(57)【要約】【課題】回転子の体積を有効に利用することにより、最大トルクを得ることができる回転電機を提供する。【解決手段】永久磁石１３が装着されたロータ１０と、それぞれロータ１０に対向して突設したティース１４を有し、互いのティース１４の位相を所定の略機械角θｍ分ずらして配置した２個のステータ１１，１２とを有する。永久磁石１３を、埋込磁石型に、且つ、一方のステータに対向する部分が凹部となるＶ字状又は円弧状に配置し、他方のステータのティース１４を、一方のステータのティース１４に対し、ステータ周方向に略機械角θｍ（θｍ＝（π／４−β）／ｐ［ｒａｄ］（０＜β＜βｍａｘ、β：電流位相角、ｐ：極対数））分ずらして配置し、ロータ１０に、他方のステータ側に突極比を持つように空隙ａを設けた。【選択図】図１
2007202333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が装着された回転子と、
それぞれ前記回転子に対向して突設したティースを有し、互いのティースの位相を所定の略機械角分ずらして配置した２個の固定子と
を有する回転電機。
【請求項２】
前記永久磁石を、埋込磁石型に、且つ、前記一方の固定子に対向する部分が凹部となるＶ字状又は円弧状に配置し、
前記他方の固定子のティースを、前記一方の固定子のティースに対し、固定子周方向に略機械角θｍ（θｍ＝（π／４−β）／ｐ［ｒａｄ］（０＜β＜βｍａｘ、β：電流位相角、ｐ：極対数））分ずらして配置し、
前記回転子に、前記他方の固定子側に突極比を持つように空隙を設けた請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記永久磁石を、表面磁石型に、且つ、前記一方の固定子に対向する面の全域に配置し、
前記他方の固定子のティースを、前記一方の固定子のティースに対し、固定子周方向に略機械角θｍ（θｍ＝（π／４）／ｐ［ｒａｄ］（ｐ：極対数））分ずらして配置し、
前記回転子に、前記他方の固定子側に突極比を持つように空隙を設けた請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
前記２個の固定子の一方に、他方に対し、固定子周方向に沿って回転することができる機構を設けた請求項２に記載の回転電機。
【請求項５】
前記固定子を磁性材料により形成すると共に、対向配置された両ティースに磁束を発生させる電機子コイルを前記固定子の一箇所に設置し、前記電機子コイルの巻回部分から前記両ティース迄磁路を形成した請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項６】
１個の前記回転子と２個の前記固定子がアキシャル方向に対向配置されたアキシャルギャップ型の交流同期モータである請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機に関し、特に、ロータに永久磁石を用いた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロータに永久磁石を用いた回転電機である「永久磁石電動機」（特許文献１参照）が知られている。
図７は、従来の永久磁石電動機の構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の回転子の一部を示す模式図である。図７（ａ）に示すように、固定子（ステータ）１の軸心部に回転子（ロータ）２が回転可能に支持されている。回転子２は円弧状
に形成された４個の永久磁石３を埋め込んでなる回転子鉄心で構成されている。この場合、４個の永久磁石３は円弧状に形成された凸側が回転子２の中心側に向けられ、且つ、Ｎ極とＳ極とが円周方向に交互に並ぶように配設されている。また、永久磁石３の凹側である径方向外側が突極鉄心５になっている。そして、これらが４極電動機を構成している。
【０００３】
即ち、図７（ａ）に示す、永久磁石電動機は、４極の突極鉄心５を有する突極形回転子２と、６個の固定子歯６を有するステータ１とで構成されている。固定子歯６の先端部には回転方向（Ｄｒ）側に突出した磁極片８ａと、反回転方向側に突出した磁極片８ｂとが設けられている。これらの磁極片８ａと磁極片８ｂを比較した場合、径方向で見て磁極片８ｂの厚さが磁極片８ａの厚さよりも大きく形成されている。
【０００４】
このような、永久磁石３を用いたロータ２と、ロータ２の両面にティースを持つステータ１を有する回転電機においては、ステータ１に対向した側のロータ２の磁石配置をステータ１側が凹となるＶ字状に配置することにより、ティースが永久磁石３に対向したときの磁気回路による磁気抵抗（ｄ軸磁気抵抗）と、永久磁石３に対向した位置から電気角９０°ロータ２が回転したときの磁気抵抗（ｑ軸磁気抵抗）の比が大きくなり、永久磁石３によるトルクに加えてリラクタンストルクを利用することができる利点がある。
【特許文献１】特開平１１−０９８７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した、従来の回転子２のティースに対向する側と逆の側は、磁石磁束の短絡のみに使われており（図７（ｂ）、短絡部分ｓ参照）、ロータ２の体積が有効に利用できていなかった。
この発明の目的は、回転子の体積を有効に利用することにより、最大トルクを得ることができる回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、永久磁石が装着された回転子と、それぞれ前記回転子に対向して突設したティースを有し、互いのティースの位相を所定の略機械角分ずらして配置した２個の固定子とを有している。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、回転電機は、永久磁石が装着された回転子と、それぞれ回転子に対向して突設したティースを有する２個の固定子とを有し、２個の固定子は、互いのティースの位相を所定の略機械角分ずらして配置されている。このため、ロータの体積を有効に利用することにより、最大トルクを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施の形態に係る回転電機のロータ回転軸方向に沿う断面で模式的に示す、ロータとステータの部分展開説明図である。図１に示すように、この回転電機は、１個の回転子（ロータ）１０と、ロータ１０を両面側から挟み込むように２個の固定子（ステータ）１１，１２が、アキシャル（軸）方向に対向配置された、例えば、交流同期モータである。
【０００９】
ロータ１０は、円盤状に形成されたロータコア１０ａと、ロータコア１０ａに埋設状態に、周方向に沿って略等間隔離間し並置された複数の永久磁石１３を有しており、各永久磁石１３は、一方のステータ１１に対向する側（ロータ１０Ａ側）が凹部となるように、Ｖ字状（図１参照）或いは円弧状に配置されている。隣接する永久磁石１３は、互いに極性が逆（図１、矢印参照）になっており、各永久磁石１３の凸部側、即ち、ロータ１０の他方のステータ１２に対向する側（ロータ１０Ｂ側）には、ロータ１０Ｂ側に突極比を持つように空隙ａが設けられている。
【００１０】
各ステータ１１（１２）は、円盤状に形成されたステータコア１１ａ（１２ａ）と、ステータコア１１ａ（１２ａ）の周方向に沿い略等間隔離間して並置され、且つ、ロータ１０に向けて突設された複数のティース１４を有している。各ティース１４には、それぞれ電機子巻線を巻回して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１５が形成されている。このコイル１５により、各ティース１４に磁束を発生させる。
また、２個のステータ１１，１２は、位相が所定の機械角θｍ分程ずれるように配置されている（図１参照）。ここで、θｍ＝（π／４−β）／ｐ［ｒａｄ］（０＜β＜βｍａｘ、β：電流位相角、ｐ：極対数）である。そして、ロータ１０Ａ側とロータ１０Ｂ側で略機械角θｍ分ずれて向かい合う、ステータ１１とステータ１２の各ティース１４に、同相の電流が通電される。
【００１１】
図２は、図１のロータとステータにおける磁束発生状態を示し、（ａ）は一方のステータがｄ軸状態の図１と同様の部分展開説明図、（ｂ）は一方のステータがｑ軸状態の図１と同様の部分展開説明図である。図２に示すように、Ｖ字状に配置した各永久磁石１３の凸側のエアギャップ側（ロータ１０Ｂ側）面に対向するステータ１２の、各ティース１４のＶ相について見ると、ステータ１２がｄ軸状態（（ａ）参照）では、磁束が永久磁石１３を横切るため磁気抵抗が最も高い状態になり、ステータ１２がｑ軸状態（（ｂ）参照）では、磁束が永久磁石１３を横切らず磁気抵抗が最も低い状態になる。
【００１２】
このため、ステータ１２がｄ軸状態（（ａ）参照）とｑ軸状態（（ｂ）参照）では、インダクタンスに差ができることになり、蓄えられる磁気エネルギの差からリラクタンストルクを生じさせる。リラクタンストルクが生じることで、ロータ１０が回転駆動される。このリラクタンストルクは、マグネットトルクを最大に発生させる電流の位相角に対して、電気角θをπ／４［ｒａｄ］進めた場合に最大となる。
また、ロータ１０を、永久磁石１３の凹側のエアギャップに対向する側（ロータ１０Ａ側）で見ると、通常の埋込磁石（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）型のモータであり、ある電流位相角βで通電した時に最大トルクを得ることができる。
【００１３】
図３は、ロータのステータ側が埋込磁石型である場合の、（ａ）は電流毎の電気位相角と最大トルクの関係をグラフで示す説明図、（ｂ）は図１と同様のロータの回転軸方向に沿う断面で示すロータとステータの部分展開説明図である。図３に示すように、埋込磁石型モータの場合、ロータ１０の両側（ロータ１０Ａ側及びロータ１０Ｂ側）で対向するティース１４のコイル１５を共用しているため、ロータ１０Ａ側のステータ１１のティース１４を、機械角θｍ分だけずらすことで、電流位相角βの電流Ｉを通電した場合に、ロータ１０Ｂ側で最大トルクを得ることができる。ここで、θｍ＝（π／４−β）／ｐ［ｒａｄ］（０＜β＜βｍａｘ、β：電流位相角、ｐ：極対数）であり、特に、最大トルクを増加させる場合は、β＝βｍａｘとする。
【００１４】
図４は、図１のステータに設けた回転機構の概略説明図である。図４に示すように、２個のステータ１１，１２は、それぞれケース（図示しない）に固定されている。両ステータ１１，１２の間にエアギャップを有して配置されたロータ１０は、一方のステータ（例えばステータ１２）を貫通すると共にベアリング（図示しない）を介して支持された回転軸（シャフト）１６により、自転自在に装着されている。ロータ１０には、永久磁石（図示しない）が埋設されている。
【００１５】
他方のステータ（例えばステータ１１）には、ステータ平面中央に、ステータを周方向に沿って回転することができる、例えば、ボールネジ等の機械的回転機構１７を介して回転操作部１８が設けられている。この回転操作部１８のレバー１８ａを回転操作することで、他方のステータを機械的に回転することができ、例えばステータ１１を、例えばステータ１２の電流位相角βに応じ、機械角θｍ＝（π／４−β）／ｐ［ｒａｄ］だけ機械的に回転させることで、最大のリラクタンストルクを保ちながら運転することができる。
【００１６】
この回転操作部１８によりステータを機械的に回転して、電流位相角βを変更する場合、よく使う電流値Ｉに対応する電流位相角βが、電流毎の電気位相角と最大トルクの関係（図３参照）から求められるので、通電する電流値Ｉに対応する電流位相角βに機械角θｍを合わせ、ストッパ手段で固定する。
【００１７】
図５は、この発明の他の実施の形態に係る回転電機のロータ回転軸方向に沿う断面で示す、ロータとステータの部分展開説明図である。図５に示すように、この例では、各永久磁石１３は、Ｖ字状或いは円弧状ではなく、ステータ１１に対向するロータ平面（ロータ１０Ａ）に露出させると共に、その全域を覆うように平面状に隙間無く並べて配置されている。また、各永久磁石１３の凸部側に設けた空隙ａは、ステータ１２に対向するロータ平面（ロータ１０Ｂ）に露出する矩形状断面の凹部として形成されている。そして、２個のステータ１１、１２の位相ずれ分である機械角θｍが、θｍ＝（π／４）／ｐ［ｒａｄ］（ｐ：極対数）となる。その他の構成及び作用は、図１に示す場合と同様である。
【００１８】
このような構成、つまり、ロータ１０が表面磁石（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ：ＳＰＭ）型構造を有することにより、ロータ１０Ｂ側は突極比がないため、最大トルクを与える電流位相角βは０［ｒａｄ］であり、ロータ１０Ａ側のステータ１１のティース１４を機械角θｍ分だけずらすことで、ロータ１０Ａ側でも最大トルクを得ることができる。また、永久磁石１３の背面は磁束が分岐するため磁束密度の低い部分があるので、その部分に空隙ａを設けることにより、ロータ１０Ｂ側の磁気抵抗を下げることなくロータ１０Ａ側のリラクタンストルクを得ることができる。
【００１９】
つまり、図１に示す埋込磁石（ＩＰＭ）型の場合、ロータ背面（ロータ１０Ｂ）側にインダクタンスの差が出るから、ロータ背面側にステータを対向配置しただけでもリラクタンストルクを得ることができる。これに対し、表面磁石（ＳＰＭ）型の場合、ロータ背面側が段差無く円滑だとリラクタンストルクが得られないので、ロータ背面側に凹部状の空隙ａを設けてロータ面を段差形状（図５参照）にすれば、リラクタンストルクを得ることができる。
【００２０】
図６は、ステータの他の例をロータ回転軸方向に沿う断面で示す説明図である。図６に示すように、この例では、ステータ１９は、ロータ１０の外周に略等間隔離間して配置された複数個のステータ構成体２０からなり、ステータ構成体２０は、ロータ１０の外周側からロータ表裏面の略全域を連続して覆う、横向きコ字状断面を有するように形成されている。
【００２１】
各ステータ構成体２０は、積層コア又は圧粉材等の磁性材料により形成されており、屈曲部２０ａには、屈曲部２０ａの内外周に沿って電機子巻線が巻回されて電機子コイル２１が形成されている。各ステータ構成体２０の屈曲部２０ａ両側の、ロータ１０を挟み込む両側面部２０ｂ，２０ｂは、互いに機械角θｍ分ずらして配置されている。
即ち、各ステータ構成体２０は、ロータ両面側に位置するステータティースに磁束を発生させる電機子コイル２１を、一箇所に設けることにより、コイル巻回部分からロータ両面側に位置するステータティース迄、磁路を形成している。
【００２２】
この結果、ステータ１９はコイルを共通利用できることになって、電機子コイル２１を、対向配置された各ステータティースに分割して巻回する必要がなく、コイル電流の共通利用が可能になるため、銅損の低減及び銅線のコストを低減することができる。
また、各ステータ構成体２０の開口部端面には、ロータ１０の表裏面を貫通する回転軸２２が、ベアリングを介して回転自在に支持されている。ロータ１０には、永久磁石（図示しない）が埋設されている。
【００２３】
このように、この発明によれば、回転電機は、永久磁石が装着された回転子と、それぞれ回転子に対向して突設したティースを有する２個の固定子とを有し、２個の固定子は、互いのティースの位相を所定の略機械角分ずらして配置されているので、ロータの体積を有効に利用することにより、最大トルクを得ることができる。
なお、上記実施の形態において、回転電機は、ロータとステータがアキシャル方向に対向配置されたアキシャルギャップ型について説明したが、アキシャルギャップ型に限るものではなく、ステータとロータの対向面が、回転軸の中心軸方向に対して平行に配置されているラジアルギャップ型にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の一実施の形態に係る回転電機のロータ回転軸方向に沿う断面で模式的に示す、ロータとステータの部分展開説明図である。
【図２】図１のロータとステータにおける磁束発生状態を示し、（ａ）は一方のステータがｄ軸状態の図１と同様の部分展開説明図、（ｂ）は一方のステータがｑ軸状態の図１と同様の部分展開説明図である。
【図３】ロータのステータ側が埋込磁石型である場合の、（ａ）は電流毎の電気位相角と最大トルクの関係をグラフで示す説明図、（ｂ）は図１と同様のロータの回転軸方向に沿う断面で示すロータとステータの部分展開説明図である。
【図４】図１のステータに設けた回転機構の概略説明図である。
【図５】この発明の他の実施の形態に係る回転電機のロータ回転軸方向に沿う断面で示す、ロータとステータの部分展開説明図である。
【図６】ステータの他の例をロータ回転軸方向に沿う断面で示す説明図である。
【図７】従来の永久磁石電動機の構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の回転子の一部を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ロータ
１０ａ  ロータコア
１１，１２，１９  ステータ
１１ａ，１２ａ  ステータコア
１３  永久磁石
１４  ティース
１５  コイル
１６，２２  回転軸
１７  機械的回転機構
１８  回転操作部
１８ａ  レバー
２０  ステータ構成体
２０ａ  屈曲部
２０ｂ  側面部
２１  電機子コイル
ａ  空隙
Ｉ  電流値
θｍ  機械角
β  電流位相角
【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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