JPS5842707B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、給電することにより回転出力を得ることがで
きる電動機、あるいは外部から回転力を与えることによ
り電気出力を得ることができる発電機といった回転電機
に関するものである。

一般に、電機子巻線を施すために電機子鉄心に溝を設け
て突極構造にした回転電機は、突極構造でない回転電機
に較べて電機子巻線に多くの界磁磁束を鎖交させること
ができるため、小型、軽量で大きな出力が得られる回転
電機となる。

しかし、電機子鉄心が突極構造の場合には、電機子鉄心
が磁気的に不均一な構造であるために、例えば永久磁石
などにより構成される界磁部との相互作用によってコギ
ング力を発生するという欠点がある。

このことについて第１図および第２図を参照して説明す
る。

第１図は電機子が突極構造の従来の回転電機の一例の概
略断面図である。

同図において、１は２極に着磁された円環状の永久磁石
で構成された界磁部、２は電機子を構成する電機子鉄心
であり、これは３つの突極部２ａ。

２ｂ 、２ｃを有する。

そして、上記突極部２ ａ ｔ２ｂ、２ｃは前記界磁部
１の着磁された内面と所要間隙あけて対向せられ、界磁
部１と電機子鉄心２のうち、いずれか一方が他方に対し
て回転自在となっている。

なお、３ ａ ｓ ３ ｂ １３ ｃは巻線用の溝であ
り、また、４ａ 、４ｂ 、４ｃは突極部２ａｔ２ｂ
、２ｃにそれぞれ集中巻きして巻装された３相の電機子
巻線である。

ここで、第１図の回転電機を電動機と考えると、電機子
巻線４ａ、４ｂ、４ｃに順々電流を流すことにより、界
磁部１との間で電磁的な相互作用を発生させて持続的な
回転トルクを得ることができる。

また、第１図の回転電機を発電機と考えるならば、回転
子である界磁部１を外部から回転させることにより電機
子巻線４ａ、４ｂ、４ｃに３相の交流信号を得ることが
できる。

ところで、コギング力は界磁部と電機子の間の磁場に貯
えられた磁気エネルギーが両者の相対的な回転に応じて
変化することにより生じるものであり、特に、界磁部の
磁気的不均一性（磁極に起因）と電機子鉄心の磁気的不
均一性（溝に起因）の両者に関係して発生し、第１図の
ごとく界磁部１と電機子鉄心２の突極部２ａ、２ｂ、２
ｃの両方に磁気的な周期性がある場合には、一般に、そ
の両者に共通して存在する調波成分（整合成分）のコギ
ング力が生じる。

第２図Ａは、第１図に示した回転電機の界磁部１が発生
する磁界の周期性を、１回転分位相が変化する間だけ書
き表わしたものである。

磁気エネルギーは界磁部１の発生する磁界（または磁束
密度）の２乗に関係する量であるから、界磁部１の有す
る磁気的な周期・波形（発生磁界を２乗した波形）をフ
ーリエ級数展開したときの基本的な調波成分は、一般に
、磁極数２を次数とする第２次調波成分となる。

ここで、１回転に１回の正弦波成分を第１次調波成分と
する。

すなわち、界磁部１は第２次調波威分を基本成分として
、第４次、第６次、第８次、・・・・・・・・・などの
高調波成分を含んでいることになる。

一方、電機子２の突極部２ａ 、２ｂ 、２ｃが有する
磁気的不均一性は、突極間の巻線用の溝３ａ＋３ｂ、３
ｃによって生じ、界磁部１の表面の各点からみた電機子
２のパーミアンス（磁気抵抗の逆数）の場所的な変動に
よって表わされ、同様にフーリエ級数展開できる。

従うて、第１図の電機子２の突極部の磁気的不均一性の
基本的な調波成分は第３次調波戒分となる！すなわち（
第３次調波成分を基本成分として、第６次、第９次、第
１２次、・・・・・・などの高調波成分をも含んでいる
ことになる。

コギング力は、電機子２め突極部２ａ、２ｂ。２ｃの磁
気的不均一性の有する調波成分と、界磁部１の有する調
波成分が整合（一致）するときに発生するから、本例に
おいては第６次、第１２次、第１８次、・・・・・・な
どの調波成分が主に生じることになる。

第２図Ｂに本例のコギング力を１回転分について示す。

本発明は、突極構造の電機子を有しながらもコギング力
を著しく減小させた回転電機を提供するものである。

以下に本発明を図示の実施例に基いて説明する。

第３図は本発明の一実施例の概略断面図である。

同図において、１は２極に着磁された円環状の永久磁石
で構成された界磁部、２は中心点Ａから外側へ放射状へ
向かう３つの突極部２ａ、２ｂ、２ｃを一体的ζ（有す
る電機子鉄心、３ ａ。

３ｂ 、３ｃは上記突極部２ａと２ｂの間、２ｂと２０
の間、２ｃと２３の間にそれぞれ形成された巻線用の溝
、４ａ、４ｂ、４ｃは上記各突極部２ａｔ２ｂ 、２ｃ
に巻装された電機子巻線である。

以上の構成要素は第１図で説明したものと同様である。

また、突極部２ａ、２ｂ、２ｃの外面が界磁部１の着磁
内面と所要間隙あけて対向せられていること、そして上
記界磁部１と軍機子鉄心２とは中心点（Ａで示す）を同
ｑくし、かつ、いずれか一方が他方に対して回転可能に
されていることも第１図の従来例と同様である。

この第３図で第１図の従来例と異なるところは、電機子
鉄心２の突極部２ａ 、２ｂ 、２ｃで、界磁部１と対
向する部分に補助溝５ａｔ、 ５ａ２ｒ５ｂｔ、５ｂ２
，５ｃｔ、５ｃ２を設けた点である。

なお、上記各補助、溝５３１〜５Ｃ２は界磁部１または
電機子の回転軸すなわち、中心点Ａを通る軸心線め長手
方向（図面の紙面に対して垂直な方向）に設けられでい
る。

この第３図に示す本発明め実施例の電動機または発電機
としての基本的動作は第１図の従来例と同様であるが、
補助溝５ａ１〜５Ｃ２の付加により、性能の面で著しい
相違がある。

以下に、そのことを第４図を参照して説明する。

第４図は一例として、巻線用の溝３ｊの入日付近での磁
束の分布を表わした図である占同図において、界磁部１
から出た磁束は矢印の線で示すように、大部分が磁気抵
抗の高い溝部を避けて電機子鉄心２の突極部２ａ ｒ２
□ｂに吸いとられる。

□その結果、図示の破線Ｈより深く入り込む磁束は非常
に少なくなる。

従って、溝３ａの深さは破線Ｈより深くても、磁気的に
は破線Ｈの深さのものとほぼ同等である。

他の溝３ｂ 、３ｃについても同様である。

そこで、第３図に例示するごとく、突極部２ａ 、２ｂ
、２ｃに巻線用の溝３ａ、３ｂ、３ｃと磁気的にほぼ
同等な効果を有する補助溝５ａ１〜５Ｃ２を設けるなら
ば、電機子鉄心２の突極部２ａ、２ｂ、２ｃの磁気的不
均一性の状態は変化する。

この第３図に例示した本発明の実施例においては、巻線
用の溝３ａ。

３ｂ 、３ｃの間隔を３等分する位置に補助溝５ａ１〜
５Ｃ２を設けて、３ａ〜３ｃ、５ａｔ〜５Ｃ２からなる
溝の全体が回転中心すなわち中心点Ａに対して、はぼ等
角度間隔（第３図では３６’Ｏ°／９＝４０’間隔）と
なるように配置されている。

従って、本実施例の突極部２ａ 、２ｂ 、２ｃの磁気
的不均一性の周期、波形の基本的な成分は第９次調波戒
分となり、その高調波成分である第１８次、第２７次、
第３６次、・・・・・・などが含まれることになる。

また、界磁部１の有する調波成分は、第１図の従来例と
同様に、第２次調波戒分を基本として、その高調波であ
る第４次、第６次、第８次・・・・・・などである。

従って、コギング力としては、主に第１８次、第３６次
、・・・・・・などの調波成分が生じる。

第２図Ｃに本実施例のコギング力を１回転分について示
す。

この結果を第１図の従来例と比較すると、第６次、第１
２次、第２４次、第３０次、・・・・・・などの調波成
分のコギング力が欠落（または減少）し、さらにコギン
グ力の基本的な調波成分の次数は第１図の従来例では第
６次であるのに対して、本実施例では第１８次と３倍の
高次の成分となっている。

一般に、コギング力の各成分の大きさは、界磁部の有す
る該当成分の大きさと電機子の突極部の有する該当成分
の大きさの積に関係し、その積が小さくなればコギング
力の該当成分の大きさも小さくなる。

また、界磁部および電機子の突極部の有する調波成分は
、通常高次の成分になる程、その大きさは減衰するから
、第６次成分（従来例）に比較して第１８吹成分（本実
施例）はかなり小さいのが普通である。

従って、本発明のごとく補助溝を設けることにより、コ
ギング力に関与し得る界磁部および電機子の突極部の調
波成分の数が少なくなるだけでなく、コギング力の基本
的な調波成分が高次の成分となることにより、コギング
力は減少する。

なお、第３図に示した本発明の実施例においては、電機
子鉄心２や電機子巻線４ａ〜４ｃを含めて成る電機子を
固定子とし、界磁部１を回転子とする場合にのみ限られ
るものではなく、その関係が逆であって良く、得られる
効果には差異はない。

また、外転形に限らず、内転形であっても良いし、さら
には界磁部として永久磁石に限られるものではなく、固
定的な磁界を発生する界磁部であれば、いかなる構造の
ものでも本発明は使用可能である。

例えば巻線に界磁用の電流を流す構造の界磁部であって
も使用できる。

前述のように、補助溝を設けることにより、電機子の突
極部の磁気的不均一性の周期・波形と界磁部の磁気的な
周期・波形との整合成分の基本的な調波成分の次数を高
くするならば、コギング力は減少する。

その方法として第３図に示した本発明の実施例では、巻
線用の溝と磁気的にほぼ同等な補助溝を付加し、補助溝
および巻線用の溝の全体を、電機子突極部の中心に対し
て、はぼ等角度間隔となるように配置することにより、
電機子の突極部の磁気的不均一性の周期・波形の基本的
な調波成分の次数を高くして、界磁部の磁気的な周期・
波形による調波成分との整合成分を簡単に高次の調波成
分にしている。

その結果、コギング力は大幅に減少した。

一般に、本発明の実施例のように、界磁部として永久磁
石を使用する場合には、その極数をＰとすれば界磁部の
有する基本的な調波成分は第Ｐ吹成分となり、界磁部の
磁気的な周期・波形は第１次、第２Ｐ次、第３Ｐ次、・
・・・・・などの調波成分を含んでいる。

一方、補助溝のない場合の電機子突極部の磁気的不均一
性の周期・波形の基本的な調波成分を第ｍ次とし、補助
溝を設けることにより、電機子突極部の基本的な調波成
分が第に−ｍ次（ただし、Ｋは２以上の整数）となるも
のとする。

このとき、コギング力の基本的な調波成分の次数は、Ｐ
とＫ・ｍとの最小公倍数となる。

これをＧとおく。いま、Ｐとｍとの最大公約数をＱとし
、Ｐ／ＱとＫとの最大公約数をＲとすれば、Ｐとに−ｍ
との最大公約数はＱ−Ｒであるから、次式が成り立つ。

一般に、コギング力の基本的な調波成分の次数が高くな
る程、すなわちＧが大きくなる程、コギング力の大きさ
は減小する。

上式において、Ｐ。ｍ、Ｑは補助溝の有無に無関係であ
る。

従って、本発明の効果を十分に得るためには、Ｋを一定
とすれば、Ｒが小さい程良く、特にＲ＝１の場合が最も
良いといえる。

すなわち、Ｐ／ＱとＫとの最大公約数Ｒが少なくともＰ
／ＱおよびＫよりも小さい場合には本発明の効果を得）
ることかでき、さらにＲ＝１の場合（いいかえれば、Ｐ
／Ｑ≧２゜Ｋ≧２で、Ｐ／ＱとＫが１以外の共通因子を
持たない場合）には本発明の効果は大といえる。

要約すれば、Ｐ個（ただし、Ｐは２以上の整数）の磁極
を形成する界磁部と、複数相の電機子巻線が巻装された
巻線用の溝および突極を有する電機子を具備し、前記界
磁部と電機子のうち、いずれか一方を他方に対して回転
させるようにし、前記電機子の突極の前記界磁部と対向
する位置に補助溝を設け、かつ前記電機子の突極の間に
形成された巻線用の溝による磁気的不均一性の基本的な
調波成分の次数をｍ（ただし、ｍは整数）とするとき、
前記電機子の突極部の磁気的不均一性の基本的な調波成
分の次数をに−ｍ（ただし、Ｋは２以上の整数）となし
、かつＰとｍの最大公約数をＱとするとき、Ｐ／ＱとＫ
の最大公約数ＲがＰ／ＱおよびＫよりも小さくなるよう
に構成したならば、少数の補助溝の配置によってコギン
グ力の基本次数が簡単に高くなり、コギング力は大幅に
小さくなる。

前述のＲについての条件のＰ／Ｑ＞ＲよりＰ／（Ｑ−Ｒ
）≧２となり、Ｇ＝に−ｍ・〔Ｐ／（Ｑ−Ｒ））≧２・
Ｋ−ｍとなる。

ＧはＰとに−ｍの最小公倍数であり、かつＧ≧２・Ｋ−
ｍより、Ｋ−ｍがＰの公倍数（整数倍）と異なることに
なる。

すなわち、ＲがＰ／Ｑよりも小さいことは、Ｋ−ｍがＰ
の公倍数でないことと同意味である。

このとき、コギング力の基本次数Ｇが電機子突極部の有
する磁気的不均一性の基本次数に−ｍよりも２倍以上の
高次になっているから、コギング力は小さくなる。

本実施例に示すように、巻線用の溝と磁気的にほぼ同等
な効果を有する補助溝を付加し、補助溝および巻線用の
溝の全体を電機子突極部の中心に対して等角度間隔また
は、はぼ等角度間隔に配置する場合には、補助溝と巻線
用の溝の総数（Ｋ・ｍに相当）を界磁部の極数（Ｐに相
当）の公倍数（整数倍）と異ならせることが必要となる
。

また、本実施例に示すように、巻線用の溝が等角度間隔
に配置されている場合には、巻線用の溝の数がｍに相当
する。

各突極に同数個（（Ｋ−１）に相当〕の補助溝を設けて
、補助溝と巻線用の溝の全体が等角度間隔または、はぼ
等角度間隔に配置されているものとすれば、溝の総数Ｔ
は巻線用の溝の数ｍの整数倍（Ｋ倍）となり、・Ｔ−に
−ｍとなる。

このとき、前述の結果より、界磁部の極数Ｐと巻線用の
溝の数ｍの最大公４約数がＱに相当し、ＫとＰ／Ｑの最
大公約数ＲをＫやＰ／Ｑよりも小さくするように、Ｋの
値（補助溝の個数）を選定することがコギング力を低減
する有効な方法といえる。

特に、Ｋ）１で、ＫとＰ／Ｑが１以外の共通因子を持た
ない場合（Ｒ＝１の場合）に、少ない補助溝の個数でコ
ギング力が大幅に減少し、その低減効果が最も大きい。

本実施例に示すように、Ｐ＝２でｍ、＝３の場合には、
Ｑ＝１であるから、Ｐ／Ｑ−２となり１．にの値が奇数
であればＲ−１になることから、各突極部に２個（偶数
個）の補助溝を設けて、Ｋ＝３にしている。

本実施例についていえば、Ｐ＝２・２ｍ−３，Ｑ＝１で
あり、Ｋ＝３であるから、Ｒ＝１となる。

なお、第３図に示した本発明の実施例は、１つの突極部
に２つの補助溝を設けた場合であるが、本発明は、その
ような構造に限定されるものではなく、それ以上の補助
溝を設けるようにしても良い０ その場合の例を第５図５に示す。

この第５図は、１つの突極部に４つの補助溝を設けた場
合で、図中の補助溝６ａｘと６２２ ＋ ’６３ｓと５
ａ＋ ｒ ６ ｂｉと６ｂ２゜６ｂａと６ｂ４＋６ｃ
１．と６ｃ２，６ｃ３と６Ｃ４とで第３図における補助
溝５ａ１，５ａ２ｔ５ｂｔ＋５ｂ２，５ｃｌ、５ｃ２と
磁気的に、はぼ同等の効果を得ることができる。

その他は第３図の実施例と同様であるので、対応するも
のに同一の符号を付している。

また、前述の第３図および第・５図の実施例においては
、電機子突極部の各突極が中心に対して、はぼ等角度間
隔に配置された構造であるが、突極間の角度間隔に粗密
が存在する場合においても、本発明は実施できることは
いうまでもない。

一般に、補助溝を設けた場合の電機子突極部の磁気的不
均一性の周期・波形（調波成分）と界磁部の磁気的な周
期・波形（調波成分）との整合成分のなかで支配的な成
分の大きさを、補助溝のない場合の電機子突極部の磁気
的不均一性の周期・波形（調波成分）との整合成分のな
かで支配的な成分の大きさに較べて、小さくなるように
補助溝を配置すれば、コギング力を減小することができ
ることを確認した。

通常の回転電機においては、電機子突極部の磁気的不均
一性の周期・波形と界磁部の磁気的な周期−波形との整
合成分のうちで、基本的な調波成分が支配的な成分であ
ることが多い。

従って、前述の本発明の実施例のごとく補助溝を設ける
ことにより、基本的な整合成分の次数を高くすれば、本
発明の効果を容易に得ることができる。

以上のように、本発明の回転電機はコギング力が小さい
ため、トルク変動の少ない電動機あるいは発電機を得る
ことができる。

従って本発明に基づき、特に音響機器用電子整流型電動
機を構成した場合には、振動やトルクむらを極少にし得
るため、極めて高性能の音響機器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の回転電機の概略断面図、第２図のＡは第
１図の回転電機の界磁部が発生する磁界の周期性を示す
図、Ｂはその回転電機のコギング力を示す図、Ｃは本発
明の実施例のコギング力を示す図、第３図は本発明の一
実施例の概略断面図、第４図は本発明の作用効果を説明
するための要部拡大断面図、第５図は本発明の別の実施
例の概略断面図である。 １・・・・・・界磁部、２・・・・・・電機子鉄心、２
ａ１２ｂ１２ｃ・・・・・・突極部、３ａ 、 ３ｂ
、 ３ｃ・・・・・・巻線用の溝、４ａ、４ｂ、４ｃｍ
電機子巻線、５ａｔ＋５ａ２＋５ｂ１，５ｂ２ｙ５ｃｔ
、５ｃ２，６ａｔ、６ａ２ｙ６ａａ、６ａ４＋６ｂ１ｔ
６ｂ２ｔ ６ｂｓ ｒ ６ｂ＋ ＋ ６ｃｔ ｒ ６
Ｃ２ｒ ６ｃｓ ＋ ６Ｃ４・・・・・・補助溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １４個（ただし、Ｐは２以上の整数）の磁極を形成する
   界磁部と、複数相の電機子巻線が巻装された巻線用の溝
   および突極を有する電機子を具備し、前記界磁部と電機
   子のうち、いずれか一方を他方に対して回転させるよう
   にし、前記電機子の突極の前記界磁部と対向する位置に
   補助溝を設け、かつ前記電機子の突極の間に形成された
   巻線用の溝による磁気的不均一性の基本的な調波成分の
   次数をｍ（ただし、ｍは整数）とするとき、前記電機子
   の突極部の磁気的不均一性の基本的な調波成分の次数を
   に−ｍ（ただし、Ｋは２以上の整数）となし、かつＰと
   ｍの最大公約数をＱとするとき、Ｐ／ＱとＫの最大公約
   数がＰ／ＱおよびＫよりも小さくなるように構成したこ
   とを特徴とする回転電機。 ２、特許請求の範囲第１項の記載において、Ｐ／ＱとＫ
   の最大公約数が１となるように構成したことを特徴とす
   る回転電機。 ３ 特許請求の範囲第１項の記載において、巻線用の溝
   と補助溝とからなる溝の全体を電機子の中心に対して等
   角度間隔もしくは、はぼ等角度間隔となるように配置し
   たことを特徴とする回転電機。 ４ 特許請求の範囲第１項の記載において、電機子の巻
   線用の溝と補助溝からなる溝の総数が界磁部の磁極数Ｐ
   の公倍数と異なるように前記補助溝を設けたことを特徴
   とする回転電機。