(57)【要約】【課題】ステータの各磁極へ２相の巻線を巻装するとともにステータの隣接する磁極が逆極性となるように各磁極へ巻線を巻装した場合において、広範囲な駆動周波数において、モータの効率向上やサージ電圧の低減を図る。【解決手段】ステータ１の各磁極に巻装される２相の巻線４を、それらの相の巻線４を構成する各相の導線４ａが互いに隣合うように位置付けして巻装する。これにより、各磁極に巻装された２相の巻線４は、巻数、巻線長さ、ステータコアに対する巻線４の位置関係が略同じになり、各磁極に巻装された２相の巻線４の電気的・磁気的特性が揃えられ、当該２相の巻線４のインピーダンス値が略同じになる。これにより、モータの効率が向上し、スイッチング素子に作用するサージ電圧が低減される。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ相（但し、ｎ≧３の整数）でｎ×ｍ（但し、ｍ≧１の整数）個の磁極を有するステータと、
永久磁石と２ｍ個の磁極とを有するロータと、
前記ステータの前記磁極に巻装されたｎ相の巻線と、
各相毎の前記巻線と駆動電源との間に介装されたｎ個のスイッチング素子と、を有し、
前記巻線は、前記ステータの前記磁極及びこの磁極に隣接する一方の前記磁極にそれらの磁極が異なる極性に励磁されるように巻装されるとともに前記ステータの前記各磁極毎に２相ずつ巻装され、
前記ステータの前記各磁極に巻装された２相の前記巻線は、それらの巻線を構成する各相の導線が互いに隣合うように位置付けして巻装されている多相モータ。
【請求項２】
各相における前記巻線と前記スイッチング素子との接続点同士が、コンデンサを介して接続されている請求項１記載の多相モータ。
【請求項３】
前記スイッチング素子と並列にコンデンサが接続されている請求項１又は２記載の多相モータ。
【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、６個の磁極を有するステータ及び永久磁石と４個の磁極とを有するロータを備えた３相モータや、８個の磁極を有するステータ及び永久磁石と４個の磁極とを有するロータを備えた４相モータ等の多相モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のモータの一例として、ステータに設けられた複数の磁極に２相の巻線を重複して巻装するとともに、ある相の巻線に通電したときに隣接する磁極が逆極性となるように巻線を各磁極に巻装し、駆動スイッチング素子数を低減化した多相モータの発明が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−７２８７１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１には、ステータの各磁極に２相の巻線を重複して巻装する構成が記載されているが、具体的な巻装構造については開示されていない。
【０００５】
各磁極に２相の巻線を重複して巻装する構造としては、一般的には、１相目の巻線を巻装し、ついで、その巻線の外周側に２相目の巻線を巻装することが想定される。
【０００６】
しかし、同じ磁極への２相の巻線の巻装を想定したように行った場合、１相目の巻線と２相目の巻線とにおいて、巻数、巻線長さ、ステータコアに対する巻線の位置関係が異なる、各磁極における２相の巻線の電気的・磁気的特性が不揃いとなり、当該２相の巻線のインピーダンス値が異なり、モータの効率低下、スイッチング素子に作用するサージ電圧の問題が解決できない。
【０００７】
本発明の目的は、ステータの各磁極へ２相の巻線を巻装するとともにステータの隣接する磁極が逆極性となるように各磁極へ巻線を巻装した場合において、広範囲な駆動周波数において、モータの効率向上やサージ電圧の低減を図ることができる多相モータを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の多相モータは、ｎ相（但し、ｎ≧３の整数）でｎ×ｍ（但し、ｍ≧１の整数）個の磁極を有するステータと、永久磁石と２ｍ個の磁極とを有するロータと、前記ステータの前記磁極に巻装されたｎ相の巻線と、各相毎の前記巻線と駆動電源との間に介装されたｎ個のスイッチング素子と、を有し、前記巻線は、前記ステータの前記磁極及びこの磁極に隣接する一方の前記磁極にそれらの磁極が異なる極性に励磁されるように巻装されるとともに前記ステータの前記各磁極毎に２相ずつ巻装され、前記ステータの前記各磁極に巻装された２相の前記巻線は、それらの巻線を構成する各相の導線が互いに隣合うように位置付けして巻装されている。
【０００９】
この多相モータは、スイッチング素子を介して駆動電源に接続されている各相の巻線に対して各スイッチング素子を順次スイッチング動作させて通電することにより、ステータの各磁極の励磁特性が順次変化し、ロータが回転する。
【００１０】
ここで、各磁極に巻装された２相の巻線のうちの一方の相の巻線に接続されているスイッチング素子をオフにしたときにその巻線中にインダクティブキックと呼ばれる電気的慣性力が生じるが、他方の相の巻線にループ回路が形成されることにより一方の相の巻線のインダクタンス値が下がるとともにインダクティブキックの慣性力は小さくなる。そして、この作用は、各磁極に巻装された２相の巻線のインピーダンス値が略同じになることにより最大に発揮され、モータの効率が向上し、スイッチング素子に作用するサージ電圧が低減される。
【００１１】
したがって、ステータの各磁極に巻装される２相の巻線を、それらの相の巻線を構成する各相の導線が互いに隣合うように位置付けして巻装することにより、各磁極に巻装された２相の巻線は、巻数、巻線長さ、ステータコアに対する巻線の位置関係が略同じになり、各磁極に巻装された２相の巻線の電気的・磁気的特性が揃えられ、当該２相の巻線のインピーダンス値が略同じになるので、スイッチング素子に作用するサージ電圧が低減され、モータの効率が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１ないし図６に基づいて説明する。図１は多相モータの一例である３相モータを示す縦断正面図、図２はロータの磁極とステータの励磁相との関係を示す平面図、図３はステータの各磁極における巻線の巻装構造を示す断面図、図４は巻線の巻装に使用するノズル付工具を示す説明図、図５は３相モータの回路図、図６は各相の巻線に対して通電した場合における各磁極の励磁極性の変化を説明する説明図である。
【００１３】
この３相モータは、主要な構成部品として、ステータ１とロータ２とを備えている。ステータ１は、６個の磁極を有する３相構造であり、６個の磁極は、６０度の間隔をもって配置された６個のステータポール３（３−１、３−２、３−３、３−４、３−５、３−６）に３相の巻線４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ）を巻装することにより形成され、反時計回り方向にＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の磁極が形成されている。なお、各ステータポール３には、２相の巻線４（例えば、ステータポール３−１には巻線４Ａ、４Ｃ、ステータポール３−２には巻線４Ａ、４Ｂ）が巻装されている。
【００１４】
ステータ１内には、回転軸５に固定されたロータ２が回転自在に配置されている。ロータ２は、回転軸５の軸方向に着磁した円筒形のサマリウム・コバルト磁石などの希土類の永久磁石６とこの永久磁石６を介して十字形状に重ねた１対のＩ形積層コア７、８とから構成され、上側のＩ形積層コア７はＮ極のポールを形成し、下側のＩ形積層コア８はＳ極のポールを形成している。
【００１５】
ステータ１は円筒状の中央ケーシング９の内部に収納固定され、ロータ２はステータ１内に収納され、回転軸５の一端が中央ケーシング９の一端に装着された凹状の端部ケーシング１０の中央部に取付けられた軸受１１に回転自在に軸支され、回転軸５の他端が中央ケーシング９の他端に装着された凹状の端部ケーシング１２の中央部に取付けられた軸受１３を貫通して回転自在に軸支している。
【００１６】
各ステータポール２に対する巻線４の巻装作業は、２本の巻線４（より正確には、後の結線工程を経て２相の巻線４となる導線４ａ）が先端開口部から引き出されるノズル付工具１４を使用し、各ステータポール２に対して２本の巻線４を同時に巻装することにより行う。これにより、各ステータポール２における２相の巻線４の巻装状態は、図３に示すように、１つの相の巻線４を構成する導線４ａ（白丸で図示）と他の相の巻線４を構成する導線４ａ（黒丸で図示）とが隣合うように位置付けされた巻装状態となる。このようにして各ステータポール２での２相の巻線４の巻装を行うことにより、各ステータポール２（ステータ１の各磁極）に巻装されている２相の巻線４の巻数及び巻線長さが等しくなる。
【００１７】
３相の巻線４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、図５に示すようにスイッチング素子であるトランジスタ１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）と逆流防止用のダイオード１６（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ）とを介して駆動電源１７に接続されている。
【００１８】
なお、各ステータポール３に巻装された各相の巻線４は、各相の巻線４に通電したときに隣合う磁極が異なる極性となるように回路構成されている。各ステータポール３における黒丸で示した側は、各相の巻線４に通電したときにＮ極となる側を示しており、図５に示した各ステータポール３における上側がロータ２に対向する側を意味している。
【００１９】
ここで、この３相モータの駆動は、表１あるいは表２に示す励磁シーケンスで各相のトランジスタ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを順次選択的にオン、オフ制御することによりステータ１の各磁極の励磁極性を変化させてロータ２を回転させることにより行う。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
【表２】
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【００２２】
表１の制御では、Ａ相のトランジスタ１５Ａをオンするときには他の相（Ｂ相、Ｃ相）のトランジスタ１５Ｂ、１５Ｃをオフにし、Ｂ相のトランジスタ１５Ｂをオンするときには他の相のトランジスタ１５Ｃ、１５Ａをオフにし、Ｃ相のトランジスタ１５Ｃをオンするときには他の相のトランジスタ１５Ａ、１５Ｃをオフにする。
【００２３】
表２の制御では、Ａ相を励磁する期間において、次に励磁すべきＢ相を重複して励磁する。また、Ｂ相を励磁する期間において、次に励磁すべきＣ相を重複して励磁する。さらに、Ｃ相を励磁する期間において、次に励磁すべきＡ相を重複して励磁する。
【００２４】
ここで、表１に示す励磁シーケンスによるステータ１の各磁極の励磁極性の変化の様子を図６に示す。図６（ａ）は、トランジスタ１５ＡのみをオンにしてＡ相の巻線４Ａにのみ通電した状態である。これにより、Ａ相の磁極（ステータポール３−１、３−４のロータ２に対向する側）がＮ極となり、Ｂ相の磁極（ステータポール３−２、３−５のロータ２に対向する側）がＳ極となる。図６（ｂ）はトランジスタ１５ＢのみをオンにしてＢ相の巻線４Ｂにのみ通電した状態である。これにより、Ｂ相の磁極（ステータポール３−２、３−５のロータ２に対向する側）がＮ極となり、Ｃ相の磁極（ステータポール３−３、３−６のロータ２に対向する側）がＳ極となる。図６（ｃ）はトランジスタ１５ＣのみをオンにしてＣ相の巻線４Ｃにのみ通電した状態である。これにより、Ｃ相の磁極（ステータポール３−３、３−６のロータ２に対向する側）がＮ極となり、Ａ相の磁極（ステータポール３−１、３−４のロータ２に対向する側）がＳ極となる。
【００２５】
このような構成において、本実施の形態の３相モータでは、各トランジスタ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを順次スイッチング動作させて各相の巻線４Ａ、４Ｂ、４Ｃに順次通電することにより、ステータ１の各磁極の励磁特性が順次変化し、ロータ２が回転する。
【００２６】
ステータ１の各磁極に巻装されている２相の巻線４は、図３に示すように２相の巻線４を構成する各相の導線４ａが互いに隣合うように位置付けして一体的に巻装されている。これにより、各磁極に巻装されている２相の巻線４は、巻数、巻線長さ、ステータコアに対する巻線４の位置関係が略同じになり、各磁極における２相の巻線４の電気的・磁気的特性が揃えられ、当該２相の巻線４のインピーダンス値は略同じになる。
【００２７】
そのため、各磁極に巻装されている２相の巻線４のうちの一方の巻線４に接続されているトランジスタ１５をオフにしたときにその巻線４中でインダクティブキックを起こそうとする巻線４中の磁気エネルギーを、その巻線４と電気的・磁気的特性が揃えられた他方の巻線４側に形成されるループ回路によって効果的に吸収、消費させることができ、トランジスタ１５に作用するサージ電圧が低減され、モータの効率が向上する。
【００２８】
つぎに、本発明の第２の実施の形態を図７ないし図９に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態において説明した部分と同じ部分は同じ符号で示し、説明も省略する（以下の実施の形態でも同じ）。
【００２９】
本実施の形態の３相モータでは、各相における巻線４Ａ、４Ｂ、４Ｃの端部とトランジスタ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃとの接続点同士が、コンデンサ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃにより接続されている。他の構成については、第１の実施の形態と同じである。コンデンサ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃは、無極性で周波数特性の良いものが使用されている。
【００３０】
このような構成において、この３相モータを上述した表２に示す励磁シーケンスで駆動させた場合、例えば、励磁シーケンスが“１”から“２”に切替わる瞬間、Ｃ相がオフすることによってＣ相のトランジスタ１５Ｃのコレクタ−エミッタ間にインダクティブキックによるサージ電圧が発生しようとする。しかし、各相間にコンデンサ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃが介装されていることにより、図８の破線で示すようにＣ相の巻線４ＣとＢ相の巻線４Ｂとを利用したループが構成され、Ａ相の巻線４Ａに慣性力を抑える作用が働いてサージ電圧が低減される。このサージ電圧の低減効果は、第１の実施の形態で説明したように、同じ磁極に巻装された２相の巻線４のインピーダンス値を略同じにすることにより一層高くなる。
【００３１】
また、Ｃ相がオフした時にいずれかの相（Ａ相）がオンしている場合は、図９の破線で示すようなループも構成される。これは駆動電源１７に対してのループであり、発生したサージエネルギーがＣ相の巻線４Ｃからコンデンサ１８Ａを通り、オンスイッチングしているＡ相のトランジスタ１５Ａを介して駆動電源１７のマイナス側へ行くようなループで、コンデンサ１８Ａがサージアブソーバの役割を果たし、サージ電圧の低減に寄与する。
【００３２】
つぎに、本発明の第３の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態の３相モータでは、各相における巻線４の端部と駆動電源１７との間に、トランジスタ１５と並列にコンデンサ１９（１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ）が接続されている。他の構成については、第２の実施の形態と同じである。
【００３３】
このような構成において、各磁極の励磁シーケンスとは関係なく、電流制限によるチョッピング制御やＰＷＭ（パルス幅変調）による電流制御の場合には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の全ての相をオフにする場合がある。
【００３４】
このような場合には、全てのトランジスタ１５がオフになった瞬間に生じるサージ電圧をトランジスタ１５と並列に設けられたコンデンサ１９によって吸収し、トランジスタ１５に作用するサージ電圧を低減することができる。
【００３５】
なお、このコンデンサ１９は、各磁極の励磁シーケンスの切替時においても同様の低減効果があり、このコンデンサ１９を設けることにより励磁シーケンスの切替時のサージ電圧低減効果が向上する。
【００３６】
ただし、このコンデンサ１９の選定については、容量をあまり大きくすると、コンデンサ１９と並列に接続されているトランジスタ１５がオンして放電される瞬間に電流が大量に流れてしまい、これを高周波で繰り返すことでトランジスタ１５に負担になり発熱しやすくなるので注意が必要であり、実験による最適な容量のものを選定することが必要がある。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、ステータの各磁極に巻装される２相の巻線を、それらの相の巻線を構成する各相の導線が互いに隣合うように位置付けして巻装することにより、各磁極に巻装された２相の巻線は、巻数、巻線長さ、ステータコアに対する巻線の位置関係が略同じになり、各磁極に巻装された２相の巻線の電気的・磁気的特性が揃えられ、当該２相の巻線のインピーダンス値が略同じになるので、モータの効率を向上させ、スイッチング素子に作用するサージ電圧を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の３相モータを示す縦断正面図である。
【図２】ロータの磁極とステータの励磁相との関係を示す平面図である。
【図３】ステータの各磁極における巻線の巻装構造を示す断面図である。
【図４】巻線の巻装に使用するノズル付工具を示す説明図である。
【図５】３相モータの回路図である。
【図６】各相の巻線に対して通電した場合における各磁極の励磁極性の変化を説明する説明図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の３相モータの回路図である。
【図８】サージ電圧の低減効果を説明する説明図である。
【図９】サージ電圧の低減効果を説明する説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の３相モータの回路図である。
【符号の説明】
１      ステータ
２      ロータ
４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ）  巻線
６      永久磁石
１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）  スイッチング素子
１７      駆動電源
１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ）  コンデンサ
１９（１９Ａ、１８Ｂ、１９Ｃ）  コンデンサ
【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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