(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体の円筒状ヨークの内側に電機子巻線を固定した固定子と、回転軸に固定された鉄心の外側に前記電機子巻線と所定のギャップを介して永久磁石を固定した回転子とからなる永久磁石形モータにおいて、
前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなることを特徴とする永久磁石形モータ。
【請求項２】
磁性体の円筒状ヨークの内側に電機子巻線を固定した固定子と、回転軸に固定された鉄心の外側に前記電機子巻線と所定のギャップを介して永久磁石を固定した回転子とからなる永久磁石形モータにおいて、
前記電機子巻線は、磁性体と導電体を貼り合わせ、外周に絶縁層を有する巻線で構成し、前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなることを特徴とする永久磁石形モータ。
【請求項３】
磁性体の円筒状ヨークの内側に電機子巻線を固定した固定子と、回転軸に固定された鉄心の外側に前記電機子巻線と所定のギャップを介して永久磁石を固定した回転子とからなる永久磁石形モータにおいて、
前記電機子巻線は、軟磁性体と導電体を重ね合わせ、絶縁フィルムで覆った巻線、または、導電体を絶縁フィルムで覆って軟磁性体を貼り合わせた巻線で構成し、前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなることを特徴とする永久磁石形モータ。
【請求項４】
磁性体の円筒状ヨークの内側に電機子巻線を固定した固定子と、回転軸に固定された鉄心の外側に前記電機子巻線と所定のギャップを介して永久磁石を固定した回転子とからなる永久磁石形モータにおいて、  
前記電機子巻線は、導電体を絶縁フィルムで覆った、ギャップ側の巻線の上に、軟磁性体と導電体を重ね合わせて絶縁フィルムで覆った巻線を重ねて構成したことを特徴とする永久磁石形モータ。
【請求項５】
磁性体の円筒状ヨークの内側に電機子巻線を固定した固定子と、回転軸に固定された鉄心の外側に前記電機子巻線と所定のギャップを介して永久磁石を固定した回転子とからなる永久磁石形モータにおいて、  
前記電機子巻線は、導電体を絶縁フィルムで覆った、ギャップ側の巻線の上に、軟磁性体と導電体を重ね合わせて絶縁フィルムで覆った巻線を重ねて構成し、前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなることを特徴とする永久磁石形モータ。
【請求項６】
磁性体の円筒状ヨークの内側に電機子巻線を固定した固定子と、回転軸に固定された鉄心の外側に前記電機子巻線と所定のギャップを介して永久磁石を固定した回転子とからなる永久磁石形モータにおいて、
前記電機子巻線は、導電体を絶縁フィルムで覆った、ギャップ側の巻線の上に、軟磁性体と導電体を重ね合わせて絶縁フィルムで覆った巻線を裏返して重ね、両巻線の接続部分を高さ方向の中央位置で接続して構成したことを特徴とする永久磁石形モータ。
【請求項７】
磁性体の円筒状ヨークの内側に電機子巻線を固定した固定子と、回転軸に固定された鉄心の外側に前記電機子巻線と所定のギャップを介して永久磁石を固定した回転子とからなる永久磁石形モータにおいて、
前記電機子巻線は、導電体を絶縁フィルムで覆った、ギャップ側の巻線の上に、軟磁性体と導電体を重ね合わせて絶縁フィルムで覆った巻線を裏返して重ね、両巻線の接続部分を高さ方向の中央位置で接続して構成し、前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなることを特徴とする永久磁石形モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コギング（回転子１回転中のパーミアンスの変動に基づくトルクむら）を低減した永久磁石形モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サーボモータには例えば、図７に示すような構造がある。図において、１は電機子巻線、３は固定子ヨーク、３ａは固定子ティース（歯）、３ｂはスロット、４は回転子の永久磁石、５は回転子ヨーク、６は回転軸、７はギャップである。固定子ヨーク３は、内コア、外コアをそれぞれ鋼板を打ち抜き、Ｖカシメ等の手段で積厚方向に積層することにより、構成されている。
電機子巻線１は、ボビンにエナメル被覆銅線を巻き付けたものを、別に製作する。電機子全体は、前記固定子ヨーク３のティース３ａに外周側から前記巻線をはめ込みさらに、その外側から外コアをやきばめ等により一体化することで、形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが図７に示す従来の構造では、周方向にスロット３ｂとティース３ａが交互に存在するため、パーミアンスの変動が生じ、本質的にコギングトルク発生の要因をもっている。さらに今後磁石の吸引力が強力になり、磁束密度が増加すれば、ますますコギングトルクは増加する傾向にある。従って高精度な位置決めや、むらのない高精度な回転速度を要求される用途には、適さないという問題がある。
また、電機子巻線を占積率６０〜７０％で、上記スロットに納めるためには、前述のごとく鉄心を分割して、組み立てるというような複雑な方法をとることになり工数がかかる上に、鉄心の特性を劣化させるという問題がある。
また上記問題を解決するため、固定子ヨーク３の鉄心にティース３ａをもたない図８の形を採用する場合がある。しかしこの場合は、磁石起磁力に対して磁気的にはほとんど空気に等しい巻線部分があるため、大きな磁気抵抗が存在することになる。そのため、巻線に鎖交する磁束を図７の形のモータ並にとろうとすると、巻線部分の厚みを薄くするか、強力な厚い磁石が必要になる。しかし、前者の場合は巻線抵抗が増加し、それにつれて銅損が増加する。後者の場合はモータが高価になる一因となる上、現状で実用になるのはエネルギー積で、４５ＭＯｅ程度でまだ満足できる強さの磁石は存在しない。
また、上述のことを避けるため磁石を薄くすると、鎖交磁束が減少し、その分を電機子電流を増やすことで補うことになり、結果的に銅損が増加し、省エネや冷却不足等の問題が生じる。
特開昭６３−２４０３４０号公報には、コイル素線を銅とアルミ等の複数の異種金属のコイル素線で構成し、無鉄心電機子コイルの外形寸法を変更することなく、異なるモータ特性を得ることができる無鉄心電機子コイルが開示されている。
しかしながら、前記公報には、異種金属のコイル素線の使用比率を設定することにより異なるモータ特性を得ることが記載されているだけで、コギングトルクを低減することについては、解決手段は何ら示唆されていない。
そこで、本発明はコギングトルクが小さく、かつ損失も小さく、さらに巻線作業も容易なモータを提供することを目的にする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の永久磁石形モータは、磁性体の円筒状ヨークの内側に電機子巻線を固定した固定子と、回転軸に固定された鉄心の外側に前記電機子巻線と所定のギャップを介して永久磁石を固定した回転子とからなる永久磁石形モータにおいて、（１）前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなること、（２）前記電機子巻線を、磁性体と導電体を貼り合わせ、外周に絶縁層を有する巻線で構成し、前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなること、（３）前記電機子巻線は、軟磁性体と導電体を重ね合わせ、絶縁フィルムで覆った巻線、または、導電体を絶縁フィルムで覆って軟磁性体を貼り合わせた巻線で構成し、前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなること（４）前記電機子巻線は、導電体を絶縁フィルムで覆った、ギャップ側の巻線の上に、軟磁性体と導電体を重ね合わせて絶縁フィルムで覆った巻線を重ねて構成したこと、（５）前記電機子巻線は、導電体を絶縁フィルムで覆った、ギャップ側の巻線の上に、軟磁性体と導電体を重ね合わせて絶縁フィルムで覆った巻線を重ねて構成し、前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなること、（６）前記電機子巻線は、導電体を絶縁フィルムで覆った、ギャップ側の巻線の上に、軟磁性体と導電体を重ね合わせて絶縁フィルムで覆った巻線を裏返して重ね、両巻線の接続部分を高さ方向の中央位置で接続して構成したこと、（７）前記電機子巻線は、導電体を絶縁フィルムで覆った、ギャップ側の巻線の上に、軟磁性体と導電体を重ね合わせて絶縁フィルムで覆った巻線を裏返して重ね、両巻線の接続部分を高さ方向の中央位置で接続して構成し、前記電機子巻線の上から磁性体を幅方向に曲げて厚み方向に螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね前記円筒状ヨークを形成してなることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明では、図３（ｃ）または（ｄ）にその断面を示すように、電機子巻線１に導電体１ａ、例えば銅やアルミと、磁性体１ｂ、例えば珪素鋼板との貼り合わせ品を準備し、これを図１の形のモータの巻線として使用するものである。磁性体には、そのほか、磁化率が大でヒステリシス損が小さな磁性材料、例えば鉄、パーマロイ、アモルファスの薄板が使用できる。製作方法は、図４に示すように、マンドレル１２の外周に必要個数の電機子巻線１を並べ、その外側に絶縁シート１３を巻きつけて絶縁層を設ける。そしてその上から、（ｃ）に示すように、紙面に垂直な方向の厚みが薄い磁性体３ａを、幅方向に曲げて螺旋状に巻き付けていく。前記磁性体３ａは、円柱形をしたマンドレル１２に前記と同様に巻き付けておき、アンニールを施した後、図示のように巻き付けてもよい。いずれも巻き付けた後に、全体を樹脂でモールドし、固める。これにより、前述の図８の構造に対し、巻線部分の軟磁性体の効果で磁気抵抗が小さくなり（パーミアンスが大きくなる）、磁石磁束が通りやすく、従って図７に示したティース付のものと同程度の鎖交磁束数を実現するのが容易になる。また図７の構造に比較して、等価的に固定子のティース数が巻線の導線数に等しくなり、つまりティース数が著しく増加することになって、コキングトルクの次数が高くなり、コギングトルク一周期のピーク値は小さくなる。また前述の製造方法によれば、図７の構造に比較し、鉄心を打ち抜く手間が不要になるうえ、軟磁性体の素材からの加工歩留まりはスロットがないため、格段によくなる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例に係るモータの回転軸に直交する断面を示し、図２は回転軸方向の断面を示す。
本実施例は３相で、６個の電機子巻線１を図示のように配列接続し、回転子には極性が交互に変わるように、４個の永久磁石４を配置していて、いわゆる３相・４極の同期電動機を構成している。
図において、１は電機子巻線、２は電機子巻線と固定子ヨークの間を電気的に絶縁する絶縁層、３は固定子ヨーク、４は永久磁石、５は回転子ヨーク、６は回転軸、７はギャップ、８は樹脂充填部、９は樹脂外皮、１０は検出器、１１は軸受である。
永久磁石４の磁束が電機子巻線１に鎖交しているので、検出器１０により、永久磁石４の位置を検出し、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の巻線に適切な配分で電流を流してやればトルクが発生する。
図３は巻線の構造の例を詳細に示したものである。図において、（ａ）は巻線の平面図を、（ｂ）は（ａ）における巻線のＡ−Ａ’線での断面を示し、（ｃ）及び（ｄ）は巻線１本分の断面の詳細を示す。すなわち図３（ｃ）は軟磁性体１ｂと導電体１ａの、テープ状のものを重ね合わせ、絶縁フィルム１ｃで覆ったものの断面である。（ｄ）は、導電体１ａを絶縁フィルム１ｃで覆ったものに軟磁性体１ｂを貼り合わせたものの断面である。このような巻線を用いた固定子は、軟磁性体１ｂの部分は磁石磁束を径方向に通りやすくし、従来のモータに見られる、電機子鉄心のティースの役を果たしていると考えることが出来る。しかも、導体の数に等しく細かく分割されているため、ティースの数やティース数×磁極数等で生じるコギングトルク次数は非常に高くなり、その分振幅は減少する（ほぼ  振幅∝（１／次数）  の関係がある）。また、図５に示すようにギャップに近い側の電機子巻線１’の構造を、軟磁性体１ｂのない、通常のコイルにすることで、パーミアンスが小さくなり、コギングトルクをさらに減少させることが出来る。
以上の説明では、コイルの断面が長方形をしているが、コイル断面は長方形に限定する必要はない。丸でもよいし、長方形と組み合わせてもよく、導電体と磁性体が貼り合わされ、絶縁皮膜で覆ってあれば、断面形状を特に限定するものではない。さらに、断面が丸の導電体の外周を磁性体で覆い、さらにその外周を絶縁皮膜で覆ってもよく、全く同じ効果を奏することができる。また、電機子巻線１の円筒状ヨークの側面から軸方向に突出したコイルエンドに該当する巻線部は、磁性体を除くようにしてもよい。このようにすると、モータの出力に寄与しない部分の損失を抑えることができ、効率を上げることができる。
【０００７】
次に、巻線層が２段の場合の一つの巻線の例を図６に示す。本例では、（ａ）に示す断面の電機子巻線１’を同図（ｂ）に示すようにコイル状に巻いたものと、電機子巻線１’を裏返しにしたもの１を（ｃ）のように重ね、接続部分１ｅ、１ｅ’を同図（ｄ）（（ｃ）のＡ−Ａ’断面図）に示すように半田付けあるいは溶接などで接続する。この接続は、接続部分１ｅ、１ｅ’をカシメることによってもよい。図中１４は接続部分である。また１ｄ、１ｄ’は口出し部である。
コイルの構造は、３層以上でも、口出し線の引き出しをコイルエンド部で行う等の手段で、可能である。
また以上の説明は同心巻きコイルについて行ったが、重ね巻きコイルでも波巻コイルでも、同様の効果が予想される。
以上の考え方は、回転形モータの、アウタ回転子や軸方向ギャップ構造においても有効であり、また当然のことながらリニアモータにおいても有効である。
回転形モータの製造方法においても、図４に示すようにマンドレル１２上に、あらかじめ別工程で製作した、前述の巻線１を必要個数並べて仮固定し、外周に絶縁層１３を設け、さらにその外周から薄い珪素鋼板からなる固定子ヨーク３を螺旋状に巻き付け積み厚方向に巻重ね、全体を樹脂でモールドし、一体化する。
固定子ヨーク３は、あらかじめ、固定子最終製品の寸法に近い形状に形成し、アンニールを施し、巻線１の外周に取り付けて巻締めるようにする。
このようにすることで、製造工程全体が簡単になり、鉄心のプレス作業がなく、また軟磁性体の材料歩留まりが、非常によくなる。
【０００８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、永久磁石を使う従来のモータに多く見られる電機子鉄心のティースを、等価的に細分化したことになり、コギングトルクの少ないモータができる。また、製造方法も、非常に簡素化され、かつ鉄心材料歩留まりが向上し、コスト低減にも有効である。
一方では、コギングトルクが小さいことで用られている、電機子鉄心にティースをもたない形のモータに比較して、より損失が小さく、磁石使用量も少なく、その点でもより安価にできるという、優位点をもつ。
以上、本発明によれば、コギングトルクが少なく、効率もよく、かつ安価な総合的にバランスのとれたモータが、提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す永久磁石形モータの横断面図である。
【図２】  図１に示す実施例のモータの縦断面図である。
【図３】  本発明に係る電機子巻線の構成を示す説明図である。
【図４】  本発明に係る電機子巻線の製造工程の例を示す説明図である。
【図５】  本発明に係る電機子巻線の他の構成例を示す説明図である。
【図６】  本発明に係る電機子巻線の更に他の構成例を示す説明図である。
【図７】  従来の永久磁石形モータの構造の例を示す横断面図である。
【図８】  従来の永久磁石形モータの構造の他の例を示す横断面図である。
【符号の説明】
１，１’  電機子巻線、１ａ  導電体、１ｂ  軟磁性体、１ｃ  絶縁層、１ｄ  口出し部、１ｅ  接続部分、２  絶縁層、３，３ａ  固定子ヨーク、４  永久磁石、５  回転子ヨーク、６  回転軸、７  ギャップ、８  樹脂充填部、９  樹脂外皮、１０  検出器、１１  軸受、１２  マンドレル、１３  絶縁シート、１４接続部分
【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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