JP2006149053A - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電機子巻線のコイルエンドを排除し、小型で低発熱・効率が良く、さらに低トルクリップルで制御性の良い同期電動機を提供することにある。
【解決手段】電機子は、第１のヨークＳＹ１、第２のヨークＳＹ２を持ち、それぞれ第１の極歯ＳＴ１、第２の極歯ＳＴ２が延設されている。巻線Ｃ１がヨークＳＹ１，ＳＹ２及び極歯ＳＴ１，ＳＴ２間に収められている。電流が印加されると、それぞれの第１の極歯ＳＴ１、第２の極歯ＳＴ２は、互いに異極に励磁される。永久磁石によって電機子内に構成される磁極群周期をλｐとするとき、磁極群半周期λｐ／２内に具備される回転子または可動子の磁極数をＮｍ、電機子の基本極歯数をＮｓとすると、磁極数：Ｎｍと電機子極歯数：Ｎｓの間には、Ｎｓ＝Ｎｍ±１の関係が成り立ち、磁極群半周期λｐ／２毎のみ隣り合う極歯が同一ヨークに固定され、極歯群境界を持たせるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は工作機械等に使用されるサーボ用途の同期電動機に関し、特に、低速・高推力（高トルク）駆動が可能であり、なおかつ低トルクリップルで低発熱・高効率な永久磁石を利用した回転型または直線型の同期電動機の回転子または可動子と電機子構造に関するものである。

図１０は、従来の同期電動機の構造例を示す図である。

電機子は、電機子コアＳＹと巻線ＣＯＩＬで構成され、回転子（または可動子以下、同じ）は、永久磁石ＭＮおよび永久磁石ＭＳがバックヨークＭＹにそれぞれ互いに異極になるように固定され、電機子の対向面に配置されている。電機子コアＳＹのそれぞれの歯部に巻線ＣＯＩＬが環状に巻回しており、巻線ＣＯＩＬに電流を印加することで推力（またはトルク）を発生する。この例では、電機子スロットピッチＰｓと永久磁石ピッチＰｍ（＝永久磁石幅）が同じであり、ゆえに回転子の磁極数と電機子の歯数は同じである。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、電機子と回転子の相対位置の違いによる電機子ヨーク内の磁束の変化を表している。黒色、白色の矢印は電機子の歯部を通過する永久磁石ＭＳ、ＭＮが発生する磁束の方向を示しており、実線による閉ループ線は鎖交磁束の様子を示したものである。なお、電機子（電機子コアＳＹおよび巻線ＣＯＩＬ）は図面上で固定しているものとする。

図１０（ａ）は、回転子の移動量０における磁束の様子を示している。

永久磁石ＭＳおよびＭＮのそれぞれの中央部が電機子コアＳＹの歯部と同位置にある場合（図中点線で示す）、永久磁石ＭＳおよびＭＮの磁束は電機子コアＳＹの歯部との磁気的な結合力が大きくなり電機子コアＳＹの歯部およびヨーク部（巻線ＣＯＩＬ）の鎖交磁束数は増加する。

図１０（ｂ）は、回転子がＰｍ／２移動した場合（図の左側にＰｍ／２移動）の磁束の変化を示している。永久磁石ＭＳおよびＭＮの極境界が電機子コアＳＹの歯部中央にあり、永久磁石ＭＳおよびＭＮの磁束は電機子コアＳＹの歯部を介して短絡してしまい、電機子ヨーク部の磁束が減少；巻線ＣＯＩＬの鎖交磁束が低下している（回転子または可動子−電機子コアＳＹの歯部のみで磁気回路が形成されている状態。）。

図１０（ｃ）は、回転子または可動子がＰｍ移動した場合（図では左側にＰｍ移動）の磁束の変化を示している。永久磁石ＭＳおよびＭＮの磁束の分布形状は（ａ）の場合とほぼ同じになり、磁束の分布が図面に対して左側に距離Ｐｍ移動している状態である。ただし、電機子コアＳＹの図面中央の歯部について注目すると磁束の方向が反転していることがわかる。

なお、上述した従来の同期電動機における電機子は、一般的に珪素鋼板に代表されるような軟磁性材板を積層したものが用いられ、電機子に設けられたスロット部に複数の相別の環状巻線を収めるという構造が用いられている。そのため、各電機子端面においてスロット間を環状巻線が渡る部分；コイルエンドと称する部分が存在する。

永久磁石の磁束の移動に対応する所定の相巻線に電流を印加することで力（トルク）を発生している。

しかしながら、図１０に示すような従来の同期電動機において下記のような問題があった。

電機子の大きさを決定するのは、主に電機子コアの積層厚およびコイルエンド部の長さであり、通常巻線は電機子両端面で折り返してスロットに巻回されるため、電機子コアの両端にコイルエンドが存在しておりコイルエンドの長さが電動機の大きさに占める割合は大きい。特に電機子コアの積層厚が小さい場合、コイルエンド厚＞電機子コア積層厚という場合もあり、電動機の大きさを決める上でコイルエンドの厚さは無視できない要素である。

しかしながら、コイルエンド部の巻線は電動機の推力（またはトルク）にほとんど寄与しないため、巻線に電流を印加することにより銅損が発生し無駄な発熱（損失）の原因になっている。

また、上述した電機子コアの積層厚が小さい場合、電機子コアのスロット間距離＞電機子コア積層厚となり、コイルエンド部での銅損が電機子コアスロット内での巻線による銅損を上回ることになり効率が悪くなる。一般的に、電機子コア内に収められた巻線は空冷または液冷等の冷却手段により電機子外部を冷却することで間接的に冷却されているが、コイルエンド部は電機子コア内の巻線に比べ冷却効率が悪く、電機子コア内巻線とコイルエンド部との間には熱勾配が発生することが実験的にわかっている。この熱勾配は電機子コア内巻線とコイルエンド部との温度差を生み、特に大電流を印加した場合に電機子コア外部からの冷却が間に合わずコイルエンド部のみ急激に温度上昇してしまい、最悪の場合、巻線を焼損するという問題が発生することがある。

よって、熱勾配を除去するため、コイルエンド部を樹脂等によりモールドを行い、さらにモールド材外部を冷却することで、この熱勾配を小さくすることができる。しかし、樹脂の熱伝導率は金属のそれに比べ悪く、完全に熱勾配を排除できるわけではない。また、樹脂によるモールドは専用治具や工数が必要であり電動機のコストアップにつながっている。

さらに、電機子コアスロット内に複数組の環状巻線を収めるため手間がかかり、工数アップおよびコストアップにつながっている。

一方、電動機のピーク推力（トルク）を上げるには、電機子の歯部の鎖交磁束を増加させる必要がある。そのため、電機子の歯部の幅を広くとる必要があるが、同時に巻線を収めるためのスロットの面積が減少してしまう。一般に良く知られるように巻線抵抗Ｒは、R＝ρL／S （ρ：抵抗率、L：線長、S：線断面積）で表され、線断面積Sが小さくなると巻線抵抗が増大し、銅損が増大することになる。よって、電動機のピークトルク（推力）と銅損はトレードオフ関係にあることがわかる。

また、図１０で示す従来の同期電動機の場合、永久磁石磁極数＝電機子の歯数であり、磁極と電機子の相対位置が変化すると磁極と電機子歯間のパーミアンス変化が大きい（磁気エネルギー変化が大きい）ためトルクリップルが大きくなる傾向がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、電機子巻線のコイルエンドを排除し、小型で低発熱・効率の良い同期電動機を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、低トルクリップルで制御性の良い同期電動機を提供することにある。

本発明の同期電動機は、Ｎ極とＳ極とが交互に、かつ、ほぼ等間隔に配置された永久磁石と、永久磁石に対向して配置される電機子と、を備える同期電動機において、電機子は、永久磁石の磁石の配列方向に沿って配置される導線と、永久磁石に対向する対向面を開放して導線を取り囲むコアと、コアの一端側から延設され、永久磁石との対向面に配置される第１の極歯と、コアの他端側から延設され、第１の極歯の先端側から第１の極歯の間に入り込んで永久磁石との対向面に配置される第２の極歯と、を備え、導線に電流を印加すると、第１の極歯と第２の極歯は異極に励磁され、永久磁石のＮ極またはＳ極を示す磁極の数Ｎｍに対しコアに固定された極歯の数Ｎｓが存在する磁極群周期をλｐとした場合、磁極群半周期λｐ／２では、Ｎｓ＝Ｎm ± １の関係が成立しており、第１の極歯と第２の極歯は、コアにそれぞれ所定の固定パターンで固定されており、磁極群半周期λｐ／２毎の極歯群境界において、この固定パターンが互いに反転し、第１又は第２の極歯同士が連続することを特徴とする。

また、本発明の同期電動機は、Ｎｐ相で駆動する場合、各相の電機子の極歯群境界の位置が、ｎ×（λp／Ｎｐ） （但し、ｎは任意の整数）の間隔を持つよう配置されることを特徴とする。

更に、本発明の同期電動機は、極歯の体積又は永久磁石に対向した対向面積が、磁極群半周期λｐ／２内において、極歯群境界間の中央部より極歯群境界に近いほど小さいことを特徴とする。

更に、本発明の同期電動機は、コアに配置された導線に近接して配置される冷却手段である冷却管を備え、該冷却管は冷却液入出力方向に対して電気的に直列に接続されており、導線による鎖交磁束により冷却管に発生する電圧の総和が常に０になることを特徴とする。

本発明の同期電動機によれば、コイルエンドを排除することにより電動機の電機子の縮小（薄型）化が実現できる。さらに、巻線（導線）が簡単になり銅損の低減と電流印加による巻線磁束が効率良く推力（またはトルク）に変換されるため、相乗効果により電動機の効率を向上さえコストダウンをすることができる。

また、電流印加時のコイルエンド部と電機子コアスロット内巻線の発熱による熱勾配を排除できるため、急激な巻線温度上昇時の焼損の発生を防ぐことができ電動機の信頼性が向上した。

さらに、永久磁石磁極と電機子極歯間のパーミアンス変化が平均化されトルクリップルが低下したため電動機の制御性が向上した。

これにより、低速・高推力（高トルク）駆動が可能であり、なおかつ低トルクリップルで低発熱・高効率な同期電動機を得ることができる。

以下、発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に断らない限り、同じ符号（アルファベット符号）は、同一若しくは類似する機能を有する。

実施形態１．
図１は、本実施形態の概略構成を示す図であり、図２は、本実施形態の電機子と回転子または可動子の斜視断面図である。本実施形態の同期電動機は、直線型、回転型のいずれにも適用でき、回転型電動機の場合：電機子は固定子、回転子または可動子は回転子となり、直線型電動機の場合：電機子は可動子、回転子または可動子は固定子（またはそれぞれ反転させても良い）となる。

本実施形態においては、三相駆動の同期電動機を例に取り説明する。

図２に示すように、回転子（または可動子）は、永久磁石ＭＮ、ＭＳとバックヨークＭＹとから成り、バックヨークＭＹに永久磁石を固定することで、バックヨークＭＹ内で永久磁石ＭＮとＭＳが磁気的に短絡をして磁気回路を形成する。

この永久磁石ＭＮ、ＭＳに対向して電機子が配置される。電機子は、第１のヨークＳＹ１に第１の極歯ＳＴ１が固定され、第２のヨークＳＹ２に第２の極歯ＳＴ２が固定され、第１の極歯ＳＴ１と第２の極歯ＳＴ２は互いに極歯の先端から入り込む様な構成となっている。第１のヨークＳＹ１と第２のヨークＳＹ２は、共通ヨークＳＹ０に接続され、磁気的に短絡しており磁気回路を形成する。すなわち、ヨークＳＹ０，ＳＹ１，ＳＹ２が本発明のコアに相当し、このコアの一端側（第１のヨークＳＹ１）から第１の極歯ＳＴ１が延設され、このコアの他端側（第２のヨークＳＹ２）から第２の極歯ＳＴ２が延設され、第１の極歯ＳＴ１の先端側から第１の櫛歯ＳＴ１間に入り込む構成となっている。なお、極歯ＳＴ１，ＳＴ２同士は直接磁気的に短絡することはなく、空気に代表される高磁気抵抗部材により所定の間隔を空け配置される。巻線（導線）ＣＯＩＬは、第１のヨークＳＹ１と第２のヨークＳＹ２、共通ヨークＳＹ０および極歯ＳＴ１，ＳＴ２内に内包されるように配置される。これにより、コイルエンド部を廃止することができ、効率の良い同期電動機を提供することができる。

次に、図２に基づいて、磁気回路における磁束ループの一例を説明する。

まず永久磁石ＭＮの表面より発生する磁束φｍは、空隙を介して極歯ＳＴ１もしくは第１のヨークＳＹ１を通過し、第１のヨークＳＹ１から共通ヨークＳＹ０を介して第２のヨークＳＹ２を通過し、極歯ＳＴ１に隣り合う極歯ＳＴ２より空隙を通過し永久磁石ＭＳの表面へ入る。互いに隣り合う永久磁石ＭＮ、ＭＳはバックヨークＭＹにて磁気的に短絡されているため一つの磁気回路が形成される。この時、巻線ＣＯＩＬには磁束φｍが鎖交している状態である。

図３は、電機子における巻線ＣＯＩＬに電流を印加した場合の磁束の様子を示す図である。本実施形態において、電流Ｉは、回転子又は可動子の検出手段（図示せず）により、それに応じた交流の電流を巻線ＣＯＩＬに印加している。電機子内に収められた巻線ＣＯＩＬに電流Iを印加すると磁束φｃが発生し、第１のヨークＳＹ１に固定された第１の極歯ＳＴ１と第２のヨークＳＹ２に固定された第２の極歯ＳＴ２は、ヨーク毎に電流Ｉに応じた磁束を発生させる。第１の極歯ＳＴ１と第２の極歯ＳＴ２は、異極に励磁される。後述するように、図２および図４で説明するように、回転子または可動子の永久磁石磁束φｍとの相互作用により力（トルク）を発生する。

このような電機子が、各相毎に備えられている。すなわち、図１に、模式的に示すように、電機子は、第１のヨークＳＹ１１（ＳＹ２１、ＳＹ３１）と、第２のヨークＳＹ１２（ＳＹ２２、ＳＹ３２）、第１の極歯ＳＴ１、第２の極歯ＳＴ２、巻線Ｃ１（Ｃ２、Ｃ３）で表現し、回転子は永久磁石（ＭＮ、ＭＳ）の磁極のみで模式的に表現している。

それぞれの電機子を構成する第１のヨークＳＹ１１、ＳＹ２１、ＳＹ３１と第２のヨークＳＹ１２、ＳＹ２２、ＳＹ３２、巻線Ｃ１〜Ｃ３とそれぞれ３組ずつあり並置されている。また、巻線Ｃ１はＵ相、巻線Ｃ２はＶ相、巻線Ｃ３はＷ相と設定し、図中の白色の矢印（Ｕ、Ｖ、Ｗ）は、それぞれの巻線Ｃ１〜Ｃ３の巻回方向を示している。

なお、第１のヨークＳＹ１１（ＳＹ２１、ＳＹ３１）上に記述してあるＴ１〜Ｔ２４は電機子の極歯ＳＴの絶対番号であり、異なるヨーク番号における同一絶対番号の極歯は同形状である。

まず、１相（Ｕ相）に注目して説明する。第１のヨークＳＹ１１と第２のヨークＳＹ１２の間には巻線Ｃ１が収められており、巻線Ｃ１に電流を印加することにより第１のヨークＳＹ１１、第２のヨークＳＹ１２にそれぞれ固定された極歯ＳＴ１，ＳＴ２は、それぞれ異極になるよう励磁される。Ｕ相の磁極群周期λp間にあるＴ１−Ｔ１２（図中ではＴ１−Ｔ６、Ｔ７−Ｔ１２と記述し、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４・・・の各記述は省略する）までの極歯ＳＴ１，２について、それぞれ固定されているヨークＳＹ１１、ＳＹ１２別に記述すると、
Ｔ１・・・第１のヨーク：ＳＹ１１
Ｔ２・・・第２のヨーク：ＳＹ１２
Ｔ３・・・第１のヨーク：ＳＹ１１
Ｔ４・・・第２のヨーク：ＳＹ１２
Ｔ５・・・第１のヨーク：ＳＹ１１
Ｔ６・・・第２のヨーク：ＳＹ１２
Ｔ７・・・第２のヨーク：ＳＹ１２
Ｔ８・・・第１のヨーク：ＳＹ１１
Ｔ９・・・第２のヨーク：ＳＹ１２
Ｔ１０・・・第１のヨーク：ＳＹ１１
Ｔ１１・・・第２のヨーク：ＳＹ１２
Ｔ１２・・・第１のヨーク：ＳＹ１１
である。

本実施形態において、磁極群半周期λｐ／２の間で極歯ＳＴ１，ＳＴ２はヨークＳＹ１１、ＳＹ１２に等ピッチで交互に配置されているが、磁極群半周期λｐ／２である極歯ＳＴのＴ６、Ｔ７間において、極歯群Ｔ１−Ｔ６およびＴ７−Ｔ１２は、固定されているヨークＳＹ１１、ＳＹ１２がそれぞれ反転していることがわかる。

言い換えると、磁極群半周期λｐ／２における極歯ＳＴの隣り合うＴ６、Ｔ７は同じ第２のヨークＳＹ１２に固定され、同様に次の磁極群半周期λｐ／２の部分の極歯ＳＴで隣り合うＴ１２、Ｔ１３は、同じ第１のヨークＳＹ１１に固定されているのが特徴である。すなわち、第１の極歯ＳＴ１と第２の極歯ＳＴ２は、第１のヨークＳＹ１、第２のヨークＳＹ２にそれぞれ所定の固定パターンで固定されており、磁極群半周期λｐ／２毎において、この固定パターンが互いに反転し、第１の極歯ＳＴ１又は第２の極歯ＳＴ２同士が連続する。なお、上記磁極群半周期λｐ／２毎に発生する極歯群の反転位置を「磁極群境界」と呼称し、図において実線Ｄと記す。

図から解るように、極歯群Ｔ１−Ｔ６とＴ１３−Ｔ１８、または磁極群Ｔ７−Ｔ１２とＴ１９−Ｔ２４はそれぞれ同一の固定パターンをしており、磁極群周期λｐ毎に周期的に同一の固定パターンが繰り返すことがわかる。

次に、Ｕ相とＶ相の位置関係について説明する。

本実施形態において、Ｎｐ相で駆動する場合、各相の電機子極歯の境界位置が磁極群周期：λpに対して、
ｎ・（λp／Ｎｐ）（但し、ｎは任意の整数）
の間隔を持つよう配置することが特徴である。以下、前式に従って説明する。

三相駆動の場合、Ｎｐ＝３、ｎ＝１とするとＵ相電機子（ＳＹ１１，ＳＹ１２，Ｃ１，ＳＴ１，ＳＴ２）とＶ相電機子（ＳＹ１２，ＳＹ２２，Ｃ２，ＳＴ１，ＳＴ２）とは、λｐ／３ずれている。例えば、Ｕ相の第１のヨークＳＹ１１に固定される極歯ＳＴ１（Ｔ１）と、Ｖ相の第１のヨークＳＹ２１に固定される極歯ＳＴ１（Ｔ１）との距離がλｐ／３となっている。同様に、Ｖ相とＷ相間それぞれの極歯ＳＴ１（Ｔ１）の距離はλｐ／３となっており、自ずとＷ相とＵ相間の距離はλｐ／３となる（図では、Ｗ相の極歯ＳＴ１（Ｔ１）とＵ相の極歯ＳＴ１（Ｔ１３）との間がλｐ／３と表現してあるが、上述したように磁極群周期λｐ毎に同じ固定パターンをとるため、極歯ＳＴ１（Ｔ１）＝極歯ＳＴ１（Ｔ１３）である。よって、Ｗ相極歯ＳＴ１（Ｔ１）とＵ相極歯ＳＴ１（Ｔ１）との距離をλｐ／３と見なして良い。）。

次に、磁極群半周期λｐ／２内の磁極数：Ｎｍと電機子の極歯数：Ｎｓの関係について説明する。本実施形態において、磁極群半周期λｐ／２内の磁極数：Ｎｍ＝５であり、電機子の極歯数：Ｎｓ＝６である。
（ここで、磁極数Ｎｍ＝１とはＮまたはＳ極どちらかを示す永久磁石またはそれに準ずる磁極を示す数値であり、一般に言われるＮ、Ｓ極を合わせた対数ではない。なお、１極対は磁極数Ｎｍ＝２として表現する。また、極歯数Ｎｓは第１、第２の両ヨークに固定される極歯数を示している。）

本実施形態において、磁極群半周期λｐ／２内において、磁極数：Ｎｍと電機子極歯数：Ｎｓの間には、
Ｎｓ＝Ｎｍ ＋ １ （代入すると ６＝５＋１）
という関係が成り立っている。

なお、極歯ＳＴ１，ＳＴ２は、第１のヨークＳＹ１、第２のヨークＳＹ２に固定されているので、両ヨークに分割する必要がある。従って、極歯数Ｎｓは偶数（２ｎ；ｎは整数）になるよう設計するのが望ましい。

また、図からわかるように、駆動相数：Ｎｐ＝３（３相駆動）のため、電機子極歯数： Ｎｓは、
Ｎｓ＝２ｎ・Ｎｐ （ｎは整数）
となるよう選択すると、相間の距離（例；λｐ／３；３相駆動の場合）を配慮した上で永久磁石ＭＮ、ＭＳに対して各相の各極歯ＳＴの中心が同一軸上に配置できるようになる。

以上のことを考慮すると推奨される条件として、磁極群半周期λｐ／２内の磁極数：Ｎｍと電機子極歯数：Ｎｓおよび駆動相数：Ｎｐの間には、
（Ｎｓ＝Ｎｍ ± 1） ∩ （Ｎｓ＝２ｎ・Ｎｐ；ｎは整数）
の関係が成り立ち、上式より、
Ｎｍ＝２ｎ・Ｎｐ ± １ （ｎは整数）
が導出される。

よって、磁極群半周期λｐ／２内の磁極数：Ｎｍは奇数を選択すると良いことがわかる。

次に、本実施形態の同期電動機のトルクについて従来例と比べて説明する。

図４は、本実施形態の横断面の模式図である。第１のヨークＳＹ１側からの視図であり、説明の便宜上巻線は省略してある。

回転子または可動子の永久磁石磁極ピッチをＰｍとし、電機子の極歯ピッチをＰｓと定義する（この例の場合、Ｐｍ＞Ｐｓとなっている。）。回転子または可動子（永久磁石ＭＮ、ＭＳおよびバックヨークＭＹ）の移動量は、従来例で説明した図１０と同じ永久磁石磁極ピッチ：Ｐｍである。

ここで、発生する力：Ｆ＝ｄＥｍ／ｄｚ（dＥｍ：磁気随伴エネルギー変化分、ｄｚ：位置の変化分）で表すことができる。従って、少ない位置変化に対して（ｄｚ）、より大きな磁気随伴エネルギー変化（ｄＥｍ）を得られれば、大きな力；Ｆを得られることががわかる。

以下、従来例と本実施形態を比較する。

図１０において、回転子または可動子が永久磁石磁極ピッチ：Ｐｍ移動すると、永久磁石の磁極がつくる磁極群（実線の閉ループと白色、黒色の矢印で表現）は電機子の１歯分（＝Ｐｓ）の距離しか移動していない。しかし、本実施形態では、図４に示すように、永久磁石磁極ピッチ：Ｐｍの移動に対して電機子６歯分距離の移動がある。

これを、回転型電動機に置き換えて磁極群周期λｐ間の永久磁石磁極数：Nｍ＝１０極と置くと、従来例の場合、永久磁石極数Nｍ＝電機子歯数のため、電機子歯数Ｎｓ＝１０となり、回転子または可動子が永久磁石磁極ピッチ：Ｐｍ移動するのに永久磁石の磁極がつくる磁極群は電機子１歯分の移動のため、
磁極群移動角＝３６０°／１０＝３６°（機械角）
となる。

これに対して、本実施形態の場合、磁極群半周期λｐ／２では、Ｎｓ＝Ｎm ± １の関係が成立しているので、永久磁石磁極数：Nｍ＝１０のとき、磁極群周期λｐ間の電機子歯数Ｎｓは１２となるので、回転子または可動子の永久磁石磁極ピッチ：Ｐｍの移動に対して６歯分距離の移動なので、
磁極群移動角＝３６０°／１２×６＝１８０°（機械角）
となる。

以上のように、本実施形態における磁極群の移動は従来例に対し、１８０°／３６°＝５となり、同じ回転子または可動子の移動量に対し５倍の距離、電機子内磁束が変化する。

以上説明した通り、本実施形態においては、磁極群の移動距離＝ｄＥｍ；磁気随伴エネルギーの変化が大きくなっているので、それに応じてトルクの増大を図ることができる。
このように、本実施形態によれば、低回転数、高トルク駆動に適した同期電動機を提供することができる。

次に、本実施形態の極歯の形状について説明する。

図５は、本実施形態の電機子極歯の形状の変形例を示す図である。第１のヨークＳＹ１、第２のヨークＳＹ２にそれぞれ極歯ＳＴ１，ＳＴ２が固定されている様子を磁極群半周期λｐ／２の区間について示したものである（極歯ＳＴ１，２において、破線が表示してある部分が固定側である）。図５（ａ）は、極歯ＳＴ１，ＳＴ２が同一幅の場合であり、極歯幅ｘ ≫ 極歯間隔ｙの場合である。図４で説明したように、電機子内磁極群内には鎖交磁束の強弱が存在し、極群境界付近では電機子極歯−ヨーク部を鎖交する磁束が少なく、極群境界間の中央部ほど鎖交磁束が大きくなる。従って、図５（ｂ）では、永久磁石の鎖交磁束の分布に合わせて極歯幅を変化させている。すなわち、極群境界線Ａ、Ｃに近い部分の極歯の幅を狭くし、極群境界中央部（Ｂ）に近い極歯の幅を広くしている。すなわち、図５（ｂ）に示すように、極歯幅ｘ１＜ｘ２＜ｘ３の関係が成立している。また、反対に、極歯間隔は極群境界線Ａ、Ｃに近い部分の極歯間隔が広くなり、極群境界中央部（Ｂ）に近い櫛歯間隔ほど狭くなる。すなわち、極歯間隔ｙ１＞ｙ２＞ｙ３の関係が成立している。図５（ｃ）は、極歯ＳＴ１，ＳＴ２の（回転子または可動子対向面の）断面積および形状が異なる場合であり、極群境界線Ａ、Ｃに近い部分の極歯断面積が小さくなり、極群境界中央部（Ｂ）に近いほど極歯断面積が大きくなる。この場合、極歯幅ｘ、極歯間隔ｙは一定である。

図５（ｂ）、（ｃ）は永久磁石磁束と極歯との磁気的な結合が焦点であり、特に図示しないが極群境界での極歯断面積（または体積）が中央部よりも小さいという条件が成り立てば、断面形状は矩形でも台形でも構わない。また、極歯幅と極歯間隔の広い／狭いの組み合わせは自由であり、例えば、極歯幅が広い／狭い／広い・・・と組み合わせることで、巻線に誘起する電圧波形の任意の高調波を取るといった操作を行っても良い。また、図５（ｂ）、（ｃ）の操作を行うことにより、回転子または可動子から見ると電機子側に磁気抵抗の高低差が周期的に存在しているように見え、磁気的な突極構造を持つ電機子が構成できるため、より大きな力（トルク）を得ることができるようになっている。

なお、図６に、図１に示す実施形態に図５（ｂ）の極歯幅を持つ極歯を適用した場合の模式図を示す。

実施形態２．
図７は、他の実施形態を示す図である。本実施形態は、六相駆動を行う場合の例であり、図中で示すＸ相はＵ相の逆相、Ｙ相はＶ相の逆相、Ｚ相はＷ相の逆相という関係がある。図７（ａ）は、図７（ｂ）の部分拡大図であり、図７（ｂ）は六相全体の電機子の様子を表しており、巻線Ｃ１〜Ｃ６に示す矢印は各巻線の巻回方向を示す。実施形態１と同様若しくは類似する構成については、同様の符号を付し詳細な説明を省略する。

まず、図７（ａ）について説明する。

電機子は、第１のヨークＳＹ１と第２のヨークＳＹ２および第３のヨークＳＹ１’を備えている。なお、第３のヨークＳＹ１’は、第２のヨークＳＹ２に対して第１のヨークＳＹ１の線対称に配置したものである。巻線Ｃ１は、第１のヨークＳＹ１と第２のヨークＳＹ２の間と、第２のヨークＳＹ２と第３のヨークＳＹ１’の間に備えられ、それぞれ巻線Ｃ１による励磁方向が異なるため、磁極群周期λｐの範囲外で折り返して接続することが可能であり、一つの巻線として扱うことができる。なお、この折り返した部分は従来の技術で記述したコイルエンドと同等の意味合いを持つが巻線全体が電機子コア内に収められるため、問題となるコイルエンド部での熱勾配が発生しない。

また、第１のヨークＳＹ１と第２のヨークＳＹ２、第２のヨークＳＹ２と第３のヨークＳＹ１’間の距離 ≪ 磁極群周期λｐであるため、この部分での銅損による発熱は巻線全体の発熱に対して微少である。Ｎｐ相で駆動する場合、各相の電機子極歯境界の位置が磁極群周期：λpに対して、ｎ・（λp／Ｎｐ） （但し、ｎは任意の整数）の間隔を持つよう配置されるというルールに従い（六相駆動を前提）、Ｎｐ＝６、ｎ＝１とするとＵ相極歯群とＺ相極歯群の間の距離はλｐ／６となる。以下、同様に各相極歯群間の距離はλｐ／６となるよう配置されている。

適用例１
実施形態１、２を適用した直線型電動機の構成について説明する。

図８は、直線型電動機の実施形態を示す図である。

ここで、回転子または可動子は、固定子であり永久磁石ＭＧを備えバックヨークＭＹと側板ＳＦＬとから成る。電機子は、可動子として働き、電機子コアＳＣ１とＳＣ２、フレームＣＦＬ、ＵＦＬとから成り、電機子コアＳＣ１とＳＣ２に巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３（三相駆動の場合）を内包している。なお、電機子コア内ＳＣ１とＳＣ２内には巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と一緒に冷却管ＣＰが巻いてある。この冷却管ＣＰは巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を絶縁紙等を介して直接冷却することができる。なお、各相の電機子コアＳＣ１とＳＣ２に収められる冷却管ＣＰは、電気的に直列に接続されているため、冷却管ＣＰを鎖交する磁束により発生する電圧の総和が常に０になり、冷却管自体が発熱することはほとんどない。

適用例２
実施形態１、２を適用した回転型電動機の構成について説明する。

図９は、回転型電動機の実施形態を示す図である。

回転子または可動子は、永久磁石ＭＧと軸であるバックヨークＭＹ、そしてカラーＲＣとから成る。また、電機子は電機子コアＳＣ１〜ＳＣ３と、フレームＣＦＬ、ＯＦＬとから成り、巻線Ｃ１〜Ｃ３とそれぞれの巻線と共に冷却管ＣＰが電機子コアＳＣ１〜ＳＣ３に収められる。

冷却管ＣＰは、図８で既述のように冷却管ＣＰを鎖交する磁束により発生する電圧の総和が常に０になるよう巻回されているため、この場合も冷却管自体が発熱することはほとんどない。

なお、図示しないが主旨を逸脱しない範囲で下記の変更を加えても良い。上述した説明では、回転子または可動子の永久磁石の配列は、隣り合う磁石が異極になるように配列してあるが、ヨークを介して同極になるように磁石を配置させる、いわゆるリパルジョン型、またはハルバッハ配列による磁石配置でも良い。

実施形態の概略構成を示す図である。 実施形態の一例であり電機子と回転子または可動子の斜視断面図である。 電機子における巻線ＣＯＩＬに電流を印加した場合の磁束の様子を示す図である。 実施形態の横断面の模式図である。 実施形態の電機子極歯の形状の変形例を示す図である。 図１に示す実施形態に、図５（ｂ）の極歯幅を持つ極歯を適用した場合の模式図である。 他の実施形態を示す図である。 直線型電動機の実施形態を示す図である。 回転型電動機の実施形態を示す図である。 従来の同期電動機の構成例を示す図である。

符号の説明

ＳＹ０ 共通ヨーク、ＳＹ１，ＳＹ１１，ＳＹ２１，ＳＹ３１ 第１のヨーク、ＳＹ１’ 第３のヨーク、ＳＹ２，ＳＹ１２，ＳＹ２２，ＳＹ３２ 第２のヨーク、ＳＴ１ 第１の極歯、ＳＴ２ 第２の極歯、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、ＣＯＩＬ 巻線（導線）、ＭＮ、ＭＳ、ＭＧ 永久磁石、ＭＹ バックヨーク、ＵＦＬ，ＣＦＬ，ＯＦＬ フレーム、ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３ 電機子コア、ＲＣ 回転子カラー、ＣＰ 冷却管、Ｐｓ 電機子歯ピッチ、Ｐｍ 永久磁石ピッチ。

Claims (4)

1. Ｎ極とＳ極とが交互に、かつ、ほぼ等間隔に配置された永久磁石と、
   前記永久磁石に対向して配置される電機子と、を備える同期電動機において、
   前記電機子は、
   前記永久磁石の磁石の配列方向に沿って配置される導線と、
   前記永久磁石に対向する対向面を開放して前記導線を取り囲むコアと、
   前記コアの一端側から延設され、永久磁石との対向面に配置される第１の極歯と、
   前記コアの他端側から延設され、第１の極歯の先端側から第１の極歯の間に入り込んで永久磁石との対向面に配置される第２の極歯と、を備え、
   導線に電流を印加すると、第１の極歯と第２の極歯は異極に励磁され、
   永久磁石のＮ極またはＳ極を示す磁極の数Ｎｍに対しコアに固定された極歯の数Ｎｓが存在する磁極群周期をλｐとした場合、磁極群半周期λｐ／２では、Ｎｓ＝Ｎm ± １の関係が成立しており、
   第１の極歯と第２の極歯は、前記コアにそれぞれ所定の固定パターンで固定されており、磁極群半周期λｐ／２毎の極歯群境界において、この固定パターンが互いに反転し、第１又は第２の極歯同士が連続することを特徴とする同期電動機。
2. 請求項１に記載の同期電動機であって、
   Ｎｐ相で駆動する場合、各相の電機子の極歯群境界の位置が、
   ｎ×（λp／Ｎｐ） （但し、ｎは任意の整数）
   の間隔を持つよう配置されることを特徴とする同期電動機。
3. 請求項１又は２に記載の同期電動機であって、
   極歯の体積又は永久磁石に対向した対向面積が、磁極群半周期λｐ／２内において、極歯群境界間の中央部より極歯群境界に近いほど小さいことを特徴とする同期電動機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の同期電動機であって、
   コアに配置された導線に近接して配置される冷却手段である冷却管を備え、
   該冷却管は冷却液入出力方向に対して電気的に直列に接続されており、導線による鎖交磁束により冷却管に発生する電圧の総和が常に０になることを特徴とする同期電動機。