JP2002010551A

JP2002010551A - 回転電機

Info

Publication number: JP2002010551A
Application number: JP2000184556A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Taniguchi; 谷口　　司; Haruo Oharagi; 春雄小原木; Miyoshi Takahashi; 身佳高橋; Naohiko Takahashi; 直彦高橋; Haruo Miura; 治雄三浦; Yasuo Fukushima; 康雄福島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】１ｋＨｚ前後の基本周波数で動作するインバー
タ電源で駆動しても電機子巻線の銅損が少なく、コイル
端部がコンパクトな高効率かつ小形の永久磁石式同期電
動機及びそれを用いた空気圧縮機を提供する。【解決手段】固定子鉄心の複数のスロット中にＹ結線の
電機子巻線が同心巻もしくは重ね巻で巻装され、電機子
巻線に印加される電圧・電流の周波数が６６７Ｈｚ以上
である高周波回転電機の３相電機子巻線において、電機
子巻線が直径１mm以下の素線の複数本からなり、それら
の素線を等配分した複数の巻線部に分割すると共に、電
機子巻線の端部で巻線部に転位を施し、巻線群のスロッ
ト内配置を異ならせるようにしたことにより達成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転電機に関し、
特に圧縮機等を駆動する超高速可変速電動機として使用
される永久磁石式同期電動機の３相電機子巻線に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石式同期電動機は、電動機効率が
高いことから、産業用駆動源として多用されている。電
動機の回転数が低い場合は駆動周波数も低く、電機子巻
線に流れる電流はスロット内の素線位置が変わっても均
等に流れる。つまり、巻線で電流密度の偏りがなく、抵
抗は直流抵抗に対してほとんど増加しない。しかし、電
動機の回転数が高い場合は、駆動周波数も高く、巻線を
鎖交する漏れ磁束量がスロット高さ方向で異なるため、
巻線を構成する素線のインピーダンスに差異が生じ、素
線に流れる電流に偏りが生じ抵抗が増加する。抵抗が増
加すると電動機の電力損失の一部である銅損が大きくな
り、電動機効率が低下する要因となっていた。

【０００３】上記の課題を解決する手段として、永久磁
石式同期電動機においては、多重巻亀甲形巻線同士の接
続に接続線を具備し、スロット挿入位置の異なる多重亀
甲形巻線同士を、該接続線を用いて接続することにより
電機子巻線に転位を施すことが、特開平６−２８４６１
４号公報で開示されている。

【０００４】上記従来技術においては、接続線を用いる
ため電気的な接続箇所は多重亀甲形巻線の組数分を必要
とする。接続箇所が多いと巻線抵抗が大きくなり、銅損
が問題となる。また、相間接続のための中性点は一箇所
だけ設置しているため、接続部が過大となりコイル軸端
部の短縮化に課題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の点に鑑
みなされたものであり、本発明の目的は電機子巻線の抵
抗が小さく、かつ１ｋＨｚ前後の基本周波数で動作して
も電機子巻線の銅損が少ない、コンパクトな電機子巻線
を有する高効率の回転電機を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】固定子鉄心の複数のスロ
ット中にＹ結線の電機子巻線が同心巻もしくは重ね巻で
巻装され、電機子巻線に印加される電圧・電流の周波数
が６６７Ｈｚ以上である回転電機において、電機子巻線
が直径１mm以下の素線の複数本からなり、それらの素線
を等配分した複数の巻線部に分割すると共に、電機子巻
線の端部で巻線部に転位を施し、巻線群のスロット内配
置を異ならせるようにしたことにより達成される。

【０００７】高い基本周波数で駆動する２極電動機で
は、電機子巻線内で電流の偏りが生じ、巻線抵抗が増加
し銅損が増加する。そこで、コイル端部で巻線導体に転
位を施すことにより電流密度の不均等が防止され、抵抗
増加が抑えられて銅損増加が抑制され、高効率の永久磁
石式同期電動機が提供できる。

【０００８】また、数個の群に分けたＹ結線の中性点位
置を分散配置することによりコイル軸端部が短縮でき、
コンパクトな電機子巻線を有する永久磁石式同期電動機
が提供できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１〜
図７を用いて説明する。

【００１０】図１に本発明の一実施例に係る永久磁石式
同期電動機Ｕ相巻線の説明図、図２に本発明の一実施例
に係る永久磁石式同期電動機を使用した圧縮機構成図、
第３に本発明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機の
軸方向断面図、図４に本発明の一実施例に係る永久磁石
式同期電動機の巻線導体の軸方向断面図、図５に本発明
の一実施例に係る永久磁石式同期電動機の電機子コアの
軸方向断面図、図６に本発明の一実施例に係る永久磁石
式同期電動機の電機子巻線構成図を示す図。図７に本発
明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機の電機子巻線
端部の軸方向断面図を示す。

【００１１】図２において、本発明の電機子巻線１１を
適用した超高速回転圧縮機は永久磁石式同期電動機１，
磁気軸受６ａ，６ｂ，６ｃ，羽根車２０ａ，２０ｂなど
から構成される。圧縮機は回転数が４０,０００rpm以上
の超高速駆動するため機械損低減の目的で磁気軸受６
ａ，６ｂ，６ｃが採用されている。永久磁石回転子の軸
端部の両側に羽根車２０ａ，２０ｂが取り付けられ、規
定の圧力まで圧縮される。

【００１２】図３，図４，図５，図６及び図７において
永久磁石式同期電動機１は、電機子３と永久磁石回転子
２からなり、電機子３は電機子コア４に設けられた複数
のスロット５の中に巻装されたＵ相巻線１４ａ，Ｖ相巻
線１４ｂ，Ｗ相巻線１４ｃの３相の電機子巻線１１から
構成される。また、永久磁石回転子２はシャフト１０の
外周に同一材料の中間スリーブ９を、中間スリーブ９の
外周に永久磁石７を、永久磁石７の外周にカーボン繊維
からなる補強材のＣＦＲＰ８から構成される。この永久
磁石回転子２は中間スリーブ９の外周側に永久磁石７，
ＣＦＲＰ８の順に配置組み立てた後、永久磁石７の着磁
を行い、シャフト１０に実装される。永久磁石式同期電
動機１は、永久磁石７の磁極位置に従って電機子巻線１
１に電流導入ケーブル１７を通じて、インバータ電源１
８から電流を供給することにより、回転駆動される。

【００１３】ここで、問題となるのはインバータ電源１
８からの高周波通電による電機子巻線１１の銅損の増加
である。本発明の対象としている永久磁石式同期電動機
１は、空気圧縮機などの羽根車を駆動するもので、回転
数が４０,０００rpm以上の超高速回転機である。したが
って、駆動周波数は６６７Ｈｚ以上となる。この６６７
Ｈｚ以上のインバータ電源１８からの電流は、スロット
５に巻装された電機線導体１１の抵抗増加を招く。原因
は、スロット５に巻装された電機子巻線１１にかかる漏
れ磁束密度がスロット５高さ方向に不均一になっている
ことである。素線１２からなる束１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆに同じインバータ電圧が供
給されても、素線１２からなる束毎に交流抵抗のうちの
リアクタンス成分に差異を生じるため、それぞれに同じ
実効電流は流れない。つまり一部の素線１２に電流が集
中することになる。素線１２からなる束毎はインバータ
電源に対して電気的に並列接続されるので、インバータ
電源１８電圧が決まれば、その電圧に相当した電流が電
機子巻線１１に流れる。ここで、素線からなる束１３
ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆでインバ
ータ電源１８電圧を均等に分担できれば、電流も均等に
分担する。つまり、素線からなる束１３ａ，１３ｂ，１
３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆから構成される巻線導体
１１に抵抗の増加は無く、銅損を少なくできる。しか
し、高周波通電時には前記理由により、素線１２からな
る束１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ
毎にインバータ電源１８電圧を等しく分担しないので、
電流も不均等となる。この現象はあたかも電機子巻線１
１の断面積が見かけ上小さくなったことと同じである。
このため、電機子巻線１１の抵抗増加を招き、銅損が増
加する。この問題は、周波数が高くなればなるほど顕著
に現われ、本発明の対象とする駆動周波数１ｋＨｚでは
抵抗増加率が５０Ｈｚの商用周波数と比較して３倍程度
となる。高周波通電による抵抗増加は銅損増加を引き起
こし、永久磁石式同期電動機の効率低下を招くこととな
る。

【００１４】図１において、電機子巻線１１は電機子コ
ア４に図のように同心状に巻装される。１相あたりのコ
イル数は４つ(４ターン)であり、図中左側，右側を各々
１極分となり、全体で２極の電機子巻線を構成する。４
つのコイル間は接続無しの連続線である。各々のコイル
端部位置に電機子巻線１１の転位部１９を設ける。ここ
で、転位は電機子巻線１１の１８０度のよじり工程のこ
とである。また、転位部１９は電機子コア４以外の場所
で、コイル両端に少なくとも１箇所ずつ設ければよく、
巻線の絶縁保護の観点から、転位は局所的に行うよりは
広範囲に行うことが望ましい。転位は素線からなる束１
３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆをスロ
ット５の高さ方向位置を順次スロット５毎に入れ替え
る。なお、電機子巻線１１はこの場合、同心巻としたが
重ね巻でも良い。また、図１には電機子巻線１１のＵ相
巻線１４ａのみを示したが、残りのＶ相巻線１４ｂとＷ
相巻線１４ｃも上記と同様にコイル端部位置に転位を行
う。

【００１５】図４において、電機子巻線１１は１０２本
の素線１２から構成される。ここで、１０２本の素線１
２は１７本に等配分され素線１２からなる束１３ａ，１
３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆを構成する。ま
た、素線１２は高周波通電による表皮効果を防止する目
的で、丸線の直径１mmの細素線とした。本発明では駆動
周波数が１ｋＨｚであるので直径１mmのものを使用した
が、直径１mm以下でも対応可能である。ただし、直径１
mm以下の場合、電機子巻線１１の断面積が等しくなるよ
うに素線１２の本数を増やす必要がある。また、本実施
例では素線１２からなる電機子巻線１１を６等配した
が、電機子巻線の仕様により適宜変更しても構わない。

【００１６】図５において、電機子巻線１１はスロット
１つに対し、１本巻装される。コイルの左と右に配置し
た電機子巻線１１のスロット５高さ方向の位置関係が逆
転するように、コイル端部位置で転位を施す。コイル端
部位置毎に転位部１９を設けるため、コイル毎，スロッ
ト５毎に電機子巻線１１のスロット５高さ方向の位置関
係が順次、逆になるように巻装する。

【００１７】図６において、電機子巻線１１は素線１２
を１０２本を電気的に並列接続するため、電機子巻線１
１は４００Ａ程度の大電流を通電する大型の電機子巻線
１１である。ここで、図９に示す従来例のように相間を
電気的に接続する中性点１６が一箇所の場合、今回対象
とした多数の素線１２で構成される電機子巻線１１では
非常に大きくなってしまう。このため、コイル端部が大
きく、接続部の発熱も過大となる。ここで、本発明は前
記、素線１２からなる束１３ａ,１３ｂ,１３ｃ，１３
ｄ，１３ｅ，１３ｆ毎に接続ポイントを設けた。本実施
例では素線１２からなる束１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１
３ｄ，１３ｅ，１３ｆを６本としたので、中性点１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆも６箇所
となる。

【００１８】図７において、６つの中性点１６ａ，１６
ｂ，１６ｃ，１６ｄ,１６ｅ,１６ｆはコイル端部位置に
配置する際、コイル周方向に各々の中性点１６ａ，１６
ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆが重ならないよう
に分散配置させる。また、本発明では接続を半田接続と
したが、かしめ接続や溶接などでも接続部発熱が問題に
ならなければ、その目的を達成できる。

【００１９】図１０にスロット５内に配置した電機子巻
線１１の電流密度分布について比較例と本発明の一実施
例との比較図を示す。この図はコイル端部に転位部１９
が無く、中性点１６が１箇所の図８，図９に示す比較例
と、コイル端部ごとに転位部１９があり、中性点１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆが６箇所
の本発明の電流密度分布の検証結果である。素線１２か
らなる束１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１
３ｆ各々に流れる電流値を５０Ｈｚから１０００Ｈｚま
での範囲で測定した。５０Ｈｚでは素線１２からなる束
１３ａ,１３ｂ,１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆに流れ
る電流が比較例、本発明の実施例ともに均等であるの
で、電流が均等に流れているかどうかを比較する指標と
して、５０Ｈｚの電流値で各周波数の電流を規格化し
た。理想的には規格化した電流（ｐ.ｕ.）は周波数によ
らず１であることが望ましい。

【００２０】結果は周波数が高くなればなるほど比較
例、本発明の実施例ともに電流が特定の素線からなる束
１３ａに集通して流れる現象が発生したが、電流集中の
度合は明らかに本発明の方が抑えられているのが判る。
つまり、電機子巻線１１内の電流が素線１２からなる束
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆに均
等に流れ、高周波通電による抵抗増加を少なくすること
が確認できた。

【００２１】なお、超高速の永久磁石式同期電動機は４
０,０００rpmから８０,０００rpmを対象としているの
で、基本周波数は６６７Ｈｚから１３３３Ｈｚにもな
る。本明細書ではこの基本周波数を総じて１ｋＨｚ前後
と称している。

【００２２】以上のように、電機子巻線を構成する多数
の素線を等配分した束に分割する。巻装時、電機子巻線
にコイル端部位置で転位を施すことで、それぞれの束が
スロットの深さ方向の位置を順次入れ替える。これによ
り、各相に配置した電流導入端子部のインピーダンスが
複数の束で均等化され、通電電流を束毎に均等に分配で
きるようになる。よって、高周波通電による抵抗増加を
抑制し銅損を低減できるため、高効率の永久磁石式同期
電動機が提供できる。また、複数のＹ結線を構成する束
毎に独立した中性点を設け、電機子巻線端部において各
々の中性点を周方向に分散配置することで、コイル軸端
部を短縮することができ、コンパクトな電機子巻線を有
する永久磁石式同期電動機が提供できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、銅損が少なくコンパク
トな電機子巻線を有する高効率の回転電機を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機
Ｕ相巻線の説明図である。

【図２】本発明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機
使用の圧縮機構成図である。

【図３】本発明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機
の軸方向断面図である。

【図４】本発明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機
の電機子巻線の軸方向断面図である。

【図５】本発明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機
の電機子コアと電機子巻線の軸方向断面図である。

【図６】本発明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機
の電機子巻線構成図である。

【図７】本発明の一実施例に係る永久磁石式同期電動機
の電機子巻線端部の軸方向断面図である。

【図８】比較例に係る永久磁石式同期電動機の電機子コ
アの軸方向断面図である。

【図９】比較例に係る永久磁石式同期電動機の電機子巻
線構成図である。

【図１０】スロット内巻線導体の電流密度分布について
比較例と本発明の一実施例とを比較した図である。

【符号の説明】

１…永久磁石式同期電動機、２…永久磁石回転子、３…
電機子、４…電機子コア、５ａ，５ｂ…スロット、６
ａ，６ｂ，６ｃ…磁気軸受、７…永久磁石、８…ＣＦＲ
Ｐ、９…中間スリーブ、１０…シャフト、１１…電機子
巻線、１２…素線、１３…素線１２からなる束、１４ａ
…Ｕ相巻線、１４ｂ…Ｖ相巻線、１４ｃ…Ｗ相巻線、１
５…電流導入端子部、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６
ｄ，１６ｅ，１６ｆ…中性点、１７…電流導入ケーブ
ル、１８…インバータ電源、１９…転位部、２０ａ，２
０ｂ…羽根車。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋身佳茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者高橋直彦茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所土浦事業部内 (72)発明者三浦治雄茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所土浦事業部内 (72)発明者福島康雄茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所土浦事業部内Ｆターム(参考） 5H603 AA00 BB01 BB07 BB09 BB12 CA05 CB02 CB03 CB11 CC05 CC17 CD04 CD05 CE01 EE01 5H621 BB10 HH01 JK13 JK19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子鉄心の複数のスロット中にＹ結線の
電機子巻線が同心巻もしくは重ね巻で巻装され、電機子
巻線に印加される電圧・電流の周波数が６６７Ｈｚ以上
であって、電機子巻線が直径１mm以下の素線の複数本か
らなり、それらの素線を等配分した複数の巻線部に分割
すると共に、電機子巻線の端部で巻線部に転位を施し、
巻線群のスロット内配置を異ならせるようにしたことを
特徴とする回転電機。
【請求項２】請求項１において、電機子巻線の巻線群毎
にＹ結線を施し、各Ｙ結線の中性点が独立していること
を特徴とする回転電機。
【請求項３】請求項２において、各Ｙ結線の中性点を電
機子巻線端部で分散配置したことを特徴とする回転電
機。