JPS61180562A

JPS61180562A - 制限角度トルクモ−タ

Info

Publication number: JPS61180562A
Application number: JP60285846A
Authority: JP
Inventors: ロバート・デー・ヴアンダーラーン; ウイリアム・エツチ・エイズナー・ジユニア
Original assignee: Pneumo Corp
Current assignee: Pneumo Corp
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-20
Publication date: 1986-08-13
Also published as: US4612526A; EP0187038A2; EP0187038A3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、広く云えば、高トルク極と磁気中心合わせバ
ネ調整機構とを具えるトルクモータに関するものである
。

本発明に係るモータは、限定する訳ではないが、航空機
の制御を含む成る種の高圧流体を用いる比例サーボ制御
システムで行程がかなり短い比例制御弁を駆動するのに
用いるのに特に適したタイプの制限角度トルクモータを
成る程度改良したものである。流体圧は正規には１００
０ｐｓｉ以上のオーダーである。

このようなモータでは、磁界の相互作用によるトルク対
電流特性を伸ばすことが望ましい。また。

所定の回転子の長さに対しモータのリラクタンストルク
を大きくし、このリラクタンストルクを調整する簡単な
手段を提供することが望ましい。最後に、このようなモ
ータに所定の電流レベルで高い閉トルク対開トルク特性
を持たせると好適である。

本発明の１つの相によれば、モータは一個又は複数個の
永久磁石を有する回転子組立体と、固定子コイル及び一
対の円周方向に延在し、分離されている固定子極構体を
具備する固定子組立体を具えている。各固定子極構体は
ほぼ軸線方向に延在し、周囲に固定子コイルが円周方向
に巻回されている固定子極ブレードと、一方の固定子極
構体の一端と、他方の固定子極構体の反対の端とにおい
て半径方向外方に延在するフランジとを具える。

固定子極ブレードの半径方向厚さをフランジに続く部分
ではブレードの他方の端よりも大きくし、ブレードのフ
ランジに隣接する領域で固定子極構体の磁束密度を小さ
くする。

本発明のもう一つの相によれば、固定子極フランジの外
側端面を望むべくは軸線方向に延在させ、回転子組立体
の端で回転子磁石の縁磁界も利用し、モータのリラクタ
ンストルクを大きくする。

本発明の更にもう一つの相によれば、回転子組立体の両
側で、固定子極フランジの反対側の固定子組立体の端に
付加的な固定子磁極片を設ける。

固定子極構体のブレードは回転子磁石の他端より短かく
終端させ、所定の回転子の長さの時このような他端に付
加的磁極片を入れる空間を作る。これによりモータのリ
ラクタンストルクは相当に高くなるが、それでいて磁界
の相互作用によるトルクを著しく小さくすることはない
。

本発明の更にもう一つの相によれば、外側磁気ハウリン
グが２個の半円筒部を具え、その対向する端の間に空隙
を形成し、この外側磁気ハウジングが固定子組立体を取
り囲み、２個のハウジング部が互に回転でき、一方の空
隙の寸法を他方の空隙の寸法に対して変え、モータのリ
ラクタンストルクを調整する。

図面につき本発明の詳細な説明する。

最初に第１図及び第２図につき説明するが、ここでは本
発明に係る好適な形態の角度を限られたトルクモータ全
体を符号１を付して示す。このようなモータは、−次的
には、高圧流体系で、それに限られる訳ではないが、航
空機の制御を含む比例サーボ制御系の弁を直接駆動する
のに使用される。しかし、このようなモータは、二次的
には、弁だけでなく、他の機械的なデバイス（装置）を
駆動するのにも使用できる。

図示したように、このモータは非整流形の２極固定コイ
ル回転磁界モータであり、回転子軸３の両端間に１個又
は複数個の永久磁石５を有する回転子組立体２と、この
回転子組立体を囲む固定子組立体６とから成る。回転子
磁石５は直径方向に磁化する。従って、第２図に示した
ように北極Ｎと南極Ｓが直径方向に向いている。

回転子軸をモータハウジング７内に適当に支承し、回転
子組立体２を固定子組立体６に対して回転せしめ得るよ
うにする。相対的に小さな磁路間隙８が回転子組立体と
固定子組立体とを分離し、これにより回転角度レンジだ
け回転子組立体を固定子組立体に対して回転せしめ得る
ようにする。

固定子組立体は一個又は複数個の高密度に層状に巻回さ
れた固定子コイル９を具えるが、この固定子コイル９は
一対の磁性体の固定子極構体１０．１１を取りまいてい
る。固定子巻線の軸線は回転軸にほぼ平行である。

図面から明らかなように、固定子極構体１０．１１は円
周方向で互に分離されており、各々が軸線方向に延在す
る極ブレード１４と、各種構体の一端だけがら半径方向
外方に延在するフランジ１５とを具える。このようなフ
ランジは夫々の極構体の反対側の端にある。

固定子極フランジ１５は固定子極ブレード１４と一体形
成し、望ましくは半径方向外方に延在させ、固定子組立
体を取りまく外側の磁性体ハウジング１６の重なり合う
内側面と接触させる。磁性体ハウジングは軟鉄のような
適当な磁性体で作る。これは固定子コイルが励起された
時その磁界に対して　　　　′戻りの磁路を与える。こ
のような戻りの磁路は、第２図に示すように、外側磁性
体ハウジングに１個又は複数個の空隙１７．１８を設け
ることにより部分的にしゃ断することができる。

固定子極構体１Ｇ、　１１は内側を適当な固定子支持ス
リーブ１９により支持することができる。この支持スリ
ーブ１９はベリリウム鋼のような導電率の高い材料で作
り、システムのダイナミックな要求に対し、十分なうず
電流減衰を生ずると共に、強度も十分なものとし、固定
子組立体にかがる凡ゆる内部流体圧力に耐えられるよう
にする。

固定子コイル９が印加される直流又はパルス幅変調電流
により励起される時、固定子磁極フランジ１５が固定子
組立体６及び回転子組立体２を通る横断、即ち、横方向
磁束を生じ、この磁束がモータ内に回転トルクを生ずる
。第４図は電流±Ｉが固定子コイルに加えられる時の本
発明により構成された代表的なモータの一般的なトルク
と角度軸位置プロファイルのグラフである。図示したよ
うに、正の電流（＋Ｉ）が加えられる場合は、回転子組
立体を時計方向に回転させようとする正のトルクが回転
子軸の相対的に大きな経路に亘り生じ、これが、例えば
、回転子軸がゼロ、即ち、中心位置にある時の最大トル
ク出力から、回転子軸がこのようなゼロ、即ち、中心位
置から±６０°回転した時の上記最大トルク出力の約５
０％まで変わる。

逆に、負の電流（−■）が加えられると、回転子軸を半
時針方向に回転させようとする負のトルクが回転子軸の
同じ経路に亘って生ずる。

固定子極構体１０．１１は薄く作り、固定子組立体内に
十分な空間をとり、コイル巻線の数（即ち、アンペアタ
ーン）を大きくするのが望ましい。しかし、固定子極構
体が薄くなりすぎると、第２図に示したゼロ、即ち、中
心位置からの回転子の変位が大きくなる時、固定子極フ
ランジ１５が突出する固定子極ブレード１４の端の領域
Ａ（第１図）にある磁性材料が余りに飽和し、これによ
り磁界のコイルアンペアターンによる成分が小さくなっ
てしまう。こうなるとモータにより生ずる磁界の相互作
用によるトルクが小さくなる。

第３図は本発明により作られる代表的なモータについて
の種々の印加電流レベルでの磁界相互作用トルクを示す
。第３図のグラフが明示するように、飽和点Ｓ、（これ
は固定子極構体の領域Ａで生ずる）は可成り鋭い屈折部
を有し、これを所定の固定子設計の場合のモータ軸の最
大回転ストロ−りを得る時の磁気的な止めとして用いる
ことができる。

本発明の一つの相によれば、半径方向フランジの内側面
にすぐ続く領域Ａで、各固定子極構体１０゜１１の固定
子極ブレード１４の磁気的な断面積を大きくすることに
よりモータのトルク対電流特性を大きくすることができ
る。こうすると前記領域の磁束密度が下り、これにより
所定の固定子設計の場合固定子軸の最大出力トルクが第
３図に示した飽和点Ｓ２で達することになり、大きくな
る。

更に第１図につき説明すると、各固定子極ブレード１４
は、半径方向フランジから始めてその長さの一部に亘っ
て大きな段２０を設けることにより一部を半径方向に厚
くすると好適である。−例を挙げれば、この固定子極ブ
レードの部分の厚さは残りのブレードの部分の厚さの１
−ｉ倍とし、この部分は固定子極フランジから始まって
固定子極ブレ固定子極ブレードの長さの一部を半径方向
に厚くすると、所望通りに磁束密度を減らし、それでい
て固定極構体とコイル巻線を納める磁性体ハウジングと
の間のコイル窓区域を小さくせず、モータ自体のコイル
巻線の数の減少は最小ですむ。

電磁固定子コイル９を励起すると、磁界相互作用トルク
が生ずるだけでなく、回転子永久磁石５により発生する
磁束が磁気リラクタンストルクを生じ、これが回転子組
立体を第２図に示したその回転角度レンジの中心に保と
うとする。回転子軸を外力により回転させると、磁気リ
ラクタンストルクが復元トルクを生ずる。この復元トル
クは回転と共に大きさが変わり、加えられた外力に逆ら
って回転子の北極と南極を元の中心の位置に戻そうとす
る。これを第４図のグラフに示しである。

このような磁束により生ずる磁気リラクタンストルクは
、固定子コイルへ流れる電流がしゃ断された時にいつで
も予回転子軸を位置θ＝Ｏ゛に戻す中心合わせ機能を提
供する。

本発明のもう一つの相によれば、固定子極フランジの外
側端面の領域Ｂに付加的磁性材料を設け、回転子組立体
２の端で永久磁石５の縁磁界を利用することによりモー
タのリラクタンストルクを大きくできる。ここに開示さ
れたモータ構造の好適な形態では、各固定子極フランジ
１５の外側面に肩部２１を設ける。肩部２１の高さは固
定子極ブレー２０の厚さにほぼ等しい。また、このよう
な肩部２１の軸線方向厚さはフランジの外端の軸線方向
厚さまた、本発明によれば、固定子極フランジと反対側
の固定子組立体の端に普通は非磁性体の端板を設けるが
、これに代えて回転子組立体の両側のこのような端にむ
くの磁極片２４の半分を設けることにより付加的な中心
合わせリラクタンストルクを生ずることができる。第２
図によく見られるように、このような磁極片２４の各々
は高透磁率の軟鉄の磁性体で作った半周の外側リング構
体２５から成る。この構体２５は半周リングの両端から
半径方向内方に延在する極延在部２６を有し、これが回
転子磁石５に近接して終端する。

このような付加的な磁極片２４により生ずる付加的なり
ラフタンストルクはこのような付加的な磁極片の軸線方
向の長さに比例する。従って、このようなリラクタンス
トルクは固定子極ブレード１４の長さをいくらか縮め、
除かれた固定子極ブレード端部の半径方向外方のコイル
の部分を除き、所定の回転子長に対して一層長い磁極片
２４を装着することにより更に大きくすることができる
。実際の試験では、固定子極ブレードの長さを少し、例
ル部は磁界の相互作用によるトルクをあまり減らさず、
相当に高いリラクタンストルクを与えることが判明した
。

電流を固定子コイルに加えることにより生ずる磁界相互
作用トルクは回転子磁石５により生ずる磁気リラクタン
ストルクと組合わさって、種々の角度軸位置でモータに
対する正味のトルク出力を与える。角度軸位置は所定の
モータ設計に対し磁気リラクタンストルクプロファイル
に依存して変わる。第４図は中心合わせリラクタンスト
ルク機能を有するモータに正及び負の電流上■を加えた
時生ずる正味のトルクの和を示している。これから分か
るように、回転子軸の必要な回転角度に亘って所望の有
用な仕事に役立つ出力を得るには、磁気リラクタンスト
ルクを克服する際消費されるのよりも十分大きな磁界相
互作用トルクを生ずるために十分大きな直流又はパルス
幅変調電流を固定子コイルにかけねばならない。

第４図に示した例では、電流±Ｉが固定子コイルに加え
た時回転子軸が最大で約±２０”回転する。

また、第４図に明らかに示されているように、本発明に
係る構造のモータでは非常に大きな閉じるトルクが得ら
れ、回転子軸３をθ−±Ｘ０に対応する全開位置からθ
＝０°に対応する閉位置まで動かそうとする。第４図で
点１は変位θ、が正で、電流＋Ｔが正であって正の、即
ち、開トルク＋王　　が得られる代表的な開状態を表わ
す。点２は回転子が同じ位置（θ、）にある時電流を逆
向きに流すと大きな負の、即ち、閉トルクー王が得られ
ることを示す。この大きなトルクは第４図に示したリラ
クタンス成分と磁界相互作用トルク成分との間の空間関
係によるものである。

モータのリラクタンストルク対変位特性、は外側磁性体
ハウジング１６の空隙１７．１８の寸法を変えることに
より磁気回路のリラクタンスを変えて調整することもで
きる。これは本発明によれば外側磁性体ハウジング１６
を２個の半円筒部３０．３１に分割し、ハウジングの両
側に各半円筒部の間に空隙１７゜１８を形成することに
より容易に達成できる。従って、２個の外側ハウジング
部３０．３１を互に回転させれば、一方の空隙の寸法を
他方の空隙に対して変えることになる。いずれかの空隙
の寸法を平均よりも小さくすると、リラクタンストルク
が小さくなり、磁界相互作用トルクが大きくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明制限角度トルクモータの好適な実施例の
長手方向断面図、第２図はほぼ第１図の２−２線で切った第１図のモータ
の横方向断面図、第３図は本発明モータの印加電流の異なるレベルに対す
るトルクを示すグラフ線図、第４図は正及び負の電流を固定子コイルに加えることに
より生ずる磁界トルクと、回転子磁石により生ずる磁気
リラクタンス中心合せトルクの正味のトルクの和を示す
グラフ線図である。１・・・トルクモータ全体　２・・・回転子組立体３・
・・回転子軸５・・・永久磁石（回転子磁石）６・・・固定子組立体　　　７・・・モータハウジング
８・・・磁路間隙　　　　　９・・・固定子コイルｔｏ
、　１１・・・固定子極構体　１４・・・極ブレード１
５・・・フランジ１６・・・外側磁性体ハウジング１７、１８・・・空隙　　　　　１９・・・支持スリー
ブ２０・・・段（フランジに隣接する部分）２１−・・
肩部　　　　　　　２４・・・磁極片２５・・・外側リ
ング構体　　２６・・・極延在部３０、３１・・・半円
筒部ｊ＝「！

Claims

【特許請求の範囲】１、回転子組立体（２）及び固定子組立体（６）を具え
、上記回転子組立体（２）が上記固定子組立体（６）に
対して回転させるために取付けられている回転子軸（３
）と、この回転子軸（３）と共に回転するように取り付
けられている永久回転子磁石（５）とを具え、この回転
子磁石が直径方向に向いており、前記固定子組立体（６
）が固定子コイル（９）及び一対の円周方向に延在し、
分離されている固定子極構体（１０、１１）を具え、こ
れらの固定子極構体の各々が、ほぼ軸線方向に延在し、
周りに前記固定子コイル（９）が円周方向に延在する固
定子極ブレード（１４）と、一方の固定子極構体（１０
）の一端と、他方の固定子極構体（１１）の反対側の端
とにあり、半径方向外方に延在するフランジ（１５）と
を具える制限角度トルクモータ（１）において、前記ブ
レードの半径方向厚さが夫々のフランジ（１５）に隣接する部分（２０）ではこれらのブレード
の反対側の端におけるよりも厚くなるようにして、前記
ブレードの前記フランジに隣接する領域では前記固定子
極構体の磁束密度を小さくし、これにより磁界の相互作
用による前記モータのトルク対電流特性を伸ばすことを
特徴とする制限角度トルクモータ。２、前記ブレード（１４）が各々夫々のフランジ（１５
）に隣接して厚く、軸線方向に延在する段（２０）を有
することを特徴とする制限角度トルクモータ。３、前記フランジ（１５）が前記回転子磁石（５）の両
端に隣接して夫々のブレード（１４）から半径方向外方
に延在する特許請求の範囲第１項記載の制限角度トルク
モータにおいて、更に、前記フランジの軸線方向で外側
の端面が、その半径方向内側端に隣接して、その上に付
加的磁性材料（２１）を有し、前記回転子組立体（２）
の端で前記回転子磁石（５）の縁磁界を利用し、前記モ
ータのリラクタンストルクを大きくすることを特徴とす
る制限角度トルクモータ。４、前記フランジ（１５）がその半径方向内側端に隣接
するその軸線方向外側面上に肩（２１）を有し、このよ
うな付加的磁性材料を提供することを特徴とする特許請
求の範囲第３項記載の制限角度トルクモータ。５、前記固定子組立体が更に前記固定子組立体（６）の
前記固定子極フランジ（１５）の対向する端に付加的極
構体（２４）を具え、この付加的極構体（２４）が一個
の外側リングの半分（２５）を具え、この半リング（２
５）が前記回転子磁石（５）の両側でこの半リング（２
５）の端に半径方向内方に極延在部（２６）を有し、こ
の極延在部（２６）が前記回転子磁石（５）に近接して
離れた関係で終了することを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の制限角度トルクモータ。６、更に前記固定子極構体（１０、１１）の各端で前記
回転子組立体（２）の両側に夫々のフランジ（１５）と
対向して付加的極構体（２４）を設けたことを特徴とす
る特許請求の範囲第５項記載の制限角度トルクモータ。７、更に、前記フランジ（１５）が前記回転子磁石（５
）の両端とほぼ半径方向に整列しており、前記ブレード
（１４）が前記回転子磁石（５）の他端より短かく終了
し、上記他端の半径方向外方に前記付加的極構体（２４
）を入れるための空間を与えることを特徴とする特許請
求の範囲第６項記載の制限角度トルクモータ。８、更に、前記ブレード（１４）が前記回転子磁石（５
）の他端より短かく終了し、所定の回転子組立体の長さ
に対し、長い付加的極構体（２４）を収納することを特
徴とする特許請求の範囲第７項記載の制限角度トルクモ
ータ。９、更に、外側磁性体ハウジング（１６）が前記固定子
組立体（６）を取り囲み、このハウジング（１６）が２
個の半円筒ハウジング部（３０、３１）を具え、その対
向する端の間に空隙（１７、１８）を有し、これらのハ
ウジング部（３０、３１）が互に回転でき、一方の空隙
（１７）の寸法を他方の空隙（１８）に対して変え又は
機械加工で両方の空隙（１７、１８）を等しく変え、前
記モータのリラクタンストルクを調整することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の制限角度トルクモータ
。１０、回転子組立体（２）と、固定子組立体（６）とを
具え、この回転子組立体（２）が回転子軸と一緒に回転
するように取り付けられていて、直径方向に向いている
永久回転子磁石（５）を有する回転子軸（３）を具え、前記固定子組立
体が固定子コイル（９）と、一対の円周方向に延在し、
分離されている磁気固定子極構体（１０、１１）とを具
え、これらの固定子極構体の各々がほぼ軸線方向に延在
し、回りに前記固定子コイル（９）が円周方向に延在す
る固定子極ブレード（１４）と、一方の固定子極構体（
１０）の一端と、他方の固定子極構体（１１）の反対側
の端とにあって半径方向外方に延在するフランジ（１５
）とを具え、このフランジ（１５）が前記回転子磁石（
５）の両端に隣接して夫々のブレード（１４）から半径
方向外方に延在する制限角度トルクモータ（１）におい
て、前記フランジ（１５）の軸線方向外側の端面がその
半径方向内側端に隣接してその上に付加的磁性材料（２
１）を有し、前記回転子組立体（２）の両端で前記回転
子磁石（５）の縁磁界を利用し、前記モータのリラクタ
ンストルクを増すことを特徴とする制限角度トルクモー
タ。１１、更に、前記フランジがこのフランジの半径方向内
方端に隣接してその軸線方向外側面に肩（２１）を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の制限
角度トルクモータ。１２、回転子組立体（２）と、固定子組立体（６）とを
具え、この回転子組立体（２）が回転子軸と一緒に回転
するように取り付けられていて、直径方向に向いている
永久回転子磁石（５）を有する回転子軸（３）を具え、前記固定子組立
体が固定子コイル（９）と、一対の円周方向に延在し、
分離されている磁気固定子極構体（１０、１１）とを具
え、これらの固定子極構体の各々がほぼ軸線方向に延在
し、周りに前記固定子コイル（９）が円周方向に延在す
る固定子極ブレード（１４）と、一方固定子極構体（１
０）の一端と、他方の固定子極構体（１１）の反対側の
端とにあって半径方向外方に延在するフランジ（１５）
とを具え、このフランジ（１５）が前記回転子磁石（５
）の両端に隣接して夫々のブレード（１４）から半径方
向外方に延在する制限角度トルクモータ（１）において
、前記固定子組立体（６）の一端で、前記固定子極フラ
ンジ（１５）と対向する側に付加的な磁極構体（２４）
を設け、この付加的な磁極構体（２４）が外側リング（
２５）の半分を具え、この半リング（２５）がこの半リ
ング（２５）の両端で半径方向内方に延在する極延在部
（２６）を有し、この延在部（２６）が前記回転子磁石
に対して近接して終了することを特徴とする制限角度ト
ルクモータ。