JP2009005466A - 交流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】異なる相のステータ磁極が軸方向に順次配列される交流モータのコギングトルクやトルクリップルを低減すること。
【解決手段】軸方向一端部寄りのステータ磁極１９、２０と、軸方向中央部寄りのステータ磁極２１、２２と、軸方向他端部寄りのステータ磁極２３、２４とが配置されており、ステータ磁極１９〜２４のロータ対向面１０はロータ１０の軸方向幅全体をほぼ覆って配置される。これにより、漏れ磁束のばらつきやステータ磁極の離散性が低減されるためコギングトルクやトルクリップルを低減できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、交流モータに関し、特に車両用途に好適な交流モータの改良に関する。

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２７〜図２９に図示する。図２７はその軸方向模式断面図、図２８はその径方向模式断面図、図２９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。この交流モータは、軸方向へ互いに隣接して配列される複数のステータ磁極に対して周方向に異なる位相角位置を与え、これら各ステータ磁極間にループ状巻線を配置した構成となっているため、低コストで高効率、高トルクを期待することができる。更に説明すると、この特許文献２のモータ（以下、ステータ磁極軸方向配列型の交流モータとも言う）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隣接して配置されて周方向にそれぞれ延在する複数のループ状巻線とを備えている。一つの部分コアは、同一円周上にて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ている。

一つの部分コアに含まれる各ステータ磁極の周囲に巻線を巻回することを考える場合、互いに隣接する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となる。したがって、この巻線は、ステータ磁極に対して軸方向に隣接する位置に延在するループ状の巻線に代替えすることができる。この結果、上記した従来構造において、互いに周方向に隣接する２つのステータ磁極の間に巻回される巻線部分を省略することができ、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の交流モータは、ステータが磁気突極構造をもつため、コギングトルクやトルクリップルが大きい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、コギングトルクやトルクリップルが小さく、磁気振動や騒音も低減可能なステータ磁極軸方向配列型の交流モータを提供することをその目的としている。

上記課題を解決する第１発明は、周方向へ所定ピッチで配置された複数のステータ磁極の基端部を略円筒状のバックヨークで磁気的に接続してそれぞれ構成されている部分コアが軸方向へ複数配列されてなるステータコアと、周方向交互に配置されたN極磁極及びS極磁極をロータ磁極として有するロータと、前記ステータ磁極の間の磁極隙間を通過しつつ周方向へ延設される複数のループ状巻線を有するステータコイルとを備え、前記ステータ磁極のロータ対向面は、前記ロータ磁極の位置を基準として互いに異なる周方向重心位置を前記各部分コアごとに有する交流モータにおいて、前記ロータ磁極のステータ対向面は、前記ロータのほぼ軸方向全幅にわたって前記ステータ磁極のロータ対向面に対面可能に配置されていることをその特徴としている。

本発明によれば、前記ロータ磁極のステータ対向面の軸方向ほぼすべての部位が少なくとも一つの前記ステータ磁極のロータ対向面に対して径方向に対面可能に配置されているので、各ステータ磁極の漏れ磁束のばらつきや、各ステータ磁極の離散性に起因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。

好適な態様において、互いに隣接する前記ステータ磁極のロータ対向面の間の磁極隙間の軸方向幅は、周方向各部において略等しく設定されている。このようにすれば、互いに隣接するステータ磁極のロータ対向面間の空隙（磁極隙間）の軸方向幅が周方向で概ね等しいので、そのばらつきに起因するコギングトルクやトルクリップルの増大を抑止することができる。

好適な態様において、軸方向端寄りに重心をもつ前記部分コアに属する端部側の前記ステータ磁極のロータ対向面は、周方向へ移動するにつれて概ね正弦波状に変化する軸方向幅を有し、軸方向中央寄りに重心をもつ前記部分コアに属する中央側の前記ステータ磁極のロータ対向面は、前記ロータ磁極のステータ対向面のうちの前記端部側のステータ磁極のロータ対向面に対面していない部分に略等しい形状を有している。このようにすれば、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、誘起電圧波形を正弦波化することができ、モータの制御性を向上できる。

好適な態様において、軸方向端寄りの前記部分コアに属する端部側の前記ステータ磁極のロータ対向面は、軸方向中央寄りの前記部分コアに属する中央側の前記ステータ磁極のロータ対向面を略２分した形状をもつ。ただし、好適には、ループ状巻線は、軸方向両端のステータ磁極に同相の磁界を形成する。この態様では、軸方向両端のステータ磁極のロータ対向面が軸方向中央のステータ磁極のロータ対向面を軸方向に2分割した形状に略等しくしたので、各ステータ磁極における漏れ磁束の不均等さに起因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。

好適な態様において、すべての前記ステータ磁極のロータ対向面の軸方向幅は、周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する。すなわち、この態様によれば、前記ステータ磁極のロータ対向面の軸方向幅が周方向位置に対して概ね正弦波状に変化するので、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、誘起電圧波形を正弦波化することができ、モータの制御性を向上できる。

好適な態様において、前記ステータ磁極のロータ対向面と前記ロータ磁極のステータ対向面との間の距離は、周方向中央部側から周方向端部側へ移動するにつれて大きくなる。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とロータ磁極のステータ対向面との間の径方向距離が、ステータ磁極のロータ対向面の周方向端部で大きく、周方向中央部で小さくされているため、ステータ磁極とロータ磁極との間の磁束授受量の変化を滑らかにすることでき、コギングトルク、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、前記ステータ磁極は、ロータ対向面からバックヨークに向かうにつれて軸方向幅が縮小し且つ周方向幅が増大する部分をもつ。このようすれば、局所的な磁気飽和を抑止できるとともに、ループ状巻線の湾曲を低減し長さを短縮する事ができる。

好適な態様において、前記ループ状巻線に周方向及び軸方向に隣接する前記ステータ磁極の部分である茎部は、前記ループ状巻線の曲率を減少させる向きに屈曲乃至面取りされた三角形乃至台形形状の周方向展開断面形状を有する。このようにすれば、ループ状巻線を短くでき、さらに、巻線スペースを拡大することができる。

好適な態様において、前記ステータ磁極の茎部は、前記ループ状巻線に接する部位にて面取りされている。これにより、ループ状巻線の湾曲を滑らかにし、ループ状巻線の表面を覆う絶縁皮膜の損傷を抑制することができる。

好適な態様において、前記ステータ磁極の先端部のうち前記茎部よりも軸方向又は周方向へ突出する部分である前記ステータ磁極の鍔部を有し、前記鍔部の軸方向幅及び径方向幅は略等しく形成されている。これにより、ステータ磁極は、この鍔部によりロータ磁極に広く対面して磁気抵抗を低減して広く磁束を集めることができるとともに、鍔部の磁気飽和も抑止することができるため、トルクを低下させること無く巻線スペースを確保する事が出来る。また、軸方向へ突出するステータ磁極の鍔部が磁気飽和することによるコギングトルクおよびトルクリップルを低減することができる。

本発明の交流モータの好適実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきものではなく、その他の技術の組み合わせにより本発明の技術思想を実現してもよいことはもちろんである。

（実施形態１）
実施形態１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はロータの模式展開図、図３はステータ磁極の周方向模式展開図である。

（基本構成）
この交流モータの基本構成を以下に説明する。

このモータは、回転軸１１に嵌着固定されたＳＰＭ構造のロータ１０を有し、円筒状の永久磁石がロータ１０の外周面に嵌着、固定されている。なお、ロータの構造はＳＰＭ構造に限定されるものではない。

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、電気角は図３からわかるように機械角の４倍となる。１４はステータコアであり、ステータコア１４にループ状巻線（相巻線）１５A、１５Bを巻装してステータが構成されている。なお、ループ状巻線１５A、１５Bは一例であって、用途に応じて種々変更可能である。ステータコア１４は径方向内側へ突出する多数のステータ磁極を有している。

ステータコア１４及びループ状巻線１５Ａ、１５Ｂを図４の分解斜視図を参照して更に詳しく説明する。

ステータコア１４は、軸方向順次に配置される部分コア１４１〜１４３を有している。部分コア１４１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。部分コア１４２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。部分コア１４３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。部分コア１４１〜１４３は、各ステータ磁極の基端部を磁気的に接続するリング状のバックヨーク１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃを有している。

部分コア１４１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。部分コア１４２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。部分コア１４３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。

ステータ磁極１９〜２４は、図４に示すようにリング状のバックヨーク１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃから径内向きに突出する茎部と、この茎部の先端（軸方向内端）から軸方向へ突出する鍔部とを有している。この実施形態では、各鍔部は軸方向に突出するにつれて周方向幅が連続的に減少する形状を有している。ステータ磁極１９〜２４の茎部の周方向展開図が図３に示されている。この周方向展開平面図上におけるステータ磁極１９〜２４の重心すなわち面積的中心点は、互いに電気角１２０°だけ周方向にずれている。つまり、ステータ磁極１９〜２４の茎部は、ステータ磁極１９、２１、２３、２０、２２、２４、１９、・・・の順に周方向へ配列されている。

ループ状巻線１５Aは、図４に示すように、部分コア１４１と部分コア１４２との間に位置して周方向へリング状（正確には波状）に介設されている。ループ状巻線１５Ａは、部分コア１４１、１４２のステータ磁極１９〜２２の茎部に隣接して配置されている。部分コア１４１のステータ磁極１９、２０は、ループ状巻線１５Ａの径方向内側にてループ状巻線１５Ａを超えて部分コア１４２側へ突出している。部分コア１４２のステータ磁極２１、２２は、ループ状巻線１５Ａの径方向内側にてループ状巻線１５Ａを超えて部分コア１４１側に突出している。

ループ状巻線１５Bは、図４に示すように、部分コア１４３と部分コア１４２との間に位置して周方向へリング状（正確には波状）に介設されている。ループ状巻線１５Ｂは、部分コア１４３、１４２のステータ磁極２１〜２４の茎部に隣接して配置されている。部分コア１４３のステータ磁極２３、２４は、ループ状巻線１５Ｂの径方向内側にてループ状巻線１５Ｂを超えて部分コア１４２側へ突出している。部分コア１４２のステータ磁極２１、２２は、ループ状巻線１５Bの径方向内側にてループ状巻線１５Ｂを超えて部分コア１４３側へ突出している。

つまり、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂは、ステータ磁極１９〜２４の基端部と先端部との間の茎部に巻装されている。この鍔部の径方向内端面が上記に言うロータ対向面（図５参照）をなす。ステータ磁極１９〜２４の鍔部はステータ磁極１９〜２４の先端部から軸方向に突出しているが、後述するように周方向へも突出させてもよい。結局、ループ状巻線１５Ａは、ステータ磁極１９の茎部とステータ磁極２１の茎部との間の磁極隙間と、ステータ磁極２０の茎部とステータ磁極２２の茎部との間の磁極隙間とを順次通過して周方向へ延在する。ループ状巻線１５Ｂは、ステータ磁極２１の茎部とステータ磁極２３の茎部との間の磁極隙間と、ステータ磁極２２の茎部とステータ磁極２４の茎部との間の磁極隙間とを順次通過して周方向へ延在する。つまり、この実施形態では、ステータコイルは、波状に蛇行するリング状の相巻線であるループ状巻線１５Ａ、１５Ｂにより構成されている。

ステータ磁極１９〜２４のロータ磁束鎖交量を増大するためにはそれらの軸方向幅を図３よりも増大させることが望ましい。図４では、ステータ磁極１９〜２４の鍔部をその茎部の先端部から軸方向へ突出しているため、問題を生じることなくステータ磁極１９〜２４のロータ対向面を増大することができる。

（ステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の形状）
この実施形態の特徴をなすステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の形状を図５を参照して説明する。なお、このロータ対向面は、通常で言う磁極面である。

端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４のロータ対向面すなわち磁極面は、茎部から軸方向へ遠ざかるにつれて周方向幅が減少する略台形に形成されている。中央部寄りのステータ磁極２１、２２のロータ対向面は、図５に示すように周方向幅が一定の略平行四辺形に形成されており、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４のロータ対向面に占有されていないロータ１０のステータ対向面に面する部位において配置されている。中央部寄りのステータ磁極２１、２２のロータ対向面の軸方向に延在する端縁は、隣接する端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の軸方向に延在する端縁に対して所定の周方向隙間を隔てて平行に形成されている。また、ステータ磁極１９〜２４は、ロータ１０の軸方向幅、更に正確に言えば各ロータ磁極の軸方向幅に等しい軸方向幅を有している。周方向に隣接する２つのステータ磁極は軸方向に見た場合に（周方向において）重なって配置されている。図５において、ｇは、周方向に隣接する２つのステータ磁極の間のギャップである。このギャップの周方向各部は一定の軸方向幅、一定の周方向幅をもつ。

（動作）
相巻線であるループ状巻線１５ＡにたとえばU−V相正弦波電流、相巻線であるループ状巻線１５Ｂにそれと電気角１２０°位相がずれたV−W相正弦波電流を通電した場合を例として動作を説明する。ステータ磁極１９、２０にはU相磁束が形成され、ステータ磁極２３、２４にはW相磁束が形成される。ステータ磁極２１、２２には、これら磁束の合計と等しい磁束量をもち磁束方向が反対の磁束すなわち−（U＋W）＝V相の磁束が形成される。すなわち、ステータ磁極１９、２０にはU相ベクトル磁界が形成され、ステータ磁極２１、２２にはV相ベクトル磁界が形成され、ステータ磁極２３、２４にはW相ベクトル磁界が形成される。つまり、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂにより、互いに電気角１２０°離れた３つの相磁束ベクトルからなる回転磁界が形成される。ロータ１０のN極及びS極との回転すなわちロータ磁束の回転と上記ステータ回転磁界の回転と同期させると通常の同期機と同じ動作を得ることができることがわかる。

たとえばロータ磁極であるN極磁極が回転して各ステータ磁極１９〜２４の径方向内側を周方向へ通過する場合を考える。このN極磁極は図２に示すように軸方向に延在する長方形の周方向展開形状を有するものとする。このN極磁極の周方向移動につれて、このN極磁極と一つのステータ磁極との周方向展開図上の重なり面積は最初は徐々に増大し、その後、徐々に減少することになる。このことは、このN極磁極から一つのステータ磁極に与えられるロータ磁束量が時間的に単調に増大し、その後、単調に減少することを意味する。したがって、このモータによれば、コギングトルクやトルクリップルを良好に低減することができる。つまり、従来において通常の同期機と同様の複雑なスロット構造及びステータコイル配線構造をもつ従来のシンクロナスモータに比べて格段にステータコイル構造が簡単なシンクロナスモータをステータ磁極１９〜２４のロータ対向面形状を工夫するだけで得られるわけである。なお、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの電流位相は、必要トルク量に応じてN極磁極の回転角度位置に合わせて決定されるのは従来の同期モータなどと同様である。

その他、上記説明した実施形態では、周方向に隣接する２つのステータ磁極（正確にはその先端部）の間の隙間が小さくなるため、この隙間における漏れ磁束量の各ステータ磁極でのばらつきが小さい。このため、各相で発生するトルクのばらつきを低減でき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、ステータ磁極の離散性を低減することができ、ステータ磁極の離散性によって生じ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。

（変形態様）
上記実施形態１の変形態様を図６を参照して説明する。図６はステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の形状を示す周方向展開図である。

この実施形態は、図５に示すステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の形状を変更したものである。具体的には、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の軸方向突出長を短縮して略台形形状とし、その分だけ、中央部寄りのステータ磁極２１、２２の軸方向両端部の周方向幅を増大させたものである。このようにしても上記と同様の効果を奏することができる。

（変形態様）
上記実施形態１の変形態様を図７を参照して説明する。図７はステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の形状を示す周方向展開図である。

この実施形態は、図５に示すステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の形状を変更したものである。具体的には、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の軸方向突出長を短縮する。このようにしても上記と同様の効果を奏することができる。

この変形態様では、ステータ磁極の間のギャップの軸方向幅はステータの全周において一定とされている。このため、台形状のステータ磁極２４（又は１９）の頂辺（短辺）の一端の周方向位置は、この台形状のステータ磁極２４（又は１９）に対して周方向に隣接する台形状のステータ磁極１９（又は２４）の底辺（長辺）の一端の周方向位置に等しくされている。同じく、台形状のステータ磁極１９（又は２４）の頂辺（短辺）の他端の周方向位置は、この台形状のステータ磁極１９（又は２４）に対して周方向に隣接する平行四辺形のステータ磁極２１（又は２２）の周方向先端の周方向位置に等しくされている。更に、ロータの軸方向幅から台形状のステータ磁極１９（又は２４）の軸方向高さを差し引いた幅は上記したステータ磁極の間のギャップの軸方向幅に等しく設定されている。

これにより、ステータ対向面間の軸方向幅の合計すなわちロータのステータ対向面の軸方向幅の合計が周方向各部において等しくなるため、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。

（変形態様）
上記実施形態１の変形態様を図８を参照して説明する。図８はステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の形状を示す周方向展開図である。

この実施形態は、図６に示すステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の形状を変更したものである。具体的には、軸方向端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４のロータ対向面は、略半波正弦波形状の端縁形状をもち、その軸方向幅は周方向展開周方向へ移動するにつれて概ね正弦波状に変化する。軸方向中央部寄りのステータ磁極２１、２２のロータ対向面の端縁は、隣接する端部寄りのステータ磁極のロータ対向面の端縁に対して大雑把に言って等しい幅を有する形状を有している。このようにすれば、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂと鎖交するロータ磁束量は回転角に対して正弦波状に変化することになり、コギングトルクやトルクリップルを一層低減することができる。また、誘起電圧波形を正弦波化することができ、モータの制御性を向上できる。

（実施形態２）
実施形態２の交流モータを図９、図１０を参照して以下に説明する。この実施形態は、実施形態１に対してステータコア形状とループ状コイルの配置を変更したものである。図９はステータ磁極のロータ対向面の周方向展開図、図１０はステータ磁極の茎部の周方向展開図であり、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂ、１５Cの配置を示している。

まずステータ磁極の配置を図９を参照して説明する。

この実施形態のステータの配置は、実施形態１の中央部寄りのステータ磁極２１、２２に代えて中央部寄りのステータ磁極２５〜２８に変更した点にその基本的な特徴がある。ただし、図９ではステータ磁極１９〜２８のロータ対向面は平行四辺形とされているが、それはこの実施形態の必須要件ではない。また、図１０に示すステータ磁極１９〜２８の茎部もロータ対向面よりは周方向に幅が狭いものの平行四辺形の周方向展開形状をもつが、それもこの実施形態の必須要件ではない。

中央部寄りのステータ磁極２５、２６のロータ対向面は、周方向に隣接する端部寄りのステータ磁極１９、２０に対して等しい隙間を挟んで配置され、軸方向中央寄りのステータ磁極２７、２８も、周方向に隣接する端部寄りのステータ磁極２３、２４に対して等しい隙間を挟んで配置されている。ステータ磁極２５、２６は同一のリング状の部分コアのバックヨークから形方向内側に突出しており、ステータ磁極２７、２８も同一のリング状の部分コアのバックヨークから形方向内側に突出している。したがって、この実施形態では、部分コア１４１、１４３の間に上２つの部分コアが軸方向順次に配置されている。

図９について更に説明すると、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４は、中央部寄りのステータ磁極２５〜２８とその周方向幅は等しいものの、ほぼ半分の軸方向幅をもつ。中央部寄りのステータ磁極２５、２６の周方向中心位置は、中央部寄りのステータ磁極２７、２８の周方向中心位置に対して電気角１２０°だけ周方向へずれて配置されている。また、端部寄りのステータ磁極１９、２３を一体と考えた場合、この一体のステータ磁極１９、２３の周方向中心位置は、その両側の中央部寄りのステータ磁極２８、２５に対してそれぞれ電気角１２０°だけずれて配置されている。同様に、端部寄りのステータ磁極２０、２４を一体と考えた場合、この一体のステータ磁極２０、２４の周方向中心位置は、その両側の中央部寄りのステータ磁極２７、２６に対してそれぞれ電気角１２０°だけずれて配置されている。次に、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の磁束について考える。ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃには互いに電気角１２０°ずれた正弦波電流が流れている場合、ステータ磁極１９、２０とステータ磁極２３、２４との間には３つのループ状巻線１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃのすべてが配置されているため、結局、ステータ磁極１９、２０とステータ磁極２３、２４との間には電流が流れていないのと等価であり、したがって、ステータ磁極１９、２０の磁束とステータ磁極２３、２４の磁束とは同相となる。また、ステータ磁極２５、２６の上方を周方向一方側へループ状巻線１５Ａの電流が流れ、ステータ磁極２５、２６の下方を周方向一方側へループ状巻線１５Ｂ、１５Ｃの合成電流（ループ状巻線１５Ａの電流が反対向きに流れるのと等価）となるため、結局、ステータ磁極２５，２６にはループ状巻線１５Ａが集中巻きに巻かれた場合の磁界が形成される。同様に、ステータ磁極２７、２８の下方を周方向一方側へループ状巻線１５Ｃの電流が流れ、ステータ磁極２７、２８の上方を周方向一方側へループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの合成電流（ループ状巻線１５Ｃの電流が反対向きに流れるのと等価）となるため、結局、ステータ磁極２７，２８にはループ状巻線１５Ｃが集中巻きに巻かれた場合の磁界が形成される。残ったステータ磁極１９＋２３、２０＋２４には、ループ状巻線１５Ａによる上記磁界とループ状巻線１５Ｃによる上記磁界のリターン磁界が形成され、これはループ状巻線１５Ａ、１５Ｂによるベクトル磁界和と逆相となるため、ループ状巻線１５Ｂの電流による磁界となる。

つまり、この実施形態では、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂに加えて、ステータ磁極２５、２６とステータ磁極２７、２８との間に位置して波形の第３のループ状巻線１５Cが周方向に設けられることにより、ステータ磁極１９〜２４と、ステータ磁極２５，２６と、ステータ磁極２７，２８とにそれぞれ電気角１２０°離れたステータ磁界が形成される。

また、これら実質３相のステータ磁極の軸方向と周方向の隙間の大きさがほぼ等しくなるので、ステータ磁極の間の隙間に生じる漏れ磁束のばらつきを低減することができ、このことに起因して生じ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。

更に詳しく説明すると、図１０に示すループ状巻線１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃによりステータ磁極１９〜２８に形成される電流磁界は、本質的に図１１に示すステータ磁極１９〜２８に個別に集中巻きされた３相コイルが形成する電流磁界に等しい。つまり、図１１の３相コイルは、図１０のループ状巻線１５Ａ、１５Ｂ、１５Cに余分な巻線部分を追加して略集中巻きのようにしたものである。端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４にはW相電流が通電され、中央部寄りのステータ磁極２５、２６にはU相電流が、中央部寄りのステータ磁極２７、２８にはV相電流が通電される。図１１において、同一の部分コアの（同相の）互いに隣接するステータ磁極間の巻線部分は、同一の電流が逆方向に流れるので、起磁力は相殺されておりトルクに寄与しない。さらに、軸方向両端に配置された周方向の巻線に関しては、ステータコアの外部でループ状に流れる電流であり、ステータコアの外部は空気等で磁気抵抗が大きいための、トルクへの電磁気的作用はほとんどない。このため、省略しても影響はなく、軸方向両端に配置された周方向の巻線は排除することができる。結果として、図１１に示す３相集中巻き巻線は、図１１に示す６つのループ状巻線と等価と考えることができる。また、図１１の部分コア間の２つのループ状巻線は合成することができるため、図１０に示すループ状巻線１５Ａ、１５Ｂ、１５Cと等価と考えることができる。結果として、図１０に示すステータ磁極配列及び３つのループ状巻線１５Ａ、１５Ｂ、１５Cを用いることにより３相回転磁界を形成できることがわかる。

また、図１２に示す２つのループ状巻線１５Ａ、１５Ｂで構成することも可能である。この場合、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂをステータ磁極のロータ対向面近傍に巻くと軸方向への湾曲が大きくなってしまうが、ステータ磁極のロータ対向面とステータ磁極の基端部との間の茎部の周方向断面形状を工夫することでループ状巻線の軸方向への湾曲を低減することができる。

（実施形態３）
実施形態３の交流モータを図１３を参照して以下に説明する。この実施形態は、図５に示す実施形態１に対してステータ磁極のロータ対向面の周方向展開形状だけが異なっている。すなわち、この実施形態では、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の軸方向幅は周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する。中央部寄りのステータ磁極２１、２２の軸方向幅も周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する。

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の軸方向幅が周方向位置に対して概ね正弦波状に変化するので、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂと鎖交するロータ磁束量は回転角に対して正弦波状に変化することになり、コギングトルクやトルクリップルを大幅に低減することができる。また、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの誘起電圧波形が正弦波化することができ、モータの制御性を向上できる。なお、図１３において、各ステータ磁極１９〜２４の最大軸方向幅の位置は、互いに電気角１２０°だけ周方向にずれている。

（変形態様）
変形態様を図１４を参照して説明する。この変形態様は、図７に示すステータ磁極のロータ対向面の周方向展開形状だけが異なっている。すなわち、この実施形態では、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の軸方向幅は周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する。中央部寄りのステータ磁極２１、２２の軸方向幅も周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する。

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の軸方向幅が周方向位置に対して概ね正弦波状に変化するので、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂと鎖交するロータ磁束量は回転角に対して正弦波状に変化することになり、コギングトルクやトルクリップルを大幅に低減することができる。また、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの誘起電圧波形が正弦波化することができ、モータの制御性を向上できる。なお、図１４において、各ステータ磁極１９〜２４の最大軸方向幅の位置は、互いに電気角１２０°だけ周方向にずれている。

（変形態様）
変形態様を図１５に示す。この変形態様は、図９、図１０に示すステータ磁極のロータ対向面の周方向展開形状だけが異なっている。すなわち、この実施形態では、各ステータ磁極１９〜２８の軸方向幅が周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する。

この態様によれば、ステータ磁極のロータ対向面の軸方向幅が周方向位置に対して概ね正弦波状に変化するので、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂ、１５Cと鎖交するロータ磁束量は回転角に対して正弦波状に変化することになり、コギングトルクやトルクリップルを大幅に低減することができる。

（実施形態４）
実施形態４を図１６を参照して以下に説明する。図１６はステータ磁極１９とロータ１０との部分径方向模式側面図である。この実施形態では、ステータ磁極１９及び他のステータ磁極のロータ対向面とロータ１０のステータ対向面との間の電磁ギャップの幅は、ステータ磁極のロータ対向面の周方向中心位置から周方向両側へ離れるにつれて次第に増大する形状となっている。R1は電磁ギャップ最小位置における電磁ギャップ幅、R２は電磁ギャップの最大幅を示す。電磁ギャップ幅は回転角に対して正弦波状に変化することもできる。このようにすれば、ロータ回転に伴う各ステータ磁極のロータ磁束量の変化を滑らかとすることができ、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、ステータ磁極の磁極表面において、周方向端部に位置する角部がロータ磁極と離間することにより、角部における局所的な磁気飽和を低減する事ができ、そのことにより生じ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。

（実施形態５）
実施形態５を図１７〜図２０を参照して以下に説明する。図１７はステータ磁極及びループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの周方向展開図である。図１８はステータ磁極１９の軸方向模式断面図、図１９はステータ磁極１９の径方向各部の周方向展開断面形状を示す模式図である。

この実施形態では図１８に示すように、ステータ磁極１９〜２４は、茎部１９１とその先端から軸方向へ突出する鍔部１９２とを有している。つまり、この実施形態の特徴は、図５において、ステータ磁極１９〜２４の先端部が茎部１９１の先端から軸方向へ突出する鍔部１９２を有している点にある。

図１７において、端部寄りのステータ磁極１９、２０は、軸方向幅の略上半分を占有する茎部と、軸方向幅の略下半分を占有する鍔部とを有しており、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂが鍔部の径方向外側に配置されている。同様に、端部寄りのステータ磁極２３、２４は、軸方向幅の略下半分を占有する茎部と、軸方向幅の略上半分を占有する鍔部とを有しており、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂが鍔部の径方向外側に配置されている。更に、中央部寄りのステータ磁極２１、２２は、その軸方向中央部を占める茎部と、ほぼ軸方向の上１／４を占める第１の鍔部と、ほぼ軸方向の下１／４を占める第２の鍔部とを有する。ループ状巻線１５Ａは第１の鍔部の径方向外側に配置され、ループ状巻線１５Ｂは第２の鍔部の径方向外側に配置されている。

図１９において、（a）は図１８のA部（鍔部１９２を含むステータ磁極１９の先端部のロータ対向面近傍）の周方向展開図、（ｂ）は図１８のB部（鍔部１９２の径方向中央部）における鍔部１９２を含むステータ磁極１９の先端部の周方向展開図、（c）は図１８のＣ部（茎部）の周方向展開図を示す。La、Lb、Lcは軸方向幅、Wa、Wb、Wcは周方向幅を示す。

また、この実施形態では、図１９に示すように、鍔部１９２を含むステータ磁極の先端部の軸方向幅は茎部１９１のそれよりも大きく、鍔部１９２を含むステータ磁極の先端部の周方向幅は茎部１９１のそれよりも小さい。これにより、ステータ磁極１９〜２４の局所的な磁気飽和を抑止することができる。

すなわち、ステータ磁極のロータと対向する表面においては軸長を十分に長くすることでロータの磁石磁束を十分にステータ磁極に取り込み、バックヨークとの接続部においてはバックヨークに近づくにつれ軸方向幅を短くし、周方向幅を長くすることで、ステータ磁極の磁路断面積の減少による磁気飽和を生じさせることなくループ状巻線の軸方向への湾曲を少なくする事ができる。そのことにより、トルクを著しく低下させること無く、ループ状巻線を短くする事ができる。また、鍔部１９２はロータ対向面から茎部１９１の先端に向けて周方向幅増大と軸方向縮小とが連続的に行われているため、局所的な磁気飽和を良好に防止することができる。

（変形態様）
変形態様を図２０を参照して説明する。この変形態様は、図１５に示すステータ磁極１９〜２８に実施例５で説明した鍔部を設けた点にその特徴がある。つまり、図２０では、鍔部を含むステータ磁極１９〜２４のロータ対向面の軸方向幅は図１５と同じく正弦波形状となる。

この実施形態では更に、茎部が鍔部を含むステータ磁極１９〜２４の先端部よりも軸方向に狭く、周方向へ広く形成されている（図２０参照）。したがって、中央部寄りのステータ磁極２５〜２８の茎部の周方向展開断面は略眼状に形成され、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の茎部の周方向展開断面はそれを半分に分割した形状に形成されている。

なお、図２０において、ハッチング部分はロータ対向面に重なる茎部の一部であり、このハッチング部分から周方向へ飛び出した部分１００は茎部の残部である。また、このハッチング部分から軸方向へ飛び出した部分は鍔部である。このようにすれば、図１０に示すステータ磁極配列においても、同様の効果を奏することができる。

ただし、ステータ磁極のロータと対向する表面とその近傍においては周方向幅を電気角で１８０°以上とするとトルクが低下する。しかしながら、バックヨーク側においては周方向幅を電気角で１８０°以上にしてもトルクの低下はほとんど無く、電気角で１８０°以上としても良い。また、ロータ側の磁石の磁束密度がフェライト磁石などのように低い場合においては、磁石磁束による磁気飽和が生じにくいため、このような形状にすることでのトルクの低下が少なくなり性能の向上効果が特に大きい。

（実施形態６）
実施形態６を図２１〜図２４を参照して以下に説明する。図２１はステータ磁極及びループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの周方向展開図である。図２２は部分コア及びループ状巻線の分解斜視図である。図２３はステータ磁極１９の軸方向模式断面図である。図２４はステータ磁極１９の径方向各部の周方向展開断面形状を示す模式図である。

この実施形態は、実施例５（図１７〜図１９参照）と同様に、ステータ磁極１９〜２４が茎部１９１の先端から軸方向へ突出する鍔部１９２を有している。図２１において、ハッチング部分は茎部１９１の一部であり、このハッチング部分から周方向へ飛び出した部分は茎部１９１の残部であり、このハッチング部分から軸方向へ飛び出した部分が鍔部１９２である。図２３に示すステータ磁極１９の各部の周方向展開形状は図２４（a）、（b）、（ｃ）に示されるようになる。

なお、図２４において、（a）は図２３のA部（鍔部を含むステータ磁極の先端部のロータ対向面近傍）の周方向展開図、（ｂ）は図２３のB部（鍔部の径方向中央部）における鍔部を含むステータ磁極の先端部の周方向展開図、（c）は図２３のC部（茎部）の周方向展開図を示す。La２、Lb２、Lc２は軸方向幅、Ba２、Bb２、Bc２は最大周方向幅、Ta２、Tb２、Tc２は最小周方向幅を示す。

この実施形態によれば、実施例５と同様、ステータ磁極１９〜２４の鍔部を含む先端部とその先端面であるロータ対向面が茎部よりも大きな軸方向幅と小さい周方向幅とをもつ。そのうえ、鍔部を含むステータ磁極１９の先端部において軸方向幅縮小と周方向増大とが同時的になされているため、局所的磁束飽和を抑止することができる（図２４参照）。

更に、この実施形態では図２１、図２４に示すように、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の茎部１９１は、略三角形の周方向展開断面形状をもつ。つまり、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の茎部は、周方向中央位置で最大軸方向幅となり周方向両側へ離れるにつれて軸方向幅が減少する三角形形状とされている。また、中央部寄りのステータ磁極２１、２２の茎部と端部寄りのステータ磁極の茎部との間の隙間が略等幅となるように、中央部寄りのステータ磁極２１、２２の茎部の軸方向側端面が面取りされている（図２１参照）。これに対して、実施例５では図１７に示されるように、ステータ磁極１９〜２４の茎部の軸方向側端面は周方向及び径方向に延在する平坦面とされている。

したがって、この実施形態によれば、ステータ磁極１９〜２４の茎部のうちループ状巻線１５Ａ、１５Ｂに隣接する部分の周方向展開形状が、周方向へ変位するにつれて軸方向に変化する斜面形状となっているため、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの長さを短縮し、巻線スペースを拡大することができる。

つまり、端部寄りのステータ磁極１９、２０、２３、２４の周方向展開形状を、バックヨークに近づくにつれ徐々に軸方向幅を短くし、台形形状の上辺を短くし、下辺を長くし、台形又は三角形に近づけるようにしたので、ステータ磁極間の隙間の軸方向に対する周方向への傾きを大きくすることができる。このようにすることで、巻線スペースを拡大することができる。また、ループ状巻線の湾曲の角度をより鈍角にすることができ、ループ状巻線の長さも短縮することができる。この時に、ステータ磁極のロータと対向する表面の形状は変更されないので、トルクの低下はほとんどない。また、径方向断面形状を徐々に変化させることで局所的に磁気飽和を起こすことを防止できる。なお、ステータ磁極のロータ対向面近傍において周方向幅を電気角で１８０°以上とするとトルクが低下するが、バックヨーク側においては周方向幅を電気角で１８０°以上にしてもトルクの低下はほとんど無く、電気角で１８０°以上としても良い。

（変形態様）
図２５を参照して変形態様を説明する。図２５はステータ磁極１９〜２４及びループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの周方向展開図である。この変形態様では、図２１に示すステータ磁極１９〜２４の茎部の側面のうちループ状巻線１５Ａ、１５Ｂに隣接する部分を滑らかに面取りして丸めた曲線形状に形成したものである。このようにすれば、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂとステータ磁極１９〜２４の角部との接触によるループ状巻線１５Ａ、１５Ｂの絶縁皮膜の損傷を防止することができる。また、ループ状巻線１５Ａ、１５Ｂをステータ磁極１９〜２４の表面に沿いつつ滑らかに湾曲させることができるため折り曲げ加工時の絶縁皮膜の損傷も抑制することができる。

（変形態様）
変形態様を図２６を参照して説明する。図２６はステータ磁極１９の軸方向模式断面図である。この変形態様では、ステータ磁極１９を含むステータ磁極１９〜２４の鍔部１９２の軸方向幅（図１６のL）と径方向幅（図１６のR）とを略等しく形成したものである。このようにすれば、ステータ磁極の鍔部の磁気飽和を抑止しつつ、この鍔部１９２に隣接する巻線スペースも大きく確保することができる。

（その他の構成）
以上、種々の磁極形状について例示したが、実際の適用にあたっては、モータの体格、極数、使用用途、制約条件などに応じて適宜選択乃至組み合わせることが可能であることは言うまでもない。

（効果）
本発明では、従来の欠点であったステータコイルのコイルエンドの軸方向飛び出しを低減もしくは廃止することができるため、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。その他、上記実施形態では磁石ロータ形式（ＳＰＭ）を説明したが、磁石をロータ内に埋め込んだＩＰＭ（ＢＰＭ）形式としてもよいことはもちろんである。また、極数も８極で説明しているが、他の極数としても良い。その他、インナーロータタイプの代わりにアウターロータタイプとしてもよく、アウターロータタイプでは巻線短縮、ロータの径大化などの利点により本発明の優位性をさらに向上する。また巻線については上記各実施形態では蛇行部を有する単相波形巻線としたが、これをアルミ巻線などの柔らかく成形しやすい巻線を用いれば、より簡単に巻線を構成することができる。

実施形態１の交流モータの模式軸方向断面図である。 図１のロータの模式周方向展開図である。 ステータ磁極の茎部の周方向展開図である。 図１のモータの分解斜視図である。 図１のステータ磁極の周方向展開図である。 変形態様のステータ磁極の周方向展開図である。 変形態様のステータ磁極の周方向展開図である。 変形態様のステータ磁極の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展開図である。 図１０のステータ磁極にループ状巻線を追加した状態を示す周方向展開図である。 図１０のループ状巻線と等価な集中巻きステータコイルの配置を示す周方向展開図である。 図１０のループ状巻線と等価なループ状巻線をもつステータ磁極の周方向展開図である。 実施形態３を示すステータ磁極の周方向展開図である。 変形態様のステータ磁極の周方向展開図である。 変形態様のステータ磁極の周方向展開図である。 実施形態４を示すステータ磁極及びロータの径方向模式部分断面図である。 実施形態５を示すステータ磁極のロータ側から見た周方向展開図である。 図１７のステータ磁極の軸方向模式断面図である。 図１８のステータ磁極各部の周方向展開断面を示す図である。 変形態様のステータ磁極の周方向展開図である。 実施形態６のステータ磁極の周方向展開図である。 図２１のモータの分解斜視図である。 図２１のステータ磁極の軸方向模式断面図である。 図２３のステータ磁極各部の周方向展開断面を示す図である。 変形態様のステータ磁極の周方向展開図である。 変形態様のステータ磁極の軸方向展開図である。 従来のブラシレスモータの概略的な構成を示す周方向断面図である。 図２７のブラシレスモータの径方向模式断面図である。 図２７のモータのステータ磁極及び巻線配列例を示す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
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ ループ状巻線
１９〜２８ ステータ磁極
１９〜２８ 各ステータ磁極
１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ バックヨーク
１４１〜１４３ 部分コア
１９１ 茎部
１９２ 鍔部

Claims (10)

1. 周方向へ所定ピッチで配置された複数のステータ磁極の基端部を略円筒状のバックヨークで磁気的に接続してそれぞれ構成されている部分コアが軸方向へ複数配列されてなるステータコアと、
   周方向交互に配置されたN極磁極及びS極磁極をロータ磁極として有するロータと、
   前記ステータ磁極の間の磁極隙間を通過しつつ周方向へ延設される複数のループ状巻線を有するステータコイルと、
   を備え、
   前記ステータ磁極のロータ対向面は、前記ロータ磁極の位置を基準として互いに異なる周方向重心位置を前記各部分コアごとに有する交流モータにおいて、
   前記ロータ磁極のステータ対向面は、前記ロータのほぼ軸方向全幅にわたって前記ステータ磁極のロータ対向面に対面可能に配置されていることを特徴とする交流モータ。
2. 請求項１記載のモータにおいて、
   互いに隣接する前記ステータ磁極のロータ対向面の間の磁極隙間の軸方向幅は、周方向各部において略等しく設定されている交流モータ。
3. 請求項１記載の交流モータにおいて、
   軸方向端寄りの前記部分コアに属する端部側の前記ステータ磁極のロータ対向面は、周方向へ移動するにつれて概ね正弦波状に変化する軸方向幅を有し、
   軸方向中央寄りの前記部分コアに属する中央側の前記ステータ磁極のロータ対向面は、前記ロータ磁極のステータ対向面のうちの前記端部側のステータ磁極のロータ対向面に対面していない部分に略等しい形状を有している交流モータ。
4. 請求項１記載の交流モータにおいて、
   軸方向端寄りの前記部分コアに属する端部側の前記ステータ磁極のロータ対向面は、軸方向中央寄りの前記部分コアに属する中央側の前記ステータ磁極のロータ対向面を略２分した形状をもつ交流モータ。
5. 請求項１記載の交流モータにおいて、
   すべての前記ステータ磁極のロータ対向面の軸方向幅は、周方向へ移動するにつれて略正弦波状に変化する交流モータ。
6. 請求項７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と前記ロータ磁極のステータ対向面との間の距離は、周方向中央部側から周方向端部側へ移動するにつれて大きくなる交流モータ。
7. 請求項１記載の交流モータにおいて、
   前記ステータ磁極は、ロータ対向面からバックヨークに向かうにつれて軸方向幅が縮小し且つ周方向幅が増大する部分をもつ交流モータ。
8. 請求項７記載の交流モータにおいて、
   前記ループ状巻線に周方向及び軸方向に隣接する前記ステータ磁極の部分である茎部は、前記ループ状巻線の曲率を減少させる向きに屈曲乃至面取りされた三角形乃至台形形状の周方向展開断面形状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、
   前記ステータ磁極の茎部は、前記ループ状巻線に接する部位にて面取り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、
    前記ステータ磁極の先端部のうち前記茎部よりも軸方向又は周方向へ突出する部分である前記ステータ磁極の鍔部を有し、
    前記鍔部の軸方向幅及び径方向幅は略等しく形成されている交流モータ。

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