(57)【要約】【課題】  可能な限り大きいトルクを生成する、当該分野に属する電気機械、特にインナーロータ型電気モータ又はインナーロータ型発電機を提供する。【解決手段】  本発明は、ロータと、ロータを同心的に包囲するステータとを備え、ステータは、ステータ保磁リングと、ステータ保磁リングから半径方向内側に向かって突出するステータ極とを有しており、それらのステータ極の間に位相巻線を収容するためのスロットが形成されている電気機械に関するものであり、半径方向におけるスロットの深さは、実質的に、位相巻線の巻回線径の３倍を超えないことにより、スロットの中で巻回された位相巻線を半径方向に最大三重に重ねることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（５２）と、前記ロータ（５２）を同心的に包囲するステータ（５０）とを備え、前記ステータ（５０）は、ステータ保磁リング（５４）と、前記ステータ保磁リング（５４）から半径方向内側に向かって突出するステータ極（５６）とを有しており、それらの前記ステータ極（５６）の間に位相巻線（６０）を収容するためのスロット（５８）が形成されている電気機械において、
半径方向における前記スロット（５８）の深さは、実質的に、前記位相巻線（６０）の巻回線径の３倍を超えないことにより、前記スロット（５８）の中で巻回された位相巻線（６０）を半径方向に最大三重に重ねることができることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
半径方向における前記スロット（５８）の深さは、実質的に、前記巻回線径の１倍を上回っていないことを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記スロット（５８）は、それぞれ巻線を収容するために、実質的に円筒状の切欠きの形態を有していることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記ステータ（５０）の円周方向におけるスロット幅は、一つのスロット（５８）が複数の巻線を接線方向に相並んで位置するように収容するように設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械。
【請求項５】
前記スロット（５８）は、実質的に、接線方向において相並んで位置する複数の円筒状の切欠きの形態を有していることを特徴とする請求項４に記載の電気機械。
【請求項６】
前記スロット（５８）は、実質的に、接線方向に延在する楕円形の形態を有していることを特徴とする請求項４に記載の電気機械。
【請求項７】
前記位相巻線（６０）は、二線巻線により構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項８】
前記ロータ（５２）は、ロータ本体（６２）と、前記ロータ本体（６２）の内部においてスポーク状に延在している、前記ロータ本体（６２）に埋設された永久磁石（６４）と、を有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部（プリアンブル部）に記載されている、ロータと、ロータを同心的に包囲するステータとを備えている電気機械に関する。特に本発明は、ブラシレス直流モータの分野に関するものであり、特に、インナーロータ型モータ又はインナーロータ型発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレス直流モータには、一定の磁界を有する回転可能なロータと、回転する磁界を生成することができるステータとが設けられている。回転する磁界は、ロータ及びステータの構造並びにそれら相互の位置に依存して決まるトルクを生成する。従来の技術では、モータの出力やトルクといった所望のモータパラメータに依存して、ロータパラメータとステータパラメータとの比率を選択することが知られている。電気モータにおいて生成されるトルクは、ロータとステータとの間に形成される間隙の直径にほぼ比例することが知られている。
【０００３】
図１は、従来の技術に基づくアウターロータ型電気モータの一部の断面図を、一例として示している。図１においては、ステータ１０は、ステータ保磁リング１２と、ステータスロット１６を区切るステータ歯１４とを含んでいる。ステータスロットには、ステータ歯１４の周囲に巻き付けられた位相巻線１８，２０が挿入されている。ステータ１０は、ロータ保磁子２４と、ロータ保磁子２４の内側円周にある永久磁石２６とを有するロータ２２に、同心的に挿入されている。ステータ１０とロータ２２との間には、間隙２８が形成されている。この間隙２８の幅は、符号ｇで表されている。間隙の直径は、図１では符号ＤＡで表されている。この直径ＤＡは、ロータ保磁子の厚さＬＲｏｔと磁石の厚さＬＭａｇｎｅｔと間隙幅ｇの半分との合計を２倍したものを、モータの外径ＤＭｏｔｏｒから差し引いた差異として算出される。  
ＤＡ＝ＤＭｏｔｏｒ−２×（ＬＲｏｔ＋ＬＭａｇｎｅｔ＋ｇ／２）
【０００４】
比較のため、従来の技術に基づくインナーロータ型モータの一部の断面図が図２に示されている。ロータ保磁子３２と、その上に装着された永久磁石３４とを含むロータ３０が、ステータ３６に同心的に挿入されている。ステータ３６は、ステータ保磁リング３８とステータ歯４０とにより構成されている。ステータ歯４０は、位相巻線４２，４４が中に挿入されたスロットを区切っている。ロータ３０とステータ３６との間には間隙４６が形成されており、その幅は図２では符号ｇで表されている。発生するトルクにとって重要な間隙直径ＤＩは、ステータ保磁子の厚さＬＳｔａｔとそれぞれステータ歯４０によって形成されるステータ極の長さＬＰＯＬと間隙幅ｇの半分との合計を２倍したものを、図２に符号ＤＭｏｔｏｒで表されているモータの外径から差し引いて算出される。  
ＤＩ＝ＤＭｏｔｏｒ−２＊（ＬＳｔａｔ＋ＬＰＯＬ＋ｇ／２）
【０００５】
図１と図２とを比較してみると容易に理解されるように、両方のモータの巻線スペースがほぼ同じ大きさであれば、アウターロータ型電気モータは、外径が等しい場合、インナーロータ型電気モータよりも大きな間隙直径を有している。従って、他の点においてモータパラメータが同等であるならば、アウターロータ型モータの方が大きいトルクを発生させることができる。このことは、１Ａのモータ電流あたりで生成されるトルクを表す電気モータのトルク定数Ｋｔが、特に、間隙直径ＤＩと巻数ＮＴＵＲＮとに比例するという法則に基づいている。  
【数１】
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【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、一般的な構造を有しつつ可能な限り大きいトルクを生成する、当該分野に属する電気機械、特にインナーロータ型電気モータ又はインナーロータ型発電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１の構成要件を備えている電気機械によって解決される。即ち、本発明は、半径方向におけるスロットの深さが、実質的に、位相巻線の巻回線径の３倍を超えないことにより、スロットの中で巻回された位相巻線を半径方向に最大三重に重ねることができる、当該分野に属する電気機械、特にインナーロータ型電気モータ又はインナーロータ型発電機を意図している。各々のスロットの中では、半径方向に巻回される位相巻線は一重しか含んでいないのが好ましい。それにより、半径方向の寸法が最小のステータを備えるインナーロータ型モータを製作することが可能であり、それにより、電気モータの外径を一定の枠内に抑える必要がある場合においても、ロータの外径及びそれに伴う間隙直径を相応に拡大することができる。次式により、間隙直径が拡大されれば、巻数が減少しても同じトルク定数を得ることができる。  
【数２】
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【０００８】
本発明はこの現象を利用したものであり、スロットによって形成される巻線スペースにより巻回線のちょうど一重、最大で三重の位相巻線を収容するステータを意図している。それにより、モータ外径が等しいアウターロータ型モータと少なくとも同じ間隙直径を有している、インナーロータ型電気モータ又はインナーロータ型発電機を提供することができる。インナーロータ型モータのステータ保磁リングと、アウターロータ型モータのロータ保磁リングとが同じ厚さを有していると仮定すると、実際問題としては、本発明に係るインナーロータ型モータにおいては、さらに大きい間隙直径を得ることができる。なぜなら、巻線直径を１倍乃至３倍したものは、ロータ保磁子の上に装着された永久磁石の厚さよりも小さいのが通常だからである。
【０００９】
位相巻線の巻回数を従来の技術と比較して減少させることにより、本発明に係る機械においては、銅損が低減し、全体として効率の高い機械を得ることができる。
【００１０】
本発明の一つの有利な実施の形態においては、スロットは、実質的に、ステータ保磁リングの内側円周に沿って機械のロータ軸と平行に延在する円筒状の切欠きの形態を有している。スロットは、それぞれ位相巻線のちょうど１本の巻回線を収容するように寸法決めされているものとするとよい。接線方向において複数の位相コイルを相並んで位置するように収容するために、スロットは、接線方向において相並んで位置する複数の円筒状の切欠きの形態、接線方向に延在する長円の形態又はそれに類似する形態により構成されているものとするとよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、図面を参照しながら、有利な実施の形態を用いて本発明を詳細に説明する。  
図３は、本発明の第１の実施の形態に基づく電気モータの断面図を示している。このモータは、ステータ５０と、ステータ５０に同心的に挿入されたロータ５２とを備えている。ステータ５０とロータ５２との間に間隙５３が形成されている。ステータ５０は、ステータ保磁リング５４と、ステータ保磁リング５４から半径方向内側に向かって延在するステータ極又はステータ歯５６とにより構成されている。ステータ歯５６は、それら（ステータ歯５６）の間に実質的に円筒状のスロット５８が形成されるように構成されており、それらのスロット５８は、図３の実施の形態では、位相巻線の個々の巻回線６０をそれぞれ支持している。図３では、巻回方式がアルファベットＡ，ａ，Ｂ，ｂ，Ｃ，ｃにより説明されており、Ａ，ａは位相１に所属しており、Ｂ，ｂは位相２に所属しており、Ｃ，ｃは位相３に所属しており、大文字と小文字とは電流を通す巻線の通電方向を表している。通電方向は、図面では追加的に
【数３】
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によっても図示されている。
【００１２】
ロータ５２は、内部に永久磁石６４がスポーク状に埋設されたロータ本体６２を含んでいる。それぞれ二つの永久磁石６４が、半径方向内側の端部の部位において、空間６６によって橋渡しされている。ロータ本体６２は、シャフト６８に装着されている。
【００１３】
図示した実施の形態においては、電気モータは、１８個のステータスロット５８と、永久磁石６４により形成される１６個のロータ極と、を備えている。
【００１４】
図３は、位相巻線６０が半径方向に一重にてステータ５０に装着されている本発明の実施の形態を示している。ステータスロット５８は、円筒状に構成されている。ステータスロット５８は、位相巻線６０がステータスロット５８から外へ滑り出るのを防止するように成形されている。それにより、半径方向において非常に薄いステータ５０の構造が形成されており、その結果、モータの所定の外径において、最大の間隙直径を実現することができる。前述したように、最大の間隙直径は、モータの相応に大きいトルクにつながり、半径方向においてステータ５０に一層又は少数層を巻き付けることによって銅損が極めて少なくなり、それぞれ巻回された位相巻線の間に浮遊磁束が発生する事態をほぼ防止することができる。
【００１５】
図４は、１２個のステータスロット５８と、永久磁石６４により形成される１６個のロータ極とを備えている電気モータについて、図３に類似する図面を示している。同じ部品又は対応する部品には、図３と同じ符号が付されている。ロータ５２は、同様にロータ本体６２を含んでおり、その内部に永久磁石６４がスポーク状に埋設されている。ロータ５２は、場合により、中間リングを介してシャフト６８に装着される。ロータ５２とステータ５０との間に間隙５３が形成されている。
【００１６】
ステータ５０は、ステータ保磁リング５４と、ステータ歯５６により形成されるステータ極と、を備えている。それぞれのステータ歯５６の間には、図４の実施の形態においては、相並んで位置する複数の円筒の形態により構成されたステータスロット５８が形成されている。このことは、図３の実施の形態と比較して、接線方向において相並んで位置する２本又はそれ以上の異なる位相巻線を、スロット５８に挿入することを可能にする。図４の実施の形態においては、二線巻線を使用することも可能であろう。一例としての巻回方式が、図４では、アルファベットＡ，ａ，Ｂ，ｃ，Ｃ，ｃにより図示されている。
【００１７】
図３及び図４の実施の形態では、ステータ５０の半径方向において位相巻線がそれぞれ一重の巻回層しか設けられていないが、本発明では、半径方向において二重乃至三重の巻回層を収容するようにステータスロット５８が構成されていてもよい。本発明に係る電気機械の主要な着眼点は、間隙の直径を最大化するために、ステータ歯５６及び位相巻線を含めたステータ５０が、半径方向に可能な限り小さい寸法を有するようにすることである。特に、ステータの半径方向の寸法は、同等のモータパラメータを有するアウターロータ型モータのロータの半径方向の寸法よりも大きくないのが望ましい。
【００１８】
環状磁石を備えるようにロータを構成し、磁束線を誘導するのに最低限必要なだけの薄さにロータ保磁子を寸法決めすると、ロータの比較的大きい内径が得られる。このことは、例えば、軸受の荷重性能を引き上げるために非常に太いシャフトを利用できるようにするため、又は、中空シャフトを備えるロータを構成できるようにするために好ましい。
【００１９】
本発明の一例としての実施の形態では、位相巻線６０を収容するための円筒状のスロット５８が図示されているが、当業者であれば理解できるように、スロットは、位相巻線の少数の層をスロットに収容するために、それ以外のあらゆる適当な形態を有することができ、例えば楕円形、長方形、台形等の形態を有することができる。しかしながら、巻線は、間隙の直径を最大化するために、図４に示すように、接線方向においてのみ相並んで配置されるのが好ましい。以上の説明、請求項及び図面に開示されている構成要件は、単独でも任意の組み合せの形でも、本発明を様々な構成において具現化するために有意義であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の技術に基づくアウターロータ型モータの一部を示す模式的な断面図である。
【図２】従来の技術に基づくインナーロータ型モータの一部を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に基づく電気モータを示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に基づく電気モータを示す断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  ステータ
１２  ステータ保磁リング
１４  ステータ極
１６  ステータスロット
１８，２０  位相コイル
２２  ロータ
２４  ロータ保磁リング
２６  永久磁石
２８  間隙
３０  ロータ
３２  ロータ保磁子
３４  永久磁石
３６  ステータ
３８  ステータ保磁リング
４０  ステータ歯
４２，４４  巻回線（位相巻線）
４６  間隙
５０  ステータ
５２  ロータ
５３  間隙
５４  ステータ保磁リング
５６  ステータ極又はステータ歯
５８  スロット
６０  巻回線、位相巻線
６２  ロータ本体
６４  永久磁石
６６  空間
６８  シャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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