JP5052515B2 - 同心巻線を有する電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、固定子が周面に配設されたスロットを含み、該スロット間に各々１つの歯が配置され、また少なくとも１つの相巻線を備えた巻線系がスロット内に配置され、各相巻線が少なくとも１つのコイル群を含み、各コイル群が第１個別コイルと少なくとも１つの他の個別コイルとを含む、各コイル群の全個別コイルが電気的に直列に接続された電気機械に関する。

特に三相永久磁石同期機として形成されるこのような電気機械は、動作時にしばしば一定のトルクリプルを示す。このトルクリプルを減らすべく、種々の措置が公知である。

例えば独国特許出願公開第１９９６１７６０号明細書は、固定子のスロット内に配置される巻線系の特殊な巻線係数とスロットのスキューがトルクリプルの減少をもたらす旨を開示する。

更に独国特許出願公開第１０１１４０１４号明細書で公知の永久磁石三相機は、固定子が巻線系を受容するための傾斜スロットを有する。固定子および巻線系の特殊な構成がコギングおよび５次調波を十分に抑制する。

これら公知の対策にも係らず、トルクリプルを更に低減したいとの要望が存在する。それは、特に、電気機械をごく安価に製造せねばならないときである。

そこで本発明の課題は、極力低いリプルを有し、更に改善されたトルク挙動を有する冒頭に指摘した種類の電気機械を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴事項によって解決される。本発明に係る電気機械は、前記他の個別コイルの各々が、第１個別コイルに対して固定子の周方向で測定したオフセット角をもって各々ずらして配置されており、各オフセット角が、
ｋ∈｛１、２、…（ｎ−１）｝、ｉ∈｛０、１、…（６×ｐ_N−１）｝として
φｍ_k、_i＝（ｉ＋（ｋ／ｎ））×（６０°／ｐ_N）
で与えられ、式中ｎが各コイル群の全ての個別コイルの群コイル数、ｋが前記他の個別コイルのコイル指数、ｉが位置指数、ｐ_Nが有効極対数であり、歯が各々の形状又は各々の周方向長さの点で少なくとも部分的に相互に相違していることを特徴とする。

本発明者等は、飽和現象により引き起こされる透磁率の変動がトルクリプルの原因であることを確認した。固定子巻線系への実際の三相電流印加に応じ、固定子成層鉄心の磁性材料が一時的に飽和し、局所的に限定された領域が固定子内に形成されることがある。時間的に変化する三相電流印加に応じ、固定子の内部でこの飽和領域の位置が変化する。

特に、２つの極と、合計６つの固定子スロット内に配置される三相巻線系とを含む三相同期機の最も単純な実施形態に基づき、三相電流印加の各電気装荷状況が円周当り合計６回現れることを具体的に説明できる。それ故、前記飽和効果は６次調波でトルクリプルを生じる。この飽和効果の影響は、付加的仮想歯（又はスロット）を固定子に割り当てることで検出できる。前記２極三相同期機では、仮想的に等距離で固定子周面に分散配置して２つの付加的仮想歯を設けることができる。

本発明は、局所的に飽和する周方向領域の交互的補償を行うことで、この仮想歯の影響を抑制する。これは、特別有利な本発明に係る巻線系により達成できる。１コイル群の電気的に直列に接続される個別コイルは、個別コイルによって各々生成される個別磁界が有効極対数の６次調波において補償されるように周方向で相互にずらして配置される。

本発明に係る計算規則は、他の個別コイルの各々についての特別好ましいこの機械的オフセット角を、第１個別コイルの角度位置に関係した相対角度として明示する。角度情報は個別コイルの各々に割り当て可能なコイル重心に関係している。

つまりこのように配置された個別コイルの個別磁界は、６次調波において、従ってまさに仮想歯に起因したトルクに対する不利な作用の点で相殺され、全体として低リプルで著しく改善したトルク挙動を実現できる。

本発明に係る電気機械の有利な諸構成を、請求項１に従属する請求項に示す。

好適な１変更態様では、個別コイルを歯巻回コイルとして構成し、特に隣接するスロット間に配置した各１つの歯を取り囲む。歯巻回コイルは電気機械の製造を簡素化する。

電気機械は、永久磁石を装えた回転子を備える永久磁石機であるとよい。永久磁石機、特に同期モータ等の永久磁石同期機は、今日しばしば、小さな構造寸法を有する大量生産品である。省スペースな歯巻回コイルが考慮に値する。更に達成可能な低いトルクリプルは、まさに大量生産品において特別重要となる費用上の利点を提供する。

前記少なくとも１つの相巻線に付設したコイル群を電気的に直列に接続するとよい。これは、低回転数用に設計した電気機械に好ましい。

他の１構成では、前記少なくとも１つの相巻線に付設したコイル群を電気的に並列に接続する。これは、高回転数用に設計した電気機械に好ましい。

更に、外部回転子又は内部回転子として構成した回転子を備えた変更態様が好ましい。前記好ましい巻線系は両方の実施形態で、前記諸利点をもって利用可能である。

本発明のその他の特徴、利点および詳細を、図示の実施例を基に明らかにする。

図１ないし図７において、相対応する部品には同じ符号を付している。

電気機械１の１実施例を図１に横断面図で示す。この電気機械は永久磁石同期モータとして構成されており、固定子２と回転軸４の周りを回転可能に支承された回転子３とを含む。回転子３は、本実施例では合計１４個の永久磁石５を備えた内部回転子であり、回転子極対数ｐ_Lは７となる。回転子極対数ｐ_Lはここでは有効極対数ｐ_Nに等しい。固定子２は回転子３に向き合うその内壁に複数の、図１の実施例では合計２４個の、周面に均一に分布したスロット６を含む。スロット間に、各々１つの平行側面歯７又は１つの非平行側面歯８が配置されている。即ち歯７と８は異なる形状を有し、周方向で交互し、外側に周設された継鉄によって互いに結合されている。スロット６の内部を三相巻線系９の電気導体が延びている。巻線系９は歯巻回コイル１０、１１によって形成されている。

各歯巻回コイル１０、１１は、平行側面歯７の１つを取り囲む。隣接する両方のスロット６と取り囲まれた歯７が各々平行側壁を有し、予め作製された歯巻回コイル１０又は１１は固定子２の成層鉄心に問題なく嵌挿できる。その結果、電気機械１の製造が著しく容易となる。更に、こうして高いスロット充填を達成でき、電気機械１をごく小型に、僅かな材料支出で実現できる。

歯巻回コイル１０、１１は単層に構成されている。各歯巻回コイル巻線の電気導体は、それが布設されたスロット６を実質完全に満たす。

巻線系９の細部は、図２と３の簡略化した両巻線線図から読み取れる。図示の巻線系１２、１３の２つの実施例は、基本的に同じ原理に従って構成されているが、コイル端１４の領域に異なる配線を含む。図２と３に示す如く、軸線方向、即ち回転軸４の方向で、固定子２の本来の能動部品の両方の正面に各々コイル端１４、１５用の領域が設けられている。コイル端１５の領域で歯巻回コイル巻線の電気導体が方向転換されるだけであるのに対し、コイル端１４の領域では歯巻回コイル１０、１１の電気的相互接続も行われる。

個別コイルを形成する歯巻回コイル１０、１１は、両実施例において合計６つのコイル群１６〜２１にまとめられており、その内各２つのコイル群が３つの相巻線２２〜２４の１つに付設されている。実施例においてコイル群１６〜２１の１つへとまとめられた両方の歯巻回コイル１０、１１は周方向で並べられ、３０°の機械的オフセット角φｍだけ相互にずらして配置されている。歯巻回コイルは更に電気的に直列に接続され、歯巻回コイル１０、１１は逆向きに巻き付けられている。

図２の巻線系１２では、相巻線２２〜２４の１つに付設されたコイル群１６と１７、１８と１９又は２０と２１が電気的に直列接続されているのに対し、図３の巻線系１３ではそれらが電気的に並列接続されている。第１相巻線２２は実線、第２相巻線２３は破線、第３相巻線２４は一点鎖線で示してある。

図２と３に付加的に書き込んだスロット６の通し番号を考慮して、巻線系１２又１３について以下の構造が得られる。

第１相巻線２２は、その導体が第１、第２スロット６内又は第３、第４スロット内を延びる２つの歯巻回コイル１０、１１を備えた第１コイル群１６と、その導体が第１３、第１４スロット６内又は第１５、第１６スロット内を延びる２つの歯巻回コイル１０、１１を備えた第２コイル群１７とを含む。

第２相巻線２３は、その導体が第９、第１０スロット６内又は第１１、第１２スロット内を延びる２つの歯巻回コイル１０、１１を備えた第３コイル群１８と、その導体が第２１、第２２スロット６内又は第２３、第２４スロット内を延びる２つの歯巻回コイル１０、１１を備えた第４コイル群１９とを含む。

第３相巻線２４は、その導体が第１７、第１８スロット６内又は第１９、第２０スロット内を延びる２つの歯巻回コイル１０、１１を備えた第５コイル群２０と、その導体が第５、第６スロット６内又は第７、第８スロット内を延びる２つの歯巻回コイル１０、１１を備えた第６コイル群２１とを含む。

各相巻線２２〜２４は、半周ずつ相互にずらして配置される対の歯巻回コイル１０、１１を含む。相巻線２２において、これは、例えば導体が第１、第２スロット６内又は第１３、第１４スロット内を延びる両方の歯巻回コイル１０、１１である。かかる対の両方の歯巻回コイル１０、１１は、両方の歯巻回コイル１０、１１により生成される個別磁界の相互的補償を有効極対数ｐ_Nにおいて防止すべく、各々逆向きに巻き付けられている。

電気機械１の作用様式、特に有利な巻線系１２、１３の作用様式を以下で説明する。

動作中、電気機械１は不所望のトルクリプルを示すことがあり、原因は種々存在する。

一方で永久磁石５と歯７又は８との間の磁気抵抗力は休止極対数ｐ_Rでコギングを引き起こす。休止極対数(Rastpolpaarzahl)は、有効極対数ｐ_Nと固定子２のスロット６の数Ｎとによって決まる。実施例においてｐ_Nは値７、Ｎは値２４である。従って休止極対数ｐ_Rは１６８の高い値となり、付属する磁界成分が強く減衰され、トルクリプルの原因としてのコギングは事実上排除できる。

コギングの他に、不所望のトルクリプルの原因が存在する。問題となるのは固定子２内で時間的、局所的に変化する飽和現象であり、飽和現象は局所的に限定的に現れ、巻線系９、１２又は１３への電流印加に左右され、周方向で一緒に回ることがある。これら飽和現象は透磁率の変動を引き起こし、有効極対数ｐ_Nの６次調波においてトルクリプルを生じる。飽和の影響は固定子２内で付加的仮想歯を仮定的に導入することで記述できる。

特殊な巻線系１２、１３は飽和領域の形成、従って仮想歯の形成を十分に抑制し、こうしてごく低いトルクリプルが実現できる。

歯巻回コイル１０、１１が各々個別磁界を生成する。周方向でずらして配置しているので、コイル群１６〜２１の１つに付設された歯巻回コイル１０、１１の個別磁界は電気オフセット角φｅを持つ。電気オフセット角は仮想歯の影響にとって決定的な有効極対数ｐ_Nの６次調波では１８０°の奇数倍に等しく、これら個別磁界は６次調波において相互に相殺される。

つまり、６次調波について満たすべき条件は、
ｊ∈｛１、２、３…｝として
φｅ＝φｍ×６×ｐ_N＝（２×ｊ−１）×１８０° （１）
である。この条件は実施例においてｐ_N＝７、φｍ＝３０°で満たされる。

こうして巻線系１２、１３の有利な構成に基づいて電気機械１のトルクリプルに対する仮想歯の望ましくない影響は起きない。このために決定的なのは、特に、コイル群１６〜２１の各々の歯巻回コイル１０、１１の望ましい立体配置である。

歯巻回コイル１０、１１の間に設けられるφｍ＝３０°の機械的オフセット角は比較的一般的な計算規則から生じ、この計算規則に基づいて１コイル群の直列に接続された個別コイルの相対的配置は、有効極対数ｐ_Nの６次調波において仮想歯の影響が既にコイル群の内部で補償されるように突き止めることができる。この計算規則は、
ｋ∈｛１、２、…（ｎ−１）｝、ｉ∈｛０、１、…（６×ｐ_N−１）｝として
φｍ_k、_i＝（ｉ＋（ｋ／ｎ））×（３６０°／６×ｐ_N）＝（ｉ＋（ｋ／ｎ））×（６０°／ｐ_N） （２）
であり、式中φｍ_k、_iはコイル群の第１個別コイルに関して周方向で測定した他の個別コイルの機械的オフセット角、ｎはコイル群の全ての個別コイルの群コイル数、ｋは他の個別コイルのコイル指数、ｉは位置指数である。

式（２）の第１被加数は、仮想歯によって引き起こされる振動極(Pendelpole)の周期性である。因数（３６０°／６ｐ_N）がこの周期性、つまりこの振動極の極ピッチの２倍を明示する。１周回後に解が繰り返され、位置指数ｉは最大で値（６ｐ_N−１）となる。

式（２）の第２被加数は、他の（ｎ−１）の個別コイルの各々について、それらが基準として役立つ第１個別コイルに対して仮想歯によって引き起こされる振動極の２倍の極ピッチのいかなる割合だけずれているのかを明示する。第２被加数に基づいて算出される全ての角度オフセットは、振動極の２倍の極ピッチの内部で均一に分布している。その場合全体として生ずる個別磁界の好ましい交互的補償は、有効極対数ｐ_Nの６次調波においてコイル群の個別コイルの各々について仮想歯の影響に起因して引き起こされる。

図１〜３の実施例では、コイル群１６〜２１毎に各々２つの個別コイルが設けられており、歯巻回コイル１０は各々、基準として役立つ第１個別コイルであり、歯巻回コイル１１は各々単一の、他の個別コイルである。つまり群コイル数ｎは２であり、コイル指数ｋは値１を占めることができるにすぎない。７の有効極対数ｐ_Nでもって式（２）から以下の理論的に考えられるオフセット角φｍ1、_iが得られ、合計４２の可能な変更態様のうち最初の２０の変更態様を下記の表に列挙している。

図１〜図３の実施例は、各々位置指数ｉ＝３、つまりφｍ1、₃＝３０°について実現されている。別の列挙した全ての値は、仮想歯の補償という観点の下で同様に適している。しかし少なくとも幾つかは、場合によっては別の設計基準によれば好ましくない。

式（２）に基づき、別の電気機械も仮想歯の影響の補償を考慮して設計することができる。他の実施例を以下に説明する。

図４と５は、永久磁石同期モータの態様の別の電気機械２５の実施例を示す。回転子３は同じく１４個の永久磁石５を備えており、回転子極対数ｐ_L、従って有効極対数ｐ_Nは７となる。固定子２が受容する三相巻線系２６は直列接続された各２つの歯巻回コイル２７、２８を相巻線２２〜２４毎に有する。従って各相巻線２２〜２４の歯巻回コイル２７、２８が１つのコイル群を形成する。その群コイル数ｎは２であり、コイル指数ｋは１の値を占めることができるだけである。

こうして式（２）から、図１〜３の実施例について表１に列挙したように理論的に可能な同じオフセット角φｍ1、_iが得られる。しかし電気機械２５の巻線系２６では別のオフセット角φｍ1、_i、即ち位置指数ｉ＝６についてのオフセット角を利用できる。つまり各相巻線２２〜２４の歯巻回コイル２７、２８は周方向で機械的オフセット角φｍ1、₆＝５５．７１４°だけ周方向で相互にずれている。式（１）に相応してこれは有効極対数ｐ_Nの６次調波において歯巻回コイル２７、２８の間に
φｅ＝φｍ1、₆×６×ｐ_N＝５５．７１４°×６×７＝２３４０°＝１３×１８０°
の電気的オフセット角φｅを生じる。従って、補償条件が満たされる。

利用したオフセット角φｍ1、₆＝５５．７１４°は、各々異なる周方向長さを持つ３形式の歯２９〜３１を有する固定子２用に容易に実現可能な成層断面を持つ構造上好ましい解決をもたらす。更に、歯２９〜３１は各々隣接する歯２９〜３１に対し周方向で等距離を示さない。隣接するスロット間の周方向距離も不統一である。周方向距離は、２つの隣接する歯２９〜３１又はスロットの半径方向に延びる中心線の間で各々測定される。

図６と７は、永久磁石同期モータの態様の他の電気機械３２の実施例を示す。回転子３が１４個の永久磁石５を有し、有効極対数ｐ_Nは再度７の値となる。固定子２が含む三相巻線系３３は直列に接続された各３つの歯巻回コイル３４〜３６を相巻線２２〜２４毎に有する。こうして各相巻線２２〜２４の歯巻回コイル３４〜３６はやはり１つのコイル群を形成する。その群コイル数ｎは３であり、コイル指数ｋは１又は２の値を占め得る。

従って、式（２）により得られる、理論的に可能なオフセット角は、歯巻回コイル３５がφｍ1、_i、歯巻回コイル３６がφｍ2、_iである。オフセット角φｍ1、_i、φｍ2、_iは各々歯巻回コイル３４の位置に関して測定されたものである。全体として可能な４２の変更態様のうちやはり単に最初の２０の変更態様を以下を表２に列挙している。

電気機械３２の巻線系３３では、理論的に可能な多数のオフセット角φｍ1、_i、φｍ2、_iから位置指数ｉ＝９又は１８についてのオフセット角を利用する。つまり歯巻回コイル３５はオフセット角φｍ1、₉＝８０°だけ、歯巻回コイル３６はオフセット角φｍ2、₁₈＝１６０°だけ、第１歯巻回コイル３４に対し周方向にずらして配置している。

仮想歯の影響の補償に関して、式（２）の角度オフセット条件が守られる限り、歯巻回コイル３４〜３６の順番は決定的でない。巻回方向についても同様のことがあてはまる。仮想歯の影響の補償に関して、歯巻回コイル３４〜３６が交互に逆方向に巻回されているのか又は常に同一方向に巻回されているのかは重要でない。歯巻回コイル３４〜３６の順番と巻回方向は、別の観点に基づいて決定することのできる設計基準である。

この実施例では２種類の歯３７、３８が生じる。各歯３７は歯巻回コイル３４〜３６の１つによって取り囲まれているのに対し、各歯３８は歯巻回コイル３４〜３６の隣接する２つの間に配置されている。歯３７、３８は周方向で交互し、異なる周方向長さを持つ。この長さは角度又は弧度で測定される。

選択されたオフセット角φｍ1、₉＝８０°、φｍ2、₁₈＝１６０°はやはり設計上容易に転換可能な解決をもたらす。

第１実施例に係る電気機械を横断面図で示す。 図１の電気機械の巻線線図の第１実施例を示す。 図１の電気機械の巻線線図の第２実施例を示す。 第２実施例に係る電気機械を横断面図で示す。 図４の電気機械の巻線線図の実施例を示す。 第３実施例に係る電気機械を横断面図で示す。 図６の電気機械の巻線線図の実施例を示す。

符号の説明

１ 電気機械、２ 固定子、３ 回転子、４ 回転軸、５ 永久磁石、６ スロット、７、８ 歯、９ 巻線系、１０、１１ 歯巻回コイル、１２、１３ 巻線系、１４、１５ コイル端、１６〜２１ コイル群、２２〜２４ 相巻線

Claims (6)

1. 固定子（２）と、回転子（３）とを有し、
   前記固定子（２）が周面に配設されたスロット（６）を含み、隣り合う前記スロット（６）同士の間に１つずつ歯（７、８、２９〜３１、３７、３８）が配置されており、少なくとも１つの相巻線（２２〜２４）を備えた巻線系（９、１２、１３、２６、３３）が、前記スロット（６）内に配置された、三相交流運転される電気機械であって、
   （ａ） 前記相巻線（２２〜２４）が、少なくとも２つのコイル群（１６〜２１）を含み、
   （ｂ） 前記コイル群（１６〜２１）は、1つの群ごとに第１個別コイル（１０、２７、３４）と当該第１個別コイル（１０、２７、３４）以外の少なくとも１つの他の個別コイル（１１、２８、３５、３６）とを含んでおり、前記コイル群（１６〜２１）のそれぞれで、１つのコイル群（１６〜２１）に含まれている全ての個別コイル（１０、１１、２７、２８、３４〜３６）が電気的に直列に接続されており、
   （ｃ） 前記他の個別コイル（１１、２８、３５、３６）の各々が、前記第１個別コイル（１０、２７、３４）に対して前記固定子（２）の周方向で測定したオフセット角（φｍ_k、_i）を以て各々ずらして配置されており、かつ
   前記オフセット角（φｍ_k、_i）が、
   ｋ∈｛１、２、…（ｎ−１）｝、ｉ∈｛０、１、２、…（６×ｐ_N−１）｝として、
   φｍ_k、_i＝（ｉ＋（ｋ／ｎ））×（６０°／ｐ_N）
   なる式によって理論的に算定される、全部で６×ｐ_N通りの値のうちから選択された少なくとも1つの値（φｍ_k、_i）に設定されており、
   ここに、上記の式中において、ｐ_Nは前記回転子（３）における実在の磁極対数である有効極対数であり、ｎは全ての前記コイル群（１６〜２１）の群の個数であり、ｋは前記他の個別コイル（１１、２８、３５、３６）のコイル指数、すなわち前記ｎに対応してｋ＜ｎ−１なる関係式を満たす自然数として定義される数であり、ｉは前記他の個別コイルの位置指数、すなわち前記ｐ_Nに対応してｉ＜６×ｐ_N−１なる関係式を満たす自然数および０のうちから選択される数として定義される数であり、
   （ｄ） 前記歯（７、８、２９〜３１、３７、３８）は、各々の形状又は各々の周方向長さの点で少なくとも１組の部分的に相互に相違している歯同士を含んでおり、
   上記の構成要素（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の全てが相まって、当該電気機械における第６高調波に起因して発生するコギングおよびトルクリプルを低減乃至抑制せしめる
   ことを特徴とする電気機械。
2. 個別コイルが歯巻回コイル（１０、１１、２７、２８、３４〜３６）として構成されていることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
3. 永久磁石（５、４０）を備えた回転子（３）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
4. 前記少なくとも１つの相巻線に付設されたコイル群（１６〜２１）が電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
5. 前記少なくとも１つの相巻線に付設されたコイル群（１６〜２１）が電気的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
6. 外部回転子又は内部回転子として構成される回転子（３）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電気機械。

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