特開 2023-166771 同期モータ及びポンプ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023166771

(43)【公開日】2023-11-22

(54)【発明の名称】同期モータ及びポンプ装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20231115BHJP

   H02K 21/46 20060101ALI20231115BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

H02K21/46

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022077534

(22)【出願日】2022-05-10

(71)【出願人】

【識別番号】513296958

【氏名又は名称】東芝産業機器システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】弁理士法人サトー

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 滉人

【テーマコード（参考）】

5H621

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H621AA01

5H621GA01

5H621HH01

5H621HH10

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA05

5H622CA09

5H622CA10

5H622CA12

5H622CB03

5H622CB05

(57)【要約】

【課題】自己始動が可能で、同期速度での高効率運転を可能とする。
【解決手段】実施形態の同期モータは、中心に回転軸が配置されると共に、外周部に断面が放射方向に長い複数個のスロットを円周方向に並んで有する円柱状の回転子鉄心と、回転子鉄心の各スロット内に設けられた複数本の導体バー及びそれら導体バーを回転子鉄心の軸方向両端部において接続するエンドリングを含むかご形導体と、回転子鉄心のスロットよりも内層側に設けられ２極の回転子磁極を構成する永久磁石とを備え、永久磁石は、回転子鉄心の１極を構成する半円部において、軸方向に見て、半径方向に延びる中心線に対し対称的に設けられ、外側端部がスロットのうちいずれかの内周端部に連続又は近接すると共に、内側端部が中心線部分まで延びる２本の内層スリット内に、２個が配設され、各内層スリットが連続又は近接する２つのスロットのなす開き角度αが、１００°以上とされている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

自己始動を可能とした同期モータであって、
中心に回転軸が配置されると共に、外周部に断面が放射方向に長い複数個のスロットを円周方向に並んで有する円柱状の回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の各スロット内に設けられた複数本の導体バー及びそれら導体バーを該回転子鉄心の軸方向両端部において接続するエンドリングを含むかご形導体と、
前記回転子鉄心の前記スロットよりも内層側に設けられ２極の回転子磁極を構成する永久磁石とを備え、
前記永久磁石は、前記回転子鉄心の１極を構成する半円部において、軸方向に見て、半径方向に延びる中心線に対し対称的に設けられ、外側端部が前記スロットのうちいずれかの内周端部に連続又は近接すると共に、内側端部が前記中心線部分まで延びる２本の内層スリット内に、２個が配設され、
前記各内層スリットが連続又は近接する前記２つのスロットのなす開き角度αが、１００°以上とされている同期モータ。

【請求項2】

前記内層スリットが連続又は近接する２つのスロットのなす開き角度αは、１５０°以下とされている請求項１記載の同期モータ。

【請求項3】

前記回転子鉄心の外周部の複数個のスロットは、前記回転子鉄心の１極を構成する半円部において、軸方向に見て、その断面形状が中心線側は比較的幅狭に、両端側がそれよりも幅広になるように設けられている請求項１記載の同期モータ。

【請求項4】

前記回転子鉄心の外周部のスロットは、形成位置によって、外周端部に位置する頂点の位置が、放射方向に対して円周方向に傾いて設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の同期リラクタンスモータ。

【請求項5】

前記内層スリットの外側の端部においては、前記スロットとの間にブリッジが形成されている請求項１記載の同期モータ。

【請求項6】

ポンプ本体と、
前記ポンプ本体の駆動源となるモータであって、請求項１から５のいずれか一項に記載の同期モータとを備えるポンプ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、自己始動を可能とした同期モータ、及び、その同期モータを組込んだポンプ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ポンプ装置例えばモータ直結型の油圧ポンプ装置に一体的に組込まれてその駆動源となるモータとして、同期リラクタンスモータが知られている。一般に、同期リラクタンスモータにあっては、始動のためにインバータが必要となり、コスト高となる問題点がある。そこで、従来では、例えば特許文献１に示されるように、回転子に、かご形導体と永久磁石との双方を備えて構成され、商用電源により駆動される自己始動形の永久磁石式同期モータが考えられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１－３７１２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記した永久磁石式同期モータは、三層巻線が巻装された固定子の内周側に、回転子を配置して構成される。前記回転子は、回転子鉄心の外周部に設けられた複数のスロットに、導体バーを配設し、短絡環で短絡して始動用のかご形導体を設けていると共に、導体バーの内側に、永久磁石埋め込み用の穴を設けて、それら穴に永久磁石を埋め込んで２極の回転子磁極を形成している。この場合、前記永久磁石埋め込み用の穴は、４本が全体で正方形の枠状をなし、それら穴の端部は、前記スロットのうち、直径方向両端部の２箇所に、径方向に長く形成された短絡防止用スリットに近接配置して設けられている。各磁極において、永久磁石埋め込み用の２個の穴内に、２個の永久磁石が軸方向に見てＬ字形をなすように配置されている。

【0005】

しかしながら、本発明者らの研究によれば、上記のような同期モータにおいて、かご形導体と永久磁石とを単に組合せただけでは、高効率を得るには不十分であった。鉄損を小さくして高い効率を得たり、更にトルクリップルを低減させたりするといった観点からは、永久磁石の配置について、さらに最適な構造の探究が求められるのである。
そこで、自己始動が可能で、高効率を得ることができる同期モータ、及び、その同期モータを用いたポンプ装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の同期モータは、自己始動を可能としたものであって、中心に回転軸が配置されると共に、外周部に断面が放射方向に長い複数個のスロットを円周方向に並んで有する円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心の各スロット内に設けられた複数本の導体バー及びそれら導体バーを該回転子鉄心の軸方向両端部において接続するエンドリングを含むかご形導体と、前記回転子鉄心の前記スロットよりも内層側に設けられ２極の回転子磁極を構成する永久磁石とを備え、前記永久磁石は、前記回転子鉄心の１極を構成する半円部において、軸方向に見て、半径方向に延びる中心線に対し対称的に設けられ、外側端部が前記スロットのうちいずれかの内周端部に連続又は近接すると共に、内側端部が前記中心線部分まで延びる２本の内層スリット内に、２個が配設され、前記各内層スリットが連続又は近接する前記２つのスロットのなす開き角度αが、１００°以上とされている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態を示すもので、同期モータの内部構成を角度１８０度（半円部）の範囲で概略的に示す図

【図2】ポンプ装置の外観を概略的に示す図

【図3】回転子の外観を示す斜視図

【図4】開き角度αと振幅との関係を調べた結果を、基本波の実効値、３次高調波の実効値、基本波以外の全ての実効値について示す図

【図5】実施例１、２及び比較例１の回転子鉄心のモデルの構成を並べて示す図

【図6】第２の実施形態に係る回転子鉄心の構成を示す図

【図7】第３の実施形態に係る回転子鉄心の構成を示す図

【図8】一つのスロット部分の拡大図

【図9】第４の実施形態に係る回転子鉄心の構成を示す図

【図10】ブリッジ部分の拡大図

【発明を実施するための形態】

【0008】

（１）第１の実施形態
以下、第１の実施形態について図１から図５を参照して説明する。まず、図２は、本実施形態に係るポンプ装置１の構成を概略的に示している。このポンプ装置１は、例えば油圧ポンプからなるポンプ本体２と、このポンプ本体２の駆動源となる、本実施形態に係る２極の同期モータ１０とを備えている。この場合、ポンプ本体２に同期モータ１０が一体的に結合され、同期モータ１０の図示しない回転軸が、ポンプ本体２を直接駆動するように構成されている。

【0009】

図１は、同期モータ１０の軸方向に見た１極分即ち角度１８０度の半円部の構成を示している。図１に示すように、本実施形態に係る同期モータ１０は、例えば円筒状をなすフレーム１１（図２参照）の内周面に、固定子１２を装着すると共に、固定子１２の内周部に僅かなエアギャップをおいて回転子１３を配置して構成されている。前記固定子１２は、内周側に向けて突出する複数個例えば２４個のティース１４ａを有する固定子鉄心１４に、図示しない巻線を装着して構成されている。

【0010】

前記回転子１３は、図３にも示すように、例えば２極の磁気的突極性を有した円柱状の回転子鉄心１５を備え、その回転子鉄心１５の中心部を貫通して図示しない回転軸が固定され、その回転軸が前記フレーム１１の両端のブラケットに回転自在に支持されている。前記回転子鉄心１５は、多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、中心に、前記回転軸が配置される中心孔１５ａを有している。

【0011】

図１等に示すように、回転子鉄心１５の外周部分には、導体バーを形成するための複数個例えば全部で２８個のスロット１６が、円周方向に並んで設けられている。スロット１６は、例えば、断面が放射方向に長く、外周側の方が大きく膨らむようないわゆる涙形に形成され、この場合、同じ形状、大きさのものが等間隔に設けられている。詳しく図示はしないが、各スロット１６内には、例えばアルミダイカストにより導体バーが設けられると共に、回転子鉄心１５の軸方向両端部において、それら導体バーを接続するエンドリング２０ａが設けられ、以て、周知のかご形導体２０が設けられるようになっている。

【0012】

そして、本実施形態では、前記回転子鉄心１５の前記スロット１６よりも内層側には、永久磁石挿入用の内層スリット１７が軸方向全体に延びて設けられ、その内層スリット１７内に、２極の回転子磁極を構成する永久磁石１８が設けられている。図１等では、便宜上、永久磁石１８にハッチングを付して示している。具体的には、図１に示す回転子鉄心１５の１極を構成する半円部において、２本の内層スリット１７が、軸方向に見て、半径方向に延びる中心線Ｌに対し左右対称的に、図でハの字をなすように夫々直線的に延びて設けられている。これら２本の内層スリット１７の内側端部は、中心線Ｌ部分でわずかなブリッジ部１９を介して互いに近接している。また、２本の内層スリット１７の外側端部は、前記スロット１６のうちいずれかの内周端部に連続している。

【0013】

本実施形態では、２本の内層スリット１７、１７の外側端部は、図５の実施例１で示すように、図で下から２番目のスロット１６、１６に連続している、あるは、図５の実施例２で示すように、図で下から３番目のスロット１６、１６に連続している。これにて、内層スリット１７が接続している２つのスロット１６、１６のなす開き角度αが、１００°以上であり、且つ、１５０°以下とされている。具体的には、実施例１では、開き角度αが１４１°とされ、実施例２では、開き角度αが１１６°とされている。

【0014】

前記永久磁石１８は、軸方向に長い薄型の矩形板状をなし、図１、図５で示す半円部においては、各内層スリット１７内に、例えば外側（図で上側）がＮ極となり、内側（図で下側）がＳ極となるように設けられる。図示はしないが、回転子鉄心１５の残りの図で下半分の半円部においては、２本の内層スリット１７が、図１とは上下対称的に設けられると共に、夫々に、永久磁石１８が、外側がＳ極となり、内側がＮ極となるように設けられる。尚、内層スリット１７内には、永久磁石１８の両端側に位置して、夫々一部空洞が設けられる。

【0015】

以上のように構成された本実施形態の同期モータ１０は、回転子１３に、かご形導体２０と永久磁石１８とを組合わせることにより、商用電源による自己始動が可能で、同期速度での高効率運転が可能となることが確認された。即ち、回転子鉄心１５が、かご形導体２０を備えることによる誘導モータとしての機能、すなわち商用電源を用いて、その電源周波数に応じた同期速度で回転駆動が可能である特性を備える。これと共に、永久磁石１８を設けたことによる磁石トルクによって、自己始動が可能となると共に、誘導電動機に比べて高効率での駆動が可能となる。特に、慣性モーメントの小さいポンプ装置１に適合したものとなる。

【0016】

さて、本発明者は、同期モータ１０の回転子鉄心１５において、かご形導体２０に加えて永久磁石１８を設ける場合の永久磁石１８つまり内層スリット１７の配置に関して、様々な試験、研究を重ねた。ここで、回転子鉄心１５の半円部において、上記のように、軸方向に見てハの字状をなすように対称的に２本の内層スリット１７を設け、それら各内層スリット１７に永久磁石１８を配置する構成を基本配置とした。そして、上記基本配置に対し、永久磁石１８を具体的にどのような角度で配置することが、トルク特性に優れ損失を減少させるかに関して調べ、本実施形態に係る同期モータ１０の有効性を検証した。

【0017】

図４は、内層スリット１７、１７が接続している２つのスロット１６、１６のなす開き角度αと振幅との関係を調べた結果を、基本波の実効値、３次高調波の実効値、基本波以外の全ての実効値について示している。この結果から、開き角度αは、小さい方が基本波の振幅が大きくなり、３次高調波は、α＝１２０°、全高調波は、α＝１３９°で最小となる。更に本発明者は、内層スリット１７、１７が接続する２つのスロット１６、１６の位置を変更し、開き角度αを異ならせた３種類のモデルに関して、トルクリップル及び鉄損について解析した。

【0018】

図５は、解析に用いた３種類のモデルを示している。上記したように、実施例１は、内層スリット１７、１７が図で下から２番目のスロット１６、１６に連続しており、開き角度αが１４１°とされている。実施例２は、内層スリット１７、１７が図で下から３番目のスロット１６、１６に連続しており、開き角度αが１１６°とされている。そして、比較例１は、内層スリット１７、１７が図で下から４番目のスロット１６、１６に連続しており、開き角度αが９０°とされている。

【0019】

上記３種類のモデルに対し、トルクリップルや鉄損の大きさを解析した結果、トルクリプルについては、実施例１が最も小さく、次いで実施例２、比較例１の順で大きくなっていた。また、鉄損についても、実施例１が最も優れ、次いで実施例２、比較例１の順で大きくなっていた。これらの結果から、開き角度αを、１００°以上とすることにより、トルクリップルひいては損失が小さく、高効率が得られることが明らかとなった。更に、開き角度αを、１５０°以下とすることが望ましいことも明らかとなった。

【0020】

このように本実施形態の同期モータ１０によれば、かご形導体２０を備えることによる誘導モータとしての機能、特性に加え、永久磁石１８を設けたことによる磁石トルクによって、自己始動が可能となると共に、誘導電動機に比べて高効率での駆動が可能となる。この場合、要求仕様の３倍以上の慣性モーメントで、始動が可能となった。そして、各内層スリット１７が連続する２つのスロット１６のなす開き角度αを、１００°以上とし、かつ、１５０°以下としたことにより、トルクリップルひいては損失が小さく、高効率が得られるものとなった。上記構成の同期モータ１０は、特に、ポンプ装置１の始動時負荷特性に適合したものとなり、ポンプ本体２に同期モータ１０を組込むことにより、始動特性に優れ、高効率のポンプ装置１を安価に提供することができる。

【0021】

（２）第２の実施形態
図６は、第２の実施形態を示すものであり、上記第１の実施形態と異なるところは、回転子鉄心２１の構成にある。即ち、本実施形態における回転子鉄心２１は、多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、中心に、回転軸が配置される中心孔２１ａを有していると共に、外周部分には、導体バーを形成するための複数個例えば全部で２８個のスロット２２が、円周方向に並んで設けられている。

【0022】

このとき、回転子鉄心２１の外周部の複数個のスロット２２は、その断面形状が、放射方向に長いいわゆる涙形に形成されているのであるが、軸方向に見た図示の半円部において、中心線Ｌ側つまり図で上部側、中央側では比較的幅狭に構成され、両端側がそれよりも幅広になるように設けられている。またこれと共に、複数個のスロット２２の円周方向の配置間隔についても、中心線Ｌ側では比較的小さく、両端側では比較的大きくなるように設けられている。これにより、スロット２２の円周方向の配置位置が、第１の実施形態のスロット１６とは変動している。

【0023】

そして、回転子鉄心２１のスロット２２よりも内層側には、永久磁石挿入用の内層スリット２３が設けられ、その内層スリット２３内に、２極の回転子磁極を構成する永久磁石１８が設けられている。２本の内層スリット２３、２３の外側端部は、図で下から２番目のスロット２２、２２に連続し、それら２つのスロット２２、２２のなす開き角度αが、１００°以上であり、且つ、１５０°以下とされている。具体的には、上記のスロット２２の配置位置の変動に伴い、開き角度αは、１２３°とされている。

【0024】

このように、開き角度αを１２３°とした場合でも、上記第１の実施形態において、開き角度αを１４１°とした場合と同等以上の効率を得ることができ、同様の効果を得ることができる。また、トルクリップルについて調べた結果、開き角度αを１２３°とした場合、及び、１４１°とした場合に、トルクリップルを同程度に小さくすることができた。本実施形態においては、スロット２２つまり導体バーの断面形状に工夫を施したことにより、スロット２２の間隔が大きくなる部分でも、断面形状が太くなることで磁束の流れやすさを確保でき、トルクリップルを改善することができる。

【0025】

（３）第３の実施形態
図７及び図８は、第３の実施形態を示すものである。この第３の実施形態においても、回転子鉄心３１の構成が、上記第１の実施形態等と異なる。即ち、図７に示すように、本実施形態における回転子鉄心３１は、多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、中心に、回転軸が配置される中心孔３１ａを有していると共に、外周部分には、導体バーを形成するための複数個例えば全部で２８個のスロット３２が、円周方向に並んで設けられている。

【0026】

このとき、図８にも示すように、回転子鉄心３１の外周部の複数個のスロット３２は、軸方向に見た図示の半円部において、その断面形状が、放射方向に長いいわゆる涙形に形成されているのであるが、先端側つまり外周端部側が、山形に尖った形態をなすと共に、外周端部に位置する頂点３２ａの位置が、放射方向に対して円周方向に傾いて設けられている。具体的には、図７で中心線Ｌを挟んだ右半分のスロット３２においては、図８のように、放射方向Ｒに対し、右回転方向に僅かな角度δだけ傾いた位置に頂点３２ａが位置している。図７で中心線Ｌを挟んだ左半分のスロット３２においては、放射方向Ｒに対し、左回転方向に僅かな角度δだけ傾いた位置に頂点３２ａが位置している。

【0027】

また、図７に示すように、回転子鉄心３１のスロット３２よりも内層側には、永久磁石挿入用の内層スリット３３が設けられ、その内層スリット３３内に、永久磁石１８が設けられている。２本の内層スリット３３、３３の外側端部は、図で下から２番目のスロット３２、３２に連続し、それら２つのスロット３２、３２のなす開き角度αは、１００°以上、１５０°以下の範囲内である、例えば１４１°或いは、１２３°とされている。

【0028】

このような第３の実施形態によれば、自己始動が可能で、同期速度での高効率運転を可能とするといった、上記第１、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。そして、スロット３２、３２の外周側の頂点３２ａの位置を傾けるように配置したことにより、磁束の流れをわずかに変化させることができ、更なるトルクリップルの低減を図ることができることが確認できた。

【0029】

（４）第４の実施形態、その他の実施形態
図９及び図１０は、第４の実施形態を示すものであり、回転子鉄心４１の構成を示している。図９に示すように、本実施形態における回転子鉄心４１は、中心に中心孔４１ａを有し、外周部分に、導体バーを形成するための複数個例えば全部で２８個のスロット４２が、円周方向に並んで設けられている。上記第２の実施形態のスロット２２と同様に、これらスロット４２の断面形状は、軸方向に見た図示の半円部において、中心線Ｌ側では比較的幅狭に構成され、両端側がそれよりも幅広になるように構成される。

【0030】

これと共に、複数個のスロット４２の円周方向の配置間隔についても、中心線Ｌ側では比較的小さく、両端側では比較的大きくなるように設けられている。しかも、本実施形態では、上記第３の実施形態と同様に、複数個のスロット４２は、先端側つまり外周端部側が、山形に尖った形態をなし、それら頂点４２ａの位置が、放射方向に対して円周方向に傾いて設けられている。つまり、本実施形態では、スロット４２は、上記第２の実施形態のスロット２２と、上記第３の実施形態のスロット３２とを組み合わせた如き形態で設けられている。

【0031】

そして、回転子鉄心４１のスロット４２よりも内層側には、永久磁石挿入用の内層スリット４３が設けられ、その内層スリット４３内に、永久磁石１８が設けられている。２本の内層スリット４３、４３の外側端部は、図で下から２番目のスロット４２、４２に近接しており、それら２つのスロット４２、４２のなす開き角度αは、１２３°とされている。このとき、本実施形態では、図１０にも示すように、内層スリット４３の外側の端部においては、スロット４２との間にブリッジ４４が形成されている。ブリッジ４４は、回転子鉄心４１を構成する電磁鋼板の打抜き型の変更によって容易に形成できる。

【0032】

このような第４の実施形態によれば、上記第１の実施形態等と同様に、自己始動が可能で、且つ、同期速度での高効率運転を可能とするといった効果を得ることができる。ここで、一般に、かご形導体は、アルミダイカストにより成形されるが、形成時に、スロット４２内に導入されたアルミ溶湯が内層スリット４３側に侵入することを防止する必要がある。本実施形態では、別の侵入防止用の手段を設けることなく、スロット４２と内層スリット４３との間にブリッジ４４を設けることで、簡単な構成で、アルミ溶湯の侵入を防止することができる。尚、ブリッジ４４を設けたことによる特性への悪影響は、ほとんどないことが明らかになっている。

【0033】

尚、上記各実施形態では、回転子鉄心の内層スリット内に、薄板状の永久磁石１８を配置するようにしたが、緩やかな円弧状に形成された永久磁石を、円弧状の内層スリット内に配置するようにしても良い。永久磁石の厚み寸法としても、減磁を考慮して、比較的厚みの大きい永久磁石を採用することもできる。また、回転子鉄心のスロット数等についても、適宜変更できることは勿論である。その他、同期モータは、油圧ポンプに限らず、各種ポンプ装置に適用することができ、ポンプ装置以外に用いることも可能である。

【0034】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0035】

図面中、１はポンプ装置、２はポンプ本体、１０は同期モータ、１３は回転子、１５、２１、３１、４１は回転子鉄心、１６、２２、３２、４２はスロット、１７、２３、３３、４３は内層スリット、１８は永久磁石、２０はカゴ形導体、３２ａ、４２ａは頂点、４４はブリッジ、αは開き角度、Ｌは中心線を示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】