JP2008178187A - 多相誘導機 - Google Patents

Abstract

【課題】集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を抑制することが可能で、分布巻きに比較して生産性を高くすることができる多相誘導機を提供する。
【解決手段】３相誘導機１０は、固定子１１及び回転子１２を備えている。固定子１１は略円筒状に形成され、内側に複数のティース１３が等間隔に設けられている。ティース１３は３の倍数個設けられ、各ティース１３には固定子巻線１４が集中巻きで巻回されている。各ティース１３の回転子１２と対向する先端部１５は、回転子１２とのギャップＧ、即ち先端部１５の回転子１２に対向する面と回転子１２とのギャップＧを、回転子１２の回転方向の後側が大きくなるように形成することにより、回転子１２の回転方向後側の磁気抵抗が大きくなるように形成されている。ティース１３は、進相角がπ／３になるように、磁気抵抗が変化するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多相誘導機に係り、詳しくは固定子巻線を集中巻きにした多相誘導機に関する。

交流機を駆動するための電機子の巻線方式は分布巻きと集中巻きとに大別される。前者はリング状コアの空隙面に多くの溝を形成し、対向する溝間がほぼ１８０°の電気角になるようにコイルを巻き渡すものである。個々のコイルの磁束の発生効率が高く、またコイルを複数の溝に分散させることで磁束分布を正弦波に近づけることができる。従来、３相誘導電動機の固定子は、分布巻きで巻線が巻回されていた。

また、扇風機等の家電製品に使用される単相誘導電動機の固定子には、集中巻きで巻線が巻回されている。単相誘導電動機では単に固定子に交流を流しただけでは、それ自体で始動（起動）できないため、例えば、主巻線と補助巻線を設けるとともに、一方にコンデンサを挿入したコンデンサモータと呼ばれるものがある。そして、コンデンサモータにおける起動性能の改善を図るため、主巻線が巻回されたティースと補助巻線が巻回されたティースとが交互に配置され、主巻線が巻回されたティースにのみ、ティース先端部の回転子対向面の回転方向後側に広幅空隙部を設けたハーフピッチ型電動機の固定子鉄心が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−６１２４１号公報

固定子巻線を集中巻きで巻回した構成では、相の数の突極（ティース）の各々にコイルを集中的に巻きつけた離散形の励磁方式で、個々の極の磁束の発生効率が分布巻きの２／３程度であるのに加え、全極総合した磁束の分布に多くの高調波を含み、無視できない脈動トルクを惹起することがある。そして、誘導機は高調波に敏感であり、自己始動形磁石機等の過渡的な用途以外には集中巻きは適用できないとされてきた。

一方、固定子巻線を分布巻きで巻回した構成は、複数の巻線が複雑に重なりあって巻くのが難しく、そのうえ絶縁を傷つける確率が高いため、量産性が低い。また、コイルエンドが大きく小型化に不利という問題もある。

特許文献１は、単相誘導電動機で始動トルク（起動トルク）を向上することを目的としており、定常回転時における高調波の低減に関しては考慮されていない。
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を抑制することが可能で、分布巻きに比較して生産性を高くすることができる多相誘導機を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、固定子に設けられた各ティースに固定子巻線が集中巻きにより巻回され、前記ティースは、回転子との間の磁気抵抗が回転子の回転方向の後側が大きくなるように形成されている。この発明では、固定子に設けられた各ティースは、回転子との間の磁気抵抗が一定ではなく、回転子の回転方向の後側が大きくなるため、その部分の磁束の位相が進む。従来は各ティースに巻線が集中巻きで巻回され、例えば、３相の場合にｕ相，ｖ相，ｗ相で励磁したときに、各相間１２０°の磁束が順次発生し、総合すると段差のあるギクシャクした磁束移動になる。しかしこの発明では、極毎に磁束が進相するため、進相しない場合に比較して磁束移動がスムーズになる。そして、進相角及びすべりを適切に設定することにより、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を抑制することが可能になる。また、分布巻きに比較して生産性の高い集中巻きで固定子巻線を巻回することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ティースは、前記回転子に対向する面と回転子とのギャップを大きくすることにより、磁気抵抗が大きくなるように形成されている。この発明では、磁気抵抗の設定がティースの一部を変質させたり、ティースの一部を異なる材質で形成したりして磁気抵抗が大きくなるようにするのに比較して、形成が容易になる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ギャップは、複数段で変化するように形成されている。この発明では、磁気抵抗の調整の自由度が高くなる。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ギャップは、連続的に変化するように形成されている。したがって、この発明では、回転子との間の磁気抵抗が回転子の回転方向の後側程大きくなるように円滑に変化する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記多相誘導機は、３相誘導機である。３相より多い４相以上にすると、巻線に電流が供給されて各ティースが励磁された場合、３相に比較して磁束が有効に利用され難い。この発明では、３相のため供給電流を有効に利用することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記ティースは、進相角がπ／３になるように、磁気抵抗が変化するように形成されている。進相角とは各ティースにおいて、回転子の回転方向前側から回転子に達する磁束の位相に対して、回転子の回転方向後側から回転子に達する磁束の位相が進んでいる電気角である。この発明では、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を分布巻き程度に、抑制することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記多相誘導機は、ｎ相誘導機（ｎは４以上の整数）であり、前記ティースは、進相角がπ／ｎになるように、磁気抵抗が変化するように形成されている。この発明では４相以上の誘導機においても、その相数に応じて進相角を設定することで、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を抑制することができる。

請求項８に記載の発明は、固定子に設けられた各ティースに固定子巻線が集中巻きにより巻回され、前記ティースは、回転子の回転方向の後側半分の磁気抵抗の平均値が回転方向前側半分の磁気抵抗の平均値より大きくなるように形成されている。この発明では、各ティースの回転方向前側半分より後側半分の方が磁気抵抗が大きいので、その分磁束の位相が進む。したがって集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を抑制することが可能になる。

本発明によれば、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を抑制することが可能で、分布巻きに比較して生産性を高くすることができる。

以下、本発明を多相誘導機としての３相誘導電動機に具体化した一実施形態を図１〜図９にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、３相誘導電動機１０は、固定子１１及び回転子１２を備えている。固定子１１は、電磁鋼板を積層して略円筒状に一体化され、内側に複数のティース１３が等間隔に設けられている。ティース１３は３の倍数個設けられ、各ティース１３には固定子巻線（コイル）１４が集中巻きで巻回されている。

各ティース１３の回転子１２と対向する先端部１５は、回転子１２との間の磁気抵抗が回転子１２の回転方向の後側が大きくなるように形成されている。つまり、各ティース１３は固定子巻線１４が巻回されている部分と先端部１５を有している。この実施形態では、ティース１３は、回転子１２に対向する面と回転子１２とのギャップＧ、即ち先端部１５の回転子１２に対向する面と回転子１２とのギャップＧを、回転子１２の回転方向の後側が大きくなるように形成することにより、回転子１２の回転方向後側の磁気抵抗が大きくなるように形成されている。この実施形態では、先端部１５は、ほぼ中央より後側がティース１３側に窪むように段部１５ａが形成されており、後側のギャップＧ２が通常のギャップＧ１より大きくなるように形成されている。なお、この実施形態では、回転子１２に対向する先端部１５は、固定子巻線１４が巻回されている部分より回転子１２の回転方向前側及び後側に同じ長さ延びるように形成されている。なお、図１（ｂ）は、図示の都合上、固定子１１の曲率を図１（ａ）の場合より小さく描いている。

回転子１２には、かご形回転子が使用されている。回転子１２は、円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層したロータコア１６と、ロータコア１６の中心に貫挿されたロータ軸（回転軸）１７と、二次導体として複数の導体バー１８とを備えている。各導体バー１８は、両端がエンドリング（図示せず）に固定されて連結されている。そして、ロータコア１６の外周面がティース１３と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにロータ軸１７を介して回転可能に支持されている。

次に前記のように構成された３相誘導電動機１０の作用を説明する。
３相誘導電動機１０が駆動される場合、固定子１１の各極に３相平衡正弦波電流が供給される。回転子１２の回転方向が図１（ａ）の時計方向、即ち図１（ｂ）の左から右になるように駆動する場合、固定子１１のティース１３を図１（ｂ）の左からｕ相，ｖ相，ｗ相の順に励磁したとき、各相間１２０°の磁束が発生する。

図２に示す比較例のように、各ティース１３の先端部１５と回転子との間のギャップＧが一定の場合、ティース１３を図１（ｂ）の左からｕ相，ｖ相，ｗ相の順に励磁したときに、各相間１２０°の磁束が順次発生し、総合すると段差のあるギクシャクした磁束移動になる。

しかし、この実施形態では、固定子１１に設けられた各ティース１３は、回転子１２との間のギャップＧが一定ではなく、回転子１２の回転方向の後側が大きくなるように形成されている。そのため、各ティース１３は、回転子１２との間の磁気抵抗が一定ではなく、回転子１２の回転方向の後側が大きくなり、その部分の磁束の位相が進む。そして、各ティース１３に固定子巻線１４が集中巻きで巻回されていても、ギャップＧの大きい部分における磁束の位相が通常磁束より進相する状態となる。したがって、ティース１３をｕ相，ｖ相，ｗ相で順に励磁したときに、各相間１２０°の磁束が順次発生するのではなく、極毎に磁束が進相するため、進相角に対応する位相の磁束も発生する状態となる。その結果、進相しない場合に比較して磁束移動がスムーズになる。

進相角は、進相しない場合の各相間の角度の１／２が好ましいと考えられる。したがって、３相誘導電動機１０の場合は１２０°の１／２の６０°（π／３）が好ましいと考えられる。進相角は各ティース１３について、回転子１２の回転方向の前側と後側の磁気抵抗差によって決まり、本実施例ではギャップＧ１とギャップＧ２の差によって決まる。

図３、図４及び図５に、進相角がπ／３で、すべりが１／４（２５％）、１／８及び１／１６の時の磁束変化をシミュレーションで求めた結果を示し、図６に、比較例として毎極毎相溝数１の分布巻きで固定子巻線を巻回した３相誘導電動機におけるすべり１／１６の時の磁束波形を示す。また、図９に、先端部１５と回転子１２との間のギャップＧが一定の場合のティース１３に集中巻きで固定子巻線１４を巻回した比較例としての３相誘導電動機におけるすべりが１／４の時の磁束変化をシミュレーションで求めた結果を示す。各波形図は、３相誘導電動機１０の作る磁束を、設定されたすべりで回転する回転子１２上の定点で観察したものを示している。なお、各図の縦軸は磁束の強さを表し、横軸は電気角を表し、１周期が電気角で３６０°になる。

図３と図９とを比較すると、図３及び図９とも本来の脈動磁束の上に多くの高調波磁束が乗っている。そして、高調波成分の含有量は、図３の方が図９に比較して多い。しかし、個々の高調波成分の波高Ｈを比較すると、磁束が進相する場合、即ち図３の方が、波高Ｈが低い。高調波成分の波高Ｈが低ければ、脈動や損失が小さくなる。ここで、波高Ｈとは、高調波成分の隣接する谷部を結ぶ線分の中点から、その高調波成分の山を通る直線Ｌまでの距離を意味する。

また、進相角はπ／３で同じにして、すべりを１／４、１／８及び１／１６と変更した場合の結果である図３、図４及び図５を比較すると、すべりが１／８の場合は、すべりが１／４の場合に比較して高調波成分が多く含まれるが、高調波成分の波高Ｈは両者ともほぼ同等である。また、すべりが１／１６の場合は、すべりが１／８の場合に比較して高調波成分が多く含まれるが、高調波成分の波高Ｈは両者ともほぼ同等である。

また、比較例としての固定子巻線を分布巻きで巻回した３相誘導電動機の磁束波形を示す図６と比較すると、進相角をπ／３にした３相誘導電動機１０の場合は、すべりを１／４、１／８及び１／１６と変化させても、分布巻きの３相誘導電動機ですべりが１／１６の場合とは、高調波成分の量は異なるが、波高Ｈはほぼ同等である。したがって、３相誘導電動機１０のティース１３に固定子巻線１４を集中巻きで巻回した場合でも、ティース１３の先端部１５において磁束の進相角がπ／３となるように構成することにより、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を分布巻きの３相誘導電動機と同程度まで減らすことができる。

したがって、図３〜図６及び図９から、固定子巻線１４に集中巻きを採用した３相誘導電動機１０において、ティース１３を磁束の進相角がπ／３となるように構成すると、進相がない場合に比較して脈動や損失を大きくする波高Ｈの高い高調波成分の発生を抑制することが確認できる。また、すべりを特定の値に設定しなくても、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を分布巻き程度に抑制することが可能になることも確認できる。

また、進相角が０．５×π／３即ちπ／６で、すべりが１／４の場合と、進相角が１．２×π／３即ち２π／５で、すべりが１／４の場合とにおける磁束変化に関してもシミュレーションで求めた。結果を図７及び図８示す。図７と図８とを比較すると、ほぼ同じである。また、図７及び図８と図３とを比較すると、図７及び図８の高調波成分として波高Ｈが図３の高調波成分の波高Ｈより高いものがある。しかし、図７及び図８と図９即ち進相がない場合とを比較すると、図９の場合の方が、波高Ｈが高い。したがって、進相角がπ／３でなくても、ティース１３を極毎に磁束が進相する構成とした場合は、進相しない場合に比較して磁束移動がスムーズになり、高調波成分の悪影響が抑制される。

本発明は、固定子１１に設けられた各ティース１３に固定子巻線１４が集中巻きにより巻回され、ティース１３は、回転子１２との間の磁気抵抗が回転子の回転方向の後側が大きくなるように形成されているときに有効に機能する。そのため、回転子１２が逆方向に回転する場合、即ちティース１３と回転子１２との間の磁気抵抗が、回転子１２の回転方向の前側が大きくなる構成に対応する場合は、効果が得られない。また、磁束の進み位相が固定化されているため、効果はその進み位相に対応する回転速度で有効に機能する。したがって、実施形態の３相誘導電動機１０は、逆回転で使用されず、一定速度で使用される３相誘導電動機１０に適している。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）３相誘導電動機１０は、固定子１１に設けられた各ティース１３に固定子巻線１４が集中巻きにより巻回され、ティース１３は、回転子１２との間の磁気抵抗が、回転子１２の回転方向の後側が大きくなるように形成されている。したがって、固定子１１に設けられた各ティース１３は、回転子１２の回転方向の後側部分における磁束の位相が進む。そのため、各ティース１３に固定子巻線１４が集中巻きで巻回されていても、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を抑制することが可能になる。また、分布巻きに比較して生産性の高い集中巻きで固定子巻線を巻回することができる。

（２）ティース１３は、回転子１２に対向する面と回転子１２とのギャップＧを大きくすることにより、磁気抵抗が大きくなるように形成されている。したがって、磁気抵抗の設定（調整）がティース１３の一部を変質させたり、ティース１３の一部を異なる材質で形成して磁気抵抗が大きくなるようにしたりするのに比較して、形成が容易になる。

（３）多相誘導機としての３相誘導電動機１０に実施されている。３相より多い４相以上にすると、固定子巻線に電流が供給されて各ティースが励磁された場合、３相に比較して磁束が有効に利用され難い。この実施形態では、３相のため供給電流を有効に利用することができる。

（４）３相誘導電動機１０において、ティース１３は、進相角がπ／３になるように、磁気抵抗が変化するように形成されている。したがって、集中巻きによる回転磁場中の高調波成分を分布巻き程度に、抑制することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ ティース１３の回転子１２に対向する面と回転子１２との間の磁気抵抗が大きくなるようにするギャップＧの構成は、変化が１段のギャップに限らず、図１０（ａ）に示すように、複数段（多段）で変化する構成としてもよい。複数段のギャップＧにした場合は、磁気抵抗の調整の自由度が高くなる。

○ ギャップＧは、段階的に変化するのではなく、連続的に変化するように形成してもよい。連続的に変化する構成として、例えば、図１０（ｂ）に示すように、ティース１３の先端部１５の前端から後端までギャップＧが連続して変化する曲面で、回転子１２に対向する面を構成してもよい。また、先端部１５の回転子１２に対向する面の途中からギャップＧが連続して変化する曲面を設けてもよい。この場合、ティース１３と回転子１２との間の磁気抵抗が回転子１２の回転方向の後側程大きくなるように円滑に変化する。

○ ティース１３と回転子１２との間の磁気抵抗が回転子の回転方向の後側程大きくなるようにする構成は、ギャップＧの大きさを変更する構成に限らない。例えば、先端部１５の一部の材質を変えた構成とすることにより、先端部１５の後側程磁気抵抗が大きくなるように形成したり、先端部１５の一部にレーザビームを照射したりして加熱して熱処理し透磁率を変化させたりしてもよい。ティースに穴を空けて磁気抵抗を変化させてもよい。

○ ティース１３は、先端部１５が、固定子巻線１４が巻回されている部分より回転子１２の回転方向前側及び後側に同じ長さ延びるように形成されている構成に限らない。例えば、回転子１２の回転方向前側及び後側の長さが異なったり、一方側にのみ延びるように形成されたりしている構成としてもよい。

○ ティース１３は、先端部１５が、固定子巻線１４が巻回されている部分より回転子１２の回転方向に沿って長く形成されている構成に限らない。例えば、回転子１２の回転方向に沿う長さが、先端部１５と固定子巻線１４が巻回されている部分とで同じ長さにしたり、先端部１５側に向かって長さが次第に短くなる形状にしたりしてもよい。

○ また、全てのティース１３を同じ形状に形成する必要はなく、例えば、進相角がπ／３になるように形成されるギャップＧの形状が、ギャップが複数段で変化する形状のティース１３と、ギャップが連続的に変化する形状のティース１３とが交互に配置された固定子１１を使用してもよい。

○ ３相誘導電動機１０を駆動する際のすべりは、１／１６〜１／４に限らず、他の値としてもよい。
○ ３相誘導電動機１０の回転子１２は、かご形回転子に限らず、巻線形回転子であってもよい。

○ ３相誘導電動機１０に限らず、例えば、２相誘導電動機や４相以上の多相誘導電動機に適用してもよい。ｎ相誘導機（ｎは４以上の整数）に適用する場合、進相角がπ／ｎになるようにするとよい。

○ 多相誘導電動機に限らず多相誘導発電機に適用してもよい。
○ 各ティースと回転子との間の磁気抵抗は、回転方向の後側へ単調に大きくなる構成に限らない。例えば、回転方向後側の先端部が磁気抵抗が小さくなっていても、回転方向後側半分の磁気抵抗が平均値として、回転方向前側半分の磁気抵抗の平均値より大きく形成されていればよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記多相誘導機は３相誘導電動機であり、三相平衡正弦波電流で定速駆動される。

（ａ）は一実施形態のロータとステータの関係を示す部分模式図、（ｂ）は（ａ）のステータの部分模式図。 比較例のステータを示す部分模式図。 進相角π／３、すべり１／４（２５％）の時の磁束波形を示す波形図。 進相角π／３、すべり１／８の時の磁束波形を示す波形図。 進相角π／３、すべり１／１６の時の磁束波形を示す波形図。 比較例の分布巻きにおけるすべり１／１６の時の磁束波形を示す波形図。 進相角π／６、すべり１／４の時の磁束波形を示す波形図。 進相角２π／５、すべり１／４の時の磁束波形を示す波形図。 比較例のすべり１／４の時の磁束波形を示す波形図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態におけるステータの部分模式図。

符号の説明

Ｇ，Ｇ１，Ｇ２…ギャップ、１１…固定子、１２…回転子、１３…ティース、１４…固定子巻線。

Claims (8)

1. 固定子に設けられた各ティースに固定子巻線が集中巻きにより巻回され、前記ティースは、回転子との間の磁気抵抗が回転子の回転方向の後側が大きくなるように形成されている多相誘導機。
2. 前記ティースは、前記回転子に対向する面と回転子とのギャップを大きくすることにより、磁気抵抗が大きくなるように形成されている請求項１に記載の多相誘導機。
3. 前記ギャップは、複数段で変化するように形成されている請求項２に記載の多相誘導機。
4. 前記ギャップは、連続的に変化するように形成されている請求項２に記載の多相誘導機。
5. 前記多相誘導機は、３相誘導機である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の多相誘導機。
6. 前記ティースは、進相角がπ／３になるように、磁気抵抗が変化するように形成されている請求項５に記載の多相誘導機。
7. 前記多相誘導機は、ｎ相誘導機（ｎは４以上の整数）であり、前記ティースは、進相角がπ／ｎになるように、磁気抵抗が変化するように形成されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の多相誘導機。
8. 固定子に設けられた各ティースに固定子巻線が集中巻きにより巻回され、前記ティースは、回転子の回転方向の後側半分の磁気抵抗の平均値が回転方向前側半分の磁気抵抗の平均値より大きくなるように形成されている多相誘導機。

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