JP2009060765A - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】バックヨークにコイルを巻くことによりコイルの総数を低減できるため、コイルの巻線工数を低減する同期電動機のコイル巻線方法を提供する
【解決手段】ステータを円環状に構成するバックヨークと前記バックヨークからロータ側に突出するティースを備え、ステータ内部に回転自在に支持されるロータを備えた同期電動機であって、１スロットおきにバックヨークにコイルが巻かれ、コイルが巻かれたスロットを形成する２つのティースが同相で逆極性となる同期電動機である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、同期電動機に用いるコイルの巻線の技術に関する。

従来、同期電動機の構造において、例えば、図７や特許文献１に示すような１２Ｓ１０Ｐ（１２スロット１０極）の構造が存在する。図７（Ａ）に示す同期電動機５０は、ステータ５１と、ステータ５１の内側に回転可能に支持されたロータ５２とを備えている。

ステータ５１は、円環状に配置されたバックヨーク５３ａ〜５３ｌと、バックヨーク５３ａ〜５３ｌから突出するように設けられた１２個のティース５４ａ〜５４ｌにより構成されている。それぞれのティース５４ａ〜５４ｌにはコイル５５ａ〜５５ｌが巻回され、コイル５５ａ〜５５ｌにはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電流が供給される。ロータ５２は、ロータコアと、このロータコアの表面に固定された１０個のマグネット５６ａ〜５６ｊ（永久磁石）を備えている。そして、図７（Ｂ）に示す磁束ｂ１〜ｂ６を制御して同期電動機の制御をする。

図７（Ｂ）に示した図は、図７（Ａ）に正の電流を供給したときにバックヨーク５３とティース５４に発生する磁束の向きを示した図である。ティース５４ａからバックヨーク５３ａを経由してティース５４ｌをへてロータ５２方向に磁束ｂ１が発生する。同様に、ティース５４ｂからバックヨーク５３ｃを経由してティース５４ｃをへてロータ５２方向に磁束ｂ２が発生する。また、ティース５４ｅからバックヨーク５３ｅを経由してティース５４ｄ方向に磁束ｂ３が発生する。ティース５４ｆからバックヨーク５３ｇを経由してティース５４ｇ方向に磁束ｂ４が発生する。ティース５４ｉからバックヨーク５３ｉを経由してティース５４ｈ方向に磁束ｂ５が発生する。ティース５４ｊからバックヨーク５３ｋを経由してティース５４ｋ方向に磁束ｂ６が発生する。三相交流電流を供給すれば、ロータ極数に依存した同期速度で回転させることができる。

しかしながら、図７（Ａ）（Ｂ）に示した同期電動機に備えられたティース全てにコイルを巻くと、スロット間のコイル同士の絶縁のためにコイル占積率が低下し、モータ特性が劣化するという問題がおこったり、巻線に工数がかかるという問題がある。
特開２００６−０２１５５２号公報

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、バックヨークにコイルを巻くことによりコイルの総数を低減できるため、コイルの巻線工数を低減する同期電動機を提供することを目的とする。

本発明の態様のひとつであるステータを円環状に構成するバックヨークと前記バックヨークからロータ側に突出するティースを備え、前記ステータ内部に回転自在に支持されるロータを備えた同期電動機であって、１スロットおきにバックヨークにコイルが巻かれ、コイルが巻かれたスロットを形成する２つのティースが同相で逆極性となる構造である。

上記構造にすることにより、コイルを全てのティースに巻いたときと同様の性能を有し、さらにコイルの総数を低減でき、コイルの巻線工数を低減することができる。
また、前記ステータのコアは分割コアである。

さらに、ティースの総数／（（ティース数と極数の最大公約数）×相数）の演算結果が偶数であれば１スロットおきにバックヨークにコイルを巻くことができることを判定できる。

好ましくは、前記ティースの総数と相数および極数に基づいて前記コイルに供給する交流電流の相と、前記コイルの巻線方向を決定してよい。
好ましくは、前記バックヨークは板状であってもよい。なおここで板状とは、同期電動機の軸に垂直な平面で見たときに、該バックヨークが一定幅でティース間を直線で結び、その直線が同期電動機の軸方向に延びて板状をなすことを指す。また、前記コイルが巻かれていないスロットに対応する前記バックヨークを該スロットを埋めるように厚くしてもよい。

本発明によれば、バックヨークにコイルを巻くことによりコイルの総数を低減できるため、コイルの巻線工数を低減することができる。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
（原理説明）
本発明はステータとロータを備えた同期電動機を用いた装置の発明である。

ステータは、円環状に構成するバックヨークとバックヨークの端から突出するティースを備えている。そして、ステータ内部には回転自在に支持されるロータを備えている。
バックヨークを挟むように設けられたティースが同相で逆極性になるようにバックヨークにコイルを設ける。

ティースの総数と相数、ロータの極数に基づいてコイルに供給する交流電流の相と、コイルの巻線方向を決定する。
（実施例１）
図１に本発明の同期電動機の構造を示す。図１に示す同期電動機は従来の１２Ｓ１０Ｐ（１２スロット１０極）と同等の性能を有する。なおステータティース先端とロータとのギャップは説明の為に通常より大きく図示している。そして、スロット間の電気角は、３６０÷１２スロット×５極対（１０極）＝１５０°となっている。

図１に示す同期電動機１は、ステータ２と、ステータ２の内側に回転可能に支持されたロータ３とを備えている。
ステータ２は、円環状に配置されたバックヨーク４ａ〜４ｌと、バックヨーク４ａ〜４ｌからロータ３側に突出するように設けられた１２個のティース５ａ〜５ｌにより構成されている。

そして、バックヨーク４ａ、４ｃ、４ｅ、４ｇ、４ｉ、４ｋにはそれぞれコイル６ａ〜６ｆが巻かれている。つまり、１スロットおきにバックヨーク４にコイル６が巻かれ、トロイダル型鉄心を形成している。

コイル６ａ〜６ｆにはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電流が供給される。バックヨーク４ａにはコイル６ａが巻かれ、交流電流源からＵ相交流電流が供給される。バックヨーク４ｃにはコイル６ｂが巻かれ、Ｗ相の交流電流が供給される。バックヨーク４ｅにはコイル６ｃが巻かれ、Ｖ相の交流電流が供給される。また、バックヨーク４ｇにはコイル６ｄが巻かれ、Ｕ相交流電流が供給される。バックヨーク４ｉにはコイル６ｅが巻かれ、Ｗ相交流電流が供給される。バックヨーク４ｋにはコイル６ｆが巻かれ、Ｖ相の交流電流が供給される。

コイル６ａ〜６ｆの巻き方は、コイルが巻かれたスロットを形成する２つのティースが同相で逆極性になるように巻く、例えばコイル６ａが巻かれたスロットを形成するティースはティース５ａとティース５ｌであり、ティース５ｌとティース５ａが同じＵ相で逆極性になるように巻かれ、同様にコイル６ｂ〜コイル６ｆも逆極性になるように巻かれる。

ティースの総数と相数に基づいてコイルに供給する交流電流の相を決めるとともに、コイルの巻線方向を決定してバックヨークおよびティースに発生する磁束の向きを決める。
本例では、１２スロット１０極であり３相であるので、６個のコイルを巻回して隣り合うコイルには異なる相の交流電流が供給される。

ロータ３は、ロータコアと、このロータコアの表面に固定された１０個のマグネット７ａ〜７ｊ（永久磁石）を備えている。
図２に示した図は、コイル６ａ〜６ｆに正の電流を供給したときにバックヨーク４とティース５に発生する磁束の向きを示した図である。ティース５ａからバックヨーク４ａを経由してティース５ｌ方向に磁束ｂ１が発生する。ティース５ｂからバックヨーク４ｃを経由してティース５ｃ方向に磁束ｂ２が発生する。ティース５ｅからバックヨーク４ｅを経由してティース５ｄ方向に磁束ｂ３が発生する。ティース５ｆからバックヨーク４ｇを経由してティース５ｇ方向に磁束ｂ４が発生する。ティース５ｉからバックヨーク４ｉを経由してティース５ｈ方向に磁束ｂ５が発生する。ティース５ｊからバックヨーク４ｋを経由してティース５ｋ方向に磁束ｂ６が発生する。これらの磁束ｂ１〜ｂ６はロータ３を介して発生し、３相交流電流を制御することによりロータ３の回転を制御する。

上記構成により、従来（図７参照）各ティースにコイルを巻いていたときよりコイル数を半分に低減でき、従来と同じように磁束を発生させることができる。
なお、コイルの巻数（バックヨークに巻く巻線の巻数）は、従来の性能と同じになるように巻けばよい。例えば、ティースに巻いたコイルの巻数の２倍巻くことで略同じ磁束を発生できる。
（実施例２）
実施例１では１２Ｓ１０Ｐ（１２スロット１０極）について示したが、式１に示す演算の結果が偶数であれば、各ティースに巻かれているコイルをバックヨークに巻くことができ、コイルの数を従来の半分に低減すことができる。

式１に、ティースの数の半分のコイル数にできるかを判定する演算を示す。スロット数はティースの数を示し、極数はロータのマグネット数（Ｎ極、Ｓ極の数の合計）を示す。相数は、例えば、３相モータであれば３にする。Ｎが偶数であれば、バックヨークにコイルをまとめることができる。

Ｎ＝（スロットの数）／（（スロット数と極数の最大公約数）×相数） （式１）

式２に実施例１の１２Ｓ１０Ｐについて演算する。

２＝１２／（ＧＣＤ（１２，１０）×３） （式２）

ここで、ＧＣＤ（Greatest Common Divisor）は最大公約数を演算する関数を示している。また、実施例１の構造は、１２スロット、１０極、３相であるので式２のように演算式を作成する。

式２の演算結果Ｎは偶数であるためバックヨークにコイルをまとめることができる。

次に、式３に１２Ｓ１４Ｐ（１２スロット１４極）、式４に２４Ｓ２６Ｐ（２４スロット２６極）について演算する。

２＝１２／（ＧＣＤ（１２，１４）×３） （式３）
４＝２４／（ＧＣＤ（２４，２６）×３） （式４）

上記演算により、１２Ｓ１４Ｐ、２４Ｓ２６Ｐの演算結果は偶数であるのでバックヨークにコイルをまとめることができる。

さらに、表１に示すように１２Ｓ１４Ｐ、２４Ｓ２０Ｐ、２４Ｓ２２Ｐ、２４Ｓ２８Ｐについても式１に従い演算すると、演算結果Ｎは偶数になるためバックヨークにコイルをまとめることができる。

図３（Ａ）に従来の集中巻の２４Ｓ２６Ｐのステータ４１の一部を示す。図３（Ａ）のステータ４１のティース４２ａ〜４２ｄにはそれぞれＵ相交流電流が供給されるコイル４３ａ〜４３ｄが巻回される。次に、ティース４２ｅ、４２ｆを含めた連続する４つティースにＶ相交流電流が供給され、コイル４３ｅ、４３ｆを含め４個がそれぞれの該４個のティースに巻回されている。また、次の４個のティース４２には、Ｗ相交流電流が供給される４個のコイル４３がそれぞれの該４個のティースに巻回されている。

また、順番にティース４２にコイル４３がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順番に巻かれている。そして、磁束ｂ４１、ｂ４２、ｂ４３が図３（Ａ）に示すように発生する。
なお、コイル４３の巻き方は、正の電流を流したとき、図３（Ａ）に示した磁束ｂ４１、ｂ４２、ｂ４３が矢印の方向に発生するように巻回している。

図３（Ｂ）に示す図は、本発明により図３（Ａ）に示した構成のコイルの数を半分に低減したことを示している。
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した２４スロットのステータ４１と同じであるが、バックヨーク４４ａ、４４ｃ、４４ｅにコイル４５ａ、４５ｂ、４５ｃを巻き付けている。このように、コイル４５をバックヨーク４４に巻きつけることにより、コイル４５の総数がコイル４３の総数の半分になる。

なお、コイル４３の巻き方は、正の電流を流したとき、図３（Ｂ）に示した磁束ｂ４１、ｂ４２、ｂ４３が矢印の方向に発生するように巻回する。
つまり、図３（Ｂ）に示すコイル４５はバックヨーク４４ひとつおきに巻回され、図３（Ａ）の磁束ｂが発生している場所に設けられる。

上記構成により、従来（図３（Ａ）参照）各ティースにコイルを巻いていたときよりコイル数を半分に低減でき、従来と同じように磁束を発生させることができる。
（変形例）
図４に上記実施例の変形例を示す。例えば、図１に示したバックヨーク４ａ〜４ｌの構造を板状にする。図４に示すように、ティース５ｌとティース５ａ間の部分であるバックヨーク４ａを直線状に形成することにより、同期電動機１の軸方向に延びる板状にすることができる。このようにすることによりコイルを巻きやすくすることができる。したがって、巻線（銅線など）の占有率の向上ができる。

また、コイルを巻かない部分のスロット間に鉄心を入れれば、磁気抵抗が減少しさらなるトルクアップにつながる。
図５に上記実施例の変形例を示す。例えば、図１に示したバックヨーク４ａ〜４ｌの間のスロットのうち、コイルを巻かない部分を埋めるようバックヨークを厚くしてもよい。図５に示すティース５ｋとティース５ｌ間のバックヨーク４ｌ、ティース５ａとティース５ｂ間のバックヨーク４ｂを厚くすることによりトルクアップをすることができる。

なお、上記説明したステータは分割コアにより作成することでコイルの巻回が簡単になる。例えば、図６に示すようにバックヨークにティースがひとつ付くようなＬ字型の分割コアを作製し、バックヨークにコイルを巻いた後に組み立てる。その結果コイルの巻き線工数をさらに低減することができる。図６は図１に示した１２Ｓ１０Ｐのステータを分割コアを用いて構成した図である。

また、上記実施例はロータに永久磁石を配置した同期電動機を示したが、永久磁石を配置せず、リラクタンストルクによる同期電動機に適用しても良い。
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

本発明を実施した１２スロット１０極の構造を示す図である。 本発明を実施した１２スロット１０極に発生する磁束を示す図である。 ２４スロットの構造を示した図である。（Ａ）は従来のコイルの巻回位置と磁束を示している。（Ｂ）は本発明を適用した場合のコイルの巻回位置と磁束を示している。 バックヨークを板状にした場合の図である。 コイルを巻かないティース間のバックヨークを厚くした場合の図である。 分割コアの構造を示す図である。 （Ａ）は従来の１２スロット１０極の構造を示す図である。（Ｂ）は１２スロット１０極に発生する磁束を示す図である。

符号の説明

１ 同期電動機、２ ステータ、３ ロータ、４ バックヨーク、５ ティース、
６ コイル、７ マグネット、
４１ ステータ、４２ ティース、４３ コイル、４４ バックヨーク、４５ コイル、
５０ 同期電動機、５１ ステータ、５２ ロータ、５３ バックヨーク、
５４ ティース、５５ コイル、５６ マグネット、

Claims (6)

1. ステータを円環状に構成するバックヨークと前記バックヨークからロータ側に突出するティースを備え、前記ステータ内部に回転自在に支持されるロータを備えた同期電動機であって、１スロットおきにバックヨークにコイルが巻かれ、コイルが巻かれたスロットを形成する２つのティースが同相で逆極性となることを特徴とする同期電動機。
2. 前記ステータのコアは分割コアである請求項１に記載の同期電動機。
3. 前記ティースの総数／（（ティース数と極数の最大公約数）×相数）の演算結果が偶数である請求項１または２に記載の同期電動機。
4. 前記ティースの総数と相数および極数に基づいて前記コイルに供給する交流電流の相と、前記コイルの巻線方向を決定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の同期電動機。
5. 前記バックヨークは板状であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の同期電動機。
6. 前記コイルが巻かれていないスロットに対応する前記バックヨークを該スロットを埋めるように厚くすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の同期電動機。

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