JP6432579B2

JP6432579B2 - 多相巻線および回転電機

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Publication number: JP6432579B2
Application number: JP2016173174A
Authority: JP
Inventors: 相木　宏介; 宏介相木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2036-09-05
Also published as: JP2018042328A

Description

本発明はデルタ結線の３相巻線を２つ含む多相巻線およびこれを用いた回転電機に関する。

従来、モータジェネレータなどの回転電機を高出力化するために、巻線を６相化することが提案されている（特許文献１参照）。この提案では、３相巻線を２組用意し、２つの３相巻線に対し、位相が６０°ずれた３相交流電流を供給することで、回転電機を６相の交流電流で駆動する。

特開２００７−１０４７８９号公報

上述のように、回転電機を６相で駆動するためには、６相の交流電流が必要になる。例えば、車載用の回転電機では、直流電源からの電力をインバータにより、交流電流に変換する。このため、インバータも６相分必要であり、通常の３相のインバータが２台必要になる。従って、部品点数が多くなり、システムが大型化してコストが高くなってしまう。また、インバータでの電力変換損失も台数分となり、電力変換効率は低下する。なお、電力線から供給される３相交流電流についても、何らかの手段で位相を調整して、６相の交流電流を用意する必要がある。

本発明は、３相交流によって駆動される２つの３相巻線を含む多相巻線であって、２つの３相巻線は、それぞれデルタ結線で接続されており、一方の３相巻線の３相をＵ，Ｖ，Ｗ相として、Ｕ相の巻終りとＶ相の巻始め、Ｖ相の巻終りとＷ相の巻始め、Ｗ相の巻終りとＵ相の巻始めを接続し、他方の３相巻線の３相をＵ’，Ｖ’，Ｗ’相として、Ｕ’相の巻終りとＷ’相の巻始め、Ｗ’相の巻終りとＶ’相の巻始め、Ｖ’相の巻終りとＵ’相の巻始めを接続し、２つの３相巻線に供給される３相の線電流をＡＢＣ相として、Ａ相はＵ相とＵ’相の巻始め、Ｂ相はＶ相とＶ’相の巻始め、Ｃ相はＷ相とＷ’相の巻始めにそれぞれ供給される。

また、磁極対の１極対分の電気角を３６０°としたときに、（ｉ）巻ピッチが１８０°の重ね巻の分布巻、（ｉｉ）巻ピッチが１８０°以外の同心巻の分布巻、（ｉｉｉ）巻ピッチが６０°の集中巻、（ｉｖ）巻ピッチが１２０°の集中巻、（ｖ）分数スロット集中巻、（ｖｉ）半径方向に巻くトロイダル巻、のいずれかである、ことができる。

また、分数スロット集中巻であって、（ｉ）各相巻線を重ねない集中巻、（ｉｉ）各相巻線を互いを重ねながら巻く集中巻、のいずれかである、ことができる。

また、本発明に係る回転電機は、上述したいずれか１つに記載の多相巻線と、（ｉ）複数の永久磁石を備えた永久磁石型回転子、（ｉｉ）かご型導体などを備えた誘導型回転子、（ｉｉｉ）鉄芯のみで構成しリラクタンストルクを発生する同期型回転子、（ｉｖ）界磁巻線を備えた同期型回転子、のいずれか１つと、を含む。

本発明では、出力線からの３相交流が電動機巻線に流れる相電流に変換される際に電流位相がずれるデルタ結線に着眼し、１種類の３相交流電流を２つの三相巻線に供給することで６相化する。従って、システムを小型化、単純化して、低コストに回転電機の出力を向上することができる。

実施形態に係る多相巻線の基本構成を示す図である。線電流と相電流の関係を示す図である。実施形態の効果を示す図である。構成例１の回転電機の構成を示す図である。構成例２の回転電機の構成を示す図である。構成例３の回転電機の構成を示す図である。構成例４の回転電機の構成を示す図である。トルク向上効果を説明する図である。構成例５の回転電機の構成を示す図である。構成例６の回転電機の構成を示す図である。構成例７の回転電機の構成を示す図である。構成例８の回転電機の構成を示す図である。構成例９の回転電機の構成を示す図である。１つの３相巻線における１次、２次の起磁力を示す図である。構成例４の２つの３相巻線における起磁力を示す図である。構成例４の２つの３相巻線を組み合わせた起磁力を示す図である。１つの３相巻線における１次、２次の起磁力を示す図である。構成例５−６の２つの３相巻線における起磁力を示す図である。構成例５−６の２つの３相巻線を組み合わせた起磁力を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「基本構成」
図１には、実施形態に係る多相巻線の基本構成が示されている。この例では、車載電池などの直流電源からの直流電力が供給されるインバータ１０を有し、このインバータ１０から３相交流電流が出力される。インバータ１０は周知の構成でよく、例えば正負母線間に２つのスイッチング素子が直列接続されたレグを３本有し、各スイッチング素子の所定のスイッチングによって各レグの中間部分から３相の交流電流を出力するものとできる。インバータ１０から出力される交流電流は、互いに１２０°位相がずれたもので、これら３相を便宜的にＡ，Ｂ，Ｃ相と呼び、３相の線電流をＩａ，Ｉｂ，Ｉｃと表す。なお、３相交流電流は、インバータ１０から出力されるものでなく、３相交流の動力用電源などからのものでもよい。

そして、インバータ１０からのＡ，Ｂ，Ｃ相の出力は、２つの３相巻線２０，３０に接続される。３相巻線２０は、デルタ結線されたＵ，Ｖ，Ｗ相の３相の巻線を有しており、Ｕ相の巻終りとＶ相の巻始め、Ｖ相の巻終りとＷ相の巻始め、Ｗ相の巻終りとＵ相の巻始めが接続されている。また、３相巻線３０は、Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’相の３相の巻線を有しており、Ｕ’相の巻終りとＷ’相の巻始め、Ｗ’相の巻終りとＶ’相の巻始め、Ｖ’相の巻終りとＵ’相の巻始めが接続されている。なお、図において、３相巻線２０の各相電流をＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、３相巻線３０の各相電流Ｉｕ’，Ｉｖ’，Ｉｗ’をと表す。

ここで、デルタ結線で接続した３相の巻線に流れる相電流は、ここに供給される線電流に比べ、振幅は１：√３になり、位相は３０°進むことが知られている。本実施形態では、２並列にしたデルタ結線の巻線について、接続順を入れ替えている。従って、線電流からの位相のずれ方が反転しあい、結果的に回転電機の各相巻線に流れる相電流の位相は６０°ずつずれることになる。

すなわち、インバータ１０の出力である３相の線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃに対し、３相巻線２０の各相電流をＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗは３０°進み、３相巻線３０の各相電流をＩｕ’，Ｉｖ’，Ｉｗ’は３０°遅れる。これによって、図２に示されるように、ＩｕはＩａに対し３０°進み、Ｉｕ’はＩａに対し３０°遅れ、ＩｖはＩｂに対し３０°進み、Ｉｖ’はＩｂに対し３０°遅れ、ＩｗはＩｃに対し３０°進み、Ｉｗ’はＩｃに対し３０°遅れる。このため、２つの３相巻線２０，３０に流れる各相電流Ｉｕ，Ｉｕ’，Ｉｖ，Ｉｖ’，Ｉｗ，Ｉｗ’がそれぞれ６０°ずつずれた位相を有する６相の交流電流となる。

このようにして、１つのインバータ１０からの出力を２並列のデルタ結線の３相巻線２０，３０に互いに６０°ずつずれた６相の相電流として流すことができる。従って、２つの３相巻線２０，３０を回転電機の固定子に巻回することで、６相の回転磁界を生起することができ、この回転磁界によって回転子を回転駆動することできる。

従って、１つの３相交流電流によって、回転電機を６相化することができ、インバータも１台でよい。そして、得られた６相の回転電機は、図３に示すように、３相の回転電機に比べ、高トルク化、高出力化することができる。
「回転電機の構成」

上述のように、実施形態に係る多相巻線によれば、６相の相電流を得ることができる。そこで、この多相巻線を鉄芯に巻回して形成した固定子において、６相の相電流による回転磁界を発生することができ、この固定子の内側に回転子を配置することで、６相の相電流で駆動する回転電機（電動機）を得ることができる。

「構成例１」
図４には、構成例１の回転電機を示す。固定子４０は、環状の鉄芯４２とこれに巻回される巻線４４とからなる。鉄芯４２は、環状のヨーク４２ａと、このヨーク４２ａの周方向所定距離毎に設けられ内方に向けて伸びるティース４２ｂとを有し、隣接するティース４２ｂ間に形成されるスロットに各相の巻線４４が配置される。また、固定子４０の内側に同心状に円筒状の回転子５０が径方向に所定間隔をあけて配置されている。

巻線４４は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相を構成する３相巻線２０と、Ｕ’Ｖ’Ｗ’相を構成する３相巻線３０と含み、６相巻線を構成する。

この例において、鉄芯４２は１２個のスロットを有しており、６相の多相巻線は、巻ピッチが１８０°で重ね巻の分布巻である。１つのスロットから１８０°位相が異なる（反対側）スロットに至る巻線が、上端左からＵ，Ｕ’，Ｖ，Ｖ’，Ｗ，Ｗ’が順に配置される。そして、２つの３相巻線２０，３０とインバータ１０とは図１に示すように結線となっており、図２に示すような相電流が流れ、６相の相電流により電動機が駆動される。なお、巻線４４は、鉄芯４２から軸方向に飛び出す巻線端部（コイルエンド）が互いに重ね合わされるように巻かれている。

また、回転子５０には、その周囲に１８０°位相を異ならせて極性の異なる一対の永久磁石５２が配置されている。従って、固定子４０に生起される回転磁界によって回転子５０が回転される。

「構成例２」
図５には、構成例２の回転電機を示す。この例では、鉄芯４２に分布巻の巻線を巻回した固定子４０の内側に、リラクタンストルクを発生する回転子５０を配置している。

ここで、構成例２の固定子４０では、巻きピッチが１８０°よりも小さくなるように巻回している。すなわち、１５０°離れたスロット間で巻線４４を巻回している。また、図示の例では、鉄芯４２から軸方向に飛び出す巻線端部は２つの３相巻線２０，３０（巻線４４）について周方向で反対方向に巻いている（例えば、Ｕ相とＵ’相の巻線の巻線端部での巻線の伸びる方向が反対）。しかし、２つの巻線４４を同一方向に上から被せるように巻いてもよい。この場合、巻ピッチの小さい方の巻線４４と巻ピッチの大きい方の巻線４４の巻線端部が同心状に配置されることになり、分布巻の同心巻となる。

また、図５の回転子５０は、永久磁石を有さず、鉄芯のみで構成している。すなわち、回転子５０は、磁束を通しやすいＱ軸と、磁束を通しにくいＤ軸により突極性を有し、リラクタンストルクを発生する回転子である。

「構成例３」
図６には、構成例３の回転電機を示す。この例では、固定子４０は、巻きピッチ６０°の集中巻で構成している。固定子４０のスロット数は１２スロットから６スロットに変更されている。鉄芯４２の６つのティース４２ｂにそれぞれ１相の巻線を巻回しており、１つのスロットでは、周方向両側に巻回する２相の巻線が配置されている。このように、巻きピッチが６０°で１つのティース毎に巻線が巻回されることから、鉄芯４２から軸方向に飛び出す巻線端部（コイルエンド）において、互いに重ねる必要はない。また、回転子５０は、図４と同じ、一対の永久磁石５２を備えたものである。

「構成例４」
図７には、構成例４の電動機を示す。この例では、固定子４０は、巻きピッチ１２０°の集中巻で構成している。従って、各相巻線は、巻線端部で互いに重なる構造となる。

回転子５０の構造は、図示のように、円筒状の回転子５０の周辺部分に所定間隔をおいて複数の軸方向に伸びる溝部を形成し、この溝部にアルミや銅など電気抵抗の低い導電材５４を充填している。そして、これら導電材５４は、回転子５０の軸方向端部でそれぞれを短絡接続するかご形構造を有する。すなわち、かご形の導電体構造に誘導電流が流れ、トルクを発生する誘導電動機である。なお、溝部は、この例で１６個も設けられており、それぞれが内側に向けて先細り状の長方形状で、隣接する溝部間の鉄芯がほぼ長方形状になっている。

従来の３相集中巻の誘導電動機、従来の分布巻の誘導電動機、構成例４の誘導電動機における、発生トルクを計算した結果を図８に示す。図８から構成例４によって、従来の集中巻から２倍、従来の分布巻と比べても１．２倍のトルクが得られることが分かる。

このように、本実施形態の６相駆動の回転電機では、集中巻で十分大きなトルクが得られる。集中巻は、小型化しやすく、また自動組立が容易であり、構成例４のメリットとなる。また、誘導電動機は、永久磁石電動機に比べ高回転数での駆動に向いており、構成例４では十分なトルクが得られるため、より広い回転数範囲での用途で好適である。

「構成例５」
図９には、構成例５の回転電機を示す。この例では、固定子４０は、スロットが２４個であり、巻きピッチ１２０°の集中巻で構成している。すなわち、図６と同様に互いの巻線を重ねることなく、巻きピッチ６０°に相当する巻き方としており、１つのティース４２ｂに１相の巻線４４が集中巻で巻回されており、図示のようにＵ，Ｕ’，Ｕ，Ｕ’，Ｖ，Ｖ’，Ｖ，Ｖ’，Ｗ，Ｗ’，Ｗ，Ｗ’相の巻線が順番に形成され、これが機械角１８０°に形成され、これがもう１セット設けられている。また、回転子５０は１０個の永久磁石（Ｎ極、Ｓ極が交互に５つずつ設けられている）を備える。このように、固定子４０の集中巻のスロット数と、回転子５０の極数が割り切れない分数となる分数スロット集中巻となっている。なお、分数スロットの巻線の詳細については、特開２０１０−２８９５７号公報などを参照されたい。

分数スロット集中巻のスロット数と極数の組合せで一般的なもののひとつに１２スロット１０極の３相駆動の電動機があるが、図９では、２並列のデルタ結線とするためスロット数を従来の１２スロットから２４スロットに変更している。

「構成例６」
図１０には、構成例６の電動機を示す。この例では、構成例５の巻きピッチを１２０°にし、図７の構成と同様に互いに軸方向端部で重ねながら巻く集中巻構成としている。すなわち、２つのティース４２ｂに跨がって、１相の巻線を集中巻きしている。

「構成例７」
図１１には、構成例７の電動機を示す。この例では、固定子４０は、トロイダル巻で構成している。回転子５０は、図４，６と同様の２極の永久磁石を備えている。

図示のように、トロイダル巻は巻線を半径方向に巻回し、同じ周方向位置で同相コイルを形成する。鉄芯（固定子コア）４２には、径方向の外側および内側にスロットが形成され、この径方向の２つのスロット間で１相の巻線が巻回される。この例では、周方向に１２個のスロットがあり、反時計回りで、Ｕ，Ｕ’，Ｗ，Ｗ’，Ｖ，Ｖ’相の巻線が順に巻回されている。このように、３相巻線で周方向に位置を変えることで回転磁界を発生し、回転子５０が駆動される。この例では、３相巻線を２つ設けることで６相として、６相巻線としている。

「構成例８」
図１２は分布巻の空芯コイルで固定子４０が形成されている。すなわち、機械角９０°に、電気角３６０°の６相の巻線４４が空芯で巻回されている。例えば、第１象限の０°から反時計回りに、０°から開始される巻線が配置するスペースをスロットとすれば、スロットは０°、１５°、３０°・・・と１５°毎に位置する。また、各スロットについて、内側スロットと外側スロットがある。

Ｕ相巻線は、０°内側スロットから４５°外側スロットに、Ｕ’相巻線は、１５°内側スロットから６０°外側スロットに巻回される。また、Ｖ相巻線は、３０°内側スロットから７５°外側スロットに、Ｖ’相巻線は、４５°内側スロットから９０°外側スロットに巻回される。そして、このようにして、６相の巻線４４が４セット設けられて、空芯コイルによる固定子４０が構成されている。

また、空芯コイルの固定子４０の内側に内側回転子５０ａ、外側に外側回転子５０ｂを配置している。回転子５０ａ，５０ｂは、固定子４０に向く側に８つ永久磁石（Ｎ，Ｓ角４つ）を同相で有している。

このようにして、空芯コイルの固定子４０により形成される６相の回転磁界によって、回転子５０ａ、５０ｂが一緒に回転する。

構造上、回転子５０は、内側、外側のどちらか一方でよいが、一方のみとした場合には、空芯コイルの回転子５０と反対側にヨークとなる鉄芯４２が必要となる。

「構成例９」
図１３は集中巻の空芯コイルである。固定子４０は内側と外側の２層となっており、各層に、Ｕ，Ｖ，Ｗ相、Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’相の集中巻きの巻線が配置される。この例では、機械角３６０°に４セットの巻線が配置されており、Ｕ，Ｕ’，Ｖ，Ｖ’，Ｗ，Ｗ’の各相巻線は、周方向において機械角で１５°（電気角で６０°）ずれて配置されている。

回転子５０については、図１２の構成例８と同一であり、６相駆動も同様に行われる。

「構成例４（図７），構成例５−６（図９−１０）の効果」
ここで、構成例４，５−６の６相の多相巻線によって、高調波の発生を抑制して、回転電機をスムーズに回転できることを説明する。

「構成例４による高調波の相殺」
通常の集中巻巻線に三相電流を流した場合の巻線起磁力を図１４に示す。図１４の横軸は電気角で、縦軸は起磁力の大きさを表す。図の上部の絵は三相巻線の配置を表している。図１４から、通常の集中巻の巻線起磁力は、電気１周期の１次成分の他、２次高調波も存在することが分かる。

構成例４の巻線配置と、そこに流れる２つの三相電流（Ｕ，Ｖ，Ｗ相電流と、Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’相電流）、それぞれで発生する巻線起磁力を図１５に示す。なお、図においては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線と、Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’相巻線について、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２と表してある。

このように、それぞれの巻線起磁力の１次成分は同位相であるのに対し、２次高調波の位相が反転していることが分かる。これらを組み合わせた巻線起磁力を図１６に示す。

図１６から、構成例４における巻線起磁力の１次成分は維持しつつ、２次高調波成分が相殺されていることが分かる。

「構成例５−６による高調波の相殺」
上述した特開２０１０−２８９５７号公報にも挙げられているステータ９スロット／ロータ８極の分数スロット集中巻の巻線起磁力を図１７に示す。このように、９スロット分数スロット集中巻の巻線起磁力には、電気１周期における１次成分の他、４次成分と５次成分の高調波が重畳していることが分かる。これらの高調波成分により、それぞれ８極、１０極で回転電機を駆動することが可能になる。

しかし、例えば、８極でモータ駆動したい場合、巻線起磁力の１次成分や５次成分はトルクリップルや損失増加の要因になるため、少ないことが望ましい。

本特許の構成例５−６において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相、Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’相の１，４，５次の電流を図１８に示す。このように、それぞれの巻線起磁力の４次成分は同位相であるのに対し、１次および５次成分は位相が反転していることが分かる。そこで、これらを組み合わすと、図１９に示すように、１次および５次成分を相殺することができる。

従って、構成例５−６の巻線起磁力には１次および５次成分が相殺され、４次成分のみが発生し、効率良く８極駆動が可能になる。

「実施形態の効果」
デルタ結線で接続した３相の巻線に流れる電流は、端子に流れてくる線電流から各相に流れるときに、その電流の振幅は１：√３になり、位相は３０°ずれる。この性質を利用し、２並列にしたデルタ結線の３相巻線において、それぞれの接続順を入れ替えることで線電流からの位相のずれ方が反転しあい、結果的に回転電機の各相巻線に流れる電流位相は６０°ずつずれることになる。

従って、インバータから出力される、ＡＢＣ相の３相線電流が回転電機の各相巻線に流れるときに互いに６０°ずつ位相の異なるＵ，Ｕ’，Ｖ，Ｖ’，Ｗ，Ｗ’相電流になる。このため、本実施形態の回転電機は、３相の回転電機に比べ、発生トルクは増加し、出力１．５も向上する。

さらに、構成例４，５−６によれば、２対の巻線により、不要な高調波を相殺して効果的な駆動ができる。

１０インバータ、２０，３０３相巻線、４０固定子、４２鉄芯、４２ａヨーク、４２ｂティース、４４巻線、５０回転子、５２永久磁石、５４導電材。

Claims

３相交流によって駆動される２つの３相巻線を含む多相巻線であって、
２つの３相巻線は、それぞれデルタ結線で接続されており、
一方の３相巻線の３相をＵ，Ｖ，Ｗ相として、Ｕ相の巻終りとＶ相の巻始め、Ｖ相の巻終りとＷ相の巻始め、Ｗ相の巻終りとＵ相の巻始めを接続し、
他方の３相巻線の３相をＵ’，Ｖ’，Ｗ’相として、Ｕ’相の巻終りとＷ’相の巻始め、Ｗ’相の巻終りとＶ’相の巻始め、Ｖ’相の巻終りとＵ’相の巻始めを接続し、
２つの３相巻線に供給される３相の線電流をＡＢＣ相として、Ａ相はＵ相とＵ’相の巻始め、Ｂ相はＶ相とＶ’相の巻始め、Ｃ相はＷ相とＷ’相の巻始めにそれぞれ供給される、
多相巻線。
請求項１に記載の多相巻線であって、
磁極対の１極対分の電気角を３６０°としたときに、
（ｉ）巻ピッチが１８０°の重ね巻の分布巻、（ｉｉ）巻ピッチが１８０°以外の同心巻の分布巻、（ｉｉｉ）巻ピッチが６０°の集中巻、（ｉｖ）巻ピッチが１２０°の集中巻、（ｖ）分数スロット集中巻、（ｖｉ）半径方向に巻くトロイダル巻、
のいずれかである、
多相巻線。
請求項１に記載の多相巻線であって、
分数スロット集中巻であって、
（ｉ）各相巻線を重ねない集中巻、（ｉｉ）各相巻線を互いを重ねながら巻く集中巻、のいずれかである、
多相巻線。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の多相巻線と、
（ｉ）複数の永久磁石を備えた永久磁石型回転子、（ｉｉ）かご型導体などを備えた誘導型回転子、（ｉｉｉ）鉄芯のみで構成しリラクタンストルクを発生する同期型回転子、（ｉｖ）界磁巻線を備えた同期型回転子、のいずれか１つと、
を含む、
回転電機。