JP4957762B2 - AC motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は多巻線構成の固定子コイルを備え、且つ複数のインバータで駆動される交流電動機に関する。 The present invention relates to an AC motor including a multi-winding stator coil and driven by a plurality of inverters.
多巻線構成の交流電動機の一例としては、船舶の推進用電動機に用いられているものがある(特許文献1参照)。この電動機は複数のインバータで駆動できるように特殊な構造の複数の多巻線によって構成されており、たとえ、インバータのいずれかに故障が生じても残りのインバータで航行できるようになっている。この例では、各インバータは切換器を介してそれぞれ電動機の多巻線と、あるいはスラスター、カーゴポンプなどの補機電動機に切換接続できるようになっており、航行中はインバータを電動機用インバータとして使用し、航行していない時は補機電動機用インバータとして切換るようになっている。 As an example of an AC motor having a multi-winding configuration, there is one used in a marine propulsion motor (see Patent Document 1). This electric motor is constituted by a plurality of multi-windings having a special structure so that it can be driven by a plurality of inverters. For example, even if one of the inverters fails, the remaining inverters can navigate. In this example, each inverter can be switched and connected to a multi-winding motor, or an auxiliary motor such as a thruster or cargo pump, via a switch, and the inverter is used as an inverter for the motor during navigation. When the vehicle is not sailing, it is switched as an auxiliary motor inverter.
このシステムの従来構成を図14に基づいて説明する。図14は推進用プロペラ6に機械的に連結された推進用電動機(以下、主電動機という)5の多巻線コイルに電源1からそれぞれの固定子コイルに給電するために、インバータ2A、2B、2C、2Dをリアクトル3A、3B、3C、3Dおよび切換スイッチ4A、4B、4C、4Dを介して接続する。さらに主電動機5の負荷減少時または停止持にインバータ2A、2B、2C、2Dのいずれか、またはすべてを例えばコンプレッサ9を駆動する補機電動機8に切換スイッチ4A、4B、4C、4Dを介して給電するようにする。この場合、補機電動機8も主電動機と同じ多巻線で構成されている。図15は図14の主電動機5及び補機電動機8の固定子コイルを示すもので、これら電動機には例えば10A、10B、10C、10Dの4組の多巻線からなる巻線が施されており、それぞれが独立している。図15では各組のコイルはスター結線としているが、デルタ結線でもかまわない。
A conventional configuration of this system will be described with reference to FIG. FIG. 14 shows inverters 2 </ b> A, 2 </ b> B, 2 </ b> A, 2 </ b> B, and 5 </ b> 2C and 2D are connected via
この種多巻線電動機は通常の電動機の固定子コイルと異なり巻装方法が複雑で、その一例を図16に基づいて説明する。すなわち図16の結線図は
3相
4極
スロット数48
1極1相あたりのスロット数4
2層重ね巻(上コイル、下コイル)
コイルピッチ 1〜11
並列回路数 4
スター結線
の場合を一例として示してある。ただし、簡単のためにU層のみのコイル結線図である。図15でU1、U2、U3、U4がU相のコイル、V1、V2、V3、V4がV相のコイル、W1、W2、W3、W4がW相のコイルを示しており、N1、N2、N3、N4は各コイルの中性点である。
This type of multi-winding motor has a complicated winding method unlike a stator coil of a normal motor, and an example thereof will be described with reference to FIG. That is, the connection diagram of FIG. 16 is a three-phase four-
Number of slots per pole / phase 4
2-layer lap winding (upper coil, lower coil)
Coil pitch 1-11
Number of parallel circuits 4
The case of star connection is shown as an example. However, for simplicity, it is a coil connection diagram of only the U layer. In FIG. 15, U1, U2, U3 and U4 are U-phase coils, V1, V2, V3 and V4 are V-phase coils, W1, W2, W3 and W4 are W-phase coils, and N1, N2, N3 and N4 are neutral points of each coil.
図16で複数のスロット10を[1]、[2]、[3]、・・・・・・・[47]、[48]の数字で示してある。図16の六角形状のコイルの実線が上コイル11、破線が下コイル12を示し、スロット内に上下コイルが収納されている。六角形状のコイルはすべて同一形状であり、各コイルの端部で渡り線13により関連するコイルを直列に接続して、固定子コイルとしての特性を発揮するように構成されている。U1の上コイルはスロット[1]、[2]、[3]、[4]に収めて中性点N1と接続され、U2の上コイルはスロット[16]、[15]、[14]、[13]に収めて中性点N2と接続され、U3の上コイルはスロット[25]、[26]、[27]、[28]に収めて中性点N3と接続され、U4の上コイルはスロット[40]、[39]、[38]、[37]に収めて中性点N4と接続されている。この接続方法は周知のコイル接続方法である。
In FIG. 16, a plurality of
このように固定子コイルを複数組巻装することにより、図14の主電動機5が定格最大負荷時にはインバータ2A、2B、2C、2Dはすべて主電動機5に給電しているが、負荷減少時にはたとえばインバータ2Aを停止するか、或いはこのときに補機電動機8を運転する必要があれば、インバータ2Aの切換スイッチ4Aを補機側に切り換えて使用することが可能となる。このため主電動機5と補機電動機8に個別の専用インバータを設ける必要がなくなるため、設備費用が安価となり、またスペースを有効に利用できる利点がある。
By winding a plurality of sets of stator coils in this way, the inverters 2A, 2B, 2C, and 2D all supply power to the main motor 5 when the main motor 5 in FIG. 14 is at the rated maximum load. If it is necessary to stop the inverter 2A or operate the auxiliary motor 8 at this time, the
ところでこのようにインバータを切り換えて異なる電動機を駆動する場合、それぞれの電動機の最大効率点の回転数が異なると駆動周波数を変える必要がある。例えば4極の主電動機5が最高効率を示す回転数を1,200rpm−1とすると、
f=Pn/120=4×1200/120=40[Hz]
すなわちインバータの出力を40Hzとすればよい。しかし同じ4極の補機電動機8が最高効率を示す回転数が7,200rpm−1であれば、
f=Pn/120=4×7200/120=240[Hz]
となりインバータの出力を240Hzにする必要がある。インバータを主電動機5と補機電動機8との共用とすると、この場合は240Hzまでの周波数制御が可能なインバータを採用することになる。
By the way, when driving different motors by switching the inverters in this way, it is necessary to change the drive frequency if the rotational speeds of the maximum efficiency points of the respective motors are different. For example, if the rotational speed at which the 4-pole main motor 5 exhibits the highest efficiency is 1,200 rpm −1 ,
f = Pn / 120 = 4 × 1200/120 = 40 [Hz]
That is, the output of the inverter may be 40 Hz. However, if the rotational speed at which the same 4-pole auxiliary motor 8 shows the highest efficiency is 7,200 rpm- 1 ,
f = Pn / 120 = 4 × 7200/120 = 240 [Hz]
Therefore, the output of the inverter needs to be 240 Hz. If the inverter is shared by the main motor 5 and the auxiliary motor 8, an inverter capable of frequency control up to 240 Hz is employed in this case.
しかし、現在我が国で使用されている標準設計のインバータでは120Hzが上限のものが多く240Hzという高周波まで出力可能なインバータは、各製造者では非標準設計で非常に高価なものとなる。したがって240Hzという高周波まで周波数制御が必要な場合は非標準設計の高価なインバータを使用することとなり、費用削減の効果が十分に得られないこととなる。 However, inverters with a standard design currently used in Japan have an upper limit of 120 Hz, and an inverter capable of outputting up to a high frequency of 240 Hz is a non-standard design and very expensive for each manufacturer. Therefore, when frequency control is required up to a high frequency of 240 Hz, an expensive non-standard inverter is used, and the cost reduction effect cannot be obtained sufficiently.
さらに、補機用電動機8を240Hzの電源で運転する場合は、120Hzの電源で運転する場合と比較すると鉄損及び漂遊負荷損が増大し、また高周波数になるにつれてインバータ出力電圧波形にインパルスが重畳しやすくなるため、補機電動機8に絶縁破壊が発生する可能性もある。 Furthermore, when the auxiliary motor 8 is operated with a 240 Hz power source, the iron loss and stray load loss increase compared to when operated with a 120 Hz power source, and an impulse appears in the inverter output voltage waveform as the frequency increases. Since it becomes easy to superimpose, dielectric breakdown may occur in the auxiliary motor 8.
この問題を解決するためには、補機電動機8の極数を2極とすれば120Hzのインバータを使用することにより解決できると考えられるが、周知のように電動機固定子コイルの並列回路数は極数の約数となるため、2極の電動機の場合では並列回路数を1、2以外は選択できない。従ってこの場合、補機電動機の極数が2極であれば、並列回路数は1或いは2回路となり、インバータの使用台数は最大2台までとなる。 In order to solve this problem, it is considered that if the number of poles of the auxiliary motor 8 is two, it can be solved by using a 120 Hz inverter, but as is well known, the number of parallel circuits of the motor stator coil is Since this is a divisor of the number of poles, the number of parallel circuits other than 1 or 2 cannot be selected in the case of a two-pole motor. Accordingly, in this case, if the number of poles of the auxiliary motor is two, the number of parallel circuits is one or two, and the maximum number of inverters used is two.
この実施例では補機用電動機8を駆動するために容量的に4台のインバータを必要とするが、並列回路数を最大2しか選択できないからインバータは2台しか接続できず、電源容量が不足する可能性がある。すなわち補機用電動機8をたとえ2極機としても、上限周波数が120Hzの標準設計の経済的なインバータでは並列回路数の制限から定格容量で使用することができないことになる。 In this embodiment, four inverters are required in capacity to drive the auxiliary motor 8, but since only two parallel circuits can be selected, only two inverters can be connected and the power capacity is insufficient. there's a possibility that. That is, even if the auxiliary motor 8 is a two-pole machine, an economical inverter with a standard design with an upper limit frequency of 120 Hz cannot be used with a rated capacity due to the limitation on the number of parallel circuits.
このように図14の従来方式では、主電動機5と補機電動機8の容量、特性、所要回転数、最大効率点の回転数に相違がある場合には標準設計の安価なインバータを使用できない場合があり、インバータの費用と設置スペースを抑制しながら同一の運転特性を得ることはできないことがあるという欠点がある。 As described above, in the conventional system shown in FIG. 14, when there is a difference in the capacity, characteristics, required rotational speed, and rotational speed of the maximum efficiency point between the main motor 5 and the auxiliary motor 8, a standard design inexpensive inverter cannot be used. However, there is a drawback that it may not be possible to obtain the same operating characteristics while suppressing the cost and installation space of the inverter.
本発明は上記の欠点に鑑みてなされたもので、補機用電動機の固定子コイルの巻装方法を考慮することにより、極数の2倍及び1.5倍の数のインバータで駆動することが可能で、且つ出力周波数範囲が広い非標準設計の高価なインバータを採用する必要がない経済的な駆動システムを可能とする交流電動機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks, and is driven by inverters having twice the number of poles and 1.5 times the number of poles in consideration of the winding method of the stator coil of the auxiliary motor. It is an object of the present invention to provide an AC motor that enables an economical drive system that does not require the use of an expensive non-standard design inverter that can be used and has a wide output frequency range.
本発明は上記の目的を達成するために、pを極対数としたとき、1極1相を構成する複数のスロットに納めるコイルを2p組のコイルあるいは2p×1.5組のコイルで構成して固定子コイルを4p組のコイルあるいは極対コイルを渡り配線で接続して2p×1.5組のコイルで構成するとともに、1極1相を構成するそれぞれの2p組のコイルあるいは2p×1.5組のコイルによって生じる電圧ベクトル合成が磁極中心に対しほぼ同位相同電位となるようにそれぞれの2p組のコイルあるいは2p×1.5組のコイルのスロット位置およびコイル接続を決め、この4p組のコイルあるいは2p×1.5組のコイルにそれぞれインバータを接続して4p組コイルあるいは2p×1.5組のコイルの組数と同数のインバータで駆動するようにしたものである。 For the present invention to achieve the above object, when the pole pairs of the p, constitute the coil Ru housed in a plurality of slots constituting one pole 1 phase 2p sets of coils or 2p × 1.5 sets of coils The stator coil is composed of 2p × 1.5 sets of coils by connecting 4p sets of coils or pole-pair coils via wiring, and each of the 2p sets of coils or 2p × voltage vector synthesis decided slot position location and the coil connection of the respective 2p sets of coils or 2p × 1.5 set of coils so as to be substantially in phase the same potential with respect to the magnetic pole center resulting from the 1.5 sets of coils, An inverter is connected to each of the 4p set coil or 2p × 1.5 set coil, and it is driven by the same number of inverters as the number of 4p set coil or 2p × 1.5 set coil . Is.
本発明は主電動機と補機電動機のインバータを切換えて使用するシステムを採用する場合に、補機用電動機の固定子コイルの巻装方法を上記のように構成することにより、電動機極数の2倍及び1.5倍の数のインバータで駆動すると共にインバータ出力周波数の60/p倍の回転数で駆動することができる。このため例えば0〜240Hzのように出力周波数範囲が広い非標準設計の高価なインバータを採用する必要がなくなり、標準設計の比較的安価なインバータを採用することが可能となり、全体的に経済性とスペース性を確保することができる効果がある。さらに、低い周波数で運転可能となり、鉄損及び漂遊負荷損が増大することなく、またインバータ出力電圧波形にインパルスが重畳することがなくなるため、補機電動機8の絶縁破壊が発生することを防止する効果がある。 In the present invention, when adopting a system in which the inverters of the main motor and the auxiliary motor are switched and used, the winding method of the stator coil of the auxiliary motor is configured as described above, so that the number of motor poles is 2 The inverter can be driven at double and 1.5 times the number of inverters and at a rotational speed 60 / p times the inverter output frequency. For this reason, for example, it is not necessary to employ an expensive non-standard inverter with a wide output frequency range, such as 0 to 240 Hz, and a relatively inexpensive inverter with a standard design can be employed, which is economically efficient. There is an effect that space can be secured. Furthermore, since it becomes possible to operate at a low frequency, iron loss and stray load loss do not increase, and impulses are not superimposed on the inverter output voltage waveform, thereby preventing the breakdown of the auxiliary motor 8 from occurring. effective.
(実施形態1)
図1は図16と同一部分を同一符号で示した本発明の実施形態1を示した図で、補機用電動機の固定子コイルの内、U相のみを示した接続図である。コイルはスロット10の[1]、[2]、[3]、・・・・[47]、[48]に上コイル11と下コイル12とを2層に巻層したものであり、六角形状のコイルはすべて同一形状である。この各コイル端部を渡り配線13により関連するコイルと直列に接続して固定子コイルとしての性能を発揮するように構成される点は、従来の実施例である図16と同一である。しかし、本発明の実施例では
1極1相あたりのスロット数8
コイルピッチ 1〜21
1極1相スロットに2組のコイルを設け、極数を2極構成としている点が図16と異なる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing Embodiment 1 of the present invention in which the same parts as those in FIG. 16 are denoted by the same reference numerals, and is a connection diagram showing only the U phase among the stator coils of the auxiliary motor. The coil is formed by winding the
Coil pitch 1-21
FIG. 16 is different from FIG. 16 in that two sets of coils are provided in one pole / one phase slot and the number of poles is two.
すなわちU相のみを例にとれば、U1組のコイルをスロット[1]、[4]、[6]、[7]に収めた上で中性点N1と接続し、U2組のコイルをスロット[2]、[3]、[5]、[8]に収めた上で中性点N2と接続する。同じくU3組のコイルをスロット[31]、[30]、[28]、[25]に収めた上で中性点N3に、U4組のコイルをスロット[32]、[29]、[27]、[26]に収めた上で中性点N4と接続する。なおこの実施形態では固定子コイルのピッチを一例として1〜21としているが、任意に選ぶことが可能である。 That is, if only the U phase is taken as an example, the U1 set of coils are placed in the slots [1], [4], [6], [7] and then connected to the neutral point N1, and the U2 set of coils are connected to the slots. [2], [3], [5], [8] and then connected to the neutral point N2. Similarly, U3 sets of coils are placed in slots [31], [30], [28], and [25], and the U4 sets of coils are placed in slots [32], [29], and [27]. [26] and then connected to the neutral point N4. In this embodiment, the pitch of the stator coil is set to 1 to 21 as an example, but can be arbitrarily selected.
このように1極1相スロット1〜8にU1とU2の2組のコイルを、またスロット25〜32にU3とU4の2組のコイルを収納することにより各組のコイルによって生成される電圧ベクトルは図2のようになる。図1のスロット[1]〜[8]のコイルによる電圧ベクトル及びスロット[25]〜[32]のコイルによる電圧ベクトルは、図2において各矢印を付した直線のようになる。すなわち[1]、[4]、[6]、[7]がU1組の電圧ベクトル、[2]、[3]、[5]、[8]がU2組の電圧ベクトル、[25]、[28]、[30]、[31]がU3組の電圧ベクトル、及び[26]、[27]、[29]、[32]がU4組のベクトルとなる。この内U1組及びU2組の各コイル間の電気角は、
360°÷48スロット=7.5°
である。図2において、横軸をx軸、縦軸をy軸とし、y軸を磁極中心とする。ここでU1組の電圧ベクトルはスロット[1]、[4]、[6]、[7]に収めた固定子コイルによる電圧ベクトルの合成であるから、各スロットで生成されるベクトルと磁極中心との間の角度は
スロット[1]3×7.5+3.75=26.25°
スロット[4]3.75°
スロット[6]7.5+3.75=11.25°
スロット[7]2×7.5+3.75=18.75°
である。同様に
スロット[2]2×7.5+3.75=18.75°
スロット[3]7.5+3.75=11.25°
スロット[5]3.75°
スロット[8]3×7.5+3.75=26.25°
である。
Thus, by storing two sets of coils U1 and U2 in the 1-pole 1-phase slots 1 to 8 and storing two sets of coils U3 and U4 in the
360 ° ÷ 48 slots = 7.5 °
It is. In FIG. 2, the horizontal axis is the x axis, the vertical axis is the y axis, and the y axis is the magnetic pole center. Here, the U1 set of voltage vectors is a composition of voltage vectors by the stator coils stored in the slots [1], [4], [6], and [7]. The angle between is slot [1] 3 x 7.5 + 3.75 = 26.25 °
Slot [4] 3.75 °
Slot [6] 7.5 + 3.75 = 11.25 °
Slot [7] 2 × 7.5 + 3.75 = 18.75 °
It is. Similarly, slot [2] 2 × 7.5 + 3.75 = 18.75 °
Slot [3] 7.5 + 3.75 = 11.25 °
Slot [5] 3.75 °
Slot [8] 3 × 7.5 + 3.75 = 26.25 °
It is.
したがってこれらのベクトルの値を1とし、角度をRadian変換して、x軸成分、y軸成分に分けて合成すると、次のようになる。 Therefore, when the values of these vectors are set to 1, the angle is subjected to the Radian transformation, and divided into the x-axis component and the y-axis component, the result is as follows.
U1のx軸成分 -sin26.25°-sin3.75°+sin11.25°+sin18.75°=0.008838
U1のy軸成分 cos26.25°+cos3.75°+cos11.25°+sin18.75°=3.82245
U2のx軸成分 -sin18.75°-sin11.25°+sin3.75°+sin26.25°=-0.008838
U2のy軸成分 cos18.75°+cos11.25°+cos3.75°+sin26.25°=3.82245
この計算結果から得られたU1組、U2組の電圧ベクトルを図3に示す。図3から判明するように合成ベクトルはU1、U2の大きさは同じとなり、その位相差は
θ=2×tan−1(0.008838/3.82245)=0.265°
である。U3、U4組も同様にして求められる。
X1 component of U1 -sin26.25 ° -sin3.75 ° + sin11.25 ° + sin18.75 ° = 0.008838
U1 y-axis component cos26.25 ° + cos3.75 ° + cos11.25 ° + sin18.75 ° = 3.82245
X2 component of U2 -sin18.75 ° -sin11.25 ° + sin3.75 ° + sin26.25 ° = -0.008838
U2 y-axis component cos18.75 ° + cos11.25 ° + cos3.75 ° + sin26.25 ° = 3.82245
FIG. 3 shows voltage vectors of U1 group and U2 group obtained from the calculation result. As can be seen from FIG. 3, the combined vectors U1 and U2 have the same magnitude, and the phase difference is θ = 2 × tan −1 (0.008838 / 3.82245) = 0.265 °.
It is. The U3 and U4 sets are obtained in the same way.
結局図1に示す実施例では、補機電動機8の固定子コイルによって生成される電圧ベクトルは、図1のコイルU1、U2により1極が構成され、同じくU3とU4のコイルにより1極が構成される。これにより2極構成と同等となり、従って従来方式では実現できなかった4並列回路により4台のインバータで2極機を駆動することが可能となる。このため7,200min−1の回転数で運転を行う必要がある4並列多相電動機でも2極機と同等とすることが可能となり、従来極数と並列回路数等の関係で2極機が製作できなかった電動機でも、本発明の実施形態1による電動機の巻線方法を使用すれば、240Hzの高周波インバータが必要なくなり、標準設計の最高出力周波数120Hzのインバータで7,200min−1運転が可能となって経済的である。さらに4極機を240Hzで運転する場合と比較して、最高周波数が120Hzであるから損失も減少する利点がある。 After all, in the embodiment shown in FIG. 1, the voltage vector generated by the stator coil of the auxiliary motor 8 is composed of one pole by the coils U1 and U2 in FIG. 1, and one pole is also composed by the coils U3 and U4. Is done. As a result, it becomes equivalent to a two-pole configuration, and therefore, a two-pole machine can be driven by four inverters by a four parallel circuit that could not be realized by the conventional method. For this reason, even a 4-parallel multi-phase motor that needs to be operated at a rotational speed of 7,200 min −1 can be made equivalent to a 2-pole machine, and the 2-pole machine is related to the number of conventional poles and the number of parallel circuits. Even if the motor could not be manufactured, if the winding method of the motor according to the first embodiment of the present invention is used, a 240 Hz high frequency inverter is not necessary, and an inverter with a standard design maximum output frequency of 120 Hz can be operated for 7,200 min −1. It is economical. Furthermore, compared with the case of operating a quadrupole machine at 240 Hz, there is an advantage that the loss is reduced because the maximum frequency is 120 Hz.
上述の形態は極数2の場合であるが、4、6、・・・・極と多くなる場合についても2極の場合と同様の効果が得られる。すなわち
S: スロット数
p: 極対数
P: 極数 = 2p
m: 相数
q: 1極1相あたりのスロット数
f: インバータの出力周波数 [Hz]
N: 電動機の回転数 [rpm−1]
n: 並列回路数
とした場合、上記実施形態の電動機で次式が成立する。
Although the above-mentioned form is the case of 2 poles, the same effect as the case of 2 poles can be obtained when the number of poles is increased to 4, 6,. That is, S: number of slots p: number of pole pairs P: number of poles = 2p
m: Number of phases q: Number of slots per phase per pole f: Output frequency of inverter [Hz]
N: Number of rotations of the motor [rpm -1 ]
n: When the number of parallel circuits is used, the following equation is established in the electric motor of the above embodiment.
スロット数 S=2pmq=2p×3×8=48p--------(1)
並列回路数 n=4p=2P--------------------(2)
回転数 N=120f/P=120f/2p=60f/p---------(3)
すなわち(3)式から交流電動機の回転数は、インバータ出力周波数fの60/pとなる。ここで極対数p を1〜5に変更した場合、電動機の回転数は表1に示すようになる。
Number of parallel circuits n = 4p = 2P -------------------- (2)
Rotational speed N = 120f / P = 120f / 2p = 60f / p --------- (3)
That is, from equation (3), the rotational speed of the AC motor is 60 / p of the inverter output frequency f. Here, when the number of pole pairs p 1 is changed to 1 to 5, the rotational speed of the electric motor is as shown in Table 1.
上記実施形態は電動機のコイルがスター結線の場合であるが、デルタ結線の場合は固定子コイルの結線は図1と同一部分に同一符号を付した図4のようになる。図4と図1の結線方法が異なる点は、中性点N1、N2、N3、N4の代わりに次の相であるV相のコイルV1、V2、V3、V4に接続する点である。デルタ結線の場合も電圧ベクトルの関係は変わらないため、スター結線と同様の効果が得られる。 In the above embodiment, the motor coil is in the star connection, but in the case of the delta connection, the connection of the stator coil is as shown in FIG. The connection method of FIG. 4 and FIG. 1 is different from the neutral points N1, N2, N3, and N4 in that they are connected to the V-phase coils V1, V2, V3, and V4, which are the next phases. In the case of the delta connection, the voltage vector relationship does not change, so that the same effect as the star connection can be obtained.
以上をまとめると次のようになる。 The above is summarized as follows.
3相、極数2×p(p:正の整数(極対数))、1極1相あたりのスロット数8、2層巻、重ね巻とする交流電動機であって、1極1相を構成するスロットに納めるコイルを順にコイル1,2,3,4,5,6,7,8と呼称した場合に、スター結線においては、コイル1,4,6,7,中性点を順に接続すると共にコイル2,3,5,8,中性点を順に接続する。
AC motor with three phases, number of poles 2 x p (p: positive integer (number of pole pairs)), eight slots per pole, two layers winding, and lap winding, constituting one pole and one phase In the star connection, coils 1, 4, 6, 7, and neutral points are connected in order when the coils that are placed in the slots to be called are sequentially called
デルタ結線においては,コイル1,4,6,7,次相V1のコイル1を順に接続すると共にコイル2,3,5,8,次相V2のコイル2を順に接続することにより並列回路数を4×pとし、4×p台のインバータによりインバータの出力周波数の60/p倍の回転数で駆動するようにしたものである。
In the delta connection, the
次に実施形態1の他の一例を図5に基づいて説明する。図5は図1の変形例で、U1組の各コイルをスロット[1]、[4]、[5]、[8]に収めた上で中性点N1と接続し、U2組の各コイルをスロット[2]、[3]、[6]、[7]に収めた上で中性点N2と接続する。同じくU3組の各コイルをスロット[32]、[29]、[28]、[25]に収めた上で中性点N3に接続し、U4組の各コイルをスロット[31]、[30]、[27]、[26]に収めた上で中性点N4と接続する。このように接続すると、図5の固定子コイルによって生成する電圧ベクトルは図6のようになり、それらを合成すると図7のようになる。図7から分かるようにX軸方向は左右対称で同位相になり、Y軸方向のみ僅かの電圧差となっている点が異なるが、このような巻線構成によっても同一の効果が得られる。 Next, another example of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a modification of FIG. 1, in which each coil of the U1 set is placed in the slots [1], [4], [5], [8] and connected to the neutral point N1, and each coil of the U2 set is connected. Is placed in slots [2], [3], [6], [7] and then connected to the neutral point N2. Similarly, each coil of the U3 set is placed in the slots [32], [29], [28], and [25] and then connected to the neutral point N3, and each coil of the U4 set is connected to the slots [31] and [30]. , [27], and [26] and then connect to the neutral point N4. When connected in this way, the voltage vector generated by the stator coil of FIG. 5 is as shown in FIG. 6, and when they are combined, it is as shown in FIG. As can be seen from FIG. 7, the X-axis direction is bilaterally symmetrical and has the same phase, and only a slight voltage difference occurs in the Y-axis direction, but the same effect can be obtained by such a winding configuration.
(実施形態2)
上記実施形態1は並列回路数が4である場合を示したものであるが、インバータ台数を減少させるために並列回路数を3とした場合の実施例を図4と同一部分に同一符号を付した図8に基づいて説明する。
(Embodiment 2)
Embodiment 1 above shows the case where the number of parallel circuits is 4, but in order to reduce the number of inverters, an example where the number of parallel circuits is 3 is assigned the same reference numerals in FIG. This will be described with reference to FIG.
実施形態2では
3相
スロット数 72
1極1相あたりのスロット数12
コイルピッチ 1〜31
とし、U1のコイルをスロット[1]、[4]、[7]、[10]、[48]、[45]、[42]、[39]に収めた上で中性点N1と接続し、U2のコイルをスロット[2]、[5]、[8]、[11]、[47]、[44]、[41]、[38]に収めて中性点N2と接続し、U3のコイルをスロット[3]、[6]、[9]、[12]、[46]、[43]、[40]、[37]に収めた上で中性点N3に接続したスター結線である。
In the second embodiment, the number of three-phase slots is 72.
12 slots per pole per phase
Coil pitch 1-31
The coil of U1 is placed in slots [1], [4], [7], [10], [48], [45], [42], [39] and connected to the neutral point N1. , U2 coils are placed in slots [2], [5], [8], [11], [47], [44], [41], [38] and connected to the neutral point N2, A star connection in which the coil is housed in slots [3], [6], [9], [12], [46], [43], [40], [37] and connected to the neutral point N3. .
このように各スロットにコイルを収納し、渡り配線13により接続することにより複組のコイルU1、U2、U3を構成する。この固定子コイルによって生成される電圧ベクトルは図9のようになる。図9において、各矢印の直線は[1]〜[12]及び[37]〜[48]に収納されているコイルによる電圧ベクトルを示している。またコイル間の電気角は
360÷72スロット=5°である。
In this way, the coils are accommodated in the respective slots and connected by the
実施形態1の図2と同じく横軸をx軸、縦軸をy軸として磁極中心とした図9において、各スロット[1]〜[12]及び[37]〜[48]のコイルによって生成される電圧ベクトルは図9の放射状の直線のようになる。この内、スロット[1]、[4]、[7]、[10]の電圧ベクトルを合成したものがU1相の電圧ベクトル、同じくスロット[2]、[5]、[8]、[11]の電圧ベクトルを合成したものがU2相の電圧ベクトル、スロット[3]、[6]、[9]、[12]の電圧ベクトルを合成したものがU3相の電圧ベクトルである。各スロット[1]、[4]、[7]、[10]の電圧ベクトルと磁極中心との間の電気角は
スロット[1] 5×5.0+2.5=27.5°
スロット[4] 2×5.0+2.5=12.5°
スロット[6] 2.5°
スロット[7] 3×5.0+2.5=17.5°
である。同様にしてスロット[2]、[5]、[8]、[11]の電圧ベクトルと磁極中心との間の電気角は
スロット[2] 4×5.0+2.5=22.5°
スロット[5] 5.0+2.5=7.5°
スロット[8] 5.0+2.5=7.5°
スロット[11] 4×5.0+2.5=22.5°
である。またスロット[3]、[6]、[9]、[12]の電圧ベクトルでは磁極中心との間の電気角は
スロット[3] 3×5.0+2.5=17.5°
スロット[6] 2.5°
スロット[9] 2×5.0+2.5=12.5°
スロット[12] 5×5.0+2.5=27.5°
である。
As in FIG. 2 of the first embodiment, the horizontal axis is the x axis and the vertical axis is the y axis. In FIG. The voltage vector is a radial line in FIG. Of these, the voltage vector of the slots [1], [4], [7], [10] is a voltage vector of the U1 phase. Is a U2-phase voltage vector, and a voltage vector of slots [3], [6], [9], [12] is a U3-phase voltage vector. The electrical angle between the voltage vector of each slot [1], [4], [7], [10] and the magnetic pole center is slot [1] 5 × 5.0 + 2.5 = 27.5 °
Slot [4] 2 × 5.0 + 2.5 = 12.5 °
Slot [6] 2.5 °
Slot [7] 3 × 5.0 + 2.5 = 17.5 °
It is. Similarly, the electrical angle between the voltage vector of the slots [2], [5], [8] and [11] and the magnetic pole center is slot [2] 4 × 5.0 + 2.5 = 22.5 °
Slot [5] 5.0 + 2.5 = 7.5 °
Slot [8] 5.0 + 2.5 = 7.5 °
Slot [11] 4 × 5.0 + 2.5 = 22.5 °
It is. In the voltage vectors of slots [3], [6], [9], and [12], the electrical angle to the magnetic pole center is slot [3] 3 × 5.0 + 2.5 = 17.5 °
Slot [6] 2.5 °
Slot [9] 2 × 5.0 + 2.5 = 12.5 °
Slot [12] 5 × 5.0 + 2.5 = 27.5 °
It is.
したがって、これらの各ベクトルの値を1として、x軸成分、y軸成分に分けて合成すると、
U1のx軸成分 ‐sin27.5°‐sin12.5°+sin2.5°+sin17.5°=‐0.33386
U1のy軸成分 cos27.25°+cos12.5°+cos2.5°+cos17.5°=3.8161
U2のx軸成分 ‐sin22.5°-sin7.5°+sin7.5°+sin22.5°=0
U2のy軸成分 cos22.5°+cos7.5°+cos7.5°+cos22.5°=3.83065
U3のx軸成分 ‐sin17.5°-sin2.5°+sin17.5°+sin27.5°=-0.33386
U3のy軸成分 cos17.5°+cos2.5°+cos12.5°+cos27.5°=3.8131
U1、U3の位相差は磁極中心に対して対称であるから、次の極との接続で位置を入れ換えることにより、U1、U2、U3の位相は完全に合わせることができる。この実施形態による電圧ベクトルは図10のようになる。ただし、Aはスロット[1]と[4]、Bは[7]と[10]、Cは[9]と[12]、Dは[3]と[6]によって生成する電圧ベクトルである。図10から電圧の大きさはU1=U3=3.8161×2、U2=3.83065×2で僅かに異なるが、この電圧差は
(1−3.81610/3.83065)×100=0.38%
程度である。よってU1、U2、U3の固定子コイルにより電動機の2極を構成することが可能である。
Therefore, when the values of these vectors are set to 1, the x-axis component and the y-axis component are combined,
U1 x-axis component -sin27.5 ° -sin12.5 ° + sin2.5 ° + sin17.5 ° = -0.33386
U1 y-axis component cos27.25 ° + cos12.5 ° + cos2.5 ° + cos17.5 ° = 3.8161
X2 component of U2 -sin22.5 ° -sin7.5 ° + sin7.5 ° + sin22.5 ° = 0
U2 y-axis component cos22.5 ° + cos7.5 ° + cos7.5 ° + cos22.5 ° = 3.83065
X3 component of U3 -sin17.5 ° -sin2.5 ° + sin17.5 ° + sin27.5 ° = -0.33386
U3 y-axis component cos17.5 ° + cos2.5 ° + cos12.5 ° + cos27.5 ° = 3.8131
Since the phase difference between U1 and U3 is symmetric with respect to the magnetic pole center, the phases of U1, U2 and U3 can be completely matched by changing the position by connection with the next pole. The voltage vector according to this embodiment is as shown in FIG. However, A is a voltage vector generated by slots [1] and [4], B is [7] and [10], C is [9] and [12], and D is [3] and [6]. From FIG. 10, the magnitude of the voltage is slightly different at U1 = U3 = 3.8161 × 2 and U2 = 3.88305 × 2, but this voltage difference is (1−3.881010 / 3.830665) × 100 = 0. .38%
Degree. Therefore, it is possible to constitute two poles of the electric motor by the stator coils of U1, U2 and U3.
この実施形態では3並列回路の2極電動機を例にして説明したが、極数が4、6、・・・・と多くなる場合でも、実施形態1と同様に
スロット数 S=2pmq=2p×3×12=72p-------(4)
並列回路数 n=3p=1.5P------------------(5)
回転数 N=120f/P=120f/2p=60f/P---------(6)
が成立し、極対数pをパラメータとすると、電動機の回転数は表2のようになる。
Number of parallel circuits n = 3p = 1.5P ------------------ (5)
Rotational speed N = 120f / P = 120f / 2p = 60f / P --------- (6)
When the number of pole pairs p is a parameter, the number of rotations of the motor is as shown in Table 2.
以上をまとめると次のようになる。 The above is summarized as follows.
1極1相を構成するスロットに納めるコイルを端から順にコイル1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12と呼称し、さらに次の1極1相を構成するスロットに納めるコイルを端から順にコイル37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48と呼称した場合に、スター結線においては、コイル1,4,7,10,46,43,40,37,中性点を順に接続すると共にコイル2,5,8,11,47,44,41,38,中性点を順に接続し、またコイル3,6,9,12,48,45,42,39,中性点を順に接続し、デルタ結線においては、コイル1,4,7,10,46,43,40,37,次相のコイル1を順に接続し、コイル2,5,8,11,47,44,41,38,次相のコイル2を順に接続し、またコイル3,6,9,12,48,45,42,39,次相のコイル3を順に接続することにより並列回路数を3×pとし、3×p台のインバータによりインバータの出力周波数の60/p倍の回転数で駆動するようにしたものである。
The coils placed in the slots constituting one pole and one phase are referred to as
次に実施形態2の他の一例で並列回路数を4とした場合の例を図11に基づいて説明する。図11は図1の巻線構成を変更したもので、U1相の各コイルをスロット[1]、[4]、[6]、[7]、[9]、[12]に収めた上で中性点N1と接続し、U2相の各コイルをスロット[2]、[3]、[5]、[8]、[10]、[11]に収めた上で中性点N2と接続する。同じくU3相の各コイルをスロット[48]、[45]、[43]、[42]、[40]、[37]に収めた上で中性点N3に接続し、U4相のコイルをスロット[47]、[46]、[44]、[41]、[39]、[38]に収めた上で中性点N4と接続する。このように接続すると、図11の固定子コイルによって生成する電圧ベクトルは図12のようになり、それらを合成すると図13のようになる。図13から分かるようにX軸方向は左右対称で同位相になり、Y軸方向のみ僅かの電圧差となっている点が異なるが、このような巻線構成によっても同一の効果が得られる。 Next, an example in which the number of parallel circuits is four in another example of the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a modification of the winding configuration of FIG. 1, and the U1-phase coils are placed in slots [1], [4], [6], [7], [9], and [12]. Connect to the neutral point N1, and connect each coil of the U2 phase in the slots [2], [3], [5], [8], [10], [11] and then connect to the neutral point N2. . Similarly, each U3-phase coil is placed in slots [48], [45], [43], [42], [40], [37] and connected to the neutral point N3, and the U4-phase coil is inserted into the slot. [47], [46], [44], [41], [39], [38] and then connected to the neutral point N4. When connected in this way, the voltage vector generated by the stator coil of FIG. 11 is as shown in FIG. 12, and when they are combined, it is as shown in FIG. As can be seen from FIG. 13, the X-axis direction is bilaterally symmetrical and has the same phase, and only a slight voltage difference occurs in the Y-axis direction. However, the same effect can be obtained by such a winding configuration.
上記実施形態は電動機のコイルがスター結線の場合であるが、デルタ結線の場合は固定子コイルの結線は中性点N1、N2、N3、N4の代わりに次の相であるV相のコイルV1、V2、V3、V4に接続する点である。デルタ結線の場合も電圧ベクトルの関係は変わらないため、スター結線と同様の効果が得られる。 In the above embodiment, the motor coil is a star connection, but in the case of a delta connection, the stator coil is connected to the V-phase coil V1 which is the next phase instead of the neutral points N1, N2, N3 and N4. , V2, V3, and V4. In the case of the delta connection, the voltage vector relationship does not change, so that the same effect as the star connection can be obtained.
以上説明したように、pを極対数としたとき、1極1相を構成する複数のスロットに納めたコイルを2p組、或いは2p×1.5組のコイルで構成するとともに、各組コイルによって生じる電圧ベクトルでひとつの合成磁極を形成するように前記2p組、或いは2p×1.5組コイルのスロットへの配置位置およびコイル接続を決めることにより、並列回路数を2p組コイルの組数の2倍、或いは2p×1.5組コイルの組数としたので、このコイルの組数と同数のインバータで駆動することが可能となり、またインバータ出力周波数の60/p倍の回転数で駆動できるため、標準設計の経済的なインバータを使用することが可能となる。 As described above, when p is the number of pole pairs, the coils stored in a plurality of slots constituting one pole and one phase are constituted by 2p sets or 2p × 1.5 sets of coils, By determining the arrangement position and coil connection of the 2p set or 2p × 1.5 set coils in the slot so as to form one composite magnetic pole with the generated voltage vector, the number of parallel circuits is reduced to the number of sets of 2p set coils. Since it is twice or 2p × 1.5 sets of coils, it can be driven by the same number of inverters as the number of coils, and can be driven at a rotational speed 60 / p times the inverter output frequency. Therefore, it is possible to use a standard design economical inverter.
1 電源母線
2A、2B、2C、2D インバータ
3A、3B、3C、3D リアクトル
4A、4B、4C、4D 切換スイッチ
5 主電動機(船舶電気推進用電動機)
6 負荷機械(船舶推進用プロペラ)
7A、7B、7C、7D 多巻線コイル
8 補機電動機
9 負荷機械(コンプレッサ)
10 スロット
11 上コイル
12 下コイル
13 渡り線
1 Power Bus 2A, 2B, 2C,
6 Load machines (propellers for ship propulsion)
7A, 7B, 7C, 7D Multi-winding coil 8 Auxiliary motor 9 Load machine (compressor)
10
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