JPH07255159A - 同期電動機，同期電動機用回転子および固定子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外磁型の同期モータにおいて、コイルに発生
する逆起電圧を正弦波に近づけ、制御特性や効率を改善
する。 【構成】 極対数が偶数個の同期型三相モータ４０にお
いて、永久磁石５１〜５４の配置を、均等割の位置では
なく、電気角で３０度ずつ前後にずらした位置に配置す
る。即ち、一つの極対の電気角を３３０とし、他方の電
気角を３９０度とする。この結果、例えばＵ相コイル３
２に発生する起電圧は、一方のコイルと他方のコイルと
で位相が前後にずれ、その合成電圧は、矩形波ではな
く、その立ち上がりと立ち下がりにステップ的に変化す
る部分を生じる。この結果、各相コイルに生じる起電
圧、延いては相間の端子間電圧は正弦波に近づき、同期
型三相モータ４０の制御特性、効率が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石の磁界と多相
のコイルに生起される磁界との相互作用により回転子が
回転する同期電動機ならびにこうした同期電動機に用い
られる回転子および固定子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の同期電動機（同期型モー
タ）としては、特開平２−２０２３２９号公報に示され
るように、回転子の外周に永久磁石を取り付けた外磁型
モータや、回転子内部に永久磁石を設けたいわゆる内磁
型モータなどが知られている。この場合、固定子側には
ティースと呼ばれる歯列が設けられ、ティース間のスロ
ットに、多相（例えば、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相）のコイルが
巻回されている。同期型モータは、コイルにより回転磁
界を発生させ、永久磁石の磁界との相互作用により回転
子を回転している。

【０００３】外磁型モータの場合、製造の容易さ、磁石
強度の確保の点から、幅方向に亘って厚さの等しい永久
磁石が取り付けられるから、磁石による磁束密度分布は
ほぼ矩形波となる。この場合、各コイルに発生する逆起
電圧も矩形波になる。この様子を、図８，図９に示す。
図８（Ａ）は、回転子ＲＴの外周に４個の永久磁石ＰＭ
を設けた極対数２の同期型モータの概略構成図、図８
（Ｂ）はこのモータの永久磁石ＰＭとＵ，Ｖ，Ｗ相のコ
イルとの配置を平面上に展開した様子を磁束密度分布と
共に示す説明図である。また、図９は、Ｕ相，Ｖ相の逆
起電圧とＵ−Ｖ相の端子間電圧の一例を示すグラフであ
る。なお、モータにおける各部の機械的な中心角Ａと電
気角ａとの関係は、極対数Ｐを用いて、次式（１）のよ
うに表わされる。なお、以下特に断わらない限り、「中
心角」とは機械的な角度としての中心角を示す。 Ａ＝ａ／Ｐ … （１） 図８に示した同期モータの場合、極対数は２である。

【０００４】厚み方向に分極された永久磁石ＰＭは、所
定のギャップを開けて配置するから、各永久磁石の配置
上の中心角は９０度未満となり、その電気角上の角度
（これを電気開角と呼ぶ）αは、上記式（１）に従い、
極対数２のモータの場合、１８０度未満となる。

【０００５】図示するように、この同期型モータでは、
回転子における１８０度が電気角３６０度に当たり、電
気開角がαであることから、Ｕ相の逆起電圧は、一つの
永久磁石ＰＭの一端を角度＝０として、電気角で０，
α，１８０，１８０＋α，３６０・・・と変化する。ま
た、Ｖ相の逆起電圧は、三相同期モータであることか
ら、これから１２０度位相が遅れた各電気角で変化す
る。この結果、Ｕ−Ｖ相間端子電圧は、図９（Ｂ）に示
す波形となり、全体として正弦波というよりは三角波に
近い形状となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように端子間電圧
が三角波に近い形状であると、特にピーク値の近くでは
電圧の変化が急激で、モータを制御しているコントロー
ラによる入力電圧が応答しきれないという問題があっ
た。また、こうした波形には、高調波成分が多く含まれ
ていることからこれらの成分がエネルギ的にはロスにな
ってしまい、効率を高めることができないという問題が
あった。端子間電圧の波形含まれる高調波成分が強くな
ると、回転の滑らかさも損なわれる。

【０００７】本発明は、永久磁石と多相コイルとの位置
関係に着目してこうした問題を解決することを目的とし
てなされ、次の構成を採った。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の同期電動機は、
永久磁石の磁界と多相のコイルに生起される磁界との相
互作用により回転子が回転する同期電動機において、極
対数を偶数個とすると共に、該永久磁石と前記コイルと
が、前記回転子周方向に相対的に、電気角として有意に
ずれた位置に配置されていることを特徴とする。

【０００９】一方、本発明の同期電動機用回転子は、回
転子の周に４×Ｍ（Ｍは１以上の整数）個の永久磁石
を、極対数２×Ｍとなるよう配設し、この永久磁石を、
回転子周方向に少なくとも一つおきに、機械的な中心角
で３６０／（４×Ｍ）度の位置からずれた位置に配置
し、固定子側に均等な角度で設けられた多相コイルに対
して、電気角上有意なずれを形成したものである。

【００１０】ここで、Ｍ＝２×Ｎ（Ｎは、１以上の整
数）であり、回転子の回転軸に対する質量上の釣合が満
足される位置に、永久磁石を配置することも好適であ
る。

【００１１】更に、本発明の同期電動機用固定子は、固
定子の周に多相コイルを、全相を瞳として、２×Ｍ（Ｍ
は１以上の整数）組配設し、この多相コイルの各相の少
なくとも一つのコイルの巻き角を、３６０／（２×Ｍ）
度の位置からずれた位置に配置し、回転子側に均等な角
度で設けられた永久磁石に対して、電気角上有意なずれ
を形成したものである。

【００１２】

【作用】本発明の同期電動機は、多相コイルと永久磁石
とは、回転子周方向に相対的に電気角上、有意にずれた
位置に配置されているから、同相の各コイルには、電気
角上異なる位相で逆起電圧を生じ、相間の電圧（端子間
電圧）は正弦波に近いものとなる。なお、極対数が偶数
個とされているから、一つの極対について生じた電気角
上のずれ（位相上の進みもしくは遅れ）は、次の極対に
おける遅れもしくは進みとして解消される。

【００１３】かかる多相コイルと永久磁石との位置関係
は、多相コイルの配置を均等な間隔としておいて、回転
子上に４×Ｍ個（Ｍは１以上の整数）設けられた永久磁
石の配置を不等ピッチとすることによっても実現できる
し、逆に多相コイルの配置を不等ピッチとすることによ
っても実現できる。前者の回転子では、同相の各コイル
に対する永久磁石の位相が異なることになり、各コイル
に生じる逆起電力の生じる位相はばらつき、結果的に多
相コイルの端子間電圧は、正弦波に近づく。多相コイル
を不等ピッチとした場合も同様である。

【００１４】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、本発明の一実施例としての回転子５０
の形状を示す平面図、図２は、この回転子５０を組み込
んだ同期型三相モータ４０の構造を示す断面図である。

【００１５】まず、図２を用いて、同期型三相モータ４
０の全体構造について説明する。この同期型三相モータ
４０は、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するケ
ース６０とからなる。回転子５０は、外周に永久磁石５
１ないし５４が貼付されており、その軸中心に設けられ
た回転軸５５を、ケース６０に設けられた軸受６１，６
２により回転自在に軸支している。

【００１６】回転子５０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜
いて成形したプレート５６を複数枚積層したものであ
る。このプレート５６を治具を用いて積層した後、回転
軸５５を圧入し、積層したプレート５６を仮止めする。
この電磁鋼板を素材とするプレート５６には、その表面
に絶縁層と接着層が形成されており、積層後所定温度に
加熱して接着層を溶融・固定する。こうして回転子鉄芯
が形成される。回転子鉄芯において無方向性電磁鋼板の
プレート５６を絶縁層を介して積層するのは、磁束がプ
レート５６内に形成されても、渦電流の発生とこれに伴
う損失の発生を、最低限に抑えるためである。モータ４
０の回転に関与する磁束については、プレート５６毎に
取り扱う必要はないから、以下の説明では、プレート５
６の積層体である回転子鉄芯をロータ５７と呼ぶ。

【００１７】こうして回転子５０が形成された後、回転
子５０の外周面に、４個の永久磁石５１，５２，５３，
５４が軸方向に亘って貼付される。この永久磁石は、厚
み方向に磁化されており、一つおきにその磁極が逆向き
に配置されている。この永久磁石５１〜５４は、回転子
５０を固定子３０に組み付けると、隣接する永久磁石お
よびロータ５７，ステータ２０を貫く磁路を形成する。
即ち、この回転子５０の極対数は２である。

【００１８】４つの永久磁石５１〜５４の配置について
説明する。図１に示したように、本実施例において永久
磁石５１〜５４の配置は、回転軸５５中心に対して円周
を４等分した位置（電気角で１８０度、等ピッチの位
置）とはなっていない。即ち、図１における左下の永久
磁石５１の図示右端を開始位置とすると、時計回りに次
の永久磁石５２との角度θ１は９０度（電気角で１８０
度）であるのに対して、次の永久磁石５３との角度θ２
は７５度（電気角で１５０度）とされている。更に次の
永久磁石５４との角度θ３は９０度（電気角で１８０
度）であり、この永久磁石５４と最初の永久磁石５１と
の角度θ４は１０５度（電気角で２１０度）とされてい
る。極対毎に考えると、永久磁石５１および５２からな
る極対の電気角は１８０＋１５０＝３３０度、永久磁石
５３および５４からなる極対の電気角は１８０＋２１０
＝３９０度である。２つの極対の電気角の総和は７２０
度で、従来のものと変わるところはない。なお、一つの
永久磁石５１〜５４の機械的な中心角α／２（電気角で
α）は、実施例ではおよそ６０度である。

【００１９】次に、固定子３０について説明する。固定
子３０を構成する固定子鉄芯は、ロータ５７と同じく無
方向性電磁鋼板のプレート３１を積層することで形成さ
れており、図１に示すように、計１２個のティース２２
を備える。ティース２２間に形成されたスロット２４に
は、固定子３０に回転磁界を発生させるコイル３２が巻
回されている（図２参照）。尚、ステータ２０の外周に
は、固定用のボルト３４を通すボルト孔３６が４箇所設
けられている。

【００２０】固定子鉄芯は、プレート３１を積層し互い
に押圧した状態として、接着層を加熱・溶融することで
一応固定される。この状態で、コイル３２をティース２
２に巻回して固定子鉄芯を完成した後、これをケース６
０に組み付け、ボルト孔３６に固定用のボルト３４を通
し、これを締め付けて全体を固定する。固定子３０側に
おいても、プレート３１の積層による渦電流の回避等
は、プレート５６を積層したロータ５７と同様であり、
プレート３１の積層体である固定子鉄芯を、磁束相互作
用の説明においてはステータ２０と呼ぶものとする。こ
うしてステータ２０を構成した後、回転子５０をケース
６０の軸受６１，６２により回転自在に組み付けること
により、この同期型三相モータ４０は完成する。

【００２１】この同期型三相モータ４０のＵ相，Ｖ相，
Ｗ相のコイルは、図３に示すように、コントローラ９０
により制御されるモータドライバ８０に接続されてお
り、このモータドライバ８０から各相に位相が１２０度
ずつ異なる所定周波数の交流電圧を加えることにより、
その周波数に対応した回転数で、同期型三相モータ４０
の回転子５０は回転する。

【００２２】この同期型三相モータ４０を駆動する場合
の永久磁石５１〜５４と各相のコイル３２との関係を説
明する。図４は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相コイルと永久磁石５
１〜５４と関係を説明するために両者を平面に展開した
状態で示す説明図である。既述したように、永久磁石５
１〜５４は、電気角１８０度毎に配置されているのでは
なく、１８０度，１５０度，１８０度，２１０度という
ピッチで配置されている。従って、１極対当たりの電気
角は、３３０度と３９０度なっている。磁束密度は永久
磁石５１〜５４により決まるから、図４（Ｂ）に示すよ
うに、磁束密度も電気角１８０度毎に強まるのではな
い。各相のコイルは相互に接続されているから、永久磁
石５１〜５４が各相コイルを横切ることにより発生する
逆起電圧は、従来の電気角１８０度毎に永久磁石５１〜
５４を配置したモータのように各コイルに対して同じ位
相で発生する訳ではなく、ずれて発生する。この様子を
示したのが図５である。

【００２３】図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｕ相のコ
イル（１）に発生する逆起電圧は、Ｕ相コイル（２）に
発生する逆起電圧に対して、電気角で３６０度ずれた関
係にある。しかも、Ｕ相のコイル（１）（２）に発生す
る逆起電圧は、回転子５０の１回転（機械的な３６０
度）、即ち極対数２の同期型三相モータ４０にあっては
電気角で７２０度の期間において、有意な角度だけずれ
た状態となっている。これは、永久磁石５１と永久磁石
５３とは電気角で３３０度の位置関係にあり、また、磁
石５３と永久磁石５１とは電気角で３９０度の位置関係
となっているために生じる。通常、一つの極対を形成す
る永久磁石の配置は、電気角で３６０度をサイクルとし
て設定されるのに対し、本実施例では、一方のサイクル
では電気角で３０度遅れた関係とし、他方のサイクルで
３０度進んだ関係としている。従って、Ｕ相の両コイル
（１），（２）に生じる逆起電力の総和は、図５（Ｃ）
に示すように、その立ち上がり，立ち下がりにおいて、
電気角で３０度ずつステップ的に変化する部分を備えた
波形となる。

【００２４】更に、図５（Ｄ）に示すように、Ｖ相のコ
イル電圧は、このＵ相のコイル電圧に対して完全に１２
０度位相がずれた関係にあるから、両コイルの端子間電
圧、即ちＵ相−Ｖ相間端子電圧は、図５（Ｅ）に示すよ
うに、両電圧の差分となり、正弦波に近い波形となる。
この関係は、他の相間電圧（Ｖ相−Ｗ相間端子電圧、Ｗ
相−Ｕ相端子間電圧）でも同様である。

【００２５】以上説明した永久磁石の配置を、極対数Ｐ
として一般化すると、極対当たりの電気角は３６０度で
あり（従って極対数２の場合は総電気角は７２０度）、
回転子５０に必要とされる永久磁石の数は２＊Ｐ個とな
る。ここで、ｎ番目（ｎ＝１，２，・・Ｐ）の極対が形
成する電気角上の開角θ１を、３６０／（２×Ｐ）＋α
とし、ｎ＋１番目の極対が形成する開角θ２を、３６０
／（２×Ｐ）−αに設定し、固定子３０側に均等な角度
に多相コイルを設ければ良い。

【００２６】以上のように構成された本実施例の同期型
三相モータ４０によれば、急峻な電圧変化が生じないこ
とから、入力電圧の制御に看過し得ない遅れが生じると
いうことがない。また、相間電圧が正弦波に近いので高
周波成分が少なく、損失を低減することができるという
利点が得られる。従って、同期型三相モータ４０の効率
を高めることができる。しかも、係る利点を得るのに、
回転子５０側の永久磁石の配置を変更しただけであり、
固定子３０側のティース２２のピッチやコイル３２の巻
き数などは何等変更していないので、構成が簡略であ
り、各スロット２４当たりの線積率の低下を招かないな
どの効果も得られる。また、回転子５０の構成を変更し
ているだけなので、既存の同期型三相モータ４０から回
転子５０だけを取り替えて使用することができ、既存施
設の有効利用を図ることも可能である。

【００２７】なお、本実施例では、永久磁石５１〜５４
の間は何も存在しないものとして説明したが、回転軸５
５回りの釣合を取るために、同程度の質量の物質で永久
磁石５１〜５４の間を埋めることも好適である。なお、
永久磁石を４×（２×Ｎ）個（Ｎは１以上の整数）、例
えば８個用い、極対数が４×Ｎの構成を取れば、回転軸
５５の軸回りの釣合を取ることができる。

【００２８】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。第２実施例では、回転子５０側の永久磁石５１〜
５４の配置を変更する代わりに、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のコイル
３２の配置をずらしたものである。これらのコイル３２
のずらし方としては、種々の組合わせを考えることがで
きる。図６および図７に、コイル３２の配置を異ならせ
た例を示す。図６は、２組存在するＵ，Ｖ，Ｗ相のコイ
ル３２の一方の組の配置はそのままにしておき、他方の
組の配置を総て電気角で３０度ずらしたものである。従
って、ティース２２で言うと、第１実施例における１２
本のティース２２（１２個のスロット２４）のうち、１
組のＵ，Ｖ，Ｗ相のコイル３２が巻回された連続する６
本のティース２２の位置は変更せず、他の６本は総て中
心角度で１５度（電気角で３０度）ずらしている。永久
磁石の配置は中心角９０度（電気角で１８０度）で均等
である。従って、第１実施例と同様、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各
コイル３２に生じる逆起電圧は、電気角で３０度ずつず
れた二つの波形の合成電圧となり、相間電圧は、正弦波
に近くなる。

【００２９】また、図７は、一組のＵ，Ｖ，Ｗ相のコイ
ル３２（各相についてコイルは２つある）の一方を中心
角で１５度（電気角で３０度）ずつずらした様子を示
す。この場合にも、二組のＵ相コイル３２の電圧の和
は、図５に示した第１実施例の場合とほぼ同一となり、
相間の端子電圧は、正弦波に近づく。Ｖ相，Ｗ相につい
ても同様である。

【００３０】以上説明したコイルの配置を変更した実施
例では、第１実施例と同様に、制御特性の向上、効率の
改善という効果が得られる上、更に回転子５０における
永久磁石５１〜５４は均等の位置に配置すれば良いこと
から、回転子５０の回転上の釣合を取るのが容易である
という利点が得られる。

【００３１】これらの実施例では、永久磁石５１〜５４
の配置上のずれ、あるいは多相コイル３２の配置上のず
れは、極対数が２であることから、いずれも３０度とし
たが、３０度に限るものではなく、電気角上有意のずれ
であれば何度であっても、相間の端子間電圧は改善され
る。また、永久磁石５１〜５４自体の中心角（電気開
角）によっても、その最善の角度は異なったものとな
る。更に、極対数が大きくなれば、電気角は同一でも、
実際の永久磁石またはコイルの配置上の機械的な角度
（中心角）は異なったものとなる。

【００３２】第１実施例では、回転子５０上の永久磁石
５１〜５４の配置のみを、一方第２実施例では、固定子
３０側の多相コイル３２の配置のみを変更したが、両者
を共に変更するものとしても差し支えない。この場合、
それぞれの配置上のずれは小さくすることができるとい
う利点がある。

【００３３】以上本発明のいくつかの実施例について説
明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるも
のではなく、例えば極対数６，８，１０・・・等の構成
を備えた同期電動機としての構成や、永久磁石の配置を
内磁型とした構成など、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論であ
る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の同期電動機
は、同相の各コイルに、電気角上異なる位相で逆起電圧
を生じ、相間の電圧（端子間電圧）は正弦波に近いもの
となるから、電動機としての制御特性が向上し、その効
率も改善されるという優れた効果を奏する。

【００３５】また、本発明の同期電動機用回転子は、固
定子に何等の変更を要することなく、多相コイルに生じ
る逆起電圧を矩形波から正弦波に近づけることができる
という効果を奏する。一方、本発明の同期電動機用固定
子は、回転子に何等の変更を要することなく、多相コイ
ルに生じる逆起電圧を矩形波から正弦波に近づけること
ができる言う効果を奏する。この結果、いずれの回転
子，固定子を用いても、発明の同期電動機を容易に実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の回転子５０を組み込んだ同期型三相モ
ータ４０の構造を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例である同期型三相モータ４０
の構造を示す平面図である。

【図３】同期型三相モータ４０の各相コイル３２とモー
タドライバ８０との接続を示す概念図である。。

【図４】Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相コイルと永久磁石５１〜５４
と関係を説明するために両者を平面上に展開した状態で
示す説明図である。

【図５】第１実施例における各相コイル電圧とモータ端
子間電圧との関係を示すグラフである。

【図６】第２実施例のコイルの配置を示す説明図であ
る。

【図７】同じくコイルの他の配置例を示す説明図であ
る。

【図８】従来の同期型モータの動作原理を示す説明図で
ある。

【図９】同じくその場合のコイル電圧などを示すグラフ
である。

【符号の説明】

２０…ステータ ２２…ティース ２４…スロット ３０…固定子 ３１…プレート ３２…コイル ３４…ボルト ３６…ボルト孔 ４０…同期型三相モータ ５０…回転子 ５１，５２，５３，５４…永久磁石 ５５…回転軸 ５６…プレート ５７…ロータ ６０…ケース ６１，６２…軸受 ８０…モータドライバ ９０…コントローラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石の磁界と多相のコイルに生起さ
   れる磁界との相互作用により回転子が回転する同期電動
   機において、 極対数を偶数個とすると共に、 該永久磁石と前記コイルとが、前記回転子周方向に相対
   的に、電気角として有意にずれた位置に配置されている
   ことを特徴とする同期電動機。
2. 【請求項２】 同期電動機に用いられる回転子であっ
   て、 回転子の周に４×Ｍ（Ｍは１以上の整数）個の永久磁石
   を、極対数２×Ｍとなるよう配設し、 該永久磁石を、回転子周方向に少なくとも一つおきに、
   機械的な中心角３６０／（４×Ｍ）度の位置からずれた
   位置に配置し、 固定子側に均等な角度で設けられた多相コイルに対し
   て、電気角上有意なずれを形成した同期電動機用回転
   子。
3. 【請求項３】 Ｍ＝２×Ｎ（Ｎは、１以上の整数）であ
   り、回転子の回転軸に対する質量上の釣合が満足される
   位置に、永久磁石を配置してなる請求項２記載の同期電
   動機用回転子。
4. 【請求項４】 同期電動機に用いられる固定子であっ
   て、 固定子の周に、多相コイルを、全相を一組として、２×
   Ｍ（Ｍは１以上の整数）組配設し、 該多相コイルの各相の少なくとも一つのコイルの巻き角
   を、３６０／（２×Ｍ）度の位置からずれた位置に配置
   し、 回転子側に均等な角度で設けられた永久磁石に対して、
   電気角上有意なずれを形成した同期電動機用固定子。