JP4499764B2

JP4499764B2 - 電動機

Info

Publication number: JP4499764B2
Application number: JP2007128114A
Authority: JP
Inventors: 浩村上; 俊幸玉村; 幸夫本田; 正行神藤; 久和片岡; 修明森野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: JP2001037133A; JP3983423B2; JP2007209199A

Description

本発明は、ステータコアの各スロット部に個別のコイルが施されているステータを備え、各スロット部の巻線が、ステータヨークを取り囲む方向に巻線されてコイルを構成し、各コイルが３相スターもしくはデルタ状に結線されている電動機。

図１３に従来の代表的なステータの外観図、図１４にステータの結線図を示す。図１３において１１はステータコア、１２は巻線である。この構成のステータの巻線方式は一般に分布巻と呼ばれ、図１４に示すように各スロットに巻線されたコイルが、３相スター状もしくはデルタ状に結線され、電気角で１２０度位相のずれた電流を個々の相に流すことで回転磁界を発生し、この回転磁界により、ステータ内部のロータに回転力を発生させていた。図１３に示す従来型の分布巻ステータは理想的な回転磁界を発生させるため、なめらかにロータを回転させることが可能で、低振動で低騒音なモータを構成することが可能である。

上記従来技術によるステータ構成は理想的な回転磁界を発生させる事が特徴であるが、図１３の１３に示すコイルエンド部の体積が非常に大きくなる欠点がある。コイルエンド部に流れる電流はモータのトルク発生には寄与しないため、その部分で発生する銅損が増大してモータ効率を低下させる。また、コイルの材料は銅であるため、コイルエンドの体積が大きくなると材料費も高価になってくる。このように分布巻ステータには、コイルエンドの体積が大きくなるので、モータの小型化が困難で、材料費も高価になり、銅損の増大によるモータ効率低下といった課題が存在する。

一方、このような課題を解決するために集中巻構造のステータが存在する。図１５は集中巻ステータの外観図、図１６に巻線図を示す。集中巻構造のステータは、図１６に示すようにステータの各ティース部２の周囲を囲む方向に巻線を施し、これらのコイルを３相デルタおよびスター結線したものである。このように結線することで、集中巻のステータは図１５の１３に示すようにコイルエンドの体積が小さくなるので分布巻に比べてモータの小型化が可能である。しかしながら、集中巻構造の発生する磁界分布は分布巻のように理想的な均一回転磁界にはならない。図１７と図１８に分布巻と集中巻の磁束の流れを表した図を示す。図１７は４極分布巻のステータに４極埋め込み磁石型ロータを組み込んだ場合の磁束の流れを示しており、図１８は４極集中巻のステータに、図１７と同じロータを組み込んだ場合の磁束の流れを示している。図１７より分布巻ステータの発生する磁界は、Ｎ極とＳ極が９０度毎に分布しているが、集中巻ステータでは図１８に示すように巻線に流れる電流が発生する磁界が９０度毎に均一にならない。以上のように、集中巻ステータは、コイルエンドが小さくできるが、発生磁界が不均一になるため振動騒音が大きくなるといった欠点がある。また、集中巻はステータの巻線コイル１極当たりの角度が、ロータ１極当たりの角度より小さくなる。例えば、図１８の例では、ロータが４極であるため１極当たり９０度であるが、ステータティースに巻かれた巻線１相当たりは６０度になる。その結果、巻線の有効利用率が分布巻よりも悪くなるので、消費電流が増大するという欠点も存在する。

本願発明は、環状のヨーク部と、このヨーク部の内径部に設けた複数の内側ティース部と、前記ヨーク部の外径部に前記内側ティース部のそれぞれと同一周方向位置に設けた複数の外側ティース部と、前記内側ティース部に対応する内側ロータと、前記外側ティース部に対応する外側ロータと、前記ヨーク部にトロイダル巻きを施した複数のコイル部とを備え、前記複数のコイル部は３相スター若しくはデルタ状に結線されたものであり、前記トロイダル巻きを施した複数のコイル部は、隣り合うコイル部は異相であり、かつ巻き線方向が異なり、前記内側ロータは、埋め込み磁石型ロータである電動機である。

本発明によれば、内側ロータは埋め込み磁石型ロータであるので、マグネットトルクを主とし、リラクタンストルクを補助とする総合トルクにより内側ロータを回転駆動でき、またヨーク部にトロイダル巻きしたコイル部の内側に流れる電流で内側ティース部を通して内側ロータに磁力を及ぼして内側ロータを回転させ、前記コイル部の外側に流れる電流で外側ティース部を通して外側ロータに磁力を及ぼして外側ロータを回転させることができるので、銅損の低い、高効率の電動機を実現でき、しかもトロイダル巻きコイル部の採用によって、小型、低振動、低騒音電動機を実現できる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に示す参考例、実施例に基づき具体的に説明する。

（参考例１）
図１は第１の参考例を示した図である。図１において、１がステータコア、２がステータコアのティース部、３がヨーク部、４がスロット部である。各スロット部には、巻線をトロイダル状に施したコイル６が配置され３相結線されている。５は、非磁性体からなるスペーサ部であり、コイル６が他の部分隣りのコイル６と接しないようにするため、ヨーク部３に設ける。図２に図１で示すステータの巻線結線図を示す。

図２に示すようにステータコアのヨーク部に巻線する事で、コイルエンドの体積を分布巻に比べて非常に小さくすることができる。図３は本参考例のステータに電流を流したときの発生する磁束の流れを示した図である。本参考例のステータでは、従来例で示した図２０の分布巻の磁束分布と全く同一になる。したがって、従来例で説明した集中巻ステータのように、巻線に流れる電流が発生する磁束分布が不均一になることがないため、小型化しても振動、騒音を非常に小さなレベルにおさえることが可能である。

図４は本参考例のステータに永久磁石ロータを組み込んだときの電流―トルク特性を示した図である。またこの図には、同一のロータを組み込んだ時の分布巻ステータと集中巻ステータの特性も示している。

本参考例のステータは巻線が発生する磁束分布が分布巻と同一になるため、トルク定数も分布巻と全く同一であり、集中巻のようにコイルエンドの体積を小さくした結果、トルク定数が低下してしまうこともない。表１は本参考例のステータと従来型の分布巻ステータ、集中巻ステータの積厚を同一にしたときのステータ高さの比較を示した図である。表１よりステータ高さは集中巻と同一寸法まで小型化できる。以上のように本参考例のステータはトルク定数を低下させることなく、コイルエンドの体積を小さくできると同時に、低振動、騒音のモータが実現できるため、従来型のステータである分布巻、集中巻ステータの課題を解決できる大きな効果を得ることができる。

図５はステータの外径Ｒと積厚Ｌとの比に対する巻線の線間抵抗の関係を示した図であ
る。図中には本参考例のステータと分布巻ステータの比較を示している。本参考例のステータは、ステータの外径Ｒと積厚Ｌとの比、Ｌ／Ｒが０．５以下の場合、分布巻ステータより巻線の線間抵抗が小さくなる為、巻線に電流が流れることにより発生する銅損が小さくできるので、小型で有ると同時に高効率なモータが実現できる。このようにＬ／Ｒが０．５以下の場合、本参考例の効果が最もよくあらわれる。

（参考例２）
図６は第２の参考例を示した図である。図６は第１の参考例で示したステータに永久磁石ロータを組み込んだ、永久磁石型同期モータである。本参考例のステータに永久磁石ロータを組み込むことにより、永久磁石の磁束でトルクを発生できるため、巻線抵抗が小さいと同時に小型で高トルク、高効率モータを実現できる。また、図７の様に、ロータを埋め込み磁石型ロータにすることで、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクも有効利用できるので更に銅損の小さい永久磁石同期モータを実現することが可能である。

（参考例３）
図８は第３の参考例を示した図である。図８において１１１はステータコア、１１２は内側ティース部、１１３はヨーク部、１１４は内側スロット部、１１７は外側ティース部、１１８は外側スロット部である。図９は第１の参考例で示したステータの外径側にも外側ティース１１７を構成した構造のステータコアである。

図１に示した第１の参考例では、ステータ外径側にあるコイル６はモータのトルク発生に全く寄与しないが、図８の様にステータの外側にも外側ティース１１７を設けることで、ステータ外径側のコイルもトルク発生の磁界が発生できるため、同一の電流で２倍のトルクを発生する事が可能である。

（参考例４）
図９は第４の参考例を示した図である。本参考例は図８に示す第３の参考例のステータに対して、内側ロータと外側ロータに表面磁石型ロータを組み込んだ例である。このような構成にすることで、内側スロット部１１４にある巻線に流れる電流で、内側ロータ２０にトルクが発生し、外側スロット部１１８に流れる電流で外側ロータ２１にトルクが発生するため、同一の電流で２倍のトルクが発生し、小型、大トルク、高効率モータを得ることができる。

図１０は図９に示すモータの外側ロータと、内側ロータの磁極の境目の位置を、任意の角度αずらせた構造のモータである、外側ロータ２３と、内側ロータ２２の磁極の境目の位置を任意の角度ずらすことで、コギングトルクが低減でき、更に低騒音なモータにすることが可能である。

（実施例）
図１１は本発明の実施例を示す図である。本実施例は内側ロータに埋め込み磁石型ロータ、外側ロータに表面磁石型ロータを組み込んだ永久磁石型同期モータである。このように本発明のモータは、内側ロータ２４と外側ロータ２５に異なる種類のロータを構成する事が可能である。また、表面磁石型同期モータと埋め込み磁石型同期モータでは、同一電流で発生するトルクが最大値になるときの電流位相が異なる。

そこで、図１１に示すように、内側ロータ２４と外側ロータ２５の磁極の境目の位置を任意の角度βずらすことで、個々のロータが発生するトルクを最大とする事ができるため、非常に高効率なモータを実現する事が可能になる。なお図１１に示すステータは図８〜図１０に示すものと同様の構成である。

上記ステータコア１１１は、図１２に示すような製造方法を用いて製作できる。すなわち、ステータコアを円周方向に複数個のブロックに分割して、各分割ブロックのヨーク部に個別に巻線を行い、巻線後に分割ブロックを合体させて、各巻線を３相スターもしくはデルタ結線を行えばよい。図１２ではステータコアを２分割した例である。このようにステータを分割する事で、巻線工程が簡単になり、一体コアのまま巻線するよりも、高占積率巻線が可能になる効果が得られる。図１２では各分割ブロックのヨーク部に個別に巻線を行い分割ブロックのＡ−Ａ’面とＢ−Ｂ’面をあわせて、溶接等の手段を用いて合体させ、その後、各ヨーク部に巻線されたコイルを３相スターもしくはデルタ結線を行うことでステータを完成させる。

第１の参考例を示した図。第１の参考例を示すステータの巻線結線図。第１の参考例のステータによる磁束分布を示した図。第１の参考例のステータと従来型ステータのトルク定数を比較した図。第１の参考例のステータ従来型ステータの線間抵抗を比較した図。第２の参考例を示した図。第２の参考例の他の例を示した図。第３の参考例を示した図。第４の参考例を示した図。第４の参考例の他の例を示した図。本発明の実施例を示した図。本発明の実施例の他の例を示した図。従来の分布巻ステータの外観を示す図。従来の分布巻ステータの巻線図を示す図。従来の集中巻ステータの外観を示す図。従来の集中巻ステータの巻線図を示す図。従来の分布巻ステータによる磁束分布を示した図。従来の集中巻ステータによる磁束分布を示した図。

符号の説明

６コイル
２４内側ロータ
２５外側ロータ
１１１ステータコア
１１２内側ティース部
１１３ヨーク部
１１４内側スロット部
１１７外側ティース部
１１８外側スロット部

Claims

環状のヨーク部と、
このヨーク部の内径部に設けた複数の内側ティース部と、
前記ヨーク部の外径部に前記内側ティース部のそれぞれと同一周方向位置に設けた複数の外側ティース部と、
前記内側ティース部に対応する内側ロータと、
前記外側ティース部に対応する外側ロータと、
前記ヨーク部にトロイダル巻きを施した複数のコイル部とを備え、
前記複数のコイル部は３相スター若しくはデルタ状に結線されたものであり、
前記トロイダル巻きを施した複数のコイル部は、隣り合うコイル部は異相であり、かつ巻き線方向が異なり、
前記内側ロータは、埋め込み磁石型ロータである電動機。
前記外側ロータは、表面磁石型ロータである請求項１記載の電動機。
前記内側ロータと前記外側ロータとの磁極の境目の位置を任意の角度ずらした請求項２記載の電動機。