(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導型トルクモータのロータとして用いられる誘導型トルクモータ用ロータであって、
軸体と、
前記軸体の軸心と同心となるように前記軸体に連結され、比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下である軟磁性材料によって形成された円筒体とを備え、
前記誘導型トルクモータのトルクをＴ［Ｎ・ｍ］とし、前記ロータの渦電流損失をＰ［Ｗ／ｋｇ］とし、前記誘導型トルクモータのすべりをｓとし、前記誘導型トルクモータの駆動周波数をｆ０［Ｈｚ］とし、前記軟磁性材料の比抵抗をρ［μΩ・ｍ］とし、前記軟磁性材料の比透磁率をμとし、そして、前記駆動周波数ｆ０での前記円筒体の表皮深さをδ（ｓｆ０）［ｍ］とする場合に、単位「損失Ｐ／すべりｓｆ０」当たりに得られるトルクＴが下記式Ｃ１で表される場合に、前記式Ｃ１におけるパラメータａは、１０００≦ａ≦２５００であること
を特徴とする誘導型トルクモータ用ロータ。
Ｔ／（Ｐ／ｓｆ０）∝１／（１＋ａ／μ）・（δ（ｓｆ０）／ρ）      ・・・（Ｃ１）
ただし、記号∝は、Ａ∝Ｂである場合にＡがＢと比例関係にあることを表す。
【請求項２】
前記円筒体は、該円筒体の周面に形成された、該円筒体の軸方向に平行な複数の凹溝部をさらに備えること
を特徴とする請求項１に記載の誘導型トルクモータ用ロータ。
【請求項３】
前記凹溝部は、その深さが前記表皮深さδ（ｓｆ０）以上であって、その深さ／幅であるアスペクト比が２以上であること
を特徴とする請求項２に記載の誘導型トルクモータ用ロータ。
【請求項４】
前記円筒体は、比抵抗が０．０２［μΩ・ｍ］以下の導電材料によって、軸方向の両端における円周縁に沿ってそれぞれ形成された一対の円環部材をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の誘導型トルクモータ用ロータ。
【請求項５】
ステータと、ロータとを備える誘導型トルクモータであって、
前記ロータは、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の誘導型トルクモータ用ロータであること
を特徴とする誘導型トルクモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導型トルクモータのロータとして用いられる誘導型トルクモータ用ロータに関し、特に、誘導型トルクモータのパフォーマンス（効率）をより向上することができる誘導型トルクモータ用ロータに関する。そして、本発明は、この誘導型トルクモータ用ロータを用いた誘導型トルクモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギを機械エネルギへ変換するモータ（電気モータ、電動機）は、様々な用途に利用されており、一般に、軸を有し回転するロータ（回転子）と、前記ロータと相互作用するステータ（固定子）とを備え、回転変化する磁界（回転磁界）によって前記ロータを回転させる。このモータは、一般に、同期モータと誘導モータ（非同期モータ）とに大別される。
【０００３】
同期モータは、給電された交流電流が作る回転磁界によってロータが吸引されて追従回転し、同期速度で回転する電動機である。同期モータには、例えば、ロータに永久磁石を用いる永久磁石同期電動機（ＰＭ型モータ）や、鉄のようなリラクタンス（磁気抵抗）が小さく一時的に磁石となる材料をロータに用いるリラクタンス型同期電動機等がある。
【０００４】
誘導モータは、ステータが作る回転磁界によって電気伝導体のロータに誘導電流を発生させ、これによってすべりに対応した回転トルクを得る電動機である。誘導モータには、例えば、始動時には所定の方法で回転トルクが与えられ始動後には単相交流電力で回転トルクを得る単相誘導電動機や、三相交流電力で回転トルクを得る例えばかご形三相誘導電動機および巻線形三相誘導電動機等の三相誘導電動機等がある。
【０００５】
また、モータには、トルク特性の観点から分類したトルクモータが知られており、このトルクモータは、供給される電気信号のレベルに応じた出力軸の角度変位または回転トルクが得られるモータである。例えば、電圧が印加されるとこの印加電圧のレベルに比例した角度変位が得られ、また例えば、電流が給電されるとこの電流レベルに比例した回転トルクが得られる。このため、このようなトルクモータは、出力軸を正確な位置へ回転されることや、電気的な制御信号に応答して出力軸に正確な大きさの回転トルクを出力させることが必要な制御システムに好適に用いられ、様々な技術分野に適用されている。このトルクモータには、前記同期モータのＰＭ型モータと同様の構造を持つタイプ（同期型トルクモータ、例えば特許文献１）や、前記誘導モータと同様の構造を持つタイプ（誘導型トルクモータ、例えば非特許文献１）がある。
【０００６】
この特許文献１に開示のトルクモータは、ソレノイドおよび該ソレノイドの両端より側方へ延出した一対のステータによって構成された磁気回路と、前記一対のステータによって形成された円弧部間に配置され、円筒状のマグネットコアを持つロータとを備え、該ロータは、前記ソレノイドで励磁された前記一対のステータからの磁力を受けて回転するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０４０１２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「藤井精密回転機製作所  誘導電動機」、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２３年９月１２日検索、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｅｗ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐ０１．ｈｔｍｌ＞，＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｅｗ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｄｆ／ｔｏｒｑｕｅ．ｐｄｆ＃ｓｅａｃｈ＝‘トルクモータ’＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、モータには、一般に、小型化、あるいは、省電力化が要請されており、そのために、出力トルクを入力電力で除したパフォーマンス（効率）を向上させることが必要である。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、パフォーマンスをより向上することができる誘導型トルクモータ用ロータおよびこの誘導型トルクモータ用ロータを用いた誘導型トルクモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる誘導型トルクモータ用ロータは、誘導型トルクモータのロータとして用いられる誘導型トルクモータ用ロータであって、軸体と、前記軸体の軸心と同心となるように前記軸体に連結され、比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下である軟磁性材料によって形成された円筒体とを備えることを特徴とする。
【００１２】
誘導型トルクモータのシミュレーション解析の結果、比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下（１０００から５００００までの範囲内）である軟磁性材料は、他の軟磁性材料と比較して、等パフォーマンス曲線上の最良部に位置する。ここで、前記等パフォーマンス曲線は、比抵抗−比透磁率空間において、同じパフォーマンスを与える点の集合によって形成される線である。したがって、このような構成の誘導型トルクモータ用ロータは、比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下である軟磁性材料によって形成された円筒体を備えるので、前記他の軟磁性材料によって形成された円筒体を備える誘導型トルクモータ用ロータの場合と比較して、誘導型トルクモータを構成した際に、そのパフォーマンスをより向上することができる。
【００１３】
そして、本発明は、上述の誘導型トルクモータ用ロータにおいて、前記誘導型トルクモータのトルクをＴ［Ｎ・ｍ］とし、前記ロータの渦電流損失をＰ［Ｗ／ｋｇ］とし、前記誘導型トルクモータのすべりをｓとし、前記誘導型トルクモータの駆動周波数をｆ０［Ｈｚ］とし、前記軟磁性材料の比抵抗をρ［μΩ・ｍ］とし、前記軟磁性材料の比透磁率をμとし、そして、前記駆動周波数ｆ０での前記円筒体の表皮深さをδ（ｓｆ０）［ｍ］とする場合に、単位「損失Ｐ／すべりｓｆ０」当たりに得られるトルクＴが下記式Ｃ１で表される場合に、前記式Ｃ１におけるパラメータａは、１０００≦ａ≦２５００であることを特徴とする。
Ｔ／（Ｐ／ｓｆ０）∝１／（１＋ａ／μ）・（δ（ｓｆ０）／ρ）      ・・・（Ｃ１）
ただし、記号∝は、Ａ∝Ｂである場合にＡがＢと比例関係にあることを表す。
【００１４】
このような構成の誘導型トルクモータ用ロータは、前記式Ｃ１におけるパラメータａが１０００≦ａ≦２５００であるので、誘導型トルクモータを構成した際に、円筒体を形成する軟磁性材料の特性をより確実にトルク特性へ反映させることができ、そのパフォーマンスをより確実に向上することができる。
【００１５】
また、他の一態様では、これら上述の誘導型トルクモータ用ロータにおいて、前記円筒体は、該円筒体の周面に形成された、該円筒体の軸方向に平行な複数の凹溝部をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成の誘導型トルクモータ用ロータは、前記複数の凹溝部を備えることによって渦電流の流れる領域を規制することができ、この結果、円筒体にかご形の性質を付与することができる。このため、誘導型トルクモータを構成した際に、このような構成の誘導型トルクモータ用ロータは、前記複数の凹溝部を備えない場合における、渦電流の減少（速度の増加）に従ってトルクが略比例して減少するトルク特性から、始動時からその渦電流（速度）が所定値となるまでの範囲では渦電流の減少（速度の増加）に従ってトルクがなだらかに減少するとともにその渦電流（速度）が前記所定値を超えた範囲では渦電流の減少（速度の増加）に従って相対的に急激に減少するトルク特性を実現することができる。すなわち、このような構成の誘導型トルクモータ用ロータは、誘導型トルクモータを構成した際に、多少すべったとしてもトルクを略一定に保持することができる。
【００１７】
また、他の一態様では、上述の誘導型トルクモータ用ロータにおいて、前記凹溝部は、その深さが前記表皮深さδ（ｓｆ０）以上であって、その深さ／幅であるアスペクト比が２以上であることを特徴とする。
【００１８】
このような構成の誘導型トルクモータ用ロータは、このような形状の前記凹溝部を備えるので、渦電流の流れる領域をより確実に規制することができる。
【００１９】
また、他の一態様では、これら上述の誘導型トルクモータ用ロータにおいて、前記円筒体は、比抵抗が０．０２［μΩ・ｍ］以下の導電材料によって、軸方向の両端における円周縁に沿ってそれぞれ形成された一対の円環部材をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
このような構成の誘導型トルクモータ用ロータは、比較的良導体の前記円環部材をさらに備えることによって両端部における渦電流の流路がより確実に確保され、より効率的に渦電流が流れ、この結果、より良いパフォーマンスを実現することができる。
【００２１】
また、他の一態様にかかる誘導型トルクモータは、ステータと、ロータとを備える誘導型トルクモータであって、前記ロータは、これら上述のいずれかの誘導型トルクモータ用ロータであることを特徴とする。
【００２２】
このような構成の誘導型トルクモータは、比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下である軟磁性材料によって形成された円筒体を有するロータを備えるので、前記他の軟磁性材料によって形成された円筒体を有するロータの場合と比較して、パフォーマンスをより向上することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる誘導型トルクモータ用ロータおよび誘導型トルクモータは、パフォーマンスをより向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態における誘導型トルクモータの構造を示す断面図である。
【図２】実施形態の誘導型トルクモータにおけるロータの構造を示す斜視図である。
【図３】速度とトルクとの関係および速度と電流との関係を示す図である。
【図４】ロータ静止条件における駆動周波数が６０［Ｈｚ］であってパラメータａが１０００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。
【図５】駆動周波数が［６０Ｈｚ］であってパラメータａが１５００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。
【図６】駆動周波数が［６０Ｈｚ］であってパラメータａが２５００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。
【図７】駆動周波数が１［ｋＨｚ］であってパラメータａが５００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。
【図８】駆動周波数が１［ｋＨｚ］であってパラメータａが２５００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。
【図９】駆動周波数が１［ｋＨｚ］であってパラメータａが６０００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。
【図１０】駆動周波数が１［ｋＨｚ］である場合の解析結果を示す図である。
【図１１】駆動周波数が６０［Ｈｚ］である場合の解析結果を示す図である。
【図１２】深さ２ｍｍ、幅０．５ｍｍのアスペクト比（＝深さ／幅）４の場合およびさらに銅エンドリングを設けた場合の各解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２６】
図１は、実施形態における誘導型トルクモータの構造を示す断面図である。図２は、実施形態の誘導型トルクモータにおけるロータの構造を示す斜視図である。図３は、速度とトルクとの関係および速度と電流との関係を示す図である。図３の横軸は、速度（すべりＳ）であり（すべりＳ＝０は同期速度状態でありすべりＳ＝１は停止状態である）、その縦軸は、トルクまたは電流である。
【００２７】
図１において、実施形態における誘導型トルクモータＴＭは、出力軸を有し回転するロータ（回転子）１と、ロータ１と相互作用するステータ（固定子）２とを備え、回転変化する磁界（回転磁界）によってロータ１を回転させるものであり、誘導電動機と略同様の構造である。そして、図１に示す例では、これらロータ１およびステータ２は、収納容器（筐体）３に収容される。
【００２８】
より具体的には、収納容器３は、有底円筒状のケーシング３ａと、このケーシング３ａの解放端側（天井端側）に取り付けられケーシング３ａの解放端を閉塞するブラケット３ｂとを備えている。そして、ケーシング３ａ内にロータ１とステータ２とが各軸心を一致させて同軸に配置されている。ステータ２は、ケーシング３ａの内周面に固着され、ロータ１は、ステータ２に対し回転自在に配置されている。
【００２９】
ステータ２は、大略円筒形状であり、例えば複数の電磁鋼板を積層することによって形成される。ステータ２は、その円筒内に、内側に径方向に沿って凸設され軸方向に沿った突条である複数の凸部と、前記複数の凸部のそれぞれに例えば絶縁被覆銅線等の絶縁体で被覆された導体線を巻回することによって形成された複数の巻線とを備えている。このような巻線および凸部によって磁極が形成されており、該磁極は、所定の個数（磁極数）で設けられている。また、上述したように、ステータ２は、その外周面でケーシング３ａの内周面と固着されている。
【００３０】
ロータ１は、前記出力軸となるロッド状（棒状、円柱体）の軸体１ａと、軸体１ａの軸心と同心（同軸）となるように軸体１ａに連結される円筒体１ｂとを備えている。本実施形態では、円筒体１ｂの軸心に軸方向に沿って貫通形成されている貫通孔に軸心１ａが挿通され、円筒体１ｂの略中央領域で軸心１ａが円筒体１ｂに固着されている。
【００３１】
また、軸体１ａの一方端（図１左側）は、ケーシング３ａに取り付けられた軸受４に軸支されるとともに、軸体１ａの他方端（図１右側）は、ブラケット３ｂに取り付けられた軸受５に軸支されつつ、出力を収納容器３の外部へ伝えるべく、このブラケット３ｂを挿通して外方に延設されている。そして、上述したようにロータ１とステータ２とが同軸となるように、ロータ１は、ロータ１の外周面とステータ２の内周面との間を所定の距離（径方向の間隔）だけ空けて、ステータ２の円筒内に配設される。
【００３２】
そして、ロータ１の円筒体１ｂは、比抵抗ρが０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率μが１０００以上ないし５００００以下（１０００から５００００までの範囲内）である軟磁性材料（ρ≦０．４［μΩ・ｍ］かつ５００００≧μ≧１０００）によって形成されている。このような軟磁性材料として、後述するように、例えば、ＥＬＣＨ２（神戸製鋼社製  純鉄系軟磁性材料、Extra Low carbon Cold Headingwire）、ＥＬＣＨ２Ｓ、ＬＣＡ−１、Ｓ１０Ｃ等が上げられる。そして、好ましくは、ロータ１の円筒体１ｂに用いられる軟磁性材料は、ＥＬＣＨ２と称される純鉄系軟磁性材料である。このＥＬＣＨ２の化学成分は、ｍａｓｓ％（質量％）で、炭素Ｃが０．００５％で、シリコンＳｉが０．００４％で、マンガンＭｎが０．２６％である。このＥＬＣＨ２は、高磁束密度と低保持力を有し、かつ、低炭素鋼（Ｃ＝０．１％）に比べて比抵抗が３０％小さく工業用ニッケルＮｉ同等程度まで低減している。
【００３３】
なお、図１に示す例では、軸体１ａと円筒体１ｂとは、別体で構成されたが、一体に形成されてもよい。
【００３４】
そして、本実施形態では、図２に示すように、円筒体１ｂは、該円筒体１ｂの周面に形成された、該円筒体１ｂの軸方向に平行な複数の凹溝部１１（１１−１、１１−２、１１−３、・・・）をさらに備えている。この凹溝部１１は、その深さが表皮深さδ（ｓｆ０）以上であって、その深さ／幅であるアスペクト比が２以上であることが好ましい。
【００３５】
なお、誘導型トルクモータＴＭのすべりがｓである場合における表皮深さδ（ｓｆ０）は、誘導型トルクモータＴＭの駆動周波数をｆ０［Ｈｚ］とし、ロータ１の円筒体１ｂの比透磁率をμとし、その比抵抗ρ［μΩ・ｍ］とする場合に、δ（ｓｆ０）=（ρ／π・ｓ・ｆ０・μ）１／２で表わされる。
【００３６】
また、本実施形態では、図２に示すように、円筒体１ｂは、比抵抗が０．０２［μΩ・ｍ］以下の導電材料によって、軸方向の両端における円周縁に沿ってそれぞれ形成された一対の円環部材１２−１、１２−２をさらに備えている。
【００３７】
さらに、効果的に冷却するために、図２に破線で示すように、軸体１ａは、その軸心に軸方向に沿って貫通形成された貫通孔１３をさらに備えてもよい。この貫通孔１３に例えば空気等の気体または例えば水等の液体等の冷媒を流通させることによってロータ１、ひいては誘導型トルクモータＴＭを冷却することが可能となる。なお、この場合には、ケーシング３ａの底部に前記冷媒を流通させるための貫通孔が形成される。
【００３８】
通常のかご形誘導モータでは、一定電圧および一定周波数で駆動した場合に、トルクは、図３において汎用モータのトルクとして破線で示すように、静止状態から速度の上昇に伴って、始動時のレベルから若干低下した後（小さくなった後）に上昇し（大きくなり）、速度が同期速度の約８０％でピーク（最大トルク）となり、その後、低下する（小さくなる）。そして、負荷トルクとモータのトルクとが釣り合う点で速度が一定となる。また、電流は、図３において汎用モータの電流として一点鎖線で示すように、静止状態からすべりＳ＝０．５程度まで、始動時のレベルで約一定であり、その後、速度の上昇に伴って、始動時のレベルから徐々に低下し（小さくなり）、無負荷状態（すべりＳ＝０）でも流れる。
【００３９】
これに対し、誘導型トルクモータＴＭでは、図３においてトルクモータの電流として破線で示すように、始動時の電流レベルから徐々に小さくして行くとこれに従って、トルクは、図３においてトルクモータＡのトルクとして二点鎖線で示すように、電流レベルと比例関係で直線的に低下して行く。あるいは、トルクは、図３においてトルクモータＢのトルクとして実線で示すように、電流レベルと所定の関係で上に凸形状の曲線で曲線的に低下して行く。このように誘導型トルクモータＴＭでは、給電される電流レベルに応じた回転トルクが得られる。
【００４０】
そして、本実施形態の誘導型トルクモータＴＭでは、ロータ１の円筒体１ｂは、比抵抗ρが０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率μが１０００以上ないし５００００以下である軟磁性材料によって形成されているので、パフォーマンス（効率）をより向上することができる。以下、この点についてさらに詳述する。
【００４１】
図４は、ロータ静止条件における駆動周波数が６０［Ｈｚ］であってパラメータａが１０００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。図５は、駆動周波数が６０［Ｈｚ］であってパラメータａが１５００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。図６は、駆動周波数が６０［Ｈｚ］であってパラメータａが２５００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。図７は、駆動周波数が１［ｋＨｚ］であってパラメータａが５００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。図８は、駆動周波数が１［ｋＨｚ］であってパラメータａが２５００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。図９は、駆動周波数が１［ｋＨｚ］であってパラメータａが６０００である場合における、損失比トルク（Ｆ／Ｐ）を示す図である。これら図４ないし図９の横軸は、μΩ・ｍ単位で表す比抵抗ρであり、これらの縦軸は、無次元［−]の比透磁率μである。なお、これら図４ないし図９には、前記凹溝部および前記円環部材を備えない構造のローラを用いた誘導型トルクモータＴＭに対する損失比トルク（Ｆ／Ｐ）が示されている。図１０は、駆動周波数が１［ｋＨｚ］である場合の解析結果を示す図である。図１０（Ａ）は、回転角度に対するトルクの解析結果を示し、図１０（Ｂ）は、回転角度に対するジュール損を示す。図１０（Ａ）の横軸は、度（°）単位で表す回転角度であり、その縦軸は、Ｎｍ単位で表すトルクであり、図１０（Ｂ）の横軸は、度（°）単位で表す回転角度であり、その縦軸は、Ｗ単位で表すジュール損である。図１１は、駆動周波数が６０［Ｈｚ］である場合の解析結果を示す図である。図１１（Ａ）は、機械角（電気角×１／２）に対するトルクの解析結果を示し、図１１（Ｂ）は、回転角度（電気角×１／２）に対するロータジュール損を示す。図１１（Ａ）の横軸は、度（°）単位で表す機械度であり、その縦軸は、Ｎｍ単位で表すトルクであり、図１１（Ｂ）の横軸は、度（°）単位で表す回転角度であり、その縦軸は、Ｗ単位で表すロータジュール損である。
【００４２】
これら図４ないし図９において、各実線は、この比抵抗ρ−比透磁率μ空間において、同じパフォーマンス（効率）を与える点の集合によって形成される等パフォーマンス曲線である。これら図４ないし図９において、等パフォーマンス曲線は、損失比トルク（Ｔ
／Ｐ）で与えられる。
【００４３】
上述の誘導型トルクモータＴＭでは、ロータ１の円筒体１ｂ内における渦電流密度および磁束密度をそれぞれｉｅｄｄｙ（ｘ）およびＢ（ｘ）とする場合に、次の式１および式２が成り立つ。
ｉｅｄｄｙ（ｘ）＝（Ｉ０／δ）・ｅｘｐ（−（ｘ／δ））      ・・・（１）
Ｂ（ｘ）＝Ｂ０（ｘ）・ｅｘｐ（−（ｘ／δ））      ・・・（２）
ここで、ｘは、円筒体１ｂの外周表面を０とした場合に、径方向に沿って軸心に向かう座標系であり、Ｉ０は、給電される外部駆動電流であり、Ｂ０（ｘ）は、外部駆動電流Ｉ０が給電された場合における磁束密度である。δは、上述の表皮深さである（δ（ｓｆ０）=（ρ／π・ｓ・ｆ０・μ）１／２）。
【００４４】
また、渦電流密度ｉｅｄｄｙ（ｘ）および磁束密度Ｂ（ｘ）に関し、次の式３および式４が成り立つ。なお、式３は、外部駆動電流Ｉ０で規格化することを表している。
∫ｉｅｄｄｙ（ｘ）ｄｘ＝Ｉ０      ・・・（３）
Ｂ０＝Ｂ０（μ）＝Ｌ（μ）・Ｉ０∝（１／（１＋ａ／μ））・Ｉ０      ・・・（４）
ここで、式３の積分範囲は、ｘ＝０からｘ＝∞（無限大）までの範囲である。式４の記号∝は、Ａ∝Ｂである場合にＡがＢと比例関係にあることを表す。また、μは、ロータ１の円筒体１ｂの比透磁率であり、Ｌ［Ｈ］は、インダクタンスであり、ａは、ロータ１における円筒体１ｂの外周面とステータ２の内周面との間の距離（径方向の間隔）Ｇ［ｍ］に関するパラメータである。パラメータａは、前記距離Ｇの大小と逆の関係にあり、前記距離Ｇが小さいとパラメータａは、相対的に、大きい値となり、前記距離Ｇが大きいとパラメータａは、相対的に、小さい値となる。すなわち、パラメータａは、前記距離Ｇと逆比例の関係にある（ａ∝１／Ｇ）。なお、パラメータａは、前記距離Ｇのほかに、ステータ２の構造や磁気特性の影響も受ける。パラメータａは、いわゆるモータ磁気回路の良否を表現する指標である。
【００４５】
ロータ１内における微小体積に働くローレンツ力ｆＬ（ｘ）は、次式５によって与えられ、トルクＴを求めるべく、これをロータ１全域にわたって積分すると、トルクＴは、次式６となる。
ｆＬ（ｘ）＝ｉｅｄｄｙ（ｘ）×Ｂ（ｘ）      ・・・（５）
Ｔ＝∫ｉｅｄｄｙ（ｘ）×Ｂ（ｘ）ｄｘ＝（（Ｉ０・Ｂ０（μ）／δ））・∫ｅｘｐ（−２・（ｘ／δ））ｄｘ
＝（Ｉ０・Ｂ０（μ）／２）＝（Ｌ（μ）・Ｉ０２／２）      ・・・（６）
ここで、式６の各積分範囲は、ｘ＝０からｘ＝∞（無限大）までの範囲である。
【００４６】
ロータ１内における渦電流損失ＰもトルクＴの場合と同様に求めると、渦電流損失Ｐは、次式７となる。
Ｐ＝∫ρ・ｉｅｄｄｙ２（ｘ）ｄｘ＝（ρ／δ）・（Ｉ０２／２）      ・・・（７）
ここで、式７の各積分範囲は、ｘ＝０からｘ＝∞（無限大）までの範囲である。
【００４７】
したがって、誘導型トルクモータにおける単位「損失／すべり」当たりに得られるトルクは、これら式６および式７より、次式８となる。
Ｔ／（Ｐ／ｓｆ０）＝Ｌ（μ）・（δ（ｓｆ０）／ρ）・ｓｆ０
＝（１／（１＋ａ／μ））・（δ（ｓｆ０）／ρ）      ・・・（８）
【００４８】
この式を様々な条件によってシミュレーションした結果（数値解析結果）は、図４ないし図９に示す通りである。これら図４ないし図６において、駆動周波数は、商用周波数の６０Ｈｚであり、図４は、パラメータａが１０００である場合（ａ＝１０００）であり、図５は、パラメータａが１５００である場合（ａ＝１５００）であり、そして、図６は、パラメータａが２５００である場合（ａ＝２５００）である。また、これら図７ないし図９において、駆動周波数は、１ｋＨｚであり、図７は、パラメータａが５００である場合（ａ＝５００）であり、図８は、パラメータａが２５００である場合（ａ＝２５００）であり、そして、図９は、パラメータａが６０００である場合（ａ＝６０００）である。図４ないし図９における各記号は、次に示す化学成分を持つ軟磁性材料であり、図４ないし図９における各点は、このような軟磁性材料でロータ１を形成した場合におけるシミュレーション結果を示す。また、図４ないし図９における曲線は、式８による等パフォーマンス曲線であり、オーダーが１桁変わる毎に太い実線で示されている。
【００４９】
各軟磁性材料の化学成分（質量％）は、次の表１ないし表３に示す通りである。
【００５０】
【表１】
0005851887.tif 000002
【００５１】
【表２】
0005851887.tif 000003
【００５２】
【表３】
0005851887.tif 000004
【００５３】
なお、Ｓ２０Ｃのシミュレーション結果は、磁気焼鈍なしの比抵抗および透磁率を用いた場合を示す。また、ＳＵＳ４３０は、フェライト系である。
【００５４】
図４ないし図９から分かるように、比抵抗ρ−比透磁率μ空間において、パフォーマンス（効率）は、左上側、すなわち、比抵抗ρが小さい方がより良く、比透磁率が大きい方がより良い。そして、パラメータａが１０００、１５００および２５００である場合の各結果をそれぞれ示す図４ないし図６から分かるように、特に図５から分かるように、比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下である軟磁性材料は、略同じ等パフォーマンス曲線上に存在する。したがって、このシミュレーション結果より、誘導型トルクモータ用ロータは、比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下である軟磁性材料で形成することが好ましい。このような比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下である軟磁性材料は、図４ないし図９に示すシミュレーション結果では、ＥＬＣＨ２、ＥＬＣＨ２Ｓ、ＬＣＡ−１、ＬＣＡ−２、Ｓ１０Ｃ、Ｓ１５ＣおよびＳ２５Ｃである。そして、より好ましくは、比抵抗が０．３［μΩ・ｍ］以下であり、さらにより好ましくは比抵抗が０．２［μΩ・ｍ］以下である。また、より好ましくは比透磁率が２０００以上ないし２００００以下であり、さらにより好ましくは比透磁率が３０００以上ないし１００００以下である。
【００５５】
また、図７ないし図９を比較すると分かるように、軟磁性材料の特性の相違がパフォーマンスに与える影響は、パラメータａに依存している。パラメータａが相対的に小さいと、ロータ１における円筒体１ｂの外周面とステータ２の内周面との間の距離（径方向の間隔）Ｇが大きくなり、円筒体１ｂを形成する軟磁性材料の特性が敏感にパフォーマンスへ影響せず、一方、パラメータａが相対的に大きいと、ロータ１における円筒体１ｂの外周面とステータ２の内周面との間の距離（径方向の間隔）Ｇが小さくなり、円筒体１ｂを形成する軟磁性材料の特性が敏感にパフォーマンスへ影響してしまう。このため、図４ないし図６に示すように、パラメータａは、１０００≦ａ≦２５００の範囲内の値であることが少なくとも好ましい。さらに、図９から分かるように、ＥＬＣＨ２で円筒体１ｂを形成すると、パフォーマンスが最良となり、このため、ロータ１の円筒体１ｂに用いられる軟磁性材料は、ＥＬＣＨ２と称される純鉄系軟磁性材料がより好ましい。
【００５６】
図１０および図１１は、それぞれ、駆動周波数が１ｋＨｚである場合および駆動周波数が６０Ｈｚである場合の各解析結果を示し、ステータ２とロータ１との間のギャップ（距離）が０．１５ｍｍであってａ＝１５００となる場合および０．１ｍｍであってａ＝２５００となる場合にそれぞれ該当する。図１０および図１１から分かるように、最大トルクをロータジュール損で割った比（損失比トルクと称す）は、ＥＬＣＨ２の場合が最大となり、次にＳ１０Ｃである場合が大きく、このことから、好ましくは、比抵抗が０．４［μΩ・ｍ］以下であって比透磁率が１０００以上ないし５００００以下の磁性体であることが分かる。また、駆動周波数に関し、６０Ｈｚの場合に比べ、より高周波の１ｋＨｚの場合の方が軟磁性材料による損失比トルク改善の効果は、大きい。
【００５７】
また、本実施形態の誘導型トルクモータＴＭのロータ１では、円筒体１ｂは、該円筒体１ｂの周面に形成された、該円筒体１ｂの軸方向に平行な複数の凹溝部１１を備えている。このように複数の凹溝部１１を備えることによって、本実施形態の誘導型トルクモータＴＭにおけるロータ１は、渦電流の流れる領域を規制することができ、この結果、円筒体１ｂにかご形の性質を付与することができる。このため、誘導型トルクモータＴＭを構成した際に、このような構成のロータ１は、複数の凹溝部１１を備えない場合における、渦電流の減少（速度の増加）に従ってトルクが略比例して減少するトルク特性（図３に示すトルクモータＡのトルク特性を参照）から、始動時からその電流（速度）が所定値となるまでの範囲では渦電流の減少（速度の増加）に従ってトルクがなだらかに減少するとともにその渦電流（速度）が前記所定値を超えた範囲では渦電流の減少（速度の増加）に従って相対的に急激に減少するトルク特性（図３に示すトルクモータＢのトルク特性を参照）を実現することができる。すなわち、このような構成の誘導型トルクモータＴＭのロータ１は、誘導型トルクモータＴＭを構成した際に、多少すべったとしてもトルクを略一定に保持することができる。
【００５８】
また、本実施形態の誘導型トルクモータＴＭのロータ１では、凹溝部１１は、その深さが前記表皮深さδ（ｓｆ０）以上であって、その深さ／幅であるアスペクト比が２以上である。
【００５９】
図１２は、深さ２ｍｍ、幅０．５ｍｍのアスペクト比（＝深さ／幅）４の場合およびさらに銅エンドリングを設けた場合の各解析結果を示す図である。図１２（Ａ）は、Ｓ１０Ｃの場合における回転角度に対するトルクの解析結果を示し、図１２（Ｂ）は、Ｓ１０Ｃの場合における回転角度に対するジュール損を示す。図１２（Ｃ）は、ＥＬＣＨ２の場合における回転角度に対するトルクの解析結果を示し、図１２（Ｄ）は、ＥＬＣＨ２の場合における回転角度に対するジュール損を示す。これら図１０（Ａ）および（Ｃ）の横軸は、度（°）単位で表す回転角度であり、それらの縦軸は、Ｎｍ単位で表すトルクであり、図１２（Ｂ）および（Ｄ）の横軸は、度（°）単位で表す回転角度であり、それらの縦軸は、Ｗ単位で表すジュール損である。円環部材１２の一例である前記銅エンドリングのサイズは、外半径が１４．９ｍｍであり（ロータ外半径と同じ）、内半径が１２．０ｍｍであり、そして、高さ：３．０ｍｍである。
【００６０】
図１２に示す結果より、アスペクト比２以上の凹溝部１１を設けることによって、本実施形態の誘導型トルクモータＴＭにおけるロータ１は、渦電流の流れる領域をより確実に規制することができる。
【００６１】
また、本実施形態の誘導型トルクモータＴＭのロータ１では、円筒体１ｂは、比抵抗が０．０２［μΩ・ｍ］以下の導電材料によって、軸方向の両端における円周縁に沿ってそれぞれ形成された一対の円環部材１２−１、１２−２を備えている。このため、本実施形態の誘導型トルクモータＴＭにおけるロータ１は、比較的良導体の円環部材１２をさらに備えることによってロータ１の両端部における渦電流の流路がより確実に確保され、より効率的に渦電流が流れ、この結果、より良いパフォーマンスを実現することができる。
【００６２】
また、上述の透磁率等の磁気特性は、例えば、各組成の線材を用いて外径１８ｍｍ×内径１０ｍｍのリング状試料を作製し、磁気焼鈍を行なった後（もしくは意図的に工程省略の観点で行わない場合もある）、これに磁界印加用コイルと磁束検出用コイルを巻線し、自動磁化測定装置を用いてＢ−Ｈ曲線を測定することによって求めることができる。
【００６３】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００６４】
ＴＭ  誘導型トルクモータ
１  ロータ
１ａ  軸体
１ｂ  円筒体
２  ステータ
１１  溝部
１２  円環部材
【図１】
0005851887.tif 000005
【図２】
0005851887.tif 000006
【図３】
0005851887.tif 000007
【図４】
0005851887.tif 000008
【図５】
0005851887.tif 000009
【図６】
0005851887.tif 000010
【図７】
0005851887.tif 000011
【図８】
0005851887.tif 000012
【図９】
0005851887.tif 000013
【図１０】
0005851887.tif 000014
【図１１】
0005851887.tif 000015
【図１２】
0005851887.tif 000016