JP2614437B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は、回転精度を要し、且回転時の振動を可及的
に低減した電動機や発電機に好適する回転電機に関し、
界磁マグネットと、電機子コイルを電機子鉄心のスロッ
トに巻装した電機子とを有する回転電機に関する。

（ロ） 従来の技術 従来、たとえば８極の界磁マグネットと、３相電機子
コイルを電機子鉄心の12個のスロットに巻装した回転電
機においては、界磁マグネットに対する電機子の相対的
１回転当り24のコギングが生じる。

第７図は回転電機が無刷子電動機である場合の界磁マ
グネットと電機子鉄心の配置を示す模式正面図である。
この図面において、回転子となる界磁マグネット（１）
は８極を有し、図中、中心方向の矢印はＮ極を示し、遠
心方向の矢印はＳ極を示している。固定子となる電機子
（２）の鉄心（３）は、12個のスロット（４）を等間隔
に有し図示しないが３相電機子コイルは、各相４個の分
割コイルを有し、各分割コイルは夫々１個の突極（５）
に巻装され、各相の４個の分割コイルは、３スロットピ
ッチの各突極に同一方向に巻装される。

このような従来技術は、例えば、特公昭49−8568号公
報に見られる。

（ハ） 発明が解決しようとする問題点 その従来の技術においては、界磁マグネット（１）の
同一極性の磁極、例えばＮ極であるN1乃至N4は、その回
転時に異なるスロット（４）に対向するため、コギング
力は４倍に加算される。界磁マグネット（１）の各極の
コギング力の推移特性及びその合成特性を、1/3回転分
第８図に示す。

この図面から明らかなように、界磁マグネット（１）
の同一極性の磁極は、同一の回転角度でコギングを生
じ、その合成コギング力が各磁極のコギング力の４倍に
なり、大きな値となる。

このコギング力を軽減する手段として、磁極の磁力を
弱めたり、界磁マグネット（１）の磁極と電機子（２）
の突極の間を離したりする方法が考えられるが、効率及
び出力を低下させてしまう。

本発明はかかる点に鑑み発明されたものにして、合成
コギング力を低減すると共にコギング周期を小さくし、
回転子が滑らかに回転すると共に鎖交磁束効率を向上し
た回転電機を提供せんとするものである。

（ニ） 問題点を解決するための手段 このような問題点を解決するため、本発明は、円周面
上に分布してスロットが刻設されることにより電機子コ
イルの相数に等しい数の第１突極が円周上等間隔に形設
されると共に複数個の第２突極が隣接する第１突極の円
周上に同数ずつ等間隔に形成され、且第１突極をはさむ
スロットのピッチ角度と第２突極をはさむスロットのピ
ッチ角度とが相違するように第１突極および第２突極が
配置される電機子鉄心を有し、第１突極および第２突極
又は第２突極のみに巻装される電機子コイルを備えた電
機子と、等間隔ピッチで相異なる磁極が交互に着磁され
各磁極が第１突極および第２突極の先端に対向するよう
円周上に配置された界磁マグネットと、この界磁マグネ
ットに対して電機子の突極を所定ギャップを保持して対
向させ、かつ、界磁マグネット又は電機子を相対的に回
転可能に支持するシャフトと、を備えた回転電機におい
て、第１突極と第２突極の総数をＺ、電機子コイルの相
数をＮ、界磁マグネットの磁極数を2Pとしたとき、前記
第１突極をはさむスロットのピッチ角度（θ１）が、 前記第２突極をはさむスロットのピッチ角度（θ２）
が、 であるように構成されている。

または、第１突極はさむスロットのピッチ角度（θ
１）が、 第２突極をはさむスロットのピッチ角度（θ２）が、 であるように構成される。

（ホ） 作用 かかる構成により、電機子鉄心上の電機子コイルが不
均一に分布するので、界磁マグネットの相対的な回転時
における界磁マグネットの各磁極が同時に電機子のスロ
ットに対向することがなく、その各磁極に生じるコギン
グ力が加算されない。このため界磁マグネットの相対的
回転による界磁マグネットの合成コギング力は、大きさ
が小さく、且コギングの発生周期が短くなり、従来装置
に比して前記回転が滑らかになる。

（ヘ） 実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は回転電機が外転型無刷子電動機である場合の
界磁マグネットと電機子鉄心の配置を示す模式正面図で
ある。この図面は第７図の従来装置と対応するものであ
り、同一符号は同一相当物を示す。

外転型回転子となる界磁マグネット（１）は８極であ
り、固定子となる電機子（２）の鉄心（３）は、12個の
スロット（４）と突極（６）を有する。また電機子
（２）は３相の電機子コイルを有するが、図面の簡略化
のために図示しない。この各相の電機子コイルは、夫々
４個の分割コイルを有し、各分割コイルは夫々１個の突
極（６）に巻装される。この場合に、同一相の各分割コ
イルは、３スロットピッチの各突極に同一方向に巻装さ
れ、且直列接続される。

而して、突極（６）はその磁極をはさむスロットのピ
ッチ角度が、第１ピッチ角度18.75度（θ１）の突極（6
A）と第２ピッチ角度33.75度（θ２）の突極（6B）の２
種類設けられ、第１の突極（6A）は電機子鉄心（３）の
円周上に等間隔に相数に応じて３個設けられ、第２の突
極（6B）は、隣接する第１の突極（6A）（6A）間に３個
ずつ設けられる。

したがって、第１図の状態から界磁マグネット（１）
が相対的に反時計方向に回転するとき、界磁マグネット
（１）の各磁極（N1）乃至（N4）、（S1）乃至（S4）は
第１表に示す各回転角度においてコギングが発生する。

磁極（N1）によるコギング発生の回転角度に対し、隣
接する磁極（S1）によるコギング発生の回転角度は、45
（＝360×1/8）度だけ両磁極が離間しているため、たと
えば第１表の第１行の回転角度7.5度は、θ１＋θ２−3
60×1/8＝18.75＋33.75−45の計算値となる。同様に２
行目以下の回転角度が定まる。他の磁極（N2）乃至（N
4）、（S2）乃至（S4）も同様にしてコギング発生の回
転角度を定めることができる。このようにしてコギング
発生の回転角度を求めたものが第１表である。

この表から明らかなように、コギング発生の回転角度
は、１回転当り96ケ所に分散する。第２図は1/3回転す
る間の各磁極によるコギング力の推移特性とその合成特
性を示し、横軸は回転角であり、縦軸はコギング力の大
きさである。この図面から明らかなように、各磁極の回
転によるコギング発生の回転角度が分散しているため、
その合成特性を見ても、従来装置の第８図に比し、合成
コギング力が1/4になり、且そのコギング発生の周期が1
/4になることから、前後のコギング力が打ち消し合い、
より一層小さくなる。

以上の実施例は、12個の突極を有する電機子鉄心に、
３相電機子コイルを巻装し、８極の界磁マグネットを用
いた場合であるが、電機子鉄心のＺ個の突極に巻装され
るＮ相（Z/N≠Ｎの整数倍）の電機子コイルと、2P極の
界磁マグネットとを有する回転電機においては、電機子
鉄心の第１の突極をはさむスロットのピッチ角度（θ
１）と第２の突極をはさむスロットのピッチ角度（θ
２）は次式で求められる。

尚、（１）式で（±）の内、（＋）を使用するとき
は、（２）式の は（−）が使用され、（１）式で（−）が使用されると
きは、（２）式で（＋）が使用される。

そしてこの場合、界磁マグネットの相対的回転時に１
回転当り、コギング発生箇所を2P・Ｚ個に分散すること
ができる。

次に、上記（１）式及び（２）式におけるＮ、Ｐ及び
Ｚの組み合わせを異にした第２の実施例におけるコギン
グ発生箇所を夫々回転角度で第２表に示す。

この場合、Ｎ＝３、2P＝10、Ｚ＝15、θ１＝33.6度、
θ２＝21.6度であり、コギング発生箇所は150個に分散
している。

同様に、上記（１）式及び（２）式におけるＮ、Ｐ及
びＺの組み合わせを異にした第３乃至第10実施例におけ
るコギング発生箇所を夫々回転角度で第３表乃至第10表
に示す。これらの各表において、Ｎ、Ｐ、Ｚ、θ１、θ
２及びリップル角を各表の上部に示し、リップル角は相
隣るコギング発生回転角度間の離間角度を、回転角度で
示すものである。

第３図は、この発明の第11の実施例について、界磁マ
グネットと電機子鉄心の配置を示す模式正面図である。
この図面は第１図と対応し、同一符号は同一相当物を示
す。

第３図において、界磁マグネット（１）は８極であ
り、電機子（２）の鉄心（３）は12個のスロット（４）
と突極（６）を有する。また電機子（２）は３相の電機
子コイルを有するが、図面の簡略化のために図示しな
い。この各相の電機子コイルは、第１図の実施例の場合
と同様に、夫々４個の分割コイルを有し、各分割コイル
は夫夫１個の突極（６）に巻装される。この場合に、同
一相の各分割コイルは、３スロットピッチの各突極に同
一方向に巻装され、且直列接続される。

而して、突極（６）はその磁極をはさむスロットのピ
ッチ角度が、41.25度（θ１）の突極（6A）と26.25度
（θ２）の突極（6B）の２種類設けられ、第１の突極
（6A）は電機子鉄心（３）の円周上に等間隔に３個設け
られ、第２の突極（6B）は、隣接する第１の突極（6A）
（6A）間に３個ずつ設けられる。

磁極（N1）によるコギング発生の回転角度に対し、隣
接する磁極（S1）によるコギング発生の回転角度は、45
（＝360×1/8）度だけ両磁極が離間しているため、たと
えば第11表の第１行の回転角度22.5度は、θ１＋θ２−
360×1/8＝41.25＋26.25−45の計算値となる。同様に第
２行目以下の回転角度が定まる。他の磁極（N2）乃至
（N4）、（S2）乃至（S4）も同様にしてコギング発生の
回転角度を定めることができる。このようにしてコギン
グ発生の回転角度を求めたものが第11表である。

この表から明らかなように、コギング発生の回転角度
は、１回転当り96箇所に分散する。

上記の実施例は、３相電機子コイルと８極の界磁マグ
ネットを用いた場合であるが、Ｎ（Ｎは３以上の奇数）
相の電機子巻線と、2P（ＰはN/2以上の整数）極の界磁
マグネットとを有する回転電機においては、電機子鉄心
の第１の突極をはさむスロットのピッチ角度（θ１）と
第２の突極の磁極を挟むスロットのピッチ角度（θ２）
は、次式で求めることもできる。

尚、この場合、界磁マグネットの相対的回転時に１回
転当り、コギングの発生箇所を2P・Ｎ・Ｐ個に分散する
ことができる。

次に本発明の第12の実施例を第４図に基づいて説明す
る。

第４図は回転電機が外転型無刷子電動機である場合の
界磁マグネットと電機子の配置を示す模式正面図であ
る。この図面は第１図と対応するものであり、同一符号
は同一相等物を示す。

外転型回転子となる界磁マグネット（１）の磁極は16
極であり、固定子となる電機子（２）の鉄心（３）は12
個のスロット（４）と突極（６）を有する。

而して、突極（６）はその磁極をはさむスロットのピ
ッチ角度が第１ピッチ角度35.625度（θ１）の突極（6
A）と、第２のピッチ角度28.125度（θ２）の突極（6
B）の２種類設けられ、第１の突極（6A）は電機子鉄心
（３）の円周上に等間隔に３個設けられ、第２の突極
（6B）は、隣接する第１の突極（6A）（6A）間に３個ず
つ設けられる。

また電機子（２）は３相の電機子コイル（Ｕ）（Ｖ）
（Ｗ）を有する。この各相の電機子コイルは、夫々３個
の分割コイル（U2）（U3）（U4）、（V1）（V3）（V
4）、（W1）（W2）（W4）を有し、各分割コイルは夫々
１個の突極（6B）に巻装される。この場合に、同一相の
各分割コイルは第４図に示すように、３スロットピッチ
に位置する突極が、第１の突極（6A）であるときには、
この突極（6A）上には、対応するコイル（U1）（V2）
（W3）は巻装されない。従って各相の電機子コイルの総
導体数を同一（電機子抵抗値を同一）とすれば、各分割
コイルは12/9倍に巻くことができる。

従って、第４図の状態から界磁マグネット（１）が相
対的に反時計方向に回転するとき、界磁マグネット
（１）の各磁極（N1）乃至（N8）（S1）乃至（S8）が第
12表に示す回転角度においてコギングが発生する。

磁極（N1）によるコギング発生の回転角度に対し、隣
接する磁極（S1）によるコギング発生の回転角度は、2
2.5（＝22.50×1/16）度だけ両磁極が離間しているた
め、例えば第12表の第１行の回転角度13.125度は、θ１
−360×1/16＝35.625−22.5の計算値となる。同様に２
行目以下の回転角度が定まる。他の磁極（N2）乃至（N
8）、（S2）乃至（S8）も同様にしてコギング発生の回
転角度を定めることができる。このようにしてコギング
発生の回転角度を求めたものが第12表である。

この第12表から明らかなように、コギング発生の回転
角度は、１個当り192箇所に分散する。第５図は1/3回転
する間の各磁極によるコギング力の推移特性とその合成
特性を示し、横軸は回転角であり、縦軸はコギング力の
大きさである。この図面から明らかなように、各磁極の
回転によるコギング発生の回転角度が分散しているた
め、その合成特性を見ても、従来装置（16極12スロット
のもの）に比して合成コギング力が1/4になることか
ら、前後のコギング力が打ち消し合い、より一層小さく
なる。

また、各相の電機子コイルに鎖交する界磁マグネット
（１）の磁束とコイル巻線数の積のベクトル図を第６図
に示す。同図（ａ）は第７図に示す従来例の場合、同図
（ｂ）は第４図に示す電機子鉄心の各突極に、各相電機
子コイルを４分割コイルにて構成してこの各分割コイル
を従来例と同様に巻装した場合、同図（ｃ）は第４図の
実施例によるものである。これらの図面において１個の
矢印は、１個の分割コイルの巻数とこの分割コイルに鎖
交する界磁マグネット（１）の磁束量との積の大きさを
示している。同図（ａ）（ｂ）は各相電機子コイルが４
個の分割コイルから形成されているので、４個のベクト
ルの和からなり、同図（ｃ）は各相電機子コイルが３個
の分割コイルから形成されているので、３個の矢印のベ
クトルの和からなる。また矢印の大きさは、各相電機子
コイルを４個の分割コイルから構成される場合の各分割
コイルの巻数と界磁マグネット（１）の各磁極の磁束量
との積を１としたときの比率を示し、各矢印の方向は位
相のずれを示している。

この図面から明らかなように、電機子鉄心の突極を等
ピッチにした第６図（ａ）ではベクトル和が3.464にな
るのに対し、電機子鉄心の突極を第１図に示すように不
等ピッチとし、各相電機子コイルを４個の分割コイルで
構成し、各分割コイルを３スロットピッチで同一巻回方
向で各突極に巻装した同図（ｂ）ではコギング特性が第
５図に示すものになるが、ベクトル和が3.318となり第
６図（ａ）に示すものに比し小さくなり、効率が低下す
る。

これに対し、本実施例の第６図（ｃ）では、各相電機
子コイルの総導体数が従来例と同じとすると、分割コイ
ル数が少ないため、各分割コイルの巻線数が12/9倍にな
り、ベクトル和が3.632となり、同図（ａ）に比し、4.8
％大きく、効率アップになる。

なお、第１の突極をはさむスロットのピッチ角度（θ
１）および第２の突極をはさむスロットのピッチ角度
（θ２）は、一般的にそれぞれ前述の（１）式および
（２）式から算出される。

即ち、この実施例は、（１）式の（±）の（＋）を、
（２）式の の（−）を夫々使用したものに該当する。これに対し、
（１）式の（±）の（−）を、（２）式の の（＋）を夫々使用し、他の条件を第12実施例と同じに
した場合の界磁マグネットの各磁極（N1）ないし（N
4）、（S1）乃至（S4）の回転によって生ずるコギング
発生箇所を第13表に示す。

尚、以上の各実施例は、いずれも界磁マグネットを回
転子とした無刷子電動機を示したが、本発明の界磁マグ
ネットを固定子とし電機子を回転子とするものにも適用
することができる。また本発明は、界磁マグネットが電
機子の外周に位置するものに限らず、電機子の内周に配
置されるものでも適用でき、さらには電機子と界磁マグ
ネットが軸方向空隙を介して対向するものにも適用する
ことができる。

（ト） 発明の効果 以上のように本発明によれば、合成コギング力を低減
すると共にコギング周期を小さくし、回転子が滑らかに
回転すると共に鎖交磁束効率を向上した回転電機を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明の実施例を示し、第１図は本
発明の第１の実施例を示し、界磁マグネットと電機子鉄
心の配置を示す模式正面図、第２図は第１図の界磁マグ
ネットの各磁極によるコギング力の推移特性及び合成特
性を示す図、第３図は本発明の第11の実施例を示し、界
磁マグネットと電機子鉄心の配置を示す模式正面図、第
４図は本発明の第12の実施例を示し、界磁マグネットと
電機子の配置を示す模式正面図、第５図は第４図の界磁
マグネットの各磁極によるコギング力の推移特性及び合
成特性を示す図、第６図は第４図の１相電機子コイルの
鎖交磁束量とコイル巻線数の積のベクトル図であり、
（ａ）は従来の等ピッチ突極の場合、（ｂ）は本発明と
同様の第１と第２ピッチ角度の突極であるが巻線巻装ス
ロットピッチが均等の場合、（ｃ）は本発明の実施例で
第２のピッチ角度の突極のみに総導体数が等しくなるよ
うに巻線した場合である。 第７図は従来の回転電機の界磁マグネットと電機子鉄心
の配置を示す模式正面図、第８図は第７図の界磁マグネ
ットの各磁極によるコギング力の推移特性及び合成特性
を示す図である。 （１）……界磁マグネット、（２）……電機子、（３）
……鉄心、（４）……スロット、（５）（６）（6A）
（6B）……突極、（Ｕ）（Ｖ）（Ｗ）……電機子コイ
ル。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円周面上に分布してスロットが刻設される
   ことにより電機子コイルの相数に等しい数の第１突極が
   円周上等間隔に形設されると共に複数個の第２突極が隣
   接する第１突極の円周上に同数ずつ等間隔に形成され、
   且第１突極をはさむスロットのピッチ角度と第２突極を
   はさむスロットのピッチ角度とが相違するように第１突
   極および第２突極が配置される電機子鉄心を有し、第１
   突極および第２突極又は第２突極のみに巻装される電機
   子コイルを備えた電機子と、 等間隔ピッチで相異なる磁極が交互に着磁され各磁極が
   前記第１突極および第２突極の先端に対向するよう円周
   上に配置された界磁マグネットと、 該界磁マグネットに対して電機子の突極を所定ギャップ
   を保持して対向させ、かつ、前記界磁マグネット又は前
   記電機子を相対的に回転可能に支持するシャフトと、を
   備えた回転電機において、 前記第１突極をはさむスロットのピッチ角度（θ１）
   が、 前記第２突極をはさむスロットのピッチ角度（θ２）
   が、 ただし、 Z:第１突極と第２突極との総数、 N:電機子コイルの相数、 2P:界磁マグネットの磁極数、 であることを特徴とする回転電機。
2. 【請求項２】円周面上に分布してスロットが刻設される
   ことにより電機子コイルの相数に等しい数の第１突極が
   円周上等間隔に形設されると共に複数個の第２突極が隣
   接する第１突極の円周上に同数ずつ等間隔に形成され、
   且第１突極をはさむスロットのピッチ角度と第２突極を
   はさむスロットのピッチ角度とが相違するように第１突
   極および第２突極が配置される電機子鉄心を有し、第１
   突極および第２突極又は第２突極のみに巻装される電機
   子コイルを備えた電機子と、 等間隔ピッチで相異なる磁極が交互に着磁され各磁極が
   前記第１突極および第２突極の先端に対向するよう円周
   上に配置された界磁マグネットと、 該界磁マグネットに対して電機子の突極を所定ギャップ
   を保持して対向させ、かつ、前記界磁マグネット又は前
   記電機子を相対的に回転可能に支持するシャフトと、を
   備えた回転電機において、 前記第１突極をはさむスロットのピッチ角度（θ１）
   が、 前記第２突極をはさむスロットのピッチ角度（θ２）
   が、 ただし、 N:電機子コイルの相数、 2P:界磁マグネットの磁極数、 であることを特徴とする回転電機。
3. 【請求項３】電機子コイルの相数:3 界磁マグネットの磁極数:8 第１および第２突極の総数:12 第１突極をはさむスロットのピッチ角度:41.25゜ 第２突極をはさむスロットのピッチ角度:26.25゜ である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の回転電
   機。
4. 【請求項４】電機子コイルの相数:3 界磁マグネットの磁極数:10 第１および第２突極の総数:15 第１突極をはさむスロットのピッチ角度:33.6゜ 第２突極をはさむスロットのピッチ角度:21.6゜ である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の回転電
   機。