JP2007259541A

JP2007259541A - 永久磁石式電動機

Info

Publication number: JP2007259541A
Application number: JP2006078204A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Tanaka; 敏則田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】巻線のターン数の比率により、ある特定の高調波を抑制しトルクリップルを低下させた永久磁石式電動機を得る。
【解決手段】極数が１０極又は９極、スロット数が９スロットの組み合わせの整数倍で構成される集中巻の永久磁石式電動機において、各相は連続する３連コイルで構成され、各コイルの中央コイルは、両側のコイルに対して反転して巻かれ、中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して異なる比率構成にする。
【選択図】図４

Description

この発明は、永久磁石式回転電機に関するもので、特に、集中巻において連続するコイルの巻数比を変化させることで高調波を抑制しトルクリップルを低下させたものである。

従来、永久磁石式電動機においては、巻線係数の改善を目的として、ロータの磁石にスキューを設けることにより、トルクリップル６ｆ成分に起因する５次、７次高周波を低減させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、このような従来技術をトロイダル巻線に応用する場合は、ステータコアバック部分に固定のための穴を設けている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１５３９１３号公報特開２００２−１０１５８９号公報

しかしながら、従来の巻線係数の改善を目的としたものは、ロータの磁石にスキューを設けることにより、トルクリップル６ｆ成分に起因する５次、７次高周波を低減させているが、この方法ではロータへの磁石貼り付け作業工程が複雑化するという問題があった。
また、ステータコアバック部分に固定のための穴を設ける場合は、ステータコアバック部分の磁路が狭くなる。また十分な磁路を確保するためにステータコア部分を厚くすると、コイルエンド部が増加して巻線抵抗が増加する。またステータコアを分割した場合は、分割コア同士を結合する特別な機構が必要となる等の問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、極数が１０極又は８極、スロット数が９スロットの組み合わせの整数倍で構成される集中巻の永久磁石式電動機において、巻線のターン数の比率により、ある特定の高調波を抑制しトルクリップルを低下させた永久磁石式電動機を提供することを目的とするものである。

この発明に係る永久磁石式電動機においては、極数が１０極又は８極、スロット数が９スロットの組み合わせの整数倍で構成される集中巻の電動機において、各相は連続する３連コイルで構成され、各コイルの中央コイルは両側のコイルに対して反転して巻かれ、中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して異なる比率構成にしたものである。

この発明によれば、集中巻において連続するコイルの巻数比を変化させることで高調波を抑制しトルクリップルを低下させることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における極数８スロット数９の整数倍で構成される磁極集中巻の永久磁石式電動機を示す図、図２はこの発明の実施の形態１における極数１０スロット数９の整数倍で構成される磁極集中巻の永久磁石式電動機を示す図、図３はこの発明の実施の形態１における永久磁石式電動機のＵ相巻線を示すコイル巻線図、図４はこの発明の実施の形態１における永久磁石式電動機の巻線の中央ターンを両側コイルのターン数に対して減少させた場合の高調波の分布巻係数を表した特性図、図５はこの発明の実施の形態１における永久磁石式電動機の巻線の中央ターンを両側コイルのターン数に対して増加させた場合の高調波の分布巻係数を表した特性図である。

３相の磁極集中巻の電動機は、各相が連続する３連コイルで構成されており、ロータの回転方向に対して各巻線の配置は、８極９スロットの電動機の場合では、図１に示すように、Ｕ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）、Ｖ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）、Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）と並び、１０極９スロットの電動機の場合では、図２に示すように、Ｕ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）、Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）、Ｖ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）、と並ぶ。なお、図中、１はステータ、２は巻線、３はロータ、４はロータ３の外周に設けられた複数個の永久磁石である。
また、各コイルの中央コイル（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ３）は、両側コイル（Ｕ１、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ３、Ｗ１、Ｗ３）に対して反転して巻かれる。このコイル巻線のＵ相の例を図３に示す。この発明の実施の形態１による３相の磁極集中巻の電動機は、中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して異なる比率構成にしたものである。また、磁石をスキュー無しとした構成である。

図４は中央ターンを両側コイルのターン数に対して減少させた場合、図５は中央ターンを両側コイルのターン数に対して増加させた場合の５次、７次高調波の分布巻係数を表したものである。
図４、図５では、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各相の３連コイルの総ターン数は３００ターンとして、総巻線数を変えずに中央ターン数と両側のターン数の比率を変化させたものである。
また、この図４、図５の分布巻係数は極数とスロット数が８対９の整数倍でも、１０対９の整数倍でも同じ結果となる。
一般に電動機においては、トルクリップル６ｆ成分が問題となり、このトルクリップル６ｆ成分は５次、７次高調波に起因しており、５次、７次高調波が小さいほど望ましい。この実施の形態１では、例えば、次のようにして、トルクリップル６ｆ成分を低減している。
すなわち、図４に示すように、中央ターン数を減少させて、分布巻係数の５次高調波成分を低減させる。このとき、７次高調波は大きくなるが、磁石形状を変化させることで７次高調波を低減し、トルクリップル６ｆ成分を低減させる。好ましくは、両側ターン数と中央ターン数の比率の組み合わせは、１２８−４４−１２８付近が良い。
また、図５に示すように、中央ターン数を増加させて、分布巻係数の７次高調波成分を低減させる。このとき、５次高調波は大きくなるが、磁石形状を変化させることで５次高調波を低減し、トルクリップル６ｆ成分を低減させる。好ましくは、両側ターン数と中央ターン数の比率の組み合わせは、８５−１３５−８５付近が良い。

なお、この実施の形態１では、総ターン数を３００ターンで構成したが、これに制限されるものではない。任意の総ターン数で両側ターン数と中央ターン数の比率が同じであれば、前述のように、５次高調波あるいは７次高調波を低減でき、トルクリップルを低減できる。
また、実施の形態１では、表面磁石構造の構成を示したが、これに制限されるものではない。埋め込み磁石構造（磁石をロータ内に埋め込んだもの）の場合についても、同様である。この場合、前述のように、中央ターン数を異なる構成とし、磁石形状ではなくロータの表面形状を変えることでトルクリップルを低減する。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２における極数８スロット数１８で構成される環状巻線（トロイダル巻線）の永久磁石式電動機を示す図、図７はこの発明の実施の形態２における永久磁石式電動機の巻線の中央ターン数を両側コイルのターン数に対して減少させた場合の高調波の分布巻係数を表した特性図である。

この実施の形態２では、巻線係数を改善してトルクリップルを低減したトロイダル巻線の永久磁石式電動機において、実施の形態１のように、中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して異なる構成にしたものである。
すなわち、極数８、スロット数１８で、ステータコア１のコアヨーク部の内外側にトロイダル状に巻き付けられた巻線２の各相が連続した３連コイルで構成されており、ステータコア１の内側及び外側にそれぞれ設けられた内側ロータ３ａ及び外側ロータ３ｂの回転方向に対して各巻線の配置が、Ｕ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）、Ｖ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）、Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）の順に並び、各相のコイルが一つ置きのスロットに配置された巻線配置Ａの巻線群Ａと、この巻線配置Ａの順序と同じ順序で配列して残余のスロットのいずれかから順番に挿入して巻線配置Ａとは位相差を有する各巻線の配置が巻線配置Ｂの巻線群Ｂとに構成されている。巻線群Ｂは、Ｕ’（Ｕ１’、Ｕ２’、Ｕ３’）、Ｖ’（Ｖ１’、Ｖ２’、Ｖ３’）、Ｗ’（Ｗ１’、Ｗ２’、Ｗ３’）である。また、位相差は、例えば図６に示すように、７スロット分である。
中央コイル（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２、Ｕ２’、Ｖ２’、Ｗ２’）は、両側コイルに対して反転して巻かれる。中央コイルのターン数は、実施の形態１と同様に両側コイルのターン数に対して異なる構成である。なお、図中、４ａは内側ロータ３ａの外周に設けられた複数個の永久磁石、４ｂは外側ロータ３ｂの内周に設けられた複数個の永久磁石である。

図７は巻線群ＡのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の総ターン数が３００ターンとして、この総巻線数を変えずに中央ターン数と両側のターン数の比率を変化させたときの、５次、７次高調波の分布巻係数を表したものである。ここでは、中央ターン数を両側ターン数に対して減少させた場合を示す。
この実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して異なる構成とし、トルクリップルを低減することができる。
この実施の形態２では、例えば、次のようにして、トルクリップル６ｆ成分を低減している。
図７に示すように、中央ターン数を減少させて、分布巻係数の５次高調波成分を低減させる。このとき、７次高調波は大きくなるが、磁石形状を変化させることで７次高調波を低減し、トルクリップル６ｆ成分を低減させる。好ましくは、両側ターン数と中央ターン数の比率の組み合わせは、１２８−４４−１２８付近が良い。
また、図示しないが、実施の形態１のように、中央ターン数を増加させて、分布巻係数の７次高調波成分を低減し、磁石形状を変化させることで５次高調波を低減し、トルクリップル６ｆ成分を低減させることもできる。

なお、この実施の形態２では、総ターン数を３００ターンで構成したが、これに制限されるものではない。任意の総ターン数で両側ターン数と中央ターン数の比率が同じであれば、前述のように、５次高調波あるいは７次高調波を低減でき、トルクリップルを低減できる。
さらに、実施の形態２では、極数８、スロット数１８の環状巻線電動機を示したが、これに制限されるものではない。図示しないが、実施の形態１のように、極数１０、スロット数１８の環状巻線電動機においても同様である。このとき、各巻線の配置がロータの回転方向に対して「Ｕ、Ｗ、Ｖ」の順に並ぶ。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３における一つの巻線群で構成した環状巻線（トロイダル巻線）の永久磁石式電動機を示す図である。なお、実施の形態２と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

上記実施の形態２では、巻線群Ａ、巻線群Ｂと構成して巻線係数を改善した環状巻線電動機について説明したが、この実施の形態３においては、図８に示すように、一つの巻線群「Ｕ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）、Ｖ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）、Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）」で構成した環状巻線電動機である。この構成においても、同様に、中央ターン数を両側ターン数に対して異なる構成とし、トルクリップルを低減できる。この場合、巻線群は一つであるので、スロット数は９である。

実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４における環状巻線（トロイダル巻線）の永久磁石式電動機を示す図である。なお、実施の形態２と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

この実施の形態４においては、上記実施の形態２に比較して、中央ターン数を両側ターン数に対して、例えば、両側ターン数に対して１／２のように小さくして、中央ターンの減少により小さくなったスロット面積に対応するステータコア部分に固定穴５を設けたものである。
一般に環状巻線電動機においては、ステータを電動機の外枠に嵌合して固定することができない。このため、従来の技術では、図１０に示すように、ステータコアバック部分に固定のための穴５を設けていた。しかし、このような構成にすると、ステータコアバック部分が小さくなるため磁気飽和しやすくなる。この問題を解消するためには、ステータコアバック部分を厚くする必要があるが、コアバック部分を厚くすると巻線抵抗が増加し銅損が大きくなるという問題がある。そこで、この実施の形態３においては、中央コイルのターン数を減らすことで、スロット面積を小さくし、減らしたスロット面積に対応するコアバック部分に固定穴５を設けることができる。これにより、コアバック部分を小さくすることなく固定穴５が設けられる。したがって、トルクリップルを低減するとともに、磁気飽和しにくく、ステータを固定できる環状巻線電動機を得ることができる。

この発明の実施の形態１における極数８スロット数９の整数倍で構成される磁極集中巻の永久磁石式電動機を示す図である。この発明の実施の形態１における極数１０スロット数９の整数倍で構成される磁極集中巻の永久磁石式電動機を示す図である。この発明の実施の形態１における永久磁石式電動機のＵ相巻線を示すコイル巻線図である。この発明の実施の形態１における永久磁石式電動機の巻線の中央ターンを両側コイルのターン数に対して減少させた場合の高調波の分布巻係数を表した特性図である。この発明の実施の形態１における永久磁石式電動機の巻線の中央ターンを両側コイルのターン数に対して増加させた場合の高調波の分布巻係数を表した特性図である。この発明の実施の形態２における極数８スロット数１８で構成される環状巻線の永久磁石式電動機を示す図である。この発明の実施の形態２における永久磁石式電動機の巻線の中央ターン数を両側コイルのターン数に対して減少させた場合の高調波の分布巻係数を表した特性図である。この発明の実施の形態３における一つの巻線群で構成した環状巻線の永久磁石式電動機を示す図である。この発明の実施の形態４における環状巻線の永久磁石式電動機を示す図である。従来の環状巻線の永久磁石式電動機を示す図である。

符号の説明

１ステータ（コア）
２巻線
３ロータ
４永久磁石
５固定穴

Claims

極数が１０極又は８極、スロット数が９スロットの組み合わせの整数倍で構成される集中巻の永久磁石式電動機において、
各相は連続する３連コイルで構成され、各コイルの中央コイルは両側のコイルに対して反転して巻かれ、中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して異なる比率構成にしたことを特徴とする永久磁石式電動機。
中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して減少させたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式電動機。
両側コイルのターン数と中央コイルのターン数の比率の組み合わせを１２８−４４−１２８付近としたことを特徴とする請求項２記載の永久磁石式電動機。
中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して増加させたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式電動機。
両側コイルのターン数と中央コイルのターン数の比率の組み合わせを８５−１３５−８５付近としたことを特徴とする請求項４記載の永久磁石式電動機。
巻線の組み合わせを環状巻線電動機に適用したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の永久磁石式電動機。
中央コイルのターン数を両側コイルのターン数に対して減少させることにより、スロット面積が小さくなったステータコア部分に固定用の穴を設けたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の永久磁石式電動機。