(57)【要約】【課題】  従来の技術においては、固定子磁極のコア外周部が連結されているために、各相での磁気的な干渉が発生し駆動するコントローラの制御定数が他の相の影響を受けるため制御性に欠ける課題がある。更に、周方向に固定子磁極を分割した回転電機の回転子の総極数と固定子磁極総極数の関係を選択することで、出力密度の高いモータを提供することである。【解決手段】  ３相の固定子磁極と固定子巻き線とで構成され、周方向に３相の固定子磁極を配置し、各相とも周方向中心として固定子巻き線が２列で構成されている固定子磁極に巻き回され、かつ、前記３相の固定子磁極が磁気的に分割されている固定子とを有する回転電機であって、前記固定子磁極数は６の倍数で構成することである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が外周面に複数構成される回転子と、
３相の固定子磁極と固定子巻き線とで構成され、
周方向に３相の固定子磁極を配置し、
各相とも周方向中心として固定子巻き線が２列で構成されている固定子磁極に巻き回され、
かつ、前記３相の固定子磁極が磁気的に分割されている固定子とを有する回転電機であって、
前記固定子磁極数は６の倍数で構成されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記回転子の極数は８極以上で構成されることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１において、
前記回転子の極数は１４極以上で構成されることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１において、
前記回転子の極数は、２０，２６，３２，３８，４０，４４，４６，５０，５２，５６，５８、又は、６０極で構成されることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１において
前記固定子磁極は磁性粉末により構成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項１において、
前記回転子の極数は固定子磁極数よりも２大きい数で構成されたことを特徴とする回転電機。
【請求項７】
永久磁石が外周面に複数構成される回転子と、
固定子磁極と固定子巻き線とで構成され、
周方向に複数相の固定子磁極を配置し、
各相とも周方向中心として固定子巻き線が２列で構成されている固定子磁極に巻き回され、
かつ、前記複数相の固定子磁極が磁気的に分割されている固定子とを有する回転電機であって、
固定子磁極間に切り欠き部又はくり抜き部を有することを特徴とする回転電機。
【請求項８】
請求項７において
前記固定子磁極は磁性粉末により構成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項９】
永久磁石が外周面に複数構成される回転子と、
固定子磁極と固定子巻き線とで構成され、
周方向に複数相の固定子磁極を配置し、
各相とも周方向中心として固定子巻き線が１列で構成されている固定子磁極に巻き回され、
かつ、前記複数相の固定子磁極が磁気的に分割されている固定子とを有する回転電機。
【請求項１０】
請求項９において
前記固定子磁極は磁性粉末により構成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項１１】
請求項９において、
前記複数相は単相，２相，３相，５相であることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転電機において周方向に各相の巻線が配置されたものとして、特表２００５−５３２７７５号公報に記載のように固定子磁極にコイルを巻いたステータ構造が開示されている。更に、今までのモータではコアバック外周部分を周方向に鎖交する磁束が有ったため磁極を分割することが出来なかった。
【０００３】
【特許文献１】特表２００５−５３２７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術においては、固定子磁極のコア外周部が連結されているために、各相での磁気的な干渉が発生し駆動するコントローラの制御定数が他の相の影響を受けるため制御性に欠ける課題がある。更に、周方向に固定子磁極を分割した回転電機の回転子の総極数と固定子磁極の総極数の関係を選択することで、出力密度の高い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】
【０００５】
３相の固定子磁極と固定子巻き線とで構成され、周方向に３相の固定子磁極を配置し、各相とも周方向中心として固定子巻き線が２列で構成されている固定子磁極に巻き回され、かつ、前記３相の固定子磁極が磁気的に分割されている固定子とを有する回転電機であって、前記固定子磁極数は６の倍数で構成することである。
【発明の効果】
【０００６】
各相の磁気的な干渉を受けにくい構造でかつ、出力密度の高い回転電機を提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施例を図１〜図７により説明する。図１は本発明の一実施例であるステータ磁極を磁気的に３相独立に配置したもので、回転子磁極の永久磁石を２列で構成したものを示したものである。回転子の極数は２４極である。まず、構成について説明する。回転子１００は中心部分にシャフト１が配置され、シャフト１の外周部に回転子ヨーク２が配置されている。回転子ヨーク２の外周部に永久磁石３が配置されている。この永久磁石３は永久磁石３ａと３ｂの２つのリング磁石で構成されている。この永久磁石３ａと３ｂは図に示したように着磁磁極の位相が電気角で位相差を持って構成されている。本来モータとしてはケースやベアリング等の支持機構が必要であるが、この図では省略している。次に、固定子２００について説明する。固定子磁極は３相の位相差を持つように３個の磁極が、回転子の永久磁石３の外周部に僅かな空隙を介して配置されている。３相の固定子磁極はＵ相磁極４Ｕ，Ｖ相磁極４Ｖ，Ｗ相磁極４Ｗで、前記回転子の永久磁石３にほぼ重なるように配置されている。各相磁極の中心部には固定子コイルが配置され、Ｕ相コイルは５Ｕ、Ｖ相コイルは５Ｖ、Ｗ相磁極は５Ｗで示している。更に各相コイルは固定子磁極の端部でＵ字状にコイルエンド部を構成し、コイルエンド部から引き出し線１０Ｕ，１０Ｖ（図示せず），１０Ｗが外部の駆動回路（図示せず）に接続される。この様な固定子構成において、各固定子磁極は連結材（図示せず）により、電気角で１２０度の位相差を持って、ロータ外周部に配置されている。この連結材は各相の固定子磁極を機械的に固定できるものであればどのような構造であっても良く、好ましくは非磁性体の金属で構成されるのが望ましい。更に、連結された後、樹脂により円筒型にモールドしても良い。
【０００８】
図２を用いて図１で説明した固定子磁極４Ｕの詳細を説明する。他の相である４Ｖ及び４Ｗは同一構造であるため説明は省略する。先に説明したようにＵ相磁極４Ｕは、５つの部品から構成されている。固定子磁極４Ｕは、４Ｕａと４Ｕｂの２列の磁極列からなっている。例えば、４Ｕａの磁極列は内周側に向かって配置される磁極歯４Ｕａ１と外向きに向かって配置される４Ｕａ２から構成され、その４Ｕａ１と４Ｕａ２の中心部にＵ相コイル５Ｕの片側のコイルが挟み込まれるように構成されている。更に、もう一列の磁極列
４Ｕｂを構成する４Ｕｂ１と４Ｕｂ２の中心部にＵ相コイル５Ｕのもう一方のコイルが挟まれている。Ｕ相コイル５Ｕの口出し線１０Ｕは、磁極に挟まれていないＵ型のコイルエンド部から取り出されている。
【０００９】
図３（ａ）は、先に説明したＵ相磁極の４Ｕｂ列にＵ相コイル５Ｕが挟まれた構造を示したものである。紙面手前のコイル部分に、４Ｕａ列の磁極が配置される。図３（ｂ）はＵ相コイル５Ｕが巻装されるコイル中心部の磁極を示したものである。Ｕ相コイル５Ｕは図示した、外向き磁極歯４Ｕａ２と４Ｕｂ２に直巻きするか、馬蹄形に成形したものを配置しても良い。また、４Ｕａ２と４Ｕｂ２を一体的に作製することも可能である。
【００１０】
図４はＵ相磁極４Ｕの完成図を示したものである。先に説明したように、２列で構成される磁極列の中心部にＵ相コイル５Ｕは配置されている。図からも分かるように磁極列
４Ｕａを構成する各磁極歯は同一形状で構成されている。また、もう一方の磁極列４Ｕｂも同様にほぼ同じ形状のもので構成されている。
【００１１】
図５（ａ）に先に説明したＵ相磁極４Ｕの外向き磁極歯４Ｕａ２と４Ｕｂ２の先端部分と重なり合う磁極間部に切り欠き部７を設けた図を示したものである。切り欠き部７の形状は円形や長方形等の形状で構成され、磁極間部の幅Ｗ１に対して切り欠き部７の幅Ｗ２は狭く、好ましくは磁極歯の先端幅Ｗ３に等しい程度が良い。ここで、切り欠き部７を設ける理由としては爪先端部から磁極間部との距離が長くなるため、爪先端部からの漏れ磁束の低減の他、コイルインダクタンスの低減効果があるため、発電機の場合には発電電流の増加、モータの場合にはモータ電圧の低減が可能になる。図５（ｂ）は同様の効果が期待できる他の実施例を示したものである。図５（ｂ）は磁極間部にくり抜き部８を設けたものである。効果としては爪先端部からの漏れ磁束低減効果は期待できないが、コイルインダクタンスの低減及び、磁極間の内周側が繋がっているため機械的な強度は強くできる。更に、この２つを組み合わせて構成しても良い。これらの切り欠き部７やくり抜き部８の他の使用方法について説明する。先にも説明したように、３相磁極は磁気的に分離されているため径方向及び周方向に固定する必要がある。更に、３相回転電機として電気的な位相差を精度良く確保する必要もある。そこで、これらの切り欠き部７とくり抜き部８を位置決めに利用して固定することも出来る。くり抜き部８の大きさは先に述べた切り欠き部と同様にくりぬき部の幅をＷ４とすれば大きくても磁極幅間Ｗ１程度が好ましい。
【００１２】
今まで説明してきた各磁極は図２に示した磁極形状は、磁性粉末をプレス加工（圧縮成形）することで実現するようにしたものであるが、鉄板を曲げて作製することや磁性体の焼結材で作製することも可能である。更には、リング状に磁極歯を作製したものを、必要な個数でカットして組み合わせることで実現することも可能である。
【００１３】
次に、本発明の周方向磁極配置モータの回転子極数と固定子磁極数の関係について説明する。上記説明では回転子が２４極、固定子磁極は一相あたり６個で構成していた。一相磁極数を６個で構成すれば３相モータの場合トータルで１８個の磁極で構成されることになる。本発明の磁石の極ピッチと固定子磁極の磁極歯ピッチはほぼ等しいため、回転子の極数が２４極で固定子磁極数の総和が１８の場合、(１８／２４＝０.７５) でロータの磁石に対して７５％の磁束が利用できる組み合わせと考えることができる。固定子磁極を分割し、分割端面にコイルエンドを構成するためには、永久磁石の極数と３相固定子磁極の数を等しくすることは出来ず、必ず極数よりも固定子磁極数の総和は小さくする必要がある。また、あまり固定子磁極数を少なく構成すると、各相間の隙間が大きくなり磁石の磁束利用率が低下する。磁束利用率が低いと言うことはモータとして出力密度の低下と考えることができ、余り良いモータではないと言える。そこで、回転子の磁石極数と固定子の磁極総数の関係について６０極までについて図６に纏めてみた。表の縦軸がロータの極数、横軸が固定子磁極の総数である。先にも述べたように極数Ｐと総磁極数Ｓの数が等しい場合は、固定子磁極が成り立たないためその組み合わせを選択することは出来ない。また、極数Ｐよりも総磁極数Ｓが大きい場合も成り立たず実現不可能な組み合わせとなる。また、極数Ｐに対して総磁極数Ｓが少ない場合も永久磁石の利用率が低下するため余り良くない。そこで、本発明ではこの総磁極数Ｓ／極数Ｐが０.６７ （約２／３）程度を最低ラインとして考えた場合、幾つかの極数Ｐと総磁極数Ｓとの関係に良い組み合わせが有ることが分かった。まず極数Ｐに関しては、固定子磁極数の総数Ｓの最低は２個×３相＝６個が最低限の組み合わせになることから極数は８極が最低の組み合わせになる。よって、本発明の構造は８極以上でなければ成り立たないことが分かる。
【００１４】
次に、固定子磁極の総数Ｓに関しては一相２個の磁極で３相であることから最低個数は６個となり次の組み合わせは、一相４個で３相となり１２個となる。よって、固定子磁極数の総数は６の倍数でなければ成立しないことが分かる。この２つの条件と利用率を考慮した組み合わせは三角形で示した部分であり更に成り立つ組み合わせは網掛けした部分となる。すなわち、総磁極数Ｓに対して極数Ｐが−２の数値が最も磁束利用率が高くなり極数の増加と共に利用率も増加する。磁束利用率を０.６７ 以上という条件の場合極数Ｐの選択肢としては８，１４，１６，１８・・・・・６０極となる。更に、利用率が９０％以上の組み合わせは図６の縦軸の極数の横に判定欄で◎の付いた組み合わせとなる。この◎の組み合わせを選択できれば、周方向に分割したことによる特性劣化を最小限にすることが出来る。表の中で◎の極数は、２０，２６，３２，３８，４０，４４，４６，５０，
５２，５６，５８，６０極となる。
【００１５】
以上の説明では、磁束利用率の最低ラインを０.６７ に設定したが極間に配置する磁極センサの関係やそれぞれの磁極を接続する連結部材により磁束利用率が小さくなる場合も発生するが、その場合には使用する永久磁石の残留磁束密度を高く設定したり軸方向長さを伸ばすことで性能を維持できるため、磁束利用率が０.６７ 以下の場合でも本発明の構造は成り立つ。以上のように、回転子の総極数と固定子磁極総極数の関係をうまく選択することで、出力密度の高いモータを提供することが出来る。
【００１６】
なお、今までの実施例では、固定子磁極を２列配置したものであったが、１列で配置した図７のような回転電機の実施例の構造も考えられる。固定子コアは３相で３箇所に配置され、固定子コイルは磁極内を貫通した後、磁極歯の反対側である外径方向を周回するように構成されている。この様に固定子磁極を１列の構成とすることで、軸方向の厚みを低減できる効果が有る。また、固定子コイルの約半分が磁極から出ているために、この出ている部分に冷却風を当たることで冷却効率を高められる効果が有る。また、本実施例では３相の構造について述べたが、単相，２相，５相・・等であっても良い。また、本実施例は同様に磁性粉末を圧縮成形することで実現することができるが、鉄板を曲げて作製することや磁性体の焼結材で作製することも可能である。更には、リング状に固定子磁極を作製し、必要な個数でカットして組み合わせることで実現することも可能である。
【００１７】
また、今までの全実施例では、内転型の回転電機について述べたが外転型の回転電機であってもよく、同様の効果を奏する。また、今までの全実施例の回転電機はクローポール型回転電機の一種である。
【００１８】
また、本発明では回転子の永久磁石の極数と固定子磁極の極数の関係を示したが、車載用オルタネータで使われる回転子の爪磁極の極数と本発明の固定子の極数の関係も同様の関係であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一実施例のモータ構造斜視図。
【図２】本発明の固定子磁極を構成する部品を示した部品図。
【図３】本発明の固定子磁極の分割図。
【図４】本発明の固定子磁極一相分の斜視図。
【図５】本発明の固定子磁極一相分の斜視図。
【図６】本発明のモータ極数とステータ磁極数の関係表。
【図７】本発明の他の実施例の回転電機。
【符号の説明】
【００２０】
１  シャフト
２  回転子ヨーク
３  永久磁石
４  固定子磁極
５  コイル
６  磁極センサ
７  切り欠き部
８  くり抜き部
１０  磁極端面
１００  回転子
２００  固定子
【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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