JP2016077098A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】大ティースと小ティースとが周方向に交互に配されて大ステータのみにステータコイルが巻回されたステータを有する回転電機において、高巻線係数の確保とトルクリップル低減とを実現させる。
【解決手段】大ティース１３と小ティース１４との間の周方向における中心線を中心線Ｏとすると、大ティース１３を挟む中心線Ｏ同士の間隔が電気角で１５０度、小ティース１４を挟む中心線Ｏ同士の間隔が電気角で９０度である。また、大ティース１３の磁気抵抗及び小ティースの磁気抵抗は、大ティース１３で発生するトルクの変動幅と小ティース１４で発生するトルクの変動幅とが等しくなるように調整されている。これによれば、大ティース１３で発生するトルク波形と小ティース１４で発生するトルク波形とが逆位相になり且つ振幅が等しくなる。このため、合計トルクではトルク変動が相殺され、トルクリップルが抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

３相永久磁石同期モータのステータとして、ロータに対向する対向面の周方向長さの大きな大ティースと、ロータに対向する対向面の周方向長さの小さな小ティースとが周方向に交互に配置されて、大ティースのみにステータコイルを集中巻きで巻回してなるステータがある（特許文献１参照）。

この技術によれば、大ティースの有効幅を電気角で１８０度まで広げることができ、巻線係数を大きくすることができる。なお、大ティースの有効幅とは、ロータとの磁束の受け渡しに効く大ティースの周方向長さであって、大ティースと小ティースとの間の周方向における中心線を中心線Ｏとすると、大ティースを挟む中心線Ｏ同士の間隔に該当する（特許文献１の図１において機械角で「４５」と表記されている間隔）。

一方、このステータを用いた回転電機では、上述の構成のゆえに、誘起電圧に高調波が重畳することにより、トルクリップルが大きくなるという問題がある。
そこで、特許文献１では、同一相の電流が流れるステータコイルのティースを周方向にずらすことによって、誘起電圧の波形の位相をずらして、高調波成分の除去を図っている。

しかしながら、この手段では、ティースが周方向に不均等な間隔で並ぶことになるため、巻線を巻くスペースが制限され、巻線を巻回回数が減少し、トルクが低下する結果となる。また、周方向での磁気回路の周期性が低下するために、ロータとステータとの間に作用するラジアル力（ラジアル方向の力）のアンバランスが発生する。その結果、モータ回転時の振動が発生する場合がある。

つまり、特許文献１の技術では、高巻線係数の確保とトルクリップル低減とを実現できても、ティースを周方向に不均等に配置することにより生じる問題が生じてしまう。
そこで、ティースを周方向に不均等に配置することなく高巻線係数の確保とトルクリップル低減とを実現させる技術が求められている。

特開平１１−２３４９９０号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回転電機において、ステータのティースを周方向に不均等に配置する方法によらずに、高巻線係数の確保とトルクリップル低減とを実現させることを目的とする。

本発明の回転電機は、極対数がＰのロータと、ロータの径方向内側または外側に配されたステータコア、及び３相の電流が通電されるステータコイルを有するステータとを備える。

ステータコアは、ロータに径方向に対向する対向面の周方向の長さが大きい大ティースと、ロータに径方向に対向する対向面の周方向の長さが大ティースよりも小さい小ティースとが、周方向に交互に配されて、大ティースと小ティースとがヨークにより磁気的に接続されてなる。
ステータコイルは、大ティースのみに集中巻により巻回されている。
これにより、高巻線係数を確保することが可能になる。

大ティース及び小ティースは、それぞれ、３／２×Ｐ個である。
そして、大ティースと前記小ティースとの間の周方向における中心線を中心線Ｏとすると、大ティースを挟む中心線Ｏ同士の間隔が電気角で「１５０度」であり、小ティースを挟む中心線Ｏ同士の間隔が電気角で「９０度」である。
これによれば、大ティースで発生するトルク波形と小ティースで発生するトルク波形とが逆位相になる。

また、大ティースを通ってヨークに至る磁路における磁気抵抗、及び小ティースを通ってヨークに至る磁路における磁気抵抗は、大ティースで発生するトルクの変動幅と小ティースで発生するトルクの変動幅とが「等しく」なるように、調整されている。
通常は、大ティースの方が小ティースよりもトルク変動幅が大きくなるため、大ティースでの磁気抵抗を増加させることになる。その方法として、例えば、大ティースのエアギャップを大きくする、大ティースとヨークを別体にする、大ティースを形成する磁性材料の飽和磁束密度を小ティースを形成する磁性材料の飽和磁束密度よりも小さくする等の方法を採用する。
これによれば、大ティースで発生するトルク波形と小ティースで発生するトルク波形の振幅が等しくなる。

このため、大ティースで発生するトルクと小ティースで発生するトルクとの合計トルクでは、それぞれで発生するトルク変動が相殺される。これにより、トルクリップルが抑制される。
すなわち、ステータのティースを周方向に不均等に配置する方法によらずに、高巻線係数の確保とトルクリップル低減とを実現させることができる。

なお、本発明における「１５０度」及び「９０度」とは、完全に「１５０度」及び「９０度」であるものに限らず、「１５０度」及び「９０度」に近似する値を含む意味である。例えば、製造誤差等を含む。また、本発明における「等しく」とは、完全に同一であることのみを意味するものではなく、ほぼ等しい（数％程度の誤差）状態も「等しく」という用語の範囲内に含むものとする。
すなわち、大ティースで発生するトルク波形と、小ティースで発生するトルク波形とを和演算した場合に、トルクリップルの低減を図る上で許容される程度の誤差を当然含むものとする。

回転電機の構成を示す平面図である（実施例１）。 図１の部分拡大図である（実施例１）。 回転電機の構成を示す平面図である（比較例）。 大ティースでの発生トルク、小ティースでの発生トルク、及び合計トルクのトルク波形である（比較例）。 大ティースでの発生トルク、小ティースでの発生トルク、及び合計トルクのトルク波形である（実施例１）。 小ティースとロータとのエアギャップＧ２に対する大ティースとロータとのエアギャップＧ１の比と、トルクリップルとの関係を示す相関図である（実施例１）。 回転電機の構成を示す平面図である（実施例２）。 回転電機の構成を示す平面図である（実施例３）。 ステータを、横に周方向、縦に軸方向となるように展開した展開図である（実施例４）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
〔実施例１の構成〕
実施例１の回転電機１を、図１〜図６を用いて説明する。
実施例１の回転電機１は、３相交流モータである。
回転電機１は、回転可能に支持されたロータ２と、ロータ２の外周側にロータ２を取り囲むように配置されたステータ３とを備える。
本実施例の回転電機１は、環状のステータ３の内周にロータ２が配されるインナーロータ型であるが、ステータ３の外周にロータ２が配されるアウターロータ型であってもよい。

ロータ２は、永久磁石型であって、積層電磁鋼板により円柱状または円筒状に形成されたロータコア５と、ロータコア５の外周面に配されて磁極を形成する永久磁石６とを備える。

本実施例のロータ２は、ロータコア５のステータ３に対向する側の周面（本実施例では外周面）に永久磁石６が配された表面磁石式（ＳＰＭ）であるが、ロータコア５の内部に永久磁石６が埋め込まれた埋め込み磁石式（ＩＰＭ）であってもよい。

本実施例では、１つの磁極が１つの永久磁石６によって形成されており、外側にＮ極が向く永久磁石６と外側にＳ極が向く永久磁石６とが周方向等間隔に交互に配置されている。本実施例では、極対数Ｐ＝６である。

ステータ３は、以下に説明するステータコア８とステータコイル９とを備える。

ステータコア８は、積層電磁鋼板により円筒状に形成され、先端がロータ２に対向する複数のティース１０と、ティース１０同士を外周側で磁気的に接続するヨーク１１とを有している。ティース１０とヨーク１１とは一体的に成形されている。
本実施例の回転電機１はインナーロータ型であるため、ステータコア８は、環状のヨーク１１から径方向内側に向かって放射状にティースが複数並んだ形状を呈している。

ティース１０は大ティース１３と小ティース１４の２種類からなっており、大ティース１３と小ティース１４とは周方向に交互に配されている。

大ティース１３及び小ティース１４は、それぞれ、ヨーク１１から径方向内側（ロータ側）に延びるネック部１３ａ、１４ａと、ネック部１３ａ、１４ａの径方向内側で周方向両側（つまり回転方向両側）に延びる鍔部１３ｂ、１４ｂとを有している。つまり、鍔部１３ｂ、１４ｂはネック部１３ａ、１４ａの先端部で周方向に幅広に設けられている。そして、この鍔部１３ｂ、１４ｂの径方向内側面が、ロータ２の外周面とエアギャップ１６を介して径方向に対向する対向面１３ｃ、１４ｃとなっており、この対向面１３ｃ、１４ｃによってロータ２の磁極との間で磁束の受け渡しを行う。

大ティース１３の対向面１３ｃの周方向の長さは、小ティース１４の対向面１４ｃの周方向の長さよりも大きい。
大ティース１３の数及び小ティース１４の数は、それぞれ、３／２×Ｐ個である。すなわち、本実施例ではＰ＝６であるため、大ティース１３の数及び小ティース１４の数はそれぞれ９個である。

ステータコイル９は、大ティース１３のみに集中巻により巻回され、３相の電流が通電される。ステータコイル９は、大ティース１３のネック部１３ａに巻かれている。

〔実施例１の特徴〕
本実施例のステータ３では、隣り合う大ティース１３と小ティース１４との間の周方向の中心を通る線を中心線Ｏとすると、大ティース１３を挟む中心線Ｏ同士の間隔θ１が電気角で１５０度であり、小ティース１４を挟む中心線Ｏ同士の間隔θ２が電気角で９０度である。

中心線Ｏは、隣り合う大ティース１３の鍔部１３ｂと小ティース１４の鍔部１４ｂとの間の隙間の周方向の中心を通る線である。つまり、鍔部１３ｂの周方向両側に引くことのできる中心線Ｏ同士の間隔θ１が電気角で１５０度となっており、鍔部１４ｂの周方向両側に引くことのできる中心線Ｏ同士の間隔θ２が電気角で９０度となっている。
言い換えると、間隔θ１とは、大ティース１３の鍔部１３ｂの周方向の両側に形成された開口同士の間隔であって、間隔θ２とは、小ティース１４の鍔部１４ｂの周方向の両側に形成された開口同士の間隔である。

そして、大ティース１３で発生するトルクの変動幅と小ティース１４で発生するトルクの変動幅とが等しくなるように、大ティース１３を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗、及び小ティース１４を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗が調整されている。

磁気抵抗の調整の具体例として、本実施例では、大ティース１３とロータ２との間のエアギャップ１６のギャップ長Ｇ１を、小ティース１４とロータ２との間のエアギャップ１６のギャップ長Ｇ２よりも大きくしている。

本実施例の大ティース１３の対向面１３ｃは、ロータ２と同軸でロータ２よりも径大の周面で形成されており、ロータ２との径方向における距離が周方向全長に亘って一定である。本実施例では、このロータ２との径方向における距離をギャップ長Ｇ１としている。

また、小ティース１４の対向面１４ｃも、ロータ２と同軸でロータ２よりも径大の周面で形成されており、ロータ２との径方向における距離が周方向全長に亘って一定である。本実施例では、このロータ２との径方向における距離をギャップ長Ｇ２としている。

また、ギャップ長Ｇ１とギャップ長Ｇ２との関係は、
１＜Ｇ１／Ｇ２≦１．３
である。
本実施例では、Ｇ１／Ｇ２がおよそ１．３となっている。

〔実施例１の作用効果〕
本実施例のステータ３によれば、大ティース１３と小ティース１４とを交互に配置して大ティース１３のみにステータコイル９を巻回する構成であるため、大ティース１３の有効幅を大きく確保することができるため、高巻線係数を確保することができる。
本実施例では、大ティース１３の有効幅、つまり、大ティース１３を挟む中心線Ｏ同士の間隔θ１を電気角で１５０度確保されており、同じ形状のティースを配置するようなステータと比較して高巻線係数を確保できる。

さらに、本実施例のステータ３によれば、トルクリップルの低減も図ることができる。
トルクリップル低減効果について、本発明を適用していない比較例のステータ１Ｈと比較しながら、以下に説明する。図３に示す比較例のステータ１Ｈにおいて、実施例１のステータ１Ｈに対応する構成要素には同じ符号を付している。

比較例のステータ１Ｈは、ステータ３と同様に、大ティース１３を挟む中心線Ｏ同士の間隔θ１が電気角で１５０度であり、小ティース１４を挟む中心線Ｏ同士の間隔θ２が電気角で９０度である。ただし、ギャップ長Ｇ１とギャップ長Ｇ２とが等しい。すなわち、本発明の磁気抵抗の調整が行われていない。なお、比較例におけるギャップ長Ｇ１及びギャップ長Ｇ２の大きさは、実施例１のギャップ長Ｇ２の大きさと等しい。

間隔θ１を１５０度とし、間隔θ２を９０度とすると、電気６次のトルクリップルが小さくなることが知られている。しかしながら、間隔θ１を１５０度とし、間隔θ２を９０度としても、なお、トルクリップルは残る。

出願人は、その原因を追究すべく、大ティース１３で発生するトルク波形と、小ティース１４で発生するトルク波形とを別々に解析した。
これにより、図４に示すように、大ティース１３で発生するトルク波形の電気６次の変動成分と小ティース１４で発生するトルク波形の電気６次の変動成分とが逆位相であること、大ティース１３のトルク変動幅Ｌ（平均振幅に相当）と小ティース１４のトルク変動幅Ｓとに差が生じていること、そして、このトルク変動幅の差分が合計トルクにトルク変動をもたらしてトルクリップルが残留することを見出した。

つまり、トルクリップルを除去するためには、間隔θ１及び間隔θ２の条件だけではなく、大ティース１３で発生するトルクの変動幅と小ティース１４で発生するトルクの変動幅とを等しくする必要があることを見出した。

そこで、本実施例では、間隔θ１を１５０度とし、間隔θ２を９０度とすることに加えて、大ティース１３で発生するトルクの変動幅と小ティース１４で発生するトルクの変動幅とが等しくなるように大ティース１３を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗、及び小ティース１４を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗を予め調整している。

比較例のステータ１Ｈでは、図４に示すように、大ティース１３のトルク変動幅Ｌの方が、小ティース１４のトルク変動幅Ｓよりも大きい。
このため、大ティース１３のトルク変動幅Ｌと小ティース１４のトルク変動幅Ｓとを等しくするには、大ティース１３のトルク変動幅Ｌを小さくするか、小ティース１４のトルク変動幅Ｓを大きくすればよい。

例えば、大ティース１３のトルク変動幅Ｌを小さくするには、大ティース１３を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗を大きくすればよい。

そこで、実施例では、比較例のステータ１Ｈに対して、ギャップ長Ｇ２はそのままで、ギャップ長Ｇ１のみを大きくした。つまり、大ティース１３を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗を大きくしている。
これによれば、図４に示す無調整状態の波形における大ティース１３のトルク変動幅Ｌを増加させることになり、図５に示すような波形、すなわち、大ティース１３のトルク変動幅Ｌと小ティース１４のトルク変動幅Ｓとが等しくなる波形を得ることができる。

本実施例のステータ３では、図５に示すように、大ティース１３のトルク変動幅Ｌと小ティース１４のトルク変動幅Ｓとがほぼ等しく、大ティース１３と小ティース１４の合計トルクでは、トルク変動が相殺される。

本実施例では、ギャップ長Ｇ１とギャップ長Ｇ２との関係は、
１＜Ｇ１／Ｇ２≦１．３
である。

図６に示すように、Ｇ１／Ｇ２が１〜およそ１．３の区間では、Ｇ１／Ｇ２の増加に伴ってトルクリップルが減少し、およそ１．３で極小となる。そして、１．３を超えた区間では、Ｇ１／Ｇ２の増加に伴ってトルクリップルが微増する。

このため、ギャップ長Ｇ１とギャップ長Ｇ２との関係は、１＜Ｇ１／Ｇ２≦１．３であって、特にＧ１／Ｇ２≒１．３であることが好ましい。
これによれば、トルクリップルをより低減できるからである。

以上のように、本実施例によれば、ステータ３のティース１０を周方向に不均等に配置する方法によらずに、高巻線係数の確保とトルクリップル低減とを実現させることができる。

なお、本発明における「１５０度」及び「９０度」とは、完全に「１５０度」及び「９０度」であるものに限らず、「１５０度」及び「９０度」に近似する値を含む意味である。例えば、製造誤差等を含む。また、本発明における「大ティース１３のトルク変動幅と小ティース１４のトルク変動幅とを等しくする」とは、完全に同一にすることのみを意味するものではなく、ほぼ等しい（数％程度の誤差）状態にする場合も含むものとする。
すなわち、大ティース１３で発生するトルク波形と、小ティース１４で発生するトルク波形とを和演算した場合に、トルクリップルの低減を図る上で許容される程度の誤差を当然含むものとする。

〔実施例２〕
実施例２の回転電機１を、実施例１とは異なる点を中心に図７を用いて説明する。
なお、実施例１と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。

実施例１では、大ティース１３の対向面１３ｃが、ロータ２と同軸でロータ２よりも径大の周面で形成されており、ロータ２との径方向における距離が周方向全長に亘って一定であった。
しかし、本実施例では、大ティース１３の対向面１３ｃが、ネック部１３ａが延びる径方向に垂直な平面となっている。

このため、ロータ２と対向面１３ｃとの径方向における距離が周方向全長に亘って一定ではなく、周方向中心よりも周方向外側の方が大きくなっている。
このため、本実施例では、ロータ２と対向面１３ｃとの径方向における距離の平均値をギャップ長Ｇ１とする。

そして、実施例１と同様に、ギャップ長Ｇ１とギャップ長Ｇ２との関係が、
１＜Ｇ１／Ｇ２≦１．３
となっている。

本実施例によっても、実施例１と同様の作用効果を奏する。

〔実施例３〕
実施例３の回転電機１を、実施例１とは異なる点を中心に図８を用いて説明する。
なお、実施例１と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。

本実施例では、ギャップ長Ｇ１とギャップ長Ｇ１は等しいままであり、大ティース１３をヨーク１１と別体とすることで、大ティース１３を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗を大きくしている。
すなわち、大ティース１３はヨーク１１と別体であってヨーク１１に組み付けられており、小ティース１４は、ヨーク１１と一体である。

これによれば、大ティース１３を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗を大きくすることができ、大ティース１３のトルク変動幅を小さくして、大ティース１３のトルク変動幅と小ティース１４のトルク変動幅とを等しくすることができる。
つまり、実施例１と同様の作用効果を奏する。

〔実施例４〕
実施例４の回転電機１を、実施例１とは異なる点を中心に図９を用いて説明する。
なお、実施例１と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。

本実施例では、大ティース１３の軸方向長さを、小ティース１４の軸方向長さよりも小さくすることによって、大ティース１３を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗を大きくしている。
すなわち、積層電磁鋼板のうち、軸方向の両端からの所定枚数の鋼板には、小ティース１４を成す部分のみを形成して、大ティース１３を成す部分を形成しない。

本実施例によっても、大ティース１３を通ってヨーク１１に至る磁路における磁気抵抗を大きくすることができ、大ティース１３のトルク変動幅を小さくして、大ティース１３のトルク変動幅と小ティース１４のトルク変動幅とを等しくすることができる。
つまり、実施例１と同様の作用効果を奏する。

〔変形例〕
本発明の実施態様は、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、大ティース１３と小ティース１４の磁気抵抗を調整する手段として、大ティース１３を形成する磁性材料の飽和磁束密度を、小ティース１４を形成する磁性材料の飽和磁束密度よりも小さくする手段を講じてもよい。また、大ティース１３にフラックスバリアを設ける等の手段を講じてもよい。また、実施例１〜３の手段を組み合わせてもよい。

また、実施例では、調整前において、大ティース１３のトルク変動幅が小ティース１４のトルク変動幅よりも大きかった。
しかし、調整前において、大ティース１３のトルク変動幅が小ティース１４のトルク変動幅よりも小さい可能性も考えられる。この場合にも、大ティース１３で発生するトルクの変動幅と小ティース１４で発生するトルクの変動幅とが等しくなるように、大ティース１３の磁気抵抗及び小ティース１４の磁気抵抗を調整することで、トルクリップルを低減できる。

つまり、大ティース１３で発生するトルクの変動幅と小ティース１４で発生するトルクの変動幅とが等しくなるように、小ティース１４の磁気抵抗を増大させる手段（小ティース１４のエアギャップを大きくする、小ティース１４とヨークを別体にする、小ティース１４を形成する磁性材料の飽和磁束密度を大ティース１３を形成する磁性材料の飽和磁束密度よりも小さくする等）を講じることにより、トルクリップルを低減できる。

１ 回転電機、２ ロータ、３ ステータ、８ ステータコア、９ ステータコイル、１１ ヨーク、１３ 大ティース、１４ 小ティース

Claims (6)

1. 極対数がＰのロータ（２）と、
   前記ロータ（２）の径方向内側または外側に配されたステータコア（８）、及び３相の電流が通電されるステータコイル（９）を有するステータ（３）とを備え、
   前記ステータコア（８）は、
   前記ロータ（２）に径方向に対向する対向面の周方向の長さが大きい大ティース（１３）と、前記ロータ（２）に径方向に対向する対向面の周方向の長さが大ティース（１３）よりも小さい小ティース（１４）とが、周方向に交互に配されて、前記大ティース（１３）と前記小ティース（１４）とがヨーク（１１）により磁気的に接続されてなり、
   前記ステータコイル（９）は、前記大ティース（１３）のみに集中巻により巻回されている回転電機であって、
   前記大ティース（１３）及び前記小ティース（１４）は、それぞれ、３／２×Ｐ個であり、
   隣り合う前記大ティース（１３）と前記小ティース（１４）との間の周方向における中心線を中心線Ｏとすると、
   前記大ティース（１３）を挟む中心線Ｏ同士の間隔が電気角で１５０度であり、
   前記小ティース（１４）を挟む中心線Ｏ同士の間隔が電気角で９０度であり、
   前記大ティース（１３）で発生するトルクの変動幅と前記小ティース（１４）で発生するトルクの変動幅とが等しくなるように、前記大ティース（１３）を通って前記ヨーク（１１）に至る磁路における磁気抵抗、及び前記小ティース（１４）を通って前記ヨーク（１１）に至る磁路における磁気抵抗が調整されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記大ティース（１３）と前記ロータ（２）との間のエアギャップ（１６）のギャップ長Ｇ１が、前記小ティース（１４）と前記ロータ（２）との間のエアギャップ（１６）のギャップ長Ｇ２よりも大きいことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記ギャップ長Ｇ１と、前記ギャップ長Ｇ２との関係が、
   １＜Ｇ１／Ｇ２≦１．３
   であることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記大ティース（１３）を形成する磁性材料の飽和磁束密度が、前記小ティース（１４）を形成する磁性材料の飽和磁束密度よりも小さいことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記大ティース（１３）は、前記ヨーク（１１）と別体であって前記ヨーク（１１）に組み付けられており、
   前記小ティース（１４）は、前記ヨーク（１１）と一体であることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記大ティース（１３）の軸方向長さが、前記小ティース（１４）の軸方向長さよりも小さいことを特徴とする回転電機。
   

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