JP7539775B2 - 電気機械素子および電気機械 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、電気機械に関する。より詳細には、本開示は、少なくとも１つの多相巻線、例えば、三相巻線を含む電気機械素子に関する。電気機械素子は、例えば、電気機械の固定子の一部または電気機械の回転子の一部とすることができる。さらに、本開示は、電気機械に関する。

従来の永久磁石機械の設計では、永久磁石機械の公称回転速度は、約４０％以上安全に超えることはできない。例えば、公称回転速度が２０００回転／分「ｒｐｍ」である場合、最大推奨速度は約２８００ｒｐｍであることを意味する。この制限は、永久磁石機械の逆起電力「ＥＭＦ」が、永久磁石機械の回転速度の関数として直線的に増加するためである。障害状況では、交流「ＡＣ」システム、例えば、永久磁石機械に接続されている変換器は、必ずしも永久磁石機械の逆起電力を抑制することができるとは限らない。過回転中の抑制されていない逆起電力および上述の種類の障害状況は、永久磁石機械および／または永久磁石機械に接続されたＡＣシステムを損傷する可能性がある過電圧状況の原因となる。

上述の技術的問題は、別の方法では必要とされるであろう、より高い公称回転速度を有する永久磁石機械を選択することにより、解決されることも少なくない。しかしながら、この回避策は、所与のピーク電流で到達することができる最大ピークトルクを制限する。したがって、ＡＣシステム、例えば、永久磁石機械に接続されている変換器は、より高いピーク電流用に設計する必要がある。また、所与の定常状態電流で到達することができる達成可能な定常状態トルクは減少するため、ＡＣシステムもより高い定常状態電流用に設計する必要がある。

誘導機で実装される可変速駆動装置には、誘導機の公称回転速度の選択に関連する独自の課題がある。誘導機に関連して、公称回転速度は、界磁を弱めることなく、つまり、誘導機の破壊トルクを低下させることなく、公称固定子電圧で達成可能な速度である。上述の公称回転速度が高ければ高いほど、必要なトルクを所与の磁束、例えば、誘導機の公称磁束で生成するために必要な固定子電流が高くなる。

以下は、様々な実施形態のうちのいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略化された要約を提示する。この要約は、本発明の広範な概要ではない。本発明の主要または重要な素子を特定することも、本発明の範囲を詳述することも意図していない。以下の要約は、例示的な実施形態のより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化された形で単に提示するものである。

本発明によれば、電気機械用の新たな電気機械素子が提供される。電気機械素子は、例えば、電気機械の固定子の一部または回転子の一部とすることができる。本発明による電気機械素子は、
－電気機械素子の外部の交流システムに接続するための電気端子と、
－前記電気端子に接続され、各々が第１の端部および第２の端部を有する相巻線を各々含む、少なくとも２つの多相巻線部分を含む、少なくとも１つの多相巻線と、
を備える。

多相巻線部分は、多相巻線の各位相が、考慮中の位相に属する相巻線の鎖であるように、互いに連続して接続され、そのため、考慮中の位相に属する各相巻線の第２の端部から、考慮中の位相に属する電気端子の１つまでの電流経路は、考慮中の少なくとも相巻線を含む。各多相巻線部分は、考慮中の多相巻線部分の相巻線の第２の端部を互いに接続するためのスイッチを含む。したがって、各多相巻線部分は、考慮中の多相巻線部分の相巻線の第２の端部にスターポイントを有するように配置することができる。

多相巻線の巻数は、多相巻線部分のうちのどれが、その相巻線の第２の端部にスターポイントを有するかを選択することによって変更することができる。したがって、本発明による電気機械素子を含む電気機械の公称回転速度は、多相巻線部分のうちのどれが、スターポイントを有するかを選択することによって、変更することができる。

例示的かつ非限定的な実施形態による機械素子は、各々が上記の種類の多相巻線である２つ以上の多相巻線を備える。機械素子は、例えば、３０度の電気角度の物理的な位相変位を有する２つの三相巻線を備えてもよい。

本発明によれば、互いに対して回転可能に支持されている第１および第２の機械素子を含む新たな電気機械も提供され、第１の機械素子は、本発明による電気機械素子である。第１の機械素子は、例えば、電気機械の固定子の一部とすることができ、第２の機械素子は、電気機械の回転子とすることができる。

様々な例示的かつ非限定的な実施形態は、添付の従属請求項に記載されている。

構造および動作方法の両方に関する様々な例示的かつ非限定的な実施形態は、その追加の目的および利点とともに、添付の図面と併せて読まれたときに、特定の例示的かつ非限定的な実施形態の以下の説明から最もよく理解されるであろう。

この文書では、「備える」および「含む」という動詞は、列挙されていない特徴の存在を除外または要求しないオープン制限として使用される。従属請求項に列挙されている特徴は、特に明記されていない限り、相互に自由に組み合わせることができる。さらに、本文書を通して「ａ」または「ａｎ」、すなわち単数形の使用は複数を排除しないことを理解されたい。

例示的かつ非限定的な実施形態およびそれらの利点は、例示の意味で、添付の図面を参照して、以下により詳細に説明される。

図１ａは、例示的かつ非限定的な実施形態による、電気機械素子の多相巻線の回路図を示す。 図１ｂは、図１ａに示される多相巻線を含む永久磁石機械の動作を示す。 図１ｃは、図１ａに示される多相巻線を含む永久磁石機械の動作を示す。 図１ｄは、例示的かつ非限定的な実施形態による、電気機械素子のコア構造のスロット内に位置付けられた導電体を示す。 図２は、例示的かつ非限定的な実施形態による、電気機械素子の多相巻線の回路図を示す。 図３は、例示的かつ非限定的な実施形態による電気機械を示す。

例示的かつ非限定的な実施形態の説明
以下の説明で提供される特定の実施例は、添付の特許請求の範囲および／または適用可能性を制限するものとして解釈されるべきではない。説明で提供されている実施例の表および群は、特に明記されていない限り網羅的ではない。

図１ａは、例示的かつ非限定的な実施形態による、電気機械素子の多相巻線１０２の回路図を示す。電気機械素子は、例えば、電気機械の固定子の一部または電気機械の回転子の一部とすることができる。電気機械素子は、電気機械素子の外部の交流「ＡＣ」システムに接続するための電気端子１０１を備える。ＡＣシステムは、例えば、電気機械素子を含む電気機械を駆動するように構成された周波数変換器などの変換器とすることができる。多相巻線１０２は、電気端子１０１に接続されており、多相巻線１０２は、２つの多相巻線部分１０３および１０４を備える。多相巻線部分１０３は、相巻線１０６ａ、１０６ｂ、および１０６ｃを備え、多相巻線部分１０４は、相巻線１０７ａ、１０７ｂ、および１０７ｃを備える。各相巻線は、第１の端部および第２の端部を有する。図１ａでは、相巻線１０６ａおよび１０７ｂの第１の端部は、参照番号１０９および１１１でそれぞれ示されている。相巻線１０６ａおよび１０７ｂの第２の端部は、参照番号１１０および１１２でそれぞれ示されている。多相巻線部分１０３および１０４は、多相巻線１０２の各位相が、考慮中の位相に属する相巻線の鎖であるように、互いに連続して接続され、そのため、考慮中の位相に属する各相巻線の第２の端部から、考慮中の位相に属する電気端子の１つまでの電流経路は、考慮中の少なくとも相巻線を含む。図１ａでは、位相ａに属する相巻線の鎖は参照番号１１３ａで示され、位相ｂに属する相巻線の鎖は参照番号１１３ｂで示され、位相ｃに属する相巻線の鎖は参照番号１１３ｃで示される。

多相巻線部分１０３は、相巻線１０６ａ、１０６ｂ、および１０６ｃの第２の端部にスターポイントを形成するために、相巻線１０６ａ、１０６ｂ、および１０６ｃの第２の端部を互いに接続するためのスイッチ１１４ａおよび１１４ｂを備える。 同様に、多相巻線部分１０４は、相巻線１０７ａ、１０７ｂ、および１０７ｃの第２の端部にスターポイントを形成するために、相巻線１０７ａ、１０７ｂ、および１０７ｃの第２の端部を互いに接続するためのスイッチ１１５ａおよび１１５ｂを備える。多相巻線１０２の巻数は、多相巻線部分１０３および１０４のどちらがその相巻線の第２の端部にスターポイントを有するかを選択することによって、変更可能である。図１ａに示されるように、各多相巻線部分のスイッチは、各多相巻線部分のスイッチの数が多相巻線１０２の位相の数よりも1つ少なくなるように、考慮中の多相巻線部分の相巻線の第２の端部間に接続される。この例示の場合では、各多相巻線部分のスイッチの数は２個であり、多相巻線１０２の位相の数は３個である。上述のスイッチの各々は、例えば、電気機械式スイッチまたは電子半導体スイッチとすることができる。電気機械式スイッチは、例えば、リレー接触器を含んでもよく、電子半導体スイッチは、例えば、逆平行接続されたゲートターンオフ「ＧＴＯ」サイリスタを含んでもよい。

例示的かつ非限定的な実施形態による電気機械素子では、多相巻線部分１０３および１０４の両方の相巻線は、同じ巻数を有する。

例示的かつ非限定的な実施形態による電気機械素子では、多相巻線部分１０３および１０４のうちの第１の部分の各相巻線の巻数は、多相巻線部分の第２の部分の各相巻線の巻数よりも少ない。多相巻線部分の第１の部分は、例えば、多相巻線部分１０３とすることができ、この場合、多相巻線部分の第２の部分は、多相巻線部分１０４である。多相巻線部分１０４の各相巻線の巻数は、例えば、多相巻線部分１０３の各相巻線の巻数の少なくとも２倍または３倍とすることができる。

図１ｂおよび図１ｃは、図１ａに示される多相巻線１０２を含む、永久磁石機械１３１の動作を示す。図１ｂおよび図１ｃに示される例示の場合では、多相巻線部分１０３および１０４の両方の相巻線は、実質的に同じ巻数を有すると想定される。図１ｂに示される例示の状況では、スイッチ１１４ａおよび１１４ｂは非導通状態にあり、スイッチ１１５ａおよび１１５ｂは導通状態にある。図１ｃに示される例示の状況では、スイッチ１１４ａおよび１１４ｂは導通状態にあり、スイッチ１１５ａおよび１１５ｂは非導通状態にある。図１ｂおよび図１ｃに示される例示の場合では、交流「ＡＣ」システム１３０によって供給され得る最大実効値「ＲＭＳ」固定子電流ＩはＩｍａｘであり、ＡＣシステム１３０によって供給され得る最大ＲＭＳ固定子電圧ＵはＵｍａｘであると想定される。 さらに、永久磁石機械１３１は、非常に効果的に冷却され、ＡＣシステム１３０が図１ｂおよび図１ｃに示される例示の状況の両方において制限因子であると想定される。さらに、永久磁石機械１３１の最大許容逆起電力はＥｍａｘであると想定される。図１ａおよび図１ｂは、ＲＭＳ固定子電流がＩｍａｘであり、ＲＭＳ固定子電圧Ｕが、最初にＵｍａｘまで直線的に増加し、その後、ＲＭＳ固定子電圧ＵがＵｍａｘになるときに、回転速度ｎの関数としてトルクＴおよび逆起電力Ｅを示す。逆起電力が最大許容逆起電力を超える、許容されない速度領域は、斜線のハッチングで示される。図１ａおよび図１ｂに示されるように、永久磁石機械１３１は、回転速度ｎがｎ_max１未満であるとき、必要なトルクを作り出すためにより少ない固定子電流が必要とされるため、図１ｂに示される状態にあることが有利である。永久磁石機械１３１は、回転速度ｎがｎ_max1～ｎ_max2の範囲内にあるとき、そうでなければ逆起電力が最大許容逆起電力Ｅｍａｘを超えるため、図１ｃに示される状態にあることが有利である。

図１ｄは、例示的かつ非限定的な実施形態による、電気機械素子のコア構造のスロット内に位置付けられた導電体を示す。この例示の場合では、電気機械素子の多相巻線は、図１ａに示すようなものである。導電体１２０、１２１、１２２、および１２３は、多相巻線部分１０３の相巻線のうちの１つの直列接続巻線を表し、導電体１２４、１２５、１２６、および１２７は、多相巻線部分１０４の相巻線のうちの１つの直列接続巻線を表す。各導電体１２０～１２７は、導電性材料、例えば、銅の単縦線、または、導電性材料の多数の並列接続電線の束とすることができる。

スロットの断面積Ａは、例えば、ｉｉ）スロット内の合計電流が、図１ｂおよび図１ｃに示される両方の状況で同じであるときに、ｉ）スロット内の抵抗損失が、図１ｂおよび図１ｃに示される両方の状況で同じになるように、多相巻線部分１０３と１０４との間で共有することができる。

直列接続された導電体１２０～１２３の抵抗は、
Ｒ１＝ＮＬ／（（Ａ₁／Ｎ）δｆ） （１）
式中、Ｌは、スロットの軸方向の長さ、つまり座標系１９９のｚ方向の長さであり、Ａ₁は、直列接続された導電体１２０～１２３が占める断面積であり、δは、導電性材料の導電率であり、ｆは、スロットの断面積Ａに対する導電性材料の充填率であり、Ｎは、スロット内の直列接続された導電体１２０～１２３の数である。この例示の場合では、Ｎ＝４である。

同様に、直列接続された導電体１２４～１２７の抵抗は、
Ｒ２＝ＮＬ／（Ａ₂／Ｎ）δｆ） （２）
式中、Ａ₂は、直列接続された導電体１２４～１２７が占める断面積である。簡単にするために、スロット内の直列接続された導電体１２４～１２７の数は、スロット内の直列接続された導電体１２０～１２３の数Ｎと同じである。

図１ｂに示される状況では、直列接続された導電体１２０～１２３のみが電流を流す。図１ｃに示される状況では、直列接続された導電体１２０～１２７すべてが電流を流す。したがって、スロット内の合計電流は、
ＮＩ₁＝２ＮＩ₂ （３）
の場合、図１ｂおよび図１ｃに示される両方の状況で同じであり、
式中、Ｉ₁は、図１ｂに示される状況の固定子電流であり、Ｉ₂は、図１ｃに示される状況の固定子電流である。スロット内の抵抗損失は、
Ｉ₁ ²Ｒ₁＝Ｉ₂ ²（Ｒ₁＋Ｒ₂） （４）
の場合、図１ｂおよび図１ｃに示される両方の状況で同じであり、
式中、Ｒ₁＋Ｒ₂は、直列接続された導電体１２０～１２７すべての抵抗である。
式１～３を式４に代入すると、
４／Ａ₁＝１／Ａ₁＋１／Ａ₂＝（Ａ₁＋Ａ₂）／（Ａ₁Ａ₂）＝Ａ／（Ａ₁Ａ₂） （５）
となり、
Ａ₂＝Ａ／４およびＡ₁＝３Ａ／４となる。したがって、この例示の場合では、スロットの断面積Ａの７５％は、多相巻線部分１０３に割り当てられ、スロットの断面積Ａの２５％は、多相巻線部分１０４に割り当てられる。したがって、この例示の場合では、多相巻線部分１０３の相巻線の各巻線の導体断面積は、多相巻線部分１０４の相巻線の各巻線の導体断面積の３倍である。 また、例えば、図１ｂおよび図１ｃに示される状況に関連する性能要件、および／または多相巻線部分の異なる部分に関連するコイル巻数間の比率などの要因に応じて、異なる導体断面積比を使用することも可能である。

図２は、例示的かつ非限定的な実施形態による、電気機械素子の多相巻線２０２の回路図を示す。電気機械素子は、電気機械素子の外部の交流システムに接続するための電気端子２０１を備える。多相巻線２０２は、電気端子２０１に接続され、３つの多相巻線部分２０３、２０４、および２０５を備える。多相巻線部分２０３～２０５の各々は、３つの相巻線を備え、各相巻線は、第１の端部および第２の端部を有する。多相巻線部分２０３～２０５は、多相巻線の各位相が、考慮中の位相に属する相巻線の鎖であるように、互いに連続して接続され、そのため、考慮中の位相に属する各相巻線の第２の端部から、考慮中の位相に属する電気端子の１つまでの電流経路は、考慮中の少なくとも相巻線を含む。図２では、位相ａに属する相巻線の鎖は、参照番号２１３ａで示され、位相ｂに属する相巻線の鎖は、参照番号２１３ｂで示され、位相ｃに属する相巻線の鎖は、参照番号２１３ｃで示されている。

多相巻線２０２は、多相巻線部分２０３の相巻線の第２の端部を互いに接続するためのスイッチ２１４ａおよび２１４ｂ、多相巻線部分２０４の相巻線の第２の端部を互いに接続するためのスイッチ２１５ａおよび２１５ｂ、および多相巻線部分２０５の相巻線の第２の端部を互いに接続するためのスイッチ２１６ａおよび２１６ｂを備える。多相巻線２０２の巻数は、多相巻線部分２０３～２０５のうちのどれが、その相巻線の第２の端部にスターポイントを有するかを選択することによって、変更可能である。

図３は、例示的かつ非限定的な実施形態による、電気機械の部分断面図を示す。電気機械は、例示的かつ非限定的な実施形態による、第１の機械素子３００を含む。電気機械は、第１の機械素子３００に対して回転可能に支持されている第２の機械素子３１８を含む。この例示の場合では、機械素子３００は、電気機械の固定子の一部であり、機械素子３１８は、電気機械の回転子である。第１の機械素子３００は、例えば、図１ａに示されるようなものとすることができる多相巻線３０２を備える。第１の機械素子３００は、多相巻線３０２の多相巻線部分のうちのどれが、その相巻線の端部にスターポイントを有するかを選択するためのスイッチ３１４ａ、３１４ｂ、３１５ａ、および３１５ｂを備える。

図３に示される例示的な電気機械は、例えば、第２の機械素子３１８、すなわちロータが、第１の機械素子３００と相互作用する磁束を作り出すための永久磁石材料を含む永久磁石機械とすることができる。例示的かつ非限定的な実施形態による電気機械は、誘導機または電気的に励起された同期機であることも可能である。

図３に示される例示的な電気機械では、電気機械素子３００のコア構造３１７は、多相巻線３０２のコイル側を含むスロットを含む。例示的かつ非限定的な実施形態による電気機械素子は、エアギャップ巻線である多相巻線を含むことも可能である。

図３に示される例示的な電気機械は、内部回転子型放射状磁束機械である。例示的かつ非限定的な実施形態による電気機械素子は、軸方向磁束機械の一部または外部回転子型半径方向磁束機械の一部とすることも可能である。

上記の説明で提供された特定の実施例は、添付の特許請求の範囲の適用可能性および／または解釈を制限するものとして解釈されるべきではない。この文書に記載されている実施例の表および群は、特に明記されていない限り、網羅的な表および群ではないことに留意されたい。

１０１ 電気端子
１０２ 多相巻線
１０３，１０４ 多相巻線部分
１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ 相巻線
１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ 相巻線
１０９ 第１の端部
１１０ 第２の端部
１１１ 第１の端部
１１２ 第２の端部
１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ 相巻線の鎖
１１４ａ，１１４ｂ，１１５ａ，１１５ｂ スイッチ
１２０～１２７ 導電体
１３０ 交流システム
１３１ 永久磁石機械
１９９ 座標系
２０１ 電気端子
２０２，２０４ 多相巻線
２０３～２０５ 多相巻線部分
２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ 相巻線の鎖
２１４ａ，２１４ｂ，２１５ａ，２１５ｂ スイッチ
２１６ａ，２１６ｂ スイッチ
３００ 第１の機械素子
３０２ 多相巻線
３１４ａ，３１４ｂ，３１５ａ，３１５ｂ スイッチ
３１７ コア構造
３１８ 第２の機械素子

Claims (13)

1. 電気機械素子（３００）であって、
   －前記電気機械素子の外部の交流システムに接続するための電気端子（１０１、２０１、３０１）と、
   －前記電気端子に接続され、各々が第１の端部（１０９、１１１）および第２の端部（１１０、１１２）を有する相巻線（１０６ａ～１０６ｃ、１０７ａ～１０７ｃ）を各々含む、少なくとも２つの多相巻線部分（１０３、１０４、２０３～２０５）を含む、少なくとも１つの多相巻線（１０２、２０２、３０２）と、
   －コア構造（３１７）に設けられ、前記多相巻線部分の前記相巻線を含むスロットと、
   を備え、
   前記多相巻線部分は、前記多相巻線の各位相が、考慮中の前記位相に属する前記相巻線の鎖（１１３ａ～１１３ｃ、２１３ａ～２１３ｃ）であるように、互いに連続して接続され、そのため、考慮中の前記位相に属する前記各相巻線の第２の端部から、考慮中の前記位相に属する前記電気端子の１つまでの電流経路は、考慮中の少なくとも前記相巻線を含み、
   前記各多相巻線部分は、考慮中の前記多相巻線部分の前記相巻線の前記第２の端部を互いに接続するためのスイッチ（１１４ａ、１１４ｂ、１１５ａ、１１５ｂ、２１４ａ、２１４ｂ、２１５ａ、２１５ｂ、２１６ａ、２１６ｂ、３１４ａ、３１４ｂ、３１５ａ、３１５ｂ）を含み、
   前記スロットは、前記多相巻線部分の第１の部分（１０３）に割り当てられる第１断面部分と、前記多相巻線部分の第２の部分（１０４）に割り当てられる第２断面部分と、を備え、
   前記第１断面部分に通電可能であり、
   前記第２断面部分に前記第１断面部分と同時に通電可能であり、
   前記多相巻線部分の前記第１の部分（１０３）の前記相巻線の各巻線の導体断面積は、前記多相巻線部分の前記第２の部分（１０４）の前記相巻線の各巻線の導体断面積よりも大きい、
   ことを特徴とする、電気機械素子。
2. 前記各多相巻線部分のスイッチ（１１４ａ、１１４ｂ、１１５ａ、１１５ｂ、２１４ａ、２１４ｂ、２１５ａ、２１５ｂ、２１６ａ、２１６ｂ）は、考慮中の前記多相巻線部分の前記スイッチの数が前記多相巻線の前記位相の数よりも1つ少なくなるように、考慮中の前記多相巻線部分の前記相巻線（１０６ａ～１０６ｃ、１０７ａ～１０７ｃ）の前記第２の端部間に接続される、請求項１に記載の電気機械素子。
3. 前記多相巻線部分の前記第１の部分（１０３）は、前記電気端子（１０１）と、前記多相巻線部分の前記第２の部分（１０４）との間にある、請求項１または２に記載の電気機械素子。
4. 前記多相巻線部分すべての前記相巻線部分は、同じ巻数を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械素子。
5. 前記多相巻線部分の前記第１の部分（１０３）の各相巻線の巻数は、前記多相巻線部分の前記第２の部分（１０４）の各相巻線の巻数よりも少ない、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械素子。
6. 前記多相巻線部分の前記第２の部分の前記各相巻線の巻数は、前記多相巻線部分の前記第１の部分の前記各相巻線の巻数の少なくとも２倍である、請求項５に記載の電気機械素子。
7. 前記多相巻線部分の前記第２の部分の前記各相巻線の巻数は、前記多相巻線部分の前記第１の部分の前記各相巻線の巻数の少なくとも３倍である、請求項６に記載の電気機械素子。
8. 前記多相巻線部分の前記第１の部分は、前記電気端子と、前記多相巻線部分の前記第２の部分との間にある、請求項５から７のいずれか一項に記載の電気機械素子。
9. 前記電気機械素子（３００）は、交流電気機械の固定子の一部である、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気機械素子。
10. 前記電気機械素子（３００）は、内部回転子型交流電気機械の固定子の一部である、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気機械素子。
11. 互いに対して回転可能に支持されている第１および第２の機械素子（３００、３１８）を含む電気機械であって、前記第１の機械素子は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気機械素子である、電気機械。
12. 前記第２の機械素子（３１８）は、前記第１の機械素子と相互作用する磁束を作り出すための永久磁石材料を含む、請求項１１に記載の電気機械。
13. 前記第１の機械素子（３００）は、前記電気機械の固定子の一部であり、前記第２の機械素子（３１８）は、前記電気機械の回転子である、請求項１１または１２のいずれか一項に記載の電気機械。

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