JP4577068B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、モータ、ジェネレータ等の回転電機に関し、特に磁気抵抗に起因して生じるリラクタンストルクによって回転駆動される回転電機に関する。

モータやジェネレータ等の回転電機は、その回転駆動力を得るための磁石及び電磁コイル等からの磁束の通路ともなる、回転子と固定子との間隙をなすエアギャップ（ギャップ）の設定位置によって、主にアキシャルギャップモータとラジアルギャップモータとに区分される。これらのうち、アキシャルギャップモータは、回転子と、該回転子の軸線方向の端面に空隙を挟んで対向配置させた固定子との各表面間で作用する磁力によって回転駆動力を得るものである。また、ラジアルギャップモータは、円筒形状の固定子と、該固定子の有する円形底面の径方向外周縁面に空隙を挟んで対向配置させた回転子との表面間で作用する磁力によって回転駆動力を得るものである。

ところで、磁束を形成するための巻線と、回転子に対する対向面を有した突極とを配設させた１枚のディスク型の固定子を有し、該固定子の軸線方向の両側面に２枚の回転子を配設させたアキシャルギャップモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１記載のアキシャルギャップモータの回転子には、固定子と対向する端面に磁性体部材によって凹凸を形成させたリラクタンス型のものが適用自在である旨が示されている（特許文献１、段落００２２参照）。

また、トロイダル巻式の電機子を固定子とし、その同心状をなす内周側に回転子を備えたリラクタンスモータであって、該回転子のリラクタンスコアに対する固定子側の電機子鉄心コアの対向面を、固定子のコア巻線の高さより高く形成したラジアルギャップ型のリラクタンスモータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。これにより、同様の従来型モータにあっては、コア巻線の高さに対してのみ割り当てられていた軸方向の余剰スペースを、磁気対向面の高さを高くするためのスペースとして用いることができるようになる。これによって、磁気対向面の面積が増え、磁気対向面間に生じる磁力作用の増大を図ることができるようになる。

上述した各例のモータは、突極を有する側と電機子巻線を有する側とが夫々回転子と固定子とで異なってはいるものの、共に電機子巻線によって発生する磁界と、突極によって形成される凹凸部との間に作用する磁力によってリラクタンストルクを発生させて回転駆動されるものである。このようなリラクタンスモータでは、回転子と固定子との間で形成される磁路のうち、凹部を通過する磁路（ｑ軸磁路）の磁気抵抗と凸部（突極）を通過する磁路（ｄ軸磁路）との磁気抵抗の差が大きいほど大きなリラクタンストルクを得ることができる。

特開平１０−８０１１３号公報 特開２０００−３７０６３号公報

ところで、前述の特許文献１に記載されるようなモータでは、回転子の一方の側面でリラクタンスモータとして回転駆動し、他方の側面で永久磁石型同期機として回転駆動するように構成される。このため、上記モータの回転子は、リラクタンスモータ用の回転子と永久磁石同期機用の回転子とを合わせた態様となり、回転子の軸方向の厚みが増すため、軸方向の厚さを少なくすることは難しいものとなっている。

また、特許文献１及び２に記載されるようなリラクタンス型のアキシャルギャップモータ及びラジアルギャップモータにおいて、より大きなリラクタンストルクを得るためには、凹部を通過する磁路の磁気抵抗と、凸部（突極）を通過する磁路の磁気抵抗との差を大きくすることが所望される。しかし、そのためには凸部の突起高さを高くする必要があり、これによって、更にモータが軸線方向或いは径方向に大きくなり、モータそのものが大型化する虞がある。また、上記した方法以外で、大きなリラクタンストルクを得るためには、回転子と固定子との夫々の対向面の間で働く磁力作用を増加させる、つまり各対向面の面積を増大させるか、もしくは巻線数を増加させることが考えられる。しかし、これらの方法にあっては、上記と同様、モータの大型化を招来する虞がある。

そこで本発明は、リラクタンス型の回転電機の体格量の増大を抑えながら、当該回転電機から発生させるトルク及び回転速度をより効率良く得られるように構成し、もって上述した課題を解決した回転電機を提供することを目的とするものである。

請求項１に係る本発明は（例えば図１ないし図１２参照）、枠体をなす鉄心（２３）及び電磁コイル（２４）を有する略環状の固定子（２２）と、磁性体部材（２９）からなる突極と永久磁石（２８）とを有する略環状の回転子（２６）と、が少なくとも該回転子（２６）の回転軸方向（Ｂ）にて空隙（ｓ）を挟んで対向配置されてなり、前記電磁コイル（２４）に入力される複数相の交流信号に応じて前記回転子（２６）が回転制御される回転電機（２１）であって、
前記鉄心（２３）は、前記回転子（２６）の前記回転軸方向（Ｂ）に厚みを有し、かつ略環状の表面に複数本の溝状のスロット（２５）を径方向に沿って形成され、
前記スロット（２５）には、前記交流信号の各相ごとに割り当てられた前記電磁コイル（２４）が、前記回転子（２６）に配置された前記永久磁石（２８）の有する磁極対ごとに巻回され、
前記電磁コイル（２４）は、導体線であると共に、前記鉄心（２３）の前記複数本のスロット（２５）に対してトロイダル巻きされてなり、
前記回転子（２６）は、前記永久磁石（２８）を前記磁性体部材（２９）と交互であってかつ略環状の周方向に等角度間隔となるように複数有すると共に、前記永久磁石（２８）が夫々に有する一対の磁極（２８ａ，２８ｂ）を前記周方向に沿わせて配列され、かつ該周方向における前記一対の磁極（２８ａ，２８ｂ）の向きを互いに逆向きにして配置され、前記回転軸方向（Ｂ）と直交するアキシャル面としての前記磁性体部材（２９）における対向する一対の対向面（３１ａ，３１ａ）と、前記固定子（２２）と径方向にて対向するラジアル面としての、前記磁性体部材（２９）における前記一対の対向面（３１ａ，３１ａ）間に位置して該一対の対向面に連続する１つの対向面（３１ｂ）と、を有してなり、
前記回転子（２６）の前記磁性体部材（２９）における前記３つの対向面（３１ａ，３１ａ，３１ｂ）と前記固定子（２２）の前記鉄心（２３）の外周面とが、前記回転軸方向（Ｂ）及び径方向（ラジアル方向）の双方において前記空隙（ｓ）を含む所定の空隙を介して対向することで磁路（ａ４，ｂ４）を生じさせてなる、
ことを特徴とする回転電機（２１）にある。

請求項２に係る本発明は（例えば図９、図１０、及び図１２参照）、前記固定子（２２）には、前記電磁コイル（２４）が分布巻き状に配置されてなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機（２１）にある。

なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これは、発明の理解を容易にするための便宜的なものであり、特許請求の範囲の構成に何等影響を及ぼすものではない。

請求項１に係る本発明によると、鉄心は、回転軸方向に厚みを有し、かつ複数本の溝状のスロットを径方向に沿って形成され、スロットには、交流信号の各相ごとに割り当てられた電磁コイルが、永久磁石の有する磁極対ごとに巻回され、電磁コイルは、導体線であると共に、鉄心の複数本のスロットに対してトロイダル巻きされてなるので、回転時における電磁コイルに生じる鎖交磁束数は、集中巻によって形成される一般的な他の回転電機に比して増大し、従って、リラクタンストルクの増加を図ることができる。更に、枠体をなす鉄心が、回転子の回転時の軸線方向に厚みを有した環状に形成されており、この鉄心に対して電磁コイルが巻回されるので、固定子と回転子との対向面積が増え、固定子のアキシャル面やそれ以外のラジアル面においてもリラクタンストルクを利用して回転電機を回転させることができる。つまり、回転子が、固定子に対して該回転子の回転軸方向及び径方向の双方において所定の空隙を空けて配置されるので、回転電機では、その軸線方向と直交するアキシャル面としての対向面だけでなく、固定子とその径方向にて対向する外周面（ラジアル面）としての対向面においても磁路が同様に生じることで、より大きなリラクタンストルクを発生させることができる。即ち、回転子の回転軸方向と直交するアキシャル面としての対向面だけでなく、固定子とその径方向にて対向する外周面（ラジアル面）としての対向面においても磁路が同様に生じることにより、更に大きなリラクタンストルクを発生させることができる。従って、より高トルクで高速回転可能な回転電機を実現することができるようになる。また、トロイダル巻きのコアをなす鉄心に対して電磁コイルを巻回させるので、巻線工程の容易化を図ることができ、生産性の向上を図ることができるようになる。更に、回転子は、永久磁石を磁性体部材と交互であってかつ略環状の周方向に等角度間隔となるように複数有すると共に、永久磁石の夫々に有する一対の磁極を周方向に沿わせて配列し、かつ該周方向における一対の磁極の向きを互いに逆向きにして配置してなり、永久磁石の回転子軸線方向の厚さではなく周方向での幅（以下、周方向幅とも言う）によって所望の磁気抵抗を得ることができる。これにより、回転子の軸線方向の厚さを少なくすることができ、小型化を図ることができるようになる。そして、永久磁石が、固定子に対する回転子の対向面上の周方向に向かって磁極が並ぶように配設されることにより、永久磁石同期機としての機能が実現されている。

請求項２に係る本発明によると、固定子には、電磁コイルが分布巻き状に配置されてなるので、回転制御時に電磁コイルに対して生じる鎖交磁束数が、電磁コイルにて一般的な集中巻を施して発生させたものに比して増大し、リラクタンストルクの増加を図ることができる。これにより、高トルクで高速回転可能なアキシャルギャップ回転電機を実現することができるようになる。

以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。まず、本実施の形態の説明に入る前に、その比較例から説明を始めることとする。図１は、本実施の形態との比較例におけるアキシャルギャップモータの斜視図、図２は図１に示したアキシャルギャップモータの棒巻線（導体バー）を用いた固定子の斜視図、図３は図２に示した固定子の平面図、図４は図２に示した固定子を同図Ｂ-Ｂ線に沿って切断して矢視方向に見た状態で示す概略平面断面図、図５は図１に示したアキシャルギャップモータの回転子の斜視図である。

図１に示すように、アキシャルギャップモータ（回転電機）１は、固定子２と、この固定子２と軸線方向Ａに所定の空隙ｓを空けて配置された回転子９とを備えて構成される。上記軸線方向Ａは、上記アキシャルギャップモータ１の不図示の回転軸に一致している。また、２枚の上記回転子９は、固定子２に相対する側に夫々対向面４を有している。

そして、図１ないし図４に示すように、固定子２は、そのコアをなす固定子鉄心３と、電磁コイルの巻線の機能をなす導体バー５とから構成されている。この固定子鉄心３は、略矩形形状をなした単体の鉄心が夫々所定の間隙（溝状のスロット６）を空けて円形に、かつ上記軸線方向Ａに一致する回転軸（図示せず）から放射状となるように配列されている。また、導体バー５は、導電性を有する銅材料等からなり、真直ぐな棒状導体の長手方向に並ぶ２地点から、一側の先端及び他側の先端を互いに逆向きに屈曲させたジグザグ形状をなし、上記２地点間の長手部分がコイル辺として各固定子鉄心３間の各スロット６へと嵌合される。

導体バー５はスロット６の深さ方向の同じ高さの段（図４参照）で、全て屈曲した向きが同じ方向となるように全周分の各スロット６に嵌め込まれ、その下の段には屈曲の方向が上の段と逆方向となるような向きで導体バー５が全周分の各スロット６に嵌合されている。この固定子鉄心３の間隙に嵌合された上下２段の導体バー５は、固定子２の外周縁部及び内周縁部をなす近傍において、夫々６つ先のスロット６の異なる段に嵌合された導体バー５の先端同士（例えば、図４に示す導体バー５ａと導体バー５ｂと）を溶接することで接合され、コイルエンド７ａ，７ｂ（図３参照）を形成している。

なお、アキシャルギャップモータ１に関し、互いに導通すべき先端同士を溶接して接合した複数本の導体バー５を接続したものを「電磁コイル」と称する。

上記したように接合された各導体バー５は、夫々周方向に閉ループをなす６つのコイルとして固定子鉄心３の各間隙に配設され、更に隣り合う２本の閉ループ同士でＵ，Ｖ，Ｗ相の夫々同相の対とされる。これら６つのコイルには、図８を参照して後述するＵ，Ｖ，Ｗ相の各相の交流信号が入力され、これによりアキシャルギャップモータ１の駆動力となる回転磁界が発生する。このように、固定子２は、全体として環状の略円盤形状をなし、図１に示した回転軸の軸線方向Ａでの厚みが薄くなるように構成される。なお、上記した導体バー５は、固定子鉄心３に嵌合された際に、導体バー５同士で互いに接触しないように、夫々絶縁物によって被膜しておくなどの処置を施しておいてもよい。

次に、図５では、固定子２に対してその軸線方向Ａに所定の空隙ｓをあけて対向配置される回転子９が示されている。この回転子９には、永久磁石１０が、その一対の磁極１０ａ，１０ｂを夫々に回転子９の環状円盤の周方向に向け、つまり着磁面を回転子９の放射方向に沿わせ、かつ隣り合う永久磁石１０が夫々に有するＮ極とＳ極が円周方向に互いに逆向きとなるように配設されている。

そして、円周方向に等角度間隔で配設された４つの永久磁石１０の間には、磁性体部材が用いられた回転子鉄心１１が環状円盤の各永久磁石１０の間を埋めるように互いに分離して配置され、回転子鉄心１１と永久磁石１０とが交互に隣り合うように配置されている。本例では、この回転子鉄心１１と永久磁石１０とは、これらによって形成される内周側円弧面及び外周側円弧面が夫々同じ曲率を有し、回転子９の中心から放射方向に内外周円弧面を結ぶように形成される平面を側面とした、軸線方向Ａに厚みを有する扇形の部材として夫々形成されている。

次いで、上述した固定子２及び回転子９を備えるアキシャルギャップモータ１を制御するためのモータ制御装置１２を、図８を参照して説明する。図８は、モータ制御装置の構成を示すブロック図である。

モータ制御装置１２は、スイッチング素子群からなる３相回路（図示せず）を有するインバータ１３を備え、アキシャルギャップモータ１のＵ，Ｖ，Ｗ相に対応する電圧指令値に基づいて生成されるパルス幅変調信号をインバータ１３に入力することでアキシャルギャップモータ１の制御を行なうように構成されている。すなわち、モータ制御装置１２は、パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成してインバータ１３に入力する（送り込む）ことでアキシャルギャップモータ１の制御を行なうものであり、電圧指令値検知手段１５と、パルス信号演算手段１６と、ＰＷＭ信号生成手段１７とを備えている。

電圧指令値検知手段１５は、与えられたトルク指令値から得られる電流指令値と実電流値とを比較し、これら電流指令値と実電流値とが一致するように演算した結果としての電圧指令値を検知する。電圧指令値は、アキシャルギャップモータ１の回転制御の基本とすべき値であり、アキシャルギャップモータ１のＵ相、Ｖ相、及びＷ相からなる３相分の正弦波として生成される。

パルス信号演算手段１６は、予め設定されている変調方式に基づき、所要のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を演算し、このＰＷＭ信号に関してのパルス幅及びタイミング等に基づく制御指令を、ＰＷＭ信号生成手段１７に送信する。このパルス信号演算手段１６による演算は、例えば、本アキシャルギャップモータ１が車輌に搭載されると想定した場合には、アクセルの踏み込み操作等に対応したタイミングで行なわれることになる。

ＰＷＭ信号生成手段１７は、パルス信号演算手段１６からの制御指令に基づき、所定の変調方式に応じたＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号は、インバータ１３内部に実装された３対の半導体スイッチング素子（不図示）のうちの、所要の半導体スイッチング素子に夫々入力されることによって３相交流信号が生成される。比較例におけるアキシャルギャップモータ１及び後述する本実施の形態に係るモータ２１は、この３相交流信号が入力されることによって回転制御が行われる。

ここで、図６を用いて、上記アキシャルギャップモータ１の基礎となるアキシャルギャップモータの例を、また図７を用いて上記アキシャルギャップモータ１を、回転子及び固定子の周方向に電気角で１サイクル分の範囲だけ切断した形で示す概略断面図を用いて、それらの構成及び作用について説明する。

なお、図６は、アキシャルギャップモータ１の基礎となるアキシャルギャップモータの原理的構造の一例を示す周方向展開断面図、図７はアキシャルギャップモータ１の原理的構造を示す周方向展開断面図である。以下、図６及び図７の説明において、先に説明した図１ないし図５と同一の符号は同一又は相当部分を示すものであり、その説明を省略する。

図６に示すアキシャルギャップモータ１９は、固定子２０が、毎極毎相のコイルを１つのスロットに収めた、いわゆる集中巻を施したものであり、図５で示した回転子９の対向面４を、この固定子２０に対して、軸線方向（図６の上下方向）に所定の空隙ｓを介在した形で対向配置させたアキシャルギャップ型のものである。図６に示す固定子２０には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のコイルＵ２０，Ｖ２０，Ｗ２０が巻回されており、断面ＵＰ２０側から断面ＵＭ２０側へ、断面ＶＰ２０側から断面ＶＭ２０側へ、及び断面ＷＰ２０側から断面ＷＭ２０側へ、と夫々通電される信号の向きが示されている。また、対向配置された回転子９，９は夫々、各磁極Ｎ，Ｓが円周方向にて互いに逆向きとなるように配置された永久磁石１０を２つずつ有している。更に、２枚の回転子９の図６上下方向にて対向する位置にある永久磁石１０は、双方における各磁極（Ｓ，Ｎ）の向きが相互に逆向きになるように設置されている。

上述したアキシャルギャップモータ１９は、その駆動時、コイルＵ２０，Ｖ２０，Ｗ２０の各コイルが、図８に示したインバータ１３からの交流信号に応じて励磁されると、回転子９，９と固定子２との間に、図６に示すような磁束が夫々生じる。この各磁束の経路は、図６に示すように、永久磁石１０を通過するｄ軸磁路となる磁路（図６の破線）ａ１と、磁性体の回転子鉄心１１を通過する磁路、すなわち永久磁石１０を通過しないｑ軸磁路となる磁路（図６の一点鎖線）ｂ１との２つが生じる。ここで、磁束は、鉄等からなる回転子鉄心１１を通過し易い性質と、永久磁石１０を通過しにくい性質とを有している。このように、永久磁石１０は磁気抵抗（つまり、磁束の通りにくさ）が大きいので、磁路ａ１と磁路ｂ１との間には磁気抵抗の差が生じ、この磁気抵抗が永久磁石１０の厚さ（例えば、図６に示す磁極面１０ｃと磁極面１０ｄとの距離）分だけ生じることとなる。

一般的に、リラクタンストルクにより回転駆動されるアキシャルギャップ型のモータでは、回転子軸線方向の固定子側表面に設ける凹凸（すなわち、突極）の高さによって、ｄ軸磁路とｑ軸磁路との間に磁気抵抗の差を生じさせている。しかし、図６に示したアキシャルギャップモータ１９では、永久磁石１０を通過する磁路ａ１と通過しない磁路ｂ１とを生じさせることによってｄ軸とｑ軸との間の磁気抵抗に差を生じさせている。従って、このアキシャルギャップモータ１９では、磁気抵抗の差を生じさせる従来の突極が不要となる。これにより、図６に示したアキシャルギャップモータ１９では、従来のような突極が形成されない分、一般的なアキシャルギャップモータに比して回転子９の軸線方向での厚みの増大を抑えることができると共に、一般的なアキシャルギャップモータと同等のリラクタンストルクを生じさせることができる。

次いで、図７に示すように、比較例におけるアキシャルギャップモータ１は、図２ないし図４に示した導体バー５によって構成された固定子２に対し、図５で示した回転子９が、その対向面４を軸線方向（図７の上下方向）に所定の空隙ｓを付与して対向するように配置させたアキシャルギャップ型に構成されている。この固定子２は、毎極毎相の巻線をなす導体バー５が複数のスロットに収められた、いわゆる分布巻を施したものである。

そして、図７に示す固定子２には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相ごとに割り当てられた導体バーＵ２，Ｖ２，Ｗ２が夫々一対ずつ巻回されており、断面ＵＰ２，ＵＰ２側から断面ＵＭ２，ＵＭ２側へ、断面ＶＰ２，ＶＰ２側から断面ＶＭ２，ＶＭ２側へ、及び、断面ＷＰ２，ＷＰ２側から断面ＷＭ２，２側へ、と通電される夫々の電流の向きが示されている。また、回転子９，９には、夫々磁極Ｎ，Ｓが円周方向にて互いに逆向きとなるような永久磁石１０が夫々に２つずつ配設され、更に、２枚の回転子９の図７上下方向で対向する位置にある永久磁石１０の各磁極の向きが逆向きになるように設置されている。

このアキシャルギャップモータ１の駆動時には、図７に示すように、永久磁石１０を通過するｄ軸磁路となる磁路（図７の破線）ａ２と、永久磁石１０を通過しないｑ軸磁路となる磁路（図７の一点鎖線）ｂ２とが発生する。そして、図６に示した磁路ａ１と同様、磁路ａ２は磁束の通りにくい永久磁石１０を通過するため、磁路ａ２と磁路ｂ２との間には磁気抵抗の差が生じ、この磁気抵抗は永久磁石１０の厚さ（例えば、図７に示す磁極面１０ｃと磁極面１０ｄとの距離）分に比例して生じることとなる。

図７に示したアキシャルギャップモータ１では、永久磁石１０を通過する磁路ａ２と通過しない磁路ｂ２とによってｄ軸磁路とｑ軸磁路との間の磁気抵抗に差が生じるため、磁気抵抗の差を生じさせる従来の鉄心を用いた突極が不要である。従って、図７に示したアキシャルギャップモータ１では、突極が形成されない分、一般的なアキシャルギャップモータに比して、対向面４を２面備えつつも回転子軸線方向での厚みの増大を抑えつつ、一般的なアキシャルギャップモータと同等のリラクタンストルクを生じさせることができることとなる。

すなわち、図６で示したアキシャルギャップモータ１９のコイルＵ２０，Ｖ２０，Ｗ２０は、集中巻によって各コイル辺の間隔（電気角）が１２０°となるように巻回されていた。これに対して、図７に示したアキシャルギャップモータ１では、導体バーＵ２，Ｖ２，Ｗ２が分布巻に巻回されることにより、その電気角が１８０°と広がっている。このように電気角が広がると、各コイルが巻回される際のコイル辺の間隔が、図６の場合に比して図７の場合の方が広くなり、これによって、図７に示した各導体バーに鎖交する磁束が増加することとなる。更に、この各導体バーへの鎖交磁束の増加は、すなわちインダクタンスが増加することと同義であり、このインダクタンスが増加することによってリラクタンストルクが増大する。

ところで、リラクタンストルクによって駆動されるモータにおいて、リラクタンストルクの増大や回転速度の高速化を図るためには、一般的に、より大きな電流をコイルに通電したり、コイルの巻数を増やしたりすることでインダクタンスの増加を図ればよいとされる。しかし、電流やコイルの巻数を増加させた場合には、或る一定量を超えた段階で鉄心が磁気飽和した状態となり、磁束が増加せずにリラクタンストルクの増大が抑制されてしまう。

このことから理解できるように、図７に示したアキシャルギャップモータ１によると、上述したような従来のモータ、及び図６に示したアキシャルギャップモータ１９の克服すべき点を大幅に改善して、モータ自体の体格量を増やさずにリラクタンストルクの増大を図ることができる。このことから、図６及び図７にて示したように、円盤形状のアキシャルギャップモータ１は、軸線方向での厚みの増大を抑制できる効果のみならず、導体バー５を用いて固定子２を形成することで固定子２の外周縁部及び内周縁部近傍のコイルエンド７ａ，７ｂ部分の径方向での増大を抑制できる効果をも奏する点が理解できる。

なお、以上説明した各例において、上述した図１、図６、及び図７に示した回転子９は、固定子２を軸線方向Ａに沿って挟み込むように配置された２枚の環状円盤として説明したが、２枚が円滑に連続し合った１つの管状或いは溝状をなす形状であってもよく、その形状は特に限定されるものではない。

以上説明したように、固定子２に対して回転子９が空隙ｓを配して対向配置されたアキシャルギャップモータ１では、固定子２に、交流信号の各相ごとに割り当てられた導電性を有しかつ互いに導通すべき先端同士を接合した複数本の導体バー５が回転子９に配置された永久磁石１０の有する各磁極対ごとに複数配置されるので、回転時における導体バー５に生じる鎖交磁束数が、集中巻によって形成される一般的な他の回転電機に比して増大し、更に鎖交磁束が固定子２から回転子９に向かう回転軸方向に効率的に形成されるようになるので、リラクタンストルクの増加を図ることができる。これにより、高トルクで高速回転可能なアキシャルギャップ回転電機を実現することができる。

また、アキシャルギャップモータ１が、電磁コイルとして導電性を有した導体バー５を用いるので、回転子９の軸線方向Ａの厚みが増加することを抑えることができ、更に、電磁コイルを巻回した際に生じるコイル端（コイルエンド）の肥大化を抑制することができるため、回転子９における径方向の幅の増加をも抑制することができる。また、このことにより、通常の電磁コイルを鉄心に巻回する際の巻線工程を簡略化させることができるため、生産性の向上を図ることができるようになる。

また、アキシャルギャップモータ１における交流信号の各相ごとに割り当てられた導体バー５が、回転子９に配置された永久磁石１０の有する磁極対ごとに複数配置されてなるので、回転時に導体バー５に対して生じる鎖交磁束数が、一般の電磁コイルにて集中巻を施して発生させたものに比して増大し、リラクタンストルクの増加を図ることができる。これにより、高トルクで高速回転可能なアキシャルギャップ回転電機を実現することができる。

また、アキシャルギャップモータ１に巻回される導体バー５は、固定子２に対し複数の固定子鉄心３が配列された際の間隙を径方向に横切るように嵌合され、固定子２の周方向に沿うように閉路を形成してなるので、回転制御時に鎖交する磁束が、固定子２から回転子９に向かう軸線方向に効率的に形成されるようになる。更に、この導体バー５に対して生じる鎖交磁束数が、一般の電磁コイルにて集中巻を施して発生させたものに比して増大し、リラクタンストルクの増加を図ることができる。これにより、高トルクで高速回転可能なアキシャルギャップ回転電機を実現することができるようになる。

また、アキシャルギャップモータ１を構成する固定子２には、導体バー５が分布巻きされてなるので、回転制御時に導体バー５に対して生じる鎖交磁束数が、一般の電磁コイルにて集中巻を施して発生させたものに比して増大し、リラクタンストルクの増加を図ることができるようになる。これにより、高トルクで高速回転可能なアキシャルギャップモータの実現を図ることができる。

また、回転子９は、空隙ｓを挟んで対向配置された固定子２に相対する面を複数有するので、例えば、回転子を固定子に相対して複数構成させたり、或いは、回転子に固定子の有する回転軸方向のアキシャル面や径方向のラジアル面等に相対する複数の面を備えさせたりすることで、リラクタンストルクの増加を図ることができるようになる。これにより、高トルクで高速回転可能なアキシャルギャップ回転電機を実現することができる。

また、アキシャルギャップモータ１を構成する回転子９は、永久磁石１０と回転子鉄心１１とが周方向に交互かつ等角度間隔となるように配置された円盤形状をなし、永久磁石１０は回転子９の軸線方向に貫通して回転子９の表裏に露出されてなるので、回転子９のバックヨークを不要とし、回転子９の軸線方向の厚みが縮小されることによってアキシャルギャップモータ１の小型化を図ることができると共に、漏れ磁束の遮断による効率化も可能とすることができる。

また、アキシャルギャップモータ１を構成する回転子９に配設された永久磁石１１は、Ｎ極とＳ極の磁極をなす磁極面１０ｃと磁極面１０ｄとが平行となる棒状をなすので、永久磁石１０の加工を容易化することができる。また、永久磁石１１は、正負の磁極をなす磁極面１０ｃと磁極面１０ｄとの間の距離が回転子９の径方向外方に向かって広がるような扇形をなすので、回転子９が回転制御される際の、回転子９内部に加わる応力を均等に分散させることができるようになる。

以下、本発明に係る実施の形態であるモータ２１について、図９ないし図１２に沿って説明する。図９は本実施の形態におけるモータの概略斜視図、図１０は図９に示したモータのトロイダル巻を施した固定子の概略斜視図である。なお、本実施の形態におけるモータ２１は、固定子のアキシャル方向にギャップを有して回転子が回転駆動するアキシャルギャップモータとしての特性を備えるが、これに加えて、固定子のラジアル方向にもギャップを有して回転子が回転駆動するラジアルギャップモータとしての特性をも兼ね備えるため、ここでは、特にアキシャルギャップモータとは称さずに説明することとする。

図９に示すように、モータ（回転電機）２１は、固定子２２と、この固定子２２に対して所定の空隙ｓを空けて配置された回転子２６とを備えて構成される。そして、図９及び図１０に示す固定子２２は、そのコアをなす固定子鉄心（鉄心）２３と、銅等の導電性良好な導体線からなる電磁コイルが複数巻回されてなる巻線２４と、から構成されている。この固定子鉄心２３は、環状で軸方向に厚みを有する円盤形状（いわゆるトロイダル型のコア）を呈しており、モータ２１の軸線方向Ｂと垂直となるアキシャル面としての対向面３１ａ、及び径方向の外周面（ラジアル面）としての対向面３１ｂには、夫々上記円盤形状の中心から放射状に４８本の溝状のスロット２５が等間隔（等角度間隔）で形成されている。

スロット２５には、夫々上記巻線２４が巻回されており、隣り合う２つの巻線２４同士はＵ，Ｖ，Ｗ相の同相同士の対となっている。巻線２４は、固定子鉄心２３の対応する各スロット２５に回旋され、図８にて示したＵ，Ｖ，Ｗ相の各相の交流信号が入力されることでモータ２１の駆動力となる回転磁界を発生する。このように、固定子２２は、巻線２４がトロイダル型のコアに分布巻されることにより、軸線方向での厚み及び径方向での厚みが夫々のスロット２５で平均化されるように構成されている。なお、上記巻線２４は、固定子鉄心２３に巻回された際に、異なるスロット２５間に巻回された巻線２４同士で互いに接触しないように、夫々絶縁物によって被膜しておくなどの処置が施されている。

次いで、図９に、固定子２２に対して所定の空隙ｓをあけて対向配置される回転子２６を示す。この回転子２６には、永久磁石２８が、その一対の磁極２８ａ，２８ｂを回転子２６の周方向に向け、つまり着磁面を回転子の放射方向に沿わせ、かつ隣り合う永久磁石２８が夫々に有するＮ極とＳ極が円周方向にて互いに逆向きとなるように配設されている。そして、配設された永久磁石２８の相互間には、磁性体部材からなる回転子鉄心（磁性体部材）２９が、各永久磁石２８の間を埋めるように互いに分離して配置されている。このように、回転子鉄心２９と永久磁石２８とは、交互に隣り合うように配置されている。

次に、図１１を用いて、モータ２１の基礎となるモータの例を、また図１２を用いて上記モータ２１を、回転子及び固定子の周方向に電気角で１サイクル分の範囲だけ切断した形で示す概略断面図を用いて、それらの構成及び作用について説明する。

なお、図１１は、モータ２１の基礎となるモータの原理的構造の一例を示す周方向展開断面図、図１２はモータ２１の原理的構造の例を示す周方向展開断面図である。以下、図１１及び図１２の説明において、先に説明した図１ないし図１０と同一の符号は同一又は相当部分を示すものであり、その説明を省略する。

図１１に示すモータ３０は、固定子２７が毎極毎相のコイルが１つのスロットに収められた、いわゆる集中巻を２段に重ねて施したものであり、この固定子２７に対して回転子２６が所定の空隙ｓを配して対向配置されている。この固定子２７の固定子側面２７ａ側には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のコイルＵ２７ａ，Ｖ２７ａ，Ｗ２７ａが夫々巻回されており、断面ＵＰ２７ａ側から断面ＵＭ２７ａ側へ、断面ＶＰ２７ａ側から断面ＶＭ２７ａ側へ、及び断面ＷＰ２７ａ側から断面ＷＭ２７ａ側へ、と夫々通電される信号の向きが示されている。

また、固定子側面２７ｂ側には、コイルＵ２７ｂ，Ｖ２７ｂ，Ｗ２７ｂが夫々巻回されており、断面ＵＰ２７ｂ側から断面ＵＭ２７ｂ側へ、断面ＶＰ２７ｂ側から断面ＶＭ２７ｂ側へ、及び断面ＷＰ２７ｂ側から断面ＷＭ２７ｂ側へ、と夫々通電される信号の向きが示されている。そして、回転子２６には、各磁極Ｎ，Ｓが円周方向に互いに逆向きとなるような永久磁石２８が配設されている。なお、モータ３０は、図６及び図７に示したアキシャルギャップモータ１，１９と同様、図８に示したモータ制御装置１２からの交流信号を受けて回転駆動される。

上述したモータ３０の駆動時には、例えば、固定子側面２７ａ側に巻回されたコイルＵ２７ａ，Ｖ２７ａ，Ｗ２７ａの各コイルが、図８に示したインバータ１３からの交流信号に応じて励磁され、これにより、回転子２６と固定子２７との間に、図１１に示すような磁束が夫々に生じる。図１１には、永久磁石２８を通過するｄ軸磁路となる磁路（図１１の破線）ａ３と、磁性体の回転子鉄心２９を通過する磁路、すなわち永久磁石２８を通過しないｑ軸磁路となる磁路（図１１の一点鎖線）ｂ３とが生じることが示されている。ここで、上記永久磁石２８は磁気抵抗が大きいことから、上記磁路ａ３と磁路ｂ３との間には磁気抵抗の差が生じる。この磁気抵抗は、永久磁石２８の厚さ（例えば、図１１に示す磁極面（面）２８ｃと磁極面（面）２８ｄとの距離）分に比例して生じることとなる。なお、上記したｄ軸磁路とｑ軸磁路との磁気抵抗の差は、固定子２７の外周面に当たるラジアル面（不図示）にあっても同様に生じている。

上述したようなリラクタンストルクにより回転駆動されるモータは、一般に、回転子又は固定子に設ける鉄心の凹凸（すなわち、突極）の高さによって、ｄ軸磁路とｑ軸磁路との間に磁気抵抗の差を生じさせる。これに対し、図１１に示したモータ３０では、永久磁石２８を通過する磁路ａ３と、永久磁石２８を通過しない磁路ｂ３とを生じさせることによってｄ軸磁路とｑ軸磁路との間の磁気抵抗に差を生じさせている。従って、図１１に示したモータ３０では、従来のような突極が形成されない分、一般的なモータに比して回転子２６の厚みが増大することを抑えつつ、一般的なモータと同等のリラクタンストルクを生じさせることができる。

次いで、図１２は、本実施の形態におけるモータ（回転電機）２１を示す周方向展開断面図であり、同図において、固定子２２と回転子２６とが所定の間隙を介在して対向配置されている。この固定子２は、毎極毎相の巻線が複数のスロットに収められた、いわゆる分布巻を施したものである。

固定子２２には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相ごとに割り当てられたコイルＵ２２，Ｖ２２，Ｗ２２が、図１２に示すように巻回されており、断面ＵＰ２２ａ側から断面ＵＭ２２ａ側へ、断面ＶＰ２２ａ側から断面ＶＭ２２ａ側へ、及び断面ＷＰ２２ａ側から断面ＷＭ２２ａ側へ、と夫々通電される信号の向きが示されている。そして、回転子２６には、各磁極Ｎ，Ｓが円周方向にて互いに逆向きとなるようにして永久磁石２８が配設されている。なお、モータ２１は、図６，７及び図１１に示したアキシャルギャップモータ１，１９及びモータ３０と同様、図８に示したモータ制御装置１２からの交流信号を受けて回転駆動される。

このモータ２１の駆動時には、図１２に示すように、ｄ軸磁路となる磁路（図１２の破線）ａ４と、ｑ軸磁路となる磁路（図１２の一点鎖線）ｂ４とが生じる。そして、図１１に示した磁路ａ３と同様、磁路ａ４は磁束の通りにくい永久磁石２８を通過するため、磁路ａ４と磁路ｂ４との間には夫々磁気抵抗の差が生じる。この磁気抵抗は、永久磁石２８の厚さ（例えば、図１２に示す磁極面２８ｃと磁極面２８ｄとの距離）分に比例して生じることとなる。

このモータ２１では、磁路ａ４と磁路ｂ４とによってｄ軸磁路とｑ軸磁路との間の磁気抵抗に差が生じるため、従来のような鉄心を用いた突極が不要である。従って、図１２に示したモータ２１では、突極が形成されない分、一般的なモータに比して回転子の厚みの増大を抑えながら、一般的なモータと同等のリラクタンストルクを生じさせることができることとなる。また、モータ２１では、モータ２１の軸線方向Ｂと直交するアキシャル面としての対向面３１ａだけでなく、固定子とその径方向にて対向する外周面（ラジアル面）としての対向面３１ｂにおいても磁路ａ４，ｂ４が同様に生じることにより、アキシャルギャップモータよりも更に大きなリラクタンストルクを発生させることができる。

一方、図１１で示したモータ３０のコイルＵ２７ａ，Ｕ２７ｂ，Ｖ２７ａ，Ｖ２７ｂ，Ｗ２７ａ，Ｗ２７ｂは、集中巻によって各コイル辺の間隔（電気角）が１２０°となるように巻回されている。これに対して、図１２に示した本実施の形態に示すモータ２１のコイルＵ２２，Ｖ２２，Ｗ２２は、分布巻として巻回されることにより、その電気角が１８０°と広がっている。従って、図１２に示した各コイルに鎖交する磁束が増加することとなり、そのインダクタンスが増加することによって、リラクタンストルクの増大を図ることができるようになる。

以上説明したように、固定子２２に対して回転子２６が空隙ｓを配して対向配置されたモータ２１では、固定子２２に、交流信号の各相ごとに割り当てられた巻線２４が回転子２６に配置された永久磁石２８の有する磁極対ごとに複数配置され、該巻線２４は、導体線であると共に、固定子鉄心２３の複数本のスロット２５に対してトロイダル巻きされてなるので、回転時における巻線２４に生じる鎖交磁束数は、集中巻によって形成される一般的な他の回転電機に比して増大するので、リラクタンストルクの増加を図ることができる。また、固定子２２と回転子２６との対向面積が増え、固定子２２のアキシャル面やそれ以外の面（例えばラジアル面）においてもリラクタンストルクを利用してモータ２１を回転させることができる。従って、より高トルクで高速回転可能な回転電機を実現することができるようになる。また、トロイダル型のコアである固定子鉄心２３に電磁コイルを巻回させてなるので、巻線工程の容易化を図ることができ、生産性の向上を図ることができるようになる。更に、回転子２６の軸線方向Ｂの厚さではなく周方向に向かう厚さによって永久磁石２８による所望の磁気抵抗を得ることができ、回転子２６の軸線方向の厚さを減少させることができるようになる。そして、永久磁石２８が、固定子２２に対する回転子２８の対向面上の周方向に向かって磁極が並ぶように配設されることにより、永久磁石同期機としての機能が実現されている。

また、モータ２１における交流信号の各相ごとに割り当てられた巻線２４が、回転子２６に配置された永久磁石２８の有する磁極対ごとに複数配置されてなるので、回転制御時に巻線２４に対して生じる鎖交磁束数が、一般の電磁コイルを集中巻して発生させたものに比して増大し、リラクタンストルクの増加を図ることができる。これにより、高トルクで高速回転可能なリラクタンスモータを実現することができる。

また、モータ２１を構成する固定子２２には、巻線２４が分布巻きされてなるので、回転制御時に巻線２４に対して生じる鎖交磁束数が、一般の電磁コイルにて集中巻を施して発生させたものに比して増大し、リラクタンストルクの増加を図ることができるようになる。これにより、高トルクで高速回転可能なリラクタンスモータの実現を図ることができる。

また、回転子２６は、空隙ｓを挟んで対向配置された固定子２２に相対する面を複数有するので、例えば、回転子を固定子に相対して複数構成させたり、或いは、回転子に固定子の有する回転軸方向のアキシャル面や径方向のラジアル面等に相対する複数の面を備えさせたり、することができることによってリラクタンストルクの増加を図ることができるようになる。これにより、高トルクで高速回転可能なアキシャルギャップ回転電機を実現することができる。

また、モータ２１を構成する回転子２６は、永久磁石２８と回転子鉄心２９とが周方向に交互かつ等角度間隔となるように配置された円盤形状をなし、永久磁石２８は軸線方向及び径方向において回転子２６を貫通してなるので、回転子２６のバックヨークを不要とし、回転子２６の軸線方向及び径方向での厚みが縮小されることによってモータ２１の小型化を図ることができると共に、漏れ磁束の遮断による効率化も可能とすることができる。

また、モータ２１を構成する回転子２６に配設された永久磁石２８は、Ｎ極とＳ極の磁極をなす磁極面２８ｃと磁極面２８ｄとが平行となる棒状をなすので、永久磁石２８の加工を容易化することができる。また、永久磁石２８は、正負の磁極をなす磁極面２８ｃと磁極面２８ｄとの間の距離が回転子２６の径方向外方に向かって広がるような扇形をなすので、回転子２６が回転制御される際の、回転子２６内部に加わる応力を均等に分散させることができるようになる。

なお、以上説明した各例において、アキシャルギャップモータ１における導体バーＵ２，Ｖ２，Ｗ２の分布巻時の電気角、及びモータ２１におけるコイルＵ２２，Ｖ２２，Ｗ２２の分布巻時の電気角は、夫々１８０°にするとして説明を行ったが、従来の集中巻を施した際の電気角である１２０°より大きく、かつ１８０°以下の電気角の範囲となる巻き方であれば、上記に限らず何れの巻き方を用いてもよい。

また、上述した各例においては、アキシャルギャップ型のモータ、及びアキシャルギャップ型とラジアルギャップ型とを組み合わせたモータについて夫々例を挙げて説明したが、アキシャルギャップ面とラジアルギャップ面とが明確に区別されないような、両者が互いに円滑に連続し合うような管状の輪環面を回転子として有したモータであってもよい。また、アキシャルギャップの対向面が両側に存在する際に、ラジアルギャップ面を回転子の外周側のみに形成させた場合だけでなく、内周側のみに形成させた形状であってもよい。また、ラジアルギャップの対向面が両側に存在する際に、アキシャルギャップ面を回転子の一方の側のみに形成させた形状であってもよい。また、管状の輪環面の断面は矩形に限定されず、円や他の図形形状で形成されていてもよく、形状によって限定されるものではない。

比較例におけるアキシャルギャップモータの斜視図である。 図１に示したアキシャルギャップモータの棒巻線（導体バー）を用いた固定子の斜視図である。 図２に示した固定子の平面図である。 図２に示した固定子を同図Ｂ-Ｂ線に沿って切断して矢視方向に見た状態で示す概略平面断面図である。 図１に示したアキシャルギャップモータの回転子の斜視図である。 アキシャルギャップモータの基礎となるアキシャルギャップモータの原理的構造の一例を示す周方向展開断面図である。 アキシャルギャップモータの原理的構造を示す周方向展開断面図である。 モータ制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明に係る実施の形態におけるモータの概略斜視図である。 図９に示したモータのトロイダル巻を施した固定子の概略斜視図である。 モータの基礎となるモータの原理的構造の一例を示す周方向展開断面図である。 モータの原理的構造の例を示す周方向展開断面図である。

符号の説明

２１ 回転電機（モータ）
２２ 固定子
２３ 鉄心（固定子鉄心）
２４ 電磁コイル（巻線）
２５ スロット
２６ 回転子
２８ 永久磁石
２９ 磁性体部材（回転子鉄心）
２８ａ，２８ｂ 磁極
２８ｃ，２８ｄ 面（磁極面）
３１ａ，３１ｂ 固定子に相対する面（対向面）
Ｂ 回転軸（軸線）
ｓ 空隙

Claims (2)

1. 枠体をなす鉄心及び電磁コイルを有する略環状の固定子と、磁性体部材からなる突極と永久磁石とを有する略環状の回転子と、が少なくとも該回転子の回転軸方向にて空隙を挟んで対向配置されてなり、前記電磁コイルに入力される複数相の交流信号に応じて前記回転子が回転制御される回転電機であって、
   前記鉄心は、前記回転子の前記回転軸方向に厚みを有し、かつ略環状の表面に複数本の溝状のスロットを径方向に沿って形成され、
   前記スロットには、前記交流信号の各相ごとに割り当てられた前記電磁コイルが、前記回転子に配置された前記永久磁石の有する磁極対ごとに巻回され、
   前記電磁コイルは、導体線であると共に、前記鉄心の前記複数本のスロットに対してトロイダル巻きされてなり、
   前記回転子は、前記永久磁石を前記磁性体部材と交互であってかつ略環状の周方向に等角度間隔となるように複数有すると共に、前記永久磁石が夫々に有する一対の磁極を前記周方向に沿わせて配列され、かつ該周方向における前記一対の磁極の向きを互いに逆向きにして配置され、前記回転軸方向と直交するアキシャル面としての前記磁性体部材における対向する一対の対向面と、前記固定子と径方向にて対向するラジアル面としての、前記磁性体部材における前記一対の対向面間に位置して該一対の対向面に連続する１つの対向面と、を有してなり、
   前記回転子の前記磁性体部材における前記３つの対向面と前記固定子の前記鉄心の外周面とが、前記回転軸方向及び径方向の双方において前記空隙を含む所定の空隙を介して対向することで磁路を生じさせてなる、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記固定子には、前記電磁コイルが分布巻き状に配置されてなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。

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