JP4715934B2 - ５相モータ - Google Patents

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される５相モータに関する。

３相交流モータは従来より広く使用されている。図２８はその概略的な構成を示す縦断面図の例である。５１１はモータ出力軸、５１２はロータコア、５１７および５１８はロータ表面に取り付けられたＮ極永久磁石およびＳ極永久磁石、５１３は軸受け、５１４はステータコア、５１５は巻線のコイルエンド、５１６はモータケースである。

図２９は図２８の断面ＡＡ−ＡＡを示す横断面図である。このモータは、３相交流、２極、１２スロットであり、巻線は全節巻、分布巻きである。Ｕ相の巻線は巻線５２１からコイルエンド部を通って巻線５２８へ巻回する巻線と巻線５２２からコイルエンド部を通って巻線５２７へ巻回する巻線とがあり、電磁気的には平行して巻回している。Ｖ相の巻線は巻線５２５からコイルエンド部を通って巻線５２２へ巻回する巻線と巻線５２６からコイルエンド部を通って巻線５２Ｂへ巻回する巻線とがあり、電磁気的には平行して巻回している。Ｗ相の巻線は巻線５２９からコイルエンド部を通って巻線５２４へ巻回する巻線と巻線５２Aからコイルエンド部を通って巻線５２３へ巻回する巻線とがあり、電磁気的には平行して巻回している。

図３０にこれらの各巻線をスロットに配置したときの断面図を示す。５６１はステータコア、５６２は歯、５６３はスロット、５６４はステータに巻回した巻線、５６５は歯５６２と巻線５６４との電気的な絶縁を確保するための絶縁紙である。

図２９、図３１に示すモータの巻線は、各相の巻線が複雑に交差し、巻線の巻回が複雑で、その製作性が悪いという問題がある。また巻線巻回の都合上、コイルエンド５１５のロータ軸方向長さが長くなり、モータが大型化する問題もある。また、図３０に示したように、巻線５６４を整列して配置することが難しく、巻線の占積率が低いという問題もある。さらに、後で説明するように、永久磁石を使用する３相のブラシレスモータは、各相電圧の５次電圧成分および７次電圧成分に起因して、トルクに６次高調波成分が顕著に発生しやすいという問題がある。なお、誘導電動機の場合には、ロータ側のスロット数を異なる数とするなどの対策により、トルクの６次高調波成分を低減することができる。

次に、図３１に５相、２極、１０スロットの５相モータを示す。各巻線は、その巻線ピッチが電気角で１８０°の全節巻であり、各相の巻線はそれぞれ１個のスロットへ集中して巻回しているので集中巻である。Ａ相の巻線は、巻線５３１からコイルエンドを通って５３６へ巻回している。Ｂ相の巻線は、巻線５３３からコイルエンドを通って５３８へ巻回している。Ｃ相の巻線は、巻線５３５からコイルエンドを通って５３Ａへ巻回している。Ｄ相の巻線は、巻線５３７からコイルエンドを通って５３２へ巻回している。Ｅ相の巻線は、巻線５３９からコイルエンドを通って５３４へ巻回している。

図３１に示すような５相モータは、３相モータより相数が大きいので大変高品質な特性、すなわち、トルクリップルが小さく、駆動時に静粛な特性が得られるという優れた特性を持っている。しかし、図２９の３相モータよりもさらに巻線が複雑で製作性が良くなく、コイルエンド５１５がロータ軸方向に長くなり、巻線占積率も低くなるのでモータが大型化すると言う問題がある。さらに、５相モータを駆動する５相のインバータは、トランジスタの素子数が多くなり、コスト的、サイズ的な問題もある。このようなことから、図３１に示すような５相モータはほとんど使用されていない。

図３２は異なる構成の５相モータで、４極、短節巻、集中巻きのモータ例である。５４ＥはＡ相の歯で巻線５４０と巻線５４１をこの歯５４Ｅへ集中的に巻回し、図３３に示す電流ＩＡを通電する。同様に、５４２はＢ相の巻線で電流ＩＢを通電する。５４３はＣ相の巻線で電流ＩＣを通電する。５４４はＤ相の巻線で電流ＩＣを通電する。５４５はＥ相の巻線で電流ＩＤを通電する。５４６はＡ相の巻線で電流ＩＡを通電する。５４７はＢ相の巻線で電流ＩＢを通電する。５４８はＣ相の巻線で電流ＩＣを通電する。５４９はＤ相の巻線で電流ＩＤを通電する。５４ＡはＥ相の巻線で電流ＩＥを通電する。

電流ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ、ＩＤ、ＩＥは５相の電流である。５４ＣはロータのＮ極磁極、５４ＤはロータのＳ極磁極である。図３３に各巻線の結線方法と各電流の関係を示す。５５１はＡ相の巻線で電流ＩＡを通電する。５５２はＢ相の巻線で電流ＩＢを通電する。５５３はＣ相の巻線で電流ＩＣを通電する。５５４はＤ相の巻線で電流ＩＤを通電する。５５５はＥ相の巻線で電流ＩＥを通電する。これらの巻線は、各歯に集中的に巻回することが出来るので、製作性が良く、巻線占積率を高くすることが出来、コイルエンド部のロータ軸方向長さを短くすることも出来る。

しかし、図３２の５相モータの巻線ピッチは、各スロットの開口部の幅を零と仮定して、３６０°／５から電気角で７２°となり、巻線係数はｃｏｓ｛（１８０°−７２°）／２｝＝０．５８８となる。同一スロットに配置されている巻線５４１と巻線５４Ｆに通電する電流は、−ＩＡとＩＢの電流であり、位相が（１８０°−７２°）＝１０８°異なるので、２つの電流を合成すると電流ベクトルの振幅が０．５８８倍に減少すると言い換えても良い。巻線係数０．５８８の値は小さいので、各相の電流がモータの駆動力に寄与する割合は０．５８８と小さい。実際には、各スロットの開口部の幅が零ではなく、実効的にはさらに小さな値となる。

図３２の５相モータは、ステータコアの積み厚が小さい場合には、コイルエンドが短く、特徴を発揮できる。ステータコアの積み厚が大きい場合は、コイルエンドの負担が相対的に小さいので、スロットの中の巻線係数の問題が大きくなり、ジュール損が大きくなるので、問題となる。なお、図２９、図３１、図３２では、表面磁石型のロータを記載したが、磁石内蔵型のロータ、リラクタンス形のロータなども駆動できる。上記のような３相モータ、５相モータとして特許文献１及び２に記載のものがある。

特開２００３−３３３７８５号公報（図１、図２、図９） 特開２０００−３２４７８１号公報（図１、図２、図３）

上述した従来の５相モータは、３相モータより相数が多く、５次高調波、７次高調波を低減することが容易なので、トルクリップルの低減が容易で、高品質なモータの製作が容易であるという特徴を持っている。しかし、５相モータは、巻線の製作性が悪く、巻線の占積率が低く、コイルエンドのロータ軸方向の長さが長く、巻線係数が大きく、インバータのコストが高いなどの問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ステータを簡素な構成とし、小型化、高生産性化、高トルク化を実現し、また、トルクリップルが小さく定出力特性に優れた高品質な５相モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相の５相モータにおいて、ロータの極数が４の整数倍で、ステータの円周方向の電気角３６０°の間に５個のスロットを配置し、５組の巻線を円周方向に２スロットピッチ離れた２つのスロット間に相互に配置し、スロットＳ１〜スロットＳ１２がその数の順に円周方向に配置されるスロットであって、ａ相巻線をＡ相のスロットＳ１に巻回し、ａ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＣ相のスロットＳ３へ巻回し、ｃ相巻線をＣ相のスロットＳ３に巻回し、ｃ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＥ相のスロットＳ５へ巻回し、ｅ相巻線をＥ相のスロットＳ５に巻回し、ｅ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＢ相のスロットＳ７へ巻回し、ｂ相巻線をＢ相のスロットＳ７に巻回し、ｂ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＤ相のスロットＳ９へ巻回し、ｄ相巻線をＤ相のスロットＳ９に巻回し、ｄ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＡ相のスロットＳ１１へ巻回し、以下同様に、ロータ軸方向端で外径側を通す巻線を巻回し、他方、ｂ相巻線をＢ相のスロットＳ２に巻回し、ｂ相巻線をＣ相のスロットＳ３のロータ軸方向端を覆うように、ｂ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＤ相のスロットＳ４へ巻回し、ｄ相巻線をＤ相のスロットＳ４に巻回し、ｄ相巻線をＥ相のスロットＳ５のロータ軸方向端を覆うように、ｄ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＡ相のスロットＳ６へ巻回し、ａ相巻線をＡ相のスロットＳ６に巻回し、ａ相巻線をＢ相のスロットＳ７のロータ軸方向端を覆うように、ａ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＣ相のスロットＳ８へ巻回し、ｃ相巻線をＣ相のスロットＳ８に巻回し、ｃ相巻線をＤ相のスロットＳ９のロータ軸方向端を覆うように、ｃ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＥ相のスロットＳ１０へ巻回し、ｅ相巻線をＥ相のスロットＳ１０に巻回し、ｅ相巻線をＡ相のスロットＳ１１のロータ軸方向端を覆うように、ｅ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＢ相のスロットＳ１２へ巻回し、以下同様に、ロータ軸方向端で各巻線のコイルエンド部長さが短くなるように各巻線を巻回することを特徴とする。但し、ロータの極数が４の場合は、スロットＳ１１はスロットＳ１であり、スロットＳ１２はスロットＳ２である。

この構成によれば、ステータの円周方向の電気角３６０°の間に５個のスロットを配置し、５組の巻線を２スロットピッチ、すなわち１４４°の巻線ピッチで相互に配置したので、巻線のジュール損が不当に大きくならず、インバータの駆動効率も良い。また、従来の５相モータに比較して、スロットの数を半分に減少させ簡素化しており、巻線の数も同じなので、モータの製作が比較的容易となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の５相モータにおいて、ステータコアの軸方向端の近傍において、スロットの形状がバックヨーク側へ広げた形状であり、ステータコアの軸方向端の近傍において、スロットの形状が軸方向から円周方向へ曲がった形状であり、それぞれのスロットに巻回される巻線とステータコアとの物理的な干渉を低減し、スロット内の絶縁材料ＺＺ１とスロット内の軸方向端の近傍の絶縁材料ＺＺ２とをスロット形状を広げた部分で重ねていることを特徴とする。

この構成によれば、コイルエンド部の巻線のロータ軸方向長さが出来るだけ小さくなる構造とすることができる。また、通常、ロータ軸方向に直線状のスロット形状の場合、スロット内の巻線占積率を低下させることなく、スロット内の絶縁紙を配置するために、スロットのロータ軸方向端のコイルエンド部で絶縁紙の折り返しなどの処理を行うが、巻線のコイルエンド長が大きくなる問題がある。しかし、本発明のように、スロットの形状がロータ軸方向端の近傍で広くなっている場合には、スロット内の絶縁材料ＺＺ１とスロット内の軸方向端の近傍の絶縁材料ＺＺ２とをスロット形状を広げた部分で重ねることにより、スロット内の巻線占積率を低下させることなく、コイルエンド長も極小の構成とすることが出来る。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の５相モータにおいて、ステータのコイルエンド部の外周側あるいは内周側にステータコアのバックヨーク部を配置し、前記コイルエンド部と当該コイルエンド部外周に付加したバックヨーク部との間に熱伝導特性に優れた物質を充填することを特徴とする。

この構成によれば、通常、ステータコアのロータ軸方向端の近傍でスロットの形状を広くした場合、ステータコアのバックヨーク部が狭くなり、磁束が通過する磁路断面積が不足する問題がある。この対応策として、本発明のように、ステータのコイルエンド部の外周側あるいは内周側にステータコアのバックヨーク部を配置することにより、バックヨーク部の磁路断面積不足の問題を解消することが出来る。この時、コイルエンドの外周部等の空きスペース等を活用するので、モータサイズが大型化する問題もない。また、コイルエンド部とコイルエンド部外周に付加したバックヨーク部との間に熱伝導特性に優れた物質を充填することにより、コイルエンド部のジュール熱をモータ外周部へより効果的に放熱することが出来、熱抵抗を低減できるのでモータ性能を向上できる。また、前記の付加バックヨーク部は、種々構成が可能だが、ステータコアのロータ軸方向端近傍の電磁鋼板の外周側を絞り加工などにより折り曲げて配置する方法が磁束を通過させる機能上、好ましい。

また、５相モータにおいて、ステータの軟磁性体の円周方向幅が電気角で３６０°の整数倍の幅に分割した分割コアの組み合わせで構成し、ステータの３６０°の整数倍の前記円周方向幅に５相の巻線が巻回した構成としてもよい。

この構成によれば、円形のステータコアよりも分割したステータコアの方がスロットへのアクセスに自由度が増し、コイルの挿入、あるいは、巻線の直巻きなどの方法を適用することが容易となる。

また、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相の５相、Ｎｎ極のモータで、モータの外径側へ第１のロータを配置し、モータの内径側に第２のロータを配置し、第１のロータと第２のロータの間に外径側の第１のステータと内径側の第２のステータを配置し、第１のステータの円周方向にスロットＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５・・・・の順に、電気角３６０°の間に５×Ｎｍ（正の整数）個のスロットを配置し、第２のステータの円周方向にスロットＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５・・・・の順に、電気角３６０°の間に５×Ｎｍ個のスロットを配置し、スロットＡ１からスロットＢ１へＡ相の巻線を巻回し、スロットＡ２からスロットＢ２へＢ相の巻線を巻回し、スロットＡ３からスロットＢ３へＣ相の巻線を巻回し、スロットＡ４からスロットＢ４へＤ相の巻線を巻回し、スロットＡ５からスロットＢ５へＥ相の巻線を巻回し、以下同様に、第１のステータのスロットと第２のステータのスロットの間に各相巻線を巻回する構成としてもよい。

この構成によれば、２個のモータ機能を１個の外形形状のモータの中に組み込むことができるので、モータ巻線の大幅な簡素化、コイルエンド長の短縮が可能となる。また、構造的に外周側のステータのスロットの広さは形状的に余裕がある場合が多く、外周側のスロットへ上記の請求項１〜請求項４に記したような巻線を、さらに、付加することも可能である。

また、５相モータにおいて、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相の５相、Ｎｎ極、スロット数がＮｎ×５／２個のモータで、外径側の第１のステータには、円周方向の電気角３６０°の間に５個のスロットを配置し、５組の巻線を２スロットピッチで相互に配置した構成としてもよい。

この構成によれば、巻線の巻回が容易で、コイルエンドを短く、簡素に構成することが出来る。また、従来の５相モータの巻線が電気角３６０°の間に１０個であるのに比較して、簡素な構成とすることができる。しかも、５が素数であることから、高調波的観点ではトルクリップルの小さな特性が得られ易い。

また、５相モータにおいて、ステータコアの軸方向端の近傍において、スロットの形状がバックヨーク側へ広げた形状であり、ステータコアの軸方向端の近傍において、スロットの形状が軸方向から円周方向へ曲がった形状であり、それぞれのスロットに巻回される巻線とステータコアとの物理的な干渉を低減した構成としてもよい。

この構成によれば、ステータの外径側のスロット断面積の方が広いので、巻線に相当する巻線を外径側のスロットに追加することにより、外径側のスロット巻線を増量し、適正化することができる。

また、５相モータにおいて、ロータの表面から内部にかける場所で、ロータ磁極の電気角で３６０°の間に、ロータ軸方向に設けた３個以上のスリット形状等の隙間を備えている構成としてもよい。

この構成によれば、５相モータに種々形態のロータを使用することが出来る。特に、ロータの表面から内部にかける場所で、ロータ磁極の電気角で３６０°の間に、ロータ軸方向に設けた３個以上のスリット形状等の隙間を備えた構造のロータでは、トルクリップルが小さく、界磁磁束の量を自在に制御する定出力特性を改善でき、より高品質なトルク特性を実現することが出来る。

また、５相モータにおいて、ロータ軸方向に設けた前記隙間に永久磁石を付加した構成としてもよい。

この構成によれば、スリット部等に永久磁石を付加することにより、力率、効率の改善を行うことも可能である。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の５相モータにおいて、３相インバータの出力する３相電流Ｉｕを通電する巻線群Ｒｕと、３相インバータの出力する３相電流Ｉｖを通電する巻線群Ｒｖと、３相インバータの出力する３相電流Ｉｗを通電する巻線群Ｒｗとを備え、５相の各相巻線を前記巻線群Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗの一部を組み合わせて構成することを特徴とする。

この構成によれば、本発明の５相モータは、５相のインバータで駆動することが出来るが、３相インバータで駆動することに比較して、トランジスタの素子数が増加する問題がある。特に、小容量モータ、中容量モータの場合に、素子数の増加はコスト負担となることが多い。これを解決するため、３相の電流を通電する巻線を組み合わせて５相の電流をベクトル的に合成する複合的な巻線をつくり、５相巻線として使用すればよい。

本発明の５相モータは、３相モータに比較して高調波の低減が容易でありトルクリップルの低い制御特性が得られること、振動、騒音が小さいこと、良好な定出力特性が得られること、巻線構成を従来の５相モータに比較して簡単にできること、巻線の製作性が良いこと、コイルエンドを短縮できること、巻線のスロット内の占積率を向上できること、また、３相のインバータでも巻線構成の変更で駆動できること等の特長がある。

本発明の実施形態である５相、２極のモータの側面図である。 ５相電流の電流ベクトル図である。 本発明の実施形態である５相、８極のモータの側面図である。 ３相モータの高調波電圧成分とトルクリップルへの影響度を示す図である。 ３相モータの基本波電圧成分が生成するトルクを示す図である。 ３相モータの２次、４次高調波電圧成分が生成するトルクリップルを示す図である。 ３相モータの５次、７次高調波電圧成分が生成するトルクリップルを示す図である。 ３相モータの相電圧が台形状である場合の相電圧波形である。 図８の電圧の各周波数成分を示す図である。 ５相モータの高調波電圧成分とトルクリップルへの影響度を示す図である。 ５相モータの４次、６次高調波電圧成分が生成するトルクリップルを示す図である。 ５相モータの９次、１１次高調波電圧成分が生成するトルクリップルを示す図である。 図１に示す５相、２極のモータの巻線配置を変更した図である。 図１３に示す５相、２極のモータの巻線配置を変更した図である。 本発明の実施形態である５相、８極のモータの側面図である。 本発明モータの巻線形状、スロット形状および絶縁紙形状を示す断面図である。 本発明モータの巻線形状、スロット形状および絶縁紙形状を示す断面図である。 本発明モータの巻線形状、スロット形状を示す図である。 本発明モータのスロット形状、ステータコア形状を示す図である 本発明の５相モータで６極、３０スロットの巻線の配置例を示す図である。 本発明の５相モータで、ステータコアを分割した場合の巻線構成の例を示す図である。 外径側と内径側とに２個のモータを組み合わせて配置した、５相、８極、２０スロットの複合モータの側面図である。 図２２のモータの外径側ステータのスロットへ５相巻線を追加した構成とした複合モータの側面図である。 １磁極当たり４個のスリットを配置したマルチフラックスバリア形の４極のロータである。 図２４のロータのスリット部に永久磁石を追加したロータの例である。 ５相のインバータの回路構成を示す図である。 ３相のインバータと５相のモータへ配置する複数の３相巻線を示す回路構成図である。 従来のモータの縦断面図である。 ３相、２極、１２スロットの従来モータの縦断面図である。 従来のモータのスロット形状、巻線断面、絶縁紙を示す図である。 従来の５相、２極、１０スロットのモータの例を示す図である。 従来の５相、４極、１０スロットで、各相の巻線を各歯に集中的に巻回したモータを示す図である。 ５相モータの星形結線の巻線と通電する電流とを示す図である。

本発明の実施形態を図１に示す。５相、２極、５スロットのモータ構成で、その横断面を示し、スロット内巻線と各巻線の相互接続関係を模式的に示している。図２は各巻線の電流ベクトルおよび各スロットの合成した電流ベクトルを表す図である。巻線１１１はａ相電流で１１６は−ａ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３１，１３６である。巻線１１３はｂ相電流で１１８は−ｂ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３３，１３８である。巻線１１５はｃ相電流で１１Ａは−ｃ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３５，１３Ｆである。巻線１１７はｄ相電流で１１２は−ｄ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３７，１３２である。巻線１１９はｅ相電流で１１４は−ｅ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３９，１３４である。

巻線１１１と１１２は同一のスロットに配置され、各電流ベクトルは１３１と１３２であり、ベクトル合成された１３ＡがＡ相の電流ベクトルである。同様に、巻線１１３と１１４の電流ベクトルを合成した１３ＢはＢ相の電流ベクトルである。巻線１１５と１１６の電流ベクトルを合成した１３ＣはＣ相の電流ベクトルである。巻線１１７と１１８の電流ベクトルを合成した１３ＤはＤ相の電流ベクトルである。巻線１１９と１１Ａの電流ベクトルを合成した１３ＥはＥ相の電流ベクトルである。

このように、各スロットの電流は２個の電流が合成されており、２個の電流ベクトルの位相差は３６°である。巻線係数は、ｃｏｓ（３６°／２）＝０．９５１であり、電流の利用率は１ではないが、実用上問題ない程度に高い。すなわち、巻線のジュール損が不当に大きくならず、インバータの駆動効率も良い。また、図２９に示した従来の５相モータに比較して、スロットの数を半分に減少し、簡素化している。巻線の数は同じである。従って、モータの製作が比較的容易である。

図３は５相、８極、２０スロットの横断面を示し、スロット内巻線と各巻線の相互接続関係を模式的に示している。図１の２極のモータを８極へ多極化している。巻線１２１はａ相巻線で巻線１２４へ巻回している。巻線１２３はｂ相巻線で巻線１２６へ巻回している。巻線１２５はｃ相巻線で巻線１２８へ巻回している。巻線１２７はｄ相巻線で巻線１２Ａへ巻回している。巻線１２９はｅ相巻線で巻線１２Ｅへ巻回している。他の巻線についても同様に巻回している。１２ＢはロータのＮ極磁石、１２ＣはＳ極磁石である。

次に、３相モータの電圧の高調波成分とトルクおよびトルクリップルの関係について説明する。図４の横軸は電圧の高調波成分の次数を示し、縦軸はトルクリップルへの影響度を示している。電流は正弦波形状の電流で、低次の高調波電流成分を含まない場合について考える。今、簡単な例として、ｎ次の高調波電圧が重畳している例について考えると、Ｕ相の入力電力Ｐｕは次式８０１，８０２のようになる。

Ｐｕ＝Ｖｏ・［ｓｉｎθｒｅ＋ｋｎ・ｓｉｎ（ｎ・θｒｅ）］×Ｉｏ・ｓｉｎθｒｅ
…（８０１）
＝Ｖｏ・Ｉｏ・［（ｓｉｎθｒｅ）^２＋ｋｎ・ｓｉｎ（ｎ・θｒｅ）・ｓｉｎθｒｅ］
＝Ｖｏ・Ｉｏ・［（ｓｉｎθｒｅ）^２＋ｋｎ・（−１／２）
・｛ｃｏｓ（ｎ・θｒｅ＋θｒｅ）−ｃｏｓ（ｎ・θｒｅ−θｒｅ）｝］
＝Ｖｏ・Ｉｏ・［（ｓｉｎθｒｅ）^２−ｋｎ／２・｛ｃｏｓ（（ｎ＋１）・θｒｅ）
−ｃｏｓ（（ｎ−１）θｒｅ）｝］ …（８０２）

Ｖ相の入力電力Ｐｖ、Ｗ相の入力電力Ｐｗについても同様に計算して、３相合計の入力電力Ｐｉは次式８０３，８０４，８０５となる。
Ｐｉ＝Ｐｕ＋Ｐｖ＋Ｐｗ
＝Ｖｏ・［ｓｉｎθｒｅ＋ｋｎ・ｓｉｎ（ｎ・θｒｅ）］×Ｉｏ・ｓｉｎθｒｅ
＋Ｖｏ・［ｓｉｎ（θｒｅ−１２０°）＋ｋｎ・ｓｉｎ（ｎ・（θｒｅ−１２０°））］
×Ｉｏ・ｓｉｎ（θｒｅ−１２０°）＋Ｖｏ・［ｓｉｎ（θｒｅ−２４０°）＋ｋ
ｎ・ｓｉｎ（ｎ・（θｒｅ−２４０°））］×Ｉｏ・ｓｉｎ（θｒｅ−２４０°）
…（８０３）
＝Ｖｏ・Ｉｏ・［（ｓｉｎθｒｅ）^２−ｋｎ／２・｛ｃｏｓ（（ｎ＋１）・θｒｅ）
−ｃｏｓ（（ｎ−１）θｒｅ）｝］＋Ｖｏ・Ｉｏ・［（ｓｉｎ（θｒｅ−１２０°））^２
−ｋｎ／２・｛ｃｏｓ（（ｎ＋１）・（θｒｅ−１２０°））−ｃｏｓ（（ｎ−１）
・（θｒｅ−１２０°）｝］＋Ｖｏ・Ｉｏ・［（ｓｉｎ（θｒｅ−２４０°））^２
−ｋｎ／２・｛ｃｏｓ（（ｎ＋１）・（θｒｅ−２４０°））
−ｃｏｓ（（ｎ−１）・（θｒｅ−２４０°））） …（８０４）
＝３／２・Ｖｏ・Ｉｏ−Ｖｏ・Ｉｏ・ｋｎ／２・［ｃｏｓ｛（ｎ＋１）・θｒｅ｝
＋ｃｏｓ｛（ｎ＋１）・（θｒｅ−１２０°）｝
＋ｃｏｓ｛（ｎ＋１）・（θｒｅ−２４０°）｝］
＋Ｖｏ・Ｉｏ・ｋｎ／２・［ｃｏｓ｛（ｎ−１）・θｒｅ｝
＋ｃｏｓ｛（ｎ−１）・（θｒｅ−１２０°）｝
＋ｃｏｓ｛（ｎ−１）・（θｒｅ−２４０°）｝］ …（８０５）

ここで、Ｖｏは電圧振幅、Ｉｏは電流振幅、θｒｅはロータ角度を電気角で表した値、ｋｎはｎ次の高調波電圧成分の基本波電圧振幅に対する比率である。

図４において、次数１は基本波の電圧である。電圧が基本波だけの場合はｋｎ＝０であり、入力電力Ｐｉ［ｗ］は式８０５の第１項だけとなって、３／２・Ｖｏ・Ｉｏとなり一定値である。トルクＴは図５に示すように一定値となり、トルクリップル成分は無い。横軸はロータの電気角角度θｒｅ［°］である。また、理想状態としてモータの内部損失が零であると仮定すると、次式８０６に示すように、ロータ回転数ωｒｍ［ラジアン］である時、入力電力Ｐｉ［ｗ］と出力トルクＴ［Ｎｍ］は比例する。
Ｐｉ＝Ｔ×ωｒｍ …（８０６）

入力電力Ｐｉの高調波成分は式８０５の第２項以下であり、次数ｎにより異なった特性となる。定性的には、ｎ次の高調波電圧成分と電流の正弦波関数すなわち１次の電流との積として計算され、三角関数の積和の公式の関係から、（ｎ＋１）次成分と（ｎ−１）次成分とが入力電力Ｐｉの高調波成分として現れる。

以降の例では、式８０３を表計算ソフトウェアで計算した値を示す。高調波電圧成分の大きさは、ｋｎ＝０．２５の場合の例について示す。

図４の２次と４次の高調波電圧成分は、図６に示すような３次高調波を持つトルクＴの特性となる。即ち、トルクは３次のトルクリップル成分を含むことになる。しかし、通常は、ロータ磁極等が円周方向について左右対称の構成となっている場合が多く、偶数次の高調波電圧成分は小さい。

図４の３次、６次、９次などの３の整数倍の次数の高調波電圧成分は、３相モータの巻線の接続を星形結線とする場合は、２つの相間でキャンセルされるため、端子間電圧には３次高調波電圧成分が表れず、問題とならない。

図４の５次と７次高調波電圧成分は、図７に示すような６次高調波を持つトルクＴの特性となり、３相モータの代表的な６次のトルクリップル成分となっている。一般的に、３相モータではこのトルクリップル成分を低減するために、ロータ磁極形状の改良、ステータ磁極形状の改良などが盛んに行われている。

図４の８次と１０次高調波電圧成分は、９次高調波のトルクリップル成分を発生する。しかし、偶数次の高調波電圧成分は少なく、また、高次高調波成分は小さいことが多いので、影響は小さい。

次に、電圧波形で特に５次、７次の高調波成分が多い例として図８の台形状の電圧波形の例を示す。この電圧の周波数成分を図９に示すと、大半は１次の基本波成分であり、５次、７次の高調波成分を７％から１８％程度含んでいる。これらの高調波成分は３相モータの６次のトルクリップル成分を誘起させ易く問題である。他の高調波成分は比較的少ない例である。この例のように、電圧の高調波成分はステータ磁極の形状およびロータ磁極の形状から、一般的に言って、次数が高くなるほど小さくなる。

次に、５相モータのトルクリップル成分について説明する。図１０は５相モータの電圧の高調波成分とそのトルクリップルへの影響度を示す図である。３相のトルク式である式８０３に相当する５相の式を表計算ソフトウェアで計算した値である。電流は５相の正弦波状電流が供給されることを前提としている。１次電圧成分すなわち基本波電圧成分は、５相電圧の振幅をＶｏ、５相電流の振幅Ｉｏとすると、２．５×Ｖｏ×Ｉｏと一定値となる。

電圧の２次、３次、５次、７次、８次、１０次、１３次、１５次、１７次、１８次、２０次の成分は原理的にトルクリップルとならない。各相のトルクリップル成分のキャンセル効果が働く。

４次と６次の高調波電圧成分は、図１１に示すように、５次のトルクリップル成分を誘起する。しかし、ロータ磁極を円周方向に対称構造とすることなどにより偶数次の高調波電圧成分を低減することが可能である。従って、５次のトルクリップル成分を低減することが可能である。

９次と１１次の電圧成分は、図１２に示すような１０次のトルクリップル成分を誘起する。しかし、高次の電圧高調波成分は、絶対値が小さく、また種々のトルクリップルの低減手法を適用することが可能であることが多い。

以上の結果、５相のモータはトルクリップルの小さな特性を実現しやすく、振動、騒音も小さくできるので、高品質なモータを製作することが出来る。一般的に、５，７等の大きな素数の周期性を持つ回転機は共振などの振動が起きにくいことが経験的に知られている。しかし、５相のモータは、ステータの構造、特に巻線が複雑になり、製作しにくい問題がある。また、制御装置も複雑になり、そのインバータ部のトランジスタの数も多くなることから、コスト、サイズの問題があった。そのため、広く使用されてこなかった。

次に、図１に示した巻線の配置構成をより簡素な構成とする方法について説明する。図１３に示す巻線の配置構成は、図１の同一スロットに配置された２個の巻線について、同一スロット内で、円周方向の配置を逆にしている。具体的には、巻線１１１と巻線１１２を逆に、巻線１１３と巻線１１４を逆に、巻線１１５と巻線１１６を逆に、巻線１１７と巻線１１８を逆に、巻線１１９と巻線１１Ａを逆にしている。その結果、巻線コイルエンド部の相互の交差、干渉が大幅に減少している。巻線の交差部は破線円で示す２３１，２３２，２３３，２３４，２３５の５個所で、巻線のコイルエンド部の巻回が容易になっている。

さらに、図１４では、各巻線のコイルエンド部の配置を、外径側配置の巻線と内径側の巻線と分離している。巻線１１９から巻線１１４へのコイルエンド部と巻線１１３から巻線１１８へのコイルエンド部とを外径側巻線とし、最初に巻回する。次に、巻線１１７から巻線１１２へのコイルエンド部を巻回する。この時、巻線１１９の近傍のコイルエンドで破線円で示す２４１の部分では両巻線が交差する。次に、巻線１１１から巻線１１６へのコイルエンド部と巻線１１５から巻線１１Ａへのコイルエンド部とを内径側巻線として巻回する。この時、これらの内径側巻線のコイルエンド部は、他のスロットに巻回している巻線のコイルエンド部のロータ軸方向端に重ねて巻回する。これらの重なり部のため、コイルエンドのロータ軸方向長さはやや大きくなる。しかし、図１の構成、図１３の構成に比較して改善している。

図１、図１３、図１４では巻線のコイルエンド位置の原理的な関係を示すため、２極のモータ構成について説明した。現実的なモータ例として、図１４の２極のモータ構成を８極にしたモータの巻線構成について図１５に示す。２５１はＡ相の電流を通電するスロット、２５２はＢ相の電流を通電するスロット、２５３はＣ相の電流を通電するスロット、２５４はＤ相の電流を通電するスロット、２５５はＥ相の電流を通電するスロット、２５６はＡ相の電流を通電するスロット、２５７はＢ相の電流を通電するスロット、２５８はＤ相の電流を通電するスロット、２５９はＥ相の電流を通電するスロットである。

これらのスロットに通電する電流の電流ベクトルは図２の関係となっている。巻線２５Ａに通電するａ相電流の電流ベクトルは図２の１３１，巻線２５Ｒに通電するｂ相電流の電流ベクトルは図２の１３３，巻線２５Ｂに通電するｃ相電流の電流ベクトルは図２の１３５，巻線２５Ｓに通電するｄ相電流の電流ベクトルは図２の１３７，巻線２５Ｃに通電するｅ相電流の電流ベクトルは図２の１３９である。以下の巻線も同様であり、巻線２５Ｔに通電するａ相電流の電流ベクトルは図２の１３１，巻線２５Ｄに通電するｂ相電流の電流ベクトルは図２の１３３，巻線２５Ｅに通電するｄ相電流の電流ベクトルは図２の１３７，巻線２５Ｕに通電するｅ相電流の電流ベクトルは図２の１３９である。

ここで、スロット２５１へ通電する電流は、２５Ａのａ相電流と２５Ｅの負の電流−ｄ相電流であり、電流ベクトルでは１３１と１３２である。そして、電流ベクトル１３１と１３２とを加算した１３ＡはＡ相の電流ベクトルである。同様に、スロット２５２へ通電する電流の電流ベクトルは１３３と１３４であり、加算した１３ＢはＢ相の電流ベクトルである。スロット２５３へ通電する電流の電流ベクトルは１３５と１３６であり、加算した１３ＣはＣ相の電流ベクトルである。スロット２５４へ通電する電流の電流ベクトルは１３７と１３８であり、加算した１３ＤはＤ相の電流ベクトルである。スロット２５５へ通電する電流の電流ベクトルは１３９と１３Ｆであり、加算した１３ＥはＥ相の電流ベクトルである。他のスロットの電流についても同様の関係である。

図１５に示す５相モータの各巻線のコイルエンド部の配置は、巻線２５Ａ，２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ，２５Ｅ等がスロット位置よりも外径側に配置していて、巻線を巻回するスロットの隣のスロットのロータ軸方向開口部を塞ぐことなく巻回することが出来る。これらの外径側巻線を他の巻線より先に巻回する。また、巻線２５Ｒ、２５Ｓ、２５Ｔ、２５Ｅなどのコイルエンド部は各スロットのロータ軸方向端に配置し、隣のスロットのロータ軸方向端の開口部、及び、そこに巻回する外径側巻線を覆うような関係になる。しかし、これらの外径側巻線は既に巻回済みなので、それらのコイルエンドの上を覆うように巻回しても巻線の巻回順としては問題無い。このように巻回することにより、各巻線は相互に接近するが、交差する関係とはならず、比較的容易に各巻線を巻回することが出来る。

図１４の２極の５相モータの場合、外径側巻線と内径側巻線に分離した場合にも、破線円２４１で示す部分は部分的に巻線が交差してしまった。しかし、極数が４の倍数である場合には、図１５に示すように、外径側巻線と内径側巻線とを交差することなく配置し巻回することが可能である。

また、各巻線を巻回するときには、巻線のガイドを工夫することにより巻線相互の干渉を避けて、巻回を所定の場所へ巻回することが可能である。具体的な１例として、図１５の巻線２５Ｐをそれぞれのスロットへ巻回する時、２５Ｍの形状をした巻線ガイドを配置することにより、スロット２５Ｑのロータ軸方向端の開口部を塞ぐことなく巻線２５Ｐを巻回することができる。巻線２５Ｖをそれぞれのスロットへ巻回する時、２５Ｎの形状をした巻線ガイドを配置することにより、巻線がスロット開口部から内径側へはずれないように巻回することが出来る。同様に、各巻線の場所、形状に応じた巻線ガイドを設けて所望の形状に巻線を巻回することが出来る。

また、各巻線をスロットに直接的に巻き込むこと、即ち、直巻きが可能である。また、コイルの束を作っておき、スロットへ挿入し、固定することも可能である。説明を省略しているが、ステータコアと巻線との絶縁をする絶縁紙の敷設、スロット開口部の巻線処理、コイルエンド部の巻線の固定処理なども必要に応じて行う。

次に、コイルエンド部近傍のスロット形状、巻線形状と配置、絶縁紙の敷設方法、バックヨーク形状などについて説明する。巻線を容易に巻回出来る構造とすること、占積率を向上すること、コイルエンドのロータ軸方向長さを短縮すること、巻線全体の長さを短縮することを目的としている。図１６は図１５に示すＡＡ−Ｏの断面図である。３９１は電磁鋼板をロータ軸方向に積層したステータコア、３９２はロータである。３９３はステータコア３９１の内周部とロータ３９２の外周部との間のエアギャップ部である。３９４は巻線で、図１５の巻線２５Ｆあるいは巻線２５Ｇがスロット２５Ｙに巻回している部分である。これらの巻線のコイルエンド部は３９５で、隣接するスロットのロータ軸方向開口部を塞がないように、外径側を通して２個隣のスロットへ巻回している。

ここで、スロットの形状３９Ｂがステータコア３９１のロータ軸方向端へ向かって広がった形状となっていて、巻線３９４はコイルエンド１３６にかけて徐々にステータの外径方向に曲げられた形状となっている。その結果、コイルエンド３９５のロータ軸方向長さＬＣＥ２は短い寸法に抑えられている。図２８の従来モータのコイルエンド部５１５は、図１６の破線５１５で示すようにロータ軸方向長さＬＣＥ１が大きく、この長さに比較してコイルエンド３９５のロータ軸方向長さＬＣＥ２は大幅に短縮している。

スロットの形状は、３９Ｂの例に示すように、ステータ軸方向端の近傍で広がった形状としている。この形状の広がり具合は、ロータ軸方向端に向かって徐々に広がっていくような形状、あるいは、階段状に４段あるいは３段あるいは２段とするような種々方法がある。それらの目的は、巻線３９４を無理なく折り曲げてコイルエンド３９５の位置に配置することである。この段数を多くするとより滑らかな形状を実現することが出来るが、ステータの電磁鋼板の種類が増え、金型コストが増加すると言うトレードオフの関係になっている。必要性に応じて選択すればよい。

３９９は、図１５に示す巻線２５Ｘのコイルエンド部であり、スロット２５Ｙのロータ軸方向端のスロット側面の開口部を塞ぐように巻回している。巻線３９４を先に巻回した後に、巻線３９９を巻回するので、スロット側面の開口部を塞いでも問題ない。この結果、巻線３９９のコイルエンド長もほぼＬＣＥ２の長さに抑えることが可能である。

３９６，３９７，３９８はステータコア３９１と巻線３９４との間の電気的絶縁を確保するための絶縁紙である。絶縁紙は高圧の電気絶縁を保つためにはそれなりに厚くなり、それなりに硬さもあるので、どのような形状とし、スロット内へどのように配置するかはモータの重要な技術の一つとなっている。スロット内の巻線占積率にも大きく影響する。通常の絶縁紙は略円筒状とし、直線の部分をスロットへ挿入し、コイルエンドの近傍でステータコアのロータ軸方向の端面から１０ｍｍ程度飛び出た形状とすることが多い。スロット内での絶縁紙の重なりは、巻線占積率を低下させるので、通常は行わない。図１６の絶縁紙は分割して、３９７と３９８とに分けている。スロット内で一部が重なった状態としているが、スロットの太さが太くなった部分で絶縁紙３９７，３９８を重ねているので、巻線の太さがそのために制限されることはない。このようにして、スロットの形状が変化する部分での絶縁紙を構成することが出来る。スロット太さが変化し、絶縁紙を分割することもできるので、絶縁紙のロータ軸方向端の形状が自由な形状に設計することが出来、コイルエンド側に絶縁紙が飛びださない形状とすることができる。また、内径側の絶縁紙３９６もスロット内で分割することも可能である。

次に、図１７は図１５に示すＡＢ−Ｏの断面図である。４０Ｂは電磁鋼板をロータ軸方向に積層したステータコアである。３９３はステータコア４０Ｂの内周部とロータ３９２の外周部との間のエアギャップ部である。４０１は図１５の巻線２５Ｆであって、図１６のコイルエンド部３９５である。４０６は巻線で、図１５の巻線２５Ｈあるいは巻線２５Ｘがスロット２５Ｚに巻回している部分である。これらの巻線のコイルエンド部４０２は、隣接するスロットのロータ軸方向開口部を塞ぐように巻回し、それぞれ２個隣のスロットへ巻回している。各巻線のコイルエンド部のロータ軸方向長さはＬＣＥ２と短く抑えている。４０３，４０４，４０５はステータ鉄心と巻線の間の絶縁紙で、図１６に示した絶縁紙と類似の形状で構成している。

次に、ステータコアの形状の例について、図１６，図１７に示し、説明する。図１６のロータ軸方向端の近傍ではスロット形状が広くなっていて、破線で示す３９Ａの近傍ではバックヨーク部の磁路断面積が小さくなっているので、磁束密度が高くなってしまい、磁気抵抗が大きくなる問題がある。また、バックヨーク部の磁束が、より磁気抵抗の小さいステータコアの中心側を通ろうとするが、ステータコアが電磁鋼板を軸方向に積層した構造である場合には、ロータ軸方向の磁束成分は電磁鋼板内へ渦電流を誘起することになり、渦電流の問題が起きる。これらの問題を解決する方法として、図１７において、ロータ軸方向端の近傍の電磁鋼板４０Ｃが破線で示すように４０８の方へ折れ曲がっていて、バックヨーク部の磁路断面積が大きくなる構成とすることが出来る。４０８の磁路は４０Ｃと同一の電磁鋼板内なので磁束の通過が容易であり、過大な渦電流を誘起することもない。この４０８の構成は、図１６の相当する部分へも適用でき、全周に渡って、４０８の形状を構成する。

また、４０８は付加的な磁路であって、４０Ｂ，４０Ｃなどのステータコアが電磁鋼板のロータ軸方向積層ではなく、圧粉磁心あるいはその他の軟磁性体であっても、同様の効果が得られる。また、４０Ｃ、４０８等の軟磁性体は、円周方向に分割された、いわゆる分割コアの構成のモータであっても適用できる。

図１８は、図１５に示すステータの一部を内周側から見て、円周方向を直線展開した図である。図１８の横軸は円周方向で、縦軸はロータ軸方向となる。４１１，４１２，４１３，４１４，４１５はステータの歯を内周側から見た形状である。巻線４１８は図１５の巻線２５Ｆ、巻線４１６は図１５の巻線２５Ｈ、巻線４１７は図１５の巻線２５Ｘである。従来の歯の形状は破線４１９で示すように長方形であるが、図１８の各歯に示すように四角の角部を４１Ｂのように円弧形状とし、各巻線を角部で無理なく巻回出来る様に４１Ｂに示すように円弧状としている。この円弧状の歯の形状は、２段、３段、４段などの階段的な形状とすることもできる。この円周方向の階段形状と図１６，図１７で示した径方向の階段形状との段数を合わせると、電磁鋼板の種類が少なくなり、都合がよい。図１９は、円周方向と径方向との両方に階段形状が３段の場合のステータコア４１Ｃをロータ軸方向から見た形状である。破線で示す４１Ｄの部分が３段の階段形状となっている。

また、図１８において、同一スロット内の２個の巻線の並べ方は、円周方向に並べて配置した例を示しているが、巻線製作の都合によって、同一スロット内で径方向に２個の巻線を配置する方法、斜め方向に２個の巻線を配置する方法など自由に選択することが出来る。

以上、図１５、図１６、図１７、図１８、図１９などに示したように、各巻線の交差、干渉が少ない５相モータのステータ構成が実現でき、巻線の直巻きあるいは巻線束の挿入が可能であり、巻線占積率を高く、コイルエンド長を短く構成でき、モータの小型化、高性能化が可能であることを示した。

また、巻線を直巻きする場合は、巻線ガイド２５Ｍあるいは２５Ｎなどの治具を用いることにより、それぞれの巻線に張力をかけながら順次巻回することが可能であり、高占積な巻線を実現することが可能である。一般的に、巻線を整列するように巻回することにより巻線占積率を向上することが出来る。本発明で示した巻線構成でも、ある程度の張力をかけながら、巻線位置がずれないように、巻線を順次巻回することが出来る。巻線の種類は断面形状が円形状のいわゆる丸線、略四角形のいわゆる平角線などが使用できる。

また、ステータコアの外部で巻線束を製作し、ステータコアへ巻線束を挿入してステータを製作することも出来る。図３のようなコイルの位置関係、図１５のようなコイルの位置関係あるいは、その他の巻線配置関係でも製作することが出来る。比較的、各巻線間の物理的干渉が少なく、高占積な巻線で、コイルエンドの短い、小型でトルク出力密度の高いモータを製作することが出来る。

次に、図１５のモータが８極であるのに対し、６極のモータの巻線配置の例を図２０に示す。巻線２６１はａ相電流で２６４は−ａ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは図２の１３１，１３６である。巻線２６３はｂ相電流で２６６は−ｂ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３３，１３８である。巻線２６５はｃ相電流で２６８は−ｃ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３５，１３Ｆである。巻線２６７はｄ相電流で２６Ａは−ｄ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３７，１３２である。巻線２６９はｅ相電流で２６Ｃは−ｅ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３９，１３４である。以下同様である。このようにして、各スロットにＡ相電流、Ｂ相電流、Ｃ相電流、Ｄ相電流、Ｅ相電流を構成することが出来る。図１５の８極モータは極数が４の倍数なので各巻線が対称構造であるのに対し、図２０に示すモータの巻線２６Ｆが破線円で示すコイルエンド部形状が他の巻線とは非対称な構造となる。しかし、外径側の巻線を最初に巻回し、外径側の巻線の中で巻線２６Ｆを最後に巻回すれば、矛盾無く、各巻線が物理的に干渉することなく各巻線を巻回することが出来る。２６ＤはロータのＮ極、２６ＥはロータのＳ極である。

次に、ステータのコアを電気角でほぼ３６０度の幅で分割し、分割した分割ユニットを組み合わせてステータを構成する５相モータについて、図２１に示し、説明する。図２１は、５相、８極、２０スロットのモータである。２７２，２７Ｆ，２７Ｇ，２７Ｈはステータコアの分割部で、組み合わせ部でもある。４個の分割ユニットでモータを構成する。巻線２７３はａ相電流で２７４は−ａ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは図２の１３１，１３６である。巻線２７５はｂ相電流で２７６は−ｂ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３３，１３８である。巻線２７７はｃ相電流で２７８は−ｃ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３５，１３Ｆである。巻線２７９はｄ相電流で２７Ａは−ｄ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３７，１３２である。巻線２７Ｂはｅ相電流で２７Ｃは−ｅ相電流であり、それぞれの電流ベクトルは１３９，１３４である。このようにして、各スロットにＡ相電流、Ｂ相電流、Ｃ相電流、Ｄ相電流、Ｅ相電流を構成することが出来る。

各巻線は相互に物理的に干渉する場所が数カ所発生するが、ほぼ９０°の円弧状のコアに巻線を巻回出来るので、スロットの開口部への接近性は図１５の円筒状コアに比較して格段に良いので、巻線の製作、巻回を容易化することが可能である。巻線ガイドを使用することにより、巻線にある程度張力をかけながら巻線を直巻きすることが可能である。具体的な巻線の巻回方法は、例えば図２１の構成であれば、外径側の巻線から順に巻回すれば、比較的巻線の物理的干渉を少なく巻回することが出来る。巻線の巻回順は多くの方法があり、特に限定するものではない。特に本発明のモータは、電気角３６０°の間に５個のスロットしか無く、巻線構成が簡単なので、巻線巻回が容易となる。

ステータコアの分割部の組み合わせ方法、相互の結合方法にはいくつかの方法が考えられる。例えば、各電磁鋼板の形状が円周方向に凹凸となるように構成し、突き合わす他の分割ユニットが逆の凹凸形状としておけば、両分割ユニットの等価的な隙間を小さくすることが出来、相互の磁気抵抗を小さくすることが出来る。強度的にはステータ外周部を溶接することにより、実用的な強度を得ることが出来る。モータのケーシングで固定する方法もある。種々の方法が考えられ、本発明はその方法を限定するものではない。

前記の分割ユニットで構成する５相モータの長所は、ステータの分割コアを電磁鋼板材料から製作するときの歩留まりが良いので材料コストが低減できること、巻線の巻回が容易であることなどである。分割ユニットで構成する５相モータの難点は、ステータコアが一体である構造に比較して剛性がやや劣り、振動および騒音に気を付ける必要があること、組立時に精度維持に注意をする必要があること、巻線の交差部が出てくるのでコイルエンド長がやや長くなること、そのことに起因して巻線がやや長くなることなどである。

次に、モータの外径側と内径側とに２個のモータを組み込む構成について説明する。ある体積の中に２個のモータを組み込む方法は、いくつかの構成が考えられる。その一つの方法は図２２の構成である。その概略は、外径側に第１のロータを配置し、内径側に第２のロータを配置し、それらの中間部分にステータを配置している。そのステータの外径側は第１のステータで、内径側は第２のステータである。第１のロータと第１のステータが外径側のモータを構成し、電磁気的に作用して第１のトルクを発生する。第２のロータと第２のステータが内径側のモータを構成し、電磁気的に作用して第２のトルクを発生する。

２８６は第１のロータのバックヨークであり、２８４はＮ極磁極の永久磁石、２８５はＳ極磁極の永久磁石である。２８９は第２のロータのバックヨークであり、２８７はＮ極磁極の永久磁石、２８８はＳ極磁極の永久磁石である。２８３はステータコアであって第１のステータのコアと第２のステータのコアとが背中合わせに一体となっている。２８１は第１のステータの歯であり、２８２は第２のステータの歯である。

図２２のモータでは外径側の第１のステータコアと内径側の第２のステータコアが背中合わせに一体となっているので、巻線を第１のステータのスロットから第２のステータのスロットへ巻回することが可能となっている。巻線はトロイダル巻線となり、巻線の巻回が容易で、コイルエンドを短く、簡素に構成することが出来る。また、外径側の第１のロータの径方向厚みが小さい場合は、ロータ内周の直径を大きくでき、発生トルクを大きくすることが出来る。但し、この時、外径側の第１のモータと内径側の第２のモータの位相が都合の良い位置関係にしておく必要がある。２８ＡはＡ相の巻線で、巻線２８Ｆは図２のＡ相電流ベクトル１３Ａに相当し、巻線２８Ｇは図２のＡ相電流ベクトル１３Ａの負の値に相当する。同様に、２８ＢはＢ相の巻線、２８ＣはＣ相の巻線、２８ＤはＤ相の巻線、２８ＥはＥ相の巻線である。残りの巻線も同様な関係である。円周方向の電気角３６０°の間に、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相の５相の電流を通電する巻線を配置している。この巻線構成は、図３１の従来の５相モータの巻線が電気角３６０°の間に１０個であるのに比較して、簡素な構成となっている。しかも、５が素数であることから、高調波的観点ではトルクリップルの小さな特性が得られ易い。

次に、磁束φと電流Ｉの方向及び発生するトルクとその方向について説明する。今、図２２の巻線２８Ｆに流れるＡ相電流が紙面の表側から裏側へ流れるとすると、その対向する外径側のロータはＮ極なので、フレミングの法則より、外径側のロータへは時計回転方向にトルクが発生する。巻線２８Ｇは巻線２８Ｆと共にステータコア２８３を一巡するように巻回しているので、巻線２８Ｇの電流の方向は紙面の裏側表側から表側へ流れていて、その対向する内径側のロータはＮ極なので、フレミングの法則より、内径側のロータへは時計回転方向にトルクが発生する。従って、図２２のような巻線配置である時、外径側のロータと内径側のロータを同じ極性の磁極とし、磁束の方向と電流の方向とが逆方向なので、結局、同一回転方向にトルクを発生することが確認された。

次に、図２２のモータにおいて、外径側のステータのスロットと内径側のステータのスロットの導体が通る面積が大きく異なる場合の対応策について図２３に示し、説明する。ステータの外径側のスロット断面積の方が広いので、図１５に示す巻線に相当する巻線を外径側のスロットに追加することにより、外径側のスロット巻線を増量し、適正化するものである。巻線２８Ｊに通電するａ相電流の電流ベクトルは図２の１３１，巻線２８Ｋに通電するｂ相電流の電流ベクトルは図２の１３３，巻線２８Ｌに通電するｃ相電流の電流ベクトルは図２の１３５，巻線２８Ｍに通電するｄ相電流の電流ベクトルは図２の１３７，巻線２８Ｎに通電するｅ相電流の電流ベクトルは図２の１３９である。以下の巻線も同様であり、巻線２８Ｐに通電するａ相電流の電流ベクトルは図２の１３１である。各スロットには、新たに２個の巻線を巻回し、その追加した２個の巻線の電流をベクトル合成した電流の位相は、既に巻回済みの内外径のスロット間に巻回した巻線の電流の位相と同一かあるいは位相差を小さくする。同一スロットに巻回する各巻線の合計の電流ベクトルの振幅がより大きくなる工夫を行うことが出来る。例えば、巻線２８ＡはＡ相の電流ベクトルであることを示したが、電流ベクトルが図２の１３１となる巻線と電流ベクトル１３２となる巻線とで構成することにより、１３ＡのＡ相電流ベクトルを得ることが出来る。

次に、図２２、図２３で示したモータのスロット形状、巻線形状および絶縁紙形状は、図１６、図１７、図１８、図１９で示したように、巻線巻回が容易で、巻線の占積率を高めるような構成とすることが出来る。具体的には、スロットの形状の角部をより滑らかな形状あるいは２段、３段と階段状の形状とすることにより、巻線の折れ曲がる部分の曲率を適正にすることが出来る。ステータコアと巻線間の電気絶縁についても、スロット形状に合わせて、巻線巻回に必要な巻線スペースを損なうことなく、図１６、図１７に示したように複数の絶縁紙を使用して実現することが出来る。

また、図２２、図２３で示した構成は、外形側のスロットと内径側のスロットとの円周方向位置を円周方向へ移動する、あるいは、巻線の巻回方法を図示して示した方法とは異なる方法にする等の変形も可能であり、本発明に含むものである。

次に、本発明の５相モータに使用するロータについて説明する。前記のロータは表面磁石形について図示し説明したが、用途、モータ特性に応じて各種のロータを使用することが出来る。特に、図２４に示すような、いわゆる、マルチフラックスバリア形のロータは、ロータ内の磁束の分布をロータを構成する電磁鋼板３０２の上に空隙部であるスリット形状をより自由度高く設計が可能である。従って、５相のステータとの整合性を高めて、高品質な特性を得やすい。図２４に示すロータは４極のロータで、ロータ表面近傍において、電気角１８０°の間に４個のスリットを配置した構造である。３０３，３０４，３０５，３０６、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄのスリットは、隣接する磁極間に、磁気的にほぼ並行に配置した構造である。３０１はロータ軸である。軟鉄部の方向をロータ磁極の方向とし、Ｎ、Ｓをロータ磁極方向として付記している。

前記スリットの数は４相の例について示しているが、例えば、スリット３０６と３０Ｄを削除して３層とすることも出来、さらに、スリット３０４，３０Ｂを削除して２層とすることもできる。逆に、５層以上の多相とすることも出来る。層数が多いほどきめ細かなトルク特性を設計することが出来る。但し、層数が多いほど電磁鋼板をプレス打ち抜きするときの金型が複雑になり、ロータ強度とコストと金型寿命の問題が発生する。ロータの外周部は、いわゆる、ブリッジで鋼板を細く接続している。外周部を接続していることによりロータ強度を保ち、遠心力に耐えられるようにしている。高速回転で使用する場合は、遠心力が大きくなるので、ブリッジの幅を大きくするか、他のロータ補強策が必要となる。また、必要に応じてスリット中央部等にブリッジを追加することも出来る。このブリッジ部は、磁束が通るので、平均トルクを低下させる作用があるので、モータ特性と強度とがトレードオフ関係になっていて、ブリッジ幅はモータ要求特性に応じて決める。極端には、ブリッジを無くし、非磁性体でロータ強度を得ることも出来、その方が平均トルクの点では優れた特性となる。

図２４に示すロータにおいて、電磁鋼板の鉄部とスリットの空隙部とを逆にして、３０３，３０４，３０５，３０６を軟鉄とし、他の部分を非磁性体として、類似の電磁気特性を得ることが出来る。もちろん磁路の数を揃えれば、両者は電磁気的に同じ物である。その場合には、ロータの強度が得られる構造とする必要がある。

図２４に示すロータの特性は一般的に、ロータ磁極の方向をｄ軸方向、その反時計回転方向に電気角で９０°回転した軸をｑ軸とすると、ｄ軸方向には磁気抵抗が小さく、すなわちｄ軸インダクタンスＬｄが小さく、ｑ軸方向には磁気抵抗が大きく、すなわちｑ軸インダクタンスＬｑが大きいことがモータトルクＴを得るために求められる。トルクＴは、一般的に次式で表される。
Ｔ＝Ｐｎ×（Ｌｄ−Ｌｑ）×ｉｄ×ｉｑ
ここで、Ｐｎはモータの極対数で極数の１／２である。ｉｄはｄ軸方向に起磁力を発生させる電流成分で、ｉｑはｑ軸方向に起磁力を発生させる電流成分である。

図２４に示すロータは高価な永久磁石を必要としないので安価である点が優れている。また、界磁磁束をｄ軸電流ｉｄで制御できるので、界磁弱め制御、定出力制御を実現できる点が優れている。そしてスリットの数、配置の設計を行うことにより、モータ電圧の高調波成分を比較的容易に変更することが可能であり、トルクリップル、振動、騒音を設計的に可変し易い構造である。半面、界磁磁束を作るためｄ軸電流ｉｄを通電する必要があり、力率が低下するので、効率の点、モータサイズの点ではやや不利である。

図２５に示すロータは永久磁石３１１，３１２等を付加して、トルクを向上するロータである。前記のｄ軸電流ｉｄもモータトルクＴを増加する方向に作用する。３０８，３０９はロータ強度を保つためのブリッジの例である。このように、ロータ強度の問題、磁石コストの問題はある。

次に、前記の５相モータを駆動するインバータの構成例について、図２６に示し、説明する。３２０は直流電源である。３２１，３２２，３２３，３２４，３２５，３２６，３２７，３２８，３２９、３２Ａはパワートランジスタである。Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ、Ｒｅは５相の各巻線である。このような５相インバータで、図２に示すような５相の電流を制御することが出来る。５組のトランジスタブリッジをパルス幅変調するすることにより任意の平均電圧を作ることが出来、任意の５相電流を制御することが出来る。

次に、５相モータを３相インバータで駆動する構成例について、図２７に示し、説明する。３３１，３３２，３３３，３３４，３３５，３３６はパワートランジスタである。Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｕ３は３相電流の一つであるＵ相電流Ｉｕを通電する巻線である。Ｒｖ１、Ｒｖ２、Ｒｖ３は３相電流の一つであるＶ相電流Ｉｖを通電する巻線である。Ｒｗ１、Ｒｗ２、Ｒｗ３は３相電流の一つであるＷ相電流Ｉｗを通電する巻線である。５相モータの各スロットへこの各巻線Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｕ３、Ｒｖ１、Ｒｖ２、Ｒｖ３、Ｒｗ１、Ｒｗ２、Ｒｗ３の巻回数を選択して、各スロットの合計電流ベクトルが所望の５相電流ベクトルとなるように設計すればよい。図２７では１例として合計９個の巻線の例を示したが、巻線の数、各巻回数はモータ仕様によって、決定すればよい。一般的に使用されている３相インバータで駆動できる点が、コスト、生産効率の点で優れている。しかし、各巻回数は整数しか選択できないので、小さな電流ベクトルの誤差は発生する。また、５相モータの巻線が各スロットに複数個巻回することになるので、巻線がやや複雑になる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の５相モータは、３相モータに比較して高調波の低減が容易でありトルクリップルの低い制御特性が得られること、振動、騒音が小さいこと、良好な定出力特性が得られること、巻線構成を従来の５相モータに比較して簡単にできること、巻線の製作性が良いこと、コイルエンドを短縮できること、巻線のスロット内の占積率を向上できること、また、３相のインバータでも巻線構成の変更で駆動できること等の特長がある。

なお、本発明に関する種々形態の例について説明したが、種々変形も可能であり、本発明に含むものである。例えば、極数についての制約はなく、ロータの種類について表面磁石型のロータで説明したが、磁石内蔵ロータ、リラクタンスロータ、誘導電動機のロータなど種々構造のロータについて適用可能である。各種のトルクリップル低減技術を本発明モータへ適用することもできる。例えば、ステータ磁極、ロータ磁極の形状を周方向に滑らかにする方法、径方向に滑らかにする方法、円周方向に一部のロータ磁極を移動させて配置し、トルクリップル成分をキャンセルする方法などがある。モータの形態についても種々形態が可能であり、ステータとロータとの間のエアギャップ形状で表現して、エアギャップ形状が円筒形であるインナーロータ型モータ、アウターロータ型モータ、エアギャップ形状が円盤状であるアキシャルギャップ型モータ等に変形できる。また、リニアモータにも変形できる。また、エアギャップ形状が円筒形状をややテーパ状に変形したモータ形状も可能である。また、本発明のモータを含む複数のモータを複合して製作することが可能である。例えば、内径側と外形側に２個のモータを配置する、あるいは、軸方向に複数のモータを直列に配置することが可能である。また、本発明モータの一部を省略して削除した構造も可能である。軟磁性体としては通常の珪素鋼板を使用する他に、アモルファス電磁鋼板、粉状の粉末軟鉄を圧縮成形した圧紛磁心等の使用が可能である。特に小型のモータにおいては、電磁鋼板を打ち抜き加工、折り曲げ加工、鍛造加工を行なうことにより３次元形状部品を形成し、前述の本発明モータの一部の形状を成すこともできる。ステータコアを構成する電磁鋼板を円周方向に分割して製作することも出来る。逆に、電磁鋼板が多層に渡ってつながった形態とすることも出来る。巻線の種類についても、丸線、平角線などが可能であり、各巻線の接続形態などについても導線を分割してスロットへ挿入しその後に溶接などにより接続する方法など種々形態の巻線を適用することが出来る。モータに通電する電流については、各相の電流が正弦波状の電流であることを前提に説明したが、正弦波以外の各種波形の電流で制御することも可能である。これらの種々変形したモータのついても、本発明モータの主旨の変形技術は本発明に含むものである。

本発明の５相モータは、モータ特性が高品質であること、小型であること、比較的低コストであることなどから、今後の自動車やトラック等に好適なモータである。

１３１ ａ相の電流ベクトル
１３２ −ｄ相の電流ベクトル
１３３ ｂ相の電流ベクトル
１３４ −ｅ相の電流ベクトル
１３５ ｃ相の電流ベクトル
１３６ −ａ相の電流ベクトル
１３７ ｄ相の電流ベクトル
１３８ −ｂ相の電流ベクトル
１３９ ｅ相の電流ベクトル
１３Ｆ −ｃ相の電流ベクトル
１３Ａ Ａ相の電流ベクトル
１３Ｂ Ｂ相の電流ベクトル
１３Ｃ Ｃ相の電流ベクトル
１３Ｄ Ｄ相の電流ベクトル
１３Ｅ Ｅ相の電流ベクトル
２５１ Ａ相の電流を通電する巻線を配置するスロット
２５２ Ｂ相の電流を通電する巻線を配置するスロット
２５３ Ｃ相の電流を通電する巻線を配置するスロット
２５４ Ｄ相の電流を通電する巻線を配置するスロット
２５５ Ｅ相の電流を通電する巻線を配置するスロット
２５Ａ ａ相の電流を通電する巻線
２５Ｒ ｂ相の電流を通電する巻線
２５Ｂ ｃ相の電流を通電する巻線
２５Ｓ ｄ相の電流を通電する巻線
２５Ｃ ｅ相の電流を通電する巻線
２５Ｅ ｄ相の電流を通電する巻線
２５Ｕ ｅ相の電流を通電する巻線
２５Ｋ ロータのＮ極
２５Ｌ ロータのＳ極
２５Ｊ ステータコア
２５Ｍ 巻線ガイド
２５Ｎ 巻線ガイド

Claims (4)

1. Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相の５相モータにおいて、
   ロータの極数が４の整数倍で、
   ステータの円周方向の電気角３６０°の間に５個のスロットを配置し、
   ５組の巻線を円周方向に２スロットピッチ離れた２つのスロット間に相互に配置し、
   スロットＳ１〜スロットＳ１２がその数の順に円周方向に配置されるスロットであって、
   ａ相巻線をＡ相のスロットＳ１に巻回し、ａ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＣ相のスロットＳ３へ巻回し、
   ｃ相巻線をＣ相のスロットＳ３に巻回し、ｃ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＥ相のスロットＳ５へ巻回し、
   ｅ相巻線をＥ相のスロットＳ５に巻回し、ｅ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＢ相のスロットＳ７へ巻回し、
   ｂ相巻線をＢ相のスロットＳ７に巻回し、ｂ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＤ相のスロットＳ９へ巻回し、
   ｄ相巻線をＤ相のスロットＳ９に巻回し、ｄ相巻線のロータ軸方向端で外径側を通し、２個離れたＡ相のスロットＳ１１へ巻回し、
   以下同様に、ロータ軸方向端で外径側を通す巻線を巻回し、
   他方、ｂ相巻線をＢ相のスロットＳ２に巻回し、ｂ相巻線をＣ相のスロットＳ３のロータ軸方向端を覆うように、ｂ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＤ相のスロットＳ４へ巻回し、
   ｄ相巻線をＤ相のスロットＳ４に巻回し、ｄ相巻線をＥ相のスロットＳ５のロータ軸方向端を覆うように、ｄ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＡ相のスロットＳ６へ巻回し、
   ａ相巻線をＡ相のスロットＳ６に巻回し、ａ相巻線をＢ相のスロットＳ７のロータ軸方向端を覆うように、ａ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＣ相のスロットＳ８へ巻回し、
   ｃ相巻線をＣ相のスロットＳ８に巻回し、ｃ相巻線をＤ相のスロットＳ９のロータ軸方向端を覆うように、ｃ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＥ相のスロットＳ１０へ巻回し、
   ｅ相巻線をＥ相のスロットＳ１０に巻回し、ｅ相巻線をＡ相のスロットＳ１１のロータ軸方向端を覆うように、ｅ相巻線のコイルエンド部の長さが短くなるように２個離れたＢ相のスロットＳ１２へ巻回し、
   以下同様に、ロータ軸方向端で各巻線のコイルエンド部長さが短くなるように各巻線を巻回する
   ことを特徴とする５相モータ。
   但し、ロータの極数が４の場合は、スロットＳ１１はスロットＳ１であり、スロットＳ１２はスロットＳ２である。
2. ステータコアの軸方向端の近傍において、スロットの形状がバックヨーク側へ広げた形状であり、
   ステータコアの軸方向端の近傍において、スロットの形状が軸方向から円周方向へ曲がった形状であり、
   それぞれのスロットに巻回される巻線とステータコアとの物理的な干渉を低減し、
   スロット内の絶縁材料ＺＺ１とスロット内の軸方向端の近傍の絶縁材料ＺＺ２とをスロット形状を広げた部分で重ねている
   ことを特徴とする請求項１に記載の５相モータ。
3. ステータのコイルエンド部の外周側あるいは内周側にステータコアのバックヨーク部を配置し、
   前記コイルエンド部と当該コイルエンド部外周に付加したバックヨーク部との間に熱伝導特性に優れた物質を充填する
   ことを特徴とする請求項２に記載の５相モータ。
4. ３相インバータの出力する３相電流Ｉｕを通電する巻線群Ｒｕと、
   ３相インバータの出力する３相電流Ｉｖを通電する巻線群Ｒｖと、
   ３相インバータの出力する３相電流Ｉｗを通電する巻線群Ｒｗとを備え、
   ５相の各相巻線を前記巻線群Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗの一部を組み合わせて構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の５相モータ。

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