(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心コア及び複数の巻線を備える第１の電動機要素と、複数の極を形成する複数の永久磁石を備えていて、前記第１の電動機要素に対向して配置される第２の電動機要素とを具備する電動機において、
前記第１の電動機要素の前記複数の巻線は、三相交流の電流が供給されることにより、前記第２の電動機要素の前記複数の永久磁石と相互作用して当該電動機の推力を発生させるように構成されており、
前記鉄心コアには、前記第２の電動機要素に向かって突出する複数の歯が形成されており、該複数の歯は、前記巻線が巻回される主歯と前記巻線が巻回されていない副歯とを含んでおり、これら主歯及び副歯は交互に配置されており、
前記第２の電動機要素の前記複数の永久磁石により形成される極の数と、前記第１の電動機要素の前記複数の巻線によって形成される相の数との比が４対３であり、
相を構成する前記巻線は、前記副歯に接触するように形成されており、
前記推力が発生する方向における前記副歯の歯幅が、前記主歯の歯幅の１／４以下である、電動機。
【請求項２】
前記第１の電動機要素及び前記第２の電動機要素のうちの少なくともいずれか一方が移動可能に形成される、請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記主歯及び前記副歯が、前記第２の電動機要素に向かって突出する方向において一様の歯幅を有する、請求項１又は２に記載の電動機。
【請求項４】
前記主歯及び前記副歯は、前記第２の電動機要素に向かって突出する方向における末端の位置が揃うように形成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機。
【請求項５】
直線運動電動機として構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機。
【請求項６】
回転電動機として構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻線が巻回された主歯と、巻線が巻回されていない副歯とを有する鉄心コアを備える電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
巻線が巻回された主歯と、巻線が巻回されていない副歯とを有する鉄心コアを備える電動機が知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表平１０−５１１８３７号公報
【特許文献２】特開２００４−１８７４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
主歯及び副歯を有する鉄心コアを備える電動機において、推力をより一層増大させることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願に係る１番目の発明によれば、鉄心コア及び複数の巻線を備える第１の電動機要素と、複数の極を形成する複数の永久磁石を備えていて、前記第１の電動機要素に対向して配置される第２の電動機要素とを具備する電動機において、前記第１の電動機要素の前記複数の巻線は、三相交流の電流が供給されることにより、前記第２の電動機要素の前記複数の永久磁石と相互作用して当該電動機の推力を発生させるように構成されており、前記鉄心コアには、前記第２の電動機要素に向かって突出する複数の歯が形成されており、該複数の歯は、前記巻線が巻回される主歯と前記巻線が巻回されていない副歯とを含んでおり、これら主歯及び副歯は交互に配置されており、前記第２の電動機要素の前記複数の永久磁石により形成される極の数と、前記第１の電動機要素の前記複数の巻線によって形成される相の数との比が４対３であり、相を構成する前記巻線は、前記副歯に接触するように形成されており、前記推力が発生する方向における前記副歯の歯幅が、前記主歯の歯幅の１／４以下である、電動機が提供される。
【０００８】
本願に係る２番目の発明よれば、１番目の発明において、前記第１の電動機要素及び前記第２の電動機要素のうちの少なくともいずれか一方が移動可能に形成される、電動機が提供される。
【０００９】
本願に係る３番目の発明よれば、１番目又は２番目の発明において、前記主歯及び前記副歯が、前記第２の電動機要素に向かって突出する方向において一様の歯幅を有する、電動機が提供される。
【００１０】
本願に係る４番目の発明よれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記主歯及び前記副歯は、前記第２の電動機要素に向かって突出する方向における末端の位置が揃うように形成される、電動機が提供される。
【００１１】
本願に係る５番目の発明よれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、直線運動電動機として構成される、電動機が提供される。
【００１２】
本願に係る６番目の発明よれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、回転電動機として構成される、電動機が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
１番目の発明によれば、副歯において発生する推力が主歯による推力と同一方向に向けられる。したがって、主歯のみならず副歯によっても電動機の推力が得られるようになるので、推力が大きい電動機を提供できる。また、極の数と相の数との比が４対３になるように規定されるので、永久磁石の極と極との間に対向して位置する歯の割合が高くなる。それにより、電動機により発生される推力を効率よく増大させられる。さらに、副歯の歯幅が主歯の歯幅の１／４以下に規定されるので、磁気飽和に起因して副歯による推力発生作用が低下するのを防止できる。したがって、推力の大きい電動機を提供できる。また、巻線が副歯に接触するように巻回されるので、副歯を介した放熱作用を向上させられる。
【００１６】
２番目の発明によれば、第１の電動機要素及び第２の電動機要素のいずれか一方又は両方が移動可能な部品として形成される。したがって、電動機が必要な用途に応じて適応されうるようになる。
【００１７】
３番目の発明によれば、歯を通る磁束密度が歯の突出方向にわたって均一化される。したがって、磁束の集中が防止され、鉄損の低減ひいては定格出力の増大を可能にする電動機を提供できる。
【００１８】
４番目の発明によれば、副歯と永久磁石との間の間隙を最小化できる。したがって、副歯において発生される推力を最大化でき、推力が大きい電動機を提供できる。
【００１９】
５番目の発明によれば、前述された１番目から４番目のいずれかの発明に係る利点を備えた直線運動電動機を提供できる。
【００２０】
６番目の発明によれば、前述された１番目から４番目のいずれかの発明に係る利点を備えた回転電動機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る直線運動電動機における可動子及び固定子を示す概略図である。
【図２】図１の直線運動電動機において、主歯及び副歯の歯幅比と、推力との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の別の実施形態に係る直線運動電動機における可動子及び固定子を示す概略図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る直線運動電動機における可動子及び固定子を示す概略図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る回転電動機における回転子及び固定子を示す概略図である。
【図６】参考例に係る直線運動電動機における可動子及び固定子を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図示された実施形態において、各構成要素は、図面の視認性を考慮して又は説明の便宜上、実用的な寸法から適宜変更されていることがある。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る直線運動電動機１０における可動子１２及び固定子１４を示す概略図である。また、図１は、４極３相の形態を有する直線運動電動機１０において、或る電流位相において発生する磁力線の方向、磁界の強さ並びに推力の方向及びその大きさを概念的に表している。
【００２４】
可動子１２は、鉄心コア１６及び３つの巻線１８を備える第１の電動機要素である。固定子１４は、４つの極を形成する４つの永久磁石２０を備えていて、可動子１２に対向して配置される第２の電動機要素である。可動子１２の鉄心コア１６は、直線運動電動機１０の長手方向に沿って延在する概ね矩形のコアバック２２と、該コアバック２２から固定子１４に向かって突出するように形成される複数の歯とを有している。歯は、巻線１８が巻回される複数の主歯２４と巻線１８が巻回されていない複数の副歯２６とを含んでおり、これら主歯２４及び副歯２６は交互に配置されている。
【００２５】
巻線１８は、実際には主歯２４の高さ部分（コアバック２２から突出する部分）に沿って主歯の周りに例えば集中巻により巻回されるものの、図１においては単に概念的に示されている。巻線１８は、磁気的作用を向上させるためにできるだけ巻数が多くなるように形成される。巻線１８は、主歯２４に対して所定間隔を空けて隣接する副歯２６に接触する程度まで十分な巻数を有するように巻回されるのが好ましい。巻線１８と副歯２６とが互いに接触していると、通電時に巻線１８において発生する熱が副歯２６を介して伝達され、放熱作用が向上する。
【００２６】
可動子１２の巻線１８は、三相交流の電流が供給されることにより、固定子１４の複数の永久磁石２０と相互作用して直線運動電動機１０の推力を発生させるように構成されている。巻線１８は、円の中に小さい黒点が描かれたもの又は円の中にＸ字が描かれたものとして図示されている。これらは巻線１８を流れる電流の方向を表している。具体的には、円の中に小さい黒点が描かれた巻線１８においては、電流が紙面に対して手前方向に流れることを表している。また、円の中にＸ字が描かれた巻線１８においては、電流が紙面に対して奥行き方向に流れることを表している。
【００２７】
各巻線１８の周りに示される黒塗りの環状矢印の向きは磁力線の方向を表している。また、各環状矢印の幅は磁界の強さを表している。より具体的には、幅広の環状矢印に対応する巻線１８によって発生される磁界の強さは、幅狭の環状矢印に対応する巻線１８によって発生される磁界の強さの２倍である。この関係は、三相交流の電流が巻線１８に供給される場合に成立する。巻線１８によって発生される磁界によって、各歯には磁束が発生する。図１において可動子１２の中央に位置する主歯２４は、その両側に隣接する巻線１８，１８から幅広の環状矢印２つ分に相当する磁界の作用を受ける。それに対して、この中央の主歯２４の両側に位置する副歯２６，２６においては、それら副歯２６，２６の両側に隣接する巻線１８，１８からの磁界が相殺される。そのため、それら副歯２６，２６は、幅狭の環状矢印１つ分に相当する磁界の作用を受ける。したがって、中央の主歯２４において発生する磁束量は、副歯２６，２６において発生する磁束量の４倍になる。
【００２８】
なお、この実施形態において、主歯２４及び副歯２６は、コアバック２２から固定子１４に向かって突出する方向において一様の歯幅を有している。換言すると、図示された紙面上において、主歯２４及び副歯２６はそれぞれ長方形の形状を呈している。主歯２４及び副歯２６を通る磁束量は、磁束の進行方向に対して垂直な歯幅の寸法に応じて概ね定まる。したがって、この実施形態に係る主歯２４及び副歯２６においては、各歯を通る磁束が全体として均一化されるようになる。したがって、相対的に磁束密度が小さくなって鉄損の減少、ひいては定格出力の増大につながる。
【００２９】
また、この実施形態において、主歯２４及び副歯２６は、固定子１４に向かって突出する方向において末端の位置が揃うように形成されている。副歯２６の末端の位置を主歯２４の末端の位置に整列させることで、主歯２４による推力と副歯２６による推力とのバランスを最適化することができる。なお、主歯２４及び副歯２６の末端は、永久磁石２０に可能なかぎり接近するように位置決めされる。これは、主歯２４及び副歯２６と永久磁石２０との間の間隙が小さいほど、得られる推力が大きくなるためである。
【００３０】
固定子１４は、直線運動電動機１０の長手方向に延在する界磁ヨーク２８と、界磁ヨーク２８に沿って配置される複数の永久磁石２０とを主として備えている。各永久磁石２０は、可動子１２に対向する側がＮ極又はＳ極を形成するように磁化されている。そして、それら永久磁石２０は、隣接する他の永久磁石２０の磁化方向と互いに反対向きに磁化されるように互い違いに配列される。
【００３１】
前述されたように、直線運動電動機１０において、可動子１２の巻線１８と、固定子１４の永久磁石２０との間の相互作用によって可動子１２の推力が得られる。図１において、主歯２４及び副歯２６の末端付近に示されていてハッチングが施された矢印は、各歯において発生する推力の方向及びその大きさを表している。すなわち、矢印が幅広である箇所ほど大きい推力が作用する。また、図示される白塗りの矢印は、直線運動電動機１０の進行方向を表している。直線運動電動機１０において発生される推力は、主歯２４又は副歯２６と、永久磁石２０との間の相対的位置関係に応じて概ね定まる。すなわち、主歯２４又は副歯２６と永久磁石２０とが互いに正対している状態では、進行方向に対して直角な方向のみに力（反発力又は吸引力）が発生し、推力は可動子１２の進行方向において実質的に発生しない。対照的に、主歯２４又は副歯２６が永久磁石２０の極と極との間に対向して位置しているとき、磁束が進行方向に向かって曲げられるようになるので、大きい推力が発生する。図１に示される４極３相の直線運動電動機１０においては、極と極との間に対向して位置するようになる主歯２４又は副歯２６の割合が高いため、推力がより効率的に得られる。
【００３２】
主歯２４に加えて副歯２６を備えた直線運動電動機１０においては、固定子１４の永久磁石２０により形成される極の数と、可動子１２の巻線１８によって形成される相の数との比が４ｍ対３ｎであるように形成すれば、副歯２６によっても直線運動電動機１０の推力が得られるようになる。換言すると、副歯２６において発生する推力が、主歯２４における推力と同一方向を向くようになる。ただし、ｍ及びｎは自然数であり、２対３が成立する場合は除かれる。極と相の間の比が上記関係を満足する他の実施例については後述する。
【００３３】
図６は、参考例に係る直線運動電動機１００における可動子１０２及び固定子１０４を示す概略図である。直線運動電動機１００は、図示されるように２極３相の形態を有する。すなわち、３つの主歯１０６が可動子１０２に形成されるとともに、２つの極を形成する永久磁石１０８が固定子１０４に配列されている。同図においても、図１と同様に磁力線の方向、磁界の強さ並びに推力の方向及びその大きさが概念的に同種の矢印を用いて表されている。この参考例においては、極と相との位置関係により、副歯１１０において直線運動電動機１００の進行方向とは逆向きに推力が発生する。すなわち、直線運動電動機１００の進行を妨げる方向に力が発生する。したがって、この参考例においては、推力を向上させる目的からは副歯１１０を設けない方が望ましいことになる。
【００３４】
再び図１に戻ると、直線運動電動機１０においては、副歯２６も可動子１２の推力発生に寄与する。このような構成の直線運動電動機１０においては、主歯２４及び副歯２６の両方に磁束が通過することになる。しかしながら、副歯２６を通る磁束量が増大すると、磁気飽和が発生して推力を低下させる要因となる。そこで、副歯２６における磁気飽和の影響を考慮して主歯２４と副歯２６との歯幅比を調整するのが好ましい。前述されたように、この実施形態においては、主歯２４における磁束量は副歯２６における磁束量の４倍に相当する。したがって、副歯２６の歯幅を主歯２４の歯幅の１／４以下に設定すれば磁気飽和の影響を効果的に抑制できる。
【００３５】
図２は、図１の直線運動電動機１０において、主歯２４及び副歯２６の歯幅比と、推力との関係を示すグラフである。グラフの横軸は歯幅比（副歯２６の歯幅／主歯２４の歯幅）を表しており、縦軸は或る位相において、可動子１２が全体として受ける推力の合計を表している。図２から明らかなように、歯幅比が約０．２５の場合（副歯２６の歯幅が主歯２４の歯幅の１／４である場合）に推力は極大値をとる。そして、歯幅比０．２５未満の範囲において推力は概ね一定であることが分かる。歯幅比の下限値は、推力増大の目的との関係では特に規定されないものの、副歯２６の構造的強度その他の設計要件を考慮して当業者によって適宜選定されうる。一方、前述されたように、副歯２６は、巻線１８に接触するように形成されると放熱作用をもたらす。そして、副歯２６の歯幅が大きくなるのに従って放熱作用は向上する関係が成立する。したがって、推力の増大及び伝熱作用の向上を両方満足するように、副歯２６は、主歯２４の歯幅の１／４の歯幅を有するように形成されうる。特に、磁気飽和が鉄心コア１６に発生する程度まで十分に大きい電流が付与される場合には、歯幅比を１／４に設定するのが好ましい。
【００３６】
なお、図２は或る位相における歯幅比と推力との相関関係を説明したものであるが、この関係は他の任意の位相の場合にも同様に成立する。歯及びスロットの形状その他の要因に起因して推力の大きさそのものを各位相において常に一定にすることは困難であるものの、歯幅比と推力との相関関係は図２に示された結果と概ね同じ結果になることが分かっている。
【００３７】
以下、本発明の別の実施形態を説明する。前述された実施形態に係る構成要素と同一又は対応する構成要素に対しては同一の参照符号が使用され、重複する説明は適宜省略される。
【００３８】
図３は、本発明の別の実施形態に係る直線運動電動機４０における可動子１２及び固定子１４を示す概略図である。この実施形態において、直線運動電動機４０は４極９相の形態を有している。すなわち、固定子１４には、それぞれ極を形成する４つの永久磁石２０が配列されている。また、可動子１２は９つの主歯２４を有しており、これら主歯２４の各々に相を形成する巻線１８が巻回されている。また、図３は、図１と同様に或る電流位相において発生する磁力線の方向、磁界の強さ並びに推力の方向及びその大きさを概念的に同種の矢印によって表している。直線運動電動機４０のための推力を発生させる最も効果的な位置、すなわち固定子１４の極と極との間に対向する位置における主歯２４又は副歯２６に対しては推力の方向及びその大きさを表すハッチングが施された矢印が付与されている。図３から明らかなように、主歯２４において得られる推力と、副歯２６において得られる推力の方向は一致している。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様に副歯２６が可動子１２に対して進行方向に推力を付与する。したがって、全体として可動子１２の推力が増大される。また、この実施形態においても、主歯２４の歯幅と副歯２６の歯幅との比、すなわち歯幅比を１／４以下に設定すれば推力が極大値をとるようになる。
【００３９】
図４は、本発明の別の実施形態に係る直線運動電動機５０における可動子１２及び固定子１４を示す概略図である。この実施形態において、直線運動電動機５０は８極９相の形態を有している。すなわち、固定子１４には、それぞれ極を形成する８つの永久磁石２０が配列されている。また、可動子１２は９つの主歯２４を有しており、これら主歯２４の各々に相を形成する巻線が巻回されている。また、図４は、図１と同様に或る電流位相において発生する磁力線の方向、磁界の強さ並びに推力の方向及びその大きさを概念的に同種の矢印によって表している。直線運動電動機５０のための推力を発生させる最も効果的な位置、すなわち固定子１４の極と極との間に対向する位置における主歯２４又は副歯２６に対しては推力の方向及びその大きさを表すハッチング付きの矢印が付与されている。図４から明らかなように、主歯２４において得られる推力と、副歯２６において得られる推力の方向は一致している。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様に副歯２６が可動子１２に対して進行方向に推力を付与するため、全体として可動子１２の推力が増大される。また、この実施形態においても、主歯２４の歯幅と副歯２６の歯幅との比、すなわち歯幅比を１／４以下に設定すれば推力が極大値をとるようになる。
【００４０】
図５は、本発明の一実施形態に係る回転電動機６０における回転子６２及び固定子６４を示す概略図である。この実施形態は、前述された本発明の概念を回転電動機に適用したものである。この実施形態において、回転電動機６０は１２極９相の形態を有している。固定子６４は、鉄心コア６６及び複数の巻線６８を備える第１の電動機要素である。回転子６２は、複数の極を形成する複数の永久磁石７０を備えていて、固定子６４に対向して配置される第２の電動機要素である。
【００４１】
回転子６２は、界磁ヨーク７２と、界磁ヨーク７２の外周面において円周方向に概ね等間隔に配列された永久磁石７０とを主として備えている。界磁ヨーク７２は回転電動機６０の回転軸７４に一体的に組付けられていて、回転軸７４に回転動力を伝達できるようになっている。図中の白塗り矢印は回転電動機６０の回転方向を表している。
【００４２】
固定子６４の鉄心コア６６は、回転子６２の外周に概ね沿って配置される環状体の形態を有している。鉄心コア６６には、鉄心コア６６の内周面から回転子６２に向かって内方に突出する複数の歯が一体的に形成されている。複数の歯は、巻線６８が周りに巻回された主歯７６と巻線６８が巻回されていない副歯７８とを含んでいる。固定子６４の内周方向において、主歯７６及び副歯７８は、前述された実施形態と同様に交互に配列されている。
【００４３】
図５においても、巻線６８の周囲に示される黒塗り矢印は、或る電流位相における磁力線の方向及び磁界の強さを概念的に表している。また、ハッチングが施された矢印は推力の方向及びその大きさを概念的に表している。図示されるように、この実施形態においても、副歯７８において発生する推力は主歯７６において発生する推力と同一の方向に向いている。したがって、副歯７８は回転子６２を所定の回転方向に回転させる動力を付与するように作用する。このように回転電動機６０においても、前述された直線運動電動機１０，４０，５０と同様に永久磁石７０により形成される極の数と、巻線６８によって形成される相の数との比が４ｍ対３ｎである場合には、副歯７８による推力の方向が主歯７６による推力の方向に一致するようになる。ただし、ｍ及びｎは自然数であり、２対３が成立する場合は除かれる。
【００４４】
この実施形態においても、巻線６８には三相交流の電流が付与される。したがって、前述された直線運動電動機１０，４０，５０と同様に、主歯７６と副歯７８との歯幅比（副歯７８の歯幅／主歯７６の歯幅）が０．２５以下であれば、回転子６２に作用する推力は極大値をとる。
【００４５】
以上、前述された実施形態において、一方の電動機要素を可動子、他方の電動機要素を固定子として説明した。しかしながら、いずれの電動機要素を可動子にするかは当業者が適宜選択できる事項である。したがって、本発明は前述され、又は図示された実施形態に限定されない。例えば両方の電動機要素が互いに相対的に移動可能に形成されてもよい。
【００４６】
また、本発明は直線運動電動機及び回転電動機のいずれにも同様に適用されうる。したがって、直線運動電動機に係る実施形態に関して説明した事項は、本発明を回転電動機として実施した場合においても同様に当てはまる。例えば、本発明を回転電動機において実施する場合にも、主歯及び副歯の歯幅を突出方向において一様の歯幅を有するように形成してもよいし、例えば突出方向における主歯及び副歯の末端の位置を揃えて形成してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０    直線運動電動機
１２    可動子
１４    固定子
１６    鉄心コア
１８    巻線
２０    永久磁石
２４    主歯
２６    副歯
４０    直線運動電動機
５０    直線運動電動機
６０    回転電動機
６２    可動子
６４    固定子
６６    鉄心コア
６８    巻線
７０    永久磁石
７６    主歯
７８    副歯
【図１】
0005421396.tif 000002
【図２】
0005421396.tif 000003
【図３】
0005421396.tif 000004
【図４】
0005421396.tif 000005
【図５】
0005421396.tif 000006
【図６】
0005421396.tif 000007