JP7173676B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、高性能で低損失の回転電機の提供を目的とする。
周方向に所定の間隔を隔てて径方向内側に突出する複数のティース部に、巻線が集中巻にて巻回されて形成された固定子と、
前記固定子の径方向内側に回転可能に設けられ、複数の磁極が周方向に所定の間隔を隔てて設けられた回転子と、を備え、
複数の前記ティース部は、それぞれ位相の異なる電流が通電される複数の相の前記巻線が所定の相対巻数比で巻回される第1ティース部を含み、
各前記ティース部の巻線に生じる誘起電圧の位相差によるトルク損失を示す分布巻係数において、トルク損失最小時において該分布巻係数を最大値の1とすると、
前記第1ティース部に巻回された前記複数の相の巻線は、該第1ティース部に巻回される該複数の相の巻線にそれぞれ通電される電流による各起磁力の合成ベクトルが、該第1ティース部に鎖交する前記磁極からの磁束のベクトルに対して、前記分布巻係数が0.99以上となる位相を有するように調整された前記相対巻数比を有する、
ものである。
先ず、一般的に用いられている集中巻モータの出力効率について説明する。
空調用、制御機器用、家電用等、さまざまな用途に使用される集中巻モータは、固定子の各ティース部に集中的に巻線が巻回されるものであり、一般的に分布巻と呼ばれる複数のティースに跨って巻線する方式とは異なる巻線方式を有する。
この集中巻モータは、使用される固定子のティース数と極数(回転子の磁石数)との比が限られており、多くはその比が、3:2、9:8、12:10、等であり、あるいは、これらと同一の固定子で極数のみが異なる、3:4、9:10、12:14がほとんどである。これら代表的なティース数と極数との比を有する一般的な集中巻モータの出力効率を示す各係数を図2に示す。
図2に示される係数の内、短節巻係数ksは、回転子の磁極数と、固定子のスロット数とから求められるものであり、回転子の磁石からの磁束が、固定子の巻線をどれだけ通過するかを、最大値を1として示すものである。
また、分布巻係数kdは、各ティース部2の巻線に生じる誘起電圧の位相差によるトルク損失を示す係数であり、トルク損失が最小時において最大値の1となる。
また、巻線係数kwは、これら短節巻係数ksと分布巻係数kdとの積で表されるものであり、最大値は1である。
図2に示されるように、ティース数と極数との比が9:8の集中巻モータは、巻線係数kwの値が高いため、さまざまな用途に使用される。
図1は、実施の形態1による集中巻モータ100の概略構成を示す断面図である。
本図において、集中巻モータ100における周方向をS、径方向をK、径方向内側をK1、径方向外側をK2として示した。
図1に示すように、本実施の形態における回転電機としての集中巻モータ100は、固定子1と、この固定子1の径方向内側K1に、空隙9を介して回転可能に設けられた回転子10と、を備える。
以降の説明において、各ティース部2a~2iをそれぞれ区別する必要がない場合は、単にティース部2と称す。また、図示の都合上、ティース部2cにおけるコイル4のみを図示し、その他のティース部2のコイル4の図示は省略する。
また、固定子鉄心3は、図示しないフレーム等によりその外周側が固定される。
なお、U相、V相、W相の巻線にそれぞれ通電される交流電流の互いの位相差は120°である。
以降、固定子1が備える複数のティース部2の内、2相分の巻線が相対巻数比Raを持って巻回されたティース部2を、第1ティース部と称す。
本実施の形態の固定子1が備える9つのティース部2は、全て、2相分の巻線が調整された相対巻数比Raを持って巻回された第1ティース部である。
回転子鉄心11の外周面には、N極磁石12nとS極磁石12sとが、周方向Sに対して交互に所定の間隔を隔てて合計8個配置される。
また、回転子10の中心部には、外部に軸出力を伝達するシャフト15が設けられる。
このシャフト15の軸方向の両端には、図示しないベアリングが配置され、さらに図示しないブラケット等を介してフレームと固定される。こうして、集中巻モータ100が構成される。
比較例の集中巻モータ100Ex1では、1つのティース部2において、1相分の巻線のみが巻回されてコイル4Exが構成される点が、本実施の形態の集中巻モータ100と異なる。各ティース部2に巻回される巻線の相およびその極性は、ティース部2aから2iまで時計回りに、(U)、(U-)、(U)、(V)、(V-)、(V)、(W)、(W-)、(W)である。
なお、本図においても図示の都合上、ティース部2cにおけるコイル4Exのみを図示し、その他のティース部2のコイル4Exの図示は省略する。また、固定子鉄心と巻線とを絶縁するためのインシュレータの図示も省略した。
なお、比較例の集中巻モータ100Ex1および本実施の形態の集中巻モータ100において、各ティース部2に鎖交する磁束の位相は同じである。
比較例の集中巻モータ100Ex1および本実施の形態の集中巻モータ100では、ティース部2の数と極数とが異なっているため、各ティース部2に鎖交する磁束の位相が異なる。
この集中巻モータ100Ex1において、コイル4Exを構成する巻線へは、永久磁石12からの磁束と、各ティース部2のコイル4Exが生じさせる起磁力とが直交するような位相で通電させる。そのため、以下の図5に示すような初期位相を有する、起磁力となる電流を通電させる。
ここで、ティース部2bにおいては、鎖交する磁束と起磁力Iuとは前述のように直交している。しかしながら、ティース部2a、2cでは、鎖交する磁束と起磁力Iuとは直交せず、それぞれ70度と110度の角度となっており、直交からは20度ずつ位相がずれている。
各ティース部2の巻線に生じる誘起電圧の位相差によるトルク損失を示す分布巻係数kdは、この磁束と起磁力の角度差による損失割合を用いて示される。
即ち、永久磁石12からの磁束のベクトルと、この磁束が鎖交するティース部2における起磁力のベクトルとの成す角度をθとすると、以下、式(1)で表すことができる。なお、本願では、角度はすべて度(degree)で表示することとする。
図7は、図6に示す起磁力分布を次数分解した結果を示す図である。
8極の集中巻モータを例にしているため、図6においては4次が8極成分の基本波となる。本図においては、この基本波成分が1となるよう正規化して表示している。
1次成分は正相、つまり、基本波成分と同じ方向に進む起磁力であるが、2次成分は逆相、つまり、基本波成分と反対方向に進む起磁力である。本図はわかりやすいよう正相起磁力を正、逆相起磁力を負の値として示している。この逆相成分はロータの鉄損、リップルとなるため小さいことが望ましい。
図8は、比較例の集中巻モータ100Ex2の概略構成を示すブロック断面図である。
比較例の集中巻モータ100Ex2では、ティース部2a、2d、2gにおいて、2相分の巻線が、それぞれ同じ巻数巻回されてコイル4Exが構成される点が、前述の比較例の集中巻モータ100Ex1と異なる。各ティース部2に巻回される巻線の相およびその極性は、ティース部2aから2iまで時計回りに、(U/W-)、(U-)、(U)、(U-/V)、(V-)、(V)、(V-/W)、(W-)、(W)である。
図9は、比較例の集中巻モータ100Ex2の巻線配置における、ある時間における空隙9における起磁力分布を、次数分解した結果を示す図である。図9において、図7に示した比較例の集中巻モータ100Ex1における起磁力分布についても併記している。
しかしながら、比較例の集中巻モータ100Ex2においても、2次の逆相成分が、集中巻モータ100Ex1に比較して60%残っており、これを限りなく小さくする方がよいことは言うまでもない。
本実施の形態では、図2に示した集中巻モータの係数のうち、分布巻係数kdに着目している。そして、本実施の形態の集中巻モータ100は、分布巻係数kdが最大値の1ではないティース部の分布巻係数kdを、最大値の1により近い、0.99以上に向上させ、低次の起磁力を低減するものである。
前述のように、集中巻モータ100の各ティース部2に巻回される2相分の巻線は、それぞれ所定の相対巻数比Raを持って巻回される。この相対巻数比Raは、各ティース部2における分布巻係数kdが0.99以上となるように調整されたものである。
以下、この相対巻数比Raの詳細とその調整について説明する。
なお、図5に示したものと同様に、起磁力となる電流位相は、それぞれ互いに120°の位相差を有しているが、初期位相は異なる。相対巻数比Raの調整は、起磁力となる電流の初期位相はどの位相であってもいいため、図10を例として説明する。
なお、図10では、説明を簡素化するため、U相のみを記載している。
ここでティース部2aにおける起磁力について検討する。そのため、ティース部2aに関連する項目のみを図11に再記する。
分布巻係数kdを0.99以上とするには、前述の式(1)から明らかなように、ティース部2aに略直交する位相を有する起磁力となる電流を巻線に流す必要がある。ティース部2aに直交する起磁力となる電流を流すためには、Iw-とIuの間に位置するような位相を有する起磁力I2aが必要である。よって、ティース部2aにおいては、W相とU相の2相分の巻線を巻回する。この場合、起磁力I2aの位相は、起磁力Iw-のベクトルと、起磁力Iuのベクトルとを用いて、以下式(6)で示される。
図12は、図11に示したベクトル図を、起磁力IuがX軸上に位置するように回転させた図である。なお、図12に示したベクトル図を用いて係数α、βを求める場合でも、I2a、Iw-、Iu、の相対角度は図11に示すものと同じである。そのため、図11のベクトル図から求められる係数αとβの値と、図12のベクトル図から求められる係数αとβの値が同じになることは言うまでもない。
ここで、起磁力I2aとX軸の正の向きとが成す角度をγとして示す。
ここで、上記式(15)が、0.99以上となるような係数α、βの値を選出することが特徴である。
上記式(13)で示される分布巻係数kdが0.99以上となるような係数α、βの値として、例えば、α=0.79、β=0.33がある。
ここで、各ティース部2における起磁力は、巻線の巻数nと電流の大きさとの積に対応するため、図13に示す起磁力のベクトルの長さは、巻線の巻数nに比例している。よって、前述の式(6)に示したように、I2aは、起磁力Iu、Iwとなる巻線の巻数である基本巻数n1を、それぞれβ倍(0.33)したIu’と、α倍(0.79倍)したIw’との合成ベクトルにより示される。
このように、ティース部2aに略直交する起磁力I2aの位相、即ち、ティース部2aにおいて分布巻係数kdが0.99以上となる起磁力I2aの位相は、Iuの基本巻数n1に対する巻数率を示す係数βと、Iw-となる基本巻数n1に対する巻数率を示す係数αとの、それぞれの値の調整により決定される。
また、分布巻係数kdが0.99以上となる起磁力I2aの位相範囲は、分布巻係数kdが1となる図13に示すI2aを中心に、±δ°(およそ±8°)の角度範囲である。
また、ティース部2b、2e、2hでは、2相分の巻線が、それぞれ基本巻数n1を0.69倍、0.45倍した巻数にて巻回されており、相対巻数比Raは0.69/0.45=1.53である。
また、ティース部2bに巻回されるU-相巻線の巻数nは100ターン×0.69=69ターンとなり、W相巻線の巻数nは100ターン×0.45=45ターンである。
また、集中巻モータとして、回転子の表面に磁石が装着されたPM(Permanent Magnet)モータを示したが、回転子に磁石を埋設したIPM(Interior Permanent Magnet Motor)モータであっても同様の巻線構成が適用可能である。
また、集中巻モータには永久磁石式モータが多く使用されている。これは分布巻と異なり、集中巻では逆相起磁力が発生するため、誘導機のような起磁力による誘導電流で発生する磁束で回転力を得るモータには適さないためである。ただし、本実施の形態で示した巻線構成の適用対象として誘導機を除外するものではない。
なお、集中巻モータでは、非常に大きな極数のものも存在するが、一般には10極以下が採用されるケースが多い。ティース部間に跨がって巻線されるような、連続的な巻線の数が少なく、各相の絶縁確保が容易であるティース数と磁石数(極数)が9:8の集中巻モータが使用しやすい集中巻モータであると考えられる。
以下、本願の実施の形態2を、上記実施の形態1と異なる箇所を中心に図を用いて説明する。上記実施の形態1と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。
実施の形態1では、分布巻係数kdを0.99以上に向上させる相対巻数比Raを有する集中巻モータ100について説明した。実施の形態2では、分布巻係数kdを最大値の1とする相対巻数比Raを有する集中巻モータ200について説明する。
図15は、実施の形態2による集中巻モータ200において、各ティース部2に巻回された巻線の相と、相対巻数比Raとを示す図である。
図16は、集中巻モータ200の各ティース部2に鎖交する磁束と、起磁力とを示したベクトル図である。実施の形態1の図10では、U相のみの記載であったが、図16においては、全てのティース部2a~2iに鎖交する磁束と、全相の起磁力とを示した。
図14、図15に示すように、集中巻モータ200は、ティース部2a、2c、2d、2f、2g、2iにおいては、2相分の巻線がそれぞれ基本巻数n1を約0.8845倍、約0.2005倍した巻数にて巻回されている。従って、ティース部2a、2c、2d、2f、2g、2iにおいては相対巻数比Raは4.41である。
また、ティース部2b、2e、2hにおいては、2相分の巻線がそれぞれ基本巻数n1を約0.5773倍、約0.5773倍した巻数にて巻回されており、相対巻数比Raは1である。
分布巻係数kdを最大値の1とするには、実施の形態1に示した起磁力I2aの位相を示す式(11)に基づき、起磁力I2aが、以下式(16)のようになることである。
以上、ティース部2の数と極数との比が9:8となる集中巻モータにおいて、ティース部2aにおける分布巻係数kdが1となる相対巻数比Raの理論値について、角度γを50°とおくことで示した。
以下、任意のティース部2の数と極数との比を有する集中巻モータにおいて、任意のティース部2における分布巻係数kdが1となる相対巻数比Raの理論値を、角度γをγとおき、実施の形態1に示した式(12)、式(13)を用いて以下に示す。
図17は、実施の形態2による集中巻モータ200の巻線配置における、ある時間における空隙9における起磁力分布を、次数分解した結果である。図17において、比較のために、比較例の集中巻モータ100Ex1、100Ex2における起磁力分布を次数分解した結果を共に示す。
このように、各相の巻数nを理想的な理論値の巻数nに対して±5%とすることは、言い換えると、相対巻数比Raは相対巻数比Raの理論値に対して±10%となる。
図18は、実施の形態2による集中巻モータ200の巻線配置において、相対巻数比Raを±10%とした場合の、ある時間における空隙9における起磁力分布を次数分解した結果である。図18において、理解を容易にするため、基本波次数である4次以下の周波数のみの記載とした。また、分布巻係数kdが1となる相対巻数比Raの理論値の係数α、βに対して、α+5%、β+5%とした集中巻モータを200a、α+5%、β-5%とした集中巻モータを200b、α-5%、β+5%とした集中巻モータを200c、α-5%、β-5%とした集中巻モータを200d、として示した。
以下、本願の実施の形態3を、上記実施の形態2と異なる箇所を中心に図を用いて説明する。上記実施の形態2と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。
図19は、実施の形態3による集中巻モータ300の概略構成を示す断面図である。
図20は、実施の形態3による集中巻モータ300において、各ティース部2に巻回された巻線の相と、相対巻数比Raとを示す図である。
図21は、実施の形態3による集中巻モータ300の各ティース部2に鎖交する磁束と、起磁力とを示したベクトル図である。
図19、図20に示すように、ティース部2a、2c、2d、2f、2g、2iは2相分の巻線がそれぞれ基本巻数n1を0.39倍、0.74倍した巻数にて巻回されており、相対巻数比Raは1.88である。この相対巻数比Raは分布巻係数kdが0.99以上となるように調整されている。
ティース部2b、2e、2hは1相分の巻線のみが巻回されているため、相対巻数比Raは「-」と示した。
さらに、2相分の巻線が巻回される第1ティース部(ティース部2a、2c、2d、2f、2g、2i)においては、相対巻線比が全て1.88である。これは、第1ティース部においては、インシュレータ5などの絶縁部材が1種類で済む、ということである。
図22から、比較例の集中巻モータ100Ex1のティース部2b、2e、2hの巻線構成は、本実施の形態の集中巻モータ300のティース部2b、2e、2hと同一であり、それ以外のティース部2の巻線構成が異なっていることが判る。これは、比較例の集中巻モータ100Ex1では、ティース部2b、2e、2hの分布巻係数kdがもともと1であるためで、それ以外のティース部2の分布巻係数kdが1ではないためである。繰り返しになるが、本実施の形態の趣旨は、ティース部2の分布巻係数kdが1ではないティース部2の分布巻係数kdを限りなく1に近づけるものである。こうして、比較例の巻線構成を示す図22と、本実施の形態の集中巻モータ300の巻線構成を示す図20とを比較することにより、本実施の形態の集中巻モータ300では、比較例において分布巻係数kdが1ではなかったティース部においてのみ、分布巻係数kdを向上させるために巻線構成が変更されていることが判る。
以下、ティース部2と極数(磁石数)との比が12:10の集中巻モータ300aにおいて、起磁力となる電流の初期位相を調整した場合の巻線構成について2例挙げて説明する。
図23は、実施の形態3による集中巻モータ300aの概略構成を示す断面図である。
図25は、集中巻モータ300aにおいて、図24に示される初期位相に設定された起磁力となる電流が巻線に印加される場合の巻線構成を示す図である。
図27は、集中巻モータ300aにおいて、図26に示される初期位相に設定された起磁力となる電流が巻線に印加される場合の巻線構成を示す図である。
ここで、図25においては複数相の巻線が巻回しされる第1ティース部の数は6ティースであるのに対して図27では8ティースとなり、図25の方が少ない。しかしながら図27の場合では、全てのティース部2の相対巻数比Raが2.73と同一であることから、全てのティース部2に対して同一の種類のインシュレータ5を用いることができるメリットがある。
インシュレータ5の種類は増やしたくないため、極力種類数を減らすことが望ましい。このように、起磁力となる電流の初期位相を調整することで、インシュレータ5の種類減が可能である。また、相対巻数比Raを2.73と同一とすることで、製造工程を簡素化できる。
以下、本願の実施の形態4を、上記実施の形態1と異なる箇所を中心に図を用いて説明する。上記実施の形態4と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。
図28は、実施の形態4による集中巻モータにおける各ティース部2のU相コイルの巻線状況を示した図であり、固定子1を部分的に展開したものである。
各相巻線の配置、相対巻数比Raは、実施の形態3の図20に示したもの同様である。
図20からU相巻線はティース部2a、2b、2c、2d、2iに巻線されている。なお、ティース部2i、2b、2dはU-相巻線、ティース部2a、2cはU相巻線であるが、U相とU-相は巻き方向を変えるだけで、連続的に巻線することが可能である。別々に巻線すると、それぞれのティース部2の巻線を結線する必要があるが、本実施の形態のように、各相毎の巻線を複数のティース部2に跨がって連続的に巻線すると、ティース部2毎に結線作業が不要となるため、集中巻モータの低コスト化につながる。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
2,2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2h,2i,2j,2k ティース部、
5 インシュレータ、10 回転子、12 磁石(磁極)。
Claims (17)
- 周方向に所定の間隔を隔てて径方向内側に突出する複数のティース部に、巻線が集中巻にて巻回されて形成された固定子と、
前記固定子の径方向内側に回転可能に設けられ、複数の磁極が周方向に所定の間隔を隔てて設けられた回転子と、を備え、
複数の前記ティース部は、それぞれ位相の異なる電流が通電される複数の相の前記巻線が所定の相対巻数比で巻回される第1ティース部を含み、
各前記ティース部の巻線に生じる誘起電圧の位相差によるトルク損失を示す分布巻係数において、トルク損失最小時において該分布巻係数を最大値の1とすると、
前記第1ティース部に巻回された前記複数の相の巻線は、該第1ティース部に巻回される該複数の相の巻線にそれぞれ通電される電流による各起磁力の合成ベクトルが、該第1ティース部に鎖交する前記磁極からの磁束のベクトルに対して、前記分布巻係数が0.99以上となる位相を有するように調整された前記相対巻数比を有する、
回転電機。 - 前記第1ティース部に巻回された前記複数の相の巻線は、前記分布巻係数が1となる位相を有する起磁力を前記第1ティース部において生じさせるように調整された前記相対巻数比の理論値に対して、±10%以内の前記相対巻数比を有するように巻回された、
請求項1に記載の回転電機。 - 前記巻線に通電される電流は、複数の前記第1ティース部における前記相対巻数比がそれぞれ同一になるように調整された初期位相を有する、
請求項1または請求項2に記載の回転電機。 - 前記巻線に通電される電流は、前記第1ティース部の数が所定の第1数以下となるように調整された初期位相を有する、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記巻線に通電される電流は、複数の前記ティース部の全てが前記第1ティース部となるように調整された初期位相を有する、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記巻線に通電される電流は、同一相の巻線が巻回される前記ティース部の数が、所定の第2数以下となるように調整された初期位相を有する、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記ティース部を覆うように設けられ、前記ティース部と前記巻線とを絶縁すると共に、前記第1ティース部において前記複数の巻線の相間を互いに絶縁するインシュレータを備え、
前記インシュレータは、複数の前記第1ティース部においてそれぞれ同形状に形成された、
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記相対巻数比は、4.41±10%である、
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記ティース部の数と前記回転子の磁極の数との比が9:8である、
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の回転電機。 - 全ての前記ティース部が、前記第1ティース部として構成される、
請求項1から請求項3、請求項5、請求項7から請求項11、のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記ティース部の数を9×n、前記回転子の前記磁極の数を8×n、但しnは自然数、としたとき、
前記複数の相の巻線の内、第1の相の巻線が巻回された前記ティース部の数が6×n、に構成される、
請求項1から請求項3、請求項5、請求項7から請求項11、のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記ティース部の数を12×n、前記回転子の前記磁極の数を10×n、
但しnは自然数、としたとき、
前記複数の相の巻線の内、第1の相の巻線が巻回された前記ティース部の数が8×n、に構成される、
請求項1から請求項3、請求項5、請求項7から請求項9、のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記ティース部の数を12×n、前記回転子の前記磁極の数を10×n、
但しnは自然数、としたとき、
前記第1ティース部の数が6×n、に構成される、
請求項1から請求項4、請求項7から請求項9、のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記複数の相の巻線の内、第1の相の巻線が巻回された前記ティース部の数が6×n、に構成される、
請求項1から請求項4、請求項7から請求項9、のいずれか1項に記載の回転電機。 - 各相毎の前記巻線が、複数の前記ティース部に跨がって連続して巻回された、
請求項1から請求項16のいずれか1項に記載の回転電機。
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