JP2012135133A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の巻線のターン数は整数しか選択できないため、あるターン数では大きすぎるが、それよりターン数を１ターン減らすと今度は小さすぎて、電動機が発生することのできる出力を発生できなくなる場合がある。
【解決手段】一相分のスロット数の半分をｍとし、ｍの約数をｎとした場合に、総パラ数ｐの全体並列巻線はパラ数ｐ／ｎの部分並列巻線Ｎｉ（ｉは１からｎまでの整数）にｎ等分されており、前記各並列巻線Ｎｉはそれぞれ合計ｍ個のサブコイルから成り、当該合計ｍ個のサブコイルは少なくとも１つが他と異なるｎ種類のターン数ｔｊ（ｊは１からｎまでの整数）のサブコイル、をそれぞれｍ／ｎ個ずつ含み、前記固定子におけるスロットのペアごとに当該ペアにはそれぞれ前記各並列巻線Ｎｉのサブコイルが１つずつ巻回されるとともに、当該ペアに巻回されるｎ個のサブコイルには前記ｎ種類のターン数ｔｊのサブコイルがそれぞれ１種類ずつ含まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関し、特に電動機における巻線の巻回方式に関する。

電動機は固定子と回転子から成る。そのうち固定子には巻線が巻回され、この巻線に電流を通電することによりトルクを発生して回転子が回転する。固定子に巻回される巻線は、固定子内のスロットに配置される。スロット内に通る巻線の本数は、通常、一定の本数だけ並列にしてそれを決まった回数だけ同一スロット内に通るように巻回する。この、並列にする本数をパラ数といい、同一スロット内で複数回巻線を巻回する回数をターン数という。

ここで、ターン数について、図４および図５を用いて説明する。図４は、電動機を示す模式図である。図中、Ｍで示される部分が電動機を示しており、そこから、３本出ている線は電動機から出ている三相のリード線を示す。電動機Ｍ内の螺旋状になっている線は電動機に巻回される巻線を示す。この三相の巻線のうち、一相分の巻線であるＵとＸの間の巻線における巻線の巻回方法について、図５を用いて説明する。図５はスロット数＝１２、ターン数＝３における巻線の巻回方法を示した模式図の一例である。図５中、Ｓ１、Ｓ２で示されるのは電動機内の各スロットである。また、Ｃ１、Ｃ２は巻回された巻線のうち一塊となるコイルを示す。なお、図５で示される電動機は１２スロットであるため、一相分のスロット数はその１／３で４スロットになる。また、巻線は二つのスロット間で巻回されるので、コイルは二つになる。各コイルは、各スロットに同じ巻線が３回通過するように巻回され、次のスロットに移り次のコイルを巻回する。これを繰り返して３ターンの巻線は巻回される。同様にＶとＹの間、ＷとＺとの間も巻回されることによって、電動機Ｍの巻線は巻回される。

ターン数は電動機の回転数等の仕様によって決定される定数である。一般に電動機において巻線に発生する電圧は、巻線のターン数と巻線に錯交する磁束の時間に対する変化量に比例することが知られている。このため、電動機に供給される電流が一定の場合に、ターン数を増やせば増やすほど発生するトルクが増加する。しかし、その一方で、ターン数を増やすと巻線に発生する電圧も上昇する。一方、回転数を上げていくと巻線に錯交する磁束の変化量も回転数に比例して大きくなるので、ターン数が大きくなると高回転時に巻線に発生する電圧が高くなる。巻線に発生する電圧が電動機につながっているアンプの電源電圧に近くなっていくと、アンプから電動機に電流を通電できなくなってしまい、電動機を運転することができなくなってしまう。したがって、電動機が目標とする仕様を満たすことができるように、巻線に発生する電圧があらかじめ決められた許容値よりも大きくならない範囲で電流を通電して所望の出力が得られるよう、巻線のターン数は決定される。

以上のように決定されたターン数をもとに、パラ数が決定される。固定子のスロット内に入る巻線本数の合計は、ターン数×パラ数となる。スロット断面積のうち、巻線断面積の合計が占める割合を占積率というが、スロット形状はあらかじめ決められているので、占積率は電動機に巻線を挿入していく際に一定値以内に制限される。電動機では、発熱を小さくするために巻線の抵抗値をできるだけ小さくしたいために、巻線をできるだけ太くしたいが、前述のとおり占積率は一定値以内に制限されているので、決められた占積率以内でどのようにして巻線を入れていくかが問題となる。この際、巻線の線径とパラ数を調整してできるだけ制限値に近くなるようにする。以上のようにして、電動機の巻線のターン数とパラ数は決定される。

特開平９−７４７０２号公報

巻線の設計をする際、電動機が出すことができる出力と巻線に発生する電圧の大きさをもとにターン数を決定していくことは前述したが、この場合に、例えば、２ターンでは巻線に発生する電圧は許容値以内であるもののターン数が小さいために発生できるトルクが小さくなり仕様を満たすことができないが、一方で、３ターンであれば仕様を満たすことができるもののそれでは最高回転数付近で巻線に発生する電圧が許容値を超えてしまう、という場合も生じ得る。すなわち、この例では、例えば基底回転数ｎｂ、最高回転数ｎｔ、出力ｐ０の図６に示されるような出力線図を持つ仕様を満たそうとする場合、巻線のターン数が２ターンではｐ０という出力を発生させる場合に全回転領域で巻線に発生する電圧は許容値以内とすることができるものの、ターン数が小さいために発生トルクが小さくｎｂにおける出力ｐ０を発生することができなくなってしまうので、２ターンでは仕様を満たすことができない。一方、３ターンとした場合には、ターン数が１．５倍となるため発生トルクも約１．５倍となり、ｎｂにおける出力ｐ０を満たすことができる。しかし、この場合、ｎｃという回転数より高い回転数でｐ０という出力を発生するためには巻線に発生する電圧が許容値を超えてしまう。したがって、図７に示すようにｎｃからｎｔまでの間での回転数においては、出力をｐ０から低下させていって、それにより通電する電流を絞って巻線に発生する電圧を許容値以内に抑えるという方法をとる。

このように、例えばｎｂにおける出力ｐ０を発生するために、２ターンでは足りないが３ターンでは余裕があり、一方、ｎｃより高い回転数において３ターンでは巻線に発生する電圧が許容値以内を超えてしまうが、２ターンでは最高回転数ｎｔまでｐ０という出力を発生しても、巻線に発生する電圧は許容値に対して余裕がある、ということになった場合、計算をすると２ターンと３ターンの中間の２．５ターンぐらいとすれば、巻線に発生する電圧が許容値以内で出力が仕様を満たすことができるだろうと予測はできる。しかし、ターン数は整数しか選べないため、２ターンと３ターンのいずれかを選択するしかなくなり、結果的に３ターンを選んで高速回転における電流の通電量を減らして出力をあえて落とすという方法をとることが多い。

しかし、この場合、本来は仕様を満たすことができるだけの能力をこの電動機は持っているにも関わらず、ターン数が整数であるという制限があるために本来出すことのできる能力を出せなくなっている。

本発明の目的は、ターン数が整数しか選択できないために電動機が発生することのできる出力を発生できなくなる場合があるという課題を解決することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係る電動機は、複数のスロットを配する固定子と回転子とから構成され、前記固定子内に三相から成る総パラ数ｐの全体並列巻線が巻回される電動機であって、一相分のスロット数の半分をｍとし、ｍの約数をｎとした場合に、総パラ数ｐの全体並列巻線は、パラ数ｐ／ｎの部分並列巻線Ｎｉ（ｉは１からｎまでの整数）にｎ等分されており、前記各並列巻線Ｎｉはそれぞれ合計ｍ個のサブコイルから成り、当該合計ｍ個のサブコイルは、少なくとも１つが他と異なるｎ種類のターン数ｔｊ（ｊは１からｎまでの整数）のサブコイル、をそれぞれｍ／ｎ個ずつ含み、前記固定子におけるスロットのペアごとに、当該ペアにはそれぞれ前記各並列巻線Ｎｉのサブコイルが１つずつ巻回されるとともに、当該ペアに巻回されるｎ個のサブコイルには、前記ｎ種類のターン数ｔｊのサブコイルがそれぞれ１種類ずつ含まれる。

本発明を用いることにより、電動機のターン数を分数でも選択できるようになり、これにより出力として電動機の能力を完全に引き出すことができるようになる。

本発明における巻線の巻回方法の一例を示す図である。 本発明における巻線の巻回方法の一例を示す図である。 本発明における巻線の巻回方法の一例を示す図である。 従来における電動機の構成の一例を示す図である。 従来における巻線の巻回方法の一例を示す図である。 従来における電動機の出力の一例を示す図である。 従来における電動機の出力の一例を示す図である。

図１は、本発明の１つの実施形態における電動機の巻線巻回方法の構成を示す模式図であり、ここではＵで示される点からＸで示される点の間で一相分の巻線を示している。図は、１スロットあたりのターン数ｔ、パラ数ｐの巻線である。この総パラ数ｐの並列な巻線の束（全体並列巻線と呼ぶ）は、Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎで示されるようにｎ個の並列な巻線の束（部分並列巻線と呼ぶ）に分割されている。分割された各部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎは、全て等しい本数（すなわちｐ／ｎ本）の巻線から構成されている。すなわち、各部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎは、全てｐ／ｎパラで巻回されている。ここで、ｐ／ｎはパラ数（巻線の並列本数）であるから整数でなければならない。したがって、ｎはｐの約数の中から選ぶか、もしくはｐがｎの倍数となるように選択する必要がある。この選択では、巻線の線径を考慮する。各部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎは、一相あたりのスロット数の半分を示す数（以下、この数をｍと表す）のコイルが直列につながった形になっている。なお、以下では、ｐ／ｎパラの個々の部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎが１ペアのスロットに巻回されて構成されるコイルを「サブコイル」と呼ぶことにする。これに対し、同じ１ペアのスロットに対して巻回されたそれら部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎのサブコイルを合わせたものを、単に「コイル」と呼ぶことにする。図１では、この「コイル」がＣ１、Ｃ２、…Ｃｍと表されている。なお、個々のコイルＣ１、Ｃ２、…Ｃｍを区別する必要がない場合には、コイルＣと総称することとする。図中、符号ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎで示された円は、各部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎをそれぞれｔ１、ｔ２、・・・ｔｎ回だけ巻回して構成したサブコイルであり、それぞれ１サブコイルあたりのターン数がｔ１ターン、ｔ２ターン、・・・ｔｎターンということになる。分割された各部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎ内には、ターン数がそれぞれｔ１、ｔ２、・・・ｔｎのサブコイルがｍ／ｎ個ずつ存在している（１つの並列巻線についてのターン数の全種類ｔ１〜ｔｎにわたるサブコイル数の合計はｍ）。したがって、ｍ／ｎは整数でなければならないので、分割数ｎはｍの約数の中から選んだ数になる。以上のことから、ｎは電動機によってあらかじめ決まっている数ｍ（＝スロット数／２）の約数の中から選択し、そのうえで、ｐがｎの倍数となるように巻線の線径との組み合わせでｐを選択する、という方法がｎ及びｐを決定する方法であるということができる。

また、同一コイル内でのターン数も、例えばコイルＣ１については、ｔ１ターン、ｔ２ターン、・・・ｔｎターンの順にｎ種類のサブコイルが並列に存在しており、コイルＣ２については、ｔ２ターン、ｔ３ターン、・・・ｔｎターン、ｔ１ターンの順にｎ種類のサブコイルが存在している。このように一つのコイルの中では、ｔ１ターンからｔｎターンまで全てのターン数のサブコイルが並列に存在するようになっている。このため、図１の例では、Ｎ１、Ｎ２、・・・の順に、ターン数の配置が一つずつずれた形になっている。ここで、一つのコイルＣにおける総ターン数ｔを求めると、コイルＣ内には各ターン数がｔ１ターン、ｔ２ターン、・・・ｔｎターンであるｎ個の巻線（サブコイル）が並列に並んでいることになるので、
ｔ＝（ｔ１＋ｔ２＋・・・＋ｔｎ）／ｎ ・・・（式１）
という式で表すことができる。ただし、ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎは整数である。部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎそれぞれについてターン数を合計すると、いずれも（ｔ１＋ｔ２＋・・・＋ｔｎ）×（ｍ／ｎ）となり、かつ、パラ数もいずれもｐ／ｎパラで等しいため、分割された部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎは、いずれも等しい巻線抵抗となる。したがって、巻線全体に通電される電流をＩとすると、それぞれの部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎには等しく分流された電流Ｉ／ｎが通電される。ここで、各スロットにおける巻線のアンペア×ターンの和ＡＴを求めると、
ＡＴ＝ｔ１×Ｉ／ｎ＋ｔ２×Ｉ／ｎ＋・・・＋ｔｎ×Ｉ／ｎ
＝（ｔ１＋ｔ２＋・・・＋ｔｎ）×Ｉ／ｎ・・・（式２）
となる。式１より、ｔ１＋ｔ２＋・・・＋ｔｎ＝ｔ×ｎのため、式２は
ＡＴ＝ｔ×Ｉ
となり、したがって、各スロットにおいてはｔターンの巻線にＩという電流が通電されたことと等価となる。ｔは式１で示されるように、整数だけでなく分数にもなり得る数であるため、図１に示される巻線は、ターン数が整数でなく分数でもとることができるということができる。

以下に、わかりやすくするために実際の数字を使った具体例を用いて説明する。例えば２４スロットの固定子にｔ＝２．５ターンの巻線を巻回したい場合を考える。一相あたりのスロット数の半分ｍ＝２４スロット／３相／２＝４であるため、４の約数の中から分割数ｎとして２を選択する。次にｎ＝２なので、式１よりｔ１＋ｔ２＝５となる。ｔ１とｔ２は加えて５になるような整数ならばよいので、例えばｔ１＝２、ｔ２＝３とする。また、パラ数ｐはｎ＝２の倍数の中から選択する。ここでは例えばｐ＝１０と選択したとする。この場合、図１の各パラメータに上記の値を入力していくと、図２に示されるように、総パラ数ｐ＝１０を、５パラずつの部分並列巻線Ｎ１及びＮ２に２分割して、２ターンと３ターンのサブコイルを交互に並べる巻回方法となる。この場合、部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２いずれも、ターン数の合計は１０ターンであり、パラ数もどちらも５パラであるので、巻線全体に通電された電流Ｉは、Ｎ１とＮ２にＩ／２ずつ分流することとなる。一方、各スロットではいずれも２×Ｉ／２＋３×Ｉ／２＝５／２×Ｉアンペアターンの電流が通電されることになるので、５／２＝２．５ターンの巻線と等価となる。以上の方法で巻回された巻線を、固定子断面から見ると図３に示されるようなスロットの配置となる。

以上が、この実施の形態における電動機の巻線の巻回方式の一例である。前述の例では、ｎ＝２として２．５ターンの巻線を巻回したが、例えば、２．５ターンではターン数がわずかに小さいという場合があれば、ｎ＝４として４分割して、ｔ１＝１、ｔ２＝２、ｔ３＝３、ｔ４＝５とすれば、ｔ＝１１／４＝２．７５ターンとすることもできる。このように、分割数ｎがｍの約数であれば、ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎについては自由に数値を選べるため、ターン数を整数でだけでなく分数も含めてある程度自由に選択することができる。

なお、以上の実施の形態においては、図１に示すようにターン数ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎを、個々の部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎの中でも、個々のコイルＣ１、Ｃ２、・・・Ｃｎのなかでも、いずれも順に一つずつずらす方式としたが、これは一例に過ぎない。各部分並列巻線Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎの中に、それぞれｔ１、ｔ２、・・・ｔｎが合計ｍ／ｎ組入っており、かつ、各コイルＣ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの中に、ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎが全て入っていれば、ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎを並べる順番はどのような順でも構わない。また、前述したが、ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎはいずれも整数であればよく、それらの中に同じ数があっても構わない。ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎの中に、少なくとも１つは他と異なる数が含まれていればよい。

Ｃ１，Ｃ２，・・・Ｃｍ コイル、Ｍ 電動機、Ｎ１，Ｎ２，・・・Ｎｎ 部分並列巻線、ｔ１，ｔ２，・・・ｔｎ ターン数（サブコイル）。

Claims (2)

1. 複数のスロットを配する固定子と回転子とから構成され、前記固定子内に三相から成る総パラ数ｐの全体並列巻線が巻回される電動機において、
   一相分のスロット数の半分をｍとし、ｍの約数をｎとした場合に、総パラ数ｐの前記全体並列巻線は、パラ数ｐ／ｎの部分並列巻線Ｎｉ（ｉは１からｎまでの整数）にｎ等分されており、
   前記各並列巻線Ｎｉはそれぞれ合計ｍ個のサブコイルから成り、当該合計ｍ個のサブコイルは、少なくとも１つが他と異なるｎ種類のターン数ｔｊ（ｊは１からｎまでの整数）のサブコイル、をそれぞれｍ／ｎ個ずつ含み、
   前記固定子におけるスロットのペアごとに、当該ペアにはそれぞれ前記各並列巻線Ｎｉのサブコイルが１つずつ巻回されるとともに、当該ペアに巻回されるｎ個のサブコイルには、前記ｎ種類のターン数ｔｊのサブコイルがそれぞれ１種類ずつ含まれる、
   ことを特徴とする巻線巻回方式。
2. 複数のスロットを配する固定子と回転子とから構成され、前記固定子内に三相から成る総パラ数ｐの全体並列巻線が巻回される電動機であって、
   一相分のスロット数の半分をｍとし、ｍの約数をｎとした場合に、総パラ数ｐの前記全体並列巻線は、パラ数ｐ／ｎの部分並列巻線Ｎｉ（ｉは１からｎまでの整数）にｎ等分されており、
   前記各並列巻線Ｎｉはそれぞれ合計ｍ個のサブコイルから成り、当該合計ｍ個のサブコイルは、少なくとも１つが他と異なるｎ種類のターン数ｔｊ（ｊは１からｎまでの整数）のサブコイル、をそれぞれｍ／ｎ個ずつ含み、
   前記固定子におけるスロットのペアごとに、当該ペアにはそれぞれ前記各並列巻線Ｎｉのサブコイルが１つずつ巻回されるとともに、当該ペアに巻回されるｎ個のサブコイルには、前記ｎ種類のターン数ｔｊのサブコイルがそれぞれ１種類ずつ含まれる、
   ことを特徴とする電動機。

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