(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸のない中空円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内径側に装着され環状に成形された集中巻コイルとより構成された固定子と、
前記固定子と空隙を介して対向配置され、表面に界磁用磁石を配設した回転子と
を備えた永久磁石形電動機において、
前記固定子は、該環状に成形された集中巻コイルの中央に位置する穴部に軟磁性粉末成形材を嵌合し、
前記軟磁性粉末成形材の外面は前記固定子鉄心の内面に密着して第１の円筒面を形成し、
前記軟磁性粉末成形材の内面は前記集中巻コイルの内面と共に前記回転子に対向する第２の円筒面を形成したことを特徴する永久磁石形電動機。
【請求項２】
前記軟磁性粉末成形材が嵌合する前記集中巻コイルは、前記固定子鉄心の内面に密着して円周方向に重なることなく固定されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形電動機。
【請求項３】
凹凸のない中空円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内径側に装着され環状に成形された集中巻コイルとより構成された固定子と、
前記固定子と空隙を介して対向配置され、表面に界磁用磁石を配設した回転子と
を備えた永久磁石形電動機を製造する永久磁石形電動機の製造方法であって、
前記環状に成形され中央に穴部を有する集中巻コイルを準備し、次いで、前記穴部に軟磁性粉末成形材を嵌合し、前記集中巻コイルに嵌合された前記軟磁性粉末成形材の外面は前記固定子鉄心の内面に密着して第１の円筒面を形成し、
前記軟磁性粉末成形材の内面は前記集中巻コイルの内面と共に前記固定子に対向する第２の円筒面を形成するように接着して、前記固定子を形成することを特徴する永久磁石形電動機の製造方法。
【請求項４】
前記固定子を形成する際に、コイル結線部も当該固定子と一体に固定することを特徴とする請求項３に記載の永久磁石形電動機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子に界磁用磁石が設置された永久磁石形電動機およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、スロットを有する固定子鉄心と、界磁用磁石を配設した回転子とを備えた永久磁石形電動機において、トルクの向上と損失の低減が計られてきた。特に、小型の永久磁石形電動機では損失の第１の要因が銅損であることから、銅損を低減するために固定子鉄心を分割する方法が提案されている。この方法は、予めボビンに巻装した巻線を分割された固定子鉄心に装着後、固定子を構成するため、巻線の占積率を高めることができる。
このような背景の中で、さらに電動機の小型化に対して、簡易な固定子構造を有するスロットレスワインディングタイプの永久磁石形電動機が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
図５は、従来のスロットレスワインディングタイプの永久磁石形電動機の正断面図である。図５において、１は軟磁性層、２は集中巻コイル、３は固定子鉄心、４は永久磁石、５はロータヨーク、６は絶縁層、７は空隙である。
固定子鉄心３は中空円筒の形状を有して、内径側にスロットがなく、環状に成形された集中巻コイル２を該内径側に配列している。隣り合う集中巻コイル２の間や集中巻コイル２の中央に位置する穴部は絶縁層６で構成されている。また、集中巻コイル２の空隙７に対向する面には、電機子インダクタンスを大きくし、ＰＷＭ駆動時の電流リップルの低下による損失低減を図る目的で、軟磁性層１が設けられている。
このように、従来のスロットレスワインディングタイプの永久磁石形電動機は、ティースに巻線を巻装する構成のスロットワインディングタイプのものに比べて、小型で製造し易い簡易な構造となっている。
【０００３】
また、他の簡易な構造の電動機の例としては、軟磁性粉末成形材の持つ自由度の高い成形性を生かして固定子鉄心を成形したものがある（例えば、特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００２−１５９１５２号公報（明細書第４頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−１２８４０５号公報（明細書第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に示した従来のスロットレスワインディングタイプの永久磁石形電動機では、一般的に、構造が簡易で小型のモータに適する反面、コイルスペースがそのままギャップとなり、界磁用磁石に対する磁路抵抗が大きくなり、ギャップ磁束密度が小さくなるという傾向があった。そのため、トルクが低下し、また、所望の特性に設計する必要性から巻線の巻線数が増加し、銅損が増加するという問題があった。
一方、特許文献２に示した従来の軟磁性粉末成形材を用いて固定子鉄心を製造する電動機では、予め巻装した巻線を固定子鉄心に装着する方法を行えないため、巻線の占積率を高めることができないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、スロットワインディングタイプの電動機と同等のギャップ磁束密度を得ることができ、その結果、高トルクで低損失の特性を保持し、簡単な構造を有したスロットレスワインディングタイプの永久磁石形電動機およびその製造方法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】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１の発明は、凹凸のない中空円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内径側に装着され環状に成形された集中巻コイルとより構成された固定子と、前記固定子と空隙を介して対向配置され、表面に界磁用磁石を配設した回転子とを備えた永久磁石形電動機において、前記固定子は、該環状に成形された集中巻コイルの中央に位置する穴部に軟磁性粉末成形材を嵌合し、前記軟磁性粉末成形材の外面は前記固定子鉄心の内面に密着して第１の円筒面を形成し、前記軟磁性粉末成形材の内面は前記集中巻コイルの内面と共に前記回転子に対向する第２の円筒面を形成したことを特徴としている。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の永久磁石形電動機において、前記軟磁性粉末成形材が嵌合する前記集中巻コイルは、前記固定子鉄心の内面に密着して円周方向に重なることなく固定されることを特徴としている。
また、請求項３の発明は、凹凸のない中空円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内径側に装着され環状に成形された集中巻コイルとより構成された固定子と、前記固定子と空隙を介して対向配置され、表面に界磁用磁石を配設した回転子とを備えた永久磁石形電動機を製造する永久磁石形電動機の製造方法であって、前記環状に成形され中央に穴部を有する集中巻コイルを準備し、次いで、前記穴部に軟磁性粉末成形材を嵌合し、前記集中巻コイルに嵌合された前記軟磁性粉末成形材の外面は前記固定子鉄心の内面に密着して第１の円筒面を形成し、前記軟磁性粉末成形材の内面は前記集中巻コイルの内面と共に前記固定子に対向する第２の円筒面を形成するように接着して、前記固定子を形成することを特徴としている。
また、請求項４の発明は、請求項３記載の永久磁石形電動機の製造方法において、前記固定子を形成する際に、コイル結線部も当該固定子と一体に固定することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１または３に記載の発明によると、環状の集中巻コイルの中央に位置する穴部に嵌合する軟磁性粉末成形材が磁路の一部となり、スロットワインディングタイプの電動機と同等のギャップ磁束密度を得ることができ、高トルクで低損失の特性を有し、簡単な構造を有したスロットレスワインディングタイプの永久磁石形電動機を提供することができる。
さらに、請求項１または３に記載の発明によると、界磁用磁石に対する磁路抵抗を小さくでき、ギャップ磁束密度を大きくできる。
請求項２に記載の発明によると、コイルスペースを最小に保つことができ、界磁用磁石に対する磁路抵抗を小さくできる。
さらに、請求項３または４に記載の発明によると、安価な電動機を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の実施例を示す永久磁石形電動機の側断面図、図２は、図１のＡ‐Ａ線に沿う正断面図である。
図において、１１は固定子、１２は回転子、１３は軟磁性粉末成形材、１４は固定子鉄心、１５は集中巻コイル、１５ａは穴部、１６は負荷側プレート、１７は反負荷側プレート、１８はコイル結線部、１９はフレーム、２０は軸受、２１は界磁用磁石、２２はシャフト、２３は樹脂部材である。なお、本発明の構成について、永久磁石形電動機が、スロットのない中空円筒状の固定子鉄心１４と、固定子鉄心１４の内径側に装着され環状に成形された集中巻コイル１５とより構成された固定子１１と、固定子１１と空隙を介して対向配置され、シャフト２２の表面に界磁用磁石２１を配設した回転子１２とを備えた点については、特許文献１と基本的には同じである。
本発明の特徴は、以下のとおりである。
すなわち、固定子１１は、環状に成形された集中巻コイル１５の中央に位置する穴部１５ａに軟磁性粉末成形材１３を嵌合した点である。この軟磁性粉末成形材１３は、表面に絶縁皮膜をもつ個々の鉄紛を樹脂で成形したものとなっており、穴部１５ａに隙間なく嵌合する形状となっている。
また、軟磁性粉末成形材１３は、集中巻コイル１５と径方向に同等の厚みを有し、軟磁性粉末成形材１３の外面は固定子鉄心１４の内面に密着し、軟磁性粉末成形材１３の内面は集中巻コイル１５と共に回転子１２に対向するように円筒面を形成するものとなっている。
さらに、軟磁性粉末成形材１３が嵌合される集中巻コイル１５は、固定子鉄心１４の内面に密着して円周方向に重なることなく接着剤などで固定されるものとなっている。
【０００９】
図３は、本実施例の永久磁石形電動機に用いる固定子の組立手順を説明するための斜視図である。
図３において、環状に成形された集中巻コイル１５と、該集中巻コイル１５の中央に位置する穴部１５ａに嵌合する軟磁性粉末成形材１３を必要な数だけ嵌合し、集中巻コイル１５に嵌合された軟磁性粉末成形材１３を固定子鉄心１４の内面に密着し、その内面は集中巻コイル１５と共に、エアギャップの円筒面を形成するように接着し、固定子を形成する。このとき、図１に示したコイル結線部１８も一体に固定する。
【００１０】
第１実施例はこのように、固定子１１は、環状に成形された集中巻コイル１５の中央に位置する穴部１５ａに軟磁性粉末成形材１３を嵌合する構成にしたので、集中巻コイルの穴部１５ａに嵌合する軟磁性粉末成形材が磁路の一部となり、スロットワインディングタイプの電動機と同等のギャップ磁束密度を得ることができ、高トルクで低損失の永久磁石形電動機を得ることができる。また、通常のスロットレスワインディングタイプの電動機と同等に簡易な構造で、同様な製造法を用いるため安価な電動機を製造することができる。
【実施例２】
【００１１】
図４は、本発明の第２の実施例を示す永久磁石形電動機の固定子の正断面図である。
図において、２３は樹脂部材である。
第２実施例は、第１実施例と同様に、軟磁性粉末成形材１３は表面に絶縁皮膜をもつ個々の鉄紛を樹脂で成形することにより、集中巻コイル１５の中央に位置する穴部１５ａに隙間なく嵌合する形状を構成している点、軟磁性粉末成形材１３が、集中巻コイル１５と径方向に同等の厚みを持つ点は同じである。
異なる点は、軟磁性粉末成形材１３を嵌合してなる集中巻コイル１５の外面を固定子鉄心１４の内面に密着した際に、円周方向に重なることのないように樹脂部材２３により保持さした点である。
第２実施例は、上記構成にしたので、集中巻コイルの中央に位置する穴部に嵌合する軟磁性粉末成形材が磁路の一部となり、スロットワインディングタイプの電動機と同等のギャップ磁束密度を得ることができ、高トルクで低損失の永久磁石形電動機を提供することができる。また、通常のスロットレスワインディングタイプの電動機と同等に簡易な構造で、同様な製造法を用いるため安価な電動機を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明の電動機は、人型ロボットの指関節等、小型で高トルクを要求される減速機付き電動機に供するものである。限られたスペースを有効に活用するため、センサレス駆動とし、位置検出に要するべきスペースをトルク増大のためのスペースに用いている。必用に応じて、位置推定によるフィードバック制御によるセンサレス駆動を行うこともあるが、本実施例では、電気角１５０°通電の矩形波駆動とし、１２ステップを周期とするシーケンシャル駆動を用いて駆動する。
また、本実施例の電動機は、負荷側に図示しない２段のハーモニック減速機を備え、１５００：１の減速を行っているため、出力軸の１回転に対し最低でも３６０００ステップの位置決めが可能であり、電動機単体の最大トルクを効率低下を含め５００倍以上に増大できる。
さらに、本発明の電動機は、トルクの増大と損失の低減に貢献するが、逆にコギングトルクが増大し易く、これは駆動状態におけるトルクリップルを増大させる。これに対しては、通常の使用状態における電動機の回転速度を毎分１００００回転以上に設定することで、トルクリップルを平滑することができる。そのことから、本発明は、通常の電動機としてもトルクの増大と損失の低減に有効であるが、高減速の減速機付き電動機とした場合、欠点が解消されその有用性が顕著となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例を示す永久磁石形電動機の側断面図、
【図２】図１のＡ‐Ａ線に沿う正断面図、
【図３】本実施例の永久磁石形電動機に用いる固定子の組立手順を説明するための斜視図、
【図４】本発明の第２の実施例を示す永久磁石形電動機の固定子の正断面図、
【図５】従来のスロットレスワインディングタイプの永久磁石形電動機の正断面図
【符号の説明】
【００１４】
１  軟磁性層
２  集中巻コイル
３  固定子鉄心
４  永久磁石
５  ロータヨーク
６  絶縁層
７  空隙
１１  固定子
１２  回転子
１３  軟磁性粉末成形材
１４  固定子鉄心
１５  集中巻コイル
１５ａ  穴部
１６  負荷側プレート
１７  反負荷側プレート
１８  コイル結線部
１９  フレーム
２０  軸受け
２１  界磁用磁石
２２  シャフト
２３  樹脂部材
【図１】
0004771278.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004771278.tif 000005
【図５】
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