JP2007185087A - 外転形永久磁石励磁横磁束電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の横磁束電動機で発生する鉄損、即ち渦流損の相当部分を低減させ、究極的に高出力で動力発生効率を高め、騒音および振動を減らす。
【解決手段】本発明は外転形永久磁石励磁横磁束電動機に関し、更に詳しくは、金型を通して圧出成形する固定子粉末鉄心と、前記固定子粉末鉄心の円周の上下層部に互いに一定な間隙を置いて積層されている固定子成層鉄心と、前記間隙の間に固定子粉末鉄心を巻き電流が流れる数重のコイルの固定子巻線とからなる固定子と、回転子永久磁石と回転子粉末鉄心が互いに向かい合うように交互に配列されていると同時に、前記固定子を中央に置き円形に囲むように配置されている回転子とからなるが、軸方向および放射形の積層構造のうち少なくとも一方を前記固定子粉末鉄心に適用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は外転形永久磁石励磁横磁束電動機に関し、更に詳しくは軸方向および放射形の積層構造のうち少なくとも一方を固定子粉末鉄心に適用し、比較的簡単な構造でありながら、高出力で動力発生効率を高めることができ、騒音および振動を減らすことができる外転形永久磁石励磁横磁束電動機に関するものである。

一般的に、電動機は電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置で、根本的に高出力（出力／電動機重量：ｋＷ／ｋｇ）と高効率(出力／入力)の性能を要求しており、磁束の流れの方向によって縦磁束電動機と横磁束電動機に区分することができ、磁束の流れの方向が電動機の移動方向と同一な場合、縦磁束形機器と言い、磁束の流れの方向が電動機の移動方向と垂直に交差する場合、横磁束形電動機と言う。

即ち、縦磁束形電動機の場合、印加される電流の方向と電動機の移動方向が垂直に交差し、横磁束形電動機の場合、印加される電流の方向は電動機の移動方向と一致する。

ここで、前記横磁束形電動機は巻線を巻くことができる空間（電気回路）と磁束が流れることができる空間(磁気回路)が互いに分離されているため、電気回路と磁気回路が互いに連成されている縦磁束形電動機に比べて出力密度を高めることができるだけでなく、数種類の形態の形状設計が可能である。

また、前記横磁束形電動機はリング形態の巻線を使用し、多くのエンド−ワインディング（end-winding）を有する縦磁束形電動機に比べて使用する銅の量と損失が少ない。

しかし、このような長所がある反面、横磁束形電動機は一般的に３次元的な磁束の流れを有しているため、既存の縦磁束形電動機に比べて製作が難しく、３次元的な磁束の流れに合う積層形構造を採択しづらいという問題点を有する。

従って、本発明は前記問題点を解決するために発明されたもので、金型を通して圧出成形する固定子粉末鉄心と、前記固定子粉末鉄心の円周の上下層部に互いに一定な間隙を置いて積層されている固定子成層鉄心と、前記間隙の間に固定子粉末鉄心を巻き、電流が流れる数重のコイルの固定子巻線からなる固定子と、回転子永久磁石と回転子粉末鉄心が互いに向かい合うように交互に配列されていると同時に、前記固定子を中央に置き円形に囲むように配置されている回転子で構成されているが、軸方向および放射形の積層構造のうち少なくとも一方を前記固定子粉末鉄心に適用することで、発生する鉄損の相当部分を低減させ、究極的に出力密度と効率を高めることができ、騒音および振動を減らすことができる比較的に簡単な構造の外転形永久磁石励磁横磁束電動機を提供することにその目的がある。

以下、前記目的を達成するための本発明の特徴について説明する。

本発明による外転形永久磁石励磁横磁束電動機は金型を通して圧出成形する固定子粉末鉄心と、前記固定子粉末鉄心の円周の上下層部に互いに一定な間隙を置いて積層されている固定子成層鉄心と、前記間隙の間に固定子粉末鉄心を巻き電流が流れる数重のコイルの固定子巻線とからなる固定子と、
回転子永久磁石と回転子粉末鉄心が互いに向かい合うように交互に配列されていると同時に、前記固定子を中央に置き円形に囲むように配置されている回転子とからなることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、究極的に高出力で動力発生効率を高めることができるだけでなく、騒音および振動を減らすことができる。

合わせて、電動機の体積が少ないため使用材料を節減することができ、粉末鉄心と成層鉄心を使用するため製作が簡便になる。

一方、応用面においては、外転形永久磁石励磁横磁束電動機は機械的な装置を電気式駆動方法に代替し、構造を単純化して制御を容易にすることで、システム全体の性能を向上させることができ、材料費を節約することができ、またエネルギー損失を減らすことができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照に詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機を表した斜視図であり、図１のように、金型を通して圧出成形する固定子粉末鉄心１と、固定子成層鉄心２と、固定子巻線３とからなる固定子４と、回転子永久磁石５と回転子粉末鉄心６とからなる回転子７とを含み、前記固定子４はその１対が互いに向き合うように配置した２相構造となっている。

特に、前記固定子４と回転子７との間に空隙δを置くため、固定子４と回転子７との間で推進力と吸引力が発生する。

一方、図２は本発明の実施の形態に係る固定子を表す斜視図であり、扇形からなる前記固定子粉末鉄心１の外側の上・下層に前記固定子成層鉄心２が互いに一定な間隙を置いて位置しており、その間隙の間に固定子粉末鉄心１を巻き、電流の流れる固定子巻線３が更に構成されている。

図３は本発明の実施の形態に係る固定子巻線を取り除いた固定子粉末鉄心１および固定子成層鉄心２を表す斜視図であり、本発明の外転形永久磁石励磁横磁束電動機は磁束が３次元で流れなければならないため、固定子粉末鉄心１が前記固定子成層鉄心２の上・下層部２ａ，２ｂを連結する構造になっている。

一方、前記固定子成層鉄心２の外側には突出部２ｃ，２ｄがその円周方向に沿って一定な間隔（２τ）を置き配置されており、発生する合成推進力を一方向に発生させるためにその上層部２ａの突出部２ｃと下層部２ｂの突出部２ｄが各々極間隔τほど、食い違った配列となっている。

この時、前記固定子成層鉄心２は鉄損を減少させるために磁束が流れる方向に対して垂直方向に、即ち、軸方向への成層構造をなしている。

図４は本発明の実施の形態に係る固定子巻線を表す斜視図であり、上・下層部２ａ，２ｂとからなる固定子成層鉄心２の間を通過して固定子粉末鉄心１を覆っており、数重からなるコイルが巻かれている。

このように、図３の固定子粉末鉄心１および固定子成層鉄心２と、図４の固定子巻線３が互いに結合して図２の固定子４を構成し、このように構成された固定子４は図５に図示された通り２相からなっている。

一方、図６は本発明の実施の形態に係る固定子を表す平面図であり、添付した図面の中央の水平基準線の上側に位置する固定子粉末鉄心１と固定子成層鉄心２はＡ相固定子を構成し、下側に位置する固定子粉末鉄心１と固定子成層鉄心２はＢ相固定子を構成している。

この時、前記２相からなる固定子４各々の構造的位置は、Ａ相固定子の始まりは前記水平基準線から時計回り方向にα程度の差があり、Ｂ相固定子の始まりはその水平基準線からα＋０．５τ程度の差があるが、このような間隙構造は回転子の回転力の脈動が少ない安定した特性を得るために前記Ａ相固定子よりＢ相固定子が０．５τほど更に移動する。

一方、添付した図７は本発明の実施の形態に係る回転子を表す斜視図であり、前記回転子７は回転子永久磁石５と回転子粉末鉄心６が交互に配列されていると同時に、固定子４を中央に置いて 囲むようにして円形で配置されており、前記回転子永久磁石５の磁極は互いに異なる方向に磁束を発生するように向かい合って配置されている。

このように、前記回転子粉末鉄心６を間に置き、隣り合う前記回転子永久磁石５が交互に位置する場合、前記回転子粉末鉄心６にＮ，Ｓの磁極が交互に発生するようになる。

一方、図面の矢印は回転子永久磁石５から発生する磁束の方向を表している。

前記回転子粉末鉄心６は前記固定子４の固定子粉末鉄心１と同様に、回転子７の磁束が３次元に流れるようにする。

ここで、前記回転子永久磁石５および回転子粉末鉄心６の１周期は２τとなる。

図８は図１の‘Ａ−Ａ’線の断面図であり、固定子粉末鉄心１、固定子成層鉄心２、固定子巻線３とからなる固定子４、そして電流による磁束Φ８の関係が図示されている。

添付した図８のように、前記固定子巻線３に電流（右側または内側の固定子巻線は出てくる方向の電流、左側または外側の固定子巻線は入っていく方向の電流）が印加されると固定子巻線３の周囲に反時計回り方向に磁束Φが発生するようになる。

このように発生した磁束Φにより外転形永久磁石励磁横磁束電動機の固定子４のうち、固定子成層鉄心２の上層部２ａにはＳ極、固定子成層鉄心２の下層部２ｂにはＮ極が形成される。

図９は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機の電源供給回路図であり、半導体素子９と電源１０とからなる。

前記電源１０は直流または、交流を整流して使用可能で、１相の半導体素子９はＨ形回路に対称に４個の素子Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４が構成されており、一方のＨ形回路はＡ相電動機のための回路であり、もう一方のＨ形回路はＢ相電動機のための回路である。

前記Ａ相電動機のための回路において、回転子は一方向に力が適用するため位置によって＋、−の電流が必要であり、陽極電流（Ｉ_ａ＋方向）を流すために半導体素子９ Ｓ_ａ２とＳ_ａ３を導通させ、陰極電流（Ｉ_ａ−方向）を流すために半導体素子９ Ｓ_ａ１とＳ_ａ４を導通させる。

前記Ｂ相電動機のための回路においては、Ａ相電動機のための回路のような方式で作動し、Ｂ相の固定子がＡ相の固定子より構造的位置が０．５τ程度更に移動するため、半導体素子９は０．５τに該当する時間ほど（周期／４）位相遅延を有して作動する。

一方、前記のように構成された本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機の力発生原理について、図１０〜図１３を参照に説明すると下記の通りである。

図１０は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機において、電流方向Ｉ_ａ＋に対する固定子成層鉄心２の下層部２ｂと回転子７の力発生原理図を表すものであり、図８の‘Ｃ−Ｃ’線の断面図を表している。

図８に図示したように、前記固定子巻線３に電流(右側または内側の固定子巻線は出てくる方向の電流、左側または外側の固定子巻線は入っていく方向の電流）が印加されると、固定子巻線３の周囲に磁束Φ８が発生するため、固定子成層鉄心２の上層部２ａはＳ極、固定子成層鉄心２の下層部２ｂはＮ極が形成される。

一方、前記回転子粉末鉄心６が二個の永久磁石５の磁束方向→←の間にある時はＮ極、←→の間にある時はＳ極となり、回転子７の磁極Ｎ、Ｓ極と、固定子成層鉄心２の下層部２ｂのＮ極は磁極相互作用により、その磁極の方向が異なると吸引力Ｆ_ｒａ１、磁極の方向が同じならば反発力Ｆ_ｒａ２が発生し、回転子７に合成されたＦ_ｒｒ＋が発生する。

図１１は電流方向Ｉ_ａ＋に対する固定子成層鉄心の上層部と回転子の力発生原理図を表すものであり、図８の‘Ｄ−Ｄ’線の断面図を表している。

図８に図示したように、前記固定子巻線３に電流（内側の固定子巻線は出てくる方向の電流、外側の固定子巻線は入っていく方向の電流）が印加されると、その固定子巻線３の周囲に磁束Φ８が発生し、固定子成層鉄心２の上層部２ａにはＳ極、固定子成層鉄心２の下層部２ｂにはＮ極が形成される。

同様に、前記回転子７の磁極Ｎ、Ｓ極と、固定子成層鉄心２の上層部２ａに誘導されたＳ極は磁極相互作用によりその磁極の方向が異なると吸引力Ｆ_ｒｂ１、磁極の方向が同じならば反発力Ｆ_ｒｂ２が発生し、回転子７に合成されたＦ_ｒ１＋が発生する。

前記固定子成層鉄心２の上・下層部２ａ，２ｂは各々τほど食い違っているため回転子７が常に一方向へ接線方向の力を発生するようになる。

図１２は陰極方向Ｉ_ａ−方向に対する力発生原理図を表すものであり、図１０に表した原理と同一である。

図１０の電流方向Ｉ_ａ＋方向に対する力発生原理図との違いは、前記回転子７が図１０よりτほど時計回り方向に回転し、固定子巻線３に流れる電流の方向が反対になった点である。

前記固定子巻線３に電流方向Ｉ_ａ−が印加されると、固定子成層鉄心２の上層部２ａにはＮ極、固定子成層鉄心２の下層部２ｂにはＳ極が形成され、τほど回転された回転子７の磁極Ｎ、Ｓ極と固定子成層鉄心２の下層部２ｂに誘導されたＳ極は磁極相互作用により、磁極の方向が異なると吸引力Ｆ_ｒａ１、磁極の方向が同じならば反発力Ｆ_ｒａ２が発生し、回転子７に合成されたＦ_ｒｒ−が発生する。

図１３は電流方向Ｉ_ａ−に対する垂直面の力発生原理図であり、図１１に表した原理と同一である。

一方、図１１と図１３の違いは、前記回転子７が図１０よりτほど時計回り方向に回転し、固定子巻線３に流れる電流の方向が反対になった点である。

前記固定子巻線３に電流の方向が反対方向（外側の固定子巻線は入っていく方向の電流、内側の固定子巻線は出てくる方向の電流）に印加されると、固定子成層鉄心２の上層部２ａにはＮ極、固定子成層鉄心２の下層部２ｂにはＳ極が形成され、τほど時計回り方向に回転された回転子７の磁極Ｎ、Ｓ極と、固定子成層鉄心２の上層部２ａに誘導されたＮ極は磁極相互作用により、磁極の方向が異なると吸引力Ｆ_ｒｂ１、磁極の方向が同じならば反発力Ｆ_ｒｂ２が発生し、回転子７でも合成推力が力Ｆ_ｒ１−となる。

図１４は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機の電流−回転子の位置および推力−回転子の位置の特性を表す図面であり、その位置によって固定子４ ２個（２相：Ａ相、Ｂ相）により回転子７に発生する推力を表し、固定子４ ２個（２相：Ａ相、Ｂ相）を設置すると推力の脈動を減少させて安定した特性を得ることができる。

即ち、一方方向に力を発生させるためには回転子７の位置によって電流の方向が変わらなければならないため、図１４ａにおいてＡ相は０〜τ、２τ〜３τ、４τ〜５τでは陽極の励磁電流Ｉ_ａ＋を、τ〜２τ、３τ〜４τでは陰極の励磁電流Ｉ_ａ−を印加している。

一方、図１４ｂはＡ相の回転子の位置による推力の特性であり、波形はでこぼこしたサイン波であり、電流の周期の変化は部分τ、２τ、３τ、４τ、５τでは回転子７の磁極位置と、固定子４の磁極位置が空隙を置いて垂直方向に形成されるため推力を発生させない。

Ａ相とＢ相の構造的位置は（１／２）τほど移動し、図１４ｃのＢ相の時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）−電流曲線（Ｉ_ｂ＋，Ｉ_ｂ−）は図１４ａのＡ相の時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）−電流曲線（Ｉ_ａ＋，Ｉ_ａ−）に比べて（１／２）τほど移動し、Ｂ相では０〜（１／２）τ、（３／２）τ〜（５／２）τ、（７／２）τ〜（９／２）τでは陽極の励磁電流Ｉ_ｂ＋を（１／２）τ〜（３／２）τ、（５／２）τ〜（７／２）τでは陰極の励磁電流Ｉ_ｂ−を印加させ，それによって図１４ｄのＢ相の時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）−発生力（Ｆ_ｒｂ）曲線は図１４ｂのＡ相の時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）−発生力（Ｆ_ｒａ）に比べて（１／２）τほど移動する。

また、図１４ｅは、時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）による２相合成発生力（Ｆ_ｒＴ）の特性であり、０、（１／２）τ、τ、（３／２）τ、２τの時、最小値を有し、（１／４）τ、（３／４）τ、（５／４）τ、（７／４）τの時、最大値を有する。

図１５は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機において、相数が２以上の多相電動機の固定子を表す斜視図である。

１相の固定子４は図２に図示した通り、固定子成層鉄心２の上・下層部２ａ，２ｂ、固定子粉末鉄心１とそれを覆う固定子巻線３が１相の固定子４を構成し、図１５の１相固定子を基準に時計回り方向に２相、３相…Ｎ相固定子が位置する。

図１６は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機において、相数が２以上の多相電動機の平面図である。

各々の相は固定子成層鉄心２の上・下層部２ａ，２ｂ、固定子粉末鉄心１とそれを覆う固定子巻線３が結合して１相をなし、図１６に図示された１相固定子を基準にした際、推力脈動を減少させるために時計回り方向の２相固定子は基準線より（１／Ｎ）τほど更に時計回り方向に移動し、３相固定子は基準線より（２／Ｎ）τほど時計回り方向に更に移動する。

従って、Ｎ相の固定子は｛（Ｎ−１）／Ｎ｝τほど時計回り方向に更に移動する。

図１７は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機において、多相電動機の電源供給回路図を表しており、半導体素子９と電源１０とからなっている。

前記電源１０は直流または、交流を整流して使用が可能であり、１相の半導体素子はＨ形回路に対称に４個の素子からなり、片側の最初のＨ形回路は１相電動機のための回路であり、二番目のＨ形回路は２相電動機のための回路であり、最も右側のＨ形回路はＮ相電動機のための回路である。

１相で回転機は一方向に力が適用するために位置によって＋、−の電流が必要であり、陽極の電流（Ｉ_１＋方向）を流すために半導体素子９ Ｓ_１２とＳ_１３を導通させ、陰極電流（Ｉ_１−方向）を流すために半導体素子９ Ｓ_１１とＳ_１４を導通させる。

２相では１相のような方式で作動し、２相固定子の位置が１相より（１／Ｎ）τほど更に移動するため半導体素子９は（１／Ｎ）τに該当する時間ほど（周期／２Ｎ）位相遅延を有して作動する。

同様に、Ｎ相では１相のような方式で作動し、Ｎ相固定子が１相より｛（Ｎ−１）／Ｎ｝τほど更に移動しているため半導体素子９は｛（Ｎ−１）／Ｎ｝τに該当する時間ほど｛（Ｎ−１）周期／２Ｎ｝位相遅延を有して作動する。

図１８は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機の多相電動機の電流−回転子の位置の特性および推力−回転子の位置の特性を表す図面であり、固定子Ｎ個（Ｎ相：１相、２相…Ｎ相）を設置し、推力の脈動を減少させて安定した特性を得ることができ、各々の相は図１６に図示した通り、基準相１相より相が増加するほど（１／Ｎ）τずつ更に移動し、Ｎ相である時、｛（Ｎ−１）／Ｎ｝τほど移動する。

図１８ｃの２相の時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）−電流曲線（Ｉ_２＋，Ｉ_２−）は図１８ａの１相の時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）−電流曲線（Ｉ_１＋，Ｉ_１−）に比べて（１／Ｎ）τほど移動され、図１８ｅのＮ相の時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）−電流曲線（Ｉ_ｎ＋，Ｉ_ｎ−）は｛（Ｎ−１）／Ｎ｝τほど移動する。

各相の電流周期は２τであり、回転子の位置によって供給しなければならない１相に対する励磁電流の波形は回転子を一方向にのみ推進させるために図１８ａに図示した通り、０〜τ、２τ〜３τ、４τ〜５τの区間では陽極の励磁電流Ｉ_１＋を印加し、τ〜２τ、３τ〜４τの区間では陰極の励磁電流Ｉ_１−を印加している。

各相の時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）−発生力の特性は電流曲線により常に陽極の値を有し、各相は相が増加する度に電流曲線と同時に（１／Ｎ）τほど更に移動する。

図１８ｇの時間（ｔ）または回転子の位置（ｒ）によるＮ相の合成発生力（Ｆ_ｒＴ）の特性は周期を有し、相の数が大きくなるほど脈動が減る。

図１９は本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機において、環形固定子からなる電動機を表す斜視図であり、環形固定子粉末鉄心１１、環形固定子成層鉄心１２と環形固定子巻線１３とからなる環形固定子１４と、回転子永久磁石５と回転子粉末鉄心６とからなる回転子７とで構成されている。

図１の外転形永久磁石励磁横磁束電動機との違いは図１の扇形の固定子４が環形固定子１４を成すという点である。

このような環形固定子１４は回転子７に適用する吸引力と推進力が中心軸で空間的に対称を成し、発生する騒音を減らすことができるという長所がある。

このように、環形からなる固定子１４を有する外転形永久磁石励磁横磁束電動機の固定子巻線１３は環形固定子粉末鉄心１１を覆うため、固定子巻線１３が巻き易く材料（銅）の量も少なくて済む。

一方、前記環形固定子１４は推進力の脈動を減らすために回転子７の回転軸の方向にＮ個の環形固定子１４を有しており、環形固定子１４と回転子７の間で推進力と吸引力が発生する。

前記環形固定子１４と回転子７の間に空隙δを置き、環形固定子１４と回転子７の間に推進力と吸引力が発生する。

図２０はＮ個（１相、２相、…、Ｎ相）の環形固定子を表すものであり、環形固定子粉末鉄心１３が一つの環形固定子１４を成し、最上部の環形固定子が１相の環形固定子、二番目の環形固定子が２相の環形固定子、そして最下部の環形固定子がＮ相の環形固定子である。

この時、前記２相の環形固定子は基準線より（１／Ｎ）τほど更に構造的に回転され、Ｎ相の環形固定子は｛（Ｎ−１）／Ｎ｝τほど更に構造的に回転される。

このような構造は回転子７の回転脈動を減らすことができる。

図２１は環形固定子を表す詳細図であり、環形の固定子粉末鉄心１１、環形固定子成層鉄心１２と環形固定子巻線１３とから構成され、環形固定子１４を成して環形固定子成層鉄心１２のうち、上層部１２ａと下層部１２ｂは発生する合成推進力を一方向に発生させるためにτほど位置がずれている。

この時、前記環形固定子成層鉄心１２は鉄損を減少させるために磁束が流れる方向と垂直の方向に、即ち軸方向に成層構造を成している。

また、前記環形固定子１４は電源を供給するために図１７のような電源供給回路図を具備し、各相に連結されて図１８のような多相電動機の電流−回転子の位置および推力−回転子の位置の特性を有する。

１相の環形固定子巻線１３に流れる電流方向が時計回り方向の時、図１９の‘Ｆ−Ｆ’線の断面図は図８の通りである。

ただ、前記環形固定子巻線１３は図８の固定子巻線３において、内側にある固定子巻線３がない場合と同一である。

前記固定子成層鉄心１２の上・下層部１２ａ，１２ｂに適用する力発生原理図は環形固定子巻線１３の電流方向が時計回り方向である時、図１０、図１１の力発生原理図と同じで、環形固定子巻線１３の電流方向が反時計回り方向である時、図１２、図１３の力発生原理図と同じである。

図２２は前記環形固定子粉末鉄心を巻き、電流が流れる環形固定子巻線を表す斜視図であり、コイルが環形固定子成層鉄心１２の上・下層部１２ａ，１２ｂの間に環形固定子粉末鉄心１１を覆い、環形に数重ほど巻かれている形態である。

図２３は本発明の実施の形態に係る図２の固定子４において、固定子粉末鉄心１を多数個の直方体からなる積層構造の放射形鉄心１ａで構成され、前記固定子粉末鉄心１の構造に比べて渦流損を更に節減することのできる変形した構造である。

その直方体の小さい放射形鉄心１ａが扇形を構成するためには、数個の放射形鉄心１ａを固定する固定ピン１５が必要であり、この時固定子成層鉄心２の接触面には小さな空隙が発生する。

一方、前記反射形鉄心１ａを等間隔で維持させることが難しいため、図２４に図示した通り、放射形鉄心１ａをモジュール単位で製作した技術を具現したもので、図２４は本発明の実施の形態に係る図２の固定子４で固定子粉末鉄心１が一定の間隔を置いてモジュール単位で配置され、そのモジュールとモジュールの間に非磁性体のスペース１６が挿入されるため、製作性および加工性が容易な放射形鉄心１ｂを適用される。

ここで、スペース１６は放射形鉄心１ｂのモジュールとモジュールの間にモールディングされた構造で、全体的に固定子４を容易に支持するようになる。

この時、前記スペース１６は扇形を成すために放射形鉄心１ｂを固定するための固定ピン１５が具備される。

図２５は図２１の環形固定子１４において、環形固定子粉末鉄心１１の放射形鉄心１ａに代替された放射形環形鉄心１１ａを具備した環形固定子１４を表す図面である。

前記放射形環形鉄心１１ａは図２３の扇形の放射形鉄心１ａと同じだが、環形を成している点に違いがある。

一方、図２６は図２１の環形固定子１４において、環形固定子粉末鉄心１１が一定の間隔を置いてモジュール単位で配置され、そのモジュールとモジュールの間に非磁性体のスペース１６が挿入されるため、製作性および加工性が容易な環形の放射形環形鉄心１１ｂが適用される。

ここで、スペース１６は環形の放射形環形鉄心１１ｂのモジュールとモジュールの間にモールディングされた構造で、全体的に環形固定子１４を容易に支持するようになる。

この時、前記スペース１６は扇形を成すために放射形鉄心１ｂを固定する固定ピン１５が具備される。

前記環形からなる放射形環形鉄心１１ｂは図２４のスペース１６を有する扇形の放射形鉄心１ｂと同じだが、前記放射形鉄心１ｂが環形を成す点に特徴がある。

図２７−ａ〜図２７−ｄは図３の固定子粉末鉄心１および固定子成層鉄心２が全て粉末コアからなる固定子完全粉末鉄心１７の形態であり、ただ金型を通して圧出成形するため制作上、容易な構造となっている。

図２７−ａは図３の固定子成層鉄心２の上層部２ａと、固定子成層鉄心２の下層部２ｂが固定子完全粉末鉄心１７に代替された場合のものであり、‘Ｇ−Ｇ’線の断面図に図示した通り結合されている。

図２７−ｂは固定子成層鉄心２が図２７−ａの固定子成層鉄心２より大きい場合のものであり、固定子成層鉄心２の上・下層部２ａ，２ｂの間に固定子粉末鉄心１が設置されており，図２７−ｃは上下２個の固定子完全粉末鉄心１７で構成された場合で、図２７−ｄは一つの固定子完全粉末鉄心１７からなる場合のものである。

図２８−ａ〜図２８−ｄは図１９の環形固定子１４を有する外転形永久磁石励磁横磁束電動機の環形固定子１４のうち、環形固定子粉末鉄心１１と、環形固定子成層鉄心１２が全て環形固定子完全粉末鉄心１８からなる図面である。

添付した図２８−ａは環形固定子成層鉄心１２の上層部１２ａと、環形固定子成層鉄心１２の下層部１２ｂが固定子完全粉末鉄心１８に代替された場合のものであり、‘Ｇ−Ｇ’線の断面図で図示した通り結合されている。

図２８−ｂは環形固定子成層鉄心１２の上・下層部１２ａ，１２ｂが図２８−ａの環形固定子成層鉄心１２の上・下層部１２ａ，１２ｂの間に固定子粉末鉄心１１が設置されており、図２８−ｃは上下２個の環形固定子完全粉末鉄心２８で構成された場合のもので、また、図２８−ｄは一つの環形固定子完全粉末鉄心２８からなる場合のものである。

前述した通り、本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機によると、従来の横磁束電動機で発生する鉄損、即ち渦流損の相当部分を低減させることができるように軸方向および放射形の積層構造のうち少なくとも一方を前記固定子粉末鉄心に適用させ、究極的に高出力で動力発生効率を高めることができるだけでなく、騒音および振動を減らすことができる効果がある。

合わせて、電動機の体積が少ないため使用材料を節減することができ、粉末鉄心と成層鉄心を使用するため製作が簡便になる。

一方、応用面においては、外転形永久磁石励磁横磁束電動機は機械的な装置を電気式駆動方法に代替し、構造を単純化して制御を容易にすることで、システム全体の性能を向上させることができ、材料費を節約することができ、またエネルギー損失を減らすことができる。

本発明の実施の形態に係る外転形永久磁石励磁横磁束電動機を表す構成図である。 固定子の斜視図である。 固定子巻線を取り除いた固定子粉末鉄心および固定子成層鉄心の斜視図である。 固定子巻線の斜視図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の２相電動機固定子の斜視図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の２相電動機固定子の平面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の回転子の斜視図である。 図１の‘Ａ−Ａ’線の断面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の電源供給回路図である。 電流方向Ｉ_＋に対する固定子成層鉄心下層部の力発生原理図である。 電流方向Ｉ_＋に対する固定子成層鉄心上層部の力発生原理図である。 電流方向Ｉ₋に対する固定子成層鉄心下層部の力発生原理図である。 電流方向Ｉ₋に対する固定子成層鉄心上層部の力発生原理図である。 ２相電動機の電流−回転子の位置および推力−回転子の位置の特性を表す図面である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機において、相数が２以上の多相電動機固定子の斜視図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機において、相数が２以上の多相電動機固定子の平面図である。 多相外転形永久磁石励磁横磁束電動機の電源供給回路図である。 多相電動機の電流−回転子の位置および推力−回転子の位置の特性を表す図面である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機において、環形固定子からなる電動機の斜視図である。 多相環形固定子を有する外転形永久磁石励磁横磁束電動機の固定子の斜視図である。 環形固定子を有する外転形永久磁石励磁横磁束電動機の固定子の斜視図である。 環形固定子を有する外転形永久磁石励磁横磁束電動機の環形固定子巻線の斜視図である。 放射形鉄心を有する固定子の斜視図である。 放射形鉄心およびスペースを有する固定子の斜視図である。 放射形鉄心を有する環形固定子の斜視図である。 放射形鉄心およびスペースを有する環形固定子の斜視図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の固定子完全粉末鉄心の斜視図および断面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の固定子完全粉末鉄心の斜視図および断面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の固定子完全粉末鉄心の斜視図および断面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の固定子完全粉末鉄心の斜視図および断面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の環形固定子完全粉末鉄心の斜視図および断面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の環形固定子完全粉末鉄心の斜視図および断面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の環形固定子完全粉末鉄心の斜視図および断面図である。 外転形永久磁石励磁横磁束電動機の環形固定子完全粉末鉄心の斜視図および断面図である。

符号の説明

１ 固定子粉末鉄心 １ａ，１ｂ 放射形鉄心
２ 固定子成層鉄心 ２ａ 上層部
２ｂ 下層部 ２ｃ，２ｄ 突出部
３ 固定子巻線 ４ 固定子
５ 回転子永久磁石 ６ 回転子粉末鉄心
７ 回転子 ８ 磁束線
９ 半導体素子 １０ 電源
１２ 環形固定子成層鉄心 １２ａ 環形固定子成層鉄心の上層部
１２ｂ 環形固定子成層鉄心の下層部
１３ 環形固定子巻線 １４ 環形固定子
１５ 固定ピン １６ スペース（ｓｐａｃｅ）
１７ 固定子完全粉末鉄心 １８ 環形固定子完全粉末鉄心

Claims (17)

1. 金型を通して圧出成形する固定子粉末鉄心と、前記固定子粉末鉄心の円周の上下層部に互いに一定な間隙を置いて積層されている固定子成層鉄心と、前記間隙の間に固定子粉末鉄心を巻き電流が流れる数重のコイルの固定子巻線とからなる固定子と、
   回転子永久磁石と回転子粉末鉄心が互いに向かい合うように交互に配列されていると同時に、前記固定子を中央に置き円形に囲むように配置されている回転子とからなることを特徴とする外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
2. 前記固定子は２個の扇型の鉄心が互いに向き合うように配置されて１相の固定子を構成し、このような１相の固定子が上下に１対をなして配置され、２相構造の固定子を形成するように構成されることを特徴とする請求項１記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
3. 前記固定子成層鉄心は、その外側に突出部が円周方向に沿って一定な間隔（２τ）を置いて配置されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
4. 前記固定子と前記回転子はその間に推進力と吸引力が発生されるように空隙δを置くことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
5. 前記固定子成層鉄心の突出部は発生する合成推進力を一方向に発生させるためにその上・下層部の突出部が各々極間隔τほど互いに食い違うように配列されていることを特徴とする請求項３または請求項４記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
6. 前記２相固定子のうち、選択された一つの固定子は別の固定子に比べ、その中心の水平基準線上から時計回り方向に０．５τほど更に移動することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
7. 前記固定子は直流または、交流を整流して使用する電源と、陽極電流を流すために素子Ｓ_２とＳ_３を導通させ、陰極電流を流すために素子Ｓ_１とＳ_４を導通させるＨ形回路に対称に４個の素子Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４で構成された１相の半導体素子からなる電源供給回路を通して電源の供給を受け取ることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
8. 時計回り方向に２相、３相、…Ｎ相を有する多相構造からなる固定子を更に含むことを特徴とする請求項１記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
9. 前記多相構造からなる固定子は基準相である１相より相が増加するほど（１／Ｎ）τずつ更に移動し、Ｎ相である時｛（Ｎ−１）／Ｎ｝τほど移動することを特徴とする請求項８記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
10. 水平断面が環形構造からなる固定子を更に含むことを特徴とする請求項１記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
11. 前記固定子は回転子の回転軸方向にＮ個の環形固定子からなり、その環形固定子の個数によって回転子の長さが決定されることを特徴とする請求項１０記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
12. 前記環形構造からなる固定子は回転軸方向に基準相である１相より相が増加するほど（１／Ｎ）τずつ更に移動し、Ｎ相である時｛（Ｎ−１）／Ｎ｝τほど移動することを特徴とする請求項１０記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
13. 前記固定子粉末鉄心は多数個の直方体からなり固定ピンを通して固定される放射形鉄心からなることを特徴とする請求項１記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
14. 前記固定子粉末鉄心は一定な間隔を置いて配置されたスペースが更に含まれることを特徴とする請求項１または請求項１３記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
15. 前記固定子成層鉄心の上・下層部の間に固定子粉末鉄心が設置されていることを特徴とする請求項１記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
16. 前記固定子成層鉄心の上・下層部は各々２個の固定子完全粉末鉄心からなることを特徴とする請求項１記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。
17. 前記固定子成層鉄心の上・下層部は１個の固定子完全粉末鉄心からなることを特徴とする請求項１６記載の外転形永久磁石励磁横磁束電動機。

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