JP2015065803A - モータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】4極以上のモータにおいて、ロータの界磁巻線に必要な電力を、配置の異なる同一の相のステータ巻線を利用して給電し、ロータ側の複数の受電巻線1H、1P、1L、1Sの出力を整流して界磁巻線1J、1K、1Z、1M、1Q、1R、1G、1Tに界磁電流を供給する。そして、低速回転域でのトルクを増大し、また、界磁電流制御により基底回転数以上の駆動可能な回転範囲を拡大する。また、矩形波に近い台形状の電圧、電流として、モータ各部の利用率を高めて高効率化する。インバータの最大電流値も低減でき、小型化、低コスト化を実現する。
【選択図】図1
Description
請求項2が解決しようとする課題は、請求項1における界磁磁束の生成方法の具体化である。
請求項3が解決しようとする課題は、請求項1で生成する界磁磁束の円周方向の分布状態をより均一に、より効果的に生成できるロータ構造である。
請求項4が解決しようとする課題は、請求項3で生成する界磁磁束を永久磁石を使用して、より効果的に生成できるロータ構造である。
請求項5が解決しようとする課題は、請求項1で生成する界磁磁束を具体的に3相モータの高効率化に結びつける電流通電方法であり、3相モータの駆動方法である。
請求項6が解決しようとする課題は、請求項1で生成する界磁磁束を具体的にモータの高効率化に結びつける電流通電方法であり、5相モータの駆動方法である。
請求項7が解決しようとする課題は、請求項1の具体的モータ構成として、簡素な5相モータを実現することである。
請求項8が解決しようとする課題は、請求項1に示す界磁磁束の大きさを検出することである。
請求項9が解決しようとする課題は、請求項1に記載する給電巻線の具体化で、界磁巻線に必要な電力をロータ側へ送る具体的なモータ構造である。
請求項10が解決しようとする課題は、請求項1の具体的モータ構成として、簡素な5相モータを実現することである。
請求項11が解決しようとする課題は、請求項1の具体的モータ構成として、簡素な5相モータを実現することである。
請求項12が解決しようとする課題は、請求項1の5相モータで、モータを無理なく高出力で駆動することである。
請求項13が解決しようとする課題は、請求項1のモータを静止状態でもセンサレス制御で駆動するためのモータ構成とセンサレス位置検出方法である。
請求項1に記載の発明は、4極以上であるPN極であって、3相以上のMN相のステータとロータを有する交流モータに関して、QNは2以上の整数として、ステータの円周方向に電気角で360°のQN倍の周期の交流磁束の成分を励磁する給電巻線PSWと、
RNはQN/2より小さい整数として、円周方向の巻線ピッチが(360°×RN)であって、界磁電力を受け取るロータの第1受電巻線PRW1と、円周方向の巻線ピッチが(360°×RN)であって、前記第1受電巻線PRW1とは異なる円周方向位置に配置した、界磁電力を受け取るロータの第2受電巻線PRW2と、ロータに配置していて、記第1受電巻線PRW1の出力を整流する整流器REC1と、ロータに配置していて、記第2受電巻線PRW2の出力を整流する整流器REC2と、ロータのN極磁極あるいはS極磁極あるいはそれらの両方に巻回した界磁巻線FMとを備え、前記整流器REC1の出力と前記整流器REC2の出力とを使用して前記界磁巻線FMへ界磁電流Ifを通電して前記N極磁極とS極磁極を励磁するモータの構成である。
この構成によれば、ステータ巻き線の接続方法と通電方法を変更することにより、ステータの巻線を利用して界磁励磁電力をロータ側へ供給できるので、ロータ界磁巻線型モータの小型化、低コスト化を実現することができる。
請求項2に記載の発明は、前記給電巻線PSWは、前記MN相の一つであるU相の複数個の巻線を含み、U相の巻線の一つである巻線U1Mと、電気角で(360°×QN)の円周方向範囲の中で、前記巻線U1Mとは異なる円周方向位置に配置するU相の巻線U2Mと、前記界磁巻線FMへ界磁電流Ifを通電するために必要なステータ側の交流の界磁励磁電流成分をIf2として、前記巻線U1MへU相電流成分に重畳して界磁励磁電流成分If2を通電する駆動部DRU1と、前記巻線U2MへU相電流成分に重畳して界磁励磁電流成分(−If2)を通電する駆動部DRU2とを備えることを特徴とする請求項1に記載のモータの構成である。
この構成によれば、界磁磁束の生成方法の具体化を実現することができる。
請求項3に記載の発明は、ロータの前記N極磁極あるいはS極磁極において、並行する複数の軟磁性体と、前記軟磁性体の間に挟まれた空隙あるいは樹脂あるいは永久磁石と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のモータ構成である。
この構成によれば、請求項1で生成する界磁磁束の円周方向の分布状態をより均一に、より効果的に生成できるので、誘起電圧を従来の正弦波状からより矩形波に近い台形状とすることができ、モータ出力の向上を可能とし、その結果、モータ効率向上、モータの小型化、モータの低コスト化を実現でき、さらに、後述するが、インバータの小型化も実現することができる。
請求項4に記載の発明は、前記軟磁性体磁路とその磁束の方向に直列に配置する永久磁石を備えることを特徴とする請求項3に記載のモータの構成である。
この構成によれば、請求項1に示す界磁磁束を励磁する電磁気的負担を永久磁石を付加して軽減することができる。
請求項5に記載の発明は、ステータに3相の星形結線の各相巻線を備え、各相の巻線の誘起電圧はロータの前記界磁巻線に励磁される磁束成分などにより矩形波に近いほぼ台形状の誘起電圧波形で、ほぼ台形状の正負電流波形は、前記誘起電圧の正と負の電圧が反転する電気角の幅をθrrとして、前記のほぼ台形状の正あるいは負の電流が零から波高値の80%まで変化する幅の電気角をθstとして、(θrr+θst)≦60°であることを特徴とする請求項1記載のモータの構成である
この構成によれば、請求項1で生成する界磁磁束を具体的に3相モータの高効率化に結びつける電流通電方法であり、3相モータをより効率よく、トルクリップルも小さく駆動することができる。
請求項6に記載の発明は、ステータに5相の星形結線の各相巻線を備え、各相の巻線の誘起電圧はロータの前記界磁巻線に励磁される磁束成分などにより矩形波に近い台形状などの誘起電圧波形で、ほぼ台形状の正と負の電流波形は、前記誘起電圧の正と負の電圧が反転する電気角の幅をθrrとして、前記のほぼ台形状の正あるいは負の電流が零から波高値の60%まで変化する幅の電気角をθsfとして、(θrr+θsf)≦36°であることを特徴とする請求項1に記載のモータの構成である。
この構成によれば、請求項1で生成する界磁磁束を具体的に5相モータの高効率化に結びつける電流通電方法であり、5相モータをより効率よく駆動することができる。誘起電圧を従来の正弦波状からより矩形波に近い台形状とすると同時に、電流波形についても矩形波に近い台形状とすることによりモータ出力を向上することができる。その時、正弦波理論ではないが、トルクリップルについても小さく駆動することができる。
請求項7に記載の発明は、5相で、極数は4極以上のPN極のモータであって、 A相の巻線はステータの円周上の電気角で0°と180°の位置に配置し、B相の巻線はステータの円周上の電気角で72°と252°の位置に配置し、C相の巻線はステータの円周上の電気角で144°と324°の位置に配置し、D相の巻線はステータの円周上の電気角で216°と36°の位置に配置し、E相の巻線はステータの円周上の電気角で288°と216°の位置に配置し、2個のスロットに渡って巻回される各相それぞれの全節巻き巻線の数を(PN/2−1)以下とすることを特徴とする請求項1に記載のモータの構成である。
この構成によれば、5相巻線のコイルエンド部の各相巻線の交差が複雑化する問題があるが、各相巻線の交差部を簡素化する技術により、この複雑化を減少させることができ、生産性の改善とコイルエンド部の小型化を図ることができる。
請求項8に記載の発明は、前記駆動部DRU1により前記巻線U1Mへ通電する電流Iu1を検出する電流センサCT1と、前記駆動部DRU2により前記巻線U2Mへ通電する電流Iu2を検出する電流センサCT2と、前記電流センサCT1の出力であるIu1sと前記電流センサCT2の出力であるIu2sから、(2×If2s=Iu1s−Iu2s)としてステータ側の交流の界磁励磁電流成分の検出値としてIf2sを得る加算手段とを備えることを特徴とする請求項2に記載のモータの構成である。
この構成によれば、少しのコストで界磁電流成分を検出できるので、モータの駆動性能の向上を図ることができる。
請求項9に記載の発明は、前記給電巻線PSWはステータの円周方向に電気角で360°のQN倍の周期の交流磁束の成分を励磁するための界磁電力供給巻線であることを特徴とする請求項1に記載のモータの構成である。
この構成によれば、ステータ巻き線のわずかな追加により、ステータの巻線を利用して界磁励磁電力をロータ側へ供給できるので、ロータ界磁巻線型モータの小型化、低コスト化を実現することができる。
請求項10に記載の発明は、4極の整数倍の極数の5相のモータであって、5相交流の相順をA相、B相、C相、D相、E相の順として、ステータの各相巻線の円周方向位置を電気角で0°から720°の範囲について記述し、電気角で0°のスロットと電気角で144°のスロットへ巻回するA相巻線と、同様に、電気角で72°のスロットと気角で216°のスロットへ巻回するB相巻線と、同様に、電気角で144°のスロットと電気角で288°のスロットへ巻回するC相巻線と、同様に、電気角で216°のスロットと電気角で360°のスロットへ巻回するD相巻線と、同様に、電気角で288°のスロットと電気角で72°のスロットへ巻回するE相巻線とを備えることを特徴とする請求項1に記載のモータの構成である。
この構成によれば、請求項6によるモータの高効率化策の弊害として、5相巻線のコイルエンド部の各相巻線の交差が複雑化する問題が発生するが、各相巻線の交差部を簡素化する技術により、この複雑化を減少させることができ、生産性の改善とコイルエンド部の小型化を図ることができる。
請求項11に記載の発明は、8極の整数倍の極数の5相のモータであって、5相交流の相順をA相、B相、C相、D相、E相の順として、ステータの各相巻線の円周方向位置を電気角で0°から1440°の範囲について記述し、電気角で0°のスロットと電気角で144°のスロットへ巻回する集中巻きのA相巻線と、同様に、電気角で144°のスロットと気角で288°のスロットへ巻回する集中巻きのC相巻線と、同様に、電気角で288°のスロットと電気角で432°のスロットへ巻回する集中巻きのE相巻線と、同様に、電気角で432°のスロットと電気角で576°のスロットへ巻回する集中巻きのB相巻線と、同様に、電気角で576°のスロットと電気角で720°のスロットへ巻回する集中巻きのD相巻線と、同様に、電気角で720°から1440°の各スロットへ前記同様に巻回するA相巻線、C相巻線、E相巻線、B相巻線、D相巻線とを備えることを特徴とする請求項1に記載のモータの構成である。
この構成によれば、コイルエンド部の各相の巻線の重なりが少ない5相モータで、界磁励磁電力をロータ側へ供給でき、特にステータ巻線に生産性の高いモータを実現できるので、ロータ界磁巻線型モータの小型化、低コスト化を実現することができ、かつ、トルクリップルが小さく高品質なモータを実現することができる。
請求項12に記載の発明は、5相交流の相順をA相、B相、C相、D相、E相の順とする5相の交流モータであって、A相電圧は正弦波電圧にその正弦波周波数の3倍の3次高調波電圧を含む電圧で、B相電圧はA相電圧とC相電圧に対して72°の位相差を持ったA相電圧同様の電圧で、C相電圧はB相電圧とD相電圧に対して72°の位相差を持ったA相電圧同様の電圧で、D相電圧はC相電圧とE相電圧に対して72°の位相差を持ったA相電圧同様の電圧で、E相電圧はD相電圧とA相電圧に対して72°の位相差を持ったA相電圧同様の電圧で、A相電流は正弦波電流にその正弦波周波数の3倍の3次高調波電流を含む電流で、B相電流はA相電流とC相電流に対して72°の位相差を持ったA相電流同様の電流で、C相電流はB相電流とD相電流に対して72°の位相差を持ったA相電流同様の電流で、D相電流はC相電流とE相電流に対して72°の位相差を持ったA相電流同様の電流で、E相電流はD相電流とA相電流に対して72°の位相差を持ったA相電流同様の電流であることを特徴とする請求項1に記載のモータの構成である。
この構成によれば、インバータのPWM制御において、5相各相の電圧と電流に正弦波に加えて3次高調波電圧、3次高調波電流を重畳させるので、正弦波電圧と正弦波電流に比較して同一波高値の条件ではモータのパワー出力を増大でき、モータの高効率化、小型化を実現することができる。そして、その3次高調波重畳によるトルクリップルは理論上発生しない。
請求項13に記載の発明は、前記界磁巻線FMへ界磁電流Ifを通電するために必要なステータ側の交流の界磁励磁電流成分をIf2として、前記給電巻線PSWへ通電する前記界磁励磁電流成分If2を増加、減少して可変することにより前記界磁電流Ifを増減して、その時のステータの各相巻線の端子間に電磁誘導作用で誘起する電圧成分の変化を検出してロータの回転位置を検出することを特徴とする請求項1に記載のモータである。
この構成によれば、ロータの回転位置を各相の巻線から検出できるので、モータのセンサレス運転が可能となり低コスト化、高信頼化ができる。なお、ロータの円周方向磁気インピーダンスの変化が小さい場合にはセンサレス位置検出が難しいことがある。特に、静止からの起動あるいは低速回転の場合、大トルク出力の場合などであり、本発明によりこの問題を解決できる。
Po=ω×T (1)
=ω×Kt×It (2)
一方、モータへの供給する電力Pe[W]は、直流モータのように表現して、モータ電圧Vm、誘起電圧定数Kv[V/rad]とすると次式となる。
Pe=Vm×It (3)
=ω×Kv×It (4)
電力Peと出力パワーPoとが等しいので、(2)式と(4)式とを比較すると、トルク定数Ktと誘起電圧定数Kvとは同じ値であることが分かる。なおここでは、モータの理想的な状態を想定していて、巻線抵抗、鉄損、機械損が零であると仮定している。
Kv=Vm/ω (5)
この結果、界磁を励磁する界磁電流Ifは、界磁磁束の大きさおよび誘起電圧定数Kvに比例するので、回転角速度に反比例した値となる。従って、図1に示す界磁巻線1J、1K、1M、1Z、1Q、1R、1T、1Gの界磁電流は、最大値から最大値の1/4の大きさへ可変し、モータの回転数とともに、いわゆる界磁弱め制御を行う必要がある。図2のような出力特性を実現するためには、界磁磁束の制御が重要な技術である。なお、最大パワー特性22上の3000から12000rpmの間では、(1)から(5)式より、トルク電流Itは一定の最大電流の値となる。なお、現実的には各式の様に画一的ではないが、基底回転数3000rpm以上で界磁電流制御を自在に行えれば、基底回転数以上での回転制御が可能な領域が拡大できることになり、大きなメリットが発生する。
Iu=Iu1+Iu2 (6)
このようにしてU相電流Iuの整合を取ることにより、通常の3相星形結線の電圧、電流と同等の関係にし、次式の関係を保つことができる。
Iu+Iv+Iw=0 (7)
なお、U1相巻線31とU2相巻線32の巻き回数を他の巻線の2倍の巻き回数とする時、巻線の断面積は逆に1/2とすることができるので、U相の銅線の総量としては同程度である。また、図3において、V相巻線33、34とW相巻線35、36とをそれぞれ並列巻線とする場合は、前記U1相巻線31とU2相巻線32は同一の巻き回数とすることができ、(7)式が保たれる。
Iu1=Iu/2+If2 (8)
Iu2=Iu/2−If2 (9)
U1相電流Iu1、U2相電流Iu2の合計は、給電電流If2の影響を受けず、次式のようにU相電流Iuとなる。
Iu1+Iu2=Iu/2+If2+Iu/2−If2=Iu (10)
また、界磁電力成分の給電電流If2は、U1相電流Iu1とU2相電流Iu2の差として次式で示される。
Iu1−Iu2=2×If2
Fu=PN/2×Nr/60
ここで、界磁電力成分の電流If2の交流周波数Ff2と電流Iuの基本周波数Fuとの関係があるので、考慮する必要がある。例えば、Ff2=(500Hz)+Fuとすればよい。また、交流電流である給電電流If2の波形形状は、ロータの界磁電流が直流であることから矩形波交流とすれば理にかなっている。しかし、特に限定するものではなく、また界磁巻線の回路時定数が大きいので平滑効果が大きく、正弦波、三角波などでも可能である。
Pm=Vu×Iu+Vv×Iv+Vw×Iw (11)
まず、U相電圧Vuの電圧変動が大きい区間の電気角について図9で確認する。(180°−θhz)から(180°+θhz)の区間については、U相電流Iuが零なので、V相とW相とでモータの全パワーを出力する必要がある。V相電圧Vvは1でV相電流Ivは1で、W相電圧Vwは−1でW相電流Iwは−1で、(11)式よりモータパワーPmは2である。同様に、(180°+θhz)から(240°−θhz)の区間では、V相電圧Vvは1でV相電流Ivは1で、U相電圧VuとW相電圧Vwは−1なので、(Iu+Iw)が−1であれば(11)式のモータパワーPmを2とすることができる。(240°−θhz)から(300°+θhz)の区間について、U相電圧Vuは−1でU相電流Iuは−1であり、V相電圧VvとW相電圧Vwは1なので、(Iv+Iw)が1であれば(11)式のモータパワーPmを2とすることができる。(300°+θhz)から(360°−θhz)の区間では、W相電圧Vwは1でW相電流Iwは1で、U相電圧VuとV相電圧Vvは−1なので、(Iu+Iv)が−1であれば(11)式のモータパワーPmを2とすることができる。(360°−θhz)から360°の区間については、U相電流Iuが零で、V相電圧Vvは−1でV相電流Ivは−1で、W相電圧Vwは1でW相電流Iwは1で、(11)式よりモータパワーPmは2である。0°から(0°+θhz)の区間については、U相電流Iuが零で、V相電圧Vvは−1でV相電流Ivは−1で、W相電圧Vwは1でW相電流Iwは1で、(11)式よりモータパワーPmは2である。(0°+θhz)から(60°−θhz)の区間では、V相電圧Vvは−1でV相電流Ivは−1で、U相電圧VuとW相電圧Vwは1なので、(Iu+Iw)が1であれば(11)式のモータパワーPmを2とすることができる。(60°−θhz)から(120°+θhz)の区間について、U相電圧Vuは1でU相電流Iuは1であり、V相電圧VvとW相電圧Vwは−1なので、(Iv+Iw)が−1であれば(11)式のモータパワーPmを2とすることができる。 (120°+θhz)から(180°−θhz)の区間では、W相電圧Vwは−1でW相電流Iwは−1で、U相電圧VuとV相電圧Vvは1なので、(Iu+Iv)が1であれば(11)式のモータパワーPmを2とすることができる。以上で図9の全区間について説明したことになる。
(θrr/2+θst/2)≦30° (12)
(θrr+θst)≦60° (13)
Ia=Ia1+Ia2 (14)
このようにしてA相電流Iaの整合を取ることにより、通常の5相星形結線の電圧、電流と同等の関係にし、次式の関係を保つことができる。
Ia+Ib+Ic+Id+Ie=0 (15)
なお、A1相巻線111とA2相巻線11Bの巻き回数を他の巻線の2倍の巻き回数とする時、巻線の断面積は逆に1/2とすることができるので、A相の銅線の総量としては同程度である。また、図11において、B相巻線112、11CとC相巻線113、11D、D相巻線114、11EとE相巻線115、11Fを各相それぞれ並列巻線とする場合は、前記A1相巻線111とA2相巻線11Bと同一の配置関係となるので、前記A1相巻線111とA2相巻線11Bの巻き回数は他相の巻線と同一の巻き回数となり、(15)式が保たれる。
Ia1=Ia/2+If2 (16)
Ia2=Ia/2−If2 (17)
A1相電流Ia1とA2相電流Ia2の合計は、界磁電力成分If2の影響を受けず、次式のようにA相電流Iaとなる。
Ia1+Ia2=Ia/2+If2+Ia/2−If2=Ia (18)
Ia1−Ia2=2×If2 (19)
巻線111と巻線11Bとは両巻線共にA相のステータ巻線であるが、電気角で0°から360°の間に配置する巻線111と電気角で360°から720°の間に配置する巻線11Bとに分け、それぞれの電流を通電できるようにし、電気角で720°周期の電流成分を通電できるようにしている。そして、受電巻線38、3Aに伝えられた電圧、電流成分および界磁巻線3C、3D、3E、3Fへ通電する界磁電流Ifの関係は、図3およびその説明と同じである。ただし、全波整流器39,3Bの出力端子を直列に接続した例を示している。111と11BはA相巻線であると同時に、界磁電力の給電手段としての給電巻線となっている。
Pm=Vqa×Iqa+Vqb×Iqb+Vqc×Iqc
+Vqd×Iqd+Vqe×Iqe (20)
誘起電圧の傾斜部であるθrrの幅の領域では、誘起電圧変動が大きいため、この間にトルク電流を通電した時にそのトルク値を期待通りに得ることが難しい。図12のA相電流Iqaは、正の台形波と負の台形波を組み合わせたような電流波形となっている。A相電流Iqaが正の値から負の値に変化する途中で電流値が零あるいは小さな値としていて、その区間の幅はθhy×2である。このθhyはA相電圧波形Vqaのθrrの1/2よりわずかに大きな値とし、誘起電圧変化が大きい区間では電流を零に近い小さな値とし、トルク変動が大きくならないように工夫している。θsfは、電流が台形状の上辺の値から零までに変化する回転角である。θhfはθsfの1/2の値で、図12に示すように電流値が台形状に1/2だけ変化する回転角であり、その中間点は126である。
θrr/2+θsf/2≦18°
(θrr+θsf)≦36° (21)
モータの実用的な観点から、図12の電流波形において、トルクの部分的な変動を20%と許容範囲を決める。図12の162°近傍では、B相電流Iqbが1で、D相電流IqdとE相電流Iqeが−1なので、A相電流とC相電流の和(Iqa+Iqc)が0.6の時、(1+0.6)/2=0.8となり、80%のトルクを出力することになる。このことから5相モータでは、電流波高値の60%までの値の電流波形の範囲をこの台形形状の上辺と見なすことにする。これは実用的な観点で、20%のトルク変動を部分的に許容する基準である。部分的変動なので、平均トルクの低下は10%以下である。また、これら2つの相の電流値(Iqa+Iqc)=1の各値の取り方には自由度があり、図9に示す形状を変形することができる。より変化率が小さく、角部形状が滑らかな台形形状とすることもできる。
そして、2個の巻線の後から巻回する巻線のスロット形状を内径側を広い形状KSNとし、スロットからコイルエンド側へ出る巻線を先に巻回した巻線に重なるように巻回するなど、2個の巻線の交差ができるだけ少なくできるように巻回する。この方法により、巻線交差部のロータ軸方向への出っ張りを少なく巻回することができ、また、コイルエンド部の巻線長を短縮することができる。
次にE相巻線29Mをスロット15Vと291へ巻回する。次にA相巻線29Nをスロット15Xと293へ巻回する。次にB相巻線29Pをスロット15Zと295へ巻回する。
次にC相巻線29Qをスロット292と29Tへ巻回する。次にD相巻線29Rをスロット294と152へ巻回する。次にE相巻線29Sをスロット296と154へ巻回する。
図16の(e)のスロット形状は、左側に(b)の歯を配置し、右側に(c)の歯を配置したスロット形状であり、外径側が広く内径側が狭い形状で、図15のスロット形状15Aなどの形状である。図16の(f)のスロット形状は、左側に(c)の歯を配置し、右側に(b)の歯を配置したスロット形状であり、外径側が狭く内径側が広い形状で、図15のスロット形状15Bなどの形状である。図16の(g)のスロット形状は、左側に(c)の歯を配置し、右側にも(c)の歯を配置したスロット形状であり、図15のスロット形状155と29Tのスロット形状である。ステータコアへの巻き始めと巻き終わりの近傍では、その非対称性から少し特殊なスロット形状となる。
巻線案内175,176はD相巻線29Aがスロット159、15A、15Bの方へはみ出さないように巻線位置を限定することができる。次に巻回するE相巻線29Bも、前記のC相巻線299、D相巻線29Aと同様に、スロット15AのC相巻線299が既に巻回されているので、スロット156とその巻線に重ねて巻回する。以下同様に、図17はに示す各巻線を紙面で反時計回転方向に、順次、巻回することができる。なお、ステータコアに各巻線を巻回するとき、巻き始めと巻き終わりの部分は、他の大半の部分の巻線とは条件が異なるため、巻線を重ねて巻く上下関係などが少し異なる巻き方となる。
(Ida+Idb)=0.4 (22)
また、この間では、A相電流IdaとB相電流Idbが直線的に変化しているが、(22)式を満たせば良く、種々の値をとっても良い。例えばこの間でIdaとIdbが0.2の一定値であっても良い。また、(22)式は代表的な例であり、(15)式のように、5相星形結線の全電流の和が零となるように、本発明の趣旨に沿って多少変形することもできる。その他の角度範囲においても同様の関係の界磁電流成分となっている。
は必要がなく、軟鉄部とすることもができる。しかし、当然のことながら、できるだけ巻線を巻回するスペースを広くしたいので、破線で示したスロット形状の断面積分だけ、巻線を巻回するスロットの断面積を広くすることができる。具体的には、24Pに示すスロット断面積を太線24Qで示す場所まで拡大することができる。同様に、24Sに示すスロット断面積を太線24Rで示す場所まで拡大することができる。3/2倍近くの断面積に拡大できたことになる。他の各スロットについても同様に拡大することができる。各スロットの断面積の拡大により、スロット配置は円周上にほぼ均一に配置した構成とすることができる。
図1の巻線の数に比較して図29の巻線の数は2倍となっているが、巻線の総量は同じである。
U1相とU2相の具体的な通電例について、各亀甲型コイルの巻き回数は1ターンであると簡素化のために仮定して説明する。今、図30のU1相端子701とU2相端子702へU相電流成分を5Aづつ通電する。ただしここでは、U相電流成分について考察することを目的としているので、V相電流、W相電流については無視することにする。図30の亀甲型コイル706はスロット1とスロット4に挿入していて、亀甲型コイル709はスロット1とスロット10に挿入していて、U1相電流Iu1=5Aを通電している。
U2相電流はIu2=5Aで、亀甲型コイル707はスロット4とスロット7に挿入していて、亀甲型コイル708はスロット7とスロット10に挿入している。スロット1に通電する合計電流は、図30の紙面の上方から下方へ10Aが通電され、スロット4に通電する合計電流は、図30の紙面の下方から上方へ10Aが通電され、スロット7に通電する合計電流は、図30の紙面の上方から下方へ10Aが通電され、スロット10に通電する合計電流は、図30の紙面の下方から上方へ10Aが通電される。その結果、スロット1からスロット4の間では図30の紙面で裏側から表側の方向へ起磁力が作用し、スロット4からスロット7の間では図30の紙面で表側から裏側の方向へ起磁力が作用し、スロット7からスロット10の間では図30の紙面で裏側から表側の方向へ起磁力が作用し、スロット10からスロット1の間では図30の紙面で表側から裏側の方向へ起磁力が作用する。これらの起磁力は、U1相とU2相が通常の3相電流の内のU相電流として正しく作用している状態である。
If2=(Iu1−Iu2)/2 (23)
U1相電流Iu1は図3のIGBTであるT1とT2で駆動して通電し、U2相電流Iu2は図3のIGBTであるT3とT4で駆動して通電する。
397は電気角288°と432°の位置のスロットへ巻回するE相巻線、398は電気角432°と576°の位置のスロットへ巻回するB相巻線、399は電気角576°と720°の位置のスロットへ巻回するD相巻線、39Aは電気角720°と864°の位置のスロットへ巻回するA2相巻線、39Bは電気角864°と1008°の位置のスロットへ巻回するC相巻線、39Cは電気角1008°と1152°の位置のスロットへ巻回するE相巻線、39Dは電気角1152°と1296°の位置のスロットへ巻回するB相巻線、39Eは電気角1296°と1440°の位置のスロットへ巻回するD相巻線である。5相交流の相順をA相、B相、C相、D相、E相の順として、このモータの巻線は相順通りに円周方向に配置していない。ロータ1Eは図1などの他のモータと同様であり、本発明に示す各種ロータを使用することができる。そして、前記各相の電流は図11で示した方法で通電し、5相モータを駆動することができる。
E相は位相がD相より72°遅れたE相電圧V、B相電流Ieであるとする。図13に示す5相正弦波電流と同様の形状である。この時の5相なパワーP5は下式のように2.5となる。図41の405である。
P5=Va・Ia+Vb・Ib+Vc・Ic+Vd・Id+Ve・Ie=2.5
Va=Ia=K4{sin(wt)+K3×sin(3・wt)
Vb=Ib=K4{sin(wt−72°)+K3×sin(3・wt−72°)
Vc=Ic=K4{sin(wt−144°)+K3×sin(3・wt−144°)
Vd=Id=K4{sin(wt−216°)+K3×sin(3・wt−216°)
Ve=Ie=K4{sin(wt−288°)+K3×sin(3・wt−288°)
とすると、パワーP6は次式となる。
P6=Va×Ia+Vb×Ib+Vc×Ic+Vd×Id+Ve×Ie
13、16、19、1C V相巻線
15、18、1B、11 W相巻線
1D ステータ
1E ロータ
1F ロータ軸
1J、1K 界磁巻線
1Z、1M 界磁巻線
1Q、1R 界磁巻線
1G、1T 界磁巻線
1H、1P 受電巻線
1L、1S 受電巻線
1V、1X N極磁極
1W、1Y S極磁極
Claims (13)
- 4極以上であるPN極であって、3相以上のMN相のステータとロータを有する交流モータに関して、
QNは2以上の整数として、ステータの円周方向に電気角で360°のQN倍の周期の交流磁束の成分を励磁する給電巻線PSWと、
RNはQN/2より小さい整数として、円周方向の巻線ピッチが(360°×RN)であって、界磁電力を受け取るロータの第1受電巻線PRW1と、
円周方向の巻線ピッチが(360°×RN)であって、前記第1受電巻線PRW1とは異なる円周方向位置に配置した、界磁電力を受け取るロータの第2受電巻線PRW2と、
ロータに配置していて、記第1受電巻線PRW1の出力を整流する整流器REC1と、
ロータに配置していて、記第2受電巻線PRW2の出力を整流する整流器REC2と、
ロータのN極磁極あるいはS極磁極あるいはそれらの両方に巻回した界磁巻線FMとを備え、
前記整流器REC1の出力と前記整流器REC2の出力とを使用して前記界磁巻線FMへ界磁電流Ifを通電して前記N極磁極とS極磁極を励磁する
ことを特徴とするモータ。 - 前記給電巻線PSWは、前記MN相の一つであるU相の複数個の巻線を含み、
U相の巻線の一つである巻線U1Mと、
電気角で(360°×QN)の円周方向範囲の中で、前記巻線U1Mとは異なる円周方向位置に配置するU相の巻線U2Mと、
前記界磁巻線FMへ界磁電流Ifを通電するために必要なステータ側の交流の界磁励磁電流成分をIf2として、前記巻線U1MへU相電流成分Iu1に重畳して界磁励磁電流成分If2を通電する駆動部DRU1と、
前記巻線U2MへU相電流成分Iu2に重畳して界磁励磁電流成分(−If2)を通電する駆動部DRU2と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - ロータの前記N極磁極あるいはS極磁極において、
並行する複数の軟磁性体と、
前記軟磁性体の間に挟まれた空隙あるいは樹脂あるいは永久磁石と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - 前記軟磁性体磁路とその磁束の方向に直列に配置する永久磁石
を備えることを特徴とする請求項3に記載のモータ。 - ステータに3相の星形結線の各相巻線を備え、
各相の巻線の誘起電圧はロータの前記界磁巻線FMの界磁電流Ifに励磁される磁束成分などにより矩形波に近いほぼ台形状の誘起電圧波形で、
ほぼ台形状の正と負の交流電流波形は、前記誘起電圧の正と負の電圧が反転する電気角の幅をθrrとして、
前記のほぼ台形状の正あるいは負の電流が零から波高値の80%まで変化する幅の電気角をθstとして、(θrr+θst)≦60°である
ことを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - ステータに5相の星形結線の各相巻線を備え、
各相の巻線の誘起電圧はロータの前記界磁巻線FMの界磁電流Ifに励磁される磁束成分などにより矩形波に近い台形状などの誘起電圧波形で、
ほぼ台形状の正と負の交流電流波形は、前記誘起電圧の正と負の電圧が反転する電気角の幅をθrrとして、前記のほぼ台形状の正あるいは負の電流が零から波高値の60%まで変化する幅の電気角をθsfとして、(θrr+θsf)≦36°で
あることを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - 5相で、極数は4極以上のPN極のモータであって、
A相の巻線はステータの円周上の電気角で0°と180°の位置に配置し、
B相の巻線はステータの円周上の電気角で72°と252°の位置に配置し、
C相の巻線はステータの円周上の電気角で144°と324°の位置に配置し、
D相の巻線はステータの円周上の電気角で216°と36°の位置に配置し、
E相の巻線はステータの円周上の電気角で288°と216°の位置に配置し、
2個のスロットに渡って巻回される各相それぞれの全節巻き巻線の数を(PN/2−1)以下とすることを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - 前記駆動部DRU1により前記巻線U1Mへ通電する電流Iu1を検出する電流センサCT1と、
前記駆動部DRU2により前記巻線U2Mへ通電する電流Iu2を検出する電流センサCT2と、
前記電流センサCT1の出力であるIu1sと前記電流センサCT2の出力であるIu2sから、(2×If2s=Iu1s−Iu2s)としてステータ側の交流の界磁励磁電流成分の検出値としてIf2sを得る加算手段と
を備えることを特徴とする請求項2に記載のモータ。 - 前記給電巻線PSWはステータの円周方向に電気角で360°のQN倍の周期の交流磁束の成分を励磁するための界磁電力の給電巻線PSWSである
ことを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - 4極の整数倍の極数の5相のモータであって、
5相交流の相順をA相、B相、C相、D相、E相の順として、ステータの各相巻線の円周方向位置を電気角で0°から720°の範囲について記述し、電気角で0°のスロットと電気角で144°のスロットへ巻回するA相巻線と、
同様に、電気角で72°のスロットと気角で216°のスロットへ巻回するB相巻線と、
同様に、電気角で144°のスロットと電気角で288°のスロットへ巻回するC相巻線と、
同様に、電気角で216°のスロットと電気角で360°のスロットへ巻回するD相巻線と、
同様に、電気角で288°のスロットと電気角で72°のスロットへ巻回するE相巻線とを備えることを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - 8極の整数倍の極数の5相のモータであって、
5相交流の相順をA相、B相、C相、D相、E相の順として、ステータの各相巻線の円周方向位置を電気角で0°から1440°の範囲について記述し、電気角で0°のスロットと電気角で144°のスロットへ巻回する集中巻きのA相巻線と、
同様に、電気角で144°のスロットと気角で288°のスロットへ巻回する集中巻きのC相巻線と、
同様に、電気角で288°のスロットと電気角で432°のスロットへ巻回する集中巻きのE相巻線と、
同様に、電気角で432°のスロットと電気角で576°のスロットへ巻回する集中巻きのB相巻線と、
同様に、電気角で576°のスロットと電気角で720°のスロットへ巻回する集中巻きのD相巻線と、
同様に、電気角で720°から1440°の各スロットへ前記同様に巻回するA相巻線、C相巻線、E相巻線、B相巻線、D相巻線と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - 5相交流の相順をA相、B相、C相、D相、E相の順とする5相の交流モータであって、
A相電圧は正弦波電圧にその正弦波周波数の3倍の3次高調波電圧を含む電圧で、
B相電圧はA相電圧とC相電圧に対して72°の位相差を持ったA相電圧同様の電圧で、
C相電圧はB相電圧とD相電圧に対して72°の位相差を持ったA相電圧同様の電圧で、
D相電圧はC相電圧とE相電圧に対して72°の位相差を持ったA相電圧同様の電圧で、
E相電圧はD相電圧とA相電圧に対して72°の位相差を持ったA相電圧同様の電圧で、 A相電流は正弦波電流にその正弦波周波数の3倍の3次高調波電流を含む電流で、
B相電流はA相電流とC相電流に対して72°の位相差を持ったA相電流同様の電流で、
C相電流はB相電流とD相電流に対して72°の位相差を持ったA相電流同様の電流で、
D相電流はC相電流とE相電流に対して72°の位相差を持ったA相電流同様の電流で、
E相電流はD相電流とA相電流に対して72°の位相差を持ったA相電流同様の電流であることを特徴とする請求項1に記載のモータ。 - 前記界磁巻線FMへ界磁電流Ifを通電するために必要なステータ側の交流の界磁励磁電流成分をIf2として、前記給電巻線PSWへ通電する前記界磁励磁電流成分If2を増加、減少して可変することにより前記界磁電流Ifを増減して、
その時のステータの各相巻線の端子間に電磁誘導作用で誘起する電圧成分の変化を検出してロータの回転位置を検出する
ことを特徴とする請求項1に記載のモータ。
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