JPS61221559A - 発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、界磁部の磁極数よりも多い巻線用溝を有する
電機子鉄心を具備する発電機に関するものである。

従来の技術 電機子鉄心に巻線用溝を設けて多相の巻線を収納するよ
うにした発電機は、巻線用溝の間に形成される歯に界磁
部の磁束を収束させることができるために、その出力が
大きいという利点がある。

そのため、電動機６どの回転速度を計測するタコジェネ
レータとして広く使用されている。しかしながら、この
ような発電機では、界磁部の磁極と電機子鉄心の巻線用
溝の相互作用によりコギングトルクが発生する（たとえ
ば、本出願人が提案した特願昭５３−１４５４８９号を
参照）。以下。

これについてブラシレス形の直流発電機を例にとり１図
面を参照して説明する。

第５図は従来の発電機の構造を表わす要部構成図である
。回転軸（１）に取りつけられた強磁性体のロータ（２
）の外周に１円環状のマグネット（３）が取りつけられ
ている。マグネット（３）には４極の磁極が等角度間隔
に着磁されており、界磁部を形成している。界磁部のマ
グネット（３）と所定の間隙を離して電機子鉄心（４）
が配置されている。マグネット（３）と電機子鉄心（４
）はいずれか一方が他方に対して回転自在に支承されて
いる（本例では、電機子鉄心（４）に対してマグネット
（３）が回転するようになされている）、電機子鉄心（
４）には、等角度間隔に１２個の巻線用溝（５）が設け
られており、各巻線用溝（５）の間には１２個の歯（６
）が形成され、３相の巻線Ａ１〜Ａ４．Ｂｌ〜Ｂ４．Ｃ
Ｌ〜Ｃ４が巻装されている１巻線Ａｌ、Ａ２．Ａ３．Ａ
４は３個の歯を取り囲むように巻かれており、巻線Ａ１
が収納された両方の巻線用溝にはそれぞれ巻線Ａ２とＡ
４の一端が収納されている。同様に、巻線Ａ２が収納さ
れた両方の巻線用溝にはそれぞれ巻線Ａ１とＡ３の一端
が収納され、巻線Ａ３が収納された両方の巻線用溝には
それぞれ巻線Ａ２とＡ４の一端が収納され１巻線Ａ４が
収納された両方の巻線用溝にはそれぞれ巻線Ａ１とＡ３
の一端が収納されている。他の相の巻線８１〜Ｂ−４゜
０１〜Ｃ４についても同様である。以下、Ａ１−Ａ４を
まとめてＡ相の巻線群とし、８１〜Ｂ４をＢ相の巻線群
とし、０１〜Ｃ４をＣ相の巻線群とする。界磁部のマグ
ネット（３）の発生磁束は電機子鉄心（４）の各歯（６
）に流入または流出し、Ａ、Ｂ。

Ｃ相の巻線群に鎖交している。Ａ、Ｂ、Ｃ相の巻線群の
間には、電気的に１２０度の位相差がある。

ここで、電気角の１８０度は界磁部の１磁極ピツチ３６
０°／Ｐ　（Ｐは界磁部の磁極数）に相当する（本例で
は、Ｐ＝４であるから機械角９０度が１磁極ピツチであ
り、電気角１８０度に相当する）。

第６図に発電電圧のピークを検出するピーク検出回路の
構成図を示す。第５図の巻線Ａ１〜Ａ４は、各巻回方向
を考慮して直列に接続されＡ相の巻線群を形成している
。同様に、巻線Ｂ１〜Ｂ４は各巻回方向を考慮して直列
に接続されＢ相の巻線群を形成し１巻線０１〜Ｃ４は各
巻回方向を考慮して直列に接続されＣ相の巻線群を形成
している。３相の巻線群は星形結線され、その端子をピ
ーク検出回路（１１）に接続されている。第１のダイオ
ード（２１）　（２２）　（２３）　ＬニーよってＡ相
、Ｂ相、Ｃ相の巻線群の発電電圧の最大値を検出し、第
２のダイオード（２４）　（２５）　（２６）によって
Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の巻線群の発電電圧の最小値を検出し
ている。その結果、３相の巻線群の発電電圧を整流した
直流電圧Ｆが得られる。

発明が解決しようとする問題点 この従来例のコギングトルクについて第７図を参照して
説明する。第７図は、第５図のマグネット（３）と電機
子鉄心（４）をｘ−ｘ’線とＹ−Ｙ’線について平面展
開した図である（巻線を省略し、巻線用溝をａ−ａで示
した）、コギングトルクは界磁部と電機子鉄心の間の磁
場に蓄えられた磁気エネルギーが両者の相対的な回転に
応じて変化することによって生じるものである。特に、
界磁部の磁極と電機子鉄心の溝の両者に関係して発生し
、第５図のごとく界磁部のマグネット（３）と電機子鉄
心（４）の両方に磁気的な周期性がある場合には、その
両者に共通して存在する成分（整合成分）のコギングト
ルクが生じる。第８図にマグネット（３）の発生する磁
束密度の分布特性を全周（３６０度）について示す。磁
気エネルギーは磁束密度の２乗に関係する量であるから
、第８図に示すごとき特性の界磁部のマグネット（３）
が有する磁気的な周期・波形の基本的な調波成分は第４
次調波成分となる。

ここで、１回転１回の正弦波成分を第１次調波成分とす
る。すなわち、マグネット（３）は第４吹成分を基本と
して、第８次、第１２次、・・・などの高調波成分を含
んでいることになる。

一方、電機子鉄心（４）の磁気的不均一性（パーミアン
スに関係する量）は巻線用溝ａ−ａによって生じる。電
機子鉄心（４）の巻線用溝ａ　−Ｕは等角度間隔（３０
度）に配置されているので、電機子鉄心（４）の磁気的
不均一性の基本的な調波成分は第１２次成分となる。従
って、これを基本として第２４次、第３６次、・・・な
どの高調波成分を含んでいる。コギングトルクは電機子
鉄心（４）の有する磁気的不均一性の成分とマグネット
（３）の有する周期・波形の調波成分が整合（一致）す
るときに発生するから、本従来例のコギングトルクは第
１２次、第２４次。

・・・などの調波成分が生じる。

コギングトルクの第１２次成分は１２個の巻線用溝によ
って生じる電機子鉄心（４）の磁気的不均一性の基本成
分に直接に関係している。一般に、電機子鉄心（４）の
基本成分はその他の高調波成分に較べてかなり大きい、
その結果、この従来の発電機では非常に大きなコギング
トルクが発生していた。

本出願人は、このようなコギングトルクを低減する一方
法を特願昭５３−１４５４８９号に提案している。特願
昭５３−１４５４８９号では、電機子鉄心の歯の部分に
補助溝を設けることにより、コギングトルクの基本的な
調波成分を高くしてコギングトルクを低減している。し
かしながら、このような方法によりコギングトルクを十
分に低減するためには、コギングトルクの基本次数をか
なり高次にする必要があり、多くの補助溝を電機子鉄心
に設けなければならず、実用的でない、また。

補助溝を多く設けた場合でも、コギングトルクの基本成
分が電機子鉄心の基本成分と一致するためにコギングト
ルクを十分に低減できなかった。

本発明は、このような点を考慮し、界磁部の磁極数より
も電機子鉄心の巻線用溝の数が多いような発電機におけ
るコギングトルクを大幅に低減したものである。

問題点を解決するための手段 本発明では、Ｐ極（Ｐは偶数）の界磁磁極を円周上に等
角度間隔もしくは略等角度間隔に有する界磁部と、Ｔ個
（ＴはＰより大きい３の倍数）の巻線用溝にに相（Ｋは
２以上の整数）の巻線を重巻した電機子鉄心とを具備し
、前記界磁部と電機子鉄心のうちでいずれか一方が他方
に対して回転自在となされた発電機において。

前記電機子鉄心は、実効ピッチがＤ＝３６０”　／Ｔよ
り大きいＬ個（Ｌは整数）の長歯と、実効ピッチがＤよ
り小さいＭ個（Ｍは整数）の短歯を有し、前記長歯と短
歯の個数を Ｌ　≧２ Ｍ　≧２ となし、前記短歯の実効ピッチと前記長歯の実効ピッチ
の比をＲ：Ｒ＋１（Ｒは整数）にし、少なくとも１個の
前記長歯に補助溝を設け、前記巻線用溝と前記補助溝か
らなる前記電機子鉄心の溝の全体を前記短歯の実効ピッ
チのＲ分の１の間隔で配置することにより、上記の目的
を達成したものである。

作用 本発明は上記の構成にすることによって、界磁部の磁極
に対する巻線用溝の位相を簡単にずらすことができるの
で、電機子鉄心の合成の磁気的変動分が小さくなり、コ
ギングトルクも小さくなる。

実施例 第１図に本発明の一実施例を表わす要部平面展開図を示
す、第１図において、ロータ（２）に取りつけられたマ
グネット（３）は等角度間隔に４極の磁極を有し、電機
子鉄心（４）の１２個の巻線用溝ａ〜虱および１２個の
歯に所定間隙あけて対向している。電機子鉄心（４）の
１２個の巻線用溝には、第５図のＡ、Ｂ、Ｃ，相の巻線
群と同様に３相の巻線群が重巻して巻装されている（図
示を省略する）。

すなわち、巻線用溝ａからｄに渡って巻線Ａ１が巻装さ
れ１巻線用溝ｄからｇに渡って巻線Ａ２が巻装され１巻
線用溝ｇからｊに渡って巻線Ａ３が巻装され、巻線用溝
ｊからａに渡って巻線Ａ４が巻装され１巻線Ａ１−Ａ４
がその巻回方向を考慮して直列に接続されて第Ａ相の巻
線群を形成している。同様に、巻線用溝Ｃからｆに渡っ
て巻線Ｂ１が巻装され、巻線用溝ｆからｉに渡って巻線
Ｂ２が巻装され、巻線用溝ｉから気に渡って巻線Ｂ３が
巻装され、巻線用清覧からＣに渡って巻線Ｂ４が巻装さ
れ９巻、１１８１〜Ｂ４がその巻回方向を考慮して直列
に接続されて第Ｂ相の巻線群を形成している。さらに、
巻線用溝ｅからｈに渡って巻線Ｃ１が巻装され、巻線用
溝りからｋに渡って巻線Ｃ２が巻装され、巻線用溝ｋか
らｂに渡って巻線Ｃ３が巻装され、巻線用溝すから８に
渡って巻線Ｃ４が巻装され、巻線０１〜Ｃ４がその巻回
方向を考慮して直列に接続されて第Ｃ相の巻線群を形成
している。本実施例のピーク検出回路は、第６図の構成
と同様であり、説明を省略する。

第１図の実施例においては、電機子鉄心（４）の巻線用
溝ａ＝Ｑの配置を不等角度間隔となし、巻線用溝の間に
形成される歯の実効ピッチを不均一にしている。ここに
、歯の実効ピッチとは歯の両端の巻線用溝の中心のなす
角度である１巻線用溝の個数をＴ＝３・Ｐ＝１２（Ｐは
界磁部の磁極数でありＰ＝４）とするとき、等角度間隔
に配置すると各歯の実効ピッチはＤ＝３６０°／Ｔ　（
本例ではＤ＝１２０＠／Ｐ＝３０’　）となるので、Ｄ
より大きい歯を長歯と呼び、Ｄより小さい歯を短歯と呼
ぶことにする。歯ａ−ｂ（両端の巻線用溝によって歯を
表わす）は短歯、歯ｂ−ｃは長歯、歯ｃ−ｄは短歯、歯
ｄ−ｅは長歯、歯ｅ−ｆは短歯、歯ｆ−ｇは長歯、歯ｇ
−ｈは短歯、歯ｈ−ｉは長歯、歯ｉ−ｊは短歯、歯ｊ−
には長歯、歯ｋ　−１１は短歯、歯＋１−ａは長歯であ
る。すなわち、長歯の個数はＬ＝６、短歯の個数はＭ＝
６であり、短歯と長歯は交互に配置されている。短歯ａ
−ｂ、ｃ−ｄ＋　１３　　ｆｓ　ｇ　　ｈｅ　ｌ　　Ｊ
ｙ　ｋ−ａの実効ピッチは、３６０”　／１８＝２０’
に等しくもしくは略等しくされている。長歯ｂ−ｃ、　
ｄ−ｅ、　ｆ−ｇ、　ｈ−ｉ、ｊ−に、Ｑ−ａの実効ピ
ッチは、７２０’　／１８＝４０’に等しくもしくは略
等しくされている。すなわち、短歯の実効ピッチと長歯
の実効ピッチの比は１：２にされている。また、各長歯
にはそれぞれ１個の補助溝ａ′〜ｆ′が設けられ１巻線
用溝と補助溝からなる電機子鉄心の溝の全体は等角度間
隔（３６０°／１８＝２０”間隔）もしくは略等角度間
隔に置溝の中心（磁気的な作用効果からみた中心）が配
置されている。

次に１本実施例のコギングトルクについて説明する。す
でに説明したように、コギングトルクは電機子鉄心の巻
線用溝による磁気的不均一性の調波成分と界磁部の磁極
による磁気的な周期・波形の調波成分が整合したときに
生じる。界磁部のマグネット（３）の磁気的な周期・波
形は、マグネット（３）の１磁極ピツチ３６０”／Ｐを
周期とする周期関数となっている。従って、マグネット
（３）の１磁極ピツチを基本周期として、電機子鉄心（
４）の磁気的不均一性（巻線用溝と補助溝の配置によっ
て生じる磁気的な変動分）を考えればよく、一般にその
変動量を小さくするならばコギングトルクは小さくなる
。マグネット（３）の１磁極ピツチを基本周期として電
機子鉄心（４）の巻線用溝ａ　−ａと補助溝ａ′〜ｆ′
をみたときの位相関係を第２図に示す、Ａ相の巻線群を
収納された巻線用溝ａ、ｄ。

ｇｐｊは１磁極ピツチの１／１８の位相差で位相ずれを
設けられ（巻線用溝ａｓ　ｄｅ　ｇｔ　Ｊの位相は４個
所以上に異なる）、その変動範囲は１磁極ピツチの２／
１ｇ＝１／９　（１磁極ピツチの１７３以下）になされ
ている。同様に、Ｂ相の巻線群を収納された巻線用溝ｃ
、　ｆ、ｌｔａは１磁極ピツチの１／１８の位相差で位
相ずれを設けられ、その変動範囲は１磁極ピツチの１／
９になされている。

さらに、Ｃ相の巻線群を収納された巻線用溝す。

ｅ、ｈ、には１磁極ピツチの１／１８の位相差で位相ず
れを設けられ、その変動範囲は１磁極ピツチの１／９に
なされている。Ａ相の巻線用溝群（ａｔｄｏ　ｇｅ　ｊ
）とＢ相の巻線用溝群（ａｅｆｅｘ＊幻とＣ相の巻線用
溝群（ｂｙ　ｅ＋　ｈｅ　ｋ）の間にはそれぞれ１磁極
ピツチの１７３の位相差がある（Ａ、Ｂ、Ｃ相の巻線群
の間には電気角で１２０度の位相差がある）、また、巻
線用溝ａ”ｌＬの位相とは異なる位相に補助溝ａ′〜ｆ
′が位置し、巻線用溝ａ−ａと補助溝ａ′〜ｆ′からな
る溝の全体は１／１８の位相差で位相がすべて異なって
いる。

第３図に巻線用溝ａ−ｉと補助溝ａ′〜ｆ′による電機
子鉄心（４）の磁気的変動分の波形を示す。

巻線用溝の開口幅に応じて、各巻線用溝による磁気的な
変動分はなだらかに変化する。巻線用溝ａ〜ｑと補助溝
ａ′〜ｆ′は１／１８ずつ位相が異なっているために１
合成の磁気的な変動分（交流分）はかなり小さくなって
いる。第４図に第５図の従来の発電機の磁気的な変動分
を示す。巻線用溝ａ。

ｄｓｇｐｊは同位相となり１巻線用溝ｃｔ　ｆｔ　ｉ。

立は同位相となり、巻線用溝す、ｅ、ｈ、には同位相に
なるので、第５図の従来の発電機の合成の磁気的な変動
分は非常に大きい（第５図の従来例に補助溝ａ′〜ｆ′
はない）、第３図と第４図を比較すると、本実施例の発
電機の磁気的な変動分が大幅に小さくなっていることが
わかる。その結果１本実施例のコギングトルクは大幅に
低減されている。

さらに、本実施例の各巻線Ａｌ、Ａ２．Ａ３゜Ａ４．Ｂ
ｌ、Ｂ２．Ｂ３．Ｂ４．Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、Ｃ４の実効
ピッチは（１磁極ピツチの２０７１８）−＝２００度（
電気角）以下から（１磁極ピツチの１６／１８）　＝１
６０度（電気角）以上になされている。

ここに、巻線の実効ピッチはその巻線が収納された巻線
用溝の中心間のなす角度である。Ａ相の巻線群について
みれば、Ａ１の巻装された巻線用溝ａ−ｄ間の角度は１
６０°　（１個の長歯と２個の・短歯台）、Ａ２の巻装
された巻線用溝ｃｔ−ｇ間の角度は２００°　（２個の
長歯と１個の短歯台）、Ａ３の巻装された巻線用溝ｇ−
ｊ間の角度は１６０’　（１個の長歯と２個の短歯台）
、Ａ４の巻装された巻線用溝ｊ−ａ間の角度は２００”
　　（２個の長歯と１個の短歯台）である、Ｂ相の巻線
群についてみれば、Ｂ１の巻装された巻線用溝ｃ−ｆ間
の角度は１６０°　（１個の長歯と２個の短歯台）、Ｂ
２の巻装された巻線用溝ｆ−ｉ間の角度は２００’　　
（２個の長歯と１個の短歯台）、Ｂ３の巻装された巻線
用溝１−ＩＬ間の角度は１６０”　　（１個の長歯と２
個の短歯台）、Ｂ４の巻装された巻線用溝ａ−Ｃ間の角
度は２００°　（２個の長歯と１個の短歯台）である。

Ｃ相の巻線群についてみれば、Ｃ１の巻装された巻線用
溝ｅ−ｈ間の角度は１６０”　　（１個の長歯と２個の
短歯台）、Ｃ２の巻装された巻線用溝ｈ−に間の角度は
２００°　（２個の長歯と１個の短歯台）、Ｃ３の巻装
された巻線用溝に−ｂ間の角度は１６０’　　（１個の
長歯と２個の短歯台）、Ｃ４の巻装された巻線用溝ｂ−
ｅ間の角度は２００゜（２個の長歯と１個の短歯台）で
ある、このように、各相の巻線が収納された巻線用溝の
変動範囲を小さくして（１磁極ピツチの１７３以下）、
かつ、巻線の実効ピッチの変動範囲を小さくするならば
、（２００度以下から１６０度以上）、巻線作業が容易
となり、自動化も可能となる。

前述の第１図の実施例では、長歯の先端に補助溝を設け
たが、短歯にも補助溝を設けてもよい。

一般に、短歯の実効ピッチと長歯の実効ピッチをＲ：Ｒ
＋１もしくはＲ：Ｒ＋３（Ｒは整数）にして、巻線用溝
と補助溝からなる電機子鉄心の溝の全体を短歯の実効ピ
ッチのＲ分の１の間隔で配置するならば、簡単にコギン
グトルクを低減できる。

このような構成の他の例を第１表にしめす。第１表（Ａ
）の構成は、第１図の短歯の実効ピッチを２単位角度（
１単位角度は３６０°／３０＝１２°）にし、長歯の実
効ピッチを３単位角度にして、短歯と長歯に補助溝を設
け、巻線用溝と補助溝からなる溝の全体を１単位角度間
隔に配置したものである。第１表（Ｂ）の構成は、第１
図の短歯の実効ピッチを３単位角度（１単位角度は３６
０”　／４２＝８゜５７１°）にし、長歯の実効ピッチ
を４単位角度にして、短歯と長歯に補助溝を設け、巻線
用溝と補助溝からなる溝の全体を１単位角度間隔に配置
したものである。第１表（Ｃ）の構成は、第１図の短歯
の実効ピッチを４単位角度（１単位角度は３６０”　１
５４＝６．６６７°）にし、長歯の実効ピッチを５単位
角度にして、短歯と長歯に補助溝を設け、巻線用溝と補
助溝からなる溝の全体を１単位角度間隔に配置したもの
である。（電機子鉄心の溝の総数は界磁部の磁極数Ｐの
整数倍ではない）。

第１表 以上の実施例では、内側にマグネットを配置し外側に電
機子鉄心を配置したが、その関係が逆であってもよい。

また１円環状のマグネットに限らず、複数個のマグネッ
ト磁極片やマグネットと凹凸のある強磁性体によって界
磁部を構成してもよい。その他、本発明の主旨を変えず
して種々の変更が可能である。

発明の効果 本発明は、界磁部の磁極数よりも巻線用溝の数が多い発
電機において、巻線用溝の配置を特殊となすことにより
コギングトルクを大幅に低減したものである。従って、
本発明に基づいて、例えば、ロボットの関節駆動用電動
機やＮＣ機器の駆動用電動機の回転速度を検出するタコ
ジェネレータを構成するならば、負荷変動（コギングト
ルク）が小さくなり、高精度の回転駆動や位置制御が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の発電機の一実施例を表わす平面展開図
、第２図はマグネットの１磁極ピツチを基本周期として
第１図の電機子鉄心をみたときの巻線用溝の位相関係を
示す図、第３図は第１図の実施例の磁気的変動分を表わ
す図、第４図は第５図の従来例の磁気的変動分を表わす
図、第５図は従来の発電機を表わす要部構成図、第６図
はピーク検出回路の構成図、第７図は第５図の発電機の
平面展開図、第８図は界磁部のマグネットの磁束密度の
分布を表わす図である。 （２）・・・ロータ、（３）・・・マグネット、（４）
・・・電機子鉄心、（５）、（ａ）〜（幻・・・巻線用
溝、（６）・・・歯。 （ａ’　）〜（ｆ’　）−・・補助溝、（Ａ１）　〜（
Ａ４）、（Ｂ１）〜（Ｂ４）、（Ｃ１）〜（Ｃ４）・・
・巻線。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 ｘ　　　　　′ｘ　　＞　　　＞ Ｘ　　　　　Ｚ＞　　　　匁 第２図 第３図 第今図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｐ極（Ｐは偶数）の界磁磁極を円周上に等角度間隔
   もしくは略等角度間隔に有する界磁部と、Ｔ個（ＴはＰ
   より大きい３の倍数）の巻線用溝にＫ相（Ｋは２以上の
   整数）の巻線を重巻した電機子鉄心とを具備し、前記界
   磁部と電機子鉄心のうちでいずれか一方が他方に対して
   回転自在となされた発電機であって、 前記電機子鉄心は、実効ピッチがＤ＝３６０°／Ｔより
   大きいＬ個（Ｌは整数）の長歯と、実効ピッチがＤより
   小さいＭ個（Ｍは整数）の短歯を有し、前記長歯と短歯
   の個数を Ｌ≧２ Ｍ≧２ となし、前記短歯の実効ピッチと前記長歯の実効ピッチ
   の比をＲ：Ｒ＋１（Ｒは整数）にし、少なくとも１個の
   前記長歯に補助溝を設け、前記巻線用溝と前記補助溝か
   らなる前記電機子鉄心の溝の全体を前記短歯の実効ピッ
   チのＲ分の１の間隔で配置した発電機。