JP4600860B2

JP4600860B2 - 永久磁石形同期電動機

Info

Publication number: JP4600860B2
Application number: JP2001148708A
Authority: JP
Inventors: 透鹿山; 恭祐宮本
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP2002345224A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コギングトルク、速度リプルの小さいことが要求されるダイレクトドライブモータとして好適な、コギングトルク低減を講じた永久磁石形同期電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コギングトルク、速度リプルの小さいことが要求されるダイレクトドライブモータとして好適な、コギングトルク低減を講じた永久磁石形同期電動機は、図１１、図１２のようになっている（例えば、特表平１０−５１１８３７号公報、特開平０６−０７０５２４号公報）。
図１１は、第１の従来技術を示す永久磁石形同期電動機の正面図である。
この永久磁石形同期電動機は、毎極毎相のスロット数ｑ＝１／２、スロット数Ｓ＝３０、極数Ｐａ＝２０で構成されたものである。
固定子２１は、電機子コア２２、電機子コア２２に形成されたスロット２３に巻装された電機子巻線２４、電機子コア２２の外周を覆うフレーム２５によって構成されている。
電機子コア２２は、そこに発生するヒステリシス損、渦電流損を低減する目的で、主に薄板の珪素鋼板を積層して円筒状に構成される。スロット２３の形状は、予め高密度に巻装した電機子巻線４を挿入できるように、その開口部が開いた凹状に形成されている。回転子１０は、Ｐａ＝２０の磁極を構成する２０個の永久磁石１１、永久磁石１１の磁束を通すためのヨーク１２、ヨーク１２の内周に設けた負荷（図示せず）と連結されるシャフト１３から構成されている。２０個の永久磁石１１はＰａ＝２０の磁極を作るために、回転子１０表面の磁極がＮ、Ｓ、Ｎ、Ｓ…となるように、つまり隣と異極になるように配置されている。また、スロットピッチτｅ（電気角）とτｍ（機械角）は、次のような関係式から求められる。

このように構成された永久磁石形同期電動機は、スロット３３内の導体の占積率が非常に高いため、小さな電流で大きなトルクを得ることができるものである。しかし、一般にはスロット開口部の大きいものは、パーミアンス変化が大きいため、コギングトルクが大きくなることで知られている。そこで、スロット２３の幅を特表平１０−５１１８３７号に開示される適当な幅で設定することにより、コギングトルクを低減する方策が採られている。よって、従来技術でもダイレクトドライブに必要な滑らかな回転が可能となっている。
また、図１２は第２の従来技術を示す永久磁石形同期電動機の正面図である。
この永久磁石形同期電動機が、毎極毎相のスロット数ｑ＝１／２、スロット数Ｓ＝３０、極数Ｐａ＝２０で構成される点は、第１の従来技術と同じである。第１の従来技術と異なる点は、電機子コアを、周方向に複数分割してなる電機子コア２６に替えた点である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、次のような問題があった。
第１の従来技術における永久磁石形電動機の問題は、電機子コア２２の歩留まりが非常に悪いことであった。つまり、多極のダイレクトドライブモータとして構成した場合、一般に回転子１０の外径（電機子コア２２の内径）が大きいため、中空状の電機子コア２２内側の珪素鋼板が大量に無駄になってしまった。
この問題を解決するものとして第２の従来技術を示したが、分割された電機子コア２６間における周方向のクリアランスのばらつきにより、特表平１０−５１１８３７号に開示される最適なスロット３の幅に設定したとしても、大きなコギングトルクが発生した。回転子１０の回転角とコギングトルクとの関係を図１３に示す。この原因によって起こるコギングトルクは、極数Ｐａに依存し、回転子１回転あたり２０周期（１周期を機械角１８°、電気角１８０°）である。クリアランスのばらつきを抑えるため、電機子コア２の寸法精度を向上させたり組み立て精度を向上すると、かえって大きなコスト高を招いた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電機子コアの歩留まりを向上させると共に、コギングトルクを低減することができる永久磁石形同期電動機を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、電機子コアのスロットに電機子巻線を巻装して構成された固定子と、極数Ｐａ（Ｐａは偶数）の磁極を有する回転子から成る３相の永久磁石形同期電動機において、前記固定子は、前記電機子コアを周方向に１２０°間隔に分割すると共にスロット数Ｓから成る電機子ユニットを３個配置して構成してあり、前記電機子ユニットの毎極毎相のスロット数ｑを、ｑ＝１／２、１／４、２／５、２／７、３／８、３／１０のいずれかに設定し、かつ、スロット数Ｓ、毎極毎相のスロット数ｑ、極数Ｐａの関係を、Ｓ／ｑ＝２ｎおよびＰａ＝（Ｓ／ｑ）＋２（但し、ｎは自然数）の式に設定したものである。
請求項２の本発明は、電機子コアのスロットに電機子巻線を巻装して構成された固定子と、極数Ｐａ（Ｐａは偶数）の磁極を有する回転子から成る３相の永久磁石形同期電動機において、前記固定子は、前記電機子コアを周方向に１２０°間隔に分割すると共にスロット数Ｓから成る電機子ユニットを３個配置して構成してあり、前記電機子ユニットの毎極毎相のスロット数ｑを、ｑ＝２／５、２／７のいずれかに設定し、かつ、スロット数Ｓ、毎極毎相のスロット数ｑ、極数Ｐａの関係を、Ｓ／ｑ＝２ｎ＋１およびＰａ＝（Ｓ／ｑ）＋１（但し、ｎは自然数）の式で表したものである。
上記手段により、電機子コア２を構成する珪素鋼板の歩留まりを大幅に向上することができる。しかもこの構造では、１２０度位相をずらすことが可能となるので、１２０度位相の３つの電機子コア２両端で発生するコギングトルクが相殺でき、全体で発生するコギングトルクを無くすことができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発面の実施例を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図である。なお、回転子１０の構成については、従来技術と基本的に同じなので説明を省略し、本発明の構成要素が従来技術と異なる点のみ説明する。
図において、１は固定子、２は電機子コア、３はロット、４は電機子巻線、５はフレーム、６、７、９は電機子ユニットである。
すなわち、固定子１は、従来の円筒状に積層された電機子コアを、周方向に機械角βｍ＝１２０°間隔に分割すると共にスロット数Ｓから成る電機子ユニット６、７、８を３個配置して構成してあり、各電機子ユニット６、７、８をフレーム５の内面に沿って固定している。
さらに具体的には、この電機子ユニット６、７、８は、それぞれ毎極毎相のスロット数ｑ＝１／２となるように、電機子コア２にスロット数Ｓ＝９のスロット３が施されている。そして、このように構成された電機子ユニットにおいて、スロット数Ｓ、毎極毎相のスロット数ｑ、極数Ｐａの関係は、
Ｓ／ｑ＝９／（１／２）＝１８、
Ｐａ＝（Ｓ／ｑ）＋２＝（９／（１／２））＋２＝２０、
に設定されている。ここで、電機子ユニット６、７、８の周方向ずれ角βｅ（電気角）は、
βｅ＝Ｐａ×１８０°×（１２０°／３６０°）＝１２００°＝１２０°
となる。つまり、３つの電機子ユニット６、７、８は機械的にも電気的にも１２０°ずれている。３つの電機子ユニット６、７、８が互いに電気角１２０°ずれているため、各電機子ユニット６、７、８の電機子巻線４も１２０°ずらして巻装されている。つまり、第１の電機子ユニット６に巻装された電機子巻線４を構成するコイルがＵ、Ｖ、Ｗ相の順に並んでいるとすれば、第２、第３の電機子ユニット７、８に巻装される電機子巻線４のコイルはＶ、Ｗ、Ｕ相の順、Ｗ、Ｕ、Ｖ相の順に並べられている。
【０００６】
また、スロットピッチτｅ（電気角）とτｍ（機械角）、電機子ユニット６、７、８間の隙間δｅ（電気角）とδｍ（機械角）は次のような関係式から求められる。

【０００７】
このように構成された永久磁石形同期電動機における回転子の回転角とコギングトルクとの関係を図２示す。
第１の電機子ユニット６と回転子１０によって引き起こるコギングトルクＴ₁は、回転子１回転あたり２０周期（１周期を機械角１８°、電気角１８０°）とする振幅の大きなものである。この発生原因は、電機子ユニット６両端の大きなパーミアンス変化によるものである。しかし、第２、第３の電機子ユニット７、８と電気的に１２０°ずれているので、各々に発生するコギングトルクＴ₂、Ｔ₃も１２０°ずれていることになる。その結果、全体で発生するコギングトルクＴは相殺され、ほとんどゼロになる。
また、電機子コア２の形状は、電機子コア２内側の珪素鋼板を大量に無駄にしていた従来の中空状と違い、円弧状で構成されるため、この円弧状の型によって同一方向に珪素鋼板をプレスしていくことにより、従来無駄にしていた中空部分の珪素鋼板を無くすことができるため、電機子コア２を構成する珪素鋼板の歩留まりを大幅に向上することができる。
【０００８】
次に、第２の実施例〜第６の実施例について説明する。
表１は、第２の実施例〜第６の実施例における電機子ユニットの仕様を比較したものである。
【０００９】
【表１】

【００１０】
図３は本発明の第２の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図、図４は第３の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図、図５は第４の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図、図６は第５の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図、図７は第６の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図である。
各々の実施例において、電機子コア２のスロット３に電機子巻線４を巻装してなる電機子ユニットが周方向に３個配置される構成、スロット３の形状、電機子巻線４の巻装方法などは第１の実施例と基本的に同じである。
また、表１に示すように、各々の実施例における極数Ｐａ、電機子ユニットのずれ角（電気角）βｅ、スロットピッチτｅ（電気角）とτｍ（機械角）、電機子ユニット間の隙間δｅ（電気角）とδｍ（機械角）は第１の実施例と同様に下式によって設定されているが、各実施例でその計算値となる仕様は異なる。
Ｐａ＝（Ｓ／ｑ）＋２
βｅ＝Ｐａ×１８０°×（１２０°／３６０°）
τｅ＝１８０°／ｑ／３
τｍ＝τｅ×２／Ｐａ
δｅ＝（Ｐａ×１８０°−３×Ｓ×τｅ）／３
δｍ＝δｅ×２／Ｐａ
このように３つの電機子ユニット６、７、８は、すべての実施例で機械的にも電気的にも１２０°ずれている。
したがって、第２の実施例〜第６の実施例は、第１の実施例と同様、各電機子ユニット６、７、８によって発生するコギングトルクは相殺され、全体で発生するコギングトルクをほぼゼロにすることができる。また、電機子コア２の形状も、第１の実施例同様、円弧状となっている。この円弧状の型によって同一方向に珪素鋼板をプレスしていくことにより、従来無駄にしていた中空部分の珪素鋼板を無くすことができるため、電機子コア２を構成する珪素鋼板の歩留まりを大幅に向上することができる。
【００１１】
次に、第７の実施例〜第８の実施例について説明する。
表２は、第７の実施例〜第８の実施例における電機子ユニットの仕様を比較したものである。
【００１２】
【表２】

【００１３】
図８は第７の実施例における永久磁石形同期電動機の正面図である。
回転子１０は、従来技術と同様にして構成されるので、説明を省略する。固定子１は、３つの電機子ユニット６、７、８とそれらを覆うフレーム５から構成されている。３つの電機子ユニット６、７、８はフレーム５内面に沿って周方向機械角βｍ＝１２０°間隔に配置されている。１個の電機子ユニットは、スロット数Ｓ＝６、毎極毎相のスロット数ｑ＝２／５となるように、電機子コア２にスロット３が施され、スロット３には電機子巻線４が巻装されている。
このように構成された固定子１において、
Ｓ／ｑ＝６／（２／５）＝１５（２ｎ＋１＝１５であるためｎ＝７に設定）
Ｐａ＝（Ｓ／ｑ）＋１＝（６／（２／５））＋１＝１６
に設定されている。ここで、電機子ユニットのずれ角βｅ（電気角）は、
βｅ＝Ｐａ×１８０°×（１２０°／３６０°）＝９６０°＝２４０°
となる。つまり、３つの電機子ユニット６、７、８は機械的には１２０°、電気的には２４０°ずれていることになる。３つの電機子ユニット６、７、８が互いに電気角２４０°ずれていることから、各電機子ユニット６、７、８の電機子巻線４も２４０°ずらして巻装されている。つまり、第１の電機子ユニット６に巻装される電機子巻線４のコイルがＵ、Ｖ、Ｗ相の順に並べられているとすれば、第７の実施例では、第２、第３の電機子ユニット７、８に巻装される電機子巻線４のコイルはＷ、Ｕ、Ｖ相の順、Ｖ、Ｗ、Ｕ相の順に並べられている。
また、スロットピッチτｅ（電気角）とτｍ（機械角）、電機子ユニットの隙間δｅ（電気角）とδｍ（機械角）は次のような関係式から求められる。

このように構成された永久磁石形同期電動機における回転子１の回転角とコギングトルクとの関係を図９に示す。第１の電機子ユニット６と回転子１によって引き起こるコギングトルクＴ₁は、回転子１回転あたり１６周期（１周期を機械角２２．５°、電気角１８０°）とする振幅の大きなものである。この発生原因は、第１の実施例同様、電機子ユニット両端の大きなパーミアンス変化によるものである。しかし、第２、第３の電機子ユニット７、８と電気的に２４０°ずれているので、各々に発生するコギングトルクＴ₂、Ｔ₃も２４０°ずれていることになる。その結果、全体で発生するコギングトルクＴは相殺され、ほとんどゼロになるのである。
また、電機子コア２の形状は、電機子コア２内側の珪素鋼板を大量に無駄にしていた中空の従来形状と違い、第１〜６の実施例同様円弧状となっている。この円弧状の型によって同一方向に珪素鋼板をプレスしていくことにより、従来無駄にしていた中空部分の珪素鋼板を無くすことができるため、電機子コア２を構成する珪素鋼板の歩留まりを大幅に向上することができる。
【００１４】
図１０は第８の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面面である。
第８の実施例において、３つの電機子ユニット６、７、８が機械的には１２０°電気的には２４０°ずれている点は第７の実施例と同様であり、１個の電機子ユニットがスロット数Ｓ＝６、毎極毎相のスロット数ｑ＝２／７で構成されているものである。第７の実施例と合わせて、各部の角度を表２に示す。第８の実施例も第７の実施例同様の効果を得ることができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の各々の実施例における永久磁石形同期電動機は、従来技術の電機子コアを１２０°間隔に分割してなる電機子ユニットを３個配置し、電機子ユニットの毎極毎相のスロット数ｑを、ｑ＝１／２、１／４、２／５、２／７、３／８、３／１０のいずれかに設定し、かつ、スロット数Ｓ、毎極毎相のスロット数ｑ、極数Ｐａの関係を、Ｓ／ｑ＝２ｎおよびＰａ＝（Ｓ／ｑ）＋２、あるいは、電機子ユニットの毎極毎相のスロット数ｑを、ｑ＝２／５、２／７のいずれかに設定し、かつ、スロット数Ｓ、毎極毎相のスロット数ｑ、極数Ｐａの関係を、Ｓ／ｑ＝２ｎ＋１およびＰａ＝（Ｓ／ｑ）＋１（但し、ｎは自然数）とした構成にしたため、コギングトルクを相殺し、全体のコギングトルクをほぼゼロにすることができる。
また、本発明の電機子ユニットは、電機子コア内側の珪素鋼板を大量に無駄にしていた従来技術とは異なり、円弧状に形成された型によって同一方向に珪素鋼板をプレスしていくことにより、電機子コア２を構成する珪素鋼板の歩留まりを大幅に向上することができる。つまり、電機子コアの歩留まりを向上させつつ、コギングトルクを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図２】本発明の第１の実施例におけるコギングトルク波形を示す図
【図３】本発明の第２の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図４】本発明の第３の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図５】本発明の第４の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図６】本発明の第５の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図７】本発明の第６の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図８】本発明の第７の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図９】本発明の第７の実施例におけるコギングトルク波形を示す図
【図１０】本発明の第８の実施例を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図１１】第１の従来技術を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図１２】第２の従来技術を示す永久磁石形同期電動機の正面図
【図１３】第２の従来技術におけるコギングトルク波形を示す図
【符号の説明】
１固定子
２電機子コア
３スロット
４電機子巻線
５フレーム
６、７、８電機子ユニット
１０回転子
１１永久磁石
１２ヨーク
１３シャフト

Claims

電機子コアのスロットに電機子巻線を巻装して構成された固定子と、極数Ｐａ（Ｐａは偶数）の磁極を有する回転子から成る３相の永久磁石形同期電動機において、
前記固定子は、前記電機子コアを周方向に１２０°間隔に分割すると共にスロット数Ｓから成る電機子ユニットを３個配置して構成してあり、
前記電機子ユニットの毎極毎相のスロット数ｑを、
ｑ＝１／２、１／４、２／５、２／７、３／８、３／１０
のいずれかに設定し、かつ、スロット数Ｓ、毎極毎相のスロット数ｑ、極数Ｐａの関係を，
Ｓ／ｑ＝２ｎおよびＰａ＝（Ｓ／ｑ）＋２（但し、ｎは自然数）
の式で表したことを特徴とする永久磁石形同期電動機。
電機子コアのスロットに電機子巻線を巻装して構成された固定子と、極数Ｐａ（Ｐａは偶数）の磁極を有する回転子から成る３相の永久磁石形同期電動機において、
前記固定子は、前記電機子コアを周方向に１２０°間隔に分割すると共にスロット数Ｓから成る電機子ユニットを３個配置して構成してあり、
前記電機子ユニットの毎極毎相のスロット数ｑを、
ｑ＝２／５、２／７
のいずれかに設定し、かつ、スロット数Ｓ、毎極毎相のスロット数ｑ、極数Ｐａの関係を、
Ｓ／ｑ＝２ｎ＋１およびＰａ＝（Ｓ／ｑ）＋１（但し、ｎは自然数）
の式で表したことを特徴とする永久磁石形同期電動機。