JPH0767263B2 - 永久磁石形同期電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、小形，軽量，高トルクが要求される例えばロ
ボット等のFA機器用モータの電機子に係り、またブラシ
レスを形成することからDCモータが広く使用されるOA機
器分野においてもこれに代わり、さらに鉄損が小さくな
るので高速モータとされうる永久磁石形同期電動機に関
する。

〔従来の技術〕

従来の一般的な永久磁石形同期電動機の回転子径方向断
面図を第７図に表わす。

この従来例は３相６極の同期電動機であり、固定子側電
機子コア７には周方向に18個のスロット９が形成されて
いる。

これらスロット９内には、第８図に示すように（ａ）ｕ
相，（ｂ）ｖ相，（ｃ）ｗ相各相６コイルの巻線構成と
なっている。例えば、第２図（ａ）ｕ相のコイル１は図
示のようにスロット番号＃16に下コイル辺２が入り、ス
ロット飛びｔ＝３で、スロット番号＃１に下コイル３が
埋設されている。

また、コイル２においてもスロット番号１に下コイル辺
５が、前記下コイル辺２と電流の流れが同方向となるよ
うに入り、これも、スロット飛びｔ＝３でスロット番号
＃４上コイル辺６が埋設され、この法則にしたがってｕ
相の６個のコイルは配置されている。

同様に、（ｂ）Ｖ相も（ａ）Ｕ相に対し電気的に2/3π
［rad］位相を持って配置され、（ｃ）ｗ相もこの
（ｂ）ｖ相に対し電気的に2/3π［rad］位相を持ち配置
される。

そして、これら３相のコイル群は人結線もしくはΔ結線
され、u,v,w巻線の３つの端子に３相平衡電流を流す
と、電機子巻線には３相平衡起磁力が発生し、これが回
転することにより、回転子側の界磁永久磁石８をそなえ
るロータヨーク10が回転する。このロータヨーク10は図
示しないシャフトに固着され、シャフトは軸受により回
転自在に支承されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、このような従来例において、次に示す隘路が
見受けられる。

電動機の小形，軽量，高トルク化を追及するさい、
トルクを入力銅損の平方根で除した値である電動機定数 を向上させることが必要となる。

この電動機定数C_Mを最大にするギャップ直径D_gは極数に
よって異なるが、 “ギャップ直径D_g／電動機コア外径D₀”で表わすと、 D_g／D₀≒0.65〜0.75 に設定される。

したがって、スロット形状は深溝形スロットとなり、こ
れにコイルを施すときに深溝なるが故の作業の困難性が
ある。

また、巻線作業を容易にするには、コイルエンドを
長くし、巻線のスロット内占積率を低下させるようにす
るが、これは銅損が増加し、したがって電動機定数C_Mは
低下する。

特に、コア外径が非常に小さいマイクロモータの領
域においては、コア内径が小さくなる従来例の電動機の
スロット内にコイルを埋設するのは、作業がむつかし
い。

従来例のコイルにおいては、１コイルの両コイル辺
はいずれもスロット内に埋設され、コイル成形上コイル
エンドが長くなってしまうので、電動機のトルク発生に
寄与しない銅損が、この部分で増加し、電動機の効率は
低下する。

前述のように従来例においては、電動機定数C_Mを最
大にするにはスロット形状が深溝スロットになる。

通常電動機のティース部磁束密度B_tは B_t＝1.6〜1.8［Ｔ］ となるように設定される。

しかして、深溝スロットの場合は、その深溝に比例して
ティース長も長くなり、鉄損が増加し、電動機効率を低
下させる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、つぎの手段をそなえる。

本発明は１つのコイルの片コイル辺をスロットに収
納し、他の片コイルはステータの内周面に分布させる。

すなわち、電動機の要部の正断面において、第９図を従
来例とすれば、本発明は第１図に表わされる。

まず、１つのコイルの片コイル辺が全て埋設できるよう
にスロット９の断面積を決め、コア材として用いた磁性
材料のＢ−Ｈ特性を考慮し、磁気回路が飽和しないよう
にスロット形状を決定する。この場合ティースの長さつ
まりスロット高さはスロット内に１コイル分の導体のみ
埋設するので、従来例におけるものの約1/2の深さとす
る。

また、電機子コアのティース長さが従来例に対し約1/2
の長さにできるから、スロット９が浅くなり、巻線作業
は容易となり、かつスロット内導体占積率の向上とな
り、ロスが少ない高効率モータを実現できる。

さらに、従来例でのモータコア径が非常に小さいマイク
ロモータを作るときに、モータコア内径から巻線作業が
困難となるが、本発明では従来例よりモータコア内径を
大きくでき巻線作業は大きく改善される。

本発明はさらに望むべくは１つのコイルは台形状を
なす。

コイル配置としては、一方のコイルの片コイル辺２（下
コイル辺）はスロット９内に埋設され、他方の片側コイ
ル辺３（上コイル辺）はステータ内周面のギャップ部に
配置されるので、第２図に示すような台形のコイル形状
をとり、従来例の第10図に比べて著しい特長をもつ。つ
まり、片側のコイル辺３はスロット９に入らないから、
１つのコイル形状はスロット９に埋設される側のコイル
辺５（下コイル辺）を、ギャップ部に配置される側のコ
イル辺３（上コイル辺）の長さより、短い台形のコイル
とする。

〔作用〕

本発明は、 従来例に対しトルク重量比が２倍となり、 鉄損を小さくし、高効率となる、つまり許容ロスを一定
にすれば電動機の回転数を高くし出力パワが向上され、 低速か高速回転までの幅広い速度範囲において高トルク
化され、低速大トルクを必要とするダイレクトドライブ
用電動機から小形高出力となる高速モータの域まで適用
可能となる。

〔実施例〕

本発明の一実施例における要部の正断面図を第３図に表
わし、そのコイルの巻線形態図を第４図に示す。

すべての図面において、同一符号は同一もしくは相当部
分を表わす。

この一実施例は、３相６極の電動機で毎極毎相のスロッ
ト数ｑ＝１である。したがって、電機子コア７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。しかし、このスロット９の深さは従来例とは異
なり浅い。

これは、本発明の特長とする下コイル辺2,5はスロット
９内に埋設されるが、3,6の上コイル辺はギャップ部に
配置される。

したがって、スロット断面積としては、片コイル辺2,5,
…が入るだけの断面積でよく、２層コイル辺（例えば5,
3）が埋設される従来例に対しほぼ1/2の断面積となる。

したがって、スロット９の深さは従来例に対し、ほぼ1/
2の深さとなる。

巻線手順は、スロット番号＃１にはコイルの下コイル辺
５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に上コイル辺６が配置され、この
ときのコイル形状は第２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が、それを流れる電流が下コイル辺５
と同方向になるように配置し、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。

上述の規則に従って、第４図（ａ）に表わすようにｕ相
の６個のコイルは配置され、ｖ相,w相についても第４図
（ｂ），（ｃ）に示すように配置される。すなわち、ｖ
相はｕ相に対し電気的に2/3π［rad］の位相差を持ち、
ｗ相はこのｖ相に対し電気的に2/3π［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７のス
ロット９またはギャップ部に配置されるとともに、相互
に接続された各相帯のコイル群の片端を人結線もしくは
Δ結線して３相平衡巻線を形成する。

つぎにロータは、ギャップ部に配置された上コイル辺3,
6,…のコイル層とは、機械的ギャップを設けて界磁永久
磁石８が６個等間隔に配置され、互いに隣に配置される
磁石の着磁方向は反対とし、この永久磁石８の磁石厚み
は電機子コア７の内面と永久磁石８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
個の永久磁石８は磁路が飽和しない厚みのロータヨーク
10の外周面に等間隔に固着される。

ところで、第10図の従来例におけるコイル形状は、コイ
ルの両コイル辺がいずれもスロット内に埋設されるため
矩形（長方形）となり、この１コイルの全周長L_c1を計
算すると、 L_c1＝２（αλ＋２L_e＋Ｌ） ただし、α＝ｔ−１でｔはコイル飛びを表わし、λはス
ロットピッチを示す。

となる。

これに対し本発明のコイル形状は第２図の台形をとり、
一方の片コイル辺（下コイル辺２）はスロット９内に埋
設されるが、他方の片コイル辺（上コイル辺３）はギャ
ップ部にに配設され、スロット内に埋設される側はその
電機子コア７よりはみ出す長さがギャップ部に配置され
る側より短い。

その１コイルの全周長L_c2は、 で表わせるから、L_c1，L_c2を比較すると、 となるので、従来例に比し本発明はコイルエンド部を短
縮でき、この部分に発生する銅損を低減し、電動機の効
率を向上させる。

本発明の他の実施例の正断面図を第５図に表わす。

電機子コア７をオープンスロットとし、さらにスロット
形状を図示のように幅ａの平行スロットとする。

このようにして、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るので、スロット内導体占積率を
増大し、電動機銅損を低減し、電動機効率をさらに向上
できる。

第６図は本発明の別の実施例の一部の斜視図，正断面図
である。

この別の実施例は、オープンスロット，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。

これにより巻線作業がさらに容易となり、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
銅損を低減し、電動機の効率をさらに向上させる。

しかして、電機子はモータフレームに取り付け固定し、
ロータはシャフトに嵌合固着させて一体とし、このシャ
フトは負荷側，反負荷側ブラケットに支持配設されたベ
アリングに回転自在に支承され、永久磁石形同期電動機
を構成することは云うまでもない。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、次に掲げる格段の効果を奏す
ることができる。

本発明のティース部の磁束密度B_tを従来例と同一に
した場合に、同じ寸法のコア外径，コア積とすれば、本
発明は従来例に比べそのティース部の容積が約1/2にな
っているので、電動機回転時にこの部分に発生する鉄損
を約1/2に低減できる。ただし、この場合ヨーク磁束密
度B_yはティース部磁束密度B_tに比べて著しく小さいと考
える。

スロット部が浅くなるから巻線作業が容易になり、
スロット内導体占積率が増大し、電動機の銅損を低減さ
れ、電動機の効率を向上できる。

コイルの片コイル辺はギャップ部に配置され、電動
機コア内径は従来例に比べ大きくなり、従来例と同等の
アペアコンダクタacを確保し、ギャップ磁束密度B_gも同
等となるように界磁永久磁石のパーミアンス係数を設定
すると、発生トルクＴは、 Ｔ∝Φ・ac また、Φ∝D_i ²L ただし、Φは磁束、Ｌはコア積厚、D_iはコア内径であ
る。

で決定されるので、コア内径D_iの増加分の２乗で発生ト
ルクＴを増大させる。

コイル形状を台形とするからコイルエンド部が短縮
し、銅損の低減による電動機の効率の向上が図られる。

コア内径D_iが大きくとれるから、マイクロモータ等
の場合に巻線作業が極めて有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を表わす要部の正断面図、
第２図は１つのコイルの形状図、第３図は本発明の一実
施例の正断面図、第４図はコイル分布図、第５図は本発
明の他の実施例の一部の正断面図、第６図は本発明の別
の実施例の斜視図，整列コイル横断面図、第７図ないし
第10図は従来例の説明図である。 1,4…コイル、2,5…下コイル辺、3,6…上コイル辺、７
…電機子コア、８…永久磁石、９…スロット、10…ロー
タヨーク。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定子は電機子コアにコイルを施し回転子
   は磁性体のロータヨーク外周面に２の倍数個の界磁永久
   磁石を隣接する磁極が互いに異極着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を電機子コアのスロット内に
   埋設させ、 上コイル辺は電機子コアの内周面と界磁永久磁石外周面
   間のギャップに界磁永久磁石と接触しないように所定の
   コイル飛びを持たせて配置させることを特徴とする永久
   磁石形同期電動機。
2. 【請求項２】電機子コアに形成したスロットの開口部を
   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 特許請求の範囲第１項記載の永久磁石形同期電動機。
3. 【請求項３】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からはみ出す長さ
   より、短くした台形となる 特許請求の範囲第１項記載の永久磁石形同期電動機。