(57)【要約】【課題】よりトルク密度・出力密度の大きい永久磁石型同期電動機を提供する。【解決手段】界磁の角型板状の永久磁石２４の磁化方向を回転方向とし、複数の永久磁石２４を円周方向に偶数個並べ、それらの間に強磁性体からなる扇型柱状の界磁ティース３４を挟んでラジアル方向とアキシャル方向に同一極性の磁界を発生させ、それらの外側には適正エアギャップを保ちながら、ラジアル電機子３１と二つのアキシャル電機子３２，３２を配置して、ラジアル・アキシャル複合型エアギャップを形成する。【選択図】図１
2014165927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の電機子からなるステータの内部に、永久磁石を有する界磁からなるロータが配置されるインナーロータ型の永久磁石型同期電動機において、
上記ロータは、四角形で円周方向に磁化した板状の上記永久磁石を磁化方向が回転方向を向くように所定の間隔をもって配置され、隣り合う上記永久磁石の間には、強磁性体からなる界磁ティースが挟持されており、上記界磁ティースは、円周方向の厚さが中心から遠ざかるほど厚く形成され、上記永久磁石の極性は、隣同士が逆向きになるように着磁することによって、隣り合う上記界磁ティースは異極となり、偶数極の極数を有する界磁を形成し、それらの上記界磁ティースと上記永久磁石とからなる界磁を最内径部において非磁性体の支持部材を介して回転軸に連結して回転子となし、
上記ステータは、上記ロータのラジアル方向の第１磁極面に対して所定のエアギャップをもって対向配置されるラジアルティース部と、上記ロータのアキシャル方向の第２磁極面に対して所定のエアギャップをもって対向配置されるアキシャルティース部とを有し、上記ラジアルティース部の両端側から上記アキシャルティース部が上記ロータを挟むようにして断面コ字状に配置されていることを特徴とする永久磁石型同期電動機。
【請求項２】
上記ステータにおいて、上記ラジアルティース部と、二つの上記アキシャルティース部は分離独立しており、それぞれのティース及びスロットの数は同数であり、それぞれの上記ティースの中心位置は、回転角に対して同じ位置に配置され、巻線方法も集中巻か分布巻のいずれかであり、巻線に流す多相交流電流の位相も同一であり、空間的にも時間的にも同一の回転磁界を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型同期電動機。
【請求項３】
上記ステータにおいて、上記ラジアルティース部と上記アキシャルティース部は一体的に形成されており、回転角において同じ位置にあるティースには、三次元的にスロットが上記ラジアルティース部から上記アキシャルティース部にかけて連続的に形成されており、そのスロット内に三次元的集中巻巻線が施されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型同期電動機。
【請求項４】
上記ステータにおいて、上記ラジアルティース部と上記アキシャルティース部は一体的に形成されており、ラジアルティース部とアキシャルティース部とには、それぞれティースが設けられており、スロットとヨークは上記アキシャルティース部から上記ラジアルティース部へと移設した構造とし、上記ラジアルティース部の上記スロットに巻かれた集中巻巻線に多相交流電流を流すことによって、上記ラジアルティース部の上記ティースと上記アキシャルティース部の上記ティースとの間のエアギャップにおいて回転磁界をつくりトルクを発生するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型同期電動機。
【請求項５】
上記ステータは、上記ロータの回転方向に沿って少なくとも２以上に分割されていることを特徴とする請求項３ないし４のいずれか１項に記載の永久磁石型同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電機子をステータとし、界磁をロータとするインナーロータ型の永久磁石型同期電動機に関し、さらに詳しく言えば、トルク密度・出力密度のより大きい永久磁石型同期電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石型同期電動機においては、トルク密度、出力密度の向上を目的として、以下の（１）〜（４）に示す技術的試みが行われてきた。すなわち、（１）永久磁石をフェライト系磁石からネオジム磁石などの希土類系磁石に代える。（２）界磁をＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）構造とし、リラクタンストルクを併用する。（３）ラジアル型モータ及びアキシャル型モータのエアギャップを二重にするなどしてエアギャップ面積を増やす。（４）例えば特許文献１に示すように、界磁の永久磁石の磁化方向を運動方向に合わせて多極化する。
【０００３】
しかしながら、（１）〜（４）には次のような課題がある。すなわち、（１）希土類系磁石には希土類元素が用いられるが、希土類系元素は埋蔵量が少ないため価格が高い。（２）リラクタンストルクはマグネットトルクに対して１０数％の寄与に過ぎず、大幅なパワーアップは望めない。（３）構造が複雑であるとともに、エアギャップ面積を増やす効果的な方法ではない。（４）多極化によって低速での大トルクはある程度期待できるが、エアギャップ面積の拡大について考慮されていない。
【０００４】
他方において、モータの力（トルク）は、界磁による直流磁界と電機子による交流磁界とが対向して形成されたエアギャップを介して相互に作用して発生する引力−斥力（マクスウェル応力）の運動方向成分の総和に比例する。すなわち、モータの力（トルク）∝〔電機子の交流磁束の大きさ〕×〔界磁の直流磁束の大きさ〕
で表される。
【０００５】
いま、モータのサイズ、電気装荷、磁気装荷、及びエアギャップ長などを略一定と仮定すると、次の二つの式が成立する。すなわち、〔電機子の交流磁束の大きさ〕∝〔電機子と界磁とが対向するエアギャップ面積〕であり、〔界磁の直流磁束の大きさ〕∝〔電機子と界磁とが対向するエアギャップ面積〕である。したがって、モータのトルク密度や出力密度を大きくするためには、電機子と界磁とが対向するエアギャップの面積を大きくすることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２１７２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の課題は、トルク密度・出力密度のより大きい永久磁石型同期電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。すなわち、環状の電機子からなるステータの内部に、永久磁石を有する界磁からなるロータが配置されるインナーロータ型の永久磁石型同期電動機において、上記ロータは、四角形で円周方向に磁化した板状の上記永久磁石を磁化方向が回転方向を向くように所定の間隔をもって配置され、隣り合う上記永久磁石の間には、強磁性体からなる界磁ティースが挟持されており、上記界磁ティースは、円周方向の厚さが中心から遠ざかるほど厚く形成され、上記永久磁石の極性は、隣同士が逆向きになるように着磁することによって、隣り合う上記界磁ティースは異極となり、偶数極の極数を有する界磁を形成し、それらの上記界磁ティースと上記永久磁石とからなる界磁を最内径部において非磁性体の支持部材を介して回転軸に連結して回転子となし、上記ステータは、上記ロータのラジアル方向の第１磁極面に対して所定のエアギャップをもって対向配置されるラジアルティース部と、上記ロータのアキシャル方向の第２磁極面に対して所定のエアギャップをもって対向配置されるアキシャルティース部とを有し、上記ラジアルティース部の両端側から上記アキシャルティース部が上記ロータを挟むようにして断面コ字状に配置されていることを特徴としている。
【０００９】
また、上記ステータにおいて、上記ラジアルティース部と、二つの上記アキシャルティース部は分離独立しており、それぞれのティース及びスロットの数は同数であり、それぞれの上記ティースの中心位置は、回転角に対して同じ位置に配置され、巻線方法も集中巻か分布巻のいずれかであり、巻線に流す多相交流電流の位相も同一であり、空間的にも時間的にも同一の回転磁界を形成するようにしたことを特徴としている。
【００１０】
さらに、上記ステータにおいて、上記ラジアルティース部と上記アキシャルティース部は一体的に形成されており、回転角において同じ位置にあるティースには、三次元的にスロットが上記ラジアルティース部から上記アキシャルティース部にかけて連続的に形成されており、そのスロット内に三次元的集中巻巻線が施されていることを特徴としている。
【００１１】
また、上記ステータにおいて、上記ラジアルティース部と上記アキシャルティース部は一体的に形成されており、ラジアルティース部とアキシャルティース部とには、それぞれティースが設けられており、スロットとヨークは上記アキシャルティース部から上記ラジアルティース部へと移設した構造とし、上記ラジアルティース部の上記スロットに巻かれた集中巻巻線に多相交流電流を流すことによって、上記ラジアルティース部の上記ティースと上記アキシャルティース部の上記ティースとの間のエアギャップにおいて回転磁界をつくりトルクを発生するようにしたことを特徴としている。
【００１２】
さらには、上記ステータは、上記ロータの回転方向に沿って少なくとも２以上に分割されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
これによれば、上記ステータは、上記ロータのラジアル方向の第１磁極面に対して所定のエアギャップをもって対向配置されるラジアルティース部と、上記ロータのアキシャル方向の第２磁極面に対して所定のエアギャップをもって対向配置されるアキシャルティース部とを有し、上記ラジアルティース部の両端側から上記アキシャルティース部が上記ロータを挟むようにして断面コ字状に配置されていることにより、ロータのラジアルエアギャップとアキシャルエアギャップの両方を用いた永久磁石型同期電動機が得られる。
【００１４】
また、上記ラジアルティース部は、上記第１磁極面に対向して環状に形成されており、その対向面には、上記第１磁極面に対向する複数の第１ティースメンバーを有し、上記各第１ティースメンバーには、コイルが巻回される第１スロットメンバーが設けられていることにより、ロータの第１磁極面とラジアルティース部との間で磁気的な駆動力を得ることができる。
【００１５】
さらに、上記アキシャルティース部は、上記第２端面に対向して環状に形成されており、その対向面には、上記第２磁極面に対向する複数の第２ティースメンバーを有し、上記各第２ティースメンバーは、中心から半径方向の外側に向かって幅が漸次大きくなる扇状に形成されており、コイルが巻回される第２スロットメンバーが設けられていることにより、ロータの第２磁極面とアキシャルティース部との間で磁気的な駆動力を得ることができる。
【００１６】
また、上記ステータは、上記ラジアルティース部および上記アキシャルティース部が一体成形されており、その内周面には、上記第１磁極面から上記第２磁極面にかけてを一体的に励磁するコイルが巻回されるスロットメンバーが形成されていることにより、第１磁極面から第２磁極面を一体的にコイルで覆うことにより、一次銅損が少なくなり、モータの効率改善に効果が期待できる。
【００１７】
さらに、上記ステータは、上記ロータの軸線方向および／または半径方向に沿って少なくとも２以上に分割されていることにより、ロータを分割されたステータで挟み込むように取り付けることで、所定のエアギャップを確保しながら、精度よく組み立てることができる。
【００１８】
また、上記巻線部には、集中巻か分布巻のいずれかの方法によって上記コイルが巻回されており、上記コイルが多相交流巻線となるように結線されていることにより、仕様に応じて巻線方法を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る永久磁石型同期電動機の要部断面図。
【図２】上記第１実施形態のロータの（ａ）正面図および（ｂ）Ａ−Ａ線断面図。
【図３】上記第１実施形態のステータの（ａ）正面図および（ｂ）Ｂ−Ｂ線断面図。
【図４】上記ステータのアキシャルティース部の（ａ）正面図および（ｂ）底面図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る永久磁石型同期電動機のステータの（ａ）正面図および（ｂ）Ｃ−Ｃ線断面図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る永久磁石型同期電動機のステータの（ａ）正面図および（ｂ）Ｄ−Ｄ線断面図。
【図７】上記第１実施形態の結線状態を説明するための説明図。
【図８】上記第１実施形態の結線状態を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１に示すように、この永久磁石型同期電動機１（以下、単に電動機１とする）は、円筒状のロータ２と、同ロータ２を覆うように配置されるステータ３とを備え、それらがカップ型のケーシング４の中に収納されている。
【００２１】
この例において、ケーシング４は、軸線方向の中央にロータ２の回転軸２１を軸受する軸受部４１，４１が同軸的となるように配置されている。また、ケーシング４は、軸線方向に沿って２分割されている。本発明において、ケーシング４および軸受部４１，４１の具体的な材質や形状は任意的事項である。
【００２２】
図２を参照して、ロータ２は、中心に出力軸２１が圧入される円筒状のロータ支持部２２と、同ロータ支持部２２によって支持される複数の界磁ティース２３と、各界磁ティース２３の間に挟まれるようにして配置される複数の永久磁石２４とを備えている。
【００２３】
ロータ支持部２２は、非磁性体の成形品からなり、出力軸２１を中心に同軸的に形成された円筒状の支持部本体２２１と、同支持部本体２２１の外周面から半径方向に向かって突出した凸部２２２とを備えた歯車状に形成されている。
【００２４】
界磁ティース２３は、強磁性体の成形品からなり、半径方向の中心から外周方向に向かって扇状に形成されている。各界磁ティース２３は、ロータ支持部２２に設けられた各凸部２２２の間に挟まるように固定されている。界磁ティース２３の固定方法は、例えば鋳造、樹脂成形、焼き嵌め、溶接などが考えられるが、その他の手法を用いて固定してもよい。
【００２５】
この扇形の界磁ティース２３をそれぞれロータ支持部２２に固定することで、永久磁石２４が差し込まれるスロット２３１が形成される。スロット２３１は、中心から外周に向かって等幅で形成されており、そこに板状の永久磁石２４が差し込まれるようにして固定されている。
【００２６】
図２に示すように、板状の永久磁石２４の磁化方向は、厚さ方向すなわち回転方向（円周方向）とし、極性は隣同士の永久磁石２４が逆向きになるように着磁するものとする。それによって、隣り合う界磁ティース２３は異極となり、偶数極の極数を有する界磁を形成できる。
【００２７】
この例において、永久磁石２４は、フェライト磁石やネオジム磁石などが用いられているが、これ以外の永久磁石が用いられてもよい。
【００２８】
次に、図１および図３を参照してステータ３について説明する。ステータ３は、ロータ２の第１磁極面２ａ（図１では上下方向の面）に所定のエアギャップをもって対向するラジアルティース部３１と、ロータ２の第２磁極面２ｂ（図１では左右方向の面）に所定のエアギャップをもって対向する二つのアキシャルティース部３２とを有し、それらがロータ２を挟むようにコ字型（門型）に配置されている。
【００２９】
ラジアルティース部３１は、ロータ２の外周面に対して同心円状に配置される環状ヨーク３１１と、環状ヨーク３１１の内周面からロータ３のラジアルギャップ面３ａに向けて突設された複数（この例では９極）のティース部３１２ａ〜３１２ｉとを備えている。
【００３０】
ティース部３１２ａ〜３１２ｉは、一端が環状ヨーク３１１の内周面に対して直交するように立設され、周囲にコイルＣが巻回されるスロット部が形成されている。この例において、ティース部３１２ａ〜３１２ｉは、一枚の電磁鋼板を打ち抜いたものを出力軸２１の軸線方向に沿って積層した積層体からなるが、これ以外に焼結磁心や圧粉磁心などが用いられてもよい。
【００３１】
各アキシャルティース部３２は、各第２磁極面２ｂ，２ｂに対向配置される偏平なドーナツ状に形成されている。アキシャルティース部３２はともに同一形状であるため、いずれか一方についてのみ説明する。
【００３２】
図４を併せて参照して、アキシャルティース部３２は、磁性体の成形品からなり、中央に回転軸２１を逃がすための開口部３３が設けられた扁平なドーナツ状に形成されている。
【００３３】
アキシャルティース部３２には、反第２磁極面２ｂ側（図４（ｂ）では下面側）にヨーク部３２１を有し、第２磁極面２ｂ側（図４（ｂ）では上面側）には、第２磁極面２ｂに対向する複数（この例では９極）のティース部３２２ａ〜３２２ｉが形成されている。
【００３４】
アキシャルティース部３２のアキシャルギャップ面２ｂ側（図４（ｂ）では上面側）にはさらに、コイルＣが巻回されるスロットメンバー３２３ａ〜３２３ｉが形成されている。各スロット３２３ａ〜３２３ｉは、ティース面の中心から半径方向に沿って放射状に複数（この例では９スロット）形成されている。各スロット３２３ａ〜３２３ｉは、その開口幅が入口側が狭く、深さ方向に向かって広くなるように形成されている。
【００３５】
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る電動機のステータ３Ａを説明する。なお、上述した第１実施形態と同一または同一と見なされる箇所には同じ参照符号を付した。このステータ３Ａは、電磁鋼鈑積層鉄心、圧粉磁心、焼結磁心からなり、ラジアルティース部３１とアキシャルティース部３２とが一体成形されている。
【００３６】
ところで、ラジアルティース部３１とアキシャルティース部３２とが一体成形されている場合、内部にロータ２を保持するためには、ステータ３Ａが少なくとも２以上に分割されていなくてはならない。そこで、この第２実施形態において、ステータ３Ａは、１２０°間隔で３分割されたティースメンバー３１ａ〜３１ｃを備えている。
【００３７】
各ティースメンバー３１ａ〜３１ｂの内周面（ロータ２と対向する面）には、コイルＣを収納するためのスロットメンバー３４が形成されている。この例において、スロットメンバー３４は、各ティースメンバー３１ａ〜３１ｂ毎に２極一組となって形成されている。
【００３８】
各スロットメンバー３４は、各ティースメンバー３１ａ〜３１ｂの内周面のラジアル側の各ティース部３１２ａ〜３１２ｉとアキシャル側のティース部３２２ａ〜３２２ｉとにかけて連続したアーチ状に形成された溝からなり、そこにコイルＣが収納されている。
【００３９】
これによれば、スロットメンバー３４に沿ってコイルＣを収納することで、ラジアルティース部３１のコイルＣ１と、アキシャルティース部３２のコイルＣ２とを同時に励磁出来る三次元的集中巻を施すことができる。これは第１実施形態における毎極のラジアル巻線と二つのアキシャル巻線（図７のＰ１に相当）の三つの巻線を一つの巻線で代替出来るものであり巻線抵抗の減少による効率の向上に寄与する。
【００４０】
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態に係る電動機のステータ３Ｂについて説明する。この第３実施形態のステータ３Ｂについても、各ティースメンバー３１ａ〜３１ｃはともに鉄心材料を圧粉成形や焼結成形などによって形成したものからなるが、これ以外の成型方法であってもよい。
【００４１】
この第３実施形態において、このステータ３Ｂには、コイルＣはラジアルティース部３１１ａ〜３１１ｉにのみ三次元的集中巻線が施されており、巻線を施した各ティースメンバー３１ａ〜３１ｃをロータ２を包むようにして外周方向から合致させたのち、それらを溶接などによって一体化することで、環状のステータ３Ｂが形成される。
【００４２】
このステータ３Ｂの基本的な構造は、上記第１実施形態のステータ３を変形したものである。すなわち第２実施形態の二つのアキシャルティース部３２，３２をそのまま残しておき、アキシャルティース部３２のヨークとスロットとをラジアルティース部３１に移動し、ラジアルティース部３１のヨークとスロットに集中化させたものである。
【００４３】
巻線は分割されたステータティース毎に集中巻巻線を施し、組立は第２の実施形態と同様の方法で組み立てることができる。
【００４４】
第３の実施形態の効果は、ステータティースが電磁鋼鈑の積層方式で製作でき、かつ巻線もラジアル部一ヶ所に集中巻巻線を施せばよいので低コストとなり、巻線抵抗が低く出来るので一次銅損が小さくなりモータ効率も向上する。
【００４５】
次に、図９および図１０を参照して、本発明の電動機１のコイルＣの結線手順の一例について説明する。この例において、電動機１には、コイルＣが分布巻により巻回され、Ｕ−Ｖ−Ｗの３相結線となるように結線されている。
【００４６】
この例において、Ｕ相はティース部３１２ａ，３１２ｄ，３１２ｇ（３２２ａ，３２２ｄ，３２２ｇ）である。Ｖ相はティース部３１２ｂ，３１２ｅ，３１２ｈ（３２２ｂ，３２２ｅ，３２２ｈ）である。Ｗ相はティース部３１２ｃ，３１２ｆ，３１２ｉ（３２２ｃ，３２２ｆ，３２２ｉ）である。
【００４７】
コイルＣの巻線方法は、集中巻と分布巻が選択的に採用されてよく、ステータコア（電機子鉄心）の形態や組立方法などの仕様に応じて任意に選択されてよい。
【符号の説明】
【００４８】
１  永久磁石型同期電動機
２  ロータ
２ａ  第１磁極面
２ｂ，２ｂ  第２磁極面
２１  出力軸
３  ステータ
３１  ラジアルティース部
３２，３２  アキシャルティース部
【図１】
2014165927.tif 000003
【図２】
2014165927.tif 000004
【図３】
2014165927.tif 000005
【図４】
2014165927.tif 000006
【図５】
2014165927.tif 000007
【図６】
2014165927.tif 000008
【図７】
2014165927.tif 000009
【図８】
2014165927.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月13日(2013.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
次に、図７および図８を参照して、本発明の電動機１のコイルＣの結線手順の一例について説明する。この例において、電動機１には、コイルＣが分布巻により巻回され、Ｕ−Ｖ−Ｗの３相結線となるように結線されている。