JPS6223535B2

JPS6223535B2 -

Info

Publication number: JPS6223535B2
Application number: JP53145453A
Authority: JP
Inventors: Makoto Goto; Kazuji Kobayashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1978-11-25
Filing date: 1978-11-25
Publication date: 1987-05-23
Also published as: JPS5574347A

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
電機といつ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
巻線用溝を設けた回転電機は、巻線用溝を設けな
い回転電機に較べて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
心が巻線用溝を有する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つ
てコギング力を発生するという欠点がある。

本発明は、巻線用溝を有する電機子鉄心を使用
しながらもコギング力を著しく低減させた回転電
機を提供するものである。以下に本発明を図面を
参照して説明する。第１図は本発明の一実施例の
要部構造図である。同図において、回転子１に取
付けられた界磁部２は表面にＮ、Ｓなる２つの磁
極を有する円環状の永久磁石にて構成されてい
る。上記界磁部２の磁極と所要間隙あけて対向す
る３つの巻線用溝４_a，４_b，４_cを有する円環状
（またはドーナツツ状）の電機子鉄心３が固定配
設されている。巻線用溝４_a，４_b，４_cには３相
の巻線５_a，５_b，５_cがトロイダル状に巻装さ
れ、それらはＹ結線されている。

また、巻線用溝４_a，４_b，４_cの間に形成され
る突出体６_a，６_b，６_cの前記界磁部２の磁極と
対向する先端部には、それぞれ２つの補助溝７_a
〜７_fが設けられ、コギング力を低減させてい
る。

ここで、第１図の回転電機を電動機として使用
する場合には、たとえばホール素子のごとき磁電
変換素子を使用した周知の回転位置検出手段によ
り界磁部２の回転位置を検出して、半導体スイツ
チ素子等により３相の巻線５_a，５_b，５_cへの通
電電流を順次制御するならば、回転子１を所定の
方向に回転駆動することができる。

また、発電機として使用する場合には、回転子
１を外力にて回転駆動することにより上記巻線に
３相の交流信号を得ることができる。

次に、本実施例の回転電機のコギング力につい
て説明する。コギング力は磁場に貯えられた磁気
エネルギーが界磁部と電機子鉄心の相対位置に応
じて変化することにより生じるもので、第１図の
ごとく界磁部２と電機子鉄心３の両者に磁気的な
周期性がある場合には、一般に、その両方に共通
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図に界磁部２の発生する磁束密度の分布特
性を全周（360゜）について示す。磁気エネルギ
ーは磁束密度の２乗に関係する量であるから、第
２図に示すごとき特性の界磁部２が有する磁気的
な周期・波形（界磁部２の永久磁石が発生する磁
束密度の２乗に関係する量）の基本的な調波成分
は、第２次調波成分となる。ここで、１回転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２は第２次成分を基本として、第４
次、第６次………などの高調波成分を含んでいる
ことになる。

一方、電機子鉄心３の磁気的不均一性の周期・
波形（界磁部２の永久磁石の表面の各点からみた
電機子鉄心３のパーミアンスに関係する量）は巻
線用溝４_a，４_b，４_cと補助溝７_a〜７_fによつて生
じる。まず、補助溝を設けない場合を考えるなら
ば、巻線用溝４_a，４_b，４_cは等角度間隔（120゜
間隔）または、ほぼ等角度間隔に配置されている
ため、電機子鉄心３の磁気的不均一性の基本的な
調波成分は第３次成分となる。従つて、これを基
本として第６次、第９次………等の高調波成分を
も含んでいることになる。コギング力は、電機子
鉄心３の有する磁気的不均一性の成分と界磁部２
の有する調波成分が整合（一致）するときに発生
するから、補助溝７_a〜７_fのないときのコギング
力は第６次、第12次、………等の調波成分を主に
生じる。

本実施例の電機子鉄心３は、補助溝７_a〜７_fを
有することにより磁気的不均一性の状態は変化
し、その結果、第１図の回転電機のコギング力は
著しく小さくなつている。以下に、そのことを第
３図を参照して説明する。第３図は一例として、
巻線用の溝４_cの入口付近での磁束の分布を表わ
した図である。同図において、界磁部２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３の突出体６_b，
６_c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。従つ
て、溝４_c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４_a，４_bについても同様である。そこで、第１
図に例示するごとく、巻線用溝とほぼ等しい幅を
有し、かつ巻線用溝より浅い開溝状の補助溝であ
つても、巻線用溝とほぼ同等な磁気的効果を得る
ことができる。この第１図に例示した本発明の実
施例においては、巻線用溝４_a，４_b，４_cの間隔
を３等分する位置に補助溝を設けて、巻線用溝４
_a，４_b，４_cと補助溝７_a〜７_f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、ほぼ等角度
間隔（第１図では360゜／９＝40゜間隔）となる
ように配置されている。従つて、本実施例の電機
子鉄心３の磁気的不均一性の周期・波形の基本的
な成分は第９次調波成分となり、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。

従つて、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。

この結果を補助溝を設けない場合と比較する
と、第６次、第12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
は補助溝のない場合では第６次であるのに対し
て、補助溝を設けた場合では第18次と３倍の高次
の成分となつている。

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鉄心の有す
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。例えば、第１図の実施例のコギング力の第
18次成分の大きさは、電機子鉄心３の磁気的不均
一性の周期・波形の第18次成分の大きさと界磁部
２の磁気的な周期・波形の第18次成分の大きさの
積に比例する。

また、界磁部の有する調波成分は、通常高次の
成分になる程、その大きさは急速に減衰するか
ら、第６次成分に比較して第18次成分はかなり小
さいのが普通である。さらに、電機子鉄心３の磁
気的不均一性の周期・波形の第18次成分は、基本
成分（第９次成分）の２倍の高調波であり、その
大きさもかなり小さくなつている。従つて、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鉄心の調波成
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１図に示した本発明の実施例において
は、電機子鉄心３を固定子とし、界磁部２を回転
子としたが、本発明はそのような場合に限らず、
その関係が逆であつて良く、得られる効果には差
異はない。

また、外転形に限らず、内転形であつても良
い。

前述のように、補助溝を設けることにより、電
機子鉄心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、簡単にコギング
力は減少する。

その一方法として第１図に示した本発明の実施
例では、巻線用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溝の全体を、電機子
鉄心の中心に対して、ほぼ等角度間隔となるよう
に配置することにより、電機子鉄心の磁気的不均
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高次の調波成分にしている。

また、第１図に示すように、補助溝の深さを浅
くするならば、巻線用溝を広くできて巻線を収納
する空間を大きくできるため、効率の良い回転電
機となる。さらに、補助溝の幅を巻線用溝の幅と
等しく、または、ほぼ等しくするならば、磁気的
に同等または、ほぼ同等な効果を容易に得ること
ができる。

一般に、前述の実施例のように、界磁部が等角
度間隔または、ほぼ等角度間隔にＰ個の磁極を有
する場合には、界磁部が有する磁気的な周期・波
形の基本的な調波成分の次数はＰとなる。このと
き、界磁部の磁気的な周期・波形は第Ｐ次、第
2P次、第3P次、………などの調波成分を含んで
いる。

一方、補助溝を設けない場合の電機子鉄心の有
する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、
電機子鉄心の基本的な調波成分が第Ｋ・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、補助溝を設けない場合のコギング力の基
本的な調波成分の次数をG₁とおき、補助溝を設
けた場合のコギング力の基本的な調波成分の次数
をG₂とおけば、G₁はＰとｍの最小公倍数であ
り、G₂はＰとＫ・ｍの最小公倍数である。従つ
て、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、次式が成り立つ。

G₁＝Ｐ・ｍ／Ｑ ………(1) G₂＝（Ｐ・ｍ／Ｑ）・Ｋ／Ｒ ………(2) 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G₂が大きくなる程、コ
ギング力の大きさは減小する。前記(1)、(2)式よ
り、補助溝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Ｋより小さい場合
には補助溝の効果を得ることができ、さらにＲ＝
１の場合には補助溝の効果は大といえる。

すでに説明した第１図の実施例について計算す
れば、Ｐ＝２、ｍ＝３、Ｑ＝１であり、Ｋ＝３、
Ｒ＝１であるから、G₁＝６（補助溝を設けない
場合）、G₂＝18（補助溝を設けた場合）となる。
これは、すでに説明したコギング力の基本的な調
波成分の次数と一致する。

また、前述の第１図の実施例に示すように、等
ピツチ間隔、または、ほぼ等ピツチ間隔にＰ極の
磁極を配置され、永久磁石材料により実質的に円
環状の形状に形成された界磁部と、界磁部の磁極
と対向する位置に等角度間隔、または、ほぼ等角
度間隔にｓ個（ｓは2Pよりも小さい整数）の巻
線用溝を有する電機子鉄心と、巻線用溝に収納さ
れた複数相の巻線を具備する回転電機において、
電機子鉄心の隣接する巻線用溝の間に形成される
各突出体にｎ個（ｎは１以上の整数）の補助溝を
対称的に設けて、巻線用溝と補助溝からなる溝の
全体を電機子鉄心の中心に対して実質的に等角度
間隔、または、ほぼ等角度間隔になるように配置
し、かつ、Ｐと（ｎ＋１）ｓの最小公倍数がＰと
ｓの最小公倍数よりも大きくすると共に、360
゜／｛（ｎ＋１）ｓの整数倍が360゜／Ｐと異なら
せるならば、コギング力の低減効果を安定に得る
ことができる。なぜなら、界磁部が等ピツチ間
隔、または、ほぼ等ピツチ間隔にＰ極の磁極を配
置されているので、界磁部の磁気的な周期・波形
の基本的な調波成分の次数はＰである。電機子鉄
心は等角度間隔、または、ほぼ等角度間隔にｓ個
の巻線用溝を有し、かつ、電機子鉄心の隣接する
巻線用溝の間に形成される各突出体にｎ個（ｎは
１以上の整数）の補助溝を対称的に設けて、巻線
用溝と補助溝からなる溝の全体を電機子鉄心の中
心に対して実質的に等角度間隔、または、ほぼ等
角度間隔になるように配置しているので、補助溝
を設けない場合の電機子鉄心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はｓであ
り、補助溝を設けた場合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は（ｎ＋１）
ｓとなる。Ｐと（ｎ＋１）ｓの最小公倍数G2が
Ｐとｓの最小公倍数G1よりも大きいことから、
補助溝を設けた場合のコギング力の基本的な調波
成分の次数G2が、補助溝を設けない場合のコギ
ング力の基本的な調波成分の次数G1よりも確実
に大きくなる。さらに、360゜／｛（ｎ＋１）ｓの
整数倍が360゜／Ｐと異なることから、補助溝を
設けた場合のコギング力の基本的な調波成分の次
数G2が、界磁部の磁気的な周期・波形の基本的
な調波成分の次数Ｐの２倍以上の高次で、かつ、
電機子鉄心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（ｎ＋１）ｓの２倍以上の高
次になる。その結果、コギング力に関係する成分
の次数がかなり高くなり、界磁部の磁気的な周
期・波形の該当成分の大きさ、および、電機子鉄
心の磁気的不均一性の周期・波形の該当成分の大
きさが小さくなり、コギング力の大きさも小さく
なる。さらに、巻線用溝よりも浅い開溝状の補助
溝にするならば、電機子鉄心の磁気的不均一性の
周期・波形の２（ｎ＋１）ｓ次以上の高次成分の
大きさを基本成分の大きさに比較して大幅に小さ
くすることができ、コギング力の低減に効果があ
る。

特に、前述の第１図の実施例のように、Ｐ：ｓ
＝２：３のときにはｎを２またはそれ以上の偶数
にすると、（ｎ＋１）＝奇数となり、前述の条件を
簡単に満たすことができる。

一般に、補助溝を設けた場合の電機子鉄心の磁
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
場合の電機子鉄心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。
通常の回転電機においては、電機子鉄心の磁気的
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。従つて、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。

なお、巻線の相数、界磁部の極数、巻線用溝お
よび補助溝の数についても前述の実施例に限定さ
れるものではなく、任意に選定できることはいう
までもない。

以上の説明から明らかなように、本発明は効率
が良く、コギング力が小さい回転電機を実現でき
るものである。

従つて、本発明に基づき、特に音響機器用電子
整流子型電動機を構成した場合には、高性能な音
響機器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部構造図、第２
図は同実施例における界磁部が発生する磁束密度
分布特性図、第３図は同実施例における要部の磁
束分布を表わした図である。１……回転子、２……界磁部、３……電機子鉄
心、４ａ〜４ｃ……巻線用溝、５ａ〜５ｃ……巻
線、６ａ〜６ｃ……突出体、７ａ〜７ｆ……補助
溝。

Claims

【特許請求の範囲】１等ピツチ間隔、または、ほぼ等ピツチ間隔に
Ｐ極の磁極を配置され、永久磁石材料により実質
的に円環状の形状に形成された界磁部と、前記界
磁部の磁極と対向する位置に等角度間隔、また
は、ほぼ等角度間隔にｓ個（ｓは2Pよりも小さ
い整数）の巻線用溝を有する電機子鉄心と、前記
巻線用溝に収納された複数相の巻線を具備し、前
記界磁部と前記電機子鉄心のうち、いずれか一方
が他方に対して回転可能であり、前記電機子鉄心
の隣接する前記巻線用溝の間に形成される各突出
体に前記巻線用溝よりも浅い開溝状のｎ個（ｎは
１以上の整数）の補助溝を対称的に設けて、前記
巻線用溝と前記補助溝からなる溝の全体を前記電
機子鉄心の中心に対して実質的に等角度間隔、ま
たは、ほぼ等角度間隔になるように配置し、か
つ、Ｐと（ｎ＋１）ｓの最小公倍数をＰとｓの最
小公倍数よりも大きくすると共に、360゜／｛（ｎ
＋１）ｓ｝の整数倍が360゜／Ｐと異なるように
したことを特徴とする回転電機。２Ｐ：ｓ＝２：３のときにｎを２以上の偶数に
したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の回転電機。