JP2004274970A

JP2004274970A - 回転電機

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Publication number: JP2004274970A
Application number: JP2003066351A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Daikoku; 晃裕大穀; Nobuaki Miyake; 展明三宅; Naoki Hashiguchi; 直樹橋口; Shinichi Yamaguchi; 信一山口; Takanori Komatsu; 孝教小松
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】固定子（電機子）鉄心の歪あるいは鉄心材料の磁気異方性に起因するコギングトルクやトルクリップルを低減することができる回転電機を得る。
【解決手段】６個のティース５ａを有する６個の分割鉄心５により円筒状の内周部７ａが形成された固定子鉄心７と、各ティース５ａにそれぞれ集中巻きされるとともに３相接続されるコイル６ａとを設けた固定子２、及び各ティース５ａと対向する外周側の全周にわたって配列された３２個の永久磁石のＮ及びＳ極１１，１２を有する回転子１０とを備えたモータにおいて、分割鉄心５の数Ｂを、固定子鉄心７のティース５ａの総数６×６＝３６と磁極の数３２との公約数２，４以外の値に選定する。この実施の形態ではＢを６にした。これにより、固定子鉄心の歪や鉄心材料の磁気異方性に起因するトルク脈動を低減できる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機、特に改良された電機子鉄心を有する回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の三相駆動永久磁石式同期モータ（以後ＰＭモータという。）としては、回転子に磁極として永久磁石が設けられ、電機子である固定子に固定子鉄心と固定子巻線を有する、いわゆる回転界磁型の同期電動機がある。このものは、例えば回転子に３２個の永久磁石による磁極、固定子に３６のティース（スロット）を有する。固定子巻線には、各ティースにコイルを集中して巻回し、複数のティースにまたがらない、いわゆる集中巻を採用している。回転子の回転中の磁束により生じる渦電流損失を低減するため、多くの他の形式のモータで採用されているのと同様、固定子鉄心には薄い鋼板、例えば０．５ｍｍ程度の鋼板を固定子の軸方向に複数積み重ねた、いわゆる積層鉄心を採用している。
【０００３】
このような鋼板を積層した筒状のＰＭモータの固定子鉄心を製作する場合、鋼板材料の歩留まりを良くするために鋼板を周方向に複数、例えば４つに分割した円弧状の分割鋼板を製作し、それぞれを積層して円弧状の分割鉄心を４個製作する。各分割鉄心に設けられたティースに、集中巻にてコイルを巻回して、コイル及び分割鉄心を有するブロックを製作する。コイルに集中巻を採用しているため、各分割鉄心が独立した状態でコイルを巻回することができ、取り扱いが容易である。このブロックを組み合わせて、各分割鉄心を接合するとともに各ブロックのコイルを三相接続して、円筒状の固定子を構成している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
例えば、回転子の磁極数を３２極、固定子のティース数を３６ティースとした場合、各分割鉄心のティースの数は９個となり、隣接した３つのティースに同相のコイルが巻回され、９個のティースで三相分となる。上記隣接した同相の３つのコイルは直列に接続されている。このように固定子を複数のブロックにて構成する場合、上述のような周期性を元に構成単位を決定すると、各ブロック毎に端末処理が同じようになるため、製造上有利となる。従って、本事例では、１つのブロック内で３相のコイルが同数だけ含まれるように、各ブロックは９つのティースを有するものにしている。その結果、固定子は円筒状に配設された合計４つのブロックから構成されることになる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２０１４６２号公報（段落番号００４３及び図６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、集中巻のコイルをもつ永久磁石式同期モータの固定子を複数のブロックにて構成する場合、１つのブロックに含まれるティースの数は、工作上の有利さから巻線の対称性が保たれるように、磁極数とティース数の公約数（１を除く）から選ばれていた。上記の事例では、ブロックの数は、磁極数である３２とティース数である３６の公約数である、４ブロックとしていた。
【０００７】
この場合、以下の２つの理由からコギングトルクあるいはトルクリップルの増加が懸念され、これが問題となる。
（１）ブロック間のつなぎ目は機械的に弱く、それに起因して固定子鉄心の内周部に歪が生じる。特に、固定子鉄心を一円にするために溶接などによりブロック間を接合した場合には、それが顕著になる。溶接部分では歪が生じるため、対応するスロット開口幅がそれ以外の部分の開口幅に比べて小さくなる現象が見られる。あるいは、固定子鉄心の内周部（ティース）の端面を結んだ曲線が真円からずれる場合もある。
【０００８】
また、集中巻のコイルを有する固定子の製作を容易にするため、ティース毎に分割したコア片を連結して分割鉄心を構成しているもの、例えばその外周部において各コア片が薄肉部で連結された薄肉連結型分割コア、あるいはその外周部寄り側方に関節部を設けてコア片を連結する関節型連結分割コアのような分割コア方式で分割鉄心を構成する場合には、ブロック同士のつなぎ目とそれ以外の部分との剛性差は小さくなるが、全般的に変形しやすい構造であるため、やはりブロック間のつなぎ目で変形が起こりやすい。
【０００９】
（２）電磁鋼板から分割鋼板を製作する場合、円弧状に材料取りをおこなうと電磁鋼板の磁気異方性の影響を受ける。すなわち、あるティースは、ティースの中心線と電磁鋼板の圧延方向とのなす角度は零である。一方、別のティースは、ティースの中心線と電磁鋼板の圧延方向とはある角度をなすことになる。つまり、ティースの中心線と圧延方向とのなす角度が一定でない。このため、固定子鉄心を４つの分割鉄心で構成した場合、ティース中心線と電磁鋼板の圧延方向とのなす角度は、９ティースを単位として固定子鉄心について１周（３６ティース）あたり４回の周期性をもつ。すなわち、１周あたり４回、周期的に磁気特性が変化する。
【００１０】
ところで、上述のような固定子鉄心の歪、あるいは鉄心材料の磁気異方性がある特定の配置パターンになったときにコギングトルクあるいはトルクリップルが大きくなることが本発明の発明者らの研究により明らかとなった。ある位置及びこの位置から所定距離離れた別の位置にそれぞれ位置する第１及び第２のティース間の電機子鉄心の磁気抵抗は、第１及び第２のティースの位置を電機子鉄心の内周部に沿って１周させたとき、上記のような固定子鉄心の歪、あるいは鉄心材料の磁気異方性に起因して、周期的に変化する。そして、例えば、１周あたり４回の周期性を持つ磁気特性の変化（以下周期的な変化がＮ回生じる場合を変形モードＮという）が生じた場合に大きなコギングトルクが発生していることが明らかになった。なお、このことについては、後で詳しく説明する。
【００１１】
また、鉄心材料である電磁鋼板の磁気特性は、一般に方向性電磁鋼板と呼ばれているもののみならず、無方向性電磁鋼板と呼ばれているものにおいても、電磁鋼板の面方向の特性が一様ではなく、これに起因してもコギングトルクあるいはトルクリップルが生じる。
この発明は、上記のような問題点を解決して、電機子鉄心の歪あるいは鉄心材料の磁気異方性に起因するコギングトルクやトルクリップルを低減することができる回転電機を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る回転電機においては、鉄心材料にて形成されＺ個のティースを有しこのティースにより円筒状の内周部又は外周部を形成するようにされた電機子鉄心とティースに集中巻きされたコイルを有し３相接続された電機子巻線とを設けた電機子、及び各ティースと対向する外周側又は内周側の全周にわたって配列されたＱ個の永久磁石磁極を有する界磁を備え、電機子鉄心の一の位置とこの一の位置から所定方向に所定距離離れた別の位置とにそれぞれ位置する第１及び第２のティース間の電機子鉄心の磁気抵抗が一の位置を内周部又は外周部に沿って１周移動させたときに電機子鉄心の磁気歪又は鉄心材料の異方性に起因して脈動する脈動数Ｔと、電機子鉄心のティースの総数Ｚと永久磁石磁極の数Ｑとの公約数Ｋと、の差の絶対値｜Ｔ−Ｋ｜が所定値以上になるようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図７は、この発明の実施の一形態を示すものであり、図１はＰＭモータの断面図、図２は固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図、図３は各ブロックにおけるコイルの結線状態を示す説明図である。図４は帯状の電磁鋼板から鋼板片を板取りする場合の板取図、図５は各ティース中心線と電磁鋼板の圧延方向とがなす角度を示す図である。図６は磁界解析により求めた固定子鉄心の変形モードＮとトルクリップルの大きさとの関係を示す図、図７はコギングトルクが大きくなる条件を回転子の磁極数と固定子のティース数と変形モードとの代表的な組み合わせについて求めた結果を示す図である。
【００１４】
本実施の形態においては、回転子の磁極数Ｑが３２極（磁極対数Ｐ＝１６）、固定子のティース（あるいは固定子スロット）数Ｚが３６である。すなわち、電気設計的には従来のものと同様のものである。本実施の形態においては、図２に示すように、電機子としての固定子２は６個のブロック３にて構成されている。各ブロック３は、ティース５ａを有するコア片５ｂが６個、コア片５ｂの外周部寄りの側方に設けられた関節部５ｄで相互に回動可能に連結されて構成された部分鉄心としての分割鉄心５と、各ティース５ａにそれぞれ集中巻きに巻回されたコイル６ａを有する固定子巻線６にて構成されている。
【００１５】
そして、６個の部分円筒状の分割鉄心５にて図１に示すようにティース５ａにて形成された円筒状の内周部７ａを有する固定子鉄心７が構成されている。固定子２つまり固定子鉄心７は、回転子の磁極数３２と固定子のティース数３６との最大公約数４、あるいは公約数２以外の分割数に分割、ここでは６に分割している。
【００１６】
ここに、各分割鉄心５はいわゆる分割コアの１種であり、例えば特開２０００−２０１４５８号公報に記された関節型連結分割コアで構成されている。すなわち、各ティース５ａを有するコア片５ｂは個々に分割されており、関節部５ｄで回動可能に連結されて分割鉄心５を形成している。そして、分割鉄心５を、巻線作業時には直線状あるいは逆反り状に展開することによりティース間の間隔が広がるので、コイルの巻回が容易であり、また固定子巻線の占積率を高められる。
【００１７】
なお、各コア片５ｂを構成する積層された鋼板片５ｃ（図４参照）は、いわゆるカシメにより軸方向に相互に固定されている。界磁としての回転子１０は、円弧状の永久磁石片にて形成されたＮ極１１及びＳ極１２が交互に密接して配設され、円筒状の外周部を形成している。そして、固定子鉄心７の内周部７ａにて形成される円筒状の収容部に、Ｎ及びＳ極１１，１２がティース５ａに径方向に対向するようにして収容されている。なお、Ｎ極１１の数が１６、Ｓ極１２の数が１６、合わせて磁極数は３２極である。
【００１８】
分割鉄心５を展開しそのティース５ａ間の間隙が広くなった状態にて各ティース５ａに各コイル６ａを集中巻きにて巻回してブロック３を製作する。ブロック３を合計６個製作し、６個のブロック３を溶接して図１に示す円筒状の内周部７ａを有する固定子鉄心７を形成する。そして、これを図示しないフレームに焼きばめなどの手段を用いて固定することで、固定子２を製作する。図３は各ブロック３のコイルの結線状態を示したものであり、例えばある分割鉄心５における６つのティース５ａに同相の３つを連続して２相分巻回し、その相及び極性がＵ，−Ｕ，Ｕ，Ｖ，−Ｖ，Ｖ（ここにＵ，Ｖ，Ｗは三相交流の各相の極性）となるようにコイル６ａを巻回する。正負の記号は、コイル６ａの巻き方向すなわち電流の流れる方向を表し、例えば、ある瞬間において極性がＵと表示されたコイル６ａがＮ極に励磁されているとき、極性が−Ｕと表示された別のコイル６ａはＳ極に励磁されていることを示す。
【００１９】
その次の分割鉄心５の６つのティース５ａには、その相及び極性がＷ，−Ｗ，Ｗ、Ｕ，−Ｕ，Ｕとなるようにコイル６ａを巻回する。その次の分割鉄心５の６つのティース５ａには、その相及び極性がＶ，−Ｖ，Ｖ，Ｗ，−Ｗ，Ｗとなるようにコイル６ａを巻回する。このように、各分割鉄心５に巻かれるコイル６ａは、その相が異なるものとなっている。上記のように各分割鉄心５に巻回されたコイル６ａは、図３に示すように１つのブロック３から２相分のコイル端が各２つ、合計４つのコイル端が現れるように結線されている。６つのブロック３の全てにおいておのおの４つのコイル端が現れ、これらを三相に接続することでＰＭモータの固定子巻線６の結線が完了する。
【００２０】
各分割鉄心５を接合する際には、溶接などの手段が用いられるが、ブロック３の数すなわち分割鉄心５の数が６であるため、溶接個所が６個所となり、固定子鉄心７の内径歪による磁気歪に起因して固定子鉄心の変形モードＭも６となる。この場合、コギングトルクはほとんど発生しない。その理由については、後で詳しく述べる。
【００２１】
ティース５ａを有するコア片５ｂは、所定の形状の鋼板片５ｃ（図４）を所定枚数積層して形成されているが、上記鋼板片５ｃは図４に示すように帯状の電磁鋼板９９から例えば打ち抜きにて製作する。このようにして鋼板片５ｃを製作したとき、各鋼板片５ｃを積層して形成されるコア片５ｂのティース５ａの中心線Ａと電磁鋼板９９の圧延方向Ｂとのなす角度βの関係は図５に示すようになる。角度βは各ティースで異なるが、固定子鉄心を１周するとき、周期的な変化が６回現れる。これは、後述する変形モード６に相当し、固定子鉄心７の内周部７ａの内径歪と同様、コギングトルクにはつながらない。
【００２２】
ここで、コギングトルクの発生形態について説明する。例えば、図６は本願発明の発明者らによる磁界解析の結果であり、回転子の磁極数が３２極、固定子のスロット数が３６スロットのＰＭモータにおいて、固定子鉄心７の内周部７ａの内径歪のパターンがトルクリップルに及ぼす影響を検討したものである。図６において、変形モード４の場合に無負荷、１００％負荷及び２００％のいずれの場合においても、大きなコギングトルクが発生していることがわかる。
【００２３】
このような、固定子鉄心の歪のパターンとトルクリップルの関係については、空隙のエネルギーを考えることで定性的に説明ができる。その理論については参考文献（例えば、米谷晴之他「最新のモータ電磁設計技術」三菱電機技報Ｖｏｌ．７６Ｎｏ．６２００２ｐｐ．４１０−４１５発売元株式会社オーム社発行所三菱電機エンジニアリング株式会社２００２年６月２５日発行）に譲るとして、簡単のためにコギングトルクの場合について以下に結果のみを示す。
【００２４】
すなわち、
ｉ０・Ｍ＋ｊ０・Ｚ＋ｋ０・Ｐ＝０（１）
を満たすｉ０、Ｍ、ｊ０、Ｚ、ｋ０、Ｐに対し、１回転あたりｋ０・Ｐ山のコギングが生じる。
ただし、Ｍは変形モード、Ｚは固定子のティース数（スロット数）、Ｐは回転子の磁極対数であり、
ｉ０＝ｉ１±ｉ２；ｉ１、ｉ２＝０，１，２、…
ｊ０＝ｊ１±ｊ２；ｊ１、ｊ２＝０，１，２、…
ｋ０＝ｋ１±ｋ２；ｋ１、ｋ２＝１，３，５、…
である。
【００２５】
ただし、各磁極（永久磁石）１１，１２の特性は正しく対称に作られているものとした。なお、上記のｉ１、ｉ２は固定子鉄心の変形モードＭをフーリエ級数展開したときの次数を表す。同様に、ｊ１、ｊ２はスロットによるパーミアンス脈動の、ｋ１、ｋ２は回転子起磁力をフーリエ級数展開したときの次数を表す。いずれの係数も一般に、値が小さいほど、すなわち次数が低いほど、その振幅は大きい。
【００２６】
本事例について数値を当てはめると、Ｚ＝３６、Ｐ＝３２／２＝１６であるから、Ｍ＝４の場合において、ｉ０＝１、ｊ０＝−１、ｋ０＝２とすると上記（１）式が成立し、この場合、１回転あたり３２山のコギングトルクが発生する。あるいは、Ｍ＝２の場合において、ｉ０＝２、ｊ０＝−１、ｋ０＝２とすることで（１）式が成立し、この場合も、１回転あたり３２山のコギングトルクが発生する。Ｍの値をこれ以外にした場合で（１）式が成立するのは、（ａ）Ｍの値が１６以上に大きくなった場合か、もしくは（ｂ）ｉ０、ｊ０、ｋ０の値が上記以上に大きくなった場合である。ケース（ａ）は本事例のような多極モータにおいては稀であり、ケース（ｂ）についてはコギングトルクの振幅が小さくなるため実質上問題とならない。
【００２７】
このように、コギングトルクが大きくなる条件を、集中巻きコイルを有する固定子を持つＰＭモータの代表的な回転子の磁極数と固定子のスロット数との組み合わせについて求めたのものを図７に示す。集中巻きにされたコイルを有するモータでは一般に、磁極対数Ｐと固定子のティース数Ｚとが、
Ｚ／３≦Ｐ≦（２／３）・Ｚ
を満たす組み合わせから選定されるため、そのうちで代表例７つについて示したものである。
【００２８】
図７からわかるように、固定子鉄心のティース（スロット）数Ｚと回転子の磁極数Ｑとの最大公約数Ｋと変形モードＭとが一致したとき（ケースＮｏ．１〜Ｎｏ．６）に、（１）式が成立するようなｉ１、ｊ１、ｋ１の値を小さく選定すると、コギングトルクが大きくなる。一方、Ｎｏ．７のように変形モードＭが固定子のティース数Ｚと回転子の磁極数Ｑとの公約数Ｋ（最大公約数Ｋｍａｘの約数）の場合、最大公約数Ｋｍａｘと一致した場合ほどではないが、比較的小さいｉ０、ｊ０、ｋ０の値をあてはめると（１）式が成立するため、コギングトルクが発生する。つまり、変形モードＭが固定子のティース数Ｚと回転子の磁極数Ｑとの公約数Ｋと一致した場合にコギングトルクが大きく、その中でも特に最大公約数Ｋｍａｘと一致した場合にはその影響が大きくなる。
【００２９】
以上の議論は固定子鉄心の歪について行ったが、固定子鉄心の鉄心材料の磁気異方性についても空隙のパーミアンス変動と等価的に置き換えることが可能であり、同様にして議論することができる。すなわち、固定子鉄心の歪に起因するもの、磁気異方性に起因するもののいずれについても、その分布の変形モードが固定子のティース（スロット）数Ｚと回転子の磁極数Ｑとの公約数Ｋ（特に最大公約数Ｋｍａｘ）と一致した場合にコギングトルクあるいはトルクリップルの増大につながる。従って、固定子鉄心の磁気特性分布の周期的な変化を表す変形モードＭが固定子ティース（スロット）の数Ｚと回転子の磁極数Ｑとの公約数Ｋ（特に最大公約数Ｋｍａｘ）と一致しないようにする、すなわち変形モードＭと公約数Ｋとの差の絶対値｜Ｍ−Ｋ｜が所定値以上になるようにすることにより、コギングトルクあるいはトルクリップルを抑制することができる。
【００３０】
なお、変形モードＭの場合、電機子鉄心において、ある位置及びこの位置から所定距離離れた別の位置にそれぞれ位置する第１及び第２のティース間の電機子鉄心の磁気抵抗は、第１及び第２のティースの位置を電機子鉄心の内周部に沿って１周させたとき、上記のような磁気特性分布の不均一により、周期的に変化し、その脈動数Ｔは上記変形モードＭと一致し、かつ分割鉄心５の数Ｂと同じ値になる。なお、第１及び第２のティースは互いに隣接するようにその位置を選定してもよい。
【００３１】
本実施の形態によれば、磁気特性分布の変形モードＭが固定子のティース数Ｚ（３６）と回転子の磁極数Ｑ（３２）との公約数Ｋ（２，４）と一致しないように、ブロック３の数Ｂを６個としている。従って、固定子鉄心７の内径歪、あるいは固定子鉄心の鉄心材料の磁気異方性など固定子鉄心について周方向に１周したときの磁気特性の周期的変化に起因するコギングトルクがほとんど発生しない。また、各ブロック３の分割鉄心５は、関節型連結分割コアで構成されているので、巻線占積率が高く、また固定子鉄心７の内周部の真円度を得やすいという利点がある。
【００３２】
なお、本実施の形態では、各分割鉄心５間の固定手段として溶接を行った場合について説明したが、溶接以外の手段であっても、あるいは分割鉄心５間の接合が行われない場合であっても、剛性が分割鉄心５同士の当接部間とそれ以外の部分とで異なり磁気歪みによる固定子鉄心の磁気特性の周方向の周期的な変化が生じるので、同様の効果を奏する。また、磁気歪が十分に小さい場合であっても、鉄心材料の異方性による磁気特性の周期的な変化があるので、これに対しても同様の効果を奏する。
【００３３】
なお、上記の溶接工程は製造途中の保持が目的であり、最終的には図示しないフレームに焼きばめを行うことで固定子鉄心７の内周部７ａが円筒状になるように保持されるため、途中工程を簡略化する意味で溶接を省くことも考えられる。このような場合においても、同様の効果を奏する。
【００３４】
実施の形態２．
図８、図９は、この発明の他の実施の形態を示すものであり、図８は固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図、図９は帯状の電磁鋼板から鋼板片を板取りする場合の板取図である。本実施の形態においては固定子２２は、４つのブロック２３にて構成されている。各ブロック２３における部分鉄心としての分割鉄心２５は、それぞれがコア片を連結した関節型連結分割コアではなく、円弧状の鋼板片２５ｃ（図９）を積層して形成されている。すなわち、固定子鉄心２７は、分割鉄心２５間でだけ分割されており、分割鉄心２５内の各ティース２５ａ毎には分割されていない。
【００３５】
分割鉄心２５は、円弧状の鋼板片２５ｃ（図９）を所定枚数積層して形成されているが、上記鋼板片２５ｃは図９に示すように帯状の電磁鋼板９９から例えば打ち抜きにて製作する。このようにして鋼板片２５ｃを製作したとき、各鋼板片２５ｃを積層して形成される分割鉄心２５のティース２５ａの中心線Ａと電磁鋼板９９の圧延方向Ｂとのなす角度βの関係は図５に示すのと同様になる。角度βは各ティースで異なるが、その周期性は固定子鉄心２７の内周部２７ａを１周するとき１周で６回現れる。
【００３６】
これは、前述の変形モード６（図７）に相当し、固定子鉄心２７の内周部２７ａの内径歪と同様、コギングトルクにはつながらない。なお、６個の分割鉄心２５を相互に溶接して固定子鉄心２７を形成するとき、固定子鉄心２７の磁気歪による変形モードは、実施の形態１におけるのと同様で、６である。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
【００３７】
本実施の形態においては、コイル２６ａを巻回するときティース２５ａが展開された状態ではなく円弧状に配置された状態で巻回しなければならない。従って、コイルの巻回可能量は減少し、コイル２６ａの占積率は実施の形態１よりも低くなる。しかし、各分割鉄心２５の剛性が高められるためその歪の絶対値は小さくなり、固定子鉄心２７としての真円度が一層得やすいというメリットがある。そして、残存する固定子鉄心２７の歪や鋼板片２５ｃの異方性に対して同様の効果を奏する。
【００３８】
実施の形態３．
図１０、図１１は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すものであり、図１０は固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図、図１１は帯状の電磁鋼板から鋼板片を板取りする場合の板取図である。本実施の形態においては、固定子３２は同様に６つのブロック３３にて構成されている。各ブロック３３における部分鉄心としての分割鉄心３５は、薄肉連結型分割コアで構成されている。すなわち、コア片３５ｂの各ティース３５ａ間は、ほとんど分割されているが、コア片３５ｂの外周部において屈曲可能な連結部材としての薄肉部３５ｄでわずかに連結された状態で分割鉄心３５を構成している。このようないわゆる薄肉連結型分割コアを有する回転電動機は、例えば特開平１１−２２０８４４号公報にその詳細構成が示されている。
【００３９】
分割鉄心３５は、図１１に示される形状の鋼板片３５ｃを所定枚数積層して形成されているが、上記鋼板片３５ｃは図１１に示すように帯状の電磁鋼板９９から例えば打ち抜きにて製作する。分割鉄心３５は、この鋼板片３５ｃを所定枚数積層し、各ティース３５ａを有するコア片３５ｂを製作する。この分割鉄心３５のコア片３５ｂをそのティース３５ａ間が開くように展開し、ティース３５ａにコイル３６ａを集中巻きする。
【００４０】
しかる後、分割鉄心３５を円弧状に曲げ、ブロック３３を製作する。このようにして鋼板片３５ｃを製作したとき、各鋼板片３５ｃを積層して形成されるティース３５ａの中心線Ａと電磁鋼板９９の圧延方向Ｂとのなす角度βは一定であり、図１１では、この角度を０°、すなわち各鋼板片３５ｃの中心線と圧延方向Ｂとがすべて平行となるようにしている。従って、固定子鉄心３７の内周部３７ａを１周するとき、角度βの周期性は無く、一定となる。
【００４１】
本実施の形態では、ティース３５ａの異方性に起因するコギングトルクは発生しないというメリットがある。固定子鉄心の歪については実施の形態１と同様に発生するため、本発明の効果が発揮される。なお、本実施の形態においては、薄肉連結型分割コアを対象に鉄心材料取りの説明を行ったが、実施の形態１の図４に示したような関節型連結分割コアであっても、図１１のように、角度を一定にして取り出すことができ、同様にティースの異方性に起因するコギングトルクは発生しない。
【００４２】
実施の形態４．
図１２〜図１５は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すもので、図１２は固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図、図１３は各ブロックにおけるコイルの結線状態を示す説明図である。図１４は電磁鋼板から鋼板片を板取りする場合の板取図、図１５は電磁鋼板の圧延方向と各ティース中心線との関係を示す図である。実施の形態１〜３においては、回転子の磁極数Ｑが３２極、固定子のティース数Ｚが３６の場合について説明した。
【００４３】
しかし、これに限られるものではなく、それ以外の組み合わせでも有効である。この実施の形態においては、図１２に示すように回転子１０の磁極数Ｑを３０極、固定子４２のティース数Ｚを３６としたものである。回転子１０の磁極数３０と固定子４２のティース数３６の最大公約数は６である。この磁極数３０及びティース数３６において、前述の（１）式が成立する条件を求めると、Ｚ＝３６、Ｐ＝Ｑ／２＝３０／２＝１５であるから、Ｍ＝６の場合においては、ｉ１＝１、ｊ１＝−１、ｋ１＝２とすると（１）式が成立し、この場合回転子の１回転あたり３０山のコギングトルクが発生する。従って、このような事態を避けるために、この実施の形態では固定子４２を９個のブロック４３にて構成している。各ブロック４３の部分鉄心としての分割鉄心４５は、４つのティース４５ａを有している。
【００４４】
図１３は、各ブロック４３のコイル４６ａの結線状態を示したものであるが、本実施の形態の磁極数（３０）とスロット数（３６）の組み合わせでは、各相が２つづつ、極性を反転させて連続して巻回される。ここで、おのおの４つのティース４５ａを有する９つのブロック４３に分割した場合、あるブロック４３の分割鉄心４５の４つのティース４５ａに集中巻きのコイル４６ａがその相及び極性がＵ，−Ｕ，−Ｖ，Ｖとなるように巻回されているとすると、その次のブロック４３にはコイル４６ａがその相及び極性がＷ，−Ｗ，−Ｕ，Ｕとなるように、その次のブロック４３にはコイル４６ａがその相及び極性がＶ，−Ｖ，−Ｗ，Ｗとなるように巻回され、各ブロック４３に巻かれるコイル４６ａは、その相が異なるものとなっている。
【００４５】
以上のように、この実施の形態においては、固定子鉄心４７の変形モードは９となり、上述の最大公約数あるいはそれ以外の公約数に一致しない数であるため、上記のような固定子鉄心４７の歪に起因するコギングトルクは発生しない。また、分割鉄心４５は、図１４に示す鋼板片４５ｃを所定枚数積層したコア片４５ｂを所定個数、関節部４５ｄにて連結して形成されているが、上記鋼板片４５ｃは図１４に示すように帯状の電磁鋼板９９から例えば打ち抜きにて製作される。
【００４６】
このようにして鋼板片４５ｃを製作したとき、各鋼板片４５ｃを積層して形成されるコア片４５ｂのティース４５ａの中心線Ａと電磁鋼板９９の圧延方向Ｂとのなす角度βの関係は図５に示す場合と同様になる。角度βは各ティースで異なるが、固定子鉄心の内周部４７ａを１周したとき９回周期的に変化する。これは、変形モード９に相当し、固定子鉄心４７の内周部４７ａの内径歪と同様、コギングトルクにはつながらない。
【００４７】
実施の形態５．
図１６、図１７は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すもので、図１６は固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図、図１７は各ブロックの溶接状態を示す溶接状態図である。実施の形態１〜４では全て、ブロックの数を回転子の磁極数と固定子のティース数との公約数以外の数とした場合について説明した。しかし、これに限られるものではなく、ブロックの数が回転子の磁極数と固定子のティース数との公約数と一致していても、固定子鉄心５７がそれ以外の変形モードの歪みを生じるように工夫することで、同様の効果を得ることができる。
【００４８】
本実施の形態においては、ブロックの数を従来と同様に回転子の磁極数と固定子のティース数との公約数にしつつ、溶接点数、すなわち溶接個所数を工夫することでトルクリップルを抑えている。すなわち、固定子５２を４つのブロック５３で構成している。各ブロック５３の部分鉄心としての分割鉄心５５は、ティース５５ａを有するコア片５５ｂが９個その外周部において曲げ可能な薄肉部５５ｄにて連結されて形成されている。回転子の磁極数Ｑが３２極、固定子のティース数Ｚが３６であり、固定子５２を構成するブロック５３の数を４としており、固定子鉄心５７の分割数が、回転子の磁極数Ｑと固定子のティース数Ｚとの最大公約数４と一致しているため、このままではコギングトルクが発生してしまう。
【００４９】
これに対し、ブロック５３を構成する分割鉄心５５間を接合する際の溶接の強度を、２箇所の強い溶接点５５ｓでは所定の条件を満たすように強く、２箇所の弱い溶接点５５ｗでは弱くしている。さらに、分割鉄心５５間の境目でない部分で、合計４箇所の強い溶接点５５ｘに上記の「所定の条件を満たす強い溶接」と同様の強い溶接を行い、強い溶接点を全周で等間隔に６個所設けている。すなわち、この実施の形態においては、本願発明における所定の条件にて溶接した溶接点の数Ｗを６としている。
【００５０】
このようにすれば、ブロック間の接合部でなくても６個所の強い溶接点５５ｓ，５５ｘにより固定子鉄心５７の内周部５７ａに歪が生じるため、内周部５７ａの形状はほぼ６角形状に変形する。このように、ブロック５３の数Ｎが回転子の磁極数Ｑと固定子のティース数Ｚとの公約数Ｋと一致しても、溶接の点数を分割鉄心５５間のつなぎ目の数よりも多くし、固定子鉄心５７の内径歪を積極的にコントロールすることにより、コギングトルクを抑制することができる。
本実施の形態では、分割鉄心５５が実施の形態３で示した場合と同様に薄肉連結型分割コア（図１２参照）で構成されているため、鉄心材料の異方性に起因するコギングトルクは発生しない。
【００５１】
なお、例えば実施の形態１において、ＰＭモータは３２極３６スロットであり（図１及び図２参照）、全てのティース５ａにそれぞれコイル６ａが集中巻きにされ、隣り合う３つのコイル６ａが図３に示すようにそれぞれ相巻線を構成するように接続され、三相結線されたものを示した。しかし、全てのティース５ａにコイル６ａを巻回する必要は必ずしもない。例えば、相巻線を構成する隣接配置された三つのティース５ａのうちの中央のティース５ａにだけコイル６ａを集中巻きにし、両側のティース５ａには巻線しなくてもよい。この場合は、３６個のティース５ａについて、２つとばしにコイル６ａを巻回する、すなわち１つ巻いて２つ巻かないというパターンの繰り返しということになる。
【００５２】
また、隣接する三つのティース５ａのうち、両端２つのティース５ａにはコイルを巻き中央のティース５ａには省く、というパターンであってもよい。さらに、隣接する三つのティース５ａのうち端の１つのみにコイル６ａを設ける、という場合であってもよい。また、実施の形態４の図１２に示したＰＭモータは３０極３６スロットであり、図１３に示すように相巻線を構成するコイル６ａは隣り合う二つのティース５ａにそれぞれ巻かれているが、このうち片方のティース５ａにだけ巻線したものであってもよい。
【００５３】
なお、実施の形態１の図２で示した６個の関節型連結分割コアを６個所溶接して固定子（電機子）鉄心とするものや、実施の形態３の図１０や実施の形態４の図１２で示した複数の薄肉連結型分割コアを溶接して固定子鉄心とするもののかわりに、これら６個の関節型連結分割コアや薄肉連結型分割コアを関節部や薄肉部にて連結して一連の帯状にした分割コアを製作し、この分割コアの各ティースにコイルを巻回した後円筒状に曲げて、曲げたときに当接する分割コアの端部同士を溶接して固定子鉄心とするものであっても、固定子鉄心の内周部に沿って１周移動させたときに固定子鉄心の磁気歪や鉄心材料の異方性に起因して磁気抵抗がＴ回脈動する場合、脈動数Ｔと、固定子鉄心のティースの総数Ｚと永久磁石磁極の数Ｑとの公約数Ｋとの差の絶対値｜Ｔ−Ｋ｜が所定値以上になるようにすれば、同様の効果を奏する。
【００５４】
また、以上の各実施の形態においては、電機子が固定子となる回転界磁型の回転電機としてのＰＭモータについて説明したが、これに限られるものではなく、回転電機子型のものにも同様に適用可能である。回転電機子型の一例としてアウターロータ型で構成した場合、回転する電機子鉄心のティースは円筒状の外周部を形成するように放射状に設けられ、界磁の永久磁石式のＮ、Ｓ各極は円筒状の内周部を構成するように内方に向かって放射状に設けられる。また、回転子の磁極数Ｑと固定子のティース数Ｚの組み合わせは２例のみについて示したが、これに限られるものではないことはもちろんである。なお、以上のようなＰＭモータは、例えば乗り心地の改善の点から低トルクリップルに対する厳しい要求があるエレベータの巻き上げ機の駆動用に好適である。
【００５５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、鉄心材料にて形成されＺ個のティースを有しこのティースにより円筒状の内周部又は外周部を形成するようにされた電機子鉄心とティースに集中巻きされたコイルを有し３相接続された電機子巻線とを設けた電機子、及び各ティースと対向する外周側又は内周側の全周にわたって配列されたＱ個の永久磁石磁極を有する界磁を備え、電機子鉄心の一の位置とこの一の位置から所定方向に所定距離離れた別の位置とにそれぞれ位置する第１及び第２のティース間の電機子鉄心の磁気抵抗が一の位置を内周部又は外周部に沿って１周移動させたときに電機子鉄心の磁気歪又は鉄心材料の異方性に起因して脈動する脈動数Ｔと、電機子鉄心のティースの総数Ｚと永久磁石磁極の数Ｑとの公約数Ｋと、の差の絶対値｜Ｔ−Ｋ｜が所定値以上になるようにしたものであるので、電機子鉄心の磁気歪又は鉄心材料の異方性に起因して発生するコギングトルクやトルクリップルを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示すＰＭモータの断面図である。
【図２】図１の固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図である。
【図３】図２の各ブロックにおけるコイルの結線状態を示す説明図である。
【図４】図２の分割鉄心において、帯状の電磁鋼板から鋼板片を板取りする場合の板取図である。
【図５】図２の分割鉄心において、各ティース中心線と電磁鋼板の圧延方向とがなす角度を示す図である。
【図６】磁界解析により求めた固定子鉄心の変形モードＮとトルクリップルの大きさとの関係を示す図である。
【図７】コギングトルクが大きくなる条件を回転子の磁極数と固定子のティース数と変形モードとの代表的な組み合わせについて求めた結果を示す図である。
【図８】この発明の他の実施の形態を示すもので固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図である。
【図９】図８の分割鉄心において、帯状の電磁鋼板から鋼板片を板取りする場合の板取図である。
【図１０】この発明の他の実施の形態を示す固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図である。
【図１１】図１０の分割鉄心において、帯状の電磁鋼板から鋼板片を板取りする場合の板取図である。
【図１２】さらにこの発明の他の実施の形態を示す固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図である。
【図１３】図１２の各ブロックにおけるコイルの結線状態を示す説明図である。
【図１４】図１２における分割鉄心において、電磁鋼板から鋼板片を板取りする場合の板取図である。
【図１５】電磁鋼板の圧延方向と図１２の各ティース中心線との関係を示す図である。
【図１６】さらにこの発明の他の実施の形態を示す固定子をブロックごとに分解して示すＰＭモータの断面図である。
【図１７】図１６の各ブロックの溶接状態を示す溶接状態図である。
【符号の説明】
２，２２，３２，４２，５２固定子、
３，２３，３３，４３，５３ブロック、
５，２５，３５，４５，５５分割鉄心、
５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａ，５５ａティース、
５ｂ，３５ｂ，４５ｂ，５５ｂコア片、５ｄ，４５ｄ関節部、
３５ｄ，５５ｄ薄肉部、６固定子巻線、
６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ，５６ａコイル、
７，２７，３７，４７，５７固定子鉄心、
７ａ，２７ａ，３７ａ，４７ａ，５７ａ内周部。

Claims

鉄心材料にて形成されＺ個のティースを有しこのティースにより円筒状の内周部又は外周部を形成するようにされた電機子鉄心と上記ティースに集中巻きされたコイルを有し３相接続された電機子巻線とを設けた電機子、及び上記各ティースと対向する外周側又は内周側の全周にわたって配列されたＱ個の永久磁石磁極を有する界磁を備え、上記電機子鉄心の一の位置とこの一の位置から所定方向に所定距離離れた別の位置とにそれぞれ位置する第１及び第２のティース間の上記電機子鉄心の磁気抵抗が上記一の位置を上記内周部又は上記外周部に沿って１周移動させたときに上記電機子鉄心の磁気歪又は上記鉄心材料の異方性に起因して脈動する脈動数Ｔと、上記電機子鉄心の上記ティースの総数Ｚと上記永久磁石磁極の数Ｑとの公約数Ｋと、の差の絶対値｜Ｔ−Ｋ｜が所定値以上になるようにした回転電機。
上記電機子鉄心は、おのおの一つのティースを有するＺ個のコア片を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
Ｂ個の部分鉄心が周方向に配列されたものであって総数Ｚ個のティースを有しこのティースにより円筒状の内周部又は外周部を形成するようにされた電機子鉄心と上記ティースに集中巻きされたコイルを有し３相接続された電機子巻線とを設けた電機子、及び上記各ティースと対向する外周側又は内周側の全周にわたって配列されたＱ個の永久磁石磁極を有する界磁を備え、上記部分鉄心の数Ｂと、上記電機子鉄心の上記ティースの総数Ｚと上記永久磁石磁極の数Ｑとの公約数Ｋと、の差の絶対値｜Ｂ−Ｋ｜が所定値以上になるようにした回転電機。
上記部分鉄心は、円弧状の板状磁性材料を所定枚数積層して構成されたものであることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
上記部分鉄心は、おのおの一つのティースを有する複数のコア片が連結されたものであることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
上記部分鉄心は、上記コア片が複数個互いに回動可能に連結されたものであることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
上記部分鉄心は、上記コア片が複数個互いに屈曲可能な連結部材で連結されたものであることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
おのおの一つのティースを有するＺ個のコア片が周方向に配列されるとともに所定個所において上記コア片の隣接するもの同士を所定の条件にて溶接した溶接点がＷ個設けられたものであって総数Ｚ個のティースを有しこのティースにより円筒状の内周部又は外周部を形成するようにされた電機子鉄心と上記ティースに集中巻きされたコイルを有し３相接続された電機子巻線とを設けた電機子、及び上記各ティースと対向する外周側又は内周側の全周にわたって配列されたＱ個の永久磁石磁極を有する界磁を備え、上記溶接点の数Ｗと、上記電機子鉄心の上記ティースの総数Ｚと上記永久磁石磁極の数Ｑとの公約数Ｋと、の差の絶対値｜Ｗ−Ｋ｜が所定値以上になるようにした回転電機。
エレベータの巻き上げ機の駆動用に用いられるモータであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。