JPS5810940B2 - Ｍ ソウコウリユウキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転子と固定子とを具え、該固定子にはコイル
から成る固定子巻線を設け、該コイルの作用部分を平滑
な固定子表面と回転子との間の空隙に配置したＭ相交流
機に関するものである。

斯種の交流機では固定子と回転子との間の空隙に隣接す
る固定子の溝の中にコイルを配置するのが普通であり、
この場合上記溝は回転子の回転方向に垂直の方向に延在
させている。

コイル巻線はその巻回分布が略々正弦波状になるように
溝の上に配置しているが、このようにするも完全に正弦
波状とすることはできない。

固定子に溝を形成することによって、空隙は回転方向に
周期的に変化するため、正弦波形状からのずれはより一
層大きくなる。

本発明の目的は上述した欠点を軽減することにあり、こ
の目的達成のため本発明によれば各相のコイルの半径方
向の横断面の寸法を、回転子の回転方向において９０°
の電気角にわたって（ｎ−１）個の等しいステップで最
大値ｘから最小値ｘ／ｎにまで減少させると共に、つぎ
の９０°の電気角）こわたって（ｎ−１）個の等しいス
テップで最小値ｘ／ｎから最大値ｘにまで増大させるよ
うにし、かつ、種々の相のコイルを固定子巻線の全体の
厚さが一定、かつ最小となるように組立て、連続相のコ
イルを回転子の回転方向において１８０／Ｍの電気角に
わたってシフトさぜ、ここにｎを１より大きい整数とし
、かつＭ／ｎをＭが奇数の場合に整数となるようにする
。

コイルを平坦とする場合でも空隙は実質上大きくなり、
このために磁気誘導、従って原理的にはトルクが低下す
るのが普通であるが、固定子の歯がなくなり、これによ
り固定子の内径が大きくなるため、固定子の外径が同じ
でも回転子を大きくすることができるためにトルクは増
加する。

また、固定子に溝を設けると、固定子の歯に集中される
磁束は固定子の鉄を局部的に飽和するため、有効空隙は
構造上の空隙よりも大きくなり、鉄の透磁率は実質的に
低下する。

さらに、溝なし固定子の鉄損は小さくなる。

その理由は、うず電流およびヒステリシス損は磁気誘導
の２乗に略々比例し、この磁気誘導は溝付固定子の歯の
内部では溝なし固定子のそれよりも遥かに高いからであ
る。

また、空隙内に設けられるコイルの電流密度を高くする
ことができる。

その理由は、特にコイルが扁平形状のために空隙と固定
子法との接触表面が大きくなり、それらの冷却が一層良
好となるからである。

本発明の好適な実施に当っては、固定子巻線をその上側
領域を除いて空隙内に完全に配置し、コイルの厚さを回
転子の回転方向にステップ状に変化させて、コイルの中
心からその両側にほぼ１／ｎの長さ部分にわたって一定
の厚さとし、コイルの中心において厚さが最小のｘ／ｎ
となるようにすると共に、コイルの中心から外側に向っ
てコイルの厚さが等しいステップで最大厚さのｘにまで
増大するようにする。

このようにすれば、コイルを回転子の側部における固定
子上に完全に取付けることができ、しかも、コイルを空
隙の位置にて互いに掛合させて、コイルを連続平坦層と
することができるため、空隙内にて固定子巻線用に用い
る空間を有効に利用し得ると共に磁界分布も正弦波に極
めて近似させることができる。

コイルの巻回作用を簡易化するために、コイルの厚さを
一定としたい場合には、各コイルを厚さの等しいｎ個の
部分に分割し、これらの各部分を互いに直列に接続する
のが有利である。

さらに本発明の好適な実施に当っては、コイルを環状固
定子に環状コイルの形態にて取付けると共に、コイルの
厚さを回転子の回転方向にステップ状に変化させて、そ
の厚さが等しいステップで最小厚さｘ／ｎから最大厚さ
ｘまで増加するようにする。

このようにすれば、コイル端を小さくすることができ、
特に回転子が短い場合には上記コイル端にて大部分のエ
ネルギーが消費され、このエネルギーはトルクには側管
寄与せず、また、コイル端によって電動機は不必要に長
くなる。

さらに本発明によれば、環状コイルの幅を電気角で９０
°／ｎとすると共にすべての相のコイルを互いに同心的
に巻回する。

このようにすれば、使用するコイルの種類（形状）を最
小とすることができるため有利である。

この場合同相に属するコイルは互いに直列に接続する。

本発明交流機はかご形電機子を具える非同期機、ヒステ
リシス電動機或いは永久または付勢磁石を具える同期機
、或いはまた例えば塊状鋼製のリラクタンス回転子を具
える非同期機とすることができる。

特に上述した最後の２つの形式の電動機の場合に、それ
らを極めて高速用に設計する際には本発明を適用するの
が特に有利である。

その理由は、本発明によれば溝付固定子の場合に生ずる
非正弦波磁界の高調波が発生しないからである。

上記高調波によって発生するトルクによって、作動範囲
内の基本波のトルクが殆んど相殺させる不都合が生ずる
。

かご形電機子の場合には回転子枠の数およびその傾斜を
適当に選定することによって上記トルクに及ぼす影響を
十分に軽減させることができるが、特にヒステリシス電
動機および塊状鋼製の回転子を具える電動機の場合には
、斯様にすることはできない。

例えば、溝を１２個具え、すべりが１０％で、６００Ｈ
ｚで付勢される固定子を有する斯種の電動、機の場合に
は、磁界の第１１゜１３．２３および２５番目の高調波
のためにトルクが２０％だけ低下する。

さらに第１１番目のみの高調波による回転子内での熱損
失は基本波によるものの約８５％にまで達する。

塊状鋼製の回転子を具える高速回転用の本発明交流機で
は固定子の体積を従来の同一直径を有する回転子を具え
る電動機の固定子の１／２とすることができ、またこの
ようにするも出力は同程度に維持させることができる。

なお上述した所の「回転子」とはリニヤ−モータの可動
部分をも意味し、この部分は直径が非常に大きい回転子
の一部と見なすことができる。

また本明細書にて云う交流機とは電動機および発電機の
双方を意味するものである。

図面につき本発明を説明する。

第１図は周囲に１２個の溝を具える２極２相交流機用の
従来の固定子の磁界が特定瞬時にどのように変化するか
を示したものである。

溝の位置では磁界が実質上低下するため、発生トルクの
大きさは勿論悪影響を受けることは明らかである。

上記磁界分布に関連する高調波はうず電流およびヒステ
リシス損を実質上大きくすると共に、上記高調波に関連
するトルクを発生させる。

上記交流機は所望速度では上記高調波に関連する同期速
度よりも速い速度にて常時回転するので、交流機は上記
高調波に対して常に制動作用をもって作動するようにな
る。

第２図は本発明による斯種の交流機の固定子に対して測
定した磁界分布を示すものである。

これは第１図の磁界分布に較べて十分改善されたもので
あり、正弦波に極めて近似している。

第３３および４図は本発明による２相交流機の平巻巻線
の構成法を示したものであり、コイル１および２は同相
に属し、コイル３および４は何れも他の相に属する。

従って、上記交流機ではＭ−２である。

上記各コイルはそれらの側部方向にステップ状の変化部
を有する平巻コイルとして巻回する。

各コイルはその中心から出発して、幅すの１／４にわた
る中心の両側の厚さを１／２ｘとし、中心からｂ／４以
上ｂ／りまでの範囲のコイルの厚さをｘとする。

コイルは互いに掛合させることができ、このようにすれ
ばコイルは厚さが約３／２ｘの平坦な層になる。

これは空隙の位置においてそのようになるだけであり、
空隙の外部ではコイルの端部を僅かに曲げる必要がある
。

第３ｂ図の実線はコイルの巻回分布が正確に正弦波状と
なるようにした場合に第３ａ図の例における磁界の変化
を示したものであり、また点線は第３ａ図に示した電流
方向に対する実際の変動を表わしたものである。

これからも明らかなように、上記磁界の変動は正弦波に
極めて近似している。

より一層正弦波に近似させたい場合には、コイル導体の
半径方向の寸法を最小値ｘ／ｎから最大値ｘまで増加さ
せるステップ数、すなわちｎの数を増せばよい。

第３０および３ａ図はｎ ＝ ２にする第３ａおよび３
ｂ図と同様、ｎ ＝３およびｎ ＝ ４の場合の近似値
、すなわちｎを増加させた場合の改善結果を示したもの
である。

厚さが一定のコイルを作るのが好適な場合には、第５図
のようにすればよく、これに関連するコイルを第６ａお
よび６ｂ図に示す。

第５図のコイルはステップを付けなくても、各層の厚さ
がｘ ／ ｎの３つの層から成る巻線を重ねて平坦な層
に構成することができる。

第４図のコイルの場合には１つのタイプのコイルのみを
必要としたが、第５図の例の場合には第６ａおよび６ｂ
図から明らかなように２通りのタイプのコイルが必要と
なる。

第６ａおよび６ｂ図の関連する巻線を直列に接続すると
、これら２つのコイルの作動は第４図の１つのコイルの
作動と同じである。

第５図では第３ａ図のコイル１，２，３および４の部分
を同一符号にて示しである。

第７図は固定子巻線を環状巻線の形態とする構成法を示
したものである。

第８および９図に示すように、コイル１１〜１８は矩形
状のコイルとして巻回する。

これらのコイルは２極２相電動機の場合には第９図に示
すように環状固定子１９のまわりに配置する。

この場合、コイルは層の厚さがそれぞれｘ ／ ２およ
びｘの２つの同心層に巻回する。

コイルの形状から明らかなように、電動機の長さはコイ
ル端によっては殆ど増加しない。

第１０ａ図は第５図の巻線と類似の巻線、すなわちＭ＝
３、つまりｎ＝３の３相電動機用の段のない形状のコイ
ルから成る巻線を６個の層をもって構成する方法を示し
たものである。

各相に対応する層を第１０および１１図にそれぞれ陰影
領域■、■および■にて示す。

この場合における回転子の回転方向における磁界の変化
は第３ｃ図の場合と同じである。

また、互いに垂直方向に配置するコイル部分は直列、す
なわち１つの相に対して図示のようにコイル部分２１ａ
、２１ｂ、２１ｃを互いに直列に、またコイル部分２２
ａ、２２ｂおよび２２ｃも互いに直列に接続する。

第１０ｂ、１０ｃおよび１０ａ図は第１０ａ図の巻線に
必要なコイルパターンを示すものである。

３相電動機の場合には３つのタイプの平巻コイルが必要
である。

第１１図は２極３相電動機の場合に、環状に巻回したコ
イルをもって巻線を構成する方法を示したものである。

Ｍが偶数の場合の交流機に対するステップ数ｎは最小値
を２として任意に選定することができる。

その理由は、この場合電気角で１８０°位相シフトされ
る２つの相に関連する巻線は互いに正確に掛合するため
、厚さが一定の巻線を常に得ることができるからである
。

例えば、６相巻線は３個の２相巻線をもって構成するこ
とができ、この場合コイルのステップ数ｎは１より大き
い任意数とし、上記３個の２相巻線は回転子の回転方向
に対して互いに電気角で１２０°シフトさせる。

層当りの巻線の最小数および巻線の数とすべての層の有
効厚さとによって層の最小厚さ、従ってステップのとり
得る数が決定される。

６相電動機の巻線は、これら巻線を厚さが一定でない２
，３または６相コイルで形成する場合には、これらコイ
ルを互いに正確に掛合させて、第７，１０ａおよび１１
図に示すように、各対応するコイルが層当り１２０°、
１８０°または３６０°（０°）シフトされるようにし
て厚さが一定の３つ、２つまたは１つの層で構成するこ
とができる。

Ｍ／ｎを整数とすべき３相巻線を２個用いることもでき
、この場合にはステップ数ｎを３とする。

また、ｎ＝６で１個の６相巻線を形成することもできる
。

交流機の巻線の相数が奇数の場合には、ステップ数ｎを
任意に選定することはできない。

その理由は、この場合には巻線の厚さが一定にはならな
いからである。

このような場合には、Ｍ／ｎが整数すなわち、３相巻線
の場合にｎが３となり、５相巻線の場合にｎが５となる
ようにＭおよびｎを選定すべきである。

９相巻線の場合にはこれらをｎ＝３およびｎ＝９として
形成することができる。

最初の場合、即ちｎ＝３の場合には電気角で相対的に４
０°シフトされる３つの３相巻線で形成し、また第２の
場合には単一の９相巻線で形成する。

第１２図は回転子の直径が同一で、６００Ｈｚの交流電
圧にて付勢される２個の電動機に対するトルクおよび効
率の変化を回転速度の関数として示したものである。

これから明らかなように、すべりが僅かに大きくなると
、ギャップ巻線を具えると共に塊状鋼製の回転子を具え
る電動機のトルクは実線にて示すように、固定子に１２
個の溝を有する従来の電動機のトルクよりも遥かに大き
くなる。

斯る従来の電動機のトルクは点線にて示しである。

また効率は回転速度の全範囲に亘り従来の電動機の効率
よりも遥かに大きくなる。

本発明は例えばかご形回転子、リラクタンス回転子、ヒ
ステリシス回転子または永久磁石、或いは付勢磁石を具
える回転子の如き、あらゆるタイプの回転子を具える交
流機に適用することができることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は１２個の溝を有する２相交流機における従来の
固定子にて測定した磁界分布を示す特性図、第２図は本
発明による交流機の固定子にて測定した磁界分布を示す
特性図、第３ａ図は本発明による２相交流機における固
定子に取付ける巻線を直線に沿って展開した平巻巻線の
構成法を示す説明図、第３ｂ図は第３ａ図のコイル巻線
による回転子の回転方向の磁界の変動を理想的な正弦波
変動に対して示す特性図、第３ｃおよび３ａ図は第３ａ
ａよび３ｂ図の変形例をそれぞれ示す説明図および特性
図、第４図は第３ａ図のコイルの平面および側面図、第
５図は厚さが同一のコイルで形成する固定子巻線の構成
法を示す説明図、第６ａおよび６ｂ図は第５図の巻線に
用いるコイルを示す平面および側面図、第７図は同じく
本発明交流機に適用する固定子用の環状巻線の構成法を
示す説明図、第８図は第７図の巻線用のコイルを示す側
面および断面図、第９図は第８図のコイルを固定子上に
配置した状態を示す説明図、第１０ａ図は３相交流機に
おける固定子巻線の他の構成法を示す説明図、第１０ｂ
、１０ｃｇよび１０ａ図は第１０ａ図の巻線に必要なコ
イルの形状を示す平面図、第１１図は３相機用の環状巻
線の巻回法を示す説明図、第１２図は電動機として作動
する従来の２相機と本発明による交流機とのトルクおよ
び効率特性を表わす特性図である。 １．２，３，４，１１〜１８・・・・・・コイル、１９
・・・・・・固定子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転子と固定子とを備え、該固定子にはコイルから
   成る固定子巻線を設け、該コイルの作用部分を平滑な固
   定子表面と回転子との間の空隙に配置したＭ相交流機に
   おいて、各相のコイルの半径方向の横断面の寸法を、回
   転子の回転方向において９０°の電気角にわたって（ｎ
   −１）個の等しいステップで最大値ｘから最小値ｘ／ｎ
   にまで減少させると共に、つぎの９０°の電気角にわた
   って（ｎ−１）個の等しいステップで最小値ｘ／ｎから
   最大値Ｘにまで増大させるようにし、かつ、種種の相の
   コイルを固定子巻線の全体の厚さが一定、かつ最小とな
   るように組立て、連続相のコイルを回転子の回転方向に
   おいて１８０／Ｍの電気角にわたってシフトさせ、ここ
   にｎを１より大きい整数とし、かつＭ／ｎをＭが奇数の
   場合に整数となるようにしたことを特徴とするＭ相交流
   機。 ２、特許請求の範囲１記載のＭ相交流機において、各コ
   イルを厚さの等しいｎ個の部分をもって構成し、これら
   の各部分を互いに直列に接続するようにしたことを特徴
   とするＭ相交流機。 ３ 特許請求の範囲１記載のＭ相交流機において、コイ
   ルを環状固定子に環状コイルの形態にて取付けると共に
   、コイルの厚さを回転子の回転方向にステップ状に変化
   させて、その厚さが等しいステップで最小厚さｘ／ｎか
   ら最大厚さｘまで増加するようにしたことを特徴とする
   Ｍ相交流機。 ４ 特許請求の範囲１記載のＭ相交流機において、環状
   コイルの幅を電気角で９０°／ｎとすると共に、コイル
   を互いに同心的に巻回するようにしたことを特徴とする
   Ｍ相交流機。