JP2000253602A

JP2000253602A - 直流モータ

Info

Publication number: JP2000253602A
Application number: JP5086599A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Matsuoka; 篤松岡; Hitoshi Kawaguchi; 仁川口; Kazuhiro Nakane; 和広中根; Mineo Yamamoto; 峰雄山本; Hiroyuki Ishii; 博幸石井; Togo Yamazaki; 東吾山崎; Kazunori Matsunaga; 和典松永; Osamu Nakasaki; 修中崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP3604577B2

Abstract

(57)【要約】【課題】９スロット８極の３相直流モータを更に高出
力トルクを発生するようにする。【解決手段】ステータ１の１相を構成する３個のティ
ース１ａ〜１ｃの先端の幅を６０−α／２［ｄｅｇ］，
α［ｄｅｇ］，６０−α／２［ｄｅｇ］、すなわち、４
０＜α＜５０の範囲に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ステータのスロ
ット数とロータの磁極数の比が９：８となる直流モータ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９及び図１０は従来のスロット数と磁
極数が３：２となる３相直流モータを示す図で、図９は
ステータ及びロータ部分の構成図、図１０はティースと
ロータとの位置関係説明図である。図はステータ１のス
ロット２の数が１２、ロータ４の磁極数が８の直流モー
タを示し、スロット２の数と同数のティース１ａ〜１ｃ
にそれぞれ同回数の巻線（図示しない）が集中的に巻回
されている。３相直流モータであるため、１相当たりの
ティースは４個であり、これらが等間隔に配置されてい
る。

【０００３】ティース１ａ〜１ｃとロータ４のマグネッ
トに、図１０のような関係があると仮定すると、１ティ
ースに入るロータマグネットの磁束量Ｂ３２ａは、最大
磁束密度をＢ、ティース１ａの一端からの角度（位置）
をθ、ロータ４の回転角をθｒとすると、次の数式
（１）のように示される。

【０００４】

【数１】

【０００５】ここで、ロータ４が角速度ω（θｒ＝ω
ｔ、ｔは時間）で回転していると仮定すると、ティース
１ａに巻回された巻線に発生する誘起電圧Ｖ３２ａは、
数式（２）のようになる。

【数２】ここに、Ｎ：１相当たりの総巻数Ｋｅ：鉄心幅等に関する係数以上から、１相に発生する誘起電圧Ｖ３２を求めると、
数式（３）のようになる。

【０００６】

【数３】

【０００７】誘起電圧Ｖ３２と相に通電する電流の積に
よって、出力トルクが得られる。次に、図１１及び図１
２は従来のスロット数と磁極数が９：８となる３相直流
モータを示す図で、図１１はステータ及びロータ部分の
構成図、図１２はティースとロータとの位置関係説明図
である。図はステータ１のスロット２数が９、ロータ４
の磁極数が８の直流モータを示し、それぞれのティース
１ａ〜１ｃに巻線３が集中的に巻回される点では、上記
の１２スロット８極の直流モータと同様であるが、１相
を構成するティース１ａ〜１ｃの配置が異なる。

【０００８】１相当たりのティース１ａ〜１ｃの数は３
となり、これらが各相ごとに連続して配置される。ま
た、同相で隣接するティースでは、巻線３の巻回方向が
逆となっている。つまり、３個連続して配置されたティ
ース１ａ〜１ｃは、両端のティース１ａ，１ｃと、中央
のティース１ｂとで巻線３に電流を流したときに生じる
磁極が異なる。図１２のような構成を考えると、３個の
ティース１ａ〜１ｃに入る磁束量Ｂ９８ａ〜Ｂ９８ｃ
は、数式（４）〜（６）のようになる。

【０００９】

【数４】

【００１０】上記と同様に、ロータ４が角速度ωで回転
しているとすると、各ティース１ａ〜１ｃに巻回された
巻線３に生じる誘起電圧Ｖ９８ａ〜Ｖ９８ｃは、各ティ
ース１ａ〜１ｃに入る磁束量をＢ９８ａ〜Ｂ９８ｃとす
ると、数式（７）〜（９）のようになる。

【数５】となり、１相当たりの誘起電圧Ｖ９８を求めると、数式
（１０）のようになる。

【００１１】

【数６】

【００１２】９スロット８極及び１２スロット８極の直
流モータを、同サイズ、同電流及び同巻回数で出力トル
ク（誘起電圧）を比較すると、数式（１１）のようにな
る。

【００１３】

【数７】

【００１４】このように、９スロット８極の直流モータ
は、１２スロット８極、つまりスロット：極数が３：２
の組合せの直流モータと比較すると、出力が１０％高い
ことが分かる。また、コギングトルクに対しても、９ス
ロット８極の直流モータは、有利である。コギングトル
クは、ステータ１のスロット２の数とロータ４の磁極数
の最小公倍数の周波数で発生し、その振幅は周波数に反
比例する。

【００１５】９スロット８極のコギングトルクの周波数
は７２となり、１２スロット８極の２４と比べると周波
数が高くなり、振幅は小さくなり、コギングトルクは低
減される。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の直
流モータは９スロット８極にすることにより、一般によ
く用いられるスロット数：極数が３：２のものに比べ
て、高トルクで低コギングが得られるが、種々の負荷に
対応できるように、更に高トルクの実現が要望されると
いう問題点がある。

【００１７】この発明は上記問題点を解消するためにな
されたもので、更に高効率化及び高出力化を図ることが
できるようにした９スロット８極の直流モータを提供す
ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明の第１発明に係
る直流モータは９ｎスロット、８ｎ極の直流モータにお
いて、１相を構成する３個のティースのうち、中央のテ
ィースの先端の幅と、その両側のティースの先端の幅と
を異ならせたものである。

【００１９】また、第２発明に係る直流モータは、９ｎ
スロット、８ｎ極の直流モータにおいて、１相を構成す
る３個のティースのうち、中央のティースの先端の幅α
［ｄｅｇ］を、４０／ｎ＜α≦５０／ｎとしたものであ
る。

【００２０】また、第３発明に係る直流モータは、第２
発明のものにおいて、各スロットの断面積をほぼ等しく
したものである。

【００２１】また、第４発明に係る直流モータは、９ｎ
スロット、８ｎ極の直流モータにおいて、１相を構成す
る３個のティースのうち、中央のティースの巻線回数
を、その両側のティースの巻線回数よりも多くしたもの
である。

【００２２】また、第５発明に係る直流モータは、第２
又は第４発明のものにおいて、中央のティースの巻線部
分の幅と、その両側のティースの巻線部分の幅とを異な
らせたものである。

【００２３】また、第６発明に係る直流モータは、第５
発明のものにおいて、３個のティースの巻線回数が等し
いときは、各スロットの断面積をほぼ等しくし、巻線回
数が異なるときは、中央のティースの両側のスロットの
断面積を他のスロットの断面積よりも広く設定したもの
である。

【００２４】また、第７発明に係る直流モータは、第１
〜第６発明のものを空気調和機の送風機駆動用に適用し
たものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】実施の形態１図１〜図３はこの発明の第１及び第２発明の一実施の形
態を示す図で、図１はステータ及びロータ部分の構成
図、図２はティースとロータとの位置関係説明図、図３
はティース幅対誘起電圧比曲線図であり、図中同一符号
は同一部分を示す（以下の実施の形態も同じ）。

【００２６】図１及び図２において、１はステータで、
ティース１ａ〜１ｃが形成され、ティース１ａ〜１ｃ間
にスロット２が形成されている。また、ティース１ａ〜
１ｃには巻線３が巻回されている。４はステータ１の内
側に設けられマグネットからなるロータである。すなわ
ち、ステータ１はＵ相〜Ｗ相の３相に区分され、各相を
構成する３個のティース１ａ〜１ｃは連続して配置さ
れ、それぞれに巻回される巻線３は、中央のティース１
ｂだけ両側のティース１ａ，１ｃとは逆向きに巻回され
ている。これで、ステータ９スロット、ロータ８極の組
合せを持つ３相直流モータが構成されている。

【００２７】ここで、１相当たりに発生する巻線２の誘
起電圧とティース１ａ〜１ｃの幅の関係に注目する。３
個のティース１ａ〜１ｃのうち、中央のティース１ｂの
幅をα［ｄｅｇ］とすると、１相を構成するティース１
ａ〜１ｃの歯幅は、それぞれ６０−α／２［ｄｅｇ］，
α［ｄｅｇ］，６０−α／２［ｄｅｇ］とすることがで
きる。

【００２８】今、ロータ４の表面磁束密度の分布が正弦
波形であると仮定し、１相を構成する３個のティース１
ａ〜１ｃの一端からの角度（位置）をθ、ロータ４の回
転角をθｒとすると、ロータ４から各ティース１ａ〜１
ｃに入る磁束量Ｂａ〜Ｂｃは、最大磁束密度をＢとする
と、下記の数式（１２）〜（１４）のように表すことが
できる。

【００２９】

【数８】

【００３０】今、ロータ４が角速度ωで回転している
（θｒ＝ωｔ、ｔ：時間）と仮定すると、ティース１ａ
〜１ｃの巻線３に発生する誘起電圧Ｖａ〜Ｖｃは下記の
数式（１５）〜（１７）のようになる。

【数９】ここに、Ｎ：１相当たりの総巻数Ｋｅ：鉄心幅等に関する係数

【００３１】これで、１相に発生する誘起電圧１αを求
めると、下記の数式（１８）のように表すことができ
る。

【００３２】

【数１０】

【００３３】このようにして得られた誘起電圧Ｖαと、
図１２に示す各ティース１ａ〜１ｃの各幅を等間隔に配
置した場合の誘起電圧Ｖ４０とを比較すると数式（１
９）のようになる。

【００３４】

【数１１】

【００３５】ティース１ｂの幅をパラメータとして、数
式（１９）の値を求めると、図３のようになる。図３で
明らかなように、中央のティース１ｂの幅α［ｄｅｇ］
が、４０＜α＜５０の範囲にあるとき、従来のティース
１ａ〜１ｃを等間隔に配置した場合よりも高い誘起電圧
Ｖαが発生する。直流モータの出力トルクは、誘起電圧
と相を流れる電流の積により得られるため、同一の電流
を流したときに発生するトルクは、中央のティース１ｂ
の幅が、４０＜α＜５０の範囲に設定したときに大きく
なる。

【００３６】このようにして、１相を構成する３個のテ
ィース１ａ〜１ｃの幅を、両端と中央とで不等間隔にす
ることにより、モータの出力を向上することが可能とな
る。コギングトルクについてはティース１ａ〜１ｃの幅
が等間隔でなくなることから、既述の７２倍の周波数の
脈動が得られなくなるため、その振幅は大きくなる可能
性がある。

【００３７】しかし、７２倍の周波数の１周期は５［ｄ
ｅｇ］となり、実際にはステータ１及びロータ４の寸法
の精度によっては、正確に７２倍の周波数の脈動が発生
しない可能性が高い。例えば、ロータ４の磁極のピッチ
や磁力に不平衡が生じた場合、スロット２の数と同じ９
倍の周波数のコギングトルクの脈動が発生する可能性が
ある。また、ロータ４の軸が偏心している場合には、ロ
ータ４の磁極数と同じ８倍の周波数のコギングトルク脈
動が発生する可能性もある。

【００３８】これらの影響を考えると、実施の形態１の
ようなステータ１の構成にすることにより、理想的なコ
ギングトルクと比較すれば、その振幅が大きくなる可能
性はあるが、実際には、製造上のばらつきを考慮に入れ
れば、それほど大きな影響を与えることはなく、実用上
有用なものとすることが期待できる。

【００３９】実施の形態２図４はこの発明の第３発明の一実施の形態を示すステー
タ部の構成図（一部省略）である。この実施の形態で
は、実施の形態１と同様、ステータ１の１相を形成する
３個のティース１ａ〜１ｃの先端の幅は、６０−α／２
［ｄｅｇ］，α［ｄｅｇ］，６０−α／２［ｄｅｇ］
（４０＜α＜５０）となっている。しかし、スロット２
の断面積がほぼ均一になるように、ティース１ａ〜１ｃ
の巻線部の幅と配置を選んでいる点が異なる。

【００４０】図４では、ティース１ａ〜１ｃの巻線部の
幅をすべて同一とし、その配置を４０［ｄｅｇ］ごとに
等間隔にしている。これによって、各スロット２の断面
積は均一となる。そして、各ティース１ａ〜１ｃに施さ
れる巻線３の巻回数は、すべてのティース１ａ〜１ｃに
対して同回数としている。このような構成によって、実
施の形態１において生じる巻線３の占積率の低下を防止
するものである。

【００４１】すなわち、各スロット２の断面積が異なる
場合には、スロット２に収納される巻線３の量は、断面
積の狭いスロット２の面積で制限を受けてしまい。全体
として占積率は低下する。このため、図４のステータ１
では、ティース１ａ〜１ｃの先端の幅だけを不等間隔に
して、各スロット２の断面積が均一となるようにティー
ス１ａ〜１ｃの巻線部を配置してある。このようにし
て、巻線３の占積率の低下を抑えつつ、出力の向上を図
ることが可能となる。

【００４２】実施の形態３図５及び図６はこの発明の第４発明の一実施の形態を示
すティースの巻線状態説明図、図６は誘起電圧と通電電
流の位相関係を示す波形図である。この実施の形態で
は、従来と同様、ステータ１の１相を形成する３個のテ
ィース１ａ〜１ｃの形状が連続して配置されているが、
３個のティース１ａ〜１ｃに巻回される巻線３の巻回数
が異なっている。図５では、ティース１ａ，１ｃにｍ
回、ティース１ｂにｍ回巻回されており、ｎとｍの関係
は、ｎ＜ｍとなっている。

【００４３】実施の形態１において述べたように、中央
のティース１ｂの先端の幅を広げることで、１相に発生
する誘起電圧が高くなり、出力が向上することから、発
生するトルクは中央のティース１ｂが寄与する割合が大
きいことが分かる。これは、図６に示す各ティース１ａ
〜１ｃに発生する誘起電圧とモータの駆動電流との関係
を見れば明らかとなる。すなわち、各ティース１ａ〜１
ｃに発生する誘起電圧は、それぞれ位相が異なっている
（ただし、各ティース１ａ〜１ｃの巻線３の巻回数は同
一とした場合を示している）。

【００４４】これは、ティース１ａ〜１ｃの幅が４０
［ｄｅｇ］間隔であるのに対して、ロータ４の磁極が４
５［ｄｅｇ］間隔であるために生じるもので、電気角で
はそれぞれ２０［ｄｅｇ］ずれている。相に発生する誘
起電圧は、これらの合成によるものとなり、モータを駆
動する際には、中央のティース１ｂの誘起電圧の位相に
合わせて電流を通電する。このため、ティース１ａでは
進み位相の通電、ティース１ｃでは遅れ位相の通電とな
り、最適な位相での通電がなされず、ティース１ａ〜１
ｃの巻線３の巻回数が同回数の場合、効率的にトルクを
発生することができない。

【００４５】このため、図５のステータ１では、ティー
ス１ｂの巻線２の巻回数をティース１ａ，１ｃよりも多
くしたものであり、出力トルクを向上させることが可能
となる。特に、実施の形態１のように、ティース１ａ〜
１ｃを不等間隔に配置したステータ１の場合には、各ス
ロット２の断面積が不均一となっているため、ティース
１ｂの巻線回数を多くすることで、スロット断面積の不
均一による巻線占積率の低下を改善することも可能とな
る。

【００４６】しかし、１ティースに対する巻線回数を増
加させると、巻線３のコイル端部が大きくなり、巻線抵
抗が増加する。このため、モータ駆動時の銅損（巻線３
の抵抗により生じる損失）が増大する。したがって、巻
線３の巻回数ｎと巻回数ｍの値の取り得る範囲はある程
度限定され、その範囲内で最適値が存在する。

【００４７】実施の形態４図７はこの発明の第５及び第６発明の一実施の形態を示
すステータ部の構成図（一部省略）である。この実施の
形態では、１相を構成する３個のティース１ａ〜１ｃの
うち、中央のティース１ｂだけ巻線部の幅が異なってい
る。図７では、中央のティース１ｂの幅をγ、両側のテ
ィース１ａ，１ｃの幅をβとしおり、幅γと幅βで寸法
が異なっている。

【００４８】実施の形態１のように、中央のティース１
ｂの先端の幅を広くすると、そこに入るロータ４の磁束
は、両側のティース１ａ，１ｃよりも多くなるため、巻
線部の磁束部の磁束密度は高くなる。一方実施の形態３
のように、中央のティース１ｂの巻線３の巻回数を多く
すると、巻線３に通電したときに生じる磁束密度も、両
側のティース１ａ，１ｃよりも高くなる。このため、巻
線部の幅を広げることで、磁束密度を下げ、鉄損の増加
を防ぎ、効率を改善することが可能となる。

【００４９】このとき、ステータ１のスロット２の断面
積は、３個のティース１ａ〜１ｃの巻線３の巻回数が等
しい場合には均一にし、巻線３の巻回数が異なる場合に
は、中央のティース１ｂの両側のスロット２の断面積を
広くするように、ティース１ａ〜１ｃの巻線部の寸法を
設定すると、巻線３の占積率を向上することができ、高
効率化が可能となる。

【００５０】実施の形態５図８はこの発明の第７発明の一実施の形態を示す空気調
和機の構成図である。図において、１１は室内機で室外
機１２に接続されている。室内機１２には、上記各実施
の形態に示した直流モータ１３によって駆動される送風
機１４を有している。

【００５１】送風機１４用の直流モータ１３は、低騒音
で効率の良いことが求められるため、コギングトルクが
小さく、出力トルクが高く、かつ効率の良いスロット数
9ｎ、磁極数８ｎの直流モータ１３は、それに適してい
る。これに対して、上記各実施の形態に示した直流モー
タ１３は更に出力が高く、かつ効率が良いため、送風機
１４用として好適なものとなっている。これにより、低
騒音で効率の良い送風機用直流モータ１３とすることが
可能となる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したとおりこの発明の第１発明
では、１相を構成する３個のティースのうち、中央のテ
ィースの先端の幅と、その両側のティースの先端の幅と
を異ならせ、第２発明では、中央のティースの先端の幅
α［ｄｅｇ］を、４０／ｎ＜α≦５０／ｎとしたので、
３相直流モータの出力トルクを向上することができる。

【００５３】また、第３発明では、各スロット断面積を
ほぼ等しくしたので巻線の占積率の低下を改善し、モー
タの高効率化を図ることができる。

【００５４】また、第４発明では、１相を構成する３個
のティースのうち、中央のティースの巻線回数を、その
両側のティースの巻線回数よりも多くしたので、３相直
流モータの出力トルクを更に向上することができる。

【００５５】また、第５発明では、中央のティースの巻
線部分の幅と、その両側のティースの巻線部分の幅を異
ならせたので、ティースの磁束密度が高くなるのを抑
え、モータの高効率化を図ることができる。

【００５６】また、第６発明では、３個のティースの巻
線回数が等しいときは、各スロットの断面積をほぼ等し
くし、巻線回数が異なるときは、中央のティースの両側
のスロットの断面積を他のスロットの断面積よりも広く
設定したので、巻線の占積率を向上させることができ、
モータの高効率化を図ることができる。

【００５７】また、第７発明では、上記の直流モータを
空気調和機の送風機駆動用に適用したので、低騒音かつ
高効率な送風用モータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を示すステータ及
びロータ部分の構成図。

【図２】図１のティースとロータとの位置関係説明
図。

【図３】この発明の実施の形態１を示すティース幅
対話誘起電圧比曲線図。

【図４】この発明の実施の形態２を示すステータ部の
構成図（一部省略）。

【図５】この発明の実施の形態３を示すティースの巻
線状態説明図。

【図６】この発明の実施の形態３を示す誘起電圧と通
電電流の位相関係を示す波形図。

【図７】この発明の実施の形態４を示すステータ部の
構成図（一部省略）。

【図８】この発明の実施の形態５を示す空気調和機の
構成図。

【図９】従来のスロット数と磁極数が３：２となる３
相直流モータのステータ及びロータ部分の構成図。

【図１０】図９のティースとロータとの位置関係説明
図。

【図１１】従来のスロット数と磁極数が９：８となる
３相直流モータのステータ及びロータ部分の構成図。

【図１２】図１１のティースとロータとの位置関係説
明図。

【符号の説明】

１ステータ、１ａ〜１ｃティース、２スロット、
３巻線、４ロータ、１１空気調和機の室内機、１
２空気調和機の室外機、１３直流モータ、１４送
風機

フロントページの続き (72)発明者中根和広東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者山本峰雄東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者石井博幸東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者山崎東吾東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者松永和典東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者中崎修東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H002 AA09 AE07 5H623 AA02 AA04 BB07 GG13 GG25 HH04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】８ｎ（ｎは自然数）個の磁極を有するロ
ータと、９ｎ（ｎは自然数）個のスロット及びこのスロ
ット間に形成されるティースを有する鉄心に巻線が施さ
れたステータとにより構成された直流モータにおいて、
１相を構成する３個のティースのうち、中央のティース
の先端の幅と、その両側のティースの先端の幅とを異な
らせたことを特徴とする直流モータ。
【請求項２】８ｎ（ｎは自然数）個の磁極を有するロ
ータと、９ｎ（ｎは自然数）個のスロット及びこのスロ
ット間に形成されるティースを有する鉄心に巻線が施さ
れたステータとにより構成された直流モータにおいて、
１相を構成する３個のティースのうち、中央のティース
の先端の幅α［ｄｅｇ］を、４０／ｎ＜α≦５０／ｎ
（ｎは自然数）としたことを特徴とする直流モータ。
【請求項３】各スロットの断面積をほぼ等しくしたこ
とを特徴とする請求項２記載の直流モータ。
【請求項４】８ｎ（ｎは自然数）個の磁極を有するロ
ータと、９ｎ（ｎは自然数）個のスロット及びこのスロ
ット間に形成されるティースを有する鉄心に巻線が施さ
れたステータスとにより構成された直流モータにおい
て、１相を構成する３個のティースのうち、中央のティ
ースの巻線回数を、その両側のティースの巻線回数より
も多くしたことを特徴とする直流モータ。
【請求項５】中央のティースの巻線部分の幅と、その
両側のティースの巻線部分の幅とを異ならせたことを特
徴とする請求項２又は請求項４記載の直流モータ。
【請求項６】３個のティースの巻線回数が等しいとき
は、各スロットの断面積をほぼ等しくし、上記巻線回数
が異なるときは、中央のティースの両側のスロットの断
面積を他のスロットの断面積よりも広く設定したことを
特徴とする請求項５記載の直流モータ。
【請求項７】空気調和機の送風機駆動用に適用したこ
とを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の
直流モータ。