(57)【要約】【課題】  励磁機の内側および外側に界磁機を配置した電動機に用いる励磁機であって、励磁機の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束密度（Ｂ）を増大することができる励磁機およびそれを用いた電動機を提供する。【解決手段】励磁機の内側および外側に界磁機を配置した電動機に用いる励磁機であって、該励磁機は、環状に配置された複数のティースを有しており、該ティースは、方向性電磁鋼板の磁化容易軸を前記励磁機の径方向に配置して積層し、かつ、該ティースの間を非磁性体で固定し、前記ティースに、移動磁界を発生させる励磁コイルを巻き付けることを特徴とする励磁機およびそれを用いた電動機。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁機の内側および外側に界磁機を配置した電動機に用いる励磁機であって、
該励磁機は、環状に配置された複数のティースを有しており、該ティースは、鋼板の磁化容易軸を前記界磁機の径方向に配置して積層し、
前記ティースに、移動磁界を発生させる励磁コイルを巻き付けることを特徴とする励磁機。
【請求項２】
前記ティースが電磁鋼板であることを特徴とする請求項１に記載の励磁機。
【請求項３】
前記ティースが方向性電磁鋼板からなることを特徴とする請求項２に記載の励磁機。
【請求項４】
前記ティースの間を非磁性材料で固定することを特徴とする
請求項１乃至請求項３に記載の励磁機。
【請求項５】
前記ティースの励磁コイルの巻線方法が、集中巻であることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の励磁機。
【請求項６】
前記ティースの励磁コイルの巻線方法が、分布巻であることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の励磁機。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６に記載の励磁機を有することを特徴とする電動機。
【請求項８】
前記界磁機が電磁鋼板からなることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
【請求項９】
前記界磁機が焼結軟磁性材料からなることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
【請求項１０】
前記界磁機が薄手極低炭素鋼（ＳＵＬＣ）からなることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
【請求項１１】
前記界磁機が単結晶鉄粉を絶縁材料でコーティングした材料からなることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
【請求項１２】
前記電動機が外周に界磁機を有し、前記界磁機の内壁に沿う形状の永久磁石が貼付されていることを特徴とする請求項７乃至請求項１１に記載の電動機。
【請求項１３】
前記電動機の外周側界磁機の径方向を固定する部材が磁性体であることを特徴とする請求項７乃至請求項１２に記載の電動機。
【請求項１４】
前記電動機の励磁機が固定子でありかつ、界磁機が回転子であることを特徴とする請求項７乃至請求項１３に記載の電動機。
【請求項１５】
前記電動機の励磁機が回転子でありかつ、界磁機が固定子であることを特徴とする請求項７乃至請求項１３に記載の電動機。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機およびそれを用いた電動機に関する。
具体的には、励磁機の内側および外側に界磁機を配置した電動機に用いる固定子およびそれを用いた永久磁石電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石電動機は、励磁機に電流を流すことにより発生する磁場が、界磁機に埋め込まれた永久磁石に働いて、界磁機もしくは励磁機が回転運動もしくは直線運動する電動機であって、保守性、制御性、耐環境性に優れ、高効率、高力率運転が可能な電動機として産業・民生家電分野を問わず広く用いられている。
【０００３】
図６および図７は、従来の電動機の断面を示しており、図６が平断面図、図７が縦断面図である。
この従来の電動機は、円環状の励磁機コア２１に内外周に沿って環状にコイル２３が巻装されており、励磁機コア２１を含む励磁機３０は、軸受２９を介してシャフト２８に軸支される非磁性体ベース２５に固着されている。２２は界磁機構成体であり一対の円環状永久磁石２６が上記コイル構成体２１と適当間隔をおいて両側に同軸配置されるよう、シャフト２８に固着する界磁機ヨーク２４に固
定されている。
しかし、この従来の電動機では、励磁機コア内部に十分な鎖交磁界を得ること
ができないため、種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、特開平１０−２７１７８２号公報には、励磁機コアをティース部とヨーク部が一対毎になるように分割し、かつ、ティース部を励磁機コアの内周と外周の両側に形成することによって、励磁機コア内部に十分な鎖交磁界を得る方法が開示されている。
しかし、従来の電動機の励磁機は、鉄損を低減するために無方向性電磁鋼板（ＮＯ）を積層することにより作られていた。
無方向性電磁鋼板は、鋼板表面のどの方向にも一様な比透磁率を有する鋼板であって、比較的鉄損の小さい材料として広く用いられているが、長時間連続運転する電動機の励磁機に用いる材料としては十分な磁気特性が得られていなかった。
また、特開平１０−２７１７８２号公報に開示されている電動機は、ヨークに励磁コイルを巻き付けており、磁束をヨークからティースに曲げる必要があるうえ、このヨークが分割されているので磁束が接合部を流れる際の磁気抵抗および鉄損が大きいという問題点があった。
【特許文献１】特開平１０−２７１７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、励磁機の内側および外側に界磁機を配置した電動機に用いる励磁機であって、励磁機の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束密度（Ｂ）を増大することができる励磁機およびそれを用いた電動機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、励磁機の内側および外側に界磁機を配置した電動機に用いる励磁機であって、ティースを構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を励磁機の径方向とし、ティースの間を非磁性体で固定し、このティースに移動磁界を発生させる励磁コイルを巻き付けることにより、励磁機の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束密度（Ｂ）を増大することができる励磁機およびそれを用いた電動機を提供するもので
あり、その要旨は特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
【０００７】
（１）  励磁機の内側および外側に界磁機を配置した電動機に用いる励磁機であって、
該励磁機は、環状に配置された複数のティースを有しており、該ティースは、鋼板の磁化容易軸を前記界磁機の径方向に配置して積層し、
前記ティースに、移動磁界を発生させる励磁コイルを巻き付けることを特徴とする励磁機。
（２）  前記ティースが電磁鋼板であることを特徴とする（１）に記載の励磁機。
（３）前記ティースが方向性電磁鋼板からなることを特徴とする（２）に記載の励磁機。
（４）前記ティースの間を非磁性材料で固定することを特徴とする（１）乃至（３）に記載の励磁機。
（５）前記ティースの励磁コイルの巻線方法が、集中巻であることを特徴とする（１）乃至（４）に記載の励磁機。
（６）前記ティースの励磁コイルの巻線方法が、分布巻であることを特徴とする（１）乃至（４）に記載の励磁機。
（７）（１）乃至（６）に記載の励磁機を有することを特徴とする電動機。
（８）前記界磁機が電磁鋼板からなることを特徴とする（７）に記載の電動機。
（９）前記界磁機が焼結軟磁性材料からなることを特徴とする（７）に記載の電動機。
（１０）前記界磁機が薄手極低炭素鋼からなることを特徴とする（７）に記載の電動機。
（１１）前記界磁機が単結晶鉄粉を絶縁材料でコーティングした材料からなることを特徴とする（７）に記載の電動機。
（１２）前記電動機が外周に界磁機を有し、前記界磁機の内壁に沿う形状の永久磁石が貼付されていることを特徴とする（７）乃至（１１）に記載の電
動機。
（１３）前記電動機の外周側界磁機の径方向を固定する部材が磁性体であることを特徴とする（７）乃至（１２）に記載の電動機。
（１４）前記電動機の励磁機が固定子でありかつ、界磁機が回転子であることを特徴とする（７）乃至（１３）に記載の電動機。
（１５）前記電動機の励磁機が回転子でありかつ、界磁機が固定子であることを特徴とする（７）乃至（１３）に記載の電動機。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、励磁機の内側および外側に界磁機を配置した電動機に用いる励磁機であって、ティースを構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を励磁機の径方向とし、ティースの間を非磁性体で固定し、このティースに移動磁界を発生させる励磁コイルを巻き付けることにより、励磁機の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束密度（Ｂ）を増大することができる励磁機およびそれを用いた電動機を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態を、図１乃至図５を用い
て詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態である励磁機の構造を示す図である。
図１において、１は外側の界磁機、２は内側の界磁機、３は励磁機、４は非磁性体、５はティース、６は励磁コイルを示す。
図１に示すように、本発明は、励磁機３の内側および外側に、内側の界磁機２および外側の界磁機１を配置した電動機に用いる励磁機およびそれを用いた電動機を対象とする。界磁機を内側と外側の二重構造とすることによって、洩れ磁束を最少化することができるので、結果として電動機のトルクを大きくすることができる。
【００１０】
また、励磁機３は、外側の界磁機１と内側の界磁機２との間に配置され、主として、環状に配置された複数のティース５と、ティース５を固定する非磁性体４とから構成されている。
このティース５は、鋼板の磁化容易軸を励磁機３の径方向（ティースの矢印方向）に配置して積層し、かつ、ティース５の間を非磁性体４で固定する。なお、このティース５は電磁鋼板であることが好ましく、さらに、方向性電磁鋼板であればより一層好ましい。
ここに、方向性電磁鋼板は、磁化容易方向が特定の方向である電磁鋼板であり、磁化容易方向については無方向性電磁鋼板より優れた磁気特性を有する。
例えば、図２に示すように、方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率μRが、非圧延方向の比透磁率μTに比べて著しく大きくなっており、圧延方向に磁束を流し易い性質を持っている。
そこで、ティース内を磁束の流れる方向と方向性電磁鋼板の磁化容易方向とを合わせることにより、磁束の流れをスムーズにし、その結果、磁束密度（Ｂ）を強化することができるうえ、磁束が交差する部分に生じる磁気抵抗の大きい回転磁界の発生を防止することができ、励磁機における鉄損を低減することができる。
【００１１】
また、ティース５は、励磁機３の径方向に配置され、励磁機３の外周側と内周側の端部を中央部より幅広にすることが好ましい。ティース５の外周側と内周側の端部を幅広にすることによって、外側の界磁機１および内側の界磁機２に流れる磁束を多くすることができ、より大きなトルクを得ることができるからである。
また、ティース５の間は、非磁性体４で固定する。この非磁性体４は、電気を通さない物質であればその材質は問わないが、例えば、エポキシ樹脂のように、溶解して固めることによって自由な形状を作ることができ、ティース５を固定し易い材質が好ましい。
【００１２】
さらに、本発明においては、ティース５に、移動磁界を発生させる励磁コイルを巻き付ける。
図１に示すように、励磁コイル６をティース５に巻き付けることによって、磁束を界磁機３の径方向に発生させることができ、界磁機３の周方向には磁束が発生しないので、磁束の方向を曲げる必要がないうえ、従来のような分割したヨークが必要ないので、電磁鋼板の角度異方性および分割ヨークによる磁気抵抗および鉄損が生じない。
また、励磁コイル６をティース５に集中して巻き付けることにより、例えば、二つ置きのティース毎にコイルを巻き付ける分布巻きに比べて、コイルエンドをコンパクト化することができできるので励磁機周辺のスペースを有効活用することができ、その分、電動機の径を小さく、小型化することができる。
【００１３】
図３は、本発明の第１実施形態における励磁機およびそれを用いた電動機の構造を示す図である。
図３において、１は外側の界磁機、２は内側の界磁機、３は励磁機、４はヨーク、５はティース、７は外側の永久磁石、８は内側の永久磁石を示す。また、
図３の点線矢印は、図５の時刻t0における磁束密度を図示したもので、太い点線が強い磁束密度、細い点線が弱い磁束密度を表す。
本実施形態においては、ティース５に図示されていない励磁コイルを集中して巻きつけることによって、各ティースに記載した位置に、図５に示すＵ，Ｖ，Ｗの３相の励磁電流を流すことによって、図３の矢印で示す方向に磁束の流れを作ることができる。
なお、図３は極数を４として電動機の構造を具体化した一例であり、永久磁石の形状や位置、励磁機のティース数などの技術的な範囲を限定するものではない。
また、図３におけるＵ´,Ｖ´Ｗ´は、Ｕ，Ｖ，Ｗの正負を反転させた励磁電流を示す。
さらに、図３では、隣り合うヨークには異なる相の励磁電流を印加しているが、例えば、隣り合う２つのヨークをセットにして同じ相の励磁電流を印加してもよい。
【００１４】
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態に共通する励磁機およびそれを用いた電動機の構造を示す図である。
図４において、１は外側の界磁機、２は内側の界磁機、３は励磁機、４はヨーク、５はティース、７は外側の永久磁石、８は内側の永久磁石を示す。
また、図４の点線矢印は、図５の時刻t0における磁束密度を図示したもので、太い点線が強い磁束密度、細い点線が弱い磁束密度を表す。
本実施形態においては、２つ置きのティースに、図示されていない励磁コイルを巻きつける分布巻きを行うことによって、各ティースに記載した位置に、図５に示すＵ，Ｖ，Ｗの３相の励磁電流を流すことによって、図４の矢印で示す方向に磁束の流れを作ることができる。
なお、図４は極数を４として電動機の構造を具体化した一例であり、永久磁石の形状や位置、励磁機のティース数などの技術的な範囲を限定するものではない
。
また、図４におけるＵ´,Ｖ´Ｗ´は、Ｕ，Ｖ，Ｗの正負を反転させた励磁電流を示す。
【００１５】
＜第１および第２共通の実施形態＞
本発明における第１および第２の実施形態に示す励磁機を、電動機に適用することによって、鉄損が少なく出力トルクが大きい電動機を提供することができる。
本発明においては界磁機の材料は問わないが、電磁鋼板、焼結軟磁性材料、薄手極低炭素鋼、単結晶鉄粉を絶縁材料でコーティングした材料のいずれかであることが好ましい。
まず、電磁鋼板では、普通鋼等他材料に比べて磁気特性に優れているので、界磁機における鉄損を低減することができる。
また、焼結軟磁性材料では、金属粉末焼結体により界磁機が構成できるので、機械的設計と磁気的設計を独立に行えることから界磁機設計の自由度が増し、永久磁石から発生する磁束を有効に利用しながら、かつ機械的強度、耐久性等の信頼性の高い界磁機が得られる。
また、薄手極低炭素鋼は普通鋼の一種であるため、材料コストが極めて低いので材料を調達し易い。
さらに、単結晶鉄粉を絶縁材料でコーティングした材料は、例えば、長軸方向に＜００１＞方位を持つ単結晶鉄粉を絶縁樹脂でコーティングし、熱硬化性樹脂とともに型に流し込むことによって界磁機を作ることができ、界磁機を流れる磁束の方向と単結晶鉄粉の磁化容易方向とを一致させることによって、界磁機における鉄損を低減することができる。
【００１６】
本発明において、励磁機が固定子、かつ、界磁機が回転子であってもよく、また逆に、励磁機が回転子、界磁機が固定子であってもよい。  
図８は、本発明の第１および第２の共通の実施形態である界磁機の平面構造を示す図である。図８において、３１は外側の界磁機、３２は永久磁石を示す。外側界磁機中の永久磁石にはたらく力は回転による遠心力が殆どであり、図８に示される電動機平面図のように、永久磁石を外側界磁機の内壁に貼付するだけでも、永久磁石は遠心力により界磁機に押しつけられるため、強度の観点から永久磁石の支持は問題ない。
また、図８に示すように外側界磁機３１は、鋼板を軸方向に積層して構成されるが、この鋼板の径方向を固定するために周囲に構造部材９を配置している。該この構造部材９を磁性体とすることで、該外側界磁機における総磁束量を増加することが可能となり、さらに高いトルクを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態である励磁機の構造を示す図である。
【図２】方向性電磁鋼板の磁束の方向と鉄損との関係を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態である励磁機およびそれを用いた電動機の構造を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である励磁機およびそれを用いた電動機の構造を示す図である。
【図５】３相励磁電流の説明図である。
【図６】従来の電動機の横断面図である。
【図７】従来の電動機の縦断面図である。
【図８】本発明の第１および第２共通の実施形態である外側界磁機の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  外側の界磁機
２  内側の界磁機
３  励磁機
４  非磁性体
５  ティース
６  励磁コイル
７  外側の永久磁石
８  内側の永久磁石
９  構造部材
２１  励磁機コア
２２  界磁機構成体
２３  コイル
２４  界磁機ヨーク
２５  非磁性体ベース
２６  永久磁石
２８  シャフト
２９  軸受
３０  励磁機
３１  外側界磁機
３２  永久磁石
【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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