JP2012519459A - ステータの永久磁石機の巻きの構成 - Google Patents

Abstract

電動機（１００）用のステータ（１０４）である。ステータ（１０４）は、短い歯間間隔（１１６）と長い歯間間隔（１１７）とを含む不均一なパターンでステータ（１０４）の周囲に分散配置された複数のステータ歯（１０６）を備えており、長い歯間間隔（１１７）により隔てられた２つのステータ歯（１０６）間のステータスロット（１１８）の各々は、磁束を伝えるための中間歯（１２２）に隣接している。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステータスロットを改変することにより電動機の巻線係数を向上させることに関するものである。

パルプ製紙、プラスチック押出成形、コンベヤーベルト、および風力発電といった産業上の用途は、一般に、低速高トルク性能によって特徴付けられる。集中巻トポロジの永久磁石（ＰＭ）機は、直接駆動で所望の性能を提供することができるので、これらの用途にとって魅力的な代替手段である。ギアボックスを取り除くことができ、これによって、コストが削減され、効率が向上する。

集中巻トポロジとは、電動機において各電機子コイルが１つのステータ歯に巻回されていることを意味している。そのような巻線構成によると、いくつかのステータ歯を囲んで周回するようにコイルが巻かれる分布巻トポロジに比較して、銅材料が大幅に削減される。分布巻におけるコイルの渡り部分によって、銅の不要な損失が生じると共に、ステータの軸方向寸法が拡張し、これによってトルク密度（所与の速度での出力密度）が低減する。このように、集中巻は、電動機の全有効体積および重量が低減されるという利点がある。また、使用するコイル材料が削減されることによって、銅損も良好に低減し、よって、高トルク密度の電動機設計を得ることができる。

ロータ極とコイルとの間の磁束交差数すなわち巻線係数は、重要な設計側面である。最大平均トルク出力は巻線係数に正比例し、所与のフレームサイズの電動機では、巻線係数が大きいほど出力トルクは大きい。分布巻により提供される巻線係数は、その理想値である１に等しいか、ほぼ等しい。一方、集中巻は、一般的には、それより低い０．９３から０．９６の範囲内にある巻線係数をもつ。理論的には、ステータ歯数をロータ極数と同じになるように選択することにより、集中巻で理想巻数係数を簡単に実現することができるが、実際には、これによって深刻なコギング問題が引き起こされる。このため、一般的に、ロータ極数はステータ歯数と異なっている。多くの場合、ロータ極数はステータ歯数より少ないが、以下の例では、本発明についてより良く説明するため、ロータ極数がステータ歯数より多くなっている従来の機械を選択している。

図１は、集中巻の電機子コイル１０２と、１８個の歯１０６を有するステータ１０４と、２０個の極１１０（１０組の極対）を有するロータ１０８とを備える、従来のＰＭ機１００を示している。コイル１０２は２つの巻線周期１１２に配列されており、各巻線周期１１２は、３つの電気的位相に相当する３つのステータ歯区域１１４を含んでおり、各ステータ歯区域１１４は、同じ電気的位相の３つのステータ歯１０６を含んでいる。ステータ歯１０６は、ステータ１０４の周囲に沿って均一な歯間間隔１１５で、すなわち隣接する２つのステータ歯１０６間の角距離が均一となるように、分散配置されている。ステータ歯１０６は、ステータスロット１１８により、互いに分離されている。

非特許文献１は、２８〜３６ページにおいて、不均一なステータ歯パターンをもつＰＭ機を開示している。一部の実施形態では、ステータ歯の間に変動幅の中間歯が設けられており、他の実施形態では、同じ電気的位相のステータ歯区域が、幅広のステータスロットにより互いに分離されている。このような対策により、巻線係数は最適化されると思われるが、しかし同時に、巻線が巻回されていない中間歯や幅広のステータスロットにより全トルク密度は低下すると思われる。この論文に開示されている全ての実施形態において、巻線周期は１つのみである。

Ｊｕｒｇｅｎ Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ、「Ｂａｕｆｏｒｍｅｎ ｕｎｄ Ｂｅｔｒｉｅｂｓｖｅｒｈａｌｔｅｎ ｍｏｄｕｌａｒｅｒ Ｄａｕｅｒｍａｇｎｅｔｍａｓｃｈｉｎｅｎ」（博士論文、ミュンヘン連邦軍大学、ノイビーベルク、１９９１年）

上記のことから、集中巻の電動機の全トルク密度を向上することが依然として望まれている。

本発明の１つの目的は、向上したトルク密度をもつ電動機のためのステータを提供することである。

本発明のさらなる目的は、向上したトルク密度をもつ電動機を提供することである。

本発明のさらなる目的は、電動機のトルク密度を向上する方法を提供することである。

本発明の第１の態様により、電動機のためのステータが提供され、ステータは複数のステータ歯を備え、これらのステータ歯はステータスロットにより互いに分離されており、各ステータ歯には集中巻の電機子コイルが巻回されていて、これらの電機子コイルは２つ以上の異なる電気的位相を示し、ステータ歯はステータの周囲に沿って不均一なパターンで分散配置されており、不均一なパターンは少なくとも１つの短い歯間間隔と少なくとも１つの長い歯間間隔とを含み、短い歯間間隔は長い歯間間隔よりも小さい寸法を有しており、この構成において、短い歯間間隔により隔てられている２つのステータ歯間のステータスロットは、いずれも磁束を伝えるように構成されておらず、一方、長い歯間間隔により隔てられている２つのステータ歯間のステータスロットは、それぞれ、磁束を伝えるための中間歯を備えている。

短い歯間間隔と長い歯間間隔を含む不均一なステータ歯パターンをもつステータを提供することにより、また、長い歯間間隔により隔てられているステータ歯間に中間歯を導入することにより、巻線係数と磁束伝達材料の分布の両方を最適化することができる。

本発明の一実施形態によると、異なる電気的位相のコイルを備える隣接する一対のステータ歯の間には長い歯間間隔が設けられる。この原理に従って長い歯間間隔を設けると、その結果、比較的幅の小さい中間歯を比較的多くの数設けることになる。これによって、ステータを複数のセグメントに分割する場合の代替案の数が増加する。

本発明の一実施形態によると、巻線周期ごとに１つの長い歯間間隔が設けられ、各巻線周期は、異なる電気的位相の各々について１つのステータ歯区域を含み、各ステータ歯区域は、同じ電気的位相のコイルを備えた１つ以上のステータ歯を含んでいる。この原理に従って長い歯間間隔を設けると、その結果、比較的幅の広い中間歯を比較的少ない数設けることになる。この場合、全てのステータ歯および全ての中間歯が、ある時点でロータ極と完全に位置が揃うことになり、これによって、電動機の性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態によると、ステータはセグメントに分割されており、２つの隣接するセグメント間の接触面は少なくとも１つの中間歯を横切っている。ステータをセグメントに分割することで、ステータが輸送や物流の問題につながるような非常に大きい寸法をもつような場合に、ステータの取り扱いが改善される。隣接するセグメント間の接触面を中間歯に位置付けることで、ステータの磁気特性に与える影響が最小限となる。中間歯はコイルが巻回されていないことによって、隣接するセグメントを機械的に１つに連結するために用いるのに理想的となっている。

本発明の一実施形態によると、ステータは６つ、３つ、または２つのセグメントに分割されている。これらは、本発明の好適な実施形態における中間歯の数から得られる、セグメントの自然な数である。

本発明の一実施形態によると、ステータは電動機に含まれて、電動機は複数の極を有するロータをさらに備えており、この構成において、上記短い歯間間隔は極間隔とほぼ等しくなっている。短い歯間間隔を極間隔に対応させることで、１に等しい巻線係数が達成される。

本発明の一実施形態によると、極は永久磁石を含んでいる。電気的に励起される極を用いてもよいが、永久磁石極はその簡単さのため好ましい。

本発明の一実施形態によると、極の数はステータ歯の数より大きい。このような対策により、短い歯間間隔が極間隔に対応するようにステータ歯が結合されることによって、中間歯のためのスペースが作り出される。

本発明の第２の態様により、電動機のトルク密度を向上する方法が提供され、方法は、以下のステップを備えている。複数のステータ歯を有するステータを設けるステップであって、これらのステータ歯はステータスロットにより互いに分離され、各ステータ歯には集中巻の電機子コイルが巻回されて、これらの電機子コイルは２つ以上の異なる電気的位相を示し、ステータ歯はステータの周囲に沿って不均一なパターンで分散配置され、不均一なパターンは少なくとも１つの短い歯間間隔と少なくとも１つの長い歯間間隔とを含み、短い歯間間隔は長い歯間間隔よりも小さい寸法を有する；短い歯間間隔により隔てられる２つのステータ歯間のステータスロットを、磁束を伝えないように構成するステップ；長い歯間間隔により隔てられる２つのステータ歯間のステータスロットの各々に、磁束を伝えるための中間歯を設けるステップ。

本発明について、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
図１は、均一な歯間間隔を有する従来のＰＭ機を示している。 図２は、異なるステータ歯区域のステータ歯の間に中間歯を備える本発明の一実施形態を示している。 図３は、巻線周期ごとに１つの中間歯を備える本発明の一実施形態を示している。 図４は、従来の電動機および本発明の２つの実施形態についての、１つの巻線周期を示している。 図５は、従来の電動機および本発明の１つの実施形態についての、ステータ星型グラフを示している。

図２を参照して、図示のＰＭ機１００は、図１の電動機１００と同数のステータ歯１０６、ロータ極１１０、巻線周期１１２、および電気的位相を有している。しかし、ステータ歯１０６は、均一間隔で分散配置されてはいない。代わりに、異なるステータ歯区域１１４のステータ歯１０６間に長い歯間間隔１１７が設けられ、各ステータ歯区域１１４内のステータ歯１０６間に短い歯間間隔１１６が設けられている。短い歯間間隔１１６は、極間隔１２０すなわち２つのロータ極１１０間の角距離に等しい。ステータ歯数と、ロータ極数と、ステータ歯区域１１４の数の間の関係に基づくと、本実施形態では、長い歯間間隔１１７の各々の（度で表した）幅は、極間隔１２０の各々の幅の１と１／３倍である。中間歯１２２は、異なるステータ歯区域１１４のステータ歯１０６間に導入されており、各中間歯１２２の幅は極間隔１２０の１／３に相当している。

図３を参照して、図示のＰＭ機１００は、やはり図１の電動機１００と同数のステータ歯１０６、ロータ極１１０、巻線周期１１２、および電気的位相を有している。本構成では、異なる巻線周期１１２のステータ歯１０６間に長い歯間間隔１１７が設けられており、一方、各巻線周期１１２内のステータ歯１０６は短い歯間間隔１１６によって分離されている。ステータ歯数とロータ極数との間の関係に基づくと、本実施形態では、長い歯間間隔１１７は、極間隔１２０の２倍である。中間歯１２２は、異なる巻線周期１１２のステータ歯１０６間に導入されており、各中間歯１２２の（度で表した）幅は極間隔１２０に対応している。

図４ａは、図１の従来の電動機１００についての１つの巻線周期１１２を示しており、図４ｂおよび４ｃは、それぞれ図２および３の電動機１００について、同様のものを示している。不均一な歯間間隔１１６，１１７をもつ電動機１００では、各ステータ歯区域１１４内（図４ｂ、位相Ｃを参照）の、あるいは各巻線周期１２２内（図４ｃ参照）の、全てのステータ歯１０６が、ある時点でそれぞれロータ極１１０と完全に位置が揃うことが分かる。このように完全に位置が揃うことによって、その巻線係数の理想値である１を得ることが可能になる。従来の電動機１００においては、完全な位置の一致に達することはなく（図４ａ参照）、その結果、巻線係数は常に理想値より低いままである。

巻線係数は、ステータスロット１１８内の各コイル辺で誘起される電圧のフェーザ要素

の向きを用いて図解することができる。図４ａおよび４ｂの設計についてのフェーザ要素

を、図５ａおよび５ｂのステータ星型グラフ１２８に示している。業者には容易に理解されるように、図におけるフェーザ要素

の向きは電気的角度で与えられ、１組の極対が占める角距離は３６０°に相当している。図５ａに見られるように、図４ａの均一な歯間間隔１１５に対応する第１の角距離１２４は２００°である。異なるステータスロット１１８の同じ電気的位相のコイル辺に対応するフェーザ要素

は、同じ向きではなく、これらのフェーザ要素

が図５ａでさらに図解しているように加算されると、その結果のフェーザ

および

の大きさは、個々のフェーザ要素

の大きさの和よりも小さい。

ところが、図５ｂに見られるように、短い歯間間隔１１６に対応する第１の角距離１２４は、１８０°である。異なるステータスロット１１８の同じ電気的位相のコイル辺に対応するフェーザ要素

は、すべて同じ向きに揃っており、これらのフェーザ要素

が加算されると、その結果のフェーザ

および

の大きさは、個々のフェーザ要素

の大きさの和に等しい。長い歯間間隔１１７によって、２つの隣接するステータ歯区域１１４のフェーザ要素

は、第２の角距離１２６である６０°の角度を成しており、これは中間歯１２２の幅に相当する角度である。図５ａおよび５ｂに示されているように、全ての電圧フェーザ要素

を同じ向きに揃えることにより、基本巻線係数ｋ_ｗ１を０．９４５から１に増加させることができる。

図４ｃの設計のステータ星型グラフは示していないが、巻線周期１１２内のすべてのステータ歯１０６が短い歯間間隔１１６により分離されており、また、中間歯１２２の幅が１８０°の角距離に相当しているので、この場合の星型グラフでは、すべてのフェーザ要素

が１つの水平線上に揃って示されることになる。

ステータ１０４をセグメントに分割したい場合は、そのようなセグメントの２つの間の接触面として、中間歯１２２が理想的な場所である。中間歯１２２にはコイル１０２が巻回されていないので、それらは、隣接するセグメントを機械的に１つに連結するために効率的に用いることができる。また、接触面を中間歯１２２の位置にすると、少なくとも部分的に磁束が接触面に交差することなく中間歯１２２の半分を通って流れることができるので、ステータ１０４の磁気特性への影響が最小限となる。

中間歯１２２の数に応じて、ステータ１０４をいくつかの方法でセグメントに分割することができる。例えば、図２のステータ１０４は、各セグメントが１つのステータ歯区域１１４を含む、６つのセグメントに分割することができ、あるいは、各セグメントが２つのステータ歯区域１１４を含む３つのセグメント、あるいは各セグメントが３つのステータ歯区域１１４を含む２つのセグメントに分割することができる。中間歯１２２を追加して設けることにより、セグメント数をさらに増やすこともできる。セグメントは同じ大きさである必要はなく、異なる大きさのセグメントを適に組み合わせて用いてもよいことは言うまでもない。例えば、図２のステータ１０４を４つのセグメントに分割して、１つのセグメントは３つのステータ歯区域１１４を含み、３つのセグメントはそれぞれ１つのステータ歯区域１１４を含むようにすることができる。

ステータ歯１０６、ロータ極１１０、巻線周期１１２、および電気的位相の数は、上記実施形態で提示したものに限定されることなく、これらは、合理的制限内で自由に選択することができる。また、短い歯間間隔１１６により隔てられた２つのステータ歯１０６の間に中間歯のような要素を導入することも、それらの要素が磁束を伝えるように構成されていないのであれば、除外されることはない。そのような要素は、例えば冷却目的で、あるいは電機子コイル１０２を機械的に支持するために、導入することができる。

本発明は上記で示した実施形態に限定されるものではなく、請求項により規定される発明の範囲内で、業者はこれらを様々な方法で変形することができる。

Claims (9)

1. 電動機（１００）用のステータ（１０４）であって、複数のステータ歯（１０６）を備えており、ステータ歯（１０６）はステータスロット（１１８）により互いに分離されており、各ステータ歯（１０６）には集中巻の電機子コイル（１０２）が巻回されていて、電機子コイル（１０２）は２つ以上の異なる電気的位相を示し、ステータ歯（１０６）はステータ（１０４）の周囲に沿って不均一なパターンで分散配置されており、不均一なパターンは少なくとも１つの短い歯間間隔（１１６）と少なくとも１つの長い歯間間隔（１１７）とを含み、短い歯間間隔（１１６）は長い歯間間隔（１１７）よりも小さい寸法を有しているもので、
   短い歯間間隔（１１６）により隔てられている２つのステータ歯（１０６）の間のステータスロット（１１８）のいずれもが磁束を伝えず、長い歯間間隔（１１７）により隔てられている２つのステータ歯（１０６）の間のステータスロット（１１８）の各々が、磁束を伝えるための中間歯（１２２）を備えていることを特徴とする、ステータ（１０４）。
2. 異なる電気的位相のコイル（１０２）を備える隣接する一対のステータ歯（１０６）の間には長い歯間間隔（１１７）が設けられている、請求項１に記載のステータ（１０４）。
3. 巻線周期（１１２）ごとに１つの長い歯間間隔（１１７）が設けられており、
   各巻線周期（１１２）が、異なる電気的位相の各々について１つのステータ歯区域（１１４）を含み、
   各ステータ歯区域（１１４）が、同じ電気的位相のコイル（１０２）を備えた１つ以上のステータ歯（１０６）を含んでいる、
   請求項１に記載のステータ（１０４）。
4. ステータ（１０４）が複数のセグメントに分割されていることにより、２つの隣接するセグメント間の接触面が少なくとも１つの中間歯（１２２）を横切っている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のステータ（１０４）。
5. ステータ（１０４）が、６つ、３つ、または２つのセグメントに分割されている、請求項４に記載のステータ（１０４）。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載のステータ（１０４）を備える電動機（１００）であって、複数の極（１１０）を有するロータ（１０８）をさらに備え、短い歯間間隔（１１６）が極間隔（１２０）とほぼ等しい電動機（１００）。
7. 極（１１０）が永久磁石を含んでいる、請求項６に記載の電動機（１００）。
8. 極の数がステータ歯の数より大きい、請求項６または７に記載の電動機（１００）。
9. 電動機（１００）のトルク密度を向上させる方法であって、
   − 複数のステータ歯（１０６）を有するステータ（１０４）を設けるステップであって、ステータ歯（１０６）がステータスロット（１１８）により互いに分離され、各ステータ歯（１０６）には集中巻の電機子コイル（１０２）が巻回され、電機子コイル（１０２）が２つ以上の異なる電気的位相を示し、ステータ歯（１０６）がステータ（１０４）の周囲に沿って不均一なパターンで分散配置され、不均一なパターンが少なくとも１つの短い歯間間隔（１１６）と少なくとも１つの長い歯間間隔（１１７）とを含み、短い歯間間隔（１１６）が長い歯間間隔（１１７）よりも小さい寸法を有するステップと、
   −短い歯間間隔（１１６）により隔てられる２つのステータ歯（１０６）の間のステータスロット（１１８）を、磁束を伝えないように構成するステップと、
   −長い歯間間隔（１１７）により隔てられる２つのステータ歯（１０６）の間のステータスロット（１１８）の各々に、磁束を伝える中間歯（１２２）を設けるステップと
   を含む方法。

Images