JP5256801B2

JP5256801B2 - 電動機

Info

Publication number: JP5256801B2
Application number: JP2008071014A
Authority: JP
Inventors: 虎李; 祐一吉川; 浩村上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: KR101387884B1; US20090009019A1; JP2009033952A; US8970080B2; KR20090004451A; CN101340131B; CN101340131A

Description

本発明は、コギングトルクを低減した高出力の電動機に関する。

このようなコギングトルクを低減した電動機については、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。

特許文献１に開示されている電動機は、固定子鉄心がティース部とヨーク部に分割され、集中巻線されたティース部をヨーク部に嵌合させる構成となっている。このような構成によりスロットのコイル占積率を６０％以上にしている。さらに、ティース部先端間の隙間であるスロットオープンを０．５ｍｍ以下とすることで、カータ係数を大きくし、回転子に対する磁気抵抗の変化を小さくしている。そして、これによって、固定子損失を小さくでき、更にコギングトルクを半減できることが開示されている。

図１０は、特許文献１のような従来の電動機における、スロットオープン角／磁極角と誘起電圧およびコギングトルクとの関係を示す図である。ここで、図１０において、誘起電圧を実線で示し、コギングトルクを点線で示している。また、スロットオープン角／磁極角は、磁極角に対するスロットオープン角の割合を示す。

従来は、図１０に示すように、同一の磁極角であればスロットオープン角を小さくすれば、コギングトルクを低減できるという概念があった。そして、特許文献１においては、特にスロットオープンを０．５ｍｍ以下にしてコギングトルクを低減するという技術が開示されている。

また、特許文献２に記載の電動機は、薄板の鋼板を積層した一部である薄肉部によって各ステータの外周を連結するような構成となっている。このような構成により、占積率が向上でき、高出力、小形軽量化が可能となる。また、コギングトルクを抑制することができる。
特開平４−１０５５３０号公報特開２０００−２０９７９５号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の技術では、スロットオープンが小さくなる構成であることから、隣接するティース間で漏れ磁束が発生するという課題があった。さらに、これにより出力トルクが低減するという課題もあった。

このため、本発明は、以上のような問題を解決するものであり、コギングトルクを低く抑えながら、出力トルクを向上させる電動機を提供することを目的とする。

本願発明は、電動機であって、ヨーク、前記ヨークの内側方向に突出する複数の内側ティース、および前記ヨークの外側方向に突出する複数の外側ティースを有した固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回される巻線とを含む固定子と、前記内側ティースの先端の端面とギャップを介して対向し、前記固定子に対し回転自在に保持される内側回転子鉄心、および前記内側回転子鉄心に保持される複数の磁極を含む内側回転子と、前記外側ティースの先端の端面とギャップを介して対向し、前記固定子に対し回転自在に保持される外側回転子鉄心、および前記外側回転子鉄心に保持される複数の磁極を含む外側回転子とを備え、前記内側回転子の回転に起因する内側コギングトルクと前記外側回転子の回転に起因する外側コギングトルクとが反転した位相で打ち消しあうように、回転中心を中心として、隣接する内側ティースの互いの先端端面間のなす角度を内側スロットオープン角とし、前記内側回転子の磁極の円周方向両端のなす角度を内側磁極角とし、前記内側磁極角に対する前記内側スロットオープン角の割合を内側スロットオープン角／内側磁極角とし、隣接する外側ティースの互いの先端端面間のなす角度を外側スロットオープン角とし、前記外側回転子の磁極の円周方向両端のなす角度を外側磁極角として、前記外側磁極角に対する前記外側スロットオープン角の割合を外側スロットオープン角／外側磁極角としたとき、前記内側コギングトルクの振幅と前記外側コギングトルクの振幅とが同一値または最近似値となるように、前記内側スロットオープン角／内側磁極角と前記外側スロットオープン角／外側磁極角とを設定し、前記内側コギングトルクの振幅と前記外側コギングトルクの振幅とが同一値または最近似値になる組み合わせが複数あるとき、複数の前記組み合わせのうち、前記内側回転子の回転に起因する誘起電圧と前記外側回転子の回転に起因する誘起電圧との合成電圧値が最も高くなる組み合わせを選択する。

本発明によれば、前記内側回転子の回転に起因する内側コギングトルクと前記外側回転子の回転に起因する外側コギングトルクとが反転した位相で打ち消しあうように、隣接する内側ティースの互いの先端端面間のなす角度と前記内側回転子の磁極の円周方向両端のなす角度との比率、および隣接する外側ティースの互いの先端端面間のなす角度と前記外側回転子の磁極の円周方向両端のなす角度との比率を設定する構成であることから、内側コギングトルクと外側コギングトルクとが打ち消し合うようにして合成された合成コギングトルクとなるため、合成コギングトルクを低く抑えながら、出力トルクを向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電動機の断面を示す図である。

本実施形態に係る電動機は、固定子１１と外側回転子２１と内側回転子３１とにより構成される。

固定子１１は、固定子鉄心１５と固定子鉄心１５に巻回される巻線（図示せず）とを含む。固定子鉄心１５は、略環状のヨーク１２と、ヨーク１２から外側方向に突出する複数の外側ティース１３と、ヨーク１２から内側方向に突出する複数の内側ティース１４とを有している。ヨーク１２には、３相スターまたはデルタ状に結線された巻線（図示せず）が巻回されている。なお、巻線方式は、トロイダル式、集中巻方式、分布巻方式などのいずれであってもよい。

また、固定子鉄心１５において、ヨーク１２と、互いに隣接する外側ティース１３とで構成される外側スロットが複数形成される。同様に、ヨーク１２と、互いに隣接する内側ティース１４とで構成される内側スロットも複数形成される。

内側回転子３１は、内側ティース１４の先端の端面である内周面とギャップを介して対向し、固定子１１に対し回転自在に保持される内側回転子鉄心を有し、この内側回転子鉄心に保持される複数の磁極を含む。

また、内側回転子３１と外側回転子２１とは、互いに結合している。この結合方法は、接着剤やボルトなどを用いてもよく、樹脂でモールドしてもよい。そして、内側回転子３１および外側回転子２１は、このような接着剤やモールド剤などを介して回転軸１０と結合する。

内側回転子３１には、複数の磁石埋設孔３２が形成されており、この磁石埋設孔３２に磁極としての永久磁石３５が挿入されている。同様に、外側回転子２１には、複数の磁石埋設孔２２が形成されており、この磁石埋設孔２２に磁極としての永久磁石２５が挿入されている。このようにして、複数の磁極を含む内側回転子３１、および複数の磁極を含む外側回転子２１が構成される。

本実施形態に係る内側回転子３１は、鉄製の磁性薄板を複数枚厚さ方向に積層することにより構成される。同様に、外側回転子２１は、鉄製の磁性薄板を複数枚厚さ方向に積層することにより構成される。これにより、鉄塊により構成される回転子と比較して、効率を向上させている。

そして、内側のスロットオープン１７の内側スロットオープン角と内側磁極角との比率、および外側のスロットオープン１６の外側スロットオープン角と外側磁極角との比率を調整することで、内側回転子３１の回転に起因する内側コギングトルクと外側回転子２１の回転に起因する外側コギングトルクとを合成した合成コギングトルクを大幅に低減している。

なお、内側スロットオープン角は、回転軸１０の回転中心を中心として、隣接する内側ティース１４の互いの先端の端面間（スロットオープン１７）のなす角度である。内側磁極角は、回転軸１０の回転中心を中心として、内側回転子３１の磁極の円周方向両端部（永久磁石３５の円周方向両端）のなす角度である。また、外側スロットオープン角は、回転軸１０の回転中心を中心として、隣接する外側ティース１３の互いの先端の端面間（スロットオープン１６）のなす角度である。外側磁極角は、回転軸１０の回転中心を中心として、外側回転子２１の磁極の円周方向両端部（永久磁石２５の円周方向両端）のなす角度である。

本実施の形態は、これらの角度を調整することにより、コギングトルクを低減しながら、出力トルクを向上させている。

ここで、内側スロットオープン角と内側磁極角との比率、および外側スロットオープン角と外側磁極角との比率の調整について説明する。なお、これらの比率として、以下、内側磁極角に対する内側スロットオープン角の割合を内側スロットオープン角／内側磁極角とし、外側磁極角に対する外側スロットオープン角の割合を外側スロットオープン角／外側磁極角として説明する。

図２は内側スロットオープン角／内側磁極角とコギングトルクの振幅との関係を示す図であり、図３は外側スロットオープン角／外側磁極角とコギングトルクの振幅との関係を示す図である。また、図４は、内側スロットオープン角／内側磁極角とコギングトルクの振幅および誘起電圧との関係、ならびに、外側スロットオープン角／外側磁極角とコギングトルクの振幅および誘起電圧との関係を示す図である。なお、図２および図３に記載される＋記号と−記号とは位相の正負を表している。

図２に示すように、内側スロットオープン角／内側磁極角を変化させると、コギングトルクの振幅が波状に変化する。そして、このコギングトルクの振幅の波状の変化のうち、谷部の極小点を境界点として、コギングトルクの位相が反転する。

ここで、図２における内側回転子３１による内側コギングトルクの振幅と、図３における外側回転子２１による外側コギングトルクの振幅とを反転した位相、すなわち逆位相とし、それぞれを合成する。すると、それぞれのコギングトルクを打合せることができるため、その合成コギングトルクを低く抑えることができる。さらに、それぞれのコギングトルクの振幅を反転した位相で、同一値または最近似値にすると、内側回転子３１による内側コギングトルクと外側回転子２１による外側コギングトルクとを適切に打ち消し合わせることができ、合成コギングトルクを大幅に低減することができる。

すなわち、本実施の形態の電動機は、内側コギングトルクと外側コギングトルクとが反転した位相で打ち消し合うように、隣接する内側ティース１４の互いの先端端面間のなす角度と内側回転子３１の磁極の円周方向両端部のなす角度との比率、および隣接する外側ティース１３の互いの先端端面間のなす角度と外側回転子２１の磁極の円周方向両端部のなす角度との比率を設定している。さらに、このような設定において、内側コギングトルクの振幅と外側コギングトルクの振幅とが同一値または最近似値となるように、内側スロットオープン角／内側磁極角と外側スロットオープン角／外側磁極角とを設定している。

図２乃至図４で示す内側回転子および外側回転子の組み合わせでは、図４で示すように、内側回転子３１によるコギングトルクの振幅と外側回転子２１によるコギングトルクの振幅と、を反転した位相で、同一値とする点が存在しない。

このような場合には、内側回転子３１によるコギングトルクの振幅と外側回転子２１によるコギングトルクの振幅と、を反転した位相で、近似値とする複数点を選択する。例えば、図４で示すように、Ａ１とＢ１との組み合わせ、Ａ２とＢ２との組み合わせ、Ａ３とＢ３との組み合わせ、を選択する。

そして、これらの組み合わせのうち、内側回転子３１による誘起電圧と外側回転子２１による誘起電圧との合成電圧値が最も高い組み合わせを選択する。すなわち、Ａ１に対応する誘起電圧ＶＡ１とＢ１に対応する誘起電圧ＶＢ１との合成値と、Ａ２に対応する誘起電圧ＶＡ２とＢ２に対応する誘起電圧ＶＢ２との合成値と、Ａ３に対応する誘起電圧ＶＡ３とＢ３に対応する誘起電圧ＶＢ３との合成値と、を比較すると、Ａ２に対応する誘起電圧ＶＡ２とＢ２に対応する誘起電圧ＶＢ２との合成電圧値が最も高い値となる。したがって、この場合には、Ａ２とＢ２との組み合わせを選択する。このような組み合わせの値を選択することにより、出力トルクをさらに向上させることができる。

また、コギングトルクの大きさや誘起電圧の大きさは、回転子の径の大きさによって異なる。このため、図２乃至図４に示す電動機と異なる回転子の径を有する電動機では、図２乃至図４と異なる値が出力される。

図５は図２で示す内側回転子と異なる径の内側回転子の場合に関する内側スロットオープン角／内側磁極角とコギングトルクの振幅との関係を示す図であり、図６は図３で示す外側回転子と異なる径の外側回転子の場合に関する外側スロットオープン角／外側磁極角とコギングトルクの振幅との関係を示す図である。また、図７は、図４に示す内側回転子の径／外側回転子の径とは異なる内側回転子の径／外側回転子の径の場合に関する内側スロットオープン角／内側磁極角とコギングトルクの振幅および誘起電圧との関係、ならびに、外側スロットオープン角／外側磁極角とコギングトルクの振幅および誘起電圧との関係を示す図である。

図５乃至図７で示す内側回転子および外側回転子の組み合わせでは、図７に示すように、内側回転子３１によるコギングトルクの振幅と外側回転子２１によるコギングトルクの振幅と、を反転した位相で、同一値とする複数の点を選択する。例えば、図７で示すように、Ａ４とＢ４との組み合わせ、Ａ５とＢ５との組み合わせ、Ａ６とＢ６との組み合わせ、を選択する。

そして、これらの組み合わせのうち、内側回転子３１による誘起電圧と外側回転子２１による誘起電圧との合成電圧値が最も高い組み合わせを選択する。すなわち、Ａ４に対応する誘起電圧ＶＡ４とＢ４に対応する誘起電圧ＶＢ４との合成値と、Ａ５に対応する誘起電圧ＶＡ５とＢ５に対応する誘起電圧ＶＢ５との合成値と、Ａ６に対応する誘起電圧ＶＡ６とＢ６に対応する誘起電圧ＶＢ６との合成値と、を比較すると、Ａ５に対応する誘起電圧ＶＡ５とＢ５に対応する誘起電圧ＶＢ５との合成電圧値が最も高い値となる。したがって、この場合には、Ａ５とＢ５との組み合わせを選択する。このような組み合わせの値を選択することにより、出力トルクをさらに向上させることができる。

以上から、内側スロットオープン角／内側磁極角と外側スロットオープン角／外側磁極角とを調整し、内側回転子の回転に起因する内側コギングトルクの振幅と外側回転子の回転に起因する外側コギングトルクの振幅とを同一値または最近似値にすることにより、コギングトルクを低減しながら、出力トルクの向上を図ることができる。

次に、内側回転子３１および外側回転子２１を、鉄製の薄板を複数枚積層した構成とする理由について説明する。

図８は、鉄製の薄板を積層して構成した内側回転子と鉄塊により構成した内側回転子とのスロットオープン角／磁極角と効率との関係を示す図である。また、図９は、鉄製の薄板を積層して構成した外側回転子と鉄塊により構成した外側回転子とのスロットオープン角／磁極角と効率との関係を示す図である。なお、図８、図９において、破線は鉄塊の場合を示し、実線は薄板の場合を示している。また、図８においては、鉄塊により構成した内側回転子の効率を１とし、図９においては、鉄塊により構成した外側回転子の効率を１として表している。

図８に示すように、鉄製の薄板を積層して構成した内側回転子と鉄塊により構成した内側回転子とを比較すると、鉄製の薄板を積層して構成した内側回転子よりも高い効率となっている。そして、スロットオープン角／磁極角が０．１８以上において、鉄製の薄板を積層して構成した内側回転子と鉄塊により構成した内側回転子との効率の差が急激に開いている。

また、図９に示すように、鉄製の薄板を積層して構成した外側回転子と鉄塊により構成した外側回転子とを比較すると、鉄製の薄板を積層して構成した外側回転子よりも高い効率となっている。そして、スロットオープン角／磁極角が０．１８以上において、鉄製の薄板を積層して構成した外側回転子と鉄塊により構成した外側回転子との効率の差が急激に開いている。

以上から、内側回転子３１および外側回転子２１を鉄製の薄板を複数枚積層して構成することによって、鉄塊により構成される回転子と比較して、効率の向上を図ることができる。また、スロットオープン角／磁極角は０１８以上において、特に効率を向上させることができる。

なお、上述した実施形態においては、磁石が内側回転子および外側回転子に形成された複数の磁石埋設孔に挿入されて固定される構成を採用しているが、内側回転子および外側回転子の表面に貼り付けられて固定される構成を採用してもよい。

また、図１には、各１２個の内側外側ティースと、内側外側各２０個の磁極を備える構成を示しているが、この個数には限定されず、いずれの内側外側ティースの個数であってもよく、いずれの内側外側の磁極の個数であってもよい。

本発明に係る電動機は、ギングトルクを低減した高出力の電動機とすることができ、特に家電・電装用の電動機として有用である。

本発明の実施形態に係る電動機の断面を示す図内側スロットオープン角／内側磁極角とコギングトルクの振幅との関係を示す図外側スロットオープン角／外側磁極角とコギングトルクの振幅との関係を示す図内側スロットオープン角／内側磁極角とコギングトルクの振幅および誘起電圧との関係、ならびに、外側スロットオープン角／外側磁極角とコギングトルクの振幅および誘起電圧との関係を示す図内側スロットオープン角／内側磁極角とコギングトルクの振幅との関係の他の例を示す図外側スロットオープン角／外側磁極角とコギングトルクの振幅との関係の他の例を示す図内側スロットオープン角／内側磁極角とコギングトルクの振幅および誘起電圧との関係、ならびに、外側スロットオープン角／外側磁極角とコギングトルクの振幅および誘起電圧との関係の他の例を示す図鉄製の薄板を積層して構成した内側回転子と鉄塊により構成した内側回転子との、スロットオープン角／磁極角と効率との関係を示す図鉄製の薄板を積層して構成した外側回転子と鉄塊により構成した外側回転子との、スロットオープン角／磁極角と効率との関係を示す図従来の電動機における、スロットオープン角／磁極角と誘起電圧およびコギングトルクとの関係を示す図

１０回転軸
１１固定子
１２ヨーク
１３外側ティース
１４内側ティース
１５固定子鉄心
１６スロットオープン
１７スロットオープン
２１外側回転子
２２磁石埋設孔
２５永久磁石
３１内側回転子
３２磁石埋設孔
３５永久磁石

Claims

電動機であって、
ヨーク、前記ヨークの内側方向に突出する複数の内側ティース、および前記ヨークの外側方向に突出する複数の外側ティースを有した固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回される巻線とを含む固定子と、
前記内側ティースの先端の端面とギャップを介して対向し、前記固定子に対し回転自在に保持される内側回転子鉄心、および前記内側回転子鉄心に保持される複数の磁極を含む内側回転子と、
前記外側ティースの先端の端面とギャップを介して対向し、前記固定子に対し回転自在に保持される外側回転子鉄心、および前記外側回転子鉄心に保持される複数の磁極を含む外側回転子とを備え、
前記内側回転子の回転に起因する内側コギングトルクと前記外側回転子の回転に起因する外側コギングトルクとが反転した位相で打ち消しあうように、
回転中心を中心として、
隣接する内側ティースの互いの先端端面間のなす角度を内側スロットオープン角とし、前記内側回転子の磁極の円周方向両端のなす角度を内側磁極角とし、前記内側磁極角に対する前記内側スロットオープン角の割合を内側スロットオープン角／内側磁極角とし、
隣接する外側ティースの互いの先端端面間のなす角度を外側スロットオープン角とし、前記外側回転子の磁極の円周方向両端のなす角度を外側磁極角として、前記外側磁極角に対する前記外側スロットオープン角の割合を外側スロットオープン角／外側磁極角としたとき、
前記内側コギングトルクの振幅と前記外側コギングトルクの振幅とが同一値または最近似値となるように、前記内側スロットオープン角／内側磁極角と前記外側スロットオープン角／外側磁極角とを設定し、
前記内側コギングトルクの振幅と前記外側コギングトルクの振幅とが同一値または最近似値になる組み合わせが複数あるとき、
複数の前記組み合わせのうち、前記内側回転子の回転に起因する誘起電圧と前記外側回転子の回転に起因する誘起電圧との合成電圧値が最も高くなる組み合わせを選択する電動機。
前記内側回転子は、複数の磁性薄板を厚さ方向に積層して構成される請求項１に記載の電動機。
前記外側回転子は、複数の磁性薄板を厚さ方向に積層して構成される請求項１または２に記載の電動機。