JP2006271187A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】集中巻方式の利点である生産性の良さを保持しつつ、基本波に近い起磁力高調波をなくして効率よく運転できる回転電機を提供する。
【解決手段】複数のティース５にコイル４が集中巻方式により巻回され、コイル４が３相電源に接続されている固定子１と、固定子１のティース５に対向して配設された回転子２とを備え、固定子１の極数とスロット数の比が１：３となることを特徴とする。これにより、基本波に近い起磁力高調波がなくなり、効率よく回転電機を運転することが可能である。また、集中巻方式の固定子とすることで、コイルエンドが小さく、量産性が高く、占積率が高い生産性の良い回転電機を提供することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機、特に集中巻方式の巻線が施された固定子を有する回転電機に関するものである。

従来、３相誘導電動機の固定子は、分布巻方式の巻線が施されていた。一方、永久磁石式モータでは、集中巻方式の巻線が施された固定子が用いられることが多い。集中巻固定子と分布巻固定子の大きな違いは、集中巻固定子では起磁力波形において基本波の近くの周波数に逆相（回転方向と逆向きに進む）磁束が存在することである。これは、固定子の作る磁束により二次側に電流を流して磁束を作るタイプの誘導電動機ではトルクの脈動（リップル）が発生したり、力率が悪くなるなどの欠点となる。しかしながら、集中巻固定子には、量産性が高い・コイルエンドが小さい・占積率が高い等の主に生産性に関わるメリットが大きい。

以上のような背景において、これまでも誘導電動機の固定子における集中巻化は考慮されている。例えば、固定子が軸方向に分割された複数の固定子からなり、１つの分割固定子は他の分割固定子に対して周方向にずれ角βだけずらして配置し、分割固定子の１つのティース毎に固定子巻線のコイルを巻くことにより、前述の逆相磁束を消そうとするものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２９８５７８号（請求項１等）

しかしながら、上記特許文献１の手法では、軸方向中央部にもコイルエンドが必要となり、集中巻方式の利点であるコイルエンドが小さい、というメリットが半減する。また、形状によっては分布巻方式よりコイルエンドが大きくなることがある。つまり、集中巻方式の利点を活かしきれない。この問題は特に積み厚の小さいモータで顕著に現れる。

この発明は上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、集中巻方式の利点である生産性の良さを保持しつつ、基本波に近い起磁力高調波をなくして効率よく運転できる回転電機を提供する。

この発明に係る回転電機は、複数のティースにコイルが集中巻方式により巻回され、コイルが３相電源に接続されている固定子と、固定子のティースに対向して配設された回転子とを備え、固定子の極数とスロット数の比が１：３となることを特徴とする。

この発明による回転電機によれば、固定子の極数とスロット数の比が１：３となる３相集中巻方式とすることで、基本波に近い起磁力高調波がなくなり、効率よく回転電機を運転することが可能である。また、集中巻方式の固定子とすることで、コイルエンドが小さく、量産性が高く、占積率が高い生産性の良い回転電機を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による回転電機、特に３相集中巻誘導電動機を示す断面図である。図１において、３相集中巻誘導電動機１００は、固定子１と、回転子２とからなる。固定子１は、電磁鋼鈑等を積層して製作されるコアバック３と、同じく電磁鋼鈑等を積層して製作されるティース５にコイル４が集中的に巻き回されているものが一体化され製作される。図２に示すように、各ティース５に巻回されたコイル４は、それぞれ３相電源（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に接続され、回転磁界を作るように巻回され結線されている。

回転子２は、電磁鋼鈑等を積層して製作された回転子コア７と、回転子コア７内にある二次導体形成用スロットにアルミダイキャスト等で形成された二次導体８を備え、シャフト９を通して製作される。この二次導体８は通常積み厚方向の最終部両端にエンドリング（図示せず）を構成している。

このようにして製作された固定子１と回転子２は、空隙６を隔てて一体化され集中巻誘導電動機となる。

ここで、３相誘導電動機に一般的に用いられる分布巻固定子のつくる起磁力について考慮する。毎極毎相のスロット数が３の場合の分布巻固定子がつくる起磁力の高調波成分について表１に示す。毎極毎相のスロット数３は、２極なら固定子１８スロット、４極なら３６スロットを意味する。表１は基本波を１００％として記載している。表１から、起磁力の基本波に対し高調波は小さく、５次、７次に若干みられる程度である。

同様に毎極毎相のスロット数が２及び１の場合の分布巻固定子がつくる起磁力の高調波成分を表２に示す。表２には表１の結果も再記している。いずれの場合もそれぞれの固定子がつくる起磁力の基本波成分を１００％として記載している。表１と比較して、毎極毎相のスロット数が減少するに従い、５次、７次の成分が増加しているが、発生する高調波次数は同じである。

次に、永久磁石式モータに多く用いられる集中巻固定子のつくる起磁力について考慮する。永久磁石式モータでは、基本単位が２極３スロットとなる固定子が多く用いられる。基本単位が２極３スロットとは、４極なら６スロット、６極なら９スロットを意味する。基本単位が２極３スロットの集中巻固定子がつくる起磁力の高調波成分を表３に示す。ここでは、表２に示す分布巻固定子では見られない２次や４次などの起磁力が発生している。この２次の起磁力は、基本波と反対方向に作用するものであり、逆相の起磁力と呼ばれる。この逆相の起磁力が基本波に近い周波数で存在しているため、誘導電動機は効率よく回転することができない。主にはトルクの脈動（リップル）が発生したり、力率が悪くなる等の影響がある。

以上の結果から、分布巻固定子を有する誘導電動機では基本波に近い次数の逆相の起磁力がないため効率よく誘導電動機を運転することができるが、永久磁石式モータに多く用いられる集中巻固定子（基本単位が２極３スロット）を有する誘導電動機では、基本波に近い次数の逆相の起磁力があるため効率よく誘導電動機を運転することができない。
ここで、本実施の形態における集中巻固定子の起磁力について述べる。本実施の形態における集中巻固定子は、永久磁石式モータに多く用いられる基本単位が２極３スロットの固定子とは異なり、基本単位が１極３スロットとするものである。つまり、２極なら６スロット、４極なら１２スロットとなる。基本単位が１極３スロットの集中巻固定子の起磁力の高調波成分を表４に示す。これまでと同様基本波を１００％として記載している。永久磁石式モータに多く用いられる基本単位が２極３スロットの固定子では、基本波に近い次数の起磁力高調波が多く存在していたのに対し、本発明における基本単位が１極３スロットの固定子では基本波に近い次数の起磁力高調波が存在しない。また、表２に示す毎極毎相のスロット数１の分布巻固定子の作る起磁力と同等であるため、毎極毎相のスロット数１の分布巻固定子と同等の性能が得られることがわかる。そのため、誘導電動機を効率よく回転させることが可能である。

以上のように、基本単位が１極３スロットの集中巻固定子を有する集中巻誘導電動機は、基本波に近い次数の高調波が存在しないため、主には力率が改善され、効率よく誘導電動機を運転できる。また、集中巻方式の固定子とすることにより、量産性が高い、コイルエンドが小さい、占積率が高いという効果を得ることができる。
図１及び図２では、実施の形態１による４極１２スロットの場合の集中巻誘導電動機を示しているが、図３及び図４では、実施の形態１による６極１８スロットの場合の集中巻誘導電動機を示す。

実施の形態２．
分布巻誘導機の抵抗Ｒ₁は、コイル（銅線）の長さをＬ、コイルの断面積をＡ_Ｃとして、下記の式（３）で計算できる。

１ターンあたりのコイル長をＬ₁とすると、上記Ｌはターン数ｎ、各相のスロット数Ｎ_ｓを用いて以下の式（４）のようになる。

固定子外径をφ_ｄ、コイル径を０．８φ_ｄ、極数をｐとしたとき、分布巻誘導機の片側コイルエンド部のコイル長さＬ_Ｅは以下の式（５）のように計算される。

全スロット面積をＡ_Ｓ、占積率をσとしたとき、下記式（６）の関係が成り立つ。

これらの結果から、固定子コア長をＬ_Ｃとして、抵抗Ｒ₁は、下記式（７）のように求められる。

分布巻誘導機の全長Ｌ_Ｓは、結線に必要な長さをｌとして下記の式（８）で表現できる。

同様に、集中巻誘導機の抵抗Ｒ_２を求める。分布巻誘導機の巻線係数が１であったのに対して、集中巻誘導機の巻線係数は０．５であるため、等しい電流で等しいトルクを出すためには、１つのスロットのターン数は２倍にする必要がある。一方、集中巻誘導機は分布巻誘導機と比べて２倍の占積率であると考える。また、集中巻誘導機の片側コイルエンド部のコイル長さＬ_Ｅは以下の式（５）のように表現される。

これらのことを踏まえて、集中巻誘導機の抵抗Ｒ_２は下記の式（１０）のように計算できる。なお、Ｎ_Ｓ＝３ｐである。

また、集中巻誘導機の全長Ｌ_Ｓは、下記の式（１１）のようになる。

これらの計算結果から、分布巻誘導機と集中巻誘導機では、固定子コア長と固定子外径により有利・不利があることが分かる。

分布巻誘導機と集中巻誘導機で固定子コア長Ｌ_Ｃを等しくした場合、誘導機全長は上記の計算式から必ず集中巻誘導機の場合の方が小さくなる。さらに、抵抗が小さい方が効率が向上するので、下記の式（１２）を満たすと集中巻誘導機の方が有利である。

上記の式（１２）を整理すると、下記の式（１３）のようになる。

つまり、式（１３）の範囲では、集中巻誘導機の方が分布巻誘導機と比較して小型化と効率向上の両方が可能になる。

これまでの計算結果から、等しい電流で等しいトルクが出るときに、固定子コア長が等しい場合には必ず集中巻誘導機の方が誘導機全長が短くなる。このことから、逆に誘導機全長を等しくした場合には集中巻誘導機の方が固定子コア長を大きくすることができ、その状態で分布巻と等しいトルクを出すにはその分電流を小さくすることができる。電流を小さくすることは銅損の減少につながるので、最終的には効率の向上が可能になる。
分布巻誘導機と集中巻誘導機のそれぞれの全長の差は以下の式（１４）の通りである。

つまり、誘導機全長が等しい場合には、集中巻誘導機はその固定子コア長を下記の式（１５）のように設定できる。

このことにより、同じトルクを出す場合には、集中巻誘導機の電流は分布巻誘導機の電流の式（１６）倍ですむ。

これらのことを総合して、下記の式（１７）を満たす場合に、集中巻誘導機は分布巻誘導機に対して小型化もしくは効率向上ができる。

上記式（１７）を整理すると、以下の式（１８）のようになる。

実施の形態２によれば、４極１２スロットの場合、図５に示す５Ａの範囲で効率向上若しくは小型化が図れ、図５に示す５ＡＡの範囲で効率向上かつ小型化が図れる。また、６極１８スロットの場合、図６に示す６Ａの範囲で効率向上若しくは小型化が図れ、図６に示す６ＡＡの範囲で効率向上かつ小型化が図れる。

実施の形態３．
実施の形態１で説明したように、基本単位が１極３スロットの集中巻固定子を有する集中巻誘導電動機は、永久磁石式モータに多く用いられる基本単位が２極３スロットの集中巻固定子と異なり、２次や４次の起磁力高調波が存在しないため、効率よく運転することが可能である。

ここで、５次や７次の起磁力高調波が大きいとトルクの脈動（リップル）が大きくなることが多い。そこで、本実施の形態では、５次の起磁力高調波を低減することにより、集中巻誘導電動機の運転をより効率良く行うようにする。

５次の起磁力高調波は、基本波に対し１／５の波長となっている。この５次の起磁力高調波の影響を受けないよう回転子２の二次導体８をスキューすればよい。基本波の波長を電気角で３６０度とすると、５次の波長はその１／５となるため、その複数倍の電気角で回転子２の二次導体８をスキューすれば、回転子２の二次導体８は固定子１のつくる５次の起磁力高調波の影響を少なくすることが可能である。

図７はこの発明の実施の形態３による集中巻誘導電動機の回転子の縦断面図を示す。図において、７は回転子コア、８は二次導体、９はシャフト、１０はエンドリングであり、二次導体８が軸方向に下記式の回転角度θｒでスキューされている。

θｒ＝３６０／５×ｎ＝７２×ｎ
ここで、θｒ：回転子のスキュー角度、ｎ：自然数である。

具体的には、回転子２の二次導体８を電気角で７２度、１４４度、２１６度、・・・スキューする。

以上のように、本実施の形態によれば、回転子の二次導体を電気角で７２度の整数倍でスキューすることにより、固定子がつくる５次の起磁力高調波の影響を少なくすることが可能であり、リップルの小さい集中巻誘導電動機を得ることが可能である。

実施の形態４．
実施の形態３において、スキュー角度が小さいほど同じ電流で多くのトルクを発生することが可能となるため、スキュー角度は小さいほど望ましい。固定子のつくる５次の起磁力高調波の影響を受けなくするため、回転子の二次導体を電気角で７２度スキューすることで、トルクも大きく、固定子のつくる５次の起磁力の影響（リップルが大きいなど）を少なくすることが可能である。図８は本実施の形態による集中巻誘導電動機の回転子の縦断面図を示す。

実施の形態５．
実施の形態１で説明したように、基本単位が１極３スロットの集中巻固定子を有する集中巻誘導電動機は、永久磁石式モータに多く用いられる基本単位が２極３スロットの集中巻固定子と異なり、２次や４次の起磁力高調波が存在しないため、効率よく運転することが可能である。

ここで、５次や７次の起磁力高調波が大きいとトルクの脈動（リップル）が大きくなることが多い。そこで、本実施の形態では、７次の起磁力高調波を低減することにより、集中巻誘導電動機の運転をより効率良く行うようにする。

７次の起磁力高調波は、基本波に対し１／７の波長となっている。この７次の起磁力高調波の影響を受けないよう回転子２の二次導体８をスキューすればよい。基本波の波長を電気角で３６０度とすると、７次の波長はその１／７となるため、その複数倍の電気角で回転子の二次導体をスキューすれば、回転子２の二次導体８は固定子１の作る７次の起磁力高調波の影響を少なくすることが可能である。

図９はこの発明の実施の形態５による集中巻誘導電動機の回転子の縦断面図を示す。図において、７は回転子コア、８は二次導体、９はシャフト、１０はエンドリングであり、二次導体８が下記式の回転角度θｒ１で軸方向にスキューされている。

θｒ１＝３６０／７×ｎ
ここで、θｒ１：回転子のスキュー角度、ｎ：自然数である。

具体的には、回転子２の二次導体８を電気角で５１．４度、１０２．９度、１５４．３度、・・・、スキューする。

以上のように、本実施の形態によれば、回転子の二次導体を電気角で３６０／７度の整数倍でスキューすることにより、固定子がつくる７次の起磁力高調波の影響を少なくすることが可能であり、リップルの小さい集中巻誘導電動機を得ることが可能である。

実施の形態６．
実施の形態５において、スキュー角度が小さいほど同じ電流で多くのトルクを発生することが可能となるため、スキュー角度は小さいほど望ましい。固定子のつくる７次の起磁力高調波の影響を受けなくするため、回転子２の二次導体８を電気角で３６０／７度スキューすることで、トルクも大きく、固定子１のつくる７次の起磁力の影響（リップルが大きいなど）を少なくすることが可能である。図１０は本実施の形態による集中巻誘導電動機の回転子の縦断面図を示す。

実施の形態７．
固定子１には有限のスロットがあるため、スロット高調波磁束が発生する。このスロット高調波磁束は、回転子２と鎖交し、高調波の二次銅損や高調波の鉄損となる。高調波二次銅損は、回転子２のスロット数が固定子１のスロット数のｎ倍（ｎは自然数）の時最小となり、回転子２のスロット数が固定子１のスロット数の（ｎ−０．５）倍の時最大となる。逆に、高調波鉄損は、回転子２のスロット数が固定子１のスロット数のｎ倍の時最大となり、回転子２のスロット数が固定子１のスロット数の（ｎ−０．５）倍の時最小となる。そこで、これらの高調波損失が最も少なくすることが必要となる。

図１１は回転電機の高調波損失の模式図を示したものであり、４極の３相集中巻誘導電動機を例に示したものである。また、固定子１のスロット数は１２スロットである。図１１において、■が高調波二次銅損であり、△が高調波鉄損、○が高調波損失である。なお、一般的には高調波損失を最小化するため、高調波鉄損の最大値と高調波二次銅損の最大値は通常略同一程度に設計される。回転子２のスロット数の変化により、高調波二次銅損と高調波鉄損の和である高調波損失が増減する。図１１では、高調波二次銅損の最大値は高調波鉄損の最大値より大きくなっているが、これは回転子コア７のグレードや周波数などの様々な要素で大小関係は変化する。しかしながら、高調波損失の最小値は、高調波二次銅損と高調波鉄損のそれぞれの最大値の中間に位置することがわかる。

つまり、回転子２のスロット数が固定子１のスロット数の略（０．５ｎ＋０．２５）倍付近が最小となることがわかる。よって、固定子１のスロット数をＮｓ、回転子２のスロット数をＮｒとすると、

Ｎｓ×（０．５ｎ＋０．２５）−１≦Ｎｒ≦Ｎｓ×（０．５ｎ＋０．２５）＋１

とするのが高調波損失が小さくなることがわかる。ただし、Ｎｒ、ｎは自然数である。

また、回転子のスロット数をＮｓ×（０．５ｎ＋０．２５）に最も近い自然数とすると、高調波損失が最小となる。

さらに、固定子１の極数が４極の場合、回転子２のスロット数を９または１５とすることで、図１１の高調波損失は最小となる。

上記実施形態の説明では、誘導電動機を例に挙げて説明したが、上記説明と同様な構造を有する回転電機であれば、誘導発電機等その他の回転電機に適用しても同様の効果を奏する。

この発明の実施の形態１による４極１２スロットの回転電機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態１による４極１２スロットの回転電機の固定子巻線を示す横断面図である。 この発明の実施の形態１による６極１８スロットの回転電機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態１による６極１８スロットの回転電機の固定子巻線を示す横断面図である。 この発明の実施の形態２による４極１２スロットの回転電機の適用範囲を示す図である。 この発明の実施の形態２による６極１８スロットの回転電機の適用範囲を示す図である。 この発明の実施の形態３による回転電機の回転子を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態４による回転電機の回転子を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態５による回転電機の回転子を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態６による回転電機の回転子を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態７による回転電機の高調波損失の模式図を示す図である。

符号の説明

１ 固定子、２ 回転子、３ コアバック、４ コイル、５ ティース、６ 空隙、
７ 回転子コア、８ 二次導体、９ シャフト、１０ エンドリング、
１００ 集中巻誘導電動機。

Claims (10)

1. 固定子コアに設けられた複数のティースにコイルが集中巻方式により巻回され、上記コイルが３相電源に接続されている固定子と、上記固定子の上記ティースに対向して配設された回転子とを備え、上記固定子の極数とスロット数の比が１：３となることを特徴とする回転電機。
2. 固定子コア長Ｌ_ｃと固定子外径φ_ｄの関係が、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の回転電機（但し、ｐは固定子の極数）。
   

   
3. 固定子コア長Ｌ_ｃと固定子外径φ_ｄの関係が、下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の回転電機（但し、ｐは固定子の極数）。
   

   
4. 上記回転子のスロットに形成された二次導体を軸方向に約７２×ｎ度（ｎは自然数）スキューすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 上記回転子のスロットに形成された二次導体を軸方向に約７２度スキューすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 上記回転子のスロットに形成された二次導体を軸方向に約３６０／７×ｎ度（ｎは自然数）スキューすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 上記回転子のスロットに形成された二次導体を軸方向に約３６０／７度スキューすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 上記固定子のスロット数をＮｓ、上記回転子のスロット数をＮｒとした場合、
   Ｎｓ×（０．５ｎ＋０．２５）−１≦Ｎｒ≦Ｎｓ×（０．５ｎ＋０．２５）＋１
   とすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 上記固定子のスロット数をＮｓとした場合、上記回転子のスロット数Ｎｒを、
   Ｎｓ×（０．５ｎ＋０．２５）に最も近い自然数とすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
10. 上記固定子の極数が４極の場合、上記回転子のスロット数を９または１５とすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。

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