(57)【要約】【課題】交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期電動機において、回転磁界の高調波成分を維持しつつ基本波成分を低減する。【解決手段】同期電動機１０に、ロータ２０とステータコア４０とコイル６０とを備える。ロータ２０は、柱状で、複数の永久磁石２２を周方向に配置したものである。ステータコア４０は、軟磁性材の分割コア４１，４２でそれぞれ挟まれて周方向に隣り合う２つのスロット４３からなるスロット組がロータ２０の極対数に対して分数となるように周方向に複数形成され、かつ、隣り合うスロット組の間に分割コア４１，４２よりも透磁率が小さいフラックスバリア領域であるスリット４４が形成されている。コイル６０は、スロット組に回巻されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の永久磁石を周方向に配置した柱状のロータと、
軟磁性材のティースでそれぞれ挟まれて周方向に隣り合う２つのスロットからなるスロット組が前記ロータの極対数に対して分数となるように周方向に複数形成されかつ隣り合う前記スロット組の間に前記ティースよりも透磁率が小さいフラックスバリア領域が形成されたステータコアと、
前記スロット組に回巻されたコイルと、
を有することを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
前記フラックスバリア領域は、隣り合う前記スロット組の間のすべてに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項３】
前記フラックスバリア領域が前記ティースに形成されたスリットを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期電動機。
【請求項４】
前記スリットにはめ込まれたスペーサをさらに有することを特徴とする請求項３に記載の同期電動機。
【請求項５】
複数の永久磁石を周方向に配置した柱状のロータと、
軟磁性材のティースでそれぞれ挟まれて周方向に隣り合う２つのスロットからなるスロット組が前記ロータの極対数に対して分数となるように周方向に複数形成されかつ隣り合う前記スロット組の間に前記ティースよりも透磁率が小さいフラックスバリア領域が形成されたステータコアと、
前記スロット組に回巻されたコイルと、
を有することを特徴とする同期発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータに永久磁石を用いる同期電動機および同期発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車や電気自動車、インバータエアコンなどのモータとして永久磁石同期電動機が使用されている場合がある。永久磁石同期電動機は、永久磁石を装着した回転子（ロータ）を、固定子（ステータ）に施された巻線（コイル）によって発生する回転磁界によって駆動する。固定子の巻線方式は、整数スロット巻線と分数スロット巻線に大別される。
【０００３】
分数スロット巻線の永久磁石同期電動機は、回転磁界の高調波成分に同期して動作する。整数スロット巻線の永久磁石同期電動機は、回転磁界の基本波成分に同期して動作する。このため、分数スロット巻線の永久磁石同期電動機は、整数スロット巻線の永久磁石同期電動機と比較して、回転子の永久磁石の数である極数が同一ならば、固定子の巻線を収納する空間であるスロットの数が少なくてよいという利点を有する。
【０００４】
一方、分数スロット巻線の永久磁石同期電動機において、回転磁界の基本波成分は、回転速度の不一致により、回転子の鉄心や磁石中で損失を生む。したがって、分数スロット巻線の永久磁石同期電動機においては、回転磁界の基本波成分を低減することが望まれる。
【０００５】
分数スロット巻線の巻線方式は、全ティース巻線方式と交互ティース巻線方式とに大別される。全ティース巻線方式では、回転子に磁界を伝達するための固定子の内側突出部（ティース）の全てに巻線を施す。交互ティース巻線方式では、隣接するティースに対して一つ置きに巻線を施す。
【０００６】
交互ティース巻線方式は、全ティース巻線方式よりも駆動力となる高調波成分が大きいという利点を有する。しかし、交互ティース巻線方式は、損失の原因となる基本波成分が大きくなる傾向にある。したがって、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期電動機においては、回転磁界の基本波成分を低減することが重要である。
【０００７】
固定子の中を通過する磁束を制御して有害な波長成分を除く方法として、固定子にスリットを設けてフラックスバリアとすることが知られている。たとえば特許文献１には、電圧波形歪みを低減する目的で、ティースにスリットを設ける方法が開示されている。
【０００８】
非特許文献１には、分数スロット巻線の永久磁石同期電動機において、固定子の外周であるヨーク部に切欠き状のフラックスバリアを設ける方法が開示されている。また非特許文献２には、分数スロット巻線の永久磁石同期電動機であって、交互ティース巻線方式の永久磁石同期電動機において、巻線を施さないティースにスリットを設けることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９-６０６９９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】G.Dajaku，W. Xie and D.Gerling：“Reduction of Low Space Harmonics for the Fractional SlotConcentrated Winding Using a Novel Stator Design”，IEEETransactions on Industry Applications, Vol. 50, No. 5 (May 2014)
【非特許文献２】G. J.Li and Z. Q.Zhu：“Comparative Studies ofModular and Unequal Tooth PM Machines Either With or Without Tooth Tips”，IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 50, No. 7, 810610(July 2014)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献１の電動機は、１２スロットの分数スロット巻線であり、第５次成分が大きいため、１０極とし、第５次成分で駆動される。ヨーク部に切欠き状のフラックスバリアを設けることによって、交互ティース巻線方式では、回転磁界の基本波成分（第１次成分）が減少し、駆動力である第５次成分が増加している。しかしながら、第７次成分も増加しており、この第７次成分の増加は回転速度の不一致による損失を増加させてしまう。
【００１２】
特許文献１の電動機では、全てのティースにスリットを設けている。１２スロットの分数スロット巻線であって交互ティース巻線方式の固定子において、全てのティースにスリットを設けた場合は、ティースにスリットを設けない場合と比較して、回転磁界の基本波成分を低減することはできるものの、駆動力となる第５次成分も低減してしまう。
【００１３】
非特許文献２の電動機では、巻線を施していないティースにスリットを設けている。１２スロットの分数スロット巻線であって交互ティース巻線方式の固定子において、巻線を施さないティースにスリットを設けた場合は、ティースにスリットを設けない場合と比較して、回転磁界の基本波成分を低減することはできるものの、１０極の場合の駆動力である第５次成分が低減し、逆に第７次成分が増加する。駆動力が低下するだけでなく、第７次成分による回転速度の不一致による損失が増加する。
【００１４】
そこで、本発明は、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期電動機において、駆動力である回転磁界の高調波成分を増加させ、損失となる基本波成分および他の高周波成分を低減することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期発電機において、発電力となる回転磁界の周波数成分を増加させ、損失に繋がる他の周波数成分を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するため、本発明は、同期電動機において、極数の永久磁石を周方向に配置した柱状のロータと、軟磁性材のティースでそれぞれ挟まれて周方向に隣り合う２つのスロットからなるスロット組が前記ロータの極対数に対して分数となるように周方向に複数形成されかつ隣り合う前記スロット組の間に前記ティースよりも透磁率が小さいフラックスバリア領域が形成されたステータコアと、前記スロット組に回巻されたコイルと、を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、同期発電機において、極数の永久磁石を周方向に配置した柱状のロータと、軟磁性材のティースでそれぞれ挟まれて周方向に隣り合う２つのスロットからなるスロット組が前記ロータの極対数に対して分数スロットとなるように周方向に複数形成されかつ隣り合う前記スロット組の間に前記ティースよりも透磁率が小さいフラックスバリア領域が形成されたステータコアと、前記スロット組に回巻されたコイルと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期電動機において、駆動力である回転磁界の高調波成分を増加させ、損失となる基本波成分および他の高周波成分を低減することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期発電機において、発電力となる回転子磁束の周波数成分を増加させ、損失に繋がる他の周波数成分を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る同期電動機の第１の実施の形態の横断面図である。
【図２】本発明に係る同期電動機の第１の実施の形態の駆動中の磁束線分布の例を示す横断面図である。
【図３】フラックスバリアがない同期電動機の駆動中の磁束線分布の例を示す横断面図である。
【図４】１２スロットの交互巻線方式の分数スロット巻線において、フラックスバリアがない場合とフラックスバリアを異なった箇所に設けた場合の磁束密度を周波数成分ごとに比較したグラフである。
【図５】本発明に係る同期電動機の第２の実施の形態の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る同期電動機のいくつかの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２２】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る永久磁石同期電動機の第１の実施の形態の横断面図である。
【００２３】
本実施の形態の同期電動機１０は、ステータ（固定子）に分数スロット巻線を施す永久磁石同期電動機である。この同期電動機１０は、ロータ２０とステータコア４０とコイル６０とを有している。
【００２４】
ロータ２０は、柱状に形成されている。ロータ２０の側面には、永久磁石２２が周方向に複数配置されている。本実施の形態では、永久磁石２２は１０個であり、１０極となる。
【００２５】
ステータコア４０は、ロータ２０と中心軸を同一にする円筒状に形成されている。ステータコア４０は、第１分割コア４１と第２分割コア４２とで形成されている。第１分割コア４１および第２分割コア４２は、いずれも略扇型に形成されている。第１分割コア４１と第２分割コア４２とは、全体として円柱状になるように、周方向に交互に配置される。
【００２６】
第１分割コア４１には、ロータ２０に磁界を伝達するための内側突出部であるティース５０が形成されている。第２分割コア４２には、ティース５１が形成されている。ティース５１は、対となるティース５１ａおよびティース５１ｂからなる。ティース５１ａおよびティース５１ｂの間には、径方向に延びるスリット４４が形成されている。
【００２７】
隣り合う第１分割コア４１および第２分割コア４２のそれぞれのティース５０，５１は、互いに向かい合い、スロット４３を形成している。第１分割コア４１および第２分割コア４２は、それぞれ６個ずつ、中心軸のまわりに配置されている。その結果、スロット４３は、中心軸の周りに３０度ごとに形成されている。つまり、スロット４３は、１２か所に形成されている。
【００２８】
第１分割コア４１および第２分割コア４２は、軟磁性材、たとえば鋼で形成されている。第１分割コア４１および第２分割コア４２は、たとえば、積層鋼板を積層して形成される。
【００２９】
第２分割コア４２に形成されたスリット４４は、軟磁性材で形成された第１分割コア４１および第２分割コア４２よりも透磁率が低いため、磁束が通りにくいフラックスバリア領域となる。
【００３０】
コイル６０は、第２分割コア４２の両側に形成されたスロット４３を通過するように第２分割コア４２の周りを回巻されている。コイル６０は、スリットが存在しない第１分割コア４１の周囲には回巻されておらず、交互ティース巻線方式である。コイル６０には、隣り合うコイル６０の位相が６０度ずつ異なる三相交流が流れる。
【００３１】
本実施の形態の同期電動機１０は、三相、１２スロット、１０極、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期電動機である。
【００３２】
表１に動作シミュレーションを行ったモータモデルの設計諸元を示す。
【００３３】
【表１】
2017169257.tif 000003
【００３４】
表１において、スリットなしとはフラックスバリアであるスリットがない同期電動機、スリットありとは本実施の形態のスリットを設けた同期電動機である。ティースの有効な鉄心幅は１５．５ｍｍであり、第１分割コア４１では回巻していないティース５０のコイル６０が位置する箇所の幅である。第２分割コア４２では回巻したティース５１ａ，５１ｂの合計の幅が１５．５ｍｍであり、スリット４４の幅２．５ｍｍを足して１８．０ｍｍとしている。
【００３５】
図２は、本実施の形態の同期電動機の駆動中の磁束線分布の例を示す横断面図である。
図３は、フラックスバリアがない同期電動機の駆動中の磁束線分布の例を示す横断面図である。
【００３６】
分数スロット巻線の同期電動機は、高調波成分に同期して動作する。基本波成分は、回転速度の違いに起因して回転子の鉄心と磁石中で損失を生む。
【００３７】
図３において、基本波成分９０は、６つのスロットをすべて囲むように生じ、１８０度対向するコイル間を、中心軸を横断して流れている。しかし、本実施の形態の同期電動機１０では、基本波成分の磁束の経路にフラックスバリア領域が形成されているため、図２に示すように基本波成分９０は小さくなっている。また隣接する分割コア間を流れる第５高調波成分９１が増加している。
【００３８】
図４は、１２スロットの交互巻線方式の分数スロット巻線において、フラックスバリアがない場合とフラックスバリアを異なった箇所に設けた場合とを比較したグラフである。図４の縦軸は磁束密度であり、横軸は回転磁界の周波数成分である。各周波数成分における一番左の×印の棒グラフがスリットを設けない場合であり、その右隣りの黒塗りの棒グラフが本実施の形態の同期電動機の場合である。
【００３９】
本実施の形態の同期電動機１０では、基本波成分が減少している。また、本実施の形態では、１つのスロット４３の囲むように生じた第５高調波成分が駆動力の源となっており、第１分割コア４１すなわちコイル６０が回巻されていないティースにスリットなどのフラックスバリアが形成されておらず、かつ、第２分割コア４２すなわちコイル６０が回巻されているティースにフラックスバリアが形成されているため、第５高調波成分はフラックスバリアがない場合より大きくなっている。また、第５高調波成分で駆動する場合に、回転速度の不一致により損失となる第７高調波成分は小さくなっている。第１１高調波成分、第１３高調波成分、第１７高調波成分、第１９高調波成分は大きくなっているが、これらの成分は元々の値が小さく、また高次になるほど磁束分布がロータを貫通しなくなるため、損失となる高調波成分は全体として減少している。
【００４０】
図４において、左から３番目の右下がりハッチングの棒グラフがコイルを回巻していないティースにスリットを設けた場合、一番右の左下がりハッチングの棒グラフが全てのティースにスリットを設けた場合である。
【００４１】
コイルを回巻していないティースにスリットを設けた場合（右下がりハッチングの棒グラフ）では、フラックスバリアがない場合と比べ、基本波成分が減少し、第５高調波成分が減少し、第７高調波成分が増加している。すなわち、前述のように１０極の場合には、駆動力が低下するだけでなく、第７次成分による回転速度の不一致による損失が増加する。第７高調波成分が増加しているため、１４極の電動機に適用することが考えられるが、第５高調波成分が第７高調波成分と同じ程度存在するため、これによる回転速度の不一致による損失が大きい。また第７高調波成分はフラックスバリアのない場合の第５高調波成分より少ないため、１０極を第５高調波成分で駆動する場合より駆動力が小さい。したがってこれを１４極電動機に適用しても利点が少ない。
【００４２】
全てのティースにスリットを設けた場合（左下がりハッチングの棒グラフ）では、フラックスバリアがない場合と比べ、基本波成分が減少し、第５高調波成分が減少し、第７高調波成分が若干増加している。すなわち、１０極の場合には、駆動力が低下するだけでなく、第７次成分による回転速度の不一致による損失を低減することができない。
【００４３】
分数スロット巻線の永久磁石同期電動機は、整数スロット巻線に比べて、コイル端部の体積を小さくできるため銅損が少ない。一方、分数スロット巻線の永久磁石同期電動機は、整数スロット巻線に比べて、鉄損が大きい傾向にある。しかし、本実施の形態の同期電動機１０では、基本波成分を低減することにより鉄損を低減することができる。また、実施の形態の同期電動機１０では、駆動力の源となる高調波成分を大きくすることができ、電流対トルクを大きくすること、すなわち銅損を更に低減させることができる。
【００４４】
このように、本実施の形態では、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期電動機において、駆動力である回転磁界の高調波成分を増加させ、損失となる基本波成分および他の高周波成分を低減することができる。
【００４５】
本実施の形態では、スリット４４の内部には、何も配置しないこととしているが、たとえば、樹脂製のスペーサを配置しておくと、組み立ての際の締め付けにおいて締め付け量の制御が容易になる。
【００４６】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明に係る同期電動機の第２の実施の形態の横断面図である。
【００４７】
本実施の形態の同期電動機１１においては、ステータコア７０は、第１分割コア４１と第２分割コア７２とで形成されている。第２分割コア７２にはティース８１が形成されている。第２分割コア７２のティース８１には径方向に延びるスリット８４が形成されているが、スリット８４はティース８１の内周側では径方向に貫通していない。したがって、図１の同期電動機１０の第２分割コア４２が２つの部品から構成されるのに対し、第２分割コア７２は１つの部品で構成される。
【００４８】
本実施の形態では、第２分割コア７２は１つの部品で構成され、スリット８４の幅寸法が確定しているため、組み立ての際にスペーサ等を使用する必要がなく、組み立てが容易になる。
【００４９】
本実施の形態では、スリット８４は内周側で径方向に貫通していない形状としたが、外周側で貫通しない形状でもよく、内周側および外周側の両者で貫通しない形状でもよい。
【００５０】
［その他の実施の形態］
ここでは、三相・１２スロット・１０極、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線永久磁石同期電動機を例として説明したが、駆動電流、スロット数、永久磁石の極数が異なる同期電動機であっても、分数スロット巻線であれば、同様の効果が得られる。たとえば以下の式、
スロット数＝相数×４×自然数（１，２，３，・・・）
極数＝スロット数−２
から導かれる二相・８スロット・６極、二相・１６スロット・１４極、二相・２４スロット・２２極、三相・１２スロット・１０極、三相・２４スロット・２２極、などの同期電動機に適用することが可能である。
【００５１】
また、上述の実施の形態では、電動機を例として説明したが、発電機においても同様である。本発明によれば、交互ティース巻線方式の分数スロット巻線の永久磁石同期発電機において、発電力となる回転子磁束の周波数成分を増加させ、損失に繋がる他の周波数成分を低減することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０…同期電動機、１１…同期電動機、２０…ロータ、２２…永久磁石、４０…ステータコア、４１…第１分割コア、４２…第２分割コア、４３…スロット、４４…スリット、５０，５１ａ，５１ｂ…ティース、６０…コイル、７０…ステータコア、７２…第２分割コア、８１…ティース、８４…スリット
【図１】
2017169257.tif 000004
【図２】
2017169257.tif 000005
【図３】
2017169257.tif 000006
【図４】
2017169257.tif 000007
【図５】
2017169257.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月14日(2016.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、本発明は、同期発電機において、極数の永久磁石を周方向に配置した柱状のロータと、軟磁性材のティースでそれぞれ挟まれて周方向に隣り合う２つのスロットからなるスロット組が前記ロータの極対数に対して分数となるように周方向に複数形成されかつ隣り合う前記スロット組の間に前記ティースよりも透磁率が小さいフラックスバリア領域が形成されたステータコアと、前記スロット組に回巻されたコイルと、を有することを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図４の縦軸は磁束密度であり、横軸は回転磁界の周波数成分である。各周波数成分における一番左の白塗りの棒グラフがスリットを設けない場合であり、その右隣りの黒塗りの棒グラフが本実施の形態の同期電動機の場合である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
図４において、左から３番目の×印の棒グラフがコイルを回巻していないティースにスリットを設けた場合、一番右の左下がりハッチングの棒グラフが全てのティースにスリットを設けた場合である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
コイルを回巻していないティースにスリットを設けた場合（×印の棒グラフ）では、フラックスバリアがない場合と比べ、基本波成分が減少し、第５高調波成分が減少し、第７高調波成分が増加している。