(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる同期電動機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【0013】
実施の形態.
図1は、実施の形態にかかる同期電動機の横断面図である。
図1に示すように、本実施の形態では、固定子1の内周面に対向して永久磁石を配置した回転子4を用いた同期電動機である場合の例について説明する。
【0014】
固定子1は、軸心を中心とする円環状の鉄心に9個の突起状の鉄心(以下、「ティース」という)2a,2b,2cが軸心に向かって周方向に等角度間隔(機械角40°)で形成される。各ティース2a,2b,2cは、隣り合う3個ずつの3相(U相、V相、W相)に区分されている。なお、各ティース2a,2b,2cの回転子4に対向する部分の幅を、以下、「先端幅」という。
【0015】
回転子4は、軸心を中心とする円柱状のバックヨーク5の外周面に、異なる極性の磁極を交互にして周方向に等角度間隔(機械角36°)で10極の永久磁石6が配置され、各ティース2a,2b,2cの内側に固定子1に対向して回転可能に配置されている。
【0016】
図2は、実施の形態にかかる同期電動機の1相分の各ティースと磁極との位置関係を示す図である。1相分の各ティース2a,2b,2cには、それぞれ各相の固定子巻線3が連続して集中巻きで巻回され、各相において隣接する各ティースに巻回する固定子巻線3の巻回方向を軸心から見て互いに逆方向としている。
【0017】
図2に示すように、各相中央のティース2aの中心を、対向する永久磁石6の中心、すなわち磁極の中心とすると、各相両端のティース2b,2cの中心は、対向する永久磁石6の中心、すなわち磁極の中心から電気角θd=20°(機械角4°)ずれた位置となる。また、本実施の形態では、
図1、
図2に示すように、各相毎に中央に位置するティース2aの先端幅をθ1、両端に位置するティース2b,2cの先端幅をθ2とする。
【0018】
ここで、本実施の形態の構成概念について、
図2〜
図4を参照して説明する。
図3は、ティースの中心と磁極の中心とが一致した例を示す図である。また、
図4は、1相分の各ティースに巻回される固定子巻線の誘起電圧を示す図である。
【0019】
回転子の永久磁石から発生する磁束が固定子巻線にどの程度有効に鎖交するかを示す指標として、一般的に「巻線係数Kw」と呼ばれる係数がある。この巻線係数Kwは、短節巻係数Kpと分布巻係数Kdとの積で求められる。
【0020】
短節巻係数Kpは、回転子の磁極の幅と固定子のティースの先端幅から計算される。この短節巻係数Kpは、回転子の1つの磁極より正弦波状に磁束が発生するものとして、それらの磁束が固定子の巻線が巻回されるティースをどれだけ通過するかを示す係数であり、回転子の1つの磁極の幅(角度)とティースの先端幅(角度)とから下記(1)式を用いて計算される。
【0021】
Kp=sin(π/2×(極数)/(スロット数))
=sin(π/2×(ティースの先端幅)/(磁極の幅)) …(1)
【0022】
上記(1)式より、この短節巻係数Kpは、ティースの先端幅と磁極の幅とが等しい場合には、最大値である1となる。
図3に示すように、ティースの先端幅が大きい場合には、同様にティースを通過する磁束の一部は固定子巻線に鎖交せず、ティースの先端部分を通過して、隣接する磁極へと短絡してしまうため、この短節巻係数Kpは小さくなり、逆にティースの先端幅が磁極の幅より小さい場合でも、磁極から発生する磁束のすべてを固定子巻線に鎖交させることができないため、この短節巻係数Kpは小さくなる。
【0023】
一方、分布巻係数Kdは、同一相の各ティースに巻回される各固定子巻線に発生する誘起電圧の位相がずれている場合に、誘起電圧の振幅が単純に各固定子巻線の誘起電圧の和とならないことを補正するための係数であり、一般的には、下記(2)式を用いて計算される。
【0024】
Kd=sin(π/6)/
(q×sin(π/6/q)) …(2)
(q=(スロット数)/(極数)/3 )
ただしqが既約分数となる場合には、分子の値をとる。
【0025】
極数とスロット数との比が、同期電動機において一般的に用いられる2:3や4:3の組合せである場合、極数、スロット数が大きくなっても、各相の固定子巻線と磁極との位置関係は、同じ配置の繰り返しが増えるだけで各相を構成する各固定子巻線に発生する誘起電圧の位相がずれることはないため、この分布巻係数Kdは1となる。
【0026】
ここで、上記(2)式により得られる分布巻係数Kdは、固定子のティースが等間隔に配置され、全てのティースの先端幅が同一である場合を前提として計算される係数であるため、ティースの配置が等間隔ではない場合や、先端幅が異なるティースを有している場合には、上記(2)式を用いて巻線係数Kwを算出することができない。
【0027】
したがって、本実施の形態では、巻線係数Kwを各ティースに巻かれる固定子巻線に発生する誘起電圧の大きさ(=短節巻係数Kp)、および各相の各ティースに巻回される各固定子巻線に発生する誘起電圧との位相差(≒分布巻係数Kd)に着目して、ティースの先端幅が等間隔ではない場合の同期電動機の巻線係数Kwを求めた。
【0028】
本実施の形態にかかる10極9スロットの同期電動機の場合、
図2に示す例において、回転子4の各磁極が右から左へと移動するものと仮定すると、各ティース2a,2b,2cに巻回された固定子巻線にそれぞれ発生する誘起電圧は、
図4に示すように、各相中央のティース2aの固定子巻線3に発生する誘起電圧を基準として、各相両端のティース2b,2cの巻線に発生する誘起電圧の位相がそれぞれ電気角で40°ずれる。これらの各ティース2a,2b,2cに巻回された固定子巻線3に発生する誘起電圧の総和は、各ティース2a,2b,2cに巻回された固定子巻線3に発生する誘起電圧の位相がずれている影響により、中央のティース2aに発生する誘起電圧を3倍した値よりも小さくなる。各相中央のティース2aに巻回された固定子巻線3に発生する誘起電圧に対して、各相両端の各ティース2b,2cに巻回された固定子巻線3に発生する誘起電圧の位相がずれることによる各相毎の誘起電圧の減少による影響を示す係数として、便宜上、上記(2)式に相当する各ティース2a,2b,2cの分布巻係数Kdを仮定すると、この分布巻係数Kdは下記(3)式を用いて計算できる。
【0029】
Kd=cos(π×θd/180°) …(3)
【0030】
上記(3)式において、θdは各相中央のティース2aの固定子巻線3に発生する誘起電圧の位相に対する各相両端のティース2b,2cの固定子巻線3に発生する誘起電圧の位相の位相差を示す。上記(3)式に示すように、各相中央のティース2aの固定子巻線3に発生する誘起電圧と各相両端の各ティース2b,2cの固定子巻線3に発生する誘起電圧との位相差が180°に近づくほど、各相両端の各ティース2b,2cの固定子巻線3に発生する誘起電圧が小さくなり、各ティース2a,2b,2cの固定子巻線3に発生する誘起電圧を合成した値も小さくなる。
【0031】
以下、実施の形態にかかる10極9スロットの同期電動機の巻線係数Kwを求めることとする。
【0032】
図2に示す例において、各相中央のティース2aに巻回される固定子巻線3の巻線係数Kw1は、短節巻係数をKp1、分布巻係数をKd1とすると、(1)式、(3)式より、以下のようになる。
【0033】
Kp1=sin(2π×(ティース2aの先端幅)/(磁極の幅))
=sin(2π×θ1/36°)
Kd1=cos(π×0°/180°)=1
Kw1=Kp1×Kd1
=Kp1
=sin(2π×θ1/36°)
【0034】
また、
図2に示す例において、各相両端の各ティース2b,2cに巻回される固定子巻線3の巻線係数Kw2は、短節巻係数をKp2、分布巻係数をKd2とすると、(1)式、(3)式より、以下のようになる。
【0035】
Kp2=sin(2π×(ティース2b,2cの先端幅)/(磁極の幅))
=sin(2π×((120°−θ1)/2)/36°)
=sin(2π×(60°−θ1/2)/36°)
Kd2=cos(π×((θ1/2+θ2/2)×(極対数)−180°)
/180°)
=cos(π×(30°−θ1/4)/180°)
Kw2=Kp2×Kd2
=(sin(2π×(60°−θ1/2)/36°)
×cos(π×(30°−θ1/4)/180°))
【0036】
上記より、各相毎の巻線係数Kwは、下記(4)式により得ることができる。
【0037】
Kw=(Kw1+2Kw2)/3
=(sin(2π×θ1/36°)
+2(sin(2π×(60°−θ1/2)/36°)
×cos(π×(30°−θ1/4)/180°)))/3 …(4)
【0038】
図5は、各相の各ティースの先端幅θ1,θ2をパラメータとして、短節巻係数Kp、分布巻係数Kd、巻線係数Kwを求めた計算結果を示す図である。また、
図6は、各相中央のティースの先端幅θ1が40°である場合を基準とした巻線係数比率および誘起電圧比率を示す図である。
図6中に示す実線は、上記(4)式を用いて巻線係数Kwを求め、各相中央のティースの先端幅θ1が40°である場合の巻線係数Kwを基準とした巻線係数比率を示し、
図6中に示す菱形記号(◇)は、各相中央のティースの先端幅が異なる10極9スロットの同期電動機の誘起電圧を磁界解析により求め、各相中央のティースの先端幅θ1が40°である場合の誘起電圧を基準とした誘起電圧比率を示している。
【0039】
一般的な10極9スロットの同期電動機では、各ティースは等角度間隔に配置されており、各相の各ティースの先端幅θ1,θ2が等しい場合には、これら各相の各ティースの先端幅θ1,θ2は、それぞれ360°/9=40°である。このときの巻線係数Kwの計算結果は、
図5に示すように0.9452となる。
【0040】
この巻線係数Kwは、
図5、
図6に示すように、各相中央のティースの先端幅θ1が40°から小さくなるに従って徐々に大きくなり、巻線係数Kwが最大となるのは、各相中央のティースの先端幅θ1が36°(θ2が42°)の場合であり、
図5に示すように0.9553となる。
【0041】
この巻線係数Kwが最大となる各相中央のティースの先端幅θ1(36°)から、さらに各相中央のティースの先端幅θ1が小さくなるに従って徐々に巻線係数Kwが小さくなり、各相中央のティースの先端幅θ1が32°(θ2が44°)の場合に、各相の各ティースの先端幅θ1,θ2が40°で等しい場合の巻線係数Kwの計算結果と等しく、
図5に示すように0.9452となる。
【0042】
つまり、各相中央のティースの先端幅θ1が32°<θ1<40°を満たす場合に、各ティースが等角度間隔であり、且つ、各相の各ティースの先端幅θ1,θ2が等しい一般的な10極9スロットの同期電動機よりも巻線係数Kwが大きくなる。この上記(4)式により求めた巻線係数比率は、
図6に示すように、磁界解析により求めた誘起電圧比率とほぼ一致しており、各相中央のティースの先端幅θ1が36°である場合には、誘起電圧が最大で約1%大きくなる。
【0043】
したがって、本実施の形態では、各相の各ティース2a,2b,2cのうち、各相中央のティース2aの先端幅θ1が32°<θ1<40°を満たすように構成する。これにより、一般的な10極9スロットの同期電動機よりも大きな誘起電圧を得ることができ、一般的な10極9スロットの同期電動機と同等の電流を通電した場合には、より高いトルクを得ることができ、高出力化を図ることができる。
【0044】
また、一般的な10極9スロットの同期電動機よりも少ない電流を通電して一般的な10極9スロットの同期電動機と同等のトルクを得ることができ、高効率化を図ることができる。
【0045】
より好ましくは、各相の各ティース2a,2b,2cのうち、各相中央のティース2aの先端幅θ1を略36°とすることにより、一般的な10極9スロットの同期電動機よりも最大で約1%大きな誘起電圧を得ることができ、より高出力化、高効率化を図ることができる。
【0046】
なお、
図5に示す巻線係数の計算結果を見ると、各相中央のティースに巻回される固定子巻線の巻線係数Kw1が各相両端のティースに巻回される固定子巻線の巻線係数Kw2よりも高い値を示していることから、各ティースの固定子巻線が巻回される部分の幅を、各ティースの先端幅に合わせて不均一とし、各相中央のティースに各相両端のティースの固定子巻線が巻回される部分を近づけると、各相中央のティースと各相両端のティースとの間のスロットの断面積が小さくなり、スロットに格納できる固定子巻線が少なくなるため、同期電動機の性能を十分に引き出すことができなくなる。また、各相間のスロットの断面積が大きくなっても巻線を格納しない空間が増えるだけであり、固定子1の断面積を有効に利用できない。また、高い巻線係数Kw1を有する各相中央のティースの固定子巻線の巻数を減らすと、誘起電圧の減少が大きくなり有効ではない。
【0047】
また、上述したように、各相の各ティースの固定子巻線に発生する誘起電圧には、位相差が生じている。本実施の形態では、各ティース2a,2b,2cを等角度間隔で配置し、各相両端のティース2b,2cの先端幅を同一のθ2としている。これによって、各ティースの固定子巻線に発生する誘起電圧に含まれる歪みである高調波成分同士は、お互いで打ち消し合うこととなり、結果として、誘起電圧の低歪率化を図ることができる。巻線係数Kwをさらに上げる手段としては、各相間のスロット開口部を大きくし、各ティースの先端幅をすべて36°に近づければ、理論的には最も大きな巻線係数が得られるが(分布巻係数を1にすることは可能)、この場合には、各ティースの固定子巻線の誘起電圧間の位相差がなくなるため、高調波成分がキャンセルされず、各相の誘起電圧に歪みが大きく発生する可能性がある。このため、各相間、各ティース間の全てのスロット開口部の幅を略同一幅として、各相の各ティースの固定子巻線に発生する誘起電圧に位相差が生じる状態を維持するのが好ましい。
【0048】
また、各相間のスロット開口部が大きくなると、コギングトルクも大きくなるので、同期電動機の振動、騒音も大きくなり好ましくない。
【0049】
以上説明したように、実施の形態の同期電動機によれば、10極9スロット構成の同期電動機において、隣り合う3個ずつの3相に区分された各相の各ティースのうち、各相中央のティースの先端幅θ1が32°<θ1<40°を満たすように構成することにより、一般的な10極9スロットの同期電動機よりも大きな誘起電圧を得ることができ、一般的な10極9スロットの同期電動機と同等の電流を通電した場合には、より高いトルクを得ることができるので、高出力化を図ることができる。
【0050】
また、一般的な10極9スロットの同期電動機よりも少ない電流を通電して一般的な10極9スロットの同期電動機と同等のトルクを得ることができるので、高効率化を図ることができる。
【0051】
より好ましくは、各相の各ティースのうち、各相中央のティースの先端幅θ1を略36°とすることにより、一般的な10極9スロットの同期電動機よりも最大で約1%大きな誘起電圧を得ることができ、より高出力化、高効率化を図ることができる。
【0052】
また、各ティースを等角度間隔で配置し、各相両端のティースの先端幅を同一のθ2とし、各ティース間の全てのスロット開口部の幅を略同一幅とすることにより、位相差が生じた各ティースの固定子巻線に発生する誘起電圧に含まれる高調波成分が互いに打ち消し合い、誘起電圧の低歪率化を図ることができる。また、各相間のスロット開口部を小さくすることにより、コギングトルクの発生を抑制することができ、低振動化、低騒音化を図ることができる。
【0053】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。