JP5619522B2

JP5619522B2 - ３相交流回転機

Info

Publication number: JP5619522B2
Application number: JP2010185692A
Authority: JP
Inventors: 幸栄八重樫; 謙二松木; 正男浦田; 千葉　明; 明千葉
Original assignee: MOTOR SOLUTION CO., LTD.; Kyowa Industrial Co Ltd; Kikukawa Kogyo Co Ltd
Current assignee: MOTOR SOLUTION CO., LTD.; Kyowa Industrial Co Ltd; Kikukawa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2010-08-22
Filing date: 2010-08-22
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-08-22
Also published as: JP2012044817A

Description

この発明は３相交流回転機に関し、詳しくは、磁界を供給する手段がヨークを吸着することで発生する所謂コギングトルクにより回転軸に与える影響を、減少させる３相交流回転機に関する。

従来の３相交流発電機は、ロータとステータを備える。一般的なロータは、内周面に設けられた対の磁極（Ｎ極とＳ極）を有する回転自在に設けられたフライホイルより構成される。そして、Ｎ極とＳ極は、フライホイルの回転方向に沿って１８０度間隔で配置されている。ステータは、フライホイル内に固定されており、前記２つの磁極に対向して配置された３つのスロットと、それぞれ３つのスロットに巻回された３相コイルにより構成し、フライホイルを回転駆動させると、ステータの外周部に回転磁界が発生し、電磁誘導によって３相コイルに３相交流電圧が発生する。

また、前記３相交流発電機では、磁極の極数を２ｎ（ただし、ｎは２以上の整数である）とすると多極式の３相交流発電機となる。この複数対の磁極は、フライホイルの回転方向に沿って等角度間隔で交互に配置される。
また、スロット数については、３相発電機では、３ｍ（ただし、ｍは正の整数）、となり、３ｍ個のスロットは、１つずつ順次Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に割当てられる。Ｕ相コイルは、Ｕ相のｍ個のスロットに連続巻される。各相の結線は、特許文献１に示す如く、Ｖ相コイルは、Ｖ相のｍ個のスロットに連続巻される。Ｗ相コイルは、Ｗ相のｍ個のスロットに連続巻される。

発電機は、Ｎ極とＳ極とが交互に配された永久磁石を回転させることで、コイルを横切るよう設けられた鉄片が磁化され、電磁誘導によって、コイルに起電力が生じるのであるが、コイルに設けられた鉄片は、コイルに効率的に磁界を与えるために永久磁石と短い隙間を保って近接している。このため、強力な磁界をコイルに与えるために、永久磁石の磁力を強力なものにすると、この接近している鉄片と永久磁石の間に、永久磁石が鉄片を吸着しようとする大きな引力が働くことになる。この引力が回転軸に及ぼす力をコギングトルクという。このコギングトルクが大きいものであると、回転トルクの変動、異常振動あるいは騒音等の問題が発生する。また、風力発電等に用いられる発電機においては、コギングトルクが大きいと、回転翼が動き始める始動トルクが大きくなる。また、回転翼を連続して回転させるための抵抗も大きくなる。よって、微風の状態で発電することは困難であった。

コギングトルクを小さくする技術として、種々の提案がなされている。
たとえば特許公報２に示す３相磁石発電機では、発電コイルを巻いたステータ数を３ｍ（ｍは正の整数）、ロータに固定した永久磁石の磁極数を２ｎ（ｎは正の整数）として、２ｎ／ｍが整数にならないようにステータ数および磁極数を設定し、同一相の発電コイルを周方向に連続する複数のステータに巻くことにより、同一相の発電コイルが巻かれたステータがそれぞれ異なる位相で磁極と対向するようにしてコギングトルクを低減させるようにしている。

また、特許文献３で示す技術では、永久磁石を１極ごとに分割するとともに、永久磁石の各々を不等ピッチで配設することで、それぞれの永久磁石で発生するコギングトルクの位相をずらし、トータルでのコギングトルク低減を図ったものも知られている。
更に、特許文献４が示す技術では、３ｎ＋３個のスロットを等角度間隔で配置し、前記３ｎ＋３個のスロットのうちの１２０度間隔で配置された３個のスロットをそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相に割当て、残りの３ｎ個のスロットを１つずつ順次Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に割当て、各相に割当てられたｎ＋１個のスロットにＵ相コイルを連続巻きとするもので波形を改善してコギングトルク低減を図ったものもが提案されている。

特開２００４−１６６３８１号公報特開２００１−１１２２２６号公報特開平９−１８２３２６号公報特開２００６−２６２５９６号公報

一般的に３相交流回転機では、ｐをロータの磁極数、Ｎｓをステータのスロット数とする時、Ｎｓ＝１．５×ｐの関係にある１磁極あたりのスロット数が１．５である方がもっとも普及している。この場合、ロータ２極に対してステータ３スロットが対向することになる（図１（ａ）参照）。例えば５６極アウタロータ永久磁石発電機においては、スロット数は８４となる。
一方、磁極に対して半端な数のステータスロットが対向となる分数スロットのコイル構成の例がある。
この分数スロット構成を用いると、コギングトルクを低減させる方法として知られている。
分数スロットはコギングトルクを下げるスロット数を選定できるうえで効果があり、また最初から位相シフトが働いているのでスキューを施す必要がない。さらにはステータのスロット数を極致に接近させる（例:８極９スロット）ことにより歯と磁極の幅を近づけて磁気結合を強くできるなどの利点が多い半面、コイルごとの通電方向が一様でないという複雑さがある。
本発明では、分数スロット構成を利用し、比較的簡単な結線構造で、コギングトルクを低減させることを第１の目的とする。また本発明では、正確な正弦波を得るよりも、むしろ高い電圧（出力電圧）を得られる３相交流回転機を提供することを第２の目的とする。

本発明は、前記課題の少なくとも何れかを解決するべく、複数の磁極を含むロータと、複数のスロットを含むステータとを備えた３相交流回転機において、等間隔に配列された２ｎ個の磁極と、等間隔に配列された３ｎ＋３個のスロットを配置し、３ｎ＋３個のスロットを、ｎ／２＋１個の正のスロット領域と、ｎ／２個の負のスロット領域と２種類をスロット領域を交互に設けると共に、
正のスロット領域の各スロットは、U相、V相、W相と順にそれぞれの相に接続すると共に、各スロットの結線方向は正接続とし、
負のスロット領域の各スロットは、そのブロックの前ブロック最後の相と連続する相を飛ばして、次の相から該当するU相、V相、W相と順にそれぞれの相に接続すると共に、各スロットの結線方向は逆接続すると共に、負のスロット領域のスロット最後のスロットは、この最後のスロットの次の相を飛ばした状態で終える結線とする３相交流回転電機を提供する。

かかる本発明の３相交流回転電機は、等間隔に配列された２ｎ個の磁極と、等間隔に配列された３ｎ＋３個のスロットを配置することで、６相の分数スロット構成としている。そして、３ｎ＋３個のスロットを、ｎ／２＋１個の正のスロット領域と、ｎ／２個の負のスロット領域と２種類をスロット領域を交互に設け、原則的に、スロットに順に、U相、V相、W相と順にそれぞれの相に接続するという単純な結線となっている。そして、負のスロット領域のスロットの結線で結線方法が異なり、そのブロックの最初と最後に結線をする相を飛ばすことで、適切な磁束鎖交数が得られ、コギングトルクを軽減することが出来る。
更に、本発明にかかる３相交流回転電機では、正のスロット領域および負のスロット領域の各スロットの結線方法を上記のように構成していることにより、高い出力電圧を得ることができる。
なお、本発明では上記３相交流回転機において、等間隔に配列した磁極を２ｎ個とし、等間隔に配列したスロットを３ｎ−３個とすることも考えられる。また上記本発明の主旨に従い、高い出力電圧が得られるように、正のスロット領域および負のスロット領域における各スロットの結線方法を設定することができる。
よって本発明では、複数の磁極を含むロータと、複数のスロットを含むステータとを備えた３相交流回転機において、等間隔に配列された２ｎ個の磁極と、等間隔に配列された３ｎ−３個のスロットを配置し、スロットにおける結線の方法により、出力電圧が高められている３相交流回転電機を提供する。

本発明によれば、比較的簡易な結線でありながら，通常の同期発電機と遜色ない電圧と負荷トルクが得られ、そのうえコギングトルクがきわめて小さい永久磁石型同期発電機が得られる等優れた効果を有する。また、上記のような結線方法により、高い出力電圧を得ることができる。

本発明の６相分数スロット構成の例を説明する模式図で（ａ）は，３相整数スロット構成図，（ｂ）は６相分数スロット構成図である。本発明にかかる３相交流発電機の巻線の結線を模式的に示す図である。本発明の一実施例を２次元非線形解析モードで解析するに際し使用したスロットの形状を入力の一部を拡大した説明図である。本実施例のコギングトルクの波形を示した説明図である。比較例のコギングトルクの波形を示した説明図である。本実施例のコギングトルク解析時の磁束密度分布を示した説明図である。比較例のコギングトルク解析時の電気角０°での磁束密度分布を示した説明図である。比較例のコギングトルク解析時の電気角１００°での磁束密度分布を示した説明図である。本実施例の定格電流通電時の負荷トルクの結果を示した説明図である。比較例の定格電流通電時の負荷トルクの結果を示した説明図である。本実施例のコギングトルク解析時の磁束密度分布に定格電流通電時の負荷トルクの結果を示した説明図である。比較例のコギングトルク解析時の電気角０°での磁束密度分布次に定格電流通電時の負荷トルクの結果を示した説明図である。比較例のコギングトルク解析時の電気角１００°での磁束密度分布次に定格電流通電時の負荷トルクの結果を示した説明図である。

本発明をアウターロータ型とインナーステータの形式で５６極（ｎ＝２８、２×２８＝５６）の永久磁石を用いた永久磁石型発電機の実施の形態例で説明する。
ここで上記したアウ夕ーロー夕１は、回転自在に設けられた椀状のフライホイル２と、フライホイル２の内周面に設けられた磁極３で構成している。磁極３は、フライホイル２の回転方向に沿って等間隔に、５６極の磁極３をＮ極とＳ極を交互に配置している。
ステータ４は、フライホイル２内に固定されており、スロット５が等角度間隔で配置されており、歯部６を開始磁石３として磁気回路を形成する。上記５６極の永久磁石発電機においては、スロット数は、３×２８＋３＝８７となり、ステータは集中巻きとしている。

一般的に、８７のスロットに通常の３相整数スロットでコイルを巻きつけると、全周上でトルクが相殺されてゼロとなる。そこで、図１（ｂ）に示す如く、ロータ２極に対して半端な数のステータスロットが対向する形式となっている。この場合には、６相分数スロットのコイル構成を採り、６相分数スロット構成の例で、スロット位置にもっとも近い相を＋U,−U,＋V,−V,＋W,−Wの６相の中から選んで通電し，３相出力が可能となる。
この手順は一意的であり、スロット数が決まれば相の配列が自動的に決まる。
表１に８７スロット機のコイル構成を示す。図中の「正」は＋Ｕなど、「負」は−Ｕなどを示す。

この表１からも判るように、「正」となるスロットの数は１５、「負」となるスロットの数は「１４」となる構成となる。即ち、ｎ＝２８とした場合には、ｎ／２＋１個（２８／２＋１＝１５）の正のスロット領域と、ｎ／２個（２８／２＝１４）の負のスロット領域となる。
そして具体的な結線例を図３に示す。
図３に於いてＮｏ．７までが「正」のスロット、Ｎｏ．８〜２１までは「負」のスロット、Ｎｏ．２２〜３６までが「正」のスロット、Ｎｏ．３７〜５０までは「負」のスロット、Ｎｏ．５１〜６５までが「正」のスロット、Ｎｏ．６６〜７９までは「負」のスロット、Ｎｏ．８０〜８７までが「正」のスロットとなる。
なお、図中「正」のスロット領域は実線のカッコ「｛」で、また「負」のスロット領域は点線のカッコ「｛」で表している。

結線は、大まかに「正」となるスロットと「負」となるスロットが交互に６つのグループとなる。
そして、「正」となるスロットでは、U相、V相、W相と順にそれぞれの相に接続する。そして、各スロットの結線方向は正接続の結線としている。
「負」のスロット領域のスロットは、その領域の前ブロック最後の相と連続する相を飛ばして，次の相から該当するU相、V相、W相と順にそれぞれの相に接続する。
即ち、前スロット領域最後の相の次の相が、本来先頭となるのであるが、この相を飛ばして、次の相からU相、V相、W相の順位に逆の方向の結線を行う。例えば図２の例であれば、Ｎｏ．５のスロットからの「負」となるスロット領域になる。この直前の正の領域の最後の相は、「Ｖ相」であり，この次の相は「Ｗ相」となる。従って，本来の結線の順では「Ｗ相」となるのであるが、この「Ｗ相」をとばしてＵ相、V相、W相の順で結線を行う。
また「負」となるスロットの領域の最後のスロットは、この最後のスロットの次の相を飛ばした状態で終える。即ち、前記例では、先頭で飛ばした「Ｗ相」を最後のスロットでも同様に飛ばした状態で終了する構成となり、「負」となるスロットの領域の最後のスロットは「V相」で終了する。次の「正」となるスロットの先頭になる相は、「Ｗ相」ではなく「Ｕ相」から始まり、U相、V相、W相と順に結線を行う。
以下次の「負」となる４番目のスロットの領域（Ｎｏ．３７〜５０）では先頭と最後において「Ｕ相」が、６番目の「負」となるスロットの領域（Ｎｏ．６６〜７９）では先頭と最後において「Ｖ相」が、それぞれ飛ばした結線となる。
なお、「負」のスロット領域の各スロットの結線方向は逆接続の結線としている。
以上のような結線とすることにより、出力電圧を高めることができる。

次に上記図３に示す結線で構成した永久磁石型同期発電機と、比較例として通常の極数の１．５倍のスロット数の永久磁石型同期発電機の特性を述べる。
本願発明の永久磁石型同期発電機は先に述べたように、５６極でスロット数が８７である。比較例の永久磁石型同期発電機は、５６極でスロット数を８４となっており、両機ともにステータは集中巻きの構成となっている。
ここでモータの定格は３ないし６相、３ｋＷ、２００Ｖ，５６極、１０７ｒ／ｍ、５０Ｈｚステータコア、ロータコアは５０Ｈ１０００（新日本製鐵（株））、６０ｍｍ積層、永久磁石はＮＥＯＭＡＸ３５Ｈ（住友特殊金属（株））７ｍｍ厚、着磁方向は半径方向パラレル異方性、隣接磁石ごとに逆極性となっている。円筒スライドメッシュ，周方向分割７２０、径方向分割としている。また負荷トルク算定時の各相電流入力（定格実行電流１０Ａｒｍｓ）は以下の通りである。
ｕ＝１０×２^１／２ｓｉｎ（２８ｗｔ＋θ）
ｖ＝１０×２^１／２ｓｉｎ（２８ｗｔ＋θ−１２０°）
ｗ＝１０×２^１／２ｓｉｎ（２８ｗｔ＋θ＋１２０°）
また、本発明の一実施例を２次元非線形解析モードで解析するに際し使用したスロットの形状を入力の一部を拡大した図２において、具体的には、永久磁石３の大きさは図面上縦方向高さ２０ｍｍ、反抗方向幅１０ｍｍ、スロット５で挟まれる歯部６の大きさは基端部側幅７ｍｍ高さ２８．５ｍｍで解析した。

図４は、本実施例、図５は比較例のコギングトルクの波形を示したものである。
本実施例では、同一周期の脈動が一部見られるが、スロット数の組合せが功を奏し、振幅は±０．７Ｎｍであった。この片振幅値は定格トルク２６８Ｎｍの０．２％に過ぎず、微風でも回らねばならない風力発電機に最適である。
一方、比較例では、角度については、ステータの歯と磁石中心が一致したときを０°とした。脈動の周期は極致５６とスロット数８４の最小公倍数１６８に等しく、振幅は±６４Ｎｍに達した。この片振幅値は定格トルク２６８Ｎｍの２４％に相当し、非常に大きなコギングトルクとなっている。

図６は本実施例、図７，８は比較例のコギングトルク解析時の磁束密度分布を示したものである。
本実施例では、ステータ歯の最大磁束密度は２．３２Ｔに達し、通常とられる値よりかなり高くなっている。
一方、比較例では、コギングトルク解析時の電気角０°と１００°での磁束密度分布をそれぞれ図７と図８に示す。このときのステータ歯の最大磁束密度は２．１５Ｔに達し、通常採られる磁束密度より高い値となっている。

図９は、本実施例、図１０は比較例の定格電流通電時の負荷トルクの結果を示したものである。
本実施例では、電流進み角は９０°で、わずかに脈動が見られるが概ね平坦であり、平均値５６２Ｎｍは所要値２６８Ｎｍを大きく上回る。
一方比較例では、本実施例と同じく電流進み角は９０°で、わずかに脈動が見られるが概ね平坦であり、平均値６５０Ｎｍは所要値２６８Ｎｍとなっている。

図１１は、本実施例、図１２、１３は比較例のコギングトルク解析時の磁束密度分布次に定格電流通電時の負荷トルクの結果を示したものである。
本実施例では、ステータ歯の最大磁束密度は２．３６Ｔに達し、無負荷時以上に高い磁束密度となっている。
一方、比較例における電気角０°と１００°での磁束密度分布をそれぞれ図１１と図１２に示す。このときのステータ歯の最大磁束密度は２．３０Ｔに達し、無負荷時以上に高い値となっている。

なお、本実施例のコギングトルク解析時の相間電圧は３６７Ｖｒｍｓと、比較例の８４スロット機のコギングトルク解析時の相間電圧は３４２Ｖｒｍｓと算定された。磁束鎖交数の微分をとって電圧を得る段階で誤差が拡大される点を考えると、本実施例は比較例に近い相間電圧値が得られている。
以上，上記解析をまとめると表２となる。

このように、比較例では十分な負荷トルクが得られる半面コギングトルクが大きい。これに対し本実施例では，比較例と遜色ない電圧と負荷トルクが得られ、そのうえコギングトルクがきわめて小さい永久磁石型同期発電機が得られる。さらに、無通電時相間電圧においても、本実施例においては３６７Ｖｒｍｓであり、これは比較例の３４２Ｖｒｍｓよりも大幅に高い値となっている。

本発明は、始動時に少ないトルクでも回転させることが出来るので風量発電等の発電機に利用することが出来る。更に、前記した結線方法により、高い出力電圧が得られる３相交流回転機が提供される。

１アウ夕ーロー夕
２フライホイル
３磁極
４ステータ
５スロット

Claims

複数の磁極を含むロータと、複数のスロットを含むステータとを備えた３相交流回転機において、
等間隔に配列された２ｎ個の磁極と、等間隔に配列された３ｎ＋３個のスロットを配置し、
３ｎ＋３個のスロットを、ｎ／２＋１個の正のスロット領域と、ｎ／２個の負のスロット領域と２種類を、スロット領域を交互に設けると共に、
正のスロット領域の各スロットは、U相、V相、W相と順にそれぞれの相に接続すると共に、各スロットの結線方向は正接続とし、
負のスロット領域の各スロットは、そのブロックの前ブロック最後の相と連続する相を飛ばして，次の相から該当するU相、V相、W相と順にそれぞれの相に接続すると共に、各スロットの結線方向は逆接続すると共に、負のスロット領域のスロット最後のスロットは、この最後のスロットの次の相を飛ばした状態で終える結線とすることを特徴とする３相交流回転電機。