電動機
【課題】広範な駆動領域を備える電動機を提供する。
【解決手段】ステータ２０は、ロータ１０側の各組の永久磁石の極対数に対応した交番磁束をそれぞれ発生させる２組の巻線２３，２４を備える。ここで、ステータ２０は、スロット２５毎に、各組の巻線２３，２４が同一のスロット内にそれぞれ配置されて構成されており、各組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、独立して通電可能であるとともに同一組内に設定される電流位相が異なる。
【解決手段】ステータ２０は、ロータ１０側の各組の永久磁石の極対数に対応した交番磁束をそれぞれ発生させる２組の巻線２３，２４を備える。ここで、ステータ２０は、スロット２５毎に、各組の巻線２３，２４が同一のスロット内にそれぞれ配置されて構成されており、各組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、独立して通電可能であるとともに同一組内に設定される電流位相が異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、それぞれの組が異なる磁極数で構成される複数の磁石の組に相当する複数の磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材を持つロータを備えた電動機が開示されている。この電動機は、ステータ側の各スロットに１組の巻線がそれぞれ配置されており、このコイルに複合電流を供給することにより駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５１２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、スロットに単一の巻線しか巻回されておらず、通電電流の制御だけではモータの特性は変化せず、広い駆動領域を得ることができないという可能性がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、広範な駆動領域を備える電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、ステータが、ロータ側の各組の永久磁石の極対数に対応した交番磁束をそれぞれ発生させる複数組の巻線を備えており、スロット毎に、各組の巻線が同一のスロット内にそれぞれ配置されて構成されている。この場合、複数組の巻線は、巻線の組毎に、独立して通電可能であるとともに同一組内に設定される電流位相が異なる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、各組の巻線に個別に通電することで、それぞれ異なる電動機の特性を得ることができので、電動機の駆動領域の拡大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態にかかる電動機１の構成を模式的に示す断面図
【図２】磁束発生部材の概念を示すロータ１０Ａの説明図
【図３】ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成の説明図
【図４】ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成の説明図
【図５】一般的な永久磁石型同期電動機１００の構成を模式的に示す断面図
【図６】ステータ１２０における１組の巻線１２３の巻線構成の説明図
【図７】第１の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図
【図８】第１の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図
【図９】ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成の説明図
【図１０】第２の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図
【図１１】２組の巻線２３，２４の巻線状態の説明図
【図１２】２組の巻線２３，２４の巻線状態の説明図
【図１３】２組の巻線２３，２４の巻線状態の説明図
【図１４】２組の巻線２３，２４の巻線状態の説明図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる電動機１の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態にかかる電動機１は、永久磁石型同期電動機であり、ラジアルギャップのインナーロータ型として構成されている。この電動機１は、シャフト（図示せず）に連結されるロータ（可動子）１０と、断面がリング状のステータ（固定子）２０とを主体に構成されており、ロータ１０は、ステータ２０の内周側にエアギャップを介して配置されている。
【００１０】
ロータ１０は、ロータコア１１と、複数の磁石（永久磁石）１２とで構成されている。ロータコア１１は、磁性体の電磁鋼板を軸方向に複数積層して形成されている。このロータコア１１には、複数の磁石１２（Ｎ極１２ａ，Ｓ極１２ｂ）が周方向に沿って配設されており、これらの磁石１２は、磁束発生部材として機能する。
【００１１】
図２は、本実施形態にかかる磁束発生部材の概念を示すロータ１０Ａの説明図である。磁束発生部材は、極対数がそれぞれ異なる複数組の永久磁石に相当する磁石磁束のそれぞれを合算させて発生させるものである。磁束発生部材は、これを形式的に捉えた場合、ロータ１０Ａに示すように、第１の磁石組１２Ａ、具体的には、１６極（８極対）の磁石組（Ｎ極１２ａ，Ｓ極１２ｂ）と、第２の磁石組１２Ｂ、具体的には、２８極（１４極対）の磁石組（Ｎ極１２ａ，Ｓ極１２ｂ）とで構成されている。ここで、１６極の磁石組１２Ａと、２８極の磁石組１２Ｂとは、ロータコア１１の表層に２層に配置されており、径方向において、１６極の磁石組１２Ａの外側に２８極の磁石組１２Ｂが配置されている。このロータ１０Ａは、１６極および２８極の磁石組１２Ａ，１２Ｂによる複合磁束、具体的には、１６極の磁石組１２Ａによる磁石磁束と、２８極の磁石組１２Ｂの磁石磁束とが合算されて発生する。なお、同図に示す例では、第１の磁石組１２Ａと、第２の磁石組１２Ｂとの組み合わせ位相は、位置Ａにおいて一致している（位相差ゼロ位置）。
【００１２】
ロータ１０Ａには、１６極の磁石組１２Ａと２８極の磁石組１２Ｂとにおいて、着磁方向の異なる磁石１２ａ，１２ｂが互いに接している領域（図中の破線で示す領域）と、着磁方向の同じ磁石１２ａ（または１２ｂ）が互いに接している領域とが存在している。着磁方向の異なる磁石１２ａ，１２ｂが互いに接している領域では、どちらの着磁方向にも磁束が発生しないので磁石は無いものと等価であり、かつ、磁束は飽和しているので磁束は通り難くなる。
【００１３】
本実施形態のロータ１０（図１参照）は、ロータ１０Ａ（図２参照）において異なる着磁方向の磁石１２ａ，１２ｂが接している部分から当該磁石１２ａ，１２ｂを排除することにより構成されたものである。ロータ１０には、図２に示す非破線領域に対応する磁石１２ａ，１２ｂとして、１０個のＮ極の磁石１２ａと、１０個のＳ極の磁石１２ｂとが配置されている。このロータ１０は、複数の磁石１２により、図２に示すロータ１０Ａと同じく、１６極および２８極の磁石組による複合磁束が発生する。換言すれば、ロータ１０は、１６極の磁石組１２Ａと２８極の磁石組１２Ｂとに相当する磁束成分のそれぞれを合算させて発生させるロータとして機能する。もっとも、ロータ１０は、図２に示すロータ１０Ａのように、極性の違う磁石が接している部分の磁石１２ａ，１２ｂを排除していない構成で基本的に成立する。しかしながら、不要な磁石を除去した方が、削除した磁石分の慣性の低減により、トルクの向上、モータの軽量化、削除した磁石の分の経費節減などを図ることができる。
【００１４】
なお、図１に示すロータ１０において、不要な磁石を除去した領域は空隙となっており、空気によって占められている。この空気が占める領域は磁束を通さない機能を果たしている。すなわち、磁石を除去したこの領域には、鉄などの磁束を通し易い素材以外の部材を配置する必要があるが、通常は空間（空気）で足りる。もちろん、この領域には空気以外の磁束を通しにくい部材が設置されても構わない。
【００１５】
ステータ２０は、例えば、磁性体の電磁鋼板を軸方向に複数積層して構成されており、複数の突極部（ステータティース）２１と、略リング状のバックヨーク２２とを有している。複数のステータティース２１は、バックヨーク２２の内周側において周方向に沿って等間隔に配置されており、個々のステータティース２１は、ロータ１０側に突出した格好となっている。バックヨーク２２は、個々のステータティース２１をその基端側で連結している。
【００１６】
各ステータティース２１には、絶縁部材であるインシュレータ（図示せず）を介して、２組の巻線２３，２４が各々巻回されている。この２組の巻線２３，２４は、１６極の磁石組１２Ａの極対数に対応した電流磁界を発生させる第１組の巻線２３と、２８極の磁石組１２Ｂの極体数に対応した電流磁界を発生させる第２組の巻線２４とが含まれている。これにより、ステータ２０は、スロット２５（バックヨーク２２とステータティース２１とによって囲まれる領域）毎に、各組の巻線２３，２４が同一のスロット２５内にそれぞれ配置される構成される。本実施形態において、ステータ２０には、２４個のスロットが形成されている。なお、各組の巻線構成については後述する。
【００１７】
この電動機１では、ロータ１０に配置された永久磁石１２と、ロータ１０自体を構成する磁性体（電磁鋼板）と、ステータ２０を構成する磁性体（電磁鋼板）とによって、主磁気回路が形成される。そして、永久磁石１２からの磁石磁束、および各組の巻線２３，２４をインバータ制御により通電することで発生する交番磁束が、この主磁気回路を流れることで電磁力によるトルクが発生し、これにより、ロータ１０およびこれに連結されたシャフトが回転する。
【００１８】
つぎに、図３，４を参照して、ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成を具体的に説明する。本実施形態の電動機１を駆動する場合、１６極に対応する第１組の巻線２３のそれぞれに通電を行う第１の電源３０と、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電を行う第２の電源３１とが個々のインバータ３２，３３を介して２組の巻線２３，２４にそれぞれ接続される。個々のインバータ３２，３３を介して供給される電流容量はともに同一である（例えば、６００［Ａ］）。
【００１９】
１６極に対応する第１組の巻線２３は、スロット数と、極数との関係から、電流位相差が電気角１２０度で３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）必要となる（図４参照）。図３（ａ）は、第１組の巻線２３のうち、Ｕ相に対応する８つの巻線２３を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相に対応する８つの巻線２３は、それぞれ並列接続されており、この回路がインバータ３２のＵ相出力端子に接続されている。３相インバータ３２から出力されるＵ相電流は、Ｕ相に対応する各巻線２３に１／８づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が６００［Ａ］なので、Ｕ相に対応する１つの巻線２３あたり７５［Ａ］の電流が供給される。ここで、第１組の巻線２３のそれぞれは、断面積Ａの素線がステータティース２１に１６ターン巻かれて構成されている。
【００２０】
一方、２８極に対応する第２組の巻線２４は、スロット数と、極数との関係から、電流位相差が電気角２１０度で１２相必要となる。しかしながら、本実施形態では、３相インバータの活用を考慮して、６相（３相インバータで反転相を用いることで６相相当（（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ_相、Ｖ_相、Ｗ_相）））とする（図４参照）。図３（ｂ）は、第２組の巻線２４のうち、Ｕ相およびその反転相であるＵ_相に対応する８つの巻線２４を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相およびＵ_相に対応する８つの巻線２４は、２並列４直列、具体的には、Ｕ相およびＵ_相が交互にそれぞれ２個づつ直列接続された回路を２つ並列接続することで構成されており、この回路がインバータ３３のＵ相出力端子に接続されている。３相インバータ３３から出力されるＵ相電流は、Ｕ相およびＵ_相に対応する各巻線２４に１／２づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が６００［Ａ］なので、Ｕ相およびＵ_相に対応する１つの巻線２３あたり３００［Ａ］の電流が供給される。ここで、第２組の巻線２４のそれぞれは、断面積４Ａの素線がステータティース２１に６ターン巻かれて構成されている。
【００２１】
図３（ｃ）に示すように、本実施形態では、各スロット２５には、上述したような第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４とがそれぞれ配置されている。ここで、各スロット２５のスロット断面積Ｓ（スロット２５間における巻線エリア面積）は、第１組の巻線２３に対応する巻線エリア面積と、第２組の巻線２４に対応する巻線エリア面積との和になる。第１組の巻線２３に対応する巻線エリア面積は、１６ターンと素線断面積Ａとの積算値（１６Ａ）として演算され、第２組の巻線２４に対応する巻線エリア面積は、６ターンと素線断面積４Ａとの積算値（２４Ａ）として演算される。すなわち、各スロット２５のスロット断面積Ｓは４０Ａとなる。また、第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４とに流れる各電流値を比較すると、第２組の巻線２４には第１組の巻線２３と比較して４倍の電流が流れるが、第２組の巻線２４は第１組の巻線２３と比較して４倍の断面積を有するため電流密度はそれぞれ７５／Ａで同等となる。
【００２２】
図５は、本実施形態の電動機１と比較する、一般的な永久磁石型同期電動機１００の構成を模式的に示す断面図である。この電動機１００は、ロータ１１０と、ステータ１２０とを主体に構成されている。ロータ１１０は、ロータコア１１と、このロータコア１１の周方向に配置される１６極（８極対）の磁石１１２（Ｎ極１１２ａ，Ｓ極１１２ｂ）で構成されている。一方、ステータ１２０において、個々のステータティースには、１組の巻線１２３がそれぞれ巻回されており、これにより、１組の巻線１２３がバックヨークとステータティースとによって囲まれるスロット１２５に配置される。同図に示す例において、ステータ１２０には、２４個のスロットが形成されている。
【００２３】
この電動機１００を駆動する場合、巻線１２３に通電を行う電源（図示せず）が備えられており、この電源は、電流容量６００Ａとする。１６極に対応する巻線１２３は、スロット数と、極数との関係から、スロット間位相差が１２０度で３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）必要となる。図６（ａ）は、巻線１２３のうち、Ｕ相に対応する８つの巻線１２３を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相に対応する８つの巻線１２３は、それぞれが並列接続に構成されている。したがって、３相インバータ１３０から出力されるＵ相電流は、Ｕ相に対応する各巻線１２３に１／８づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が６００Ａなので、Ｕ相に対応する１つの巻線１２３あたり７５Ａの電流が供給される。ここで、巻線２３のそれぞれは、断面積Ａの素線がステータティース２１に４０ターン巻かれて構成されている。
【００２４】
図６（ｂ）に示すように、各スロット１２５には、巻線１２３がそれぞれ配置されている。ここで、各スロット１２５のスロット断面積Ｓ（スロット２５間における巻線エリア面積）は、４０ターンと素線断面積Ａとの積算値（４０Ａ）として演算される。また、個々の巻線１２３に流れる電流（電流密度）は、７５／Ａとなる。すなわち、上述した本実施形態にかかる電動機１は、スロット断面積Ｓおよび電流密度において、一般的な電動機１００と同等の構成となる。
【００２５】
図７，８は、第１の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図である。同図において、Ｌｃは、一般的な電動機１００のＮＴ特性を示す。また、Ｌｐ１は、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電した際の電動機１のＮＴ特性を示し、Ｌｐ２は、１６極に対応する第１組の巻線２３に通電した際の電動機１のＮＴ特性を示す。本実施形態にかかる電動機１は、Ｌｐ１で示すように、一般的な電動機１００とほぼ同等の最大トルクを得ながら、高回転域（Ｒｔよりも回転数が高い領域）ではトルクが拡大し、駆動領域が拡大されていることが分かる。
【００２６】
また、電動機１を駆動する場合、図７に示すように、駆動領域がエリアＡ１では、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電することにより、また、駆動領域がエリアＡ２では、１６極に対応する第１組の巻線２３に通電する。これにより、一般的な電動機１００と比較して、同一動作点における運転効率向上を図ることができる。
【００２７】
また、図８に示すように、エリアＢ１は、Ｌｐ１における高効率運転領域を示し、エリアＢ２は、Ｌｐ２における高効率運転領域を示す。これにより、領域Ｃ１の動作点では、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電することで、電動機１の高効率な運転が可能となり、領域Ｃ２の動作点では、１６極に対応する第１組の巻線２３に通電することで、電動機１の高効率な運転が可能となる。
【００２８】
このように本実施形態において、ロータ１０は、極対数がそれぞれ異なる複数組の永久磁石（本実施形態では、１６極の磁石組と２４極の磁石組）に相当する磁石磁束のそれぞれを合算させて発生させる磁束発生部材（本実施形態では、複数の磁石１２）を備える。ステータ２０は、各組の永久磁石の極対数に対応した交番磁束をそれぞれ発生させる複数組の巻線（本実施形態では、１６極および２４極に対応する２組の巻線２３，２４）を備える。ここで、ステータ２０は、スロット２５毎に、各組の巻線２３，２４が同一のスロット内にそれぞれ配置されて構成されており、複数組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、独立して通電可能であるとともに同一組内に設定される電流位相が異なる。かかる構成によれば、各組の巻線２３，２４に個別に通電することで、それぞれ異なる電動機の特性を得ることができる。これにより、電動機１の駆動領域が拡大し、トルクや出力の向上を図ることができる。
【００２９】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、同一組内の各巻線の直列接続数および並列接続数の一方または両方が異ならされている。これにより、低回転大トルク用の巻線組と、高回転用の巻線組とを構成することができるので、電動機１の駆動領域を拡大することができる。
【００３０】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、大きい極対数に対応する組の巻線２４ほど、同一組内の各巻線の並列接続数が少なく設定されている。かかる構成によれば、大きい極対数に対応する組の巻線２４について、各巻線に供給される電流を大きくすることができるので、低回転大トルクを得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、大きい極対数に対応する組の巻線２４ほど、巻線の巻回数が小さく設定され、かつ、素線の断面積が大きく設定される。かかる構成によれば、大きい極対数に対応する組の巻線２４について電流を大きく設定した場合であっても、電流密度を小さい極対数に対応する組の巻線２４の電流密度と同等にすることができる。これにより、大きい極対数に対応する組の巻線２４について大きな電流を流しても、熱性能の低下を抑制することができる。
【００３２】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、異なるインバータ３２，３３を介して電流が供給されるとともに同一組内の各巻線の並列接続数が異なっている。ここで、インバータ３２，３３のそれぞれは、対応する組の巻線に供給する電流容量が互いに同一に設定されている。かかる構成によれば、異なる諸元の巻線２３，２４について、個々のインバータ３２，３３の素子構成を同一とすることができるので、低コスト化を図ることができる。
【００３３】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、負荷領域に対応して選択的に通電されており、低回転大トルク領域では、大きい極対数に対応する組の巻線２４へ通電が行われ、低トルク領域では、小さい極対数に対応する組の巻線２３へ通電が行われる。かかる構成によれば、各組の巻線２３，２４を使用する際の電動機効率が異なることを利用して、電動機１の効率向上を図ることができる。
【００３４】
なお、本実施形態によれば、２８極に対応する第２組の巻線２４に対する通電について、３相インバータを用いたが、６相インバータを用いた場合には、第２組の巻線２４は、インバータの出力に対して２並列２直列とすることも可能であり、また、１２相インバータを用いた場合には、第２組の巻線２４は、インバータの出力に対して２並列１直列とすることも可能である。
【００３５】
また、図８に示したように、同一の動作点を出力するのに、２組の巻線２３，２４のどちらに通電しても概ね同じような効率である場合には、個々の巻線２３，２４のそれぞれの温度を検出する温度検出手段（例えば、熱電対やサーミスタ）を備えておく。これにより、温度の低い方の巻線２３，２４に優先的に通電することで、一方の巻線２３，２４の異常発熱を回避して運転することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる電動機１について説明する。この第２の実施形態にかかる電動機１が、第１の実施形態のそれと相違する点は、２８極に対応する第２組の巻線２４への通電方法である。なお、第１の実施形態と重複する点については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
【００３７】
図９は、ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成を具体的に説明する。本実施形態の電動機１を駆動する場合、１６極に対応する第１組の巻線２３のそれぞれに通電を行う第１の電源（図示せず）と、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電を行う第２の電源（図示せず）とが個々のインバータ３２，３３を介して２組の巻線２３，２４にそれぞれ接続される。第１の電源に対応するインバータ３２を介して供給される電流は６００［Ａ］である。一方、第２の電源に対応するインバータ３３を介して供給される電流は、通常、３００［Ａ］であるが、瞬時に最大トルクを発生する必要がある時（瞬時最大トルク時）には、６００［Ａ］となる。
【００３８】
１６極に対応する第１組の巻線２３は、第１の実施形態と同様、スロット間位相差が１２０度で３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）必要となる。図９（ａ）は、第１組の巻線２３のうち、Ｕ相に対応する８つの巻線２３を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相に対応する８つの巻線２３は、それぞれ並列接続されており、この回路がインバータ３２のＵ相出力端子に接続されている。３相インバータ３２から出力されるＵ相電流は、Ｕ相に対応する各巻線２３に１／８づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が６００［Ａ］なので、Ｕ相に対応する１つの巻線２３あたり７５［Ａ］の電流が供給される。ここで、第１組の巻線２３のそれぞれは、断面積Ａの素線がステータティース２１に２０ターン巻かれて構成されている。
【００３９】
一方、２８極に対応する第２組の巻線２４は、第１の実施形態と同様、スロット間位相差が２１０度で、６相（３相インバータで反転相を用いることで６相相当（（Ｕ相、Ｖ_相、Ｗ相、Ｕ_相、Ｖ相、Ｗ_相）））とする。図９（ｂ）は、第２組の巻線２４のうち、Ｕ相およびその反転相であるＵ_相に対応する８つの巻線２４を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相およびＵ_相に対応する８つの巻線２４は、２並列４直列、具体的には、Ｕ相およびＵ_相が交互にそれぞれ２個づつ直列接続された回路を２つ並列接続することで構成されており、この回路がインバータ３３のＵ相出力端子に接続されている。３相インバータ３３から出力されるＵ相電流は、Ｕ相およびＵ_相に対応する各巻線２４に１／２づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が通常３００［Ａ］なので、Ｕ相およびＵ_相に対応する１つの巻線２３あたり１５０［Ａ］の電流が供給される。ここで、第２組の巻線２４のそれぞれは、断面積２Ａの素線がステータティース２１に１０ターン巻かれて構成されている。
【００４０】
図９（ｃ）に示すように、本実施形態では、各スロット２５には、上述したような第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４とがそれぞれ配置されている。ここで、各スロット２５のスロット断面積Ｓ（スロット２５間における巻線エリア面積）は、第１組の巻線２３に対応する巻線エリア面積と、第２組の巻線２４に対応する巻線エリア面積との和になる。第１組の巻線２３に対応する巻線エリア面積は、２０ターンと素線断面積Ａとの積算値（２０Ａ）として演算され、第２組の巻線２４に対応する巻線エリア面積は、１０ターンと素線断面積２Ａとの積算値（２０Ａ）として演算される。すなわち、各スロット２５のスロット断面積Ｓは、上述した一般的な電動機１００と同様の４０Ａとなる。また、第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４とに流れる各電流値を比較すると、第２組の巻線２４には第１組の巻線２３と比較して２倍の電流が流れるが、第２組の巻線２４は第１組の巻線２３と比較して２倍の断面積を有するため電流密度はそれぞれ７５／Ａで同等となる。
【００４１】
また、本実施形態では、瞬時最大トルク時には、第２の電源からインバータ３３を介して６００［Ａ］の電流が供給される。そのため、第２組の巻線２４において、Ｕ相およびＵ_相に対応する１つの巻線２３あたり３００［Ａ］の電流が供給される。この場合、第２組の巻線２４の電流密度は１５０／Ａとなり、通常時の２倍の電流密度となる。
【００４２】
図１０は、第２の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図である。同図において、Ｌｃは、一般的な電動機１００のＮＴ特性を示す。また、Ｌｐ１は、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電（３００［Ａ］）した際の電動機１のＮＴ特性を示し、Ｌｐ２は、１６極に対応する第１組の巻線２３に通電した際の電動機１のＮＴ特性を示す。また、Ｌｐ３は、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電（６００［Ａ］）した際の電動機１のＮＴ特性を示す。本実施形態にかかる電動機１は、Ｌｐ３で示すように、インバータ３３を介して６００［Ａ］に電流を倍増させることで、一般的な電動機１００と比較して、大幅にトルクを増大させることができ、また、回転数がＲｔ以上の領域では、出力を増大させることができる。また、本実施形態にかかる電動機１は、瞬時最大トルク時には、インバータ３３を介して６００［Ａ］の電流が供給されることとなるが、スロット２５内の平均電流密度は、７５／Ａであり、一般的な電動機１００と同等である。
【００４３】
このように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、各組の巻線２３，２４に個別に通電することで、それぞれ異なる電動機の特性を得ることができる。これにより、電動機１の駆動領域が拡大し、トルクや出力の向上を図ることができる。
【００４４】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、２組の巻線で構成され、小さい極対数に対応する一方の組の巻線２３に第１の電流（６００［Ａ］）が通電されるとともに、大きい極対数に対応する他方の組の巻線２４に第２の電流（３００［Ａ］）または第１の電流（６００［Ａ］）が選択的に通電されている。この場合、他方の組の巻線２４に第１の電流が通電される際に、この他方の組の巻線２４の電流密度が、一方の組の巻線２３の電流密度よりも大きくなるように、一方の組の巻線２３が、他方の組の巻線２４よりも、素線の断面積が小さく、かつ、巻回数が多く設定される。かかる構成によれば、他方の組の巻線２４について、第２の電流を通電している際には、一方の組の巻線２３と同等な電流密度とすることができる。また、他方の組の巻線２４について、第１の電流を通電している際には、一方の組の巻線２３よりも大きな電流密度となるものの、素線の断面積が小さい分巻回数が多いので、最大トルクの向上を大幅に望むことができる。これにより、電動機１の駆動領域の拡大を図ることができる。
【００４５】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる電動機１について説明する。この第３の実施形態にかかる電動機１の特徴の一つは、ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成である。なお、第１または第２の実施形態と重複する点については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
【００４６】
図１１に示すように、第１の実施形態の電動機１において、ステータティース２１には、１６極に対応する第１組の巻線２３（１６ターン）と、２８極に対応する第２組の巻線２４（６ターン）とがそれぞれ径方向に隣接して巻回されている。また、図示しないが、第２の実施形態の電動機１においても、ステータティース２１には、１６極に対応する第１組の巻線２３（２０ターン）と、２８極に対応する第２組の巻線２４（１０ターン）とがそれぞれ径方向に隣接して巻回されている。しかしながら、特に第２の実施形態で示すように、瞬時最大トルク時に大電流が流れる場合、スロット２５内の平均電流密度は一般の電動機１と同様であるものの、２８極に対応する第２組の巻線２４のみが発熱源となり、この温度分布が大きくなる可能性がある。
【００４７】
そこで、第３の実施形態では、図１２に示すように、１６極に対応する第１組の巻線２３をステータティース２１の内周側に配置し、この第１組の巻線２３の外周側に２８極に対応する第２組の巻線２４を配置する。この場合、第１組の巻線２３と第２組の巻線２４とが積層状に配置されることとなるので、第１組の巻線２３と第２組の巻線２４との接触面積が増大させることができる。これにより、温度上昇した第２組の巻線２４の熱を第１組の巻線２３側に効果的に伝えることができるので、第２組の巻線２４側の温度上昇を効果的に抑制することができる。かかる構成は、電動機１において、スロット２５が冷媒流路となるような直接冷却構造を備える構成においても有効である。
【００４８】
また、図１３に示すように、ステータティース２１に対して、１６極に対応する第１組の巻線２３の素線と、２８極に対応する第２組の巻線２４の素線とを、それらがなるべく隣り合うように巻回することで、第１組の巻線２３および第２組の巻線２４を構成してもよい。この場合、第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４との接触面積が増大させることができる。これにより、温度上昇した第２組の巻線２４の熱を第１組の巻線２３側に効果的に伝えることができるので、第２組の巻線２４側の温度上昇を効果的に抑制することができる。これにより、第２組の巻線２４側の温度上昇を効果的に抑制することができる。
【００４９】
さらに、図１４に示すように、ステータティース２１およびバックヨーク２２で構成されるステータコアの外周側のケース部材２６に放熱用の冷媒通路２７を備える構成である場合、電動機１内の温度分布は、ステータコアよりも巻線の方が大となる。この場合には、発熱側である２８極に対応する第２組の巻線２４をステータティース２１の内周側に配置し、この第２組の巻線２４の外周側に２８極に対応する第１組の巻線２３を配置することが好ましい。
【００５０】
また、図１２〜１４に示す手法において、第１組の巻線２３と第２組の巻線２４との間に、熱伝導性を高める充填剤を配置することにより、さらに両者の熱抵抗の低減を図ることができる。この充填剤としては、一般的に用いられるワニスの含浸が考えられるが、固体の熱伝導剤を両者の間に挟みこんでもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１…電動機
１０…ロータ
１１…ロータコア
１２…磁石
２０…ステータ
２１…ステータティース
２２…バックヨーク
２３…巻線
２４…巻線
２５…スロット
３０…第１の電源
３１…第２の電源
３２…インバータ
３３…インバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、それぞれの組が異なる磁極数で構成される複数の磁石の組に相当する複数の磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材を持つロータを備えた電動機が開示されている。この電動機は、ステータ側の各スロットに１組の巻線がそれぞれ配置されており、このコイルに複合電流を供給することにより駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５１２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、スロットに単一の巻線しか巻回されておらず、通電電流の制御だけではモータの特性は変化せず、広い駆動領域を得ることができないという可能性がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、広範な駆動領域を備える電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、ステータが、ロータ側の各組の永久磁石の極対数に対応した交番磁束をそれぞれ発生させる複数組の巻線を備えており、スロット毎に、各組の巻線が同一のスロット内にそれぞれ配置されて構成されている。この場合、複数組の巻線は、巻線の組毎に、独立して通電可能であるとともに同一組内に設定される電流位相が異なる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、各組の巻線に個別に通電することで、それぞれ異なる電動機の特性を得ることができので、電動機の駆動領域の拡大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態にかかる電動機１の構成を模式的に示す断面図
【図２】磁束発生部材の概念を示すロータ１０Ａの説明図
【図３】ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成の説明図
【図４】ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成の説明図
【図５】一般的な永久磁石型同期電動機１００の構成を模式的に示す断面図
【図６】ステータ１２０における１組の巻線１２３の巻線構成の説明図
【図７】第１の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図
【図８】第１の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図
【図９】ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成の説明図
【図１０】第２の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図
【図１１】２組の巻線２３，２４の巻線状態の説明図
【図１２】２組の巻線２３，２４の巻線状態の説明図
【図１３】２組の巻線２３，２４の巻線状態の説明図
【図１４】２組の巻線２３，２４の巻線状態の説明図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる電動機１の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態にかかる電動機１は、永久磁石型同期電動機であり、ラジアルギャップのインナーロータ型として構成されている。この電動機１は、シャフト（図示せず）に連結されるロータ（可動子）１０と、断面がリング状のステータ（固定子）２０とを主体に構成されており、ロータ１０は、ステータ２０の内周側にエアギャップを介して配置されている。
【００１０】
ロータ１０は、ロータコア１１と、複数の磁石（永久磁石）１２とで構成されている。ロータコア１１は、磁性体の電磁鋼板を軸方向に複数積層して形成されている。このロータコア１１には、複数の磁石１２（Ｎ極１２ａ，Ｓ極１２ｂ）が周方向に沿って配設されており、これらの磁石１２は、磁束発生部材として機能する。
【００１１】
図２は、本実施形態にかかる磁束発生部材の概念を示すロータ１０Ａの説明図である。磁束発生部材は、極対数がそれぞれ異なる複数組の永久磁石に相当する磁石磁束のそれぞれを合算させて発生させるものである。磁束発生部材は、これを形式的に捉えた場合、ロータ１０Ａに示すように、第１の磁石組１２Ａ、具体的には、１６極（８極対）の磁石組（Ｎ極１２ａ，Ｓ極１２ｂ）と、第２の磁石組１２Ｂ、具体的には、２８極（１４極対）の磁石組（Ｎ極１２ａ，Ｓ極１２ｂ）とで構成されている。ここで、１６極の磁石組１２Ａと、２８極の磁石組１２Ｂとは、ロータコア１１の表層に２層に配置されており、径方向において、１６極の磁石組１２Ａの外側に２８極の磁石組１２Ｂが配置されている。このロータ１０Ａは、１６極および２８極の磁石組１２Ａ，１２Ｂによる複合磁束、具体的には、１６極の磁石組１２Ａによる磁石磁束と、２８極の磁石組１２Ｂの磁石磁束とが合算されて発生する。なお、同図に示す例では、第１の磁石組１２Ａと、第２の磁石組１２Ｂとの組み合わせ位相は、位置Ａにおいて一致している（位相差ゼロ位置）。
【００１２】
ロータ１０Ａには、１６極の磁石組１２Ａと２８極の磁石組１２Ｂとにおいて、着磁方向の異なる磁石１２ａ，１２ｂが互いに接している領域（図中の破線で示す領域）と、着磁方向の同じ磁石１２ａ（または１２ｂ）が互いに接している領域とが存在している。着磁方向の異なる磁石１２ａ，１２ｂが互いに接している領域では、どちらの着磁方向にも磁束が発生しないので磁石は無いものと等価であり、かつ、磁束は飽和しているので磁束は通り難くなる。
【００１３】
本実施形態のロータ１０（図１参照）は、ロータ１０Ａ（図２参照）において異なる着磁方向の磁石１２ａ，１２ｂが接している部分から当該磁石１２ａ，１２ｂを排除することにより構成されたものである。ロータ１０には、図２に示す非破線領域に対応する磁石１２ａ，１２ｂとして、１０個のＮ極の磁石１２ａと、１０個のＳ極の磁石１２ｂとが配置されている。このロータ１０は、複数の磁石１２により、図２に示すロータ１０Ａと同じく、１６極および２８極の磁石組による複合磁束が発生する。換言すれば、ロータ１０は、１６極の磁石組１２Ａと２８極の磁石組１２Ｂとに相当する磁束成分のそれぞれを合算させて発生させるロータとして機能する。もっとも、ロータ１０は、図２に示すロータ１０Ａのように、極性の違う磁石が接している部分の磁石１２ａ，１２ｂを排除していない構成で基本的に成立する。しかしながら、不要な磁石を除去した方が、削除した磁石分の慣性の低減により、トルクの向上、モータの軽量化、削除した磁石の分の経費節減などを図ることができる。
【００１４】
なお、図１に示すロータ１０において、不要な磁石を除去した領域は空隙となっており、空気によって占められている。この空気が占める領域は磁束を通さない機能を果たしている。すなわち、磁石を除去したこの領域には、鉄などの磁束を通し易い素材以外の部材を配置する必要があるが、通常は空間（空気）で足りる。もちろん、この領域には空気以外の磁束を通しにくい部材が設置されても構わない。
【００１５】
ステータ２０は、例えば、磁性体の電磁鋼板を軸方向に複数積層して構成されており、複数の突極部（ステータティース）２１と、略リング状のバックヨーク２２とを有している。複数のステータティース２１は、バックヨーク２２の内周側において周方向に沿って等間隔に配置されており、個々のステータティース２１は、ロータ１０側に突出した格好となっている。バックヨーク２２は、個々のステータティース２１をその基端側で連結している。
【００１６】
各ステータティース２１には、絶縁部材であるインシュレータ（図示せず）を介して、２組の巻線２３，２４が各々巻回されている。この２組の巻線２３，２４は、１６極の磁石組１２Ａの極対数に対応した電流磁界を発生させる第１組の巻線２３と、２８極の磁石組１２Ｂの極体数に対応した電流磁界を発生させる第２組の巻線２４とが含まれている。これにより、ステータ２０は、スロット２５（バックヨーク２２とステータティース２１とによって囲まれる領域）毎に、各組の巻線２３，２４が同一のスロット２５内にそれぞれ配置される構成される。本実施形態において、ステータ２０には、２４個のスロットが形成されている。なお、各組の巻線構成については後述する。
【００１７】
この電動機１では、ロータ１０に配置された永久磁石１２と、ロータ１０自体を構成する磁性体（電磁鋼板）と、ステータ２０を構成する磁性体（電磁鋼板）とによって、主磁気回路が形成される。そして、永久磁石１２からの磁石磁束、および各組の巻線２３，２４をインバータ制御により通電することで発生する交番磁束が、この主磁気回路を流れることで電磁力によるトルクが発生し、これにより、ロータ１０およびこれに連結されたシャフトが回転する。
【００１８】
つぎに、図３，４を参照して、ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成を具体的に説明する。本実施形態の電動機１を駆動する場合、１６極に対応する第１組の巻線２３のそれぞれに通電を行う第１の電源３０と、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電を行う第２の電源３１とが個々のインバータ３２，３３を介して２組の巻線２３，２４にそれぞれ接続される。個々のインバータ３２，３３を介して供給される電流容量はともに同一である（例えば、６００［Ａ］）。
【００１９】
１６極に対応する第１組の巻線２３は、スロット数と、極数との関係から、電流位相差が電気角１２０度で３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）必要となる（図４参照）。図３（ａ）は、第１組の巻線２３のうち、Ｕ相に対応する８つの巻線２３を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相に対応する８つの巻線２３は、それぞれ並列接続されており、この回路がインバータ３２のＵ相出力端子に接続されている。３相インバータ３２から出力されるＵ相電流は、Ｕ相に対応する各巻線２３に１／８づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が６００［Ａ］なので、Ｕ相に対応する１つの巻線２３あたり７５［Ａ］の電流が供給される。ここで、第１組の巻線２３のそれぞれは、断面積Ａの素線がステータティース２１に１６ターン巻かれて構成されている。
【００２０】
一方、２８極に対応する第２組の巻線２４は、スロット数と、極数との関係から、電流位相差が電気角２１０度で１２相必要となる。しかしながら、本実施形態では、３相インバータの活用を考慮して、６相（３相インバータで反転相を用いることで６相相当（（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ_相、Ｖ_相、Ｗ_相）））とする（図４参照）。図３（ｂ）は、第２組の巻線２４のうち、Ｕ相およびその反転相であるＵ_相に対応する８つの巻線２４を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相およびＵ_相に対応する８つの巻線２４は、２並列４直列、具体的には、Ｕ相およびＵ_相が交互にそれぞれ２個づつ直列接続された回路を２つ並列接続することで構成されており、この回路がインバータ３３のＵ相出力端子に接続されている。３相インバータ３３から出力されるＵ相電流は、Ｕ相およびＵ_相に対応する各巻線２４に１／２づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が６００［Ａ］なので、Ｕ相およびＵ_相に対応する１つの巻線２３あたり３００［Ａ］の電流が供給される。ここで、第２組の巻線２４のそれぞれは、断面積４Ａの素線がステータティース２１に６ターン巻かれて構成されている。
【００２１】
図３（ｃ）に示すように、本実施形態では、各スロット２５には、上述したような第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４とがそれぞれ配置されている。ここで、各スロット２５のスロット断面積Ｓ（スロット２５間における巻線エリア面積）は、第１組の巻線２３に対応する巻線エリア面積と、第２組の巻線２４に対応する巻線エリア面積との和になる。第１組の巻線２３に対応する巻線エリア面積は、１６ターンと素線断面積Ａとの積算値（１６Ａ）として演算され、第２組の巻線２４に対応する巻線エリア面積は、６ターンと素線断面積４Ａとの積算値（２４Ａ）として演算される。すなわち、各スロット２５のスロット断面積Ｓは４０Ａとなる。また、第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４とに流れる各電流値を比較すると、第２組の巻線２４には第１組の巻線２３と比較して４倍の電流が流れるが、第２組の巻線２４は第１組の巻線２３と比較して４倍の断面積を有するため電流密度はそれぞれ７５／Ａで同等となる。
【００２２】
図５は、本実施形態の電動機１と比較する、一般的な永久磁石型同期電動機１００の構成を模式的に示す断面図である。この電動機１００は、ロータ１１０と、ステータ１２０とを主体に構成されている。ロータ１１０は、ロータコア１１と、このロータコア１１の周方向に配置される１６極（８極対）の磁石１１２（Ｎ極１１２ａ，Ｓ極１１２ｂ）で構成されている。一方、ステータ１２０において、個々のステータティースには、１組の巻線１２３がそれぞれ巻回されており、これにより、１組の巻線１２３がバックヨークとステータティースとによって囲まれるスロット１２５に配置される。同図に示す例において、ステータ１２０には、２４個のスロットが形成されている。
【００２３】
この電動機１００を駆動する場合、巻線１２３に通電を行う電源（図示せず）が備えられており、この電源は、電流容量６００Ａとする。１６極に対応する巻線１２３は、スロット数と、極数との関係から、スロット間位相差が１２０度で３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）必要となる。図６（ａ）は、巻線１２３のうち、Ｕ相に対応する８つの巻線１２３を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相に対応する８つの巻線１２３は、それぞれが並列接続に構成されている。したがって、３相インバータ１３０から出力されるＵ相電流は、Ｕ相に対応する各巻線１２３に１／８づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が６００Ａなので、Ｕ相に対応する１つの巻線１２３あたり７５Ａの電流が供給される。ここで、巻線２３のそれぞれは、断面積Ａの素線がステータティース２１に４０ターン巻かれて構成されている。
【００２４】
図６（ｂ）に示すように、各スロット１２５には、巻線１２３がそれぞれ配置されている。ここで、各スロット１２５のスロット断面積Ｓ（スロット２５間における巻線エリア面積）は、４０ターンと素線断面積Ａとの積算値（４０Ａ）として演算される。また、個々の巻線１２３に流れる電流（電流密度）は、７５／Ａとなる。すなわち、上述した本実施形態にかかる電動機１は、スロット断面積Ｓおよび電流密度において、一般的な電動機１００と同等の構成となる。
【００２５】
図７，８は、第１の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図である。同図において、Ｌｃは、一般的な電動機１００のＮＴ特性を示す。また、Ｌｐ１は、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電した際の電動機１のＮＴ特性を示し、Ｌｐ２は、１６極に対応する第１組の巻線２３に通電した際の電動機１のＮＴ特性を示す。本実施形態にかかる電動機１は、Ｌｐ１で示すように、一般的な電動機１００とほぼ同等の最大トルクを得ながら、高回転域（Ｒｔよりも回転数が高い領域）ではトルクが拡大し、駆動領域が拡大されていることが分かる。
【００２６】
また、電動機１を駆動する場合、図７に示すように、駆動領域がエリアＡ１では、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電することにより、また、駆動領域がエリアＡ２では、１６極に対応する第１組の巻線２３に通電する。これにより、一般的な電動機１００と比較して、同一動作点における運転効率向上を図ることができる。
【００２７】
また、図８に示すように、エリアＢ１は、Ｌｐ１における高効率運転領域を示し、エリアＢ２は、Ｌｐ２における高効率運転領域を示す。これにより、領域Ｃ１の動作点では、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電することで、電動機１の高効率な運転が可能となり、領域Ｃ２の動作点では、１６極に対応する第１組の巻線２３に通電することで、電動機１の高効率な運転が可能となる。
【００２８】
このように本実施形態において、ロータ１０は、極対数がそれぞれ異なる複数組の永久磁石（本実施形態では、１６極の磁石組と２４極の磁石組）に相当する磁石磁束のそれぞれを合算させて発生させる磁束発生部材（本実施形態では、複数の磁石１２）を備える。ステータ２０は、各組の永久磁石の極対数に対応した交番磁束をそれぞれ発生させる複数組の巻線（本実施形態では、１６極および２４極に対応する２組の巻線２３，２４）を備える。ここで、ステータ２０は、スロット２５毎に、各組の巻線２３，２４が同一のスロット内にそれぞれ配置されて構成されており、複数組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、独立して通電可能であるとともに同一組内に設定される電流位相が異なる。かかる構成によれば、各組の巻線２３，２４に個別に通電することで、それぞれ異なる電動機の特性を得ることができる。これにより、電動機１の駆動領域が拡大し、トルクや出力の向上を図ることができる。
【００２９】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、同一組内の各巻線の直列接続数および並列接続数の一方または両方が異ならされている。これにより、低回転大トルク用の巻線組と、高回転用の巻線組とを構成することができるので、電動機１の駆動領域を拡大することができる。
【００３０】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、大きい極対数に対応する組の巻線２４ほど、同一組内の各巻線の並列接続数が少なく設定されている。かかる構成によれば、大きい極対数に対応する組の巻線２４について、各巻線に供給される電流を大きくすることができるので、低回転大トルクを得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、大きい極対数に対応する組の巻線２４ほど、巻線の巻回数が小さく設定され、かつ、素線の断面積が大きく設定される。かかる構成によれば、大きい極対数に対応する組の巻線２４について電流を大きく設定した場合であっても、電流密度を小さい極対数に対応する組の巻線２４の電流密度と同等にすることができる。これにより、大きい極対数に対応する組の巻線２４について大きな電流を流しても、熱性能の低下を抑制することができる。
【００３２】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、異なるインバータ３２，３３を介して電流が供給されるとともに同一組内の各巻線の並列接続数が異なっている。ここで、インバータ３２，３３のそれぞれは、対応する組の巻線に供給する電流容量が互いに同一に設定されている。かかる構成によれば、異なる諸元の巻線２３，２４について、個々のインバータ３２，３３の素子構成を同一とすることができるので、低コスト化を図ることができる。
【００３３】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、巻線の組毎に、負荷領域に対応して選択的に通電されており、低回転大トルク領域では、大きい極対数に対応する組の巻線２４へ通電が行われ、低トルク領域では、小さい極対数に対応する組の巻線２３へ通電が行われる。かかる構成によれば、各組の巻線２３，２４を使用する際の電動機効率が異なることを利用して、電動機１の効率向上を図ることができる。
【００３４】
なお、本実施形態によれば、２８極に対応する第２組の巻線２４に対する通電について、３相インバータを用いたが、６相インバータを用いた場合には、第２組の巻線２４は、インバータの出力に対して２並列２直列とすることも可能であり、また、１２相インバータを用いた場合には、第２組の巻線２４は、インバータの出力に対して２並列１直列とすることも可能である。
【００３５】
また、図８に示したように、同一の動作点を出力するのに、２組の巻線２３，２４のどちらに通電しても概ね同じような効率である場合には、個々の巻線２３，２４のそれぞれの温度を検出する温度検出手段（例えば、熱電対やサーミスタ）を備えておく。これにより、温度の低い方の巻線２３，２４に優先的に通電することで、一方の巻線２３，２４の異常発熱を回避して運転することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる電動機１について説明する。この第２の実施形態にかかる電動機１が、第１の実施形態のそれと相違する点は、２８極に対応する第２組の巻線２４への通電方法である。なお、第１の実施形態と重複する点については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
【００３７】
図９は、ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成を具体的に説明する。本実施形態の電動機１を駆動する場合、１６極に対応する第１組の巻線２３のそれぞれに通電を行う第１の電源（図示せず）と、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電を行う第２の電源（図示せず）とが個々のインバータ３２，３３を介して２組の巻線２３，２４にそれぞれ接続される。第１の電源に対応するインバータ３２を介して供給される電流は６００［Ａ］である。一方、第２の電源に対応するインバータ３３を介して供給される電流は、通常、３００［Ａ］であるが、瞬時に最大トルクを発生する必要がある時（瞬時最大トルク時）には、６００［Ａ］となる。
【００３８】
１６極に対応する第１組の巻線２３は、第１の実施形態と同様、スロット間位相差が１２０度で３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）必要となる。図９（ａ）は、第１組の巻線２３のうち、Ｕ相に対応する８つの巻線２３を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相に対応する８つの巻線２３は、それぞれ並列接続されており、この回路がインバータ３２のＵ相出力端子に接続されている。３相インバータ３２から出力されるＵ相電流は、Ｕ相に対応する各巻線２３に１／８づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が６００［Ａ］なので、Ｕ相に対応する１つの巻線２３あたり７５［Ａ］の電流が供給される。ここで、第１組の巻線２３のそれぞれは、断面積Ａの素線がステータティース２１に２０ターン巻かれて構成されている。
【００３９】
一方、２８極に対応する第２組の巻線２４は、第１の実施形態と同様、スロット間位相差が２１０度で、６相（３相インバータで反転相を用いることで６相相当（（Ｕ相、Ｖ_相、Ｗ相、Ｕ_相、Ｖ相、Ｗ_相）））とする。図９（ｂ）は、第２組の巻線２４のうち、Ｕ相およびその反転相であるＵ_相に対応する８つの巻線２４を模式的に示しているが、他の相についても同様である。Ｕ相およびＵ_相に対応する８つの巻線２４は、２並列４直列、具体的には、Ｕ相およびＵ_相が交互にそれぞれ２個づつ直列接続された回路を２つ並列接続することで構成されており、この回路がインバータ３３のＵ相出力端子に接続されている。３相インバータ３３から出力されるＵ相電流は、Ｕ相およびＵ_相に対応する各巻線２４に１／２づつ通電される。本ケースでは、Ｕ相電流が通常３００［Ａ］なので、Ｕ相およびＵ_相に対応する１つの巻線２３あたり１５０［Ａ］の電流が供給される。ここで、第２組の巻線２４のそれぞれは、断面積２Ａの素線がステータティース２１に１０ターン巻かれて構成されている。
【００４０】
図９（ｃ）に示すように、本実施形態では、各スロット２５には、上述したような第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４とがそれぞれ配置されている。ここで、各スロット２５のスロット断面積Ｓ（スロット２５間における巻線エリア面積）は、第１組の巻線２３に対応する巻線エリア面積と、第２組の巻線２４に対応する巻線エリア面積との和になる。第１組の巻線２３に対応する巻線エリア面積は、２０ターンと素線断面積Ａとの積算値（２０Ａ）として演算され、第２組の巻線２４に対応する巻線エリア面積は、１０ターンと素線断面積２Ａとの積算値（２０Ａ）として演算される。すなわち、各スロット２５のスロット断面積Ｓは、上述した一般的な電動機１００と同様の４０Ａとなる。また、第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４とに流れる各電流値を比較すると、第２組の巻線２４には第１組の巻線２３と比較して２倍の電流が流れるが、第２組の巻線２４は第１組の巻線２３と比較して２倍の断面積を有するため電流密度はそれぞれ７５／Ａで同等となる。
【００４１】
また、本実施形態では、瞬時最大トルク時には、第２の電源からインバータ３３を介して６００［Ａ］の電流が供給される。そのため、第２組の巻線２４において、Ｕ相およびＵ_相に対応する１つの巻線２３あたり３００［Ａ］の電流が供給される。この場合、第２組の巻線２４の電流密度は１５０／Ａとなり、通常時の２倍の電流密度となる。
【００４２】
図１０は、第２の実施形態にかかる電動機１の回転数ＲとトルクＴとの特性（ＮＴ特性）を示す説明図である。同図において、Ｌｃは、一般的な電動機１００のＮＴ特性を示す。また、Ｌｐ１は、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電（３００［Ａ］）した際の電動機１のＮＴ特性を示し、Ｌｐ２は、１６極に対応する第１組の巻線２３に通電した際の電動機１のＮＴ特性を示す。また、Ｌｐ３は、２８極に対応する第２組の巻線２４に通電（６００［Ａ］）した際の電動機１のＮＴ特性を示す。本実施形態にかかる電動機１は、Ｌｐ３で示すように、インバータ３３を介して６００［Ａ］に電流を倍増させることで、一般的な電動機１００と比較して、大幅にトルクを増大させることができ、また、回転数がＲｔ以上の領域では、出力を増大させることができる。また、本実施形態にかかる電動機１は、瞬時最大トルク時には、インバータ３３を介して６００［Ａ］の電流が供給されることとなるが、スロット２５内の平均電流密度は、７５／Ａであり、一般的な電動機１００と同等である。
【００４３】
このように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、各組の巻線２３，２４に個別に通電することで、それぞれ異なる電動機の特性を得ることができる。これにより、電動機１の駆動領域が拡大し、トルクや出力の向上を図ることができる。
【００４４】
また、本実施形態において、複数組の巻線２３，２４は、２組の巻線で構成され、小さい極対数に対応する一方の組の巻線２３に第１の電流（６００［Ａ］）が通電されるとともに、大きい極対数に対応する他方の組の巻線２４に第２の電流（３００［Ａ］）または第１の電流（６００［Ａ］）が選択的に通電されている。この場合、他方の組の巻線２４に第１の電流が通電される際に、この他方の組の巻線２４の電流密度が、一方の組の巻線２３の電流密度よりも大きくなるように、一方の組の巻線２３が、他方の組の巻線２４よりも、素線の断面積が小さく、かつ、巻回数が多く設定される。かかる構成によれば、他方の組の巻線２４について、第２の電流を通電している際には、一方の組の巻線２３と同等な電流密度とすることができる。また、他方の組の巻線２４について、第１の電流を通電している際には、一方の組の巻線２３よりも大きな電流密度となるものの、素線の断面積が小さい分巻回数が多いので、最大トルクの向上を大幅に望むことができる。これにより、電動機１の駆動領域の拡大を図ることができる。
【００４５】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる電動機１について説明する。この第３の実施形態にかかる電動機１の特徴の一つは、ステータ２０における２組の巻線２３，２４の巻線構成である。なお、第１または第２の実施形態と重複する点については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
【００４６】
図１１に示すように、第１の実施形態の電動機１において、ステータティース２１には、１６極に対応する第１組の巻線２３（１６ターン）と、２８極に対応する第２組の巻線２４（６ターン）とがそれぞれ径方向に隣接して巻回されている。また、図示しないが、第２の実施形態の電動機１においても、ステータティース２１には、１６極に対応する第１組の巻線２３（２０ターン）と、２８極に対応する第２組の巻線２４（１０ターン）とがそれぞれ径方向に隣接して巻回されている。しかしながら、特に第２の実施形態で示すように、瞬時最大トルク時に大電流が流れる場合、スロット２５内の平均電流密度は一般の電動機１と同様であるものの、２８極に対応する第２組の巻線２４のみが発熱源となり、この温度分布が大きくなる可能性がある。
【００４７】
そこで、第３の実施形態では、図１２に示すように、１６極に対応する第１組の巻線２３をステータティース２１の内周側に配置し、この第１組の巻線２３の外周側に２８極に対応する第２組の巻線２４を配置する。この場合、第１組の巻線２３と第２組の巻線２４とが積層状に配置されることとなるので、第１組の巻線２３と第２組の巻線２４との接触面積が増大させることができる。これにより、温度上昇した第２組の巻線２４の熱を第１組の巻線２３側に効果的に伝えることができるので、第２組の巻線２４側の温度上昇を効果的に抑制することができる。かかる構成は、電動機１において、スロット２５が冷媒流路となるような直接冷却構造を備える構成においても有効である。
【００４８】
また、図１３に示すように、ステータティース２１に対して、１６極に対応する第１組の巻線２３の素線と、２８極に対応する第２組の巻線２４の素線とを、それらがなるべく隣り合うように巻回することで、第１組の巻線２３および第２組の巻線２４を構成してもよい。この場合、第１組の巻線２３と、第２組の巻線２４との接触面積が増大させることができる。これにより、温度上昇した第２組の巻線２４の熱を第１組の巻線２３側に効果的に伝えることができるので、第２組の巻線２４側の温度上昇を効果的に抑制することができる。これにより、第２組の巻線２４側の温度上昇を効果的に抑制することができる。
【００４９】
さらに、図１４に示すように、ステータティース２１およびバックヨーク２２で構成されるステータコアの外周側のケース部材２６に放熱用の冷媒通路２７を備える構成である場合、電動機１内の温度分布は、ステータコアよりも巻線の方が大となる。この場合には、発熱側である２８極に対応する第２組の巻線２４をステータティース２１の内周側に配置し、この第２組の巻線２４の外周側に２８極に対応する第１組の巻線２３を配置することが好ましい。
【００５０】
また、図１２〜１４に示す手法において、第１組の巻線２３と第２組の巻線２４との間に、熱伝導性を高める充填剤を配置することにより、さらに両者の熱抵抗の低減を図ることができる。この充填剤としては、一般的に用いられるワニスの含浸が考えられるが、固体の熱伝導剤を両者の間に挟みこんでもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１…電動機
１０…ロータ
１１…ロータコア
１２…磁石
２０…ステータ
２１…ステータティース
２２…バックヨーク
２３…巻線
２４…巻線
２５…スロット
３０…第１の電源
３１…第２の電源
３２…インバータ
３３…インバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極対数がそれぞれ異なる複数組の永久磁石に相当する磁石磁束のそれぞれを合算させて発生させる磁束発生部材を備えるロータと、
各組の永久磁石の極対数に対応した交番磁束をそれぞれ発生させる複数組の巻線を備えるステータとを有し、
前記ステータは、スロット毎に、各組の巻線が同一のスロット内にそれぞれ配置されて構成されており、
前記複数組の巻線は、巻線の組毎に、独立して通電可能であるとともに同一組内に設定される電流位相が異なることを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記複数組の巻線は、巻線の組毎に、同一組内の各巻線の直列接続数および並列接続数の一方または両方が異なることを特徴とする請求項１に記載された電動機。
【請求項３】
前記複数組の巻線は、大きい極対数に対応する組の巻線ほど、同一組内の各巻線の並列接続数が少なく設定されることを特徴とする請求項２に記載された電動機。
【請求項４】
前記複数組の巻線は、大きい極対数に対応する組の巻線ほど、当該巻線の巻回数が小さく設定され、かつ、素線の断面積が大きく設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電動機。
【請求項５】
前記複数組の巻線は、巻線の組毎に、異なるインバータを介して電流が供給されるとともに同一組内の各巻線の並列接続数が異なっており、
前記インバータのそれぞれは、巻線に供給する電流容量が互いに同一に設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された電動機。
【請求項６】
前記複数組の巻線は、２組の巻線で構成され、小さい極対数に対応する一方の組の巻線に第１の電流が通電されるとともに、大きい極対数に対応する他方の組の巻線に前記第１の電流よりも小さい第２の電流または前記第１の電流が選択的に通電されており、
前記他方の組の巻線に前記第１の電流が通電される際に、当該他方の組の巻線の電流密度が前記一方の組の巻線の電流密度よりも大きくなるように、当該一方の組の巻線が、前記他方の組の巻線よりも素線の断面積が小さく、かつ、巻回数が多く設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電動機。
【請求項７】
前記複数組の巻線は、異なる組の巻線が積層状に配置される、または、異なる組の巻線が隣り合った状態でそれぞれ巻回されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された電動機。
【請求項８】
前記複数組の巻線は、異なる組の巻線間に、熱伝導性を有する絶縁剤が充填されることを特徴とする請求項７に記載された電動機。
【請求項９】
前記ステータは、スロット内に冷媒を流通させる冷却機構を有しており、
前記複数組の巻線は、電流密度の高い組の巻線ほど外周側に配置されることを特徴とする請求項７に記載された電動機。
【請求項１０】
前記ステータは、ステータコアの外周側に冷媒を流通させる冷却機構を有しており、
前記複数組の巻線は、電流密度の高い組の巻線ほど前記ステータコアとの接触面積が多くなるように配置されることを特徴とする請求項７に記載された電動機。
【請求項１１】
前記複数組の巻線は、負荷領域に対応して各組へ選択的に通電されており、低回転大トルク領域では、大きい極対数に対応する組の巻線へ通電が行われ、低トルク領域では、小さい極対数に対応する組の巻線へ通電が行われることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電動機。
【請求項１２】
前記複数組の巻線は、各組の巻線にそれぞれ通電した際にそれぞれ同一出力を得られる場合、巻線温度が低い組の巻線へ優先的に通電が行われることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電動機。
【請求項１】
極対数がそれぞれ異なる複数組の永久磁石に相当する磁石磁束のそれぞれを合算させて発生させる磁束発生部材を備えるロータと、
各組の永久磁石の極対数に対応した交番磁束をそれぞれ発生させる複数組の巻線を備えるステータとを有し、
前記ステータは、スロット毎に、各組の巻線が同一のスロット内にそれぞれ配置されて構成されており、
前記複数組の巻線は、巻線の組毎に、独立して通電可能であるとともに同一組内に設定される電流位相が異なることを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記複数組の巻線は、巻線の組毎に、同一組内の各巻線の直列接続数および並列接続数の一方または両方が異なることを特徴とする請求項１に記載された電動機。
【請求項３】
前記複数組の巻線は、大きい極対数に対応する組の巻線ほど、同一組内の各巻線の並列接続数が少なく設定されることを特徴とする請求項２に記載された電動機。
【請求項４】
前記複数組の巻線は、大きい極対数に対応する組の巻線ほど、当該巻線の巻回数が小さく設定され、かつ、素線の断面積が大きく設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電動機。
【請求項５】
前記複数組の巻線は、巻線の組毎に、異なるインバータを介して電流が供給されるとともに同一組内の各巻線の並列接続数が異なっており、
前記インバータのそれぞれは、巻線に供給する電流容量が互いに同一に設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された電動機。
【請求項６】
前記複数組の巻線は、２組の巻線で構成され、小さい極対数に対応する一方の組の巻線に第１の電流が通電されるとともに、大きい極対数に対応する他方の組の巻線に前記第１の電流よりも小さい第２の電流または前記第１の電流が選択的に通電されており、
前記他方の組の巻線に前記第１の電流が通電される際に、当該他方の組の巻線の電流密度が前記一方の組の巻線の電流密度よりも大きくなるように、当該一方の組の巻線が、前記他方の組の巻線よりも素線の断面積が小さく、かつ、巻回数が多く設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電動機。
【請求項７】
前記複数組の巻線は、異なる組の巻線が積層状に配置される、または、異なる組の巻線が隣り合った状態でそれぞれ巻回されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された電動機。
【請求項８】
前記複数組の巻線は、異なる組の巻線間に、熱伝導性を有する絶縁剤が充填されることを特徴とする請求項７に記載された電動機。
【請求項９】
前記ステータは、スロット内に冷媒を流通させる冷却機構を有しており、
前記複数組の巻線は、電流密度の高い組の巻線ほど外周側に配置されることを特徴とする請求項７に記載された電動機。
【請求項１０】
前記ステータは、ステータコアの外周側に冷媒を流通させる冷却機構を有しており、
前記複数組の巻線は、電流密度の高い組の巻線ほど前記ステータコアとの接触面積が多くなるように配置されることを特徴とする請求項７に記載された電動機。
【請求項１１】
前記複数組の巻線は、負荷領域に対応して各組へ選択的に通電されており、低回転大トルク領域では、大きい極対数に対応する組の巻線へ通電が行われ、低トルク領域では、小さい極対数に対応する組の巻線へ通電が行われることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電動機。
【請求項１２】
前記複数組の巻線は、各組の巻線にそれぞれ通電した際にそれぞれ同一出力を得られる場合、巻線温度が低い組の巻線へ優先的に通電が行われることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電動機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−３６０６０（Ｐ２０１１−３６０６０Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８１２８３（Ｐ２００９−１８１２８３）
【出願日】平成２１年８月４日（２００９．８．４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月４日（２００９．８．４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
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