(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に複数個の磁歯を有し、夫々３相巻線の各相が巻装された、環状磁性体から放射状に延びる３個の固定子磁極より成る固定子と、この固定子に空隙を介して且つ軸方向に配置された２組の回転子とより成り、
上記各回転子の組が、軸方向に互いに離間した２個の回転子素子と、この２個の回転子素子によって挟持された、軸方向に磁化された永久磁石とより成り、上記各回転子素子がその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、上記各組の２個の回転子素子が互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ上記２つの組の互いに隣接する回転子素子の小歯の極性が互いに同一となるように配置されており、上記各回転子の組と固定子間に作用するモーメント力の向きが互いに逆となり、該３個の固定子磁極構成により発生するラジアル方向不平衡電磁力を打ち消すようにされていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
Ｎｒ＝３ｎ±１（ここでｎは正の整数）であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
【請求項３】
先端に複数個の磁歯を有し、夫々２相巻線の各相が巻装された、環状磁性体から放射状に延びる４個の固定子磁極より成る固定子と、この固定子に空隙を介して且つ軸方向に配置された２組の回転子とより成り、上記各回転子の組が、軸方向に互いに離間した２個の回転子素子と、この２個の回転子素子によって挟持された、軸方向に磁化された永久磁石とより成り、
上記各回転子素子がその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、上記各組の２個の回転子素子が互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ上記２つの組の互いに隣接する回転子素子の小歯の極性が互いに同一となるように配置されており、上記各回転子の組と固定子間に作用するモーメント力の向きが互いに逆となり、該４個の固定子磁極構成により発生するラジアル方向不平衡電磁力を打ち消すようにしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項４】
Ｎｒ＝４ｎ±１（ここでｎは正の整数）であることを特徴とする請求項３記載の永久磁石式回転電機。
【請求項５】
先端に複数個の磁歯を有し、夫々３相巻線の各相が巻装された、環状磁性体から放射状に延びる６個の固定子磁極より成る固定子と、この固定子に空隙を介して且つ軸方向に配置された２組の回転子とより成り、上記各回転子の組が、軸方向に互いに離間した２個の回転子素子と、この２個の回転子素子によって挟持された、軸方向に磁化された永久磁石とより成り、上記各回転子素子がその外周面に（Ｎｒ＝６ｎ±１（ここでｎは正の整数））個の小歯を有し、上記各組の２個の回転子素子が互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ上記２つの組の互いに隣接する回転子素子の小歯の極性が互いに同一となるように配置されており、上記各回転子の組と固定子間に作用するモーメント力の向きが互いに逆となり、該Ｎｒが奇数となるために発生するラジアル方向不平衡電磁力を打ち消すようにし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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石式回転電機、特にＯＡ機器等に使用されるハイブリッド（ＨＢ）型永久磁石式回転電機、特に永久磁石式ステッピングモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
３相永久磁石式ステッピングモータは２相式より低振動で且ドライブ回路もバイポーラ式で比較すればトランジスタの数が２相の８個に対し６個と少なくコストパホーマンスに優れたものと言える。しかし回転子極対数を増加していくと位置決め精度や低速での回転むらは向上するが、多数の磁歯の影響で永久磁石による界磁磁束に多くの高調波が含有され、３相機といえども振動、騒音を引き起こす。また３相機の固定子主極数は３の倍数の３、６、９、１２等があるが、安価な構造の３相機とするには３が最もシンプルな構造である。また主極数が少ないほど１主極当たりの鎖交磁束が大きくなるのでトルクを大きくするのに有利な構造である。その理由を以下に示す。３相６主極固定子構造と３相３主極構造で同一の永久磁石回転子を組み込んだ場合の１相の発生トルクをそれぞれＴ６、Ｔ３とする。この場合、永久磁石回転子からでる総磁束量Φは同一になる。１相当たりのコイル巻数Ｎを両者同一とすると、６主極の場合は１主極当たりの鎖交磁束及び巻数は各々、（Φ／６）、（Ｎ／２）であり、１相あたり２個の主極で構成されるため、電流をＩとして、数１となる。
【０００３】
【数１】
0003762981.tif 000002
【０００４】
これに対し、３主極の場合は１主極当たりの鎖交磁束及び巻数は各々、（Φ／３）、Ｎであり、１相あたり、１個の主極で構成されるため、また１相の巻数が同じため電流も同一となり、数２となる。
【０００５】
【数２】
0003762981.tif 000003
【０００６】
数１と数２を比較すれば、３主極構造の３相機の方がトルクが大きいことが分かる。
【０００７】
この先行技術として特許第３１４０８１４号及びこれに相当する米国特許第５２８９０６４号がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこれらの先行技術による３主極構造は回転子がハイブリッド（以下ＨＢと略す）型であると、通電時、ラジアル方向の不平衡電磁力が存在し、回転子歯数が多いと歯の存在による高調波の発生及びそのためのコギングトルクの増大の他に、ラジアル不平衡電磁力によるエヤギャップの偏心による振動やコギングトルクの増加が考えられこの特性と安価性の改善が望まれている。
【０００９】
２相機の主流は固定子主極が８個であり、この場合はラジアル不平衡電磁力は発生しないが４個とすると構造がシンプルとなり、巻線が簡単で従って安価になる、また発生トルクも上記と同じ理由により、８個の場合のトルクＴ８より４個の場合のＴ４は数３と数４の様に大きくできる。
【００１０】
【数３】
0003762981.tif 000004
【００１１】
【数４】
0003762981.tif 000005
【００１２】
しかし固定子と回転子間にラジアル不平衡電磁力が発生し、振動、騒音が発生し、位置決め精度も悪化する等の問題があった。
【００１３】
５相機の主流は固定子主極が１０個であり、この場合はラジアル不平衡電磁力は発生しないが５個とすると構造がシンプルとなり、巻線が簡単で従って安価になる、また発生トルクも上記と同じ理由により、１０個の場合より大きくできるが、固定子と回転子間にラジアル不平衡電磁力が発生し、振動、騒音が発生し、位置決め精度も悪化する等の問題があった。
【００１４】
即ち、不平衡電磁力が発生すると軸受けの外輪とブラケットのわずかな隙間や軸受け内周と軸外周との隙間等が片側に寄せられて、固定子と回転子間のエヤギャップが不均一となり、コギングトルクや通電駆動時の振動が大きく、振動、騒音を発生する問題があった。ＨＢ型永久磁石式回転電機のエヤギャップは一般に50×10-6m程度と小さいのでわずかな軸受のガタ分、エヤギャップが不均一になってもその割合は大きくなる。ここで不平衡電磁力が発生するメカニズムを従来例を用いて説明する。
【００１５】
例えば従来技術の米国特許第５２８９０６４号には３相３主極固定子のＨＢ型回転子の歯数Ｎｒがｎを正の整数として、Ｎｒ＝３ｎ±１の例が開示されている。ここで説明を簡単にするために回転子の極対数を１の場合で説明する。この場合はＮｒ＝３ｎ±１でｎ＝０と置きＮｒ＝１の図を書くとその縦断側面図は図７となり、３相励磁したときの固定子、回転子の関係は垂直面で見て図８となる。図７で、ＨＢ型回転子のため永久磁石５は回転軸４の方向に２極に磁化される。図７で１は３主極固定子磁極、２は歯数が１の磁性体ＨＢ型回転子、３は固定子コイル、６、７は前後ブラケット、８は軸受けであり、回転子２のＳ極は上方向に、Ｎ極は下方向に吸引されるため、回転軸４はモーメント力を受け、軸受け８との間に間隙があると、その分固定子磁極１と回転子２間のエヤギャップが不均一となる。図８の不平衡力を上下方向成分でベクトル表示すると、図９の様になる。即ち、図８の固定子１のＵ相と回転子２のＳ極の引き合う力はＦ１となり、ＨＢ型回転子なので永久磁石の磁束は正弦波ではなくＵＶＷ相のエヤギャップ内の磁束密度が略等しいとすれば、回転子２のＮ極と固定子１のＶ相、Ｗ相の吸引力の合成力は各々Ｆ２となり、その合成力の大きさは、略Ｆ１と等しく、方向が逆である。
【００１６】
図１０Ａ，図１０Ｂは従来技術としての２相４主極の場合のＨＢ型回転子である。図１０Ａは例えば回転子のＮ極と固定子の関係を示す図であり、１相コイルが通電されると、４個の各主極固定子磁極と回転子小歯の関係は図１１に示されるようになり、固定子磁極１の１相の主極▲１▼がＳ極に、▲３▼がＮ極に励磁される。この場合の不平衡電磁力は図１０Ｂの矢印の力Ｆｎ、Ｆｓが発生し、モーメント力が軸受けに荷重を掛け、エヤギャップを不均一にする。ＨＢ型ステッピングモータではエヤギャップが小さいためその影響度は大きくなる。
【００１７】
また、上記回転電機における不平衡モーメント力ＭはＨＢ型回転子を２組設けるだけでは消すことはできない。
【００１８】
図１２は例えば回転子素子２１をＳ極に、回転子素子２２をＮ極に磁化した場合である。９は互いに隣接する異極性の回転子素子２２と２１間の磁気絶縁のため両者間に介挿した非磁性体である。互いに順次に配列される回転子素子２１、２２、２１、２２に働くラジアル力を夫々Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｌ１を左側軸受け中央部とＦ１の作用点間の距離、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を各々Ｆ１とＦ２間、Ｆ２とＦ３間、Ｆ３とＦ４間の距離、またＦ１＝Ｆ２＝Ｆ３＝Ｆ４＝Ｆ、Ｌ２＝Ｌ４ とすれば、数５が得られ、
【００１９】
【数５】
0003762981.tif 000006
【００２０】
以上より不平衡モーメントＭは消えないことが分かる。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の永久磁石式回転電機は、先端に複数個の磁歯を有し、夫々３相巻線の各相が巻装された、環状磁性体から放射状に延びる３個の固定子磁極より成る固定子と、この固定子に空隙を介して且つ軸方向に配置された２組の回転子とより成り、上記各回転子の組が、軸方向に互いに離間した２個の回転子素子と、この２個の回転子素子によって挟持された、軸方向に磁化された永久磁石とより成り、上記各回転子素子がその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、上記各組の２個の回転子素子が互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ上記２つの組の互いに隣接する回転子素子の小歯の極性が互いに同一となるように配置されており、上記各回転子の組と固定子間に作用するモーメント力の向きが互いに逆となり、該３相、３個の固定子磁極構成により発生するラジアル方向不平衡電磁力を打ち消すようにされていることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の永久磁石式回転電機は、先端に複数個の磁歯を有し、夫々２相巻線の各相が巻装された、環状磁性体から放射状に延びる４個の固定子磁極より成る固定子と、この固定子に空隙を介して且つ軸方向に配置された２組の回転子とより成り、上記各回転子の組が、軸方向に互いに離間した２個の回転子素子と、この２個の回転子素子によって挟持された、軸方向に磁化された永久磁石とより成り、上記各回転子素子がその外周面に複数（Ｎｒ）個の小歯を有し、上記各組の２個の回転子素子が互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ上記２つの組の互いに隣接する回転子素子の小歯の極性が互いに同一となるように配置されており、上記各回転子の組と固定子間に作用するモーメント力の向きが互いに逆となり、該２相、４個の固定子磁極構成により発生するラジアル方向不平衡電磁力を打ち消すようにしたことを特徴とする。
【００２４】
また、永久磁石式回転電機は、先端に複数個の磁歯を有し、夫々３相巻線の各相が巻装された、環状磁性体から放射状に延びる６個の固定子磁極より成る固定子と、この固定子に空隙を介して且つ軸方向に配置された２組の回転子とより成り、上記各回転子の組が、軸方向に互いに離間した２個の回転子素子と、この２個の回転子素子によって挟持された、軸方向に磁化された永久磁石とより成り、上記各回転子素子がその外周面に（Ｎｒ＝６ｎ±１（ここでｎは正の整数））個の小歯を有し、上記各組の２個の回転子素子が互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらして配置され、且つ上記２つの組の互いに隣接する回転子素子の小歯の極性が互いに同一となるように配置されており、上記各回転子の組と固定子間に作用するモーメント力の向きが互いに逆となり、該Ｎｒが奇数となるために発生するラジアル方向不平衡電磁力を打ち消すようにしたことを特徴とする。
【００２６】
上記Ｎｒは３ｎ±１、４ｎ±１、６ｎ±１（ここでｎは正の整数）であることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
【００２８】
本発明の第１実施例を図１、図２に示す。図１は正面図、図２は縦断側面図であって従来構造と同一部分は同一符号で示す。１は３主極構造の固定子磁極、２は磁性体よりなるＨＢ型回転子、３は各主極固定子磁極１にそれぞれ１個づつ巻かれ、それぞれが各相を形成する固定子コイル、６，７はアルミ等の非磁性体で構成されたブラケットで、軸受け８を支持し固定子１と回転子２間のエヤギャップを確保し、回転子２が永久磁石５及び回転軸４と共に回転出来るようにしている。
【００２９】
本発明の第１の実施例においては、固定子を略環状の磁性体より放射状に植設された３個の固定子磁極１と、その先端に形成した複数個の磁歯と、各々の固定子磁極に巻装された３相巻線３とにより構成し、回転子２をその円周上に等ピッチで複数（Ｎｒ）個の回転子小歯を形成した２個の回転子素子２１、２２を互いに小歯の１／２ピッチ円周方向にずらせて軸方向に隣接して配置され、その間に、軸方向に磁化した永久磁石５１を挟持した回転子組を２組、軸方向に隣接配置して構成し、上記２個の永久磁石５１で挟まれる回転子素子２２と２１が互いに同一極性になる様にする。尚回転子素子２１と２２は必ずしも隣接密着していなくても良く、両者間に空間があっても、磁気絶縁体を介在させても良い。
【００３０】
図３は本発明の永久磁石式回転電機を３相励磁したときのラジアル力を示したものであり、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は各々互いに順次に配列される回転子素子２１、２２、２１、２２に働くラジアル力を表し、Ｌ１は左側軸受け８の中央部とＦ１の作用点間の距離、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は各々Ｆ１とＦ２間、Ｆ２とＦ３間、Ｆ３とＦ４間の距離を表す。この場合の不平衡モーメント力Ｍは、段落１５での説明の如くＦ１＝Ｆ２＝Ｆ３＝Ｆ４＝Ｆ、Ｌ２＝Ｌ４ とすれば数６のようになる。
【００３１】
【数６】
0003762981.tif 000007
【００３２】
以上より、３主極固定子構造で、不平衡モーメント力は略キャンセルされることになる。この場合、主極数が３の場合は先行技術に示した様に、回転子歯数Ｎｒ＝３ｎ±１のものに本発明を適用することで、高トルク、高精度の３相機が実現できる。
【００３３】
次に２相４主極固定子に本発明を適用する場合を図４Ａ、図４Ｂに示す。数４で説明したように本構造は実用的に最大トルクを発生できる２相機と言える。図中、３相機と同一部分には同一符号を付したのでその説明は省略する。この場合、不平衡モーメントは数１と同じ形で零に出来るのでその表示は省略する。３相機の場合は３相励磁で略キャンセルしたが、本構造の２相機では１相励磁で完全にキャンセル出来る。即ち、各相内でキャンセルできるので、２相２励磁でも、当然零と出来ることになり、３相機の場合より駆動条件の自由度は向上する。図５は１相の固定子主極▲１▼と▲３▼を励磁したときの各４主極固定子と回転子小歯の位置関係を示す。即ち図５で固定子主極▲１▼と第１回転子素子２１で数６のＦ１、固定子主極▲１▼と第２回転子素子２２で数６のＦ４、固定子主極▲３▼と第１回転子素子２２で数６のＦ２、固定子主極▲３▼と第２回転子素子２１で数６のＦ３が作用し、数６が成立し、この場合、１相励磁で図３の状態が得られる。
【００３４】
２相で９０度対称４主極固定子の場合の回転子小歯数Ｎｒは数７より誘導できる。
【００３５】
【数７】
0003762981.tif 000008
【００３６】
数７の両辺は何れもステップ角度を意味する。これを整理すると数８を得る。
【００３７】
【数８】
0003762981.tif 000009
【００３８】
例えば、ｎ＝１９でＮｒ＝７５、 ステップ角 １．２度、ｎ＝３１でＮｒ＝１２５、ステップ角０．７２度が可能になる。この関係式を満たす２相４主極構造とすれば、固定子を９０度回転積層が出来、高精度の多極回転電機となる。
【００４０】
図６は従来の固定子主極数を半減させて、不平衡モーメントを消しながら、数２、数４等で示した様にトルクを従来の２倍に増加させる本発明の他の実施例を示す。この実施例に於ては３または５主極固定子磁極１の先端の互いに隣接する側面を細部を介して互いに連結させ、これら固定子の基部を略環状の磁性体部に夫々嵌合せしめる。
【００４１】
固定子主極数が６から３になれば前述した理由でトルクは倍増するが上記のように各主極の両サイドを細部で互いに連結せしめると、細部を介して磁束が漏洩する。しかし、ボビン等に巻き線したものを外方向から３つの主極に嵌合できるので従来のスロット開口部から巻線するのに対し、コイル占積率を改善できるため、トルクは同程度に維持でき、ボビンには外部で高速巻線できるため、工数を短縮出来、安価に出来る。この構成は２相、３相、５相に応用出来る。
【００４２】
なお、３相６主極固定子構造でも回転子歯数Ｎｒが奇数である場合等は不平衡力が発生するが、Ｎｒが奇数の中でも数９を満たすことで高精度な製品となる。
【００４３】
【数９】
0003762981.tif 000010
【００４４】
数９の両辺は何れもステップ角度を意味する。これを整理すると数１０を得る。
【００４５】
【数１０】
0003762981.tif 000011
【００４６】
例えば、ｎ＝４でＮｒ＝２５、 ステップ角 ２．４度、ｎ＝２１でＮｒ＝１２５、ステップ角０．４８度等が可能になる。
【００４７】
また６主極固定子で高トルクが必要な場合は固定子の軸方向長さを大きく設計する場合がある。この場合、回転子径に対し軸方向固定子長が大きいと、回転子が２組必要となる。この場合、図１２に示す回転子では中間に絶縁板が必要になりその分トルクが減少する。従って本発明の他の実施例においては３相６主極固定子構造の回転電機に３相機の場合と同様の構成を適用すれば良く、その図示及び詳細説明は省略する。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の永久磁石式回転電機によれば下記のような効果が得られる。
【００４９】
（１）３相、２相、５相式で固定子主極数を従来構造に対し半減させる簡単な構造でありながらラジアル不平衡力をキャンセル出来、しかもトルクを従来の約２倍に増加できる。
【００５０】
（２）３相３極式は理論的に同一サイズで最大のトルクとなし得る。
【００５１】
（３）２相４主極式は広く使用されている２相機の中で最大のトルクが得られ、且つ、１相励磁でもラジアル不平衡力が発生しない。
【００５２】
（４）部分分割コアとの組み合わせで銅量を増加し高トルクを維持し安価となし得る。
【００５３】
（５）６主極での高トルク構造及び奇数歯数回転子でも不平衡ラジアル力を消し得る。
【００５４】
（６）本発明はそのまま、アウターロータ構造にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の永久磁石式回転電機の正面図である。
【図２】図１に示す永久磁石式回転電機の縦断側面図である。
【図３】本発明の原理を説明するための説明図である。
【図４Ａ】本発明の永久磁石式回転電機の他の実施例を示す説明図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示す永久磁石式回転電機の縦断側面図である。
【図５】図４Ａに示す永久磁石式回転電機の説明図である。
【図６】本発明の永久磁石式回転電機の更に他の実施例を示す正面図である。
【図７】従来の永久磁石式回転電機の縦断側面図である。
【図８】図７に示す永久磁石式回転電機の正面図である。
【図９】図７に示す永久磁石式回転電機のベクトル説明図である。
【図１０Ａ】従来の他の永久磁石式回転電機の説明図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す永久磁石式回転電機の縦断側面図である。
【図１１】図１０Ｂに示す永久磁石式回転電機の説明図である。
【図１２】従来の他の永久磁石式回転電機の縦断側面図である。
【符号の説明】
１  固定子磁極
２  ＨＢ型回転子
３  固定子コイル
４  回転軸
５  永久磁石
６  ブラケット
７  ブラケット
８  軸受け
２１  回転子素子
２２  回転子素子
５１  永久磁石
【図１】
0003762981.tif 000012
【図２】
0003762981.tif 000013
【図３】
0003762981.tif 000014
【図４Ａ】
0003762981.tif 000015
【図４Ｂ】
0003762981.tif 000016
【図５】
0003762981.tif 000017
【図６】
0003762981.tif 000018
【図７】
0003762981.tif 000019
【図８】
0003762981.tif 000020
【図９】
0003762981.tif 000021
【図１０Ａ】
0003762981.tif 000022
【図１０Ｂ】
0003762981.tif 000023
【図１１】
0003762981.tif 000024
【図１２】
0003762981.tif 000025