JP6473567B2

JP6473567B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6473567B2
Application number: JP2014038785A
Authority: JP
Inventors: 堺　和人; 和人堺
Original assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Current assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP2015163028A

Description

本発明は、巻線切替不要の極数変換回転電機に関する。

環境とエネルギー問題からプラグインハイブリッド車や電気自動車の実用化が急速に進められており、低消費電力量で高出力、全運転領域で高効率のモータが必要とされている。希土類元素の永久磁石は従来の数十倍の磁力を生じるため高出力で高効率のモータが得られる。そのようなモータでは、電源電圧の制限下で中〜高速回転域でモータを駆動するため、インバータ制御を用い、弱め磁束制御と言われる永久磁石の磁力（磁束）と逆方向の磁力を形成して磁力（電圧）を制御している。そして、埋め込み型永久磁石式モータ（ＩＰＭモータ）はこの制御が効果的に作用する磁気的構造を持つ永久磁石式モータである。

しかしながら、弱め磁束制御により可変速運転すると、高速回転域では高周波電圧で駆動するために鉄損が著しく増大して効率が低下する。また、低速回転域ではトルク脈動、出力脈動、コギングトルク（無負荷時の保持トルク）が問題となる。例えば、自動車駆動用モータでは坂道発進時や徐行運転時など、風力発電機では始動時のコギングトルクや低速での発電時の出力脈動などが問題となっていた。

堺和人、湯澤成彰、「巻線切り替え無し極数変換磁石モータの基礎研究」、平成２５年電気学会全国大会、５−００８（２０１３年）松井信行編著、「省レアアース・脱レアアースモータ」、日刊工業新聞社（２０１３年）

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、高速回転域での運転には極数変換により極数を少なくすることにより鉄損を低減でき、また低速回転域での運転には極数変換により極数を多くすることによりトルク脈動や出力脈動、コギングトルクを小さくできる巻線切替不要の極数変換回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、固定子電機子鉄心のスロット数を分数スロットとし、特定の分数スロット数と回転磁界の極数で、電機子巻線の接続切替をすることもなく極数変換ができる巻線切替不要の極数変換回転電機を特徴とする。

また本発明は、３の倍数の奇数のスロット数を有する電機子鉄心とスロット内の導体が巻かれた電機子巻線から成る電機子と、前記電機子内に配置された、外部からの磁界によって該磁界の方向に磁化される複数の永久磁石を回転子鉄心に固定した回転子とを備え、前記電機子は、３相の相配列が各相の６０°相帯に入るようにスロット内に３相の巻線導体を順に配置して、スロット数±１及びスロット数±１＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）のいずれかである４以上の極数の回転磁界を形成する巻線配置とし、磁界によって永久磁石が磁化して磁界に応じた磁極が回転子に形成され、回転子の磁極と同数の回転磁界の磁極が同期して回転子が回転する永久磁石同期電動機である回転電機を特徴とする。

さらに本発明は、３の倍数の偶数のスロット数を有する電機子鉄心とスロット内に導体が巻かれた電機子巻線から成る電機子と、前記電機子内に配置された、外部からの磁界によって該磁界の方向に磁化される複数の永久磁石を回転子鉄心に固定した回転子とを備え、前記電機子は、３相の相配列が各相の６０°相帯に入るように前記スロット内に３相の巻線導体を順に配置して、スロット数±２及びスロット数±２＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）のいずれかである４以上の極数の回転磁界を形成する巻線配置とし、磁界によって永久磁石が磁化して磁界に応じた磁極が回転子に形成され、回転子の磁極と同数の回転磁界の磁極が同期して回転子が回転する永久磁石同期電動機である回転電機を特徴とする。

本発明によれば、電機子巻線の接続切替をすることもなく極数変換ができ、高速回転時には極数変換により極数を少なくすることによって鉄損を低減でき、また、低速回転時にはより多くの極数に変換することによってトルク脈動や出力脈動、コギングトルクを小さくできる。

本発明の第１の実施の形態の永久磁石モータの断面図。上記第１の実施の形態の永久磁石モータの巻線（コイル）配置を示す断面図。実施例１の永久磁石モータの諸元説明図。実施例１の永久磁石モータの解析に用いた巻線（コイル）配置Ａ〜Ｄの説明図。実施例１の永久磁石モータの解析に用いた極数と巻線（コイル）配置との対応関係を示す説明図。実施例１の永久磁石モータの平均トルク解析結果のグラフ。実施例１の永久磁石モータのトルクリプル解析結果のグラフ。本発明の第２の実施の形態の永久磁石モータの断面図。上記第２の実施の形態の永久磁石モータの巻線（コイル）配置を示す断面図。実施例２の永久磁石モータの諸元説明図。実施例２の永久磁石モータの解析に用いた巻線（コイル）配置Ａ〜Ｄの説明図。実施例２の永久磁石モータの解析に用いた極数と巻線（コイル）配置との対応関係を示す説明図。実施例２の永久磁石モータの平均トルク解析結果のグラフ。実施例２の永久磁石モータのトルクリプル解析結果のグラフ。本発明の第３の実施の形態の永久磁石モータの断面図。上記第３の実施の形態の永久磁石モータの巻線（コイル）配置を示す断面図。実施例３の永久磁石モータの諸元説明図。実施例３の永久磁石モータの解析に用いた巻線（コイル）配置Ａ〜Ｅの説明図。実施例３の永久磁石モータの解析に用いた極数と巻線（コイル）配置との対応関係を示す説明図。実施例３の永久磁石モータの平均トルク解析結果のグラフ。実施例３の永久磁石モータのトルクリプル解析結果のグラフ。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

［第１の実施の形態］
図１に示す第１の実施の形態の極数変換回転電機は、３の倍数の奇数のスロット数を有する電機子鉄心１１とスロット１２内の導体が巻かれた電機子巻線１３から成る固定子電機子１０と、当該電機子１０内に配置された永久磁石型回転子２０とを備え、電機子１０は、スロット数±１、スロット数±１＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）の複数の極数の回転磁界を形成する巻線配置とした極数変換の永久磁石モータ１である。

ここで、図１に示す第１の実施の形態では、電機子鉄心１１のスロット１２の数を、３の倍数の奇数として９スロットとしている。また、巻線配置は図２に示すものであり、このような巻線配置にすることにより、８極、１０極（スロット数±１）、２６極、２８極（ｎ＝１で、スロット数±１＋スロット数×２）、４４極、４６極（ｎ＝２で、スロット数±１＋スロット数×４）に対して３相の相配列が各相の６０°相帯に入るように３相の巻線導体１３Ｕ，１３Ｗ，１３Ｖをこの相順に配置している。

上記の回転子２０は大きな外部磁界を瞬間的に受けることによりその外部磁界を受けた部分が磁界の方向に不可逆的に磁化される低保磁力の永久磁石２１を、回転子鉄心２２の表面に固定した表面磁石型の構成である。

このような構成の永久磁石モータ１では、電機子巻線１２に瞬間的なパルス電流を通電し、電流で生じる磁界で永久磁石２１を磁化させ、磁界に応じた磁極を形成する。

これにより、この永久磁石モータ１は、永久磁石２１の磁極と同数の回転磁界の磁極が同期して回転し、出力を発生することができる。このとき、極数変換するときの周波数と極数で決まる回転磁界と近い回転数で同期して駆動する。または、以下の様に構成すると確実にその極数で磁化されて極数変換して駆動できる。極数変換の極数の多い多極とより極数の少ない少極において、少極の極数と同一の個数の保磁力の大きな永久磁石（前記電機子電流が形成する磁界によって永久磁石の磁化が変化しない程度の保磁力を有する永久磁石であり、ここでは固定磁力磁石と称す）を回転子に等配に配置し、その間には低保磁力の永久磁石（電機子電流が形成する磁界によって永久磁石の磁化が変化する程度の保磁力の可変磁力磁石）を配置する。８極にする場合は８極のｄ軸方向を基準として、変換前が２６極であれば２６極の逆位相になる角度だけ位相をシフトした角度に８極のｄ軸磁界を形成するように磁化するための電機子電流を通電する。これにより回転子２０に８極の磁極が形成できる。逆に８極から２６極に変化させる場合は、８極とは逆位相の磁界を形成する電機子電流の位相を基準にして２６極と同相になる位相だけさらにシフトした位置に磁界を形成するように電機子電流の位相を決定してインバータから電機子電流を流して回転子の磁石を磁化させる。変化するのは可変磁力磁石のみなので、回転子に２６極がほぼ形成できる。

尚、このような表面永久磁石型に代えて、上記の低保磁力の永久磁石２１を回転子鉄心２２内に埋め込んで構成した埋め込み永久磁石型を採用することもできる。また、上記実施の形態で用いている固定子電機子１０を誘導機に適用する場合、上記構成の永久磁石型回転子２０に代えて、回転子鉄心と回転子鉄心のスロットに銅バーを挿入して構成される回転子を使用することにより磁極可変回転電機を構成できる。誘導機の極数変換は、極数変換するときの周波数と極数で決まる回転磁界に近いすべりが小さくなる回転数で動作しようとする。したがって、任意の回転数に対して、前記の様な小さなすべりの動作点になるように周波数を決定すると自動的に極数変換できる。

図３の諸元の表面磁石型モータについて、２極〜４８極の各極数の得られる巻線配置を求めた。図４にその巻線配置Ａ〜Ｄを示し、図５に各極数とその極数が得られる巻線配置との対応を示す。この各極数の表面磁石型モータについて、基本特性の磁界解析を行った。

１８極と３６極は三相モータとして構成が不可能であった。その他の極数について、多極になるにつれ第５、第７高調波の減少が認められた。図６に平均トルク、図７にトルクリプルを示す。平均トルクが大きい極数は８極、１０極であり、トルクリプル（脈動成分）が小さい極数は２６極、２８極である。そして、発生トルクが大きく、かつトルクリプルが小さい極数は８極、１０極、２６極、２８極、４４極、４６極である。これらの極数はみな巻線配置Ｄである。このことから配置Ｄは平均トルク、トルクリプルの特性が良いことがわかった。尚、６極と１２極はトルクは大きいが、トルクリプルも大きいのでモータとしての特性はよくない。

このように、２極から４８極において同一の巻線配置で運転が可能な極数の組み合わせが複数確認された。この結果より、巻線切替無しで極数を変換できる永久磁石モータの可能性が確認された。また、極数変換によりトルクリプルを大幅に低減できることがわかった。

［第２の実施の形態］
図８に、第２の実施の形態の極数変換回転電機を示す。本実施の形態の極数変換回転電機は、３の倍数の偶数のスロット数を有する電機子鉄心１１とスロット１２内に導体が巻かれた電機子巻線１３から成る電機子１０と、電機子１０内に配置された永久磁石型回転子２０とを備え、電機子１０は、スロット数±２、スロット数±２＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）の複数の極数の回転磁界を形成する巻線配置とした永久磁石モータ１Ａである。

本実施の形態の場合、電機子鉄心１１のスロット１２の数は３の倍数の偶数のスロット数で１２スロットとしている。また、巻線配置は図９に示すものであり、このような巻線配置にすることにより、１０極、１４極（スロット数±２）、３４極、３８極（ｎ＝２で、スロット数±２＋スロット数×２）に対して３相の相配列が各相の６０°相帯に入るように３相の巻線導体１３Ｕ，１３Ｗ，１３Ｖをこの相順に配置している。

上記の回転子２０も、大きな外部磁界を瞬間的に受けることによりその外部磁界を受けた部分が磁界の方向に不可逆的に磁化される低保磁力の永久磁石２１を、回転子鉄心２２の表面に固定した表面磁石型の構成である。

このような構成の永久磁石モータ１Ａでも第１の実施の形態と同様、電機子巻線１２に瞬間的なパルス電流を通電し、電流で生じる磁界で永久磁石２１を磁化させ、磁界に応じた磁極を形成する。

これにより、この永久磁石モータ１は、永久磁石２１の磁極と同数の回転磁界の磁極が同期して回転し、出力を発生することができる。

尚、本実施の形態にあっても、第１の実施の形態と同様、このような表面永久磁石型に代えて、上記の低保磁力の永久磁石２１を回転子鉄心２２内に埋め込んで構成した埋め込み永久磁石型を採用することもできる。また、本実施の形態で用いている固定子電機子１０を誘導機に適用する場合、上記構成の永久磁石型回転子２０に代えて、回転子鉄心と回転子鉄心のスロットに銅バーを挿入して構成される回転子を使用することにより磁極可変回転電機を構成できる。

図１０の諸元の表面磁石型モータについて、２極〜４８極の各極数の得られる巻線配置を求めた。図１１にその巻線配置Ａ〜Ｄを示し、図１２に各極数とその極数が得られる巻線配置との対応を示す。

この各極数の表面磁石型モータについて、基本特性の磁界解析を行った。６極とその倍数極の極数は三相モータとして構成が不可能であった。図１３に平均トルク、図１４にトルクリプルを示す。平均トルクが大きい極数は１０極、１４極、１６極であり、トルクリプルが小さい極数は３４極、３８極である。これらのうち、１０極、１４極、３４極、３８極の極数はみな巻線配置Ｄである。このことから配置Ｄは平均トルク、トルクリプルの特性が良いことがわかった。尚、１６極はトルクは大きいが、トルクリプルも大きいのでモータとしての特性はよくない。

このように、実施例２によっても、２極から４８極において同一の巻線配置で運転が可能な極数の組み合わせが複数確認された。この結果より、巻線切替無しで極数を変換できる永久磁石モータの可能性が確認された。また、極数変換によりトルクリプルを大幅に低減できることがわかった。

［第３の実施の形態］
図１５に、第３の実施の形態の極数変換回転電機を示す。本実施の形態の極数変換回転電機は、３の倍数の奇数のスロット数を有する電機子鉄心１１とスロット１２内に導体が巻かれた電機子巻線１３から成る電機子１０と、電機子１０内に配置された永久磁石型回転子２０とを備え、電機子１０は、スロット数±１、スロット数±１＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）の複数の極数の回転磁界を形成する巻線配置としたもう一つの永久磁石モータ１Ｂである。

ここで、図１５の実施の形態では、電機子鉄心１１のスロット１２の数を、３の倍数の奇数として１５スロットとしている。また、巻線配置は図１６に示すものであり、このような巻線配置にすることにより、１４極、１６極（スロット数±１）、４４極、４６極（ｎ＝１で、スロット数±１＋スロット数×２）に対して３相の相配列が各相の６０°相帯に入るように３相の巻線導体１３Ｕ，１３Ｗ，１３Ｖをこの相順に配置している。

このような構成の永久磁石モータ１Ｂでは、電機子巻線１２に瞬間的なパルス電流を通電し、電流で生じる磁界で永久磁石２１を磁化させ、磁界に応じた磁極を形成する。

これにより、この永久磁石モータ１Ｂは、永久磁石２１の磁極と同数の回転磁界の磁極が同期して回転し、出力を発生することができる。

尚、このような表面永久磁石型に代えて、上記の低保磁力の永久磁石２１を回転子鉄心２２内に埋め込んで構成した埋め込み永久磁石型を採用することもできる。また、上記実施の形態で用いている固定子電機子１０を誘導機に適用する場合、上記構成の永久磁石型回転子２０に代えて、回転子鉄心と回転子鉄心のスロットに銅バーを挿入して構成される回転子を使用することにより磁極可変回転電機を構成できる。

図１７の諸元の表面磁石型モータについて、２極〜４８極の各極数の得られる巻線配置を求めた。図１８にその巻線配置Ａ〜Ｅを示し、図１９に各極数とその極数が得られる巻線配置との対応を示す。この各極数の表面磁石型モータについて、基本特性の磁界解析を行った。６極とその倍数極の極数は三相モータとして構成が不可能であった。

図２０に平均トルク、図２１にトルクリプルを示す。平均トルクが大きい極数は１４極、１６極であり、トルクリプルが小さい極数は４４極、４６極である。これらの極数はみな巻線配置Ｅである。このことから巻線配置Ｅは平均トルク、トルクリプルの特性が良いことがわかった。尚、１０極と２０極はトルクは大きいが、トルクリプルも大きいのでモータとしての特性はよくない。

本発明の極数変換において、少極と多極の極数を比較すると、多極はスロット数の２の倍数だけ少極よりも極数が大きくなる。したがって、極数変換における少極と多極の極数比をスロット数で調整できる。極数変換比を小さくしたければ、毎相毎極当たりのスロット数を１／２以下にし、極数変換比を大きくしたければ１以下にする。尚、毎相毎極当たりのスロット数が１以上では、本発明の毎相毎極当たりのスロット数（分数溝）の帯分数の整数部分が１以上になるだけであり、整数部分を除いた分数部分（真分数）が本発明と同様になり、この真分数の部分で評価すればよい。

以上により、本発明によれば、３の倍数の奇数のスロット数を有する電機子鉄心とスロット内の導体が巻かれた電機子巻線から成る電機子と、電機子内に配置された回転子とを備え、電機子は、スロット数±１、スロット数±１＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）の複数の極数の回転磁界を形成する巻線配置とした極数変換回転電機、また３の倍数の偶数のスロット数を有する電機子鉄心とスロット内に導体が巻かれた電機子巻線から成る電機子と、前記電機子内に配置された回転子とを備え、電機子は、スロット数±２、スロット数±２＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）の複数の極数の回転磁界を形成する巻線配置とした極数変換回転電機については、巻線切替無しで極数を変換できる大小の極数の組み合わせで、平均トルクが大きくできる小さい極数とトルクリプルが小さくできる大きい極数との組み合わせができ、必要なトルクの出力ができ、しかも極数変換によりトルクリプルを大幅に低減できる極数変換回転電機が実現できる。

本発明の極数変換回転電機は、交通システムとしてハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道に利用でき、エネルギーシステムとして風力発電や海流発電に利用でき、さらに社会システムとしてエレベータやエアコン等家電機器に利用できる。

１，１Ａ，１Ｂ永久磁石モータ
１０電機子
１１電機子鉄心
１２スロット
１３巻線
２０回転子
２１永久磁石
２２回転子鉄心

Claims

３の倍数の奇数のスロット数を有する電機子鉄心とスロット内の導体が巻かれた電機子巻線から成る電機子と、前記電機子内に配置された、外部からの磁界によって該磁界の方向に磁化される複数の永久磁石を回転子鉄心に固定した回転子とを備え、
前記電機子は、３相の相配列が各相の６０°相帯に入るように前記スロット内に３相の巻線導体を順に配置して、スロット数±１及びスロット数±１＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）のいずれかである４以上の極数の回転磁界を形成する巻線配置とし、
前記磁界によって前記永久磁石が磁化して前記磁界に応じた磁極が前記回転子に形成され、
前記回転子の磁極と同数の前記回転磁界の磁極が同期して前記回転子が回転する永久磁石同期電動機である
ことを特徴とする回転電機。
３の倍数の偶数のスロット数を有する電機子鉄心とスロット内に導体が巻かれた電機子巻線から成る電機子と、前記電機子内に配置された、外部からの磁界によって該磁界の方向に磁化される複数の永久磁石を回転子鉄心に固定した回転子とを備え、
前記電機子は、３相の相配列が各相の６０°相帯に入るように前記スロット内に３相の巻線導体を順に配置して、スロット数±２及びスロット数±２＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）のいずれかである４以上の極数の回転磁界を形成する巻線配置とし、
前記磁界によって前記永久磁石が磁化して前記磁界に応じた磁極が前記回転子に形成され、
前記回転子の磁極と同数の前記回転磁界の磁極が同期して前記回転子が回転する永久磁石同期電動機である
ことを特徴とする回転電機。
請求項１又は２に記載の回転電機において、より多極となるスロット数±１＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）の極数の時に毎相毎極当たりのスロット数を１以下にしたことを特徴とする回転電機。
請求項１又は２に記載の回転電機において、より多極となるスロット数±１＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）の極数の時に毎相毎極当たりのスロット数を１／２以下にしたことを特徴とする回転電機。
請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機において、外部磁界で前記永久磁石を磁化して前記回転子の極数を可変することを特徴とする回転電機。
請求項１〜５のいずれかに記載の回転電機において、電機子電流で生じる磁界で前記永久磁石を磁化して前記回転子の極数を可変することを特徴とする回転電機。
請求項１〜６のいずれかに記載の回転電機において、低速回転域では極数の多い多極にし、高速回転域ではより少ない極数で運転することを特徴とする回転電機。
請求項１〜７のいずれかに記載の回転電機において、トルク脈動又はコギングトルクが小さいことが要求される運転領域では極数の多い多極にし、前記以外の運転領域ではより少ない極数で運転することを特徴とする回転電機。
３の倍数の奇数のスロット数を有する電機子鉄心とスロット内の導体が巻かれた電機子巻線から成る電機子と、前記電機子内に配置された、回転子鉄心と前記回転子鉄心のスロットに挿入されて外部からの磁界によって該磁界と同じ極数の磁界を形成する導体とで構成された回転子とを備え、
前記電機子は、３相の相配列が各相の６０°相帯に入るように前記スロット内に３相の巻線導体を順に配置して、スロット数±１及びスロット数±１＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）のいずれかである４以上の極数の回転磁界を形成する巻線配置とし、
前記磁界によって前記導体が前記磁界に応じた磁極を前記回転子に形成し、
前記回転子の磁極と同数の前記回転磁界の磁極が同期して前記回転子が回転する誘導機である
ことを特徴とする回転電機。
３の倍数の偶数のスロット数を有する電機子鉄心とスロット内の導体が巻かれた電機子巻線から成る電機子と、前記電機子内に配置された、回転子鉄心と前記回転子鉄心のスロットに挿入されて外部からの磁界によって該磁界と同じ極数の磁界を形成する導体とで構成された回転子とを備え、
前記電機子は、３相の相配列が各相の６０°相帯に入るように前記スロット内に３相の巻線導体を順に配置して、スロット数±２及びスロット数±２＋スロット数×２×ｎ（ｎは正の整数）のいずれかである４以上の極数の回転磁界を形成する巻線配置とし、
前記磁界によって前記導体が前記磁界に応じた磁極を前記回転子に形成し、
前記回転子の磁極と同数の前記回転磁界の磁極が同期して前記回転子が回転する誘導機である
ことを特徴とする回転電機。