JP4062269B2

JP4062269B2 - 同期型回転電機

Info

Publication number: JP4062269B2
Application number: JP2004069222A
Authority: JP
Inventors: 春樹屋代; 尚秋東島; 和弘大木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: US7109624B2; US20050200222A1; JP2005261081A

Description

本発明は、永久磁石の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子が回転する同期型回転電機（同期モータ、同期ジェネレータ、同期モータジェネレータを含む。）の技術分野に属する。

同期モータにおいて、回転子に設けられる永久磁石の配置を不等ピッチに設定する例としては、複数の永久磁石を、電気角で３０度づつ前後にずらして設定する。すなわち、一つの極対の電気角を３３０度とし、他方の極対の電気角を３９０度とすると、例えば、Ｕ相コイルに発生する起電圧は、一方のコイルと他方のコイルとで位相が前後にずれ、その合成電圧は、矩形波ではなく、その立ち上がりと立ち下がりにステップ的に変化する部分を生じる。この結果、各相コイルに生じる起電圧、ひいては相間の端子間電圧は、正弦波に近づき、同期型三相モータの制御特性及び効率が改善されるというものである（例えば、特許文献１参照）。
特開平７ー２５５１５９号公報

しかしながら、従来の同期モータにあっては、電気角として３０度、機械角で１５度のような大きな不等ピッチを設定するため、磁界の変動により固定子に発生する特に高周波のモータ高次回転次数の電磁力変動、すなわち、固定子の高周波の振動加振力を低減することはできない、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、高周波騒音の原因となる固定子の高周波の電磁加振力を低減することができる同期型回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、コイルを巻き付けたティースを有する固定子と、永久磁石を有する回転子を備え、前記永久磁石の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子が回転する同期型回転電機において、
前記永久磁石のうち２個をペアとした時、少なくとも１ペア内の永久磁石間で、周方向均等ピッチ配置に対し、ティースに作用して前記固定子に円環０次モード振動を励起する電磁加振力を低減する角度だけずらした設定としたことを特徴とする同期型回転電機。

よって、本発明の同期型回転電機にあっては、少なくとも１ペア内の永久磁石間で、周方向均等ピッチ配置に対し、ティースに作用して前記固定子に円環０次モード振動を励起する電磁加振力を低減する角度だけずらした設定とされる。これにより、例えば、投入電流とある永久磁石の磁界の相互作用によりティースに作用するｎ次電磁加振力に対し、他の永久磁石の磁界の相互作用によりティースに作用するｎ次電磁加振力が逆相となり、ｎ次電磁加振力を打消すことで低減させる作用を示す。この結果、高周波騒音の原因となる固定子の高周波の電磁加振力を低減することができる。

以下、本発明の同期型回転電機を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例１と実施例２に基づいて説明する。

図１は実施例１の同期型三相モータ（同期型回転電機の一例）の回転子と固定子を示す全体図、図２は図１の回転子と固定子を組み込んだ同期型三相モータの構造を示す断面図である。

まず、図２を用い同期型三相モータの全体構成について説明する。
この同期型三相モータは、高出力と低振動性という特性を備えるために多用される傾向にある４極対４８ティースの分布巻きによる三相モータであり、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するモータケース６０とからなる。回転子５０は、外周部に永久磁石５１〜５８が装着されており、その軸中心に設けた回転軸４０を、モータケース６０に設けられた軸受６１，６２により回転可能に支持している。

図１を用い前記回転子５０の構成を説明する。
前記回転軸４０に対し圧入により固定された積層鋼鈑等をベース材とし、外周部に８個の永久磁石５１〜５８が軸方向に貫通して固定されている。この永久磁石５１〜５８は、厚み方向に磁化されており、一つ置きにＮ極とＳ極が逆向きに配置されている。この永久磁石５１〜５８は、回転子５０を固定子３０に組み付けると、回転子５０の永久磁石と固定子３０の電磁石との関係により磁路を形成する。

図１を用い前記固定子３０の構成を説明する。
前記モータケース６０に対し圧入やボルト止め等により固定された積層鋼鈑をベース材とし、前記回転子５０と対向する内側部には、計４８個のティース(1)〜(48)を備える。各ティース(1)〜(48)間に形成されたスロットには、固定子３０に回転磁界を発生させるコイル３２が巻き付けられている。なお、前記コイル３２は、図１に示すように、Ｕ相のコイル３２とＶ相のコイル３２とＷ相のコイル３２とに分けられ、各相のコイル３２は、図外のコントローラにより制御されるモータドライバに接続されている。そして、このモータドライバから各相のコイル３２に対し、位相が１２０度づつ異なる所定周波数の交流電圧を投入することにより、その周波数に対応した回転数で、同期型三相モータの回転子５０は回転する。

図１を用い前記回転子５０に周方向不等ピッチで設定された永久磁石５１〜５８の配置について説明する。
実施例１では、図１に示すように、ペアとして永久磁石５１，５５を選び、周方向均等ピッチ配置（本例ではθ＝１８０度）に対し、４８次の電磁加振力を低減するために、
θ＋３６０/(２×ｎ)度＝θ＋３．７５度
ずらした。ただし、ｎ＝４８である。

次に、電磁加振力低減作用について説明する。
電動機の高周波騒音として問題となる固定子の主要モードを図３に示す。なお、図３では振動モードを表示するため回転子などを省略した。
図３において、図示しない回転子の永久磁石と多相コイルの界磁とで発生する電磁力変動が、ティースに電磁加振力（図３の矢印）として作用する。その結果、図３の点線に示すように円環０次モード（振動の節がゼロ個のモード）を呈し、その振動がモータ騒音の原因となる。

他の振動モードとして、図４に円環６次モード（振動の節が６個のモード）を示す。この円環６次モードは、図３の円環０次モードと同様に、電磁加振力により励起されるモードではあるが、図４の点線に示すように、モード形状に凹凸があるため、放射音になる効率は、凹凸がある図４の円環６次モードより、凹凸がない図３の円環０次モードの方が高いと言われている。

実施例１は、各ティースに作用する電磁力変動の特定となるｎ次高次成分を低減することで、図３の円環０次モードを励起する電磁加振力を低減し、結果として電動機の高周波騒音を低減することを目的とする。

そこで、回転子に対し永久磁石を均等ピッチ配置した４極対４８ティースの同期型三相モータを比較例として説明する（図５〜図７）。
典型的なモータ稼動条件として、一定回転速度時のティース(1)における電磁力解析結果を図５に示し、一定回転速度時のティース(2)における電磁力解析結果を図６に示す。
ティースに作用する電磁力の特徴は、常に内向き（回転子側に引きつけられる方向）である。円環０次モードを励起する電磁加振力は、図３からわかるように、各ティースほぼ同等寄与なのでそれぞれを加算して評価できる。円環０次モードを励起する電磁加振力をフーリエ解析した結果を図７に示す。本例の場合は、回転子の回転速度に対して２４次（２４倍速）、４８次（４８倍速）が他の次数に比較し高いことを示している。

ここでは、一例として４８次電磁加振力を低減する場合を考える。ティース(1),(2)の４８次成分は図５及び図６に電磁力生波形とともに併記されている。この４８次成分をティースごとに低減する。

低減方法は、投入電流とある永久磁石の磁界の相互作用によりティース(1)で生起される４８次電磁加振力に対し、他の永久磁石の磁界の相互作用によりティース(1)で生起される４８次電磁加振力を、１８０度位相をずらして逆相にし、打消すことで低減するものである。

上記のように、４８次の電磁加振力を低減するために、実施例１では、図１に示すように、ペアとして永久磁石５１，５５を選び、均等ピッチ配置（本例ではθ＝１８０度）に対し、θ＋３６０/(２×ｎ)度＝θ＋３．７５度ずらした（ただし、ｎ＝４８）。

実施例１でのティース(1)における電磁力および電磁力生波形の４８次成分を図８に示す。この図８において、電磁力生波形の４８次成分が正弦波になっていないが、永久磁石を均等ピッチ配置した図５に比べ、電磁力レベルが低減しているのがわかる。

そして、不等ピッチ配置とした実施例１における円環０次モードを励起する電磁加振力特性と、均等配置の比較例における円環０次モードを励起する電磁加振力特性との対比特性を図９に示す。この対比特性から明かなように、４８次電磁加振力の低減効果として、約２.４ｄBの低減代が得られた。

同様に図示はしないが、実施例１の変形例として、永久磁石５１，５４をペアとして選び、θ＋３．７５度（この場合、θ＝１３５度）ずらした場合の円環０次モードを励起する電磁加振力特性と、均等配置の比較例における円環０次モードを励起する電磁加振力特性との対比特性を図１０に示す。この対比特性から明かなように、４８次電磁加振力の低減効果として、図９の場合とほぼ同等の約２.４ｄBの低減代が得られた。

次に、効果を説明する。
実施例１の同期型回転電機にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) コイルを巻き付けたティース(1)〜(48)を有する固定子３０と、永久磁石５１〜５８を有する回転子５０を備え、前記永久磁石５１〜５８の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子５０が回転する同期型回転電機において、前記永久磁石５１〜５８のうち２個をペアとした時、少なくとも１ペア内の永久磁石間で、周方向均等ピッチ配置に対し、ティースに作用する電磁加振力を低減する角度だけずらした設定としため、高周波騒音の原因となる固定子３０の高周波の電磁加振力を低減することができる。

(2) 前記永久磁石５１〜５８のうち２個をペアとした時、回転子５０の回転速度の整数倍ｎを使い、少なくとも１ペア内の永久磁石間で、周方向均等ピッチ配置に対して略±360/(2n)度ずらしたため、モータ高周波騒音の最大原因となっている円環０次モードを励起する電磁加振力を有効に低減することができる。

(3) 前記整数倍ｎを、コイルに投入される多相電流の相数３と、回転子５０の永久磁石数８と、の最小公倍数２４の整数倍（ｎ＝２４×２＝４８）に規定したため、特に４極対４８ティースの同期型三相モータで問題となる高周波騒音を有効に低減することができる。

実施例２は、同一極対内での永久磁石のペアを選択すると共に、複数の永久磁石ペアのずらす方向を統一した例である。

まず、構成を説明すると、図１１の１/４モデルに示すように、複数のペアの場合、同一極対内での永久磁石のペアとして永久磁石５１，５２を選び、均等ピッチ配置（本例ではθ＝４５度）に対し、θ＋３６０/(２×４８)度＝θ＋３．７５度ずらした。

図１１の１/４モデルでは、０度と９０度において対称条件を与えているので、図１に示す永久磁石５３，５４もペアを構成し、永久磁石５５，５６も別のペア、および、永久磁石５７，５８も別のペアを構成していることになる。すなわち、４組みのそれぞれのペアで＋３．７５度ずらした構成としている。なお、他の構成は実施例１と同様であるので図示並びに説明を省略する。

次に、作用を説明すると、４組みのそれぞれのペアで＋３．７５度ずらした実施例２によるティース(1)における電磁力の計算結果を図１２に示す。図１２には電磁力生波形および電磁力生波形の４８次成分が示してある。実施例２の場合、図８の実施例１のティース(1)における電磁力の計算結果に比べ、更に電磁力生波形の４８次成分が低減されているのがわかる。

４組みのそれぞれのペアで＋３．７５度ずらした実施例２における円環０次モードを励起する電磁加振力特性と、均等配置の比較例における円環０次モードを励起する電磁加振力特性との対比特性を図１４に示す。この対比特性から明かなように、４８次電磁加振力の低減効果として、２０ｄBを超える低減効果を得ている。

一般に、低減したい次数をｎとすると、均等配置の時の永久磁石間角度に対し±３６０/（２×ｎ）度ずらせばティースに対する永久磁石のｎ次電磁加振力を逆相にでき、円環０次の電磁加振力を低減できる。

また、実施例２のように、複数の永久磁石ペアをずらした場合にも、ずらす方向を統一しておけば、回転バランスを維持することが可能である。

実施例２の変形例として、複数のｎ（例えば、ｎ＝２４、４８）に対してずらした配置を採用すると、２４次電磁加振力と４８次電磁加振力とが共に低減されることになり、重ね合わせで電磁加振力低減効果が発揮される。

次に、効果を説明する。
実施例２の同期型回転電機にあっては、実施例１の(1)〜(3)の効果に加えて、下記に列挙する効果を得ることができる。

(4) 前記永久磁石５１〜５８のペアが複数の場合、該ペアが同一極対で構成されているため、複数の永久磁石のペア（４組みのペア）に対する周方向不等ピッチ設定により、１組の永久磁石のペアに対する周方向不等ピッチ設定に比べ、より効果的に円環０次の電磁加振力を低減することができる。

(5) 前記同一極対で構成された複数のペアによる永久磁石は、ずらす角度が＋360/(2n)度、または、−360/(2n)度で統一されているため、高回転駆動時においても回転子５０の回転バランスを維持することができる。

(6) 前記永久磁石のずらし角度の計算に用いる整数倍ｎとして、異なった複数の整数である２４と４８を使用したため、２４次電磁加振力と４８次電磁加振力とを重ね合わせで低減することができる。

以上、本発明の同期型回転電機を実施例１及び実施例２に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これら実施例１，２に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

実施例１，２では、４８次電磁加振力を低減する例を示したが、２４次電磁加振力を低減する例としても良い。この場合、θ＋３６０/(２×２４)度＝θ＋７．５度ずらした設定となる。

実施例では、同期型回転電機の一例として、４極対４８ティースの分布巻き同期型三相モータの例を示したが、極対数やティース数や相数が異なる同期モータにも同様に適用することができるし、さらに、同期モータ以外にも同期ジェネレータや同期モータジェネレータにも適用することができる。

実施例１の同期型三相モータ（同期型回転電機の一例）の回転子と固定子を示す全体図である。図１の回転子と固定子を組み込んだ実施例１の同期型三相モータの構造を示す断面図である。騒音の主要な原因となる円環０次モードを示す図である。他の振動モードとしての円環６次モードを示す図である。均等ピッチ配置の場合のティース(1)の電磁力（計算結果）を示す特性図である。均等ピッチ配置の場合のティース(2)の電磁力（計算結果）を示す特性図である。円環０次モードに対する各回転次数の影響（計算結果）を示す図である。実施例１の不均等ピッチ配置を適用したの場合のティース(1)の電磁力（計算結果）を示す図である。実施例１における円環０次モードを励起する電磁加振力特性（計算結果）と均等配置の比較例における円環０次モードを励起する電磁加振力特性（計算結果）との対比特性図である。実施例１の変形例における円環０次モードを励起する電磁加振力特性（計算結果）と均等配置の比較例における円環０次モードを励起する電磁加振力特性（計算結果）との対比特性図である。実施例２の同期型三相モータ（同期型回転電機の一例）の回転子と固定子を示す1/4モデル図である。実施例２の不均等ピッチ配置を適用したの場合のティース(1)の電磁力（計算結果）を示す図である。実施例２における円環０次モードを励起する電磁加振力特性（計算結果）と均等配置の比較例における円環０次モードを励起する電磁加振力特性（計算結果）との対比特性図である。

符号の説明

３０固定子
(1)〜(48) ティース
３２コイル
４０回転軸
５０回転子
５１〜５８永久磁石
６０モータケース
６１，６２軸受

Claims

コイルを巻き付けたティースを有する固定子と、永久磁石を有する回転子を備え、前記永久磁石の磁界と多相のコイルにより生起される磁界との相互作用により回転子が回転する同期型回転電機において、
前記永久磁石のうち２個をペアとした時、少なくとも１ペア内の永久磁石間で、周方向均等ピッチ配置に対し、ティースに作用して前記固定子に円環０次モード振動を励起する電磁加振力を低減する角度だけずらした設定としたことを特徴とする同期型回転電機。
請求項１に記載された同期型回転電機において、
前記永久磁石のうち２個をペアとした時、回転子の回転速度の整数倍ｎを使い、少なくとも１ペア内の永久磁石間で、周方向均等ピッチ配置に対して略±360/(2n)度ずらしたことを特徴とする同期型回転電機。
請求項２に記載された同期型回転電機において、
前記整数倍ｎを、コイルに投入される多相電流の相数と、回転子の永久磁石数と、の最小公倍数の整数倍に規定したことを特徴とする同期型回転電機。
請求項１乃至３の何れか１項に記載された同期型回転電機において、
前記永久磁石のペアが複数の場合、該ペアが同一極対で構成されたことを特徴とする同期型回転電機。
請求項４に記載された同期型回転電機において、
前記同一極対で構成された複数のペアによる永久磁石は、ずらす角度が＋360/(2n)度、または、−360/(2n)度で統一されていることを特徴とする同期型回転電機。
請求項４または請求項５に記載された同期型回転電機において、
前記永久磁石のずらし角度の計算に用いる整数倍ｎとして、異なった複数の整数を使用したことを特徴とする同期型回転電機。