JP3457076B2 - 電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、新規な電動機、特に永
久磁石あるいは電磁石により界磁を形成する電動機に関
する。 【０００２】 【従来の技術】図１３に従来例として永久磁石界磁形の
同期電動機の断面図を示す。ロータ１３３には、Ｎ極界
磁を作る永久磁石１３４と、Ｓ極界磁を作る永久磁石１
３５が設けられている。 【０００３】一方、ステータ１３０には、磁路を構成す
る歯１３１と、１８個の巻線用スロット１３２が設けら
れ、この巻線用スロット１３２には番号１〜１８で表さ
れる巻線が巻回されている。この巻線は、図２の巻線図
に示す２極３相交流巻線として巻回されている。 【０００４】この電動機の動作は、良く知られているよ
うに、ロータ１３３の永久磁石１３４、１３５が向いて
いる回転位置の３相交流巻線へ電流を流すことによりフ
レミングの左手の法則 【数１】Ｆ＝Ｂ・Ｉ・Ｌ Ｆ：発生する力 Ｂ：磁束密度 Ｉ：電流 Ｌ：
コイルの有効長さに従う力Ｆを得るものである。 【０００５】例えば、図１３の電動機のロータ回転中心
線（回転軸）の方向のステータ１３０及びロータ１３３
の有効長さをＬＬとし、平均磁束密度をＢＡとすると、
１往復の巻線により発生する力ＦＬＬは、 【数２】ＦＬＬ＝ＢＡ・Ｉ・２・ＬＬ である。 【０００６】発生する力Ｆは磁束密度Ｂと電流値Ｉに比
例するので、適切な回転位置ＡＲの巻線へ適切な電流Ｉ
を流す事により回転させたい方向に任意の回転トルクを
得ることができることになり、非常に良好な制御性を得
る事ができ、広くサーボ制御用モータとして使用されて
いる。 【０００７】ここで、この電動機の少し具体的な駆動方
法を説明すると、ロータ回転位置検出手段をロータに結
合して設け、ロータ回転角ＡＲを認識し、例えば図１５
に示すロータ回転位置ＡＲに応じた３相交流電流ＩＵ，
ＩＶ，ＩＷを各３相交流巻線へ流すことによりトルクを
得、速度制御、位置制御などを行う。発生するトルクの
方向、大きさは数１から解るように図１５の各３相交流
電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷの正負符号を含む振幅（ピーク電
圧）に比例する。 【０００８】なお、数１の力Ｆはベクトル積として表さ
れるので、磁束密度Ｂと電流Ｉとの位相を変えることに
より、力Ｆの大きさを変更することも可能である。 【０００９】図１４にこの電動機の制御装置の電力増幅
部の構成例を示す。ＷＵ，ＷＶ，ＷＷは図１０の電動機
の各３相巻線であり、ＩＵ，ＩＶ，ＩＷは各３相巻線に
流れる各３相交流電流である。また、ＣＣはインバータ
の直流電源ＶＨ−ＶＬを平滑するコンデンサ、ＴＲ１，
ＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ４，ＴＲ５，ＴＲ６はインバータ
を構成するトランジスタ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ
５，Ｄ６は各トランジスタに逆並列に接続され各トラン
ジスタの逆方向の電流を通電するダイオードである。 【００１０】このようなトランジスタインバータによ
り、いわゆるＰＷＭ制御する事により電動機の各巻線へ
図１５に示すような任意の３相電流を流す事ができる。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】図１３に示すような原
理の同期電動機は、現在広く使用されており、特に支障
があるわけではない。しかし、ニーズとしては一層の小
型化、低コスト化、よりなめらかな回転を得るなどの高
性能化が求められている。 【００１２】本発明の目的は、電動機の小型化、低コス
ト化、高性能化を実現することにある。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明は、磁気抵抗が大
きい部分と小さい部分とが交互に等ピッチで形成される
と共に、前記磁気抵抗が大きい部分及び小さい部分がそ
れぞれ全周で所定数ｍ個であるステータと、ステータに
対向配置され、Ｎ極磁極とＳ極磁極がそれぞれ全周で所
定数ｎ個、等ピッチで配置されたロータと、ステータに
磁気抵抗の小さい部分を２箇所以上含んで巻回されたス
テータ巻線を備え、前記磁気抵抗の小さい部分の数ｍは
６以上の整数であり、且つ｜ｍ−ｎ｜＝１という関係を
満たし、前記ステータは、互いに逆極性に配置された２
つのステータであり、前記ロータは、永久磁石と軟磁性
体が交互に配置されて構成されたことを特徴とする。 【００１４】ステータは、所定ピッチで突部を形成する
ことで、磁気抵抗の大きい部分と小さい部分とを交互に
形成することができる。 【００１５】このステータ巻線は、例えば汎用の誘導電
動機でよく使用される２極の３相交流巻線であり、ある
いは２極の４相以上の多相交流ステータ巻線あるいは種
々の特殊な巻線でもよい。 【００１６】 【００１７】また、前記磁気抵抗の小さい部分が１個お
きに除去されていることが好ましい。 【００１８】また、本発明は、前記ロータは電磁鋼板が
ロータ回転軸の方向に積層されて構成され、その電磁鋼
板には永久磁石を配置する穴とロータ磁極間の磁気絶縁
を保つ磁気絶縁用の穴とが形成され、これによって電磁
鋼板にはロータの各磁極間およびロータ中心近傍を接続
する接続部が形成され、電磁鋼板の穴には永久磁石が固
定されていてもよい。 【００１９】また、機械角３６０度の中に複数の電気角
３６０度のステータ含むような構成とする、いわゆる多
極化も可能である。 【００２０】 【００２１】 【００２２】 【作用】本発明によれば、ステータにおいて発生する磁
界と、ロータの磁極の相対位置が常に少しずつずれてい
る。そこで、相対位置関係が少しずつずれた複数のトル
ク発生機構が構成され、電動機出力トルクをその各発生
トルクの総和とする事により、トルクリップル即ち高調
波トルクを相殺することができ、どの回転角においても
トルクリップルを小さくすることができる。 【００２３】特に、ステータの磁気抵抗の少ない部分
（突極）の数ｍおよびロータの１の極性の磁極の数ｎを
十分大きな値とし、｜ｍ−ｎ｜を１とする事により、ス
テータの突極とロータの磁極との相対位置関係が少しづ
つずれた複数のトルク発生機構を作り出すことができ、
好適なトルクリップルの発生防止が図られる。 【００２４】また、ステータ巻線を２以上の磁気抵抗の
少ない部分に巻回し、複数のトルク発生機構に共通な巻
線としている。このため、複数のトルク発生機構の磁束
が共通の巻線に同時に鎖交するので、従来構造の電動機
より鎖交磁束の回転角度変化率を複数倍大きくすること
ができる。この結果、前記巻線には従来より複数倍の電
動機誘起電圧が発生することになり、従来と同じ電流で
も大きな電力注入ができるようになり、電動機の機械出
力で表現すると大きなパワー、大きなトルクを発生する
ことができる。 【００２５】また、永久磁石の最大磁束密度は一般的に
電磁鋼板の最大磁束密度より小さい。そこで、ロータの
電磁鋼板に永久磁石を固定してステータとの電磁力作用
部では磁束密度を高めるような磁気回路としてより大き
な回転力を得られるようにし、より小型の電動機が得ら
れる。 【００２６】また、複数のステータがロータを共有して
組み込まれ、ロータ磁極の磁束がロータの回転にともな
い複数のステータの磁路へ交互に供給される構造とする
事もできる。このとき、ロータ磁極の磁束が複数のステ
ータのどこかへ供給され、磁束の有効活用、ロータの共
有により電動機が小型化できる。 【００２７】 【実施例】 （実施例１）本発明の実施例である電動機の断面図を図
１に示す。この電動機のステータ１０１は、内側に向け
て突出するｍ個（この例では１８個）の歯１０２を有し
ている。この歯１０２によって、磁気抵抗が大きい部分
と磁気抵抗が小さな部分とを形成している。そして、各
歯１０２間が、電動機巻線配設用スロット１０３になっ
ており、各スロット１０３には磁気抵抗の小さい部分を
２箇所以上含んでステータ巻線が巻回されている。 【００２８】本実施例では、図２に示すような汎用の誘
導電動機の２極３相交流巻線と同様の巻線が巻回されて
いる。なお、図１における各スロット１０３に付された
スロット番号と図２に示した電動機巻線の数字とは対応
した数字であり、いずれかのスロットに巻き回された電
動機巻線である。 【００２９】ロータ１０４は、２×ｎ極の磁極（本実施
例ではＮ極磁極１０５を１７個、Ｓ極磁極１０６を１７
個）を有している。このように、ステータ１０１の突部
の数ｍとロータ１０４の磁極の数２×ｎは、｜ｍ−ｎ｜
＝１８−１７＝１の関係を有している。 【００３０】従って、ステータ１０１の突部とロータ１
０４のＮ極である磁極１０５とが互い真正面に対向して
いる場所はロータ１０４が１７分の１回転すると１周し
て元に戻る関係となっている。そして、ロータ１０４の
Ｎ極とステータ１０１の突部が丁度向き合っている場所
があれば、逆にその１８０度反対側の場所ではロータ１
０４のＳ極である磁極１０６とステータ１０１の突部が
真正面に向き合っている関係となっている。 【００３１】本実施例における電動機は、このような形
状のステータ１０１及びロータ１０４の電磁鋼板が軸方
向に積層されて構成されている。勿論、電磁鋼板以外の
磁性材料で同様の磁気回路を構成しても同様の電磁気的
動作を得る事ができる。これについては、以下に示す各
実施例においても同様である。 【００３２】図１の電動機の動作を説明するために、ま
ず、その部分的な電動機の動作について説明する。 【００３３】図５には、図１の電動機の要部が示され、
ステータ１０１の一部であるステータ６０、ロータ１０
４の一部である磁極６１及びステータ６０の突極部を周
回する電動機巻線６２、６３がそれぞれ示されている。
電動機巻線６２から電動機巻線６３へ電流ＣＴを流すと
ステータとロータ間に起磁力が発生し、回転力Ｆ１が発
生する。 【００３４】ここで、これらの各物理量について分析す
る。前提条件として、ステータ、ロータ間のエアギャッ
プが十分小さく、ステータの突部とロータの磁極とが対
向している部分のみに磁束が存在し、他の空間部には一
切磁束が存在しないものと仮定して数値的な取扱いを行
う。また、電流ＣＴによる各部の磁束の変化はないもの
として数値的取扱いを行う。また、電動機巻線６２、６
３は１ターンとし、ステータ、ロータの軸方向の長さを
ＬＬとする。さらに、ステータの磁気的不連続性に起因
する回転トルクのリップル分は無視し、電動機の内部磁
気エネルギＥ１と微小変化ΔＸ移動後の内部磁気エネル
ギＥ２は変化しないものと仮定する。 【００３５】 【数３】Ｅ１−Ｅ２＝０ 回転方向に働く力、即ち回転力の他にラジアル方向に働
く力も存在するが、ラジアル方向に働く力は電動機の軸
受けで支えられ、あるいは電動機の他の部分のラジアル
方向の力とキャンセルされる関係であり、いずれにして
もラジアル方向への変位は無いので数値計算上は無視す
ることにする。また、ラジアル方向への移動はないので
その仕事量は零である。 【００３６】今、電動機巻線６２、６３へ定電流ＣＴが
流されており、時間Δｔ間にロータがΔＸの距離をＦ１
の方向へ動いたと仮定する。各磁極の磁束密度はＢＢと
する。この時、電動機巻線６２、６３に発生する誘起電
圧Ｖは鎖交磁束ＦＬの時間変化率ｄ（ＦＬ）／ｄｔであ
り、時間Δｔ間の磁束変化ΔＦＬである磁束変化率ΔＦ
Ｌ／Δｔにほぼ等しい。また、ΔＦＬは鎖交磁束の変化
分であり、２・ＢＢ・ΔＸ・ＬＬである。 【００３７】この時の注入電力ＥＩＮは、誘起電圧Ｖと
通電電流Ｉと時間△ｔとの積であり、 【数４】 ＥＩＮ＝Ｖ・Ｉ・Δｔ ＝（ΔＦＬ／Δｔ）・ＣＴ・Δｔ ＝２・ＢＢ・ΔＸ・ＬＬ・ＣＴ となる。 【００３８】微小変化ΔＸの前後のエネルギ関係は、機
械的出力エネルギをＥＯとすると次のようになる。但し
この時、回転速度は一定で、回転運動エネルギーは変化
しないものと仮定する。 【００３９】 【数５】ＥＩＮ＋Ｅ１＝ＥＯ＋Ｅ２ ∴ＥＯ＝ＥＩＮ＋Ｅ１−Ｅ２ ＝ＥＩＮ ＝２・ＢＢ・ΔＸ・ＬＬ・ＣＴ 電動機の回転力Ｆ１は機械的出力エネルギＥＯとの関係
は次のようになる。 【００４０】 【数６】 Ｆ１＝ＥＯ／ΔＸ ＝２・ＢＢ・ΔＸ・ＬＬ・ＣＴ／ΔＸ ＝２・ＢＢ・ＬＬ・ＣＴ このように、電動機の回転力を電流値ＣＴ、電動機のサ
イズＬＬ、磁束密度ＢＢで表す事ができ、発生する力Ｆ
１は、図１３の従来電動機の発生回転力である数２と同
じ式となる。 【００４１】次に、図５に示す電動機の一部とほぼ同じ
スペースに２組のステータ突極と２倍に細分化した磁極
とを持つ電動機の一部を図６に示す。６４はステータで
あり２個の突極が示してある。各突極のそれぞれに周回
された各電動機巻線６６、６７、６８、６９があり、こ
こに電流ＣＴが流れている。 【００４２】図６の電動機のこの部分で発生する回転力
Ｆ２は、電動機巻線６６、６７で発生する回転力につい
て数４、数５、数６が成立し、電動機巻線６８、６９で
発生する回転力についても数４、数５、数６が成立する
ので、 【数７】Ｆ２＝２・Ｆ１ となる。 【００４３】ここで、電動機巻線６７，６８に流れる電
流は逆方向であり、図６の両磁路に働く起磁力は互いに
キャンセルしており、回転力Ｆ２の発生に寄与していな
い。 【００４４】ここで、電動機巻線６７，６８はなく、電
動機巻線６６から電動機巻線６９へ電流ＣＴが流れ、時
間Δｔ間にロータがΔＸの距離をＦ２の方向へ動いたと
仮定すると、この時の注入電力ＥＩＮ２は、 【数８】 ＥＩＮ２＝Ｖ・Ｉ・Δｔ ＝ΔＦＬ／Δｔ・ＣＴ・Δｔ ＝２・２・ＢＢ・ΔＸ・ＬＬ・ＣＴ となる。 【００４５】この時の回転力Ｆ３は、 【数９】 Ｆ３＝ＥＩＮ２／ΔＸ ＝２・２・ＢＢ・ΔＸ・ＬＬ・ＣＴ／ΔＸ ＝４・ＢＢ・ＬＬ・ＣＴ ＝Ｆ２ となる。 【００４６】電動機巻線６７，６８に流される電流は、
同じ値で逆向きの電流であるから起磁力がキャンセルし
合っている。即ち、電動機巻線６６から電動機巻線６９
へ電流ＣＴを流した場合と等価であり、電動機巻線６
７，６８を除去する事ができる。結果として、電動機巻
線の長さは、コイルエンド部がわずかに長くなるだけ
で、図５の電動機の回転力Ｆ１の２倍の回転力Ｆ３＝Ｆ
２が得られた事になる。 【００４７】さらに、電動機巻線の長さをほとんど変え
ずにステータの突部の数及びロータの磁極の数をＮＮ倍
に増加することにより、同じスペースで回転力をＮＮ倍
に増加できることを示唆している。 【００４８】この時、電動機のコイルエンドが少し長く
なることはその分だけ銅損も増加するが、電動機の長さ
ＬＬが十分大きければ電動機全体の損失、効率としては
比較的小さな問題である。 【００４９】この関係を数４、数５、数６を変形して示
すと、 【数１０】 Ｆ１＝ＥＯ／ΔＸ ＝ＥＩＮ／ΔＸ ＝Ｖ・Ｉ・Δｔ／ΔＸ ＝（ΔＦＬ／Δｔ）・ＣＴ・Δｔ／ΔＸ ＝（ΔＦＬ／ΔＸ）・ＣＴ となる。 【００５０】このように、数１０は、大きな回転力Ｆ１
を得るためには、大きなΔＦＬ／ΔＸを得られるように
すれば良く、磁束密度ＢＢ、電動機長さＬＬ、電流ＣＴ
を大きくするだけでなく他の構造的な技術で回転力Ｆ１
を大きくできる事を示している。 【００５１】なお、図１３の従来電動機では、フレミン
グの左手の法則である数１で求めても数１０で求めても
答は同じで、数２となる。 【００５２】本発明では、数１０で示されるΔＦＬ／Δ
Ｘ、即ちｄＦＬ／ｄＸを構造的な改良でより大きな値と
して大きな回転力を得る。また、これによってトルクリ
ップルも小さなものとする。このため、小型、高性能、
低コストの電動機を得ることができる。なお、大きなｄ
ＦＬ／ｄＸが得られる構造とし、その電動機巻線へ電流
を流せば良いのであって、必ずしも磁束ＦＬもしくは磁
束密度ＢＢが大きな値である必要はない。この具体的事
例を既に図５と図６の比較において示した。 【００５３】以上のような基礎技術に基づいて、図１に
示した本実施例における電動機の動作についてさらに説
明する。 【００５４】図１において３相交流電流により発生する
回転力ＦＦは少し複雑な関係となる。そこで、簡単な例
として、電動機巻線１から電動機巻線１０へ電流を流し
た場合の回転力ＦＦについて考えてみる。 【００５５】この場合、電動機巻線１と電動機巻線１０
により発生する回転力ＦＦは、図５と図６との関係よ
り、あるいは数８の関係より、図１３の従来電動機の電
動機巻線１から電動機巻線１０へ電流を流した場合の数
２で表される回転力ＦＬＬに比較し、単純比較で約８倍
の回転力を発生する事になる。 【００５６】電動機巻線２と電動機巻線１１により発生
する回転力ＦＦも、図５と図６との関係より、図１３の
従来電動機の電動機巻線１から電動機巻線１０へ電流を
流した場合の数２で表される回転力ＦＬＬに比較し、単
純比較で約８倍の回転力を発生する事になる。 【００５７】電動機巻線３と電動機巻線１２により発生
する回転力ＦＦは、巻線１１と巻線１２の間の磁路が逆
向きの回転力を発生させるため７ー１＝６となり、単純
比較で約６倍の回転力を発生する事になる。 【００５８】以上具体的例を示したように、図１の各巻
線は図１３の電動機巻線に比較し、８倍近くの回転力を
発生する能力がある。 【００５９】なお、正確な回転力ＦＦを求めるために
は、ステータ１０１とロータ１０４との間の空隙部等の
正確な磁束分布を計算し、かつ、電動機の内部エネルギ
の回転位置変化なども換算して計算し、さらに、電動機
全周について累積計算する必要がある。 【００６０】次に、このような突極構造の電動機の一般
的な課題としてトルクリップルが大きくなりがちである
という課題がある。本発明の構造の電動機は、前記した
ように、ステータ１０１の突部（歯）１０２の数ｍとロ
ータ１０４の磁極の数ｎにおいて、ｍとｎの数をわずか
に異なるようにすることでステータ１０１の突部とロー
タ１０４の突部１０２との相対関係が少しずつずれて存
在する。このため、電動機の各部分が発生する回転力に
リップルがあったとしても、それぞれの発生トルクを合
計する事により平均化効果があり、電動機出力トルクの
トルクリップルを小さくできる。 【００６１】また、ステータ１０１の突部とロータ１０
４の磁極１０５、１０６との相対的位置関係はバーニア
構造となっているため、ロータ１０４が１回転する間に
ステータとロータとの相対関係は３５回転する関係とな
る。 【００６２】従って、この電動機の駆動周波数は、ある
回転速度での駆動周波数を比較すると、例えば２極永久
磁石型同期電動機を駆動する３相交流周波数の３５倍の
周波数で駆動する事になる。 【００６３】図１の電動機の各スロットには図２に示す
２極３相交流巻線が巻回されていて、これらのステータ
巻線、すなわち電動機巻線へ図１４に示すパワートラン
ジスタなどにより制御して適切な３相交流電流を流す事
ができる。その時のロータ回転角ＡＲに対する３相各相
の電流波形は、前記したように図１５に示す周期に対し
３５分の１の周期となる。 【００６４】以上の説明は、ｍ＝１８，ｎ＝１７の場合
で、ｍ＞ｎの場合であり、図１のように上側でステータ
の突部とロータの磁極のＮ極が一致している場合を想定
すると、電動機巻線１から電動機巻線１０へ電流を流し
たときに発生する回転力は時計の回転方向となり、ま
た、ロータの回転方向と３相交流電流の位相回転方向と
は逆方向となる。 【００６５】一方、ｍ＝１８，ｎ＝１９でｍ＜ｎの場合
は、図１のように上側でステータの突部とロータのＮ極
が一致している場合を想定すると、電動機巻線１から電
動機巻線１０へ電流を流したときに発生する回転力は時
計の反回転方向となり、また、ロータの回転方向と３相
交流電流の位相回転方向とは同じ方向となる。 【００６６】図１に示した電動機の他の電動機巻線構成
例として、２極の多相交流ステータ巻線、例えば図３に
示したような巻線ピッチが電気角で１８０度よりはるか
に小さい５相の電動機巻線でも可能である。なお、図３
では簡略化のため集中巻きで示しているが、全周に５相
の電動機巻線を巻回し、順次各相の電流を通電する事に
より同様の回転力を得る事ができる。この時に発生する
回転力は、各電動機巻線に作用する数１０に従う回転力
である。 【００６７】この他にも各種の多相の電動機巻線、変形
した電動機巻線が可能である。例えば、良く用いられる
手法としては起磁力の高調波を減少させる目的で単節、
分布巻きがあるが、同様の目的で、部分的な電動機巻線
を追加あるいは削除する方法などもある。また、同一ス
ロットに複数の種類の電動機巻線を配設したり、各スロ
ットの巻線巻回数を不均一にして高調波成分を低減する
方法などもある。電動機巻線間の結線においても、スタ
ー結線について示したが、デルタ結線あるいはそれぞれ
の電動機巻線を独立に制御できるように分離する方法な
ど種々方法が可能である。 【００６８】（実施例２）図４は、本発明に係る他の実
施例を示した図である。図４には、実際にはその要部の
みが示されており、本実施例における電動機は、図１の
３スロット分の電動機巻線が集中的に巻回されているス
ロット５６と、ステータの磁気的な抵抗部を作るための
凹部５７とを有している。このような構造とする事によ
り、電動機の発生トルクをほとんど変えることなく巻線
を集中化し、電動機巻線の簡略化を図ることができる。 【００６９】なお、本実施例における電動機の構造は、
磁気抵抗が大きい部分と磁気抵抗が小さな部分とがステ
ータにｍ個存在し、ロータの磁極の数が２×ｎ個存在す
ればよく、必ずしもステータ表面に幾何学的凹凸部を持
たせる必要はない。例えば、ロータの外周は円形で、内
部に空隙部を持つなど構造を工夫する事により磁気抵抗
の差を作る方法があり、種々変形が可能である。 【００７０】（実施例３）図７に、本発明の実施例１で
ある図１の構成を変形した例を示す。１２２はステー
タ、１２３は電動機巻線配設用スロットを形作る１８個
の歯であり、図１のステータの歯１０２を１個おきに半
数だけ除去したものである。１０４は図１の１０４と同
じロータである。 【００７１】図７の電動機の動作原理は、図１の電動機
の動作原理とほぼ同じである。異なる点は、各電動機巻
線の鎖交磁束ＦＬの回転位置Ｘの変化率ｄＦＬ／ｄＸが
図１に比較し約半分になり発生回転力が約半分になるこ
と、逆に、スロットの面積は２倍強に広くなるので図１
に比較し約２倍の電動機巻線を巻回できるようになるこ
とである。結果として、図１と図１２の電動機を単純原
理的に比較すると特性的にはほぼ同じ回転力を得る事が
できることになる。さらに、現実的な差異としては、巻
線作業の容易さ、銅量及び発熱量、永久磁石特性とも関
係した電動機の最大トルクなどの差異がある。 【００７２】（実施例４）更に、実施例１の図１に記載
の電動機において、その電気角的かつ機械角的に３６０
度の構成要素を、機械角３６０度の中に複数組含むこと
も可能である。図８、図９に具体的な例として、スロッ
ト数を３分の１とした図１の電動機を３組組み込んだ例
を示す。 【００７３】この電動機のステータ１２０は、電動機巻
線配設用スロットを形作る歯を兼ねた突部を１８個持っ
ており、各スロットには図９に示すような、従来の誘導
電動機では３相６極の電動機巻線に相当する巻線を巻回
している。 【００７４】ロータ１２１は、２×ｎ極の磁極、本実施
例ではＮ極磁極を１５個、Ｓ極磁極を１５個持ってい
る。このように、ステータ１０１の突部の数ｍとロータ
１０４の磁極の数２×ｎは、｜ｍ−ｎ｜＝１８ー１５＝
３の関係を有している。 【００７５】従って例えば、ステータ１２０の突部とロ
ータの磁極のＮ極とが丁度対向している場所が３箇所あ
り、ロータが１５分の１回転するとステータとロータと
の電磁気的関係が機械角的に１２０度すなわち３分の１
回転し、電気角的に３６０度回転する関係になってい
る。 【００７６】このようなステータからみた電磁気関係の
多極化は、一電動機巻線当たりの鎖交磁束の回転角度変
化率を下げるものの、コイルエンドの長さを短くする事
ができ、特にモータの長さが短い場合はコイルエンド部
の銅損を減少させる事ができる事になり、その意味でモ
ータ効率を向上させる効果がある。また、この多極化
は、ステータ外周の磁路であるヨーク部の厚みを低減さ
せる効果もある。 【００７７】（実施例５）図１０に本発明の他の実施例
の断面部分図を示す。１４６はステータ、１，２，３は
スロットの巻線番号、１４７は電動機巻線配設用スロッ
トを形作る歯を兼ねた突部である。 【００７８】ロータ１２４には電磁鋼板がロータ回転軸
の方向に積層され、その電磁鋼板には永久磁石を配置す
る穴とロータ磁極間の磁気絶縁を保つ磁気絶縁用の穴１
２５とがありかつ遠心力及び回転力に耐えられる程度の
ロータ各磁極とロータ中心近傍との接続部を有する電磁
鋼板であって、電磁鋼板に固定された永久磁石１１０と
を備えている。ロータの磁極は、電磁鋼板の一部であ
り、Ｎ極１０８とＳ極１０９とが交互に形成されてい
る。 【００７９】回転力即ちトルクの発生原理は図１の電動
機と同じ原理である。このように、永久磁石と軟磁性体
である電磁鋼板との組み合わせで、永久磁石１１０を傾
けることにより高磁束密度のロータの磁極１０８，１０
９を構成し、より大きなトルクを発生することのできる
電動機となっており、電動機の小型化が可能である。こ
の例によれば、比較的磁束密度の低い安価な永久磁石で
大きなトルクを発生する電動機を作ることも可能であ
る。また、ロータの磁極部構造は、強固な電磁鋼板と永
久磁石との比較的単純な組み合わせで実現するので堅牢
なロータとなり高速回転用としても使用できる。コスト
もステータの内径側の電磁鋼板をプレス加工でロータ１
２４を得る事ができ、永久磁石１１０の組み付け、固定
も容易であり、低コストの電動機が実現できる。 【００８０】なお、図１０ではＮ極１０８とＳ極１０９
とが非対象な構造であるが、構造を変形して対象な構造
とする事も可能であり、また、永久磁石１１０の形状も
直方体に限定するものではない。 【００８１】（実施例６）図１１に本発明の他の実施例
の断面部分図を示す。図１、図１０の電動機に比較し、
ロータの内側にもう一組のステータが配置された構造と
なっている。 【００８２】１１１はステータ、１１２は電動機巻線配
設用スロットを形作る歯を兼ねた突部、１，２，３はス
ロットに巻回された巻線番号であり、図１２の巻線図の
上側に示された巻線が配設されている。１１３もステー
タであり、１１４は電動機巻線配設用スロットを形作る
歯を兼ねた突部、１，２，３はスロットに巻回された巻
線番号であり図１２の巻線図の下側に示された巻線が配
設されている。 【００８３】ロータは前記両ステータ１１１，１１３の
間に配置されており、このロータには永久磁石１１７と
軟磁性体であって磁極を構成するＮ極１１５とＳ極１１
６とが複数組取り付けられている。ロータ磁極１１５，
１１６の形状は直方体で示しているが、より有効にステ
ータと作用するように磁極幅など磁極形状の変更が可能
である。 【００８４】図１１の電動機は電動機の内径側スペース
を有効に活用すると同時に、外側のステータの突極１１
２と内側ステータの突極１１４とがロータの磁極１１
５，１１６に対して逆極性に配置されており、磁極の磁
束を外側のステータ１１１と内側のステータ１１３とが
交互に利用するので、ロータの磁束をより有効に活用す
る構造となっている。 【００８５】同時に、各磁極の磁束が外側のステータ１
１１かもしくは内側のステータ１１３のどちらかへ存在
できるように、言い換えると、磁気抵抗がより均一に回
転できる構造となっており、ロータの磁気回路を簡略化
できる構造ともなっている。また、この時、外側のステ
ータ１１１の巻線１，２，３・・・・と内側のステータ
１１３の巻線１，２，３・・・・とは電気角的に約１８
０度位相差があるともいえる。 【００８６】図１２の巻線図における各端子の接続は、
駆動装置との関係で種々方法が考えられるが、例えば、
Ｕ相巻線はＵ１−ＵＢ１−Ｕ２−ＵＢ２の順に直列接続
し、Ｖ相巻線はＶ１−ＶＢ１−Ｖ２−ＶＢ２の順に直列
接続し、Ｗ相巻線はＷ１−ＷＢ１−Ｗ２−ＷＢ２の順に
直列接続し、さらにＵＢ２，ＶＢ２，ＷＢ２をそれぞれ
結線すればＵ１，Ｖ１，Ｗ１を電動機の３相端子とした
スター結線とする事ができる。 【００８７】図１１のロータである永久磁石１１７、軟
磁性体の磁極１１５，１１６の具体的固定方法は図示し
ていないがいくつかの方法がある。例えば、単純に永久
磁石１１７と軟磁性体の磁極１１５，１１６とを接着剤
で接着する方法、樹脂で覆って固定する方法、図１２の
ロータのように軟磁性体で図１１のロータ形状を形作り
その内部に永久磁石１１７を配置する方法、軟磁性体１
１５，１１６を回転軸の方向へボルト等で回転体の固定
する方法等である。 【００８８】以上の本発明例としてロータの磁極が永久
磁石で作られている場合について説明したが、電磁石で
作られている場合についても同様な動作、効果を得る事
ができる。 【００８９】通常、ステータの回転方向磁気抵抗が回転
位置により異なる場合は、ロータ磁極の起磁力によりよ
り磁気抵抗が小さく、磁気エネルギの小さくなる方向に
いわゆるコギングトルクといわれるトルクリップルが発
生するが、本発明では、ステータの突極とロータの磁極
との相対位置関係が少しづつずれた複数のトルク発生機
構を作り出しているので、その平均値化効果によりコギ
ングトルクのトルクリップルも小さくすることができる
また、ステータに電動機巻線があり、ロータに磁極があ
る場合について紹介したが、ステータとロータとが逆の
場合に付いても同様の動作、効果を得る事ができる。
また、実施例の電動機の主な磁束の方向はラジアル方向
であるが、磁束の方向がロータ回転軸の方向であり、ス
テータとロータとがロータ回転軸方向に対向している構
造の電動機に変形することも可能である。例えばいわゆ
るフラット型の電動機などである。 【００９０】また、回転型の電動機について説明した
が、回転型だけでなく本発明を直線状に、あるいは曲線
状に展開したリニアモータ等も本発明に含むものであ
る。 【００９１】また、ステータの突極部形状、ロータの磁
極表面形状についても主に矩形形状の場合について説明
したが、特に矩形である必要はなく、またスキュー等の
変形も可能である。 【００９２】また、電動機の複合化も可能であり、回転
方向の複合化即ち多極化については本実施例においても
触れたが、回転軸方向の複合化、径方向の複合化、それ
らのさらに複合化なども可能であり、本発明に含むもの
である。 【００９３】また、本発明を複合して変形した例とし
て、ステータの突極部とロータの磁極とのピッチが互い
に異なる部分を複数組作り、所望トルクに応じて適宜該
当する電動機巻線へ通電する事により回転力を得る事も
可能であり、また、ステータの突極部とロータの磁極と
配置関係は全周において必ずしも規則的な関係である必
要もない。 【００９４】 【発明の効果】本発明によれば、電動機の出力トルク
は、ステータの突極とロータの磁極の相対位置関係が少
しづつずれた複数のトルク発生機構により得るのでトル
クリップルを小さくすることができる。 【００９５】また、ステータ巻線を複数のトルク発生機
構に共通な巻線とし、複数のトルク発生機構の磁束が共
通の巻線に同時に鎖交する構造とするので、従来構造の
電動機より鎖交磁束の回転角度変化率を複数倍大きくす
ることができる。この結果、前記巻線には従来より複数
倍の電動機誘起電圧が発生することになり、従来と同じ
電流でも大きな電力注入ができるようになり、同一サイ
ズの従来電動機に比較し大きなパワー、大きなトルクの
発生ができる。 【００９６】また、ロータ磁極構造の工夫により高い磁
束密度が得られるようにし、さらに大きな回転力が得ら
れ、電動機の一層の小型化を実現した。 【００９７】また、ロータの内径側を活用する事によ
り、ロータ磁束のより有効な活用が可能となるように
し、大きな回転力が得られ、電動機の一層の小型化を実
現した。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の実施例１に係る電動機の概略構成を
示す図である。 【図２】 図１の電動機の巻線図である。 【図３】 図１の電動機の巻線図である。 【図４】 本発明の実施例２に係る電動機の概略構成を
示す図である。 【図５】 本発明の電動機の動作原理を説明する図であ
る。 【図６】 図５と異なる構成の本発明の電動機の動作原
理を説明する図である。 【図７】 本発明の実施例３に係る電動機の概略構成を
示す図である。 【図８】 本発明の実施例４に係る電動機の概略構成を
示す図である。 【図９】 図８の電動機の巻線図である。 【図１０】 本発明の実施例５に係る電動機の概略構成
を示す図である。 【図１１】 本発明の実施例６に係る電動機の概略構成
を示す図である。 【図１２】 図１１の電動機の巻線図である。 【図１３】 従来の電動機の構成を示す図である。 【図１４】 従来の電動機の制御装置の構成を示す図で
ある。 【図１５】 同期電動機の電流波形を示す図である。 【符号の説明】 １０１ ステータ、１０２ 歯、１０３ スロット、１
０４ ロータ、１０５磁極（Ｎ極）、１０６ 磁極（Ｓ
極）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−62558（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−38415（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−46153（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−144337（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−26372（ＪＰ，Ｕ) 特表 平７−503598（ＪＰ，Ａ) 米国特許3330975（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 21/14 H02K 1/27 501 H02K 16/04 H02K 21/12

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 磁気抵抗が大きい部分と小さい部分とが
   交互に等ピッチで形成されると共に、前記磁気抵抗が大
   きい部分及び小さい部分がそれぞれ全周で所定数ｍ個で
   あるステータと、 ステータに対向配置され、Ｎ極磁極とＳ極磁極がそれぞ
   れ全周で所定数ｎ個、等ピッチで配置されたロータと、 ステータに磁気抵抗の小さい部分を２箇所以上含んで巻
   回されたステータ巻線を備え、 前記磁気抵抗の小さい部分の数ｍは６以上の整数であ
   り、且つ｜ｍ−ｎ｜＝１という関係を満たし、 前記ステータは、互いに逆極性に配置された２つのステ
   ータであり、 前記ロータは、永久磁石と軟磁性体が交互に配置されて
   構成された ことを特徴とする電動機。