JP2016158460A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導起電力高調波とトルクリプルを低減することができ、小型軽量が要求される回転電機に適用できる回転電機を実現する。【解決手段】本発明の回転電機は、固定子の固定子鉄心に複数のティースとスロットを形成し、固定子鉄心の各ティースに多相交流の各相のコイルすべてを配置した構造を特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば交通システムにおけるハイブリッド自動車・電気自動車、鉄道、エネルギーシステムにおける火力、水力、風力、海流発電機、また社会システム・家電におけるエレベータ、エアコン等家電機器に搭載される回転電機であって、固定子巻線に特徴を有する回転電機に関する。

近年、永久磁石機において、固定子巻線のコイル端を極力短縮し銅損を減らすためにコイルピッチをスロットピッチと等しくした集中巻を採用する事例が増えている。しかし、固定子巻線に３相交流を与えた際、巻線が発生する磁束に多くの空間高調波を含む。そのため分布巻と比較し誘導起電力高調波、トルクリプルが増加する（非特許文献１，２）。

一方、発電機の出力（電圧）や電動機のトルクは要求値に応じた量で一定値にすることが望まれる。しかし、実際の回転電機は回転時に生じる磁界の変動によって出力脈動やトルク脈動が生じる。

現在の脈動低減のための設計技術としては、毎相毎極当たりのコイル数を整数倍に増やし回転電機の固定子鉄心内に配置する技術を採用している。

この技術は、電力用の大出力機のように外径が大きく、体格や重量に厳しい制限のない回転電機に適用できる。しかしながら、交通システム、風力発電、ロボット・自動製造装置、モバイル機器等の回転電機では、小型化・軽量が重要であるので、多数のコイルを収めることができず、上記の毎相毎極当たりのコイル数を整数倍に増やす固定子設計技術は適用できない。

金東海：「現代電気機器理論」、電気学会（２０１０年） 森本茂雄、真田雅之：「省エネモータの原理と設計法」、科学技術出版（２０１３年）

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、誘導起電力高調波とトルクリプルを低減することができ、小型軽量が要求される電動機、発電機等の回転電機分野に適用できる回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、固定子の固定子鉄心に複数のティースとスロットを形成し、前記固定子鉄心の各ティースに多相交流の各相のコイルすべてを配置した回転電機を特徴とする。

上記回転電機にあっては、前記固定子鉄心の各ティースに巻かれた多相各相のコイルの巻数を、少なくとも１相のコイルの巻数が他相のコイルの巻数とは異なるものとすることができる。

また本発明は、固定子の固定子鉄心に極数の整数倍とは異なる数のティースとスロットを形成し、前記固定子鉄心の各ティースに多相交流の各相のコイルすべてを配置した回転電機を特徴とする。

上記回転電機にあっては、前記固定子鉄心の各ティースに巻かれたス多相各相のコイルの巻数を、少なくとも１相のコイルの巻数が他相のコイルの巻数とは異なるものとすることができる。

本発明の回転電機によれば、固定子鉄心の各ティースに多相全相のコイルを重ねて配置し、さらに各コイルの巻数を異なるものにすることにより、誘導起電力高調波とトルクリプルを低減することができ、小型軽量が要求される回転電機に適用できる。

本発明の実施の形態の回転電機の部分断面図。 本発明の実施例と比較例との高調波に対する分布巻係数のグラフ。 本発明の実施例と比較例との誘導起電力波形のグラフ。 本発明の実施例と比較例との誘導起電力の高調波成分のグラフ。 本発明の実施例と比較例とのトルク波形のグラフ。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

従来の集中巻構成法は１つのティースに対して１つのコイルを配置している。そしてそのコイルは、３相電源の場合にはそのＵ，Ｖ，Ｗ相のいずれかの相を構成する一部分となっている。例えば３相９スロット機では、各スロットに３相のいずれか１相のコイルを配置する構成にし、全部で９個のコイルを、１相につき３つのコイルを直列接続して用いる構成である。

これに対して本発明の回転電機では、固定子鉄心の内周部に等角度間隔ずつ隔てて形成されている複数個のティースそれぞれに対して、多相電源の全相のコイルを重ねて配置することによって構成し、これによって各相のコイルを分布させる。そして、各ティースに配置した多相全相のコイルの巻数については、少なくとも１相のコイルの巻数が他相のコイルの巻数とは異なるものとし、あるいは全相で異なるものとする。さらに固定子鉄心の全周に渡って各相のコイルを配置し、全周に渡って配置する機内のコイル位置は磁極中心軸に対して各コイル中心軸となす角度が異なるものとする。

図１に、本発明の１つの実施の形態の回転電機として、回転子２極の永久磁石式誘導機１を示している。本実施の形態の永久磁石式誘導機１は３相９スロット機であり、永久磁石２１の埋め込まれた２極の回転子２と、この回転子２をエアギャップ３を介して取り囲むように配置された円筒状の固定子４とで構成されている。

そして、固定子４の構造は次の通りである。固定子鉄心４１の内周部に等角度間隔ずつ隔てて形成されている複数個９個のティース４２それぞれに対して、Ｕ，Ｖ，Ｗ３相のコイル４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗそれぞれを重ねて配置している。本実施の形態では、これら複数個９個のティース４２それぞれに配置したＵ，Ｖ，Ｗ３相のコイル４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗの全体を固定子巻線４３と称する。また、９個のティース４２それぞれの間にはコイルを挿入する９個のスロット４５が形成されており、各ティース４２に巻かれたコイル群はその両隣のスロット４５に収容された形になる。

この固定子巻線４３では、より大きな誘導起電力高調波減衰能力を得るためにティース４２ごとに配置しているＵ，Ｖ，Ｗ３相のコイル４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗそれぞれを異なった巻数にしている。そして各ティース４２の合計巻数は、どのティース４２でも同数としている。尚、厳密に同巻数とすることが最適ではあるが、実機では厳密には同巻数とできない場合もあり、その場合には可能な限り同巻数とする。（請求の範囲では、同数と見なしてよい範囲も含めて「同数」と表現している。）また、各相のコイル４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗの固定子４全周での総巻数も同数としている。

以上により、本実施の形態の回転電機によれば、分布多層不等巻数巻線によって固定子巻線を構成することにより、従来の単層、二層巻線法と比較して効果的に多くの成分の高調波を低減でき、これにより、コイルを重ねて配置して分布させ、各コイルの巻数を不等として最適化することで従来の固定子巻線の巻線構成では困難だった多くの誘導起電力高調波を同時に除去することが可能である。

より詳しくは、１つのティースに３相の異なるコイルが配置されるので、各極ピッチの範囲にある各相の複数のコイル位置が磁極中心軸に対して相対的位置をずらした配置となり、これによって、各相の各コイルに生じる電圧は電気的位相のずれた波形になり、各相で加え合わせると高調波を相殺して低減できる。これより、電圧波形はほぼ基本波成分になって出力脈動やトルク脈動が低減できる。

また各ティースに巻かれたコイルは３相の位相の異なるコイルの巻数で、位相と同時に大きさを調整できるようになり、これによりさらに高調波を低減できる。

さらに、極数の整数倍と異なるティースとスロット数の固定子において、１つのティースに３相の異なるコイルを配置することによって、各相のコイルが固定子の全周に相対的位置をずらした配置となり、これによって、各相の各コイルに生じる電圧は電気的位相のずれた波形になり、各相で加え合わせると高調波を相殺して低減できる。これより、電圧波形はほぼ基本波成分になって出力脈動やトルク脈動が低減できる。

尚、本発明は上記の実施の形態の構成に限定されることはなく、回転子の極数は４極、８極等と変更が可能であり、また固定子のティース数とスロット数も変更が可能である。

また、汎用的な交流では３相が安価であり、技術も一般的である。しかし、パワーエレクトロニクス技術進歩で、インバータ等の電力変換回路は３相だけでなく、多相交流電力にも適用できるようになっている。そこで交流電力の相数については、３相に限定されず、６相、９相等の多相交流の回転電機にも適用できる。そして多相交流については、多相にすればするほど相の切替までの期間での変化量を小さくできるので、電圧やトルク変動を小さくできる。例えば、本回転電機は９スロットなので、９相の回転電機もできる。
[実施例]
３相９スロット２極の埋込磁石同期機を解析モデルとし、従来の集中巻構成の同期機の特性を比較例とし、本実施の形態の巻線構成の同期機を実施例として、それぞれの特性を２次元有限要素法磁界解析でシミュレーションした。結果を表１、図２〜図５に示してある。

採用した巻数設計式は次式である。

ここで、ｈｎは基準コイル０番目からｎ番目にあるコイルの巻数、αは電気的に隣り合うコイルの誘導起電力位相差［ｅｌｅｃ．ｒａｄ］、γは基準コイルに対する１相の合成誘導起電力位相［ｅｌｅｃ．ｒａｄ］（例えばＵ相：γ＝０、Ｖ相：γ＝４π／３、Ｗ相：γ＝−４π／３）、ｈｂａｓｅは適当な巻数にするために定数倍するための基準となる巻数、Ｒｏｕｎｄは丸め関数である。

この数１式に、α＝２π／９、ｈｂａｓｅ＝１６を代入して設計を行った実施例が表１の構成である。尚、表１の中に負（−）の巻数が出現しているが、そのコイルの電流通電向きを逆向きにするということである。

例を挙げてみれば、基準コイルｎ＝０の場合、それに対応するティースにおける合計巻数は６４であり、Ｕ相コイル４３Ｕは３２回巻き、Ｖ相コイル４３Ｖは１６回巻きで逆向き通電、Ｗ相コイル４３Ｗについても１６回巻きで逆向き通電とする。

またこの基準コイルｎ＝０よりも１行上で、基準コイルに対して反時計回りで１つ隣りのティース（ｎ＝−１）に対しては、合計巻数は６１であり、Ｕ相コイル４３Ｕは２５回巻き、Ｖ相コイル４３Ｖは６回巻き、そしてＷ相コイル４３Ｗについては３０回巻きで逆向き通電としている。

さらに、基準コイルｎ＝０よりも２行下で、基準コイルに対して時計回りで２つ隣りのティース（ｎ＝２）に対しては、合計巻数は６１であり、Ｕ相コイル４３Ｕは６回巻き、Ｖ相コイル４３Ｖは３０回巻きで逆向き通電、そしてＷ相コイル４３Ｗについては２５回巻きとしている。以下、各行同様である。

第ｑ次高調波に対する分布巻係数Ｋｄｑは以下の数２式で算出した。

図２のグラフは、各高調波に対する分布巻係数、図３は誘導起電力波形、そして図４は誘導起電力の高調波成分を示し、図５はトルク波形を示している。各図において、比較例の特性は曲線Ｃ２とし、本実施例の特性は曲線Ｃ１として区別している。ただし、図５のトルク波形では、曲線Ｃ３はコギングトルク波形である。

実施例と比較例との両巻線法の１相分の総巻数を１８６で等しくなるようにするために、比較例のコイル巻数を６２と決めている。

図２では、両巻線構成の各高調波に対する分布巻係数を示しているが、分布巻係数は周期関数となるのでその一周期分を示している。実施例Ｃ１は９ｍ±１次（ｍは任意の整数）以外の高調波について分布巻係数が極めて小さいので、比較例Ｃ２と比べて大きな高調波減衰能力を期待できる。

解析結果を図３〜図５を参照して説明する。図３に３０００［ｒｐｍ］で回転させた際の誘導起電力の波形を示し、そしてその調波解析の結果を図４に示してある。図４の調波解析より、図２の分布巻係数から予想される高調波減衰能力通り、実施例Ｃ１は比較例Ｃ２より誘導起電力高調波が大きく減衰され、９ｍ±１次に該当する１７次、１９次以外の高調波は、０．１［Ｖ］以下に減衰されていることが確認できる。

図５に三相正弦波電流駆動を行った時のトルク波形を示してある。この図５より、実施例Ｃ１は比較例Ｃ２に比べてトルクリプルが小さい。そして実施例Ｃ１のトルク波形はコギングトルクの波形Ｃ３の形に近い。このことから実施例Ｃ１におけるコギングトルクがリプルの主要因とみられる。これは、図４よりトルクリプルを生じさせる６ｍ±１次に該当する５次，７次，１１次，１３次，２３次，２５次高調波が減衰されたためである。しかし、実施例Ｃ１でも、上述の通り図４のグラフにおいて１７次、１９次の高調波は減衰されていないため、１８次のトルクリプルは生じている。

上記実施例により、回転電機の機内の高調波磁界を低減でき、電圧脈動、出力脈動、トルク脈動を大幅に低減できることが確認できた。

１ 回転電機
２ 回転子
３ エアギャップ
４ 固定子
４１ 固定子鉄心
４２ ティース
４３ コイル
４３Ｕ Ｕ相コイル
４３Ｖ Ｖ相コイル
４３Ｗ Ｗ相コイル
４５ スロット

Claims (5)

1. 回転子と固定子とを備えた回転電機にあって、
   前記固定子の固定子鉄心に複数のティースとスロットを形成し、
   前記固定子鉄心の各ティースに多相交流の各相のコイルすべてを配置したことを特徴とする回転電機。
2. 前記固定子鉄心の各ティースに巻いた多相交流の各相のコイルの巻数を、少なくとも１相のコイルの巻数が他相のコイルの巻数とは異なるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 回転子と固定子とを備えた回転電機にあって、
   前記固定子の固定子鉄心には、極数の整数倍とは異なる数のスロットを形成し、
   前記固定子鉄心の各ティースに多相交流の各相のコイルすべてを配置したことを特徴とする回転電機。
4. 前記固定子鉄心の各ティースに巻いた多相交流の各相のコイルの巻数を、少なくとも１相のコイルの巻数が他相のコイルの巻数とは異なるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記請求項１〜４において、多相交流を３相交流とすることを特徴とする回転電機。
   

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