JP2012244726A

JP2012244726A - 回転電機の電機子および回転電機

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Publication number: JP2012244726A
Application number: JP2011111372A
Authority: JP
Inventors: Kenji Tomohara; 健治友原; Akihiko Maemura; 前村　　明彦
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】高速駆動状態における効率を向上させること。
【解決手段】モータ１は、周方向に沿って複数のスロット１１２が形成された固定子コア１１と、固定子コア１１のスロット１１２へ設けられ、高速駆動状態および低速駆動状態の両状態において用いられる第１巻線１２１と、固定子コア１１のスロット１１２へ設けられ、低速駆動状態において用いられる第２巻線１２２とを備え、第１巻線１２１の巻数が第２巻線１２２の巻数よりも多い。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の電機子および回転電機に関する。

従来、電動機や発電機などの回転電機の一つとして、巻線切替型の回転電機が知られている。巻線切替型の回転電機は、各相ごとに複数の巻線を備え、これら複数の巻線の接続状態を切り替えることにより、低速領域から高速領域までの広い範囲において効率的な駆動を可能とする回転電機である（特許文献１参照）。

たとえば、かかる巻線切替型の回転電機は、各相ごとに２つの電機子巻線を備える場合には、両方の電機子巻線を用いることで低速駆動に対応し、一方の電機子巻線のみを用いることで高速駆動に対応する。

特開平６−２２５５８８号公報

しかしながら、上述した従来技術には、高速駆動状態における効率を向上させるという点でさらなる改善の余地がある。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、高速駆動状態における効率を向上させることができる回転電機の電機子および回転電機を提供することを目的とする。

本願の開示する回転電機の電機子は、周方向に沿って複数のスロットが形成された電機子コアと、前記電機子コアのスロットへ設けられ、第１速度状態および該第１速度状態よりも低速な第２速度状態の両状態において用いられる第１の電機子巻線と、前記第１の電機子巻線が設けられたスロットと同一のスロットへ設けられ、前記第２速度状態において用いられる第２の電機子巻線とを備え、前記第１の電機子巻線の巻数が前記第２の電機子巻線の巻数よりも多い。

また、本願の開示する回転電機は、電機子および界磁を備える回転電機であって、前記電機子は、周方向に沿って複数のスロットが形成された電機子コアと、前記電機子コアのスロットへ設けられ、第１速度状態および該第１速度状態よりも低速な第２速度状態の両状態において用いられる第１の電機子巻線と、前記電機子コアのスロットへ設けられ、前記第２速度状態において用いられる第２の電機子巻線とを備え、前記第１の電機子巻線の巻数が前記第２の電機子巻線の巻数よりも多い。

本願の開示する回転電機の電機子および回転電機の一つの態様によれば、高速駆動状態における効率を向上させることができる。

図１は、実施例１に係る回転電機をシャフトの軸方向から見た図である。図２は、実施例１に係る固定子の構成を示す図である。図３は、駆動システムの構成を示すブロック図である。図４は、制御部が実行する処理手順を示すフローチャートである。図５は、実施例２に係る固定子の構成を示す図である。図６は、実施例３に係る固定子の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本願の開示する回転電機の電機子および回転電機のいくつかの実施例を詳細に説明する。

なお、以下に示す各実施例では、本願の開示する回転電機を電動機であるモータに対して適用した場合の例について説明する。また、以下に示す各実施例では、本願の開示する電機子が固定子である場合、すなわち、電機子巻線が固定子側へ設けられる場合の例について説明する。ただし、これらの例示によって本発明が限定されるものではない。

まず、本実施例１に係るモータの構成について図１を用いて説明する。図１は、実施例１に係るモータをシャフトの軸方向から見た図である。図１に示すように、実施例１に係るモータ１は、固定子１０と、回転子２０と、シャフト３０とを備える。

固定子１０は、固定子コア１１と、固定子巻線１２とを備え、回転子２０の外周面と所定の空隙を介して対向配置される。

固定子コア１１は、電磁鋼板などの薄板材を多数枚積層して形成される円筒状の部材である。かかる固定子コア１１の内周側には、径方向内側へ突出したティース１１１が周方向に沿って多数形成される。これらティース１１１間の空間は、スロット１１２と呼ばれる。

スロット１１２の内周面は絶縁材で覆われており、かかるスロット１１２内に絶縁被覆電線を用いて巻装された固定子巻線１２が収められる。なお、固定子巻線１２は、集中巻線方式で巻装されるものとするが、これに限ったものではなく、分布巻線方式で巻装されてもよい。

回転子２０は、回転子コア２１と、永久磁石２２とを備える。回転子コア２１は、筒状に形成され、内部には複数の永久磁石２２が周方向に沿って配設される。かかる回転子２０は、シャフト３０に取り付けられており、かかるシャフト３０を中心軸として回転する。

なお、ここでは、回転子２０の構成として、永久磁石２２が回転子コア２１の内部に配設されたＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）を例に挙げて説明するが、これに限ったものではなく、回転子の構成は、回転子コアの外周面に永久磁石が配設されたＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）であってもよい。

また、ここでは、永久磁石式のモータを例に挙げたが、これに限ったものではなく、モータ１は、たとえば電磁石式などの永久磁石式以外のモータであってもよい。

また、図１では、モータが、６個の回転子２０および４０個のスロット１１２を備える６極４０スロットのモータである場合の例について示したが、回転子２０やスロット１１２の数は、これに限ったものではない。たとえば、モータは、６個の回転子２０および３６個のスロット１１２を備える６極３６スロットのモータであってもよい。

モータ１では、固定子１０の固定子巻線１２に電流を流すことによって固定子１０の内側に回転磁界が発生する。そして、この回転磁界と回転子２０の永久磁石２２が発生する磁界との相互作用によって回転子２０が回転し、この回転子２０の回転に伴ってシャフト３０が回転する。

ここで、本実施例１に係るモータ１は、巻線切替型のモータである。具体的には、モータ１は、固定子巻線１２として、第１巻線１２１および第２巻線１２２の２つの固定子巻線を備える。モータ１は、第１巻線１２１および第２巻線１２２の接続状態を切り替えることで、低速領域から高速領域までの広い範囲において効率的な駆動を可能とする。

特に、本実施例１に係るモータ１は、高速駆動状態における効率を向上させるために、第１巻線１２１の巻数と第２巻線１２２の巻数とを異ならせることとした。

以下では、固定子１０の構成について図２を用いて具体的に説明する。図２は、実施例１に係る固定子１０の構成を示す図である。ここで、図２には、図１に示す固定子１０のティース１１１周辺を拡大した図を示している。

なお、以下では、モータ１の回転速度が所定の閾値以上である第１速度状態を「高速駆動状態」と呼び、回転速度が所定の閾値未満である第２速度状態を「低速駆動状態」と呼ぶこととする。

図２に示すように、固定子１０のスロット１１２には、第１巻線１２１および第２巻線１２２が収められる。第１巻線１２１は、高速駆動状態および低速駆動状態の両状態において用いられる固定子巻線であり、第２巻線１２２は、低速駆動状態においてのみ用いられる固定子巻線である。

これら第１巻線１２１および第２巻線１２２は、直列に接続され、同一のスロット１１２へ設けられる。なお、第１巻線１２１および第２巻線１２２は、並列に接続されてもよい。

モータ１の回転速度が閾値未満である場合、すなわち、低速駆動状態である場合には、第１巻線１２１および第２巻線１２２に対して通電される。これにより、固定子巻線１２のインピーダンスが最大の状態となる。かかる状態では、高トルクを得やすい反面、高い回転速度を出すことが難しい。

一方、モータ１の回転速度が閾値以上である場合、すなわち、高速駆動状態である場合には、第１巻線１２１のみに対して通電される。これにより、低速駆動状態と比較して固定子巻線１２のインピーダンスが小さくなるため、高い回転速度を得やすくなる。

このように、モータ１は、低速駆動状態では第１巻線１２１および第２巻線１２２が通電され、高速駆動状態では第１巻線１２１のみが通電されるように第１巻線１２１および第２巻線１２２の接続状態を切り替える。

なお、第１巻線１２１および第２巻線１２２の接続状態の切り替えは、モータ１の駆動を制御する制御装置によって行われることとなるが、かかる点については、図３および図４を用いて後述する。

本実施例１では、第１巻線１２１の巻数を第２巻線１２２の巻数よりも多くしている。これにより、たとえば第１巻線の巻数および第２巻線の巻数を同一とした場合と比較して、高速駆動状態、すなわち、第１巻線１２１のみが使用される状態における占積率を向上させることができる。占積率が高くなるほど銅損等の損失が少なくなるため、第１巻線１２１の巻数を第２巻線１２２の巻数よりも多くすることで、高速駆動状態における効率を向上させることができる。

また、本実施例１では、スロット１１２の領域のうち固定子１０の外周側の領域に対して第１巻線１２１を設け、内周側の領域に対して第２巻線１２２を設けることとした。これにより、固定子１０の外周側の領域に対して第２巻線１２２を設け、内周側の領域に対して第１巻線１２１を設けた場合と比較して、スロット１１２と固定子巻線１２との接触面積を増やすことができるため、固定子巻線１２において発生した熱のスロット１１２への放熱効果を高めることができる。

なお、第１巻線１２１および第２巻線１２２の巻数比は、１．２：０．８であることが好ましいが、第１巻線１２１の巻数が第２巻線１２２の巻数よりも多ければ、他の比率であっても構わない。

次に、モータ１を含む駆動システムの構成例について図３を用いて説明する。図３は、駆動システムの構成を示すブロック図である。なお、本実施例に係る駆動システムは、たとえば、電気自動車や産業用ロボット等の駆動システムに対して適用することができる。

図３に示すように、本実施例に係る駆動システムは、モータ１と、速度検出部２と、電源部３と、切替器４ａ，４ｂと、制御部５とを含んで構成される。なお、図３では、駆動システムの特徴を説明するために必要な構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

速度検出部２は、モータ１の回転速度を検出する検出部である。かかる速度検出部２によって検出された回転速度は、制御部５へ出力される。なお、速度検出部２としては、たとえば、エンコーダやレゾルバ等を用いることができる。

電源部３は、モータ１に対して駆動電力を供給する。切替器４ａは、制御部５からの指示に従い、第１巻線１２１に対する通電状態のオン／オフを切り替える。また、切替器４ｂは、制御部５からの指示に従い、第２巻線１２２に対する通電状態のオン／オフを切り替える切替器である。

制御部５は、速度検出部２によって検出されるモータ１の回転速度に基づいて切替器４ａ，４ｂの切り替えを行う制御部である。

ここで、制御部５が実行する処理手順について図４を用いて説明する。図４は、制御部５が実行する処理手順を示すフローチャートである。なお、図４においては、制御部５が、速度検出部２から回転速度を取得してから切替器４ａ，４ｂの切り替えを行うまでの処理手順について示している。

図４に示すように、制御部５は、速度検出部２からモータ１の回転速度を取得し（ステップＳ１０１）、モータ１の現在の駆動状態が低速駆動状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御部５は、取得した回転速度が所定の閾値未満であれば低速駆動状態であると判定し、所定の閾値以上であれば高速駆動状態であると判定する。

なお、制御部５は、たとえば、所定の閾値を図示しない記憶部にあらかじめ記憶しており、かかる記憶部から所定の閾値を読み出し、速度検出部２から取得した回転速度と比較するものとする。

かかる処理においてモータ１の現在の駆動状態が低速駆動状態であると判定した場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、制御部５は、第１巻線１２１および第２巻線１２２に対して通電を行う（ステップＳ１０３）。すなわち、制御部５は、切替器４ａおよび切替器４ｂを共にオンに切り替えて、処理を終了する。

一方、モータ１の現在の駆動状態が低速駆動状態ではない場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、すなわち、高速駆動状態である場合には、第１巻線１２１のみに対して通電を行う（ステップＳ１０４）。すなわち、制御部５は、切替器４ａをオンに切り替えるとともに、切替器４ｂをオフに切り替えて、処理を終了する。

上述してきたように、本実施例１では、モータ１が、周方向に沿って複数のスロット１１２が形成された固定子コア１１と、固定子コア１１のスロット１１２へ設けられ、高速駆動状態および低速駆動状態の両状態において用いられる第１巻線１２１と、スロット１１２へ設けられ、低速駆動状態において用いられる第２巻線１２２とを備え、第１巻線１２１の巻数を第２巻線１２２の巻数よりも多くした。したがって、第１巻線の巻数および第２巻線の巻数を同一とした場合と比較して、高速駆動状態における占積率が向上し、損失が低下するため、高速駆動状態における効率を向上させることができる。

また、本実施例１では、第１巻線１２１を、スロット１１２の領域のうち、第２巻線１２２よりも回転子２０から遠い側の領域へ設けることとした。したがって、固定子巻線１２において発生した熱のスロット１１２への放熱効果を高めることができる。

ところで、上述してきた実施例１では、スロット１１２の領域のうち固定子１０の外周側の領域に対して第１巻線１２１を設け、内周側の領域に対して第２巻線１２２を設けることとした。しかし、第１巻線および第２巻線の配置関係は、これに限ったものではない。

以下では、第１巻線および第２巻線の配置関係の他の例について図５を用いて説明する。図５は、実施例２に係る固定子の構成を示す図である。なお、以下では、既に説明した部分と同様の部分については、既に説明した部分と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図５に示すように、実施例２に係る固定子１０ａでは、実施例１に係る固定子１０とは異なり、高速駆動状態および低速駆動状態の両状態において用いる第１巻線１２１ａが、スロット１１２の領域のうち固定子１０ａの内周側の領域に対して設けられる。また、固定子１０ａでは、低速駆動状態において用いる第２巻線１２２ａが、スロット１１２の領域のうち固定子１０ａの外周側の領域に対して設けられる。

すなわち、実施例２では、隣接するティース１１１間の距離が短い領域に対して、巻数がより多い第１巻線１２１ａを設けることとした。これにより、実施例１のように固定子１０の外周側の領域に対して第１巻線１２１を設け、内周側の領域に対して第２巻線１２２を設けた場合と比較して、漏れインダクタンスの発生を抑えることができる。なお、実施例１と同様、第１巻線１２１ａの巻数は、第２巻線１２２ａの巻数よりも多い。

上述したように実施例２では、第１巻線１２１ａを、スロット１１２の領域のうち、第２巻線１２２ａよりも回転子２０に近い側の領域へ設けることとしたため、漏れインダクタンスの発生を低減することができる。

また、第１巻線および第２巻線は、スロット１１２の同一の領域に設けることとしてもよい。以下では、かかる場合の例について図６を用いて説明する。図６は、実施例３に係る固定子の構成を示す図である。

図６に示すように、実施例３に係る固定子１０ｂでは、実施例１に係る固定子１０および実施例２に係る固定子１０ａとは異なり、第１巻線１２１ｂおよび第２巻線１２２ｂが、スロット１１２の同一の領域へ設けられる。

具体的には、たとえば、第１巻線１２１ｂを巻装したのち第２巻線１２２ｂを第１巻線１２１ｂの上から巻装すればよい。なお、これに限らず、第２巻線１２２ｂを巻装したのち第１巻線１２１ｂを第２巻線１２２ｂの上から巻装してもよいし、第１巻線１２１ｂおよび第２巻線１２２ｂを同時に巻装させてもよい。

また、第１巻線１２１ｂおよび第２巻線１２２ｂは、巻き始めおよび巻き終わりの位置が同一位置となるように、異なる巻回ピッチで巻装されるものとする。ただし、第１巻線１２１ｂの巻き始めの位置または巻き終わりの位置は、第２巻線１２２ｂの巻き始めの位置または巻き終わりの位置と必ずしも同一位置とする必要はない。すなわち、第１巻線１２１ｂの巻装領域および第２巻線１２２ｂの巻装領域は完全に重複する必要はなく、第１巻線１２１ｂまたは第２巻線１２２ｂの巻装領域の一部が、他方の巻装領域の一部と重複していればよい。

このように、第１巻線１２１ｂと第２巻線１２２ｂとを、スロット１１２の同一の領域へ設けることとすれば、実施例１に係る固定子１０のように固定子巻線１２において発生した熱のスロット１１２への放熱効果を高めることができるとともに、実施例２に係る固定子１０ａのように漏れインダクタンスの発生も抑えることができる。

なお、上述してきた各実施例では、図１に示すような所謂インナーロータ型のモータに対して本願の開示する回転電機を適用した場合の例について説明してきたが、これに限ったものではなく、本願の開示する回転電機は、固定子の外周側に回転子を配置した所謂アウターロータ型のモータに対して適用することもできる。また、本願の開示する回転電機は、モータのような電動機に限らず、発電機に対して適用することも可能である。

また、上述してきた各実施例では、本願の開示する電機子が固定子である場合、すなわち、電機子巻線が固定子側へ設けられる場合の例について説明したが、これに限ったものではなく、本願の開示する電機子は、回転子であってもよい。

また、上述した各実施例では、第１巻線および第２巻線が、同一のスロットへ設けられる場合の例について説明したが、第１巻線および第２巻線は、実施例３のように同一のスロットの同一の領域へ設ける場合を除き、異なるスロットへ設けてもよい。たとえば、各スロットに対して第１巻線および第２巻線を交互に設けることとしてもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施の形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１モータ
２速度検出部
３電源部
４ａ，４ｂ切替器
５制御部
１０，１０ａ，１０ｂ固定子
１１固定子コア
１２固定子巻線
２０回転子
２１回転子コア
２２永久磁石
３０シャフト
１１１ティース
１１２スロット
１２１，１２１ａ，１２１ｂ第１巻線
１２２，１２２ａ，１２２ｂ第２巻線

Claims

周方向に沿って複数のスロットが形成された電機子コアと、
前記電機子コアのスロットへ設けられ、第１速度状態および該第１速度状態よりも低速な第２速度状態の両状態において用いられる第１の電機子巻線と、
前記電機子コアのスロットへ設けられ、前記第２速度状態において用いられる第２の電機子巻線と
を備え、
前記第１の電機子巻線の巻数が前記第２の電機子巻線の巻数よりも多いことを特徴とする回転電機の電機子。
前記第１の電機子巻線は、前記スロットの領域のうち、前記第２の電機子巻線よりも界磁から遠い側の領域へ設けられることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の電機子。
前記第１の電機子巻線は、前記スロットの領域のうち、前記第２の電機子巻線よりも界磁に近い側の領域へ設けられることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の電機子。
前記第１の電機子巻線と前記第２の電機子巻線とが、前記スロットの同一の領域へ設けられることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の電機子。
電機子および界磁を備える回転電機であって、
前記電機子は、
周方向に沿って複数のスロットが形成された電機子コアと、
前記電機子コアのスロットへ設けられ、第１速度状態および該第１速度状態よりも低速な第２速度状態の両状態において用いられる第１の電機子巻線と、
前記電機子コアのスロットへ設けられ、前記第２速度状態において用いられる第２の電機子巻線と
を備え、
前記第１の電機子巻線の巻数が前記第２の電機子巻線の巻数よりも多いことを特徴とする回転電機。