(57)【要約】【課題】  永久磁石の磁束を有効に利用することができるとともに、鉄損、一次銅損等を低減し、同一トルク発生時の効率を向上することができ、また、磁石の渦電流によるジュール損、ジュール熱の発生を抑制することができる永久磁石モータを提供する。【解決手段】  径方向に突出した複数個のティース部１０５を有し、ティース部１０５それぞれにコイルを装着した一次側ユニット１０４、一次側ユニット１０４の中心軸と同軸にあり、ティース部１０５の周面に面して周方向に所定ピッチで配列された磁界を形成する複数個の永久磁石１０２を有する二次側ユニット１０１を備え、永久磁石１０２が形成する磁石極数とティース部１０５の数との比が４：３のモータにおいて、ティース部１０５の内周面における周方向幅が、上記所定ピッチよりも小さくなるようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向に突出した複数個のティース部を有し、上記ティース部それぞれにコイルを装着した一次側ユニット、上記一次側ユニットの中心軸と同軸にあり、上記ティース部の周面に面して周方向に所定ピッチで配列され、磁界を形成する複数個の永久磁石を有する二次側ユニットを備え、上記永久磁石が形成する磁石極数と上記ティース部の数との比が４：３のモータにおいて、
上記ティース部の周面における周方向幅が、上記所定ピッチよりも小さいことを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項２】
径方向に突出した複数個のティース部を有し、上記ティース部それぞれにコイルを装着した一次側ユニット、上記一次側ユニットの中心軸と同軸にあり、上記ティース部の周面に面して周方向に所定ピッチで配列され、磁界を形成する複数個の永久磁石を有する二次側ユニットを備え、上記永久磁石が形成する磁石極数と上記ティース部の数との比が４：３のモータにおいて、
上記永久磁石の隣り合うもの同士の間に空隙が設けられ、上記ティース部の周面における周方向幅が、上記永久磁石の周方向幅と同程度以下であることを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項３】
上記永久磁石に、電気抵抗の高いボンド磁石、またはフェライト磁石を用いたことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石モータ。
【請求項４】
上記永久磁石を上記中心軸方向において複数に分割して相互に絶縁したことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石モータに関するものであり、詳細には、磁石の磁束を有効に利用することができる永久磁石モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石モータは、ロータコアの外周面の周方向に永久磁石を配列し、固定したロータと、バックコアから径方向に突出したティース部にコイルを巻線してなる円筒状のステータとを備え、ステータの内部に適切なギャップを介してロータを配設したものがある。
【０００３】
磁石極数（永久磁石の数）とティース部の数の比が４：３の永久磁石モータでは、永久磁石が発生する磁束を効率よく使うために、ステータ内周面でのティース部幅を、永久磁石の配列ピッチ幅にほぼ等しくし、さらに、ロータ表面の磁束をステータのバックコア部に通すバイパス磁路（ＢＰＴ）をそれぞれのティース部間に配置して、トルク発生に有害な磁束の影響を抑えている。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３４９９０号公報（第４−７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のような永久磁石モータにあっては、バイパス磁路を設けているため、各ティース部幅（内周面ではなくコイルの巻かれている部分）、バックヨーク幅、あるいはコイル面積を、バイパス磁路の分だけ小さくする必要がある。
【０００６】
ティース幅、バックヨーク幅を狭くすると磁路断面積が小さくなり磁気飽和しやすくなり鉄損増加、トルク低下の原因となるという問題がある。
【０００７】
また、コイル面積を小さくすると、巻数が同じ場合はコイル抵抗が大きくなり一次銅損が増加するという問題がある。
【０００８】
一方、コイル断面積を変えない場合は巻数が減少して発生トルクが下がり、また、磁石内部に流れる渦電流のためジュール損、ジュール熱発生が起こり、これらすべては、同一トルク発生時における効率低下の原因となるという問題がある。
【０００９】
この発明は、上記のような問題を解決するものであり、永久磁石の磁束を有効に利用することができるとともに、鉄損、一次銅損等を低減し、同一トルク発生時の効率を向上することができ、また、磁石の渦電流によるジュール損、ジュール熱の発生を抑制することができる永久磁石モータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る永久磁石モータは、径方向に突出した複数個のティース部を有し、上記ティース部それぞれにコイルを装着した一次側ユニット、上記一次側ユニットの中心軸と同軸にあり、上記ティース部の周面に面して周方向に所定ピッチで配列され、磁界を形成する複数個の永久磁石を有する二次側ユニットを備え、上記永久磁石が形成する磁石極数と上記ティース部の数との比が４：３のモータにおいて、
上記ティース部の周面における周方向幅が、上記所定ピッチよりも小さいものである。
【００１１】
また、径方向に突出した複数個のティース部を有し、上記ティース部それぞれにコイルを装着した一次側ユニット、上記一次側ユニットの中心軸と同軸にあり、上記ティース部の周面に面して周方向に所定ピッチで配列され、磁界を形成する複数個の永久磁石を有する二次側ユニットを備え、上記永久磁石が形成する磁石極数と上記ティース部の数との比が４：３のモータにおいて、
上記永久磁石の隣り合うもの同士の間に空隙が設けられ、上記ティース部の周面における周方向幅が、上記永久磁石の周方向幅と同程度以下であるものである。
【発明の効果】
【００１２】
上記この発明に係る永久磁石モータによれば、永久磁石の漏れ磁束を低減して、バイパス磁路を設けることなく永久磁石の磁束利用効率を向上させることができるとともに、ティース部間の空間を有効に利用してモータの効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態１を示す断面図である。同図に示したように、この実施の形態１の永久磁石モータは、二次側ユニット１０１と、一次側ユニット１０４とを備え、二次側ユニット１０１または一次側ユニット１０４のいずれか一方が回転できるように構成されている。
【００１４】
二次側ユニット１０１は、二次側コア１０３と、二次側コア１０３の外周の周方向に所定ピッチで配列し、固定された複数個の永久磁石１０２とを備え、二次側コア１０３は永久磁石１０２が発生する磁界の界磁磁束の磁路も兼ねている。永久磁石１０２は、例えば、Ｎｄ（ネオジウム）系の焼結磁石を採用する。同図では、二次側ユニット１０１は、１２極に磁化されている。
【００１５】
一次側ユニット１０４は、コアバック１０６と、コアバック１０６から径方向に突出したティース部１０５と、各ティース部１０５に集中的に巻線され、装着されたコイル１０７とを備えている。ティース部１０５は全周で９個、均等に配置されており、コイル１０７は、（Ｕ、−Ｕ）バー、（Ｗ、−Ｗ）バー、（Ｖ、−Ｖ）バーで一つの巻線を構成し、ティース部１０５の１個が１相となっている。これが反時計回りに（Ｕ、−Ｕ）バー、（Ｗ、−Ｗ）バー、（Ｖ、−Ｖ）バーの順で３組配置されている。ここで、内周面でのティース幅をθｔとし、永久磁石１０２の配列ピッチをθｍとする。
【００１６】
参考のために従来の一例を図２に示す。図１と同様に、永久磁石モータは、二次側ユニット２０１と、一次側ユニット２０４とを備えている。
【００１７】
二次側ユニット２０１は、二次側コア２０３と、二次側コア２０３の外周の周方向に措定ピッチで配列し、固定された複数個の永久磁石２０２とを備え、二次側コア２０３は永久磁石２０２が発生する界磁磁束の磁路も兼ねている。
【００１８】
一次側ユニット２０４は、コアバック２０６と、コアバック２０６から径方向に突出したティース部２０５と、各ティース部２０５に集中的に巻線されたコイル２０７と、バイパス磁路２０８とを備えている。内周面でのティース幅をθｔ、永久磁石２０２の配列ピッチをθｍとしている。
【００１９】
バイパス磁路２０８は、各ティース部２０５間に配置されており、バイパス磁路２０８に巻線はなされていない。ただし、図１が磁石数：ティース数＝１２：９であるのに対して、図２では磁石数：ティース部数＝８：６となっている。これは磁石数：ティース部数の比が４：３と同じで、繰り返し数が異なるだけである。
【００２０】
従来例とこの実施の形態１との大きな違いは、バイパス磁路２０８の有無とθｔ、θｍの比である。この実施の形態１（図１）では、バイパス磁路２０８は存在せず、この結果、隣接したティース部１０５間に空間が生じる。図１では空間のままとして描いているが、この空間をティース部１０５の幅、コアバック１０６の厚さ、コイル１０７の面積の増加等に有効に使用することで、鉄損や一次銅損を減少させることができる。
【００２１】
一方、θｔ、θｍの関係は、従来例がθｔ≒θｍであるのに対して、この実施の形態ではθｔ＜θｍとなっている。θｔは一次側ユニットの構造（ティース幅、コアバック厚など）、二次側ユニットの構造（磁石の幅、厚さ及び配置など）、ギャップ（二次側ユニットの外径と一次側ユニットの内径との差）などによって最適値が決まり、このときトルクが最大となる。
【００２２】
図３は、電磁界解析を用いて計算したティース部１０５の内周面でのティース幅と鎖交磁束との関係を示す図である。電磁界解析のモデルは、図１に示したバイパス磁路の無い構造の永久磁石モータであり、このモータを無負荷で回転させた時にコイルに鎖交する磁束を求めたものである。この場合のコイル鎖交磁束には、次式（１）のような関係があり、コイル鎖交磁束は、永久磁石１０２が同じ場合は巻線係数（磁石磁束の利用効率係数）と同等である。
（コイル鎖交磁束）∝（巻線係数）×（磁石磁束）      （１）
【００２３】
図３において、ティース部１０５の内周面でのティース幅（横軸）は、回転中心軸を中心とした電気角で示している。この場合、永久磁石１０２の配列ピッチは１８０°である。内周面でのティース幅を１８０°より小さくしていくと、鎖交磁束は次第に大きくなり、１５０°付近でピークをもつことが判る。つまり、従来例のバイパス磁路を有する例では、巻線係数を最大にすることができる内周面のティース幅が１８０°で、磁石ピッチと同じであるのに対して、この実施の形態１では、内周面のティース幅を１５０°とし、磁石ピッチ１８０°よりも小さくすることによって巻線係数を最大にすることができることが分かる。
【００２４】
以上のように、内周面でのティース幅を、磁石ピッチよりも小さくすることによって巻線係数を最大にすることができるとともに、バイパス磁路の無い、空間をティース幅、コアバック厚、コイル面積の増加等に使用することで、鉄損や一次銅損を減少させることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図４は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態２を示す断面図、図５は、ギャップ部分の拡大図であり、等価回路とともに示している。図５では、簡単のために、ティースの内周面を直線で描いている。
【００２６】
上記実施の形態１（図１）との相違は、永久磁石１０２が１極ごとに分離しており、隣り合う永久磁石１０２同士の間に空隙があること、内周面でのティース幅θｔが、磁石幅θｍａｇよりも小さいことである。永久磁石１０２間の空隙が狭いと、図５中に示した等価回路の漏れ磁束Φ１、Φ２の和とティース部１０５の磁束Φ３の比は、ＲｔとＲg３の比でおおまかなところ決まっていたが、永久磁石１０２間の空隙が広くなりＲg３が大きくなると、Ｒｔと（Ｒｇ１＋Ｒg２）の比で決まるようになる。従って、Ｒg１は内周面のティース幅θｔに強く依存しており、後述の図６の説明のように、磁石幅θｍａｇと同程度以下でΦ３が最大となる。
【００２７】
図６は、図５に示した隣り合う永久磁石１０２同士の間に空隙がある場合の鎖交磁束の計算結果を示す図である。図６に示されているように、磁石幅１４６°に対して、内周面でのティース幅を１４０°とする、すなわち、内周面でのティース幅を磁石幅と同程度以下とすることによって、巻線係数（鎖交磁束密度）を最大にすることができる。
【００２８】
以上のように、１極毎に空隙を設け、永久磁石１０２を分離して配置し、内周面のティース幅を磁石幅と同程度以下とすることによって巻線係数を最大にすることができるとともに、バイパス磁路の無い、空間をティース幅、コアバック厚、コイル面積の増加等に使用することで、鉄損や一次銅損を減少させることができる。
【００２９】
実施の形態３．
この実施の形態３では、図4と同様、隣り合う永久磁石１０２同士の間に空隙がある構成でロータ外径を変化させてギャップ（（一次側ユニットの内径−二次側ユニットの外径）／２）を１．６５ｍｍから３．３８ｍｍ、４．２９ｍｍと広くした場合の鎖交磁束が最大になる内周面でのティース幅を求めたものである。
【００３０】
図７は、この鎖交磁束が最大になる内周面でのティース幅をギャップの関数として示したものである。ギャップを大きくしていくと、ティース幅は大きくなっていくことが判る。これは、ギャップが大きくなったことで、図５に示したＲｇ２が大きくなりＲｇ１が小さくても（Ｒｇ１＋Ｒｇ２）が大きくなるためである。逆に、ギャップが小さい場合には、内周面でのティース幅がより小さくなる。ギャップを大きくしていった場合、内周面でのティース幅は磁石幅に漸近する。
【００３１】
実施の形態４．
実施の形態１及び２の構成のモータで永久磁石１０２に、電気抵抗の高いボンド磁石あるいはフェライト磁石を用いる。Ｎｄ（ネオジウム）系の焼結磁石に比較して、ボンド磁石は１００倍以上、フェライト磁石は１０８以上高抵抗であり、永久磁石１０２に、ボンド磁石あるいはフェライト磁石を用いることによって永久磁石１０２に流れる渦電流を抑制し、ジュール損、ジュール熱の発生を抑制することができる。
【００３２】
実施の形態５．
図８は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態５を示す断面図である。同図において、一次側ユニットは図示していないが、図１と同じ構成である。
【００３３】
図８に示したように、この実施の形態５では、永久磁石モータの永久磁石１０２を軸方向に分割線１０８で分割している。
【００３４】
このように、永久磁石１０２を軸方向において分割して相互に絶縁することによって、渦電流によるジュール損、ジュール熱の発生を低減することができる。
【００３５】
図８では４分割しているが、分割数が多いほどその効果は大きくなる。分割方向は、円周方向において分割しても効果があり、円周方向と軸方向の両方向において分割してもよい。また、分割線１０８に絶縁物を挟んでもよい。
【００３６】
なお、上記実施の形態１乃至５では、二次側ユニットの外側に一次側ユニットを配置する例を示したが、二次側ユニットの内側に一次側ユニットを配置することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
この発明に係る永久磁石モータは、工作機械の位置決め装置等に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明に係る永久磁石モータの実施の形態１を示す断面図である。
【図２】従来の永久磁石モータの一例を示す断面図である。
【図３】電磁界解析を用いて計算したティース部の内周面でのティース幅と鎖交磁束との関係を示す図である。
【図４】この発明に係る永久磁石モータの実施の形態２を示す断面図である。
【図５】図４におけるギャップ部分の拡大図である。
【図６】図５の隣り合う永久磁石同士の間に空隙がある場合の鎖交磁束の計算結果を示す図である。
【図７】ギャップを変化させた場合の鎖交磁束が最大になる内周面でのティース幅を求めた図である。
【図８】この発明に係る永久磁石モータの実施の形態５を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１  二次側ユニット、１０２  永久磁石、１０３  二次側コア、
１０４  一次側ユニット、１０５ティース部、１０６  コアバック、１０７  コイル、
１０８  分割線。
【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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