JPWO2015029256A1 - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

隣り合う３個ずつの３相に区分され巻線２が集中的に巻回される９つのティースを有する固定子を備え、各相を構成する３個のティースの内、中央ティース３０の先端部３０ｂの周方向幅ｗ１が、この両側ティース３１，３２の先端部３１ｂ，３２ｂの周方向幅ｗ２，ｗ３よりも狭く形成され、中央ティース３０の先端部３０ｂのティース厚ｔ１が、両側ティース３１，３２の先端部３１ｂ，３２ｂのティース厚ｔ２，ｔ３より薄く形成されている。

Description

本発明は、同期電動機に関するものである。

永久磁石を用いた同期電動機において、特に固定子の巻線をティースに集中的に巻回する３相の同期電動機では、回転子に用いる永久磁石の磁極数と固定子のスロット数（＝ティース数）との比率が２：３で構成されることが多い。

磁極数と固定子のスロット数との比率が２：３で構成される同期電動機では、隣り合うティースの間に開口部を設けることが多い。これは、回転子に配置される永久磁石から発生する磁束が固定子の巻線に鎖交し易くすると共に、固定子の巻線に電流が流れることで生じる磁束が回転子へ向かわずに固定間で短絡することを防止するためである。

ただし、この開口部付近では、固定子と回転子との間のギャップの磁束密度分布が乱れるためコギングトルクが発生し、コギングトルクが振動や騒音の要因となる。

このようなコギングトルクを低減するため、例えば下記特許文献１に代表される従来の同期電動機では、８極または１０極の磁極を有する回転子と、９つのスロットを有する固定子とが用いられ、各相の隣り合う３つのティースに１相分の巻線が集中的に巻かれている。

この種の同期電動機では固定子に９つの巻線が配置されているため、各ティースが機械角で４０°毎に配置され、各ティースの巻線が機械角で４０°毎に連続して配置されている。そして８極の回転子では１つの磁極の幅が機械角で４５°、１０極の回転子では１つの磁極の幅が機械角で３６°となる。

一方、回転子が１回転する間に発生する脈動は、固定子のスロット数と回転子の極数との最小公倍数で決まるため、磁極数と固定子のスロット数との比率が２：３で構成される同期電動機が例えば８極１２スロットの場合、脈動が２４回である。これに対して８極９スロットの同期電動機では脈動が７２回、１０極９スロットの同期電動機では脈動が９０回である。

脈動数が多いほどコギングトルクのエネルギーが分散されるため、コギングトルクの振幅は小さくなる。すなわち、８極９スロットまたは１０極９スロットの同期電動機は、磁極数と固定子のスロット数との比率が２：３で構成される同期電動機よりもコギングトルクを抑えることができる。

特開昭６２−１１０４６８号公報

しかしながら、上記特許文献１に代表される従来の同期電動機では、１相を構成する巻線が連続して集中的に配置されるため、固定子の巻線に電流を通電して発生させる回転磁界が回転子の回転軸に対して不均等に発生することになる。そのため、回転子の永久磁石との間で吸引、反発する力が回転軸に対してアンバランスな状態となり、ラジアル方向に大きな加振力が発生し、この加振力が振動、騒音を発生させる要因となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、更なる低振動化および低騒音化を図ることができる同期電動機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、隣り合う３個ずつの３相に区分される９つのティースを有する１０極９スロットの同期電動機であって、各相を構成する３個のティースの内、中央に配置された第１ティースの内径側先端部の周方向幅が、この第１ティースの両側に配置された２つの第２ティースの内径側先端部の周方向幅よりも狭く形成され、前記第１ティースの内径側先端部の径方向厚さが、前記各第２ティースの内径側先端部の径方向厚さより薄く形成された固定子を備えたこと、を特徴とする。

この発明によれば、更なる低振動化および低騒音化を図ることができる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係る同期電動機の横断面図である。 図２は、図１に示される同期電動機の要部拡大図である。 図３は、１０極９スロットの同期電動機における中央ティース先端部の幅と誘起電圧比率との関係を示す図である。 図４は、加振力を説明するための同期電動機の横断面図である。 図５は、８極９スロットの同期電動機の巻線に正弦波電流を流したときに発生する加振力を示す図である。 図６は、図４に示される同期電動機の回転子で発生する加振力の軌跡を示す図である。 図７は、図４に示される同期電動機の発生トルクと加振力との関係を示す図である。 図８は、図７に示される曲線Ｂを拡大した図である。 図９は、１０極９スロットの同期電動機におけるティース先端部の径方向厚さとこの同期電動機における加振力比率との関係を示す図である。 図１０は、８極９スロットの同期電動機におけるティース径方向厚さと加振力との関係を示す図である。 図１１は、１０極９スロットの同期電動機におけるティース先端部の厚みと加振力比率との関係を示す第１の図である。 図１２は、１０極９スロットの同期電動機におけるティース先端部の厚みと加振力比率との関係を示す第２の図である。 図１３は、１０極９スロットの同期電動機におけるティース先端部の厚みと加振力比率との関係を示す第３の図である。

以下に、本発明に係る同期電動機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る同期電動機１０の横断面図である。図２は、図１に示される同期電動機１０の要部拡大図である。

図１に示される同期電動機１０は主たる構成として固定子１と回転子４とを有して構成され、回転子４は固定子１の内径側の空隙８を介して配置され、回転子４の中心には回転軸７が設けられている。回転子４を構成するバックヨーク５の外径面には、互いに異なる極性の永久磁石６が周方向に交互に配置されている。図示例の回転子４では永久磁石６の極数が１０極であり、１０極の回転子４では１つの磁極の幅が機械角で３６°である。

永久磁石６には、例えば比較的安価で磁力が低い材料（フェライト磁石など）が用いられ、出力の比較的小さい送風機用などに同期電動機１０が用いられる場合、瓦状の焼結磁石が永久磁石６として用いられる。なお、永久磁石６には、樹脂と磁粉を混合した材料をリング状に成形したボンドマグネットを用いてもよい。フェライト磁石は希土類磁石に比べて安価であるため、フェライト磁石を永久磁石６として用いた場合、コスト低減を図りながら後述する加振力を低減することができる。

固定子１は、環状に形成された固定子鉄心３と外部からの電力が供給される巻線２とを有して構成される。

固定子鉄心３はヨーク３４と複数のティース（３０，３１，３２）とを有して構成され、固定子鉄心３の内周側には周方向に等角度間隔で９つのティース（３０，３１，３２）が設けられている。図示例の固定子１では各ティース（３０，３１，３２）が固定子鉄心３の軸心Ａを中心として機械角で４０°毎に配置されている。

ヨーク３４と隣接する各ティース（３０，３１，３２）と各ティースの先端部（３０ｂ，３１ｂ，３２ｂ）とで囲まれる部分には、スロット３５が形成されている。図示例の固定子鉄心３では、９つのスロット３５が設けられている。

隣接する各ティースの先端部３０ｂ，３１ｂ，３２ｂの周方向端部３０ｂ１，３１ｂ１，３２ｂ１が相互に対向する部分には、スロット３５に巻線２を挿入するためのスロット開口部３３ａ１，３３ａ２，３３ｂが形成されている。図示例の固定子鉄心３では、各スロット開口部３３ａ１，３３ａ２，３３ｂが同一幅となるように構成されているが、各スロット開口部３３ａ１，３３ａ２，３３ｂの幅は、誤差範囲を含む略同一幅であればよい。

Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相を構成する３つのティース群の内、中央に設けられた中央ティース３０に巻かれている巻線２の向きは、中央ティース３０の両側に設けられた両側ティース３１，３２に巻かれている巻線２の向きとは逆向きである。Ｕ相を構成する３つのティース（３０，３１，３２）にはＵ相を構成する巻線２が集中的に配置されている。同様に、Ｖ相を構成する３つのティース（３０，３１，３２）にはＶ相を構成する巻線２が集中的に配置され、Ｗ相を構成する３つのティース（３０，３１，３２）にはＷ相を構成する巻線２が集中的に配置される。

本実施の形態に係る同期電動機１０では、各相のティース群を構成する中央ティース３０の先端部３０ｂの周方向幅ｗ１が、同相を構成する両側ティース３１，３２の先端部３１ｂ，３２ｂの周方向幅ｗ２，ｗ３よりも狭くなるように構成されている。

θ１は、例えば、中央ティース３０の右側の周方向端部３０ｂ１と両側ティース３１の左側の周方向端部３１ｂ１との間のスロット開口部３３ａ１の中心付近から、中央ティース３０の左側の周方向端部３０ｂ１と両側ティース３２の右側の周方向端部３２ｂ１との間のスロット開口部３３ａ２の中心付近までの幅で定義される。本実施の形態ではθ１が機械角で３２°から４０°の範囲に設定されている。

θ２は、例えば、両側ティース３１よりも右側に位置する両側ティース３２（図１参照）の周方向端部３２ｂ１と図２の両側ティース３１の周方向端部３１ｂ１と間のスロット開口部３３ｂから、スロット開口部３３ａ１の中心付近までの幅で定義される。

θ３は、両側ティース３２よりも左側に位置する両側ティース３１（図１参照）の周方向端部３１ｂ１と図２の両側ティース３２の周方向端部３２ｂ１と間のスロット開口部３３ｂから、スロット開口部３３ａ２の中心付近までの幅で定義される。

また、本実施の形態では、各相のティース群を構成する中央ティース３０の先端部３０ｂの径方向厚さ（ティース厚ｔ１）が、同相を構成する両側ティース３１，３２の先端部３１ｂ，３２ｂの径方向厚さ（ティース厚ｔ２，ｔ３）より薄く形成されている。

ティース厚ｔ１は、例えば、中央ティース３０の基部３０ａと先端部３０ｂとの付根部３０ａ１から、内径側面３０ｂ２までの厚みで定義される。ティース厚ｔ２は、例えば、両側ティース３１の基部３１ａと先端部３１ｂとの付根部３１ａ１から、内径側面３１ｂ２までの厚みで定義される。ティース厚ｔ３は、例えば、両側ティース３２の基部３２ａと先端部３２ｂとの付根部３２ａ１から、内径側面３２ｂ２までの厚みで定義される。

図中の点線ａは、複数の両側ティース３１，３２（図１参照）の付根部３１ａ１，３２ａ１を通る軌跡を表し、点線ｂは、複数の中央ティース３０（図１参照）の付根部３０ａ１を通る軌跡を表している。ティース厚ｔ１はティース厚ｔ２，ｔ３よりも薄く形成されているため、軌跡ａは軌跡ｂよりも径外側に位置している。

なお、本実施の形態では、一例として、各付根部３０ａ１，３１ａ１，３２ａ１を基準としてティース厚ｔ１，ｔ２，ｔ３が定義されているが、先端部３０ｂの厚みが先端部３１ｂ，３２ｂの厚みよりも相対的に薄く構成されていればよい。

ここで、各相のティース群を構成する中央ティース３０の周方向中心位置を、永久磁石６の磁極中心と仮定したとき、同相のティース群を構成する両側ティース３１，３２の周方向中心位置は、磁極中心から所定の機械角ずれた位置となる。１０極９スロットの同期電動機では磁極の幅が機械角で３６°であり、各ティース３０，３１，３２の幅が機械角で４０°であるため、両側ティース３１，３２の周方向中心は磁極中心から機械角で４°ずれた位置となる。８極９スロットの同期電動機でも同様に、両側ティースの周方向中心が磁極中心からずれた位置となる。

そのため、１０極９スロットの同期電動機では、各相のティース群を構成する両側ティース３１，３２の巻線２に発生する誘起電圧の位相は、同相を構成する中央ティース３０の巻線２に発生する誘起電圧の位相からずれる。従って、この位相差の影響により、各相のティース群を構成する３つの巻線２に発生する誘起電圧の総和は、中央ティース３０に発生する誘起電圧を３倍した値よりも小さくなる。

すなわち、１０極９スロットの同期電動機では、中央ティース３０の巻線２に発生する誘起電圧に対して、両側ティース３１，３２の巻線２に発生する誘起電圧の位相がずれることにより、両側ティース３１，３２の出力トルクへの寄与度は、中央ティース３０の出力トルクへの寄与度よりも低くなる。８極９スロット同期電動機でも同様である。

図３は、１０極９スロットの同期電動機における中央ティース先端部の幅と誘起電圧比率との関係を示す図である。図３のデータは、各ティースが機械角で４０°毎に配置されている場合の誘起電圧の値を１．０として、この誘起電圧の値と中央ティース３０の先端部３０ｂの幅θ１を４０°から３２°まで変化させたときの誘起電圧の値との比率（誘起電圧比率）に関する磁界解析の結果である。

横軸は中央ティース３０の先端部３０ｂの幅θ１を表し、縦軸は誘起電圧比率を表す。図３に示されるように、１０極９スロットの同期電動機における誘起電圧比率は、幅θ１が３２°以上、かつ、４０°以下のときに１以上の値となり、幅θ１が回転子４の磁極幅（機械角３６°）と同じ値のときに最大となる。

一方、１０極９スロットまたは８極９スロットの同期電動機では、１相を構成する巻線が集中的に配置されているため、巻線に電流が流れたときに発生する回転磁界が回転軸に対して不均等に発生する。このことにより回転軸に対してラジアル方向に大きな加振力(磁気吸引力)が発生する。

図４は、加振力を説明するための同期電動機１０の横断面図である。図４の同期電動機１０では８極または１０極の回転子４が用いられている。図４に示されるように回転子４が反時計回りに回転するときに、磁極の位置にあわせて固定子１の各相の巻線２へ電流が流れることにより、トルクが発生する。

図５は、８極９スロットの同期電動機の巻線に正弦波電流を流したときに発生する加振力を示す図である。図５には、同期電動機１０の横方向をＸ軸とし縦方向をＹ軸としたときに、回転子４の回転時に生じる加振力の磁界解析が示される。

図５に示されるように、加振力は、回転子４の回転にあわせてＸ軸方向またはＹ軸方向に対して略正弦波状に変化する。そして、８極９スロットの同期電動機では、回転子４が１回転するときに、正弦波状に変動する加振力が８回発生する。なお、１０極９スロットの同期電動機では、回転子４が１回転するときに、正弦波状に変動する加振力が１０回発生する。

図６は、図４に示される同期電動機の回転子で発生する加振力の軌跡を示す図である。加振力の大きさと向きを把握するため、図６では、図４のＸ軸方向に生じる加振力の大きさをＸ軸方向にとり、図４のＹ軸方向に生じる加振力の大きさをＹ軸方向に表している。図示例のように加振力は、略円状の軌跡を描き、回転子４の回転にあわせて略一定の大きさで方向を変えながら発生する。

なお、加振力の絶対値は、同期電動機１０の発生トルクに従って増加する傾向を示すが、同期電動機の大きさなどによって異なるため、図６では、８極９スロットまたは１０極９スロットの同期電動機で発生する加振力の傾向のみが示され、具体的な数値は省略されている。

図７は、図４に示される同期電動機の発生トルクと加振力との関係を示す図である。図７には、８極９スロットの同期電動機１０におけるトルクと加振力との関係を示す曲線Ａと、１０極９スロットの同期電動機におけるトルクと加振力との関係を示す曲線Ｂとが示されている。なお、これらの同期電動機では、磁力が同等の永久磁石６が回転子４に用いられているものとする。

図７に示されるように、１０極９スロットの同期電動機における加振力と８極９スロットの同期電動機における加振力とは、何れも発生トルクに比例して増加する。ただし、１０極９スロットの同期電動機における加振力は、８極９スロットの同期電動機における加振力に対して十分に小さく、８極９スロットの加振力の１／４以下を示す。

図８は、図７に示される曲線Ｂを拡大した図である。図８では、図７の曲線Ｂの変化を分かり易くするため、縦軸の目盛りの値が図７の縦軸の目盛りの値と異なるように設定されている。図８に示すように１０極９スロットの同期電動機における加振力は、発生トルクに対して２次関数に近い特性を示す。このように１０極９スロットの同期電動機では、加振力が発生トルクの上昇に対して急激に大きくなる傾向がある。これは固定子鉄心３の磁束密度が影響しているものと推定される。

図９は、１０極９スロットの同期電動機におけるティース先端部の径方向厚さとこの同期電動機における加振力比率との関係を示す図である。横軸は１０極９スロットの同期電動機におけるティース厚（ｔ１，ｔ２，ｔ３）を表し、縦軸は１０極９スロットの同期電動機における加振力比率を表す。図９のデータは、ティース厚（ｔ１，ｔ２，ｔ３）を変化させたときの加振力の最小値を１．０として、この最小値と、ティース厚（ｔ１，ｔ２，ｔ３）を変化させたときの加振力の値との比率（加振力比率）に関する磁界解析の結果である。

図９のデータを得るときの発生トルクは、１０極９スロットの同期電動機における定格出力相当としている。図９に示されるように、１０極９スロットの同期電動機では、ティース厚（ｔ１，ｔ２，ｔ３）が比較的大きい領域では加振力比率がほぼ一定の値を示す。これに対してティース厚が比較的薄い領域では、ティース厚が薄くなるほど加振力比率が増加する。この傾向は、ティース厚が薄くなるほど磁路が狭くなり、ティース先端部における磁束密度が上がり、その結果として加振力が大きくなるものと推定される。これは、電動機のトルクを上げるほど電流が増加し、ティース先端部における磁束密度が上がり、その結果として加振力が大きくなる場合と同じ要因、すなわちティース先端部における磁束密度が高くなることに起因していると推定される。

図１０は、８極９スロットの同期電動機におけるティース径方向厚さと加振力との関係を示す図である。横軸は８極９スロットの同期電動機におけるティース厚を表し、縦軸は８極９スロットの同期電動機における加振力比率を表す。図１０のデータは、ティース厚を変化させたときの加振力の最小値を１．０として、この最小値と、ティース厚を変化させたときの加振力の値との比率（加振力比率）に関する磁界解析の結果である。

図１０のデータを得るときの発生トルクは、８極９スロットの同期電動機における定格出力相当としている。図１０に示されるように８極９スロットの同期電動機では、ティース厚の変化に対して加振力比率がほとんど変化しない。

図９と図１０の結果から明らかなように、ティース厚を厚くすることで回転子の加振力を抑制する効果は１０極９スロットの同期電動機で得られる。なお、磁極数とスロット数との比率が２：３で構成される同期電動機では、１つの相を構成する３つの巻線２が回転軸７に対して対称に配置されている場合、磁気吸引力が回転軸７に対して打ち消し合うため、上記の様な回転子４の加振力は発生しない。従ってこのように構成される同期電動機では、図２に示されるようにティース厚ｔ１をティース厚ｔ２，ｔ３より薄く形成した場合でも加振力の変化が無く、同様の効果は得られない。

ところが、加振力を抑制するために、空隙８の値を一定としてティース厚を厚くした場合、巻線２を収納するスロット３５の断面積が小さくなってしまう。この場合の対策としては、巻線２に用いる銅線の線径を細くすることが考えられるが、巻線の線径を細くした場合、巻線２の抵抗が増加することにより銅線で発生する損失(銅損)が増加し、同期電動機の効率が低下することとなる。

このような効率低下の対策としては、各相のティース群の内、中央ティース３０の先端部３０ｂの周方向幅ｗ１を、両側ティース３１，３２の先端部３１ｂ，３２ｂの周方向幅ｗ２，ｗ３より狭くすることが考えられる。この構成により誘起電圧を向上させて、電流を減らすことで銅損の増加を防ぎ、効率の低下を抑制することができる。

このとき、中央ティースの先端部３０ｂの周方向幅ｗ１が狭くなることにより、先端部３０ｂと回転子４との間に生じる磁気吸引力（すなわち回転軸に対してラジアル方向に生じる加振力）が小さくなる可能性がある。

このような磁気吸引力低下を利用して、本実施の形態では、中央ティース３０のティース厚ｔ１が両側ティース３１，３２のティース厚ｔ２，ｔ３よりも薄く形成されている。この構成により、スロット３５の断面積を相対的に大きくすることができるため、中央ティース３０の巻線数を増加させても磁気吸引力の増加を抑制することができる。

次に、ティース厚を変化させたときの加振力の大きさに関して説明する。

図１１は、１０極９スロットの同期電動機におけるティース先端部の厚みと加振力比率との関係を示す第１の図である。図１１のデータは、先端部３０ｂの幅θ１が４０°に設定された１０極９スロットの同期電動機１０において、各相を構成する３つのティースのティース厚ｔ１，ｔ２，ｔ３が最も薄く設定されている場合の加振力の値を１．０として、この値と、これらの各ティース厚を変化させたときの加振力の値との比率（加振力比率）に関する磁界解析の結果である。

図１１では、最も薄いティース厚が「薄」と表記され、最も厚いティース厚が「厚」と表記され、「薄」と「厚」の中間的な厚みが「普」と表記されている。

左側３つのデータは、ティース厚ｔ２およびティース厚ｔ３が薄く、かつ、ティース厚ｔ１が３種類の厚さに設定された１０極９スロットの同期電動機１０における加振力比率を表す。右側３つのデータは、ティース厚ｔ２およびティース厚ｔ３が厚く、かつ、ティース厚ｔ１が３種類の厚さに設定された１０極９スロットの同期電動機１０における加振力比率を表す。中央のデータは、ティース厚ｔ１、ティース厚ｔ２、およびティース厚ｔ３が中間的な厚さ設定された１０極９スロットの同期電動機１０における加振力比率を表す。

図１１のデータより、ティース厚ｔ１，ｔ２，ｔ３が全て「薄」の加振力比率（最も左側のデータ）に比べて、ティース厚ｔ１，ｔ２，ｔ３が全て「薄」以外の加振力比率は低い値を示す。

ただし、ティース厚ｔ１，ｔ２，ｔ３が全て「普」の加振力比率（中央のデータ）と、ティース厚ｔ１，ｔ２，ｔ３が全て「厚」の加振力比率（最も右側のデータ）との間では、大きな差がみられない。

一方、ティース厚ｔ２およびティース厚ｔ３が「厚」であり、ティース厚ｔ１が「普」または「薄」の加振力比率（右から２つ目と３つ目のデータ）は、低下傾向を示す。ただし、左から２つ目と３つ目の加振力比率は、中央の加振力比率と略同じ値である。そのため、スロット断面積を確保するという観点からは、ティース厚ｔ１のみを薄くしても顕著な効果を得ることができない。

図１２は、１０極９スロットの同期電動機におけるティース先端部の厚みと加振力比率との関係を示す第２の図である。図１１との相違点は、先端部３０ｂの幅θ１が３６°に設定された１０極９スロットの同期電動機１０が用いられている点である。

図１２のデータによれば、右から３つめの加振力比率と右から４つめの加振力比率との間に顕著な差が生じていることが分かる。すなわち先端部３０ｂの幅θ１が３６°に設定されている場合、ティース厚ｔ１を薄くした場合でも、ティース厚ｔ２およびティース厚ｔ３を厚くすることにより、加振力を低下させることができる。この傾向は、先端部３０ｂの幅θ１、すなわち先端部３０ｂの周方向幅ｗ１が狭くなるほど顕著になる。

図１３は、１０極９スロットの同期電動機におけるティース先端部の厚みと加振力比率との関係を示す第３の図である。図１１との相違点は、先端部３０ｂの幅θ１が３２に設定された１０極９スロットの同期電動機１０が用いられている点である。

端部３０ｂの幅θ１が３２°に設定されている同期電動機１０では、ティース厚ｔ２およびティース厚ｔ３が加振力に対して支配的になり、その結果、右から３つの加振力比率が図１２に示される加振力比率に比べて低減されていることがわかる。

以上に説明したように本実施の形態に係る同期電動機１０は、隣り合う３個ずつの３相に区分される９つのティースを有する１０極９スロットの同期電動機１０であって、各相を構成する３個のティースの内、中央に配置された第１ティース（３０）の内径側先端部（３０ｂ）の周方向幅ｗ１が、この第１ティースの両側に配置された２つの第２ティース（３１，３２）の内径側先端部（３１ｂ，３２ｂ）の周方向幅ｗ２，ｗ３よりも狭く形成され、第１ティースの内径側先端部の径方向厚さ（ｔ１）が、各第２ティースの内径側先端部の径方向厚さ（ｔ２，ｔ３）より薄く形成された固定子１を備える。この構成により、１０極９スロットで原理的に発生するラジアル方向の加振力が低減される。また、中央ティース３０の周方向幅ｗ１を両側ティース３１，３２の周方向幅ｗ２，ｗ３よりも狭くすることにより、より大きな誘起電圧を発生されることができ、同期電動機１０の効率の向上を図ることができる。さらに、中央ティース３０のティース厚ｔ１が両側ティース３１，３２のティース厚ｔ２，ｔ３より薄く形成されているため、スロット３５の断面積の減少が抑制され、同期電動機１０の効率低下を抑制することができる。その結果、更なる低振動化および低騒音化を図りながら、効率の向上を図ることができる。

また、本実施の形態に係る同期電動機１０では、第１ティース（３０）と一方の第２ティース（３１）との間のスロット開口部（３３ａ１）から、第１ティース（３０）と他方の第２ティース（３２）との間のスロット開口部（３３ａ２）までの幅ｗ１が、機械角で３２°より大きく、かつ、機械角で４０°より小さくなるように形成されている。この構成により、幅ｗ１が４０°となるように形成された従来の１０極９スロットの同期電動機に比べて、巻線係数が高くなり、高出力化および高効率化を図ることができる。巻線係数は、回転子４の永久磁石６から発生する磁束が巻線２にどの程度有効に鎖交するかを示す指標である。

また、本実施の形態に係る同期電動機１０では、第１ティース（３０）と一方の第２ティース（３１）との間のスロット開口部（３３ａ１）から、第１ティース（３０）と他方の第２ティース（３２）との間のスロット開口部（３３ａ２）までの幅ｗ１が、機械角で３６°になるように形成されている。この構成により、中央ティース３０の先端部３０ｂの周方向幅ｗ１を、両側ティース３１，３２の先端部３１ｂ，３２ｂの周方向幅ｗ２，ｗ３より小さくするように構成した同期電動機１０の中で、巻線係数が最も高くなり、高出力化および高効率化を図ることができる。

なお、本発明の実施の形態は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。

以上のように、本発明は、同期電動機に適用可能であり、特に、更なる低振動化および低騒音化を図ることができる発明として有用である。

１ 固定子、２ 巻線、３ 固定子鉄心、４ 回転子、５ バックヨーク、６ 永久磁石、７ 回転軸、８ 空隙、１０ 同期電動機、３０ 中央ティース、３０ａ 基部、３０ａ１ 付根部、３０ｂ 先端部、３０ｂ１ 周方向端部、３０ｂ２ 内径側面、３１ 両側ティース、３１ａ 基部、３１ａ１ 付根部、３１ｂ 先端部、３１ｂ１ 周方向端部、３１ｂ２ 内径側面、３２ 両側ティース、３２ａ 基部、３２ａ１ 付根部、３２ｂ 先端部、３２ｂ１ 周方向端部、３２ｂ２ 内径側面、３３ａ１，３３ａ２，３３ｂ スロット開口部、３４ ヨーク、３５ スロット。

磁極数と固定子のスロット数との比率が２：３で構成される同期電動機では、隣り合うティースの間に開口部を設けることが多い。これは、回転子に配置される永久磁石から発生する磁束が固定子の巻線に鎖交し易くすると共に、固定子の巻線に電流が流れることで生じる磁束が回転子へ向かわずに固定子のティース間で短絡することを防止するためである。

しかしながら、上記特許文献１に代表される従来の同期電動機では、１相を構成する巻線が連続して集中的に配置されるため、固定子の巻線に電流を通電して発生させる回転磁界が回転子の回転軸に対して不均等に発生することになる。そのため、回転子の永久磁石との間で吸引、反発する力がアンバランスな状態となり、回転軸に対してラジアル方向に大きな加振力が発生し、この加振力が振動、騒音を発生させる要因となる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、隣り合う３個ずつの３相に区分され巻線が集中的に巻回される９つのティースを有する１０極９スロットの同期電動機であって、固定子は、各相を構成する３個のティースの内、中央に配置された第１ティースの内径側先端部の周方向幅が、この第１ティースの両側に配置された２つの第２ティースの内径側先端部の周方向幅よりも狭く形成され、前記第１ティースの内径側先端部の径方向厚さが、前記各第２ティースの内径側先端部の径方向厚さより薄く形成されている。

図７は、図４に示される同期電動機の発生トルクと加振力との関係を示す図である。図７には、８極９スロットの同期電動機におけるトルクと加振力との関係を示す曲線Ａと、１０極９スロットの同期電動機におけるトルクと加振力との関係を示す曲線Ｂとが示されている。なお、これらの同期電動機では、磁力が同等の永久磁石６が回転子４に用いられているものとする。

一方、ティース厚ｔ２およびティース厚ｔ３が「厚」であり、ティース厚ｔ１が「普」または「薄」の加振力比率（右から２つ目と３つ目のデータ）は、低下傾向を示す。ただし、右から２つ目と３つ目の加振力比率は、中央の加振力比率と略同じ値である。そのため、スロット断面積を確保するという観点からは、ティース厚ｔ１のみを薄くしても顕著な効果を得ることができない。

先端部３０ｂの幅θ１が３２°に設定されている同期電動機１０では、ティース厚ｔ２およびティース厚ｔ３が加振力に対して支配的になり、その結果、右から３つの加振力比率が図１２に示される加振力比率に比べて低減されていることがわかる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、隣り合う３個ずつの３相に区分され巻線が集中的に巻回される９つのティースを有する１０極９スロットの同期電動機であって、固定子は、各相を構成する３個のティースの内、中央に配置された第１ティースの内径側先端部の周方向幅が、この第１ティースの両側に配置された２つの第２ティースの内径側先端部の周方向幅よりも狭く形成され、前記第１ティースの内径側先端部の径方向厚さが、前記各第２ティースの内径側先端部の径方向厚さより薄く形成され、隣接する前記第１ティースの内径側先端部及び前記第２ティースの内径側先端部のそれぞれの周方向端部が相互に対向する部分には、スロット開口部が形成され、隣接する前記第１ティースの内径側先端部及び前記第２ティースの内径側先端部の間に形成される複数の前記スロット開口部のそれぞれの幅は同一である。

Claims (3)

1. 隣り合う３個ずつの３相に区分される９つのティースを有する１０極９スロットの同期電動機であって、
   各相を構成する３個のティースの内、中央に配置された第１ティースの内径側先端部の周方向幅が、この第１ティースの両側に配置された２つの第２ティースの内径側先端部の周方向幅よりも狭く形成され、前記第１ティースの内径側先端部の径方向厚さが、前記各第２ティースの内径側先端部の径方向厚さより薄く形成された固定子を備えたこと、
   を特徴とする同期電動機。
2. 前記第１ティースと一方の第２ティースとの間のスロット開口部から、前記第１ティースと他方の第２ティースとの間のスロット開口部までの幅は、機械角で３２°より大きく、かつ、機械角で４０°より小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
3. 前記第１ティースと一方の第２ティースとの間のスロット開口部から、前記第１ティースと他方の第２ティースとの間のスロット開口部までの幅は、機械角で３６°になるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機。

Images