JP5128800B2

JP5128800B2 - ハイブリッド式永久磁石回転電機

Info

Publication number: JP5128800B2
Application number: JP2006266227A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本; 亨小林; 昭二大岩; 隆弥加藤
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP2008086176A

Description

本発明は省主極形固定子と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ステッピングモータ等の回転電機に関する。

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に関する。

日本国特許第３７６２９８１号米国特許ＵＳＰ６７８１２６０Ｂ２

１）ハイブリッド（以下ＨＢと略す）のステッピングモータ等の多極回転電機で単位回転子を２個同軸で密着連結してお互いにその永久磁石同士を逆極性に磁化する構造の回転電機では２個の磁石を十分に磁化する方法は磁石単体で磁化したものを用いて回転子を構成する以外の回転子完成後での磁化あるいはモータ完成後の磁化は単位回転子を２個同軸で密着連結してお互いにその永久磁石同士を逆極性に磁化するため２組の単位回転子を同時に磁化する場合には軸方向で磁化磁束が反発しあうため十分に永久磁石部を磁化できない問題があった。また２組の単位回転子を時間差を設けて別々に２回にわけて磁化する場合でも、片方の回転子を磁化した磁束が他方の回転子部まで漏洩して2組の回転子の隣接回転子同士は同一極性となるべきところを所望する磁化極性と逆極性に磁化したり、あるいは既に磁化されている一方の回転子の永久磁石を減磁させたりする問題があった。そのため磁石単体で磁化したものを用いて回転子を組み立てするので鉄粉や塵を組み立て時に吸引して組み立てが困難であった。
２）永久磁石が１個の通常のＨＢ型回転電機はモータに組み立て後、空芯コイル内径部にに完成モータをいれて着磁磁化する方式がとられている。これは着磁されている回転子を固定子に挿入する場合、鉄粉や塵を引き込んだり固定子内径と吸引して傷が出来たりすることを防止する狙いがある。本方式モータも完成後着磁が望ましくその解決を狙うものである。
３）本願の回転電機の固定子は省主極（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。既に出願済みの特許文献１及び２で省主極（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理由は後述する。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。そのため本願方式としたモータは低振動低層音の特性を維持しながら、通常構造モータと同程度のトルクにするにはその分固定子と回転子間のエアギャップを大きく出来るので不良率の改善や信頼性の向上となる。あるいはフル主極モータが高エネルギーの希土類磁石を使用しているのに対し安価な例えばフェライトのような永久磁石も使用できるので価格低減効果が期待できる。しかし文献１，２ではその永久磁石の着磁方法については開示してない。永久磁石は磁束密度―磁化力特性（以下Ｂ−Ｈカーブ）でＢの飽和に達するＨ以上にして磁化するが、単位回転子を２個同軸で単に密着連結してお互いにその永久磁石同士を逆極性に磁化する構造のものはモータ完成後のその磁化の方法は従来の空芯コイル方式では十分な磁化は得られなかった。

本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
外形が多角形を含む形状に形成された略環状の磁性体とこの磁性体より放射状に突出形成されそれぞれの先端に多数の誘導子を形成してなる複数の主極とで構成された固定子と、この固定子に対してエアギャップを介して回転自在に設けられ磁性を有する１対の回転子要素と両回転子要素で挟み込まれ軸方向に着磁された永久磁石とからなる単位回転子を２組軸方向に隣接させて構成された回転子とを備え、各単位回転子のそれぞれの回転子要素の外周面には複数の歯が形成され、各単位回転子の１対の回転子要素はそれぞれの歯が１／２ピッチ分ずらせて配置され、両回転子要素はそれぞれの永久磁石の着磁方向が逆になる向きで隣接する回転子要素の歯位置が一致するように配置されており、且つ、前記両単位回転子の間に導電材が介在されていることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段２」
手段１において、固定子及び回転子は軸方向両側から覆う一対のブラケットにより支持されており、前記２組の単位回転子におけるそれぞれの永久磁石は、前記ブラケットの軸方向外側及び前記固定子の径方向外側を覆うヨークと、このヨークからブラケット，単位回転子の軸方向外側の回転子要素，単位回転子の永久磁石，単位回転子の軸方向内側の回転子要素，及び固定子を通して前記ヨークに至る着磁用磁路に磁束を発生させる着磁コイルとを用いて、同時に或いは時間差を設けて着磁されることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段３」
手段２において、前記ブラケットの軸方向外側を覆うヨークは、一対のブラケットに対して一方のみを覆うものであり、前記着磁コイルの通電による着磁は前記一方のブラケット側の単位回転子の永久磁石に対して行われ、当該着磁後に前記ヨークを他方のブラケット側に反転対向させて着磁コイルの通電を行うことにより、他方のブラケット側の単位回転子の永久磁石に対して着磁を行うことを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段４」
外形が多角形を含む形状に形成された略環状の磁性体とこの磁性体より放射状に突出形成されそれぞれの先端に多数の誘導子を形成してなる複数の主極とで構成された固定子と、この固定子に対してエアギャップを介して回転自在に設けられ磁性を有する１対の回転子要素と両回転子要素で挟み込まれ軸方向に着磁された永久磁石とからなる単位回転子を２組軸方向に隣接させて構成された回転子とを備え、各単位回転子のそれぞれの回転子要素の外周面には複数の歯が形成され、各単位回転子の１対の回転子要素はそれぞれの歯が１／２ピッチ分ずらせて配置され、両回転子要素はそれぞれの永久磁石の着磁方向が逆になる向きで隣接する回転子要素の歯位置が一致するように、且つ、該両回転子要素の間に導電材を介在させて回転軸に支持されており、回転子の回転軸は軸方向両側から覆う一対のブラケットにより支持されている永久磁石式回転電機であって、
前記２組の単位回転子におけるそれぞれの永久磁石は、２組の単位回転子を回転軸に支持した状態で、前記単位回転子の軸方向外側及び径方向外側を覆うヨークと、このヨークから単位回転子の軸方向外側の回転子要素，単位回転子の永久磁石，単位回転子の軸方向内側の回転子要素を通して前記ヨークに至る着磁用磁路に磁束を発生させる着磁コイルとを用いて、同時に或いは時間差を設けて着磁されることを手段とする永久磁石式回転電機。
「手段５」
手段４において、前記単位回転子を覆うヨークは、２組の単位回転子に対して一方のみを覆うと共に、この一方の単位回転子の軸方向内側の回転子要素の径方向外側を覆うものであり、前記着磁コイルの通電による着磁は前記一方の単位回転子の永久磁石に対して行われ、当該着磁後に前記ヨークを他方の単位回転子側に反転対向させて着磁コイルの通電を行うことにより、他方の単位回転子の永久磁石に対して着磁を行うことを手段とする永久磁石式回転電機。この場合の導電材による渦電流効果は手段２と同じである。

１）永久磁石単体での着磁後回転子を組み立てるのではなくて、回転子に完成させた後、あるいはモータに完成させた後に、簡単な着磁ヨークの採用と回転子に設けた導電材の渦電流効果で着磁がより確実になり、鉄粉や切子を回転子に付着させることが無いので、手直しが無く且つ信頼性の向上が図れる。
２）従来のＨＢ型モータの空芯コイル着磁に対し、ヨークを用いるので着磁電源が小形で小電力と出来る。
３）ボンド磁石やフェライト磁石のような磁気エネルギーの低い安価な磁石でも使用が可能とな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。
４）省主極により巻き線が簡素で、特殊回転子により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。

以下図面によって説明する。

図１は本発明の省主極構造固定子である２相４主極機の固定子と特殊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。但し巻き線コイルの図示は省略してある。１８は固定子鉄心であり、略四辺形、六辺形を含む多角形や円形形状を含むものであり、９は回転子である。固定子１８の４個の主極（巻き線極）の内１８０度で対向している２個の主極同士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。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。
図２は軸を含む本発明の図１のモータの断面図である。９，１１，２０、１３は磁性体よりなる外周にＮｒ個の歯を有する回転子であり軸方向の厚さは同一である。２９は１１と２０の間に設けた導電材の円板または銅箔シートであり回転子９等の外径以下の円板状で中央部に軸１４を通す穴を有した形状が望ましいが多角形やその変形でも良い。１０、１２は円盤状永久磁石で軸１４の方向にお互いに逆極性となるように磁化される。例えば９と１３がＮ極性で１１、２０がＳ極性のように磁化する。このとき９と１３は歯位置は同じで１１、２０とは歯ピッチの１／２ずらして配置される。本発明に関するモータの回転子は単位回転子Ａ（９、１０、１１で構成）とＢ（２０、１２、１３で構成）の２組の単位回転子の軸方向での連結により構成されると表現したが、これは永久磁石１０，１２と２個使用してこの２個の永久磁石に挟まれた回転子１１、２０はその２個の両サイドに位置する回転子９，１３に対し歯位置が１／２ずれた特殊回転子１個で構成されたものと表現しても同じである。そして２組の単位回転子ＡとＢの間には２９なる導電材円板が設けられて上述の特殊回転子１個で構成されたものである。
１５、１６はブラケットであり回転子を回転自在に保持する役割を有する。５は固定子コイルである。この２組の永久磁石による特殊回転子を設ける理由は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するためである。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３相３主極、あるいは５相５主極の省主極固定子と２個の永久磁石による特殊回転子であってもよい。

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９、１１、１３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。これに対し図２の構成では軸方向で中央部の磁性材２９から左右で回転子は対称となるので、あたかも２個の対称なＨＢ回転子が不平衡電磁力の偶力を打ち消すように作用する。このためラジアル方向の不平衡電磁力による偶力を常にキャンセルする優れた効果を有するものである。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ＨＢ式ステッピングモータであるが、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。

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（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（Φ_T／８）
＝ＮｔＮｒｉΦｔ／８
（６）
Ｔ２＝２*２（Ｎｔ／４）Ｎｒｉ（Φｔ／４）
＝ＮｔＮｒｉΦｒ／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。

この４主極の場合の望ましい回転子歯数N_ｒ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度ステップ角で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。

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６、図７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ＨＢ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巻き線極固定子と前述の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を採用することにより、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同等あるいは倍増することも可能であり今までにはない画期的な新技術といえる。

しかし、図２に示す構成の回転電機の２個の永久磁石をお互いに軸方向に反対方向の逆磁化させるには従来の空芯コイルでは困難である。この解決策の1つとしては図２で永久磁石１０と１２を予め、永久磁石単体で磁化したものをお互いに極性が逆方向になるように回転子を組み立て、更に固定子に組み込めばよい。しかしこの方法では回転子組み立て時に鉄粉を回転子に吸引したり、固定子内径部に回転子を挿入する祭に固定子と吸引接触し切子や塵を固定子内に介在させ信頼性を低下させるものとなる。

これに対し、図３により本発明による着磁方式を説明する。前述した省主極固定子と2個の永久磁石による特殊回転子で構成されたＨＢ型回転電機をその軸１４を芯として包み込むように磁性体よりなる２個の軸方向に配置された設定着磁用磁路ＡとＢから構成される。着磁される回転電機は図１、図2に示したものであるのでその部品には図1，２と同じ番号が付してある。設定着磁用磁路Ａは図3の１、２なる環状ヨークであり４なる絶縁体ボビンに巻かれた環状の着磁コイル３とよりなる。コイル３に磁化電流を流して、ヨーク１から軸１４の方向に突き出た部分から該ブラケット１５を貫通させた磁化磁束を磁性体回転子９を貫通させて永久磁石１０を貫通させ磁性体回転子１１に流入させる。この磁化磁束はコイル３により作られるためコイル３の周りで閉ループを作ろうとする。そのためこの磁化磁束は一部は回転子9から永久磁石１０を通過しないで直接磁性体固定子１８に入りヨーク２を経由してヨーク１に戻る。しかし通常回転子９等は珪素鋼鈑より構成されるためその飽和磁束密度の１．５｛Ｔ｝程度を超えればそれ以上の大半の磁化磁束は永久磁石１０を貫通し１１に達し１８なる磁性体固定子を経由してヨーク２からヨーク１に戻るので永久磁石１０は着磁されることになる。このように該設定着磁用磁路Ａにより軸方向で略１／２のモータ部とモータ側面と外周を短絡した磁性体磁路を環状磁化コイル３で励磁し、片方の永久磁石をほぼ軸方向に磁化できる。この場合１５なるブラケットやボールベアリンブ１７は磁性体であれば貫通磁化磁束は大きく出来るがブラケット１５がアルミニウム等の非磁性体の場合は大きなエアギャップが介在することになり磁化磁束を十分に磁石１０に到達させるためにはヨーク１の軸方向に突き出た部分とその突き出た部分の外周に巻かれたコイル３の存在がキーポイントとなる。そのためコイルの断面形状は図示のような絶縁体４に内部に段を設けた形状が望ましい。このようにして単位回転子Ａを磁化する。しかし十分に磁化磁束を単位回転子Ａの永久磁石１０に通そうとするとその一部は漏洩磁束となり単位回転子Ｂの磁性体回転子２０及び永久磁石１２、磁性体回転子１３をも通過して、単位回転子Ｂの永久磁石１２を所望の極性とは逆の単位回転子Ａの永久磁石１０と同じ方向に磁化する。この場合、導電性円板２９があると、この漏洩磁束が２９を貫通し始めるとそれを打ち消すように導電性円板に渦電流が発生し単位回転子Ｂ側の永久磁石が磁化されるのを防止するように作用することになる。
また同様に絶縁体８に巻かれたコイル７に磁化電流を流して、ヨーク１９から軸１４の方向に突き出た部分から該ブラケット１６、ボールベアリング１７を経由して貫通させた磁化磁束を磁性体回転子１３を貫通させて永久磁石１２を前述の片側の永久磁石１０とは軸方向に逆極性になるように貫通させ磁性体回転子２０に流入させる。同様の理由によりこの磁化磁束は回転子２０から固定子１８を経由してヨーク６、ヨーク１９へ戻る閉磁路を構成するので永久磁石１２も磁化されることになる。この場合にも、一部の磁束は漏洩して単位回転子Ａの既に磁化されている永久磁石１０を減磁させようとする。この場合も同じく、導電性円板２９があると、この漏洩磁束が２９を貫通し始めるとそれを打ち消すように導電性円板に渦電流が発生し単位回転子Ａ側の永久磁石が減磁されるのを防止するように作用することになる。
本方式では磁性体着磁ヨークとして１，２あるいは６、１９の他に回転子９、１１、２０、１３、固定子１８を使用する。従って磁化磁束密度は回転子や固定子の構成材料の珪素鋼鈑の飽和磁束密度の１．５｛Ｔ｝程度では残留磁束密度Ｂｒが１．２｛Ｔ｝程度のネオジム焼結磁石には磁化力が不足する場合があるが、前述したＢｒが０．５｛Ｔ｝程度であるフェライト磁石を本構造の永久磁石に用いた場合は十分適した着磁方式となる。尚ヨーク２とヨーク６は別物の合体でも２と６は一体品でもよい。
ヨーク１，２と９，１１、１８で構成する閉磁路を設定着磁用磁路Ａ、ヨーク１９、ヨーク６回転子１３、２０、固定子１８で構成される閉磁路を設定着磁用磁路Ｂとすれば、設定着磁用磁路ＡとＢは、適当な磁化力で時間差を設けて磁化してもよい。その場合、磁化力が強すぎると永久磁石１０と永久磁石１２が同方向に磁化されるので磁路に合わせた最適な磁化力で行うことになる。あるいはやはり適当な磁化力で同時磁化してもよい。これらの場合、前述した導電性円板２９が有効に働くことになる。
図３で着磁コイルは回転子軸と同心の環状コイルで示したが、固定子外周部に回転子軸と略垂直に設けた該着磁用磁路Ａ及びBの端部の回転子外周円盤部の一部をカットして回転子軸と略垂直のヨーク部に直接着磁コイルを巻きつけてもよいし、回転子軸と同心の環状コイルとの併設コイルとしてそれらのコイルを直列あるいは並列させてもよい。

図４は回転子にまで完成させた後に着磁工程を設ける場合の方法を示したものである。前述したモータ完成後完成では回転子や固定子の珪素鋼鈑を磁路の一部に使用する。そのため回転機に広く使用される無方向性珪素鋼鈑の磁束密度の約１．５｛Ｔ｝程度の磁化磁束密度ではネオジム焼結磁石等の残留磁束密度が１.２｛Ｔ｝程度の永久磁石の磁化には十分でない場合が起きる。またこの方法では、回転子を磁化後に固定子への挿入時には固定子との接触が発生し易いが、前述のモータ完成後磁化の長所の一部を犠牲にして、永久磁石の十分な磁化力が必要なケースもあるため、回転子完成状態での磁化の方法を示したものである。この場合は珪素鋼鈑を使用しないので、ヨークに飽和磁束密度の高い純鉄等を使用できる。純鉄の飽和磁束密度は２.２｛Ｔ｝程度なので、ネオジム焼結磁石等でも磁化可能レベルとなる。２１、２５は回転子軸方向に磁化磁束を作るヨークでその外周に磁化コイル２４，２８が配置されて磁化磁束が軸方向に発射されるようにしてある。回転子の構成は図２と同じなので部品名とその番号は同じとしてある。２２，２６は外部ヨークであり軸１４を同心として円筒状に構成し適当に分割して絶縁ボビン２３，２７及び前述の磁化コイル２４，２８を内蔵する。２２，２６の端部は回転子外周と接触あるいは近接対向させる。２１、と２２、２６と２５は密着させる。この場合、両サイドのブラケットが無いので磁化磁束を図３の場合より十分に永久磁石１０，１２に与えられる。このとき、導電材２９による効果は前述したモータ完成後着磁と同じである。ボールベアリング１７を挿入する前の段階でこの磁化を行えば２１、２５の回転子９，１３との対向面積を増加出来、更に磁化を容易にすることが出来る。この場合も、２個の磁化コイルは同時通電でも時間差通電でもよい。もし図１、図２のモータをアウターロータ型とした場合でも、本方式に準じた着磁をすることが出来る。また図４で着磁コイルは回転子軸と同心の環状コイルで示したが、固定子外周部に回転子軸と略垂直に設けた該着磁用磁路ａ及びｂの端部の回転子外周円盤部の一部をカットして回転子軸と略垂直のヨーク部に直接着磁コイルを巻きつけてもよいし、回転子軸と同心の環状コイルとの併設コイルとしてそれらのコイルを直列あるいは並列させてもよい。

モータ完成後着磁の別の本発明を図５にて説明する。図３は予め２個の設定磁化磁路を設けるものであるが、図５は１個の設定磁化磁路のみで磁化を行うものである。図５にて１、２はヨークであり、図３の片側の設定磁路Ａのみと基本的には同じであるが２のモータ固定子外周と対向するヨーク２の軸方向の厚みは中央の回転子１１の軸方向厚み全部と対向するように厚く設定してある。図５の状態で適当な磁化力で磁化し永久磁石１０のみを磁化する。磁化力が強すぎると永久磁石１２も磁化されるので磁路に合わせた最適な磁化力で行うことになる。この後、モータをヨーク部から引き抜き軸方向を反転させてヨーク部に挿入して同様に磁化すればよい。この場合、磁化に多少時間を要するが、磁化ヨークや装置が図３の場合より小形に出来ることの他にヨーク２のモータ部との対向厚さを最適に選び、軸方向にモータ磁化位置を正位置と反転位置で最適化する等の最適磁化改善もできる。このとき、導電材２９による効果は前述したモータ完成後着磁と同じである。

本発明により磁化した回転電機は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用途に対し安価で高トルクなモータの提供が可能であり、エアギャップも大きく出来るので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。

本発明の回転電機の図図１の側面断面図本発明の着磁方式図別の本発明の着磁方式図モータ完成後の着磁方式図従来の２相ＨＢ型回転機の図従来の２相ＨＢ型回転機の側面断面図

符号の説明

１、２、６，１９、２１，２２，２５，２６：着磁ヨーク、
４、８、２３，２７：絶縁ボビン
３、７、２４，２８：着磁コイル、
９、１１，１３、２０、３１，３２：回転子、
５：コイル
１４：回転軸、
１０、１２、３３：永久磁石
２９：導電材
１５，１６：ブラケット
１７：ボールベアリング
１８、３０：固定子

Claims

外形が多角形を含む形状に形成された略環状の磁性体とこの磁性体より放射状に突出形成されそれぞれの先端に多数の誘導子を形成してなる複数の主極とで構成された固定子と、この固定子に対してエアギャップを介して回転自在に設けられ磁性を有する１対の回転子要素と両回転子要素で挟み込まれ軸方向に着磁された永久磁石とからなる単位回転子を２組軸方向に隣接させて構成された回転子とを備え、各単位回転子のそれぞれの回転子要素の外周面には複数の歯が形成され、各単位回転子の１対の回転子要素はそれぞれの歯が１／２ピッチ分ずらせて配置され、両単位回転子はそれぞれの永久磁石の着磁方向が逆になる向きで隣接する回転子要素の歯位置が一致するように、且つ、該隣接する両回転子要素の間に導電材を介在させて回転軸に支持されており、回転子の回転軸は固定子及び回転子を軸方向両側から覆う一対のブラケットにより支持されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
前記２組の単位回転子におけるそれぞれの永久磁石は、前記ブラケットの軸方向外側及び前記固定子の径方向外側を覆うヨークと、このヨークからブラケット，単位回転子の軸方向外側の回転子要素，単位回転子の永久磁石，単位回転子の軸方向内側の回転子要素，及び固定子を通して前記ヨークに至る着磁用磁路に磁束を発生させる着磁コイルとを用いて、同時に或いは時間差を設けて着磁されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
前記ブラケットの軸方向外側を覆うヨークは、一対のブラケットに対して一方のみを覆うものであり、前記着磁コイルの通電による着磁は前記一方のブラケット側の単位回転子の永久磁石に対して行われ、当該着磁後に前記ヨークを他方のブラケット側に反転対向させて着磁コイルの通電を行うことにより、他方のブラケット側の単位回転子の永久磁石に対して着磁を行うことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
前記２組の単位回転子におけるそれぞれの永久磁石は、該両単位回転子をそれぞれの隣接する両回転子要素の間に導電材を介在させて回転軸に支持した状態で、前記単位回転子の軸方向外側及び径方向外側を覆うヨークと、このヨークから単位回転子の軸方向外側の回転子要素，単位回転子の永久磁石，単位回転子の軸方向内側の回転子要素を通して前記ヨークに至る着磁用磁路に磁束を発生させる着磁コイルとを用いて、同時に或いは時間差を設けて着磁されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
前記単位回転子を覆うヨークは、２組の単位回転子に対して一方のみを覆うと共に、この一方の単位回転子の軸方向内側の回転子要素の径方向外側を覆うものであり、前記着磁コイルの通電による着磁は前記一方の単位回転子の永久磁石に対して行われ、当該着磁後に前記ヨークを他方の単位回転子側に反転対向させて着磁コイルの通電を行うことにより、他方の単位回転子の永久磁石に対して着磁を行うことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石式回転電機。