(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端にポールシューを持つ複数のティースと開口部を有する電機子鉄心に直列接続された上コイルと下コイルを備えた固定子と、該固定子とエアギャップを介して多極の永久磁石が固着された可動子とからなり、前記固定子のコイルが前記ティース先端の前記エアギャップ内にある永久磁石形同期電動機において、
前記上コイルは空心であって前記ティースと同軸に固着されており、前記下コイルは前記ティースに集中巻きされている
ことを特徴とする永久磁石形同期電動機。
【請求項２】
ティースは先端までの幅が略一定であ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。
【請求項３】
下コイルと、上コイルとは、巻数と線径が異なることを特徴とする請求項１及び２記載の永久磁石形同期電動機。
【請求項４】
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３記載の永久磁石形同期電動機。
【請求項５】
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３記載の永久磁石形同期電動機。
【請求項６】
少なくとも上コイルを予め巻回し、その後、固定子に装着することを特徴とする請求項１ないし５記載の永久磁石形同期電動機の固定子の製造方法。
【０００１】
【発明の詳細な説明】
【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推力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６は従来の永久磁石形同期電動機の正断面図であり、図７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極の回転形同期電動機であり、毎極毎相のスロット数は１となっている。従って、電機子鉄心６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。これに巻回されるコイルは、下コイル辺８１と上コイル辺９１を有する１つのコイルを例にとると、下コイル辺８１はスロット＃１６内の下側に埋設され、上コイル辺９１は３つ右のスロット＃１の上側に埋設される。下コイル辺８２と上コイル辺９２を有するもう１つのコイルの場合は、下コイル辺８２はスロット＃１内の下側に埋設され、上コイル辺９２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相モータとされる。この電動機の回転子には、図６に示すように、回転軸２の表面に６個の永久磁石４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求められ、リップルや損失が小さな永久磁石形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、先端にポールシューを持つ複数のティースと開口部を有する電機子鉄心に直列接続された上コイルと下コイルを備えた固定子と、該固定子とエアギャップを介して多極の永久磁石が固着された可動子とからなり、前記固定子のコイルが前記ティース先端の前記エアギャップ内にある永久磁石形同期電動機において、前記上コイルは空心であって前記ティースと同軸に固着されており、前記下コイルは前記ティースに集中巻きされていること、としたのである。
また、この変形として、ティースは先端までの幅が略一定としたり、下コイルと、上コイルとは、巻数と線径が異なるよう巻回したり、これらを回転形の電動機としたり、直線形の電動機としたのである。
さらに、永久磁石形同期電動機の固定子の製造方法として、少なくとも上コイルを予め巻回し、その後、固定子に装着するようにしたのである。
【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、上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実施例を示す永久磁石形同期電動機の正断面図であり、図２はそのコイルの巻線形態図である。図において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永久磁石４とから構成されている。５は固定子であり、内径側で周方向等間隔にティース７を形成して磁性体からなる電機子鉄心６と、前記ティース７に巻回された下コイル８と、前記ティース７と同軸となるよう前記ティース７の先端に固着された上コイル９とから構成されている。ティース７は電機子鉄心６の円環状の部分より電動機の中心に向かって伸びており、先端では幅が広がりポールシューを形成している。回転子１に設けられた永久磁石４の極数は１４で径方向に着磁されており、固定子５のティース７の数は１２でそれぞれに下コイル８が巻回されている。従ってこの電動機は３相１４極１２スロットの電動機をなしており、毎極毎相のスロット数は２／７となっている。
【０００６】
次に電機子鉄心６に装着したコイルについて述べる。コイルはエアギャップに装着した上コイル９と、ティース７に巻回した下コイル８からなって図１のように装着されており、ティース７とコイルの結線関係は図２のようになっている。Ｕ相コイルは上コイル９がティース＃Ｔ１、＃Ｔ２、＃Ｔ７、＃Ｔ８に巻回されており、下コイル８が同じティースの先端に固着されて磁束の向きが同じとなるよう図２のように直列接続され、２つの端子Ｕ、Ｎを備えている。Ｖ相のコイルはＵ相と同じようにティース＃Ｔ５、＃Ｔ６、＃Ｔ１１、＃Ｔ１２に巻回され、同じように直列接続されて２つの端子Ｖ、Ｎを備えている。Ｗ相のコイルもＵ相と同じようにティース＃Ｔ９、＃Ｔ１０、＃Ｔ３、＃Ｔ４に巻回され、同じように直列接続されて２つの端子Ｗ、Ｎを備えている。
【０００７】
次に、コイルの位置関係と形状を示す図３を用いて説明する。図３のうち、（ａ）は２つのコイルを装着したティース７の断面図である。下コイル８の幅は、内側がティース７に密着するように巻かれているので、２個分のコイル断面の幅とティース７の幅とを加算した大きさになっており、下コイル８の長さは２個分のコイル断面の幅とティース７の長さにコイルの曲線部の隙間を加算した長さになっている。上コイル９は、ティース７の長手方向の厚みはエアギャップに装着するため薄くなっているが、ティース７に巻回することはなく空心コイルとなっているので、コイルの内側は幅と長さが下コイル８のものより小さく、外側の幅と長さも下コイル８のものより少し小さくなっている。また、両コイルの断面は装着する空間に差があるため下コイル８の方が大きくなっている。このように巻回されているため、両コイルが集中巻きとなって巻線作業が容易になると同時に、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なり、コイルに生じる銅損が小さいのである。
【０００８】
次に本発明の第２実施例について説明する。図４は本発明の第２実施例を示す永久磁石形同期電動機の正断面図であり、記号は図１の第１実施例と共通する。図において図１と異なる点は、ティース７の先端にポールシューを形成していない点である。このような構造とすると、下コイル８は上コイル９と同様に予め巻回しておくことができるほか、ティース７の先端まで下コイル８を巻回することができる。このため固定子５を小さくすることができるので、電機子鉄心６の鉄損を少なくすることができる。また、下コイル８が第１実施例の場合より小さく成形できるので銅損を少なくすることもでき、さらに作業性が第１実施例より良くなるという効果がある。
【０００９】
次に本発明の第３実施例を説明する。本発明の構成によれば、前記従来例のような開口部とギャップ部の巻数を同じにする必要が全くない。つまり、上コイルと下コイルの巻数または線径を自由に選定することができる。例えば、上コイルの巻数を多くし、下コイルの巻数を減らしていけばインダクタンスが小さくなり、応答性の良いものとなる。また、上コイルと下コイルは直列に接続されているために、それぞれのコイルに発生する銅損の割合が違い、適正な巻数と線径をそれぞれのコイルに選定することにより銅損を最小にすることができる。
【０００１０】
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同期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５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要部正断面図であり、毎極毎相のスロット数が２／７の３相モータである。図において、１１は可動子、４１は永久磁石、５１は固定子、７１はティース、８１は下コイル、９１は上コイルであり、前記第１実施例の回転形の同期電動機のティースを１８個にして展開し、直線状にしたものに相当する。従って両コイルの巻き方や巻数等も第１ないし第３実施例で述べたことが適用できるのは言うまでもない。
【０００１１】
前記の同期電動機は、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、回転形の同期電動機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することもできる。また、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、上コイルと下コイルのコイルエンドが干渉することがないので、巻線作業が容易になって生産性が向上すると同時に、組立精度が向上してトルクリップル又は推力リップルが小さく抑えられ、電動機を適用する装置に好適である。またコイルに用いる導体の長さが従来より大幅に短くなるので、銅損が少なく高い効率の電動機を提供することができるという効果がある。
【０００１３】
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の回転形の永久磁石形同期電動機の正断面図
【図２】コイルの巻線形態図
【図３】コイルの説明図
【図４】第２実施例の回転形の永久磁石形同期電動機の正断面図
【図５】第３実施例の直線形の永久磁石形同期電動機の要部正断面図
【図６】従来の永久磁石形同期電動機の正断面図
【図７】従来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、
４、４１ 永久磁石、  ５、５１ 固定子、  ６ 電機子鉄心、
７、７１ ティース、  ８、８１ 下コイル、       ９、９１ 上コイル、
１１ 可動子
【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】
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