(57)【要約】【課題】巻き線極である主極数を半減させた省主極形固定子と、２個のＨＢ型回転子を互いに逆方向に反発磁化したハイブリッド永久磁石式回転子を、多段に組み合わせた複合ハイブリッド型回転子による回転電機で、安価で高トルク、低振動、且つ、分解能の大きな回転電機の実現すること。【解決手段】多角形や略環状の磁性体より放射状に設けた2相４主極、３相３主極あるいは５相５主極の各先端に複数個の誘導子を有し、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数Nｒ個の歯を有した回転子を、２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらして挟持して共通回転軸上に設けて近接させ、近接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて複合回転子ユニットを形成し、この複合回転子ユニットを同軸に２個以上近接していることを手段とする永久磁石式回転電機。【選択図】  図２
2008278586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四辺形を含めた多角形や略環状の磁性体より放射状に設けた2相４主極、３相３主極あるいは５相５主極の各先端に複数個の誘導子を有し、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数Nｒ個の歯を有した回転子を２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらして挟持した単位回転子を２組、単位回転子ＡとＢとして共通回転軸上に設けて近接させ、単位回転子ＡとＢの近接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて複合回転子ユニットを形成し、この複合回転子ユニットを同軸に２個以上近接して設けることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機で、２相４主極の場合は、回転子歯数がNｒ＝４ｎ±１、３相３主極の場合は、回転子歯数がNｒ＝３ｎ±１、５相５主極の場合は、回転子歯数がNｒ＝５ｎ±１、であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機で、前後の非磁性ブラケットを固定子内径に勘合させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は巻き線極の数である主極数を半減させた省主極形固定子と２個の永久磁石を互いに逆方向に反発磁化したハイブリッド永久磁石式回転子を組み合わせた複合ハイブリッド型回転子を同軸で２個以上有したステッピングモータ等の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で高トルク、低振動がＯＡ機器等に使用されるステッピングモータ等の回転電機に
要求されている。この問題を解決するものとして本願発明者の一人はすでに次の特許を取得している。本願はこれらの先行特許の改良に関する。
【０００３】
【特許文献１】日本国特許第３７６２９８１号
【特許文献２】米国特許ＵＳＰ６７８１２６０Ｂ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
１）ハイブリッド（以下ＨＢと略す）の構造のステッピングモータで大きなトルクを得ようとすると、軸方向に固定子積厚を増加させて、回転子は永久磁石を挟持してその外周に均等ピッチで複数の磁歯を有した磁性体回転子を２個でその歯ピッチの１／２ずらして形成したHB型回転子を軸方向に非磁性円板を介して２個以上配置した多段回転子を用いている。しかし以下の回転子に関する問題点と固定子に関する問題点で十分大きなトルクを得ることができなかった。
２）回転子に関する問題点は上述した多段回転子間に磁気絶縁のための所定の厚さの非磁性円板（後述する図５の５２）を介在させるのでその部分はトルクを発生せず高トルク化の阻害要因であった。また非磁性板の厚みが十分でないと漏洩磁束が発生してトルクが期待したほど出ない問題があった。
またアルミ等の非磁性円板の使用は回転機の価格を高くするものであった。
３）固定子に関する問題点は主極数が多いフル主極構成のために、巻き線が複雑である上に、回転子永久磁石からの鎖交磁束数は主極数に反比例するので鎖交磁束数の増加が少なく高トルク化の阻害要因であった。そのためには主極の数の少ない構成の固定子が必要である。
以上のような問題がありこれらを解決するのが課題となる。
４）本願の回転電機の固定子は主極数を通常の回転電機に対して半減させた省主極（２相４主極、３相３主極、５相５主極）構造である。主極とは別名集中巻きの巻線極である。省主極（２相４主極、３相３主極等）構造は通常のフル主極数構造の２相８主極あるいは３相６主極式に対し省主極数（フル主極数に対してハーフ主極数とも呼ぶ）構造は高トルクトルクが得られるがその理由は後述する。
５）しかしこの省主極固定子と通常の永久磁石１個のハイブリッド回転子との組み合わせでは不平衡電磁力が発生し騒音振動が大きくなり位置決め精度も悪化する。そしてこれらを解決するために前述した特許文献１及び２の手段がある。本願はこれらの手段の技術で更に高トルクを得ようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
四辺形を含めた多角形や略環状の磁性体より放射状に設けた2相４主極、３相３主極あるいは５相５主極の各先端に複数個の誘導子を有し、エアギャップを介して回転自在に設けられた複数Nｒ個の歯を有した回転子を２個で軸方向に磁化した永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらして挟持した単位回転子を２組、単位回転子ＡとＢとして共通回転軸上に設けて近接させ、単位回転子ＡとＢの近接する回転子同士は歯位置が同一であり且つ同一極性に磁化されて複合回転子ユニットを形成し、この複合回転子ユニットを同軸に２個以上近接して設けることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段２」
手段１で、２相４主極の場合は、回転子歯数がNｒ＝４ｎ±１、３相３主極の場合は、回転子歯数がNｒ＝３ｎ±１、５相５主極の場合は、回転子歯数がNｒ＝５ｎ±１、であることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段３」
手段１で、前後の非磁性ブラケットを固定子内径に勘合させたことを手段とする永久磁石式回転電機。
【発明の効果】
【０００６】
１）省主極固定子構成なので従来のフル主極構成のものよりトルクは約２倍となり且つ巻き線が安価となる。
２）回転子は通常の多段HB回転子に対し非磁性円板が不要なためその分固定子との対向面積が増加しまた各単位HB回転子間での漏洩磁束は同極性で近接あるいは隣接されるので、漏洩磁束が無いため高トルクで且つ安価となる。
３）省主極にもかかわらず多段回転子の各段ごとにラジアル方向の不平衡電磁力が回転子ユニット内でキャンセルされるので大トルクでありながら振動騒音の発生が極めて少ない回転電機となる。
４）軸方向に長い回転電機とした場合、前後ブラケットを固定子内径に勘合させることで固定子と回転子間のエアギャップをより小さくできて高トルクに有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下図面によって説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は本発明の１例である省主極構造固定子である２相４主極機の固定子と特殊多段ＨＢ型回転子の組み合わせによる回転電機の軸方向から見た構成図である。図２はその軸方向の断面図である。１は固定子鉄心であり２相の場合は４主極なのでその外形は略四辺形が巻き線スペースの確保の点から望ましいが、３相３主極では三または六辺形、５相では五角形でも良く、巻き線スペースを重視しなければ多角形や円形形状でも良い。２は回転子である。図２の３はコイル、４は回転子軸、６、７は前後ブラケットであり非磁性体のアルミ等で構成される。そして１なる固定子の内径と勘合して回転子をエアギャップを保って回転自在に保持するようにすれば、０．０５ｍｍ程度のエアギャップでも十分且つ均一にエアギャップを確保できる。８はボールベアリング等の軸受けである。回転子２は２１，２２なるその外周に均等に複数の歯を有した磁性体よりなる回転子と永久磁石５１と軸４で構成される。図２の左側より回転子２１と隣接した永久磁石５１と５１に隣接する２２で１対のＨＢ型単位回転子Ａを構成し例えば２１をＳ極に２２をＮ極に磁化している。
Ｎ極に磁化された２２と隣接する左側から２番目の２１は隣接する２番目の永久磁石５１で同じＮ極に磁化されこの永久磁石５１の右側に隣接する２２はＳ極に磁化されてもう１対のＨＢ型回転子Ｂを構成する。図示したように２つのＨＢ型単位回転子ＡとＢの永久磁石はお互いに軸方向で異極性になる方向に磁化されている。そしてこの２つのＨＢ型単位回転子ＡとＢを複合回転子ユニットと呼ぶことにする。図２の例はこの複合回転子ユニットを更に軸方向の右側に隣接して１段設けた複合回転子ユニットの２段回転子の例である。複合回転子ユニットの１段目回転子と２段目回転子ユニット歯位置関係はまったく同じ位置に来る。モータの外径が決まっていてこのようなＨＢ型回転子で高トルクを得るためには軸方向に固定子積み厚を増加させることになるが永久磁石からの磁束はその数を増やさないと増えないので２段回転子とするものである。これはさらに３段以上の多段回転子でも良い。以上の記述で同極性に磁化される回転子同士は隣接と表現したが僅かな隙間を有した近接でも良い。本構成では永久磁石を挟んで対抗した単位回転子の２１と２２間では永久磁石の外周部分では漏洩磁束はあるが、同極性に磁化された回転子同士間では漏洩磁束なく、ほとんどの磁束が固定子に向かうので磁束の無駄が極めて少ない。
図１で固定子１の４個の主極の巻き線の図示は省略してあるが１８０度で対向している２個の主極同士（１）（２）は同相で異極性になるように図示は省略してあるコイルに流す相電流で励磁されるように構成される。このとき例えば１相のみ励磁され、Ｎ極の回転子が１相のＳ極に励磁された主極と対向していれば、１相のＮ極に磁化された１８０度で反対側の主極はＮ極の回転子とは非対向（歯と溝で対向し電気角で１８０度）の位相関係になり、逆に回転子のＳ極とは上述の１相のＮ極に磁化された主極は歯が対向することになる。このとき励磁されてない２相分の固定子主極の歯と回転子歯とは９０度の位相関係にある。
この固定子と回転子の関係位置は図３のようになる。以上は複合回転子ユニットが１段の場合の説明であるが２段以上も固定子と回転子の位置関係はまったく同じである。
２相ＨＢ型の通常の回転電機は主極数は従来技術として図６、図７で後述するように８個の構成であるが図１に示した本構成は１／２の4個と省主極としているので巻き線が簡単で安価となる。またＨＢ型回転電機であるので磁石表面に着磁して極を作る所謂表面磁石式回転電機に比べ分解能が高く従って位置決め精度が良く回転ムラも小さくなる。
図１では2相式で示したが、これに限定するものではなく、先行技術としてあげた特許文献１の図１に示したような３相３主極、あるいは図示はしてないが５相５主極の省主極固定子と図２に示したような多段回転子であってもよい。通常不平衡電磁力がキャンセルされる固定子構造は３相では６主極以上、５相では１０主極である。本願は３相や５相ＨＢ型ステッピングモータや２相、や３相等のブラシレスモータにも、あるいは同期電動機にも活用できる構成である。
【０００９】
図６、図７は従来の通常の２相ＨＢ型回転電機を示す図であり、図６は軸方向から見た図であり、３０は２相８主極の固定子、３１は回転子である。図７は図６の回転子軸を含む断面図である。この構造では回転子の永久磁石は３３の１個であり、３１，３２は図２の２１，２２と同じ形状の回転子であり、お互いに歯ピッチの１／２ずらせた歯位置に構成されている。固定子は８主極で１個おきの４個に図示はしてないが1相分コイルが巻かれている。この場合、１８０度で反対位置にある主極は励磁電流で同極性となるように構成されているのでラジアル方向である法線方向の吸引力は常にキャンセルされ、回転子外周の接線方向のトルク成分のみが現れる。これに対し例えば図１の固定子に図７の回転子を組み合わせると、例えば回転子３１がＮ極性として上側に引かれた場合、回転子のＳ極３２は下側へ引かれ、ラジアル方向吸引力による不平衡電磁力所謂サイドプルによる偶力が発生し、振動や騒音を発生させ、位置決め精度も悪くする。
【００１０】
本構造の２相４主極と８主極固定子に同一回転子を組み合わせた場合のトルクを前述した文献で説明したが再度説明する。
T1＝N ＮｒｉΦｍ 
（１）
１相分トルクは（１）式で表される。Ｎｒは回転子歯数、Ｎはコイル巻き数、ｉは電流、
Φｍは回転子からの永久磁石の磁束のコイルとの鎖交磁束である。
両者同一線径で同一トータル巻数NTとする。また回転子から出るトータル磁束量は両者の
固定子の歯数が例えば４８（８主極は８×６＝４８、４主極では４×１２＝４８）と等し
いとした場合は両者の固定子鉄心の磁気抵抗差を無視し同じ値のΦTと近似できるので８
主極機、４主極機の各１主極の巻数、磁束を各々Ｎ８ 、Ｎ４、Φ８、Φ４として、次式
が成立する。
Φ８＝ΦT／８                                 
（２）
Φ４＝ΦT／４                                 
（３）
Ｎ８＝NT／８                                  （４）
Ｎ２＝NT／４                                 
（５）
（１）〜（５）式より、８主極  ４主極機のトルク、Ｔ８、Ｔ４は各々以下となる。
Ｔ８＝２＊４（ＮT／８）Ｎｒｉ（ΦT／８）
＝ＮTＮｒｉΦT／８                          
（６）
Ｔ２＝２*２（ＮT／４）Ｎｒｉ（ΦT／４）
＝ＮTＮｒｉΦT／４                          
（７）
（６）、（７）より、４主極機は従来の８主極機のモータより約２倍のトルクが出せるこ
とになる。そして更に高トルクが必要な場合は軸方向に積み厚を増加させれば更に高いトルクが得られることになる。
【００１１】
この４主極の場合の望ましい回転子歯数Nｒは以下の式から誘導される。
９０／Ｎｒ＝（−／＋）｛（３６０／４）−３６０ｎ／Ｎｒ｝     （８）
但しｎは１以上の整数。
（８）式の左辺、及び右辺は本構成のステップ角を表すしこれを整理すると（９）式が得
られる。
Nｒ=４ｎ±１        
（９）
Nｒは，２相４主極対称構造の望ましい形態となる。
例えばｎ＝１９でＮｒ＝７５となり、２相機では（９０／Ｎｒ）度がステップ角となる
ので、１．２度ステップ角の対称形の固定子の回転電機が得られる。
この場合は固定子が９０度対称となるので積層時９０度回転積みができる。回転積みが
できると、積厚の偏差の解消や珪素鋼鈑の磁気方向性のキャンセルができて良好なモータ
特性となる。望ましい形態ではないが、Ｎｒ＝５０は（９）式を満足しないため固定子は非対称形状となり９０度回転積みは出来ないが、ステップ角１．８度の２相ステッピングモータとなる。同様にして３相３主極では  Nｒ=３ｎ±１、５相５主極ではNｒ=５ｎ±１とする。
【００１２】
この２組の永久磁石による単位回転子ＡＢを設ける理由は４主極固定子と通常のＨＢ型回転子の組み合わせで発生するラジアル方向の不平衡電磁力を消去して軸に働く偶力をなくすためであるが図４にてその原理を説明する。
図４で固定子（１）と回転子２１及び２２で図４のラジアル方向吸引力Ｆ１、Ｆ４が発生する。同様に補助極（３）で回転子２２及び２１&cent;でＦ２、Ｆ３が発生する。これらのラジアル方向吸引力は打ち消しあっている。図４で前ブラケットを６とし、８なる軸受けの中心に支点を取ったモーメント力Ｍでみてもキャンセルされる。
即ち
Ｍ＝Ｌ１Ｆ１+（Ｌ１+Ｌ２+Ｌ３+Ｌ４）Ｆ４−（Ｌ１+Ｌ２）Ｆ２-（Ｌ１+Ｌ２+Ｌ３）Ｆ３                                                                （１０）
また次の（１１）（１２）式が成立する。
Ｆ１＝Ｆ２＝Ｆ３＝Ｆ４                                  （１１）      
Ｌ２＝Ｌ４                                              （１２）
（１０）式の右辺に（１１）、（１２）を代入すれば
Ｍ＝0                                                              （１３）
となりモーメント力Ｍはキャンセルされる。
ポイントは補助極によるＦ２，Ｆ３が巻き線極のＦ１，Ｆ４と漏洩磁束を無視すれば同じ値となることにある。このモーメント力Ｍが無くなれば軸受けを回転ごとに加わる過重がなくなり軸受けからの振動音も無くなり低騒音振動モータとなる。
【００１３】
従来技術による例として多段回転子を軸方向に積み増しして高トルクを得る回転子を図５に示す。図２の回転子と同じ部品には同じ番号が付されている。図５の回転子は回転子２１と２２を歯ピッチで１／２ずらせて永久磁石５１を挟持した普通のＨＢ型単位回転子を４個軸方向に同じ位置で重ね非磁性板５２をそれらの間に配置し軸４で固着したものである。磁化は図示したようにＳ，Ｎ交互に磁化するので軸方向に１回磁化すればよいが、この回転子の軸方向のトータル厚みが図２に示した回転子のトータル厚みと同じとした場合、５２なる非磁性板厚部分は固定子と対向してないのでまたその分２１，２２の厚みも本願と比べて少なくなり、本願の図２の回転子に対しトルクが少なくなる。また非磁性板５２を用いてもその両サイドは異極性の永久磁石なのでその間で漏洩磁束が発生しトルク減少要素となる。また先行技術である特許文献１の段落「００１８」から「００２０」で図１２を説明しているように、本願の図５に記載した従来技術の回転子を本願の図１及び図２に示す固定子に組み合わせて使用する場合、不平衡電磁力は消えないことが分かる。従って本願図２に示す構成は高トルクで低振動の回転電機に断然有益な事がわかる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明による回転電機は高トルクと低振動が両立して出せるのでＯＡ機器である複写機やプリンターの用途に対し安価で高トルク低振動の回転電機の提供が可能であり、工業的に大きな寄与が期待される。その他、医療機器、ＦＡ機器、ロボット、遊戯機械、住宅設備機器への応用も大いに期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の回転電機の図
【図２】図１の側面断面図
【図３】本発明の固定子と回転子歯の関係図
【図４】不平衡電磁力をキャンセルさせる説明図
【図５】従来技術による多段回転子の図
【図６】従来の回転電機の図
【図７】図６の側面断面図
【符号の説明】
【００１６】
１、３０                        ：固定子
２、２１，２２、３１，３２      ：回転子          
３                              ：コイル、
４                              ：軸
５１、３３                      ：永久磁石
６、７、１５，１６              ：ブラケット
８                              ：軸受け
２１，２２                        ：回転子
５２                            ：非磁性板      
【図１】
2008278586.tif 000003
【図２】
2008278586.tif 000004
【図３】
2008278586.tif 000005
【図４】
2008278586.tif 000006
【図５】
2008278586.tif 000007
【図６】
2008278586.tif 000008
【図７】
2008278586.tif 000009