JP4316465B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電動機や直動電動機などの電動機に関するものであり、詳細には、コアレス及びスロットレスの電動機の電機子巻線に流れる電流により発生するジュール熱を低減する技術に関するものである。

従来のコアレス電動機においては、電機子巻線に流れる電流により発生するジュール熱を放熱させて電動機の温度上昇を抑制していた。

例えば、特許文献１に開示されたコアレスリニアモータでは、複数のコイルからなる電機子を取り付ける可動子取付台の下面に凹部を設け、この凹部にコイルの上側にあたるコイル上辺を挿入し、コイルの下側にあたるコイル下辺の近傍にコイル間及びリード線との結線処理を行うスペースを設けることによって、コイルと可動子取付台等との間の熱抵抗を小さくし、電機子巻線に流れる電流により発生するジュール熱を放熱させる、あるいは可動子取付台に冷媒の通路を設けて冷却することによって電動機の温度上昇を小さくしている。

特開２００４−８０９３８（第３頁、図１）

上記特許文献１のような従来の電動機にあっては、温度上昇の原因であるジュール熱を放熱する等によって電動機の温度上昇を小さくしているので、製作誤差などにより熱伝達面の接触が悪くなった場合に熱抵抗が大きくなり、電動機の温度が上昇してしまうという問題があった。

また、冷媒で冷却する場合は、冷媒通路の加工、冷却装置を必要とし、加工費、装置費用がかさむという問題がある。

この発明は、電動機温度上昇の原因であるジュール熱が小さい磁気回路構成を得ることによって、温度上昇を抑制した電動機を得ることを目的とするものである。

本発明に係る第１の電動機は、弱磁性材料または強磁性材料からなる円筒状の電機子固定台、上記電機子固定台の円周方向に配列された弱磁性材料からなるコイル巻芯に巻回され巻回の中心軸が径方向にある環状の集中巻コイル、または空芯で巻回の中心軸が径方向にある環状の集中巻コイルを備えた電機子側ユニットと、円筒または円柱状の界磁鉄心、上記界磁鉄心上の円周方向に隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石を備えた界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットと上記界磁側ユニットとを、磁気的空隙を介して上記集中巻コイルと上記永久磁石とが対向するように同軸に配置し、上記電機子側ユニットまたは界磁側ユニットのいずれか一方が回転できるように構成した電動機において、
上記界磁側ユニットにおける磁極ピッチを電気角でπとし、上記集中巻コイルの上記配列方向における内面間距離の１／２を電気角でθ_１±α、上記集中巻コイルの上記配列方向における外面間距離の１／２を電気角でθ_２としたとき、上記θ_１およびθ_２が下記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８としたものである。

本発明に係る第２の電動機は、弱磁性材料または強磁性材料からなる平板状の電機子固定台、上記電機子固定台の平面に沿って配列された弱磁性材料からなるコイル巻芯に巻回され巻回の中心軸と垂直な面が平面状に並ぶように上記電機子固定台の平面に沿って配列された環状の集中巻コイル、または空芯で巻回の中心軸と垂直な面が平面状に並ぶように上記電機子固定台の平面に沿って配列された環状の集中巻コイルを備えた電機子側ユニットと、平板状の界磁鉄心、上記界磁鉄心平板状の界磁鉄心の平面に沿って隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石を備えた界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットと上記界磁側ユニットとを、磁気的空隙を介して上記集中巻コイルと上記永久磁石とが相互の配列方向において対向するように配置し、上記電機子側ユニットまたは界磁側ユニットのいずれか一方が上記集中巻コイルおよび永久磁石の配列方向に直線的に移動できるように構成した電動機において、
上記界磁側ユニットにおける磁極ピッチを電気角でπとし、上記集中巻コイルの上記配列方向における内面間距離の１／２を電気角でθ_１±α、上記集中巻コイルの上記配列方向における外面間距離の１／２を電気角でθ_２としたとき、上記θ_１およびθ_２が下記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８としたものである。

本発明に係る第３の電動機は、弱磁性材料からなるコイル巻芯に巻回された環状の集中巻コイルまたは空芯の集中巻コイルを、巻回中心と垂直な上記集中巻コイルの面が平面状に並ぶように配列し固定した電機子側ユニットと、平板状の界磁鉄心、上記平板状の界磁鉄心の平面に沿って隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石を備えた界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットと上記界磁側ユニットとを、磁気的空隙を介して上記集中巻コイルと上記永久磁石とが相互の配列方向において対向するように配置し、上記電機子側ユニットまたは界磁側ユニットのいずれか一方が上記集中巻コイルおよび永久磁石の配列方向に直線的に移動できるように構成した電動機において、
上記界磁側ユニットにおける磁極ピッチを電気角でπとし、上記集中巻コイルの上記配列方向における内面間距離の１／２を電気角でθ_１±α、上記集中巻コイルの上記配列方向における外面間距離の１／２を電気角でθ_２としたとき、上記θ_１およびθ_２が下記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８としたものである。

本発明に係る第４の電動機は、弱磁性材料または強磁性材料からなる平板状の電機子固定台、上記電機子固定台にトロイダル巻され、上記電機子固定台の平面に沿って配列された複数相のコイルを備えた電機子側ユニットと、平板状の界磁鉄心、上記界磁鉄心平板状の界磁鉄心の平面に沿って隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石を備えた界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットと上記界磁側ユニットとを、磁気的空隙を介して上記トロイダル巻されたコイルと上記永久磁石とが相互の配列方向において対向するように配置し、上記電機子側ユニットまたは界磁側ユニットのいずれか一方が上記トロイダル巻されたコイルおよび永久磁石の配列方向に直線的に移動できるように構成した電動機において、
上記界磁側ユニットにおける磁極ピッチを電気角でπとし、上記トロイダル巻されたコイルのうちの最近接する同相コイル間における、内縁間距離の１／２を電気角でθ_１±α、外縁間距離の１／２を電気角でθ_２としたとき、上記θ_１およびθ_２が下記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８としたものである。

本発明に係る上記第１ないし第４の電動機によれば、電機子に流れる電流により発生するジュール熱を小さくすることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る電動機の実施の形態１を示す断面図であり、図１（ａ）は全体図、図１（ｂ）は一部拡大図である。

図１（ａ）に示した電動機は、コアレス回転電動機の場合を示しており、プラスチック樹脂などの弱磁性材料からなる円筒状の電機子固定台２０、電機子固定台２０の内面において円周方向に配列されたコイル巻芯２１それぞれに集中的に巻回され、巻回中心軸が径方向にある環状の集中巻きコイル７を備えた電機子側ユニット１と、軸６に支持された円筒状または円柱状の界磁鉄心３、界磁鉄心３の外面の円周方向に隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石４ａおよび４ｂを備えた界磁側ユニット８とを有する。電機子側ユニット１と界磁側ユニット８とは、集中巻きコイル７と永久磁石４ａおよび４ｂとを磁気的空隙５を介して対向させて同軸に配置され、電機子側ユニット１または界磁側ユニット８のいずれか一方が回転できるように構成されている。ここで、コイル巻芯２１は電機子固定台２０と一体形成されるか若しくは別部品として取り付けられたものである。また、コイル巻芯２１に代えて空芯としてもよい。また、図１では、例として磁極数とコイル数の比が４：３の３相コアレス回転電動機を示している。

集中巻きコイル７は、図１（ｂ）に示したように、磁極ピッチを電気角でπ［ｒａｄｉａｎ］とし、電気角の基準位置を集中巻きコイル７の中心位置（Ａ−Ａ線）とし、配列方向における集中巻きコイル７のＡ−Ａ線から内周までの距離（内面間距離の１／２）を電気角でθ_１±α［ｒａｄｉａｎ］、配列方向における集中巻きコイル７のＡ−Ａ線から外周までの距離（外面間距離の１／２）を電気角でθ_２［ｒａｄｉａｎ］としたときに、θ_１とθ_２が下記式（１）を満たし、かつ、α＝０〜π／８となるように形成する。

次に、上記式（１）の導出過程を説明する。図２は、永久磁石４ａ，４ｂに基づいて発生する磁束密度のうち、径方向成分Ｂｒの周方向空間分布（円周を直線に展開している）をグラフ化したものである。また、図２においては、集中巻きコイル７に鎖交する磁束量の最大値を示している。集中巻きコイル７は、丸線や平角線の線材を、１ターン以上のターン数を巻回して形成されている。このうち、ある位置θに巻かれている１ターンに鎖交する磁束量Φ_θは、集中巻きコイル７の配列方向と垂直な方向（軸方向）の長さをＬとすれば、下記式（２）で算出される。

したがって、集中巻きコイル７の内周側θ_１の位置から外周側θ_２の位置の間に形成されている各ターンに鎖交する磁束の平均値Φ_ａｖは、下記式（３）で算出される。

モータのトルクＴは、磁束量と電流の積に比例する。したがって、電流をＩとおくと、下記式（４）が成立する。

ここで、Ｂ_ｍａｘは永久磁石４の品質や界磁鉄心３などの形状により決まり、集中巻きコイル７の形状等には依存しない。また、Ｌは回転電機の軸方向長さに関する仕様であり、集中巻きコイル７の円周方向の形状に影響しないものである。このことから、Ｂ_ｍａｘとＬは定数とみなしてよい。したがって、上記式（４）を変形して、あるトルクを出力する際に必要な電流Ｉは、コイルの内周側と外周側の形成条件により、下記式（５）のような比例関係を持つ。

他方、コイル７は断面積ａの線材をＮターン巻回することにより構成されており、コイル全体の断面積をＳ、占積率をηとすると、下記式（６）が成り立つ。

また、コイルの径方向高さが一定であれば、下記式（７）のように、コイル全体の面積Ｓは（θ_２−θ_１）に比例することは当然である。

コイルの抵抗Ｒは、コイルの平均周長ｌ（エル）と線材の抵抗率ρを用いて、下記式（８）で表される。

上記式（８）に上記式（６）および上記式（７）を代入して、下記式（９）を得る。この式（９）に示されているように、Ｒは（θ_２−θ_１）に逆比例する。

上記式（５）および上記式（９）から、コイル７で発生するジュール熱Ｐは、下記式（１０）のような比例関係にある。

上記式（１０）の右辺をｆ（θ_１，θ_２）とおき、θ_１で偏微分すると、下記式（１１）となる。

上記式（１１）がゼロに等しい時、ｆ（θ_１，θ_２）が極小値を取る。すなわち、ジュール熱Ｐが極小値を取る。上記式（１１）がゼロとなる条件は、上記式（１）で表される。

以上、説明したように、円環状の集中巻きコイル７の配列方向における内面間距離の１／２を電気角でθ_１±α、円環状の集中巻きコイル７の配列方向における外面間距離の１／２を電気角でθ_２としたときに、θ_１およびθ_２が上記式（１）を満たすように集中巻きコイル７を形成すれば、ジュール熱を極小値にできる。

図３は、図１に示されたコアレス回転電動機の場合のｆ（θ_１，θ_２）を示している。ジュール熱の極小値（α＝０の場合）に比べてジュール熱が１０％程度大きくなっても実用上問題とならない。図３のハッチングされた範囲は、α＝０の場合のジュール熱の１１０％以下の範囲である。したがって、α＝０〜π／８とする。

実施の形態２．
本発明の電動機であるコアレス回転電動機を駆動する際に必要な電流は、上記式（５）で示したように集中巻きコイル７の配列方向における内面間距離と外面間距離の形成条件に依存する。上記式（５）の右辺をｇ（θ_１，θ_２）とおき、θ_１で偏微分すると、下記式（１２）となる。

θ_１とθ_２が上記式（１）を満たすとき、上記式（１２）は、下記式（１３）のように変形できる。

ここで、分母は正、分子は（θ_２−θ_１）＞０であるから、上記式（１３）の符号はｓｉｎθ_１の符号に依存する。

まず、ｓｉｎθ_１が正の場合、上記式（１３）は負となり、θ_１が微増するとｇ（θ_１，θ_２）は小さくなり、電流Ｉも小さくなる。電流Ｉが小さくなればモータを駆動する電源の電流容量を小さくできる。従って、ｓｉｎθ_１が正の場合は集中巻きコイル７の配列方向における内面間距離の１／２をθ_１＋α（ただしα＝０〜π／８）とする。

逆に、ｓｉｎθ_１が負の場合、上記式（１３）は正となり、θ_１が微減するとｇ（θ_１，θ_２）は小さくなり、電流Ｉも小さくなるから、ｓｉｎθ_１が負の場合は集中巻きコイル７の配列方向における内面間距離の１／２をθ_１−α（ただしα＝０〜π／８）とする。

実施の形態３．
上記実施の形態１および２では、磁極数とコイル数の比が４：３のコアレス回転電動機の例を示したが、磁極数とコイル数の比が変われば、取り得るθ_２の最大値が変わる。

図４は、横軸にθ_２、縦軸にｆ（θ_１，θ_２）を示している。θ_１の値は上記式（１）を満たす値を代入している。

周方向に隣り合う集中巻きコイル７は位相が異なるため、集中巻きコイル７間に絶縁紙などの絶縁体を挟む（図示せず）。この絶縁体の厚さの分を電気角でβとすると、θ_２は下記式（１４）となる。

例えば、磁極数とコイル数の比が４：３のコアレス回転電動機の場合は、θ_１とθ_２の間には０≦θ_１＜θ_２≦２π／３の関係が成り立つ。図４において、０≦θ_１＜θ_２≦２π／３の範囲ではθ_２＝１２π／１８＝２π／３の場合に、ｆ（θ_１，θ_２）が最小になる。

つまり、絶縁体の厚さβが０の場合が最もジュール熱が小さい。従って、ジュール熱を小さくするためには、絶縁体の厚さをできる限り薄く形成することが好ましい。図４におけるハッチングされた範囲は、ｆ（θ_１，θ_２）がθ_２＝２π／３の場合の１１０％以下の範囲であり、θ_２＝２π／３〜１１π／１８である。上記のように、ジュール熱は１０％程度大きくなっても、実用上問題とならない。従って、上記式（１４）絶縁体の厚さβは０よりも大きくπ／１８以下とするのが好ましい。

実施の形態４．
図５は、本発明に係る電動機の実施の形態４を示す断面図であり、図５（ａ）は正面から見た断面図であり、図５（ｂ）は、電機子側ユニット１の一部を側面から見た断面図である。

図５に示した電動機は、コアレス直動電動機（リニアモータ）の場合であり、コイル巻芯２１に集中的に巻回された環状の集中巻きコイル７を、巻回の中心軸と垂直な面が平面状に並ぶように配列し、配列した集中巻きコイル７を樹脂モールドなどで形成される電機子連結部２２により連結し、座２３に固定してなる電機子側ユニット１と、着磁された永久磁石４を平面部を有する界磁鉄心３の平面に沿って、隣り合う永久磁石４の磁極が互いに異極となるように配列してなる界磁側ユニット８とを有する。電機子側ユニット１と界磁側ユニット８とは、集中巻きコイル７の配列方向と永久磁石４の配列方向が同方向となり、集中巻きコイル７と永久磁石４とが磁気的空隙５を介して対向するように配置され、電機子側ユニット１または界磁側ユニット８のいずれか一方が集中巻きコイル７および永久磁石４の配列方向に直線的に移動できるように構成されている。ここで、集中巻きコイル７は、コイル巻芯２１に代えては空芯としてもよい。

このようなコアレスリニアモータにあっても、図５（ｂ）に示したように、磁極ピッチを電気角でπ［ｒａｄｉａｎ］とし、電気角の基準位置を集中巻きコイル７の中心位置（Ａ−Ａ線）とし、集中巻きコイル７の配列方向におけるＡ−Ａ線から内周までの距離（内面間距離の１／２）を電気角でθ_１±α［ｒａｄｉａｎ］、集中巻きコイル７の配列方向におけるＡ−Ａ線から外周までの距離（外面間距離の１／２）を電気角でθ_２としたときに、θ_１およびθ_２が上記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８とすることによって、ジュール熱の小さいコアレスリニアモータを得ることができる。

また、実施の形態１と同様に、好ましくは、θ_２を上記式（１４）を満たす値としてβ＝０〜π／１８とする。また、さらに好ましくは、ｓｉｎθ_１が正の場合にはコイル７の内面間距離の１／２をθ_１＋α（ただしα＝０〜π／８）とし、ｓｉｎθ_１が負の場合にはコイル７の内面間距離の１／２をθ_１−α（ただし、α＝０〜π／８）とする。

図５では、電機子ユニット１の両側に永久磁石４が配置される構成を示したが、電機子ユニット１の片側のみに永久磁石４が配置される構成としてもよい。

実施の形態５．
図６は、本発明に係る電動機の実施の形態５を示す断面図であり、図６（ａ）は正面から見た断面図であり、図６（ｂ）は、電機子側ユニット１の一部を側面から見た断面図である。

図６に示した電動機は、コアレス直動電動機（リニアモータ）の場合であり、平板状の電機子固定台２０、電機子固定台２０の平面に沿って配列されたコイル巻芯２１、コイル巻芯２１それぞれに巻回され、巻回の中心軸と垂直な面が平面状に並ぶように電機子固定台２０の平面に沿って配列された環状の集中巻きコイル７、配列された集中巻きコイル７を固定する座２３を備えた電機子側ユニット１と、永久磁石４を平面部を有する界磁鉄心３、界磁鉄心３の平面に沿って隣り合う永久磁石４の磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石４を備えた界磁側ユニット８とを有する。電機子側ユニット１と界磁側ユニット８とは、集中巻きコイル７の配列方向と永久磁石４の配列方向が同方向となり、集中巻きコイル７と永久磁石４とが磁気的空隙５を介して対向するように配置され、電機子側ユニット１または界磁側ユニット８のいずれか一方が集中巻きコイル７および永久磁石４の配列方向に直線的に移動できるように構成されている。ここで、集中巻きコイル７は、コイル巻芯２１に代えては空芯としてもよい。

このようなコアレスリニアモータにあっても、図６（ｂ）に示したように、極ピッチを電気角でπ［ｒａｄｉａｎ］とし、電気角の基準位置を集中巻きコイル７の中心位置（Ａ−Ａ線）とし、集中巻きコイル７の配列方向におけるＡ−Ａ線から内周までの距離（内面間距離の１／２）を電気角でθ_１±α［ｒａｄｉａｎ］、集中巻きコイル７の配列方向におけるＡ−Ａ線から外周までの距離（外面間距離の１／２）を電気角でθ_２としたときに、θ_１およびθ_２が上記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８とすることによって、ジュール熱の小さいコアレスリニアモータを得ることができる。

また、実施の形態１と同様に、好ましくは、θ_２を上記式（１４）を満たす値としてβ＝０〜π／１８とする。また、さらに好ましくは、ｓｉｎθ_１が正の場合にはコイル７の内面間距離の１／２をθ_１＋α（ただしα＝０〜π／８）とし、ｓｉｎθ_１が負の場合にはコイル７の内面間距離の１／２をθ_１−α（ただし、α＝０〜π／８）とする。

図６では、電機子ユニット１の両側に永久磁石４が配置される構成を示したが、電機子ユニット１の片側のみに永久磁石４が配置される構成としてもよい。

実施の形態５．
図７は、本発明に係る電動機の実施の形態５を示す断面図であり、図７（ａ）は全体図を、図７（ｂ）は一部分の拡大図を示している。

図７に示した電動機は、スロットレス回転電動機の場合であり、電磁鋼板を積層してなる円筒状の電機子固定台２０、電機子固定台２０の内面の円周方向に配列されたコイル巻芯２１それぞれに集中的に巻回され、巻回の中心軸が径方向にある環状の集中巻きコイル７を備えた電機子側ユニット１と、軸６に支持された円筒状または円柱状の界磁鉄心３、界磁鉄心３の外面の円周方向に隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石４ａおよび４ｂを備えた界磁側ユニット８とを有する。電機子側ユニット１と界磁側ユニット８とは、集中巻きコイル７と永久磁石４ａおよび４ｂとが磁気的空隙５を介して対向するように同軸に配置され、電機子側ユニット１または界磁側ユニット８のいずれか一方が回転できるように構成されている。ここで、コイル巻芯２１に代えて空芯としてもよい。また、図７では、例として磁極数とコイル数の比が４：３の３相スロットレス回転電動機を示している。

このようなスロットレス回転電動機にあっても、図７（ｂ）に示すθ_１およびθ_２が上記式（１）を満たすようにして、かつ、α＝０〜π／８とすれば、ジュール熱の小さいスロットレス回転電動機とすることができる。

また、上記実施の形態１と同様に、好ましくは、θ_２を下記式（１５）を満たす値としてβ＝０〜π／１８とする。また、さらに好ましくは、ｓｉｎθ_１が正の場合には集中巻きコイル７の内面間距離の１／２をθ_１＋α（ただしα＝０〜π／８）とし、ｓｉｎθ_１が負の場合にはコイル７の内面間距離の１／２をθ_１−α（ただしα＝０〜π／８）とする。

実施の形態６．
図８は、本発明に係る電動機の実施の形態６を示す断面図であり、図８（ａ）は正面から見た断面図であり、図８（ｂ）は電機子側ユニット１の一部を側面から見た断面図である。

図８に示した電動機は、スロットレス直動電動機（リニアモータ）の場合であり、強磁性材料からなる平板状の電機子固定台２４、電機子固定台２４の平面に沿って配列されたプラスチック樹脂などの弱磁性材などで形成されるコイル巻芯２１、コイル巻芯２１それぞれに集中的に巻回され、巻回の中心軸と垂直な面が平面状に並ぶように電機子固定台２４の平面に沿って配列された集中巻きコイル７を備えた電機子側ユニット１と、平面部を有する界磁鉄心３、界磁鉄心３の平面に沿って隣り合う永久磁石４の磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石４を備えた界磁側ユニット８とを有する。電機子側ユニット１と界磁側ユニット８とは、集中巻きコイル７の配列方向と永久磁石４の配列方向が同方向となり、集中巻きコイル７と永久磁石４とが磁気的空隙５を介して対向するように配置され、電機子側ユニット１または界磁側ユニット８のいずれか一方が集中巻きコイル７および永久磁石４の配列方向に直線的に移動できるように構成されている。ここで、集中巻きコイル７は、コイル巻芯２１に代えては空芯としてもよい。

このようなスロットレスリニアモータにあっても、図８（ｂ）に示すθ_１およびθ_２が上記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８とすることによって、ジュール熱の小さいスロットレスリニアモータを得ることができる。

また、上記実施の形態１と同様に、好ましくはθ_２を上記式（１４）を満たす値としてβ＝０〜π／１８とする。また、さらに好ましくは、ｓｉｎθ_１が正の場合には集中巻きコイル７の内面間距離の１／２をθ_１＋α（ただしα＝０〜π／８）とし、ｓｉｎθ_１が負の場合にはコイル７の内面間距離の１／２をθ_１−α（ただしα＝０〜π／８）とする。

図８では、電機子ユニット１の両側に永久磁石４が配置される構成を示したが、電機子ユニット１の片側にのみ永久磁石４が配置される構成としてもよい。

実施の形態８．
図９は、本発明に係る電動機の実施の形態７を示す断面図であり、図９（ａ）は正面から見た断面図であり、図９（ｂ）は電機子側ユニット１の一部を側面から見た断面図である。

図９に示した電動機は、スロットレス直動電動機（リニアモータ）であり、平板状の強磁性材料からなる電機子固定台２４、電機子固定台２４にトロイダル巻に巻回され、電機子固定台２４の平面に沿って配列された複数相のコイル７を備えた電機子側ユニット１と、平面部を有する界磁鉄心３、界磁鉄心３の平面に沿って隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石４を備えた界磁側ユニット８とを有する。電機子側ユニット１と界磁側ユニット８とは、コイル７の配列方向と永久磁石４の配列方向が同方向となり、コイル７と永久磁石４とが磁気的空隙５を介して対向するように配置され、電機子側ユニット１または界磁側ユニット８のいずれか一方がコイル７および永久磁石４の配列方向に直線的に移動できるように構成されている。

図９（ｂ）に示したように、トロイダル巻されたコイル７には、最近接した同相のコイルがあり（図９では、同相のコイル７が隣にある）、最近接する同相のコイル７間の中心位置（Ａ−Ａ線）を電気角の中心とし、Ａ−Ａ線から最近接した同相のコイル７の内縁までの距離（最近接した同相コイル間の内縁間距離の１／２）を電気角でθ_１±α、Ａ−Ａ線から最近接した同相のコイル７の外縁までの距離（最近接した同相コイル間の外縁間距離の１／２）を電気角でθ_２としたとき、θ_１およびθ_２が上記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８とすることによって、ジュール熱の小さいスロットレスリニアモータを得ることができる。

図１０は、この実施の形態８の場合におけるコイルに鎖交する磁束量が最大となる時のコイルの位置関係を示す図であり、上記式（１）は上記実施の形態１と同様に導出することができる。

上記実施の形態１と同様に、好ましくはθ_２を上記式（１５）を満たす値としてβ＝０〜π／１８とする。また、さらに好ましくは、ｓｉｎθ_１が正の場合には、最近接した同相のコイル７の内縁間距離の１／２を電気角でθ_１＋α（ただしα＝０〜π／８）とし、ｓｉｎθ_１が負の場合には、最近接した同相のコイル７の外縁間距離の１／２を電気角でθ_１−α（ただしα＝０〜π／８）とする。

図８では、電機子ユニット１の両側に永久磁石４が配置される構成を示したが、電機子ユニット１の片側にのみ永久磁石４が配置される構成としてもよい。

また、強磁性材料からなる電機子固定台２４に代えて弱磁性材料からなる電機子固定台として、コアレスリニアモータとしても上記スロットレスリニアモータと同様の効果が得られる。

実施の形態９．
上記実施の形態１〜８では、電機子側ユニット１および界磁側ユニット８にスキューを施していないが、この実施の形態９では、上記実施の形態１〜８において、電機子側ユニット１と界磁側ユニット８のいずれか一方もしくは両方にスキューを施す構成とする。

この構成によれば、回転電動機の場合はトルクの脈動を小さくすることができ、リニア直動電動機の場合は推力の脈動を小さくすることができる。

実施の形態１０．
上記実施の形態１〜９では、永久磁石４が磁気的空隙５と接しているが、この実施の形態９では、上記実施の形態１〜９において、永久磁石４をモールドやＳＵＳ材などの非磁性材料で覆った構成とする。

この構成によれば、高価な永久磁石４を保護することができる。

実施の形態１１．
上記実施の形態１〜９では、永久磁石４が界磁鉄心３上に露出しているが、この実施の形態１０では、上記実施の形態１〜９において、永久磁石４が界磁鉄心３の内部に埋め込まれている構成とする。

この構成によれば、高価な永久磁石４を保護でき、かつ、弱め界磁制御を行うことによってリラクタンストルクまたはリラクタンス推力を得ることができ、大トルクかまたは大推力化できる。

なお、上記実施の形態１〜３、実施の形態５、９〜１１では、界磁側ユニット８が電機子側ユニット１の内部にある場合を示したが、界磁側ユニット８が電機子側ユニット１の外部にある場合にも本発明は適用できる。

本発明に係る電動機は、工作機械等の動力として有効に利用することができる。

本発明に係る電動機の第１の実施の形態を示す断面図である。 永久磁石に基づいて発生する磁束密度のうち、径方向成分Ｂｒの周方向空間分布をグラフ化したものである。 図１に示されたコアレス回転電機の場合のｆ（θ_１，θ_２）を示す図である。 式（１）の方程式を解いた結果を０＜θ_２＜２πの範囲で示す図である。 本発明に係る電動機の実施の形態４を示す断園図である。 本発明に係る電動機の実施の形態５を示す断面図である。 本発明に係る電動機の実施の形態６を示す断面図である。 本発明に係る電動機の実施の形態７を示す断面図である。 本発明に係る電動機の実施の形態８を示す断面図である。 実施の形態８の場合におけるコイルに鎖交する磁束量が最大となる時のコイルの位置関係を示す図である。

符号の説明

１ 電機子側ユニット、３ 界磁鉄心、４，４ａ，４ｂ 永久磁石、５ 磁気的空隙、
６ シャフト、７ コイル、８ 界磁側ユニット、２０，２４ 電機子固定台、
２１ コイル巻芯、２２ 電機子連結部、２３ 座。

Claims (11)

1. 弱磁性材料または強磁性材料からなる円筒状の電機子固定台、上記電機子固定台の円周方向に配列された弱磁性材料からなるコイル巻芯に巻回され巻回の中心軸が径方向にある環状の集中巻コイル、または空芯で巻回の中心軸が径方向にある環状の集中巻コイルを備えた電機子側ユニットと、円筒または円柱状の界磁鉄心、上記界磁鉄心上の円周方向に隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石を備えた界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットと上記界磁側ユニットとを、磁気的空隙を介して上記集中巻コイルと上記永久磁石とが対向するように同軸に配置し、上記電機子側ユニットまたは界磁側ユニットのいずれか一方が回転できるように構成した電動機において、
   上記界磁側ユニットにおける磁極ピッチを電気角でπとし、上記集中巻コイルの上記配列方向における内周間距離の１／２を電気角でθ_１±α、上記集中巻コイルの上記配列方向における外周間距離の１／２を電気角でθ_２としたとき、上記θ_１およびθ_２が下記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８としたことを特徴とする電動機。
   

   
2. 弱磁性材料または強磁性材料からなる平板状の電機子固定台、上記電機子固定台の平面に沿って配列された弱磁性材料からなるコイル巻芯に巻回され巻回の中心軸と垂直な面が平面状に並ぶように上記電機子固定台の平面に沿って配列された環状の集中巻コイル、または空芯で巻回の中心軸と垂直な面が平面状に並ぶように上記電機子固定台の平面に沿って配列された環状の集中巻コイルを備えた電機子側ユニットと、平板状の界磁鉄心、上記界磁鉄心平板状の界磁鉄心の平面に沿って隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石を備えた界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットと上記界磁側ユニットとを、磁気的空隙を介して上記集中巻コイルと上記永久磁石とが相互の配列方向において対向するように配置し、上記電機子側ユニットまたは界磁側ユニットのいずれか一方が上記集中巻コイルおよび永久磁石の配列方向に直線的に移動できるように構成した電動機において、
   上記界磁側ユニットにおける磁極ピッチを電気角でπとし、上記集中巻コイルの上記配列方向における内周間距離の１／２を電気角でθ_１±α、上記集中巻コイルの上記配列方向における外周間距離の１／２を電気角でθ_２としたとき、上記θ_１およびθ_２が下記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８としたことを特徴とする電動機。
   

   
3. 弱磁性材料からなるコイル巻芯に巻回された環状の集中巻コイルまたは空芯の集中巻コイルを、巻回中心と垂直な上記集中巻コイルの面が平面状に並ぶように配列し固定した電機子側ユニットと、平板状の界磁鉄心、上記平板状の界磁鉄心の平面に沿って隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石を備えた界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットと上記界磁側ユニットとを、磁気的空隙を介して上記集中巻コイルと上記永久磁石とが相互の配列方向において対向するように配置し、上記電機子側ユニットまたは界磁側ユニットのいずれか一方が上記集中巻コイルおよび永久磁石の配列方向に直線的に移動できるように構成した電動機において、
   上記界磁側ユニットにおける磁極ピッチを電気角でπとし、上記集中巻コイルの上記配列方向における内周間距離の１／２を電気角でθ_１±α、上記集中巻コイルの上記配列方向における外周間距離の１／２を電気角でθ_２としたとき、上記θ_１およびθ_２が下記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８としたことを特徴とする電動機。
   

   
4. 上記θ_１の正弦が正の場合は、上記集中巻コイルの上記配列方向における内面間距離の１／２を電気角でθ_１＋αとし、上記θ_１の正弦が負の場合は、上記集中巻コイルの上記配列方向における内面間距離の１／２を電気角でθ_１−αとすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電動機。
5. 上記磁極の数をｎ、上記集中巻コイルの数をｑとしたとき、上記θ_２が下記式（２）を満たす（ただし、βは０より大きく、（π／１８）以下）ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機。
   

   
6. 弱磁性材料または強磁性材料からなる平板状の電機子固定台、上記電機子固定台にトロイダル巻され、上記電機子固定台の平面に沿って配列された複数相のコイルを備えた電機子側ユニットと、平板状の界磁鉄心、上記界磁鉄心平板状の界磁鉄心の平面に沿って隣り合う磁極が互いに異極となるように配列された永久磁石を備えた界磁側ユニットとを有し、上記電機子側ユニットと上記界磁側ユニットとを、磁気的空隙を介して上記トロイダル巻されたコイルと上記永久磁石とが相互の配列方向において対向するように配置し、上記電機子側ユニットまたは界磁側ユニットのいずれか一方が上記トロイダル巻されたコイルおよび永久磁石の配列方向に直線的に移動できるように構成した電動機において、
   上記界磁側ユニットにおける磁極ピッチを電気角でπとし、上記トロイダル巻されたコイルのうちの最近接する同相コイル間における、内縁間距離の１／２を電気角でθ_１±α、外縁間距離の１／２を電気角でθ_２としたとき、上記θ_１およびθ_２が下記式（１）を満たすようにし、かつ、α＝０〜π／８としたことを特徴とする電動機。
   

   
7. 上記θ_１の正弦が正の場合は、上記内縁間距離の１／２をθ_１＋αとし、上記θ_１の正弦が負の場合は、上記外縁間距離の１／２をθ_１−αとすることを特徴とする請求項６記載の電動機。
8. 上記磁極の数をｎ、上記トロイダル巻されたコイルの数をｑとしたとき、上記θ_２が下記式（２）を満たす（ただし、βは０より大きく、（π／１８）以下）ことを特徴とする請求項６または７記載の電動機。
   

   
9. 上記電機子側ユニットおよび界磁側ユニットの少なくともいずれか一方にスキューを施したことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の電動機。
10. 上記永久磁石を、非磁性材料でカバーしたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の電動機。
11. 上記永久磁石を、上記界磁鉄心に埋め込んだたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の電動機。

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