DE102014100410A1

DE102014100410A1 - Drei - Phasen - Wechselstrommotor

Info

Publication number: DE102014100410A1
Application number: DE102014100410.8A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Shizu
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: US20140210297A1; CN103973015A; US9502936B2; DE102014100410B4; JP5956976B2; CN103973015B; JP2014168369A

Abstract

Eine Mehrzahl von Spulen C1 bis Cm, die eine vollständige Wicklung L jeder Phase bilden, wird in g Spulengruppen G1 bis Gg für jede Phase unterteilt. Jede Spulengruppe wird beispielsweise durch Spulen C1 bis C4 gebildet, die um kontinuierlich angeordnete Polzähne gewickelt sind. Die Zahl von Windungen jeweiliger Endspulen C1 und C4 der Spulengruppe ist kleiner als die Zahl von Windungen zentraler Spulen C2 und C3. Ferner umfasst die vollständige Wicklung L n Teilwicklungen N1 bis Nn, in denen eine Spule Cj (wobei j eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis m ist) durch n Unterspulen S (1, j) bis S (n, j) gebildet wird, die durch die n Teilwicklungen gebildet werden. Es ist möglich, einen nicht ganzzahligen Wert als effektive Zahl von Windungen einer Spule festzulegen, wenn die Zahl von Windungen jeder Unterspule in geeigneter Weise gewählt wird.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldungen Nr. 2013-014578 , eingereicht am 29.01.2013, und Nr. 2013-260913 , eingereicht am 18.12.2013, welche hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drei-Phasen-Wechselstrommotor, und insbesondere eine Wicklungsanordnung der Wicklung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein elektrischer Motor (nachfolgend als „Motor” bezeichnet) umfasst einen Stator, der ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, und einen Rotor, der um seine Rotationswelle rotieren kamt, während er mit dem erzeugten rotierenden Magnetfeld wechselwirkt. Das rotierende Magnetfeld kann erzeugt werden, wenn elektrischer Strom einer Wicklung hinzugeführt wird, die um den Stator gewickelt ist. Falls der elektrische Strom, der der Wicklung zugeführt wird, ein Drei-Phasen-Wechselstrom ist, wird der elektrische Motor als Drei-Phasen-Wechselstrommotor bezeichnet.
Ein Drei-Phasen-Wechselstrommotor wird üblicherweise zum Antrieb einer Hauptspindel oder einer Vorschubwelle eines Bearbeitungswerkzeugs verwendet. Insbesondere wird Drei-Phasen-Wechselstromsynchronmotor vorzugsweise als eine Antriebsquelle verwendet, da er genau die Winkelposition oder die Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors steuern kann.
Im folgenden wird der Drei-Phasen-Wechselstromssynchronmotor im einzelnen beschrieben.
1 ist ein Querschnitt zur Darstellung wesentlicher Teile eines herkömmlichen Elektromotors 900. Der Elektromotor 900 umfasst einen Stator 90 und einen Rotor 93. Der Stator 90 hat einen zylindrischen Körper mit einer zylindrischen inneren Oberfläche, auf der eine Mehrzahl von Polzähnen T1 bis T18 in der Umfangsrichtung angeordnet sind. In dem dargestellten Beispiel ist die Anzahl der Polzähne T1 bis T18 gleich 18. Jeder Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Polzähnen wird als Schlitz bezeichnet. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, weist der Stator 90 achtzehn Schlitze S1 bis S18 auf. Wicklungen 91, die entlang eines Wicklungswegs angeordnet sind, der in jeden Schlitz führt, sind um jeden Polzahn auf solche Weise gewickelt, dass sie einen magnetischen Pol bilden. Die dargestellten Wicklungen 91 des elektrischen Motors 900 weisen eine konzentrierte Wicklung auf, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Draht um einen Polzahn in dichter Weise gewickelt ist.
Die Wicklungsanordnung der Wicklungen 91 wird im einzelnen anhand der 2 und 3 beschrieben. 2 zeigt schematisch einen Elektromotor. In der Zeichnung ist ein Teil, der durch M bezeichnet ist, der Elektromotor 900. Drei Linien, die sich von dem Bereich M nach außen erstrecken, sind dreiphasige Leitungen des Elektromotors 900. Jede Schraubenlinie in dem Bereich M ist eine Wicklung in dem Elektromotor 900. Eine Wicklungsanordnung einer U-Phasen-Wicklung (d. h. eine der Drei-Phasen-Wicklungen), die zwischen den U- und X-Wicklungen angeordnet ist, wird im Detail anhand von 3 beschrieben. Die Wicklung 91 ist dreimal um jeden der aufeinanderfolgenden Polzähne T2, T3 und T4 nacheinander gewickelt, zur Bildung von drei Spulen C1, C2 und C3. Ferner ist die Wicklung 91 dreimal um jeden der drei aufeinanderfolgenden Polzähne T11, T12 und T13 gewickelt, die von den Polzähnen T2, T3 und T4 beabstandet sind, zur Bildung von Spulen C4, C5 und C6 an jeweiligen Polzähnen T11, T12 und T13. Die Anzahl der Male, die die Wicklung um jeden Polzahn gewickelt ist, wird im allgemeinen als „Anzahl von Windungen” bezeichnet. Die Anzahl von Windungen jeder Spule, die in 3 dargestellt sind, beträgt 3. Jede der V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen ist gleich der U-Phasen-Wicklung, derart, dass die Wicklung 91 aufeinanderfolgend um jeden der drei aufeinanderfolgenden Polzähne gewickelt ist und anschließend um drei weitere Polzähne gewickelt ist, die von den vorhergehenden drei Polzähnen beabstandet sind, obwohl die Polzähne nicht die gleichen sind. Als Ergebnis können konzentrierte U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungsspulen in Schritten von drei Polzähnen gebildet werden.
Andererseits umfasst der Rotor 93 einen Ring 95, der mit einem magnetischen Element 94 gekoppelt ist, und eine Mehrzahl von Dauermagneten 96, die an dem magnetischen Element 94 befestigt sind (siehe 1). Der vorstehend erwähnte Elektromotor 900 ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Spulen gleicher Phase kontinuierlich in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Daher hat der magnetische Fluss, der gebildet wird, wenn elektrischer Strom der Wicklung 91 zugeführt wird, eine trapezförmige Verteilung, entsprechend welcher die Größe des magnetischen Flusses in annähernd dem gesamten Bereich aufeinanderfolgender Spulen im wesentlichen konstant ist, und plötzlich am Ende der aufeinanderfolgen Spulen gedämpft wird. Die trapezförmige Verteilung ist nicht erwünscht, da sie zu einer Welligkeit des Drehmoments führt.
Um die Welligkeit des Drehmoments zu verringern, kann es wirkungsvoll sein, die Form jedes Polzahns zu optimieren, der den Stator bildet, wie in der japanischen Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Nr. Hei 2-30270 beschrieben ist. Genauer gesagt, eine Stirnfläche jedes Polzahns, der dem Rotor zugewandt ist, ist auf solche Weise gekrümmt, dass der Abstand zwischen dem Polzahn und dem Rotor in der Mitte kürzer ist und an jedem Ende der Stirnfläche in Umfangsrichtung größer ist. Eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Stirnfläche eines Polzahns und dem Rotor ist jedoch nicht erwünscht, da die magnetische Kraft, die zwischen dem Polzahn und dem Rotor wirkt, auf unerwünschte Weise geschwächt wird. Ferner kann eine Schrägstruktur verwendet werden, wie sie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 11-308795 diskutiert wird. Genauer gesagt, die Schrägstruktur umfasst eine Nut, die auf einer äußeren zylindrischen Oberfläche eines zylindrischen Rotorkerns auf solche Weise aufgebracht ist, dass sie sich gegenüber einer Rotationswelle neigt. Die Schrägstruktur ist jedoch unerwünscht, da das Drehmoment zum Anwachsen neigt. Ferner kann eine verteilte Wicklung (d. h. eine andere Wicklung als die konzentrierte Wicklung) verwendet werden.
Wie vorstehend erwähnt, ist die Anzahl der Windungen der Spule in 3 gleich 3. Die Anzahl von Windungen eines Elektromotors wird unter Berücksichtigung der erforderlichen Leistungsspezifikationen bestimmt. Es ist allgemein bekannt, dass die Spannung, die über eine Wicklung des Elektromotors erzeugt werden muss, proportional zu der Anzahl von Windungen der Wicklung und eines Betrags der zeitlichen Veränderung des magnetischen Flusses ist, der die Wicklung schneidet. In einem Fall, in welchem die Stromversorgung an dem Elektromotor konstant ist, wächst daher das vom Motor zu erzeugende Drehmoment entsprechend dem Zuwachs der Zahl der Windungen an. Andererseits wächst die über die Wicklung zu erzeugende Spannung entsprechend dem Zuwachs der Anzahl der Windungen. Die über die Wicklung zu erzeugende Spannung wächst proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors. Falls daher die Anzahl der Windungen zunimmt, wächst die über die Wicklung zu erzeugende Spannung an, wenn die Rotationsgeschwindigkeit hoch ist. Falls die über die Wicklung zu erzeugende Spannung eine Leistungsversorgungsspannung eines Verstärkers erreicht, der dem Elektromotor elektrische Leistung zuführt, kann der Elektromotor nicht angetrieben werden, da dem Elektromotor kein Strom mehr vom Verstärker zugeführt werden kann. Somit wird die Anzahl der Windungen einer Wicklung so bestimmt, dass eine gewünschte Leistung, d. h. ein Produkt der Rotationsgeschwindigkeit und des Drehmoments erreicht werden kann, wenn der Strom in einem Bereich zugeführt wird, in welchem die über die Wicklung zu erzeugende Spannung nicht einen zulässigen Wert überschreitet, der zuvor bestimmt worden ist.
Im allgemeinen ist die Anzahl der Windungen einer Spule ganzzahlig und nimmt einen diskreten Wert an. Es kann daher schwierig sein, eine Beziehung zwischen dem Ausgangsergebnis und der über die Wicklung zu erzeugende Spannung zu optimieren. Die Beziehung zwischen der Leistung und der über die Wicklung zu erzeugende Spannung wird im einzelnen anhand der 4 und 5 beschrieben. 4 stellt eine Beziehung zwischen einer Basisrotationsgeschwindigkeit nb, einer maximalen Rotationsgeschwindigkeit nt und einer Ausgangsleistung p0 dar, die erforderlich ist, um die gewünschte Leistung zu erbringen. In einem Fall, in welchem die Anzahl von Windungen einer Spule gleich 2 ist, ist es möglich, die über die Wicklung zu erzeugende Spannung gleich oder kleiner als den erlaubten Wert in dem gesamten Rotationsbereich (von 0 bis nt) festzulegen. Bei der Basisrotationsgeschwindigkeit nb ist jedoch das zu erzeugende Drehmoment kleiner, und die erforderliche Ausgangsleistung p0 kann nicht erreicht werden. In 5 bezeichnet eine gestrichelte Linie die Leistungsmerkmale, die in diesem Fall erreichbar sind. Falls die Anzahl der Windungen auf 3 erhöht wird, um die erforderliche Ausgangsleistung p0 zu erreichen, kann die über die Wicklung zu erzeugende Spannung den erlaubten Wert in einem höheren Geschwindigkeitsbereich überschreiten. Daher ist es erforderlich, den Strom, der der Wicklung zugeführt wird, auf solche Weise zu reduzieren, dass die Spannung, die über die Wicklung zu erzeugen ist, in einem Geschwindigkeitsbereich reduziert wird, der den vorbestimmten Wert (d. h. die Rotationsgeschwindigkeit nc oder mehr) überschreitet. Dies führt dazu, dass die geforderte Leistung in einem höheren Geschwindigkeitsbereich nicht erreicht werden kann. In 5 bezeichnet eine durchgezogene Linie die Ausgangsleistungsmerkmale, die in diesem Fall erreichbar sind. Die geforderte Leistung, die in 4 dargestellt ist, kann erreicht werden, falls es möglich ist, die Anzahl der Windungen auf einen Wert zwischen 2 und 3 festzulegen. Wie aus der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2012-135133 bekannt ist, kann die Anzahl der Windungen auf einen nicht ganzzahligen Wert in einer Wicklung vom verteilten Wicklungstyp festgelegt werden.
Bei der Wicklung vom konzentrierten Wicklungstyp ist es leicht, Maßnahmen zur Durchführung der Spulenbildung durchzuführen, verglichen mit Wicklungen vom verteilten Wicklungstyp. Der konzentrierte Wicklungstyp neigt jedoch dazu, eine Welligkeit des Drehmoments zu verursachen. Falls ferner die Anzahl der Windungen in der Wicklung eine ganze Zahl ist, können die verlangten Leistungsmerkmale jedoch nicht in ausreichendem Maße erreicht werden, wie aus der Beziehung zwischen der Ausgangsleistung bei einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit und der in der Wicklung zu erzeugenden Spannung bei einer höheren Rotationsgeschwindigkeit ersichtlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die Reduktion der Welligkeit des Drehmoments und/oder die Schaffung eines nicht ganzzahligen Werts als Zahl der Windungen in einem Elektromotor mit Wicklungen vom konzentrierten Wicklungstyp.
Ein Drei-Phasen-Wechselstrommotor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Stator mit T Polzähnen, die in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, und mit einem Satz von Wicklungen, die eine Mehrzahl von Spulen bilden, die in konzentrierter Weise um die Polzähne herum gewickelt sind, und einen Rotor, der den T-Polzähnen gegenüberliegend angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Spulen, die den Satz von Wicklungen von jeder der drei Phasen bilden, ist in g Spulengruppen für jede Phase unterteilt. Jede Spulengruppe wird durch Spulen gebildet, die um h Polzähne gewickelt sind, die durchgehend angeordnet sind. Ferner teilen d Spulen einer Spulengruppe, die kontinuierlich von ihrem Ende her angeordnet sind, zumindest einen Polzahn mit einer benachbarten Spulengruppe. Die folgende Beziehung wird erfüllt, wenn T die Anzahl von Zähnen darstellt, g die Anzahl von Spulengruppen darstellt, h die Anzahl aufeinanderfolgender Spulen darstellt, und d die Anzahl von Spulenteilungen darstellt: T = 3 × g × (h – d).
Der Satz von Wicklungen wird gebildet durch n Teilwicklungen, die parallel zueinander liegen. Eine Spule aus diesem Satz von Wicklungen wird gebildet durch n Unterspulen mit einer vorbestimmten Anzahl von Windungen, die durch n Teilwicklungen gebildet werden. Eine Gesamtzahl von Windungen der Unterspulen, die zu einer Teilwicklung gehören, ist zwischen entsprechenden Teilwicklungen gemeinsam. Die Anzahl von Windungen einer Spule, die einen Polzahn teilen (d. h. eine effektive Anzahl von Windungen einer Spule, die zumindest einen Polzahn mit der benachbarten Spulengruppe teilen) ist kleiner als die Anzahl von Windungen einer Spule, die einem Polzahn allein zugeordnet ist (d. h. eine effektive Anzahl von Windungen einer Spule, die keinen Polzahn mit der benachbarten Spulengruppe teilen). Die effektive Anzahl von Windungen ist ein Wert, der erhalten wird durch Teilen einer Gesamtzahl von Windungen von n Unterspulen, die eine Spule bilden, durch n, genauer gesagt, ein Mittelwert.
Wenn die effektive Anzahl von Windungen einer Spule, die einen Polzahn teilen (d. h. eine Endspule der Spulengruppe, welche eine aus einer Mehrzahl von Spulen ist, die eine Spulengruppe bilden, kleiner festgelegt wird als diejenige einer mittleren Spule, ist es möglich, die magnetische Flussdichte allmählich oder schrittweise von der Mitte zum Ende hin zu reduzieren. Auf diese Weise kann eine Welligkeit des Drehmoments reduziert werden.
Zumindest eine Spule, die in der Spulengruppe enthalten ist, kann gebildet werden durch eine Mehrzahl von Arten von Unterspulen, die sich in der Anzahl von Windungen unterscheiden. Genauer gesagt, es ist unnötig, die Unterspulen, die eine Spule bilden, in der Anzahl von Windungen zu vereinheitlichen. Die Schaffung einer Mehrzahl von Unterspulen, die sich in der Anzahl von Windungen unterscheiden, bewirkt die Festlegung einer effektiven Anzahl von Windungen einer Spule, die durch diese Unterspulen gebildet wird, auf eine nicht ganze Zahl.
Spulen, die jeweils zumindest einen Polzahn mit der benachbarten Spulengruppe teilen, können die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen. Ferner können jeweils Spulen, die keinen Polzahn mit der benachbarten Spulengruppe teilen, die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen.
Die Anzahl von Windungen der Spule, die einen Polzahn teilen, ist gleich der Anzahl von Windungen der Spule, die einen Polzahn für sich allein aufweisen (d. h. nicht teilen).
Die Anzahl von Windungen einer Spule, die einen Polzahn teilen, beträgt die Hälfte der Zahl derjenigen Spulen, die einen Polzahn für sich aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Summe der Zahlen von Windungen der Unterspulen, die in Positionen mit dem gleichen elektrischen Winkel innerhalb der Unterspulen angeordnet sind, die zu einer bestimmten Teilwicklung gehören, vorzugsweise gleich für alle Teilwicklungen. Bei dieser Anordnung werden die Phasen der Spannungen, die in die jeweiligen Teilwicklungen induziert werden, gleich, so dass die Erzeugung von Kreisströmen verhindert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, den Aufbau so zu wählen, dass die Anzahl von Windungen von jeder einen Zahn teilenden Spule, die einen Polzahn mit einer benachbarten Spulengruppe teilt, gleich für die jeweils einen Zahn teilenden Spulen ist, und ferner so, dass die Anzahl von Windungen in jeder einen Zahn in Alleinstellung besitzenden Spule, die keinen Polzahn mit einer benachbarten Spulengruppe teilt, für die jeweiligen einen Zahn in Alleinstellung besitzenden Spulen gleich ist, und ferner so, dass in einer Unterspulengruppe, die zu einer bestimmten Teilwicklung gehört und welche zu einer bestimmten Spulengruppe gehört, ein Absolutwert von Produkten minimal ist, die für die jeweiligen Unterspulen, die zu dieser Unterspulengruppe gehören, erhalten werden durch Multiplikation einer positionellen Abweichung und der Anzahl von Windungen in jeder Unterspule. Eine positionelle Abweichung einer Unterspule ist ein orientierter Abstand, ausgedrückt in einer elektrischen Winkelposition, von einer Mittenposition einer Spulengruppe zu der Position dieser Unterspule. Ein „orientierter Abstand” ist ein Begriff, der nicht lediglich einen Abstand bezeichnet, sondern auch eine Orientierung, und in der folgenden Beschreibung bezeichnet ein „orientierter Abstand” einen Abstand von einer Mittelposition einer Unterspulengruppe, ausgedrückt unter Verwendung eines positiven Vorzeichens zur Bezeichnung der Motorrotationsrichtung und ausgedrückt unter Verwendung eines negativen Vorzeichens zur Bezeichnung der entgegengesetzten Rotationsrichtung. Ein „orientierter Abstand” kann auch als „bezeichneter Abstand” bezeichnet werden. Durch die vorstehend beschriebene Anordnung wird eine indizierte Spannung in jeder einzelnen Spulengruppe unterdrückt, und im Ergebnis wird ein Kreisstrom unterdrückt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Welligkeit des Drehmoments in einem Drei-Phasen-Wechselstrommotor reduziert werden, der Wicklungen vom konzentrierten Wicklungstyp aufweist. Ferner wird es möglich, eine größere Anpassbarkeit für geforderte Leistungsspezifikationen zu schaffen, da die Anzahl von Windungen nicht auf einen ganzzahligen Wert beschränkt ist und auf einen nicht ganzzahligen Wert festgelegt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht durch einen herkömmlichen Elektromotor.
2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Elektromotors.
3 zeigt ein Beispiel für eine herkömmliche Drahtwicklungsanordnung.
4 zeigt ein Beispiel für die erforderlichen Ausgangsleistungsmerkmale eines Elektromotors.
5 zeigt ein Beispiel für eine tatsächliche Motorleistung.
6 ist ein Querschnitt durch einen Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt ein Beispiel für eine Drahtwicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Drahtwicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Drahtwicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Drahtwicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Drahtwicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Drahtwicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. 6 zeigt eine schematische Anordnung eines Elektromotors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Elektromotor 10 umfasst einen Stator 12 und einen Rotor 14. Achtzehn Polzähne T1 bis T18 sind in der Umfangsrichtung auf einer inneren zylindrischen Oberfläche des Stators 12 angeordnet, der einen zylindrischen Körper umfasst. Der Rotor 14 hat eine zylindrische Form und ist in dem Stator 12 angeordnet. Eine äußere zylindrische Oberfläche des Rotors 14 liegt den vorderen Stirnflächen der jeweiligen Polzähne gegenüber. Jeder Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Polzähnen von den Polzähnen T1 bis T18 auf der Innenseite des Stators 12 wird als Schlitz bezeichnet. Es sind somit achtzehn Schlitze S1 bis S18 auf der Innenseite des Stators 12 angeordnet. Der Rotor 14 umfasst ein magnetisches Element 18 mit einer ringförmigen oder zylindrischen Form, das auf einen Ring 16 gesetzt ist. Der Elektromotor 10 umfasst sechzehn Permanentmagnete 20, die in der Umfangsrichtung auf einer äußeren zylindrischen Oberfläche des magnetischen Elements 18 angeordnet sind.
Der Elektromotor 10 umfasst eine Wicklung vom konzentrierten Wicklungstyp. Die Wicklung einer Phase, die um einen Polzahn gewickelt ist, wird als „Spule” bezeichnet. Vier aufeinanderfolgende Polzähne, die in der Umfangsrichtung aufeinanderfolgend ausgebildet sind, bilden gemeinsam eine Spule einer Phase. Gemäß dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind U-Phasen-Spulen C1 bis C4 jeweils auf Polzähnen T2 bis T5 ausgebildet. Die Gesamtheit einer Mehrzahl gleicher Phasenspulen, die auf aufeinanderfolgenden Polzähnen ausgebildet sind, wird als „Spulengruppe” bezeichnet. Ferner wird die Anzahl von Polzähnen, auf denen eine Spulengruppe gebildet ist, genauer gesagt, die Zahl gleichphasiger Spulen, die aufeinanderfolgend angeordnet sind, als „Anzahl aufeinanderfolgender Spulen” bezeichnet. In dem vorstehend genannten Beispiel bilden die Spulen C1 bis C4 gemeinsam eine Spulengruppe G1. Die Anzahl aufeinanderfolgender Spulen beträgt 4. Der Elektromotor 10 in 6 umfasst eine weitere U-Phasen-Spulengruppe G2. Vier Spulen C5 bis C8, die auf aufeinanderfolgenden Polzähnen T11 bis T14 ausgebildet sind, bilden gemeinsam die Spulengruppe G2. Der Elektromotor 10 umfasst ferner zwei V-Phasen-Spulengruppen und zwei W-Phasen-Spulengruppen, die jeweils durch 8 Spulen gebildet werden, ähnlich wie die zuvor erwähnten U-Phasen-Spulengruppen.
Eine Endspule einer Spulengruppe, welche durch vier Spulen gebildet wird, teilt den gleichen Polzahn mit einer Endspule einer benachbarten Spulengruppe. Genauer gesagt, eine Endspule C1 der U-Phasen-Spulengruppe G1 teilt den Polzahn T2 mit einer Endspule der benachbarten W-Phasen-Spulengruppe. Eine weitere Endspule C4 teilt den Polzahn T5 mit einer Endspule einer benachbarten V-Phasen-Spulengruppe. Die Anzahl von Spulen benachbarter Spulengruppen, welche den gleichen Polzahn gemeinsam nutzen, wird als „Anzahl von Spulenteilungen” bezeichnet. Die Anzahl von Spulenteilungen des Elektromotors 10 beträgt 1.
Die Anzahl von Windungen einer Spule, die den gleichen Polzahn mit einer Spule einer benachbarten Spulengruppe teilen, welche nachfolgend als eine „Endspule” bezeichnet werden soll, wird so festgelegt, dass sie kleiner ist als die Anzahl von Windungen einer anderen Spule (nachfolgend als eine „Zentralspule” bezeichnet). 7 zeigt ein Beispiel der vorstehend beschriebenen Festlegung hinsichtlich der Anzahl von Windungen entsprechender Spulen. 7 zeigt eine Wicklungsanordnung der U-Phasen-Wicklung. Die jeweilige V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung haben die gleiche Anordnung, und daher wird auf entsprechende Beschreibungen hier verzichtet. Die Endspulen C1, C4, C5 und C8 werden gebildet durch Wickeln des Drahtes in zwei Windungen. Genauer gesagt, die Zahl der Windungen ist gleich 2. Die Zahl der Windungen der Zentralspulen C2, C3, C6 und C7 ist gleich 4. Für jeden Polzahn kann die Wicklung in einem einzigen Schritt gewickelt werden. Der Ausdruck „in einem einzigen Schritt gewickelt” bezeichnet, dass nach dem die Wicklung um einen ersten Polzahn gewickelt ist und anschließend um einen weiteren Polzahn, die gleiche Wicklung nicht wieder um den ersten Polzahn gewickelt wird. Wenn die vollständige Wicklung von einem Ende her betrachtet wird, verläuft der Draht zunächst um den ersten Polzahn und verläuft dann um den zweiten Polzahn (d. h. einen anderen Polzahn), und verläuft weiter um den dritten Polzahn (noch einen weiteren Polzahn). Die zuvor beschriebene Wicklungsanordnung wird für die verbleibenden Polzähne wiederholt. Genauer gesagt, der Draht läuft niemals um einen Polzahn, der bereits von dem Draht umwickelt worden ist. Gemäß dem in 7 dargestellten Beispiel können Spulen gebildet werden, indem der Draht jeweils um aufeinanderfolgende Polzähne von links nach rechts gewickelt wird. Wenn die Anzahl von Windungen einer Endspule kleiner festgelegt wird als die Anzahl von Windungen einer Zentralspule, ist der von der Endspule zu erzeugende magnetische Fluss kleiner als der magnetische Fluss, der von der Zentralspule erzeugt wird. Die magnetische Flussdichte wird an beiden Enden kleiner, verglichen mit einer zentralen magnetischen Flussdichte in jeder Spulengruppe. Daher bewirkt die vorstehend beschriebene Wicklungsanordnung eine Unterdrückung der Welligkeit des Drehmoments.
Im allgemeinen kann die folgende Formel dazu benutzt werden, um die Beziehung zwischen der Anzahl von Zähnen T, der Anzahl von Spulengruppen g, der Anzahl aufeinanderfolgender Spulen h und der Anzahl von Spulenteilungen d in der vorstehend beschriebenen Wicklungsanordnung zu beschreiben, genauer gesagt, in der Wicklungsanordnung, in welcher eine Endspule einer Spulengruppe einen Polzahn mit einer Endspule einer benachbarten Spulengruppe teilt. T = 3 × g × (h – d) (1)
Die Bedingung, dass alle Spulen der Spulengruppe keine Polzähne mit anderen Spulen teilen, ist h > 2d. Wenn zwei Spulen an einem Ende einer Spulengruppe Polzähne mit Spulen einer benachbarten Spulengruppe teilen (d. h., wenn die Anzahl von Spulenteilungen d gleich 2 ist) können sich diese Spulen hinsichtlich der Anzahl von Windungen unterscheiden. Beispielsweise ist es möglich, die Anzahl von Windungen einer äußersten Spule auf ein Viertel der Anzahl von Windungen der Zentralspule festzulegen, und die Anzahl von Windungen einer zweitletzten Spule auf die Hälfte der Anzahl von Windungen der Zentralspule.
Die Drahtwicklungsanordnung in 7 kann nur dann realisiert werden, wenn die Anzahl von Windungen ganzzahlig ist. Mit anderen Worten, der Freiheitsgrad bei der Konstruktion ist kleiner. Nachfolgend wird eine neuartige Wicklungsanordnung detailliert beschrieben, nach welcher die Anzahl der Windungen auf einen nicht ganzzahligen Wert festgelegt werden kann.
8 zeigt ein Beispiel für diese Drahtwicklungsanordnung. Genauer gesagt, die Anordnung einer Wicklung L der U-Phase, d. h. die Wicklung von U zu X in 2, ist in 8 dargestellt. Die Wicklung L wird gebildet durch n entsprechende Teilwicklungen n1, n2 ..., und Nn, die parallel miteinander verbunden sind. Um jede Wicklung in der folgenden Beschreibung genau auszudrücken, wird die Wicklung L, die durch n Teilwicklungen gebildet wird, nachfolgend als „vollständige Wicklung L” bezeichnet. Die vollständige Wicklung L umfasst g Spulengruppen G1, G2 ..., und Gg. Die erste Spulengruppe G1 wird gebildet durch vier Spulen C1, C2, C3 und C4. Die nächste Spulengruppe G2 wird durch vier weitere Spulen gebildet. Die letzte Spulengruppe Gg wird durch vier Spulen Cm – 3, Cm – 2, Cm – 1 und Cm gebildet. Die Anzahl von Spulen, die in der vollständigen Wicklung N enthalten sind, ist m (= g × 4). Falls es nachfolgend nicht erforderlich ist, zwischen jeder der Teilwicklungen, Spulengruppen und Spulen zu unterscheiden, wird diesen Teilen kein Symbol nachgestellt. Stattdessen werden die Teilwicklung, die Spulengruppe und die Spule einfach als Teilwicklung N, Spulengruppe G und Spule C bezeichnet. Die Anzahl von Spulen C, welche die Spulengruppe G bilden (d. h. die Anzahl aufeinanderfolgender Spulen), ist nicht auf 4 beschränkt und allgemein ausgedrückt werden unter Verwendung des Wertes „h”, obwohl die Anzahl von Spulen „C” in der folgenden Beschreibung gleich 4 ist. Vier Spulen C, die jede Spulengruppe G bilden, ist um vier Polzähne gebildet, die in der Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Jeweilige Spulen C werden gebildet durch n Unterspulen S (1, 1), S (1, 2), ..., S (1, m), S (2, 1), ... S (2, n), ..., S (n, 1), ..., und S (n, m), die durch Wickeln von n Teilwicklungen N gebildet werden. Im einzelnen wird eine Spule C1 gebildet durch n Unterspulen S (1, 1), S (2, 1), ..., und S (n, 1) von n Teilwicklungen. Mit anderen Worten, Spule C1 umfasst n Unterspulen, wobei die jeweiligen n Unterspulen zu unterschiedlichen n Teilwicklungen gehören. Die verbleibenden Spulen haben einen vergleichbaren Aufbau. Im folgenden werden die Unterspulen einfach als Unterspulen S bezeichnet, ohne weitere Bezeichnung, falls es nicht erforderlich, zwischen entsprechenden Unterspulen zu unterscheiden.
Die Anzahl von Windungen der Wicklung, die jede Unterspule S bildet, wird unter Verwendung von t und a als Indizes ausgedrückt, die der Unterspule zugeordnet sind. Genauer gesagt, t (1, 1) repräsentiert die Anzahl von Windungen einer Unterspule S (1, 1). Die Anzahl von Unterspulen S, die zu einer Teilwicklung N gehören, ist gleich m, welches die Anzahl der Spulen C repräsentiert. Eine Gesamtzahl von Windungen von m Unterspulen S ist zwischen jeweiligen Teilwicklungen N gleich und kann mit Hilfe der folgenden Formel (2) ausgedrückt werden.
Eine Spule Cj (j ist eine ganze Zahl in dem Bereich von 1 bis m) wird gebildet durch n Unterspulen S (1, j), S (2, j), ... und S (n, j). Wie oben beschrieben, stellen t (1, j), t (2, j), ..., und t (n, j) die Anzahl von Windungen entsprechender Unterspulen S (1, j), S (2, j), ... und S (n, j) dar. Die effektive Anzahl von Windungen der Spule Cj kann auf die folgende Weise ausgedrückt werden.
Der magnetische Fluss φ (k, j), der durch eine Unterspule S (k, j) zu erzeugen ist (wobei k eine Ganzzahl in dem Bereich von 1 bis n ist), ist proportional zu der Anzahl der Windungen t (k, j) der Unterspule S (k, j) und dem Strom i (k, j), der durch die Unterspule S (k, j) fließt und kann mit Hilfe der folgenden Formel (3) ausgedrückt werden. φ(k, j) = α × i(k, j) × t(k, j) (3)
In der Formel (3) ist α eine Proportionalitätskonstante. Der magnetische Fluss Φj, der durch eine Spule Cj zu erzeugen ist, ist eine Summe der magnetischen Flüsse φ, die durch jeweilige Unterspulen S zu erzeugen sind, und kann mit Hilfe der folgenden Formel (4) ausgedrückt werden.
Die n Teilwicklungen N sind äquivalent zueinander, wie zuvor beschrieben. Daher kann der Strom i (k, j) unter Verwendung der folgenden Formel (5) ausgedrückt werden, in welcher „I” den Strom darstellt, der durch die gesamte Wicklung L strömt. i(k, j) = I/n (5)
Die folgende Formel (6) wird erhalten, wenn in die Formel (4) die Formel (5) eingesetzt wird.
Ein Wert {} der Formel (6) ist ein Mittelwert bezüglich der Anzahl von Windungen t (1, j), t (2, j), ... und t (n, j) der Unterspulen S, die zu der Spule Cj gehören. Ferner versteht es sich, dass der Wert {} die Anzahl von Windungen der Spule Cj bezeichnet. Es ist daher ersichtlich, dass die effektive Anzahl von Windungen der Spule Cj einen Mittelwert bezüglich der Anzahl von Windungen von n Unterspulen ist, die zu der Spule Cj gehören.
In der Windungsanordnung, die in 8 dargestellt ist, kann die Anzahl von Spulengruppen g auf 2 festgelegt werden, die Anzahl aufeinanderfolgender Spulen h kann auf 4 festgelegt werden, die Anzahl von Spulenteilungen kann auf 1 festgelegt werden, und die Anzahl von Teilwicklungen n kann auf einen beliebigen Wert festgelegt werden. In diesem Fall ist eine Wicklungsstruktur der Spulengruppe G, die erhalten werden kann, wenn die Anzahl von Windungen der Endspulen C1, C4, C5 und C8 auf 2 festgelegt wird und die Anzahl von Windungen der Zentralspulen C2, C3, C6 und C7 auf 4 festgelegt wird, äquivalent zu der Wicklungsstruktur, die in 7 dargestellt ist.
Die effektive Anzahl von Windungen der Spule C ist ein Mittelwert bezüglich der Anzahl von Windungen entsprechender Unterspulen. Daher ist es möglich, die Zahl von Windungen auf einen nicht ganzzahligen Wert festzulegen (d. h. auf einen Bruchwert). 9 zeigt ein Beispiel für die Windungsanordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anzahl von Windungen der Spule C ein Bruch ist. Ferner zeigt 10 einen Zustand, in welchem die vollständige Wicklung L, die in 9 dargestellt ist, an dem Stator angeordnet ist.
Die vollständige Wicklung L, die in 9 dargestellt ist, weist eine Wicklungsanordnung auf, die erhalten werden kann, wenn die Anzahl von Teilwicklungen n auf 2 festgelegt wird, und die Anzahl von Spulengruppen g auf 2 in der Windungsanordnung aus 8 festgelegt wird. Die Anzahl aufeinanderfolgender Spulen ist gleich 4, und die Anzahl von Spulenteilungen ist gleich 1. In der Zeichnung bezeichnet ein numerischer Wert, der in einen Kreis eingeschrieben ist, die Anzahl von Windungen jeder Unterspule. In den Endspulen C1 und C8 ist die Anzahl von Windungen einer Unterspule, die zu der Teilwicklung N1 gehört, gleich 3, und die Anzahl von Windungen einer Unterspule, die zu der Teilwicklung N2 gehört, gleich 2. Entsprechend ist die Anzahl von Windungen jeweiliger Endspulen C1 und C8 (d. h. die Anzahl von Windungen von jeder einen magnetischen Polzahn teilenden Spule) gleich 2,5. In den Endspulen C4 und C5 ist die Anzahl von Windungen einer Unterspule, die zu der Teilwicklung N1 gehört, gleich 2, und die Anzahl von Windungen einer Unterspule, die zu der Teilwicklung N2 gehört, ist gleich 3. Wie zuvor beschrieben, wird jede Endspule gebildet aus einer Kombination der Unterspule, deren Anzahl von Windungen gleich 2 ist, und der Unterspule, deren Anzahl von Windungen gleich 3 ist. Jede der zentralen Spulen C2, C3, C6 und C7 wird gebildet als eine Kombination einer Unterspule, deren Anzahl von Windungen gleich 8 ist, und einer Unterspule, deren Anzahl von Windungen gleich 2 ist. Daher ist die Anzahl von Windungen jeweiliger Zentralspulen C2, C3, C6 und C7 (d. h. die Anzahl von Windungen jeder Spule, die einen magnetischen Polzahn für sich besitzt) gleich 5. Als weitere Kombination bezüglich der Anzahl von Windungen von Unterspulen, die die Zentralspule realisieren können, deren Anzahl von Windungen gleich 5 ist, ist es möglich, eine Kombination aus 3 und 7 zu bilden, eine Kombination aus 4 und 6, oder eine Kombination aus 5 und 5.
Wenn die Anzahl von Windungen jeder Endspule auf die Hälfte der Anzahl von Windungen der Zentralspule festgelegt wird, wie in 9 dargestellt ist, kann die Gesamtzahl von Windungen einer Spule, die um einen Polzahn gebildet sind, mit der Gesamtzahl von Windungen einer Spule gleichgesetzt werden, die um einen anderen Polzahn gebildet sind. Die vorstehend erwähnte Wicklungsanordnung dient zur Verbesserung des Raumfaktors, da der Raum in jedem Schlitz effektiv genutzt werden kann. Ferner ist es möglich, die Anzahl von Windungen einer Zentralspule auf einen Bruchwert festzulegen. Die Anzahl von Windungen der Endspule ist nicht auf die Hälfte der Anzahl von Windungen der Zentralspule beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, die Anzahl von Windungen der Endspule so festzulegen, dass sie kleiner ist als die Hälfte der Anzahl von Windungen der Zentralspule. Ferner ist es möglich, die Anzahl von Windungen der Endspule größer als die Hälfte der Anzahl von Windungen der Zentralspule und kleiner als die Anzahl von Windungen der Zentralspule festzulegen. Beispielsweise kann in einem Fall, in welchem die ersten und zweiten äußersten Spulen einer Spulengruppe Polzähne mit Spulen einer benachbarten Spulengruppe teilen (d. h., wenn die Anzahl von Spulenteilungen d = 2 ist), die Anzahl von Windungen der ersten äußersten Spule auf ein Drittel der Anzahl von Windungen der Zentralspule festgelegt werden und die Anzahl von Windungen der zweitäußersten Spule kann auf zwei Drittel der Anzahl von Windungen der Zentralspule festgelegt werden. In diesem Fall ist die Anzahl von Windungen der zweitäußersten Spule kleiner als die Anzahl von Windungen der Zentralspule und größer als eine Hälfte der Anzahl von Windungen der Zentralspule. Ferner ist es nützlich, die Zahlen von Windungen jeder Zentralspule unterschiedlich zu gestalten (d. h. jeder Spule, die nicht einen magnetischen Polzahn mit einer anderen Spulengruppe teilt). Falls beispielsweise die Anzahl von Zentralspulen gleich 3 ist, ist es möglich, die Anzahl von Windungen der Zentralspule in der Mitte größer zu gestalten als die Anzahl von Windungen anderer Zentralspulen.
Um einen Raumfaktor zu verbessern (d. h. ein Verhältnis des Gesamtquerschnitts der Wicklung zu dem Gesamtquerschnitt jedes Schlitzes), kann eine Mehrzahl von Leitungsdrähten vereinigt werden, um die vollständige Wicklung L zu bilden. Die Anzahl von Leitungsdrähten, die in jedem Schlitz anzuordnen ist, ist auf eine ganze Zahl begrenzt. Der Gesamtquerschnitt des Leitungsdrahts wird ein diskreter Wert. Falls der Querschnitt eines Leitungsdrahtes groß ist (dick), kann der Zwischenraum zwischen erreichbaren Gesamtquerschnitten der Leitungsdrähte größer werden, und der Raumfaktor kann kleiner werden. Falls andererseits der Leitungsdraht dünn ist, wird mehr Wärme erzeugt. Der Querschnitt jedes Leitungsdrahtes und die Anzahl von Leitungsdrähten sollten unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen den vorstehend genannten Faktoren gewählt werden. In diesem Fall wird die Anzahl von Leitungsdrähten als „Anzahl paralleler Drähte” bezeichnet. Falls die Anzahl paralleler Drähte der vollständigen Wicklung L = p ist, ist es erwünscht, dass jede Teilwicklung N gebildet wird durch p/n Leitungsdrähte, um n Teilwicklungen N zu bilden, die äquivalent zueinander sind und gemeinsam die vollständige Wicklung bilden. Es ist nämlich erwünscht, dass die Anzahl paralleler Drähte, die jede Teilwicklung N bilden, gleich p/n ist.
Wie zuvor beschrieben, bewirkt die Wicklungsanordnung gemäß der vorstehenden Ausführungsform eine Reduktion der Welligkeit des Drehmoments, da die Anzahl von Windungen einer Endspule kleiner festgelegt ist als die Anzahl von Windungen einer Zentralspule. Ferner ist es bei der Wicklung, die so ausgebildet ist, dass die Anzahl von Windungen einer Endspule sich von der Anzahl von Windungen einer Zentralspule unterscheidet, möglich, einen nicht ganzzahligen Wert als Anzahl von Windungen von der Endspule und/oder der Zentralspule festzulegen. Mit anderen Worten, die Wicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung erhöht den Freiheitsgrad bei der Konstruktion.
Es folgt eine detaillierte Erläuterung bezüglich der induzierten Spannungen, die in den Teilwicklungen erzeugt werden, und eines Kreisstroms, der aufgrund der induzierten Spannungen erzeugt wird. Da die Unterspulen, die eine Teilwicklung bilden, in Reihe geschaltet sind, ist die induzierte Spannung in einer Teilwicklung gleich der Summe der induzierten Spannungen, die in den Unterspulen erzeugt werden, die diese Teilwicklung bilden. Die Amplitude der induzierten Spannung in jeder Unterspule ist proportional zu der Anzahl der Windungen der Unterspule. Ferner hängt die Phase der induzierten Spannung in jeder Unterspule von der Position der Unterspule innerhalb ihrer Spulengruppe ab. Die Unterspulen, die eine Spulengruppe bilden, sind entlang der Umfangsrichtung des Stators angeordnet. Mit anderen Worten, die jeweiligen Unterspulen haben unterschiedliche elektrische Winkelpositionen, und die induzierten Spannungen, die in den jeweiligen Unterspulen erzeugt werden, haben unterschiedliche Phasen. Aus diesem Grund kann in Abhängigkeit von der Kombination der Anzahl von Windungen der jeweiligen Unterspulen, die die jeweilige Teilwicklung bilden, und von der Anordnung der jeweiligen Unterspulen innerhalb der Spulengruppe die Amplitude und/oder die Phase der induzierten Spannung in jeder Teilwicklung für die jeweiligen Teilwicklungen unterschiedlich sein. Wenn Teilwicklungen, in denen induzierte Spannungen mit unterschiedlichen Amplituden oder Phasen innerhalb der Teilwicklungen vorhanden sind, die einen gesamten Wicklungssatz bilden, wird ein Strom verursacht, der von einer Teilwicklung zu einer anderen Teilwicklung fliesst, d. h. ein Kreisstrom. In der Anordnung, die in 8 dargestellt ist, kann ein Kreisstrom von U nach X und dann zu U fließen, so dass in einer bestimmten Teilwicklung ein Stromfluss in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des normalen Stromflusses auftreten kann. Dies kann den Wirkungsgrad des Motors verschlechtern und auch die Steuerbarkeit verschlechtern. Um die Erzeugung eines Kreisstroms zu unterdrücken, ist es erwünscht, eine Anordnung der Zahlen von Windungen und eine Anordnung (elektrische Winkelpositionen) der Unterspulen zu wählen, so dass die Amplituden und die Phasen der jeweiligen Teilwicklungen, die einen vollständigen Wicklungssatz bilden, gleichförmig werden. Da die Anordnung der Unterspulen bereits durch die Anordnung der Polzähne bestimmt wird, bezeichnet der Ausdruck „Auswahl einer Anordnung der Zahlen von Windungen und der Anordnung der Unterspulen” die Auswahl der Zahlen von Windungen der Unterspulen, die in bestimmten elektrischen Winkelpositionen angeordnet sind.
Wenn, wie in 9 dargestellt ist, eine Spulengruppe durch vier Spulen gebildet wird, gibt es vier verschiedene Phasen induzierter Spannungen in den Unterspulen, die diese Spulen bilden. Wenn in dem Stator mit der in den 6 und 9 dargestellten Struktur die Phasen der induzierten Spannungen, die in den jeweiligen Unterspulen erzeugt werden, in dem elektrischen Winkel ausgedrückt werden, wobei die Unterspule am nächsten zu U (d. h. die am weitesten links angeordnete Unterspule in 9) innerhalb einer Spulengruppe als Referenz verwendet wird, beträgt die Phase der zweiten Unterspule 20°, die Phase der dritten Unterspule beträgt 40°, und die Phase der vierten Unterspule beträgt 60°. Der Ausdruck „die Unterspule am nächsten zu U innerhalb jeder Spulengruppe” bezeichnet gemäß der Notation in 8 S (1, 1) und S (1, 5) in der Teilwicklung N1, und S (2, 1), S (2, 5) in der Teilwicklung N2. Die a-te Unterspule (wobei a eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist) am nächsten zu U kann allgemein ausgedrückt werden als S (1, a) und S (1, a + 4) für die Teilwicklung N1, und als S (2, a) und S (2, a + 4) für die Teilwicklung N2.
Wie oben erwähnt, ist es zur Verhinderung von Kreisströmen notwendig, den Aufbau so zu wählen, dass die Amplitude und die Phase der induzierten Spannungen gleich für jeweilige Teilwicklungen werden. Ein Ansatz zur Erfüllung dieses Erfordernisses besteht in einem solchen Aufbau, bei dem für jede der vier verschiedenen Phasen die Amplitude der induzierten Spannung für die jeweiligen Teilwicklungen gleich wird. Wenn die Amplituden der induzierten Spannungen bei einer bestimmten Phase gleich werden, können die induzierten Spannungen an dieser Phase keinen Kreisstrom verursachen. Wenn demnach ein solcher Zustand für alle Phasen erreicht wird, kann insgesamt kein Kreisstrom erzeugt werden. Ein Zustand, in welchem die Amplitude der induzierten Spannung an einer bestimmten Phase gleich für die jeweiligen Teilwicklungen ist, kann erreicht werden durch eine Anordnung, in welcher die Summe der Zahlen von Windungen der Unterspulen, die induzierte Spannungen mit dieser Phase erzeugen, für jede Teilwicklung gleich ist. Durch eine solche Anordnung für alle Phasen kann der Kreisstrom unterdrückt werden. Mit anderen Worten, der Kreisstrom kann unterdrückt werden durch Bestimmung der Zahlen von Windungen der Unterspulen derart, dass die Summen der Zahlen von Windungen der Unterspule, die zu einer bestimmten Teilwicklung gehören und welche in Positionen mit dem gleichen elektrischen Winkel angeordnet sind, für alle Teilwicklungen gleich ist.
Es folgt eine weitere Erläuterung anhand von 8. Die Summe der Zahlen von Windungen der Unterspulen S (1, 1), S (1, 5), S (1, 9), ... S (1, m – 3), die zu der Teilwicklung N1 gehören und die in Positionen mit dem gleichen elektrischen Winkel (der Referenzphase) gehören, wird an diejenige für die anderen Teilwicklungen N2 – Nn angeglichen, welche beispielsweise die Summe der Zahlen von Windungen der Unterspulen S (2, 1), S (2, 5), S (2, 9), ... S (2, m – 3) sein kann, die zu der Teilwicklung N2 gehören und welche in Positionen mit dem gleichen elektrischen Winkel angeordnet sind. In dieser Anordnung wird die Amplitude der induzierten Spannung an dieser Phase gleich für die jeweiligen Teilwicklungen N1 – Nn. Bezüglich der Unterspulen mit der Phase von 20° bezüglich der Referenzphase wird in gleicher Weise die Summe der Anzahl von Windungen der Unterspulen S (1, 2), S (1, 6), S (1, 10), ... S (2, m – 2), die zu der Teilwicklung N1 gehören und welche in Positionen mit dem gleichen elektrischen Winkel (20°) angeordnet sind, gleich derjenigen der anderen Teilwicklungen N2 – Nn, welche beispielsweise die Summe der Zahlen von Wicklungen der Unterspulen S (2, 2), S (2, 6), S (2, 10), ... S (2, m – 2) sein kann, welche zu der Teilwicklung N2 gehören und welche in Positionen mit dem gleichen elektrischen Winkel angeordnet sind. Die Unterspulen an den anderen elektrischen Winkelpositionen (40°, 60°) sind in gleicher Weise aufgebaut.
Es folgt eine weitere Beschreibung des spezifischen Ausführungsbeispiels in 9. Hinsichtlich der Unterspulen, die in den Positionen der Referenzphase 0° angeordnet sind, ist in der Teilwicklung N1 die Anzahl von Windungen der Unterspule S (1, 1) = 3, während die Anzahl von Windungen der Unterspule S (1, 5) = 2 ist, so dass die Summe gleich 5 ist (= 2 + 3). Ferner ist in der Teilwicklung N2 die Anzahl von Windungen der Unterspule S (2, 1) gleich 2, während die Anzahl von Windungen der Unterspule S (2, 5) gleich 3 ist, so dass die Summe gleich 5 ist (= 2 + 3). Somit ist die Summe der Zahlen von Windungen der Unterspulen, die in den Positionen mit dem elektrischen Winkel von 0° angeordnet sind, gleich zwischen den Teilwicklungen N1 und N2. Ferner ist hinsichtlich der Unterspulen, die in den Phasenpositionen 20° angeordnet sind, in der Teilwicklung N1 die Zahlen von Windungen der Unterspulen S (1, 2) und S (1, 6) jeweils gleich 8 und 2, so dass die Summe gleich 10 ist (= 8 + 2). Ferner sind in der Teilwicklung N2 die Zahlen von Windungen von Unterspulen S (2, 2) und S (2, 6) jeweils gleich 2 und 8, so dass die Summe gleich 10 ist (= 2 + 8). Somit ist die Summe der Zahlen von Windungen der Unterspulen, die in den Positionen mit dem elektrischen Winkel von 20° angeordnet sind, zwischen den Teilwicklungen N1 und N2 gleich. Die Zahlen von Windungen der Unterspulen, die in den übrigen elektrischen Winkelpositionen (40°, 60°) angeordnet sind, sind in gleicher Weise gewählt. Durch Festlegung der Zahlen der Windungen auf diese Weise, werden die Amplitude und die Phase der induzierten Spannung in jeder Teilwicklung zwischen jeweiligen Teilwicklungen gleich, so dass kein Kreisstrom fließt. Es kann somit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades und der Steuerbarkeit aufgrund eines Kreisstroms verhindert werden.
In Abhängigkeit von dem Aufbau des vollständigen Wicklungssatzes L können Fälle auftreten, in denen die Amplituden und die Phasen der induzierten Spannungen in den jeweiligen Teilwicklungen nicht gleich gemacht werden können. Solche Fälle können beispielsweise eine Situation umfassen, in der die Zahl der Spulengruppen (g) ungerade ist und die effektive Zahl der Windungen einer bestimmten Spule kein ganzzahliger Wert ist. Im folgenden erfolgt eine Erläuterung bezüglich der Unterdrückung eines Kreisstroms in einem Fall, in welchem die Amplituden und die Phasen der induzierten Spannungen in den jeweiligen Teilwicklungen nicht exakt gleich gemacht werden können. In der folgenden Erläuterung werden Unterspulen, die zu einer Teilwicklung gehören und ferner zu einer Spulengruppe gehören, gemeinsam als eine „Unterspulengruppe” bezeichnet. Beispielsweise bilden in 8 die vier Unterspulen S (1, 1), S (1, 2), S (1, 3), und S (1, 4), die alle zu der Teilwicklung N1 und ferner zu einer Spulengruppe G1 gehören, eine Unterspulengruppe.
Wenn die Amplituden und Phasen der induzierten Spannungen in den jeweiligen Teilwicklungen nicht gleich gemacht werden können, wie zuvor beschrieben, wird der Kreisstrom durch eine solche Anordnung unterdrückt, bei der die Amplitude und die Phase der induzierten Spannung, die in jeder Unterspule erzeugt wird, zwischen den jeweiligen Unterspulengruppen so gleichförmig wie möglich gemacht werden. Die Amplitude der induzierten Spannung, die in einer Unterspulengruppe erzeugt wird, steht in Beziehung zu der Anzahl von Windungen der Unterspulen, während die Phase der induzierten Spannung von den elektrischen Winkelpositionen der Unterspulen abhängig ist. Dementsprechend können die Amplitude und die Phase der induzierten Spannung durch Einstellung der Zahlen von Windungen der Unterspulen angepasst werden, die in Positionen mit einem bestimmten elektrischen Winkel angeordnet sind.
Da jede Unterspulengruppe, die aus einer Mehrzahl (Zahl h) von Unterspulen gebildet wird, als ein einziger magnetischer Pol wirkt, dient die Mitte des magnetischen Pols als Referenz für den elektrischen Winkel. Die elektrische Winkelposition jeder Unterspule wird ausgedrückt als ein Abweichungswert von der magnetischen Polmitte. Falls die Abweichung in der Richtung eines wachsenden elektrischen Winkels auftritt, wird der Abweichungswert mit einem positiven Vorzeichen ausgedrückt, und wenn die Abweichung in der Richtung eines abnehmenden elektrischen Winkels auftritt, wird der Abweichungswert unter Verwendung eines negativen Vorzeichens ausgedrückt. Der Einfluss, der von der induzierten Spannung, die in einer Unterspule erzeugt wird, auf die induzierte Spannung der gesamten Unterspulengruppe ausgeübt wird, welche diese Unterspule enthält, wächst proportional mit dem Produkt der Zahl von Windungen und der Abweichung dieser Unterspule. Die induzierte Spannung der gesamten Unterspulengruppe kann abgeschätzt werden anhand der Summe der Produkte, die für die jeweiligen Unterspulen, die zu dieser Gruppe gehören, durch Multiplikation der Zahl von Windungen und der Abweichung jeder Unterspule erhalten werden. Unter der Annahme, dass die Windungszahl der e-ten Unterspule aus U als Be bezeichnet wird, kann die folgende Formel (7) als Parameter verwendet werden mit welchem die induzierte Spannung einer Unterspulengruppe abgeschätzt wird.
Durch Auswahl der Zahlen von Windungen in den jeweiligen Unterspulen derart, dass der durch die Formel (7) ausgedrückte Parameter minimal wird, können Phasendifferenzen zwischen den induzierten Spannungen in den jeweiligen Teilwicklungen minimiert werden, und der Kreisstrom kann hierdurch unterdrückt werden. Da hier Beschränkungen bezüglich der Anzahl der Windungen jeder Unterspule aufgrund der geforderten Motorleistung bestehen (wie etwa die geforderte Leistung und die tolerierbare Welligkeit des Drehmoments), ist die Anzahl von Windungen jeder Unterspule innerhalb solcher Beschränkungen zu wählen, um die vorstehend genannten Parameter zu minimieren.
Als spezifisches Beispiel für einen Fall, in welchem die Amplitude und die Phase der induzierten Spannung nicht zwischen jeweiligen Teilwicklungen gleich gemacht werden können, bezieht sich die folgende Beschreibung auf einen Fall, in welchem die Anzahl von Spulengruppen (g) ungerade ist, genauer gesagt, falls g = 1 ist. 11 zeigt eine schematische Anordnung eines Elektromotors 10, in welchem die Anzahl von Spulengruppen (g = 1) ist. In 11 bestehen die Unterschiede zur 6 darin, dass mit der Änderung der Zahl der Spulengruppen (g) zu 1 die Anzahl von Polzähnen und Schlitzen des Stators 12 auf 9 geändert wird, und die Anzahl von Dauermagneten 20 auf 8 geändert wird. 12 zeigt eine beispielhafte Wicklungsanordnung, in der die Anzahl von Spulengruppen (g = 1) ist und die Zahlen von Windungen von Spulen C Bruchteile sind. Der vollständige Wicklungssatz L, der in 12 dargestellt ist, wird erhalten durch Anwendung der Drahtwicklungsanordnung aus 8, während die Zahl von Teilwicklungen (n) auf 2 festgelegt wird und die Anzahl von Spulengruppen (g) auf 1 festgelegt wird. Die Anzahl aufeinanderfolgender Spulen ist gleich 4, und die Anzahl von Spulenteilungen beträgt 1. Wie zuvor erläutert, ist es bezüglich der Anzahl aufeinanderfolgenden Spulen und der Zahl von Spulenteilungen auch möglich, andere Werte zu verwenden, obwohl hier spezifische Werte zur Vereinfachung der Erläuterung verwendet werden. Wie in 9 dargestellt, werden die Zahlen von Windungen der Unterspulen durch Ziffern bezeichnet, die in die Kreise in 12 eingeschrieben sind.
Wenn die Phasendifferenz der induzierten Spannung, die in jeder Unterspule erzeugt wird, in einem elektrischen Winkel ausgedrückt wird, unter Verwendung der Phase der induzierten Spannung in der Unterspule am nächsten zu U innerhalb der Spulengruppe als Referenz, beträgt die Phasendifferenz der zweiten Unterspule von U 20°, die Phasendifferenz der dritten Unterspule beträgt 40°, und die Phasendifferenz der vierten Unterspule beträgt 60°. Um einen Zustand zu erreichen, in welchem die Amplitude und die Phase der induzierten Spannung in den jeweiligen Teilwicklungen gleich sind, ist es erforderlich, dass die Anzahl von Windungen von S (1, a) gleich der Anzahl von Windungen von S (2, a) wird. In dem Beispiel in 12, mit a = 2, der Anzahl von Windungen von S (1, 2) gleich 4 und der Anzahl von Windungen von S (2, 2) gleich 6 sind diese Werte nicht gleich, können jedoch gleich gemacht werden, indem beide Werte auf 5 gebracht werden. Für a = 3 können gleiche Windungszahlen in gleicher Weise erreicht werden. Hingegen sind für a = 1, mit der Zahl von Windungen von S (1, 1) gleich 3 und der Zahl von Windungen von S (2, 1) gleich 2 diese Werte nicht gleich. Falls die Zahl von Windungen sowohl für S (1, 1) als auch für S (2, 1) gleich 3 gesetzt wird, wäre die Gesamtzahl von Windungen, die auf den Polzahn gewickelt sind, erhalten durch Addition der Anzahl von Windungen der Spule, die zu der benachbarten Spulengruppe gehört, gleich 12. Dieser Wert ist größer als die Anzahl von Windungen für die Spulen C2 und C3 (d. h. 10), und es ist nicht möglich, 12 Windungen auf den Polzahn aufgrund der räumlichen Beschränkungen zu wickeln. Falls andererseits die Zahl von Windungen für beide Unterspulen S (1, 1) und S (2, 1) auf 2 festgelegt wird, würde der magnetische Fluss, der durch die gesamte Spulengruppe erzeugt wird, reduziert, so dass es unmöglich würde, die geforderte Motorleistung zu erbringen. Wenn hingegen die effektive Anzahl von Windungen auf 2,5 gebracht wird, welches den Erfordernissen aufgrund räumlicher Beschränkungen und der geforderten Leistung genügt, kann die Anzahl von Windungen nicht für S (1, 1) und S (2, 1) gleich gemacht werden. Die Situation ist die gleiche für a = 4. Somit verbleibt eine Phasendifferenz zwischen den induzierten Spannungen, die in den Teilwicklungen N1 und N2 erzeugt werden, und es wird ein Kreisstrom verursacht.
Zur Minimierung des Kreisstroms wird der Schwerpunkt auf die Größe der Phasendifferenz zwischen den induzierten Spannungen gelegt, die in den jeweiligen Unterspulengruppen erzeugt werden, von denen jede durch Unterspulen gebildet wird, die zu einer bestimmten Teilwicklung gehören und die zu einer bestimmten Spulengruppe gehören. In Fällen, in denen die Anzahl von Spulengruppen (g) gerade ist, kann selbst dann, wenn die Phasendifferenz zwischen den Unterspulengruppen groß ist, die Phasendifferenz zwischen den Unterspulengruppen aufgehoben werden, indem die Anzahl von Windungen von Unterspulen konfiguriert wird, wie zuvor beschrieben. Hingegen kann in Fällen, in denen die Anzahl von Spulengruppen (g) ungerade ist, die Phasendifferenz zwischen den Unterspulengruppen nicht aufgehoben werden. Aus diesem Grund ist es zur Reduktion der Phasendifferenz zwischen den induzierten Spannungen in den jeweiligen Teilwicklungen erforderlich, die Phasendifferenz zwischen den Unterspulengruppen zu reduzieren. Die Phasendifferenz zwischen den Unterspulengruppen kann durch eine Anordnung reduziert werden, in welcher die Phase jeder einzelnen Unterspulengruppe so weit wie möglich der mittleren Phase der Phasen der Unterspulengruppen entspricht, welche die Unterspulengruppe bilden. Unter Verwendung der Phase in der Mitte der Unterspulengruppe als Referenz können die Phasen der jeweiligen Unterspulen ausgedrückt werden als –30°, –10°, +10° und +30°. Da diese Phasen die Abweichungen von den elektrischen Winkelpositionen der Unterspulen sind, ist es unter Verwendung dieser Werte und der Formel (7) möglich, die Windungszahlen der Unterspulen in 12 abzuschätzen. Durch Durchführung tatsächlicher Berechnungen ergibt sich aus der Formel (7) der Wert 0,5 für beide Unterspulengruppen in 12, und dieser Wert ist der kleinste Wert, den man für die Kombinationen der Windungszahlen der jeweiligen Unterspulen erhalten kann, welche die effektiven Zahlen von Windungen realisieren, die zur Erreichung der geforderten Leistung und dergleichen notwendig sind. Hier wird in der Berechnung der Parameter der Formel (7) die Abweichung die in den Klammern () in der Formel bezeichnet wird, berechnet unter der Annahme, dass der Intervall zwischen benachbarten Unterspulen einer Abweichung mit dem Wert 1 entspricht. Dieser Abweichungswert wird erhalten durch Teilung von jeder der Unterspulenphasen –30°, –10°, +10° und +30° durch 20°, welches die Phasendifferenz zwischen benachbarten Unterspulen ist, und anschließendes Normieren der Resultate. Entsprechend der Anordnung in 12 wird die Phasendifferenz zwischen den Teilwicklungen N1 und N2 auf 1,2° minimiert.
Wie zuvor beschrieben, kann dann, wenn die Anzahl von Spulengruppen (g) ungerade ist, durch Wahl der Zahlen von Windungen der Unterspulen derart, dass der durch die Formel (7) berechnete Wert am kleinsten ist, eine Verschlechterung der Effizienz und der Steuerbarkeit aufgrund des auftretenden Kreisstroms unterdrückt werden, wenn ein nicht ganzzahliger Wert für die Zahl von Windungen verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2013-014578 [0001]
JP 2013-260913 [0001]
JP 2-30270 [0009]
JP 11-308795 [0009]
JP 2012-135133 [0011]

Claims

Drei-Phasen-Wechselstrommotor, umfassend einen Stator, der T Polzähne umfasst, die in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, und eine vollständige Wicklung, die eine Mehrzahl von Spulen bildet, die dicht beieinander liegend um die Polzähne herum gewunden sind, und einen Rotor, der den Polzähnen gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von Spulen, die die vollständige Wicklung jeder Phase bilden, in g Spulengruppen für jede Phase unterteilt ist, und jede unterteilte Spulengruppe durch Spulen gebildet wird, die um h Polzähne gewunden sind, die durchgehend angeordnet sind, und d Spulen einer Spulengruppe, die durchgehend von ihrem Ende her angeordnet sind, zumindest einen Polzahn mit Spulen einer benachbarten Spulengruppe teilen, und die folgende Beziehung erfüllt wird, wenn T eine Anzahl von Zähnen darstellt, g eine Anzahl von Spulengruppen darstellt, h eine Anzahl aufeinanderfolgender Spulen darstellt, und d eine Anzahl von Spulenteilungen: T = 3 × g × (h – d) wobei die vollständige Wicklung gebildet wird durch n Teilwicklungen, die parallel zueinander liegen, in denen eine Spule der vollständigen Wicklung gebildet wird durch n Unterspulen mit einer vorbestimmten Anzahl von Wicklungen, die durch die n Teilwicklungen gebildet werden, und eine Gesamtzahl von Wicklungen der Unterspulen, die zu einer Teilwicklung gehören, zwischen entsprechenden Teilwicklungen gemeinsam ist, und eine Polzahnteilungs-Spulenwindungszahl, welche eine effektive Anzahl von Windungen einer Spule ist, die zumindest einen Polzahn mit der benachbarten Spulengruppe teilt, kleiner ist als eine Polzahnalleinstellungs-Spulenwindungszahl, welches eine effektive Anzahl von Windungen einer Spule ist, die keinen Polzahn mit der benachbarten Spulengruppe teilt.
Drei-Phasen-Wechselstrommotor gemäß Anspruch 1, bei welchem zumindest eine Spule, die die Spulengruppe bildet, durch eine Anzahl von Arten von Unterspulen gebildet wird, die sich in der Anzahl von Windungen unterscheiden können.
Drei-Phasen-Wechselstrommotor gemäß Anspruch 2, bei welchem eine effektive Anzahl von Windungen der Spule, die durch eine Mehrzahl von Unterspulen gebildet wird, die sich in der Anzahl von Windungen unterscheiden können, keine ganze Zahl ist.
Drei-Phasen-Wechselstrommotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem jeweils Spulen, die einen Polzahn mit einer benachbarten Spulengruppe teilen, mit der Polzahnteilungs-Spulenwindungszahl übereinstimmen, und jeweils Spulen, die keinen Polzahn mit der benachbarten Spulengruppe teilen, mit der Polzahnalleinstellungs-Spulenwindungszahl übereinstimmen.
Drei-Phasen-Wechselstrommotor gemäß Anspruch 4, bei welchem die gesamte Polzahnteilungs-Spulenwindungszahl von Spulen, die einen Polzahn teilen, gleich der Polzahneinstellungs-Spulenwindungszahl ist.
Drei-Phasen-Wechselstrommotor gemäß Anspruch 4, bei welchem die Polzahnteilungs-Spulenwindungszahl die Hälfte der Polzahnalleinstellungs-Spulenwindungszahl beträgt.
Drei-Phasen-Wechselstrommotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem eine Summe der Zahlen der Windungen der Unterspulen, die in Positionen mit dem gleichen elektrischen Winkel innerhalb der Unterspulen angeordnet sind, die zu einer bestimmten Teilwicklung gehören, für alle Teilwicklungen gleich ist.
Drei-Phasen-Wechselstrommotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem in einer Unterspulengruppe, die zu einer bestimmten Teilwicklung gehört und welche zu einer bestimmten Spulengruppe gehört, ein Absolutwert einer Summe von Produkten, die für jeweilige Unterspulen, die zu der genannten Unterspulengruppe gehören, durch Multiplikation einer positionellen Abweichung und der Anzahl von Windungen einer Unterspule erhalten wird, minimal ist, wobei die positionelle Abweichung einer Unterspule ein ausgerichteter Abstand, ausgedrückt als eine elektrische Winkelposition, von einer Mittelposition einer Spulengruppe zu einer Position dieser Unterspule ist.