JPWO2006118219A1 - モータ及びその制御装置 - Google Patents

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Abstract

モータ１００は、周方向に永久磁石１２のＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータ１０と、周方向に複数個配置されたステータ磁極５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９をそれぞれが有して互いにこれらのステータ磁極の周方向位置および軸方向位置をずらして配置された７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４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、５１、５２とを備えている。

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載されるモータ及びその制御装置に関する。
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）。図１４１は、このような従来のブラシレスモータの概略的な構成を示す縦断面図である。また、図１４３は図１４１のＡ１−Ａ１線断面図である。これらの図には、４極６スロット型のブラシレスモータが示されており、ステータの巻線構造はいわゆる集中巻きであって、各ステータ磁極には各相のコイルが集中的に巻回されている。また、図１４２にはステータを円周方向に１周展開した状態で、Ｕ、Ｖ、Ｗ等の巻線の配置関係が示されている。横軸は電気角で表現されており、１周で７２０°となっている。ロータ２の表面には、Ｎ極の永久磁石とＳ極の永久磁石とが周方向に交互に配置されている。ステータ４では、Ｕ相のステータ磁極ＴＢＵ１、ＴＢＵ２のそれぞれにはＵ相巻線ＷＢＵ１、ＷＢＵ２が巻回されている。同様に、Ｖ相のステータ磁極ＴＢＶ１、ＴＢＶ２のそれぞれにはＶ相巻線ＷＢＶ１、ＷＢＶ２が巻回されている。Ｗ相のステータ磁極ＴＢＷ１、ＴＢＷ２のそれぞれにはＷ相巻線ＷＢＷ１、ＷＢＷ２が巻回されている。このような構造を有するブラシレスモータは、現在、広く産業用、家電用に使用されている。
また、図１４４は他のステータの構成を示す横断面図である。図１４４に示すステータは、２４スロットの構成であって４極のモータの場合には分布巻きが可能であり、ステータの円周方向起磁力分布を比較的滑らかな正弦波形状につくることができるため、ブラシレスモータ、巻線界磁型同期電動機、誘導電動機などに広く使用されている。特に、リラクタンストルクを活用するシンクロナスリラクタンスモータおよびリラクタンストルク応用の各種モータあるいは誘導電動機等の場合、ステータによるより精密な回転磁界の生成が望まれることから、図１４４に示す分布巻きのステータ構造が適している。
特開平６−２６１５１３号公報（第３頁、図１−３）
ところで、図１４１、図１４２、図１４４および特許文献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、モータ巻線をスロットの奥に配置する必要があるためモータ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。さらに、ステータの突極が電気角で３６０度の範囲に３個しかない構造であるため、ステータの発生する起磁力を正弦波状に生成して回転磁界を精密に生成することは難しく、シンクロナスリラクタンスモータやリラクタンストルク応用の各種モータあるいは誘導電動機などへの適用が難しいという問題があった。
また、図１４４に示す分布巻きが可能なステータ構造の場合にはステータの起磁力分布を滑らかな正弦波状に生成することができるが、スロットの開口部から巻線を挿入する必要があるため巻線の占積率が低くなるとともに、コイルエンドの軸方向長さが長くなるためモータの小型化が難しいという問題があった。また、巻線の生産性が低いという問題もあった。
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、巻線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モータ、及び、そのモータを制御する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、本発明の第一のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された（Ｎ＋１）個のステータ磁極群と、各相のステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置され、軸方向両端に同一相が配置された２Ｎ個のループ状巻線とを備えている。
また、上述した（Ｎ＋１）個のステータ磁極群のそれぞれは、電気角位置が順に変化するように配置されていることが望ましい。このような構成とすることにより、各ループ状巻線の電流が生成する起磁力により効果的にモータトルクを発生することができる。
また、電気角が互いにほぼ１８０°異なる２つの相に対応するステータ磁極群が隣接するように、（Ｎ＋１）個のステータ磁極群のそれぞれが配置されていることが望ましい。このような構成とすることにより、ロータとステータとが対向するエアギャップ部のステータ磁極形状の面積を広く、大きくすることができ、ロータから巻線へ鎖交する磁束を大きくすることができ、発生トルクを増大させることができる。
また、電気角が互いにほぼ１８０°異なる２つの相に対応するステータ磁極群を組としたときに、隣接する２組のそれぞれに含まれて互いに隣接するステータ磁極群の電気角の位相差が最小となるように、（Ｎ＋１）個のステータ磁極群のそれぞれが配置されていることが望ましい。このような構成とすることにより、それらの中間に通電すべき電流を小さくすることができ、銅損を低減することができる。
また、上述した（Ｎ＋１）個のステータ磁極は、両端に位置する２つのステータ磁極であってロータに対向する面のロータ軸方向幅の和がそれ以外のそれぞれのステータ磁極のロータに対向する面のロータ軸方向幅に等しくなるように設定されていることが望ましい。このような構成とすることにより、軸方向両端の同相のステータ磁極の電磁気的作用と他相の電磁気的作用が同等の作用となる。
また、本発明の第二のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群と、各相のステータ磁極群の両側であって軸方向に沿って配置され、軸方向両端に同一相が配置された２Ｎ個のループ状巻線とを備えている。
また、ロータ軸方向に隣接する２つのステータ磁極によって形成されるスロット内に配置された複数のループ状巻線を１個のループ状巻線に統合することが望ましい。このような構成とすれば、ループ状巻線が簡略化され、かつ、複数の電流の算術的な和の電流が共通の巻線に通電され、巻線内の電流が均一化されるので銅損を低減することができる。特に、複数の巻線に正と負の電流が流れるタイミングにおいては両電流が相殺されるので通電電流を大幅に低減できる。
また、ロータ軸方向に沿った両端のそれぞれに配置された２つのステータ磁極のさらに外側に配置されたループ状巻線を取り除くことが望ましい。巻線の排除によりモータを簡略化することができる。
また、上述したステータ磁極のロータに対向する面の面積が、ロータの周方向に沿って、正弦波状の面積分布あるいは正弦波に近似される面積分布となっていることが望ましい。これにより、トルクを増加し、トルクリップルを低減することができる。
また、上述したステータ磁極のロータに対向する面は、ロータ軸に沿って隣接するステータ磁極の間隔よりも、ロータ軸方向幅が大きいことが望ましい。このように、多くの磁束がステータ磁極を通過する形状とすることにより、モータトルク定数を大きくすることができる。
また、任意のＸ相のステータ磁極群を通る磁束の総和をΦｘ、この磁束Φｘの回転変化率をｄΦｘ／ｄθ、このステータ磁極とロータ磁極との間のエアギャップ部に作用する起磁力である巻線電流をＩｘ、巻線ターン数をＷＴｘ、これらの積ｄΦｘ／ｄθ×Ｉｘ×ＷＴｘで算出される発生トルク成分をＴｘとし、他の任意のＹ相のステータ磁極群を通る磁束の総和をΦｙ、この磁束Φｙの回転変化率をｄΦｙ／ｄθ、このステータ磁極とロータ磁極との間のエアギャップ部に作用する起磁力である巻線電流をＩｙ、巻線ターン数をＷＴｙ、これらの積ｄΦｙ／ｄθ×Ｉｙ×ＷＴｙで算出される発生トルク成分をＴｙとするときに、ステータ磁極とロータ磁極との対向面積により決まる磁束Φｘ、Φｙと巻線電流Ｉｘ、Ｉｙと巻線ターン数ＷＴｘ、ＷＴｙの二つ以上が、Ｘ相のステータ磁極とＹ相のステータ磁極とでは異なる値であって、それぞれのステータ磁極に対応する発生トルク成分Ｔｘ、Ｔｙは等しいことが望ましい。これにより、モータカバーや被駆動側機構等の都合で、ステータ磁極の形状を変形させる必要がある場合に、磁束Φｘと電流Ｉｘと巻線巻き回数ＷＴｘとで得られる最終的電磁気作用を変えることなく、個々のパラメータを変更することが可能になる。
また、上述した各相のステータ磁極は、ロータ軸方向にＫ個に分割されており、各相のＫ個のステータ磁極のそれぞれのロータ軸方向に沿った両側あるいは片側に、同一相のＫ個のループ状巻線が配置されていることが望ましい。これにより、円周方向の起磁力分布をより滑らかにし、より正弦波に近い分布にすることができ、モータの駆動をより滑らかにすることができる。
また、ロータ軸方向に隣接するステータ磁極によって形成されるスロットに、異なる位相の電流が通電される複数のループ状巻線が巻回されて合成電流が得られるとともに、スロットに巻回された複数のループ状巻線のそれぞれの巻回数は、それぞれに流れる電流ベクトルとそれぞれの巻回数との積の合計が合成電流のベクトルに一致するように設定されることが望ましい。このような構成とすることにより、各位相のステータ磁極群に対して、少ない相数の電流源で相数以上の数の電流位相を作り出し、より滑らかなモータ駆動を実現することができる。
また、上述したループ状巻線同士の結線を、電気角的に同一の位相のループ状巻線同士については直列接続し、電気角的にほぼ１８０°位相の異なるループ状巻線同士については反対方向に直列接続して行うことが望ましい。この構成とすることにより、より少ない電流源でモータ駆動を実現することができるので、モータの配線を簡略化でき、駆動装置も簡略化することができる。
また、上述したロータは、表面あるいは内部の一部に永久磁石が配置され、少なくとも表面の一部は軟磁性体で構成されていることが望ましい。これにより、リラクタンストルクも得られる各種形状のロータを実現することが容易となる。
また、上述したロータは、一つのロータ磁極から他のロータ磁極へ向かう方向へ細長い空隙あるいは非磁性体あるいは永久磁石を複数組配置することが望ましい。これにより、シンクロナスリラクタンスモータを実現することが容易となる。
また、上述したロータは、円周方向に磁気的に軟磁性体の突極で磁極が構成されていることが望ましい。これにより、リラクタンスモータを構成することが容易となる。
また、上述したロータは、誘導電流を通電可能な巻線を備えることが望ましい。これにより、誘導トルクを得ることができる。
また、上述したステータ磁極のロータに対向する面の面積が、ロータの周方向に沿って、正弦波状の面積分布あるいは正弦波に近似される面積分布となっており、３相のステータ磁極が備わっている場合に、極対数Ｐｎとステータ磁極の数Ｎｓｓが、Ｎｓｓ＝３×Ｐｎの関係を満たすことが望ましい。あるいは、上述したステータ磁極が内径側に配置され、ロータが外径側に配置された、いわゆるアウターロータ構造とすることが望ましい。
また、上述したステータ磁極とロータとが相対的に軸方向に沿って配置された、いわゆるアキシャルギャップ型モータ構造とすることが望ましい。
また、モータは、上述したモータを含む２個以上のモータを複合化して組み合わせることによって構成されることが望ましい。本発明のモータを含む２個以上のモータを複合化して構成することにより、モータ内部のスペースの効果的な活用が可能であり、モータ構成部材の共用なども可能である。２個のモータを１個のモータに複合化することにより、それらのモータを使用したシステムの所要スペースを低減できる。また、モータ内部の通電電流がアンバランスであって、モータのロータ軸方向に起磁力が発生される場合は、２個のモータの発生する軸方向起磁力がキャンセルされるように配置し、結果として、複合化されたモータの軸方向起磁力をなくすことができる。
また、上述したロータは、ステータ磁極に対向する面の少なくとも一部は軟磁性体で構成され、表面あるいは内部にロータ軸方向あるいはラジアル方向に磁束を導く軟磁性体の導磁磁路を備えることが望ましい。これにより、ステータの各相のロータ軸方向に交差するステータ磁路を少なくすることができる。
また、上述したロータは、ステータ磁極に対向する面の少なくとも一部は軟磁性体で構成され、内部に磁束の回転方向自在性を制限する空隙部あるいは非磁性体部を備えることが望ましい。これにより、ロータ磁束の回転方向位置依存性を高めることができる。
また、規則的に配列されたステータ磁極の一部、あるいは、ロータ磁極の一部が除去されていることが望ましい。これにより、削除した部分をモータ強度の補強や、電流、電圧、磁束等のセンサの配置や、巻線取り出し口スペースとして使用することが可能になる。
また、相数がＮ、極対数がＰｎで極数が２×Ｐｎに設定されており、ステータ磁極の数がＳ×Ｐｎとなる構成から一部のステータ磁極を削除することが望ましい。これにより、ステータ磁極間の漏れ磁束を低減することが可能になる。
本発明第三のモータには、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＰ個のステータ磁極群と、各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置されたＱ個のループ状巻線とを備え、前記Ｑ個のループ状巻線それぞれに個別の電流が通電できるようにモータの入力線が備えられている（ここで、Ｐ＝（Ｎ＋１）でＱ＝２Ｎ、Ｐ＝ＮでＱ＝２（Ｎ−１）、Ｐ＝（Ｎ＋１）でＱ＝Ｎ、または、Ｐ＝ＮでＱ＝（Ｎ−１）であり、Ｎは３以上の正の整数とする）。
本発明第四のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＰ個のステータ磁極群と、各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置されたＱ個のループ状巻線とを備え、Ｑ個のループ状巻線の内、２個以上のステータ磁極群を挟んで配置された２巻線に同じ電流が逆方向に通電されている（ここで、Ｐ＝（Ｎ＋１）でＱ＝２Ｎ、または、Ｐ＝ＮでＱ＝２（Ｎ−１）であり、Ｎは３以上の正の整数とする）ことを特徴とする。
本発明第五のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＰ個のステータ磁極群と、各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置されたＱ個のループ状巻線とを備える（ここで、Ｐ＝（Ｎ＋１）でＱ＝Ｎ、または、Ｐ＝ＮでＱ＝（Ｎ−１）であり、Ｎは３以上の正の奇数とする）ことを特徴とする。
本発明第六のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された（Ｎ＋１）個のステータ磁極群と、各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置されたＮ個のループ状巻線とを備え、前記Ｎ個の巻線がスター結線されることを特徴とする。
本発明第七のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群と、各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置された（Ｎ−１）個のループ状巻線とを備え、前記（Ｎー１）個の巻線がスター結線され、前記スター結線の中心接続部もモータの入力としてＮ個の入力線とすることを特徴とする。
本発明第八のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された４個のステータ磁極群とを備え、両端のステータ磁極群の内側にはそれぞれ巻回数Ｎｗのループ状巻線が配置され、中央の２個のステータ磁極群の間には巻回数Ｎｗ／２の２個のループ状巻線が配置され、それら４個の巻線がスター結線されていることを特徴とする。
本発明第九のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された４個のステータ磁極群とを備え、両端のステータ磁極群の内側にはそれぞれ巻回数Ｎｗのループ状巻線が配置され、中央の２個のステータ磁極群の間には巻回数Ｎｗ／２のループ状巻線が配置され、それら３個の巻線がスター結線されていることを特徴とする。
本発明第十のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された（Ｎ＋１）個のステータ磁極群とを備え、これらのステータ磁極群の内、電気角が互いにほぼ１８０°異なる２つの相に対応する前記ステータ磁極群が隣接するように配置され、各相の前記ステータ磁極群の間にはＮ個のループ状巻線が配置されていることを特徴とする。
本発明第十一のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群とを備え、前記のＮ個のステータ磁極群の配置順が電気角的位相の順で一つおきの順となっていて、各相の前記ステータ磁極群の間は各ループ状巻線が配置されていることを特徴とする。
本発明第十二のモータは、６個のステータ磁極群を持つモータであって、電気角的に第１、３、５相のステータ磁極群の第１の構成部と、電気角的に第２、４、６相のステータ磁極群の第２の構成部とがロータ軸方向に配置され、前記第１、３、５相のステータ磁極群の間にループ状巻線が配置され、前記第２、４、６相のステータ磁極群の間にループ状巻線が配置され、各ステータ磁極群が対向する各ロータ磁極が配置され、前記の第１の構成部と第２の構成部との間、あるいは、これらのステータ磁極群に対向する２対のロータ磁極群の間の少なくとも片方が空間あるいは非磁性体により磁気的に分離されていることを特徴とする。
本発明第十三のモータは、円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群とを備え、前記のＮ個のステータ磁極群の配置順が電気角的位相の順で二つおきの順となっていて、各相の前記ステータ磁極群の間には各ループ状巻線が配置されていることを特徴とする。
本発明は、前述した目的を達成するため、その他にも様々な構成のモータ及びその制御装置を提供しており、それらは以下に説明する実施例及び添付図面より明らかになる。
本発明によれば、巻線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モータ、及び、そのモータを制御する制御装置を提供することができるという効果が得られる。
本発明の第一のモータにおいては、上記のような構成とすることにより、ステータの円周方向起磁力分布を比較的滑らかな正弦波状に作ることができるので、振動や騒音の小さな高品質なモータを実現できる。また、ループ状巻線であるため、モータの巻線が簡素で製作性に優れたモータとすることができる。
本発明の第二のモータは、両端のステータ磁極群の片端のステータ磁極群を他端のステータ磁極群に隣接した位置に移動する構成であり、同相の両端のステータ磁極群を片側に集めることによってモータ構成を簡略化することができる。
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本ず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。 ２相、３相、４相、５相、６相、７相の各ベクトルを示す図である。 ６相のステータ磁極と６相の巻線を備えた一実施例のモータを示す図である。 図２１に示すステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記し、下部にロータ外周表面形状を円周方向に直線展開した図を付記した図である。 図２１に示すモータの各部の横断面図である。 ３相２極のシンクロナスリラクタンスモータを示す横断面図である。 シンクロナスリラクタンスモータをｄｑ軸座標で示した電流と磁束のベクトル図である。 ６相のループ状巻線を持ち、軸方向に無限に長いモータモデルのステータの縦断面図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 図２８に示すステータの一部を示す縦断面図である。 図２７、図２８に示す巻線の各電流を表すベクトル図である。 図２１に示すモータのステータコアと巻線を拡大した図である。 ベクトルの合成を示す図である。 合成されたベクトルで構成される６相のベクトルを示す図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 各ステータ磁極を通る磁束の回転変化率の例を示す図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 ステータ磁極形状の例を示す縦断面図である。 ステータ磁極の内径側形状の各種例を示す図である。 ステータ磁極形状およびロータ磁極形状の例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に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 ステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 図４３に示す巻線の電流を表すベクトル図である。 図４３に示す巻線の各電流を表すベクトル図である。 図１に示すモータの各巻線の電流、電圧、巻線の結線関係を示す図である。 図４６に示す巻線の電流と電圧の関係をベクトルで示す図である。 図４６に示す巻線と電流と電圧を示す図である。 図１に示すモータの巻線を図７に示す巻線に変更したモータの電流、電圧、巻線の結線関係の例を示す図である。 図１に示すモータの巻線を図７に示す巻線に変更したモータの電流、電圧、巻線の結線関係の例を示す図である。 図５０に示す巻線の電流と電圧の関係をベクトルで示す図である。 図５０に示す巻線と電流と電圧を示す図である。 図５０に示す巻線と３相インバータとの接続関係を示す図である。 図２１に示す巻線の接続と３相インバータへの接続関係を示す図である。 図３５に示す巻線の接続と３相インバータへの接続関係を示す図である。 図２８に示す巻線の接続と３相インバータへの接続関係を示す図である。 図１７に示すロータに誘導巻線を付加した図である。 ステータ側の１次巻線とロータ側の２次巻線の両方がループ状の巻線で構成される誘導電動機の構成を示す縦断面図である。 ロータが外径側に配置されたアウターロータ型のモータの縦断面図である。 ステータとロータとが相対的にロータ軸方向へ配置されたアキシャルギャップ型のモータを示す縦断面図である。 図６０に示すステータ磁極形状と各ループ状巻線の配置を付記した横断面図である。 図６０に示すロータを示す横断面図である。 ２個のモータを組み合わせた本発明モータの縦断面図である。 図６３に示すステータの内周面形状を円周方向に直線展開した図に各ループ状巻線の配置を付記した例を示す図である。 ロータ内部に軸方向磁路を持つロータの横断面図である。 積層した電磁鋼板の形状例を示す図である。 ロータ磁極の軟磁性体部に磁束の回転方向自在性を制限する空隙部を持つロータの例を示す図である。 ステータ磁極間の距離を大きくしてステータ磁極間の漏れ磁束を低減したステータの例を示す図である。 ステータ磁極間の距離を大きくしてステータ磁極間の漏れ磁束を低減したステータの例を示す図である。 ステータ磁極間の距離を大きくしてステータ磁極間の漏れ磁束を低減したステータの例を示す図である。 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図である。 図７１の電流、電圧のベクトルを示す図である。 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図である。 図７３の電流、電圧のベクトルを示す図である。 図７３に示したモータのステータ磁極の横断面形状を示す図である。 図７３に示したモータの巻線の形状と渦電流を示す図である。 ループ状の巻線を有する５相のモータの概略的な構成を示す図である。 図７７の電流のベクトルを示す図である。 図７７の電流のベクトルを示す図である。 ループ状の巻線を有する５相のモータの概略的な構成を示す図である。 図８０のモータの電流のベクトルを示す図である。 図８０のモータの巻線をスター結線とした巻線結線図である。 ループ状の巻線を有する５相のモータの概略的な構成を示す図である。 図８３のモータの電流のベクトルを示す図である。 図８３のモータの巻線をスター結線とした巻線結線図である。 ループ状の巻線を有する５相のモータの概略的な構成を示す図である。 図８３のモータの電流波形を示す図である。 図８３のモータの巻線の電圧波形を示す図である。 図８３のモータの巻線をスター結線とした場合の各端子の電圧波形を示す図である。 ループ状の巻線を有する５相のモータの概略的な構成を示す図である。 図９０のモータの電流のベクトルを示す図である。 図９０のモータの電流のベクトルを示す図である。 図９０のモータの巻線をスター結線、デルタ結線とした巻線結線図である。 図９３のモータの電流波形を示す図である。 図９３のモータの巻線の電圧波形を示す図である。 図９３のモータの巻線をスター結線とした場合の各端子の電圧波形を示す図である。 ループ状の巻線を有する５相のモータの概略的な構成を示す図である。 図９７に示したモータのステータ磁極の横断面形状を示す図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 図９９の電流のベクトルを示す図である。 図９９のモータの巻線をスター結線とした巻線結線図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 図１０２のモータの巻線をスター結線とした巻線結線図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 図１０４のモータの巻線をスター結線とした巻線結線図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 図１０６のモータの電流のベクトルを示す図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 図１０８に示したモータのステータ磁極の横断面形状を示す図である。 図１０８のモータの電流のベクトルを示す図である。 図１０８のモータの巻線をスター結線とし、３相巻線化した巻線結線図である。 図１０８のモータの電流のベクトルを示す図である。 図１０８のモータの巻線をスター結線とし、３相巻線化した巻線結線図である。 図３５の６相のモータの電流のベクトルを示す図である。 図３５のモータの巻線をスター結線とした巻線結線図である。 図３５のモータの電流波形を示す図である。 図３５のモータの巻線の電圧波形を示す図である。 図３５のモータの巻線をスター結線とした場合の各端子の電圧波形を示す図である。 位相を相対的に３０°位相を替えた２組の３相のベクトル図である。 図１１９のモータの巻線をスター結線とした巻線結線図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 ループ状の巻線を有する６相のモータの概略的な構成を示す図である。 ループ状の巻線を有する６相のモータの概略的な構成を示す図である。 ループ状の巻線を有する６相のモータの概略的な構成を示す図である。 図１２５の６相のモータの電流のベクトルを示す図である。 図１２５の６相のモータの電流のベクトルを示す図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 図１２８の６相のモータの電流のベクトルを示す図である。 ループ状の巻線を有する４相のモータの概略的な構成を示す図である。 ４極のリラクタンスモータのロータの概略的な構成を示す図である。 図１３１のロータに使用される電磁鋼板の形状を示す図である。 図１３１のロータに永久磁石を配置した構成を示す図である。 ステータ磁極を円周方向にシフトした構成を示す図である。 径方向に凹凸のあるステータ磁極形状、ロータ磁極形状を示す図である。 ステータの巻線のパイプ状の巻線を使用する例である。 モータの各巻線を個別に駆動する制御装置の構成例を示す図である。 ５相のモータの巻線構成とその制御装置を示す図である。 ５相のモータの巻線構成とその制御装置を示す図である。 ５相のモータの巻線構成とその制御装置を示す図である。 従来のブラシレスモータの概略的な構成を示す縦断面図である。 従来のブラシレスモータのステータ磁極と巻線の関係を示すステータの展開図である。 図１４１のＡ１−Ａ１線断面図である。 従来のシンクロナスリラクタンスモータの横断面図である。
以下、本発明を適用した一実施例のモータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
最初に、本発明に係るモータの、従来公知の基本的な構成を説明し、その上で、本発明に特有の特徴を提供する構成を説明することとする。
図１は、本実施例に係るモータとしてのブラシレスモータの基本的な構成を示す断面図である。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、ロータ軸１１１、永久磁石１１２、ステータ１１４を含んで構成されている。
ロータ１１０は、表面に配置された複数の永久磁石１１２を備えている。これらの永久磁石１１２は、ロータ１１０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１１０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１１４は、それぞれ４個のＵ相ステータ磁極１１９、Ｖ相ステータ磁極１２０、Ｗ相ステータ磁極１２１を備えている。各ステータ磁極１１９、１２０、１２１は、ロータ１１０に対して突極状の形状を有している。図４は、ロータ１１０側から見たステータ１１４の内周側形状の展開図である。４個のＵ相ステータ磁極１１９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１２０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１２１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１１９をＵ相ステータ磁極群、４個のＶ相ステータ磁極１２０をＶ相ステータ磁極群、４個のＷ相ステータ磁極１２１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１１９、Ｖ相ステータ磁極１２０、Ｗ相ステータ磁極１２１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１１０の各永久磁石１１２を示している。同極のロータ磁極（Ｎ極に永久磁石１１２同士あるいはＳ極の永久磁石１１２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１１４のＵ相ステータ磁極１１９、Ｖ相ステータ磁極１２０、Ｗ相ステータ磁極１２１のそれぞれの間には、Ｕ相巻線１１５、Ｖ相巻線１１６、１１７、Ｗ相巻線１１８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１１５は、Ｕ相ステータ磁極１１９とＶ相ステータ磁極１２０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。ロータ軸１１１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１１５に流れる電流Ｉu は負（−Ｉu）となる。同様に、Ｖ相巻線１１６は、Ｕ相ステータ磁極１１９とＶ相ステータ磁極１２０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１１６に流れる電流Ｉv は正（＋Ｉv）となる。Ｖ相巻線１１７は、Ｖ相ステータ磁極１２０とＷ相ステータ磁極１２１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１１７に流れる電流Ｉvは負（−Ｉv）となる。Ｗ相巻線１１８は、Ｖ相ステータ磁極１２０とＷ相ステータ磁極１２１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１１８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。
次に、ステータ１１４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１１４の断面箇所を示す図であり、図３（Ａ）にはＡ−Ａ線断面図が、図３（Ｂ）にはＢ−Ｂ線断面図が、図３（Ｃ）にはＣ−Ｃ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１１９、Ｖ相ステータ磁極１２０、Ｗ相ステータ磁極１２１のそれぞれは、ロータ１１０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１１５の概略的な形状を示す図であり、図５（Ａ）には正面図が、図５（Ｂ）には側面図がそれぞれ示されている。Ｕ相巻線１１５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１１６、１１７は巻き始め端子Ｖと巻き終わり端子Ｎを有し、Ｗ相巻線１１８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１１５、１１６、１１７、１１８の巻き終わり端子Ｎが接続される。各相巻線１１５、１１６、１１７、１１８に流れる電流Ｉu、Ｉv、Ｉwは、各相ステータ磁極１１９、１２０、１２１とロータ１１０の永久磁石１１２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１１９、１２０、１２１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１１０側）から見た各相ステータ磁極１１９、１２０、１２１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１１９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１１９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１１９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１１９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１１９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１１９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１１４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１１４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１１４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１５０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１１５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１２０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１１４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１１４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１１６、１１７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１２１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１１４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１１４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１１４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１５０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１１８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１１４の各相ステータ磁極１１９、１２０、１２１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１１４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１５０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７１、図７２、図７３に示した従来構造は、図８に示した各相突極１１９、１２０、１２１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１５０と同じである。但し、図７１、図７２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１１４の各相ステータ磁極１１９、１２０、１２１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１１９、１２０、１２１のロータ１１０（永久磁石１１２）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１１５〜１１８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１１５〜１１８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１１５〜１１８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１１５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１１５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１１６の１ターンとＶ相巻線１１７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１１６と逆向きのＶ相巻線１１７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１１８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１１８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、本実施例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７１、図７２、図７３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１１５とＶ相巻線１１６は、Ｕ相ステータ磁極１１９とＶ相ステータ磁極１２０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１１７とＷ相巻線１１８は、Ｖ相ステータ磁極１２０とＷ相ステータ磁極１２１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１１５とＶ相巻線１１６が単一のＭ相巻線１３８に置き換えられ、Ｖ相巻線１１７とＷ相巻線１１８が単一のＮ相巻線１３９に置き換えられている。また、Ｕ相巻線１１５の電流（−Ｉu）とＶ相巻線１１６の電流（Ｉv）とを加算したＭ相電流Ｉm （＝−Ｉu＋Ｉv）をＭ相巻線１３８に流すことにより、Ｍ相巻線１３８によって発生する磁束の状態とＵ相巻線１１５とＶ相巻線１１６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１１７の電流（−Ｉv）とＷ相巻線１１８の電流（Ｉw）とを加算したＮ相電流Ｉn（＝−Ｉv＋Ｉw）をＮ相巻線１３９に流すことにより、Ｎ相巻線１３９によって発生する磁束の状態とＶ相巻線１１７とＷ相巻線１１８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１３８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１３８へ通電する場合と−ＩuとＩvの電流をそれぞれＵ相巻線１１５とＶ相巻線１１６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１３８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。
次に、図１に示すモータのステータ１１４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１１４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１２２、１２３、１２４は、ロータ軸１１１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１２２、１２３、１２４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１２２、１２３、１２４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１１０の永久磁石１１２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１２５、１２６、１２７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１１１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１２５、１２６、１２７の幅が１８０°より狭いので各相のステータ磁極１２５、１２６、１２７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１１５、１１６、１１７、１１８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１１４のＵ相ステータ磁極１２８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１２９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１３０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１２８、１２９、１３０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１２８、１２９、１３０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１１０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１１４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１１５、１１６、１１７、１１８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１１１方向両端のＵ、Ｗ相ステータ磁極１３４、１３６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１３５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１３４、１３６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。１３５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。
次に、本実施例に係るモータについて、本発明に係る特徴を呈する詳細な構成及び作用効果について説明する。このモータには、本発明に係る特徴を呈するステータ構造に関する構成と、図１４〜図１９、図７３、図７４に示す各種のロータとの組み合わせによる独特の効果を得る構成とが含まれている。また、このモータの相数は、図２０（ａ）〜図２０（ｆ）のベクトル図に示すように、２相交流、３相交流、そして、４相以上の相数の多相交流まで種々構成が可能である。このモータの極数についても、２極から多極まで適用可能であり、特に極数を大きくすることにより各相巻線の鎖交磁束の回転変化率を大きくすることができ、大きなトルクを得ることができる。図１に示した３相交流モータは、図２０（ｂ）で表現される３相交流モータに相当する。
図２１は、一実施例の８極６相のモータの縦断面図である。また、図２２はステータの内周面とロータの外周面とを円周方向に直線展開した図である。
図２１に示すモータ１００は、ロータ１０、ロータ軸１１、永久磁石１２、ステータ１４を含んで構成されている。永久磁石１２は、ロータ１０の外周側に取り付けられている。具体的には、図２２（ａ）に示すように、ロータ１０の外周表面に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置されている。図２２（ｂ）の横軸はロータ回転方向位置を示しており、１周すると電気角で３６０°×４＝１４４０°となる。また、ステータ１４は、図２２（ａ）に示すように、内周側に第１相から第６相までのステータ磁極５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９を備える。軸方向両端に位置するステータ磁極５３とステータ磁極５９は、同極でともに第１相のステータ磁極となっている。同じ相のステータ磁極は同一円周上に３６０°ピッチで４個が配置されている。この例では、第１相から第６相までの各ステータ磁極が、それぞれ相対的に、電気角で３６０°／６＝６０°の位相差を持つように配置され、各ステータ磁極の円周方向の幅は１８０°となっている。
また、図２３は、図２１に示すモータ１００の各断面形状を示す図である。図２３（ａ）にはＤ−Ｄ線断面およびＪ−Ｊ線断面が、図２３（ｂ）にはＥ−Ｅ線断面が、図２３（ｃ）にはＦ−Ｆ線断面が、図２３（ｄ）にはＧ−Ｇ線断面が、図２３（ｅ）にはＨ−Ｈ線断面が、図２３（ｆ）にはＩ−Ｉ線断面がそれぞれ示されている。なお、Ｄ−Ｄ線断面およびＪ−Ｊ線断面が同相のステータ磁極５３、５９に対応するものであるため、図２３（ａ）に示すように同一形状となる。図２２に各ステータ磁極の配置を示したように、図２３に示す各ステータ磁極の円周方向位置が６０°ずつ、ずれていることがわかる。
また、図２１および図２２（ａ）に示すように、ステータ１４は、ロータ軸１１を中心としたループ状の巻線４１〜５２を備えている。ステータ磁極５３、５４の間のスロットには巻線４１、４２が巻回されている。同様に、ステータ磁極５４、５５の間のスロットには巻線４３、４４が巻回されている。ステータ磁極５５、５６の間のスロットには巻線４５、４６が巻回されている。ステータ磁極５６、５７の間のスロットには巻線４７、４８が巻回されている。ステータ磁極５７、５８の間のスロットには巻線４９、５０が巻回されている。ステータ磁極５８、５９の間のスロットには巻線５１、５２が巻回されている。各巻線の円周方向形状を直線に展開した形状は、ループ状巻線を切り開いた形状であり、図２２に示すように、直線状に図示される。各巻線の巻線電流の電磁気的作用は、平衡した６相の磁気回路構成となっている場合には、図８を用いて説明したように、例えば、ステータ磁極５４の両隣の巻線４２と４３の巻き回数を同じとし、巻線４２へ図２０（ｅ）のベクトルＢで示される電流を通電し、巻線４３へベクトル−Ｂで示される逆向きの電流を流せばその起磁力がステータ磁極５４に作用すると考えることができる。等価的には、巻線４２に対して巻線４３の巻き方向を逆巻きとして結線し、同一の電流Ｂを通電する構成とすることもできる。他のステータ磁極についても同様の関係で巻線が配置されている。図２２の巻線４１〜５２のそれぞれへ通電される電流は、それらの左端に付記した電流ベクトルで、図２０（ｅ）の同一符号のベクトルで示される電流となっている。ここで、軸方向両端のステータ磁極５３、５９についてはやや特殊であり、両サイドが空気であるため磁気抵抗が大きく、それぞれ、巻線４１と巻線５２の電流がそれぞれの両端のステータ磁極５３、５９に磁気的作用を及ぼす。各ステータ磁極の軸方向の幅がＷＤＤであるとき、第１相であって同相のステータ磁極５３、５９の各軸方向幅ＷＤＡ１、ＷＤＡ２の和がＷＤＤと等しくなるような構成、すなわちＷＤＤ＝ＷＤＡ１＋ＷＤＡ２の関係を満たすようにすれば、２つのステータ磁極５３、５９によりステータ１４の軸方向中間に配置される他相の各ステータ磁極とほぼ同等の電磁気的作用を得ることができる。整理すると、Ａ相にステータ磁極５３、５９が対応しており、巻線５２、４１がこれらのステータ磁極を通過する磁束と鎖交する。同様に、Ｂ相にステータ磁極５４が対応しており、巻線は４２、４３がこれらのステータ磁極を通過する磁束と鎖交する。Ｃ相にステータ磁極５５が対応しており、巻線は４４、４５がこれらのステータ磁極を通過する磁束と鎖交する。Ｄ相にステータ磁極５６が対応しており、巻線は４６、４７がこれらのステータ磁極を通過する磁束と鎖交する。Ｅ相がステータ磁極５７に対応しており、巻線は４８、４９がこれらのステータ磁極を通過する磁束と鎖交する。Ｆ相がステータ磁極５８に対応しており、巻線は５０、５１がこれらのステータ磁極を通過する磁束と鎖交する。なお、軸方向両端のステータ磁極５３、５９については、各ステータ磁極の周辺からの漏れ磁束の回り込みの影響が有り、厳密には単純モデルでは現れない誤差が発生するため、その影響を配慮したステータ磁極形状に修正することによりトルクリップルをより低減させ、より精密なモータを実現することもできる。
次に、モータ１００への具体的な通電例について説明する。ロータ１０は、表面磁石型ロータであって８極とする。第１相の巻線である巻線４１と巻線５２が逆向きに直列に接続されており、これらの巻線に鎖交する磁束Φ１の最大値をＦＬｍとし、その円周方向分布は正弦波分布であると想定すると、巻線４１、５２へ鎖交する鎖交磁束Φ１＝ＦＬ×sin（θＥ）の回転角変化率Ｅ１は、
Ｅ１＝ｄ（Φ1）／ｄθ
＝ｄ（ＦＬｍ×sin（θＥ））／ｄθ
＝ｄ（ＦＬｍ×sin（θＥ））／ｄ（θＥ）×ｄ（θＥ）／ｄθ
＝４×ＦＬｍ×cos（θE） …（２２）
となる。ここで、θはロータ１０の回転位置であり、θＥは回転位置の電気角単位であり、８極の場合にはθＥ＝４×θとなる。それぞれの巻線４１、５２の巻き回数をＷ１とすると、第１相の巻線４１、５２に誘起する電圧Ｖ１は次式で表すことができる。
Ｖ１＝Ｗ１×ｄ（Φ１）／ｄｔ …（２３）
＝Ｗ１×ｄ（Φ１）／ｄθ×ｄθ／ｄｔ …（２４）
＝４×Ｗ1×ＦＬｍ×cos（θE）×ｄθ／ｄｔ …（２５）
したがって、（２５）式より、鎖交磁束Φ１の回転角変化率Ｅ１と同一位相の電流Ｉp×cos（θＥ）を通電すれば効率良くトルクを発生することができることになる。Ｉpは電流振幅である。なお、第１相の巻線４１、５２の磁束鎖交数はＷ１×Φ１であり、電圧Ｖ１は磁束鎖交数の時間変化率である。
他の相についても、該当するステータ磁極の軸方向前後の２つの巻線が逆方向に巻回され、直列接続されている。これらの巻線に誘起される電圧は、位相が６０°ずつ異なるが同様の関係となっている。ここで、モータ１００の内部損失Ｐloss＝０と仮定すると、モータ１００の入力であり、モータ１００の機械的な出力であるＰc は各相の電圧と電流の積の総和として得られ、次式となる。
Ｐc ＝４Ｗ１×ＦＬｍ×cos（θE）×ｄθ／ｄｔ×Ｉp ×cos（θＥ）
＋４Ｗ１×ＦＬｍ×cos（θE−π／６）×ｄθ／ｄｔ
×Ｉp ×cos（θＥ−π／６）
＋４Ｗ１×ＦＬｍ×cos（θE−２π／６）×ｄθ／ｄｔ
×Ｉp ×cos（θＥ−２π／６）
＋４Ｗ１×ＦＬｍ×cos（θE−３π／６）×ｄθ／ｄｔ
×Ｉp ×cos（θＥ−３π／６）
＋４Ｗ１×ＦＬｍ×cos（θE−４π／６）×ｄθ／ｄｔ
×Ｉp ×cos（θＥ−４π／６）
＋４Ｗ１×ＦＬｍ×cos（θE−５π／６）×ｄθ／ｄｔ
×Ｉp ×cos（θＥ−５π／６）
＝４Ｗ１×ＦＬｍ×６／２×ｄθ／ｄｔ×Ｉp
＝１２Ｗ１×ＦＬｍ×Ｉp ×ｄθ／ｄｔ …（２６）
一方、機械出力Ｐmecは、トルクＴｃと回転角周波数ｄθ／ｄｔの積であるから
Ｐmec ＝Ｔc ×ｄθ／ｄｔ …（２７）
であり、モータ１００の電磁気的出力Ｐｃと機械出力Ｐmecは等しいので、トルクＴc は（２６）式、（２７）式より、以下に示す次式（２８）で示される。
Ｔc ＝１２Ｗ１×ＦＬｍ×Ｉp …（２８）
この結果、トルクＴｃは極数と巻線回数Ｗ１と電流Ｉp と各相の巻線に鎖交する磁束ＦＬｍとに比例することになる。トルクリップルは各相の巻線に鎖交する磁束が回転角に対して正弦波分布であれば原理的に発生しないことになる。現実には、鎖交磁束Φ１が正弦波分布ではなく、多くの高調波成分を持つことが多いので、モータ電流が零のときのコギングトルク、通電時のトルクリップルを含むことになる。
なお、各相の巻回数Ｗ１と電流Ｉp と各相の巻線に鎖交する磁束ＦＬとは、これらの積が同一であれば変形することが可能である。例えば、各ループ状の巻線の電流が発生する起磁力は、巻き回数と電流値の積であり、アンペア×ターン数が同じであれば同一の起磁力を発生できるので、例えば、巻回数を１／２にして電流を２倍に変えることも可能であり、そのとき、同一の電磁気的作用を得ることができる。また、磁極幅を２０％狭くして巻線に鎖交する磁束ＦＬが２０％低減しても、巻線回数Ｗ１あるいは電流値Ｉpを２０％増加すればトルクＴc は変わらない。このように、モータ設計の都合により、モータ１００の出力特性を変えることなく、モータ１００の内部パラメータを変更することもできる。
図２１、図２２、図２３に示すモータ１００では各相のステータ磁極の軸方向配置が相順に配置されている例を示したが、配置順が相順に限定されるわけではなく、種々の軸方向配置が可能である。特に、図２１、図２２に示す表面磁石型ロータを使用する場合には、ロータ表面の磁束が主に永久磁石１２に依存して生成されるため、各相のステータ磁極の軸方向配置を図２０（ｅ）に示すベクトルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの順に配置しても、他の配置順で例えば、Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｂ、Ｄ、Ｆの順に配置してもモータ１００の出力トルクに大きな差は発生しない。但し、各相のステータ磁極とその相の巻線に流れる電流の関係は図２１、図２２と同じにする必要がある。ステータ磁極配置の都合、巻線配置の都合、その他組み立て、製作の容易さなどによりステータ磁極の軸方向配置を選択することができる。
なお、各ループ状巻線に流される電流が永久磁石１２の磁束密度を大きく変えるほどの大電流の場合には、前記の電流振幅Ｉp と各相巻線に鎖交する磁束の最大値ＦＬｍとの間に強い相間を持ち、ＦＬｍが変化することになる。したがって、（２２）式から（２８）式で示された各特性値に対して誤差が大きくなり、また、各相のステータ磁極の軸方向配置の配置順がモータ１００の出力トルクにも影響するようになる。
ところで、図２１に示したモータ１００は、ループ状の簡単な構造の巻線４１等を有しており、図７１〜図７４に示したような従来構造のモータのコイルエンドが無いという大きな特徴がある。また、図７１〜図７４に示したような従来構造のモータでは、多極化した場合、極数が増加して巻線に鎖交する磁束の回転変化率は増加するが同時にスロット面積も小さくなるため導線面積は反比例して小さくなり、結局、両モータ極数の増加と1極当りの電流量の減少とが相殺するため、トルク増加はできなかった。しかし、図２１に示したステータ１４では、ループ状の巻線４１等を備えるため、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く、多極化しても各相巻線の導線太さを細くする必要がないので、原理的には極数に比例してモータトルクを向上することができるという特徴がある。
次に、ロータ１０が表面永久磁石型ロータではなく、図７４や図１４〜図１９に示すようなロータ表面近傍に軟磁性体を多く含むような種類のロータと、図２１、図２２に示すステータ１４とを組み合わせて構成されるモータにおいては、前記の電流振幅Ｉpと各相巻線に鎖交する磁束との間に強い相間を持つことになり、各相のステータ磁極の軸方向配置の配置順によりモータ出力トルクが大きく左右されることになる。この問題を解決し、モータ出力トルクを大きくする方法は、各相のステータ磁極の軸方向配置を相順に配置することである。
従来例として図７４に示したシンクロナスリラクタンスモータのステータは、誘導電動機のステータにも使用されるごく一般的な３相、４極、２４スロットのステータである。このようなステータと図７４や図１４〜図１９に示すようなロータとを組み合わせたモータの電磁気的な作用は、モータをｄｑ軸理論で表現することが多い。分かりやすくするために、一般的なモデル例として、３相、２極、６スロットのシンクロナスリラクタンスモータの断面図の例を図２４に示す。２１１はロータの磁極の方向に設けられたスリットであり空隙あるいは非磁性体であり、２１２はスリット２１１に挟まれ磁極の方向に磁束を導く細い磁路である。通常、ロータの磁極の方向をｄ軸、ｄ軸に電磁気的に直交する方向をｑ軸と称している。２１９から２２３はステータの歯であり、本明細書では個々の歯に磁気的な個別の機能を持たせる意味でステータ磁極と称している。２１３と２１６は、３相Ｕ、Ｖ、Ｗ相の内のＵ相巻線であり、コイルエンド部を介して全節巻となっている。Ｕ相電流Ｉuは巻線２１３に通電され、巻線２１６へは逆方向の電流が通電される。同様に、Ｖ相電流Ｉvは巻線２１５に通電されその逆方向電流が巻線２１８に通電される。Ｗ相電流Ｉwは巻線２１７へ通電されその逆方向電流が巻線２１４へ通電される。各相の電流成分をｄ軸方向成分とｑ軸方向成分にベクトル分解して、各相のｄ軸方向成分を加算したｄ軸電流Ｉdと、各相のｑ軸電流成分を加算したｑ軸電流Ｉqとを得る。例えば、図２４に示した状態では、巻線２１３、２１６に流れる電流Ｉuはｄ軸方向に負の磁束を発生するので、Ｉuは全てが負のｄ軸電流成分で、その値は−Ｉuである。巻線２１５、２１８に流れる電流Ｉvは起磁力の方向がｄ軸方向に６０°の角度をなしており、ｄ軸電流成分は１／２×Ｉvでｑ軸電流成分は−１．７３２／２×Ｉvである。一方、モータのｄ軸方向インダクタンスをＬｄとし、ｑ軸方向インダクタンスをＬｑとする。
このような構成において、各相電流を適正に通電して制御する例の各値のベクトル関係を図２５に示す。ｄ軸電流Ｉd によってｄ軸方向に誘起するｄ軸方向磁束ΦｄはＬd ×Ｉd であり、ｑ軸電流Ｉqによってｑ軸方向に誘起するｑ軸方向磁束ΦｑはＬq×Ｉqである。モータ内に発生する磁束Φｍは磁束ΦｄとΦｑをベクトル的加算した値である。そしてこのときに発生するトルクＴｓｙｎは次式で表される。
Ｔｓｙｎ＝（Ｌd −Ｌq ）Ｉd×Ｉq …（２９）
＝Φｄ×Ｉq−Φｑ×Ｉd …（３０）
図２１、図２２に示した表面磁石型モータ１００の場合、各ステータ磁極の磁束は主に永久磁石１２に依存していて（２２）式〜（２８）式で示すように表現できるが、図２４に示すようなロータ表面に軟磁性体を多く含むロータ構造のモータでは、各ステータ磁極の磁束は通電される各電流に大きく依存することがよくわかる。
次に、図７４や図１４〜図１９に示すようなロータと図２１、図２２に示すステータ１４とを組み合わせて構成されるモータについて説明する。このモータは、図２４、図２５に示すモータモデルと比べると、モータの構成、構造は大きく異なるが、電磁気的な特性は共通する点が有り、対比して説明する。
図２１、図２２に示すモータ１００に含まれるステータ１４は、８極の構成なので、各相のステータ磁極が円周方向に４個ずつ配置されているが、２極を想定し、各相のステータ磁極が１個ずつであるとして図２４に示したステータと対比する。巻線については、図２２の巻線４１、４２に流れる各電流を合計した電流が図２４の巻線２１３に流れる電流に対応する。同様に、巻線４３、４４が巻線２１４に、巻線４５、４６が巻線２１５に、巻線４７、４８が巻線２１６に、巻線４９、５０が巻線２１７に、巻線５１、５２が巻線２１８にそれぞれ対応する。巻線の形態については、図２１に示したステータ１４はループ状の巻線で、図２４に示したステータは軸方向巻線とコイルエンド部で構成され、大きく異なる形状となっている。ステータ磁極については、図２２のステータ磁極５９、５３が図２４のステータ磁極２１９に、ステータ磁極５４がステータ磁極２２０に、ステータ磁極５５がステータ磁極２２１に、ステータ磁極５６がステータ磁極２２２に、ステータ磁極５７がステータ磁極２２３に、ステータ磁極５８がステータ磁極２２４にそれぞれ対応している。
図２２に示したステータ磁極の形状は、円周方向に電気角で１８０度の幅を有し、ロータ軸１１方向の幅はモータの軸方向幅の約１／６であるが、図２４のステータ磁極は円周方向幅が約６０度でロータ軸方向幅はモータの軸方向幅と同じであり、両ステータ磁極の形状は構造が大きく異なる。しかし、モータ全体としての電磁気的作用は類似しており、図７４や図１４〜図１９に示すようなロータと図２１、図２２に示したステータ１４とで構成されるモータをベクトル図で表現すると図２４のモータと同じ図２５のベクトル図となる。
例えば、図２１に示すモータ１００の８極のステータ１４と図２４に示すロータを８極化したロータとを組み合わせて３相、８極のシンクロナスリラクタンスモータを構成することができる。このとき、巻線４１、４２へそれらの合計電流がＵ相電流Ｉuを通電し、巻線４７、４８へは−Ｉuを通電すると、ステータ磁極５４、５５、５６へは電流Ｉuに相当する起磁力が、例えば、ステータの外径側から内径側へ作用したとすると、同時にステータ磁極５７、５８、５９、５３へは逆方向のステータの内径側から外径側への起磁力が作用する。この関係は、図２４のＵ相巻線２１３、２１６にＵ相電流Ｉuを通電したときにステータ磁極２２０、２２１、２２２へ起磁力が、例えば、ステータの外径側から内径側へ作用し、同時に、ステータ磁極２２３、２２４、２１９へはステータの内径側から外径側へ作用することに相当する。図２１の他の巻線の電流についても同様に作用し、図２４のモータと同様の電磁気的作用を行う。構造的に異なる点は多くあり、図２４のモータの起磁力、磁束が円周方向および径方向であるのに対し図２１のモータではロータ軸方向へも作用する点、図２４の位相の異なるステータ磁極が円周方向に配置しているのに対し図２１ではロータ軸方向に配置している点、図２１の巻線４１等がループ状である点、図２４の位相の異なる巻線が円周方向に位相順に配置されているのに対し図２１の位相の異なる巻線はロータ軸方向に位相順に配置されている点などである。
このように、モータの構成は、図２１、図２２に示すモータ１００において回転方向に位相の異なる各ステータ磁極をロータ軸方向へ位相順に配置し、それらの各ステータ磁極の軸方向隙間の各スロットへ各ループ状巻線を配置し、回転方向位相に同期して各巻線へ電流を通電する。モータの作用は、前記モータ構成により主に界磁磁束を生成するｄ軸電流Ｉd成分と主にトルクを生成するｑ軸電流Ｉq成分とを生成させることができ、図２５のベクトル図に示すような作用を実現し、必要に応じて効率よくモータ界磁磁束Φｍを生成し、（２９）、（３０）式で示されるトルクを得ることができる。なお、図２１に示すステータ磁極５３等の形状、各巻線の形態について各種の変形が可能である（後述する）。
また、図２６はロータ軸方向に無限に長いステータの縦断面図を示す図である。紙面の横方向がロータ軸方向であり、上下方向がラジアル方向（ロータ軸と垂直な半径方向）である。各相のステータ磁極、各スロットと各巻線は、図２０（ｅ）に示されるような、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆで示される位相の関係が軸方向に繰り返し配置されている。図２１に示すモータ１００のステータ１４は、図２６に示すステータの１組であるＷＤＦＦを切り取ったものであると考えることもできる。ＷＤＦＦの幅が電磁気的な１周期となっている。このように見ると、１周期分の幅を変えなければ、ＷＤＦＲ等の他の場所で切り取っても類似の電磁気的な作用が得られることが容易に想像できる。
次に、ステータ磁極の配置構造、ステータ磁極の形状の例について説明する。図２７は、各ステータ磁極の軸方向の隣に逆相のステータ磁極を配置した構成例を示す図であり、ステータの内周面を円周方向に直線展開した図が示されている。隣接して組み合わされるステータ磁極７４、７５と、ステータ磁極７６、７７と、ステータ磁極７８、７９のそれぞれの組では、各ステータ磁極に相互に電気角で１８０°の位相差を持たせている。各ループ状巻線８２〜９３へ通電する電流ベクトルは図の左端に示した−ＡからＡの電流ベクトルで示されており、図２２に示す各ステータ磁極と各電流の関係は保たれている。
図２７に示すステータは、隣接するステータ磁極が相互に１８０°の位相差を持っているので、ステータとロータとの境界面近傍において、ステータ磁極の先端部をロータ軸方向へ相互に突き出してステータ磁極のロータに対向する面積を広げることが可能である。
図２８は、図２７に示すステータの巻線と両端磁極を変形したステータを示す図であり、その他については図２７に示したステータと同じである。図２９は、図２８のＹ−Ｙ線断面図である。図２７と図２８に共通したステータ磁極７６、７７を例にとると、図２９のステータ磁極７６の先端部１４２がステータ磁極７７の方へ突き出していることが分かる。同様に、ステータ磁極７７の先端部１４３がステータ磁極７６の方へ突き出している。図２７では、ステータ磁極先端部の突き出しを破線で示しており、ステータ磁極７６、７７は電気角で１８０°位相が異なるため両ステータ磁極が交互に組み合わされ、相互に干渉しない形状となっている。このように、ステータ磁極のロータに対向する面積を広げることにより、より多くの磁束を各相の巻線へ鎖交させることができ、より大きなトルクの発生が可能となる。
また、図２７に示した構造では、ステータ磁極の簡素化およびループ状巻線の簡素化が可能であり、図２８に示すように変形することができる。具体的には、図２７に示すステータ磁極８０は、電磁気的に等価な状態を維持しながら、ステータ磁極７４に隣接する位置に移動することができる。ループ状巻線８２、８３は、両巻線に流されるべき電流を算術的に加算して通電することを条件に、１個のループ状巻線９６へ変更することができる。同様に、巻線８４、８５は巻線９７へ、巻線８６、８７は巻線９８へ、巻線８８、８９は巻線９９へ、巻線９０、９１は巻線１００へそれぞれ変更することができる。巻線９２、９３は、ステータ磁極８０を移動することによりステータコアの外側に配置されることになり、電磁気的にトルク発生にはほとんど寄与しないので、排除することができる。これらの変更の結果、図２７に示すステータは、電磁気的に等価な状態を維持しながら、図２８に示すステータへ変形することが可能になる。
図２８に示すステータのＹ−Ｙ線断面の形状は、図２９に示すように、お互いに逆相の関係にあるステータ磁極が、相互にステータ磁極の先端側に入り込んでいる。したがって、各ステータの軸方向の長さＷＤＲを大きくすることができ、ロータの磁束がより多くステータ磁極側へ供給され、巻線により多くの磁束を鎖交させることができるので、トルクを増大させることができる。各ステータ磁極の根元のロータ軸方向厚みをＷＤＴ、ステータ磁極間の距離をＷＤＰとすると、各ステータ磁極の先端部のロータ軸方向長さＷＤＲは、ＷＤＰより大きく、最大ではＷＤＰの２倍近くまで大きくすることが可能である。
次に、図２７、図２８に示す各ステータのループ状巻線に流すべき電流について説明する。図２７に示すステータの巻線へは、図２０（ｅ）に示す電流ベクトルで表される電流を通電することができる。例えば、巻線８２へは電流ベクトルＡの逆相の電流、すなわち、−Ａ相の電流を通電し、巻線８３へは電流ベクトルＤの電流を通電する。これらの両電流は、図３０（ａ）に示す電流ベクトルＤ、−Ａでありその加算値は電流ベクトルＨである。この電流ベクトルＨは、電流Ａと同一位相で振幅は２倍となっており、この電流が図２８に示す巻線９６へ通電される。巻線８４へは電流ベクトル−Ｄ相の電流を通電し、巻線８５へは電流ベクトルＥの電流を通電する。これらの両電流は、図３０（ｂ）に示す電流ベクトル−Ｄ、Ｅでありその加算値は電流ベクトルＩである。この電流ベクトルＩは電流ベクトル−ＤとＥの中間の位相で振幅は同一となっており、この電流が図２８に示す巻線９７へ通電される。同様に、巻線９８、９９、１００へは、図３０（ｃ）に示す電流ベクトルＪ、Ｋ、Ｌで示される電流が通電される。巻線の左端に通電すべき電流ベクトルを付記している。なお、図２８の各巻線に通電される電流の振幅は異なるので、電流値に応じた巻線太さとし、ステータ磁極等の各部の寸法を適正化することも可能である。
次に、図２８に示すステータの各ステータ磁極のロータ軸方向配置の方法について説明する。隣接する一対のステータ磁極が相互に電気角で１８０°位相差を持つステータ磁極対ＳＭＰ１、ＳＭＰ２、ＳＭＰ３とする方法を示す。ここで、ステータ磁極対ＳＭＰ１、ＳＭＰ２、ＳＭＰ３のロータ軸方向への相対的な配置方法は、隣接するステータ磁極が最も位相の近いステータ磁極対と隣接する組み合わせとすることである。このとき、両ステータ磁極対の間に配置されるループ状巻線の電流を小さくすることができ、結果的にモータ損失を小さくでき、モータ効率を改善することができる。
具体的には、図２８において、ステータ磁極対ＳＭＰ１がステータ磁極９５、７５によって、ステータ磁極対ＳＭＰ２がステータ磁極７６、７７によって、ステータ磁極対ＳＭＰ３がステータ磁極７８、７９によって形成されているものとすると、ステータ磁極対ＳＭＰ１とＳＭＰ２とが隣接する部分のステータ磁極は７５と７６である。ステータ磁極７５、７６との円周方向位置の位相差は６相交流の最小位相差である６０°となっている。その結果、両ステータ磁極対の間に配置された巻線９７へは、図３０（ｂ）に示すように電流ベクトル−ＤとＥの加算値である電流ベクトルＩとなり、小さな電流値となっている。ここで、図２０（ｅ）において、電流ベクトル−ＤとＥは逆相以外では最も位相差の大きい電流の組み合わせであることから、電流ベクトルＩの振幅が小さいということができる。
次に、図２１、図２２に示したステータ１４のステータ磁極形状およびその変形例について説明する。図３１は、図２１に示したモータ１００の縦断面図の内、ステータコアと巻線の部分を取り出して拡大した図である。水平方向はロータ軸１１方向で、縦方向がモータ１００のラジアル方向である。ＷＤＰは隣接するステータ磁極の中心間の距離であり、ステータ磁極間距離である。ＷＤＤは、ステータとロータとの間のエアギャップ部に面したステータ磁極の軸方向幅であり、ＷＤＤを大きくすれば前記最大鎖交磁束ＦＬｍを大きくでき、発生トルクを大きくできる。ＷＤＴは、ステータ磁極の根元のロータ軸方向幅である。
ここで、両端のステータ磁極５３、５９は、ロータ１０の磁極に対しては同一の電気角的に位相であり、かつ、電流ベクトルＡの起磁力が両ステータ磁極５３、５９に同一方向に印加される関係にある。そして、これらの二つのステータ磁極５３、５９の作用を合わせて一つの相の作用を行なう関係となっている。したがって、ステータ磁極５３、５９の幅ＷＤＡ１とＷＤＡ２は、ＷＤＤ＝ＷＤＡ１＋ＷＤＡ２の関係を満たす形状を有しており、第１相の鎖交磁束最大値ＦＬｍと中間部分の他の相の鎖交磁束最大値ＦＬｍとが同じ値になるように構成されている。
図２６に示した無限長のステータモデルに対して、図３１に示したステータモデルは、１周期分の幅ＷＤＦＦだけ切り出したモデルであると見ることができる。このように見ると、１周期分の幅を変えなければ、ＷＤＦＲ等の他の場所で切り取っても類似の電磁気的な作用が得られることが容易に想像でき、その結果、ＷＤＤ＝ＷＤＡ１＋ＷＤＡ２の関係となる。
さらには、ＷＤＡ２＝０とし、ＷＤＡ１＝ＷＤＤすることもできる。この場合、ステータ磁極５９が削除されたことになり、ステータ磁極の数が７個から６個に減少するので、モータの構成を簡素化することができる。図２６に示した無限長ステータで表現すると、区間ＷＤＦＲを切り取った構成である。
次に、図２１、図２２に示すステータの巻線を変形する方法について説明する。図２２の各スロットには２組ずつ巻線が配置されている。例えば、巻線４１には左端に付記しているように図２０（ｅ）に示す−Ａの電流が通電され、巻線４２には図２０（ｅ）に示すＢの電流が通電されていて、両電流の合計は図３２（ａ）に示すように電流ａと等価である。同様に、巻線４３には図２０（ｅ）に示す−Ｂの電流が通電され、巻線４４には図２０（ｅ）に示すＣの電流が通電されていて、両電流の合計は図３２（ｂ）に示すように電流ｂと等価である。他のスロットも同様に考えることができ、結局、各スロットの電流は図３３に示す電流ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを通電すればよいことになる。そして、巻線は図３４に示すように、各スロットに統合された１組の巻線を巻回すればよく、その巻回数は図２２のループ状巻線と同一巻回数となる。この結果、図３４の同一スロット内の巻回数は図２２の１／２の巻回数となり、巻線の太さである断面積を約２倍にすることができ、電流の振幅は図３２に示したように同一なので、スロット内電流は１／２となる。これにより、銅損は１／４に低減することになる。なお、ステータの相数が６相でない場合には、この低減比率も変化する。
通電電流の位相に関しては、図２１、図２２に示したステータと図３４に示したステータの場合では大きく異なる。図２２の各巻線４１〜５２へ通電すべき電流は（２２）式〜（２８）式に示されるように、例えば、巻線４２、４３に通電される電流はステータ磁極５４を通過する磁束の回転変化率にほぼ同期した電流であり、図２０（ｅ）の電流ベクトルＢである。一方、図３４の場合には、図３２、図３３のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆで示したように電気角で１２０°位相が異なる。
また、図３４に示すステータ磁極５３、５９は統合して図３５に示すステータ磁極６７に置き換えることができる。このとき、巻線６６はステータコアの外部に配置されることになるが、周囲の空気の磁気抵抗は大きいので、実質的にはモータへの電磁気的作用は非常に小さくなって、除去することができる。結局、図３５に示すように、相数と同数の６組のステータ磁極群と、相数より１小さい５組の巻線でステータを構成することができる。なお、この場合においても、３相交流の電圧、電流をモータへ与えることにより駆動できるようにモータの内部結線を行なうことができるので、図２１、図３５に示すモータを外部から見ると３相交流モータと見ることもできる。
ただし、巻線６６を除去しても、トルク発生上は問題ないが、ロータ軸の軸方向起磁力が発生し、ロータ軸へ軟磁性体の粉末が付着したり、モータ近傍への電磁気的な影響与える問題が発生したりする場合がある。このようにモータ近傍での起磁力が問題となるような用途では、巻線６６を除去せずに配置するか、あるいは、モータ軸を非磁性体にするなどの対応が必要である。
次に、ステータとロータとの間のエアギャップ部に面したステータ磁極の形状および各巻線の鎖交磁束に関して説明する。上述したように、図２１に示したモータ１００について、そのステータ１４とロータ１０の間のエアギャップ部に面したステータ磁極先端形状の円周方向を直線展開した形状の例が図２２（ａ）に示されている。ステータ磁極５４〜５８の形状は、実際にはステータ内径側であって円弧状であるが、図２２（ａ）では円周方向に直線展開して表現しているので長方形となっている。そして、ロータ１０が、図２１、図２２（ｂ）に示すように、表面磁石型ロータでロータ外周形状が円形である場合の各ステータ磁極を通る磁束の回転角変化率について考えてみる。ステータ磁極５３、５９を通過する磁束をＦＡ、その回転変化率をＤＦＡ、ステータ磁極５４を通過する磁束をＦＢ、その回転変化率をＤＦＢ、ステータ磁極５５を通過する磁束をＦＣ、その回転変化率をＤＦＣ、ステータ磁極５６を通過する磁束をＦＤ、その回転変化率をＤＦＤ、ステータ磁極５７を通過する磁束をＦＥ、その回転変化率をＤＦＥ、ステータ磁極５８を通過する磁束をＦＦ、その回転変化率をＤＦＦとする。理想的な６相交流モータの場合、各ステータ磁極の磁束の回転変化率すなわち巻線に発生する電圧の成分は、図３６に示すように、横軸の電気角で表した回転位置θＥに対して正弦波状の特性が好ましい。しかし、図２２のステータ磁極形状は長方形であり、各磁束の回転変化率は矩形波状になり、多くの高調波を含む特性となる。これらの高調波成分は、コギングトルク、トルクリップルの発生原因となったり、モータのトルク発生に支障をきたしたりすることもある。
これらの問題を軽減する方法の例として、図２２で示すステータ磁極の形状ＳＰＳを図３７に示すステータ形状に変形することができる。ステータ磁極５３Ｓ、５４Ｓ、５５Ｓ、５６Ｓ、５７Ｓ、５８Ｓ、５９Ｓがロータ軸方向に長くなり、かつ、円周方向にスキューして傾いた形状としている。スキューすることによりステータ磁極を通過する磁束の回転角変化率の高調波が低減されるのでトルクリップル等が低減される。また、ステータ磁極をロータ軸方向へ長くすることにより磁束の回転角変化率を大きくできるのでトルクが増加する。なお、例えば、図３７に示すステータ磁極５４Ｓの形状は、水平線のハッチングを付した部分が図３８に示すステータ磁極の根元部５４ＳＢであり、図３７に示すステータ磁極５４Ｓにおいて斜線のハッチングを付した部分が図３８に示すステータ磁極の先端部５４ＳＳである。
このとき、ステータの縦断面は図３１に示した形状から図３８に示した形状に変更され、ステータ磁極の先端部５４ＳＳのロータ軸方向幅は図３１に示したＷＤＤから図３８に示したＷＤＸへと広くなっている。また、ステータ磁極先端部５４ＳＳからバックヨークＢＹの途中のステータ磁極の根元部５４ＳＢについても通過する磁束が増加するので磁路を太くする必要がある。
さらに、ステータ磁極形状ＳＰＳの改良、変形については、図３９に示すように、種々方法が考えられる。１６２で示すステータ磁極形状ＳＰＳは図２２と同一の形状である。これに対し、１６３で示すように円周方向に対して正弦波状の面積分布をさせることにより、高調波成分を大幅に低減することが可能である。また、１６４で示すステータ磁極は、円周方向に傾けてスキューした例であり、１６２で示した長方形形状と比較すると正弦波状の面積分布を有している１６３に近い形状である。図３７に示したステータ磁極形状は１６４で示したステータ磁極に近い形状である。１６５で示すステータ磁極は台形形状であるが、円周方向の面積分布という点では１６４で示したスキュー構造と等価である。１６６で示したステータ磁極は、長方形を円周方向に傾けた形状で、ステータ磁極を図３７に示したように配置する場合に特に有効な形状であり、隣接するステータ磁極と干渉せず、円周方向の面積分布は１６５で示した台形形状と等価であって通過する磁束の回転角変化率を大きくできるのでトルクを増大でき、前記高調波も低減できるのでトルクリップル等も小さくできる。さらには、図３９の各ステータ磁極形状１６２、１６４、１６５、１６６に付記した破線の形状のように、各角部に丸みを設けて高調波成分を低減することもできる。丸みを持たせた破線部の形状は任意であり、厳密には例えば円周方向に対して正弦波状の面積分布の形状となっているステータ磁極１６３と同じ特性を得るように、円周方向に対する面積分布を正弦波状にすることもできる。また、図３９において、各磁極形状の円周方向長さは電気角で１８０°の長さに図示しているが、１８０°より長く、あるいは、１８０°より短くすることも可能である。この場合、従来構造のモータの巻線係数が１より小さくなる効果と同じで、単純モデルでの理論上はトルクがその分低下することになるが、隣接するステータ磁極との干渉を低減できるなどの効果がある。また、１８０°より小さくして短節巻き化することにより、特定のトルク高調波、すなわち、コギングトルク、トルクリップルを低減する効果を得ることも可能である。
コギングトルク、トルクリップルを低減する他の方法として、図４０に示すように、ステータ磁極１６０の円周方向の端を図２３に示した形状に対して、ステータとロータ間のエアギャップが大きくなるようにする方法や、ロータの永久磁石１６１の円周方向端を滑らかな形状としてロータ磁極の境界部が凹んだ形状とする方法などが有効である。なお、高調波の低減を行なう各手法は、トルクリップル等の低減だけでなく、ロータが回転する時のロータとステータ間のラジアル方向吸引力の急峻な変化を低減する効果も有り、モータの振動、騒音を低減する効果もある。
さらに、上述したステータ磁極の形状ＳＰＳを変形する手法、ロータ磁極形状を変形する手法、ステータとロータとの相対的なスキュー手法、ロータ磁極あるいはステータ磁極の円周方向位置を円周方向に移動させる手法などを組み合わせて使用してコギングトルク、トルクリップルを低減することが可能である。
また、図２１、図２２、図３５等では６相のモータについて説明したが、特に相数Ｎｓの少ないモータにおいて、ステータ磁極形状ＳＰＳの円周方向面積分布が正弦波形状であることがトルクリップル等を低減するために効果的である。モータの極対数をＰｎとし、ステータ磁極の数をＮｓｓとする場合に、図３５に示すような基本的なモータを構成すると、
Ｎｓｓ＝Ｐｎ×Ｎｓ …（３１）
の関係となる。相数Ｎｓが大きければ、ステータ磁極は電気角３６０°の範囲の中に相数の数だけ分布的に配置され、それぞれの巻線の電流もＮｓ相の多相電流になる。したがって、現実的にはステータの構成上困難であるが、単純理論的に相数Ｎｓが例えば３０というような大きな数であれば、ステータ磁極の円周方向の離散性は非常に小さくなり、コギングトルク、トルクリップルは小さな値となる。逆に、相数の最も小さな多相交流である２相、あるいは、インバータ駆動の負担、モータ配線の負担などで有利な３相の場合、ステータ磁極の円周方向離散性が大きいため、コギングトルク、トルクリップルが発生しやすいといえる。
このように離散性が大きい場合に、ステータ磁極形状の円周方向面積分布が正弦波形状であると、ステータ磁極の円周方向離散性を補う効果が有り、大変有効である。また、現実には、相数Ｎｓ＝２の２相交流のモータは、コギングトルクが大きく、その低減策が必要である。（３１）式において相数Ｎｓ＝３、Ｎｓｓ＝３×Ｐｎの３相交流モータの場合において、具体的には、円周方向の電気角で３６０°の間にステータ磁極を３個配置するような構成の３相のモータでは、コギングトルク、トルクリップルを低減するために、ステータ磁極形状の円周方向面積分布を正弦波形状とする技術は重要度の高い技術である。相数Ｎｓ＝３とした本発明の３相交流モータは相数が少ないので簡素な構成とすることができ、部品点数が少なく、コスト的に有利な構成である。
図２１、図３１に示したステータ磁極５３〜５９は、そのステータ磁極のロータ軸方向幅ＷＤＤがステータ磁極のロータ軸方向ピッチ（ロータ軸方向の間隔）ＷＤＰよりやや小さい構造となっている。しかし、各ステータ磁極を通る磁束の回転角変化率はステータ磁極のロータ軸方向長さが大きい方が有利であり、隣接するステータ磁極と干渉しない構成としながら、図３８のステータ磁極５４ＳＳ等のロータ軸方向幅ＷＤＸのようにステータ磁極ピッチＷＤＰより大きな値とすることが好ましい。そのようなステータ磁極の先端部の具体的形状は、図３７に示す各ステータ磁極形状、図３９のステータ磁極形状１６６、図２９のステータ磁極形状などである。
また、図４１に示す６相のステータ磁極の先端部形状１４０〜１４５は、円周方向の幅ＷＡを電気角で３６０°／６＝６０°よりやや小さくして隣接するステータ磁極と干渉しないようにし、そのロータ軸方向長さをこのモータの外径の軸方向最大長さいっぱいの大きさとしている。なお、例えば、図４１に示すステータ磁極１４２の形状は、水平線のハッチングを付した部分がステータ磁極の先端部からステータのバックヨークにさしかかるステータ磁極の根元部であり、図４１に示すステータ磁極１４２の斜線のハッチングを付した部分がステータ磁極の先端部である。なお、図４１に示す各ステータ磁極の形状は、ステータとロータとの間のエアギャップ部から見たステータの内周面形状を円周方向に直線展開した形状図である。図４１に示すようなステータ形状は、特にモータの積圧、すなわち、ロータ軸方向長さが小さく、扁平で薄いモータの場合に好ましい。各ステータ磁極を通過する磁束の回転角変化率を大きくできるので、モータトルクを大きくできる。
Ｎ相の全ステータ磁極群ＭＰＮにおいて、任意のＸ相のステータ磁極群を通る磁束の総和をΦxとし、その磁束Φxの回転変化率をｄΦx／ｄθ、そのステータ磁極とロータ磁極との間のエアギャップ部に作用する起磁力である巻線電流をＩx、巻線ターン数をＷＴxとして、それらの積であるモータの発生トルク成分Ｔx＝ｄΦx／ｄθ×Ｉx×ＷＴxとし、他のＹ相の構成をそのステータ磁極群を通る磁束Φyと巻線電流Ｉyと巻き回数ＷＴyであり発生トルク成分Ｔy＝ｄΦy／ｄθ×Ｉy×ＷＴyとするとき、Ｘ相、Ｙ相の位相差を除いて、ステータ磁極とロータ磁極との対向する面積により決まる磁束Φx、Φyと巻線電流Ｉx、Ｉyと巻き回数ＷＴx、ＷＴyの二つ以上がＸ相とＹ相とでは異なる値であって、それぞれの発生トルク成分ＴxとＴyは等しくなる構成とすることが望ましい。ステータ磁極の形状はモータカバー、被駆動側機構等の都合で、形状を変形させる必要がある場合、磁束Φxと電流Ｉxと巻線巻き回数ＷＴxとで得られる最終的電磁気作用を変えることなく、個々のパラメータは変更した方が都合がよいことがある。
図４２は、他のステータ磁極配置、巻線配置の例を示す図である。図２１、図３７、図３５などに示したステータ磁極の円周方向位相の種類が６種類であったのに対し、図４２では、中間の位相のステータ磁極を追加し、１２種類の位相のステータ磁極１０１〜１１２を配置している。巻線についても、巻線１１３〜１２３までの１１個のループ状巻線を配置している。各巻線の電流ベクトルは各巻線の左端に付記している値で、図３３に示した同じ符号が付された電流ベクトルに対応している。同一位相のループ状巻線を２組ずつ作り、同一位相の電流を隣接する２個のスロットの巻線に通電するように配置している。このように、同一位相の巻線、電流を並列する複数のスロットに分割して配置することが可能である。図４１に示した構成とすることにより、ステータ磁極がより多くの位相に配置されているため、トルクの高調波成分がキャンセルされ、トルクリップルが低減し、モータの駆動をより滑らかにすることができる。一方、電流ベクトルの種類は６種類であり、逆相の電流ベクトルについては通電方向を逆にすることにより、３相インバータでの制御が可能であり、モータの制御装置が複雑になることはない。
図４３は、他のステータ磁極配置、巻線配置の例を示す図である。図４２に比較して巻線が変更されている。図４２に示した巻線１１４、１１６、１１８、１２０、１２２をより精密な電流を作成できる巻線に変更することにより、より精密な、トルクリップルの小さなモータとしている。巻線１２５、１２６の電流ベクトルは、図４４に示すように、ａ１、ｂ１である。電流ベクトルａ１、ｂ１の和ｇは、電流ベクトルａ、ｂと振幅は同じで、位相はａ、ｂの中間の位相である。ここで、ａ１＝１／（２×cos３０°）×ａ＝０．５７７３５×ａ、ｂ１＝０．５７７３５×ｂである。巻線１２５、１２６の起磁力であるアンペア×ターン数は、巻き回数を調整して、同一電流を流すことにより実現できる。巻線１２７〜１３４についても同様に考えることができ、図４４に示す電流ベクトルを作ることができる。図４５は、図４３に示す各巻線に流す電流ベクトルの関係を示す図である。
図４３に示すモータは、図３５に示したモータに対して、２倍に多相化されたことになる。多相化によりトルクの高調波成分がキャンセルされ、トルクリップルが低減し、モータの駆動をより滑らかにすることができる。このとき、モータの駆動装置は電流ベクトルａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを作ればよいので、３相のインバータで駆動でき、モータは多相化によりやや複雑になっているが、駆動装置への負担はない。もし、中間位相のｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌの電流ベクトルを駆動装置で作る場合には、駆動装置のトランジスタの数を２倍に増加する必要がある。
また、新たに作った巻線１２５、１２６等の巻き回数は、巻線１１３、１１５等に対して整数比とならず、端数となることが多いが、できるだけ近い巻き回数を選択することにより狙いの効果を得、実用的な特性を得ることができる。なお、巻き回数の比が、例えば、１：０．５７７３５＝６：３．４６４１となり、３．４６４１と整数にはかなり外れている場合には、ａ１を３ターンとし、ｂ１を４ターンとすることにより、位相誤差は多少大きくなるが振幅誤差を小さくする方法、あるいは、ａ１の巻線を３．５ターンとして３ターン後に半周で磁気回路から取り出し、ｂ１の巻線も３．５ターンとして配置的にはａ１の巻線に対して機械角で１８０°円周方向にずれた回転位置に配置することによりほぼ所期の目的を達成することもできる。
次に、モータの各ループ状巻線の結線方法およびインバータへの接続方法について説明する。図２１に示したモータ１００は、図２０（ｅ）に示す６相のモータの例である。本発明は種々の相のモータへ展開して適用できるが、図２０（ｂ）の３相の場合は図１に示したモータとなり、巻線１１５、１１６、１１７、１１８は、図４６に示すように結線して３相インバータで制御することができる。ここで、各ループ状巻線１１５、１１６、１１７、１１８は巻き始め位置を図示し易いように１ターンの巻線シンボルで図示している。巻線１１５、１１６へは同じＵ相磁束が鎖交するので巻線の誘起電圧は同じＵ相の電圧の負の値−Ｖｕである。巻線１１７、１１８へは同じＷ相磁束が鎖交するので巻線の誘起電圧は同じＷ相の電圧Ｖｗである。したがって、Ｕ相電流Ｉｕは巻線１１５へ逆向きに通電し、Ｗ相電流Ｉｗは巻線１１８へ順方向に通電する。Ｖ相電圧ＶｕはＶｕ＋Ｖｖ＋Ｖｗ＝０の関係よりＶｖ＝−Ｖｕ−Ｖｗとなるので、Ｖ相電流Ｉｖは巻線１１６へは順方向に通電し、巻線１１７は逆直列にして逆向きに通電する。
これらの各電圧と各電流の関係は図４７に示すベクトル図のようになる。また、各巻線と各電流と各電圧は図４８に示すようにも表現することができる。ここで、各巻線に付記したドットマークは、巻線の巻き始め側を示す。このように逆相の電流を通電すべき巻線を反対方向に直列に接続することにより３相インバータによりモータを効率良く運転することができる。
次に、図６、図７に示したように、２個のループ状巻線１１５、１１６を巻線１３８に統合して、巻線１１５、１１６に通電すべき電流を算術的に加算して加算電流を巻線１３８に通電し、同様に、２個のループ状巻線１１７、１１８を巻線１３９に統合して、巻線１１７、１１８に通電すべき電流を算術的に加算して加算電流を巻線１３９に通電することができる。これらの巻線１３８、１３９に通電する電圧、電流、巻線のモデル、巻線の接続方法について、図４９あるいは図５０、５１、５２に示す。図４９に示す方法は、巻線１３８と１３９の電流をそれぞれ単独で、独立に制御する方法で、特に技術的困難さはないが、２つの電流を単独で生成するためにはインバータの素子数が増え、コスト的な負担が大きくなる。一方、図５０の構成は、巻線１３８の巻き始めに電流Ｉｍ＝−Ｉｕ＋Ｉｖを通電し、巻線１３９の巻き始めにＩｎ＝−Ｉｖ＋Ｉｗを通電し、巻線１３８、１３９の巻き終わりを結線しＩｏ＝−Ｉｍ−Ｉｎ＝−Ｉｗ＋Ｉｕを通電するように構成することができる。これらの電流Ｉｍ、Ｉｎ、Ｉｏの位相は１２０°ずつ位相差を持ち、振幅は３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの１．７３２倍である。巻線１３８、１３９の相電圧を−Ｖｕ、Ｖｗとすると、図５０、図５１、図５２に付記するように、各端子電圧は、（−Ｖｗ＋Ｖｕ）／３、（−Ｖｕ＋Ｖｖ）／３、（−Ｖｖ＋Ｖｗ）／３となる。図５１の線間電圧は、図４８に示した線間電圧に比較し、１／１．７３２倍となっている。これらの各電圧と各電流の関係は図４７に示したベクトル図のようになる。また、各巻線と各電流と各電圧は図４８のようにも表現できる。なお、図５０、図５１、図５２に示すモータの電圧、電流を図４６、図４７、図４８と同じにするためには、巻線１３８、１３９の巻き回数を巻線１１５、１１６、１１７、１１８の１．７３２倍とすればよいことになる。また、図５０、図５１、図５２に示すモータの駆動は、平衡した３相電圧、３相電流の駆動であり、図５３に示すような通常の３相インバータで駆動することができる。図５３において、１５０は直流電圧源、１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６は逆向きのダイオードを並列に配置したトランジスタである。
次に、図２１、図２２に示した巻線４１〜５２の結線方法および３相インバータへの接続方法の例を図５４に示す。図２１、図２２に示したモータモデルで説明したように、ステータ磁極５３、５９は同一位相でステータ磁極５６は１８０°位相の異なる逆相のステータ磁極である。ステータ磁極５３、５９、５６を通る磁束をＵ相磁束とし、同一位相で鎖交させる巻線の接続は、図５４に示す巻線４１、４６、４７、５２のそれぞれの接続となる。例えば、ステータ磁極５６を通る磁束と鎖交させるためにはその軸方向前後の巻線４６、４７を逆直列に接続すればよい。また、巻線の巻回方向は、ステータ磁極５９、５３に対する巻線５２、４１の関係とは逆方向にすればよい。
ステータ磁極５５を通る磁束はＶ相磁束で、ステータ磁極５８を通る磁束は−Ｖ相磁束であり、巻線の接続は図５４に示す巻線４４、４５、５０、５１のそれぞれの接続となる。ステータ磁極５５を通る磁束と鎖交させるためにはその軸方向前後の巻線４４、４５を逆直列に接続すればよい。ステータ磁極５８を通る磁束と鎖交させるためにはその軸方向前後の巻線５０、５１を逆直列に接続すればよい。また、巻線の巻回方向は、ステータ磁極５５に対する巻線４４、４５の関係とステータ磁極５８に対する巻線５０、５１の関係とは逆方向にすればよい。
ステータ磁極５７を通る磁束はＷ相磁束で、ステータ磁極５４を通る磁束は−Ｗ相磁束であり、巻線の接続は図５４の巻線４８、４９、４２、４３のそれぞれの接続となる。ステータ磁極５７を通る磁束と鎖交させるためにはその軸方向前後の巻線４８、４９を逆直列に接続すればよい。ステータ磁極５４を通る磁束と鎖交させるためにはその軸方向前後の巻線４２、４３を逆直列に接続すればよい。また、巻線の巻回方向は、ステータ磁極５７に対する巻線４８、４９の関係とステータ磁極５４に対する巻線４２、４３の関係とは逆方向にすればよい。
次に、図３５に示すループ状の巻線６１、６２、６３、６４、６５の結線方法および３相インバータへの接続方法の例を図５５に示す。図３５に示すモータモデルで説明したように、巻線６２と巻線６５は２個のループ状巻線を逆直列に接続することにより３相のうちの１相の磁束を両巻線へ鎖交させることができ、逆方向に直列に接続した電圧は図３３に示したベクトルｅの位相となるので、電流Ｉｕを通電する。また、巻線６１と巻線６４は２個のループ状巻線を逆直列に接続することにより３相のうちの１相の磁束を両巻線へ鎖交させることができ、逆方向に直列に接続した電圧は図３３のａの位相であり電流Ｉｖを通電する。残る巻線６３の電圧は図３３に示すｃの位相であり電流Ｉｗを通電する。なお、巻線６３はステータの中央にあり、１個のループ状巻線で３相のうちの１相の磁束を鎖交させることができるが、電圧を発生しない図３４に示す巻線６６が省略されているともいえる。
次に、図２８に示すループ状の巻線９６、９７、９８、９９、１００の結線方法および３相インバータへの接続方法の例を図５６に示す。図２８に示したモータモデルで説明したように、そのステータ構造、巻線配置は図２７に示すステータ構造の巻線８２〜９３を変形した構造である。また、各巻線に流れる電流は、図２８に付記したＨ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌであり、図３０（ｃ）に示す電流ベクトルで表されるように、その電流の大きさが異なる。その結果、図２８に示す各巻線に流れる電流と各ステータ磁極の磁束との関係はやや複雑となる。しかし、図２８に示すステータの作用は、図２７に示す各巻線の電流とステータ磁極の磁束の関係と等価である。ここでは、図２８の各巻線に流れる電流が図３０（ｃ）に示す電流ベクトルであるという前提で、各巻線の結線方法および３相インバータへの接続方法の例を示す。巻線９６、９９に通電される電流ベクトルＨとＫは−Ｕ相の位相で、その振幅は巻線９６の１／２の電流が巻線９９へ通電されるべきなので、巻線９９の巻回数を巻線９６の巻回数の１／２として同一のＵ相電流Ｉｕを通電する。巻線９７、１００に通電される電流ベクトルＩとＬは−Ｖ相の位相で、その振幅は巻線１００の１／２の電流が巻線９７へ通電されるべきなので、巻線９７の巻回数を巻線１００の巻回数の１／２として同一のＶ相電流Ｉｖを通電する。巻線９８に通電される電流ベクトルＪは−Ｗ相の位相で、その振幅は巻線９６、１００と同じであり、Ｗ相電流Ｉｗを通電する。
以上示したように、電気角的にほぼ同一の位相の巻線を同一方向に直列に接続し、また、電気角的にほぼ１８０°位相の異なる巻線を反対方向に直列接続し、また、電流ベクトルの大きさにより各ループ状巻線の巻回数を調整することにより、多相の位相の電流をより少ない電流源で制御してモータを駆動することができ、モータの配線を簡略化でき、駆動装置も簡略化することができる。
なお、モータの電圧、電流を制御するインバータについては、主に図５３から図５６までに、トランジスタを６個使用する３相インバータの例を示したが、トランジスタ４個で一つの電流、電圧を制御するインバータを３組使用して３相交流を制御する方法など各種の方法が可能である。
図２１、２２、３４、３５等では、ある規則性に基づくモータの構成について説明したが、これらのモータおよびこれらのモータの相数を変えたモータなどはそれぞれに優れた点があると同時に改良の余地もある。以下、優れた点のさらに具体的な説明、さらに改良する余地のある点、および、新たな構成のモータについて説明する。
図２２のモータは、ステータ磁極群の数が（Ｎ＋１）で巻線の数がＮのモータで、５３と５９は同一位相のステータ磁極であり、Ｎ＝６の時の６相のモータである。また、見方によっては１８０度位相の異なる相を同相と考え３相交流モータとの解釈もできる。その解釈および呼称はどちらでも良く、電気角３６０度の範囲に６個の位相のステータ磁極が配置されるモータである。
図２２に示す各ステータ磁極のロータに面する円周方向の形状を直線状に展開した図では、円周方向に電気角で１８０°の間は磁極が配置されているが、残りの１８０°の間には磁極が配置されていない。従って、約半分の面積は有効に活用されていないという問題がある。また、この活用されていない部分には、ロータ側から空間を介して漏れ磁束が発生し、それらの漏れ磁束はトルクを低減する方向に作用するので、その点は問題である。また、図２２では、各ステータ磁極に作用する磁束の回転角変化率がトルクおよび電圧に比例することから、ステータ磁極のロータ軸方向の幅が小さく、その点は問題である。
図４１に示すステータ磁極の配置構造は、各相のロータに面するステータ磁極形状がロータ軸方向の片端から他の端まで配置された構造であって、単純論理的には、前記のステータ磁極磁束の回転変化率を最大限に大きくした構造である。図３７及び図３８は、図４１ほど極端ではない例であり、各相のステータ磁極のロータ軸方向の大きさは、このモータ全体のロータ軸方向の大きさの約半分程度の形状となっている。図３８はステータの縦断面図であり、水平方向はロータ軸方向、垂直方向はモータのラジアル方向である。５４ＳＳは、図３７のステータ磁極５４Ｓのロータに面する歯の先端部であり、ＢＹはスタータのバックヨーク、５４ＳＢは歯の先端５４ＳＳからバックヨークＢＹまで磁束を通す歯である。図３７及び図３８の構成のモータは、図２１及び図２２の構成に比較して、単純論理的には、ロータ表面を効率良く対向させ、また、各ステータ磁極磁束の回転角変化率も大きく取れる構造となっていると言える。特に、ロータの表面磁束密度が、例えば１テスラ（１Ｔ）より小さく、モータの駆動電流も比較的小さな領域においては、効果的に駆動することができる。しかし、モータに大きな電流を通電して大きなトルクを得たい場合には、各相のステータ磁極が他の相のステータ磁極と隣り合いかつ接近していて、各巻線の起磁力が相の異なるステータ磁極間の漏れ磁束を発生しやすい配置構造となっており、その点は問題である。また、歯５４ＳＢの部分の磁路としての断面積は、歯の先端５４ＳＳのロータに対向する面積より小さく、高磁束密度の希土類磁石を活用する場合には、磁気飽和しやすい構造となっている。さらには、前記の漏れ磁束も重なり、歯の先端からバックヨークまでの間の各所で磁気飽和し易く、その点では問題である。
次に、これらの問題を低減する技術について説明する。説明を簡略化するため、図７１に示す、３個の位相のステータ磁極群を持つモータの例について説明する。７１１および７１４はＡ相のステータ磁極である。７１２はＢ相のステータ磁極、７１３はＣ相のステータ磁極である。ロータは図示していないが、各種のロータを適用することが可能であり、例えば図１及び図２に示すような表面磁石型のロータである。図７１のステータ磁極のロータに対向する面の形状は、ステータ磁極を通る磁束の回転角変化率を大きく取れるように、モータコアのロータ軸方向長さをＭＴとすると、各ステータ磁極のロータ軸方向長さＭＳをＭＴ／３より大きくしている。これは、ステータ磁極を通過する磁束φの回転角変化率ｄφ／ｄθを大きくし、巻線の誘起電圧およびモータの発生トルクを大きくする工夫である。図４の例では、ステータ磁極のロータ軸方向長さがモータコアのロータ軸方向長さの１／３よりやや小さく、図７１の構成は、トルクの点で図４の構成より有利である。
そして、ステータとロータとが対向している面の多くの部分にステータ磁極が配置されている。６相の例では、図２２の例は約半分のスペースが使用されていないが、図３７の例はより多くの部分にステータ磁極が配置されており、図７１の配置は図３７に類似したステータ磁極の配置である。
各ステータ磁極間にはそれぞれ２個の巻線が配置され、巻線の形状は各相のステータ磁極のロータ軸方向の凹凸に同期して波状の形状となっている。同期電動機を構成する場合には、ロータに同期して各巻線に３相交流電流を通電し、モータを駆動する。例えば、巻線７１Ａへは、図７２の（ａ）に示すＩＡ、巻線７１５へ−ＩＡを通電する。同様に、巻線７１６へＩＢ、巻線７１７へ−ＩＢ、巻線７１８へＩＣ、巻線７１９へ−ＩＣを流す。各巻線の電圧は、例えば巻線７１Ａと巻線７１５を逆直列に接続した時の両端の電圧は、図７２の（ｂ）のＶＡ、巻線７１６と７１７を逆直列にした時の両端の電圧はＶＢ、巻線７１８と７１９を逆直列にした時の両端の電圧はＶＣである。この結果、このモータへは３相の平衡した電圧、電流を印加して駆動することができる。
図７３のモータは、図７１のモータの各ステータ磁極間の２個の巻線を１個の巻線に統合し、その巻線へ２個の電流を算術的に加算した電流を通電するモータである。したがって、巻線７３１へ図７４の（ａ）に示す電流ＩＢＡ、巻線７３２へ電流ＩＣＢ、巻線７３３へＩＡＣを流す。巻線７３１へは、図７４の（ａ）に示すように、−ＩＡと＋ＩＢの和であるＩＢＡの電流が通電され、その電流振幅は１．７３２倍である。一方、巻線の太さは２倍とすることができるので、結局、巻線の銅損を３／４とすることができ、銅損を２５％低減することができる。
各巻線の電圧は図７４の（ｂ）に示す電圧で、巻線７３１の電圧は−ＶＡ／２、巻線７３２の電圧はＶＣＢ、巻線７３３の電圧はＶＡ／２となる。図７４の（ｂ）に示すように、３個の巻線の電圧はアンバランスな３相電圧であるが、３個の巻線をスター結線したときの３端子の端子間電圧は相互にＶＡ、ＶＢ、ＶＣと同じ振幅の３相平衡電圧である。スター結線の結線した中心点の電位が３相交流電圧の変化とともに変動する関係となっている。この結果、このモータは、３相交流の電圧、電流を制御する通常の３相インバータで理想的に駆動することができる。
図７３に示す断面３ＤＢ〜３ＤＢを図７５に示し、これによりステータ磁極の形状、巻線の形状、及び電磁気的な特性を示す。ＢＹはステータのバックヨークであり、７１２はＢ相の歯である。ＭＴはモータコアのロータ軸方向長さ、ＭＳはＢ相の歯７１２のロータ軸方向長さ、ＭＪはＢ相のステータ磁極の先端部からバックヨークＢＹまでの磁路部のロータ軸方向長さである。図７５の例では、Ｂ相のステータ磁極の先端からバックヨークＢＹまでの形状が同一の形状の例であり、前記ＭＳとＭＪが同じ大きさの例である。このモータのトルクを改善するために、ＭＳを図７５の例より大きくすることもできる。
図３８の歯の一部である磁路５４ＳＢは、ステータ磁極の先端部のロータ軸方向長さＷＤＸの１／４程度であり、磁束密度の大きい希土類磁石をロータに使用して巻線に大きな電流を流す場合には、磁路５４ＳＢの部分での磁気飽和の問題が出やすい。図３８に比較して、図７５の構成は、磁路のロータ軸方向の大きさＭＪが十分に大きく、ステータ磁極に磁束が通る磁路の断面積が大きいので、軟磁性体の磁気飽和の問題が解消されている。従って、図７５の構成のモータは、大きな電流を流して大きなトルクを得ることが可能なモータであると言える。なお、背部の位置するＡ相のステータ磁極７１４についても十分の磁路断面積を確保し、Ｃ相の磁路断面積についても同様に十分な大きさの磁路断面積としている。
７３１Ｂは巻線７３１の断面、７３２Ｂは巻線７３２の断面、７３３Ｂは巻線７３３の断面であり、各巻線は平板状の導体を３ターン巻回した例を図示している。これらの各相の巻線は、各相のステータ磁極を遮るように配置しているので、各巻線が各相のステータ磁極へ作用する起磁力は、各相のステータ磁極の先端部近傍に作用する構成とし、各ステータ磁極からロータ側へ前記起磁力が作用する構成としている。その結果、図３８で問題となるような他相のステータ磁極との間の漏れ磁束を大幅に低減することができる。また、例えば図７６の（ａ）に示す巻線７３６Ｂの様に平板状の巻線形上をしているので、矢印７６１で示すような漏れ磁束が増加するとき、矢印７６２に示すような渦電流が誘起され、この渦電流が前記磁束７６１の増加を妨げる効果がある。このため、他の相のステータ磁極間の漏れ磁束７６１を低減させることができる。なお本発明モータの巻線形状は、図７６の（ａ）等に限定されるわけではなく、図７６の（ｂ）の様にラジアル方向に分割されていても良く、また、通常の丸線、より線でも可能である。なお、巻線７３２の各部分に流れる電流は、矢印７６２のような渦電流と巻線７３２に通電される相電流との合成電流となる。また、各相の巻線形状図７５に示すような形状に限定されるわけではなく、各巻線がステータ磁極のオープニング部の近傍まで配置されていれば、他の相のステータ磁極間の漏れ磁束を低減する効果がある。
以上、図４１もしくは図３８と図７５のステータ磁極の形状のように、両極端なステータ磁極形状について示したが、それらの中間的な配置、構成のモータも実現することができる。図３７のステータ磁極形状において、Ｂ〜Ｆ相のステータ磁極形状はそれぞれの中心部からロータ軸方向の両方へステータ磁極が突き出していて延長されているが、ロータ軸方向両端のＡ相のステータ磁極はその構成上２分され、それぞれがロータ軸方向の片側へ磁極が突き出して延長されている。両端のステータ磁極が統合された図３５の様なステータ磁極を図３７のステータ磁極のように変形すると、ロータ軸方向両端に配置されているステータ磁極はステータ中心方向に向かって、他の相のステータ磁極の約２倍の突き出し（延長）が必要になる。このため、突き出し部の磁束量が増加し、軟磁性体の磁気飽和の問題がある。ステータ磁極の形状にもよるが、この点で、同相のステータ磁極がロータ軸方向の両端に分離されていることには磁路構成上の意義がある。
次に、本発明モータの巻線の接続およびその制御装置による電圧、電流の印加方法について説明する。本発明のモータの例として示す図１、図６、図７、図２７、図２８、図３４、図３５等のモータおよびそれぞれの相数を変えたようなモータ等の巻線は、それぞれに特有の電圧、インダクタンス、抵抗等の特性を示し、均等な特性とは限らない。特に、巻線の配置によりその鎖交磁束が大きく変化するので、具体的には、巻線の誘起電圧が異なる。それぞれのモータ構成により、特有の巻線の結線方法及び電圧電流の駆動方法がある。その具体的な一方法は、各巻線を図１３７に示すような駆動回路で各巻線単独に駆動する方法である。ここで、駆動回路の電圧は駆動環境として一定の電源電圧で駆動されることが多いので、各電力素子の駆動効率上、巻線の巻回数をその電源電圧に合わせて設計すれば効率の良い駆動が実現できる。例えば、鎖交磁束φが小さい場合は、巻回数Ｎｗとの積である磁束鎖交数Ψ＝φ×Ｎｗが他の巻線と同じくらいになるように、巻回数Ｎｗを大きくすればよい。このように、各巻線の磁束鎖交数Ψ＝φ×Ｎｗが同程度になるように巻線の巻回数Ｎｗを設定して、それぞれの巻線を独立に、図１３７に示すような駆動回路で各巻線単独に駆動する方法である。
次に、図７７に示す本発明の５相のモータの例について説明する。図７７のステータ磁極および巻線の配置図は、図２１及び図２２の７ステータ磁極群で６相のモータに対し、５相のモータである。５相のモータは、４相モータ、６相モータに対して類似している点がある反面、５が奇数であること等に起因して多くの特殊性および構成の差異、及び、特性の違いがある。
図７７は、ロータに対向する各ステータ磁極と各巻線の円周方向の形状を直線上に展開した図で、横軸は円周方向の回転角を電気角で示し、縦軸はロータ軸方向を示し、各巻線の電流ベクトル−Ａ、＋Ｂ、−Ｂ、＋Ｃ等を付記している。７５１と７５６はＡ相のステータ磁極であり、これら２個のステータ磁極を合わせてＡ相のステータ磁極の機能を達成しており、円周上に電気角で３６０ごとに同相のステータ磁極が配置されている。同様に、７５２はＢ相のステータ磁極、７５３はＣ相のステータ磁極、７５４はＤ相のステータ磁極、７５５はＥ相のステータ磁極である。７５７はループ状の巻線で、図７８に示すベクトル図において、−Ａのベクトルの電流を通電する。同様に、巻線７５８は＋Ｂ相の電流で巻線７５９は−Ｂ相の電流、巻線７５Ａは＋Ｃ相の電流で巻線７５Ｂは−Ｃ相の電流、巻線７５Ｃは＋Ｄ相の電流で巻線７５Ｄは−Ｄ相の電流、巻線７５Ｅは＋Ｅ相の電流で巻線７５Ｆは−Ｅ相の電流が通電される。
巻線７５７と７５８は同一スペースに配置されるので、両巻線の両電流の合計は図７８のベクトルＡからベクトルＢを引いたベクトルＢ−Ａで表される。同様に、巻線７５９と７５ＡはベクトルＣ−Ｂ、巻線７５Ｂと７５ＣはベクトルＤ−Ｃ、巻線７５Ｄと７５ＥはベクトルＥ−Ｄ、巻線７５Ｆと７５ＧはベクトルＡ−Ｅで表される。図７７の左側に、解りやすいように、各電流のベクトルを付記している。図７８のベクトル関係から５相のデルタ結線とし、５相のインバータで駆動することができる。また、図７８の各ベクトルは、書き換えると、図７９のようにも書くことができ、スター結線することにより、５相のインバータで駆動することもできる。
しかし、ベクトル（Ｂ−Ａ）の電流がモータとして効果的に作用すると仮定したときの巻線７５７と７５８の巻線係数は、ＣＯＳ（（１８０°−７２°）／２）＝０．５８７８となり、図７７及び図７８に示す５相のモータは大きくない。それぞれの巻線の使い方には改良の余地がある。
この巻線係数を、巻線の配置を変更することにより改善するモータの例を図８０及び図８１に示す。具体的な巻線の配置は、巻線８０８へ＋ＢＳの電流を通電し、ロータ軸方向へＢ相のステータ磁極７５２とＣ相のステータ磁極７５３を挟む巻線８０Ｂへ−ＢＳの電流を流す。同様に、巻線８０Ａへ＋ＣＳの電流を通電し、巻線８０Ｄへ−ＣＳの電流を流す。巻線８０Ｃへ＋ＤＳの電流を通電し、巻線８０Ｄへ−ＣＳの電流を流す。巻線８０Ｅへ＋ＥＳの電流を通電し、巻線８０７へ−ＥＳの電流を流す。巻線８０Ｇへ＋ＡＳの電流を通電し、巻線８０９へ−ＡＳの電流を流す。ここで、図７９と図８１のベクトルＢ−Ａ、Ｃ−Ｂ、Ｄ−Ｃ、Ｅ−Ｄ、Ａ−Ｅは同じ値である。そして、図８１に示すベクトルＡＳ、ＢＳ、ＣＳ、ＤＳ、ＥＳは５相のベクトルである。
これらの結果、巻線８０７へはベクトル−ＥＳの電流を流し、巻線８０８へはベクトル＋ＢＳの電流を流し、結局、Ａ相のステータ磁極７５１とＢ相のステータ磁極７５２との間にはベクトル（Ｂ−Ａ）の電流を流したことになり、図７７のモータの巻線７５７、７５８の場合と同じ電磁気的な効果を得ている。同様に、巻線８０９へはベクトル−ＡＳの電流を流し、巻線８０Ａへはベクトル＋ＣＳの電流を流し、結局、Ｂ相のステータ磁極７５２とＣ相のステータ磁極７５３との間にはベクトル（Ｃ−Ｂ）の電流を流したことになり、図７７のモータの巻線７５９、７５Ａの場合と同じ電磁気的な効果を得ている。巻線８０Ｂへはベクトル−ＢＳの電流を流し、巻線８０Ｃへはベクトル＋ＤＳの電流を流し、結局、Ｃ相のステータ磁極７５３とＤ相のステータ磁極７５４との間にはベクトル（Ｄ−Ｃ）の電流を流したことになり、図７７のモータの巻線７５Ｂ、７５Ｃの場合と同じ電磁気的な効果を得ている。巻線８０Ｄへはベクトル−ＣＳの電流を流し、巻線８０Ｅへはベクトル＋ＥＳの電流を流し、結局、Ｄ相のステータ磁極７５４とＥ相のステータ磁極７５５との間にはベクトル（Ｅ−Ｄ）の電流を流したことになり、図７７のモータの巻線７５Ｄ、７５Ｅの場合と同じ電磁気的な効果を得ている。巻線８０Ｆへはベクトル−ＤＳの電流を流し、巻線８０Ｇへはベクトル＋ＡＳの電流を流し、結局、Ｅ相のステータ磁極７５５とＡ相のステータ磁極７５６との間にはベクトル（Ａ−Ｅ）の電流を流したことになり、図７７のモータの巻線７５Ｆ、７５Ｇの場合と同じ電磁気的な効果を得ている。
次に、図８３に本発明のモータの例を示す。この図８３のモータは、図８０のＡ相のステータ磁極７５６をステータ磁極７５１と統合して図８３の８３１としている。８３２はＢ相のステータ磁極、８３３はＣ相のステータ磁極、８３４はＤ相のステータ磁極、８３５はＥ相のステータ磁極である。各巻線８３７、８３８、８３９、８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ、８３Ｄ、８３Ｅは図８０の各巻線と同様であるが、電圧、電流共に図８０のステータ磁極７５６の分、３６０°／（５×２）＝３６°だけ位相がずれることになる。そして、巻線８３Ｆと巻線８３Ｇはステータコアの外側に配置されることになり、ほとんどモータのトルク発生上の電磁気的作用をモータに及ばさないので、省略することができる。
各巻線の電流ベクトルは図８４に示すベクトルであり、巻線８３Ｆに相当する−ＤＳの電流と巻線８３Ｇに相当する＋ＡＳの電流は必要なくなる。その他は、図８１の関係と同じである。
図８３のモータの各巻線の接続は、２個のステータ磁極を挟んで逆向きに同じ電流が流れる２個の巻線を逆方向に直列に接続してスター結線とする場合は、図８５の結線となる。図８５の巻線は、図８２の巻線に比較して、巻線８３Ｆと巻線８３Ｇの２個の巻線が無く、位相が３６°ずれる。しかし、スター結線の端子ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ、ＴＤ、ＴＥの電圧振幅、電流振幅、各相の相対位相は同じである。そして、スター結線の中心の点ＮＮの電位は前記の５個の端子の平均電圧である。
また、電圧の観点から言えば、このような状態の逆相の各電流は、２個のステータ磁極を挟んで逆向きに流れていることから、これらの２個の巻線を逆直列に接続すると、その巻線に鎖交する磁束は電気角で（７２°＋７２°）＝１４４°の範囲の磁束と鎖交する関係となっている。図８１に示すように、各巻線の電流が効率良く、合成起磁力を生成する関係となっていて、電圧の振幅が同じで、位相がそれぞれ７２°の位相差を持った５相電圧となる。そして、図８２に示すように、スター結線して各巻線の５相電流を制御し、駆動することができる。同様に、結線を変えてデルタ結線とすることもできる。
なお、図７７、図８０に示す個々の巻線の電圧は、図８６に示すように、巻線が配置されるスロットによって個々に位相、振幅が異なる。前記のように、２個のステータ磁極を挟んで逆直列に接続した５組の２巻線の両端電圧は、同一振幅で、かつ位相が７２°ずつ異なる平衡５相電圧となる。
また、前記の状態では、各巻線の接続方法に関係なく、各巻線の巻線係数は、ＣＯＳ（（１８０°−１４４°）／２）＝０．９５１と良好な値となり、図７７及び図７８の関係より大幅に改善する。
本発明モータが奇数相の場合、電気角で１８０°の位相差のあるスロットは存在しないが、２個の巻線を１８０°により近い位置に逆向きに巻回することにより、効率の良い駆動を実現することができる。５相モータの場合は、２個もしくは３個のステータ磁極を挟んで同一相の巻線を逆向きに巻回すればよい。７相モータの場合は、３個もしくは４個のステータ磁極を挟んで同一相の巻線を逆向きに巻回すればよい。２個のステータ磁極を挟んだ構成であっても、一つのステータ磁極の両側に配置するよりは格段に効率がよい。また、他の奇数相のモータおよび偶数相のモータについても同様の効果が得られる。
なお、５相、７相、９相、１１相などの奇数相は大きな素数なので、モータ全体としての各相の高調波がキャンセルされる確率が高くなり、トルクリップルの小さなモータ運転を実現することができる。例えば、３相モータは６０°周期の高調波が出易く、６相のモータもその程度は低減するが６０°周期の高調波が出易い。４相のモータは素数が２なので、多くの高調波が発生し易く、モータ設計時には高調波低減の工夫が必要となる。この点で、５相及び７相のモータは、低次の高調波がほとんどキャンセルされるので、モータ設計時の高調波低減が容易であり、トルクリップルが小さく、低騒音、低振動で高品位なモータを実現することができる。自動化あるいは無人化された産業機械、生産ラインで使用されるモータとは異なり、自動車など、人間の聴覚、触覚に近い部位に使用される場合は、モータの静粛性は大変重要な特性である。
また、先に説明したように、電気角３６０°の間に、Ｎが奇数で、Ｎ個の位相のステータ磁極群を持ち、ステータ磁極群の間に複数のループ状巻線を持つモータは、結線方法により巻線係数を小さくすることができ、効率の良い運転が可能である。また、星形結線とすることにより、平衡Ｎ相の電圧、電流の制御、モータ駆動が可能であることを示した。
また、ステータ磁極群の間に１個のループ状巻線を持つモータは、後述するように、各巻線電圧は平衡Ｎ相電圧ではないが、（Ｎ−１）個の巻線によるスター結線と中心点とのＮ個の端子による平衡Ｎ相電圧、電流駆動が、図９３の（ａ）に示すように可能である。また、（Ｎ−１）個の巻線による１線が欠落したデルタ結線でＮ個の端子による平衡Ｎ相電圧、電流駆動が、図９３の（ｂ）に示すように可能である。
モータの巻線に電圧、電流を加えて駆動する方法としては、各巻線を個々に制御、駆動する方法、スター結線によるＮ相駆動、デルタ結線によるＮ相駆動、それらの変形した駆動法などがある。
ステータ磁極群の位相の種類Ｎが６以上の偶数の場合、例えば図３４及び図３５の場合はＮ＝６であり、電気角が１８０°異なる位相の巻線２個、６１と６４、６２と６５、６３と６６とを逆直列に接続し、３組の巻線による３相スター結線を実現することができ、３相インバータで駆動することができる。このように、Ｎが６以上の偶数の場合は、Ｎ／２の相の平衡交流インバータで駆動することができる。
Ｎが４の場合は、電気角が１８０°異なる位相の巻線２個を逆直列に接続することはできるが、巻線組が２個になり、３相以上の多相平衡交流回路網を構成することはできず、特有な回路構成を製作する必要がある。
Ｎが３の場合は、図１及び図７１に示したようなモータ構成で、同相の電流が流れる２個の巻線を電流の方向を合わせて直列に接続し、３相のスター結線を構成することができ、３相インバータで制御することができる。
ステータ磁極群の位相の種類Ｎが５以上の奇数の場合は、図７７及び図８０のモータ構成で説明したように、一定の規則で接続、構成されたＮ組のスター巻線を構成することができ、Ｎ相の多相平衡回路網を構成し、Ｎ相の平衡交流インバータで駆動することができる。
多相交流インバータで効率良く運転できる特徴がある。また、ここで記述したスター結線の構成の場合は、中心の接続部が各スター結線の端子の平均電圧となり、電位が安定している、あるいは、安定化することができる。そして、この電位が安定化した巻線の部位をモータ鉄芯へ巻線を巻回する巻始めとすれば、巻線と鉄芯間の電位変動が小さくなり、巻線と鉄心間の浮遊容量に基づく漏れ電流が低減し、電磁障害等の問題を軽減することができる。
また、前記の巻線はデルタ結線として接続し、多相交流インバータで制御することもできる。ただし、この場合には、デルタ結線内でのループ電流が流れる可能性があり、モータのアンバランス成分が発生しないようなモータ設計、製作上のアンバランス、インバータの制御上のアンバランスなどが発生しないような注意が必要となる。従って、特別な理由がない限り、通常はスター結線が多く使用されている。
次に、本発明のモータの例を図８６に示す。ステータ磁極群は、図７７及び図８０と同じで６個あり、５相のモータである。８６１、８６５はＡ相のステータ磁極、８６２はＢ相のステータ磁極、８６３はＣ相のステータ磁極、８６４はＤ相のステータ磁極、及び、８６５はＢ相のステータ磁極である。８６７、８６９、８６Ｂ、８６Ｄ、８６Ｆは各ステータ磁極間の巻線である。各巻線に流すべき電流のベクトルは図７９のＢ−Ａ、Ｃ−Ｂ、Ｄ−Ｃ、Ｅ−Ｄ、Ａ−Ｅである。各相の電流ＩＢＡ、ＩＣＢ、ＩＤＣ、ＩＥＤ、ＩＡＥをそれぞれ数式で示すと、Ａ相の回転方向ロータ位置θｒ＝０として式（３１）〜（３５）となり、図８７のようである。
ＩＢＡ＝ＩＯ×（ｓｉｎ（θｒ−７２°）−ｓｉｎ（θr）） …（３１）
ＩＣＢ＝ＩＯ×（ｓｉｎ（θｒ−１４４°）−ｓｉｎ（θｒ−７２°）） …（３２）
ＩＤＣ＝ＩＯ×（ｓｉｎ（θｒ−２１６°）−ｓｉｎ（θｒ−１４４°））…（３３）
ＩＥＤ＝ＩＯ×（ｓｉｎ（θｒ−２８８°）−ｓｉｎ（θｒ−２１６°））…（３４）
ＩＡＥ＝ＩＯ×（ｓｉｎ（θr）−ｓｉｎ（θｒ−２８８°）） …（３５）
各巻線の電圧はＶＢＡ、ＶＣＢ、ＶＤＣ、ＶＥＤ、ＶＡＥは式（３６）〜（４０）となり、図８８のようである。
ＶＢＡ＝−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ）／２ …（３６）
ＶＣＢ＝ＶＢＡ−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ−７２°） …（３７）
ＶＤＣ＝ＶＣＢ−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ−１４４°） …（３８）
ＶＥＤ＝ＶＤＣ−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ−２１６°） …（３９）
ＶＡＥ＝ＶＥＤ−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ−２８８°） …（４０）
図８８の電圧特性より解るように、各巻線の電圧は平衡した５相電圧ではない。そして、図８８のＶＮは式（３６）〜（４０）の平均電圧である。ここで、各巻線をスター結線したと仮定し、その中心の点の電圧が−ＶＮであるとして、各スター結線の端子電圧を計算すると、図８９のＶＢＡＮ、ＶＣＢＮ、ＶＤＣＮ、ＶＥＤＮ、ＶＡＥＮとなる。各スター結線の端子電圧は平衡した５相電圧となる。
この結果、図８６で示されるモータをスター結線し、ロータ回転に同期して（３１）〜（３５）の電流を流すと、スター結線の中心の点の電圧が−ＶＮとなり大きく変動するが、各スター結線の端子電圧は図８９のＶＢＡＮ、ＶＣＢＮ、ＶＤＣＮ、ＶＥＤＮ、ＶＡＥＮとなる。つまり、平衡した５相電圧となり、５相のインバータで効率良く運転、駆動できることを確認できる。
なお、５相のモータで説明したが、５相以外の他の相数のモータについても、同様の関係が成立する。図７３の３相のモータについても、同様の関係となる。
次に、本発明の他の例を図９０に示す。８８１はＡ相のステータ磁極であり、図８６のＡ相のステータ磁極８６６を８６１と統合した形状である。８８２はＢ相のステータ磁極、８８３はＣ相のステータ磁極、８８４はＤ相のステータ磁極、８８５はＥ相のステータ磁極である。巻線８８７へは図９１及び図９２のベクトルＢ−Ａで示される電流、巻線８８９へはベクトルＣ−Ｂで示される電流、巻線８８ＢへはベクトルＤ−Ｃで示される電流、巻線８８ＤへはベクトルＥ−Ｄで示される電流が流される。図９１及び図９２のベクトルＡ−Ｅで示される電流ＩＮは直接的にモータへ流す必要はない。しかし、各巻線を図９３の（ａ）のようにスター結線すると、その中心のＮＮへは４個の巻線の総和の電流が流れ込むことになり、その電流の負の値が前記のベクトルＡ−Ｅで表される電流ＩＮである。この結果、ベクトルＡ−Ｅで表される電流ＩＮを直接的に流す巻線はないが、モータへはこの電流ＩＮを供給しているとも言える。
各巻線の電圧は図８８の特性とは異なり、（５１）〜（５４）式で表される。
ＶＢＡ＝−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ） …（５１）
ＶＣＢ＝ＶＢＡ−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ−７２°） …（５２）
ＶＤＣ＝ＶＣＢ−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ−１４４°） …（５３）
ＶＥＤ＝ＶＤＣ−ＶＯ×ｓｉｎ（θｒ−２１６°） …（５４）
そして、上記の４個の値を加算して５で割った値は、図９５のＶＮとなる。
ＶＮ＝（ＶＢＡ＋ＶＣＢ＋ＶＤＣ＋ＶＥＤ＋０）／５ …（５５）
ここで、各巻線を図９３の（ａ）に示すように結線し、中心の点ＮＮの電位ＶＮＮを
ＶＮＮ＝−ＶＮ …（５６）
として（５１）〜（５４）式へ加え、各端子電圧ＶＢＡＮ、ＶＣＢＮ、ＶＤＣＮ、ＶＥＤＮを再計算すると、各電圧は、ＶＮＮを含め、図９６に示す平衡５相電圧となる。
この結果、図９０で示されるモータをスター結線し、４個の端子とスター結線の中心点ＮＮへ、ロータ回転に同期して式（３１）〜（３５）に示す電流を流すと、スター結線の中心の点の電圧が−ＶＮとなり大きく変動するが、各スター結線の端子電圧は図９６のＶＢＡＮ、ＶＣＢＮ、ＶＤＣＮ、ＶＥＤＮ、ＶＮＮとなり、平衡した５相電圧となり、５相のインバータで効率良く運転、駆動できることを確認できる。
なお、５相のモータで説明したが、５相以外の他の相数のモータについても、同様の関係が成立する。また、図１のモータの各２巻線を図７のように１巻線へ統合したモータについても同様の関係となる。
また、図８６と図９０で示されるモータのトルクおよびパワーは計算上、全く同じ値になる。
次に、本発明の５相のモータのステータ磁極の配置を、より現実的な形状とした例を図９７に示す。図９７は、原理的には図８６のモータと同じ相対的な位置関係である。しかし、形状、配置などが大幅に異なり、特性的には大きく異なる。９５１と９５６はＡ相のステータ磁極であり、９５２はＢ相のステータ磁極、９５３はＣ相のステータ磁極、９５４はＤ相のステータ磁極、９５５はＥ相のステータ磁極である。巻線９５７へは図９１及び図９２のベクトルＢ−Ａで示される電流、巻線９５８へはベクトルＣ−Ｂで示される電流、巻線９５９へはベクトルＤ−Ｃで示される電流、巻線９５ＡへはベクトルＥ−Ｄで示される電流、巻線９５ＢへはベクトルＡ−Ｅで示される電流が流される。
図８６に示すモータと異なる点の一つは、ロータに対向する面のステータ磁極の形状である。断面５ＢＤ〜５ＢＤを図９８に示す。図９７の縦軸はロータ軸方向を示しているので、この断面５ＢＤ〜５ＢＤはロータ軸方向に対して斜面となっているが、相対的な大きさの関係は変わらない。ＢＹはステータのバックヨークで、そのロータ軸方向長さはＭＴＹで、Ｂ相のステータ磁極９５７のロータに面する部分の長さＭＳＹはＭＴＹ／５をより大きく、図９７及び図９８では２×ＭＴＹ／５よりも大きい。したがって、ステータ磁極９５７を通る磁束の回転変化率は大きく、大きなトルクが期待できる。また、ステータ磁極９５７のロータ表面近傍からバックヨークＢＹまでの磁路の太さＭＪＹはステータ磁極先端のＭＳＹと同じであり、磁気飽和が生じにくい構造となっている。図３８の磁路５４ＳＢに比較して２倍以上の大きさとしている。また、Ｂ相のステータ磁極とＥ相のステータ磁極の間には、図９８の巻線９５８、９５９、９５Ａがステータ磁極のロータに面するオープニング部まで配置されていて、他相のステータ磁極間との漏れ磁束が発生しにくい配置構造となっている。図９７に示す各相のステータ磁極の間へは各巻線が同様に配置構造となっていて、他相のステータ磁極間の漏れ磁束を極力低減する構造となっている。巻線はロータ軸方向に凹凸のある巻線形状としていて、図７６の巻線で示したような構造となっていて、同様の効果が得られる。図９７及び図９８に示すような構造のモータとすることにより、大きなピークトルクが得られる構造となっている。
次に、本発明の他の例を図９９に示す。このモータは、図８６の５相のモータを４相に変換したモータに相当する。Ａ２１とＡ２５はＡ相のステータ磁極であり、Ａ２２はＢ相のステータ磁極、Ａ２３はＣ相のステータ磁極、Ａ２４はＤ相のステータ磁極である。巻線Ａ２７へは図１００のベクトルＢ−Ａで示される電流、巻線Ａ２９へはベクトルＣ−Ｂで示される電流、巻線Ａ２ＢへはベクトルＤ−Ｃで示される電流、巻線Ａ２ＤへはベクトルＡ−Ｄで示される電流が流される。
図１０１は各巻線をスター結線した図であり、それぞれの巻線の電圧は５相の図８８の例のように各相の電圧振幅は一定ではないが、端子間電圧は平衡した４相の電圧となる。４相のスター結線は制約条件が４線の電流の和が零となるだけであり、各相の電流に高調波成分を付加する制御等が可能である。また、２相の直交関係は保ちながら、他の２相については位相を４５°回転させて、トルクリップルを低減するなどの改良も可能である。なお、このような改良は、図９９の巻線の内、位相差が１８０°ある巻線を逆直列に接続した２組の巻線を構成する方法では実現することができない。また、各ステータ磁極および巻線の配置、構造については、図９７及び図９８のように変形することもできる。
次に本発明の他の例を図１０２及び図１０３に示す。Ａ４１はＡ相のステータ磁極であり、図９９のＡ相のステータ磁極Ａ２１をＡ２５と統合した形状である。Ａ４２はＢ相のステータ磁極、Ａ４３はＣ相のステータ磁極、Ａ４４はＤ相のステータ磁極である。巻線Ａ４７へは図１００のベクトルＢ−Ａで示される電流、巻線Ａ４９へはベクトルＣ−Ｂで示される電流、巻線Ａ４ＢへはベクトルＤ−Ｃで示される電流が流される。図９１及び図９２のベクトルＡ−Ｄで示される電流ＩＮは直接的にモータへ流す必要はない。しかし、各巻線を図１０３のようにスター結線すると、その中心のＮＮへは３個の巻線の総和の電流が流れ込むことになり、その電流の負の値が前記のベクトルＡ−Ｄで表される電流ＩＮである。この結果、ベクトルＤ−Ｅで表される電流ＩＮを直接的に流す巻線はないが、モータへはこの電流ＩＮを供給しているとも言える。図１０２のモータは図９９のモータに対し、巻線が１個少なくて済むので銅損が低減する効果がある。同一スペースに巻線を配置すると考えると、巻線抵抗値が３／４となり、抵抗そのものが４個から３個に少なくなるので、合計で銅損を９／１６に低減することができることになる。また、各ステータ磁極および巻線の配置、構造については図９７及び図９８のように変形することもできる。
次に本発明の他の例を図１０４及び図１０５に示す。Ａ６１はＡ相のステータ磁極、Ａ６２はＢ相のステータ磁極、Ａ６３はＣ相のステータ磁極、Ａ６４はＤ相のステータ磁極である。図１０２の巻線Ａ４９を２個の巻線Ａ６９、Ａ６Ｂに分離している。そして、図１０５のようなスター結線としている。巻線Ａ６７へは図１００のベクトルＢ−Ａで示される電流、巻線Ａ６９、Ａ６ＢへはベクトルＣ−Ｂで示される位相の電流、巻線Ａ６ＢへはベクトルＤ−Ｃで示される電流が流される。巻線Ａ６９、Ａ６Ｂの巻回数は他の巻線の巻回数の１／２とし、電圧振幅のバランスを取ることができる。また、各ステータ磁極および巻線の配置、構造については、図９７及び図９８のように変形することもできる。
次の本発明の他の例を図１０６及び図１０７に示す。このステータ磁極の配置構成は、図２８に示す６相のステータ磁極の配置構成を４相に変換し、ステータ磁極間の巻線を図２７の構成のように２個にした例である。Ａ８１はＡ相のステータ磁極、Ａ８２はＣ相のステータ磁極、Ａ８３はＢ相のステータ磁極、Ａ８４はＤ相のステータ磁極である。位相の１８０°異なるステータ磁極をロータ軸方向の隣に配置することによって、図１０６で空いているスペースに各相のステータ磁極からロータ軸方向に延長すること容易な配置構成となっている。巻線Ａ８７へは図１０７の（ａ）のベクトルＡに相当する電流、巻線Ａ８８へはベクトルＣに相当する電流、巻線Ａ８９へはベクトル−Ｃに相当する電流、巻線Ａ８ＡへはベクトルＢに相当する電流、Ａ８Ｂへはベクトル−Ｂに相当する電流、Ａ８ＣへはベクトルＤＣに相当する電流を流す。
このとき、巻線Ａ８７とＡ８８を１個の巻線に統合して図１０７の（ｂ）に示すベクトルＣ−Ａの電流を通電し、巻線Ａ８９とＡ８Ａを１個の巻線に統合して図１０７の（ｂ）に示すベクトルＢ−Ｃの電流を通電し、巻線Ａ８ＢとＡ８Ｃを１個の巻線に統合して図１０７の（ｂ）に示すベクトルＤ−Ｂの電流を通電しても良い。その方が、銅損を約５／６に低減させることができる。
図１０８に示すステータ磁極と巻線の配置構成は、図１０６の配置構成を改良したものである。ＡＡ１はＡ相のステータ磁極、ＡＡ２はＣ相のステータ磁極、ＡＡ３はＢ相のステータ磁極、ＡＡ４はＤ相のステータ磁極である。図１０６のステータ磁極の配置構成とは異なり、ロータに対向する面のほぼ全面にステータ磁極を配置している。従って、ロータからの磁束を効率良くステータ側へ通し、巻線と鎖交させることができるので大きなトルク発生が期待できる。巻線ＡＡ７へは図１１０の（ａ）のベクトルＣ−Ａに相当する電流を流し、巻線ＡＡ９は巻線ＡＡ７、ＡＡＢの巻回数の１／２の巻回数とし、２×（Ｂ−Ｃ）のベクトルに相当する電流を流し、巻線ＡＡＢへはベクトルＤ−Ｂに相当する電流を流す。このような構成とすることにより、３個の巻線の３電流の合計電流を常に零とすることが可能となる。図１１０の（ａ）のベクトルＣ−Ａ、Ｄ−Ｂ、２×（Ｂ−Ｃ）の関係である。そして、図１１１に示すようなスター結線とすることにより、３相インバータを使用することが可能となる。ＴＥ、ＴＧ、ＴＦはスター結線の端子である。
各巻線の電圧の例は、図１１０の（ｂ）に示す特性であり、Ｅは巻線ＡＡ７の電圧、Ｇは巻線ＡＡＢである。巻線ＡＡ９の電圧は、この巻線に磁束が鎖交しないように電流２×（Ｂ−Ｃ）を流すので、磁束の時間変化率で発生する電圧は基本的に零であり、その他の巻線抵抗の電圧降下分と漏れ磁束の時間変化率で発生する電圧分が、図１１０の（ｂ）のＦに示すようにわずかに有る。おおよそ３相電圧となり、３端子の電流の和が零になるので、３相インバータでの駆動が可能である。
しかし厳密には、このような状態における３端子ＴＥ、ＴＧ、ＴＦの端子間電圧は図１１０の（ｂ）から２：２：２．８２８の関係となっており、平衡３相交流電圧ではない。その意味で、３相交流電圧、電流をさらに効率良く使用する方法を図１１２及び図１１３に示す。図１１２において、電流ベクトルＢ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、Ｂ２４は相互に位相差が１２０°の３相ベクトルである。ベクトルＣ−ＡをベクトルＢ２１とＢ２２で合成している。ベクトルＤ−ＢをベクトルＢ２３とＢ２４で合成している。ベクトルＢ２５は、図１１３の結線上、ベクトルＢ２１、Ｂ２３と同一振幅になる。その結果、図１１２の電流ベクトルに合うように、図１１１の各巻線の巻回数を計算し直す必要がある。この例では、巻線ＡＡ７の巻回数に対し巻線Ｂ３１、Ｂ３３の巻回数は０．８１６５倍、Ｂ８２、Ｂ８４の巻回数は約０．３倍、ＡＡ９の巻回数は０．８６６倍とすればよい。このような構成とすれば、図１１３の端子ＴＥ、ＴＦ、ＴＧの電流は３相平衡交流となり、３相インバータで効率良く運転、駆動することができる。また、この場合の各巻線の配置は、巻線ＡＡ７の替わりにＢ３１、Ｂ３２の２巻線を配置し、巻線ＡＡ９の替わりにＢ３５を配置し、巻線ＡＡＢの替わりにＢ３３、Ｂ３４を配置すればよい。
また、巻線の他の接続方法として、図１０３のような巻線構成ももちろん可能である。この場合には４相のインバータが必要である。
図１０８のステータ磁極の断面４ＧＤ〜４ＧＤは図１０９に示す形状となっている。このモータの図１０６に示すモータと異なる点の一つは、ロータに対向する面のステータ磁極の形状である。ＢＹはステータのバックヨークで、そのロータ軸方向長さはＭＴＺで、Ｂ相のステータ磁極ＡＡ１のロータに面する部分の長さＭＳＺはＭＴＺ／４をより大きく、図９７及び図９８では２×ＭＴＺ／４に近い値である。したがって、ステータ磁極ＡＡ１を通る磁束の回転変化率は大きく、大きなトルクが期待できる。また、ステータ磁極ＡＡ１のロータ表面近傍からバックヨークＢＹまでの磁路の太さＭＪＺはステータ磁極先端のＭＳＺと同じであり、磁気飽和が起きにくい構造となっている。図２９のステータ磁極１４４の磁路幅ＷＤＴに比較して２倍以上の大きさとしている。また、Ｂ相のステータ磁極とＤ相のステータ磁極の間には、図１０９の巻線ＡＡ７、ＡＡ９、ＡＡＢがステータ磁極のロータに面するオープニング部まで配置されていて、他相のステータ磁極間との漏れ磁束が発生じにくい配置構造となっている。図１０８に示す各相のステータ磁極の間へは各巻線が同様に配置構造となっていて、他相のステータ磁極間の漏れ磁束を極力低減させる構造となっている。巻線はロータ軸方向に凹凸のある巻線形状となっていて、つまり図７６の巻線で示したような構造となっていて、同様の効果が得られる。図１０８及び図１０９に示すような構造のモータとすることにより、大きなピークトルクが得られる構造となっている。
また、図１０８のステータ磁極の形状は長方形に近い、特殊な形状を図示しているが、種々の形状に変形することも可能である。例えば、ロータ軸方向へ電磁鋼板を積層して使用する場合には、材料的に、また電磁鋼板を使用した製作の都合上、図１０８に示す各ステータ磁極の形状は長方形の形状である方が電磁鋼板のプレス打ち抜き製作及び電磁鋼板の積層が容易である。一方、圧粉磁心を金型を利用してプレス成形で製作する場合には、ステータ磁極の形状の自在性が高く、図１０８のような曲面形状であった方がプレス成型時に好都合である。
次に、図３５に示す本発明の６相のモータの電流、電圧について説明する。このモータは、先に、ある巻線と１８０°位相の異なる他の巻線へ逆方向の電流を流し、巻線としては逆方向に直列に接続することにより３相インバータで制御、駆動することができることを示した。その方法とは異なるモータの構成法として、図１１４〜図１１８の構成、あるいは、図１１９、図１２０の構成とすることができる。
図３５の各巻線６１、６２、６３、６４、６５を図１１５のスター結線とし、中心点ＮＮを含め６個の端子Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄ、Ｔｅ、ＴＮとする。前記各巻線へは、それぞれ、図１１６のＩａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅが流され、端子ＴＮへＩｎが流れることになる。そして、各巻線の電圧は図１１７のＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅとなり、５つの電圧を加算して６で割った値はＶｎとなる。そして、−Ｖｎをスター結線の中心点ＮＮの電位として各端子の電位を求めると、図１１８のＶａｎ、Ｖｂｎ、Ｖｃｎ、Ｖｄｎ、Ｖｅｎ、Ｖｎｎとなる。この結果、この図１１５のスター結線の６端子へ６相の電圧、電流を印加することにより、図３５で示されるモータを効率良く駆動できることが示された。そして、６相のインバータをその駆動に使用することができる。
次に、図３４に示すような、Ｎが４以上の偶数相のモータで、モータの各相の高調波成分をキャンセルしてトルクリップル、振動及び騒音の小さなモータを実現する方法について説明する。図１１９において、ベクトルａ、ｃ、ｅについてはそのままのベクトルとし、３相平衡の電流を流し、一方、ベクトルｂ、ｄ、ｆについては時計回転方向ＣＷへ３０°回転してベクトルａｂ、ｃｄ、ｅｆで３相平衡の電流を流す。このような構成とすることにより、トルクリップルなどの高調は成分に対して、１２相のモータであるかのような効果を得ることができ、トルクリップル、振動、及び騒音の小さなモータを実現することができる。このとき、図３５の各ステータ磁極も同様に、電気角で１２０°ずつ、位相の異なるステータ磁極群３相分を電気角で３０°円周方向に移動させる。なお、前記の説明では、３相分の電流と３相分のステータ磁極を両方変化させたが、片方だけ変化させても相応の効果は得られる。
なお、インバータの相数とコストの関係については、大きな出力容量のモータ、例えば５０ｋｗ以上のモータを駆動する場合は、パワートランジスタを並列使用することが多く、相数が例えば３相から６相に２倍に増えてもパワートランジスタの数は変わらず、コスト的な負担は小さい。また、相数が大きいと、モータの高調は成分を低減でき、トルクリップルを小さくできるなどのメリットもある。
逆に、ｋｗ以下のモータの場合、インバータのコストが素子数により変動することが多く、相数が大きいとコスト的に不利である。従って、この場合、小さい容量のモータを駆動する場合は３相交流駆動が好ましい。
次に、本発明モータの他の例を示す。図２７のモータは、ロータ軸方向に隣接するステータ磁極群が相互に１８０°の位相差を持つモータで、電気角３６０°の間に６種類の位相差を持ち、７個のステータ磁極群からなっている。ステータ磁極群の間には、それぞれ、２個の巻線が配置されている。これらの２個の巻線は、１個の巻線に統合し、前記の２個の巻線に流される電流値を算術的に加算し、加算値の電流を流すことにより、等価なモータを実現できる。この時、前記の２種類の電流値が同一の位相で、同一の電流密度で流される場合を除いては銅損が低減されることになり、効率を向上することができる。また、図２７の各ステータ磁極から破線でロータ軸方向にステータ磁極の一部を拡大した図を書いているが、図２９の１４０、１４１のように、ロータに面するステータ磁極の面積を拡大することができる。また、図１０８、図１０９のように歯全体がロータ軸方向に突き出すこともでき、図２９と図１０８、図１０９の中間の形状とすることもできる。また、図２７のステータ磁極の例は、相数Ｎが６の例であるが、Ｎが４以上の偶数の時に同様の形状を構成することができる。
図２８に示すモータは、図２７のモータのロータ軸方向両端のステータ磁極を片側へ統合し、かつ、ステータ磁極間の２個の巻線を１個の巻線に統合した例である。この図２８の構成において、ステータ磁極間の巻線を２個とすることもできる。図１０６、図１０７はその４相の例であり、同相の電流が流される巻線Ａ８８とＡ８９とを逆直列とし、巻線Ａ８Ａと巻線Ａ８Ｂとを逆直列とし、他の巻線Ａ８７、Ａ８Ｃと４種類の巻線のスター結線とし、４相インバータでバランスの良い駆動が可能である。
次に、本発明の他の例を図１２１に示す。Ｊ１Ｃはロータ軸で、ロータ軸より左側半面の断面図である。ロータには２個のロータが、磁気的に分離されて配置され、Ｊ１１とＪ１２は第１ロータとその永久磁石、Ｊ１３とＪ１４は第２ロータとその永久磁石である。各永久磁石は図２のように円周上にＮ極、Ｓ極が交互に配置されている。Ｊ２５はＡ相のステータ磁極、Ｊ２６はＣ相のステータ磁極、Ｊ２７はＢ相のステータ磁極、Ｊ２８はＤ相のステータ磁極である。Ｊ２９は、Ａ相、Ｃ相の磁束が鎖交するように配置されたループ状の巻線、Ｊ２Ａは、Ｂ相、Ｄ相の磁束が鎖交するように配置されたループ状の巻線である。Ｊ２Ｂは両ステータコアの間の磁気的に分離するためのスペーサで非磁性体である。磁路Ｊ２ＣへはＣ相の磁束φＣがとおり、磁路Ｊ２Ｄへは磁束φＢが通る。電磁気的な配置関係は、形状は異なるが、図１０６、図１０８と同じであり、巻線Ａ８９、Ａ８Ａ、ＡＡ９に相当する巻線が不要な構造となっている。従って、銅損の低減、小型化が可能である。また、図１２１のステータコア、巻線については、図１０８のように変形することもでき、より高トルク化を実現することができる。
図１２１においては、ロータとステータ側の両方が、ロータ軸方向に磁気的に分離されていたが、各ロータ、ステータ間の漏れ磁束を無視した単純論理的な考えでは、ロータとステータとの片側が分離されていれば、２組のロータ、ステータが電磁気的に独立に作用することができる。図１２２は、ロータ側が磁気的に分離された構造で、ステータ側はスペーサＪ２Ｂが排除され、２つのステータが密着された構造である。Ｊ１５はＡ相のステータ磁極、Ｊ１６はＣ相のステータ磁極、Ｊ１７はＢ相のステータ磁極、Ｊ１８はＤ相のステータ磁極である。この時、磁路Ｊ１Ｂの部分にはＣ相の磁束φＣとＢ相の磁束φＢが通ることになり、φＣとφＢとは位相が４５°異なることから、図１２１の磁路Ｊ２Ｃ、Ｊ２Ｄに比較して磁路を０．７０７の太さに小さくできる。したがって、モータの小型化が可能である。また、図１２１のステータコア、巻線については、図１０８のように変形することもでき、より高トルク化を実現することができる。
次に、図１２３、図１２４に、ロータ側は３個に磁気的に分離し、ステータ側のコアはバックヨーク部で各相のコアが連結された構造の６相のモータについて説明する。Ｂ３１はＡ相のステータ磁極、Ｂ３２はＤ相のステータ磁極、Ｂ３３はＦ相のステータ磁極、Ｂ３４はＣ相のステータ磁極、Ｂ３５はＥ相のステータ磁極、Ｂ３６はＢ相のステータ磁極である。Ｋ６Ｄ、Ｋ６１は第１ロータとその永久磁石、Ｋ６ＥとＫ６２は第２ロータとその永久磁石、ＫＦ６とＫ６３は第３ロータとその永久磁石である。磁路ＫＪ６へはＡ相の磁束が通り、Ｋ６ＫへはＢ相の磁束が通る。一方、ステータ内部に配置された磁路Ｋ６ＧへはＤ相とＦ相の磁束が通るように配置しており、これらの両磁束の位相差を大きくする組み合わせとしているので、両位相差は電気角で１２０°であり、Ｄ相とＦ相の磁束の合計は１相の磁束と同じ大きさになる。したがって、Ｋ６Ｇへは２相分の磁束が通るにもかかわらず、Ａ相の磁束が通る磁路Ｋ６Ｊと同じ太さでよいことになる。磁路Ｋ６Ｈについても同様であり、Ｃ相とＥ相の磁束が通り、両磁束の位相差は電気角で１２０°であり、磁路Ｋ６Ｈの太さは、Ａ相の磁束が通る磁路Ｋ６Ｊと同じ太さでよい。このように、ロータの構成、配置を工夫することにより、ステータの一部を小型化することができ、モータの小型化、低コスト化を実現することができる。また、図１２１のステータコア、巻線については、図１０８、図１０９のように変形することもでき、より高トルク化を実現することができる。
次に、本発明の他の例を図１２５、図１２６に示す。Ｂ５１はＡ相のステータ磁極、Ｂ５２はＣ相のステータ磁極、Ｂ５３はＥ相のステータ磁極、Ｂ５４はＢ相のステータ磁極、Ｂ５５はＤ相のステータ磁極である。図１２６は電流、磁束等のベクトルを表す図で、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅが基本の５相を表すベクトルである。巻線Ｂ５７にはＣ−Ａのベクトルの電流を流し、巻線Ｂ５９にはＥ−Ｃのベクトルの電流を流し、巻線Ｂ５ＢにはＢ−Ｅのベクトルの電流を流し、巻線Ｂ５ＤにはＤ−Ｂのベクトルの電流を流す。各ベクトルを図１２７のように並べ替え、このようなスター結線とすると、中心のＮＮにはＡ−Ｄのベクトルの電流が流れることになる。この時、各巻線の関係は、図９０〜図９６に示した関係と同じ関係であり、５相インバータで効率良く運転することができる。そして、隣接するステータ磁極との位相差を１４４°としているので、図１５７の破線で示すように、ロータ表面に対向するステータ磁極を拡大することが容易であり、より大きなトルクを生成することができる。
また、図１２５の変形として、６ステータ磁極、５巻線の５相のモータを実現することもできる。また、図１２１のステータコア、巻線については、図１０８、図１０９のように変形することもでき、より高トルク化を実現することができる。
次に、本発明の他の例を図１２８に示す。Ｂ９１はＡ相のステータ磁極、Ｂ９２はＢ相のステータ磁極、Ｂ９３はＣ相のステータ磁極、Ｂ９４はＤ相のステータ磁極、Ｂ９５はＥ相のステータ磁極、Ｂ９６はＦ相のステータ磁極である。このような配置、構成で、ロータは図１２１のような磁気的に絶縁された２個のロータを使用する。そして、Ｂ９１、Ｂ９３、Ｂ９５で一つの３相モータを構成し、Ｂ９２、Ｂ９４、Ｂ９６でもう一つのモータを構成し、２個のモータが複合された構成とする。巻線Ｂ９７へは、図１２９のベクトル図において、Ｃ−Ａのベクトルで表される電流を流し、巻線Ｂ９８へはＥ−Ｃのベクトルで表される電流を流し、巻線Ｂ９９へはＦ−Ｂのベクトルで表される電流を流し、巻線Ｂ９ＡへはＤ−Ｆのベクトルで表される電流を流す。このような構成とすることにより、図１、図２、図７で示されるモータが２個並列に駆動されることになる。そして、これらの２個のモータは位相が相対的に６０°ずれているので、６相のモータの性格を持ち、トルクリップルが低減されたモータを構成することができる。また、図１２９に示すように、省略された巻線、電流はＤ−Ｂ、Ｆ−Ｂのベクトルの電流であって、丁度逆方向であって、相殺される関係としている。その結果、全電流によりロータ軸方向に発生する起磁力が零となるので、ロータ軸方向に起磁力が発生せず、モータ周辺部品の磁化などの恐れが無く、周辺の鉄粉を吸着する問題も解消される。
次に、本発明の他の例を説明する。図１２５では５相のモータの配置構成について説明したが、７相のモータの場合には、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ相の７相のステータ磁極を配置することになる。７相の場合には１相の電気角的な幅が５１．４３°であり、１８０°に近い磁極幅の整数値は３であり、３×５１．４３＝１５４．３°となる。従って、図１２５のモータの考え方で７相に拡張する場合には、隣接するステータ磁極の相が２個の相を飛ばした、Ａ、Ｄ、Ｇ、Ｃ、Ｆ、Ｂ、Ｅ相の順にロータ軸方向に並べる方法が良い。このような構成の時には、各ステータ磁極の発生トルクを大きくすることができ、ロータ軸方向へ凹凸形状となるループ状巻線の配置も比較的容易である。
次に、本発明モータの例を図１３０に示す。本発明の各種モータは、各相のステータ磁極が同一円周上には配置されていないので、いくつかの原因でトルクリップル発生の可能性を持っている。その原因として、各相のステータ磁極の配置される順に起因した要因とロータ軸方向両端と両端以外のロータとの条件の差異による要因とがある。これらのトルク脈動の要因に起因するトルクリップルを低減する方法として、円周方向を複数個に区切って、相互に入れ替えることにより高調波成分をキャンセルさせることができる。
図１３０は、図１０８のモータのステータ磁極、巻線の配置をモータの半周で入れ替える構造を示している。ＤＤ１はＡ相のステータ磁極でＤＤ２はＣ相のステータ磁極であり、図１３０の右側ではロータ軸方向の反対側へ配置を換え、ＤＤ９、ＤＤＢがＡ相ステータ磁極、ＤＤＡがＣ相ステータ磁極である。ＤＤ３はＢ相ステータ磁極、ＤＤ４はＤ相ステータ磁極であり、入れ替えて、ＤＤ５、ＤＤ７がＢ相ステータ磁極、ＤＤ６、ＤＤ８がＤ相ステータ磁極である。各相のステータ磁極は、電気角で同一の位相に配置されているが、ステータの中央部とロータ軸方向端の関係が反転している。具体的には、Ａ相のステータ磁極ＤＤ１の丸みを帯び巻線ＤＤＣに近接した部分はステータのほぼ中央部に位置しているが、ＤＤ９ではロータ軸方向端で図１３０の下端に位置している。このようにロータ軸方向の位置を変えることにより、ロータ、ステータのロータ軸方向端の電磁気的な作用、および、中央部の電磁気的な作用がキャンセルされる構造としている。この結果、トルクリップルが低減され、安定したトルク出力が可能となる。
なお、図１３０において、ステータ磁極の入れ替えのため、空きスペースが発生しているが、このスペースは、少し小さなステータ磁極を配置するなどの方法でトルク発生のために有効に活用することもできる。
図１３０では、４相の例について説明したが、Ａ、Ｂ、Ｃの３相の場合にはＡ相、Ｂ相Ｃ相を順次、配置を入れ替える方法でトルクリップルを低減することができる。
次に、永久磁石によるトルクといわゆる軟磁性体を活用したリラクタンストルクとが得られるような、図１４〜図１６に示す磁石埋め込み構造のロータ、図１７に示す磁石インセット型ロータと図２１、図２２、図３４、図３５、図４２、図４３などに示すステータとの組み合わせのモータについて説明する。なお、各種の形状のロータは、それぞれに特性、特徴が異なり、用途ごとに使い分けられている。また、これらのロータに対し、図２１、図２２に示す表面磁石型のロータは、使用される永久磁石の特性でモータ内部のおおよその磁束の分布が決まる構造であり、ステータの各巻線が発生する起磁力がモータ内の各部の磁束密度に与える影響は少なく、いわゆる磁石トルクが多く前記のリラクタンストルクは少ない特性である。
上述したように、図７３に示すようないわゆる集中巻きのステータの磁極幅が電気角で約１２０°であり、円周方向に正弦波状の起磁力分布を作ることが難しい面がある。したがって、図１４〜図１７に示すようなロータの場合、リラクタンストルクが十分に得られないことがある。また、コギングトルク、トルクリップルも大きくなる傾向がある。また、ロータの軟磁性部の磁気特性を活用した定出力制御が難しいという問題もある。
しかし、本発明の図３５等に示すステータでは円周方向に電気角で６０°の比較的小さな離散性でステータ磁極を配置することができ、さらには、各ステータ磁極に作用する起磁力の大きさを巻線電流の振幅と位相を制御することにより、滑らかな回転磁界の生成が可能であり、図１４〜図１７に示すようなロータと組み合わせて大きなトルクを得ることができる。また、ロータの回転位置に応じた自在な起磁力制御により、図７４に示すステータで得られるような定出力制御を実現することができる。また、滑らかな回転磁界によりコギングトルク、トルクリップルの低減も比較的容易である。
一方、図７４に示すステータはスロットのオープニング部が狭く、３相巻線の配置が複雑になりがちであるため、巻線の占積率が低く、巻線の組み立て性が低く、コイルエンドが長くなりモータが大きくなりがちである等の問題がある。本発明の図３５等に示すステータは、上述したように、巻線の量を少なくできるので銅損を低減でき、巻線が単純なループ状の巻線なので製作が容易で、図７３および図７４に示すステータのように軸方向に配置される巻線がないため多極化して巻線配置断面積が小さくなることもなく、多極化による高トルク化が可能で、コイルエンドがないのでモータを小型化することができるなどの特徴を持っている。
なお、軟磁性体としては電磁鋼板あるいは粉状の軟磁性体の表面に電気的絶縁を施して押し固めた圧紛磁心などを使用することができる。
次に、本発明の図３５等に示したステータと図７４に示すようなシンクロナスリラクタンスモータのロータとの組み合わせのモータについて説明する。なお、このロータのスリット部５８の空隙部は非磁性体でも良く、高トルク化などの目的で永久磁石を挿入してもよい。
図７３に示すようないわゆる集中巻きの４極のステータと図７４に示す４極のロータとを組み合わせた特性は、大きなトルクリップルを生じる問題がある。図７４のステータとの組み合わせで良好な特性を得ることが知られているが、前記のステータの課題がある。特に、シンクロナスリラクタンスモータは永久磁石などの高価な部材を使用せずにあるいは少量の永久磁石の使用で実現できるので低コストであり、界磁弱め制御が可能であるため低出力制御が可能であるという優れた特徴を有しているが、図７４のステータの前記課題がこのモータの競争力を低下させている。
しかし、本発明の図３５等に示すステータと組み合わせることにより、シンクロナスリラクタンスモータのロータの特徴と本発明の図３５等に示すステータの前記特徴が組み合わされ、優れたモータを実現することができる。
次に、本発明のモータのロータ構造について説明する。図１３１にロータの断面図を示す。
図１３１の（ａ）に示すような電磁鋼板を積層してロータ磁極を構成している。Ｄ１３はロータ軸、Ｄ１２はロータの各磁路を支える支持部材で非磁性体である。Ｄ１１は図１３２の（ａ）に示すような折り曲げられた形状の電磁鋼板で、ロータ軸に平行に配置され、類似形状でサイズの異なる電磁鋼板が積層されて８極のロータ磁極を形成している。前記の積層された電磁鋼板の相互の隙間は空間となっているかあるいは非磁性体部材が配置されていて、電磁鋼板で作られる個々の磁路間の磁気抵抗を大きくして、ロータ磁極から隣のロータ磁極への磁気抵抗を小さくしてモータのｄ軸インダクタンスＬｄを大きくし、同時に、ロータ磁極境界部から隣のロータ磁極の境界部への磁気抵抗を大きくしてモータのｑ軸インダクタンスＬｑを小さくしている。なお、前記の空間の隙間あるいは非磁性体部材は、複数枚の電磁鋼板ごとに配置されていても良い。
図１３１に示したロータ構成では、各電磁鋼板の固定方法が図示されていないが、ロータ軸へボルトで固定する方法、接着剤で固定する方法、樹脂で含浸する方法など、様々な方法で固定することができる。この図では、電磁気的な要件だけを示した。
ここまでに示した本発明のモータは、その各相の磁束が円周方向、ラジアル方向だけでなく、ロータ軸方向へも通る構造であることが多い。その点で、図１３１、図１３２で示す形状の電磁鋼板はロータ軸方向へ磁束が通っても電磁鋼板の形状に沿って磁束を通すことができるのでロータ軸方向への磁束を容易に通過させることができ、特に、本発明のステータ構造には都合の良い磁路形状となっている。また、さらに、電磁鋼板の枚数を増加させる方法、ロータ表面の外形形状を各磁極ごとに円弧状にするなどの改良を行うこともできる。このようなリラクタンストルクを応用するモータは、トルクリップルを低減するためにそのようなモータ外形に関わる改善が重要である。
図１３２の（ａ）で示す電磁鋼板で図１３１のロータを構成した場合の問題点として、高トルクで回転中にロータ表面近傍で磁束がロータ円周方向に変化するように作用し、電磁鋼板の厚み方向に増減する磁束に起因する渦電流が発生し、渦電流損が発生する問題がある。
この問題を解決するために、図１３２の（ｂ）に示すように、電磁鋼板のロータ表面近傍に位置する部分に、渦電流を低減するように、ごく細いスリットを設ける方法が有効である。このように、ごく細く、ラジアル方向のスリットは、磁束量的にも遠心力に対する強度的にも問題が少ない。
なお、図１３１のロータ構成では、高速回転でのロータ各部にかかる遠心力が強度上の問題となる。このロータ構成は、やや複雑な構成なので、高速回転用途ではロータの強化策が必要である。また、図１３１のモータ構造をアウターロータ型が変形した場合にはロータの外周側に強固なリング状の鋼材を配置することも可能であり、遠心力の問題は軽減される。
次に、図１３１および図１３２に示したロータを備えるモータのトルクを向上する方法について、図１３３に示し、説明する。例えば、Ｄ３１に示すように、図示するような方向の永久磁石Ｄ３１、Ｄ３２を各ステータ磁極に配置する方法がある。この時、反対方向に磁極へ配置する磁石の方向は反対方向にする必要がある。図１３１に示すようなロータでは、大電流時の電磁鋼板の積層方向への漏れ磁束が力率低下を招き、トルクが低下するが、永久磁石Ｄ３１を追加することによりこれらの漏れ磁束を補償する効果がある。また、永久磁石Ｄ３１は積極的にトルク磁束を供給する効果もあり、トルクの増加を実現することができる。
また永久磁石Ｄ３１は、電磁鋼板のほぼ全面に挿入する例として示したが、Ｄ３２に示す永久磁石のように、短い磁石を電磁鋼板間の一部に配置しても良い。また、各電磁鋼板間の全てに永久磁石を配置しなくとも、部分的な永久磁石の配置でも相応の効果がある。モータに求められる特性、モータの製作性、磁石の種類および特性に合わせた配置が可能である。
また、図１８に示すような突極状の軟磁性体で構成されるロータと図３５等に示すステータとを組み合わせて、堅牢で高速回転制御の容易なモータを実現することもできる。なお、ロータの突極の形状は特に限定するものではなく、ロータ内部へスリットを付加する、あるいは、永久磁石を付加するなどの変形も可能である。
次に、図３５等に示すステータと図１９に示す誘導電動機のロータとを組み合わせた本発明モータについて説明する。図１９に示すロータは、導体１７０がアルミニウムのダイカスト成形で作られる場合と銅製の棒材をスロットに挿入する場合とがある。いずれも、各巻線のコイルエンド部は短絡されていて、誘導電流が流れるように製作される。また、ステータの巻線を構成する表面が絶縁された銅線でロータの２次導体を構成することも可能である。一般的に、誘導電動機は、図７４に示すステータ構成と図１９に示すようなロータ構成で広く使用されており、堅牢で、界磁弱めによる定出力制御の性能に優れ、５０Ｈｚ、６０Ｈｚの商用電源を電磁接触器の開閉により簡便に駆動停止することができるなどの特徴がある。しかし、図７４に示すステータについて説明したように、いくつかの課題があり、効率、生産性、モータサイズ、コストの問題がある。
しかし、図３５等に示したステータと図１９に示す誘導電動機のロータとを組み合わせることにより、誘導電動機の特徴を備えながらステータの前記課題を解消することができるので、優れた誘導型のモータを実現することができる。
また、図５７に示すロータは、図１７に示すロータに誘導巻線１７２、１７３を追加した構造を有している。このような同期電動機のロータに誘導巻線１７２、１７３を追加することにより、５０Ｈｚ、６０Ｈｚの商用電源の入り、切りでモータを起動、停止でき、通常運転時には同期電動機として効率良く運転することが可能となる。１７１は永久磁石で、１７０は軟磁性体である。また、誘導巻線１７２、１７３の追加は、図１４〜図１８に示したロータについても可能である。
また、誘導電動機のもう一つの課題は、ロータの２次導体に流れる誘導電流が発生する２次銅損の発熱であり、モータ効率を低下させ、用途によってはロータの温度上昇が問題になっている。この問題を解決し、ロータの２次銅損を低減するモータを図５８に示す。図５８に示すステータ１７６は、図２１に示すステータ１４と同一である。なお、図５８に示すステータの巻線１７７は、図３５に示すステータのように変形することが可能であり、ステータの巻線部での発熱を低減し、銅損を低減することも可能である。図５８に示すロータは、図３４に示すステータの構造を内径と外径を逆に製作してロータとしたもので、巻線１７８〜１８３は誘導電動機の２次誘導電流を通電するループ状の短絡された巻線である。巻線１７８〜１８３の巻回数は１ターンから複数ターンまで自由に選択することができ、この巻線をアルミダイカストで製作するときは１ターンの短絡巻線となる。
図５８に示すモータの特徴は、ステータとロータの両方がループ状の巻線を使用した構成となっていることである。上述したように、巻線の量を少なくできるので銅損を低減することができ、巻線が単純なループ状の巻線なので製作が容易で、図７３および図７４に示したステータのように軸方向に配置される巻線がないため多極化して巻線配置断面積が小さくなることもないので多極化による高トルク化が可能で、コイルエンドがないのでモータを小型化することができるなどの特徴を持っている。特に多極化した場合には、図１９に示したロータより図５８に示したロータの方がロータ側の銅損を小さくすることができる。
また、図５８に示したモータでは、ステータとロータとが同一の考え方の構造であることを明示するため、同一の歯の数、同一のスロットの数として図示したが、類似形態のステータとロータの組み合わせの場合にはトルクリップルが発生しやすいという問題がある。その意味では、図５８に示したモータにおいて、ステータとロータの歯の数、スロットの数、巻線の数を異なる値にすることが望ましい。
次に、（３１）式のＮｓｓ＝Ｐｎ×Ｎｓで相数３のステータ構成、すなわち、Ｎｓｓ＝３×Ｐｎの構成のステータと図１４〜図１９および図５７に示すロータとを組み合わせたモータについて説明する。上述したように、これらのロータ表面には軟磁性体が含まれており、ロータの磁束分布をステータの電流で変えることが容易な構造となっており、ステータから円周方向に正弦波的な起磁力分布を印加したときに効果的に作用する構造のロータである。一方、図３５等に示す６相のステータは円周方向の起磁力分布が６０°ピッチであり、離散性が小さいので比較的高精度に円周方向に正弦波的な起磁力分布を印加することができ、図１４〜図１９および図５７で示すロータと組み合わせて効果的に駆動することが可能である。ここで、図３５に示すステータ構成を３相に変形すると、ステータの離散性は１２０°と２倍に大きくなるので、図１４〜図１９および図５７に示すロータを駆動すると、平均トルクの減少あるいはトルクリップルの増加などの問題が発生し、効果的に駆動できないという問題がある。しかし、この対策として、ステータの磁極形状ＳＰＳを図３９に示すような形状にすることにより、ステータ内周のステータ磁極形状ＳＰＳの円周方向の面積分布を正弦波分布に近づけることが可能となり、ロータの円周方向に正弦波分布状の起磁力を印加することができ、より効果的なロータの駆動が可能となる。
また、ロータに印加される起磁力分布が円周方向に正弦波的な分布となるようにしたいのであるから、図４０に示すように、ロータの径方向形状をロータ磁極境界部が凹状となる形状とする方法、あるいは、ステータ磁極の円周方向両端がステータ中心に対する半径が大きくなる形状とし、図２３に示すステータ磁極形状に対して両端部が外径側に滑らかな形状とする方法も効果的である。また、それらの方法の組み合わせも可能である。
上述したように、図３５に示すステータは性能的には優れているが、相数が多いのでやや複雑な構成となる。この点で、図３５に示すステータを３相にしてステータ内周のステータ磁極形状ＳＰＳの円周方向の面積分布を正弦波分布にした構造は、円周方向の起磁力分布を正弦波にすることができるので、図１４〜図１９および図５７に示すロータを効果的に駆動することができ、ステータが簡素化でありながら効果的駆動が実現でき、低コストと高性能を両立させることが可能である。
なお、図３５に示すステータを３相に変形し、ステータ磁極形状ＳＰＳを図３９に示した形状とするステータの構造および各部形状は、図１に示す構成のステータでステータ磁極の内周面形状ＳＰＳを図１１〜図１３の形状あるいは図３９のステータ磁極形状とすることと同じである。
次に、ステータとロータとの内径側、外径側の関係を逆にし、外径側が回転するいわゆるアウターロータモータの形状について、図５９を用いて説明する。１８７は内径側に配置されたステータで、その内部にループ状の巻線１８９〜１９４が配置されている。これら各巻線は１スロット中に２組のループ状巻線を配置している例を示しているが、図３４、図３５の各巻線のように巻線を統合することも可能である。１８６はロータを支え、回転自在とする軸受け、１８５はロータの出力軸、２０３はロータである。１９５はロータの内径側に固定された永久磁石で、円周方向を直線展開した形状は、内径、外径は異なるが、図２２（ｂ）に示す永久磁石１２のような形状を有する。図５９に示したモータは、単に外径側を回転できるという特徴の他に、出力を大きくできる特徴がある。これは、モータの内径側まで有効に電磁気回路を構成できるので、巻線１８９〜１９４の断面積を図２１のモータの巻線４１〜５２より広く取ることができて通電電流を大きくすることができ、モータとして電磁気的に作用する磁束の量においても永久磁石１９５が図２１に示す永久磁石１２に比較して外径側に配置できるので、電流、磁束ともに大きくなり、出力トルクを大きくすることができる。但し、図５９に示すアウターロータモータは、使用される用途、使用される周囲環境によっては問題となることもある。例えば、図５９ではモータケースを図示していないが、必要となる用途もあり、また、ロータ軸受けの配置に工夫が必要で、ロータ軸剛性が低くなることが多い。
次に、図３５に示す円筒状のステータを円盤状に変形したモータの例を図６０に示す。ステータ１９６、２３１は永久磁石で構成されたロータ１９４の軸方向両側に配置されている。１９５はステータのケースで、非磁性体で構成されている。１１は非磁性体で製作されたロータ軸で、１９７は軸受けである。１９８〜２０２は各相のループ状巻線で、図６１にステータ１９６をロータ軸１１の反負荷側から見た配置図を示す。２３７が第１相のステータ磁極、２３８が第２相のステータ磁極、２３９が第３相のステータ磁極、２４０が第４相のステータ磁極、２４１が第５相のステータ磁極、２４２が第６相のステータ磁極である。各相のステータ磁極が電気角で６０°の相対的位相差を持つように配置されている。ステータ１９６の各巻線１９８〜２０２は図６１において同一番号でその配置関係を示している。ステータ２３１についても、ロータ軸１１の反負荷側から見た配置関係は図６１と同じである。また、各ステータ磁極の形状はそれぞれにモータ中心からの距離が異なるので、ステータ磁極の面積が同一になるように径方向の幅が決められている。ロータ１９６をロータ軸１１の反負荷側から見た構成は図６２となり、円周方向に永久磁石のＮ極２４３とＳ極２４４とが交互に配置された８極のロータとなっている。このとき、ロータ１９６に作用するロータ軸方向の電磁気的吸引力は、ステータ１９６、２３１の両側から作用するので、吸引力が相殺されており、トータルとしては大きなロータ軸方向の力すなわち大きなスラスト力は発生しない構造となっている。
図６０に示したモータの作用は、各相巻線を含むステータ１９６、２３１が配置されているが、電磁気的な作用は図３５のステータと同じである。また、ステータ磁極の形状、ループ状巻線、ロータなどは、上述した種々の構成に変形することが可能である。ステータ１９６、２３１を異なる構成のステータとすることも可能であり、例えば、片方のステータを巻線を含まない軟磁性体の円盤とすることも可能である。ステータ１９６、２３１の位置に２個のロータを配置し、ロータ１９６の位置にステータを配置することもできる。また、相数、極数を６相、８極の例について説明したが、例えば、３相、１６極の相数、極数とするなど、相数、極数を自由に選択することができる。
図６０に示すようなモータ構造とすることにより、扁平で薄型のモータを構成することができる。また、図２１、図３５に示すモータと比較して、相対的に大きな永久磁石を配置することができるので、巻線への鎖交磁束を大きくすることができ、大きなトルクの発生が可能である。
次に、図３５に示した配置構造のステータを有するモータを２個組み込んで複合化したモータの例を図６３に示す。図６３に示すモータは、一点鎖線で示す水平線の上側と下側とで２個のモータが組み込まれている。図６４は、図３５と同様に、図６３のステータをロータ側から見たステータの内周側形状を直線状に展開した展開図である。図６３に示す上半分のモータであるステータ磁極６７、５４、５５、５６、５７、５８およびループ状巻線６１〜６５は、図３５に示したステータの構成と同じであり、図３３に示した電流ベクトルに示す平衡６相電流の巻線から電流ベクトルｆに相当する巻線を省略した構造で、その電流アンバランス分の起磁力がロータ軸方向に発生している。図６３に示す下半分のモータ構成は、図３５のステータ構成と比較して、ステータ磁極の配置順およびループ状巻線に通電する電流の順と極性が逆であり、その電流アンバランス分の起磁力が上半分のモータと逆方向に発生する構成としている。ただし、図６３の下半分のモータが発生するトルクの方向と大きさは、図６３の上半分のモータと同一となる構成としている。なお、図６４に示す各ループ状巻線の左端に示す電流ベクトルａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、−ａ、−ｂ、−ｃ、−ｄ、−ｅが、各巻線に通電される電流であり、図３３に示す電流ベクトルである。このように、２個のモータを組み合わせることにより、各モータが発生する軸方向起磁力をキャンセルさせて相殺することが可能である。したがって、ロータ軸が軸方向に磁化されることにより、モータ出力軸に周辺の鉄紛が付着する、あるいは、ロータ軸上に磁気式のエンコーダを取り付けていてロータ軸方向起磁力が問題となるというような用途では有効である。さらに、３個以上の電磁気的にアンバランスなモータを同軸上に配置して電磁気的なバランスを保つこともできる。
また、図６３においては、一点鎖線で示す上下のモータの電磁気的作用が一点鎖線で示される面に対して面対象な構成としているので、それぞれのステータは密着した構成としても２個のモータ間の電磁気的な干渉が少ない例を示している。しかし、２個のモータの他の構成でロータ軸方向起磁力をキャンセルするが、一点鎖線の面において電磁気的に対象な構成となっていない場合は、２個のステータ間にスペースを設け、磁気的な分離をしてもよい。
また、スペースの有効活用による全体の小型化あるいは部品の共用などによる簡素化、低コスト化の目的でも、複数のモータを結合する複合化は効果的である。軸方向に複数のモータを結合する場合は、細長いモータ構成とし易く、径方向に複数のモータを結合する場合は短い、扁平なモータ構成とし易い。例えば、径方向に２個のモータを組み合わせる場合は、内側にアウターロータ型のモータを配置し、外側にインナーロータ型のモータを配置し、両モータのロータを一体化する構成とし、内径側モータと外径側モータとは大きく異なる形状となるのでそれぞれの形状に適したモータのタイプとすることにより、スペース的に、モータの出力密度的に効果的な構成とすることができる。上述したような複合化の対象となるモータの組み合わせは、本発明のモータ同士の組み合わせ、あるいは、本発明モータと従来モータとの組み合わせも可能であり、複数のモータの長所と短所とを組み合わせることにより、その用途の目的、性能を達成することができる場合もある。
次に、ロータ軸に平行して配置された電磁鋼板をロータ内部に配置した図６５に示すロータについて説明する。図１４に示したロータは、２６５がロータ軸方向に積層した電磁鋼板、２６６は軟磁性体のロータ軸である。２６２、２６３は永久磁石で、ロータ外周に図示するＮ極およびＳ極の向きになるように各永久磁石の極性が向けられている。このような図１４に示したロータでは、ロータ内の磁束が円周方向および径方向に変化しても電磁鋼板内では渦電流が過大となり難い構成としている。しかし、図３５に示すステータと組み合わせて駆動する場合、電磁鋼板２６５のロータ軸方向磁束が変化することになり、回転時には電磁鋼板２６５での渦電流が大きく発生して渦電流損が問題となる。
図６５に示す横断面図のロータは、図１４に示した電磁鋼板２６５にロータ軸方向に穴を設け、その穴に積層した電磁鋼板２６４を配設した構造である。積層した電磁鋼板２６４は図６６に示すような構成で、表面が絶縁体膜で覆われた薄板の電磁鋼板を積層しており、積層方向と直角な方向への磁束が増減したときに渦電流が流れ難い構造となっており、鉄損を低減できる構造となっている。図６５に示すように配置された積層電磁鋼板２６４の向きは、円周方向にほぼ直角に配置されているので、円周方向以外の方向、すなわち、磁束がロータ軸方向と径方向に変化しても鉄損を小さくできる配置となっている。このように、図６５に示すロータは、導磁磁路としての積層電磁鋼板２６４、２６５が互いに交差するように配置されているので、ロータ磁極の磁束がロータ軸方向に増減しても渦電流が発生し難い構成となっている。その結果、図６５に示すロータと図３５等に示すステータとを組み合わせたモータにおいて、永久磁石２６２、２６３で生成される磁束を効果的に図３５に示すステータ磁極６７、５４、５５、５６、５７、５８へ導くことができ、回転時にも渦電流損を低減できる効果がある。
なお、電磁鋼板２６４は積層して配置されているが、特に積層することは必要条件ではなく、磁束を通すために必要な量の電磁鋼板を分割、分散して配置してもよい。また、電磁鋼板の替わりに圧紛磁心と称される軟磁性体の粉末を押し固めた渦電流の少ない材料であっても、低鉄損でロータ軸方向に磁束を導くことができる。また、ロータの軟磁性体部の全体が圧紛磁心であってもよい。
また、図２１に示すステータ磁極形状および図３５に示すステータ磁極形状は、図３１に示したステータ磁極形状のようにステータ磁極のロータ軸方向幅ＷＤＤがステータ磁極のロータ軸方向間隔ＷＤＰより小さな構造を示しているが、ロータからの磁束をより多く導くことにより発生トルクを大きくする場合には、図３８に示したステータ磁極形状５４ＳＳのようにステータ磁極のロータ軸方向幅ＷＤＸを大きくする構造が有利である。しかし、その場合には、図３１のステータ磁極先端部の径方向厚みＨＤ１が図３８に示したステータ磁極先端部の径方向厚みＨＤ２のように、ロータ軸方向へ磁束を多く通すために大きくなり、そのために隣接するスロットの断面積が小さくなり、導線が細くなるため通電容量が減少するという問題がある。
この問題に対し、図３８に示したステータと図６５に示したロータを組み合わせた場合、上述したように、図６５のロータ内部でロータ軸方向に磁束が容易に通過できるため、図３８に示したステータ磁極の径方向厚みＨＤ２を小さくすることができ、スロット断面積、導線断面積を大きく取れるので銅損を低減でき、出力を増加させることができる。
なお、電磁鋼板２６４の追加を図１４に示したロータについて示したが、図１５〜図１８などに示した他の種類のロータについて行なうことも可能である。また、追加する軟磁性体の形状については、図６６に示す積層電磁鋼板２６４の例を図示したが、渦電流が少ない形状であれば種々形状が可能である。
次に、図６７に示すように、ロータ磁極の軟磁性体部に磁束の回転方向自在性を制限する空隙部あるいは非磁性体部を備えるロータ構造について説明する。図６７に示すロータは、図１４に示したロータの軟磁性体部２６５の部分に、２６７、２６８で示す空隙部あるいは非磁性体部を設けたものである。ロータの外周形状は各磁極の境界部が凹部となり、ロータ磁極の外周形状をロータ半径より小さな半径の円弧状形状で滑らかな形状となっている。空隙部２６７、２６８は、それらの空隙部に挟まれた磁路２６９、２７０の磁束が円周方向に自在に動いてずれないように、磁束の回転方向自在性を制限している。また、空隙部２６７、２６８のスリット形状の向きは、ロータ磁極の中央部の磁束密度が高くなるように、永久磁石２６２、２６３からの磁束が寄せ集められるような配置構造としている。その結果、各ロータ磁極表面の磁束分布は、中央近傍は磁束密度が大きく、磁極境界部側の磁束密度が低くなるように、比較的正弦波分布に近くなるような構造となっている。ロータ磁極の境界部形状は、その部分の磁束はモータトルクを発生させるための貢献度が低く、逆にその部分の磁束密度が大きいとトルクリップルを発生する要因になり易いので、凹状としてその部分からステータへ通る磁束の磁束密度を低くしている。
また、空隙部２６７は一つの磁極に３個配置し、空隙部２６８は一つの磁極に４個配置していて、空隙部の円周方向ピッチＳＰＰは同一とし、空隙部２６７、２６８が磁極中心に対して相対的にＳＰＰ／２だけ円周方向位置がずれている関係としている。その結果、空隙部に起因するコギングトルク、トルクリップルが相殺される関係となり、より滑らかなロータの回転を実現することができる。
次に、本発明のモータのステータ磁極の一部を削除し、そのスペースを活用してステータのループ状巻線のコイル端の巻線配線スペースとする、あるいは、位置検出センサー、温度センサー等の配置スペースとする技術について説明する。
従来の方法として、モータの軸方向後端にロータ位置検出用エンコーダ等のセンサーを配置する例が多く見られるが、モータ全長が長くなるという問題がある。また、図７１に示した従来のモータのステータのコイルエンド５の近傍のスペースを活用してコイル端の配線処理を行なう、あるいは、各種センサーを配置することがあったが、コイルエンドの軸方向長さが短いモータの場合、あるいは、図１、図２１に示すような本発明のモータのようにコイルエンド部がない場合には、モータ内部の軸方向端でコイル端の配線処理を行なう、あるいは、各種センサーを配置するとモータの軸方向長さが大きくなる問題がある。
この問題を解決するために、図１０、図１１、図１２、図１３に示したステータ磁極形状のようにステータ内周面の円周方向の大半の部分にステータ磁極が隣接して配置されている場合は、特に図示しないが、数個のステータ磁極を除去する、あるいは、１個のステータ磁極の一部を凹ませて形状の一部を除去することによりスペースを確保することができる。また、そのスペースを利用して、ループ状巻線のコイル端に折り曲げ処理、あるいは耐熱絶縁処理を施した電線と接続する処理を行なうことができる。また、そのスペースを利用して、電流センサー、電圧センサー、磁束センサー、加速度検出センサー、速度検出センサー、位置検出センサー、温度センサー、振動センサー等を配置することもできる。
図１に示したモータは３相８極のモータであり、Ｕ相のステータ磁極１１９、Ｖ相のステータ磁極１２０、Ｗ相のステータ磁極１２１は、その内周面の円周方向形状を直線状に展開すると図４の形状となる。このとき、隣接するステータ磁極の間隔が狭く、例えば、Ｕ相ステータ磁極１１９からＶ相ステータ磁極１２０への漏れ磁束などステータ磁極間の漏れ磁束が発生し、ロータの永久磁石等で作られる界磁磁束が漏れてモータ巻線と鎖交する成分が減少することによるモータトルクの減少の問題や、各相巻線の電流Ｉが生成する起磁力に起因するステータ磁極間の漏れ磁束である漏れインダクタンスＬｘが無視できないほど大きくなって、高速回転ω、大電流Ｉでの電圧降下Ｖｘ＝ω×Ｌｘ×Ｉが大きくなり、高速回転での出力トルクが低下する問題や、漏れインダクタンスＬｘが大きくなることによるモータ制御装置における電流応答性の低下の問題がある。
この問題を解決するため、図４の構成を図６８の構成とすることにより、ステータ磁極間の距離を大きくしてステータ磁極間の漏れ磁束を低減することができる。図４、図６８ともに８極のモータで、水平軸は機械角角度０°から３６０°で示されており、電気角で表現すると０°から３６０°×４＝１４４０°の角度範囲を図示している。２７１はＵ相ステータ磁極、２７２はＶ相ステータ磁極である。これらの各相ステータ磁極は、図４に比べて、１個おきになっており、４個から２個に半減している。同相のステータ磁極が周方向に配置されるピッチは電気角で７２０°ピッチとなっている。ステータ磁極間の距離が大きくなり、漏れ磁束を低減できるので前記の種々問題を解決することもできる。ただし、ステータ磁極の数は半減するのでトルクが低下する問題が新たに発生し、この問題を解決するため、ステータ磁極の形状を空いたスペース内で広げる方法、モータの極数を大きくする方法などを併用すると効果的である。このように、ステータ磁極間の漏れ磁束の問題を解決し、モータ発生トルクの低下の問題については他の手法で改善することができる。
図４に示したステータ磁極の形状は、各相巻線の鎖交磁束を大きくしてトルクを増加させるため図１０〜図１３に示すような種々のステータ磁極形状に変形することも可能である。しかし、これらのステータ磁極形状は、図４に示したステータ磁極形状に比較し、各相ステータ磁極が隣接する面積が広くなっており、相間の漏れ磁束が増加しており、前記の図４の漏れ磁束の問題がさらに大きくなっている。また他の問題として、ステータ磁極１２２〜１３６のステータ内周面で集められたロータ磁束をステータのバックヨーク部へ通過させるための磁路を形成するための磁路スペースが不足する問題がある。この磁路スペースが不足すると磁路が磁気飽和してトルクが低下する現象となる。
これらの問題を解決するため、例えば、図１１に示したステータ磁極の場合、図６９に示すように、同相のステータ磁極の周方向に配置されるピッチを電気角で７２０°ピッチとすることができる。図６９に示すモータも３相８極のモータである。図１０〜図１３および図６９の水平軸は機械角で表しており、０°から３６０°であり、電気角で表現すると０°から３６０°×４＝１４４０°の角度範囲を図示している。図６９に示すステータ磁極形状の場合、明らかに隣接するステータ磁極間の距離を大きくすることができ、ステータ磁極間の漏れ磁束を低減することができる。その結果、漏れ磁束に起因したトルク低減の問題、漏れインダクタンスに起因した高速回転、大電流時のインダクタンス電圧降下の問題等の悪影響を低減することが可能である。また、ステータ磁極内周面からステータバックヨークまでの磁路スペースに関する前記問題は、図６９のようにステータ磁極間のスペースを広くすることができれば十分な磁路スペースを確保することができ、磁気飽和の問題も解消することができる。ただし、ステータ磁極の数は図１１に比較して図６９は半減するのでトルクが低下する問題が新たに発生する。この問題を解決するため、ステータ磁極の形状を空いたスペース内で広げる方法、モータの極数を大きくする方法などを併用すると効果的である。このように、ステータ磁極間の漏れ磁束の問題を解決し、モータ発生トルクの低下の問題については他の手法で改善することができる。
図１２に示すステータ磁極形状についても、同様に、図７０に示すＵ相ステータ磁極２７７、Ｖ相ステータ磁極２７８、Ｗ相ステータ磁極２７９のように同相のステータ磁極ピッチを電気角で７２０°とし、隣接するステータ磁極の周方向平均間隔を２４０°とした３相、８極のモータを構成することができる。極数は８極の例について図示したが、自由に選択することができる。特に、本発明のモータのようにループ状の巻線を持つモータの場合は、極数が大きいほど大きなトルクの発生が可能なので、トルク発生上は極数を大きくした方が有利である。
なお、この手法は、他の各種のステータ磁極形状のモータについても適用することができる。また、相数が２相の場合は、同相のステータ磁極の円周方向間隔を電気角で７２０°とし、２相の位相差が９０°なので、隣接するステータ磁極の円周方向間隔を３６０°＋９０°＝４５０°と３６０°−９０°＝２７０°との繰り返しとして、やや変則的ではあるが、規則的に配置することができる。
相数が５、７、９などの奇数相であれば、同相のステータ磁極の円周方向間隔を電気角で７２０°として規則的に配列することができる。相数が４相以上の多相モータで、円周方向に２個おきにステータを削除する方法、３個おきにステータを削除する方法等の種々方法が考えられる。いずれにしても、一部のステータ磁極を削除することにより、各ステータ磁極の近傍にスペースを作り出すことができ、そのスペースを活用して各ステータ磁極の内周側からバックヨークまでの間の磁路の漏れ磁束を低減するための空間を作りだすことができる。また同時に、各ステータ磁極の内周面からバックヨークまでの間の磁路が磁気飽和しないように磁路断面積を確保することができる。
また、ステータ磁極の削除の方法は、円周方向全周で同一の規則性のある削除が可能である場合はより多相正弦波交流理論に近い優れた特性を期待できるが、円周方向に多少不規則でアンバランスなステータ磁極の配置構成であってもスペースを作り出すことにより、各ステータ磁極間の漏れ磁束を低減することができ、あるいは、ステータ磁極の内周面からバックヨークまでの磁路の断面積を確保することができる。
以上、本発明に関する種々形態の例について説明したが、本発明を種々変形も可能であり、本発明に含むものである。例えば、相数については３相、６相について多く説明したが、２相、４相、５相、７相、さらに相数の大きい多相が可能である。小容量の機器においては、コストの観点から部品点数が少ないことが望ましく、相数の少ない２相、３相が有利であるが、トルクリップルの観点あるいは大容量機器の場合の１相のパワーデバイスの最大電流制約の点等では相数が多い方が有利なこともある。極数についても限定するものではなく、特に本発明モータにおいては原理的に極数を大きくした方が有利である。しかし、物理的な制約、漏れ磁束などの悪影響、多極化による鉄損の増加、多極化による制御装置の限界などが有り、用途およびモータサイズに応じた適正な極数の選択が望ましい。
また、ロータの種類について図１４〜図１９、図７３、図７４に示したが、ロータに巻線を持った巻線界磁型ロータ、軸方向端に固定された界磁巻線を持ちギャップを介してロータに磁束を作り出すいわゆるクローポール構造ロータなどの種々ロータへの適用が可能である。永久磁石の種類、形状についても限定するものではない。
モータの形態についても種々形態が可能であり、ステータとロータとの間のエアギャップ形状で表現して、エアギャップ形状が円筒形であるインナーロータ型モータ、アウターロータ型モータ、エアギャップ形状が円盤状であるアキシャルギャップ型モータ等に変形できる。また、エアギャップ形状が円筒形状をややテーパ状に変形したモータ形状も可能であり、特にこの場合には、ステータとロータとを軸方向に移動させることによりエアギャップ長を変化させることができ、界磁の大きさを変化させモータ電圧を可変することが可能である。このギャップ可変により定出力制御を実現することが可能である。
また、本発明のモータを含む複数のモータを複合して製作することが可能である。例えば、内径側と外径側に２個のモータを配置する、あるいは、軸方向に複数のモータを直列に配置することが可能である。また、本発明モータの一部を省略して削除した構造も可能である。軟磁性体としては通常の珪素鋼板を使用する他に、アモルファス電磁鋼板、粉状の粉末軟鉄を圧縮成形した圧紛磁心等の使用が可能である。特に小型のモータにおいては、電磁鋼板を打ち抜き加工、折り曲げ加工、鍛造加工を行なうことにより３次元形状部品を形成し、前述の本発明モータの一部の形状を成すこともできる。
モータの巻線については、ループ状の巻線を多く記述したが、必ずしも円形である必要はなく、楕円形、多角形、磁気回路の都合などによりロータ軸方向に部分的な凹凸形状が設けられた形状等の多少の変形は可能である。また、例えば１８０°位相の異なるループ状巻線がステータ内にある場合は、半円状の巻線として１８０°位相の異なる半円状巻線に接続して閉回路とすることにより、ループ状巻線を半円状巻線に変形することも可能である。さらに分割して、円弧状巻線に変形することも可能である。また、各ループ状巻線はスロットの中に配設された構成のモータについて説明したが、スロットのない構造でステータのロータ側表面近傍に薄型の巻線を配置した構造のモータで、いわゆるコアレスモータとすることも可能である。モータに通電する電流については、各相の電流が正弦波状の電流であることを前提に説明したが、正弦波以外の各種波形の電流で制御することも可能である。これらの種々変形したモータについても、本発明モータの主旨の変形技術は本発明に含むものである。
次に、ステータ構造を工夫してトルクリップルを低減する手法について説明する。例えば、ＲＮ１次のトルクリップルを低減する場合、複数のＡ相のステータ磁極をＮ１組にグループ分け、各グループの回転方向のステータ磁極位置を電気角で３６０°／（ＲＮ１×Ｎ１）の整数倍だけ相対的にシフトし、他の相のステータ磁極についてもＡ相ステータ磁極と同様に、回転方向にステータ磁極位置のシフトを行うものである。
図１３４は、トルクリップル低減のために行われるステータ磁極位置のシフトの具体例を示す図であり、Ａ相のステータ磁極についての具体例が示されている。Ｂ相のステータ磁極とＣ相のステータ磁極など、他の相のステータ磁極についても同様であるため、詳細な図示は省略する。図１３４に示す横軸はステータの円周方向に沿った電気角を示している。例えば、６次（ＲＮ１＝６）のトルクリップル成分を除去することのできるステータ構成について説明する。図１３４に示す４個のＡ相ステータ磁極をＡ−１、Ａ−３とＡ−２、Ａ−４の２組に分類する（Ｎ１＝２）。３６０°／（ＲＮ１×Ｎ１）＝３６０°／（６×２）＝３０°となるので、ステータ磁極Ａ−２、Ａ−４の円周方向位置を電気角で３０°だけ図３０に示すように円周方向にシフトすればよい。この結果、２組に分けた各グループのＵ相ステータ磁極１９が発生するトルクの内、６次高調波成分については互いに１８０°の位相差を持っているので、ブラシレスモータ１００としてトータルでは６次高調波成分、すなわち、電気角で６０°の周期のトルクリップルがキャンセルされるわけである。
この状態からさらに、複数のトルクリップルを低減するためには、図１３４に示した考え方をさらに重畳すれば良い。但し、複数のトルクリップル低減手法が独立して機能し、相互干渉しない配慮は必要である。
図１３４に示した、ステータ磁極の配置、構成を変えるトルクリップル低減手法は、ステータとロータが相対的であることから、同一の手法をロータに適用してトルクリップル低減効果を得ることができる。また、一つのトルクリップル成分をステータの配置、構成で低減し、他のトルクリップル成分をロータ側のロータ磁極の配置、構成で低減することもできる。２つ以上の大きなトルクリップル成分を含むモータの場合は、ステータ側とロータ側との両方でトルクリップルを低減する手法も効果的である。
次に、ロータ磁極形状、ステータ磁極形状を改良して、トルクを向上する方法について説明する。図１３５は４相のモータの例で、Ｄ５１、Ｄ５３、Ｄ５５、Ｄ５７は、それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ相のロータ磁極である。Ｄ５２、Ｄ５４、Ｄ５６、Ｄ５８は、それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ相のステータ磁極である。各相の磁束φの回転変化率ｄφ／ｄθがトルクに比例するので、ロータ磁極とステータ磁極との対向する面積の内、特に、ロータ軸方向の対向する長さが各相の磁束φの回転変化率ｄφ／ｄθに大きく影響し、トルクの大きさと関係がある。その点で、図１３５のように、ロータ磁極形状とステータ磁極形状との対向する部分の形状を台形形状とすることにより、より多く磁束が通過できる構成とし、トルクを増加させることができる。磁極の形状は、図１３５の形状をさらに変形することも可能であり、例えば、三角形状、単純な凹凸形状なども可能である。
しかし、図１３５のような磁極の形状は複雑になり、部品の製作上、組み立て状上の問題があり、モータ製作性を確保するための工夫が必要である。例えば、ステータロータのロータ軸方向の分割部を各ステータ磁極の中央部で行う、あるいは、組み立て精度とモータ強度確保のため、各部品に段差、凹凸などを設ける等の種々のモータ製作上の工夫を行うことができる。
図１３５のモータ構成において、Ｄ５９、Ｄ５Ａ、Ｄ５Ｂは巻線であり、ループ状の巻線形状がロータ側にまで入り込んだ形状としている。ロータ側の空きスペースを有効に活用するという点と、ロータ側の方が直径が小さいので同一電流に対して導線の長さが短く、銅損を低減できるという点が有利である。結果として、モータの高効率化、小型化、高トルク化を実現することができる。
次に、図１２４に示したモータにおいて、その巻線Ｂ３７、Ｂ３８、Ｂ３９をパイプ状の巻線に置き換えた例を図１３６に示す。Ｄ６１は銅製のパイプなどであり、電流を流すと同時にパイプを利用してその中心部に冷却水、冷却用のエア、ガスなどを流すことができる。冷却装置の冷媒物質を通過させることもできる。パイプ間は電気的に絶縁される必要があり、パイプ表面に絶縁処理をしても良い。モータの連続出力トルクを増大させるためには効果的である。
このパイプの導体に銅を使用する場合、銅の温度による抵抗変化は約４０％／１００℃にもなり、導体を冷却することは、銅損を低減する意味でも大きな効果がある。
また、図１３６のような構成は、従来のモータでは電線の太さから考えてあまり現実的ではないが、本発明のモータにおいては、多極化が比較的容易であり、モータの巻線の巻回数を減らすことができ、巻線をパイプ状にする程度に太くすることが現実的に可能である。
次に、本発明モータの制御装置について説明する。図１３７は、巻線の数を特定しない、そして、単純な構成の駆動部を巻線の数だけ持つ制御装置を示す図である。Ｄ７０は直流電圧電源、Ｄ７５、Ｄ７６、Ｄ７７、Ｄ８８はモータの巻線を示していて、その巻線の数は特定していない。Ｄ７１とＤ７２はパワートランジスタで、いわゆる、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳ ＦＥＴなどである。これらの２個のトランジスタが対となって、相互に接続した出力部の電圧を制御し。正もしくは負の値の電流を供給する電圧可変ユニットを構成している。同様に、Ｄ７３、Ｄ７４の構成、Ｄ７Ａ、Ｄ７Ｂの構成、Ｄ７Ｃ、Ｄ７Ｄの構成が電圧可変ユニットを構成している。そして、図１７３に示すように２個の電圧可変ユニットで各巻線へ差動的に電圧を供給し、電流を流すことができる。この構成は、比較的、単純な構成の電圧可変ユニットを巻線の数だけ並置する構成であるが、トランジスタの数が多くなる問題がある。
次に、５相のモータを駆動する制御装置について説明する。図１３８は、図８３、図８４、図８５に示した５個のステータ磁極それぞれのステータ磁極の間に配置され、２個のステータ磁極を挟んで配置された巻線を逆直列制御した巻線を一つの相とする５相巻線のモータを制御する構成を示している。すでに説明したように、図８５に示されるスター結線の構成では、スター結線の各端子の電圧が平衡した５相の電圧となり、図１３８に示す５相のインバータにより効率良く制御することができる。なお、この５相のインバータは前記の電圧可変ユニットが５個並列に構成された構成で、各トランジスタには逆方向の電流を通電させる逆方向に向いたダイオードが並列に接続されている。
また、図８５にスター結線で示した各巻線の電圧電流が５相に平衡していることから、デルタ結線として制御することもできる。但しこの場合には、循環電流がデルタ結線内を流れるので、モータの高調波成分、制御装置の不平衡成分には注意を要する。
また、５相以外の３相以上の構成のモータについても、モータの相数の電圧可変ユニットを使用して、同様に構成することができる。
次に、本発明の５相のモータであって、各巻線の電圧振幅が等しくない巻線の駆動装置について説明する。図１３９は、図８６〜図８９に示した５相で５個の巻線のモータを制御する構成を示している。すでに説明したように、各巻線の電圧は図８８に示した不平衡な電圧、位相となっている。しかし、スター結線の構成としたときの各端子の電圧電流は図８９に示すように平衡しており、効率良く駆動することができる。
ただし、巻線ごとに厳密に制御する必要がある場合は、図８３に示す電圧関係を基本とした制御を行う必要がある。例えば、巻線ごとにある種の高調波電流を重畳させる場合には、図８８の電圧関係から計算される巻線ごとに電圧のフィードフォワード制御を行う必要がある。
また、前記のスター結線は、不平衡であるが、相順通り直列に接続し、デルタ結線とすることもできる。ただし、各巻線電圧がアンバランスであることから、インバータの駆動効率は、多少劣化する。
また、５相以外の３相以上の構成のモータについても、モータの相数の電圧可変ユニットを使用して、同様に構成することができる。
次に、本発明の５相のモータであって、各巻線の電圧振幅が等しくなく、巻線の数が相数より１個少ないモータの駆動装置について説明する。図１３９は、図９０〜図９６に示した５相で４巻線のモータを制御する構成を示している。すでに説明したように、各巻線の電圧は図９５に示した不平衡な電圧、位相となっている。しかし、図９３の（ａ）のように、スター結線の中心点ＮＮをモータの一つの端子とすることにより、各端子の電圧電流は図９６に示すように平衡しており、効率良く駆動することができる。
ただし、巻線ごとに厳密に制御する必要がある場合は、図９５に示す電圧関係を基本とした制御を行う必要がある。例えば、巻線ごとにある種の高調波電流を重畳させる場合には、図９５の電圧関係から計算される巻線ごとに電圧のフィードフォワード制御を行う必要がある。
また、前記のスター結線は、不平衡であるが、相順通り直列に接続し、デルタ結線とすることもできる。ただし、この場合には、図９３の（ｂ）の用に結線し、巻線が欠落する部分の、両端の２個の端子をモデルタ結線の端子とすることによりデルタ結線で駆動することができる。ただし、各巻線電圧がアンバランスであることから、インバータの駆動効率は、多少劣化する。
また、５相以外の３相以上の構成のモータについても、モータの相数の電圧可変ユニットを使用して、同様に構成することができる。
本出願は、特願２００５−１３１８０８（２００５年４月２８日出願）、特願２００５−１４４２９３（２００５年５月１７日出願）、特願２００５−１５１２５７（２００５年５月２４日出願）及び特願２００５−２０８３５８（２００５年７月１９日出願）に基づくものであり、これらの出願による開示のすべては、参照により本出願に組入れられる。
また、本出願にかかる発明は、特許請求の範囲によってのみ特定され、明細書に記載された実施の態様等に限定的に解釈されることはない。

Claims (58)

  1. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された（Ｎ＋１）個のステータ磁極群と、
    各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置され、軸方向両端に同一相が配置された２Ｎ個のループ状巻線と、
    を備えることを特徴とするモータ。
  2. 請求項１において、
    （Ｎ＋１）個の前記ステータ磁極群のそれぞれは、電気角位置が順に変化するように配置されていることを特徴とするモータ。
  3. 請求項１において、
    電気角が互いにほぼ１８０°異なる２つの相に対応する前記ステータ磁極群が隣接するように、（Ｎ＋１）個の前記ステータ磁極群のそれぞれが配置されていることを特徴とするモータ。
  4. 請求項３において、
    電気角が互いにほぼ１８０°異なる２つの相に対応する前記ステータ磁極群を組としたときに、隣接する２組のそれぞれに含まれて互いに隣接する前記ステータ磁極群の電気角の位相差が最小となるように、（Ｎ＋１）個の前記ステータ磁極群のそれぞれが配置されていることを特徴とするモータ。
  5. 請求項１または２において、
    （Ｎ＋１）個の前記ステータ磁極は、両端に位置する２つの前記ステータ磁極であって前記ロータに対向する面のロータ軸方向幅の和がそれ以外のそれぞれの前記ステータ磁極の前記ロータに対向する面のロータ軸方向幅に等しくなるように設定されていることを特徴とするモータ。
  6. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群と、
    各相の前記ステータ磁極群の両側であって軸方向に沿って配置され、軸方向両端に同一相が配置された２Ｎ個のループ状巻線と、
    を備えることを特徴とするモータ。
  7. 請求項６において、
    ロータ軸方向に隣接する２つの前記ステータ磁極によって形成されるスロット内に配置された複数の前記ループ状巻線を１個のループ状巻線に統合することを特徴とするモータ。
  8. 請求項６または７において、
    ロータ軸方向に沿った両端のそれぞれに配置された２つの前記ステータ磁極のさらに外側に配置された前記ループ状巻線を取り除いたことを特徴とするモータ。
  9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
    前記ステータ磁極の前記ロータに対向する面の面積が、前記ロータの周方向に沿って、正弦波状の面積分布あるいは正弦波に近似される面積分布となっていることを特徴とするモータ。
  10. 請求項１〜９のいずれかにおいて、
    前記ステータ磁極の前記ロータに対向する面は、ロータ軸に沿って隣接する前記ステータ磁極の間隔よりも、ロータ軸方向幅が大きいことを特徴とするモータ。
  11. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、
    任意のＸ相の前記ステータ磁極群を通る磁束の総和をΦｘ、この磁束Φｘの回転変化率をｄΦｘ／ｄθ、このステータ磁極とロータ磁極との間のエアギャップ部に作用する起磁力である巻線電流をＩｘ、巻線ターン数をＷＴｘ、これらの積ｄΦｘ／ｄθ×Ｉｘ×ＷＴｘで算出される発生トルク成分をＴｘとし、他の任意のＹ相の前記ステータ磁極群を通る磁束の総和をΦｙ、この磁束Φｙの回転変化率をｄΦｙ／ｄθ、このステータ磁極とロータ磁極との間のエアギャップ部に作用する起磁力である巻線電流をＩｙ、巻線ターン数をＷＴｙ、これらの積ｄΦｙ／ｄθ×Ｉｙ×ＷＴｙで算出される発生トルク成分をＴｙとするときに、前記ステータ磁極と前記ロータ磁極との対向面積により決まる前記磁束Φｘ、Φｙと前記巻線電流Ｉｘ、Ｉｙと前記巻線ターン数ＷＴｘ、ＷＴｙの二つ以上が、Ｘ相の前記ステータ磁極とＹ相のステータ磁極とでは異なる値であって、それぞれのステータ磁極に対応する前記発生トルク成分Ｔｘ、Ｔｙは等しいことを特徴とするモータ。
  12. 請求項１、２、５〜１１のいずれかにおいて、
    各相の前記ステータ磁極は、ロータ軸方向にＫ個に分割されており、
    各相のＫ個のステータ磁極のそれぞれのロータ軸方向に沿った両側あるいは片側に、同一相のＫ個の前記ループ状巻線が配置されていることを特徴とするモータ。
  13. 請求項１、２、５〜１２のいずれかにおいて、
    ロータ軸方向に隣接する前記ステータ磁極によって形成されるスロットに、異なる位相の電流が通電される複数のループ状巻線が巻回されて合成電流が得られるとともに、
    前記スロットに巻回された複数のループ状巻線のそれぞれの巻回数は、それぞれに流れる電流ベクトルとそれぞれの巻回数との積の合計が前記合成電流のベクトルに一致するように設定されることを特徴とするモータ。
  14. 請求項１〜１３のいずれかにおいて、
    前記ループ状巻線同士の結線を、電気角的に同一の位相の前記ループ状巻線同士については直列接続し、電気角的にほぼ１８０°位相の異なる前記ループ状巻線同士については反対方向に直列接続して行うことを特徴とするモータ。
  15. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＰ個のステータ磁極群と、
    各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置されたＱ個のループ状巻線とを備え、
    前記Ｑ個のループ状巻線それぞれに個別の電流が通電できるようにモータの入力線が備えられている（ここで、Ｐ＝（Ｎ＋１）でＱ＝２Ｎ、Ｐ＝ＮでＱ＝２（Ｎ−１）、Ｐ＝（Ｎ＋１）でＱ＝Ｎ、または、Ｐ＝ＮでＱ＝（Ｎ−１）であり、Ｎは３以上の正の整数とする）ことを特徴とするモータ。
  16. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＰ個のステータ磁極群と、
    各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置されたＱ個のループ状巻線とを備え、
    Ｑ個のループ状巻線の内、２個以上のステータ磁極群を挟んで配置された２巻線に同じ電流が逆方向に通電されている（ここで、Ｐ＝（Ｎ＋１）でＱ＝２Ｎ、または、Ｐ＝ＮでＱ＝２（Ｎ−１）であり、Ｎは３以上の正の整数とする）ことを特徴とするモータ。
  17. 請求項１６において、
    同じ電流が逆方向に通電されている前記２巻線が直列に逆方向に接続されていることを特徴とするモータ。
  18. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＰ個のステータ磁極群と、
    各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置されたＱ個のループ状巻線とを備える（ここで、Ｐ＝（Ｎ＋１）でＱ＝Ｎ、または、Ｐ＝ＮでＱ＝（Ｎ−１）であり、Ｎは３以上の正の奇数とする）ことを特徴とするモータ。
  19. 請求項１〜９、１６〜１８のいずれかにおいて、
    同一の電流が流される各ループ状巻線を電流の方向を合わせて直列に接続し、それぞれの直列巻線あるいは単独の巻線をスター結線とすることを特徴とするモータ。
  20. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された（Ｎ＋１）個のステータ磁極群と、
    各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置されたＮ個のループ状巻線とを備え、
    前記Ｎ個の巻線がスター結線されることを特徴とするモータ。
  21. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群と、
    各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置された（Ｎ−１）個のループ状巻線とを備え、
    前記（Ｎー１）個の巻線がスター結線され、
    前記スター結線の中心接続部もモータの入力としてＮ個の入力線とすることを特徴とするモータ。
  22. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された４個のステータ磁極群とを備え、
    両端のステータ磁極群の内側にはそれぞれ巻回数Ｎｗのループ状巻線が配置され、
    中央の２個のステータ磁極群の間には巻回数Ｎｗ／２の２個のループ状巻線が配置され、
    それら４個の巻線がスター結線されていることを特徴とするモータ。
  23. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された４個のステータ磁極群とを備え、
    両端のステータ磁極群の内側にはそれぞれ巻回数Ｎｗのループ状巻線が配置され、
    中央の２個のステータ磁極群の間には巻回数Ｎｗ／２のループ状巻線が配置され、
    それら３個の巻線がスター結線されていることを特徴とするモータ。
  24. 請求項１〜１６および２１のいずれかにおいて、
    Ｎが偶数であり、
    円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群とを備え、
    Ｎ／２個のステータ磁極群は電気角で３６０°／Ｎの整数倍の位相に配置され、
    他のＮ／２のステータ磁極群は電気角で３６０°／Ｎの整数倍とは異なる位相に配置されていることを特徴とするモータ。
  25. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された（Ｎ＋１）個のステータ磁極群とを備え、
    これらのステータ磁極群の内、電気角が互いにほぼ１８０°異なる２つの相に対応する前記ステータ磁極群が隣接するように配置され、
    各相の前記ステータ磁極群の間にはＮ個のループ状巻線が配置されていることを特徴とするモータ。
  26. 請求項２５において、
    ロータ軸方向両端の二つのステータ磁極群が片側に隣接して配置されて一つのステータ磁極群となっていることを特徴とするモータ。
  27. 請求項３、２５、２６のいずれかにおいて、
    前記ステータ磁極群の内、電気角が相互にほぼ１８０°異なる２つの相のステータ磁極群が隣接するように配置され、
    相互にほぼ１８０°異なる２つの相のステータ磁極群のバックヨーク部は軟磁性体で磁気的に結合され、
    相互にほぼ１８０°異なる２つの相のステータ磁極群に対向するロータ磁極群のバックヨーク部も相互に軟磁性体で磁気的に結合され、
    前記の１８０°異なる２つの相の対の構成をなすステータ磁極群と隣接する他の対のステータ磁極群との間、あるいは、これらのステータ磁極群に対向する２対のロータ磁極群の間の少なくとも片方が空間あるいは非磁性体により磁気的に分離されていることを特徴とするモータ。
  28. 請求項２７において、
    前記の１８０°異なる２つの相の対の構成をなすステータ磁極群と隣接する他の対のステータ磁極群とに対向する２対のロータ磁極群の間が空間あるいは非磁性体により磁気的に分離されていて、
    前記の相互に位相が１８０°異なる２対で４個のステータ磁極群の内、中央側の２個のステータ磁極群の歯の先端からバックヨーク部までの磁路の一部が密着されるかあるいは共通化されていることを特徴とするモータ。
  29. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群とを備え、
    前記のＮ個のステータ磁極群の配置順が電気角的位相の順で一つおきの順となっていて、
    各相の前記ステータ磁極群の間は各ループ状巻線が配置されていることを特徴とするモータ。
  30. ６個のステータ磁極群を持つモータであって、
    電気角的に第１、３、５相のステータ磁極群の第１の構成部と、電気角的に第２、４、６相のステータ磁極群の第２の構成部とがロータ軸方向に配置され、
    前記第１、３、５相のステータ磁極群の間にループ状巻線が配置され、
    前記第２、６、４相のステータ磁極群の間にループ状巻線が配置され、
    各ステータ磁極群が対向する各ロータ磁極が配置され、
    前記の第１の構成部と第２の構成部との間、あるいは、これらのステータ磁極群に対向する２対のロータ磁極群の間の少なくとも片方が空間あるいは非磁性体により磁気的に分離されていることを特徴とするモータ。
  31. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、
    相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置されたＮ個のステータ磁極群とを備え、
    前記のＮ個のステータ磁極群の配置順が電気角的位相の順で二つおきの順となっていて、
    各相の前記ステータ磁極群の間には各ループ状巻線が配置されていることを特徴とするモータ。
  32. 請求項１〜３１のいずれかにおいて、
    各相のステータ磁極と各巻線とをロータ軸方向に入れ替えあるいは各相のロータ軸方向の並び順を回転角に応じて順次、ロータ軸方向へ移動することを特徴とするモータ。
  33. 請求項１〜３２のいずれかにおいて、
    前記のループ状巻線のより具体的な形状が各相の各ステータ磁極形状に合わせて凹凸形状をしたループ状巻線であることを特徴とするモータ。
  34. 請求項１〜３２のいずれかにおいて、
    巻線が平板状の導線で構成されていることを特徴とするモータ。
  35. 請求項１〜３４のいずれかにおいて、
    Ｎ相のモータコアのロータ軸方向長さをＭＴとすると、各ステータ磁極の先端からステータのバックヨークまでの磁路のロータ軸方向長さをＭＴ／Ｎより大きくすることを特徴とするモータ。
  36. 請求項１〜３５のいずれかにおいて、
    前記ロータは、表面あるいは内部の一部に永久磁石が配置され、少なくとも表面の一部は軟磁性体で構成されていることを特徴とするモータ。
  37. 請求項１〜３５のいずれかにおいて、
    前記ロータは、一つのロータ磁極から他のロータ磁極へ向かう方向へ細長い空隙あるいは非磁性体あるいは永久磁石を複数組配置したことを特徴とするモータ。
  38. 請求項１〜３５のいずれかにおいて、
    ロータ軸にほぼ平行に配置し、ロータの磁極の方向へ折り曲げられた電磁鋼板を積層してロータ磁極を構成したロータを備えることを特徴とするモータ。
  39. 請求項３７または３８において、
    前記ロータ軸にほぼ平行に配置した電磁鋼板の両側あるいは片側に永久磁石を備えることを特徴とするモータ。
  40. 請求項１〜３５のいずれかにおいて、
    前記ロータは、円周方向に磁気的に軟磁性体の突極で磁極が構成されていることを特徴とするモータ。
  41. 請求項１〜３５のいずれかにおいて、
    前記ロータは、誘導電流を通電可能な巻線を備えることを特徴とするモータ。
  42. 請求項１５〜３５のいずれかにおいて、
    前記ステータ磁極の前記ロータに対向する面の面積が、前記ロータの周方向に沿って、正弦波状の面積分布あるいは正弦波に近似される面積分布となっており、３相の前記ステータ磁極が備わっている場合に、極対数Ｐｎと前記ステータ磁極の数Ｎｓｓが、Ｎｓｓ＝３×Ｐｎの関係を満たすことを特徴とするモータ。
  43. 請求項１〜４２のいずれかにおいて、
    前記ステータ磁極が内径側に配置され、前記ロータが外径側に配置されていることを特徴とするモータ。
  44. 請求項１〜４２のいずれかにおいて、
    前記ステータ磁極と前記ロータとが相対的に軸方向に沿って配置されたことを特徴とするモータ。
  45. 請求項１〜４４のいずれかに記載されたモータを含む２個以上のモータを複合化して組み合わせることによって構成されることを特徴とするモータ。
  46. 請求項１〜４５のいずれかにおいて、
    前記ロータは、前記ステータ磁極に対向する面の少なくとも一部は軟磁性体で構成され、表面あるいは内部にロータ軸方向あるいはラジアル方向に磁束を導く軟磁性体の導磁磁路を備えることを特徴とするモータ。
  47. 請求項１〜４６のいずれかにおいて、
    前記ロータは、前記ステータ磁極に対向する面の少なくとも一部は軟磁性体で構成され、内部に磁束の回転方向自在性を制限する空隙部あるいは非磁性体部を備えることを特徴とするモータ。
  48. 請求項１〜４４のいずれかにおいて、
    規則的に配列された前記ステータ磁極の一部、あるいは、ロータ磁極の一部が除去されていることを特徴とするモータ。
  49. 請求項１〜４４のいずれかにおいて、
    相数がＳｎ、極対数がＰｎで極数が２×Ｐｎに設定されており、
    前記ステータ磁極の数がＳｎ×Ｐｎとなる構成から一部の前記ステータ磁極を削除したことを特徴とするモータ。
  50. 請求項１〜４４のいずれかにおいて、
    低減したいトルクリップルの次数をｍとしたときに、前記ステータに含まれる前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれについて複数の前記ステータ磁極をｎ組にグループ分けし、各グループに属する前記ステータ磁極の周方向位置を電気角で３６０／（ｍ×ｎ）度の整数倍だけ相対的に変位させることを特徴とする交流モータ。
  51. 請求項１〜４４のいずれかにおいて、
    低減したいトルクリップルの次数をｍとしたときに、ロータ磁極をｎ組にグループ分けし、各グループに属する前記ロータ磁極の周方向位置を電気角で３６０／（ｍ×ｎ）度の整数倍だけ相対的に変位させることを特徴とする交流モータ。
  52. 請求項１〜４４のいずれかにおいて、
    近接して対向するステータ突極とロータ突極との形状が凹凸形状となっていて、対向面積を大きくした形状となっていることを特徴とするモータ。
  53. 請求項１〜４４のいずれかにおいて、
    ステータとロータとが対向して配置されていて、ロータはロータ軸方向に凹んだ部分と凸部分とを備え、ステータの巻線の全てあるいは一部がロータの凹んだ部分に配置された構造であることを特徴とするモータ。
  54. 請求項１〜４４のいずれかにおいて、
    モータの巻線の一部あるいは全てが金属パイプで構成され、
    導体である前記金属パイプに液体あるいは気体を通過させる構造の冷却機構を備えることを特徴とするモータ。
  55. 請求項１６、１７、１９、２４、２９、３０項のいずれかに記載のＮ相のモータと、電流のオン、オフ制御が可能な電力素子ＴＲが電源の端子ＶＰ、ＶＮへ直接あるいは間接に２個直列に接続された電圧可変ユニットＶＶＵをＮ個備え、
    前記のＮ相のモータの巻線を、スター結線をしたＮ個の端子、あるいは、デルタ結線をした各接続部のＮ個の端子を、前記のＮ個の電圧可変ユニットＶＶＵへ接続して、電圧及び電流を制御することを特徴とするモータとその制御装置。
  56. 請求項１８、２０、２２項のいずれかに記載のＮ相のモータと、
    電流のオン、オフ制御が可能な電力素子ＴＲが電源の端子ＶＰ、ＶＮへ直接あるいは間接に２個直列に接続された電圧可変ユニットＶＶＵをＮ個備え、
    前記のＮ相のモータの巻線を、スター結線をしたＮ個の端子、あるいは、デルタ結線をした各接続部のＮ個の端子を、前記のＮ個の電圧可変ユニットＶＶＵへ接続して、電圧及び電流を制御することを特徴とするモータとその制御装置。
  57. 請求項１８または２１に記載のＮ相のモータと、
    Ｎ個の、電流のオン、オフ制御が可能な電力素子ＴＲが電源の端子ＶＰ、ＶＮへ直接あるいは間接に２個直列に接続された電圧可変ユニットＶＶＵとを備え、
    前記のＮ相のモータの巻線を、スター結線をした（Ｎ−１）個の端子とスター結線の中心の点ＮＮとの合計Ｎ個の端子、あるいは、（Ｎ−１）個の巻線をデルタ結線をした各接続部の（Ｎ−２）個の端子とＮ番目の巻線が配置されるべき部分の２個の端子の合計Ｎ個の端子を、前記のＮ個の電圧可変ユニットＶＶＵへ接続して、電圧及び電流を制御することを特徴とするモータとその制御装置。
  58. 円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されたロータ磁極群を有するロータと、相毎に複数個のステータ磁極が円周上あるいは近傍の円周上であって電気角でほぼ同一角度の回転位相の位置に配置された３個のステータ磁極群と、各相の前記ステータ磁極群の間であって軸方向に沿って配置された２個のループ状巻線とを備え、前記の２個の巻線の片端を相互に接続し、３個のモータ巻線の接続端子としたモータと、
    ３個の、電流のオン、オフ制御が可能な電力素子ＴＲが電源の端子ＶＰ、ＶＮへ直接あるいは間接に２個直列に接続された電圧可変ユニットＶＶＵとを備え、
    前記の３個の接続端子へ３相の電圧、電流を与えて前記モータを制御することを特徴とするモータとその制御装置。
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