JP2012124984A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、無駄なスペースをなくしつつ、相間の絶縁を保つことができ、電流値が大きくなった際のトルク特性を向上させることができる回転電機を得ることを目的とするものである。
【解決手段】各ティース５ａには、ステータ１の径方向外側の巻線６が巻かれた第１の巻付部５ｃと、ステータ１の径方向内側の巻線６が巻かれた第２の巻付部５ｄとが形成されている。第２の巻付部５ｄの幅寸法は、第１の巻付部５ｃの幅寸法よりも小さくなっている。これにより、第１の巻付部５ｃと第２の巻付部５ｄとの間の部分の幅方向両側には、段部５ｆが形成されている。巻線６とステータコア５との間には、インシュレータ７が介在されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば永久磁石式同期モータなど、複数のティースに巻線が施された円環状のステータと、複数個の永久磁石が設けられたロータとを有する回転電機に関するものである。

従来の永久磁石式同期モータは、円筒形の電機子と、電機子の内側に設けられ、電機子に対して回転可能な界磁極とを有している。界磁極は、周方向に並べられた１０個の磁石を有している。電機子は、電機子鉄心と、３相交流の電流が流れる複数の巻線とを有している。電機子鉄心には、磁石に対向する１２個のティースが設けられている。巻線は、各ティースに２個ずつ設けられている。同相の巻線は、電機子の周方向に連続して３個並んで配置されている。このような巻線方法にすることで、モータ駆動時に発生する損失が低減される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２２１９６１号公報

しかし、上記のような従来の永久磁石式同期モータでは、異なる相の巻線が施されたティースにおいては、インシュレータなどによって相間を絶縁する必要がある。このように、相間にインシュレータの突起を設ける場合、巻線を施す際にインシュレータの強度不足とならないように、相間に設けるインシュレータを大きくする必要がある。また、インシュレータを大きくした場合、巻線を施す面積が減少し、巻線の抵抗値が増加してしまう。さらに、インシュレータに段差を設けてインシュレータの強度を保つ場合、インシュレータ厚みを増やした部分の空間が無駄な空間となってしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、無駄なスペースをなくしつつ、相間の絶縁を保つことができ、電流値が大きくなった際のトルク特性を向上させることができる回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、Ｚ個（Ｚは自然数）のティースに巻線が施された円環状のステータと、２Ｐ極（Ｐは自然数）の永久磁石が設けられたロータとを備え、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が２／５又は２／７となっており、各ティースには、２個の巻線が施されており、同相の巻線は、ステータの周方向に連続して３個並んで配置されており、少なくとも異なる相の巻線が施されたティースは、ステータの径方向外側の巻線が巻かれた第１の巻付部と、ステータの径方向内側の巻線が巻かれた第２の巻付部との間に段部が形成された段付き構造となっている。

この発明の回転電機は、少なくとも異なる相の巻線が施されたティースは、第１の巻付部と第２の巻付部との間に段部が形成された段付き構造となっているので、無駄なスペースをなくしつつ、巻線間にインシュレータを設け、相間の絶縁を保つことができ、電流値が大きくなった際のトルク特性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。 図１のステータの一部を拡大して示す断面図である。 図１のインシュレータを示す斜視図である。 インシュレータのみに段部を設けた比較例を示す断面図である。 図２のティース形状を持つモータ及び図４のティース形状を持つモータの電流−トルク特性を比較して示すグラフである。 この発明の実施の形態２による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。 図６のステータコアの一部を示す斜視図である。 図６のティース及びインシュレータの軸方向に沿う断面図である。 図６のステータコアの寸法を示す説明図である。 図６のティース、巻線及びインシュレータの軸方向に沿う断面図である。 この発明の実施の形態３による永久磁石式同期モータのステータコアの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。 図１２のティースのうち同相の巻線が施されるティース及びインシュレータの軸方向に沿う断面図である。 図１２のティースのうち異なる相の巻線が施されるティース及びインシュレータの軸方向に沿う断面図である。 図１２のステータコアの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態５による永久磁石式同期モータのステータコアの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態６による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。

この発明の実施の形態による永久磁石式同期モータは、いわゆる３相電源で駆動するモータであって、Ｚ個（Ｚは自然数）のティースに巻線（コイル）が施された円環状のステータと、２Ｐ極（Ｐは自然数）の永久磁石が設けられたロータとを有している。また、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）は、２／５又は２／７となっている。さらに、ティースは、先端部分と根元部分とで厚み及び幅の少なくともいずれか一方が異なる形状となっている。

各ティースの巻線は、１つのティースに巻回する相を（／）で示すと、（Ｕ１２＋／Ｕ１３＋）（Ｕ１４−／Ｖ１１＋）（Ｖ１２−／Ｖ１３−）（Ｖ１４＋／Ｗ２１−）（Ｗ２２＋／Ｗ２３＋）（Ｗ２４−／Ｕ２１＋）（Ｕ２２−／Ｕ２３−）（Ｕ２４＋／Ｖ２１−）（Ｖ２２＋／Ｖ２３＋）（Ｖ２４−／Ｗ１１＋）（Ｗ１２−／Ｗ１３−）（Ｗ１４＋／Ｕ１１−）の順番に配置されている。なお、Ｕ＋、Ｕ−は、巻極性（巻き方向）が互いに逆であることを示している。

なお、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が２／５のモータで上記の巻線配列であると、２／７の場合はロータの回転方向が逆となる。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図、図２は図１のステータの一部を拡大して示す断面図である。

図において、永久磁石式同期モータは、円筒状のステータ１と、ステータ１内に設けられステータ１に対して回転可能なロータ２とを有している。ロータ２は、ロータコア３とロータコア３の外周面に固定された複数（ここでは１０個）の永久磁石４とを有している。永久磁石４は、磁極の向きが交互に逆方向になるように、ロータコア３の周方向に互いに間隔をおいて並べられている。

ステータ１は、円筒状のステータコア５と、３相交流の電流が流れる複数の巻線６とを有している。ステータコア５の内周には、永久磁石４に対向する複数（ここでは１２個）のティース５ａが周方向に等間隔で設けられている。隣接するティース５ａ間には、スロット５ｂが設けられている。

巻線６は、各ティース５ａに２個ずつ設けられている。同相の巻線６は、ステータ１の周方向に連続して３個並んで配置されている。巻線６とステータコア５との間には、インシュレータ７が介在されている。インシュレータ７は、例えば樹脂等の絶縁材により構成されている。

各ティース５ａは、ステータ１の径方向外側の巻線６が巻かれた第１の巻付部５ｃと、ステータ１の径方向内側の巻線６が巻かれた第２の巻付部５ｄと、先端部から幅方向（ステータ１の周方向）両側へ突出した一対の突出部５ｅとを有している。

第２の巻付部５ｄの幅寸法は、第１の巻付部５ｃの幅寸法よりも小さくなっている。これにより、第１の巻付部５ｃと第２の巻付部５ｄとの間の部分の幅方向両側には、段部５ｆが形成されている。

図３は図１のインシュレータ７を示す斜視図である。実施の形態１では、図３のようなインシュレータ７が２個１組で用いられる。即ち、各ティース５ａには、２個のインシュレータ７が両側から被せられ、その上から巻線６が施される。

各インシュレータ７は、第１の巻付部５ｃと巻線６の内周面との間に介在される第１の半筒状部７ａと、第２の巻付部５ｄと巻線６の内周面との間に介在される第２の半筒状部７ｂと、スロット５ｂの底面と巻線６との間に介在される第１のフランジ部７ｃと、突出部５ｅと巻線６との間に介在される第２のフランジ部７ｄと、２個の巻線６間に介在される第３のフランジ部（巻線間絶縁部）７ｅとを有している。また、第１の半筒状部７ａと第２の半筒状部７ｂとの間には、段部５ｆに沿って段部が設けられている。

ここで、インシュレータ７に２個の巻線６を施す場合、強いテンションをかけて巻線６を巻いても、異なる相間を絶縁する部分、即ち第３のフランジ部７ｅが割れたり曲がったりしないように、第３のフランジ部７ｅの厚みを大きくとる必要ある。しかし、単に第３のフランジ部７ｅの厚みを大きくすると、巻線６を施す部分の面積が減り、結果的に巻線６の抵抗値を増加させ、銅損を増加させることになる。

これに対して、例えば図４に示すように、ティース５ａには段部５ｆを設けず、インシュレータ７のみに段部を設け、第３のフランジ部７ｅに加わる力を少なくする方法も考えられる。しかし、この場合、第１の半筒状部７ａの厚みが第２の半筒状部７ｂの厚みよりも大きくなり、無駄なスペースが生じてしまう。

そこで、実施の形態１では、ティース５ａの形状を段付き形状とし、インシュレータ７の形状をティース５ａと類似の形状とすることで、無駄なスペースをなくしている。

図５は図２のティース形状を持つモータ（実施の形態１）及び図４のティース形状を持つモータ（比較例）の電流−トルク特性を比較して示すグラフである。図５では、横軸が電流、縦軸がトルクであり、実線が実施の形態１のモータ、点線が比較例のモータの特性をそれぞれ示している。

図５に示すように、実施の形態１のような段付きのティース形状のモータでは、無駄なスペースをなくすことで、電流値が大きくなった際のトルク特性が向上する。

実施の形態２．
次に、図６はこの発明の実施の形態２による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図、図７は図６のステータコア５の一部を示す斜視図、図８は図６のティース５ａ及びインシュレータ７の軸方向に沿う断面図である。

図において、各ティース５ａの先端部及び第２の巻付部５ｄの軸方向寸法は、第１の巻付部５ｃの軸方向寸法よりも小さくなっている。これにより、第１の巻付部５ｃと第２の巻付部５ｄとの間の部分の軸方向両側には、段部５ｇが形成されている。即ち、各ティース５ａは、先端部分と根元部分とで厚みが異なる形状となっている。第１の巻付部５ｃの幅寸法は、第２の巻付部５ｄの幅寸法と同一である。

インシュレータ７の第１の半筒状部７ａと第２の半筒状部７ｂとの間には、段部５ｇに沿って段部が設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態１では、ティース５ａの幅寸法を変更して段部５ｆを設けたが、実施の形態２では、ティース５ａの軸方向寸法を変更して段部５ｇを設けることにより、実施の形態１と同様に、第３のフランジ部７ｅが壊れるのを防ぎつつ、無駄なスペースをなくして、電流値が大きくなった際のトルク特性を向上させることができる。

図９は図６のステータコア５の寸法を示す説明図である。ステータコア５の内径をＤ、ステータコア５の内周面（ティース５ａの先端）から段部５ｇまでの長さをｒ、ティース５ａの第１及び第２の巻付部５ｃ，５ｄでの幅寸法をｔｗ、隣接するティース５ａ間の角度を２θとした場合、ステータ１の径方向内側の巻線６の周方向の長さは、２Ｂとなる。

このため、各スロット５ｂにおけるコイル部分のみの幅はＢ−ｔｗ／２となる。また、Ｂは、スロット数をＱとすると、Ｂ＝（Ｄ／２＋ｒ）×（ｔａｎ（１８０／Ｑ））となる。よって、コイル部分の幅は、（Ｄ／２＋ｒ）×（ｔａｎ（１８０／Ｑ））−ｔｗ／２となる。

図１０は図６のティース５ａ、巻線６及びインシュレータ７の軸方向に沿う断面図である。ステータ１の軸方向の段部５ｇの寸法をＡとすると、Ａ≧（Ｄ／２＋ｒ）×（ｔａｎ（１８０／Ｑ）−ｔｗ／２とすることで、ステータ１の径方向内側（図１０の左側）の巻線６のコイルエンドの高さよりも、第１の半筒状部７ａの高さが常に高くなる。これにより、第３のフランジ部７ｅに加わる力が無くなり、安定的に巻線６を施すことが可能となる。

実施の形態３．
次に、図１１はこの発明の実施の形態３による永久磁石式同期モータのステータコア５の一部を示す斜視図である。実施の形態１ではティース５ａの幅を段付き構造とし、実施の形態２ではティース５ａの軸方向の長さを変化させ段付き構造としたが、実施の形態３では、ティース５ａの幅と軸方向の長さとの両方を段付き構造としている。即ち、ティース５ａには、段部５ｆ及び段部５ｇの両方が設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様であり、永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面は図１と同様である。

このように、各ティース５ａを、先端部分と根元部分とで厚み及び幅の両方が異なる形状としても、第３のフランジ部７ｅが壊れるのを防ぎつつ、無駄なスペースをなくして、電流値が大きくなった際のトルク特性を向上させることができる。

実施の形態４．
次に、図１２はこの発明の実施の形態４による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図、図１３は図１２のティース５ａのうち同相の巻線６が施されるティース５ａ及びインシュレータ７の軸方向に沿う断面図、図１４は図１２のティース５ａのうち異なる相の巻線６が施されるティース５ａ及びインシュレータ７の軸方向に沿う断面図、図１５は図１２のステータコア５の一部を示す斜視図である。

同相の巻線６が施されるティース５ａ、例えば（Ｕ１２＋／Ｕ１３＋）が施されるティース５ａでは、Ｕ１２＋及びＵ１３＋の巻線６は同相で同じ方向に巻かれており、Ｕ１２＋及びＵ１３＋の巻線６を連続して巻くことが可能となる。このためＵ１２＋の巻線６とＵ１３＋の巻線６との間に第３のフランジ部（巻線間絶縁部）７ｅを設ける必要がない。

このため、同相の巻線６が施されるティース５ａは、図１２に示すように、段付きではない構造となっている。即ち、第１の巻付部５ｃの幅寸法と第２の巻付部５ｄの幅寸法とが同一であり、第１の巻付部５ｃの軸方向寸法と第２の巻付部５ｄの軸方向寸法とが同一である。

また、異なる相の巻線６が施されるティース５ａ、例えば（Ｕ１４−／Ｖ１１＋）が施されるティース５ａでは、実施の形態２と同様に、ティース５ａの軸方向寸法を変更して段部５ｇが設けられている。即ち、各ティース５ａの先端部及び第２の巻付部５ｄの軸方向寸法Ｌ２は、第１の巻付部５ｃの軸方向寸法Ｌ１よりも小さくなっている（Ｌ１＞Ｌ２）。このように、実施の形態４では、段付き構造のティース５ａと段無し構造のティース５ａとが周方向に交互に配置されている。他の構成は、実施の形態２と同様である。

このような永久磁石式同期モータでは、ロータ２とのギャップ面を形成するステータコア５の内周で（ティース５ａの先端部で）、同相の巻線６が施されるティース５ａの軸方向寸法が、異なる相の巻線６が施されるティース５ａの軸方向寸法よりも大きくなる（図１３のＬ１＞図１４のＬ２）。このため、図１３のティース５ａでは、図１４のティース５ａよりも、ロータ２からの鎖交磁束が増加する。この結果、図１４のティース５ａのみで構成した実施の形態２よりも出力が増加することになる。

実施の形態５．
次に、図１６はこの発明の実施の形態５による永久磁石式同期モータのステータコア５の一部を示す斜視図である。図において、異なる相の巻線６が施されるティース５ａでは、実施の形態３と同様に、ティース５ａの幅寸法及び軸方向寸法を変更して段部５ｆ，５ｇが設けられている。他の構成は、実施の形態４と同様である。

このような永久磁石式同期モータでも、実施の形態４と同様に、同相の巻線６が施されるティース５ａで、異なる相の巻線６が施されるティース５ａよりも、ロータ２からの鎖交磁束が増加するため、図１１のように全て段付きのティース５ａで構成されたモータよりも出力が増加する。

なお、実施の形態１〜５では、Ｐ＝５であり、１０極１２スロットの組み合わせとなっているが、特にこの極数とスロット数との組み合わせに限定されるものではない。例えば、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が２／７の１４極１２スロットの組み合わせでも、Ｐ＝１０とした２０極２４スロットの組み合わせでも、Ｐ＝１４とした２８極２４スロットの組み合わせ等でも同様の効果が得られる。

実施の形態６．
次に、図１７はこの発明の実施の形態６による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。実施の形態１〜５においては、ティース５ａの数をＺ個（Ｚは自然数）、永久磁石４を２Ｐ極（Ｐは自然数）とした場合、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が２／５又は２／７となるモータを示した。これに対して、実施の形態６では、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が３／８となるモータにおいて、各ティース５ａの巻線６が（Ｕ２−／Ｕ３−）（Ｕ４＋／Ｖ５＋）（Ｕ６−／Ｖ１＋）（Ｖ２−／Ｖ３−）（Ｖ４＋／Ｖ５＋）（Ｖ６−／Ｗ１＋）（Ｗ２−／Ｗ３−）（Ｗ４＋／Ｗ５＋）（Ｗ６−／Ｕ１＋）の順番に施されている。即ち、同相の巻線６は、ステータ１の周方向に連続して４個並んで配置されている。そして、実施の形態１〜５と同様に、段付き構造のティース５ａが用いられている。

Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が３／８となるモータでは、巻線６の順番などが異なるが、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が２／５又は２／７となる場合と同様に、上記のような巻線６にすることで、損失を低減することができる。しかし、実機において、異なる相の巻線６が施されるティース５ａでは、相間に絶縁が必要となるため、実施の形態１〜５のように段付き構造のティース５ａにすることで、無駄なスペースをなくし、電流値が大きくなった際のトルク特性を向上させることができる。

なお、図１７では、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が３／８となっているが、３／１０となるモータでも同様の効果が得られる。
また、実施の形態１〜６では、便宜上、セグメント磁石である永久磁石４をロータコア３に貼り付けたが、１つの磁石内に多極が存在するリング磁石を用いてもよい。
さらに、実施の形態１〜６では、回転電機として永久磁石式同期モータを示したが、この発明は、例えば、同様の構造を持つ発電機にも適用できる。

１ ステータ、２ ロータ、４ 永久磁石、５ａ ティース、５ｆ，５ｇ 段部、６ 巻線。

Claims (4)

1. Ｚ個（Ｚは自然数）のティースに巻線が施された円環状のステータと、２Ｐ極（Ｐは自然数）の永久磁石が設けられたロータとを備え、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が２／５又は２／７となる回転電機であって、
   各前記ティースには、２個の前記巻線が施されており、
   同相の前記巻線は、前記ステータの周方向に連続して３個並んで配置されており、
   少なくとも異なる相の前記巻線が施された前記ティースは、前記ステータの径方向外側の前記巻線が巻かれた第１の巻付部と、前記ステータの径方向内側の巻線が巻かれた第２の巻付部との間に段部が形成された段付き構造となっていることを特徴とする回転電機。
2. 前記第２の巻付部の軸方向寸法を前記第１の巻付部の軸方向寸法よりも小さくすることにより、前記第１の巻付部と前記第２の巻付部との間に前記段部が形成されており、
   前記段部が形成された前記ティースでは、前記ステータ内径をＤ、前記ステータの内周面から前記段部までの長さをｒ、前記ティースの幅寸法をｔｗ、隣接する前記ティース間の角度を２θ、前記段部の軸方向寸法をＡ、スロット数をＱとすると、Ａ≧（Ｄ／２＋ｒ）×（ｔａｎ（１８０／Ｑ））−ｔｗ／２となっていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記ロータとのギャップ面を形成する前記ティースの先端部で、同相の前記巻線が施された前記ティースの軸方向寸法が、異なる相の前記巻線が施された前記ティースの軸方向寸法よりも大きくなっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. Ｚ個（Ｚは自然数）のティースに巻線が施された円環状のステータと、２Ｐ極（Ｐは自然数）の永久磁石が設けられたロータとを備え、Ｚ／（３（相）×２Ｐ）が３／８又は３／１０となる回転電機であって、
   各前記ティースには、２個の前記巻線が施されており、
   同相の前記巻線は、前記ステータの周方向に連続して４個並んで配置されており、
   少なくとも異なる相の前記巻線が施された前記ティースは、前記ステータの径方向外側の前記巻線が巻かれた第１の巻付部と、前記ステータの径方向内側の巻線が巻かれた第２の巻付部との間に段部が形成された段付き構造となっていることを特徴とする回転電機。

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