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技術 3相電機子巻線およびそれを用いたモータ

出願人 株式会社安川電機
発明者 宮本恭祐田邊政彦川原敦志
出願日 2003年2月14日 (17年10ヶ月経過) 出願番号 2003-037142
公開日 2004年9月2日 (16年3ヶ月経過) 公開番号 2004-248448
状態 特許登録済
技術分野 電動機、発電機の巻線 リニアモータ
主要キーワード 小数点切り捨て 巻線ターン数 各相導体 コイルグループ コイル寸法 ブロックコア 磁石カバー 間隔片
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2004年9月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

設計自由度を大きくできる3相電機子巻線を提供する。

解決手段

コイル飛びが#1〜#2となり、3つのコイルグループUVWが全て同相コイル直列接続されている3相平衡電機子巻線において、3つの直列接続される同相コイル7を、配置順としてc1、c2、c3としたとき、(n1=n3)≠n2それぞれの巻き回数をn1、n2、n3とした場合、上記のような関係に決めるものである。

概要

背景

従来の同相コイルが連続する3相電機子巻線を図6に示す。図6(a)の電機子巻線の側断面図に示すように、連続する3つのU相巻線ターン数Nu1、Nu2、Nu3は、
Nu1=Nu2=Nu3
の関係になっている。
相順は、3コイルのグループで、U相、V相、W相の順番巻線配置となっていて、図6(b)の結線図に示すようになっている。図7は、図7(a)が各導体電流を流した場合のアンペアターンベクトル(ATu、ATw、等)を示している。
この場合の、巻線係数Kwは、次の(1)式で求められる。
Kw=[n×cos(30°γ)+(1+1)n×cos(10°γ)+(1+1)n×cos(10°γ)+n×cos(30°γ)]/[1+(1+1)+(1+1)+1]n ……(1)
Kw(1)=(cos30°+2cos10°+2cos10°+cos30°)/6 =0.945 ……(2)
(2)式は(1)式を用いた高調波γ=1(基本波)の場合のKw(1)値の計算式である。
図7(b)は、その各高調波(γ:1〜21)における、巻線係数Kwのリストを示すものであり、第2項「従来Kw」がこの場合の計算値である。
また、こうした3相電機子巻線の使用例としては、特許文献1に開示の「リニアモータ」がある。図8はリニアモータの側面断面図であり、可動子83の分割された各ブロックコア31、32、33が相互に界磁磁石81のピッチPmの2/3(電機角で120°)の間隔片86によって隔離され、これに応じて各ブロックコアの電機子コイル85を相互に電機角で120°の位相差巻回すことにより、各ブロックコアの端効果によって発生するコギング推力TC1、TC2、TC3は、図9に示すように120°の位相差が生じ、その和をゼロに相殺することができ、鎖交磁束を最大にできる。

概要

設計自由度を大きくできる3相電機子巻線を提供する。コイル飛びが#1〜#2となり、3つのコイルグループUVWが全て同相コイル直列接続されている3相平衡電機子巻線において、3つの直列接続される同相コイル7を、配置順としてc1、c2、c3としたとき、(n1=n3)≠n2それぞれの巻き回数をn1、n2、n3とした場合、上記のような関係に決めるものである。

目的

本発明は、同相3コイルの#1(=#3)コイルと#2等の線径巻回数を変えることによって、巻回数の飛びの中間的な巻回数が得られるようにして設計自由度が大きくとれるようにすると共に、界磁磁石の磁石幅をそれぞれ最適化することで出力特性の自由度を高くし、トルクリップルを軽減できる3相電機子巻線およびそれを用いたモータを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

コイル飛びが#1〜#2となり、3つのコイルグループが全て同相コイル直列接続されている3相平衡巻線による3相電機子巻線において、3つの直列接続される同相コイルを、配置順としてc1、c2、c3とした場合、それぞれの巻き回数をn1、n2、n3としたときに、(n1=n3)≠n2の関係に決めたことを特徴とする3相電機子巻線。

請求項2

2種類の線径導体を用いて巻線するものとし、その時、2種の巻線の配置スペーススロット断面積の1/2)に対する巻線密度巻線占積率SPf1、SPf2)の差が、相対的に10%の差以内にしたことを特徴とする請求項1記載の3相電機子巻線。

請求項3

コイル寸法をH(高さ)×W(幅)、n2導体を線径φa、n1およびn3導体を線径φb、a2段×b2列の整列巻線の関係を、W=φa×b2列、a2段=H/φa(小数点切り捨て)とした場合、n1=n3の巻線を、b1列=W/φb(小数点切り捨て)a1段=H/φb(小数点切り捨て)で、φb<φaに導体径選定したことを特徴とする請求項1又は2記載の3相電機子巻線。

請求項4

コイル寸法をH(高さ)×W(幅)、n2導体を線径φa、n1およびn3導体を線径φb、a2段×b2列の整列巻線の関係を、W=φa×b2列、a2段=H/φa(小数点切り捨て)とした場合、n1=n3の巻線を、b1列=W/φb(小数点切り捨て)a1段=H/φb(小数点切り捨て)で、φb>φaに導体径を選定したことを特徴とする請求項1又は2記載の3相電機子巻線。

請求項5

請求項1〜3のいずれか1項記載の3相電機子巻線で巻回された電機子と、該電機子に対向する永久磁石とを備えたモータにおいて、前記永久磁石の磁石幅Wmが、その界磁磁極ピッチをλpとした場合、Wm=(6/7)λp、又はWm=(4/5)λpであることを特徴とするモータ。

技術分野

0001

本発明は、同相コイルが連続する3相電機子巻線に関し、特に2種の線径導体で巻くことで、巻線占積率を低下させることなく巻線ターン数に自由度を持たせた3相電機子巻線およびそれを用いたモータに関する。

0002

従来の同相3コイルが連続する3相電機子巻線図6に示す。図6(a)の電機子巻線の側断面図に示すように、連続する3つのU相巻線ターン数Nu1、Nu2、Nu3は、
Nu1=Nu2=Nu3
の関係になっている。
相順は、3コイルのグループで、U相、V相、W相の順番巻線配置となっていて、図6(b)の結線図に示すようになっている。図7は、図7(a)が各導体に電流を流した場合のアンペアターンベクトル(ATu、ATw、等)を示している。
この場合の、巻線係数Kwは、次の(1)式で求められる。
Kw=[n×cos(30°γ)+(1+1)n×cos(10°γ)+(1+1)n×cos(10°γ)+n×cos(30°γ)]/[1+(1+1)+(1+1)+1]n ……(1)
Kw(1)=(cos30°+2cos10°+2cos10°+cos30°)/6 =0.945 ……(2)
(2)式は(1)式を用いた高調波γ=1(基本波)の場合のKw(1)値の計算式である。
図7(b)は、その各高調波(γ:1〜21)における、巻線係数Kwのリストを示すものであり、第2項「従来Kw」がこの場合の計算値である。
また、こうした3相電機子巻線の使用例としては、特許文献1に開示の「リニアモータ」がある。図8はリニアモータの側面断面図であり、可動子83の分割された各ブロックコア31、32、33が相互に界磁磁石81のピッチPmの2/3(電機角で120°)の間隔片86によって隔離され、これに応じて各ブロックコアの電機子コイル85を相互に電機角で120°の位相差巻回すことにより、各ブロックコアの端効果によって発生するコギング推力TC1、TC2、TC3は、図9に示すように120°の位相差が生じ、その和をゼロに相殺することができ、鎖交磁束を最大にできる。

背景技術

0003

【特許文献1】
WO99/41825号公報(第11頁、図1図3

0004

しかしながら、上記特許文献1記載の発明にあっては、以下のような問題があった。
コイル寸法をH(高さ)×W(幅)、導体の線径φIとする、aI段×bI列の整列巻線の関係を、
W=φI×bI列、aI段=H/φI(小数点切り捨て
とした場合、巻線の巻き回数を変化させようとしたとき、
bJ列=W/φJ (小数点切り捨て)
aJ段=H/φJ (小数点切り捨て)
の関係として、占積率同一という条件の場合、
仮に、φI=φ1.5mm、aI段×bI列=20段×2列(40ターン)で、1相グループのトータル巻き回数W=40ターン×3コイル=120ターンのものを、これ以上に巻線を巻き込む(Ktを大きく設計)とき、例えば、
φJ=φ1.0mm、aI段×bI列=30段×3列(90ターン)としたら、1相グループのトータル巻き回数W=90ターン×3コイル=270ターンとなり、巻線巻回数の飛びが、2.25倍になる場合があって、巻線設計の自由度が小さく、ユーザの要求する出力特性整合させることが困難であるという問題があった。

発明が解決しようとする課題

0005

そこで、本発明は、同相3コイルの#1(=#3)コイルと#2等の線径と巻回数を変えることによって、巻回数の飛びの中間的な巻回数が得られるようにして設計自由度が大きくとれるようにすると共に、界磁磁石の磁石幅をそれぞれ最適化することで出力特性の自由度を高くし、トルクリップルを軽減できる3相電機子巻線およびそれを用いたモータを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0006

上記目的を達成するため、請求項1記載の3相電機子巻線の発明はコイル飛びが#1〜#2となり、3つのコイルグループが全て同相コイル直列接続されている3相平衡巻線による3相電機子巻線において、3つの直列接続される同相コイルを、配置順としてc1、c2、c3とした場合、それぞれの巻き回数をn1、n2、n3としたときに、(n1=n3)≠n2 の関係に決めたことを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の3相電機子巻線において、2種類の線径の導体を用いて巻線するものとし、その時、2種の巻線の配置スペーススロット断面積の1/2)に対する巻線密度(巻線占積率SPf1、SPf2)の差が、相対的に10%の差以内にしたことを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の3相電機子巻線において、コイル寸法をH(高さ)×W(幅)、n2導体を線径φa、n1およびn3導体を線径φb、a2段×b2列の整列巻線の関係を、W=φa×b2列、 a2段=H/φa(小数点切り捨て)
とした場合、n1=n3の巻線を、b1列=W/φb(小数点切り捨て)、a1段=H/φb(小数点切り捨て)で、φb<φaに導体径選定したことを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項1又は2記載の3相電機子巻線において、コイル寸法をH(高さ)×W(幅)、n2導体を線径φa、n1およびn3導体を線径φb、a2段×b2列の整列巻線の関係を、W=φa×b2列、a2段=H/φa(小数点切り捨て)とした場合、n1=n3の巻線を、b1列=W/φb(小数点切り捨て)、a1段=H/φb(小数点切り捨て)で、φb>φaに導体径を選定したことを特徴とする。
請求項5記載のモータの発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載の3相電機子巻線で巻回された電機子と、該電機子に対向する永久磁石とを備えたモータにおいて、前記永久磁石の磁石幅Wmが、その界磁磁極ピッチをλpとした場合、Wm=(6/7)λp、又はWm=(4/5)λpであることを特徴とする。
このような構成の3相電機子巻線によれば、同相3コイルの#1(=#3)コイルと#2コイルの線径と巻回数を変えることによって、従来方式の巻回数の飛びの中間的な巻き回数が得られることとなり、出力特性の自由度が改善される。

0007

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
図1は本発明の実施の形態に係る3相電機子巻線の側断面図である。
図2図1に示す各スロット内導体の特性図で、(a)は図1の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流アンペアA)とコイルの巻数(ターンT)の積で表すアンペアターンATのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、(b)は図1の場合の各高調波γに対する巻線係数Kw値が記載されたリストである。
図3図1に示すNu2のターン数が大きい場合の3相電機子巻線の側面図である。
図4図3に示す各スロット内導体の特性図で、(a)は図3の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流(アンペアA)とコイルの巻数(ターンT)の積で表すアンペアターンATのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、(b)は図3の場合の各高調波γに対する巻線係数Kw値が記載されたリストである。
図5図1図3に示す3相電機子巻線の速度−推力特性を示す図である。
図1において、1はコアティース間のスロットスペース、2は電機子コア、3はコイルボビン、4は界磁ヨーク、5は磁石カバー、6は界磁磁石、7はコイルを示している。

0008

つぎに動作について説明する。
図1(a)は3相電機子巻線の側断面図で、図1(b)にその結線図を示す。相順は、3コイルのグループでU相、V相、W相の順番の巻線配置となる。そのU相の3コイルの巻線ターン数Nu1、Nu2、Nu3は、
(Nu1=Nu3)>Nu2
として、Nu2の導体線径φaを
φa=φ1.5mm a2段×b2列=20段×2列(40ターン)として、Nu1=Nu3の導体線径φbを、
φb=φ1.0mmとすると、b1列=W/φb、a1段=H/φbより、
a1段×b1列=30段×3列(90ターン)
となり、U相グループのトータル巻き回数Wは、
W=Nu1+Nu2+Nu3=90+40+90=220ターンとなる。

0009

次に、図3は、図3(a)が側断面図で、図3(b)が結線図であり。この場合の巻線ターンNu1〜Nu3が、
(Nu1=Nu3)<Nu2
の場合であり、Nu2の導体線径φaを
φa=φ1.0mm a2段×b2列=30段×3列(90ターン)
Nu1=Nu3の導体線径φbを、
φb=φ1.5mmとすると、a1段×b1列=20段×2列(40ターン)となり、U相グループのトータル巻き回数Wは、
W=Nu1+Nu2+Nu3=40+90+40=170ターンとなる。
このようにして中間的な巻線ターンが可能になる。

0010

次に、このようなコイルの出力特性については、図2図1の場合の特性を示す。
先ず、図2(a)は図1の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を表すものとして、コイル電流(アンペアA)とコイルの巻数(ターンT)の積で表すアンペアターンATのベクトル表示であるアンペアターンベクトル図であり、図2(b)はその場合の各高調波γに対する巻線係数Kw値のリストである。
この場合の巻線係数Kwは次の(3)、(4)式より算出される。
Kw=[2.25n×cos(30°γ)+(2.25+1)n×cos(10°γ)+(1+2.25)n×cos(10°γ)+2.25n×cos(30°γ)]/[2.25+(2.25+1)+(1+2.25)+2.25]n ・・・・・(3)
Kw(1)={2.25cos30°+3.25cos10°+3.25cos10°+2.25cos30°]/11=0.936…(4)

0011

一方、図3に示した、(Nu1=Nu3)<Nu2、の場合の出力特性については、図4(a)にアンペアターンベクトル図を示し、図4(b)は各高調波γに対する巻線係数Kwのリストを示す。この場合の巻線係数Kwは次の(5)式、(6)式により算出される。
Kw=[n×cos(30°γ)+(1+2.25)n×cos(10°γ)+(2.25+1)n×cos(10°γ)+n×cos(30°γ)]/[1+(2.25+1)+(1+2.25)+1]n ・・・・・(5)
Kw(1)={cos30°+3.25cos10°+3.25cos10°+cos30°}/8.5=0.957・・・(6)

0012

以上、従来の3相平衡巻線による8P/9slot、10p/9slot等の巻線方式の場合は、巻線係数Kwも大きくとれ、コギングトルクも小さくなる利点があるが、反面グループ数も少なく、整列密度巻線設計を行う場合に自由度が小さいという問題点があったが、本発明では(Nu1=Nu3)>Nu2、若しくは、(Nu1=Nu3)<Nu2、のターン数と、導体線径φa、φbを変えてターン数の飛びを埋める方式によって、図5に示すように、従来は巻線のターン数が120ターン→270ターン(2.25倍)の飛び差があったものが、図1の場合は120ターン→220ターン(1.83倍)、図3の場合は120ターン→170ターン(1.4倍)と言うように中間を埋める巻線ターン数の設計が可能になるので、出力特性の自由度が改善される。

発明を実施するための最良の形態

0013

次に、このように改善された巻線ターン数の出力特性の変化についての評価・検証と、更なる、改善策について、各図を参照して検討する。
図2(b)又は図4(b)の巻線係数Kwのリストを参照すると、高調波γの項目中、推力の中心となる基本波Kw(1)成分については従来の0.945に対して、図1の例では0.936、図3の例では、0.957と約±10%の範囲内に入っており、鎖交磁束係数に大きな変化はなく、巻線占積率も低下しない。
次高調波については、相結線をY結線にすれば、推力波形端子誘起電圧波形)に現れないため、5次、7次の係数と、磁石幅との組み合わせを最適化することで推力波形(端子間誘起電圧波形)の高調波成分を低減させることができる。
また、図2(b)の場合は、5次係数が、小さく、7次係数が大きいので、界磁磁束に含まれる7次成分が小さくなるように、磁石幅Wmを図1(a)に示すように磁極ピッチλpから、
Wm=(6/7)λp
のピッチに変えた磁石界磁と組み合わせる。
さらに、図4(b)の場合は、5次係数が、大きく、7次係数が小さいので、界磁磁束に含まれる5次成分が小さくなるように、図3(a)に示すように、
Wm=(4/5)λp
の磁石界磁と組み合わせ改善している。

図面の簡単な説明

0014

以上述べたように、本発明によれば、3つの直列接続される同相コイルを、配置順としてc1、c2、c3としたとき、それぞれの巻き回数をn1、n2、n3とした場合、(n1=n3)≠n2の関係に決め、巻線も2種類の線径の巻線を使用するようにしたので、従来技術の場合の中間的巻線ターン数にて設計することが可能になり、駆動ドライバ容量を規定した場合、出力特性の自由度を高くすることができるという効果がある。
また、界磁磁石の磁石幅を、それぞれ最適化することで、推力またはトルクリップル成分を軽減・改善することができるという効果もある。

図1
本発明の実施の形態に係る3相電機子巻線の側断面図である。
図2
図1に示す各スロット内導体の特性図で、(a)は図1の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流(アンペアA)とコイルの巻数(ターンT)の積で表すアンペアターンATのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、(b)は図1の場合の各高調波γに対する巻線係数Kw値が記載されたリストである。
図3
図1に示すNu2のターン数が大きい場合の3相電機子巻線の側断面図である。
図4
図3に示す各スロット内導体の特性図で、(a)は図3の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流(アンペアA)とコイルの巻数(ターンT)の積で表すアンペアターンATのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、(b)は図3の場合の各高調波γに対する巻線係数Kw値が記載されたリストである。
図5
図1図3に示す3相電機子巻線の速度−推力特性を示す図である。
図6
従来の3相電機子巻線の側断面図である。
図7
図6に示す各スロット内導体の特性図で、(a)は従来の図6の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流(アンペアA)とコイルの巻数(ターンT)の積で表すアンペアターンATのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、(b)は従来の場合の各高調波γに対する巻線係数Kw値が記載されたリストである。
図8
従来のリニアモータの側断面図である。
図9
図8に示すリニアモータのコギング推力の特性図である。
【符号の説明】
1コアティース間のスロットスペース
2電機子コア
3コイルボビン
4界磁ヨーク
5磁石カバー
6 界磁磁石
7 コイル

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