JP2016005409A - トルクリップルの低減構造を備える３相交流電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】分数スロットの電動機において、トルクリップルが低減でき、かつ製造工数を抑えた電動機を提供する。
【解決手段】電動機の回転子の極対数をＰ、固定子の巻線を挿入するスロット数をＮとする時、Ｎ/(６Ｐ)が、分母の値が４以上の既約分数となり、かつ、Ｎ＞３Ｐの関係を持つ３相交流電動機において、巻線挿入用スロットには、３相およびその逆位相の合計６相帯の何れかを１スロットにつき２層に分けて配置し、各スロットに配置した巻線の１層目の配置は、ＵＶＷの３相の各配置が、互いに機械角で±１２０度の回転対称性を持つようにし、２層目の配置は、回転対称性を有する１層目の各相を電気角で１８０度の位相反転し、かつ1層目とはＭスロット分だけ、ずらして配置し、Ｔを任意の奇数として、４／３５≦|Ｔ−２ＰＭ／Ｎ|≦８／３５の関係を持たせた３相交流電動機である。
【選択図】図１２

Description

本発明は、トルクリップルの低減構造を備える３相交流電動機に関し、特に、各相の巻線をいくつかのスロットに分散して巻いた分布巻３相交流電動機に関する。

永久磁石を備えた電動機にはコギングトルクと呼ばれる脈動や、トルクリップルと呼ばれるトルク変動がある。コギングトルクは、電動機において電機子と回転子との磁気的吸引力が回転角度に依存して細かく振動する現象であり、電動機に電流を流さずに電動機のシャフトを手等で回転させた時に確認できる。コギングトルクは、ロータやステータの形状等によって大きさが変わる。一方、トルクリップルは、電動機における誘導起電力波形が理想波形からずれることに起因して発生するもので、ロータから発生する磁束の高調波（或いはその磁束から発生する誘起電圧の高調波）が原因であり、電流の大きさに依存する（トルクリップル∝誘起電圧の高調波×電流）。電動機では特に、ロータ１回転につき極対数×６回振動する脈動成分が大きい傾向がある。

以上のように、電動機から発生するトルクには、前述のコギングトルクとトルクリップルの２つが脈動として加わる。このような脈動が存在することで、電動機に駆動される装置に振動・騒音が生じる。脈動の大きさは、電動機の負荷が小さい場合はコギングトルクが支配的になり、電動機の負荷が大きい場合はトルクリップルが支配的になる。これは、電動機の負荷が小さい場合は、電動機を駆動するための電流が小さくなるからであり、電動機の負荷が大きい場合は、電動機を駆動するための電流が大きくなるからである。

トルクリップルを低減するための従来の対策は、回転子のコアの形状や固定子のコアの形状、回転子のコアの磁極境界を軸方向から傾斜させるスキュー、固定子のコアにおけるスキュー等の最適化を図ることであった。ただし、最適化を図るための電動機の改造は、より複雑な電動機の構造を必要とし、製造における工数を増加させる要因になっている。また、トルクリップルに関しては、電流の大きさに依存するため、スキューのような対策を施しても、比較的大きめの電流による駆動時には効果が小さい。

ところで、電動機においては、磁極の数（極数）と、巻線を収容するスロット数及びスロット内への巻線の配置によっても、コギングトルクとトルクリップルの大きさが影響を受ける。コギングトルクとトルクリップルを低減させることができる極数とスロット数の組み合わせとして、スロット数を極数で割った値が既約分数となる分数スロットがあり、この分数スロットを採用した電動機がある（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００４−２３９５０号公報

特公平７−１０６０４６号公報

分数スロットの電動機では、極数とスロット数の最小公倍数を大きくするように、極数とスロット数を選定でき、コギングトルクとトルクリップルを減少させることができる。しかし、電動機の誘起電圧に含まれる高調波成分のうち、５次、７次のような比較的低次なものは、完全には消えておらず、誘起電圧の高調波と電流に依存して発生するトルクリップルは、十分に低減しきれていない。

また、スロット数が、極対数の３倍以上となり、かつ、分数スロットとなる電動機においては、コギングトルクとトルクリップルが小さくなる傾向があるものの、スロットに挿入する巻線のコイルピッチが１スロットより大きくなり、分布巻でしか巻くことができない。特に、数スロット数を極対数と相数と２で割った値が規約分数、かつ、その分母の値が４以上となる電動機においては、巻線の配置が複雑になることから、重ね巻されるのが一般的であり、製造における巻線の自動化には不向きである。

本発明は、分数スロットの電動機において、トルクリップルの更なる低減、かつ、電動機の製造にかかる工数を抑えた電動機を提供することを目的とする。更に詳しく述べれば、本発明は、３相交流の電動機において、極数、スロット数、巻線配置によりトルクリップルを低減し、かつ、製造工数を抑えた電動機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明では、電動機の回転子の極対数をＰ、固定子の巻線を挿入するスロット数をＮとする時、Ｎ／（６Ｐ）が、分母の値が４以上の既約分数となり、かつ、Ｎ＞３Ｐの関係を持つ３相交流電動機において、巻線を挿入する各スロットには、３相およびその逆位相の合計６相帯の何れかの巻線を、１スロットにつき２層に分けて配置し、各スロットに配置する２層の巻線のうち、片方の層の巻線配置について、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の巻線が、互いに機械角で±１２０度の回転対称性を持つように配置し、他方の層の巻線配置については、回転対称性を有する１層目の巻線の各々の相を電気角で１８０度の位相反転し、かつ１層目の巻線とはＭスロット分だけずらして配置し、極対数Ｐとスロット数Ｎ及びスロットずらし数Ｍが、Ｔを任意の奇数として、関係式、４／３５≦|Ｔ−２ＰＭ／Ｎ|≦８／３５を満たすようにしたことを特徴とする３相交流電動機が提供される。

本発明の３相交流電動機によれば、極数、スロット数、巻線配置により、トルクリップルの低減が実現でき、また、自動巻線可能な巻線構造であり、ロータやステータにおけるコアのスキューなどの脈動対策の機械的構造も必要としないため、製造時においても、製造工数を抑えることが可能である。

従来の電動機の、６極３６スロットの巻線配置の一例の一部を示す展開断面図である。 従来の電動機の、６極３６スロットの巻線配置の別の例の一部を示す展開断面図である。 従来の電動機の、４極１５スロットの巻線配置の一例の展開断面図である。 本発明の電動機における、第１の実施例の４極１５スロットの巻線配置の展開断面図である。 図４に示した４極１５スロットの巻線配置の、スロット内の第１層目におけるＵ相、Ｖ相及びＷ相の巻線配置のみを示す展開断面図である。 図５に示した４極１５スロットの巻線配置の、スロット内の第２層目に、第１層目のＵ相、Ｖ相及びＷ相の巻線と逆位相の相を配置した第１の実施例の巻線配置を示す展開断面図である。 図６に示した４極１５スロットの巻線配置の、スロット内の第２層目の巻線の配置を左に３スロット分ずらして配置した実施例の巻線配置を示す展開断面図であり、図４と同じ配置になった状態を示す図である。 図７に示した４極１５スロットの巻線配置の、スロット内の第１層目と第２層目の巻線の配置を固定子外側からＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の順になるように並べ替えた第２の実施例の巻線配置を示す展開断面図である。 ８極３０スロットのＩＰＭのロータを有する電動機において、スロットの２層目にある巻線のスロットのずらし数を３、４，５に替えた時の、ＦＥＭ磁気解析の結果を示す波形図である。 本発明の電動機における、１０極１８スロットの巻線配置の展開断面図である。 本発明の実施例１の電動機における、１０極３６スロットの巻線配置の展開断面図である。 本発明の実施例２の電動機における、１０極３６スロットの巻線配置の展開断面図である。 本発明の実施例１の電動機における、１０極３６スロットの巻線配置において、空層のスロットを有する場合の巻線配置の展開断面図である。 本発明の実施例１の電動機における、１０極３６スロットの巻線配置において、空スロットを有する場合の巻線配置の展開断面図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明の実施例を説明する前に、図１から図３を用いて従来の電動機における極数とスロット内への巻線の配置を説明する。なお、以後の説明では重ね巻を行った時のコイルのスロットピッチをコイルピッチと記してある。

（従来例１）
図１は従来の交流電動機の整数スロットの固定子１の一例（従来例１）を示すものであり、６極３６スロットの巻線配置を示している。整数スロットは（スロット数）÷（極数）が整数になる場合である（図１に示す例では３６÷６＝６）。固定子１は本来円筒状であるが、ここでは説明を分かり易くするために、円筒状である固定子１を直線的に展開した展開断面として示す。そして、以後の従来例及び本発明の実施例においても、固定子１における巻線４の配置の説明においては、この展開断面図を使用して固定子１と巻線４の配置を説明する。なお、図１には、展開した固定子１の一部（１２スロット分）の断面を示してある。

また、交流は３相交流であり、巻線４は１相につき２スロットずつ配置されており、２層巻の配置を取り、２層共、分布巻の全節巻である。各スロット２の上側の符号Ｂはスロット識別番号である。図１には、＋Ｕ相巻線、＋Ｖ相巻線及び＋Ｗ相巻線と、−Ｕ相巻線、−Ｖ相巻線及び−Ｗ相巻線が示してある。「＋」、「−」は通電方向を示しており、仮に、「＋」が電流の流れる方向が図の表側から裏側と定めると、「−」が電流の流れる方向が図の裏側から表側であり、電気角で１８０度電流の位相が異なる。

図１に示す従来例１には３６スロットあるので、１スロット角は１０度であり、６スロットピッチのコイルピッチである。従って、コイルピッチは電気角換算でスロット角１０度×６スロット×極対数３＝１８０度となる。図１に示す従来例１では、各スロット２に巻線４が重ね巻（２層巻）されている。重ね巻をした際の巻線（コイル）４の相手先は符号５で示す線で示してあり、電気角で１８０度離れた位置にある。例えば、スロット識別番号Ｂの値が４のスロット２において重ね巻された巻線４（＋Ｗ相巻線）の相手は、スロット識別番号Ｂの値が１０の第１層の巻線（−Ｗ相巻線）４である。

（従来例２）
図２は従来の交流電動機の整数スロットの固定子１の別の例（従来例２）を示すものであり、６極３６スロットの巻線配置を示している。図２にも、固定子１の一部（１２スロット分）を示してある。従来例２の巻線配置が従来例１の巻線配置と異なる点は、２層巻の各相の２層目の巻線が、１スロット分ずつ右側にずらされている点である。このため、重ね巻をした際の巻線４の相手先は符号５で示す線で示すように、電気角で（１８０度×５/６度）離れた位置になっている。図２に示される実施例２では、５スロットのコイルピッチであるので、コイルピッチは電気角換算で１５０度となる。

（分布巻の短節巻）
図２に示した従来例２では、図１に示した従来例１の配置と比べて、トルクがやや減少するものの、トルクリップルが低減される。しかし、整数スロットの電動機の場合、（極数：スロット数）＝（１：３ｎ）（ｎは自然数）となり、極数とスロット数の最小公倍数は、スロット数と一致するため、最小公倍数を大きくするためには、スロット数を多くしなければならない。ところが、スロット数は製造的にあまり大きく取れないため、最小公倍数に起因するトルクリップルは、振幅が大きい低次なものが発生しやすい。そのため、短節巻による効果はやや小さい。

（従来例３）
図３は従来の交流電動機の分数スロットの固定子６の更に別の例（従来例３）を示すものであり、公知の４極１５スロットの巻線配置を示している。１スロットにつき２相配置されており（２層巻）、各相の占有スロット数がやや不均一になっている。従来例３は、（スロット数）÷（極数）÷（相数）が１５÷４÷３＝５／４となり、分母が４以上の既約分数となる場合である。また、重ね巻をした際の巻線の相手先は、１層目と２層目で数スロットずれた位置にあり、その２つのスロットの間は、電気角で、およそ１８０度離れた位置にある。

従来例３では、４スロットのコイルピッチであり、そのスロット間の中心角は、電気角換算で１９２度であり、長節巻である。なお、 分数スロットにおける重ね巻のコイルピッチの取り方については、整数スロットとは異なり、全節巻（コイルピッチが電気角１８０度）の配置を取ることができない。分数スロットのコイルピッチについて、特に規定するような文献はなく、電気角で１８０度に近い値を取るのが良いとされてきた。

従来例３では、４極１５スロットの極数とスロット数の最小公倍数は６０であるために、ロータ１回につき最小公倍数の分だけ振動する脈動成分の振幅は小さくなる。同じ極数の整数スロットの電動機で、この最小公倍数を実現するためには、６０スロットが必要になる。少ないスロット数で、最小公倍数を大きく取ることが出来るという点で、分数スロットの電動機は、整数スロットの電動機よりも利点がある。しかし、ロータ１回転あたり、極対数×６回振動する脈動成分は、極端に小さくすることができなかった。従って、この脈動成分を小さくすることが、従来例１〜従来例３に示した分数スロットの固定子６の課題であった。

図４は本発明の第１の実施例における分数スロットの短節巻を示すものであり、４極１５スロットの固定子６における巻線配置を示している。１つのスロット２につき２相配置されており（２層巻）、重ね巻をした際の巻線の相手先は、符号５で示すように電気角で１８０度×４/５離れた位置にある。第１の実施例では、３スロットのコイルピッチであり、そのスロット間の中心角は、電気角換算で１４４度である。

ここで、図４に示した４極１５スロットの固定子６における巻線配置の配置法について図５から図７を用いて説明する。

図５は、１５スロットの固定子６のスロット２の第１層目に、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の巻線を配置した状態を示すものである。Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の順番は特に規定はないが、各相が互いに機械角で±１２０度の回転対称性を有していることが、１層目の条件である。Ｕ相の巻線の配置を機械角で±１２０度回転させると、Ｗ相の巻線とＶ相の巻線の何れかと配置が重なる。尚、この条件を満たしているならば、例えば、巻線が挿入されていない空層や空スロットなどが存在していても良い。空層のスロットや空スロットなどがある場合については後述する。図５では、Ｕ相の巻線の配置を左に５スロット分（機械角で１２０度）ずらすと、Ｖ相の巻線配置と重なり、右に５スロット分ずらすとＷ相の巻線配置と重なるように配置してある。

２層目には、図６に示すように、１層目とは通電方向が逆となる逆位相の同じ相の巻線を配置する。例えば、あるスロット２の第１層の巻線がＵ相の巻線（−Ｕ）である場合には、このスロット２の第２層の巻線はＵ相の逆位相の巻線（＋Ｕ）を配置する。同様に、Ｖ相の巻線（−Ｖ）には逆位相のＶ相の巻線（＋Ｖ）を並べて配置し、Ｗ相の巻線（−Ｗ）には逆位相のＷ相の巻線（＋Ｗ）を並べて配置する。第１層の巻線がＵ相の巻線（＋Ｕ）、Ｖ相の巻線（＋Ｖ）及びＷ相の巻線（＋Ｗ）の場合も同様であり、第２相にはＵ相の巻線（−Ｕ）、Ｖ相の巻線（−Ｖ）及びＷ相の巻線（−Ｗ）を並べて配置する。

最後に、図６に示した状態から、２層目に配置された巻線を、Ｍスロット分（Ｍは整数）ずらして配置する。例えば、図６に示した状態から、２層目に配置された巻線を、左に３スロット分ずらして配置する。この操作を行って、２層目の巻線を全てずらすと図７に示すような巻線配置になり、図４に示した巻線配置と同じになる。

ここで、電動機の回転子の極対数をＰ，固定子６の巻線を挿入するスロット２の数をＮとし、更に、１層目に対して２層目をずらすスロットの数をＭとし、トルクリップルを低減できるような組み合わせを調べたところ、理論的に下記の式の値が重要であることが分った。
Ｑ＝｜Ｔ−２×Ｐ×Ｍ÷Ｎ｜ …（１）
但し、Ｔは任意の奇数である。理論的な考察から、この式１が４／３５≦Ｑ≦８／３５を満たす時、電動機のトルクリップルが低減され、電動機の性能が向上することが分った。そして、この理論的な考察に基づいた磁気解析によっても、式１のＱが４／３５≦Ｑ≦８／３５を満たす時、電動機のトルクリップルが低減され、電動機の性能が向上するが、この磁気解析については後述する。

電動機の誘起電圧の大きさは、ステータのスロットに巻かれる巻線のコイルピッチに影響され、次式で表される短節係数が重要な要因の１つであることが知られている。
Ｋｓ＝|sin(ｎπβ/２)| …（２）
電動機のステータに発生する誘起電圧は、巻線に発生する鎖交磁束とロータから発生している磁束の位相が同期して大きくなるが、巻線のスロットの位置によって両者が同期し易くなったり、同期し難くなったりする。それによって、誘起電圧の大きさが影響を受ける。式２はそのコイルピッチによる誘起電圧の低減率を計算するものである。

式２において、ｎは電動機に発生する誘起電圧波形の次数であり、βは磁極ピッチとコイルピッチの比である。Ｋｓは０から１の値を取り、ｎ＝１の時、１に近い程トルクが大きくなる。ｎ＝１以外の時、Ｋｓは、誘起電圧の高調波の低減率を表しており、０に近いほど発生する高調波が小さくなる。電動機の誘起電圧高調波のうち、偶数次の波形はロータのＮ極とＳ極の対称性から発生し難い。また、３次、６次、９次、‥等の３の倍数次の波形についても、３相の結線がスター結線である場合には、３相の波形が打ち消し合うので影響は小さい。特に重要なのは、残りの高調波の中で低い次数となる５次、７次であり、ｎ＝５、ｎ＝７の時、誘起電圧の高調波の低減率Ｋｓが０に近いことが望まれる。

ところで、磁極ピッチは極対数Ｐによって決まり、また、重ね巻をした場合には、コイルピッチはスロット数Ｎとずらし数Ｍによって値が決まる。このとき、βとの関係を求めると、β＝２ＰＭ／Ｎとなる。つまり、Ｐ、Ｎ、Ｍを適切に選択することで、式２の値を操作することができる。また、式１のＱについては、Ｑ＝｜Ｔ−β｜の関係となる。式２が周期関数であるため、所定の特性が得られるβの値の範囲は、周期的になるので、大きいβの値に対しても、解を得られるように任意の奇数Ｔを用いて、Ｑの式を定義した。

数値的な考察から、Ｋｓは、式１のＱが１／７≦Ｑ≦１／５を満たす時、ｎ＝１のＫｓの値が１に近いまま、ｎ＝５とｎ＝７の時の両者のＫｓの値を小さくできることが分った。また、Ｑの範囲を倍に広げ、式１のＱが４／３５≦Ｑ≦８／３５を満たす時でも、ｎ＝１のＫｓの値が１に近いまま、ｎ＝５、あるいは、ｎ＝７の時のいずれかのＫｓの値、あるいは、両方を小さくすることが可能ということも分った。

図４に示した第１の実施例の電動機における巻線の配置では、Ｐ＝２，Ｎ＝１５，Ｍ＝３、Ｔ＝１である。ここで、この数値を式１に当てはめると、Ｑ＝０．２となり、式１のＱが４／３５≦Ｑ≦８／３５の範囲内に収まるので、本発明の第１の実施例の電動機はトルクリップルが低減され、電動機の性能が向上する。

なお、図３に示した従来例３の電動機においては、Ｐ＝２，Ｎ＝１５，Ｍ＝４であり、この数値を式１に当てはめると、Ｔにどのような奇数を選択しても、Ｑが４／３５≦Ｑ≦８／３５の範囲内に収まらない。よって、図３に示した従来例３の電動機における巻線配置では、トルクリップルが低減されず、電動機の性能が向上しない。

図８は本発明の第２の実施例における分数スロットの短節巻を示すものであり、４極１５スロットの固定子６における巻線配置を示している。この巻線配置は、１つのスロット２につき２相配置された２層巻である。第２の実施例は、図７に示した第１の実施例のスロット２内の相を入れ替えたものである。

第１の実施例では各スロット２の中の第１層目と第２層目は、重ね巻の巻き方になるように配置されていた。一方、第２の実施例では、各スロット２の中の第１層目の巻線と第２層目の巻線が、固定子６の外側から、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の順番に並べ変えられている。

例えば、固定子６のスロットにインサータ方式による自動巻線機を用いて巻線を行う場合、重ね巻のように各相の巻線を入れ替えてインサータに巻線を配置することは非常に製造工数が大きくなる。即ち、固定子６のスロットに自動巻線機を用いて巻線を行う場合は、３相の巻線の内、特定の相の巻線を１相ずつ順に配線した方が製造工数的に効率が良い。図８に示した第２の実施例では、図７に示した第１の実施例に対して、スロット識別番号Ｂの値が６、１０、１４のスロット２の１層目と２層目を入れ替えて配置した。

図３〜図８では、４極１５スロットの分数スロット電動機の巻線配置を示したが、産業機械や工作機械で一般的に使用される電動機においては、極数は６極、８極、１０極であることが多い。これは電動機の極数が少なすぎると、ロータ１極あたりの外周の長さが長くなり、ロータから発生する磁束の波形が、正弦波波形からずれて台形形状になり易くなり、トルクの脈動が大きくなる原因になるからである。また逆に、極数が多すぎると製造工数の増加に繋がることになる。そのため、産業機械や工作機械で一般的に使用される電動機においては、極数は６極、８極、１０極のものが選択され易い。

ここで、極数が６極、８極、１０極の電動機の中で、（スロット数）÷（極数）÷（相数）が既約分数となり、かつ、既約分数の分母の値が４以上となる例を挙げると、スロット数が大きくなりすぎない中では、８極３０スロット、１０極１８スロット、１０極３６スロット等がある。尚、８極３０スロットにおいては、図４で示した４極１５スロットと（極数）：（スロット数）が同じであるため、１５スロット分の巻線配置を周期的に２倍に並べて、３０スロットとすれば十分である。

図９は、８極３０スロット（Ｐ＝４、Ｎ＝３０）のＩＰＭの電動機（埋め込み磁石形の電動機）の有限要素法（ＦＥＭ）による磁気解析結果を示すものであり、式１の根拠を示すものである。ここでは、８極３０スロット（Ｐ＝４、Ｎ＝３０）のＩＰＭの電動機のＭの値を３、４、５に変えて比較実験を行った。前述の式１におけるＱの値は、Ｍの値が３の時にＴ＝１を代入すれば、４／３５≦Ｑ≦８／３５の範囲内に収まる。Ｍの値が４の時及びＭの値が５の時は、Ｔにどのような奇数を代入しても、Ｑが４／３５≦Ｑ≦８／３５の条件を満たさない。この結果、Ｍ＝３の時のみが、４／３５≦Ｑ≦８／３５の関係を満たすことが分った。

尚、Ｍ＝３の場合においては、１／７≦Ｑ≦１／５の範囲内にも収まるため、より脈動を低減することができる。実際に式２に、β＝２ＰＭ／Ｎ＝４／５を代入し、ｎ＝１、ｎ＝５、ｎ＝７の時のＫｓの値を求めると、それぞれ、０．９５１、０、０．５８７となり、ｎ＝１のＫｓが１に近い値のまま、ｎ＝５、ｎ＝７の場合の値を小さくできる。

図９に示すように、８極３０スロット（Ｐ＝４、Ｎ＝３０）のＩＰＭの電動機のＭの値を３、４、５に変えた磁気解析の結果、Ｍ＝３、Ｍ＝４及びＭ＝５の各々の波形で、電気角３６０度で６回の脈動成分が確認できる。そして、この磁気解析の結果、Ｍ＝３の時のトルクリップルが、Ｍ＝４及びＭ＝５の時のトルクリップルより小さくなっていることが分る。

図１０は、前述の１０極１８スロットにおいて、本発明の第３の実施例の電動機における巻線の配置を示すものの一例であり、Ｐ＝５，Ｎ＝１８，Ｍ＝５の場合を示している。第３の実施例では、Ｔ＝３とすれば式１におけるＱの値が４／３５≦Ｑ≦８／３５を満たし、電動機のトルクリップルが低減され、電動機の性能が向上する。実際に式２に、β＝２ＰＭ／Ｎ＝２５／９を代入し、ｎ＝１、ｎ＝５、ｎ＝７の時のＫｓの値を求めると、それぞれ、０．９３９、０．１７３、０．７６６となり、ｎ＝１のＫｓが１に近い値のまま、ｎ＝７の時、Ｋｓの低減はそれほど大きくはないが、ｎ＝５の場合の値を小さくすることができる。

図１１は、前述の１０極３６スロットにおいて、本発明の第１の実施例の電動機における巻線の配置を示すものの一例であり、Ｐ＝５、Ｎ＝３６の場合を示している。ここで、Ｍ＝３、Ｔ＝１とすれば、式１におけるＱの値が１／６となるため、１／７≦Ｑ≦１／５を満たし、電動機のトルクリップルが低減される。実際に、式２にβ＝２ＰＭ／Ｎ＝６／５を代入し、ｎ＝１、ｎ＝５、ｎ＝７の時のＫｓの値を求めると、Ｋｓの値がそれぞれ、０．９６５、０．２５８、０．２５８となり、ｎ＝１のＫｓが１に近い値のまま、ｎ＝５、ｎ＝７の場合の値を小さくできる。

図１２は、１０極３６スロットにおいて、本発明の第２の実施例の電動機における巻線の配置の一例を示すものである。この例では、図１１のスロット識別番号Ｂの値が２、９、１６、２０、２７、３４の巻線配置が入れ替えられ、各スロット中の巻線が、固定子６の外側から、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の順番に並べ変えられている。

図１３は、１０極３６スロットにおいて、本発明の第１の実施例の電動機であるが、空層を有する場合の例を示している。この例では、各スロットは、１層巻になっているスロットと２層巻になっているスロットの２種類があり、それぞれのスロットで、総巻数が異なる例が示されている。図１４の各スロット上側を１層目とし、下側を２層目とすると、１層目は、ＵＶＷの各巻線配置について、互いに機械角で１２０度の回転対称性を有しており、図５を用いて説明した１層目の条件を満たしている。

例えば、図１３のスロット識別番号Ｂの値が１５の１層目には＋Ｕの巻線が配置されているが、右側方向に１２スロットずれたスロット識別番号Ｂの値が２７の１層目に＋Ｗの巻線が配置され、左側方向に１２スロットずれたスロット識別番号Ｂの値が３の１層目に＋Ｖの巻線が配置されている。３６スロットのスロット角は１０度であるため、これらの巻線は、機械角で±１２０度離れている。他のスロット内の１層目の巻線についても同様の回転対称性がある。また、２層目については、１層目との関係が、ずらし数Ｍが３となるように巻線が配置され、Ｔ＝１とおけば、式１におけるＱの値が１／６となり、１／７≦Ｑ≦１／５を満たしているため、他のずらし数を選択した時と比較して、電動機のトルクリップルが低減する。

図１４は、１０極３６スロットにおいて、本発明の第１の実施例の電動機であるが、空スロットを有する場合の一例を示すものである。図１４に示した各スロット上側を１層目とし、下側を２層目とすると、１層目は、ＵＶＷ相の各巻線配置について、互いに機械角で１２０度の回転対称性を有しており、図５で説明した１層目の条件を満たしている。例えば、図１４の時２２、２３には＋Ｕの巻線が配置されているが、右側方向に１２スロットずれたスロット識別番号Ｂの値が３４、３５の１層目に＋Ｗの巻線が配置され、左側方向に１２スロットずれたスロット識別番号Ｂの値が１０、１１の１層目に＋Ｖの巻線が配置されている。

３６スロットのスロット角は１０度であるため、これらの巻線は、機械角で±１２０度の回転対称性を有する。尚、他のＵＶＷ相の巻線についても同様の回転対称性を有している。また、２層目について、ずらし数Ｍが３となるように巻線が配置され、Ｔ＝１とおけば、式１におけるＱの値が１／６となり、１／７≦Ｑ≦１／５を満たしているため、他のずらし数を選択した時と比較して、電動機のトルクリップルが低減する。

このように、本発明は、スロット数を極数で割った値が既約分数で、かつ、既約分数の分母の値が４以上となる分布巻の電動機において、各スロットを２層に分け、各スロットの１層目の配置を、３相およびその逆位相の合計６相帯が、各々の相のスロット配置について機械角で±１２０度の回転対称性を持つように配置し、２層目の配置を、１層目の各々の相を電気角で１８０度位相反転し、かつ１層目とはＭスロット分ずらして配置したものである。そして、スロット数Ｎ，極対数Ｐ及び２層目の巻線ずらしスロット数Ｍを式１に代入した時に、４／３５≦Ｑ≦８／３５の関係を持つように定めた。

この結果、回転子と固定子の間に存在する空間磁束の高調波が、固定子の各スロットにある巻線に作用し、誘起電圧の高調波を発生する際に、各スロットの巻線毎に位相がずれ合い、結果として誘起電圧の高調波を低減することができる。これにより、トルクリップルを小さくすることができる。

１ 固定子
２ 固定子のコアのスロット
３ 固定子のコア
４ 巻線（コイル）
６ 固定子

Claims (7)

1. 電動機の回転子の極対数をＰ、固定子の巻線を挿入するスロット数をＮとする時、Ｎ／（６Ｐ）が、分母の値が４以上の既約分数となり、かつ、Ｎ＞３Ｐの関係を持つ３相交流電動機において、
   巻線を挿入する各スロットには、３相およびその逆位相の合計６相帯の何れかの巻線を、１スロットにつき２層に分けて配置し、各スロットに配置する２層の巻線のうち、片方の層の巻線配置について、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の巻線が、互いに機械角で±１２０度の回転対称性を持つように配置し、他方の層の巻線配置については、前記回転対称性を有する１層目の巻線の各々の相を電気角で１８０度の位相反転し、かつ１層目の巻線とはＭスロット分だけずらして配置し、
   前記極対数Ｐとスロット数Ｎ及びスロットずらし数Ｍが、Ｔを任意の奇数として、以下の関係式、
   ４／３５≦|Ｔ−２ＰＭ／Ｎ|≦８／３５
   を満たすようにしたことを特徴とする３相交流電動機。
2. 前記電動機の固定子のスロットにおいて、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の挿入の順番、及び、スロット内のＵ相、Ｖ相及びＷ相の位置は、１層目と２層目で区別していないことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記電動機の固定子のスロット内のＵ相、Ｖ相及びＷ相の巻線配置は、空層、空スロットを含むことを特徴とする請求項２に記載の電動機。
4. 前記電動機において、前記極対数Ｐとスロット数Ｎ及びスロットずらし数Ｍが、Ｔを任意の奇数として、以下の関係式、
   １／７≦|Ｔ−２ＰＭ／Ｎ|≦１／５
   を満たすようにしたことを特徴とする請求項２に記載の３相交流電動機。
5. 前記電動機において、前記極対数Ｐ＝５、スロット数Ｎ＝１８、スロットずらし数Ｍ＝５及びＴ＝３としたことを特徴とする請求項２に記載の３相交流電動機。
6. 前記電動機において、前記極対数Ｐ＝４、スロット数Ｎ＝３０、スロットずらし数Ｍ＝３及びＴ＝１としたことを特徴とする請求項４に記載の３相交流電動機。
7. 前記電動機において、前記極対数Ｐ＝５、スロット数Ｎ＝３６、スロットずらし数Ｍ＝３及びＴ＝１としたことを特徴とする請求項４に記載の３相交流電動機。

Images