(57)【要約】【課題】  ２相４主極の誘導子を有した４巻き線構成で回転子は２組のＨＢ回転子を同極性隣接させ、永久磁石を０．５［Ｔ］以下の低グレード磁石としたＨＢ型ステッピングモータ等の回転電機。シンプルな巻き線で低振動高トルク、且つ安価とする課題。【解決手段】  略環状の磁性体より放射状に設けた2相巻き線を有した４個の主極の先端に複数の誘導子とエアギャップを介して回転自在に設けられたNｒ個の歯を有した回転子を２個で永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらせて挟持した単位回転子を２組設けて隣接させた回転子は歯位置が同一で且つ同極性として、挟持される永久磁石はその残留磁束密度が０．５［Ｔ］以下であることを手段とする永久磁石式回転電機。【選択図】        図１
2007089304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略環状の磁性体より放射状に設けた2相巻き線を有した４個の各主極の先端に複数Ｎｓ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Nｒ個の歯を有した回転子を２個で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組設けて隣接させた回転子は歯位置が同一で且つ同極性として、挟持される永久磁石はその残留磁束密度が０．５［Ｔ］以下であ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で永久磁石がその残留磁束密度が，０．５［Ｔ］以下のボンド磁石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で固定子の４個の主極先端に設けた誘導子の歯ピッチを
７．２（１―１／ｍＮｓ）度とし、Ｎｒ＝５０としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。但しｍはエアギャップの磁束分布の高次調波数。
【請求項４】
請求項１で、Ｎｒ＝４ｎ±１であることを特徴とする永久磁石式回転電機。但し、ｎは１以上の整数。
【請求項５】
請求項１で固定子外周を略正方形とし４個の主極の巻き線極を該正方形の４辺のそれぞれ中央で直角に配置し、先端に設けた誘導子の歯数をＮｓとして、Ｎｒ＝５０としたとき、誘導子歯部中央と４巻き線極の中心線でなす角度が、α度、（１．８―α）度、（３．６−α）度、（３．６−α）度、としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。但しαは０度を超え１．８度未満。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石式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出願をしている。本願はこれらの先行特許の改良技術である。
【０００３】
【特許文献１】特願２００１−３１７７０８
【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） 軸方向に薄形の回転電機では希土類磁石では磁石が強すぎてかえってトルクが減少する問題があつた。
２） 軸方向に薄形の回転電機では磁石を薄くする必要があるが、薄くすると磁石が割れて生産性を悪くしていた。
２）希土類磁石では2個使用すると安価なモータとしては磁石のコストの占める割合が大きく磁石を安価にする必要があった。
【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」
略環状の磁性体より放射状に設けた2相巻き線を有した４個の主極の先端に複数の誘導子とエアギャップを介して回転自在に設けられたNｒ個の歯を有した回転子を２個で永久磁石をお互いに歯ピッチの１／２ピッチ分づらせて挟持した単位回転子を２組設けて隣接させた回転子は歯位置が同一で且つ同極性として、挟持される永久磁石はその残留磁束密度が０．５［Ｔ］以下であることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段２」
手段１で永久磁石がその残留磁束密度が０．５［Ｔ］以下のボンド磁石である永久磁石式回転電機。
「手段３」
手段１で固定子における４個の主極の先端に設けた誘導子の歯ピッチを
７．２（１―１／ｍＮｓ）度をとし、Ｎｒ＝５０としたことを手段とする永久磁石式回転電機。但し、ｍはエアギャップの磁束分布の高次調波数。
「手段４」
手段１で、Ｎｒ＝４ｎ±１であることを手段とする永久磁石式回転電機。但し、ｎは１以上の整数。
「手段５」
手段１で固定子外周を略正方形とし４個の主極の巻き線極を該正方形の４辺のそれぞれ中央で直角に配置し、先端に設けた誘導子の歯数Ｎｓとして、Ｎｒ＝５０としたとき、誘導子歯部中央と４巻き線極の中心線でなす角度が、α度、（１．８-α）度、（３．６−α）度、（３．６−α）度、としたことを手段とする永久磁石式回転電機。但しαは０度を超え１．８度未満。
例えば、α＝０．９度とするとそれぞれ、０．９，０．９．２．７．２．７度となる（後述する図３参照）。
【発明の効果】
【０００６】
１）     最適な磁力の磁石によりコストーパフォーマンスに優れた永久磁石式回転電機が提供できる。
２）     薄形の回転電機に用いる薄形磁石ではボンド磁石の採用により割れがなく安価な回転電機を提供できる。
３）     巻き線が簡素で、不平衡電磁力のない小型高トルクの回転電機が安価に提供できる。
【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２相４主極機の固定子と回転子の軸方向から見た構成図である。１は固定子鉄心、２は回転子である。固定子１の１８０度で対向している２個の主極（１）と（３）あるいは（２）と（４）は同相で異極性に相電流で励磁されるように構成される。このとき例えばＮ極の回転子は主極（１）と対向していれば（３）とは非対向（山と谷で電気角で１８０度）の位相関係に、また（２）と（４）は回転子歯とは図示のように９０度の位相関係にある。そしてＳ極回転子は主極（３）と対向することになる。
図２は軸を含む本発明の断面図である。１は固定子鉄心、２１，２２は磁性体よりなる外周にＮｒ個の歯を有する回転子素子、５１は円盤状永久磁石で軸４の方向に磁化されてこれらで１対の回転子組所謂ハイブリッド回転子を構成する。そしてもう１対の同じ回転子組を同軸で結合配置する。この時隣接する２２と２１は同一極性となるように2個の永久磁石５１を磁化する。また隣接する２２と２１は同一歯位置として一体的に珪素鋼板の積層カシメで構成するのが望ましい。３はコイル、４は軸、前後ブラケット、ボールベアリング等は図示してあるが説明は省略する。
この２組の回転子を設ける理由は４主極固定子と通常のハイブリッド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するためであり、例えばＮ極の２１（図２で左側）とＮ極の２２（図２で右側）は上側に引かれる。そしてＳ極の２２と２１（図２の中央）は両者とも下側へ引かれる。
このためラジアル方向の不平衡電磁力は偶力を発生せずキャンセルされるものである。その詳細原理は本願発明者の一人が発明した特許文献１，２に詳細に数式を用いて説明しているのでここではその詳細説明は省略する。本願の図１、図２の構成は２相ハイブリッド式ステッピングモータであるが、本願構成は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】
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説明する。
T1＝ＮＮｒｉΦｍ 
（１）
１相分トルクは（５）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。
【００１０】
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。
【００１１】
図2で永久磁石は2個使用するので、低グレード磁石でも高いトルクが得られることを従来の2相８主極式の磁石1個使用の（図４の構成）場合と比較して示す。従来の2相８主極式で使用する永久磁石は希土類磁石でネオジム磁石で残留磁束密度Brが１．３［Ｔ］を使用していた。これに対し、本願の場合は２相４主極で磁石が2個なので、磁石のBrは次式で得られる。
Br =１．３［Ｔ］×（１／２）（３／２）（４／８）＝０．４８７５［Ｔ］            
（１０）
式（１０）の（１／２）は１個の磁石で励磁する回転子の外周面積が同一サイズの従来の８主極と組み合わせた通常のハイブリッド型回転子と比較して略１／２になるため永久磁石から発生する磁束も半分でよいので磁石の面積が同じなら磁石の磁束密度は半分でよいとの理由、（３／２）は永久磁石の磁路長さが半減するために鉄心部でのパーミアンスが単純約２倍となるが、エアギャップや磁路の磁束密度の低下を考慮してトータルでパーミアンスが約３／２倍に近似したものである。（４／８）は（４主極／８主極）を意味しトルクは前述した（６）式と（７）式の関係から主極数に反比例することによるものである。この（１０）式におけるＢｒの値の磁石でＢｒが１．３［Ｔ］（テスラ）のネオジム磁石を使用した８主極モータと同程度のトルクが得られることになる。式（１０）の結果はコンピユターでの磁場解析結果とほぼ一致している。
このＢｒの値はフェライト磁石に相当する。フェライト磁石はＢｒが０．５［Ｔ］で保持力Ｈｃｊ＝２７５ＫＡ／ｍ程度でその減磁曲線は磁束密度を垂直に保持力を水平に取った座標の第二象限で直線となり、磁路に組まれた永久磁石のパーミアンス係数を勾配とした原点を通過する直線と減磁曲線との交点が動作点となるがその動作点磁束密度はほぼ永久磁石のＢｒに比例することから近似的に（６）式が成立する。フェライト磁石は希土類磁石に比べて極めて安価であり、2個使用してもネオジム磁石より安くなる。即ち０．５［Ｔ］以下の磁石で十分実用トルクが得られる。０．５［Ｔ］以下の磁石であれば乾式や湿式の焼結フェライト磁石に限らず樹脂をバインダーとしたボンド（プラスチック）磁石でもよい。焼結フェライト磁石では例えば外形２５ｍｍで厚みは２ｍｍ程度が量産する限度であり、それより薄いと割れ不良が多発する。これをボンド磁石にすれば割れ不良は解決する。
２相４巻き線固定子と前述の２連回転子で不平衡電磁力を抑えながら０．５［Ｔ］以下のローグレードの永久磁石の採用により、従来の高価なネオジム焼結磁石やサマリユムコバルト磁石のような希土類磁石を採用した同サイズモータに対しトルクを倍増する手段は今までにはない画期的な新技術といえる。
【００１２】
本願はラジアル方向吸引力は回転子が，４個なので従来の2個の構成に比べてその分分散されてバランスしているので軸受け等のクリアランスによる振動や騒音は本願は従来機より有利で低振動低騒音となり得る。
【００１３】
これに対し、図４は2相８主極の固定子に組み込んだ従来構成の回転子を示すものである。回転子は一対の所謂ハイブリッド回転子である。８主極なので不平衡電磁力は精度よくできていれば基本的にはおきない。しかしこの場合は本願と比べてラジアル方向吸引力は回転子が2個なので集中的にバランスしているのでわずかな精度の狂いで軸受け等のクリアランスによる振動や騒音を本願より引き起こし易いといえる。また図２で隣接する２２と２１の間に非磁性スペーサーを挟み異極性とした場合はこの厚み分、固定子と回転子は対向できないのでトルク的にも不利となる。また図４に示す従来技術による回転電機は前述したようにトルクは（６）式となり、本願の約１／２となる。
【００１４】
前述の（９）式に従わなくても、２相４主極ステッピングモータは可能である。たとえばNｒ＝５０とすればステップ角１．８度となるが、（９）式を満たさない。この場合は固定子が対称形とはならない。図３は本発明の一実施例である。固定子外周を略正方形とし４個の主極の巻き線部分（以後便宜上巻き線極と呼び、誘導子部分の主極と区別する）を正方形の４辺のそれぞれ中央で直角に配置し、先端に設けた誘導子の歯数Ｎｓとして、Ｎｒ＝５０としたとき、Ｎｓの中央の歯と４巻き線極の中心線でなす角度が、０．９度が２個所、２．７度が２箇所としたものである。固定子形状を正方形とした理由は巻き線スペースを大きく確保するためである。円形ではスペースが小さくなる。
また例えばＮｓの中央の歯と４巻き線極の中心線でなす角度は，１箇所は０度にできるが、その場合は他の角度は１．８度、３．６度等となり、図３で最大のずれの２．７度に対し３．６度と大きくなるのを防ぐためである。前述の手段５でＮｒ＝５０としたとき、Ｎｓの中央の歯と４巻き線極の中心線でなす角度が、α度、（１．８―α）度、（３．６−α）度、（３．６−α）度の状態でα＝０とすれば上述の最大３．６度の偏角となり、図３の例より巻き線作業性が悪くなる。
また固定子誘導子歯ピッチは回転子の歯ピッチ７．２度に対し、δ＝（１．８／Ｎｓ）度狭くすると、コギングトルクを作るエアギャップの永久磁石による磁束分布の第４次高調波成分がキャンセルできる。即ち歯ピッチを｛７．２−（１．８／Ｎｓ）｝度とすればよい。δを一般的に示すと次式となる。
δ＝３６０／ｍＮｓＮｒ                          （１１）
但し  ｍはエアギャップの永久磁石による磁束分布の第ｍ次高調波成分である。２相機ではｍ＝４とし、Ｎｒ＝５０を（１１）式に代入すれば上記の１．８／Ｎｓが得られる。
固定子の誘導子歯ピッチγ度は次式となる。
γ＝７．２（１−１／ｍＮｓ）                    （１２）
図３の固定子の誘導子歯ピッチγ度はｍ＝４、Ｎｓ＝１１を（１２）式に代入すれば、７．０３６度となる。これによりコギングトルクの極小の回転電機が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
安価な磁石で高トルクが出せるのでＯＡ機器である複写機やプリンターの安価で高トルク、低振動のアクチュエータとなり、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】
【００１６】
【図１】本発明の回転電機の図
【図２】図１の側面断面図
【図３】別の本発明の図
【図４】従来の回転電機の図
【符号の説明】
【００１７】
１：            固定子鉄心、
２：            回転子、
３：            コイル、
４：            回転軸、
２１、２２：      回転子、
５１：            永久磁石
【図１】
2007089304.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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