(57)【要約】【課題】鎖交磁束数を増加させ、巻線の作る磁束をティースに集中させることなく分散することで磁気飽和の影響を少なくし、定格トルクと最大トルクの向上した永久磁石形モータを提供する。【解決手段】巻線と鉄心を配置したステータと、複数の磁極を構成する永久磁石を配置したロータを持つ永久磁石形モータにおいて、前記巻線は複数の集中巻された空心を有するコイルによって構成され、前記鉄心は前記コイルの空心に挿入されるティースを備え、前記コイルの角度幅をτ、前記ティースの角度幅をβ×τとした場合、０  ＜  β  ≦  ０．５であるとともに、前記コイルの外半径をｒｏ、前記コイルの内半径をｒｉ、前記ティースの先端半径をｒｔとした場合、（τ×ｒｉ×π／１８０）／（ｒｏ−ｒｉ）≧４、  ｒｉ≦ｒｔ＜ｒｏとなる関係にした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線と鉄心を配置したステータと、複数の磁極を構成する永久磁石を配置したロータを持つ永久磁石形モータにおいて、
前記巻線は複数の集中巻された空心を有するコイルによって構成され、前記鉄心は前記コイルの空心に挿入されるティースを備え、
前記コイルの角度幅をτ、前記ティースの角度幅をβ×τとした場合、
０＜β≦０．５
であるとともに、前記コイルの外半径をｒｏ、前記コイルの内半径をｒｉ、前記ティースの先端半径をｒｔとした場合、
（τ×ｒｉ×π／１８０）／（ｒｏ−ｒｉ）≧４
ｒｉ≦ｒｔ＜ｒｏ
であることを特徴とする永久磁石形モータ。
【請求項２】
毎極毎相の前記コイル数が、１／４、１／５、３／１０、２／７であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形モータ。
【請求項３】
前記ティースの先端が回転中心方向に突き出た弓状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石形モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば工作機械や半導体製造装置などのＦＡ分野で、高加減速の回転運動を要求されるサーボ用およびダイレクトドライブ用の永久磁石形モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ用およびダイレクトドライブ用の永久磁石形モータは、モータ体格に対し大きな定格トルクと最大トルクを発生するものが望まれる。例えば、特許文献１に開示されているオープンスロット構造を用いたスロット付き永久磁石形モータや、特許文献２に開示されているようなコイルを用いたスロットレス永久磁石形モータがある。
【０００３】
【特許文献１】
特表平１０−５１１８３７号公報
【特許文献２】
特許第２８９８４５１号公報
【０００４】
従来技術によるスロット付き永久磁石形モータは、予め巻回した高占積率コイルを用いることにより、小さな電流で大きな定格トルクを発生させることができる。従来技術によるスロットレス永久磁石形モータはスロットを無くし、広げた磁気的ギャップに予め巻回した高占積率コイルを配置することにより、磁気飽和が無く大きな最大トルクを発生させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術には次のような問題があった。
従来技術によるスロット付き永久磁石形モータは、電流を大きくすると、ティースやステータヨークでの磁気飽和によってトルクが飽和し、電流に比例した大きな最大トルクを得ることができなかった。
また、従来技術によるスロットレス永久磁石形モータは、スロット付きで問題となった磁気飽和が無いので大きな最大トルクは得られるものの、トルク／電流比が小さく、モータの回転位置を検出するエンコーダ等の温度上限から決まる銅損の発生量の制約により、大きな定格トルクを得ることができなかった。
そこで、本発明は上記の欠点を解決するもので、定格トルクおよび最大トルクのどちらも向上することができ、しかもコギングトルクを効果的に低減することができる永久磁石形モータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１記載の永久磁石形モータの発明は、巻線と鉄心を配置したステータと、複数の磁極を構成する永久磁石を配置したロータを持つ永久磁石形モータにおいて、前記巻線が複数の集中巻された空心を有するコイルによって構成され、前記鉄心は前記コイルの空心に挿入されるティースを備え、前記コイルの角度幅をτ、前記ティースの角度幅をβ×τとした場合、
０＜β≦０．５であるとともに、前記コイルの外半径をｒｏ、前記コイルの内半径をｒｉ、前記ティースの先端半径をｒｔとした場合、
（τ×ｒｉ×π／１８０）／（ｒｏ−ｒｉ）≧４で、ｒｉ≦ｒｔ＜ｒｏ
とした構造とすることを特徴とする。
このような構造により、鎖交磁束数が増加するだけでなく、巻線の作る磁束をティースに集中させることなく分散し磁気飽和の影響を減少させることができ、従来技術のモータよりも定格トルクおよび最大トルクを向上することができる。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の永久磁石形モータにおいて、毎極毎相のコイル数を１／４、１／５、３／１０、２／７とすることを特徴とする。
このような構造により、鎖交磁束数を大きくすることができ、請求項１記載のモータと同様、従来技術のモータよりも定格トルクおよび最大トルクを向上させることができる。
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の永久磁石形モータにおいて、前記ティースの先端を回転中心方向に突き出た弓状に形成することを特徴とする。
このような構造により、ティース先端での急峻なパーミアンス変化を緩和し、コギングトルクを低減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は本発明の第１の実施の形態を示す永久磁石形モータの断面図である。
図において、１はロータ、２はロータヨーク、３は永久磁石、１０はステータ、１１は鉄心、１２は巻線である。
ロータ１はロータヨーク２、ロータヨーク２の外周表面に配置された永久磁石３から構成されている。永久磁石３は、例えばラジアル異方性に多極着磁されたリング磁石である。第１の実施の形態では、磁極数８であるため、磁極ピッチの角度幅はＰ＝４５度に設定されている。
【０００８】
一方、ステータ１０は、従来技術と異なる鉄心１１とその内周側に配置された巻線１２から構成されている。鉄心１１はステータヨーク１３、ステータヨーク１３の内周側に設けられた６個のティース１４ａによって構成されている。
巻線１２は、３相で各相２個（全６個）の集中巻された空心を有するコイル１５（外半径ｒｏ、内半径ｒｉ）によって構成されている。
鉄心１１と巻線１２はティース１４ａにコイル１５の空心が挿入され、例えば樹脂含浸や樹脂モールドによって一体に固着されている。ここで、コイル１５の角度幅をτ、ティース１４ａの角度幅をβ×τ、ティース１４ａの先端半径をｒｔとした場合、βとｒｉ、ｒｏ、ｒｔは次のように設定されている。
０＜β≦０．５                              ・・・（１）
（τ×ｒｉ×π／１８０）／（ｒｏ−ｒｉ）≧４  ・・・（２）
ｒｉ≦ｒｔ＜ｒｏ                            ・・・（３）
第１の実施の形態では、コイル１５を全６個で構成しているため、コイル１５の角度幅はτ＝６０度に設定されている。毎極毎相のコイル数ｑで表せば、３相、磁極数８、コイル数６であるためｑ＝１／４である。
また、図１において、ティース１４ａの角度幅の狭さを表すβは０．２、ｒｏ＝３０ｍｍ、ｒｉ＝２７ｍｍ、ｒｔ＝２７．５ｍｍに設定されている。
コイル１５の偏平度合いを表す（τ×ｒｉ×π／１８０）／（ｒｏ−ｒｉ）は２８．３ｍｍ／３ｍｍ＝９．４（≧４）である。よって、式（１）〜（３）の関係をすべて満たしている。
これらの寸法からわかるように、従来技術のモータと異なる点は、ティース１４ａの角度幅がコイル１５の角度幅に比べ半分以上も狭く、コイル１５が極偏平に構成されていることである。
このように構成された永久磁石形モータにおける永久磁石磁束の流れを図２に示す。永久磁石磁束はティース１４ａからステータヨーク１３を通過するものだけでなく、コイル１５からステータヨーク１３を通過するものがある。つまり、この２つの永久磁石磁束がコイル１５に鎖交し、トルクの発生源となっている。
【０００９】
次に、本発明の第１の実施の形態によるモータのトルク向上の効果を、図３および図４を用いて説明する。
図３はｒｔ＝ｒｉおよびｒｔ＝ｒｏにおける電流−トルク特性を示したものである。
図４は、ｒｔ−最大トルク特性を示したものである。
同図より、本発明の構造であるｒｉ≦ｒｔ＜ｒｏの範囲でｒｔ＝ｒｏよりもトルク／電流比が大きく、トルク飽和も生じていないことがわかる。これらの特性は、ティース１４ａの角度幅βが狭く、コイル１５の偏平度合い（τ×ｒｉ×π／１８０）／（ｒｏ−ｒｉ）が大きく設計されているために得られる。つまり、ティース１４ａを設けることにより鎖交磁束数を増加させ、巻線１２の作る磁束をティース１４ａに集中させせずに分散させているため磁気飽和の影響を極めて減少させることができるのである。そして、このような効果は（１）〜（３）式を満たす関係の場合に得ることができる。
以上述べたように、第１の実施の形態に示す構造により、従来技術における永久磁石形モータよりも、定格トルクと最大トルクを向上することができる。
【００１０】
〈第２の実施の形態〉
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
図５〜図７は本発明の第２の実施の形態に係る永久磁石形モータの各断面図である。第２の実施の形態に係る永久磁石形モータが第１の実施の形態に係る永久磁石形モータと基本的に異なる点は、毎極毎相のコイル数ｑが違う点である。
第１の実施の形態に係る永久磁石形モータでは３相、ｑ＝１／４（コイル数６、磁極数８、Ｐ＝４５度）で構成されていたのに対し、第２の実施の形態に係る永久磁石形モータは、同じくすべて３相で、図５に示すように、ｑ＝１／５（コイル数６、磁極数１０、Ｐ＝３６度）となっていたり（第１実施例）、図６に示すように、ｑ＝３／１０（コイル数９、磁極数１０、Ｐ＝３６度）となっていたり（第２実施例）、図７に示すように、ｑ＝２／７（コイル数１２、磁極数１４、Ｐ＝２５．７度）で構成されていたりする（第３実施例）。
このような毎極毎相のコイル数ｑに設定された永久磁石形モータは、コイル１５からステータヨーク１３を通過する永久磁石磁束を効率良く鎖交させることができ、従って、第１の実施の形態に係る永久磁石形モータと同様、従来技術における永久磁石形モータよりも定格トルクおよび最大トルクを向上することができる。
【００１１】
〈第３の実施の形態〉
次に第３の実施の形態について説明する。
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る永久磁石形モータの断面図である。
第３の実施の形態に係る永久磁石形モータが第１の実施の形態に係るモータと基本的に異なる点は、ティース１４ｂの先端が内周側に突き出た弓状に形成されていることである。
このような構成により、第１の実施の形態に係るモータのティース１４ａ部の急峻なパーミアンス変化をティース１４ｂの弓形状によって緩和することができる。よって、第１の実施の形態に係るモータに比べ、コギングトルクを低減することができる。
以上の実施の形態では、磁極数を８、１０、１４極として示したが、毎極毎相のコイル数がｑ＝１／４、１／５、３／１０、２／７を満たすような磁極数、つまり磁極数８、１０、１４の倍数で構成されるものであれば本発明の効果を発揮できることは言うまでもない。
【００１２】
【発明の効果】
以上のような構成により、以下の効果を得ることができる。
（１）請求項１記載の永久磁石形モータによれば、ティースの角度幅を狭くし、コイルの偏平度合いを大きく構成することにより、鎖交磁束数を増加させるだけでなく、巻線の作る磁束を分散し磁気飽和の影響を減少させることができる。
その結果、従来技術における永久磁石形モータよりも、定格トルクと最大トルクの両方を向上することができる。
（２）請求項２記載の永久磁石形モータによれば、永久磁石磁束を効率良く鎖交する毎極毎相のコイル数１／４、１／５、３／１０、２／７で構成することにより、上記（１）と同様の効果を得ることができる。
（３）  請求項３記載の永久磁石形モータによれば、ティース先端を弓状に形成することにより、急峻なパーミアンス変化を緩和し、請求項１乃至２記載のモータの構造においてコギングトルクを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示す永久磁石形モータの断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における永久磁石磁束の流れを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における電流−トルク特性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態におけるティース先端半径−トルク特性を示す図である。
【図５】本発明の第２実施の形態の第１実施例を示す永久磁石形モータの断面図である。
【図６】本発明の第２実施の形態の第２実施例を示す永久磁石形モータの断面図である。
【図７】本発明の第２実施の形態の第３実施例を示す永久磁石形モータの断面図である。
【図８】本発明の第３実施の形態を示す永久磁石形モータの断面図である。
【符号の説明】
１  ロータ
２  ロータヨーク
３  永久磁石
１０  ステータ
１１  鉄心
１２  巻線
１３  コイル
１４ａ、１４ｂ  ティース
【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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