JP5609015B2

JP5609015B2 - 回転機

Info

Publication number: JP5609015B2
Application number: JP2009136151A
Authority: JP
Inventors: 英樹大口; 鳥羽　章夫; 章夫鳥羽
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: JP2010284021A

Description

本発明は、固定子と所定の空隙を有して対向して回転する回転子とを備えた同期電動機等の回転機に関する。

この種の回転機としては、図９に示すように、ヨーク１００の内周面に磁極数に応じた多角筒内面１０１を等間隔に互いに隣接して形成し、この多角筒内面１０１の中央部に内方に突出する磁極ティース１０２を形成することにより、磁極ティース１０２間に励磁コイルを巻装するスロット１０３を形成するようにしている。
通常、回転機の設計では、トルクの線形性を高くたもつために磁気飽和が強く生じないように磁極ティースやヨークの厚みを決定するようにしている。

このようなトルクの線形性を高く保つために、従来、磁極ティースの先端部に形成されたスロット開口の寸法をＳとし、磁極ティース幅をＢ、スロットピッチをＰ、ティース付根部高さをＨとした時、Ｂ／Ｐ＝０．５〜０．７の範囲のもので、Ｈ／Ｐ＝０．０８〜０．１２とし、Ｓ／Ｐ＝０．０１〜０．０３と設定するようにした同期型モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１５３８８６号公報

しかしながら、近年益々回転機の小型化が要求されており、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、スロット開口寸法Ｓ、磁極ティース幅Ｂ、スロットピッチＰ及びティース付根高さＨとの関係を定義することにより、コギングトルクの悪化を抑制してトルク線形性を高めるようにしているので、小型化の要求には応えることができないという未解決の課題がある。

すなわち、小型化を実現するための１つの方法として、ヨークの厚みを減らして固定子外径を小さくすることが考えられる。この場合、誘起電圧が低下しないように励磁コイルの巻数を一定とするとき、図９に示すように励磁コイルを装着するコイル面積１０４を一定とし、ヨーク１００の厚みを減らすようにする。
ところが、ヨーク１００の厚みが最小となる、隣接する磁極ティース１０２間の中央部はその肉厚Ｌｙｂを減らすと磁気飽和が生じ易くなるためトルクの線形性を保つことが困難となる。

また、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、磁極ティース１０２の付根高さＨを所定範囲にしてトルク線形性を高く保つようにしているが、さらなる小型化の要求に対して対応が困難であるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、トルク線形性を高く保ちながら小型化が可能な回転機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る回転機は、励磁コイルを巻装した固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転する回転子とを備えた回転機であって、前記固定子は、ヨークに周方向に等間隔を保ち且つ半径方向に突出して複数の磁極ティースを配列した固定子コアを有し、隣接する前記磁極ティース間に励磁コイルを巻装するスロットを形成し、該スロットの前記ヨーク側における前記磁極ティース間の円周方向中央部にヨーク肉厚拡張部を形成し、該ヨーク肉厚拡張部は、軸方向から見て多角筒面における角部の頂点を通る円の当該頂点での接線に平行で且つ内径側に形成された平面で構成され、前記励磁コイルは、磁極ティースに装着されるボビンに巻装され、該ボビンのヨーク側外周部が前記ヨーク肉厚拡張部の形状に合わせて前記ヨーク肉厚拡張部側を面取りした形状とされるとともに、前記ヨーク側外周部の前記面取り位置の内側まで前記励磁コイルが巻装されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る回転機は、前記ヨーク肉厚拡張部は、前記ヨークの多角筒内面の角部に形成されていることを特徴としている。

さらに、本発明の他の形態に係る回転機は、前記固定子コアは、複数に分割された分割コアを連接して構成され、各分割コアのヨーク嵌合部の前記励磁コイル側端点が、前記ボビンのヨーク側端板部の内側面の延長線より外径側に位置するように設定されていることを特徴としている。
さらにまた、本発明の他の形態に係る回転機は、前記励磁コイルは、各磁極ティースに集中巻されていることを特徴としている。

本発明によれば、固定子を、ヨークに周方向に等間隔を保ち且つ半径方向に突出して複数の磁極ティースを配列し、隣接する前記磁極ティース間に励磁コイルを巻装するスロットを形成し、該スロットの前記ヨーク側における前記磁極ティース間の中央部にヨーク肉厚拡張部を形成したので、ヨーク肉厚拡張部によってヨーク外径を減少させた場合でも磁極ティース間の中央部のヨークの肉厚を確保することができ、ヨークの肉厚が最小となる磁極ティース間の中央部の磁束密度の飽和を緩和することができ、ヨーク厚みを減少させてもトルクの線形性を高く保つことが可能となるという効果が得られる。

本発明の一実施形態を示す永久磁石式同期回転機を示す断面図である。図１の固定子の拡大図である。固定子の磁束密度の測定結果を示す図であって、（ａ）は本願発明の磁束密度測定結果を示し、（ｂ）は従来例の磁束密度測定結果を示す。本発明の第２の実施形態を示す固定子の拡大図である。図４のヨーク肉厚拡張部の拡大図である。ボビンの変型例を示す拡大断面図である。本発明の第３の実施形態を示す分割コアの断面図である。コギングトルク測定結果を示すグラフである。従来の回転機を示す固定子の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を永久磁石式同期電動機に適用した場合の第１の実施形態を示す断面図である。この図１において、永久磁石式同期電動機１は表面磁石式同期回転機で構成されている。この永久磁石式回転機１は、円筒状の積層鋼板で形成された固定子３を有し、この固定子３の内周側には所定のエアギャップを介して対向する同様に積層鋼板で形成された回転子４が配置されている。この回転子４は回転軸５に支持されて回転自在に配置されている。

固定子３は、図２で拡大図示するように、円筒状のヨーク６と、このヨーク６の内周面側に半径方向内方に延長し、且つ円周方向に等間隔で配設された９個の磁極ティース７とで構成される固定子コア８を有する。
ヨーク６の内周面と隣接する磁極ティース７との間に励磁コイルを巻装するスロット９が形成され、このスロット９の内周側に開口部１０が形成されている。

ここで、ヨーク６は、軸方向から見て二点鎖線図示の仮想内周面１１に内接する多角筒内面としての９角筒内面６ａを有し、９角筒内面６ａにおける各平面の円周方向中央部に半径方向内方に延長する磁極ティース７が一体に形成されている。
また、磁極ティース７は、一定幅を有する磁脚部７ａと、この磁脚部７ａの先端に形成された円周方向に突出する鍔部７ｂとでＴ字状に構成されている。

そして、ヨーク６の９角筒内面６ａと磁極ティース７の磁脚部７ａ及び鍔部７ｂとでスロット９が形成され、隣接する磁極ティース７の鍔部７ｂ間でスロット９の開口部１０が形成されている。
ここで、スロット９は、９角筒内面６ａの角部すなわち隣接する磁極ティース７間の中央位置にヨーク肉厚拡張部１２が形成されている。このヨーク肉厚拡張部１２は、９角筒内面６ａの角部に、隣接する内面に内接する円弧状の円弧面として形成されている。

すなわち、ヨーク肉厚拡張部１２は９角筒内面６ａに内接する円弧面とすることにより、ヨーク６の最小肉厚Ｌｙａを、９角筒内面６ａの角部をそのまま形成した従来例におけるヨークの最小肉厚Ｌｙｂに対して厚くすることができる。
このため、本発明によるヨーク６と、従来例のヨークとを同一外径として磁束密度を測定したところ、図３に示すように、本発明によるヨーク６では、ヨーク肉厚拡張部１２を有することから、図３（ａ）に示すように、磁束密度が１．６Ｔ〜１．８Ｔとなる磁束飽和領域がヨーク肉厚拡張部１２側の一部とその外側の一部とに形成されるだけであるが、９角筒内面６ａの角部を有する従来例では、図３（ｂ)に示すように、角部位置で内周面から外周面に至る長い磁束飽和領域が形成されている。この図３から明らかなように、ヨーク肉厚拡張部１２を形成することにより、磁束密度の飽和を緩和することができ、ヨーク６の肉厚を減少させてもトルクの線形性を高く保つことが可能となる。

また、回転子４は、円筒状の回転子コア１３の外周面に円周方向に隣接する磁極が異極性となるように例えば６極構成の永久磁石１４が配設された構成を有する。ここで、永久磁石１４は希土類磁石で構成されている。
このように、上記第１の実施形態では、スロット９のヨーク６側に９角筒内面６ａに内接する円弧状のヨーク肉厚拡張部１２を形成することにより、９角筒内面６ａ同士を突き合わせて角部を有する従来の構造に比較して同一のヨーク外径でもヨーク６の最小肉厚Ｌｙａを増加させることができる。このため、ヨークの最小肉厚部での磁束密度の飽和を緩和することができる。この結果、ヨーク６の外径を減少させることにより、ヨーク厚みを減少させても最小肉厚部の厚みを確保することができ、トルクの線形性を高く保持することができる。

しかも、上記効果を得るための構成がヨーク６の９角筒内面６ａの角部に隣接する内面に内接する円弧面でなるヨーク肉厚拡張部１２を形成するだけで良いので、回転機を容易に小型化することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図４及び図５について説明する。
この第２の実施形態では、ヨーク肉厚拡張部１２の形状を円弧面状から平坦面状に変更したものである。
すなわち、第２の実施形態では、ヨーク肉厚拡張部１２が、図４で拡大図示するように、軸方向から見て、９角筒内面６ａの角部の頂点Ｐを通る二点鎖線図示の仮想円２１における点Ｐでの接線と平行で、且つ内方側に形成された軸方向の平面によって形成されている。

また、励磁コイル２２が、磁極ティース７に装着されるコイルボビン２３に集中巻によって巻装されている。ここで、コイルボビン２３は、磁極ティース７の磁脚部７ａに装着される胴部２３ａと、ヨーク６の９角筒内面６ａに対向してこれと平行に形成されたヨーク側端板部２３ｂと、磁極ティース７の鍔部７ｂの外周面側に対向してこれと平行に形成された鍔部側端板部２３ｃとで構成されている。そして、ヨーク側端板部２３ｂは、その外周端がヨーク肉厚拡張部１２と平行となる面取り部２３ｄが形成されている。

この第２の実施形態によると、ヨーク肉厚拡張部１２が、ヨーク６の９角筒内面６ａの角部の頂点Ｐを通る仮想円２１の頂点Ｐでの接線と平行で、且つ内方側に形成された平面で構成されているので、前述した第１の実施形態と同様に、９角筒内面６ａ同士の突き合わせ部となるヨーク最小肉厚部の肉厚Ｌｙａを同一ヨーク外径の従来例に比較してより厚くすることができ、磁束密度の飽和をより緩和することができる。したがって、ヨーク６の外径を減少させてもトルクの線形性を高く保つことが可能となり、回転機の小型化を図ることができる。

この第２の実施形態でも、上記効果を得るための構成が平面でなるヨーク肉厚拡張部１２を形成するだけで良いので、回転機を容易に小型化することができる。
また、上記第２の実施形態では、励磁コイル２２を巻装するコイルボビン２３のヨーク側端板部２３ｂの外周端部をヨーク６の９角筒内面６ａと平行に対向する面取り部２３ｄが形成されている。このため、ヨーク側端板部２３ｂの外周縁を、ヨーク肉厚拡張部１２を形成したにもかかわらず、ヨーク肉厚拡張部１２を形成しない従来例と同等のコイル装着面積を確保することができる。この結果、励磁コイル２２の巻数を減少させる必要がなく、誘起電圧の低減を防止することができる。

なお、上記第２の実施形態においては、ヨーク肉厚拡張部１２を接線と平行な平面とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、９角筒内面６ａの角部の角度に対して角度の大きい小さい平面同士を突き合わせて角部を形成するようにしてもよく、また図示しないが、９角筒内面６ａの隣接する平面に内接する多角平面とすることもでき、要は９角筒内面６ａの角部の頂点より内径側に頂点となる多角面を形成するようにすればよい。

また、上記第２の実施形態においては、コイルボビン２３のヨーク側端板部２３ｂの外周端をヨーク肉厚拡張部１２と平行となる面取り部２３ｄを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図６に示すように、Ｒ面取り部２３ｅとすることもできる。

次に、本発明の第３の実施形態を図７について説明する。
この第３の実施形態では、固定子３の固定子コア８を所定数に分割した分割コアで構成するようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、前述した第２の実施形態における固定子コア８を隣接する磁極ティース７間の中央位置すなわちヨーク肉厚拡張部１２の中央位置で分割して９個の分割コア３１としたことを除いては前述した第２の実施形態と同様の構成を有し、第２の実施形態との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第３の実施形態では、固定子コア８が分割コア３１で形成されていることを除いては第２の実施形態と同様の構成を有するので、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第３の実施形態では、分割コア３１の内周面におけるヨーク肉厚拡張部１２を形成する外周側端点Ｃが、コイルボビン２３のヨーク側端板部２３ｂの内側面を含む平面より外径側に位置するように設定されている。このため、コイルボビン２３のコイル装着面積を最大限に利用することが可能となる。すなわち、コイルボビン２３に巻装する励磁コイル２２の巻数を最大とすることができ、誘起電圧の低減を防止することができる。

そして、上述した第１〜第３の実施形態のようにヨーク肉厚拡張部１２を形成した回転機ついて、コギングトルクを測定した結果は、図８で実線図示の特性線のようになり、ヨーク肉厚拡張部１２を形成しない場合の従来例の破線図示の特性線に対して僅かではあるがコギングトルクを低減することができた。
なお、上記実施形態においては、上記実施形態においては、固定子３の磁極ティース７及びスロット９を９個とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、固定子３のティース数及び回転子４の磁極数は任意に設定することができる。

また、上記第１〜第３の実施形態においては、スロット９が開口部１０を有するオープンスロット形式である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、開口部１０を有しない閉じたスロットのクローズスロット形式を適用することもできる。
さらに、上記第１〜第３の実施形態においては、ヨーク６の内周面が９角筒内面６ａである場合について説明したが、これに限定されるものはなく、９角筒内面６ａの各面を外径側に湾曲する湾曲面とするようにしてもよい。

さらに、上記第１〜第３の実施形態においては、回転子４が表面磁石型回転子で構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、埋込磁石型回転子で構成することもできる。

１…永久磁石式同期回転機、３…固定子、４…回転子、５…回転軸、６…ヨーク、６ａ…９角筒内面、７…磁極ティース、７ａ…磁脚部、７ｂ…鍔部、８…固定子コア、９…スロット、１０…開口部、１２…ヨーク肉厚拡張部、２１…仮想円、２２…励磁コイル、２３…コイルボビン、２３ａ…胴部、２３ｂ…ヨーク側端板部、２３ｃ…鍔部側端板部、２３ｄ…面取り部、２３ｅ…Ｒ面取り部、３１…分割コア

Claims

励磁コイルを巻装した固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転する回転子とを備えた回転機であって、
前記固定子は、ヨークに周方向に等間隔を保ち且つ半径方向に突出して複数の磁極ティースを配列した固定子コアを有し、隣接する前記磁極ティース間に励磁コイルを巻装するスロットを形成し、該スロットの前記ヨーク側における前記磁極ティース間の円周方向中央部にヨーク肉厚拡張部を形成し、
該ヨーク肉厚拡張部は、軸方向から見て多角筒面における角部の頂点を通る円の当該頂点での接線に平行で且つ内径側に形成された平面で構成され、
前記励磁コイルは、磁極ティースに装着されるボビンに巻装され、該ボビンのヨーク側外周部が前記ヨーク肉厚拡張部の形状に合わせて前記ヨーク肉厚拡張部側を面取りした形状とされるとともに、前記ヨーク側外周部の前記面取り位置の内側まで前記励磁コイルが巻装されていることを特徴とする回転機。
前記ヨーク肉厚拡張部は、前記ヨークの多角筒内面の角部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機。
前記固定子コアは、複数に分割された分割コアを連接して構成され、各分割コアのヨーク嵌合部の前記励磁コイル側端点が、前記ボビンのヨーク側端板部の内側面の延長線より外径側に位置するように設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機。
前記励磁コイルは、各磁極ティースに集中巻されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転機。