JP3983423B2

JP3983423B2 - 電動機

Info

Publication number: JP3983423B2
Application number: JP20863099A
Authority: JP
Inventors: 浩村上; 俊幸玉村; 幸夫本田; 正行神藤; 久和片岡; 修明森野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: JP2007209199A; JP2001037133A; JP4499764B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の薄板状の電磁鋼板を積層した、ステータコアの各スロット部に個別のコイルが施されているステータを備え、各スロット部の巻線が、ステータヨークを取り囲む方向に巻線されてコイルを構成し、各コイルが３相スターもしくはデルタ状に結線されている電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１６に従来の代表的なステータの外観図、図１７にステータの結線図を示す。図１６において１１はステータコア、１２は巻線である。この構成のステータの巻線方式は一般に分布巻と呼ばれ、図１７に示すように各スロットに巻線されたコイルが、３相スター状もしくはデルタ状に結線され、電気角で１２０度位相のずれた電流を個々の相に流すことで回転磁界を発生し、この回転磁界により、ステータ内部のロータに回転力を発生させていた。図１６に示す従来型の分布巻ステータは理想的な回転磁界を発生させるため、なめらかにロータを回転させることが可能で、低振動で低騒音なモータを構成することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によるステータ構成は理想的な回転磁界を発生させる事が特徴であるが、図１６の１３に示すコイルエンド部の体積が非常に大きくなる欠点がある。コイルエンド部に流れる電流はモータのトルク発生には寄与しないため、その部分で発生する銅損が増大してモータ効率を低下させる。また、コイルの材料は銅であるため、コイルエンドの体積が大きくなると材料費も高価になってくる。このように分布巻ステータには、コイルエンドの体積が大きくなるので、モータの小型化が困難で、材料費も高価になり、銅損の増大によるモータ効率低下といった課題が存在する。
【０００４】
一方、このような課題を解決するために集中巻構造のステータが存在する。図１８は集中巻ステータの外観図、図１９に巻線図を示す。集中巻構造のステータは、図１９に示すようにステータの各ティース部２の周囲を囲む方向に巻線を施し、これらのコイルを３相デルタおよびスター結線したものである。このように結線することで、集中巻のステータは図１８の１３に示すようにコイルエンドの体積が小さくなるので分布巻に比べてモータの小型化が可能である。しかしながら、集中巻構造の発生する磁界分布は分布巻のように理想的な均一回転磁界にはならない。図２０と図２１に分布巻と集中巻の磁束の流れを表した図を示す。図２０は４極分布巻のステータに４極埋め込み磁石型ロータを組み込んだ場合の磁束の流れを示しており、図２１は４極集中巻のステータに、図２０と同じロータを組み込んだ場合の磁束の流れを示している。図２０より分布巻ステータの発生する磁界は、Ｎ極とＳ極が９０度毎に分布しているが、集中巻ステータでは図２１に示すように巻線に流れる電流が発生する磁界が９０度毎に均一にならない。以上のように、集中巻ステータは、コイルエンドが小さくできるが、発生磁界が不均一になるため振動騒音が大きくなるといった欠点がある。また、集中巻はステータの巻線コイル１極当たりの角度が、ロータ１極当たりの角度より小さくなる。例えば、図２１の例では、ロータが４極であるため１極当たり９０度であるが、ステータティースに巻かれた巻線１相当たりは６０度になる。その結果、巻線の有効利用率が分布巻よりも悪くなるので、消費電流が増大するという欠点も存在する。
【０００５】
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、回転子と、環状のヨーク部と、このヨーク部に設けた複数のティース部と、前記ヨーク部にトロイダル巻きを施した複数のコイル部と、前記複数のコイル部に３相スターもしくはデルタ状に結線したステータと、前記ヨーク部の内径部及び外径部の両方にティース部を有し、この内径側ティース部と外径側ティース部に対応する内側ロータと外側ロータを備え、前記ヨーク部及びティース部で発生する回転磁束に前記回転子が同期して回転駆動する電動機において、前記外側ロータと前記内側ロータの極の変わり目が、任意の角度ずらして取り付けられた電動機である。
【０００７】
【０００８】
【発明の実施の形態】
本願発明は、回転子と、環状のヨーク部と、このヨーク部に設けた複数のティース部と、前記ヨーク部にトロイダル巻きを施した複数のコイル部と、前記複数のコイル部に３相スターもしくはデルタ状に結線したステータと、前記ヨーク部の内径部及び外径部の両方にティース部を有し、この内径側ティース部と外径側ティース部に対応する内側ロータと外側ロータを備え、前記ヨーク部及びティース部で発生する回転磁束に前記回転子が同期して回転駆動する電動機において、前記外側ロータと前記内側ロータの極の変わり目を、任意の角度ずらして取り付けたものである。
【０００９】
なお、周方向でティース部間にあるヨーク部でトロイダル巻線を施したコイル部は、隣り合うコイル部と異相であるとよい。
【００１０】
なお、ティース部は、ティース先端が広がった構造であるとよい。
【００１１】
なお、回転子に永久磁石を埋め込み、マグネットトルクを主とし、リラクタンストルクを補助とする総合トルクにより回転駆動する電動機であってもよい。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【実施例】
（参考例１）
図１は第１の参考例を示した図である。図１において、１がステータコア、２がステータコアのティース部、３がヨーク部、４がスロット部である。各スロット部には、巻線をトロイダル状に施したコイル６が配置され３相結線されている。５は、非磁性体からなるスペーサ部であり、コイルが他の部分隣りのコイルと接しないようにするため、ヨーク部３に設ける。図２に図１で示すステータの巻線結線図を示す。
【００１５】
図２に示すようにステータコアのヨーク部に巻線する事で、コイルエンドの体積を分布巻に比べて非常に小さくすることができる。図３は本参考例のステータに電流を流したときの発生する磁束の流れを示した図である。本参考例のステータでは、従来例で示した図２０の分布巻の磁束分布と全く同一になる。したがって、従来例で説明した集中巻ステータのように、巻線に流れる電流が発生する磁束分布が不均一になることがないため、小型化しても振動、騒音を非常に小さなレベルにおさえることが可能である。
【００１６】
図４は本参考例のステータに永久磁石ロータを組み込んだときの電流―トルク特性を示した図である。またこの図には、同一のロータを組み込んだ時の分布巻ステータと集中巻ステータの特性も示している。
【００１７】
本参考例のステータは巻線が発生する磁束分布が分布巻と同一になるため、トルク定数も分布巻と全く同一であり、集中巻のようにコイルエンドの体積を小さくした結果、トルク定数が低下してしまうこともない。表１は本参考例ステータと従来型の分布巻ステータ、集中巻ステータの積厚を同一にしたときのステータ高さの比較を示した図である。表１よりステータ高さは集中巻と同一寸法まで小型化できる。以上のように本参考例のステータはトルク定数を低下させることなく、コイルエンドの体積を小さくできると同時に、低振動、騒音のモータが実現できるため、従来型のステータである分布巻、集中巻ステータの課題を解決できる大きな効果を得ることができる。
【００１８】
【表１】

図５はステータの外径Ｒと積厚Ｌとの比に対する巻線の線間抵抗の関係を示した図である。図中には本参考例のステータと分布巻ステータの比較を示している。本参考例のステータは、ステータの外径Ｒと積厚Ｌとの比、Ｌ／Ｒが０．５以下の場合、分布巻ステータより巻線の線間抵抗が小さくなる為、巻線に電流が流れることにより発生する銅損が小さくできるので、小型で有ると同時に高効率なモータが実現できる。このようにＬ／Ｒが０．５以下の場合、本参考例の効果が最もよくあらわれる。
【００１９】
（参考例２）
図６は第２の参考例を示した図である。図６は第１の参考例で示したステータに永久磁石ロータを組み込んだ、永久磁石型同期モータである。本参考例のステータに永久磁石ロータを組み込むことにより、永久磁石の磁束でトルクを発生できるため、巻線抵抗が小さいと同時に小型で高トルク、高効率モータを実現できる。また、図７の様に、ロータを埋め込み磁石型ロータにすることで、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクも有効利用できるので更に銅損の小さい永久磁石同期モータを実現することが可能である。
【００２０】
（参考例３）
図８は第３の参考例を示した図である。図８は第１の参考例で示したステータにシンクロナスリラクタンスモータのマルチフラックスバリア型ロータを組み込んだシンクロナスリラクタンスモータである。シンクロナスリラクタンスモータはロータに永久磁石を使用しないため、永久磁石型同期モータと比べて、消費電流が大きくなり、銅損が大きくなるという課題があるが、第１の参考例のステータと組み合わせることにより、トルク定数を低下させることなく、巻線抵抗値が低減できるのでシンクロナスリラクタンスモータの銅損を従来の分布巻ステータに比べて、大きく低減できることが可能となる。
【００２１】
（参考例４）
図９は第４の参考例を示した図である。図９において１１１はステータコア、１１２は内側ティース部、１１３はヨーク部、１１４は内側スロット部、１１７は外側ティース部、１１８は外側スロット部である。図９は第１の参考例で示したステータの外径側にも外側ティース１１７を構成した構造のステータコアである。
【００２２】
図１に示した第１の参考例では、ステータ外径側にあるコイル６はモータのトルク発生に全く寄与しないが、図９の様にステータの外側にも外側ティース７を設けることで、ステータ外径側のコイルもトルク発生の磁界が発生できるため、同一の電流で２倍のトルクを発生する事が可能である。
【００２３】
（参考例５）
図１０は第５の参考例を示し、本参考例は図９に示す第４の参考例のステータに対して、内側ロータと外側ロータに表面磁石型ロータを組み込んだ例である。このような構成にすることで、内側スロット部１１４にある巻線に流れる電流で、内側ロータ２０にトルクが発生し、外側スロット部１１８に流れる電流で外側ロータ２１にトルクが発生するため、同一の電流で２倍のトルクが発生し、小型、大トルク、高効率モータを得ることができる。
【００２４】
（実施例１）
図１１は本発明の第１の実施例を示した図である。本実施例は図１０に示す第５の参考例のモータの外側ロータと、内側ロータの磁極の境目の位置を、任意の角度αずらせた構造のモータである、外側ロータ２３と、内側ロータ２２の磁極の境目の位置を任意の角度ずらすことで、コギングトルクが低減でき、更に低騒音なモータにすることが可能である。
【００２５】
（実施例２）
図１２は本発明の第２の実施例を示す図である。本実施例は内側ロータに埋め込み磁石型ロータ、外側ロータに表面磁石型ロータを組み込んだ永久磁石型同期モータである。このように本発明のモータは、内側ロータ２４と外側ロータ２５に異なる種類のロータを構成する事が可能である。また、表面磁石型同期モータと埋め込み磁石型同期モータでは、同一電流で発生するトルクが最大値になるときの電流位相が異なる。
【００２６】
そこで、図１２に示すように、内側ロータ２４と外側ロータ２５の磁極の境目の位置を任意の角度βずらすことで、個々のロータが発生するトルクを最大とする事ができるため、非常に高効率なモータを実現する事が可能になる。
【００２７】
（実施例３）
図１３は本発明の第３の実施例を示す図である。本実施例は内側ロータにシンクロナスリラクタンスモータ型ロータ、外側ロータに表面磁石型ロータを組み込んだ実施例である。このように本発明のモータは、内側ロータと外側ロータに異なる種類のロータを構成する事が可能である。また、表面磁石型同期モータと埋め込み磁石型同期モータでは、同一電流で発生するトルクが最大値になるときの電流位相が異なる。そこで、図１２に示すように、内側ロータ２６と外側ロータ２７の磁極の境目の位置を任意の角度βずらすことで、個々のロータが発生するトルクを最大とする事ができるため、非常に高効率なモータを実現する事が可能になる。
【００２８】
（参考例６）
図２２は第６の参考例を示した図である。第５の参考例である電動機は内側ロータおよび外側ロータに同期電動起用ロータを組み込んでいるため、自起動できないのが欠点であり、ロータの位置を検出する位置センサを取り付けてインバータ駆動している。位置センサ無しで駆動するセンサレス駆動制御も開発されているが、制御回路が複雑になりコストアップにつながるのが課題である。図２２では内側ロータに誘導電動機用ロータ３０を外側ロータに表面磁石同期モータ用ロータが組み込まれている。このように内側ロータに誘導電動機用ロータを組み込むことで、始動時は誘導電動機ロータ３０がトルク発生して回転させて、モータが同期回転数まで上昇すると、外側ロータである表面磁石同期電動起用ロータ３１がトルク発生するように構成することで、センサ無しでモータを起動できる。また、本参考例のモータは一般の商用電源でも駆動できるため、複雑なインバータ回路なしにする事が可能になり、大きなコスト削減を実現することが可能である。図２２では内側ロータに誘導電動機用ロータを組み込んだが、外側ロータに誘導電動機用ロータ、内側ロータに表面磁石同期電動起用ロータを組み込んでも同様の効果を得ることが可能である。
【００２９】
（参考例７）
図２３は第７の参考例を示した図である。図２３は内側ロータに誘導電動機用ロータ３０、外側ロータにシンクロナスリラクタンスモータ用ロータ３２を組み込んだ例であり、図２２と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
（参考例８）
図１４は第８の参考例を示した図である。第８の参考例はステータの製造方法に関するもので、ステータコアを円周方向に複数個のブロックに分割して、各分割ブロックのヨーク部に個別に巻線を行い、巻線後に分割ブロックを合体させて、各巻線を３相スターもしくはデルタ結線を行う、事を特徴とするステータの製造方法である。図１４ではステータコアを２分割した例である。このようにステータを分割する事で、巻線工程が簡単になり、一体コアのまま巻線するよりも、高占積率巻線が可能になる効果が得られる。図１４では各分割ブロックのヨーク部に個別に巻線を行い分割ブロックのＡ−Ａ’面とＢ−Ｂ’面をあわせて、溶接等の手段を用いて合体させ、その後、各ヨーク部に巻線されたコイルを３相スターもしくはデルタ結線を行うことでステータを完成させる。図１５は第８の参考例のもう一つの例を示した図である。図１５はステータ外径にもティースを設け、内側ロータと、外側ロータを組み込むことのできるステータであり、図１４と同様に円周方向に２分割して巻線を施す例を示している。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、回転磁束に回転子が同期して回転駆動する電動機において、ヨーク部の内径部及び外径部の両方にティース部を有し、この内径側ティース部と外径側ティース部に対応する外側ロータと内側ロータの極の変わり目を、任意の角度ずらして取り付けることで、個々のロータが発生するトルクを最大とする事ができるため、低振動で非常に高効率なモータを実現する事が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の参考例を示した図
【図２】第１の参考例を示すステータの巻線結線図
【図３】第１の参考例のステータによる磁束分布を示した図
【図４】第１の参考例のステータと従来型ステータのトルク定数を比較した図
【図５】第１の参考例のステータと従来型ステータの線間抵抗を比較した図
【図６】第２の参考例を示した図
【図７】第２の参考例の他の例を示した図
【図８】第３の参考例を示した図
【図９】第４の参考例を示した図
【図１０】第５の参考例を示した図
【図１１】本発明の第１の実施例を示した図
【図１２】本発明の第２の実施例を示した図
【図１３】本発明の第３の実施例を示した図
【図１４】第８の参考例を示した図
【図１５】第８の参考例の他の例を示した図
【図１６】従来の分布巻ステータの外観を示す図
【図１７】従来の分布巻ステータの巻線図を示す図
【図１８】従来の集中巻ステータの外観を示す図
【図１９】従来の集中巻ステータの巻線図を示す図
【図２０】従来の分布巻ステータによる磁束分布を示した図
【図２１】従来の集中巻ステータによる磁束分布を示した図
【図２２】第６の参考例を示した図
【図２３】第７の参考例を示した図
【符号の説明】
６コイル
２０、２２、２４、２６内側ロータ
２１、２３、２５、２７外側ロータ
１１１ステータコア
１１２内側ティース部
１１３ヨーク部
１１４内側スロット部
１１７外側ティース部
１１８外側スロット部

Claims

回転子と、環状のヨーク部と、このヨーク部に設けた複数のティース部と、前記ヨーク部にトロイダル巻きを施した複数のコイル部と、前記複数のコイル部に３相スターもしくはデルタ状に結線したステータと、前記ヨーク部の内径部及び外径部の両方にティース部を有し、この内径側ティース部と外径側ティース部に対応する内側ロータと外側ロータを備え、前記ヨーク部及びティース部で発生する回転磁束に前記回転子が同期して回転駆動する電動機において、前記外側ロータと前記内側ロータの極の変わり目が、任意の角度ずらして取り付けられた電動機。