【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、移動磁界型永久磁石モータに関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、直流電動機は、継鉄に磁極を形成した固定子によって磁界を発生させ、この磁界中に回転子としての電機子を配置して、該電機子にブラシを経て直流を供給することにより、該電機子を回転させるように構成されている。 また、永久磁石を有する回転子を用いた直流電動機も良く知られている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる従来の直流電動機は、起動時に円滑な起動に難があり、
電力の消費量が嵩むものであった。 更に、高トルクで、
しかも信頼性の高い駆動を行うには問題があった。 本発明の目的は、このような状況に鑑みて、起動が容易であり、しかも自走可能な省エネルギー型の移動磁界型永久磁石モータを提供することにある。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達成するために、移動磁界型永久磁石モータは、固定子鉄心と、隈取りコイルと、多層コイル組立体とを有する固定子と、前記固定子を挟むように、該固定子の両側に配置される一対の回転子と、前記多層コイルを順次切換える起動用制御装置及び自走用制御装置と、回転軸の回転数が所定回転数になると起動運転から自走運転へ切り換える運転モード切り換え手段とを具備する。 また、前記固定子鉄心は、略ドーナツ形状の本体部と、該本体部の両面に所定ピッチで放射状に形成される複数の突起状磁極と、放射状に穿設された円周方向に所定幅を有する穴とを有し、更に、前記隈取りコイルは、前記本体部の内周面に沿って配置される内輪線と、前記本体部の外周面に沿って配置される外輪線と、前記各突起状磁極にそれぞれ鎖交するように前記内輪線と外輪線間を接続する接続線とを有し、また、前記多層コイル組立体は、前記突起状磁極の２倍の前記所定ピッチに対応させて順次巻回方向を転換させて巻装する第１のコイルと、該第１のコイルと前記所定ピッチずらして順次巻回方向を転換させて巻装する第２のコイルと、該第２のコイルと前記所定ピッチずらして順次巻回方向を転換させて巻装する第３
のコイルと、該第３のコイルと前記所定ピッチずらして順次巻回方向を転換させて巻装する第４のコイルとを設ける。 一方、回転子には２倍の前記所定ピッチずらした交互に極性が変わる永久磁石を配置して、前記突起状磁極に対向させる。 そこで、隈取コイルにより、移動磁界を生じさせて、起動させ、回転軸の回転により、上記第１乃至第４コイルに前記永久磁石の磁界を作用させて、
起電力を生じさせて、その起電力により突起状磁極の極性を変換して、該突起状磁極による前記永久磁石の反発により、回転子を自走させる。 【０００５】 【作用】本発明によれば、移動磁界型永久磁石モータは、固定子鉄心と、隈取りコイルと、多層コイル組立体とを有する固定子と、前記多層コイルを順次切換える起動用制御装置及び自走用制御装置と、回転軸の回転数が所定回転数になると起動運転から自走運転へ切り換える運転モード切り換え手段とを具備する。 また、前記固定子鉄心は、略ドーナツ形状の本体部と、該本体部の両面に４５°ピッチで放射状に形成される複数の突起状磁極と、放射状に穿設された円周方向に所定幅を有する穴とを有し、更に、前記隈取りコイルは、前記本体部の内周面に沿って配置される内輪線と、前記本体部の外周面に沿って配置される外輪線と、前記各突起状磁極と鎖交するように前記内輪線と外輪線間を接続する接続線とを有し、また、前記多層コイル組立体は、前記突起状磁極の２倍の９０°ピッチに対応させて順次巻回方向を転換させて巻装する第１のコイルと、該第１のコイルと４５°
ピッチずらして順次巻回方向を転換させて巻装する第２
のコイルと、該第２のコイルと４５°ピッチずらして順次巻回方向を転換させて巻装する第３のコイルと、該第３のコイルと４５°ピッチずらして順次巻回方向を転換させて巻装する第４のコイルとを設ける。 その固定子の両面に対向して９０°ピッチで交互に極性が変わる永久磁石を有する回転子を配置し、起動及び自走運転を行なう。 【０００６】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。 本発明の移動磁界型磁石モータは、図１に示すように、固定子鉄心２と、隈取りコイルと、多層コイル組立体とからなる固定子１、該固定子１を挟むように配置される一対の回転子４０、固定子１の多層コイル２０を順次切換える起動用制御装置５０、固定子１
の多層コイル２０を順次切換える自走用制御装置６０、
回転軸３０が所定回転数に至ると起動運転から自走運転に切り換える運転モード切り換え装置７０とを具備する。 【０００７】図３乃至図５に示すように、前記固定子１
は、固定子鉄心２と、隈取りコイル１０と、多層コイル組立体２０とからなる。 その固定子鉄心２は、珪素鋼板からなる略ドーナツ形状の本体部３と、該本体部３の両面に４５°のピッチで放射状に形成される８個の突起状磁極４と、放射状に穿設された円周方向に所定幅を有する穴５とを有する。 その固定子鉄心２の本体３の内周面に沿って配置される内輪線１１と、固定子鉄心２の本体３の外周面に沿って配置される外輪線１２と、前記各突起状磁極４と鎖交するように内輪線１１と外輪線１２との間を接続する接続線からなる隈取りコイル１０が設けられる。 【０００８】そのように構成された固定子鉄心２に、突起状磁極の２倍のピッチ、つまり、９０°で順次巻回方向を転換させて第１のコイル（Ａコイル）２１を巻回する。 その上に、第１のコイル２１と４５°ずらして順次巻回方向を転換させて第２のコイル（Ｂコイル）２２を巻回する。 その上に、第２のコイル２２と４５°ずらして順次巻回方向を転換させて第３のコイル（Ｃコイル）
２３を巻回する。 最後に、一番上に第３のコイル２３と４５°ずらして順次巻回方向を転換させて第４のコイル２４（Ｄコイル）を巻回する。 【０００９】このようにして、固定子鉄心２に隈取りコイル１０と多層コイル組立体２０を有する固定子１が得られる。 この固定子１は適宜樹脂などで成形することがてきる。 次に、図１に示すように、回転子４０は、固定子１を挟むように、該固定子１の両側に配置される。 その回転子４０は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、回転軸３０に固定され、略ドーナツ形状の本体部４
１と、その本体部４１の固定子１と対向する側に前記第１乃至第４のコイル２１〜２４のピッチに対応して９０
°間隔で交互に極性が変わる永久磁石４２を配置する。 【００１０】次に、起動用制御装置５０は、図１に示すように、起動用整流子５１とこれに接触するブラシ５８
を有する。 その起動用整流子５１は、図６に示すように、絶縁体からなる面５２に裏側に配置される導電板５
９の導電面が区画されて露出するようになっている。 ５
３は内側のスリップリングであり、電源９０に接続される。 その内側から順に、ブラシ５８を介してＡコイル２
１の＋に接続される導電面５４、Ｂコイル２２の＋に接続される導電面５５、Ｃコイル２３の＋に接続される導電面５６、Ｄコイル２４の＋に接続される導電面５７が４５°の幅で円周上に順次配置される。 このように、絶縁体からなる面５２を区画するように、各コイルへ接続するための導電面５４〜５７が形成される。 この面へブラシ５８が接触することにより、このモータの起動時に電源９０からの電力をＡコイル２１−Ｂコイル２２−Ｃ
コイル２３−Ｄコイル２４と順次接続することにより、
直流ステッピングモータとして起動することができる。 【００１１】このような駆動方式のモータとしては、既に、本件出願人による特許出願である特願平２−２９７
２４９号において、固定子のコイルは２層形成であるが、交互にＮ極とＳ極を生じる円環状の固定子と、該Ｎ
極とＳ極に対応する磁極を有する永久磁石からなる回転子と、該回転子の回転軸の回転に同期して前記Ｎ極とＳ
極との極性の切り換えを行う制御手段と、起動時に移動磁界を発生する環状隈取りコイルを有する移動磁界型直流モータを提案している。 【００１２】次に、自走用制御装置６０は、図１に示すように、自走用整流子６１とこれに接触するブラシ６８
を有する。 その自走用整流子６１は、図７に示すように、絶縁体からなる面６２に裏側に配置される導電板６
９の導電面が区画されて露出するようになっている。 その内側から順に、ブラシ６８を介してＡコイル２１の＋
に接続される導電面６４、Ｂコイル２２の＋に接続される導電面６５、Ｃコイル２３の＋に接続される導電面６
６、Ｄコイル２４の＋に接続される導電面６７が９０°
の幅で円周上に順次配置される。 このように、絶縁体からなる面６２を区画するように、各コイルへ接続するための導電面６４〜６７が形成される。 つまり、互いに導電面６７と導電面６４と、導電面６４と導電面６５、導電面６５と導電面６６、導電面６６と導電面６７とは、
自走用整流子６１の４５°の回転角度においてブラシ６
８の接触により短絡されることになる。 したがって、自走用整流子の面へブラシ６８が接触することにより、図１７に示すように、Ｄコイル２４とＡコイル２１、Ａコイル２１とＢコイル２２、Ｂコイル２２とＣコイル２
３、Ｃコイル２３とＤコイル２４とが順次短絡される。 【００１３】また、モータが起動されて、回転軸３０の回転数が所定回転数に至ると起動運転から自走運転へと切り換える運転モード切り換え装置７０を設ける。 その運転モード切り換え装置７０は、回転軸３０に固定される円筒部材７１、回転軸３０の軸方向に摺動自在に係合する摺動円筒部材７４、円筒部材７１に一端を固定され、他端を摺動円筒部材７４に固定され、遠心力に応じて変位する重り７２を有する継手７３、摺動円筒部材７
４と回転軸３０の軸方向に摺動自在に支持されるブラシ保持体７６間に介在するブリッジ状アーム７５を具備する。 前記ブラシ保持体７６には、このモータの起動時に起動用整流子５１に接触するブラシ５８と、このモータの自走時に自走用整流子６１に接触するブラシ６８を有している。 また、ブラシ保持体７６の移動に応動して動作する応動スイッチ７７、その応動スイッチ７７の動作に基づいて開閉される電源スイッチ７８、自走のための回路側に設けられるスイッチ７９が設けられ、電源スイッチ（ＳＷ）７８と負荷側スイッチ（ＳＷ）７９は一方が閉じると、他方は開き、一方が開くと、他方は閉じるように連動して動作する。 【００１４】更に、回転軸３０の両端には軸受３１が設けられ、回転軸３０の出力側にはプーリ３２が設けられている。 また、９０は直流電源であり、例えば、電池が用いられる。 Ａ〜Ｄコイルの互いの間には雑音を防止のためのコンデンサ８０が接続される。 更に、上記隈取りコイル１０は絶縁被覆を有しない裸線を用いる必要がある。 そのため、特に、接続線１３によって永久磁石の磁束を切ることによる起電力の発生をなくす必要があり、そのために、隈取りコイル１０は固定子鉄心２の穴５内に配置して磁気的にシールドするように工夫している。 【００１５】次に、この実施例の移動磁界型永久磁石モータの動作について図１、図８〜図１８を参照しながら説明する。 まず、ＳＷ７８（図１参照）が閉じられると、起動用制御装置５０を介して、Ａ〜Ｄコイルに電流が流れ、隈取りコイル１０によって移動磁界が発生して、回転子４０は起動する。 そして、回転軸３０の回転速度が所定回転数以上になると、回転軸３０の遠心力により重り７２は外側に変位するため、継手７３は縮まり、摺動円筒部材７４は左側へと移動する。 すると、ブリッジ状アーム７５は左側へ移動するために、ブラシ保持体７６は左に移動して、自走用制御装置６０が駆動する。 ブラシ保持体７６の左へに移動に伴い、応動スイッチ７７は動作して、電源スイッチ７８をオフにすると共に、負荷側スイッチ７９がオンになる。 【００１６】このようにして、起動運転から自走運転へと切り換わる。 以下、自走運転について、図８〜図１８
を参照しながら詳細に説明する。 まず、回転子４０が電気角０°から４５°まで回転する場合は、図８に示すように、Ａコイル２１とＤコイル２４が自走用整流子６１
により短絡される。 すなわち、図１７（ａ）に示すように、Ａコイル２１は、電気角０°から９０°までは反時計方向（左）巻き、９０°から１８０°までは時計方向（右）巻き、１８０°から２７０°までは反時計方向（左）巻き、２７０°から３６０°までは時計方向（右）巻きのコイル配置となる。 一方、Ｄコイル２４はＡコイル２１とは４５°ピッチ進んだ巻回方向になっている。 つまり、Ｄコイル２４は、０°から４５°までは反時計方向（左）巻き、４５°から１３５°までは時計方向（右）巻き、１３５°から２２５°までは反時計方向（左）巻き、２２５°から３１５°までは時計方向（右）巻き、３１５°から３６０°までは反時計方向（左）巻きとなっている。 【００１７】次に、自走用整流子６１により、図１７
（ｂ）に示すように、Ａコイル２１とＢコイル２２とが短絡される。 次に、自走用整流子６１により、図１７
（ｃ）に示すように、Ｂコイル２２とＣコイル２３とが短絡される。 次に、自走用整流子６１により、図１７
（ｄ）に示すように、Ｃコイル２３とＤコイル２４とが短絡される。 【００１８】このように、順次２組のコイルが短絡される。 そこで、図１７（ａ）に返って、Ａコイル２１とＤ
コイル２４が短絡している場合、回転子４０の永久磁石４２が電気角０°を通過すると、その永久磁石４２がＮ
極である場合、そのＮ極の移動により、Ａコイル２１とＤコイル２４を組み合わせた等価なコイル９５には、図１８に示すような電流ｉが誘起される。 この誘起電流ｉ
により、図１８に示すような磁界が発生し、突起状磁極４にはＮ極が生じる。 このＮ極は永久磁石４２のＮ極と反発しあい、永久磁石４２は回転力を得る。 電気角１８
０°においても、同様であり、また、電気角９０°及び２７０°においても永久磁石４２の極性はＳ極に変わるが、コイル巻回方向が転換されるために、同様に永久磁石４２は回転力を得ることができる。 ここで、電気角０
°においては、隈取りコイル１０に生じる磁界により磁界は移動するため、永久磁石４２は電気角０°＋δ°に位置する。 そのために、図１６に示すように、その進み角に対応したコイルによる誘起電流ｉにより、永久磁石４２の回転力を得ることができる。 【００１９】このようにして、回転子４０は電気角０°
から４５°まで回転する。 なお、図１８においては、
実際に巻回される各コイルは図示されておらず、実際の回転子の永久磁石４２に作用する磁界の発生のみを等価なコイル９５を用いて示している。 次に、電気角４５°
から９０°までは、図９に示すように、Ａコイル２１とＢコイル２２とが自走用整流子６１により短絡され、図１７（ｂ）に示すように、誘起電流ｉを生じて永久磁石４２の回転力を得ることができる。 【００２０】次に、電気角９０°から１３５°までは、
図１０に示すように、Ｂコイル２２とＣコイル２３とが自走用整流子６１により短絡され、図１７（ｃ）に示すように、誘起電流ｉを生じて永久磁石４２の回転力を得ることができる。 次に、電気角１３５°から１８０°までは、図１１に示すように、Ｃコイル２３とＤコイル２
４とが自走用整流子６１により短絡され、図１７（ｄ）
に示すように、誘起電流ｉを生じて永久磁石４２の回転力を得ることができる。 【００２１】以下、順次、電気角１３５°から１８０°
までは、図１２に示すように、電気角１８０°から２２
５°までは、図１３に示すように、電気角２２５°から２７０°までは、図１４に示すように、電気角２７０°
から３１５°までは、図１５に示すように、電気角３１
５°から３６０°までは、図１６に示すように、それぞれ２組のコイルの短絡が行われて、誘起電流ｉが生じ、
回転子４０の永久磁石４２を持続回転することができる。 【００２２】このように自走運転を行うことができるが、負荷が過度にかかったり、故障により、自走運転による回転数が所定値より下がる場合には、図１に示すように、重り７２は内側に変位するため、継手７３は伸びて、摺動円筒部材７４は右側へと移動する。 すると、ブリッジ状アーム７５は右側へ移動するために、ブラシ保持体７６は右に移動して、起動用制御装置５０が駆動する。 したがって、起動運転に切り換わり、モータの回転をバックアップすることができる。 【００２３】また、自走運転を停止したい場合には、負荷側スイッチ７９をオフすることにより、停止することができる。 図１９は本発明の他の実施例を示す移動磁界型永久磁石モータの電子制御システムの構成図である。
この図において、１００は起動用整流子に代わる回転軸３０の一端に設けられる起動用ロータリーエンコーダ、
１０１はその起動用ロータリーエンコーダ１００に対向する光学式読取装置、１０２は自走用整流子に代わる回転軸３０の他端に設けられる自走用ロータリーエンコーダ、１０３はその自走用ロータリーエンコーダ１０２に対向する光学式読取装置である。 １１０は電子制御装置であり、ＣＰＵ１１１、入力インタフェース１１２，１
１３、メモリ１１４、出力インタフェース１１５、データ入力装置１１６などを有している。 １２０はスイッチング回路であり、電源９０の開閉及び固定子のＡ〜Ｄコイルへ短絡を行うためのスイッチング回路である。 【００２４】この実施例においては、回転軸３０の一端部に設けられるロータリーエンコーダ１００，１０２には、回転軸３０の回転角をコード化したパターン（図示なし）が形成されている。 そこで、起動運転の場合は、
図１９に示すように、回転軸３０の一端部に設けられるロータリーエンコーダ１００のコードを光学式読取装置１０１で読み取り、回転軸３０の回転角情報を電子制御装置１１０に読み込み、その出力された信号に基づいて、電源９０からの電力を、例えばトランジスタスイッチング素子を用いたスイッチング回路によりスイッチングを行い、固定子１のＡコイル２１乃至Ｄコイル２４への電流の制御を行うことができる。 【００２５】また、自走運転の場合は、回転軸３０の他端部に設けられるロータリーエンコーダ１０２のコードを光学式読取装置１０３で読み取り、回転軸３０の回転角情報を電子制御装置１１０に読み込み、その出力された信号に基づいて、上記したように、Ａコイル２１とＤ
コイル２４を、Ａコイル２１とＢコイル２２を、Ｂコイル２２とＣコイル２３を、Ｃコイル２３とＤコイル２４
をそれぞれ短絡して、回転子４０の回転を持続して、自走運転制御を行なう。 【００２６】 【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。 （１）起動が容易で、電源をオフにしても回転子の持続運転が可能なな省資源型のモータを得ることができる。 【００２７】（２）固定子を挟むように１対の回転子を対向させ、回転トルクを得るようにしているため、コイパクトな高トルク型のモータを得ることができる。 【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の移動磁界型磁石モータの全体構成図である。 【図２】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の構成図である。 【図３】本発明の移動磁界型磁石モータの固定子の固定子鉄心の平面図である。 【図４】その移動磁界型磁石モータの固定子の固定子鉄心の斜視図である。 【図５】その移動磁界型磁石モータの固定子の部分断面図である。 【図６】本発明の移動磁界型磁石モータの起動用整流子の平面図である。 【図７】本発明の移動磁界型磁石モータの自走用整流子の平面図である。 【図８】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の０°
−４５°回転機構の説明図である。 【図９】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の４５
°−９０°回転機構の説明図である。 【図１０】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の９
０°−１３５°回転機構の説明図である。 【図１１】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の１
３５°−１８０°回転機構の説明図である。 【図１２】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の１
８０°−２２５°回転機構の説明図である。 【図１３】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の２
２５°−２７０°回転機構の説明図である。 【図１４】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の２
７０°−３１５°回転機構の説明図である。 【図１５】本発明の移動磁界型磁石モータの回転子の３
１５°−３６０°回転機構の説明図である。 【図１６】本発明の移動磁界型磁石モータの各部の電流の波形図である。 【図１７】本発明の移動磁界型磁石モータの自走のための磁界の発生機構の説明図である。 【図１８】図１７の一部分拡大図である。 【図１９】本発明の移動磁界型磁石モータの制御部の他の実施例を示す構成図である。 【符号の説明】 １ 固定子 ２ 固定子鉄心 ３，４１ 略ドーナツ形状の本体部 ４ 突起状磁極 ５ 穴 １０ 隈取りコイル １１ 内輪線 １２ 外輪線 １３ 接続線 ２０ 多層コイル（多層コイル組立体） ２１ 第１のコイル（Ａコイル） ２２ 第２のコイル（Ｂコイル） ２３ 第３のコイル（Ｃコイル） ２４ 第４のコイル（Ｄコイル） ３０ 回転軸 ３１ 軸受 ３２ プーリ ４０ 回転子 ４２ 永久磁石 ５０ 起動用制御装置 ５１ 起動用整流子 ５２，６２ 絶縁体からなる面 ５３ スリップリング ５４，５５，５６，５７，６４，６５，６６，６７
導電面 ５８，６８ ブラシ ５９，６９ 導電板 ６０ 自走用制御装置 ６１ 自走用整流子 ７０ 運転モード切り換え装置 ７１ 円筒部材 ７２ 重り ７３ 継手 ７４ 摺動円筒部材 ７５ ブリッジ状アーム ７６ ブラシ保持体 ７７ 応動スイッチ ７８ 電源スイッチ（ＳＷ） ７９ 負荷側スイッチ ８０ コンデンサ ９０ 電源 ９５ 等価なコイル １００ 起動用ロータリーエンコーダ １０１ 光学式読取装置 １０２ 自走用ロータリーエンコーダ １０３ 光学式読取装置 １１０ 電子制御装置 １１１ ＣＰＵ １１２，１１３ 入力インタフェース １１４ メモリ １１５ 出力インタフェース １１６ データ入力装置 １２０ スイッチング回路 |
