JP2016129450A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動時の振動や騒音を低減することができる回転電機を提供することである。【解決手段】実施形態の回転電機は、固定子と回転子とを持つ。固定子は、巻線が巻回される複数のティースを持つ。回転子は、固定子に対して回転自在に設けられ、ティースの先端と径方向で対向する位置に複数の磁極を持つ。ティースは、ティース本体部と鍔部とを持つ。ティース本体部は、径方向に沿って延びる。鍔部は、ティース本体部の先端に設けられ、周方向に沿って延びる。また、周方向に隣接する鍔部の間に複数のスロットが形成される。回転子の回転軸線を中心に対向する２つのスロットのスロット幅は、互いに異なるように設定されていると共に、周方向で隣接する２つのスロットのスロット幅は、互いに異なるように設定されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

回転電機としては、巻線が巻回される複数のティースを有する固定子と、この固定子に対して回転自在に設けられ、磁極を有する回転子と、を備えたものがある。ティースは、径方向に延びるティース本体部と、このティース本体部の先端に設けられ、周方向に延びる鍔部とが一体成形されたものである。そして、ティース本体部に巻線が巻回されている。
この種の回転電機は、各ティースに巻回された巻線に選択的に電流を供給し、これによって生じる磁力と、回転子の磁極との間に生じる磁気的な吸引力や反発力によって、回転子が回転する。

ここで、隣接するティース間には、蟻溝状のスロットが形成される。このスロットに巻線が収納されることになる。また、スロットを形成することにより、ティースに形成される磁束が回転子に伝達されずに、隣接するティースに短絡されてしまうことを防止している。
ところが、スロットには磁束が形成されないので、このスロットが存在する位置とティースが存在する位置とでは、回転子とティースとの間の空隙（以下、鉄心間空隙という）における磁束密度の変化が大きくなる。そして、これに起因して回転電機のトルク脈動が発生する場合があると共に、固定子が楕円モード変形して振動、騒音が発生する場合があった。

特開２００２−０２７６９０号公報

本発明が解決しようとする課題は、駆動時の振動や騒音を低減することができる回転電機を提供することである。

実施形態の回転電機は、固定子と回転子とを持つ。固定子は、巻線が巻回される複数のティースを持つ。回転子は、固定子に対して回転自在に設けられ、ティースの先端と径方向で対向する位置に複数の磁極を持つ。ティースは、ティース本体部と鍔部とを持つ。ティース本体部は、径方向に沿って延びる。鍔部は、ティース本体部の先端に設けられ、周方向に沿って延びる。また、周方向に隣接する鍔部の間に複数のスロットが形成される。回転子の回転軸線を中心に対向する２つのスロットのスロット幅は、互いに異なるように設定されていると共に、周方向で隣接する２つのスロットのスロット幅は、互いに異なるように設定されている。

第１の実施形態の回転電機を示す概略構成図。 図１のＡ部拡大図。 第１の実施形態の有限要素法による磁束解析図。 第１の実施形態の騒音レベルの変化を示すグラフ。 第２の実施形態の回転電機を示す概略構成図。 第３の実施形態の回転電機を示す概略構成図。 図６のＢ部拡大図。

以下、実施形態の回転電機を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、回転電機１の概略構成図である。
同図に示すように、回転電機１は、略円筒状に形成された固定子２と、固定子２の径方向内側に回転自在に設けられた回転子３と、を備えている。

回転子３は、回転軸４に円柱状の回転子鉄心５が外嵌固定されたものである。回転子鉄心５は、電磁鋼板を複数積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりすることにより形成される。回転子鉄心５の径方向中央には、回転軸４を圧入可能な貫通孔６が形成されている。また、回転子鉄心５には、外周面側に、複数（例えば、この第１の実施形態では４つ）のスリット７が周方向に等間隔で形成されている。各スリット７は、断面形状が略矩形状となるように形成されており、その短手方向が径方向に沿うように配置されている。

各スリット７には、板状の永久磁石８が挿入されて固定されている。各永久磁石８は、回転子鉄心５の外周面側の磁極が周方向に順番となるように配置されている。このように、回転電機１は、回転子鉄心５に永久磁石８が埋め込まれたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータとして構成されている。

なお、回転軸４の軸心Ｐ１と永久磁石８との間の距離をｂとし、回転子鉄心５の半径をｒとしたとき、距離ｂと半径ｒとの比ｒ／ｂは、
１．２≦ｒ／ｂ≦１．４・・・（１）
を満たすように設定されていることが望ましい。

ここで、（ｒ／ｂ）が大きい場合、１つの永久磁石８から発生する磁束は、隣り合う別の永久磁石８の影響を大きく受けるので、永久磁石８の隣接部において鉄心間空隙の磁束密度が大きくなる。このため、鉄心間空隙における磁束密度分布は正弦波波形から大きくずれる結果となる。
一方、（ｒ／ｂ）が小さい場合、隣り合う永久磁石８同士が大きく離間することになるので、永久磁石８付近での磁束密度は小さくなり過ぎる。このため、鉄心間空隙における磁束密度分布は正弦波波形から大きくずれる結果となる。
これらの結果に鑑み、（ｒ／ｂ）を式（１）を満たすように設定することにより、鉄心間空隙の磁束密度を正弦波波形に近似させることができる。なお、この磁束密度の波形の詳細については、後述する。

固定子２は、略円筒状の固定子鉄心９と、固定子鉄心９から径方向内側に向かって突設された複数（例えば、この第１の実施形態では６つ）のティース１０とが一体成形されたものである。そして、周方向に隣接するティース１０間に、それぞれ蟻溝状のスロット１１が形成されている。固定子２は、積層鋼板を複数積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりすることにより形成される。
このように、回転電機１は、磁極数（永久磁石８の数）が４極、スロット１１の数（ティース１０の数）が６つの４極６スロットの３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）構造になっている。

図２は、図１のＡ部拡大図である。
図１、図２に示すように、ティース１０は、軸方向の平面視が略Ｔ字状になるように形成されており、径方向に沿って延びるティース本体部１２と、ティース本体部１２の先端に設けられ周方向に沿って延びる鍔部１３と、を有している。各ティース本体部１２は、周方向に等間隔に配置されている。そして、各ティース本体部１２に、それぞれ巻線１４が巻回されている。

一方、鍔部１３は、ティース本体部１２の幅方向中央Ｐ２を中心にして非対称に形成されている。すなわち、一方の周方向端部のティース本体部１２からの突出長さが、他方の周方向端部のティース本体部１２からの突出長さよりも短く設定されている。より具体的には、鍔部１３は、短鍔部１５と長鍔部１６とにより構成されている。
ここで、短鍔部１５と長鍔部１６の配置位置は、ティース１０ごとにそれぞれ異なる。すなわち、図１に詳示するように、回転軸４の軸心Ｐ１を中心にして対向する２つのスロット１１のうち、鍔部１３に対応する箇所のスロット幅（以下、単にスロット幅という）が互いに異なるように、且つ周方向で隣接する２つのスロット１１のスロット幅が異なるように、短鍔部１５と長鍔部１６とが配置されている。

図２に詳示するように、短鍔部１５の先端は、円弧面１５ａになっている。円弧面１５ａの直径Ｄは、固定子鉄心９の外周面からティース本体部１２の根元までの幅をＢとしたとき、
Ｄ≒０．２５Ｂ・・・（２）
を満たすように設定されている。
一方、長鍔部１６の先端の径方向に沿う幅ｈは、
ｈ≒０．２Ｂ・・・（３）
を満たすように設定されている。

また、周方向で対向する短鍔部１５間の隙間をＣ１とし、周方向で対向する長鍔部１６間の隙間をＣ２としたとき、隙間Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１：Ｃ２＝（１．２〜２．２）：１・・・（４）
を満たすように設定されている。
長鍔部１６間の隙間Ｃ２が小さすぎると、隣接する長鍔部１６間で磁束が短絡してしまうからである。

このような構成のもと、回転電機１を駆動する際には、同一相の巻線１４に電流を供給し、電流を供給する巻線１４の相を順次切り替えていく。これにより、回転子３に同一回転方向の磁力を付与し続け、回転子３を継続的に回転させる。

ここで、上述のように鍔部１３を構成した理由について詳述する。
すなわち、上記の従来技術でも述べたように、鉄心間空隙における磁束密度の変化が大きくなると、回転電機１のトルク脈動が発生する場合があると共に、固定子２が楕円モード変形して振動、騒音が発生する。この現象は、周方向の磁束密度分布を展開したとき、この磁束密度分布が矩形波波形のようになっているほど大きくなる。そこで、従来では、磁束密度分布を正弦波波形に近似させるべく、ティースの鍔部の形状を、周方向両端に向かうに従って、鉄心間空隙を徐々に大きくする技術がある。

しかしながら、磁束密度分布を正弦波波形に近づけただけでは、振動、騒音を低減することが困難である。これは、巻線１４に電流を供給することにより生じる磁力としては、運転周波数に応じて発生するものに加えてｎ次高調波成分によるものも発生するからである。このため、そのｎ次高調波成分による磁力と固定子鉄心９の共振現象に着目する必要がある。

すなわち、回転子３の回転に寄与する磁力の成分は、回転子３の周方向（回転方向）であるのに対し、振動、騒音を引起こす磁力は主に回転子３の径方向に作用するので、鉄心間空隙の磁束密度分布を正弦波波形とすることだけに着目していても騒音は低減できない。
とりわけ、鉄心間空隙の磁束密度分布は回転子３を駆動するためのトルクを発生するもので周方向に作用する磁力が主であるものの、騒音の原因は、回転子３の径方向に作用する磁力が主であることから、磁力の高調波成分に着目する必要がある。

このため、磁極の外周半径（回転子鉄心５の半径）と、その外周半径の中心と回転子３の中心とのずれ量との比をパラメータとして騒音が低減する形状を見出だすため、モデルを作り検証すると共に、磁束解析から電磁力を計算し、電磁力の発生成分の周波数分析を行い、電磁力のｎ次高調波成分を低減させることを検討した。

図３は、有限要素法による磁束解析図である。
同図に示すように、磁力は、鉄心間空隙における固定子２側と回転子３側に起因する磁束の相互作用により発生するものである。
ここで、磁力は、磁束からマックスウェルの応力により求めることができる。したがって、有限要素法による磁束密度分布から直接磁力を求めることができるので、磁力についても磁束密度の場合と同様に、空間成分と回転子３を回転させたときの時間成分を計算し、それぞれフーリエ解析により周波数分析を行う。そして、固定子鉄心９の固有振動数に基づいて、共振するどの磁力のｎ次高調波成分を低減すれば効果的であるかが予測できる。なお、本実施形態では、８次高調波成分を低減することが、振動、騒音を効果的に低減することが分かった。

また、本実施形態では、鍔部１３を、短鍔部１５と長鍔部１６とにより構成することにより、回転軸４の軸心Ｐ１を中心にして対向するスロット幅が互いに異なっていると共に、周方向で隣接するスロット幅が異なっている（図１参照）。

ここで、同一相の巻線１４に電流を供給すると、前述の図３で示したように、固定子２には回転軸４を中心にして対向するように磁束が形成される。このとき、仮に回転軸４の軸心Ｐ１を中心にして対向するスロット幅が同一であると共に、周方向で隣接するスロット幅が同一であると、回転軸４を中心にして対向するティース１０にそれぞれ同一の磁力が発生することになる。このため、固定子鉄心９の楕円モード変形量が大きくなる。

しかしながら、回転軸４の軸心Ｐ１を中心にして対向するスロット幅が互いに異なっていると共に、周方向で隣接するスロット幅が異なっていると、回転軸４を中心にして対向する磁力がそれぞれ異なる。このため、固定子鉄心９は、楕円モード変形とはならず、アンバランスな変形を起す。楕円モード変形のように、左右対称な変形は、各々の振幅が増幅される形になり、振動、騒音が増加する。一方、左右アンバランスな変形は、各々の振幅が打ち消し合う形になり、振動、騒音が低減する。

したがって、上述の第１の実施形態によれば、回転電機１を駆動した際の固定子鉄心９の変形がアンバランスになり、この結果、振動や騒音を低減することができる。
とりわけ、ティース１０の鍔部１３のうち、短鍔部１５の円弧面１５ａにおける直径Ｄを式（２）を満たすように設定すると共に、長鍔部１６の先端の径方向に沿う幅ｈを式（３）を満たすように設定することにより、４極６スロット構造の回転電機１における所望のｎ次高調波成分（例えば、８次高調波成分）を減少できる。よって、回転電機１全体の振動や騒音を効果的に低減できる。

図４は、縦軸を騒音レベル（ｄＢ）とし、横軸を回転電機１の運転周波数（Ｈｚ）としたときの騒音レベルの変化を示すグラフである。
同図に示すように、従来と比較して本実施形態では、所望の運転周波数域における騒音レベルを顕著に低減させていることが確認できる。

また、短鍔部１５の先端を円弧面１５ａとすることにより、短鍔部１５の根元から先端に向かうに従って、徐々に鉄心間空隙が大きくなるので、この短鍔部１５における鉄心間空隙の磁束密度の変化を滑らかにすることができる。つまり、磁束密度分布を矩形波波形から正弦波波形に近似させることができる。このため、さらに回転電機１の振動や騒音を効率よく低減できる。

さらに、回転軸４の軸心Ｐ１と永久磁石８との間の距離ｂと、回転子鉄心５の半径ｒとの比ｒ／ｂを、式（１）を満たすように設定することにより、鉄心間空隙の磁束密度を正弦波波形に近似させることができる。このため、回転電機１の振動や騒音を効率よく低減できる。
また、周方向で対向する短鍔部１５間の隙間Ｃ１と、周方向で対向する長鍔部１６間の隙間Ｃ２を、式（４）を満たすように設定することにより、長鍔部１６間で磁束が短絡してしまうことを防止できる。このため、固定子２で形成される磁束を効率よく回転子３に伝達することができる。よって、回転電機１の特性を向上させつつ、回転電機１の駆動時における振動や騒音を低減できる。

なお、上述の第１の実施形態では、ティース１０の鍔部１３のうち、短鍔部１５の円弧面１５ａにおける直径Ｄを式（２）を満たすように設定すると共に、長鍔部１６の先端の径方向に沿う幅ｈを式（３）を満たすように設定することにより、４極６スロット構造の回転電機１における所望のｎ次高調波成分（８次高調波成分）を減少できる場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、短鍔部１５の円弧面１５ａにおける直径Ｄ、長鍔部１６の先端の径方向に沿う幅ｈの寸法は、所望のｎ次高調波成分に応じて変更してもよい。

（第２の実施形態）
次に、図５に基づいて、第２の実施形態について説明する。
図５は、第２の実施形態における回転電機２０１の概略構成図であって、前述の図１に対応している。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する（以下の実施形態についても同様）。
この第２の実施形態における回転電機２０１は、スイッチトリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ、以下ＳＲモータという）として構成されている。この点、前述の第１の実施形態と相違する。

より具体的には、回転電機２０１における固定子２は、前述の第１の実施形態と同一である。
一方、回転子２０３は、回転軸４に外嵌固定されている回転子鉄心２０５の外周面に、径方向外側に向かって突設された複数（例えば、この第２の実施形態では４つ）突極２１を有しており、上述の第１の実施形態のように、回転子鉄心２０５に永久磁石８が埋設されていない。

このような構成のもと、固定子２の巻線１４に電流が供給されると、ティース１０に生じた磁力により回転子２０３の突極２１が吸引される。これにより、回転子２０３が回転する。
このように、ＳＲモータである回転電機２０１にも、前述の第１の実施形態の固定子２と同様の構成を採用できる。そして、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３の実施形態）
次に、図６、図７に基づいて、第３の実施形態について説明する。
図６は、第３の実施形態における回転電機３０１の概略構成図であって、前述の図１に対応している。図７は、図６のＢ部拡大図であって、前述の図２に対応している。
図６、図７に示すように、第１の実施形態と第３の実施形態との相違点は、第１の実施形態の固定子２の形状と、第３の実施形態の固定子３０２の形状とが異なる点にある。

より具体的には、固定子３０２のティース３１０を構成する鍔部３１３は、ティース本体部３１２の幅方向中央Ｐ２を中心にして線対称に形成されている。すなわち、鍔部３１３のティース本体部３１２からの左右の突出長さは、同じ長さに設定されている。
そして、鍔部３１３には、第１の実施形態における短鍔部１５（図１、図２参照）に対応する位置に、この短鍔部１５に代わって開口部３１が形成されている。

開口部３１は、軸方向からみて円形に形成されている。また、開口部３１は、ティース３１０の軸方向全体に渡って形成されている。しかしながら、これに限られるものではなく、鍔部３１３の軸方向全体のうち、一部に形成されていてもよい。
すなわち、固定子３０２を、電磁鋼板を複数積層して形成する場合には、開口部３１が形成されている電磁鋼板と、開口部３１が形成されていない電磁鋼板とを組み合わせて固定子３０２を形成してもよい。また、固定子３０２を、軟磁性粉を加圧成形したりすることにより形成する場合には、開口部３１が形成されているものと、形成されていないものとを重ね合わせて固定子３０２を形成してもよい。

開口部３１を形成することにより、鍔部３１３は、開口部３１が形成されている側（図７において鍔部３１３の右側に突出している箇所）の飽和磁束密度が、開口部３１が形成されていない側（図７において鍔部３１３の左側に突出している箇所）の飽和磁束密度よりも低くなる。このため、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、開口部３１を軸方向全体に渡って形成することにより、確実に固定子３０２の楕円モード変形をアンバランスにすることができるので、回転電機３０１の振動や騒音を効果的に低減できる。

また、上述の第３の実施形態では、開口部３１が軸方向からみて円形に形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、三角形状や楕円形状等、さまざまな形状を適用することができる。但し、開口部３１を軸方向からみて円形とすることにより、開口部３１を形成することによる応力集中を防止することができ、固定子３０２（鍔部３１３）の剛性を確保することができる。
さらに、開口部３１に非磁性体を埋設してもよい。このように構成することで、固定子３０２（鍔部３１３）の剛性を確実に確保しつつ、回転電機３０１の振動や騒音を効果的に低減できる。

さらに、上述の第１，第３の実施形態では、回転電機１，３０１は、磁極数が４極、スロット数が６つの３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）構造になっている場合について説明した。また、上述の第２の実施形態では、回転電機２０１は、回転子３の突極数が４つ、スロット数が６つのＳＲモータである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、磁極数、スロット数、突極数は、任意に設定することが可能である。但し、スロット数は、偶数個に設定する必要がある。このように構成することで、上述の実施形態の構成を採用することが可能になる。
また、回転電機１，２０１，３０１は、３相モータに限られるものではなく、３相以上の複数相構造であってもよい。

さらに、上述の第１，第３の実施形態では、回転子鉄心５に板状の永久磁石８が埋設されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、回転子鉄心５の外周面に、瓦状、またはリング状の永久磁石を設け、回転電機１，３０１を、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータとして構成してもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、ティース１０の鍔部１３を短鍔部１５と長鍔部１６とで構成し、回転軸４の軸心Ｐ１を中心にして対向するスロット幅が互いに異ならせると共に、周方向で隣接するスロット幅が異ならせることにより、回転電機１を駆動した際の振動や騒音を効果的に低減することができる。
また、鍔部３１３に、短鍔部１５に代わって開口部３１を形成することにより、回転電機３０１を駆動した際の振動や騒音を効果的に低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，２０１，３０１…回転電機、２，３０２…固定子、３，２０３…回転子、４…回転軸、５，２０５…回転子鉄心、６…貫通孔、７…スリット、８…永久磁石（磁極）、９…固定子鉄心、１０，３１０…ティース、１１…スロット、１２，３１２…ティース本体部、１３，３１３…鍔部、１４…巻線、１５…短鍔部、１５ａ…円弧面、１６…長鍔部、Ｐ１…軸心（回転軸線）、Ｐ２…幅方向中央、Ｃ１，Ｃ２…隙間

Claims (6)

1. 巻線が巻回される複数のティースを有する固定子と、
   前記固定子に対して回転自在に設けられ、前記ティースの先端と径方向で対向する位置に複数の磁極を有する回転子と、
   を備え、
   前記ティースは、
   径方向に沿って延びるティース本体部と、
   前記ティース本体部の先端に設けられ、周方向に沿って延びる鍔部と、
   を備え、
   周方向に隣接する前記鍔部の間に複数のスロットが形成され、
   前記回転子の回転軸線を中心に対向する２つの前記スロットのスロット幅は、互いに異なるように設定されていると共に、
   周方向で隣接する２つの前記スロットのスロット幅は、互いに異なるように設定されている回転電機。
2. 前記鍔部の周方向両端のうち、少なくとも何れか一方の端部は、前記回転軸線に直交する方向の断面形状が弧状となるように形成されている請求項１に記載の回転電機。
3. 巻線が巻回される複数のティースを有する固定子と、
   前記固定子に対して回転自在に設けられ、前記ティースの先端と径方向で対向する位置に複数の磁極を有する回転子と、
   を備え、
   前記ティースは、
   径方向に沿って延びるティース本体部と、
   前記ティース本体部の先端に設けられ、周方向に沿って延びる鍔部と、
   を備え、
   周方向に隣接する前記鍔部の間に複数のスロットが形成され、
   前記回転子の回転軸線を中心に対向する２つの前記スロットのうち、一方の前記スロットを形成する２つの前記鍔部には、互いに対向する端部に開口部が形成されていると共に、
   周方向で隣接する２つの前記スロットのうち、一方の前記スロットを形成する２つの前記鍔部には、互いに対向する端部に開口部が形成されている回転電機。
4. 前記開口部は、前記回転軸線の軸方向の全体に亘って形成されている請求項３に記載の回転電機。
5. 前記開口部は、前記回転軸線の軸方向からみて円形状となるように形成されている請求項３または請求項４に記載の回転電機。
6. 前記固定子は、
   円筒状に形成された固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心から径方向内側に向かって突出する前記ティースと、
   を備え、
   前記回転子は、前記固定子の径方向中央に配置されている請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の回転電機。

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