JP2008295245A - 交流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータ磁極が軸方向へ配列された形式の交流モータのモータ特性を向上させること。
【解決手段】ステータコアは軸方向及び周方向へ配列されたステータ磁極１９〜２４をもつ。軸方向一端側の部分コアのステータ磁極１９，２０は周方向交互に配置され、軸方向他端側の部分コアのステータ磁極２３，２４は周方向交互に配置され、軸方向中央の部分コアのステータ磁極２１，２２は周方向交互に配置されている。各部分コアのステータ磁極は、他の部分コアのステータ磁極に対して周方向へたとえば電気角略１２０度だけずれて配置されており、各ステータ磁極１９〜２４は互いに電気角略１８０度の位相差を有し、周方向占有角はたとえば電気角略１８０度とされている。互いに周方向に隣接する２つのステータ磁極の間の磁極隙間にループ状巻線が配設される。ループ状巻線は、波巻き形状更に詳しく言えば蛇行形状に配設される。このようにすれば、ステータ磁極軸方向配列型の交流モータの特性を改善することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、交流モータに関し、特に、ステータの磁極部を軸方向へ順次配置する構造の交流モータに関する。本発明の交流モータはたとえば自動車やトラック等の車載モータに好適に採用されることができる。

従来から、ステータ磁極に各相のコイルが集中的に巻回されたモータが知られている（特許文献１）。この種の集中巻きモータの一例を図２５〜図２７に図示する。図２５はその軸方向模式断面図、図２６はその径方向模式断面図、図２７はそのステータの周方向模式展開図である。

しかしながら、特許文献１に開示された従来の集中巻きモータは、巻線を各ステータ磁極毎に巻回する必要があるため構造が複雑であり、しかもスロットの奥に配置する必要があるため巻線の巻回作業が容易ではなく、生産性が低下するという問題があった。また、このような構造のため小型化、高効率化、低コスト化が難しいという問題があった。

そこで、本願発明者は、上記問題を解決するため、下記の特許文献２に記載する交流モータにより上記問題の改善を図った。

図２８〜図３２に上記特許文献２の交流モータ（ステータ磁極軸方向配列型の交流モータとも言う）を示す。図２８はその軸方向模式断面図、図２９はその径方向模式断面図、図３０はそのステータの周方向模式展開図、図３１はロータの周方向模式展開図、図３２はステータコイルの２つの相巻線の周方向展開図である。

上記両モータを比べると、後者のモータは軸方向で異なる位相のステータ磁極を持ち、巻線がループ状巻線となっているため、低コストで高効率、高トルクを期待することができる。

すなわち、上記ステータ磁極軸方向配列型の交流モータは、周方向にＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータと、周方向に複数個配置されたステータ磁極をそれぞれが有し、互いにステータ磁極の周方向位置および軸方向位置をずらして配置されたＮ個の部分コアと、複数の部分コアのそれぞれに対して軸方向に沿った隣接位置に配置されて周方向に形成された複数のループ状巻線とを備えている。

一つの部分コアは、同一円周上に周方向順次に配列される各ステータ磁極により構成される。一つの部分コアに含まれる各ステータ磁極の周囲に巻回された巻線を考えたときに、隣接する２つのステータ磁極に挟まれた巻線には互いに起磁力アンペアターンを相殺するような電流が流れるため、等価的には電流が流れていないときと同じ状態であって、これらのステータ磁極に対して軸方向に沿った隣接位置に配置されたループ状の巻線に代替えすることができる。

この結果、従来構造であれば周方向に配置されていた各ステータ磁極の間の巻線を排除することができるので、高効率化、高トルク化が可能となる。また、各ステータ磁極の間に巻線を配置する必要がないため多極化が可能となり、特に巻線構造が簡素であることから、生産性を向上させることができ、低コスト化が可能になる。更に、各部分コアは、同一円周上にてほぼ均一に配置された対称構造となっているため、ロータとステータ間で発生する磁気吸引力によるステータの変形や、モータ各部の歪を小さくすることができるため、これらに起因する振動、騒音を低減することが可能になる。
特開平６−２６１５１３号公報 特開２００５−１６０２８５号公報

しかしながら、上記した特許文献２の交流モータでは、磁束が3次元的に流れるために磁気異方性がない圧粉磁心などの採用が望ましいものの、圧粉磁心は電磁鋼板に比べてコストが高く、また磁気特性や強度の面で劣るという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、特許文献２の交流モータ（以下、ステータ磁極軸方向配列型の交流モータとも称する）の製造性やモータ特性の改善をその目的としている。

上記課題を解決する本発明は、ロータ磁極としてのN極磁極及びS極磁極が周方向交互に配置されたロータと、同一円周上にて周方向へ順次配置される多数のステータ磁極によりそれぞれ構成される複数の部分コアを軸方向へ順次配置してなるステータコアと、互いに周方向に隣接する前記ステータ磁極の間の磁極隙間を軸方向交互に通過しつつ周方向へ展開する波形巻線であるループ状巻線を複数有するステータコイルとを備える交流モータにおいて、同一の前記部分コアに属して周方向に隣接する前記各ステータ磁極の間の位相角差は周方向において電気角３６０度未満の範囲に設定されていることを特徴としている。

すなわち、この発明は、上記したステータ磁極軸方向配列型の交流モータにおいて、同一部分コアに属して互いに周方向に隣接する２つのステータ磁極間の位相角差が電気角３６０度未満となるように配置する。なお、ここでは、同一部分コアにおいてステータ磁極を流れる磁束ベクトルが元の状態となった場合を電気角３６０度と定義する。

このような配置にすることで、周方向に隣接するステータ磁極間で磁気的なバランスを取りやすくなるので、相間のアンバランスによって発生するコギングトルクやトルクリップルを低減することができる。また、2次元平面内での磁束の流れが主となるため、電磁鋼板の積層で構成しやすくなる。

好適な態様において、前記各ステータ磁極の軸方向幅は略等しくされる。このようにすれば、電磁鋼板の積層で構成することがより容易となる。

好適な態様において、前記部分コアは、周方向交互に配置されるとともに周方向位相差が略電気角１８０度である２種類の前記ステータ磁極により構成され、前記ループ状巻線は、前記２種類のステータ磁極の間に形成されて軸方向所定ピッチで形成される多数の磁極隙間を軸方向交互に通過する波形の相巻線からなる。すなわち、この態様では、一つの部分コアに属する２種類のステータ磁極の間の位相差は電気角略１８０度に設定される。このようにすれば、周方向に隣接するステータ磁極同士でほぼ磁気的にバランスするためコギングトルクやトルクリップルを低減することができる。

好適な態様において、軸方向に３つの前記部分コアが順次配置され、３つの前記ループ状巻線が、前記３つの部分コアに個別に巻装されている。このようにすれば、３相モータをコンパクトに構成することができる。

好適な態様において、前記ループ状巻線は、軸方向に隣接する第１、第２の前記部分コアに個別に属する各１つのステータ磁極をまとめて囲むように、前記第１の部分コアの磁極隙間を軸方向一方向きに通過した後、前記第２の部分コアの磁極隙間を軸方向一方向きに通過し、その後、前記第２の部分コアの磁極隙間を軸方向他方向きに通過した後、前記第１の部分コアの磁極隙間を軸方向他方向きに通過する波形の相巻線からなり、第１の前記ループ状巻線は、第２の前記ループ状巻線が波状に通過する前記部分コアの組み合わせとは異なる前記部分コアの組み合わせを波状に通過する。このようにすれば、軸方向に順次並ぶ部分コアの群数よりもループ状巻線すなわち相巻線の本数を減らすことができる。

好適な態様において、軸方向に第１、第２、第３の前記部分コアが順次配置され、第１の前記ループ状巻線が、前記第１、第２の部分コアに巻装され、第２の前記ループ状巻線が、前記第２、第３の部分コアに巻装されている。このようにすれば、３相モータを２つのループ状巻線すなわち２本の相巻線で構成することができる。

好適な態様において、軸方向両側の前記第１、第３の部分コアに属する前記ステータ磁極は、周方向へ電気角略１８０度離れて配置され、軸方向中央側の前記第２の部分コアに属する前記ステータ磁極は、周方向へ電気角略１２０度離れて配置され、前記第２の部分コアは、前記第１のループ状巻線のみが通過する前記磁極隙間と、前記第２のループ状巻線のみが通過する前記磁極隙間と、前記第１、第２のループ状巻線が両方とも通過する前記磁極隙間とを有する。

すなわち、この態様では、周方向に隣接するステータ磁極間の位相差が軸方向端部では電気角で概ね１８０度であり、軸方向中央部では電気角で概ね１２０度であり、これらのステータ磁極をループ状に巻回する複数の巻線を備える。これにより、周方向に隣接するステータ磁極同士でほぼ磁気的にバランスするためコギングトルクやトルクリップルを低減することができる。また巻線の長さを短縮することができるので巻線量の低減や銅損の低減を図ることができる。

好適な態様において、前記部分コアに属する２種類のステータ磁極は、互いに異なる軸方向位置を有する。すなわち、ステータ磁極の軸方向位置をずらすことにより、巻線の長さを短縮することができるので巻線量の低減や銅損の低減を図ることができる。

好適な態様において、前記部分コアの各ステータ磁極の一部は、周方向等ピッチの周方向位置よりも周方向へ所定位相角分だけずらして配置されている。すなわち、この態様によれば、周方向に隣接するステータ磁極間の位相差を不均一とすることにより、巻線の長さを短縮することができるので巻線量の低減や銅損の低減を図ることができる。またトルクの発生を妨害する磁束が流れ込まないようになるために、トルクの向上にもつながる。

好適な態様において、前記各ステータ磁極は、少なくとも２種類の周方向幅を有する。すなわち、この態様によれば、ステータ磁極の周方向幅を不均一とすることにより、巻線の長さを短縮することができるので巻線量の低減や銅損の低減を図ることができる。またトルクの発生を妨害する磁束が流れ込まないようになるために、トルクの向上にもつながる。

好適な態様において、前記第１の前記部分コアは、軸方向に順次配列される３つの部分コアのうちの中間の部分コアからなり、前記第２の前記部分コアは、軸方向一端側の部分コアからなる。これにより、３相モータの巻装長を短縮することができる。

好適な態様において、互いに異なる前記部分コアに個別に属するとともに、互いに軸方向に隣接する２つの前記ステータ磁極の間の軸方向隙間に軟磁性体が配置される。すなわち、この態様によれば、ステータ磁極間の軸方向空隙部の一部に磁性体を追加することにより、磁路断面積を拡大することができるので、トルクを向上させることができる。

好適な態様において、前記ステータ磁極のロータ対向面は、略平行四辺形の形状をもつ。これにより、巻線の長さを短縮することができるので巻線量の低減や銅損の低減を図ることができる。また磁束の回転変化率が滑らかに変化するために、コギングトルクやトルクリップルの低減にもつながる。

好適な態様において、前記ステータ磁極のロータ対向面は、略台形の形状をもつ。これにより、巻線の長さを短縮することができるので巻線量の低減や銅損の低減を図ることができる。また磁束の回転変化率が滑らかに変化するために、コギングトルクやトルクリップルの低減にもつながる。

好適な態様において、前記ロータ磁極に対面する前記ステータ磁極の先端面であるステータ磁極面は、周方向展開図上において周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する端縁を有し、前記ステータ磁極面の軸方向幅は、周方向へ移動するにつれて概ね正弦波状に変化している。

すなわち、この態様によれば、ステータ磁極のロータ対向面を正弦波に近い形状とすることができるので巻線の長さを短縮することができる。このため、巻線量の低減や銅損の低減を図ることができる。そのうえ、磁束の回転変化率が滑らかに変化するために、コギングトルクやトルクリップルの低減にもつながる。

好適な態様において、前記ステータ磁極の径方向各部のうち前記ループ状巻線に軸方向に隣接する部位は、前記ステータ磁極の前記ループ状巻線に隣接しない径方向先端部に比べて凹んでいる。これにより、巻線の軸方向のはみ出しを低減もしくは防止することができ、モータの軸方向幅を低減することができる。

好適な態様において、前記ステータ磁極の径方向先端部は、前記ステータ磁極のうち前記ループ状巻線に軸方向に隣接する部位よりも、軸方向前記ループ状巻線向きに幅広とされている。すなわち、この態様によれば、巻線巻回部の軸方向位置を巻線巻回部以外の軸方向位置に対して巻線の逆側にずらすので、巻線の軸方向のはみ出しを低減もしくは防止することができ、モータの軸方向幅を低減することができる。

好適な態様において、前記ステータコアのうち少なくともヨーク部に位置して軸方向に延在する等方性軟磁性部材を有する。これにより、ステータ磁極軸方向配列型の交流モータの鉄損を低減することができる。

好適な態様において、前記ステータコアは、軸方向に積層されて前記各部分コア及び前記各部分コアを間の磁束流通を担うヨーク部を有する積層電磁鋼板と、前記積層電磁鋼板のヨーク部に軸方向に貫設された孔と、前記孔に挿入された棒状の前記等方性軟磁性部材とを有する。これにより、軸方向の磁束の流れが等方性の磁性材料部分に集中するため積層部分での渦電流損を低減することができるうえ、積層電磁鋼板も用いるため製造コストの低減、モータ特性の向上も図ることができる。

以下、本発明の好適実施形態を図面参照して具体的に説明する。

（実施形態１）
実施形態１のステータ磁極軸方向配列型の交流モータを以下に説明する。図１はこのモータの軸方向模式断面図、図２はＡーＡ線、ＢーＢ線、ＣーＣ線矢視径方向模式断面図、図３はステータ磁極の周方向模式展開図、図４はロータの模式展開図、図５は２つのループ状巻線すなわち２相の相巻線からなるステータコイルの周方向展開図である。

（基本構成）
このモータの基本構成を以下に説明する。

モータ１００は、回転軸１１に嵌着固定されたＳＰＭ構造のロータ１０を有し、円筒状の永久磁石１２が、ロータ１０の外周面に嵌着、固定されている。回転軸１１は軸受けを介してハウジング１３に回転自在に支承されている。図２に示すように、永久磁石１２は、周方向交互に逆向きに磁化されて計８極をもつ。図中に示す角度は機械角であり、電気角は機械角の4倍となる。１４はステータコアであり、ステータコア１４にはループ状巻線（相巻線）１５，１６が巻装されてステータを構成している。

（ステータコア１４の配置）
ステータコア１４は、同一円周上にて周方向順次に配置されてロータ１０の外周面に対向する第１、第２、第３の部分コアを有している。第１の部分コアは、周方向交互に配置されたステータ磁極１９とステータ磁極２０とをもつ。第２の部分コアは、周方向交互に配置されたステータ磁極２１とステータ磁極２２とをもつ。第３の部分コアは、周方向交互に配置されたステータ磁極２３とステータ磁極２４とをもつ。第１の部分コアは図１に示すＡーＡ線の位置すなわちステータコア１４の軸方向一端部に配置されている。第２の部分コアは図１に示すＢーＢ線の位置すなわちステータコア１４の軸方向中央部に配置されている。第３の部分コアは図１に示すＣーＣ線の位置すなわちステータコア１４の軸方向他端部に配置されている。

図２に示すように、第１〜第３の部分コアはそれぞれ８極をもつ。したがって、ステータ磁極１９と２０との間、ステータ磁極２１と２２との間、ステータ磁極２３と２４との間の位相角はそれぞれ機械角４５度（電気角１８０度）となっている。第２のステータ磁極２１は第１のステータ磁極１９に対して、第３のステータ磁極２３は第２のステータ磁極２１に対して、それぞれ機械角３０度（電気角１２０度）ずれており、第３の部分コア２１は第２の部分コアに対して機械角３０度（電気角１２０度）ずれている。第１〜第３の部分コアに属するすべてのステータ磁極は、周方向に所定長さを、軸方向にそれぞれ所定幅を有して、それぞれ径方向に延在する軟磁性の角棒状部材からなる。

共通の部分コアに属する各ステータ磁極の基端部は、図２に示すように輪板状ヨーク部により周方向へ磁気的に短絡されている。更に、各部分コアの上記輪板状ヨーク部は、図１に示すループ状巻線１５，１６の径方向外側に位置する輪板状ヨーク部により軸方向へ磁気的に短絡されている。この実施形態では各部分コアは圧粉コアにより形成されているが、もちろんそれは必須条件ではない。その他、各部分コアを更に分割した小部分コアの集合体により構成してもよい。

つまり、上記説明したこの実施例のステータコア１４は、それぞれ一つの部分コアからなるステータコアを軸方向に３個設け、各ステータコアのステータ磁極間の位相角が電気角１２０度となるようにしたものである。このため、この実施形態の各部分コアにループ状巻線がそれぞれ巻装される場合には、各部分コア間の磁束の流れは必須とはならないため、軸方向磁路の磁気抵抗が高くても大きな問題とはならない。このため、積層電磁鋼板によるステータコアの形成が容易となる。

（ループ状巻線の配置）
ループ状巻線１５，１６について図５を参照して以下に説明する。この実施形態において、ループ状巻線１５、１６は、独特の巻装パターンを有している。

ループ状巻線１５は、ステータ磁極１９、２０の間の磁極隙間とステータ磁極２１、２２の間の磁極隙間を順次通過して図５中下向きに磁極隙間を通過した後、これら通過済みの磁極隙間に対して周方向一方側に隣接するステータ磁極２２、２１の間の磁極隙間とステータ磁極２０、１９の間の磁極隙間を順次通過して図５中上向きに磁極隙間を通過して軸方向元の位置に戻り、周方向一方側に少し進行する波巻き巻線からなる。

ループ状巻線１６も、ステータ磁極２２、２１の間の磁極隙間とステータ磁極２４、２３の間の磁極隙間を順次通過して図５中下向きに磁極隙間を通過した後、これら通過済みの磁極隙間に対して周方向一方側に隣接するステータ磁極２３、２４の間の磁極隙間とステータ磁極２１、２２の間の磁極隙間を順次通過して図５中上向きに磁極隙間を通過して軸方向元の位置に戻り、周方向一方側に少し進行する波巻き巻線からなる。

つまり、この実施形態では、第１の部分コア（たとえばＵ相の２極ステータコアと考えることができる）のステータ磁極１９、２０にはループ状巻線（Ｕ相波巻きコイルと考えることができる）１５がＵ相磁界を形成する。同様に、第３の部分コア（たとえばＷ相の２極ステータコアと考えることができる）のステータ磁極２３、２４にはループ状巻線（Ｗ相波巻きコイルと考えることができる）１６がＷ相磁界を形成する。更に、第２の部分コアのステータ磁極２１、２２にはループ状巻線（Ｕ相巻線）１５とループ状巻線（Ｗ相巻線）１６とが巻装されるがU相電流とW相電流とが同じ巻線スペースに配置されるため、それらの合成電流（ーV相電流）によって第２の部分コアのステータ磁極２１、２２にはV相磁界が形成される。これにより、２つのループ状巻線１５，１６により、各部分コアに互いに電気角略１２０度離れた３つの回転磁界が形成される。

（効果）
この実施形態によれば、図３に示すように、軸方向上部において隣接するステータ磁極１９と２０、軸方向中央部において隣接するステータ磁極２１と２２、軸方向下部において隣接するステータ磁極２３と２４がそれぞれ電気角で１８０度の位相差となっているため、これら隣接するステータ磁極は逆極のロータ側の磁石と対向する。このようなステータ磁極の位置関係となると、概ね隣接するステータ磁極同士で磁気的にバランスするため、コギングトルクやコギングトルクに起因するトルクリップルを低減することができる。

また、周方向に隣接するステータ磁極間の磁束の流れが主となるため、電磁鋼板の積層でステータコアを構成しても、電磁鋼板に垂直に鎖交する磁束が少ないためそれによって発生する渦電流損を小さくすることができ、モータの損失を低減できる。

なお、図３では周方向に隣接するステータ磁極が１８０度異なる位相のステータ磁極となっているが、これに限定されるものではなくて、例えば１２０度異なる位相のステータ磁極や、９０度異なる位相のステータ磁極を組み合わせて、同一軸方向位置における各ステータ磁極の鎖交磁束の合計が概ねゼロとなるように組み合わせれば、上記で説明したのと同等の効果を得ることができる。

また、周方向に隣接するステータ磁極間の位相差が完全にそろっていなければならないわけではなくて、例えば周方向に隣接する磁極との位相差が１８０度ではなくて１７０度と１９０度であっても１８０度の場合に近い効果を得ることができる。すなわち周方向に隣接するステータ磁極との位相差が電気角３６０度よりも小さい値であれば、同一軸方向位置に異なる位相のステータ磁極が存在するので、同一軸方向位置で磁気的にバランスしやすくなる。

すなわち、この実施形態から理解されることは、軸方向に複数の部分コアを軸方向磁束流通可能にタンデム配置する場合であっても、同一円周上すなわち軸方向等位置に配置された一つの部分コアのすべてのステータ磁極の合成磁界が０に近い値となれば、この一つの部分コアから軸方向に隣接する部分コアへの軸方向の磁束流れを理論的に解消できるため種々の効果を実現できるわけである。更に、この一つの部分コアにおける互いに同極のステータ磁極同士が点対称配置となっていると、この部分コアに作用する径方向磁気力のバランスが良くなる。

更に、この実施形態では、図３、図５に示すように、上端のステータ磁極と巻線との関係は、周方向に隣接するステータ磁極１９、２０との位相差は電気角１８０度となっている。そこで、周方向に隣接する巻線スペース（磁極隙間）に１８０度位相がずれた正弦波電流を流せば最大のトルクを発生させることができる。実際には、図５に示すループ状巻線１５のような巻線配置にすれば隣接する巻線スペースには逆方向に電流が流れるので１８０度位相のずれた電流を流しているのと等価となる。

次に、下端にて周方向に隣接するステータ磁極２３と２４と巻線との関係は、上端のそれと全く同じような配置となっているので、同様に図５のループ状巻線１６に正弦波電流を流せば最大のトルクを発生させることができる。また、上端と下端では磁極の位置が１２０度ずれているので、電流も上端の電流に対して１２０度位相がずれた電流を流してやればよい。

次に、軸方向中央にて周方向に隣接するステータ磁極２１、２２と巻線との関係は、上端、下端それぞれに対して１２０度位置がずれているので、巻線スペース（磁極隙間）にも上端、下端に対して１２０度位相がずれた電流を流せば同様に最大のトルクを発生させることができる。中央のステータ磁極間の巻線スペースには２つのループ状巻線１５，１６が重なって配置されているが、それぞれの巻線に流れる電流の位相が１２０度ずれているので、合成した電流もそれぞれに対して１２０度位相がずれることになる。結果として２本の巻線１５、巻線１６に１２０度位相のずれた正弦波電流を適正な位相で流すことでトルクを発生させることができる。

また、同様の巻線配置で、ループ状巻線１５を２つに分けてIo×sin(θ＋α)、-Io×sin(θ＋α-１２０度)の電流を個別に流し、ループ状巻線１６を２つに分けてIo×sin(θ＋α-１２０度)、-Io×sin(θ＋α-２４０度)の電流を個別に流すことによっても上記と同様のトルクを発生させることができる。ここで、Ioは電流振幅、θは回転角（電気角）、αは電流位相を表す。

（変形態様）
図１に示すように各ステータ磁極の軸方向幅がどの径方向位置でも概ね等しければ同一枚数の電磁鋼板を積層することでステータ磁極を構成することができ、生産性がよい。また、各ステータ磁極の周方向幅が等しければ同一形状の電磁鋼板を積層することでステータ磁極を構成することができ生産性がよいが、異なる形状の電磁鋼板を積層する技術もあるので、必ずしも周方向幅が同一である必要はない。

（変形態様）
図6に巻線の配置を示す周方向への展開図の別例を示す。まず上端の隣接するステータ磁極１９と２０と巻線との関係を説明する。隣接するステータ磁極との位相差は１８０度となっているので隣接する巻線スペースには電気角で１８０度位相のずれた正弦波電流を流せば最大のトルクを発生させることができる。実際には図６に示すような巻線配置にすれば隣接する巻線スペースには逆方向に電流が流れるので電気角で１８０度位相のずれた電流を流しているのと等価となる。

次に下端、中央のステータ磁極と巻線との関係を説明する。上端の場合と全く同じような配置となっているので、同様に図６に示す巻線に正弦波電流を流せば最大のトルクを発生させることができる。また上端と下端では磁極の位置が電気角で１２０度ずれているので、電流も上端の電流に対して電気角で１２０度ずれた電流を流してやればよい。

結果として３本の巻線に電気角で１２０度位相のずれた正弦波電流を適正な位相で流すことでトルクを発生させることができる。

これは別の見方をすると、ループ状巻線１５で囲まれるステータ磁極１９、２１と、ループ状巻線１６で囲まれるステータ磁極２２と２４、ループ状巻線１５，１６で囲まれるステータ磁極２０と２３という各組がそれぞれ1つの相を成していると考えることもできる。

（実施形態２）
実施形態２のモータを図７、図８を参照して説明する。図７はステータ磁極の周方向模式展開図、図８はループ状巻線の周方向模式展開図である。ただし、以降の説明では簡単のために、ループ状巻線は単に巻線とも呼ばれることもある。

まず、上端の隣接するステータ磁極２５と２６と巻線との関係を説明する。隣接するステータ磁極との位相差との位相差は電気角で１８０度となっているので隣接する巻線スペースには１８０度位相のずれた正弦波電流を流せば最大のトルクを発生させることができる。実際には、図８に示すような巻線配置にすれば隣接する巻線スペースには逆方向に電流が流れるので電気角で１８０度位相のずれた電流を流しているのと等価となる。

次に、下端の隣接するステータ磁極３０と３１と巻線との関係を説明する。上端の場合と全く同じような配置となっているので、同様に図８に示す巻線に正弦波電流を流せば最大のトルクを発生させることができる。また、上端と下端では磁極の位置が電気角で１２０度ずれているので、電流も上端の電流に対して電気角で１２０度ずれた電流を流してやればよい。

次に、軸方向中央の周方向に隣接するステータ磁極２７、２８、２９について考える。周方向に隣接するステータ磁極間の位相差は上端、下端と違い電気角で１２０度となっているので、隣接する巻線スペース（磁極隙間）には電気角で１２０度位相のずれた正弦波電流を流せば最大のトルクを発生させることができる。ここで、巻線スペースに1本の巻線が入っている場所の電流は上で説明したように電気角で１２０度位相がずれており、2本の巻線が入っている場所は電流の方向が他の2つとは逆向きで、電気角で１２０度位相のずれた電流の合成となるので、結果として他の二つと120度位相のずれた電流が流れているのと等価となる。

その結果、２本の巻線に１２０度位相のずれた正弦波電流を適正な位相で流すことでトルクを発生させることができる。またこのような構成にすることで、図５のように巻線が同一軸方向位置で重なる部分がなくなるため、巻線長を短縮することができる。

これは別の見方をすると、巻線１５で囲まれるステータ磁極２５と２７、巻線１６で囲まれるステータ磁極２９と３１、巻線１５、１６で囲まれるステータ磁極２６と２８と３０いう各組がそれぞれひとつの相を成していると考えることもできる。

（変形態様）
図９に示すようにステータ磁極のうち巻線が軸方向片側に隣接しているステータ磁極２０、２２、２３を巻線の軸方向長さが短くなる軸方向に移動させることにより巻線長を短縮することができる。あまりずらしすぎると隣接磁極間の磁気バランスが崩れてしまうので大きな移動はできないが、磁気バランスを大きく崩さない範囲で移動させることで巻線長を短縮し、銅損を低減することができる。

（変形態様）
図１０に示すように同一相のステータ磁極１９と２１、ステータ磁極２２と２４、ステータ磁極２０と２３がお互いに近づくように周方向に移動させることにより、巻線長を短縮することができる。あまりずらしすぎると隣接磁極間の磁気バランスが崩れてしまうので大きな移動はできないが、磁気バランスを大きく崩さない範囲で移動させることで巻線長を短縮し、銅損を低減することができる。

なお、同一相のステータ磁極の周方向幅は、図３の場合には電気角で６０度位相のずれた2つの磁極を足し合わせた幅となるので、1つの磁極幅が電気角で１２０度以上の場合は電気角で１８０度を超えてしまう。すると、同一相のステータ磁極の中にロータのＮ極とＳ極が同時に重なることとなり、トルクの低下を導いてしまう。そこで上記に示したずらし方をすることで、同一相のステータ磁極の周方向幅を180度よりも小さくすることができ、トルクの低下を防ぐことが可能となる。

（変形態様）
上記と同等の効果を磁極の周方向幅を短くすることにより実現することもできる。たとえば図１１に示すように、中央のステータ磁極２１、２２を周方向に短縮することにより、巻線を短縮して同一相のステータ磁極の周方向幅を電気角で１８０度以下にすることができる。

（変形態様）
図１２に示すように、図３のステータ磁極配置において巻線が通らない磁極隙間に磁性体３２、３３を追加することで磁束の流れる箇所を増やすことができる。これにより、磁気飽和の低減やトルク特性の向上を図ることができる。また、図１３に示すように、図７のステータ磁極配置において巻線が通らない磁極隙間に磁性体３４、３５、３６を追加することで同様の効果を得ることができる。更に、各ステータ磁極は角棒を組み合わせた形状の他、それらの輪郭を丸めたような磁極形状でもよい。

（変形態様）
各ステータ磁極のロータ対向面すなわちステータ磁極の磁極面は、図１４に示すように平行四辺形とされることができる。これにより、巻線は、多数の直角屈曲部をもつことなく、斜めに延在することができ、その分だけ巻線長を短縮することができる。これにより、銅損低減および巻線量低減を図ることができる。周方向に隣接する磁極間の位相関係は変わらないので上の請求項で示した効果は同じように得ることができる。また、磁極面を平行四辺形にすることで、ステータ磁極に流れる磁束の回転角変化率が滑らかになるため、トルクリップルの低減効果も得ることができる。

（変形態様）
各ステータ磁極のロータ対向面すなわちステータ磁極の磁極面は、図１５に示すように台形とされることができる。これにより、巻線は、多数の直角屈曲部をもつことなく、斜めに延在することができ、その分だけ巻線長を短縮することができる。これにより、銅損低減および巻線量低減を図ることができる。隣接磁極間の位相関係は変わらないので上の請求項で示した効果は同じように得ることができる。また台形にすることで、ステータ磁極に流れる磁束の回転角変化率が滑らかになるため、トルクリップルの低減効果も得ることができる。

（変形態様）
その他、図１６に示すように、各ステータ磁極の磁極面を、軸方向幅が周方向変位に伴って概ね正弦波状に変化する形状に変形してもよい。これにより、巻線は、多数の直角屈曲部をもつことなく、斜め延在することができ、その分だけ巻線長を短縮することができる。これにより、銅損低減および巻線量低減を図ることができる。隣接磁極間の位相関係は変わらないので上の請求項で示した効果は同じように得ることができる。

ここで、ロータを回転させたときの軸方向端部のステータ磁極に流れる磁束をφu、φwとするとこれらは同一の大きさで１２０度位相のずれた回転方向位置に配置されているので、
φu＝φ0sinθ
φw＝φ0sin（θ-１２０度）
となる。また各ステータ磁極表面を流れる磁束の総和は常にゼロであるので
φu＋φｖ＋φw＝０
が成立する。したがって軸方向中央のステータ磁極に流れる磁束はその形状にかかわらず
φv＝−（φu＋φw）
であり、結果として
φv＝φ0sin（θ-２４０度）
となり、各ステータ磁極に同一量の１２０度位相のずれた磁束が流れる。ゆえに図１６では上下の2つのステータ磁極のみが正弦波形状となっているが、残りのステータ磁極も等価的に正弦波形状であるといえる。また、磁極表面を軸方向幅が回転方向位置に対して概ね正弦波状に変化する形状にすることで、ステータ磁極に流れる磁束の回転角変化率が正弦波となるため、トルクリップルの低減効果も得ることができる。

（変形態様）
図１６の更なる変形態様を図１７に示す。図１７では、軸方向両端側のステータ磁極４４、４６が、ロータ１０の永久磁石１２の軸方向幅に概ね等しい軸方向幅をもつようにしてもよい。この場合においても、各ステータ磁極の磁極面は、軸方向幅が周方向変位に伴って概ね正弦波状に変化する形状とされる。これにより、一層のトルクリップル低減を期待することができる。

（変形態様）
図１８、図１９に示すように、巻線が軸方向上下に隣接するステータ磁極において、巻線巻回部の軸方向幅を短くし、巻線がステータ磁極に埋まるような構成とすることで巻線長を短縮することができる。特に軸方向端部の巻線においては、巻線の軸方向へのはみ出しを低減もしくはなくすことができるので、モータの軸方向幅を短縮することができる。また、図２０に示すように、上記軸方向幅の変更を電磁鋼板の折り曲げで構成することも可能である。

（変形態様）
図２１に示すように巻線が軸方向上下に隣接するステータ磁極において、巻線巻回部の軸方向位置を巻線の逆側にずらし、巻線がステータ磁極に埋まるような構成とすることで、巻線長を短縮することができる。特に、軸方向端部の巻線においては、巻線の軸方向へのはみ出しを低減もすくはなくすことができるので、モータの軸方向幅を短縮することができる。その他、図２２に示すように、上記軸方向幅の変更を電磁鋼板の折り曲げで構成することも可能である。

（変形態様）
図２３に示すように電磁鋼板の積層で構成されたモータの一部を等方性の軟磁性材料とすることにより、軸方向の磁束の流れがこの部分に集中するために、積層部分での渦電流損を低減することができる。具体的には、図２３では、積層電磁鋼板からなるステータ磁極軸方向配置型のステータコア１００Aのヨーク部１０１に、軸方向へ貫通孔１０２を８個貫設し、各貫通孔１０２に等方性磁性体の丸棒１０３をそれぞれ嵌入、固定している。なお、貫通孔はステータ磁極１０４の径方向外側に配置することが強度上及び磁束流れの点で好適である。なお、電磁鋼板内の渦電流の流れをさえぎるためにステータコア１００Aの一部にスリットのような非磁性体部分を設けることが望ましい。

（変形態様）
以上、磁極形状の各種変更について説明したが、実際の適用にあたっては、モータの体格、極数、使用用途、制約条件などをふまえて、本発明の中で示す技術の組み合わせのうち最適なものを選択すればよい。たとえば、図２４に示すように、上記複数の態様の工夫を同時に組み合わせれば性能向上効果は一層増大する。また、上記各実施例のモータは、磁極形状の工夫によって従来のモータに存在するコイルエンドと呼ばれる巻線の軸方向へのはみ出しを低減もしくはなくすことができるので、特に薄型のモータにおいて大きなメリットを発揮することができる。更に、ロータは表面に磁石を持つタイプであるが、磁石をロータ内に埋め込んだタイプなど他のロータとの組み合わせも可能であることはもちろんである。ロータの位置についても、上記インナーロータタイプの他、ロータが外側に配置されるアウターロータタイプとしてもよい。アウターロータタイプにした場合には、薄型に構成しやすく、巻線を短くでき、ロータ径を大きくすることができるなどの特徴があり、本モータの優位性をさらに向上させることができる。

その他、巻線については蛇行部を有する蛇行巻線となっているので、成形した巻線を巻線スペースにはめ込むといった方法や、アルミ巻線などの柔らかく成形しやすい巻線を用いるなどの方法を用いることで、より簡単に巻線を構成することができる。

実施形態１のモータの軸方向模式断面図である。 図１の、ＡーＡ線、ＢーＢ線、ＣーＣ線矢視径方向模式断面図である。 図１のステータ磁極の周方向模式展開図である。 図１のロータの周方向展開図である。 図１のループ状巻線の周方向展開図である。 図５のループ状巻線の変形態様を示す周方向展開図である。 実施形態２のステータ磁極の周方向模式展開図である。 図７のステータ磁極に巻装するループ状巻線の周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置及びループ状巻線配置を示す周方向模式展開図であり、上部はステータ磁極配置を示す周方向模式展開図、下部はループ状巻線配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置及びループ状巻線配置を示す周方向模式展開図であり、上部はステータ磁極配置を示す周方向模式展開図、下部はループ状巻線配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置及びループ状巻線配置を示す周方向模式展開図であり、上部はステータ磁極配置を示す周方向模式展開図、下部はループ状巻線配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置及びループ状巻線配置を示す周方向模式展開図であり、上部はステータ磁極配置を示す周方向模式展開図、下部はループ状巻線配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極配置を示す周方向模式展開図である。 変形態様のステータ磁極とループ状巻線の配置を示す軸方向模式断面図である。 変形態様のステータ磁極とループ状巻線の配置を示す軸方向模式断面図である。 変形態様のステータ磁極とループ状巻線の配置を示す軸方向模式断面図である。 変形態様のステータ磁極とループ状巻線の配置を示す軸方向模式断面図である。 変形態様のステータコアの形状を示す図であり、（ａ）はステータコアの径方向模式平面図、（ｂ）はそのＥーＥ線矢視軸方向断面図である。 変形態様のステータ磁極配置及びループ状巻線配置を示す周方向模式展開図であり、上部はステータ磁極配置を示す周方向模式展開図、下部はループ状巻線配置を示す周方向模式展開図である。 従来例１のモータの軸方向模式断面図である。 図２４のモータの径方向模式断面図である。 図２４のステータの周方向模式展開図である。 従来例２のモータの軸方向模式断面図である。 図２７のモータの径方向模式断面図である。 図２７のステータの周方向模式展開図である。 図２７のロータの周方向模式展開図である。 図２７のステータコイルの２つの相巻線の周方向展開図である。

符号の説明

１０ ロータ
１１ 回転軸
１２ 永久磁石
１３ ハウジング
１４ ステータコア
１５ ループ状巻線
１６ ループ状巻線
１９〜３０ ステータ磁極
３２〜３６ 磁性体（軟磁性体）
１００A ステータコア
１００ モータ
１０１ ヨーク部
１０２ 各貫通孔
１０２ 貫通孔
１０３ 丸棒
１０４ ステータ磁極

Claims (18)

1. ロータ磁極としてのN極磁極及びS極磁極が周方向交互に配置されたロータと、
   同一円周上にて周方向へ順次配置される多数のステータ磁極によりそれぞれ構成される複数の部分コアを軸方向へ順次配置してなるステータコアと、
   互いに周方向に隣接する前記ステータ磁極の間の磁極隙間を軸方向交互に通過しつつ周方向へ展開する波形巻線であるループ状巻線を複数有するステータコイルと、
   を備える交流モータにおいて、
   同一の前記部分コアに属して周方向に隣接する前記各ステータ磁極の間の位相角差は周方向において電気角３６０度未満の範囲に設定されていることを特徴とする交流モータ。
2. 請求項１記載の交流モータにおいて、
   前記各ステータ磁極の軸方向幅は、略等しい交流モータ。
3. 請求項１記載の交流モータにおいて、
   前記部分コアは、周方向交互に配置されるとともに周方向位相差が略電気角１８０度である２種類の前記ステータ磁極により構成され、
   前記ループ状巻線は、前記２種類のステータ磁極の間に形成されて軸方向所定ピッチで形成される多数の前記磁極隙間を軸方向交互に通過する波形巻線からなる交流モータ。
4. 請求項３記載の交流モータにおいて、
   ３つの前記部分コアが軸方向に順次配置され、
   ３つの前記ループ状巻線は、前記３つの部分コアに個別に巻装されている交流モータ。
5. 請求項３記載の交流モータにおいて、
   前記ループ状巻線は、
   軸方向に隣接する第１、第２の前記部分コアに個別に属する各１つのステータ磁極をまとめて囲むように、前記第１の部分コアの磁極隙間を軸方向一方向きに通過した後、前記第２の部分コアの磁極隙間を軸方向一方向きに通過し、その後、前記第２の部分コアの磁極隙間を軸方向他方向きに通過した後、前記第１の部分コアの磁極隙間を軸方向他方向きに通過する波形巻線からなり、
   第１の前記ループ状巻線は、第２の前記ループ状巻線が波状に通過する前記部分コアの組み合わせとは異なる前記部分コアの組み合わせを波状に通過する交流モータ。
6. 請求項５記載の交流モータにおいて、
   軸方向に第１、第２、第３の前記部分コアが順次配置され、
   第１の前記ループ状巻線は、前記第１、第２の部分コアに巻装され、
   第２の前記ループ状巻線は、前記第２、第３の部分コアに巻装されている交流モータ。
7. 請求項６記載の交流モータにおいて、
   軸方向両側の前記第１、第３の部分コアに属する前記ステータ磁極は、周方向へ電気角略１８０度離れて配置され、
   軸方向中央側の前記第２の部分コアに属する前記ステータ磁極は、周方向へ電気角略１２０度離れて配置され、
   前記第２の部分コアは、前記第１のループ状巻線のみが通過する前記磁極隙間と、前記第２のループ状巻線のみが通過する前記磁極隙間と、前記第１、第２のループ状巻線が両方とも通過する前記磁極隙間とを有する交流モータ。
8. 請求項１記載の交流モータにおいて、
   同一の前記部分コアに属する２種類のステータ磁極は、互いに異なる軸方向位置を有する交流モータ。
9. 請求項１記載の交流モータにおいて、
   前記部分コアの各ステータ磁極の一部は、周方向等ピッチの周方向位置よりも周方向へ所定位相角分だけずらして配置されている交流モータ。
10. 請求項１記載の交流モータにおいて、
    前記各ステータ磁極は、少なくとも２種類の周方向幅を有する交流モータ。
11. 請求項１記載の交流モータにおいて、
    互いに異なる前記部分コアに個別に属するとともに、互いに軸方向に隣接する２つの前記ステータ磁極の間の軸方向隙間に軟磁性体が配置される交流モータ。
12. 請求項１記載の交流モータにおいて、
    前記ステータ磁極のロータ対向面は、略平行四辺形の形状をもつ交流モータ。
13. 請求項１記載の交流モータにおいて、
    前記ステータ磁極のロータ対向面は、略台形の形状をもつ交流モータ。
14. 請求項１記載の交流モータにおいて、
    前記ロータ磁極に対面する前記ステータ磁極の先端面であるステータ磁極面は、周方向展開図上において周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する端縁を有し、
    前記ステータ磁極面の軸方向幅は、周方向へ移動するにつれて概ね正弦波状に変化する交流モータ。
15. 請求項１記載の交流モータにおいて、
    前記ステータ磁極の径方向各部のうち前記ループ状巻線に軸方向に隣接する部位は、前記ステータ磁極の前記ループ状巻線に隣接しない径方向先端部に比べて凹んでいる交流モータ。
16. 請求項１記載の交流モータにおいて、
    前記ステータ磁極の径方向先端部は、前記ステータ磁極のうち前記ループ状巻線に軸方向に隣接する部位よりも、軸方向前記ループ状巻線向きに幅広とされている交流モータ。
17. 請求項１記載の交流モータにおいて、
    前記ステータコアのうち少なくともヨーク部に位置して軸方向に延在する等方性軟磁性部材を有する交流モータ。
18. 請求項１７記載の交流モータにおいて、
    前記ステータコアは、軸方向に積層されて前記各部分コア及び前記各部分コア間の磁束流通を担うヨーク部を有する積層電磁鋼板と、前記積層電磁鋼板のヨーク部に軸方向に貫設された孔と、前記孔に挿入された棒状の前記等方性軟磁性部材とを有する交流モータ。

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