JP3844577B2

JP3844577B2 - 回転機

Info

Publication number: JP3844577B2
Application number: JP33581097A
Authority: JP
Inventors: 田宗勝島; 野秀昭小
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JPH11178297A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータあるいはジェネレータとして用いられる３相同期式の回転機に関し、とくに、電気自動車用のモータあるいはジェネレータに好適な回転機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転機であるモータやジェネレータは幅広い産業分野で使用されている。そのなかで、とくに電気自動車では、充電一回あたりの走行距離を延ばす必要性から高効率のモータやジェネレータが要求されている。また、主動力にエンジンを使用し、補助動力にモータを使用することによって燃費の向上などを図ったハイブリッド電気自動車の開発も進められており、そこで要求されるモータやジェネレータも高効率なものである。電気自動車用のモータとしては、例えば永久磁石式同期モータが開発されており、運転領域によっては効率９０％以上が達成されている。
【０００３】
また、電気自動車に用いるモータやジェネレータは、高効率ばかりでなくコンパクトで軽いことも重要である。コンパクト化を達成するにはステータの巻線を分布巻から集中巻にする技術があり、一部のモータやジェネレータでは既に採用されている。さらに、磁場解析を使ったステータやロータの最適形状の追求もなされており、このほか、磁石適用技術の開発、鉄損の解析、銅損の解析および熱の解析等も追求されている。
【０００４】
上記したような各技術は、９７磁気応用技術シンポジウム（１９９７年４月社団法人・日本能率協会開催）のＰ．６−２−１三浦徹也，『ＥＶ用ＰＭモータ』および９７モータ技術シンポジウム（１９９７年４月社団法人・日本能率協会開催）のＰ．Ａ−２−１−１武田洋次，『リラクタンストルク併用ＰＭモータの動向』や、竹内学他，『ＡＣサーボモータ“ＭＩＮＡＳ“シリーズ』ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔ，ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．５，Ｏｃｔ．１９９４，Ｐ．５４１（松下電器産業株式会社発行）に記載されている。
【０００５】
従来における回転機の具体例としては、図７（ａ），（ｂ）に示すようなモータ１００があった。モータ１００は、環状のステータ１０１とその中心に配置されたロータ１０２を備えている。ステータ１０１は、バックヨーク部１０３の内側に６つの極Ａ１〜Ａ６を等間隔に備えている。各極Ａ１〜Ａ６は、図示しない集中巻の巻線が施される胴部１０４と、胴部１０４の先端に設けた歯部１０５で構成してある。他方、ロータ１０２は、表面磁石型と呼ばれるものであって、中心のロータヨーク部１０６の外周に、Ｎ極とＳ極を交互に配置した４つの磁極Ｂ１〜Ｂ４を備えている。このモータ１００は、ステータ１０１の各極Ａ１〜Ａ６とロータ１０２との隙間であるギャップの幅Ｌが一様になっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したようなモータ１００には、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石が用いられている。この磁石の場合、熱減磁の問題があることから、１００℃を目安としてそれ以上の温度にならない設計および使い方をしている。また、モータ１００のトルクの増大を図るには、モータの軸方向の長さを増大させることが挙げられるが、この場合には熱的により厳しいものとなる。つまり、この種のモータ１００にあっては、熱的な設計および使い方に対する配慮が重要である。
【０００７】
さらに、上記したようなモータ１００では、高回転を実現するためには周波数の高い駆動電源回路が必要であり、これによりコスト的にも高いものとなる。しかも、従来のモータ１００にあっては、ステータ１０１とロータ１０２のギャップの幅Ｌが一様であり、且つ低速でのトルクも必要であるためにギャップの幅Ｌを０．１〜１．０ｍｍと小さくしている。このため、回転数が上がったときの誘導起電力が高くなるので、駆動電圧を高くする必要があり、これにより駆動電源回路の耐電圧対策も必要となることから、かなり高級な駆動電源回路となっており、場合によっては、最高回転数や定格出力が小さく制限されるといった不具合も生じていた。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、３相同期式の回転機において、冷却効率の向上を実現することができると共に、高回転および低回転のいずれにも対処可能であるうえにコストの低下なども実現することができる回転機を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる回転機は、請求項１として、集中巻の巻線を有するステータと磁石を有するロータを備えた３相同期式の回転機において、ステータとロータのギャップの幅がステータの各極によって大小に異なり、全ての極に通電する機能と、ギャップの幅が大きい極のみに通電する機能とを有する構成とし、請求項２として、小さいギャップの幅Ｌ１が０．１〜１．０ｍｍであると共に、大きいギャップの幅Ｌ２がＬ１×２である構成とし、請求項３として、大小の幅のギャップを軸回りに各々均等に配置した構成とし、請求項４として、ステータの極数が６の倍数であると共に、ロータの磁極数がステータの極数の３分の２である構成とし、請求項５として、ロータの端面に空気撹拌用のフィンを設けた構成とし、請求項６として、ロータに相対向するステータの極の先端面に、軸方向一端部の角から軸方向他端部に至る傾斜線を境にしてロータに対して後退する段部が形成された回転機であって、この段部の軸方向他端部における軸回り方向の長さが、軸方向に連続的に変化している構成とし、請求項７として、ロータに相対向するステータの極の先端面に、軸方向一端部の角から軸方向他端部へ至る傾斜線を境にしてロータに対して小さいギャップの幅Ｌ１分後退する段部を設けると共に、先端面の軸回り方向の長さｔｗに対して軸方向他端部における段部の軸回り方向の長さを１／２ｔｗ〜ｔｗとした構成とし、請求項８として、傾斜線の傾斜方向をステータの隣接する極同士で逆向きにした構成としており、上記の構成を課題を解決するための手段としている。
【００１０】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わる回転機では、集中巻の巻線を有するステータと磁石を有するロータを備えた３相同期式の回転機において、ステータとロータのギャップの幅をステータの各極によって大小に異ならせているので、これにより通風性が良好なものになり、また、当該回転機では、全ての極に通電する機能と、ギャップの幅が大きい極のみに通電する機能とを有しており、ステータの全ての極に通電をすることによりロータを低回転させ、また、ギャップの幅が大きい極のみに通電することによりロータを高回転させる。すなわち、モータの回転数Ｎ（ｒｐｍ）は、駆動電源回路の最高周波数をｆｏ（Ｈｚ）とし、ステータの極数をＰとすると、Ｎ＝１２０ｆｏ／Ｐの関係にある。したがって、ギャップの幅が大きい極のみへの通電つまり励磁する極の数を減らすことにより、駆動電源回路の最高周波数ｆｏを変えることなく回転数Ｎが増加する。しかも、当該回転機では、高回転の際には、極数が減ることによりトルクも減少するが、大きい幅のギャップによって冷却効率が高められるので定格電流を増すことが可能となり、結果としてトルクの減少は防止される。さらに、高回転の際にギャップの幅が大きい極を用いることから、誘導起電力の増加が抑制され、これにより駆動電圧を増加させる必要がなくなるので、駆動電源回路の耐電圧対策も容易なものとなる。
【００１１】
本発明の請求項２に係わる回転機では、小さいギャップの幅Ｌ１を０．１〜１．０ｍｍにすると共に、大きいギャップの幅Ｌ２をＬ１×２としているので、性能を低下させることのない適切な幅のギャップとなり、しかも、良好な通風性が得られる。
【００１２】
本発明の請求項３に係わる回転機では、大小の幅のギャップを軸回りに各々均等に配置しているので、通風性が良好なものになると共に、ステータの各極への通電制御による低回転および高回転の実施により適した構造となる。
【００１３】
本発明の請求項４に係わる回転機では、ステータの極数を６の倍数にすると共に、ロータの磁極数をステータの極数の３分の２としたので、ステータの各極への通電制御による低回転および高回転の実施により一層適した構造となる。
【００１４】
本発明の請求項５に係わる回転機では、ロータの端面に空気撹拌用のフィンを設けたので、ロータの回転に伴ってフィンでモータ内の空気が撹拌され、これにより冷却効率がより高められる。
【００１６】
本発明の請求項６に係わる回転機では、ロータとステータの極のギャップが軸方向に連続的に変化しているので、これにより誘導起電力波形が改善される。すなわち、起電力波形には高調波が含まれており、この高調波成分は小さい方が良い。このとき、３相方式の回路では、Ｙ結線することから３次高調波は消すことができるが、５，７次高調波は消すことができない。そこで、当該回転機では、ロータとステータの極のギャップを軸方向に連続的に変化させ、これにより５，７次高調波成分を減少させる。
【００１７】
本発明の請求項７に係わる回転機では、ロータに相対向するステータの極の先端面に、軸方向一端部の角から軸方向他端部へ至る傾斜線を境にしてロータに対して小さいギャップの幅Ｌ１分後退する段部を設けることにより、ロータとステータの極のギャップが軸方向に連続的に変化することとなり、これにより誘導起電力波形が改善される。また、ステータの極において、先端面の軸回り方向の長さｔｗに対して軸方向他端部における段部の軸回り方向の長さを１／２ｔｗ〜ｔｗとしたことにより、５，７次高調波成分が大幅に減少する。
【００１８】
本発明の請求項８に係わる回転機では、傾斜線の傾斜方向をステータの隣接する極同士で逆向きにしたことにより、請求項８と同様に、ロータとステータの極のギャップが軸方向に連続的に変化することとなり、これにより誘導起電力波形が改善される。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる回転機によれば、ステータとロータのギャップの幅をステータの各極によって大小に異ならせたことから、通風性が良好なものとなって冷却効率を大幅に向上させることができ、熱的に楽になるので、例えば、定格出力の制限を緩和したり、トルク増大のために軸方向長さの増大を図ったりすることもできる。また、ステータの全ての極に通電をすることによるロータの低回転と、ギャップの幅が大きい極のみに通電することによるロータの高回転とを行うことができ、しかも、駆動電源回路の最高周波数を変えることなく高回転を行うことができる。また、当該回転機によれば、高回転の際には、大きい幅のギャップによる冷却効率の向上と相俟って定格電流を増すことができるので、これによりトルクの減少を防止することができ、さらに、高回転の際にギャップの幅が大きい極を用いることから、誘導起電力の増加を抑制するとともに駆動電圧の増加を不要にし、駆動電源回路の耐電圧対策や熱対策を容易にすることができ、これにより駆動電源回路の大幅な高級化を不要にして、コストの大幅な低下なども実現することができる。
【００２０】
本発明の請求項２に係わる回転機によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、小さいギャップの幅Ｌ１を０．１〜１．０ｍｍにすると共に、大きいギャップの幅Ｌ２をＬ１×２としたことから、性能を低下させることのない適切な幅のギャップを得ることができる。
【００２１】
本発明の請求項３に係わる回転機によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、大小の幅のギャップを軸回りに各々均等に配置したことから、通風性をより良好なものにすることができると共に、ステータの各極への通電制御による低回転および高回転の実施により適した構造を得ることができる。
【００２２】
本発明の請求項４に係わる回転機によれば、請求項１〜３と同様の効果を得ることができるうえに、ステータの各極への通電制御による低回転および高回転の実施により一層適した構造を得ることができる。
【００２３】
本発明の請求項５に係わる回転機によれば、請求項１〜４と同様の効果を得ることができるうえに、ロータの端面に設けた空気撹拌用のフィンにより、ロータの回転時における冷却効率をより一層高めることができる。
【００２５】
本発明の請求項６に係わる回転機によれば、請求項１〜５と同様の効果を得ることができるうえに、起電力波形に含まれる５，７次高調波成分を減少させることができ、これにより誘導起電力波形を改善して作動時のロスを軽減することができる。
【００２６】
本発明の請求項７に係わる回転機によれば、請求項６と同様に、起電力波形に含まれる５，７次高調波成分を大幅に減少させることができ、これにより誘導起電力波形を改善して作動時のロスを大幅に軽減することができる。
【００２７】
本発明の請求項８に係わる回転機によれば、請求項６と同様に、起電力波形に含まれる５，７次高調波成分を大幅に減少させることができ、これにより誘導起電力波形を改善して作動時のロスを大幅に軽減することができる。
【００２８】
【実施例】
図１および図２は、本発明の請求項１〜５に係わる回転機の一実施例を説明する図である。この実施例の回転機は３相同期式のモータであって、図１はそのモータを展開した状態で示している。したがって、実際には、中心Ｃが点であると共に、左右の端部Ｚ，Ｚが連続した状態となる。
【００２９】
モータ１は、環状のステータ２と、その中心に配置されたロータ３を備えている。ステータ２は、外周を構成するバックヨーク部４の内側に、６の倍数分の極を突出状態に備えたものであって、この実施例の場合には１２の極Ａ１〜Ａ１２を備えている。各極Ａ１〜Ａ１２は、図示しない集中巻の巻線が施される胴部５と、胴部５の先端に設けた歯部６で構成してある。
【００３０】
他方、ロータ３は、表面磁石型と呼ばれるものであって、回転自在に支持される中心のロータヨーク部７の外周に、ステータ２の極数の３分の２に相当する磁極数つまりＮ極とＳ極を交互に配置した８つの磁極Ｂ１〜Ｂ８を備えている。
【００３１】
上記モータ１は、ステータ２とロータ３のギャップの幅がステータ２の各極Ａ１〜Ａ１２によって大小２種類に異なっており、このとき、小さいギャップの幅Ｌ１を０．１〜１．０ｍｍとすると共に、大きいギャップの幅Ｌ２をＬ１×２としている。図１ではギャップの幅Ｌ１，Ｌ２を誇張して表している。なお、ギャップの小さい幅Ｌ１を０．１〜１．０ｍｍとしたのは、０．１ｍｍよりも小さくすると、例えば、ロータ３のアラインメントなどの関係により寸法精度を維持するのが難しくなり、コスト的にも高いものとなるからであり、また、１．０ｍｍよりも大きくすると、低回転時における性能の低下が生じる恐れがあるからである。
【００３２】
また、モータ１は、上記した大小の幅Ｌ１，Ｌ２のギャップを軸回りに各々均等に配置した構成にしてあり、この実施例では、大小の幅Ｌ１，Ｌ２のギャップが交互に配置してある。つまり、ステータ２の各極Ａ１〜Ａ１２の突出長さが軸回りに交互に異なっている。
【００３３】
さらに、モータ１は、図１中に仮想線で示す如く、ロータ３の端面に空気撹拌用のフィン８が設けてある。この実施例では、ロータ３のロータヨーク部７の端面に、９０度間隔で４枚のフィン８を放射状に設けている。なお、フィン８は、ロータ３の図示しない反対側の端面に設けてもよい。また、フィン８をロータ３の両端面に設けることもできる。
【００３４】
モータ１は、上記構成のほか、モータケース、出力軸および駆動電源回路などを備えており、ギャップの幅が小さい極Ａ１，Ａ３，Ａ５，Ａ７，Ａ９，Ａ１１への通電機能と、ギャップの幅が大きい極Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２への通電機能を有している。
【００３５】
上記の構成を備えたモータ１は、ステータ２とロータ３のギャップの幅Ｌ１，Ｌ２をステータ２の各極Ａ１〜Ａ１２によって大小に異ならせ且つこれを交互に配置しているので、これにより通風性が良好なものとなっており、しかも、ロータ３の端面に設けたフィン８によりモータ１内の空気の撹拌が行われるので、大きい幅Ｌ２のギャップとフィン８とによって冷却効率が大幅に高められる。
【００３６】
また、上記モータ１は、ステータ２の全ての極Ａ１〜Ａ１２に通電をすることによりロータ３を低回転させ、また、ギャップの幅が大きい極Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２のみに通電することによりロータ３を高回転させる。
【００３７】
すなわち、モータ１の回転数Ｎ（ｒｐｍ）は、駆動電源回路の最高周波数をｆｏ（Ｈｚ）とし、ステータ２の極数をＰとすると、Ｎ＝１２０ｆｏ／Ｐの関係にある。したがって、全ての極Ａ１〜Ａ１２に通電をした場合には、Ｐ＝１２であるから、モータ１の回転数Ｎは１０・ｆｏ（ｒｐｍ）であり、ギャップの幅が大きい極Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２のみへの通電つまり励磁する極の数を半分（Ｐ＝６）にすることにより、モータ１の回転数は２０・ｆｏ（ｒｐｍ）となる。このように、当該モータ１では、最高周波数ｆｏを変えることなく回転数Ｎを２倍にし得ることとなる。
【００３８】
さらに、モータ１では、高回転の際には、極数が半分になることによりトルクも減少するが、大きい幅Ｌ２のギャップおよびフィン８によって冷却効率が高められているので定格電流を増すことが可能となり、結果としてトルクの減少は防止される。また、高回転の際にギャップの幅が大きい極Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２を用いることから、誘導起電力の増加が抑制され、これにより駆動電圧を増加させる必要がなくなるので、駆動電源回路の耐電圧対策も容易なものとなる。
【００３９】
ここで、上記構成のモータ１を以下の要領で作成して、試験を行った。
【００４０】
ステータ２は、分割コアとして作成した。まず、厚さ０．３５ｍｍの無方向性ケイ素鋼板をワイヤカットして、図２に示すように、ヨーク形成部１０ａ、胴形成部１０ｂおよび歯形成部１０ｃを有するプレート１０を形成した。なお、大小のギャップの幅に対応して、胴形成部の長さが大小２種類に異なるプレート１０を所定枚数作成した。
【００４１】
次に、上記のプレート１０を１３０枚重ねて、ヨーク形成部１０ａの外周側中央部Ｗ１および歯形成部１０ｃの内周側中央部Ｗ２にＹＡＧレーザを用いたスポット溶接を施すことにより、全プレート１０を固定してバックヨーク部４、胴部５および歯部６を有する１極分のコアを作成した。コアは、胴部５の長さが大小に異なるものを６個ずつ作成した。その後、各コアにおいて、歯部６および胴部５に、絶縁紙を介して、直径１．２ｍｍのマグネットワイヤを１５０回巻いてコイルを形成した。そして、胴部５の長さが異なるコアを円周方向に交互に配置して、各バックヨーク部４をスポット溶接で連結することにより、ステータ２を作成した。
【００４２】
ステータ２は、外径が１５９ｍｍ、胴部５の短い極の内径が７５ｍｍ、胴部５の長い極の内径が７４ｍｍ、軸方向の長さが４５．６ｍｍ、バックヨーク部４の直径方向の幅が９．５ｍｍ、胴部５の円周方向の幅が９ｍｍである。
【００４３】
上記ステータ２に対して、ロータ３は、Ｓ４０Ｃの生材を円筒状に加工して、外径６７ｍｍおよび軸方向の長さ４６ｍｍのロータヨーク部７を形成した。磁石（Ｂ１〜Ｂ８）は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石であって、外径７３ｍｍ、内径６７ｍｍおよび軸方向長さ２３ｍｍの焼結リング磁石を２個用い、これらの磁石をロータヨーク部７の外周に接着剤で固定した後、着磁して８つの磁極Ｂ１〜Ｂ８とした。
【００４４】
これにより、ステータ２とロータ３との間に形成されるギャップは、小さい幅Ｌ１を０．５ｍｍとし、大きい幅Ｌ２を１．０ｍｍとした。
【００４５】
なお、２次元の磁場解析の結果、ステータ２は、歯部６における胴部５側の面を傾斜させた形状が良いことが判明したため、図２に示す形態のプレート１０を用いて作成した。
【００４６】
また、同磁場解析により磁石の動作点を決定した。磁石の残留磁束密度Ｂｒが１０．６ｋＧ、リコイル透磁率が１．０５であったので、これらの値を用いて解析を行った。その結果、全ての極Ａ１〜Ａ１２への通電による低回転運転時のトルク係数の設計値は０．５７ｋｇｆ・ｃｍ／Ａとなり、回転数Ｎが１２００ｒｐｍで２４Ａの電流を供給したときの出力は約１６８Ｗと見積もられた。このとき、電流２４Ａはモータ１に流す総電流の値である。
【００４７】
なお、比較のために、ステータとロータのギャップの幅を全て０．７５ｍｍとして、他の部位を全て同一としたモータを作成した。このモータのトルク定数の設計値も０．５７ｋｇｆ・ｃｍ／Ａであり、回転数Ｎが１２００ｒｐｍで２４Ａの電流を供給したときの出力は約１６８Ｗと見積もられた。
【００４８】
実施例のモータ１と比較例のモータについて、フィン８の無いものと有るものとについて、低回転試験を行った。その結果、いずれのモータもトルク定数はほぼ設計値通りであった。また、温度上昇の飽和値を調べるためにステータの温度を測定した。その結果を次の表に示す。
【００４９】

【００５０】
上記の試験結果および表から明らかなように、実施例のモータ１は、ステータ２の各極Ａ１〜Ａ１２によりギャップに大小の幅を設けたことにより、ギャップの幅が一様である比較例のモータと同様のトルク定数および出力を得ることができるうえに、フィン８が無い場合でもフィンが有る比較例のモータよりも温度上昇が小さく、フィン８を設ければさらに温度上昇が小さくなる。つまり、大きい幅Ｌ２のギャップおよびフィン８により冷却効率が高められており、さらには比較例よりも定格の大きいモータであることが確認できた。
【００５１】
次に、実施例のモータ１において、ギャップの大きい幅Ｌ２の極Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２のみに通電をすることにより高回転運転の試験を行った。その結果、低回転運転時と同じ駆動電源の周波数ｆｏ（１２０Ｈｚ）により、回転数Ｎが倍の２４００ｒｐｍとなり、出力が３３７Ｗとなり、その際のトルク定数は０．２６ｋｇｆ・ｃｍ／Ａであった。
【００５２】
すなわち、実施例のモータ１は、ステータ２の各極Ａ１〜Ａ１２への通電制御を行い、回転数が１２００ｒｐｍ以下ではステータ２の１２の極Ａ１〜Ａ１２を用いて運転し、回転数が１２００ｒｐｍ以上ではギャップの大きい幅の極Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２を用いて運転すれば良く、高回転時にはトルク定数が低回転時の約２分の１になるが、先述したように冷却効率が高められており、表に示されるように温度上昇には余裕があるので、低回転時の約２倍の電流を供給することが可能であり、これにより高回転時のトルク定数を低回転時とほぼ同一にし得ることとなる。
【００５３】
なお、一般に、電流を２倍にすると銅損が４倍になるが、この実施例のモータ１では電流を２倍にする高回転時にはステータ２の極数が半分になるので、銅損を２倍に抑えることができる。
【００５４】
図３および図４は、本発明の請求項６〜８に係わる回転機の一実施例を説明する図である。なお、回転機は先の実施例と同様のモータ（図１参照）であり、主要な構成は同一である。
【００５５】
この実施例のモータは、ロータとステータの極のギャップが軸方向に連続的に変化した状態になっている。つまり、モータを作動させる起電力の波形には高調波が含まれており、この高調波成分は小さい方が良い。このとき、３相方式の回路では、Ｙ結線することから３次高調波は消すことができるが、５，７次高調波は消すことができない。そこで、当該回転機では、ギャップを軸方向に連続的に変化させ、これにより５，７次高調波成分を減少させている。
【００５６】
ギャップを軸方向に連続的に変化させるには、図３および図４（ａ）に示すように、ロータに相対向するステータ２の極の先端面つまり歯部６の先端面に、軸方向一端部（図３（ｂ）では上端部）の角から軸方向他端部へ至る傾斜線Ｋを境にしてロータに対して後退する段部９を形成している。
【００５７】
段部９の段差寸法Ｌ３は、先の実施例で説明した小さいギャップの幅Ｌ１と同一である。また、段部９は、極の先端面の軸回り方向の長さをｔｗとしたとき、軸方向他端部における軸回り方向の長さＬ４を１／２ｔｗ〜ｔｗの範囲をとしており、この実施例では同長さＬ４を１／２ｔｗとしている。これにより、モータは、ギャップが軸方向に連続的に変化している状態となっている。
【００５８】
上記の段部９を有するモータを２次元の磁場解析で検討した結果、起電力波形における５，７次高調波成分が１０％未満にできることが判明し、試験を行った結果、５，７次高調波成分が５％程度であることが確認できた。
【００５９】
また、図４（ｂ）に示すように、傾斜線Ｋの傾斜方向ならびに段部９をステータの隣接する極Ａ１〜Ａ１２同士で逆向きにした構成とし、同様の解析および試験を行ったところ、上記実施例と同様の効果が得られることを確認した。
【００６０】
図５は、本発明の請求項１〜５に係わる回転機の他の実施例を説明する図である。なお、回転機は先の実施例と同様にモータである。
【００６１】
この実施例のモータ１１は、ステータ２の極数およびロータ３の磁極数は先の実施例と同様であるが、大小の幅のギャップを軸回りに各々均等に配置した構成として、先の実施例では大小の幅のギャップを交互に配置していたのに対し、この実施例では、大小の幅のギャップを３極ずつ連続させた構成になっている。つまり、図の左から、大きいギャップ幅Ｌ２の３極Ａ１〜Ａ３、小さいギャップ幅Ｌ１の３極Ａ４〜Ａ６、大きいギャップ幅Ｌ２の３極Ａ７〜Ａ９、および小さいギャップ幅Ｌ１の３極Ａ１０〜Ａ１２としている。このとき、小さいギャップ幅Ｌ１は０．５ｍｍ、大きいギャップ幅は１．０ｍｍである。
【００６２】
上記のモータ１１にあっても、先の実施例と同様の解析ならびに試験を行ったところ、同様の性能が得られることが確認でき、しかも、冷却性能が先の実施例のモータよりも若干優れていることを確認した。
【００６３】
なお、上記各実施例では、ステータの極数を１２とし且つロータの磁極数を８としたが、ステータの極数が６の倍数であり、且つロータの磁極数がステータの極数の３分の２であれば、低回転および高回転の両方の確実な動作が可能であると共に、同様の効果を得ることができ、例えば、ステータの極数を６とし、ロータの磁極数を４としても良い。このほか、フィン８の数や形態が上記実施例のものに限定されることもない。また、上記各実施例では、比較的容量の小さいモータを例示しているが、電気自動車に用いられるｋＷ級のモータにも当然適用できる。
【００６４】
さらに、上記各実施例では、外側に磁石を備えた表面磁石型のロータを説明したが、内部に磁石を備えた内部磁石型のロータであっても良い。なお、上記各実施例では、起電力波形を改善するためにロータとステータの極のギャップを軸方向に連続的に変化させる状態とし、具体的にはステータの極に段部９を設けた構成としたが、リング型の磁石を用いた例であることから、ロータ側において着磁の方法を工夫することも可能である。すなわち、ロータ３を着磁する際に、図６に示す如くスキューを設けて着磁する方法もあることは言うまでもない。また、上記各実施例では回転機としてモータを例示したが、当該発明に係わる回転機はジェネレータにも当然適用することが可能である。
【００６５】
また、同じ周波数で倍の回転速度を実現するために、図１に示すモータ１では、低速時には全ステータ極Ａ１〜Ａ１２をｕ，ｖ，ｗ…（Ａ１，Ａ２，Ａ３…）の相順（時計回転方向）で励磁し、高速時には大きいギャップのステータ極Ａ２，Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２をｕ，ｗ，ｖ…（Ａ４，Ａ２，Ａ６…）の相順で励磁する必要がある。このような励磁ロジックの組変えは比較的容易であり、特に難しくはない。図５に示すモータ１１では、低速時には全ステータ極Ａ１〜Ａ１２をｕ，ｖ，ｗ…（Ａ１，Ａ２，Ａ３…）の相順（時計回転方向）で励磁し、高速時には大きいギャップのステータ極Ａ１〜Ａ３，Ａ７〜Ａ９をｕ，ｗ，ｖ…（Ａ１，Ａ２，Ａ３…）の相順で励磁する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１〜５に係わる回転機の一実施例におけるモータのステータおよびロータを展開状態にしてステータ極の励磁相順とともに示す平面説明図である。
【図２】ステータの極を構成するプレートを説明する平面図である。
【図３】本発明の請求項６〜８に係わる回転機の一実施例におけるステータを説明する平面断面図（ａ）および先端面の下側面図（ｂ）である。
【図４】図３とともに本発明の請求項６および７に係わる回転機の一実施例におけるステータの各極を説明する正面図（ａ）、および請求項８に係わる回転機の一実施例におけるステータの各極を説明する正面図（ｂ）である。
【図５】本発明の請求項１〜５に係わる回転機の他の実施例におけるモータのステータおよびロータを展開状態にしてステータ極の励磁相順とともに示す平面説明図である。
【図６】ロータに傾けスキューをつけて着磁する方法を説明する斜視図である。
【図７】従来における３相同期着磁式のモータを説明する平面図である。

Claims

集中巻の巻線を有するステータと磁石を有するロータを備えた３相同期式の回転機において、ステータとロータのギャップの幅がステータの各極によって大小に異なり、全ての極に通電する機能と、ギャップの幅が大きい極にのみ通電する機能とを有することを特徴とする回転機。
小さいギャップの幅Ｌ１が０．１〜１．０ｍｍであると共に、大きいギャップの幅Ｌ２がＬ１×２であることを特徴とする請求項１に記載の回転機。
大小の幅のギャップを軸回りに各々均等に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。
ステータの極数が６の倍数であると共に、ロータの磁極数がステータの極数の３分の２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転機。
ロータの端面に空気攪拌用のフィンを設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転機。
ロータに相対向するステータの極の先端面に、軸方向一端部の角から軸方向他端部に至る傾斜線を境にしてロータに対して後退する段部が形成された回転機であって、この段部の軸方向他端部における軸回り方向の長さが、軸方向に連続的に変化していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の回転機。
ロータに相対向するステータの極の先端面に、軸方向一端部の角から軸方向他端部へ至る傾斜線を境にしてロータに対して小さいギャップの幅Ｌ１分後退する段部を設けると共に、先端面の軸回り方向の長さｔｗに対して軸方向他端部における段部の軸回り方向の長さを１／２ｔｗ〜ｔｗとしたことを特徴とする請求項６に記載の回転機。
傾斜線の傾斜方向をステータの隣接する極同士で逆向きにしたことを特徴とする請求項７に記載の回転機。