(57)【要約】【課題】  所望の出力特性を維持しつつも、高価な永久磁石の使用量を極力削減してコストダウンを図ったコアレス型あるいはスロットレス型の電動機を提供する。【解決手段】  電機子コイル５と永久磁石９とが相対移動するＸ方向と直交するＹ方向に沿う電機子コイル５の両側の直線状をしたストレート部５ａの長さをＬＳ、各ストレート部５ａ間を結ぶ略円弧状をしたコイルエンド部５ｂにおけるコイル外周側の半径をＲ２、上記Ｙ方向に沿って延びる永久磁石９の長さをＷＭＡＧとした場合、永久磁石９の長さＷＭＡＧが、  ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋７Ｒ２／４の関係を満たすように設定されている。【選択図】        図２
2006262656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子側ユニットと界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットは、環状の電機子コイルの複数個が順次配列されてなり、また、上記界磁側ユニットは、界磁鉄心上に矩形状の複数個の永久磁石が隣り合う磁極同士が互いに異極となるように配列されてなり、上記電機子側ユニットと界磁側ユニットとは、磁気的空隙を介して上記電機子コイルと永久磁石とが互いに対向するように配置され、上記電機子側ユニットおよび界磁側ユニットのいずれか一方が上記電機子コイルおよび永久磁石の配列方向に沿って相対的移動するように構成されている電動機において、
上記電機子コイルと永久磁石とが相対移動する方向と直交する方向に沿う上記電機子コイルの両側の直線状をしたストレート部の長さをＬＳ、これらの各ストレート部間を結ぶ略円弧状をしたコイルエンド部における電機子コイル外周側の半径をＲ２、上記永久磁石と電機子コイルとが相対移動する方向と直交する方向に沿って延びる永久磁石の長さをＷＭＡＧとした場合、当該永久磁石の長さＷＭＡＧが、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋７Ｒ２／４
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする電動機。
【請求項２】
上記永久磁石の長さＷＭＡＧが、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋３Ｒ２／２
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
【請求項３】
上記コイルエンド部のコイル内周側の半径をＲ１とした場合、上記永久磁石の長さＷＭＡＧが、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋αＲ１＋３Ｒ２／４
（ただし、α＝１．１〜１．２）
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
【請求項４】
上記コイルエンド部のコイル内周側の半径をＲ１とした場合、上記永久磁石の長さＷＭＡＧが、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋２αＲ１
（ただし、α＝１．１〜１．２）
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
【請求項５】
上記電機子側ユニットと界磁側ユニットいずれか一方が上記電機子コイルおよび永久磁石の配列方向に沿って回転するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電動機。
【請求項６】
上記電機子側ユニットと界磁側ユニットいずれか一方が上記電機子コイルおよび永久磁石の配列方向に沿って直線的に移動するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項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、コアレス型あるいはスロットレス型の電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の直動電動機には、環状の電機子コイルの複数個を互いに重複しないように順次走行方向に沿って隣接配列したコアレス型の電機子電機子コイル群からなる固定子と、矩形状の複数個の永久磁石を互いに隣り合う磁極同士が異極となるように配列してなる可動子とを備え、固定子と可動子とを磁気的空隙を介して上記電機子コイルと永久磁石とが互いに対向するように配置し、固定子の各電機子コイルに順次時間差をもつように通電制御することにより、可動子を上記電機子コイルおよび永久磁石の配列方向に沿って直線的に移動させるようにした構成のものがある。
【０００３】
この場合、従来技術では、可動子が移動する方向と直交する方向における永久磁石の長さＷＭＡＧと電機子コイルの長さＬとは同じ長さになるように、つまりＷＭＡＧ＝Ｌとなるように設定されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３２２５９５号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、従来技術では、可動子が移動する方向と直交する方向における永久磁石の長さＷＭＡＧと電機子コイルの長さＬとは同じ長さになるように（ＷＭＡＧ＝Ｌ）設定されており、電機子コイルと磁束との鎖交割合を示す有効鎖交率や、電機子コイルに流れる電機子電流によるトルクあるいは推力への変換効率について十分に考慮されていない。したがって、有効鎖交率やトルクあるいは推力への変換効率の観点から見ると、効率の悪い範囲にも永久磁石が無駄に配置されており、このため、高価な永久磁石を多く使用している割には所望の電動機出力が得られず、逆に、同じ電動機出力を得る場合にはコスト高になるという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、所望の電動機出力を維持しつつも、高価な永久磁石の無駄な使用を極力削減してコストダウンを図ることが可能なコアレス型あるいはスロットレス型の電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明は、電機子側ユニットと界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットは、環状の電機子コイルの複数個が順次配列されてなり、また、上記界磁側ユニットは、界磁鉄心上に方形状の複数個の永久磁石が隣り合う磁極同士が互いに異極となるように配列されてなり、上記電機子側ユニットと界磁側ユニットとは、磁気的空隙を介して上記電機子コイルと永久磁石とが互いに対向するように配置され、上記電機子側ユニットおよび界磁側ユニットのいずれか一方が上記電機子コイルおよび永久磁石の配列方向に沿って相対的移動するように構成されている電動機において、次の構成を採用している。
【０００８】
すなわち、本発明に係る電動機は、上記電機子コイルと永久磁石とが相対移動する方向と直交する方向に沿う上記電機子コイルの両側の直線状をしたストレート部の長さをＬＳ、これらの各ストレート部間を結ぶ略円弧状をしたコイルエンド部におけるコイル外周側の半径をＲ２、上記永久磁石と電機子コイルとが相対移動する方向と直交する方向に沿って延びる永久磁石の長さをＷＭＡＧとした場合、当該永久磁石の長さＷＭＡＧが、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋７Ｒ２／４
の関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、永久磁石に基づく磁束が電機子コイルに対して実質的に有効に鎖交する領域にだけに永久磁石を配置するため、従来に比べて永久磁石の無駄な使用を削減することができ、高価な永久磁石が削減された分だけコストダウンを図ることができる。しかも、電機子コイルに鎖交する磁束数は従来とほぼ同等となるので、従来と同等の電動機出力を維持することができる。
【００１０】
特に、本発明を直動電動機に適用した場合には、永久磁石の使用量が削減された分だけ互いに向き合う永久磁石間の吸引力が低減するので、薄い界磁鉄心を用いても界磁側ユニットの所定の剛性が得られるようになり、小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における回転電動機の断面図、図２は同回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
【００１２】
この実施の形態１の回転電動機は、電機子側ユニット１と、この電機子側ユニット１の内側に磁気的空隙２を介して配置された界磁側ユニット３とを備える。そして、この実施の形態１では、電機子側ユニット１が固定子、界磁側ユニット３が回転子として構成されている。なお、これとは逆に、電機子側ユニット１を回転子、界磁側ユニット３を固定子とした構成であってもよい。
【００１３】
電機子側ユニット１は、アルミやプラスチックなどの弱磁性材からなる円筒状の電機子固定台４と、この電機子固定台４の内周面の周方向に沿ってモールド樹脂などを用いて一体的に接合配列された複数の電機子コイル５とからなる。そして、この実施の形態１における各電機子コイル５は、電機子鉄心を用いずに、空芯、あるいは弱磁性材料からなる巻芯に巻回して構成された、いわゆるコアレス型のものである。
【００１４】
また、界磁側ユニット３は、シャフト７に軸支された界磁鉄心８と、この界磁鉄心８の外周面において周方向に沿って取り付けられた永久磁石９とからなる。そして、この場合の永久磁石９は、隣り合う磁極同士が互いに異極となるように着磁されている。したがって、電機子側ユニット１の電機子コイル５と界磁側ユニット３の永久磁石９とは、磁気的空隙２を介して互いに対向している。
【００１５】
ここで、電機子コイル５と永久磁石９とが相対移動する方向をＸ方向、このＸ方向と直交する方向をＹ方向と名付けた場合、上記の電機子コイル５は、Ｙ方向に沿う左右両側の直線状をしたストレート部５ａと、各ストレート部５ａ間を結ぶ上下の略円弧状をしたコイルエンド部５ｂとを有し、これら５ａ，５ｂによって全体が平面視でトラック状に形成されている。
【００１６】
そして、いま、ストレート部５ａの長さをＬＳ、コイルエンド部５ｂにおけるコイル外周側の半径をＲ２、Ｙ方向に沿って延びる永久磁石９の長さをＷＭＡＧとすると、この実施の形態１では、永久磁石９の長さＷＭＡＧが、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋７Ｒ２／４                        （１）
の関係を満たすように設定されている。
【００１７】
特には、上記永久磁石９の長さＷＭＡＧが、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋３Ｒ２／２                        （２）
の関係を満たすように設定されることが一層望ましい。
【００１８】
なお、永久磁石９のＸ方向の幅Ｗ０は、電動機の要求特性に応じた電機子コイル数や磁極数によって自ずと規定されるので、本発明の対象ではない。
【００１９】
次に、式（１），（２）の条件を設定する理由について以下に説明する。
この実施の形態１では、電機子コイル５と磁束との実質的な鎖交割合を示す有効鎖交率に着目して（１），（２）の条件を満たす永久磁石９のＹ方向の適切な長さＷＭＡＧの設定を行う。そのために、まず、図３に示すように、電機子コイル５の片端側のコイルエンド部５ｂに着目して座標系を定める。すなわち、コイルエンド部５ｂが略円弧状に形成されるとき、その円の中心を原点Ｏにおき、原点Ｏを通るＸ方向の軸をｘ軸、原点Ｏを通りかつ電機子コイル５のトラック形状の平面と同じ平面上のＹ方向の軸をｙ軸とする。そして、ｘ＝０を基点として、コイルエンド部５ｂの内周側の半径をＲ１、外周側の半径をＲ２とする。また、ｙ軸上のある位置ｙに対応するコイルエンド部５ｂの内周側のｘ座標をｘ１、外周側のｘ座標をｘ２とする。
【００２０】
このｘ１およびｘ２の値によってコイルエンド部５ｂの位置ｙにおける局所的な鎖交磁束数が変化する。永久磁石９による磁束が電機子コイル５と鎖交する場合の有効鎖交率は一般に短節巻係数ｋＰと称される。いま、コアレス型やスロットレス型の電動機を前提とし、かつ、コイルエンド部５ｂの内周側の位置および外周側の位置での各電気角をθ１およびθ２とすれば、短節巻係数ｋｐは、次式（３）で与えられる。
ｋＰ＝（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ２）／（θ２−θ１）        （３）
なお、この式（３）は、電機子コイル５の中心に鉄心が存在する、いわゆるコアドモータには適用不可であり、コアレス型やスロットレス型の電動機に限って適用可能である。
【００２１】
位置座標ｘを電気角へ変換する関数をξ(ｘ)とすると、ある位置ｙにおける短節巻係数ｋＰ(ｙ)は、次式（４）で表される。
ｋＰ(ｙ)＝｛ｃｏｓ(ξ(ｘ１))−ｃｏｓ(ξ（ｘ２))｝／｛ξ(ｘ２)−ξ(ｘ１)｝
（４）
【００２２】
図４は、ｙ＝０の場合の短節巻係数ｋＰ（０）で規格化したｋＰ（ｙ）／ｋＰ（０）の値を、位置座標ｙとの関係で示した特性図である。なお、同図には、Ｒ１＝Ｒ２／４とした場合、およびＲ１＝２Ｒ２／４とした場合の２通りのグラフを示している。いずれのグラフにおいても、ｙ≧３Ｒ２／４の領域においてｋＰ（ｙ）／ｋＰ（０）が急峻に低下している。これは、ｙ≧３Ｒ２／４の領域に永久磁石９を配置しても磁束がほとんど電機子コイル５に鎖交しないということを示している。
【００２３】
したがって、ｙ≧３Ｒ２／４の領域にある永久磁石９を省略しても、ｙ＝Ｒ２に至るまで永久磁石９が存在する場合と比べて電機子コイル５と鎖交する磁束数には大差がない。つまり、電機子コイル５の片側のコイルエンド部５ｂに着目したとき、原点Ｏからｙ＝３Ｒ２／４に至るまでの領域にだけ永久磁石９を設けた場合であっても、従来のように原点Ｏからｙ＝Ｒ２に至るまで永久磁石９を設けた場合と比べて電機子コイル５と鎖交する磁束数は実質的に変わらない。
【００２４】
ゆえに、いま、このコアレス型の回転電動機を組み立てる際に永久磁石９と電機子コイル５とがＹ方向に沿って相対的に位置ずれを起こす場合を考慮すると、電機子コイル５と鎖交する磁束数が従来の場合と実質的に変わることなく永久磁石９の長さを短くするのに必要な上限は、永久磁石９のＹ方向の一端側をコイルエンド部５ｂのｙ＝３Ｒ２／４に至るまでの長さとし、他端側をコイルエンド部５ｂのｙ＝Ｒ２に至るまでの長さとしたときである。このときの永久磁石９の全長ＷＭＡＧは、
ＷＭＡＧ＝ＬＳ＋３Ｒ２／４＋Ｒ２＝ＬＳ＋７Ｒ２／４
となる。また、永久磁石９は、電機子コイル５のストレート部５ａの長さＬＳ分を最低限確保しておく必要があるので、これが長さＷＭＡＧの下限となる。したがって、永久磁石９の長さＷＭＡＧとしては、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋７Ｒ２／４
の関係、すなわち、前述の式（１）の条件を満たす必要がある。
【００２５】
また、永久磁石９と電機子コイル５とのＹ方向に沿う相対的な位置ずれを考慮する必要がなく、かつ、電機子コイル５と鎖交する磁束数を実質的に変えずに永久磁石９の長さを式（１）の場合よりもさらに短くするには、永久磁石９のＹ方向の両端をそれぞれ、コイルエンド部５ｂのｙ＝３Ｒ２／４に至るまでの長さとしたときである。このとき、永久磁石９の全長ＷＭＡＧは、
ＷＭＡＧ＝ＬＳ＋（３Ｒ２／４）×２＝ＬＳ＋３Ｒ２／２
となる。また、永久磁石９は、電機子コイル５のストレート部５ａの長さＬＳ分を最低限確保しておく必要があるので、結局、電機子コイル５に磁束が鎖交する率の高い領域にのみ永久磁石９を配置するのに必要な永久磁石９の長さＷＭＡＧは、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋３Ｒ２／２
の関係、すなわち、前述の式（２）の条件を満たす必要がある。
【００２６】
このように、この実施の形態１では、従来のようにｙ＝Ｒ２まで永久磁石９を配置した場合と同等の磁束数を、より少ない永久磁石９の使用量で確保することができる。このため、コアレス型の回転電動機を構成する材料の中でも特に高価な永久磁石９の使用量を削減できるので、コアレス型の回転電動機のコストダウンを図ることができる。特に、式（２）の条件を満たすようにすれば、電機子コイル５と鎖交する磁束数を実質的に変えずに永久磁石９の長さＷＭＡＧを（１）の条件の場合よりもさらに短くできるため、永久磁石９の使用量を一層削減することができる。
【００２７】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２における回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
【００２８】
この実施の形態２においても、回転電動機の基本的な構成は図１に示した実施の形態１と同じであるが、電機子コイル５と永久磁石９の寸法関係が実施の形態１の場合と異なっている。すなわち、上記の実施の形態１では、有効鎖交率に着目して永久磁石９の長さＷＭＡＧを設定しているが、この実施の形態２では、電機子コイル５に流れる電機子電流と永久磁石９の界磁磁束とによるトルクへの変換効率に着目して永久磁石９の長さＷＭＡＧを設定している。
【００２９】
いま、コイルエンド部５ｂのコイル内周側の半径をＲ１とした場合、永久磁石９の長さＷＭＡＧが、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋αＲ１＋３Ｒ２／４              （５）
（ただし、α＝１．１〜１．２）
の関係を満たすように設定されている。
【００３０】
特には、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋２αＲ１                        （６）
（ただし、α＝１．１〜１．２）
の関係を満たすように設定されることが一層望ましい。
【００３１】
次に、式（５），（６）の条件を設定する理由について以下に説明する。
この実施の形態２では、電機子電流と界磁磁束とによるトルクへの変換効率に着目して（５），（６）の条件を満たす永久磁石９の適切な長さＷＭＡＧの設定を行う。このコアレス型の回転電動機のトルクＴは、次式（７）で与えられる。
Ｔ＝ＰＮ・φＭＡＧ・ｋＰ・ｋＤ・ｋＳ・Γ                （７）
ここに、ＰＮは極対数、φＭＡＧは永久磁石９に基づく磁束数、ｋＤは分布巻係数、ｋＳはスキュー係数、Γは電機子起磁力である。
本発明では、ｋＤ、ｋＳ、およびφＭＡＧの値には依存しない。よって、以降、コイルエンド部５ｂにおけるΓを導出する。
【００３２】
フレミングの左手の法則により明らかなように、電機子コイル５を流れる電流の内、ベクトル分解したＹ方向の成分のみがトルクに変換される。電機子コイル５に流れる電機子電流をＩとすると、座標（ｘ，ｙ）における電機子電流のＹ方向成分の絶対値Ｉｙは、次の式（８）で与えられる。
【００３３】
【数１】
2006262656.tif 000003
【００３４】
したがって、位置ｙにおけるＩｙの平均値は、次の式（９）で求められる。
【００３５】
【数２】
2006262656.tif 000004
【００３６】
一方、位置ｙにおける電機子コイル５の巻数ｎ（ｙ）は次の式（１０）のようになる。
【００３７】
【数３】
2006262656.tif 000005
【００３８】
すなわち、各電機子コイル５の現在の巻数をＮとすると、０≦ｙ≦Ｒ１の領域ではＮである。位置ｙがＲ１より大きな領域では式（１０）に示すように、ｙが増加してコイルエンド部５ｂの外周に近付くほど巻数Ｎが減少する。当然、ｙ＝Ｒ２となると巻数Ｎはゼロとなる。
【００３９】
よって、電機子コイル５の起磁力Γ（ｙ）は、次の式（１１）のようになる。
【００４０】
【数４】
2006262656.tif 000006
【００４１】
図６は、ｙ＝０の場合の起磁力Γ（０）で規格化したΓ（ｙ）／Γ（０）の値を、位置座標ｙとの関係で示した特性図である。なお、同図には、Ｒ１＝Ｒ２／４とした場合、およびＲ１＝２Ｒ２／４とした場合の２通りのグラフを示している。
【００４２】
図６から分かるように、α＝１．１〜１．２とすると、Ｒ１＝Ｒ２／４としたグラフの場合にはｙ≧α・Ｒ２／４（＝αＲ１）の領域、Ｒ１＝２Ｒ２／４としたグラフの場合にはｙ≧α・２Ｒ２／４（＝αＲ１）の領域において、Γ(ｙ)／Γ(０)が急峻に低下している。つまり、いずれのグラフにおいても、ｙ≧αＲ１の領域においてΓ(ｙ)／Γ(０)が急峻に低下している。これは、ｙ≧αＲ１の領域に永久磁石９を配置しても、電機子コイル５に流れる電流がほとんどトルクに変換されないことを示している。つまり、ｙ≧αＲ１の領域に永久磁石９を配置しても、トルク変換効率が極度に悪いことを意味する。
【００４３】
したがって、ｙ≧αＲ１の領域に永久磁石９を配置しても、ｙ＝Ｒ２に至るまで永久磁石９を設けた場合と比べてトルクは大差がない。つまり、電機子コイル５の片側のコイルエンド部５ｂに着目したとき、ｙ＝αＲ１までの領域にのみ永久磁石９を設けた場合でも、従来のように、原点ｏからｙ＝Ｒ２に至るまで永久磁石９を設けた場合と比べてトルクは実質的に変わらない。
【００４４】
ゆえに、いま、このコアレス型の回転電動機を組み立てる際に永久磁石９と電機子コイル５とがＹ方向に沿って相対的に位置ずれを起こす場合を考慮すると、発生トルクが従来の場合と実質的に変わることなく永久磁石９の長さを短くするために必要な上限は、永久磁石９のＹ方向の一端側をコイルエンド部５ｂのｙ＝αＲ１に至るまでの長さとし、他端側をコイルエンド部５ｂのｙ＝３Ｒ２／４に至るまでの長さとしたときである。このときの永久磁石９の全長ＷＭＡＧは、
ＷＭＡＧ＝ＬＳ＋αＲ１＋３Ｒ２／４
となる。また、永久磁石９は、電機子コイル５のストレート部５ａの長さＬＳ分を最低限確保しておく必要があるので、これが長さＷＭＡＧの下限となる。したがって、永久磁石９の長さＷＭＡＧとしては、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋αＲ１＋３Ｒ２／４
の関係、すなわち、前述の式（５）の条件を満たす必要がある。
【００４５】
また、永久磁石９と電機子コイル５とのＹ方向に沿う相対的な位置ずれを考慮する必要がなく、かつ、発生トルクを実質的に変えずに永久磁石９の長さを式（５）の場合よりもさらに短くするための上限は、永久磁石９のＹ方向の両端をそれぞれ、コイルエンド部５ｂのｙ＝αＲ１に至るまでの長さとしたときである。このとき、永久磁石９の全長ＷＭＡＧは、
ＷＭＡＧ＝ＬＳ＋αＲ１×２＝ＬＳ＋２αＲ１
となる。また、永久磁石９は、電機子コイル５のストレート部５ａの長さＬＳ分を最低限確保しておく必要があるので、結局、効率よくトルクに変換できる領域にのみ永久磁石９を配置するのに必要な永久磁石９の長さＷＭＡＧは、
ＬＳ≦ＷＭＡＧ≦ＬＳ＋３αＲ１
の関係、すなわち、前述の式（６）の条件を満たす必要がある。
【００４６】
図７は、永久磁石９のＹ方向の長さＷＭＡＧを変化させ、これに伴う永久磁石９の体積当たりのトルク変換への有効利用率を調べた結果を示す特性図である。この場合、横軸にはＷＭＡＧ−ＬＳの値をとり、また、縦軸の有効利用率として、電機子コイル５のストレート部５ａのみに永久磁石９を配置した場合、すなわち（ＷＭＡＧ−ＬＳ＝０）の場合の有効利用率を基準値＝１．０としている。なお、ストレート部５ａの長さＬＳの長短によっても有効利用率が幾分異なるため、ＬＳの値が異なる３通りの電機子コイル５の場合を示している。
【００４７】
図７から分かるように、いずれのＬＳにおいても、ＷＭＡＧ−ＬＳが（３Ｒ２／４＋１．１Ｒ１）よりも小さい領域で有効利用率が０．９以上となっている。すなわち、式（５）で示された条件内であれが有効利用率が高い。逆に、ＷＭＡＧ−ＬＳが（３Ｒ２／４＋１．１Ｒ１）よりも大きくなって式（５）の条件から外れると有効利用率が低下し、永久磁石９の長さＷＭＡＧが電機子コイル５のＹ方向の長さと一致（ＷＭＡＧ−ＬＳ＝２Ｒ２）したときに有効利用率は最低となる。
【００４８】
このように、この実施の形態２では、効率よくトルクに変換できる領域にのみ永久磁石９を配置するため、永久磁石９の体積あたりのトルク変換への有効利用率が大きい。これは、逆に言えば、同じトルクを発生させるのに必要な永久磁石９の体積は少なく済むことを意味するので、実施の形態１の場合よりも永久磁石９の使用量をさらに削減することができ、コアレス型の回転電動機のコストダウンを図ることができる。特に、式（６）の条件を満たすようにすれば、発生トルクを実質的に変えずに永久磁石９の長さを式（５）の条件の場合よりもさらに短くできるため、永久磁石９の使用量を一層削減することができる。
【００４９】
実施の形態３．
図８はこの実施の形態３における回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
【００５０】
上記の実施の形態１，２では、電機子コイル５のＹ方向両端にあるコイルエンド部５ｂが半円弧状に形成されているが、この実施の形態３では、コイルエンド部５ｂの中央に直線状の部分５ｃが形成されている。
【００５１】
このような構成にあっては、コイルエンド部５ｂの直線状の部分５ｃは、フレミングの左手の法則によりトルクを発生しない。したがって、コイルエンド部５ｂの直線状の部分５ｃは極力短い方が好ましい。しかしながら、コイルエンド部５ｂの直線状の部分５ｃが存在していても、実施の形態１，２と同様に式（１），（２）、あるいは式（５），（６）の条件を満たすように永久磁石９の長さＷＭＡＧを設定すれば、永久磁石９を有効に利用できる領域にのみ配置できるため、安価なコストでコアレス型の回転電動機を構成することができる。
【００５２】
実施の形態４．
この実施の形態４における回転電動機の基本的な構成は図１に示した実施の形態１と同じである。ただし、実施の形態１では、アルミやプラスチックなどの弱磁性材からなる円筒状の電機子固定台４の内周面に沿ってモールド樹脂などを用いて電機子コイル５を一体的に接合配列してコアレス型としているのに対して、この実施の形態４では、弱磁性材からなる電機子固定台４を用いる代わりに、強磁性材からなる円筒状の電機子鉄心を用い、この電機子鉄心の内周面に沿って、空芯もしくは弱磁性材料からなる巻芯に巻回した電機子コイル５を接合配列してスロットレス型の回転電動機を構成している。
【００５３】
このような構成のスロットレス型の回転電動機にあっても、前述の式（３）に示した短節巻係数の式を適用することができる。したがって、この実施の形態４の場合も、実施の形態１〜３と同様に、式（１），（２）、あるいは式（５），（６）の条件を満たすように永久磁石９のＹ方向の長さＷＭＡＧを設定することにより、永久磁石９を有効に利用できる領域にのみ配置できる。このため、安価なコストでスロットレス型の回転電動機を得ることができる。
【００５４】
実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５における直動電動機を示す斜視図、図１０は図９におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００５５】
この実施の形態５の直動電動機は、電機子側ユニット１と、この電機子側ユニット１を上下で挟むように磁気的空隙２を介して配置された界磁側ユニット３とを備える。そして、この実施の形態５では、電機子側ユニット１よりも界磁側ユニット３の方が進行方向（Ｘ方向）の長さが長尺になるように形成して、電機子側ユニット１が可動子、界磁側ユニット３が固定子として構成されている。なお、これとは逆に、界磁側ユニット３よりも電機子側ユニット１の方が進行方向の長さが長尺になるように形成して、電機子側ユニット１を固定子、界磁側ユニット３を可動子とした構成であってもよい。
【００５６】
電機子側ユニット１は、アルミやプラスチックなどの弱磁性材からなる電機子固定台４と、この電機子固定台４の進行方向（Ｘ方向）に沿ってモールド樹脂１１などを用いて一体的に接合配列された複数の電機子コイル５とからなり、各電機子コイル５同士はリード線１２により互いに結線されている。
【００５７】
そして、この実施の形態５の各電機子コイル５は、電機子鉄心を用いずに、空芯あるいは弱磁性材料からなる巻芯に巻回した、いわゆるコアレス型のものであって、図２に示したように、Ｙ方向に沿う左右両側の直線状をしたストレート部５ａと、各ストレート部５ａ間を結ぶ上下の略円弧状をしたコイルエンド部５ｂとによって全体が平面視でトラック状に形成されている。
【００５８】
また、界磁側ユニット３は、断面コ字形の界磁鉄心８と、この界磁鉄心８の上下の互いの対向面においてＸ方向に沿って配列固定された多数の永久磁石９とからなる。そして、この場合の永久磁石９は、隣り合う磁極同士が互いに異極となるように着磁されている。したがって、電機子側ユニット１の電機子コイル５と界磁側ユニット３の永久磁石９とは磁気的空隙２を介して互いに対向している。
【００５９】
実施の形態１〜４に示した回転電動機の場合には、式（７）で示したトルクの式が適用できるが、この実施の形態５では直動電動機であるため、次の推力の式（１２）とする必要がある。
Ｔ＝（π／τ）・φＭＡＧ・ｋＰ・ｋＤ・ｋＳ・Γ      （１２）
ここに、πは円周率、τは隣り合う永久磁石９間の距離である。
【００６０】
しかし、この実施の形態５の場合でも、式（８）〜式（１１）に示した式に変更はない。したがって、実施の形態１〜４と同様に、式（１），（２）、あるいは式（５），（６）の条件を満たすように永久磁石９のＹ方向の長さＷＭＡＧを設定することにより、永久磁石９を推力として有効に利用できる領域にのみ配置できる。このため、安価なコストでコアレス型の直動電動機を得ることができる。
【００６１】
また、この実施の形態５の直動電動機の場合には、界磁側ユニット３を構成する断面コ字形の界磁鉄心８の上下の互いの対向面に永久磁石９が固定されているので、向かい合う永久磁石９同士が互いに吸引する力を生じる。このため、従来はこの吸引力に耐えて形状を保持するため、界磁鉄心８を分厚くして所定の剛性を得ている。
【００６２】
これに対して、この実施の形態５では、永久磁石９の使用量を削減できるので、これに伴って永久磁石９の吸引力も低減し、その結果、永久磁石９を支持する界磁鉄心８の厚さを薄くしても所定の剛性が得られる。このため、コアレス型の直動電動機を小型化することができる。
【００６３】
さらに、この実施の形態５のように、電機子側ユニット１を可動子、界磁側ユニット３を固定子とした場合、界磁側ユニット３には電機子側ユニット１が所定距離分を移動するだけの多くの永久磁石９を配置する必要があるため、特に永久磁石９の使用量の削減効果が大きい。
【００６４】
実施の形態６．
図１１は本発明の実施の形態６における直動電動機を示す断面図である。
【００６５】
上記の実施の形態５の直動電動機は、電機子側ユニット１の電機子コイル５に電機子鉄心がないないコアレス型の直動電動機としたが、この実施の形態６では、電機子コイル５を厚さ方向に複数段（本例では２段）に分割し、各電機子コイル５の間に電機子鉄心１３を挿入してスロットレス型の直動電動機が構成されている。
【００６６】
このような構成のスロットレス型の回転電動機にあっても、前述の式（３）に示した短節巻係数の式を適用することができる。したがって、この実施の形態６の場合も、実施の形態５と同様に、式（１），（２）、あるいは式（５），（６）の条件を満たすように永久磁石９のＹ方向の長さＷＭＡＧを設定することにより、永久磁石９を推力として有効に利用できる領域にのみ配置することができる。このため、安価なコストでスロットレス型の直動電動機を得ることができる。しかも、永久磁石９を支持する界磁鉄心８の厚さを薄くしても所定の剛性が得られるため、スロットレス型の直動電動機を小型化することができる。
【００６７】
また、電機子側ユニット１を可動子、界磁側ユニット３を固定子とした場合、界磁側ユニット３には電機子側ユニット１が所定距離分を移動するだけの多くの永久磁石９を配置する必要があるため、特に永久磁石９の使用量の削減効果が大きい。
【００６８】
上記の実施の形態１〜６に対して、さらに次のような変形例や応用例を考えることができる。
【００６９】
上記の実施の形態１〜６では、電機子側ユニット１を構成する電機子コイル５、および界磁側ユニット３を構成する永久磁石９をＹ方向に沿って配置しているが、電機子側ユニット１を構成する電機子コイル５および界磁側ユニット３を構成する永久磁石９のいずれか一方、もしくは双方をＹ方向に対して所定角度だけ傾斜して配置した構成とすることもできる。このような構成とした場合、回転電動機ではトルクの脈動を小さくすることができ、また、直動電動機では推力の脈動を小さくすることができる利点がある。
【００７０】
上記の実施の形態１〜６では、永久磁石９が磁気的空隙２と接しているが、永久磁石９をモールド樹脂やＳＵＳ材などの非磁性材料で覆った構成としてもよい。この構成によれば、高価な永久磁石９を保護できるという利点がある。
【００７１】
上記の実施の形態１〜６では、永久磁石９が界磁鉄心８上に露出しているが、永久磁石９が界磁鉄心８の内部に埋め込まれた構成とすることもできる。この構成によれば、高価な永久磁石９を保護でき、かつ、弱め界磁制御を行うことによってリラクタンストルクまたはリラクタンス推力を得ることができ、大トルク化または大推力化を図ることができる。
【００７２】
上記の実施の形態１〜４では、界磁側ユニット３が電機子側ユニット１の内部にある場合を示したが、界磁側ユニット３が電機子側ユニット１１の外部にある場合にも本発明を適用することができる。また、上記の実施の形態１〜６では３相モータの場合を示したが、これに限らず何相のモータでも本発明は適用できる。さらにまた、本発明は永久磁石９の磁極数と電機子コイル５の数の比によらず適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１における回転電動機の断面図である。
【図２】同回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
【図３】本発明を説明するための座標系を定義した図である。
【図４】短節巻係数を規格化したｋＰ（ｙ）／ｋＰ（０）の値を、位置座標ｙとの関係で示した特性図である。
【図５】本発明の実施の形態２における回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
【図６】起磁力を規格化したΓ（ｙ）／Γ（０）の値を、位置座標ｙとの関係で示した特性図である。
【図７】永久磁石の長さの変化に伴う永久磁石の体積当たりのトルク変換への有効利用率を調べた結果を示す特性図である。
【図８】本発明の実施の形態３における回転電動機を構成する電機子コイルと永久磁石を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態５における直動電動機を示す斜視図である。
【図１０】図９におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態６における直動電動機を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１  電機子側ユニット、２  磁気的空隙、３  界磁側ユニット、４  電機子固定台、
５  電機子コイル、５ａ  ストレート部、５ｂ  コイルエンド部、８  界磁鉄心、
９  永久磁石。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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