JP2022084270A - 回転電機、並びにそれを用いる電動車両用回転電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】構成が異なる二系統の三相交流巻線を有しながらも、巻線の構成を複雑化することなく、効率を向上することができる回転電機を提供する。【解決手段】この回転電機は、回転子（２）と、三相交流巻線を有する固定子（３）と、を備えるものであって、三相交流巻線は、互いに独立している第一系統巻線（１５）と第二系統巻線（１６）とを含み、第一系統巻線（１５）が位置する複数の第一スロット（１８）と、第二系統巻線（１６）が位置する複数の第二スロット（１９）と、を備え、第一スロット（１８）のスロット数は、第二スロット（１９）のスロット数以上であり、第一系統巻線（１５）は、固定子（３）において、第二系統巻線（１６）よりも内径側に位置する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の出力系統を備える回転電機、並びに、この回転電機を用いる電動車両用回転電機システムに関する。

自動車用の電動システム（例えば、電動パワーステアリングシステム）や風力発電システムでは、異常が発生しても運転を継続できるように、冗長性を有するシステムが要求されている。このようなシステムでは、一台の回転電機において二系統の巻線を設け、各巻線が独立した電源もしくは電力変換器に接続される。二系統の巻線の各々は同じ構成（巻数など）を有し、システム出力の５０％ずつを担う。これにより、一方の系統に異常が生じても、通常よりも出力は低減するが、他方の系統によって、システムを停止することなく運転を継続することができる。

一方、ダンプトラックなどの電動車両における電源供給用の回転電機システムにおいては、システムの小型軽量化のために、主発電機および副発電機に代えて、二系統の巻線を有する回転電機を適用することが考えられる。この場合、一方の巻線は、車体を駆動するトラクションモータの電源用であり、他方の巻線は冷却装置などの周辺機器の電源用となるため、一台の回転電機に構成の異なる二系統の巻線を設ける必要がある。

構成の異なる二系統の巻線を有する回転電機に関する従来技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。本技術では、交流発電機において単相交流と三相交流の同時出力を可能にするために、三相交流巻線をＹ結線にして、Ｕ相巻線の誘起電圧に対し、電圧の大きさが１／２、位相差が１８０°になる単相交流巻線の一端を、Ｙ結線の中性点に接続する。さらに、Ｕ相巻線に中間タップを設け、単相交流巻線の他端と中間タップを単相交流の出力とする。

特開２０１５－２０１９１８号公報

上記従来技術では、中性点を介してシステムにおける三相電気回路と単相交流電気回路に、三相不平衡に伴う循環電流が流れ、システムの効率を低下させる。また、三相交流巻線の構成が複雑になり、製造コストが増加する。さらに、従来技術を、上述のような電動車両用回転電機システムに適用する場合、二系統の巻線がともに三相交流巻線ではあるが、同様の問題が発生する。

そこで、本発明は、構成が異なる二系統の三相交流巻線を有しながらも、巻線の構成を複雑化することなく、効率を向上することができる回転電機、ならびにこの回転電機を用いる電動車両用回転電機システムを提供する。

上記課題を解決するために、本発明による回転電機は、回転子と、三相交流巻線を有する固定子と、を備えるものであって、三相交流巻線は、互いに独立している第一系統巻線と第二系統巻線とを含み、第一系統巻線が位置する複数の第一スロットと、第二系統巻線が位置する複数の第二スロットと、を備え、第一スロットのスロット数は、第二スロットのスロット数以上であり、第一系統巻線は、固定子において、第二系統巻線よりも内径側に位置する。

また、上記課題を解決するために、本発明による電動車両用回転電機システムは、電動車両に搭載される主機および補機に電力を供給する回転電機と、回転電機を駆動する原動機と、を備えるものであって、回転電機は、上記本発明による回転電機であり、第一系統巻線から第一の電力変換器を介して主機に電力が供給され、第二系統巻線から第二の電力変換器を介して補機に電力が供給される。

また、上記課題を解決するために、本発明による電動車両用回転電機システムは、電動車両を駆動する回転電機と、第一の電力変換器を介して回転電機に電力を供給する電池と、を備えるものであって、回転電機は、上記本発明による回転電機であり、電池から第一の電力変換器を介して第一系統巻線に電力が供給され、第二系統巻線から第二の電力変換器を介して電池に回生電力が充電される。

本発明によれば、回転電機が、構成が異なる二系統の三相交流巻線を有しながらも、巻線の構成を複雑化することなく、効率を向上することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１である回転電機の回転軸方向の断面図である。 実施例１の回転電機の回転軸に垂直な方向における部分断面図である。 実施例１の固定子の展開図である。 変形例１である回転電機の固定子の展開図である。 変形例２である回転電機の固定子の一部の展開図である。 変形例３である回転電機の固定子の展開図である。 実施例２である回転電機の固定子の展開図である。 実施例１の固定子の展開図である（図３再掲）。 各相巻線による磁極中心が位相差角でαだけ相違している場合の三相電圧を、回転座標上で表した図である。 第一系統巻線および第二系統巻線の三相電圧を、第一系統巻線を基準にして、ｄｑ変換する場合のｄ－ｑ軸電圧ベクトルの方向を示す図である。 式（３）によってｄｑ軸電圧成分が表される第一系統巻線の電圧（Ｖ_１）を表す電圧ベクトル図である。 実施例３である回転電機の固定子の展開図である。 スロット内の側壁における段差の第一例を示す固定子の展開図である。 スロット内の側壁における段差の第二例を示す固定子の展開図である。 スロット内の側壁における段差の第三例を示す固定子の展開図である。 第一系統巻線、第二系統巻線および第三系統巻線の巻線構成の第一例を示す、固定子の展開図である。 第一系統巻線、第二系統巻線および第三系統巻線の巻線構成の第二例を示す、固定子の展開図である。 第一系統巻線、第二系統巻線および第三系統巻線の巻線構成の第三例を示す、固定子の展開図である。 実施例６であるダンプトラック用の回転電機システムの構成を示すブロック図であるである。 実施例７である電動バス用の回転電機システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１～７により、図面を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

図１は、本発明の実施例１である回転電機の回転軸方向の断面図である。なお、本実施例１の回転電機は、界磁巻線型の同期機である。

本実施例１の回転電機１００は、大型ダンプトラック用の電源となる、出力が数千ｋＶＡ、回転速度が数千ｍｉｎ^－１の発電機として適用できる。なお、本実施例１の回転電機は、エンジンなどの原動機によって回転駆動される。

図１に示すように、フレーム１内に、回転子２および固定子３が配置される。回転子２および固定子３の軸方向端部には、それぞれ、コイルエンド６およびコイルエンド７が突出する。フレーム１に設けられる軸受４は、回転子２に固定されて回転軸となるシャフト５の一端部を回転可能に支持する。シャフト５の他端部は、図示しない原動機に接続され、原動機側の軸受によって支持されている。なお、シャフト５の他端部は、回転電機１００が備える軸受によって回転可能に支持されてもよい。

フレーム１には冷媒９が流入する流入口８が配置される。冷媒９は、図示しないブロアなどにより、回転電機１００へ送り込まれる。流入口８からフレーム１内に流入した冷媒９は、図１における右方向、すなわち回転電機１００の回転軸方向に流れ、フレーム１外の大気中へ流出する。

図２は、図１に示した本実施例１の回転電機１００の回転軸に垂直な方向における部分断面図である。

図２に示すように、回転子２は、回転子鉄心１０、界磁巻線１１、ダンパーバー１２（制動巻線）、回転子楔１３で構成される。固定子３は、固定子鉄心１４、三相交流巻線である第一系統巻線１５および第二系統巻線１６、固定子楔１７で構成される。回転子２および固定子３は、エアギャップ２２を介して対向している。第一系統巻線１５は第一スロット１８内に配置され、第二系統巻線１６は第二スロット１９内に配置される。フレーム１内における冷媒９の通路は、背面ダクト２０、アキシャルダクト２１、エアギャップ２２で構成される。背面ダクト２０とアキシャルダクト２１は、周方向に一定の間隔で設けられる。

第一系統巻線１５が配置される第一スロット１８は、回転子２の表面に対向する固定子鉄心１４の内壁面から固定子鉄心１４内を径方向に延び、径方向を深さ方向とし、回転軸方向を長手方向とする溝からなる。また、第二系統巻線１６が配置される第二スロット１９は、深さ方向に沿って、第一スロット１８に隣接する。なお、本実施例１では、図２に示すように、第一スロット１８が深さ方向に延びた部分を第二スロット１９としている。

複数の第一スロット１８および複数の第二スロット１９は、固定子鉄心１４の周方向に沿って、等間隔に配置される。第二スロット１９のスロット間隔は、第一スロット１８よりも大きく、本実施例１では第一スロット１８の２スロット分に相当する。したがって、第二スロット１９のスロット数は、第一スロット１８よりも少なく、本実施例１では第一スロット１８の半分となる。このため、本実施例１では、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の内、第一系統巻線１５のみが配置されるスロットと、このスロットよりも深くて両方の巻線が配置されるスロットとが、固定子鉄心１４において周方向に沿って、交互に並ぶ。

第二スロット１９のスロット数は、第一スロット１８よりも少ないため、後述するように、第二系統巻線１６の誘起電圧を第一系統巻線１５よりも小さくすることができる。したがって、回転電機１００が発電機として動作する場合、第二系統巻線１６の出力電圧を第一系統巻線１５よりも小さくすることができる。

なお、図２に示す実施例１では、第二スロット１９のスロット数が第一スロット１８の半分であるが、これに限らず、第二スロット１９の個数は、所望の特性（誘起電圧、出力電圧など）に応じて、適宜設定できる。

第二系統巻線１６は、図２に示すようにスロットの深さ方向に、第一系統巻線１５に重ねて設けられる。このため、第一系統巻線１５に対してスロット数を設定し、そのスロット数の一部を第二系統巻線１６に用いればよいので、二系統の巻線を有しながらも、回転子のスロットの構成が複雑化しない。

また、固定子３において、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６は、電気的に結合することなく、独立している。したがって、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６の各々に外部回路を接続した場合に循環電流を抑制できるので、循環電流により効率低下を防止できる。さらに、固定子３は、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６を備えながらも、巻線の構成が複雑化しない。

図３は、図２に示す本実施例１の固定子３の断面構成を直線状に延ばして示す展開図である。図３の下側に、エアギャップ２２（図２）が位置し、図３の上側に、フレーム１（図２）が位置する。

第一系統巻線１５および第二系統巻線１６は、分布巻で巻かれている。なお、本実施例１では、回転電機１００の極数は１０極であり、第一スロット１８および第二スロット１９のスロット数が、それぞれ９０スロットおよび４５スロットである。

図３に示すように、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６は、スロットの深さ方向に沿って重ねて配置される上コイル（図３中「上」と記す）および底コイル（図３中「底」と記す）から構成される。

なお、第一系統巻線１５の三相はＵ１，Ｖ１，Ｗ１と記し、第二系統巻線の三相はＵ２，Ｖ２，Ｗ２と記す。各スロットには、スロット番号として括弧付き数字を記す。また、正負の符号（＋，－）は、電流が流れる方向（電流極性）を示しており、図面に対して、奥側へ向かう方向を「＋」で示し、手前側へ向かう方向を「－」で示す。

前述の極数（１０）およびスロット数（第一スロット：９０，第二スロット：４５）により、本実施例１では、毎極毎相スロット数（＝スロット数／極数／相数）は第一系統巻線１５では３、第二系統巻線１６では１．５となる。

すなわち、第一系統巻線１５では、一相一極分のコイル数が３個となる。このため、図３に示すように、連続して配置される３個のコイルからなる各相巻線（ＵＵＵ，ＶＶＶ，ＷＷＷ）が、一定の相順で繰り返し配置される（ＵＵＵ－ＶＶＶ－ＷＷＷ…）。

また、第二系統巻線１６では、各相について、１個のコイルからなる相巻線と２個のコイルからなる相巻線が交互に配置される。これにより、毎極毎相スロット数すなわち一相一極分のコイル数が平均で２．５となる。また、固定子３において、１個のコイルからなる相巻線と２個のコイルからなる相巻線が、一定の相順で配置される。なお、１個のコイルからなる相巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）と２個のコイルからなる相巻線（ＵＵ，ＶＶ，ＷＷ）が、コイル数の異なる相巻線が固定子３の周方向に沿って一様に分布するように、隣接する二つの相巻線のコイル数が互いに異なるようにして、一定の相順で繰り返し配置される（Ｕ－ＶＶ－Ｗ－ＵＵ－Ｖ－ＷＷ…）。

図３の実施例１において、スロット内のコイル（上底コイル）を接続してコイルループを形成する渡り線が渡されるスロット数（以下、「渡り数」と記す）は、第一系統巻線１５では７（スロット）であり、第二系統巻線１６では５（スロット）である。これらの渡り線により、例えば、図３においては、第一系統巻線１５の上コイル（１）と底コイル（７）が接続され、第二系統巻線１６の上コイル（１）と底コイル（５）が接続される。第一系統巻線１５の渡り数は、渡り線が上コイル（１）から底コイル（７）までの７スロットに渡されるので、７（スロット）である。第二系統巻線１６の渡り数は、渡り線が上コイル（１）から底コイル（５）までの５スロットに渡されるので、５（スロット）である。なお、渡り数は、前述の７および５に限らず、適宜設定できる。

本実施例１では、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の三相結線はＹ結線である。また、Ｙ結線の並列接続数は、第一系統巻線１５では５並列、第二系統巻線１６では１０並列である。なお、並列数は、回転電機の仕様に応じて、適宜設定できる。

本実施例１のように第二スロット数を第一スロット数より小さくすることにより、両者を同数とする場合よりも、分布巻きの巻き工数を低減できるので、製造コストを低減できる。なお、本発明者の検討によれば、本実施例１では巻き工数を２５％低減することができる。

さらに、以下に述べるように、本実施例１は、第一系統巻線１５の誘導起電圧が第二系統巻線１６の誘導起電圧より高い場合に好適である。

回転電機の体格は誘導起電圧の大きさに依存するので、本実施例１では、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の内、誘導起電圧が大きな第一系統巻線１５に合わせて回転子２の界磁磁束量が設定される。また、第二系統巻線１６の誘導起電圧を第一系統巻線１５よりも小さくするために、第二系統巻線１６のターン数を第一系統巻線１５よりも小さくする。

ところで、界磁磁束量は、上述のように、第一系統巻線１５に合わせているため、第二系統巻線１６に対しては多すぎることになる。したがって、第二系統巻線１６の誘導起電圧を第一系統巻線１５よりも小さな所定値に設定するには、第一系統巻線１５の誘導起電圧を維持しながら第二系統巻線１６の誘導起電圧を下げるための何らかの手段を要する。

本発明者の検討によれば、第一系統巻線１５の誘導起電圧を維持したまま第二系統巻線１６の誘導起電圧を下げる手段として、並列回路数の増加、ターン数低減、渡り数の変更、スロット数低減が有効である。なお、本発明者の検討によれば、並列回路数の増加、ターン数低減、渡り数変更では誘導起電圧の低減が難しい場合でも、スロット数低減は有効であり、第一系統巻線１５の誘導起電圧と第二系統巻線の誘導起電圧の差が大きいほど、スロット低減の効果は高くなる。そこで、本実施例１では、第二スロット１９のスロット数を、第一スロット１８よりも小さくしている。

また、本実施例１では、固定子３において、第一系統巻線１５は第二系統巻線１６よりも内径側に位置する。すなわち、第一系統巻線１５は、第二系統巻線１６よりも、エアギャップ２２の近くに配置されている。したがって、第一系統巻線１５を鎖交する磁束は、第二系統巻線１６よりも大きくなるので、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６とで、鎖交磁束数に大小の差を設定しやすくなる。このため、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６とで、第一系統巻線１５の誘導起電圧が第二系統巻線１６よりも大きくなるように、誘導起電圧に確実に差を設定することができる。

さらに、第一系統巻線１５は、第二系統巻線１６よりも、エアギャップ２２の近くに配置されているので、第一系統巻線１５は、第一スロット１８内において深さ方向に延びる固定子鉄心１４の二面の内壁面に対向し、第二系統巻線１６は、第二スロット１９内において深さ方向に延びる固定子鉄心１４の二面の内壁面および第二スロット１９の底面となる固定子鉄心１４の一面に対向する。すなわち、固定子鉄心１４における巻線との対向面の面数は、第一系統巻線１５が、第二系統巻線１６よりも少ない。したがって、コロナ放電が起きる場合に放電面となる、スロット内における固定子鉄心１４の鉄心面の面数は、第二系統巻線１６よりも誘導起電圧が大きい第一系統巻線１５の方が少ない。これにより、コロナ放電の影響による回転電機の絶縁寿命の低下を抑制することができる。

ところで、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６とで、巻線の素線寸法を同じにして、ターン数を変えたフォームドコイルを予め成型しておき、このフォームドコイルを固定子鉄心１４の内径側（エアギャップ２２側）からスロットに挿入することにより、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６を備える固定子３の製作の効率が向上する。したがって、構成の異なる二系統の巻線を有する回転電機の製造コストを低減することができる。

次に、本実施例１の変形例について説明する。

図４は、変形例１である回転電機の固定子の展開図である。

本変形例１において、第一スロット１８のスロット数は前述の実施例１と同じく９０スロットであるが、第二スロット１９のスロット数は、実施例１（４５スロット）よりも少なく、３０スロットである。また、毎極毎相スロット数は、第一系統巻線１５では、実施例１と同じく３であり、第二系統巻線１６では、実施例１よりも少なく、１である。

第一スロット１８および第二スロット１９のスロットピッチ角度（＝３６０／スロット数）は、それぞれ４度および８度である。これにより、第二スロット１９の位置を第一スロット１８の位置に合わせることができる。したがって、両スロットの位置が一致する箇所において、第一スロット１８と第二スロット１９は、第一スロット１８と同様の矩形状断面を有しかつ第一スロット１８よりも深い連続した一つのスロットを構成する。これにより、構成の異なる二系統の巻線を固定子鉄心１４へ効率的に取り付けることができる。

図５は、変形例２である回転電機の固定子の一部の展開図である。

本変形例２において、第一スロット１８のスロット数は前述の実施例１と同じく９０スロットであるが、第二スロット１９のスロット数は、実施例１（４５スロット）よりも多く、６０スロットである。また、毎極毎相スロット数は、第一系統巻線１５では、実施例１と同じ３であり、第二系統巻線１６では、実施例１よりも多く、２である。

第一スロット１８および第二スロット１９のスロットピッチ角度（＝３６０／スロット数）は、それぞれ４度および６度である。このため、図５に示すように、第二スロット１９の位置は、ある個所で第一スロット１８の位置に一致しても、隣接する個所では第一スロット１８の位置からずれる。

なお、本変形例２における固定子鉄心への巻線取り付けは、巻線の素線形状を丸線などにすれば可能である。

本発明者の検討によれば、変形例１のように、第二スロット１９の各々の位置が第一スロット１８に一致する条件は、式（１）および（２）で表される。なお、式中、Ｐ、Ｎ_ｓ１およびＮ_ｓ２は、それぞれ、極数、第一スロット１８のスロット数および第二スロット１９のスロット数である。

本発明者の検討によれば、Ｎ_ｓ１に対するＮ_ｓ２を設定する正の整数（自然数）Ｎに対してｋの値が正の整数になれば、第二スロット１９の各々の位置が第一スロット１８に一致する。例えば、Ｐ＝１０かつＮ_ｓ１＝９０の場合、Ｎ＝２，３で、ｋは整数（それぞれ、３，２）となる。そこで、実施例１では、Ｎ＝２としてＮ_ｓ２＝４５とし、変形例１では、Ｎ＝３として、Ｎ_ｓ２＝３０としている。

図６は、変形例３である回転電機の固定子の展開図である。

本変形例３において、第一スロット１８のスロット数は前述の実施例１と同じく９０スロットであるが、第二スロット１９のスロット数は、実施例１（４５スロット）よりも少なく、１５スロットである。

第一スロット１８および第二スロット１９のスロットピッチ角度（＝３６０／スロット数）は、それぞれ４度および２４度である。また、式（１）および式（２）においけるＮ＝６であり、ｋ＝１である。したがって、図６に示すように、第二スロット１９の位置を第一スロット１８の位置に合わせることができる。

また、本変形例３では、第一系統巻線１５は、実施例１と同様に、分布巻きで巻かれているが、第二系統巻線１６は、集中巻きで巻かれている。

上述の実施例１によれば、巻線の構成を複雑化することなく、構成の異なる二系統の巻線を有する回転電機を実現することができる。

なお、本実施例１における固定子の構成は、界磁巻線型の同期機に限らず、かご型誘導機、巻線型誘導機、永久磁石式同期機などにも適用できる。

図７は、本発明の実施例２である回転電機の固定子の断面構成を直線状に延ばして示す展開図である。なお、固定子以外の構成は実施例１と同様である。図３と同様に、図７の下側に、エアギャップ２２（図２）が位置し、図７の上側に、フレーム１（図２）が位置する。

図７に示すように、本実施例２においては、第一系統巻線１５のＵ相巻線による磁極中心の位置と、第二系統巻線１６のＵ相巻線による磁極中心の位置とが、一致している。

図８は、前述の実施例１の固定子の展開図である（図３再掲）。

図８に示すように、前述の実施例１では、第一系統巻線１５のＵ相巻線による磁極中心２３の位置と第二系統巻線１６のＵ相巻線による磁極中心２４の位置とが、互いに、位相差角αだけ相違している。

したがって、本実施例２では、図８における位相差角αが０になるように、巻線が配置されている。具体的には、図８における第二系統巻線１６は変えずに、第一系統巻線１５の巻線が１スロット分ずらして配置されている。

次に、本実施例２の電気的特性について説明する。

図９は、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６とで、各相巻線による磁極中心が位相差角でαだけ相違している場合について、三相電圧を、回転座標上で表した図である。

図９中、θは回転座標のｄ軸と、第一系統巻線Ｕ相（Ｕ_１）との位相差角である。

図１０は、図９に示す第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の三相電圧を、第一系統巻線１５を基準にして、二反作用理論に基づきｄｑ変換する場合のｄ－ｑ軸電圧ベクトルの方向を示す図である。

図１０において、ｄ_１－ｑ_１軸ベクトルが第一系統巻線１５の三相電圧を示し、ｄ_２－ｑ_２軸ベクトルが第二系統巻線１６の三相電圧を示している。

ｄ軸電圧とｑ軸電圧は直交するため、ｄ－ｑ軸間の相互インダクタンスは無視することができるが、同図に示すように、位相差角αで配置される二系統の三相交流巻線の場合、同軸間（ｄ_１－ｄ_２軸間、ｑ_１－ｑ_２軸間）の相互インダクタンス（Ｍ_ｄ１ｄ２，Ｍ_ｄ２ｄ１，Ｍ_ｑ１ｑ２，Ｍ_ｑ２ｑ１）が発生する。相互インダクタンスに「２π×周波数」を乗じて得られる相互リアクタンスＸを用いると、式（３）のような電圧方程式が得られる。

式（３）において、Ｖ_ｄ１，Ｖ_ｄ２，Ｖ_ｑ１，Ｖ_ｄ２，Ｉ_ｄ１，Ｉ_ｄ２，Ｉ_ｑ１並びにＩ_ｑ２は、それぞれ、第一系統巻線のｄ軸電圧、第二系統巻線のｄ軸電圧、第一系統巻線のｑ軸電圧、第二系統巻線のｑ軸電圧、第一系統巻線のｄ軸電流、第二系統巻線のｄ軸電流、第一系統巻線のｑ軸電流、並びに第二系統巻線のｑ軸電流である。また、Ｘ_ｄ１，Ｘ_ｄ２，Ｘ_ｑ１，Ｘ_ｑ２，Ｒ_１，Ｒ_２，Ｅ_１，Ｅ_２，Ｘ_ｄ１ｄ２とＸ_ｄ２ｄ１，並びにＸ_ｑ１ｑ２とＸ_ｑ２ｑ１は、それぞれ、第一系統巻線のｄ軸リアクタンス、第二系統巻線のｄ軸リアクタンス、第一系統巻線のｑ軸リアクタンス、第二系統巻線のｑ軸リアクタンス、第一系統巻線の巻線抵抗、第二系統巻線の巻線抵抗、第一系統巻線の誘導起電圧、第二系統巻線の誘導起電圧、ｄ軸間（ｄ_１－ｄ_２軸間）の相互リアクタンス、並びにｑ軸間（ｑ_１－ｑ_２軸間）の相互リアクタンスである。

電圧方程式における四つの式の各々に相互リアクタンスが含まれるため、第一系統巻線１５の電圧と第二系統巻線１６の電圧は、一方系統のパラメータが変化すると、他方系統のパラメータに変化が無くても、変化してしまう。すなわち、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６は、電気回路としては独立しているが、相互リアクタンスを介して磁気結合している。

図１１は、式（３）によってｄｑ軸電圧成分が表される第一系統巻線の電圧（Ｖ_１）を表す電圧ベクトル図である。

図１１中、β_１は電流位相角であり、φ_１は力率角であり、δ_１は負荷角である。また、図１１中でアンダーラインを付した電圧成分が、同軸間の相互リアクタンスに依存するパラメータである。なお、Ｖ_０１は相互インダクタンスが発生しない場合の電圧ベクトルである。

図１１が示すように、同軸間の相互リアクタンスにより、Ｖ_１はＶ_０１より位相が進んでいる。すなわち、同軸間の相互リアクタンスにより力率角が大きくなるため、力率が低下している。

したがって、第一系統巻線１５のＵ相巻線による磁極中心２３の位置と第二系統巻線１６のＵ相巻線による磁極中心２４の位置との間の位相差角α（図８）を、本実施例２のように０にすることで、同軸間の相互リアクタンスの発生が抑制され、力率の低下を抑制することができる。したがって、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６を備えながらも、回転電機の効率の低下を防止することができる。

上述のように、本実施例２によれば、このことから、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６とで磁極を一致させることにより、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６を備える回転電機の効率の低下を防止することができる。

図１２は、本発明の実施例３である回転電機の固定子の展開図である。なお、固定子以外の構成は、実施例１と同様である。図３と同様に、図１２の下側に、エアギャップ２２（図２）が位置し、図１２の上側に、フレーム１（図２）が位置する。

図１２に示すように、本実施例３では、固定子３に設けられる全スロットの形状が同一である。すなわち、図示の固定子断面において、巻線が配置される全スロットの断面形状が、同じ深さの矩形状である。

なお、本実施例３において、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の構成は前述の実施例１（図３）と同様である。このため、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の内、第一系統巻線１５のみが配置されるスロットにおいては、第一系統巻線１５の外径側に、空孔部２５が位置することになる。

前述の実施例１（図１，２）と同様に、本実施例３においても、冷却用の冷媒９は、背面ダクト２０、アキシャルダクト２１、エアギャップ２２を通路として、回転電機の軸方向に流れる。さらに、本実施例３では、第一系統巻線１５のみが配置されるスロット内の空孔部２５が冷媒９の通路となる。これにより、第一系統巻線１５は、空孔部２５を流れる冷媒９と直接接触する。したがって、固定子鉄心１４の伝熱面積が増加する。

本実施例３によれば、固定子３の冷却性能が向上するので、第一系統巻線１５の温度上昇を確実に抑えることができる。また、空孔部２５を通る冷媒により効率的に第一系統巻線１５が冷却できるので、巻線の絶縁種別として許容温度上昇が大きな絶縁種別を適用する場合、回転電機は、背面ダクト２０およびアキシャルダクト２１を有さずともよい。この場合、回転電機の構成が簡略化される。

次に、本発明の実施例４である回転電機について、図１３～１５を用いて説明する。

本実施例４は、第一スロット１８と第二スロット１９の間のスロット内において、固定子鉄心１４の側壁が段差を有する。なお、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の構成は実施例１（図３）と同様である。また、実施例１と同様に、第二スロット１９の位置は第一スロット１８の位置と一致している。

図１３は、スロット内の側壁における段差の第一例を示す固定子の展開図である。

図１３に示すように、第一例においては、第一スロット１８のスロット幅が第二スロット１９よりも大きい。

図１３に示すスロット形状によれば、第一系統巻線１５のターン数を増やして、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６とで誘導起電圧の差を大きくすることができる。

なお、第一例においても、実施例１と同様に、フォームドコイルをスロットに挿入する製造方法を適用して、容易にもしくは効率的に固定子を製作できる。

図１４は、スロット内の側壁における段差の第二例を示す固定子の展開図である。

図１４に示すように、第二例においては、第二スロット１９のスロット幅が第一スロット１８よりも大きい。

図１４に示すスロット形状によれば、素線のサイズや並列数を大きくして、第二系統巻線１６の電流密度を小さくすることができる。

図１５は、スロット内の側壁における段差の第三例を示す固定子の展開図である。

図１５に示すように、第三例においては、第一スロット１８と第二スロット１９との間において、スロット幅を狭めるような段差およびスロット幅を広げるような段差が連続している。すなわち、第一スロット１８と第二スロット１９との間において、固定子鉄心１４のスロットにおける内壁面が、周方向すなわちスロット幅を狭める方向に突出する凸部２６を有する。

図１５に示すスロット形状によれば、凸部２６が第二系統巻線１６のストッパーとなるので、内径側への第二系統巻線１６の脱落を防止できる。また、凸部２６によって、第一系統巻線１５と第二系統巻線１６とが間隔をあけて配置されるので、スロット内に第一系統巻線１５と第二系統巻線１６との短絡が防止できる。

なお、図１５に示すスロット形状を有する固定子鉄心は、電磁鋼鈑の一体成型により製作できる。

次に、本発明の実施例５である回転電機について、図１６～１８を用いて説明する。

本実施例４は、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６に加えて、さらに第三系統巻線２７を備える。第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の構成は実施例１（図３）と同様である。また、実施例１と同様に、第二スロット１９の位置は第一スロット１８の位置と一致している。

図１６は、第一系統巻線１５、第二系統巻線１６および第三系統巻線２７の巻線構成の第一例を示す、固定子３の展開図である。

図１６に示すように、第一例においては、第一系統巻線１５および第二系統巻線１６の構成は、前述の実施例１の変形例１（図４）と同様であるが、さらに、第二系統巻線１６の外形側に、スロットの深さ方向に沿って第二系統巻線１６に重ねて、第三系統巻線２７が配置されている。第三系統巻線２７の位置は、第二系統巻線１６および第一系統巻線１５の位置に一致している。したがって、第三系統巻線２７のスロット数は、第二系統巻線１６と同じである。

図１７は、第一系統巻線１５、第二系統巻線１６および第三系統巻線２７の巻線構成の第二例を示す、固定子３の展開図である。

図１７に示すように、第二例においては、第三系統巻線２７のスロット数は、前述の第一例（図１６）と同じであるが、第二系統巻線１６のスロット数が第一系統巻線１５と同じである。

図１８は、第一系統巻線１５、第二系統巻線１６および第三系統巻線２７の巻線構成の第三例を示す、固定子３の展開図である。

図１８に示すように、第三例においては、第二系統巻線１６および第三系統巻線２７のスロット数は、第一系統巻線１５のスロット数の、それぞれ、２／３および１／３である。

なお、本実施例５の回転電機において、第一系統巻線１５、第二系統巻線１６および第三系統巻線２７は、互いに電気的に接続されず、独立している。

本実施例５では、第一系統巻線１５、第二系統巻線１６、第三系統巻線２７、この順に、固定子の内径側から外径側に向かって配置されるが、これに限らず、第一、第二～第ｎ系統巻線（ｎ（整数）≧３）が順次配置されてもよい。この場合、第ｉ系統巻線（１≦ｉ（整数）≦ｎ）のスロット数をＮ_ｓｉとすると、「Ｎ_ｓ１≧Ｎ_ｓ２≧Ｎ_ｓ３≧…≧Ｎ_ｓｎ」となるように、各巻線のスロット数が設定される。

本実施例５によれば、３系統以上の巻線を備える固定子を構成することができる。

図１９は、本発明の実施例６であるダンプトラック用の回転電機システムの構成を示すブロック図である。

図１９に示すように、前述の実施例１～５のいずれかによる回転電機１００の回転軸は、カップリング３１を介して原動機であるエンジン２００の回転軸に直結されている。エンジン２００によって、回転電機１００が回転されると、回転電機１００は三相交流電力を発生する。

回転電機１００が備える第一系統巻線１５および第二系統巻線１６が出力する三相交流電力は、それぞれ、電力変換器２０１ａおよび電力変換器２０１ｂに供給される。

電力変換器２０１ａは、第一系統巻線１５からの三相交流電力を電力変換し、変換された電力をダンプトラックの車輪を回転駆動する主機となる駆動用回転電機３００に供給する。また、電力変換器２０１ｂは、第二系統巻線１６からの三相交流電力を電力変換し、変換された電力を、回転電機１００を冷却する冷媒９を回転電機１００送るブロア３０１に供給する。

本実施例６によれば、一台の回転電機１００で、駆動用回転電機３００およびブロア３０１を駆動するための電力を供給できる。このため、ダンプトラック用の回転電機システムを小型化もしくは軽量化できる。

なお、第二系統巻線１６からの電力は、ブロア３０１に限らず、他の電動補機を駆動するための電力として供給されてもよい。

図２０は、本発明の実施例７である電動バス用の回転電機システムの構成を示すブロック図である。

図２０に示すように、前述の実施例１～５のいずれかによる回転電機１００の回転軸は、カップリング３１を介して減速機２０２に直結されている。

電動バスを走行させる場合、切り替え器２０５は、電池２０４を電力変換器２０３ａに接続する。電力変換器２０３ａは、電池２０４からの直流電力を電力変換して、回転電機１００の第一系統巻線１５に三相交流電力を供給する。これにより、回転電機１００は、電動機として動作し、回転電機１００の動力が減速機２０２を介して車輪に伝達される。

また、電動バスが停車する場合、切り替え器２０５は、電池２０４を電力変換器２０３ｂに接続する。電力変換器２０３ｂは、回生状態にある回転電機１００の第二系統巻線１６からの回生電力を電力変換して、直流電力を出力する。この直流電力が、電池２０４に充電される。

本実施例７によれば、第一系統巻線１５とは独立した第二系統巻線１６を用いるので、回生電力による電池の充電を精度よく制御できる。

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

例えば、各実施例における固定子の構成は、界磁巻線型の同期機、かご型誘導機、巻線型誘導機、永久磁石式同期機など、種々の回転電機に適用できる。

また、各実施例における回転電機は、回転電機の出力（発電電力や回転駆動力）を利用する種々の装置やシステムに適用することができる。

また、上記実施例６および７による回転電機システムは、ダンプトラックや電動バスに限らず、他の電動車両、電動船舶などに適用してもよい。また、上記実施例７による回転電機システムは、エレベータ（特に、高速・大容量エレベータ）に適用してもよい。この場合、回転電機１００は巻上機に適用される。

１ フレーム
２ 回転子
３ 固定子
４ 軸受
５ シャフト
６，７ コイルエンド
８ 流入口
９ 冷媒
１０ 回転子鉄心
１１ 界磁巻線
１２ ダンパーバー
１３ 回転子楔
１４ 固定子鉄心
１５ 第一系統巻線
１６ 第二系統巻線
１７ 固定子楔
１８ 第一スロット
１９ 第二スロット
２０ 背面ダクト
２１ アキシャルダクト
２２ エアギャップ
２３，２４ 磁極中心
２５ 空孔部
２６ 凸部
２７ 第三系統巻線
３１ カップリング
１００ 回転電機
２００ エンジン
２０１ａ，２０１ｂ 電力変換器
２０２ 減速機
２０３ａ，２０３ｂ 電力変換器
２０４ 電池
２０５ 切り替え器
３００ 駆動用回転電機
３０１ ブロア

Claims (15)

1. 回転子と、
   三相交流巻線を有する固定子と、
   を備える回転電機において、
   前記三相交流巻線は、互いに独立している第一系統巻線と第二系統巻線とを含み、
   前記第一系統巻線が位置する複数の第一スロットと、
   前記第二系統巻線が位置する複数の第二スロットと、
   を備え、
   前記第一スロットのスロット数は、前記第二スロットのスロット数以上であり、
   前記第一系統巻線は、前記固定子において、前記第二系統巻線よりも内径側に位置することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記第一系統巻線の誘導起電圧が前記第二系統巻線の誘導起電圧よりも大きいことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記第二スロットの位置が前記第一スロットの位置と一致することを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機おいて、
   前記回転電機の極数をＰとし、前記第一スロットのスロット数をＮ_ｓ１とする場合、整数Ｎに対し、Ｎ_ｓ１／（Ｐ×Ｎ×３（相数）×０．５）の値が整数であり、前記第二スロットのスロット数が、Ｎ_ｓ１／Ｎであることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記第一系統巻線による磁極の位置と前記第二系統巻線による磁極の位置とが一致していることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記複数の第一スロットは、前記第一系統巻線の外径側に空孔部を有する前記第一スロットを含むことを特徴とする回転電機。
7. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記第一スロットと前記第二スロットとの間において、前記固定子の側壁が段差を有することを特徴とする回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機において、
   前記第二スロットの幅が前記第一スロットよりも小さくなるように、前記段差が構成されていることを特徴とする回転電機。
9. 請求項７に記載の回転電機において、
   前記第二スロットの幅が前記第一スロットよりも大きくなるように、前記段差が構成されていることを特徴とする回転電機。
10. 請求項７に記載の回転電機において、
    前記第一スロットと前記第二スロットとの間において、前記固定子の前記側壁が突出するように、前記段差が構成されていることを特徴とする回転電機。
11. 請求項１に記載の回転電機において、
    前記三相交流巻線は、さらに、第三ないし第ｎ系統巻線（ｎ（整数）≧３）を有し、前記第一系統巻線ないし前記第ｎ系統巻線が、順に、前記固定子の内径側から外径側に向かって配置されていることを特徴とする回転電機。
12. 電動車両に搭載される主機および補機に電力を供給する回転電機と、
    前記回転電機を駆動する原動機と、
    を備える電動車両用回転電機システムにおいて、
    前記回転電機は、請求項１に記載の回転電機であり、
    前記第一系統巻線から第一の電力変換器を介して前記主機に電力が供給され、
    前記第二系統巻線から第二の電力変換器を介して前記補機に電力が供給されることを特徴とする電動車両用回転電機システム。
13. 請求項１２に記載の電動車両用回転電機システムにおいて、
    前記電動車両がダンプトラックであり、
    前記主機が駆動用回転電機であり、
    前記補機が冷却用ブロアであることを特徴とする電動車両用回転電機システム。
14. 電動車両を駆動する回転電機と、
    第一の電力変換器を介して前記回転電機に電力を供給する電池と、
    を備える電動車両用回転電機システムにおいて、
    前記回転電機は、請求項１に記載の回転電機であり、
    前記電池から前記第一の電力変換器を介して前記第一系統巻線に電力が供給され、
    前記第二系統巻線から第二の電力変換器を介して前記電池に回生電力が充電されることを特徴とする電動車両用回転電機システム。
15. 請求項１４に記載の回転電機システムにおいて、
    前記電動車両が電動バスであることを特徴とする回転電機システム。

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