回転子に永久磁石を用いた小形モータ

(1)

U.D.C.る21.313.84

回転子に永久磁石を用いた小形モータ

Small-Size

Motorwith

Permanent

Magnet

Used

on

Rotor

池

上

_和.一*

KazutoshiIkegaml

内

容

梗

概

永久磁石をロータとした小形モータについて主としてトランジスタな川いたものにつき一冬種の実例不ごふけてその動作原坪をjもべ,永久磁石をロータとしたときの諸問題につき検汁む加え,設計上の旺ノ音などについて記した｡

1.緒

日永久磁石を回転機に応用したものに,マグネトー,自転車ランプなどの発電枚が最も古くから知られているが,電動械に応用されたのほオモチャを除いてはあまり見受けられなかった｡従来ほ,時計用,電池式カミソリなどのきわめて小形のものに利用されていたが, 最近はテープレコーダー,8ミリカメラ,ポータブルレコードプしノーヤーなどにマイクロモータはきわめて多量に用いられるようになった｡しかし,いずれもきわめて小出力のものばかりである｡ごく最近に至って数10Wのものが作られ始めたが,その群由は,磁石の性能の向上により励磁の必要がなくなったため効率が向上したことと,価格低廉なためである｡これらのモータは固定界磁として永久磁石を用いたものばかりで,こカtらモータに応用する場合の設計法,または,問題ノ烹についてはすでに多数の文献があるので,改めて述べる必要はないと思うが,回転子に永久磁石を用いた場合について,記述する∩

2.永久磁石回転子形モータ

この種モータには大別して二つの形式がある｡一つは同期電動機形で,小形交流モータとしては,誘導電動機よ i)効率がよい｡しかし回転速度が一▲定で電源の周波数がきまると速度な連続的に変えられないし,起動トルクを大きくできない欠点がある｡また,最近自動車または電池などを用いた移動用としては, 交流電源がないので直接利用できない｡そこで,トランジスタにrt るインノミータで交流を発生させる方法が考えられた｡弟1図はインバータ形トランジスタモータで,2偶のトランジスタ'rR.,TR2によりプッシュプル発振一得を形成しており,電磯子は発振器の変圧器の代わりをする｡Ll,L2はコレクタに接続されたインダクタソスで,これにトランジスタのコレクタ電流が流れると誘起起電力がコイルの両端に発生し,それぞれ反対側のトランジスタのベースに帰還されて発振する｡Cは進相コンデンサで,回転磁界を発生させる｡起動時は電機子鉄心の飽和によるロイヤー発振器として飽和特性によって定まる低周波発振周波数の交流磁界が発生するが,永久磁石回転子が回転を始めると発振周波数は回転了･の回転に同期するので,負荷による回転数がある程度変化しても同期が古よずれることはない｡このモータは,慣性の小さいロータでは起動できるが,大形のものでは起動が困難である｡この起動の問題を解決するため種々の二仁夫がなされている(1)｡回転了▲に永久磁石を用いず普通の誘導電動機の回転子を用いたものは効率が悪いが起動が容易なので,アメリカ (2)などで実用化されはじめた｡もう一つの形式は,分巻電動機としての回転界磁形モータである｡電機子を固定子とし,ロータを永久磁石とすれば,ロータに電力を日立製作所中央研究所し1 1+1 I‖ Ⅰく】 R? -仰 I+1 TR-TR｡第1固イソバータ形トラソジスタモータ 0二二二晃子剰コイル Tl･S

∈罰

検J壬1コイJL 第2[埼勃起勤形トラソジスタキータ供給する必要がないので,刷丁やスリップリングをなくし,無刷千化することができる｡このモータの無刷子化ということは重要な意義をもつ｡まず,火花がまったくなくなり,そのた材)火花による有害な電磁波の発生がなくなる｡これは,エレクトロニクス応用機器には,しばしば要求される｡また,火花による引火,またはカーボン,金属粉末の発生なども,それぞれの用途に有害な場合があろう｡機械的な接触,摩擦は刷子整流子の摩耗をきたし,やがてモータの寿命を決定する最大の要因となる｡刷子電動機の整流作用を無接触で行なう方法については,トランジスタの発明により,フラソスのLEON tlATOT社(3〕や,川原田

政太郎氏(4)により,1953∼1955年ごろより開発が行なわれ始めた｡

その原理を舞2図により簡単に説明すると,回転子に永久磁石を用い,この軸に取り付けられたもう一つの永久磁石が回転することにより,そのまわりにある検出コイルに発生した起電力がトラソジスタをスイッチングし,はじめの回転を助けるような馬区動電流を電機子に流すことによりモータが回転する｡このような誘起起電力による紫流作用は起動時には行なわれないので起動しないかF)叶撚機関と同様に析軌紫野が必要である｡これ

(2)

¶152-回

転

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_石 _を _用い _た

小

形

モータ 1163 Ll｡.1 噸 T1 0.015/Jl一､

…官話串

n.1/JF rr】 rrR15 2()k〔2. 200 0.1/ノF 100土2 Ⅰ一2 100pF T2 1一｡ I+3 一.に横/▼巻線第3岡 _{ホー/し素子モータ}

T=MH†1一(濃い)i

U _O.5Hcr _Hcr H 第6凶磁界とト′レクの関係 (トルクは任意スケー′し) を解決するため弟3図のホール素+ニモータ(5)(6)や,弟4 図の高周波検出モータ(7)(8-,弟5図の光スイッチングモータ(9)(10)が考えられたく) これらのモータには,ほとんど永久磁川上j】転千が使用される｢､そこで回転子としての磁て了に要求される特性について,次に述べることとする｡

3.永久磁石ロータの特性

電磁前の代わりに永久磁モiをモータに川いたとき,最もii三意を要するノ､■こミは,過大電流が電機子に流れた場令であろう(一同期電動機に二机､ては交流なので,電庁が過大にならなければそれほど閃踵とはならない｡起動の際も何らかの起動法が講ぜられているかF),過大電流ほ流れない｢,しかし分答電動機においては,端1二電圧と回転数との関係は,Ⅴ:外部端丁電口三(Ⅴ),√∴ 電楼†一電流(A),7′′∼:電機丁･机杭((い,￠:1秘)†1たり〝)綴火(wl))とLたとき,卜】1転数(l-pm) 八7ほ Ⅳ=〟Ⅴニムト′ ￠一般にⅤ≫1小であるか1､ブ

Ⅳ=仔ヤ▼ヱ_

_￠となケ),回転数は印加電托に比例する｡それゆえ,この形のモータにおし､ては在巻電動棟の場合と異なf), 電圧印加と同時にその電圧の速度に達するように慣性にさからって過大電流が流れる｡この過大電流は,永久磁石を減磁させるとともに磁極の移動を起こさせ,無負荷回転数が上井し,遂にはモータとして使用できなくなる｡この過大電流を防止するための起動抵抗が必要となる｡また,過負荷の際もまったく同様で,負荷の大小は回転数にほ無関係で電機子電流のみに関係するから,前述同様の過大電流が永久磁石を減磁して失速させる｡この場合の失速とはい1懐三が止まるばかりでなく,トルクがほとんどなくなることで,電動機の焼損,またはスイッチング半導体素子の破損をきたすきわめて危険な状態を意 1.12.13MArL7L8,9 L6L5

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ト∴て1l 好 l + TR｡'rR4 2SA15 T｡

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50kQ O.01/JF 10k占2 → 1` TRl k 2 0 〃一 +‖JL 8占 T｡ TR2 11R-i 5k且2 1N34A 2Sl)77 TR7 100￡之 ′l'R9 ′rRl｡ TR,2 第4図高周波検出モータ ◆.し粍j■巻 ()

〈二⊃

CdS 心EiJ‡去J ∵′私財 )､､ 2SB89 2SB84 TR5 L仙 TR8 _し2巳 11ロ I+ TR‖ TR‖

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T 祈5Lズl光`トビ宗十環ご用いたモータ味する｡このような胤喚からモータを保護するために磁石に要求される特竹三を葬る図(12)について.掛明する〔1 凧よ侶機J'一電流による磁卯の漁さと,永久磁石に働くトルクとの関係をホすもので,仙線上のノ∴げまでほなんF)問題はないが,Pノ∴く不ごこえると1E搬｢′劇如こよる磁化が永久磁ポの磁化を移動させるので,このような動作範帥にほいるとトルクは減少し再びもとに戻らなくなるr,実川上,Pノ1くは0.4∼0.5Hcr.に設定するのが通常である｡このHcr.は,球,またはlリ筒状磁石においては,械磁柵線の Hcに等しいが棒状,または磁化と向角方向にえぐられた舞9図(c) (d)のような形状の場合はHcより大きな値となる｡減磁曲線におけるHcが大きくなれば,動作範閃は広くなるのでBmとともに Hcが大であることが望ましい｡円転了に永久磁石を用いた場合, Hcの小さい鋳造磁石の場合は,その形状に円筒状は適さない｡またその形状を￣1二夫しても過負荷に対して前述の失速の危険がある｡これらの特性のうち,モータに最も適したものとしてほ,弟7図に見られるように減磁曲線が急に降下しないようなもの,すなわち, 白金コバルト磁石ということになるが,価格の点では他の磁石と比べて問題とならないほど高価である｡したがって,バリウムフェラ

イトが用いられることになろう｡この場合は磁束密度はアルニコな

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1164 _{昭和40年6月} 立

_評

_論

第47巻第6号パーーミアンス係数 p 10 20､ 2.0､ 1.5､ l.0- 0,5-F l a 人下 5 y8 B 人‖ C｡ル C｡作C｡ 1ni.朋山心L A V A 界P A ロリ C D E 5,000 4,000 3,000 2,000 トIc _{xlO3()ersle(1} 1.00〔I 第7図磁性材料の減磁曲線第1表強度計算式の _例 A B 4 2 0 ハXU ∽肌コ吋じ昌一X 一皿 +Ⅴ｡(rpm)×104 2 1 3 (EU)一班♯去払1u 0 0 0 ⊂J 4 3 0 7 一--- + 1⊥ 0.5 1

申｢

滋二滋荻/ l 市l 州 l ₊ a α=て r〔kg/cm3〕l打0〔kg/cm2〕 3 2 一一 M M B C Y Y 一一〇〇 × × 0 5 5 7 0 0 3 0 0 3･｡3甘14･3一占

4･｡1一遇∂

叩∂15･7一∂ どに比べ半分ほどなので効率は望めないが高速回転に適する｡バリウムフェライトはまた絶縁体なので,うず電流損はまったくなく,この点からも高速回転に有利である｡しかし強度の点に問題がある｡そこで,回転数はどれだけ上げられるかを次章に述べることにする｡

4.永久磁石ロータの強度

ロータの強度は形状によりそれぞれ計算されなければならないが,ここでは高速回転用として,特にバリウムフェライトを使用した場合について考える｡この種の磁石ほ,着磁力向の長さをきわめて小さくできるため円筒状のままで使用できるからこの最も単純な形状を取り上げることにする｡第9図(a)のような｢∫]筒形物体のl叫転による半径γにおける半径方向,および接線方向応力を,それぞれげr,のとすれば次のように表わされる｡第8図 3十/∠

げr=1盲￣7一山ノ2

2 4 7 10 回転数 ×10,000rpm 破壊値グラ

(紬2-γ2一一撃-)

の=晋r`り2(糾2-1諾γ2＋一里㌢)

ここで, γ α ∂ 単位体積の重量(kg/cm3) 内半径(cm) 外半径(cm) 20 /∠:ホアソン比山:回転角速度(rad/s) 伊:重力の加速度(cm/s2) また,その最大値をそれぞれげ川aX,のl｡｡Ⅹ とすれば,最大値は

おのおのγ=､/石衣

γ=αの点で与えられ,のn-aX>げrmaxなのでの血aX のノニミで破壊されると従来いわれてきた｡しかし最近バリウムフェライトのようなもろい材料の破壊に対してはGrammelの提唱した平均応力説(11)を引用したほうが適当であろう｡すなわち,接線方向の応力の平均値が材料の引張強さに等しくなったとき,円筒の破壊が生ずるものと考え,平均応力をげm｡こ1｡とすれば

げmean=石工∼三のdr=J諾2-(1十叶α2)

○)l01)○

ヱノ/

＼＼､､二

(a) (b)

O

N (d) re) 第9国ロータの _形 _状 S (c)

⑳

rf) -154-ただし,α二α/∂,回転数を〃(rpm)とおくと(〟二2打〃 /60であるから,引張強さをグー,とし,げ0=げ｡､｡a】､なる回転数を∧㌧とすれば,これがこの材料のr-1筒を回転したときの破壊回転数となる｡

〃c=一昔J高

ここで,フェライト磁石YBM-3と,鋳造磁石YCM-2の場合について計算すると舞1表のようになり,これをグラフに示すと第8図のようになる｡国中○印はバリウムフェライトロータで実際に回転させた例であり,×印は実際に破壊した例を示す｡以上述べたことから,バリウムフェライトロータほ誘導電動機のロータに比べ,構造は簡単であるが機械的強度が弱いので,径を小さく軸方向に長く設計しなければならない｡

5.永久磁石ロータの形状

ロータの形状は,バリウムフェライトのような磁化方

(4)

回

転

子

に

永

久

磁

石

_を

用

い _た

小

形

モータ向の長さが短くてよいものと,アルニコなどのように長くしなければならない場合があり,種々な形状が考えられる｡バリウムフェライトはほとんど弟9図(a)のような円筒形であり,ときには円筒の磁極と直角方向をそりおとした形状(b)のものが見られるが,アルニコの場合はこれをもっとくぼませた形(c)(d)などが望ましい｡其方性の磁石を作る場合,作F)やすい軸並行に着磁しヨークを付けたもの(f)がアルニコ,バリウムフェライト両者に見られる｡この一例を弟10図のトランジスタモータに示す｡ 1165 起動装置 AC 卓検出コイルLl Trs Amp担柑各 TRS 猷勅コイルL2

法這∴言冒ヲ竺萎還芸冒苦言藷孟志望話芸芸

ますます発展するであろう｡トランジスタは次第に耐ノモ

晦

の高いものが作られるようになってきたので,この種モータの能率を高めることになり,さらに大形のものを作るのにきわめて有望である｡永久磁石も新しい材料が開発されつつあるので近い将来,まったく変わった新しいモータが身近に出現することになろう｡終わりに,フェライトマグネットの強度,および永久磁石の特性について示唆をいただいた中央研究所感江,三上両ユニットリーダに感謝の意を表す｡ (1) (2) 参木村,米光,小林 3.(昭36-9) John R.Riggo: RIL1963) 芳文献 :NationalTechnicalReport p.291,7. ELECTRO-TECHNOLOGY p,118(AP-特許弟421327号 345 678910 ロmタマグネソト

盛

L2 R

(訪

L. 第10図時計用トランジス _タモータ 1 2 1 1 エドアルト･ディーチュ:特許公報(昭3ト6288) 川原田:特許公報(昭32-9820) ELECTRONICS APRIL6,1962p.60-61BrushlessD-C Motor Uses Hall-E‡Fect Devices.

武安,沼倉,大島,上村:電学連合大会880(昭40-4)

池上:電学東海支部連合大会 _{s-3-6(昭38-10)}

池上:電子工業p.49(昭38-10)

伴:特許公報(昭38-5904)

Pbilip A.Studer:NASA TECHNICAL NOTE D-2108

(FEBRUARY1964)

機械設計(下) R本機械学会依械要素部門委員会編

G.Robinson:Preprint Vol.1,36.1,InternationalCon-ference on Magnetism _and Crystallography(1961)

特

許

の

紹

介

銅系溶浸材を含浸せしめた鉄系焼結体の製造方法

-･椴に,鉄多孔質焼結体に銅および銅合金をそれら金属の溶敵l三( u_1二で溶浸を行なって,すなわち毛細管現象によって焼結体の祭礼を埋め,完全にち解な復行介金を作る￣方法が￣l二業的に実施さjLているr-この方法を採用することによ---Jて,鉄焼結体のみでほリ1張り強さがたかだか20∼25kg/mm2群度で,伸び1%以￣Fのものしか得られなかったのを,引張り強さ40∼45kg/mm2,伸び5%以__Lの強じんな材料を得ることができる｡しかし従来のものにおいてほ,溶泣付すなわち納または銅合金が溶浸後焼結体の表面に付着し(これを一般に残さいという)容易にはく離せず,これがため仕_Lに非常な工数を必要とするはかりか, 焼結体表面肌を悪くする欠点があった｡本発明は,上記欠点を解除L,かつまた引張り強度のすく､'れたものを料ようとするもので,溶浸材の納または銅合金巾に0.1∼5′%のアルミニウムを添加したものである｡ここでアルミ _{ニウム0.1∼5%としたのほ,0.1%以￣卜ではその効} 果少なく,他方5%′以上では伸びが5%以下と著しく低下するためである｡宮崎睡･竹内久祐本発明によれは,残さいはく郎は,ただ単に焼結体の衣血の付着物を千でかき取る村度の作業で済み,このことは,ア′レミニウムを添加したものは非常にはく離作業が容易であることを示す｡また図の比較(弟1図は従来,弟2図は本発明のもの)からも明らかなように,本発明になるものは,残さいはく離後の焼結体表而が非常に美しい〔また引触り強さを,アルミニウム2%添加ではで52kg/mm2, 3%では55kg/mm2,5%では60kg/mm2と著しく向上することができる｡ (郷古) 第1図第2図

(5)

1166

特

許

と

新

案

された

日

_{立製作所の特許}

_竺更生+_____j

称 314629 314630 314631 314632 314633 314634 314635 414636 314637 314834 314835 314836 314837 314838 314839 314840 314951 314971 314972 314973 314974 314975 314976 315098 315099 315100 425530 425531 425532 425533 425534 425535 425536 425537 425538 425539 425540 425541 425542 425543 425544 426218 426219 426220 426221 426222 426223 426224 426225 426226 426227 ′ナ･Jグ.汁与ウニ拭机分【l･】抑制御装Fどょ変じ ■■ソ触ジンハノーRl l二｢‖lゝ =勺〃恥レ人刑舛H十山∴ 換装罪亡ニュ信装 r許ンス哨幅法話ン励搬力J( 多 ∫i止蝕ノノ式 Lニトl;比リ _ソl ヰ窪心袋帯非対称マ ′し _-f- ノこナナし一夕杓変化変換 1き旨 l･ランシス叩り路の温l隻柑什純恨装粁 l】`t進Jliト1止β】1■古間把用 r右ア▲帯電機先光変調方式原了▲ か燃 f斗要素能動素r▲による/ヤー _{レ･-ク構成ノノ法} 非相反J凹両ノブ向増幅岩:‡ 多段式時分割交換性に放ける墟枚方式ェレクトロ′しミネセンス発光仮の￣を竺作刀法自動車駐 _車装置自助申駈申装荷 lてl朝丘通セノレプラソ￣7式プレ=キ弁スケ ′し渋滞管系臣受収ハ稚詞御積継卜遊変制保ン動ノ度動差符ブ虻連山口変七発光面の発光伸線 j白跡ノブ式トラグ _グ等の操縦装陀半導体装置広也用｢千金徴郁男易胤織を有する鋳鉄鋳物を製造するプ了法車棚用電動発掘梯装【左ベーーメートロンのX線,′■モi一子線切換賂配荷芯粒子線装隈静 ′仁丘塗着法自動電圧調整依の過調整時に於ける停1_l二装置変流発電機電屯先刻三 .レ型旺調整塵方静電器装置法電 J]〉 _機置装速加子粒電叫何軌拒敷白文電子子線線加加二l二申法ディジタ/し一アナログ変換器車輪荷虫調整装置可変プログラム装置液面計電磁流血計空文己遮断貨き壬操作装置空太遮断諸:子の開閉操作介装掟磁界型 ′正子顕徽窟互実験用原子炉悦子燃料体の享担造法代名 _{;特許若菜録rl} 一■糾小北木氾桃叫叶小敏ヰ‥M伴内杜絶沢金小小才徳街中藤中巾巾磯加加阿品鳥竹綾川…外小岡大付■ハ岡藤竹常長柳高森木諌旭松松村茂一辻桑井真鈴成金前沢木柴山古高什上一二岩内斎巾小島松柏仲仲木片米甲和牧飯捕村が1村村辺川杵人沢永藤橋野人藤川H千村村田永永山岡野村村町腱膝上木谷木藤水岡沢野m島本域内払…井村山村早上村口山木木原上柄木凹子川田村田崎寺木桐田浦田海藤村橋田原松野野村桐納野井塚山J 左H 久

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㌔l三……≡…三

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弔暗.一浩吉日大雄勇.掛大志

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1特許登録[J

39. 6.22 4 5 6 〃〃 4 9 9 3 3 39. 4.17