JP6613585B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
本発明は、ロータとステータとの間のすべり周波数を利用する集中巻き誘導機タイプの回転電機に関する。
回転電機としては、分布巻きした電機子コイルを設置するステータ内に、カゴ形構造のロータを回転自在に収容する、所謂、カゴ形誘導機が知られている。この誘導機は、ステータの電機子コイルに３相の交流電流を通電することにより回転磁界を発生させ、その回転磁界に対するすべり周波数に応じた誘導電流をロータのカゴ形導体に誘起させて回転駆動するようになっている。
このような誘導機タイプの回転電機では、高効率化を目的とする各種工夫がなされており、例えば、ロータ側のティース形状の先端に溝を設けることにより、あるいは、銀入りの銅材料を使用することにより、高調波に起因する２次銅損の低減を図ることが行われている（非特許文献１）。
また、電磁鋼板に代えて、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（Soft Magnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用することにより、高調波駆動時の鉄損の低減を図ることも検討されている（非特許文献２）。
しかしながら、非特許文献１、２に記載の技術は、いずれもステータの電機子コイルが分布巻きで、カゴ形ロータを採用するものであることから、電機子コイルの巻き線長に起因する銅損を低減することが難しい。
このステータの電機子コイルを集中巻きにして巻き線長を短縮する工夫も検討されている。例えば、集中巻きを採用することにより増加する高調波を低減して損失少なく稼動させるために、３相よりも多い多相の交流電源を準備して、ステータ起磁力に重畳する高調波を低減することが特許文献１に提案されている。
しかしながら、この特許文献１に記載の方式では、多相の交流電源を準備するために、インバータを構築するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-effect Transistor）などのスイッチング素子が増加するとともに電力線も増加して、大型化すると共に高コスト化してしまう、という課題がある。
ところで、単相の交流電流を利用する誘導機は知られており、この誘導機は、所謂、隈取形コイル（短絡集中巻きコイル）を用いて強制的に磁束変動を生じさせることにより回転磁界を発生させて、カゴ形ロータ構造を採用することを実現している。
しかし、この隈取形誘導機は、効率が悪く、単相交流電流でのみ実現可能であり、３相化することは原理的に難しい。すなわち、単なるカゴ形構造では、３相集中巻きの電機子コイルをステータに設置することは難しい。
M.Kondo，M.Miyabe，R.Ebizuka，K.Hanaoka：Design and Efficiency Evaluation of a High Efficiency Induction Motor for Railway Traction，IEEJ Technical Meeting，MD-13-26，RM-13-25(2013)
T.Iwasaki，M.Inamori，M.Morimoto：Performance of Induction Motor Made of SMC Core，IEEJ Trans.I.A，Vol.134，No.9，pp.815-820(2014)
そこで、本発明は、３相交流電流を利用して効率よく稼動させることのできる安価で小型化可能な集中巻き誘導機タイプの回転電機を提供することを目的としている。
上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、複数のステータティースを有し、回転軸に沿う方向に延伸する導体を前記ステータティース間のステータスロット内に設置するステータと、複数のロータティースを有し、前記回転軸に沿う方向に延伸する導体を前記ロータティース間のロータスロット内に設置するロータと、を備え、前記ステータおよび前記ロータは、前記回転軸を共通にして内周面と外周面とを対面させ前記ロータが回転するよう設けられ、前記ステータ側に対するすべり周波数に応じた誘導電流を前記ロータ側の導体に誘起させる回転電機であって、前記ステータは、前記ステータティース毎に集中巻きされて３相交流電流が通電される電機子コイルが前記ステータスロット内に前記導体として設置され、前記ロータは、前記ロータティース毎に短節集中巻きされた巻線コイルが前記ロータスロット内に前記導体として設置され、各ロータティースに集中巻きされた前記巻線コイルの両端部が短絡接続されており、前記ステータスロットよりも多くの前記ロータスロットが形成されており、前記ステータティースよりも多くの前記ロータティースが形成されているものである。
このように本発明の一態様によれば、３相交流電流を利用して効率よく稼動させることのできる安価で小型化可能な集中巻き誘導機タイプの回転電機を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１０は本発明の一実施形態に係る回転電機を説明する図である。
図１において、回転電機１００は、概略円筒形状に形成されているステータ１０と、このステータ１０内に回転自在に収納されて軸心に一致するシャフト（回転軸）１０１が固定されているロータ２０と、を備えている。回転電機１００は、例えば、コストダウンや小型化と共に大出力を要求されるハイブリッド自動車や電気自動車に駆動源として好適に搭載される。
ステータ１０は、シャフト１０１側に向かう径方向に延伸される１８本のステータティース１２が周方向に並列するように形成されている。ステータティース１２は、ロータ２０のロータティース２２の外周面２２ａにギャップＧを介して内周面１２ａ側を近接対面させている。このステータティース１２は、シャフト１０１に沿うように延伸するステータスロット１３を側面１２ｂ間に形成しており、このステータティース１２間の１８箇所のステータスロット１３を利用して巻線を同一方向に集中巻きした電機子コイル（導体）１４が設置されている。
ロータ２０は、シャフト１０１から離隔する径方向に延伸されている３０本のロータティース（突極）２２が周方向に並列するように形成されている。ロータティース２２は、ステータ１０のステータティース１２の内周面１２ａにギャップＧを介して外周面２２ａを近接対面させている。このロータティース２２は、シャフト１０１に沿うように延伸するロータスロット２３を側面２２ｂ間に形成しており、このロータティース２２間の３０箇所のロータスロット２３を利用して巻線を同一方向に集中巻きして両端部間を短絡接続させている巻線コイル（導体）２４が設置されている。
すなわち、回転電機１００は、ステータスロット１３の形成数Ｓが１８箇所であるのに対して、ロータスロット２３の形成数Ｒがより多くの３０箇所となっており、ステータスロット１３の形成数Ｓとロータスロット２３の形成数Ｒのスロットコンビネーションが、形成数比率Ｒ／Ｓ＝５／３の構造に作製されている。なお、このステータスロット１３の形成数Ｓとロータスロット２３の形成数Ｒとのスロットコンビネーションの形成数比率Ｒ／Ｓ＝５／３は、後述する形成数比率Ｒ／Ｓ＝１．３３（４／３）以上を満たしている。
また、回転電機１００は、ロータ２０に、断面積が大きな導体の場合に発生し易い渦電流を抑えるために、断面円形で線径の小さな（細い）銅線をロータティース２２に集中巻きして両端部を短絡接続した導体（巻線）として設置している。なお、本実施形態では、断面円形の細線タイプの電線（銅線）を巻き付けて巻線コイルを形成する場合を一例に説明するが、これに限るものではない。例えば、回転電機１００の断面円形の細線の銅線に代えて、アルミ導線を用いても良く、さらに、平角線やリッツ線で巻線コイルを形成しても良い。
これにより、回転電機１００は、ステータ１０の電機子コイル１４に、例えば、不図示の車載バッテリ内の直流電流をインバータにより３相の交流電流に変換した交流電力を供給することによって、ロータ２０を回転駆動させることができる。このとき、ステータ１０の電機子コイル１４で発生する回転磁界が、ロータ２０のロータティース２２に鎖交されると、そのロータ２０では、ロータティース２２毎の巻線コイル２４に回転磁束が鎖交する際のすべり周波数に応じた誘導電流を発生（誘起）することができ、ステータ１０の回転磁界との相互作用により回転駆動することができる。
例えば、回転電機１００は、すべりｓ＝０．２になるように稼動させると、図２に示すように、ステータ１０の１２箇所（図中の符号ＣＡ）のステータティース１２に磁束線ＦＬが集中して、ロータ２０のロータティース２２にギャップＧを介して鎖交する磁束線密度が高くなることにより、周方向のマグネットトルク（電磁力）をロータ２０側に作用させて回転駆動させることができていることが分かる。
ここで、ステータ１０は、図３に示すように、ロータ２０に代えて、鉄塊のソリッドロータ３０を収容させて電機子コイル１４に通電したときの磁束分布（磁束密度）を調波解析すると、１２箇所（図中の符号ＣＡ）のステータティース１２に集中する磁束線ＦＬは、ソリッドロータ３０側に鎖交して隣接するステータティース１２に戻る磁気回路を形成していることが分かる。このステータ１０の電機子コイル１４は、集中巻きにしていることから、空間高調波成分が多く含まれる磁束を発生させており、図４に示すように、主磁束の５０％以上に及ぶ静止座標系における第２次空間高調波成分が重畳してソリッドロータ３０側に鎖交していることが分かる。
ところで、上述のカゴ形ロータ構造の誘導機タイプの場合には、このような低次の空間高調波磁束がロータ側に鎖交すると、回転軸に沿うように延伸する導体は、ロータの軸方向の端部側のエンドリングにより短絡されていることから、その導体を経由する循環電流が発生して大きなエネルギー損失となってしまう。
また、電機子コイル１４を集中巻きしたステータ１０では、図３に示すように、隣接するステータティース１２間で短絡する磁路を形成することから、エンドリングで短絡されているロータ側の導体にはキャンセルしようとする誘導電圧が発生してしまい、すべり周波数の磁束変動による起磁力をロータ側で得ることができず、そのロータを回転駆動させることができない。より詳細には、ステータ１０の電機子コイル１４に通電する交流電流（基本波）により発生する回転磁界に対して、第２次空間高調波成分は逆相になるため、ブレーキトルクを発生させる２次電流がロータ側に流れてしまう。
このことから、本実施形態の回転電機１００では、ロータ２０に設置する導体をロータスロット２３毎にセグメント化するために、ロータティース２２に巻線を集中巻きして両端部同士を短絡させた巻線コイル２４を設置する短節巻構造にしている。
そこで、ステータ側は３相交流電流を通電する集中巻きの電機子コイルを設置するためにステータスロットの形成数ＳをＳ＝３に固定するのに対して、ロータ側は集中巻きの巻線コイルを設置するロータスロットの形成数ＲをＲ＝２〜８に変化させるスロットコンビネーション構造での回転特性の変化を確認してみた。この構造での回転特性をすべりｓ＝０．２でのシミュレーションを行って確認したところ、図５および図６に示す結果が得られた。
まず、図５に示すように、スロットの形成比率Ｒ／Ｓ＝１以下（２／３、３／３）では、正負に変動するトルクが発生するだけであり、大きく脈動するトルクリプルになるが、平均化しても回転トルクとして利用することはできない。
これに対して、図６に示すように、少なくともスロットの形成比率Ｒ／Ｓ＝１．３３以上（４／３〜８／３）では、正側に偏るトルクが発生して、平均化すると回転トルクになり得ることが分かる。また、スロットの形成比率Ｒ／Ｓ＝１．６６以上（５／３〜８／３）では、ほとんどを正側の回転トルクとして利用することができている。このため、車両への搭載を考えると、本実施形態の回転電機１００のように、ステータスロット１３の形成数Ｓが１８／ロータスロット２３の形成数Ｒが３０で形成数比率Ｒ／Ｓ＝５／３のスロットコンビネーションにするのが好適である。なお、一方で、図６に示すように、少なくともスロットの形成比率Ｒ／Ｓ＝１．３３以上、更には、少なくともスロットの形成比率Ｒ／Ｓ＝１．６６以上を満たしていれば効率的に回転トルクが得られるため、車両へ搭載される場合の回転電機１００は、形成数比率Ｒ／Ｓ＝５／３のスロットコンビネーションに限定されるものではなく、車両の用途や特性に応じて形成数比率Ｒ／Ｓを適宜設定することができる。
以上のことから、ステータスロットの形成数Ｓとロータスロットの形成数Ｒの比率Ｒ／Ｓ＝５／３のスロットコンビネーションに固定して、次の構造に応じた回転特性の変化を確認してみた。具体的には、ロータスロットに設置する導体の全体をエンドリングにより全周に亘って短絡する、所謂、カゴ形ロータ構造と、ロータスロットに設置する導体をロータティース毎に短絡する、１ターン（Ｔ）の集中巻き型ロータとでの回転特性を、すべりｓ＝０．２でのシミュレーションを行って確認したところ、図７に示す結果が得られた。
まず、カゴ形ロータ構造では、図７に示すように、上述の通り、ロータの導体に循環電流が発生するとともに、発生する磁界をキャンセルする誘導電圧が発生することにより、正負に変動するトルクが発生するだけであり、回転トルクとして利用することはできない。
これに対して、１ターンの集中巻き型ロータでは、図７に示すように、１ターンでしかないにもかかわらず、正側で変動する回転トルクを得ることができている。
これに対して、１ターンの集中巻き型ロータでは、図７に示すように、１ターンでしかないにもかかわらず、正側で変動する回転トルクを得ることができている。
さらに、１ターンの集中巻き型ロータでは、本実施形態の回転電機１００のように、ロータ２０のロータスロット２３に設置する導体として１７ターンの巻線コイルとしたところ、図８に示すように、１ターンの場合よりも基本波成分（交流電流による１次の回転磁界）を２倍以上鎖交させることができ、すべり周波数の磁束変動による起磁力を発生させてロータを回転駆動させる回転トルクを効率よく得ることができる。
このとき、ロータ側の巻線コイルに鎖交する磁束量は、その巻線コイルが集中巻きで短節巻きとなることから分布巻きの場合よりも減少して起磁力低下（駆動効率低下）や力率低下の傾向になる。しかしながら、これらの低下傾向は、ターン数を多くして鎖交効率を向上させ起磁力を確保することにより、磁束密度が減少して力率が低下しまうことを回避することができる。
なお、本実施形態では、車載する回転電機１００の構造を想定して、汎用の巻線（φ０．８ｍｍ）を１７ターンさせる巻線コイルの場合を一例にして説明するが、これに限るものではない。例えば、モータのサイズやスロットの空間面積や突極（ティース）での磁気飽和等に応じた最適構造で作製すればよい。
したがって、回転電機１００は、図９に示すように、ステータスロット（ステータティース）に電機子コイルを分布巻きしたステータ内に、上述のカゴ形ロータを備える誘導機と比較しても、同様のすべりトルク特性の回転トルクを得ることができる。
ここで、すべりｓは、ステータ１０の基本波周波数（回転磁界の回転周波数）ｆ１と、ロータ２０の回転周波数ｆ２と、を用いて次式のように定義される。このため、この図９では、ｆ１＝１０００ｒｐｍ、ｆ２＝８００ｒｐｍの場合に、すべりｓ＝０．２で一方向に回転させる最大の回転トルクとなって、また、ｆ１＝１０００ｒｐｍ、ｆ２＝１２００ｒｐｍの場合に、すべりｓ＝−０．２で逆方向に回転させる最大の回転トルクとなることが分かる。
すべりｓ＝（ｆ１−ｆ２）／ｆ１
すべりｓ＝（ｆ１−ｆ２）／ｆ１
ここで、回転電機１００は、図９における、すべりｓ＝０．６の条件において高調波トルクが発生してトルク特性が変動するのも、上述のカゴ形ロータを備える誘導機の場合と同様である。
なお、このすべりｓ＝０．６におけるトルク特性が変動するのは、図１０に示すように、すべり周波数成分に起因して発生する誘導トルクに加えて、インダクタンスの高調波成分とすべり周波数が同期する高調波同期トルクも活用可能となって、電流位相に応じて変動するトルク特性となるためである。
詳細には、スロット高調波のみを考慮したロータとステータのｄ軸インダクタンス（Ｌｒｄ、Ｌｓｄ）の積は次式となる。
Ｌｒｄ×Ｌｓｄ＝（Ｌｒｄ０＋Ｌｒｄａｃｏｓ５ω２ｔ）×（Ｌｓｄ０＋Ｌｓｄａｃｏｓ３ω１ｔ）
Ｌｒｄ×Ｌｓｄ＝（Ｌｒｄ０＋Ｌｒｄａｃｏｓ５ω２ｔ）×（Ｌｓｄ０＋Ｌｓｄａｃｏｓ３ω１ｔ）
このとき、次式を満たす関係が成立するときに高調波同期トルクが発生し、ω１＝１とおいたときにω２＝±０．４となり、すべりｓ＝０．６、１．４のときに高調波同期トルクが発生する。
ω１＝３ω１＋５ω２、ω１＝３ω１−５ω２
ω１＝３ω１＋５ω２、ω１＝３ω１−５ω２
このように、本実施形態の回転電機１００においては、ステータ１０のステータスロット１３に設置する電機子コイル１４を集中巻きにして、ロータ２０のロータスロット２３には細い銅線を複数ターンさせて両端部を短絡する集中巻きの巻線コイル２４を設置し、そのステータスロット１３の形成数Ｓとロータスロット２３の形成数Ｒの比率Ｒ／Ｓを少なくとも１．３３以上にしている。更には、本実施形態の回転電機１００は、スロットの形成比率Ｒ／Ｓが少なくとも１．６６以上を満たしていれば効率的に回転トルクが得られる。なお、本実施形態の回転電機１００は、ステータスロット１３の形成数Ｓとロータスロット２３の形成数Ｒの比率Ｒ／Ｓを５／３として説明した。
このため、３相交流電流をステータ１０の電機子コイル１４に通電して、すべり制御を実行することにより、ステータ１０の回転磁界に対するロータ２０の回転周波数のすべり周波数に応じた誘導電流を、ロータ２０側の巻線コイル２４に誘起させることができる。
したがって、４相以上にするためのインバータ等を無駄に準備することなく、３相の交流電流で効率よく稼動させることのできる安価で小型化可能な集中巻き誘導機タイプの回転電機１００を提供することができる。
ここで、本実施形態の他の態様としては、図示することは省略するが、本実施形態では、径方向にギャップＧを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に適用することも可能である。
また、本実施形態では、ステータ１０内にロータ２０を回転自在に収納するインナロータ構造を一例に説明するが、これに限るものではない。例えば、ステータを内部に収納して外側のロータを回転自在にするアウタロータ構造にも適用することができ、ステータとロータとが軸心（回転軸）を共通にしてロータの内周面とステータの外周面とを対面させて回転駆動する構造に本発明を適用することができる。
また、回転電機１００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
１０ ステータ
１２ ステータティース
１２ａ 内周面
１３ ステータスロット
１４ 電機子コイル（導体）
２０ ロータ
２２ ロータティース
２２ａ 外周面
２３ ロータスロット
２４ 巻線コイル（導体）
１００ 回転電機
１０１ シャフト（回転軸）
Ｇ ギャップ
１２ ステータティース
１２ａ 内周面
１３ ステータスロット
１４ 電機子コイル（導体）
２０ ロータ
２２ ロータティース
２２ａ 外周面
２３ ロータスロット
２４ 巻線コイル（導体）
１００ 回転電機
１０１ シャフト（回転軸）
Ｇ ギャップ
Claims (3)
- 複数のステータティースを有し、回転軸に沿う方向に延伸する導体を前記ステータティース間のステータスロット内に設置するステータと、複数のロータティースを有し、前記回転軸に沿う方向に延伸する導体を前記ロータティース間のロータスロット内に設置するロータと、を備え、
前記ステータおよび前記ロータは、前記回転軸を共通にして内周面と外周面とを対面させ前記ロータが回転するよう設けられ、前記ステータ側に対するすべり周波数に応じた誘導電流を前記ロータ側の導体に誘起させる回転電機であって、
前記ステータは、前記ステータティース毎に集中巻きされて３相交流電流が通電される電機子コイルが前記ステータスロット内に前記導体として設置され、
前記ロータは、前記ロータティース毎に短節集中巻きされた巻線コイルが前記ロータスロット内に前記導体として設置され、
各ロータティースに集中巻きされた前記巻線コイルの両端部が短絡接続されており、
前記ステータスロットよりも多くの前記ロータスロットが形成されており、
前記ステータティースよりも多くの前記ロータティースが形成されている、回転電機。 - 前記ステータスロットの形成数に対する前記ロータスロットの形成数の比率が、少なくとも１．３３以上である、請求項１に記載の回転電機。
- 前記ステータスロットの形成数Ｓに対する前記ロータスロットの形成数Ｒの比率Ｒ／Ｓが、少なくとも５／３以上である、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2015054449A JP6613585B2 (ja) | 2015-03-18 | 2015-03-18 | 回転電機 |
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