WO2016203574A1

WO2016203574A1 - 永久磁石同期電動機

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Publication number: WO2016203574A1
Application number: PCT/JP2015/067464
Authority: WO
Inventors: 松岡　篤
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2016-12-22
Also published as: US10897165B2; JP6391826B2; US20180109153A1; CN107534326A; CN107534326B; JPWO2016203574A1

Abstract

８極９スロットの永久磁石同期電動機（１００）であって、環状のヨーク（１ａ）と複数のティース（１ｂ）とを備えた固定子コア（１０）を備え、複数のティース（１ｂ）の各々は、コイルが巻かれる部分である巻線部（１ｂ１）を有し、複数のティース（１ｂ）は３つのティース群を含み、３つのティース群の各々は、同相のコイルが巻かれ、回転子の回転方向の順に配置された３つのティース群の各々の第１のティース、第２のティースおよび第３のティースを含み、３つのティース群の各々の第１のティース、第２のティース、および第３のティースは、回転子２の回転方向の順に配置され、第１のティースの巻線部（１ｂ１）の幅は、第２のティースおよび第３のティースの各々の巻線部（１ｂ１）の幅よりも狭い。

Description

永久磁石同期電動機

　本発明は、回転子に設けられた永久磁石による磁界と固定子に巻かれたコイルに流れる電流による磁界とを利用して回転子を回転させる永久磁石同期電動機に関する。

　コイルが集中巻で巻かれる８極９スロットの永久磁石同期電動機では、同相のコイルが隣り合って巻かれる隣接した３つのティースを１つのティース群として、３つのティース群がヨークに配置される。特許文献１に示される従来の同期電動機では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、中央のティースの回転子対向部の幅を、両側の２つのティースの各々の回転子対向部の幅よりも広げることにより、高効率化と高出力化を図っている。

特開２０００－２５３６０２号公報

　８極９スロットの永久磁石同期電動機では、回転子の回転方向に対して、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、回転子の回転方向に対して、中央のティースの手前側に位置するティースで発生する鉄損は、回転子の回転方向に対して、中央のティースの奧側に位置するティースで発生する鉄損よりも小さくなる。すなわち、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースでは鉄損が均一に発生していないことになる。このように８極９スロットの永久磁石同期電動機では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損に違いがある。ところが特許文献１に示される従来技術は、ティースの鉄損と形状に着目して電動機効率の更なる向上を図るものではない。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機効率の更なる向上を図る永久磁石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、本発明に係る永久磁石同期電動機は、環状のヨークと、前記ヨークの内側で前記ヨークの周方向に離間して配列される複数のティースと、を備えた固定子コアと、前記固定子コアの内側に配置される回転子と、を備え、前記複数のティースの各々は、コイルが巻かれる部分を有し、前記複数のティースは３つのティース群を含み、前記３つのティース群の各々は、同相のコイルが巻かれ、前記回転子の回転方向の順に配置された前記３つのティース群の各々の第１のティース、第２のティースおよび第３のティースを含み、前記第１のティースの前記部分の幅は、前記第２のティースおよび前記第３のティースの各々の前記部分の幅よりも狭い。

　本発明に係る永久磁石同期電動機は、電動機効率の更なる向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る永久磁石同期電動機の横断面図本発明の実施の形態１に係る永久磁石同期電動機の要部拡大図Ｕ相を構成する１組のコイルの各々に発生する誘起電圧の波形と、これらの誘起電圧を合成した合成誘起電圧の波形とを示す図本発明の実施の形態１に係る永久磁石同期電動機において、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損を電磁界解析によって求めて比較した結果を示す図本発明の実施の形態２に係る永久磁石同期電動機の要部拡大図本発明の実施の形態２に係る永久磁石同期電動機において、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損を電磁界解析によって求めて比較した結果を示す図本発明の実施の形態２に係る永久磁石同期電動機において、第２のティースの先端部の幅を４２°として、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損を電磁界解析によって求めて比較した結果を示す図同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、第２のティースの先端部の回転方向幅を変化させたときの誘起電圧比を示す図

　以下に、本発明の実施の形態に係る永久磁石同期電動機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１．
　図１は本発明の実施の形態１に係る永久磁石同期電動機の横断面図である。永久磁石同期電動機１００は、環状のヨーク１ａと、ヨーク１ａの内側でヨーク１ａの周方向に離間して配列される９つのティース１ｂと、を備えた固定子コア１０と、固定子コア１０の内側に配置される回転子２とを備える。回転子２は、電磁鋼板を積層して成りシャフト３に固定された環状の回転子コア２ａと、回転子コア２ａの外周部に配置された８つの永久磁石２ｂとを備える。８つの永久磁石２ｂは、隣接する永久磁石２ｂ同士の極性が異なるように回転方向に交互に配置され、Ｎ極とＳ極の４極対を形成する。「回転方向」とは回転子２の回転する方向をいう。複数の永久磁石２ｂの各々は、希土類磁石またはフェライト磁石である。

　９つのティース１ｂの各々にはコイル６が巻かれる。固定子コア１０を構成するヨーク１ａと９つのティース１ｂは、電磁鋼板母材から打ち抜かれた複数のコア片を積層して構成されたものである。９つのティース１ｂの各々は、回転方向に等間隔に配置されているため、固定子１の軸心Ａを中心として隣接する２つのティース１ｂの各々が成す機械角は４０°である。このようにしてヨーク１ａには、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティース１ｂの組が複数組配置される。

　９つのティース１ｂの各々は、ヨーク１ａの内周面から固定子１の中心に向けて伸び、コイルが集中巻で巻かれる部分である巻線部１ｂ１と、ティース１ｂの先端に形成され、巻線部１ｂ１から回転方向両側に突出するつば状または傘状の先端部１ｂ２とで構成されている。巻線部１ｂ１は、固定子１の径方向と直交する方向における幅が一定である。先端部１ｂ２は回転方向に対称な形状である。先端部１ｂ２をつば状または傘状とすることで、回転子２の永久磁石２ｂの磁力を有効にティース１ｂに鎖交させ、トルクを向上可能な構造となっている。なお実施の形態１では同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティース１ｂの各々の先端部１ｂ２の回転方向幅が同一である。以下では先端部１ｂ２の回転方向幅を「先端幅」と称する。また以下では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティース１ｂの組の内、回転子２の回転方向に対して３つのティースの組の手前側に配置されるティース１ｂを「第１のティース」とし、回転子２の回転方向に対して第１のティースの奧側に配置されるティース１ｂを「第２のティース」とし、回転子２の回転方向に対して第２のティースの奧側に配置されるティース１ｂを「第３のティース」とする。

　固定子コア１０には、隣接する２つのティース１ｂで囲まれる部分にスロット５が形成され、９つのスロット５が設けられている。永久磁石同期電動機１００では、磁極数とスロット数との関係が８極９スロットとされ、９つのティース１ｂに３相を構成するコイルが集中巻で施されている。これらのコイルの各々は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の内、同相のコイルが、隣接する３つのティース１ｂの巻線部１ｂ１に巻かれているものとする。

　具体的には、Ｕ相を構成する３つのコイル６Ｕ１、コイル６Ｕ２およびコイル６Ｕ３の各々は、隣接する３つのティース１ｂの各々の巻線部１ｂ１に巻かれる。コイル６Ｕ２の巻線方向はコイル６Ｕ１の巻線方向とは逆向きであり、コイル６Ｕ３の巻線方向はコイル６Ｕ２の巻線方向とは逆向きである。

　Ｖ相を構成する３つのコイル６Ｖ１、コイル６Ｖ２およびコイル６Ｖ３の各々は、隣接する３つのティース１ｂの各々の巻線部１ｂ１に巻かれる。コイル６Ｖ２の巻線方向はコイル６Ｖ１の巻線方向とは逆向きであり、コイル６Ｖ３の巻線方向はコイル６Ｖ２の巻線方向とは逆向きである。

　Ｗ相を構成する３つのコイル６Ｗ１、コイル６Ｗ２およびコイル６Ｗ３の各々は、隣接する３つのティース１ｂの各々の巻線部１ｂ１に巻かれる。コイル６Ｗ２の巻線方向はコイル６Ｗ１の巻線方向とは逆向きであり、コイル６Ｗ３の巻線方向はコイル６Ｗ２の巻線方向とは逆向きである。

　図２は本発明の実施の形態１に係る永久磁石同期電動機の要部拡大図である。図２にはＵ相を構成する３つのコイル６Ｕ１、コイル６Ｕ２およびコイル６Ｕ３の組が示される。図２では回転子２が反時計回りに回転しているものとする。また図２では、コイル６Ｕ１、コイル６Ｕ２およびコイル６Ｕ３が巻かれる隣接した３つのティースの組の内、回転子２の回転方向に対して、手前側に配置されるティースを「第１のティース１」とし、第１のティース１ｂＵ１の奧側に配置されるティースを「第２のティース」とし、第２のティース１ｂＵ２の奧側に配置されるティースを「第３のティース」とする。

　永久磁石同期電動機１００において回転子２が回転すると、第１のティース１ｂＵ１に巻かれたコイル６Ｕ１に発生する誘起電圧と第２のティース１ｂＵ２に巻かれたコイル６Ｕ２に発生する誘起電圧との間には、位相差が生じる。この位相差に着目して実施の形態１に係る固定子コア１０では、第１のティース１ｂＵ１の巻線部１ｂ１の幅Ｗ１が第２のティース１ｂＵ２の巻線部１ｂ１の幅Ｗ２よりも狭く形成されている。また第１のティース１ｂＵ１の巻線部１ｂ１の幅Ｗ１が第３のティース１ｂＵ３の巻線部１ｂ１の幅Ｗ３よりも狭く形成されている。図１に示すコイル６Ｖ１、コイル６Ｖ２およびコイル６Ｖ３が巻かれた隣接する３つのティースの各々の巻線部１ｂ１の幅も同様の関係性を有し、コイル６Ｗ１、コイル６Ｗ２およびコイル６Ｗ３が巻かれた隣接する３つのティースの各々の巻線部１ｂ１の幅も同様の関係性を有する。なお巻線部１ｂ１の幅の各々は、巻線部１ｂ１の回転方向の幅を表す。

　同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の巻線部１ｂ１の幅が異なる理由を以下に説明する。

　まず、同相における合成誘起電圧と、同相を構成する１組のコイルの各々に発生する誘起電圧との位相差に関して説明する。各々のティースが回転方向に対して等間隔に配置される場合、固定子１の軸心Ａを中心として隣接する２つのティースの各々が成す機械角は４０°である。機械角４０°は３６０°をスロットの数である９で除した値に等しい。隣接する３つのティースの各々に巻かれたコイルが同方向に巻かれている場合には、磁極数が８極の回転子２が回転したときに、個々のコイルに発生する誘起電圧には電気角１６０°の位相差が生じている。電気角１６０°は機械角４０°に４極対を掛け合わせた値に等しい。

　回転子２が回転することにより、複数の磁極の内、符号Ｂで示す永久磁石２ｂが第２のティース１ｂＵ２を通過することでコイル６Ｕ２に発生する誘起電圧の位相は、符号Ｂで示す永久磁石２ｂが第１のティース１ｂＵ１を通過することでコイル６Ｕ１に発生する誘起電圧の位相に対して、電気角で１６０°遅れとなる。

　これに対して、コイル６Ｕ１とコイル６Ｕ２との一方の巻線方向を他方の巻線方向とは逆向きにした場合、誘起電圧の値は正負が反転する。従って、符号Ｂで示す永久磁石２ｂが第１のティース１ｂＵ１を通過することでコイル６Ｕ１に発生する誘起電圧の位相は、符号Ｂで示す永久磁石２ｂが第２のティース１ｂＵ２を通過することでコイル６Ｕ２に発生する誘起電圧の位相に対して、電気角で２０°遅れとなる。すなわち誘起電圧の位相差は電気角で－２０°である。この値は１６０°に－１８０°を加算した値に等しい。

　同様に、コイル６Ｕ２とコイル６Ｕ３との一方の巻線方向を他方の巻線方向とは逆向きにした場合、誘起電圧の値は正負が反転する。従って、符号Ｂで示す永久磁石２ｂが第２のティース１ｂＵ２を通過することでコイル６Ｕ２に発生する誘起電圧の位相は、符号Ｂで示す永久磁石２ｂが第３のティース１ｂＵ３を通過することでコイルＵ３に発生する誘起電圧の位相に対して、電気角で２０°遅れとなる。

　このように８極９スロットの永久磁石同期電動機１００では、同相を構成する１組のコイルの各々に発生する誘起電圧の位相差が近い値となるため、これらを同相の巻線として扱っている。

　図３はＵ相を構成する１組のコイルの各々に発生する誘起電圧の波形と、これらの誘起電圧を合成した合成誘起電圧の波形とを示す図である。

　図３に示すＵ相合成誘起電圧の値は、例えば図２に示すコイル６Ｕ１に発生する誘起電圧とコイル６Ｕ２に発生する誘起電圧とコイル６Ｕ３に発生する誘起電圧とを合成した値に等しい。Ｕ相合成誘起電圧の位相は、コイル６Ｕ１、コイル６Ｕ２、およびコイル６Ｕ３に通電される電流の位相と一致しているものとする。コイル６Ｕ１に発生する誘起電圧の位相は、Ｕ相合成誘起電圧に対して、電気角で２０°の遅れとなり、コイル６Ｕ２に発生する誘起電圧の位相は、Ｕ相合成誘起電圧と同位相となり、コイル６Ｕ３に発生する誘起電圧の位相は、Ｕ相合成誘起電圧に対して、電気角で２０°の進みとなる。

　永久磁石同期電動機においてトルクを発生させるには、各相に発生する誘起電圧に同期した正弦波状の電流を、対応する相のコイルに通電する必要がある。発生するトルクは、相の誘起電圧の位相とコイルに通電する電流の位相とによって変化し、永久磁石を回転子表面に配置する表面配置型の回転子を有する永久磁石同期電動機の場合、誘起電圧の位相とコイルに通電する電流の位相とが一致するときに同一電流で最も大きなトルクを発生させることができる。このとき、各ティースのコイルに発生する誘起電圧の位相と、通電される電流の位相の関係は以下の通りである。第１のティースのコイルに発生する誘起電圧に対しては遅れ位相の電流が流れ、第３のティースのコイルに発生する誘起電圧に対しては進み位相の電流が流れる。

　固定子鉄心に発生する鉄損は、固定子鉄心の磁束密度が高くなるに従って大きくなる傾向がある。永久磁石同期電動機に出力トルクを発生させるため固定子のコイルに通電すると、永久磁石から発生する磁束にコイルから発生する磁束が加わるため、固定子鉄心の磁束密度が高まり、鉄損が増加する。このとき、誘起電圧に対して電流が遅れ位相になると、コイルから発生する磁束は鉄心内の磁束密度を強める方向に作用し、誘起電圧に対して電流が進み位相となると、コイルから発生する磁束は鉄心内の磁束密度を弱める方向に作用する。そのため、誘起電圧に対して電流の位相が遅れると、鉄損は増加する傾向を示し、誘起電圧に対して電流の位相が進むと、鉄損は減少する傾向を示す。

　このように８極９スロットの永久磁石同期電動機の固定子鉄心では、電流の位相の進みと遅れの現象が同時に生じている。そのため、図２に示すように回転子２が回転するとき、第１のティース１ｂＵ１で発生する鉄損は、第２のティース１ｂＵ２で発生する鉄損よりも小さくなる。第３のティース１ｂＵ３で発生する鉄損は、第２のティース１ｂＵ２で発生する鉄損よりも小さくなる。すなわち、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の鉄損は均一に発生していないことになる。

　本願の発明者は、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損の違いに着目し、回転子２の回転方向に対して、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの組の手前側に配置されるティースの巻線部１ｂ１の幅を、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの組の中央に配置されるティースの巻線部１ｂ１の幅よりも狭くすると共に、手前側のティースの巻線部１ｂ１の幅を、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの組の奥側に配置されるティースの巻線部１ｂ１の幅よりも狭くすることで、手前側のティースの巻線部１ｂ１に巻かれるコイルの周長を短くし、相対的にコイルの銅損を低下させて電動機効率を向上させることができる永久磁石同期電動機１００を導き出すに至った。

　図４は本発明の実施の形態１に係る永久磁石同期電動機において、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損を電磁界解析によって求めて比較した結果を示す図である。横軸は、相の誘起電圧の位相にあわせた電流をコイルに通電した際に発生する永久磁石同期電動機１００の出力トルクを表す。縦軸の鉄損比は、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、第２のティースの巻線部１ｂ１で発生する鉄損に対する、第１のティースの巻線部１ｂ１と第３のティースの巻線部１ｂ１の各々で発生する鉄損の割合を表す。

　図４では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースが同一形状であるものとする。すなわち同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々は、巻線部１ｂ１の幅が同一であり、先端幅が同一であるものとする。

　（１）の鉄損比は、第２のティースの巻線部１ｂ１で生じる鉄損に対する、第１のティースの巻線部１ｂ１で生じる鉄損の割合である。（２）の鉄損比は、例えば無負荷回転時の第２のティースに生じる鉄損に対する、第２のティースの巻線部１ｂ１で生じる鉄損の割合である。（３）の鉄損比は、第２のティースの巻線部１ｂ１で生じる鉄損に対する、第３のティースの巻線部１ｂ１で生じる鉄損の割合である。

　図４に示すデータによれば、無負荷回転時、すなわちコイルに電流が通電されない状態では鉄損に差は無い。ところがコイルに通電して永久磁石同期電動機１００の出力トルクが高まるに従い、（２），（３）の鉄損比は（１）の鉄損比よりも大きくなることが分かる。

　ここで鉄心の磁束密度は、鉄心中の磁路の断面積が縮小するに従って上昇するため、鉄心の磁束密度の上昇に従って鉄損も増加する。一般的に鉄心材料で発生する鉄損は、ヒステリシス損の場合、磁束密度の１．６乗に比例して増加するとされている。そのためヨーク部１ａ１の径方向幅と巻線部１ｂ１の幅と先端部１ｂ２の径方向幅とを各々同じ寸法だけ縮小して磁路を狭くする場合、磁束密度が最も低い部分を選択して、その磁路を狭くすることにより、鉄損の増加を最小限に抑えることができる。磁束密度の増加の度合いが最も低い鉄心部は、ヨーク部１ａ１と巻線部１ｂ１と先端部１ｂ２との内、巻線部１ｂ１である。

　本実施の形態１の永久磁石同期電動機は、磁束密度の増加の度合いが最も低い巻線部１ｂ１に着目し、図２に示すように第１のティース１ｂＵ１の巻線部１ｂ１の幅が、第２のティース１ｂＵ２の巻線部１ｂ１の幅より狭く形成され、また第３のティース１ｂＵ３の巻線部１ｂ１の幅より狭く形成されている。第１のティース１ｂＵ１の巻線部１ｂ１を最も狭くしている理由は、前述したように、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティース１ｂの内、回転子２の回転方向に対して手前側に位置する第１のティース１ｂＵ１で発生する鉄損は、第２のティース１ｂＵ２と第３のティース１ｂＵ３の各々で発生する鉄損よりも小さくなるためである。従って、本実施の形態１の永久磁石同期電動機では、鉄損の増加を抑えながら、第１のティース１ｂＵ１の巻線部１ｂ１に巻かれるコイルの周長を、第２のティース１ｂＵ２の巻線部１ｂ１に巻かれるコイルよりも短くし、また第３のティース１ｂＵ３の巻線部１ｂ１に巻かれるコイルよりも短くすることが可能となる。

　実施の形態１では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の巻線部１ｂ１の幅が、回転子２の回転方向に対して順次大きくされている。すなわち、図２に示すように、第２のティース１ｂＵ２の巻線部１ｂ１の幅は、第１のティース１ｂＵ１の巻線部１ｂ１の幅よりも広く、第３のティース１ｂＵ３の巻線部１ｂ１の幅は、第２のティース１ｂＵ２の巻線部１ｂ１の幅よりも広い。前述したように同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損は、回転子２の回転方向に対して順次大きくなる。そのため、実施の形態１のように回転子２の回転方向に鉄損の大きさを対応付けて、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の巻線部１ｂ１の幅を変えることにより、鉄損増加の影響を少なく抑えながらコイルの周長も短くでき、電動機効率の向上を図ることができる。またコイルの使用量が抑制され、製造コストの更なる低減を図ることができる。

　なお実施の形態１では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の巻線部１ｂ１の幅は、回転子２の回転方向に対して順次大きくされているが、これに限定されず、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅が、第３のティースの巻線部１ｂ１の幅よりも広くてもよい。このように構成した場合でも、３つのティースの各々の先端部１ｂ２の幅が同一であれば、コギングトルクを小さくできるという８極９スロットの特徴を損なわずに、電動機効率の向上を図ることができる。

実施の形態２．
　図５は本発明の実施の形態２に係る永久磁石同期電動機の要部拡大図である。実施の形態２では、実施の形態１と同一部分に同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ述べる。実施の形態２に係る永久磁石同期電動機１００Ａでは、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、第２のティースの先端幅が、第１のティースおよび第３のティースの各々の先端幅よりも広く形成されている。

　図５の例では、第２のティース１ｂＵ２の先端幅が４５°となっている。第２のティース１ｂＵ２の先端幅は以下のように定義される。すなわち第２のティース１ｂＵ２の先端幅は、第２のティース１ｂＵ２の右側の周方向端部１ｂ２１と第１のティース１ｂＵ１の左側の周方向端部１ｂ２２との間のスロット開口部１ｃ１の中心から、第２のティース１ｂＵ２の左側の周方向端部１ｂ２２と第３のティース１ｂＵ３の右側の周方向端部１ｂ２１との間のスロット開口部１ｃ２の中心までの幅で定義される。

　また永久磁石同期電動機１００Ａでは、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅が、第１のティースの巻線部１ｂ１の幅よりも広く形成され、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅が、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅よりも広く形成されている。図５の例では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の巻線部１ｂ１の幅は、Ｗ１、Ｗ３、Ｗ２の順で広く形成されている。

　図６は本発明の実施の形態２に係る永久磁石同期電動機において、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損を電磁界解析によって求めて比較した結果を示す図である。横軸は、相の誘起電圧の位相にあわせた電流をコイルに通電した際に発生する永久磁石同期電動機１００Ａの出力トルクを表す。縦軸の鉄損比は、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、第２のティースの巻線部１ｂ１で発生する鉄損に対する、第１のティースの巻線部１ｂ１と第３のティースの巻線部１ｂ１の各々で発生する鉄損の割合を表す。

　図６では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の巻線部１ｂ１の幅が同一であるものとし、第２のティースの先端幅が４５°であるものとする。（１）から（３）の鉄損比は、図４に示す（１）から（３）の鉄損比に対応する。

　実施の形態１では同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の先端幅が同一であった。これに対して実施の形態２では、第２のティースの先端幅が、第１のティースおよび第３のティースの各々の先端幅よりも広く形成されている。すなわち、第２のティースの先端部１ｂ２の幅は、第１のティースの先端部１ｂ２の幅よりも広く、第２のティースの先端部１ｂ２の幅は、第３のティースの先端部１ｂ２の幅よりも広い。そのため、実施の形態２では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の先端幅が同一である場合に比べて、第２のティースの巻線部１ｂ１に発生する鉄損が最も大きくなる。図６の構成では、第２のティース、第３のティース、第１のティースの順で鉄損が小さくなる。

　そこで、実施の形態２では、第２のティースの先端幅の増加に伴い、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅を増加させることにより、第２のティースの巻線部１ｂ１で発生する鉄損の増加を抑制するように構成している。

　図７は本発明の実施の形態２に係る永久磁石同期電動機において、第２のティースの先端部の幅を４２°として、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々に発生する鉄損を電磁界解析によって求めて比較した結果を示す図である。横軸は、相の誘起電圧の位相にあわせた電流をコイルに通電した際に発生する永久磁石同期電動機１００Ａの出力トルクを表し、縦軸は鉄損比を表す。

　図７によれば、第２のティースの先端幅を４２°とした場合、永久磁石同期電動機１００Ａの出力トルクが高まるに従い、第２のティースの巻線部１ｂ１で発生する鉄損は、第３のティースで発生する鉄損と同等になることが分かる。このように第２のティースの先端幅を４２°とした場合、先端幅が４５°の場合に比べて、第２のティースの巻線部１ｂ１で発生する鉄損が低下する。そのため、第２のティースの先端幅を４２°とした場合、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅は、第３のティースの巻線部１ｂ１の幅と同等としても良い。

　第２のティースの先端幅が４５°である場合、第２のティースの先端幅が４２°である場合に比べて、第２のティースの巻線部１ｂ１で発生する鉄損は増加する傾向を示すものの、第２のティースの先端幅は、回転子に形成された複数の磁極の各々の回転方向幅である４５°と等しくなる。そのため、第２のティースの先端幅を４５°にした場合、第２のティースに巻かれたコイルに鎖交する磁束量は最も大きくなる。前述したように、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、第２のティースに発生する誘起電圧の位相は、相の誘起電圧の位相と一致している。そのため、相の誘起電圧の位相にあわせた電流をコイルに通電すると、第２のティースは、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの中で最もトルクを出力する。第２のティースに鎖交する磁束量を増加させることは、同期電動機の出力向上につながるため、第２のティースの先端幅が、第１のティースおよび第３のティースの各々の先端幅よりも広い同期電動機は、より出力が大きく、効率が良いといえる。

　図８は同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、第２のティースの先端部の回転方向幅を変化させたときの誘起電圧比を示す図である。横軸は、第２のティースの先端幅を表する。縦軸は、第２のティースの先端幅が４０°である場合における同相の合成誘起電圧を基準とした誘起電圧の比率を表す。図８に示すように第２のティースの先端幅が４５°の場合、同相における合成誘起電圧は最も大きな値となることが分かる。

　一方、実施の形態２では、第２のティースの先端幅を４５°にしているため、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の先端幅が同一である場合に比べて、第２のティースの巻線部１ｂ１に発生する鉄損が最も大きくなる。従って、実施の形態２では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の巻線部１ｂ１に発生する鉄損のバランスが、３つのティースの先端幅が同一に構成されている場合とは異なる。

　実施の形態２では、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの各々の巻線部１ｂ１に発生する鉄損のバランスを取るため、第２のティースの先端幅を広くするに従い、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅も広げている。図５の例では、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅は、第１のティースの巻線部１ｂ１の幅よりも広く、第２のティースの巻線部１ｂ１の幅は、第３のティースの巻線部１ｂ１の幅よりも広い。これにより、第２のティースの巻線部１ｂ１で発生する鉄損の増加が抑制され、電動機効率を向上させることができる。

　また実施の形態２の永久磁石同期電動機１００Ａでは、実施の形態１の永久磁石同期電動機１００と同様に、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティースの内、第１のティースの巻線部１ｂ１の幅を相対的に狭くしているため、コイルの周長が短くなった分の銅損が低減され、電動機効率の向上を図ること、製造コストの低減を図ること、永久磁石同期電動機１００Ａの軽量化を図ることができる。

　なお実施の形態１，２では、永久磁石２ｂが回転子コア２ａの外周部に配置された表面磁石（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ：ＳＰＭ）型の回転子２を用いたが、回転子コア２ａに永久磁石２ｂを埋め込んだ永久磁石埋込（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）型の回転子２を用いてもよい。ＩＰＭ型回転子の場合、回転子コアに形成された磁石挿入穴に永久磁石が圧入により挿入され、または接着剤が塗布されることにより、永久磁石が回転子コアに固定される。また回転子コア２ａは、電磁鋼板を積層したものに限定されず、鋼材を加工した一体型コア、樹脂と鉄粉を混ぜたものを固めた樹脂コア、または磁性粉を加圧成形した圧粉コアでもよく、コアの種類は目的と用途によって使い分けられる。

　以上に説明したように本実施の形態１，２に係る永久磁石同期電動機は、環状のヨークと複数のティースとを備えた固定子コアと、固定子コアの内側に配置される回転子と、を備え、複数のティースの各々は、コイルが巻かれる巻線部を有し、複数のティースは３つのティース群を含み、３つのティース群の各々は、同相のコイルが巻かれる隣接した３つのティース群の各々の第１のティース、第２のティースおよび第３のティースを含み、３つのティース群の各々の第１のティース、第２のティース、および第３のティースは、回転子の回転方向の順に配置され、第１のティースの巻線部の幅は、第２のティースおよび第３のティースの各々の巻線部の幅よりも狭い。この構成により、第１のティースの巻線部１ｂ１における鉄損の増加を抑えながら第１のティースの巻線部１ｂ１に巻かれるコイルの周長を短くすることができ、コイルの周長が短くなった分の銅損が低減され、電動機効率の向上を図ることができる。またコイルの使用量が抑制されるため、製造コストの低減を図ることができる。また、コイルの周長が短くなった分のコイルの重量も少なくなるため永久磁石同期電動機の軽量化を図ることが可能である。

　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の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、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　固定子、１ａ　ヨーク、１ａ１　ヨーク部、１ｂ　ティース、１ｂ１　巻線部、１ｂ２　先端部、１ｂ２１，１ｂ２２　周方向端部、１ｂＵ１　第１のティース、１ｂＵ２　第２のティース、１ｂＵ３　第３のティース、１ｃ１，１ｃ２　スロット開口部、２　回転子、２ａ　回転子コア、２ｂ　永久磁石、３　シャフト、４　隙間、５　スロット、６Ｕ１，６Ｕ２，６Ｕ３，６Ｖ１，６Ｖ２，６Ｖ３，６Ｗ１，６Ｗ２，６Ｗ３　コイル、１０　固定子コア、１００，１００Ａ　永久磁石同期電動機。

Claims

　環状のヨークと、前記ヨークの内側で前記ヨークの周方向に離間して配列される複数のティースと、を備えた固定子コアと、
　前記固定子コアの内側に配置される回転子と、
　を備え、
　前記複数のティースの各々は、コイルが巻かれる部分を有し、
　前記複数のティースは３つのティース群を含み、
　前記３つのティース群の各々は、同相のコイルが巻かれ、前記回転子の回転方向の順に配置された前記３つのティース群の各々の第１のティース、第２のティースおよび第３のティースを含み、
　前記第１のティースの前記部分の幅は、前記第２のティースおよび前記第３のティースの各々の前記部分の幅よりも狭い８極９スロットの永久磁石同期電動機。
　前記第２のティースの前記部分の幅は、前記第１のティースの前記部分の幅よりも広く、
　前記第３のティースの前記部分の幅は、前記第２のティースの前記部分の幅よりも広い請求項１に記載の永久磁石同期電動機。
　前記第２のティースの先端部の幅は、前記第１のティースの先端部の幅よりも広く、
　前記第２のティースの先端部の幅は、前記第３のティースの先端部の幅よりも広い請求項１に記載の永久磁石同期電動機。
　前記第２のティースと前記第１のティースとの間のスロット開口部から、前記第２のティースと前記第３のティースとの間のスロット開口部までの幅は、機械角で４５°に形成されている請求項３に記載の永久磁石同期電動機。
　前記第２のティースの前記部分の幅は、前記第１のティースの前記部分の幅よりも広く、
　前記第２のティースの前記部分の幅は、前記第３のティースの前記部分の幅よりも広い請求項３または４に記載の永久磁石同期電動機。