JP4654819B2 - 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交流モータに関する。

従来から、ステータ磁極に各相のコイルが集中的に巻回されたブラシレスモータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−２６１５１３号公報（第３頁、図１−３）

ところで、特許文献１に開示された従来のブラシレスモータは、モータ巻線を各ステータ磁極毎に巻回する必要があるため構造が複雑であり、スロットの奥に配置する必要があるため巻線の巻回に関して生産性が低下するという問題があった。また、このような構造から小型化、高効率化、低コスト化が難しいという問題があった。

そこで、本願発明者は、上記問題を解決するために、特願２００３−３７８４０３において、下記手段により、その対応を図った。

交流モータは、周方向にＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータと、周方向に複数個配置されたステータ磁極をそれぞれが有し、互いにステータ磁極の周方向位置および軸方向位置がずらして配置されたＮ個のステータ磁極群と、複数のステータ磁極群のそれぞれに対して軸方向に沿った隣接位置に配置されて周方向に形成された複数のループ状巻線とを備えている。同一のステータ磁極群に含まれる各ステータ磁極の周囲に巻回された巻線を考えたときに、隣接する２つのステータ磁極に挟まれた巻線には互いに起磁力アンペアターンを相殺するような電流が流れるため、等価的には電流が流れていないときと同じ状態であって、これらのステータ磁極に対して軸方向に沿った隣接位置に配置されたループ状の巻線に代替えすることができる。この結果、従来構造であれば周方向に配置されていた各ステータ磁極の間の巻線を排除することができるので、高効率化、高トルク化が可能となる。また、各ステータ磁極の間に巻線を配置する必要がないため多極化が可能となり、特に巻線構造が簡素であることから、生産性を向上させることができ、低コスト化が可能になる。また、各相に対応した構造は、円周上にほぼ均一に配置した対称構造となっており、ロータとステータ間で発生する吸引力によるステータの変形や、交流モータ各部の歪を小さくすることができるため、これらに起因する振動、騒音を低減することが可能になる。

そして、本願発明者は、このようなモータのステータ磁極の数および配置を工夫することで、さらなる高トルク化および低トルクリップル化を可能とした。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、構造が単純で生産性を向上させることができ、小型化、高効率化、低コスト化が可能な交流モータとその制御装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の交流モータは、周方向にＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータと、前記ロータに対向するステータとを有する交流モータにおいて、前記ステータは、周方向に複数のステータ磁極を有するステータ磁極群を軸方向にＮ個有するとともに、前記ステータ磁極群が互いに前記ステータ磁極の周方向位置をずらして配置されており、前記ステータ磁極群のそれぞれに対して軸方向に沿った隣接位置に配置されて周方向に形成された複数のループ状巻線を有し、ロータ極数をＰとし、Ｎ個の前記ステータ磁極群における前記ステータ磁極の総数をＭとしたとき、Ｍ＜（Ｐ／２）×Ｎ、かつ、Ｐは偶数である組み合わせとしている。

このような組み合わせにすることでステータ磁極数が少なくなり、ステータ磁極間の隙間を十分取ることができる。これによりステータ磁極間を流れる漏れ磁束を低減することができ、トルクを向上させることができる。

また、請求項２に示すように、前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角でほぼ３６０度／Ｎの位相差となるようなロータ極数とステータ磁極数の組み合わせとすることにより、相間のアンバランスを改善することができる。

請求項３に示すように、前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角でほぼ３６０度／Ｎの位相差となるようにステータ磁極位置を不等間隔にすることで、トルクを向上させたり、相間のアンバランスを改善することができる。

請求項４に示すように、前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角でほぼ３６０度／Ｎの位相差となるようにステータ磁極幅を不等にすることで、トルクを向上させたり、相間のアンバランスを改善することができる。

請求項５に示すように、前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧とそれぞれのステータ磁極群に対応する巻線の巻数との積の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角でほぼ３６０度／Ｎの位相差となるように巻線の巻数を不等にすることで、トルクを向上させたり、相間のアンバランスを改善することができる。

以下、本発明の交流モータを適用した一実施形態のブラシレスモータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

本出願人は、本発明のモータと基本的に同じ動作原理を用いた関連技術「交流モータとその制御装置」を開発し、その内容について既に出願している（特願２００４−１５２７４３）。動作原理は同じであるため、一部については本発明に適用することが可能であるため、一実施形態のモータについて説明するまでにこの関連技術について説明する。

〔関連技術〕
図１は、関連技術のブラシレスモータの断面図である。図１に示すブラシレスモータ１５０は、３相交流で動作する８極モータであり、ロータ１１、永久磁石１２、ステータ１４を含んで構成されている。

ロータ１１は、表面に配置された複数の永久磁石１２を備えている。これらの永久磁石１２は、ロータ１１表面に沿って円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されている。図２は、ロータ１１の円周方向展開図である。横軸は機械角を示しており、機械角で３６０°の位置は電気角で１４４０°となる。

ステータ１４は、それぞれ４個のＵ相ステータ磁極１９、Ｖ相ステータ磁極２０、Ｗ相ステータ磁極２１を備えている。各ステータ磁極１９、２０、２１は、ロータ１１に対して突極状の形状を有している。図４は、ロータ１１側から見たステータ１４の内周側形状の展開図である。４個のＵ相ステータ磁極１９は同一円周上に等間隔に配置されている。同様に、４個のＶ相ステータ磁極２０は同一円周上に等間隔に配置されている。４個のＷ相ステータ磁極２１は同一円周上に等間隔に配置されている。４個のＵ相ステータ磁極１９をＵ相ステータ磁極群、４個のＶ相ステータ磁極２０をＶ相ステータ磁極群、４個のＷ相ステータ磁極２１をＷ相ステータ磁極群と称する。また、これらの各ステータ磁極群の中で、軸方向に沿って端部に配置されたＵ相ステータ磁極群とＷ相ステータ磁極群を端部ステータ磁極群、それ以外のＶ相ステータ磁極群を中間ステータ磁極群と称する。

また、Ｕ相ステータ磁極１９、Ｖ相ステータ磁極２０、Ｗ相ステータ磁極２１のそれぞれは、互いに軸方向位置と周方向位置がずらして配置されている。具体的には、各ステータ磁極群は、相対的に機械角で３０°、電気角で１２０°の位相差となるように互いに円周方向にずらして配置されている。図４に示す破線は、対向するロータ１１の各永久磁石１２を示している。同極のロータ磁極（Ｎ極に永久磁石１２同士あるいはＳ極の永久磁石１２同士）のピッチは電気角で３６０°であり、同相のステータ磁極のピッチも電気角で３６０°である。

ステータ１４のＵ相ステータ磁極１９、Ｖ相ステータ磁極２０、Ｗ相ステータ磁極２１のそれぞれの間には、Ｕ相巻線１５、Ｖ相巻線１６、１７、Ｗ相巻線１８が配置されている。図６は、各相の巻線の円周方向展開図を示す図である。Ｕ相巻線１５は、Ｕ相ステータ磁極１９とＶ相ステータ磁極２０との間に設けられており、周方向に沿ったループ形状を成している。ロータ１１側から見て時計回り方向の電流を正とすると（他の相の相巻線についても同様とする）、Ｕ相巻線１５に流れる電流Ｉｕは負（−Ｉｕ）となる。同様に、Ｖ相巻線１６は、Ｕ相ステータ磁極１９とＶ相ステータ磁極２０との間に設けられており、周方向に沿ってループ形状を成している。Ｖ相巻線１６に流れる電流Ｉｖは正（＋Ｉｖ）となる。Ｖ相巻線１７は、Ｖ相ステータ磁極２０とＷ相ステータ磁極２１との間に設けられており、周方向に沿ったループ形状を成している。Ｖ相巻線１７に流れる電流Ｉｖは負（−Ｉｖ）となる。Ｗ相巻線１８は、Ｖ相ステータ磁極２０とＷ相ステータ磁極２１との間に設けられており、周方向に沿ったループ形状を成している。Ｗ相巻線１８に流れる電流Ｉｗは正（＋Ｉｗ）となる。これら３種類の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、３相交流電流であり、互いに位相が１２０°ずつずれている。また３９は軸方向起磁力を打ち消すための巻線である。

次に、ステータ１４の各相ステータ磁極形状と各相巻線形状の詳細について説明する。図３は、図１のステータ１４の断面箇所を示す図であり、図３（ａ）にはＡＡ−ＡＡ線断面図が、図３（ｂ）にはＡＢ−ＡＢ線断面図が、図３（ｃ）にはＡＣ−ＡＣ線断面図がそれぞれ示されている。これらの図に示すように、Ｕ相ステータ磁極１９、Ｖ相ステータ磁極２０、Ｗ相ステータ磁極２１のそれぞれは、ロータ１１に対して突極形状を成しており、それぞれが相対的に機械角で３０°、電気角で１２０°の位相差を有するような位置関係となるように配置されている。

図５は、Ｕ相巻線１５の概略的な形状を示す図であり、正面図と側面図がそれぞれ示されている。Ｕ相巻線１５は、巻き始め端子Ｕと巻き終わり端子Ｎを有している。なお、同様に、Ｖ相巻線１６、１７は巻き始め端子Ｖと巻き終わり端子Ｎを有し、Ｗ相巻線１８は巻き始め端子Ｗと巻き終わり端子Ｎを有している。各相巻線を３相Ｙ結線する場合は、各相巻線１５、１６、１７、１８の巻き終わり端子Ｎが接続される。各相巻線１５、１６、１７、１８に流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、各相ステータ磁極１９、２０、２１とロータ１１の永久磁石１２との間でトルクを発生する電流位相に制御される。また、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０となるように制御される。

次に、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとこれらの各相電流により各相ステータ磁極１９、２０、２１に付与される起磁力との関係について説明する。図８は、エアギャップ面側（ロータ１１側）から見た各相ステータ磁極１９、２０、２１の展開図（図４）に等価的な各相電流巻線を書き加えた図である。

Ｕ相巻線は、４個のＵ相ステータ磁極１９に同一方向で直列に巻回されている。したがって、各Ｕ相ステータ磁極１９は同一方向に起磁力が付与されている。例えば、図８の左から２番目のＵ相ステータ磁極１９に巻回されているＵ相巻線は、導線（３）、（４）、（５）、（６）によって形成されており、Ｕ相ステータ磁極１９の回りにこの順番でこれらの導線が複数回巻回されている。なお、導線（２）、（７）は隣接するＵ相ステータ磁極１９間の渡り線であり、電磁気的作用はない。

このようなＵ相巻線に流れる電流Ｉｕの各部分について詳細に見ると、導線（１）と（３）の電流の大きさは同一で逆方向に流れており、起磁力アンペアターンは相殺されているため、これらの導線は等価的に電流が流れていないときと同じ状態にあるといえる。同様に、導線（５）と（８）の部分の電流についても起磁力アンペアターンは相殺されており、これらの導線は等価的に電流が流れていないときと同じ状態にあるといえる。このように、Ｕ相ステータ磁極１９間に配置される導線に流れる電流は常に相殺されるため、電流を流す必要がなく、その部分の導線は排除することが可能である。その結果、導線（１０）、（６）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＵ相電流Ｉｕと、導線（４）、（９）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＵ相電流−Ｉｕとが同時に流れている状態と同じと考えることができる。

しかも、上述した導線（１０）、（６）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＵ相電流Ｉｕは、ステータコアの外部でループ状に流れる電流であり、ステータコアの外部は空気等であって磁気抵抗が大きいことから、ブラシレスモータ１５への電磁気的作用はほとんどない。このため、省略しても影響はなく、ステータコアの外部に位置するループ状の巻線を排除することができる（なお、上述した例ではこのループ状の巻線を省略しているが、省略せずに残すようにしてもよい）。結局、図１に示すＵ相巻線の作用は、図１、図６に示すループ状のＵ相巻線１５と等価であるということができる。

また、図８に示したＶ相巻線は、Ｕ相巻線と同様に、４個のＶ相ステータ磁極２０を周回するように直列に巻回されている。この中で、導線（１１）と（１３）に流れる電流は大きさが同じで方向が逆であり、起磁力アンペアターンが相殺されるため、この部分は等価的に電流が流れていないときと同じ状態にあるといえる。同様に、導線（１５）、（１８）の電流についても起磁力アンペアターンは相殺されている。その結果、導線（２０）、（１６）に対応するようにステータ１４の円周上に沿ってループ状に流れるＶ相電流Ｉｖと、導線（１４）、（１９）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＶ相電流−Ｉｖとが同時に流れている状態と同じと考えることができる。結局、図１に示すＶ相巻線の作用は、図１、図６に示すループ状のＶ相巻線１６、１７と等価であるということができる。

また、図８に示したＷ相巻線は、Ｕ相巻線と同様に、４個のＷ相ステータ磁極２１を周回するように直列に巻回されている。この中で、導線（２１）と（２３）に流れる電流は大きさが同じで方向が逆であり、起磁力アンペアターンは相殺されるため、この部分は等価的に電流が流れていないときと同じ状態にあるといえる。同様に、導線（２５）、（２８）の電流についても起磁力アンペアターンは相殺されている。その結果、導線（３０）、（２６）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＷ相電流Ｉｗと、導線（２４）、（２９）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＷ相電流−Ｉｗとが同時に流れている状態と同じと考えることができる。

しかも、上述した導線巻線（２４）、（２９）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＷ相電流−Ｉｗは、ステータコアの外部でループ状に流れる電流であり、ステータコアの外部は空気等であり磁気抵抗が大きいことから、ブラシレスモータ１５への電磁気的作用はほとんどない。このため、省略しても影響はなく、ステータコアの外部に位置するループ状の巻線を排除することができる。結局、図８に示すＷ相巻線の作用は、図１、図６に示すループ状のＷ相巻線１８と等価であるということができる。

以上説明したように、ステータ１４の各相ステータ磁極１９、２０、２１に電磁気的作用を付与する巻線及び電流はループ状の簡素な巻線で代替えすることができ、かつ、ステータ１４の軸方向両端のループ状の巻線を排除することができる。その結果、ブラシレスモータ１５に使われる銅の量を大幅に低減することができるので、高効率化、高トルク化が可能となる。また、同相の円周方向のステータ磁極間に巻線（導線）を配置する必要がないため、従来構造以上の多極化が可能となり、特に巻線構造が簡素であることから、モータの生産性を向上させることができ、低コスト化が可能となる。

なお、磁気的には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のステータ磁極を通る磁束φｕ、φｖ、φｗがバックヨーク部で合流し、３相交流磁束の総和が零となるφｕ＋φｖ＋φｗ＝０の関係となっている。また、図３０、図３１、図３２に示した従来構造は、図８に示した各相突極１９、２０、２１を２個ずつ合計６個を同一円周上に並べた構造であり、個々の突極の電磁気的作用、トルク発生はブラシレスモータ１５と同じである。但し、図３０、図３１に示すような従来のブラシレスモータは、その構造上、図１から図７に示すブラシレスモータ１５０のように巻線の一部を排除したり、巻線の簡素化を行うことはできない。

ブラシレスモータ１５０はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。図９は、ブラシレスモータ１５０の電流、電圧、出力トルクのベクトル図である。Ｘ軸が実軸に、Ｙ軸が虚軸にそれぞれ対応している。また、Ｘ軸に対する反時計回り方向の角度をベクトルの位相角とする。

ステータ１４の各相ステータ磁極１９、２０、２１に存在する磁束φｕ、φｖ、φｗの回転角度変化率を単位電圧と称し、Ｅｕ＝ｄφｕ／ｄθ、Ｅｖ＝ｄφｖ／ｄθ、Ｅｗ＝ｄφｗ／ｄθとする。各相ステータ磁極１９、２０、２１のロータ１１（永久磁石１２）に対する相対位置は、図４に示したように、電気角で１２０°ずつシフトしているので、各相巻線１５〜１８の１ターンに誘起される単位電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗは、図９に示すような３相交流電圧となる。

今、ロータが一定回転ｄθ／ｄｔ＝Ｓ１で回転し、各相巻線１５〜１８の巻き回数をＷｕ、Ｗｖ、Ｗｗとし、これらの値がＷｃに等しいとすると、巻線１５〜１８の各誘起電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは次のように表される。なお、各ステータ磁極の漏れ磁束成分を無視すると、Ｕ相巻線の磁束鎖交数はＷｕ×φｕ、Ｖ相巻線の磁束鎖交数はＷｖ×φｖ、Ｗ相巻線の磁束鎖交数はＷｗ×φｗである。

Ｖｕ＝Ｗｕ×（−ｄφｕ／ｄｔ）
＝−Ｗｕ×ｄφｕ／ｄθ×ｄθ／ｄｔ
＝−Ｗｕ×Ｅｕ×Ｓ１ …（１）
同様に、
Ｖｖ＝Ｗｖ×Ｅｖ×Ｓ１ …（２）
Ｖｗ＝Ｗｗ×Ｅｗ×Ｓ１ …（３）
ここで、具体的な巻線と電圧の関係は次のようになる。Ｕ相の単位電圧Ｅｕは、図１および図６に示されるＵ相巻線１５の逆向きの１ターンに発生する電圧である。Ｕ相電圧Ｖｕは、Ｕ相巻線１５の逆向きに発生する電圧である。Ｖ相の単位電圧Ｅｖは、Ｖ相巻線１６の１ターンとＶ相巻線１７の逆向きの１ターンとを直列に接続したときに両端に発生する電圧である。Ｖ相電圧Ｖｖは、Ｖ相巻線１６と逆向きのＶ相巻線１７とを直列に接続したときの両端の電圧である。Ｗ相の単位電圧Ｅｗは、図１および図６に示されるＷ相巻線１８の１ターンに発生する電圧である。Ｗ相電圧Ｖｗは、Ｗ相巻線１８の逆向きに発生する電圧である。

ブラシレスモータ１５０のトルクを効率良く発生させようとすると、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、各相巻線の単位電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗと同一位相に通電する必要がある。図９では、Ｉｕ、Ｉｖ、ＩｗとＥｕ、Ｅｖ、Ｅｗとがそれぞれ同一位相であるものとし、ベクトル図の簡素化のため、同相の電圧ベクトル、電流ベクトルを同一のベクトル矢で表現している。

ブラシレスモータ１５０の出力パワーＰａ、各相のパワーＰｕ、Ｐｖ、Ｐｗは、
Ｐｕ＝Ｖｕ×（−Ｉｕ）＝Ｗｕ×Ｅｕ×Ｓ１×Ｉｕ …（４）
Ｐｖ＝Ｖｖ×Ｉｖ＝Ｗｖ×Ｅｖ×Ｓ１×Ｉｖ …（５）
Ｐｗ＝Ｖｗ×Ｉｗ＝Ｗｗ×Ｅｗ×Ｓ１×Ｉｗ …（６）
Ｐａ＝Ｐｕ＋Ｐｖ＋Ｐｗ＝Ｖｕ×Ｉｕ＋Ｖｖ×Ｉｖ＋Ｖｗ×Ｉｗ …（７）
となる。また、ブラシレスモータ１５０の出力トルクＴａ、各相のトルクＴｕ、Ｔｖ、Ｔｗは、
Ｔｕ＝Ｐｕ／Ｓ１＝Ｗｕ×Ｅｕ×Ｉｕ …（８）
Ｔｖ＝Ｐｖ／Ｓ１＝Ｗｖ×Ｅｖ×Ｉｖ …（９）
Ｔｗ＝Ｐｗ／Ｓ１＝Ｗｗ×Ｅｗ×Ｉｗ …（１０）
Ｔａ＝Ｔｕ＋Ｔｖ＋Ｔｗ
＝Ｗｕ×Ｅｕ×Ｉｕ＋Ｗｖ×Ｅｖ×Ｉｖ＋Ｗｗ×Ｅｗ×Ｉｗ
＝Ｗｃ×（Ｅｕ×Ｉｕ＋Ｅｖ×Ｉｖ＋Ｅｗ×Ｉｗ） …（１１）
となる。なお、本実施形態のブラシレスモータ１５０の電圧、電流、トルクに関するベクトル図は、図３０、図３１、図３２に示した従来のブラシレスモータのベクトル図と同じである。

次に、図１および図６に示した各相巻線と電流について、より高効率化する変形手法について説明する。Ｕ相巻線１５とＶ相巻線１６は、Ｕ相ステータ磁極１９とＶ相ステータ磁極２０の間に隣接して配置されたループ状の巻線であり、これらを単一の巻線にまとめることができる。同様に、Ｖ相巻線１７とＷ相巻線１８は、Ｖ相ステータ磁極２０とＷ相ステータ磁極２１の間に隣接して配置されたループ状の巻線であり、これらを単一の巻線にまとめることができる。

図７は、２つの巻線を単一の巻線にまとめた変形例を示す図である。図７と図６とを比較すると明らかなように、Ｕ相巻線１５とＶ相巻線１６が単一のＭ相巻線３８に置き換えられ、Ｖ相巻線１７とＷ相巻線１８が単一のＮ相巻線３９に置き換えられている。また、Ｕ相巻線１５の電流（−Ｉｕ）とＶ相巻線１６の電流（Ｉｖ）とを加算したＭ相電流Ｉｍ（＝−Ｉｕ＋Ｉｖ）をＭ相巻線３８に流すことにより、Ｍ相巻線３８によって発生する磁束の状態とＵ相巻線１５とＶ相巻線１６のそれぞれによって発生する磁束を合成した状態とが同じになり、電磁気的に等価になる。同様に、Ｖ相巻線１７の電流（−Ｉｖ）とＷ相巻線１８の電流（Ｉｗ）とを加算したＮ相電流Ｉｎ（＝−Ｉｖ＋Ｉｗ）をＮ相巻線３９に流すことにより、Ｎ相巻線３９によって発生する磁束の状態とＶ相巻線１７とＷ相巻線１８のそれぞれによって発生する磁束を合成した状態とが同じになり、電磁気的に等価になる。

図９にはこれらの状態も示されている。図９に示されたＭ相巻線３８の単位電圧Ｅｍ、Ｎ相巻線３９の単位電圧Ｅｎは以下のようになる。

Ｅｍ＝−Ｅｕ＝−ｄφｕ／ｄθ
Ｅｎ＝Ｅｗ＝ｄφｗ／ｄθ
また、各巻線の電圧Ｖ、パワーＰ、トルクＴのベクトル算式は以下のようになる。

Ｖｍ＝Ｗｃ×Ｅｍ×Ｓ１ …（１２）
Ｖｎ＝Ｗｃ×Ｅｎ×Ｓ１ …（１３）
Ｐｍ＝Ｖｍ×Ｉｍ＝Ｗｃ×（−Ｅｕ）×Ｓ１×（−Ｉｕ＋Ｉｖ）
＝Ｗｃ×Ｅｕ×Ｓ１×（−Ｉｕ＋Ｉｖ） …（１４）
Ｐｎ＝Ｖｎ×Ｉｎ＝Ｗｃ×Ｅｗ×Ｓ１×（−Ｉｖ＋Ｉｗ） …（１５）
Ｐｂ＝Ｐｍ＋Ｐｎ＝Ｖｕ×（−Ｉｕ＋Ｉｖ）＋Ｖｗ×（−Ｉｖ＋Ｉｗ） …（１６）
Ｔｍ＝Ｐｍ／Ｓ１＝Ｗｃ×（−Ｅｕ）×（−Ｉｕ＋Ｉｖ） …（１７）
Ｔｎ＝Ｐｎ／Ｓ１＝Ｗｃ×Ｅｗ×（−Ｉｖ＋Ｉｗ） …（１８）
Ｔｂ＝Ｔｍ＋Ｔｎ＝Ｗｃ×（（−Ｅｕ×Ｉｍ）＋Ｅｗ×Ｉｎ） …（１９）
＝Ｗｃ×（−Ｅｕ×（−Ｉｕ＋Ｉｖ）＋Ｅｗ×（−Ｉｖ＋Ｉｗ））
＝Ｗｃ×Ｅｕ×Ｉｕ＋Ｗｃ×Ｉｖ×（−Ｅｕ−Ｅｗ）＋Ｗｃ×Ｅｗ×Ｉｗ
＝Ｗｃ×（Ｅｕ×Ｉｕ＋Ｅｖ×Ｉｖ＋Ｅｗ×Ｉｗ） …（２０）
∵ Ｅｕ＋Ｅｖ＋Ｅｗ＝０ …（２１）
ここで、（１１）式で示されたトルク式は３相で表現され、（１９）式で示されたトルク式は２相で表現されている。これらのトルク式の表現方法は異なるが、（１９）式を展開すると（２０）式となり、これら両式は数学的に等価であることがわかる。特に、電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗおよび電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが平衡３相交流の場合は（１１）式で示されるトルクＴａの値は一定となる。このとき、（１９）式で示されるトルクＴｂは、図９に示すように、ＴｍとＴｎとの位相差であるＫｍｎ＝９０°となる正弦波の２乗関数の和として得られ、一定値となる。

また、（１９）式は２相交流モータの表現形態であり、（１１）式と（２１）式は３相交流モータの表現形態であるが、これらの値は同じである。しかし、（１９）式において、（−Ｉｕ＋Ｉｖ）の電流ＩｍをＭ相巻線３８へ通電する場合と−ＩｕとＩｖの電流をそれぞれＵ相巻線１５とＶ相巻線１６へ通電するのとでは、電磁気的には同じでも、銅損は異なる。図９のベクトル図に示すように、電流Ｉｍの実軸成分はＩｍにｃｏｓ３０°を乗じた値に減少するため、Ｍ相巻線３８に電流Ｉｍを通電する方が銅損が７５％になり、２５％の銅損が低減されるという効果がある。

このように隣接して配置されたループ状の巻線を統合することにより、銅損が低減するだけではなく、巻線構造がさらに簡素になることから、モータの生産性をより向上させることができ、いっそうの低コスト化が可能となる。

次に、図１に示すモータのステータ１４の形状に関し、そのギャップ面磁極形状の変形例について説明する。ステータ１４の磁極形状は、トルク特性に大きく影響し、かつ、コギングトルクリップル、通電電流により誘起されるトルクリップルに密接に関係する。以下では、各ステータ磁極群に存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角で１２０°の位相差を維持するように、各ステータ磁極群のそれぞれに対応するステータ磁極の形状を変形する具体例について説明する。

図１０は、ステータ磁極の変形例を示す円周方向展開図である。図４に示した各相のステータ磁極２２、２３、２４は、ロータ軸１１と平行に配置された基本形状を有している。各ステータ磁極は、各相について同一形状であって、相対的に電気角で１２０°の位相差をなすように配置されている。このような形状を有する各ステータ磁極２２、２３、２４を用いた場合にはトルクリップルが大きくなることが懸念される。しかし、各ステータ磁極２２、２３、２４のラジアル方向にかまぼこ形状の凹凸を形成することにより、境界部での電磁気的作用を滑らかにすることができ、トルクリップルの低減が可能になる。また、他の方法として、ロータ１１の永久磁石１２の各極の表面にかまぼこ形状の凹凸を形成することにより、円周方向に正弦波的な磁束分布を実現することができ、これによりトルクリップルを低減するようにしてもよい。なお、図１０の水平軸に付された角度は円周方向に沿った機械角であり、左端から右端までの１周が３６０°である。

図１１は、ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図である。図１１に示した各相のステータ磁極２５、２６、２７は、図１０に示した基本形状に対して、電気角で約６０°スキューした形状（ロータ軸１１と平行な向きに対して円周方向に沿って電気角で６０°傾斜させた形状）を有している。これにより、トルクリップルを低減する効果がある。また、各相のステータ磁極２５、２６、２７の幅が１８０°より狭いので各相のステータ磁極２５、２６、２７を通る最大磁束は減少しないため、トルク平均値の低減は少ないという特徴がある。

ところで、図１０および図１１に示したステータ磁極形状を採用した場合には、ステータ磁極のエアギャップ面形状を実現するためには、各相の巻線１５、１６、１７、１８とエアギャップ部との間にその磁極形状を実現するために各相のステータ磁極の先端がロータ軸方向に出た形状となり、軸方向に出るための磁路のスペースが必要であり、そのスペース確保のためモータ外形形状が大きくなりがちであるという問題がある。

図１２は、ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図であり、この問題を軽減するステータ磁極形状が示されている。ステータ１４のＵ相ステータ磁極２８に存在する磁束φｕの回転角度変化率であるＵ相の単位電圧をＥｕ（＝ｄφｕ／ｄθ）、Ｖ相ステータ磁極２９に存在する磁束φｖの回転角度変化率であるＶ相の単位電圧をＥｖ（＝ｄφｖ／ｄθ）、Ｗ相ステータ磁極３０に存在する磁束φｗの回転角度変化率であるＷ相の単位電圧をＥｗ（＝ｄφｗ／ｄθ）とするとき、各相の単位電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗが形状、振幅がほぼ同一で、位相が相互に電気角で１２０°の位相差を保つように各相のステータ磁極２８、２９、３０の形状を変形した例が図１２に示されている。これらのステータ磁極形状の特徴は、各ステータ磁極２８、２９、３０のエアギャップ面の大半がそれぞれのステータ磁極の歯の中間部分に対して距離が短く、ロータ１１からの磁束が各ステータ磁極表面を通り、歯の中間部分を通り、そしてステータ１４のバックヨークへの磁路を介して磁束が容易に通過できる点である。したがって、図１２に示したステータ磁極形状は、図１０や図１１に示したステータ磁極形状に比べて、各相巻線１５、１６、１７、１８とエアギャップ部との間のステータ磁極のスペースを小さくできることになる。その結果、ブラシレスモータの外形形状を小さくすることが可能になる。

図１３は、ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図であり、図１０に示したステータ磁極形状をさらに変形したステータ磁極形状が示されている。図１３に示す例では、ロータ軸１１方向両端のＵ、Ｗ相ステータ磁極３４、３６は、円周方向の磁極幅を電気角で１８０°に広げ、残ったスペースをＶ相のステータ磁極３５とバランスが取れるように分配配置し、Ｕ、Ｗ相ステータ磁極３４、３６のバックヨークから歯の表面までの距離が遠い部分についてはそれぞれの先端部分が細くなってその製作も難しくなることから削除している。３５はＶ相ステータ磁極である。そして、各相のステータ磁極形状の表面の回転角度変化率である各相の単位電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗは、位相は異なるが同一の値となるように変形されている。その結果、比較的大きな有効磁束を通過させることができ、かつ、その製作も比較的容易なステータ磁極形状となっている。

また、本出願人は、本発明のモータと基本的に同じ動作原理を用いた関連技術「交流モータおよびその制御装置」を開発し、その内容について既に出願している（特願２００４−２０２５７９）。同一技術については、簡略化のため、説明を省略する。

〔実施の形態〕
次に、本発明を適用した一実施形態のモータの詳細について説明する。

関連技術のところで述べたように、本発明の変形例としては図１０に代表されるような各ステータ磁極が回転方向に並ぶ形状が考えられる。このような形状の場合、隣接するステータ磁極間の空隙幅を小さくすると、ステータ磁極間で磁束が漏れてしまい、ステータ内で磁気回路が短絡し、高トルク化が阻害されるといった現象がおこる。特に電流値が大きくなったときにその現象が顕著に表れるので、トルクと電流との関係を見ると、ある電流値までは線形でトルクが増大していくが、途中でトルクが飽和してしまうという関係となる。

またロータ極数が多い場合やステータ内径が小さい場合には、特にステータ磁極間空隙幅が小さくなるので、多極化した場合や小型モータに適用する場合にはステータ磁極間空隙幅を確保することが大きな問題となってくる。

一方、ロータ磁極数とステータ磁極数の組み合わせについては、特願２００４−１５２７４３で限定はされていないが、一般的な集中巻モータをベースにして考えられているので、相数Ｎ、ロータ極数Ｐ、ステータ磁極数Ｍとしたとき、Ｍ＝Ｐ／２×Ｎという組み合わせが基本となる。３相の例で考えれば、ロータ極数８のときにはステータ磁極数１２となる。

このようなロータ極数とステータ磁極数の組み合わせにしたときに、ステータ磁極間空隙幅を十分に確保できないロータ極数もしくはステータ内径であった場合は、上記組み合わせに対してステータ磁極数を減らすことで、すなわち相数Ｎ、ロータ極数Ｐ、ステータ磁極数Ｍとしたとき、Ｍ＜Ｐ／２×Ｎとすることでトルク特性を改善できる。

３相でロータ極数８の場合を例として説明する。基本となるステータ磁極数は１２であり、このときのステータ磁極幅とステータ磁極間空隙幅を機械角でそれぞれ２０度、１０度であったとする。この時、ステータ磁極間空隙幅の１０度という値がステータ磁極間の磁束漏れを防ぐのに充分でない場合には、ステータ磁極数を減らすことでステータ磁極間空隙幅を増やしてやればよい。ステータ磁極幅を２０度で固定と考えれば、ステータ磁極を１２から１１にすることでステータ磁極間空隙幅が１２．７２度に、１０にすることで１６度に、９にすることで２０度にというようにステータ磁極間空隙幅を大きくすることが可能である。

ステータ磁極数を少なくすればするほどステータ磁極間空隙幅を大きくとることが可能であるが、実際にはステータ磁極数が減ることによるトルク低下も考慮する必要があるので、設計上はステータ磁極数、ステータ磁極幅、ステータ磁極間空隙幅等をふまえて最適なバランス点を見出すこととなる。

またロータ磁極数とステータ磁極数の組み合わせについては後で述べるように、様々な組み合わせが考えられ、例えば相数Ｎなどによって限定されることはない。ゆえに相数Ｎ、ロータ極数Ｐ、ステータ磁極数Ｍとしたとき、Ｍ＜Ｐ／２×Ｎとなる組み合わせの中から上記の最適なバランスとなる任意のステータ磁極数を選択すればよい。

ロータ極数とステータ磁極数の組み合わせについては、様々な組み合わせが考えられるものの、組み合わせによっては各相のバランスが悪くトルクリップルが増大するなどの問題が生じる場合がある。

以下においてこのような問題が生じにくい、各相のバランスが最適となるようなロータ極数とステータ磁極数の組み合わせについて説明する。

ただし、このような組み合わせでなければモータが成立しないというわけではないので、例えばトルクリップルが問題にならないような用途であれば、この組み合わせ以外のモータであってもよい。

関連技術のところで示したように、Ｎ相モータの場合、単位電圧と定義した各相の磁束の回転角度変化率と各相の巻き回数との積で決まる誘起電圧の形状および振幅が同一で相互に電気角で３６０度／Ｎの位相差であるとき、各相に誘起電圧と同一位相の電流を流せば、リップルの小さいトルクを発生させることができる。

しかし誘起電圧の形状および振幅が同一で相互に電気角で３６０度／Ｎの位相差になるロータ極数とステータ磁極数の組み合わせは、ステータ磁極間隔が等間隔の場合には、ある条件を満たす場合に限定される。以下に組み合わせの条件、同相ステータ磁極の選択方法、およびその考え方について３相モータの例で示す。

以下において、各ステータ磁極の誘起電圧の大きさと位相を二次元ベクトルで表現し、誘起電圧ベクトルと呼ぶこととする。

各ステータ磁極の誘起電圧ベクトルは、ステータ磁極の個数Ｍだけ存在するが、各ベクトルの位相差によっては、全く同一位相となる場合もあり、位相の異なる誘起電圧ベクトルの個数は必ずしもステータ磁極の個数Ｍとは一致しない。

３相の場合は先ほど示したように、各相の誘起電圧の振幅が同一で１２０度の位相差であればよく、このような条件を満たすには、各ステータ磁極の誘起電圧ベクトルが異なる位相に等間隔で３の整数倍の個数だけ存在する必要がある。そうすると１２０度ずつ位相のずれた誘起電圧ベクトルを１組としたときに整数個の組ができ、各組の中で誘起電圧ベクトルの方向が近いもの同士を組み合わせてベクトル合成すれば、必ず各相の誘起電圧の位相が１２０度ずれて大きさが同じになる。

次にこのような誘起電圧ベクトル配置となる条件について説明する。ロータ極数Ｐ、ステータ磁極数Ｍ、Ｐ／２とＭの最大公約数Ｙとしたとき、Ｙは位相が全く同一となるロータ極対とステータ磁極との組み合わせの数と一致する。たとえばロータ極数１２、ステータ磁極数９とするとロータ極数の１／２である６とステータ磁極数９の最大公約数は３であり、これはロータ極数４、ステータ磁極数３の組み合わせが３つ並んでいることを意味する。それぞれの組み合わせにおける各ステータ磁極の誘起電圧の位相関係は全く同一であり、ステータ磁極の位相を考える分にはロータ極数１２、ステータ磁極数９のモータはロータ極数の１／２である６とステータ磁極数９の最大公約数３で除算したロータ磁極数４、ステータ磁極数３のモータと等価と考えてよい。

このように異なる位相をもつ誘起電圧ベクトルの最小組み合わせは、ロータ極数Ｐ、ステータ磁極数Ｍ、Ｐ／２とＭの最大公約数Ｙとしたとき、Ｍ／Ｙで表すことができる。この異なる位相をもつ誘起電圧ベクトルの個数が３の整数倍となっていれば、必ず位相が１２０度ずれて大きさが同じになる合成ベクトルを作成することができ、アンバランスのないモータができる。

またそのときの分布係数は、異なる位相をもつ誘起電圧ベクトルの個数が３個の場合は１、６個の場合は０．８６６、９個の場合は０．８４４、１２個の場合は０．８３７というように異なる位相をもつ誘起電圧ベクトルの個数が増えるほど低下していくが、その減少度合いは滑らかであり、異なる位相をもつ誘起電圧ベクトルの個数が増えることは大きな問題にはならない。

表１に３相の場合に請求項３に示す条件を満たす組み合わせと、そのときの分布係数を示す。

なお表１ではロータ極数２０、ステータ磁極数３０までの組み合わせが記述されているが、それ以上の組み合わせについても同様の考え方で説明できる。

また表１で数字が入っていない組み合わせは請求項２の条件を満たさない組み合わせであるが、この組み合わせではモータを回せないというわけではなく、アンバランスがあるもののモータを回すことは可能である。

次に相数Ｎ、ロータ極数Ｐ、ステータ磁極数Ｍとしたとき、Ｍ＜Ｐ／２×Ｎという組み合わせにしたときに、どのステータ磁極をどの相に割り当てればよいかという選択の方法について説明する。先ほどに引き続いて３相でロータ極数が８の場合を例として説明する。以下３相をＵ相、Ｖ相、Ｗ相という３つの相で定義する。

ステータ磁極数が１２の場合にはそれぞれのステータ磁極を、あるステータ磁極を基準としたときにそのステータ磁極から順番にＵ Ｖ Ｗ Ｕ Ｖ Ｗ Ｕ Ｖ Ｗ Ｕ Ｖ Ｗというように割り当てれば、同相のステータ磁極の誘起電圧はすべて同位相となり、相の誘起電圧を最大にすることができ、トルクを最大にできる。

一方ステータ磁極数が１２より小さい場合の一例としてステータ磁極数が９の場合で考える。図２０に示すように、あるステータ磁極をＴ１とし、そのステータ磁極から順番にＴ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９という名前をつけ、それぞれのステータ磁極の誘起電圧をＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３、ＶＴ４、ＶＴ５、ＶＴ６、ＶＴ７、ＶＴ８、ＶＴ９とする。ステータ磁極の誘起電圧をベクトルで表現すると、図２１に示すように４０度ずつ位相がずれたベクトルとなる。それぞれのステータ磁極の誘起電圧の位相はＴ１を０度としたときに、そのステータ磁極から順にＴ２：１６０度、Ｔ３：３２０度、Ｔ４：４８０度（＝１２０度）、Ｔ５：６４０度（＝２８０度）、Ｔ６：８００度（＝８０度）、Ｔ７：９６０度（＝２４０度）、Ｔ８：１１２０度（＝４０度）、Ｔ９：１２８０度（＝２００度）となる。

このとき、これらの９個のステータ磁極をＵ相、Ｖ相、Ｗ相に分配する組み合わせは多数あるわけだが、同相のステータ磁極の誘起電圧の位相差が少ないほど、相の誘起電圧を大きくすることができるのでそのような組み合わせが望ましい。

これらのステータ磁極を例えば０度、１２０度、２４０度のステータ磁極すなわちＴ１、Ｔ４、Ｔ７を基準のステータ磁極とし、それぞれのステータ磁極から電気角で（３６０×Ｋ±６０）度の位相のステータ磁極を同一相とする。すなわち０度に近いグループ（Ｔ１、Ｔ３、Ｔ８）をＵ相、１２０度に近いグループ（Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６）をＶ相、２４０度に近いグループ（Ｔ５、Ｔ７、Ｔ９）をＷ相とする。相の並びとしてはＵ Ｖ Ｕ Ｖ Ｗ Ｖ Ｗ Ｕ Ｗ となる。

このとき各相の誘起電圧の大きさは図２２に示すように、Ｕ相で計算すれば、Ｖｕ＝Ｗｕ×Ｅｕ×（ＣＯＳ（０°）＋ＣＯＳ（−４０°）＋ＣＯＳ（４０°））×Ｓ１＝２．５３２×Ｅｕ×Ｓ１であり、同相すべての誘起電圧の位相がそろっている場合上記の値が３×Ｅｕ×Ｓ１になるので、誘起電圧の位相がずれていることによって２．５３２／３＝０．８４４倍の誘起電圧となる。この誘起電圧の比率は一般的に分布係数と呼ばれており、以下の説明でも分布係数と呼ぶこととする。

ここで簡単に語句の説明をしておく。モータの効率を示す一つの指標として巻線係数があげられるが、巻線係数は分布係数と短節係数の積で表され、この値が１に近いほどよい。短節係数はステータ磁極幅によって変わってくる。短節係数についてはステータ磁極間の漏れが小さい範囲でできる限りロータ磁石幅に近い幅に設定することで大きくすることができ、本発明によりステータ磁極間空隙幅を広げることは短節係数の増加につながると考えてよい。実際の設計ではステータ磁極間の漏れとのバランスを考える必要があるため、ステータ磁極幅をいくつにするのがよいかは各種条件によって異なるので、短節係数がいくつになるかということについては言及しない。以下主に分布係数の向上について説明する。

一方ステータ磁極の相の配置を（３６０×Ｋ±６０）度の位相のステータ磁極を同一相とするという条件を満たさないように変更するとどうなるかを説明する。例えばＵ Ｗ Ｗ Ｖ Ｕ Ｕ Ｗ Ｖ Ｖのような並びにすると同相の誘起電圧の位相は８０度ずつずれることになるので、Ｕ相で計算すれば、Ｖｕ＝Ｗｕ×Ｅｕ×（ＣＯＳ（０°）＋ＣＯＳ（−８０°）＋ＣＯＳ（８０°））×Ｓ１＝１．３４７×Ｅｕ×Ｓ１となり、分布係数は０．４４９と落ちてしまう。

このように相数Ｎ、整数Ｋとしたとき、任意に設定しうるステータ磁極を基準として、電気角で（３６０×Ｋ±１８０／Ｎ）°以下のステータ磁極を同相とすることで、分布係数を最も高くすることができ、誘起電圧の位相差によるトルク低下を最小限にすることができる。

ここまでは、ステータ磁極がすべて回転方向に等間隔に存在する場合について説明してきたが、必ずしも等間隔である必要はなく、むしろ不等間隔にすることで効率の向上やアンバランスの改善を図れる場合がある。以下にその詳細を説明する。

なお図３０から図３３に示すような一般的なモータでは、回転方向にステータ磁極と巻線部が存在し、お互いにスペースを奪い合う関係にあるので、ステータ磁極を不等間隔にすると巻線を巻くスベースの大きさがばらつき、巻線を巻けない無駄なスペースが生じ効率的ではない。しかし本発明のモータでは、ステータ磁極と巻線が回転方向に並んでいないので、不等間隔にしても無駄なスペースが生じるようなことはなく、本技術はこのようなモータに特有の技術といえる。

まず請求項２に示すような元々アンバランスのないモータにおいて、さらに効率を向上させる手段について説明する。先述のようにロータ極数８、ステータ磁極数９の場合は、同相の誘起電圧ベクトルの位相がずれているために、分布係数が０．８４４となってしまう。これをステータ磁極の回転方向位置をずらすことによって、同相のステータ磁極の誘起電圧ベクトルの位相をできる限り近づければ、それだけ分布係数が上がり、効率が向上する。効率のみを考えれば位相を完全にそろえるのが最もよい。

ロータ極数８、ステータ磁極数９の場合において等間隔の場合にはすべてのステータ磁極間隔が４０度となっている。これを図２３に示すようにＴ１とＴ２、Ｔ４とＴ５、Ｔ７とＴ８のステータ磁極間隔を６０度、Ｔ２とＴ３、Ｔ３とＴ４、Ｔ５とＴ６、Ｔ６とＴ７、Ｔ８とＴ９、Ｔ９とＴ１のステータ磁極間隔を３０度という不等間隔にすると、図２４に示すように同相の誘起電圧ベクトルの位相が合致するので、分布係数が１となり、効率が向上する。

また、Ｔ１とＴ２、Ｔ４とＴ５、Ｔ７とＴ８のステータ磁極間隔を５０度、Ｔ２とＴ３、Ｔ３とＴ４、Ｔ５とＴ６、Ｔ６とＴ７、Ｔ８とＴ９、Ｔ９とＴ１のステータ磁極間隔を３５度という不等間隔にすると、同相の誘起電圧ベクトルの位相が完全に合致はしないが、分布係数が０．９６０となり、等間隔の場合と比べて効率が向上する。このような間隔にすると、ロータ磁極とステータ磁極との相対位置関係がすべてのステータ磁極でずれるために、コギングトルクの増大を防ぎつつ効率を向上させることができる。

次にステータ磁極間隔が等間隔のときにアンバランスがある組み合わせの場合の効果について説明する。例えばロータ磁極数６、ステータ磁極数６といった場合には、等間隔の時にはステータ磁極の誘起電圧ベクトルが１８０度位相のずれた２つのベクトルに集約されてしまうため、３相で駆動するとアンバランスが生じてしまう。ここで図２５に示すようにステータ磁極Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４、Ｔ１５、Ｔ１６に対してそれぞれ Ｕ Ｗ Ｖ Ｗ Ｕ Ｖ という相を割り当て、Ｔ１１とＴ１２、Ｔ１２とＴ１３、Ｔ１６とＴ１１のステータ磁極間隔を８０度、Ｔ１３とＴ１４、Ｔ１４とＴ１５、Ｔ１５とＴ１６のステータ磁極間隔を４０度とすることによって、図２６に示すように各相の誘起電圧ベクトルの大きさを同一に、位相差を１２０度にすることができるので、アンバランスが解消されコギングトルクやトルクリップルを低減することができる。

またロータ磁極数６、ステータ磁極数４といったようにステータ磁極数が相数の整数倍になっていない場合について説明する。この場合も同様の考え方で、図２７に示すようにステータ磁極Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４に対してそれぞれ Ｕ Ｖ Ｗ Ｗ という相を割り当て、Ｔ２１とＴ２２、Ｔ２３とＴ２４のステータ磁極間隔を１６０度、Ｔ２２とＴ２３、Ｔ２４とＴ２１のステータ磁極間隔を２０度とすることによって、図２８に示すように各相の誘起電圧ベクトルの大きさを同一に、位相差を１２０度にすることができるので、アンバランスが解消されコギングトルクやトルクリップルを低減することができる。

このように様々なロータ磁極数とステータ磁極数の組み合わせのモータにおいて、ステータ磁極間隔を不等にすることで、効率向上やトルクリップルの低減といった効果を得ることができる。実際にどれくらいの間隔にするかは、隣接ステータ磁極間の空隙幅等との兼ね合いや、コギングトルクやトルクリップルに与える影響等を考えて決めることとなる。

またステータ磁極間隔を不等にすることが困難な場合や、充分な効果が得られない場合にはステータの磁極幅を変えることでアンバランスを改善できる場合がある。もちろん磁極間隔を不等にすることと組み合わせてもよい。

例えばロータ磁極数１２、ステータ磁極数１５という組み合わせの場合は、ステータ磁極間隔が等しい場合、ステータ磁極の誘起電圧ベクトルは７２度ずつずれた５個の誘起電圧ベクトルで示される。このうち隣接する二つの誘起電圧ベクトル二組をそれぞれＶ相、Ｗ相とし、残りの一つのベクトルをＵ相とすると、Ｖ相とＷ相の誘起電圧ベクトルはＵ相の約１．６倍となるので、Ｕ相のみより多くの磁束が流れるように磁極幅を広くするか、逆にＶ相とＷ相の磁束量を制限するために磁極幅を狭くすることにより３相のバランスが改善する。また位相差もＵＶ間、ＵＷ間は１０８度、ＶＷ間は１４４度となり、１２０度間隔ではないがそれに近い値となっており、アンバランスは少ない。

また巻線の巻数を相ごとに変えることでバランスを改善できる場合がある。もちろん磁極間隔や磁極幅を不等にすることと組み合わせてもよい。

例えばロータ磁極数１２、ステータ磁極数１５という組み合わせの場合は、ステータ磁極間隔が等しい場合、ステータ磁極の誘起電圧ベクトルは７２度ずつずれた５個の誘起電圧ベクトルで示される。このうち隣接する二つの誘起電圧ベクトル二組をそれぞれＶ相、Ｗ相とし、残りの一つのベクトルをＵ相とすると、Ｖ相とＷ相の誘起電圧ベクトルはＵ相の約１．６倍となるので、Ｕ相のみ１．６倍の巻線としてやれば３相のバランスが取れる。また位相差もＵＶ間、ＵＷ間は１０８度、ＶＷ間は１４４度となり、１２０度間隔ではないがそれに近い値となっており、アンバランスは少ない。

以上、３相モータの一部のロータ磁極数とステータ磁極数の組み合わせについて例をあげて説明したが、本発明は相数を限定するものではない。またロータ磁極数とステータ磁極数の組み合わせについても請求項１に示す以外の限定はない。

また本発明は隣接するステータ磁極間の磁束漏れ、磁気回路の短絡を防止するための発明であり、実際の適用にあたっては、モータの体格、極数、使用用途、制約条件などをふまえて、本発明の中で示す技術の組み合わせのうち最適なものを選択することになる。

さらにコギングトルクやトルクリップルの低減といった効果を得ることもできる。

また本技術は、特願２００５−１３１８０８、特願２００５−１４４２９３、特願２００５−１５１２５７、特願２００５−２０８３５８に示すようなモータに適用可能である。

ループ状の巻線を有する３相のモータの概略的な構成を示す縦断面図である。 図１に示したロータの表面形状を円周方向に直線展開した図である。 図１に示したステータの概略的な構成を示す横断面図である。 図１に示したステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図である。 図１に示したステータの巻線の一つを示す正面図と側面図である。 図１に示した各ループ状巻線を円周方向に直線展開した図である。 図６に示した巻線を２本づつ統合した図である。 図１に示したステータ磁極と巻線の関係を示す図である。 図１に示したモータの電流と電圧とトルクの関係を各ベクトルで示すベクトル図である。 図１に示したモータのステータ磁極の内周面形状の変形例を示す図である。 図１に示したモータのステータ磁極の内周面形状の変形例を示す図である。 図１に示したモータのステータ磁極の内周面形状の変形例を示す図である。 図１に示したモータのステータ磁極の内周面形状の変形例を示す図である。 永久磁石を内蔵する各種ロータの横断面図である。 永久磁石を内蔵する各種ロータの横断面図である。 永久磁石を内蔵する各種ロータの横断面図である。 永久磁石を内蔵する各種ロータの横断面図である。 突極型の磁極を備えるリラクタンスモータのロータ例を示す横断面図である。 誘導電動機のロータの概略的な構成を示す横断面図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図である。 各ステータ磁極の誘起電圧をベクトルで示すベクトル図である。 各ステータ磁極の誘起電圧と各相の誘起電圧をベクトルで示すベクトル図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図である。 各ステータ磁極の誘起電圧と各相の誘起電圧をベクトルで示すベクトル図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図である。 各ステータ磁極の誘起電圧と各相の誘起電圧をベクトルで示すベクトル図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図である。 各ステータ磁極の誘起電圧と各相の誘起電圧をベクトルで示すベクトル図である。 各ステータ磁極の誘起電圧と各相の誘起電圧をベクトルで示すベクトル図である。 従来モータの概略的な構成を示す横断面図である。 図３０に示したステータの表面形状を円周方向に直線展開した図である。 図３０に示したモータの概略的な構成を示す横断面図である。 別の従来モータの概略的な構成を示す横断面図である。

符号の説明

１１ ロータ
１２ 永久磁石
１４ ステータ
１５〜１８ 巻線
１９〜２１ ステータ磁極
１５０ モータ

Claims (5)

1. 周方向にＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータと、前記ロータに対向するステータとを有する交流モータにおいて、
   前記ステータは、周方向に複数のステータ磁極を有するステータ磁極群を軸方向にＮ個有するとともに、前記ステータ磁極群が互いに前記ステータ磁極の周方向位置をずらして配置されており、
   前記ステータ磁極群のそれぞれに対して軸方向に沿った隣接位置に配置されて周方向に形成された複数のループ状巻線を有し、
   ロータ極数をＰとし、Ｎ個の前記ステータ磁極群における前記ステータ磁極の総数をＭとしたとき、Ｍ＜（Ｐ／２）×Ｎ、かつ、Ｐは偶数であることを特徴とする交流モータ。
2. 前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角でほぼ３６０度／Ｎの位相差となるようなロータ極数とステータ磁極数の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の交流モータ。
3. 前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角でほぼ３６０度／Ｎの位相差となるようにステータ磁極位置を不等間隔にすることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の交流モータ。
4. 前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角でほぼ３６０度／Ｎの位相差となるようにステータ磁極幅を不等にすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の交流モータ。
5. 前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧とそれぞれのステータ磁極群に対応する巻線の巻数との積の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角でほぼ３６０度／Ｎの位相差となるように巻線の巻数を不等にすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の交流モータ。

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