JP2015050910A - 三相電磁モータ - Google Patents

Abstract

【課題】巻線数の最少化により、巻線コストおよび結線コストを削減し、モータの高効率化を図る。
【解決手段】三相電磁モータ１００は、ステータコア１０のスロット１１、１１間に形成された磁極１３に巻線２０を巻装してなるステータ１と、ステータ１内に配され、永久磁石５０を有するロータ２とを備える。三相電磁モータ１００は、８ｎ極６ｎスロット（ｎは自然数）で構成される。ステータコア１０の複数の磁極１３における１つ置きの磁極１３に、３ｎ個の巻線が巻装される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータコアのスロット間に形成された磁極の巻線構造を改良した三相電磁モータに関する。

電磁モータとしては、たとえば、ブラシレスモータやＰＭ型モータ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）が挙げられる。電磁モータに三相電源を使用する場合、通常、ステータコアの磁極にｕ相、ｖ相、ｗ相の巻線を順に配置するので、巻線数は３の倍数である必要がある。

三相電磁モータにおける巻線コストおよび結線コストを最小にするためには、巻線数を最少の３にする。巻線数を３として集中巻する場合、２極３スロットと４極３スロットが通常の極数とスロット数との組み合わせとなる。しかし、永久磁石の極数が少ないと、コギングトルクの増大が問題となる。

従来、電磁モータの巻線構造に関連する技術が種々提案されている。たとえば、巻線を施した磁極の間に、巻線を施していない補助磁極を配置したモータが開示されている（特許文献１参照）。特許文献１の技術によれば、製造コストの低減とマグネット利用率の増加によって、モータの高効率化が図られる。

また、巻線を１磁極飛ばしに配置し、かつ巻線が施されている磁極幅を巻線が施されていない磁極幅よりも大きく設定したモータが開示されている（特許文献２参照）。特許文献２の技術によれば、隣接する異相の巻線間の絶縁性能を向上させ、かつ巻線コストを低減させることができる。

さらに、巻線を２磁極連続で配置し、３磁極目には巻線を施さない磁極を配置したモータが開示されている（特許文献３参照）。特許文献３の技術によれば、巻線コストの低減とモータの高効率化を図ることができる。

実開昭５９−９０２７９号公報 特許第４３６３１３２号公報 特開２００４−３０４９２８号公報

ところで、特許文献１のモータは６極８スロットであるので、三相電源に対応していない。特許文献２のモータは１０極１２スロットであり、特許文献３のモータは８極９スロットであるので、三相電源に対応している。

前述したように、三相電磁モータにおいて、２極３スロットや４極３スロットの通常の極数とスロット数との組み合わせを採用すると、コギングトルクの増大が問題となる。

したがって、コギングトルクの増大を防止するために、８極６スロットや８極９スロット、１０極１２スロットなどの組み合わせを選択することが多い。すなわち、巻線数削減によるコストダウンとコギングトルクの低減とは、相反する関係となる。

ただし、スロット数よりも極数を極端に多くする組み合わせも考えられる。たとえば、８極３スロットや１０極３スロットなどである。しかし、この場合、コギングトルクは低下するものの、極間において永久磁石の磁束の短絡が生じ、トルク低下に伴ってモータ効率が著しく低下するので、殆ど採用されていない。

そこで、巻線数の最少化（３巻線）による巻線コストおよび結線コストの削減とモータの高効率化を実現できる技術の開発が求められている。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、三相電源に対する巻線数の最少化により、巻線コストおよび結線コストを削減することができ、モータの高効率化を図ることができる三相電磁モータの提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る三相電磁モータは、ステータコアのスロット間に形成された磁極に巻線を巻装してなるステータと、該ステータ内に配され、永久磁石を有するロータとを備える。

上記三相電磁モータは、８ｎ極６ｎスロット（ｎは自然数）で構成される。上記ステータコアの複数の磁極における１つ置きの磁極に、３ｎ個の巻線が巻装される。

本発明に係る三相電磁モータは、８ｎ極６ｎスロット（ｎは自然数）であり、ステータコアの複数の磁極における１つ置きの磁極に３ｎ個の巻線が巻装される。したがって、三相電源に対して巻線数が最少化される。

したがって、本発明に係る三相電磁モータによれば、三相電源に対する巻線数の最少化により、巻線コストおよび結線コストを削減することができ、モータの高効率化を図ることができる。

第１実施形態に係る三相電磁モータの概略図である。 第１実施形態に係る三相電磁モータのステータコアの概略図である。 従来の三相電磁モータの巻線構造の概略図である。 第２実施形態に係る三相電磁モータの概略図である。 第２実施形態に係る三相電磁モータのステータコアの概略図である。 第３実施形態に係る三相電磁モータの概略図である。 第３実施形態に係る三相電磁モータのステータコアの概略図である。

以下、図面を参照して、第１から第３実施形態に係る三相電磁モータについて説明する。

第１から第３実施形態に係る三相電磁モータは、８ｎ極６ｎスロット（ｎは自然数）であり、ステータコアの複数の磁極における１つ置きの磁極に３ｎ個の巻線が巻装される。
したがって、第１から第３実施形態によれば、三相電源に対する巻線数の最少化により、巻線コストおよび結線コストを削減でき、高効率の三相電磁モータを実現できる。

〔第１実施形態〕
［三相電磁モータの構成］
まず、図１および図２を参照して、第１実施形態に係る三相電磁モータの構成について説明する。図１は第１実施形態に係る三相電磁モータの概略図である。図２は第１実施形態に係る三相電磁モータのステータコアの概略図である。

本実施形態に係る三相電磁モータは、８ｎ極６ｎスロット（ｎは自然数）で構成される。図１に例示する三相電磁モータ１００は、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）型の三相交流サーボモータであり、ｎ＝１の８極６スロットの構成である。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る三相電磁モータ１００は、ステータ１と、当該ステータ１内に配置されたロータ２を備える。

ステータ１は、ステータコア１０および巻線２０を有する。

ステータコア１０は、厚肉筒体状の金属部材である。ステータコア１０の内周面は円形状を呈しており、外周面は矩形状を呈している。本実施形態のステータコア１０は薄板を積層したスタック構造であるが、単体構造や圧粉鉄心であっても構わない。

ステータコア１０の内周側には、ロータ２に臨むように放射線状に、巻線２０を収容するための空間としての複数のスロット１１が区画形成されている。

各スロット１１は、ティース同士１２、１２の間に、区画形成される。各ティース１２の基端部は、巻線２０が巻回される磁極1３となっている。

ステータコア１０の構成材料としては、たとえば、珪素鋼板が用いられるが、例示の材料に限定されない。

巻線２０は、図１および図２に示すように、不図示の電気絶縁部材を介して、スロット１１内に配置される。巻線２０は、円周方向に均等に配置され、放射線状に並んだ複数の磁極１３において、１つ置きの磁極１３に巻装される。すなわち、６スロットの場合、磁極１３の数は６磁極であるが、１つ置きの磁極１３に巻線２０が巻装されるので、巻線数は３となる。したがって、スロット１１の数と巻線２０の数は対応していない。

三相電源の場合、ｕ相、ｖ相、ｗ相の巻線２０が順に配置される。本実施形態の巻線数は３であるので、三相電源に対して巻線数が最小化されることになる。

図１を参照すると、ロータ２は、シャフト３の周囲に設けられ、ロータコア３０および永久磁石４０を備える。シャフト３はロータ２の回転中心となる。

ロータコア３０は、シャフト３の周囲に設けられたほぼ厚肉円筒体状の金属部材である。本実施形態のロータコア３０は薄板を積層したスタック構造であるが、単体構造や圧粉鉄心であっても構わない。

ロータコア３０の構成材料としては、たとえば、珪素鋼板が用いられるが、例示の材料に限定されない。

本実施形態の永久磁石４０は、ロータコア３０の外周面に複数配設されている。したがって、永久磁石４０の断面形状は円弧状を呈している。本実施形態の三相電磁モータ１００はＳＰＭ型の８極構成であるため、８個の永久磁石４０がロータコア３０の外周面の円周方向に均等に配置されている。

永久磁石としては、たとえば、ネオジウム磁石等の希土類磁石が挙げられるが、例示の材質に限定されない。

［三相電磁モータの作用］
次に、図１から図３を参照して、第１実施形態に係る三相電磁モータの作用について説明する。

第１実施形態に係る三相電磁モータにおいて、ステータ１はロータ２を囲むように設けられる。ステータコア１０は、ロータ２に臨んで放射線状に並んだ複数の巻線２０を有する。

本実施形態の巻線２０は、ステータコア１０の円周方向に均等に配置され、放射線状に並んだ複数の磁極１３において、１つ置きの磁極１３に巻装される。具体的には、本実施形態のスロット数は６スロットであるので、磁極１３の数は６磁極である。これら６本の磁極１３のうちの１つ置きの磁極１３に、巻線２０が巻装されるので、巻線数は３となる。

三相電源の場合、通常、ｕ相、ｖ相、ｗ相の巻線２０が順に配置される。本実施形態の巻線数は３であるので、三相電源に対して巻線数が最小化されることになる。

ここで、図３を参照して、従来の三相電磁モータの巻線構造との比較を行う。図３は従来の三相電磁モータの巻線構造の概略図である。

図３に示すように、従来の三相電磁モータは、６スロットのステータ１において、ステータコア１０の各磁極１３に巻線２０が巻装されている。したがって、６本の磁極１３に対して、巻線数は６となる。従来の三相電磁モータの巻線構造では、巻線数が６となるので、巻線コストおよび結線コストの双方が増大する。

すなわち、第１実施形態に係る三相電磁モータ１００によれば、三相電源に対する巻線数の最少化により、巻線コストおよび結線コストを削減することができる。

また、第１実施形態に係る三相電磁モータ１００は、ロータ２が８極の永久磁石４０を有するので、コギングトルクの増大を防止することができ、モータの高効率化を図ることができる。

〔第２実施形態〕
次に、図４および図５を参照して、第２実施形態に係る三相電磁モータについて説明する。図４は第２実施形態に係る三相電磁モータの概略図である。図５は第２実施形態に係る三相電磁モータのステータコアの概略図である。なお、第１実施形態と同一の構成部材については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図４に例示する三相電磁モータ２００は、第１実施形態と同様に、８極６スロットの三相交流サーボモータであり、ステータ２０１とロータ２を備える。

図４および図５に示すように、第２実施形態に係る三相電磁モータは、ステータコア２１０の磁極の構造が、第１実施形態とは異なる。

すなわち、第２実施形態に係る三相電磁モータ２００は、ステータコア２１０の円周方向に均等に配置され、放射線状に並んだ６本の磁極２１３について、磁極幅が交互に異なっている。

第２実施形態のステータコア２１０には、当該ステータコア２１０の円周方向に磁極幅の小さい磁極２１３ａと磁極幅の大きい磁極２１３ｂとが交互に並んでいる。磁極幅の小さい磁極２１３ａには、巻線２０が巻装されている。したがって、巻線数は３となり、三相電源に対して巻線数が最小化されることになる。三相電源に対する巻線数の最少化により、巻線コストおよび結線コストを削減することができる。

また、第２実施形態に係る三相電磁モータ２００は、第１実施形態と同様に、ロータ２が８極の永久磁石４０を有するので、コギングトルクの増大を防止して、トルク低下を抑制することができる。

さらに、磁極幅の小さい磁極２１３ａに巻線２０が巻装されるので、巻線スペースを拡大してモータ効率を向上させることができる。

第２実施形態に係る三相電磁モータは、基本的に第１実施形態と同様の作用効果を奏する。特に第２実施形態に係る三相電磁モータは、ステータコア２１０の円周方向に磁極幅の小さい磁極２１３ａと磁極幅の大きい磁極２１３ｂとが交互に並んでおり、磁極幅の小さい磁極２１３ａに巻線２０が巻装されている。

したがって、第２実施形態に係る三相電磁モータによれば、巻線コストおよび結線コストの低減とともに、トルク低下を抑制しつつ、巻線スペースを拡大してモータ効率を向上させることができるという有利な効果を奏する。

〔第３実施形態〕
次に、図６および図７を参照して、第３実施形態に係る三相電磁モータについて説明する。図６は第３実施形態に係る三相電磁モータの概略図である。図７は第３実施形態に係る三相電磁モータのステータコアの概略図である。なお、第１実施形態と同一の構成部材については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図６に例示する三相電磁モータ２００は、第１実施形態および第２実施形態と同様に、８極６スロットの三相交流サーボモータであり、ステータ３０１とロータ２を備える。

図６および図７に示すように、第３実施形態に係る三相電磁モータは、ステータコア３１０の磁極の構造が、第１実施形態および第２実施形態とは異なる。

すなわち、第３実施形態に係る三相電磁モータ３００は、ステータコア３１０の円周方向に均等に配置され、放射線状に並んだ６本の磁極３１３について、磁極形状が交互に異なっている。

第３実施形態のステータコア３１０には、当該ステータコア３１０の円周方向に、内径側が拡幅された磁極３１３ａと内径側が縮幅された磁極３０３ｂとが交互に並んでいる。磁極３１３ａは、ほぼ台形状を呈するように、内径側が順次拡幅されている。磁極３０３ｂは、ほぼ逆台形状を呈するように、内径側が順次縮幅されている。

内径側が順次拡幅された磁極３１３ａには、巻線２０が巻装されている。したがって、巻線数は３となり、三相電源に対して巻線数が最小化されることになる。三相電源に対する巻線数の最少化により、巻線コストおよび結線コストを削減することができる。

また、第３実施形態に係る三相電磁モータ２００は、第１実施形態および第２実施形態と同様に、ロータ２が８極の永久磁石４０を有するので、コギングトルクの増大を防止して、トルク低下を抑制することができる。

さらに、内径側が順次拡幅された磁極３１３ａに巻線２０が巻装されるので、永久磁石４０の磁束を有効に活用でき、更なるモータの高効率化を図ることができる。

第３実施形態に係る三相電磁モータは、基本的に第１実施形態と同様の作用効果を奏する。特に第３実施形態に係る三相電磁モータは、ステータコア３１０の円周方向に内径側が順次拡幅された磁極３１３ａと内径側が順次縮幅された磁極３０３ｂとが交互に並んでおり、内径側が順次拡幅された磁極３１３ａに巻線２０が巻装されている。

したがって、第３実施形態に係る三相電磁モータによれば、巻線コストおよび結線コストの低減とともに、トルク低下を抑制しつつ、永久磁石４０の磁束を有効に活用でき、更なるモータの高効率化を図ることができるという有利な効果を奏する。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

たとえば、上記実施形態では、ＳＰＭ型の三相電磁モータを例示して説明したが、本発明はＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）型の三相電磁モータにも適用することができる。

また、上記実施形態では、サーボモータについて説明したが、ステッピングモータにも適用することができる。

さらに、８ｎ極６ｎスロット（ｎは自然数）の三相電磁モータにおいてｎ＝２以上の場合には、巻線数および結線数を最小化するため、各ｕ相群、ｖ相群、ｗ相群の巻線２０を、渡り線を介して連続巻することが好ましい。ｎ＝２以上の場合は巻線数が３ｎとなるが、各ｕ相群、ｖ相群、ｗ相群の巻線２０を、渡り線を介して連続巻することにより、巻線数を３として最小化することができる。

１、２０１、３０１ ステータ、
２ ロータ、
１０、２１０、３１０ ステータコア、
１１ スロット、
１３、２１３、３１３ 磁極、
２１３ａ 磁極幅の小さい磁極、
２１３ｂ 磁極幅の大きい磁極、
３１３ａ 内径側が拡幅された磁極、
３１３ｂ 内径側が縮幅された磁極、
２０ 巻線、
４０ 永久磁石、
１００ 三相電磁モータ。

Claims (5)

1. ステータコアのスロット間に形成された磁極に巻線を巻装してなるステータと、該ステータ内に配され、永久磁石を有するロータとを備える三相電磁モータであって、
   ８ｎ極６ｎスロット（ｎは自然数）で構成され、前記ステータコアの複数の磁極における１つ置きの磁極に３ｎ個の巻線を巻装したことを特徴とする三相電磁モータ。
2. 前記ｎ＝１の８極６スロットで構成されるモータであって、前記ステータコアの前記磁極の１つ置きに３個の巻線を巻装したことを特徴とする請求項１に記載の三相電磁モータ。
3. ｎ＝２以上の場合は、各ｕ相群、ｖ相群、ｗ相群の巻線を、渡り線を介して連続巻することを特徴とする請求項１に記載の三相電磁モータ。
4. 前記ステータコアの複数の磁極の磁極幅は交互に異なり、かつ狭い磁極幅の磁極に巻線を巻装したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の三相電磁モータ。
5. 前記ステータコアの複数の磁極は、前記ステータコアの内径側が拡幅された磁極と内径側が縮幅された磁極とを交互に配置し、前記内径側が拡幅された磁極に巻線を巻装したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の三相電磁モータ。