(57)【要約】【課題】電機子２０と界磁磁石１２との間に一様な空隙を有する電動機において、その出力トルクを増大させることを課題とする。【解決手段】前記電機子２０は、モータの電気角２πｅｌにおいて空間に対称に配する電機子各相の巻線分布の次数と、該電機子各相の巻線２１に時間的に対称な交番電流を流したときに、該電機子各相の巻線２１は同一次数を含んだ波形分布をなしていて、且つ、該波形分布から生ずる合成された回転アンペアターンには、基本次数の正規回転方向と逆方向の回転成分を含まない次数と、の組み合わせのみにて成り立つように構成し、一方の界磁磁石１２は、その着磁分布パターンに基本次数と、該基本次数以外の次数で利用可能な次数とを含むように構成して、該電機子２０と該界磁磁石１２との間で発生するトルクを増加させるようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子と界磁磁石との間に一様な空隙を有する電動機であって、前記電機子は、電動機の電気角２πｅｌにおいて空間に対称に配する電機子各相の巻線分布の次数と、該電機子各相の巻線に時間的に対称な交番電流を流したときに、該電機子各相の巻線は同一次数を含んだ波形分布をなしていて、且つ、該波形分布から生ずる合成された回転アンペアターンには、基本次数の正規回転方向と逆方向の回転成分を含まない次数と、の組み合わせのみにて成り立つように構成し、一方の界磁磁石は、その着磁分布パターンに基本次数と、該基本次数以外の次数で利用可能な次数とを含むように構成して、該電機子と該界磁磁石との間で発生するトルクを増加させるようにしたことを特徴とする一様な空隙を有する電動機。
【請求項２】
前記電機子を回転電機子とし、前記界磁磁石を固定界磁磁石とした整流子形電動機であることを特徴とする請求項１に記載の一様な空隙を有する電動機。
【請求項３】
前記界磁磁石を前記着磁分布パターンをなすようにして円筒状に成形し、該界磁磁石の円筒内周面のバックヨーク接合予定面は無加工のままとしたことを特徴とする請求項１に記載の一様な空隙を有する電動機。
【請求項４】
前記界磁磁石の円筒内の中空部に、芯治具としてグラファイトを埋入したことを特徴とする請求項３に記載の一様な空隙を有する電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚みが数ｍｍ程度の平板形や、径が数ｍｍ程度の円筒形などの小型の電動機に関し、詳しくは、該小型の電動機のトルクを増加させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医療機器や、小型の情報機器、測定分析機器などには、厚みが数ｍｍ程度の平板形や、径が数ｍｍ程度の円筒形などの小型の電動機が用いられている。一般に、この小型の電動機は、電機子と界磁磁石との間に一様な空隙を有し、電機子の巻線と、それに流れる電流により発生するアンペアターン分布による空隙の磁束分布と対向する界磁の永久磁石の空隙内の磁束分布による蓄えられた磁気エネルギーの変化分の分布が回転シャフトへ集約積分されてトルクとなり出力されるように構成されている。
従来は、所望の電機子の発生磁束分布の次数を基本次数の極対数とし、それに対する界磁磁石を同極対に着磁している。すなわち、電機子と界磁の磁束分布の基本波極間のトルクのみを利用するように構成しており、この技術は公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２８２５９１５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この小型の電動機は構造的にも制約を受けるために出力トルクが比較的小さく、そこで、本発明では、一般に、電機子と界磁磁石との間に一様な空隙を有する電動機において、その出力トルクを増大させるように構成することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
まず、請求項１に記載のように、電機子と界磁磁石との間に一様な空隙を有する電動機であって、前記電機子は、電動機の電気角２πｅｌにおいて空間に対称に配する電機子各相の巻線分布の次数と、該電機子各相の巻線に時間的に対称な交番電流を流したときに、該電機子各相の巻線は同一次数を含んだ波形分布をなしていて、且つ、該波形分布から生ずる合成された回転アンペアターンには、基本次数の正規回転方向と逆方向の回転成分を含まない次数と、の組み合わせのみにて成り立つように構成し、一方の界磁磁石は、その着磁分布パターンに基本次数と、該基本次数以外の次数で利用可能な次数とを含むように構成して、該電機子と該界磁磁石との間で発生するトルクを増加させるようにした。
【０００６】
また、請求項２に記載のように、前記電機子を回転電機子とし、前記界磁磁石を固定界磁磁石とした整流子形電動機とする。
【０００７】
そして、請求項３に記載のように、前記界磁磁石を前記着磁分布パターンをなすようにして円筒状に成形し、該界磁磁石の円筒内周面のバックヨーク接合予定面は無加工のままとした。
【０００８】
さらに、請求項４に記載のように、前記界磁磁石の円筒内の中空部に、芯治具としてグラファイトを埋入した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の一形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、電機子２０と界磁磁石（永久磁石）１２との間に一様な空隙を有する電動機の一例を示し、永久磁石１２が固定され、電機子２０が回転する整流子式コアレスモータを軸方向から見た断面図であり、磁束の基本波空間分布で二極構成をなしている。
ここで、一様な空隙とは、電機子２０と界磁磁石１２との距離が一定の空隙のみならず、電機子２０と界磁磁石１２との間で発生する磁束が一様となる空隙も含むものとする。
【００１０】
前記電機子２０は、モータの電気角２πｅｌにおいて空間に対称に配する電機子各相の巻線分布の次数と、該電機子各相の巻線２１に時間的に対称な交番電流を流したときに、該電機子各相の巻線２１は同一次数を含んだ波形分布をなしていて、且つ、該波形分布から生ずる合成された回転アンペアターンには、基本次数の正規回転方向と逆方向の回転成分を含まない次数と、の組み合わせのみにて成り立つように構成し、一方の界磁磁石１２は、その着磁分布パターンに基本次数と、該基本次数以外の次数で利用可能な次数とを含むように構成して、該電機子２０と該界磁磁石１２との間で発生するトルクを増加させるように構成している。
【００１１】
電機子２０による合成アンペアターン分布は、整流子２２により電機子２０の回転に拘らず固定される。そして、両者が対向する空隙が一定であれば、それは互いの磁束分布であり、互いの位相差によりトルクが発生する。
【００１２】
以下の説明では電気角２πｅｌ内で表し、且つ、空隙長は一定であり、電機子のアンペアターン分布はそのまま磁束分布になり、さらに界磁の起磁力分布も磁石の磁束分布に対応するものとする。磁石材料の材質としては、希土類磁石などとする。分布を表現する手段としては、三角関数の演算で表示しているが、簡単のために、振幅はすべて１としている。
【００１３】
整流子式コアレスモータは、固定子１０とバックヨーク１１と固定界磁磁石（永久磁石）１２と回転電機子２０と整流子２２とで構成されており、整流子式コアレスモータの場合、整流子２２は九片に分割されており、夫々の片は電機子巻線２１に順次接続されている。
従って、該各電機子巻線２１は、夫々コイル中心において（２π）／（片数）の角度をもって配される多相巻線である。
【００１４】
図２は、図１における電機子巻線２１の実際の配置断面図を示し、電機子巻線２１はフルピッチ（π）で下口から上口へと連続して巻き回され、途中からタップを出して図１に示す整流子２２へと接続されている。図２における○の中に×を印した記号は巻き回しが図面手前から図面背面へまたがることを示し、○の中に・を印した記号は巻き回しが図面背面から図面手前にまたがることを示す。
以上の設定で発生トルクの関係を表示してみる。
【００１５】
図１においては、図示＋−の直流をブラシ３０を介して、整流子２２から電機子巻線２１へ流すことにより図２に示すように、電機子巻線の電流分布は上下に電流方向が一様に分割されて回転に対して固定される。
【００１６】
図３に示す配置図は、固定子１０のバックヨーク１１と界磁磁石１２とを表したもので矢印は磁石材料を磁場配向して圧縮プレス、焼成した配向を示し、着磁ＮＳに対し磁束分布（空間）には低次高調波を含むようになっている。
【００１７】
図４（ａ）は前記空隙のアンペアターン分布（電機子２０の磁束分布）を示し、図中の実線はアンペアターン分布であり、該アンペアターン分布は図中の一点鎖線の基本次数と、二点鎖線の三次調波正弦波とに分解して表示することができる。つまり、このアンペアターン分布は、基本次数と三次調波正弦波との混合であることがわかる。
【００１８】
図４（ｂ）に示すアンペアターン分布（界磁磁石１２の磁束分布）は、図３で示した固定子界磁を二極着磁したもので、図中の実線はアンペアターン分布で、該アンペアターン分布は図中の一点鎖線の基本次数と、二点鎖線の三次調波正弦波とに分解して表示することができる。
この電機子２０のアンペアターン分布と、界磁磁石１２のアンペアターン分布との互いの位置関係は、図４（ａ）及び図４（ｂ）の相互関係に示す基本波同士、三次調波同士、それぞれの角度で同方向に（π／２）の位相差を有しているので発生トルクは加わる方向にある。
なお、電機子２０のアンペアターン分布を台形波にして磁石の磁石分布を三角波にすることは、むしろ配向操作が容易である。
【００１９】
図５に、電機子２０のアンペアターン分布を台形波にする方法を示す。図５において、ブラシ３１及びブラシ３２は互いに短絡されている。これは複数のブラシを少しずつずらして配しても同様である。一般に小型モータでは、ブラシの接触の信頼性をあげるために複数のブラシが適用されている。さらに、図１で示した整流子２２には巾があるためアンペアターンの極軸がぶれる。図５で示す整流子２２は九片で、２π／９である。利用したい次数（図１乃至図５においては次数は３）の｛π／（次数）≧２π／（片数）｝でなければならない。
【００２０】
次に、図６乃至図１１に磁石に所望の着磁分布を成形、焼成する状況を示す。図６に示す回路は、三角波の着磁分布を得るために磁石粉を磁場成形した後に圧縮する治具である。
該回路は、一方向磁場成形のためのヨーク４１と非磁性材５０と成形されるべき磁石粉６０と中芯７０とで構成されている。
【００２１】
図７に示す回路は、変形台形波の着磁分布を得るためのもので、二方向磁場成形のためのヨーク４２と非磁性材５０と磁石粉６０と中芯７０とで構成されている。
成形の際に加える圧力の方向は、→記号か、←記号か、○の中に×を印した記号か、○の中に・を印した記号か、である。
【００２２】
図８及び図９に示す断面図は、中芯７０を入れ込んだままで、磁石粉６０を無酸化雰囲気中にて焼成し、調質した後の、一方向磁場成形による磁石６１と二方向磁場成形による磁石６２との内外形寸法歪みを破線で示している。
【００２３】
図１０に示す断面図は、電機子に対して界磁を中子に入れた場合を示し、磁石粉６０の内面にバックヨーク棒８０を挿入した状態を示している。図１１は図１の固定子１０を表し電機子の外周に対している。これらは中芯７０を取り除いて表面を研磨し（図中には、下向きの三角印で示す）、バックヨークの接着面は未加工にして（図中には、波線で示す）、嫌気性接着剤にて固定する。
なお、中芯７０には耐熱性が高く、加工前後において寸法の変化が少なく、且つ、取り除き易いグラファイト棒が適している。
以上のように、磁石粉６０を前記着磁分布パターンをなすようにして円筒状に成形し、該磁石粉６０の円筒内周面のバックヨーク接合予定面は無加工のままとしたことで、生産工程を一工程省略することができ、生産コストの削減を図ることができる。この円筒内中空部は１ｍｍ以下であるために、加工がし辛く、加工を施さない替わりに、該円筒内の中空部には、芯治具としてグラファイト棒を埋入することとする。グラファイトは安価な部材で、且つ、脆性があり、該円筒内の中空部に容易になじんで隙間なく埋入することができて、磁束を一様にすることができる。
【００２４】
本発明の主旨を一般の磁石回転ロータに対して固定電機子巻線をもって構成する一様な空隙のブラシレスモータ、同期モータで提示する。
【００２５】
図１乃至図５では電機子巻線２１が空間に対称９相に配され、その各相巻線の巻線分布は台形の空間分布をなし台形の傾斜は｛２π／（整流子片数の角度巾）｝になっている。各相巻線には対称の交流電流を通電する。その時間分布は台形波で傾斜は｛２π／（整流子片数の角度巾）｝になって同形分布である。この状態により発生する合成回転アンペアターンは図１乃至図５の電機子２０の固定合成アンペアターンと一致する。
【００２６】
図１２及び図１３は固定電機子と回転界磁磁石構造のロータをもったブラシレスモータ、あるいは同期モータの説明である。図１２、図１３において、相巻線９０は、ｍ相（図１３にては９相）にて空間に対称に配置されている。各相は星型に結線され、その開端は一対のスイッチ素子１００を介して電源＋−に接続されている。
該一対のスイッチ素子１００は、同時通電するとショートをおこすので、若干の禁止帯を設けて交互に各相巻線を通電することによって時間的に対称な交流電流を各相に順次印加させることができる。
【００２７】
ロータ磁石１１０は、電機子２０により発生する各回転磁束の内、正規回転方向の基本次数（通常の次数は１）に着磁されていて同期回転している。その間の位相差はブラシレスモータでは（π／２）になるように相巻線の電流のスイッチを選択している。同期モータではその回転数における最大トルクで位相差は（π／２）になる。以上を一般的に記述すると、以下のようになり、各相の巻線が空間２πの内に対称に配されている。
一相一極対（巻始終）巻線分布：ｓｉｎ（Ｎθ）、（Ｎは次数：空間）、
一相一極対（正逆）電流波形分布：ｓｉｎ（ｎωｔ）、（ｎは次数：時間）、
一相一極対のアンペアターン分布：ｃｏｓ（Ｎθ−ｎωｔ）−ｃｏｓ（Ｎθ＋ｎωｔ）
【００２８】
全相のアンペアターンの分布和ＡＴは以下の数式１で表される。
【００２９】
【数１】
2004357344.tif 000003
【００３０】
上式の第１項はＮ＝ｎのとき、または（Ｎ−ｎ）／ｍ＝整数のとき、における正規回転方向の回転磁束分布は、
ｃｏｓ（Ｎθ−ｎωｔ）として存在する。また、空隙長は一定で、Φと表す。
上式の第２項は（Ｎ＋ｎ）／ｍ＝整数のとき逆回転の回転磁束分布は、
ｃｏｓ（Ｎθ＋ｎωｔ）として存在する。また、空隙長は一定で、φと表す。
一方、正規回転方向に基本次数ｎ＝１、すなわち、−ωｔで回転していて、空間的にＮＲθに着磁されているロータ磁石の磁束分布はｃｏｓＮＲ（θ−ωｔ＋δ）で、ψと表す。
ここにδは基本次数との同期回転における負荷角であり、ブラシレスモータや同期モータの最大トルク点ではδ＝π／２である。発生する回転トルクＴは以下の数式２で示される。ただし、振幅はすべて１とする。
【００３１】
【数２】
2004357344.tif 000004
【００３２】
Ｎ、ｎ、ＮＲ≧１であり、またΦ・ψおよびφ・ψでトルクが存在するためにはθにかかる係数が（Ｎ−ＮＲ）＝０、Ｎ＝ＮＲであり、さらに振動トルクの生じない次数の組み合わせはωｔにかかる係数が（ｎ−ＮＲ）＝０、ｎ＝ＮＲであれば正規回転方向の組み合わせであるΦ・ψで、トルクＴは以下の数式３で示される。
【００３３】
【数３】
2004357344.tif 000005
【００３４】
基本波でδ＝π／２であるからロータ磁石に加えるべき着磁分布の次数の極性を選択することができる。
【００３５】
以上の関係に従って、三相と四相（通常二相と称されているが、図１２及び図１３記載のスイッチ素子１００の配し方に従う）、電機子巻線９０について記述する。
【００３６】
図１４乃至図１９は実施例における相巻線の配置と励磁波形と回転アンペアターンのモードを示している。
図１４に示す回路図は、三相巻線ｕ、ｖ、ｗに対し、スイッチ素子１２０によって各相に時間モードに従って交番電流を流す状態を示している。
図１５に示す電流波形は、単一レベル電源による通電モードの電流波形（時間）と合成アンペアターン（空間）の関係例を示している。
図１６に示す電流波形は、二レベル電源による関係例を示している。
同様に、図１７に示す回路図は、四相巻線ｕ、ｖ、ｗ、ｘに対し、スイッチ素子１３０によって各相に従って交番電流を流す状態を示す。ただし、ｕ、ｗとｖ、ｘは夫々対に面しているので二相とも称せられる。
図１８に示す電流波形は、単一レベル電源による通電モードの関係を示している。
図１９に示す電流波形は、二レベル電源による通電モードの関係を示している。
【００３７】
順方向アンペアターンのみ存在し、かつＮ＝ｎである次数は以下の通りである。
【００３８】
【表１】
2004357344.tif 000006
【００３９】
尚、定在波は以下の式で表すことができる。
【００４０】
【表２】
2004357344.tif 000007
【００４１】
【表３】
2004357344.tif 000008
【００４２】
尚、定在波は以下の式で表すことができる。
【００４３】
【表４】
2004357344.tif 000009
【００４４】
定在波は２Ｎ倍の振動トルクが発生するので望ましくない。また、個々の次数には極性符号がある。含まれる巻線分布、電流波形分布の次数Ｎ、ｎ＝１と同方向極性を＋とする。逆方向を−とするから積であるアンペアターンも両者の極性積で決まる。
【００４５】
いま、電機子巻線が図２に示したような配置で、密着整列に巻いたコアレス巻線であるとする。各相の巻線分布は図４で示したような三角波分布をしているので、ｓｉｎθ、−ｓｉｎ（３θ）、＋ｓｉｎ（５θ）の混合である。ここにｍ＝３において図１６に示すような分布の電流を、ｍ＝４においては図１９に示すような分布の電流を流すと利用可能な回転アンペアターンは表５及び表６のように表される。
【００４６】
【表５】
2004357344.tif 000010
【００４７】
【表６】
2004357344.tif 000011
【００４８】
着磁極性は基本次数を基準として同回転方向に加えるべき次数の極性を基本次数の極性に合致させた場合を＋、逆にした場合を−としたものでアンペアターンの符号とも関連する。
さらに図１５、図１６、図１８及び図１９のような通電モードステップではそのステップ角だけ回転アンペアターンの「ぶれ」がある。
従って、ロータ磁石１１０において加えたい次数の着磁分布πＮＲは、πＮＲ＝π／ＮＲで、ぶれ角より同等以上にする必要がある。
例えば、図１９で回転アンペアターンのぶれ角巾は４５ｅｌであり、一方、ｍ＝４でＮＲ＝５では３６ｅｌあり一部逆転トルクが混入する恐れがある。（実際は、電流波形の変形やブラシレスモータであればロータ位置センシングの補正等で改善できる。）
ロータ磁石１１０は、図６乃至図１１に示したように、着磁分布に必要な波形を得るための配向やプレスを施すことができる。
【００４９】
以上、本発明に係る一様な空隙を有する電動機の構成であり、該電動機によれば、一様な空隙を持つ電機子巻線分布の基本波と混在する低次数の高調波を有する対称な多相巻線に、時間的にそれと同一次数を含む交番電流を印加することにより生ずる合成回転アンペアターンによる磁束分布の内、該磁束分布に対するロータ磁石の着磁分布の基本波のほかに、トルクとして加えたい次数分布を選択して、混合した分布形態で着磁をなすことによりトルクを増加することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
請求項１に記載の発明では、一様な空隙を持つ電機子巻線分布の基本波と混在する低次数の高調波を有する対称な多相巻線に、時間的にそれと同一次数を含む交番電流を印加することにより生ずる合成回転アンペアターンによる磁束分布の内、該磁束分布に対するロータ磁石の着磁分布の基本波のほかに、トルクとして加えたい次数分布を選択して、混合した分布形態で着磁をなすことによりトルクを増加することができる。
【００５１】
また、請求項２に記載の発明でも、請求項１に記載の発明と同様に、磁束分布に対するロータ磁石の着磁分布の基本波のほかに、トルクとして加えたい次数分布を選択して、混合した分布形態で着磁をなすことによりトルクを増加することができる。
【００５２】
そして、請求項３に記載の発明では、界磁磁石の円筒内周面のバックヨーク接合予定面は無加工のままとしたことで、生産工程を一工程省略することができ、生産コストの削減を図ることができる。この円筒内中空部は微小径（たとえば、１ｍｍ以下）の場合は、加工がし辛く、作業が困難であるから有効な手段である。
【００５３】
また、請求項４に記載の発明では、円筒内の中空部には、芯治具としてグラファイト棒を埋入することとし、このグラファイトは安価な部材で、且つ、脆性があるため、該円筒内の中空部に容易になじんで隙間なく埋入することができ、後工程で正規の部材を配する際、容易に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】整流子式コアレスモータの断面図。
【図２】電機子巻線の配置断面図。
【図３】固定子界磁の配置断面図。
【図４】（ａ）は電機子の空隙磁束分布図、（ｂ）は界磁磁石の空隙磁束分布図。
【図５】電機子の空隙磁束分布を台形にする説明図。
【図６】円筒磁石のための磁場配向、圧縮治具の説明で三角波着磁分布を狙うもの。
【図７】同上のもので変形台形波着磁分布を狙うもの。
【図８】磁石６１を焼成、調質後の寸法歪み説明図。
【図９】磁石６２を焼成、調質後の寸法歪み説明図。
【図１０】磁石の表面加工説明図。
【図１１】別の形状の磁石における表面加工説明図。
【図１２】固定電機子、回転磁石形の多相同期モータの説明図。
【図１３】同上モータの相巻線と相電流の分布図。
【図１４】三相電機子巻線の説明図。
【図１５】同上の励磁電流波形。
【図１６】同上の他の励磁電流波形。
【図１７】四相電機子巻線の説明図。
【図１８】同上の励磁電流波形。
【図１９】同上の他の励磁電流波形。
【符号の説明】
Ｎ  巻線分布次数
ｎ  電流波形分布次数
θ  空間角
ω  時間角速度
ｍ  相数
ＮＲ  着磁分布次数
Φ  正規回転磁束分布
φ  逆回転磁束分布
ψ  ロータ磁石の磁束分布
δ  正規回転基本波磁束と同期回転しているロータの負荷角
Ｔ  トルク
１１  バックヨーク
１２  界磁磁石
２０  電機子
２１  電機子各相の巻線
７０  中芯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004357344.tif 000021
【図１１】
2004357344.tif 000022
【図１２】
2004357344.tif 000023
【図１３】
2004357344.tif 000024
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2004357344.tif 000028
【図１８】
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【図１９】
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