(57)【要約】【課題】鉄損と銅損を小さくして変換効率を向上させた回転機を提供する。【解決手段】軸心位置を合わせて配置された固定子１１と回転子１２とを有し、固定子１１に回転磁界を発生させて、回転子１２に回転トルクを与える回転機１０において、固定子１１の鉄心にそのカット面を回転子１２に向けて円周上に並べて配置された複数の第１のカットコア１３を用いている。また、固定子１１に向けて配置された回転子１２の各磁極を形成する鉄心の少なくとも一部に永久磁石３１、３２を用いるとともに、そのカット面が固定子１１を向いて並べて配置された第２のカットコア１４が用いられ、円周方向に隣り合う磁極は異極となっている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心位置を合わせて配置された固定子と回転子とを有し、該固定子に回転磁界を発生させて、該回転子に回転トルクを与える回転機において、
前記固定子の鉄心にそのカット面を前記回転子に向けて円周上に並べて配置された複数の第１のカットコアを用いたことを特徴とする回転機。
【請求項２】
請求項１記載の回転機において、前記固定子に向けて配置された前記回転子の各磁極を形成する鉄心の少なくとも一部に永久磁石が用いられ、円周方向に隣り合う該磁極は異極となっていることを特徴とする回転機。
【請求項３】
請求項２記載の回転機において、前記回転子の前記各磁極を形成する鉄心の一部にそのカット面が前記固定子を向いて並べて配置された第２のカットコアが用いられていることを特徴とする回転機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機において、各相毎に前記回転子の磁極と前記固定子の磁極が決定され、しかも、該回転子および該固定子の軸心に沿ってそれぞれ直列に配置されていることを特徴とする回転機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機において、前記各第１のカットコアはその磁極が、前記固定子の軸心と平行に並べて配置され、しかも円周方向に並べて配置された隣り合う該第１のカットコアの磁極は異なることを特徴とする回転機。
【請求項６】
請求項５記載の回転機において、前記回転子の外側に前記固定子があることを特徴とする回転機。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機において、前記各第１のカットコアはその磁極が、前記固定子の軸心と平行に並べて配置され、しかも円周方向に並べて配置された隣り合う該第１のカットコアの磁極は同一であることを特徴とする回転機。
【請求項８】
請求項７記載の回転機において、前記固定子の外側に前記回転子が筒状に配置されていることを特徴とする回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から電力を与えることによって回転する電動機または外部から回転動力を与えることによって電力を発生する発電機として使用できる回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電動機、永久磁石を用いたアウターロータ型の電動機では、例えば、特許文献１の従来技術の欄に記載されているように、固定子が内側で、その外側に永久磁石を有する回転子が配置されている。固定子は、例えば円柱形のヨーク部を有し、そのヨーク部の外径面に溝（スロット）を円周方向に等間隔に形成してそれらの溝に複数の巻線を施している。また、回転子は、例えば所定厚さの円筒形であり、この円筒形のヨーク部の内側には永久磁石が所定数だけ円周方向に等間隔に、しかも隣接する極が異極となるように固着されている。そして、固定子の巻線の通電を切り替えて回転磁界を発生させると、この回転磁界と回転子の永久磁石の相互作用により回転力となる回転トルクが発生して、回転子が回転する。
また、例えば、特許文献２に記載のように、固定子を外側に回転子を内側に配置し、固定子に巻線を施した鉄心（コア）を、回転子には永久磁石を用いて磁極を形成している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２４８６６号公報
【特許文献２】特開平１１−２５２８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、回転機の変換効率を向上させるには、固定子および回転子における鉄損が少ないこと、巻線における銅損が少ないこと、更に機械損が少ないことが必要とされている。ここで、機械損は鉄損および銅損に比べて小さいため、鉄損および銅損を低減することが回転機の変換効率の改善に大きく寄与することになる。
しかしながら、特許文献１および２に記載された発明では、鉄心部分に形成される磁気回路の磁路が、周方向にＮ極とＳ極が等配分設置される関係上、コア全体が周方向の有効磁束の通過路となる構成となっている。このため、コアは、電磁特性に方向性を有しない無方向性電磁鋼板を用いて形成する必要があるが、無方向性電磁鋼板の鉄損は方向性電磁鋼板の鉄損に比べて大きい。例えば、商用周波数電源の下で、１５０００ガウスの磁力線を通過させた場合に生じる電力換算した鉄損量は、単位重量当たり方向性電磁鋼板が約０．６Ｗ／ｋｇであるのに対して、無方向性電磁鋼板では約２．１Ｗ／ｋｇとなって３．５倍の損失を生じる。従って、無方向性電磁鋼板を用いてコアを形成する場合、鉄損低減による回転機の変換効率の改善は頭打ちの状態になっているという問題がある。
また、固定子においては、周方向にＮ極とＳ極が等配分設置される磁路構成となるようにヨーク部に形成した各溝に巻線を施す必要が生じ、巻線の方式が定まるため巻線長さを短くして銅損を小さくすることは不可能になっている。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、鉄損をできるだけ小さくし、更には銅損も小さくして電動機の場合には電力から回転力への、発電機の場合には回転力から電力への変換効率を向上させた回転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】
【０００６】
前記目的に沿う本発明に係る回転機は、軸心位置を合わせて配置された固定子と回転子とを有し、該固定子に回転磁界を発生させて、該回転子に回転トルクを与える回転機において、
前記固定子の鉄心にそのカット面を前記回転子に向けて円周上に並べて配置された複数の第１のカットコアを用いている。
なお、本発明においてカットコアとは方向性磁性鋼板の（最大）磁束密度の高い向き（以下、「主磁束方向」という）を長手方向にして形成した帯状板を所定形状に巻回した後、途中位置でカットしたコアをいう。これによって、固定子の鉄損が減少し、更には最大磁束密度が大きいので、より小型に固定子を構成できる。
【０００７】
本発明に係る回転機において、前記固定子に向けて配置された前記回転子の各磁極を形成する鉄心の少なくとも一部に永久磁石が用いられ、円周方向に隣り合う該磁極は異極とすることが好ましい。これによって、回転子に磁極を形成することができ、固定子と共同して回転子に回転トルクが発生する。なお、スイッチトリラクタンス型のモータとする場合には、永久磁石は不要となるが、回転子の極数は固定子より少なくする必要がある。
ここで、前記回転子の前記各磁極を形成する鉄心の一部にそのカット面が前記固定子を向いて並べて配置された第２のカットコアを用いることが好ましい。これによって、全体の磁気通路が形成されて、全体的な鉄損が減少する。
また、本発明に係る回転機において、各相毎に前記回転子の磁極と前記固定子の磁極が決定され、しかも、該回転子および該固定子の軸心に沿ってそれぞれ直列に配置されていることが好ましい。これによって、多相（例えば、三相）の電動機を容易に構成でき、回転が滑らかになる。
【０００８】
本発明に係る回転機において、前記各第１のカットコアはその磁極が、前記固定子の軸心と平行に並べて配置され、しかも円周方向に並べて配置された隣り合う該第１のカットコアの磁極は異なることが好ましい。これによって、固定子の磁極を形成するための巻線の全長を短くすることができ、結果として銅損が減少する。
本発明に係る回転機において、前記回転子の外側に前記固定子を設けることができる。
【０００９】
本発明に係る回転機において、前記各第１のカットコアはその磁極が、前記固定子の軸心と平行に並べて配置され、しかも円周方向に並べて配置された隣り合う該第１のカットコアの磁極は同一にすることができる。これによって、固定子の磁極を形成するための巻線の全長を更に短くすることができ、結果として銅損を更に減少することができる。
本発明に係る回転機において、前記固定子の外側に前記回転子を筒状に配置することができる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１〜８記載の回転機においては、固定子の第１のカットコアのカット面を回転子に向けて円周上に並べて配置することで、第１のカットコアの主磁束方向が磁路となって磁気回路の抵抗を小さくできるとともに、より強い磁気力を有する磁極を形成できる。また、第１のカットコア内では、主磁束方向に磁束が通過するので、鉄損が小さくなり、固定子全体としての鉄損を小さくできる。その結果、コンパクトで変換効率の高い回転機を構成できる。
【００１１】
特に、請求項２記載の回転機においては、回転子の各磁極が永久磁石を用いて形成され、円周方向に隣り合う磁極は異極となっているので、固定子に回転磁界を発生させることで回転子に回転トルクを与えることができ、電動機を構成できる。
請求項３記載の回転機においては、固定子の第１のカットコアのカット面を回転子に向けて並べて配置することで、第２のカットコアの主磁束方向が磁路となって磁気回路の抵抗を小さくできるとともに、より強い磁気力を有する磁極を形成できる。また、第２のカットコア内では、主磁束方向に磁束が通過するので、鉄損が小さくなり、回転子としての鉄損を小さくできる。その結果、更にコンパクトでより変換効率の高い回転機を構成できる。
【００１２】
請求項４記載の回転機においては、各相毎に回転子の磁極と固定子の磁極が決定され、しかも、回転子および固定子の軸心に沿ってそれぞれ直列に配置されているので、変換効率の高い多相（例えば、三相）用の回転機を構成できる。
【００１３】
請求項５記載の回転機においては、第１のカットコアはその磁極が固定子の軸心と平行に並べて配置されているので、第１のカットコアの両側のカット面に異なる磁極を形成させるには、例えば、１つおきに第１のカットコアの内側に束にした導線を通過させ通電させればよく、固定子を励磁するのに巻線を施す必要がなくなり、使用する導線の総延長を短くすることができ、固定子としての銅損を小さくできる。その結果、回転機の変換効率を更に向上させることができる。
請求項６記載の回転機においては、内転式の回転機を製作する際に、回転子の磁極を形成するための永久磁石の使用量を少なくでき、製作の作業工程を減少させることができる。
【００１４】
請求項７記載の回転機においては、第１のカットコアはその磁極が固定子の軸心と平行に並べて配置されているので、第１のカットコアの両側のカット面に同一の磁極を形成させるには、例えば、第１のカットコアの内側に束にした導線を通過させて通電させればよく、固定子を励磁するのに使用する導線の総延長を更に短くすることができ、固定子としての銅損をより小さくできる。その結果、回転機の変換効率を更に向上させることが可能になる。
請求項８記載回転機においては、外転式の回転機を製作する際に、固定子の磁極を形成するために巻線を施す必要がなく、製作の際の作業性を著しく向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の第１の実施の形態に係る交流三相用の内転式電動機で使用する回転子の斜視図、図２は同内転式電動機で使用する固定子の一部切り欠き斜視図、図３は同内転式電動機の正断面図、図４は同内転式電動機の固定子を構成する基本単位固定子の斜視図、図５は基本単位固定子の組立て方法の説明図、図６は固定子に設けられた第１のカットコア内に配設する導線束の状態を示す説明図、図７は固定子に設けられた第１のカットコア内に配設する導線束の状態を示す説明図、図８は第１、第２の導線束に通電した際に周囲に発生する磁力線の状態を示す説明図、図９は第１のカットコア内を通過する第１、第２の導線束に通電した際に発生する磁力線の状態を示す説明図、図１０は同内転式電動機の回転子を構成する基本単位回転子の斜視図、図１１、図１２（Ａ）、（Ｂ）は基本単位回転子の組立て方法の説明図、図１３は第１、第２のカットコアの間の磁力線の状態を示す説明図、図１４は同内転式電動機を作動させるためのブロック図、図１５は変形例に係る基本単位固定子に設けられた第１のカットコア内に配設する導線束の状態を示す説明図、図１６は従来例に係る交流三相用の内転式電動機で使用する固定子における巻線状態を示す説明図、図１７は従来例に係る交流三相用の内転式電動機で使用する固定子の磁路の一部を示す説明図、図１８は本発明の第２の実施の形態に係る交流三相用の外転式電動機で使用する固定子の斜視図、図１９は同外転式電動機で使用する回転子の一部切り欠き斜視図、図２０は同外転式電動機の正断面図、図２１は同外転式電動機の固定子を構成する基本単位固定子の斜視図、図２２は同外転式電動機の回転子を構成する基本単位回転子の斜視図、図２３は本発明の第３の実施の形態に係る交流三相用の外転式電動機で使用する固定子の斜視図、図２４は同外転式電動機で使用する回転子の一部切り欠き斜視図、図２５は本発明の第４の実施の形態に係る交流二相用の内転式電動機の正断面図である。
【００１６】
図１、図２、図３に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る回転機の一例である交流三相用の内転式電動機１０は、軸心位置を合わせて配置された固定子１１と回転子１２とを有している。そして、固定子１１は、固定子１１の各磁極を形成する鉄心にそのカット面を回転子１２に向けて円周上に並べて配置された複数の第１のカットコア１３を用い、回転子１２は、回転子１２の各磁極を形成する鉄心にそのカット面が固定子１１を向いて円周上に並べて配置された複数の第２のカットコア１４を用いている。以下詳細に説明する。
【００１７】
第１のカットコア１３は、その磁極が、固定子１１の軸心と平行に並べて配置されている。ここで、第１のカットコア１３は、方向性磁性鋼板の最大磁束密度の高い向き（主磁束方向という）を長手方向にして形成した帯状板を所定形状に巻回した後、その一端側をカットして除去することで形成する。これによって、第１のカットコア１３の主磁束方向が磁路となって磁気回路の抵抗を小さくできるとともに、より強い磁気力を有する磁極を形成できる。そして、第１のカットコア１３内では、主磁束方向に磁束が通過するので、鉄損が小さくなり、固定子１１全体としての鉄損も小さくできる。
【００１８】
また、固定子１１では、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相毎にそれぞれ磁極部１５、１６、１７(即ち、磁極)が決定されている。これにより、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相の連携により固定子１１に回転磁界を発生させることができる。ここで、固定子１１は、図２、図４に示す基本単位固定子１８が相間区切りリング１９を介して同相直列に連結され、それらを筒状のケーシング２０内に嵌入することにより一体化されて構成されている。なお、符号２１は、相間区切りリング１９を介して基本単位固定子１８を連結する際に使用するピン部材（図示せず）を差し込む挿通孔である。
【００１９】
また、基本単位固定子１８は、図４、図５に示すように周方向に等間隔に複数（実施の形態では８個）の凹部２２が形成され、非磁性材料から形成される環状枠体２３と、各凹部２２にその磁極が環状枠体２３の軸心と平行になるように嵌入されて固定される第１のカットコア１３を有している。なお、第１のカットコア１３の環状枠体２３への固定は、例えば、第１のカットコア１３の連絡部２４の中央にねじ孔（図示せず）を形成し、凹部２２の底に設けた貫通孔２５にねじ２６を挿通しその先側をねじ孔にねじ込むことにより行なう。なお、第１のカットコア１３を環状枠体２３に固定した際、各第１のカットコア１３のカット面が環状枠体２３と同心の円周上に並ぶように、第１のカットコア１３のカット面は円弧状に加工されている。
【００２０】
基本単位固定子１８には、図６、図７に示すように、基本単位固定子１８に設けられた任意の第１のカットコア１３を基準にして数えた場合、奇数番の第１のカットコア１３の内側空間のみを挿通する第１の導線束２７と、偶数番の第１のカットコア１３の内側空間のみを挿通する第２の導線束２８とが設けられ、第１、第２の導線束２７、２８の上流側は合流して導線束２９を形成し、第１、第２の導線束２７、２８の下流側は合流して導線束３０を形成している。従って、導線束２９から電流を流して導線束３０に戻すようにすると、第１、第２の導線束２７、２８を流れる電流の方向は逆方向となって、円周方向に並べて配置された隣り合う第１のカットコア１３の内側を通過する電流の方向を逆方向にできる。
【００２１】
ここで、第１、第２の導線束２７、２８を流れる電流の方向は逆なので、図８に示すように、第１、第２の導線束２７、２８の周囲にそれぞれ形成される磁力線の方向は逆方向になる。そして、図９に示すように、第１、第２の導線束２７、２８の外側にはそれぞれ第１のカットコア１３が存在するので、発生した磁力線は第１のカットコア１３内を通過し、一方のカット面から放出されて他方のカット面に流入する。その結果、両側のカット面には異なる磁極が形成され、円周方向に並べて配置された隣り合う第１のカットコア１３の磁極を異なるようにできる。これにより、第１、第２の導線束２７、２８を流れる電流の方向を周期的に変化させることで、円周方向に並べて配置された隣り合う第１のカットコア１３の磁極も連携して変化することになり、固定子１１に回転磁界を発生させることができる。
【００２２】
第２のカットコア１４は、その磁極が、回転子１２の軸心と平行に並べて配置され、円周方向に並べて配置された隣り合う第２のカットコア１４の磁極は互いに異なるように、カット面に永久磁石（例えば、希土類磁石）３１、３２が、例えば接着剤により固着されている。ここで、第２のカットコア１４は、方向性磁性鋼板の主磁束方向を長手方向にして形成した帯状板を所定形状に巻回した後、その一端側をカットして除去することで形成する。これによって、第２のカットコア１４の主磁束方向が磁路となって磁気回路の抵抗を小さくできるとともに、より強い磁気力を有する磁極を形成できる。そして、第２のカットコア１４内では、主磁束方向に磁束が通過するので、鉄損が小さくなり、回転子１２全体としての鉄損も小さくできる。
【００２３】
また、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相毎に回転子１２の磁極部３３、３４、３５（即ち、磁極）がそれぞれ決定されている。そして、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相の磁極部３３、３４、３５は、図１、図１０に示すように、基本単位回転子３６が相差角度だけ周方向に回転しながら回転軸３７に順次嵌入されて一体化している。これにより、固定子１１に回転磁界を発生させると、固定子１１の磁極部１５、１６、１７と回転子１２の磁極部３３、３４、３５同士が引き合い、回転子１２に回転トルクを与えることができ、回転子１２を回転軸３７の回りに回転させることができる。
【００２４】
基本単位回転子３６は、図１０、図１１に示すように、中央に貫通孔３８が設けられ外周側には周方向に溝部３９が設けられて、非磁性材料で形成された回転子枠体４０と、溝部３９の底面にその磁極が回転子枠体４０の軸心と平行になるように固定される第２のカットコア１４を有している。更に、基本単位回転子３６は、第２のカットコア１４のカット面にそれぞれ固定される永久磁石３１、３２と、第２のカットコア１４に固定された永久磁石３１、３２の内側端部に当接して永久磁石３１、３２の離脱を防止する非磁性材料で形成された第１の離脱防止リング４１と、溝部３９の両側に突出して設けられたつば部４２の外周部に固定されて、第２のカットコア１４に固定された永久磁石３１、３２の外側端部に当接して永久磁石３１、３２の離脱を防止する非磁性体材料で形成された第２の離脱防止リング４３とを有している。
【００２５】
なお、第２のカットコア１４の溝部３９への固定は、例えば、溝部３９の底に周方向に等間隔（本実施の形態では４５°間隔）となるようにねじ孔４４を形成し、第２のカットコア１４の連絡部４５の中央に形成した貫通孔４６にねじ４７を挿通しその先側をねじ孔４４にねじ込むことにより行なう。また、第２のカットコア１４を回転子枠体４０に固定し、第２のカットコア１４に永久磁石３１、３２を固定した際、第２のカットコア１４の連絡部４５の表面と、永久磁石３１、３２の表面は、回転子枠体４０と同心である半径の異なる２つの円の円周上にそれぞれ並ぶように、第２のカットコア１４の連絡部４５および永久磁石３１、３２の表面は円弧状に加工されている。
【００２６】
第２のカットコア１４のカット面に固定される永久磁石３１、３２では、永久磁石３１、３２の裏面側の幅をカット面の幅と実質的に同一とし、永久磁石３１、３２の表面側の幅は裏面側より狭くなるように、両端部を傾斜させている。また、第１の離脱防止リング４１の幅方向の両側部は、表面側の幅を裏面側の幅より広くして、永久磁石３１、３２の幅方向の両側部の傾斜角度と実質的に同一になるように傾斜させている。更に、第２の離脱防止リング４３では、表面側の幅が裏面側の幅より広くなるように、永久磁石３１、３２に当接する側の端部を永久磁石３１、３２の幅方向の両側部の傾斜角度と実質的に同一になるように傾斜させている。
【００２７】
このような構成とすることにより、図１２（Ａ）に示すように、回転子枠体４０に第２のカットコア１４を固定し、連絡部４５を覆うように第１の離脱防止リング４１を配置してから第２のカットコア１４のカット面に永久磁石３１、３２を固着し、次いで、第２の離脱防止リング４３を永久磁石３１、３２の両側から永久磁石３１、３２の端部にそれぞれ当接するように回転子枠体４０の両側に配置して、例えばねじ４８で固定することができる。そして、図１２（Ｂ）に示すように、回転子枠体４０に固定した第２のカットコア１４の間に生じた窪み部４９に充填材５０を注入する。その結果、回転子１２が回転して永久磁石３１、３２に遠心力が作用しても、第１、第２の離脱防止リング４１、４３で永久磁石３１、３２の浮き上がりを防止できる。
【００２８】
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る交流三相用の内転式電動機１０の作用について説明する。
先ず、内転式電動機１０を使用する場合、図１４に示すように、内転式電動機１０の電動機本体１０ａから突出した回転軸３７に角度検出手段の一例であるエンコーダ５０ａを取り付け、内転式電動機１０の回転子１２の回転角度に基づいてインバータ５０ｂを操作して、電源部５０ｃから第１、第２の導線束２７、２８に電流を供給する。ここで、図９に示すように、第１、第２の導線束２７、２８を流れる電流の向きは逆方向なので第１、第２の導線束２７、２８の周囲には逆向きの磁力線がそれぞれ発生し、第１の導線束２７が内側を通過する第１のカットコア１３では磁力線が一方のカット面から他方のカット面に向い、第２の導線束２８が内側を通過する第１のカットコア１３では磁力線が他方のカット面から一方のカット面に向い、第１のカットコア１３の両カット面間に異なる磁極が形成される。
【００２９】
また、回転子１１を構成する基本単位回転子３６に設けられた第２のカットコア１４のカット面には永久磁石３１、３２が取り付けられているので、固定子１１に設けられた第１のカットコア１３のカット面に形成される磁極と、回転子１２に設けられた第２のカットコア１４のカット面に形成される磁極の作用（同極同士は反発し、異極同士は吸引する）により、回転子１２は回転軸３７回りに回転して、図１３に示すように、第１、第２のカットコア１３、１４のカット面同士が対向するようになる。ここで、第１、第２の導線束２７、２８を流れる電流の方向が逆転すると、今まで吸引していた磁極は反発し、反発していた磁極は吸引するようになる。従って、第１、第２の導線束２７、２８に供給する電流の方向を周期的に変化させると固定子１１には回転磁界が発生し、回転子１２には連続的に回転トルクが与えられることになって、回転子１２は、インバータ５０ｂで設定した電流の方向変化の周期に同期して回転することになる。
【００３０】
ここで、固定子１１、回転子１２における磁路は、第１、第２のカットコア１３、１４で構成され、しかも、第１、第２のカットコア１３、１４が方向性電磁鋼板を用いて形成されているため第１、第２のカットコア１３、１４の飽和磁束密度が高くなって、第１のカットコア１３の両カット面間に形成される磁場を第１、第２の導線束２７、２８を流れる電流量に比例して強くできる。一方、回転子１２に設けられた第２のカットコア１４のカット面に固着する永久磁石３１、３２に希土類磁石を使用すると、第２のカットコア１４のカット面に生じる磁極を強くできる。その結果、第１、第２のカットコア１３、１４同士の吸引力を高めて、回転トルクを大きくできる。
【００３１】
また、第１、第２のカットコア１３、１４を方向性電磁鋼板で形成しているため、鉄損を小さくできる。更に、固定子１１の励磁は、第１のカットコア１３の内側空間に挿通させた第１、第２の導線束２７、２８に電流を流すことで行なっており、第１、第２の導線束２７、２８をコイル状に巻回しないため使用する導線の総延長を短くすることができ、固定子１１の銅損を小さくできる。その結果、内転式電動機１０の変換効率を高くできる。
【００３２】
図１５に、変形例に係る基本単位固定子５１に設けられた第１のカットコア１３の配置を示す。基本単位固定子５１は、基本単位固定子１８と比較して基本単位固定子５１を構成する第１のカットコア１３の個数が多くなっている。しかし、基本単位固定子５１を励磁させるには、基本単位固定子１８の場合と同様、基本単位固定子５１に設けられた任意の第１のカットコア１３を基準にして数えたときに奇数番の第１のカットコア１３の内側空間のみを挿通する第１の導線束５２と、偶数番の第１のカットコア１３の内側空間のみを挿通する第２の導線束５３とを設け、第１、第２の導線束５２、５３の上流側を合流させて導線束５４を形成させ、第１、第２の導線束５２、５３の下流側は合流させて導線束５５を形成すればよい。このため、基本単位固定子５１を構成する第１のカットコア１３の個数が多くなっても、第１のカットコア１３の個数増加割合に応じて第１、第２の導線束５２、５３の総延長が長くなることはない。
【００３３】
ここで、基本単位固定子５１を用いて構成した交流三相用の内転式電動機の固定子と磁極数が同一となる従来例に係る回転機の固定子５６の断面を、図１６に示す。
固定子５６では、ヨーク５７の内周側に磁極に相当する個数のスロット５８を形成して磁極部５９を設け、各磁極部５９の基側にＲ相、Ｓ相、およびＴ相の連携を保ちながら導線６０を巻回している。このため、図１７に示すように、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相では、磁極の間隔が広がり磁路が長くなり、磁極間に形成される磁場の強さが小さくなる。また、固定子５６では、ヨーク５７全体で磁路が構成されるため、ヨーク５７は、無方向性電磁鋼板を用いて形成する必要が生じる。このため、ヨーク５７の飽和磁束密度を大きくすることができず、導線６０に流す電流量に比例して磁場を強くできない。その結果、回転子側に希土類磁石を使用しても、回転子の回転トルクを大きくできない。更に、ヨーク５７が無方向性電磁鋼板で形成されているため鉄損が大きく、各磁極部５９には導線６０が巻回されているため導線６０の総延長が長くなって銅損も大きくなる。このため、総損失量が大きくなって、内転式電動機としての変換効率が低下する。
【００３４】
図１８、図１９、図２０に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る回転機の一例である交流三相用の外転式電動機６１は、軸心位置を合わせて配置された固定子６２と回転子６３とを有している。そして、固定子６２は、固定子６２の各磁極を形成するコアにそのカット面を回転子６３に向けて円周上に並べて配置された複数、例えば８個の第１のカットコア１３ａを用い、回転子６３は、固定子６２の外側に筒状に配置された回転子６３の各磁極を形成する鉄心にそのカット面が固定子６２を向いて円周上に並べて配置された複数、例えば１６個の第２のカットコア１４ａを用いている。以下詳細に説明する。なお、第１、第２のカットコア１３ａ、１４ａは、それぞれ第１、第２のカットコア１３、１４と同一の構成とすることができる。
【００３５】
固定子６２では、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相毎にそれぞれ磁極部６４、６５、６６が決定されている。これにより、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相の連携により固定子６２に回転磁界を発生させることができる。ここで、固定子６２は、図２１に示す基本単位固定子６７を相間区切りリング６８を介して相差角度だけ周方向に回転させながら回転軸（図示せず）に順次嵌入して一体化している。
【００３６】
また、基本単位固定子６７は、中央に貫通孔６９が形成され周方向には等間隔に複数（実施の形態では８個）の凹部７０が形成され、非磁性材料から形成される固定子枠体７１と、各凹部７０にその磁極が固定子枠体７１の軸心と平行になるように嵌入されて固定される第１のカットコア１３ａを有している。なお、第１のカットコア１３ａの固定子枠体７１への固定は、例えば、凹部７０の底にねじ孔（図示せず）を形成し、第１のカットコア１３ａの連絡部２４の中央に形成した貫通孔（図示せず）にねじ７２を挿通しその先側をねじ孔にねじ込むことにより行なう。なお、第１のカットコア１３ａを固定子枠体７１に固定した際、各第１のカットコア１３ａのカット面が固定子枠体７１と同心となる円周上に並ぶように、第１のカットコア１３ａのカット面は円弧状に加工されている。
【００３７】
基本単位固定子６７には、図１８に示すように、基本単位固定子６７に設けた第１のカットコア１３ａの内側空間のみを挿通する導線束（図示せず）が設けられている。そして、導線束に電流を流すことにより、円周方向に並べて配置された隣り合う第１のカットコア１３ａの磁極を同一にすることができる。従って、導線束を流れる電流の方向を周期的に変化させることで、円周方向に並べて配置された隣り合う第１のカットコア１３ａの磁極を連携して変化させることができ、固定子６２に回転磁界を発生させることができる。
【００３８】
図１９に示すように、第２のカットコア１４ａは、その磁極が、回転子６３の軸心と平行に並べて配置され、円周方向に並べて配置された隣り合う第２のカットコア１４ａの磁極は互いに異なるように、カット面に永久磁石（例えば、希土類磁石）３１、３２が、例えば接着剤により固着されている。ここで、図２０に示すように、永久磁石３１、３２の表側（第１のカットコア１３ａのカット面に対向する面）の幅は、第１のカットコア１３ａのカット面の幅と実質的に同一とする。また、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相毎に回転子６３の磁極部７３、７４、７５がそれぞれ決定されている。そして、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相の磁極部７３、７４、７５は、図２２に示す基本単位回転子７６が相間区切りリング７７を介して同相直列に連結され、それらを筒状のケーシング７８内に嵌入することにより一体化されている。これにより、固定子６２に回転磁界を発生させると、固定子６２の磁極部６４、６５、６６と回転子６３の磁極部７３、７４、７５同士が引き合い、回転子６３に回転トルクを与えることができ、回転子６３を回転軸の回りに回転させることができる。
【００３９】
基本単位回転子７６は、図２２に示すように、非磁性材料で形成された円筒状の回転子枠体７９と、回転子枠体７９内周面にその磁極が回転子枠体７８の軸心と平行になるように接着剤８０を用いて固定される第２のカットコア１４ａを有している。更に、基本単位回転子７６は、第２のカットコア１４ａのカット面にそれぞれ固定される永久磁石３１、３２とを有している。なお、永久磁石３１、３２を取り付けた第２のカットコア１４ａを回転子枠体７９に固定した際、永久磁石３１、３２の表面は、回転子枠体７９と同心の円の円周上に並ぶように、永久磁石３１、３２の表面は円弧状に加工されている。
【００４０】
続いて、第２の実施の形態に係る交流三相用の外転式電動機６１の作用について説明する。
外転式電動機６１では、基本単位固定子６７に設けた第１のカットコア１３ａの内側空間内に導線束を環状に布線して通電を行なうだけで、固定子６２を励磁することができ、固定子６２を励磁するのに必要な導線束の総延長の長さを巻線を行なう場合に比べて著しく減少させることができる。その結果、外転式電動機６１を製作する際の作業性が向上するとともに、固定子６２の銅損が低下して外転式電動機６１の変換効率が向上する。なお、第１の実施の形態に係る内転式電動機１０と比較しても、外転式電動機６１の固定子６２を励磁するのに必要な総導線束長さは、内転式電動機１０の固定子１１を励磁するのに必要な総導線束長さの半分以下とすることができる。
【００４１】
また、外転式電動機６１では、固定子６２を円周方向に８個の第１のカットコア１３ａを並べて構成しているので、固定子６２の円周方向に隣り合う第１のカットコア１３ａ間には無磁界領域（磁界強度のエアポケット）が形成されることになり、固定子６２の円周方向には、有磁界領域と無磁界領域が交互に現われる変動磁界が存在することになる。一方、回転子６３は、円周方向に第１のカットコア１３ａの個数の２倍に当たる１６個の第２のカットコア１４ａを並べて構成しているので、固定子６２の円周方向に存在する変動磁界と、回転子６３の円周方向に並ぶ第２のカットコア１４ａのカット面に取り付けた永久磁石３１、３２の磁極間で、同一の磁極間には反発力が、異なる磁極間には吸引力が作用して、回転トルクが発生する。従って、外転式としたために、回転子６３が占有する空間が拡大することになるが、回転子６３の円周方向に並べる第２のカットコア１４ａの個数を多くして固定子６２の円周方向に存在する変動磁界と作用させることで、空間利用率を高めることができる（回転子６３の全表面をほぼ利用することになる）。
【００４２】
本発明の第３の実施の形態に係る交流三相用の外転式電動機は、図２３に示す固定子８１と、図２４に示す回転子８２とを備えている。
ここで、固定子８１は、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相毎にそれぞれ磁極部８３、８４、８５が決定されているが、第２の実施の形態に係る交流三相用の外転式電動機６１に使用した固定子６２と比較して、図２１に示す基本単位固定子６７を相間区切りリング６８を介して図示しない回転軸の回りに同相で（Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相毎の磁極部８３、８４、８５を形成する基本単位固定子６７を周方向に同一角度位置で配置されるように）順次嵌入して一体化していることが特徴となっている。従って、詳細な説明は省略する。
また、回転子８２においても、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相毎にそれぞれ磁極部８６、８７、８８が決定されているが、第２の実施の形態に係る交流三相用の外転式電動機６１に使用した回転子６３と比較して、図２２に示す基本単位回転子７６を相間区切りリング７７を介して相差角度だけ周方向に回転させながら直列に連結するようにケーシング７８内に嵌入して一体化していることが特徴となっている。従って、詳細な説明は省略する。
【００４３】
図２５に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る交流二相用の内転式電動機８９は、軸心位置を合わせて配置された固定子９０と回転子９１とを有している。そして、固定子９０は、固定子９０の各磁極を形成するコアにそのカット面を回転子９１に向けて円周上に並べて配置された複数の第１のカットコア９２を用い、回転子９１は、回転子９１の各磁極を形成するコアにそのカット面が固定子９０を向いて円周上に並べて配置された複数の第２のカットコア９３を用いている。
【００４４】
第１のカットコア９２は、その磁極が円周上に並ぶように並べて配置され、しかも、隣り合う第１のカットコア９２の周方向端部同士は当接している。そして、当接した第１のカットコア９２の端部同士で先端にカット面を備えた磁極９５には導線９６が巻回されている。なお、導線９６を巻回する場合、隣り合う磁極９５では巻線方向を逆にしている。これにより、隣り合う磁極を異極とすることができる。
ここで、第１のカットコア９２は、方向性磁性鋼板の主磁束方向を長手方向にして形成した帯状板を所定形状に巻回した後、その一端側をカットして除去することで形成する。これによって、第１のカットコア９２の主磁束方向が磁路となって磁気回路の抵抗を小さくできるとともに、より強い磁気力を有する磁極を形成できる。そして、第１のカットコア９２内では、主磁束方向に磁束が通過するので、鉄損が小さくる。
【００４５】
また、固定子９０は、固定子枠体９７を有する基本単位固定子９８を直列に並べて一体化することで構成できるが、固定子枠体９７に第１のカットコア９２を設ける方法、および基本単位固定子９８を一体化して固定子９０を構成する方法は、それぞれ第１の実施の形態の内転式電動機１０における基本単位固定子１８および固定子１１の構成と同様に行なうことができるので、詳細な説明は省略する。
【００４６】
第２のカットコア９３は、その磁極が円周上に並ぶように並べて配置され、しかも、隣り合う第２のカットコア９３の周方向端部同士は当接している。そして、当接した第２のカットコア９３の端部先端のカット面から構成される磁極には、円周方向に隣り合う磁極が異極となるように永久磁石（例えば、希土類磁石）９９、１００が、例えば接着剤により固着されている。
ここで、第２のカットコア９３は、方向性磁性鋼板の主磁束方向を長手方向にして形成した帯状板を所定形状に巻回した後、その一端側をカットして除去することで形成する。これによって、第２のカットコア９３の主磁束方向が磁路となって磁気回路の抵抗を小さくできるとともに、より強い磁気力を有する磁極を形成できる。そして、第２のカットコア９３内では、主磁束方向に磁束が通過するので、鉄損が小さくなる。
【００４７】
また、回転子９１は、中央に回転軸（図示せず）を挿通させる貫通孔１０１が形成された回転子枠体１０２を有する基本単位回転子１０３を直列に並べて一体化することで構成できるが、回転子枠体１０２に第２のカットコア９３を設ける方法、および基本単位固定子１０３を一体化して回転子９１を構成する方法は、それぞれ第１の実施の形態の内転式電動機１０における基本単位回転子３６および回転子１２の構成と同様に行なうことができるので、詳細な説明は省略する。
【００４８】
固定子９０における磁路が、第１のカットコア９２で構成され、しかも、第１のカットコア９２が方向性電磁鋼板を用いて形成されているため第１のカットコア９２の飽和磁束密度が高くなって、第１のカットコア９２の両カット面間に形成される磁場を巻線を流れる電流量に比例して強くできる。一方、回転子９１に設けられた第２のカットコア９３のカット面に固着する永久磁石９９、１００に希土類磁石を使用すると、第２のカットコア９３のカット面に生じる磁極を強くできる。その結果、第１、第２のカットコア９２、９３同士の吸引力を高めて、回転トルクを大きくできる。また、第１、第２のカットコア９２、９３を方向性電磁鋼板で形成しているため、鉄損が小さくなって、固定子９０、回転子９１の鉄損を小さくできる。その結果、内転式電動機８９の変換効率を高くできる。
【００４９】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、第１〜第３の実施の形態では、基本単位回転子および基本単位固定子をそれぞれ３つ直列に結合して回転子および固定子を形成し交流三相用の回転機を構成したが、基本単位回転子および基本単位固定子をそれぞれ３Ｍ（Ｍは２以上の整数）個直列に結合して回転子および固定子を形成し交流三相用の回転機を構成することもできる。基本単位回転子および基本単位固定子をそれぞれ１つ用いて回転子および固定子を形成すると、直流ブラシレスの回転機を構成することができ、基本単位回転子および基本単位固定子をそれぞれ２つ直列に結合して回転子および固定子を形成すると、交流単相用の回転機を構成することができる。
【００５０】
また、第１〜第４の実施の形態では、回転機を電動機として使用した場合について説明したが、外部から回転動力を与えて回転子を回転させると電力を発生する発電機として利用することができる。特に、第２の実施の形態の外転式電動機を外転式発電機として利用する場合、固定子の磁極数と回転子の磁極数が１対２の関係となっているため、回転子の回転周期に対して半分の周期（２倍の周波数）の交流が得られる。例えば、従来の８極の交流三相用発電機では、同一の円周方向に形成する磁極の数は、Ｒ相、Ｓ相、およびＴ相合わせて２４個必要となる。一方、本発明の外転式発電機では、第１のカットコアを同一の円周方向に２４個並べて配置して発電機を構成すると、４８極の交流三相用発電機となり、従来の８極の交流三相用発電機と同一の回転数で６倍の周波数の交流を発生させることができる。
【００５１】
更に、第４の実施の形態で使用した固定子を用いて、リラクタンスモータを構成することができる。固定子の磁路が第１のカットコアで構成され、第１のカットコアが方向性電磁鋼板を用いて形成されているため第１のカットコアの飽和磁束密度が高くなって第１のカットコアに形成される磁場を強くできる。このため、モータの効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る交流三相用の内転式電動機で使用する回転子の斜視図である。
【図２】同内転式電動機で使用する固定子の一部切り欠き斜視図である。
【図３】同内転式電動機の正断面図である。
【図４】同内転式電動機の固定子を構成する基本単位固定子の斜視図である。
【図５】基本単位固定子の組立て方法の説明図である。
【図６】固定子に設けられた第１のカットコア内に配設する導線束の状態を示す説明図である。
【図７】固定子に設けられた第１のカットコア内に配設する導線束の状態を示す説明図である。
【図８】第１、第２の導線束に通電した際に周囲に発生する磁力線の状態を示す説明図である。
【図９】第１のカットコア内を通過する第１、第２の導線束に通電した際に発生する磁力線の状態を示す説明図である。
【図１０】同内転式電動機の回転子を構成する基本単位回転子の斜視図である。
【図１１】基本単位回転子の組立て方法の説明図である。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）は基本単位回転子の組立て方法の説明図である。
【図１３】第２のカットコアの間の磁力線の状態を示す説明図である。
【図１４】同内転式電動機を作動させるためのブロック図である。
【図１５】変形例に係る基本単位固定子に設けられた第１のカットコア内に配設する導線束の状態を示す説明図である。
【図１６】従来例に係る交流三相用の内転式電動機で使用する固定子における巻線状態を示す説明図である。
【図１７】従来例に係る交流三相用の内転式電動機で使用する固定子の磁路の一部を示す説明図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る交流三相用の外転式電動機で使用する固定子の斜視図である。
【図１９】同外転式電動機で使用する回転子の一部切り欠き斜視図である。
【図２０】同外転式電動機の正断面図である。
【図２１】同外転式電動機の固定子を構成する基本単位固定子の斜視図である。
【図２２】同外転式電動機の回転子を構成する基本単位回転子の斜視図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態に係る交流三相用の外転式電動機で使用する固定子の斜視図である。
【図２４】同外転式電動機で使用する回転子の一部切り欠き斜視図である。
【図２５】本発明の第４の実施の形態に係る交流二相用の内転式電動機の正断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０：内転式電動機、１０ａ：電動機本体、１１：固定子、１２：回転子、１３、１３ａ：第１のカットコア、１４、１４ａ：第２のカットコア、１５、１６、１７：磁極部、１８：基本単位固定子、１９：相間区切りリング、２０：ケーシング、２１：挿通孔、２２：凹部、２３：環状枠体、２４：連絡部、２５：貫通孔、２６：ねじ、２７：第１の導線束、２８：第２の導線束、２９、３０：導線束、３１、３２：永久磁石、３３、３４、３５：磁極部、３６：基本単位回転子、３７：回転軸、３８：貫通孔、３９：溝部、４０：回転子枠体、４１：第１の離脱防止リング、４２：つば部、４３：第２の離脱防止リング、４４：ねじ孔、４５：連絡部、４６：貫通孔、４７、４８：ねじ、４９：窪み部、５０：充填材、５０ａ：エンコーダ、５０ｂ：インバータ、５０ｃ：電源部、５１：基本単位固定子、５２：第１の導線束、５３：第２の導線束、５４、５５：導線束、５６：固定子、５７：ヨーク、５８：スロット、５９：磁極部、６０：導線、６１：外転式電動機、６２：固定子、６３：回転子、６４、６５、６６：磁極部、６７：基本単位固定子、６８：相間区切りリング、６９：貫通孔、７０：凹部、７１：固定子枠体、７２：ねじ、７３、７４、７５：磁極部、７６：基本単位回転子、７７：相間区切りリング、７８：ケーシング、７９：回転子枠体、８０：接着剤、８１：固定子、８２：回転子、８３、８４、８５、８６、８７、８８：磁極部、８９：内転式電動機、９０：固定子、９１：回転子、９２：第１のカットコア、９３：第２のカットコア、９５：磁極部、９６：導線、９７：固定子枠体、９８：基本単位固定子、９９、１００：永久磁石、１０１：貫通孔、１０２：回転子枠体、１０３：基本単位回転子
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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