JP4929962B2 - スロットレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの関節等を駆動するスロットレスモータに関する。

従来のスロットレスモータは図８および図９（例えば、特許文献１および２参照）のような構成をしている。
図８は従来のスロットレスモータの正断面図、図９は側断面図である。
図８、図９において、１１は固定子鉄心であり、１１ａは固定子鉄心端面であり、１２は電機子巻線である。電機子巻線１２は固定子鉄心１１の内周面に固着され、固定子鉄心１１と電機子巻線１２により固定子１０を形成している。２１は回転子鉄心であり、２２は永久磁石である。３０は空隙であり、４０は回転軸である。
永久磁石２２は回転子鉄心２１の外周面に固着され、回転子鉄心２１と永久磁石２２と回転軸４０により回転子２０を形成している。回転子２０は固定子１０の内部に空隙３０を介して対向するように配置されている。回転軸４０の両側には、図示していない軸受が設置されており、同じく図示していないブラケットに前記軸受を収納し、前記ブラケットを同じく図示していないフレームに嵌合することにより、回転子２０を支えている。
次に、このように構成されたスロットレスモータの動作について説明する。
前記電機子巻線１２に三相交流電流を流すことにより、固定子１０の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２２の作る磁界の相互作用により、回転子２０が回転する。
スロットレスモータは、いわゆるスロット付きモータと異なり、固定子鉄心にティース及びスロットを有していないため、理論的にコギングトルクが発生せず、非常に滑らかに回転するという利点を有する。
図１０および図１１は、図８および図９とは異なる従来のスロットレスモータである（例えば特許文献３参照）。図１０はスロットレスモータの斜視断面図であり、図１１は成形コイル５０である。図１０、図１１に示されるスロットレスモータの構造、特性および動作は、前述した図８、図９で示されるスロットレスモータとほぼ同等であり、記号も同一であるため、説明は省略する。図１０、図１１のスロットレスモータが、図８、図９のスロットレスモータと異なる点は、電機子巻線１２の軸方向端部（コイルエンド部５２と称する）の形状であり、コイルエンド部５２を固定子鉄心１１の端面１１ａ上に折り曲げて固定しているところが異なる。このように電機子巻線１２の軸方向端部を折り曲げることにより、モータの軸方向寸法を可及的に短縮し得る効果がある。
特開平１１−２３４９８９号公報（第３頁、図１） 特開２００２−１０１５９５号公報（第３頁、図１、図４） 実公平７−５０８６７号公報（第３頁、図１、図２） 電気学会論文誌Ｄ 平成１５年７月号（第８１４頁）

スロットレスモータは上記のような利点を有しているが、スロット付きモータと異なり、従来のスロットレスモータの電機子巻線は永久磁石と固定子鉄心間の空隙３０に配置されているため、永久磁石の外周表面から固定子鉄心の内周表面までのいわゆる磁気ギャップは、スロット付きモータと比較して格段に大きくなる。磁気ギャップが大きくなると磁気抵抗が大きくため、通常スロットレスモータの巻線インダクタンスは、スロット付きモータの巻線インダクタンスに比べてかなり小さくなる。この巻線インダクタンスが小さいことが電動機を駆動する際に障害となる。通常，永久磁石型同期電動機は、ＰＷＭ駆動されるドライバ装置により駆動される。この際、巻線インダクタンスが小さいと電流リップルが大きくなり、その結果として，電流リップルに起因する高周波損失が大きくなる。そのことにより、電動機の定格出力が低く抑えられるという問題があった。
また、この高周波損失は主として永久磁石に発生するために、永久磁石の温度が異常に高くなるために磁石が熱減磁しやすいという問題もあった。
この問題は、図８、図９または、図１０、図１１で示されたスロットレスモータのどちらについても当てはまる問題である。
巻線インダクタンスを大きくするためには、電動機とは別個に外部にリアクトルを追加することがもっとも簡単な方法であるが、リアクトルを設置するための空間が必要になると共に、電動機との接続も煩雑なものとなる欠点があった（例えば、非特許文献１参照）。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、外部にリアクトルを追加することなく、またモータ寸法を大きくすることなく、巻線インダクタンスが従来と比較して格段に大きくし、高周波損失の小さいスロットレスモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、スロットレスモータに係り、固定子鉄心と該固定子鉄心の内周面に固着された電機子巻線とを有する固定子と、回転子鉄心と該回転子鉄心に設けられた永久磁石とを有する回転子、から構成され、前記回転子は前記固定子の内部に空隙を介して対向するように配置されているスロットレスモータにおいて、前記電機子巻線のうち、前記永久磁石と対向していない端部分は、前記固定子鉄心に設けられた補助鉄心により覆われており、前記永久磁石と対向している部分は、前記補助鉄心で覆われていないことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のスロットレスモータにおいて、前記電機子巻線の端部分が前記固定子鉄心の端面上に折り曲げられており、前記補助鉄心が前記電機子巻線の折り曲げられた端部分の上から覆うように前記固定子鉄心に設けたことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のスロットレスモータにおいて、前記補助鉄心が絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料で作られていることを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のスロットレスモータにおいて、前記補助鉄心は鍔付リング形状をし、前記補助鉄心の鍔部の高さが前記電機子巻線の厚みに相当し、かつ前記補助鉄心のリング部が前記電機子巻線の端部分を覆っていることを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、電機子巻線の永久磁石と対向していない端部分、即ち、コイルエンド部に補助鉄心を追加しているので、コイルエンド部の漏れ磁束が増加するため、外部に別個にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを大きくすることができるために、電流リップルが小さく抑えられ、その結果として高周波損失を小さく抑えることができる。従って、高周波損失が小さくなるために、モータの発熱が小さくなり、モータ出力を大きくすることができる。
また、補助鉄心はコイルエンド部に配置しているため、トルク発生に関係する電機子巻線及び永久磁石からの磁束に悪影響を与えることがない。従って、補助鉄心を追加してもトルクが小さくなることを防ぐことができる。
また、高周波損失は主として永久磁石に発生するために、高周波損失を小さく抑えることができることにより、永久磁石の温度上昇を低く抑えることができ、その結果として磁石の熱減磁を防止することができる。
請求項２記載の発明によると、請求項１記載の発明と同様にコイルエンド部に補助鉄心を追加しているため巻線インダクタンスを大きくでき、したがって電流リップルが小さく抑えられ、その結果として高周波損失を小さく抑えることができる。
さらに、コイルエンド部を固定子鉄心の端面上に折り曲げて、その上から補助鉄心を追加しているため、モータの軸方向寸法を可及的に短縮し得る効果がある。
また、請求項３記載の発明によると、補助鉄心は、絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料としているので、補助鉄心内部の渦電流は小さくなり、補助鉄心内部に発生する高周波損失を小さくすることができる。
さらに、請求項４記載の発明によると、補助鉄心をリング形状としているため、補助鉄心を装着する作業が極めて容易になり、かつ短時間で実施することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示すスロットレスモータの側断面図である。
図１において、１１は固定子鉄心であり、１１ａは固定子鉄心端面であり、１２は電機子巻線であり、１３は補助鉄心である。電機子巻線１２は固定子鉄心１１の内周面に固着され、固定子鉄心１１と電機子巻線１２と補助鉄心１３により固定子１０を形成している。２１は回転子鉄心であり、２２は永久磁石である。３０は空隙であり、４０は回転軸である。
永久磁石２２は回転子鉄心２１の外周面に固着され、回転子鉄心２１と永久磁石２２と回転軸４０により回転子２０を形成している。回転子２０は固定子１０の内部に空隙３０を介して対向するように配置されている。回転軸４０の両側には、図示していない軸受が設置されており、同じく図示していないブラケットに前記軸受を収納し、前記ブラケットを同じく図示していないフレームに嵌合することにより、回転子２０を支えている。

図２は、本発明の第１実施例のスロットレスモータの固定子内周面を示す展開図である。
図２は、円筒形状の固定子の内周面をわかりやすいように平面状に展開したところを示
している。図２において、５０は成形コイル、５１は成形コイルの直線部、５２は成形コイルのコイルエンド部である。成形コイル５０は、絶縁被覆銅線を小判形に巻回し、その後、固定子鉄心１１の内周面に沿うように、Ｒ形状に曲げ成形した成形コイルである。固定子鉄心１１の内周面には、成形コイル５０が複数個並べて固着されており、この成形コイル５０を結線して電機子巻線１２を形成している。成形コイル５０は小判形をしているが、中央は直線部５１を成しており、Ｒ部を持つ端部をコイルエンド部５２と呼ぶ。永久磁石２２が空隙３０を介して対向しているのは、直線部５１であり、コイルエンド部５２には、永久磁石２２はほとんど対向していない。これは、トルクの発生に寄与するのは、主に直線部５１であるからであり、コイルエンド部５２はトルクの発生にはほとんど寄与していないためである。図１および図２のとおり、補助鉄心１３は電機子巻線１２内周面に設置され、コイルエンド部５２を覆うように取り付けられている。
このように、本発明が従来技術と異なる部分は、電機子巻線１２のコイルエンド部５２に補助鉄心１３を設置している点である。なお、本発明のスロットレスモータの正断面図は図８のそれと同等であるため図示は省略する。

次に、上記のように構成された本発明の第１実施例によるスロットレスモータの動作について説明する。前記電機子巻線１２に三相交流電流を流すことにより、固定子１０の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２２の作る磁界の相互作用により、回転子２０が回転する。この点は従来技術と同様である。
次に、本発明で新たに追加している補助鉄心１３について詳しく説明する。
補助鉄心１３は、電機子巻線１２の内周面でコイルエンド部５２に密着するように設置されている。補助鉄心１３の材質としては、磁性材料であることは勿論であり、電磁鋼板を積層したものが望ましい。これは、補助鉄心１３の内部に発生する渦電流による損失を小さく抑えるためである。
補助鉄心１３の働きは、図３に示すようになる。即ち、補助鉄心１３が電機子巻線１２のコイルエンド部５２を覆うように設置されているため、補助鉄心１３を設置しない場合と比較して、電機子巻線１２のコイルエンド部５２の漏れ磁束６２が大きくなる。コイルエンド部５２の漏れ磁束６２が大きくなることにより、コイルエンド部５２の漏洩パーミアンスが大きくなり、その結果、巻線インダクタンスが大きくなる。
また、補助鉄心１３はコイルエンド部５２に配置しているため、トルク発生に関係する電機子巻線１２及び永久磁石２２からの有効磁束６１に悪影響を与えることがない。
このように補助鉄心１３を電機子巻線１２のコイルエンド部５２に配置することにより、巻線インダクタンスを大きくすることができる。巻線インダクタンスを大きくできることにより、電流リップルが小さく抑えられ、その結果として電流リップルに起因する高周波損失を小さく抑えることができる。従って、高周波損失が小さくなるために、モータの発熱が小さくなり、モータ出力を大きくすることができる。

図４は、本発明の第２の実施例を示すスロットレスモータの側断面図であり、図５は、本発明の第２実施例の補助鉄心の働きによる磁束の流れを示す模式図である。
図４、図５に示される本発明の第２実施例のスロットレスモータの構造、特性および動作は、前述した図１〜３で示される本発明の第１実施例のスロットレスモータとほぼ同等であり、符号も同一であるため、符号の説明は省略する。本発明の第２実施例が、本発明の第１実施例と異なる点は、電機子巻線１２の軸方向端部、すなわちコイルエンド部５２の形状である。第２実施例では、コイルエンド部５２を固定子鉄心１１の端面１１ａ上に折り曲げて固定し、補助鉄心１３が電機子巻線１２の折り曲げられた端部分の上から覆うように設けている。前述したように、コイルエンド部５２はトルクの発生にはほとんど寄与していないために、このようにコイルエンド部を固定子鉄心端面１１ａ上に折り曲げても、トルクが減少することはない。
さらに、補助鉄心１３が電機子巻線１２の折り曲げられた端部分の上から覆うように設けらているために、第１実施例と同様に、電機子巻線１２のコイルエンド部５２の漏れ磁束６２（図５）が大きくなる。
コイルエンド部５２の漏れ磁束６２が大きくなることにより、コイルエンド部５２の漏洩パーミアンスが大きくなり、その結果、巻線インダクタンスが大きくなる。
このように補助鉄心１３を電機子巻線１２のコイルエンド部５２に配置することにより、巻線インダクタンスを大きくすることができる。巻線インダクタンスを大きくできることにより、電流リップルが小さく抑えられ、その結果として電流リップルに起因する高周波損失を小さく抑えることができる。従って、高周波損失が小さくなるために、モータの発熱が小さくなり、モータ出力を大きくすることができる。さらに、コイルエンド部５２を固定子鉄心１１の端面１１ａ上に折り曲げて、その上から補助鉄心１３を追加しているため、モータの軸方向寸法を可及的に短縮し得る効果がある。
なお、コイルエンド部５２が折り曲った成形コイル５０の製作する一つの手段としては、平板状に小判形に巻装された空心コイルを、固定子鉄心１１の内周面に沿うように、Ｒ形状に曲げ成形するのと同様に、コイルエンド部を折り曲げるように曲げ成形する方法が考えられる。別のもう一つの手段としては、予めコイルエンド部の折り曲がった巻き型を製作し、その巻き型に沿って巻装することによりコイルエンド部５２が折り曲った成形コイルを得る方法が考えられる。

図６は、本発明の第３の実施例によるスロットレスモータの側断面図であり、補助鉄心１３１を絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料とするものである。
第３の実施例が第１の実施例と異なる部分は、補助鉄心１３１の材質のみであり、図６中の符号で図１と同じ符号は同一部材であるため、重複説明は省略する。絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料製補助鉄心１３１の絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料とは、鉄粉表面を樹脂などの有機系物質あるいはガラスなどの無機系物質で被覆し、その後圧縮成形した軟磁性材料あり、鉄粉粒子間の電気的絶縁性を付与したもので、渦電流損の抑制を目的としている。
このように補助鉄心１３１を絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料としているので、電磁鋼板を使った場合のような電磁鋼板の積層作業が省略でき、生産性を上げることができる。また、絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料を使用しているため、積層していない一体物の形状でも、補助鉄心内部に発生する渦電流は小さくなり、補助鉄心内部に発生する高周波損失を小さくすることができる。

図７は、本発明の第４の実施例を示す補助鉄心の斜視図であり、前記補助鉄心１３を鍔１３ａのついたリング部１３ｂの形状としている。鍔部１３ａの高さが電機子巻線１２の厚みに相当し、またリング部１３ｂが電機子巻線１２の端部（コイルエンド）を覆うような形状にしている。補助鉄心１３をこのようなリング形状としているため、補助鉄心１３を装着する作業が極めて容易になり、かつ短時間で実施することができる。

補助鉄心を追加することにより、外部に別個にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを大きくできるため、設置面積に制限があり、外部にリアクトルを追加することができないという用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示すスロットレスモータの側断面図である。 本発明の第１実施例のスロットレスモータの固定子内周面を示す展開図である。 本発明の第１実施例の補助鉄心の働きによる磁束の流れを示す模式図である。 本発明の第２実施例を示すスロットレスモータの側断面図である。 本発明の第２実施例の補助鉄心の働きによる磁束の流れを示す模式図である。 本発明の第３の実施例を示すスロットレスモータの側断面図である。 本発明の第４の実施例を示す補助鉄心の斜視図である。 従来のスロットレスモータの正断面図である。 図８のスロットレスモータの側断面図である。 図８とは異なる従来のスロットレスモータの斜視断面図である。 図１０のスロットレスモータの成形コイルの斜視図である。

符号の説明

１０ 固定子
１１ 固定子鉄心
１１ａ 固定子鉄心端面
１２ 電機子巻線
１３ 補助鉄心
１３１ 絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料製補助鉄心
１３ａ 鍔部
１３ｂ リング部
２０ 回転子
２１ 回転子鉄心
２２ 永久磁石
３０ 空隙
４０ 回転軸
５０ 成形コイル
５１ 直線部
５２ コイルエンド部
６１ 有効磁束
６２ 漏れ磁束

Claims (4)

1. 固定子鉄心と該固定子鉄心の内周面に固着された電機子巻線とを有する固定子と、回転子鉄心と該回転子鉄心に設けられた永久磁石とを有する回転子、から構成され、前記回転子は前記固定子の内部に空隙を介して対向するように配置されているスロットレスモータにおいて、
   前記電機子巻線のうち、
   前記永久磁石と対向していない端部分は、前記固定子鉄心に設けられた補助鉄心により覆われており、
   前記永久磁石と対向している部分は、前記補助鉄心で覆われていないことを特徴とするスロットレスモータ。
2. 前記電機子巻線の端部分は前記固定子鉄心の端面上に折り曲げられており、前記補助鉄心は前記電機子巻線の折り曲げられた端部分の上から覆うように前記固定子鉄心に設けたことを特徴とする請求項１記載のスロットレスモータ。
3. 前記補助鉄心は絶縁被覆鉄粉形軟磁性材料で作られていることを特徴とする請求項１または２記載のスロットレスモータ。
4. 前記補助鉄心は鍔付リング形状をし、前記補助鉄心の鍔部の高さが前記電機子巻線の厚みに相当し、かつ前記補助鉄心のリング部が前記電機子巻線の端部分を覆っていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のスロットレスモータ。

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