JP5293984B1

JP5293984B1 - モータ

Info

Publication number: JP5293984B1
Application number: JP2012554550A
Authority: JP
Inventors: 俊行星; 賢司渡邊
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: WO2013098949A1; KR20140096389A; CN104011976B; EP2800247A4; US20140300212A1; EP2800247A1; US9172281B2; CN104011976A; KR101604936B1; JPWO2013098949A1

Abstract

【課題】コイルのターン数の自由度を大きくしつつ、生産性を向上できるようにする。
【解決手段】磁気的空隙Ｓを介して相対移動可能に対向配置された固定子１１０と可動子１２０を備えたモータ１００であって、可動子１２０は、ヨーク１２３と、ヨーク１２３から磁気的空隙Ｓ側に突出して設けられたティース１２４と、ティース１２４に巻き付けられた複数のコイル１２７と、を有し、複数のコイル１２７は、相対移動方向に連続して配置された同相且つ線径が同一である２つのコイル１２７を備えたコイル群を各相ごとに有し、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に対応するコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗは、相対移動方向のコイル幅Ｌ１が相対移動方向のティースピッチＴＰよりも大きな第１コイル１２７Ｕ１，１２７Ｖ１，１２７Ｗ１をそれぞれ有する。

Description

開示の実施形態は、交流モータに関する。

特許文献１には、同相コイルが３つ連続する３相電機子巻線に関し、特に２種の線径のコイルで巻くことで、占積率を低下させることなくコイルのターン数に自由度を持たせる技術が記載されている。このモータでは、電機子巻線が界磁磁石に対して相対移動する方向に順に配置された３つの同相コイルをそれぞれ第１コイル、第２コイル、第３コイルとし、第１、第３コイルの線径をＤ１、ターン数をＮ１、第２コイルの線径をＤ２、ターン数をＮ２とした場合に、Ｄ１＞Ｄ２且つＮ１＜Ｎ２、又は、Ｄ１＜Ｄ２且つＮ１＞Ｎ２とする。

特許第４３０４９９９号公報（第４頁、第１図、第３図）

上記従来技術では、コイルのターン数の自由度を大きくすることが可能だが、コイルごとに線径が異なることから連続する同相コイルの一筆巻きをすることができず、生産性が低下するという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、コイルのターン数の自由度を大きくしつつ、生産性を向上することが可能なモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、磁気的空隙を介して相対移動可能に対向配置された固定子と可動子を備えたモータであって、前記固定子及び前記可動子のいずれか一方は、ヨークと、前記ヨークから前記磁気的空隙側に突出して設けられた複数のティースと、前記複数のティースに巻線が巻き付けられて構成された複数のコイルと、を有し、前記複数のコイルは、前記相対移動方向に連続して配置された同相且つ線径が同一である複数の前記コイルを備えたコイル群を各相ごとに有し、前記コイル群は、前記相対移動方向のコイル幅が前記相対移動方向のティースピッチよりも大きく、かつ、前記巻線が前記相対移動方向にｍ列かつ前記相対移動方向に直交する直交方向にｎ段（但しｍ，ｎは整数）巻き付けられることによりｍ×ｎのターン数とした第１コイルと、前記相対移動方向のコイル幅が前記相対移動方向のティースピッチよりも小さく、かつ、前記巻線が前記相対移動方向にｐ列（但しｐはｍより小さな整数）かつ前記直交方向にｎ段巻き付けられることによりｐ×ｎのターン数とした第２コイルと、を有するモータが適用される。

本発明のモータによれば、コイルのターン数の自由度を大きくしつつ、生産性を向上することができる。

本実施形態に係るモータの構成を表す縦断面図である。モータの可動子のコイル配列構成を説明するための説明図である。従来のコイル構成の一例を説明するための説明図である。従来のコイル構成の一例を説明するための説明図である。従来のコイル構成の一例を説明するための説明図である。比較例のコイル構成の一例を説明するための説明図である。比較例のコイル構成の一例を説明するための説明図である。実施形態のコイル構成の一例を説明するための説明図である。実施形態のコイル構成の一例を説明するための説明図である。従来と実施形態のモータで得られる推力−速度特性を表す図である。変形例のモータの可動子のコイル配列構成を説明するための説明図である。変形例のモータの可動子のコイル配列構成を説明するための説明図である。

以下、一実施の形態について図面を参照して説明する。

＜モータの構成＞
本実施形態に係るモータ１００は、３相交流を用いたリニア同期モータである。図１では、モータ１００のスロットコンビネーションが５ポール６スロット（５Ｐ６Ｓ）である場合を一例として示している。図１に示すように、モータ１００は、磁気的空隙Ｓを介して相対移動可能に対向配置された固定子１１０と可動子１２０を備えている。

固定子１１０は、平板状のヨーク１１１と、ヨーク１１１上に相対移動方向（図１中左右方向）に一定間隔（マグネットピッチＭＰ）で配列された複数の永久磁石１１２とを有している。可動子１２０は、コア１２１と、このコア１２１を覆うように設けた例えば樹脂製の可動子ベース１２２とを有している。コア１２１は、ヨーク１２３及びこのヨーク１２３から磁気的空隙Ｓ側に突出して設けられたティース１２４からなる分割コア１２５が相対移動方向に一定間隔（ティースピッチＴＰ）で並列され、分割コア１２５の両端部にサブティース１２６が配置された構成となっている。なお、本実施形態ではコア１２１を分割構成としているが、一体構成としてもよい。

コア１２１の各ティース１２４間に形成される各スロットには、複数のコイル１２７が巻装されている。図２に示すように、スロットコンビネーションが５ポール６スロット（５Ｐ６Ｓ）であるモータ１００では、２つの同相のコイル１２７が相対移動方向（図２中左右方向）に連続して配置される。なお、図２に示すＵ、Ｖ、ＷはＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する各コイル１２７を示しており、これらと巻き方向が反対であるコイル１２７をそれぞれ−Ｕ、−Ｖ、−Ｗで図示している。

可動子１２０は、連続配置された２つの同相のコイル１２７を備えたコイル群を各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）ごとに有している。Ｕ相に対応するコイル群１２７Ｕは、相対移動方向に連続して配置された同相（Ｕ相）の２つのコイルである、第１コイル１２７Ｕ１と第２コイル１２７Ｕ２を備えている。第１コイル１２７Ｕ１は、コイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰ（＝ティースピッチＴＰ）よりも大きく、第２コイル１２７Ｕ２は、コイル幅Ｌ２がスロットピッチＳＰよりも小さい。また、これら第１コイル１２７Ｕ１と第２コイル１２７Ｕ２は、線径が同一である。なお、上記スロットピッチＳＰは、各分割コア１２５のヨーク１２３の相対移動方向の長さと同じである。

同様に、Ｖ相に対応するコイル群１２７Ｖは、相対移動方向に連続して配置された同相（Ｖ相）且つ線径が同一である、コイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰよりも大きな第１コイル１２７Ｖ１と、コイル幅Ｌ２がスロットピッチＳＰよりも小さな第２コイル１２７Ｖ２を備えている。また同様に、Ｗ相に対応するコイル群１２７Ｗは、相対移動方向に連続して配置された同相（Ｗ相）且つ線径が同一である、コイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰよりも大きな第１コイル１２７Ｗ１と、コイル幅Ｌ２がスロットピッチＳＰよりも小さな第２コイル１２７Ｗ２を備えている。

各相における第１コイルのコイル幅Ｌ１と第２コイルのコイル幅Ｌ２の和は、スロットピッチＳＰの２倍と略一致する。このような構成により、各相のコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗを相対移動方向に並べたときのコイル幅の配列関係が、図２に示すように「大・小」、「大・小」、「大・小」となり、各スロットに隙間なくコイル１２７を配列することが可能である。したがって、コイルの占積率が低下するのを防止できるので、モータ定数の低下を防止できる。

なお、図１に示すように、モータ１００は、図２に示すコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗを相対移動方向に３組備えているが、組数をこれに限定するものではない。また、この例では可動子１２０がコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗを有する構成としたが、可動子と固定子の対応関係を反対とし、固定子がコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗを有する構成としてもよい。

＜実施形態の効果＞
上記構成であるモータ１００は、コイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰ（＝ティースピッチＴＰ）よりも大きな第１コイル１２７Ｕ１，１２７Ｖ１，１２７Ｗ１を有する点が最大の特徴である。これにより得られる効果について、比較例を用いつつ以下に説明する。

３相交流等を用いる多相交流モータにおいて、ユーザの要求に合致した出力特性（推力−速度特性）を得るには、各相のコイルのターン数を適切な値に設定する必要がある。しかしながら、従来のモータではコイルのターン数の飛びが大きいという問題がある。例えば図３に示すように、２つの同相のコイルが連続して配置されるスロットコンビネーション（５Ｐ６Ｓ等）のモータにおいて、例えばスロットの高さを３０ｍｍ、スロットの幅（隣り合うティース同士の隙間）を６ｍｍとした場合、線径φＤ＝３ｍｍのときに各コイルのターン数は１０段×１列（１０ターン）となり、１相グループのトータルのターン数Ｎ＝１０ターン×２コイル＝２０ターンとなる。

占積率が略同一という条件でこれよりもターン数を増やす場合、例えば図４に示すように線径φＤ＝１．５ｍｍとすると、各コイルのターン数は２０段×２列（４０ターン）となり、１相グループのトータルのターン数Ｎ＝４０ターン×２コイル＝８０ターンとなる。また、例えば図５に示すように、線径φＤ＝１ｍｍとすると、各コイルのターン数は３０段×３列（９０ターン）となり、１相グループのトータルのターン数Ｎ＝９０ターン×２コイル＝１８０ターンとなる。このように、線径φＤを小さくするにつれターン数Ｎは４倍、９倍となってしまい飛びが大きいので、ユーザの要求に合致したターン数に設定するのが難しい。

そこで、２つの同相コイルの線径とターン数を変えることによって、中間的なターン数を得る場合について考える。この場合の構成を、図６及び図７に比較例として示す。例えば図６に示すように、第１コイル（図６中左側のコイル）の線径φＤ１＝３ｍｍ、第２コイル（図６中右側のコイル）の線径φＤ２＝１．５ｍｍとすると、第１コイルのターン数Ｎ１は１０段×１列（１０ターン）、第２コイルのターン数Ｎ２は２０段×２列（４０ターン）となり、トータルのターン数Ｎ＝１０ターン＋４０ターン＝５０ターンとなる。また例えば図７に示すように、第１コイル（図７中左側のコイル）の線径φＤ１＝１．５ｍｍ、第２コイル（図７中右側のコイル）の線径φＤ２＝１ｍｍとすると、第１コイルのターン数Ｎ１は２０段×２列（４０ターン）、第２コイルのターン数Ｎ２は３０段×３列（９０ターン）となり、トータルのターン数Ｎ＝４０ターン＋９０ターン＝１３０ターンとなる。このようにして中間的なターン数を得ることが可能となる。しかしながら、コイルごとに線径が異なるので、連続する同相コイルの一筆巻きをすることができず、生産性が低下するという問題がある。

そこで、本発明者らは、コイルの線径が制約され選択肢が少ない（例えば上記の例では、１ｍｍ≦φＤ≦３ｍｍの範囲では線径φＤ＝３ｍｍ、１．５ｍｍ、１ｍｍしか選択できない）ことに鑑みて鋭意研究開発を行った結果、各コイルのコイル幅ＬがスロットピッチＳＰ以内となるように設計するという技術的な常識を覆すことに想到し、初めて本実施形態の構成に想到した。すなわち本実施形態では、前述したように、連続配置された同相且つ線径が同一である複数（本実施形態では２）のコイルからなるコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗが、コイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰよりも大きなコイル１２７Ｕ１，１２７Ｖ１，１２７Ｗ１をそれぞれ有する構成とする。すなわち、コイル幅ＬがスロットピッチＳＰ以内という制約がない。

これにより、例えば上記の例ではさらに線径φＤ＝２ｍｍ又はφＤ＝１．２ｍｍのコイルを選択することが可能となり、コイルの線径の選択肢を増やすことができる。その結果、図８に示すように線径φＤ＝２ｍｍとした場合には、例えば第１コイル（図８中左側のコイル）のターン数Ｎ１は１５段×２列（３０ターン）、第２コイル（図８中右側のコイル）のターン数Ｎ２は１５段×１列（１５ターン）となり、トータルのターン数Ｎ＝３０ターン＋１５ターン＝４５ターンとなる。また図９に示すように、線径φＤ＝１．２ｍｍとした場合には、例えば第１コイル（図９中左側のコイル）のターン数Ｎ１は２５段×３列（７５ターン）、第２コイル（図９中右側のコイル）のターン数Ｎ２は２５段×２列（５０ターン）となり、トータルのターン数Ｎ＝７５ターン＋５０ターン＝１２５ターンとなる。このようにして中間的なターン数を得ることができるので、コイルのターン数の自由度を大きくすることができる。さらに、第１及び第２コイルの線径φＤを同一とすることができるので、連続する同相コイルの一筆巻きをすることが可能となり、生産性を向上できる。

以上の結果、本実施形態によれば、図１０に示すように中間的な出力特性（推力−速度特性）を得ることができるので、ユーザの要求に合致した出力特性を得ることが可能となる。

また、本実施形態では特に、２つの同相のコイルが連続して配置されるスロットコンビネーションのモータ１００に対して適用することで、後述する３つの同相のコイルが連続して配置されるモータに適用する場合に比べ、コイルの占積率の低下を防止し、モータ定数の低下を防止できる効果がある。

なお、上記図６及び図７で述べた第１及び第２コイルは特許請求の範囲に記載の第１及び第２コイルに相当せず、上記図２、図８及び図９で述べた第１及び第２コイルが特許請求の範囲に記載の第１及び第２コイルに相当する。

＜変形例＞
上記実施形態ではスロットコンビネーションが５ポール６スロット（５Ｐ６Ｓ）である場合を一例として説明したが、これに限定するものではない。同相のコイルが２個連続して配置されるスロットコンビネーションとしては、この他にも例えば７ポール６スロット（７Ｐ６Ｓ）や、１０ポール１２スロット（１０Ｐ１２Ｓ）、１４ポール１２スロット（１４Ｐ１２Ｓ）等があり、このようなモータに対しても適用可能である。

さらに、同相のコイルが２個連続して配置されるモータに限らず、同相のコイルが３個連続して配置されるスロットコンビネーションのモータにも適用することが可能である。同相のコイルが３個連続して配置されるスロットコンビネーションとしては、例えば８ポール９スロット（８Ｐ９Ｓ）や１０ポール９スロット（１０Ｐ９Ｓ）等がある。本変形例について、図１１及び図１２を用いて説明する。

図１１に示すように、本変形例のモータ１００では、３つの同相のコイル１２７が相対移動方向（図１１中左右方向）に連続して配置される。可動子１２０は、連続配置された３つの同相のコイル１２７を備えたコイル群を各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）ごとに有している。Ｕ相に対応するコイル群１２７Ｕは、相対移動方向に連続して配置された同相（Ｕ相）の３つのコイルである、第１コイル１２７Ｕ１と２つの第２コイル１２７Ｕ２を備えている。第１コイル１２７Ｕ１は、コイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰ（＝ティースピッチＴＰ）よりも大きく、第２コイル１２７Ｕ２は、第１コイル１２７Ｕ１の相対移動方向における両側にそれぞれ位置し、コイル幅Ｌ２がスロットピッチＳＰよりも小さい。また、これら第１コイル１２７Ｕ１と２つの第２コイル１２７Ｕ２は線径が同一であり、一筆巻きをすることが可能である。

Ｖ相に対応するコイル群１２７Ｖ及びＷ相に対応するコイル群１２７Ｗも、上記コイル群１２７Ｕと同様の構成を有している。

本変形例のように、同相のコイルが３個連続して配置されるモータにおいて、例えばコイル幅Ｌ２がスロットピッチＳＰよりも小さな第２コイル１２７Ｕ２，１２７Ｖ２，１２７Ｗ２の相対移動方向における両側にコイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰよりも大きな第１コイル１２７Ｕ１，１２７Ｖ１，１２７Ｗ１をそれぞれ配置する場合、各相のコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗを相対移動方向に並べたときのコイル幅の配列関係が「大・小・大」、「大・小・大」、「大・小・大」となり、寸法的な制約から配置が成立しない。

これに対し、図１１に示すように、コイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰよりも大きな第１コイル１２７Ｕ１，１２７Ｖ１，１２７Ｗ１の相対移動方向における両側にコイル幅Ｌ２がスロットピッチＳＰよりも小さな２つの第２コイル１２７Ｕ２，１２７Ｖ２，１２７Ｗ２をそれぞれ配置することで、各相のコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗを相対移動方向に並べたときのコイル幅の配列関係が「小・大・小」、「小・大・小」、「小・大・小」となり、寸法的に配置が成立する。したがって、同相コイルが３つ連続するスロットコンビネーションのモータにおいて、コイルのターン数の自由度を大きくしつつ生産性を向上できるモータを実現できる。

また、図１２に示すモータ１００では、Ｕ相に対応するコイル群１２７Ｕは、コイル幅Ｌ１がスロットピッチＳＰよりも大きな第１コイル１２７Ｕ１と、この第１コイル１２７Ｕ１の相対移動方向における一方側（この例では図１２中右側。図１２中左側としてもよい）に配置された、コイル幅Ｌ２がスロットピッチＳＰよりも小さな２つの第２コイル１２７Ｕ２とを有している。これら第１コイル１２７Ｕ１と２つの第２コイル１２７Ｕ２は線径が同一であり、一筆巻きをすることが可能である。また、Ｖ相に対応するコイル群１２７Ｖ及びＷ相に対応するコイル群１２７Ｗも、上記コイル群１２７Ｕと同様の構成を有している。

本変形例によっても、各相のコイル群１２７Ｕ，１２７Ｖ，１２７Ｗを相対移動方向に並べたときのコイル幅の配列関係が「大・小・小」、「大・小・小」、「大・小・小」あるいは「小・小・大」、「小・小・大」、「小・小・大」となり、寸法的に配置が成立する。したがって、同相コイルが３つ連続するスロットコンビネーションのモータにおいて、コイルのターン数の自由度を大きくしつつ生産性を向上できるモータを実現できる。

なお、以上では、モータ１００がリニア同期モータである場合を一例として説明したが、これに限らず、リニア誘導モータにも適用することが可能である。さらにリニアモータに限らず、回転型のモータに適用してもよい。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１００モータ
１１０固定子
１２０可動子
１２３ヨーク
１２４ティース
１２７コイル
１２７Ｕ，Ｖ，Ｗコイル群
１２７Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１第１コイル
１２７Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２第２コイル
Ｌ１，Ｌ２コイル幅
Ｓ磁気的空隙
ＴＰティースピッチ

Claims

磁気的空隙を介して相対移動可能に対向配置された固定子と可動子を備えたモータであって、
前記固定子及び前記可動子のいずれか一方は、
ヨークと、
前記ヨークから前記磁気的空隙側に突出して設けられた複数のティースと、
前記複数のティースに巻線が巻き付けられて構成された複数のコイルと、
を有し、
前記複数のコイルは、
前記相対移動方向に連続して配置された同相且つ線径が同一である複数の前記コイルを備えたコイル群を各相ごとに有し、
前記コイル群は、
前記相対移動方向のコイル幅が前記相対移動方向のティースピッチよりも大きく、かつ、前記巻線が前記相対移動方向にｍ列かつ前記相対移動方向に直交する直交方向にｎ段（但しｍ，ｎは整数）巻き付けられることによりｍ×ｎのターン数とした第１コイルと、
前記相対移動方向のコイル幅が前記相対移動方向のティースピッチよりも小さく、かつ、前記巻線が前記相対移動方向にｐ列（但しｐはｍより小さな整数）かつ前記直交方向にｎ段巻き付けられることによりｐ×ｎのターン数とした第２コイルと、
を有することを特徴とするモータ。
前記コイル群は、
１つの前記第１コイルと１つ若しくは２つの前記第２コイルとを１組として、前記相対移動方向にｋ組（但しｋは整数）配設した
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
前記第１コイルと前記第２コイルの前記コイル幅の和は、前記ティースピッチの２倍と略一致する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ。
前記第２コイルは、
前記第１コイルの前記相対移動方向における両側に２つ設けられている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ。
前記第２コイルは、
前記第１コイルの前記相対移動方向における一方側に、２つ設けられている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ。