(57)【要約】【課題】コギングリップルが低減されたダブルロータ型の同期電動機であって、固定子スロット数と回転子磁極数が内側と外側で異なる場合でも環状巻を採用可能とした同期電動機を提供する。【解決手段】同期電動機は、径方向外側に第１の固定子歯部５２、径方向内側に第２の固定子歯部５３を備えた固定子と、第１の固定子歯部５２に対向配置された第１の回転子５６と、第２の固定子歯部５３に対向配置された第２の回転子５７と、を備えている。第１の固定子歯部５２のスロット数Ｎｓ１、および第２の固定子歯部５３のスロット数Ｎｓ２、第１の回転子磁極数Ｎｐ１、および第２の回転子磁極数Ｎｐ２は、ｍを１以上の整数、ｎを２以上の整数としたとき、これらの値はＮｓ１±（Ｎｐ１／２）＝２ｍ、Ｎｓ２＝（Ｎｓ１）／ｎ、Ｎｐ２＝２・Ｎｓ１×｛（１／ｎ）−１｝＋Ｎｐ１の関係式が成り立つべく設定される。【選択図】図１
2013229958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材料から成る固定子と、回転方向に磁気抵抗の高低差を持つとともに表面または内部に永久磁石を備えた第１および第２の回転子と、を備える同期電動機であって、
前記固定子は、径方向に外側に向かって開口したスロットを形成する第１の固定子歯部と、径方向に内側に向かって開口したスロットを形成する第２の固定子歯部と、前記第１、第２の固定子歯部で共通の固定子ヨーク部と、を有し、
前記第１の回転子は、第１の固定子歯部に対向するように配置され、
前記第２の回転子は、第２の固定子歯部に対向するように配置され、
前記第１の固定子歯部で形成されるスロットと前記第２の固定子歯部で形成されるスロットに巻線が巻回され、
第１の固定子歯部のスロット数Ｎｓ１、および第２の固定子歯部のスロット数Ｎｓ２、第１の回転子磁極数Ｎｐ１、および第２の回転子磁極数Ｎｐ２は、ｍを１以上の整数、ｎを２以上の整数としたとき、
Ｎｓ１±（Ｎｐ１／２）＝２ｍ
Ｎｓ２＝（Ｎｓ１）／ｎ
Ｎｐ２＝２・Ｎｓ１×｛（１／ｎ）−１｝＋Ｎｐ１
の関係式が成り立つべく設定される、
ことを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
請求項１に記載の同期電動機において、
一つの第１の固定子歯部の周方向中心と回転中心とを通る第一直線と、前記ヨーク部を挟んで前記一つの第１の固定子歯部の反対側に位置する前記第２の固定子歯部の周方向中心と前記回転中心とを通る第二直線と、のなす角度Δθが、０＜  Δθ  ＜（２π／Ｎｓ２）  [ｒａｄ]であることを特徴とする同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械等に利用されるサーボ用途の同期電動機に関するものであり、特に低速時に大トルクを発生する同期電動機の巻線使用銅量の削減とコギングリップル低減を実現する固定子スロット数と回転子磁極数の関係、および巻線方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５に従来の同期電動機の主要部の断面図、および固定子の巻線方法を示す。同期電動機の固定子１００は、磁性体１０１に設けられた歯部１０２と、歯部の間に構成されたスロット１０３を有する。また、固定子１００内周面との間にギャップを介して、回転子１０７が設けられている。回転子１０７は、リング１０４に磁性体１０５を嵌込み、かつ、永久磁石１０６を配設固着させて構成される。また、固定子の巻線方式は図５に示すように１相の巻線が前記スロット１０３の間を跨ぐように円周方向に巻回されており、一般的に分布巻と呼ばれている。このような分布巻の固定子を有した同期電動機は一般的にトルクリップルが生じにくいため、滑らかに回転子を回転させることができ、かつ低回転域での高トルクを可能とする。
【０００３】
従来技術において、分布巻の固定子は、滑らかに回転子を回転させることができ、かつ、回転域での高トルクを可能とする。しかし、分布巻は、巻線がスロット間を跨ぐように巻回されているため、コイルエンドの体積が大きくなり電動機の小型化が困難である。また、巻線材料である銅の使用量も多いため、巻線抵抗、銅損が増加して電動機が発熱しやすいという課題がある。
【０００４】
これに対して、特許文献１の様に、巻線を円環状に巻回する環状巻を有した固定子が存在する。特許文献１の固定子を有した同期電動機は、スロット間を跨ぐ巻線がなく、各巻線が重なり合わないため、コイルエンドの体積が小さくなり、電動機の小型化が可能である。また、銅の使用量が少なくなり、巻線抵抗と銅損が低下して電動機の発熱が低減される。ちなみに環状巻の巻線に流れる電流位相は、分布巻と同じである。
【０００５】
さらに、環状巻を有した固定子と、内側回転子と外側回転子とを備える電動機（以降、環状巻ダブルロータ型電動機と称す）が特許文献２の様に開示されている。環状巻ダブルロータ型電動機は、前記固定子から径方向に向かって内側と外側に突出した２つの歯部１２、１３と、前記歯部の間に構成された内側と外側スロット１６、１７を有した固定子１０を構成し、前記固定子１０の歯部１２、１３に対して一定の空隙を介して、内側と外側に永久磁石２２、３２を貼り合わせた回転子を２つ備え持つ構成となっている（環状巻ダブルロータ型電動機の図及び構成要素の番号は、特許文献２の図１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６３０９９１号公報
【特許文献２】特許第４６７０８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、特許文献１の様な環状巻の固定子を有した電動機は、固定子スロットと回転子の磁極間のパーミアンス変化によりコギングリップルが発生する。また、特許文献２の様な環状巻ダブルロータ型電動機は、一般的に前記固定子の内側スロットと外側スロットのスロット数が同数、かつ前記回転子の内側永久磁石と外側永久磁石の磁極数も同数の場合しか採用できない。
【０００８】
そこで本発明は、同期電動機の固定子スロット数と回転子磁極数および位置関係を工夫することで、ダブルロータ型電動機で固定子スロット数と回転子磁極数が内側と外側で異なる場合でも環状巻を採用可能とし、かつコギングリップルを低減させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の同期電動機は、軟磁性材料から成る固定子と、回転方向に磁気抵抗の高低差を持つとともに表面または内部に永久磁石を備えた第１および第２の回転子と、を備える同期電動機であって、前記固定子は、径方向に外側に向かって開口したスロットを形成する第１の固定子歯部と、径方向に内側に向かって開口したスロットを形成する第２の固定子歯部と、前記第１、第２の固定子歯部で共通の固定子ヨーク部と、を有し、前記第１の回転子は、第１の固定子歯部に対向するように配置され、前記第２の回転子は、第２の固定子歯部に対向するように配置され、前記第１の固定子歯部で形成されるスロットと前記第２の固定子歯部で形成されるスロットに巻線が巻回され、第１の固定子歯部のスロット数Ｎｓ１、および第２の固定子歯部のスロット数Ｎｓ２、第１の回転子磁極数Ｎｐ１、および第２の回転子磁極数Ｎｐ２は、ｍを１以上の整数、ｎを２以上の整数としたとき、
Ｎｓ１±（Ｎｐ１／２）＝２ｍ
Ｎｓ２＝（Ｎｓ１）／ｎ
Ｎｐ２＝２・Ｎｓ１×｛（１／ｎ）−１｝＋Ｎｐ１
の関係式が成り立つべく設定される、ことを特徴とする。
【００１０】
好適な態様では、一つの第１の固定子歯部の周方向中心と回転中心とを通る第一直線と、前記ヨーク部を挟んで前記一つの第１の固定子歯部の反対側に位置する前記第２の固定子歯部の周方向中心と前記回転中心とを通る第二直線と、のなす角度Δθが、０＜  Δθ  ＜（２π／Ｎｓ２）  [ｒａｄ]である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、前記関係式が成り立つ同期電動機を設計することで、固定子スロットと回転子磁極数が内側と外側で異なる場合でも環状巻を採用することができる。さらに、回転中心と第１の固定子歯部の中心を通る線と、回転中心と第２の固定子歯部の中心を通る線を前記関係式が成り立つように配置することで、固定子スロットと回転子の磁極間のパーミアンス変化により発生するコギングリップルを低減させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態および第２の実施形態に係る環状巻の固定子を有したｍ＝１、ｎ＝２の場合の同期電動機の断面図である。
【図２】図１における固定子の巻線方法を表した部分図である。
【図３】本実施形態に係る同期電動機の駆動方法を示した図である。
【図４】図１のＡ部拡大図である。
【図５】従来技術に係る分布巻の固定子を有した同期電動機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態および第２の実施形態に係る環状巻の固定子を有した、ｍ＝１、ｎ＝２の場合の同期電動機である。図２は図１に示した同期電動機の固定子の巻線方法を示した図である。図３は、本実施形態に係る同期電動機の駆動方法を示した図である。図１、２、３を参照しながら、本実施形態を説明する。必ずしもｍ＝ｎでなくてよい。
【００１５】
まず、構造について説明する。本電動機は、軟磁性材料から成る固定子５０および回転子を有している。固定子５０は、第１の固定子歯部５２、第２の固定子歯部５３、および、第１、第２の固定子歯部５２，５３で共通の固定子ヨーク部５１を有している。第１の固定子歯部５２は、径方向に外側に向かって開口した開口部を持ち、第２の固定子歯部５３は、径方向内側に向かって開口した開口部を持つ。各第１の固定子歯部５２の間には第１のスロット５４、各第２の固定子歯部５３の間には第２のスロット５５が設けられている。
【００１６】
また、回転子は、第１の固定子歯部５２に対向するように備えられる第１の回転子５６と、第２の固定子歯部５３に対向するように備えられる第２の回転子５７と、を備えている。これら回転子は、回転方向に磁気抵抗の高低差を持ち、表面または内部に永久磁石を備えている。
【００１７】
巻線は、図２に示すように固定子ヨーク部を跨ぐよう第１のスロット５４と第２のスロット５５を円環状に巻回される。
【００１８】
本実施の形態に係る電動機では、前記固定子のスロット数と前記回転子の磁極数の組み合わせを特殊な組み合わせとしている。具体的には、第１の固定子歯部５２のスロット数をＮｓ１、および第２の固定子歯部５３のスロット数をＮｓ２、第１の回転子５６の磁極数をＮｐ１、および第２の回転子５７の磁極数をＮｐ２、ｍを１以上の整数で、ｎを２以上の整数としたとき、下記式１〜３の全てが成立するようにしている。
Ｎｓ１±（Ｎｐ１／２）＝２ｍ      式１
Ｎｓ２＝（Ｎｓ１）／ｎ            式２
Ｎｐ２＝２・Ｎｓ１×{（１／ｎ）−１}＋Ｎｐ１      式３
【００１９】
例えば、図１で示した電動機の場合、第１の回転子５６の磁極数Ｎｐ１が３２極であり、第２の回転子５７の磁極数Ｎｐ２が１４極である。また、第１固定子歯部５２のスロット数Ｎｓ１が１８スロット、第２固定子歯部５３のスロット数Ｎｓ２が９スロットとなる。
【００２０】
次に、駆動方法の概要を説明する。第１の回転子５６と第２の回転子５７は磁極数が異なるため、同期周波数が異なる。特に図示しないが第１の回転子５６、第２の回転子５７に応じた位相と周波数を考慮した電流を重畳することで駆動が可能である。また、それぞれの回転子は機械的に独立して回転できるため、第１の回転子５６または第２の回転子５７に応じた位相・周波数の電流を印加することで第１の回転子５６、第２の回転子５７単独で回転させることも可能である。
【００２１】
さらに、径方向に外側に向かって配置されている第１の回転子５６は、慣性モーメントが大きくかつ磁極数が多いため高トルクであるが、誘起電圧が高く低速でしか回転できない。また、径方向に内側に向かって配置されている第２の回転子５７は、慣性モーメントが小さく、かつ磁極数が少ないため高速で回転できるが、低いトルクしか出ない。上記の２つの回転子をクラッチ等の駆動機構で回転軸と連結して使用することで、それぞれの回転子の特性を活かすことができる。
【００２２】
図３を用いて、具体的に説明する。固定子５０は、フランジ６０に固定し拘束されている。第１の回転子５６と第２の回転子５７は、回転軸６１に固定されたクラッチ６２で連結している。工作機械で同期電動機を位置決め用途として使用する場合、高トルクが必要になる。この場合、第１の回転子５６と第２の回転子５７をクラッチ６２を介して回転軸６１と連結する。これにより、２つの回転子のトルクを足し合わせて高トルクで位置決めすることができる。次に、同期電動機を旋盤の主軸の様に旋削用途で使用する場合、高速回転が必要になる。この場合、磁極数の多い第１の回転子５６をクラッチから切り離して、第２の回転子５７のみ回転軸６１に連結する。これにより、高速回転で旋削することが可能である。なお、第１の回転子５６と第２の回転子５７と回転軸６１を連結する駆動機構は、機械部品を用いたメカ的構造でもよいし、制御を用いた電気的構造でもよい。
【００２３】
上述したように本実施形態によれば、第１の固定子と第２の固定子の歯数は異なるが、それぞれの回転子磁極によって固定子内で構成される磁極数は同じであるため、環状巻線が可能となる。よって、環状巻の特徴である、コイルエンド体積の低減による小型化、巻線使用銅量の削減による巻線抵抗、銅損の低下を活かすことができる。
【００２４】
[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態について、図１、４を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態および第２の実施形態に係る環状巻の固定子を有したｍ＝１、ｎ＝２の場合の同期電動機を示した図である。図４は、図１のＡ部拡大図である。第２の実施形態では、第１の実施形態に比べて、固定子スロットと回転子の磁極間のパーミアンス変化により発生するコギングトルクを低減させることができる。
【００２５】
ｎ＝２の場合、第１の回転子５６−第１の固定子と、第２の回転子５７−第２の固定子、それぞれに固定子スロット、磁極間のパーミアンス変化によりそれぞれコギングリップルが発生する。これに対し、図４に示すように、どちらか一方の固定子歯部に角度差Δθを０＜  Δθ  ＜（２π／Ｎｓ２）[ｒａｄ]の範囲で持たせる。別の言い方をすれば、一つの第１の固定子歯部５２の周方向中心と回転中心とを結ぶ直線と、第１の固定子歯部５２に対応する第２の固定子歯部５３の周方向中心と回転中心とを結ぶ直線と、の成す角度Δθを、０＜  Δθ  ＜（２π／Ｎｓ２）としている。なお、ｎは２に限定されず、２以上の整数であればよい。
【００２６】
このように、第１固定子歯部の中心を通る線と第２の固定子歯部の中心を通る線に角度差を設けることで、それぞれの回転子と固定子で発生したコギングリップルを相殺でき、電動機全体で発生するコギングトルクを低減させることができる。
【符号の説明】
【００２７】
５０  固定子、５１  固定子ヨーク部、５２  第１の固定子歯部、５３  第２の固定子歯部、５４  第１のスロット、５５  第２のスロット、５６  第１の回転子、５７  第２の回転子、６０  フランジ、６１  回転軸、６２  クラッチ、１００  固定子、１０１  磁性体、１０２  歯部、１０３  スロット、１０４  リング、１０５  磁性体、１０６  永久磁石、１０７  回転子。
【図１】
2013229958.tif 000003
【図２】
2013229958.tif 000004
【図３】
2013229958.tif 000005
【図４】
2013229958.tif 000006
【図５】
2013229958.tif 000007