JP2012522475A - 巻線型回転子ブラシレス二重給電モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 巻線の起磁力の中でスロット高調波が基本波とともに現われ、回転方向が反対であるという原理に従ってモータ回転子巻線が構成された、交流ブラシレス二重給電モータを提供する。
【解決手段】 本発明は、巻線型回転子ブラシレス二重給電モータであり、固定子が、極対数それぞれｐ_１、ｐ_２の２組の三相巻線を備え、回転子が、多相巻線型巻線を備え、相数ｍが式ｍ＝（ｐ_１＋ｐ_２）／ｍ_ｋを満たし、ｐ_１＋ｐ_２が奇数の時、ｍ_ｋ＝１、ｐ_１＋ｐ_２が偶数の時、ｍ_ｋ＝２であり、回転子スロットがエアギャップの円周上に均等に分布し、回転子スロット数Ｚ´が式Ｚ´＝ｎ（ｐ_１＋ｐ_２）を満たし、ｎは正の整数であり、回転子巻線コイルが多重巻構造、各相巻線コイルのコイル数はｎｍ_ｋであり、各コイルはスパンが等しいがコイル間の巻数比は異なり、相巻線コイル数≦ｎｍ_ｋのとき、相巻線中の全てのコイルが、直列に接続された後、自己短絡接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ技術の分野に属し、さらに詳しくは、回転子巻線のスロット高調波起磁力（ＭＭＦ）を利用して設計された交流ブラシレス二重給電モータに関する。

交流ブラシレス二重給電モータは、周波数変換調速システムに適用可能で、運転信頼性が高く、必要な周波数変換器容量が小さいという特徴があることが知られている。

通常、この種のモータの固定子にはそれぞれ極対数ｐ_１とｐ_２の２組の巻線が備えられている。固定子巻線ｐ_１が送電網の電源に接続されているときには、極対数ｐ_１の回転磁場が生じる。回転子中の誘導電流によって、ｐ_１対の極磁場の他に、ｐ_２対の極磁場も生じる。回転子から見て、これら２種類の磁場は、反対方向に回転する。このとき、可変周波数電源装置（ＶＦＰＳ）を固定子巻線ｐ_２に接続すると、ＶＦＰＳの周波数を変えることによりモータの回転速度を変えることができる。

「ブラシレス二重給電周波数変換調速モータの原理と発電所補機駆動への応用に関する展望」（電工技術雑誌、２００２年第１期、P.7〜10)で、ブラシレス二重給電周波数変換調速モータの動作原理と、現時点における、その問題点を紹介している。

ブラシレス二重給電周波数変換調速モータの性能の鍵となるのは、回転子である。従来の回転子の主なものには、リラクタンス回転子と、かご型回転子がある。リラクタンス回転子は、その鉄心を凸極構造に類似した構造にする必要があり、かご型回転子は、その巻線を同心型分布の短絡巻線にする必要があるため、これらの回転子は、特定の極数でしか使用することができない。さらに、これら２つの回転子は、従来の交流モータの回転子と比較して、性能指数が劣り、体積も大きい。

交流ブラシレス二重給電モータは発電機として運転し、風力、水力発電等の、可変速定周波出力を必要とする場合に用いることができる。

本発明の目的は、従来技術の問題点を克服し、巻線の起磁力の中でスロット高調波と基本波がとともに現われ、回転方向が逆であるという原理に従って、モータ回転子巻線が構成された、交流ブラシレス二重給電モータを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の交流ブラシレス二重給電モータは、固定子と回転子を含み、固定子が、極対数それぞれｐ_１、ｐ_２の２組の三相巻線を備え、回転子が、多相巻き型巻線を備え、相数ｍは、関係式ｍ＝（ｐ_１＋ｐ_２）／ｍ_ｋを満たす。ここで、ｐ_１＋ｐ_２が奇数のときｍ_ｋ＝１であり、ｐ_１＋ｐ_２が偶数のとき、ｍ_ｋ＝２である。回転子スロットはエアギャップの円周に均等に分布し、回転子スロット数Ｚ´は関係式Ｚ´＝ｎ（ｐ_１＋ｐ_２）を満たし、ｎは正の整数である。回転子巻線コイルは多重巻き構造であり、各相の巻線のコイル数はｎｍ_ｋで、各コイルのスパンは同じであるが、コイル間の巻数比は異なる。相巻線コイルの数≦ｎｍ_ｋのとき、相巻線内の全コイルは、直列に接続された後、自己短絡接続される。

本発明においては、モータの回転子の相巻線中の全てのコイル巻数が等しく、各コイルのスパンが等しく、相巻線のコイル数がｎｍ_ｋより小さいとき、相巻線内の全コイルは、直列に接続された後、自己短絡接続されることが好ましい。

本発明においては、モータ回転子相巻線は、バッキングコイルを備え、コイル数がｎｍ_ｋより小さく、各コイルはスパンが等しい。相巻線のスロット番号が隣あう全てのコイルが、順に直列に接続された後、自己短絡接続されることが好ましい。

モータ回転子スロットの断面積は、その導体のスロット充填ファクタが互いに等しいという原則に従って設計され、巻数の異なるコイルを使用するか、または巻数の等しいコイルを使用してコイル数がｎｍ_ｋより小さいとき、回転子は、スロット断面積の異なる非均等スロット型となることが好ましい。

本発明は、交流モータの巻線の「スロット高調波」起磁力の分野の理論に基づく。ここでは、「スロット高調波」は、回転子巻線を電流が流れるときに生じるスロット高調波の起磁力を指し、この点で、回転子鉄心の円周に沿った磁気抵抗の変化がエアギャップの磁束密度分布に影響することによって高調波が形成されるリラクタンスブラシレス二重給電モータ回転子とは原理が異なることに注意するべきである。以下、本発明の原理を詳細に説明する。

実際の交流モータにおいては、巻線コイルは一般的に鉄心表面の溝に埋め込まれる。このため、巻線コイル導体は鉄心表面の円周に沿った理想的な正弦関数の連続分布にはならない。交流モータの巻線理論によれば、極対数ｐ_１で設計されたｍ相対称巻線コイルでは、極対数ｐ_１の基本波起磁力の他にも、度数ν＝Ｚ／ｐ_１±１、つまり、極対数ｐ_２＝Ｚ±ｐ_１のスロット高調波起磁力が同時に生じる。
この種のスロット高調波起磁力には、以下の２つの主な特徴がある。

１）高調波起磁力の巻線係数と基本波起磁力の巻線係数が等しい。
これは、非常に簡単に証明できる。整数スロット巻線を例にとると、度数νの高調波に対する正常な巻線係数は一般的にｋ_ｄｙν＝ｋ_ｄｙｋ_ｙνで表され、ここで、

である。

上記２式中、α＝２ｐ_１π／Ｚ、τ＝Ｚ／（２ｐ_１）、ｑ＝Ｚ／２ｍｐ_１であり、ｙは、スロット数で表されたコイルスパンである。上記２式にスロット高調波の度数ν＝２ｍｑ±１を代入すると、

となる。

つまり、ｋ_ｄｙν＝ｋ_ｄ１ｋ_ｙ１＝ｋ_ｄｙ１となり、ｋ_ｄｙ１は基本波の巻線係数であるので、この式は、スロット高調波起磁力の巻線係数が基本波起磁力の巻線係数と等しいことを示している。

２）低次スロット高調波起磁力と基本波起磁力の回転方向が反対である。
スロット高調波は一般に対になって現れる。たとえば、一次のスロット高調波ν＝２ｍｑ±１においては、度数ν＝２ｍｑ−１のスロット高調波の極対数ｐ_２＝Ｚ−ｐ_１は、度数ν＝２ｍｑ＋１に対応するスロット高調波の極対数ｐ_２＝Ｚ＋ｐ_１と比べて少ないので、低次スロット高調波と呼ばれる。次に、三相対称整数スロット巻線を例として、その起磁力の回転方向を分析する。

三相対称巻線の高調波起磁力に関しては、各相の巻線の起磁力は、次式のように分けられる。

上記３式でν＝１とすると、三相基本波の合成起磁力は、ｆ_１（ｔ，θ）＝（３／２）Ｆ_Ф１ｃｏｓ（ωｔ−θ）、ν＝２ｍｑ−１とすると、三相スロット高調波の合成起磁力は、ｆ_ν（ｔ，θ）＝（３／２）Ｆ_Фνｃｏｓ（ωｔ＋（２ｍｑ−１）θ）となる。これら２式を比較すると、ν＝２ｍｑ−１に対応する極対数ｐ_２＝Ｚ−ｐ_１のスロット高調起磁力の回転方向は、極対数ｐ_１の基本波起磁力の回転方向と反対であることがわかる。同様にして、極対数ｐ_２＝Ｚ＋ｐ_１のスロット高調波起磁力の回転方向は、極対数ｐ_１の基本波起磁力の回転方向と同じであることが証明できる。

上述のスロット高調波理論に関する２つの特徴が、本発明の回転子巻線構造設計の基礎となっている。

ブラシレス二重給電モータの作動原理によれば、回転子巻線は、同時に、ｐ_１とｐ_２という２種類の極対数の回転起磁力を生じさせ、これら２種類の極対数の起磁力の回転方向は反対である必要がある。このような要求に基づき、まず必要な出力巻線の極対数ｐ_１を決定し、次にそれに基づいて制御巻線の極対数ｐ_２を選択し、前述の反対回転のスロット高調波を現す式ｐ_２＝Ｚ−ｐ_１に基づき、回転子巻線の対称性条件の前提下で、関係式ｐ_２＝Ｚ−ｐ_１を満たす回転子スロット数Ｚを選択する。このようにすると、得られた回転子巻線は、極対数ｐ_１とｐ_２の対称性条件を同時に満足し、同時に、回転方向が反対な２種類の極対数の起磁力を発生させることができる。この時、回転子巻線の相数はｍ＝Ｚ／ｍ_ｋ＝（ｐ_１＋ｐ_２）／ｍ_ｋ（Ｚが奇数のときｍ_ｋ＝１、Ｚが偶数のときｍ_ｋ＝２）で、各相の巻線のコイル数はｍ_ｋである。

上記関係式ｐ_１＝Ｚ−ｐ_２によれば、現在の極対数ｐ_１とｐ_２が互いにスロット高調波であることを知るのは難しくない。スロット高調波の巻線係数は基本波の巻線係数と等しいという、もう１つの原理によれば、ブラシレス二重給電モータ用の回転子巻線に関しては、極対数ｐ_１に対して巻線係数を高く設計すれば、もう一方の極対数ｐ_２に対しても自動的に高い巻線係数が得られる。

上述により、必要なスロット高調波回転子巻線を得ることができるが、しかし、このような回転子巻線によって生じる起磁力においては、有用な極対数ｐ_１、ｐ_２のスロット高調波の他に、度数ν＝２ｍｋｑ±１（ｋ＝１，２，３，… 正の整数）等の高次のスロット高調波が存在し、これらのスロット高調波、中でも次数の低い方のスロット高調波は、極対数ｐ_１、ｐ_２のスロット高調波と比べて、起磁力の振幅が大きく、ブラシレス二重給電モータの性能に重大な影響を及ぼすので、可能な限り弱めてその影響を小さくしなければならない。

電気機械工学の原理によれば、回転子のスロット数を増加させて回転子巻線分布効果を大きくさせるのは、高次スロット高調波を弱めるための有効な方法の一つである。有用な極対数ｐ_１、ｐ_２の起磁力対称性を保証するために、回転子のスロット数は、Ｚ＝ｐ_１＋ｐ_２の整数倍で増加しなければならない。つまり、新しい回転子スロット数Ｚ´は、関係式Ｚ´＝ｎＺ＝ｎ（ｐ_１＋ｐ_２）（ｎ＝１，２，３， ．．．正の整数）を満たさなければならず、このとき、回転子巻線の相数はｍ＝Ｚ／ｍ_ｋ、但し、各相のコイル数はｎｍ_ｋである。その具体的接続方式は、以上の分析から、相巻線中のスロット番号が隣り合う全ての巻線コイルを、順次直列に接続した後、自己短絡接続するものであることがわかるだろう。

但し、一方で、このような分布効果は有用な一次のスロット高調波も弱めてしまうことが避けられない。それでもブラシレス二重給電モータの良好な性能を保証するためには、回転子巻線によって生じる一次スロット高調波起磁力の振幅をできるだけ大きくし、その他の高次高調波の起磁力の振幅をできるだけ小さくすることが必要である。

ここで注意すべきなのは、スロット数を増加させた後も全ての回転子スロットが回転子の円周に均一に分布しているとすると、等コイルスパンの場合、回転子の各相の巻線中には、その生じる誘導起電力が互いに弱めあうものが常に存在する。このため、回転子巻線がより強い一次スロット高調波起磁力を生じさせられるためには、一部のコイルを取り除かなければならない。どのコイルを取り除くかを決めるには、上記のように、極対数ｐ_１、ｐ_２の起磁力の振幅を最大にし同時にその他の高次高調波の含まれる量を最小にするという原則に従い、巻線起磁力高調波分析結果に基づいて決定する。

本発明の重要な特徴は、多重巻コイルで巻線型回転子の巻線を構成することであり、これにより、巻線のコイルスパンを柔軟に変えることができるだけでなく、各コイルの巻数も異ならせることができ、高次高調波を最大限に弱めるという目的を達成することができる。

本発明実施形態の、ａ）は、Ｚ＝６、ｐ_１＝４のときのスロット番号位相図、ｂ）は、ｐ_１＝４のときの三相スロット番号位相分布図である。 本発明実施形態の、ａ）は、Ｚ＝６、ｐ_２＝２のときのスロット番号位相図、ｂ）は、ｐ_２＝２のときの三相スロット番号位相分布図である。 本発明実施形態の、Ｚ＝６、ｐ_１／ｐ_２＝４／２のときの三相巻線型回転子巻線の結線図である。 本発明実施形態の、Ｚ＝５４、ｐ_２＝２のときの三相スロット番号位相分布図である。 本発明実施形態の、Ｚ＝５４、ｐ_１＝４のときのスロット番号位相図と、三相スロット番号位相分布図である。 本発明実施形態の、Ｚ＝５４、ｐ_１／ｐ_２＝４／２のときの、一部のコイルを取り除いた、巻線型回転子巻線の結線図である。 本発明実施形態の、Ｚ＝５４、ｐ_１／ｐ_２＝４／２、ｙ＝７のときの、コイルの巻数が等しくない場合の巻線型回転子巻線の結線図である。 本発明実施形態の、Ｚ＝５４、ｐ_１／ｐ_２＝４／２、ｙ＝７のときの、バッキングコイルを備えた巻線型回転子巻線の結線図である。

以下、実施例を用いて、発明の実施形態を詳細に説明する。

一つの実施例では、スロット高調波ブラシレス二重給電モータの回転子は、出力巻線の極対数ｐ_１＝４である。制御巻線の極対数ｐ_２＝２とすると、関係式Ｚ＝ｐ_１＋ｐ_２により、回転子スロット数はＺ＝ｐ_１＋ｐ_２＝６となる。また、関係式ｍ＝Ｚ／ｍ_ｋ＝（ｐ_１＋ｐ_２）／ｍ_ｋ（Ｚが奇数の時ｍ_ｋ＝１、Ｚが偶数の時ｍ_ｋ＝２）により、回転子巻線の相数ｍ＝Ｚ／ｍ_ｋ＝６／２＝３となることがわかる。

Ｚ＝６、ｐ_１＝４、ｐ_２＝２、ｍ＝３の回転子巻線に対して、具体的な接続方式を得ようとすれば、まず図１ａ）に示すようにスロット番号位相図を描くことができ、これにより、各相のスロット番号分布を、図１ｂ）に示すように決定することができる。ｐ_１＝４の３相巻線では、コイルスパンｙ＝１とすると、相巻線分布係数は１となる。ｐ_２＝２については、図２を参照されたい。図２ａ）はｐ_２＝２のスロット番号位相図であり、図２ｂ）はｐ_２＝４の時に確定する三相スロット番号に基づく、ｐ_２＝２の場合の位相再分布図である。ｐ_２＝２のときも３相巻線で、相巻線分布係数が１となることがわかる。これは、前述のスロット高調波の理論と一致する。

図１ｂ）と図２ｂ）を比較すると、ｐ_１＝４のときのＡ、Ｂ、Ｃの三相スロット番号分布の相順とｐ_２＝２のときのＡ、Ｂ、Ｃの三相スロット番号分布の相順は、ちょうど反対であることがわかる。これは、前述の、ブラシレス二重給電モータ回転子の動作原理と一致する。

図３は、Ｚ＝６、ｐ_１＝４、ｐ_２＝２のときの三相巻線の具体的接続方法を示す。

しかし、前述のように、スロット高調波の原理に基づいて、直接、回転子巻線を得ると、回転子スロット数が少な過ぎるために、高次の高調波が多く含まれ、モータの振動や騒音が大きくなってしまい、実用化が難しい。この問題を解決するためには、回転子スロット数をより多くすることが考えられる。上記関係式Ｚ´＝ｎＺ＝ｎ（ｐ_１＋ｐ_２）において、ｎ＝９とすると、新たに得られる回転子スロット数Ｚ´＝ｎＺ＝５４、回転子巻線の相数は同じくｍ＝Ｚ／ｍ_ｋ＝３となる。ただし、このとき、各相のコイル数は、ｎｍ_ｋ＝９×２である。

回転子スロット数を増やすのは、回転子巻線起磁力の高次高調波を減弱するためには、効果的な方法である。しかし、同時に、必要とされる基本波も減弱されてしまうのが避けられない。図４及び図５は、回転子スロット数Ｚ＝５４、極対数ｐ_２＝２、ｐ_１＝４のときの三相コイルスロット番号位相分布を示す。このとき、回転子巻線の相帯の幅は、ｐ_２＝２に対して１２０°（電気角）、ｐ_１＝４に対して２４０°（電気角）である。

巻線分布係数は、スロット数を増やす前のＺ＝６のときと比べて、大幅に小さくなる。改善するためには、相帯の周縁部の一部のスロット番号を取り除くことが考えられる。例えば、図４および図５中で、点線で囲まれたスロット番号を取り除くと、ｐ_２＝２に対して相帯の幅６７°（電気角）、ｐ_１＝４に対して１３３°（電気角）となる。巻線分布係数は、大幅に増加する。適当なコイルスパンを選択すると、含まれる高次高調波も大幅に低下する。スロットを取り除いた後の新しい巻線コイルの具体的な結線方法は、各相の巻線中のスロット番号が隣り合う全てのコイルを順に直列に接続した後で自己短絡接続するものであり、図６に示す通りである。

図６に示す回転子巻線は、巻線係数が比較的高く、含まれる高次高調波の量が比較的少ない。しかし、比較的多くのスロット番号を取り除いたために、導体利用率が比較的に低い。導体利用率を上げて、しかも含まれる巻線起磁力高調波の量を抑えるためには、本発明の巻線コイルは多重巻き構造であるので、上述のように、巻数の異なるコイルを使用することが考えられる。図７は、巻数の異なるコイルを使用した回転子巻線の結線方法の一つを示し、図中スロット番号の上に示した数字は、相対巻数比を表す。

一部のコイルを取り除くか、または巻数の異なるコイルを使用することにより、回転子のスロット充填ファクタ（slot fill factor）が等しくなくなる可能性がある。この問題を解決するため、スロット充填ファクタが等しくなるように、スロット断面積が大小異なるような回転子スロット形状を設計してもよい。

本発明の巻線型回転子巻線の他の特徴は、コイル間が、実際の状況に合わせて柔軟に多様な方法で接続できることである。図８はＺ＝５４、ｐ_１／ｐ_２＝４／２、ｙ＝７のときのバッキングコイルを備えた回転子巻線の結線方法を示す。この結線方法の特徴は、含まれる高調波の量が比較的少ないことの他に、ｐ_１＝４のときの巻線係数が高い（つまり０．９０９２）ことである。ｐ_２＝２のときの巻線係数は０．４５４６である。

Claims (4)

1. 固定子が、極対数がそれぞれｐ_１、ｐ_２の２組の三相巻線を備え、回転子が、多相巻線型巻線を備え、相数ｍが関係式ｍ＝（ｐ_１＋ｐ_２）／ｍ_ｋを満たし、ここでｐ_１＋ｐ_２が奇数の時、ｍ_ｋ＝１、ｐ_１＋ｐ_２が偶数の時、ｍ_ｋ＝２であり、回転子スロットがエアギャップの円周上に均等に分布し、回転子スロット数Ｚ´が関係式Ｚ´＝ｎ（ｐ_１＋ｐ_２）を満たし、ここで、ｎは正の整数であり、回転子巻線コイルが多重巻き構造であり、各相巻線コイルのコイル数はｎｍ_ｋであり、各コイルはスパンが等しいがコイル間の巻数比は異なり、相巻線コイル数≦ｎｍ_ｋのとき、相巻線中の全てのコイルが、スロット番号に従って順次直列に接続された後、自己短絡接続されることを特徴とする、巻線型回転子ブラシレス二重給電モータ。
2. モータの回転子の相巻線中の全てのコイル巻数が等しく、各コイルのスパンが等しく、相巻線のコイル数＜ｎｍ_ｋの時、相巻線中の全てのコイルが、スロット番号に従って順次直列に接続された後、自己短絡接続されることを特徴とする、請求項１に記載の巻線型回転子ブラシレス二重給電モータ。
3. モータの回転子の相巻線中にバッキングコイルが含まれ、コイル数＜ｎｍ_ｋであり、各コイルスパンが等しく、相巻線中の全てのコイルが、直列に接続された後、自己短絡接続されることを特徴とする、請求項１または２に記載の巻線型回転子ブラシレス二重給電モータ。
4. モータの回転子のスロット断面積が、導体のスロット充填ファクタが互いに等しいという原則に基づいて設計され、巻数の異なるコイルを使用するか、または巻数の等しいコイルを使用してコイル数＜ｎｍ_ｋの時、回転子は、スロット断面積が異なる非均等スロット型となることを特徴とする、請求項１に記載の巻線型回転子ブラシレス二重給電モータ。

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