JP6114031B2 - 低ディテントトルクを有する三相電動機 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、低ディテントトルク（low detent torque）を有する、高効率永久磁石を用いた三相電動機に関し、特に、産業分野または自動車分野における高速駆動への応用のための前記電動機に関する。

〔先行技術〕
電動機には嵩および効率に関する要件があることによって、回転子の製造には高エネルギー磁石が使用されているが、採用する材料のエネルギーの増加にともなって電動機の残留トルクの制御は困難になる。

電動機のコストは採用する材料のコストに依存するだけではなく、各種部材を製造するために使用する方法のコストにも依存する。したがって、スペアパーツの製造および電動機の各種部品の組み立てには単純な解決策を実施することが重要である。特に残留トルクの制御は、比較的経済的な巻線方法とは相容れない固定子の状態を引き起こすことがある。さらに、電動機を高速で使用するためには、電動機およびエレクトロニクスにおける損失を低減できるように、回転子に少数の磁極対を使用することが求められる。

図５および図６は、少数の磁極対を有する回転子を用いて低残留トルクを得ることを可能にする、先行技術の電動機を示している。

図５の電動機は、２組の磁極対を有する回転子および６つの歯を有する固定子（９１）を使用している。固定子極は利用可能な表面積の９０％を占め、こうすることによって、低残留トルクを得ることを可能にする。ノッチ幅が小さいことによって、巻線は長く難しくなり、したがって、コストが高く、さらにかさばり係数（bulk factor）も低い。

図６の電動機も２組の磁極対を有する回転子を使用しているが、図５の電動機と比較すると、各固定子極は３つの歯に分割されている。このような構造において、固定子巻線は固定子の３つの歯を囲んで単一の極を形成している。１８個の固定子の歯は、利用可能な表面積の７０％を占め、こうすることによって、低残留トルクを得ることを可能にする。しかし、これらの固定子の歯は三相の巻線を交互に配置することを必要とし、したがって、この巻線は長くかつコストが高く、さらに、大量生産には適さない。

また、正弦波誘導（a sinusoidal induction）を発生させ、その結果、残留トルクの低減を可能にする回転子を使用することも、現在の技術的状況において公知である。ただし、例えば大半の産業分野または自動車分野において求められているような残留トルクの値を得るためには、この回転子の誘導作用による歪みは非常に小さくなければならない。回転子の誘導作用による高調波の劣化は、第３高調波、第５高調波、および、第高７調波について（特に第５高調波および第７高調波について）非常に低い割合に抑えなければならない。特に、高エネルギー磁石を使用することによって、第５高調波および第７高調波の割合は０．５％未満に抑えなければならない。第５高調波および第７高調波の割合が０．５％のオーダーになる、または、これを超えると、これらの回転子に関する解決策を、残留トルクの低減について適切な固定子に関する解決策と組み合わせることが必要である。

図５および図６の電動機は、正弦波誘導を発生させる回転子を使用することもある。

〔発明の要点〕
本発明は、少数（通常は２組）の磁極対および低減された巻線数（通常は３）を用い、高速における高い性能レベルとともに非常に小さな残留トルクを有する、非常に高いエネルギーを有する磁石に相応しい、特に大量生産に適した電動機構造を提案することによって、現在の技術的状況の短所を解決することを目的とする。

本発明は、低ディテントトルクおよび素晴らしい動的性能レベルを有し、さらに、固定子および回転子について単純な構造の利点により特に経済性を高めた、優れた電動機を提案する。

本発明の電動機は、請求項１によってさらに具体的に定義される。

必須ではないが好適な他の特徴は、請求項１に直接的または間接的に従属する各請求項において定義される。

上記目的を達成するために、本発明は、環状のギアから半径方向に延びる歯を有し、電気巻線によって励起される固定子部と、Ｎ個の磁極対を有する回転子とによって形成される三相電動機に関する。固定子極の幅は、一方では歯において一切の飽和が回避できるように決定され、他方では主要な磁気高調波（magnetization harmonics）の作用をキャンセルすると共に、固定子の外で形成した巻線を設置可能にすることによって経済的な巻線が実現できるように決定される。

固定子極とは、末端部に円弧（１７）を有する真っ直ぐな歯である。この歯は、歯の中心に空隙を規定し、さらに、各側部（１８および１９）上に拡大または縮小可能な空隙を規定する。これは、歯の末端部を凸型形状または凹型形状にしてもよいことを意味している。歯の全体を挟む中心角として規定される固定子極の幅と、歯の末端部を形成する円弧（１７）の半径とは、各歯について、できるだけ小さな残留トルクが得られるように決定される。巻線の芯を形成する歯の幅は、使用される磁石の最大エネルギーに合わせて規定される。このエネルギーは、６ＭＧＯｅ〜４０ＭＧＯｅの範囲であるが、すべての場合において、固定子極は利用可能な表面積の６０％未満を占める。こうすることによって、巻線形成の容易さが保証される。

図１２に示すように、歯の末端部の形状は、磁石のエネルギーおよび磁気高調波に合わせて調整すれば、固定子極の側部（１８および１９）の接線方向に広がる角α（２４）を規定することを可能にする、全く同一の規則に常に従う。

残留トルクは各歯について個別にキャンセルされるので、先行技術に属するある種の電動機とは異なり、２つの歯の間、または、歯のグループ間におけるトルクの補償を調べる必要が一切ない。固定子の歯数と回転子の磁極対数との新しい組み合わせが使用可能になり、しかも、残留トルク、電動機のトルク定数、および、産業化の容易さに関するすべての利点は保持したままである。したがって、この新しい組み合わせは、特に高速駆動への適用について、コストと性能とがより良好に両立することを意味している。

〔図面の簡単な説明〕
本発明は、何らの限定を加えるものではない例として記載する公知の実施形態または発明に特異的な実施形態に関する以下の説明を読むことによって、より良く理解されるであろう。なお、この説明においては、以下に列挙する添付図面を参照する。

図１は、本発明に係る電動機の横方向の断面図を示す。この電動機は、６つの歯（１１〜１６）を有する固定子（１）と、強磁性ヨーク（３）上に嵌め込まれた整形済み磁石（４５）からなる回転子（２）とを備えている。

図２は、図１に示す電動機の固定子の横方向の断面図を示す。固定子極の幅（２１）は固定子極のピッチ（２２）の約３０％であって、歯の末端部は凹型形状である。

図３は、本発明に係る電動機の横方向の断面図を示す。この電動機は、６つの歯（３１〜３６）を有する固定子（１）と、強磁性ヨーク（３）上に組み込まれた４つの整形済みタイル（ｔｉｌｅ；４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および、４Ｄ）からなる回転子（２）とを備えている。

図４は、図３に示す電動機の固定子の横方向の断面図を示す。固定子極の幅（２１）は固定子極のピッチ（２２）の約５０％であって、歯（２５）の末端部は凸型形状である。

図５は、従来技術の電動機の横方向の断面図を示す。この電動機は、６つの歯を有する固定子（９１）と、強磁性ヨーク（９２）上に組み込まれた４つの整形済みタイル（９３）からなる回転子とを備えている。固定子極は利用可能な表面積の約９０％を占める。

図６は、従来技術のもう１つの電動機の横方向の断面図を示す。固定子（８１）は、利用可能な表面積の約７０％を占める１８個の歯を備えている。

図７は、異方性磁気物質で形成されて強磁性ヨーク（３）上に接着された４つのタイル（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および、４Ｄ）からなり、２組の磁極対を有する回転子の横方向の断面図を示す。

図８は、等方性磁気物質で形成されて正弦状に磁化され（sinusoidally magnetized）、ヨーク（３）上に接着されたリング部（５）からなり、２組の磁極対を有する回転子の横方向の断面図を示す。

図９は、法線方向の誘導の振幅および接線方向の誘導の振幅を、図７に図示する回転子の位置の関数として示すグラフを示す。

図１０は、図７に図示する回転子の法線方向の誘導または接線方向の誘導の高調波の劣化を示す。

図１１は、６つの歯（１１〜１６）を有する固定子と２組の磁極対を有する回転子との場合において、複数の異なる磁気高調波に起因する残留トルクの傾向を、固定子極の幅（２１）の関数として示している。

図１２は複数の異なる歯の形状を表わしている。また、本図は、歯の末端部を形成するアーク（１７）の中間点が、全く同一の半径Ｒ１（２２）上に常に配置されること、および、全く同一の角α（２４）（角α（２４）の頂点は半径Ｒ２（２３）上に位置している）は歯（歯＿１〜歯＿４）の側部（１８および１９）の接線方向に広がることを示す。

図１３は、６つの歯を有する固定子と２組の磁極対を有する回転子との場合において、第５磁気高調波に起因する残留トルクの傾向を、固定子極の幅（２１）の関数として、異なる固定子の歯の形状について示すグラフを示す。

図１４は、電動機が提供可能な電力の平方根当たりのトルク（the torque per root watt）である電動機定数Ｋｍの傾向を、固定子極の幅（２１）の関数として示すグラフを示す。

図１５は、本発明に係る、４組の磁極対を有する回転子を備えた電動機の横方向の断面図を示す。この電動機は、１２個の歯（１０１〜１１２）を有する固定子と、強磁性ヨーク（３）上に嵌め込まれた整形済み磁石（４）からなる回転子とを備えている。

図１６は、それぞれ２組、４組、または、８組の磁極対を有する回転子を備えた複数の電動機の異なる固定子の歯の形状を表わしている。

図１７は、本発明に係る電動機の横方向の断面図を示す。この電動機は、６つの歯（１１〜１６）を有する固定子（１）と、２組の磁極対を有する回転子（２）とを備えている。また、各歯は巻線（１４１〜１４６）を有する。

図１８は、巻線を挿入する前および挿入した後の、本発明に係る電動機の固定子（１）の横方向の断面図を示す。固定子は６つの歯を有し、各２つの歯のうちの１つが巻線を有する。３つの巻線（４１〜４３）は別々に巻かれて固定子内へ同時に設置され、それぞれ対応する歯上に挿入されてもかまわない。

図１９は、本発明に係る回転子を外側に有する電動機の横方向の断面図を示す。固定子（２０１）は６つの歯（２１１〜２１６）と３つの巻線（２４１〜２４３）とを備え、強磁性ヨーク（２０３）内に取り付けられた、４つの磁石タイル（２０４Ａ〜２０４Ｂ）からなる回転子（２０２）の内側に配置されている。

〔発明の詳細な説明〕
正弦波誘導を発生させる回転子を製造するために使用される解決策の１つを、図７に示す。４つの磁石タイル（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および、４Ｄ）が鉄製ヨーク（３）上に接着されている。各タイルが単一方向に磁化されたとしても、これらのタイルの外部形状によって正弦波誘導に近づけることが可能になる。ただし、コストに関する理由によって、これらのタイルの形状は単純なままでなければならないが、製造上の許容範囲内で各回転子極間に差異が生じてしまう。したがって、実施の際には、例えば図９に示すような誘導が得られる。図１０に示す高調波の劣化は割合（％）として示されており、第３高調波については６．６％、第５高調波については１．２％、第７高調波については０．６％である。本発明の目的は、従来技術の解決策によって負わされる巻線に関する短所を解消し、非常に小さな残留トルクを実現しながら、このオーダーの大きさの磁気高調波の割合（％）を有する回転子の使用可能にする、単純かつ経済的な電動機を提供することである。

図１１は、固定子上に６つの歯と回転子上に２組の磁極対とを有する電動機に関して、固定子極の幅に対する、各磁気高調波に起因する残留トルクの傾向を、図１２に図示する整形済み固定子極（歯＿２）の場合について示している。この形状（歯＿２）の場合、歯の末端部を形成する円弧（１７）の半径は、固定子の基準半径Ｒ１（２２）に等しい。同じ振幅を有する高調波を考慮すれば、第３高調波に起因する残留トルクが、第５高調波に起因する残留トルクに比べて非常に小さいこと、および、第７高調波に起因する残留トルクに比べても同様に非常に小さいことがわかる。

第３高調波に起因する残留トルクは、固定子極の幅が３０°〜３５°の場合に最大であり、固定子極の幅が広くなる、または、狭くなると漸進的に減少する。

第５高調波に起因する残留トルクは、固定子極の幅が３５°、または、５°という幅が非常に狭い極の場合に最大である。その一方で、この残留トルクは、歯の幅が２０°の場合に０である。

第７高調波に起因する残留トルクは、固定子極の幅が３８°、または、１０°という幅が狭い極の場合に最大であり、固定子極の幅が２６°の場合に０である。

整形済み歯（歯＿２）を有する、本発明の１つの可能な実施形態に係る電動機は、２０°〜２６°の固定子極の幅（２１）である６つの歯（１１〜１６）を有する固定子（１）を備えている。２０°〜２６°では、第５高調波および第７高調波に起因する残留トルクは、図１１に示すように、符号が反対であり、相互に補償する。第７高調波より大きな第５高調波を生成する回転子を得るためには、２０°に近い歯の幅が選択される。ただし、第７高調波の方を第５高調波より大きくしたいのであれば、２６°に近い歯の幅が選択される。第５高調波および第７高調波の割合が同じオーダーの大きさであれば、２３°の固定子極の幅が選択される。

図１４は、固定子極の幅に対する電動機定数Ｋｍの傾向を示している。歯が比較的狭い場合には、アンペア回数定数当たりのトルクが減少するが、銅に対して利用可能な容積が増加するにつれて、電力の平方根当たりのＮｍで表される電動機定数Ｋｍが増加し、２０°〜３５°で最大である。したがって、２０°〜３５°の固定子極の幅を用いることが効果的である。

図１は、本発明の好適な実施形態を示す。固定子（１）は、積層された複数の薄い磁気プレートによって形成される。固定子（１）は、同一の幅（２０°〜２６°）を有する６つの歯（１１〜１６）を備えている。各２つの歯のうちの１つが巻線（４１〜４３）を有している。２組の磁極対を有する回転子（２）は、最大磁気エネルギーが２５ＭＧＯｅ未満である磁気物質を使用する。回転子（２）は、可塑性結合剤を用いて、鉄製ヨーク上に磁石をオーバーモールドすることによって得られる。この製造方法によって、得られる位置に応じて、磁化後にほぼ正弦状の誘導を引き起こす磁石外形が得られる。図８は、等方性物質で形成されたリング部（５）からなる回転子の、別の一実施形態を示す。このリング部（５）は、まず、ある特定の装置を用いて正弦状に磁化され、次に、ヨーク（３）上に接着される。なお、このヨーク（３）は強磁性であっても、強磁性ではなくてもかまわない。

幅の狭い歯の使用にともなう唯一の短所は、最大磁気エネルギーが２５ＭＧＯｅを超える磁石の場合に発生する。なぜならば、この場合、歯における飽和が発生するからである。また、本発明に係る別の一実施形態（図３）では、２５ＭＧＯｅから４０ＭＧＯｅを超える最大エネルギーを有する磁石を使用しても飽和が回避できるように、固定子極の幅が２８°〜３６°である。第５高調波および第７高調波に起因する残留トルクをキャンセルするために、歯の末端部は凸型形状を有し、図１２に図示する形状（歯＿４）を採用する。

実際には、図１３に示すグラフは、第５高調波に起因する残留トルクを常にキャンセルするためには、固定子極の幅を歯の形状に応じてどのように調整しなければならないかを示すものである。形状（歯＿２）と比較すると、より顕著な凹型形状（例えば形状（歯＿１））を有する歯は、残留トルクをキャンセルするために、固定子極の幅が比較的小さいものであることがわかる。その一方で、凸型形状（例えば（歯＿３）および（歯＿４））を有する歯は、残留トルクをキャンセルするために、比較的大きな固定子極の幅を必要とする。得られた異なる歯を同一の図面（図１２）上に図示することによって、どの歯についても、歯の末端部を形成する円弧（１７）の中間点が常に固定子の基準半径Ｒ１（２２）上に位置していること、および、半径Ｒ２（２３）上に位置する頂点を有する角α（２４）が常に歯の両側部（１８および１９）の接線方向に広がっていることがわかる。回転子の磁極対の個数を表わすＮを変化させる場合、図１６に示すように、Ｒ２／Ｒ１比を関係式Ｒ２／Ｒ１＝１−０．２６／Ｎにしたがって変化させると、固定子極の幅はＮに反比例するが、角αは同じ値のままであることが明白になる。

第５高調波に起因する残留トルクをキャンセルするために、角α（２４）は１１０°にほぼ等しくなければならない。第７高調波についても同じ手法が適用でき、第７高調波に起因する残留トルクをキャンセルするためには、角α（２４）が１３５°にほぼ等しくなければならない。

したがって、本発明よれば、回転子が、第７高調波よりはるかに大きな第５高調波を示す場合には、角αは１１０°に近い値であればよい。また、第７高調波の方が第５高調波よりはるかに大きければ、角αは１３５°に近い値であればよい。第５高調波と第７高調波とがほぼ同じ振幅であれば、角αは１２２°に近い値であればよい。

図１９は、本発明に係る好適な実施形態を示している。形成した構造は外部回転子（２０２）を有する電動機に関連しているが、残留トルクのキャンセルに関して、同じ法則が適用可能である。歯（２１１〜２１６）の形状も、円弧（１７）の中間点が半径Ｒ１上に位置し、角αの頂点が半径Ｒ２上に位置し、角αが歯の側部（１８および１９）の接線方向に広がるように規定される。構造が逆であるため、ここでは半径Ｒ２の方が半径Ｒ１より大きく、Ｒ１とＲ２とを関係付ける関係式はＲ２／Ｒ１＝１＋０．２６／Ｎとなる。固定子は、要求される性能に応じて３つの巻線（２４１〜２４３）または６つの巻線を有していてもよい。回転子は、ほぼ正弦状の半径方向および接線方向の誘導を発生させることを可能にする形状を有する４つの磁石タイル（２０４Ａ〜２０４Ｄ）からなる。

本発明に係る電動機の横方向の断面図である。 図１に示す電動機の固定子の横方向の断面図である。 本発明に係る電動機の横方向の断面図である。 図３に示す電動機の固定子の横方向の断面図である。 従来技術の電動機の横方向の断面図である。 従来技術のもう１つの電動機の横方向の断面図である。 異方性磁気物質で形成されて強磁性ヨーク上に接着された４つのタイルからなり、２組の磁極対を有する回転子の横方向の断面図である。 等方性磁気物質で形成されて正弦状に磁化され、ヨーク上に接着されたリング部からなり、２組の磁極対を有する回転子の横方向の断面図である。 法線方向の誘導の振幅および接線方向の誘導の振幅を、図７に図示する回転子の位置の関数として示すグラフである。 図７に図示する回転子の法線方向の誘導または接線方向の誘導の高調波の劣化を示すものである。 ６つの歯を有する固定子と２組の磁極対を有する回転子との場合において、複数の異なる磁気高調波に起因する残留トルクの傾向を、固定子極の幅の関数として示すものである。 複数の異なる歯の形状を示すものである。 ６つの歯を有する固定子と２組の磁極対を有する回転子との場合において、第５磁気高調波に起因する残留トルクの傾向を、固定子極の幅の関数として、異なる固定子の歯の形状について示すグラフである。 電動機が提供可能な電力の平方根当たりのトルクである電動機定数Ｋｍの傾向を、固定子極の幅の関数として示すグラフである。 本発明に係る、４組の磁極対を有する回転子を備えた電動機の横方向の断面図である。 それぞれ２組、４組、または、８組の磁極対を有する回転子を備えた複数の電動機の異なる固定子の歯の形状を示すものである。 本発明に係る電動機の横方向の断面図である。 巻線を挿入する前および挿入した後の、本発明に係る電動機の固定子の横方向の断面図である。 本発明に係る回転子を外側に有する電動機の横方向の断面図である。

Claims (13)

1. Ｎ組の磁極対を有する永久磁石回転子である回転子（２）と、
   環状のギア（１０）から半径方向に延びる３×Ｎ個の歯（１１〜１６）を有する固定子部（１）とを備え、
   上記固定子部（１）が電気巻線（４１〜４３）によって励起され、
   上記の各歯（１１〜１６）がその末端部に１つの円弧（１７）および２つの側部（１８および１９）を有し、
   上記円弧（１７）の中間点が第１半径（Ｒ１）上に位置し、
   上記２つの側部（１８および１９）が角α（２４）を規定し、
   上記角α（２４）の頂点が第２半径（Ｒ２）上に位置する三相電動機であって、
   上記第１半径（Ｒ１）および上記第２半径（Ｒ２）が、Ｒ２／Ｒ１比を（１±０．２６／Ｎ）に等しく規定し、
   角αが１１０°〜１３５°であることを特徴とする三相電動機。
2. 上記回転子は、２０％未満の第３高調波、２％未満の第５高調波、および、２％未満の第７高調波をそれぞれ含む法線方向の磁気誘導および接線方向の磁気誘導を示すことを特徴とする請求項１に記載の三相電動機。
3. 上記歯の各末端部が凸型形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の三相電動機。
4. 上記歯の各末端部が凹型形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の三相電動機。
5. 上記固定子（１）が各歯の上に巻線を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の三相電動機。
6. 上記固定子（１）が各２つの歯のうちの１つに巻線を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の三相電動機。
7. 上記各巻線が別々に巻かれて、固定子内に挿入されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の三相電動機。
8. 上記回転子（２）が、強磁性物質で形成されたヨーク（３）上に嵌め込まれた磁石（４）からなる請求項１〜７のいずれか一項に記載の三相電動機。
9. 上記回転子（２）が、強磁性物質で形成されたヨーク（３）上に組み込まれた４つのタイルであって、異方性物質で形成された４つのタイル（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および、４Ｄ）からなる請求項１〜７のいずれか一項に記載の三相電動機。
10. 上記回転子（２）が、等方性物質で形成されたリング状磁石（５）からなる請求項１〜７のいずれか一項に記載の三相電動機。
11. 上記回転子（２）が、極異方性を有するリング状磁石（５）からなる請求項１〜７のいずれか一項に記載の三相電動機。
12. 上記固定子（１）が、積層された複数の薄いプレートからなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の三相電動機。
13. 上記回転子（２）とともに動作する複数の位置検出素子を備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の三相電動機。

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