JP6046180B2 - ３層の巻線構造を有する電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機に関し、特に固定子のスロットに３層の巻線を配置した構造を有する電動機に関する。

従来、トルクリップルを低減するために、回転子のコアの形状や固定子のコアの形状、回転子のコアのスキュー、固定子のコアにおけるスキューなどの最適化が行われてきた。

ただし、これらの電動機の改造は、より複雑な電動機の構造を必要とし、製造における工数を増加させる要因になっている。

また、電動機において、極数、スロット数及び巻線の巻線配置より、トルクリップルの大きさは影響を受ける。

トルクリップルを低減させることができる極とスロットの組み合わせとして、スロット数を極数で割った値が既約分数となる分数スロットを有する電動機が挙げられる（例えば、特許文献１及び２）。

分数スロットの電動機では、極数とスロット数の最小公倍数を大きくするように、極数とスロット数を選定でき、トルクリップルを減少させることができる。しかし、電動機の誘起電圧に含まれる高調波成分のうち、比較的低次なものは、完全には消えておらず、トルクリップルの発生原因になっている。

また、トルクリップルを低減させようとすると、１次の巻線係数の値が低下し、トルクが下がってしまうという課題もある。

特開２００４−２３９５０号公報 特開昭６２−２５０８５１号公報

本発明の目的は、電動機のトルクが十分大きいまま、トルクリップルをさらに低減することが可能な巻線配置を持つ電動機を提供することにある。

本発明の一実施例に係る３相交流電動機は、複数対の磁極を有する回転子と、回転子の回転軸方向に形成され、かつ周方向に配列された複数のスロットを有し、回転子と径方向に対向配置された固定子と、スロットに挿入されて固定子に巻装された複数の巻線と、を備えた３相交流電動機において、回転子の極数を２Ｐ、固定子の巻線を挿入するスロット数をＮとし、スロット数Ｎを極対数Ｐで除した値が既約分数となり、かつ、既約分数の分母の値が奇数となる関係を持ち、巻線を挿入する固定子の各スロットには、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相及びその逆位相の合計６相帯のいずれかの巻線が、１スロットにつき３層に重ねて配置され、各スロットに配置されている３層の巻線のうち、１層目の巻線は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の各巻線の配置が、互いに機械角で±１２０度の回転対称性を持つように配置され、残りの２層のうち片方の層である２層目の巻線は、１層目の巻線の配置を１層目の巻線の配置とはＬスロット分だけずらして配置され、２層のうちの残りの層である３層目の巻線は、１層目の巻線の配置を１層目とはＬスロット分だけ２層目の巻線の配置とは逆方向にずらして配置されている、ことを特徴とする。

本発明の一実施例に係る３相交流電動機によれば、電動機のトルクが十分大きいまま、トルクリップルをさらに低減できる巻線配置を持つ電動機が得られる。

１０極３６スロットの電動機の断面図である。 １０極３６スロット２層巻の電動機の巻線配置の展開断面図である。 本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線配置の展開断面図である。 本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線のうちの１層目の−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置図である。 本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線のうちの１層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置の展開断面図である。 本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線のうちの１層目及び２層目の−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置図である。 本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線のうちの１層目及び２層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置の展開断面図である。 本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線の１層目〜３層目の−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置図である。 本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線の１層目〜３層目のうち＋Ｕ相及び−Ｕ相のみの巻線のみを示した巻線配置の展開断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る３相交流電動機について説明する。図１に１０極３６スロットの電動機の断面図を示す。図１において、６は固定子、１０は回転子を表す。回転子１０は、１０個の磁石１１と、回転子コア１２と、回転子のシャフト１３とを備え、回転子１０は回転子の回転軸Ｃを中心として回転する。磁極の数Ｐは磁石の数と同数の１０である。固定子６は、固定子のコア３と、回転子の回転軸Ｃの方向に形成され、周方向に配列された３６個のスロット２とを備え、スロット２に後述する巻線が配置される。本発明は電動機の固定子コア３に巻かれた巻線配置に関するものであるので、以下の説明では回転子の記載を省略する。図２は１０極３６スロット２層巻、即ち、極数が１０、スロット数が３６、各スロットに巻線を２層配置した電動機の巻線配置の展開断面図である。図２において、２はスロット、３は固定子のコア、４は巻線、６は固定子、Ｂはスロット識別番号をそれぞれ示す。固定子６は本来円筒状であるが、ここでは説明を分かり易くするために、円筒状である固定子６を直線的に展開した展開断面図として固定子６を示す。本発明は、図２のように電動機の巻線配置に関する発明であり、電動機の回転子の極数を２Ｐ、固定子の巻線を挿入するスロット数をＮとし、スロット数Ｎを極対数Ｐで除した値が既約分数となり、かつ、既約分数の分母の値が奇数となる関係を有する電動機の巻線配置に関する。

図２の「Ｕ」、「Ｖ」、「Ｗ」は３相交流の各相を表し、「＋」と「−」は電流の向きを示している。図２は２層巻の例を示し、各スロットには、＋Ｕ、−Ｕ、＋Ｖ、−Ｖ、＋Ｗ、−Ｗ相の合計６相帯のいずれかが２つずつ配置される。各配置には、銅線などの電流が流れる線材が、同じ数だけ挿入されている。

以後、電流が流れる銅線などの線材、あるいは、線材の束のことを「巻線」と呼び、この線材を使用して、閉じた輪の形状をつくり、同一形状で連結して束で重なっているものを「コイル」と呼ぶ。

従来の電動機の巻線配置は１層巻、あるいは、図２に示すような２層巻である。本発明は分数スロット電動機（固定子のスロット数を回転子の極数で除した値が既約分数となる電動機）において、３層巻となる電動機に関する発明である。

本発明の実施例に係る３相交流電動機を構成する固定子の巻線配置について説明する。ここでは、回転子の極数が１０、スロット数が３６、１スロットあたりの層数が３（１０極３６スロット３層巻）の巻線配置を例にとって説明する。即ち、極対数Ｐ＝５、スロット数Ｎ＝３６である。図３は、本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線配置の展開断面図である。図３（ａ）はスロット識別番号１〜１８のスロットの１層目〜３層目の６相の巻線配置の展開断面図であり、図３（ｂ）はスロット識別番号１９〜３６のスロットの１層目〜３層目の６相の巻線配置の展開断面図である。また、ここでは巻線配置図におけるスロット内の層の識別について、図３（ａ）に示すように、中央の層を「１層目」、中央より上の層を「２層目」、中央より下の層を「３層目」とする。

図３に示すように、本発明の実施例に係る３相交流電動機は、複数対の磁極を有する回転子（図１参照）と、回転子の回転軸方向に形成され、周方向に配列された複数のスロット２を有し、回転子と径方向に対向配置された固定子６と、スロットに挿入されて固定子に巻装された複数の巻線４と、を備えている。

図３に示すように、巻線４を挿入する固定子６の各スロット２には、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相及びその逆位相の合計６相帯のいずれかの巻線４が、１スロットにつき３層に重ねて配置されている。

分数スロット電動機において、３層巻にすることで、高次の巻線係数の値を小さくすることができる。またＵ相、Ｖ相及びＷ相に±１２０度の回転対称性があるならば、３層巻の配置の取り方は多数存在するが、特定の配置を選択することで、１次の巻線係数を大きく取ることができる。つまり、電動機のトルクを大きくしたまま、トルクリップルを小さくすることができる。

本発明の実施例に係る３相交流電動機は、各スロットに配置されている３層の各相の巻線は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の各巻線の配置が、互いに機械角で±１２０度の回転対称性を持つように配置されている。

Ｕ相、Ｖ相及びＷ相は±１２０度回転対称性があるように配置されているため、Ｖ相及びＷ相の巻線は図３のＵ相の巻線配置をそれぞれ、左に１２スロット、右に１２スロット移動させたものに必ず重なる。例えば、１層目の巻線配置に関して、スロット識別番号１の巻線は「＋Ｕ」相であり、これを左方向に１２スロット移動させるとスロット識別番号２５の巻線の「＋Ｖ」相に重なり、右方向に１２スロット移動させるとスロット識別番号１３の巻線の「＋Ｗ」相に重なる。同様にして、＋Ｕ相の巻線の位置であるスロット識別番号８、１５、２２、２９、３６を左方向に１２スロット移動させたスロット識別番号３２、３、１０、１７、２４の位置に＋Ｖ相の巻線が配置され、右方向に１２スロット移動させたスロット識別番号２０、２７、３４、５、１２の位置に＋Ｗ相の巻線が配置される。この関係は−Ｕ相、−Ｖ相及び−Ｗ相でも同様である。また、以上の説明は１層目を例にとって説明したが、２層目及び３層目も同様の関係にある。

次に、本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線配置において、１層目、２層目及び３層目の巻線配置の関係について説明する。以降、発明を解りやすくするため、Ｕ相１相分のみ（＋Ｕ相、−Ｕ相）表示して説明する。

まず、１層目の巻線の配置について説明する。図４は、本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線のうちの１層目の−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置図である。図４において、１層目の−Ｕ相の巻線７を白丸で示している。図４では分かり易いように−Ｕ相のみ表示している。図４に示した例では、スロット識別番号４、１１、１８、１９、２６、３３のスロットに−Ｕ相の巻線７が配置されている。

図５は、本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線のうちの１層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置の展開断面図である。図５（ａ）はスロット識別番号１〜１８のスロットの１層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線配置の展開断面図であり、図５（ｂ）はスロット識別番号１９〜３６のスロットの１層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線配置の展開断面図である。−Ｕ相の巻線の配置を１８スロットずらしたものが＋Ｕ相の巻線の配置になる。図５（ａ）、（ｂ）に示した例では、スロット識別番号４、１１、１８、１９、２６、３３のスロットに配置された−Ｕ相の巻線に対応して、スロット識別番号２２、２９、３６、１、８、１５のスロットに＋Ｕ相の巻線が配置されている。

１層目の配置は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の配置関係において、±１２０度の回転対称性があれば、任意に選べるものとする。また、スロット数を極数で除した値の既約分数の分母が奇数の場合、全てのスロットをＵ相、Ｖ相及びＷ相のいずれかで埋められる１層巻の配置が必ず存在する。

次に、２層目の巻線の配置について説明する。図６は、本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線のうちの１層目及び２層目の−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置図である。図６において、２層目の−Ｕ相の巻線８を黒丸で示している。

３層のうちの１層目以外の残りの２層のうち片方の層である２層目の−Ｕ相の巻線８は、１層目の−Ｕ相の巻線７の配置を、１層目の−Ｕ相の巻線７の配置とはＬスロット分だけずらした位置に配置されている。即ち、１層目に２層目の配置を重ねたとき、２層目は、１層目の配置を左にずらし数Ｌ＝１４スロット（固定子の回転軸Ｃの周りに反時計方向に１４０度）ずらした位置に配置する。例えば、図６に示した例では、スロット識別番号４、１１、１８、１９、２６、３３の１層目の−Ｕ相の巻線の位置を反時計方向に１４スロットずらしたスロット識別番号２６、３３、４、５、８、１９のスロットに２層目の−Ｕ相の巻線が配置されている。

図７は本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻のうちの１層目及び２層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置の展開断面図である。図７（ａ）はスロット識別番号１〜１８のスロットの１層目及び２層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線配置の展開断面図であり、図７（ｂ）はスロット識別番号１９〜３６のスロットの１層目及び２層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線配置の展開断面図である。図７に示すように、１層目に２層目の配置を重ねたとき、２層目は、１層目の配置を左に１４スロットずらした位置に配置する。

次に、３層目の巻線の配置について説明する。図８は、本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線の１層目、２層目及び３層目の−Ｕ相の巻線の配置を示した巻線配置図である。図８は図６の巻線の配置に３層目を追加したものである。図８において、３層目の−Ｕ相の巻線９を、ハッチングを施した丸印で示している。

本発明の実施例に係る３相交流電動機においては、２層のうちの残りの層である３層目の巻線９は、回転対称性を有する１層目の巻線７の配置を１層目とはＬスロット分だけ２層目の巻線８の配置とは逆方向にずらして配置されている。例えば、図８に示すように、３層目は１層目を２層目とは逆の右方向に１４スロット（１４０度）ずらした位置に配置されている。例えば、図８に示した例では、スロット識別番号４、１１、１８、１９、２６、３３の１層目の−Ｕ相の巻線の位置を時計方向に１４スロットずらしたスロット識別番号１８、２５、３２、３３、４、１１のスロットに２層目の−Ｕ相の巻線が配置されている。

図９は本発明の実施例に係る３相交流電動機の１０極３６スロット３層巻の巻線の１層目〜３層目のうち＋Ｕ相及び−Ｕ相のみの巻線のみを示した巻線配置の展開断面図である。図９（ａ）はスロット識別番号１〜１８のスロットの１層目〜３層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線配置の展開断面図であり、図９（ｂ）はスロット識別番号１９〜３６のスロットの１層目〜３層目の＋Ｕ相及び−Ｕ相の巻線配置の展開断面図である。

なお、電動機の固定子のスロット２において、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の巻線の挿入の順番、及び、スロット内のＵ相、Ｖ相及びＷ相の巻線の位置は、１層目、２層目、３層目で区別していない。

なお、図８においては、ずらし数Ｌ＝１４の配置を例にとって示したが、Ｌの値は任意に取れる。ただし、単相の＋、−のどちらかの巻線配置の形がなるべく電動機の極対数の数の正多角形に近づくようにＬを選択すると、後述する巻線係数の１次の値が大きくなり、大きなトルクが得られる。１０極３６スロットの場合、極対数は５であり、Ｌ＝７、８、１４、１５の場合がこれに相当する。他のＬの値を選択すると、正５角形の形から崩れ、トルクを大きくできない。

一般的な電動機の極数とスロット数の組み合わせである１０極１２スロット２層巻、従来の１０極３６スロット２層巻（ずらし数３）の配置、及び、本発明の１０極３６スロット３層巻（Ｌ＝１、７、８、１４、１５）の巻線係数の値を比較した。表１にそれぞれの巻線係数の計算結果を示す。なお、上記のＬ以外の他のＬの値の場合の巻線係数は、１次の巻線係数が小さいため省略する。

各次数の巻線係数の値は０から１の値を取り、１次の値はトルクの大きさに影響し、残りの巻線係数の高次の値は、トルクリップルの大きさに影響する。

表１から、１０極３６スロット３層巻において、１次の巻線係数が０．９以上あるものを挙げると、Ｌ＝７、Ｌ＝１４が挙げられる。Ｌ＝７は１次の値が大きいが、高次の値で従来の１０極３６スロット２層巻と比較すると大きいため、トルクリップルの低減としては、従来例より劣る。Ｌ＝１４の場合は、従来例と本発明を比較すると、巻線係数の１次の大きさはあまり変わらないが、他の高次の値は、軒並み小さいことが分かる。従って、ずらし数Ｌは、７、８、１４、１５が好ましく、７、１４がより好ましく、１４が最も好ましいといえる。

なお、巻線係数は下記の式で計算できる。

ここで、ｎは巻線係数の次数、Ｎ_kはｋ番目のスロット内の巻数、θ_kは基準軸からｋ番目のスロットのスロット角（電気角）である。巻線係数は、３相と各−、＋の合計６相体のうち、１つの配置について計算すれば、十分である。例えば、−Ｕ相の配置のみ計算に使用する。１０極３６スロットの場合、基準軸は図８において、スロット識別番号１８と１９と固定子の真ん中を通る線を使用する。

以上説明したように、本発明の実施例に係る３相交流電動機によれば、電動機のトルクが十分大きいまま、トルクリップルをさらに低減できる巻線配置を持つ電動機が得られる。

２ スロット
３ 固定子のコア
４ 巻線
６ 固定子
７ −Ｕ相の１層目の巻線
８ −Ｕ相の２層目の巻線
９ −Ｕ相の３層目の巻線
１０ 回転子
１１ 磁石
１２ 回転子コア
１３ 回転子のシャフト

Claims (3)

1. 複数対の磁極を有する回転子と、
   前記回転子の回転軸方向に形成され、かつ周方向に配列された複数のスロットを有し、前記回転子と径方向に対向配置された固定子と、
   前記スロットに挿入されて前記固定子に巻装された複数の巻線と、を備えた３相交流電動機において、
   回転子の極数を２Ｐ、固定子の巻線を挿入するスロット数をＮとし、スロット数Ｎを極対数Ｐで除した値が既約分数となり、かつ、該既約分数の分母の値が奇数となる関係を持ち、
   前記巻線を挿入する前記固定子の各スロットには、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相及びその逆位相の合計６相帯のいずれかの巻線が、１スロットにつき３層に重ねて配置され、
   各スロットに配置されている３層の巻線のうち、１層目の巻線は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の各巻線の配置が、互いに機械角で±１２０度の回転対称性を持つように配置され、
   残りの２層のうち片方の層である２層目の巻線は、前記１層目の巻線の配置を前記１層目の巻線の配置とはＬスロット分だけずらして配置され、
   前記２層のうちの残りの層である３層目の巻線は、前記１層目の巻線の配置を前記１層目の巻線の配置とはＬスロット分だけ前記２層目の巻線の配置とは逆方向にずらして配置されている、
   ことを特徴とする３相交流電動機。
2. 前記電動機の固定子のスロットにおいて、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の巻線の挿入の順番、及び、スロット内のＵ相、Ｖ相及びＷ相の巻線の位置は、１層目、２層目、３層目で区別していない、請求項１に記載の電動機。
3. 前記電動機において、前記極対数Ｐ＝５、前記スロット数Ｎ＝３６、前記のスロットずらし数Ｌ＝１４とした、請求項２に記載の３相交流電動機。

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