(57)【要約】【課題】従来の４相回転電機よりも更なるステータコイル銅損の低減が可能な４相回転電機を提供すること。【解決手段】電気角２π当たり４つの磁極部Ａ〜Ｄをもつ４相４極ステータ１において、互いに電気角π離れた磁極部Ａ、Ｃと、互いに電気角π離れた磁極部Ｂ、Ｄとは軸方向にずらして配置される。磁極部Ａ、Ｃと磁極部Ｂ、Ｄとは周方向へ電気角π／２だけずれて配置されている。このようにすると、コイルの面積を広く取れ、銅損を低減することができるので、出力低減を抑止しつつステータコイル１２の温度上昇を大幅に低減することができ、回転電機の小型高出力性能を向上することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータに対面する磁極面を有して径方向に突設された電気角２π当たり4個の磁極部と、前記各磁極部を磁気的に連結する略円筒形の継鉄部とを有する軟磁性のステータコアと、前記磁極部に巻装された4相のステータコイルとを備える４相回転電機において、
周方向奇数番目の前記磁極部である第１磁極部の磁極面の面中心は軸方向一方側に偏って配置され、周方向偶数番目の前記磁極部である第２磁極部の面中心は軸方向他方側に偏って配置されていることを特徴とする４相回転電機。
【請求項２】
請求項１記載の４相回転電機において、
第１磁極部と第２磁極部とは、軸方向異なる位置に配置されていることを特徴とする４相回転電機。
【請求項３】
請求項１記載の４相回転電機において、
周方向に隣接する各第１磁極部は互いに電気角π離れ、周方向に隣接する各第２磁極部は電気角π離れ、周方向に隣接する第１磁極部と第２磁極部とは電気角π／２離れている４相回転電機。
【請求項４】
請求項１記載の４相回転電機において、
前記磁極部は、電気角π／２以上の周方向幅を有する４相回転電機。
【請求項５】
請求項１記載の４相回転電機において、
前記ステータコイルは、前記各第１磁極部に分布波巻きされた第１の相巻線と、前記各第２磁極部に分布波巻きされた第２の相巻線とを有する４相回転電機。
【請求項６】
請求項１記載の４相回転電機において、
前記ステータコイルは、前記各第１磁極部に周方向交互に互いに逆巻きされた第１の相巻線と、前記各第２磁極部に周方向交互に互いに逆巻きされた第２の相巻線とを有する４相回転電機。
【請求項７】
請求項１記載の４相回転電機において、
第１磁極部と第２磁極部とは、軸方向にオーバーラップして配置されるとともに相手側の磁極部に向けて次第に周方向幅が狭く形成されている４相回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４相回転電機に関し、特にそのステータコア構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、モータに関するものである。
【０００３】
なお、本特許においては、４本のティース（磁極）を持つモータを４相モータと定義する。
【０００４】
３相回転電機は円滑な回転磁界を形成できるため最も広く実用されている。しかし、３相ステータコイル特に分布巻きステータコイルは、コイルエンドによる空間占有と銅損増大による不具合が顕著である。回転電機の小型高出力化の進展とともにその冷却特にステータコイルの冷却負担が大きくなっており、ステータコイルの銅損低減が重要となっている。下記の特許文献１、２は、銅損低減のために予め成型されたＵ字導体を用いてコイルエンド部の導体長を短縮することを提案している。
【０００５】
互いに電気角π／２離れた４つの相巻線をもつ４相回転電機は、最も広く実用されている３相回転電機に比べてステータコイル配線構造を特に分布巻きにおいて簡素化できる利点を有しており、ステータコイル銅損低減や体格小型化の観点において無視できない利点を潜在的に有している。
【０００６】
また、従来の４相回転電機のステータコアでは、各磁極部（ティース又の軸方向両端はポール部とも呼ばれる）がステータコアの軸方向両端に一致しており、周方向両側の磁極部の両側の導体収容スペース（スロットと呼ばれる場合もある）は互いに平行に形成されていた。
【特許文献１】特開平８−２０５４４１号公報
【特許文献２】特開平８−２７５４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、回転電機の更なる小型化への要望からステータコイル銅損の更なる低減が要望されている。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、従来の４相回転電機よりも更なるステータコイル銅損の低減が可能な４相回転電機を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の４相回転電機は、ロータに対面する磁極面を有して径方向に突設された電気角２π当たり4個の磁極部と、前記各磁極部を磁気的に連結する略円筒形の継鉄部とを有する軟磁性のステータコアと、前記磁極部に巻装された4相のステータコイルとを備える４相回転電機において、周方向奇数番目の前記磁極部である第１磁極部の磁極面の面中心は軸方向一方側に偏って配置され、周方向偶数番目の前記磁極部である第２磁極部の面中心は軸方向他方側に偏って配置されていることを特徴としている。
【００１０】
すなわち、本発明では、第１磁極部はステータコアの軸方向一方側に偏って配置され、第２磁極部はステータコアの軸方向一方側に偏って配置される。このようにすれば、すべて同一形状を有し軸方向両端がすべてステータコアの軸方向両端に達する従来の４相ステータコアの磁極部に比べて、各磁極部の平均軸方向幅と平均周方向幅との比を近づけることができる。言い換えると、各磁極部の周囲長当たりの磁極部の磁束直角方向断面積を従来の４相回転電機のそれに比べて相対的に増大することができる。言い換えれば、磁極部の磁束直角方向断面の縦横比を１対１に近づけることができる。
【００１１】
磁極部に巻装されるステータコイルの相巻線の導体延長距離は、磁極部の周囲長に略比例する。これに対して、磁極部を貫通する磁束量は磁極部の磁束直角方向断面積に比例する。このことは、磁極部の磁束直角断面の縦横比を１対１に近づけることにより、ステータコアの磁束量を確保し、出力を維持しつつ、相巻線の導体延長距離を低減して銅損低減を実現できることを意味する。本発明の磁極部形状を採用すれば上記効果を奏することができる。
【００１２】
好適な態様において、第１磁極部と第２磁極部とは、軸方向異なる位置に配置されている。これにより、ステータコアの軸方向長さが増大しても磁極部の縦横比の悪化を抑止することができる。
【００１３】
好適な態様において、周方向に隣接する各第１磁極部は互いに電気角π離れ、周方向に隣接する各第２磁極部は電気角π離れ、周方向に隣接する第１磁極部と第２磁極部とは電気角π／２離れている。これにより、４相回転電機の各相の磁極部のアンバランスを防止することができる。
【００１４】
好適な態様において、前記磁極部は、電気角π／２以上の周方向幅を有する。これにより、磁極部の縦横比の悪化を防止することができ、上記効果を向上することができる。
【００１５】
好適な態様において、前記ステータコイルは、前記各第１磁極部に分布波巻きされた第１の相巻線と、前記各第２磁極部に分布波巻きされた第２の相巻線とを有する。これにより、ステータコイル巻装を簡素化することができる。
【００１６】
好適な態様において、前記ステータコイルは、前記各第１磁極部に周方向交互に互いに逆巻きされた第１の相巻線と、前記各第２磁極部に周方向交互に互いに逆巻きされた第２の相巻線とを有する。これにより、４相ステータコイルを簡素に構成することができる。
【００１７】
好適な態様において、第１磁極部と第２磁極部とは、軸方向にオーバーラップして配置されるとともに相手側の磁極部に向けて次第に周方向幅が狭く形成されている。このようにすれば、ステータコアの軸方向幅を短縮することなく磁極部の平均の縦横比率を１対１に近づけることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の４相回転電機の好適実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきではなく、当業者にとってその他の公知技術等を組み合わせて本発明の技術思想を実施することが困難ではないことは明らかである。
【００１９】
（実施形態１）
実施形態１のインナーロータ型の４相４極回転電機の軸方向フロント側から見た模式正面図を図１に、そのステータコアの展開図を図２に、ステータ内周面の展開図を図３に示す。
【００２０】
（全体構造）
１は図示しないフレームに固定されたステータ、２は図示しない回転軸に固定されたロータであり、ステータ１の内周面はロータ２の外周面に微小な電磁ギャップを挟んで対面している。ロータ２は、図略の回転軸に嵌着された円筒状で軟磁性のロータコア１４０と、このロータコア１４０の外周面には円筒形の永久磁石１３０が嵌着され、永久磁石１３０は、半円周ごとにＮ極とＳ極とに磁化されて、２極表面磁石型ロータとなっている。なお、ロータ構造はこの実施形態の要旨ではなく、公知の種々のロータ構造を採用できることはもちろんである。
【００２１】
（ステータコア１０）
ステータ１は円筒状で軟磁性のステータコア１０と、ステータコイル１２とにより構成されている。
【００２２】
ステータ１のステータコア１０は、周方向中心が電気角π／２ずつ離れた４つの磁極部１００と、円筒形のヨーク１１０とからなり、各磁極部１００は、ヨーク１１０から回転軸の軸心に向けて突出している。以下、これら４つの磁極部１００を磁極部Ａ〜Ｄと呼称するものとする。
【００２３】
磁極部Ａ、Ｃは、本発明で言う第１磁極部を構成しており、図１〜図３に実線で示されるようにステータコア１０の前側に配置されている。磁極部Ｂ、Ｄは、本発明で言う第２磁極部を構成しており、図１、図２に破線にて図３に実線で示されるようにステータコア１０の後側に配置されている。
【００２４】
磁極部Ａ〜Ｄの周方向幅はそれぞれ約１７０度とされ、周方向に隣接する磁極部Ａ、Ｃの間の巻線収容スペース（スロットとも言う）１５０の周方向占有幅は約１０度とされ、周方向に隣接する磁極部Ｂ、Ｄの間の導体収容空間（スロット）の周方向占有幅も約１０度とされている。もちろん、磁極部Ａ〜Ｄの周方向幅及びスロットの周方向占有幅は自由に設定可能である。磁極部Ａ〜Ｄは同一形状に形成されており、磁極部Ａ〜Ｄの径内方向先端部は周方向へ所定幅だけ突設されている他、軸方向両側へも所定幅だけの突設されている。
【００２５】
結局、このステータコア１０の軸方向前半部は独立の２相２極ステータコアをなし、このステータコア１０の軸方向後半部も独立の２相２極ステータコアをなし、これら２つの２相２極ステータコアを軸方向タンデム配置し、ロータ２を共通とした構成に等しい。
【００２６】
ただ、この実施形態の４相４極ステータは、前側の磁極部Ａ、Ｃと、後側の磁極部Ｂ、Ｄとが、周方向へ電気角π／２だけずれて配置されている点にその特徴がある。なお、実際の製造においては、磁極部１００とヨーク１１０とは積層電磁鋼板又は螺旋巻き電磁鋼板、軟磁性圧粉コア、あるいはそれらのハイブリッド構造などにより一体に形成されている。
【００２７】
（ステータコイル１２）
ステータコイル１２は、集中巻きあるいは分布巻きで構成することができる。
【００２８】
集中巻きの場合、各磁極部Ａ〜Ｄに個別に相巻線が巻装され、各相巻線に電気角π／２だけ順次位相が異なる４相のステータ電流が通電される。この場合、磁極部Ａ、Ｃに個別に集中巻きされる２つの相巻線の電流ベクトルはπであるため、これら２つの相巻線を巻装向きを逆向きとした１つの相巻線により構成されることができる。言い換えれば、磁極部Ａに集中巻きした相巻線と磁極部Ｃに集中巻きした相巻線とを直列乃至並列に接続して一つの相巻線とすることができる。同様に、一つの相巻線の集中巻きにより磁極部Ｂ、Ｄも磁化することができる。このため、集中巻きにおいては２相の相巻線によりステータコイル１２を構成することができる。
【００２９】
分布巻きの場合、磁極部Ａ、Ｃの間の各巻線収容スペース１５０に葛折れ状に配置し、これにより周方向に隣接する２つの巻線収容スペース１５０の通電電流の方向を逆向きとすることにより、磁極部Ａ、Ｃを逆向きに磁化することができる。分布重ね巻きの場合も本質的に同じである。すなわち、分布巻きにおいても、一つの相巻線により磁極部Ｂ、Ｄ又は磁極部Ａ、Ｃのどちらかを磁化することができるため、分布巻きにても２相の相巻線によりステータコイル１２を構成することができる。分布波巻き２相巻線の配置例を図４に示し、集中巻き２相巻線の配置例を図５に示す。
【００３０】
（集中巻きにおける効果）
集中巻きの場合において、この実施形態の４相４極機と従来の４相４極機との性能比較を図５を参照して説明する。
【００３１】
回転電機における出力は角速度一定とすればトルクに比例し、トルクは原理的には１磁極部当たりのロータ磁束量とこの１つの磁極部に巻装されたコイルの電流Ｉとの積に比例する。つまり、一つの磁極部１００の最大磁束量とそれと鎖交する電流との積を磁極ごとに求め、それに磁極数を掛けた値はトルク（正確にはトルクに一定の比例定数を掛けた値）に略等しくなる。
【００３２】
この実施形態の４相４極集中巻きステータコアを示す図５（ａ）、及び、従来の４相４極集中巻きステータコアを示す図５（ｂ）において、磁極部１００の磁束直角方向断面積Ｓを等しく図示した。また、両者の巻線の周方向幅合計（すなわち巻線収容スペース１５０の半分）ΔＬは等しく図示した。具体的に言えば、図５（ａ）において、磁極部１００は、正方形であり、その一辺は３ｃｍ、面積９平方センチメートルとした。巻線収容スペース１５０の周方向占有幅（２ΔＬ）は１ｃｍとした。
【００３３】
平均電流密度を等しいと仮定すれば、１磁極部当たりのトルクはΔＬ×Ｓに比例するため、図５（ａ）、図５（ｂ）においてΔＬ、Ｓを等しくすれば出力はほぼ等しくなる。
【００３４】
けれども、この場合、ステータ全長は図５（ａ）、図５（ｂ）において大幅に異なる。すなわち、図５（ａ）ではステータ全長ｍは８ｃｍとなる。これに対して図５（ｂ）ではステータ全長Ｍは１０ｃｍとなる。つまり、従来の常識に反して、磁極部１００を軸方向にタンデム配置することによりステータ１の全長の短縮が可能となることがわかった。
【００３５】
次に、相巻線φ１（又はφ２）の総延長距離を考える。図５（ａ）、図５（ｂ）において、相巻線のターン数ｎ及び導体断面積は等しいとする。相巻線φ１（又はφ２）の総延長距離は、１ターンの延長距離×ターン数である。磁極部１００の外周側面に接する最内側における１ターンの延長距離は図５（ａ）で９ｃｍ、図５（ｂ）で２０ｃｍとなる。驚くべきことに、この実施形態の相巻線の総延長距離は従来の４５％となる。このことは、ステータコイル１２の銅損を半減できることを意味する。結局、この実施形態によれば、銅損低減及び体格縮小を実現することができる。
【００３６】
ステータ１の軸方向長、径方向幅を変化することなく、磁極部１００の周方向幅を変化した時のトルクの実測例を図６に示す。ａは従来例、ｂは磁極部１００の周方向占有角を１２０度とした場合、ｃは磁極部１００の周方向占有角を１７０度とした場合である。大幅なトルクアップを実現できることがわかる。
【００３７】
更にそのうえ、従来の小型高出力回転電機では、ステータコイル１２のうちステータコア１０のスロット内の導体部分の過熱防止が重要な課題となっている。この実施形態と従来のものとでは、巻線収容スペース１５０の軸方向長さ、換言すればスロット長が大幅に異なるため、ステータコイル１２の巻線収容スペース１５０の軸方向中央部の過熱を良好に抑止できるという効果も期待することができる。
【００３８】
（分布波巻きにおける効果）
分布波巻きの場合において、この実施形態の４相４極機と従来の４相４極機との性能比較を図４を参照して説明する。
【００３９】
本質的に、図４に示す分布波巻きは、図４（ａ）の集中巻きの場合と同様の効果を奏する。図４において、巻線収容スペース１５０の周方向占有幅の半分が一つの磁極に与えられていると見なすことができる。
【００４０】
ただし、図４では、集中巻きに比べて相巻線φ１、φ２は磁極部１００の３辺を囲めば良いためステータコイル１２の総延長距離を図５（ａ）の集中巻きよりも更に短縮することができる。ただし、図４では図５（ａ）に比べてステータ１の軸方向幅ｍが多少増加する。しかし、図４に示すように、軸方向中央部において径方向に冷却空気流れる窓２００を設けることができるため、ステータコイル冷却効果を更に向上することができる。
【００４１】
（変形態様）
変形態様を図７に示す。この変形態様は、分布巻きにおいて４相の相巻線Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄをそれぞれ別々に形成した例を示す。この場合、相巻線Ｉａ、Ｉｃは交差し、相巻線Ｉｂ、Ｉｄは交差するが、相巻線Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄの交差部に局部的に凹部３００を設けることにより、径方向への相巻線の膨らみを防止することができる（図８参照）。
【００４２】
（実施形態２）
実施形態２のインナーロータ型の４相４極回転電機のステータ内周面の展開図を図９に示す。
【００４３】
この実施形態は、磁極部１００を構成する４つの磁極部Ａ〜Ｄの周方向断面を台形形状とし、かつ、磁極部Ａ、Ｃすなわち第１磁極部と磁極部Ｂ、Ｄすなわち第２磁極部とを軸方向にオーバーラップさせた点にその特徴がある。更に、磁極部Ａ、Ｃは軸方向後方に向けて先細に形成され、磁極部Ｂ、Ｄは軸方向前方に向けて先細に形成されている。
【００４４】
このようにすれば、更にステータコイル１２の配線長短縮効果と体格縮小効果とを向上することができる。
【００４５】
なお、各磁極部Ａ〜Ｄに巻装される相巻線は、実施例１と同様、集中巻き、分布巻きのどちらを採用しても良い。また、磁極部Ａ、Ｃに巻装する相巻線を共通化し、磁極部Ｂ、Ｄに巻装する相巻線を共通化し、２相の相巻線により構成できることももちろんである。
【００４６】
その他、磁極部Ａ〜Ｄ正確にはそれらの磁極面を台形化することにより、起磁力を正弦波に近づけることができ、トルクリップルや磁気振動騒音や高周波ノイズ電圧を低減することができる。その他、磁極部Ａ〜Ｄ正確には磁極面の形状としては、段付きスキュー形状や楕円形状などなるべく電磁ギャップの起磁力分布が正弦波形状となる形状を採用することができる。
【００４７】
（変形態様）
変形態様を図１０に示す。この変形態様は、磁極部Ａ〜Ｄを軸方向に完全にオーバーラップされたものである。この場合においても、上記と同様の効果を奏することができる。
【００４８】
（変形態様）
変形態様を図１１に示す。この変形態様は、磁極部Ａ、Ｃに相巻線φ１を集中巻きし、磁極部Ｂ、Ｄに相巻線φ２を集中巻きした例において、磁極部Ａ〜Ｄの磁束直角方向断面を頂点を面取りした略正方形断面とした点にその特徴がある。この面取りにより実施形態１に比べて僅かに１磁極部当たりの磁束量が減少するものの、相巻線延長距離の低減、コイル導体の巻装作業の容易化を実現できるとともに、各相巻線の間に径方向へ冷却空気流を通過させることができる通風孔４００を良好に形成することができ、各相巻線の冷却性を大幅に向上することができる。
【００４９】
（変形態様）
上記実施形態では、インナーロータ形式を説明したが、アウターロータに変更できることは言うまでもない。
【００５０】
（変形態様）
その他、ステータコア構造、ステータコイル構造に関するその他の公知技術を適宜追加採用することができることも当然である。たとえば、磁極部Ａ〜Ｄの形状や、磁極部Ａ〜Ｄのロータに対面する磁極面の形状を更に種々変更してもよく、ヨーク１１０や磁極面をもつ磁極部Ａ〜Ｄの鍔部を軸方向両側へステータコイル１２の軸方向幅の範囲で突出させてもよい。
【００５１】
（変形態様）
その他、ロータ構造を公知技術の範囲で適宜変更することができることも当然である。たとえば、第１磁極部である磁極部Ａ、Ｃと鎖交するロータ磁束を形成するロータ部と、第２磁極部である磁極部Ｂ、Ｄと鎖交するロータ磁束を形成するロータ部とを別々に形成しても良い。更には、第１磁極部と鎖交するロータ磁束量と第２磁極部と鎖交するロータ磁束量とを変更することも可能である。また更に、第１磁極部に対面するロータ部と、第２磁極部に対面するロータ部とを異なるロータ構造としてもよい。たとえば一方を永久磁石構造、他方をリラクタンスロータ構造としてもよく、一方を同期ロータ構造、他方をかご形誘導ロータ構造としてもよく、一方をＳＰＭ構造、他方をＩＰＭ構造としてもよい。
【００５２】
（変形態様）
更に、この実施形態によれば、第１磁極部側の相巻線と第２磁極部側の相巻線とは空間的に軸方向において完全分離可能であるため、両者の境界部分にたとえば冷却用金属板などを配置してステータコイル１２のコイルエンドを接触冷却することを容易に行うこともできる。
【００５３】
（付記事項）
上記実施形態において、磁極部Ａ〜Ｄや磁極面の角形比（縦横比）をなるべく１対１に近づけること、少なくとも、１対２以下、更に好ましくは１体１．５以下とすることが既述の効果の実現のために好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施形態１のインナーロータ型の４相４極回転電機を模式正面図である。
【図２】図１のステータコアの展開図である。
【図３】図１のステータ内周面の周方向展開図である。
【図４】実施形態１の分布波巻き２相巻線を用いた場合のステータ内周面の周方向展開図である。
【図５】集中巻き２相巻線を用いた場合のステータ内周面の周方向展開図であり、（ａ）は実施形態１の場合、（ｂ）は従来の場合を示す。
【図６】実施形態１のFEMにおける磁極部の周方向幅を変化した時のトルク変化を示す特性図である。
【図７】変形態様を示す模式図である。
【図８】変形態様を示す模式図である。
【図９】実施形態２のインナーロータ型の４相４極回転電機のステータ内周面の展開図である。
【図１０】変形態様のステータ内周面の展開図である。
【図１１】変形態様のステータ内周面の展開図である。
【符号の説明】
【００５５】
Ａ〜Ｄ      磁極部
１      ステータ
２      ロータ
１０      ステータコア
１２      ステータコイル
１００      磁極部（ティース）
１１０      ヨーク
１３０      永久磁石（磁石）
１４０      ロータコア
１５０      巻線収容スペース
２００      窓
３００      凹部
４００      通風孔
【図１】
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【図２】
2008228432.tif 000004
【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】
2008228432.tif 000010
【図９】
2008228432.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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