JP4763176B2 - 同期電動機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機に関し、固定子片に設けられた突起と壁面とによりスロット開口を塞ぐことで、コギングトルクの発生を抑制するものである。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石が設けられた回転子を有する同期電動機は、回転子が回転する際に回転子と固定子間との空隙に回転子の回転角に対して磁気エネルギ−の変化が生じ、これによりコギングトルクが発生して回転子の回転ムラを生じる。
【0003】
従来のコギングトルクを抑制する同期電動機を特開平1−110035号公報に開示された図7によって説明する。
図7において、同期電動機は、歯部3aとスロット3sを有すると共に、電磁鋼板3cが積層された固定子3と、歯部3aに巻回されたコイル5と、固定子3の内径に挿入されると共に、磁性材で形成された厚みの薄いリング7とを備え、固定子3に設けられたスロット3sの開口がリング7によって塞がるように形成されている。
【0004】
上記のように構成された同期電動機によれば、固定子3のスロット3sの開口を塞ぐことにより、回転子が回転する際に、固定子3と回転子との空隙における磁気エネルギ−の変化が抑えられるので、コギングトルクが低減される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにリング7を固定子3の内面に装着する手段では、図8(a)に示すように各電磁鋼板間3cを、リング7を介して渦電流Ieが流れるので、渦電流損が増大してモ−タの効率を悪くするという問題点があった。
【0006】
かかる課題を解決するために、固定子3を成す多数の電磁鋼板3cと同一の厚さの薄い円形鋼鈑7aを多数積層されたリング7を形成することにより渦電流損を減少させることが考えられる。
しかしながら、固定子3の電磁鋼鈑3cと、リング7の円形鋼鈑7aとの当接面を各層毎に正確に一致させないと、図8(b)に示すように渦電流Ieが流れるので、渦電流損が増大してモ−タの効率が悪くなる。一方、固定子3の電磁鋼鈑3cとリング7の円形鋼鈑7aとの当接面を各層毎に正確に一致させることは、作業性の観点から現実的でないという問題点があった。
【0007】
さらに、リング7を固定子3に装着する作業が煩雑で、しかも、固定子3の内面にリング7を装着することにより固定子3から回転子に流れる主磁束がリング7によって阻害されるので、同期電動機のトルクがリング7のために低下するという問題点があった。
【0008】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、リングを不要として簡易に、固定子のスロット開口を塞ぐことによりコギングトルクを抑制すると共に、スロット開口を塞いでも、渦電流が流れにくい同期電動機を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段、発明の作用及び効果】
第1の発明に係る同期電動機は、電磁鋼板が積層された少なくとも第1及び第2の固定子片を有すると共に、前記固定子片間に形成されたスロットを有する固定子と、この固定子の内側に設けられると共に、永久磁石を有する回転子とを備え、前記固定子には、コイルが巻回された歯部と、この歯部と一体に形成されると共に、前記第1及び第2の固定子片を連結させるコアバック部とを有しており、前記歯部には、内周側先端の一側面に先端内周面に沿って設けられた略柱状の突起と、内周側先端の他側面に先端内周面に沿って切り欠きされた略L形状の壁面とを有しており、前記第1の固定子片の前記突起の上面と隣接する前記第2の固定子片の前記切り欠きされた略L形状の壁の天面とを当接させて、前記スロットにおける前記回転子と対向する開口を塞ぐ、ことを特徴とするものである。
かかる同期電動機によれば、第1の固定子片の突起の上面と隣接する第2の固定子片の切り欠きされた略L形状の壁の天面とが確実に当接し、スロットにおける回転子と対向する開口を塞ぐので、固定子内面に装着されていたリングを不要にして、コギングトルクを低下できる。したがって、リングを固定子に装着する作業を省略でき、しかも、固定子から回転子に流れる主磁束がリングによって阻害されずに、リングにより渦電流損が増大しないという効果がある。
【0010】
第2の発明に係る同期電動機は、第1の発明において、突起の上面を成す電磁鋼板と切り欠きされた略L形状の壁の天面を成す電磁鋼板とが積層毎に当接している、ことを特徴とするものである。
かかる同期電動機によれば、突起の上面を成す電磁鋼板と切り欠きされた略L形状の壁の天面を成す電磁鋼板とが積層毎に当接するので、渦電流損がさらに低下できるという効果がある。
【0011】
第3の発明に係る同期電動機は、第1又は第2の発明において、歯部の幅をLtとし、当接の長さをL0とすると、L0/Lt<0.025である、ことを特徴とするものである。
かかる同期電動機によれば、回転子の回転に寄与しない漏れ磁束を低下できるという効果がある。
【0012】
第4の発明に係る同期電動機は、第1から第3の何れかの発明において、電磁鋼板を所定の角度毎ずらして固定子にスキューが形成された、ことを特徴とするものである。
かかる同期電動機によれば、固定子にスキューが形成されたので、回転子の芯ずれによる脈動トルクを低下できるという効果がある。
【0013】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
この発明の一実施の形態を図1及び図2によって説明する。図1は同期電動機の断面図、図2は図1に示す固定子片の突起と壁面との平面図である。
図1及び図2において、同期電動機100は、積層された多数の固定子用鋼鈑101a(電磁鋼鈑)から成ると共に、六つの固定子片103を有すると共に、固定子片103間に形成されたスロット101sを有する固定子101と、固定子101の内側に設けられると共に、永久磁石を表面に有する回転子150とを備えている。
【0014】
固定子片103には、固定子片103どうしが両端で当接されると共に、固定子片103どうしを連結させるコアバック部105と、コイル116が巻回される略逆T形状の歯部107と、コアバック部105の両端部どうしを接続する五つの薄肉部121と、コアバック部105の両端部どうしを溶接する一つの溶接部120とを有しており、各歯部107には、一方の側面部の先端内周面に沿って設けられた略柱形状の突起111と、他方の側面部の先端内周面に沿って切り欠きされた略L形状の壁面113とを備え、固定子片(第1の固定子片)103の突起111の上面111bと隣の固定子片(第2の固定子片)103の壁113の天面113b(壁面)とが当接する当接部114を設けることにより固定子片103どうしが磁気的な閉回路を形成している。
【0015】
歯部107の突起111の側面111aと壁面113の側面113aとの間に隙間gが形成されている。これは、コアバック105どうしを当接させて円筒型の固定子101を形成するには、公差を考慮して上記隙間gを設ける必要があるからである。この隙間gを例えば1(mm)に広げることで、隙間gを流れる漏れ磁束Φgを減少させることができる。
【0016】
そして、図2(b)に示すように、突起111を成す積層された固定子用鋼鈑101aと壁面113を成す積層された固定子用鋼鈑101aの先端が互いに当接することにより渦電流が生じにくいように形成されている。
しかしながら、当接部114の面積が広すぎると、回転子150の永久磁石から発生した磁束が固定子片103の突起111を介して当接部114へ流れる漏れ磁束Φ0が増加するので、妥当でない。このため、当接部114の面積は、歯部107を流れる主磁束Φtに対して、漏れ磁束Φ0を所定値以下にするために、次のようにして決定される。
【0017】
固定子101の歯部107から回転子150に流れる主磁束Φtは、固定子用鋼鈑101aが飽和しない最大磁束密度Bcmax(T)において、十分な余裕をもって流さなければならない。したがって、歯部107の主磁束密度Bt(T)が、突起111と壁面113との当接部114を流れる漏れ磁束密度B0(T)に比較して小さくなるので、下式が成立する。
Bt<B0<Bcmax・・・・・・・・(1)
なお、漏れ磁束には、空隙gを流れる漏れ磁束Φgも存在するが、隙間gを例えば1(mm)とし、空気の透磁率を考慮すると、空隙gの磁気抵抗が当接部114の磁気抵抗に比べて極めて大きくなり、Φ0≫Φgとなるので、漏れ磁束Φgを無視できる。
上記(1)式の主磁束密度Bt,漏れ磁束密度B0を主磁束Φt(Wb),漏れ磁束Φ0(Wb)で表現すると下式となる。
Φt/St<Φ0/S0<Bcmax・・・(2)
ここに、St:歯部の断面積(m2)
S0:当接部の面積、突起と壁面との当接面積(m2)
また、St=Lc・Lt,S0=Lc・L0
ここに、Lc:固定子のコア幅(m),Lt:歯部の幅(m)
L0:当接部の長さ(m)
Φt/(Lt・Lc)<Φ0/(Lc・L0)<Bcmax・・・・・(3)
この(3)式より下式を得る。
L0<(Φ0/Φt)・Lt・・・・・・(4)
L0>Φ0/(Lc・Bcmax)・・・・(5)
上記(4)式及び(5)式より下式を得る。
Φ0/(Lc・Bcmax)<L0<(Φ0/Φt)・Lt・・・(6)
この(6)式を変形して下式を得る。
Φ0/(Φt・Lc・Bcmax)・Φt<L0<(Φ0/Φt)・Lt・・(7)
ここに、Φt=Bt・St=Bt・Lc・Lt
【0018】
例えば、固定子用鋼板101aに35A360を用い、JIS規格より飽和磁束密度Bcmaxを1.61(T)とし、歯部107の幅Ltを10×10−3(m)、固定子101のコア幅Lcを60×10−3(m)、主磁束密度Btを1.2(T)に設定し、主磁束Φtに対して例えば漏れ磁束Φ0を5%に抑制しようとすると、片側の漏れ磁束Φ0、すなわち、Φ0/Φtが2.5%(0.025)になるため、当接部114の長さL0(m)を上記(7)式により求めると、
0.025×1.2×60×10− 3×10×10− 3/(60×10− 3×1.61)<L0<0.025×10×10− 30.186×10−3<L0<0.25×10− 3 (m)
となる。これより、当接部114の長さを例えば0.2×10−3(m)にすれば、主磁束Φtに対して漏れ磁束Φ0を5%以下に抑制できる。
【0019】
上記のように構成された同期電動機の製造方法を図1乃至図5によって説明する。まず、厚さが薄いと共に、突起111aと壁面113aとを有する固定子用鋼鈑101aを板状の電磁鋼鈑から多数製作し、図3に示すように四角柱状に形成された積層金型201の孔201aに多数の固定子用鋼鈑101aを積層してプレス機(図示せず)によりプレスし、直線状の固定子101が得られる。
【0020】
図4に示すように固定子101の固定子片103における歯部107の周りに巻線機のノズル(図示せず)を周回させてコイル116を形成する。コイル116を形成後、図5に示すように作業者が固定子101の孔径よりも僅かに小さく形成された芯棒205に固定子101の歯部107の先端面を当接しながら薄肉部121を中心に各歯部107を折り曲げ、コアバック部105の両端部の一箇所を溶接機(図示せず)により溶接し、溶接部120を有する円筒形の固定子101を製作する。
【0021】
次に、図5(a)に示すように、固定子101の孔に芯棒205を挿入したままの状態において、台203の上に固定子101の一端面を、下側押え部材207を介して載せ、上側押え部材209を固定子101の他端面に載せて、上側押え部材209をプレス機(図示せず)で押圧することにより、固定子片103の突起111と隣接する固定子片103の壁面113とが当接して突起111と壁面113との各固定子用鋼板101aどうしが重なってスロット101sにおける内周側(回転子150と対向する側)の開口を塞ぐことができる。
【0022】
このような実施の形態による同期電動機100によれば、固定子101の突起111と壁面113とにより、スロット101sにおける回転子150と対向する開口(固定子101の内周側の開口)を塞ぐので、固定子101と回転子150との空隙における磁気エネルギ−の変化が抑制されコギングトルクが低減される。
さらに、突起111と壁面113との固定子101を成す各固定子用鋼板101aどうしの先端面が重なるので、渦電流が各固定子用鋼板101a内を循環するのみであり、渦電流損が増大しない。
【0023】
実施の形態2.
この発明の他の実施の形態を図6によって説明する。図6は、固定子磁極片の正面図(a)、図6(a)の底面図である。
実施の形態1では、固定子101のスロット101sの開口を固定子101の内周側の先端に設けられた突起111と隣接する固定子101の内周側の先端に設けられた壁面113とを当接させることによりコギングトルクを低下させた。
しかしながら、固定子101と回転子150との空隙が許容内で不均衡の場合、脈動トルクが発生するので、本実施の形態では、実施の形態1による同期電動機100の構成に加えて、固定子201にスキューを形成することにより脈動トルクを低下させるものである。
【0024】
図6において、固定子201を成す固定子片203は、固定子用鋼板101a毎に所定角度ずらすことで、スキューが形成されている。ここで、スキュー角度θsは、最上層の固定子用鋼板101a、最下層の固定子用鋼板101aにおける歯部107の中心線をそれぞれ固定子101の中心点まで引いた線Lu,Ldにより挟まれる角度をいう。
例えば、スキュー角度θsを15°として、固定子用鋼板101aの板厚を0.5(mm)、積層枚数を100枚として固定子201のコア幅を50(mm)とすると、固定子用鋼板101aが0.15°毎ずれるように形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による一実施形態を示す同期電動機の断面図である。
【図2】 図1に示す固定子の要部を示す部分拡大図(a)、図2(a)の矢視B−Bの断面図である。
【図3】 本発明による一実施形態を示す固定子用鋼鈑の積層用金型に固定子用鋼鈑を積層した状態を示す平面図である。
【図4】 本発明による一実施形態を示す固定子片にコイルを巻回した状態の正面図である。
【図5】 本発明による一実施形態を示す固定子の正面断面図(a)、図5(a)の矢視B−Bの断面図である。
【図6】 本発明の他の実施形態を示す固定子片の正面図である。
【図7】 従来の固定子の断面図(a)、図7(a)の矢視B−Bの断面図(b)である。
【図8】 図7(b)の要部拡大図である。
【符号の説明】
100 同期電動機、101 固定子、101s スロット、103 固定子片、107 歯部、111 突起、113 壁面、116 コイル、140 当接部、150 回転子。
Claims (4)
- 電磁鋼板が積層された少なくとも第1及び第2の固定子片を有すると共に、前記固定子片間に形成されたスロットを有する固定子と、
この固定子の内側に設けられると共に、永久磁石を有する回転子とを備え、
前記固定子には、コイルが巻回された歯部と、この歯部と一体に形成されると共に、前記第1及び第2の固定子片を連結させるコアバック部とを有しており、
前記歯部には、内周側先端の一側面に先端内周面に沿って設けられた略柱状の突起と、内周側先端の他側面に先端内周面に沿って切り欠きされた略L形状の壁面とを有しており、
前記第1の固定子片の前記突起の上面と隣接する前記第2の固定子片の前記切り欠きされた略L形状の壁の天面とを当接させて、前記スロットにおける前記回転子と対向する開口を塞ぐ、
ことを特徴とする同期電動機。 - 前記突起の上面を成す前記電磁鋼板と、前記切り欠きされた略L形状の壁の天面を成す前記電磁鋼板とが積層毎に当接している、
ことを特徴とする請求項1に記載の同期電動機。 - 前記歯部の幅をLtとし、前記当接の長さをL0とすると、L0/Lt<0.025である、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の同期電動機。 - 前記電磁鋼板を所定の角度毎ずらして前記固定子にスキューを形成した、
ことを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の同期電動機。
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