JP4039074B2

JP4039074B2 - 同期型モータ

Info

Publication number: JP4039074B2
Application number: JP2002036508A
Authority: JP
Inventors: 和男佐藤; 好一木梨
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP2003244915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に同期型モータにおけるトルク性能の向上と長寿命化及び巻線作業の作業性向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの同期型モータでは、固定子鉄心のスロット数と回転子の永久磁石磁極数の関係は、１２スロット８極、９スロット８極などが一般的である。
【０００３】
しかしながら、１２スロット８極では、１磁極ティースの磁極幅と永久磁石磁極のピッチとが離れているため巻線係数が小さくなり電動機効率が低下するという問題や、固定子鉄心のスロット数と永久磁石の磁極数の最小公倍数により決まるコギングトルクの発生次数が２４と小さく、コギングトルクが大きくなるという問題があった。
【０００４】
また、９スロット８極では、磁極ティースに流れるＵ、Ｖ、Ｗ相の各巻線電流が各時点で同一でないためラジアル方向の合成吸引力が０とならず、常に回転子に磁気吸引力が発生し、その結果、ボールベアリングなどの軸受にはラジアル方向に偏心力がかかり軸受寿命が短くなるという問題や、各磁極ティースに発生する誘起電圧の位相が異なるため固定子巻線の並列巻線ができず巻線の線径が太くなり作業性が悪いという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、エレベータ用のモータやロボット用のモータにおいて、減速機を用いず負荷を直接駆動するダイレクト駆動モータでは、大きなトルクが必要となるため多極化してモータ径を大きくする手法がとられ、固定子スロット数と回転子磁極数の最適化が多く提案されている（例えば、特開２０００−２０１４６２号公報参照）。そして、磁極ティースの個数ｎを１８×（１＋Ｚ）、永久磁石磁極の個数ｍを１６×（１＋Ｚ）、（但しＺは１以上の整数）にそれぞれ設定することで、コギングトルクの低減、および巻線係数の向上を図っている。
【０００６】
しかしながら、磁極ティースが１８、永久磁石磁極が１６でありながら、この最大公約数の２に少なくとも２以上（１＋Ｚ）を掛けるため、磁極ティース数ｎと永久磁石磁極数ｍとの最大公約数は４以上となり、最大公約数が２もしくは３のものよりも最小公倍数は小さくなり、コギングトルクの発生次数も小さくなる。
【０００７】
つまり、磁極ティース数と永久磁石磁極数を大きくとっているにもかかわらず、コギングトルクはそれほど小さくならなかった。
【０００８】
したがって、上記のモータをエレベータ駆動機器など低速回転域で使用される用途に用いると、コギングトルクを含んだトルクリップルが振動源となるため極力低減することが望まれている。
【０００９】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、コギングトルクが小さく、磁束利用率が高く、モータの軸受寿命が長く、かつ巻線作業の容易な同期型モータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、円周状にほぼ等間隔に配列された磁極ティースとスロットをＳ個有する固定子鉄心と、上記各磁極ティースにそれぞれ集中巻され、かつ３相Ｙ結線した固定子巻線と、上記磁極ティースと周方向にギャップを有しほぼ等間隔でＮ，Ｓ極を交互に配列したＰ個の永久磁石磁極を有する回転子とを備え、前記固定子巻線のＹ結線の並列回路数を２、磁極スロットの個数Ｓを１８、永久磁石磁極の個数Ｐを２０としたとき、１８個の磁極ティースのうち連続する３個を１相１組として３相を順次配列し、前記１組の固定子巻線は、偶数番目の磁極ティースへの巻方向が奇数番目の磁極ティースへの巻方向と逆になるように巻回したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の同期型モータは、円周状にほぼ等間隔に配列された磁極ティースとスロットをＳ個有する固定子鉄心と、上記各磁極ティースにそれぞれ集中巻され、かつ３相Ｙ結線した固定子巻線と、上記磁極ティースと周方向にギャ
ップを有しほぼ等間隔でＮ，Ｓ極を交互に配列したＰ個の永久磁石磁極を有する回転子とを備え、前記固定子巻線のＹ結線の並列回路数を２、磁極スロットの個数Ｓを１８、永久磁石磁極の個数Ｐを２０としたとき、１８個の磁極ティースのうち連続する３個を１相１組として３相を順次配列し、前記１組の固定子巻線は、偶数番目の磁極ティースへの巻方向が奇数番目の磁極ティースへの巻方向と逆になるように巻回したものである。
【００１２】
また、請求項２に記載の同期型モータは、固定子巻線のＹ結線の並列回路数を２、磁極スロットの個数Ｓを３０、永久磁石磁極の個数Ｐを３２としたとき、３０個の磁極ティースのうち連続する５個を１相１組として３相を順次配列し、前記１組の固定子巻線は、偶数番目の磁極ティースへの巻方向が奇数番目の磁極ティースへの巻方向と逆になるように巻回したものである。
【００１３】
さらに、請求項３に記載の同期型モータは、固定子巻線のＹ結線の並列回路数を２、磁極スロットの個数Ｓを４２、永久磁石磁極の個数Ｐを４４としたとき、４２個の磁極ティースのうち連続する７個を１相１組として３相を順次配列し、前記１組の固定子巻線は、偶数番目の磁極ティースへの巻方向が奇数番目の磁極ティースへの巻方向と逆になるように巻回したものである。
【００１４】
このように設定することで、磁束利用率（巻線係数）を高くすることができる。また、磁極スロット数と永久磁石磁極数との最小公倍数を大きくできるので（コギングトルクの発生次数が大きくなり）、コギングトルクを小さくできる。
【００１５】
また、並列回路数が２の場合、対向した磁極ティースに巻回したＵ，Ｖ，Ｗ相の各巻線電流の向きを対称に設定するのでラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期型モータが得られる。
【００１６】
また、Ｙ結線の並列回路数を２に設定することで、固定子巻線に太い銅線を用いる必要がなく、磁極ティースのスロット内で巻線の占める割合（巻線占積率）が向上する。さらに、１組の固定子巻線において、偶数番目の磁極ティースへの巻方向が奇数番目の磁極ティースへの巻方向と逆になるように巻回するので連続巻線が可能になり、巻線作業および線処理の作業性が高まり工数を削減できる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について図を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施例１）
実施例１は、Ｓ＝｛３×（２ｎ＋１）×Ｎ｝、Ｐ＝｛３×（２ｎ＋１）＋１｝×Ｎのｎ＝１、Ｎ＝２の場合（磁極スロット数Ｓ＝１８、永久磁石磁極数Ｐ＝２０）の同期型モータについて説明する。
【００１９】
図１において、１は固定子で、周方向に等間隔に分割した１８個の磁極ティース１ａを備えている。２は回転子で、永久磁石２ａを備えており、永久磁石２ａ外周面は等間隔で交互にＮ、Ｓ極となるように着磁している。
【００２０】
固定子１は隣り合う磁極ティース１ａ間によりスロット１ｂが形成されており、それぞれの磁極ティース１ａを集中巻回した巻線（図示せず）はこのスロット１ｂのスペースに収納される。
【００２１】
Ｕ，Ｖ，Ｗはそれぞれ固定子巻線の３相を表わしており、連続する磁極ティース３個を
１相１組としてＵ，Ｖ，Ｗ相を順次配置する。磁気利用率を上げるため、対向位置の巻線が同相で電流の向きも同じになるように設定する。このため、連続する磁極ティース３個のうち２番目巻線の巻回方向が１番目および３番目巻線の巻回方向と逆になるように巻回している（文字上のバーは巻線の巻回方向が逆であることを表わしている）。
【００２２】
これにより対向した磁極ティースに巻回したＵ，Ｖ，Ｗ相の各巻線電流の向きを対称にできるのでラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用せず軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期型モータを得ることができる。
【００２３】
また、並列回路数を２つにしているので、固定子巻線に太い銅線を用いる必要がなく、巻線の巻回作業が容易になり巻線占積率を向上させることができ、作業工数を削減できる。
【００２４】
さらに、磁極ティース毎に分割せずに連続する３つの磁極ティースを１つのブロックとすれば、１相１組の固定子巻線は途中で切断することなく連続して巻回することも可能となり、結線処理の作業工数を削減できる。
【００２５】
この巻回された３相巻線の結線図を図２に示しており、連続する３つの巻線を１組とし、対向する２組を並列接続してＵ，Ｖ，Ｗ相とし、３相をＹ結線している。
【００２６】
ここで、本願発明の同期型モータ（磁極スロット数Ｓ＝１８、永久磁石磁極数Ｐ＝２０）と従来モータ（Ｓ＝１２、Ｐ＝８およびＳ＝９、Ｐ＝８）とを、固定子の内径および外径、永久磁石の内径および外径、磁石材質を同じに設定して解析したモータのコギングトルクおよび誘起電圧と、代用特性としてのコギングトルク次数および巻線係数とを対比した結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
コギングトルク次数は磁極スロット数Ｓと永久磁石磁極数Ｐの最小公倍数であり、コギングトルクはコギングトルク次数の最小公倍数に反比例、また、巻線係数（磁束利用率）の結果は誘起電圧の値として表れ、誘起電圧の値が大きいほど巻線占積率が高くかつ永久磁石の磁束を効率的に利用していることになる。言い換えると大きなトルクを効率よく発生させることができる。
【００２９】
解析値では本願発明の同期型モータのコギングトルクが一番小さく、誘起電圧も大きく良好な結果が得られている。
【００３０】
（実施例２）
実施例２では、Ｓ＝｛３×（２ｎ＋１）×Ｎ｝、Ｐ＝｛３×（２ｎ＋１）＋１｝×Ｎ、（ｎ＝１，２，３、Ｎ＝２，３）のうち、ｎ＝１，Ｎ＝３における同期型モータを中心に説明する。
【００３１】
図３において、固定子３１は周方向に等間隔に２７個の磁極ティース３１ａおよびスロ
ット３１ｂを備えており、回転子３２は永久磁石３２ａの外周面を等間隔で交互にＮ，Ｓ極となるように３０極着磁している。ここでは実施例１と異なる並列回路数を中心に説明する。
【００３２】
実施例１と同様に連続する磁極ティース３個を１相１組としてＵ，Ｖ，Ｗを３回繰り返し配置する。実施例２では磁気利用率を上げるため、ここでは機械角で１２０°位置の巻線が同相で電流の向きも同じになるように設定するため、連続する磁極ティース３個のうち２番目巻線の巻回方向が１番目および３番目巻線の巻回方向と逆になるように巻回する。この巻回された３相巻線の結線は、連続する３つの巻線を１組とし、機械角で１２０°離れた３組を並列接続してＵ，Ｖ，Ｗ相とし、３相をＹ結線する（図４）。
【００３３】
ここで、Ｓ＝｛３×（２ｎ＋１）×Ｎ｝、Ｐ＝｛３×（２ｎ＋１）＋１｝×Ｎ、（ｎ＝１，２，３、Ｎ＝２，３）の範囲の各組合せにおける代用特性としてのコギングトルク次数および巻線係数の比較一覧を表２に示す。
【００３４】
【表２】
【００３５】
この表２からわかるように、巻線係数は本願発明の式中の並列回路数には関係せず、ｎの値に依存しており、ｎの設定値を大きくすれば巻線係数が向上する。また、コギングトルク次数は並列回路数に比例して大きくなり、コギングトルクを小さくできる。
【００３６】
なお、実施例１および実施例２は、ｎ＝１のときの並列回路数Ｎが２および３の場合について説明したが、Ｓ＝｛３×（２ｎ＋１）×Ｎ｝におけるｎ＝２の場合には、磁気利用率を上げるため、連続する磁極ティース５個を１相１組として、連続する磁極ティース５個のうち偶数番目巻線の巻回方向が奇数番目巻線の巻回方向と逆になるように巻回すればよい。また、ｎ＝３の場合には、連続する磁極ティース７個のうち偶数番目巻線の巻回方向が奇数番目巻線の巻回方向と逆になるように巻回する。このとき、連続する磁極ティース１組（３または５または７個）毎に分割してもよい。
【００３７】
そして、並列回路数が２の場合には、対向する磁極ティースの同相２組を並列接続し、並列回路数が３の場合には、機械角１２０°の同相３組を並列接続してＵ，Ｖ，Ｗ相とし、３相をＹ結線すればよい（連続する磁極ティースの１組の数が３から５または７になるだけであり図示せず）。
【００３８】
ところで、従来技術（特開２０００−２０１４６２号公報）に開示された磁極スロット数＝３６、永久磁石磁極数＝３２の場合、コギングトルクの次数は２８８であり、本願発明で比較的近い構成のものと比べると、永久磁石磁極数は３２で同じ、磁極スロット数が３０と少ないにもかかわらずコギングトルクの次数は４８０と大きく、コギングトルクを小さくできることがわかる。
【００３９】
また、本願発明の磁極ティース数、永久磁石磁極数、並列回路数を設定するにあたっては、要求されるモータの外形寸法や特性により適宜選択される。例えば、要求されるモー
タ外径から磁極ティース数を絞込み、使用回転速度や要望トルクの大小から巻線係数とコギングトルク（磁極ティース数と永久磁石磁極数の最小公倍数＝コギングトルク次数）を考慮して設定する。並列回路数Ｎを２から３に設定するよりも並列回路数Ｎを２に固定してｎを１つ大きく設定するほうが、巻線係数（磁気利用率）とコギングトルクの両方を改善できる。なお、並列回路数の決定には使用する巻線径を考慮する。
【００４０】
【発明の効果】
上記の実施例から明らかなように、本発明によれば、固定子巻線のＹ結線の並列回路数を２とし、磁極ティース数と永久磁石磁極数を特定の関係に設定することで、コギングトルク次数を大きくでき、コギングトルクを小さくできる。
【００４１】
また、連続する１相１組の巻線の偶数番目と奇数番目の巻回方向を逆にした複数組の同相を並列に接続してＵ，Ｖ，Ｗ相とし、３相をＹ結線することで、磁束利用率を高めることができる。また、回転時に回転子にかかるラジアル方向の吸引力をバランスさせることができるので軸受寿命に悪影響を与えることがなく、長寿命の同期型モータが得られる。
【００４２】
また、３相巻線の並列回路数を２にするので、巻線として太い銅線を用いる必要がなくなり、巻線の作業性が向上し作業工数を削減できる。また、巻線占積率を向上させることができる。
【００４３】
さらに、並列回路数を２にすることでコギングトルクをより効果的に低減できる。
【００４４】
このように、コギングトルクが小さく、磁束利用率が高く、モータの軸受寿命が長く、かつ巻線作業の容易な同期型モータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における電動機の要部断面図
【図２】本発明の実施例１における結線図
【図３】本発明の実施例２における電動機の要部断面図
【図４】本発明の実施例２におけるにおける結線図
【符号の説明】
１，３１固定子
１ａ，３１ａ磁極ティース
１ｂ，３１ｂスロット
２，３２回転子
２ａ，３２ａ永久磁石

Claims

円周状にほぼ等間隔に配列された磁極ティースとスロットをＳ個有する固定子鉄心と、上記各磁極ティースにそれぞれ集中巻され、かつ３相Ｙ結線した固定子巻線と、上記磁極ティースと周方向にギャップを有しほぼ等間隔でＮ，Ｓ極を交互に配列したＰ個の永久磁石磁極を有する回転子とを備え、前記固定子巻線のＹ結線の並列回路数を２、磁極スロットの個数Ｓを１８、永久磁石磁極の個数Ｐを２０としたとき、１８個の磁極ティースのうち連続する３個を１相１組として３相を順次配列し、前記１組の固定子巻線は、偶数番目の磁極ティースへの巻方向が奇数番目の磁極ティースへの巻方向と逆になるように巻回した同期型モータ。
固定子巻線のＹ結線の並列回路数を２、磁極スロットの個数Ｓを３０、永久磁石磁極の個数Ｐを３２としたとき、３０個の磁極ティースのうち連続する５個を１相１組として３相を順次配列し、前記１組の固定子巻線は、偶数番目の磁極ティースへの巻方向が奇数番目の磁極ティースへの巻方向と逆になるように巻回した請求項１に記載の同期型モータ。
固定子巻線のＹ結線の並列回路数を２、磁極スロットの個数Ｓを４２、永久磁石磁極の個数Ｐを４４としたとき、４２個の磁極ティースのうち連続する７個を１相１組として３相を順次配列し、前記１組の固定子巻線は、偶数番目の磁極ティースへの巻方向が奇数番目の磁極ティースへの巻方向と逆になるように巻回した請求項１に記載の同期型モータ。