JP2007274869A - スロットレス永久磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルク及びトルクリップルを低減するとともに、銅損を低減した小型のスロットレス永久磁石型回転電機を得ること。
【解決手段】軸方向長さＬの円筒状の固定子鉄心２１と、前記固定子鉄心２１の内周面に、コイル配置角度幅θｃ（＝３６０°／３ｎ（ｎは整数））で周方向に等間隔に配置された３ｎ個のコイルであって、軸方向長さ略Ｌ、コイル外周角度幅θγ、コイル内周角度幅θτのトラック形状に集中巻きされたコイル２３と、円柱状の回転子鉄心３１と、前記回転子鉄心３１に周方向に交互に極性が異なるように３ｎ±１磁極が配置され、軸方向長さ略Ｌ、外径Ｄに形成された永久磁石３２と、を備えたスロットレス永久磁石型回転電機１００において、コイル内周ピッチτ（＝θτ／θｃ）を、０＜コイル内周ピッチτ≦０．３３＋０．４７Ｄ／Ｌ、とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スロットレス永久磁石型回転電機に関するものである。

従来、固定子鉄心の薄肉化を主目的として、回転子鉄心の表面に偶数個の永久磁石を等間隔に互いに異極となるように配置した回転子と、前記回転子と対向するように空隙を介して配置された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に配置された非重ね集中巻の複数個のコイルと、を備えた平滑電機子形３相ブラシレスモータにおいて、コイル数を６ｎ、永久磁石極数を１０ｎ（ｎは自然数）とし、短節係数を向上することにより高性能化したものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、巻線と鉄心を配置した固定子と、複数の磁極を構成する永久磁石を配置した回転子を持つ永久磁石型モータにおいて、前記巻線は複数の集中巻された空心を有するコイルによって構成され、前記鉄心は前記コイルの空心に挿入されるティースを備え、前記コイルの配置角度幅をθｃ、前記ティースの角度幅（すなわち、コイルの内周角度幅）をβ×θｃとした場合、０＜β≦０．５であるとともに、前記コイルの外半径をｒｏ、前記コイルの内半径をｒｉ、前記ティースの先端半径をｒｔとした場合、（θｃ×ｒｉ×π／１８０）／（ｒｏ−ｒｉ）≧４ （但し、ｒｉ≦ｒｔ≦ｒｏ）とした永久磁石型モータがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−２３４９８９号公報 特開２００４−１８７３４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来の技術によれば、コイル数と永久磁石極数との比を６：１０とするので、通常の３：４とした場合に比べ部品点数が増える。そのため、特に量産される小型モータでは、部品点数の増加により製造工数が増加し、コストアップになるという問題があった。

また、上記特許文献２に記載された従来の技術によれば、定格トルクおよび最大トルクの両者を向上させるべく、微小なティースを用い、更に、ティースの角度幅（すなわち、コイルの内周角度幅）を最適化する工夫がなされている。しかしながら、微小なティースを固定子鉄心に設けると、コギングトルクやトルクリップルの増加を招くこととなる。そのため、振動騒音が発生しモータを精密機械等に用いることができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コギングトルク及びトルクリップルを低減するとともに、銅損を低減した小型のスロットレス永久磁石型回転電機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、軸方向長さＬの円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内周面に、コイル配置角度幅θｃ（＝３６０°／３ｎ（ｎは整数））で周方向に等間隔に配置された３ｎ個のコイルであって、軸方向長さ略Ｌ、コイル外周角度幅θγ、コイル内周角度幅θτのトラック形状に集中巻きされたコイルと、円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心に周方向に交互に極性が異なるように３ｎ±１磁極が配置され、軸方向長さ略Ｌ、外径Ｄに形成された永久磁石と、を備えたスロットレス永久磁石型回転電機において、コイル内周ピッチτ（＝θτ／θｃ）を、０＜コイル内周ピッチτ≦０．３３＋０．４７Ｄ／Ｌ、としたことを特徴とする。

この発明によれば、０＜コイル内周ピッチτ≦０．３３＋０．４７Ｄ／Ｌ、としたことにより、コギングトルク及びトルクリップルを低減するとともに、高効率化及び小型化したスロットレス永久磁石型回転電機が得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるスロットレス永久磁石型回転電機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明にかかるスロットレス永久磁石型回転電機の実施の形態の横断面図であり、図２は、固定子鉄心の斜視図であり、図３は、固定子鉄心に配置されるコイルの平面図であり、図４は、コイルを貼付した固定子の斜視図であり、図５は、回転子の斜視図であり、図６は、コイル内周ピッチτとコイル外周ピッチγと銅損との関係を示すシミュレーション結果であり、図７は、コイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果であり、図８は、スロットレス永久磁石型回転電機の回転子外径に対する全長の比（Ｌ／Ｄ）と最大許容コイル内周ピッチＷとの関係を示すシミュレーション結果であり、図９は、Ｌ／Ｄを１．５としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果であり、図１０は、Ｌ／Ｄを２．２としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果であり、図１１は、Ｌ／Ｄを４．１としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果であり、図１２は、Ｌ／Ｄを６．１としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果であり、図１３は、Ｌ／Ｄを９．３としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果であり、図１４は、Ｌ／Ｄと最適コイル内周ピッチτとの関係を示すシミュレーション結果である。

図１に示すように、実施の形態のスロットレス永久磁石型回転電機１００は、円筒状に形成された固定子鉄心２１と、非磁性ボビン（又は、空心）２４に集中巻され、固定子鉄心２１の内周面に周方向に等間隔に貼付されて配置された３個のコイル２３と、円柱状の回転子鉄心３１と、回転子鉄心３１に、周方向に交互に極性が異なるように円筒状に配置したラジアル異方性リング磁石、極異方性リング磁石又はセグメント磁石等の４磁極の永久磁石３２と、を備えている。固定子鉄心２１及びコイル２３は固定子２０を構成し、回転子鉄心３１及び永久磁石３２は回転子３０を構成している。

図１に示すように、回転子３０（永久磁石３２）は、外径Ｄに形成されている。本明細書では、３６０°／コイル数Ｍ＝コイル配置角度幅θｃと定義する（本実施の形態ではθｃ＝１２０°）。非磁性ボビン２４に集中巻されたコイル外周の角度幅をθγ、コイル内周の角度幅をθτとして、コイル外周ピッチγ、及び、コイル内周ピッチτを、
コイル外周ピッチγ＝θγ／θｃ＝θγ×コイル数Ｍ／３６０°・・・・（式１）
コイル内周ピッチτ＝θτ／θｃ＝θτ×コイル数Ｍ／３６０°・・・・（式２）
と定義する。

図２に示すように、固定子鉄心２１は、鉄心長（軸方向長さ）Ｌｆの長さに形成されている。また、図３に示すように、コイル２３は、コイル全長（軸方向長さ）Ｌｃ、コイル直線部長さＬ１、コイルエンド部長さＬ２のトラック形状の集中巻きのコイルに形成されていて、形状寸法は、次の（式３）の関係式で表わされる。
コイル全長Ｌｃ＝Ｌ１＋２×Ｌ２・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式３）
また、コイルエンド部長さＬ２は、
コイルエンド部長さＬ２≒πＤ(θγ-θτ)／７２０°・・・・・・・・（式４）
で概算される値となっている。

本実施の形態では、トルク出力を最大化するとともにモータを小型化するため、図４及び図５に示すように、固定子鉄心長Ｌｆ≒コイル全長Ｌｃ≒磁石長Ｌｍ＝回転電機全長Ｌとなるようにそれぞれを形成している。構造上の制約等から、コイル全長Ｌｃ≒磁石長Ｌｍとすることが出来ない場合もあるが、この場合は、概略、Ｌｍ／Ｌｃ＞０．９とすれば、トルク出力の最大化を図ることができる。

次に、図６〜図１４を参照して、シミュレーション結果について説明する。図６は、シミュレーションにより、図１に示す実施の形態のスロットレス永久磁石型回転電機１００の、コイル外周ピッチγ及びコイル内周ピッチτを変化させたときの銅損の大きさを示している。なお、シミュレーション条件は、スロットレス永久磁石型回転電機１００の全長Ｌ／回転子外径Ｄ＝９．３としている。

図６に示すように、銅損低減(最適化)のために、コイル外周ピッチγは、１．０に近いほどよく、コイル内周ピッチτが０．２程度のとき銅損が最小となっている。コイル外周ピッチγを１．０とするためには、隣接コイル間の隙間をゼロとしなければならず、製作が難しく、絶縁性に問題が生じる可能性が高い。そこで、本実施の形態では、製作性を考慮し、コイル外周ピッチγを約０．９として、他のパラメータの最適値について検討を行なった。

図７は、コイル外周ピッチγを約０．９とし、コイル内周ピッチτをパラメータとしたときのシミュレーション結果であり、Ｌ／Ｄをそれぞれ１．５〜９．３としたときの銅損比を示す。

一般のティース付き永久磁石モータを小型化するためには、巻線の占積率を大きくするのが有効であり、巻線を配置可能な場所全てに巻線を施すことにより、銅損低減と誘起電圧の向上が可能である。そこで、本実施の形態では、コイル内周ピッチτをゼロとしたとき（巻線を配置可能な場所全てに巻線を施したとき）の銅損を基準値とする銅損比を用いてシミュレーションを行なった。

図７に示すように、コイル内周ピッチτをゼロから大きくするに従い銅損比が低減し、あるコイル内周ピッチτ以上になると、コイル内周ピッチτがゼロのときの銅損比より大きくなることが分かる。なお、本明細書では、τ＝０のときの銅損比よりも銅損比が大きくなるコイル内周ピッチτを、最大許容コイル内周ピッチＷと呼ぶこととする。

上記の現象は、回転電機の全長Ｌが一定値である場合、コイル内周ピッチτがゼロのときには、上記の（式４）に示すように、トルク発生に寄与し難いコイルエンド部長さＬ２が大きくなってしまうが、コイル内周ピッチτをゼロよりも大きくすると、Ｌ２が小さくなり、トルク発生に寄与するコイル直線部長さＬ１が大きくなって、トルク出力が向上し銅損が小さくなるためである。

さらに、コイル内周ピッチτが、最大許容コイル内周ピッチＷよりも大きくなると、回転電機断面にてトルクに寄与すると考えられるアンペアターンが低下し、これによりトルク出力が低下し、銅損が大きくなるものと考えられる。

図８に、Ｌ／Ｄと最大許容コイル内周ピッチＷとの関係を示す。図８に示すように、最大許容コイル内周ピッチτは、Ｌ／Ｄの大きさにより異なっており、Ｌ／Ｄが大きくなるに従って小さくなる。これは、Ｌ／Ｄが小さい場合(薄型モータに相当)には、コイルエンドの影響が大きく、Ｌ／Ｄが大きい場合(胴長モータに相当)には、コイルエンドの影響が小さいためと考えられる。

また、図８に、最大許容コイル内周ピッチＷの近似式として、
最大許容コイル内周ピッチＷ＝０．３３＋０．４７Ｄ／Ｌ・・・・・・（式５）
を示す。スロットレス永久磁石型回転電機１００は、コイル内周ピッチτを、（式５）の「Ｗ」以下とすることにより、コイル内周ピッチτをゼロとしたときよりも銅損を低減して高効率化することができ、小型化を図ることができる。

次に、コイル内周ピッチτと銅損比の関係について詳細に検討する。図９〜図１３に、Ｌ／Ｄをそれぞれ１．５〜９．３としたときの、コイル内周ピッチτと銅損比との関係を示す。銅損比は、回転電機の発熱温度に影響を及ぼすが、銅損比が５％程度の差であれば、永久磁石の残留磁束密度やコイル貼付角度等と同様に、モータ個体のばらつきの許容範囲内である。

そこで、本実施の形態では、銅損比が、最小値〜最小値＋５％の範囲内となる最適コイル内周ピッチτを求める。図９〜図１３に、銅損比が最小値〜最小値＋５％となるコイル内周ピッチτの範囲（最適コイル内周ピッチτ）を示す。図９〜図１３に示すように、Ｌ／Ｄの値毎に、最適コイル内周ピッチτの範囲も異なっている。

図１４に、Ｌ／Ｄと、銅損比が最小値〜最小値＋５％となるためのコイル内周ピッチτの範囲を示す。また、図１４には、コイル内周ピッチτの近似式として、
コイル内周ピッチτ＝Ｋ＝０．１６＋０．２７Ｄ／Ｌ±５０％・・・・（式６）
を示す。図１４に示すように、銅損比が最小値〜最小値＋５％となるためのコイル内周ピッチτの範囲は、上記（式６）で近似することができる。よって、スロットレス永久磁石型回転機１００の銅損低減(小型化)のためには、コイル内周ピッチτを０.５Ｋ〜１.５Ｋとすればよい。

なお、図１４より、Ｌ／Ｄが１以上３未満のモータの場合には、コイル内周ピッチτを０.２〜０.５とし、Ｌ／Ｄが３以上の場合には、０.１５〜０.３とすれば、スロットレス永久磁石型モータの小型化を図ることができる。

本実施の形態では、４極３コイル集中巻モータの場合を説明したが、一般的な集中巻永久磁石型回転電機において、コイル(スロット)数と磁極数との比が３ｎ：３ｎ±１の回転電機の場合も、上記のコイル内周ピッチτとすることにより、同様に銅損低減(小型化)を行うことができる。

以上のように、本発明にかかるスロットレス永久磁石型回転電機は、コギングトルク及びトルクリップルを低減するとともに、銅損を低減した小型の永久磁石型回転電機として有用である。

本発明にかかるスロットレス永久磁石型回転電機の実施の形態の横断面図である。 固定子鉄心の斜視図である。 固定子鉄心に配置されるコイルの平面図である。 コイルを貼付した固定子の斜視図である。 回転子の斜視図である。 コイル内周ピッチτとコイル外周ピッチγと銅損との関係を示すシミュレーション結果である。 コイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果である。 スロットレス永久磁石型回転電機の回転子外径に対する全長の比（Ｌ／Ｄ）と最大許容コイル内周ピッチＷとの関係を示すシミュレーション結果である。 Ｌ／Ｄを１．５としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果である。 Ｌ／Ｄを２．２としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果である。 Ｌ／Ｄを４．１としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果である。 Ｌ／Ｄを６．１としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果である。 Ｌ／Ｄを９．３としたときのコイル内周ピッチτと銅損比との関係を示すシミュレーション結果である。 Ｌ／Ｄと最適コイル内周ピッチτとの関係を示すシミュレーション結果である。

符号の説明

２０ 固定子
２１ 固定子鉄心
２３ 固定子コイル
３０ 回転子
３１ 回転子鉄心
３２ 永久磁石
１００ スロットレス永久磁石型回転電機
Ｄ 回転子外径（永久磁石外径）
Ｌｆ 固定子鉄心長
Ｌｍ 磁石長
Ｌｃ コイル全長
Ｌ１ コイル直線部長さ
Ｌ２ コイルエンド部長さ
θｃ コイル配置角度幅
θγ コイル外周角度幅
θτ コイル内周角度幅
τ コイル内周ピッチ
γ コイル外周ピッチ

Claims (5)

1. 軸方向長さＬの円筒状の固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の内周面に、コイル配置角度幅θｃ（＝３６０°／３ｎ（ｎは整数））で周方向に等間隔に配置された３ｎ個のコイルであって、軸方向長さ略Ｌ、コイル外周角度幅θγ、コイル内周角度幅θτのトラック形状に集中巻きされたコイルと、
   円柱状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心に周方向に交互に極性が異なるように３ｎ±１磁極が配置され、軸方向長さ略Ｌ、外径Ｄに形成された永久磁石と、
   を備えたスロットレス永久磁石型回転電機において、
   コイル内周ピッチτ（＝θτ／θｃ）を、
   ０＜コイル内周ピッチτ≦０．３３＋０．４７Ｄ／Ｌ
   としたことを特徴とするスロットレス永久磁石型回転電機。
2. ０．５×（０．１６＋０．２７Ｄ／Ｌ）≦コイル内周ピッチτ≦１．５×（０．１６＋０．２７Ｄ／Ｌ）としたことを特徴とする請求項１に記載のスロットレス永久磁石型回転電機。
3. １≦Ｌ／Ｄ＜３、かつ、０．２≦コイル内周ピッチτ≦０．５としたことを特徴とする請求項１に記載のスロットレス永久磁石型回転電機。
4. ３≦Ｌ／Ｄ、かつ、０．１５≦コイル内周ピッチτ≦０．３としたことを特徴とする請求項１に記載のスロットレス永久磁石型回転電機。
5. 永久磁石極数を４、コイル数を３としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のスロットレス永久磁石型回転電機。

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