JP5516068B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、高回転で運転が必要な家電用、産業用、自動車用等の永久磁石ブラシレスモータである回転電機に関する。

従来、製造が容易である観点から一般的に集中巻き電機子を備えるモータが採用されている。しかしながら集中巻きモータは、巻線ピッチが小さく起電圧が歪み易いことから騒音が生じる。この騒音は特に自動車用のブラシレスモータで顕著ある。これに対して所謂分布巻きモータを採用すると騒音が解消できることが古くから知られている。分布巻きモータとしては例えば特許文献１に記載のものがある。

特開２００７−２９５７６４号公報

しかし、上述の分布巻きモータは集中巻きモータに比べて、コイルエンド部の導線周回部分が増加して巻線抵抗値が大きくなることから、モータを高回転で運転する際の弱め界磁制御が効きにくく、図１にトルクと回転数との関係を示す線Ｌ１で示すように回転数を稼ぐことが困難であった。また、線Ｌ２で集中巻きモータのトルクと回転数との関係を示す。分布巻きモータが弱め界磁制御が効き難い理由は、巻線抵抗値が大きいのでモータ自体の電圧降下が大きく、このためモータの端子間に十分な電圧を印加できず、回転子の永久磁石磁束に対抗する反作用磁束を生成することが不十分であり、逆起電圧を抑えることができないといったことによる。逆起電圧は、磁束強さと磁束変化速度に比例することは言うまでもない。つまり、従来の分布巻きモータでは、反作用磁束を十分に生成することができず、このため逆起電圧を抑制することができないのでモータ回転数を増加させることができないという問題がある。

特に自動車用モータでは、駆動電源は車載の鉛蓄電池であり一般に１２Ｖと電圧が低く一層問題を深刻化している。少ない電圧でも十分に反作用磁束を生成させるために巻線の自己インダクタンスを大きくする設計を行えばよい。しかし、上記特許文献１では電機子ティースの先端形状を種々工夫しており、漏れ磁束防止のための非磁性材の記載はあるものの、回転子との関係は一切開示されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、反作用磁束を十分に生成することができ、これによって逆起電圧を抑制してモータ回転数を増加させることができる回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、円環状を成し、当該円環状の外周部分のヨークと、このヨークから径方向に独立して延びる複数のティースと、これらティース間のスロットとを有する電機子と、この電機子の内周側に所定の空隙を介して配設された回転子とを有する分布巻きの回転電機において、前記電機子の反作用磁束が、前記回転子の側よりも前記電機子の隣接するティースの側に流れやすく、また、前記回転子の磁極の主磁束が、前記隣接するティースの側よりも前記電機子のヨークの側に流れやすい磁気抵抗を有することを特徴とする。

この構成によれば、電機子の反作用磁束が、前記回転子の側よりも前記電機子の隣接するティースの側に流れやすく、また、前記回転子の磁極の主磁束が、前記隣接するティースの側よりも前記電機子のヨークの側に流れやすい磁気抵抗を有するようにした。言い換えれば、電機子反作用磁束の回転子側への磁気抵抗よりも隣接するティース側への磁気抵抗が小さく、また、回転子主磁束の隣接するティース側への磁気抵抗よりも電機子のバックヨーク側への磁気抵抗が小さい構成とした。

これによって、電機子の反作用磁束が回転子側に流れにくくなり電機子自体の導線を最短磁路で鎖交することができる。即ち、少ない電流（電圧）でも自己導線に鎖交する磁束を十分に発生させることができ（即ち自己インダクタンスを増大することができ）、回転が発生し電機子導線に鎖交しようとする主磁束を打ち消すことができるので、逆起電圧を小さくできて回転数を上昇させることができる。更には、回転子の主磁束の電機子巻線への鎖交数を減らすことなく反作用磁束のみを増強させることができ、これによって低速トルクの維持と回転数上昇を両立することができる。

請求項２に記載の発明は、前記回転子の前記電機子に対向する周面の一部に永久磁石が露出した磁極を備えると共に、前記電機子のティースの前記回転子側の先端部に周方向両側に突出した鍔部を更に備え、前記鍔部の半径方向の厚みが前記空隙の距離の２倍以上であり、隣接する鍔部間の間隔が前記空隙の距離以下であることを特徴とする。

この構成によれば、効果的且つ基本性能を損ねることなく、プレス型のみの変更で最適に回転子側への磁気抵抗よりも、鍔部を介して隣接するティースへ周回する磁路の磁気抵抗を小さくすることができる。

請求項３に記載の発明は、前記ティースの最も細い部分の寸法よりも、当該鍔部の半径方向の厚みが大きいことを特徴とする。

この構成によれば、自己インダクタンスをより一層効果的に増強することができる。

請求項４に記載の発明は、前記鍔部における隣接する鍔部同士の間隔は、前記電機子の鉄心を積層構成する電磁鋼板の板厚よりも大きいことを特徴とする。

この構成によれば、電機子巻線の反作用磁束が回転子側に流れようとすることを抑止することができ、効果的に自己インダクタンスを増強することができる。

請求項５に記載の発明は、前記ティースの鍔部の総数ｇは、前記電機子に巻回される電機子巻線の相数をｍ（ｍは３以上の整数）、前記回転子の磁極数を２ｐ（ｐは自然数）個、１極１相当りのティース数をｎ（ｎは自然数）とすると、ｇ＝２ｐ×ｍ×ｎ×２であることを特徴とする。

この構成によれば、設計ルールを定式化でき誰でも容易に所望の特性を得るモータを設計することができる。またモータの品質を均一化することができる。

請求項６に記載の発明は、前記ティースは、前記ヨークの側が広く前記鍔部の側が狭い台形状を成すことを特徴とする。

近年、モータの装荷を大きくするために導線を平角断面を備えるものを採用する機会が増えている。この際には電機子のティースをこのように台形状、即ち導線収容スロットを長方形状にすることが多いが、その際の鍔部の設計ルールを本構成で明確化することができる。

請求項７に記載の発明は、前記永久磁石は希土類磁石であることを特徴とする。

この構成によれば、フェライト磁石などよりも起磁力の強い希土類磁石にも少ない電流で効果的に弱め界磁効果を如実に実現することが可能となり、回転電機の小型化と高速回転化とを、特殊な制御を用いることなく成立することができる。

請求項８に記載の発明は、前記電機子に装着される電機子巻線は、当該電機子の複数のスロットの内、所定の２スロットに挿入され、この挿入側の反対側から突き出た所定の突出端同士が接合されるＵ字状のセグメント導体であり、このセグメント導体は前記２ｐ×ｍ×ｎ×ｋ（ｋは自然数）個備えられることを特徴とする。

この構成によれば、上記請求項１〜６を実現すると必然的に電機子のスロットの開口部がスロットに収容する導線の線サイズよりも小さくなってしまう。その際に巻線を容易に装着するために本請求項８の如く構成することで電機子の製造が容易となる。

請求項９に記載の発明は、前記セグメント導体は平角断面であることを特徴とする。

この構成によれば、電機子への巻線の巻回数を増大することができる。

従来の分布巻きモータ及び集中巻きモータと、本発明の分布巻きモータとのトルクと回転数との関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の同軸配置された電機子鉄心と回転子の構成を示す径方向断面図である。 本実施形態の回転電機の電機子の特徴部分の拡大図である。 ティース先端の鍔部の厚みａと電機子鉄心と回転子との空隙距離ｄとの比ａ／ｄと、電機子巻線の１相の自己インダクタンスとの関係を示す図である。 ティース先端の鍔部間隔距離ｂと電機子鉄心と回転子との空隙距離ｄとの比ｂ／ｄと、電機子巻線の１相の自己インダクタンスとの関係を示す図である。 ティース最細部寸法ｃと鍔部厚みａとの比ｃ／ａと、電機子巻線の１相の自己インダクタンスとの関係を示す図である。 導体セグメントの構成を示す斜視図である。 図７に示す導体セグメントを電機子鉄心に巻回した構成を示す一部斜視図である。 電機子と回転子磁極との間で流れる鎖交磁束φ１及び漏れ磁束φ２を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図２は、本発明の実施形態に係る回転電機の同軸配置された電機子鉄心と回転子の構成を示す径方向断面図である。図２には、電機子の円環状の電機子鉄心１と、この電機子鉄心１の内周側に所定ギャップを介して配置された回転子２とを示す。なお、電機子鉄心１に巻回される巻線は省略してある。

電機子鉄心１の内周側にギャップを介して配置される回転子２は、ステンレスなどの非磁性材による回転軸３１に挿通されており、外周側に周方向に一定間隔で５個の永久磁石２１が配設され、この永久磁石２１の間が軟磁性材による疑似極２２となっている。いわゆるコンシクエントポール型のものを事例にしている。

電機子鉄心１は、外周辺部分のヨーク１１と、このヨーク１１から半径方向に内周側に向い独立に突き出た６０個のティース１２とを備え、各ティース１２の間には巻線を収容する６０個のスロット１３が構成されている。つまり、磁極数が１０、１極１相のティース数が２、巻線相数が３であるから、１０×２×３＝６０のティース１２となっている。

更に、電機子鉄心１の詳細図である図２に示すように、ティース１２は、ヨーク１１との付根から回転軸３１方向に向かうに従い細くなっており、この細くなった先端部が周方向両側に所定長さ突き出て長方形状の幅広の鍔部１５となっている。この隣接する鍔部１５同士の間隔距離（以降、鍔部間隔距離と称す）をｂとする。また、ａは鍔部１５の半径方向の厚み（以降、鍔部厚みと称す）、ｃはティース１２の最も幅が細い部分の寸法（以降、ティース最細部寸法と称す）、ｄは回転子２の磁極と電機子鉄心１との空隙距離を示す。

図４に線Ｌ２で、空隙距離ｄと鍔部厚みａとの比ａ／ｄと、ａ／ｄ＝１．０の時の電機子巻線の１相の自己インダクタンスを１．０とした時のａ／ｄに対する自己インダクタンスの変化を相対的に示す。ａ／ｄを増大させてゆくと鍔部１５の磁気飽和が緩和されてゆき自己インダクタンスが単調に増加してゆく。ａ／ｄ＝２．０で自己インダクタンスが約１．３５倍になる。これにより電機子巻線に同じ電流値を流しても反作用磁束が約１．３５倍になる。この結果、モータとして回転子磁極の主磁束の影響を弱めることができ、モータ自体の巻線に鎖交する磁束を低減することができるので逆起電圧の上昇を抑制し、回転数を増大することができる。

つまり、本発明の分布巻きモータでは、図１に線Ｌ４で示すように、従来の分布巻きモータＬ１及び集中巻きモータＬ２に比べて高回転まで回転数を上昇させることができる。これは集中巻きに匹敵する。但し、線Ｌ４は、ａ／ｄ＝２．０を適用した際の本発明の分布巻きモータの回転数−トルク特性を示す。

なお、ａ／ｄを２．０以上に設定することも可能だが、大きくしすぎるとスロット面積が犠牲になり巻線抵抗が増大するので各々の目的に応じて設計するのが望ましい。低速では、巻線係数が大きいので同じ体格であれば分布巻きの方が集中巻きよりもトルクが大きく出る。そこで、例えば磁気回路を回転軸方向に短縮してトルク特性を合わせ込めば、主磁束が減り、一層逆起電圧を抑制でき、高回転化が可能となる。つまり、磁気回路を回転軸方向に短縮することにより磁石の表面積を減少させると、これによって磁束量が減少するのでモータが発生する内部電圧が減少し、この内部電圧と印加電圧との差分が大きくなってその分モータに電流が多く流れ、これによって、より回転数が高くなる。

次に、図５に線Ｌ５で、鍔部間隔距離ｂと、回転子２と電機子鉄心１との空隙距離ｄとの比に対する自己インダクタンスの変化の様子を示す。鍔部間隔距離ｂは空隙距離ｄを超えると、即ちｂ／ｄが１．０を超えると、著しく自己インダクタンスが低下してしまうので、鍔部間隔距離ｂは空隙距離ｄより小さく設計することが望ましい。しかし、一般的に電機子鉄心１は薄い電磁鋼板をプレスで所望の形状に打ち抜いて複数枚積層して製作するので、鍔部間隔距離ｂは電磁鋼板の板厚より大きいことも製造上要求される。これは、鍔部間隔距離ｂが電磁鋼板の板厚より小さいとプレスで打ち抜き難くなるため、製造工数が嵩むからである。つまり、鍔部間隔距離ｂを電磁鋼板の板厚より大きくすることでプレスで打ち抜き易くなるので、製造工数を削減することができる。

更に、図３に破線矢印Ｙ１で示すように鍔部１５を通る磁路は、隣接するティース１２及びヨーク１１を周回するので、ティース最細部寸法ｃよりも鍔部厚みａを太く設計することが望ましい。これは、鍔部１５で磁気飽和を起こさないためである。つまり、図６に線Ｌ６で示すように、ｃ／ａが１．０を超えない範囲では鍔部１５が磁路中で最も幅が狭く鍔部１５が自己インダクタンスの支配要因なのでｃ／ａに対して変化が大きいが、ｃ／ａが１．０を超えると、磁路中で最も幅が狭くなるのはティース最細部寸法ｃなので鍔部厚みａを大きくしても自己インダクタンスの変化は小さくなる。

また、このような設計をするとスロット１３の開口部、即ち鍔部間隔距離ｂが導線径よりも小さくなり、スロット１３の開口部から（本実施形態では電機子鉄心１の内周側から）導線を挿入することが困難になる。

そこで、図７に示す略Ｕ字状のセグメントコンダクタ（セグメント導体）３を、図８に示すように、電機子鉄心１の軸方向（図２の紙面垂直方向）から挿入し、これによって電機子鉄心１を貫通して反対側から突き出たセグメントコンダクタ３を周方向に所定角度だけ曲げて所定のもの同士を隣接させ、この隣接するコンダクタ同士を溶接接合３１する。同様に全てのスロット導体を挿入、曲げ、溶接して電機子巻線を構成する。これによってコイルエンドが整列されてコンパクトに収めることができる。また、この様に製造すれば容易に製造可能となる。更に、この場合、導線断面を略平角状にすれば電気装荷を極大化することができる。

ここで、図９を参照して回転子磁極の主磁束の流れについて考察する。但し、図９には、主磁束からの電機子鉄心１へ鎖交する磁束（鎖交磁束）φ１と、主磁束が隣接するティース１２を通って鎖交せずに回転子２の反対極（この場合は疑似極２２）に戻る漏れ磁束φ２について記載している。

漏れ磁束φ２は、回転子２と電機子鉄心１の空隙ｄの部分以外に、鍔部間隔ｂを２か所通らなければならない。しかし、鎖交磁束φ１は電機子鉄心１のバックヨーク１１を通って疑似極２２に戻るので、通過するのは回転子２と電機子鉄心１の空隙ｄのみであり、このため圧倒的に磁気抵抗は鎖交磁束φ１の磁路の方が小さい。

即ち、漏れ磁束φ２を極小化することで低回転時のトルクを低下させることを抑制可能である。逆にいえば、隣接する鍔部１５を磁性体で繋いでしまうと漏れ磁束φ２が劇的に上昇し、性能低下を招いてしまう。つまり鍔部１５の間には適度な隙間ｂ（非磁性部）が必要となる。この設計適量は、電機子鉄心１の積層鋼板の素板の板圧以上、回転子２と電機子鉄心１との空隙長ｄ以下程度が目安となる。

本実施形態では、所謂コンシクエントポール型モータに適用した例を示したが、もちろん疑似極２２を使用しない表面磁石型モータ（所謂ＳＰＭ）に適用しても同様の効果を呈することは言うまでもない。

以上のような本実施形態の分布巻きの回転電機は、円環状を成し、当該円環状の外周部分のヨーク１１と、このヨーク１１から径方向に独立して延びる複数のティース１２と、これらティース１２間のスロット１３とを有する電機子鉄心１を用いた電機子と、この電機子の内周側に所定の空隙を介して配設された回転子２とを有する。

本実施形態の特徴は、電機子の反作用磁束が、回転子２の側よりも電機子の隣接するティース１２の側に流れやすく、また、回転子２の磁極の主磁束が、隣接するティース１２の側よりも電機子のヨーク１１の側に流れやすい磁気抵抗を有するように構成した。言い換えれば、電機子反作用磁束の回転子２側への磁気抵抗よりも隣接するティース１２側への磁気抵抗が小さく、また、回転子主磁束の隣接するティース１２側への磁気抵抗よりも電機子１のヨーク１１側への磁気抵抗が小さい構成とした。

この構成によって、電機子の反作用磁束が回転子２側に流れにくくなり電機子自体の導線を最短磁路で鎖交することができる。即ち、少ない電流（電圧）でも自己導線に鎖交する磁束を十分に発生させることができ（即ち自己インダクタンスを増大することができ）、回転が発生し電機子導線に鎖交しようとする主磁束を打ち消すことができるので、逆起電圧を小さくできて回転数を上昇させることができる。更には、回転子２の主磁束の電機子巻線への鎖交数を減らすことなく反作用磁束のみを増強させることができ、これによって低速トルクの維持と回転数上昇を両立することができる。

また、回転子２の電機子に対向する周面の一部に永久磁石２１が露出した磁極を備えると共に、電機子のティース１２の回転子２側の先端部に周方向両側に突出した鍔部１５を更に備え、鍔部１５の半径方向の厚みが空隙の距離の２倍以上であり、隣接する鍔部１５間の間隔が空隙の距離以下である構成とした。

この構成によって、効果的且つ基本性能を損ねることなく、プレス型のみの変更で最適に回転子２側への磁気抵抗よりも、鍔部１５を介して隣接するティース１２へ周回する磁路の磁気抵抗を小さくすることができる。

また、ティース１２は、ヨーク１１に接合する根元から鍔部１５に向かって細くなる形状で伸び、この形状の最も細い部分の寸法よりも、当該鍔部１５の半径方向の厚みが大きい構成とした。この構成によって、自己インダクタンスをより一層効果的に増強することができる。

また、鍔部１５における隣接する鍔部１５同士の間隔は、電機子の鉄心を積層構成する電磁鋼板の板厚よりも大きい構成とした。この構成によって、電機子巻線の反作用磁束が回転子２側に流れようとすることを抑止することができ、効果的に自己インダクタンスを増強することができる。

また、ティース１２の鍔部１５の総数ｇは、電機子に巻回される電機子巻線の相数をｍ（ｍは３以上の整数）、回転子２の磁極数を２ｐ（ｐは自然数）個、１極１相当りのティース１２数をｎ（ｎは自然数）とすると、ｇ＝２ｐ×ｍ×ｎ×２である構成とした。この構成によって、設計ルールを定式化でき誰でも容易に所望の特性を得るモータを設計することができる。またモータの品質を均一化することができる。

また、ティース１２は、ヨーク１１の側が広く鍔部１５の側が狭い台形状を成す構成とした。近年、モータの装荷を大きくするために導線を平角断面を備えるものを採用する機会が増えている。この際には上記構成のように、電機子のティース１２をこのように台形状、即ち導線収容スロット１３を長方形状にすることが多いが、その際の鍔部１５の設計ルールを本構成で明確化することができる。

また、永久磁石２１は希土類磁石である。これによって、フェライト磁石などよりも起磁力の強い希土類磁石にも少ない電流で効果的に弱め界磁効果を如実に実現することが可能となり、回転電機の小型化と高速回転化とを、特殊な制御を用いることなく成立することができる。

また、電機子に装着される電機子巻線は、当該電機子の複数のスロット１３の内、所定の２スロット１３に挿入され、この挿入側の反対側から突き出た所定の突出端同士が接合されるＵ字状のセグメント導体であり、このセグメント導体は２ｐ×ｍ×ｎ×ｋ（ｋは自然数）個備えられる。これによって、前述の構成を実現すると必然的に電機子のスロット１３の開口部がスロット１３に収容する導線の線サイズよりも小さくなってしまう。その際に巻線を容易に装着するために本構成の如くすることで電機子の製造が容易となる。

更に、セグメント導体は平角断面とする。これによって、電機子への巻線の巻回数を増大することができる。

１ 電機子鉄心
２ 回転子
３ セグメントコンダクタ
１１ ヨーク
１２ ティース
１３ スロット
１５ 鍔部
２１ 永久磁石
２２ 疑似極
３１ 回転軸
ａ 鍔部厚み
ｂ 鍔部間隔距離
ｃ ティース最細部寸法
ｄ 回転子と電機子鉄心との空隙距離

Claims (9)

1. 円環状を成し、当該円環状の外周部分のヨークと、このヨークから径方向に独立して延びる複数のティースと、これらティース間のスロットとを有する電機子と、この電機子の内周側に所定の空隙を介して配設された回転子とを有する分布巻きの回転電機において、
   前記電機子の反作用磁束が、前記回転子の側よりも前記電機子の隣接するティースの側に流れやすく、また、前記回転子の磁極の主磁束が、前記隣接するティースの側よりも前記電機子のヨークの側に流れやすい磁気抵抗を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記回転子の前記電機子に対向する周面の一部に永久磁石が露出した磁極を備えると共に、前記電機子のティースの前記回転子側の先端部に周方向両側に突出した鍔部を更に備え、
   前記鍔部の半径方向の厚みが前記空隙の距離の２倍以上であり、隣接する鍔部間の間隔が前記空隙の距離以下であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ティースの最も細い部分の寸法よりも、当該鍔部の半径方向の厚みが大きいことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記鍔部における隣接する鍔部同士の間隔は、前記電機子の鉄心を積層構成する電磁鋼板の板厚よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
5. 前記ティースの鍔部の総数ｇは、前記電機子に巻回される電機子巻線の相数をｍ（ｍは３以上の整数）、前記回転子の磁極数を２ｐ（ｐは自然数）個、１極１相当りのティース数をｎ（ｎは自然数）とすると、ｇ＝２ｐ×ｍ×ｎ×２であることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
6. 前記ティースは、前記ヨークの側が広く前記鍔部の側が狭い台形状を成すことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
7. 前記永久磁石は希土類磁石であることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
8. 前記電機子に装着される電機子巻線は、当該電機子の複数のスロットの内、所定の２スロットに挿入され、この挿入側の反対側から突き出た所定の突出端同士が接合されるＵ字状のセグメント導体であり、このセグメント導体は前記２ｐ×ｍ×ｎ×ｋ（ｋは自然数）個備えられることを特徴とする請求項５記載の回転電機。
9. 前記セグメント導体は平角断面であることを特徴とする請求項８に記載の回転電機。

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