JP2015142391A - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、n個の部分巻線より構成される電機子巻線の同相コイルの接続を直列または並列に切換え、相コイル間の結線をY結線またはΔ結線に切替えることにより運転領域が拡大し、また特性が向上した誘導電動機が記載されている。
例えば、低負荷域ではトルクリップルや電流リップルが出力トルクや入出力電流に比べて比較的大きくなり影響が顕著となるためリップルの小さな特性が求められる。
一方で,高負荷域では回転電機を構成する部品の温度が許容値以内に収まっていることが第一に求められる。
上記誘導電動機では、相コイルの巻数や直並列切換、Y-Δ結線の変更等によって線間電圧ピーク値や相コイルの電流密度を変化させていたが、切換によって固定子と回転子とのギャップ磁束密度波形自体は変化しないために、トルクリップルや電流リップル等のギャップ磁束波形に起因する特性を変化させることはできなかった。
このことから短節巻の巻線パターンを採用することによって集中巻の巻線パターンを採用した回転電機に比べてトルクリップルを低減しやすい。
一方で、短節巻は磁束利用率が低くトルクを得るのに電流を多く必要とするため高負荷での温度成立性が難しくなるという問題がある。
全節巻きもしくは短節巻きに巻装された分布巻巻線や集中巻巻線を用い、相コイルに通電する電流の振幅と位相を変えることによって他の磁束波形を再現することができれば上記課題を解決した回転電機を作ることができる。
しかしながら、実際には磁束の合成により相コイルが発生する磁束を相互に打消すような通電をする必要があるために、導体損失を発生させるのみでトルクを発生しないムダ導体が発生し効率が低下するという新たな問題点を生じる。
図8(a)、(b)は、従来の全節巻、短節巻、集中巻を切替る構成を示す模式図であり、図8(a)はステータコア51に巻装されたコイル50を回転電機の軸線方向に沿って視たときの図、図8(b)は図8(a)の回転電機を径方向に沿って視たときの図である。
図中矢印はコイル50に流れる電流の向きを示している。
図8(a)、(b)において、従来の全節巻,短節巻,集中巻を切替る構造では例えば集中巻のコイル50がステータコア51に巻きつけられている。
分布巻の磁束波形を作る際には、図8に示すように例えば2スロット離れた分布巻とする場合、間に挟まれるコイル50を隣同士結ぶことで2スロット離れた位置のコイル50を接続する。
この場合、同スロットに挿入された2つのコイル50は互いに電流の向きが逆であるため互いに磁束を打ち消し合う。
従って、2スロット離れたコイル50を結ぶ間のコイル50は電流が通電されることによる導体損失を発生するものの有効な磁束を発生させない、所謂ムダ導体となる。
各前記相導体の一方の端部は、電流をオン、オフする第1の正極側スイッチを介して直流電源の正極端子に電気的に接続されるとともに、電流を制御する負極側制御部品を介して直流電源の負極端子に電気的に接続され、
各前記相導体の他方の端部は、電流をオン、オフする第1の負極側スイッチを介して前記直流電源の負極端子に電気的に接続されるとともに、電流を制御する正極側制御部品を介して直流電源の正極端子に電気的に接続され、
前記第1の正極側スイッチ、前記負極側制御部品、前記第1の負極側スイッチ及び前記正極側制御部品は、制御装置により制御されることで、各前記相導体に流れる電流の振幅及び位相は、個別に制御される。
各前記相導体の他方の端部は、電流をオン、オフする第1の負極側スイッチを介して前記直流電源の負極端子に電気的に接続されるとともに、電流を制御する正極側制御部品を介して直流電源の正極端子に電気的に接続され、
前記第1の正極側スイッチ、前記負極側制御部品、前記第1の負極側スイッチ及び前記正極側制御部品は、制御装置により制御されることで、各前記相導体に流れる電流の振幅及び位相は、個別に制御される。
従って、スイッチ数とスイッチの制御装置を増やすことなく、運転領域の拡大と各運転ポイントに求められる好適な特性を得るギャップ磁束波形を形成し、さらにムダ相導体による損失のない低損失な回転電機を得ることができる。
図1はこの発明の実施の形態1に係るモータ1を示す側断面図、図2は図1のモータ1の正断面図である。
このモータ1は、8極、48スロットの永久磁石モータである。
回転電機であるモータ1は、円筒形状のフレーム2と、このフレーム2の両側に覆って設けられた負荷側ブラケット3及び反負荷側ブラケット4と、フレーム2の中心軸線上に配置され、負荷側ブラケット3及び反負荷側ブラケット4で負荷側ベアリング5及び反負荷側ベアリング6を介して回転自在に2点支持されたシャフト7と、シャフト7が挿入されてキー等で一体され、フレーム2、負荷側ブラケット3及び反負荷側ブラケット4で構成されたケース10内に収納されたロータ8と、フレーム2の内壁面に圧入や焼バメ等によって固定されロータ8と隙間を介して囲った円環状のステータ9と、を備えている。
負荷側ベアリング5は、ベアリング押さえ11で負荷側ブラケット3に対して軸線方向にボルト等で固定されている。反負荷側ベアリング6は、波ワッシャ12を介して反負荷側ブラケット4に対して軸線方向に自由度を持って固定されている。
ケース10は、フレーム2に対して負荷側ブラケット3及び反負荷側ブラケット4をボルト等で固定することで形成されている。
ステータコア15は、両面が絶縁処理された薄板鋼板を複数枚積層して形成される。
各相導体17は、インシュレータ18で一体モールドされており、インシュレータ18で被覆された各相導体17は、各ステータスロット16に圧入されることでステータコア15に固定される。
各相導体17は、このような各ステータスロット16の挿通を、全部でスタータコア15の3周分繰り返した、波巻で構成されている。
なお、図2においては、一本の相導体17は、ステータスロット16内に、2本の同相の相導体17が挿通しており、ステータコア15には全部で12本の波巻構成の相導体17が巻装されている。
また、図2の断面では、実際には、内径側の相導体17と、外径側の相導体17とでそれぞれ相導体17の三箇所の部位の断面が示されるべきであるが、それぞれ一つに纏めて記載してある。
端板22は、非磁性材料で製作されるのが望ましい。
負荷側リード23は、電流をオン、オフする第1の正極側スイッチ26を介して直流電源27の正極端子31に電気的に接続されているとともに、電流をオン、オフ制御する負荷側制御部品である第2の負極側スイッチ28を介して直流電源27の負極端子32に電気的に接続されている。
反負荷側リード24は、電流をオン、オフする第1の負極側スイッチ29を介して直流電源27の負極端子32に電気的に接続されているとともに、電流をオン、オフ制御する正極側制御部品である第2の正極側スイッチ30を介して直流電源27の正極端子31に電気的に接続されている。
このように、このモータ1の給電回路は、正極側スイッチ26、第2の負極側スイッチ28、第1の負極側スイッチ29及び第2の正極側スイッチ30により、所謂Hブリッジ回路を構成している。
なお、図3において図示されていないが、各スイッチ26,30,29,28の駆動を制御する制御装置により各相導体17に流す電流の振幅及び位相は個別に調整される。
この制御装置は、各スイッチ26,30,29,28につき一つずつ設けられている。
また,炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体などを用いた半導体スイッチにより構成されてもよい。
図示していないが、第1の正極側スイッチ26、第2の正極側スイッチ30、第1の負極側スイッチ29、第2の負極側スイッチ28は、それぞれ各スイッチ26,30,29,28と並列に還流ダイオードを挿入されている。
直流電源27は、鉛バッテリやリチウムイオンバッテリ等で構成される。
個々の各相導体17は、それぞれ個別のHブリッジ回路に電気的に接続され、また各Hブリッジ回路に対して直流電源27がそれぞれ個別に設けられている。
従って、この実施の形態では、一つのモータ1に対して、全部で12個のHブリッジ回路、12本の相導体17、12個の制御装置が用いられている。
その結果、相導体17には負荷側リード23から反負荷側リード24に向けて電流が流れる。
一方、制御装置の駆動により、第1の正極側スイッチ26及び第1の負極側スイッチ29がオフされ、第2の負極側スイッチ28及び第2の正極側スイッチ30がオンされると、負荷側リード23の端部は、負極側の電位となり、反負荷側リード24の端部は、正極側の電位となる。
その結果、相導体17には反負荷側リード24から負荷側リード23に向けて電流が流れる。
また、Hブリッジ回路の4つのスイッチ26,30,29,28の全てをOFFとすると、相導体17は、直流電源27から切り離されて電流は流れない。
このように、制御装置により、各スイッチ26,30,29,28のオン、オフの切り換えと、オン時間及びオフ時間の比をそれぞれ変化させることによって、各相導体17には任意の振幅と位相の電流を通電することができる。
図4は、図2の部分拡大図である。
図4において、各相導体17には周方向に沿ってそれぞれaからxまでの番号が割り当てられている。
A+,B+,C+,D+,E+,F+はそれぞれ振幅が等しく位相が30度ずつ順番にずれた6相交流の相であり、A−,B−,C−,D−,E−,F−はそれぞれA+,B+,C+,D+,E+,F+に対して位相が反転した状態を表すものとする。
モータ1が全節分布巻の駆動を行なうには、通電する各相導体17に次のように電流位相を調節する。
即ち、番号a,bの各相導体17にA+の相、番号c,dの各相導体17にB+の相、番号e,fの各相導体17にC+の相、番号g,hの各相導体17にD+の相、番号i,jの各相導体17にE+の相、番号k,lの各相導体17にF+の相となるように各相導体17に通電する電流位相を調整することで、8極、48スロット、毎極毎相1の6相全節分布巻の電機子磁束を構成することができる。
なお,1極ピッチ回転方向ずれた部位は、回転奇対称の構成となる。
即ち、例えば番号aの相導体17は、図4において紙面の表側から垂直方向に裏側に向って延びた後、周方向に1極ピッチ、ステータスロット16を飛び越えた後、番号mのステータスロット16からは紙面の裏側から垂直方向に表側に向って延びている。
即ち、番号aの相導体17にA+の相、番号bの相導体17にD−の相、番号cの相導体17にB+の相、番号dの相導体17にE−の相、番号eの相導体17にC+の相、番号fの相導体17にF−の相、番号gの相導体17にD+の相、番号hの相導体17にA−の相、番号iの相導体17にE+の相、番号jの相導体17にB−の相、番号kの相導体17にF+の相、番号lの相導体17にC−の相となるように各相導体17に通電する電流位相を調整することで、8極、48スロット、毎極毎相1の6相短節分布巻の電機子磁束を構成することができる。
なお,1極ピッチ回転方向ずれた部位については上記回転奇対称の構造となる。
即ち、番号aの相導体17にA+の相、番号bの相導体17にF−の相、番号cの相導体17にB+の相、番号dの相導体17にA−の相、番号eの相導体17にC+の相、番号fの相導体17にB−の相、番号gの相導体17にD+の相、番号hの相導体17にC−の相、番号iの相導体17にE+の相、番号jの相導体17にD−の相、番号kの相導体17にF+の相、番号lの相導体17にE−の相となるように各相導体17に通電する電流位相を調整することで、8極、48スロット、毎極毎相1の6相集中巻の電機子磁束を構成することができる。
なお,1極ピッチ回転方向ずれた部位については上記回転奇対称の構造となる。
また、ステータコア15に1極ピッチごと、周方向にシフトして波巻で巻装された各相の相導体17が、スイッチ26,28,29,スイッチ30により構成されたHブリッジ回路に接続されているので、スイッチ26,28,29,30及び制御装置を増大することなく、ギャップ磁束波形を任意に操作することができる。
3相についても同様に、U+,V+,W+をそれぞれ振幅が等しく位相が120度ずつ順番にずれた3相交流の相とし、U−,V−,W−はそれぞれU+,V+,W+に対して位相が反転した状態を表すものとする。
モータ1が全節巻の駆動を行なうには、通電する各相導体17に次のように電流位相を調節する。
即ち、番号a,b,c,dの各相導体17にU+の相、番号e,f,g,hの各相導体17にV+の相、番号i,j,k,lの各相導体17にW+の関係となるように通電位相を調整すると、電機子に通電される電流は、3相全節分布巻の通電方法となり、電機子は、8極、48スロット、毎極毎相2の3相全節巻の電機子磁束を構成することができる。
即ち、番号a,bの各相導体17にU+の相、番号c,dの相導体17にU−の相、番号e,fの相導体17にV+の相、番号g,hの相導体17にV−の相、番号i,jの相導体17にW+の相、番号k,lの相導体17にW−の相となるように通電する電流位相を調整すると、電機子は、8極、48スロット、毎極毎相2の3相集中巻の電機子磁束を構成することができる。
また,電機子巻線は4つのスイッチ26,28,29,30と相導体17によりそれぞれ電流の振幅と位相を独立に変更可能な構成であり、ステータスロット16に挿通した相導体17は独立に電流振幅と位相を制御可能な構成であるため、ムダ相導体による導体損失が発生しない。
また、高トルクでの駆動時には磁束利用率の高い全節分布巻のギャップ磁束波形を模擬する通電パタンで駆動する。
また、永久磁石21の減磁が発生するような高トルク、高速回転での駆動時にはロータ8の回転に合わせて永久磁石21の回転方向遅れ側(後ろ側)とギャップを挟んで対向する相導体17は通常時よりも通電電流を少なくして駆動される。
一方で中央部に対向する相導体17は通常時よりも通電電流を多くして駆動される。
このようにすれば出力トルクを保ったまま永久磁石21のもっとも減磁しやすい部分に逆次回を印加するコイルが発生する磁束を低下することができるため耐減磁性能を向上することができる。
このようにすると制御装置の数を半分にすることができる。
このようにすれば各相のインダクタンスのばらつきを小さくすることができる。
図5はこの発明の実施の形態2に係るモータ1を示す正断面図である。
この実施の形態では、それぞれのステータスロット16に、各相導体17が一本ずつ挿通している。
即ち、この6相のモータ1では、17a,17b,17c,17d,17e,17fの各相導体17が図5において紙面の表側から垂直方向に裏側に向って延びた後、周方向に1極ピッチ、ステータスロット16を飛び越えた後、ステータスロット16からは紙面の裏側から垂直方向に表側に向って延びている。
そして、個々の相導体17a,17b,17c,17d,17e,17fは、正極側スイッチ26、第2の負極側スイッチ28、第1の負極側スイッチ29及び第2の正極側スイッチ30により構成したHブリッジ回路に個別に接続されている。
その他の構造は実施の形態1のモータ1と同様である。
このようにすると直流電源27の数、スイッチ26,30,29,28の数、制御装置の数を半分にすることが出来るために小型化できる。
また、各ステータスロット16内では、相導体17a,17b,17c,17d,17e,17fにモールド成形されたインシュレータ18が1つになるため、ステータスロット16内の相導体17a,17b,17c,17d,17e,17fの占積率が向上し高効率化を図ることができる。
図6はこの発明の実施の形態3に係るモータ1を示す正断面図、図7は図6の部分拡大図である。
この実施の形態によるモータ1は、10極、45スロットの永久磁石モータである。
このモータ1の各相導体17は、ステータコア15の軸線方向の一端部からステータスロット16を挿通して他端部で露出された後、引き続き周方向に、ステータスロット16を飛び越え、9番目のステータスロット16の他端部からステータスロット16に挿通して一端部で露出された後、引き続き周方向にステータスロット16を飛び越え、9番目のステータスロット16の一端部から再びステータスロット16を挿通して他端部で露出される。
各相導体17は、このような各ステータスロット16の挿通を、全部でスタータコア15の3周分繰り返した、波巻で構成されている。
なお、図6、7においては、一本の相導体17は、ステータスロット16内に、2本の同相の相導体17が挿通しており、ステータコア15には全部で18本の波巻構成の相導体17が巻装されている。
また、図6,7の断面では、実際には、内径側の相導体17と、外径側の相導体17とでそれぞれ相導体17の三箇所の部位の断面が示されるべきであるが、それぞれ一つに纏めて記載してある。
各相導体17は、正極側スイッチ26、第2の負極側スイッチ28、第1の負極側スイッチ29及び第2の正極側スイッチ30により構成されたHブリッジ回路に個別に電気的に接続されている。
その他の構成は、実施の形態1のモータ1と同じである。
各相導体17は、図7において周方向にそれぞれaからrまでの番号が割り当てられている。
A+,B+,C+,D+,E+,F+,G+,H+,I+をそれぞれ振幅が等しく位相が40度ずつ順番にずれた9相交流の相とし、A−,B−,C−,D−,E−,F−,G−,H−,I−をそれぞれA+,B+,C+,D+,E+,F+,G+,H+,I+に対して位相が反転した状態を表すものとする。
このとき、番号aの相導体17にA+の相、番号bの相導体17にF−の相、番号cの相導体17にB+の相、番号dの相導体17にG−の相、番号eの相導体17にC+の相、番号fの相導体17にH−の相、番号gの相導体17にD+の相、番号hの相導体17にI−の相、番号iの相導体17にE+の相、番号jの相導体17にA−の相、番号kの相導体17にF+の相、番号lの相導体17にB−の相、番号mの相導体17にG+の相、番号nの相導体17にC−の相、番号oの相導体17にH+の相、番号pの相導体17にD−の相、番号qの相導体17にI+の相、番号rの相導体17にE−の相となるように各相導体17に通電する電流位相を調整することで、10極、45スロット、毎極毎相(1/2)の9相短節分布巻の電機子磁束を構成することができる。
なお、回転方向図示していない部位については回転偶対称の構成となる。
即ち、例えば番号aの相導体17は、図7において紙面の表側から垂直方向に裏側に向って延びた後、周方向に2極ピッチ、ステータスロット16を飛び越えた後、図示されていない番号qの左側に隣接したステータスロット16からは紙面の裏側から垂直方向に表側に向って延びている。
この場合も、回転方向図示していない部位については回転偶対称の構成となる。
3相のモータ1についても同様に、U+の相、V+の相、W+の相をそれぞれ振幅が等しく位相が120度ずつ順番にずれた3相交流の相とし、U−の相、V−の相、W−の相はぞれぞれU+の相、V+の相、W+の相に対して位相が反転した状態を表すものとする。
このとき、番号a,b,cの各相導体17にU+の相、番号d,e,fの各相導体17にW−の相、番号g,h,iの相導体17にV+の相、番号j,k,lの各相導体17にU−の相、番号m,n,oの各相導体17にW+の相、番号p,q,rの各相導体17にV−の相となるように各相導体17に通電する電流位相を調整することで10極、45スロット、3相短節分布巻の電機子磁束を構成することができる。
このような構成としても実施の形態1と同様の効果を奏する。
例えば、電流を制御する、負極側制御部品である第2の負荷側スイッチ28、正極側制御部品である第2の正極側スイッチ30の代わりに、それぞれダイオードを用い、第1の正極側スイッチ26、第1の負極側スイッチ29とともにHブリッジ回路を構成するようにしてもよい。
また、モータ1は、ロータ8に永久磁石21を有する永久磁石モータで説明したが、ロータ8は、突極を持つロータコアで構成されたスイッチトリラクタンスモータや、ロータコアの突極に巻線を施されて磁極を構成する巻線界磁型のモータ、ロータコアに設けた複数の溝に相導体を挿入し、軸線方向両端で該相導体がリング状相導体により短絡されたインダクションモータ、略円形のロータコア内側に複数の空隙を設けられたシンクロナスリラクタンスモータなどに構成されても同様の効果を奏する。
また、上記各実施の形態のモータ1について、ロータを平面に展開した構造であるリニアモータに対しても同様の効果を奏する。
また、回転電機である発電機にも、この発明は適用できる。
Claims (10)
- ロータと、
このロータを囲い、軸線方向に延びた複数のステータスロットが形成されたステータコア、及び各前記ステータスロットにそれぞれ波巻で挿通された各相導体を有するステータと、を備え、
各前記相導体の一方の端部は、電流をオン、オフする第1の正極側スイッチを介して直流電源の正極端子に電気的に接続されるとともに、電流を制御する負極側制御部品を介して直流電源の負極端子に電気的に接続され、
各前記相導体の他方の端部は、電流をオン、オフする第1の負極側スイッチを介して前記直流電源の負極端子に電気的に接続されるとともに、電流を制御する正極側制御部品を介して直流電源の正極端子に電気的に接続され、
前記第1の正極側スイッチ、前記負極側制御部品、前記第1の負極側スイッチ及び前記正極側制御部品は、制御装置により制御されることで、各前記相導体に流れる電流の振幅及び位相は、個別に制御される回転電機。 - 前記負極側制御部品は、電流をオン、オフする第2の負極側スイッチであり、前記正極側制御部品は、電流をオン、オフする第2の正極側スイッチである請求項1に記載の回転電機。
- 前記直流電源の数は、各前記相導体の数と同数あり、一つの前記直流電源に対して一つの各前記相導体がそれぞれ電気的に接続されている請求項1または2に記載の回転電機。
- 前記制御装置は、前記第1の正極側スイッチ、前記負極側制御部品、前記第1の負極側スイッチ及び前記正極側制御部品にそれぞれ個別に設けられている請求項1〜3の何れか1項に記載の回転電機。
- 前記制御装置は、前記第1の正極側スイッチ及び前記第1の負極側スイッチで一個、前記負極側制御部品及び前記正極側制御部品で一個設けられている請求項1〜3の何れか1項に記載の回転電機。
- 各前記ステータスロットには、それぞれ各前記相導体が径方向、または周方向に複数本挿通している請求項1〜5の何れか1項に記載の回転電機。
- 各前記ステータスロットには、それぞれ単数の各前記相導体の挿通している請求項1〜5の何れか1項に記載の回転電機。
- 前記ロータは、軸線方向に延びた磁石スロットに永久磁石が収納されたロータコアを有し、前記相導体は、回転する前記ロータの回転方向の遅れ側の前記永久磁石の端部に対向するときに流れる電流の前記振幅が前記端部に対向する前に流れる電流の前記振幅と比較して小さい請求項1〜7の何れか1項に記載の回転電機。
- 前記第1の正極側スイッチ、前記負極側制御部品、前記第1の負極側スイッチ及び前記正極側制御部品によりHブリッジ回路が構成されている請求項1〜8の何れか1項に記載の回転電機。
- 回転電機は、モータである請求項1〜9の何れか1項に記載の回転電機。
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