JP2012205387A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルに流れる電流値が大きくなった場合、トルクリニアリティーが低下するので、これを解決した電動機を提供する。
【解決手段】電動機は、複数のスロット１４が画成されたステータコア６、及び各ティース５に導線が集中巻きして構成された３相のステータコイルを有するステータと、このステータの内側に回転自在に設けられた偶数の極数を有するロータとを備え、ステータコイルの各相のコイル部は、隣接した少なくとも２つのティース５に連続して導線が巻回され、同相のコイル部が配置されたスロット１４の開口の幅が、異相のコイル部が配置されたスロット１４の開口の幅よりも大きい。
【選択図】図２

Description

この発明は、複数のティースにより複数のスロットが画成されたステータコア、及び各前記ティースに導線が集中巻きして構成された３相のステータコイルを有するステータを備えた回転電機に関するものである。

従来、円筒形状のステータと、このステータの内側に設けられ、ステータに対して回転可能なロータとを備えた永久磁石式電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この電動機では、ロータは、ステータに周方向に並べられた複数の永久磁石を有している。また、ステータは、スロットを画成するティースを有するステータコアと、三相交流の電流が流れるステータコイルとを有している。そして、この各ティースを外径から内径方向に向かってティース幅が狭くなるテーパ形状とすることで、電流を印加した際のトルクの直線性の低下を低減するようになっている。

特開２００５−１６８２２３号公報

しかしながら、上記構成の電動機は、テーパ形状のティースであっても、負荷状態が高くなり、ステータコイルに流れる電流値が大きくなった場合、トルクの線形性が低下するという問題点があった。

この発明に係る回転電機は、円環状のヨークから径内側方向に延びた複数のティースにより複数のスロットが画成されたステータコア、及び各前記ティースに導線が集中巻きして構成された３相のステータコイルを有するステータと、
このステータの内側に回転自在に設けられた偶数の極数を有するロータとを備え、
前記ステータコイルの各相のコイル部は、隣接した少なくとも２つの前記ティースに連続して前記導線が巻回されている回転電機であって、
前記スロットは、同相の前記コイル部が配置されたスロットの開口の幅が、異相の前記コイル部も配置されたスロットの開口の幅よりも大きい。

また、この発明に係る回転電機は、円環状のヨークから径内側方向に延びた複数のティースにより複数のスロットが画成されたステータコア、及び各前記ティースに導線が集中巻きして構成された３相のステータコイルを有するステータと、
このステータの内側に回転自在に設けられたロータとを備え、
前記ティースは、先端部に両周方向にそれぞれ延びたつば部により前記スロットの開口を形成し、
前記ステータコイルの各相のコイル部は、隣接した少なくとも２つの前記ティースに連続して前記導線が巻回されている回転電機であって、
前記つば部は、同相の前記コイル部が配置された前記スロット側の部位の径方向の寸法が、異相の前記コイル部も配置された前記スロット側の部位の径方向の寸法よりも小さい。

この発明による回転電機によれば、スロットは、同相のコイル部が配置されたスロットの開口の幅が、異相のコイル部も配置されたスロットの開口の幅よりも大きくすることで、同相のコイル部が配置されたスロットの開口での漏れ磁束が低減され、ティースの磁気飽和が緩和され、トルクリニアリティー（直線性）が改善される。

また、この発明による回転電機によれば、つば部は、同相のコイル部が配置されたスロット側の部位の径方向の寸法が、異相のコイル部も配置されたスロット側の部位の径方向の寸法よりも小さいので、同相のコイル部が配置されたスロット側のつば部の部位は、より磁気飽和が生じ易くなり、同相のコイル部が配置されたスロットの開口でのつば部間の漏れ磁束が低減される結果、ティースの磁気飽和が緩和され、トルクリニアリティー（直線性）が改善される。

この発明の実施の形態１における永久磁石式電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ及びロータを示す断面図である。 図１のステータコアを示す要部拡大図である。 実施の形態１の永久磁石式電動機、従来の一例である永久磁石式電動機、及び従来の他の例である永久磁石式電動機における、電流とトルクとの関係を示す特性図である。 従来の一例である永久磁石式電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ及びロータを示す断面図である。 従来の他の例である永久磁石式電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ及びロータを示す断面図である。 図１のステータコイルの各相のコイル部のベクトル図である。 図１のステータコイルの各相のコイル部における磁束量を示す図である。 この発明の実施の形態２における永久磁石式電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ及びロータを示す断面図である。 図８のステータコアを示す要部拡大図である。 この発明の実施の形態３における永久磁石式電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ及びロータを示す断面図である。 図１０のステータコアを示す要部拡大図である。 この発明の実施の形態４における永久磁石式電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ及びロータを示す断面図である。 図１２のステータコアを示す要部拡大図である。 この発明の実施の形態５における永久磁石式電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ及びロータを示す断面図である。 図１４のステータコアを示す要部拡大図である。 この発明の実施の形態６における永久磁石式電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ及びロータを示す断面図である。 図１６のステータコアを示す要部拡大図である。 この発明の実施の形態７における永久磁石式電動機の軸線方向に垂直に沿って切断したときの断面図である。

以下、この発明の各実施の形態の永久磁石式電動機について図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における回転電機である永久磁石式電動機（以下、電動機と略称する。）の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ１及びロータ２を示す断面図である。
この電動機は、ステータ１と、このステータ１の内側に回転自在に設けられたロータ２とを備えている。
ステータ１は、複数枚の電磁鋼板が積層されて構成され、円環状のヨーク４及びこのヨーク４から径内側方向に延びた複数のティース５を有するステータコア６と、各ティース５に導線が集中巻きして構成されたステータコイル７とを備えている。
ロータ２は、中心軸線上に沿って延びたシャフトを有する円柱形状の磁性体８と、この磁性体８の外周面に等分間隔で接着された１０個の永久磁石９とを備えている。

ステータコイル７は、Ｕ相のコイル部１０と、Ｖ相のコイル部１１と、Ｗ相のコイル部１２とから構成されており、それぞれのコイル部１０，１１及び１２がＹ結線されて構成されている。
Ｕ相のコイル部１０は、Ｎｏ１のティース５においてステータコア６の中心から視て時計方向に導線を集中巻で巻回し、引き続き右隣のＮｏ２のティース５に反時計方向に導線を集中巻で巻回し、さらにＮｏ７のティース５に反時計方向に導線を集中巻で巻回し、さらにまたＮｏ８のティース５に時計方向に導線を集中巻で巻回して構成される。
Ｖ相のコイル部１１は、Ｎｏ３のティース５においてステータコア６の中心から視て反時計方向に導線を集中巻で巻回し、引き続き右隣のＮｏ４のティース５に時計方向に導線を集中巻で巻回し、さらにＮｏ９のティース５に時計方向に導線を集中巻で巻回し、さらにまたＮｏ１０のティース５に反時計方向に導線を集中巻で巻回して構成される。
Ｗ相のコイル部１２は、Ｎｏ５のティース５においてステータコア６の中心から視て時計方向に導線を集中巻で巻回し、引き続き右隣のＮｏ６のティース５に反時計方向に導線を集中巻で巻回し、さらにＮｏ１１のティース５に反時計方向に導線を集中巻で巻回し、さらにまたＮｏ１２のティース５に時計方向に導線を集中巻で巻回して構成される。

図２は図１のステータ１のステータコア６を示す要部拡大図である。
ティース５の先端部には、周方向の両側にそれぞれ突出したつば部１３が形成されている。
ティース５間に形成されたスロット１４の開口（つば部１３間）の幅寸法Ｓ１、Ｓ２のうち、同相のコイル部１０，１１，１２が配置されたスロット１４の開口の幅寸法Ｓ１は、異相のコイル部１０，１１，１２も配置されたスロット１４の開口の幅寸法Ｓ２よりも大きい。
以下、同相のコイル部１０，１１，１２が配置されたスロット１４の開口の幅寸法を同相の開口の幅寸法と呼ぶ。また、異相のコイル部１０，１１，１２も配置されたスロット１４の開口の幅寸法を異相の開口の幅寸法と呼ぶ。

図３は本願の発明者が実験により電動機における電流値とトルクとの関係を、この実施の形態１の電動機と従来例１，２の電動機とを対比して求めた図である。
図３における従来例１では、ステータコア２０は、図４に示すように、同相の開口の幅寸法Ｓａと、異相の開口の幅寸法Ｓａとは同じであり、これらの幅寸法Ｓａは、実施の形態１の異相の開口の幅寸法Ｓ２と同じである。
図３における従来例２では、ステータコア２１は、図５に示すように、同相の開口の幅寸法Ｓｂと、異相の開口の幅寸法Ｓｂとは同じであり、これらの幅寸法Ｓｂは、実施の形態１の同相の開口の寸法Ｓ１と同じである。

図３から分るように、電流値が小さい領域では、スロット１４の開口の幅寸法Ｓａが小さい従来例１の電動機は開口の幅寸法Ｓｂが大きい従来例２の電動機と比較して、大きなトルク出力を得る。
しかしながら、電流値が大きくなると、この関係は逆転し、従来例２の電動機は従来例１の電動機と比較して大きなトルク出力を得る。
これは、電流が大きな値になると、スロット１４の開口の幅寸法Ｓａが小さい従来例１の電動機では、つば部１３での漏れ磁束が増大して隣接したティース５での磁気飽和が顕著になる。この結果、磁気飽和したティース５での磁気抵抗が増大し、ティース５と通じてロータ２を鎖交する磁束量が低減するためである。

この実施の形態１の電動機では、同相の開口の幅寸法Ｓ１は、異相の開口の幅寸法Ｓ２よりも大きくすることで、図３に示すように電流値が大きな領域では、本来漏れ磁束が大きな同相の開口のつば部１３間の漏れ磁束が低減し、図５に示す従来例２の電動機とほぼ同等のトルクを出力する。
また、異相の開口の幅寸法Ｓ２を図４に示す従来例１の電動機に示すように狭くすることで、図３に示すように電流値が小さい領域では、従来例１の電動機とほぼ同等のトルクを出力する。
即ち、この実施の形態１では、電流値の小さい領域から大きな領域までの全領域において、トルクの出力効率の高く、トルクリニアリティーが高い電動機が得られる。

図６はステータコイル７において、Ｕ相のコイル部１０、Ｖ相のコイル部１１及びＷ相のコイル部１２の各ベクトル図であり、３相電流における各相のコイル部１０，１１、１２は、１２０度の位相差となる。
この実施の形態では、各相のコイル部１０，１１、１２は、図１から分るように連続して２列に並んで配置されており、各ティース５での磁束の大きさは、ベクトルで示すと図７に示す値が得られる。
この時、Ｕ＋とＵ−における磁束は、(０,２)となりその大きさは２となる。
また、Ｗ＋とＵ＋における磁束は、(−（√３）/２,−３/２)となり、その大きさは、（√３）/２）^２＋（３/２）^２の平方根で√３となる。
また、Ｖ−とＵ−における磁束は、(（√３）/２,３/２)となり、その大きさは、Ｗ＋とＵ＋における磁束の大きさと同様に√３となる。
つまり、同相間におけるティース５の部分の磁束の大きさが２に対し、異相間におけるティース５では√３となり、同相間の方がより漏れ磁束量が大きくなる。
このため、同相の開口の幅寸法Ｓ１、異相の開口の幅寸法Ｓ２との関係を、Ｓ１：Ｓ２=２：√３、つまりＳ１=（２/√３）×Ｓ２とすることで、同相のティース５間及び異相のティース５間のそれぞれのつば部１３での漏れ磁束量をほぼ同じにすることができる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２における電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ１Ａ及びロータ２Ａを示す断面図、図９は図８のステータ１Ａのステータコア６Ａを示す要部拡大図である。
このステータ１Ａは、ステータコア６Ａのティース５の数は９で、各ティース５には、
各相のコイル部１０，１１、１２がそれぞれ連続して３列に並んで配置されている。また、実施の形態１の電動機と同様に、同相の開口の幅寸法Ｓ１は、異相の開口の幅寸法Ｓ２よりも大きい。
ロータ２Ａは、磁性体８の周面に８個の永久磁石９が配置されている。
他の構成は、実施の形態１の電動機と同じである。

この実施の形態では、実施の形態１の電動機と同様に、同相の開口の幅寸法Ｓ１は、異相の開口の幅寸法Ｓ２よりも大きいので、実施の形態１と同様に、同相のコイル部１０，１１，１２が配置されたスロット１４の開口での漏れ磁束が低減されてティース５の磁気飽和が緩和され、電流値が大きくなった場合もトルクの線形性が失われることなく、大きなトルクを出力することができる。

実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３における電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ１Ｂ及びロータ２Ｂを示す断面図、図１１は図１０のステータ１Ｂのステータコア６Ｂを示す要部拡大図である。
このステータ１Ｂは、ステータコア６Ｂのティース５の数は１２で、各ティース５には、各相のコイル部１０，１１、１２がそれぞれ連続して２列に並んで配置されている。
また、各ティース５のつば部１３の高さは、同相の開口でＨ１、異相の開口でＨ２とすると、Ｈ１がＨ２よりも小さな値になっている。
また、ロータ２Ｂは、磁性体８の周面に１０個の永久磁石９が配置されている。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態では、同相間のスロット１４の開口でのつば部１３の高さＨ１は、異相間のスロット１４の開口でのつば部１３の高さＨ２よりも小さくなっている。
従って、同相の開口でのつば部１３は、異相の開口でのつば部１３と比較してより磁気飽和が起こり易くなり、同相の開口のつば部１３間の磁気抵抗値が大きくなる。
即ち、磁気飽和の影響により、同相の開口のつば部１３間での漏れ磁束は低減されるので、隣接したティース５の磁気飽和が緩和され、電流値が大きくなった場合もトルクの線形性が失われることなく、大きなトルクを出力することができる。

実施の形態４．
図１２はこの発明の実施の形態４における電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ１Ｃ及びロータ２Ｃを示す断面図、図１３は図１２のステータ１Ｃのステータコア６Ｃを示す要部拡大図である。
このステータ１Ｃは、ステータコア６Ｃのティース５の数は９で、各ティース５には、
各相のコイル部１０，１１、１２がそれぞれ連続して３列に並んで配置されている。また、実施の形態３の電動機と同様に、同相の開口でのつば部１３の高さＨ１は、異相の開口でのつば部１３の高さＨ２よりも小さくなっている。
ロータ２Ｃは、磁性体８の周面に８個の永久磁石９が配置されている。
他の構成は、実施の形態３の電動機と同じである。

この実施の形態では、実施の形態３と同様に、同相の開口でのつば部１３の高さＨ１は、異相の開口でのつば部１３の高さＨ２よりも小さくなっているので、同相の開口でのつば部１３は、異相の開口でのつば部１３と比較してより磁気飽和が起こり易くなり、同相のつば部１３間の磁気抵抗値が大きくなる。
即ち、磁気飽和の影響により、同相のつば部１３間での漏れ磁束は低減されるので、電流値が大きくなった場合もトルクの線形性が失われることなく、大きなトルクを出力することができる。

実施の形態５．
図１４はこの発明の実施の形態５における電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのステータ１Ｄ及びロータ２Ｄを示す断面図、図１５は図１４のステータの１Ｄのステータコア６Ｄを示す要部拡大図である。
このステータ１Ｄは、ステータコア６Ｄのティース５の数は１２で、各ティース５には、各相のコイル部１０，１１、１２がそれぞれ連続して２列に並んで配置されている。また、実施の形態１の電動機と同様に、同相の開口の幅寸法Ｓ１は、異相の開口の幅寸法Ｓ２よりも大きい。さらに、実施の形態３の電動機と同様に、同相の開口でのつば部１３の高さＨ１は、異相の開口でのつば部１３の高さＨ２よりも小さい。
ロータ２Ｄは、磁性体８の周面に１０個の永久磁石９が配置されている。
他の構成は、実施の形態３の電動機と同じである。

この実施の形態５の電動機では、実施の形態１の電動機と同様に同相の開口の幅寸法Ｓ１は、異相の開口の幅寸法Ｓ２よりも大きく、かつ実施の形態３の電動機と同様に、同相の開口でのつば部１３の高さＨ１は、異相の開口でのつば部１３の高さＨ２よりも小さいので、実施の形態１、３のものと比較して、同相の開口での漏れ磁束がより低減され、電流値が大きくなった場合もトルクの線形性が失われることなく、大きなトルクを出力することが可能となる。

実施の形態６．
図１６はこの発明の実施の形態６における電動機の軸線に対して垂直に沿って切断したときのスタータ１Ｅ及びロータ２Ｅを示す断面図、図１７は図１６のステータ１Ｅのステータコア６Ｅを示す要部拡大図である。
このステータ１Ｅは、ステータコア６Ｅのティース５の数は９で、各ティース５には、各相のコイル部１０，１１、１２がそれぞれ連続して３列に並んで配置されている。また、実施の形態５の電動機と同様に、同相の開口の幅寸法Ｓ１は、異相の開口の幅寸法Ｓ２よりも大きく、かつ同相の開口でのつば部１３の高さＨ１は、異相の開口でのつば部１３の高さＨ２よりも小さくなっている。
ロータ２Ｅは、磁性体８の周面に８個の永久磁石９が配置されている。
他の構成は、実施の形態５の電動機と同じである。

この実施の形態６の電動機では、実施の形態５の電動機と同様に、同相の開口での漏れ磁束が低減され、電流値が大きくなった場合もトルクの線形性が失われることなく、大きなトルクを出力することが可能となる。

実施の形態７．
図１８はこの発明の実施の形態７における電動機の軸線方向に垂直に沿って切断したときの断面図である。
この実施の形態では、ステータ１Ｆは、ステータコア６Ｆのティース５Ａが先端部から根元部に向かって膨大のテーパ形状である。
他の構成は、実施の形態１の電動機と同じである。

この実施の形態では、同相の開口での漏れ磁束が低減されることに加えて、ステータコア６Ｆのティース５Ａは先端部から根元部に向かって膨大のテーパ形状であるので、ティース５における磁気飽和が緩和され、さらにトルクの線形性が改善される。

なお、上記各実施の形態１〜７は、ティース５の数が９で極数が８極または１０極の場合、またはティース５，５Ａの数が１２で極数が１０極の場合について説明したが、ティース５，５Ａの数が１２の場合には極数が１４極の場合であってもよい。
また、ティース５，５Ａの数が１８で極数が１６極または２０極、ティース５，５Ａの数が２４で極数が２０極または２８極のように、ティース５の数及び極数のそれぞれの整数倍の電動機においても、同様の効果が得られる。
要は、ステータ１〜１Ｆは、導線が巻回された３Ｚ個（Ｚは自然数）のティース５，５Ａを有し、ロータ２〜２Ｅは、２Ｐ極（Ｐは自然数）の極数を有し、ｑ＝３Ｚ/（３×２Ｐ）とした場合に、０.２５<ｑ<０.５となる関係が成立する電動機であればよい。
また、各実施の形態１〜７の永久磁石９はセグメント型であるが、リング状の永久磁石であってもよい。
また、ロータ２〜２Ｅについては、永久磁石９ではなく、ロータコアに導線を巻回したロータコイルで磁極を構成するようにしてもよい。
また、実施の形態７のティース５Ａは、先端部から根元部に向かって膨大のテーパ形状であるが、このティース５Ａについては、実施の形態２〜７の電動機にも適用できる。
また、実施の形態１，２，７では、ティース５，５Ａの先端部につば部１３が形成されていたが、この発明は、つば部１３を有しないティースを有するステータコアを備えた電動機にも適用することができる。
さらに、上記各実施の形態１〜７では、何れも回転電機である電動機について説明したが、この発明は、発電機にも適用することができる。

１〜１Ｆ ステータ、２〜２Ｅ ロータ、４ ヨーク、５，５Ａ ティース、６〜６Ｆ，２０，２１ ステータコア、７ ステータコイル、８ 磁性体、９ 永久磁石、１０ Ｕ相のコイル部、１１ Ｖ相のコイル部、１２ Ｗ相のコイル部、１３ つば部、１４ スロット。

Claims (8)

1. 円環状のヨークから径内側方向に延びた複数のティースにより複数のスロットが画成されたステータコア、及び各前記ティースに導線が集中巻きして構成された３相のステータコイルを有するステータと、
   このステータの内側に回転自在に設けられた偶数の極数を有するロータとを備え、
   前記ステータコイルの各相のコイル部は、隣接した少なくとも２つの前記ティースに連続して前記導線が巻回されている回転電機であって、
   前記スロットは、同相の前記コイル部が配置されたスロットの開口の幅が、異相の前記コイル部も配置されたスロットの開口の幅よりも大きいことを特徴とする回転電機。
2. 円環状のヨークから径内側方向に延びた複数のティースにより複数のスロットが画成されたステータコア、及び各前記ティースに導線が集中巻きして構成された３相のステータコイルを有するステータと、
   このステータの内側に回転自在に設けられたロータとを備え、
   前記ティースは、先端部に両周方向にそれぞれ延びたつば部により前記スロットの開口を形成し、
   前記ステータコイルの各相のコイル部は、隣接した少なくとも２つの前記ティースに連続して前記導線が巻回されている回転電機であって、
   前記つば部は、同相の前記コイル部が配置された前記スロット側の部位の径方向の寸法が、異相の前記コイル部も配置された前記スロット側の部位の径方向の寸法よりも小さいことを特徴とする回転電機。
3. 前記スロットは、同相の前記コイル部が配置されたスロットの前記開口の幅が、異相の前記コイル部も配置された前記スロットの前記開口の幅よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 同相の前記コイル部が配置された前記スロットの前記開口の前記幅をＳ１、異相の前記コイル部も配置された前記スロットの前記開口の前記幅をＳ２とした場合、Ｓ１=（２/√３）×Ｓ２の関係が成立することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
5. 前記ステータは、３Ｚ個（Ｚは自然数）の前記導線が巻回された前記ティースを有し、前記ロータは、２Ｐ極（Ｐは自然数）の極数を有し、ｑ＝（３Ｚ/３）×２Ｐとした場合に、ｑは、０.２５〜０.５の範囲であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の回転電機。
6. 前記ティースは、先端部から根元部に向かって膨大のテーパ形状であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機。
7. 前記ロータは、磁性体と、この磁性体の周面に配置された永久磁石とを有していることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の回転電機。
8. 回転電機は、電動機であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の回転電機。

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