JP2019154153A - 巻線構造及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも循環電流損及び銅損の和を最小とすることで高効率化を図ることができる巻線構造を提供する。【解決手段】円筒形状のステータコア１０と、ステータコアの周方向に所定間隔をあけて形成されている複数のステータスロット１１と、隣接するステータスロットの間に形成された複数のティース１２とを備えたステータ２において、複数の素線Ｓを並列接続した並列接続束１３Ｂを、ステータコアに巻回する巻線構造である。そして、この巻線構造は、銅損と、循環電流損の和が最小となる並列接続束を構成する素線の本数とした。【選択図】図４

Description

本発明は、複数の素線を並列接続した並列素線束をステータコアに巻回する巻線構造及び回転電機に関する。

電動機などの回転電機は、ステータと、ステータに対して所定の空隙をあけて回転するロータとを備えている。
ステータは、ロータに同軸に配置された円筒形状のステータコアと、このステータコアの周方向に所定間隔をあけて形成されている複数のステータスロットと、隣接するステータスロットの間に形成された複数のティースとを備えているとともに、素線を束ねた素線束がステータスロットに挿入され、ステータコアに巻回されている。
素線束をステータコアに巻回する巻線構造として、例えば特許文献１に記載の巻線構造が知られている。

特許文献１の巻線構造は、複数本の細径素線を束ねて素線束を形成し、この素線束の断面の縦列の幅と、その縦列に略直交する横列の幅との比を略１としている。
この特許文献１の巻線構造によると、素線束を細径素線で構成したことで、太線導線と比較して細径素線に生じる渦電流が小さくなり、巻線に発生する渦電流損を低減することができるとともに、素線束の断面の縦列の幅と横列の幅との比を略１としてコンパクトな素線束としたことで、ステータスロットを鎖交する漏れ磁束が発生する素線束の循環電流損を低減することができる。

特開２００８−１３６３００号公報

ところで、ティースに巻き付けられている素線束は、高速領域の運転特性の改善、制作上の容易さなどから、複数本の素線を並列接続した素線束（以下、並列素線束と称する）を使用する場合がある。
しかし、素線の本数が多い並列素線束をスロットに挿入すると、素線同士の間で循環電流が発生して循環電流損が増大するおそれがある。そこで、並列素線束を構成する素線の本数を減少すれば循環電流損を低減することが考えられるが、素線の本数が減少すると素線抵抗が増大して銅損が増大するおそれがある。

このような、並列素線束の素線本数の増減と、循環電流損及び銅損の関係は、特許文献１の巻線構造には何ら開示も示唆もされていない。
そこで、本発明は、少なくとも循環電流損及び銅損の和を最小とすることで高効率化を図ることができる巻線構造及び回転電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る巻線構造は、円筒形状のステータコアと、ステータコアの周方向に所定間隔をあけて形成されている複数のステータスロットと、隣接するステータスロットの間に形成された複数のティースとを備えたステータにおいて、複数の素線を並列接続した並列接続束をステータコアに巻回する巻線構造であって、銅損と、循環電流損の和が最小となる並列接続束を構成する素線の本数とした。
また、本発明の一態様に係る回転電機は、上述した巻線構造を有するステータと、ステータに同軸に配置されたロータと、を備えている。

本発明に係る巻線構造及び回転電機によれば、少なくとも循環電流損及び銅損の和を最小とすることで高効率化を図ることができる。

本発明に係る回転電機の要部を示した図である。 巻線の並列接続束を示す図である。 （ａ）は並列数が２６本の並列素線束がスロットに挿入されている配置図であり、（ｂ）は所定位置の素線に流れる電流値を示している。 （ａ）は並列数が２０本の並列素線束がスロットに挿入されている配置図であり、（ｂ）は所定位置の素線に流れる電流値を示している。 （ａ）は並列数が１８本の並列素線束がスロットに挿入されている配置図であり、（ｂ）は所定位置の素線に流れる電流値を示している。 （ａ）は並列数が１２本の並列素線束がスロットに挿入されている配置図であり、（ｂ）は所定位置の素線に流れる電流値を示している。 並列数をパラメータとした渦電流損、循環電流損及び銅損のシミュレーション結果を示すグラフである。

次に、図面を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す第１実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

［回転電機の構成］
図１に示すものは、本発明の第１実施形態に係る３相８極のインナーロータタイプの回転電機１である。回転電機１は、円筒形状のステータ２と、ステータ２の内周側に所定の隙間を介して対向するロータ３とで構成されており、ロータ３は、回転軸（図示しない）に支持されて回転自在に配置されている。
ロータ３は、積層鉄心で形成された回転子コア４と、回転子コア４の内部に配設された埋込磁石部５とで構成され、本実施形態では８極の場合を示す。

各埋込磁石部５は、回転子コア４の周方向に４５°の間隔をあけて形成されており、回転子コア４の軸方向の両端まで貫通している一対のロータスロット６，７と、これら一対のロータスロット６，７に挿入されて接着剤または充填剤によって固定された永久磁石８，９とで構成されている。
ステータ２は、ステータコア１０と、このステータコア１０の周方向に所定間隔をあけて形成されている複数のステータスロット１１と、隣接するステータスロット１１の間に形成された複数のティース１２とを備えており、各ステータスロット１１には巻線１３が挿入されている。

図２は、巻線１３の構成を示す図であり、Ｕ相の巻線１３ｕと、Ｖ相の巻線１３ｖと、Ｗ相の巻線１３ｗとが並列に接続されている。
Ｕ相の巻線１３ｕは、Ｎ本（Ｎは１以上の自然数）の素線Ｓを並列接続した素線束（以下、Ｕ相の並列素線束１３ｕと称する）である。また、Ｖ相の巻線１３ｖも、Ｎ本の素線Ｓを並列接続した素線束（以下、Ｖ相の並列素線束１３ｖと称する）であり、Ｗ相の巻線１３ｗも、Ｎ本の素線Ｓを並列接続した素線束（以下、Ｗ相の並列素線束１３ｗと称する）である。

そして、Ｕ相の並列素線束１３ｕは、ステータスロット１１に挿入された状態でステータコア１０に巻き付けられている。また、Ｖ相の並列素線束１３ｖおよび、Ｗ相の並列素線束１３ｗも同様にステータスロット１１に挿入された状態ステータコア１０に巻き付けられている。
本実施形態では、巻線１３を分布巻によりステータコア１０に巻回しているが、集中巻であってもよい。

［並列数をパラメータとした渦電流損、循環電流損及び銅損のシミュレーション］
各相の並列素線束１３ｕ，１３ｖ，１３ｗは、並列接続した素線Ｓの数、素線Ｓの太さ及び長さが同一なので、以下の記述では並列素線束１３と称する。また、並列素線束１３の素線Ｓの本数を、以下の記述では並列数Ｎと称する。
ここで、図３（ａ），（ｂ）から図６（ａ），（ｂ）は、並列数Ｎが異なる４種類の並列素線束がスロット１１に挿入されている配置と、インバータのＰＷＭ電圧波形を入力したときの並列素線束を構成する所定位置の素線に流れる電流値を示している。

３相８極の回転電機１の諸元は、定格出力が１０５kW、回転速度が４００r/min、ステータ２の直径が３００mm、ステータ軸長が２８７mm、ステータスキューが１スロットピッチ、ステータスロット１１が４８個である。また、永久磁石８，９の材料はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ及び永久磁石の磁束密度は１．２Ｔ、ステータ２を構成する積層鉄心の厚さが０．３５mm、ロータ３を構成する積層鉄心の厚さが０、５０mmである。そして、この回転電機１は、直流電圧６９０V、キャリア周波数５kHzのＰＷＭインバータ（不図示）で駆動される。

以下に、これら図３（ａ），（ｂ）から図６（ａ），（ｂ）を参照して、並列数Ｎをパラメータとした渦電流損、循環電流損及び銅損のシミュレーションを行った。
図３（ａ）は、並列数Ｎが２６本の並列素線束１３Ａが、ステータスロット１１の径方向に１０ターン重ねた状態で、スロット１１に挿入されている配置図を示している。なお、図３（ａ）において、並列素線束１３Ａを直線で区切っている部分が巻き重ねの境界部分であり、１ターン分を示している。

また、図３（ｂ）は、並列素線束１３Ａを構成する所定位置の素線に流れる電流値を示すものであり、図３（ａ）に示した並列素線束１３Ａの中でステータスロット１１の径方向に最も離間している一対の素線Ｓａ，Ｓｂと、これら素線Ｓａ，Ｓｂに対して径方向の中間位置の素線Ｓｃ，Ｓｄとの電流値を示している。
図３（ｂ）によると、並列素線束１３Ａの互いに径方向に最も離れている素線Ｓａ，Ｓｂに、位相が異なりながら振幅が大きい電流が流れている。また、並列素線束１３Ａの径方向の中間位置の素線Ｓｃ，Ｓｄには、位相が同じで振幅が小さい電流が流れている。

並列素線束１３Ａの径方向に最も離れている素線Ｓａ，Ｓｂに大きい電流が流れているのは、ステータスロット１１内で発生している漏れ磁束を妨げるように、並列数Ｎ（２６本）が多い並列素線束１３Ａに大きな循環電流が流れているからである。これにより、並列素線束１３Ａがスロット１１に挿入されるステータ２には、大きな循環電流損が発生する。
並列素線束１３Ａを構成する２６本の素線Ｓに、ステータスロット１１内で発生した漏れ磁束が鎖交し、素線Ｓには漏れ磁束の変化を妨げるように渦電流が流れるので、渦電流損も発生する。

一方、図４（ａ）は、並列数Ｎが２０本の並列素線束１３Ｂが、ステータスロット１１の径方向に１０ターン重ねた状態でスロット１１に挿入されている配置図を示し、図５（ａ）は、並列数Ｎが１８本の並列素線束１３Ｃが、ステータスロット１１の径方向に１０ターン重ねた状態でスロット１１に挿入されている配置図を示し、図６（ａ）は、並列数Ｎが１２本の並列素線束１３Ｄが、ステータスロット１１の径方向に１０ターン重ねた状態でスロット１１に挿入されている配置図を示している。

そして、図４（ｂ）には、図４（ａ）で示した並列素線束１３Ｂの中でステータスロット１１の径方向に最も離間している一対の素線Ｓａ，Ｓｂと、これら素線Ｓａ，Ｓｂに対して径方向の中間位置の素線Ｓｃ，Ｓｄとの電流値を示している。また、図５（ｂ）には、図５（ａ）で示した並列素線束１３Ｃの中でステータスロット１１の径方向に最も離間している一対の素線Ｓａ，Ｓｂと、これら素線Ｓａ，Ｓｂに対して径方向の中間位置の素線Ｓｃ，Ｓｄとの電流値を示している。さらに、図６（ｂ）には、図６（ａ）で示した並列素線束１３Ｄの中でステータスロット１１の径方向に最も離間している一対の素線Ｓａ，Ｓｂと、これら素線Ｓａ，Ｓｂに対して径方向の中間位置の素線Ｓｃ，Ｓｄとの電流値を示している。なお、図４（ｂ）、図５（ｂ）及び図６（ｂ）では、ステータスロット１１の径方向に１０巻き重ねている並列素線束１３の全てには素線の符号を付けていない。

図４（ｂ），図５（ｂ）に示すように、並列数Ｎが２０本の並列素線束１３Ｂと、並列数Ｎが１８本の並列素線束１３は、互いに径方向に最も離れている素線Ｓａ，Ｓｂは、並列素線束１３Ａと比較して大きい電流が流れておらず、並列素線束１３Ｂ，１３Ｃの径方向の中間位置の素線Ｓｃ，Ｓｄに対して、略同一の電流が流れている。
これは、並列素線束１３Ｂ及び並列素線束１３Ｃは、並列素線束１３Ａ（並列数Ｎが２６本）と比較して並列数Ｎが減少しているので、並列素線束１３Ｂ，１３Ｃに流れる循環電流が減少するからである。これにより、並列素線束１３Ｂ，１３Ｃがスロット１１に挿入されているステータ２には、小さな循環電流損しか発生しない。

また、ステータスロット１１内で発生する漏れ磁束は、ステータスロット１１の開口部１１ａ側で強く発生し、ステータスロット１１の底部１１ｂで弱く発生する。本実施形態によれば、並列素線束１３Ｂ及び並列素線束１３Ｃは、ステータスロット１１の底部１１ｂに寄せて１０ターン重ねた状態でスロット１１に挿入されており、漏れ磁束を妨げる循環電流の大きさが小さくなるので、循環電流損も小さくなる。
さらに、並列素線束１３Ｂを構成する２０本の素線Ｓ，或いは、並列素線束１３Ｃを構成する１８本の素線Ｓに発生する渦電流も、並列素線束１３Ａと比較して減少する。したがって、並列素線束１３Ｂ，１３Ｃに発生する渦電流損も、並列素線束１３Ａと比較して小さくなる。

ここで、図６（ｂ）に示すように、並列数Ｎが２０本の並列素線束１３Ｄは、互いに径方向に最も離れている素線Ｓａ，Ｓｂと、径方向の中間位置の素線Ｓｃ，Ｓｄの全てに振幅が大きい電流が流れる。
これは、並列素線束１３Ｄは、並列数Ｎの減少により循環電流損が減少するが、並列数Ｎの総導体断面が減少して巻線抵抗が増大するからである。したがって、巻線抵抗が増大する並列素線束１３Ｄは銅損が増大する。

次に、並列数をパラメータとした渦電流損、循環電流損及び銅損のシミュレーション結果を、上述した４種類の並列素線束１３Ａ〜１３Ｄを含めて図７のグラフで示す。
図７の横軸は、並列素線束１３の並列数Ｎを示しており、縦軸は、並列数Ｎを２６本とした並列素線束１３Ａを備えた回転電機１の損失を１．０とし、その他の並列数Ｎが異なる装置を、並列数Ｎを２６本とした並列素線束１３Ａ対する比で示した。
図７のグラフから、並列数Ｎを減少させていくと、循環電流損及び渦電流損が小さくなることが分かる。また、並列数Ｎを減少させていくと、並列素線Ｎの総導体断面が増大して銅損が増大することが分かる。
したがって、図７のグラフから銅損と、循環電流損と、渦電流損の和を最小とする並列数Ｎは２０本であることがわかる。

［回転電機の効果］
このような第１実施形態の回転電機１によると、ステータ２のステータスロット１１の径方向に複数巻き重ねた状態でスロット１１に挿入されている並列接続束１３を、少なくとも銅損及び循環電流損の和が最小となるような並列接続した素線の本数で構成しているので、高効率の回転電機１を提供することができる。
また、回転電機１の並列接続束１３は、銅損、循環電流損及び渦電流損の和が最小となるような並列接続した素線の本数で構成されているので、さらに高効率の回転電機１を提供することができる。

さらに、回転電機１の並列接続束１３を、ステータスロット１１の開口部１１ａ側と比較して弱い漏れ磁束が発生しているステータスロット１１の底部１１ｂに寄せてスロット１１に配置することで、漏れ磁束を妨げる循環電流の大きさが小さくなり、循環電流損を小さくすることができる。
なお、第１実施形態ではインナーロータタイプの回転電機１にについて説明したが、アウターロータタイプの回転電機に本発明の要旨を適用してもよい。

１ 回転電機
２ ステータ
３ ロータ
４ 回転子コア
５ 埋込磁石部
６，７ 一対のロータスロット
８，９ 永久磁石
１０ ステータコア
１１ ステータスロット
１１ａ ステータスロットの開口部
１１ｂ ステータスロットの底部
１２ ティース
１３ 巻線
１３ｕ Ｕ相の並列素線束
１３ｖ Ｖ相の並列素線束
１３ｗ Ｗ相の並列素線束
１３Ａ 並列数が２６本の並列素線束
１３Ｂ 並列数が２０本の並列素線束
１３Ｃ 並列数が１８本の並列素線束
１３Ｄ 並列数が１２本の並列素線束
Ｓ 素線
Ｎ 素線の並列数（素線の本数）

Claims (4)

1. 円筒形状のステータコアと、前記ステータコアの周方向に所定間隔をあけて形成されている複数のステータスロットと、隣接するステータスロットの間に形成された複数のティースとを備えたステータにおいて、複数の素線を並列接続した並列接続束を前記ステータコアに巻回する巻線構造であって、
   銅損と、循環電流損の和が最小となる並列接続束を構成する素線の本数とすることを特徴とする巻線構造。
2. 円筒形状のステータコアと、前記ステータコアの周方向に所定間隔をあけて形成されている複数のステータスロットと、隣接するステータスロットの間に形成された複数のティースとを備えたステータにおいて、複数の素線を並列接続した並列接続束を前記ステータコアに巻回する巻線構造であって、
   銅損と、循環電流損と、渦電流損との和が最小となる並列接続束を構成する素線の本数とすることを特徴とする巻線構造。
3. 前記ステータスロットの開口部に対して径方向に離間している前記ステータスロットの底部に寄った位置に前記並列接続束を配置することを特徴とする請求項１又は２記載の巻線構造。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の巻線構造を有するステータと、前記ステータに同軸に配置されたロータと、を備えたことを特徴とする回転電機。

Images