JP4574391B2

JP4574391B2 - シンクロナスモータ及びｎ相シンクロナスモータ

Info

Publication number: JP4574391B2
Application number: JP2005047139A
Authority: JP
Inventors: 茂徳宮入; 耕二中武; 久幸宮島
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2006238556A

Description

本発明は、シンクロナスモータ及びＮ相シンクロナスモータに関するものである。

特開平５−３００７１０号公報（特許文献１）等には、スター結線された３相のモータが示されている。この種のモータは、３×Ｍ（Ｎ相×Ｍ）個（但し、Ｍは１以上の整数）の突極部を有するステータコアと、３×Ｍ個の突極部から選択された３組のＭ個の突極部にそれぞれ１相分の巻線導体が順次巻回されて形成された３組のＭ個の巻線部とを備えたステータを有している。
特開平５−３００７１０号公報

この種のシンクロナスモータでは、インバータ等により交流電源の周波数（ｆ）を増やして回転速度を高めている。しかしながら、周波数（ｆ）が一定数を超えると誘導リアクタンス（ωＬ＝２πｆＬ）が増えるため、モータに流れる電流が減少してモータは回転しなくなる。そこで、巻線の巻数を減らして誘導リアクタンスωＬのインダクタンスＬを減らすことが考えられた。しかしながら、巻線の巻数を減らすと巻線長さが短くなり巻線の抵抗Ｒも低下するため、インピーダンスＺも減少する。そのため、モータ入力（Ｐ＝Ｅ^２／Ｚ）が増加してモータの発熱量が高くなる。そこで、抵抗Ｒ＝ＣＷ／Ｄ^２［Ｃ：比例定数，Ｗ：巻数（巻線長さ），Ｄ：巻線の線径）］を高めるために巻線の線径Ｄを小さくすることが考えられた。なお、巻数（巻線長さ）Ｗを大きくして抵抗Ｒを高める方法は、前述した通りインダクタンスＬが増えるため、採用できない。

しかしながら、巻線の線径Ｄが小さくなると巻線が切れやすくなる。そのため、巻線の線径Ｄを小さくするには限界があった。

本発明の目的は、巻線の線径Ｄを小さくすることなく、巻線の抵抗Ｒの低下を防いで回転速度を高めることができるシンクロナスモータ及びＮ相シンクロナスモータを提供することにある。

本発明が改良の対象とするシンクロナスモータは、複数の突極部を有するステータコアと、複数の突極部にそれぞれ巻線導体が巻回されて形成された複数の巻線部とを備えたステータを有している。本発明では、巻線部は３本の単位巻線導体が突極部に集中巻きされて形成されている。そして、３本の単位巻線導体は、電気的に直列に接続され、しかも３本の単位巻線導体のうち１本の単位巻線導体に残りの２本の単位巻線導体とは逆方向の電流が流れるように配置にされている。

本発明によれば、従来1本で集中巻きしていた巻線部を直列接続された３本の単位巻線導体により、突極部に集中巻きするため、巻線の抵抗Ｒは従来の３倍になる。また、３本の単位巻線導体のうち１本の単位巻線導体に残りの２本の単位巻線導体とは逆方向の電流が流れるので、２本の単位巻線導体から発生する磁界は、相互に打ち消される。そのため、インダクタンスＬは、従来通り、１本分のインダクタンスとなる。そのため、インダクタンスＬを増やすことなく、巻線の抵抗Ｒを高めることができる。その結果、巻線の線径Ｄを小さくすることなく、回転速度を高めることができるシンクロナスモータを得ることができる。本発明は、スター結線及びデルタ結線のいずれのシンクロナスモータにも適用できる。

本発明が適用されるＮ相シンクロナスモータは、Ｎ×Ｍ個（但しＮは２以上の整数、Ｍは１以上の整数）の突極部を有するステータコアと、Ｎ×Ｍ個の突極部から選択されたＮ組のＭ個の突部にそれぞれ１相分の巻線導体が順次巻回されて形成されたＮ組のＭ個の巻線部とを備えている。そして、１相分の巻線導体は第１乃至第３の単位巻線導体からなり、第１乃至第３の単位巻線導体は、Ｍ個の突極部にそれぞれ集中巻きされてＭ個の巻線部を形成している。そして、第１乃至第３の単位巻線導体は、電気的に直列に接続され、しかも第１乃至第３の単位巻線導体のうち第２の単位巻線導体に第１及び第３の単位巻線導体とは逆方向の電流が流れるように配置されている。このようにすれば、Ｎ相中の1相分の巻線の抵抗Ｒは従来の３倍になる。また、Ｎ相中の１相分のインダクタンスＬは、従来通り、１本分のインダクタンスとなる。そのため、巻線の線径Ｄを小さくすることなく、回転速度を高めることができる２相以上のＮ相シンクロナスモータを得ることができる。

この場合、第１乃至第３の単位巻線導体はそれぞれ一対の引出部を有しており、第２の単位巻線導体と第３の単位巻線導体の一対の引出部の一方の引出部を電気的に接続し、第１の単位巻線導体と第２の単位巻線導体の一対の引出部の他方の引出部を電気的に接続することができる。そして、第１の単位巻線導体の一対の引出部の一方の引出部により１相分の巻線導体の第１の入力部を構成し、第３の単位巻線導体の一対の引出部の他方の引出部により相分の巻線導体の第２の入力部を構成することことができる。このようにすれば、３本の単位巻線導体材料を所定の突極部に巻回し、巻回後に各単位巻線導体材料の端部を切断して引出部を形成し、所定の引出部を接続するだけで、容易に直列接続された３本の単位巻線導体を形成することができる。

本発明のより具体的なＮ相シンクロナスモータは、環状の継鉄部と継鉄部の周方向に一定の間隔をあけて配置されて継鉄部と一体に構成されたＮ×Ｍ個（但しＮは２以上の整数、Ｍは１以上の整数）の突極部を有するステータコアと、周方向に向かってＮ−１個の突極部が間に位置するようにＮ×Ｍ個の突極部から選択されたＮ組のＭ個の突極部に、それぞれ１相分の巻線導体が順次巻回されて形成されたＮ組のＭ個の巻線部とを備えたステータと、ステータの内部に配置されたロータとを有している。そして、１相分の巻線導体はそれぞれ一対の引出部を有する第１乃至第３の単位巻線導体からなり、第１乃至第３の単位巻線導体は、Ｍ個の突極部にそれぞれ集中巻きされてＭ個の巻線部を形成している。また、第２の単位巻線導体と第３の単位巻線導体の一対の引出部の一方の引出部が電気的に接続され、第第１の単位巻線導体と第２の単位巻線導体の一対の引出部の他方の引出部が電気的に接続されている。そして、第１の単位巻線導体の一対の引出部の一方の引出部が、１相分の巻線導体の第１の入力部を構成し、第３の単位巻線導体の一対の引出部の他方の引出部が、１相分の巻線導体の第２の入力部を構成しており、Ｎ相分の巻線導体の第２の入力部がそれぞれ共通に接続されている。このようにすれば、周方向に並ぶ突極部に形成された巻線部を流れる電流が順番に電気角がずれるスター結線のモータを形成することができる。

本発明は、回転型モータ、リニアモータ、分割型モータの種々のモータに適用できる。ハイブリッド型ステッピングモータに適用する場合は、ステータコアの複数の突極部の磁極面に、それぞれ周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のステータ小歯が設け、ロータに、永久磁石と前記永久磁石によって所定の極性を示す複数のロータ小歯を外周部に備えた導磁性回転体を備えればよい。

本発明によれば、従来1本で集中巻きしていた巻線部を直列接続された３本の単位巻線導体により、突極部に集中巻きするため、巻線の抵抗Ｒは従来の３倍になる。また、３本の単位巻線導体のうち１本の単位巻線導体に残りの２本の単位巻線導体とは逆方向の電流が流れるので、２本の単位巻線導体から発生する磁界は、相互に打ち消される。そのため、インダクタンスＬは、従来通り、１本分のインダクタンスとなる。そのため、インダクタンスＬを増やすことなく、巻線の抵抗Ｒを高めることができる。その結果、巻線の線径Ｄを小さくすることなく、回転速度を高めることができるシンクロナスモータを得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、ハイブリッド型ステッピングモータに適用した本発明の一実施の形態のシンクロナスモータの平面図である。図１に示すように、本例のシンクロナスモータは、ステータ１とロータ３とを有している。ロータ３は、永久磁石５と永久磁石５によって所定の極性を示す複数のロータ小歯７ａを外周部に備えた導磁性回転体７とを備えている。ステータ１は、ステータコア９と１２個の巻線部１１Ａ〜１１Ｌとを備えている。ステータコア９は、環状の継鉄部１３と継鉄部１３の周方向に一定の間隔をあけて配置されて継鉄部１３と一体に構成された１２個の突極部１５Ａ〜１５Ｌとを有している。図２の拡大図に示す突極部１５Ａを用いて説明すると、突極部１５Ａ〜１５Ｌは、継鉄部１３に接続された巻線巻回部１７と、巻線巻回部１７の先端に配置された磁極形成部１９とを有している。突極部１５Ａ〜１５Ｌの巻線巻回部１７には、後述する銅製の巻線導体２１が集中巻きされて巻線部１１Ａ〜１１Ｌが形成されている。磁極形成部１９は、巻線巻回部１７に接続された基部１９ａと基部１９ａからロータ３に向かって突出する４個のステータ小歯１９ｂとを有している。ステータ小歯１９ｂの先端は、ロータ３のロータ小歯７ａと間隙をあけて対向している。

巻線部１１Ａ〜１１Ｌを形成する巻線導体２１は、図３の概略図に示すように、位相が１２０°ずつずれるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電流がそれぞれ流れる導体部２３，２５，２７がスター結線されて構成されている。なお、図３では、突極部１５Ａ〜１５Ｌと該突極部１５Ａ〜１５Ｌにそれぞれ巻回される巻線部１１Ａ〜１１Ｌとを隣接した位置関係で描いている。巻線部１１Ａ〜１１Ｌは、Ｎ−１個（２個）の突極部が間に位置するように、Ｎ×Ｍ個（３×４＝１２個）の突極部１５Ａ〜１５Ｌから選択された突極部（１５Ａ，１５Ｄ，１５Ｇ，１５Ｊ），（１５Ｂ，１５Ｅ，１５Ｈ，１５Ｋ），（１５Ｃ，１５Ｆ，１５Ｉ，１５Ｌ）にそれぞれ１相分の巻線導体（導体部２３，２５，２７）が順次巻回されたＮ組（３組）のＭ個（４個）の巻線部から構成されている。具体的には、１組目の４個の突極部１５Ａ，１５Ｄ，１５Ｇ，１５ＪにＵ相の電流が流れる導体部２３が順次巻回されて４個の巻線部１１Ａ，１１Ｄ，１１Ｇ，１１Ｊが形成され、２組目の４個の突極部１５Ｂ，１５Ｅ，１５Ｈ，１５ＫにＶ相の電流が流れる導体部２５が順次巻回されて４個の巻線部１１Ｂ，１１Ｅ，１１Ｈ，１１Ｋが形成され、３組目の４個の突極部１５Ｃ，１５Ｆ，１５Ｉ，１５ＬにＷ相の電流が流れる導体部２７が順次巻回されて４個の巻線部１１Ｃ，１１Ｆ，１１Ｉ，１１Ｌが形成されている。これにより、巻線部１１Ａ〜１１Ｌを流れる電流は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、・・・の順で周方向に並ぶことになる。

導体部（１相分の巻線導体）２３，２５，２７は、径方向に並ぶ第１乃至第３の単位巻線導体２９，３１，３３によりそれぞれ構成されている。これらの第１乃至第３の単位巻線導体２９，３１，３３は、両端部にそれぞれ一対の引出部（２９ａ，２９ｂ）（３１ａ，３１ｂ）（３３ａ，３３ｂ）をそれぞれ有している。そして、第２の単位巻線導体３１と第３の単位巻線導体３３の一対の引出部（３１ａ，３１ｂ）（３３ａ，３３ｂ）の一方の引出部３１ａ、３３ａが電気的に接続され、第１の単位巻線導体２９と第２の単位巻線導体３１の一対の引出部（２９ａ，２９ｂ）（３１ａ，３１ｂ）の他方の引出部２９ｂ、３１ｂが電気的に接続されている。また、第１の単位巻線導体２９の一対の引出部２９ａ，２９ｂの一方の引出部２９ａが、１相分の巻線導体（２３，２５，２７）の第１の入力部を構成し、第３の単位巻線導体３３の一対の引出部３３ａ，３３ｂの他方の引出部３３ｂが、１相分の巻線導体（２３，２５，２７）の第２の入力部を構成している。そして、３相分の巻線導体２３，２５，２７のそれぞれの第２の入力部３３ｂは、中性点３５において、共通に接続されている。このような構成により、第１乃至第３の単位巻線導体２９，３１，３３は、電気的に直列に接続され、図３の矢印に示すように、第１乃至第３の単位巻線導体２９，３１，３３のうち第２の単位巻線導体３１には、第１及び第３の単位巻線導体２９，３３とは逆方向の電流が流れることになる。

本例では、３本の単位巻線導体材料を所定の突極部に巻回し、巻回後に各単位巻線導体材料の端部を切断して、所定の各端部を半田により溶着して、第１乃至第３の単位巻線導体２９，３１，３３を形成した。

本例のシンクロナスモータによれば、従来1本で集中巻きしていた巻線部を直列接続された３本の単位巻線導体２９，３１，３３により、突極部１５Ａ〜１５Ｌに集中巻きするため、巻線１１Ａ〜１１Ｌの抵抗Ｒは従来の３倍になる。また、３本の単位巻線導体２９，３１，３３のうち１本の単位巻線導体３１に残りの２本の単位巻線導体２９，３１とは逆方向の電流が流れるので、２本の単位巻線導体２９，３１から発生する磁界は、相互に打ち消される。そのため、インダクタンスＬは、従来通り、１本分のインダクタンスとなる。そのため、インダクタンスＬを増やすことなく、巻線の抵抗Ｒを高めることができる。その結果、巻線１１Ａ〜１１Ｌの線径Ｄを小さくすることなく、シンクロナスモータの回転速度を高めることができる。

なお、上記例では、ハイブリッド型ステッピングモータに本発明のシンクロナスモータを適用した例を示したが、他の回転型モータ、リニアモータ、分割型モータにも本発明を適用できるのは勿論である。

また、上記例では、スター結線のシンクロナスモータを適用した例を示したが、デルタ結線のシンクロナスモータにも適用できるのは勿論である。

ハイブリッド型ステッピングモータに適用した本発明の一実施の形態のシンクロナスモータの平面図である。図１の部分拡大図である。図１のシンクロナスモータに用いる巻線導体の配線を示す概略図である。

符号の説明

１ステータ
３ロータ
５永久磁石
７導磁性回転体
１１Ａ〜１１Ｌ巻線部
１３継鉄部
１５Ａ〜１５Ｌ突極部
２１巻線導体
２３，２５，２７導体部（１相分の巻線導体）
２９ａ，２９ｂ，３１ａ，３１ｂ，３３ａ，３３ｂ引出部

Claims

複数の突極部を有するステータコアと、
前記複数の突極部にそれぞれ巻線導体が巻回されて形成された複数の巻線部とを備えたステータを有するシンクロナスモータであって、
前記巻線部は３本の単位巻線導体が前記突極部に集中巻きされて形成されており、
前記３本の単位巻線導体は、電気的に直列に接続され、しかも前記３本の単位巻線導体のうち１本の前記単位巻線導体に残りの２本の前記単位巻線導体とは逆方向の電流が流れるように配置にされていることを特徴とするシンクロナスモータ。
Ｎ×Ｍ個（但しＮは２以上の整数、Ｍは１以上の整数）の突極部を有するステータコアと、
前記Ｎ×Ｍ個の突極部から選択されたＮ組のＭ個の前記突極部にそれぞれ１相分の巻線導体が順次巻回されて形成されたＮ組のＭ個の巻線部とを備えたステータを有するＮ相シンクロナスモータであって、
前記１相分の巻線導体は第１乃至第３の単位巻線導体からなり、
前記第１乃至第３の単位巻線導体は、前記Ｍ個の突極部にそれぞれ集中巻きされて前記Ｍ個の巻線部を形成しており、
前記第１乃至第３の単位巻線導体は、電気的に直列に接続され、しかも前記第１乃至第３の単位巻線導体のうち前記第２の単位巻線導体に前記第１及び第３の単位巻線導体とは逆方向の電流が流れるように配置されていることを特徴とするＮ相シンクロナスモータ。
前記第１乃至第３の単位巻線導体はそれぞれ一対の引出部を有しており、
前記第２の単位巻線導体と前記第３の単位巻線導体の前記一対の引出部の一方の引出部が電気的に接続され、前記第第１の単位巻線導体と前記第２の単位巻線導体の前記一対の引出部の他方の引出部が電気的に接続され、
前記第１の単位巻線導体の前記一対の引出部の前記一方の引出部が、前記１相分の巻線導体の第１の入力部を構成し、前記第３の単位巻線導体の前記一対の引出部の他方の引出部が、前記１相分の巻線導体の第２の入力部を構成していることを特徴とする請求項２に記載のＮ相シンクロナスモータ。
環状の継鉄部と前記継鉄部の周方向に一定の間隔をあけて配置されて前記継鉄部と一体に構成されたＮ×Ｍ個（但しＮは２以上の整数、Ｍは１以上の整数）の突極部を有するステータコアと、前記周方向に向かってＮ−１個の前記突極部が間に位置するように前記Ｎ×Ｍ個の突極部から選択されたＮ組のＭ個の前記突極部に、それぞれ１相分の巻線導体が順次巻回されて形成されたＮ組のＭ個の巻線部とを備えたステータと、
前記ステータの内部に配置されたロータとを有するＮ相シンクロナスモータであって、
前記１相分の巻線導体はそれぞれ一対の引出部を有する第１乃至第３の単位巻線導体からなり、
前記第１乃至第３の単位巻線導体は、前記Ｍ個の突極部にそれぞれ集中巻きされて前記Ｍ個の巻線部を形成しており、
前記第２の単位巻線導体と前記第３の単位巻線導体の前記一対の引出部の一方の引出部が電気的に接続され、前記第第１の単位巻線導体と前記第２の単位巻線導体の前記一対の引出部の他方の引出部が電気的に接続され、
前記第１の単位巻線導体の前記一対の引出部の前記一方の引出部が、前記１相分の巻線導体の第１の入力部を構成し、前記第３の単位巻線導体の前記一対の引出部の他方の引出部が、前記１相分の巻線導体の第２の入力部を構成しており、
Ｎ相分の前記巻線導体の前記第２の入力部がそれぞれ共通に接続されていることを特徴とするＮ相シンクロナスモータ。
前記ステータコアの前記複数の突極部の磁極面には、それぞれ前記周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のステータ小歯が設けられており、
前記ロータは永久磁石と前記永久磁石によって所定の極性を示す複数のロータ小歯を外周部に備えた導磁性回転体とを備えていることを特徴とする請求項４に記載のＮ相シンクロナスモータ。