JP2011072182A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリップルの問題の代替の解決法を提供する。
【解決手段】電気機械用固定子は、エアギャップを挟んで回転子を囲む円形の固定子本体を備える。固定子は、径方向に延びる固定子歯を規定する径方向に延びるスロットを備える。多数の電気巻線がスロット内に配置されており、周囲に間隔を置いて配置される磁極を規定している。離れて位置するコイル集合が電気機械用の多数の位相を確定する。モーターのトグルリップルが、一組の所定のコイル集合に異なる幅の固定子歯２０，２２を形成することにより低減される。
【選択図】図４

Description

本発明は、モーター又は発電機として動作可能な電気機械用の固定子の設計に関するものである。

従来のブラシレス式の多相電動発電機の設計においては、回転子をその周囲に永久磁石を配置した状態で使用するとともに、固定子を複数の固定子極が上記永久磁石を取り囲む状態で使用することが既知の通例となっている。磁束のフローパターンは、固定子に巻き付けられた固定子コイルに多相正弦波電圧を印加したときに現れる。

多相電気機械の出力トルクは、一定のトルク成分と変動するトルク成分とを含む。変動するトルク成分は、固定子と回転子における調和磁束配分（Harmonic Magnetic Flux Distributions）を原因として生じる。電気機械の総出力トルクは上記一定の成分と変動する成分との結合であり、そのことがトルクリップルと呼ばれる現象を招く。このトルクリップルは、動力伝達経路の速度変動の原因となり、そのことが自動車の振動や騒音を招きうる。電気機械の振動は車体及びシャシ構造に共鳴するからである。トルクリップルの現象は、自動車の速度が低い場合に特に著しい。

特許文献１に係る特許は本発明の譲受人に付与されており、この特許文献１は、電気機械におけるトルクリップルの問題の１つの解決法を説明している。その解決法は、電気機械の回転子を多数層で形成することを含んでいる。これらの層は、永久磁石を収容するための開口を周辺部に複数有する透過性の金属積層を積み重ねて構成される。前記磁石の極が固定子極を横切って移動するにつれて、前記磁石の磁場は、多相電圧が加えられる固定子電気巻線の磁場と相互に作用し合う。前記各層の極によって生成されたトルクリップルが、隣接する極のトルクリップルの影響を打ち消して、互いに結合する別個のトルクリップル成分を減少させやすくなるように、前記多数層は回転子の幾何学軸周りで互いに斜めに向けられている。

米国特許第６８６７５２４号明細書

本発明は、トルクリップルの問題の代替の解決法を提供することを目的とする。

本発明は、トルクリップルの問題の代替の解決法を提供する。それは電気機械用固定子を備え、その固定子の物理的な特性は、先行する議論において説明されたトルクリップルの影響を低減させるために改良されている。本発明の固定子は、多孔質性の鉄の積層等、多数の金属の積層により構成され、エアギャップを挟んで回転子の周囲を囲んでいる。

電気機械用固定子の既知の構造の場合と同様に、本発明の固定子は、コイル巻線に適合する略半径方向のスロットを備え、それらのスロットは効果的な周囲の間隔を有するように配列される。巻線は、多数の極を規定するコイル集合内に配列されうる。

本発明の固定子内の固定子スロットの数、及び電気機械の位相の数は、電気機械の作動特性を決定する。それは例えば、電気機械の固定子を斜めに向ける既知の技術を用いても効果的に弱められなかった高いトルクリップル成分、例えば２４次トルクリップル等を効果的に低減する。

ここで開示する本発明の実施形態は３相機械であるが、異なる位相数の電気機械に本発明を用いてもよい。永久磁石の回転子を備えた電気機械に本発明を用いてもよい。本発明の範囲は特定のデザインに制限されない。本開示のデザインは、本発明の選択された実施形態の例を提示する目的で選択される。

従来の電気機械には、固定子巻線を収容するために径方向のスロットを備えた固定子を備え、固定子がエアギャップを挟んで回転子を囲んでいるものがある。２つの隣接するスロット間の電気角（θ）（スロットピッチ）、固定子コイルの巻線集合間の電気角変位（γ）、及びコイルピッチ（δ）は、所定の固定子のデザイン及び幾何学的配置として固定される。本発明のデザインは、それとは異なり、既知のデザインにおいてθ、γ、及びδに課される制約を取り除いている。本発明の場合、θ、γ、及びδに割り当てられる値は、固定子の物理的限界及び寸法に見合った任意の大きさをとりうる。

本発明の固定子は、固定子スロットにより規定される固定子歯を備えている。スロット内の固定子コイルの巻線は、回転子の磁束フローパターンと相互に影響し合う固定子磁束フローパターンを生じさせる。固定子歯は、少なくとも２種類の円周方向歯厚を有する。

本発明により、トルクリップルの問題の代替の解決法が得られる。

径方向に延びる従来の内部スロットを備えた固定子の等角図である。 固定子の電気巻線が示された図１の固定子の等角図である。 図１に示された従来の固定子の単一積層の平面図である。 本発明の実施形態１に係る固定子の単一積層の平面図であり、固定子スロットの角度間隔が一定でなく、固定子スロットにより規定された固定子歯の幅が隣接する歯の厚みと異なる厚みを有している。 本発明の実施形態２に係る固定子の単一積層の概略図であり、固定子歯が３つの異なる厚みを有している。 従来の固定子の構成を備えた電気機械における回転子の様々な姿勢に対応するトルクリップルを示すグラフである。 従来の固定子を備えた電気機械における図６に示すトルクリップルによりもたらされるモータースピードの変動のタイミングチャートである。 歯の間隔又はスロットのピッチが一定の従来の固定子の概略図であり、固定子は２４のスロット、４つの極、及び４組のコイル集合を有し、単に説明の目的でスロットを展開した形状で示している。 ２４のスロット、４つの極、及び２組のコイル集合を有する従来の固定子のスロットの展開図である。 ２４のスロット、４つの極、２組のコイル集合、及び２種類のコイルピッチを有する従来の固定子のスロットの展開図である。 本発明の固定子の実施形態１に係る固定子スロットの展開図であり、固定子は２４のスロットと４つの極を有している。 図１１の実施形態１のもう一つの説明図であり、３位相の巻線を示す。 本発明の実施形態２に係る固定子スロットの展開図であり、図１１の実施形態の場合と同様に、巻線を４つの集合で示す。 本発明の実施形態３に係る固定子スロットの展開図であり、図１１の実施形態の場合と同様に、巻線を４つの集合で示す。 本発明の実施形態４に係るスロットの展開図であり、異なるコイルピッチのコイル集合が使用されている。 本発明の特徴を具現化した固定子を有する機械に係る２４次トルクリップルについて、従来の固定子を有する電気機械に係るトルクリップルを基準とした比較を示すグラフである。

従来の電気機械では、本発明を具現化した電気機械と同様に、２つの隣接するスロットの電気角、すなわちスロットピッチが以下のように算出される。

ここで、
Ｎ_ｐ＝極番号
Ｎ_ｔ＝スロット番号
である。

各位相の固定子巻線は、Ｎ_ｐ組、又はＮ_ｐ／２組のコイル集合を備え、ここでＮ_ｐは電気機械の極番号である。４つの極を有する３相電気機械において、各位相の巻線は、図８に示すように４組のコイル集合を備えているか、もしくは図９に示すように２組のコイル集合を備えている。

同位相の隣接する２組のコイル集合間の角変位は、電気角を単位として測定して表すと、いずれも以下のようになる。

ここで、コイル集合の番号が極番号と等しい場合にはＭ＝１となり、コイル集合の番号が極番号の半分と等しい場合にはＭ＝２となる。

コイルのスパンアングル、すなわち電気角を単位とするコイルピッチは、以下のように決定される。

図１は、１０により従来の電気機械用固定子を示す。それは、積み重ねられた図３において１２で示される類の多数の積層を備える。図２は、２４’及び２６’で示されるようなコイルの巻線２４’を所定の箇所に設けた図１の固定子を示す。巻線は、各位相用の端子で結束され、ある１位相用の端子は、図５において２４及び２６で確認できる。

積層は、鉄金属で形成してもよい。それらは円形形状であってもよい。それらは一緒に積み重ねられたときに、図１において１４で示すように筒状本体を形成する。

本体１４の内周には、径方向のスロット１６が多数形成されている。図３で最もよく確認できるように、スロットは内周に等しく間隔をあけて並んでいる。それらのスロットは、一定の幅の固定子歯１８を形成する。

図３の従来の積層のデザインは、３相機械の固定子用である。位相は、参照文字Ａ、Ｂ及びＣによって識別される。各参照文字は正の符号又は負の符号を伝える。正の符号は、参考までに、３相のうちの１つに対応する巻線の単一の電線が入る方向を示す。負の符号は、その相に対応する巻線の一電線が戻るのを示すのに用いられる。この布線パターンは図５に関連して説明され、図５は本発明の実施形態２の固定子に係る単一積層を示す。

図６は、従来の電気機械のトルクリップル１７の波形を示し、図７は、回転子速度へのトルクリップル１９の影響を示す。本発明は、図７のタイミングチャートにおける１９の速度の「最高点」の大きさを減少させる。

図４は、本発明の実施形態１に係る固定子の単一積層を示す。それは、固定子歯を規定する４８のスロットにより特徴付けられる。スロットの数は、積層の３６０°全体に亘って示されるように、１から４８までの数字により識別される。スロットは、歯が「大きい」幅と「小さい」幅とを有するように配列される。各位相の歯の各々は、等しい参照数字、もしくはもう１つの位相の対応する歯を識別する数字によって識別される。

円周方向に幅広な大きい歯は、２０に示すように、第１の位相のスロット＃１に直接隣接して設置される。第１の位相の円周方向に幅狭な小さい歯は、２２で示されている。大きい歯と小さい歯の第２の集合は第２の位相に割り当てられた文字Ｂにより識別される。大きい歯と小さい歯を規定するスロットの第３の集合は文字Ｃにより識別される。各文字は、巻線が、特定のスロットに入る状態と、特定のスロットを通って入る状態か又は戻る状態とのいずれであるかに応じて正の符号又は負の符号を伝える。

固定子コイルの巻パターンを説明する目的で、図５において巻線が端子２４で開始しているものと仮定する。図５において説明される巻線は、各実施形態の固定子設計用巻パターンに類似したパターンを有している。図５は、本発明の実施形態２に係るスロットパターンを示し、そのパターンは複数のスロット集合を有し、各集合は３種の異なる円周方向幅の歯を有する。その巻線はスロット＃６に入ってスロット＃１まで延びる。その巻線は、スロット＃１を通って戻る。次いで、スロット＃７に延びてスロット＃７に入り、スロット＃１２を通って戻り、さらにスロット＃１８に入る。次いで、スロット＃１３を通って戻り、スロット＃１９より入る。次いで、その巻線は、スロット＃２４を通って戻り、スロット＃３０より入る。次いで、その巻線は、スロット＃２５を通って戻り、スロット＃３１より入る。次いで、その巻線はスロット＃３６を通って戻り、スロット＃４２より入る。次いで、その巻線はスロット＃３７を通って戻り、スロット＃４３に入る。スロット＃４８を通って戻る。次いで、その巻線が端子２６で末端をなすことによって、３相電気機械の第１の位相用巻パターンが完成する。

３相電気機械の他の２つの位相Ｂ及びＣ用の巻線は、類似した入り及び戻りのパターンを有している。スロット１から６により定義される歯、及びそれらに対応する巻線が、第１極を生み出す。同様に、第２極は、スロット＃７から＃１２に割り当てられた歯及び巻線によって生み出される。第３極は、スロット＃１３から＃１８に割り当てられた歯及び巻線によって確立される。第４極は、スロット＃１９から＃２４に割り当てられた歯及び巻線によって確立される。第５極は、スロット＃２５から＃３０に割り当てられた歯及び巻線によって確立される。第６極は、スロット＃３１から＃３６に割り当てられた歯及び巻線によって確立される。第７極は、スロット＃３７から＃４２に割り当てられた歯及び巻線によって確立される。第８極は、スロット＃４３から＃４８に割り当てられた歯及び巻線によって確立される。したがって、総計８極及び４８スロットあり、それらがアルファベットＡ、Ｂ、及びＣにより識別される３位相を規定する。

実施形態１に係る固定子積層は、図４において参照数字２８により識別される。本発明の実施形態２に係る対応する固定子積層は、図５において数字３０により識別される。

前に示したように、図１１は実施形態１に係る単一相の巻線を示す。図１２は本発明の実施形態１に係る図４で確認される３位相の巻パターンを示す。従来の固定子デザインの巻線は、図８，９及び１０において六角図形により概略的に示されている。

図８の六角図形は３２で示される。巻線の各集合は、１５０°の電気角のコイルピッチを有しうる。各スロットピッチは、３０°の電気角となりうる。６つのスロットの集合に割り当てられる各コイルの巻線は、１８０°の電気角となりうる。図８の実施形態では、各コイル集合３２が６つのスロットを含む。

図９は、２４のスロット、４つの極、２組のコイル集合、及び１８０°のコイルピッチを有する従来の固定子の位相巻線を示す。また、図８のデザインの場合と同様に、スロットピッチは３０°の電気角である。図９の巻線の場合には、コイル集合間の角変位が３６０°である。

図９内で認識される第１のコイル集合の巻線は、参照符号３４及び３６により識別される。各集合の巻線は、固定子歯のいずれか一方側の隣接スロットを通過する。巻線３４及び３６のコイルピッチは、１８０°の電気角である。隣接するコイル集合は、巻線３８及び４０の２組の集合を有しており、これら２組の集合は、それぞれ、巻線３４及び３６に類似しているが、図８に示すような１８０°ではなく、３６０°の電気角によって、それらは互いに間隔を置いて配置される。

従来の固定子用のもう一つの位相巻線を図１０に示す。図１０の場合、位相巻線が２４のスロット、４つの極、２組のコイル集合を有している。２組のコイル集合間の角変位は３６０°である。コイル集合の１つの巻線のコイルピッチは１５０°の電気角である。他方のコイルピッチは、２１０°の電気角である。

本発明の実施形態１の１例が図１１の固定子内に示され、その固定子は、その周囲全体に亘って交互の順に配列された２種類の厚みの固定子歯を有している。このことが２種類のスロットピッチに帰する。図１１の実施形態に係るコイル集合は、３本の幅狭の（小さい）固定子歯を有する。２本の幅広の（大きい）固定子歯が幅狭の固定子歯の間に配置される。幅狭の歯の一方側と幅広の歯の対応する側との間のピッチは４０°の電気角となりうる。各コイル集合における幅狭の歯と幅広の歯の近い側との間のピッチは２０°の電気角となりうる。図１１に示すどの２組のコイル集合も、その角変位は１８０°になりうる。コイルピッチそのものは、各集合に対して１４０°となりうる。図１１の実施形態に係る巻線は、図５を参照して前に議論した巻線と類似しうる。

図１２は、３相機械の各位相に割り当てられる巻線の１例を示す概要図である。位相Ｂ及びＣに割り当てられる巻線は、図１１を参照して説明された巻線、つまり第１の位相（すなわち位相Ａ）に割り当てられた巻線と同一である。図１１に係る位相Ｂは、位相Ａに割り当てられた巻線から１２０°の電気角分ずれうる。図１１における位相Ｃに割り当てられた巻線は、位相Ａに割り当てられた巻線の位置と比較して２４０°の電気角分ずれうる。

図１０、１１、及び１２の概要図の場合にて、各コイル集合の巻線間の接続は示されていない。

図１３は、本発明の実施形態１の巻パターンを示し、それは、１組のコイル集合の端が固定子スロット１つ分移動している点を除いては、図１１の巻パターンとほぼ同じである。図１３における２組の隣接するコイル集合間の角変位は、図１１における幅広の固定子歯の幅ではなく、図１３における幅狭の固定子歯の幅に等しい。図１３におけるコイルピッチの例では、コイルピッチが、図１１に示す例の１４０°の電気角ではなく、１６０°の電気角まで増やされる。

図１４は、３種の異なる歯の厚みを有する実施形態３の固定子を示す。特に、図１４の実施形態は、各コイル集合内に、大きい歯の厚みと、中間の歯の厚みと、細い歯の厚みとを有している。図１４の実施形態における隣り合うコイル集合間の角度間隔は、βの電気角分異なっている。これは、固定子歯の異なる厚みのせいである。さらに、図１４のデザインは３種のスロットピッチ、すなわち４０°の電気角、３０°の電気角、及び２０°の電気角を有している。また、図１４においてコイル間の接続は示されていない。図１４の位相の巻パターンは、図１１で確認されるような本発明の実施形態１の巻パターンと同じになりうる。

図１４において、β＝２０°の電気角（すなわち、１９０°−１７０°＝２０°）が成立する。しかしながら、値βは、設計変更次第で２０°と異なっていてもよい。

本発明の実施形態４は図１５で確認される。図１５において位相Ａに割り当てられたコイルは、２種類のコイルピッチ、すなわち１６０°及び１４０°の電気角を有する。同じ位相の２組の隣接するコイル集合間の角変位は、１８０°の電気角である。固定子は、３つのスロットピッチ、すなわち４０°、３０°、及び２０°を有する。

図１１から１５までに示した実施形態以外の変形例も存在し、そのことは当業者にとって明白である。

図１１−１５の実施形態に係るコイルの歯のサイズバリエーション及び巻パターンに加え、他の歯の間隔及び巻パターンを、本発明の範囲から逸脱することなく用いることができる。

図１６は、本発明の固定子構造と固定子の巻パターンとを用いて得られうる進歩の程度の図である。従来の固定子構造と従来の固定子の巻パターンとを用いると、２４次トルクリップルの特性であるトルクが５０で示すようになる。本発明の改良された固定子構造と固定子の巻パターンとを用いると、２４次トルクリップルの相当するトルクが５２で示すようになる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によって本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

本発明に係る電気機械は、例えば、モーター又は発電機として動作可能な電気機械用の固定子の設計等に有用である。

１０ 固定子
１６ スロット
１８ 固定子歯
２０ 大きい歯（固定子歯、第１の歯）
２２ 小さい歯（固定子歯、第２の歯）
３４ 巻線
３６ 巻線
３８ 巻線
４０ 巻線

Claims (5)

1. エアギャップを挟んで回転子を囲む円形の固定子を有する多相電気機械であって、
   前記固定子は、固定子歯を回転子に向けて内向きに延びるように規定する固定子スロットにより特徴付けられ、
   前記固定子スロット内の固定子コイルの巻線は、前記回転子の磁束のフローパターンと相互に作用し合う固定子磁束パターンを発生させ、
   前記固定子歯は、少なくとも２種類の円周方向歯厚を有し、それによって回転子のトルクリップルが減少する電気機械。
2. 請求項１に記載の電気機械において、
   前記固定子は、周囲に間隔をおいて配置された複数の第１の歯と、周囲に間隔をおいて配置された複数の第２の歯とを備え、前記第２の歯のうちの少なくとも１つは、前記第１の歯のうちの１対の歯の間に配置され、前記第２の歯は前記第１の歯の円周方向歯厚よりも短い円周方向歯厚を有する電気機械。
3. 請求項１に記載の電気機械において、
   前記固定子歯は、第１、第２、及び第３の円周方向歯厚の歯の集合を多数有する電気機械。
4. 請求項１に記載の電気機械において、
   前記固定子コイルの巻線は、３位相、及び多数の磁極を規定する電気機械。
5. 請求項１に記載の電気機械において、
   前記固定子は３つの位相により特徴づけられ、スロットの第１の集合が第１の位相の巻線を収容し、スロットの第２の集合が第２の位相の巻線を収容し、スロットの第３の集合が第３の位相の巻線を収容し、
   前記３つの位相の巻線は、多相電力源に接続されている電気機械。

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