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公開番号2020162313
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201001
出願番号2019060024
出願日20190327
発明の名称電気機械のステータ
出願人個人
代理人
主分類H02K 3/18 20060101AFI20200904BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】巻線コスト及び回転磁界の高調波の両方を低減可能な3相電気機械のステータ構造を提供する。
【解決手段】ステータコア1がY形歯をもつ第1例において、各Y形歯は2つの先端歯をもつ。ステータコイル2は、Y形歯の根元部に巻かれる集中巻き3相コイルと、2つの歯の各1つの先端歯に巻かれる分布巻き3相コイルからなる。ステータコアがフオーク形歯11〜13及びI形歯19をもつ第2例において、各フオーク形歯は3つの先端歯15,16,18をもつ。ステータコイルは、Y形歯の根元部14に巻かれる集中巻き3相コイル31〜33と、2つの先端歯及び1つのI形歯に巻かれる分布巻き3相コイル41〜43からなる。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項1】
複数の歯をもつステータコアに巻かれたステータコイルをもつ電気機械のステータにおいて、
少なくとも一部の前記歯の各先端部は、複数の先端歯に分割され、
前記ステータコイルは、集中巻き3相コイル及び分布巻き3相コイルを有し、
前記集中巻き3相コイルの3つの相コイルは、3つの前記歯の根元部に別々に巻かれ、
前記分布巻き3相コイルの3つの相コイルは、2つの歯の各1つの先端歯の両方を囲んで巻かれていることを特徴とする電気機械のステータ。
続きを表示(約 710 文字)【請求項2】
前記歯はそれぞれ、2つの先端歯を有するY形歯からなる請求項1記載の電気機械のステータ。
【請求項3】
前記Y形歯の前記2つの先端歯は、前記2つの先端歯の間のインナースロットを拡大するために曲げられている請求項2記載のステータ。
【請求項4】
3つの前記Y形歯の6つの前記先端歯は、電気角360度の範囲内に形成された6個の歯磁束からなる回転磁界を形成する請求項2記載の電気機械のステータ。
【請求項5】
前記歯は、フオーク形歯及びI形歯からなり、前記フオーク形歯は3つの先端歯をもち、前記I形歯は2つの前記フオーク形歯の間に配置され、前記分布巻き3相コイルの前記3つの相コイルはそれぞれ、1つのI形歯及び2つの先端歯を囲んで巻かれている請求項1記載の電気機械のステータ。
【請求項6】
前記フオーク形歯の前記2つの先端歯は、前記先端歯と前記I形歯との間のインナースロットを拡大するために曲げられている請求項5記載のステータ。
【請求項7】
3つの前記フオーク形歯の9個の前記先端歯及び3つの前I形歯は、電気角360度の範囲内に形成された12個の歯磁束からなる回転磁界を形成する請求項5記載の電気機械のステータ。
【請求項8】
3つの前記フオーク形歯の9個の前記先端歯及び3つの前I形歯は、電気角720度の範囲内に形成された12個の歯磁束からなる回転磁界を形成する請求項5記載の電気機械のステータ。
【請求項9】
このステータは、極数切替3相モータにより採用される請求項5記載の電気機械のステータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、3相電気機械のステータに関し、特に集中巻き3相コイル及び分布巻き3相コイルの両方をもつ3相電気機械のステータに関する。
続きを表示(約 6,500 文字)【背景技術】
【0002】
一般に、電気自動車(EV)のトラクションモータは、高いリラクタンストルク比率をもつ3相永久磁石同期モータ(PMSM)を採用する。一部のEVトラクションモータは3相誘導モータ(IM)を採用する。これらの3相モータにおいて、ステータの回転磁界に含まれる高調波はトルク/損失比率を低下させる。回転磁界の高調波は、極対数(P/2)当たりのステータ歯数(N)である歯数密度(2N/P)を向上することにより低減される。各歯はそれぞれ、異位相の歯磁束を形成する。3相モータは集中巻き3相コイル又は分布巻き3相コイルをもつ。集中巻き3相コイルの歯数密度は一般的に3である。
【0003】
他方、分布巻き3相コイルの歯数密度は一般的に6乃至12である。したがって、分布巻き3相コイルは、相対的に低い回転磁界高調波をもつ。さらに、分布巻きは相対的に高い巻線係数をもつ。しかし、3つの相コイルのコイルエンドが互いにオーバーラップする分布巻き3相コイルは、相対的に低いスロット占積率をもち、長いコイルエンドをもつ。ステータコイルのコイルエンドは、所謂起電力(EMF)を発生しないが、コイルエンドの電気抵抗値及び自己インダクタンス値はステータコイルの電力損失を増加させる。
【0004】
したがって、分布巻き3相コイルは、相対的に高い銅損をもつ。中速領域における運転割合が高いEVトラクションモータにおいて、全損失に占める銅損の比率が相対的に高い。結局、集中巻き3相コイル及び分布巻き3相コイルの両方の利点をもつステータコイルがEVモータにおいて期待されている。
【0005】
非特許文献1は、集中巻き3相コイル及び分布巻き3相コイルの両方の利点をもつステータ例を提案している。しかし、このステータは、従来の分布巻き3相コイルと同様に、同じく3つの相コイルの空間的なオーバーラップを克服するために複雑な構造を必要とする。
【0006】
図1は、Colin McDermott 氏により発明された2相誘導モータのステータを示す。ステータコアはY形歯100をもつ。2相ステータコイルはA相コイル101及びB相コイル102からなる。集中巻き相コイルであるA相コイル101はY形歯100の根元部に巻かれ、分布巻き相コイルであるB相コイル102は、隣接する2つのY形歯100の各一個の先端歯103に巻かれる。奇数番目のA相コイル101は相磁界Aを形成し、偶数番目のA相コイル101は相磁界-Aを形成する。同様に、奇数番目のBコイル102は相磁界Bを形成し、偶数番目のB相コイル102は相磁界-Bを形成する。
【0007】
図2は、順番に配列された4つの先端歯103に別々に形成される4つの歯磁束((A+B)、(A-B)、(-A-B)、(-A+B))を示すベクトル図である。この2相モータによれば、4つの先端歯103が電気角360度の範囲内に配置される。したがって、この2相モータは、3つの歯が電気角360度の範囲内に配置される従来の3相集中巻きモータと比べて、相対的に円滑な回転磁界を形成することができる。
【0008】
けれども、この2相モータの回転磁界は、6乃至12個の歯が電気角360度の範囲内に配置される一般的な3相分布巻きモータと比べてまだ多くの高調波を含む。その結果、この2相モータは、従来の3相分布巻きモータよりも高いトルクリップル及び機械振動をもつ。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0009】
デンソーテクニカルレビュー、 Vol. 23, 2018、 高い巻線係数及び高いスロット占積率をもつ新規なモータ
【発明の概要】
【0010】
本発明は、巻線コスト及び回転磁界の高調波の両方を低減可能な3相電気機械のステータ構造を提供することをその目的としている。言い換えれば、本発明は、従来の分布巻き3相モータと同様の円滑な回転磁界を形成でき、かつ、従来の集中巻き3相モータと同様のコンパクトなコイルエンドを形成可能な3相モータを提供することをその目的としている。
【0011】
本発明の一つの様相において、3相電気機械のステータコアは、3N(Nは正の整数)個のY形歯をもつ。バックヨークから延在する各Y形歯はそれぞれ、2つの先端歯をもつ。ステータコイルは、集中巻き3相コイル及び分布巻き3相コイルをもつ。集中巻き3相コイルの3つの相コイルは、3つのY形歯の根元部に別々に巻かれる。分布巻き3相コイルの3つの相コイルはそれぞれ、隣り合う2つのY形歯の各1つの先端歯を囲んで巻かれる。
【0012】
これにより、周方向に順番に配置された6つの先端歯がそれぞれ、歯磁束を形成する。6つの歯磁束が電気角360度の範囲内に配置される。結局、回転磁界の高調波及び巻線コストの両方を低減することができる。さらに、コイルエンドはコンパクトとなる。好適には、Y形歯の2つの先端歯は、インナースロットの断面積を拡大するために曲げられている。これにより、先端歯ピッチはほぼ等しくなり、銅損が低減される。
【0013】
本発明のもう一つの様相において、3相電気機械のステータコアは、フオーク形歯及びI形歯の複数ペアをもつ。各フオーク形歯はそれぞれ、3つの先端歯をもつ。各I形歯はそれぞれ、1つの先端歯をもつ。ステータコイルは、集中巻き3相コイル及び分布巻き3相コイルをもつ。集中巻き3相コイルの3つの相コイルは、3つのフオーク形歯の根元部に別々に巻かれる。分布巻き3相コイルの3つの相コイルはそれぞれ、1つのI形歯及びこのI形歯に隣接する2つの先端歯を囲んで巻かれる。
【0014】
これにより、周方向に順番に配置された12個の先端歯はそれぞれ、歯磁束を形成する。12個の歯磁束が電気角360度の範囲内又は電気角720度の範囲内に配置される。その結果、回転磁界の高調波及び巻線コストの両方を低減することができる。さらに、コイルエンドはコンパクトとなる。好適には、フオーク形歯の2つの先端歯は、先端歯とI形歯との間のインナースロットの断面積を拡大するために曲げられる。これにより、先端歯ピッチはほぼ等しくなり、銅損が低減される。
【0015】
本発明の3相ステータは、ほぼ同様の回転磁界を形成可能な従来の分布巻き3相ステータとくらべて、増加された鉄損及び低減された銅損をもつ。したがって、本発明は、鉄損よりも銅損の低減が重要なモータ用途において好適である。たとえば、電気自動車用モータは、ほとんど低速領域又は中速領域で運転される。3相電流の周波数が低いこれらの速度領域において、銅損低減が鉄損低減よりも重要となる。結局、本発明のモータは、トラクションモータに好適である。本発明のステータ構造は、リニアモータに適用可能である。さらに、本発明のステータ構造は、極数切替3相モータに好適である。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1は従来のY形歯をもつ2相ステータを示す展開図である。
図2は図1の2相ステータが形成する歯磁束ベクトルを示すベクトル図である。
図3は第1実施例の3相ステータの半断面図である。
図4は図3の3相ステータが形成する歯磁束ベクトルを示すベクトル図である。
図5は第2実施例の3相ステータの半断面図である。
図6は図5の3相ステータが形成する歯磁束ベクトルを示すベクトル図である。
図7は第3実施例の3相ステータの半断面図である。
図8は図7の3相ステータが形成する歯磁束ベクトルを示すベクトル図である。
図9は図5に示される3相ステータの一相電流分布を示す模式展開図である。
図10は従来の分布巻き3相ステータの一例の一相電流分布を示す模式展開図である。
図11は図5に示される3相ステータの平面図である。
図12は従来の分布巻き3相ステータの一例の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
第1実施例
本発明の3相ステータの第1実施形態が図3を参照して説明される。4極3相モータのステータは、ステータコア1に巻かれた3相ステータコイル2をもつ。ステータコア1は、バックヨーク10から径内方向へ突出する6個のY形歯をもつ。図3は、3個のY形歯11-13だけを示す。Y形歯11-13はそれぞれ、周方向に隣接する2つの先端歯15及び16をもつ。先端歯15及び16は湾曲している。先端歯15及び16は、電気角60度に相当する機械角30度離れた先端磁極面17をもつ。6個のアウタースロットはそれぞれ、隣接する2つのY形歯の間に形成されている。図3は、アウタースロットS1-S4だけを示す。6個のインナースロットが、各Y形歯の2つの先端歯15及び16の間に形成されている。図3は、インナースロットS11-S13だけを示す。
【0018】
ステータコイル2は、Y形歯の根元部14に巻かれた集中巻き3相コイルと、先端歯15及び16に巻かれた分布巻き3相コイルからなる。この集中巻き3相コイルは、U相コイル31、V相コイル32、及びW相コイル33からなる。分布巻き3相コイルは、-U相コイル41、-V相コイル42、及び-W相コイル43からなる。
【0019】
-U相コイル41は、U相コイル31と反対方向へ巻かれている。U相コイル31及び-U相コイル41は、直列又は並列に接続されることができる。-V相コイル42は、V相コイル32と反対方向へ巻かれている。V相コイル32及び-V相コイル42は、直列又は並列に接続されることができる。-W相コイル43は、W相コイル33と反対方向へ巻かれている。W相コイル33及び-W相コイル43は、直列又は並列に接続されることができる。
【0020】
U相コイル31は、Y形歯11の根元部14に巻かれ、V相コイル32はY形歯12の根元部14に巻かれ、W相コイル33はY形歯13の根元部14に巻かれている。-U相コイル41は、Y形歯13の先端歯15とY形歯12の先端歯16を囲んで巻かれている。-W相コイル42は、Y形歯12の先端歯15とY形歯11の先端歯16を囲んで巻かれている。-V相コイル43は、Y形歯11の先端歯15と、それに隣接するY形歯の先端歯(図示せず)を囲んで巻かれている。もう1つの-V相コイル43は、Y形歯11の先端歯16と、それに隣接するY形歯の先端歯(図示せず)を囲んで巻かれている。
【0021】
直列に接続されたU相コイル31及び-U相コイル41にU相電流IUが供給される。直列に接続されたV相コイル32及び-V相コイル42にV相電流IVが供給される。直列に接続されたW相コイル33及び-W相コイル43にW相電流IWが供給される。これにより、Y形歯11の先端歯15は、歯磁束(U-V)を形成する。Y形歯11の先端歯16は、歯磁束(U-W)を形成する。
【0022】
同様に、Y形歯12の先端歯15は、歯磁束(V-W)を形成する。Y形歯12の先端歯16は、歯磁束(V-U)を形成する。Y形歯13の先端歯15は、歯磁束(W-U)を形成する。Y形歯13の先端歯16は、歯磁束(W-V)を形成する。図4は、これら6個の歯磁束のベクトルを示す。記載された矢印は各相電流の方向を示す。
【0023】
この3相ステータは、図1に示される2相ステータと本質的に同じステータコア構造をもつ。しかし、この3相ステータは、順番に配列された3つのY形歯の根元部に別々に集中巻きされた3つの相コイル31-33をもつ。さらに、この3相ステータは、3つの先端歯ペアに個別に分布巻きされた3つの相コイル41-43をもつ。
【0024】
相コイル31及び41の間の機械角は90度であり、その電気角は180度である。相コイル32及び42の間の機械角は90度であり、その電気角は180度である。相コイル33及び43の間の機械角は90度であり、その電気角は180度である。相コイル41は相コイル31と反対向きの磁界を形成し、相コイル42は相コイル32と反対向きの磁界を形成し、相コイル43は相コイル33と反対向きの磁界を形成する。
【0025】
この実施例の3相ステータは、従来の集中巻き3相ステータと比べて回転磁界の高調波を低減できるため、トルクリップル及び振動を低減することができる。さらに、この実施例の3相ステータは、従来の分布巻き3相ステータと比べて、コイルエンド短縮及び巻線コスト低減を実現することができる。
【0026】
第2実施例
本発明の3相ステータの第2実施形態が図5を参照して説明される。図5は、4極3相モータのステータの展開図であり、ステータの電気角360度(機械角180度)だけを示す。この3相ステータのステータコア1は、交互に配列された6個のフオーク形歯及び6個のI形歯をもつ。図5は、3個のフオーク形歯11-13及び3個のI形歯19だけを示す。
【0027】
フオーク形歯11-13はそれぞれ、周方向に隣接する3つの先端歯15、16、及び18をもつ。先端歯15及び16は湾曲している。中央の先端歯18は真っ直ぐである。先端歯15、16、及び18は、電気角30度に相当する機械角15度離れた先端磁極面17をもつ。結局、このフオーク形歯は、先端歯18が追加されたY形歯に相当する。したがって、図3に示されるインナースロットS11-S13は、先端歯18により分割される。図3に示されるアウタースロットS1-S3は、I形歯19により分割される。
【0028】
ステータコイル2は、根元部14に巻かれた集中巻き3相コイルと、先端歯15、16、及び18に巻かれた分布巻き3相コイルからなる。集中巻き3相コイルは、U相コイル31、V相コイル32、及びW相コイル33からなる。この集中巻き3相コイルは、図3に示される集中巻き3相コイルと同じである。分布巻き3相コイルは、-U相コイル41、-V相コイル42、及び-W相コイル43からなる。-U相コイル41は、U相コイル31と反対方向へ巻かれている。-V相コイル42は、V相コイル32と反対方向へ巻かれている。-W相コイル43は、W相コイル33と反対方向へ巻かれている。
【0029】
-U相コイル41は、フオーク形歯13の先端歯15、I形歯19、及びフオーク形歯12の先端歯16を囲んで巻かれている。-W相コイル42は、フオーク形歯12の先端歯15、I形歯19、及びフオーク形歯11の先端歯16を囲んで巻かれている。-V相コイル43は、フオーク形歯11の先端歯15、I形歯19、及びそれに隣接するフオーク形歯の先端歯(図示せず)を囲んで巻かれている。もう1つの-V相コイル43は、フオーク形歯の先端歯(図示せず)と、それに隣接するI形歯(図示せず)、及びフオーク形歯13の先端歯16を囲んで巻かれている。
【0030】
直列に接続されたU相コイル31及び-U相コイル41にU相電流IUが供給される。直列に接続されたV相コイル32及び-V相コイル42にV相電流IVが供給される。直列に接続されたW相コイル33及び-W相コイル43にW相電流IWが供給される。これにより、図5に示されるように、9個の先端歯及び3個のI形歯が12個の歯磁束を形成する。
(【0031】以降は省略されています)

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