JP4792469B2 - 歯巻回コイルを有する多極永久磁石同期機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期機であって、回転子と固定子とを有し、該固定子が、歯巻回コイルで構成される３相巻線系を含むものに関する。

このような永久磁石同期機は、現在様々な実施形態で利用されている。諸例が独国特許出願公開第１９９６１７６０号および同第１０１２４４１５号明細書に開示されている。一般的形式の機械では、例えば３つと少ないコイル数が例えば１つの少ない有効極対数と同時に使われる。このような機械は固定子の基本極対数において作動する。回転子の極対数が固定子の基本極対数の整数倍に一致した所謂高調波機械も公知である。かかる多極同期機は例えば有効極対数が４であり、しかしそれより多いコイル数も使用されている。その場合、９つ又は１２のコイルが一般的である。

この永久磁石同期機を設計する際、特に安価な構成と極力高い利用率とに留意される。利用率は、構造容積毎に達成可能なトルクと定義される。同様に決定的なその他の判定基準は、高い、即ち数百Ｖの範囲内の電圧で作動する可能性と極力小さな構造寸法とに関係している。利用可能な多くの変更態様にも係らず、前記要求条件に等しく満たす最適な実施形態は未だ知られていない。

そこで本発明の課題は、高い利用率を有し、安価に製造可能な、冒頭に指摘した種類の永久磁石同期機を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。本発明に係る永久磁石同期機は
ａ）固定子が合計３つ又は６つのスロットを有し、スロット間に各１つの歯が形成されており、
ｂ）スロット内に合計３つの歯巻回コイルが配置されており、各歯巻回コイルが３つの巻線相の１つに付設されており、
ｃ）４又は５の有効極対数が設けられており、
ｄ）回転子が、周面に均一に配設される永久磁石の２倍の有効極対数を備えている。

高い有効極対数と結び付いた低いコイル数の故に、本発明に係る同期機は、低いコイル数と低い有効極対数との組合せ又は高いコイル数と高い有効極対数との組合せを常に含む従来一般的な機械構想からの方向転換を意味する。３相同期機にとって最小可能な３のコイル数で、公知実施形態と比較しても著しく改善された極めて高い利用率を達成できるのは、４又は５の有効極対数での多極設計を行ったときであることを、本発明者等は確認した。低いコイル数に基づく、同様に低いスロット数は、歯巻回コイルの使用と同様に、本発明に係る機械の簡単かつ安価な製造に寄与する。更に、低いスロット数と、歯巻回コイルに基因する小さなコイル端は、僅かな総構造寸法を可能とする。

本発明に係る永久磁石同期機の有利な諸構成を、請求項１に従属する各請求項に示す。

固定子が合計６つのスロットを有し、３つの内の単一の歯巻回コイルの巻線のみを各スロット内に配置するとよい。その際、巻回歯と非巻回歯が周方向で交番する。この単層歯巻回コイルは各１つの歯を取り囲み、非巻回歯により構造的に相互に分離される。この結果、設計に起因して歯巻回コイル相互の極めて良好な電気絶縁が得られ、そのための特別な絶縁手段の利用は不要である。更に、６つのスロットを有するこの実施形態は特別高い利用率を示す。

他の変更態様では、巻回歯の歯幅を、０．７５×ｂ_M＜ｂ_Z＜１．２５×ｂ_Mに従って設計する。式中、ｂ_Zは巻回歯の歯幅、ｂ_Mは永久磁石の磁石幅である。こうすると、特別良好な磁束案内が可能となる。固定子と回転子との間の磁界連結は極めて効率的である。特に、巻回歯の歯幅は永久磁石の磁石幅と実質的に同じ大きさである。

更に、歯巻回コイルを予め仕上げた成形コイルとして準備できる。これは作製をかなり簡素にする。この変更形態は、固定子積層鉄心に対する歯巻回を不要とする。さもないとこの歯巻回は、費用を要し従って支出を高める結果となる。成形コイルの使用は更にスロット横断面に関して極めて高い銅によるスロット充填率をもたらし、結果としてコイルのオーム抵抗が低下し、利用率が高まる。

別の実施形態は、歯巻回コイルが複数の部分巻線からなる各１つの巻線を含み、各巻線は隣接する部分巻線が動作時に相互に僅かに異なる電位となるよう構成することを特徴とする。特に隣接する部分巻線間の電位差は、両方のコイル給電線間に印加される電位の微小部分にすぎない。即ち、特に一方の給電線に接続された第１部分巻線も巻線の内部で、他方の給電線に接続された最終巻線から局所的に分離して配置される。この結果歯巻回コイルの製造に使用する電気導体のための電気絶縁の費用を減らし、スロット内の銅による充填率を増大できる。個々の部分巻線の精確な配置は、成形コイルを予め仕上げることで特別良好に達成できる。

スロットが回転子に向き合う開放した各１つの側面を有するとよく、特に予め成形コイルとして仕上げた歯巻回コイルを容易に嵌め込み得る。更に、開放スロットは検出器なしの動作に関して有利なインダクタンス挙動をもたらす。

更にスロットが、回転子から離れるように延びて互いに平行に配置された各２つの側壁を有するとよい。半径方向に延びる側壁と比べて、平行な配置は予め仕上げた成形コイルを嵌め込むのに適しており、更に、一層高いスロットの銅による充填率を達成できる。

スロット内で歯巻回コイルを固定すべく、スロットを更にスロット閉鎖要素で閉鎖することができる。後者は、特に簡単に製造可能なかつ容易に配置できる溝付き管として構成できる。スロット閉鎖要素は電気絶縁および／又は非磁性材料からなるとよい。その際、スロット閉鎖要素は不所望の形態で磁気挙動にも電気挙動にも影響を及ぼさない。スロット閉鎖要素は、例えばプラスチック又はセラミックスからなる。

別の変更態様は、回転子上に永久磁石の極ピッチの４／５、つまり８０％の磁極被覆を設けることを特徴とする。この措置は、トルクリプルをもたらす回転子磁界波と固定子磁界波との相互作用を抑制する。特に、有効極対数に対する第５高調波をこうして阻止し、これにより、望ましくないトルクリプルの少なくとも低減が可能である。

同様にトルクリプル回避に関し好ましい実施形態では、固定子が周面を備えて回転子に向き合う円筒形境界面を有し、該境界面は特に内部回転子機の場合固定穴の壁面である。スロットが各１つのスロット溝幅を有し、該溝幅は３倍の有効極対数によって分割された周面に等しい。この措置は、有効極対数に対する第３高調波と第３高調波に対し整数倍の高調波とにおける所謂コギングを抑制する。

永久磁石同期機は、内部回転子付き、外部回転子付きの何れであってもよい。前記好ましい諸構成は、両方の実施形態において利用できる。

本発明のその他の特徴、利点および詳細を、図面を基に１実施例についての以下の説明で明らかにする。

図１と図２において相対応する部品には同じ符号が付けてある。

モータとして構成した永久磁石同期機１を図１に横断面図で示す。この同期機は、円筒形固定子穴を備えた固定子２と、固定子穴内に配置される回転子３とを含み、回転子は回転軸線４を中心に回転可能に支承されている。回転子３は内部回転子である。固定子２は回転子３に向き合う内壁に６つのスロット５を有し、スロット間に各々歯６、７を備えている。外周に設けられた継鉄が歯６、７を相互に結合する。スロット５内に配置された３相巻線系８は合計３つの歯巻回コイル９を備えており、図１では各歯巻回コイルを異なるハッチングで明確にしている。

各歯巻回コイル９は１つの歯６を取り囲み、周方向で巻回歯６と非巻回歯７が交番している。各スロット５内に、単一の歯巻回コイル９の部分巻線のみが配置されている。つまりこれは単層歯巻回コイル９である。

スロット５はほぼ平行四辺形状の横断面を持つ。固定子２の内部に延びる２つのスロット側壁１０、１１は互いに平行である。回転子に向き合うスロット正面１２は、平らではなくて固定子穴の曲率半径に合せて曲げて構成されており、反対側のスロット底１３に対して近似的に平行性が与えられている。スロット正面１２は完全に開いている。このスロット形状の故に、巻回歯６と非巻回歯７は横断面形状が異なる。

平行なスロット側壁１０、１１と、開いたスロット正面１２とを備えた特殊なスロット形状から、歯巻回コイル９は予め仕上げられた成形コイルとして構成可能となり、簡単に固定子２に嵌め込むことができる。

こうして嵌め込んだ歯巻回コイル９の位置を固定すべく、溝付きプラスチック管１５の態様の閉鎖要素１４を設けており、これを図２の斜視図に示す。閉鎖要素は、歯６、７が摺着される個所に溝１６、１７を含み、溝の幅は穴壁にある歯６又は７の幅に相応して相互に異なる。

回転子３は８つの永久磁石１８を備える。このため、永久磁石同期機１の有効極対数ｐ_Nは４となる。即ちこの永久磁石同期機１は多極高調波機である。永久磁石１８の磁石幅ｂ_Mは巻回歯６の歯幅ｂ_Zにほぼ等しい。

各スロット５のスロット溝幅ｂ_Nは、円筒形固定子穴の円周を、有効極対数ｐ_Nの３倍で分割した値に等しい。それと共に、本実施例において穴直径Ｄが３７ｍｍのとき、スロット溝幅ｂ_Nは９．６８７ｍｍとなる。

永久磁石１８は回転子３上に、周面に均一に配設された合計８つの磁極１９が生じるように配置されている。１つの磁極１９に割り当てられる１つの極ピッチτ_Pは、円周角αの１つの角度範囲により形成されている。永久磁石１８は周方向でピッチτ_Pの全角度範囲にわたってではなく、１部ｘ×τ_Pにわたってのみ延びている。量ｘは極被覆を表し、１未満の値である。本実施例において極被覆ｘは４／５、即ち８０％である。

以下、永久磁石同期機１の作用様式と諸利点を詳しく説明する。

この同期機は、少ないスロット数（又はコイル数）と高い有効極対数ｐ_Nという従来知られていない組合せに基づいて特別高い利用率を示す。

低いスロット数は、歯巻回コイル９の使用と同様に、小さな構造寸法と安価な製造費にとり好ましい。更に、４と５の両方の極対数ｐは、優れた結果を与えることを見出した。

極対数ｐが１又は２と小さい場合、固定子２内に比較的大きな継鉄高さが必要であり、スロット横断面積は固定子２の総横断面積に対し小さくなる。このため比較的小さなスロットの銅による充填率が生じるだけである。更に、その場合コイル端が比較的大きい故、巻線係数が低くなる。低い巻線係数と低いスロット横断面積とから、巻線系８のオーム抵抗が高まる。それに対し極対数ｐが４又は５の場合、オーム抵抗は明確に小さい。

極対数ｐが７以上と高い場合、固定子２内で有意義なスロット溝幅ｂ_Nにおいて達成可能な電流密度ＩＢが減少する。同様に、永久磁石１８の磁石幅ｂ_Mが低下する。更に、高い周波数が現れ、そのため固定子２内での鉄損が増加する。これら全てのことから、４又は５の極対数ｐにおいて、本発明で認識した最適状態と比較して利用率が低下する。

それ故、本実施例では有効極対数ｐ_Nを４とする。スロット溝幅ｂ_Nと歯巻回コイル９の（中央）コイル幅とを変更することで、極対数ｐ＝４に支配的成分を有する固定子磁界を生成できる。

このように設計した固定子２について、図３の線図に電流密度ＩＢの推移を示し、これは巻線系８の歯巻回コイル９の内２つに刻印している。スロット溝幅ｂ_Nは１８°、コイル幅は５０°としている。上側の線図において、電流密度ＩＢは円周角αにわたってプロットし、下側の線図では極対数ｐにわたってプロットしている。下側線図の推移は、上側線図の推移からフーリエ変換によって算定したものである。下側線図から、有効極対数ｐ_Nとして予定される極対数ｐ＝４が支配的であることが明らかとなる。

動作中、永久磁石同期機１は不所望のトルクリプルを示すことがあり、その原因としては様々なことが考慮の対象となる。

一方で、永久磁石１８と歯６、７との間の磁気抵抗力がパーミアンスの周期的変動をもたらし、コギングを引き起こす。その結果、トルクは脈動トルク成分を含む。

本実施例で選択したスロット溝幅ｂ_Nの特殊な寸法設計により、有効極対数ｐ_Nに対する第３高調波におけるコギング、即ち極対数ｐ＝１２と、極対数ｐ＝１２のあらゆる整数倍におけるコギングを抑制できる。その際基礎となるのは、一般的に妥当する関係、
ｂ_N＝（Ｄ×π）／ｐ₀ （１）
であり、式中Ｄは固定子２の内側円筒形境界面の直径、ｐ₀はコギングを最初に抑制せねばならない極対数である。式（１）を応用し、スロット溝幅ｂ_Nを弧長として得られる。同様に、円周Ｄ×πに代えて、全円周に相応して３６０°の円周角を明示した式が可能である。その場合に得られるスロット溝幅ｂ_Nは、円周角切片として角度で明示される。

トルクリプルの原因には、コギングの他に、固定子２と回転子３との間に存在する空隙２０内での回転子磁界波と固定子磁界波との相互作用も含まれる。特別障害となるのは、空隙２０内に生じる空隙磁界の有効波に対する第５、第７高調波である。

固定子磁場の第５高調波と回転子磁場の第５高調波は空隙２０内で逆方向に回転し、その結果有効極対数ｐ_Nの６倍においてコギングを生じる。この成分を抑制するには、固定子磁場か回転子磁場のいずれかの第５高調波を小さく抑えれば足りる。抑制措置として考慮の対象となるのは、固定子磁場については第５高調波が僅かな巻線係数を有する巻線系８、回転子磁場については回転子磁場の低い第５高調波をもたらす極被覆である。本実施例では第２変更態様を選択した。極被覆ｘは値４／５で、正に回転子磁場の第５高調波を効果的に低減すべく選択した。

この永久磁石同期機１は高い利用率、安価な製造費および低いトルクリプルの他に、例えば外径４０又は７２ｍｍ等の極めて小さな外寸で実現し得ると言う利点を有する。それにも係らず、極めて高い６００Ｖ以上の電圧で動作可能である。歯巻回コイル９が各１つの非巻回歯７により空間的に分離されている故、高い固有電気絶縁が得られる。固定子２の単純な構造は、セグメント化および十分に自動化された作製に極めて適している。

それと共に、サーボモータの分野、しかし特に単純なモータ応用を含む幅広い利用分野が切り開かれる。

多極永久磁石同期機の実施例を横断面で示す。 図１の永久磁石同期機のスロット閉鎖要素を示す。 円周角と極対数とにわたってプロットした永久磁石同期機固定子内の電気装荷線図である。

符号の説明

１ 同期機、２ 固定子、３ 回転子、４ 回転軸線、５ スロット、６、７ 歯、８ 巻線系、９ 歯巻回コイル、１０、１１ スロット側壁、１２ スロット正面、１３ スロット底、１４ 閉鎖要素、１５ 管、１６、１７ 溝、１８ 永久磁石、１９ 磁極

Claims (9)

1. 永久磁石同期機であって、回転子（３）と固定子（２）とを有し、この固定子が、歯巻回コイル（９）で構成される３相巻線系（８）を含み、
   ａ）固定子（２）が合計３つ又は６つのスロット（５）を有し、スロットの間に各１つの歯（６、７）が形成されており、
   ｂ）スロット（５）内に合計３つの歯巻回コイル（９）が配置されており、各歯巻回コイルが３つの巻線相の１つに付設されており、
   ｃ）４又は５の有効極対数（ｐ_N）が設けられており、
   ｄ）回転子（３）が、周面に均一に配設される永久磁石（１８）の２倍の有効極対数（ｐ_N）を備えており、更に
   ｅ）スロット（５）が、電気絶縁性および非磁性の材料からなるスロット閉鎖要素（１４）で閉鎖されていて、該スロット閉鎖要素（１４）が溝付き管（１５）として構成されている
   ことを特徴とする永久磁石同期機。
2. 固定子（２）が合計６つのスロット（５）を有し、３つのうちの単一の歯巻回コイル（９）の巻線のみが各スロット（５）内に配置されており、巻回歯（６）と非巻回歯（７）が周方向で交互していることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期機。
3. 巻回歯（６）の歯幅（ｂ_Z）が、０．７５×ｂ_M＜ｂ_Z＜１．２５×ｂ_Mに従って寸法設計されており、式中、ｂ_Zは巻回歯（６）の歯幅、ｂ_Mは永久磁石（１８）の磁石幅であることを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石同期機。
4. 歯巻回コイル（９）が、予め仕上げられる成形コイルとして形成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の永久磁石同期機。
5. 歯巻回コイル（９）が複数の部分巻線からなる各１つの巻線を含み、各巻線は隣接する部分巻線が動作時に相互に僅かに異なる電位となるように構成されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の永久磁石同期機。
6. スロット（５）が、回転子（３）に向き合う開放構成された各１つの側（１２）を有することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の永久磁石同期機。
7. スロット（５）が、回転子（３）から離れるように延びて互いに平行に配置される各２つの側壁（１０、１１）を有することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の永久磁石同期機。
8. 回転子（３）上に永久磁石（１８）の極ピッチ（τ_P）の８０％の極被覆（ｘ）が設けられたことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の永久磁石同期機。
9. 固定子（２）が周面を備えて回転子（３）に向き合う円筒形境界面を有し、スロット（５）が各１つのスロット溝幅（ｂ_N）を有し、該スロット溝幅が、３倍の有効極対数（ｐ_N）によって分割された周面に等しいことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の永久磁石同期機。

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