JP2015149819A

JP2015149819A - モータ

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Publication number: JP2015149819A
Application number: JP2014020895A
Authority: JP
Inventors: 牧田　真治; Shinji Makita; 真治牧田; 伊藤　靖英; Yasuhide Ito; 靖英伊藤; 知弘青山; Tomohiro Aoyama
Original assignee: Asmo Co Ltd; Denso Corp
Current assignee: Asmo Co Ltd; Denso Corp
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-06
Also published as: US20150222150A1; CN104836348A; DE102015101105A1; JP6230927B2

Abstract

【課題】集中巻きのモータ１において、ステータ３における磁極配置の周期性を下げることなく誘起電圧歪みを低減する。
【解決手段】モータ１によれば、ロータ２の極対数をＰとしたときに、ステータ３の巻線４に３相の電流が通電され、ステータ３では、周方向の磁極ピッチが大きい３／２×Ｐ個の大ティース７と、周方向の磁極ピッチが大ティース７よりも小さい３／２×Ｐ個の小ティース８とが交互に配置される。また、大ティース７にのみ巻線４が集中巻きにより巻かれている。そして、大ティース７の磁極ピッチＸは電気角で１４４°以上１８０°未満であり、周方向に隣り合う巻線４には電気角で１２０°位相差の電流が通電される。これにより、ステータ３における磁極配置の周期性を下げることなく、磁束波形の高調波成分に起因する誘起電圧歪みを低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、集中巻きのモータに関する。

従来から、例えば、同期モータでは、ロータが発生する磁束密度の周方向分布（以下、磁束波形と呼ぶ。）が高調波成分を含むことから、誘起電圧歪みが生じてトルクリップル等の要因になっていることが知られている。そこで、誘起電圧歪みを低減してトルクリップル等を緩和するため、特許文献１に示すようなモータが考えられている。

すなわち、特許文献１のモータによれば、ロータの極対数をＰとしたときに、ステータでは、周方向の磁極ピッチが大きい３／２×Ｐ個の大ティースと、周方向の磁極ピッチが大ティースよりも小さい３／２×Ｐ個の小ティースとが交互に配置される。また、大ティースにのみ巻線が集中巻きにより巻かれている。
そして、特許文献１のモータによれば、磁束波形の高調波成分に起因する誘起電圧歪みを低減するため、ステータにおける複数の同一相の磁極において、ティースの周方向位置をずらしたり、磁極ピッチを異ならせたりしている。

しかし、このような磁極の構成は磁極配置の周期性を低下させ、ラジアル力のアンバランスが増大して振動が大きくなる。また、周方向位置をずらすと巻線スペースが減少するので、モータの性能も低下する。

特開平１１−２３４９９０号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、集中巻きのモータにおいて、ステータにおける磁極配置の周期性を下げることなく誘起電圧歪みを低減することにある。

本願の第１発明のモータによれば、ロータの極対数がＰであり、ステータの巻線に３相の電流が通電される。また、ステータでは、周方向の磁極ピッチが大きい３／２×Ｐ個の大ティースと、周方向の磁極ピッチが大ティースよりも小さい３／２×Ｐ個の小ティースとが交互に配置されるとともに、大ティースにのみ巻線が集中巻きにより巻かれている。そして、大ティースの磁極ピッチＸは電気角で１４４°以上１８０°未満であり、小ティースの磁極ピッチＹは電気角で（２４０−Ｘ）°であり、周方向に隣り合う巻線には電気角で１２０°位相差の電流が通電される。

これにより、ステータにおける磁極配置の周期性を下げることなく、磁束波形の高調波成分を低減することができる。
すなわち、磁極ピッチが等しい標準的なモータでは、極数／スロット数を決めることにより磁極ピッチが一意的に決まるので、高調波成分の低減を考慮して磁極ピッチを決めることは極めて困難である。
これに対し、巻線を巻く大ティースと、巻線を巻かない小ティースとを周方向に交互に配置するモータによれば、極数／スロット数の数値に関わりなく、大ティースの磁極ピッチを自在に設定することができる。このため、磁束波形の高調波成分が減るように大ティースの磁極ピッチを設定することが可能となる。

例えば、５次の高調波成分を低減したい場合、５次の高調波成分は電気角で３６０／５周期（７２°周期）となるので、大ティースの磁極ピッチＸを電気角で７２°の倍数とすることで５次の高調波成分をゼロに略一致させることができる。これにより、５次の高調波成分に起因する誘起電圧歪みの発生を阻止することができる。

ここで、ロータの極対数Ｐに対し、ステータにおいて大、小ティースを３／２×Ｐ個ずつ交互に配置する場合、磁極ピッチＸは電気角で１２０°〜２４０°の範囲で選択される。このため、１２０°〜２４０°の範囲で７２°周期として選択候補となる数値は１４４°および２１６°の２つが存在する。しかし、電磁気的な特性は１８０°を中心として対称であり、かつ、磁極ピッチＸが小さいほど相対的にティース幅を細くして巻線長を短くすることができる。そこで、５次の高調波成分をゼロにする目的で磁極ピッチＸを決める場合、１４４°を選択する。

同様に、７次の高調波成分を低減したい場合、電気角で１５４．３°（３６０／７×３）を選択する。また、１１次、１３次の高調波成分を低減したい場合、それぞれ、電気角で１３０．９°（３６０／１１×４）または１６３．６°（３６０／１１×５）、１３８．５°（３６０／１３×５）または１６６．２°（３６０／１３×６）を選択可能であるが、磁極ピッチが１８０°に近いほど誘起電圧の基本波成分が大きくなり、モータの性能が向上するので、それぞれ、１６３．６°（３６０／１１×５）、１６６．２°（３６０／１３×６）を選択する。

また、１３次よりも大きいｎ次の高調波成分についても同様にして、高調波成分をゼロにする磁極ピッチＸを選択することができ、選択可能な数値の内、最も基本波成分が大きくなる磁極ピッチＸは電気角で１８０−（３６０／ｎ／２）で表すことができる。また、磁極ピッチＸは、ｎが大きいほど電気角１８０°に小側から漸近し、１８０°に一致することはない。

そこで、第１発明では、大ティースの磁極ピッチＸに関し、５次の高調波成分に起因する誘起電圧歪みの発生を阻止することができる電気角１４４°を最小値とし、上限側を電気角１８０°未満に設定する。これにより、モータにおいて、ステータにおける磁極配置の周期性を下げることなく、磁束波形の特定の高調波成分を低減して誘起電圧歪みを低減することができる。

第１発明に従属する第２発明のモータによれば、磁極ピッチＸは電気角で１４４°以上１６６．２°以下である。
第２発明では、大ティースの磁極ピッチＸに関し、５次の高調波成分に起因する誘起電圧歪みの発生を阻止することができる電気角１４４°を最小値とし、１３次の高調波成分に起因する誘起電圧歪みの発生を阻止することができる電気角１６６．２°を最小値として設定する。これにより、高調波成分としてレベルが高い５次、７次、１１次、１３次の高調波成分の合計を低減することで、誘起電圧歪みを効果的に低減することができる。

モータの全体構成図である。磁束波形の形状が１８０°矩形波であるときの磁束密度の次数ごとの成分レベルを示す棒グラフ図である。磁束波形の形状が１５０°台形波であるときの磁束密度の次数ごとの成分レベルを示す棒グラフ図である。磁束波形の形状が９０°台形波であるときの磁束密度の次数ごとの成分レベルを示す棒グラフ図である。（ａ）は磁束波形の形状が１８０°矩形波であるときの誘起電圧の次数ごとの成分レベルと大ティースの磁極ピッチとの相関を示す相関図であり、（ｂ）は磁束波形の形状が１８０°矩形波であるときの歪率と大ティースの磁極ピッチとの相関を示す相関図である。（ａ）は磁束波形の形状が１５０°台形波であるときの誘起電圧の次数ごとの成分レベルと大ティースの磁極ピッチとの相関を示す相関図であり、（ｂ）は磁束波形の形状が１５０°台形波であるときの歪率と大ティースの磁極ピッチとの相関を示す相関図である。（ａ）は磁束波形の形状が９０°台形波であるときの誘起電圧の次数ごとの成分レベルと大ティースの磁極ピッチとの相関を示す相関図であり、（ｂ）は磁束波形の形状が９０°台形波であるときの歪率と大ティースの磁極ピッチとの相関を示す相関図である。モータの要部拡大図である。

実施形態のモータによれば、ロータの極対数がＰであり、ステータの巻線に３相の電流が通電される。また、ステータでは、周方向の磁極ピッチが大きい３／２×Ｐ個の大ティースと、周方向の磁極ピッチが大ティースよりも小さい３／２×Ｐ個の小ティースとが交互に配置されるとともに、大ティースにのみ巻線が集中巻きにより巻かれている。そして、大ティースの磁極ピッチＸは電気角で１４４°以上１８０°未満の範囲から選択され、より好ましくは、１４４°以上１６６．２°以下の範囲から選択される。また、小ティースの磁極ピッチＹは電気角で（２４０−Ｘ）°であり、周方向に隣り合う巻線には電気角で１２０°位相差の電流が通電される。

また、極対数Ｐは４以上とすることが好ましく、ロータは表面磁石型とすることが好ましい。
さらに、ロータとステータとの径方向の距離Ｇは、磁石の周方向幅の電気角｛（１８０−Ｘ）／２｝°よりも小さく設定するのが好ましい。

〔実施例の構成〕
実施例のモータ１は、図１に示すように、内周側、外周側にそれぞれロータ２、ステータ３が配置されるインナーロータ型であり、ステータ３の巻線４に３相の電流が通電される。
また、ロータ２は、円筒状に設けられた磁極が外周面に露出する表面磁石型であり、外周面にＮ極が露出する永久磁石５と、外周面にＳ極が露出する永久磁石５とが周方向に交互に配置されている。そして、実施例のモータ１によれば、ロータ２の極対数Ｐは４である。

また、ステータ３では、周方向の磁極ピッチが大きい６個（３／２×４により算出）の大ティース７と、周方向の磁極ピッチが大ティース７よりも小さい６個の小ティース８とが交互に配置されるとともに、大ティース７にのみ巻線４が集中巻きにより巻かれている。そして、大ティース７の磁極ピッチＸは、電気角で１４４°以上１６６．２°未満の範囲にある１５６°であり、小ティース８の磁極ピッチＹは電気角で８４°（２４０−１５６により算出）である。そして、周方向に隣り合う巻線４には電気角で１２０°位相差の電流を通電する。

以下、磁極ピッチＸを１５６°に設定する根拠を説明する。
磁極ピッチＸの数値は、磁束波形の高調波成分低減により誘起電圧歪みによるトルクリップル等を緩和することを目的として設定される。ところで、現実の磁束波形には、様々な複数の高調波成分が含まれているので、これら高調波成分の合計に起因する誘起電圧歪みが最小となるように磁極ピッチＸの数値を選択するのが望ましい。

そこで、磁束波形の形状を、１８０°矩形波、１５０°台形波および９０°台形波のそれぞれに近似するものと仮定し（図２〜図４参照。）、波形ごとに、磁極ピッチＸと高調波成分が誘起電圧に与える影響との相関を調べた。
なお、この相関調査において、高調波成分の影響を示すパラメータとして、以下のように算出される歪率を用いた。すなわち、歪率とは、高調波成分としてレベルが高い５次、７次、１１次、１３次を選び、これら４つの次数についてレベルの二乗和を求め、さらに、この二乗和の平方根として求めたものである。

ここで、３つの仮定した磁束波形それぞれにおいて、波形に含まれる基本波（1次）成分のレベル、および、５次、７次、１１次、１３次のそれぞれの高調波成分のレベルは、図２〜図４のようになる。
このような成分レベルを有する３つの磁束波形それぞれについて、磁極ピッチＸを変化させ、次数ごとに誘起電圧成分のレベルと磁極ピッチＸとの相関を求めた（図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）参照。）。

そして、３つの仮定した磁束波形それぞれにおいて、歪率と磁極ピッチＸとの相関を求めた（図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）参照。）。この結果、３つの仮定した磁束波形全てにおいて、磁極ピッチＸを１５６°近辺にしたときに歪率が最小になることが判明した。

以上により、磁極ピッチＸを１５６°に設定して磁束波形の高調波成分に起因する誘起電圧歪みの最小化を図る。
なお、ロータ２とステータ３との径方向の距離Ｇは、図８に示すように、１つの永久磁石５の周方向両端のそれぞれの端から数えた電気角１２°幅よりも大きい範囲で発生する磁束が短絡しないように、１つの永久磁石５の周方向幅の電気角１２°幅以下に設定される。なお、電気角１２°の数値は、数式｛（１８０−Ｘ）／２｝°においてＸ＝１５６を当てはめることで求めている。

〔実施例の効果〕
実施例のモータ１によれば、ステータ３の巻線４に３相の電流が通電され、ステータ３では、周方向の磁極ピッチが大きい３／２×Ｐ個の大ティース７と、周方向の磁極ピッチが大ティース７よりも小さい３／２×Ｐ個の小ティース８とが交互に配置される（なお、Ｐはロータ２の極対数である。）。また、大ティース７にのみ巻線４が集中巻きにより巻かれている。そして、大ティース７の磁極ピッチＸは電気角で１５６°であり、周方向に隣り合う巻線４には電気角で１２０°位相差の電流が通電される。

これにより、ステータ３における磁極配置の周期性を下げることなく、磁束波形の高調波成分を低減することができる。
すなわち、全てのティースに巻線４が巻かれる標準的なモータでは、極数／スロット数を決めることにより磁極ピッチが一意的に決まるので、高調波成分の低減を考慮して磁極ピッチを決めることは極めて困難である。

これに対し、巻線４を巻く大ティース７と、巻線４を巻かない小ティース８とを周方向に交互に配置するモータ１によれば、極数／スロット数の数値に関わりなく、大ティース７の磁極ピッチＸを自在に設定することができる。このため、磁束波形の高調波成分が減るように磁極ピッチＸを設定することが可能となる。
そこで、歪率が最小となるように磁極ピッチＸを１５６°に設定する。これにより、ステータ３における磁極配置の周期性を下げることなく、磁束波形の高調波成分を低減することができ、磁束波形の高調波成分に起因する誘起電圧歪みの最小化を達成することができる。

また、極対数Ｐを４とすることにより、同相の大ティース７の数を２として機械角１８０°で同相の磁極を対向配置することができる。このため、ラジアル力に起因するモータ１の振動や騒音を低減することができる。

また、ロータ２を表面磁石型とすることにより、誘起電圧歪みの抑制効果を顕著に得ることができる。
すなわち、ロータ２が埋め込み磁石型である場合、磁石の磁束は、ロータ２内の磁性部で自由に磁路を変えて通ることができるので、誘起電圧歪みの抑制効果が低下してしまう。これに対し、ロータ２が表面磁石型である場合、永久磁石５の磁束は、永久磁石５の外周面と大、小ティース７、８との間でそのまま受け渡されるので、誘起電圧歪みの抑制効果を顕著に得ることができる。

さらに、ロータ２とステータ３との径方向の距離Ｇは、１つの永久磁石５の周方向幅の電気角１２°幅以下に設定される。
これにより、１つの永久磁石５の外周面において、少なくとも、電気角９０°の位置を周方向の対称中心とする電気角１５６°の範囲では、磁束が確実に大、小ティース７、８との間で受け渡される。このため、磁極ピッチＸを１５６°に設定することによる誘起電圧歪みの最小化効果を顕著に得ることができる。

〔変形例〕
モータ１の態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例のモータ１によれば、歪率の最小化を意図して磁極ピッチＸを電気角１５６°に設定していたが、電気角１５６°以外の１４４°以上１８０°未満の範囲から数値を選択して磁極ピッチＸを設定してもよく、より好ましくは、１４４°以上１６６．２°以下の範囲から数値を選択してもよい。

例えば、５次の高調波成分を低減したい場合、磁極ピッチＸを電気角で１４４°に設定してもよく、７次、１１次、１３次の高調波成分を低減したい場合、磁極ピッチＸを、それぞれ、電気角で１５４．３°、１６３．６°、１６６．２°に設定してもよい。また、１３次よりも大きいｎ次の高調波成分を低減したい場合、１８０−（３６０／ｎ／２）で表すことができる数値を選択して磁極ピッチＸを設定してもよい。

また、実施例のモータ１によれば、極対数Ｐは４であったが、極対数Ｐとして他の自然数を採用してもよい。
この場合、ラジアル力に起因するモータ１の振動や騒音の抑制効果を考慮すれば、極対数Ｐを４以上にすることが好ましい。例えば、極対数Ｐを６、８、１０とした場合、同相の大ティース７をそれぞれ機械角１２０°、９０°、６０°の周期で配置することができ、ラジアル力の対称性を確保することができる。このため、ラジアル力に起因するモータ１の振動や騒音を低減することができる。

また、実施例のモータ１によれば、ロータ２とステータ３との径方向の距離Ｇは、磁極ピッチＸの数値（電気角１５６°）に応じて、１つの永久磁石５の周方向幅の電気角１２°幅以下に設定されていたが、磁極ピッチＸの数値に応じて変更してもよい。

例えば、５次の高調波成分の低減を優先して磁極ピッチＸを電気角１４４°に設定した場合、１つの永久磁石５の周方向幅の電気角１８°幅以下に距離Ｇを設定してもよい。
さらに、実施例のモータ１によれば、ロータ２は表面磁石型であったが、ロータ２を埋め込み磁石型としてもよい。また、実施例のモータ１はインナーロータ型であったが、モータ１をアウターロータ型としてもよい。

１モータ２ロータ３ステータ４巻線７大ティース８小ティース
Ｘ磁極ピッチ（大ティースの磁極ピッチ）Ｙ磁極ピッチ（小ティースの磁極ピッチ）

Claims

ロータ（２）の極対数がＰであり、ステータ（３）の巻線（４）に３相の電流が通電されるモータ（１）において、
前記ステータ（３）では、周方向の磁極ピッチが大きい３／２×Ｐ個の大ティース（７）と、周方向の磁極ピッチが前記大ティース（７）よりも小さい３／２×Ｐ個の小ティース（８）とが交互に配置されるとともに、前記大ティース（７）にのみ前記巻線（４）が集中巻きにより巻かれ、
前記大ティース（７）の磁極ピッチ（Ｘ）は電気角で１４４°以上１８０°未満であり、
前記小ティース（８）の磁極ピッチ（Ｙ）は電気角で（２４０−Ｘ）°であり、
周方向に隣り合う前記巻線（４）には電気角で１２０°位相差の電流が通電されることを特徴とするモータ（１）。
請求項１に記載のモータ（１）において、
前記磁極ピッチ（Ｘ）は電気角で１４４°以上１６６．２°以下であることを特徴とするモータ（１）。
請求項１または請求項２に記載のモータ（１）において、
前記極対数Ｐは４以上であることを特徴とするモータ（１）。
請求項１ないし請求項３の内のいずれか１つに記載のモータ（１）において、
前記ロータ（２）は表面磁石型であることを特徴とするモータ（１）。
請求項４に記載のモータ（１）において、
前記ロータ（２）と前記ステータ（３）との径方向の距離（Ｇ）は、磁石（５）の周方向幅の電気角｛（１８０−Ｘ）／２｝°よりも小さいことを特徴とするモータ（１）。