JP2009268258A - 回転電機 - Google Patents

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Kenji Miyata
健治 宮田
Yoshitoshi Ishikawa
芳壽 石川
Motoya Ito
元哉 伊藤
Yuji Enomoto
裕治 榎本
Takayuki Koyama
貴之 小山
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Abstract

【課題】
3相コイルで多相系(N相系)回転電機を提供する。
【解決手段】
回転子61,固定子62からなる回転電機において、固定子に配設するコイル群51,52,53,54,55を、それぞれ混在したU,V,Wの3相コイルで構成する。U,V,Wの3相コイルの巻き数混合比を、各コイル群が生成する固定子磁束の電気角位相がコイル群51,52,53,54,55の順番で略2π/Nずつずれるように設定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力電機用,産業用,家電用,自動車用などに幅広く使用されるモータ,発電機などの回転電機に関する。
モータ,発電機などの回転電機は、誘導電動機,永久磁石同期電動機,直流整流子モータなど、種々の形式のモータ,発電機がある。これらの回転電機を、例えば、モータとして使用する場合、固定子、または、回転子を、巻線と鉄心で構成し、巻線に電流を流すことで鉄心が電磁石となることを利用して回転力を得る原理が利用されている。
特開2006−180646号公報 特開2001−066882号公報
一般に3相以上の多相系モータでは、3相系モータに比べて、よりなめらかで高精度な位置決めが可能なモータを構成できるが、多相系モータは、相の数と同じコイル電源を用意する必要があった。
本発明の目的は、一般的によく使われる3相コイル系で多相系モータを提供することにある。
本発明では、U,V,Wの3相コイルのそれぞれの巻き数比がN種類のものを構成してN相コイル系を構成し、N相モータを構成する。N相コイル系の第k番目のコイル群が形成する起磁力をIk nとおくと、複素表示で
k n=Icexp(j2πk/n) (k=1,2,……,n) …(式1)
と書ける。N相コイル系の第k番目のコイル群におけるU,V,Wの3相コイルの巻き数をそれぞれNk U,Nk V,Nk Wとおく。ここで、これら巻き数は正の値のほかに、0や負の値もとり得る。コイル巻き数が負のときは、逆向きであることを意味する。また、コイル巻き数は正負の整数値に限定されるものではなく、一般に正負の非整数でも良い。非整数の場合は、磁極に穴を開けて、そこにコイルを巻いて、部分的に磁極を鎖交するようにすることを意味する。
N相コイル系の第k番目のコイル群が形成する起磁力Ik nは次のように書ける。
k n=Nk UU+Nk VV+Nk WW …(式2)
ここで、IU:U相コイル電流、IV:V相コイル電流、IW:W相コイル電流である。IU,IV,IWを複素表示すると、
U=I,IV=Iexp(−j2π/3),IW=Iexp(j2π/3) …(式3)
と書ける。(式1)(式2)(式3)により、
cexp(j2πk/n)=I[Nk U+Nk Vexp(−j2π/3)+Nk Wexp(j2π
/3)] …(式4)
となる。(式4)より、
I[Nk U−(Nk V+Nk W)/2]=Iccos(2πk/n) …(式5)
(√3)I(Nk W−Nk V)/2=Icsin(2πk/n) …(式6)
これより、
k U−Nk V=(Ic/I)[cos(2πk/n)+sin(2πk/n)/√3]
…(式7)
k U−Nk w=(Ic/I)[cos(2πk/n)−sin(2πk/n)/√3]
…(式8)
となる。(式7)(式8)を概ね満足するコイル巻き数Nk U,Nk V,Nk wでN相コイル系のk番目のコイル群を形成する。
本発明によれば、3相コイル系で多相系モータを構成できるため、コイル電流を流すためのパワートランジスタを通常の多相系よりも少なくして、トルク変動が少なく回転がなめらかなで、高精度な位置決めが可能な多相系のモータを構成できる。
以下、本発明の実施例をなす実施の形態を、図面を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例として、U,V,Wの3相コイルで5相系のモータを構成した例である。モータ60は、回転子61,固定子62,U,V,Wの3相交流電源63,5相系コイル群の第1番目のコイル群51,第2番目のコイル群52,第3番目のコイル群53,第4番目のコイル群54,第5番目のコイル群55等から構成されている。U,V,W3相コイルの配置のようすを図2に示す。U相コイル1,V相コイル2,W相コイル3は、固定子ティース64のまわりに混在して巻かれる。
U,V,Wの3相コイルの巻き数Nk U,Nk V,Nk Wに関する関係式である(式7)(式8)は、
k U−Nk V=(Ic/I)[cos(2πk/5)+sin(2πk/5)/√3]
…(式9)
k U−Nk W=(Ic/I)[cos(2πk/5)−sin(2πk/5)/√3]
…(式10)
となるから、
1 U−N1 V=(Ic/I)[cos(2π/5)+sin(2π/5)/√3]
=0.86(Ic/I) …(式11)
2 U−N2 V=(Ic/I)[cos(4π/5)+sin(4π/5)/√3]
=−0.47(Ic/I) …(式12)
3 U−N3 V=(Ic/I)[cos(6π/5)+sin(6π/5)/√3]
=−1.15(Ic/I) …(式13)
4 U−N4 V=(Ic/I)[cos(8π/5)+sin(8π/5)/√3]
=−0.24(Ic/I) …(式14)
5 U−N5 V=(Ic/I)[cos(10π/5)+sin(10π/5)/√3]
=(Ic/I) …(式15)
1 U−N1 W=(Ic/I)[cos(2π/5)−sin(2π/5)/√3]
=−0.24(Ic/I) …(式16)
2 U−N2 W=(Ic/I)[cos(4π/5)−sin(4π/5)/√3]
=−1.15(Ic/I) …(式17)
3 U−N3 W=(Ic/I)[cos(6π/5)−sin(6π/5)/√3]
=−0.47(Ic/I) …(式18)
4 U−N4 W=(Ic/I)[cos(8π/5)−sin(8π/5)/√3]
=0.86(Ic/I) …(式19)
5 U−N5 W=(Ic/I)[cos(10π/5)−sin(10π/5)/√3]
=(Ic/I) …(式20)
従って、
1 U=N1,N1 V=N1−0.86(Ic/I),N1 W=N1+0.24(Ic/I)
…(式21)
2 U=N2,N2 V=N2+0.47(Ic/I),N2 W=N2+1.15(Ic/I)
…(式22)
3 U=N3,N3 V=N3+1.15(Ic/I),N3 W=N3+0.47(Ic/I)
…(式23)
4 U=N4,N4 V=N4+0.24(Ic/I),N4 W=N4−0.86(Ic/I)
…(式24)
5 U=N5,N5 V=N5−(Ic/I),N5 W=N5−(Ic/I) …(式25)
となる。コイル群の起磁力のピーク値とU,V,W3相コイルのコイル電流のピーク値の比率であるIc/Iが10の場合、
1 U=N1,N1 V=N1−8.6, N1 W=N1+2.4 …(式26)
2 U=N2,N2 V=N2+4.7, N2 W=N2+11.5 …(式27)
3 U=N3,N3 V=N3+11.5,N3 W=N3+4.7 …(式28)
4 U=N4,N4 V=N4+2.4, N4 W=N4−8.6 …(式29)
5 U=N5,N5 V=N5−10, N5 W=N5−10 …(式30)
回転機の同じ大きさの固定子スロットに収納するコイルの数は同程度にしておいた方が都合が良い。そこで、すべてのコイル群においてU,V,Wの3相コイルの全ての巻き数が同程度になるように、例えば、N1 U=1,N2 U=−5.2,N3 U=−5.2,N4 U=1,N5 U=8とおくと、N1 V=−7.6,N2 V=−0.5,N3 V=6.3,N4 V=3.4,N5 V=−2およびN1 W=3.4,N2 W=6.3,N3 W=−0.5,N4 W=−7.6,N5 W=−2とすれば、すべてのコイル群における総巻き数は12となる。コイル巻き数が非整数の場合は、コイルを巻く磁極に穴をあけるなどして、磁極を部分的に鎖交するようにすれば良い。
しかし、精確な5相系でなくとも近似的な5相系でもよい場合は、すべて整数巻きにしてN1 U=1,N2 U=−5,N3 U=−5,N4 U=1,N5 U=8,N1 V=−8,N2 V=0,N3 V=6,N4 V=3,N5 V=−2およびN1 W=3,N2 W=6,N3 W=0,N4 W=−8,N5 W=−2とすればよい。このとき、5相系の第k番目のコイル群のコイル総数は、|Nk U|+|Nk V|+|Nk W|であり、k=1,2,3,4,5の順番で、それぞれ、12,11,11,12,12である。
ここで、各コイルの自己インダクタンスの比は
U:LV:LW=Σ(Nk U2:Σ(Nk V2:Σ(Nk W2 …(式31)
であるから、この場合、LU:LV:LW=116:113:113となり、U,V,Wの3相コイルの自己インダクタンスのバランスは大きくは崩れない。
この場合、5相系の回転機における第k番目のコイル群が形成する起磁力Ik 5
k 5=I[Nk U+Nk Vexp(−j2π/3)+Nk Wexp(j2π/3)]…(式32)
だから、
1 5=I[1−8exp(−j2π/3)+3exp(j2π/3)]
=I[3.5+j5.5√3]=10.1exp(jθ1) …(式33)
2 5=I[−5+6exp(j2π/3)]=I[−8+j3√3]
=9.54exp(jθ2) …(式34)
3 5=I[−5+6exp(−j2π/3)]=I[−8−j3√3]
=9.54exp(−jθ2) …(式35)
4 5=I[1+3exp(−j2π/3)−8exp(j2π/3)]
=I[3.5−j5.5√3]=10.1exp(−jθ1) …(式36)
5 5=I[8−2exp(−j2π/3)−2exp(j2π/3)]
=10I …(式37)
ここで、θ1=70°,θ2=147°である。精確な5相系では、θ1=72°,θ2=144°なので、かなり近似的に良い5相系を形成できる。本例では、集中巻きの回転機の例を示したが、分布巻きでも同様に実現できる。
従来の5相系モータでは、5相コイル電源を用意する必要があり、コイル電源回路には少なくとも5個のパワートランジスタを必要とするが、本実施例では、U,V,Wの3相コイルで構成できるため、広く使われている3相コイル電源が利用でき、コイル電源回路にパワートランジスタも、スター結線において3個で済むという利点がある。
第二の実施例を図3に示す。図3には、固定子がクローポール型のモータの例を示す。
本実施例では、3相から4相に変換し、4相のうちの位相差が90度の2相のみを利用するという考え方である。図4に示すように、回転軸方向に2段構造の固定子を形成する。固定子1は、Aコア10,Bコア20の2つの固定子段から構成される。個々の固定子段は、円環状に構成された導電体を複数回巻きまわしたコイル41,42と、そのコイル41,42の外周を覆うように配置された円環状のコアバック(コアバック11およびコアバック21)と、それぞれのコアバックの軸方向側面に、周方向に互い違いに設けられている爪磁極21,22,31,32を有している。すなわち、Aコア10には、コアバック11と爪磁極21,31に囲まれた部分に、円環状にコイル41が巻回されており、Bコア20には、コアバック12と爪磁極22,32に囲まれた部分に、円環状にコイル42が巻回されている。このコイルは、爪磁極と、その隣り合う反対極となる爪磁極とで、固定子62の軸方向に挟み込まれている構造である。このコアバックによって、隣接する磁極同士の磁路が構成される。コイルにはU1,U2,V1,V2,W1,W2があり、図示は引き出し線を示している。これらのコイルの詳細は後述する。
ここでは、コアバック11,12,爪磁極21,22,31,32は、圧粉磁心あるいは積層した鉄系の鉄板のいずれで構成しても良い。
固定子62は、回転軸方向にAコア10,Bコア20の2段の固定子段となっており、これら2つの固定子段の磁極は、互いに電気角で略90度の位相差をもつ。ここでは、3相コイルから4相系に変換し、k=1,2の2相を利用するケースであり、ここでは3相コイル4相系2相駆動回転機と呼ぶことにする。コイル巻き数N1 U,N1 V,N1 W,N2 U,N2 V,N2 Wの関係式は(式7)(式8)より、
1 U−N1 V=(Ic/I)[cos(2π/4)+sin(2π/4)/√3]
=0.58(Ic/I) …(式38)
2 U−N2 V=(Ic/I)[cos(4π/4)+sin(4π/4)/√3]
=−(Ic/I) …(式39)
1 U−N1 W=(Ic/I)[cos(2π/4)−sin(2π/4)/√3]
=−0.58(Ic/I) …(式40)
2 U−N2 W=(Ic/I)[cos(4π/4)−sin(4π/4)/√3]
=−(Ic/I) …(式41)
従って、
1 U=N1,N1 V=N1−0.58(Ic/I),N1 W=N1+0.58(Ic/I)
…(式42)
2 U=N2,N2 V=N2+(Ic/I),N2 W=N2+(Ic/I) …(式43)
コイル群の起磁力のピーク値とU,V,W3相コイルのコイル電流のピーク値の比率であるIc/Iが9の場合、
1 U=N1,N1 V=N1−5.2,N1 W=N1+5.2 …(式44)
2 U=N2,N2 V=N2+9,N2 W=N2+9 …(式45)
となる。すべてのコイル群においてU,V,Wの3相コイルの全ての巻き数が同程度になるように、例えば、N1 U=0,N2 U=−6とおくと、N1 V=−5.2,N2 V=3およびN1 W=5.2,N2 W=3とすれば、2段ステータのそれぞれのコイル群における総巻き数はそれぞれ10.4,12と同程度になる。コイル巻き数が非整数の場合は、コイルの入口と出口の箇所が異なることを意味する。
しかし、精確な2相系でなくとも近似的な2相系でもよい場合は、すべて整数巻きにしてN1 U=0,N2 U=−6,N1 V=−5,N2 V=3およびN1 W=5,N2 W=3とすればよい。このとき、2段ステータのそれぞれのコイル群における総巻き数は、それぞれ10,12である。各コイルの自己インダクタンスの比はLU:LV:LW=36:34:34となり、U,V,W3相コイルの自己インダクタンスのバランスは大きくは崩れない。
3相コイル4相系2相駆動回転機における第k番目のコイル群が形成する起磁力Ik 4
k 4=I[Nk U+Nk Vexp(−j2π/3)+Nk Wexp(j2π/3)]…(式46)
だから、
1 4=I[−6exp(−j2π/3)+6exp(j2π/3)]
=I[3.5+j5.5√3]=10.4jI …(式47)
2 4=I[−7+3exp(−j2π/3)+3exp(j2π/3)]
=I[−8+j3√3]=−10I …(式48)
となり、近似的に良い部分4相系を形成できる。
このような巻き方を実践したものが図5である。Aコア10にはk=2のコイル群が巻回され、Bコア20には、k=1のコイル群が巻回される。図示のようにAコア10にはU,V,W相のコイルが巻回されるが、Bコア20には、V,W相のコイルのみが巻回されて、U相のコイルは巻回されない。従って図4に示したそれぞれのコアからの引き出し線についても、Aコア10からは4本、Bコア20からは2本出ている。
図5には2段構造の固定子のAコア10とBコア20の内部に巻かれたU相のコイル81とV相のコイル82,84、ならびにW相のコイル83,85の断面図を表している。図5(a)の例では、UVWの順番で下から上に巻いた形になっており、図5(b)の例では、UVWの順番で内側から外側に順番に巻いた形になっている。コイルはあらかじめこのように巻いたものを塊として入れ込んでも良い。
このように、少なくとも1つの固定子段に複数相の巻線が設けられている。そして、その巻き数は、上下2段の固定子コアに誘起される磁束の電気角位相が略90度あるいはπの略半整数倍ずれるように設定されてある。
固定子がクローポール型の従来のモータでは、U,V,Wの3相コイルを完全に分離して巻くために、回転軸方向に3段構造の固定子を必要とするのに対して、本実施例では、2相のコア磁束系を構成できるので、必要な固定子は2段で済む。このため、部品点数を少なくできると同時に、回転軸方向においてよりコンパクトな回転電機を構成できるという効果がある。
本発明の実施例をなす回転電機におけるコイル連結の様子を示す。 本発明の実施例をなす回転電機の固定子におけるU,V,W3相コイルの配置例を示す。 本発明の第二の実施例をなす回転電機を示す。 本発明の第二の実施例をなす回転電機の固定子を示す。 本発明の第二の実施例をなす回転電機の固定子におけるコイルの配置例を示す。
符号の説明
1,81 U相コイル
2,82,84 V相コイル
3,83,85 W相コイル
10 Aコア
11,12,65 固定子コアバック
14,24 固定子コイル
20 Bコア
21,22,31,32 爪磁極
41,42 固定子コイル群
51 1番目のコイル群
52 2番目のコイル群
53 3番目のコイル群
54 4番目のコイル群
55 5番目のコイル群
61,100 回転子
62 固定子
63 3相交流電源
64 固定子ティース
108 回転軸
112 回転子コア

Claims (14)

  1. 複数の磁極を有する固定子と、磁極に巻かれたU,V,Wの3相コイル固定子巻線と、前記固定子の磁極に対向した位置に回転自在に配置された回転子と、を有する回転電機において、
    少なくとも1つの磁極に複数の相のコイルが混在して巻かれたことにより、固定子に多相系の進行波磁界を発生させることを特徴とする回転電機。
  2. 請求項1記載の回転電機であって、
    固定子の各コイル群が分布巻きあるいは集中巻きであることを特徴とする回転電機。
  3. 請求項1記載の回転電機であって、
    固定子に多相系の進行波磁界を発生させる3相のコイルが混在した各コイル群が形成する磁束の振幅が、略同程度であることを特徴とする回転電機。
  4. 請求項1記載の回転電機であって、
    固定子に多相系の進行波磁界を発生させる3相のコイルが混在した各コイル群が形成する磁束の位相が、回転方向に略等間隔にずれていることを特徴とする回転電機。
  5. 請求項1記載の回転電機であって、
    各固定子磁極のU,V,Wの3相のすべてのコイル総巻き数が、すべての磁極に対して略均等になるように磁極の巻き数混合比を調整したことを特徴とする回転電機。
  6. 請求項1記載の回転電機であって、
    U,V,Wの3相コイルのインダクタンスが略均等になるように磁極の巻き数混合比を調整したことを特徴とする回転電機。
  7. 請求項1記載の回転電機のうち、特に多相系を構成するモータにおいて、
    U,V,Wの3相コイルのコイル電流を供給する回路系において、パワートランジスタ3個で構成したことを特徴とする回転電機。
  8. 軸方向に交互に伸びる複数の爪磁極及び前記爪磁極同士の磁路を形成するコアバックを円環状に配置した固定子段を、軸方向に2段重ねるように構成した固定子と、
    コイルを円環状に巻回して形成され、前記固定子段の前記爪磁極及び前記コアバックに囲まれた空間に配置された固定子巻線と、
    前記固定子の前記爪磁極に対向した位置に回転自在に配置された回転子と、を有し、
    前記固定子段の少なくとも1つの前記固定子段に設けられた前記固定子巻線が、U,V,Wの3相コイルのうち、複数の相のコイルで構成することを特徴とする回転電機。
  9. 請求項8記載の回転電機であって、
    前記固定子は、2段の前記固定子段を、電気角でπの略半整数倍の角度φだけ、周方向にずらして配置した回転電機。
  10. 請求項9記載の回転電機であって、
    前記固定子の前記角度φは、電気角で90度である回転電機。
  11. 請求項8記載の回転電機であって、
    前記固定子は複数相の前記固定子巻線を有し、
    2つの前記固定子段には、一方に全ての相の前記固定子巻線が巻回され、他方に特定の相を除く他の相の前記固定子巻線が巻回された回転電機。
  12. 請求項11記載の回転電機であって、
    各相の前記固定子巻線は、前記2つの前記固定子段による合成磁束が当該複数相の鎖交磁束波形を形成するような巻回数でそれぞれ巻かれている回転電機。
  13. 請求項8記載の回転電機であって、
    前記固定子は3相の前記固定子巻線を有し、一方の前記固定子段には当該3相全ての固定子巻線が巻回され、他方の前記固定子段には、前記3相のうち特定の相を除く他の2相の固定子巻線が巻回されている回転電機。
  14. 複数の磁極を有する固定子と、磁極に巻かれたU,V,Wの3相コイル固定子巻線と、前記固定子の磁極に対向した位置に回転自在に配置された回転子と、を有する回転電機において、
    少なくとも1つの磁極に複数の相のコイルが混在して巻かれていることを特徴とする回転電機。
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