JP5298798B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載されるモータに関する。

３相交流モータは従来より広く使用されている。図２０はその概略的な構成を示す縦断面図の例である。８１１はモータ出力軸、８１２はロータコア、８１７および８１８はロータ表面に取り付けられたＮ極永久磁石およびＳ極永久磁石、８１３は軸受け、８１４はステータコア、８１５は巻線のコイルエンド、８１６はモータケースである。
図２１は図２０の断面ＡＡ−ＡＡを示す横断面図である。このモータは、３相交流、２極、１２スロットであり、巻線は全節巻き、分布巻きである。
ステータの歯は円周方向に、８２１、８２２、８２３、８２４、８２５、８２６、８２７、８２８、８２９、８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃである。各歯に挟まれた各スロットには３相の巻線が巻回され、Ｕ相巻線は８２Ｄ、８２Ｊ、８２Ｋ、８２Ｑであり、Ｖ相巻線は８２Ｇ、８２Ｐ、８２Ｈ、８２Ｎであり、Ｗ相巻線は８２Ｌ、８２Ｆ、８２Ｍ、８２Ｅである。

図２２は巻線図であり、横軸にステータの回転方向の各位置を電気角角度で示している。なお、このモータは２極のモータの例なので機械角と電気角は一致している。
ＵはＵ相巻線の端子でＵ相電流Ｉｕが通電され、ＶはＶ相巻線の端子でＶ相電流Ｉｖが通電され、ＷはＷ相巻線の端子でＷ相電流Ｉｗが通電され、Ｎは３相Ｙ結線の中性点である。８３１はＵ相巻線の渡り線、８３２はＶ相巻線の渡り線、８３３はＷ相巻線の渡り線である。
図２３は、モータ駆動用の３相インバータとモータの３相巻線の結線図である。８４Ｄは直流電源、６個のトランジスタと６個のダイオードで構成される３相インバータにＹ結線のモータ巻線を接続している。８４１はＵ相巻線、８４２はＶ相巻線、８４３はＷ相巻線である。

図２０から図２３に示した表面磁石型のブラシレスモータは、優れたモータとして広く活用されている。しかし、各巻線は、図２１、図２２に示すように複雑に交差し、複雑な巻線となり、図２０のコイルエンド８１５の様にロータ軸方向に長くなり、また、コイルエンド部８１５の圧縮成形加工、および、コイルエンド部８１５の糸での固定等の製作負担がある。その結果、モータの大型化の問題、高コスト化の問題がある。
また、図２４のステータ断面の部分拡大図に示すように、巻線の複雑さに起因して、スロット内の巻線８６４の占積率が低下する問題がある。この巻線の占積率が低下すれば、巻線抵抗が増加し、ジュール損が増加する問題、モータ効率が低下する問題がある。８６２は歯、８６３はスロット、８６５はステータコアと巻線との間に配置する絶縁紙、８６１はステータコアのバックヨーク部である。
特開２００３−３３３７８５号公報（図１、図２、図９）

本発明の課題は、３相モータのステータを、高効率化、小型化、低コスト化することである。その実現のため、巻線の配置構造を巻線巻回がより容易な配置とすること、スロット形状を巻線の巻回が容易な形状とすること、巻線巻回の方法を単純化して巻線占積率を向上すること、同時にコイルエンド長および巻線長を短縮すること、絶縁紙の配置によるコイルエンド長の増大を低減すること等を行う。

本発明モータは、Ｎｎ極（Ｎｎは４の正の整数倍）のロータと、ｎ（但し、ｎ＝３×Ｎｎ）個のスロットが周方向に等ピッチに形成されたステータコアを有し、このステータコアに前記スロットを通ってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相巻線が巻装されたステータとを備える。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相巻線は、それぞれロータ軸方向端で前記ステータコアの外径側を通って所定のスロットに巻回される外側巻線と、それぞれロータ軸方向端で前記ステータコアの内径側を通って所定のスロットに巻回される内側巻線とを有し、前記ｎ個のスロットに対し、前記ステータコアの周方向に順にスロット番号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…Ｓ（１２ｍ−１）、Ｓ１２ｍ、Ｓ（１２ｍ＋１）、Ｓ（１２ｍ＋２）、…Ｓｎを付す、但し、前記ｍは正の整数であり、１２ｍ＜（ｎ−４）の条件に適合する前記ｍの取り得る値を小さい順に適用した場合に、
Ｕ相の外側巻線は、スロットＳ１からスロットＳ４へ巻回され、以降、スロットＳ（１２ｍ＋１）からスロットＳ（１２ｍ＋４）へ巻回される。
Ｗ相の外側巻線は、スロットＳ５からスロットＳ８へ巻回され、以降、前記スロットＳ（１２ｍ＋５）からスロットＳ（１２ｍ＋８）へ巻回される。
Ｖ相の外側巻線は、スロットＳ９からスロットＳ１２へ巻回され、以降、前記スロットＳ（１２ｍ＋９）からスロットＳ（１２ｍ＋１２）へ巻回される。
Ｖ相の内側巻線は、スロットＳ３からスロットＳ６へ巻回され、以降、スロットＳ（１２ｍ＋３）からスロットＳ（１２ｍ＋６）へ巻回される。
Ｕ相の内側巻線は、スロットＳ７からスロットＳ１０へ巻回され、以降、スロットＳ（１２ｍ＋７）からスロットＳ（１２ｍ＋１０）へ巻回される。
Ｗ相の内側巻線は、スロットＳ（ｎ−１）からスロットＳ２へ巻回され、以降、スロットＳ（１２ｍ−１）からスロットＳ（１２ｍ＋２）へ巻回される。
また、前記ステータコアの軸方向端の近傍において、前記スロットの形状がバックヨーク側へ広げた形状であり、且つ、前記ステータコアの軸方向端の近傍において、前記スロットの形状が軸方向から円周方向へ曲がった形状であり、それぞれの前記スロットに巻回される各巻線の相互の物理的な干渉を低減し、各スロットから前記ステータコアのロータ軸方向端へ向かって外径側にかけて各巻線を緩やかな曲線で巻回できるステータコア形状としたことを特徴とする。
上記のように、極数Ｎｎが４の正の整数倍の時に、円周方向に同一配置形状を作ることが出来る。この巻線の配置構成により、それぞれの巻線間の干渉を大幅に低減することが出来、巻線の巻回あるいはコイルの製作が容易となる。
ロータについては特に限定がなく、表面磁石型のロータ、永久磁石内蔵型のロータ、リラクタンクス形のロータなどを使用することができる。

巻線の巻回を容易とする方法として、ステータのスロット形状を改良する方法を提案する。それは、巻線を巻回する方向に巻線経路が緩やかな曲線形状になるように、ステータコア形状を変形するもので、積層する電磁鋼板が積層方向に異なる形状とする。特に、スロット形状をラジアル方向と円周方向との両方に改良することにより、全節巻き巻線のコイルエンド長を大幅に短縮でき、巻線占積率も向上できる。

さらに、コイルエンド部の近傍の空きスペースに、バックヨーク部を延長した付加磁路を追加して空きスペース活用を図ることも出来る。なお、バックヨーク部の磁路が電磁鋼板のロータ軸方向積層構造である場合は、磁束がロータ軸方向へ通るときに渦電流が生成され鉄損が増加するので、渦電流が発生しやすい部分の電磁鋼板へスリットを設けることが有効である。
スロット内の絶縁紙についても、前記スロット形状の場合、その改良が可能である。ステータコアの中のスロット形状をロータ軸方向端に向かって広がる形状とすることにより、巻線を配置する断面積を低減することなく、２枚の絶縁紙を部分的に重なることが可能となる。従って、ステータコアのロータ軸方向端から絶縁紙が数ｍｍ突き出た形状とする必要も無く、コイルエンドの短縮が可能である。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は本発明のモータの巻線配置を示す図である。
３相、４極、１２スロットのモータで、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは１２個の歯である。各巻線は全節巻きで、かつ、各相巻線が一つのスロットへ集中して巻回しているので集中巻きである。巻線を巻回する順に各相の巻線を説明する。
まず、Ｕ相巻線を１０１から１０４へ巻回し、コイルエンド部は他の相のスロットのロータ軸方向開口部を塞がないようにステータの外周側を通している。
次に、Ｗ相の巻線を１０５から１０８へ巻回し、コイルエンド部は他の相のスロットのロータ軸方向開口部を塞がないようにステータの外周側を通す。
次に、Ｖ相の巻線を１０９から１０Ｃへ巻回し、コイルエンド部は他の相のスロットのロータ軸方向開口部を塞がないようにステータの外周側を通す。

次に、Ｕ相巻線を１０７から１０Ａへ、他の相のスロットのロータ軸方向開口部の上を通して巻回する。この時、Ｕ相巻線で塞がれる他の巻線は既に巻回済みであるため、これらのスロットのロータ軸方向開口部が塞がれても問題はない。
次に、Ｗ相巻線を１０Ｂから１０２へ、他の相のスロットのロータ軸方向開口部の上を通して巻回する。最後に、Ｖ相巻線を１０３から１０６へ、他の相のスロットのロータ軸方向開口部の上を通して巻回する。
図１のように巻線を配置し、巻回することにより、図２１、図２２に示した巻線の配置、巻回に比較し、巻線相互の物理的干渉を低減することが可能である。

巻線を巻回する順番は、それらの干渉の関係において不都合が発生しない範囲で、入れ替えることが出来る。また、このように、コイルエンド部で外径側の巻線と内径側の巻線とを交互に、整然と巻回できるモータの極数は４の整数倍の極数の時である。
また、１０ＤはロータのＮ極磁石で、１０ＥはＳ極磁石である。なお、図１では表面磁石同期モータＳＰＭＳＭの例を示しているが、永久磁石をロータ内部へ配置した磁石内蔵同期モータＩＰＭＳＭ、あるいは、軟鉄材料で構成される同期リラクタンスモータＳｙｎＲＭなども構成することが出来る。

次に、本発明の参考例として、３相、６極、１８スロットのモータの巻線の配置について、図２に示し、説明する。各巻線は全節巻きで、集中巻きである。巻線を巻回する１例について、順に各相の巻線を説明する。
まず、Ｕ相巻線を１２１から１２４へ巻回し、コイルエンド部１２Ｋは他の相のスロットのロータ軸方向開口部を塞がないようにステータの外周側を通している。
次に、Ｗ相の巻線を１２５から１２８へ巻回し、コイルエンド部１２Ｍは他の相のスロットのロータ軸方向開口部を塞がないようにステータの外周側を通す。
次に、Ｖ相の巻線を１２９から１２Ｃへ巻回し、コイルエンド部１２Ｐは他の相のスロットのロータ軸方向開口部を塞がないようにステータの外周側を通す。
次に、Ｕ相の巻線を１２Ｄから１２Ｇへ巻回し、コイルエンド部１２Ｒは他の相のスロットのロータ軸方向開口部を塞がないようにステータの外周側を通す。

次に、Ｗ相の巻線を１２Ｈから１２２へ巻回し、コイルエンド部１２Ｔは他の相のスロットのロータ軸方向開口部を塞がないようにステータの外周側を通す。しかし、この時、巻線１２１は、そのコイルエンド部１２Ｋがステータの外周側に配置されているので、コイルエンド部１２Ｔとコイルエンド部１２Ｋとの物理的干渉が少なくなるように気を付ける必要がある。巻線１２１は既に巻回済みなので、コイルエンド部１２Ｔをコイルエンド部１２Ｋの上に重ねることが出来る。
次に、Ｕ相巻線を１２７から１２Ａへ巻回し、コイルエンド部１２Ｎは他の相のスロットのロータ軸方向開口部の上を通して巻回する。この時、このＵ相巻線で塞がれる他の巻線は既に巻回済みであるため、これらのスロットのロータ軸方向開口部が塞がれても問題はない。

次に、Ｗ相巻線を１２Ｂから１２Ｅへ巻回し、コイルエンド部１２Ｑは他の相のスロットのロータ軸方向開口部の上を通して巻回する。
次に、Ｖ相巻線を１２Ｆから１２Ｊへ巻回し、コイルエンド部１２Ｓは他の相のスロットのロータ軸方向開口部の上を通して巻回する。
最後に、Ｖ相巻線を１２３から１２６へ巻回し、コイルエンド部１２Ｌは他の相のスロットのロータ軸方向開口部の上を通して巻回する。
図１のように巻線を配置し、巻回することにより、図２１、図２２に示した巻線の配置、巻回に比較し、巻線相互の物理的干渉を低減することが可能である。図２は一部のコイルエンド部１２Ｔが少し不規則な例である。

次に、コイルエンド部近傍のスロット形状と巻線形状と絶縁紙形状の改良について、図３から図７に示し説明する。図３は図１の断面ＡＡ−ＡＡの部分拡大図である。
１３１はロータで、一点鎖線はロータの回転中心線を示している。１３２はステータコアで、電磁鋼板をロータ軸方向に積層して構成している。１３３はロータ１３１とステータコア１３２の間のエアギャップである。１３４は図１の巻線１０Ｃであり、そのロータ軸方向端のコイルエンド１３６により他のスロットへ巻回されている。ここで、スロットの形状１３Ｂがステータコア１３２のロータ軸方向端へ向かって広がった形状となっていて、巻線１３４の部分からコイルエンド１３６にかけて徐々にステータの外径方向に曲げられた形状となっている。その結果、コイルエンド１３６のロータ軸方向長さＬＣＥ２は短い寸法に抑えられている。図２０の従来モータのコイルエンド部８１５が破線１３５で示していて、そのロータ軸方向長さＬＣＥ１に比較して、大幅な短縮である。

次に、図１の断面ＡＢ−ＡＢの部分拡大図を図４に示す。
１４１は図１の巻線１０Ｂである。１４５はスロットの形状で、ロータ軸方向端へ向かいスロットが広げられている。このスロット形状１４５については、３段の階段状にスロットが広げられている例について示している。ステータコアが電磁鋼板を積層して作られる場合、電磁鋼板の形状の種類を少なくした方が金型コストなどの点で有利である。
図３の巻線１３６は、図４で示す断面ＡＢ−ＡＢでは、円周方向に配置された図４のコイルエンド１３６となっている。図３の巻線１３７は、図４で示す断面ＡＢ−ＡＢでは、円周方向に折り曲げた図４のコイルエンド１３７となっている。１３７は、図１の巻線１０Ｂと巻線１０２とに巻回するコイルエンド部である。

図５は、巻線１３７の形状を示すため、ステータの内周面を直線展開した図で、横軸を円周方向、縦軸をロータ軸方向にとって示している。１５１、１５２、１５３、１５４、１５５は、歯の内周面形状であり、ロータ軸方向端１５８、１５９などの部分を曲線状にしており、巻線１５７がステータコア１３２のロータ軸方向端で無理なく折り曲げることが出来るようにしている。図３のコイルエンド部１３７は、図５のコイルエンド１５６に相当する。また、巻線１３４、コイルエンド１３６は、巻線１３７のロータ軸方向長さが長くならないように、ステータコア１３２の外径方向に折り曲げることにより、コイルエンド１３７とコイルエンド１３６とのロータ軸方向の物理的干渉を少なくしている。その結果、コイルエンド部１３７のロータ軸方向長さは、ＬＣＥ２となるように、短く巻回している。

図６は、図１に示すステータコアのスロットについて、スロットのロータ軸方向端面近傍の形状を部分拡大した図である。１６１はステータコア、１６２はスロットのロータ軸方向の中間部の形状、１６４はスロットのロータ軸方向端の形状、１６３は１６２と１６４との間の形状である。なお、１６４の形状は、複数段の形状とすることも出来る。また、滑らかな曲線に近い形状とすることも可能である。
以上示したように、これらのコイルエンド１３６と１３７のロータ軸方向長さＬＣＥ２の短縮は、スロット１３Ｂのロータ軸方向端近傍の形状を外径方向と円周方向に広げること、巻線の配置を図１のように配置すること、巻線の巻回順を巻線間の物理的干渉が少ない順に巻回することにより実現している。コイルエンド長の短縮により、モータの小型化を実現することができる。

また、巻線の巻回時の物理的な干渉が少ない構造なので、巻線の案内治具を巻線巻回部へ設置することにより、図１の巻線形状に、巻線に張力をかけながら巻回することも可能である。即ち、ステータ外部で製作したコイルをスロットへ挿入するのではなく、スロットへ巻線を直巻きすることも可能である。そして、製作性の改善だけでなく、巻線の占積率向上、巻線長の短縮による巻線抵抗の低減も可能である。
なお、図１に示す巻線の配置は、巻線図で示すと図７のように書くことも出来る。１７１はＵ相のコイル間を接続する渡り線である。１７２はＶ相のコイル間を接続する渡り線である。１７３はＷ相のコイル間を接続する渡り線である。Ｎは３相巻線を星形結線とするときの中心の中性点である。各コイルのコイルエンドをステータの外径方向と内径方向の２箇所に分けて記述している。

次に、各巻線とステータコア１３２との間の絶縁体について説明する。
巻線とステータコアとの間の電気絶縁は、巻線の絶縁膜を厚くする、絶縁紙を挟む、ステータコア表面に樹脂を塗る、巻専用のボビンを配置するなどの方法がとられている。ここでは、絶縁紙を巻線とステータコアとの間に配置する場合について説明する。通常、スロットの形状は、ロータ軸方向端から他端まで同一の形状となっているので、スロットの中で絶縁紙が２枚以上重なる部分があると、その部分でのスロット有効断面積が減少して、配置できる巻線の断面積が減少し、巻線占積率が低下する問題がある。
一方、絶縁紙の端末処理をスロットのロータ軸方向端の外側で行うと、絶縁紙端末処理のためにステータの端面からある程度の長さが必要となり、その分だけコイルエンドが長くなり、モータが大型化する問題がある。また、巻線長が長くなり、巻線抵抗が増加する問題もある。なお、絶縁紙のステータコア端での処理は、例えば折り曲げるために切れ目をいれると、巻線とステータコアとの間の縁面距離が短くなるなどの問題が発生する。

この問題に対し、図３に示す例では、スロットの断面積が広くなった部分で、絶縁紙１３８、１３９と絶縁紙１３Ａとを重ねて配置しているので、スロット内の巻線断面積減少の問題および絶縁紙の端末処理の問題を解決することが可能である。スロットのロータ軸方向端近傍で２枚以上の絶縁紙を部分的に重ねて配置すればよい。ここで絶縁紙と表現した絶縁体は、紙、樹脂、無機質のシート、それらの複合体などが可能である。また、図４の場合においても、ロータ軸方向端でスロット断面積が広くなっているので、絶縁紙１４２、１４３と絶縁紙１４４とを部分的に重ねて配置することが可能である。

次に、ステータコアの磁路について考えると、ロータ軸方向端の近傍では、スロットを広げたことにより、ステータのバックヨーク部１３Ｃの近傍で磁束密度が高くなる。この問題を解決する方法として、図４のコイルエンド１３６、１３７の外径側のスペースへ軟磁性体１４７を追加し、一部の磁束を通過させる方法が有効である。ただし、その磁束は、ロータ軸方向の磁束成分もあり、積層電磁鋼板で渦電流が発生するので、効率良く磁束が通過できる方法が有効である。一つの方法は、１４８の破線で示すように、ステータコアのロータ軸方向端の近傍の電磁鋼板を径方向からロータ軸方向へ折り曲げた形状とする方法がある。他に、電磁鋼板の一部にスリット加工を行って、その部分でのロータ軸方向への磁束の通過を容易とする方法、軟磁性体に圧粉磁心を使用する方法等がある。

次に、本発明の参考例として、図１のモータを分布巻きとした構成のモータを図８に示し説明する。
３相、４極、２４スロット、全節巻き、分布巻きのモータである。本発明では、モータ構成を簡素化する方向で考えているが、高精度なモータが必要な用途では分布巻き構成のモータが有効であり、モータの簡素化と高精度化を両立させる方法について説明する。
１８１、１８２はＵ相巻線で、それぞれ、Ｕ相の負の巻線１８８、１８７へ接続する。１８５、１８６はＶ相の正の巻線で、１８３、１８４はＷ相の負の巻線である。図１に比較して、それぞれの２個の巻線を並列に配置する構成になっている。

図９は図８の断面ＡＣ−ＡＣの部分拡大図である。１９４は図８の巻線１８２であり、そのロータ軸方向端のコイルエンド１９５により他のスロットへ巻回されている。ここで、スロットの形状１９Ｃがステータコア１９２のロータ軸方向端へ向かって広がった形状となっていて、巻線１９４の部分からコイルエンド１９５にかけて徐々にステータの外径方向に曲げられた形状となっている。その結果、コイルエンド１９５のロータ軸方向長さＬＣＥ２は短い寸法に抑えられている。図２０の従来モータのコイルエンド部８１５が破線１３５で示していて、そのロータ軸方向長さＬＣＥ１に比較して、大幅な短縮である。 １９６は、図８の巻線１８１と巻線１８８とに巻回するコイルエンド部である。１９８は、図８の巻線１８Ａと巻線１８４とに巻回するコイルエンド部である。１９７は、図８の巻線１８９と巻線１８３とに巻回するコイルエンド部である。

次に、図８の断面ＡＤ−ＡＤの部分拡大図を図１０に示す。
２０４は図８の巻線１８４である。２０Ｂはスロットの形状で、ロータ軸方向端へ向かいスロットが広げられている。このスロット形状１４５については、３段の階段状にスロットが広げられている例について示している。ステータコアが電磁鋼板を積層して作られる場合、電磁鋼板の形状の種類を少なくした方が金型コストなどの点で有利である。
図９の巻線１９５は、図１０で示す断面ＡＤ−ＡＤでは、円周方向に配置された図１０のコイルエンド２０５となっている。図９の巻線１９８は、図１０で示す断面ＡＤ−ＡＤでは、円周方向に折り曲げた図１０のコイルエンド２０７となっている。

図１１は、巻線１９７、１９８の形状を示すため、ステータの内周面を直線展開した図で、横軸を円周方向、縦軸をロータ軸方向にとって示している。２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９、２１Ａは、歯の内周面形状であり、ロータ軸方向端２１Ｄ、２１Ｅなどの部分を曲線状にしており、巻線２１Ｂ、２１Ｃ等がステータコア１９２のロータ軸方向端で無理なく折り曲げることが出来るようにしている。図９のコイルエンド部１９７、１９８は、図１１のコイルエンド２１Ｃ、２１Ｂに相当する。また、巻線１９４、コイルエンド１９５は、巻線１９７、１９８のロータ軸方向長さが長くならないように、ステータコア１９２の外径方向に折り曲げることにより、コイルエンド１９５とコイルエンド１９７、１９８とのロータ軸方向の物理的な干渉を少なくしている。その結果、コイルエンド部１９７、１９８のロータ軸方向長さはＬＣＥ２となるように短く巻回している。

次に、図８に示すモータを短節巻きに変形した例を図１２に示し説明する。
図１２のモータ構成は、図８の分布巻きに比較し、さらに高精度なモータを実現できる。そして、モータの簡素化と高精度化を両立させる方法である。概略的には、スロットの１／２の巻線が短節巻きとなっていて、モータの全スロットの半分のスロットには、隣接する相の巻線と１／２ずつ巻回している。Ｕ相巻線は２８１、２８２、２８３で、図示するようにそれぞれ並列に、巻線２８Ｄ、２８Ｃ、２８Ｂへ接続している。Ｕ相巻線２８１、２８３は、２８２に比較し約半分の巻線数である。

ここで、図１２の各巻線と図１３に示す電流ベクトル図とを合わせて説明する。
Ｕ相電流２８２は、図１３の電流ベクトル２９２で示される。Ｖ相電流２８８は、図１３の電流ベクトル２９８で示される。Ｗ相電流２８Ｅは、図１３の電流ベクトル２９９で示される。前記のＵ相巻線は２８１は、電流ベクトル２９１で、同一スロットに巻回されるＶ相の負の巻線２８Ａは電流ベクトル２９９で示される。巻線２８１と２８Ａの巻回数は、通常の短節巻きでは、巻線２８２の１／２の巻回数とするが、その場合、それらの合成電流ベクトルの振幅は、電流ベクトル２９２のｃｏｓ（３０°）＝０．８６６と小さくなってしまう。巻線２８１と２８Ａとで作られる電流ベクトルの電流位相は正確に作られるが振幅が小さくなる。精密なモータを実現するためには、このスロットの巻回数と電流振幅との積を０．５×１／ｃｏｓ（３０°）＝０．５７７３５に近い値とすることが好ましい。通常の３相インバータで駆動する場合、電流振幅をＵ相だけで２種類作ることは困難であり、現実的には巻線２８１と２８Ａの巻線数を巻線２８２の巻線数の１／２倍より少し多くして０．５７７３５倍に近づける方法が有力である。

巻線２８４、２８５、２８６は負のＷ相巻線で、それぞれ並列に巻回している。Ｕ相巻線２８３は電流ベクトル２９３であり、負のＷ相巻線２８４は電流ベクトル２９４であり、それらの合成電流ベクトルは２９７である。負のＷ相巻線２８５は電流ベクトル２９５である。巻線２８７、２８８、２８ＣはＶ相巻線で、それぞれ並列に配置巻回している。Ｖ相巻線２８７は電流ベクトル２９８であり、負のＷ相巻線２８６の電流ベクトルは２９６であり、それらの合成電流ベクトルは２９５である。それらの巻線数を巻線２８２の巻線数の０．５７７３５倍に近づける方法が好ましい。その他の巻線および電流ベクトルについては同様である。

次に、本発明の参考例として、ステータコアを分割して製作する構成のモータについて説明する。
図１４のステータコア４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄは、接続点４２Ｅ、４２Ｆ、４２Ｇ、４２Ｈで磁気的に機械的に接続している。電気角で３６０°の円周方向の幅に分割しているので、電磁気的には必ずしも接続点で磁気的に繋がっている必要はない。正のＵ相巻線４２１から負のＵ相巻線４２４へ、図３の巻線１３４、１３６のように巻回する。正のＶ相巻線４２３から負のＶ相巻線４２６へ巻回する。正のＷ相巻線４２５から負のＷ相巻線４２２へ巻回する。この時、各スロット形状は、図３の１３Ｂ、図４の１４５、図５の歯形状、図６のスロットのロータ軸方向端形状の様にする。

このようにステータコアを分割することによって、各分割コアへ巻線を挿入するときの周囲の物理的制約が大幅に軽減され、巻線巻回が容易となる。例えば、四分円のコアへ巻線を巻回するので、直巻きもより容易となる。さらに、図３から図６に示したような巻線の配置とスロット形状により、巻線に張力をかけながら巻回することが可能となり、巻線占積率の向上、巻線長の短縮、コイルエンド長の短縮も可能となる。なお、巻線をステータコアへ直巻きする場合は、例えば、巻線４２１から４２４へ巻回するときに、巻線４２２、４２３のロータ軸方向のスロット側面が塞がらないように巻線の案内治具を配置することが好ましい。また、巻線４２２から４２６へ巻回する場合は、巻線が内径側へはずれないようにする案内治具が好ましい。

次に、図１４に示す分割したステータコア４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄの接続点４２Ｅ、４２Ｆ、４２Ｇ、４２Ｈの具体的な構造について図１５に示し、説明する。
図１５の下方の円形の図はステータコアをロータ軸方向から見た図で、その上方の図はその側面図であり、電磁鋼板の積層状態を示している。なお、ステータコアの内周側のスロット形状等は省略している。ステータコアの接続点４２Ｈの形状は、その部分拡大図を図１６に示すように、電磁鋼板の先端部を交互に重ね合わす配置、形状にしている。磁束が通る様子を矢印の線で示している。例えば、電磁鋼板２４０と２４１との水平方向の隙間Ｌｇｔがそれぞれの電磁鋼板間に部品精度と組立精度に関わって発生し、磁気抵抗の問題がある。しかし、図１６に示すような配置とすることにより、並列に配置される電磁鋼板との対向面積が十分に大きいので、２４３、２４４の部分のように矢印で示す磁束が隣の電磁鋼板を通ることが出来、結果として、磁路全体の平均磁気抵抗を小さくすることが出来る。

次に、これらの分割コアを機械的に結合して固定する方法について、図１７に示し、説明する。最初に、それぞれの分割された電磁鋼板を積層して分割積層コアをつくる。次に、分割積層コアに巻線を巻回する。この時は、まだ、電磁鋼板の積層は、電磁鋼板が組み合わされる部分は多少隙間が残る程度に行う。例えば、分割積層コアの外周の中央部分をレーザ溶接等で仮固定することも出来る。次に、巻線を巻回した分割積層コアを相互に組み合わせて組み立てる。最後に、分割積層コアを積層方向に適切な荷重をかけた状態で、図１７の２５１、２５２、２５３、２５４、２５５等のステータコアの外周をレーザ溶接等で固定する。このようにして、巻線の巻回が容易で、ステータの剛性も十分に得られる分割コア方式のステータを製作することが出来る。ステータの剛性は、モータのケーシングなどの都合、低振動、低騒音の観点でも重要である。また、分割コアの構成とする場合、平板の電磁鋼板材料からステータを作る歩留りがコスト上大変重要であり、材料の歩留りを改善することも容易となる。

次に、本発明の参考例として、高出力密度のモータを実現する具体的な例を図１８、図１９に示し、説明する。
図１８のモータの概略は、外径側と内径側とに２組のモータを配置した複合モータである。外径側にロータ１を配置し、内径側にロータ２を配置している。４６１、４６３、４６５、４６７、４６９はＮ極の永久磁石である。４６２、４６４、４６６、４６８、４６ＡはＳ極の永久磁石である。中間部分の外径側にステータ１を配置し、内径側にステータ２を配置している。電磁気的には、ステータ１とロータ１が作用してトルクＴ１を発生し、他方、ステータ２とロータ２が作用してトルクＴ２を発生する。ロータ１とロータ２は、機械的に連結されていて、トルク（Ｔ１＋Ｔ２）が出力トルクとなる。

図１８の構成では、同一回転位置では、ロータ１の極性とロータ２の極性が同一であり、それぞれに対向するスロットの内径側と外径側の関係が逆なので、それぞれの対向するスロットに逆方向の電流を通電した時に同一方向のトルクを発生することになる。そして、ステータ１とステータ２とは、外径側と内径側とに背中合わせに配置されているので、巻線をステータ１のスロットからステータ２のスロットへ巻回することが可能である。
４６Ｂ、４６Ｈ、４６Ｑは正のＵ相巻線であり、４６Ｅ、４６Ｌは負のＵ相巻線である。４６Ｄ、４６Ｋは正のＶ相巻線であり、４６Ｇ、４６Ｎは負のＶ相巻線である。４６Ｆ、４６Ｍは正のＷ相巻線であり、４６Ｃ、４６Ｊは負のＷ相巻線である。
前記巻線方法の場合、巻線を内外径に巻回するので、他相と巻線が分離されていて単純であり、製作も容易である。また、スロット間が近く、コイルエンドが短く、巻線抵抗が小さく、巻線材料が少なくて済む。

しかし、外径側のステータと内径側のステータとでは半径が異なるので、同一設計基準で外径側モータと内径側モータを設計すると、外径側のスロット面積が内径側のスロット面積より大きくなり、外径側スロットから直近の内径側スロットへ巻線を巻回する巻線方法の場合、外径側スロットにスペースの空きが発生する問題がある。この問題の対策として、図１８に示すように、外径側のスロット間にＵ相巻線４６Ｒ、４６ＵとＶ相巻線４６Ｓ、４６ＶおよびＷ相巻線４６Ｔ、４６Ｗを付加することが出来る。当然のことながら、外径側のモータの方が内径側のモータより出力が大きいわけであるが、そのアンバランスを前記の付加した巻線により調整することが出来る。

同時に、図１８の各巻線の配置、巻線の巻回順、各スロットの形状、絶縁紙の配置方法などは、図１、図３、図４、図５、図６で示した方法を適用できる。その結果、図１８のモータは、モータを２個複合化しただけでなく、コイルエンド部の短縮、巻線巻回の容易化と生産性向上、巻線長の短縮による抵抗低減と材料低減、巻線占積率の向上を行い、モータの高出力化、小型化、低コスト化を実現することが出来る。また、ロータは、表面磁石型のロータを示しているが、磁石内蔵型のロータあるいはリラクタンス形ロータへも適用することが出来る。

次に、図１８のモータは複合化されているので、特にステータの溶接固定が許容される部位が限定される。外周部のロータ１については、４７Ｃ、４７Ｄ、４７Ｅ、４７Ｆ、４７Ｇ、４７Ｈ、４７Ｊ、４７Ｋなど、その外周側全面を溶接することが可能であり、溶接部を通る循環電流などは発生しない。しかし、ステータ１、ステータ２については、その磁性部を通る磁束の時間変化により全ての導通ループの誘起電圧が零で、循環電流が流れないように溶接などの接合部を選ぶ必要がある。ステータ１とステータ２については、円周方向の間隔が電気角で３６０°の整数倍の点であって、電気角的に対称な点であれば、電気的な導通ループに鎖交する磁束は常に零となり、ステータコア内で循環電流が流れることはない。具体的に溶接可能な場所の例は、４７４と４７５と４７６である。これらの各点を含めて描かれる全ての導通ループは、電気角で３６０°の整数倍となり、誘起電圧は零で、循環電流は流れない。

ロータ２についても、溶接する場所は限定される。例えば、４７７と４７８と４７９であれば、電気角で３６０°のピッチであり、問題なく溶接することが出来る。
なお、溶接部位は、同一スロットの内周側であれば、図示するようにスロットの奥でなく、そのスロットの側面であっても、スロット内の漏れ磁束は小さいので許容されることが多い。また、レーザ溶接であれば正確な場所へ短時間で溶接することが容易であり、形状変化も小さいので、モータ内部の固定には好ましい。

以上、本発明で示したモータは、コイルエンド部の短縮、巻線巻回の容易化と生産性向上、巻線長の短縮による抵抗低減と材料低減、巻線占積率の向上を行い、モータの高出力化、小型化、低コスト化を実現することが出来る。また、分布巻き、あるいは短節巻きなどの構成の高精度なモータへも本発明技術を適用することが出来る。また、図１に示す集中巻きのモータは、分布巻きのモータに比較して、ステータコアと巻線との対向面積が小さいので、浮遊容量も小さく、ノイズの問題が少ないモータでもある。
また、本発明に関する種々形態の例について説明したが、本発明を種々変形も可能であり、本発明に含むものである。例えば、極数についての制約はなく、ロータの種類について表面磁石型のロータで説明したが、種々構造のロータについて適用可能である。相数についても３相に限らず、４相以上の他相モータへ展開することが出来る。

各種のトルクリップル低減技術を本発明モータへ適用することもできる。例えば、ステータ磁極、ロータ磁極の形状を周方向に滑らかにする方法、径方向に滑らかにする方法、円周方向に一部のロータ磁極を移動させて配置し、トルクリップル成分をキャンセルする方法などがある。
モータの形態についても種々形態が可能であり、ステータとロータとの間のエアギャップ形状で表現して、エアギャップ形状が円筒形であるインナーロータ型モータ、アウターロータ型モータ、エアギャップ形状が円盤状であるアキシャルギャップ型モータ等に変形できる。また、リニアモータにも変形である。また、エアギャップ形状が円筒形状をややテーパ状に変形したモータ形状も可能である。

また、本発明のモータを含む複数のモータを複合して製作することが可能である。例えば、内径側と外径側に２個のモータを配置する、あるいは、軸方向に複数のモータを直列に配置することが可能である。また、本発明モータの一部を省略して削除した構造も可能である。軟磁性体としては、通常の珪素鋼板を使用する他に、アモルファス電磁鋼板、粉状の粉末軟鉄を圧縮成形した圧粉磁心等の使用が可能である。特に小型のモータにおいては、電磁鋼板を打ち抜き加工、押り曲げ加工、鍛造加工を行うことにより３次元形状部品を形成し、前述の本発明モータの一部の形状を成すこともできる。
モータに通電する電流については、各相の電流が正弦波状の電流であることを前提に説明したが、正弦波以外の各種波形の電流で制御することも可能である。
これらの種々変形したモータについても、本発明モータの主旨の変形技術は本発明に含むものである。

本発明の実施形態である３相、４極のモータの側面図である。 本発明の参考例である３相、６極のモータの側面図である。 本発明のモータのコイルエンド近傍の縦断面図である。 本発明のモータのコイルエンド近傍の縦断面図である。 図１のモータのステータ内周面を直線展開した図である。 図１のモータのステータコア側面の部分拡大図である。 図１のモータの巻き線図である。 本発明の参考例である３相、４極のモータの側面図である。 図８のモータのコイルエンド近傍の縦断面図である。 図８のモータのコイルエンド近傍の縦断面図である。 図８のモータのステータ内周面を直線展開した図である。 本発明の参考例である３相、４極のモータの側面図である。 図１２のモータの電流ベクトル図である。 本発明の参考例である４分割したステータコアで構成する３相、８極のモータの側面図である。 ４分割したステータコアの構成を示す図である。 分割したステータコアの構成と磁束の状態を示す図である。 分割したステータコアを溶接で固定する構成を示す図である。 本発明の参考例である２組のモータを内蔵するモータの側面図である。 本発明の参考例である２組のモータを内蔵するモータのコア構成と溶接部を説明する図である。 従来モータの縦断面図である。 図２０のモータの側面図である。 図２０のモータの巻き線図である。 図２０のモータを駆動する３相インバータと巻線の結線を示す図である。 従来モータのスロット部の部分拡大図である。

符号の説明

１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９、１１ Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 歯
１０１、１０４、１０７、１０Ａ Ｕ相巻線
１０３、１０６、１０９、１０Ｃ Ｖ相巻線
１０５、１０８、１０Ｂ、１０２ Ｗ相巻線
１０Ｄ ロータのＮ極磁極
１０Ｅ ロータのＳ極磁極
１３１ ロータ
１３２ ステータコア
１３３ ロータとステータ間のエアギャップ
１３６ Ｖ相巻線のコイルエンド部
１３７ Ｗ相巻線のコイルエンド部
１４１ Ｗ相巻線
１４２、１４３、１４４ 絶縁紙
１４５ ステータコアのロータ軸方向端近傍のスロット形状
１４７ ステータコアのロータ軸方向端に付加する軟磁性体磁路
１４８ １４８が折り曲げた電磁鋼板である場合の形状例

Claims (3)

1. Ｎｎ極（Ｎｎは４の正の整数倍）のロータと、ｎ（但し、ｎ＝３×Ｎｎ）個のスロットが周方向に等ピッチに形成されたステータコアを有し、このステータコアに前記スロットを通ってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相巻線が巻装されたステータとを備えるモータであって、 Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相巻線は、それぞれロータ軸方向端で前記ステータコアの外径側を通って所定のスロットに巻回される外側巻線と、それぞれロータ軸方向端で前記ステータコアの内径側を通って所定のスロットに巻回される内側巻線とを有し、
   前記ｎ個のスロットに対し、前記ステータコアの周方向に順にスロット番号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…Ｓ（１２ｍ−１）、Ｓ１２ｍ、Ｓ（１２ｍ＋１）、Ｓ（１２ｍ＋２）、…Ｓｎを付す、但し、前記ｍは正の整数であり、１２ｍ＜（ｎ−４）の条件に適合する前記ｍの取り得る値を小さい順に適用した場合に、
   Ｕ相の外側巻線は、スロットＳ１からスロットＳ４へ巻回され、以降、スロットＳ（１２ｍ＋１）からスロットＳ（１２ｍ＋４）へ巻回され、
   Ｗ相の外側巻線は、スロットＳ５からスロットＳ８へ巻回され、以降、前記スロットＳ（１２ｍ＋５）からスロットＳ（１２ｍ＋８）へ巻回され、
   Ｖ相の外側巻線は、スロットＳ９からスロットＳ１２へ巻回され、以降、前記スロットＳ（１２ｍ＋９）からスロットＳ（１２ｍ＋１２）へ巻回され、
   Ｖ相の内側巻線は、スロットＳ３からスロットＳ６へ巻回され、以降、スロットＳ（１２ｍ＋３）からスロットＳ（１２ｍ＋６）へ巻回され、
   Ｕ相の内側巻線は、スロットＳ７からスロットＳ１０へ巻回され、以降、スロットＳ（１２ｍ＋７）からスロットＳ（１２ｍ＋１０）へ巻回され、
   Ｗ相の内側巻線は、スロットＳ（ｎ−１）からスロットＳ２へ巻回され、以降、スロットＳ（１２ｍ−１）からスロットＳ（１２ｍ＋２）へ巻回され、
   前記ステータコアの軸方向端の近傍において、前記スロットの形状がバックヨーク側へ広げた形状であり、且つ、前記ステータコアの軸方向端の近傍において、前記スロットの形状が軸方向から円周方向へ曲がった形状であり、
   それぞれの前記スロットに巻回される各巻線の相互の物理的な干渉を低減し、各スロットから前記ステータコアのロータ軸方向端へ向かって外径側にかけて各巻線を緩やかな曲線で巻回できるステータコア形状としたことを特徴とするモータ。
2. 前記ステータのコイルエンド部の外周側あるいは内周側に前記ステータコアのバックヨーク部を配置していることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記スロット内の絶縁材料ＺＺ１と前記スロット内の軸方向端の近傍の絶縁材料ＺＺ２とをスロット形状を広げた部分で重ねていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。