JP2010075049A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】分数スロットを用いた回転電機において、出力密度が高く、かつ、振動と騒音が少ない回転電機を提供する。
【解決手段】電機子のスロット数Ｎｓと回転子の極数Ｐの間に下記（１）式の関係を有する回転電機であって、前記極数Ｐは１４極以上且つＰ≠８ｍ（ｍは整数）であることを特徴とする回転電機。
Ｎｓ＝３×｛Ｐ／２−ＩＮＴ（Ｐ／１０）｝ …（１）
ただし、ＩＮＴ（Ｐ／１０）はＰを１０で除した商の整数部の値である。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特に分数スロットを用いた回転電機に関する。

回転電機は、周知の通り、電動機や発電機として様々な機器や装置に用いられているものである。

近年、電気自動車の動力源や自然エネルギーを利用した発電などのために高出力、高効率な回転電機の開発が積極的に行われている。

回転電機の効率を上げるためのひとつに、スロットリップルを低減する方法がある。

スロットリップルは、電機子に巻き線を納めるために設けられている電機子鉄心開口部の影響により、磁気回路のパーミアンスが脈動することにより発生し、発生したスロットリップルは、コギングトルクや誘起起電圧の高調波分として現れ、効率の低下や回転ムラなどといった回転電機の性能を低下させる原因となる。

そこで、電機子のスロットないし界磁スロットに１スロット分のスキューを採用したり、電機子巻き線スロットにいわゆる分数溝を採用したりすることにより、パーミアンスの変動を避け、スロットリップルを低減する方法が用いられている。

しかし、このようなスキューや分数溝を施す方法では、スロットリップルを低減することはできるものの、次のような問題があった。

第１に、電機子を構成する積層鉄心にスキューや分数溝を形成するため、スロット内面が段々状になり、スロット面積が減少して巻き線導体の占積率が高くなり、電機子巻き線や磁石の挿入の作業性が悪くなる。

第２に、インボリュート曲線状に巻き線を挿入する必要があるため、これも作業性を悪くする。

第３に、スキューや分数溝を施す事により、巻き線長がこれらを施さない場合と比較して長くなり、電機子銅損が増加して効率が低下する。

第４に、界磁用の永久磁石をスキューする場合は、スキュー量に応じて磁石成形型を数多く用意する必要があり、製作が難しいといった問題がある。

このため、スキューや分数溝を採用せず、また、過度にスロット数を増加させることなしにスロットリップルを低減させる対策として、毎極毎相あたりのスロット数として分数スロットを適用する方法がある。

この分数スロットを採用した回転電機は、スキューや分数溝を採用したものより製作しやすく、かつ、スロットリップルを低減する効果がある。

しかしながら、分数スロットを用いた場合、効率は改善されるものの振動や騒音が同じような効率の回転電機と比較して大きくなるといった問題があった。特に、性能試験の結果では、トルク出力を大きくすると振動や騒音が増大する傾向にある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、分数スロットを用いた回転電機において、出力密度が高く、かつ、振動と騒音が少ない回転電機を提供することにある。

請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、電機子のスロット数Ｎｓと回転子の極数Ｐの間に下記（１）式の関係を有する回転電機であって、前記極数Ｐは１４極以上且つＰ≠８ｍ（ｍは整数）であることを要旨とする回転電機である。

Ｎｓ＝３×｛Ｐ／２−ＩＮＴ（Ｐ／１０）｝ …（１）
ただし、ＩＮＴ（Ｐ／１０）はＰを１０で除した商の整数部の値である。

この発明は、電機子のスロット数と、回転子の極数を（１）式を満たす数にすることで、分数スロットを用いることによる効率の向上とともに、回転子の回転とは逆方向に遺贈する磁界成分を無くして、振動や騒音の発生を抑えようとするものである。

特に、Ｐ≠８ｍとしたのは８の倍数極では、２および４極の低次の回転磁界成分が全体の４〜１３％発生し、振動と騒音の原因となるからである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の回転電機において、前記回転子は、回転位置により磁気抵抗が異なり、当該磁気抵抗の高い部分を通る電機子巻き線に生じる磁束を打ち消し、前記界磁の磁化容易な方向とは異なる方向に磁化されていて、その発生する空隙磁束密度の基本波の振幅値が０．１〜０．７［Ｔ］である永久磁石を有することを要旨とする。

この発明は、回転子の回転位置により磁気抵抗が異なり、かつ、この磁気抵抗の高い部分を通る電機子巻き線に生じる磁束を打ち消して、界磁の磁化容易な方向とは異なる方向に磁化されていて、なおかつ、その発生する空隙磁束密度の基本波の振幅値が０．１〜０．７［Ｔ］の永久磁石を用いることで、リラクタンス型の回転電機を構成し、このリラクタンス型の回転電機において、効率が高く、かつ、振動や騒音を抑えようとするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の回転電機において、前記電機子は、鉄心歯に電機子巻き線を巻きつけた構成であることを要旨とする。

この発明は、電機子を鉄心歯に電機子巻き線を巻きつけた単純な構成とすることで、回転電機の製作を容易にしようとするものである。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の回転電機において、前記電機子巻き線は、絶縁性のボビンに巻きつけられていることを要旨とする。

この発明は、電機子巻き線をボビンに巻きつけることにより、鉄心歯に電機子巻き線を容易に形成することができるようにしようとするものである。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の回転電機において、前記鉄心歯は、対向する辺が平行な長方形状であることを要旨とする。

この発明は、鉄心歯の形状を対向する辺同士が平行で長方形となるようにすることで、電機子に形成される磁界の効率をよくしようとするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の回転電機において、前記電機子は、複数のスロット穴が形成された電磁鋼板を積層して環状に形成した電機子鉄心を有することを要旨とする
この発明は、積層電磁鋼板よりなる電機子鉄心を用いることで、界磁効率を高めようとするものである。

以上のように、本発明によれば、振動と騒音が小さく、出力密度が高い回転電機を提供することができる。

また、本発明による回転電機を電動機として用いれば、振動や騒音によるエネルギーロスが少なく、かつ、高効率でエネルギー消費量の少ない電動機を提供することができる。

さらに、本発明による回転電機を発電機として用いれば、振動や騒音によるエネルギーロスが少なく、かつ、発電効率の高い発電機を提供することができる。

本発明を適用した回転電機の要部の構成を示す断面図である。 本発明による回転電機における電磁界解析結果を示す図面である。 従来の回転電機における電磁界解析結果を示す図面である。 従来の回転電機における騒音測定結果を示す図面である。 本発明の回転電機を用いたハイブリッド型自動車の駆動系要部を示すブロック図である。 本発明の回転電機を用いたエレベーターの要部を示すブロック図である。 本発明の回転電機を用いた風力発電装置の要部を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施の形態を添付した図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した回転電機の要部の構成を示す断面図である。

この回転電機１は、１４極の永久磁石式リラクタンス型回転電機である。この回転電機１は、電機子巻き線１１を有する電機子１３と、永久磁石１５を内蔵して磁気的な凹凸を有する円筒状の回転子１９からなる。

電機子１３は、多数枚の電磁鋼板を積層して構成した電機子鉄心２１と、この電機子鉄心２１の内周側に設けられているスロット２３に収容された電機子巻き線１１とからなる。

電機子鉄心２１には、スロット２３によって隔てられた鉄心歯２５があり、電機子巻き線１１が、この鉄心歯２５を中心に巻きつけられている。

このような電機子１３は、１枚の帯状の電磁鋼板にあらかじめスロットとなる穴を多数打ち抜いたものを用意するとともに、別途絶縁性のボビン（不図示）に電機子巻き線となるコイルを巻いたものを用意しておき、電磁鋼板は複数枚積層して、スロットによって隔てられることにより形づくられる各鉄心歯に、ボビンごと電機子巻き線を取り付け、その後、この鉄心を環状に成形することで電機子鉄心を形成している。

なお、電機子鉄心２１の鉄心歯２５は、磁界効率を高めるために対向する辺が平行となるようにした長方形であることが好ましい。

一方、回転子１９は、多数枚の電磁鋼板を積層して構成した回転子鉄心１７と、回転子鉄心１７内に保持された永久磁石１５とから構成され、回転子１９の各磁極軸に沿った方向に配置される切り欠き２７によって、永久磁石１５からの磁界が円周方向に磁気的に凹凸となるようにしている。

永久磁石１５は、この回転電機１がリラクタンス型であるため、回転子１９の回転位置により磁気抵抗が異なり、かつ、この磁気抵抗の高い部分を通る電機子巻き線１１に生じる磁束を打ち消し、界磁の磁化容易な方向とは異なる方向に磁化されているものを用いている。

また、この永久磁石１５は、発生する空隙磁束密度の基本波の振幅値が０．１〜０．７［Ｔ］であることが好ましい。これは、空隙磁束密度の基本波の振幅値が０．１未満では、リラクタンス型回転機の主磁束を直角に横方向に磁化するいわゆる横軸磁界を打消すことができなくなり、回転子と電機子巻線の間に漏れ磁界が大きくなり、回転機としての力率が低下するためである。

一方、０．７を越えると、高速回転時に、この回転子の磁束により、電機子巻線に誘起される電圧が大きくなり、この電圧を打消しながら、トルクを得るために電機子電流の位相を調整して運転するいわゆる弱め界磁運転において、電機子電流が過大になり、効率がいちじるしく低下したり、運転が困難になるためである。

ここで、この回転電機１における回転子１９の極数Ｐと電機子１３のスロット数Ｎｓとの関係を説明する。

本実施の形態では、回転子１９の極数Ｐは１４であり、スロット数Ｎｓは１８として、下記（２）式に示すように、本発明の条件である上記（１）式に適合させている。

Ｎｓ＝３×｛１４／２−ＩＮＴ（１４／１０）｝
＝３×｛７−ＩＮＴ（１．４）｝＝１８ …（２）
以下、図２を参照して本実施の形態の作用を説明する。

図２は、本第１の実施の形態における回転電機を試作し、その電磁界解析を行った結果を示す図面である。

試作した回転電機は、上記のとおり１４極１８スロットである。

図２から、この回転電機には、主磁極数である１４極（１４Ｐ）成分以外にも２極（２Ｐ）成分と１０極（１０Ｐ）成分の電磁界が発生していることがわかる。しかし、主磁極と逆向きに回転して振動や騒音の原因となるような２極成分として作用する（１４＋２）、すなわち１６極（１６Ｐ）成分は発生していないことがわかる。

また、本実施の形態のおける１４極１８スロットの場合は、毎極毎相スロット数ｑは、下記（３）式のとおり分数スロットである。

ｑ＝１８／（３×１４）＝３／７ …（３）
このため、分数スロットの効果によりトルクの極大値と極小値を取る位置が電機子と界磁の対向する面内に分散されるためトルクリップルが発生せず、かつ、振動と騒音の原因となるような主磁極と逆向きに回転する電磁界成分が無いため、振動や騒音を抑えることができる。

これに対して、従来法により回転電機（以下比較例の回転電機と称する）を試作し、電磁解析を行った結果を図３に示す。

比較例の回転電機は、本第１の実施の形態と同様にスキュー無しとする一方、回転子極数を８極、電機子スロット数を３３スロットとしている。したがって、極数とスロットの関係は、下記（４）式に示すとおりとなる。

Ｎｓ＝３×｛８／２−ＩＮＴ（８／１０）｝
＝３×｛４−ＩＮＴ（０．８）｝＝１２ …（４）
このため、この比較例の回転電機では、本発明による（１）式の条件を満たしていない。

また、毎極毎相スロット数ｑは、３３／（３×８）＝１１／８となり、分数スロットである。

比較例の回転電機では、図３に示すように、主磁極数である８極（８Ｐ）成分以外に、２極（２Ｐ）成分、４極（４Ｐ）成分、１０極（１０Ｐ）成分、１４極（１４Ｐ）成分が発生していることがわかる。このうち、１０極成分は、主磁極と逆向きに回転する成分となり、電機子には（１０−８）で２極成分として作用する。

このため、この比較例の回転電機を３相出力インバーターにより駆動し、騒音を測定したところ、図４に示す様に重力加速度を基準単位として表わした振動加速度が１０Ｇを越えると１００ｄＢを越える騒音が発生した。

この比較例の回転電機では、分数スロットの効果によってトルクがその極大値と極小値を取る位置では電機子と界磁の対向する面内に分散されるためトルクリップルの発生はないが、径方向成分としては低次の磁極成分が残すため、これが振動と騒音を誘起してしまうと考えられる。

以上の結果からも、先に示したように本実施の形態による回転電機では、トルクリップルの発生がなく、振動と騒音が防止できていることがわかる。

特に、本第１の実施の形態では、振動や騒音の原因となる磁界成分そのものを抑えることに成功しているため、スロット数が少なく毎極毎相スロット数ｑが１／２以下となるような振動対策の難しい回転電機において効果的に振動や騒音を抑えることができる。

また、この回転電機においては、回転子極数を１０極以上とすることが好ましい。これは、極数が１０極以上の場合に本実施の形態のスロット数を選択すると、回転子と電機子巻線の磁気的結合の良さを表わす、いわゆる巻線係数を０．９６程度にすることが出来、１極あたりのスロット数が少ない設計において他のスロット数を選択する場合より、回転機の構成を小さくすることができ、かつ、低極数の回転磁界の発生を小さくし、振動・騒音を小さくしようとするものである。

なお、極数の上限については特になく、回転電機として使用されている極数であればよい。

さらに、本第１の実施の形態では、磁束の利用率である電機子と界磁の結合を示す巻き線係数は、０．９以上となっており、出力密度を高く設定できる通常の整数スロットの分布巻き線を用いた回転電機と同程度の高出力を得ることが出来る。また、トルクリップルが小さく、所望するトルクの発生に必要な電流が小さくなるため回転電機の効率が高くなる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明による回転電機の利用例として、本発明による回転電機を用いた電動車両について説明する。

図５は、本発明の回転電機を用いたハイブリッド型自動車の駆動系要部を示すブロック図である。

通常、ハイブリッド型自動車５１は、車体５３を４つの車輪（前輪５５および後輪５６）によって支持している。そして、このハイブリッド型自動車５１は前輪駆動である。

本発明による回転電機１は、この駆動輪を前方の車軸５７にトランスミッションとデフ５９を介してエンジン６１とともに取り付けられている。

したがって、車軸５７には、回転電機１からのトルクとエンジン６１からのトルクがあわせて供給されて前輪５５が回転する。

回転電機１は、制御装置６３によって駆動トルクが制御されている。そして、回転電機１は、駆動輪を駆動するときにはバッテリー６５から供給される電力により電動機として働き、逆に、回生エネルギーを回収する際には、発電機として働くことになる。

このように、本発明による回転電機を電動車両に用いることで、回転電機の動作による振動を低減することができるので、振動や騒音として失われるエネルギーを抑制することができるため、車両の燃料消費を低くすることが可能となる。

以上本第２の実施の形態では、電動車両としてハイブリッド型自動車を例に説明したが、内燃機関であるエンジンを持たない電気自動車に適用することも、もちろん可能であり、その場合、駆動装置である回転電機からの振動や騒音を低くすることができるので、乗り心地を改善することにも役立つ。

また、電気自動車に限らず、電気機関車などの駆動源としても使用することができ、上記と同様に、振動や騒音の低減、さらには、燃費の向上や乗り心地の改善に寄与することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明による回転電機の他の利用例として、本発明による回転電機を用いたエレベーターについて説明する。

図６は、本発明の回転電機を用いたエレベーターの要部を示すブロック図である。

エレベーター７１は、本発明による回転電機１、トラクションシーブ７５、および制御装置７７が取り付け架台（不図示）を介して建物に取り付けられており、回転電機１が駆動されることにより、釣合重り７９とケーブル８１によって接続されているケージ８３を巻き上げる仕組みとなっている。

なお、回転電機１の動力は、図示していない商用電源から供給され、この電力が制御装置７７を介して回転電機１に供給されトルクを発生する。したがって、本発明による回転電機１は、ここでは電動機として機能することになる。

回転電機１により発生したトルクは、トラクションシーブ７５に供給されて、釣合重り７９を巻き下げるとともにケージ８３を巻き上げることで、ケージ８３の上昇下降が行われる。

このように、本発明による回転電機をエレベーターに用いることで、回転電機の動作による振動を低減することができるので、振動や騒音として失われるエネルギーが少なくなり、電力消費を低くすることが可能となる。また、エレベーターの駆動源である回転電機からの振動や騒音が少なくなることで、ケージ８３に伝わる振動も少なくなり、建物内における騒音も少なくすることができる。

以上本第３の実施の形態では、回転電機をエレベーターに用いるものとして説明したが、この他に、たとえばクレーンや、エスカレーターなどの運搬、搬送装置の駆動にも使用することができ、上記同様に、振動や騒音の抑制、電力消費の低減を行うことが可能となる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明による回転電機のさらに他の利用例として、本発明による回転電機を用いた風力発電装置について説明する。

図７は、本発明の回転電機を用いた風力発電装置の要部を示すブロック図である。

この風力発電装置９１は、本発明による回転電機１が、風をうけ機械的トルクを発生する風車９３に軸９５によって直接接続され、取り付け架台（不図示）に設置されている。

ここで回転電機１は、風車９３によって発生したトルクにより電力を発生する発電機として機能する。

回転電機１は、風車９３からの機械的トルクにより回転し、風車９３の回転数とトルクに応じた電力を発生する。発生した電力は、制御装置９７によって電力系統の周波数と電圧に変換されて、電力系統に供給される。

このように、本発明による回転電機を風力発電装置に用いることで、回転電機の動作による振動を低減することができるので、振動や騒音として失われるエネルギーが少なくなり、発電効率を高めることが可能となる。また、回転電機からの振動や騒音が少なくなることで、環境に与える騒音問題の解決にも貢献することができる。

以上本第４の実施の形態では、回転電機を風力発電装置の発電機として用いる例を説明したが、この他に、たとえば水力発電装置の発電機として用いることも可能である。この場合にも、上記と同様に振動や騒音による発電ロスを抑え、発電効率を向上することが可能となる。

以上、本発明の回転電機の実施の形態、ならびにこの回転電機を用いた様々な利用形態を説明したが、本発明はこのような回転電機やその利用形態に限定されるものではない。たとえば回転電機としては、永久磁石式リラクタンス型回転電機の他に、表面永久磁石式回転電機、内部永久磁石式回転電機など、様々な永久磁石式の回転電機に適用することができる。また、利用形態としても電動機や発電機を用いる各種機器、装置に本発明の回転電機を適用することが可能である。

１…回転電機、１１…電機子巻き線、１３…電機子、１５…永久磁石、１７…回転子鉄心、１９…回転子、２１…電機子鉄心、２３…スロット、２５…鉄心歯、２７…切り欠き、５１…ハイブリッド型自動車、５３…車体、５５…前輪、５６…後輪、５７…車軸、５９…デフ、６１…エンジン、６３…制御装置、６５…バッテリー、７１…エレベーター、７５…トラクションシーブ、７７…制御装置、８１…ケーブル、８３…ケージ、９１…風力発電装置、９３…風車、９５…軸、９７…制御装置。

Claims (6)

1. 電機子のスロット数Ｎｓと回転子の極数Ｐの間に下記（１）式の関係を有する回転電機であって、前記極数Ｐは１４極以上且つＰ≠８ｍ（ｍは整数）であることを特徴とする回転電機。
   Ｎｓ＝３×｛Ｐ／２−ＩＮＴ（Ｐ／１０）｝ …（１）
   ただし、ＩＮＴ（Ｐ／１０）はＰを１０で除した商の整数部の値である。
2. 前記回転子は、回転位置により磁気抵抗が異なり、当該磁気抵抗の高い部分を通る電機子巻き線に生じる磁束を打ち消し、前記界磁の磁化容易な方向とは異なる方向に磁化されていて、その発生する空隙磁束密度の基本波の振幅値が０．１〜０．７［Ｔ］である永久磁石を有することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記電機子は、鉄心歯に電機子巻き線を巻きつけた構成であることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
4. 前記電機子巻き線は、絶縁性のボビンに巻きつけられていることを特徴とする請求項３記載の回転電機。
5. 前記鉄心歯は、対向する辺が平行な長方形状であることを特徴とする請求項３記載の回転電機。
6. 前記電機子は、複数のスロット穴が形成された電磁鋼板を積層して環状に形成した電機子鉄心を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載した回転電機。

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