JP3840715B2 - 永久磁石形同期電動機 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置やＦＡ機器に用いられる電動機のうち、精度や速度、応答性で高い性能が求められ、リップルや損失が小さな永久磁石形の同期電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動機に永久磁石を用いるとコンパクトな構成で高いトルクを得ることが知られており、様々な構造のものが考えられている。一般的な同期電動機は、回転子に永久磁石を備え、固定子の電機子鉄心にコイルを巻回して構成されている。しかし、この構造は、高性能の永久磁石が開発されつつある今日では、トルクを高くできるものの、鉄損やコギングトルクも増大させてしまうことが問題となっていた。これを解決するため、コイルの巻き方を改善したものが開発され、特開昭６３−１５４０５１号公報に開示されている。この技術を図を用いて説明する。図５は従来の永久磁石形同期電動機の正断面図であり、図６は固定子のコイルの巻線形態図である。この電動機は、３相６極の永久磁石形同期電動機であり、毎相毎極のスロット数は１となっている。従って、電機子鉄心６５には、１８個のスロット＃１〜＃１８が周方向に等間隔に形成されている。これに巻回するコイルは、下コイル辺８２と上コイル辺８３を有する１つのコイルを例にとると、下コイル辺８２はスロット＃１６内の下側に埋設され、上コイル辺８３は３つ右のスロット＃１の上側に埋設される。下コイル辺８４と上コイル辺８５を有するもう１つのコイルの場合は、下コイル辺８４はスロット＃１内の下側に埋設され、上コイル辺８５は３つ右のスロット＃４の上側に埋設されており、同じ形状のコイルが同じような巻き方をして他のスロットにも埋設され、直列接続されてＵ相のコイルをなしている。Ｖ相のコイルとＷ相のコイルも、Ｕ相のコイルと同じ巻き方をして巻回されており、１個ずれたスロットに埋設されている。この３相のコイルは、必要に応じて結線方法が選定され、３相電動機とされる。この同期電動機の回転子には、図５に示すように、回転軸２１の表面に６個の永久磁石４６が固着されており、隣り合う永久磁石の極性が異なるよう着磁されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前記の従来技術によると、次のような問題があった。すなわち、各コイルの上コイル辺はエアギャップ内に配置され、スロットに埋設する他方の下コイル辺と一体になっているので、コイルエンドが他のコイルのコイルエンドと干渉し、所定の巻線を構成するのが容易ではなかった。
また、上コイル辺と下コイル辺が同じコイルの一部でありながら、断面形状が食い違うため、巻線する際に位置決め作業を伴い、作業性が極めて悪いという欠点があった。
さらに、この作業を必要とするためエアギャップに巻回されたコイルの位置が揃わなくなりがちで、電動機を駆動するときにトルクリップルが発生し、回転リップルが生じるなど被駆動系に様々な弊害をもたらすという問題があった。
前記の作業性をよくするためコイルエンドを長くすると、コイルの銅損が増加して電動機の効率が低下することになり、作業性と効率の何れかを犠牲にしなければならなかった。
このように、従来のコイルの巻き方では、コイルの位置に起因する様々な弊害があり問題となっていたのである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの欠点を解消するためになされたものであり、精度や速度、応答性で高い性能が得られ、リップルや損失が小さな永久磁石形の同期電動機を提供することを目的とする。そこで本発明は、電機子鉄心と、該電機子鉄心の片側面に移動磁界の方向に等間隔で形成された複数のティースと、該ティースに巻回したコイルとからなる固定子と、前記ティースとエアギャップを介して対面する多極の永久磁石を固着した可動子とからなる永久磁石形同期電動機において、前記ティースは前記電機子鉄心の幅の一部に形成され、前記コイルは、その一部に前記ティースが挿入され残る一部は空心となるよう前記電機子鉄心の幅いっぱいに巻いたのである。電機子鉄心に形成されたティースはストレートなものとするか、先端にポールシューを形成するかの何れかとし、後者にあっては、ティースが挿入されていないコイルに対面する可動子の永久磁石はティース先端に対面する可動子の永久磁石よりも厚く、同時に高くするか、或いは、厚みが一定で円筒状をした可動子の永久磁石の表面のうち、ティースが挿入されていないコイルに対面する部分には、磁極に一致して磁性体のポールシューを固着したのである。また、前記永久磁石形同期電動機をエアギャップが円筒状となるよう回転形の永久磁石形同期電動機とし、あるいは、エアギャップが平面状となるよう直線形の永久磁石形同期電動機としたのである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
このようにすると、巻線作業が容易になって、コイルを精度良く位置決めして固着することができるようになり、コイルエンドも短くできることから、低コストで高効率、高精度のモータを提供することができるようになるのである。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施例を示す回転形の永久磁石形同期電動機の断面図であり、（ａ）、（ｂ）は正断面図、（ｃ）は軸方向断面図である。また（ａ）は（ｃ）のＡ−Ａ’面の断面図であり、（ｂ）は（ｃ）のＢ−Ｂ’面の断面図である。図２はそのコイルの巻線形態図である。
図１において１は回転子であり、図示しない軸受で回転可能に支持された回転軸２と、該回転軸２の外周に固着された磁性体の回転子鉄心３と、周方向等間隔に複数の磁極を有して前記回転子鉄心３の外周に固着された第１の永久磁石４１、第２の永久磁石４２、非磁性のリング９１とから構成されている。非磁性のリング９１は回転子鉄心３の軸方向中央にあって、第１の永久磁石４１と第２の永久磁石４２の間に挿着されており、第２の永久磁石４２の外径は第１の永久磁石４１の外径より大きくなっている。第１の永久磁石４１と第２の永久磁石４２は周方向に１４の磁極を持ち、径方向に着磁されて、周方向の磁極の位置が第１の永久磁石４１と第２の永久磁石４２とで同じになっている。なお、この例では着磁の方向が径方向となっているが、周方向に１４の磁極が形成されれば周方向に着磁されても何ら構わない。
【０００６】
５は固定子であり、円筒状の鉄心の内径側にティース７を形成した磁性体の電機子鉄心６１と、電機子鉄心６１の円筒状の鉄心が軸方向に延長して形成された環状鉄心６２と、ティース７に巻回したコイル８からなっている。電機子鉄心６１と環状鉄心６２は珪素鋼板を積層して一体に固着されている。ティース７は周方向等間隔に１２個設けられており、先端にポールシューが形成され、コイル８が巻回されている。コイル８は（ｃ）に示すように、内側の一部にティース７が挿入され、残る一部は空心となるよう集中巻きされている。ティース７の先端と第１の永久磁石４１は円筒状のエアギャップを介して対面しており、環状鉄心６２の内側にあるコイル８と第２の永久磁石４２は円筒状のエアギャップを介して対面している。１２個のティースに巻回されたコイルの接続状況は図２の巻線形態図に示すようになっている。Ｕ相のコイルはティースＴ１、Ｔ２、Ｔ７、Ｔ８に図２の方向に巻回して接続され、Ｕ、Ｎ端子を持ち、Ｖ相のコイルはティースＴ５、Ｔ６、Ｔ１１、Ｔ１２に図２の方向に巻回して接続され、Ｖ、Ｎ端子を持ち、Ｗ相のコイルは、ティースＴ９、Ｔ１０、Ｔ３、Ｔ４に図２の方向に巻回して接続され、Ｗ、Ｎ端子を持つ。このような結線によって３相電動機をなしている。そして、上記の構成から分かるように、本実施例は、３相１４極１２スロットの電動機となっており、毎極毎相のスロット数は２／７となっている。
このような構成の電動機をＵ、Ｖ、Ｗ相の順に励磁すると時計方向に回転磁界が発生し、回転子１は右に回転する。逆に励磁すると回転子１は左に回転させることができる。
以上の実施例では、コイルが集中巻きされているため、巻線作業が容易であると同時にコイルエンドを含めても従来のものに比べてコイルの長さが非常に短く、コイルに生じる銅損が小さいのである。
【０００７】
次に本発明の第２実施例について説明する。図３は本発明の第２実施例を示す回転形の永久磁石形同期電動機の断面図であり、（ａ）、（ｂ）は正断面図、（ｃ）は軸方向断面図である。また（ａ）は（ｃ）のＡ−Ａ’面の断面図であり、（ｂ）は（ｃ）のＢ−Ｂ’面の断面図である。この実施例の固定子５は第１実施例と同じであり、回転子１は第１実施例と異なる。回転子鉄心３の外周に固着された永久磁石４３は回転子鉄心３と同じ長さの円筒状をしており、周方向に１４の磁極を持ち、径方向或いは周方向に着磁されている。環状鉄心６２の内側にある永久磁石４３の外周には、永久磁石４３の１４個の磁極のところに１４個のポールシュー９２が固着されており、外周が円筒の一部をなしている。そして、ポールシュー９２を固着していない永久磁石４３の表面とティース７の先端の間のエアギャップと、ポールシュー９２の表面と環状鉄心６２の内側のコイル８の内周面の間のエアギャップが同じ大きさとなっている。このような構成の電動機の動作は第１実施例と同じである。
【０００８】
次に本発明の第３実施例について説明する。本発明の第３実施例は、図１に示す第１実施例または図３に示す第２実施例において、ティース７の先端にポールシューを形成しないと言うものである。ポールシューを形成しないティース７には、先端付近までコイル８が巻回されており、ティース７の先端とコイル８の端面が同じ円筒面に位置するので、回転子１の回転子鉄心３に固着する永久磁石は断面が均一の円筒状となっている。このような構成の電動機は前記２つの実施例と同じように作動することは言うまでもない。このような構造を採用する場合、作業上の都合から、コイル８からティース７の先端が突き出ることになる場合があるが、そのような場合は、回転子１を第１実施例や第２実施例のようにすることで対応することができる。
【０００９】
以上は回転形の実施例について述べたが、本発明によると直線形の電動機にも適用することができるので図を用いて説明する。図４は本発明の第４の実施例を示す直線形の永久磁石形同期電動機の断面図であり、（ａ）、（ｂ）は移動方向に沿った面の断面図であり、（ｃ）は移動方向と直角な面の正断面図である。（ａ）は（ｃ）のＡ−Ａ’面の断面図であり、（ｂ）は（ｃ）のＢ−Ｂ’面の断面図である。図において５１は固定子であり、移動方向に向かって左右には、移動方向に等ピッチのティース７１が形成された電機子鉄心６３を備え、移動方向に向かって中央には、電機子鉄心６３と一体になった平形鉄心６４を備えている。電機子鉄心６３と平形鉄心６４は珪素鋼板が積層されて一体となっている。ティース７１には先端にポールシューが形成されており、左右のティース７１、７１に巻回されたコイル８１は中央、すなわち平形鉄心６４の上の部分が空心になっている。可動子１１は非磁性の平板状のテーブル２１と、その下側に固着された３つの永久磁石４４、４５、４４と、移動方向に移動可能に支持する図示しない支持機構とからなっている。永久磁石４４は電機子鉄心６３のティース先端とエアギャップを介して対面し、永久磁石４５は平形鉄心６４の上のコイル８１と前記エアギャップと同じ大きさのエアギャップを介して対面しており、永久磁石４５が永久磁石４４より厚くなっている。永久磁石４４、４５は移動方向に等ピッチで極性が反転するよう着磁されており、ティース７１の１２ピッチ当たりで永久磁石４４、４５が１４ピッチとなっている。このような構造をしているため、図１に示した第１実施例の回転形の永久磁石形同期電動機の閉じた形を開いて展開し平面にしたものと同じような構造となっている。従って、コイルは同じように巻かれており、３相励磁することによって移動方向に直線移動することができる。
図４にはティース７１の先端にポールシューを形成して永久磁石４５を永久磁石４４より厚くしたものを示したが、回転形の変形例で示したように、永久磁石４４、４５を同じ厚さの一体の永久磁石としてその表面のうちの永久磁石４５の位置に相当するところにポールシュー９２に相当する磁性体のポールシューを固着するものであってもよく、また、ティース７１の先端にポールシューを形成せずストレートにするということも、前記の回転形のものと同様である。
【０００１０】
以上、回転形と平面形の永久磁石形同期電動機のいくつかの実施例を述べたが、これらの実施例のコイルは集中巻きであり、コイルが相互に干渉することはなく、巻線作業をする上で障害となるものがないので容易に作業を進めることができる。また、ティース７、７１にポールシューを形成せずにストレートとした場合は、コイルを予め巻回しておくことができるので、巻線作業はさらに容易になるという利点を有する。
【０００１１】
前記の電動機は、いずれも毎極毎相のスロット数が２／７であったが、本発明の趣旨に従えばその数値は前記に限定されることがないのは言うまでもない。また、回転形同期電動機については、円環状の永久磁石が径方向に着磁されたものを示したが、着磁の方向を周方向としてもよく、円環状の永久磁石に代えて複数個に分割したセグメントの永久磁石を用いても何ら差し支えることがない。
【０００１２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるとティースのある電機子を備えた同期電動機と、ティースのない電機子を備えた同期電動機の中間にある次の特徴、すなわち
（１）コギング力や磁気吸引力が小さく、位置決め精度が向上すると同時に支持機構の負担が軽減され寿命が延びる。
（２）電気的時定数が小さいため、高速応答する用途に向いている。
（３）高速運転時の電機子鉄損が小さく、高速運転する用途に高効率のものが実現できる。
などを併せ持つ電動機を提供する上で、電機子に巻回するコイルを集中巻きすることができるので、巻線作業が容易になって生産性が向上し、同時に、従来のコイルエンドが排除されてコイルの銅損が低減し、電動機の効率を向上する効果がある。ポールシューのないティースを有する電動機においては巻線作業が一層容易である。また、コイルの形状がシンプルで巻線作業が容易であるため、コイルの設置精度が向上してコイルの位置ずれによるトルクリップル或いは推力リップルを低減する効果がある。
【０００１３】
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の回転形電動機の断面図
【図２】コイルの巻線形態図
【図３】第２実施例の回転形電動機の断面図
【図４】第４実施例の直線形電動機の要部断面図
【図５】従来の電動機の正断面図
【図６】従来の電動機のコイルの巻線形態図
【符号の説明】
１ 回転子
２ 回転軸
３ 回転子鉄心
４１ 第１の永久磁石
４２ 第２の永久磁石
４４、４５ 永久磁石
５、５１ 固定子
６１、６３ 電機子鉄心
６２ 環状鉄心
６４ 平形鉄心
７、７１ ティース
８、８１ コイル
９１ リング
９２ ポールシュー
１１ 可動子
２１ テーブル

Claims (6)

1. 電機子鉄心と、該電機子鉄心の片側面に移動磁界の方向に等間隔で形成された複数のティースと、該ティースに巻回したコイルとからなる固定子と、前記ティースとエアギャップを介して対面する多極の永久磁石を固着した可動子とからなる永久磁石形同期電動機において、前記ティースは前記電機子鉄心の幅の一部に形成され、前記コイルは、その一部に前記ティースが挿入され残る一部は空心となるよう前記電機子鉄心の幅いっぱいに巻かれたことを特徴とする永久磁石形同期電動機。
2. 電機子鉄心に形成されたティースはストレートになっていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期電動機。
3. 電機子鉄心に形成されたティースは先端にポールシューが形成されているとともに、ティースが挿入されていない部分のコイルに対面する可動子の永久磁石は前記ティース先端に対面する可動子の永久磁石よりも厚く、同時に高くなっていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期電動機。
4. 電機子鉄心に形成されたティースは先端にポールシューが形成されているとともに、厚みが一定で円筒状をした可動子の永久磁石の表面のうち、前記ティースが挿入されていない部分のコイルに対面する部分には、磁極に一致して磁性体のポールシューが固着されたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期電動機。
5. エアギャップが円筒状をなし、回転形の電動機であることを特徴とする請求項１ないし４記載の永久磁石形同期電動機。
6. エアギャップが平面状をなし、直線形の電動機であることを特徴とする請求項１ないし４記載の永久磁石形同期電動機。
   【０００１】

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