝を設け、前記巻線用突極および補助突
極の間に形成された溝と前記補助溝を含めてなる前記電
機子鉄心の有する溝の全体を、隣接する溝の中心間隔が
−・定または、はぼ一定となるように配置したことを特
徴とする直進電機。