特許第6613721号(P6613721)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6613721
(24)【登録日】2019年11月15日
(45)【発行日】2019年12月4日
(54)【発明の名称】トロイダルコイル電動機
(51)【国際特許分類】
   H02K 1/06 20060101AFI20191125BHJP
   H02K 3/18 20060101ALI20191125BHJP
【FI】
   H02K1/06 B
   H02K3/18 Z
【請求項の数】1
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2015-166867(P2015-166867)
(22)【出願日】2015年8月26日
(65)【公開番号】特開2017-46445(P2017-46445A)
(43)【公開日】2017年3月2日
【審査請求日】2018年4月5日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】特許業務法人YKI国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】浦田 信也
(72)【発明者】
【氏名】平本 健二
(72)【発明者】
【氏名】難波 雅史
(72)【発明者】
【氏名】中井 英雄
【審査官】 三島木 英宏
(56)【参考文献】
【文献】 特開2014−147159(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 1/06
H02K 3/18
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1要素コアと第1要素コアにトロイダル巻きされているコイルとを有し、移動磁界を発生させる第1要素と、
移動磁界によって第1要素と相対運動する第2要素と、
を含むトロイダルコイル電動機であって、
各コイルは、コイル導線を複数回連続して巻回して形成されており、
第1要素コアの第2要素に対向していない面に配置されているコイルの部分である非対向部分において、コイル導線のコイルを形成する部分の両端である第1巻き端と第2の巻き端が、コイルを形成するコイル導線が延びる方向において互いに離れて位置し、第1巻き端の位置と第2巻き端の位置の間のコイル導線数が他の部分より少なくなっており、
各コイルの第1巻き端はコイルの非対向部分において第1の側に位置し、第2巻き端は、第1の側と反対の第2の側に位置し、
直列接続されているコイルの各コイルは、一方の隣接するコイルと、第1巻き端と第2巻き端のうち一方の巻き端同士が接続され、他方の巻き端は、別の隣接するコイルの他方の巻き端または動力線または中性点と接続され、
直列接続されているコイルにおいて、隣接するコイルは、互いに反対向きの巻き方向である、
トロイダルコイル電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トロイダル巻きされたコイルを有する電動機に関し、特にコイルの構造に関する。
【背景技術】
【0002】
コアの環状部に巻き付けられたコイル、いわゆるトロイダルコイルを有する電動機が知られている。下記特許文献1には、トロイダルコイルを備えた円環状のステータ(18)と、ステータ(18)の外周面および内周面にそれぞれ対向する外側回転子(16d)および内側回転子(16e)を含むロータ(16)を有する電動機が記載されている。このように、トロイダルコイル電動機は、ロータとステータの対向面を複数設けることができる。なお、上記において( )内の符号は、下記特許文献1で用いられている符号であり、本願の実施形態の説明で用いられる符号とは関連しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2013−46479号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
トロイダル巻きされたコイルにおいて、コイルが備えられた要素(例えばステータ)の相手となる要素(例えばロータ)と対向していない面に位置する部分は、トルクの発生に寄与していない。この部分のコイル導線を短縮できれば、銅損を低減することができる。
【0005】
本発明は、トロイダルコイル電動機において、コイル導線を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係るトロイダルコイル電動機は、移動磁界を発生させる第1要素と、移動磁界によって第1要素と相対運動する第2要素とを含む。第1要素は、第1要素コアと、第1要素コアにトロイダル巻きされているコイルとを有し、コイルに通電することで移動磁界が形成される。コイル導線のコイルを形成する部分の両端である第1巻き端と第2の巻き端が、第1要素コアの第2要素に対向していない面に配置されているコイルの部分である非対向部分に位置する。さらに、第1巻き端と第2巻き端はコイル導線が延びる方向において互いに離れて位置し、第1巻き端と第2巻き端の位置の間のコイル導線数が他の部分より少なくなっている。各コイルの第1巻き端はコイルの非対向部分において第1の側に位置し、第2巻き端は、第1巻き端と反対の第2の側に位置する。直列接続されているコイルの各コイルは、一方の隣接するコイルと、第1巻き端と第2巻き端のうち一方の巻き端同士が接続され、他方の巻き端は、別の隣接するコイルの他方の巻き端または動力線または中性点と接続されている。
【0007】
コイル導線の第1巻き端と第2巻き端が非対向部分において離れて位置することで、コイル導線のコイルを形成している部分の長さを短縮することができる。また、直列接続されているコイルについて、一方の隣接するコイルと第1巻き端同士を接続し、他方の隣接するコイルと第2巻き端同士を接続することにより、コイル導線のコイル同士を接続している部分の長さを短縮することができる。
【0008】
さらに、直列接続されているコイルにおいて、隣接するコイルは、コイル導線の巻き方向を互いに反対向きとすることができる。
【0009】
直列接続されているコイルにおいて、隣接するコイルの巻き方向を互いに反対向きにすることによっても、コイル同士を接続している部分の長さを短縮することができる。
【発明の効果】
【0010】
コイル導線の長さを短縮することで、銅損が低減される。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本実施形態の電動機の概略構成を示す断面図である。
図2】ステータコアの概略構成を示す斜視図である。
図3】ステータコアの要部構成を示す模式図である。
図4】ステータコアの要部構成を示す模式図である。
図5】コイルの接続態様を示す模式図である。
図6】コイルの他の接続態様を示す模式図である。
図7】コイルの巻き方向に関する説明図である。
図8】他の実施形態の電動機の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。以下では、同軸配置され相対回転する2つの要素を有する回転型の電動機について説明する。ただし、本発明は、直線、または自由曲線に沿って延びる第1要素と、第1要素に沿って移動する第2の要素を有するリニア電動機など他の形態の電動機に適用することができる。
【0013】
図1は、トロイダルコイル電動機(以下、電動機10と記す。)の回転軸線を含む断面を示す図である。電動機10は、ケース12に固定された環状のステータ14と、出力軸16に固定されたロータ18を有する。ステータ14は、トロイダル巻きされたコイル20を含み、コイル20に通電することで回転磁界が形成される。ロータ18は、円筒部22と2枚の円板部24を含み、それぞれに永久磁石26,28が配置されている。ステータ14により形成される回転磁界と永久磁石26,28が相互作用してロータ18が出力軸16を中心として回転する。したがって、ステータ14は相対移動する電動機の2つの要素のうちの移動磁界を形成する要素であり、ロータ18は移動磁界により移動するもう一方の要素である。
【0014】
以下では、出力軸16の中心線を回転軸線、回転軸線が延びる方向を回転軸線方向、回転軸線に直交する方向を径方向、回転軸線の周りを周回する方向を周方向と記す。また、上下左右等の方向および向きを表す語句は、図中の方向および向きを表し、使用状態における方向および向きと関連しない。
【0015】
ロータ18の円筒部22は、ステータ14の径方向内側に位置し、その円筒外周面がステータ14に対向する。円筒部22の外周部には、永久磁石26が埋め込まれている。永久磁石26は、永久磁石26が形成する磁極の極性が交互となるように周方向に配列されている。2枚の円板部24は、回転軸線方向において、ステータ14を挟むように配置され、ステータ14と対向する面上に永久磁石28が固定されている。永久磁石28は、永久磁石28が形成する磁極の極性が交互となるように周方向に配列されている。
【0016】
ステータ14は、概略円環状のステータコア30を有する。ステータコア30は円環形状のヨーク32と、ヨーク32からロータの永久磁石26,28が配置された位置に向けてそれぞれ延びるティース34,36を有する。ヨーク32から径方向内側に延びるティースをラジアルティース34と記す。ラジアルティース34の先端は、ロータの円筒部22の外周面に対向する。また、ヨーク32から2つの円板部24に向けてそれぞれ回転軸線方向に延びるティースをアキシャルティース36と記す。
【0017】
図2は、ステータコア30の概略構成を示す図である。図3は、ステータ14を周方向に沿って見た状態を示す模式図である。図4は、ステータ14を径方向外側から見た状態を示す模式図である。
【0018】
ステータコア30の外周面(図3において右側の面、図4に現れている面)は、ロータ18に対向しておらず、以降、この面を非対向面38と記す。コイル20は、ヨーク32の周囲にコイル導線を巻き付けて形成されている。コイル20は、図4に示されるように、U−相のコイル20U−、V+相のコイル20V+、W−相のコイル20W−、U+相のコイル20U+、・・・の順に配列されている。U相、V相、W相のコイルは、各相ごとに渡り線40で接続されている。図4では、コイル20U−とコイル20U+を結ぶ渡り線40のみ示し、他の相の渡り線は省略している。1本のコイル導線により複数のコイル20を形成する場合、コイル20の間のコイル導線が渡り線40となる。また、1本のコイル導線で1個のコイル20を形成し、コイル導線のコイル20から延びる部分同士を接続するようにしてもよい。この場合、コイル導線のコイル20から延びている部分が渡り線40となる。さらに、1本のコイル導線で1個のコイル20を形成し、別の導線または導体で、コイル20同士を接続するようにしてもよい。この場合、別の導線または導体が渡り線40となる。
【0019】
コイル20のうち、非対向面38に対応して配置されている部分である非対向部分42は、トルクの発生に直接寄与していない。したがって、非対向部分42のコイルの巻き数、つまりコイル導線の本数を、他の部分より少なくしても電動機10が発生するトルクは減少しない。そこで、コイル導線を、コイル20を巻き始めた位置まで巻かないようにする。巻き始め位置に達しない分だけ、コイル20を形成するコイル導線が短くなる。
【0020】
図3において、コイル導線のコイル20を形成する部分の両端が符号44,46で示されている。上側に位置する巻き端を第1巻き端44、下側に位置する巻き端を第2巻き端46と記す。第1巻き端44と第2巻き端46は、コイル20の非対向部分42において、互いに離れて位置し、これらの間の部分のコイル導線の数は、他の部分の数より1本少なくなる。この実施形態では、第1巻き端44は、コイルの非対向部分42の上端に位置し、第2巻き端46は、非対向部分42の下端に位置する。図4に示すように、各コイル20において、上述のように、第1巻き端44および第2巻き端46が離れて位置し、特にコイルの非対向部分42の上下の端に離れて位置する。
【0021】
図5は、同相のコイル20の接続態様を示す図であり、ステータ14を外周側から周方向内側に見た状態を示している。U相の直列接続される4個のコイル20-1,20-2,20-3,20-4は、隣接するコイルが同じ側にある巻き端同士が接続されている。各コイル20の区別をする必要がある場合には、符号に添え字-1,-2,-3,-4を付す。他の要素についても区別が必要な場合に添え字を付す。コイル20-1とコイル20-2は、下側の巻き端である第2巻き端46-1と第2巻き端46-2が渡り線40-1により接続されている。コイル20-2は、これに隣接するもう一つのコイル20-3と、これらの上側の巻き端である第1巻き端44-2と第1巻き端44-3をつなぐ渡り線40-2により接続されている。さらに、コイル20-3は、これに隣接するもう一つのコイル20-4と、これらの下側の巻き端である第2巻き端46-3と第2巻き端46-4をつなぐ渡り線40-3により接続されている。直列接続されているコイル群の両端の巻き端である第1巻き端44-1,44-4には、コイルに電力を供給する動力線、または中性点と接続する接続線48-1,48-4が接続されている。
【0022】
コイルの非対向部分42の上端に位置する第1巻き端44同士、下端に位置する第2巻き端46同士を接続することにより、第1巻き端44と第2巻き端46を接続する場合に比べて渡り線40の長さを短くすることができる。これにより、コイルの非対向部分42のコイル導線の数を減じた効果が有効に利用できる。
【0023】
図5では、4個のコイル20を直列接続した場合を示したが、コイル20の数は、4個以外であってもよい。また、図5では、U相が示されているが、V相、W相でも同様である。
【0024】
図6は、同相のコイル20の他の接続態様を示す図であり、ステータ14を外周側から周方向内側に見た状態を示している。図6の接続態様は、2組の直列接続されたコイル20をさらに並列接続したものである。コイル20-1とコイル20-2、コイル20-3とコイル20-4がそれぞれ直列接続されコイル群を形成し、コイル群同士が並列接続されている。コイル20-1とコイル20-2は、それぞれの下端側の巻き端である第2巻き端46-1,46-2を渡り線40-1によりつないで接続されている。この直列接続されたコイル群の両端の巻き端である第1巻き端44-1,44-2には、動力線または中性線と接続する接続線48-1,48-2が接続されている。コイル20-3とコイル20-4は、それぞれの下端側の巻き端である第2巻き端46-3,46-4を渡り線40-3によりつないで接続されている。この直列接続されたコイル群の両端の巻き端である第1巻き端44-3,44-4には、動力線または中性線と接続する接続線48-3,48-4が接続されている。
【0025】
図6では、4個のコイル20を接続した場合を示したが、コイル20の数は、4個以外であってもよい。また、図6では、U相が示されているが、V相、W相でも同様である。
【0026】
図7は、コイル20の巻き方向に関する説明図である。U−相のコイル20U−と、U+相のコイル20U+で発生する磁束は、図において白抜き矢印で示すように互いに反対向きである。このように磁束を発生させるために、コイル20U−とコイル20U+を流れる電流の向きは、逆向きとする必要がある。図7において、左方より各コイルを見たときにコイル20U−では電流は反時計回りに流れており、コイル20U+では時計回りに流れている。図7の(a)においては、コイル20U−およびコイル20U+は、双方とも左手巻きに巻かれている。つまり、左手の親指を立てた状態で親指の指す方向にコイル導線を巻き進めるとき、親指以外の4指の指の付け根から指先に向けてコイル導線が巻かれるようにしてコイルが形成されている。この場合、渡り線40のa,bの部分が重なり、その分コイル導線が長くなる。図7の(b)では、コイル20U−は左手巻きであるのに対し、コイル20U+は右手巻きとなっている。本実施形態のコイル20は、直列接続されるコイル20において、隣接するコイル20の一方が左手巻き、他方が右手巻きとなっている。これにより、コイル導線の長さを短くしている。
【0027】
図8は、本発明に係る他の実施形態のトロイダルコイル電動機50(以下、電動機50と記す。)の要部構成を示す断面図である。電動機50は、ケース52に固定された環状のステータ54と、出力軸56に固定されたロータ58を有する。ステータ54は、トロイダル巻きされたコイル60を含み、コイル60に通電することで回転磁界が形成される。ロータ58は、内筒部62と外筒部64を含み、それぞれに永久磁石66,68が配置されている。ステータ54により形成される回転磁界と永久磁石66,68が相互作用してロータ58が出力軸56を中心として回転する。
【0028】
以下では、出力軸56の中心線を回転軸線、回転軸線が延びる方向を回転軸線方向、回転軸線に直交する方向を径方向、回転軸線の周りを周回する方向を周方向と記す。また、上下左右等の方向および向きを表す語句は、図中の方向および向きを表し、使用状態における方向および向きと関連しない。
【0029】
ロータ58の内筒部62は、ステータ54の径方向内側に位置し、その円筒外周面がステータ54に対向する。内筒部62の外周部には、永久磁石66が埋め込まれている。永久磁石66は、永久磁石66が形成する磁極の極性が交互となるように周方向に配列されている。ロータ58の外筒部64は、円板部材65によって出力軸56に固定されている。また、外筒部64は、ステータ54の径方向外側に位置し、その円筒内周面がステータ54に対向し、内周面上に永久磁石68が固定されている。永久磁石68は、永久磁石68が形成する磁極の極性が交互となるように周方向に配列されている。
【0030】
ステータ54は、概略円環状のステータコア70を有する。ステータコア70は円環形状のヨーク72と、ヨーク72からロータの永久磁石66,68が配置された位置に向けてそれぞれ延びるティース74,76を有する。ヨーク72から径方向内側に延びるティースをインナティース74と記す。インナティース74の先端は、ロータの内筒部62の外周面に対向する。また、ヨーク72から径方向外側に延びるティースをアウタティース76と記す。アウタティース76の先端は、ロータの外筒部64の内周面に対向する。
【0031】
ステータコア70の上面および下面は、ロータ58に対向しておらず、これらの面をそれぞれ上側非対向面78、下側非対向面79と記す。
【0032】
コイル60のうち、上側および下側非対向面78,79に対向している部分である上側および下側非対向部分82,83は、トルクの発生に直接寄与していない。したがって、上側および下側非対向部分82,83のコイルの巻き数、つまりコイル導線の本数を、他の部分より少なくしても電動機50が発生するトルクは減少しない。そこで、コイル導線を、コイル60を巻き始めた位置まで巻かないようにする。
【0033】
コイル導線のコイル60を形成する部分の両端が符号84,86で示されている。径方向の外側に位置する巻き端を第1巻き端84、内側に位置する巻き端を第2巻き端86と記す。第1巻き端84と第2巻き端86は、コイル60の上側非対向部分82において、互いに離れて位置し、これらの間の部分のコイル導線の数は、他の部分の数より1本少なくなる。円板部材65の反対側に位置する上側非対向部分82に第1および第2巻き端84,86を配置することで、これらに接続する渡り線や、動力線および中性点と接続する接続線の配置が容易となる。この実施形態では、第1巻き端84は、コイルの非対向部分82の外端に位置し、第2巻き端86は、非対向部分82の内端に位置する。各コイル60において、第1巻き端84および第2巻き端86が離れて位置し、特にコイルの上側非対向部分82の内外の端に離れて位置する。
【0034】
各コイル60の接続は、電動機10と同様、直列接続されるコイル60において隣接するコイル60の第1巻き端84同士、または第2巻き端同士86が接続される。さらに、直列接続されるコイル60において、隣接するコイル60を、一方が右手巻きに他方が左手巻きにすることができる。
【0035】
非対向面が2面である場合、隣接する2面を非対向面とすることができ、非対向面はL字形に配置される。巻き端は、L字形の両端に配置することができる。また、外側の要素が回転するアウタロータ型の電動機の場合、例えば、ステータコアの外周面および回転軸線方向における両側の端面がロータと対向するようにし、内周面を非対向面とすることができる。
【符号の説明】
【0036】
10 電動機、12 ケース、14 ステータ、16 出力軸、18 ロータ、20 コイル、22 円筒部、24 円板部、26,28 永久磁石、30 ステータコア、32 ヨーク、34 ラジアルティース、36 アキシャルティース、38 非対向面、40 渡り線、42 非対向部分、44 第1巻き端、46 第2巻き端、48 接続線、50 電動機、52 ケース、54 ステータ、56 出力軸、58 ロータ、60 コイル、62 内筒部、64 外筒部、65 円板部材、66,68 永久磁石、70 ステータコア、72 ヨーク、74 インナティース、76 アウタティース、78 上側非対向面、79 下側非対向面、82 上側非対向部分、83 下側非対向部分、84 第1巻き端、86 第2巻き端。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8