(57)【要約】【課題】トルクの増大に有利に働く同期電動機を提供する。【解決手段】ステータは、凸形状の複数の第１ステータ極歯１０を持つ第１ステータコア７と、凸形状の複数の第２ステータ極歯１１を持つ第２ステータコア８と、これらを接続する連結コア９とを有する。第１ステータ極歯１０の間の凹部には、第２ステータ極歯１１に軸方向に接続された第２ステータ補助極歯１３が挿通され、第２ステータ極歯１１の間の凹部には、第１ステータ極歯１０に軸方向に接続された第２ステータ補助極歯１２が挿通される。連結コア９には、軸方向に起磁力が発生するように巻線が巻装される。【選択図】図１
2005110414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周方向にＮ極とＳ極とが交互に、かつ、ほぼ等間隔に配置された磁石を持つロータと、
前記磁石に対向するとともに前記磁石のＮ極またはＳ極の配置間隔に対応した間隔で配置された凸形状の複数の第１ステータ極歯を持つ第１ステータコアと、
前記磁石に対向するとともに前記磁石のＮ極またはＳ極の配置間隔に対応した間隔で配置された凸形状の複数の第２ステータ極歯を持つ第２ステータコアと、
前記第１ステータコアと前記第２ステータコアとの間に配置され、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアとを軸方向に接続する連結コアと、
前記第１ステータ極歯に軸方向に接続された磁路であって、隣り合う前記第２ステータ極歯の間の凹部に挿通された第１ステータ補助極歯と、
前記第２ステータ極歯に軸方向に接続された磁路であって、隣り合う前記第１ステータ極歯の間の凹部に挿通された第２ステータ補助極歯と、
前記連結コアに巻装され、軸方向に起磁力を発生させる巻線と、
を備えることを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
請求項１に記載の同期電動機であって、
前記第１ステータ極歯と前記第１ステータ補助極歯とを囲うように巻装され、前記第１ステータ極歯と前記第２ステータ補助極歯との間に、かつ前記第１ステータ補助極歯と前記第２ステータ極歯との間に配置された補助巻線、または、前記第２ステータ極歯と前記第２ステータ補助極歯とを囲うように巻装され、前記第２ステータ極歯と前記第１ステータ補助極歯との間に、かつ前記第２ステータ補助極歯と前記第１ステータ極歯との間に配置された補助巻線を備えることを特徴とする同期電動機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の同期電動機であって、
前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアは、径方向に方向性を有する方向性磁性鋼板によって構成され、
前記連結コアは、軸方向に方向性を有する方向性磁性鋼板によって構成されることを特徴とする同期電動機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の同期電動機であって、
前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアが円周方向について等間隔に（３×ｐ）個に分割されたものであって、前記第１ステータ極歯および前記第２ステータ極歯の各々の数がｍであるとき、前記ロータに配置された磁極の数が、２×（ｍ−ｐ）または２×（ｍ＋ｐ）であることを特徴とする同期電動機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の同期電動機であって、
前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアは、前記ロータの外周を囲うように設けられ、
前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアの周囲に非磁性の熱伝導性材料によって構成された冷却用スリーブを備え、
前記巻線は、前記冷却用スリーブに当接することを特徴とする同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機に関し、特に、そのステータの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の工作機械においては、加工工程の結合による効率化および設備機械台数削減を目的として、１台の機械で様々な加工を行う複合加工旋盤や、５軸マシニングセンタが注目されている。これら機械に共通して見られる傾向は、直線移動軸に加えて回転駆動軸を備えることであり、加工対象と工具の位置関係を直線座標のみならず、回転座標上でも制御することにより、効率的な曲面加工や斜面加工を実現している。
【０００３】
上記の複合加工旋盤や５軸マシニングセンタの回転機構部の制御は、従来、一般的にはウォーム・ホイール等の減速機を用いてサーボモータにより行われていた。しかしながら、減速機構を用いると、ギアのバックラッシュ等の影響により位置決め精度が悪化し、高精度な加工を行うことができない。また、減速機構の駆動剛性が低いために、重切削を行うと、回転機構部が振動を誘発してしまうため効率のよい切削加工を行うことができない。
【０００４】
これらの欠点を解消するべく、最近では回転機構部を低速大トルクのモータによって減速機を使用せずに直接駆動する方式が使用される傾向にある。なお、これら用途に使用される低速大トルクのモータは、ダイレクトドライブモータと称される。このダイレクトドライブモータに適したモータとして、小型で大トルクを指向したモータの一例を図６に示す。図６のモータでは、ステータに複数の凹凸による極歯１を設けるとともに、ロータに小さな磁石２を多数埋め込むことによって、高い磁束密度を実現し、トルクを向上させている。また、複数の極歯１の各々に対して巻線を巻くのではなく、複数の極歯１をまとめて１つの磁極とし、１つの巻線４で複数の極歯１を励磁することによって、巻線数を削減し、巻線抵抗によって発生する銅損を低減させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２１９９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ダイレクトドライブモータにおいては、上述のバックラッシュや駆動剛性の問題は解決されるが、減速機とサーボモータとの組み合わせに比較してトルクが小さいという問題がある。
【０００７】
本発明は、トルクの増大に関して有利に働く同期電動機を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る同期電動機は、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に、かつ、ほぼ等間隔に配置された磁石を持つロータと、前記磁石に対向するとともに前記磁石のＮ極またはＳ極の配置間隔に対応した間隔で配置された凸形状の複数の第１ステータ極歯を持つ第１ステータコアと、前記磁石に対向するとともに前記磁石のＮ極またはＳ極の配置間隔に対応した間隔で配置された凸形状の複数の第２ステータ極歯を持つ第２ステータコアと、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアとの間に配置され、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアとを軸方向に接続する連結コアと、前記第１ステータ極歯に軸方向に接続された磁路であって、隣り合う前記第２ステータ極歯の間の凹部に挿通された第１ステータ補助極歯と、前記第２ステータ極歯に軸方向に接続された磁路であって、隣り合う前記第１ステータ極歯の間の凹部に挿通された第２ステータ補助極歯と、前記連結コアに巻装され、軸方向に起磁力を発生させる巻線と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
さらに、同期電動機は、前記第１ステータ極歯と前記第１ステータ補助極歯とを囲うように巻装され、前記第１ステータ極歯と前記第２ステータ補助極歯との間に、かつ前記第１ステータ補助極歯と前記第２ステータ極歯との間に配置された補助巻線、または、前記第２ステータ極歯と前記第２ステータ補助極歯とを囲うように巻装され、前記第２ステータ極歯と前記第１ステータ補助極歯との間に、かつ前記第２ステータ補助極歯と前記第１ステータ極歯との間に配置された補助巻線を備えてもよい。
【００１０】
さらに、前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアは、径方向に方向性を有する方向性磁性鋼板によって構成され、前記連結コアは、軸方向に方向性を有する方向性磁性鋼板によって構成されることができる。
【００１１】
さらに、前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアが円周方向について等間隔に（３×ｐ）個に分割されたものであって、前記第１ステータ極歯および前記第２ステータ極歯の各々の数がｍであるとき、前記ロータに配置された磁極の数が、２×（ｍ−ｐ）または２×（ｍ＋ｐ）であることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアは、前記ロータの外周を囲うように設けられ、前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアの周囲に非磁性の熱伝導性材料によって構成された冷却用スリーブを備え、前記巻線は、前記冷却用スリーブに当接することとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
隣り合う第１ステータ極歯の間に形成された凹部に第２ステータ補助極歯が挿通され、隣り合う第２ステータ極歯の間に形成された凹部に第１ステータ補助極歯が挿通されるので、空間を有効に利用することができる。この結果、トルクの増大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る同期電動機のステータの外観図である。また、図２は、本実施の形態に係る同期電動機のロータの外観図である。図２において、ロータの周囲には磁石１５がN極とS極とが交互になるよう配置されている。本実施の形態では、円筒状のロータの外周に磁石１５が配置されている。図１において、ステータは、軸方向に積み重ねられた第１ステータコア７と第２ステータコア８とを備える。本実施の形態では、第１ステータコアおよび第２ステータコアの各々は円周方向に６等分に分割され、極対数が２、ポール数が４のステータが構成されている。図示していないが、第１ステータコア７と第２ステータコア８との間には、それらを互いに軸方向に接続する６個の連結コア９が配置されている。連結コア９の周囲には、軸方向周りに巻線１４が巻装されている。
【００１６】
ここで、第１ステータコア７および第２ステータコア８は、薄い電磁鋼板が円周方向または軸方向に積層されてなり、連結コア９は、薄い電磁鋼板が径方向または円周方向に積層されてなる。ただし、これらのコアの構成は、これに限定されない。
【００１７】
第１ステータコア７は、内周面に複数の第１ステータ極歯１０を備えており、同様に、第２ステータコア８は、内周面に複数の第２ステータ極歯１１を備えている。本実施の形態では、第１ステータ極歯１０および第２ステータ極歯１１は、それぞれ２４個であり、後述する第１ステータ補助極歯１２および第２ステータ補助極歯１３と合わせて４８極の小さな磁極を構成している。これに対して、ロータの周囲に設けられた磁石１５は、本実施の形態では４４極となるよう配置されており、ステータ側の４８極との間でバーニア効果を生じさせている。ここで、第１ステータ極歯１０もしくは第２ステータ極歯１１の数をｍとし、極対数をｐとしたとき、磁石１５の数を２×（ｍ−ｐ）または２×（ｍ＋ｐ）とすることによってバーニア効果が生じる。ただし、第１ステータ極歯１０、第２ステータ極歯１１、および磁石１５の各々の数や数の関係は、上記以外であってもよい。例えば、磁石１５は４８個であってもよい。
【００１８】
次に、補助極歯の構成方法および連結コアの組み付け方法について説明する。図３は、本実施の形態における第２ステータコア８、第２ステータ補助極歯１３、および連結コア９を示す構造図である。第２ステータ極歯１１には、第２ステータ補助極歯１３が軸方向に接続されており、第２ステータ極歯１１から軸方向に磁束が流入した結果、第２ステータ補助極歯１３は第２ステータ極歯１１と一体の磁極として機能する。図１に示されるとおり、第２ステータ補助極歯１３は、互いに隣り合う第１ステータ極歯１０の間に形成された凹部に挿通される。図３には図示されていないが、同様に、第１ステータ極歯１０には第１ステータ補助極歯１２が接続されており、第１ステータ補助極歯１２は、隣り合う第２ステータ極歯１１の中間の凹部に位置する。第１ステータ極歯１０および第１ステータ補助極歯１２は、第２ステータ極歯１１および第２ステータ補助極歯１３と逆方向に励磁された一体の磁極として機能する。
【００１９】
第２ステータコア８には、軸方向に開口した一以上の取り付け穴部１６が設けられている。図には示されていないが、同様に、第１ステータコア７にも取り付け穴部１６が設けられている。一方、連結コア９は、一以上の取り付け突起部１７を双方向に有する。双方向の取り付け突起部１７は、それぞれ第１ステータコア７および第２ステータコア８の取り付け穴部１６に差し込まれる。これにより、第１ステータコア７および第２ステータコア８と連結コア９とが結合し、第１ステータコア７と第２ステータコア８とが連結コア９により軸方向に接続される。
【００２０】
上述した極歯１０、１１ならびに補助極歯１２、１３の動作を図４を用いて詳細に説明する。図４は本実施の形態のステータの一部を切り取って図示した極歯部分の斜視図である。図中の第１ステータコア７と第２ステータコア８の間には連結コア９が配置されており、連結コア９の周囲には巻線４が紙面上下方向の磁束を発生するよう巻装されている。今、巻線４に上方向に磁束を発生するような電流を通電すると、第１ステータ極歯１０では極歯からロータへ流出する磁束が発生し、同時に第１ステータ補助極歯１２からもロータへ流出する磁束が発生する。逆に第２ステータ極歯１１および第２ステータ補助極歯１３ではロータから極歯へ流入する磁束が発生する。これら極歯によって発生する磁束は、ロータ表面に配置された磁石１５の間隔にほぼ等しい間隔で反転する磁界を構成し、ロータとの間でトルクを発生させる。
【００２１】
なお、第１ステータ極歯１０、第２ステータ極歯１１、第１ステータ補助極歯１２、第２ステータ補助極歯１３は本実施の形態において等間隔に配置されているが、これらの間隔を不均一とすることによって、発生トルクのリップルを小さくすることができる。
【００２２】
以上のとおり、本実施の形態によれば、隣り合う第１ステータ極歯１０の間に形成された凹部に第２ステータ補助極歯１３が挿通され、隣り合う第２ステータ極歯１１の間に形成された凹部に第１ステータ補助極歯１２が挿通されるので、空間を有効に利用することができる。この結果、トルクの増大を図ることができる。
【００２３】
また、巻線１４が同期電動機本体の外周部に露出しているので、巻線１４の冷却が容易になる。例えば、本実施の形態に係る同期電動機の全体を熱伝導性の高いアルミニウム等で構成された冷却スリーブの中に実装し、巻線１４のうち外周に露出した部分を冷却スリーブに密着させることとすれば、簡易な構成で効果的に巻線１４の発熱を冷却することができる。
【００２４】
また、連結コア９が第１ステータコア７または第２ステータコア８の内部に入り込むので、連結コア９と第１ステータコア７または第２ステータコア８との間で磁束が通りやすくなる。ただし、連結コア９と第１ステータコア７または第２ステータコア８とを結合する構造は、本実施の形態のものに限定されない。
【００２５】
第１ステータコア７と第２ステータコア８、その両者を接続する連結コア９の内部に生じる磁束は、ロータが回転しても常に同一の方向であるため、これらのコアの磁性材料として方向性珪素鋼板を使用することによって最大磁束密度を高く設定することができ、発生トルクを増大させることができる。
【００２６】
具体的には、本実施の形態において、第１ステータコア７および第２ステータコア８の内部には、主に径方向の磁束が発生する。従って、これらのコアを構成する磁性材料として、径方向に良好な特性を持つ方向性珪素鋼板を使用することができる。また、連結コア９の内部にも主に軸方向の磁束が発生するため、連結コア９の磁性材料として、軸方向に良好な特性を持つ方向性珪素鋼板を使用することができる。その結果、一般的に回転モータに利用される無方向性珪素鋼板に比べて、最大磁束密度を１０％程度高くして使用することができるため、発生トルクを大きくすることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図１において、例えば第１ステータ極歯１０と第２ステータ補助極歯１３は近接した位置に配置されており、互いに逆極性に励磁されている。このため、両者の間を短絡して鎖交する磁束が発生しやすく、この短絡磁束はロータ表面の磁石を鎖交しないため、トルク発生に寄与しない。従って、短絡磁束が発生すると発生トルクが減少する。この問題は、本実施の形態に係る同期電動機により解決される。図５は、本実施の形態に係る同期電動機のステータの外観図である。なお、本実施の形態に係る同期電動機は、第１の実施の形態に係るものとほとんど同じであるので、重複する部分については、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
【００２８】
図５に示されるとおり、本実施の形態のステータは、例えば第１ステータ極歯１０および第１ステータ補助極歯１２が一体となって構成する磁極部分に対して、径方向に磁束が発生するように巻装された補助巻線１８を備えている。ここで、補助巻線１８は、巻線１４と直列接続して、それぞれ同一の電流を通電することにより、上述した短絡磁束の発生を抑えることができる。なお、補助巻線１８の巻数は巻線１４に比較して少なくてよいので、補助巻線１８による発熱は十分に小さい。また、本実施の形態のように第１ステータ極歯１０および第１ステータ補助極歯１２に補助巻線１８を巻装した場合は、第２ステータ極歯１１および第２ステータ補助極歯１３によって構成される磁極には巻線を施す必要はない。
【００２９】
以上のとおり、本実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
【００３０】
例えば、複数の第１ステータ極歯と、その凹部に配置された第２ステータ補助極歯は互いに逆極性に起磁力が働いており、かつ近接して配置されるため、これらの間を短絡する磁束が発生しやすい。このように短絡磁束が発生すると、本来は極歯からロータ表面の磁石に鎖交していた磁束が減少するためトルクが低下する。本実施の形態によれば、第１ステータ極歯と第２ステータ補助極歯との間に補助巻線を設けるので、それぞれの極歯を本来あるべき起磁力に励磁することによって短絡磁束の発生を抑えることができる。この結果、発生トルクの増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施の形態に係る同期電動機のステータの外観図である。
【図２】第１の実施の形態に係る同期電動機のロータの外観図である。
【図３】第１の実施の形態に係る同期電動機の第２ステータコア、第２ステータ補助極歯、および連結コアを示す構造図である。
【図４】第１の実施の形態に係る同期電動機のステータ極歯部分の動作を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る同期電動機のステータの外観図である。
【図６】従来技術によるダイレクトドライブモータの構造図の一例である。
【符号の説明】
【００３２】
７  第１ステータコア、８  第２ステータコア、９  連結コア、１０  第１ステータ極歯、１１  第２ステータ極歯、１２  第１ステータ補助極歯、１３  第２ステータ補助極歯、１４  巻線、１５  磁石、１６  取り付け穴部、１７  取り付け突起部、１８  補助巻線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
2005110414.tif 000007
【図４】
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