WO2017056296A1

WO2017056296A1 - 三相誘導電動機

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Publication number: WO2017056296A1
Application number: PCT/JP2015/077958
Authority: WO
Inventors: 一晃大津; 健太金子; 米谷　晴之
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2017-04-06
Also published as: JPWO2017056296A1; US20180358874A1; US11101723B2; DE112015006992T5; JP6301023B2

Abstract

ワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されたスイッチング素子を備えたインバータからの交流電力の供給を受けて回転駆動される三相誘導電動機１は、型巻きコイルを挿入するためのオープンスロット構造の固定子スロット３ａを有する固定子２および二次導体が挿入される回転子スロット７を有し、空隙１８を介して固定子２の内側に配置される回転子５を備える。回転子スロット数をＮ_ｒ、固定子スロット数をＮ_ｓ、極数をＮ_ｐとするときに、Ｎ_ｒ≦Ｎ_ｓ－Ｎ_ｐ－６の関係を満足するようにＮ_ｒ、Ｎ_ｓおよびＮ_ｐが設定されている。

Description

三相誘導電動機

　本発明は、回転子スロットに二次導体が挿入されて成る三相誘導電動機に関する。

　三相誘導電動機として、下記特許文献１には、磁極数が４極で毎極毎相の固定子スロット数が３、すなわち、固定子全体で３６個の固定子スロット数を有する三相誘導電動機が開示されている。

特許第５６１５４４３号公報

　三相誘導電動機を駆動するインバータに用いられるスイッチング素子として、従来では、珪素（シリコン：Ｓｉ）を用いて形成されたスイッチング素子（以下「Ｓｉ－ＳＷ素子」と表記）が主流であったが、最近では、炭化珪素（シリコンカーバイド：ＳｉＣ）に代表されるワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されたスイッチング素子（以下「ＷＢＧ－ＳＷ素子」と表記）の使用が増えて来ている。

　従来のＳｉ－ＳＷ素子を備えたインバータ（以下、便宜的に「Ｓｉインバータ」と表記）では、Ｓｉ－ＳＷ素子によるスイッチング損失が大きく、スイッチング回数の制限のため、モータに流入する電流波形に高調波成分が多く含まれていた。一方、ＷＢＧ－ＳＷ素子を備えたインバータ（以下、便宜的に「ＷＢＧインバータ」と表記）では、ＷＢＧ－ＳＷ素子によるスイッチング損失が小さいため、スイッチング回数の制限が取り払われ、従来よりもインバータ１周期あたりのスイッチング回数を増やすことができる。このため、三相誘導電動機に流出入する電流（以下「モータ電流」と称する）のリップルを小さくすることができ、モータ電流に含まれる高調波成分を小さくすることができる。

　また、従来では、Ｓｉ－ＳＷ素子に流れる電流が大きいとＳｉ－ＳＷ素子での損失が大きくなり、モータ電流の電流値に制限があった。これに対し、ＷＢＧ－ＳＷ素子では、導通損失が小さいためモータ電流の制限値が大幅に緩和されることになる。

　ＷＢＧインバータを用いて三相誘導電動機を駆動する場合、上記の特徴があるため、三相誘導電動機における固定子スロットおよび回転子スロットの構成を大幅に変更または見直しすることが可能となる。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＷＢＧインバータで駆動する際の特徴を有効に発揮し得るように構成された三相誘導電動機を提供することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されたスイッチング素子を備えたインバータからの交流電力の供給を受けて回転駆動される三相誘導電動機である。三相誘導電動機は、型巻きコイルを挿入するためのオープンスロット構造の固定子スロットを有する固定子、および、二次導体が挿入される回転子スロットを有し、空隙を介して固定子の内側に配置される回転子を備える。回転子スロット数をＮ_ｒ、固定子スロット数をＮ_ｓ、極数をＮ_ｐとするときに、Ｎ_ｒ≦Ｎ_ｓ－Ｎ_ｐ－６の関係を満足するようにＮ_ｒ、Ｎ_ｓおよびＮ_ｐが設定されている。

　本発明によれば、ＷＢＧインバータで駆動される三相誘導電動機において、固定子スロット数と回転子スロット数との関係を好ましい関係に設定できる、という効果を奏する。

本実施の形態に係る三相誘導電動機の断面図本実施の形態の三相誘導電動機における固定子巻線の配列および端部の構成を示す図本実施の形態の三相誘導電動機の固定子スロットにおけるコイル配置を示す図本実施の形態の三相誘導電動機における固定子巻線の結線図ＷＢＧインバータを用いて主電動機を駆動する車両駆動システムの一構成例を示す図ＷＢＧインバータを用いた制御手法とＳｉインバータを用いた制御手法とを比較して説明する図固定子スロット内に素線を周方向に２列で配列する構成を示す比較図

　以下に、本発明に係る三相誘導電動機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
　図１は、本実施の形態に係る三相誘導電動機の断面図である。図１では、三相誘導電動機１におけるシャフト５１の軸方向直交面の断面構造を示している。三相誘導電動機１の回転軸であるシャフト５１は、例えば鉄道車両用の場合、継手（図示せず）および減速歯車（図示せず）を介して鉄道車両の車軸（図示せず）に連結されるように構成される。

　三相誘導電動機１は、円筒構造の固定子２と、空隙１８を介して固定子２の内側に配置される円筒構造の回転子５と、を備える。固定子２は固定子鉄心３を有する構造であり、回転子５はシャフト５１に一体化された回転子鉄心６を有する構造である。

　図１は、本実施の形態に係る三相誘導電動機１の好ましい構造を示している。図１において、固定子鉄心３は円筒形状を成し、内周部側には、４８個のスロット３ａが等角ピッチで、且つ、間欠的に形成されている。４８個のスロット３ａが形成されることによって４８個のティース３ｂが形成される。固定子スロットを成すスロット３ａには、コイル５０が、ティース３ｂの１つまたは複数を内部に含むように巻装されて収納される。スロット３ａに収納された複数のコイル５０によって、固定子巻線４が構成される。

　回転子鉄心６には、固定子鉄心３のスロット３ａもしくはティース３ｂに対向するように、３８個のスロット７が形成されている。回転子スロットであるスロット７には、二次導体が挿入される。

　次に、本実施の形態の三相誘導電動機における固定子巻線の配列および結線について、図２から図４の図面を参照して説明する。図２は、本実施の形態の三相誘導電動機における固定子巻線の配列および端部の構成を示す図である。図３は、本実施の形態の三相誘導電動機の固定子スロットにおけるコイル配置を示す図である。図４は、本実施の形態の三相誘導電動機における固定子巻線の結線図である。

　図２に示すように、三相誘導電動機１における固定子２の端部では、固定子鉄心３の各スロット３ａに収納されたコイル５０同士が、Ｃ字形状を成す第１～第４のジョイントバーであるジョイントバー２１～２４によって結線されている。ジョイントバー２１はＵ相の結線に用いられ、ジョイントバー２２はＶ相の結線に用いられ、ジョイントバー２３はＷ相の結線に用いられ、ジョイントバー２４は中性点の結線に用いられる。

　上述のように、ジョイントバー２１～２３はＣ字形状を成しており、ジョイントバー２１～２３の端部間には間隙が形成される。ジョイントバー２１～２３の各一端部は、ジョイントバー２１～２３のそれぞれにおける間隙を利用して外径側に引き出され、引き出された部位は、口出線３０として構成される。

　固定子鉄心３に設けられたスロット３ａは周方向に沿って等角ピッチで等間隔に配置されているが、これに対応してコイル５０も周方向に沿って配置される。スロット３ａ内におけるコイル５０の収納態様は、図３に示す通りである。図３に示すように、固定子鉄心３における一つのスロット３ａには、コイル５０が二層構造で収められている。すなわち、コイル５０は、スロット３ａの開口部側に位置する上口コイル５０ｂと、スロット３ａの底部側に位置する下口コイル５０ａとからなり、上口コイル５０ｂおよび下口コイル５０ａ共に、周方向に１列で配列された板状の４つの素線５２で構成されている。

　図２に戻り、ジョイントバー２１～２４は互いに同軸的に配置されている。ジョイントバー２４は、ジョイントバー２１～２３に比べて、最も内径側に配置されている。

　図２では、固定子スロット数が４８個である場合に、極数を４、固定子巻線４の並列回路数を４とした構成例を示している。この構成例の場合、毎極毎相のスロット数は（総スロット数）／（相数×極数）＝４８／（３×４）＝４となる。

　この毎極毎相のスロット数に対応して、図２では、周方向に連続する４個のスロットのコイル５０を組として極が構成される。具体的には、各相に応じて“Ｕ”、“Ｖバー”（Ｖの上部に横棒を付して表記、他のものも同じ）、“Ｗ”、“Ｕバー”、“Ｖ”、“Ｗバー”、“Ｕ”、“Ｖバー”、“Ｗ”、“Ｕバー”、“Ｖ”、“Ｗバー”で表された４個のコイルの組が極を構成している。なお、“Ｕバー”は“Ｕ”と比べてコイルの巻回方向が逆向きになっている。

　したがって、例えば、Ｕ相については、“Ｕ”で表された連続する４個のスロット３ａに収納されたコイルと、“Ｕバー”で表された連続する４個のスロット３ａに収納されたコイルとが交互にかつ等間隔で周方向に配置されて合計４箇所に現れており、それぞれが極を構成している。なお、以上の説明は、Ｖ相およびＷ相についても当てはまる。

　中性点同士を結線するジョイントバー２４は、Ｃ字形状の板状金属部材を、結線箇所を除いて絶縁被覆したものである。ジョイントバー２４は、コイル５０の素線の端部と結線できるように固定子鉄心３の周方向に沿って延伸している。ジョイントバー２４を用いることにより、コイル５０の素線を引き回すことなく、コイル５０の端部をその位置でジョイントバー２４と結線することができる。ジョイントバー２４は、結線箇所が周方向に分散した状態で一括して結線することを可能とする。結線箇所では、ジョイントバー２４の絶縁被覆が除かれ、内部の金属部材とコイル５０の素線の端部とが接触するようにして結線される。なお、図４では、周方向に配列されたコイル５０（実線は下口コイル、点線は上口コイルを表す。）に対して、ジョイントバー２１～２４とコイル５０の結線構造を模式的に示しているが、この図４に示すように、ジョイントバー２４とコイル５０との結線箇所は、各相ごとに４箇所で合計１２箇所である。

　また、Ｕ相同士を結線するジョイントバー２１は、Ｃ字形状の板状金属部材を、結線箇所を除いて絶縁被覆したものである。ジョイントバー２１は、コイル５０の素線の端部と結線できるように固定子鉄心３の周方向に沿って延伸している。ジョイントバー２１を用いることにより、コイル５０の素線を引き回すことなく、コイル５０の端部をその位置でジョイントバー２１と結線することができる。このように、ジョイントバー２１は、結線箇所が周方向に分散した状態で一括して結線することを可能とする。なお、結線箇所では、ジョイントバー２１の絶縁被覆が除かれ、内部の金属部材とコイル５０の素線の端部とが接触するようにして結線される。図４に示すように、この場合の結線箇所は４箇所である。なお、Ｖ相同士を結線するジョイントバー２２およびＷ相同士を結線するジョイントバー２３についても、ジョイントバー２１と同様の構成および構造である。

　次に、ＷＢＧインバータで駆動される三相誘導電動機において、固定子スロット数と回転子スロット数とに関する好ましい関係について説明する。

　まず、回転子スロット数をＮ_ｒ、固定子スロット数をＮ_ｓ、極数をＮ_ｐとする。本実施の形態に係る三相誘導電動機では、これらのパラメータ、すなわち回転子スロット数Ｎ_ｒ、固定子スロット数Ｎ_ｓおよび極数Ｎ_ｐの間に、次式に示す関係を満足することが要旨となる。

　Ｎ_ｒ≦Ｎ_ｓ－Ｎ_ｐ－６　　…（１）

　上記（１）式が意味する技術的事項に関する説明の前に、本実施の形態に係る三相誘導電動機を駆動する際の駆動側の条件について説明する。

　「発明が解決しようとする課題」の項でも説明したが、本実施の形態に係る三相誘導電動機は、ＷＢＧインバータからの交流電力の供給を受けて回転駆動される三相誘導電動機であって、ＷＢＧインバータで駆動する際の特徴を有効に発揮し得るように構成された三相誘導電動機である。

　図５は、ＷＢＧインバータを用いて鉄道車両駆動用の三相誘導電動機（図５では「主電動機」と表記）を駆動する車両駆動システムの一構成例を示す図である。図５において、車両駆動システム６１は、図示を省略した遮断器、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルを少なくとも含む入力回路６２、スイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂを具備し、鉄道車両を駆動するための少なくとも１台以上の主電動機６８を接続してなるＷＢＧインバータとしてのインバータ６３、およびインバータ６３に具備されるスイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂをＰＷＭ制御するためのスイッチング信号Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚをそれぞれ生成して出力する制御部６７を備えて構成される。

　また、図５において、入力回路６２の一端は集電装置７１を介して架線７０に電気的に接続され、他端は車輪７３を介して大地電位であるレール７２に電気的に接続されている。架線７０から供給される直流電力または交流電力は、集電装置７１を介して入力回路６２の一端に入力されるとともに、入力回路６２の出力端に生じた電力（直流電圧）がインバータ６３に入力（印加）される。なお、図５では、架線７０を直流架線として示しているが、架線７０が交流架線であっても構わない。交流架線の場合、細部の設計事項は除き、入力回路６２の前段に変圧器を設ける構成とすればよい。

　インバータ６３は、スイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａで構成される正側アーム（例えばＵ相では６４ａ）と、スイッチング素子６４ｂ，６５ｂ，６６ｂで構成される負側アーム（例えばＵ相では６４ｂ）とがそれぞれ直列に接続されたレグを有している。すなわち、インバータ６３には、３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する三相ブリッジ回路が構成されている。ここで、スイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂとしては、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ、ＧａＮ等）を用いたスイッチング素子を用いる。なお、図５の例では、レグ数が３（３相）である場合の構成例を示しているが、このレグ数に限定されるものではない。

　インバータ６３は、制御部６７から出力されるスイッチング信号（ＰＷＭ信号）Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚに基づいてスイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂをＰＷＭ制御することにより、入力回路６２から入力された直流電圧を任意周波数および任意電圧の交流電圧に変換して出力する。ここで、スイッチング信号Ｕ，Ｖ，Ｗは、それぞれスイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ（即ち正側アームのスイッチング素子）をＰＷＭ制御するための制御信号であり、同様に、スイッチング信号Ｘ，Ｙ，Ｚは、それぞれスイッチング素子６４ｂ，６５ｂ，６６ｂ（即ち負側アームのスイッチング素子）をＰＷＭ制御するための制御信号である。なお、ＰＷＭ制御を行うための制御部６７の構成や、架線７０からの電力を取り込んでインバータ６３に供給する入力回路６２の構成は公知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

　上述したように、ＷＢＧインバータでは、ＷＢＧ－ＳＷ素子に流れる電流の導通損失が小さく、モータ電流の制限値が大幅に緩和されることになる。また、モータ電流を大きくできれば、主電動機６８への印加電圧を小さくでき、主電動機６８を搭載した車両駆動システムにおける全速度域に渡ってＰＷＭ制御のみでの制御可能となる。この点については、更に図６を参照して説明する。

　図６は、ＷＢＧインバータを用いた制御手法（以下「本願手法」と称する）とＳｉインバータを用いた制御手法（以下「従来手法」と称する）とを比較して説明する図である。図６において、太実線で示す波形は本願手法を用いた場合の目標電流（電動機に対する目標電流、以下同じ）であり、太破線で示す波形は本願手法を用いた場合の目標電圧（電動機に対する目標電圧、以下同じ）である。一方、一点鎖線で示す波形は従来手法を用いた場合の目標電流であり、二点鎖線で示す波形は従来手法を用いた場合の目標電圧である。

　従来手法による電動機制御では、図６に示すように、電動機の回転数がある設定値までは目標電流を一定とし、且つ、目標電圧を回転数に応じて比例的に増加させるＰＷＭ制御モードにて制御を行うが、回転数が当該設定値以上では、同期パルスモードなどの複数パルスモードの間においては目標電圧を一定に制御する制御モード（非ＰＷＭ制御モード）にて制御を行っていた。

　一方、本願手法では、電動機の最大回転数までの領域（全制御領域）において、目標電流を一定とし、且つ、目標電圧を回転数に応じて比例的に増加させるＰＷＭ制御モードにて制御を行う場合もある。この場合、目標電圧は従来手法に比して小さいが、目標電流を従来手法に比して大きな値としているので、従来と同等（もしくは同等以上）の所要トルクの確保が可能となっている。なお、この本願手法を採用すれば、例えば高速惰行時であっても回生ブレーキの使用が可能となるので、回生エネルギーを有効に活用することができて消費電力量の削減が可能になるのと共に、機械ブレーキの使用頻度を抑制することで機械ブレーキの摩耗を抑制することができ、機械ブレーキの寿命の延伸化が可能となる。

　次に、上記（１）式が意味する内容について説明する。まず、インバータ駆動される三相誘導電動機において発生する高調波損失には、これに印加される電圧波形に含まれる高調波、すなわち高調波電圧によって発生する高調波損失（一般的にインバータ高調波損失と称される）と、電動機の機内で発生する空間高調波により発生する高調波損失（一般的に空間高調波損失と称される）とがある。一方、ＷＢＧインバータを用いるとインバータ高調波が小さくなるため、三相誘導電動機における高調波損失としては、空間高調波損失が支配的となる。

　空間高調波損失は、一般的に、固定子のスロット部、ティース部のパーミアンス脈動によって発生する固定子スロット高調波と、固定子巻線がスロット内に格納されているため起磁力が階段状になることで発生する固定子起磁力高調波とに分類される。

　固定子起磁力高調波は、毎極毎相のスロット数が２以上であれば一般的に小さい。このため、空間高調波損失の主となる空間高調波は、固定子スロット高調波となる。本実施の形態に係る三相誘導電動機も同様の構造であるが、特に、型巻きコイルを使用する場合には、コイルの挿入の工作性を向上する観点から、固定子スロットの開口部がオープンスロット構造となるので、固定子スロット高調波が特に大きくなる。

　よって、ＷＢＧインバータを用いて制御される電動機は、回転子スロット数が固定子スロット数より少ないことが望ましい。その理由は、回転子スロット数が固定子スロット数より多ければ、固定子スロット高調波による磁束の脈動成分の多くを隣接する回転子スロット内の導体間で受けることになり、高調波損失が増加するためである。

　なお、このような高調波損失を低減する目的で、回転子二次導体を軸方向にスキューする技術が知られているが、回転子スロットに挿入される二次導体が金属バーの場合、軸方向にスキューを付けることは難しい。このため、二次導体を軸方向にスキューしない構造の電動機において、回転子スロットに挿入される二次導体には、多くの高調波電流が誘起されてしまうことになる。

　一方、電動機において発生する電磁振動および騒音は、固定子スロット数Ｎ_ｓと回転子スロット数Ｎ_ｒと極数Ｎ_ｐとの関係に起因することが知られている。また、電動機の振動をモード解析すると、４次以下の小さいモード、すなわち固定子を４角形に変形させる４次モード、固定子を３角形に変形させる３次モード、固定子を楕円に変形させる２次モードで発生することが知られている。このため、電動機において発生する電磁振動および騒音を小さくするには、４次以下のモードの加振力を小さくすることが必要となる。このことを固定子スロット数Ｎ_ｓ、回転子スロット数Ｎ_ｒおよび極数Ｎ_ｐで表すと、以下の関係式で表すことができる。

　Ｎ_ｒ＜Ｎ_ｓ－Ｎ_ｐ－４　　…（２）

　なお、固定子スロット数と回転子スロット数の差が奇数であれば、軸系の振動を招くおそれがあり、負荷によっては大きな振動となる可能性がある。また、回転子を偏心させる電磁力の発生も考えられ、固定子スロット数Ｎ_ｓと回転子スロット数Ｎ_ｒとの差が奇数となることを避ける必要がある。この点を踏まえると、固定子スロット数Ｎ_ｓと回転子スロット数Ｎ_ｒとに係る好ましい関係式は、上記（２）を変形した上記（１）式となる。

　Ｎ_ｒ≦Ｎ_ｓ－Ｎ_ｐ－６　　…（１）（再掲）

　上述した図１の構成では、Ｎ_ｒ＝３８、Ｎ_ｓ＝４８、Ｎ_ｐ＝４であり、（左辺）＝３８、（右辺）＝４８－４－６＝３８となり、上記（１）式を満足する。

　次に、図１の構成を従来では採用して来なかった理由について、鉄道車両駆動用の主電動機（以下「鉄道用主電動機」と称する）を例として説明する。

　鉄道用主電動機は、その速度範囲の広さから主に４極あるいは６極で構成するが、特に４極の構成が一般的である。また、鉄道用主電動機は、鉄道車両の床下にある台車内に筐体を収納しなければならないという艤装限界があった。このため、鉄道用主電動機は、固定子内径がφ２５０～φ３５０［ｍｍ］程度の範囲に収めなければならなかった。なお、固定子内径に関する下限値（φ２５０）は、電動機出力からの要請である。

　鉄道用主電動機が４極機である場合、毎極毎相の固定子スロット数を３に設定すると（固定子全体では３６）、（１）式を満たす回転子スロット数は最大２６となり、固定子内径がφ２５０～φ３５０の範囲では回転子スロットピッチが３０．２ｍｍ～４２．３ｍｍとなる。ところが、回転子二次導体は金属製のバー、すなわち導体バーであり、このような広い範囲に導体バーを挿入すると、速度範囲の広い鉄道用主電動機では、遠心力により導体バーを支える回転子鉄心におけるスロット開口部の強度が問題となる。もちろん、回転子スロットピッチに対して小さい導体バーを採用することも考えられるが、小さい導体バーを採用すると、二次導体の抵抗が大きくなり、効率が悪化するという問題がある。よって、従来は固定子高調波損失の増加を許し、回転子スロット数を４６とする構成を採用していた。一方、固定子スロットピッチは、固定子内径がφ２５０～φ３５０の範囲で２１．８ｍｍ～３０．５ｍｍとなり、絶縁を考慮した型巻きコイルを挿入するのに適当なピッチであった。また、固定子電流に含まれる高調波による固定子コイルの素線に発生する損失は、固定子スロット幅が狭いほど大きくなるため、固定子スロット数を３６（毎極毎相の固定子スロット数を３）とする構成が適当とされていた。

　しかしながら、ＷＢＧインバータの出現により、固定子電流に含まれる高調波成分が小さくなれば、固定子スロットピッチを狭くしても大きな損失増加にはならないことが本願発明者らによって見出された。よって、毎極毎相の固定子スロット数を４（４極機なら４８スロット、６極機なら７２スロット）としてもインバータ高調波による損失増加は非常に小さく、上記（１）式で示される最大の回転子スロット数３８（４極機の場合）を達成することができるようになった。回転子スロット数が３８の場合、回転子スロットピッチは、固定子内径がφ２５０～φ３５０の範囲では２０．７ｍｍ～２８．９ｍｍとなり、二次導体の面積を小さくすることなく、すなわち二次抵抗を高くすることなく、遠心力に対するスロット開口部の強度の低下を抑止することができる。

　なお、４極機で毎極毎相のスロット数が６の場合、固定子２の総スロット数は、４×６×３＝７２となる。総スロット数が７２の場合、固定子内径がφ２５０～φ３５０の範囲では、回転子スロットピッチが１０．９ｍｍ～１５．３ｍｍとなる。よって、スロット幅は５ｍｍ～８ｍｍ程度となり、絶縁厚さを考慮すると導体断面積を稼ぐことが難しくなり、これ以上のスロット幅の縮小は銅損の増大を招くことになり好ましくない。よって、固定子スロット数Ｎ_ｓと、極数Ｎ_ｐと、相数ｍとの間には、次式で示す関係を満足することが好ましい。

　４≦｛Ｎ_ｓ／（ｍＮ_ｐ）｝≦６　　…（３）

　なお、上述した絶縁厚さであるが、印加電圧によって必要な絶縁厚さが決まっており、絶縁厚さを必要以上に薄くすることは困難である。よって、スロット幅が細くなってもスロット幅が広い場合と同様の絶縁厚さが必要になり、導体の断面積は相対的に小さくなる。

　以上説明したように、本実施の形態に係る三相誘導電動機によれば、回転子スロット数をＮ_ｒ、固定子スロット数をＮ_ｓ、極数をＮ_ｐとするときに、上記（１）式の関係を満足するように構成されているので、ＷＢＧインバータで駆動する際の特徴を有効に発揮することが可能となる。この構成により、三相誘導電動機に流出入する電流のリップルを小さくしてモータ電流に含まれる高調波成分を小さくすることができる。また、モータ電流の制限値を緩和して大きくすることができ、三相誘導電動機への印加電圧を小さくできるので、駆動システムにおける全速度域に渡ってＰＷＭ制御のみでの制御が可能となり、インバータ制御を簡素化することができる。

　また、本実施の形態に係る三相誘導電動機を鉄道用主電動機として用いた場合には、固定子スロット数Ｎ_ｓと、極数Ｎ_ｐと、相数ｍとの間に上記（３）式の関係を満足するように構成することが好ましい。

　なお、鉄道用主電動機では、省保守性の観点から外気と遮断する部材で覆われている全閉型が多く採用されている。全閉形の主電動機では、電動機の内部を密閉する構造上、外気を直接電動機内部へ取り込んで冷却ができないため、機内の温度も高くなる。よって、耐熱性の高いＷＢＧ－ＳＷ素子にて駆動される本実施の形態に係る技術は、全閉型の三相誘導電動機に用いて好適である。

　また、ＷＢＧインバータの特徴の一つとして高調波損失が小さくなることについて説明したが、この特徴は裏を返せば、基本波による損失が従来の素子と比較して大きくなるという特徴となる。よって、基本波による損失が増加しない配慮が必要となる。図７は、この配慮を説明するための比較図である。図３では、本実施の形態に係るコイル配置として、固定子スロットであるスロット３ａ内にコイル５０を構成する素線５２を周方向に１列で配列する構成を示したが、図７では、比較例として、スロット３ａ内にコイル５０を構成する素線５２を周方向に２列で配列する構成を示している。なお、図７において、図３と同等の構成部には同一の符号を付して示している。

　固定子スロットであるスロット３ａ内の素線５２は、絶縁部分を除いてできる限り広くとる方が損失が小さくなる。スロット内に２列以上の素線５２がある場合、図７に示すように、列間に絶縁部５４が存在し、１列配列よりも導体断面積が小さくなってしまう。よって、ＷＢＧインバータを使用する場合には、１列配列の採用が有効であると言える。

　なお、上記の一部の説明では、本実施の形態に係る三相誘導電動機を鉄道用主電動機として用いる場合について説明したが、鉄道車両用の以外の用途に用いてもよいことは言うまでもない。

　また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　三相誘導電動機、２　固定子、３　固定子鉄心、３ａ　スロット（固定子スロット）、３ｂ　ティース、４　固定子巻線、５　回転子、６　回転子鉄心、７　スロット（回転子スロット）、１８　空隙、２１　ジョイントバー（第１のジョイントバー：Ｕ相結線用）、２２　ジョイントバー（第２のジョイントバー：Ｖ相結線用）、２３　ジョイントバー（第３のジョイントバー：Ｗ相結線用）、２４　ジョイントバー（第４のジョイントバー：中性点結線用）、３０　口出線、５０　コイル、５０ａ　下口コイル、５０ｂ　上口コイル、５１　シャフト、５２　素線、５４　絶縁部、６１　車両駆動システム、６２　入力回路、６３　インバータ、６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂ　スイッチング素子、６７　制御部、６８　主電動機、７０　架線、７１　集電装置、７２　レール、７３　車輪。

Claims

　ワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されたスイッチング素子を備えたインバータからの交流電力の供給を受けて回転駆動される三相誘導電動機であって、
　型巻きコイルを挿入するためのオープンスロット構造の固定子スロットを有する固定子と、
　二次導体が挿入される回転子スロットを有し、空隙を介して前記固定子の内側に配置される回転子と、
　を備え、
　前記回転子スロット数をＮ_ｒ、前記固定子スロット数をＮ_ｓ、極数をＮ_ｐとするときに、以下の（１）式の関係を満足するように構成されていることを特徴とする三相誘導電動機。
　Ｎ_ｒ≦Ｎ_ｓ－Ｎ_ｐ－６　　…（１）
　前記三相誘導電動機は、鉄道車両駆動用の主電動機として用いられることを特徴とする請求項１に記載の三相誘導電動機。
　前記三相誘導電動機は、全閉型であることを特徴とする請求項２に記載の三相誘導電動機。
　毎極毎相の前記固定子スロット数が４以上且つ６以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の三相誘導電動機。
　前記固定子スロット数が４８、前記回転子スロット数が３８および前記極数が４であることを特徴とする請求項４に記載の三相誘導電動機。
　前記型巻きコイルを構成する素線が周方向に１列であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の三相誘導電動機。