JPH048140A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、三相交流発電機、三相誘導電動機などの回転
電機に関する。

［従来の技術］ 従来より、回転電機、例えば三相交流発電機においては
、三相全ｎ集中電機子巻線をＹ形結線またはΔ形結線と
して、これらの電機子巻線を１磁極ピッチ当り３か所の
スロットを有する電機子鉄心に三相全部集中巻きしたも
のがある。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前述のような三相交流発電機においては、仮
に各相の電機子巻線χ、ｙ、ｚの相電流が正弦波であっ
たとしても、電機子電流に含まれる第３次高調波電流の
影響によって空隙起磁力分布が回転子座標上で著しく変
動する。このため、空隙起磁力分布が回転子の回転方向
への移動に伴って大きく歪むと同時に、空隙起磁力分布
が回転子の磁極に対して変動する。よって、固定子の空
隙起磁力分布と回転子の界磁起磁力分布との電磁力によ
り騒音が発生するという課題があった。

以下この理由を解析する。

第７図（ａ＞は各相の電機子巻線の相電流に対し各相の
電機子巻線の巻数を掛は合わせた各相起磁力Ａχ、Ａｙ
、Ａｚの時間的な変化を示す。

図中において時刻ｔ２　＋　ｔ３は、時刻ｔ１から電気
角π／　６ｒ　ａ　ｄだけ経過した時刻をｔ２、この時
刻ｔ２から電気角π／　６　ｒ　ａ　ｄだけ経過した時
刻をｔ３としたものである。

これらの時刻ｔｌ−時刻ｔ２および時刻ｔ３に関して、
第７図（ｂ）に示す各相の電機子巻線χ、ｙ、ｚの配夏
を考慮して各相の空隙起磁力分布を求めると第７図（ｃ
）、（ｅ）、（ｇ＞となる。

そして、これらの各相の空隙起磁力分布を合成した各相
の合成起磁力分布は、第７図（ｄ）、（ｆ）（ｈ）のよ
うになる。

すなわち、第７図（ｄ）、（ｈ）から時刻ｔ１の合成起
磁力分布と時刻ｔ３の合成起磁力分布とは、回転子の回
転方向への移動分（π／３相当）だけ同一の合成起磁力
分布が回転子の回転方向に移動しているのみである。と
ころが、時刻ｔ２の合成起磁力分布に着目すると、この
ときの合成起磁力分布は時刻ｔ１、時刻上３の合成起磁
力分布より大きく異なる。

したがって、従来の三相交流発電機においては、回転子
座標上でみるとき、回転子の回転方向への移動に伴って
固定子の電機子巻線の空隙起磁力分布が回転子の磁極の
界磁起磁力分布に与える磁気作用力が変動するため、電
磁的な騒音が発生すると思われる。

そこで、従来より三相交流発電機においては、この電磁
的な騒音を低減するために、外側に完全防音のための防
音壁を設けたり、エアギャップを不均一化するように回
転子の磁極に凸部を設けて回転子の磁極形状を変化させ
たり、電機子巻線の空隙起磁力分布を正弦波化するため
に固定子側を多溝分布巻化したり、磁極または電機子鉄
心の磁気脈動力を互いに相殺すべく、磁極にねじりを与
える（スキュー）またはＮ磁極とｓｍ極との位置を半波
分ずらすなどの方法が用いられている。

ところが、これらのものは、エアギャップなどの磁気抵
抗の増加等による出力性能の低下、組付時の作業能率を
低下させることによる高コスト化、または三相交流発電
機のハウジングの外側に防音壁を設けることによる製品
寸法の大型化等の課題があった。

本発明は、出力性能の低下、高コスト化および製品寸法
の大型化などを招くことなく、電磁的な騒音を防止でき
る回転電機の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者等は、課題を解決するために、回転子の回転方
向への移動に伴って界磁起磁力分布と空隙起磁力分布と
の磁気作用力が変化しないようにすることによって、固
定子が回転子に与える反作用電磁力の変動を減少させれ
ば電磁的な騒音を減少できることを見出だした。

その楕或は、３つの第１巻線をＹ形に結線したＹ形三相
結線回路、このＹ形三相結線回路に並列接続されるとと
もに、前記第１巻線の巻数に対してそれぞれ１，５〜２
２倍多い巻数とされた３つの第２巻線をΔ形に結線した
Δ形三相結線回路、および前記第１巻線と前記第２巻線
とを電気角でπ／　６　ｒ　ａ　ｄだけずらして複数の
スロット内に収納した固定子鉄心を有する固定子と、こ
の固定子と相対回転する回転子とを備えたものである。

なお、第２巻線を第１巻線の巻数に対して１゜５〜２．
２倍多い巻数とした理由は、それ以外の巻数の場合には
、不平行循環電流が生じて電力損失が発生するという不
都合があるので採用しないこととした。

［作用］ 第１巻線の巻数に対して１５〜２．２倍多い巻数の第２
巻線を複数のスロット内に収納しているので、３つの第
１巻線にそれぞれ含まれる第３次高調波電流と３つの第
２巻線にそれぞれ含まれる第３次高調波電流とがそれぞ
れ同一の位相となる。

また、第１巻線と第２巻線とが電気角でπ／６ｒａｄだ
けずらして複数のスロット内に収納されているので、流
れる電流は電気角でπ／　６　ｒ　ａ　ｄだけ位相差を
持って流れる。

このため、ある時刻の合成起磁力分布とその時刻からπ
／　６ｒ　ａ　ｄ分だけ経過した後の時刻の合成起磁力
分布とを比較すると、合成起磁力分布がπ／　６　ｒ　
ａ　ｄだけ回転子の回転方向に同一形状で移動すること
となる。

したがって、界磁起磁力分布と空隙起磁力分布との磁気
作用力は回転子の回転方向における位置に拘らず一定値
となるので大きな脈動が発生することはなくなる。この
ため、回転子と固定子との間に大きな脈動加振力が発生
しなくなる。

［発明の効果］ 防音壁を設けたり、回転子の磁極形状を変化させたり、
多溝分布巻化したり、スキューまたは半波分のずらしを
与えるなどの方法を用いることなく、回転子と固定子と
の間に大きな脈動加振力が発生しなくなるので、出力性
能の低下、高コスト化および製品寸法の大型化などを招
くことなく、電磁的な騒音を減少することができる。

［実施例］ 本発明の回転電機を第１図ないし第６図に示す実施例に
基づき説明する。

第１図ないし第５図は本発明の第１実施例を示す。第１
図は自動車用三相交流発電機の電気回路図であり、第２
図は各相の電機子巻線の巻線仕様図であり、第３図は自
動車用三相交流発電機を示す図であり、第４図は回転子
の磁極を示す図である。

自動車用三相交流発電機１は、固定子２、回転子３およ
び三相全波整流回路４を備える。

固定子２は、Ｙ形三相結線回路２１、Δ形三相結線回路
２２および電機子鉄心２３を有する。

Ｙ形三相結線回路２１は、３つの第１巻線としての第１
電機子巻線χ１、ｙｌ、ｚｌを起電力の位相差が互いに
２π／３となるようにＹ形に結線したものである。第１
電機子巻線χ１の巻き始めは、第１電機子巻線ｙ１、ｚ
ｌの巻き始めと結線されている。また、第１電機子巻線
χ１、ｙｌ、ｚｌの巻数は、はぼ同一の巻数とされてい
る。なお、第１電機子巻線χ１　、ｙｌ　、ｚｌは、電
機子鉄心２３のスロットに三相全部集中巻きされている
。

Δ形三相結線回路２２は、Ｙ形三相結線回路２１に並列
接続され、３つの第２巻線としての第２電機子巻線χ２
、ｙ２、Ｚ２を起電力の位相差が互いに２π／３となる
ようにΔ形に結線している。なお、第２電機子巻線χ２
、ｙ２、ｚ２は、電機子鉄心２３のスロットに三相全部
集中巻きされている。

また、第１電機子巻線χ１と第２電機子巻線χ２の巻き
終わりおよび第２電機子巻線ｙ２の巻き始めとは、１箇
所に結線されて三相線間の第１端子２４を形成している
。そして、第１電機子巻線ｙ１と第２電機子巻線ｙ２の
巻き終わりおよび第２電機子巻線ｚ２の巻き始めとは、
１箇所に結線されて三相線間の第２端子２５を形成して
いる。さらに、第１電機子巻１１ｉｚ１と第２電機子巻
線ｚ２の巻き終わりおよび第２電機子巻線χ２の巻き始
めとは、１箇所に結線されて三相線間の第３端子２６を
形成している。

なお、第２電機子巻線χ２、ｙ２、ｚ２の巻数は、第１
電機子巻線χ１、ｙｌ、ｚｌの巻数に対してｆ３倍多い
巻数とされ、これらはほぼ同一の巻数とされている。ま
た、第２電機子巻線χ２、ｙ２　、ｚ２の線径は、第１
電機子巻線χ１、ｙｌ、Ｚｌの線径に対してほぼ１／Ｊ
−３倍とされている。

このため、電機子鉄心２３の各スロットに収納される巻
線の総断面積がほぼ等しくなっている。

電機子鉄心２３は、本発明の固定子鉄心であって、薄い
鉄板を重ね合わせて構成されている。この電機子鉄心２
３は、回転子３と対向する内周面に２磁極ピツチ当たり
１２箇所のスロットを形成している。すなわち、電機子
鉄心２３は、通常の三相集中全部巻線機に対して２倍の
スロットを看する。なお、２磁極ピツチとは、電機子鉄
心２３の内周面を磁極の数で除したもので電気角２πｒ
ａｄに相当する。

これらのスロット内には、第１電機子巻線χ１、ｙｌ、
Ｚｌと第２電機子巻線χ２．３／２．７．２とが回転子
３の回転方向に向かって電気角でπ／６ｒａｄ　（＝電
気角３０°）だけずらして収納されている。

回転子３は、回転軸３１、界磁巻ｆｆ１３２および界磁
鉄心３３などを有する。

回転軸３１は、内燃機関に回転駆動され、界磁巻線３２
および界磁鉄心３３を伴って一体的に回転する。

界磁巻線３２は、界磁鉄心３３の中央で回転方向に巻装
されている。

界磁鉄心３３は、略台形状のいわゆるランゾル形状を呈
し、電機子鉄心２３からエアギャップ（例えば約０．３
５ｍ）離れた位置で電機子鉄心２３の内周面に対向して
配設されている。この界磁鉄心３３は、両側から中央に
突出した爪状磁極３４．３５を有する。界磁鉄心３３は
、界磁巻線３２に電流が流れると一方の爪状磁［ｉ３４
が全てＮｒｉとなり、他方の爪状磁極３５が全てＳ極と
なる。また、一方の爪状磁極３４は、２つの他方の爪状
磁極３５間に配設されているので、界磁鉄心３３の外周
に１２個のＮ極とＳ極とが交互に配されることとなる。

三相全波整流回路４は、６個のダイオード４１〜４６か
ら精成され、三相線間の第１端子２４〜第３端子２６に
接続され、Ｙ形三相結線回路２１およびΔ形三相結線回
路２２で発生した交流電流を直流電流に整流する。この
三相全波整流回路４の出力は、出力端子４０を介して電
気装置やバッテリに供給される。

本実施例の三相交流発電機１の作動を第１図ないし第５
図に基づき説明する。なお、第５図は第１電機子巻線χ
１　、ｙｉ　−ｚｌおよび第２電機子巻線χ２、ｙ２、
ｚ２の空隙起磁力分布を示す図である。

第５図（ａ）は電機子巻線χ１、ｙｌ、ｚｌ、χ２　、
ｙ２　＝　ｚ２の相電流に対し電機子巻線χ１、ｙｌ　
、ｚｌ　、χ２、ｙ２、ｚ２の巻数を掛は合わせた各相
起磁力Ａχ１、Ａｙｌ、Ａｚｌ、Ａχ２、Ａｙ２、Ａｚ
２の時間的な変化を示す。

第５７（ａ）中の時刻ｔ１、時刻ｔ２および時刻ｔ３に
関して、第５図（ｂ）に示す電機子巻線χ１、ｙｌ、ｚ
ｌ、χ２　＋　ｙ２　、ｚ２の配置を考慮して各相の空
隙起磁力分布を求めると第５図（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）
となる。そして、これらの各相の空隙起磁力分布を合成
した合成起磁力分布波形は、第５図（ｄ）、（ｆ）、（
ｈ）に示すように、時刻ｔ１、時刻ｔ２および時刻ｔ３
において各々が同一形状の波形となり、回転子３の磁極
３４．３５に対して静止波の関係となる。

すなわち、第１電機子巻線χ１　、ｙｌ　、ｚｌ、およ
び第２電機子巻線χ２．３／２．７．２の反作用系を電
気角π／　６　ｒ　ａ　ｄ分だけずらして回転子３の磁
極３４．３５を回転方向に回転させれば、合成起磁力分
布は、第５図（ｄ）、（ｆ）に示した状態を常時混合合
成したものになる。このため、合成起磁力分布は、時刻
ｔｌ　、ｔ２、ｔ３のように回転子３を回転方向に移動
させた場合でも、回転子３の界磁起磁力分布が固定子２
の空隙起磁力分布に与える反作用起磁力分布波形が変化
することはな（、回転子３の回転方向への移動に伴って
随伴するのみとなる。

したがって、界磁起磁力分布と空隙起磁力分布との磁気
作用力は、回転子３の磁極３４．３５の回転方向におけ
る回転位置に拘らず一定値をとるので、スロット開口部
の僅かなスロットリプルに基づく磁気脈動力の他に大き
な脈動が発生することはない。

このため、固定子２と回転子３との間に大きな脈動加振
力が発生しなくなるので、大掛かりな防音壁や特殊工程
を要さず、出力性能の低下、高コスト化および製品寸法
の大型化などを招くことなく、電磁的な騒音を減少する
ことができる。

また、回転子３の磁極３４．３５表面における磁束の変
動を減少できるので、磁気抵抗が著しく軽減されること
によって、交流発電機１の出力効率を向上することがで
きる。その上、磁極３４．３５の発熱が減少するので、
界磁巻線の温度が低下するため、より多くの励磁力が得
られることによって、交流発電機１の出力効率を向上す
ることができる。

さらに、第１電機子巻線χ１　、ｙｌ　＋　ｚｌと第２
電機子巻線χ２、ｙ２、ｚ２とをπ／６ｒａｄだけずら
してスロット内に収納すると、それぞれの位相が巽なっ
てくるなめ、出力負荷回路としての三相全波整流回路４
を２組必要となるが、それぞれを１・Ｊ３の巻数比とす
るとともに、Ｙ形結線、Δ形結線として並列接続して三
相線間の第１端子２４〜第３端子２６における電圧を同
じ大きさ、出力を同位相とすることによって、不平衡循
環電流の発生をなくしている。このため、１組の三相全
波整流回路４で出力を取り出すことができるので、低コ
ストでコンパクトな交流発電機１となる。

また、第１電機子巻線χ１−　ｙ１＋　ｚｌの線径およ
び第２電機子巻線χ２、ｙ２、ｚ２の線径については、
１：１／Ｊ３となるように配設されているので、同一電
流密度となり銅線利用効率の低下を招くこともない。そ
して、巻数×（線径）２値に比例するスロット中の総導
体断面積についても第１電機子巻線χ１、ｙｌ、ｚｌお
よび第２電機子巻線χ２　、ｙ２　＋　ｚ２で均一とな
るので、スロットの空間利用率の低下を招くこともない
。

第６図は本発明の第２実施例を示す。

この実施例は、Ｙ形三相結線回路２１の中性点２７にダ
イオード４７．４８を接続したものであり、この中性点
２７からＹ形三相結線回路２１の出力に含まれる第３次
高調波電流を取り出している。

（変形例） 本実施例では、出力負荷回路として三相全波整流回路を
用いたが、インダクションモータやヒータなどの三相負
荷、トランジスタブリッジ、ツェナーダイオードを使用
した整流回路を用いても良い 本実施例では、本発明を三相交流発電機に用いたが、三
相誘導電動機に用いても良い。

本実施例では、第１電機子巻線と第２電機子巻線との巻
数比を１：ｆ３としたが、第１電機子巻線と第２電機子
巻線との巻数比を１：１．５〜２゜２としても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１実施例を示す。第１
図は自動車用三相交流発電機の電気回路図、第２図は各
相の電機子巻線の巻線仕様図、第３図は自動車用三相交
流発電機の要部を示す断面図、第４図は回転子の磁極を
示す側面図、第５図は各相の電機子巻線の空隙起磁力分
布の説明図である。 第６図は本発明の第２実施例に採用された自動車用三相
交流発電機の電気回路図である。 第７図は従来の三相交流発電機における各相の電機子巻
線の空隙起磁力分布の説明図である。 図中 １・・・自動車用三相交流発電機（回転電機）２・・固
定子　３・・回転子　２１・・Ｙ形三相結線回路２２・
・・Δ形三相結線回路　２３・・・電機子鉄心（固定子
鉄心）　χ１、ｙｌ、ｚｌ・・・第１電機子巻線（第１
巻ＩＩ）　　２２　、ｙ２−　ｚ２−＝第２電機子巻線
（第２巻線）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）（ａ）３つの第１巻線をＹ形に結線したＹ形三相結
   線回路、 このＹ形三相結線回路に並列接続されるとともに、前記
   第１巻線の巻数に対してそれぞれ１．５〜２．２倍多い
   巻数とされた３つの第２巻線をΔ形に結線したΔ形三相
   結線回路、および前記第１巻線と前記第２巻線とを電気
   角でπ／６ｒａｄだけずらして複数のスロット内に収納
   した固定子鉄心 を有する固定子と、 （ｂ）この固定子と相対回転する回転子と を備えた回転電機。