同步电动机 技术领域 本发明涉及由二相交流电驱动的同步电动机的绕组构造， 特别是涉及使转矩 (torque) 特性提高的技术。
背景技术 以往， 在各种设备中利用有由二相交流电驱动的二相电动机。
在专利文献 1 中公开了如下的二相电动机 ： 18 个转子磁铁在圆周方向等间隔地配 置， 12 个定子凸极在圆周方向等间隔地配置。在该结构中， 定子凸极的配置间隔在电角度 (electrical angle) 上为 3π/2 弧度。绕组以集中绕组的方式卷绕于各个定子凸极， 当设 定子凸极的参考标号按在圆周方向排列的顺序为 A1、 B1、 A2、 B2、 ......A6、 B6 时， A 组 (A1、 A2、 ......A6) 的各个绕组连接在一起成为 A 相绕组， B 组 (B1、 B2、 ......B6) 的各个绕组 连接在一起成为 B 相绕组， 各个定子凸极的绕组整体成为二相绕组结构。对该二相绕组供 给相位差为 π/2 弧度的二相交流电。
当供给二相交流电时， 各个绕组被励磁， 在气隙 (air gap) 中产生旋转磁场， 转子 磁铁与该旋转磁场同步地受到吸引 ( 排斥 ) 力， 并以一定速度的同步转速持续旋转。
现有技术文献
专利文献
专利文献 1 ： 日本特开平 9-163710 号公报
发明内容 发明要解决的问题
在压缩机、 电动汽车、 混合动力汽车、 燃料电池汽车等所采用的同步电动机中， 从 小型轻量、 高输出、 低振动、 低噪音、 高效率的要求出发， 特别谋求高转矩且低转矩脉动。
但是， 在以往的二相电动机中， 如下所示， 转矩脉动大， 谋求进行进一步的改善。
在以往的二相电动机中， 由于在 A 组的 6 个定子凸极 ( 相当于定子齿 ) 仅卷绕有 A 相绕组， 因此 A 组的各个定子凸极以相当于 π 弧度的周期使 6 个同时产生最大转矩。此 外， B 组的各个定子凸极从 A 组偏移 π/2 弧度， 并以相当于 π 弧度的周期使 6 个同时产生 最大转矩。即， 在二相交流电的每 1 个周期的 2π 弧度中， 转矩的峰值产生 4 次。而且， 由 于该峰值的大小是 6 个定子凸极的合成转矩， 所以转矩脉动大。
因此， 本发明的目的在于， 在接受二相交流电而进行驱动的同步电动机中， 提供一 种与以往相比能够降低转矩脉动的技术。
用于解决问题的方案
本发明所涉及的同步电动机由二相交流电驱动， 所述二相交流电由第一相和第二 相交流电构成， 其中， 所述同步电动机具备 ： 转子， 该转子包含在圆周方向等间隔地配置的 多个磁极 ； 以及定子， 该定子包含环状的定子磁轭和 N(N 为 4 以上的整数 ) 个定子齿， 该定 子齿在圆周方向隔开间隔地配置于该定子磁轭上， 在所述定子中， 在电角度上位于相同位
置的定子齿各存在 n(n 为 2 以上的整数 ) 个， 按在圆周方向排列的 k(k 为 2 以上的整数 ) 个定子齿单位呈旋转对称， 构成所述 N 个 (N 为 4 以上的整数， N ＝ k·n) 定子齿， 在各个定 子齿单位中， 当将 k 个定子齿中的一个作为基准定子齿时， 剩余的定子齿中的至少一个相 对于所述基准定子齿在电角度上位于从相当于所述二相交流电的相位差的整数倍的位置 偏移的位置， 在所述基准定子齿上， 以集中绕组的方式仅卷绕有被供给所述第一相交流电 的第一绕组和被供给所述第二相交流电的第二绕组中的任一方， 在位于所述偏移的位置的 定子齿上， 以集中绕组的方式分别卷绕有被供给所述第一相交流电的第一绕组和被供给所 述第二相交流电的第二绕组的双方， 按所述定子齿单位的每一个， 卷绕于定子齿的第一绕 组串联连接， 按与所述定子齿单位相同、 或者与其不同的在圆周方向排列的 k 个定子齿单 位的每一个， 卷绕于定子齿的第二绕组串联连接。
发明效果
根据上述结构， 至少一个定子齿相对于基准定子齿配置在从相当于二相交流电的 相位差的整数倍的位置偏移的位置， 且在该定子齿卷绕有第一绕组和第二绕组双方的绕 组。由此， 能够使位于偏移的位置的定子齿产生最大转矩的定时从使基准定子齿产生最大 转矩的定时错开。因此， 能够使二相交流电的一个周期中的转矩的峰值的次数增加而使峰 值的产生定时分散， 并且， 能够降低该峰值的大小， 其结果是， 与以往相比能够降低转矩脉 动。 附图说明
图 1 是本发明的第一实施方式所涉及的同步电动机的俯视图。 图 2 是示意性地示出图 1 的同步电动机中绕组的种类和卷绕方向的俯视图。 图 3 是图 1 的同步电动机的详细图。 图 4 是示出图 1 的同步电动机中的绕组的连接关系的图。 图 5 是示出从图 1 的同步电动机的各个定子齿产生的磁场的大小和相位的矢量图。 图 6 是以往的同步电动机的详细图。
图 7 是示出转矩的时间变化的图。
图 8 是示出本发明的第二实施方式所涉及的同步电动机中绕组的种类和卷绕方 向的俯视图。
图 9 是示出从图 8 的同步电动机的各个定子齿产生的磁场的大小和相位的矢量 图。
图 10 是示出绕组的连接关系的变形例的图。
附图标记说明
1、 21、 41 ： 同步电动机 ； 2、 42 ： 转子 ； 3、 43 ： 定子 ； 4： 转子芯 ； 5、 45 ： 永磁铁 ； 6： 磁 极； 7、 47 ： 定子齿 ； 8： 定子磁轭 ； 9： 绕组 ； 10、 11 ： 转子磁极空隙 (pole-to-pole gap)。
具体实施方式
参照附图对用于实施本发明的优选实施方式进行详细说明。
( 第一实施方式 )< 概要结构 >
图 1 是本发明的第一实施方式所涉及的同步电动机的俯视图。
同步电动机 1 由转子 2 和定子 3 构成。
转子 2 包含转子芯 4 和 20 个永磁铁 5， 永磁铁 5 在转子的圆周方向以等间隔的角 度配置于转子芯 4。由永磁铁 5 构成的磁极 6 构成 N 极、 S 极相对于定子 3 交替配置的磁极 对。磁极对 N 极、 S 极在电角度上为 2π 弧度， 相邻磁极的配置间隔在电角度上为 π 弧度。 在本实施方式中， 转子的磁极为 20 极， 电角度相对于机械角成为 10 倍的关系。
定子 3 包含环状的定子磁轭 8 和在圆周方向隔开间隔配置于定子磁轭 8 的 N 个定 子齿 7。N 只要是 4 以上的整数即可， 在本实施方式中 N ＝ 18。此外， 定子齿 7 在定子磁轭 8 的圆周方向以等间隔的角度配置。这样， 由于磁极的个数为 20 且定子齿的个数为 18， 所 以定子齿 7 沿着圆周以每半圆 10/9 的方式偏移配置， 相邻的定子齿 7 的配置间隔在电角度 上为 (π+π/9) 弧度。绕组 9 卷绕于定子齿 7。
转子磁极空隙 10、 11 意味着由配置于转子 2 的永磁铁 5 构成的磁极 N 与磁极 S 之 间的磁中性点 (magnetic neutral point) 的位置。此处， 在机械结构上也成为磁铁与磁铁 之间的位置。设从逆时针旋转方向观察由 N 极变为 S 极的磁极空隙为 10， 设从逆时针旋转 方向观察由 S 极变为 N 极的磁极空隙为 11。另外， 11’ 表示如下位置的磁极空隙位置 ： 相对 于磁极空隙 11 在电角度上为 2π 弧度， 由于磁极对的反复， 所以虽然在电角度上为相同位 置， 但在机械角上为不同的位置。 < 定子齿的位置关系和定子绕组的结构 >
图 2 是示意性地示出图 1 的同步电动机中绕组的种类和卷绕方向的俯视图， 图3 是图 1 的同步电动机的详细图。图 4 是示出图 1 的同步电动机中的绕组的连接关系的图， 图 5 是示出从图 1 的同步电动机的各个定子齿产生的磁场的大小和相位的矢量图。
首先， 对定子齿的位置关系进行说明。
对 18 个定子齿 7 赋予从 H1 到 H18 的标号。当设定子齿 H2 的位置在电角度上为 0 弧度的位置时， 定子齿 H3 在电角度上位于 (π+π/9) 弧度、 即 10π/9 弧度的位置， 定子 齿 H4 在电角度上位于 (2π+2π/9) 弧度、 即 2π/9 弧度的位置， 定子齿 H5 在电角度上位于 (3π+3π/9) 弧度、 即 12π/9 弧度的位置。这样， 表 1 中示出以定子齿 H2 作为基准时的各 个定子齿的位置。
[ 表 1]
在定子齿 H1 ～ H18 中， 在电角度上位于相同位置的定子齿各存在 n 个。n 只要是 2 以上的整数即可， 在本实施方式中， 根据表 1 可知， 在电角度上位于相同位置的定子齿各 存在 2 个。例如， 定子齿 H2、 H11 这两个定子齿在电角度上位于相同位置。这点也可以从下 述方面理解 ： 在图 2 中， 当定子齿 H2 的中心轴与磁极空隙 10 一致时， 定子齿 H 11 的中心轴
与磁极空隙 10’ 一致。
此外， 定子齿 H1 ～ H18 的位置关系为 ： 按在圆周方向排列的 k 个定子齿单位呈旋 转对称。k 只要是 2 以上的整数即可， 在本实施方式中， k ＝ 9。例如， 在图 2 中， 在逆时针 旋转方向从 H16 到 H6 的 9 个定子齿的组与从 H7 到 H15 的 9 个定子齿的组呈旋转对称。
即， 定子 3 所包含的定子齿 7 的个数 N 根据 N ＝ k·n 得到， 在本实施方式中， n＝ 2、 k ＝ 9， 由此， N ＝ 18。
下面对定子绕组的结构进行说明。在各个定子齿上以一芯绕组、 即所谓的集中绕 组 (concentrated winding) 的方式卷绕有第一绕组和第二绕组中的一方或者双方， 第一绕 组被供给二相交流电的 A 相的电流， 第二绕组被供给相对于 A 相的电流延迟 π/2 弧度的 B 相的电流。在图 2 中， 以黑色箭头示意性地示出当电流在第一绕组中流动时从定子端面观 察的电流的方向。 此外， 同样， 以白色箭头示意性地示出当电流在第二绕组中流动时从定子 端面观察的电流的方向。
首先， 对在电角度上处于 2π/3 弧度的关系的 ( 相当于以往的三相电动机的 U 相、 V 相、 W 相 ) 定子齿 H2、 H17、 H5 的绕组的结构进行说明。
在定子齿 H2 上仅卷绕有 N0 匝的第一绕组 C2( 参照图 2 的黑色箭头和图 3)。由 此， 定子齿 H2 所产生的磁场的相位变得与 A 相电流的相位相同 ( 参照图 5、 H2)。 在本实施方式中， 设在相对于定子齿 H2 的位置位于电角度为 θn 弧度的位置的定 子齿卷绕有 An 匝第一绕组和 Bn 匝第二绕组， 则匝数 An、 Bn 满足以下的关系式。
An ≈ N0×cos (θn)
Bn ≈ N0×sin (θn)
定子齿 H17 相对于定子齿 H2 在电角度上位于前进 2π/3 弧度的位置。根据上述 关系式， 卷绕于定子齿 H17 的第一绕组 C17 的匝数 A17、 第二绕组 D17 的匝数 B17 如下。
A17 ≈ N0×cos (2π/3) ＝ N0×(-0.50)
B17 ≈ N0×sin (2π/3) ＝ N0×0.87
此处， 匝数 A17 的值为负值意味着在通电时使卷绕于定子齿 H17 的第一绕组 C17 和卷绕于定子齿 H2 的第一绕组 C2 产生相反方向的磁场。 在本实施方式中， 通过使它们的卷 绕方向为相反方向从而使彼此相反方向的磁场产生， 在图 2 中以相反方向的箭头表示。另 外， 也可以使卷绕方向为相同方向， 在一方的绕组中以电流从卷绕开始端子朝卷绕结束端 子流动的方式接线， 而在另一方的绕组中以电流从卷绕结束端子朝卷绕开始端子流动的方 式接线。
在上述的算式中采用了表示右边和左边大致相等的记号 ( ≈ )， 这是因为实际上 很多情况下难以使右边和左边完全一致。 上述的记号包含在右边为小数的情况下采用接近 该小数的整数的程度的一致， 进一步， 还包含能够在设计上作为误差而忽视的程度的一致。
定子齿 H17 所产生的磁场成为由 A 相电流产生的磁场和由 B 相电流产生的磁场的 合成磁场， 其相位相对于定子齿 H2 所产生的磁场的相位延迟 2π/3 弧度 ( 参照图 5、 H17)。
另一方面， 定子齿 H5 相对于定子齿 H2 在电角度上位于延迟 2π/3 弧度的位置。 根 据上述关系式， 卷绕于定子齿 H5 的第一绕组 C5 的匝数 A5、 第二绕组 D5 的匝数 B5 如下。
A5 ≈ N10×cos (-2π/3) ＝ N0×(-0.50)
B5 ≈ N10×sin (-2π/3) ＝ N0×(-0.87)
定子齿 H5 所产生的磁场成为由 A 相电流产生的磁场和由 B 相电流产生的磁场的 合成磁场， 其相位相对于定子齿 H2 所产生的磁场的相位前进 2π/3 弧度 ( 参照图 5、 H5)。
这样， 可知 ： 通过对第一绕组和第二绕组通有相位差为 π/2 弧度的二相交流电， 从而在定子齿 H2、 H17、 H5 中产生与流过相位差为 2π/3 弧度的三相交流电的情况等价的磁 场。
以下， 同样， 对与定子齿 H2 邻接的定子齿 H1、 H3 的绕组的结构和在定子齿中产生 的磁场进行说明。
如图 3 所示， 当设逆时针旋转方向为 + 方向时， 定子齿 H1 自定子齿 H2 观察在电角 度上配置在从偏移 π 弧度后的位置延迟 π/9 弧度的位置， 定子齿 H3 自定子齿 H2 观察在 电角度上配置在从偏移 π 弧度后的位置前进 π/9 弧度的位置。
在与定子齿 H2 邻接的定子齿 H1 上， 第一绕组 C1 卷绕有 A1 ≈ N0×cos(-π-π/9) ＝ N0×(-0.94) 匝、 第二绕组 D1 卷绕有 B1 ≈ N0×sin(-π-π/9) ＝ N0×0.34 匝。第一绕 组 C1 的匝数 A1 为负值表示沿与卷绕于定子齿 H2 的第一绕组 C2 相反的方向卷绕。定子齿 H 1 所产生的磁场成为由 A 相电流产生的磁场和由 B 相电流产生的磁场的合成磁场， 其相位 相对于使 A 相反转后的 -A 相前进了 π/9 弧度 ( 参照图 5、 H1)。 在与定子齿 H2 邻接的定子齿 H3 上， 第一绕组 C3 卷绕有 A3 ＝ N0×cos(π+π/9) ＝ N0×(-0.94) 匝、 第二绕组 D3 卷绕有 B3 ＝ N10×sin(π+π/9) ＝ N0×(-0.34) 匝。第 一绕组 C3 的匝数为负值表示沿与卷绕于定子齿 H2 的第一绕组 C2 相反的方向卷绕。定子 齿 H3 所产生的磁场成为由 A 相电流产生的磁场和由 B 相电流产生的磁场的合成磁场， 其相 位相对于使 A 相反转后的 -A 相延迟了 π/9 弧度 ( 参照图 5、 H3)。
这样， 在本实施方式中， 由于各相的定子绕组拥有上述结构， 所以当对卷绕于一个 定子齿的各个绕组供给分别不同相位的电流时， 在该定子齿产生的磁场是对基于各个绕组 的磁场进行矢量合成后的磁场。
表 2 中示出当设卷绕于定子齿 H2 的第一绕组 C2 的匝数为 1.00 时卷绕于各个定 子齿的第一和第二绕组的匝数的比率。
[ 表 2]
第一绕组的匝数的比率以 A 表示， 第二绕组的匝数的比率以 B 表示， 二者的和以∑ 表示。另外， 考虑绕组的卷绕方向而以 ± 表示。
定子齿 H2(H11) 的第一绕组的匝数的比率 A 为 1.00。由于定子齿 H2、 H11 在电角 度上处于相同位置所以绕组的结构变为相同。
定子齿 H3(H12) 的第一绕组的匝数的比率 A 为 -0.94。这表示通电时的磁场的方 向与定子齿 H2(H11) 的磁场的方向为相反方向， 并且， 还表示匝数的比率为 0.94。此外， 第 二绕组的匝数的比率 B 为 -0.34。这表示在与 A 的通电方向相同方向流过电流的情况下会 产生反方向的磁场， 并且， 还表示匝数的比率为 0.34。 该定子齿 H3(H12) 的总匝数的比率相
当于 1.28。
定子齿 H4(H 13) 的总匝数的比率为 1.41， 在从定子齿 H1 到 H18 之中为最大。总 匝数的比率在从 1.00 到 1.41 的范围变化。
卷绕于各个定子齿的绕组的连接关系如图 4 所示。
按在圆周方向排列的 9 个定子齿单位的每一个， 第一绕组进行串联连接。具体地 说， 分别卷绕于沿逆时针旋转方向排列的从 H16 到 H6 这 9 个定子齿的第一绕组 C16 ～ C6 串联连接， 分别卷绕于从 H7 到 H15 这 9 个定子齿的第一绕组 C7 ～ C15 串联连接。而且， 它 们的组并联连接并连接于外部端子 T1、 T2。
此外， 按相同的定子齿单位的每一个， 第二绕组进行串联连接。具体地说， 分别卷 绕于从 H16 到 H6 这 9 个定子齿的第二绕组 D16 ～ D6 串联连接， 分别卷绕于从 H7 到 H15 这 9 个定子齿的第二绕组 D7 ～ D15 串联连接。 而且， 它们的组并联连接并连接于外部端子 T3、 T4。
通过采用以上的结构能够得到如下这样的效果。
定子齿在电角度上以 (π+π/9) 弧度的间隔等间隔地配置， 并以使各个定子齿所 产生的磁场的相位各偏移 (π+π/9) 弧度的方式设定卷绕于各个定子齿的第一和第二绕 组的匝数。 因此， 由于各个定子齿能够以最佳的定时使最大转矩产生， 所以能够提高整体的 转矩。 此外， 由于各个定子齿使最大转矩产生的定时分散， 所以与以往相比能够降低转矩脉 动。
例如， 如图 3 所示， 从定子齿 H2 观察， 定子齿 H1 在电角度上位于从偏移 π 弧度后 的位置延迟 π/9 弧度的位置。如图 5 所示， 在处于这种位置关系的定子齿 H1， 产生从将磁 场 H2 反转后的相位 ( 偏移 π 弧度后的相位 ) 前进 π/9 弧度的相位的磁场 H1。因此， 能够 当定子齿 H1 的轴与转子的磁极空隙 11 一致时使定子齿 H1 产生最大的磁场， 并且， 能够当 定子齿 H2 的轴与转子的磁极空隙 10 一致时使定子齿 H2 产生最大的磁场。
此外， 如图 3 所示， 从定子齿 H2 观察， 定子齿 H3 在电角度上位于从偏移 π 弧度后 的位置前进 π/9 弧度的位置。如图 5 所示， 在处于这种位置关系的定子齿 H3， 产生从将磁 场 H2 反转后的相位 ( 偏移 π 弧度后的相位 ) 延迟 π/9 弧度的相位的磁场 H3。因此， 能够 当定子齿 H2 的轴与转子的磁极空隙 10 一致时使定子齿 H2 产生最大的磁场， 并且， 能够当 定子齿 H3 的轴与转子的磁极空隙 11’ 一致时使定子齿 H3 产生最大的磁场。
这样， 卷绕于各个定子齿的第一和第二绕组的匝数设定成能够抵消从作为基准的 定子齿观察时的在电角度上的位置偏移。通过这样做， 由于当定子齿的轴和转子的磁极空 隙一致时， 在该定子齿产生的磁场成为最大， 所以能够使各个定子齿产生出的磁转矩最大， 能够使整体的转矩提高。 此外， 由于从各个定子齿产生出的转矩大致一定， 所以能够使转矩 脉动降低。
本实施方式是具有至少一个仅卷绕有第一和第二绕组中的一种绕组的定子齿的 结构。作为这种结构的优点可举出以下各点。
第一， 由于能够有效利用通电电流的相位， 所以绕组的空间系数比 (space factor ratio) 高， 有利于小型化。 第二， 如果卷绕于定子齿的绕组为一种， 则不需要进行相间绝缘， 使可靠性提高。 第三， 由于不需要用于进行相间绝缘的绝缘材料的空间， 能够将相应的空间 利用于绕组， 所以空间系数比高， 有利于小型化。< 转矩的比较 >
下面， 对从本实施方式的同步电动机获得的转矩和从以往的同步电动机获得的转 矩进行比较。 图 6 是以往的同步电动机的详细图。 以往的同步电动机 41 是由两种绕组 ( 以 第一绕组作为 A 相、 以第二绕组作为 B 相 ) 构成的所谓的二相电动机。同步电动机 41 由包 含永磁铁 45 的转子 42 和包含定子齿 47 的定子 43 构成。
设 4 个定子齿 47 分别为 +A 相、 +B 相、 -A 相、 -B 相， 并与转子的两个磁极 NS(2π 弧度 ) 对置。定子齿 47 的圆周方向的间隔在电角度上为 π/2 弧度且为等间隔。在各个定 子齿 47 以集中绕组的方式仅卷绕有两种绕组中的一方。
该以往方式的极数与本实施方式相同， 是采用了 20 个永磁铁 45 的 20 极。另一方 面， 以往方式的定子齿 47 的个数是集中绕组所需要的 40 个。由于相对于磁极 NS 这两种转 子磁极， 定子齿的绕组是 +A、 +B、 -A、 -B 的四种， 所以在相当于通电电流的一个周期的 1 个电 角度中会产生 4 个转矩脉动。 此外， 作为无通电时的转矩脉动的齿槽转矩 (coggingtorque) 也是每一周 40 个， 难以得到平滑的旋转。
图 7 是示出转矩的时间变化的图。
T1 表示从本实施方式的同步电动机获得的转矩波形， T0 表示从以往的同步电动 机获得的转矩波形。两者使与 1 个磁极对对置的定子绕组的匝数和通电的电流的乘积相同 来进行比较。由此， 对于转矩的大小， 与以往相比， 在本实施方式中能够提高 140％。此外， 对于转矩脉动相对于平均转矩的比即转矩脉动率， 与现有例的 120％相比， 在本实施方式中 能够大幅降低至 5.3％。这样， 根据本实施方式， 能够使以往考虑为折衷 (trade-off) 的关 系的高转矩化和转矩脉动的降低得到兼顾。 < 补充说明 >
在本实施方式的同步电动机中， 转子磁极的间隔为机械角 18deg( 电角度为 π 弧 度 )， 与此相对， 定子齿的间隔为从机械角 18deg 偏移了的机械角 20deg。通过这样使得具 有机械相位差， 从而能够降低作为无通电时的转矩脉动的齿槽转矩。
此外， 在本实施方式的同步电动机中， 定子齿成为相对于电角度 π 弧度分别具有 π/9 弧度的相位差的配置， 在各个定子齿所产生的磁场中， 通过改变具有 π/2 弧度的相位 差的两种绕组的匝数比并卷绕于定子齿， 从而能够使得具有 π/9 弧度的相位差。因此， 由 于能够使从各个定子齿获得的转矩相同， 所以能够抵消以 π/3 弧度作为基本周期的转矩 脉动， 而且， 由于能够使从各个定子齿获得的转矩最大， 所以能够提高整体的转矩。
另外， 由于在上述的说明中仅考虑了由永磁铁造成的磁转矩， 所以以当定子齿的 轴和转子的磁极空隙一致时该定子齿所产生的磁场的大小为最大的方式对磁场的相位进 行调整。但是， 本实施方式的同步电动机是将永磁铁配置在转子芯内部的所谓的磁铁埋入 式同步电动机， 是除了能够利用由磁铁产生的磁转矩之外还能够利用由磁阻的差产生的磁 阻转矩 (reluctance torque) 的同步电动机。因此， 有时为了活用磁转矩和磁阻转矩二者 而获得最大转矩， 以在定子齿的轴和转子的磁极空隙偏移的位置关系下使定子齿所产生的 磁场的大小为最大的方式对磁场的相位进行调整是有效的。
此外， 在本实施方式中， 为了将定子绕组卷绕于定子齿而采用了集中绕组。因此， 能够实现定子的端面的绕组即所谓的线圈端部 (coil end) 的小型化， 能够进行同步电动机 的小型化。 此外， 绕组的线圈端部是即便流过电流也不会对转矩作出贡献的部分， 能够降低
由通电时的绕组电阻产生的焦耳热损失即铜损， 效率高。
此外， 在本实施方式中采用了转子配置在定子的外周侧的所谓的外转子型。 因此， 在以相同体积进行比较的情况下， 与转子配置在定子的内周侧的内转子型相比， 能够增大 转子直径。因此， 即便是像本实施方式这样的极数为 20 这样的同步电动机， 由于无需缩小 永磁铁的大小， 所以也能够防止有效磁通的降低。
此外， 虽然在本实施方式中， 是转子磁极的数量为 20 个、 定子齿的数量为 18 个的 同步电动机， 但是， 只要是相对于定子齿为 9 个或者 27 个等 9 的倍数、 转子的磁极数为 10 的倍数的组合， 即 10q 极 9q 齿 (q 为正整数 ) 的组合， 就可通过在电角度上成为上述的关系 成立的配置关系， 从而能够获得同样的效果。
此外， 在本实施方式中， 在 18 个定子中， 在电角度上位于相同位置的定子齿各存 在 2 个， 而且， 它们的位置关系成为按在圆周方向排列的 9 个定子齿单位呈旋转对称。 因此， 由定子齿造成的径向的合成吸引力为 0， 不会对转子作用磁吸引力。因此， 不会对轴承寿命 给予不良影响， 能够获得长寿命的同步电动机。同样， 在 30 极 27 齿中， 由于成为由 9 个定 子齿构成的组合有 3 组、 且相对于轴成为机械角每 120deg 的配置， 所以由对绕组通电的定 子齿产生的径向的合成吸引力为 0， 不会对转子作用磁吸引力。 此外， 通过成为使定子齿和转子的磁极中的任一方、 或者二者在旋转轴方向回转 的结构， 从而磁通变化更加平滑， 能够做成振动更低的同步电动机。
此外， 通过对定子的磁性材料采用压粉铁芯材料、 薄板的磁性材料或者非晶态磁 性材料， 从而能够大幅地降低铁损， 能够做成效率更高的同步电动机。
此外， 构成 1 极的永磁铁由多个构成， 由此能够降低在永磁铁中产生的涡流损耗， 能够做成效率更高的同步电动机。
此外， 通过成为绕组的多个细径的绕组、 扁平的平角线， 从而能够扩大绕组的表面 积， 能够降低高频驱动时的集肤效应 (skin effect)， 能够做成效率高的同步电动机。
虽然在本实施方式中， 如从图 5 的示出磁场的大小和相位的矢量图所看出的那 样， 输入的电流是第一相的电流 ( 矢量 A) 和第二相的电流 ( 矢量 B)， 但是， 能够在定子齿 中制作出由二者的绕组的匝数比合成的从 H1 到 H9( 从 H10 到 H18) 的 9 种相位。因此， 相 对于普通的二相电动机的 π/2 弧度， 能够以 2π/9 弧度的相位差进行驱动， 因此能够实现 2 倍以上的平滑的驱动。
以上， 根据本实施方式， 能够使转矩提高并降低转矩脉动， 能够提供一种小型、 高 输出、 低振动、 低噪音、 高效率的同步电动机。
( 第二实施方式 )
第二实施方式的定子齿的配置角度和绕组的结构与第一实施方式不同。 除此以外 的结构都与第一实施方式相同， 因此省略说明。
图 8 是示出本发明的第二实施方式所涉及的同步电动机中绕组的种类和卷绕方 向的俯视图， 图 9 是示出从图 8 的同步电动机的各个定子齿产生的磁场的大小和相位的矢 量图。
与第一实施方式的差异是 ： 在同步电动机 21 中定子齿的配置并不是等间隔的、 以 及第一和第二绕组的匝数的比率不同。在使定子齿的配置从等间隔错开的情况下， 如果第 一和第二绕组的匝数仍然是以等间隔的配置为前提决定的值的话， 则从该定子齿产生的磁
场的相位就从最佳相位偏移了。因此， 将第一和第二绕组的匝数校正从等间隔的配置偏移 的量， 对从定子齿产生的磁场最佳地设定相位。
< 定子齿的位置关系和定子绕组的结构 >
在第一实施方式中定子齿的配置角度为 20deg( 机械角 ) 且为等间隔。在图 8 中 利用 H4A、 H9A、 H13A、 H18A 和 H6A、 H7A、 H15A、 H16A 示出了不是 20deg 的等间隔的定子齿。
定子齿 H4A 相对于 H3 配置成 19deg 的间隔， H9A 相对于 H10 配置成 19deg 的间隔， H13A 相对于 H12 配置成 19deg 的间隔， H18A 相对于 H1 配置成 19deg 的间隔， 相对于第一实 施方式偏移了 1deg( 在电角度上为 10deg、 π/18 弧度 )。
此外， 定子齿 H6A 相对于 H5 配置成 21deg 的间隔， H7A 相对于 H8 配置成 21deg 的 间隔， H15A 相对于 H14 配置成 21deg 的间隔， H 16A 相对于 H17 配置成 21deg 的间隔， 相对 于第一实施方式偏移了 1deg( 在电角度上为 10deg、 π/18 弧度 )。因此， H6A 和 H7A 成为在 电角度上间隔 π 弧度的配置， H15A 和 H16A 也成为在电角度上间隔 π 弧度的配置。
在本实施方式中， 使定子齿的位置从等间隔地配置定子齿的情况下的位置在电角 度上 ±π/9 弧度的范围内错开。 表 3 中示出以定子齿 H2 作为基准时的各个定子齿的位置。
[ 表 3]
由此， 可知 ： 虽然 18 个定子齿的间隔不等， 但是在电角度上位于相同位置的定子 齿各存在 2 个， 而且按在圆周方向排列的 9 个定子齿单位呈旋转对称。
下面对定子绕组的结构进行说明。
在定子齿以所谓的集中绕组的方式卷绕有第一和第二绕组双方或者一方。在图 8 中， 以黑色箭头示意性地示出对第一绕组通电的情况下电流流动的方向。此外， 同样， 以白 色箭头示意性地示出对第二绕组通电的情况下电流流动的方向。
表 4 中示出卷绕于定子齿的第一和第二绕组的匝数的比率。
[ 表 4]
在第二实施方式中， 使 H4A(H13A)、 H6A(H15A)、 H7A(H16A)、 H9A(H18A) 的配置从等 间隔错开， 并将匝数的比率校正该错开的量。 另外， 第一和第二绕组的匝数从以下的关系式 获得， 这点与第一实施方式同样。
An ≈ N0×cos (θn)
Bn ≈ N0×sin (θn)
例如， 在 H6A(H15A)、 H7A(H16A) 上仅卷绕有第二绕组 29b， 这些定子齿的总匝数的 比率为 1。由此， 能够成为比第一实施方式的 H6(H15)、 H7(H16) 的总匝数的比率 1.16 少的 匝数。
此外， 在定子齿 H4A(H13A)、 H9A(H18A) 中， 由于配置位置相对于等间隔的情况在 电角度上偏移了 π/18 弧度 (10deg)， 所以使第一绕组的匝数的比率为 0.87， 使第二绕组的 匝数的比率为 0.50， 使总匝数的比率为 1.37。由此， 能够成为比第一实施方式的 H4(H13)、 H9(H18) 的总匝数的比率 1.41 少的匝数。
这样， 在本实施方式中， 通过缩小总匝数的比率， 从而能够使绕组的空间系数比增 加， 能够获得与第一实施方式同等的效果， 而且有利于进一步的小型化。
此外， 在本实施方式中， 与第一实施方式相比， 能够增加仅卷绕有第一和第二绕组 中的一方的定子齿的个数。由此， 能够实现制造成本的削减。
虽然在本实施方式中， 如从图 9 的示出磁场的大小和相位的矢量图所看出的那 样， 输入的电流是第一相的电流 ( 矢量 A) 和第二相的电流 ( 矢量 B)， 但是， 能够在定子齿中 制作出由二者的绕组的匝数比合成的从 H1 到 H9A( 从 H10 到 H18A) 的 9 种相位， 相对于普 通的二相电动机的 π/2 弧度， 能够以 π/6 弧度、 2π/9 弧度以及 π/3 弧度的相位差进行驱 动， 因此能够实现从 1.5 倍到 2 倍的程度的平滑的驱动。
此外， 在本实施方式中具有以下特征 ： 通过微小的定子齿的配置变更和绕组比的 变更， 从而能够从等间隔变更 9 种相位差。由此， 能够启发实现任意的相位差的组合， 在由 搭载电动机的设备产生难以避免的共振的情况下能够容易地避免共振。
根据上述结构， 通过使定子齿在电角度上的配置间隔从相当于二相交流电的相位 差的整数倍的位置错开， 从而可以降低转矩脉动。即， 能够提高无通电时的齿槽转矩的次 数， 能够减小齿槽转矩的值。
进一步， 通过在从相当于二相交流电的相位差的整数倍的位置错开配置的定子齿 上， 以对错开的量进行校正的绕组比率卷绕第一和第二绕组双方， 从而在通电时能够增大 从定子齿产生的转矩， 能够降低转矩脉动而不会降低转矩。
以上根据实施方式对本发明所涉及的同步电动机进行了说明， 但是， 本发明并不 限于这些实施方式。例如可以考虑如下的变形例。
(1) 在实施方式中， 当以某一定子齿作为基准时， 剩余的定子齿中的全部或者大部 分的定子齿都在根据电角度的角度上配置在从相当于二相交流电的相位差 (π/2 弧度 ) 的 整数倍的位置偏移的位置。 但是， 本发明并不限于此， 通过即便以剩余的定子齿中的一个处 于偏移的位置关系， 从而也能够与以往相比降低转矩脉动。
(2) 虽然在实施方式中， 设二相交流电的相位差为 π/2 弧度， 但是， 本发明并不限 于此。在设二相交流电的相位差为任意的 φ 弧度的情况下， 各个定子齿的第一和第二绕组 的匝数能够通过以下的关系式获得。
An ＝ N0×{cos(θn)-sin(θn)/tan(φ)}
Bn ＝ N0×{sin(θn)/sin(φ)}
(3) 在实施方式中， 如图 4 所示， 按定子齿单位的每一个， 第一绕组进行串联连接，按与其相同的定子齿单位的每一个， 第二绕组进行串联连接。 即， 串联连接第一绕组的定子 齿单位和串联连接第二绕组的定子齿单位相同。 但是， 本发明中， 只要是按在圆周方向排列 的 k 个 ( 在本实施方式中为 9 个 ) 的定子齿单位的每一个进行串联连接， 就也可以是串联 连接第一绕组的定子齿单位和串联连接第二绕组的定子齿单位不同。在图 10(a) 中示出这 种例子。在图 10(a) 中， 对于第一绕组， 串联连接的单位按在圆周方向排列的从 H16 到 H6 这 9 个定子齿和从 H7 到 H15 这 9 个定子齿进行区分。与此相对， 对于第二绕组， 串联连接 的单位按在圆周方向排列的从 H2 到 H10 这 9 个定子齿和从 H11 到 H1 这 9 个定子齿进行区 分。
(4) 虽然在实施方式中， 如图 4 所示， 第一绕组 C16 ～ C6 的组和 C7 ～ C15 的组并 联连接， 并且， 第二绕组 D16 ～ D6 的组和 D7 ～ D15 的组并联连接， 但是， 本发明并不限于此。 例如， 如图 10(b) 所示， 也可以是第一绕组 C16 ～ C6 的组和 C7 ～ C15 的组串联连接， 并且 第二绕组 D16 ～ D6 的组和 D7 ～ D15 的组串联连接。
(5) 虽然在本实施方式中， 以定子齿的个数为 18、 磁极的个数为 20 的例子进行了 说明， 但是， 本发明并不限于此。只要定子齿的个数为 4 以上、 磁极的个数是与定子齿的个 数不同的偶数个， 就能够应用本发明。
(6) 虽然在本发明中举出了 10q 极 9q 齿的结构， 但是， 本发明能够进行不限于此 的磁极和齿数的组合。例如， 也可以是 8q 极 9q 齿、 10q 极 12q 齿 (q 为正整数 )、 16q 极 15q 齿的结构。
(7) 虽然在实施方式中举例示出了二相驱动且与三相驱动等价的同步电动机， 但 是， 本发明也能够应用于二相驱动且与例如五相或七相等多相驱动等价的同步电动机。
(8) 虽然在实施方式中定子绕组卷绕于定子齿， 但是， 本发明并不限于此， 也能够 应用于没有定子齿的所谓的无芯电动机 (corelessmotor)。
(9) 虽然在实施方式中并未特别举出， 但是， 也可以实施定子绕组随着在转子的轴 向前进而在圆周方向最大偏移定子绕组的配置间隔的歪斜配置 (skew arrangement)。
(10) 虽然在实施方式中以转子配置在定子的外侧的外转子型的同步电动机进行 了说明， 但是， 即使是将转子配置在定子的内侧的内转子型同步电动机、 转子和定子在轴向 带有空隙配置的所谓的面对置的轴向间隙 (axial gap) 式同步电动机、 组合了多个上述的 同步电动机的构造的同步电动机， 当然也有相同的效果。
(11) 虽然在实施方式中， 利用永磁铁构成转子的磁极， 但是， 在利用由磁阻的差构 成的磁阻转矩的同步电动机、 在转子中组合了二者的同步电动机中也能够应用。
(12) 本发明并不限于同步旋转机， 也能够应用于同步发电机， 此外， 也能够应用于 直接驱动 (direct drive) 的线性同步电动机、 线性同步发电机。
(13) 本发明能够提供小型、 高输出、 低振动、 低噪音、 高效率的同步电动机， 对于要 求低振动、 低噪音性的汽车的用途是特别有用的。
产业上的可用性
本发明能够利用于要求小型高效且低振动低噪音性的压缩机用、 电动汽车、 混合 动力汽车、 燃料电池汽车等的同步电动机。