JP6613721B2 - トロイダルコイル電動機 - Google Patents

Description

本発明は、トロイダル巻きされたコイルを有する電動機に関し、特にコイルの構造に関する。

コアの環状部に巻き付けられたコイル、いわゆるトロイダルコイルを有する電動機が知られている。下記特許文献１には、トロイダルコイルを備えた円環状のステータ（１８）と、ステータ（１８）の外周面および内周面にそれぞれ対向する外側回転子（１６ｄ）および内側回転子（１６ｅ）を含むロータ（１６）を有する電動機が記載されている。このように、トロイダルコイル電動機は、ロータとステータの対向面を複数設けることができる。なお、上記において（ ）内の符号は、下記特許文献１で用いられている符号であり、本願の実施形態の説明で用いられる符号とは関連しない。

特開２０１３−４６４７９号公報

トロイダル巻きされたコイルにおいて、コイルが備えられた要素（例えばステータ）の相手となる要素（例えばロータ）と対向していない面に位置する部分は、トルクの発生に寄与していない。この部分のコイル導線を短縮できれば、銅損を低減することができる。

本発明は、トロイダルコイル電動機において、コイル導線を短縮することを目的とする。

本発明に係るトロイダルコイル電動機は、移動磁界を発生させる第１要素と、移動磁界によって第１要素と相対運動する第２要素とを含む。第１要素は、第１要素コアと、第１要素コアにトロイダル巻きされているコイルとを有し、コイルに通電することで移動磁界が形成される。コイル導線のコイルを形成する部分の両端である第１巻き端と第２の巻き端が、第１要素コアの第２要素に対向していない面に配置されているコイルの部分である非対向部分に位置する。さらに、第１巻き端と第２巻き端はコイル導線が延びる方向において互いに離れて位置し、第１巻き端と第２巻き端の位置の間のコイル導線数が他の部分より少なくなっている。各コイルの第１巻き端はコイルの非対向部分において第１の側に位置し、第２巻き端は、第１巻き端と反対の第２の側に位置する。直列接続されているコイルの各コイルは、一方の隣接するコイルと、第１巻き端と第２巻き端のうち一方の巻き端同士が接続され、他方の巻き端は、別の隣接するコイルの他方の巻き端または動力線または中性点と接続されている。

コイル導線の第１巻き端と第２巻き端が非対向部分において離れて位置することで、コイル導線のコイルを形成している部分の長さを短縮することができる。また、直列接続されているコイルについて、一方の隣接するコイルと第１巻き端同士を接続し、他方の隣接するコイルと第２巻き端同士を接続することにより、コイル導線のコイル同士を接続している部分の長さを短縮することができる。

さらに、直列接続されているコイルにおいて、隣接するコイルは、コイル導線の巻き方向を互いに反対向きとすることができる。

直列接続されているコイルにおいて、隣接するコイルの巻き方向を互いに反対向きにすることによっても、コイル同士を接続している部分の長さを短縮することができる。

コイル導線の長さを短縮することで、銅損が低減される。

本実施形態の電動機の概略構成を示す断面図である。 ステータコアの概略構成を示す斜視図である。 ステータコアの要部構成を示す模式図である。 ステータコアの要部構成を示す模式図である。 コイルの接続態様を示す模式図である。 コイルの他の接続態様を示す模式図である。 コイルの巻き方向に関する説明図である。 他の実施形態の電動機の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。以下では、同軸配置され相対回転する２つの要素を有する回転型の電動機について説明する。ただし、本発明は、直線、または自由曲線に沿って延びる第１要素と、第１要素に沿って移動する第２の要素を有するリニア電動機など他の形態の電動機に適用することができる。

図１は、トロイダルコイル電動機（以下、電動機１０と記す。）の回転軸線を含む断面を示す図である。電動機１０は、ケース１２に固定された環状のステータ１４と、出力軸１６に固定されたロータ１８を有する。ステータ１４は、トロイダル巻きされたコイル２０を含み、コイル２０に通電することで回転磁界が形成される。ロータ１８は、円筒部２２と２枚の円板部２４を含み、それぞれに永久磁石２６，２８が配置されている。ステータ１４により形成される回転磁界と永久磁石２６，２８が相互作用してロータ１８が出力軸１６を中心として回転する。したがって、ステータ１４は相対移動する電動機の２つの要素のうちの移動磁界を形成する要素であり、ロータ１８は移動磁界により移動するもう一方の要素である。

以下では、出力軸１６の中心線を回転軸線、回転軸線が延びる方向を回転軸線方向、回転軸線に直交する方向を径方向、回転軸線の周りを周回する方向を周方向と記す。また、上下左右等の方向および向きを表す語句は、図中の方向および向きを表し、使用状態における方向および向きと関連しない。

ロータ１８の円筒部２２は、ステータ１４の径方向内側に位置し、その円筒外周面がステータ１４に対向する。円筒部２２の外周部には、永久磁石２６が埋め込まれている。永久磁石２６は、永久磁石２６が形成する磁極の極性が交互となるように周方向に配列されている。２枚の円板部２４は、回転軸線方向において、ステータ１４を挟むように配置され、ステータ１４と対向する面上に永久磁石２８が固定されている。永久磁石２８は、永久磁石２８が形成する磁極の極性が交互となるように周方向に配列されている。

ステータ１４は、概略円環状のステータコア３０を有する。ステータコア３０は円環形状のヨーク３２と、ヨーク３２からロータの永久磁石２６，２８が配置された位置に向けてそれぞれ延びるティース３４，３６を有する。ヨーク３２から径方向内側に延びるティースをラジアルティース３４と記す。ラジアルティース３４の先端は、ロータの円筒部２２の外周面に対向する。また、ヨーク３２から２つの円板部２４に向けてそれぞれ回転軸線方向に延びるティースをアキシャルティース３６と記す。

図２は、ステータコア３０の概略構成を示す図である。図３は、ステータ１４を周方向に沿って見た状態を示す模式図である。図４は、ステータ１４を径方向外側から見た状態を示す模式図である。

ステータコア３０の外周面（図３において右側の面、図４に現れている面）は、ロータ１８に対向しておらず、以降、この面を非対向面３８と記す。コイル２０は、ヨーク３２の周囲にコイル導線を巻き付けて形成されている。コイル２０は、図４に示されるように、Ｕ−相のコイル２０Ｕ−、Ｖ＋相のコイル２０Ｖ＋、Ｗ−相のコイル２０Ｗ−、Ｕ＋相のコイル２０Ｕ＋、・・・の順に配列されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルは、各相ごとに渡り線４０で接続されている。図４では、コイル２０Ｕ−とコイル２０Ｕ＋を結ぶ渡り線４０のみ示し、他の相の渡り線は省略している。１本のコイル導線により複数のコイル２０を形成する場合、コイル２０の間のコイル導線が渡り線４０となる。また、１本のコイル導線で１個のコイル２０を形成し、コイル導線のコイル２０から延びる部分同士を接続するようにしてもよい。この場合、コイル導線のコイル２０から延びている部分が渡り線４０となる。さらに、１本のコイル導線で１個のコイル２０を形成し、別の導線または導体で、コイル２０同士を接続するようにしてもよい。この場合、別の導線または導体が渡り線４０となる。

コイル２０のうち、非対向面３８に対応して配置されている部分である非対向部分４２は、トルクの発生に直接寄与していない。したがって、非対向部分４２のコイルの巻き数、つまりコイル導線の本数を、他の部分より少なくしても電動機１０が発生するトルクは減少しない。そこで、コイル導線を、コイル２０を巻き始めた位置まで巻かないようにする。巻き始め位置に達しない分だけ、コイル２０を形成するコイル導線が短くなる。

図３において、コイル導線のコイル２０を形成する部分の両端が符号４４，４６で示されている。上側に位置する巻き端を第１巻き端４４、下側に位置する巻き端を第２巻き端４６と記す。第１巻き端４４と第２巻き端４６は、コイル２０の非対向部分４２において、互いに離れて位置し、これらの間の部分のコイル導線の数は、他の部分の数より１本少なくなる。この実施形態では、第１巻き端４４は、コイルの非対向部分４２の上端に位置し、第２巻き端４６は、非対向部分４２の下端に位置する。図４に示すように、各コイル２０において、上述のように、第１巻き端４４および第２巻き端４６が離れて位置し、特にコイルの非対向部分４２の上下の端に離れて位置する。

図５は、同相のコイル２０の接続態様を示す図であり、ステータ１４を外周側から周方向内側に見た状態を示している。Ｕ相の直列接続される４個のコイル２０-1,２０-2,２０-3,２０-4は、隣接するコイルが同じ側にある巻き端同士が接続されている。各コイル２０の区別をする必要がある場合には、符号に添え字-1,-2,-3,-4を付す。他の要素についても区別が必要な場合に添え字を付す。コイル２０-1とコイル２０-2は、下側の巻き端である第２巻き端４６-1と第２巻き端４６-2が渡り線４０-1により接続されている。コイル２０-2は、これに隣接するもう一つのコイル２０-3と、これらの上側の巻き端である第１巻き端４４-2と第１巻き端４４-3をつなぐ渡り線４０-2により接続されている。さらに、コイル２０-3は、これに隣接するもう一つのコイル２０-4と、これらの下側の巻き端である第２巻き端４６-3と第２巻き端４６-4をつなぐ渡り線４０-3により接続されている。直列接続されているコイル群の両端の巻き端である第１巻き端４４-1,４４-4には、コイルに電力を供給する動力線、または中性点と接続する接続線４８-1,４８-4が接続されている。

コイルの非対向部分４２の上端に位置する第１巻き端４４同士、下端に位置する第２巻き端４６同士を接続することにより、第１巻き端４４と第２巻き端４６を接続する場合に比べて渡り線４０の長さを短くすることができる。これにより、コイルの非対向部分４２のコイル導線の数を減じた効果が有効に利用できる。

図５では、４個のコイル２０を直列接続した場合を示したが、コイル２０の数は、４個以外であってもよい。また、図５では、Ｕ相が示されているが、Ｖ相、Ｗ相でも同様である。

図６は、同相のコイル２０の他の接続態様を示す図であり、ステータ１４を外周側から周方向内側に見た状態を示している。図６の接続態様は、２組の直列接続されたコイル２０をさらに並列接続したものである。コイル２０-1とコイル２０-2、コイル２０-3とコイル２０-4がそれぞれ直列接続されコイル群を形成し、コイル群同士が並列接続されている。コイル２０-1とコイル２０-2は、それぞれの下端側の巻き端である第２巻き端４６-1,４６-2を渡り線４０-1によりつないで接続されている。この直列接続されたコイル群の両端の巻き端である第１巻き端４４-1,４４-2には、動力線または中性線と接続する接続線４８-1,４８-2が接続されている。コイル２０-3とコイル２０-4は、それぞれの下端側の巻き端である第２巻き端４６-3,４６-4を渡り線４０-3によりつないで接続されている。この直列接続されたコイル群の両端の巻き端である第１巻き端４４-3,４４-4には、動力線または中性線と接続する接続線４８-3,４８-4が接続されている。

図６では、４個のコイル２０を接続した場合を示したが、コイル２０の数は、４個以外であってもよい。また、図６では、Ｕ相が示されているが、Ｖ相、Ｗ相でも同様である。

図７は、コイル２０の巻き方向に関する説明図である。Ｕ−相のコイル２０Ｕ−と、Ｕ＋相のコイル２０Ｕ＋で発生する磁束は、図において白抜き矢印で示すように互いに反対向きである。このように磁束を発生させるために、コイル２０Ｕ−とコイル２０Ｕ＋を流れる電流の向きは、逆向きとする必要がある。図７において、左方より各コイルを見たときにコイル２０Ｕ−では電流は反時計回りに流れており、コイル２０Ｕ＋では時計回りに流れている。図７の（ａ）においては、コイル２０Ｕ−およびコイル２０Ｕ＋は、双方とも左手巻きに巻かれている。つまり、左手の親指を立てた状態で親指の指す方向にコイル導線を巻き進めるとき、親指以外の４指の指の付け根から指先に向けてコイル導線が巻かれるようにしてコイルが形成されている。この場合、渡り線４０のａ，ｂの部分が重なり、その分コイル導線が長くなる。図７の（ｂ）では、コイル２０Ｕ−は左手巻きであるのに対し、コイル２０Ｕ＋は右手巻きとなっている。本実施形態のコイル２０は、直列接続されるコイル２０において、隣接するコイル２０の一方が左手巻き、他方が右手巻きとなっている。これにより、コイル導線の長さを短くしている。

図８は、本発明に係る他の実施形態のトロイダルコイル電動機５０（以下、電動機５０と記す。）の要部構成を示す断面図である。電動機５０は、ケース５２に固定された環状のステータ５４と、出力軸５６に固定されたロータ５８を有する。ステータ５４は、トロイダル巻きされたコイル６０を含み、コイル６０に通電することで回転磁界が形成される。ロータ５８は、内筒部６２と外筒部６４を含み、それぞれに永久磁石６６，６８が配置されている。ステータ５４により形成される回転磁界と永久磁石６６，６８が相互作用してロータ５８が出力軸５６を中心として回転する。

以下では、出力軸５６の中心線を回転軸線、回転軸線が延びる方向を回転軸線方向、回転軸線に直交する方向を径方向、回転軸線の周りを周回する方向を周方向と記す。また、上下左右等の方向および向きを表す語句は、図中の方向および向きを表し、使用状態における方向および向きと関連しない。

ロータ５８の内筒部６２は、ステータ５４の径方向内側に位置し、その円筒外周面がステータ５４に対向する。内筒部６２の外周部には、永久磁石６６が埋め込まれている。永久磁石６６は、永久磁石６６が形成する磁極の極性が交互となるように周方向に配列されている。ロータ５８の外筒部６４は、円板部材６５によって出力軸５６に固定されている。また、外筒部６４は、ステータ５４の径方向外側に位置し、その円筒内周面がステータ５４に対向し、内周面上に永久磁石６８が固定されている。永久磁石６８は、永久磁石６８が形成する磁極の極性が交互となるように周方向に配列されている。

ステータ５４は、概略円環状のステータコア７０を有する。ステータコア７０は円環形状のヨーク７２と、ヨーク７２からロータの永久磁石６６，６８が配置された位置に向けてそれぞれ延びるティース７４，７６を有する。ヨーク７２から径方向内側に延びるティースをインナティース７４と記す。インナティース７４の先端は、ロータの内筒部６２の外周面に対向する。また、ヨーク７２から径方向外側に延びるティースをアウタティース７６と記す。アウタティース７６の先端は、ロータの外筒部６４の内周面に対向する。

ステータコア７０の上面および下面は、ロータ５８に対向しておらず、これらの面をそれぞれ上側非対向面７８、下側非対向面７９と記す。

コイル６０のうち、上側および下側非対向面７８，７９に対向している部分である上側および下側非対向部分８２，８３は、トルクの発生に直接寄与していない。したがって、上側および下側非対向部分８２，８３のコイルの巻き数、つまりコイル導線の本数を、他の部分より少なくしても電動機５０が発生するトルクは減少しない。そこで、コイル導線を、コイル６０を巻き始めた位置まで巻かないようにする。

コイル導線のコイル６０を形成する部分の両端が符号８４，８６で示されている。径方向の外側に位置する巻き端を第１巻き端８４、内側に位置する巻き端を第２巻き端８６と記す。第１巻き端８４と第２巻き端８６は、コイル６０の上側非対向部分８２において、互いに離れて位置し、これらの間の部分のコイル導線の数は、他の部分の数より１本少なくなる。円板部材６５の反対側に位置する上側非対向部分８２に第１および第２巻き端８４，８６を配置することで、これらに接続する渡り線や、動力線および中性点と接続する接続線の配置が容易となる。この実施形態では、第１巻き端８４は、コイルの非対向部分８２の外端に位置し、第２巻き端８６は、非対向部分８２の内端に位置する。各コイル６０において、第１巻き端８４および第２巻き端８６が離れて位置し、特にコイルの上側非対向部分８２の内外の端に離れて位置する。

各コイル６０の接続は、電動機１０と同様、直列接続されるコイル６０において隣接するコイル６０の第１巻き端８４同士、または第２巻き端同士８６が接続される。さらに、直列接続されるコイル６０において、隣接するコイル６０を、一方が右手巻きに他方が左手巻きにすることができる。

非対向面が２面である場合、隣接する２面を非対向面とすることができ、非対向面はＬ字形に配置される。巻き端は、Ｌ字形の両端に配置することができる。また、外側の要素が回転するアウタロータ型の電動機の場合、例えば、ステータコアの外周面および回転軸線方向における両側の端面がロータと対向するようにし、内周面を非対向面とすることができる。

１０ 電動機、１２ ケース、１４ ステータ、１６ 出力軸、１８ ロータ、２０ コイル、２２ 円筒部、２４ 円板部、２６，２８ 永久磁石、３０ ステータコア、３２ ヨーク、３４ ラジアルティース、３６ アキシャルティース、３８ 非対向面、４０ 渡り線、４２ 非対向部分、４４ 第１巻き端、４６ 第２巻き端、４８ 接続線、５０ 電動機、５２ ケース、５４ ステータ、５６ 出力軸、５８ ロータ、６０ コイル、６２ 内筒部、６４ 外筒部、６５ 円板部材、６６，６８ 永久磁石、７０ ステータコア、７２ ヨーク、７４ インナティース、７６ アウタティース、７８ 上側非対向面、７９ 下側非対向面、８２ 上側非対向部分、８３ 下側非対向部分、８４ 第１巻き端、８６ 第２巻き端。

Claims (1)

1. 第１要素コアと第１要素コアにトロイダル巻きされているコイルとを有し、移動磁界を発生させる第１要素と、
   移動磁界によって第１要素と相対運動する第２要素と、
   を含むトロイダルコイル電動機であって、
   各コイルは、コイル導線を複数回連続して巻回して形成されており、
   第１要素コアの第２要素に対向していない面に配置されているコイルの部分である非対向部分において、コイル導線のコイルを形成する部分の両端である第１巻き端と第２の巻き端が、コイルを形成するコイル導線が延びる方向において互いに離れて位置し、第１巻き端の位置と第２巻き端の位置の間のコイル導線数が他の部分より少なくなっており、
   各コイルの第１巻き端はコイルの非対向部分において第１の側に位置し、第２巻き端は、第１の側と反対の第２の側に位置し、
   直列接続されているコイルの各コイルは、一方の隣接するコイルと、第１巻き端と第２巻き端のうち一方の巻き端同士が接続され、他方の巻き端は、別の隣接するコイルの他方の巻き端または動力線または中性点と接続され、
   直列接続されているコイルにおいて、隣接するコイルは、互いに反対向きの巻き方向である、
   トロイダルコイル電動機。

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