JP2008514167A

JP2008514167A - 同期機

Info

Publication number: JP2008514167A
Application number: JP2007530718A
Authority: JP
Inventors: フォルマー、ロルフ; プラーテン、マルクス; シュンク、ホルガー
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2008-05-01
Also published as: DE102004044701A1; WO2006029990A1; DE102004044701B4; US20090015080A1; CN101019296A

Abstract

永久磁石同期機（５１）が固定子（５３）と回転子（５５）とを有し、固定子（５３）は三相巻線を有し、回転子（５５）は永久磁石（５７）を有する。固定子（５３）は３９のスロット（１乃至３９）を有し、回転子（５５）は８つの磁極（７９）を有する。固定子（５３）のスロットは、第１高調波が巻線パターンによって抑制され、第２高調波が磁石配置によって抑制されるように巻装されている。

Description

本発明は、永久磁石同期機と高調波抑制方法とに関する。

永久磁石によって回転子を励磁する永久磁石同期機は電気励磁同期機に比べてさまざまな利点を有する。例えば、永久磁石同期機では回転子が電気接続部を必要としない。高いエネルギー密度を有する、すなわち磁束密度と磁界強度との積が大きい永久磁石は、エネルギーの弱い永久磁石を凌駕することが実証される。さらに、永久磁石はエアギャップに対して扁平な配置を有することができるだけでなく、一種の集中的な構成（磁束集中形）として配置することもできることが知られている。

永久磁石同期機では不利な脈動トルクが現れることがある。従来の電動機について欧州特許第０５４５０６０号明細書に述べられたように永久磁石同期機の回転子または固定子を例えば１スロットピッチだけスキューするとトルクの低減をもたらすことができる。従来の巻線、すなわちプルイン技術で製造される巻線を有する永久磁石同期機では一般に、脈動トルクをも生じるコギングトルクを低減させるために１スロットピッチのスキューが行われる。

歯巻回コイルを有する永久磁石同期機では例えば、磁石の特別な形状加工によって脈動トルクを低減させることが可能である。その際欠点として、磁石の特殊な形状加工は製造費を高める。

三相永久磁石同期機の固定子巻線とこの同期機の回転子構成とに依存してこの同期機はＥＭＦ高調波も有する。このＥＭＦ高調波は固定子と回転子との間のエアギャップ内の磁界強度分布に関係している。ＥＭＦ高調波は脈動トルクを引き起こす。

そこで本発明の課題は、簡単なやり方で脈動トルクもしくはコギングトルクを低減させる永久磁石同期機を明示することである。この低減は例えば永久磁石のスキューを利用することなく行われる。

提起された課題の解決は請求項１による特徴を有する方法においてなされる。他の解決は請求項３の特徴を有する永久磁石同期機において得られる。従属請求項２、４乃至６は本発明の他の有利な諸展開を開示している。

永久磁石同期機において高調波を抑制するための方法において、高調波は永久磁石同期機の回転子永久磁石の巻線パターンと磁石配置とによって低減される。この永久磁石同期機は固定子と回転子とを有し、固定子は有利には三相巻線を有し、回転子は永久磁石を有する。この巻線パターンは第１高調波を低減させるのに利用され、磁石配置は第２高調波を低減させるのに利用される。磁石配置は例えば永久磁石の形状、および／または永久磁石の位置決め（例えば永久磁石のスキュー）、および／または磁性材料、つまり永久磁石による回転子の被覆度に関係している。

このような方法のために相応する永久磁石同期機を構成することが可能である。

本発明に係る課題をも解決する永久磁石同期機は固定子と回転子とを有する。固定子は三相巻線を有し、回転子は永久磁石を有する。さらに、固定子が３９の歯を有し、回転子が８つの磁極を有する。

上記実施形態によって、永久磁石同期機は有利なことに高い利用率と高い力率とを有することが可能となる。これが該当するのは、特に、永久磁石同期機が図２による巻線パターンを有する場合である。つまり本発明に係る永久磁石同期機によって、固定子のスロット数と回転子の特定極数との特定組合せでもって、コギングトルクを低減することが可能である。コギングトルクを小さくすることは特に巻線コンセプトから得られる。回転子の極数（＝磁極数）は有効極数を明示する。本発明によれば有効極数は８である。

さらに、コギングトルク低減のための固定子および／または回転子におけるスキューおよび／または梯形配列（梯形スキュー）は本発明に係る同期機では省くことができる。というのも、既にその構造によってトルクリプル低減が達成可能であるからである。スキューおよび／または梯形配列を省くことができることで永久磁石同期機の製造コストが低減する。

固定子巻線の通電によってエアギャップ磁界のスペクトルが生成可能である。エアギャップ磁界のこのスペクトルを検討すると、３６０度の周面にわたって高調波磁界と基本磁界を区別することができる。

基本極対数ｐｇは本発明に係る永久磁石同期機ではｐｇ＝１である。基本極対数ｐｇは以下の如く定義されている：ｐｇは、エアギャップ磁界のフーリエ解析から得られる最少極対数である。有効極対数ｐｎは回転子の極対数から得られ、従って、回転子が４つの磁極対を有するので４である。

そのことから、永久磁石同期機に関して第４高調波の利用が得られる。電気機械エアギャップ内の磁界強度分布の基本波と高調波は例えばフーリエ解析によって突き止めることができる。

有利な１構成において固定子の巻線は、特に第５高調波（５ｐｎ）、第７高調波（７ｐｎ）等の障害となる高調波が小さな振幅を有するように実施されている。第５、第７高調波が不利であるのは、特に、それらが逆向きの回転方向を有し、回転子回転数に伴って第６高調波でのトルク変動をそれぞれもたらすからである。

回転磁界の第５、第７高調波は回転子周波数に伴って回転する。固定子磁界５ｐｎは回転子の回転とは逆方向に回転子周波数の１／５で回転し、固定子磁界７ｐｎは回転子の回転方向に回転子周波数の１／７で回転する。５ｐｎ、７ｐｎの固定子磁界および回転子磁界は回転子の回転ごとに６ｐｎ回遭遇し、回転子の回転ごとに６ｐｎのトルクリプルを生成する。

第５、第７高調波を低減させるために従来は、１８のスロットを有する特に同期機の場合巻線の短節巻も行われた。巻線の短節巻もコスト高となるが、本発明に係る永久磁石同期機ではこれを避けることができる。

永久磁石同期機の他の有利な１構成においてその固定子が２１のスロットを有し、３つのスロットは巻装されていない。永久磁石同期機の有利な１構成において３つの非巻装スロットは永久磁石同期機の冷却に利用される。スロットを通して例えば冷却媒体が誘導可能である。このため１実施例においてスロット内に付加的冷却通路も設けられている。冷却媒体は気体または液体のいずれかである。非巻装スロットは例えばヒートパイプまたはクールジェットの採用を予定することもでき、もしくはこれらのスロットが相応する冷却機構を有する。有利には、３つのスロットは固定子内に対称に配設されている。

本発明に係る永久磁石同期機の他の実施形態は、回転子が磁性材料で実質的に７７％乃至８７％被覆をされるように構成されている。磁性材料は実質的に永久磁石である。つまり回転子は、磁性材料での被覆が極ピッチの７７％乃至８７％であるように構成されている。この値が約８０％であることが好ましい。

永久磁石同期機の他の実施において固定子の巻線パターンは、第７高調波がほぼゼロとなり、つまり強く低減されているように構成されている。このような巻線パターンにおいて固定子は３９のスロットを有し、それらが符号１乃至３９とされている。スロットは三相通電のためＵ相、Ｖ相およびＷ相で巻回されている。巻回用コイルは第１巻回方向と第２巻回方向とを有し、
a) Ｕ相ではスロット３９、４、５、９、１０、１４、１９、２４、２５、２８、２９、３４が充填（巻装）されており、Ｕ相用第１コイルは第１巻回方向４１でスロット３９、４内に構成され、Ｕ相用第２コイルは第２巻回方向４２でスロット５、９内に構成され、Ｕ相用第３コイルは第１巻回方向４１でスロット１０、１４内に構成され、Ｕ相用第４コイルは第１巻回方向４１でスロット１９、２４内に構成され、Ｕ相用第５コイルは第２巻回方向４２でスロット２５、２８内に構成され、Ｕ相用第６コイルは第１巻回方向４１でスロット２９、３４内に構成されている。
b) Ｖ相ではスロット１３、１７、１８、２２、２３、２７、３２、３７、３８、２、３、８が充填（巻装）されており、Ｖ相用第１コイルは第１巻回方向４１でスロット１３、１７内に構成され、Ｖ相用第２コイルは第２巻回方向４２でスロット１８、２２内に構成され、Ｖ相用第３コイルは第１巻回方向４１でスロット２３、２７内に構成され、Ｖ相用第４コイルは第１巻回方向４１でスロット３２、３７内に構成され、Ｖ相用第５コイルは第２巻回方向４２でスロット３８、２内に構成され、Ｖ相用第６コイルは第１巻回方向４１でスロット３、８内に構成されている。
c) Ｗ相ではスロット２６、３０、３１、３５、３６、１、６、１１、１２、１５、１６、２１が充填されており、Ｗ相用第１コイルは第１巻回方向４１でスロット２６、３０内に構成され、Ｗ相用第２コイルは第２巻回方向４２でスロット３１、３５内に構成され、Ｗ相用第３コイルは第１巻回方向４１でスロット３６、１内に構成され、Ｗ相用第４コイルは第１巻回方向４１でスロット６、１１内に構成され、Ｗ相用第５コイルは第２巻回方向４２でスロット１２、１５内に構成され、Ｗ相用第６コイルは第１巻回方向４１でスロット１６、２１内に構成され、スロット７，２０，３３は巻線を充填されていない。スロット７，２０，３３は即ち覆われていない。

回転子の永久磁石を、または固定子のスロットも、もはやスキューする必要がないことによって、さまざまな利点が得られる。例えば：
−スキュー係数による利用損失は生じない。
−高価なスキュー永久磁石は安価な直線的永久磁石に取替えることができる。
−従来技術により固定子のスロットをスキューさせねばならない場合でも、スロットの形成と巻装とのためにいまや一層安価および／または一層迅速な作製法を投入することができる。
−回転子への永久磁石装着および／または磁性原材料の磁化用の作製手段をスキューなしに簡素化することができる。
−作製は一層簡単に自動化することができる。
−固定子スロットの巻装は、３つのスロットが巻装されないので一層簡単である。
−非巻装スロット内にセンサ（例えば温度センサ）を設置することができ、これらのセンサで例えば温度を測定する。

本発明に係る永久磁石同期機では、高調波特性をさらに向上しかつトルクリプルを付加的に改善するために、回転子永久磁石のスキューおよび／または固定子巻線のスキューおよび／または相応する梯形配列および／または巻線短節巻等の措置を付加的に実施することができる。これらの手段の付加的投入は、望ましくないその他の高調波がこれらの手段で低減できるように、永久磁石同期機の改善に利用することもできる。例えば、個々の措置はそれぞれ別の高調波を低減するのに利用することができ、高調波特性の向上をもたらすことができる。

永久磁石同期機はさらに、ｑ＝１３／８の孔数が存在するように構成することができる。孔数ｑは、１相の巻線が極当り幾つのスロットに分配されているのかを明示する。つまりｑは極および相当りのスロット数である。

回転子永久磁石のコギングトルクを固定子歯で小さく抑えるために、スロット数と極数は最小公倍数が極力高くなるように選択しなければならない。

永久磁石同期機の他の１構成において永久磁石の縁領域が沈下されており、これにより永久磁石の縁に一層大きなエアギャップが生じる。

本発明では、例えば極数の選択、スロット数の選択等の、共同でコギング（コギングトルク）を小さくする複数の措置を組合せ、第７高調波を抑制するのに特定の巻線パターンを応用するのが有利である。これに加えて、有利な磁石配置および／または磁石幅を選択することによって第５高調波を抑制することができる。第５高調波の抑制は、例えば８０％の極被覆の他に、有利な磁石輪郭によっても達成される。磁石配置は特に回転子極の磁性材料による被覆に関係している。巻線パターンおよび／または磁石配置は、例示的に指摘したのとは別の高調波が抑制可能であるように変更しておくこともできる。

本発明と本発明の有利な諸構成は図面を元に例示的に詳しく説明される。

図１が示す永久磁石同期機５１は固定子５３と回転子５５を有する。回転子５５が永久磁石５７を有する。固定子がコイル５９を有し、積層固定子５３の内部でのコイル５９の推移は一点鎖線で示してある。コイル５９によって巻線が構成されている。コイル５９がコイルエンド６１を形成する。この永久磁石同期機５１は軸６３を駆動すべく設けられている。

図２は、三相電流の３つの相Ｕ、Ｖ、Ｗで通電可能な永久磁石同期機の巻線パターンを示している。永久磁石同期機の固定子に関する巻線パターンは、３９のスロットを有する固定子に関係している。３９のスロットは符号１乃至３９とされている。図２に示していない付属する回転子は８つの極（磁極）、つまり４つの極対を有する。図２の巻線パターンによれば固定子が１８のコイルを有し、図２によれば相Ｕ、Ｖ、Ｗがそれぞれ６つのコイルを有する。図２による巻線は中性点７０を有する。スター結線が有利となるのは、特に、第３高調波が消去されていないときである。第３高調波が重要でない場合、巻線パターンはデルタ結線に変更しておくことができる。但しデルタ結線は図示されていない。スロット１乃至３９の巻装によってコイルが形成される。コイルは異なる巻回方向４４を有し、巻回方向４４は矢印で示してある。図２には第１巻回方向４１と第２巻回方向４２が明示されている。

Ｕ相ではスロット３９、４、５、９、１０、１４、１９、２４、２５、２８、２９、３４が充填（巻装）されており、Ｕ相用第１コイルは第１巻回方向４１でスロット３９、４内に構成され、Ｕ相用第２コイルは第２巻回方向４２でスロット５、９内に構成され、Ｕ相用第３コイルは第１巻回方向４１でスロット１０、１４内に構成され、Ｕ相用第４コイルは第１巻回方向４１でスロット１９、２４内に構成され、Ｕ相用第５コイルは第２巻回方向４２でスロット２５、２８内に構成され、Ｕ相用第６コイルは第１巻回方向４１でスロット２９、３４内に構成されている。

Ｖ相ではスロット１３、１７、１８、２２、２３、２７、３２、３７、３８、２、３、８が充填（巻装）されており、Ｖ相用第１コイルは第１巻回方向４１でスロット１３、１７内に構成され、Ｖ相用第２コイルは第２巻回方向４２でスロット１８、２２内に構成され、Ｖ相用第３コイルは第１巻回方向４１でスロット２３、２７内に構成され、Ｖ相用第４コイルは第１巻回方向４１でスロット３２、３７内に構成され、Ｖ相用第５コイルは第２巻回方向４２でスロット３８、２内に構成され、Ｖ相用第６コイルは第１巻回方向４１でスロット３、８内に構成されている。

Ｗ相ではスロット２６、３０、３１、３５、３６、１、６、１１、１２、１５、１６、２１が充填されており、Ｗ相用第１コイルは第１巻回方向４１でスロット２６、３０内に構成され、Ｗ相用第２コイルは第２巻回方向４２でスロット３１、３５内に構成され、Ｗ相用第３コイルは第１巻回方向４１でスロット３６、１内に構成され、Ｗ相用第４コイルは第１巻回方向４１でスロット６、１１内に構成され、Ｗ相用第５コイルは第２巻回方向４２でスロット１２、１５内に構成され、Ｗ相用第６コイルは第１巻回方向４１でスロット１６、２１内に構成されている。

スロット７，２０，３３は巻線を充填されていない、即ちそれらのスロットは覆われていない。

図３が示す固定子用積層板７２は３９のスロット１乃至３９および同数の歯６５とを有する。スロット７、２０、３３は冷却通路４０を受容すべく設けられている。

図４は回転子５５を横断面図で示す。さらにこの図は極ピッチ７８の磁石被覆７６を示す。回転子５５は８つの極７９を有する。極７９は永久磁石５７によって形成されている。永久磁石５７は支持体７５上に被着されている。支持体は軸６３上にある。図４において８つの極のそれぞれについて磁石被覆７６は極ピッチの約８０％である。

図５は、略示した永久磁石同期機５１を横断面図で示す。図５にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相用巻線によるスロットの巻装が示してある。つまりこれは三相永久磁石同期機である。３つのスロット４０は巻装されていない。非巻装スロット４０内に例えば、モータ制御装置６８に信号を提供することのできる磁界センサ６６が嵌挿可能である。回転子５５は８つの極７９（磁極）を有する。図２に示す巻線パターンは図５による永久磁石同期機に応用することができる。そのことの利点として、こうして有効波用に高い磁界振幅を得ることができ、有効波に対し第５、第７高調波用を僅かな磁界振幅とすることが可能である。

図２乃至図５により構成される永久磁石同期機は特に以下の巻線係数を有する：

その際、第１欄に極対数ｐ、第２欄に巻線係数が示してある。巻線係数は以下の如く計算される：

ｋ＋１は１つの相の巻装されたスロットの数を明示する。巻線係数は、ベクトル加算された相間電圧の合計と相間電圧値の合計との商である。

ベクトルａ_iは相間電圧の電圧ベクトルの振幅を明示する。ベクトルΦ_iは電圧ベクトルの角度を明示し、ベクトルｗ_iは、往路導体であるか復路導体であるのかを明示する。

以下の関係が成り立つ：
Ｋ：＝１１
ｊ：＝√−１
ｐ：＝１．．１００
ｌ：＝０．．ｋ

永久磁石同期機の略構造を示す。巻線パターンである。３９のスロットを有し、３つのスロットが巻装されていない固定子用板片を示す。極ピッチの磁石被覆を示す。模式的に示された永久磁石同期機の断面図である。

符号の説明

１乃至３９スロット
４１第１巻回方向
４２第２巻回方向
４４巻回方向
５１同期機
５３固定子
５５回転子
５７永久磁石
５９コイル
６１コイルエンド
６３軸
Ｕ、Ｖ、Ｗ相
７０スター結線
７５支持体
７６磁石被覆
７８極ピッチ
７９磁極

Claims

固定子（５３）と回転子（５５）とを有する永久磁石同期機（５１）において高調波を抑制するための方法であって、固定子（５３）が有利には三相巻線を有し、回転子（５５）が永久磁石（５７）を有するものにおいて、第１高調波が巻線パターンによって抑制され、第２高調波が磁石配置によって抑制され、磁石配置が特に磁石幅および／または極被覆とに関係していることを特徴とする方法。
請求項３乃至６のいずれか１つに記載の永久磁石同期機が使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
固定子（５３）と回転子（５５）とを有する永久磁石同期機（５１）であって、固定子（５３）が有利には三相巻線を有し、回転子（５５）が永久磁石（５７）を有するものにおいて、固定子（５３）が３９のスロット（１乃至３９）を有し、回転子（５５）が８つの磁極（７９）を有することを特徴とする永久磁石同期機（５１）。
固定子（５３）が３つの非巻装スロット（７、２０、３３）を有することを特徴とする請求項３記載の永久磁石同期機（５１）。
回転子（５５）が、磁性材料（５７）により実質的に７７％乃至８７％被覆されていることを特徴とする請求項３または４記載の永久磁石同期機（５１）。
１乃至３９のスロットを有する固定子（５３）が相（Ｕ）、相（Ｖ）および相（Ｗ）用に三相に巻回されており、コイルが巻回用に第１巻回方向（４１）と第２巻回方向（４２）とを有し、
ａ）相（Ｕ）ではスロット（３９、４、５、９、１０、１４、１９、２４、２５、２８、２９、３４）が充填されており、相（Ｕ）用第１コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（３９、４）内に構成され、相（Ｕ）用第２コイルが第２巻回方向（４２）でスロット（５、９）内に構成され、相（Ｕ）用第３コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（１０、１４）内に構成され、相（Ｕ）用第４コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（１９、２４）内に構成され、相（Ｕ）用第５コイルが第２巻回方向（４２）でスロット（２５、２８）内に構成され、相（Ｕ）用第６コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（２９、３４）内に構成されており、
ｂ）相（Ｖ）ではスロット（１３、１７、１８、２２、２３、２７、３２、３７、３８、２、３、８）が充填されており、相（Ｖ）用第１コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（１３、１７）内に構成され、相（Ｖ）用第２コイルが第２巻回方向（４２）でスロット（１８、２２）内に構成され、相（Ｖ）用第３コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（２３、２７）内に構成され、相（Ｖ）用第４コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（３２、３７）内に構成され、相（Ｖ）用第５コイルが第２巻回方向（４２）でスロット（３８、２）内に構成され、相（Ｖ）用第６コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（３、８）内に構成されており、
ｃ）相（Ｗ）ではスロット（２６、３０、３１、３５、３６、１、６、１１、１２、１５、１６、２１）が充填されており、相（Ｗ）用第１コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（２６、３０）内に構成され、相（Ｗ）用第２コイルが第２巻回方向（４２）でスロット（３１、３５）内に構成され、相（Ｗ）用第３コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（３６、１）内に構成され、相（Ｗ）用第４コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（６、１１）内に構成され、相（Ｗ）用第５コイルが第２巻回方向（４２）でスロット（１２、１５）内に構成され、相（Ｗ）用第６コイルが第１巻回方向（４１）でスロット（１６、２１）内に構成されており、
スロット（７、２０、３３）が巻線を充填されていないことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１つに記載の永久磁石同期機（５１）。