(57)【要約】【課題】小歯モータの力率を改善し、トルク（推力）を増大させる。【解決手段】Ｎ極及びＳ極が交互に配置された磁極２２からなる磁極列と、この磁極列に対向して平均的に一定距離を保ちつつ相対的に移動可能であり、かつ磁極列との対向部に前記Ｎ極及びＳ極の並ぶ方向に沿って歯１２及び溝１３が交互に配置された歯列を有する鉄心１１と、電流の通流によって磁極列と歯列との間に推力を発生させるためのコイルと、を備えた小歯モータに関する。前記溝１３に対向する磁極２２の発する磁束が、鉄心１１に到達することを抑制するために、導体１４や磁性体からなる磁気短絡具１５を備える。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極及びＳ極が交互に配置された磁極からなる磁極列と、この磁極列に対向して磁極列との間に平均的に一定距離を保ちつつ相対的に移動可能であり、かつ前記磁極列との対向部に前記Ｎ極及びＳ極の並ぶ方向に沿って歯及び溝が交互に配置された歯列を有する鉄心と、電流の通流によって前記磁極列と前記歯列との間に推力を発生させるためのコイルと、を備えた小歯モータにおいて、
前記溝に対向する磁極の発する磁束が、前記鉄心に到達することを抑制するための部材を備えたことを特徴とする小歯モータ。
【請求項２】
請求項１に記載した小歯モータにおいて、
溝部の内側面に導体を配置したことを特徴とする小歯モータ。
【請求項３】
請求項１に記載した小歯モータにおいて、
前記歯に触れないように前記溝部に磁性体を配置し、複数の溝部における前記磁性体を磁気的に結合したことを特徴とする小歯モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁極列とこれに対向する歯列とを有する電磁アクチュエータによて構成された小歯モータの力率改善技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、いわゆる表面磁石バーニアモータの断面構造を示しており、鳥羽、渡部、小金井、大沢による「５ｋＷ級低速大トルク表面磁石バーニアモータの特性評価」（電気学会論文誌Ｄ，１２２巻２号，ｐｐ．１６２〜１６８，２００２年）に記載されているものである。
図５に示すバーニアモータにおいて、ステータ１００のロータ対向面には、内周方向に沿ってＺ１個の歯１０２が形成され、これらの歯１０２の間の溝（スロット）にはコイル１０３（極対数ｐ）がそれぞれ巻装されている。なお、１０１は鉄心である。
一方、ロータ２００は、Ｎ極及びＳ極が交互に着磁された多数の磁極２０２（極対数Ｚ２）を有する永久磁石を、ロータコア２０１の外周面に配置して構成されている。
【０００３】
このバーニアモータは、ステータ１００側の歯１０２の間の溝が開口している点が特徴であり、オープンスロット構造と呼ばれている。
ここで、コイル１０３の極対数ｐ、ステータの歯数Ｚ１、及びロータ２００の磁極対数Ｚ２との間には、数式１の関係がある。
【０００４】
［数１］
Ｚ２＝Ｚ１＋ｐ　または　Ｚ２＝Ｚ１−ｐ
【０００５】
数式１が成り立つような構造とすることにより、ロータ２００の回転に伴って通常のモータよりも大きな磁束の変化が生じ、これによって大トルクが発生する。
この原理の要点を述べれば、次の通りである。すなわち、全ての損失を無視すれば、エネルギー保存則から、モータに供給された電力は全て機械的出力となる。仮にモータが３相で、無負荷誘起電圧ｅと電流ｉとが共に正弦波で同相になっているものとすると、数式２が成り立つ。
【０００６】
［数２］
３ＥＩ＝Ｐｍ
ここで、Ｅ：ｅの実効値［Ｖ］、Ｉ：ｉの実効値［Ａ］、Ｐｍ：機械出力［Ｗ］である。
【０００７】
ｅの実効値Ｅは、永久磁石（磁極）に起因する磁束の変化率（周波数）に比例するため、数式２は数式３のように書き改めることができる。
【０００８】
［数３］
３ＫωλＰＭＩ＝Ｐｍ
ここで、Ｋ：比例定数、ω：ｅの角周波数、λＰＭ：永久磁石に起因するコイルの磁束鎖交数［Ｗｂ・ｔｕｒｎ］である。
【０００９】
ωは、磁極対数がＺ２の場合には、機械角の角周波数ωｍとの間に数式４の関係がある。
【００１０】
［数４］
ω＝Ｚ２ωｍ
【００１１】
数式４を数式３に代入して整理すると、数式５を得る。
【００１２】
［数５］
３ＫＺ２λＰＭＩ＝Ｐｍ／ωｍ＝Ｔｍ
ここで、Ｔｍ：軸トルク［Ｎ］である。
【００１３】
数式５から、トルクがロータ２００の磁極対数Ｚ２に比例することが分かる。これが大トルク発生の原理である。
更に詳細な解析は、例えば、文献［Ａ．　Ｔｏｂａ，　Ｔ．Ａ．　Ｌｉｐｏ，　”Ｇｅｎｅｒｉｃ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｍａｘｉｍｉｚｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｖｅｒｎｉｅｒ　Ｍａｃｈｉｎｅ，”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　ＩＡＳ，　ｖ．３６，　ｎ．６，　ｐｐ．１５３９−１５４６．　（２０００）］に記載されている。
なお、上記に述べた原理に基づく大トルク特性は、広く用いられているステッピングモータ等においても成り立っている。
【００１４】
これらのモータに共通の構造的特徴は、図６に示すように、Ｎ極及びＳ極が交互に配置された磁極４０２の列（磁極列という）と、鉄心３０１側の磁極対向面に形成された複数の歯３０２の列（歯列という）とを有することである。
なお、図６において、３００は例えば固定子に相当する部材、３０３は溝、４００は例えば回転子に相当する部材、４０１はコアを示す。
【００１５】
すなわち、図７に示す如く、磁極４０２から見た磁気抵抗が歯３０２との対向部では小さく、溝３０３との対向部では大きくなるため、歯３０２に対向している磁極４０２からは多くの磁束が生ずる一方、溝３０３に対向している磁極４０２からの磁束は少なくなる。この差によって磁極４０２と歯３０２とが相対的に移動する際に鉄心３０１を通る磁束が交番するので、コイルをその交番磁束と鎖交するように溝３０３に配置することによって電磁アクチュエータとして機能する。
【００１６】
なお、図６，図７では磁極対と歯のピッチが等しいものとして記載してあるが、実際には図５に示したように両者のピッチが相異なることもある。
以上に述べた電磁アクチュエータを利用したモータを、この明細書では小歯モータと称する。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
この種の小歯モータでは、一般に磁束の変化率の大きさに依存して大トルク特性が得られており、永久磁石（磁極）に起因する磁束鎖交数λＰＭが通常のモータと比較して小さい。一方、コイルの極対数ｐは磁極対数Ｚ２に対して小さい値に選定されるためコイルピッチは大きくなり、その結果、コイル電流によって発生する磁束鎖交数（これをλｃとする）は比較的大きくなる。すなわち、電機子反作用磁束が永久磁石磁束と比較して大きくなるため、力率が低いという問題がある。
なお、小歯モータの力率の低さについては、前述した鳥羽、渡部、小金井、大沢による文献にも述べられている。
【００１８】
そこで本発明は、従来よりも力率を改善すると共にトルク（推力）の増大を可能にした小歯モータを提供しようとするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の基本的な着想としては、以下のとおりである。
小歯モータが低力率である直接的な原因は、磁極に起因するコイル鎖交磁束数λＰＭが小さいことにある。すなわち、この鎖交磁束数λＰＭが小さいということは、歯に対向する磁極の磁束が鉄心を抜けてコイルと鎖交する（すなわち、トルク発生に寄与する）ことを、溝に対向する磁極が阻害しているということができる。
【００２０】
磁極から発せられるコイル鎖交磁束数λＰＭを増大させるためには、磁極が歯に対向したときと溝に対向したときの発生磁束の差を大きくすればよく、これによって磁極と歯とが相対的に移動する際に鉄心を通ってコイルに鎖交する磁束が増加する。
ここで、歯に対向する磁極の磁束は空隙長の短縮によって増大するものの、空隙長を短縮することは機械的制約から実現困難な場合が多い。従って、溝に対向する磁極の磁束（溝に対向する磁極から発生して鉄心に到達する磁束）を低減させることが現実的な対策であると言える。
【００２１】
従って、請求項１に記載した発明は、Ｎ極及びＳ極が交互に配置された磁極からなる磁極列と、この磁極列に対向して磁極列との間に平均的に一定距離を保ちつつ相対的に移動可能であり、かつ前記磁極列との対向部に前記Ｎ極及びＳ極の並ぶ方向に沿って歯及び溝が交互に配置された歯列を有する鉄心と、電流の通流によって前記磁極列と前記歯列との間に推力を発生させるためのコイルと、を備えた小歯モータにおいて、
前記溝に対向する磁極の発する磁束が、前記鉄心に到達することを抑制するための部材を備えたものである。
【００２２】
上記請求項１記載の発明は、以下の発明によって具体化される。
すなわち、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した小歯モータにおいて、溝部の内側面に導体を配置したものである。
【００２３】
また、請求項３に記載した発明は、請求項１に記載した小歯モータにおいて、歯に触れないように溝部に磁性体からなる磁気短絡具を配置し、複数の溝部における磁気短絡具を磁気的に結合したものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１、図２は本発明の第１実施形態であり、請求項２に記載した発明に相当する。
図１において、部材１０は、鉄心１１の一面に複数の歯１２及び溝１３を交互に配置した歯列を備えており、溝１３の両内側面には、導体１４が固着されている。図示されていないが、溝１３にはコイルが配置される。
【００２５】
一方、部材２０は、前述した図６の部材４００と同様に、コア２１の歯列側対向面に多数の磁極２２からなる永久磁石を配置して構成されている。なお、磁極２２は、歯１２及び溝１３が並ぶ方向に沿ってＮ極，Ｓ極が交互に着磁されている。
【００２６】
上記構造において、従来と同様に、コイルへ電流を通流することによって歯列と磁極列との間に推力が発生し、歯列と磁極列とは平均的に一定距離を保ちながら図１の矢印Ａ方向へ相対的に移動（回転）可能である。
【００２７】
本実施形態では、溝１３の側面に導体１４を配置したことにより、溝１３に対向する磁極２２の磁束が溝１３の側面を貫こうとすると、導体１４に渦電流が生じていわゆる反発磁界を発生するため、磁束の通過が妨げられる。従って、溝１３に対向する磁極２２が発する磁束が減少し、結果として歯１２に対向する磁極２２からの磁束のより多くが鉄心１１を通ってコイルと鎖交するようになり、コイル鎖交磁束数λＰＭが増大して力率の向上に寄与することができる。
特に、導体１４として超伝導体を用いる場合、溝１３の両内側面を貫く磁束は理論的にゼロとなるため、力率改善効果が極めて大きくなる。
【００２８】
次に、図３、図４は本発明の第２実施形態であり、請求項３に記載した発明に相当する。なお、図１、図２と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
この実施形態では、部材１０Ａ側に形成された溝１３の内部空間の磁極２２に近い部位に、磁性体からなる磁気短絡具１５を歯１２に触れないように配置してあり、磁気短絡具１５は、端部の少なくとも一方で互いに磁気的に結合されている。図３、図４においても、溝１３内に配置されるコイルの図示を省略してある。
【００２９】
上記構造により、溝１３に対向する磁極２２からの磁束の多くが磁気短絡具１５に入り、かつ、移動するＮ極、Ｓ極それぞれに対向する磁気短絡具１５が結合されているため、磁気短絡具１５内で磁束が効率よく循環する。これにより、歯１２に対向する磁極２２が発する磁束のより多くが鉄心１１を通ってコイルと鎖交するようになり、結果的に力率が改善されることとなる。
【００３０】
以上の実施形態では、主として磁極表面が平面である図を用いて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、磁極表面が曲面の場合にも同様に適用可能である。言い換えれば、部材１０，２０または部材１０Ａ，２０が相対的に水平移動する構造ばかりでなく、これらが回転する構造も含むものである。
また、本発明は小歯モータ全般に適用可能であり、各実施形態に示した構造に限定されず、例えば、鹿山による「時代の要請に応えるモータ　１０−高速位置決め用リニアモータ」電機２０００年３月号、ｐ．３４−３５（日本電気工業界刊行）に開示されているモータにも適用することができる。
【００３１】
更に、本発明による力率改善策は、トルク（推力）発生に寄与する磁束の増大を指向しているため、力率改善のみならず、直接的な効果としてモータのトルク（推力）増大も達成することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、小歯モータにおいて、溝に対向する磁極の磁束が鉄心に到達するのを抑制するような構造とすることにより、トルクまたは推力に作用する磁束を増大させ、結果的に力率を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す歯列及び磁極列の構造を示す図である。
【図２】図１の拡大図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す歯列及び磁極列の構造を示す図である。
【図４】図３の拡大図である。
【図５】表面磁石バーニアモータの断面構造を示す図である。
【図６】表面磁石バーニアモータ、ステッピングモータ等に共通する歯列及び磁極列の説明図である。
【図７】図６の拡大図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，２０　部材
１１　鉄心
１２　歯
１３　溝
１４　導体
１５　磁気短絡具
２１　コア
２２　磁極
【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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