JP2004023950A - 永久磁石同期モータの電機子およびそれを用いた永久磁石同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ容量の向上が容易となり、コイル製作・敷設作業が簡素化・短期化することができる永久磁石同期モータを提供する。
【解決手段】Ｐ個（Ｐ：偶数）の磁極を構成する界磁と、コアに設けたＮ個（Ｎ：３の倍数）のスロットに３相Ｐ極の電機子巻線を配置た電磁子とを有し、１つの磁極に対応する電機子巻線の相毎の平均スロット数ｑを、ｑ＝（Ｐ＋１）／Ｐとなる永久磁石同期モータにおいて、電機子巻線として、要素コイルＮ個をスロット全体に均一多層に分布配置してなる巻線形態を基準にして、スロットの各々内で同一相となる要素コイルを１つの要素コイルにまとめ、且つ要素コイル間の層間絶縁を排除し、逆に異相となる要素コイルを排除した新たな巻線形態とすることによって、Ｎ個のスロットのうち、等間隔に位置する｛３×（Ｐ／ａ）｝個を空きスロットとし、要素コイル数を残るスロット数の半数とする。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家電製品やＦＡ、ＯＡ、電気自動車等に用いられる永久磁石同期モータの電機子構造、およびそれを用いた永久磁石同期モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの小形高トルク化、高効率化といったニーズの高まりを受け、また永久磁石の高エネルギー積化に呼応するように、永久磁石を使用した同期モータが多用されるようになって来ている。
ところで、最少のコイル数でコギングやトルクリプルを小さくすること、駆動電流に対するトルクの直線性を高レベルまで維持することを念頭に置いた場合、従来は例えば図５に示すような、１つの界磁極に対応する相毎の平均スロット数、即ち毎極毎相のスロット数ｑが分数であり、電機子コイルが重ね分布巻された電機子構造が用いられている。
ここで、図５は４極１５スロット構成の永久磁石同期モータの例で、本来円筒状である界磁と電機子を直線的に展開したものである。同図のように、３相の電機子として、同一の巻線ピッチを有する要素コイル２４を均一且つ全スロット２２内で２層に配置し、２層のコイル間に層間絶縁２６を敷設した電機子構造とすることが一般である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の電機子構成では、特定のスロット内において異相のコイルが接近して配置されるため、図５で説明したように、要素コイル間に絶縁材あるいは相応の空間を設ける（層間絶縁）必要がある。これはスロット内におけるコイルの占積率を低下させ、モータの特性向上を阻害するという問題があった。
また、特に低速大トルクを仕様とするモータでは、多極化により電機子外周のコア部の幅を可能な限り小さくし、その分スロット断面積やギャップ径を拡大する手法を取るが、磁極数の増大と共にコイル数も増え、これが電機子コイル製作・敷設作業を複雑化し長い工程が掛かるという問題があった。
更に、電機子内部はコアとコイルが充満しており、全閉タイプのモータでは電機子外表面を冷却する手段しかなく、温度上昇を抑え難いことがモータの小形化や高トルク化を阻害するという問題があった。
これらは、同モータ構造をリニアモータに展開した場合にも同様に問題となることは言うまでもない。
そこで本発明は、上記課題を解決し、高占積率化や電機子コイル製作・数段作業が容易で、損失が少ない、或いは高負荷時のトルクの直線性が高く、更には電機子の冷却性能の向上が容易な、永久磁石同期モータの電機子構造、およびそれを用いた永久磁石同期モータ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記載の永久磁石同期モータの電機子は、永久磁石によりＰ個（Ｐ：偶数）の磁極を構成する界磁と、磁性体からなるコアに設けたＮ個（Ｎ：３の倍数）のスロットに３相Ｐ極の電機子巻線を配置してなる電磁子とを有し、１つの界磁極に対応する電機子巻線の相毎の平均スロット数、即ち毎極毎相のスロット数ｑを分数式ｂ／ａで表した時、ｑ＝ｂ／ａ＝（Ｐ＋１）／Ｐとなる永久磁石同期モータ（例えば２極９スロット、４極１５スロット等のモータ）において、前記電機子巻線として、要素コイルＮ個を前記スロット全体に均一且つ多層に分布配置してなる巻線形態（以下、基準巻線形態と呼ぶ）を基準にして、前記スロットの各々内で同一相となる前記要素コイルを１つの要素コイルにまとめ、且つ前記要素コイル間の層間絶縁を排除し、逆に異相となる前記要素コイルを排除した新たな巻線形態とすることによって、前記Ｎ個のスロットのうち、等間隔に位置する｛３×（Ｐ／ａ）｝個を空きスロット、即ち前記要素コイルを収めないスロットとすると共に、前記要素コイル数を、残るスロット数の半数、即ち｛（ａ×Ｎ−３×Ｐ）／（２×ａ）｝個とするものである。
請求項１記載の電機子によれば、一つのスロットに一つの相のコイルが収められて層間絶縁が不要となり、その分占積率が向上し、銅損が低減できるため、モータ容量といった特性の向上が容易となる。同時に、電機子を構成するのに必要なコイル数が大幅に減少するため、コイル製作・敷設作業が簡素化・短期化することができる。
【０００５】
請求項２記載の永久磁石同期モータの電機子は、請求項１記載の永久磁石同期モータの電機子において、前記基準巻線形態における前記スロットの幅をＷｓ０と記述した場合、ギャップ面から見た前記スロットの開口部同士の間隔を全て均一としつつ、前記空きスロットの幅をＷｓ１、前記空きスロット以外のスロットの幅をＷｓ２としたとき、
Ｗｓ１＜Ｗｓ０＜Ｗｓ２　・・・（２）
式（２）となるように、前記スロット同士の間隔、所謂スロットピッチを不均一としたものである。
請求項２記載の電機子によれば、請求項１記載の電機子に加えて更にスロット面積が増大するため、その分コイルの挿入作業が容易となる。或いは従来と同一の占積率ながら、従来よりも広い面積を持つ導線を使用することができ、銅損の低減が可能となる。或いは、占積率を上げるための努力をせずとも、従来と同様な特性を得ることができる。
請求項３記載の永久磁石同期モータの電機子は、請求項１記載の永久磁石同期モータの電機子において、前記基準巻線形態における前記スロットの幅をＷｓ０、前記空きスロットの幅をＷｓ１、前記空きスロット以外のスロットの幅をＷｓ２としたとき、
Ｗｓ１＜Ｗｓ０＜Ｗｓ２　・・・（２）
式（２）となるように、前記スロット同士の間隔、所謂スロットピッチを不均一としたものである。
請求項３記載の電機子によれば、請求項２記載の電機子の効果に加え、不等スロットピッチとなることによりコギング周波数が高くなり、コギングトルクを低減することができる。
請求項４記載の永久磁石同期モータの電機子は、請求項１〜３のいずれか１項記載の電機子において、前記空きスロット内に直接冷却風を通す、或いは空冷用パイプや液冷用パイプを敷設したものである。
請求項４記載の電機子によれば、請求項１〜３のいずれか１項記載の電機子の効果に加え、電機子を直接冷却することができる。
請求項５記載の永久磁石同期モータは、請求項１〜３のいずれか１項記載の電機子を有する永久磁石同期モータとするものである。
請求項５記載の永久磁石同期モータによれば、請求項１〜３のいずれか１項記載の電機子の効果により、製作作業が容易で、損失が少ない、或いは高負荷時のトルクの直線性が高く、更には電機子の冷却性能の向上が容易なモータを提供することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態である４極１５スロット構成の永久磁石同期モータの例で、本来円筒状である界磁と電機子を直線的に展開したものである。本発明の第１の実施の形態は、従来例として説明した図５から出発している。すなわち、図５において、コア４１の片側に設けられた（スロット番号）＃１−＃１５の各スロット４２内で２層となるように要素コイル４４が巻かれ、この要素コイル４４間に層間絶縁４６が敷設されている。要素コイルの飛びは、例えばあるＵ相要素コイルの一方のコイル辺が＃１スロット上側に、他方が＃５スロット下側に入る、という具合になっている。この図において要素コイル４４の配置をよく見ると、＃１および＃６、＃１１の３つのスロット内では、異なる相の要素コイルが収められており、その他のスロットでは同一相となっていることがわかる。
これら異相が隣り合う＃１および＃６、＃１１スロットの要素コイルを排除したものが図１（ａ）であり、界磁を省略して描いたものである。
図１（ａ）では、要素コイルを排除したスロットは空きスロット４７となる。また、要素コイル４４はコイルが存在する全てのスロット内において同一相となっている。この場合、各スロット４４内で上下に隣り合う要素コイル同士が余程離れた直列接続をされていない限り、両要素コイル間の電位差は無視でき、従ってこれら間の層間絶縁は不要である。
この考えに基づいて層間絶縁を排除し、更に上下の要素コイルを一つにまとめたものが図１（ｂ）である。ここで、空きスロットとなるスロット数、およびまとめた後の要素コイル数は、電気角でほぼ１８０°となるコイル飛びを選択することを基本とすると、極数Ｐ及びスロット数Ｎの関係で一意に決定される。即ち、毎極毎相のスロット数ｑが
ｑ＝Ｎ／（３×Ｐ）＝（Ｐ＋１）／Ｐ
で表されるモータにおいて、このｑを
ｑ＝ｂ／ａ
と表すと、空きスロットの数Ｎ’は以下のようになる。
Ｎ’＝３×（Ｐ／ａ）
また、全要素コイル数Ｎｃは空きスロット以外のスロット数の半数、すなわち
Ｎｃ＝（ａ×Ｎ−３×Ｐ）／（２×ａ）
と表される。
本実施の形態で示す４極１５スロット構成は、
ｑ＝１５／（３×４）＝５／４＝（４＋１）／４
である。
図１（ｂ）の電機子構造を図５と比較すると、上式に則って
Ｎ’＝３×（４／４）＝３
Ｎｃ＝（４×１５−３×４）／（２×４）＝６
となり、３つの空きスロットが発生するとともに、全要素コイル数が１５個から６個になっている。
同時に層間絶縁の領域が要素コイルの一部に置換わっており、要素コイルの断面積が拡大している、即ち占積率が向上していることがわかる。
ところで、本発明で発生する空きスロットは、そのままでは無駄な空間である。ここを有効に活用するのが以下の実施の形態である。
【０００７】
図２は本発明の第２の実施の形態で、図１と同様に４極１５スロット構成の永久磁石同期モータの電機子を直線的に展開したものである。ここでは、界磁（図示せず）と対向する側のティース４３のピッチを均一に保ったまま、空きスロット４７の幅を縮小し、その分要素コイル４４の入ったスロット４２の幅を放射状に拡大したものである。
この実施の形態では、スロット面積の拡大により要素コイル４４の断面積を広くすることができ、従って銅損の低減が可能となる。或いは、従来と同一の断面積を有する要素コイルを使用する場合、コイルの挿入作業が容易になる。
【０００８】
図３は本発明の第３の実施の形態で、これまでと同様に４極１５スロット構成の永久磁石同期モータの電機子を直線的に展開したものである。ここでは、空きスロット４７の幅を縮小し、その分要素コイル４４の入ったスロット４２の幅を拡大したものである。この実施の形態では、スロット開口部のピッチが不均一となるため、界磁上の永久磁石の磁束も不均一に変調される。従って、スロット面積拡大による第２実施の形態と同様の効果に加え、コギングトルクの低減をはかることが可能となる。
【０００９】
図４は本発明の第４の実施の形態で、４極１５スロット構成の永久磁石同期モータの電機子を直線的に展開したものである。ここでは、図１に示した例において、空きスロット内に液冷用パイプ４８を挿入し、この中に冷媒液を通流するようにしたものである。この場合、発熱体である要素コイルの近傍を直接的に冷却することが可能となり、モータの冷却性能が向上する。
以上４つの実施の形態を紹介したが、本発明は以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨に沿って任意に構成することができる。例えばモータは４極１５スロット構成に限定されるものではなく、ｑ＝Ｎ／（３×Ｐ）＝（Ｐ＋１）／Ｐとなる構成全てを包含する。第４の実施の形態では冷媒は液体、気体の何れでも良く、気体を用いるのであれば、パイプを使用せず直接空きスロット内に冷気を通流するようにしても良い。更に、本発明を適用するモータは、回転形モー夕、リニアモータの何れでも良いことは言うまでもない。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載の電機子によれば、巻線占積率の向上により銅損が低減できるため、モータ容量といった特性の向上が容易となる。同時に、コイル数が大幅に減少するため、コイル製作・敷設作業が簡素化・短期化される。
請求項２記載の電機子によれば、請求項１に加えて占積率が向上するため、更にモータ特性の向上、特に銅損の低減が可能となる。或いは、占積率を上げるための努力をせずとも、従来と同様な特性を得ることができる。
請求項３記載の電機子によれば、請求項１と同様の効果に加え、ギャップ中の磁束が不均一に変調されるためコギングトルクの低減が可能となる。
請求項４記載の電機子によれば、請求項１〜３のいずれか１項記載の電機子と同様の効果に加え、電機子の冷却が容易、或いは冷却性能が向上するため、更なる特性の向上が可能となる。
請求項５記載の永久磁石同期電動機によれば、請求項１〜４のいずれか１項記載の電機子の特徴をもったモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す永久磁石同期電動機の展開断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す電機子の展開断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す電機子の展開断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す電機子の展開断面図である。
【図５】従来公知のモータの展開断面図である。
【符号の説明】
１　永久磁石同期モータ
２、４　電機子
２１、４１　コア
２２、４２　スロット
２３、４３　ティース
２４、４４　要素コイル
２５、４５　外周コア部
２６、４６　層間絶縁
４７　空きスロット
４８　スロット開口部
４９　液冷用パイプ
３　界磁
３１　コア
３２　永久磁石

Claims (5)

1. 永久磁石によりＰ個（Ｐ：偶数）の磁極を構成する界磁と、磁性体からなるコアに設けたＮ個（Ｎ：３の倍数）のスロットに３相Ｐ極の電機子巻線を配置してなる電機子とを有し、１つの界磁極に対応する電機子巻線の相毎の平均スロット数、即ち毎極毎相のスロット数ｑを分数式ｂ／ａで表した時、
   ｑ＝ｂ／ａ＝（Ｐ＋１）／Ｐ　・・・（１）
   式（１）となる永久磁石同期モータ（例えば２極９スロット、４極１５スロット等のモータ）において、
   前記電機子巻線として、要素コイルＮ個を前記スロット全体に均一且つ多層に分布配置してなる巻線形態（以下、基準巻線形態と呼ぶ）を基準にして、
   前記スロットの各々内で同一相となる前記要素コイルを１つの要素コイルにまとめ、且つ前記要素コイル間の層間絶縁を排除し、逆に異相となる前記要素コイルを排除した新たな巻線形態とすることによって、前記Ｎ個のスロットのうち、等間隔に位置する｛３×（Ｐ／ａ）｝個を空きスロット、即ち前記要素コイルを収めないスロットとすると共に、前記要素コイル数を、残るスロット数の半数、即ち｛（ａ×Ｎ−３×Ｐ）／（２×ａ）｝個とすることを特徴とする永久磁石同期モータの電機子。
2. 前記基準巻線形態における前記スロットの幅をＷｓ０と記述した場合、ギャップ面から見た前記スロットの開口部同士の間隔を全て均一としつつ、前記空きスロットの幅をＷｓ１、前記空きスロット以外のスロットの幅をＷｓ２としたとき、
   Ｗｓ１＜Ｗｓ０＜Ｗｓ２　・・・（２）
   式（２）となるように、前記スロット同士の間隔、所謂スロットピッチを不均一としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期モータの電機子。
3. 前記基準巻線形態における前記スロットの幅をＷｓ０、前記空きスロットの幅をＷｓ１、前記空きスロット以外のスロットの幅をＷｓ２としたとき、
   Ｗｓ１＜Ｗｓ０＜Ｗｓ２　・・・（２）
   式（２）となるように、前記スロット同士の間隔、所謂スロットピッチを不均一としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期モータの電機子。
4. 前記空きスロット内に直接冷却風を通すか、又は空冷用もしくは液冷用パイプを敷設したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の永久磁石同期モータの電機子。
5. 前記請求項１〜４の何れか１項記載の電機子を有することを特徴とする永久磁石同期モータ。

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