JPH01315243A - 永久磁石形同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、サーボモータ等に適用される永久磁石形同期
電動機の電機子構造に係り、とくに、ロボット等のＦＡ
機器の駆動用のブラシレスモータにおける電機子コイル
に重ね巻きを適用した固定子構造に関する。

〔従来の技術〕

従来のこの種の一般的な永久磁石形同期電動機は、固定
子を形成する電機子コアに重ね巻きされた電機子コイル
の上コイル辺と下コイル辺とが重ね巻きにより装着され
るスロットが電機子コアの内周面に開設され、それらス
ロットに電機子コイルを埋設していた（従来例という）
。

さらには、本出願人が先に提案した特願昭６１−２９９
２９９号（発明の名称・永久磁石形同期電動機）の先行
例にみられるような手段がある。

この先行例は、固定子を形成する電機子のコイルは重ね
巻きで、かつ下コイル辺は電機子コアの内周面に開設し
たスロットに施し、上コイル辺は電機子コアの内周面に
装着し、上コイル辺の内周面に対向する回転子の外周面
に界磁をなす永久磁石を固着した永久磁石形同期電動機
である。以下、この電動機を重ね巻きセミギャップワイ
ンディングモータと称する。

第２図は、この先行例の正断面図を示す。

このモータは、６極３相、毎極毎相のスロット数Ｑ−１
であり、従って電機子コア１に施すスロット数は１８個
である。また、セミギャップワインディングであるので
、巻線としては、下コイル辺２がスロット内に埋設され
、上コイル辺３はギャップ部に配置される。スロット断
面積は下コイル辺２を埋設するだけのスペースで済むか
ら、スロットの深さは通常のスロット付きモータに比べ
浅くなっている。なお、６は回転自在に支承されたシャ
フト、５はシャフト６に嵌合固着されたロータヨーク、
４はロータヨーク５の外周面に固着された界磁永久磁石
である。

そして、第３図は巻線を形成する一つのコイルの形状を
示す平面図である。

下コイル辺２はスロット内に埋設されるが、他方の上コ
イル辺３はギャップ部に配設され、スロット内に埋設さ
れる側はその電機子コア１よりはみ出す長さがギャップ
部に配設される側より短いようにしてあり、その１コイ
ルの全周長Ｌｃ２は、Ｌｅ２＝２　ＩｆｉローフＴ口１
＋Ｌｅ　＋Ｌｅ’＋Ｌｌただし、Ｌｅは下コイル辺２の
一方のはみ出し分の長さ Ｌｅ’は上コイル辺３の一方のはみ出し分の長さα目ｔ
−１でｔはコイル飛び λはスロットピッチ となる。

この巻線手順は次のように行う。

スロット番号＃１にはＵ相コイル＃１の下コイル辺２を
埋設し、コイル飛び数ｔ−３とし、スロット番号＃４の
中心線下のギャップ部に上コイル辺３を配設する。また
、スロット番号＃１の中心線下のギャップ部にはＵ相コ
イル＃６の上コイル辺３が備えられ、電流方向がＵ相コ
イル＃１の下コイル辺２と同方向となるスロット番号＃
１６のスロットに埋設される。

上記の規則に従ってＵ相の６個のコイル両辺を配設し、
■相、Ｗ相についても同様に施し、各々電気角に（２／
３）π［ｒ　ａ　ｄ］の位相差を保って配設している。

なお、Ｕ相と■相は電流方向が逆である。

以上の様な手段によって、全１８個のコイル辺は電機子
コア１のスロットまたはギャップ部に配設して電機子コ
ア１に装着され、各相コイルの巻端でスター結線もしく
はデルタ結線にすることにより、３相平衡巻線を構成し
ている。

さらに、これらコイルの重ね巻きされた概要を展開図で
表わしかつ各相帯のコイル配置と電流方向（矢視）を示
す図が第４図である。

そして、第５図に、この巻線を施した電磁部を電動機と
して構成した先行例の側断面図を表わす。

この第５図に示す１３．１４はベアリング、１５はモー
タ用コネクタ、１６は検出用コネクタ、１７はモータフ
レーム、１８は負荷側ブラケット、１９は反負荷側ブラ
ケット、２０は回転トランス、２１は検出器カバー、２
２は検出器、２３は電機子コイル、２４．２５はコイル
エンドである。

すなわち、この先行例の要旨とするところは、次のとお
りである。

固定子は電機子コア１に電機子コイル２３を施し、回転
子は磁性体のロータヨーク５外周面に２の倍数側の界磁
永久磁石４を隣接する磁極が、互いに異極青磁となるよ
う固着した電磁構成をもつ同期電動機において、 １つのコイルの下コイル辺２を電機子コア１のスロット
内に埋設させ、 上コイル辺３は電機子コア１の内周面と界磁永久磁石４
間のギャップに界磁永久磁石４と接触しないように所定
のコイル飛びｔを持たせて配置される永久磁石形同期電
動機である。

さらには電機子コア１のスロットは開口部をもつオープ
ンスロットとし、このスロットおよびギャップ部に予め
スロット外部で成形したコイルを配置する手段も示して
おり、 また１つのコイルの成形された形状は、スロットに埋設
される側の電機子コア１からはみ出す長さが、ギャップ
部に配置される側の電機子コア１からはみ出す長さより
、短くした台形となる手段も表わしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、従来例ではコイルを施すときに深溝なるが故
の困難性があり、巻線作業を容易にするにはコイルエン
ドを長くするので銅損が増加し電動機定数は低下し、電
動機効率を低下させる欠点がある。

ところで、先行例においては次に述べる改善すべき課題
がみうけられる。

■スロット巻線方式に較べ、セミギャップワインディン
グモータは、巻線の巻回数が少なく、スロットが浅く、
開口スロットであるため巻線インダクタンスは小さくな
る。その上ギャップ部にも巻線が装着されているので、
磁気的ギャップが広くなり、結果として磁気抵抗がふえ
、これもインダクタンスを小ならしめる要因となってい
る。

このようなインダクタンスの小さなモータをＰＷＭイン
バータ駆動制御した場合、通常のパワー素子に、キャリ
ア周波数が数ＫＨｚで最高限度のパワートランジスタを
使用しているコントローラであると、モータの時定数が
小さいため電流波形に大きなリップルを含んでしまう。

これはコントローラのスイッチングロスの増加等、制御
特性上に悪影響をおよぼす。

従ってインダクタンスを増加させるためには第６図（ａ
）［永久磁石同期電動機駆動回路例］に示すような駆動
回路中に第６図（ｂ）［外部インダクタンス接続図］に
表わす各相に直列にインダクタンスを入れる必要がある
。

しかしコントローラの重量、容積が大きくなり、モータ
、コントローラ搭載形のロボットに適用した場合、セミ
ギャップワインディングモータの有する小形軽量高出力
という特徴を生かせなくなる。

また、電流リップルを減らす方策として、キャリア周波
数の最高限界が数十ＫＨｚと高いＭＯＳ−ＦＥＴは大容
量機への適用が特性上不可能であるので、汎用的方策と
は言えない。

■重ね巻きセミギャップワインディングモータの巻線を
行う場合、下コイル辺２は電機子コア１に設けられたス
ロットに装着することにより位置決めを容易に行なえる
が、ギャップ部に配置する上コイル辺３は位置決めを正
確に行うことが困難であり、トルクリップルの原因とな
る上コイル辺３のずれが起り易い。

ここにおいて本発明は、それら従来例、先行例の難点を
克服し、電機子コアに形成するスロットの相互間のティ
ース中央部に突起部を設は下コイル辺と上コイル辺間に
磁性板を介挿した永久磁石形同期電動機を提供すること
を、その目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

ここに本発明は、上記目的を達成するために、電機子コ
アにスロットの開設によりできるティースにおいて、そ
のティース中央部に上コイル辺と同じ軸方向の厚みを有
する突起部を電機子コアと一体成し、下コイル辺を電機
子コア内周面に開設したスロットに装着し、スロット開
口部を磁性体の薄板で封じるとともに上コイル辺は突起
部相互間の電機子コア内周面に配置する電機子構造を備
える永久磁石形同期電動機としている。

〔作　用〕

上記手段を実施することにより、本発明は、スロット開
口部を覆う磁性体薄板の磁気的効果により、漏れパーミ
アンスが大きくなり、巻線のインダクタンスを増加でき
る。

さらに、ティース中央部の突起部により、上コイル辺の
位置決めを容易にかつ正確に行うことができる。

〔実施例〕

本発明の一実施例における要部の正断面図を第１図に表
す。

すべての図面において、同一符号は同一もしくは相当部
分を示す。

これに適用するコイルの巻線形態は、第３図に表すとお
りである。

この一実施例は、３相６極の永久磁石形同期電動機で毎
極毎相のスロット数ｑ−１である。

したがって、固定子を形成する電機子コア１には番号＃
１〜＃１８までの１８個のスロット９が等間隔に設けら
れている。

下コイル辺２，７．・・・・・・はスロット９内に埋設
されるが、上コイル辺３，８．・・・・・・はギャップ
部に配置される。

したがって、スロット断面積としては、片コイルの下コ
イル辺２，７．・・・・・・が入るだけの断面積で良い
。

巻線手順は、スロット番号＃１にはコイルの下コイル辺
７が埋設され、コイル飛びｔ−３とし、スロット番号＃
４の中心線のギャップ部、つまりスロット番号＃３とス
ロット番号＃４の間のティースの中央部の突起部１１と
スロット番号＃４とスロット番号＃５の中央部の突起部
１１に挾まれた電機子コア１内周面に上コイル辺８が配
置され、このときのコイル形状は第３図に示す台形コイ
ルをとる。

また、スロット番号＃１の中心線のギャップ部にはコイ
ルの上コイル辺３を配置し、これと対をなす下コイル辺
２はコイル飛びｔ−３となるスロット番号＃１６のスロ
ット９に埋設される。巻線の手順としては、まず下コイ
ル辺２，７．・・・・・・をスロット９に埋設し、次に
スロット開口部を磁性体薄板１２で覆う。そして、上コ
イル辺３，８゜・・・・・・を突起部１１間のギャップ
部に配置する。

上述の規則に従って、第４図（ａ）ｕ相に表わすように
６個のＵ相コイルは配置され、■相、Ｗ相についても第
４図（ｂ）ｖ相、（ｃ）ｗ相に示すように配置される。

すなわち、■相はＵ相に対し電気的に（２／３）π［ｒ
　ａ　ｄｌの位相差を持ち、Ｗ相はこのＶ相に対し電気
的に（２／３）π［ｒａｄ］の位相差を持つように配設
される。

以上の手段により全１８個のコイルは、電機子コア１の
スロット９またはギャップ部の突起部１１間に配置され
、スロット開口部を磁性体薄板１２で封じ、相互に接続
された各相帯のコイル群の片端をスター結線もしくはデ
ルタ結線して３相平衡巻線を形成する。

つぎに、回転子は、ギャップ部に配置された上コイル辺
３，８．・・・・・・のコイル層とは、機械的ギャップ
を設けて界磁永久磁石４が等間隔に配置され、互いに隣
に配置される界磁永久磁石４の着磁方向は反対とし、こ
の界磁永久磁石４の磁石厚みは電機子コア１の内面と界
磁永久磁石４の表面間が所望のギャップ磁束密度となる
ように設定される。なお、この６個の界磁永久磁石４は
磁路が飽和しない厚みのロータヨーク５の外周面に等間
隔に固着される。

しかして、固定子をなす電機子コア１はモータフレーム
１７に取り付は固定し、回転子はシャフト６に嵌合固着
させて一体とし、このシャフト６は負荷側９反負荷側ブ
ラケッｌ−１８，１９に支持配設されたベアリング１３
．１４に回転自在に支承され、永久磁石形同期電動機を
構成する。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

スロットは磁性体薄板により封じられるので、スロット
を平行スロットにした場合、通常スロット付モータに用
いられる半閉スロットの場合に比べ、コイルがスロット
に入れ易くなり、スロット内導体占積率を増大し、電機
子銅損を低減し、電動機効率をさらに向上できる。

また、平行スロット形状とすることで、予め外部でコイ
ルを成形し、このコイルを前述の手順で配置して行くの
で、巻線作業がさらに容易になり、この成形コイル内を
整列巻線として、導体占積率を増大させ、電動機の効率
を向上させる。

また、この電機子構造をとることで漏れパーミアンスを
従来例より大きくできるので、巻線インダクタンスを増
やせるから、ＰＷＭ制御のスイッチング周波数を大きく
せずに済む。

従って、駆動回路に外部インダクタンスを接続しなくと
も、現状のパワートランジシスタを用いたコントローラ
でも出力される電流波形のリップルを小さく軽減でき、
このリップルにより生じるロス等も低減されるので、コ
ントローラに及ぼす悪影響も少なく、コントローラ自体
を小形化できるから、コントローラ搭載形ロボットに適
用が可能となる。

なお、本発明を用いることにより、パワー素子にＭＯＳ
−ＦＥＴを使えなかった大容量機器への適用が可能とな
る。

しかも、上コイル辺の位置決めが正確になるため、トル
クリップルが減少する。

さらに、上コイル辺の位置決めが容易になるので、巻線
作業時間を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の正断面図、第２図ないし第
６図は先行例の説明図である。 １・・・電機子コア ２．７・・・下コイル辺 ３．８・・・上コイル辺 ４・・・界磁永久磁石 ５・・・ロータヨーク ６・・・シャフト ９・・・スロット １０・・・コイル １１・・・突起部 １２・・・磁性体薄板 １３．１４・・・ベアリング １５・・・モータ用コネクタ １６・・・検出用コネクタ １７・・・モータフレーム １８・・・負荷側ブラケット １つ・・・反負荷側ブラケット ２０・・・回転トランス ２１・・・検出器カバー ２２・・・検出器 ２３・・・電機子コイル ２４．２５・・・コイルエンド。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 固定子を形成する電機子は、電機子コアに巻線を施して
   電機子コイルを作り、 回転子は、回転自在に支承されシャフトに嵌合固着され
   た円筒形状の磁性体から成るロータヨークの外周面に、
   電機子コイルが作る電機子励磁極と同極数の界磁となる
   界磁永久磁石を隣接する磁極が異極性となるように固着
   してなる 電磁構造をもつ永久磁石形同期電動機において、電機子
   コイルは重ね巻きからなり、 電機子コア内周面に平衡ｍ（２以上の正整数）相のモー
   タを構成するために必要なスロットを等間隔に開設し、 その電機子コア内周面の各スロット間のテイース中央部
   に電機子コイルの上コイル辺の厚みに等しい高さの突起
   部を形成し、 電機子コイルの下コイル辺はスロットに装着し、電機子
   コイルの上コイル辺はそれぞれの突起部の間に装着し かつ、下コイル辺と上コイル辺との対向面に薄い磁性板
   を介挿した ことを特徴とする永久磁石形同期電動機。