JPH05161325A - コギングトルクを低減した同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コギングトルクの変動幅を著しく低減可能
な、スロット数と磁極数との新規な組み合わせを有した
同期電動機を提供する。 【構成】 この同期電動機は、出力軸１０を中心に８個
の永久磁石１２を放射状に配置して、各永久磁石１２間
に配設したヨーク１４により８個の磁極を構成するロー
タ１６と、ロータ１６を囲繞する２７個のスロット１８
を有したステータ２０とを備える。すなわちこの電動機
では、１磁極に対し３．３７５個のスロットが対向す
る。ステータ２０の各スロット１８には、上下２層の巻
線２２が収容される。そのためステータ２０の内周面に
は、巻線設置用のスロット開口部２４が等間隔に形成さ
れる。ロータ１６の回転時には、スロット開口部２４に
起因したコギングトルクが、全ての磁極において位相が
ずれて発生する。したがって、ロータ１６が１回転する
間に２１６回のコギングトルクが発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転の円滑性を改善し
た同期電動機に関し、特に、ロータに対向するステータ
周面に、巻線設置のため必須に形成されたスロット開口
部に起因する磁束分布の乱れから、不可避的に発生する
コギングトルクを可及的に低減すべく、ステータのスロ
ット数とロータの磁極数との組み合わせを改善した同期
電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】同期電動機の回転時には、通常、ステー
タコアの歯数、すなわち巻線を設置するためにステータ
コアに必須的に設けたスロットの個数に比例して、トル
クむら、いわゆるコギングトルクが発生する。このコギ
ングトルクは、ロータに対向するステータの周面上にス
ロットの開口部が存在することにより、ロータとステー
タとの相対移動時にロータの磁極から発生する界磁磁束
の磁路が、各開口部を磁極が横切る度に周期的に変化
し、ロータとステータとの間の空隙における磁束分布に
乱れが生じることに起因したものである。

【０００３】したがって、このコギングトルクの発生周
期及び大きさ（変動幅）はステータコアに設けたスロッ
トの個数に依存している。一般にコギングトルクの発生
周期が小さいほどその大きさも小さくなることは周知で
あり、したがってスロット数を増やすことによりコギン
グトルクを小さくすることができると考えられる。しか
しながらステータコアのスロット数は、ロータが有する
磁極の極数、電動機の相数、巻線の分布形態等によって
必然的に決められるものであり、また無闇にスロット数
を増やすことはステータ構造の複雑化をもたらす。

【０００４】３相交流駆動の同期電動機において、ロー
タにＭ個の永久磁石を備えたＭ極電動機に対してステー
タに単層の巻線を施すためには、少なくとも３Ｍ個、も
しくはその自然数倍３ｎＭ個のスロットが必要となる。
３Ｍ個のスロットをステータコアに備える場合、ロータ
の１極に対してそれぞれに各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の
巻線を収容した３個のスロットが対向する。このとき、
各相巻線の位相差は互いに電気角１２０°となってい
る。ロータの１極対に対して１コイルの巻線に流れる電
流の極性は正負が逆であり、故にこれら１極対に及ぼさ
れるトルクは同一方向に働くことになる。コギングトル
クも同様である。したがって上記構成の場合、コギング
トルクはロータ１極対におけるＮ極とＳ極とで同期して
同一方向へ発生する。そして、その大きさは１つのコギ
ングトルクの２倍となり、全体としてコギングトルクの
変動幅は極めて大きなものとなる。この場合、単にスロ
ット数を３ｎＭ個に増設するだけでは、コギングトルク
の同期性は解消されない。

【０００５】そこで、ステータの巻線形態を多層にして
ロータの１極に対応するスロット数を非自然数化するこ
とにより、ロータの１極対におけるＮ極とＳ極とでコギ
ングトルクの発生を規則的にずらし、本来の出力トルク
との間で相互に相殺し合うようにして、ロータ全体とし
てのコギングトルクの変動幅を低減させた同期電動機が
既に提供されている。このような非自然数倍スロット構
造を有する同期電動機の一例を図５に示す。

【０００６】図５に示した同期電動機は、出力軸１を中
心に８個の永久磁石２を放射状に配置して各永久磁石２
間に配設した継鉄すなわちヨーク３により８個の磁極を
構成するロータ４と、ロータ４を囲繞する３６個のスロ
ット５を有したステータ６とを備える。したがってこの
モータでは、ロータ４の１極に対し４．５個のスロット
５が対応する。各スロット５には上下２層の巻線７が収
容され、ロータ４の２極（１極対）に対しては、９個の
スロット５内で計１８箇所に巻線７が配置されている。
したがって、３相の巻線７はいずれもロータ４の２極
（１極対）で一巡し、それぞれ３個のコイルを形成す
る。ロータ４のヨーク３の外周面は、仮にステータ６の
内周面にスロット５による開口が無いとした場合に、ロ
ータ４から発生する磁束分布がほぼ正弦波形を呈示する
ような所定のアーク形状に形成されている。

【０００７】このような構造において、実際にロータ４
から発生する磁束はスロット５の開口部８に起因して正
弦波形に規則的な乱れを生じ、これがコギングトルクと
して現れる。この電動機においては、コギングトルクの
発生がロータ１極対のＮ極とＳ極とで同期せず、スロッ
ト５の１／２ピッチ角度ずつ規則的にずれて発生する。
故にコギングトルクの発生回数は、１極対分回転する間
に１８回、ロータ１回転当たりではスロット数の２倍、
すなわち７２回（電気角２０°につき１回）となる。こ
れにより、前述の自然数倍スロット構造に比べて１回当
たりのコギングトルクの大きさが縮減されるとともに、
コギングトルクと本来の出力トルクとが相殺し合うた
め、ロータ全体としてのコギングトルクの変動幅が減少
する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の非自然数倍スロ
ット構造を有する電動機は、ロータの１磁極に対向する
スロット数を非自然数化することにより、上記のように
コギングトルクの大きさを全体として低減させることが
できる。さらに、コギングトルクの発生周期を短くす
る、すなわちロータ１回転での発生回数を増やすことに
より、コギングトルクと出力トルクとの相殺度合いが増
加して、ロータ全体としてのコギングトルクの変動幅が
さらに減少することがわかる。しかしながら、この非自
然数倍スロット構造の電動機におけるスロット数と磁極
数との組み合わせは、前述のように巻線の分布形態に拘
束される。すなわち、３相交流駆動の同期電動機では、
３相平衡起電圧を発生するために、電気的に各相巻線の
分布形状が等しく、かつ各相巻線の位相差が互いに電気
角１２０°であることが必要条件となる。

【０００９】したがって、本発明の目的は、上記の制約
条件を満たすと同時に、前述の８極３６スロット構造よ
りもさらにコギングトルクの変動幅を低減可能な、スロ
ット数と磁極数との新規な組み合わせを有した同期電動
機を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、周方向へ所定間隔に配設された複数の永
久磁石によって形成される複数の磁極を備え、空隙部を
介してステータに対向するロータと、このロータに対向
し、上記磁極の個数の非自然数倍の個数を有する巻線設
置用のスロットを備えたステータとを具備した同期電動
機において、上記スロットの個数と上記磁極の個数との
比が３．３７５：１であることを特徴とする同期電動機
を提供する。

【００１１】本発明の好適な実施態様によれば、上記ス
テータが２７個の上記スロットを有し、かつ上記ロータ
が８個の上記磁極を有する構成が提供される。

【００１２】

【作用】スロットの個数と磁極の個数との比を３．３７
５：１に設定すると、スロット数を自然数にするための
最小の磁極数は８個となり、このときのスロット数は２
７個となる。この構造では、機械角に換算した場合、１
磁極当たりのピッチ角度は４５°、他方１スロット当た
りのピッチ角度は（４０／３）°となり、両者の最小公
倍数は３６０°（すなわちロータ１回転に相当する）で
あるから、それぞれの磁極における磁束分布の発生は全
て位相がずれることになる。したがって、スロットの開
口部に起因するコギングトルクの発生も、全ての磁極に
おいて位相がずれることとなり、ロータ１回転当たりの
コギングトルクの発生回数は、８と２７との最小公倍数
である２１６回（電気角（２０／３）°につき１回）と
なる。この数字は、スロットの個数と磁極の個数との比
が３．３７５：１であれば、それぞれの個数を上記に限
定せずとも同様である。そしてこれは、従来の８極３６
スロット構造における７２回／１回転に比べてかなりの
増加であり、これによりコギングトルクと出力トルクと
の相殺度合いが増して、ロータ全体としてのコギングト
ルクの変動幅は極めて小さくなる。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明をその実
施例に基づきさらに詳細に説明する。図１を参照する
と、本発明の実施例による同期電動機が断面で示されて
いる。図１の同期電動機は、出力軸１０を中心に８個の
永久磁石１２を放射状に配置して、各永久磁石１２間に
配設したヨーク１４により８個の磁極を構成するロータ
１６と、ロータ１６を囲繞する２７個のスロット１８を
有したステータ２０とを備える。すなわちこの電動機
は、１磁極に対し３．３７５個のスロットが対向する非
自然数倍スロット構造を有する。

【００１４】ステータ２０の各スロット１８には、上下
２層の巻線２２が収容される。そのためステータ２０の
内周面には、巻線設置用のスロット開口部２４が等間隔
（機械角（４０／３）°）に形成される。ロータ１６の
回転時に、このスロット開口部２４に起因したコギング
トルクが発生する。図１の同期電動機は、相互の位相差
が電気角１２０°である３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻
線２２を、各相巻線２２の分布形状が電気的に等しくな
るように配置する。この巻線配置の一例を図２に示す。
なお、図１及び図２において、説明のため各スロット１
８に（１）〜（２７）の番号を付す。図２で、各相に付
した＋／−の符号は、巻線の方向を示す。また、最下段
の数字は、１磁極が生じる磁束分布上での電気角による
各スロット１８の相対位置を示す。

【００１５】図２に示したように、ロータ１６の１磁極
に対するスロット１８の配置は、１磁極が生じる磁束分
布上で電気角（１６０／３）°毎に配置されている。ス
ロット開口部２４に起因するコギングトルクの発生は同
様に電気角（１６０／３）°毎であり、その位相はロー
タ１６が１回転したとき、すなわち１磁極が２７個のス
ロット１８を通過したとき、ようやく初期状態に戻る。
一方、前述のように、８個の磁極（すなわちヨーク１
４）における磁束分布の発生は全て位相がずれており、
スロット開口部２４に起因するコギングトルクも、全て
の磁極において位相がずれて発生する。したがって、８
個の磁極に対しては、ロータ１６が１回転する間に、前
述のように２１６回（電気角（２０／３）°につき１
回）のコギングトルクが発生する。これにより、従来の
８極３６スロット構造の同期電動機に比べて、ロータ全
体としてのコギングトルクの変動幅を極めて小さくする
ことができる。

【００１６】また、図２に示したように、各相（Ｕ相、
Ｖ相、Ｗ相）の巻線２２はそれぞれステータ２０の９か
所で単位コイルを形成する。例えばＵ相は、スロット番
号で（１）と（４）、（５）と（８）、（８）と（１
１）、（１１）と（１４）、（１５）と（１８）、（１
８）と（２１）、（２１）と（２４）、（２２）と（２
５）、及び（２５）と（１）、の９組のスロット１８に
おいて単位コイルが形成される。このように、この配置
例では、いずれの単位コイルも４スロットに亙る間隔
（機械角４０°）で形成されており、外観の美しさが得
られるとともに巻線の自動設置を容易にする構成といえ
る。

【００１７】なお、本発明により上記のように８極２７
スロット構造の同期電動機が提供されたことによって、
従来の１極当たり４．５スロットが対向する構造、すな
わち６極２７スロット構造の同期電動機とのステータコ
アの兼用が可能となる。この場合は、ステータ２０の各
スロット１８に配置する巻線の分布が８極２７スロット
構造に対し必然的に変わる。この６極２７スロット構造
の同期電動機、及びその巻線配置の一例を、それぞれ図
３及び図４に示す。図から分かるように、６極２７スロ
ット構造の同期電動機では、磁束分布の位相が９スロッ
ト毎、すなわち２極毎に初期状態に戻る。したがって、
ロータ１回転当たりのコギングトルクの発生回数は、ス
ロット数の２倍の５４回となり、コギングトルクの変動
幅の比較的小さな電動機となる。このようにして、同一
構造のステータコアを２種類の電動機に使用可能とする
ことは、製造コストの低減に寄与するものである。

【００１８】上記の実施例では、同期電動機のロータ
を、出力軸を中心に放射状に複数の永久磁石を配置し、
これらの永久磁石間に配設されたヨークが複数の磁極を
構成するものとしたが、これに限定することなく、例え
ばロータコアの周面上に所定間隔で取着した複数の永久
磁石により直接に複数の磁極を構成したロータを有する
同期電動機に対しても、本発明を適用可能なことは言う
までもない。

【００１９】

【発明の効果】本発明は上記のように、スロットの個数
と磁極の個数との比を３．３７５：１に設定して、スロ
ットの開口部に起因するコギングトルクを、全ての磁極
において位相がずれて発生する構成としたから、ロータ
１回転当たりのコギングトルクの発生回数が著しく増大
し、ロータ全体としてのコギングトルクの変動幅を極め
て小さくすることができ、同期電動機の動作精度を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による同期電動機の断面図であ
る。

【図２】図１の電動機の巻線配置の説明図である。

【図３】図１の電動機のステータを流用可能な他の同期
電動機の断面図である。

【図４】図３の電動機の巻線配置の説明図である。

【図５】従来のスロット／磁極比を有する同期電動機の
断面図である。

【符号の説明】

１０…出力軸 １２…永久磁石 １４…ヨーク １６…ロータ １８…スロット ２０…ステータ ２２…巻線 ２４…スロット開口部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周方向へ所定間隔に配設された複数の永
   久磁石によって形成される複数の磁極を備え、空隙部を
   介してステータに対向するロータと、該ロータに対向
   し、前記磁極の個数の非自然数倍の個数を有する巻線設
   置用のスロットを備えたステータとを具備した同期電動
   機において、 前記スロットの個数と前記磁極の個数との比が３．３７
   ５：１であることを特徴とする同期電動機。
2. 【請求項２】 前記ステータは２７個の前記スロットを
   有し、かつ前記ロータは８個の前記磁極を有する請求項
   １記載の同期電動機。