同期電動機
【課題】、集中巻きのモータにおいて簡便な方法でトルクリップルを低減する
【解決手段】表面または内部に永久磁石２６を備える回転子２０と、軟磁性材料から成り、複数の歯部Ｔ１〜Ｔ１８と複数のスロットＳ１〜Ｓ１８とを有する固定子１０と、前記各歯部Ｔ１〜Ｔ１８に集中巻により巻回され、歯部Ｔ１〜Ｔ１８の延びる方向に沿って複数層に配置される複数の要素巻線１１，１２と、を有する同期電動機１００であって、要素巻線１１，１２は，相ごとに円周方向に３つずつ連続して配置されて各相の回転方向巻線１０１〜２０６を形成し、各相の前記回転方向巻線１０１〜２０６は、層毎に、回転方向に１スロットずつずれて配置されている。
【解決手段】表面または内部に永久磁石２６を備える回転子２０と、軟磁性材料から成り、複数の歯部Ｔ１〜Ｔ１８と複数のスロットＳ１〜Ｓ１８とを有する固定子１０と、前記各歯部Ｔ１〜Ｔ１８に集中巻により巻回され、歯部Ｔ１〜Ｔ１８の延びる方向に沿って複数層に配置される複数の要素巻線１１，１２と、を有する同期電動機１００であって、要素巻線１１，１２は，相ごとに円周方向に３つずつ連続して配置されて各相の回転方向巻線１０１〜２０６を形成し、各相の前記回転方向巻線１０１〜２０６は、層毎に、回転方向に１スロットずつずれて配置されている。
【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低トルクリップル化および広帯域駆動を実現するための固定子スロット数および巻線構成と回転子磁極数とその巻線方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すように、従来の集中巻線を用いた同期電動機９００の主要部の断面図を示す。この同期電動機９００は、固定子９０と回転子９３を備えている。固定子９０は、複数のスロットＳ１〜Ｓ１８と、複数の歯部Ｔ１〜Ｔ１８とを備え、各歯部Ｔ１〜Ｔ１８の周囲に各要素巻線９１が巻回されている。各要素巻線９１は、Ｕ，Ｖ，Ｗの相ごとに回転方向に複数ずつ連続して配置されている。図９に示す例では、各相ともに各要素巻線９１が周方向に３つ連続して配置され一つの回転方向巻線９０１から９０６を形成している。従って、図９に示した例では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相は集中巻きのコイルが周方向にそれぞれ２つずつ配置されていることになる。一方、回転子９３は、リング９５に磁性体９４を嵌込み、かつ、永久磁石９６を配設固着させたものである。このような同期電動機９００では、図１０（ａ）に示すように、要素巻線９１が周方向に連続して配置されて１つの回転方向巻線９０１を構成しているので、回転方向巻線９０１に通電した際の磁束の分布は、図１０（ｂ）に示すように、周方向に向かって台形状の磁束分布となるので、トルクリップルが生じやすいという問題があった。
【０００３】
これを避ける為に固定子の製造方法の工夫や巻線方法を工夫することが多い。例えば、固定子の歯部のロータに向う面を円筒面とし、歯部の中心部は歯部の端面とロータ表面との距離が短く、歯部の両端部は歯部の端面とロータ表面との距離を長くし、各巻線の誘起電力を正弦波としてコギングトルクを抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、固定子の製造方法ではステータコアの積層もしくは回転子磁極の構造にスキュー構造と言われる回転方向への変化を用いて工夫することが多いが（例えば、特許文献２参照）、これはトルク定数を低下させる現象があり、また、スキュー構造にすることにより製造時に治具等の専用器具が必要となりコストアップの要因となる。また、スロットへ巻線挿入する作業性と生産性を悪化させる。また、巻線方法の工夫には、極数に対しスロットを整数にしない工夫や集中巻きではなく分布巻きとなる巻線方法を行うことが一般的である（例えば、特許文献３参照）。これはコイルの増加を意味し、かつ、巻線工数の増加を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平２−３０２７０号公報
【特許文献２】特開平１１−３０８７９５号公報
【特許文献３】特開平５−１６１３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、一般的に集中巻のモータは、トルクリップルが大きいという問題点がある。また、トルクリップルを低減するために固定子スロットや、回転子磁極にスキュー構造を用いるとトルク定数が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、集中巻きのモータにおいて簡便な方法でトルクリップル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】
【０００７】
本発明の同期電動機は、表面または内部に永久磁石を備える回転子と、軟磁性材料から成り、複数の歯部と複数のスロットとを有する固定子と、前記各歯部に集中巻により巻回され、歯部の延びる方向に沿って複数層に配置される複数の要素巻線と、を有する同期電動機であって、前記要素巻線は、相ごとに円周方向に所定の数ずつ連続して配置されて各相の回転方向巻線を形成し、各相の前記回転方向巻線は、層毎に、回転方向に１スロットずつずれて配置されていること、を特徴とする。
【０００８】
本発明の同期電動機において、各相の前記要素巻線の円周方向への連続数をＮcont、前記スロットの数をＮslot、前記回転子の極数をＮpole、電流の印加相数をＮphase，とするとき、Ｎslot±Ｎpole＝２ｎ (ｎ＝１，２，・・・整数)であり、かつＮslot＝Ａ／（Ａ−１）・Ｎpole（ただし，Ａ＝Ｎphase・Ｎcont）の関係が成り立ち、Ｎcont連続する要素巻線の層毎に、回転方向に１スロットずれて巻かれ ｍ層（ｍ＞１であり整数）としても好適である。
【０００９】
本発明の同期電動機において、連続数がＮcontで要素巻線の層数ｍがｍ＝２ｋ（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−（２ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい（２ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く，回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなり、ｍ＝２ｋ−１（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−２（ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい２（ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く、回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなること、としても好適である。
【００１０】
本発明の同期電動機において、電気的に同一特性の複数組の巻線を巻回しており外部制御装置の巻線切替手段により複数組の巻線が低速駆動時には各組の巻線が直列接続となるようにし、高速駆動時には各組の巻線が並列接続されるようにすること、としても好適であるし、隣り合う前記歯部への巻回方向が互いに逆向きとしても好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、集中巻きのモータにおいて簡便な方法でトルクリップルを低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における同期電動機の断面図である。
【図２】本発明の実施形態における同期電動機の巻線の層と組を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態における同期電動機の巻線を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における同期電動機の電流による磁束と磁束分布を示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態における同期電動機の巻線の巻回方法を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態における同期電動機の巻線の巻回方法を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態における同期電動機の巻線の層と組を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態における同期電動機の巻線を示す説明図である。
【図９】従来技術による同期電動機の断面図である。
【図１０】従来技術による同期電動機の電流による磁束と磁束分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の同期電動機１００は、固定子１０と回転子２０を備えている。固定子１０は、複数（１８個）のスロットＳ１〜Ｓ１８と、複数（１８個）の歯部Ｔ１〜Ｔ１８とを備え、各歯部Ｔ１〜Ｔ１８の周囲に下層要素巻線１１、上層要素巻線１２がそれぞれ巻回されている。また、回転子２０は、リング２５に磁性体２４を嵌込み、かつ、永久磁石２６を配設固着させたもので、永久磁石２６は周方向に１６個取り付けられており、回転子２０の極数は１６となっている。なお、符号６１，６２は縦横の各中心線を示す。
【００１４】
Ｕ相の下層要素巻線１１は、第１スロットＳ１、第２スロットＳ２の間の第２歯部Ｔ２の周囲に巻回されている。図１において、符号ＵはＵ相の巻線の入力端であることを示し、符号ＸはＵ相の巻線の出口端であることを示す。従って、第２歯部Ｔ２に巻回されている下層要素巻線１１は、図２に示すように、第１スロットＳ１から固定子１０の中に入り第２スロットＳ２に向って巻回され、第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るように巻回されている。なお、図２において、○の中に×マークが入った符号は巻き線が紙面の表面側から裏面に向う方向に延びることを示し、○印の中に点が入った符号は、巻線が紙面の裏側から表側に向う方向に延びていることを示している。また、図２は、固定子１０の内面に周方向に配置されている各スロットと各歯部を直線方向に伸ばして記載した模式図である。また、図１に示す様に、第２スロットＳ２と第３スロットＳ３との間の第３歯部Ｔ３に巻回されている下側要素巻線１１は、符号Ｕのある第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、第２スロットＳ２に向って巻回され、符号Ｘのある第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るように巻回されている。つまり、第２歯部Ｔ２に巻回される下層要素巻線１１と、第３歯部Ｔ３に巻回される下層要素巻線１１とは互いに反対方向に向かって巻回されている。同様に、第３スロットＳ３と第４スロットＳ４との間の第４歯部Ｔ４に巻回されている下層要素巻線１１は、符号Ｕのある第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、第４スロットＳ４に向って巻回され、符号Ｘのある第４スロットＳ４から固定子１０の外に出るように巻回されており、第３歯部Ｔ３に巻回される下層要素巻線１１とは互いに反対方向に向かって巻回されている。このように、隣接する各下層要素巻線１１は、互いにその巻回方向が逆方向となっている。
【００１５】
同様に、Ｖ相の下層要素巻線１１は、第５歯部Ｔ５、第６歯部Ｔ６、第７歯部Ｔ７に巻回され、Ｗ相の下層要素巻線１１は、第８歯部Ｔ８、第９歯部Ｔ９、第１０歯部Ｔ１０に巻回され、隣接する各下層要素巻線１１は、互いにその巻回方向が逆方向となっている。
なお、図１において、符号Ｖ，ＷはＶ，Ｗ相の巻線に入力端であることを示し、符号Ｙ，ＺはＶ，Ｗ相の巻線の出口端であることを示す。更に、もう一つのＵ相の下層要素巻線１１は、第１１歯部Ｔ１１、第１２歯部Ｔ１２、第１３歯部Ｔ１３に巻回され、もう一つのＶ相の下層要素巻線１１は、第１４歯部Ｔ１４、第１５歯部Ｔ１５、第１６歯部Ｔ１６に巻回され、もう一つのＷ相の下層要素巻線１１は、第１７歯部Ｔ１７、第１８歯部Ｔ１８、第１歯部Ｔ１に巻回されている。
【００１６】
一方、Ｕ相の上層要素巻線１２は、Ｕ相の下層要素巻線１１と１スロット、或いは、１歯部だけ周方向にずれた第２スロットＳ２、第３スロットＳ３の間の第３歯部Ｔ３と、第４歯部Ｔ４と、第５歯部Ｔ５に巻回されている。また、上層要素巻線１２は、下層要素巻線１１の固定子１０の中心側に配置されている。そして、下層要素巻線１１と同様、隣接する各上層要素巻線１２は、互いにその巻回方向が逆方向となっている。
【００１７】
同様に、Ｖ相の上層要素巻線１２は、第６歯部Ｔ６、第７歯部Ｔ７、第８歯部Ｔ８に巻回され、Ｗ相の上層要素巻線１２は、第９歯部Ｔ９、第１０歯部Ｔ１０、第１１歯部Ｔ１１に巻回され、もう一つのＵ相の上層要素巻線１２は、第１２歯部Ｔ１２、第１３歯部Ｔ１３、第１４歯部Ｔ１４に巻回され、もう一つのＶ相の上層要素巻線１２は、第１５歯部Ｔ１５、第１６歯部Ｔ１６、第１７歯部Ｔ１７に巻回され、もう一つのＷ相の上層要素巻線１２は、第１８歯部Ｔ１８、第１歯部Ｔ１、第２歯部Ｔ２に巻回されている。
【００１８】
そして、第２歯部Ｔ２、第３歯部Ｔ３、第４歯部Ｔ４の３つの連続する歯部に巻回された３つのＵ相の下層要素巻線１１は、下層Ｕ相回転方向巻線１０１を形成し、第５歯部Ｔ５、第６歯部Ｔ６、第７歯部Ｔ７の３つの連続する歯部に巻回された３つのＶ相の下層要素巻線１１は、下層Ｖ相回転方向巻線１０２を形成し、第８歯部Ｔ８，第９歯部Ｔ９、第１０歯部Ｔ１０の３つの連続する歯部に巻回された３つのＷ相の下層要素巻線１１は、下層Ｗ相回転方向巻線１０３を形成し、第１１歯部Ｔ１１、第１２歯部Ｔ１２、第１３歯部Ｔ１３の３つの連続する歯部に巻回された３つのＵ相の下層要素巻線１１は、もうひとつの下層Ｕ相回転方向巻線１０４を形成し、第１４歯部Ｔ１４、第１５歯部Ｔ１５、第１６歯部Ｔ１６の３つの連続する歯部に巻回された３つのＶ相の下層要素巻線１１は、もう一つの下層Ｖ相回転方向巻線１０５を形成し、第１７歯部Ｔ１７，第１８歯部Ｔ１８、第１歯部Ｔ１の３つの連続する歯部に巻回された３つのＷ相の下層要素巻線１１は、もう一つの下層Ｗ相回転方向巻線１０６を形成する。
【００１９】
また、同様に、第３歯部Ｔ３、第４歯部Ｔ４、第５歯部Ｔ５の３つの連続する歯部に巻回された３つのＵ相の上層要素巻線１２は、上層Ｕ相回転方向巻線２０１を形成し、第６歯部Ｔ６、第７歯部Ｔ７、第８歯部Ｔ８の３つの連続する歯部に巻回された３つのＶ相の上層要素巻線１２は、上層Ｖ相回転方向巻線２０２を形成し、第９歯部Ｔ９，第１０歯部Ｔ１０、第１１歯部Ｔ１１の３つの連続する歯部に巻回された３つのＷ相の上層要素巻線１２は、上層Ｗ相回転方向巻線２０３を形成し、第１２歯部Ｔ１２、第１３歯部Ｔ１３、第１４歯部Ｔ１４の３つの連続する歯部に巻回された３つのＵ相の上層要素巻線１２は、もうひとつの上層Ｕ相回転方向巻線２０４を形成し、第１５歯部Ｔ１５、第１６歯部Ｔ１６、第１７歯部Ｔ１７の３つの連続する歯部に巻回された３つのＶ相の上層要素巻線１２は、もう一つの上層Ｖ相回転方向巻線２０５を形成し、第１８歯部Ｔ１７，第１歯部Ｔ１、第２歯部Ｔ２の３つの連続する歯部に巻回された３つのＷ相の上層要素巻線１２は、もう一つの上層Ｗ相回転方向巻線２０６を形成する。
【００２０】
以上述べた様に、下層要素巻線１１、上層要素巻線１２は、Ｕ（Ｘ），Ｖ（Ｙ），Ｗ（Ｚ）の相ごとに回転方向に複数ずつ連続して配置されている。図１に示す例では、各相ともに各下層要素巻線１１、各上層要素巻線１２が周方向にそれぞれ３つずつ連続して配置され、それぞれ一つの下層回転方向巻線１０１〜１０６、上層回転方向巻線２０１〜２０６を形成している。従って、図１に示した実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相は集中巻きのコイルが周方向にそれぞれ２つずつ配置されていることになる。そして、各相の下層回転方向巻線１０１〜１０６はそれぞれ対応する各上層回転方向巻線２０１〜２０６と１歯部あるいは１スロットずつずれて配置されている。
【００２１】
そして、下層Ｕ相回転方向巻線１０１，１０４と上層Ｕ相回転方向巻線２０１，２０４とは第１、第２Ｕ相回転方向巻線３０１，３０４を形成し、下層Ｖ相回転方向巻線１０２，１０５と上層Ｖ相回転方向巻線２０２，２０５とは第１、第２Ｖ相回転方向巻線３０２，３０５を形成し、下層Ｗ相回転方向巻線１０３，１０６と上層Ｗ相回転方向巻線２０３，２０６とは第１、第２Ｗ相回転方向巻線３０３，３０６を形成する。図３に示すように、下層Ｕ相回転方向巻線１０１，１０４、下層Ｖ相回転方向巻線１０２，１０５，下層Ｗ相回転方向巻線１０３，１０６とは中性点３０によってＹ結線とされ、上層Ｕ相回転方向巻線２０１，２０４，上層Ｖ相回転方向巻線２０２，２０５、上層Ｗ相回転方向巻線２０３，２０６は下層の各相の各巻線１０１〜１０６にそれぞれ直列に接続されるように構成されている。また、下層の各相の回転方向巻線１０１〜１０６の端部にはそれぞれ各相の入力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２が接続され、高速巻線、低速巻線を切り替えられるように構成されている。高速巻線の場合には、入力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２から電流が入力され、下層の各相の各巻線１０１〜１０６のみに通電される。また、低速巻線に切り替えた場合には、入力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから電流が入力され、下層と上層の各相の各巻線１０１〜１０６，２０１〜２０６に通電される。
【００２２】
本実施形態の同期電動機１００では、各相の各層の要素巻線１１，１２の円周方向への連続数をＮcont、前記スロットＳ１〜Ｓ１８の数をＮslot、前記回転子２０の極数をＮpole、電流の印加相数をＮphase、とするとき、Ｎslot±Ｎpole＝２ｎ (ｎ＝１，２，・・・整数)であり、かつＮslot＝Ａ／（Ａ−１）・Ｎpole（ただし，Ａ＝Ｎphase・Ｎcont）の関係が成り立ち、Ｎcont連続する各層の要素巻線１１，１２の層毎に、回転方向に１スロットずれて巻かれ ｍ層（ｍ＞１であり整数）ある。
【００２３】
図１を参照して説明した実施形態では、
Ｎcont＝３、Ｎslot＝１８、Ｎpole＝１６、Ｎphase＝３であり、
Ｎslot＋Ｎpole＝１８＋１６＝３２
Ｎslot−Ｎpole＝１８−１６＝ ２
となり、
Ａ＝Ｎphase・Ｎcont＝３・３＝９
Ａ／（Ａ−１）・Ｎpole＝９／（９−１）・１６＝１８＝Ｎslot
となり、上記の要件を満たしている。また、層数ｍは２である。
【００２４】
また、本実施形態の同期電動機の構成において、連続数がＮcontで要素巻線の層数ｍがｍ＝２ｋ（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−（２ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい（２ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く，回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなり、ｍ＝２ｋ−１（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−２（ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい２（ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く、回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなる。
【００２５】
本実施形態では、
Ｎcont＝３、ｍ＝２であるから、ｋ＝１となり、（２ｋ−１）＝１、［Ｎcont−（２ｋ−１）］＝２となる。つまり、中央の２つの歯部に集中巻きとなり、連続している回転方向巻線の中心から両側１つずつの歯部に巻線が巻回される。また、後で説明する図６に示す実施形態のようにＮcont＝３、層数ｍが３の場合、ｋ＝２であり、２（ｋ−１）＝２、［Ｎcont−２（ｋ−１）］＝１となる。この場合、回転方向巻線の中央の１つの歯部に集中巻きとなり、中央から両側２つずつの歯部に巻線が巻回されることとなる。
【００２６】
以上のように構成された、同期電動機１００の動作について図４を参照しながら説明する。図４（ａ）に示すように、下層Ｕ相回転方向巻線１０１と、上層Ｕ相回転方向巻線２０１とは、１スロット或いは１歯部だけずれて配置されている。このため、第１Ｕ相回転方向巻線３０１の中央の第３歯部Ｔ３、第４歯部Ｔ４では、下層、上層ともＵ相の各要素巻線１１，１２が各歯部Ｔ３，Ｔ４に巻回されており、第１Ｕ相回転方向巻線３０１の中央から周方向に離れた第２歯部Ｔ２、第５歯部Ｔ５は、それぞれＵ相の下層要素巻線１１、Ｕ相の上層要素巻線１２のみが巻回されている。このため、第１Ｕ相回転方向巻線３０１に電流を流した場合、その電流によって生じる線６５で示す磁束の強さは、図４（ｂ）に示すように、第１Ｕ相回転方向巻線３０１の中央付近の第３歯部Ｔ３、第４歯部Ｔ４付近では大きくなり、逆に第１Ｕ相回転方向巻線３０１の中央から周方向に離れた第２歯部Ｔ２、第５歯部Ｔ５では小さくなる。この結果、第１Ｕ相回転方向巻線３０１の磁束は周方向に略正弦波状となる。このことによって、本実施形態では、集中巻きの構成でもトルクリップルを効果的に低減することができる。
【００２７】
図５を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図１から図４を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図１を参照して説明した実施形態では、各要素巻線１１，１２は、各歯部Ｔ１〜Ｔ１８の周りにそれぞれ巻回することとして説明したが、本実施形態ではスロットを飛ばして巻線を巻回するように構成したものである。図５に示すように、下層Ｕ相回転方向巻線１０１の巻線は、第１スロットＳ１と第４スロットＳ４との間で巻回される第１の巻線４０１と、第２スロットＳ２と第３スロットＳ３との間で巻回される第２の巻線４１１とによって構成されている。図５に示すように、第１の巻線４０１は、第１スロットＳ１から固定子１０の中に入り、第４スロットＳ４から固定子１０の外に出るよう巻回される。なお、図５において、○の中に×マークが入った符号は巻き線が紙面の表面側から裏面に向う方向に延びることを示し、○印の中に点が入った符号は、巻線が紙面の裏側から表側に向う方向に延びていることを示している。また、図５は、固定子１０の内面に周方向に配置されている各スロットと各歯部を直線方向に伸ばして記載した模式図である。また、第２の巻線４１１は、第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、隣接する第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るよう巻回される。第１の巻線４０１と第２の巻線４１１とは巻回方向が逆方向となっている。。
【００２８】
また、上層Ｕ相回転方向巻線２０１の巻線は、第２スロットＳ２と第５スロットＳ５との間で巻回される第３の巻線４０２と、第３スロットＳ３と第４スロットＳ４との間で巻回される第４の巻線４１２とによって構成されている。第３の巻線４０２は、第５スロットＳ５から固定子１０の中に入り、第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るよう巻回される。また、第４の巻線４１２は、第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、隣接する第４スロットＳ４から固定子１０の外に出るよう巻回される。第３の巻線４０２と第４の巻線４１２とは巻回方向が逆方向となっている。そして、下層Ｕ相回転方向巻線１０１と上層Ｕ相回転方向巻線２０１とは、周方向に１スロットだけずれて配置されている。
【００２９】
本実施形態では、図１を参照して説明した実施形態と各回転方向巻線の巻き方が異なるが、中央の第３、第４歯部Ｔ３，Ｔ４の巻線数は両端の第１、第５歯部Ｔ１，Ｔ５よりも巻線数が多くなっており、固定子１０に電流を流した際の周方向の磁束の分布は、図４（ｂ）に示すように略正弦波となり、図１を参照して説明した実施形態と同様、集中巻きの構成でもトルクリップルを効果的に低減することができる。
【００３０】
図６を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図１から図５を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。回転方向巻線をスロットの長手方向に３層の配置とし、各相の回転方向巻線の間で巻線の巻回を行うようにしたものである。
【００３１】
図６に示す様に、本実施形態は、下層Ｕ相回転方向巻線１０１と、上層Ｕ相回転方向巻線２０１と、その中間の中間Ｕ相回転方向巻線５０１とを備えている。下層Ｕ相回転方向巻線１０１と、上層Ｕ相回転方向巻線２０１と、中間Ｕ相回転方向巻線５０１とは、第１Ｕ相回転方向巻線５５０を構成する。各回転方向巻線１０１，２０１，５０１は下層、中間、上層の順にそれぞれ１スロットずつ周方向にずれて配置されている。そして、第５の巻線５０２は、第１スロットＳ１から固定子１０の中に入り、第６スロットＳ６から固定子１０の外に出るよう巻回される。また、第６の巻線５０３は、第５スロットＳ５から固定子１０の中に入り、第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るよう巻回される。そして、第７の巻線５０４は、第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、隣接する第４スロットＳ４から固定子１０の外に出るよう巻回される。
【００３２】
図６に示す様に、第１Ｕ相回転方向巻線５５０の中央にある第４歯部Ｔ４の両側の第３３、第４スロットＳ３，Ｓ４にはそれぞれ５本の巻線が巻回され、その両側の第２、第５スロットＳ２，Ｓ５にはそれぞれ３本の巻線が巻回され、両端の第１、第６スロットＳ１，Ｓ６にはそれぞれ１本の巻線が巻回される。この様に、第１Ｕ相回転方向巻線５５０の中央の巻線数が多く、回転方向に向かって第１Ｕ相回転方向巻線５５０の両端に向うにつれて巻線数が少なくなるので、先に図１から図５を参照して説明した実施形態と同様、固定子１０に電流を流した際の周方向の磁束の分布が、図４（ｂ）に示すような略正弦波となり、先に説明した実施形態と同様、集中巻きの構成でもトルクリップルを効果的に低減することができる。
【００３３】
図７を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図７に示す様に、本実施形態の同期電動機１００の固定子１０は、図２を参照して説明した第１Ｕ相回転方向巻線３０１をスロット或いは歯部の延びる方向に向かって上下に２つ重ね合わせて、それぞれ下層第１Ｕ相回転巻線３５１、上層第１Ｕ相回転巻線３５２としたものである。図８に示す様に、下層第１Ｕ相回転巻線３５１は中性点に接続されてＹ結線を構成する。そして、下層第１Ｕ相回転巻線３５１に含まれる下層Ｕ相回転方向巻線１０１、上層Ｕ相回転方向巻線２０１の間には直列接続スイッチ５２が設けられ、下層Ｕ相回転方向巻線１０１、上層Ｕ相回転方向巻線２０１とそれぞれ並列に下層Ｕ相回転方向巻線１０１、上層Ｕ相回転方向巻線２０１を並列接続することができる並列接続スイッチ５１，５３が設けられている。また、下層第１Ｕ相回転巻線３５１の一端には入力端子Ｕ２が接続されている。Ｖ相、Ｗ相についても構成は同様である。スイッチ５１から５３は図示しない外部制御装置によってオンオフされる。
【００３４】
図示しない外部制御装置によって、低速巻線として同期電動機１００を低速駆動する際には、電流を各端子Ｕ，Ｖ，Ｗから入力し、直列接続スイッチ５２を閉とすることによって、下層第１Ｕ相回転巻線３５１と上層第１Ｕ相回転巻線３５２とが直列となる。また、図示しない外部制御装置によって、高速巻線として同期電動機１００を高速駆動する際には入力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２から電流を入力するとともに、直列接続スイッチ５２を開として並列接続スイッチ５１，５３を閉とすることによって、下層Ｕ相回転方向巻線１０１、上層Ｕ相回転方向巻線２０１を並列として巻線抵抗を低減することができる。これにより高速駆動の際の銅損を低減することができる。また、本実施形態は、高速巻線として下層第１Ｕ相回転巻線３５１のみに通電する場合であっても、下層第１Ｕ相回転巻線３５１が１スロットずらして配置された下層Ｕ相回転方向巻線１０１と上層Ｕ相回転方向巻線２０１によって構成されているので、周方向の磁束の分布が、図４（ｂ）に示すような略正弦波となり、集中巻きの構成で、高速駆動の際のトルクリップルを効果的に低減することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０，９０ 固定子、１１ 下層要素巻線、１２ 上層要素巻線、２０，９３ 回転子、２４，９４ 磁性体、２５，９５ リング、２６，９６ 永久磁石、３０ 中性点、５１，５３ 並列接続スイッチ、５２ 直列接続スイッチ、１００，９００ 同期電動機、１０１〜１０６ 下層回転方向巻線、２０１〜２０６ 上層回転方向巻線、３０１，３０４，５５０ Ｕ相回転方向巻線、３０２，３０５ Ｖ相回転方向巻線、３０３，３０６ Ｗ相回転方向巻線、３５１ 下層第１Ｕ相回転巻線、３５２ 上層第１Ｕ相回転巻線、４０１，４０２，４１１，４１２，５０２，５０３，５０４ 巻線、５０１ 中間回転方向巻線、Ｓ１〜Ｓ１８ スロット、Ｔ１〜Ｔ１８ 歯部。
【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低トルクリップル化および広帯域駆動を実現するための固定子スロット数および巻線構成と回転子磁極数とその巻線方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すように、従来の集中巻線を用いた同期電動機９００の主要部の断面図を示す。この同期電動機９００は、固定子９０と回転子９３を備えている。固定子９０は、複数のスロットＳ１〜Ｓ１８と、複数の歯部Ｔ１〜Ｔ１８とを備え、各歯部Ｔ１〜Ｔ１８の周囲に各要素巻線９１が巻回されている。各要素巻線９１は、Ｕ，Ｖ，Ｗの相ごとに回転方向に複数ずつ連続して配置されている。図９に示す例では、各相ともに各要素巻線９１が周方向に３つ連続して配置され一つの回転方向巻線９０１から９０６を形成している。従って、図９に示した例では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相は集中巻きのコイルが周方向にそれぞれ２つずつ配置されていることになる。一方、回転子９３は、リング９５に磁性体９４を嵌込み、かつ、永久磁石９６を配設固着させたものである。このような同期電動機９００では、図１０（ａ）に示すように、要素巻線９１が周方向に連続して配置されて１つの回転方向巻線９０１を構成しているので、回転方向巻線９０１に通電した際の磁束の分布は、図１０（ｂ）に示すように、周方向に向かって台形状の磁束分布となるので、トルクリップルが生じやすいという問題があった。
【０００３】
これを避ける為に固定子の製造方法の工夫や巻線方法を工夫することが多い。例えば、固定子の歯部のロータに向う面を円筒面とし、歯部の中心部は歯部の端面とロータ表面との距離が短く、歯部の両端部は歯部の端面とロータ表面との距離を長くし、各巻線の誘起電力を正弦波としてコギングトルクを抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、固定子の製造方法ではステータコアの積層もしくは回転子磁極の構造にスキュー構造と言われる回転方向への変化を用いて工夫することが多いが（例えば、特許文献２参照）、これはトルク定数を低下させる現象があり、また、スキュー構造にすることにより製造時に治具等の専用器具が必要となりコストアップの要因となる。また、スロットへ巻線挿入する作業性と生産性を悪化させる。また、巻線方法の工夫には、極数に対しスロットを整数にしない工夫や集中巻きではなく分布巻きとなる巻線方法を行うことが一般的である（例えば、特許文献３参照）。これはコイルの増加を意味し、かつ、巻線工数の増加を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平２−３０２７０号公報
【特許文献２】特開平１１−３０８７９５号公報
【特許文献３】特開平５−１６１３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、一般的に集中巻のモータは、トルクリップルが大きいという問題点がある。また、トルクリップルを低減するために固定子スロットや、回転子磁極にスキュー構造を用いるとトルク定数が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、集中巻きのモータにおいて簡便な方法でトルクリップル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】
【０００７】
本発明の同期電動機は、表面または内部に永久磁石を備える回転子と、軟磁性材料から成り、複数の歯部と複数のスロットとを有する固定子と、前記各歯部に集中巻により巻回され、歯部の延びる方向に沿って複数層に配置される複数の要素巻線と、を有する同期電動機であって、前記要素巻線は、相ごとに円周方向に所定の数ずつ連続して配置されて各相の回転方向巻線を形成し、各相の前記回転方向巻線は、層毎に、回転方向に１スロットずつずれて配置されていること、を特徴とする。
【０００８】
本発明の同期電動機において、各相の前記要素巻線の円周方向への連続数をＮcont、前記スロットの数をＮslot、前記回転子の極数をＮpole、電流の印加相数をＮphase，とするとき、Ｎslot±Ｎpole＝２ｎ (ｎ＝１，２，・・・整数)であり、かつＮslot＝Ａ／（Ａ−１）・Ｎpole（ただし，Ａ＝Ｎphase・Ｎcont）の関係が成り立ち、Ｎcont連続する要素巻線の層毎に、回転方向に１スロットずれて巻かれ ｍ層（ｍ＞１であり整数）としても好適である。
【０００９】
本発明の同期電動機において、連続数がＮcontで要素巻線の層数ｍがｍ＝２ｋ（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−（２ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい（２ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く，回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなり、ｍ＝２ｋ−１（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−２（ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい２（ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く、回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなること、としても好適である。
【００１０】
本発明の同期電動機において、電気的に同一特性の複数組の巻線を巻回しており外部制御装置の巻線切替手段により複数組の巻線が低速駆動時には各組の巻線が直列接続となるようにし、高速駆動時には各組の巻線が並列接続されるようにすること、としても好適であるし、隣り合う前記歯部への巻回方向が互いに逆向きとしても好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、集中巻きのモータにおいて簡便な方法でトルクリップルを低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における同期電動機の断面図である。
【図２】本発明の実施形態における同期電動機の巻線の層と組を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態における同期電動機の巻線を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における同期電動機の電流による磁束と磁束分布を示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態における同期電動機の巻線の巻回方法を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態における同期電動機の巻線の巻回方法を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態における同期電動機の巻線の層と組を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態における同期電動機の巻線を示す説明図である。
【図９】従来技術による同期電動機の断面図である。
【図１０】従来技術による同期電動機の電流による磁束と磁束分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の同期電動機１００は、固定子１０と回転子２０を備えている。固定子１０は、複数（１８個）のスロットＳ１〜Ｓ１８と、複数（１８個）の歯部Ｔ１〜Ｔ１８とを備え、各歯部Ｔ１〜Ｔ１８の周囲に下層要素巻線１１、上層要素巻線１２がそれぞれ巻回されている。また、回転子２０は、リング２５に磁性体２４を嵌込み、かつ、永久磁石２６を配設固着させたもので、永久磁石２６は周方向に１６個取り付けられており、回転子２０の極数は１６となっている。なお、符号６１，６２は縦横の各中心線を示す。
【００１４】
Ｕ相の下層要素巻線１１は、第１スロットＳ１、第２スロットＳ２の間の第２歯部Ｔ２の周囲に巻回されている。図１において、符号ＵはＵ相の巻線の入力端であることを示し、符号ＸはＵ相の巻線の出口端であることを示す。従って、第２歯部Ｔ２に巻回されている下層要素巻線１１は、図２に示すように、第１スロットＳ１から固定子１０の中に入り第２スロットＳ２に向って巻回され、第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るように巻回されている。なお、図２において、○の中に×マークが入った符号は巻き線が紙面の表面側から裏面に向う方向に延びることを示し、○印の中に点が入った符号は、巻線が紙面の裏側から表側に向う方向に延びていることを示している。また、図２は、固定子１０の内面に周方向に配置されている各スロットと各歯部を直線方向に伸ばして記載した模式図である。また、図１に示す様に、第２スロットＳ２と第３スロットＳ３との間の第３歯部Ｔ３に巻回されている下側要素巻線１１は、符号Ｕのある第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、第２スロットＳ２に向って巻回され、符号Ｘのある第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るように巻回されている。つまり、第２歯部Ｔ２に巻回される下層要素巻線１１と、第３歯部Ｔ３に巻回される下層要素巻線１１とは互いに反対方向に向かって巻回されている。同様に、第３スロットＳ３と第４スロットＳ４との間の第４歯部Ｔ４に巻回されている下層要素巻線１１は、符号Ｕのある第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、第４スロットＳ４に向って巻回され、符号Ｘのある第４スロットＳ４から固定子１０の外に出るように巻回されており、第３歯部Ｔ３に巻回される下層要素巻線１１とは互いに反対方向に向かって巻回されている。このように、隣接する各下層要素巻線１１は、互いにその巻回方向が逆方向となっている。
【００１５】
同様に、Ｖ相の下層要素巻線１１は、第５歯部Ｔ５、第６歯部Ｔ６、第７歯部Ｔ７に巻回され、Ｗ相の下層要素巻線１１は、第８歯部Ｔ８、第９歯部Ｔ９、第１０歯部Ｔ１０に巻回され、隣接する各下層要素巻線１１は、互いにその巻回方向が逆方向となっている。
なお、図１において、符号Ｖ，ＷはＶ，Ｗ相の巻線に入力端であることを示し、符号Ｙ，ＺはＶ，Ｗ相の巻線の出口端であることを示す。更に、もう一つのＵ相の下層要素巻線１１は、第１１歯部Ｔ１１、第１２歯部Ｔ１２、第１３歯部Ｔ１３に巻回され、もう一つのＶ相の下層要素巻線１１は、第１４歯部Ｔ１４、第１５歯部Ｔ１５、第１６歯部Ｔ１６に巻回され、もう一つのＷ相の下層要素巻線１１は、第１７歯部Ｔ１７、第１８歯部Ｔ１８、第１歯部Ｔ１に巻回されている。
【００１６】
一方、Ｕ相の上層要素巻線１２は、Ｕ相の下層要素巻線１１と１スロット、或いは、１歯部だけ周方向にずれた第２スロットＳ２、第３スロットＳ３の間の第３歯部Ｔ３と、第４歯部Ｔ４と、第５歯部Ｔ５に巻回されている。また、上層要素巻線１２は、下層要素巻線１１の固定子１０の中心側に配置されている。そして、下層要素巻線１１と同様、隣接する各上層要素巻線１２は、互いにその巻回方向が逆方向となっている。
【００１７】
同様に、Ｖ相の上層要素巻線１２は、第６歯部Ｔ６、第７歯部Ｔ７、第８歯部Ｔ８に巻回され、Ｗ相の上層要素巻線１２は、第９歯部Ｔ９、第１０歯部Ｔ１０、第１１歯部Ｔ１１に巻回され、もう一つのＵ相の上層要素巻線１２は、第１２歯部Ｔ１２、第１３歯部Ｔ１３、第１４歯部Ｔ１４に巻回され、もう一つのＶ相の上層要素巻線１２は、第１５歯部Ｔ１５、第１６歯部Ｔ１６、第１７歯部Ｔ１７に巻回され、もう一つのＷ相の上層要素巻線１２は、第１８歯部Ｔ１８、第１歯部Ｔ１、第２歯部Ｔ２に巻回されている。
【００１８】
そして、第２歯部Ｔ２、第３歯部Ｔ３、第４歯部Ｔ４の３つの連続する歯部に巻回された３つのＵ相の下層要素巻線１１は、下層Ｕ相回転方向巻線１０１を形成し、第５歯部Ｔ５、第６歯部Ｔ６、第７歯部Ｔ７の３つの連続する歯部に巻回された３つのＶ相の下層要素巻線１１は、下層Ｖ相回転方向巻線１０２を形成し、第８歯部Ｔ８，第９歯部Ｔ９、第１０歯部Ｔ１０の３つの連続する歯部に巻回された３つのＷ相の下層要素巻線１１は、下層Ｗ相回転方向巻線１０３を形成し、第１１歯部Ｔ１１、第１２歯部Ｔ１２、第１３歯部Ｔ１３の３つの連続する歯部に巻回された３つのＵ相の下層要素巻線１１は、もうひとつの下層Ｕ相回転方向巻線１０４を形成し、第１４歯部Ｔ１４、第１５歯部Ｔ１５、第１６歯部Ｔ１６の３つの連続する歯部に巻回された３つのＶ相の下層要素巻線１１は、もう一つの下層Ｖ相回転方向巻線１０５を形成し、第１７歯部Ｔ１７，第１８歯部Ｔ１８、第１歯部Ｔ１の３つの連続する歯部に巻回された３つのＷ相の下層要素巻線１１は、もう一つの下層Ｗ相回転方向巻線１０６を形成する。
【００１９】
また、同様に、第３歯部Ｔ３、第４歯部Ｔ４、第５歯部Ｔ５の３つの連続する歯部に巻回された３つのＵ相の上層要素巻線１２は、上層Ｕ相回転方向巻線２０１を形成し、第６歯部Ｔ６、第７歯部Ｔ７、第８歯部Ｔ８の３つの連続する歯部に巻回された３つのＶ相の上層要素巻線１２は、上層Ｖ相回転方向巻線２０２を形成し、第９歯部Ｔ９，第１０歯部Ｔ１０、第１１歯部Ｔ１１の３つの連続する歯部に巻回された３つのＷ相の上層要素巻線１２は、上層Ｗ相回転方向巻線２０３を形成し、第１２歯部Ｔ１２、第１３歯部Ｔ１３、第１４歯部Ｔ１４の３つの連続する歯部に巻回された３つのＵ相の上層要素巻線１２は、もうひとつの上層Ｕ相回転方向巻線２０４を形成し、第１５歯部Ｔ１５、第１６歯部Ｔ１６、第１７歯部Ｔ１７の３つの連続する歯部に巻回された３つのＶ相の上層要素巻線１２は、もう一つの上層Ｖ相回転方向巻線２０５を形成し、第１８歯部Ｔ１７，第１歯部Ｔ１、第２歯部Ｔ２の３つの連続する歯部に巻回された３つのＷ相の上層要素巻線１２は、もう一つの上層Ｗ相回転方向巻線２０６を形成する。
【００２０】
以上述べた様に、下層要素巻線１１、上層要素巻線１２は、Ｕ（Ｘ），Ｖ（Ｙ），Ｗ（Ｚ）の相ごとに回転方向に複数ずつ連続して配置されている。図１に示す例では、各相ともに各下層要素巻線１１、各上層要素巻線１２が周方向にそれぞれ３つずつ連続して配置され、それぞれ一つの下層回転方向巻線１０１〜１０６、上層回転方向巻線２０１〜２０６を形成している。従って、図１に示した実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相は集中巻きのコイルが周方向にそれぞれ２つずつ配置されていることになる。そして、各相の下層回転方向巻線１０１〜１０６はそれぞれ対応する各上層回転方向巻線２０１〜２０６と１歯部あるいは１スロットずつずれて配置されている。
【００２１】
そして、下層Ｕ相回転方向巻線１０１，１０４と上層Ｕ相回転方向巻線２０１，２０４とは第１、第２Ｕ相回転方向巻線３０１，３０４を形成し、下層Ｖ相回転方向巻線１０２，１０５と上層Ｖ相回転方向巻線２０２，２０５とは第１、第２Ｖ相回転方向巻線３０２，３０５を形成し、下層Ｗ相回転方向巻線１０３，１０６と上層Ｗ相回転方向巻線２０３，２０６とは第１、第２Ｗ相回転方向巻線３０３，３０６を形成する。図３に示すように、下層Ｕ相回転方向巻線１０１，１０４、下層Ｖ相回転方向巻線１０２，１０５，下層Ｗ相回転方向巻線１０３，１０６とは中性点３０によってＹ結線とされ、上層Ｕ相回転方向巻線２０１，２０４，上層Ｖ相回転方向巻線２０２，２０５、上層Ｗ相回転方向巻線２０３，２０６は下層の各相の各巻線１０１〜１０６にそれぞれ直列に接続されるように構成されている。また、下層の各相の回転方向巻線１０１〜１０６の端部にはそれぞれ各相の入力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２が接続され、高速巻線、低速巻線を切り替えられるように構成されている。高速巻線の場合には、入力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２から電流が入力され、下層の各相の各巻線１０１〜１０６のみに通電される。また、低速巻線に切り替えた場合には、入力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから電流が入力され、下層と上層の各相の各巻線１０１〜１０６，２０１〜２０６に通電される。
【００２２】
本実施形態の同期電動機１００では、各相の各層の要素巻線１１，１２の円周方向への連続数をＮcont、前記スロットＳ１〜Ｓ１８の数をＮslot、前記回転子２０の極数をＮpole、電流の印加相数をＮphase、とするとき、Ｎslot±Ｎpole＝２ｎ (ｎ＝１，２，・・・整数)であり、かつＮslot＝Ａ／（Ａ−１）・Ｎpole（ただし，Ａ＝Ｎphase・Ｎcont）の関係が成り立ち、Ｎcont連続する各層の要素巻線１１，１２の層毎に、回転方向に１スロットずれて巻かれ ｍ層（ｍ＞１であり整数）ある。
【００２３】
図１を参照して説明した実施形態では、
Ｎcont＝３、Ｎslot＝１８、Ｎpole＝１６、Ｎphase＝３であり、
Ｎslot＋Ｎpole＝１８＋１６＝３２
Ｎslot−Ｎpole＝１８−１６＝ ２
となり、
Ａ＝Ｎphase・Ｎcont＝３・３＝９
Ａ／（Ａ−１）・Ｎpole＝９／（９−１）・１６＝１８＝Ｎslot
となり、上記の要件を満たしている。また、層数ｍは２である。
【００２４】
また、本実施形態の同期電動機の構成において、連続数がＮcontで要素巻線の層数ｍがｍ＝２ｋ（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−（２ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい（２ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く，回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなり、ｍ＝２ｋ−１（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−２（ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい２（ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く、回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなる。
【００２５】
本実施形態では、
Ｎcont＝３、ｍ＝２であるから、ｋ＝１となり、（２ｋ−１）＝１、［Ｎcont−（２ｋ−１）］＝２となる。つまり、中央の２つの歯部に集中巻きとなり、連続している回転方向巻線の中心から両側１つずつの歯部に巻線が巻回される。また、後で説明する図６に示す実施形態のようにＮcont＝３、層数ｍが３の場合、ｋ＝２であり、２（ｋ−１）＝２、［Ｎcont−２（ｋ−１）］＝１となる。この場合、回転方向巻線の中央の１つの歯部に集中巻きとなり、中央から両側２つずつの歯部に巻線が巻回されることとなる。
【００２６】
以上のように構成された、同期電動機１００の動作について図４を参照しながら説明する。図４（ａ）に示すように、下層Ｕ相回転方向巻線１０１と、上層Ｕ相回転方向巻線２０１とは、１スロット或いは１歯部だけずれて配置されている。このため、第１Ｕ相回転方向巻線３０１の中央の第３歯部Ｔ３、第４歯部Ｔ４では、下層、上層ともＵ相の各要素巻線１１，１２が各歯部Ｔ３，Ｔ４に巻回されており、第１Ｕ相回転方向巻線３０１の中央から周方向に離れた第２歯部Ｔ２、第５歯部Ｔ５は、それぞれＵ相の下層要素巻線１１、Ｕ相の上層要素巻線１２のみが巻回されている。このため、第１Ｕ相回転方向巻線３０１に電流を流した場合、その電流によって生じる線６５で示す磁束の強さは、図４（ｂ）に示すように、第１Ｕ相回転方向巻線３０１の中央付近の第３歯部Ｔ３、第４歯部Ｔ４付近では大きくなり、逆に第１Ｕ相回転方向巻線３０１の中央から周方向に離れた第２歯部Ｔ２、第５歯部Ｔ５では小さくなる。この結果、第１Ｕ相回転方向巻線３０１の磁束は周方向に略正弦波状となる。このことによって、本実施形態では、集中巻きの構成でもトルクリップルを効果的に低減することができる。
【００２７】
図５を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図１から図４を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図１を参照して説明した実施形態では、各要素巻線１１，１２は、各歯部Ｔ１〜Ｔ１８の周りにそれぞれ巻回することとして説明したが、本実施形態ではスロットを飛ばして巻線を巻回するように構成したものである。図５に示すように、下層Ｕ相回転方向巻線１０１の巻線は、第１スロットＳ１と第４スロットＳ４との間で巻回される第１の巻線４０１と、第２スロットＳ２と第３スロットＳ３との間で巻回される第２の巻線４１１とによって構成されている。図５に示すように、第１の巻線４０１は、第１スロットＳ１から固定子１０の中に入り、第４スロットＳ４から固定子１０の外に出るよう巻回される。なお、図５において、○の中に×マークが入った符号は巻き線が紙面の表面側から裏面に向う方向に延びることを示し、○印の中に点が入った符号は、巻線が紙面の裏側から表側に向う方向に延びていることを示している。また、図５は、固定子１０の内面に周方向に配置されている各スロットと各歯部を直線方向に伸ばして記載した模式図である。また、第２の巻線４１１は、第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、隣接する第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るよう巻回される。第１の巻線４０１と第２の巻線４１１とは巻回方向が逆方向となっている。。
【００２８】
また、上層Ｕ相回転方向巻線２０１の巻線は、第２スロットＳ２と第５スロットＳ５との間で巻回される第３の巻線４０２と、第３スロットＳ３と第４スロットＳ４との間で巻回される第４の巻線４１２とによって構成されている。第３の巻線４０２は、第５スロットＳ５から固定子１０の中に入り、第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るよう巻回される。また、第４の巻線４１２は、第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、隣接する第４スロットＳ４から固定子１０の外に出るよう巻回される。第３の巻線４０２と第４の巻線４１２とは巻回方向が逆方向となっている。そして、下層Ｕ相回転方向巻線１０１と上層Ｕ相回転方向巻線２０１とは、周方向に１スロットだけずれて配置されている。
【００２９】
本実施形態では、図１を参照して説明した実施形態と各回転方向巻線の巻き方が異なるが、中央の第３、第４歯部Ｔ３，Ｔ４の巻線数は両端の第１、第５歯部Ｔ１，Ｔ５よりも巻線数が多くなっており、固定子１０に電流を流した際の周方向の磁束の分布は、図４（ｂ）に示すように略正弦波となり、図１を参照して説明した実施形態と同様、集中巻きの構成でもトルクリップルを効果的に低減することができる。
【００３０】
図６を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図１から図５を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。回転方向巻線をスロットの長手方向に３層の配置とし、各相の回転方向巻線の間で巻線の巻回を行うようにしたものである。
【００３１】
図６に示す様に、本実施形態は、下層Ｕ相回転方向巻線１０１と、上層Ｕ相回転方向巻線２０１と、その中間の中間Ｕ相回転方向巻線５０１とを備えている。下層Ｕ相回転方向巻線１０１と、上層Ｕ相回転方向巻線２０１と、中間Ｕ相回転方向巻線５０１とは、第１Ｕ相回転方向巻線５５０を構成する。各回転方向巻線１０１，２０１，５０１は下層、中間、上層の順にそれぞれ１スロットずつ周方向にずれて配置されている。そして、第５の巻線５０２は、第１スロットＳ１から固定子１０の中に入り、第６スロットＳ６から固定子１０の外に出るよう巻回される。また、第６の巻線５０３は、第５スロットＳ５から固定子１０の中に入り、第２スロットＳ２から固定子１０の外に出るよう巻回される。そして、第７の巻線５０４は、第３スロットＳ３から固定子１０の中に入り、隣接する第４スロットＳ４から固定子１０の外に出るよう巻回される。
【００３２】
図６に示す様に、第１Ｕ相回転方向巻線５５０の中央にある第４歯部Ｔ４の両側の第３３、第４スロットＳ３，Ｓ４にはそれぞれ５本の巻線が巻回され、その両側の第２、第５スロットＳ２，Ｓ５にはそれぞれ３本の巻線が巻回され、両端の第１、第６スロットＳ１，Ｓ６にはそれぞれ１本の巻線が巻回される。この様に、第１Ｕ相回転方向巻線５５０の中央の巻線数が多く、回転方向に向かって第１Ｕ相回転方向巻線５５０の両端に向うにつれて巻線数が少なくなるので、先に図１から図５を参照して説明した実施形態と同様、固定子１０に電流を流した際の周方向の磁束の分布が、図４（ｂ）に示すような略正弦波となり、先に説明した実施形態と同様、集中巻きの構成でもトルクリップルを効果的に低減することができる。
【００３３】
図７を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図７に示す様に、本実施形態の同期電動機１００の固定子１０は、図２を参照して説明した第１Ｕ相回転方向巻線３０１をスロット或いは歯部の延びる方向に向かって上下に２つ重ね合わせて、それぞれ下層第１Ｕ相回転巻線３５１、上層第１Ｕ相回転巻線３５２としたものである。図８に示す様に、下層第１Ｕ相回転巻線３５１は中性点に接続されてＹ結線を構成する。そして、下層第１Ｕ相回転巻線３５１に含まれる下層Ｕ相回転方向巻線１０１、上層Ｕ相回転方向巻線２０１の間には直列接続スイッチ５２が設けられ、下層Ｕ相回転方向巻線１０１、上層Ｕ相回転方向巻線２０１とそれぞれ並列に下層Ｕ相回転方向巻線１０１、上層Ｕ相回転方向巻線２０１を並列接続することができる並列接続スイッチ５１，５３が設けられている。また、下層第１Ｕ相回転巻線３５１の一端には入力端子Ｕ２が接続されている。Ｖ相、Ｗ相についても構成は同様である。スイッチ５１から５３は図示しない外部制御装置によってオンオフされる。
【００３４】
図示しない外部制御装置によって、低速巻線として同期電動機１００を低速駆動する際には、電流を各端子Ｕ，Ｖ，Ｗから入力し、直列接続スイッチ５２を閉とすることによって、下層第１Ｕ相回転巻線３５１と上層第１Ｕ相回転巻線３５２とが直列となる。また、図示しない外部制御装置によって、高速巻線として同期電動機１００を高速駆動する際には入力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２から電流を入力するとともに、直列接続スイッチ５２を開として並列接続スイッチ５１，５３を閉とすることによって、下層Ｕ相回転方向巻線１０１、上層Ｕ相回転方向巻線２０１を並列として巻線抵抗を低減することができる。これにより高速駆動の際の銅損を低減することができる。また、本実施形態は、高速巻線として下層第１Ｕ相回転巻線３５１のみに通電する場合であっても、下層第１Ｕ相回転巻線３５１が１スロットずらして配置された下層Ｕ相回転方向巻線１０１と上層Ｕ相回転方向巻線２０１によって構成されているので、周方向の磁束の分布が、図４（ｂ）に示すような略正弦波となり、集中巻きの構成で、高速駆動の際のトルクリップルを効果的に低減することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０，９０ 固定子、１１ 下層要素巻線、１２ 上層要素巻線、２０，９３ 回転子、２４，９４ 磁性体、２５，９５ リング、２６，９６ 永久磁石、３０ 中性点、５１，５３ 並列接続スイッチ、５２ 直列接続スイッチ、１００，９００ 同期電動機、１０１〜１０６ 下層回転方向巻線、２０１〜２０６ 上層回転方向巻線、３０１，３０４，５５０ Ｕ相回転方向巻線、３０２，３０５ Ｖ相回転方向巻線、３０３，３０６ Ｗ相回転方向巻線、３５１ 下層第１Ｕ相回転巻線、３５２ 上層第１Ｕ相回転巻線、４０１，４０２，４１１，４１２，５０２，５０３，５０４ 巻線、５０１ 中間回転方向巻線、Ｓ１〜Ｓ１８ スロット、Ｔ１〜Ｔ１８ 歯部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面または内部に永久磁石を備える回転子と、
軟磁性材料から成り、複数の歯部と複数のスロットとを有する固定子と、前記各歯部に集中巻により巻回され、歯部の延びる方向に沿って複数層に配置される複数の要素巻線と、を有する同期電動機であって、
前記要素巻線は，相ごとに円周方向に所定の数ずつ連続して配置されて各相の回転方向巻線を形成し、
各相の前記回転方向巻線は、層毎に、回転方向に１スロットずつずれて配置されていること、
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であって、
各相の前記要素巻線の円周方向への連続数をＮcont、前記スロットの数をＮslot、前記回転子の極数をＮpole、電流の印加相数をＮphase、
とするとき、Ｎslot±Ｎpole＝２ｎ (ｎ＝１，２，・・・整数)であり、かつＮslot＝Ａ／（Ａ−１）・Ｎpole（ただし，Ａ＝Ｎphase・Ｎcont）の関係が成り立ち、
Ｎcont連続する要素巻線の層毎に、回転方向に１スロットずれて巻かれ ｍ層（ｍ＞１であり整数）あることを特徴とする同期電動機。
【請求項３】
請求項２に記載の同期電動機において、
連続数がＮcontで要素巻線の層数ｍがｍ＝２ｋ（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−（２ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい（２ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く，回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなり、ｍ＝２ｋ−１（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−２（ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい２（ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く、回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなること、
を特徴とする同期電動機。
【請求項４】
請求項２または３に記載の同期電動機において、
電気的に同一特性の複数組の巻線を巻回しており外部制御装置の巻線切替手段により複数組の巻線が低速駆動時には各組の巻線が直列接続となるようにし、高速駆動時には各組の巻線が並列接続されるようにすること、
を特徴とする同期電動機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の同期電動機において、
隣り合う前記歯部への巻回方向が互いに逆向きであること、
を特徴とする同期電動機。
【請求項１】
表面または内部に永久磁石を備える回転子と、
軟磁性材料から成り、複数の歯部と複数のスロットとを有する固定子と、前記各歯部に集中巻により巻回され、歯部の延びる方向に沿って複数層に配置される複数の要素巻線と、を有する同期電動機であって、
前記要素巻線は，相ごとに円周方向に所定の数ずつ連続して配置されて各相の回転方向巻線を形成し、
各相の前記回転方向巻線は、層毎に、回転方向に１スロットずつずれて配置されていること、
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であって、
各相の前記要素巻線の円周方向への連続数をＮcont、前記スロットの数をＮslot、前記回転子の極数をＮpole、電流の印加相数をＮphase、
とするとき、Ｎslot±Ｎpole＝２ｎ (ｎ＝１，２，・・・整数)であり、かつＮslot＝Ａ／（Ａ−１）・Ｎpole（ただし，Ａ＝Ｎphase・Ｎcont）の関係が成り立ち、
Ｎcont連続する要素巻線の層毎に、回転方向に１スロットずれて巻かれ ｍ層（ｍ＞１であり整数）あることを特徴とする同期電動機。
【請求項３】
請求項２に記載の同期電動機において、
連続数がＮcontで要素巻線の層数ｍがｍ＝２ｋ（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−（２ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい（２ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く，回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなり、ｍ＝２ｋ−１（ｋは自然数）であるとき、一相の回転方向巻線中心部にあっては［Ｎcont−２（ｋ−１）］個の歯部に集中巻であって、回転方向巻線中心に対して外部に向かい２（ｋ−１）個の歯部に対して巻線を巻回され、巻線の巻回数は回転方向巻線中心程多く、回転方向巻線中心から回転方向に向かって離れるほど少なくなること、
を特徴とする同期電動機。
【請求項４】
請求項２または３に記載の同期電動機において、
電気的に同一特性の複数組の巻線を巻回しており外部制御装置の巻線切替手段により複数組の巻線が低速駆動時には各組の巻線が直列接続となるようにし、高速駆動時には各組の巻線が並列接続されるようにすること、
を特徴とする同期電動機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の同期電動機において、
隣り合う前記歯部への巻回方向が互いに逆向きであること、
を特徴とする同期電動機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２１８４６（Ｐ２０１３−２１８４６Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４４５５（Ｐ２０１１−１５４４５５）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００１４９０６６）オークマ株式会社 (476)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００１４９０６６）オークマ株式会社 (476)
【Ｆターム（参考）】
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