JP5492458B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、誘導電流を利用するモータに関する。

主発電巻線と励磁巻線を有するステータと、界磁巻線と界磁補助巻線を有するロータと、を備えるモータにおいて、ダイオードを介してステータの励磁巻線を短絡し、ロータの界磁補助巻線から界磁巻線に流れる電流を整流器で整流するブラシレス発電機が開示されている（特許文献１）。また、励磁巻線をステータに設ける代わりに、集中全節巻きされたステータの主発電巻線にリアクトルを接続した構成も開示されている（特許文献２）。また、ロータの界磁補助巻線を省略し、全節巻きされたロータの界磁巻線をダイオードを介して短絡した構成も開示されている（特許文献３）。さらに、全節巻きされたロータの界磁巻線を並列接続することで、界磁巻線に流れる界磁電流の増大を図った構成も開示されている（特許文献４）。

ここで、ステータに主発電巻線以外に励磁巻線またはリアクトルを設け、ロータにも界磁巻線以外に界磁補助巻線を設けた構造においては、巻線構造が複雑になり、小型化が困難である。また、ダイオードを介してロータの界磁巻線を短絡することで、ロータの界磁補助巻線を省略したとしても、ステータに主発電巻線以外に励磁巻線またはリアクトルが設けられている分、巻線構造が複雑化する。また、ロータの界磁巻線が全節巻であると、ロータの界磁巻線に空間高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させることが困難であり、ステータの主発電巻線以外の励磁巻線またはリアクトルを利用して、ロータの界磁巻線に空間高調波成分による誘導起電力を発生させる必要がある。

そこで、ロータ巻線に高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させてロータのトルクを効率よく増大させる構成も考えられている。例えば、図１６及び図１７に示すような構成のモータが考えられている。

ステータ５０２は、ステータコア５０と、ステータコア５０に配設された複数相（より具体的には奇数相で例えば３相）のステータ巻線５２ｕ，５２ｖ，５２ｗと、を含んで構成される。ステータコア５０には、径方向内側（ロータ５００側）へ突出した複数のティース５４が回転軸４０の周方向（以下単に周方向とする）に沿って互いに間隔をおいて配列される。各ティース５４間はスロット５６となる。各相のステータ巻線５２ｕ，５２ｖ，５２ｗは、スロット５６を通ってティース５４に短節集中巻で巻回されて構成される。複数相（３相もしくは奇数相）のステータ巻線５２ｕ，５２ｖ，５２ｗに複数相（３相もしくは奇数相）の交流電流を流すことで、周方向に並べられたティース５４が順次磁化される。これにより、ティース５４の先端面からロータ５００が配置されている空間に周方向に回転する回転磁界を形成することができる。

ロータ５００は、ロータコア４２を含んで構成される。ロータコア４２には、径方向外側（ステータ５０２側）へ突出した突極４６が回転軸４０の周方向（以下単に周方向とする）に沿って互いに間隔をおいて配列される。周方向において１つおきに配置されたロータ巻線４４ａ同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線４４ｂ同士を電気的に直列接続した構成とされる。すなわち、同じ磁極（Ｎ極）の磁石として機能する突極４６に巻装されたロータ巻線４４ａ同士を電気的に直列接続し、同じ磁極（Ｓ極）の磁石として機能する突極４６に巻装されたロータ巻線４４ｂ同士を電気的に直列接続する。このとき、周方向に隣接する（異なる磁極の磁石が形成される）突極４６に巻装されたロータ巻線４４ａ，４４ｂは、互いに電気的に分断されている。ダイオード４８ａ，４８ｂは、電気的に分断されたロータ巻線４４ａ，４４ｂの組毎に設けられ、ダイオード４８ａは、電気的に直列接続されたロータ巻線４４ａに流れる電流を整流し、ダイオード４８ｂは、電気的に直列接続されたロータ巻線４４ｂに流れる電流を整流する。ロータ巻線４４ａが巻装された突極４６とロータ巻線４４ｂが巻装された突極４６とで（周方向に隣接する突極４６同士で）異なる磁極の磁石が形成されるように、ダイオード４８ａ，４８ｂによるロータ巻線４４ａ，４４ｂの電流の整流方向を互いに逆方向にする。

また、図１７に示すよう、ロータ巻線４４ａ，４４ｂをトロイダル巻にすることもできる。ロータコア４２は環状コア部４７を含み、各突極４６は、環状コア部４７から径方向外側へ（ステータ５０２へ向けて）突出している。ロータ巻線４４ａ，４４ｂは、環状コア部４７における各突極４６付近の位置にトロイダル巻で巻装されている。

特開昭６２−２３３４８号公報 特開平４−２８５４５４号公報 特開平８−６５９７６号公報 特開平１１−２２０８５７号公報

ところで、図１６のような構成のモータでは、ロータ５００が回転すると、ロータコア４２の突極４６に集中して巻回されているロータ巻線４４ａ，４４ｂに遠心力が働き、ロータ巻線４４ａ，４４ｂが突極４６から抜け落ちてしまう可能性がある。そこで、ロータ巻線４４ａ，４４ｂの脱落を防止するために突極４６の先端部付近にロータ巻線４４ａ，４４ｂを押さえる巻線飛散防止構造を設ける必要がある。このような巻線飛散防止構造は、ロータ巻線４４ａ，４４ｂの全体の重さを支える程度に丈夫でなければならない。一般的には、図１８に示すように、突極４６の先端部の径を拡大させ、ロータ巻線４４ａ，４４ｂに対する遠心力に対抗できる程度の厚い巻線飛散防止構造４９を形成する。

ところが、巻線飛散防止構造４９が厚くなると、ロータ巻線４４ａ，４４ｂがステータ５０２とのギャップから離れた位置に配置されることになり、ロータ巻線４４ａ，４４ｂでの起磁力が低下し、誘導電流が大きく減少することになる。

また、図１７のような構成のモータでは、ロータ５００が回転した場合であっても、ロータコア４２の環状コア部４７にロータ巻線４４ａ，４４ｂが巻回されているので、ロータ巻線４４ａ，４４ｂがロータコア４２から抜け落ちてしまう可能性はない。

しかしながら、この場合も、ロータ巻線４４ａ，４４ｂがステータ５０２とのギャップから離れた位置に配置されているので、ロータ巻線４４ａ，４４ｂでの起磁力は低く、大きな誘導電流を得ることが難しい。

本発明の１つの態様は、ステータと、ロータと、を備え、前記ロータは、第１ロータ巻線と前記第１ロータ巻線とは別体の第２ロータ巻線を備え、前記第１ロータ巻線は前記第２ロータ巻線よりも前記ロータと前記ステータとのギャップに近い位置に配置されるモータである。ここで、前記第１ロータ巻線は、主に誘起起電力を発生すると共に、界磁巻線としても機能するものであることが好適である。また、前記第２ロータ巻線は、主に界磁巻線として機能するものであることが好適である。このモータは、前記ステータによって形成される磁界の空間高調波成分、特に偶数次の空間高調波成分を利用して前記第１ロータ巻線における誘起起電力を得るものであることが好適である。

ここで、前記第１ロータ巻線は、前記ロータのギャップ面での鎖交磁束に対して５０％以下４０％以上の鎖交磁束の強度となる範囲まで配置されていることが好適である。

また、前記第１ロータ巻線の巻線面積は、前記第２ロータ巻線の巻線面積よりも小さいことを特徴とするモータ。一般的なモータでは、前記第１ロータ巻線の巻線面積は、前記第１ロータ巻線と前記第２ロータ巻線との巻線面積の和の２５％以上３０％以下であることが好適である。

ここで、前記第１ロータ巻線は、複数の極に分けられ、前記第２ロータ巻線は、複数の極の前記第１ロータ巻線に共通に接続されることが好適である。

また、前記第１ロータ巻線と前記第２ロータ巻線との間に前記第２ロータ巻線の抜けを防止する巻線脱落防止部を有することが好適である。また、前記第２ロータ巻線は、前記ロータのバックヨークに巻回されていることが好適である。また、前記第１ロータ巻線は、前記ロータのロータティースに巻回されていることを特徴とするモータ。

また、前記第１ロータ巻線の巻数が、前記第１ロータ巻線と前記第２ロータ巻線の巻数の総和の２５％以上３０％以下であることが好適である。

本発明によれば、ロータ巻線の脱落を防止しつつ、高効率のモータを実現することができる。

本発明の実施の形態におけるモータの全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるモータのステータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるモータのロータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における磁界の形成を説明する図である。 本発明の実施の形態における磁界の形成を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるギャップ面からの距離に対する鎖交磁束の強度の関係を示す図である。 本発明の実施の形態における巻線面積を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるモータのロータの別構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるロータ巻線の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるロータ巻線を流れる誘導電流を示す図である。 本発明の実施の形態におけるモータのロータの別構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるロータ巻線の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるロータ巻線を流れる誘導電流を示す図である。 本発明の実施の形態におけるロータ巻線の面積比とトルク、銅損の関係を示す図である。 本発明の実施の形態におけるモータのロータの別構成を示す図である。 従来技術におけるモータの構成を示す図である。 従来技術におけるモータの構成を示す図である。 従来技術におけるモータの問題点を説明する図である。

図１〜３は、本発明の実施の形態におけるモータ１００の構成を示す。図１は、ロータ回転軸１０と平行方向から見たステータ１０２及びロータ１０４の構成の概略を示している。図２は、ステータ１０２の構成の概略を示している。図３は、ロータ１０４の構成の概略を示している。図１〜３は、ステータ１０２とロータ１０４とが回転軸１０と直交する径方向（以下単に径方向とする）において対向配置されたラジアル型の回転電機の例を示している。

ステータ１０２は、ケーシング（図示しない）に固定される。ロータ１０４は、ステータ１０２と所定の空隙を空けて、ステータ１０２に対して相対的に回転軸１０を中心軸として回転可能に対向配置される。ロータ１０４がステータ１０２の径方向内側に配置されている。

ステータ１０２は、図２に示すように、ステータコア２０と、ステータコア２０に配設された複数相（より具体的には奇数相で例えば３相）のステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗと、を含んで構成される。ステータコア２０には、径方向内側（ロータ１０４側）へ突出した複数のティース２４が回転軸１０の周方向（以下単に周方向とする）に沿って互いに間隔をおいて配列される。各ティース２４間はスロット２６となる。すなわち、ステータコア２０には、複数のスロット２６が周方向に互いに間隔をおいて形成されている。各相のステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗは、スロット２６を通ってティース２４に短節集中巻で巻回されて構成される。このように、ティース２４にステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを設けることでステータ１０２の磁極が構成される。

ロータ１０４は、図３に示すように、ロータコア１２と、ロータコア１２に配設された複数のロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆと、を含んで構成される。ロータコア１２には、径方向外側へ（ステータ１０２へ向けて）突出した複数の突極１６が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各突極１６がステータ１０２（ティース２４）と対向している。ロータ１０４においては、この突極１６により、ステータ１０２（ティース２４）からの磁束が通る場合の磁気抵抗が回転方向に応じて変化し、突極１６の位置で磁気抵抗が低くなり、突極１６間の位置で磁気抵抗が高くなる。また、周方向においてロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組とロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組が交互に並ぶように突極１６に巻装されている。図３に示すように、磁気抵抗の高い突極１６間の磁路をｄ軸磁路とし、磁気抵抗の低い突極１６の部分の磁路をｑ軸磁路とすると、各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆは、磁気抵抗の高いｄ軸磁路と磁気抵抗の低いｑ軸磁路との間に配置されている。

各突極１６に巻回されたロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組とロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組とは互いに電気的に接続されておらず絶縁されている。すなわち、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組とロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組とは別の極として作用する。各突極１６に巻回されるロータ巻線１４ａ，１４ａｆは直列に接続され、１つ置きに隣り合う突極１６に巻回されるロータ巻線１４ａ，１４ａｆとも直列に接続される。このとき、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆの直列回路は少なくとも１つのダイオード１８ａ（整流素子）で接続されている。また、各突極１６に巻回されるロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆは直列に接続され、１つ置きに隣り合う突極１６に巻回されるロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆとも直列に接続される。このとき、ロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの直列回路は少なくとも１つのダイオード１８ｂ（整流素子）で接続されている。本実施形態では、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１４ａ，１４ａｆ同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆ同士を電気的に直列接続している。つまり、同じ磁極（Ｎ極）の磁石として機能する突極１６に巻装されたロータ巻線１４ａ，１４ａｆ同士を電気的に直列接続し、同じ磁極（Ｓ極）の磁石として機能する突極１６に巻装されたロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆ同士を電気的に直列接続している。言い換えると、周方向に隣接する（異なる磁極の磁石が形成される）突極１６に巻装されたロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組とロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組は、互いに電気的に分断されている。ダイオード１８ａ，１８ｂは、電気的に分断されたロータ巻線１４ａ，１４ｂ毎に（２つ）設けられており、ダイオード１８ａは、電気的に直列接続されたロータ巻線１４ａ，１４ａｆに流れる電流を一方向に整流し、ダイオード１８ｂは、電気的に直列接続されたロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆに流れる電流を一方向に整流する。ここでは、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆが巻装された突極１６とロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆが巻装された突極１６とで（周方向に隣接する突極１６同士で）異なる磁極の磁石が形成されるように、ダイオード１８ａ，１８ｂが互いに逆向きに接続され、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆとロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの電流の整流方向を互いに逆方向にする。

本実施の形態では、ロータ巻線１４ａ，１４ｂは、主に誘起電流を励起する作用をもたらすような構成とする。また、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは、主に誘起電流に伴って磁界を形成する作用をもたらすような構成とする。

具体的には、ロータ巻線１４ａ，１４ｂは突極１６のステータ１０２とのギャップ近傍側に巻回され、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆはロータ巻線１４ａ，１４ｂよりもステータ１０２から離れた位置に、ロータ巻線１４ａ，１４ｂとは分割して巻回される。

ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは、突極１６に設けられた巻線脱落防止部１６ａによって、ロータ１０４の回転に伴う遠心力で脱落しないように係止されている。例えば、各突極１６の突出方向の中間部に、突極１６の周方向に巻線脱落防止部１６ａとなる突出部を設けることが好適である。ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆを、各突極１６の根元から巻線脱落防止部１６ａの間に巻回することによって、ロータ１０４が回転した際にもロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆが遠心力で脱落することを防ぐことができる。

本実施形態では、周方向に関する各突極１６の幅がロータ１０４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定されている。そして、周方向に関する各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの幅θはロータ１０４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定されており、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組及びロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組はそれぞれ各突極１６に短節巻で巻装されている。ここでのロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの幅θについては、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの断面積を考慮して、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの断面の中心幅で表すことができる。つまり、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの内周面の幅と外周面の幅との平均値でロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの幅θを表すことができる。

なお、ロータ１０４の電気角は、ロータ１０４の機械角にロータ１０４の極対数ｐ（図３に示す例ではｐ＝４）を乗じた値で表される（電気角＝機械角×ｐ）。そのため、周方向に関する各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの幅θは、回転軸１０の中心からロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆまでの距離をｒとすると、以下の（１）式を満たす。
θ＜π×ｒ／ｐ （１）

ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆへの鎖交磁束の振幅（変動幅）は、周方向に関するロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの幅θにより影響を受ける。コイル幅θが１８０°から減少するにつれてロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆへの鎖交磁束の変動幅は増大するため、コイル幅θを１８０°よりも小さくする、つまりロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆを短節巻とすることで、全節巻と比較して、空間高調波による鎖交磁束の振幅を増大させることができる。

本実施形態では、周方向に関する各突極１６の幅を電気角で１８０°に相当する幅よりも小さくし、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆを各突極１６に短節巻で巻装することで、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させている。そのため、空間高調波を利用してロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆに誘導電流を効率よく発生することができ、誘導電流により各突極１６に発生する磁石の磁束を効率よく増大させることができる。その結果、ロータ１０４に作用するトルクを効率よく増大させることができる。さらに、ステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ以外の種類の巻線（例えば特許文献１〜４における励磁巻線やリアクトル）をステータ１０２に設けることなく、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆに空間高調波による誘導起電力を効率よく発生させることができるので、ステータ１０２に設ける巻線を１種類（ステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗのみ）に簡略化することができ、ステータ１０２の巻線構造を簡略化することができる。そして、誘導起電力に伴って生じる誘導電流をダイオード１８ａ，１８ｂで整流することで、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆ以外の種類の巻線（例えば特許文献１，２における界磁補助巻線）をロータ１０４に設けることなく、ロータ１０４（各突極１６）に磁極が固定された磁石を発生させることができる。その結果、モータ１００の巻線構造を簡略化することができ、モータ１００の小型化が可能となる。

また、コイル幅θが９０°の場合に、空間高調波による鎖交磁束の振幅が最大となる。したがって、本実施形態において、空間高調波によるロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆへの鎖交磁束の振幅をより増大させるためには、周方向に関する各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの幅θがロータ１０４の電気角で９０°に相当する幅に等しい（あるいはほぼ等しい）ことが好ましい。そのため、周方向に関する各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの幅θは、以下の（２）式を満たす（あるいはほぼ満たす）ことが好ましい。
θ＝π×ｒ／（２×ｐ） （２）

このように、周方向に関する各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの幅θを電気角で９０°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することで、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にすることができ、誘導電流により各突極１６に発生する磁石の磁束を最も効率よく増大させることができる。その結果、ロータ１０４に作用するトルクをさらに効率よく増大させることができる。

次に、本実施の形態におけるモータ１００の動作について説明する。複数相（３相もしくは奇数相）のステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに複数相（３相もしくは奇数相）の交流電流を流すことで、周方向に並べられたティース２４が順次磁化される。これにより、ティース２４の先端面からロータ１０４が配置されている空間に周方向に回転する回転磁界を形成することができる。図２に示す例では、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗが装着された３つのティース２４の各々に１つの極対が構成されるので、４極３相のステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗが各ティース２４に巻装され、ステータ１０２の極対数が４極対となる。

ステータ１０２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの配置や、ティース２４及びスロット２６によるステータコア２０の形状に起因して、（基本波のみの）正弦波分布にはならず、高調波成分を含むものとなる。特に、集中巻においては、各相のステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１０２の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。以下の説明では、ステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの配置やステータコア２０の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分を空間高調波とする。

３相のステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに３相の交流電流を流すことでティース２４に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１０４に作用する。ティース２４に形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ１０４の各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆに鎖交すると、各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆには、空間高調波成分によりロータ１０４の回転周波数（回転磁界の基本波成分）と異なる周波数の磁束変動が生じる。

ロータコア１２はロータヨークを介して磁気的に繋がっているので、図４（ａ）の矢印で示すように、ロータ１０４への鎖交磁束の大部分は互いに打ち消しあう。ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆが巻回されていなければ、図４（ｂ）の矢印で示すように、ロータ１０４の突極１６間の空間に漏れ出す磁束のみが発生する。

実際には、漏れ磁束が発生する空間にはロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆが巻回されているので、この漏れ磁束の変動によって、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆに誘導起電力が発生する。ロータ巻線１４ａ，１４ａｆにダイオード１８ａの整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆが巻装された突極１６が磁化することで、この突極１６が磁極の固定された磁石（磁極部）として機能する。同様に、ロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆにダイオード１８ｂの整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆが巻装された突極１６が磁化することで、この突極１６が磁極の固定された磁石（磁極部）として機能する。周方向に隣接するロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組とロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組とで直流電流の方向が互いに逆方向であるため、周方向に隣接する突極１６同士で磁化方向が互いに逆方向となって異なる磁極の磁石が形成され、周方向において突極１６の磁極が交互する。ここでは、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆが巻装された突極１６にＮ極が形成され、ロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆが巻装された突極１６にＳ極が形成されるように、ダイオード１８ａ，１８ｂによるロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組，ロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組の電流の整流方向をそれぞれ設定する。これによって、周方向においてＮ極とＳ極が交互に並ぶように、ロータ１０４の各突極１６が磁化される。そして、周方向に隣接する２つの突極１６（Ｎ極及びＳ極）により、１つの極対が構成される。図３に示す例では、８極の突極１６が形成されており、ロータ１０４の極対数が４極対である。したがって、図１〜３に示す例では、ステータ１０２の極対数とロータ１０４の極対数がいずれも４極対で、ステータ１０２の極対数とロータ１０４の極対数が等しい。ただし、ステータ１０２の極対数及びロータ１０４の極対数は、いずれも４極対以外であってもよい。

そして、各突極１６（磁極が固定された磁石）の磁界がティース２４の回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このティース２４の回転磁界（基本波成分）と突極１６（磁石）の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）によっても、ロータ１０４にトルク（磁石トルクに相当するトルク）を作用させることができ、ロータ１０４がステータ１０２で形成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。このように、本実施形態に係るモータ１００を、ステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗへの供給電力を利用してロータ１０４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。一方、本実施形態に係るモータ１００を、ロータ１０４の動力を利用してステータ巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに電力を発生させる発電機として機能させることもできる。

図６に、ティース２４とのギャップに面するロータ１０４の突極１６のギャップ面Ａ（突極１６の先端）からの距離に対するロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆとの鎖交磁束振幅の関係を示す。奇数次の空間高調波成分の鎖交磁束振幅（図中、四角及び太破線で示す）は、ギャップ面Ａからの距離に対して大きく減少しない。一方、偶数次の空間高調波成分の鎖交磁束振幅（図中、丸及び太実線で示す）は、ギャップ面Ａで最も高く、ギャップ面Ａからの距離に対して急激に減少する。

したがって、偶数次の空間高調波成分を利用する場合、ロータ１０４の突極１６のギャップ面Ａに近いロータ巻線１４ａ，１４ｂは鎖交磁束が大きく、ロータ巻線１４ａ，１４ｂに主として誘導起電力が発生する。一方、ロータ１０４の突極１６のギャップ面Ａから遠いロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは鎖交磁束が小さく、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは誘導起電力の発生に対する役割が小さい。すなわち、ロータ巻線１４ａ，１４ｂは誘導電流を誘起すると共に電磁石として磁束を生成する役割を果たし、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは誘導電流の誘起への寄与は小さく、ロータ巻線１４ａ，１４ｂで誘起された誘導電流によって磁束を生成する役割が主となる。

本実施の形態におけるモータ１００は、このような偶数次の空間高調波成分の鎖交磁束振幅の特性を利用して、ロータ巻線１４ａ，１４ｂのみをロータ１０４の突極１６のギャップ面Ａに近い領域に配置し、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは巻線脱落防止部１６ａを挟んで突極１６の根元側に配置する。

これによりロータ巻線１４ａ，１４ｂにおける誘導機電力の発生及びロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆによる起磁力を維持しつつ、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆに対するロータ１０４の回転に伴う遠心力による突極１６からの抜けを防止することができる。また、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆが巻線脱落防止部１６ａによって押さえられているので、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆに掛かる遠心力がロータ巻線１４ａ，１４ｂへ伝わることがなく、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの突極１６からの抜けも抑制される。

なお、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの突極１６からの脱落をより防止するために、ロータ巻線１４ａ，１４ｂを樹脂等で突極１６に固定する等の方法を併用してもよい。

ここで、ロータ巻線１４ａ，１４ｂとロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆとの配分比を最適化すれば、誘導機電力の低下を最小限に抑えつつ、上記効果を得ることができる。図６に示すように、突極１６の先端（ギャップ面Ａ）から、突極１６の先端（ギャップ面Ａ）での鎖交磁束に対して５０％以下４０％以上の鎖交磁束の強度となる範囲までロータ巻線１４ａ，１４ｂを配置することが好適である。

これは、一般的なモータの構成では、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの巻線面積がロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの総巻線面積の２５％以上３０％以下とすることに相当する。また、巻数比では、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの巻数がロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの総巻数の２５％以上３０％以下とすることが好適である。ここで、巻線面積とは、図７に示すように、ロータ１０４を回転軸１０に対して直交する面で切断したときの断面における巻線の占める面積をいう（図中、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの巻線面積をハッチングで示す）。従来技術のモータでは、ロータ巻線１４ａ，１４ｂとは分割されたロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは設けられていないので、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの巻線面積比は１００％となる。

次に、他の構成例について説明する。図８に示すように、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆをトロイダル巻にしたモータとすることもできる。この場合、ロータコア１２は環状コア部１７を含み、各突極１６は、環状コア部１７から径方向外側へ（ステータ１０２へ向けて）突出している。ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは、環状コア部１７における各突極１６付近の位置にトロイダル巻で巻装されている。この構成においても、ステータ１０２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界が突極１６の先端部に巻回されたロータ巻線１４ａ，１４ｂに鎖交することで、各ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆに各ダイオード１８ａ，１８ｂで整流された直流電流が流れ、各突極１６が磁化する。その結果、ロータ巻線１４ａ付近に位置する突極１６がＮ極として機能し、ロータ巻線１４ｂ付近に位置する突極１６がＳ極として機能する。その際には、周方向に関する各突極１６の幅θをロータ１０４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定することで、ロータ巻線１４ａ，１４ｂに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。さらに、ロータ巻線１４ａ，１４ｂに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にするためには、周方向に関する各突極１６の幅θを、ロータ１０４の電気角で９０°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することが好ましい。なお、図８では、周方向に隣接するロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組とロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆを互いに電気的に分断し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組同士を電気的に直列接続した例を示している。

図９に、図１〜３に示したモータ及び図８に示したモータにおけるロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの等価回路を示す。ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆをギャップ面Ａから離した位置に配置することになるため、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆでの起電力は期待できなくなり、その分だけ誘導電流が減少し、トルクがわずかながら低下する。

また、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆには、ダイオード１８ａ，１８ｂで半波整流された誘導電流が流れる。図１０に、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組とロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組とに流れる誘導電流の時間的変化をそれぞれ示す。図１０では、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組に流れる電流を実線で示し、ロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組に流れる電流を破線で示す。ロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組に流れる誘導電流及びロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組に流れる誘導電流にはそれぞれ電流が流れない期間が存在する。この期間では、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆの組及びロータ巻線１４ｂ，１４ｂｆの組のそれぞれによる起磁力も弱まり、モータ全体としてのトルクが上がらないことになる。

そこで、図１１に示すように、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆをロータ巻線１４ａからなる回路とロータ巻線１４ｂからなる回路に独立に接続するのでなく、共通に接続する構成を有するモータとすることが好適である。

図１１の構成では、ロータ１０４のロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの機械的な構成は同様であるが、その電気的な接続方法が異なる。隣り合う突極に巻回されているロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは互いに直列に接続される。１つ置きに隣り合う突極１６に巻回されたロータ巻線１４ａはダイオード１８ａを介して直列に接続され、その直列接続とロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆの直列接続とが直列に接続される。また、１つ置きに隣り合う突極１６に巻回されたロータ巻線１４ｂはダイオード１８ａとは逆向きのダイオード１８ｂを介して直列に接続され、その直列接続とロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆの直列接続とが直列に接続される。

図１２に、図１１のロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの等価回路を示す。ロータ１０４において主に磁束を発生させるロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆがロータ巻線１４ａの組からなる回路とロータ巻線１４ｂの組からなる回路に共通に接続されている。したがって、ロータ巻線１４ａで発生する誘導電流とロータ巻線１４ｂで発生する誘導電流とが共通にロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆに流れることになる。すなわち、図１３に実線で示すように、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆに流れる電流はロータ巻線１４ａとロータ巻線１４ｂにおいて発生する誘導電流の和となる。これにより、ロータ１０４における起磁力の時間的変動（脈動）を低減することができる。その結果、モータ全体としてのトルクも向上させることができる。

この場合も、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆのコイル幅θの電気角は１８０°より小さく、９０°に近い値とすることが好適である。

また、突極１６の先端での鎖交磁束に対して５０％以下４０％以上の鎖交磁束の強度となる範囲までロータ巻線１４ａ，１４ｂを配置することが好適である。

このような条件を満たすためには、ロータ巻線１４ａ，１４ｂとロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆとで同じ断面積の巻線を使用する場合、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの巻数がロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの総巻数の２５％以上３０％以下とすることが好適である。この場合、ロータ巻線１４ａ，１４ｂとロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆの巻線内の最大電流密度は同一となる。

また、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの巻線面積がロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの総巻線面積の２５％以上３０％以下となるようにすることが好適である。特に、ロータ巻線１４ａ，１４ｂとロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆとで異なる断面積の巻線を使用する場合においては巻線面積比を上記範囲とすることが好適である。ただし、巻線内の電流密度をロータ巻線１４ａ，１４ｂとロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆとにおいて揃えるために巻数及び等価回路の直並列を変更して調整することが好適である。具体的には、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆに対して、断面積が１／２倍のロータ巻線１４ａ，１４ｂを用いる場合、ロータ巻線１４ａ，１４ｂを２つ並列にしてロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆに接続する。

図１４（ａ），（ｂ）に、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの巻線面積比に対するモータの出力トルク及び巻線の銅損の関係を示す。図１４（ａ），（ｂ）に示すように、ロータ巻線１４ａ，１４ｂの巻線面積比を２５％以上３０％以下とすることによって、モータ１００のトルクを５％程度増加させ、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆにおける銅損を１０％程度低減することができる。これは、突極１６の先端（ギャップ面Ａ）から鎖交磁束が５０％に低下する位置までロータ巻線１４ａ，１４ｂを設けなかった場合、ロータ巻線１４ａ，１４ｂにおける誘導起電力が十分でなくなり、モータ１００のトルクが大幅に減少してしまい、突極１６の先端（ギャップ面Ａ）から鎖交磁束が４０％より低下する位置を越えてロータ巻線１４ａ，１４ｂを設けた場合、ロータ巻線１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆの銅損の影響が大きくなり、モータ１００の効率が低下してしまうからである。

また、図１５に示すように、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆをトロイダル巻にしたモータしてもよい。図８と同様に、ロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆはロータコア１２の環状コア部１７にトロイダル巻で巻回され、ロータ巻線１４ａ，１４ｂは環状コア部１７から突出している突極１６に巻回されている。ここでも、隣り合うロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆは互いに直列に接続される。１つ置きに隣り合う突極１６に巻回されたロータ巻線１４ａはダイオード１８ａを介して直列に接続され、その直列接続とロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆの直列接続とが直列に接続される。また、１つ置きに隣り合う突極１６に巻回されたロータ巻線１４ｂはダイオード１８ａとは逆向きのダイオード１８ｂを介して直列に接続され、その直列接続とロータ巻線１４ａｆ，１４ｂｆの直列接続とが直列に接続される。

以上の実施形態の説明では、ステータ１０２とロータ１０４とが回転軸１０と直交する径方向において対向配置されているものとした。ただし、ステータ１０２とロータ１０４とが回転軸１０と平行方向（回転軸方向）において対向配置されたアキシャル型のモータであってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 回転軸、１２ ロータコア、１４ａ，１４ａｆ，１４ｂ，１４ｂｆ ロータ巻線、１６ 突極、１６ａ 巻線脱落防止部、１７ 環状コア部、１８ａ，１８ｂ ダイオード、２０ ステータコア、２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ ステータ巻線、２４ ティース、２６ スロット、４０ 回転軸、４２ ロータコア、４４ａ，４４ｂ ロータ巻線、４６ 突極、４７ 環状コア部、４８ａ，４８ｂ ダイオード、４９ 巻線飛散防止構造、５０ ステータコア、５２ｕ，５２ｖ，５２ｗ ステータ巻線、５４ ティース、５６ スロット、１００ モータ、１０２ ステータ、１０４ ロータ、５００ ロータ、５０２ ステータ。

Claims (10)

1. ステータと、ロータと、を備え、
   前記ロータは、第１ロータ巻線と前記第１ロータ巻線とは別体の第２ロータ巻線を備え、前記第１ロータ巻線は前記第２ロータ巻線よりも前記ロータと前記ステータとのギャップに近い位置に配置され、
   前記第１ロータ巻線は、複数の極に分けられ、
   前記第２ロータ巻線は、複数の極の前記第１ロータ巻線に共通に接続されることを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータであって、
   前記第１ロータ巻線は、前記ロータのギャップ面での鎖交磁束に対して５０％以下４０％以上の鎖交磁束の強度となる範囲まで配置されていることを特徴するモータ。
3. 請求項１に記載のモータであって、
   前記第１ロータ巻線の巻線面積は、前記第２ロータ巻線の巻線面積よりも小さいことを特徴とするモータ。
4. 請求項１に記載のモータであって、
   前記第１ロータ巻線の巻線面積は、前記第１ロータ巻線と前記第２ロータ巻線との巻線面積の和の２５％以上３０％以下であることを特徴とするモータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のモータであって、
   前記第１ロータ巻線と前記第２ロータ巻線との間に前記第２ロータ巻線の抜けを防止する巻線脱落防止部を有することを特徴とするモータ。
6. 請求項４に記載のモータであって、
   前記第２ロータ巻線は、前記ロータのバックヨークに巻回されていることを特徴とするモータ。
7. 請求項４に記載のモータであって、
   前記第１ロータ巻線は、前記ロータのロータティースに巻回されていることを特徴とするモータ。
8. 請求項４に記載のモータであって、
   前記第１ロータ巻線の巻数が、前記第１ロータ巻線と前記第２ロータ巻線の巻数の総和の２５％以上３０％以下であることを特徴とするモータ。
9. ステータと、ロータと、を備え、
   前記ロータは、第１ロータ巻線と前記第１ロータ巻線とは別体の第２ロータ巻線、及び、第３ロータ巻線と前記第３ロータ巻線とは別体の第４ロータ巻線、を備え、
   前記第１ロータ巻線は前記第２ロータ巻線よりも前記ロータと前記ステータとのギャップに近い位置に配置され、前記第１ロータ巻線は第１ダイオードを介して第１閉回路となるように接続され、
   前記第３ロータ巻線は前記第４ロータ巻線よりも前記ロータと前記ステータとのギャップに近い位置に配置され、前記第３ロータ巻線は第２ダイオードを介して第２閉回路となるように接続され、
   前記第１閉回路と前記第２閉回路とは互いに独立しており、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードは、前記第１ロータ巻線が巻回されたロータティースと、前記第３ロータ巻線が巻回されたロータティースと、が異なる極に励磁されるように接続されており、前記第１ロータ巻線が巻回されたロータティースと、前記第３ロータ巻線が巻回されたロータティースと、が異なる極に励磁されることを特徴とするモータ。
10. 請求項９に記載のモータであって、
    前記第１ロータ巻線及び前記第３ロータ巻線は、複数の極に分けられ、
    前記第２ロータ巻線及び前記第４ロータ巻線は、複数の極の前記第１ロータ巻線及び前記第３ロータ巻線に共通に接続されることを特徴とするモータ。
    

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