JP6223896B2 - スイッチトリラクタンスモータ - Google Patents

Description

本発明は、モータに関し、特に、スイッチトリラクタンスモータに関する。

交流モータは、従来、直流モータと比較して速度制御や出力制御が難しいと言われてきたが、この点は、近年のパワーエレクトロニクスによる制御技術の発達によって解消され、交流モータは、種々の用途で使用されるようになってきている。

このようなモータの一つに、スイッチトリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ、以下、「ＳＲモータ」と略記する）がある。このＳＲモータは、ステータおよびロータ共に、突極構造を有し、ステータの励磁コイルにロータの位置情報に基づいて電流を供給することで生じる磁気吸引力によって回転運動する。

このＳＲモータの一つとして、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。このＳＲモータは、回転軸と、回転軸に接続されこの回転軸と共に回転する回転子（ロータ）と、回転子を回転方向に囲む励磁コイルと、励磁コイルを保持する固定子（ステータ）と、を備える。そして、回転子と固定子とは、例えば、等方的な所定の磁気特性（透磁率）を有するように、電気絶縁膜で被覆された軟磁性体粉末をプレス成形によって圧縮して固めることで形成されている。

このＳＲモータでは、励磁コイルに電流が供給されて励磁した場合における回転子と固定子との間の磁気抵抗に起因する磁気吸引力によって回転体に回転トルクが生じ、この回転トルク（回転動力）が回転子に接続された回転軸を通じて外部に出力される。

特開２０１２−１２０３４２号公報

ところで、このようなＳＲモータの励磁コイルとして、いわゆるシングルパンケーキ巻きのコイルが用いられ、ステータとして、前記励磁コイルを包み込むポッド型構造が採用された場合、シングルパンケーキ巻きの励磁コイルにおける最内周の帯状導体の端部からリード線をステータの外部へ、磁束線を乱さぬ程度の必要最小径の貫通孔径から口出しするために、シングルパンケーキ巻きの励磁コイルにおける帯状導体の端部分を直角に折り返して複数回折り畳むという、自動化し難い生産性の悪い工程が必要とされる。

また、モータ一般の問題として、高効率化が要望される。その実現のために、ジュール損失を下げる、すなわち、直流抵抗を下げるために、励磁コイルの導体を並列２枚重ねで構成することで、導体断面積を増大させることが考えられる。しかしながら、この場合、実効導体断面積は、２倍になるものの、両端で結合された２つの導体によって形成されるループを交流磁束線が貫くこととなり、誘導起電力が生じる。この結果、前記誘導起電力によって渦電流が流れ、損失が発生してしまう。一方、同一の励磁コイルの断面積において、同一の厚さの導体を２枚重ねて励磁コイルを構成すると、その巻数が半減し、この結果、モータの主性能であるトルクも巻数の２乗に比例して減少してしまう。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、帯状の導体を２枚重ねてパンケーキ巻きしても、渦電流の発生を抑制しつつ、生産性を改善できるスイッチトリラクタンスモータを提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかるスイッチトリラクタンスモータは、回転子と、前記回転子を回転方向に囲む励磁コイルと、前記励磁コイルを収納する固定子とを備え、前記励起コイルは、１相で、軸方向で互いに積層された第１および第２コイル部を備え、前記第１コイル部は、２つの帯状の第１および第２導体における長手方向の一方部分を、絶縁層を挟んで前記第１導体の厚さ方向の一方面側に前記第２導体が配置された状態で巻枠にパンケーキ状に巻回成形することにより形成され、前記第２コイル部は、前記第１および第２導体における長手方向の残余部分を、絶縁層を挟んで前記第１導体の厚さ方向の他方面側に前記第２導体が配置された状態で前記巻枠にパンケーキ状に巻回成形することにより形成され、前記第１導体と前記第２導体とは、前記巻枠を介してクロス状で互いに対向して前記巻枠に固定されており、前記第１および第２導体それぞれは、駆動周波数に対応したスキンデプス以下の厚さであることを特徴とする。

このようなスイッチトリラクタンスモータは、第１導体と第２導体とを２枚重ねにすることで、例えば１つの導体を同じ径の１つのシングルパンケーキ巻に成形した励磁コイルに比べて巻数が半減するが、第１コイル部と第２コイル部とを形成した、いわゆるダブルパンケーキ巻に形成することで２段の直列となって倍化して、励磁コイル全体の巻数は、不変となる。一方、導体断面積も、上記の１つのシングルパンケーキ巻の励磁コイルに比べてダブルパンケーキ巻に形成することによって半減するが、並列２枚重ねによって倍化して不変となる。したがって、同じ寸法形状という制約条件では、上記スイッチトリラクタンスモータは、第１および第２導体の２枚重ねのダブルパンケーキ巻とすることで、励磁コイル全体の巻数および導体断面積を不変にしつつ、第１および第２導体における両端部分をダブルパンケーキ巻の最外周に位置させることができ、シングルパンケーキ巻に較べて口出しが簡単となる。このため、シングルパンケーキ巻では、帯状導体の端部分を直角に折り返して複数回折り畳むという、自動化し難い生産性の悪い前記工程が不要となり、上記スイッチトリラクタンスモータは、生産性を改善できる。そして、上記スイッチトリラクタンスモータは、ダブルパンケーキ巻としつつ、軸方向に積層された上下で第１および第２導体の厚み方向の配置を逆転させるので、上下で第１導体による前記励磁コイルおよび第２導体による前記励磁コイルそれぞれに生じる各誘導起電力が相殺することになり、渦電流を効果的に抑制できる。さらに、上記スイッチトリラクタンスモータは、第１および第２導体それぞれがスキンデプス以下の厚さであるので、第１および第２導体それぞれで生じる渦電流をさらに効果的に抑制できる。したがって、このようなスイッチトリラクタンスモータは、帯状の導体を２枚重ねてパンケーキ巻きしても、渦電流の発生を抑制しつつ、生産性を改善できる。

また、他の一態様では、これら上述のスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記固定子は、絶縁膜被覆金属粉末であって強磁性の金属粉末を加圧して固めた圧粉体から成ることを特徴とする。

このようなスイッチトリラクタンスモータは、圧粉体が等方磁性かつ大きい比抵抗を持つため、固定子内に生じる渦電流損を抑制できる。

また、他の一態様では、これら上述のスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記固定子は、周方向に分割された複数の分割固定子から成ることを特徴とする。

このようなスイッチトリラクタンスモータでは、分割固定子により、固定子への励磁コイル装着の組み立てが容易となり、しかも、外部へ直接励磁コイル発熱を逃がすことができる。また、このようなスイッチトリラクタンスモータでは、組立後や稼動時の励磁コイル異常が目視確認もできる。

本発明にかかるスイッチトリラクタンスモータは、帯状の導体を２枚重ねてパンケーキ巻きしても、渦電流の発生を抑制しつつ、生産性を改善できる。

実施形態におけるＳＲモータの構成を示す一部切り欠き断面斜視図である。 前記ＳＲモータにおけるステータの構成を示す一部切り欠き断面斜視図である。 前記ＳＲモータに用いられる第１態様の励磁コイルの構成を示す断面図である。 前記第１態様の励磁コイルの模式図である。 各種金属材料のスキンデプス（表皮厚み）を周波数の関数として表したグラフである。 前記第１態様の励磁コイルに用いられる第１導体と第２導体とを巻枠に巻回する前の説明図である。 前記第１態様の励磁コイルの製造方法における第１導体と第２導体とを巻枠に巻回し始めた状態の説明図である。 前記第１導体と前記第２導体とを巻枠に巻回している途中の状態の説明図である。 前記第１導体と前記第２導体とを巻枠に巻回成形し終えた状態の斜視図である。 前記ＳＲモータに用いられる励磁コイルの等価回路を示す図である。 比較例の励磁コイルの等価回路を示す図である。 実施形態のＳＲモータにおける第２態様の励磁コイルの断面図である。 実施形態のＳＲモータにおける第３態様の励磁コイルの断面図である。 他の実施形態におけるＳＲモータの上面図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

ＳＲモータは、構造の観点から、ラジアルギャップ型のＳＲモータとアキシャルギャップ型のＳＲモータとに大別され、本実施形態は、いずれの型のＳＲモータでもよいが、ここでは、一例として、ラジアルギャップ型のＳＲモータについて説明する。

図１は、実施形態におけるＳＲモータの構成を示す一部切り欠き断面斜視図である。図２は、前記ＳＲモータにおけるステータの構成を示す一部切り欠き断面斜視図である。図１および図２では、ＳＲモータおよびステータは、その内部構造が分かるように、その一部が切り欠かれた状態で図示されている。

実施形態におけるラジアルギャップ型のＳＲモータＭは、例えば、図１において、非回転部分であるステータ（固定子）ＳＴと、ステータＳＴと相対回転可能な、回転部分であるロータ（回転子）ＲＴと、ロータＲＴを回転方向に囲み、ステータＳＴに収納される励磁コイル１０、１０とを備える。これらステータＳＴとロータＲＴとは、径方向に所定の間隔を空けて配置されている。

ロータＲＴは、ロータ本体１２１と、複数のロータ側磁極部１２４とを備え、さらに、図１に示す例では、出力軸１２２と、軸受け部材１２３とを備える。

出力軸１２２は、ロータＲＴの回転力（回転トルク）を外部に取り出すためにロータ本体１２１に取り付けられた回転軸（出力軸、シャフト）である。出力軸１２２は、例えば、円柱状の棒状のロッド部材であり、ロータ本体１２１の軸芯と出力軸の軸芯とが一致するように、ロータ本体１２１に固定されている。

軸受け部材１２３は、出力軸１２２を残してステータＳＴおよびロータＲＴを囲う図略のケーシングに取り付けられ、前記ケーシングに対し、出力軸１２２を回転可能に支持する部材であり、例えば、ベアリング等である。

ロータ本体１２１は、ロータ側磁極部１２４とステータＳＴに設けられる後述のステータ側磁極部１１２との磁気的な相互作用によって、出力軸１２２と共に軸心Ｃ周りに回転する円板状あるいは円柱状の部材であり、磁性材料によって形成されている。

各ロータ側磁極部１２４は、ステータＳＴに設けられる後述の励磁コイル２が励磁した状態でロータ本体１２１が回転した場合に各ステータ側磁極部１１２との間の磁気抵抗の増減が繰り返される形状を有し、磁性材料によって形成されている。より具体的には、各ロータ側磁極部１２４は、軸心Ｃ方向に沿って延びかつ径方向外側に突出する突条形状を有し、これら複数のロータ側磁極部１２４は、ロータ本体１２１の外周面に周方向（回転方向）に所定の間隔を空けて並設するようにそれぞれ設けられている。これらロータ側磁極部１２４は、図１に示す例では、周方向に等間隔で６個である。各ロータ側磁極部１２４は、その先端に、軸心Ｃ方向視においてステータ側磁極部１１２の磁極面１１３と対応する（平行な）円弧状であって、径方向外側に突出する磁極面（ロータ側磁極面）１２５を有する。すなわち、ロータ側磁極面１２５は、径方向視において、径方向外側に凸の突曲面である。また、各ロータ側磁極部１２４の各磁極面１２５は、軸心Ｃ方向視において、出力軸１２２と同心となる共通（同一）の円周上に位置している。

ステータＳＴは、ステータ本体１１１と、複数のステータ側磁極部１１２と、２相に応じた２個の第１系および第２系励磁コイル２（２−１、２−２）とを備える。なお、本実施形態では、２相としたが、１相でも良く、また３相以上であっても良い。また、ステータＳＴは、１相のコアを複数並べる形態であって良く、例えば、中段のコアを２つに割って、断面コ字型コア（Ｕ字型コア）を軸方向に複数並べる形態であって良い。

ステータ本体１１１は、環状の各励磁コイル２−１、２−２を保持する例えば筒状の部材であり、磁性材料によって形成されている。この筒状のステータ本体１１１は、ロータＲＴをその回転方向に囲むと共に、その内側（軸心Ｃ側）に各励磁コイル２−１、２−２を収納（収容）する。また、ステータ本体１１１には、各励磁コイル２−１、２−２における後述の口出し部２１ｄ、２２ｄ；２１ｅ、２２ｅを内部から外部へ引き出すための口出し孔がその周面に貫通形成されている。

励磁コイル２は、電力の供給を受けることによって磁場を生成する巻線である。励磁コイル２は、本実施形態では、２相で構成されており、より具体的には、出力軸１２２の軸心Ｃ方向に並ぶようにステータ本体１１１に２個配設されている。各励磁コイル２−１、２−２は、環形状を有し、その芯部をロータＲＴが挿通するように、そして、各励磁コイル２−１、２−２の軸とロータＲＴの軸とが一致するように、配置される。この各励磁コイル２−１、２−２は、当該ＳＲモータＭを駆動させるために電流が供給されて励磁した場合に、スイッチトリラクタンス方式よってステータＳＴとロータＲＴとの間の磁気抵抗に基づく回転力をロータＲＴに生じさせる。励磁コイル２−１は、第１相の第１系励磁コイルの一例であり、励磁コイル２−２は、第２相の第２系励磁コイルの一例である。これら各励磁コイル２−１、２−２のより詳細な構成は、後述する。

各ステータ側磁極部１１２は、励磁コイル２（２−１、２−２）が励磁した状態でロータ本体１２１が回転した場合に、ロータ側磁極部１２４との間の磁気抵抗の増減が繰り返される形状を有し、磁性材料によって形成されている。各ステータ側磁極部１１２は、円筒状のステータ本体１１１の内側周面から軸心Ｃ側（径方向内側）に突出する突片形状を有し、これら複数のステータ側磁極部１１２は、ステータ本体１１１の内側周面に周方向（回転方向）に所定の間隔を空けてそれぞれ設けられている。これらステータ側磁極部１１２は、図１および図２に示す例では、周方向に等間隔で６個である。各ステータ側磁極部１１２は、その先端に、軸心Ｃ方向視においてロータＲＴに沿った円弧状であって径方向外側に凹む形状を有する磁極面（ステータ側磁極面）１１３を有する。すなわち、ステータ側磁極面１１３は、径方向視において、径方向外側に凹む凹曲面である。また、各ステータ側磁極部１１２の各磁極面１１３は、軸心Ｃ方向視において、出力軸１２２と同心となる共通（同一）の円周上に位置している。

そして、ステータ側磁極部１１２は、２個（２相）の励磁コイル２−１、２−２に対応して軸心Ｃ方向に２段設けられている。より具体的には、図１および図２に示す例では、ステータ側磁極部１１２は、円筒状のステータ本体１１１における内側周面に周方向に沿って６個、円筒状のステータ本体１１１における軸心Ｃ方向の両端に２段（２個）の合計１２個（＝６個×２段）である。なお、本実施形態では、図１および図２における右側の端部に設けられた各ステータ側磁極部１１２を第１段目のステータ側磁極部１１２ａ、左側の端部に設けられた各ステータ側磁極部１１２を第２段目のステータ側磁極部１１２ｂとも称する。このように各段に設けられたステータ側磁極部１１２ａ、１１２ｂの数は、相互に等しい。また、各段におけるステータ側磁極部１１２ａ、１１２ｂの数は、ロータＲＴのロータ側磁極部２４の数とそれぞれ等しく、本実施形態では６個である。

また、ステータ本体１１１には、その内側周面から軸心Ｃ側にステータ側磁極部１１２と略同じ長さで突出するリング板形状を有する突条部１１４が設けられている。すなわち、ステータ本体１１１の内側周面からステータ側磁極部１１２の磁極面１１３までの長さと、ステータ本体１１１の内側周面から突条部１１４の先端面までの長さとは、略同一である。なお、磁気抵抗を低減する観点から、ステータ側磁極部１１２の磁極面１１３とロータ側磁極部１２４の磁極面１２５との距離は、小さいほど好ましく、突条部１１４の前記先端面とロータ側磁極部１２４の磁極面１２５との距離は、小さいほど好ましい。

第１系励磁コイルの励磁コイル２−１は、第１段目のステータ側磁極部１１２ａと突条部１１４とによって挟まれる位置に配設され、第２系励磁コイルの励磁コイル２−２は、第２段目のステータ側磁極部１１２ｂと突条部１１４とによって挟まれる位置に配設されている。

そして、図２に示すように、各段のステータ側磁極部１１２ａ、１１２ｂの位置は、回転方向（周方向）でずれている。より具体的には、ステータ側磁極部１１２の中央位置（周方向の中央位置）と軸心とを結ぶ線を基準線Ｙａとし、第１段目の各ステータ側磁極部１１２ａの基準線をＹａ１とし、第２段目の各ステータ側磁極部１１２ｂの基準線をＹａ２とした場合に、第１段目の各ステータ側磁極部１１２ａは、その基準線Ｙａ１が第２段目の各ステータ側磁極部１１２ｂにおける周方向で互いに隣接する２個のステータ側磁極部１１２ｂの各基準線Ｙａ２、Ｙａ２の中央に位置するように、配置されている。言い換えれば、第２段目の各ステータ側磁極部１１２ｂは、その基準線Ｙａ２が、第１段目の各ステータ側磁極部１１２ａにおける周方向で互いに隣接する２個のステータ側磁極部１１２ａの各基準線Ｙａ１、Ｙａ１の中央に位置するように、配置されている。図１および図２に示す例では、各段の各ステータ側磁極部１１２ａ、１１２ｂは、６個であるので、周方向に６０度の間隔で配設されている。このため、第１段目の各ステータ側磁極部１１２ａは、その基準線Ｙａ１が第２段目の各ステータ側磁極部１１２ｂの各基準線Ｙａ２に対し反時計回りに（または時計回りに）３０度（＝６０度／２）ずれる位置に、配置されている。言い換えれば、第２段目の各ステータ側磁極部１１２ｂは、その基準線Ｙａ２が第１段目の各ステータ側磁極部１１２ａの各基準線Ｙａ１に対し時計回りに（または反時計回りに）３０度ずれる位置に、配置されている。

そして、このようなステータ本体１１１、突条部１１４およびステータ側磁極部１１２ならびにロータ本体１２１およびロータ側磁極部１２４は、それぞれ磁性材料によって形成され、等方的な所定の磁気特性（透磁率）を有している。これらステータ本体１１１およびステータ側磁極部１１２ならびにロータ本体１２１およびロータ側磁極部１２４は、それぞれ、絶縁膜被覆金属粉末を加圧して固めた圧粉体から成る。前記圧粉体に用いられる金属粉末は、軟磁性粉末であって、強磁性の金属粉末である。前記金属粉末は、例えば、純鉄粉、鉄基合金粉末（例えばＦｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、センダスト、パーマロイ等）、或いは、アモルファス粉末が挙げられる。これら軟磁性体粉末は、公知の手段、例えば、アトマイズ法等によって微粒子化する方法や、酸化鉄等を微粉砕した後にこれを還元する方法等によって製造することができる。さらに、上記軟磁性粉末の表面を覆う絶縁膜被覆として、酸化物等の無機材料による皮膜、シリコーン樹脂等の有機材料による皮膜、および、無機材料と有機材料との２層等の複合された皮膜等のうちのいずれかの皮膜が形成されている。これらステータ本体１１１、突条部１１４およびステータ側磁極部１１２は、例えば、本実施形態では、一体で形成されており、また、これらロータ本体１２１およびロータ側磁極部１２４は、例えば、本実施形態では、一体で形成されている。このような軟磁性体粉末によって形成されたステータ本体１１１、突条部１１４およびステータ側磁極部１１２ならびにロータ本体１２１およびロータ側磁極部１２４は、それぞれ、例えば、圧粉形成等の公知の常套手段によって形成される。

なお、ステータ本体１１１およびステータ側磁極部１１２ならびにロータ本体１２１およびロータ側磁極部１２４は、それぞれ、その粉末の粒度や粒度分布、および、成形体密度等により磁気特性を制御でき、例えば、成形体の密度を高くすることで透磁率を高く、粉末の粒度を小さくすることで渦電流損を抑制することが可能である。このため、ステータＳＴやロータＲＴに求められる電磁気特性を実現するために、圧粉体に用いる粉末の粒度や成形体の密度等が調節される。成形体の密度は、純鉄粉の場合、約３．０ｇ／ｃｃ〜約５．０ｇ／ｃｃの範囲では非磁性粉末材料の添加量で調節でき、約５．０ｇ／ｃｃ〜約７．７ｇ／ｃｃの範囲では成形時の加圧力で調節できる。

次に、上述の励磁コイル２（２−１、２−２）についてさらに説明する。これら励磁コイル２−１、２−２それぞれは、互いに同一の構成であるため、添え字を省略し、纏めて説明する。また、上述のＳＲモータＭの励磁コイル２として利用可能なコイルは、種々の態様を採り得るが、まず、第１態様の励磁コイル２Ａについて説明する。

図３は、前記ＳＲモータに用いられる第１態様の励磁コイルの構成を示す断面図である。図４は、前記第１態様の励磁コイルの模式図である。図５は、各種金属材料のスキンデプス（表皮厚み）を周波数の関数として表したグラフである。図６は、前記第１態様の励磁コイルに用いられる第１導体と第２導体とを巻枠に巻回する前の説明図である。図７は、前記第１態様の励磁コイルの製造方法における第１導体と第２導体とを巻枠に巻回し始めた状態の説明図である。図８は、前記第１導体と前記第２導体とを巻枠に巻回している途中の状態の説明図である。図９は、前記第１導体と前記第２導体とを巻枠に巻回成形し終えた状態の斜視図である。

励磁コイル２Ａは、例えば、図３に示すように、第１コイル部２ａと、第１コイル部２ａの軸方向の一方側（図３の上側）に積層された第２コイル部２ｂとを備える。

これら第１コイル部２ａと第２コイル部２ｂとは、２つの、所定の幅で一方向に長尺な帯状（テープ状、リボン状）の第１導体２１および第２導体２２によって形成されている。

第１導体２１と第２導体２２とは、この実施形態では、互いに同一構成を採っており、絶縁材で絶縁被覆された所定の厚さを有するアルミニウムからなる。第１導体２１および第２導体２２それぞれの厚さ（この例ではアルミニウムの厚さ）は、励磁コイル２Ａに給電される駆動周波数（使用周波数）に対するスキンデプス（表皮厚み）以下の厚さであり、これによってその渦電流損がより低減できる。一般に、コイルに流れる電流は、スキンデプスまでの範囲でしか流れず、導体断面全体に一様に電流が流れない。したがって、第１および第２導体２１、２２の厚みをスキンデプス以下に設定することで渦電流損が減少できる。スキンデプスδは、一般に、δ＝（ρ／πｆμ）^１／２である（ただし、ｆ；駆動周波数、μ；導体部材の透磁率、ρ；導体部材の電気伝導率）。なお、図５には、各種金属材料のスキンデプスδが周波数の関数としてグラフで示されている。

第１導体２１と第２導体２２とは、図４に示すように、それぞれ、前記帯状の長手方向の一方部分を第１コイル形成部２１ａ、２２ａとし、その長手方向の他方部分を第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂとし、それらの第１コイル形成部２１ａ、２２ａと第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂとの間の部分を連結部２１ｃ、２２ｃとしている。

第１コイル形成部２１ａ、２２ａは、パンケーキ状に巻回されて第１コイル部２ａを形成する。第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂは、パンケーキ状に巻回されて第２コイル部２ｂを形成する。この第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂの幅および長さは、第１コイル形成部２１ａ、２２ａと略同じである。

連結部２１ｃ、２２ｃは、第１コイル形成部２１ａ、２２ａと第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂとを連結している。この実施形態では、連結部２１ｃ、２２ｃは、第１コイル形成部２１ａ、２２ａおよび第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂの長手方向（Ｘ−Ｘ方向）に対して所定の角度αをなすように幅方向（Ｙ−Ｙ方向）に屈曲されて第１コイル形成部２１ａ、２２ａから第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂに延設されている。連結部２１ｃ、２２ｃの幅は、第１コイル形成部２１ａ、２２ａと同じ幅である。

したがって、第１コイル形成部２１ａ、２２ａと第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂとは、互いに幅方向（Ｙ−Ｙ方向）に所定の距離Ｌ２を隔てている。前記距離Ｌ２は、第１コイル形成部２１ａ、２２ａおよび第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂの幅Ｌ１よりも大きい。

そして、これら第１導体２１と第２導体２２とは、次のようにパンケーキ状に巻回成形されて第１コイル部２ａと第２コイル部２ｂとを形成している。

より具体的には、図６に示すように、まず、予め、第１導体２１および第２導体２２それぞれの第１コイル形成部２１ａ、２２ａおよび第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂは、仮巻き取りボビン５１に巻き取られている。なお、第１コイル形成部２１ａ、２２ａと第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂとの仮巻き取りボビン５１への巻き方向は、互いに反対である。

そして、第１導体２１の連結部２１ｃが、円筒状の巻枠５２に背後からあてがわれるようにして固定され、一方、第２導体２２の連結部２２ｃが、巻枠５２に前方側からあてがわれるようにして固定される。すなわち、第１導体２１の連結部２１ｃと第２導体２２の連結部２２ｃとは、巻枠５２を介してクロス状で互いに対向して巻枠５２に固定される。

そして、図７および図８に示すように、絶縁被覆された第１導体２１の第１コイル形成部２１ａにおける厚さ方向の一方面２５ａに、絶縁被覆された第２導体２２の第１コイル形成部２２ａを径方向外側に重ね合わせるように配置した状態で、第１導体２１の第１コイル形成部２１ａおよび第２導体２２の第１コイル形成部２２ａそれぞれが、仮巻き取りボビン５１から巻解かれながら巻枠５２に、図の時計方向にパンケーキ状に巻き付けられて行く。これにより、２つの帯状の第１および第２導体２１、２２における長手方向の一方部分２１ａ、２２ａを、絶縁層を挟んで第１導体２１（２１ａ）の厚さ方向の一方面側に第２導体２２（２２ａ）が配置された状態でパンケーキ状に巻回成形することにより形成された、パンケーキ状の第１コイル部２ａが形成される。

同様に、第２導体２２の第２コイル形成部２２ｂを第１導体２１の第２コイル形成部２１ｂの厚さ方向の他方面２５ｂ側に配置した状態で、第２導体２２の第２コイル形成部２２ｂおよび第１導体２１の第２コイル形成部２１ａそれぞれが、仮巻き取りボビン５１から巻解かれながら巻枠５２に、図の反時計方向にパンケーキ状に巻き付けられて行く。これにより、第１および第２導体２１、２２における長手方向の残余部分２１ｂ、２２ｂを、絶縁層を挟んで第１導体２１（２１ｂ）の厚さ方向の他方面側に第２導体２２（２２ｂ）が配置された状態でパンケーキ状に巻回成形することにより形成された、パンケーキ状の第２コイル部２ｂが形成される。

この結果、図９に示すように第１コイル部２ａの軸方向の一方側（図８の上側）に、パンケーキ状の第２コイル部２ｂが形成され、ダブルパンケーキ巻の第１態様の励磁コイル２Ａが得られる。

そして、第１コイル部２ａを形成した第１コイル形成部２１ａ、２２ａのエンド端は、径方向外側に折り曲げ成形されて第１コイル部用口出し部２１ｄ、２２ｄを形成し、同様に、第２コイル部２ｂを形成した第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂのエンド端は、径方向外側に折り曲げ成形されて第２コイル部用口出し部２１ｅ、２２ｅを形成する。

これらの口出し部２１ｄ、２２ｄ；２１ｅ、２２ｅは、エンド端を径方向外側に１回だけ、折り曲げるだけでよく、容易に製作できる。なお、折り曲げは、全量巻き終えた後に折り曲げてもよいが、例えば、上述の仮巻取り置きボビン５１に、予め口出し部成形用スリットが設けられ、その口出し部成形用スリットに、第１コイル形成部２１ａ、２２ａや第２コイル形成部２１ｂ、２２ｂのエンド端が、挿入されて先に折り曲げ成形されてもよい。このようにすれば、口出し部の長さや折り曲げ量の精度が安定するので、より好ましい。

このようにダブルパンケーキ巻に形成された第１態様の励磁コイル２Ａは、ステータ本体１１１の周面に形成された口出し孔から第１および第２コイル部用口出し部２１ｄ、２２ｄ；２１ｅ、２２ｅが引き出されるようにして、ステータＳＴに収納される。すなわち、上述したように、第１系励磁コイルの励磁コイル２−１は、第１段目のステータ側磁極部１１２ａと突条部１１４とによって挟まれる位置に配設され、第２系励磁コイルの励磁コイル２−２は、第２段目のステータ側磁極部１１２ｂと突条部１１４とによって挟まれる位置に配設される。

次に、図３に戻って、磁性部材３について説明する。磁性部材３は、磁束線の軸方向に対して非平行となる歪を抑制するための部材であり、この実施形態の磁性部材３は、ステータＳＴやロータＲＴと同じ素材からなる円板状の磁性部材から構成されている。より具体的には、磁性部材３は、絶縁膜被覆金属粉末であって強磁性の金属粉末を加圧して固めた圧粉体からなる。

この磁性部材３は、第１コイル部２ａと第２コイル部２ｂとの間に配設されている。磁性部材３は、好ましくは、その厚さｔが、磁性部材３の外周面（外周端）とステータＳＴの内周面との間隙ｓと同じか、または、小さくなるように形成されている（ｓ≧ｔ）。

このようなＳＲモータＭでは、励磁コイル２（２−１、２−２、上述では各励磁コイル２−１、２−２は第１態様の励磁コイル２Ａ）のインダクタンスは、ロータＲＴが回転している場合に、ステータＳＴのステータ側磁極部１１２とロータＲＴのロータ側磁極部１２４とにおける重なりの程度によって変化する。この励磁コイル２のインダクタンスがロータＲＴの回転に伴って増加している間に、励磁コイル２に電流を供給すると、ロータＲＴには、磁気抵抗を低減するべく前記重なりの程度を増加させるように回転方向にトルクが働き、ＳＲモータＭは、加速する。ステータＳＴのステータ側磁極部１１２とロータＲＴのロータ側磁極部１２４とが完全に重なると、ステータＳＴおよびロータＲＴにおける磁気回路の磁気抵抗（リラクタンス）は、最小となり、磁気吸引力は、径方向だけとなって回転方向にトルクは、生じない。そして、この励磁コイル２のインダクタンスがロータＲＴの回転に伴って減少している間に、励磁コイル２に電流を供給すると、ロータＲＴには、磁気抵抗を低減するべく前記重なりの程度の減少を妨げるように回転方向と逆方向にトルクが働き、ＳＲモータＭは、減速する。このため、各段において、ロータＲＴのロータ側磁極部１２４がステータＳＴのステータ側磁極部１１２に完全に重なった際に、各励磁コイル２−１、２−２の各電流供給を停止し、ロータＲＴのロータ側磁極部１２４がステータＳＴにおける回転方向で次のステータ側磁極部１１２に近づいた際に、各励磁コイル２−１、２−２の各電流供給を再開することで、ロータＲＴは、連続的に回転することができる。

このようなＳＲモータＭは、第１導体２１と第２導体２２とを２枚重ねにすることで、例えば１つの導体を同じ径の１つのシングルパンケーキ巻に成形した励磁コイルに比べて巻数が半減するが、第１コイル部２ａと第２コイル部２ｂとを形成した、いわゆるダブルパンケーキ巻に形成することで２段の直列となって倍化して、励磁コイル２全体の巻数は、不変となる。一方、導体断面積も、上記の１つのシングルパンケーキ巻の励磁コイルに比べてダブルパンケーキ巻に形成することによって半減するが、並列２枚重ねによって倍化して不変となる。したがって、同じ寸法形状という制約条件では、上記励磁コイル２は、第１および第２導体２１、２２の２枚重ねのダブルパンケーキ巻とすることで、励磁コイル２全体の巻数および導体断面積を不変にしつつ、第１および第２導体２１、２２における両端部分２１ｄ、２１ｅ；２２ｄ、２２ｅをダブルパンケーキ巻の最外周に位置させることができ、シングルパンケーキ巻に較べて口出しが簡単となる。このため、シングルパンケーキ巻では、帯状導体の端部分を直角に折り返して複数回折り畳むという、自動化し難い生産性の悪い前記工程が不要となり、上記励磁コイル２は、生産性を改善できる。しかも、上記励磁コイル２では、第１および第２導体２１、２２の両端部がステータＳＲの外周側面に集められることによって、第１および第２導体２１、２２とステータＳＲの内壁面の接合面とを単純化でき、より薄く密着性の良い熱接触が可能となり、放熱性が著しく改善される。

図１０は、前記ＳＲモータに用いられる励磁コイルの等価回路を示す図である。図１１は、比較例の励磁コイルの等価回路を示す図である。そして、例えば第１導体２１の厚さ方向の一方面側に第２導体２２が配置されて第１コイル部および第２コイル部が巻回成形されると、図１１に示すように第１導体２１と第２導体２２とによって形成される有限面積のエリア（図１１に斜線で示す部分）を貫通する交流漏れ磁束線ｑ２が誘導起電力ｐ３を発生してしまうおそれがある。

一方、上記励磁コイル２は、ダブルパンケーキ巻としつつ、軸方向に積層された上下で第１および第２導体２１、２２の厚み方向の配置を逆転させている。このため、図１０に示すように第１コイル部２ａの第１導体２１と第２導体２２とに生じる誘導起電力ｐ１と、第２コイル部２ｂの第１導体２１と第２導体２２とに生じる誘導起電力ｐ２が相殺されて渦電流が効果的に抑制され、渦損を抑えることができる。

さらに、上述したように、上記励磁コイル２は、第１および第２導体２１、２２それぞれがスキンデプス以下の厚さであるので、第１および第２導体２１、２２それぞれで生じる渦電流をさらに効果的に抑制できる。

また、上記励磁コイル２は、一方の口出し部２１ｄ、２２ｄから他方の口出し部２１ｅ、２２ｅまでの間に、電気的な接続部分を有しないので、いわゆる超伝導材料で第１および第２導体２１、２２を形成する場合に、好適な構造である。

以上より、上述のように構成された励磁コイル２を用いたＳＲモータＭは、帯状の導体２１、２２を２枚重ねてパンケーキ巻きしても、渦電流の発生を抑制しつつ、生産性を改善できる。

なお、上述では、ＳＲモータＭは、第１態様の励磁コイル２Ａを備えて構成されたが、次の第２および第３態様の励磁コイル２Ｂ、２Ｃのいずれかを備えて構成されても良い。

図１２は、実施形態のＳＲモータにおける第２態様の励磁コイルの断面図である。上記第１態様の励磁コイル２Ａでは、磁性部材３が備えられたが、例えば、図１２に示すように、磁性部材３が備えられていなくてもよい（第２態様の励磁コイル２Ｂ）。この場合、例えば、励磁コイル２Ｂを構成する第１導体１２１および第２導体１２２が銅製で形成されると、銅の比抵抗（１．６８μΩｃｍ）は、アルミニウムの比抵抗（２．６５μΩｃｍ）よりも小さいので、同一の直流抵抗の場合、第１導体１２１および第２導体１２２の幅Ｌ２は、上記アルミニウムで形成されるものの幅Ｌ１（図３に図示）よりも狭くできる。したがって、磁性部材３を有しない場合でも、外径側の磁束線の歪を抑えることができる点で好ましい。

ただし、第１導体１２１および第２導体１２２がアルミニウム製に代えて銅製であって同一の直流抵抗の場合、この第２態様の励磁コイル２Ｂは、アルミニウム製のものに比べて重量が大きくなってしまい、車載用途など軽量化の要求に応え難くなる。そのため、上述のように、第１態様の励磁コイル２Ａは、アルミニウム製の幅広い第１導体２１および第２導体２２で形成し、磁性部材３を有する構成とすることで、磁束線の歪を抑え得る軽量化したものとなり、好ましい。

図１３は、実施形態のＳＲモータにおける第３態様の励磁コイルの断面図である。上記第１態様の励磁コイル２Ａでは、磁性部材３は、圧粉体で構成されたが、この形態に限らず、適宜に変更できる。例えば、図１３に示すように磁性部材３０３は、駆動周波数に対応したスキンデプス以下の厚みの帯状の軟磁性体３０３ａを、第２絶縁層を挟んでパンケーキ状に巻回成形した巻鉄心から構成されてもよい（第３態様の励磁コイル２Ｃ）。巻鉄心に用いられる軟磁性体３０３ａは、強磁性の金属であり、例えば、純鉄、鉄基合金、およびアモルファスが挙げられる。このような第３態様の励磁コイル２Ｃは、等方磁性の圧粉体に比べ、励磁コイルの幅方向に異方性かつ透磁率が数十〜百倍大きいため、外径側の磁束線の歪を抑える効果が大きく、薄く（軽量に）できる。また、第３態様の励磁コイル２Ｃは、第２絶縁層を挟んで比抵抗が大きいため、円盤内の渦電流損を最小にできる。

図１４は、他の実施形態におけるＳＲモータの上面図である。上記ＳＲモータＭでは、ステータＳＴは、回転方向に一体に形成されたが、この形態に限らず、適宜に変更できる。例えば、図１４に示すように、ステータＳＴは、周方向に分割された複数（図１４に示す例では２つに分割）の分割固定子から構成されたものでもよい。このように構成することによって、ステータＳＴへの励磁コイル２（２Ａ〜２Ｃ）の組み立てがやり易く、しかも、励磁コイル２の発熱を外部へ直接放熱できる。また、組立後や稼動時の励磁コイル２の異常を目視で確認することも可能になる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｍ スイッチトリラクタンスモータ
ＳＴ ステータ
ＲＴ ロータ
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 励磁コイル
３ 磁性部材
２１ 第１導体
２２ 第２導体

Claims (3)

1. 回転子と、
   前記回転子を回転方向に囲む励磁コイルと、
   前記励磁コイルを収納する固定子とを備え、
   前記励起コイルは、１相で、軸方向で互いに積層された第１および第２コイル部を備え、
   前記第１コイル部は、２つの帯状の第１および第２導体における長手方向の一方部分を、絶縁層を挟んで前記第１導体の厚さ方向の一方面側に前記第２導体が配置された状態で巻枠にパンケーキ状に巻回成形することにより形成され、
   前記第２コイル部は、前記第１および第２導体における長手方向の残余部分を、絶縁層を挟んで前記第１導体の厚さ方向の他方面側に前記第２導体が配置された状態で前記巻枠にパンケーキ状に巻回成形することにより形成され、
   前記第１導体と前記第２導体とは、前記巻枠を介してクロス状で互いに対向して前記巻枠に固定されており、
   前記第１および第２導体それぞれは、駆動周波数に対応したスキンデプス以下の厚さであること
   を特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
2. 前記固定子は、絶縁膜被覆金属粉末であって強磁性の金属粉末を加圧して固めた圧粉体から成ること
   を特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
3. 前記固定子は、周方向に分割された複数の分割固定子から成ること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチトリラクタンスモータ。