JP2004112865A

JP2004112865A - 同期モータ

Info

Publication number: JP2004112865A
Application number: JP2002268387A
Authority: JP
Inventors: Hirotsugu Takeda; 武田　洋次; Kenji Hiramoto; 平本　健二; Shigeo Morimoto; 森本　茂雄; Masayuki Sanada; 真田　雅之
Original assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Current assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】簡単でかつ製造が容易な構造でトルクリプルを低減することができる同期モータを提供する。
【解決手段】複数のスロット３に巻き線を配設して当該巻き線に三相交流を印加することにより隣接するスロット３間のティース４に回転磁界を形成するステータ１と、ステータ１内に回転可能に支持され、各極毎に弧状の複数層のフラックスバリア５を形成したロータ２とを備えた同期モータにおいて、ロータ２のフラックスバリア５の端部Ａとステータ１のティース４との相対関係をロータの極毎に異ならせた。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期リラクタンスモータ、埋込磁石同期モータ等の同期モータに関し、特にそのトルクリプルを最小にするロータ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期リラクタンスモータや埋込磁石同期モータなどの同期モータは、図１２に示すように、ステータ１と該ステータ１内に回転可能に支持されたロータ２とからなっている。ステータ１には、複数のスロット３が形成され、隣接するスロット３間はティース４となっている。各スロット３には図示しない巻き線が配設され、該巻き線に三相交流が印加されることでエアギャップに回転磁界が形成されるようになっている。ロータ２には、各極毎に弧状に延びる細長いスリットからなる複数層のフラックスバリア５が所定間隔で形成されている。各弧状のフラックスバリア５の凸側はロータ２の中心に向けられ、凹側は外周に向けられている。そして、各フラックスバリア５の中央を結ぶ線はロータ２の中心を通り、両端はロータ２の外周部に僅かなつなぎ部（このつなぎ部を、以下フラックスバリア端部Ａという。）を介してロータ２の外周面に近接している。各フラックスバリア５間は磁路６を形成している。前記ロータ２は、ステータ１の回転磁界に同期して回転するようになっている。
【０００３】
この種の同期モータは、リラクタンストルクやマグネットトルクを利用するので、誘導モータに比べて原理的にスリップがなく、高い効率が得られるが、一般に、以下に説明するようにトルクリプルが大きいとされている。
【０００４】
前記ロータ２の各極のフラックスバリア５は、ロータ２の中心を通る中心線に対して線対称に配置されている、また、ある極のフラックスバリア５は、他の全ての極のフラックスバリア５に対して、等間隔に配置されるとともに、ロータ２の中心を中心とする点対称に配置されている。したがって、ある極のフラックスバリア端部Ａがティース４と対峙しているときは、他の極のフラックスバリア端部Ａもティース４と対峙しており、またある極のフラックスバリア端部Ａがスロット３と対峙しているときは、他の極のフラックスバリア端部Ａもスロット３と対峙している。このため、ロータ２が回転すると、各極のフラックスバリア端部Ａが同時に、ティース４とスロット３に交互に対峙する結果、トルクリプルが大きくなっていた。
【０００５】
同期モータのトルクリプルを低減するための従来の技術としては、ステータにスキューを施す方法が一般的である（特許文献２−４参照）。しかし、この方法は、スキューを施すための構造が複雑で、コストアップを招来するとともに、出力トルクが低減する問題があった。
【０００６】
そこで、近年、トルクを維持しつつ同期モータのトルクリプルを低減する種々の方法が提案されている。例えば、ステータのスロットに巻回する巻き線回数や、スロット断面積を変化させる等の方法や（特許文献１参照）、仕様の異なる複数のフラックスバリアを有する積層板を積層してロータとする方法（特許文献５）、ロータのフラックスバリア端部のブリッジ幅を回転方向に異ならせる方法（特許文献６）があるが、いずれも製造の困難性を伴っていた。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３１８０６２号公報
【特許文献２】
特開２００１−６９６９７号公報
【特許文献３】
特開２００１−６９６９８号公報
【特許文献４】
特開２００１−１８６６９９号公報
【特許文献５】
特開２００２−３４２１８号公報
【特許文献６】
特開２００２−１６５４２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、簡単でかつ製造が容易な構造でトルクリプルを低減することができる同期モータを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、複数のスロットに巻き線を配設して当該巻き線に三相交流を印加することにより隣接するスロット間のティースに回転磁界を形成するステータと、ステータ内に回転可能に支持され、各極毎に弧状の複数層のフラックスバリアを形成したロータとを備えた同期モータにおいて、前記ロータのフラックスバリアの端部と前記ステータのティースとの相対関係をロータの極毎に異ならせたものである。
【００１０】
また、本発明は、複数のスロットに巻き線を配設して当該巻き線に三相交流を印加することにより隣接するスロット間のティースに回転磁界を形成するステータと、ステータ内に回転可能に支持され、各極毎に弧状の複数層のフラックスバリアを形成したロータとを備えた同期モータにおいて、前記ロータの中心に最も近い第１層のフラックスバリアの端部と前記ステータのティースとの相対関係を前記ロータの極毎に異ならせるとともに、前記第１層のフラックスバリアに隣接する第２層から第ｎ層までの各フラックスバリアの端部を同一間隔だけずらせたものである。
【００１１】
本発明において、フラックスバリアの「弧状」は、円弧形に限らず、放物線形、弓形、底辺の無い台形を含む。また、本発明は、フラックスバリアの端部とステータのティースとの相対関係について謳っているが、これはフラックスバリアの端部とステータのスロットとの相対関係であってもよい。
【００１２】
本発明では、フラックスバリアの端部とティースとの相対関係がロータの極毎に異なっているので、ロータ回転時にコギングがなく、トルクリプルが低減する。また、フラックスバリアの端部とティースとの相対関係のみをロータの極毎に異ならせるので、フラックスバリアの端部以外の部分は同一となり、製造が容易である。
【００１３】
前記各極の複数層のフラックスバリアを前記ロータの中心を通る線に対して対称に配置することで、構造をさらに単純化することができる。
【００１４】
前記各極の複数層のフラックスバリアの端部を除く中央部分を前記ロータの中心に対して点対称に配置することで、当該中央部分に同一の磁石を挿入することができる。
【００１５】
前記ロータを構成する積層鈑を１枚または数枚ごとに裏表にし、または１８０度回転して積層することで、ダイナミックバランスを改善することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００１７】
図１は、本発明に従って各フラックスバリア端部Ａの位置を最適化した４極ｎ層の第１実施形態の同期リラクタンスモータを示す。ステータ１は従来の同期モータと同一であり、ロータ２はフラックスバリア端部Ａの位置を除いて図１２に示す従来の同期モータと同一であるので、対応する部分には同一符号を付してある。
【００１８】
前記同期モータのフラックスバリア端部Ａの位置を最適化する手順について説明する前に、フラックスバリア端部Ａの符号を規定しておく。ロータ２の極数をＰとした場合、時計回りに０時の位置から第１極，第２極，第３極，・・・，第Ｐ極とする。また、ロータ２のフラックスバリア５の層数をｎとした場合、ロータ２の中心に近いものから順に第１層，第２層，第３層，・・・，第ｎ層とする。そして、極番号Ｐ、層番号ｎのフラックスバリア５において、ロータ２の中心に向かって左側の端部Ａは、ｎＡＰで表す。例えば、４極ｎ層のフラックスバリア５の場合、第１極のフラックスバリア５の端部Ａは、_１Ａ１，_２Ａ１，_３Ａ１，・・・，_ｎＡ１、第２極のフラックスバリア５の端部Ａは、_１Ａ２，_２Ａ２，_３Ａ２，・・・，_ｎＡ２、第３極のフラックスバリア５の端部Ａは、_１Ａ３，_２Ａ３，_３Ａ３，・・・，_ｎＡ３、第４極のフラックスバリア５の端部Ａは、_１Ａ４，_２Ａ４，_３Ａ４，・・・，_ｎＡ４で表す。
【００１９】
最初に、各極の第１層のフラックスバリア端部_１Ａ１，_１Ａ２，_１Ａ３，_１Ａ４の位置の最適化の手順について説明する。まず、図２に示すように、従来の構造におけるティース４とフラックスバリア端部_１Ａとの相対関係を考える。ここでは、ティース４と第１層のフラックスバリア端部_１Ａのみに着目しているので、他の部分は省略されている。第１層のフラックスバリア端部_１Ａ１，_１Ａ２，_１Ａ３，_１Ａ４は、互いに９０°離れた９番、１８番、２７番、３６番の各ティース４とそれぞれ対峙している。
【００２０】
この状態において、図３（ａ）に示すように、フラックスバリア端部_１Ａ１は、そのまま９番ティース４と対峙するような相対関係で配置し、フラックスバリア端部_１Ａ２，_１Ａ３，_１Ａ４は、それぞれ１８番、２７番、３６番の各ティース４から、反時計回りにそれぞれδ、２δ、３δだけスライドさせた相対関係で配置する。ここで、δは、次のように定義する。
【００２１】
【数１】
δ＝τ_Ｓ／Ｐ
ここで、τ_Ｓ　：スロットのピッチ幅
Ｐ　：極数
【００２２】
このように配置したティース４と第１層のフラックスバリア端部_１Ａ１，_１Ａ２，_１Ａ３，_１Ａ４との相対関係を直線的に表示すると、図４（ａ）のようになる。
【００２３】
次に、第２層のフラックスバリア端部_２Ａ１，_２Ａ２，_２Ａ３，_２Ａ４の位置の最適化は、図３（ｂ）に示すように、それぞれ第１層のフラックスバリア端部_１Ａ１，_１Ａ２，_１Ａ４，_１Ａ３の中心から反時計回りに下記数２で示される量だけスライドさせた相対関係で配置する。
【００２４】
【数２】
τ_Ｓ×ｓ＋δ／ｎ
ここで、ｓ：負または正の整数（・・・，−２，−１，０，１，２，・・・）
ｎ：フラックスバリアの層数
【００２５】
なお、上記数２において、ｓは各フラックスバリア端部Ａが重ならないように決定する。例えば、図３（ａ）において、ｓ＝０とすると、_１Ａと_２Ａのフラックスバリア端部が部分的に重なり、各々独立したものにならないので、ｓ＝１とする。
【００２６】
以下同様に、第ｎ層のフラックスバリア端部_ｎＡ１，_ｎＡ２，_ｎＡ３，_ｎＡ４の位置の最適化は、それぞれ前層のフラックスバリア端部_ｎ−１Ａ１，_ｎ−１Ａ２，_ｎ−１Ａ３，_ｎ−１Ａ４の中心から反時計回りに数２で示される量だけスライドさせた相対関係で配置する。
【００２７】
このように配置したティース４と第１層から第ｎ層のフラックスバリア端部との相対関係を直線的に表示すると、図４（ｂ）のようになる。なお、本発明のフラックスバリア端部Ａの最適化は、図５に示すように、あくまでフラックスバリア５の端部Ａのみであって、フラックスバリア５の中央部分は円弧のままとする。すなわち、各極の複数層のフラックスバリア５の端部Ａを除く中央部分は、ロータ２の中心に対して点対称に配置されている。このため、埋込磁石同期モータの場合、フラックスバリア５の中央部分に磁石を埋め込むことができる。
【００２８】
最後に、各極の複数層のフラックスバリア５のロータ２に向かって右側の端部の最適化を行うが、これは、フラックスバリア５をロータ２の中心を通り且つ弧状のフラックスバリア５の頂点を通る線に対して線対称になるように配置することで達成される。
【００２９】
このように最適化されたフラックスバリア５のすべての端部Ａは、図１に示すように、ティース４との位置関係が各極毎にバラバラとなる。すなわち、フラックスバリア端部_１Ａ１がティース４と対峙しているときは、フラックスバリア端部_１Ａ３はスロット３と対峙し、フラックスバリア端部_１Ａ２と_１Ａ４は、ティース４とスロット３の間に位置している。このため、ロータ２の回転時のコギングトルクが改善され、トルクリプルが減少する。
【００３０】
なお、前述のように最適化されたフラックスバリア端部Ａを有するロータ２は、各極の複数層のフラックスバリア５の端部Ａがロータ２の中心に対して点対称でないので、回転時のダイナミックバランスが悪い。そこで、図６に示すように、ロータ２を構成する珪素鋼鈑からなる積層板を１枚または数枚ごとに裏表にしたり、図７に示すように、１８０度回転して積層することで、ダイナミックバランスを改善することができる。
【００３１】
前記実施形態は、４極の場合について説明したが、本発明は何極でも適用することができる。また、同層のフラックスバリア端部_ｍＡ１〜４（ｍ＝１〜ｎ）は、それぞれ入れ替えることが可能であり、例えば、_１Ａ１の相対関係と_１Ａ３の相対関係を入れ替えてもよい。さらに、_１Ａ４の相対関係と_１Ａ２の相対関係は等価であるため、それらを同一の相対関係にしてもよい。
【００３２】
図８は、４極２層のフラックスバリア５を有する従来の埋込磁石同期モータであり、図９は、このフラックスバリア５の端部Ａを本発明に従って最適化した第２実施形態の埋込磁石同期モータである。なお、ここで、フラックスバリア５の形状は、前記実施形態のような円弧形ではなく、底辺のない台形である。この実施形態では、台形のフラックスバリア５上辺部分はそのままにして、斜辺部分のみをスライドさせて最適化を図っているので、台形のフラックスバリア５の上辺部分に磁石７を埋め込むことができる。
【００３３】
図９において、第１層のフラックスバリア端部_１Ａ４は、３６番ティース４と対峙するような相対関係で配置し、フラックスバリア端部_１Ａ１，_１Ａ２は、それぞれ９番、１８番の各ティース４から、反時計回りにそれぞれδ（＝τ_Ｓ／４）、２δだけスライドさせた相対関係で配置する。フラックスバリア端部_１Ａ３は、２７番のティース４から、反時計回りにδ（＝τ_Ｓ／４）だけスライドさせた相対関係で配置する。
【００３４】
第２層のフラックスバリア端部_２Ａ４，_２Ａ１，_２Ａ２，_２Ａ３は、それぞれ第１層のフラックスバリア端部_１Ａ４，_１Ａ１，_１Ａ２，_１Ａ３の中心から反時計回りにτ_Ｓ＋δ／２だけスライドさせた相対関係で配置する。
【００３５】
このように最適化された第１層から第２層のフラックスバリア端部_１Ａ１−４，_２Ａ１−４とティース４との相対関係を直線的に表示すると、図１０のようになる。
【００３６】
最後に、フラックスバリア５をロータ２の中心を通り且つ台形のフラックスバリア５の上辺部分の中央を通る線に対して線対称になるように配置する。
【００３７】
図１１は、図８の従来の同期モータと、最適化されたフラックスバリア端部を有する図９の本発明の同期モータの瞬時トルク波形を示す。これによると、本発明の同期モータでは、従来に比べてトルクリプルを約１／５に改善できたことが分かる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ロータのフラックスバリアの端部とステータのティースとの相対関係をロータの極毎に異ならせたので、ロータ回転時のコギングトルクが改善され、トルクリプルが低減し、低振動、低騒音の同期モータを提供することができる。また、フラックスバリアの端部のみを変えればよいため、構造が簡単で、製造が容易であるうえ、磁石挿入部が共通となり、磁石形状も同一でよくなる等の効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】最適化されたフラックスバリア端部を有する本発明の第１実施形態の同期リラクタンスモータの断面図。
【図２】最適化前の従来のフラックスバリア端部とティースの相対関係を示す概略断面図。
【図３】（ａ）は最適化された第１層のフラックスバリア端部とティースの相対関係を示す概略断面図、（ｂ）は最適化された第２層のフラックスバリア端部とティースの相対関係を示す概略断面図。
【図４】（ａ）は第１層のフラックスバリア端部とティースの相対関係を示す図、（ｂ）は第１層、第２層−第ｎ層のフラックスバリア端部とティースの相対関係を示す図。
【図５】フラックスバリア端部の最適化の方法を示す本発明の同期リラクタンスモータの一部断面図。
【図６】ロータの積層鈑を１枚ずつ裏表にした配置したロータの斜視図。
【図７】ロータの積層を１枚ずつ１８０°回転して配置したロータの斜視図。
【図８】フラックスバリア端部を最適化する前の従来の埋込磁石同期モータの断面図。
【図９】フラックスバリア端部を最適化した後の本発明の第２実施形態による埋込磁石同期モータの断面図。
【図１０】図９の同期モータのフラックスバリア端部とティースの相対関係を図８の従来の同期モータと比較して示す図。
【図１１】図８の従来の同期モータと最適化されたフラックスバリア端部を有する図９の本発明の同期モータの瞬時トルク波形を示す。
【図１２】従来の同期リラクタンスモータの一部断面図。
【符号の説明】
１　ステータ
２　ロータ
３　スロット
４　ティース
５　フラックスバリア
Ａ　フラックスバリア端部

Claims

複数のスロットに巻き線を配設して当該巻き線に三相交流を印加することにより隣接するスロット間のティースに回転磁界を形成するステータと、ステータ内に回転可能に支持され、各極毎に弧状の複数層のフラックスバリアを形成したロータとを備えた同期モータにおいて、
前記ロータのフラックスバリアの端部と前記ステータのティースとの相対関係をロータの極毎に異ならせたことを特徴とする同期モータ。
複数のスロットに巻き線を配設して当該巻き線に三相交流を印加することにより隣接するスロット間のティースに回転磁界を形成するステータと、ステータ内に回転可能に支持され、各極毎に弧状の複数層のフラックスバリアを形成したロータとを備えた同期モータにおいて、
前記ロータの中心に最も近い第１層のフラックスバリアの端部と前記ステータのティースとの相対関係を前記ロータの極毎に異ならせるとともに、前記第１層のフラックスバリアに隣接する第２層から第ｎ層までの各フラックスバリアの端部を同一間隔だけずらせたことを特徴とする同期モータ。
前記各極の複数層のフラックスバリアを前記ロータの中心を通る線に対して対称に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の同期モータ。
前記各極の複数層のフラックスバリアの端部を除く中央部分を前記ロータの中心に対して点対称に配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の同期モータ。
前記ロータを構成する積層板を１枚または数枚ごとに裏表にして積層したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の同期モータ。
前記ロータを構成する積層板を１枚または数枚ごとに１８０度回転して積層したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の同期モータ。