JP2015177584A

JP2015177584A - ２相同期電動機

Info

Publication number: JP2015177584A
Application number: JP2014050390A
Authority: JP
Inventors: 松岡　篤; Atsushi Matsuoka; 篤松岡; 馬場　和彦; Kazuhiko Baba; 和彦馬場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: JP6138075B2

Abstract

【課題】巻線に発生する誘起電圧が大きくなり、高トルク化及び高効率化が可能となる２相同期電動機を提供すること。【解決手段】同期電動機１は、軟磁性のバックヨーク８の表面に周方向に磁極が交互となるように１０個の永久磁石９が配置された回転子３と、環状のコアバック４から内径側に突出した８個のティース５に２個ずつ周方向に交互に２相の巻線６ａ，６ｂが集中的に巻回されると共に同相の巻線６が巻回された隣り合うティース５では巻線６の向きが逆であり、２相の巻線６には回転子３の磁極の位置に同期して電気角で位相が９０?ずれた交流電流が通電される固定子２と、を備え、異なる相の巻線６が巻回される隣り合うティース５間のスロット開口部の幅は、同相の巻線６が巻回される隣り合うティース５間のスロット開口部の幅よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、２相同期電動機に関する。

小型の送風機には、安価で小型の単相誘導機が用いられることが多い。この単相誘導機は、効率が低いため、モータの出力が小さい割には、消費電力が大きい。この性能を改善するため、一般的には固定子の巻線が異なる相同士をラップさせる分布巻きとされていたものを、巻線のコイルを小さくできる集中巻きとする誘導機が存在する（例えば、特許文献１)。

しかし、これらの誘導機は、回転子のかご形導体に電流を発生させるためのエネルギーを固定子側より供給するため、回転子から発生する磁束を永久磁石から供給する同期電動機に比べると効率が低く、消費電力の削減にも限界がある。

また、トルクリップルを抑えて、低振動、低騒音化を図った２相の同期電動機は、例えば、８スロット１４極の構成を取るものがある（例えば、特許文献２）。これは、２相の巻線に９０°位相をずらした電流を通電することで電動機を駆動する。交流電流を通電して、トルクの落ち込みが少ないため、振動、騒音を抑えることができる。

また、回転子に永久磁石を用いない電動機としては、例えば、２相８スロットの固定子に、６つの突極を設けたリラクタンスモータがある（例えば、特許文献３〜５）。リラクタンスモータでは、巻線で励磁した磁束を有効に活用するため、隣り合った同相の巻線が巻回されたティース間のスロット開口部を隣り合った異なる相の巻線が巻回されたティース間のスロット開口部よりも大きくしている。

また、円筒状の固定フレームの内周に等角度間隔でコの字形のステータが配置され、このステータはコの字形のステータブロックに巻線が巻回されて構成され、回転子には永久磁石が配置された直流発電機がある（例えば、特許文献６）。この直流発電機では、ステータブロックを構成する前側コア部と後側コア部との間の間隔よりもステータブロック間の間隔の方が大きい。

特開２００３−２５９５９４号公報特開平１１−２３５００１号公報特開２００１−１８６６９３号公報特開２００６−００２７３３号公報特開２００２−４４９１９号公報特開２００２−２６２５３１号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、巻線に発生する誘起電圧が大きくなり、高トルク化及び高効率化が可能となる２相同期電動機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る２相同期電動機は、１０ｎ（ｎは１以上の整数）個の永久磁石が当該永久磁石よりも軟磁性のバックヨークの表面に周方向に磁極が交互となるように配置された回転子と、環状のコアバックから内径側に突出した８ｎ個のティースに２個のティースずつ周方向に交互に２相の巻線が集中的に巻回されると共に同相の巻線が巻回された隣り合うティースでは巻線の向きが逆であり、前記２相の巻線には前記回転子の磁極の位置に同期して電気角で位相が９０°ずれた交流電流が通電される固定子と、を備え、異なる相の巻線が巻回される隣り合うティース間のスロット開口部の幅は、同相の巻線が巻回される隣り合うティース間のスロット開口部の幅よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、巻線に発生する誘起電圧が大きくなり、高トルク化及び高効率化が可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る２相同期電動機の構成を示す横断面図である。図２は、図１における固定子の部分拡大図である。図３は、スロット開口部角度に対する誘起電圧比を示したグラフである。図４は、極異方性の永久磁石から発生した磁束を示した図である。図５は、回転子に極異方性の永久磁石が配置された場合に、スロット開口部角度に対する誘起電圧比を示したグラフである。図６は、円環状のコアバックが存在する場合と異相間のコアバックを無くした場合の誘起電圧を示したグラフである。図７は、実施の形態１の同期電動機で異相間のスロット開口部角度を横軸にとったときのコギングトルクの変化を示したグラフである。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る２相同期電動機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る２相同期電動機の構成を示す横断面図である。図２は、図１における固定子の部分拡大図である。

本実施の形態に係る同期電動機１は、２相１０極８スロットの同期電動機である。同期電動機１は、固定子２と、固定子２の内側で回転可能に配置された回転子３とを備えている。

固定子２は、固定子鉄心２０に巻線６が巻回されて構成される。ここで、固定子鉄心２０は、環状のコアバック４と、コアバック４の内周面から内径側に突出した８個のティース５とを備えている。コアバック４は例えば円環状である。

８個のティース５は、周方向に等角度間隔で配置される。また、隣り合うティース５間には、空間部であるスロット７が形成される。スロット７は、ティース５の個数に応じて８個形成されている。

ティース５には、外部から電流を印加するための巻線６が巻回されている。巻線６は、ティース５毎に集中的に巻回されている。巻線６は２相の巻線６ａ，６ｂで構成され、Ａ相の巻線は巻線６ａで、Ｂ相の巻線は巻線６ｂで示されている。

２相の巻線６ａ，６ｂは、周方向に２個のティース５ずつ交互に８個のティース５に巻回されている。すなわち、２相の巻線６ａ，６ｂは、同相同士が隣り合うようにティース５に巻回されると共に、周方向に２個のティース５ごとに交互となるように巻回されている。換言すれば、Ａ相の巻線６ａが巻回される隣り合う２個のティース５ａと、Ｂ相の巻線６ｂが巻回される隣り合う２個のティース５ｂとが、周方向に交互となるように配列されている。

また、同相の巻線６が巻回された隣り合うティース５では、巻線６の向きは逆になっている。すなわち、隣り合うティース５ａでは、巻線６ａの巻回の向きは互いに逆であり、隣り合うティース５ｂでは、巻線６ｂの巻回の向きは互いに逆である。なお、図１及び図２では、巻線６ａ，６ｂの巻回の向きを矢印で表している。

また、異なる相の巻線６が巻回される隣り合うティース５間のスロット開口部の幅は、同相の巻線６が巻回される隣り合うティース５間のスロット開口部の幅よりも大きい（図２）。すなわち、隣り合うティース５ａ，５ｂ間のスロット開口部の幅は、隣り合うティース５ａ間または隣り合うティース５ｂ間のスロット開口部の幅よりも大きい。

これは、ティース５ａ，５ｂの先端部を周方向に非対称にすることで構成できる（図２）。ティース５ａの先端部の周方向端部５ａ_１，５ａ_２のうち、周方向端部５ａ_１は周方向端部５ａ_２よりも周方向に長く形成され、ティース５ｂの先端部の周方向端部５ｂ_１，５ｂ_２のうち、周方向端部５ｂ_１は周方向端部５ｂ_２よりも周方向に長く形成される。さらに、隣り合うティース５ａ間では周方向端部５ａ_１同士が対向し、隣り合うティース５ｂ間では周方向端部５ｂ_１同士が対向し、隣り合うティース５ａ，５ｂ間では周方向端部５ａ_２，５ｂ_２が互いに対向している。

図２では、周方向端部５ａ_２，５ｂ_２間に形成されるスロット開口部１１の角度をθ_ABで表し、周方向端部５ａ_１間に形成されるスロット開口部１０の角度をθ_AAで表している。θ_AB＞θ_AAであり、周方向端部５ａ_２，５ｂ_２間に形成されるスロット開口部１１の幅は周方向端部５ａ_１間に形成されるスロット開口部１０の幅よりも大きい。なお、図示は省略しているが、周方向端部５ｂ_１間に形成されるスロット開口部の角度θ_BBはθ_ABよりも小さく、例えばθ_BB＝θ_AAである。

回転子３は、軟磁性のバックヨーク８の表面に１０個の永久磁石９が配置されて構成される。すなわち、バックヨーク８は、永久磁石９の磁性材料よりも軟磁性の磁性材料で形成され、バックヨーク８の表面に等角度間隔で配置された１０個の永久磁石９が回転子表面を構成する。また、１０個の永久磁石９は、周方向に磁極が交互となるように配置されている。すなわち、回転子３の極数は１０極である。

２相の巻線６ａ，６ｂには、回転子３の磁極の位置に同期して電気角で位相が９０°ずれた交流電流が通電される。

図３は、スロット開口部角度に対する誘起電圧比を示したグラフである。すなわち、図３は、ティース５間の開口部を角度（スロット開口部角度）で表し、スロット開口部角度に対して巻線６に発生する誘起電圧を電磁界解析により求めた結果を比較したものである。

同図中において、Ａは「異相間開口大」の場合であり、本実施の形態に係る同期電動機１の構成に対応する。詳細には、同相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の幅（角度）を固定して、異なる相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の角度を横軸とした場合の誘起電圧の変化を示している。なお、同相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の幅（角度）については、特に規定するものではないが、ここでは例えば４．４°（＝θ_AA＝θ_BB）としている。また、図３の縦軸は、θ_AB＝θ_AA＝θ_BB＝４．４°としたときの誘起電圧を基準にした誘起電圧比で表されている。

また、Ｂは「開口均一」の場合であり、詳細には、すべてのティース５間のスロット開口部の幅（角度）を均一として、スロット開口部の角度を横軸にした場合の誘起電圧の変化を示している。

また、Ｃは「同相間開口大」の場合であり、同相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の幅（角度）を横軸にして誘起電圧の変化を示しているもので、異なる相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の幅（角度）が固定されている。ここでは例えばθ_AB＝４．４°としている。

「異相間開口大」とした場合、スロット開口部角度を大きくすると、誘起電圧は徐々に大きくなっていることがわかる。

これに対して、「開口部均一」とした場合、スロット開口部角度が大きくなるのに従って、徐々に誘起電圧が低下している。

「同相間開口大」とした場合は、スロット開口部角度が大きくなるのに従って、誘起電圧の低下が更に大きくなっている。

以上のように、２相１０極８スロットの同期電動機１においては、異相間のスロット開口部を大きくすることで、誘起電圧が大きくなる。

２相１０極８スロットの同期電動機１の場合、回転子３の磁極の角度は１磁極あたり３６°＝（３６０°／１０）である。固定子２のティース幅は概ね４５°である。このため、同相で隣り合うティース５に巻回された巻線６に発生する誘起電圧は、巻回方向を同じとした場合、(３６×２−４５）×５＝１３５°の位相差（電気角）が発生する。巻回方向を逆にすると片方の誘起電圧が反転するため、位相差は（１８０−１３５）＝４５°となる。このように、同相の巻線６に発生する誘起電圧に位相差が生じているため、２つの巻線６を直列に接続しても、発生する誘起電圧は、１つの巻線６に発生する誘起電圧の２倍にはならない。

これに対して、異相間のスロット開口部を大きくした場合、隣り合うティース５に巻回された巻線６に発生する誘起電圧の位相差は小さくなる方向へと向かうため、２つの巻線６に発生する誘起電圧の合成は、大きくなっていく。

このような考え方では、ティース５の幅が回転子３の１磁極の幅と等しくなる場合が誘起電圧の位相差が無くなるため、最も大きな誘起電圧が得られることとなる。これは、ティース５の幅が３６°のときであり、異相間のスロット開口部の幅は１８°＝（４５×２−３６×２)°である。しかし、前述の電磁界解析の結果（図３）では、概ね２５°のときに誘起電圧の最大値が得られている。これは、回転子表面の永久磁石９から、異相間のスロット開口部へ発生する磁束が、ティース５へと鎖交したため、ティース５の幅が１磁極の幅より小さくなっても、誘起電圧が低下していないものと考えられる。

ところで、例えば、同期電動機では、固定子の内側に回転子を配置する場合に、回転子に極異方性を持った永久磁石を用いる場合がある。図４では、極異方性の配向がされたリング状の永久磁石を有する回転子３が固定子２の内側に配置された場合を示している。この場合、永久磁石内部の磁束は回転子の表面から入り、永久磁石の内径側に抜けることなく、再び回転子の表面から出る。このため、図４のような構成では、永久磁石の内側に磁路となる磁性体のバックヨークを設ける必要性がない。また、この場合、図４に示すように、永久磁石内部を通過する磁束が隣り合う磁極へと向かうため、大きなスロット開口部が隣にある場合、磁束が磁気抵抗の大きいスロット開口部の空間を磁路としてしまい、永久磁石から発生する磁束が低下してしまう。また、電磁界解析でも図５に示すようにスロット開口部を広くするに従って誘起電圧が低下している。なお、図５は、回転子に極異方性の永久磁石が用いられた場合に、スロット開口部角度に対する誘起電圧比を示したグラフである。縦軸、横軸は図３と同じであり、同相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の幅（角度）を固定して、異なる相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の角度を横軸とした場合の誘起電圧の変化を示している。

このことから、本実施の形態の効果は、軟磁性体をバックヨーク８に有する回転子３の場合に認められることがわかる。

以上のように、本実施の形態に係る２相１０極８スロットの同期電動機１では、異相間のスロット開口部を同相間のスロット開口部よりも大きくすることで、より大きな誘起電圧が得られる。これによって、同一電流でより大きなトルクが得られるため、同期電動機１の高出力化が可能となる。また、同一トルクを少ない電流で出力することができるため、消費電力が抑えられ、より高効率な同期電動機１が実現できる。

これは、特許文献３〜５に記載された２相８スロットのリラクタンスモータで、同相間のスロット開口部を大きくとる構成と異なるものである。

また、特許文献６に記載された従来技術は、コの字形のステータブロックにコイルを巻回したステータを固定フレームの内周に複数並べて、回転子の永久磁石より発する磁束を鎖交させ、多相の正弦波電圧を発電するものである。

他方、本実施の形態では、回転子３の永久磁石９より発生した磁束は、対向する固定子２のティース５を通り、巻線６に鎖交する。鎖交した磁束は、ティース５から固定子２のコアバック４（環状鉄心）を通り、別のティース５を通り、再び回転子３へと戻ってくる。コアバック４は、同相の巻線６が巻回されたティース５間のみを磁路とはしておらず、異相間を連結するコアバック４の部分も磁路として利用している。図６に、円環状のコアバック４が存在する場合（Ｄ）と異相間のコアバックを無くした場合（Ｅ）の誘起電圧を電磁界解析で求めた結果の比較を示す。縦軸、横軸は図３と同じであり、同相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の幅（角度）を固定して、異なる相の巻線６が巻回されたティース５間のスロット開口部の角度を横軸とした場合の誘起電圧の変化を示している。なお、Ｄは図３のＡと同じ曲線を表している。

このように、異相間のコアバックが無い場合には、誘起電圧が小さくなっており、誘起電圧を高めるためには、コアバックが円環状になっていることが必要であることがわかる。つまり、本実施の形態は、特許文献６に記載された従来技術とは異なるものであり、特許文献６に記載された従来技術に基づいて本発明に至ることは困難である。

なお、同期電動機の効率を向上する場合、より磁力の高い永久磁石を用いることが多い。この場合、磁力の高い希土類磁石を用いることが多いが、材料コストが高いため、同期電動機の価格上昇を抑えるため、可能な限り使用量を少なくする必要がある。このため、できるだけ厚みの薄い永久磁石を用いて回転子を構成することが多く、軟磁性のバックヨークの表面に永久磁石を配置する形態をとることが多い。本実施の形態は、このような同期電動機に適している。

また、本実施の形態では、２相１０極８スロットの同期電動機１を例に説明したが、本実施の形態は、２相１０ｎ極８ｎスロットの場合に拡張することができる。ここで、ｎは１以上の整数である。この場合、ティース５は８ｎ個設けられ、永久磁石９は１０ｎ個設けられる。

一般に、同期電動機１は、軟磁性のバックヨーク８の表面に周方向に磁極が交互となるように１０ｎ個の永久磁石９が配置された回転子３と、環状のコアバック４から内径側に突出した８ｎ個のティース５に２個のティース５ずつ周方向に交互に２相の巻線６ａ，６ｂが集中的に巻回されると共に同相の巻線６が巻回された隣り合うティース５では巻線６の向きが逆であり、２相の巻線６には回転子３の磁極の位置に同期して電気角で位相が９０°ずれた交流電流が通電される固定子２と、を備え、異なる相の巻線６が巻回される隣り合うティース５間のスロット開口部の幅は、同相の巻線６が巻回される隣り合うティース５間のスロット開口部の幅よりも大きい。このような構成により、上述した効果が得られる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態１の同期電動機１で異相間のスロット開口部の角度を横軸にとったときのコギングトルクの変化を示したグラフである。図７に示すように、スロット開口部の角度が大きくなると、コギングトルクは大きくなるが、１７〜１８°付近をピークに減少傾向となり、２５°近辺で極小値をとる。

また、図３から、誘起電圧も２５°近辺で最大値をとっている。

そこで、本実施の形態では、実施の形態１の構成を前提として、異相間のスロット開口部の角度を２５°付近とする。すなわち、異なる相の巻線６が巻回される隣り合うティース５間のスロット開口部の角度θ_ABを、例えば２３°〜２７°の範囲とし、好ましくは２５°にすることで、コギングトルクの増加を抑えて、振動及び騒音の発生を抑えつつ、より高出力で高効率な同期電動機１が実現できる。

なお、２相１０ｎ極８ｎスロットの同期電動機１の場合は、異なる相の巻線６が巻回される隣り合うティース５間のスロット開口部の角度θ_ABを、例えば２３／ｎ°〜２７／ｎ°の範囲とし、好ましくは２５／ｎ°にすることができる。

本実施の形態のその他の構成、作用及び効果は実施の形態１と同様である。

本発明は、２相同期電動機として有用である。

１同期電動機、２固定子、３回転子、４コアバック、５，５ａ，５ｂティース、５ａ_１，５ａ_２，５ｂ_１，５ｂ_２周方向端部、６，６ａ，６ｂ巻線、７スロット、８バックヨーク、９永久磁石、１０，１１スロット開口部、２０固定子鉄心。

Claims

１０ｎ（ｎは１以上の整数）個の永久磁石が当該永久磁石よりも軟磁性のバックヨークの表面に周方向に磁極が交互となるように配置された回転子と、
環状のコアバックから内径側に突出した８ｎ個のティースに２個のティースずつ周方向に交互に２相の巻線が集中的に巻回されると共に同相の巻線が巻回された隣り合うティースでは巻線の向きが逆であり、前記２相の巻線には前記回転子の磁極の位置に同期して電気角で位相が９０°ずれた交流電流が通電される固定子と、
を備え、
異なる相の巻線が巻回される隣り合うティース間のスロット開口部の幅は、同相の巻線が巻回される隣り合うティース間のスロット開口部の幅よりも大きいことを特徴とする２相同期電動機。
異なる相の巻線が巻回される隣り合うティース間のスロット開口部の角度は、２３／ｎ°〜２７／ｎ°の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の２相同期電動機。