JP2014158396A

JP2014158396A - 同期電動機の固定子

Info

Publication number: JP2014158396A
Application number: JP2013029015A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Matsuoka; 篤松岡; Masahiro Nigo; 昌弘仁吾; Kazuhiko Baba; 和彦馬場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2014-08-28

Abstract

【課題】９スロット構成の同期電動機において、巻線使用量の増加、同期電動機の重量増加、材料コストの増加を抑制しつつ、高トルク化を実現することができ、更なる高効率化が可能な同期電動機の固定子を得ること。
【解決手段】各相の各ティース２ａ，２ｂ，２ｃのうち、各相中央のティース２ａに巻回される固定子巻線３ａの線径を、各相両端のティース２ｂ，２ｃに巻回される固定子巻線３ｂ，３ｃの線径よりも細くすることにより、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃに巻回される固定子巻線により形成されるコイルの断面積を、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃ間のスロットの断面積を最大限有効利用した大きさに保ちつつ、出力トルクへの寄与度の高い中央のティース２ａの固定子巻線３ａの巻回数を多くする。
【選択図】図５

Description

本発明は、同期電動機の固定子に関する。

永久磁石を用いた３相の同期電動機において、固定子の巻線をティースに集中的に巻回する電動機では、一般に、回転子に用いる永久磁石の磁極数と、固定子のスロット数（＝ティース数）との比率を、２：３で構成されることが多い。これに対して、永久磁石が発生する磁束をより有効に固定子の巻線に鎖交させることのできる永久磁石磁極数とスロット数の組合せを用いた同期電動機が存在することが知られている（例えば、特許文献１、２）。

また、回転子の永久磁石が発生する磁束をより有効に固定子の巻線に鎖交させるための技術として、固定子の巻線を巻回するティースの配置を均一としないで、極数とスロット数の組合せに応じて不均一とする技術が知られている（例えば、特許文献３〜５）。

特開昭６２−１１０４６８号公報特開平９−１７２７６２号公報特開２０００−２５３６０２号公報特開２００５−１０２４７５号公報特開平２−８４０４３号公報

上記特許文献３〜５に示された技術において、さらに、同期電動機の高トルク化を図るために各ティースの巻線の巻回数を異ならせることも考えられる。しかしながら、各ティースの巻線の巻回数を異ならせると、巻回数を多くしたティースでは、巻線が大きくなり、１巻きあたりの平均的な巻線の長さが長くなってしまう。このため、巻線使用量の増加、同期電動機の重量増加、材料コストの増加を招く、という問題があった。

また、巻回数が少ないティースでは、コイルが小さくなり、ティース間のスロットに巻線が格納されていない空間が多く発生してスロット内の空間に無駄が生じる。巻線を巻回可能な最大量は、スロットの断面積に制限されるため、巻回数が多いティースに巻線が巻回されて形成されるコイルの断面積を、スロットの断面積を最大限に利用可能な大きさにすると、巻回数の少ない固定子巻線により形成されるコイルの断面積は、スロットの断面積に対して小さくなり、スロット内の空間を有効に利用することができず、同期電動機の効率低下を招く、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、９スロット構成の同期電動機において、巻線使用量の増加、同期電動機の重量増加、材料コストの増加を抑制しつつ、高トルク化を実現することができ、更なる高効率化が可能な同期電動機の固定子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる同期電動機は、隣り合う３個ずつの３相に区分され、固定子巻線が巻回された９個のティースを有する９スロット構成の同期電動機の固定子において、各相の前記各ティースのうち、各相中央のティースに巻回される前記固定子巻線は、各相両端のティースに巻回される前記固定子巻線よりも線径が細く、且つ、巻回数が多いことを特徴とする。

本発明によれば、９スロット構成の同期電動機において、巻線使用量の増加、同期電動機の重量増加、材料コストの増加を抑制しつつ、高トルク化を実現することができ、誘起電圧の高調波成分を低減して低振動化、低騒音化を図ると共に、更なる高効率化が可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる同期電動機の横断面図である。図２は、実施の形態１にかかる同期電動機の１相分の各ティースと磁極との位置関係を示す図である。図３は、ティースの中心と磁極の中心とが一致した例を示す図である。図４は、１相分の各ティースに巻回される固定子巻線の誘起電圧を示す図である。図５は、実施の形態１にかかる同期電動機の固定子における固定子巻線の巻回状態の一例を示す図である。図６は、９スロット構成の同期電動機の固定子における従来の巻線手法例を示す図である。図７は、実施の形態２にかかる同期電動機の固定子における巻線手法の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる同期電動機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる同期電動機の横断面図である。図１に示すように、本実施の形態では、固定子１の内周面に対向して永久磁石を配置した回転子４を用いた同期電動機である場合の例について説明する。

固定子１は、軸心を中心とする円環状の鉄心に９個の突起状の鉄心（以下、「ティース」という）２ａ，２ｂ，２ｃが軸心に向かって周方向に等角度間隔（機械角４０°）で形成される。各ティース２ａ，２ｂ，２ｃは、隣り合う３個ずつの３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相；各１２０°）に区分されている。なお、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃの回転子４に対向する部分の幅を、以下、「先端幅」という。

回転子４は、軸心を中心とする円柱状のバックヨーク５の外周面に、異なる極性の磁極を交互にして周方向に等角度間隔で１０極の永久磁石６が配置され、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃの内側に固定子１に対向して回転可能に配置されている。なお、図１に示す例では、１０極の永久磁石６を有する１０極９スロット構成である例を示したが、８極の永久磁石６を有する８極９スロット構成であってもよい。

図２は、実施の形態１にかかる同期電動機の１相分の各ティースと磁極との位置関係を示す図である。１相分の各ティース２ａ，２ｂ，２ｃには、それぞれ固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃが巻回され、各相において隣接する各ティースに巻回する固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃの巻回方向を軸心から見て互いに逆方向としている。また、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃの回転子４に対向する部分で、隣り合ったティースとティースとの隙間（スロットの開口部）を同一幅としている。なお、ここでは、各スロットの開口部を同一幅としたが、正確には誤差範囲を含む略同一幅であればよい。以下、同様に「同一」であるものとした記載は、正確には誤差範囲を含む「略同一」であるものとする。

図２に示すように、各相中央のティース２ａの中心を、対向する永久磁石６の中心、すなわち磁極の中心とすると、各相両端のティース２ｂ，２ｃの中心は、対向する永久磁石６の中心、すなわち磁極（電気角１８０°）の中心から電気角θｄ＝２０°（機械角４°）ずれた位置となる。また、本実施の形態では、図１、図２に示すように、各相毎の各ティース２ａ，２ｂ，２ｃの先端幅を４０°で等間隔としている。

ここで、本実施の形態の構成概念について、図２〜図４を参照して説明する。図３は、ティースの中心と磁極の中心とが一致した例を示す図である。また、図４は、１相分の各ティースに巻回される固定子巻線の誘起電圧を示す図である。

回転子の永久磁石から発生する磁束が固定子巻線にどの程度有効に鎖交するかを示す指標として、一般的に「巻線係数Ｋｗ」と呼ばれる係数がある。この巻線係数Ｋｗは、短節巻係数Ｋｐと分布巻係数Ｋｄとの積で求められる。

短節巻係数Ｋｐは、回転子の磁極の幅と固定子のティースの先端幅から計算される。この短節巻係数Ｋｐは、回転子の１つの磁極より正弦波状に磁束が発生するものとして、それらの磁束が固定子の巻線が巻回されるティースをどれだけ通過するかを示す係数であり、回転子の１つの磁極の幅（角度）とティースの先端幅（角度）とから下記（１）式を用いて計算される。

Ｋｐ＝ｓｉｎ（２π×（極数）／（スロット数））
＝ｓｉｎ（２π×（ティースの先端幅）／（磁極の幅）） …（１）

上記（１）式より、この短節巻係数Ｋｐは、ティースの先端幅と磁極の幅とが等しい場合には、最大値である１となる。図３に示すように、ティースの先端幅が大きい場合には、同様にティースを通過する磁束の一部は固定子巻線に鎖交せず、ティースの先端部分を通過して、隣接する磁極へと短絡してしまうため、この短節巻係数Ｋｐは小さくなり、逆にティースの先端幅が磁極の幅より小さい場合でも、磁極から発生する磁束のすべてを固定子巻線に鎖交させることができないため、この短節巻係数Ｋｐは小さくなる。図１に示した１０極９スロット構成の同期電動機では、この短節巻係数Ｋｐは０．９８５となる。

一方、分布巻係数Ｋｄは、同一相の各ティースに巻回される各固定子巻線に発生する誘起電圧の位相がずれている場合に、誘起電圧の振幅が単純に各固定子巻線の誘起電圧の和とならないことを補正するための係数であり、一般的には、下記（２）式を用いて計算される。

Ｋｄ＝ｓｉｎ（π／６）／（ｑ×ｓｉｎ（π／６ｑ） …（２）
（ｑ＝（スロット数）／（極数）／３）

極数とスロット数との比が、同期電動機において一般的に用いられる２：３や４：３の組合せである場合、極数、スロット数が大きくなっても、各相の固定子巻線と磁極との位置関係は、同じ配置の繰り返しが増えるだけで各相を構成する各固定子巻線に発生する誘起電圧の位相がずれることはないため、この分布巻係数Ｋｄは１となるが、図１に示した１０極９スロット構成の同期電動機では、この分布巻係数Ｋｄは０．９６０となる。上述したように、巻線係数Ｋｗは、短節巻係数Ｋｐと分布巻係数Ｋｄとの積で求められるため、１０極９スロット構成の同期電動機としての巻線係数Ｋｗは、Ｋｐ＊Ｋｄ＝０．９８５＊０．９６０＝０．９４５となる。

また、１０極９スロット構成の同期電動機の場合、図２に示す例において、回転子４の各磁極が右から左へと移動するものと仮定すると、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃに巻回された固定子巻線にそれぞれ発生する誘起電圧は、図４に示すように、各相中央のティース２ａの固定子巻線３ａに発生する誘起電圧を基準として、各相両端のティース２ｂ，２ｃの固定子巻線３ｂ，３ｃに発生する誘起電圧の位相がそれぞれ電気角で４０°ずれる。これらの各ティース２ａ，２ｂ，２ｃに巻回された固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃに発生する誘起電圧の総和は、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃに巻回された固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃに発生する誘起電圧の位相がずれている影響により、中央のティース２ａに発生する誘起電圧を３倍した値よりも小さくなる。つまり、１０極９スロット構成、あるいは、８極９スロット構成の同期電動機の場合、各相中央のティース２ａに巻回された固定子巻線３ａに発生する誘起電圧に対して、各相両端の各ティース２ｂ，２ｃに巻回された固定子巻線３ｂ，３ｃに発生する誘起電圧の位相がずれることにより、各相両端の各ティース２ｂ，２ｃの出力トルクへの寄与度は、中央のティース２ａの出力トルクへの寄与度よりも低くなる。

このため、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃのうち、出力トルクへの寄与度の高い中央のティース２ａの固定子巻線３ａの巻回数を多くすることで、同期電動機の高トルク化が可能となる。ここで、単純に中央のティース２ａの固定子巻線３ａの巻回数を多くすると、３つの各ティース２ａ，２ｂ，２ｃに均一に固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃを巻回する場合に対して、巻回数を増した固定子巻線３ａの外周部における１周当たりの長さ（以下、「周長」という）が長くなり、固定子巻線３ａにより形成されるコイルの断面積が固定子巻線３ｂ，３ｃにより形成されるコイルの断面積よりも大きくなる。

固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃを巻回可能な最大量は、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃ間のスロットの断面積に制限されるため、固定子巻線３ａにより形成されるコイルの断面積を、スロットの断面積を最大限に利用可能な大きさにすると、巻回数の少ない固定子巻線３ｂ，３ｃにより形成されるコイルの断面積は、スロットの断面積に対して小さくなり、スロット内の空間を有効に利用することができず、効率低下を招くこととなる。このため、出力トルクへの寄与度の高い中央のティース２ａの固定子巻線３ａの巻回数を多くすることによる高トルク化に対し、スロット内の空間を有効に利用することができないことによる効率低下の影響が大きくなる。

また、固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃにより形成される各コイルの断面積が不均一となるため、固定子１の周方向におけるコイル配置も不均一となるため、５次高調波成分や７次高調波成分等の誘起電圧の高調波成分が大きくなり、振動や騒音が発生し易くなる。

図５は、実施の形態１にかかる同期電動機の固定子における固定子巻線の巻回状態の一例を示す図である。図５に示すように、本実施の形態では、各相中央のティース２ａの固定子巻線３ａは、各相両端のティース２ｂ，２ｃの固定子巻線３ｂ，３ｃよりも線径を細くしている。これにより、各相中央のティース２ａの固定子巻線３ａの巻回数を各相両端のティース２ｂ，２ｃの固定子巻線３ｂ，３ｃの巻回数よりも多くしても、巻回数を増した固定子巻線３ａの外周部における周長が必要以上に長くなることを防ぐことができる。つまり、巻線使用量の増加、同期電動機の重量増加、材料コストの増加を抑制しつつ、高トルク化を図ることが可能となる。

また、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃに巻回される固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃにより形成されるコイルの断面積を、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃ間のスロットの断面積を最大限有効利用した大きさに保つことができる。これにより、同期電動機の高効率化を図ることができる。

なお、図５に示す例では、図１において説明したように、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃを軸心に向かって周方向に等角度間隔で形成し、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃの先端幅を同一としているので、各固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃにより形成されるコイルの断面積を同一とすることで、上述した効果を得ることが可能となる。

以上説明したように、実施の形態１の同期電動機の固定子によれば、隣り合う３個ずつの３相に区分された９スロット構成の同期電動機の固定子において、各相の各ティースのうち、各相中央のティースに巻回される固定子巻線の線径を、各相両端のティースに巻回される固定子巻線の線径よりも細くすることにより、各相中央のティースの固定子巻線の巻回数を各相両端のティースの固定子巻線の巻回数よりも多くしても、巻回数を増した固定子巻線の外周部における周長が必要以上に長くなることなく、巻線使用量の増加、同期電動機の重量増加、材料コストの増加を抑制しつつ、高トルク化を図ることが可能となる。

また、各ティースに巻回される固定子巻線により形成されるコイルの断面積を、各ティース間のスロットの断面積を最大限有効利用した大きさに保つことができ、同期電動機の高効率化を図ることができる。

また、各ティースに巻回される固定子巻線により形成されるコイルの断面積を同一としつつ、各相中央のティースに巻回される固定子巻線の線径と各相両端のティースに巻回される固定子巻線の線径とを設計に応じて任意に決めることができ、設計の自由度が広くなる。

実施の形態２．
図６は、９スロット構成の同期電動機の固定子における従来の巻線手法例を示す図である。９スロット構成の同期電動機の固定子における従来の巻線手法としては、例えば、図６（ａ）に示すように、１本の固定子巻線３を各ティース２ａ，２ｂ，２ｃに一方端から順番に渡らせて連続して巻回するか、あるいは、図６（ｂ）に示すように、各ティース２ａ，２ｂ，２ｃに巻回された固定子巻線３ａ，３ｂ，３ｃの各端部を、隣り合うティース２ａ，２ｂ間、ティース２ａ，２ｃ間で結線して、各相の固定子巻線３を構成することが多い。

実施の形態１において説明した同期電動機の固定子１では、各相中央のティース２ａに巻回される固定子巻線３ａの線径を、各相両端のティース２ｂ，２ｃに巻回される固定子巻線３ｂ，３ｃの線径よりも細くしているので、図６（ａ）に示す従来の巻線手法を採ることはできない。一方、図６（ｂ）に示す従来の巻線手法を採ることは可能であるが、この場合には、各相毎に固定子巻線間の結線箇所が２箇所ずつ存在するため、図６（ａ）に示す巻線手法に比べ生産性が低い。

図７は、実施の形態２にかかる同期電動機の固定子における巻線手法の一例を示す図である。本実施の形態では、図７に示すように、各相中央のティース２ａに巻回される固定子巻線３ａを第２の固定子巻線とし、各相両端の各ティース２ｂ，２ｃに巻回される固定子巻線３ｂ，３ｃを各ティース２ｂ，２ｃに渡らせて連続して巻回される１本の第２の固定子巻線として、第１の固定子巻線の一端と第２の固定子巻線の一端とを結線して、各相の固定子巻線３を構成するようにしている。

このような巻線手法にすれば、各相毎に結線箇所が１箇所ずつとなり、図６（ｂ）に示す結線手法よりも生産性を向上させることができる。

以上説明したように、実施の形態２の同期電動機の固定子によれば、各相の固定子巻線を、各相中央のティースに巻回される第１の固定子巻線と、各相両端の各ティースに渡らせて連続して巻回される１本の第２の固定子巻線とにより構成し、第１の固定子巻線の一端と第２の固定子巻線の一端とを結線して、各相の固定子巻線を構成するようにしたので、各相毎に固定子巻線間の結線箇所が１箇所ずつとなり、結線箇所が２箇所となる従来の巻線手法よりも生産性を向上させることができる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる同期電動機は、永久磁石を用いた３相の同期電動機に有用であり、特に、９スロット構成の同期電動機に適している。

１固定子、２ａ，２ｂ，２ｃティース、３固定子巻線、３ａ固定子巻線（第１の固定子巻線）、３ｂ，３ｃ固定子巻線（第２の固定子巻線）、４回転子、５バックヨーク、６永久磁石。

Claims

隣り合う３個ずつの３相に区分され、固定子巻線が巻回された９個のティースを有する９スロット構成の同期電動機の固定子において、
各相の前記各ティースのうち、各相中央のティースに巻回される前記固定子巻線は、各相両端のティースに巻回される前記固定子巻線よりも線径が細く、且つ、巻回数が多いことを特徴とする同期電動機の固定子。
前記各ティースの先端部の幅を同一幅とし、前記各ティースに巻回される前記固定子巻線により形成される各コイルの断面積を同一面積としたことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の固定子。
前記固定子巻線は、各相毎に前記中央のティースに巻回される第１の固定子巻線と、各相毎に前記両端の各ティースに渡らせて連続して巻回される第２の固定子巻線とにより構成され、前記第１の固定子巻線の一端と前記第２の固定子巻線の一端とが結線され構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の同期電動機の固定子。