JPWO2005074099A1 - 電動機 - Google Patents

Abstract

ティースを、巻線が巻回されるティース４と巻線が巻回されないティース５とで構成するとともに、巻線６が巻回されるティース４と巻線６が巻回されないティース５とを交互に配置し、且つ前記巻線６が巻回されないティース５を、該ティース５の幅ｄより、該ティース先端部の幅ｅが小さい突起状７とすることにより、コギングトルク、及びトルクリップルを減少させたものである。

Description

この発明は電動機に係り、特に電動機の固定子に関するものである

第８図は従来の回転電動機の要部を示し、この回転電動機は、所定間隔を介して環状に配置された全てのティース１９に、巻線２３が巻回されることにより構成された固定子１８と、Ｓ極磁石２２−ａとＮ極磁石２２−ｂとが交互に所定間隔を介して環状に配列され、且つティース１９のティース先端部２０と一定の空隙を介して配置された永久磁石２２を有する回転子２１とで構成されている。
また、ティース１９は、第８図に見られるように、ティース１９の幅が、根元部から先まで幅が変化しないストレート形状であり、またティース先端部２０の開口部をできるだけ狭くしてコギングトルクを減少させるため、ティース先端部２０だけ、該ティース１９の幅より広くなる構成となっている。
ところで、回転電動機の巻線に通電しない無負荷状態においてコギングトルクを減少させるため、前述したようにティース先端部２０を該ティース１９の幅より大きく左右に張り出す形状として、ティース先端部２０の開口部をできるだけ狭くすると、通電によりトルクを発生させ回転子２を回転させる場合には、隣接するティース先端部２０の端部からの漏れ磁束により、ティース先端部２０に磁束が集中し、トルクリップルが増加する課題があった。
なお、通電時のトルクリップルを低減させるため、特開２００１−１５７４２８号公報や特許第２５５２８３２号公報に、ティースをテーパ状にすることが開示されているが、これらの先行技術には、コギングトルクを減少させるための手段が開示されていない。
なおまた、銅損を低減させるため、特開２００１−２４５４６０号公報に、ティース幅を細くし、より太い線を巻線することで、巻線柢抗を下げることが開示されているが、前記ティースを細くすることで、該ティースを通る磁束が減少し、磁気飽和となる課題があった。

この発明は上記課題を解決するためになされたもので、無負荷時のコギングトルク及び負荷時のトルクリップルを低減できる電動機を得ることを目的とする。
またこの発明は、無負荷時のコギングトルク、及び負荷時のトルクリップルばかりでなく、銅損も低減できる電動機を得ることを目的とする。
上記課題を解決するために、この発明に係る電動機は、複数のティース、及び隣り合うティースの間に形成されるスロットに巻回される巻線を有する固定子と、前記ティースに空隙を介して対向し、界磁を形成する永久磁石を有する可動子とを備えた電動機において、前記ティースを、巻線が巻回されるティースと巻線が巻回されないティースとで構成するとともに、巻線が巻回されるティースと巻線が巻回されないティースとを交互に配置し、且つ前記巻線が巻回されないティースを、該ティースの幅より、該ティース先端部の幅が小さい突起状としたものである。
また、前記巻線が巻回されないティースを、先端部を除いて同一幅としたものである。
このため、無負荷時のコギングトルク、及び負荷時のトルクリップルが減少する。
またこの発明に係わる電動機は、前記巻線が巻回されないティースの幅を、巻線が巻回されるティースの幅より細くしたものである。
このため、ティース間に形成されるスロットの面積が増加し、巻線の占積率が増加し、巻線抵抗下げることができるため、無負荷時のコギングトルク、及び負荷時のトルクリップルが減少するばかりでなく、銅損が低減する。
またこの発明に係わる電動機は、前記巻線が巻回されるティースを、根元部から先端部いくほど細くなるテーパ形状としたものである。
また、前記巻線が巻回されるティースの先端部を、該ティースの両側にはみ出した形状としたものである。
このため、無負荷時のコギングトルク、及び負荷時のトルクリップルが更に減少する。

第１図はこの発明の実施の形態１に係る回転電動機の断面図である。
第２図はこの発明の実施の形態１に係る回転電動機のティース部分周辺を示す拡大図である。
第３図は補ティースの先端部が突起状のときと突起状でないときのコギングトルク・トルクリップルの値を示す図である。
第４図は補ティース先端の突起部における幅寸法の違いによるコギングトルクの値を示す図である。
第５図は主ティースのテーパ形状の違いによる、コギングトルク・トルクリップルの値を示す図である。
第６図は補ティースの先端形状が突起状でない電動機を示す図である。
第７図はこの発明の実施の形態２に係る回転電動機の補ティースの先端形状を示す図である。
第８図は従来の回転電動機のティース部分周辺を示す拡大図である。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を、第１図〜第６図を用いて説明する。なお、第１図は実施の形態１に係る回転電動機の断面図、第２図は第１図の要部拡大図である。
第１図、第２図において、１は固定子で、主ティース４と補ティース５が、バックヨーク１０から固定子内側中心方向へ突出して、交互に同数づつ設けられている。２は可動子である回転子で、該回転子２の外側表面には、永久磁石３のＳ極磁石３−ａとＮ極磁石３−ｂとが交互に等間隔で同数配置されている。またこの永久磁石３は、回転子軸方向に２個並べられて１極を構成している。また主ティース４・補ティース５と永久磁石３とは、一定の空隙を介して対向している。また主ティース４と補ティース５の間には、スロット部９が構成されており、主ティース４にのみ巻回された、巻線６が配置されている、なお主ティース４に巻回される巻線６は、１ティースのつき１相である集中巻を採用している。また固定子１は、巻線６を施された状態で該固定子１の外周面をフレーム１１の内周面部に接触するように、焼嵌めにより配置固定されている。
また主ティース４は、第２図に示すように、バックヨーク１０から突出している根元部分の幅ａ、先部分の幅ｂとすると、ａ＞ｂの寸法関係となるテーパ形状になっている。具体的には、１４ｍｍ（ａ）−１２ｍｍ（ｂ）＝２（ｍｍ）のテーパ形状を採用している。
また主ティース４の先端に設けられている先端部８の幅ｃは、ｃ＞ｂとなるよう、主ティース４の両側にはみ出した形状となっている。具体的には、ｃ＝１５ｍｍ幅のものを採用している。
また補ティース５は幅ｄ一定のストレート形状で、補ティース５の先端部にはｄ＞ｅの幅となるよう、突起部７が設けられている。具体的には、８ｍｍ（ｄ）−６ｍｍ（ｅ）＝２（ｍｍ）の突起部７を採用している。
更にまた、主ティース４の幅ａと補ティース５の幅ｄはａ＞ｄの寸法関係となっており、主ティース４と補ティース５は不等形状ティースとなっている。具体的には、ａ＝１４ｍｍ、ｄ＝８ｍｍとなっている。
また、この実施の形態１に係る電動機は、５０極６０スロットの電動機で、上記以外の寸法などは次のとおりである。
即ち、フレーム１１外径＝４５５ｍｍ、主ティース４及び補ティース５の軸方向寸法＝１００ｍｍ、回転子２の軸方向寸法＝１００ｍｍ、主ティース４数＝３０個、補ティース５数＝３０個、固定子の材質・１枚あたりの厚み＝けい素鋼板・０．５ｍｍ、巻線６の材質＝銅、永久磁石３の材質・個数＝ネオジウム磁石・５０個、回転子２の材質＝一般構造用炭素鋼である。
この実施の形態１に係る電動機は以上のように構成されている。
次にこの実施の形態１に係る電動機のコギングトルク・トルクリップル特性について、第３図〜第６図を用いて説明する。
なお、本実施の形態１に係る電動機と比較するための特性を取るための電動機として、上記本実施の形態１に係る電動機を基本として、第６図に示す電動機（補ティース５の先端幅ｆが補ティース５の根元幅ｄより大きいもの）、補ティース５の幅ｄと補ティース５の先端幅ｅとの差寸法を変化させた電動機、主ティース４のバックヨーク１０から突出している根元部分の幅ａと主ティース４の先部分の幅ｂとの差寸法を変化させた電動機を用いた。
第３図は、無通電時のコギングトルク、及び通電時のトルクリップルの電磁解析結果を、第６図のように補ティース５の先端部２５の寸法ｆが、該補ティース５の幅ｄより大きいときと、本実施の形態１における形状である補ティース５の先端幅ｅが該補ティース５の根元幅ｄより小さい、突起部７であるときを、比較して表したものである。なお図中、１６は第６図に示すように、補ティース５の先端部２５の寸法ｆが、補ティース５の幅ｄより大きい形状のものの結果、１７は第２図に示すように、補ティース５の先端幅ｅが、該補ティース５の幅ｄより小さい形状のものの結果を表している。
第３図より、補ティース５の先端の寸法ｅが、該補ティース５の幅ｄより小さい突起部７であるほうが、無通電時のコギングトルク、及び通電時のトルクリップルが小さいことが明らかである。このため、本実施の形態１では、上述したように、補ティース５の先端の寸法ｅが、該補ティース５の幅ｄより小さい突起部７構成を採用している。
また第４図は、補ティース５の幅ｄと補ティース５における突起部７の幅ｅとの差による無通電時のコギングトルクの電磁解析結果を表したものである。なお図中、横軸は補ティース５の幅ｄと突起部７の幅ｅとの差である。
第４図より、補ティース５の幅ｄと突起部７の幅ｅとの差が２ｍｍのとき、コギングトルクが最小になっていることが明らかであり、このため、本実施の形態１では、上述したように、ｄ＝８ｍｍ、ｅ＝６ｍｍのもの、即ち補ティース５の幅ｄと突起部７の幅ｅとの差が２ｍｍ（＝８ｍｍ−６ｍｍ）のものを採用している。
また、第５図は同一巻線数において、テーパ形状の違いによる無通電時のコギングトルク、及び通電時のトルクリップルの電磁解析結果を表したものである。図中、１２はａ＝ｂのストレート形状、１３はａ−ｂ＝１ｍｍのテーパ形状、１４はａ−ｂ＝２ｍｍのテーパ形状、１５はａ−ｂ＝３ｍｍのテーパ形状のとき、それぞれのコギングトルク、及びトルクリップルを表している。なお、上記ａは主ティース４の根元部分の幅、ｂは主ティース４の先部分の幅である。
第５図より、１４のテーパ形状のときが、コギングトルク、及びトルクリップルが最も小さいことが明らかであり、このため、本実施の形態１では、上述したように、ａ＝１４ｍｍ、ｂ＝１２ｍｍのもの、即ちａ−ｂ＝２ｍｍのテーパ形状のものを採用している。
このように構成することで実施の形態１の電動機は、無通電時のコギングトルクが低い値となり、通電時には発生する磁束が、補ティース５の先端部を最適な寸法の突起部７にしたことで、補ティース５を通る磁束のティース先端付近における一次漏れ磁束が減り、磁気飽和がなくなりコギングトルクが低減する。
また、主ティース４の形状を最適な寸法のテーパ形状としたことで、磁束の集中する根元部側の磁気飽和が緩和され、力率が上がるためトルクリップルが低減する。
また、主ティース４の幅より補ティース５の幅を細くしたことで、該主ティース４を通る磁束密度はそのままのため磁気飽和が起こらず、スロット部の断面積を増加することができるため、巻線占積率を向上することができ、よって銅損を低減できる。
実施の形態２．
なお本実施の形態１では、巻線されていない補ティース５の先端形状として、第２図のような段状のものについて説明したが、第７図に示すように、階段形状２６や、三角突起形状２７としても、同様の効果が得られる。
また、本実施の形態１では、この発明を、上述したスペックの電動機に適用したものについて説明したが、その他の大きさの電動機（固定子１及び回転子２の軸方向長さを変化させた電動機、固定子１及び回転子２径を変化させた電動機など）にもこの発明が適用できる。
また、永久磁石３を回転子２の外周に貼り付けたものについて説明したが、回転子本体の軸方向に永久磁石埋設用穴を設け、この穴に磁石を埋設したタイプの電動機、いわゆるＩＰＭ電動機と一般に称される電動機にもこの発明が適用できる。但し、このタイプの電動機の場合、回転子本体の永久磁石埋設部の外周側厚みは１ｍｍ以下であることが好ましい。
更にまた、本実施の形態１では、回転電動機として説明しているが、リニアモータの構造に採用しても同様な効果が得られる。

以上のように、この発明にかかる電動機は、永久磁石を有する可動子を備えたタイプの電動機において用いられるのに適している。

Claims (5)

1. 複数のティース、及び隣り合うティースの間に形成されるスロットに巻回される巻線を有する固定子と、前記ティースに空隙を介して対向し、界磁を形成する永久磁石を有する可動子とを備えた電動機において、前記ティースを、巻線が巻回されるティースと巻線が巻回されないティースとで構成するとともに、巻線が巻回されるティースと巻線が巻回されないティースとを交互に配置し、且つ前記巻線が巻回されないティースを、該ティースの幅より、該ティース先端部の幅が小さい突起状としたことを特徴とする電動機。
2. 前記巻線が巻回されないティースは、先端部を除いて同一幅であることを特徴とする請求の範囲１に記載の電動機。
3. 前記巻線が巻回されないティースの幅を、巻線が巻回されるティースの幅より細くしたことを特徴とする請求の範囲１または２に記載の電動機。
4. 前記巻線が巻回されるティースを、根元部から先端部いくほど細くなるテーパ形状としたことを特徴とする請求の範囲１〜３の何れかに記載の電動機。
5. 前記巻線が巻回されるティースの先端部を、該ティースの両側にはみ出した形状としたことを特徴とする請求の範囲１〜４の何れかに記載の電動機。

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