(57)【要約】【課題】高トルクを維持しつつ、共振のリスクが少なくモータ強度を必要以上に高める必要のない回転電機を提供する。【解決手段】この回転電機は、円周状にほぼ等間隔に配列されたＰ個の永久磁石１３を有するロータ５と、円周状にほぼ等間隔に配列されたＳ個のスロットを有するステータ７とを備え、永久磁石１３の個数Ｐとスロットの個数Ｓとの関係は、Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ、又はＰ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓを満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周状にほぼ等間隔に配列されたＰ個の磁極を有するロータと、円周状にほぼ等間隔に配列されたＳ個のスロットを有するステータとを備える回転電機において、
前記磁極の個数Ｐと前記スロットの個数Ｓとの関係を、
Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ
としたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
円周状にほぼ等間隔に配列されたＰ個の磁極を有するロータと、円周状にほぼ等間隔に配列されたＳ個のスロットを有するステータとを備える回転電機において、
前記磁極の個数Ｐと前記スロットの個数Ｓとの関係を、
Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ
としたことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
前記ステータへの駆動相数を５以上とした、請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記駆動相数をＮ又は２Ｎ（但しＮは７以上の奇数）とした、請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
前記スロットの個数Ｓを駆動相数Ｎの倍数とした、請求項４に記載の回転電機。
【請求項６】
前記駆動相数Ｎと、前記スロットの個数Ｓと、前記磁極の個数Ｐとの関係である（Ｎ又は２Ｎ，Ｓ，Ｐ）を、
（９，２７，３２）、（９，２７，２２）、（１８，２７，３２）、（１８，２７，２２）、（１８，３６，４２）、（１８，３６，３０）、（１８、３６，４４）又は（１８，３６，２８）とした、請求項４又は５に記載の回転電機。
【請求項７】
前記回転電機は、前記ロータ及び前記ステータをロータ回転軸線方向に相互に対向配置してなるディスク型モータである、請求項１〜６の何れか一項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、円周状にほぼ等間隔に配列された複数の磁極を有するロータと、円周状にほぼ等間隔に配列された複数のスロットを有するステータとを備える回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、円周状にほぼ等間隔に配列されたｎ個の磁極テイースと、各磁極テイースにそれぞれ集中巻きされ且つ３相接続される固定子巻線と、各磁極テイースと対向する外径側全周に亘って等間隔に配列されたｍ個の永久磁石磁極とを備え、磁極テイースの個数ｎを１８（１＋Ｚ）、永久磁石磁極の個数ｍを１６（１＋Ｚ）（但し、Ｚは１以上の整数）にそれぞれ設定してなるモータが開示されている。このようなモータによれば、テイース数ｎと磁極数ｍの最小公倍数が大きいため、コギングが高次数となりコギングトルクによる振動振幅を軽減することができる。
【特許文献１】特開２０００−２０１４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このようなモータは高トルク、且つ低コギングトルクという点で優れているが、モータ自身に発生する振動に対してモータの強度で吸収しなければならないという問題がある。特にモータ軸では、回転方向、つまりねじり方向の強度に対しては、モータ軸がトルクを伝達するための軸であるから問題ないが、軸方向と直交する方向に発生する振動に対しては何らかの強度補強を施す必要となる。
【０００４】
それゆえ本発明は、高トルクを維持しつつ、共振のリスクが少なくモータ強度を必要以上に高める必要のない回転電機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第１の発明の回転電機は、円周状にほぼ等間隔に配列されたＰ個の磁極を有するロータと、円周状にほぼ等間隔に配列されたＳ個のスロットを有するステータとを備える回転電機において、前記磁極の個数Ｐと前記スロットの個数Ｓとの関係を、Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  としたことを特徴とするものである。
【０００６】
第２の発明の回転電機は、円周状にほぼ等間隔に配列されたＰ個の磁極を有するロータと、円周状にほぼ等間隔に配列されたＳ個のスロットを有するステータとを備える回転電機において、前記磁極の個数Ｐと前記スロットの個数Ｓとの関係を、Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ  としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
一般にロータが回転する間には、ステータから吸引又は引っ張りの力が発生する。つまりロータには、スロットＳ個分の振動が加わるとともに、磁極数Ｐとスロット数Ｓの差からＺ次（Ｚは磁極数Ｐとスロット数Ｓの差）の変形モードをもたらす力がステータと対向する方向に潜在的に加わることとなる。上述した第１及び第２の発明の回転電機にあっては、この次数Ｚが４以上となるので、ステータと対向する方向のロータの変形が複雑化し、その分変形が小さくなる。
【０００８】
従ってこの発明の回転電機によれば、回転時のロータの変形を小さくし、共振となり得る振動を回避することができるので、モータ強度を必要以上に高める必要がない。また、磁極数Ｐとスロット数Ｓとの比率を１に近づけて設定したことから高いトルクを維持することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。ここに図１は、本発明に従う実施形態のアキシャルギャップ型の回転電機の概略断面図である。
【００１０】
図１に示す回転電機１は、ディスク型モータであり、ケース３内にロータ５及びステータ７を備える。これらロータ５及びステータ７は、両者間の空隙（エアギャップ）９を介してロータ回転軸線方向に相互に対向配置されている。
【００１１】
ロータ５は、磁性体よりなるディスク状のロータコア１１に対し円周方向にほぼ等間隔に配設されたＰ個の永久磁石１３を有する。これらの永久磁石１３はステータに向く側の磁極がロータコア１１の周方向に交互に異なるよう所定の間隔をおいて配置されている。ロータコア１１の中心部１１ａはロータ回転軸１５に固着して取り付けられ、この回転軸１５は軸受１６によりその両端が軸線方向変位不能にケース３内に回転自在に支持されている。
【００１２】
ステータ７は、バックコア１７に対し円周方向にほぼ等間隔に配置された、電磁コイル１９を巻装してなるＳ個のステータコア２１を有する。ステータ７は、ステータコア２１がエアギャップ９を挟んでロータ５と対面する向きにロータ５と同心に配置されている。さらにステータ７は、バックコア１７を介してケース３に取り付けられている。さらにケース３には冷却水路２３が設けられ、ステータ７が発する熱を吸収し冷却するための冷却液（図示省略）が循環される。回転軸１５の端部にはロータの回転位置を検出するためのエンコーダ２５が設けられている。
【００１３】
また、この実施形態では、永久磁石１３の個数すなわち磁極の個数Ｐと、ステータコア２１の個数すなわちステータコア２１間のスロットの個数Ｓとは、Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  の関係を満たしている。なお、本発明の他の実施形態では、永久磁石の個数Ｐとステータコアの個数Ｓとは、Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ  の関係を満たしている。
【００１４】
図１に示すアキシャルギャップ型の回転電機において、電磁コイル１９を図示しないインバータにより励磁すると、ステータ７の周方向に回転磁界が形成され、周方向に交互に磁性が異なるＰ個の永久磁石１３が埋設されたディスク状のロータ５が、ステータ７の発生する回転磁界に吸引反発され、回転磁界と同期速度で回転する。
【００１５】
次いで、本発明者が発明に至った経緯をスロット数Ｓが１８、磁極数Ｐが２０の従来のアキシャルギャップ型の回転電機を参考に説明する。
【００１６】
一般的な集中巻モータにおいて、スロット数をＳ、磁極数をＰとするとロータに作用する磁気吸引加振力は、回転Ｓ次及びステータ対向方向|Ｐ−Ｓ|次モードの成分を多く持つ。ここにおけるＳ＝１８、Ｐ＝２０のアキシャルギャップ型の例では、潜在的に回転１８次の影響と面２次モードの影響が大きくなる。つまり、図２に示すような低次（図２の例では面２次）の変形モードが生じるおそれがある。これによりロータ５の円盤強度、円盤の大きさに応じた振幅が生じ、回転数によっては共振を引き起こし、大きな振動となるおそれがある。特に、上記実施形態のアキシャルギャップ型のような回転電機において、高トルク化を期待してロータ直径を大きくした場合には、振動の問題はより顕著となる。
【００１７】
従って、このような共振を防止するためには、ロータ５等を補強するか、図３（ａ）〜（ｄ）に示すような低次の変形モードを回避する必要がある。一方で、スロット数Ｓと磁極数Ｐの差を単純に大きくすれば同時にトルクの低下につながるおそれがある。そこで、スロット数Ｓと磁極数Ｐとの関係を検討した結果、本発明に至った。
【００１８】
具体的に云うと、磁極の個数Ｐとスロットの個数Ｓとの関係が、Ｐ≧Ｓ＋４、又はＰ≦Ｓ−４を満たせば、共振となり得る３次以下の振動を回避することができる。
【００１９】
ここで磁極数及びスロット数の組み合わせ（以下、「スロットコンビネーション」という）とトルクとの関係を説明する。モータの効率を示す一つの指数として巻線係数が挙げられるが、巻線係数は分布係数と短節係数との積で表される。分布係数はインバータから多相駆動できれば必ず１になるので、インバータの性能を無視して考えた場合、短節係数が、スロットコンビネーションとトルクの関係を決定する要素となる。短節係数ＫＴは、磁極数Ｐ及びスロット数Ｓとの関係で、
【数１】
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となるので、磁極数Ｐとスロット数Ｓとが同じときKT=π/2となり、最大値１をとる。しかし、現実的には磁極数Ｐとスロット数Ｓとを等しくすることは、モータの回転方向を決められないことになるので（磁極とスロットが常に一対一で対向するので）、モータとして起動させることはできない。従って、高トルクを得るためには磁極数Ｐとスロット数Ｓの比率を１に近づける（磁極数Ｐとスロット数Ｓとの差を小さくする）ことが必要である。短節係数と、磁極数Ｐ及びスロット数Ｓの組合せとの関係を図４の表に示す。図中×印は、短節係数が最大となるものの磁極数Ｐとスロット数Ｓとが等しくモータとしては利用できないものを示している。この図から判るように、×印から離れる程、短節係数が悪化する。
【００２０】
以上のことから、本発明における磁極数Ｐとスロット数Ｓの比率は、Ｐ≧Ｓ＋４の場合には、Ｐ＜（５／４）×Ｓとし、Ｐ≦Ｓ−４の場合には、Ｐ＞（３／４）×Ｓとすることとした。
【００２１】
また、ステータへの駆動相数を５以上とすることが好ましい。これによればさらに振動を低減することができる。
【００２２】
さらに、駆動相数をＮ又は２Ｎ（但しＮは７以上の奇数）とすることがより好ましい。これによればさらに振動を低減することができる。
【００２３】
さらに、スロットの個数Ｓを駆動相数Ｎの倍数とすることがより好ましい。これによればさらに振動を低減することができる。
【００２４】
しかも、駆動相数Ｎと、スロットの個数Ｓと、磁極の個数Ｐとの関係である（Ｎ又は２Ｎ，Ｓ，Ｐ）を、（９，２７，３２）、（９，２７，２２）、（１８，２７，３２）、（１８，２７，２２）、（１８，３６，４２）、（１８，３６，３０）、（１８、３６，４４）又は（１８，３６，２８）とすることがより好ましい。これによればさらに振動を低減することができる。
【実施例】
【００２５】
本発明の効果を確認するため、種々の駆動相数（５相（正巻のみ）、５相（正逆巻）、３相（正巻のみ）、３相（正逆巻）、７相（正巻のみ）、７相（正逆巻）、９相（正巻のみ）、９相（正逆巻））にて次の数式（２）に示す評価関数を用いて、スロットコンビネーションが軸方向振動に与える影響を数値化した。評価は、各スロットコンビネーションにつき、０回転から１００００回転まで回転させたときにロータに生じる振動モードを積算して行う。具体的には、数式（２）からも分かるように、全振動モード（０〜４）にて全高調波振動の変形と共振回転数を算出し、各振動モード及び各高調波振動における変形を共振回転数で割ったものの総和値Ｉを危険度の評価値としている。これによれば、モードの次数が低いものは大きく評価され、また回転数が低いときの振動に対しても大きく評価される。つまり、高回転で高次数の振動が発生しても振動として共振のおそれがないので評点は低くなり、逆に低回転で低次数の振動が発生した場合は、共振となる可能性が高いので評点は高くなる。このような評価手法によれば、モータ運転点全域に亘っての共振のリスクを公平に比較可能である。なお、4次の振動モードについては強度的な問題は生じにくいが全回転域に亘って4次の振動が継続するなど、特異な情況が生じた場合、騒音等の問題を生じる可能性があるので評価点を低く設定すると共に評価対象とすることにしている。振動モードの０〜３のみを評価対象としても良い。また、高調波についてはあまり高次の高調波については大きな振幅とはなりにくく強度上の問題を生じ得ないので120次程度とした。
【数２】
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【００２６】
（５相（正巻のみ）駆動）
先ず、上記の評価手法を適用し、５相（正巻のみ）駆動の場合のスロットコンビネーションと共振のリスクとの関係を図５に視覚的に示す。数値が小さいほど共振のリスクが小さいことを示す（以下、同じ）。この結果からも明らかなように、磁極の個数Ｐと前記スロットの個数Ｓとの関係を、
Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  又は、
Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ  とすれば、共振のリスクが少なく、磁極数Ｐとスロット数Ｓとの比が２対３である一般的なモータに比べてトルクの高い、つまりＰ対Ｓが１対１に近いスロットコンビネーションが得られることが分かる。
【００２７】
（５相（正逆巻）駆動）
上記の評価手法を適用し、５相（正逆巻）駆動（１０相相当）の場合のスロットコンビネーションと共振のリスクとの関係を図６に視覚的に示す。この結果から、５相駆動と同様に共振のリスクが少なく、一般的なモータに比べてトルクの高いスロットコンビネーションが得られ、特に、Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  及び、Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ  の領域内では評価が５相駆動の場合よりも良好である、すなわち共振の恐れが少ないことがことが分かる。
【００２８】
（３相（正巻のみ）駆動）
上記の評価手法を適用し、３相（正巻のみ）駆動の場合のスロットコンビネーションと共振のリスクとの関係を図７に視覚的に示す。この結果から、５相駆動の場合に比べ若干評価が悪いものの同様の改善が見られる。
【００２９】
（３相（正逆巻）駆動）
上記の評価手法を適用し、３相（正逆巻）駆動（６相相当）の場合のスロットコンビネーションと共振のリスクとの関係を図８に視覚的に示す。この結果から、３相駆動の場合よりも良好、すなわち共振の恐れが少ないスロットコンビネーションが得られることが分かる。
【００３０】
（７相（正巻のみ）駆動）
上記の評価手法を適用し、７相（正巻のみ）駆動の場合のスロットコンビネーションと共振のリスクとの関係を図９に視覚的に示す。この結果から、５相駆動と同様に共振のリスクが少なく、一般的なモータに比べてトルクの高いスロットコンビネーションが得られ、特に、Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  及び、Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ  の領域内では評価が５相駆動の場合よりも良好である、すなわち共振の恐れが少ないことがことが分かる。
【００３１】
（７相（正逆巻）駆動）
上記の評価手法を適用し、７相（正逆巻）駆動（１４相相当）の場合のスロットコンビネーションと共振のリスクとの関係を図１０に視覚的に示す。この結果から、７相駆動と同様に共振のリスクが少なく、一般的なモータに比べてトルクの高いスロットコンビネーションが得られ、特に、Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  及び、Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ  の領域内では評価が７相駆動の場合よりも良好である、すなわち共振の恐れが少ないことがことが分かる。
【００３２】
（９相（正巻のみ）駆動）
上記の評価手法を適用し、９相（正巻のみ）駆動の場合のスロットコンビネーションと振動の関係を図１１に視覚的に示す。この結果から、５相駆動と同様に共振のリスクが少なく、一般的なモータに比べてトルクの高いスロットコンビネーションが得られ、特に、Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  及び、Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓの領域内では評価が５相駆動の場合よりも良好である、すなわち共振の恐れが少ないことがことが分かる。
【００３３】
（９相（正逆巻）駆動）
上記の評価手法を適用し、９相（正逆巻）駆動（１８相相当）の場合のスロットコンビネーションと振動の関係を図１２に視覚的に示す。この結果から、９相駆動と同様に共振のリスクが少なく、一般的なモータに比べてトルクの高いスロットコンビネーションが得られ、特に、Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  及び、Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ  の領域内では評価が９相駆動の場合よりも良好である、すなわち共振の恐れが少ないことがことが分かる。
【００３４】
以上の評価から、磁極の個数Ｐと前記スロットの個数Ｓとの関係を、
Ｐ≧Ｓ＋４  且つ  Ｐ＜（５／４）×Ｓ  又は、
Ｐ≦Ｓ−４  且つ  Ｐ＞（３／４）×Ｓ  とすれば、共振のリスクが少なく、磁極数Ｐとスロット数Ｓとの比が２対３である一般的なモータに比べてトルクの高い、つまりＰ対Ｓが１対１に近いスロットコンビネーションが得られ、さらに駆動相数が大きいほど振動が少ないことが分かる。
【００３５】
なお、正逆巻きコイルを用いた３相駆動（６相相当）の回転電機は、３相インバータで駆動可能である。巻線利用率及びコギングトルク等が良好となるスロットコンビネーションを有する３相（正逆巻）駆動の回転電機につき３相インバータで駆動した場合を図１３に例示する。図１３に示す回転電機は、スロット数が１５、磁極数が１４、駆動相数が６、分布係数が９５．６７％、短節係数が９９．４５％、巻線係数が９５．１４％である。一般的な３相駆動であれば、電気角が０、１２０、２４０度のタイミングのみで通電可能であるが、この例では、逆巻きコイルを用いることから、６０、１８０、３００度の通電と同等の通電も併せて可能となる（０度の反対が１８０度であるので、０度と１８０度におけるコイルを正巻コイルと逆巻コイルとし互いに並列で接続すれば、一相の電流で同時に０度及び１８０度の通電が達成可能である。１２０度の反転である３００度及び２４０度の反転である４２０度（６０度）も同様である。）。
【００３６】
以上、図示例に基づき説明したが、本発明は上述の例に限定されるものでなく特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、この発明はラジアルギャップ型の回転電機にも好適に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
かくして、本発明の回転電機によれば、回転時のロータの変形を小さくし、共振となり得る振動を回避することができるので、モータ強度を必要以上に高める必要がない。また、磁極数Ｐとスロット数Ｓとの比率を１に近づけて設定したことから高いトルクを維持することができる。
【００３８】
なお、この発明の回転電機においては、ステータへの駆動相数を５以上としても良く、これによればさらに振動を低減することができる。
【００３９】
また、この発明の回転電機においては、駆動相数をＮ又は２Ｎ（但しＮは７以上の奇数）としても良く、これによればさらに振動を低減することができる。
【００４０】
さらに、この発明の回転電機においては、スロットの個数Ｓを駆動相数Ｎの倍数としても良く、これによればさらに振動を低減することができる。
【００４１】
さらに、この発明の回転電機においては、駆動相数Ｎと、スロット数の個数Ｓと、磁極の個数Ｐとの関係である（Ｎ又は２Ｎ，Ｓ，Ｐ）を、（９，２７，３２）、（９，２７，２２）、（１８，２７，３２）、（１８，２７，２２）、（１８，３６，４２）、（１８，３６，３０）、（１８、３６，４４）又は（１８，３６，２８）としても良く、これによればさらに振動を低減することができる。
【００４２】
しかも、この発明は、ロータ及びステータをロータ回転軸線方向に相互に対向配置してなるディスク型モータに好適に用いることができ、これによれば、さらなる高トルク化をも達成可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に従う実施形態の回転電機の概略縦断面図である。
【図２】本発明が解決しようとする課題を有する回転電機から取り出した、面２次モードの変形を伴うロータの概略斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、ロータに作用する面０次〜面３次の磁気吸引加振力を示した模式図である。
【図４】短節係数と、磁極数Ｐ及びスロット数Ｓの組合せとの関係を表に示したものである。
【図５】５相（正巻のみ）駆動時におけるスロットコンビネーションと共振のリスクを表す図である。
【図６】５相（正逆巻）駆動時におけるスロットコンビネーションと共振のリスクを表す図である。
【図７】３相（正巻のみ）駆動時におけるスロットコンビネーションと共振のリスクを表す図である。
【図８】３相（正逆巻）駆動時におけるスロットコンビネーションと共振のリスクを表す図である。
【図９】７相（正巻のみ）駆動時におけるスロットコンビネーションと共振のリスクを表す図である。
【図１０】７相（正逆巻）駆動時におけるスロットコンビネーションと共振のリスクを表す図である。
【図１１】９相（正巻のみ）駆動時におけるスロットコンビネーションと共振のリスクを表す図である。
【図１２】９相（正逆巻）駆動時におけるスロットコンビネーションと共振のリスクを表す図である。
【図１３】正逆巻きコイルを用いた３相駆動（６相相当）の回転電機を、３相インバータで駆動したときに発生する位相ずれを示す表である。
【符号の説明】
【００４４】
１  回転電機
３  ケース
５  ロータ
７  ステータ
９  エアギャップ
１１  ロータコア
１３  永久磁石
１５  ロータ回転軸
１６  軸受
１７  バックコア
１９  電磁コイル
２１  ステータコア
２３  冷却水路
２５  エンコーダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010088268.tif 000011
【図８】
2010088268.tif 000012
【図９】
2010088268.tif 000013
【図１０】
2010088268.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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