JP2006060951A

JP2006060951A - 電動機

Info

Publication number: JP2006060951A
Application number: JP2004241840A
Authority: JP
Inventors: Shizuka Yokote; 静横手; Norisada Nishiyama; 典禎西山; Hiroshi Murakami; 浩村上; Naoaki Morino; 修明森野; Yoshitaka Tsunoda; 吉隆角田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】永久磁石方電動機において、トルク脈動を低減するために固定子鉄心をスキューしても、高調波を打ち消すことは困難であった。
【解決手段】環状のヨーク１と巻線用溝であるスロット２となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティース３が形成され、これらのティースに巻線を施した固定子４と、前記固定子と半径方向に僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持されて永久磁石５にて界磁を発生する回転子６とを備え、前記固定子の鉄心が周方向にスキューされており、その一部または複数部を回転軸と平行なストレート部７で構成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、低騒音、低振動を実現する電動機に関する。

従来の電動機は、図８に示すように構成されている。これは、固定子４とそれに半径方向に対向する回転自在に支持された回転子６からなり、固定子４は固定子鉄心１１を積層して構成されている。この固定子鉄心１１は巻線が施されるティース３と、ティースをつなぐ略環状のヨーク１から形成されている。ティース３の先端には、対向する回転子との空隙に沿って周方向に突出したティース先端突出部１２が形成されている。回転子には界磁を発生させる永久磁石５が配置されている。

コギングトルクやトルク脈動を低減するために、この固定子鉄心１１は周方向にスキューされている。一般的には、主にコギングトルクに着目し、１ティースあたりの角度３６０°／ｓ（ｓは固定子のスロット数）スキューされることが多い。
特開２００３−３２９３９号公報

上記従来の構成では、固定子鉄心を１スロット角度スキューすることにより、固定子と回転子の位置関係が周方向に均等に分散するため、固定子と回転子の相対的な位置により磁気抵抗が変化することが原因となって生じるコギングトルクの高調波を打ち消すことはできる。しかし、固定子をスキューさせると固定子と回転子の相対位置が機械的に変化することにより、固定子巻線に通電した場合の回転子に対する電流位相も変化するために、トルク波形の形状が位置によって異なり、トルク脈動の高調波を打ち消すことは困難である。

本発明は、このような従来の課題を解決し、トルク脈動の任意の高調波成分を低減した、低振動・低騒音なモータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本件出願に係わる発明は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子鉄心にスキューを施していない、回転軸と平行なストレート部を少なくとも１箇所設けるように第１の発明の電動機を構成する。

また、本件出願に係わる第１の発明において、固定子鉄心の軸方向の両端にスキュー部があり、その間に少なくとも１箇所のストレート部を設けるように第２の発明の電動機を構成する。

また、本件出願に係わる第１の発明において、固定子のストレート部が、軸方向長さの中心点に対してほぼ対称に設けるように第３の発明の電動機を構成する。

また、本件出願に係わる発明は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子の鉄心が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が異なる複数のスキュー部から第４の発明の永久磁石電動機を構成する。

また、本件出願に係わる第１の発明から第４の発明において、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた多相全波駆動の電動機において、周期が３６０／（Φ×２）×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）である高調波成分を打ち消すように第５の発明の永久磁石電動機を構成する。

また、本件出願に係わる第１の発明から第４の発明において、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた多相半波駆動の電動機において、周期が３６０／Φ×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）高調波成分を打ち消すように第６の発明の永久磁石電動機を構成する。

また、本件出願に係わる第１の発明から第６の発明のいずれかについて、電動機を搭載した第７の発明の密閉型圧縮機を構成する。

また、本件出願に係わる第７の発明について、密閉型圧縮機を用いたことを特徴とする第８の発明の冷凍サイクルを構成する。

また、本件出願に係わる第８の発明について、冷凍サイクルで構成された第９の発明の空気調和機を構成する。

上記手段によって、ストレート部で発生するトルク波形の高調波成分が相対的に増加する。そのストレート部で生じるトルク波形の高調波成分とスキュー部で生じるトルク波形の高調波成分において、周期が等しく位相が１／２周期異なる高調波成分が低減され、モータ駆動時の騒音や振動を低減することができる。

また、本発明は環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、これらのティースに巻線を施した固定子と、固定子と半径方向に僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持されて永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子の鉄心が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が異なる複数のスキュー部から構成されているものである。

上記手段によって、スキュー部分１とスキュー部２のトルク波形において、周期が等しく位相が１／２周期異なる高調波成分が互いに打ち消し合うため高調波成分が低減され、モータ運転時の騒音や振動を抑制することができる。

請求項１記載の発明によれば、スキュー部で発生するトルクの任意の高調波成分とストレート部で発生する同次数の高調波成分の位相が１／２周期になる、すなわち逆転するために、駆動時のトルク脈動が低減され、運転時の騒音や振動を低減できるという特徴がある。

また、請求項２記載の発明によれば、固定子鉄心の軸方向の両端にスキュー部を配置し、その間に少なくとも１箇所のストレート部を設けることにより、固定子鉄心のほぼ中心位置近辺に発生するトルクの割合が増加するため、スキューによるトルクの減少率を抑制でき、電動機の低振動、低騒音化に加えて高出力化ができるという特徴がある。

また、請求項３記載の発明によれば、軸方向長さの中心に対して固定子鉄心が対称に存在するため、磁気的に均衡が取れるため、電動機の回転軸に不要な力がかかることがなくなる。したがって、低トルク脈動による低振動化に加えて、機器の長寿命化が可能となるという特徴がある。

また、請求項４記載の発明によれば、スキュー角度が異なる固定子鉄心の境界部において、固定子鉄心の傾き角度の変化が緩和されるので、スロットに巻回される巻線の変形量が少なくなる。したがって、異なる角度の複数のスキュー部で発生するトルクの高調波の任意の次数成分が低減できる固定子を容易に製作することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、多相全波駆動される電動機において、トルク脈動が加振源となって生じる振動への影響が最も大きい、高調波の最小次数成分を効率良く低減することができるので、低振動、低騒音の多相全波駆動電動機が実現できるという特徴がある。

また、請求項６記載の発明によれば、多相半波駆動される電動機において、トルク脈動の振幅が最も大きい高調波である最小次数成分を効率良く低減することができるので、低振動、低騒音の多相半波駆動電動機が実現できるという特徴がある。

請求項７から請求項９記載の発明によれば、家電機器や自動車の低騒音化・低振動化が実現できる。

本発明は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子鉄心にスキューを施していない、回転軸と平行なストレート部を少なくとも１箇所設けたものである。

さらに、固定子に設けたストレート部を、軸方向の両端に配置されたスキュー部の間に設けたものである。

さらに、固定子のストレート部とスキュー部で構成される鉄心形状が軸方向長さの中心点に対して対称に設けられているものである。

さらに、固定子鉄心がスキュー角度の異なる複数のスキュー部によって構成されるものである。

さらに、３相全波で駆動される電動機においては、一般的に電気角で３６０°／（３相×２）＝６０°周期のトルク脈動が主な高調波となるので、固定子に設けたストレート部が高調波を打ち消そうとするトルク波形を発生する基準位置（一般的にはスキュー部の中心位置）とのなす角度が６０°×２／ｐ ×１／２（ｐは回転子の極数）のものである。

同様に、例えば５相全波で駆動される電動機においては電気角で３６０°／（５相×２）＝３６°周期のトルク脈動が主な高調波となるので、固定子に設けたストレート部が高調波を打ち消そうとするトルク波形を発生する基準位置とのなす角度が３６°×２／ｐ ×１／２（ｐは回転子の極数）のものである。

また、半波で駆動される電動機においては電気角で３６０°／相数周期のトルク脈動が主な高調波となるので、固定子に設けたストレート部が高調波を打ち消そうとするトルク波形を発生する基準位置とのなす角度が３６０°／Φ×２／ｐ ×１／２（ｐは回転子の極数、Φは相数）のものである。

このように、多相駆動される電動機のトルク脈動の任意の高調波成分を低減することができる。

このような構成により、トルク脈動の任意の高調波成分を打ち消すことができる。

本発明のより具体的な実施例について図面を参照して説明する。

本発明の請求項１に記載の電動機は、図１に示す様に環状のヨーク１と巻線用溝であるスロット２となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティース３が形成され、これらのティースに巻線を施した固定子４と、前記固定子と半径方向に僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持されて永久磁石５にて界磁を発生する回転子６とを備え、前記固定子の鉄心が周方向にスキューされており、その一部または複数部が回転軸と平行なストレート部７を有することを特徴とする。

固定子鉄心に一様なスキューが施された場合とスキューがない場合のトルク波形を図２に示す。ここで、スキューがない場合でのトルク脈動の最大振幅となる高調波成分の次数をＷとすると、スキューがある場合でのスキュー角度θｍはＷ次成分を低減することを想定して３６０／Ｗとなる。幾何学的にはスキュー角θｍはトルク脈動のＷ次数成分の周期と等しくなるので、トルク波形のＷ次成分はなくなるはずである。しかし、本来電流位相φで駆動されているモータにおいて、固定子をスキューさせると回転子と固定子の相対位置関係が軸方向に対して変化していくため、位置によって異なる電流位相で駆動していることになる。例えば、図１に示す固定子鉄心の上部では電流位相はφ＋θｅ／２、下部の電流位相はφ−θｅ／２（ここで、θｅ＝θｍ＊ｐ／２）となるので、図３に示すトルク波形の次数分析結果からわかるように、スキュー角θｍではＷ次成分を完全に打ち消すことはできない。そこで、スキュー部分のトルク波形のＷ次成分に対して、位相が１／２周期異なるＷ次成分波形を持つトルク波形を発生する位置の固定子鉄心に、軸方向と平行となるストレート部７を設ける。これにより、スキュー部８とストレート部７のトルク波形のＷ次成分が逆位相になるため、図４に示す実施例１のＡのように、均等なスキューでは打ち消すことのできなかったＷ次の高調波成分をさらに低減することが可能となる。

このストレート部の長さｌｓはスキュー部で生じるトルク波形のＷ次成分の振幅とストレート部で生じるトルク波形のＷ次成分の振幅が等しくなるように設定すると、図４に示す実施例１のＢのように駆動時のトルク脈動のＷ次成分をほぼ零にすることができる。

図１では、ストレート部が回転子軸方向の端部に設けている例を示したが、低減したい高調波成分に対して、スキュー部とストレート部の波形が逆位相になる位置にストレート部を設けることにより効果が生じるため、ストレート部の位置は回転子の端部に限ったものではない。

本発明の請求項２に記載の電動機は図５に示す様に、固定子の軸方向の両端にスキュー部を配置し、その間にストレート部７を設けているものである。この場合は、低減したい任意の高調波成分の次数Ｗの位相が第１スキュー部９と第２スキュー部１０で発生する波形とストレート部７で発生する波形とで１／２周期、すなわち３６０／（Ｗ×２）°（機械角）異なるようにスキュー角θｍ１、θｍ２を設定する。さらに、第１スキュー部９と第２スキュー部１０によって発生するトルク波形のＷ次成分の振幅の和とストレート部で発生するトルク波形のＷ次成分の振幅が等しくなるようなスキュー部の軸方向長さｌｋ１、ｌｋ２とストレート部の軸方向長さｌｓ１にすると、トルク波形のＷ次成分を打ち消すことができる。

一般的には運転時の発生トルクが最大となるように基本電流位相φが設定される。これは固定子鉄心の総スキュー角のほぼ中心部あたりを基準にして、この基準位置の電流位相がφで駆動されるように調整される。従って、総スキューの中心近傍にストレート部を設けることにより出力トルクが高くなり、電動機の効率を増加することができる。

本発明の請求項３に記載の電動機は、図６に示す様に固定子に設けるストレート部７が軸中心点に対して対称に設けているものである。固定子のスキュー形状が軸中心に対して非対称形状の場合は、軸方向に対して磁気的なアンバランスが生じることが考えられる。それを解消するために、軸中心に対して対称形状になるようにストレート部７とスキュー部８を設けている。この場合は、スキュー部で生じるトルク波形のＷ次成分の振幅とストレート部で生じるトルク波形のＷ次成分の振幅の和が等しくなるように設定する。

これらのストレート部の位置を低減したい高調波に対して周波数が等しく位相が１８０°異なる波形を発生させるように設けることにより、所望の高調波を打ち消すことが可能となる。

本発明の請求項４に記載の電動機は、図７に示す様に固定子に施されたスキューがスキュー角度の異なる複数箇所から構成されていることを特徴とする。

第１スキュー部分９と第２スキュー部１０のトルク波形のＷ次成分の位相が１／２周期異なるようなスキュー角θｍ１とθｍ２を設ける。これにより、第１スキュー部９と第２スキュー部１０のＷ次成分トルク波形が反転するため、均等なスキューでは打ち消すことのできなかったＷ次の高調波成分を大幅に低減することが可能となる。

この第１スキュー部９の軸方向長さｌｋ１と第２スキュー部１０の軸方向長さｌｋ２を、Ｗ次成分の波形の位相が１／２異なるそれぞれのトルク波形のＷ次の振幅が等しくなるように設定することにより、駆動時のトルク脈動のＷ次成分をほぼ零にすることができる。

また、固定子をスキュー部のみで構成することにより、異なる角度のスキュー部が隣接する部分における、固定子スロットの軸方向形状の曲がり角度（α１−α２）が小さくなるのでスロットに巻回される巻線にかかる曲げ負荷が緩和され、巻線工程が容易になる。

ここでは、２箇所の異なるスキュー角を持つ固定子を実施例としたが、ある位相を持つＷ次成分高調波を有するトルク波形を発生するスキュー部と、それと位相が１／２周期異なるＷ次成分高調波を有するトルク波形を発生するスキュー部の一方または両方が、異なるスキュー角をなす複数のスキュー部から構成されていても同様の効果が得られる。

本発明の請求項５に記載の電動機は、固定子に設けたストレート部のうちの少なくとも１個所が基本位置に対して６０×２／ｐ×１／２（ｐは回転子の極数）のものである。３相全波駆動の電動機では一般的に電気角で６０°周期トルク脈動が発生する。このトルク脈動はトルク波形歪みの基本次数である場合が多く、この次数の高調波を低減すると、電動機の騒音や振動に対する性能が大幅に改善される。

同様に、５相全波で駆動される電動機においては電気角で３６０°／（５相×２）＝３６°周期のトルク脈動が主な高調波となるので、固定子に設けたストレート部が高調波を打ち消そうとするトルク波形を発生する基準位置とのなす角度が３６°×２／ｐ×１／２（ｐは回転子の極数）のものである。

また、固定子が異なるスキュー角を持つ複数のスキュー部から構成される場合は、第１スキュー部分と第２スキュー部のトルク波形の（極数×相数）次成分の位相が１／２周期異なるようなスキュー角θｍ１とθｍ２を設ける。これにより、第１スキュー部９と第２スキュー部１０の（極数×相数）次成分すなわち振幅が最大である高調波成分の波形が反転するため、トルク脈動が大幅に減少される。

本発明の請求項６に記載の電動機は、多相半波で駆動される場合において電気角で３６０°／相数周期のトルク脈動を打ち消すように、スキュー部とストレート部が構成されているものである。半波駆動の場合、（極数×相数×１／２）次成分が主な高調波となるので、固定子に設けたストレート部が高調波を打ち消そうとするトルク波形を発生する基準位置とのなす角度が３６０°／Φ×２／ｐ（ｐは回転子の極数、Φは相数）のものである。また、固定子が異なるスキュー角を持つ複数のスキュー部から構成される場合は、第１スキュー部分と第２スキュー部のトルク波形の（極数×相数×１／２）次成分の位相が１／２周期異なるようなスキュー角θｍ１とθｍ２を設ける。

本実施例では、回転子の界磁を発生させる永久磁石が回転子鉄心に埋設された場合について示したが、永久磁石の配列位置に関係なく、また永久磁石が回転子の外周表面に配置された表面磁石型モータにおいても、同様の効果が得られる。

また、回転子が固定子の内側に配置されたインナーロータ型の場合の実施例を示したが、回転子が固定子の外側に配置されるアウターロータ型でも同様の効果が得られる。

上記の構成において、駆動時のトルク脈動を低減することにより、運転時の騒音や振動を抑制することができる。また、近年、家電機器や自動車等に搭載される空気調和機に対して、低騒音・低振動の要求が高まってきていることより、本発明の電動機をこれらの機器に適用することにより、騒音や振動の低い家電機器、自動車が実現できる。

本発明の電動機は、低振動、低騒音な動力源として有用である。

本発明の実施例１を示す電動機、（ａ）斜視図、（ｂ）内径円筒展開図トルク波形比較の図トルク波形の次数分析比較のグラフ基本高調波の振幅比較のグラフ本発明の実施例２を示す電動機の内径円筒展開図本発明の実施例３を示す電動機の内径円筒展開図本発明の実施例４を示す電動機の内径円筒展開図従来例の電動機の斜視図

符号の説明

１ヨーク
２スロット
３ティース
４固定子
５永久磁石
６回転子
７ストレート部
８スキュー部
９第１スキュー部
１０第２スキュー部
１１固定子鉄心
１２ティース先端突出部

Claims

環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子鉄心にスキューを施していない、回転軸と平行なストレート部を少なくとも１箇所設けたことを特徴とする永久磁石電動機。
固定子鉄心の軸方向の両端にスキュー部があり、その間に少なくとも１箇所のストレート部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電動機。
固定子のストレート部が、軸方向長さの中心点に対してほぼ対称に設けられている請求項１記載の電動機。
環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、前記固定子の鉄心が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が異なる複数のスキュー部から構成されていることを特徴とする永久磁石電動機。
環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた多相全波駆動の電動機において、周期が３６０／（Φ×２）×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）である高調波成分を打ち消すように構成された請求項１から請求項４記載の永久磁石電動機。
環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、周方向にスキューが施されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた多相半波駆動の電動機において、周期が３６０／Φ×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）高調波成分を打ち消すように構成された請求項１から請求項４記載の永久磁石電動機。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の電動機を搭載した密閉型圧縮機。
請求項７記載の密閉型圧縮機を用いたことを特徴とする冷凍サイクル。
請求項８記載の冷凍サイクルで構成された空気調和機。