JP4675019B2 - 環状巻線を備えたハイブリッド同期モータ - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、環状巻線を備えたハイブリッド同期モータに関するものである。更に詳しくは、本発明は、同様な構成の従来型モータと比較して、装置重量あたりのトルク出力が大きいハイブリッド同期モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドモータは、エアーギャップの磁場密度を強める永久磁石が内蔵されたステッパーモータである。このようなモータの構造は既に知られており、ステータとロータの双方に歯付き鉄製リングを有し、ステータコイルが他の多くのステッパーモータと同様に巻かれ、一般には三相となっている。更に、強力なディスク形状の永久磁石がステータの鉄製シートの間に挿入されて軸線方向に磁化されており、これにより、コイルの磁束が縦断方向に向けて鉄製シートに沿って形成され、かつ、永久磁石の磁束が鉄製シートを貫通するようになっている。このような構造によって、エアーギャップに比較的高密度の磁束を得ることができ、またそれ故に装置重量当たり高いトルク出力が得られる。
【０００３】
他の構造のモータとしては、ステータとロータの間に二層のエアーギャップ、すなわち内側エアーギャップと外側エアーギャップを備えたものがある。このようなモータは、内周縁および外周縁の双方に歯のついたロータリングと、内側および外側の２枚のステータリングを備えている。これら２枚のステータリングそれぞれの構造は上述した構造と同一であるので、コイルの数も２倍であり、従って、永久磁石の数も２倍となっている。
【０００４】
上述した構造のモータは、重量当たりのトルクが比較的良好である。上記の後者の構造の場合は、エアーギャップにおける有効表面が２倍なので、２倍のトルクを発生する。この場合は、モータには２倍の個数のロータコイルと２倍の個数のロータ永久磁石が必要となるので、コイル内での抵抗損が２倍になるという欠点が依然としてある。したがって、重量当たりのトルク出力が大きく、しかも従来技術の欠点を回避できる、新たなハイブリッド同期モータに対する要望がある。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の課題は、二層（内側および外側）のエアーギャップを備え、永久磁石による横断方向の磁束およびステータコイルによる縦断方向の磁束の組み合わせにより、エアーギャップに高密度の磁束を得ることのできるハイブリッド同期モータを実現することにある。
【０００６】
かかる課題を達成するために、本発明のハイブリッド同期モータは、ロータとステータを有し、ステータは内周縁および外周縁の双方に歯が形成された強磁性リングが同軸上に配置された構成の少なくとも１つのアセンブリを有しており、このアセンブリにはコイル巻線が歯の間に配置されるように構成されたコイルセグメントからなる多相環状コイルが備わっている。
【０００７】
本発明によるハイブリッド同期モータは、エアーギャップにおいて永久磁石の横断方向の磁束とコイルの縦断方向の磁束が結合し、かつ、一対のステータのみを含む二層（内側、外側）のエアーギャップにおける高効率な表面により、高密度の磁束がエアーギャップに得られ、しかも、単一組のステータコイルのみを有している。組み立て部品数が少なく、従来の製造技術を用いて製造できるので、本発明のモータは、廉価に構成できる。更に、抵抗損が少ないので、本発明のモータはエネルギー効率も優れている。
【０００８】
詳細に説明すると、本発明のハイブリッド同期モータは、ロータとステータを有し、前記ステータは、内周縁および外周縁の双方に歯が形成されている強磁性体リングからなるステータリング（２、３）が同軸状態に配置された構成の少なくとも一つのステータアセンブリ（７）を備え、当該ステータアセンブリ（７）は、前記歯（２ａ、３ａ、２ｂ、３ｂ）の間にコイル巻線が位置するように形成されたコイルセグメントからなる多相環状コイル（６）を備えていることを特徴としている。
【０００９】
ここで、本発明において、複数のステータアセンブリ（７）は、これらのステータアセンブリの全てに同時に巻き付けられている共通環状コイルを備えており、この共通環状コイルは、Ｕ形の銅製部品に巻き付け、あるいはそれを組み立てたものであることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明において、各ステータアセンブリ（７）に対して一組の内側および外側ロータアセンブリ（１６ａ、１６ｂ）が取付けられ、各ロータアセンブリは同軸状態に配置された２個のロータリング（１７ａ、１８ａあるいは１７ｂ、１８ｂ）を備え、各ロータリングには円周方向に沿って等間隔のロータ極である歯が形成されており、一つの前記ロータリング（１７ａ、１７ｂ）の各ロータ極が、他方の前記ロータリング（１８ａ、１８ｂ）の各ロータ極に対して、ロータ極間隔の半分だけ角度的にシフトしていることを特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明において、１枚の軸方向に磁化されたディスクが各ステータアセンブリ（７）のステータリング（２、３）の間に挿入されているか、あるいは、二枚の前記ディスクが隣接配置されたロータリング（１７ａ、１８ａ）（１７ｂ、１８ｂ）の間に配置されており、これらのディスクにより、ロータおよびステータの間の内側エアーギャップおよび外側エアーギャップに、横断磁束が形成されていることを特徴としている。
【００１２】
さらにまた、本発明においては、４組のロータ極（１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ）の極数が同一であり、４組のステータ極（２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ）の極数も同一であり、ステータ極が円周方向に等間隔で配置されている場合には、ロータ極数とステータ極数が僅かに異なっていることを特徴としている。
【００１３】
一方、本発明において、ロータおよびステータの間のギャップには、モータ内部からの熱伝導を改善すると共に機械的な振動を低減するための液体、好ましくは強磁性液体が充填されていることを特徴としている。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図面を参照して、本発明を更に詳しく説明する。
【００１５】
図１には、本発明による環状巻線を備えたハイブリッド同期モータの第一の実施例（実施例Ａ）を示してあり、図３には、ステータに必要な要素を示してある。ステータ鉄芯１の一方の側面には少なくとも１個のステータアセンブリ７が取り付けられており、各ステータアセンブリ７は強磁性材料からなる２枚のステータリング（歯付きリング）２、３を有し、それらにはステータ極としての歯２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂおよび磁化されたディスク４が取り付けられている。
【００１６】
ステータリング（歯付きリング）２、３と磁化されたディスク４は、図１および図３に示すように、ねじ５によって−体となるように保持することができる。ステータアセンブリ内のステータリング（歯付きリング）２、３は、図１、図３に示すように、それらの外側のステータ極２ｂ、３ｂが同一の角度位置となるように配置されている。内側のステータ極２ａ、３ａも同様に配置されている。ディスク４は、磁束がステータリング（歯付きリング）２からステータリング（歯付きリング）３へ、あるいはその逆方向に向かうように磁化されている。ステータリング（歯付きリング）２、３のそれぞれは、従来のモータのように、標準的な製造技術によって、シリコンと鉄の積層体から構成することができる。
【００１７】
ステータコイルである多相環状コイル６が、ステータアセンブリ７の周囲に環状に巻かれているので、環状変圧器の巻線と非常に良く似た方法で、ステータコイル６の巻線８がステータアセンブリ７に何周にも巻かれている。巻線８は、ステータ極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂそれぞれの間のエアーギャップ９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂに沿って巻かれ、巻線８がエアーギャップから出ないように配置されている。４つのエアーギャップ９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂのそれぞれには、巻線８が一回から数回巻かれている。
【００１８】
ステータコイル６は、ステータアセンブリ７の全周に沿って、等しいセグメント１１に分割されている。各セグメント１１は、多相電流の一つの相に接続され、次のセグメント１１が次の相に接続されている。図３、図４、図５には、三相巻線の例が示されている。第１の相（Ａ相）に相当する６個のセグメント１１ａは、図４に示すように、電気的に直列接続可能となっている。また、第２の相に相当する６個のセグメント１１ｂも同様であり、第３の相に相当する６個のセグメント１１ｃも同様である。
【００１９】
６個のセグメント１１ａを例に挙げてみると、それらは３組１２ａ、１２ｂ、１２ｃに分割されている。これら３組のそれぞれに、ステータアセンブリを正方向に取り囲んでいる巻線８からなるセグメントがひとつと、ステータアセンブリを負方向に取り囲んでいる巻線８からなるセグメントがひとつある。組数をＬとすると、図３、図４、図５の場合は、Ｌ＝３となる。
【００２０】
ステータコイル（多相コイル）６の端は、ステータ鉄芯１を通り抜けて、多相電流源の電気的接点に達している。図４では、Ａ相の接点が、Ａ＋／Ａ−で示されている。
【００２１】
ボールベアリング２９を介してステータ鉄芯１に取り付けられているロータ鉄芯１５には、内側ロータアセンブリ１６ａと外側ロータアセンブリ１６ｂが取り付けられている。内側ロータアセンブリ１６ａは、強磁性材料からなる２枚のロータリング（歯付きリング）１７ａ、１８ａからなり、これらには、等間隔で配置したロータ極１９ａ、２０ａと強磁性のディスク２１ａとが取り付けられている。同様に、外側ロータアセンブリ１６ｂも強磁性材料からなる２個のロータリング（歯付きリング）１７ｂ、１８ｂからなり、それらには等間隔で配置したロータ極１９ｂ、２０ｂと強磁性のディスク２１ｂとが取り付けられている。
【００２２】
図１に示すように、ロータリング（歯付きリング）１７ａ、１８ａと強磁性のディスク２１ａは確実にロータ鉄芯１５に圧入することによって、一体化されている。内側ロータアセンブリ１６ａのロータリング（歯付きリング）１７ａ、１８ａは、図１および図２に示すように、それらのロータ極１９ａ、２０ａが相互にシフトするように配置されている。ロータリング（歯付きリング）１７ａ、１８ａのそれぞれは、従来モータのように、標準的な製造技術によって、シリコンと鉄の積層体から構成することができる。外側ロータアセンブリ１６ｂも同様に構成されている。
【００２３】
図２には、全てのロータリングおよびステータリングの相対的な軸線方向の位置関係を示してあり、この図においてはモータ主軸が番号３０で示されている。ステータリング２は、ロータリング１７ａ、１７ｂと磁気的に結合しており、ステータリング３は、ロータリング１８ａ，１８ｂと磁気的に結合している。電気的な導線はこの図には示されていない。
【００２４】
４組のロータ極１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、同数の極を備えている（この数をＫｒとする）。４組のステータ極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂも同数の極を備えている（この数をＫｓとする）。ステータ極が、（図１ないし図６に示すように）ロータ極と同じく等間隔に配置されている場合、数ＫｓとＫｒは同一とすべきでなく、その差は前述した数Ｌである。
【００２５】
図６は、ロータリング１７ａ、１７ｂとステータリング２を通るひとつの縦断面でのある観察時点におけるステータ極２ａ、２ｂとロータ極１９ａ、１９ｂとの相対的な位置関係を示している。ＫｒとＫｓの違い（この違いをＬとする）のため、その周縁には、ステータとロータの極が一致するＬ個（本例では「３」）の領域２３と、これらの極が一致しないＬ個の領域２４がある。これらの領域２３、２４の間には、ステータ極２ａ、２ｂに対してロータ極１９ａ、１９ｂが僅かに片寄っている部分一致領域２５ａ、２５ｂがある。部分一致領域の連続する領域では、ステータ極は右回り、あるいは左回りにシフトする。そのため、領域２５ａではロータ極が右回りにシフトし、領域２５ｂではロータ極は左回りにシフトする。
【００２６】
図６および図１を参照すると、ステータ極２ａと内側ロータリング１７ａの間のエアーギャップに生じている磁界は、一部は永久磁石４により、一部はステータコイル６によって作り出されている。同様なことがステータ極２ｂと外側ロータリング１７ｂの間のエアーギャップについてもあてはまる。ステータコイルによって作り出される磁界成分はエアーギャップの周縁に沿って変化する。コイルセグメント１１の三相電流の電気的な位相を適切に調整することにより、ステータリング２と内側ロータリング１７ａの間のエアーギャップの磁界は、領域２５ｂにおいて、どの観察時点においても、最も強くすることができる。同様なことがステータリング２と外側ロータリング１７ｂの間の磁界にも当てはまる。
【００２７】
このような瞬時の磁気状態によって、ステータ極２ａ、２ｂは、ロータ極１９ａ、１９ｂを右回り方向に引き付ける。これにより、ロータが右回りに動き、ロータが右回りに僅かにでも回転するや否や、部分的一致領域２５ｂが円周方向に大きくシフトする（図６の場合のように、ＫｒがＫｓより大きい場合には、右回り方向にシフトする）。
【００２８】
この新たな瞬時において、三相電流の電気位相の変化により、ステータリング２と内側ロータリング１７ａの間のエアーギャップにおける磁界が再び新しい領域２５ｂにおいて最も強くなる。同様なことが、ステータリング２と外側ロータリング１７ｂの間の磁界にも当てはまる。残りの半分の能動モータ部分、すなわち、ステータリング３とロータリング１８ａ、１８ｂにおいても全く同様な状況が保たれる。
【００２９】
このようにして、ロータは動作し続ける。コイル６での三相電流１周期の間にロータは、ロータ極間隔１つ分だけ前方に回る。三相電流の電気的位相の連続した変化は、電子コミュニケータによって作り出すことができる。
【００３０】
２個以上のステータアセンブリ７をステータ鉄芯１に対して同軸上に固定しても良く、この場合には、ステータコイル６は、同時にそれらの周りに巻付ければ良い。これは、ステータ鉄芯１の他方の側面に固定したステータアセンブリ７にも適用される。
【００３１】
図７には、このようなモータのステータを示してあり、このモータでは、２個のステータアセンブリ７がステータ鉄芯１の各側面に取付けられ、それらはステータコイル６として共通巻線を備えている。ロータアセンブリ１６ａ、１６ｂの数は、ステータアセンブリ７の数に等しい。組み立てを簡単に行うためには、連続したステータコイル６の巻線を分離したコイル巻線に置きかえればよい。そのようなケースを図７に示してあり、ここでは単一巻線が、１個のＵ型の銅製部品６と１個の短い銅製部品６ａから形成され、点６ｃにおいて、はんだ付け、あるいは溶接されている。
【００３２】
図８には、本発明による環状巻線を備えたハイブリッド同期モータの別の実施例（実施例Ｂ）が示されている（この図においても電気的な接続は示していない）。以下に述べる部分以外は実質的に実施例Ａとほぼ同一である。ステータのディスク４が省略され、ステータリング（歯付きリング）２、３が互いに接して（あるいは融合して）いる。２枚の強磁性のディスク２１ａ、２１ｂは、２枚のディスク２７ａ、２７ｂに置きかえられており、これらのディスクは共に図８の矢印のように、同一の軸線方向に磁化されている。その結果、実施例Ｂでは、ロータの中に永久磁石がある。
【００３３】
図９には、本発明による環状巻線を備えたハイブリッド同期モータの更に別の実施例（実施例Ｃ）が示されている（この図においても電気的接続関係は示していない）。ロータの中に永久磁石があり、後述する部分以外は実施例Ｂとほぼ同一である。２枚のディスク２７ａ、２７ｂは、図９の矢印で示すように、逆向きに磁化されている。内側ロータアセンブリ１６ａは、外側ロータアセンブリ１６ｂに対して、ロータ極間隔の半分だけ、モータ軸を中心として角度的にシフトしている。そのため、実施例Ｃにおけるロータおよびステータの各極の相対的な位置の横断面構成は図１０で示すようになる。これは、実施例Ｂにおける相対位置とは僅かに異なっている（図６を参照のこと）。
【００３４】
ステータコイル６とモータハウジングであるステータ鉄心１およびロータ鉄心１５との熱接触は、ステータコイルが環状となっているモータ内では大抵良くはないが、異なった機能を有する液体をロータとステータの間の内側および外側ギャップに満たすことにより、大幅に改善される。この液体により、過剰な熱がモータ内部から排出され、同時に、不適切な機械振動が抑制される。
【００３５】
この為には、ロータとステータの間の磁界によって、ギャップ内に封鎖された特殊な強磁性液を使うことができる。磁性液としては、非強磁性液体キャリアにおけるモノドメイン（ｍｏｎｏｄｏｍａｉｎ）磁気微分子の安定した各種の懸濁液がある。約１０ｎｍの平均的大きさの微分子は、強力な磁界勾配がこの懸濁液に作用したとしても粒子の凝集を防ぐ安定分散薬剤で被覆されている。
【００３６】
以上説明したように、本発明によるハイブリッド同期モータは、エアーギャップにおいて永久磁石の横断方向の磁束とコイルの縦断方向の磁束が結合し、かつ、一対のステータのみを含む二層（内側、外側）のエアーギャップにおける高効率な表面により、高密度の磁束がエアーギャップに得られる。また、単一組のステータコイルのみを有しており、組み立て部品数が少なく、従来の製造技術を用いて製造できるので、廉価に構成できる。更に、抵抗損が少ないので、エネルギー効率も優れている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】 本発明による三相環状巻線を用いたハイブリッド同期モータを、一部を断面として示す斜視図である。
【図２】 モータアセンブリの実施例Ａの断面図である。
【図３】 電流源の三相（Ａ、Ｂ、Ｃ）用の電気的接続部を備えた三相環状巻線の斜視図である。
【図４】 図３に示す三相環状巻線を縦方向から見た側面図（電気的接続部を備えている側面）である。
【図５】 図３に示す三相環状巻線を縦方向から見た側面図（電気的接続部を備えていない側面）である。
【図６】 ロータとステータの歯付きリング（ロータリング、ステータリング）の位置関係を示す横断面図である（実施例Ａ、Ｂ）。
【図７】 本発明による二重のステータアセンブリと共通環状巻線を有するハイブリッド同期モータを、一部を断面で示す斜視図である。
【図８】 本発明による環状巻線を備えたハイブリッド同期モータの実施例Ｂにおけるロータアセンブリを示す縦断面図である。
【図９】 本発明による環状巻線を備えたハイブリッド同期モータの実施例Ｃにおけるロータアセンブリの縦断面図である。
【図１０】 実施例Ｃの横断面図であり、ロータとステータの歯付き鉄製リング（ロータリング、ステータリング）の位置関係を示すものである。

Claims (4)

1. ロータとステータを有し、
   前記ステータは、内周縁および外周縁の双方に歯が形成されている強磁性体リングであるステータリング（２、３）が同軸状態に配置された構成の少なくとも一つのステータアセンブリ（７）を備え、
   当該ステータアセンブリ（７）は、前記歯（２ａ、３ａ、２ｂ、３ｂ）の間にコイル巻線が位置するように形成されたコイルセグメントからなる多相環状コイル（６）を備えており、
   前記ロータは、前記ステータアセンブリ（７）に対して一組の内側ロータアセンブリ（１６ａ）および外側ロータアセンブリ（１６ｂ）を備え、
   前記内側ロータアセンブリ（１６ａ）および前記外側ロータアセンブリ（１６ｂ）のそれぞれは同軸状態に配置された２個のロータリング（１７ａ、１８ａあるいは１７ｂ、１８ｂ）を備え、各ロータリングには円周方向に沿って等間隔のロータ極である歯が形成されており、
   一つの前記ロータリング（１７ａ、１７ｂ）の各ロータ極が、他方の前記ロータリング（１８ａ、１８ｂ）の各ロータ極に対して、ロータ極間隔の半分だけ角度的にシフトしており、
   １枚の軸方向に磁化されたディスク（４）が前記ステータアセンブリ（７）の前記ステータリング（２、３）の間に挿入されているか、あるいは、２枚の前記ディスク（２１ａ、２１ｂ）が隣接配置された前記ロータリング（１７ａ、１８ａ）（１７ｂ、１８ｂ）の間に配置されており、
   前記ディスク（４、２１ａ、２１ｂ）により、前記ロータおよび前記ステータの間の内側エアーギャップ（９ａ、１０ａ）および外側エアーギャップ（９ｂ、１０ｂ）に、横断磁束が形成されていることを特徴とするハイブリッド同期モータ。
2. 請求項１において、
   ２組の前記ステータアセンブリ（７）を備えており、
   これらのステータアセンブリ（７）は、前記多相環状コイル（６）として、これらのステータアセンブリの全てに同時に巻き付けられている共通環状コイルを備えており、
   この共通環状コイルは、Ｕ形の銅製部品に巻き付け、あるいはそれを組み立てたものであることを特徴とするハイブリッド同期モータ。
3. 請求項２において、
   ４組のロータ極（１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ）の極数が同一であり、４組のステータ極（２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ）の極数も同一であり、ステータ極が円周方向に等間隔で配置されている場合には、ロータ極数とステータ極数が僅かに異なっていることを特徴とするハイブリッド同期モータ。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
   前記ロータおよび前記ステータの間のギャップには、モータ内部からの熱伝導を改善すると共に機械的な振動を低減するための強磁性液体が充填されていることを特徴とするハイブリッド同期モータ。

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