(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
突極を有し、該突極に巻線が巻回されて成る固定子と、回転子からなるモータにおいて、
前記固定子の突極の先端部が回転子の軸方向の幅にほぼ一致あるいは幅以上になるように広げられ、かつ前記突極の巻線が、回転子の軸方向の幅とほぼ等しく配設され、かつ前記固定子の突極の先端部の断面積と中央部分の断面積とが等しくなっていることを特徴とするモータ。
【請求項２】
突極を有する回転子と、巻線の巻回された突極を有する固定子とから成り、該固定子の突極の先端部が軸垂直方向に絞られているリラクタンスモータにおいて、
前記固定子の突極の該先端部が回転子の軸方向の幅にほぼ一致あるいは幅以上になるように広げられ、
かつ前記突極の巻線が、回転子の軸方向の幅とほぼ等しく配設され、かつ前記固定子の突極の先端部の断面積と中央部分の断面積とが等しくなっていることを特徴とするリラクタンスモータ。
【請求項３】
軸方向と同心状に形成されたスロットに巻線の収容されて成る固定子と、該固定子の外周に配設された回転子とを有するアキシャルコイルモータにおいて、
前記固定子のスロットを、軸芯に対して幅の狭くなる台形状に形成し、
前記スロットを、固定子の磁路断面積がほぼ均一となるように形成したことを特徴とするアキシャルコイルモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気抵抗の変化による損失を押さえることで効率を高めたモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転子の磁気的な突極性によって発生するリラクタンストルクを用いるリラクタンスモータは、交流電源で直接始動でき、電源周波数に同期して回転する小容量の同期電動機として古くから用いられていた。現在、小容量のリラクタンスモータではなく、電気自動車等の動力源として、効率的に大トルクを可変速で発生し得るスイッチドリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  Ｍｏｔｏｒ）が注目を集めている。ここで、スイッチドリラクタンスモータとは、リラクタンスモータの中で、固定子及び回転子が共に突極構造を有し、集中巻固定子巻線の回転子位置情報に基づいて電流を供給する方式のものを指す。係るスイッチドリラクタンスモータは、構造が簡単で機械的に頑健であり、熱の発生が固定子巻線に限定され、駆動回路の簡素化が可能である等の特徴を有している。
【０００３】
ここで、スイッチドリラクタンスモータの構成について図６（Ａ）を参照して説明する。スイッチドリラクタンスモータは、６個の突極７１、７２、７３、７４、７５、７６を備える固定子７０と、４個の突極８１、８２、８３、８４を備える回転子８０とから成り、各突極７１〜７６には巻線６１、６２、６３、６４、６５、６６が巻回されている。ここで、スイッチドリラクタンスモータは、回転子８０の突極と固定子７０の突極の位置とを図示しないセンサにて検出し、各巻線６１、６２、６３、６４、６５、６６を励磁することで、回転子８０を回転させる。
【０００４】
スイッチドリラクタンスモータは、回転子の突極と固定子の突極の数とは、２個の差が設けられている。一般的に、回転子の突極の数が４個の時には、固定子の突極は６個、また、回転子の突極の数が６個の時には、固定子の突極は８個設けられる。そして、軸芯Ｘからの角度が（３６０°÷（突極数×２））に成るように、固定子の突極の先端部は絞られている。即ち、図６（Ａ）に示す６個の突極６１〜６６を有する場合には、軸芯Ｘからの角度が３０°になるように、突極６１〜６６の先端部が絞られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したスイッチドリラクタンスモータは、突極６１〜６の先端部が絞られているために、先端部以外αの断面積と比較して、突極６１〜６６の先端部のβの断面積が小さくなっている。従って、当該先端部において、磁気抵抗が高くなり、エネルギー損失が発生する。これが、スイッチドリラクタンスモータにおいて、高いトルクが発生できない原因の一つとなっていた。
【０００６】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すスイッチドリラクタンスモータのＢ−Ｂ線の断面を示している。ここで、固定子７０側の突極７１の軸６０方向の幅Ｗ１は回転子８０の幅Ｗ２とほぼ等しく生成されている。一方、巻線６１は、突極７１の外周に巻回されているため、幅がＷ３になる。このため、図中に示す巻線６１の両側方は、幅Ｗ４、Ｗ４だけ側方に飛び出しているため、該幅Ｗ４において巻線６１に発生した磁束が有効に回転子８０側と交差せず、トルク発生に寄与していなかった。
【０００７】
更に、上述した磁路断面積の変化による、磁気抵抗の変化に基づく効率の劣化は、リラクタンスモータのみでなく、アキシャルコイルモータにおいても発生している。
【０００８】
図７（Ａ）は、アキシャルコイルモータを軸方向に対して直角に切断した模式図を示し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＣ−Ｃ断面を示している。
アキシャルコイルモータは、突極７７の配設された固定子７０と、永久磁石８５の配設された回転子８０とから成る。図７（Ｂ）に示すように、固定子７０は、１対のドラム７０Ａ、７０Ｂから成る。該ドラム７０Ａ、７０Ｂ内には、支軸９０を中心として同心状に矩形のスロット７８Ａ、７８Ｂが形成され、該スロット７８Ａ、７８Ｂに、巻線９８Ａ、９８Ｂが収容されている。ここで、巻線９８Ａ、９８Ｂを交互に励磁することで、回転子８０を駆動する。
【０００９】
該アキシャルコイルモータにおいて、巻線９８Ａを励磁することで、図７（Ｂ）中に示すようにドラム７０Ａに磁束φが流れる。図７（Ｂ）に示すドラム７０Ａ内の磁路について、該ドラム７０Ａの一部を切り欠いて図７（Ｃ）に示す。図７（Ｃ）中に示すように、スロット７８Ａの上部側の磁路断面αに対して、下部側の磁路断面βは、面積が狭くなっている。即ち、磁路断面積が変化し、磁気抵抗が高まり、モータの効率が劣化して、高トルクが発生できなかった。
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高いトルクを発生し得るモータを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、上記目的を達成するため、突極を有し、該突極に巻線が巻回されて成る固定子と、回転子からなるモータにおいて、
前記固定子の突極の先端部が回転子の軸方向の幅にほぼ一致あるいは幅以上になるように広げられ、かつ前記突極の巻線が、回転子の軸方向の幅とほぼ等しく配設され、かつ前記固定子の突極の先端部の断面積と中央部分の断面積とが等しくなっていることを技術的特徴とする。
【００１２】
請求項２は、上記目的を達成するため、突極を有する回転子と、巻線の巻回された突極を有する固定子とから成り、該固定子の突極の先端部が軸垂直方向に絞られているリラクタンスモータにおいて、
前記固定子の突極の該先端部が回転子の軸方向の幅にほぼ一致あるいは幅以上になるように広げられ、
かつ前記突極の巻線が、回転子の軸方向の幅とほぼ等しく配設され、かつ前記固定子の突極の先端部の断面積と中央部分の断面積とが等しくなっていることを技術的特徴とする。
【００１４】
請求項３は、上記目的を達成するため、軸方向と同心状に形成されたスロットに巻線の収容されて成る固定子と、該固定子の外周に配設された回転子とを有するアキシャルコイルモータにおいて、
前記固定子のスロットを、軸芯に対して幅の狭くなる台形状に形成し、前記スロットを、固定子の磁路断面積がほぼ均一となるように形成したことを技術的特徴とする。
【００１６】
請求項１のモータにおいては、固定子の突極の先端部が回転子の軸方向の幅以上になるように広げられ、突極の巻線が、回転子の軸方向の幅にほぼ一致あるいは幅と対応するように配設されている。このため、巻線に発生した磁束を、効率的に回転子に通すことができ、モータのトルクを高めることが可能となる。
【００１７】
請求項２のリラクタンスモータにおいては、固定子の突極の先端部が軸の垂直方向に絞られているが、該先端部は、軸方向に広げられている。このため、該突極は、先端部にて断面積が狭くならず、即ち、磁気抵抗が高まらないので、高い効率を有する。また、固定子の突極の先端部が回転子の軸方向の幅にほぼ一致あるいは幅以上になるように広げられ、突極の巻線が回転子の軸方向の幅と対応するように配設されている。このため、巻線に発生した磁束を、効率的に回転子に渡すことができ、モータのトルクを高めることが可能となる。
【００１８】
請求項１及び請求項２のモータにおいては、固定子の突極の断面積が、ほぼ均一となるように形成してあるため、磁気抵抗が一定であり、高い効率を有する。
【００１９】
請求項３のアキシャルコイルモータにおいては、固定子のスロットが軸芯に対して幅の狭くなる台形状に形成してあるので、固定子の磁路に沿った断面積が大きく変化しない。このため、磁気抵抗が変化せず、高い効率を有する。
【００２０】
請求項３のアキシャルコイルモータは、固定子の磁路の断面積が、ほぼ均一となるようにスロットを形成してあるため、磁気抵抗が一定であり、高い効率を有する 。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態に係るリラクタンスモータについて図１及び図２を参照して説明する。
図１（Ａ）は第１実施態様に係るスイッチドリラクタンスモータを、軸方向に対して直角方向へ切断した端面を示している。スイッチドリラクタンスモータ１０は、６個の突極２１、２２、２３、２４、２５、２６を備える固定子２０と、４個の突極３１、３２、３３、３４を備える回転子３０とから成り、各突極２１〜２６には巻線１１、１２、１３、１４、１５、１６が巻回されている。巻線１１〜１６が励磁されることにより、各突極２１〜２６内に、回転子３０側を指向する磁束φが流れる。ここで、スイッチドリラクタンスモータは、回転子３０の突極と固定子２０の突極の位置とを図示しないセンサにて検出し、各巻線１１〜１６を励磁することで、回転子３０を回転させる。
【００２２】
本実施形態のスイッチドリラクタンスモータ１０には、固定子の突極が６個設けられている。このため、軸芯Ｘからの角度が（３６０°÷（突極数×２）＝３０°）に成るように、固定子２０の突極２１〜２６の先端部２１ａ〜２６ａは、軸６０と垂直方向に絞られている。
【００２３】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中のスイッチドリラクタンスモータのＤ−Ｄ断面を示している。本実施形態の固定子２０の突極２１は、図１（Ａ）を参照して上述したように先端部２１ａは、軸垂直方向に絞られる反面、図１（Ｂ）に示すように軸方向に対しては広げられている。即ち、固定子側の突極２１の中央部の幅Ｗ６は、回転子３０の軸方向の幅Ｗ５に対して狭く形成され、該先端部２１ａの幅は、回転子３０の幅Ｗ５よりも僅かに広い幅Ｗ７に形成されている。また、突極２１に巻回された巻線１１の幅は、回転子３０の幅Ｗ５とほぼ等しく形成されている。
【００２４】
ここで、本実施形態では、図１（Ａ）を参照して上述したように、固定子２０の突極２１〜２６の先端部２１ａ〜２６ａが軸垂直方向に絞られるが、図１（Ｂ）を参照して上述したように、該先端部２１ａ〜２６ａは、軸方向に広げられることで、突極２１〜２６の基部（固定子に取る付けられている部位）から先端部２１ａ〜２６ａまで全て磁路（磁束φの流れる通路：突極と平行）の断面積が均一になるように形成されている。このため、該突極２１〜２６は、磁気抵抗が一定であり、エネルギー損失が少なくなる。従って、本実施形態のスイッチドリラクタンスモータ１０は、高い効率を有し、高いトルクを発生し得る。なお、本実施形態では、突極２１〜２６の断面積が一定になるように、先端部２１ａ〜２６ａを形成した。しかしながら、断面積を完全に均一にしなくとも、図１（Ａ）に示すように、先端部が絞られている突極に対して、該先端部を軸方向へ広げることで、該先端部での断面積の変化を小さくし、エネルギー損失を軽減することができる。
【００２５】
本実施形態では、固定子２０の突極２１〜２６の先端部２１ａ〜２６ａが、回転子３０の軸方向の幅Ｗ５以上になるように広げられ、突極の巻線１１〜１６が、回転子３０の軸方向の幅Ｗ５と対応するように配設されている。このため、巻線１１〜１６に発生した磁束を、効率的に回転子３０へ通すことができ、漏れ磁束を減らし、モータのトルクを高めることが可能となる。
【００２６】
図１（Ａ）中に示す回転子３０の突極３１と、固定子２０の突極２１とを模式的に示す図２（Ａ）、図２（Ｂ）を参照し、スイッチドリラクタンスモータのトルクの発生原理について述べる。ここで、回転子３０の回転に伴い、突極３１は図中の矢印の方向に移動するものとする。図２（Ａ）に示すように固定子２０側の突極２１に、回転子３０の突極３１が近づいたタイミングで、巻線１１に電圧を印加し、磁束を両突極２１、３１間に渡すことにより、磁気抵抗の変化に基づき図中矢印で示す右向きのトルクを発生させる。そして、図２（Ｂ）に示すように、固定子２０側の突極２１と回転子３０の突極３１とが対向する位置で、巻線１１への電圧印加を停止する。即ち、これ以上電圧の印加を続けると、回転子３０の回転方向とは反対側（図中の左向き）のトルクが発生するからである。ここでは、回転子３０の突極３１と固定子２０の突極２１とを示したが、回転子３０の各突極３１、３２、３３、３４に対して、それぞれの突極２１、２２、２３、２４、２５、２６の励磁を順次切り替えて行くことで、連続したトルクを発生させる。
【００２７】
引き続き、本発明の第２実施形態について、図３乃至図５を参照して説明する。図１を参照して上述した第１実施形態においては、本発明の構成をスイッチドリラクタンスモータに適用する例を挙げたが、第２実施形態においては、本発明の構成をアキシャルコイルモータに適用している。
【００２８】
図３（Ａ）は、第２実施形態に係るアキシャルコイルモータ５０を支軸９０に対して直角方向へ切断した模式図を示している。該アキシャルコイルモータ５０は、突極２７を有する固定子２０と、永久磁石３５の配設された回転子３０とからなる。
【００２９】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すアキシャルコイルモータ５０の回転子３０の一部を切り欠き、固定子２０の表面を示している。固定子２０は支軸９０に固定され、回転子３０は支軸９０に対してベアリング９２を介して回転可能に支持されている。図４（Ａ）は、図３（Ａ）のＥ−Ｅ断面、即ち、回転子３０の断面を示している。図４（Ａ）中に示すように、固定子２０は、一対のドラム２０Ａ、２０Ｂからなり、該ドラム２０Ａ、２０Ｂには、台形状のスロット２８Ａ、２８Ｂが、軸方向と同心状に形成されて、該スロット２８Ａ、２８Ｂに巻線１８Ａ、１８Ｂが収容されている。後述するように巻線１８Ａ、１８Ｂが交互に励磁されることにより、回転子３０を駆動する。
【００３０】
該アキシャルコイルモータ５０において、巻線１８Ａを励磁することで、該ドラム２０Ａには、磁束φが流れる。図４（Ａ）中にドラム２０Ａ内の磁路について、該ドラム２０Ａの一部を切り欠いて図４（Ｂ）に示す。第２実施形態のアキシャルコイルモータにおいては、スロット２８Ａを軸芯に近づくにつれて幅の狭くなる台形状に形成することで、スロット２０Ａの上部側方側の磁路断面αと、下部側方側の磁路断面βと、下部側の磁路断面γの各面積が等しくなるように均一になっている。
【００３１】
この関係を数式を用いて更に詳細に説明する。図４（Ｃ）は、ドラム２０Ａのスロット２８Ａを示している。ここで、スロット２８Ａの上面（台形の底辺）からドラム２０Ａの端面２０’までの幅をＬ２  、スロット２８Ａの下面（台形の上辺）からドラム２０Ａの端面２０’までの幅をＬ１  、スロット２８Ａの上面からドラム２０Ａの軸芯Ｘまでの径をＲ２  、スロット２８Ａの下面からドラム２０Ａの軸芯Ｘまでの径をＲ１  とする。また、１ピッチの角度をθとする。ここで、磁路断面γの面積は、Ｒ１  ２  π・θ／３６０で表され、磁路断面βの面積は、２Ｒ１  π・θ／３６０・Ｌ１で、また、磁路断面αの面積は、２Ｒ２  π・θ／３６０・Ｌ２  で表される。従って、本実施形態のアキシャルコイルモータにおいては、これらの磁路断面γ、β、αの面積が全て等しくなるように、Ｒ１  、Ｒ２  、Ｌ１  、Ｌ２  の値が設定してある。
【００３２】
第２実施形態のアキシャルコイルモータにおいては、固定子２０の磁路の断面積が均一であるため、磁気抵抗が一定となり、該磁気抵抗による損失が最小になる。このため、効率よく磁束を発生することで、高いトルクを発生することができる。
【００３３】
ひき続き、第２実施形態のアキシャルコイルモータの回転原理について、図４及び図５を参照して説明する。
図５（Ａ）に示すように、アキシャルコイルモータの固定子２０は、ドラム２０Ａを構成する第１ステータ２１Ａと第２ステータ２２Ａと、ドラム２０Ｂを構成する第３ステータ２３Ｂと第４ステータ２４Ｂとから成る。ここで、第１，第２ステータ２１Ａ，２２Ａ、及び、第３，第４ステータ２３Ｂ，２４Ｂは、それぞれ１／２ピッチ、第２ステータ２２Ａと第３ステータ２３Ｂとは、１／４ピッチ位置がずらされている。一方、回転子３０側の歯は、第１〜第４ステータに対応する全ての位置で同ピッチであり、固定子２０に対向する面がすべてＮ極となるように永久磁石３５が配設されている。
【００３４】
巻線１８Ａ、１８Ｂの励磁タイミングを図５（Ｂ）に示す。時刻ｔ１に、巻線１８Ａ及び巻線１８Ｂにプラスの電荷を印加すると、図４（Ａ）に示すように、第１ステータ２１Ａ及び第３ステータ２３ＢがＳ極に、第２ステータ２２Ａ及び第４ステータ２４ＢがＮ極に励磁される。このときの回転子３０の永久磁石３５と、第１〜第４ステータ２１Ａ〜２４Ｂの位置関係を図５（Ｃ）に示す。図５（Ｃ）中の上側に示すように、回転子の永久磁石３５のＮ極と、第１ステータ２１Ａ及び第３ステータ２３ＢのＳ極との間に吸引力が発生し、回転子３０側に図中矢印で示す左向きのトルクが発生する。
【００３５】
一方、図５（Ｃ）中の下側に示すように、回転子の永久磁石３５のＮ極と、第２ステータ２２Ａ及び第４ステータ２４ＢのＮ極との間に反発力が発生し、回転子３０側に図中矢印で示す左向きのトルクが発生する。そして、第１、第３ステータ２１Ａ，２３Ｂの突極が回転子３０側の永久磁石３５と揃ったときに（図５（Ｂ）中に示すタイミングｔ２）、第１、第２ステータ２１Ａ、２２Ａ側の巻線１８Ａの通電方向を切り替えることにより、図５（Ｃ）中に示す左方向のトルクを発生させ続ける。このように、回転子３０の永久磁石３５の移動に伴い、巻線１８Ａ、１８Ｂの通電方向を切り替えることで、回転子３０に一定方向のトルクを発生させ、回転させる。この際、上述したように、固定子２０側内の磁路の磁気抵抗が均一であるため、損失が少なく、高いトルクを発生させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１のモータにおいては、固定子の突極の先端部が回転子の軸方向の幅とほぼ一致あるいは幅以上になるように広げられ、突極の巻線が、回転子の軸方向の幅と対応するように配設されているため、巻線に発生した磁束を、効率的に回転子に通すことができ、モータのトルクを高めることが可能となる。
【００３７】
請求項２のリラクタンスモータにおいては、固定子の突極の先端部が軸の垂直方向に絞られている反面、該先端部は、軸方向に広げられている。このため、該突極は、先端部にて断面積が狭くならず、即ち、磁気抵抗が高まらないので、高い効率を有する。また、固定子の突極の先端部が回転子の軸方向の幅とほぼ一致あるいは幅以上になるように広げられ、突極の巻線が回転子の軸方向の幅と対応するように配設されているため、巻線に発生した磁束を、効率的に回転子に渡すことができ、モータのトルクを高めることが可能となる。
【００３８】
請求項１、請求項２のモータにおいては、固定子の突極の断面積が、ほぼ均一となるように形成してあるため、磁気抵抗が一定であり、高い効率を有する。
【００３９】
請求項３のアキシャルコイルモータにおいては、固定子のスロットが、軸芯に対して幅の狭くなる台形状に形成してあるので、固定子の磁路に沿った断面積が大きく変化しない。このため、磁気抵抗が変化せず、高い効率を有する。
【００４０】
請求項３のアキシャルコイルモータは、固定子の磁路の断面積が、ほぼ均一となるようにスロットを形成してあるため、磁気抵抗が一定であり、高い効率を有する 。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係るスイッチドリラクタンスモータの回転子及び固定子を示す図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、固定子の突極と回転子の突極との間に発生する磁束の説明図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係るアキシャルコイルモータの回転子及び固定子を示す図であり、図３（Ｂ）は、該アキシャルコイルモータの回転子の一部を切り欠いて示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、図３（Ａ）のＥ−Ｅ断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中のドラムの一部を示す斜視図であり、図４（Ｃ）は、スロットの説明図である。
【図５】図５（Ａ）は、固定子のピッチを示す説明図であり、図５（Ｂ）は、巻線の励磁タイミングを示すグラフであり、５（Ｃ）は、回転子と固定子のステータとの間に発生するトルクの説明図である。
【図６】図６（Ａ）は、従来技術に係るスイッチドリラクタンスモータの回転子及び固定子を示す図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、従来技術に係るアキシャルコイルモータの回転子及び固定子を示す図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＣ−Ｃ断面図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）のドラムの一部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０  スイッチドリラクタンスモータ
１１、１２、１３、１４、１５、１６  巻線
１８Ａ、１８Ｂ  巻線
２０  固定子
２１、２２、２３、２４、２５、２６  突極
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ  先端部
２１Ａ  第１ステータ
２２Ａ  第２ステータ
２３Ｂ  第３ステータ
２４Ｂ  第４ステータ
２７  突極
３０  回転子
３１、３２、３３、３４  突極
３５  永久磁石
５０  アキシャルコイルモータ
６０  軸
９０  支軸
【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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