JP2011097660A

JP2011097660A - 回転電機およびその固定子

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Publication number: JP2011097660A
Application number: JP2009246077A
Authority: JP
Inventors: Yukinari Fujisawa; 勧也藤澤; Toshihiko Sakai; 俊彦酒井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: JP5325074B2

Abstract

【課題】サーボモータに用いるのに適した低トルク脈動、低コギングトルクでありながら大トルクを発生可能な、回転電機およびその固定子を提供する。
【解決手段】外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子の外周に対向するように、半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部と、このティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する回転電機の固定子において、前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内径側から外側に向い漸次増加し、スロット部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向い漸次増加し、ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側から外径側に向い漸次増加し、この比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータに適した磁石が埋め込まれた回転電機およびその固定子の構造に関し、特に大出力や大トルクを発生させて、射出成形機の射出軸やプレス機械の加圧ラムなどに要求される高加速動作を実現するための駆動用モータを主たる対象とするものである。

磁石が埋め込まれた埋込磁石式回転電機は、堅牢、高効率を特徴として加工機のスピンドル軸駆動や電気自動車の駆動モータなどで検討および実用が進んでいる。この構造は、所定の設計形状の電磁鋼板を積層して作ったコアに、電線を巻回して固定子コイルとした固定子と、所定の設計形状の電磁鋼板を積層して作ったコアに設けた磁石挿入用空間に永久磁石を挿入し固定した回転子とからなり、前記固定子の内側に前記回転子を挿入配置して構成される。

近年、大出力や大トルクが必要な射出成形機の射出軸やプレス機械の加圧ラムなどにおいても、制御性能の向上や高加速動作などを目的に、この種のモータを用いる需要が大きくなってきている。しかし、埋込磁石式回転電機はその原理上、回転子の角度に応じての磁気特性の変化が大きいため、回転子のどの角度でも安定した滑らかな動作特性が望まれる位置決めが重要な自動加工機の機械軸の精密駆動用としては、限界があるとされていた。

例えば、微小な回転角度ごとに回転子に発生する外乱トルクとしてのコギングトルク（無負荷状態の時に固定子と回転子の磁気吸引力に基づくトルクの回転ムラ）や、トルク対トルク電流の比率であるトルク定数の回転角度ごとの変動（脈動）が比較的大きいと、自動加工機の精密加工性能を劣化させる恐れがあった。

従来のこの種のモータに採用される固定子側の電磁鋼板の形状としては、図２に示すように、ティース２３の幅寸法が内径側２３ｂから外径側２３ａに向けて同一とした、いわゆる「平行ティース」が一般的であった。

上記の用途のモータに対しては、特に、大トルクであるとともに高加速度を実現しやすいように、モータ自体がもつ回転子イナーシャが小さいことが求められる。しかし、回転子イナーシャを小さくするには回転子の直径を小さくすることが必要であり、これに伴って固定子コアの内径も小さくする必要がある。このとき固定子のスロット数が同一の場合、固定子コアのティース幅寸法も小さくなりティースでの磁束の飽和を早めて、大トルクを得る上で不利となるという問題があった。すなわち、大トルクと高加速度の両者を満足させることが困難であった。

そこで上記の対策として、固定子コアのティースの幅寸法を大きくすることが考えられるが、その分スロット幅が小さくなってコイルの巻回数が少なくなるという問題がある。特許文献１（特開平４-３０４１４５号公報）及び特許文献２（特開２００３−３１９５７６号公報）には、ティースの幅に関して内径側から外径側に向けて漸増する例が記載されている。

特開平４−３０４１４５号公報特開２００３−３１９５７６号公報

しかしながら、回転子と固定子の間で生じる上述のコギングトルクは、回転子に接近して対向する固定子のティース幅とスロット幅によって左右され、それぞれの寸法の関係等を吟味しないと、大トルクを得る上で良い結果が得られない。また、その他の外乱トルクとして、トルク定数の回転角度ごとの変動（トルク脈動）についても同様である。この外乱トルクの対策については、特許文献１、特許文献２では考慮されてない。

本発明の目的は、ティースの幅に関して内径側と外径側の寸法の適切な関係を設定することにより、回転角度に沿って一様な特性で大トルクが得られ、かつ、高加速度制御のできる回転電機およびその固定子を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、前記外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子と、前記回転子の外周に対向するように半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部とこのティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する固定子を備えた回転電機において、
前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向い漸次増加し、スロット部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向い漸次増加し、ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側から外径側に向い漸次増加し、この比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする。

また、本発明は、外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子と、前記回転子の外周に対向するように半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部とこのティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する固定子を備えた回転電機において、
前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向けて所定の長さ区間で一定であり、前記区間から外径側に向けて漸次増加し、スロット部の幅寸法が内径側から外径側に向い漸次増加し、前記ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする。

また、本発明は、外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子の外周に対向するように、半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部と、このティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する回転電機の固定子において、
前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内側から外側に向い漸次増加し、スロット部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向い漸次増加し、ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側から外径側に向い漸次増加し、この比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする。

また、本発明は、外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子の外周に対向するように、半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部と、このティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する回転電機の固定子において、
前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向けて所定の長さ区間で一定であり、前記区間から外径側に向けて漸次増加し、スロット部の幅寸法が内径側から外径側に向い漸次増加し、前記ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする。

また、本発明では上記課題を解決するに当って、要求される出力可能最大トルク値、トルク脈動率、コギングトルク値について、固定子コアの形状を変えて検討した結果では、外径側スロット幅（Ｓ5とする）に対する外径側ティース幅（Ｗｔ5とする）の比率Ｗｔ5/Ｓ5、及び内径側スロット幅（Ｓ4とする）に対する内径側ティース幅（Ｗｔ4とする）の比率Ｗｔ4/Ｓ4を形状パラメータととると、後述の図４のような傾向が認められる。これより、上記の２つのパラメータに関して図４のゾーンＺ1が望ましい範囲として限定されることが判断できる。よって、固定子コアのティース形状をこの範囲Ｚ１内になすことにより、前記課題が解決できる。

本発明によれば、同じ外形および回転子イナーシャでありながら、低トルク脈動、低コギングトルクでありながら大トルクを発生可能な回転電機およびその固定子が提供可能となる。

本発明実施例１の固定子のティース構造の説明図。従来の固定子のティース構造の説明図。本発明実施例１の変形例の固定子のティース構造の説明図。本発明実施例の固定子のティースとスロットの寸法を変化させた場合の各種トルクの説明図。本発明実施例２の固定子のティース構造の説明図。本発明実施例１の回転電機の構成図。

以下、本発明の各実施例について図面を用いて説明する。

本発明の実施例１を図１および図６に示す。６は外周部に複数の永久磁石６ａが埋め込まれた回転子で、前記回転子６の外周に対向するように半径方向の内側に向って固定子背部２から放射状に突出形成された複数のティース部３と、このティース部３を巻回するコイル４が挿入されるスロット部５を有する固定子１が配置されている。図１では、５４個のティース３とスロット５を持つ固定子のうち、３ティース分のみを示し、図６では、コイル４が１個のスロットにのみ挿入された状態を示している。

ティース３の３ａは半径方向の外径側（ティース付根）で、その円周方向の幅寸法をＷｔ５とし、３ｂは半径方向の内径側（ティース先端）で、その円周方向の幅寸法をＷｔ４で示す。スロット５の５ａは半径方向の外径側（スロット底部）で、その円周方向の幅寸法をＳ５とし、５ｂは半径方向の内径側（スロット入口下部）で、その円周方向の幅寸法をＳ４で示す。また３ｃは、スロット５に挿入されたコイル４に通電された時に固定子１に発生する磁束の流れの一例を示す。

上記構成において、各ティース３に巻回されたコイル４に電流を流すことにより回転磁界を発生させ、回転子６の永久磁石６ａを磁気吸引することにより回転させるように構成される。

図１に示す実施例１では、固定子のティース部３の幅寸法が半径方向の内径側３ｂから外径側３ａに向い漸次増加し、ティース先端３ｂの幅寸法Ｗｔ４に対しティース付根部分の幅寸法Ｗｔ５が大きく設定されている。また、スロット部５の幅寸法が半径方向の内径側４ｂから外径側４ａに向い漸次増加し、スロット入口下部４ｂの幅寸法Ｓ４に対しスロット底部の幅寸法Ｓ５が大きく設定されている。

そして、ティース部３とスロット部５との幅寸法の比率（ティース部／スロット部）が内径側から外径側に向い漸次増加し、この比率が内径側（Ｗｔ４／Ｓ４）が１：１〜１：１．２の間で、外径側（Ｗｔ５／Ｓ５）が１：１〜１：１．４に設定されている。

図２に従来例の固定子形状を示す。ここで、固定子２１の全体としては同一の５４スロットを持つもので、内外径の寸法も実施例１と同じであることを前提とする。従来例の固定子のティース２３の形状は、外径側におけるティース付根部分２３ａの幅寸法は内径側におけるティース先端部分２３ｂの幅寸法（図１のＷｔ４に相当）が同じである。２３ｃは、スロット２５に挿入されたコイルに通電された時に固定子２１に発生する磁束の流れの一例を示す。

図２で固定子のティース２３に巻回されるコイルの巻回数および並列本数が図１と同じであり、巻線に流入する電流が図１と同じとする。固定子のティース内の磁束は、他のティースに流れるとき磁気抵抗の少ないティースの付根部分を通りやすいので、ティースの付根部分の幅寸法をできるだけ大きくとることにより、磁気飽和が緩和され、ティース部分の有効磁束量が増大する。これは、図１のティースの付根部分の磁束３ａが図２の付根部分の磁束２３ａより混んでないことで分かる。これにより、出力できるトルクの最大値を増大させることができる。

ここで、ティース及びスロットについての形状は自由に選定していくことは可能であるが、最大出力トルクと、回転角度にそって一様な特性とを両立させることは、容易ではない。特に、機械の可動部分の加速性能を向上するには駆動するモータ自体の回転子イナーシャを小さくすることが必要であり、これによって回転子の外径と長さは決まってしまう。固定子内径は回転子外径と略同一値であるため、図示しているティースなどに与えられる寸法範囲に限界が生じる。

図４は、図１に示した５４スロットの場合での、ティース３とスロット５の形状を決める寸法値である、Ｗｔ５、Ｗｔ４、Ｓ５、Ｓ４を変化させた場合の、出力可能最大トルク７、コギングトルク８、トルク脈動値９の変化を検証したものである。横軸は各比率の値を示し、縦軸は各トルクの値を相対値で示す。

図４を左側から順次見ていくと分かるように、ティース付根３ａ近辺のティース占有率（ティース部３とスロット部５との幅寸法の比率）であるＷｔ５／Ｓ５を、１．０から大きくしていくと、出力可能最大トルク７は増加するが、同時にティース先端近辺のティース占有率であるＷｔ４／Ｓ４も１以上をとっていないと出力可能最大トルク７も減少するし、コギングトルク８が増加することがわかる。

より詳しく調べると、ティース部の幅寸法が内径側３ｂから外径側３ａに向い漸次増加し、スロット部の幅寸法も内径側５ｂから外径側５ａに向い漸次増加し、かつティース部３とスロット部５との幅の比率が、内径側から外径側に向い漸次増加し、かつ、この比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となる範囲Ｚ１が望ましいことがわかる。したがって、これら３つ（出力可能最大トルク７、コギングトルク８、トルク脈動値９）の要求仕様に対しての特性が最も望ましい状態が実現できている。

本実施例の固定子３を用い、これと埋込磁石式回転子６とを図６のように組合せて回転電機を構成すると、同じ外形サイズおよび回転子イナーシャでありながら、要求される出力可能最大トルク値、トルク脈動率、コギングトルク値について、最も有利な回転電機の特性を実現でき、射出成形機の射出性能の向上や精密制御性能の向上、また、プレス機械のプレス性能の向上や品質向上が実現できる。従って、高加速かつ精密性を要求する自動機械の駆動が可能となる。

図３は、実施例１の変形例であり、図１に比べてスロット３５の底部が湾曲して形成されている。３３がティース部で、３３ａ、３３ｂはそれぞれティース付根部分とティース先端部分を示し、３５はスロット部で、３５ａ、３５ｂはそれぞれスロット底部とスロット入口下部を示す。その他、図１と同一部分を同一符号で示す。

図５は、本発明の実施例２で、ティース部の形状を破線で示す（実線は実施例１の形状）。本実施例では、前記固定子のティース部３の幅寸法（Ｗｔ４）が半径方向の内径側３ｂから外径側に向けて、ティース部の長さの約中央位置の３ｄまで区間（所定の長さ区間）で一定（Ｗｔ４）である。そして、前記位置３ｄから外径側３ａに向けて漸次増加し、外径側３ａで幅寸法Ｗｔ５となる。さらに、スロット部の幅寸法が内径側（５ｂ）から外径側（５ａ）に向い、Ｓ４からＳ５に漸次増加し、前記ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側（Ｗｔ４／Ｓ４）が１：１〜１：１．２の間で、外径側（Ｗｔ５／Ｓ５）が１：１〜１：１．４となっている。

本実施例は、実施例１と同様にティースの付根部分の幅寸法をＷｔ５とできるだけ大きくとっており、磁気飽和が緩和されてティース部分の有効磁束量が増大する。また、各トルクの特性は図４に示される特性となる。

１，３１…固定子コア、２…固定子コア背部、３…ティース部、３ａ，３３ａ…ティース部外径側（ティース付根）、３ｂ、３３ｂ…ティース部内径側（ティース先端）、４…コイル、５…スロット部、５ａ、３５ａ…スロット部外径側（スロット底部）、５ｂ、３５ｂ…スロット部内径側（スロット入口下部）、６…回転子、６ａ…永久磁石、７…出力可能最大トルク値、８…コギングトルク値、９…トルク脈動値。

Claims

外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子と、
前記回転子の外周に対向するように半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部とこのティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する固定子を備えた回転電機において、
前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向い漸次増加し、スロット部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向い漸次増加し、ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側から外径側に向い漸次増加し、この比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする回転電機。
外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子と、
前記回転子の外周に対向するように半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部とこのティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する固定子を備えた回転電機において、
前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向けて所定の長さ区間で一定であり、前記区間から外径側に向けて漸次増加し、スロット部の幅寸法が内径側から外径側に向い漸次増加し、前記ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする回転電機。
外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子の外周に対向するように、半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部と、このティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する回転電機の固定子において、
前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内径側から外側に向い漸次増加し、スロット部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向い漸次増加し、ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側から外径側に向い漸次増加し、この比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする回転電機の固定子。
外周部に複数の磁石が埋め込まれた回転子の外周に対向するように、半径方向の内径側に向って放射状に突出形成された複数のティース部と、このティース部を巻回するコイルが挿入されるスロット部を有する回転電機の固定子において、
前記固定子のティース部の幅寸法が半径方向の内径側から外径側に向けて所定の長さ区間で一定であり、前記区間から外径側に向けて漸次増加し、スロット部の幅寸法が内径側から外径側に向い漸次増加し、前記ティース部とスロット部との幅寸法の比率が内径側が１：１〜１：１．２の間で、外径側が１：１〜１：１．４となっていることを特徴とする回転電機の固定子。