JP2012191758A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高調波誘導式の同期式の回転電機に関する。 The present invention relates to a harmonic induction type synchronous rotating electric machine.
ステータが発生する回転磁界の高調波成分により誘導されてロータ巻線に流れる誘導電流により励磁されて磁化する磁極を有するロータを備えた高調波誘導式の回転電機が提案されている。特開2009−112091号公報(特許文献1)には、そのような回転電機の構造が開示されている。これによれば、ステータは、複数のスロットがロータの回転方向(周方向)に互いに間隔を空けて形成されたステータコアと、当該スロットを通ってステータに巻き回された複数相のステータ巻線とを有して構成される。ここで、ステータ巻線は、各スロットの間に形成される複数のティースにそれぞれ巻き回された巻線同士が回転方向に重複することなく、1つのティースに集中的に巻線が巻かれる方式の集中巻き(狭義の集中巻き)で巻装されている。ロータは、同様に回転方向(周方向)に互いに間隔を空けて形成され、ステータと対向配置された複数の突部と、当該突部に巻き回されたロータ巻線と、各ロータ巻線に流れる電流を一方向に整流する整流素子とを有して構成される。 There has been proposed a harmonic induction type rotating electrical machine including a rotor having magnetic poles that are induced by a harmonic component of a rotating magnetic field generated by a stator and excited and magnetized by an induced current flowing in a rotor winding. Japanese Patent Laying-Open No. 2009-112091 (Patent Document 1) discloses such a structure of a rotating electrical machine. According to this, the stator includes a stator core having a plurality of slots formed at intervals in the rotation direction (circumferential direction) of the rotor, and a plurality of stator windings wound around the stator through the slots. It is comprised. Here, the stator winding is a system in which windings wound around a plurality of teeth formed between the slots are concentrated around one tooth without overlapping each other in the rotation direction. Wrapped with concentrated winding (concentrated winding in a narrow sense). Similarly, the rotor is formed at intervals in the rotational direction (circumferential direction), and includes a plurality of protrusions arranged to face the stator, a rotor winding wound around the protrusions, and each rotor winding. And a rectifying element that rectifies a flowing current in one direction.
上記構成を備えることにより、ステータ巻線に流れる交流電流により高調波成分を有する回転磁界が励磁され、当該高調波成分の磁界と鎖交するロータ巻線に誘導起電力が生じる。この誘導起電力によりロータ巻線を流れる電流は整流素子によって一方向に整流されているので、各突部は固定された極性の電磁石として磁化され、磁極となる。これにより、ロータは固定された磁極を有する界磁となり、回転磁界の中を回転するトルクが生じる(特許文献1:請求項1、第22−36段落等)。但し、特許文献1では、永久磁石型の回転電機の構成をほぼそのまま置き換えて高調波誘導式の回転電機を構成したものとなっている。つまり、高調波誘導式の回転電機の基本的な構成は提示されているものの、より大きなトルクを得るためにはさらなる改良が必要と解される。
With the above configuration, a rotating magnetic field having a harmonic component is excited by an alternating current flowing through the stator winding, and an induced electromotive force is generated in the rotor winding that is linked to the magnetic field of the harmonic component. Since the current flowing through the rotor winding by this induced electromotive force is rectified in one direction by the rectifying element, each protrusion is magnetized as a fixed-polarity electromagnet and becomes a magnetic pole. Thereby, the rotor becomes a field having a fixed magnetic pole, and torque that rotates in the rotating magnetic field is generated (Patent Document 1:
上記背景に鑑みて、ステータのスロットの数とロータの磁極の数を最適化して、より大きなトルクを得ることができる高調波誘導式の同期式の回転電機の実現が望まれる。 In view of the above background, it is desired to realize a harmonic induction type synchronous rotating electric machine that can obtain a larger torque by optimizing the number of slots of the stator and the number of magnetic poles of the rotor.
上記課題に鑑みた本発明に係る回転電機の特徴構成は、
互いに対向配置されたステータとロータとを有し、
前記ステータは、複数のスロットが前記ロータの回転方向に間隔を空けて形成されたステータコアと、隣接する前記スロット間の各ティースに巻装された3相のステータ巻線とを有し、
前記ステータ巻線は、各ティースの周囲に集中的に巻線を巻くと共に異なるティースに巻き回された巻線同士が前記回転方向に重複しない巻き方で巻装され、
前記ロータは、前記ステータに向けて突出する複数の突部が前記回転方向に間隔を空けて形成されたロータコアと、それぞれの前記突部に巻装されたロータ巻線と、それぞれの前記ロータ巻線に流れる電流を所定の方向に整流する整流素子とを有し、
前記ステータ巻線からの電機子磁束の高調波成分により前記ロータ巻線に誘導されて前記整流素子により一方向に流れる誘導電流によって、それぞれの前記突部が励磁されて固定された極性の磁極となる回転電機であって、
前記ステータ及び前記ロータは、前記回転方向における前記スロットの数であるスロット数をs、前記回転方向における前記磁極の数である極数をpとして、sが3の倍数且つpが偶数であって、「0.5≦(2s/3p)<1」を満たすように構成されている点にある。
In view of the above problems, the characteristic configuration of the rotating electrical machine according to the present invention is as follows:
Having a stator and a rotor arranged opposite to each other;
The stator has a stator core in which a plurality of slots are formed at intervals in the rotation direction of the rotor, and a three-phase stator winding wound around each tooth between the adjacent slots,
The stator winding is wound in a winding manner in which windings wound around different teeth and wound around different teeth are not overlapped in the rotation direction.
The rotor includes a rotor core in which a plurality of protrusions protruding toward the stator are formed at intervals in the rotation direction, rotor windings wound around the protrusions, and the rotor windings. A rectifying element that rectifies the current flowing in the line in a predetermined direction,
A magnetic pole having a polarity in which each protrusion is excited and fixed by an induced current that is induced in the rotor winding by a harmonic component of the armature magnetic flux from the stator winding and flows in one direction by the rectifying element. A rotating electric machine,
In the stator and the rotor, s is a multiple of 3 and p is an even number, where s is the number of slots that is the number of slots in the rotation direction, and p is the number of poles that is the number of magnetic poles in the rotation direction. And “0.5 ≦ (2s / 3p) <1”.
一般的に、ステータ巻線が、異なるティースに巻き回された巻線同士が回転方向に重複することなく、各ティースの周囲に集中的に巻き回される場合、ロータのN極及びS極の2極の磁極に対して、ステータのスロットは、3相それぞれに対応して3スロット設けられる。ここで、磁極の数である極数pとスロットの数であるスロット数sとの比率「p:s」が、「2:3」であると、ステータ巻線からの電機子磁束に含まれ、ノイズ成分となる高調波成分が少なくなり、回転電機の損失が低減される。しかし、本構成の回転電機は、ステータ巻線からの電機子磁束に含まれる高調波成分によりロータ巻線に誘導される誘導電流によって、電磁石による磁極が形成されるものである。従って、ステータ巻線からの電機子磁束には比較的多くの高調波成分が含まれる方が好ましく、極数p及びスロット数sも電機子磁束の高調波成分が多くなるように設定されることが好ましい。 In general, when the stator winding is wound around each tooth without overlapping the windings wound around different teeth in the rotation direction, the N-pole and S-pole of the rotor For two magnetic poles, three slots of the stator are provided corresponding to each of the three phases. Here, if the ratio “p: s” between the number of poles p, which is the number of magnetic poles, and the number of slots s, which is the number of slots, is “2: 3”, it is included in the armature magnetic flux from the stator winding. The harmonic component that becomes a noise component is reduced, and the loss of the rotating electrical machine is reduced. However, the rotating electric machine of this configuration is such that a magnetic pole is formed by an electromagnet by an induced current induced in the rotor winding by a harmonic component contained in the armature magnetic flux from the stator winding. Therefore, it is preferable that the armature magnetic flux from the stator winding includes a relatively large number of harmonic components, and the number of poles p and the number of slots s are also set so that the harmonic components of the armature magnetic flux increase. Is preferred.
本特徴構成によれば、極数p及びスロット数sが、「sが3の倍数且つpが偶数」及び「0.5≦(2s/3p)<1」の条件を満たすように設定される。極数pとスロット数sとの比率「p:s」が「2:3」の場合には、「2s/3p」は1となる。また、「p:s」が「2:3n」(nは自然数)の場合には、「2s/3p」はnとなる。「2s/3p」が1やnなどの自然数とならないように設定されること、具体的には分数となるように設定されることによって、電機子磁束に含まれる高調波成分が増加することが発明者らによって確かめられた。また、nが大きくなると、ステータ巻線同士が回転方向に重複しない巻き方(集中巻き)であっても、重複する巻き方(分布巻き)の特性に近づくため、電機子磁束の高調波成分が抑制される。ここでは、電機子磁束の高調波成分が抑制されない方が好ましいので、nは1であることが好ましい。従って、本特徴構成では、「2s/3p」が、仮分数(帯分数)となることがないように、1未満に制限される。尚、「2s/3p」が0.5未満となると、回転磁界の中でロータを回転させることができなくなる。従って、本特徴構成では、「2s/3p」が、0.5以上となるように制限される。尚、3相交流により電機子磁束(回転磁界)を生成するためには、集中巻きのステータは、3の倍数のスロット(ティース)が形成される必要がある。また、ロータの磁極は、N極とS極とがそれぞれ同数必要であるから、磁極は2の倍数、即ち偶数であることが必要である。 According to this feature configuration, the number of poles p and the number of slots s are set so as to satisfy the conditions of “s is a multiple of 3 and p is an even number” and “0.5 ≦ (2s / 3p) <1”. . When the ratio “p: s” between the number of poles p and the number of slots s is “2: 3”, “2s / 3p” is 1. When “p: s” is “2: 3n” (n is a natural number), “2s / 3p” is n. By setting “2s / 3p” so as not to be a natural number such as 1 or n, specifically, setting it to be a fraction, harmonic components included in the armature magnetic flux may increase. Confirmed by the inventors. Further, when n increases, even if the windings of the stator windings do not overlap in the rotation direction (concentrated winding), the characteristics of the overlapping windings (distributed winding) approach the characteristics of the armature magnetic flux. It is suppressed. Here, since it is preferable that the harmonic component of the armature magnetic flux is not suppressed, n is preferably 1. Therefore, in this feature configuration, “2s / 3p” is limited to less than 1 so that it does not become an improper fraction (a mixed number). When “2s / 3p” is less than 0.5, the rotor cannot be rotated in the rotating magnetic field. Therefore, in this feature configuration, “2s / 3p” is limited to 0.5 or more. In order to generate an armature magnetic flux (rotating magnetic field) by three-phase alternating current, a concentrated winding stator needs to be formed with slots (teeth) that are multiples of three. Further, since the same number of N poles and S poles is required for the magnetic poles of the rotor, the magnetic poles must be a multiple of 2, that is, an even number.
このように、本特徴構成によれば、極数pとスロット数sとの関係を工夫することによって、同じ体格の回転電機であっても電機子磁束に含まれる高調波成分を多くすることができる。その結果、電機子磁束の高調波成分によりロータ巻線に誘導される誘導電流が増加し、誘導電流により励磁される磁極の磁束(界磁磁束)も増加する。これにより、電機子磁束と界磁磁束とにより生じるトルクも増加する。また、大きなトルクを得る上では、ロータの界磁磁束がステータ巻線に有効に鎖交することが好ましい。ステータ巻線に鎖交する界磁磁束の有効性を示す指標として、界磁磁束のステータにおける有効利用率を1以下の値で示す巻線係数がある。この巻線係数が高いほど、ステータにおいて界磁磁束が有効に利用され、電機子磁束と界磁磁束とにより生じるトルク(マグネットトルク)も大きくなる。「2s/3p」が0.5以上1未満となる極数pとスロット数sとの組み合わせは、この巻線係数が比較的高くなる。従って、電機子磁束と界磁磁束とにより生じるトルクを大きくすることができる。このように、本特徴構成によれば、ステータのスロットの数とロータの磁極の数を最適化して、より大きなトルクを得ることができる高調波誘導式の同期式の回転電機を得ることができる。 As described above, according to this feature configuration, by devising the relationship between the number of poles p and the number of slots s, harmonic components contained in the armature magnetic flux can be increased even for rotating electrical machines of the same size. it can. As a result, the induced current induced in the rotor winding due to the harmonic component of the armature magnetic flux increases, and the magnetic flux (field magnetic flux) of the magnetic pole excited by the induced current also increases. Thereby, the torque generated by the armature magnetic flux and the field magnetic flux is also increased. In order to obtain a large torque, it is preferable that the field magnetic flux of the rotor is effectively linked to the stator winding. As an index indicating the effectiveness of the field magnetic flux interlinked with the stator winding, there is a winding coefficient indicating the effective utilization rate of the field magnetic flux in the stator by a value of 1 or less. The higher the winding coefficient, the more effectively the field magnetic flux is used in the stator, and the torque (magnet torque) generated by the armature magnetic flux and the field magnetic flux increases. The combination of the number of poles p and the number of slots s in which “2s / 3p” is 0.5 or more and less than 1 has a relatively high winding coefficient. Therefore, the torque generated by the armature magnetic flux and the field magnetic flux can be increased. As described above, according to this characteristic configuration, it is possible to obtain a harmonic induction type synchronous rotating electric machine that can obtain a larger torque by optimizing the number of slots of the stator and the number of magnetic poles of the rotor. .
ところで、ロータ巻線は、回転方向に間隔を空けて形成され、ステータに向けて突出する複数の突部のそれぞれに巻装されている。また、ロータには、それぞれの前記ロータ巻線に流れる電流を所定の方向に整流する整流素子が備えられている。最も単純には、各突部における各ロータ巻線に対して、少なくとも1つの整流素子が備えられる。各突部における各ロータ巻線に対して1つの整流素子が備えられる場合、整流素子の総数は突部の数、つまり磁極の数である極数pと同じ値となる。しかし、電機子磁束の高調波成分により誘導される誘導電流が同一位相となるロータ巻線同士は、整流素子を兼用することが可能である。整流素子を兼用することができれば、整流素子の総数を抑制することができ、製品コストを抑制することができると共に、ロータを軽量化することができて回転電機の効率を向上させることができる。整流素子を兼用可能であるか否かは、スロットと磁極との回転方向における相対位置によって定まる。ステータ及びロータの回転方向の機械的な可変域は360度である。従って、スロット数sと極数pとによって、整流素子を兼用可能であるか否かが定まり、整流素子の数も定まる。 By the way, the rotor winding is formed at intervals in the rotation direction and wound around each of a plurality of protrusions protruding toward the stator. Further, the rotor is provided with a rectifying element that rectifies current flowing through each of the rotor windings in a predetermined direction. Most simply, at least one rectifying element is provided for each rotor winding at each protrusion. When one rectifying element is provided for each rotor winding in each protrusion, the total number of rectifying elements is the same as the number of protrusions, that is, the number of poles p that is the number of magnetic poles. However, the rotor windings in which the induced currents induced by the harmonic components of the armature magnetic flux have the same phase can also serve as a rectifying element. If the rectifying element can also be used, the total number of rectifying elements can be suppressed, the product cost can be suppressed, the rotor can be reduced in weight, and the efficiency of the rotating electrical machine can be improved. Whether or not the rectifying element can also be used depends on the relative position of the slot and the magnetic pole in the rotation direction. The mechanical variable range in the rotation direction of the stator and the rotor is 360 degrees. Therefore, the number of slots s and the number of poles p determine whether or not the rectifying element can be used, and the number of rectifying elements is also determined.
1つの好適な態様として、前記ロータに備えられる前記整流素子の数は、前記極数p、前記スロット数s、及び自然数mを用いて示される式、「3m×(p/s)」の値が最小の偶数となる数とすることができる。この数は、極数p、スロット数sを用いて示される分数p/sを、分母が3の倍数且つ分子が偶数であって、分子が最も小さくなるように約分した際の分子の値と等価である。集中巻きによる3相励磁に対応するために、分母は3の倍数であることが必要であり、異なる極性の磁極は異なる方向に整流される必要があるので、分子は2の倍数(偶数)であることが必要である。約分が可能であっても、この条件を満たす約分ではない場合には、同じ極性の磁極(同じ極性となる突部)と、スロット(ティース)との、ロータの回転方向における相対位置が異なることになる。この場合、同じ極性となる突部に巻装されたロータ巻線に誘導される誘導電流の位相も異なることになる。この状態でロータ巻線を直列接続し、共通の整流素子を用いて整流すると、電流位相の違いにより誘導電流が相殺され、誘導電流の総量が減少し、突部を磁化するための磁束も減少する。このような場合は、整流素子を共通化することは適切ではない。以上より、上記条件を満たして分数p/sを約分可能な場合に、分子の数を極数pよりも小さい値にすることが可能となり、整流素子を共通化することが可能となる。 As one preferable aspect, the number of the rectifying elements provided in the rotor is a value of “3m × (p / s)”, an expression represented by using the number of poles p, the number of slots s, and a natural number m. Can be the smallest even number. This number is the value of the numerator when the fraction p / s indicated using the number of poles p and the number of slots s is reduced so that the denominator is a multiple of 3 and the numerator is even and the numerator is the smallest. Is equivalent to In order to accommodate three-phase excitation by concentrated winding, the denominator needs to be a multiple of 3, and the magnetic poles of different polarities need to be rectified in different directions, so the numerator is a multiple of 2 (even) It is necessary to be. Even if a reduction is possible, if the reduction does not satisfy this condition, the relative positions of the magnetic poles of the same polarity (protrusions having the same polarity) and the slots (teeth) in the rotational direction of the rotor are Will be different. In this case, the phases of the induced currents induced in the rotor windings wound around the protrusions having the same polarity are also different. When the rotor windings are connected in series in this state and rectified using a common rectifying element, the induced current is offset by the difference in current phase, the total amount of induced current is reduced, and the magnetic flux for magnetizing the protrusion is also reduced. To do. In such a case, it is not appropriate to use a common rectifying element. From the above, when the above condition is satisfied and the fraction p / s can be reduced, the number of molecules can be made smaller than the number of poles p, and the rectifying element can be shared.
上述したように、界磁磁束のステータにおける有効利用率を1以下の値で示す巻線係数が高いほど、ステータにおいて界磁磁束が有効に利用され、電機子磁束と界磁磁束とにより生じるトルク(マグネットトルク)も大きくなる。この巻線係数は、ティースに巻き回されたステータ巻線と、磁極との関係によって定まる。本発明において、ステータ巻線は、スロット数に拘わらず、異なるティースに巻き回された巻線同士が回転方向に重複することなく、各ティースの周囲に集中的に巻き回されるという共通の巻き方で巻装される。従って、巻線係数を条件として、スロット数及び極数が設定されていると好適である。1つの態様として、前記ステータ及び前記ロータは、前記ロータから提供される界磁磁束の前記ステータにおける有効利用率を1以下の値で示す巻線係数が0.9よりも大きくなるように、前記スロット数及び前記極数が設定されていると好適である。 As described above, the higher the winding coefficient indicating the effective utilization rate of the field magnetic flux in the stator with a value of 1 or less, the more effective the field magnetic flux is utilized in the stator, and the torque generated by the armature magnetic flux and the field magnetic flux. (Magnet torque) also increases. This winding coefficient is determined by the relationship between the stator winding wound around the teeth and the magnetic pole. In the present invention, the stator winding is a common winding in which windings wound around different teeth are concentrated around each tooth without overlapping in the rotation direction regardless of the number of slots. Wrapped in the direction. Therefore, it is preferable that the number of slots and the number of poles are set on the condition of the winding coefficient. In one aspect, the stator and the rotor are configured such that a winding coefficient indicating an effective utilization rate of the field magnetic flux provided from the rotor in the stator by a value of 1 or less is greater than 0.9. It is preferable that the number of slots and the number of poles are set.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の回転電機は、ステータ巻線からの電機子磁束の高調波成分により、ロータコアに形成された突部に巻き回されたロータ巻線に誘導電流が誘導され、この誘導電流によって突部が励磁されて磁極となる高調波誘導式の同期式の回転電機である。はじめに、高調波誘導式の同期式の回転電機の基本的な構造について説明する。図1に示すように、回転電機1は、互いに対向配置されたロータ2及びステータ3を備えており、不図示のケースの内部に収容されている。回転電機1は、ステータ3に供給される電力によりロータ2の動力(回転駆動力)を得るモータ(電動機)として機能するとともに、ロータ2の動力によりステータ3に電力を発生させるジェネレータ(発電機)としても機能する。尚、以下の説明で参照する各図面は、本発明の理解に必要な構成を模式的に示したものである。部材取り付け用のボルトなどの締結部材や、締結部材が通る取り付け孔などの一部の構成は適宜省略している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the rotating electrical machine of the present embodiment, an induced current is induced in the rotor winding wound around the protrusion formed on the rotor core by the harmonic component of the armature magnetic flux from the stator winding, and the protrusion is generated by this induced current. Is a harmonic induction type synchronous rotating electrical machine that is excited to become a magnetic pole. First, the basic structure of a harmonic induction type synchronous rotating electrical machine will be described. As shown in FIG. 1, the rotating
図1及び図2に示すように、回転電機1は、ロータ2がステータ3の径方向内側に配置されたインナーロータ型の回転電機である。ステータ3は、例えば、ボルトなどを用いて不図示のケースの内面に締結固定されている。ステータ3は、ステータコア31と、ステータコア31に巻装された3相のステータ巻線32とを備えて、回転電機1の電機子を構成する。本実施形態では、ステータコア31は複数枚の電磁鋼板をロータ2の回転軸方向に積層して構成され、図2に示すように、全体として円筒状に形成されている。ステータコア31の内周面側、即ち、ロータ2との対向面側には、周方向(ロータ2の回転方向)に一定間隔で複数のティース31aが形成されている。これにより、周方向に隣接するティース31aの間に間隔を空けてスロット31bが形成される。回転磁界となる電機子磁束を発生させるためのステータ巻線32は、スロット31b内に収まるように、各ティース31aの周囲に巻装される。図2に示す例では、スロット31bの数であるスロット数(ティース31aの数であるティース数)は、12である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the rotating
ステータ巻線32は、3相各相(U,V,W相)の巻線同士が互いに周方向に重ならないように、各ティース31aに対して各相の巻線が集中的に巻き回された巻き方(狭義の集中巻き。以下、適宜「集中巻き」と略称する。)により巻装されている。また、後述するロータ2の磁極の間隔(磁極ピッチ)と、ステータ巻線32が巻装される間隔(巻線ピッチ)とが同一である全節巻きではない巻き方(非全節巻き)で巻装されている。図2に示す例では、U相用のステータ巻線32と、V相用のステータ巻線32と、W相用のステータ巻線32とが、周方向に沿って図示反時計回りに順番に現れるように配置されている。図2に示す例では、スロット数(ティース数)が12である。即ち、ステータ3の機械的な1周において電気角4周期分の3相励磁が可能なようにステータ巻線32が巻装される。尚、本明細書及び図面においては、ステータ巻線32を流れる電流の向き(電流位相)の違いを区別するため、適宜、各相の名称に「+」、「−」の表記を付して、U+,V+,W+、U−,V−,W−相と称する。
In the stator winding 32, the windings of each phase are intensively wound around each
ロータ2は、ステータ3の径方向内側に、ステータ3に対して相対回転可能に配置されている。ロータ2は、ロータコア21と、ロータコア21に巻装されたロータ巻線22とを備えて、回転電機1の界磁を構成する。ロータコア21は、ステータコア31と同様に、複数枚の電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成され、全体として円筒状に形成されている。図2及び図3に示すように、ロータコア21には回転軸となるロータ軸41を挿通するための挿通孔23が形成されている。ロータ軸41は、例えば、圧入や焼き嵌め、或いはキー結合等により、挿通孔23に挿通された状態でロータコア21に固定され、ロータコア21と一体回転する。ロータ軸41は、軸方向の両端において、不図示のケースに回転可能に支持される。
The
ロータコア21は、ステータ3に向けて突出し、回転方向に一定の間隔を空けて形成された複数の突部21aを備えている。本実施形態では、突部21aの周方向の幅は、後述するロータ2の磁極を基準とした電気角で180度に相当する幅よりも小さい幅、例えば90度程度の幅に設定されている。突部21aは、ロータ2及びステータ3が不図示のケースに取り付けられた状態において、突部21aの径方向外側(ステータ3と対向する側)の端面と、ステータコア31に形成されたティース31aの径方向内側(ロータ2の対向する側)の端面との間に微小な径方向の間隔が形成されるように設けられている。周方向に隣接する突部21aの間には、間隔を空けてロータスロット21bが形成される。それぞれの突部21aの周囲には、ロータスロット21b内に収まるように、電機子磁束の高調波成分により誘導される誘導電流を通流させるためのロータ巻線22が巻き回されている。つまり、ロータ巻線22は、突部21aを挟んで周方向に隣接する一対のロータスロット21bを通って巻き回される。後述するように、ロータ巻線22を流れる電流(誘導電流)により、各突部21aは電磁石となり、ロータ2の磁極となる。図2に示す例では、磁極の数である極数(突部21aの数)は、8である。
The
ロータ巻線22は、ステータ巻線32と同様に、突部21aに対して、各突部21aの周囲に集中的に巻線を巻くと共に異なる突部21aに巻き回された巻線同士が回転方向に重複しない巻き方(狭義の集中巻き)で巻装されている。つまり、各突部21aに巻き回されるロータ巻線22は、互いに周方向に重複しないように1つの突部21aに集中的に巻装される。尚、本実施形態では、図2に示すように、突部21aの径方向外側の端部には、突部21aからロータスロット21bの側に、周方向に沿って突出する突出部が形成されている。そして、この突出部に保持されるように非磁性体からなる板状部材24が配置されている。これにより、遠心力が発生するロータ2の回転時においても、ロータ巻線22が径方向外側に外れないように適切に保持される。
In the same manner as the stator winding 32, the rotor winding 22 is configured such that windings are wound around the
図1〜図3に示すように、ロータ巻線22には、絶縁皮膜により被覆された導線などの接続導体101を介してダイオード(整流素子)100が接続されている。このダイオード100により、ロータ巻線22に流れる電流が所定の一方向に規制される。本実施形態において、このダイオード100は、ロータコア21の内周面を含む内周部に設けられた凹部50に配置され、固定されている。これにより、ロータ2の回転バランスの低下を抑制しつつダイオード100を配置することや、ロータ2の強度を適切に確保することができる。この際、ロータコア21内を通過する磁束に与える影響が少ない位置にダイオード100を配置すると好適である。
As shown in FIGS. 1 to 3, a diode (rectifier element) 100 is connected to the rotor winding 22 via a
ここで、ロータ巻線22の整流、及びロータ巻線22を流れる誘導電流による突部21aの磁化について説明する。図3に示すように、周方向に隣接する突部21aに巻き回されたロータ巻線22は、互いに逆方向の誘導電流の通流を許容するようにダイオード100によって整流される。ロータ巻線22は、誘導電流が第1方向に通流する第1ロータ巻線22a(実線)と、誘導電流が第1方向とは逆方向の第2方向に通流する第2ロータ巻線22b(破線)とに分類される。図3に示すように、第1ロータ巻線22aと第2ロータ巻線22bとは、ロータ2の回転方向に沿って交互に突部21aに巻装される。第1ロータ巻線22a及び第2ロータ巻線22bを流れる誘導電流は、ダイオード100により一方向に規制されているので、隣接する突部21aは、互いに異なる極性に固定された電磁石となる。具体的には、第1ロータ巻線22aが巻装される突部21aの径方向外側(ステータ3側)にS極が形成され、第2ロータ巻線22bが巻装される突部21aの径方向外側にN極が形成される。即ち、N極とS極とがロータ2の回転方向に交互に並ぶように、各突部21aが磁化され、磁極となる。突部21aの数は8であるから、磁極の数である極数は8である。
Here, the rectification of the rotor winding 22 and the magnetization of the
詳細は、後述するが、ロータ2の回転角度に拘わらず、2つ以上の第1ロータ巻線22aが鎖交する電機子磁束の位相が常に同一であり、2つ以上の第2ロータ巻線22bが鎖交する電機子磁束の位相が常に同一である場合がある。この場合には、当該2つ以上の第1ロータ巻線22aに生じる誘導電流の位相が互いに同一となり、当該2つ以上の第2ロータ巻線22bに生じる誘導電流の位相も互いに同一となる。このため、これらの第1ロータ巻線22aは、一括して整流されることが可能であり、これらの第2ロータ巻線22bも、一括して整流されることが可能である。
Although details will be described later, the phase of the armature magnetic flux interlinked by the two or more
具体的には、当該第1ロータ巻線22a同士、当該第2ロータ巻線22b同士を直列接続し、当該直列接続された回路に1つのダイオード100を接続することで、2つ以上のロータ巻線22を1つのダイオード100で整流することが可能である。つまり、ダイオード100を兼用することによって、ロータ2に設置されるダイオード100の数を少なくすることが可能である。図1〜図3に例示した回転電機1は、ダイオード100を兼用可能であり、兼用した例を図4に示す。図4に示す形態では、4回線分の第1ロータ巻線22aが直列接続され、この直列回路に1つのダイオード100が備えられ、4回線分の第2ロータ巻線22bが直列接続され、この直列回路に1つのダイオード100が備えられる。尚、図4に示す形態では、複数のロータ巻線22に流れる誘導電流を合算することによる電流容量の増加に鑑みて、ダイオード100の電流容量を大きくできるように、凹部50を拡大して2箇所とした場合を例示している。
Specifically, the
ところで、ロータコア21に突部21aが形成されることで、ステータ3からの電機子磁束がロータコア21を通過する際の磁気抵抗が、周方向の位置によって変化することになる。具体的には、周方向における突部21aの配設位置では磁気抵抗が低くなり、周方向におけるロータスロット21bの配設位置ではエアギャップにより磁気抵抗が高くなる。ステータ巻線32に3相の交流電流を供給してステータ3に回転磁界(電機子磁束)を発生させると、ロータコア21を通過する磁束の磁気抵抗が小さくなるように突部21aが回転磁界に吸引される。つまり、ロータ2は、ステータ3により形成された回転磁界、より正確には、回転磁界の基本波成分に同期して回転する。即ち、ロータ2にリラクタンストルクが発生して、ロータ2が回転駆動される。
By the way, the
ロータ2は、このリラクタンストルクに加えてマグネットトルクに相当するトルクも発生するように構成されている。上述したように、ロータ2の突部21aは、ステータ巻線32からの電機子磁束に含まれる高調波成分により、固定された極性を持った電磁石となる。この電磁石からの界磁磁束と、ステータ巻線32からの回転磁界(電機子磁束)との吸引力及び反発力がマグネットトルクとなる。具体的には、ステータ巻線32に3相の交流電流を供給して回転磁界(電機子磁束)を発生させると、電機子磁束に含まれる高調波成分により、ロータ巻線22に誘導電流が流れ、各突部21aが固定された極性の磁極となる。そして、突部21a(磁極)と、回転磁界との間で吸引力及び反発力が生じ、ロータ2がステータ3により形成された回転磁界の基本波成分に同期して回転する。このように、回転電機1は、マグネットトルク及びリラクタンストルクの双方を利用して、ロータ2を回転駆動することが可能である。
The
ここで、突部21aが強い電磁石となれば、マグネットトルクの増加に有効である。突部21aを強い電磁石とするためには、突部21aに巻装されたロータ巻線22に流れる誘導電流を増加させればよい。誘導電流は、ステータ巻線32からの電機子磁束に含まれる高調波成分によって誘導されるから、この高調波成分を増加させることによって突部21aを強い電磁石にすることができる。永久磁石型の回転電機など、一般的には、電機子磁束に高調波成分が含まれることは、鉄損や銅損などの損失を増加させるため、好ましいことではない。従って、高調波成分を抑制することができるように、ステータ巻線32が1つのティース31aに集中して巻き回す集中巻きではなく、複数のティース31aにまたがって巻き回す分布巻きで巻装されることが多い。しかし、図1〜図3などを用いて例示したように、高調波誘導式の回転電機1は、高調波成分を積極的に利用してロータ2の突部21aを磁化するために、ステータ巻線32が集中巻きで巻き回されている。さらに、図1〜図3に例示した基本構造から電機子磁束の高調波成分を増加させることが可能であり、以下に説明する。
Here, if the
具体的には、ステータ3のスロット31bの数であるスロット数と、ロータ2の磁極の数である極数との関係を適切に設定することで、さらに電機子磁束の高調波成分を増加させることが可能である。以下、図5〜図9を参照して説明する。まず、ロータ2の回転方向におけるスロット31bの数であるスロット数をs、ロータ2の回転方向における磁極の数である極数をp、集中巻きにおける磁極の1極対及び交流の回転磁界の1相あたりの巻線数をqと定義する(以下、適宜「1極対1相当たりの巻線数q」と称する。)。1極対1相当たりの巻線数qは、「2s/3p」で表される。図1〜図3に例示した基本構造の回転電機1の場合、スロット数s=12、極数p=8であるから、qは、「1」となる。つまり、1極対1相当たりの巻線数qは整数(自然数)となる。
Specifically, the harmonic component of the armature magnetic flux is further increased by appropriately setting the relationship between the number of
図5は、異なる構造の3種類の回転電機1の電機子磁束の高調波成分を比較したものである。図5(a)は、図1〜図3に例示した基本構造であり、スロット数s=12、極数p=8の回転電機1である。上述したように、qは「1」の整数となる。図5(b)は、スロット数s=9、極数p=8の回転電機1であり、qは「3/4」の分数となる。図5(c)は、スロット数s=6、極数p=8の回転電機1であり、qは「1/2」の分数となる。即ち、図5(a)〜(c)は、極数pが全て8の同じ構造であるが、スロット数sがそれぞれ異なる回転電機1を例示している。図5の棒グラフは、ロータ巻線22に鎖交する電機子磁束の高調波成分の次数(横軸)と、磁束の振幅(縦軸)とを示している。
FIG. 5 compares the harmonic components of the armature magnetic flux of three types of rotating
この棒グラフに示すように、1極対1相当たりの巻線数qが分数となる構造の回転電機1では、qが整数の回転電機1に比べて電機子磁束の高調波成分が多くなっている。具体的には、図5(a)及び(b)に示すように、q=3/4の回転電機1における最大の高調波成分である2.25次高調波成分は、q=1の回転電機1における最大の高調波成分である6次高調波成分の約5倍の振幅となっている。また、図5(a)及び(c)に示すように、q=1/2の回転電機1における最大の高調波成分である1.50次高調波成分は、q=1の回転電機1における最大の高調波成分である6次高調波成分の約6倍の振幅となっている。
As shown in this bar graph, in the rotating
図6は、回転電機1の構造ごとにシミュレーションを行った、トルク−回転数特性の一例を示すグラフである。図6において(m)は、目標トルクであり、(d)はステータ巻線が分布巻きにより巻装された埋め込み磁石型の同期式の回転電機(IPMSM)のトルク特性である。(n)は、図1〜図3及び図5(a)に示す基本構造の回転電機1において、ロータ2にロータ巻線22を巻装することなく、リラクタンストルクのみを発生させた場合のトルク特性である。(a)は、図1〜図3及び図5(a)に示す基本構造の回転電機1のトルク特性であり、リラクタンストルクとマグネットトルクとの双方の合成トルクのトルク特性である。(b)は、図5(b)に示す構造の回転電機1のトルク特性であり、同様にリラクタンストルクとマグネットトルクとの双方の合成トルクのトルク特性である。
FIG. 6 is a graph showing an example of torque-rotational speed characteristics obtained by simulation for each structure of the rotating
図6に示すように、1極対1相当たりの巻線数qが整数である回転電機1のトルク特性(a)は、低回転域においてリラクタンストルク(n)に上積みされるマグネットトルクが観測されるが、中回転域以上では、ほとんどリラクタンストルク(n)と差がない。つまり、基本構造の回転電機1のトルク特性(a)は、目標トルク(m)に対して大きく届かない大きさである。これに対して、1極対1相当たりの巻線数qが分数である回転電機1のトルク特性(b)は大きく改善され、特に中回転域においては、目標トルク(m)及びIPMSMのトルク特性(d)を上回っている。このように、1極対1相当たりの巻線数qを整数(自然数)ではなく、分数とすることによって、電機子磁束の高調波成分を増加させ、ロータ2の界磁磁束を増加させて出力トルクを増大させることが可能である。
As shown in FIG. 6, the torque characteristic (a) of the rotating
ここで、1極対1相当たりの巻線数qを分数とする場合には、仮分数(帯分数)を含むこともできるが、qが1を超えるということは分布巻きに近づくこととなり、高調波成分の増加には寄与しないことになる。従って、高調波成分の増加させる上では、1極対1相当たりの巻線数qが真分数となるようにスロット数sと極数pとが設定されると好適である。尚、qが1/2(=0.5)を下回ると、回転磁界に対して磁極対の吸引力及び反発力を作用させることができなくなり、ロータ2を回転させることができなくなる。従って、1極対1相当たりの巻線数qが1/2以上となるように、スロット数sと極数pとが設定される必要がある。以上、まとめると、電機子磁束の高調波成分を増加させて、より大きなマグネットトルクを得ることができる高調波誘導式の同期式の回転電機1を構成するに際しては、下記式(1)を満足するように、スロット数sと極数pとが最適化されるとよい。尚、当然ながら、極数pは、極対数の2倍であるから偶数であり、スロット数sは、3相のステータ巻線32を集中巻きにより巻装するので3の倍数である。
Here, when the number of windings q per pole pair per phase is a fraction, it can also include an improper fraction (a mixed number), but when q exceeds 1, it approaches a distributed winding, It does not contribute to the increase of harmonic components. Therefore, in order to increase the harmonic component, it is preferable that the number of slots s and the number of poles p are set so that the number of windings q per pole pair per phase becomes a proper fraction. If q is less than 1/2 (= 0.5), the attractive force and repulsive force of the magnetic pole pair cannot be applied to the rotating magnetic field, and the
0.5≦ q <1,
0.5≦(2s/3p)<1 ・・・(1)
0.5 ≦ q <1,
0.5 ≦ (2s / 3p) <1 (1)
ところで、極対数が4の場合には、ステータ3の機械的な1周において、電気角で4周期分の回転磁界(電機子磁束)が発生されるように、ステータ巻線32が巻装される必要がある。非全節巻き且つ集中巻きでステータ巻線32を巻装する場合、図2に示したように、例えば、12個のティース31a(スロット31b)が備えられる。即ち、図7に示すように、周方向に隣接する相間の電気角の位相差が120度となるように12個のステータ巻線32が巻装される。これにより、ステータ3の1周で1440度(=360×4)となり、3相で4周期分の回転磁界を発生させることが可能となる。しかし、図5(b)や図5(c)に例示したステータ3のスロット数sは、12未満である。そこで、少ないスロット数sで、3相4周期分の回転磁界(電機子磁束)を発生させるためにステータ巻線32の巻き回し方や周方向の配置が工夫されている。
By the way, when the number of pole pairs is 4, the stator winding 32 is wound so that a rotating magnetic field (armature magnetic flux) corresponding to four cycles in electrical angle is generated in one mechanical rotation of the
図8は、図5(b)に示すq=3/4の構造の回転電機1のステータ巻線32の巻装形態と、電気角とを示している。図8に示すように、隣接するティース31aにU+相とU−相、V+相とV−相、W+相とW−相が巻き回される。つまり、電流の通流方向が逆向きとなるように、ステータ巻線32が巻き回される。通常、U相とV相が隣接する場合には、それらの間の電気角は120度であるが、U+相とU−相とが隣接する場合には、それらの間の電気角は180度となる。従って、図8に示すように、反時計回りに、U+相、U−相、U+相、V+相、V−相、V+相、W+相、W−相、W+相と配接された場合には、相間の電気角は180度、180度、120度・・・と繰り返され、ステータ3を機械的に1周すると1440度(=360×4)となる。これは、電気角で4周期分に相当するから、ステータ3の機械的な1周において、電気角で4周期分の回転磁界(電機子磁束)を発生させることが可能となる。
FIG. 8 shows the winding form of the stator winding 32 of the rotating
図9は、図5(c)に示すq=1/2の構造の回転電機1のステータ巻線32の巻装形態と、電気角とを示している。この場合には、反時計回りにU相、V相、W相と配接されるのではなく、1相ずつ飛ばして各相のステータ巻線32が巻装される。即ち、U相の次にV相を飛ばしてW相、W相の次にU相を飛ばしてV相、V相の次にW相を飛ばしてU相というように、隣接する相間における電気角が240度となるように、各相のステータ巻線32が巻装される。これにより、ステータ3を1周すると1440度(=360×4)となる。従って、ステータ3の1周において、電気角で4周期分の回転磁界(電機子磁束)を発生させることが可能となる。
FIG. 9 shows the winding form of the stator winding 32 and the electrical angle of the rotating
このように、1極対1相当たりの巻線数qが0.5以上1未満の分数となるように、スロット数sと極数pとを適切に設定して電機子磁束の高調波成分を確保しつつ、ステータ3における電気角も適切に設定することが可能である。図5等を参照した上記説明では、ロータ2の極数pが全て8の場合を例示したが、当然ながら、極数pは他の値を採ることもできる。下記表1にスロット数sと極数pとの組み合わせと、1極対1相当たりの巻線数qとの関係の一例を示す。スロット数sと極数pとが一致し、ステータ巻線32が全節巻きとなる組み合わせについて除外している。尚、表1には、qが0.5以上1未満の分数となる組み合わせにおけるqの値を記載しているが、境界値となるので、q=1となる組み合わせについても括弧付きで記載している。
As described above, the number of slots s and the number of poles p are appropriately set so that the number of windings q per pole pair per phase is a fraction of 0.5 or more and less than 1, and the harmonic component of the armature magnetic flux is set. It is possible to appropriately set the electrical angle in the
図10及び図11には、ロータ2の極数pが8以外の回転電機1の例を示している。図10に示す回転電機1は、極数p=10、スロット数s=12である。この構造の場合には、表1にも示しているように1極対1相当たりの巻線数qが4/5(=0.80)となる。この回転電機1のロータ2は、極対数が5(=10/2)であるから、ステータ3の機械的な1周において、電気角で5周期分の回転磁界(電機子磁束)を発生させることができるようにステータ巻線32が巻装される。即ち、図10に示すように、反時計回りに、U+相、U−相、V−相、V+相、W+相、W−相、U−相・・・となるように、ステータ巻線32が巻装される。相間の電気角は、反時計回りに、180度、120度、180度、120度・・・と繰り返される。即ち、ステータ3を1周すると電気角が1800度(=360×5)となり、電気角で5周期分の回転磁界(電機子磁束)を発生させることができるようにステータ巻線32が巻装される。尚、後述する巻線係数Kwは、0.93である。
10 and 11 show an example of the rotating
図11に示す回転電機1は、極数p=14、スロット数s=15である。この構造の場合には、表1にも示しているように1極対1相当たりの巻線数qが5/7(=0.71)となる。この回転電機1のロータ2は、極対数が7(=14/2)であるから、ステータ3の機械的な1周において、電気角で7周期分の回転磁界(電機子磁束)を発生させることができるようにステータ巻線32が巻装される。即ち、図11に示すように、反時計回りに、U+相、U−相、U+相、U−相、U+相、V+相、V−相、V+相・・・となるように、ステータ巻線32が巻装される。相間の電気角は、反時計回りに、180度、180度、180度、180度、120度、180度・・・と繰り返される。即ち、ステータ3を1周すると電気角が2520度(=360×7)となり、電気角で7周期分の回転磁界(電機子磁束)を発生させることができるようにステータ巻線32が巻装される。尚、後述する巻線係数Kwは、0.95である。
The rotating
ところで、大きなマグネットトルクを得る上では、ロータ2からの界磁磁束がステータ巻線32に効率よく鎖交することが好ましい。ステータ巻線32に鎖交する界磁磁束の有効性を示す指標として、界磁磁束のステータにおける有効利用率を1以下の値で示す巻線係数Kwというものがある。この巻線係数Kwが高いほど、ステータ巻線32に界磁磁束が効果的に鎖交し、回転磁界(電機子磁束)と界磁磁束とにより生じるマグネットトルクも大きくなる。この巻線係数Kwは、ティース31aに巻き回されたステータ巻線32と、磁極との関係によって定まる。好適には、ロータ2から提供される界磁磁束のステータ3における有効利用率を1以下の値で示す巻線係数Kwが0.9よりも大きくなるように、スロット数s及び極数pが設定されているとよい。下記表2は、上記表1において1極対1相当たりの巻線数qが0.5以上1未満の分数となるスロット数s及び極数pの組み合わせに対応する巻線係数Kwを示している。また、表2においては、0.9よりも大きい巻線係数Kwは太字で示している。尚、表2には、参考値として、q=1となる組み合わせについての巻線係数Kwも括弧付きで記載されている。
By the way, in order to obtain a large magnet torque, it is preferable that the field magnetic flux from the
尚、表2への記載は省略しているが、1極対1相当たりの巻線数qが1以上となるスロット数s及び極数pの組み合わせの場合には、巻線係数Kwが概ね0.8よりも小さい値となる。つまり、1極対1相当たりの巻線数qが0.5以上1未満となるスロット数s及び極数pの組み合わせの場合には、巻線係数Kwを比較的高い値とすることができる。その結果、電機子磁束と界磁磁束とにより生じるマグネットトルクを大きくすることができる。 Although the description in Table 2 is omitted, in the case of a combination of the number of slots s and the number of poles p in which the number of windings q per pole pair per phase is 1 or more, the winding coefficient Kw is approximately It becomes a value smaller than 0.8. That is, in the case of a combination of the number of slots s and the number of poles p where the number of windings q per pole pair per phase is 0.5 or more and less than 1, the winding coefficient Kw can be set to a relatively high value. . As a result, the magnet torque generated by the armature magnetic flux and the field magnetic flux can be increased.
表1及び表2を参照した以上の説明より、「0.5≦q<1」を満足すると共に「Kw>0.9」を満足するスロット数s及び極数pの組み合わせが、より大きなトルクを得るための回転電機1の構造において非常に好適であることがわかる。これを整理すると、下記表3となる。表3において、1つの*で示す欄(*)は、1極対1相当たりの巻線数qの条件のみを満足する組み合わせである。2つの*で示す欄(**)は、1極対1相当たりの巻線数qと巻線係数Kwとの双方の条件を満たす組み合わせであり、最適な組み合わせであることを示している。
From the above description with reference to Table 1 and Table 2, the combination of the number of slots s and the number of poles p satisfying “0.5 ≦ q <1” and satisfying “Kw> 0.9” gives a larger torque. It turns out that it is very suitable in the structure of the rotary
ここで、巻線係数Kwについて補足する。巻線係数Kwは、短節巻き係数Ksと分布巻き係数Kdとの積で表される(Kw=Ks・Kd)。まず、短節巻き係数Ksについて説明する。ステータ3においてステータ巻線32が巻装される間隔(巻線ピッチ)と、ロータ2における磁極の間隔(磁極ピッチ)とが同一の場合、「全節巻き」と称される。全節巻きの場合、ロータ2の回転によって隣接する2つのステータ巻線32に発生する電圧の位相差は180度となる。一方、スロット数sが9、極数pが8の場合などでは、巻線ピッチが磁極ピッチよりも小さくなる。また、スロット数sが6、極数pが8の場合などでは、巻線ピッチが磁極ピッチよりも大きくなる。これらを、ここでは「非全節巻き」と称する。特に、巻線ピッチが磁極ピッチよりも小さくなる場合は、「短節巻き」と称される。非全節巻きの場合には、ロータ2の回転によって隣接する2つのステータ巻線32に発生する電圧の位相差は180度からずれた位相となる。
Here, it supplements about the winding coefficient Kw. The winding coefficient Kw is represented by the product of the short-pitch winding coefficient Ks and the distributed winding coefficient Kd (Kw = Ks · Kd). First, the short winding coefficient Ks will be described. When the interval at which the stator winding 32 is wound in the stator 3 (winding pitch) and the interval between the magnetic poles in the rotor 2 (magnetic pole pitch) are the same, it is referred to as “full-pitch winding”. In the case of full-pitch winding, the phase difference between the voltages generated in the two
非全節巻きの場合には、界磁磁束によってステータ巻線32に誘導される電圧に上述したような位相差が生じる。このため、隣接するステータ巻線32に生じる電圧は、それぞれお方向が異なるベクトルとなり、発生電圧はそれぞれの電圧のベクトル和となる。一方、全節巻きの場合は、方向が同じベクトル同士の和となるので、それぞれの電圧の代数和で足りる。このため、同じ界磁磁束に対する発生電圧は、全節巻きに比べて非全節巻きの方が小さくなる。全節巻きにおける誘導起電力に対する非全節巻きにおける誘導起電力の割合が、係数として与えられる。一般的には、非全節巻きのほとんどが短節巻きであるので、この係数は、短節巻き係数Ksと称される。即ち、短節巻き係数Ksは、以下に示すように、全節巻きにおける誘導起電力に対する短節巻きにおける誘導起電力の割合を示す係数である。
In the case of non-full-pitch winding, the above-described phase difference occurs in the voltage induced in the stator winding 32 by the field magnetic flux. For this reason, the voltages generated in the
Ks=短節巻き誘導起電力/全節巻き誘導起電力
=誘導起電力のベクトル和/誘導起電力の代数和
Ks = short-pitch induced electromotive force / full-pitch induced electromotive force = vector sum of induced electromotive forces / algebraic sum of induced electromotive forces
巻線ピッチは、集中巻きの場合にはティース31a(スロット31b)のピッチと同一である。従って、巻線ピッチは、スロット数sを用いて表すことができる。ここで、巻線ピッチをWs(=2π/s)とし、ロータ2における磁極ピッチをWp(=2π/p)とすると、短節巻き係数Ksは、下記式(2)で表される。
The winding pitch is the same as the pitch of the
下記表4は、上記表1において「0.5≦q<1」を満足するスロット数s及び極数pの組み合わせについての短節巻き係数Ksを示している。尚、参考値として、q=1となる組み合わせについての短節巻き係数Ksも括弧付きで記載している。 Table 4 below shows the short-pitch winding coefficient Ks for a combination of the number of slots s and the number of poles p that satisfies “0.5 ≦ q <1” in Table 1 above. As a reference value, the short-pitch coefficient Ks for the combination where q = 1 is also shown in parentheses.
尚、当業者であれば、上記式(2)より容易に値を求めることが可能であるから表4への記載は省略しているが、1極対1相当たりの巻線数qが1以上となるスロット数s及び極数pの組み合わせの場合には、短節巻き係数Ksが概ね0.85よりも小さい値となる。その結果、短節巻き係数Ksと分布巻き係数Kdとの積で示される巻線係数Kwの値が、上述したように、概ね0.8よりも小さい値となる。 A person skilled in the art can easily obtain the value from the above equation (2), so the description in Table 4 is omitted, but the number of windings q per pole pair per phase is 1. In the case of the combination of the number of slots s and the number of poles p as described above, the short winding coefficient Ks is a value smaller than about 0.85. As a result, the value of the winding coefficient Kw indicated by the product of the short-pitch winding coefficient Ks and the distributed winding coefficient Kd is generally smaller than 0.8 as described above.
次に、分布巻き係数Kdについて説明する。各相に対し、ステータ巻線32が巻き回されるティース31aの数(スロット数s)が1つとなる巻き方を集中巻きという。つまり、ステータ巻線32は、各ティース31aの周囲に集中的に巻き回され、異なるティース31aに巻き回された巻線同士は回転方向に重複しない。これに対し、各相に対し、ステータ巻線32が巻き回されるティース31aの数(スロット数s)が2つ以上となる巻き方を分布巻きという。分布巻きの場合には、異なるティース31aに巻き回された巻線同士は回転方向に重複する。分布巻きの場合には、ロータ2の回転によってステータ巻線32に誘導される電圧の波形が丸みを帯び、高調波成分が抑制されることが知られている。但し、その分、誘導起電力は集中巻きに比べて減少することになる。分布巻き係数Kdは、以下に示すように、集中巻きにおける誘導起電力に対する分布巻きにおける誘導起電力の割合を示す係数である。
Next, the distributed winding coefficient Kd will be described. A winding method in which the number of
Kd=分布巻き誘導起電力/集中巻き誘導起電力 Kd = distributed winding induced electromotive force / concentrated winding induced electromotive force
上述したように、分布巻きと集中巻きとは、ステータ3における各相当たりのスロット数sに違いがある。従って、分布巻き係数Kdは、ロータ2の極対数(あるいは極数p)とスロット数sにより求められる「単位当たりの巻線数q2」を用いて下記式(3)で表することができる。「単位当たりの巻線数q2」は、1極対1相当たりの巻線数qに自然数cを乗じた結果が最小の整数(自然数)となる値、つまり、「q2=c・q」で示される最小の整数(自然数)である。qが整数(自然数)の場合には「q2=q」であり、qが分数の場合には、q2はqの分子となる。尚、分布巻きの場合には、qは「1極1相当たりの巻線数:s/3p」であり、その値は整数に限定される。
As described above, distributed winding and concentrated winding differ in the number of slots s per phase in the
下記表4は、上記表1において「0.5≦q<1」を満足するスロット数s及び極数pの組み合わせについての分布巻き係数Kdを示している。尚、参考値として、q=1となる組み合わせについての分布巻き係数Kdも括弧付きで記載している。 Table 4 below shows the distributed winding coefficient Kd for the combination of the number of slots s and the number of poles p satisfying “0.5 ≦ q <1” in Table 1 above. As a reference value, the distributed winding coefficient Kd for the combination where q = 1 is also shown in parentheses.
巻線係数Kwは、このようにして求められる短節巻き係数Ksと分布巻き係数Kdとの積で表される(Kw=Ks・Kd)。 The winding coefficient Kw is represented by the product of the short-pitch winding coefficient Ks and the distributed winding coefficient Kd obtained in this way (Kw = Ks · Kd).
次に、各突部21aを固定された極性の電磁石として磁化するためにロータ巻線22に配接される整流素子(ダイオード100)について説明する。各突部21aを独立して、固定された極性に磁化するためには、図3に例示したように、各突部21aに巻き回されたロータ巻線22にそれぞれダイオード100を接続する必要がある。この場合、ダイオード100の総数は突部21aの数、つまり磁極の数である極数pと同じ値となる。しかし、図4を参照して説明したように、複数のロータ巻線22のダイオード100を兼用することも可能である。具体的には、ロータ2の回転角度に拘わらず、電機子磁束の高調波成分により誘導される誘導電流が同一位相となるロータ巻線22は、整流素子を兼用することが可能である。ダイオード100を兼用可能であるか否かは、ティース31a(スロット31b)と磁極(突部21a)との相対関係によって定まる。ティース31a及び磁極は、等間隔で配置されているので、ティース31aの数(スロット数s)と磁極の数(極数p)との関係により、兼用が可能であるか否かが定まる。即ち、必要となるダイオード100の数(素子数nd)を規定することができる。
Next, the rectifying element (diode 100) arranged in the rotor winding 22 in order to magnetize each
具体的には、素子数ndは、極数p、スロット数s、自然数mを用いて示される式、「3m×(p/s)」の値が最小の偶数となる数とすることができる。この数は、極数p、スロット数sを用いて示される分数p/sを、分母が3の倍数且つ分子が偶数であって、分子が最も小さくなるように約分した際の当該分子の値と等価である。集中巻きによる3相励磁に対応するために、分母は3の倍数であることが必要であり、異なる極性の磁極は異なる方向に整流される必要があるので、分子は2の倍数(偶数)であることが必要である。 Specifically, the number of elements nd can be set to an expression represented by using the number of poles p, the number of slots s, and the natural number m, and the number “3m × (p / s)” is the smallest even number. . This number is obtained by dividing the fraction p / s indicated by using the number of poles p and the number of slots s so that the denominator is a multiple of 3 and the numerator is an even number so that the numerator is the smallest. It is equivalent to the value. In order to accommodate three-phase excitation by concentrated winding, the denominator needs to be a multiple of 3, and the magnetic poles of different polarities need to be rectified in different directions, so the numerator is a multiple of 2 (even) It is necessary to be.
約分が可能であっても、この条件を満たす約分ではない場合には、同じ極性の磁極(同じ極性となる突部21a)と、スロット31b(ティース31a)との、ロータ2の回転方向における相対位置が異なることになる。この場合、同じ極性となる突部21aに巻装されたロータ巻線22に誘導される誘導電流の位相も異なることになる。この状態でロータ巻線22を直列接続し、共通のダイオード100を用いて整流すると、電流位相の違いにより誘導電流が相殺され、誘導電流の総量が減少し、突部21aを磁化するための磁束も減少する。このような場合は、ダイオード100を共通化することは適切ではない。以上より、上記条件を満たして分数p/sを約分可能な場合に、分子の数を極数pよりも小さい値にすることが可能となり、ダイオード100を共通化することが可能となる。
Even if the reduction is possible, if the reduction does not satisfy this condition, the rotation direction of the
従って、上記条件を満たすように、ダイオード100の数が設定されると好適である。尚、この条件によって規定されるダイオード100の数は、最小値であるから、兼用が可能であっても、兼用することなく各突部21aに巻装されたロータ巻線22ごとに、ダイオード100が接続されてもよい。下記表6は、上記表1において「0.5≦q<1」を満足するスロット数s及び極数pの組み合わせについての素子数ndを示している。さらに、「Kw>0.9」を満足するスロット数s及び極数pの組み合わせについては、*を付している。尚、参考値として、q=1となる組み合わせについての素子数ndも括弧付きで記載している。
Therefore, it is preferable that the number of the
表6を参照すれば、より大きなトルクを得るために非常に好適である回転電機1の構造である、「0.5≦q<1」を満足すると共に「Kw>0.9」を満足するスロット数s及び極数pの組み合わせでは、各ロータ巻線22に個別にダイオード100を接続する必要がある場合が多い。つまり、極数pと素子数ndとが同じ値の場合が多い。しかし、部分的には、そのような最適な構造においても、ダイオード100を抑制可能な組み合わせが存在する。そのような組み合わせを採用することによって、より大きなトルクを得ると共に、製造コストが抑制された回転電機1を得ることができる。
Referring to Table 6, “0.5 ≦ q <1” and “Kw> 0.9” are satisfied, which is a structure of the rotating
以上説明したように、本発明によれば、非全節・集中巻きによりステータ巻線32が巻装されるステータ3のスロット数sと、電機子磁束の高調波成分によりロータ巻線22を流れる誘導電流により励磁される磁極を備えたロータ2の極数pとを最適化して、より大きなトルクを得ることができる高調波誘導式の同期式の回転電機を実現することが可能となる。
As described above, according to the present invention, the number of slots s of the
本発明は、高調波誘導式の同期式の回転電機に適用することができる。 The present invention can be applied to a harmonic induction type synchronous rotating electrical machine.
1 :回転電機
2 :ロータ
3 :ステータ
21 :ロータコア
21a :突部
22 :ロータ巻線
31 :ステータコア
31a :ティース
31b :スロット
32 :ステータ巻線
100 :ダイオード(整流素子)
Kw :巻線係数
c,m :自然数
nd :素子数
p :極数
q :1極対1相当たりの巻線数
s :スロット数
1: Rotating electrical machine 2: Rotor 3: Stator 21:
Kw: Winding coefficient c, m: Natural number nd: Number of elements p: Number of poles q: Number of windings per pole pair per phase s: Number of slots
Claims (3)
前記ステータは、複数のスロットが前記ロータの回転方向に間隔を空けて形成されたステータコアと、隣接する前記スロット間の各ティースに巻装された3相のステータ巻線とを有し、
前記ステータ巻線は、各ティースの周囲に集中的に巻線を巻くと共に異なるティースに巻き回された巻線同士が前記回転方向に重複しない巻き方で巻装され、
前記ロータは、前記ステータに向けて突出する複数の突部が前記回転方向に間隔を空けて形成されたロータコアと、それぞれの前記突部に巻装されたロータ巻線と、それぞれの前記ロータ巻線に流れる電流を所定の方向に整流する整流素子とを有し、
前記ステータ巻線からの電機子磁束の高調波成分により前記ロータ巻線に誘導されて前記整流素子により一方向に流れる誘導電流によって、それぞれの前記突部が励磁されて固定された極性の磁極となる回転電機であって、
前記ステータ及び前記ロータは、前記回転方向における前記スロットの数であるスロット数をs、前記回転方向における前記磁極の数である極数をpとして、sが3の倍数且つpが偶数であって、
0.5≦(2s/3p)<1
を満たすように構成されている回転電機。 Having a stator and a rotor arranged opposite to each other;
The stator has a stator core in which a plurality of slots are formed at intervals in the rotation direction of the rotor, and a three-phase stator winding wound around each tooth between the adjacent slots,
The stator winding is wound in a winding manner in which windings wound around different teeth and wound around different teeth are not overlapped in the rotation direction.
The rotor includes a rotor core in which a plurality of protrusions protruding toward the stator are formed at intervals in the rotation direction, rotor windings wound around the protrusions, and the rotor windings. A rectifying element that rectifies the current flowing in the line in a predetermined direction,
A magnetic pole having a polarity in which each protrusion is excited and fixed by an induced current that is induced in the rotor winding by a harmonic component of the armature magnetic flux from the stator winding and flows in one direction by the rectifying element. A rotating electric machine,
In the stator and the rotor, s is a multiple of 3 and p is an even number, where s is the number of slots that is the number of slots in the rotation direction, and p is the number of poles that is the number of magnetic poles in the rotation direction. ,
0.5 ≦ (2s / 3p) <1
A rotating electrical machine configured to satisfy
3m×(p/s)
の値が最小の偶数となる数である請求項1に記載の回転電機。 The number of the rectifying elements provided in the rotor is an equation represented by using the number of poles p, the number of slots s, and a natural number m,
3m x (p / s)
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the value is a number that is the smallest even number.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2011053315A JP2012191758A (en) | 2011-03-10 | 2011-03-10 | Rotary electric machine |
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| JP2011053315A JP2012191758A (en) | 2011-03-10 | 2011-03-10 | Rotary electric machine |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10753031B2 (en) | 2015-07-21 | 2020-08-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Washing machine motor and washing machine having same |
| CN111835103A (en) * | 2019-04-19 | 2020-10-27 | 株式会社电装 | Rotating electrical machine |
-
2011
- 2011-03-10 JP JP2011053315A patent/JP2012191758A/en not_active Withdrawn
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