JP2006050791A - 同期型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 円環０次モードを励起するモーダルフォースのうち、レベルの高い次数の加振力を低減し、結果として固定子およびケースの円環０次振動、並びに、運転者にとって不快となる高周波振動音を低減することができる同期型回転電機を提供すること。
【解決手段】 コイルを巻き付けたティース(1)〜(48)を有する固定子３０と、永久磁石５１〜５８を有する回転子５０を備え、前記永久磁石５１〜５８の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子５０が回転する同期型回転電機において、前記固定子３０は、極対数をｐとし（永久磁石数２ｐ）、ティース数をｑとした時、あるティースに対しｒ×ｑ/（２ｐ）（ｒは整数）個離れたティースをペアと考え、そのティース間角度が３６０°×ｒ/（２ｐ）による周方向均等ピッチからずれたペアが少なくとも一組存在する設定とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子が回転する同期型回転電機（同期モータ、同期ジェネレータ、同期モータジェネレータを含む。）の技術分野に属する。

同期モータにおいて、回転子に設けられる永久磁石の配置を不等ピッチに設定する例としては、複数の永久磁石を、電気角で３０度づつ前後にずらして設定する。すなわち、一つの極対の電気角を３３０度とし、他方の極対の電気角を３９０度とすると、例えば、Ｕ相コイルに発生する起電圧は、一方のコイルと他方のコイルとで位相が前後にずれ、その合成電圧は、矩形波ではなく、その立ち上がりと立ち下がりにステップ的に変化する部分を生じる。この結果、各相コイルに生じる起電圧、ひいては相間の端子間電圧は、正弦波に近づき、同期型三相モータの制御特性及び効率が改善されるというものである（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２５５１５９号公報

しかしながら、従来の同期モータにあっては、矩形波に近い逆起電圧による、例えば，Ｕ相−Ｖ相の相間端子電圧をなめらかな正弦波に近づけることで、コントローラによるモータ制御を容易ならしめることを狙ったものであり、電気角として３０度、機械角で１５度のような大きな不等ピッチを設定するため、磁界の変動により固定子に発生する特に高周波のモータ高次回転次数の振動を低減することはできない、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、円環０次モードを励起する加振力（以下、「モーダルフォース」という。）のうち、レベルの高い次数の加振力を低減し、結果として固定子およびケースの円環０次振動、並びに、運転者にとって不快となる高周波振動音を低減することができる同期型回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、コイルを巻き付けたティースを有する固定子と、永久磁石を有する回転子を備え、前記永久磁石の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子が回転する同期型回転電機において、
前記固定子は、極対数をｐとし（永久磁石数２ｐ）、ティース数をｑとした時、あるティースに対しｒ×ｑ/（２ｐ）（ｒは整数）個離れたティースをペアと考え、そのティース間角度が３６０°×ｒ/（２ｐ）による周方向均等ピッチからずれたペアが少なくとも一組存在することを特徴とする。

よって、本発明の同期型回転電機にあっては、固定子において、あるティースと、あるティースに対しｒ×ｑ/（２ｐ）個離れたティースと、をペアとしたとき、ティース間角度が周方向均等ピッチからずれたティースのペアが、少なくとも一組存在する設定とされる。例えば、図１に示すように固定子のティース(1)と(7)がｒ×ｑ/（２ｐ）＝６（ただし，ｒ＝１，ｑ＝４８，ｐ＝４）の場合、このティース(1),(7)を均等ピッチからずらすことで、ティース(1),(7)の加振力のｎ＝４８次成分の位相を同相から変更でき、円環０次モードを励起するモーダルフォースの４８次成分を低減することができる。この円環０次振動モードは、効率的に騒音になるモード形をしているので、このモーダルフォースのうち、レベルの高い次数の加振力を低減することで、結果として固定子およびケースの円環０次振動、並びに、運転者にとって不快となる高周波振動音を低減することができる。

以下、本発明の同期型回転電機を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例１〜実施例５に基づいて説明する。

図１は実施例１の同期型三相モータ（同期型回転電機の一例）の回転子と固定子を示す全体図、図２は図１の回転子と固定子を組み込んだ同期型三相モータの構造を示す断面図である。

まず、図２を用い同期型三相モータの全体構成について説明する。

この同期型三相モータは、高出力と低振動性という特性を備えるために多用される傾向にある４極対４８ティースの分布巻きによる三相モータであり、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するモータケース６０とからなる。回転子５０は、外周部に永久磁石５１〜５８が装着されており、その軸中心に設けた回転軸４０を、モータケース６０に設けられた軸受６１，６２により回転可能に支持している。

図１を用い前記回転子５０の構成を説明する。

前記回転軸４０に対し圧入により固定された積層鋼鈑等をベース材とし、外周部に８個の永久磁石５１〜５８が軸方向に貫通して固定されている。この永久磁石５１〜５８は、厚み方向に磁化されており、一つ置きにＮ極とＳ極が逆向きに配置されている。この永久磁石５１〜５８は、回転子５０を固定子３０に組み付けると、回転子５０の永久磁石と固定子３０の電磁石との関係により磁路を形成する。

図１を用い前記固定子３０の構成を説明する。

前記モータケース６０に対し圧入やボルト止め等により固定された積層鋼鈑をベース材とし、前記回転子５０と対向する内側部には、計４８個のティース(1)〜(48)を備える。各ティース(1)〜(48)間に形成されたスロットには、固定子３０に回転磁界を発生させるコイル３２が巻き付けられている。なお、前記コイル３２は、図１に示すように、Ｕ相のコイル３２とＶ相のコイル３２とＷ相のコイル３２とに分けられ、各相のコイル３２は、図外のコントローラにより制御されるモータドライバに接続されている。そして、このモータドライバから各相のコイル３２に対し、位相が１２０度づつ異なる所定周波数の交流電圧を投入することにより、その周波数に対応した回転数で、同期型三相モータの回転子５０は回転する。

図１を用い前記固定子３０に設定されたティース(1)〜(48)の配置について説明する。

実施例１では、図１に示すように、極対数をｐ＝４とし（永久磁石数２ｐ＝８）、ティース数をｑ＝４８とした時、ティース(1)と、ティース(1)に対し６個離れたティース(7)とをペアと考える。

つまり、ｒ×ｑ/（２ｐ）の式で、ｒ＝１、ｑ＝４８、ｐ＝４を代入すると、
ｒ×ｑ/（２ｐ）＝１×４８/８＝６
となる。そして、このペアとして選択されたティース(1),(7)間のなす角度を、周方向均等ピッチ（３６０°×ｒ/（２ｐ）＝４５°）からずらした設定（４５°±α）としている。つまり、ティース(1)〜(48)による２４組みのペアティースのうち、少なくともティース(1),(7)による一組のペアを周方向均等ピッチからずらした設定としている。

次に、電磁加振力低減作用について説明する。

本発明の代表的な対象である従来の同期型回転電機の断面図を図３に示す。回転子には、永久磁石が周方向に均等ピッチで配置されている。固定子には、図示しないコイルがスロットに巻き回され、スロット間の凸部であるティースが、周方向に均等ピッチで配置されている。

次に、回転電機の高周波騒音として問題となる固定子の主要モードを図４に示す。なお、図４では振動モードを表示するため回転子などを省略し固定子のみを示した。

図４において、図示しない回転子の永久磁石と多相コイルの界磁とで発生する電磁力変動が、ティースに電磁加振力（図３の矢印）として作用する。その結果、図４の点線に示すように円環０次モード（振動の節がゼロ個のモード）を呈し、その振動がモータ騒音の原因となる。

他の振動モードとして、図５に円環６次モード（振動の節が６個のモード）を示す。この円環６次モードは、図４の円環０次モードと同様に、電磁加振力により励起されるモードではあるが、図５の点線に示すように、モード形状に凹凸があるため、放射音になる効率は、凹凸がある図５の円環６次モードより、凹凸がない図４の円環０次モードの方が高いと言われている。

実施例１は、円環０次モードを励起する加振力であるモーダルフォースのうち、レベルの高い次数（例えば、４８次）の加振力を低減し、結果として固定子３０および図示しないケースの円環０次振動、並びに、運転者にとって不快となる高周波振動音を低減することを目的とする。

すなわち、典型的な電動機稼動条件として、一定回転速度時の電磁力解析結果を、図６および図７に示す。図６には、ティース(1)における半径方向の電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す。図７には、ティース(7)における半径方向の電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す。

ティース(1)〜(48)に作用する電磁力の特徴は、常に内向き（回転子５０側に引きつけられる方向）である。図６及び図７の電磁力波形はほぼ一致しており、図示した４８次以外の次数成分も基本的に一致する。すなわち、回転方向の周期性ゆえ、ティース数をｑ、極対数をｐとしたとき、あるティースからｒ×ｑ/（２ｐ）個離れたティースの電磁力波形はほぼ一致する（ただし、ｒは整数）という特徴があることがわかる。また、この電磁力による円環０次のモーダルフォースは、図４からわかるように、各ティース同等寄与なのでそれぞれの符号を考慮して加算することで評価できる。

円環０次モードを励起する加振力であるモーダルフォースをフーリエ解析した結果を、図８に示す。実施例１の場合は、回転子５０の回転に対して２４次、４８次が他の次数に比較し高いことを示している。

ここでは、例として４８次を低減する場合を考える。半径方向電磁力の４８次成分は、前述のようにティース(1)については図６に、ティース(7)については図７に示してあるが、それらを抜き出してあらためて図９に示す。ティース(1)とティース(7)の加振力４８次成分は、ほとんど一致している。

ティース(1)とティース(7)はｒ×ｑ/（２ｐ）だけ離れている（ただし、ｒ＝１）。このティース(1),(7)を均等ピッチ（本実施例１では、６×３６０/４８＝４５°）からずらすことで、ティース(1),(7)の加振力４８次成分の位相を同相から変更でき、モーダルフォースの４８次成分を低減することができる。

次に、効果を説明する。

実施例１の同期型回転電機にあっては、下記の効果を得ることができる。

(1) コイルを巻き付けたティース(1)〜(48)を有する固定子３０と、永久磁石５１〜５８を有する回転子５０を備え、前記永久磁石５１〜５８の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子５０が回転する同期型回転電機において、前記固定子３０は、極対数をｐとし（永久磁石数２ｐ）、ティース数をｑとした時、あるティースに対しｒ×ｑ/（２ｐ）（ｒは整数）個離れたティースをペアと考え、そのティース間角度が３６０°×ｒ/（２ｐ）による周方向均等ピッチからずれたペアが少なくとも一組存在するため、モーダルフォースのうち、レベルの高い次数の加振力を低減し、結果として固定子３０およびケースの円環０次振動、並びに、運転者にとって不快となる高周波振動音を低減することができる。

実施例２は、ティース(1),(7)のｎ次加振力を逆相にし、モーダルフォースの大幅な低減を図るようにした例である。

まず、着目する回転次数をｎ次（実施例２では４８次）として、ティース(1)とティース(7)のｎ次加振力を逆相にすることで、モーダルフォースを更に大幅に低減することができる。逆相にするには、ペアティース間の角度を、均等ピッチに対し±（３６０/（２ｎ））°ずらせばよい。つまり、実施例２では、４５°±３．７５°となる。

この実施例２を図１０に示す。ティース(1),(7)間の角度は、図１０の１/４モデルに示すように、４５°−３．７５°になっている。図１０では、ティース(2),(8)間、ティース(4),(9)間、ティース(5),(10)間でも４５°−３．７５°になっている。図１０で、ティース(7)と図示しないティース(13)をペアと考えた場合は、その間の角度は４５°＋３．７５°となっている。すなわち、±（３６０/（２ｎ））°のいずれも同じ効果を得ることができる。

また、ティース(1)とティース(13)の２ティースの関係は、周方向の周期性からティース(1)とティース(7)の関係と同じである。すなわち、ｒ×ｑ/（２ｐ）（ただし、ｒ＝２）でも成立し、ｒが整数なら成立することがわかる。

作用を説明すると、実施例２での計算結果を、図１１および図１２に示す。図１１はティース(1)における半径方向の電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す。図１２はティース(7)における半径方向の電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す。また、それぞれの加振力４８次成分を図１３に示す。図１３により、ティース(1)とティース(7)の加振力４８次成分が逆相になっていることがわかる。

実施例２のモーダルフォースを周波数解析した結果を図１４に示す。この図１４によると、２４次と４８次以外の次数については従来に対しピーク値の上昇がみられるものの、最も加振力レベルの高い２４次と４８次のうち、２４次については僅かにピーク値が低減し、４８次については１０dB以上のピーク値低減効果を得ることができた。この加振力レベルの高い４８次についてモーダルフォースのピーク値を低減した結果、加振力レベルが次数にかかわらず均等化され、運転者にとって不快となる高周波振動音の大幅な低減が達成された。

次に、効果を説明する。

実施例２の同期型回転電機にあっては、実施例１の(1)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(2) 前記固定子３０は、回転子５０の回転次数のｎ次（ｎは整数）に着目し、該ペアのティース角度のずれが、周方向均等ピッチに対し、略±（３６０/２ｎ）°であるため、着目する回転次数の加振力が逆相になり、着目する回転次数におけるモーダルフォースを大幅に低減することができる。

実施例３は、着目する回転次数を２つ設定し、２つの次数の加振力を逆相にし、モーダルフォースの大幅な低減を図るようにした例である。

構成としては、実施例３の場合、着目する回転次数を２４次と４８次とし、固定子３０は、４５°の均等ピッチに対して、略±３．７５°｛＝３６０/(２×４８)°｝ずらしたペアティースを一組以上有し（４８次対策）、４５°の均等ピッチに対して、略±７．５°｛＝３６０/(２×２４)°｝ずらしたペアティースを一組以上（２４次対策）有する構成とする。

作用を説明すると、固定子３０は、均等ピッチに対し略±３．７５°のペアティースを一組以上有することで、４８次のモーダルフォースが低減され、同時に、均等ピッチに対し略±７．５°のペアティースを一組以上有することで、２４次のモーダルフォースが低減される。

次に、効果を説明する。

実施例３の同期型回転電機にあっては、実施例２の(2)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(3) 前記固定子３０は、着目する回転子５０の回転次数がｎ次を含め同時に異なる複数個存在するため、例えば、高周波騒音として問題となる２つの次数（２４次、４８次）についてモーダルフォースを同時に低減することも可能である。

実施例４は、任意のペアティースで均等ピッチに対して略±３．７５°ずらした例である。

構成を説明すると、実施例４の場合、固定子３０は、選択した任意のペアティースで均等ピッチに対して略±３．７５°ずらす構成とする。

作用を説明すると、図８に示された２４次・４８次のように次数ｎが極対数２ｐと多相電流の相数ｓとの積の整数倍である場合は、どのティースでもｎ次成分はほとんど同相になる。その例としてティース(2)の電磁力波形とその４８次成分を図１５に示す。また、ティース(1)の４８次成分との比較を図１６に示す。４８次成分のピーク値はわずかに違うが、ほとんど同相である。他のティースでもほとんど同相なので、任意のペアティースで均等ピッチに対して略±３．７５°ずらすことで、４８次についてモーダルフォースを低減することができる。

次に、効果を説明する。

実施例４の同期型回転電機にあっては、実施例１の(1)の効果に加え、下記に列挙する効果を得ることができる。

(4) 前記固定子３０は、多相コイルの相数をｓとした時、着目する回転次数ｎが２×ｐ×ｓの整数倍の場合は、任意の２つのティースをペアとして、該ペアのティース角度のずれが、周方向均等ピッチに対し、略±（３６０/２ｎ）°であるため、例えば、着目する次数が２４次や４８次の場合、任意の２つのティースをペアとして周方向ピッチをずらすだけで、高周波騒音として問題となる２４次と４８次についてモーダルフォースを同時に低減することも可能である。

実施例５は、実施例４より大きなモーダルフォースの低減効果を狙った例である。

構成を説明すると、固定子３０は、あるティースを基準にティースに番号をとった時、偶数番同士あるいは奇数番同士をペアティースとし、該ペアのティース角度のずれを、周方向均等ピッチに対し、略±（３６０/２ｎ）°とした。

作用を説明すると、本発明の適用を検討中の分布巻き回転電機では、ティース(1)とティース(3)のようにひとつおきの位置関係にあるティースでは、上記ｎ次成分に関してピーク値、位相ともほとんど一致する。ティース(1)と(3)の４８次成分を図１７に示す。よって、例えば、ティース(1)とティース(3)をペアとし、このペアのティース角度のずれを周方向均等ピッチに対し略±（３６０/２ｎ）°とすると、実施例４のようなティ−ス(1)と(3)のペアよりも大きなモーダルフォースの低減効果を期待できる。

次に、効果を説明する。

実施例５の同期型回転電機にあっては、実施例１の(1)、および、実施例４の(5)に記載の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(5) 固定子３０は、あるティースを基準にティースに番号をとった時、偶数番同士あるいは奇数番同士をペアティースとし、該ペアのティース角度のずれを、周方向均等ピッチに対し、略±（３６０/２ｎ）°としたため、例えば、高周波騒音として問題となる２４次と４８次について、実施例４よりも大きなモーダルフォースの低減効果を期待することができる。

(6) また実施例５、６において，全てのティースに関し、ピッチをずらしたペアを組むと、高周波騒音として問題となる次数についてモーダルフォースの低減効果として最大効果を実現することができる。

以上、本発明の同期型回転電機を実施例１〜実施例５に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

実施例１〜５では、２４次と４８次のモーダルフォースを低減する例を示したが、同期型回転電機の対極数とティース数や相数が異なる場合、要するに運転者にとって不快となる振動音を低減できる次数であれば、モーダルフォースを低減する次数は２４次と４８次に限ることはない。

実施例では、同期型回転電機の一例として、４極対４８ティースの分布巻き同期型三相モータの例を示したが、極対数やティース数や相数が異なる同期モータにも同様に適用することができるし、さらに、同期モータ以外にも同期ジェネレータや同期モータジェネレータにも適用することができる。また、実施例では、回転子と固定子とが径方向に対向配置されるラジアルタイプの同期型回転電機への適用例を示したが、例えば、回転子と固定子とが径方向に対向配置されるアキシャルタイプの同期型回転電機へも適用することができる。

実施例１の同期型三相モータ（同期型回転電機の一例）に適用された回転子と固定子を示す正面図である。 図１の回転子と固定子を組み込んだ実施例１の同期型三相モータの構造を示す縦断側面図である。 従来例の同期型三相モータの構造を示す概略図である。 同期型三相モータにおいて騒音の主要な原因となる円環０次モードを示す図である。 同期型三相モータにおいて他の振動モードとしての円環６次モードを示す図である。 実施例１のティース(1)における半径方向電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す特性図である。 実施例１のティース(7)における半径方向電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す特性図である。 回転子の回転次数に対するモーダルフォースのフーリエ解析結果を示す特性図である。 ティース(1),(7)における加振力４８次成分を示す特性図である。 実施例２の同期型三相モータの回転子と固定子を示す1/4モデル図である。 実施例２のティース(1)における半径方向電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す特性図である。 実施例２のティース(7)における半径方向電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す特性図である。 実施例２のティース(1),(7)における加振力４８次成分を示す特性図である。 均等ピッチの従来例と実施例２（本発明）とのモーダルフォースの低減効果の対比特性図である。 ティース(2)における半径方向電磁力波形と電磁力波形の４８次成分を示す特性図である。 実施例４のティース(1),(2)における加振力４８次成分を示す特性図である。 実施例５のティース(1),(3)における加振力４８次成分を示す特性図である。

符号の説明

３０ 固定子
(1)〜(48) ティース
３２ コイル
４０ 回転軸
５０ 回転子
５１〜５８ 永久磁石
６０ モータケース
６１，６２ 軸受

Claims (6)

1. コイルを巻き付けたティースを有する固定子と、永久磁石を有する回転子を備え、前記永久磁石の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子が回転する同期型回転電機において、
   前記固定子は、極対数をｐとし（永久磁石数２ｐ）、ティース数をｑとした時、あるティースに対しｒ×ｑ/（２ｐ）（ｒは整数）個離れたティースをペアと考え、そのティース間角度が３６０°×ｒ/（２ｐ）による周方向均等ピッチからずれたペアが少なくとも一組存在することを特徴とする同期型回転電機。
2. 請求項１に記載された同期型回転電機において、
   前記固定子は、回転子の回転次数のｎ次（ｎは整数）に着目し、該ペアのティース角度のずれが、周方向均等ピッチに対し、略±（３６０/２ｎ）°であることを特徴とする同期型回転電機。
3. 請求項２に記載された同期型回転電機において、
   前記固定子は、着目する回転子の回転次数がｎ次を含め同時に異なる複数個存在することを特徴とする同期型回転電機。
4. 請求項１に記載された同期型回転電機において、
   前記固定子は、多相コイルの相数をｓとした時、着目する回転次数ｎが２×ｐ×ｓの整数倍の場合は、任意の２つのティースをペアとして、該ペアのティース角度のずれが、周方向均等ピッチに対し、略±（３６０/２ｎ）°であることを特徴とする同期型回転電機。
5. 請求項１に記載された同期型回転電機において、
   前記固定子は、あるティースを基準にティースに番号をとった時、偶数番同士あるいは奇数番同士をペアティースとし、該ペアのティース角度のずれが、周方向均等ピッチに対し、略±（３６０/２ｎ）°であることを特徴とする同期型回転電機。
6. 請求項４または請求項５に記載された同期型回転電機において、
   前記固定子は、全てのティースに関し、該ペアを組んだことを特徴とする同期型回転電機。
   

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