(57)【要約】【課題】ループ状の巻線を持つモータの３相のインピーダンスのアンバランスを低減すること、そして、モータの効率を向上すること。【解決手段】３相の３個のループ状巻線に対し、それぞれの位相の磁束Φｕ、Φｖ、Φｗが鎖交する様な３相の磁路があり、各３相の磁路は、それぞれ各３相のステータ磁極へ接続してモータを構成する。その各３相の磁路は、電磁鋼板の折り曲げ構成等で作り、多極のステータ磁極を持つモータ構成とし、各相の磁路は２個以上の同相のステータ磁極の磁束を一つの磁路に集めることにより、他の相の磁路と相互に接近することなく、３次元形状の３相磁路を構成する。【選択図】図１
2010148267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｕ相のステータ磁極Ｊｕと、
このＵ相のステータ磁極Ｊｕを通る磁束Φｕが鎖交するループ状の巻線Ｌｕと、
Ｖ相のステータ磁極Ｊｖと、
このＶ相のステータ磁極Ｊｖを通る磁束Φｖが鎖交するループ状の巻線Ｌｖと、
Ｗ相のステータ磁極Ｊｗと、
このＷ相のステータ磁極Ｊｗを通る磁束Φｗが鎖交するループ状の巻線Ｌｗとを備えることを特徴とするモータ。
【請求項２】
ステータの主な磁気回路が電磁鋼板を折り曲げて形成していることを特徴とする請求項１に記載したモータ。
【請求項３】
前記ループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗをほぼ並行に配置し、
これらの各相のループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗが鎖交する前記磁束Φｕ、Φｖ、Φｗの方向とが同一方向となる構成であることを特徴とする請求項１または２に記載したモータ。
【請求項４】
前記ループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗをほぼ並行に配置し、
これらの各相のループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗが鎖交する前記磁束Φｕ、Φｖ、Φｗの方向とが同一方向ではない相を含み、この同一方向ではない相の巻線について巻き始めと巻き終わりとを逆にすることを特徴とする請求項１または２に記載したモータ。
【請求項５】
永久磁石の表面の磁束Φｋと裏面の磁束Φｐとを活用できる構成のロータと、
前記永久磁石の表面に対向したＵ相ステータ磁極Ｓｕｋと、
前記永久磁石の裏面に対向したＵ相ステータ磁極Ｓｕｐと、
前記Ｕ相ステータ磁極Ｓｕｋを通る磁束Φｕｋと前記Ｕ相ステータ磁極Ｓｕｐを通る磁束Φｕｐとを合わせて通過させる磁路Ｊｕと、
前記永久磁石の表面に対向したＶ相ステータ磁極Ｓｖｋと、
前記永久磁石の裏面に対向したＶ相ステータ磁極Ｓｖｐと、
前記Ｖ相ステータ磁極Ｓｖｋを通る磁束Φｖｋと前記Ｖ相ステータ磁極Ｓｖｐを通る磁束Φｖｐとを合わせて通過させる磁路Ｊｖと、
前記永久磁石の表面に対向したＷ相ステータ磁極Ｓｗｋと、
前記永久磁石の裏面に対向したＷ相ステータ磁極Ｓｗｐと、
前記Ｗ相ステータ磁極Ｓｗｋを通る磁束Φｗｋと前記Ｗ相ステータ磁極Ｓｗｐを通る磁束Φｗｐとを合わせて通過させる磁路Ｊｗとを備えることを特徴とする請求項１または２に記載したモータ。
【請求項６】
永久磁石ＰＭ１の表面の磁束Φ１ｋと裏面の磁束Φ１ｐとを活用できる構成のロータＲ１と、
前記永久磁石ＰＭ１の表面に対向した第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと、
前記永久磁石ＰＭ１の裏面に対向した第１相のステータ磁極Ｓ１ｐと、
前記第１相のステータ磁極Ｓ１ｋを通る磁束Φ１ｋと前記第１相のステータ磁極Ｓ１ｐを通る磁束Φ１ｐとを合わせた磁束Φ１を通過させる磁路Ｊ１と、
前記第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと電気角で１８０°異なる位相に配置された第２相のステータ磁極Ｓ２ｋと、
前記第１相のステータ磁極Ｓ１ｐと電気角で１８０°異なる位相に配置された第２相のステータ磁極Ｓ２ｐと、
前記第２相のステータ磁極Ｓ２ｋを通る磁束Φ２ｋと前記第２相のステータ磁極Ｓ２ｐを通る磁束Φ２ｐとを合わせた磁束Φ２を通過させる磁路Ｊ２と、
第１相の磁束Φ１に鎖交するループ状の巻線と、
前記第１相および前記第２相と同様の磁路とループ状巻線およびロータを備えることを特徴とするモータ。
【請求項７】
永久磁石ＰＭ１の表面の磁束Φ１ｋと裏面の磁束Φ１ｐとを活用できる構成のロータＲ１と、
前記永久磁石ＰＭ１の表面に対向した第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと、
第１相の磁束Φ１に鎖交するループ状の巻線Ｌ１と、
前記永久磁石ＰＭ１の裏面に対向し、前記第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと電気角で９０°位相の異なる磁束Φ３を通過させる第３相のステータ磁極Ｓ３ｐと、
第３相の磁束Φ３に鎖交するループ状の巻線Ｌ３と、
前記永久磁石ＰＭ１の表面に対向し、前記第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと電気角で１８０°異なる位相に配置された第４相のステータ磁極Ｓ４ｋと、
前記永久磁石ＰＭ１の裏面に対向し、前記第３相のステータ磁極Ｓ３ｐと電気角で１８０°異なる位相に配置された第５相のステータ磁極Ｓ５ｐと、
前記第４相のステータ磁極Ｓ４ｋと前記第５相のステータ磁極Ｓ５ｐとの磁束Φ４とΦ５とを合わせて通過させる磁路Ｊ４５とを備えることを特徴とするモータ。
【請求項８】
ロータに対向した第６相のステータ磁極Ｓ６と、
この第６相のステータ磁極Ｓ６とは位相が電気角で９０°異なる第７相のステータ磁極Ｓ７と、
前記第６相のステータ磁極Ｓ６とは位相が電気角で１８０°異なる第８相のステータ磁極Ｓ８と、
前記第６相のステータ磁極Ｓ６とは位相が電気角で２７０°異なる第９相のステータ磁極Ｓ９と、
前記第６相のステータ磁極Ｓ６を通る磁束Φ６と前記第７相のステータ磁極Ｓ７を通る磁束Φ７とに鎖交するループ状の巻線Ｌ６７と、
前記第７相のステータ磁極Ｓ７を通る磁束Φ７と前記第８相のステータ磁極Ｓ８を通る磁束Φ８とに鎖交するループ状の巻線Ｌ７８とを備えることを特徴とするモータ。
【請求項９】
Ｕ相のステータ磁極Ｊｕと、
このＵ相のステータ磁極Ｊｕを通る磁束Φｕが鎖交するループ状の巻線Ｌｍと、
Ｖ相のステータ磁極Ｊｖと、
Ｗ相のステータ磁極Ｊｗと、
このＷ相のステータ磁極Ｊｗを通る磁束Φｗが鎖交するループ状の巻線Ｌｎとを備え、  前記Ｖ相のステータ磁極Ｊｖを通る磁束Φｖと前記磁束Φｕおよび前記磁束Φｗとが合成され、
前記Ｕ相のステータ磁極Ｊｕ、前記Ｖ相のステータ磁極Ｊｖ、前記Ｗ相のステータ磁極Ｊｗとその磁束を通過させる磁気回路が電磁鋼板を折り曲げて形成されていることを特徴とするモータ。
【請求項１０】
前記ステータ磁極のロータに面する部分がスリットなどにより電気的に２方向に分離された構成であることを特徴とする請求項１乃至請求項９に記載した何れかのモータ。
【請求項１１】
各相のステータ磁極が２枚以上の電磁鋼板で構成され、
前記ステータ磁極のロータに面する部分の各電磁鋼板が電気的に相互に分離されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９に記載した何れかのモータ。
【請求項１２】
前記ステータ磁極のロータに面する部分の前記各電磁鋼板がスリットなどにより電気的に２方向に分離された構成であることを特徴とする請求項１１に記載したモータ。
【請求項１３】
前記ステータ磁極のロータに面する部分の前記各電磁鋼板の側面が前記ロータに面した構成であることを特徴とする請求項１１に記載したモータ。
【請求項１４】
ロータに対向する前記ステータ磁極および前記ステータ磁極に繋がる磁路が電磁鋼板の部分的な曲げ加工により磁束の通過する方向の磁路断面積が大きくなった構成、あるいは、電磁鋼板が重ねられて磁路断面積が大きくなった構成であることをことを特徴とする請求項１乃至請求項１３に記載した何れかのモータ。
【請求項１５】
同相の２個以上のステータ磁極を通る磁束をまとめた統合磁路を介して他の相のステータ磁極へ磁気的に接続する構成であることを特徴とする請求項１乃至請求項１４に記載した何れかのモータ。
【請求項１６】
前記ステータ磁極のロータに対向する部分の形状がロータ軸方向に対称の形状であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項６乃至請求項１３に記載した何れかのモータ。
【請求項１７】
ほぼ単一の電磁鋼板から成形加工、折り曲げ加工等によりロータに面する各相のステータ磁極と歯およびバックヨーク等のステータの大半の磁路を構成することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項６乃至請求項１３に記載した何れかのモータ。
【請求項１８】
正側の端子Ｔ１と負側の端子Ｔ２とを持つ正電源と、
正側の端子Ｔ３と負側の端子Ｔ４とを持つ負電源と、
前記端子Ｔ２とＴ３とを接続した出力端子Ｔ５と、
シリーズに接続された２個のトランジスタＴＲ１、ＴＲ２で、前記ＴＲ１のコレクタが前記端子Ｔ１に接続され、前記ＴＲ１のエミッタと前記ＴＲ２のコレクタとが相互に接続されて出力端子Ｔ６を構成し、前記ＴＲ２のエミッタが前記端子Ｔ４に接続され、
シリーズに接続された２個のトランジスタＴＲ３、ＴＲ４で、前記ＴＲ３のコレクタが前記端子Ｔ１に接続され、前記ＴＲ３のエミッタと前記ＴＲ４のコレクタとが相互に接続されて出力端子Ｔ７を構成し、前記ＴＲ４のエミッタが前記端子Ｔ４に接続され、
３相モータあるいは２相モータの３端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷの内、前記端子ＴＵが前記出力端子Ｔ６に接続され、前記端子ＴＶが前記出力端子Ｔ５に接続され、前記端子ＴＷが前記出力端子Ｔ７に接続されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項６乃至請求項１３に記載した何れかのモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車やトラック等に搭載されるモータおよびその制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３相交流モータは従来より広く使用されている。図４３はその概略的な構成を示す縦断面図の例である。５１１はモータ出力軸、５１２はロータコア、５１９はロータ表面に取り付けられたＮ極永久磁石およびＳ極永久磁石、５１３は軸受け、５１４はステータコア、５１５は巻線のコイルエンド、５１６はモータケースである。
図４４は図４３の断面ＡＡ−ＡＡを示す横断面図である。このモータは、３相交流、４極、６スロットであり、巻線は短節巻き、集中巻きである。
ＴＢＵ１、ＴＢＵ２はＵ相のステータ磁極、ＴＢＶ１、ＴＢＶ２はＶ相のステータ磁極、ＴＢＷ１、ＴＢＷ２はＷ相のステータ磁極である。
各相のステータ磁極には巻線を巻回していて、ＷＢＵ１、ＷＢＵ２はＵ相巻線、ＷＢＶ１、ＷＢＶ２はＶ相巻線、ＷＢＷ１、ＷＢＷ２はＷ相巻線である。５１７はＮ極の永久磁石、５１８はＳ極の永久磁石である。
【０００３】
図４３、図４４に示すモータは、各ステータ磁極と永久磁石５１７、５１８との間の吸引力、反発力を各相巻線の電流を制御することにより制御し、ロータを回転させることが出来る。
図４５は巻線図であり、横軸にステータの回転方向の各位置θｅｒを電気角角度で示している。なお、このモータは４極のモータの例なので０°から７２０°で示している。ＵはＵ相巻線の端子でＵ相電流Ｉｕが通電され、ＶはＶ相巻線の端子でＶ相電流Ｉｖが通電され、ＷはＷ相巻線の端子でＷ相電流Ｉｗが通電され、Ｎは３相Ｙ結線の中性点である。  図４３から図４６に示した表面磁石型のブラシレスモータは、優れたモータとして広く活用されている。しかし、各巻線は、図４４、図４５に示すように、各相の歯であるステータ磁極へ個々に巻回している。比較的に単純な構成のモータであるが、さらなる簡素化も期待される。
【特許文献１】特開平６−２６１５１３号公報（図１、図４）
【０００４】
次に、他のモータの縦断面図の例を図４６に示す。３相、８極のモータの例である。５４１はロータ軸、５４２はロータの永久磁石、５４３はモータケース、５４４はステータコアのバックヨーク部である。５４９はＵ相のステータ磁極、５４ＡはＶ相のステータ磁極、５４ＢはＷ相のステータ磁極である。５４５は負のＵ相巻線で、ほぼ円周上に、ループ状に巻回している。５４６は正のＶ相巻線、５４７は負のＶ相巻線であり、同様に、ループ状の形状をしている。５４８は正のＷ相巻線である。なお、負の巻線とは、正の巻線に対して逆方向に巻回している巻線を指す。すなわち、逆向きの電流を流す巻線と言い換えることも出来る。
【０００５】
図４６のモータの各相のステータ磁極のロータに面する形状と各巻線との関係を図４７に示す。５４９はＵ相のステータ磁極のロータに面する円周方向の形状を直線展開した図である。紙面の水平方向がモータの円周方向である。モータの１周にＵ相ステータ磁極５４９を４個配置している。同様に、５４ＡはＶ相のステータ磁極であり、５４ＢはＷ相のステータ磁極である。
Ｕ相ステータ磁極５４９とＶ相ステータ磁極５４ＡとＷ相ステータ磁極５４Ｂとは相対的に、相互に、電気角で１２０°ずつ円周方向にずれている。機械角では３０°ずつ円周方向にずれている。また、図４７の紙面で上下方向はモータのロータ軸方向であり、図４６では各相のステータ磁極が各相ごとにロータ軸方向にずれた例を示している。
【０００６】
ステータ磁極の配置を図４７の配置とし、図４３から図４５に示したモータと同一の動作原理で回転トルクを発生するためには、図４７の実線と破線で示す巻線とし、３相電流を通電すれば良い。
まず、Ｕ相巻線は経路（１）を通り、左端のＵ相ステータ磁極に所定の巻回数Ｎｎだけ巻回する。そして、巻線の渡り線（２）を通って、左から２番目のＵ相ステータ磁極へ所定の巻回数Ｎｎだけ、経路（３）、（４）、（５）、（６）に沿って巻回する。そして、巻線の渡り線（７）を通って、左から３番目のＵ相ステータ磁極へ所定の巻回数Ｎｎだけ、経路（８）、（９）、（１０）に沿って巻回する。最後に、左から４番目のＵ相ステータ磁極へ同様に巻回し、３相星形結線の中心点であるＮへ接続する。
【０００７】
Ｖ相についても同様に、Ｖ相巻線を経路（１１）を通り、左端のＶ相ステータ磁極に所定の巻回数Ｎｎだけ巻回する。そして、巻線の渡り線（１２）を通って、左から２番目のＶ相ステータ磁極へ所定の巻回数Ｎｎだけ、経路（１３）、（１４）、（１５）、（１６）に沿って巻回する。そして、巻線の渡り線（１７）を通って、左から３番目のＶ相ステータ磁極へ所定の巻回数Ｎｎだけ、経路（１８）、（１９）、（２０）に沿って巻回する。最後に、左から４番目のＶ相ステータ磁極へ同様に巻回し、３相星形結線の中心点であるＮへ接続する。
【０００８】
Ｗ相についても同様に、Ｗ相巻線を経路（２１）を通り、左端のＷ相ステータ磁極に所定の巻回数Ｎｎだけ巻回する。そして、巻線の渡り線（２２）を通って、左から２番目のＷ相ステータ磁極へ所定の巻回数Ｎｎだけ、経路（２３）、（２４）、（２５）、（２６）に沿って巻回する。そして、巻線の渡り線（２７）を通って、左から３番目のＷ相ステータ磁極へ所定の巻回数Ｎｎだけ、経路（２８）、（２９）、（３０）に沿って巻回する。最後に、左から４番目のＷ相ステータ磁極へ同様に巻回し、３相星形結線の中心点であるＮへ接続する。
図４７のこのような構成の時、図４５と巻回数Ｎｎが同じであるとして、また、各相ステータ磁極とロータの永久磁石とが円周方向に同一の位相であると仮定すれば、各ステータ磁極とロータの永久磁石との間に作用する円周方向のトルク生成に関する電磁力は、図４５と図４７は同一の関係であると言える。
【０００９】
次に、図４７の各巻線に流れる電流の電磁気的な作用の詳細について考える。経路（１）と経路（３）へは同一の電流が逆方向に流れることになり、経路（１）と経路（３）の電流が発生する磁界の強さＨはキャンセルされているので、電磁気的な作用はしておらず、両電流を通電する必要はない。経路（５）と経路（８）等についても同様である。
そして、３相の各ステータ磁極に繋がるバックヨークまでの磁路が図４６のように構成しているが、経路（６）、（１０）の部分は磁路の外側に配置されているので、経路（６）、（１０）に流れる電流が作用する磁界の強さＨは、それらの巻線の周囲の空気部と直列に接続された磁気回路に作用することになる。従って、空気部の磁気抵抗は大変大きいので、経路（６）、（１０）に流れる電流がモータの磁気回路に作用する影響力はほとんど無く、経路（６）、（１０）の巻線及び電流は不要であると言える。経路（６）、（１０）等のコアの外部の巻線は省略することが出来る。
【００１０】
次に、Ｖ相について考える。経路（１１）と経路（１３）へは同一の電流が逆方向に流れることになり、経路（１１）と経路（１３）の電流が発生する磁界の強さＨはキャンセルされているので、電磁気的な作用はしておらず、両電流を通電する必要はない。経路（１５）と経路（１８）等についても同様である。経路（１６）と経路（２０）および経路（１４）と経路（１９）については、Ｕ相の場合とは異なり、これら４つの経路がステータコアの内部に配置していて、各ステータ磁極に起磁力を作用しているので、いずれも省略することは出来ない。
【００１１】
次に、Ｗ相について考える。経路（２１）と経路（２３）へは同一の電流が逆方向に流れることになり、経路（２１）と経路（２３）の電流が発生する磁界の強さＨはキャンセルされているので、電磁気的な作用はしておらず、両電流を通電する必要はない。経路（２５）と経路（２８）等についても同様である。経路（２６）と経路（３０）については、Ｕ相の経路（４）、（９）と同様に、ステータコアの内部に配置していて、各ステータ磁極に起磁力を作用しているので省略することは出来ない。経路（２４）と経路（２９）については、Ｕ相の経路（６）、（１０）と同様に、コアの外部に配置しているので、これらの巻線は省略することが出来る。
【００１２】
以上の結果、各ステータ磁極の円周方向の間に配置された巻線は省略することが出来るので、図４７に示す巻線は、６個の円周方向に巻回されたスープ状の巻線で代用することが出来る。さらに、ロータ軸方向の両端の２個のループ状巻線は、ステータの磁気回路の外側に配置されることになり、ステータ内の電磁気的作用にほとんど影響しないので、省略することが出来る。その結果、４個のループ状巻線は、図４６のループ状巻線５４５、５４６、５４７、５４８の様にすることができる。これらの巻線を直線状に展開した構成を図４９に示す。横軸は機械角で示し、破線はステータに対向する永久磁石５４２のイメージである。
【００１３】
次に、図５０に図４９の巻線を簡略化した図を示す。巻線５４５と５４６は同一空間に配置される巻線なので、一つのループ状巻線に統合し、図５０のループ状巻線５７１とすることが出来る。巻線５７１へは巻線５４５へ流すべき電流（−Ｉｕ）と、巻線５４６へ流すべき電流（Ｉｖ）とを算術的に加算して電流Ｉｍを通電すれば良い。
Ｉｍ＝（−Ｉｕ＋Ｉｖ）………………………………………………………………（１）
同様に、巻線５４７と５４８は同一空間に配置される巻線なので、一つのループ状巻線に統合し、図５０のループ状巻線５７２とすることが出来る。巻線５７２へは巻線５４７へ流すべき電流（−Ｉｖ）と、巻線５４８へ流すべき電流（Ｉｗ）を算術的に加算して電流Ｉｎを通電すれば良い。
Ｉｎ＝（−Ｉｖ＋Ｉｗ）………………………………………………………………（２）
上記の結果、巻線が簡素化され、モータの製作が容易化でき、ジュール損も２５％低減でき、モータ効率が向上する。
【００１４】
図４６のモータ縦断面形状は、図５１のような縦断面形状となり、巻線５７１、５７２を簡素化することが出来る。ループ状巻線の具体的な形状は、例えば、図４６のループ状巻線５４５の例で、図４８の様な形状となる。図４８の左図を右側から見た形状が右図である。簡素な構成なので、従来の各歯のそれぞれに巻回する巻線に比較して、製作が容易である。
図５０、図５１の各巻線の電圧、電流、巻線の結線方法の例を図５２に示す。３相のデルタ結線の内、一つの線が欠けた構成である。モータの端子５９１、５９２、５９３へ供給する電流は、Ｉｍ＝−Ｉｕ＋Ｉｖ、Ｉｏ＝−Ｉｗ＋Ｉｕ、Ｉｎ＝−Ｉｖ＋Ｉｗであり、平衡３相電流である。
Ｉｏ＝−Ｉｗ＋Ｉｕ＝−Ｉｍ−Ｉｎ…………………………………………………（３）
電圧も各巻線のインピーダンスドロップ分を除けば平衡３相電圧である。なお、小型のモータの場合、モータ電圧の内、インピーダンスドロップ分の比率が大きくなり、電圧のアンバランスの問題が発生する場合がある。
【特許文献２】特許第４００７３３９号（図１、図１１、図１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の課題は、３相モータのステータを、高効率化、小型化、低コスト化することである。特に、小型のモータで、電磁鋼板の折り曲げ加工を活用した３次元的磁気回路の構成により、モータの簡素化、高性能化、低コスト化を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、３個のループ状巻線と各ループ状巻線に鎖交する磁路を構成するモータとする。具体的には、Ｕ相のステータ磁極Ｊｕと、このＵ相のステータ磁極Ｊｕを通る磁束Φｕが鎖交するループ状の巻線Ｌｕと、Ｖ相のステータ磁極Ｊｖと、このＶ相のステータ磁極Ｊｖを通る磁束Φｖが鎖交するループ状の巻線Ｌｖと、Ｗ相のステータ磁極Ｊｗと、このＷ相のステータ磁極Ｊｗを通る磁束Φｗが鎖交するループ状の巻線Ｌｗとで構成するステータである。ロータは表面磁石型ロータあるいは磁石内蔵型ロータなどが使用できる。  また、ステータの主な磁気回路およびステータ磁極を、電磁鋼板を折り曲げて形成して使用することが出来る。少し具体的には、平板の電磁鋼板素材に、打ち抜き加工、成形加工、折り曲げ加工、絞り加工などを加えることが出来る。これらの加工の組み合わせにより、３次元的な磁路の形状を比較的容易に実現する。
【００１７】
前記ループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗをほぼ並行に配置し、これら各相のループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗが鎖交する磁束Φｕ、Φｖ、Φｗの方向とが同一方向となる構成とする。言い換えると、ループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗへ３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを通電したとき、ロータのロータ軸方向へ印加される起磁力が、３相電流の相殺作用により、零となる構成である。
前記ループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗをほぼ並行に配置し、これら各相のループ状の３相巻線Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗが鎖交する磁束Φｕ、Φｖ、Φｗの方向とが同一方向ではない相を含み、この同一方向ではない相の巻線について巻き始めと巻き終わりとを逆にする構成とする。そして、磁気回路を構成する上で都合の良い電流方向を選択することにより、磁気回路を簡素化できる構成とする。
【００１８】
板状の永久磁石の表側の磁束と裏側の磁束の両方を活用することにより、高トルクなモータを実現する。具体的には、永久磁石の表面の磁束Φｋと裏面の磁束Φｐとを活用できる構成のロータと、永久磁石の表面に対向したＵ相ステータ磁極Ｓｕｋと、永久磁石の裏面に対向したＵ相ステータ磁極Ｓｕｐと、Ｕ相ステータ磁極Ｓｕｋを通る磁束ΦｕｋとＵ相ステータ磁極Ｓｕｐを通る磁束Φｕｐとを合わせて通過させる磁路Ｊｕと、永久磁石の表面に対向したＶ相ステータ磁極Ｓｖｋと、永久磁石の裏面に対向したＶ相ステータ磁極Ｓｖｐと、Ｖ相ステータ磁極Ｓｖｋを通る磁束ΦｖｋとＶ相ステータ磁極Ｓｖｐを通る磁束Φｖｐとを合わせて通過させる磁路Ｊｖと、永久磁石の表面に対向したＷ相ステータ磁極Ｓｗｋと、永久磁石の裏面に対向したＷ相ステータ磁極Ｓｗｐと、Ｗ相ステータ磁極Ｓｗｋを通る磁束ΦｗｋとＷ相ステータ磁極Ｓｗｐを通る磁束Φｗｐとを合わせて通過させる磁路Ｊｗとを備える構成とする。巻線に鎖交する磁束が２倍になると、理論的にはトルクが２倍になり、見方を変えるとジュール損が１／４になると見ることもできる。磁石に作用する起磁力は、磁石の表側と裏側とで異なる場所に作用するので、磁石も有効に活用できる。
【００１９】
板状の永久磁石の表側の磁束と裏側の磁束の両方を活用する単相のモータユニットを２個以上組み合わせることにより、２相モータ、３相モータ等を構成することが出来る。具体的には、永久磁石ＰＭ１の表面の磁束Φ１ｋと裏面の磁束Φ１ｐとを活用できる構成のロータＲ１と、永久磁石ＰＭ１の表面に対向した第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと、永久磁石ＰＭ１の裏面に対向した第１相のステータ磁極Ｓ１ｐと、第１相のステータ磁極Ｓ１ｋを通る磁束Φ１ｋと第１相のステータ磁極Ｓ１ｐを通る磁束Φ１ｐとを合わせた磁束Φ１を通過させる磁路Ｊ１と、第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと電気角で１８０°異なる位相に配置された第２相のステータ磁極Ｓ２ｋと、第１相のステータ磁極Ｓ１ｐと電気角で１８０°異なる位相に配置された第２相のステータ磁極Ｓ２ｐと、第２相のステータ磁極Ｓ２ｋを通る磁束Φ２ｋと第２相のステータ磁極Ｓ２ｐを通る磁束Φ２ｐとを合わせた磁束Φ２を通過させる磁路Ｊ２と、第１相の磁束Φ１に鎖交するループ状の巻線と、第１相および第２相と同様の磁路とループ状巻線およびロータで構成することが出来る。なお、単相のモータユニットを内径側と外径側とに配置することも出来る。
【００２０】
前記の２相モータに比較して、発生トルクは減少するが、磁気回路が簡素化するモータを構成することが出来る。具体的には、永久磁石ＰＭ１の表面の磁束Φ１ｋと裏面の磁束Φ１ｐとを活用できる構成のロータＲ１と、永久磁石ＰＭ１の表面に対向した第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと、第１相の磁束Φ１に鎖交するループ状の巻線Ｌ１と、永久磁石ＰＭ１の裏面に対向し、第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと電気角で９０°位相の異なる磁束Φ３を通過させる第３相のステータ磁極Ｓ３ｐと、第３相の磁束Φ３に鎖交するループ状の巻線Ｌ３と、永久磁石ＰＭ１の表面に対向し、第１相のステータ磁極Ｓ１ｋと電気角で１８０°異なる位相に配置された第４相のステータ磁極Ｓ４ｋと、永久磁石ＰＭ１の裏面に対向し、第３相のステータ磁極Ｓ３ｐと電気角で１８０°異なる位相に配置された第５相のステータ磁極Ｓ５ｐと、第４相のステータ磁極Ｓ４ｋと第５相のステータ磁極Ｓ５ｐとの磁束Φ４とΦ５とを合わせて通過させる磁路Ｊ４５とで構成する。
【００２１】
ループ状巻線と電磁鋼板を折り曲げた構成の磁路とで２相モータを構成することが出来る。ロータは表面磁石ロータ、埋込磁石型ロータなどである。具体的には、ロータに対向した第６相のステータ磁極Ｓ６と、この第６相のステータ磁極Ｓ６とは位相が電気角で９０°異なる第７相のステータ磁極Ｓ７と、第６相のステータ磁極Ｓ６とは位相が電気角で１８０°異なる第８相のステータ磁極Ｓ８と、第６相のステータ磁極Ｓ６とは位相が電気角で２７０°異なる第９相のステータ磁極Ｓ９と、第６相のステータ磁極Ｓ６を通る磁束Φ６と第７相のステータ磁極Ｓ７を通る磁束Φ７とに鎖交するループ状の巻線Ｌ６７と、第７相のステータ磁極Ｓ７を通る磁束Φ７と第８相のステータ磁極Ｓ８を通る磁束Φ８とに鎖交するループ状の巻線Ｌ７８とで構成する。このモータの駆動は、２相のインバータ以外に、３相のインバータでも駆動することが出来る。その場合には、２相の巻線を３相巻線の合成として構成することにより実現できる。
【００２２】
ループ状の２個の巻線と電磁鋼板の折り曲げ構成とで３相モータを実現することが出来る。具体的には、Ｕ相のステータ磁極Ｊｕと、このＵ相のステータ磁極Ｊｕを通る磁束Φｕが鎖交するループ状の巻線Ｌｍと、Ｖ相のステータ磁極Ｊｖと、Ｗ相のステータ磁極Ｊｗと、このＷ相のステータ磁極Ｊｗを通る磁束Φｗが鎖交するループ状の巻線Ｌｎとを備え、Ｖ相のステータ磁極Ｊｖを通る磁束Φｖと磁束Φｕおよび磁束Φｗとが合成され、Ｕ相のステータ磁極Ｊｕ、Ｖ相のステータ磁極Ｊｖ、Ｗ相のステータ磁極Ｊｗとその磁束を通過させる磁気回路が電磁鋼板を折り曲げて形成する。
【００２３】
電磁鋼板の折り曲げ構成でロータに対向するステータ磁極を構成する場合、その部分での渦電流及びその損失が問題となる。この対応として、スタータ磁極のロータに面する部分がスリットなどにより電気的に２方向に分離した構成とすることにより、渦電流損の小さいステータ磁極を構成することが出来る。
同様に、バックヨーク側の磁路の接続部での渦電流も問題となる。この対応として、各電磁鋼板にスリットを加えた構成とする方法、電磁鋼板を互い違いに磁路の方向へずらして突き合わせる方法、例えば４枚の電磁鋼板の磁路の場合に、交互に重ね合わせて部分的には８枚の板が積層されるような構造とする方法、例えば４枚の電磁鋼板を階段状に突き合わせて積層する方法などがある。
【００２４】
ステータの磁路を折り曲げた電磁鋼板を積層して構成する場合、ロータに対向するステータ磁極での渦電流損が問題となる。この具体的な対策として、ステータ磁極のロータに面する部分の各電磁鋼板が電気的に相互に分離する構成とすることにより、渦電流損の小さいステータ磁極を構成することが出来る。
さらに、ステータ磁極のロータに面する部分の各電磁鋼板がスリットなどを付加することにより、渦電流損の小さいステータ磁極を構成することが出来る。
なお、ロータに面する部分のステータ磁極の形状を簡素化する等の目的で、ステータ磁極のロータに面する部分の各電磁鋼板の側面がロータに面した構成とすることも出来る。  平板状の電磁鋼板の素材を有効に、歩留り良く活用する種々工夫が可能である。具体的には、ロータに対向するステータ磁極およびステータ磁極に繋がる磁路が電磁鋼板の部分的な曲げ加工により磁束の通過する方向の磁路断面積が大きくなった構成、あるいは、電磁鋼板が重ねられて磁路断面積が大きくなった構成とすることが出来る。
【００２５】
ループ状巻線を使用したモータ構成では、３次元的な構成をした磁路間の漏れ磁束の低減がピークトルクを得るために、また、力率を良くするために重要な点である。各相の磁路間の距離が小さくならないような工夫が必要である。具体的な対応策として、同相の２個以上のステータ磁極を通る磁束をまとめた統合磁路を介して他の相のステータ磁極へ磁気的に接続する構成とすることが出来る。
モータのロータ軸方向の振動、騒音を低減するためには、ステータ磁極のロータに対向する部分の形状がロータ軸方向に対称の形状とすることが効果的である。
特に、小型のモータでコスト要求の高い用途では、電磁鋼板の素材を歩留り、部品点数、製作工程数などの観点で効果的に製作する必要がある。具体的には、単一の電磁鋼板から成形加工、折り曲げ加工等によりロータに面する各相のステータ磁極と歯およびバックヨーク等のステータの大半の磁路を構成することが出来る。
【００２６】
特に、小型のモータでは、コスト的な視点で、モータの駆動法についても工夫が必要である。具体的な例として、正側の端子Ｔ１と負側の端子Ｔ２とを持つ正電源と、正側の端子Ｔ３と負側の端子Ｔ４とを持つ負電源と、端子Ｔ２とＴ３とを接続した出力端子Ｔ５と、シリーズに接続された２個のトランジスタＴＲ１、ＴＲ２で、ＴＲ１のコレクタが端子Ｔ１に接続され、ＴＲ１のエミッタとＴＲ２のコレクタとが相互に接続されて出力端子Ｔ６を構成し、ＴＲ２のエミッタが端子Ｔ４に接続され、シリーズに接続された２個のトランジスタＴＲ３、ＴＲ４で、ＴＲ３のコレクタが端子Ｔ１に接続され、ＴＲ３のエミッタとＴＲ４のコレクタとが相互に接続されて出力端子Ｔ７を構成し、ＴＲ４のエミッタが端子Ｔ４に接続され、３相モータあるいは２相モータの３端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷの内、端子ＴＵが出力端子Ｔ６に接続され、端子ＴＶが出力端子Ｔ５に接続され、端子ＴＵが出力端子Ｔ７に接続された構成とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００２８】
本発明は、ループ状の簡素な構成の巻線で、電磁鋼板の折り曲げ加工、成形加工、絞り加工などを応用した磁気回路構成を具体的に実現するモータである。特に、小型のモータの場合、その特徴を発揮しやすく、モータの簡素化、高性能化、低コスト化を実現する。  図１に本発明の実施例を示す。３相、１６極のモータであり、１１４はロータのＮ極永久磁石、１１５はロータのＳ極永久磁石である。図５に横軸をロータの電気角の回転角として、ロータのＮ極１５１、Ｓ極１５２の円周方向を直線展開した配置構成の例を示す。  図１において、１１６はＵ相のステータ磁極、１１７はＶ相のステータ磁極、１１８はＷ相のステータ磁極であり、これらの３相のステータ磁極は、図１の反時計回転方向のＣＣＷの同一円周上に８対、配置している。
【００２９】
図４に横軸をロータの電気角の回転角として、Ｕ相のステータ磁極１４１、Ｖ相のステータ磁極１４２、Ｗ相のステータ磁極１４３の円周方向を直線展開した配置構成の例を示す。各相のステータ磁極は、永久磁石１１４、１１５と対向していて、モータ電流により起磁力を発生することにより、電磁気的吸引力、反発力によりトルクを生成する。これらの３相のステータ磁極のバックヨーク側の磁路の接続、および、ループ状の巻線とその通電電流との関係について、以下に種々の構成を示す。これらの相対的な関係が、ロータとステータとの間の電磁気的な作用を決める。また、ロータは表面磁石型のロータを示しているが、磁石内蔵型ロータなど他の形式のロータへも適用できる。
【００３０】
図２は、各相のステータ磁極と通過する磁束と３相モータ電流の関係を定性的に示している。１２４はＵ相のステータ磁極、１２５はＶ相のステータ磁極、１２６はＷ相のステータ磁極であり、これらの３相のステータ磁極は、図１の１１６、１１７、１１８に相当するもので、モータの同一円周上に順に配置する。ロータの永久磁石は、対向する各相のステータ磁極磁束Φを供給する。１２１はＵ相の磁路であり、磁束Φｕが通っている。１２２はＶ相の磁路であり、磁束Φｖが通っている。１２３はＷ相の磁路であり、磁束Φｗが通っている。これらの３相の磁束Φｕ、Φｖ、Φｗは、例えば、磁束集合点ＭＮで合わされ、総合計が零となる。
Φｕ＋Φｖ＋Φｗ＝０…………………………………………………………………（４）
３相の磁束Φｕ、Φｖ、Φｗは、図２に示すように、それぞれに相互に鎖交するように３相巻線が巻回され、３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが通電される。例えば、磁路１２１と電流Ｉｕが相互に鎖交している。平衡３相電流の場合は、総合計は零である。
Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０…………………………………………………………………（５）
【００３１】
式（４）、式（５）および図２の関係は、従来モータである図４３、図４４および図４７についても同じである。図２の関係を構成し、ロータの磁石１１４、１１５と各相のステータ磁極１２４、１２５、１２６の間に電磁力を発生させる。
図６は、図１のモータの円周方向断面をイメージ的に透視した図で、概念的に表した図である。１６４はロータの永久磁石で、１６５はロータであり、紙面における１６５の下辺はロータの回転中心線である。１６１はＵ相のステータ磁極で、１６２はＶ相のステータ磁極で、１６３はＷ相のステータ磁極であり、この図は円周方向の断面を表すので、実際には３相のステータ磁極が重なっているのであるが、この紙面で上下に分離して１６１、１６２、１６３を示している。図６のように示すことにより、各相のステータ磁極とそれぞれの磁路との概念的関係を視覚的に表現することが出来る。
【００３２】
１６７はループ状のＵ相巻線であり、Ｕ相電流Ｉｕが通電される。このＵ相電流Ｉｕは、磁路１６６を通るＵ相磁束Φｕと鎖交している。１６９はループ状のＶ相巻線であり、Ｖ相電流Ｉｖが通電される。このＶ相電流Ｉｖは、磁路１６Ｂを通るＶ相磁束Φｖと鎖交している。１６Ａはループ状のＷ相巻線であり、負のＷ相電流−Ｉｗが通電される。この負のＷ相電流−Ｉｗは、磁路１６Ｃを通るＷ相磁束Φｗと逆方向に鎖交している。ここで、式（４）の関係から、負のＷ相電流−Ｉｗは、Ｕ相磁路１６６を通るＵ相磁束ΦｕとＶ相磁路１６Ｂを通るＶ相磁束Φｖと鎖交していると考えても等価である。３相の３個のループ状巻線に対し、それぞれの位相の磁束Φｕ、Φｖ、Φｗが鎖交するステータ磁極の位置と磁路を構成している。
【００３３】
次に、図１、図６に示す各相の磁路およびバックヨーク部の形状を図３、図７、図８、図９に示し、説明する。
図６の各相のループ状巻線１６７、１６９、１６Ａを図４８に示すような簡素な構成のループ状巻線とするので、その結果、各相の磁路は３次元的な形状となり、複雑化する。図４４に示す従来モータのステータ５１９の様に、同一形状の電磁鋼板をロータ軸方向に積層したような単純形状とはならない。しかし、小型のモータであれば、電磁鋼板の折り曲げ加工、成形加工、絞り加工などを応用して、量産正の良い安価なステータコアを構成することが出来る。図６に示す３相の磁路を実現する上での課題は、各相の磁路断面積を確保して磁気飽和させずに必要な磁束を通すこと、各磁路間の漏れ磁束をモータ動作上不都合の発生しない程度に低減することである。もし、各相の磁路が磁気飽和すれば、各相の電流の起磁力が磁気飽和部に印加されることとなり、モータのピークトルクが低下し、モータが大型化することになる。また、各磁路間の漏れ磁束が増加すれば、モータの力率が低下し、前記の磁気飽和を誘発することとなり、モータのピークトルクが低下し、モータが大型化する。
【００３４】
この問題の具体的な対策は、図１に示すように、また、図３の部分的拡大図に示すように、同相の２個のステータ磁極を一つの磁路に合わせて統合し、ステータ背部のバックヨークの部分での各相磁路の間のスペースを大きくする方法である。１１１はＵ相磁路、１１２はＶ相磁路、１１３はＷ相磁路で、それらの間の間隔１３１、１３２を大きくできていることが分かる。各磁路が接近するバックヨーク部での間隔１３１、１３２を大きく取れるので、十部な磁路断面積の確保と各相磁路間の漏れ磁束の低減とが可能となっている。なお、図１、図３では２個の同相のステータ磁極の磁束を一つの磁路に集めているが、３個以上の同相のステータ磁極の磁束を一つの磁路に集めても良い。磁路間の間隔をより大きくすることが出来る。
【００３５】
次に、図１のＡＵ−ＡＯの断面の図を図７に示す。１７１はロータのＮ極永久磁石である。１６１はＵ相のステータ磁極で、１６６はＵ相の磁路である。１６ＤもＵ相の磁路で、１６６へ磁気的に繋がっている。１６８はＷ相のステータ磁極１６８とＵ相磁路１６Ｄとが接続された後の磁路であり、Ｖ相の磁路でもある。これらの磁路全体の接続関係は図６に示す関係である。
次に、図１のＡＶ−ＡＯの断面の図を図８に示す。１８１はロータのＳ極永久磁石である。１６２はＶ相のステータ磁極で、１６ＢはＶ相の磁路である。１６６はＵ相の磁路である。
次に、図１のＡＷ−ＡＯの断面の図を図９に示す。１９４はロータのＳ極永久磁石である。１６３はＷ相のステータ磁極で、１６ＣはＷ相の磁路である。１９１はＶ相の磁路で、１９３と１９２の電磁鋼板が密着して平行に配置し相互に磁束が通過できるようにしている。図７、図８、図９は、図１の部分的な断面だけを示しているので分かりにくいが、図１および図６と組み合わせて見るとその構成が分かる。３相のループ状巻線と各磁路とが鎖交するように、また、各磁路間の間隔を大きくし、漏れ磁束が小さくなるように構成している。
【００３６】
次に、図１から図９に示す３個のループ状の巻線を持ち、３相の巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと３相の各相の磁束Φｕ、Φｖ、Φｗとがそれぞれ鎖交するモータについて、その電磁気的作用および特徴について説明する。ここでは、原理的なモデルについて考えることとし、ロータは永久磁石がロータ表面に配置された表面磁石ロータの構成で、ステータ側の漏れ磁束は無いものとし、巻線抵抗は無視して零とし、軟磁性体の鉄損も零と仮定して、簡略化して説明する。
また、図５１、図５２に示した２個のループ状巻線を持つ従来モータについて考える。このモータの電流は、（１）式、（２）式で表され、３相電流としては、これらの電流に加え、（３）式の電流が印加される。５４９をステータ側からロータ側へ通過する磁束をΦｕ、５４Ｂをステータ側からロータ側へ通過する磁束Φｗとする。この時の入力パワー、出力パワーＰ２は、図５１の巻線と磁路との関係から次のように書ける。
Ｐ２＝−ｄ（Φｕ）／ｄｔ×（−Ｉｕ＋Ｉｖ）
＋ｄ（Φｗ）／ｄｔ×（−Ｉｖ＋Ｉｗ）……………………………………（６）
＝ｄ（Φｕ）×Ｉｕ＋（−ｄ（Φｕ）／ｄｔ−ｄ（Φｗ）／ｄｔ）Ｉｖ
＋ｄ（Φｗ）／ｄｔ×Ｉｗ
＝ｄ（Φｕ）／ｄｔ×Ｉｕ＋ｄ（Φｖ）／ｄｔ×Ｉｖ
＋ｄ（Φｗ）／ｄｔ×Ｉｗ……………………………………………………（７）
【００３７】
次に、図５１、図５２に示した２個のループ状巻線を持つ従来モータと比較して、図１から図９に示す３個のループ状巻線を持つモータの作用、特徴を考える。図６の原理的な入力パワー、出力パワーＰ３は、図６の巻線と磁路との関係から次のように書ける。
Ｐ３＝ｄ（Φｕ）／ｄｔ×Ｉｕ＋ｄ（Φｖ）／ｄｔ×Ｉｖ
＋ｄ（−Φｗ）／ｄｔ×（−Ｉｗ）
＝ｄ（Φｕ）／ｄｔ×Ｉｕ＋ｄ（Φｖ）／ｄｔ×Ｉｖ
＋ｄ（Φｗ）／ｄｔ×Ｉｗ……………………………………………………（８）
（７）式と（８）式は、同じ値となるので、入力パワー、出力パワーは原理的に同じである。
次に、両モータの銅損について比較する。図５１のモータの巻線断面積をＳ２、巻回数をＮ２とし、巻線抵抗をＲ２とすると、このモータのジュール損Ｊ２は次式となる。
Ｊ２＝（３-0.5×Ｉｏ）2 ×Ｒ２×２
＝６×（Ｉｏ）2 ×Ｒ２…………………………………………………………（９）
ここで、２個の巻線に流れる電流は、（１）式、（２）式より、相電流実効値Ｉｏの３-0.5倍としている。
【００３８】
一方、図６のモータの巻線は、合計の巻線断面積（２×Ｓ２）が同じで、巻回数Ｎ３＝Ｎ２と同じであるとすると、各相巻線の抵抗値Ｒ３は、Ｒ２の３／２となる。
Ｒ３＝３／２×Ｒ２…………………………………………………………………（１０）
図６のモータのジュール損Ｊ３は、次式となる。
Ｊ３＝（Ｉｏ）2 ×Ｒ３×３
＝（Ｉｏ）2 ×３／２×Ｒ２×３
＝９／２×（Ｉｏ）2 ×Ｒ２…………………………………………………（１１）
（１１）式のジュール損は、（９）式のジュール損の７５％であり、図６のモータは、図５１のモータに比較して、ジュール損を２５％低減できることになり、モータの高効率化が可能である。
ジュール損について、図４３のモータ、図４６のモータ、図５１のモータ、図６のモータを比較する。今、モータのロータ軸方向厚みが小さい、偏平なモータに限って比較すると、図４６のモータは、図４３のモータに比較して、図４７で説明したように巻線の簡素化および一部削除が可能であり、図４６のモータの方がジュール損が小さい。
図５１のモータは、図４６のモータに比較して、同一巻線に合成した電流を通電できるので、ジュール損が２５％小さい。先に説明したように、図６のモータは、図５１のモータに比較して、ジュール損が２５％小さい。
【００３９】
次に、図５１の巻線インピーダンスのアンバランスに関する問題について説明する。
小型のモータで、低コスト要求の強い用途では、モータを駆動するインバータに簡単な構成のものを使用することがある。電圧のパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）を行わず、矩形波電圧で駆動することがある。また、モータ電流の検出、モータの回転位置検出、速度検出を行わないで駆動することもある。その様な用途では、図５１、図５２に示すような３相、２線式のモータは、３相の入力端子からみたインピーダンスがアンバランスで、３相電流がアンバランスとなり、出力の低減の問題、振動と騒音の問題が発生することがある。特に小型のモータの電圧成分は、逆誘起電圧成分に比較してインピーダンス電圧降下の成分が大きくなる傾向があり、小型のモータで、インピーダンスのアンバランスの問題が顕著になる傾向がある。
この問題に対し、図６のモータは、巻線のインピーダンスのアンバランスが小さく、このアンバランス問題を解決することが出来る。先に述べたように、原理的にジュール損も２５％低減できる。従って、図６に示すモータは、特に小型で偏平なモータにおいて競争力を発揮できるモータである。ただし、モータの簡素さにおいては、図５１のモータを電磁鋼板の折り曲げ構成とした、後で述べる図２３のモータの方が簡素な構成である。
【００４０】
図６の構成は、変形することも可能である。図１０に図６の構成を変形した例を示す。  ２０１はＵ相磁路で、２０２はＵ相巻線である。２０３はＶ相磁路で、２０４はＶ相巻線である。磁束が鎖交する方向が、Ｕ相の関係に対し逆なので、Ｖ相巻線２０４の巻き始めと巻き終わりを逆にする必要がある。言い換えると、電流は負のＶ相電流−Ｉｖを通電することと等価である。２０５はＷ相磁路で、２０６はＷ相巻線である。Ｖ相と同様に、負のＷ相電流−Ｉｗを通電する。
図１１に図６の構成を変形した他の例を示す。図１１に比較し、Ｖ相巻線２１４とＷ相巻線２１７の形状が変化している。２１１はＵ相磁路で、２１２はＵ相巻線である。２１３はＶ相磁路で、２１４はＶ相巻線である。２１６はＷ相磁路で、２１７はＷ相巻線である。２１８は、Ｕ相磁路とＶ相磁路とが合わさる場所で、２１９はＶ相磁路と他の磁路とが合わさる場所である。
【００４１】
次に、各相の磁束と電流とが鎖交する方向について考える。
図６、図１０、図１１に示した構成では、いずれかの相が負の電流であると説明した。これは巻線に鎖交する磁束の方向が逆になっているからである。各相の巻線と鎖交する磁路を、磁路構成がより容易な方向を選んだ結果、巻線との鎖交方向が逆になる相が発生している。このような構成は、トルク発生上は特に問題が無く、モータ構成もより簡素になるので、実用的である。しかし、３相の電流がロータ軸に生成する起磁力は、３個のループ電流の和が零にならないので、例えば、ロータ軸に鉄粉が付き易いなどの問題がある。このような問題が許容れない用途では、モータの構成を変更する必要がある。
この問題に対する対応策として、図１２に示すモータが好ましい。図１２は、図１のモータの一実施例であって、円周方向断面をイメージ的に透視した図で、概念的に表した図である。１６４はロータの永久磁石で、１６５はロータであり、紙面における１６５の下辺はロータの回転中心線である。１６１はＵ相のステータ磁極で、１６２はＶ相のステータ磁極で、１６３はＷ相のステータ磁極であり、この図は円周方向の断面を表すので、実際には３相のステータ磁極が重なっているのであるが、この紙面で上下に分離して１６１、１６２、１６３を示している。
【００４２】
図６のように示すことにより、各相のステータ磁極とそれぞれの磁路との概念的関係を視覚的に表現することが出来る。２２１はＵ相の磁路で２２２はＵ相巻線であり、Ｕ相電流Ｉｕを通電する。２２３はＶ相の磁路で２２４はＶ相巻線であり、Ｖ相電流Ｉｖを通電する。２２５はＷ相の磁路で２２６はＷ相巻線であり、Ｗ相電流Ｉｗを通電する。各相の磁路と巻線との鎖交関係が同一である。この構成の場合、３相のループ状巻線が生成するロータへのロータ軸方向起磁力は、全電流の和なので零となる。すなわち、ロータ出力軸などへの起磁力が無く、ロータ出力軸に鉄粉が付着するなどの問題はない。但し３相の磁路構成がやや複雑になると言う問題はある。
図１３のモータ構成は、図１２のモータ構成を変形した例である。単に配置を変えているだけであるが、製作の容易さなどの点では、形状は設計上の重要事項である。２３１はＵ相の磁路で２３２はＵ相巻線であり、Ｕ相電流Ｉｕを通電する。２３３はＶ相の磁路で２３４はＶ相巻線であり、Ｖ相電流Ｉｖを通電する。２３５はＷ相の磁路で２３６はＷ相巻線であり、Ｗ相電流Ｉｗを通電する。                
【００４３】
次に、永久磁石の表面の磁束Φｏと裏面の磁束Φｓとを使用するモータの構成について、図１４に示し、説明する。前記のモータに比較して、２倍の磁束がそれぞれに巻線に鎖交する構成として、２倍のトルクを発生させることが出来る。
図１４は３相、１６極のモータで、モータの円周方向断面をイメージ的に透視した図で、概念的に表した図である。２４Ｅはロータの永久磁石で、２４Ｄはロータであり、紙面における２４Ｄの下辺はロータの回転中心線である。永久磁石２４Ｅは、図１５に示すような円盤状の永久磁石で１６極に着磁している。２５１の表面は永久磁石のＮ極で、その裏面はＳ極である。２５２の表面は永久磁石のＳ極で、その裏面はＮ極である。
【００４４】
２４７はＵ相のステータ磁極、２４８はＶ相のステータ磁極、２４９はＷ相のステータ磁極であり、それぞれ、円周方向に電気角で１２０°の位相差を持って配置され、各相８個ずつのステータ磁極を円周上に配置している。２４７、２４８、２４９は同一円周上に配置しているので、本来の円周上の透視的な図は、それぞれの形状を重ねて書かなければならないが、記述の都合で水平方向に離して書いている。
２４ＡはＵ相のステータ磁極で、２４７の円周方向位置に比較して電気角で１８０°の位相差を持って配置している。従って、Ｕ相のステータ磁極２４７、２４Ａへは同一位相の磁束が通り、Ｕ相の磁路２４１へ磁気的に接続している。２４２はループ状のＵ相巻線で、Ｕ相磁路２４１に鎖交していて、Ｕ相電流Ｉｕを通電する。
２４ＢはＶ相のステータ磁極で、２４８の円周方向位置に比較して電気角で１８０°の位相差を持って配置している。従って、Ｖ相のステータ磁極２４８、２４Ｂへは同一位相の磁束が通り、Ｖ相の磁路２４３へ磁気的に接続している。２４４はループ状のＶ相巻線で、Ｖ相磁路２４３に鎖交していて、Ｕ相の磁束と磁路の関係が逆なので、Ｖ相の負の電流−Ｉｖを通電する。
【００４５】
２４ＣはＷ相のステータ磁極で、２４９の円周方向位置に比較して電気角で１８０°の位相差を持って配置している。従って、Ｗ相のステータ磁極２４９、２４Ｃへは同一位相の磁束が通り、Ｗ相の磁路２４５へ磁気的に接続している。２４６はループ状のＷ相巻線で、Ｗ相磁路２４５に鎖交していて、Ｕ相の磁束と磁路の関係が逆なので、Ｗ相の負の電流−Ｉｗを通電する。
図１７は横軸が電気角で表したロータ回転角θｅｒで、永久磁石の回転位置の例とステータ磁極の回転角位置とを示している。図１５に示す円盤状の関係を直線状に展開した図である。前記のＵ相ステータ磁極２４７と２４Ａの関係は、図１６の２６１と２６２の関係で、永久磁石の表側と裏側とに配置し、回転角位置は円周方向に電気角で１８０°ずれた回転角位置に配置している。
【００４６】
次に、２相モータの例を図１６に示し、説明する。
図１６は２相、１６極のモータで、モータの円周方向断面をイメージ的に透視した図であり、概念的に表した図である。２６Ｈ、２６Ｊはロータの永久磁石で、図１５に示すような円盤状の永久磁石で１６極に着磁している。２６Ｇはロータであり、紙面における２６Ｇの下辺はロータの回転中心線である。
２６１はＡ相のステータ磁極、２６４はＡの逆相であるＡ／相のステータ磁極であり、相互に、円周方向に電気角で１８０°の位相差を持って配置され、各相８個ずつのステータ磁極を円周上に配置している。２６１、２６４は同一円周上に配置しているので、本来の円周上の透視的な図は、それぞれの形状を重ねて書かなければならないが、記述の都合で水平方向に離して書いている。
【００４７】
２６２はＡ相のステータ磁極で、２６１の円周方向位置に比較して電気角で１８０°の位相差を持って配置している。従って、Ａ相のステータ磁極２６１、２６２へは同一位相の磁束が通り、Ａ相の磁路２６３へ磁気的に接続している。２６８はループ状のＡ相巻線で、Ａ相磁路２６３、すなわち、Ａ相磁束Φａに鎖交していて、Ａ相電流Ｉａを通電する。図１６のＡ相ステータ磁極２６１、２６２は、それぞれ、図１７の２６１、２６２である。
２６５はＡの逆相であるＡ／相のステータ磁極で、２６４の円周方向位置に比較して電気角で１８０°の位相差を持って配置している。従って、Ａ相の逆相のステータ磁極２６４、２６５へは同一位相の磁束が通り、Ａ／相の磁路２６６へ磁気的に接続している。そして、Ａ／相の磁路２６６とＡ相の磁路２６３とは、それらの接続点２６７で接続されている。図１６のＡ／相ステータ磁極２６４、２６５は、それぞれ、図１７の２６４、２６５である。
【００４８】
図１６の右半分のＢ相についても、左半分のＡ相と同様の構成である。
２６９はＢ相のステータ磁極、２６ＣはＢの逆相であるＢ／相のステータ磁極であり、相互に、円周方向に電気角で１８０°の位相差を持って配置され、各相８個ずつのステータ磁極を円周上に配置している。２６９、２６Ａは同一円周上に配置しているので、本来の円周上の透視的な図は、それぞれの形状を重ねて書かなければならないが、記述の都合で水平方向に離して書いている。
２６ＡはＢ相のステータ磁極で、２６９の円周方向位置に比較して電気角で１８０°の位相差を持って配置している。従って、Ｂ相のステータ磁極２６９、２６Ａへは同一位相の磁束が通り、Ｂ相の磁路２６Ｂへ磁気的に接続している。２６Ｋはループ状のＢ相巻線で、Ｂ相磁路２６Ｂ、すなわち、Ｂ相磁束Φｂに鎖交していて、Ｂ相電流Ｉｂを通電する。
【００４９】
図１６のＢ相ステータ磁極２６９、２６Ａは、それぞれ、図１７の２６９、２６Ａである。２６ＤはＢの逆相であるＢ／相のステータ磁極で、２６Ｃの円周方向位置に比較して電気角で１８０°の位相差を持って配置している。従って、Ｂ相の逆相のステータ磁極２６Ｃ、２６Ｄへは同一位相の磁束が通り、Ｂ／相の磁路２６Ｅへ磁気的に接続している。そして、Ｂ／相の磁路２６ＥとＢ相の磁路２６Ｂとは、それらの接続点２６Ｆで接続されている。図１６のＢ／相ステータ磁極２６Ｃ、２６Ｄは、それぞれ、図１７の２６Ｃ、２６Ｄである。なお、図１７のＮ極永久磁石２７１、Ｓ極永久磁石２７２は、ステータ磁極２６１、２６４の側から見た永久磁石表面である。
【００５０】
図１６の磁路２６３、２６６、２６Ｅ、２６Ｂの具体的な構成は、図１、図３、図６で説明した構成と同様に、電磁鋼板の折り曲げ加工、成形加工、絞り加工などにより類似の構成に製作することが出来る。例えば、図１６の磁路２６Ｌと２６Ｍとの磁気的な接近についても、図３に示したように、２個以上の同相のステータ磁極の磁束を集めた後に交差させることにより、磁路間の距離を大きくし、漏れ磁束の小さな磁路を構成することが出来る。
図１６のＡ相とＢ相とは、通常の２相モータと同様に、それぞれが電気角の周期で１８０°で位相差が９０°のトルクを発生するので、両相のトルクの和が理論的に一定値となり、トルクリップルの小さいトルクを発生することが可能である。また、図１６、図１７に示す２相のモータは、各ループ状巻線２６８、２６Ｋに鎖交する磁束が大きく、大きなトルクを発生することが出来る。また、図１４に比較して、磁路の構成が部分的にやや簡素である。これらの結果、小型化、低コスト化が可能で、生産性にも優れたモータを実現できる。
【００５１】
次に、より簡素な２相のモータの例を図１８に示し、説明する。
図１８は２相、１６極のモータで、モータの円周方向断面をイメージ的に透視した図であり、概念的に表した図である。２８５はロータの永久磁石で、図１５に示すような円盤状の永久磁石で１６極に着磁している。２８６はロータであり、紙面における２８６の下辺はロータの回転中心線である。
２８１はＡ相のステータ磁極、２８２はＡの逆相であるＡ／相のステータ磁極であり、相互に、円周方向に電気角で１８０°の位相差を持って配置され、各相８個ずつのステータ磁極を円周上に配置している。２８１、２８２は同一円周上に配置しているので、本来の円周上の透視的な図は、それぞれの形状を重ねて書かなければならないが、記述の都合で水平方向に離して書いている。
【００５２】
Ａ相のステータ磁極２８１を通るＡ相磁束Φａは、Ａ相磁路２８１を通り、２８８はＡ相磁路２８１と鎖交するループ状のＡ相の巻線であり、Ａ相電流Ｉａを通電する。同様に、２８４はＢ相の逆相のステータ磁極で、−Φｂの磁束が通る。２８ＡはＢ相の巻線で、Ａ相巻線とは逆方向の磁路２８９と鎖交するが、その磁束が−Φｂの磁束なので、その電流はＢ相電流Ｉｂを通電する。
２８２はＡの逆相であるＡ／相のステータ磁極で、２８３はＢ相のステータ磁極である。両ステータ磁極２８２、２８３に、それぞれ接続した磁路２８Ｂ、２８Ｃは、磁気的に繋がっていて、図示するように、磁路２８７、２８９に磁気的に接続している。これらの４個の磁路が全て接続され、磁束の総和が零となっている。
【００５３】
図１８の各ステータ磁極と永久磁石との相対的な位置関係を図１９の直線状に展開した図に示す。永久磁石２９１、２９２は、ステータ磁極２８１、２８２の側から見た永久磁石２８５である。横軸は回転角位置θｅｒを電気角で示している。図１８のステータ磁極２８１、２８２、２８３、２８４は、それぞれ、図１９に示すステータ磁極２８１、２８２、２８３、２８４の位置関係である。
図１８に示す２相モータは、図１６に示す２相モータに比較して、各巻線の鎖交磁束は小さいが、簡素な構成となっていて、生産性に優れているという特徴がある。なお、磁路２８７と磁路２８Ｂだけが磁気的に接続して、その磁路には巻線２８８が鎖交する構成とし、磁路２８Ｃと磁路２８９だけが磁気的に接続して、その磁路には巻線２８Ａが鎖交する構成とすることも出来る。モータ各部品の設計的自由度とも言える。
【００５４】
次に、他の２相モータの構成を図２０に示し、説明する。
図２０は２相、１６極のモータで、モータの円周方向断面をイメージ的に透視した図であり、概念的に表した図である。ロータは、図６のロータと同じ構成である。
３０１はＥ相のステータ磁極、３０２はＦ相のステータ磁極、３０６はＧ相のステータ磁極、３０７はＨ相のステータ磁極である。これらのステータ磁極３０１、３０２、３０６、３０７は同一円周上に配置しているので、本来の円周上の透視的な図は、それぞれの形状を重ねて書かなければならないが、記述の都合で水平方向に離して書いている。
図２０の各ステータ磁極３０１、３０２、３０６、３０７の回転位置は、図２１の各ステータ磁極３０１、３０２、３０６、３０７の回転位置である。
【００５５】
図２０の永久磁石と各相のステータ磁極との関係を、直線状に展開して図２１に示す。横軸はロータ回転位置で、電気角で示している。１５１はＮ極の永久磁石で、１５２はＳ極の永久磁石である。電気角３６０°の間に前記の４相のステータ磁極を配置している。  図１８、図１９に比較すると、Ｅ相のステータ磁極３０１とＦ相のステータ磁極３０２の磁束を合わせるとＡ相の鎖交磁束に相当する。Ｆ相のステータ磁極３０２とＧ相のステータ磁極３０６の磁束を合わせるとＢ相の鎖交磁束に相当する。３０５はＡ相巻線で、磁路３０３と磁路３０４とに鎖交しており、Ａ相の電流Ｉａを通電する。３０ＡはＢ相巻線で、磁路３０４と磁路３０８とに鎖交しており、Ａ相の電流Ｉａを通電する。図１８に示した２相モータと類似した関係である。
図２０の磁路３０３、３０４、３０８、３０９の具体的な構成は、図１、図３、図６でで説明した構成と同様に、電磁鋼板の折り曲げ加工、成形加工、絞り加工などにより類似の構成に製作することが出来る。やはり、各相磁路が接近する部分の漏れ磁束を低減することが課題となり、２個以上の同相の磁極の磁束を一つの磁路に集めて配置構成し、前記の各巻線と鎖交させる必要がある。図２０に示すモータは、簡素な構成の２相モータで、小型化、低コスト化を実現することが出来る。
【００５６】
次に、２相モータの駆動方法について考える。
前記の各２相モータは、２相電流駆動の可能なインバータで駆動することが出来るが、必要なトランジスタが８個になるなどの問題もある。図２２の電流ベクトルの図は、３相のインバータで２相モータを駆動する方法の例を説明する図である。
３２１、３２２、３２３は３相のＵ相電流ベクトル、Ｖ相電流ベクトル、Ｗ相電流ベクトルである。この３相のベクトルから９０°の位相差を持つ２相の電流ベクトルを作図する方法は無限にあるわけであるが、その一例を示している。３２７はＡ相の電流ベクトルで、Ｗ相の電流ベクトル３２３と負のＶ相の電流ベクトル３２６とで合成している。３２５はＢ相の電流ベクトルで、Ｕ相の電流ベクトル３２１と負のＶ相の電流ベクトル３２４とで合成している。
【００５７】
Ａ相電流ベクトルとＢ相電流ベクトルは、振幅が同じで、位相差が９０°である。Ａ相の巻線とＢ相の巻線は、２組の巻線を並列に巻回し、合成して作ることになる。図２２の各電流ベクトルの大きさに比例した巻回数を選択して近似の電流ベクトルを作成する。巻回数は整数しか選べないので、ある程度の誤差は発生するが、３相インバータでの駆動が可能である。なお、この誤差の補正に３相電流の位相と振幅とを調整し、ある程度の補正を行うことも可能である。また、実際のモータ設計上は、各相の巻線の巻回数で電流ベクトルの大きさと位相を調整することになるので、モータ仕様が決まらないと、どのようなベクトル合成の方法がそのモータにマッチするかは一概には言えない。
【００５８】
次に、図５１、図５２に示した従来技術のモータを電磁鋼板の折り曲げ加工、成形加工、絞り加工等で磁路を構成するモータを図２３に示し、説明する。
図２３に示すモータは、３相、１６極のモータであり、１６４はロータのＮ極永久磁石あるいはＳ極永久磁石である。１６５はロータで、その紙面における下辺はロータの回転中心線である。図５に横軸をロータの電気角の回転角として、ロータのＮ極１５１、Ｓ極１５２の円周方向を直線展開した配置構成の例を示す。
図２３のステータは、モータの円周方向断面をイメージ的に透視した図で、概念的に表した図である。１６１はＵ相のステータ磁極で、１６２はＶ相のステータ磁極で、１６３はＷ相のステータ磁極であり、この図は円周方向の断面を表すので、実際には３相のステータ磁極が重なっているのであるが、この紙面で上下に分離して１６１、１６２、１６３を示している。図２３のように示すことにより、各相のステータ磁極とそれぞれの磁路との概念的関係を視覚的に表現することが出来る。１６１、１６２、１６３のステータ磁極は、同一円周上に８対、配置している。
【００５９】
図４に横軸をロータの電気角の回転角として、Ｕ相のステータ磁極１４１、Ｖ相のステータ磁極１４２、Ｗ相のステータ磁極１４３の円周方向を直線展開した配置構成の例を示す。各相のステータ磁極は、ロータの永久磁石と対向していて、モータ電流により起磁力を発生することにより、電磁気的吸引力、反発力によりトルクを生成する。
３３５は、図５２に示した様に、Ｕ相巻線とＶ相巻線とが合成されたループ状の巻線で、−Ｉｕ＋Ｉｖの電流を通電する。３３６は、Ｖ相巻線とＷ相巻線とが合成されたループ状の巻線で、−Ｉｖ＋Ｉｗの電流を通電する。３３１はＵ相の磁路、３３２はＶ相の磁路、３３３はＷ相の磁路であり、図１、図３に示したような方法で、電磁鋼板の折り曲げ加工、成形加工、絞り加工等で磁路の部品を製作し、組み合わせて構成する。
図２３に示すモータは、巻線をループ状の巻線として簡素化している。ステータ磁路は、複雑な３次元形状の磁路であるが、電磁鋼板を種々プレス加工により容易に加工するものである。その結果、特に小型のモータにおいては、生産性の高い、安価なモータを実現している。
【００６０】
次に、他の３相モータの例を図２４に示し、説明する。
このモータは、３相、１６極のモータで、図１４に示したロータ２４Ｄ、永久磁石２４Ｅ、Ｕ相ステータ磁極２４７、２４Ａ、Ｖ相ステータ磁極２４８、２４Ｂ、Ｗ相ステータ磁極２４９、２４Ｃを使用している。そして、図２３に示したループ状巻線３３５、３３６、Ｕ相磁路３３１、Ｖ相磁路３３２、Ｗ相磁路３３３を使用している。すなわち、図１４のモータの一部と図２３のモータの一部とを組み合わせたモータである。巻線および磁路が比較的簡単で、大きなトルクの発生が可能である。
【００６１】
次に、本発明モータに使用する電磁鋼板の具体的な各種形状の例について説明する。
本発明モータは、電磁鋼板を折り曲げ加工、成形加工、絞り加工等で磁路の部品を製作し、ループ状巻線と組み合わせて組立、構成する。ループ状巻線は、必要に応じて波状のループ状巻線に成形することもある。いずれにしても、ループ状巻線は比較的簡単な形状である。しかし、各相のステータ磁極の形状、各相の磁路は３次元的な形状となり、さらに、組立時の各部品の干渉の関係により形状が制約される。他の課題は、電磁鋼板部品同士の磁気的な接続部で磁気抵抗を十分に小さくすること、電磁鋼板内での渦電流を小さくして渦電流損失を小さくすること、電磁鋼板内で円周上に流れる環状循環電流を低減すること、電磁鋼板の平板材料から効果的に歩留まり良く製作すること等である。
【００６２】
図２５は、図６に示したモータのＵ相磁路１６６を具体化する電磁鋼板の円周方向断面のより具体的なイメージを示す図である。この電磁鋼板をロータ軸方向からみると、図３のように、２個以上のＵ相ステータ磁極に繋がった板である。円周方向に分割した電磁鋼板の構成と環状に繋がった電磁鋼板である構成との両方が実現可能である。また、図２５は小型のモータであって、各磁路が１枚の電磁鋼板で構成される場合で、各相磁極の磁束の大きさが比較的小さい場合の形状である。３４２はＵ相のステータ磁極でロータに対向していて、紙面の下方からＵ相の磁束が通る。３４４はＵ相巻線が配置されるスペース、３４５はＶ相巻線が配置されるスペース、３４６はＷ相巻線が配置されるスペースである。もし、図６の磁路１６６が１個の電磁鋼板の部品で製作した場合、巻線１６７、１６Ａを組み込むことが出来ない。
【００６３】
上記の対応として、図２５の電磁鋼板部品３４１と３４３の２つの部品に分け、破線の円で示す３４７の部分で密接して平行に配置し、磁束が通過できる構成としている。破線の円で示す３４８の部分は、図６のＷ相磁路１６８へ磁気的に接続する必要があるため、破線３４７で示す折り曲げ部を設けて対向面積を広げ、相互の隙間部の磁気抵抗を低減している。
電磁鋼板部品３４１、３４３は、電磁鋼板の折り曲げ加工などで比較的容易に製作することが出来る。Ｕ相ステータ磁極３４２の円周方向に円弧状等の微妙な形状は、折り曲げ加工の前に金型を使用した成形加工などを行い実現できる。そして、磁束が通過するための磁路の機能を実現し、それらの部品を組み立ててモータ全体を製作することが可能である。他のステータ磁極、磁路についても、同様に必要に応じて分割して製作することが出来る。
【００６４】
次に、図２５に示したモータ例よりやや大型のモータで、各相の磁束量が大きく、複数の電磁鋼板を積層して各相の磁路を構成する場合の電磁鋼板の例を図２６に示し、説明する。図２６では、図２５の磁路を４枚の電磁鋼板を積層した形状としている。両磁路において、１枚の電磁鋼板の厚みが同じであると仮定すると、図２６の磁路８０１、８０７の部分は、４倍の磁束を通すことが出来る。しかし、Ｕ相ステータ磁極８０２の部分では、紙面において下方の対向するロータから磁束Φが通過し、ロータの回転と共に磁束Φが変化する。この時、Ｕ相ステータ磁極８０２では、電磁鋼板の面方向から磁束が通過し変化するので渦電流が発生し、渦電流損で発熱する。これは、モータの効率の点で問題である。磁路の接続部８０５の部分８０３、８０４についても同様であり、磁路の接続部８０６の部分についても渦電流が発生し易い。なお、図２５に示す１枚の電磁鋼板の構成についても、同様に渦電流が発生する。
この渦電流発生の問題に対して、図２７に示すように、細い溝であるスリットを加えることにより、その面３５１での渦電流を大幅に低減することが出来る。なお、図２７の形状は、図２６のＵ相ステータ磁極の形状であり、紙面において下面の形状である。横軸はロータ軸方向で、縦軸は円周方向である。
【００６５】
次に、電磁鋼板の形状例を図２８に示し、説明する。
３７４、３６８、３６９、３７１はＵ相のステータ磁極の一部で、図２６の８０２の部分に相当し、ロータに対向する部分の形状は、ロータ軸方向に分離した形状としている。ロータ側から見たＵ相のステータ磁極の表面形状は、図２９の３７４、３６８、３６９、３７１の様な形状となる。３７７は３６９と３７１との間の隙間であって、電気的に接触しない範囲で狭い方が良い。複数の電磁鋼板を使用したステータ磁極形状をこのような構造とすることにより、ロータ側からの磁束がステータ磁極の各電磁鋼板へそれぞれ独立して通すことが出来、渦電流の小さな構成とすることが出来る。
【００６６】
図２６の構成では、電磁鋼板間の隙間の大きさも磁気抵抗となり問題となるため、隙間を出来る限り小さくする必要がある。図２８の構成の場合は、Ｕ相のステータ磁極３７４、３６８、３６９、３７１のそれぞれへロータ側からの磁束がそれぞれ直接に通るので、この部分での電磁鋼板間の隙間が多少あっても磁気的な問題となり難い。
３７２はＶ相のステータ磁極で、３７３はＷ相のステータ磁極であり、Ｕ相ステータ磁極と同様である。円周方向に相互に電気角で１２０°ずつ離して配置している。各ステータ磁極間のスペース３７５、３７６は、ステータ磁極間の漏れ磁束が問題とならない程度の大きさとする。
【００６７】
図２８の破線の円３６３で示す電磁鋼板の接続部は、図２０の破線の円８０５で示す部分の改良構成である。３６３の接続部は、相互に互い違いに配置しているので、左側の電磁鋼板と右側の電磁鋼板とが対向する面積が大きく、電磁鋼板間の隙間による磁気抵抗が小さくなる。また、電磁鋼板同士が突き合わされる場所を２個所にした例を図示しているが、３個所あるいは４個所とすることも出来、磁気的には磁気飽和を低減する観点で優れている。例えば、図３１の３９３の部分のように、階段状に突き合わせても良い。
図２８の破線の円３６４の部分は、図６のＭＮの部分に相当する場所で、図２６の８０６に相当する部分でもあり、両側に折り曲げて構成している。また、３７４、３６８、３６９、３７１と同様の形状とすることも出来る。
【００６８】
次に、図２９に示すステータ磁極の渦電流をさらに低減する方法を図３０に示し、説明する。３８１はＵ相のステータ磁極、３８２はＶ相のステータ磁極、３８３はＷ相のステータ磁極である。３８７のようなスリットを付加してステータ磁極の部分的な面の大きさを小さくしている。渦電流を低減する効果がある。３８５、３８６は、各相のステータ磁極間の隙間である。
次に、他のステータ磁極の形状の例を図３２に示し、説明する。４０１はＵ相の磁路であり、４０２、４０３、４０４、４０５はロータに対向するＵ相のステータ磁極である。各電磁鋼板の端面をロータ側へ向けていて、ロータに対向する面積はやや低減するが、それぞれの隙間４０６の部分から磁束が回り込んで入るので、対向面積の低減ほどに磁気抵抗は増加しない。図２８の３７４、３６８、３６９、３７１に比較して、形状が単純で製作が容易であり、むしろ渦電流が低減する効果が期待できる。図３２のステータ磁極の形状は、ロータ側の磁極がＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石を使用したロータである場合に、磁束密度が高く、磁石の起磁力も大きいので好ましい形状である。
【００６９】
次に、電磁鋼板の平板材料からモータのステータ磁極および磁路を製作する具体的な例を図３３に示し、説明する。
図３３の例は、図６のモータのＶ相ステータ磁極１６２と磁路１６Ｂ、あるいは、図２３のＶ相ステータ磁極１６２と磁路３３２などを平板材料から製作する例である。４１３はステータの内径で、４１４はＶ相のバックヨークからＶ相のステータ磁極の先端へ繋がる磁路の部分である。４１８はＶ相のステータ磁極の半分であり、円４１３の近傍で９０°に折り曲げる。４１２はＶ相の磁路で、電磁鋼板の平板材料の内径側を利用して製作する。４１９はＶ相ステータ磁極の残りの半分であり、破線４１６の部分で９０°に折り曲げる。これらの部分の円周方向の形状である断面ＡＸ−ＡＯを図３４に示す。４１９、４１８の紙面における下辺は、ロータに対向するＶ相ステータ磁極である。４１１はＶ相のバックヨークであるが、ここではその詳細は記述していない。
【００７０】
図３３のモータ例では、電磁鋼板の平板材料の内側もＶ相部品４１２を作るために利用し、平板材料の利用率を上げている。図３３の４１７の周辺もバックヨーク側に折り返して磁路として活用するなど、種々の平板材料の利用方法が可能である。なお、４１５は、この環状の電磁鋼板に流れようとする循環電流を切断するスリットである。
図３３、図３４のモータの場合、Ｖ相のステータ磁極の形状は、４１８、４１９を合わせた形状となる。ロータ側から見たＵ相とＷ相のステータ磁極の形状も、トルクリップルを小さくするために、Ｖ相のステータ磁極の形状と同一形状にすべきである。
図３５は、ロータ側から見たステータ磁極の形状の例を示している。横軸は電気角で表したロータ回転角θｅｒであり、縦方向はロータ軸方向である。ステータ磁極を通過する磁束は、平均トルク発生の観点では磁束量Φが大きいほど有利であり、径方向振動、トルクリップルを低減する観点では磁束分布が滑らかに変化することが好ましい。
【００７１】
４３１の磁極形状は長方形の角を切り落とした形状で、磁束量の低減を比較的小さく保ちながら、高調波成分を低減する磁極形状の例である。４３２は台形形状の例で、４３３はより滑らかな形状としている。ステータにかかる径方向の吸引力が滑らかに変化し、径方向振動の低減、トルクリップル低減の観点では好ましい形状である。ここで、４３４はステータ磁極の中心線で、ロータ軸方向に対称の構造とすることにより、ロータ軸方向の吸引力をキャンセルし、ロータ軸方向振動を低減している。これらのステータ磁極の形状は、ロータ側から見たステータ磁極の形状を種々の形状としているが、ステータ磁極の径方向形状、あるいは、ロータ磁極の径方向形状を可変することも出来る。ロータ軸方向と径方向の両方に可変することも出来る。
【００７２】
図３６は、図６のモータのＵ相ステータ磁極１６１と磁路１６６、あるいは、図６のモータのＷ相ステータ磁極１６３と磁路１６８、あるいは。図２３のＵ相ステータ磁極１６１と磁路３３１、あるいは、図２３のＷ相ステータ磁極１６３と磁路３３３などを平板材料から製作する例である。４４５はステータの内径で、４４２はバックヨークからステータ磁極の先端へ繋がる磁路の部分である。４４３はステータ磁極であり、後に、円４４５の近傍で９０°に折り曲げる。４４８は磁路で、電磁鋼板の平板材料の内径側を利用して製作する。４４６はステータ磁極であり、４４７の部分で９０°に折り曲げる。これらの具体的な折り曲げ形状として、断面ＡＹ−ＡＯの形状を図３７に示す。電磁鋼板を折り返して製作することにより、２枚の電磁鋼板のステータ磁極とバックヨークへの磁路を構成している。また、ステータ磁極の部分へスリットなどを付加することにより、渦電流を低減することも出来る。なお、４４１のバックヨーク側の形状は、個々に異なるため、詳細を示していない。
【００７３】
また、４４Ａは、この環状の電磁鋼板に流れようとする循環電流を切断するスリットである。このスリットを加えることにより、電磁鋼板の強度が低下するので、４４Ｂのような電気絶縁が保たれる板をあてがい、例えば接着固定するなどにより強化することも出来る。また、複数枚の電磁鋼板を積層して磁路を構成する場合は、スリット部を円周上の異なる位置に設け、電磁鋼板を相互に固着することにより強度を得ることも出来る。また、４４Ａのスリット形状は、直線状であるが、相互に楔状とするなど、相互の機械的強度を保ちながら電気的な導通を絶つ工夫も可能である。
電磁鋼板を折り曲げて磁路を構成するモータにおいては、磁路構成を簡素化することと磁路断面積を大きくすることとが両立しないことがあり、磁束を通すための磁路断面積を大きくする部分的な技術が効果的である。例えば、図３８の（ａ）に示す電磁鋼板４５１と４５２は、９０°に折り曲げた形状である。この形状で４５１の側から４５２の側へ磁束が通るとき、磁路断面積を増加させるため、図３８の（ｂ）のような形状とすることも出来る。４５４、４５３、４５６の様な部分を付加して磁路断面積を大きくしている。
【００７４】
次に、小型のモータで、１枚の電磁鋼板から３相のステータの磁路を構成するモータの例を図３９、図４０に示し、説明する。
１枚の平板の電磁鋼板から図３９に示す形状を抜き出し、破線で示す各部を９０°に折り曲げて図４０の３次元的な形状を作る。図４０はモータの円周方向断面をイメージ的に透視した図で、概念的に表した図である。１６４はロータの永久磁石で、１６５はロータであり、紙面における１６５の下辺はロータの回転中心線である。１６１はＵ相のステータ磁極で、１６２はＶ相のステータ磁極で、１６３はＷ相のステータ磁極であり、この図は円周方向の断面を表すので、実際には３相のステータ磁極が重なっているのであるが、この紙面で上下に分離して１６１、１６２、１６３を示している。図４０のように示すことにより、各相のステータ磁極とそれぞれの磁路との概念的関係を視覚的に表現することが出来る。
【００７５】
４６２はＵ相の磁路、４６３はＶ相の磁路、４６４はＷ相の磁路である。４６１はステータのバックヨーク部で、図４０の形状の外径側を折り曲げることによりモータ外径を小さくすることも出来る。ＭＮは３相の各磁路を合わせる部分である。図４０のモータは、図２３の構成のモータを１枚の電磁鋼板から作成する例であるが、図６に示すモータの構成のものなども同様に１枚の電磁鋼板から磁気回路を作り構成することが出来る。
４７１はＩｍ＝−Ｉｕ＋Ｉｖの電流を通電するループ状巻線であり、４７２はＩｎ＝−Ｉｖ＋Ｉｗの電流を通電するループ状巻線である。なお、ループ状の巻線４７１、４７２を組み込むためには、部品の干渉について気を付ける必要があり、折り曲げ形状を一時的に大きくし、ループ状の巻線を挿入後に磁路およびステータ磁極を最終形状に成形するなどの工夫が必要である。１６４、１６５のロータは、表面磁石ロータ、磁石内蔵ロータなど種々ロータが使用できる。
【００７６】
図３９、図４０に示す磁路構成およびループ状巻線は、主要部品が３点で構成できるステータであり、大変簡素で、低コスト化できる。また、ステータの磁路４６１、４６２、４６３、４６４は一体の構成であるが、ループ状巻線の組み込みなどの製作の容易さ、あるいは材料の歩留まり改善のため、２分割、３分割して構成することが出来る。その場合には、ステータの構成磁路は、それらを結合するために相互に重なる部分もできるが、ほぼ単一の電磁鋼板からステータ磁路を構成することが出来る。
また、図３９、図４０に示す磁路構成およびループ状巻線は、インナーロータ構成であるが、アウターロータ構成とするとも出来る。特にその場合は、ループ状巻線をステータ磁極の外周側から直接に巻回することが出来、巻線製作を簡単に行うことが出来、製作コスト上大変有利である。なお、アウターロータ構成のステータの場合に、ループ状巻線の巻回が容易な点は、図６、図２３などの本発明の他のモータについても共通した特徴である。
また、図３９の破線４６７の部分を折り返して重ねることにより、この相の磁束が通る磁路断面積を２倍に大きくし、モータの出力容量を大きくすることも出来る。ここで、図３９の破線４６７の部分は、図の見やすさのため、それらの折り返し部を一部だけ書いているが、その他の歯についても同様に構成するものである。また、図３９、図４０の磁路構成は、数枚の類似形状の電磁鋼板を積層することにより、磁束が通る磁路断面積を大きくし、さらにモータの出力容量を大きくすることも可能である。
【００７７】
次に、図４１に３相モータを駆動する駆動回路を示す。
８４１はＵ相巻線、８４２はＶ相巻線、８４３はＷ相巻線で、Ｎは３相の星形結線の中性点である。８４Ｄは自動車のバッテリなどの直流電圧源である。８４１、８４２、８４３、８４４、８４５、８４６はトランジスタで、オンあるいはオフ制御することにより、直流電圧を各巻線へ印加し、電圧電流を制御してモータを駆動する。このようなモータ駆動システムは、コスト追求の強い用途では、トランジスタとその周辺の部品のコストの問題がある。この問題の解決策として、小型で安価なモータの場合には、図４２のような４個のトランジスタで駆動することができる。直流電圧電源を４９５と４９６の２個の電源とし、それらを直列に接続して、その中性点４９７を３相モータの１端子として使用し、他の２端子の電圧、電流を４個のトランジスタで制御するものである。
【００７８】
（５）式が成り立つ３相モータの電流自由度は、２自由度なので、４個のトランジスタで制御することが可能である。３相モータの１端子の電位を固定するので、電圧利用率は図４１の駆動回路に比較して低下するが、少ないトランジスタで制御でき、低コスト化できる用途も多い。
また、前記の２個の電源４９５、４９６の内、片方の電源をトランジスタとチョークコイルを使用してＤＣ−ＤＣコンバータを構成して作ることも出来る。部品点数が増し、コストも増加するが、その電源の複数のモータで共用して使用する場合には、トータルでのコスト負担を小さくすることが出来る。
【００７９】
以上の本発明の概略を次のように言える。
本発明モータのループ状巻線は、構成が簡素であることにより製作が容易であり、巻線の量も少なくて済むので材料的にも低コスト化が可能で、ジュール損も小さく高効率である。特に偏平な構造のモータに向いている。そして、ループ状巻線を使用するモータは、多極化した場合にも、各相巻線の総断面積が低下しないので、高トルク化が容易である。  ループ状巻線の形態として、３線式のモータ構成は、インピーダンスバランスが良く、簡単なインバータでの駆動が容易である。
ステータの磁束を通す磁気回路については、電磁鋼板を打ち抜き加工、成形加工、折り曲げ加工を行うことにより、３次元形状の磁路を構成することが出来る。特に、小型モータでは製作が容易であり、好適ある。この時、モータのピークトルクを大きくするための重要なポイントの一つは、磁束を集めて交差させることにより隣接する磁路との空間距離を大きくし、漏れ磁束を低減する点である。
【００８０】
また、永久磁石の表側磁束と裏側磁束との両方を利用することにより、トルクを向上することが出来る。モータの小型化、低コスト化に好ましい。
また、ステータの磁気回路は、折り曲げた電磁鋼板を重ねることにより磁路断面積を大きくすることが出来るので、より多くの磁束を作用させることが出来、出力容量の向上が可能である。また、電磁鋼板の歩留まりについては、効率良く平板材料を使用する種々工夫が可能である。また、安価なモータ駆動システムとして、４個のトランジスタで駆動することも出来る。
なお、本発明モータにおいては、磁気回路各部の渦電流の低減がモータ効率上必要であり、ステータの磁気回路を流れる環状電流を排除する必要があり、モータのピークトルクを大きくするためには、各部の漏れ磁束を低減する必要がある。
【００８１】
以上、本発明に関する種々形態の例について説明したが、本発明を種々変形も可能であり、本発明に含むものである。例えば、モータの極数についての制約はなく、ロータの種類についても表面磁石型のロータで説明したが、種々構造のロータについて適用可能である。また、ループ状の巻線は、波状のループ状巻線とするなど変形も可能である。
各種のトルクリップル低減技術を本発明モータへ適用することもできる。例えば、ステータ磁極、ロータ磁極の形状を周方向に滑らかにする方法、径方向に滑らかにする方法、円周方向に一部のロータ磁極を移動させて配置し、トルクリップル成分をキャンセルする方法などがある。
【００８２】
モータの形態についても種々形態が可能であり、ステータとロータとの間のエアギャップ形状で表現して、エアギャップ形状が円筒形であるインナーロータ型モータ、アウターロータ型モータ、エアギャップ形状が円盤状であるアキシャルギャップ型モータ等に変形できる。また、リニアモータにも変形できる。また、エアギャップ形状が円筒形状をややテーパ状に変形したモータ形状も可能である。
また、本発明のモータを含む複数のモータを複合して製作することが可能である。また、本発明モータの一部を省略して削除した構造も可能である。
軟磁性体としては、通常の珪素鋼板を使用する他に、アモルファス電磁鋼板、鉄粉に絶縁被膜を施しプレス成形した圧粉磁心等の使用が可能である。
モータに通電する電流については、正弦波電流で制御することを基本として説明したが、各種波形の電流で制御することも可能である。これらの種々変形したモータについても、本発明モータの主旨の変形技術は本発明に含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施形態である３相、１６極のモータの横断面図である。
【図２】３相各相の磁束と３相各相の電流との鎖交関係を示す図である。
【図３】３相のステータ磁極と３相の磁路と各磁束の統合関係を示す図である。
【図４】各ステータ磁極の円周上の電気角位置を示す図である。
【図５】表面磁石ロータのＮ極とＳ極の円周上の電気角位置を示す図である。
【図６】本発明モータの各相巻線と各相ステータ磁極と各相の磁路との円周方向断面をイメージ的に透視し、概念的に表した図である。
【図７】図１のモータの１断面形状である。
【図８】図１のモータの１断面形状である。
【図９】図１のモータの１断面形状である。
【図１０】図６のモータの変形例である。
【図１１】図６のモータの変形例である。
【図１２】３相の巻線方向とそれぞれに鎖交する磁路の方向とを一致させたモータの例である。
【図１３】図１２のモータの変形例である。
【図１４】永久磁石の表側磁束と裏側磁束との両方を活用する３相モータの例である。
【図１５】ロータの永久磁石の形状である。
【図１６】永久磁石の表側磁束と裏側磁束との両方を活用する２相モータの例である。
【図１７】図１６のモータのロータの永久磁石と各相のステータ磁極の円周方向位置の関係を電気角で示した図である。
【図１８】永久磁石の表側磁束と裏側磁束との両方を活用する２相モータの例である。
【図１９】図１８のモータのロータの永久磁石と各相のステータ磁極の円周方向位置の関係を電気角で示した図である。
【図２０】４種類のステータ磁極と２個のループ状巻線で構成する２相モータである。
【図２１】図２０のモータのロータの永久磁石と各相のステータ磁極の円周方向位置の関係を電気角で示した図である。
【図２２】３相の電流ベクトルから直交２相の電流ベクトルを作成する方法の例である。
【図２３】２個のループ状巻線と電磁鋼板を折り曲げて作る磁路で構成する３相モータである。
【図２４】永久磁石の表側磁束と裏側磁束との両方を活用し、２個のループ状巻線と電磁鋼板を折り曲げて作る磁路で構成する３相モータである。
【図２５】２個の電磁鋼板を磁気的に接続する構成の例である。
【図２６】積層した複数枚の電磁鋼板で構成する２個の磁路を磁気的に接続する例である。
【図２７】ロータの永久磁石に面する電磁鋼板にスリット加工を加えた形状である。
【図２８】ロータの永久磁石に面し、複数枚の電磁鋼板で構成するステータ磁極の構造および複数枚の電磁鋼板で構成する磁路の接続方法例を示す円周方向の形状図である。
【図２９】ロータの対向する図２８のステータ磁極の形状を示す図である。
【図３０】図２９のステータ磁極にスリット加工を付加した形状である。
【図３１】積層した複数枚の電磁鋼板で構成する２個の磁路を磁気的に接続する例である。
【図３２】複数枚の電磁鋼板で構成するステータ磁極の形状例である。
【図３３】３相、１６極のモータのＶ相の電磁鋼板形状を示す図である。
【図３４】図３３のＶ相磁路の円周方向断面形状を示す図である。
【図３５】ロータに対向するステータ磁極の形状例を示す図である。
【図３６】３相、１６極のモータのＵ相あるいはＷ相の電磁鋼板形状を示す図である。
【図３７】Ｕ相あるいはＷ相のステータ磁極の円周方向断面形状の例である。
【図３８】電磁鋼板を折り曲げて作る磁路の磁路断面積を大きくする方法の例を示す図である。
【図３９】１枚の電磁鋼板材料から３相のステータ磁極および３相の磁路を製作する加工形状の例である。
【図４０】図３９の電磁鋼板で作るステータ磁路の円周方向断面形状を示す図である。
【図４１】３相インバータの構成と３相巻線との接続を示す図である。
【図４２】４個のトランジスタで３相巻線に電圧と電流を供給する駆動装置を示す図である。
【図４３】従来のブラシレスモータの縦断面図である。
【図４４】従来のブラシレスモータの横断面図である。
【図４５】従来のブラシレスモータの巻線図である。
【図４６】他の従来のブラシレスモータの縦断面図である。
【図４７】ステータ磁極と巻線配置の関係を示す図である。
【図４８】ループ状巻線の外形図である。
【図４９】図４６のモータのループ状巻線を直線展開した図である。
【図５０】図５１のモータのループ状巻線を直線展開した図である。
【図５１】図４６のモータのループ状巻線を２個に統合したモータの縦断面図である。
【図５２】図５１のモータの電流、電圧、接続端子、ループ状巻線の接続関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１１１    Ｕ相磁路
１１２    Ｖ相磁路
１１３    Ｗ相磁路
１１４    ロータのＮ極磁極
１１５    ロータのＳ極磁極
１１６    Ｕ相のステータ磁極
１１７    Ｖ相のステータ磁極
１１８    Ｗ相のステータ磁極
１２１    模式的Ｕ相磁路
１２２    模式的Ｖ相磁路
１２３    模式的Ｗ相磁路
１２４    模式的なＵ相のステータ磁極
１２５    模式的なＶ相のステータ磁極
１２６    模式的なＷ相のステータ磁極
ＭＮ      ３相の磁束が集まる場所
Φ        ロータ側からステータ側へ通る磁束
Ｉｕ      Ｕ相電流
Ｉｖ      Ｖ相電流
Ｉｗ      Ｗ相電流
１３１    バックヨーク部のＵ相磁路とＷ相磁路との間隔
１３２    バックヨーク部のＵ相磁路とＶ相磁路との間隔
１６１    模式的なＵ相のステータ磁極
１６２    模式的なＶ相のステータ磁極
１６３    模式的なＷ相のステータ磁極
１６４    ロータ表面の永久磁石
１６５    ロータ
１６６    １６１から出たＵ相磁路
１６７    Ｕ相の巻線
１６８    １６Ｂの延長上のＶ相磁路
１６９    Ｖ相の巻線
１６Ａ    Ｗ相の巻線
１６Ｂ    １６２から出たＶ相磁路
１６Ｃ    １６３から出たＷ相磁路
１６Ｄ    １６６の延長上のＵ相磁路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010148267.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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