電気機械
【課題】コストを低減しつつ、界磁極内に発生する渦電流損失を低減することができる電気機械を得ることを目的とする。
【解決手段】リニアモータとして機能する対向範囲における、界磁極２２の磁極数Ｐ＝５、電機子１１のティース６の数Ｑ＝６としたリニアモータにおいて、同一のティース６に巻回する巻線を（ ／ ）で、三相をＵ、Ｖ、Ｗで、巻極性を＋、−でそれぞれ表示した場合、各ティース６に巻回する巻線７ａ、７ｂを、（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）の順序となるようにした。この構成により、電機子起磁力の同期成分より低い次数の成分を低減できる。このため、界磁極に流れる渦電流を小さくできるので、界磁極の渦電流損失を低減できる。
【解決手段】リニアモータとして機能する対向範囲における、界磁極２２の磁極数Ｐ＝５、電機子１１のティース６の数Ｑ＝６としたリニアモータにおいて、同一のティース６に巻回する巻線を（ ／ ）で、三相をＵ、Ｖ、Ｗで、巻極性を＋、−でそれぞれ表示した場合、各ティース６に巻回する巻線７ａ、７ｂを、（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）の順序となるようにした。この構成により、電機子起磁力の同期成分より低い次数の成分を低減できる。このため、界磁極に流れる渦電流を小さくできるので、界磁極の渦電流損失を低減できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機やリニアモータ等の電気機械に関するものであり、界磁極内に発生する渦電流損失を低減する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の永久磁石を備えた界磁極と集中巻で巻回された電機子巻線を備えた電機子とからなる回転電機が様々な用途に用いられている。集中巻は、電機子のティースに集中的に巻線が巻き回された構造であり、機械による自動巻き生産方法が発達したためにサーボ用途などの小型電動機を中心に多用されている。このような小型モータでは、銅損、鉄損、機械損が損失の大半を占めるため、界磁極に発生する渦電流損が問題とならない場合が多い。
一方、数ｋＷを越える大型電動機においては、これまでは分布巻で巻回された電機子巻線を備えた電機子を用いていたが、コイルエンドの小さい集中巻を採用する必要性が高まっている。例えば、エレベータの巻上機や工作機械のステージをダイレクト駆動するような電動機においては、省スペースの観点から、コイルエンドの小型化要求が大きい。
【０００３】
しかしながら、数ｋＷを超える大型回転電機においては、界磁極に発生する渦電流損失が全体の損失の中でも無視できない。さらに近年、希土類磁石のような残留磁束密度と保持力が高い高性能磁石が大型回転電機の界磁極の磁極として積極的に利用されるようになっている。例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石は導電率が高く、フェライト系の永久磁石に比べて渦電流が流れやすいという特徴を持っている。界磁極における渦電流損失により、効率が低下する他、界磁極の温度が上昇して磁石の減磁を招くという課題があった。また、減磁には至らなくとも温度上昇によって残留磁束密度が低下し、その結果、磁石に基づく磁束量が減少する。このため、温度上昇がない状態と同じ出力を発生させるために電機子電流を多く流す必要があり、この電流による銅損が増加して効率が低下してしまうという課題もあった。
【０００４】
渦電流損失を低減するためには、鉄心を積層鋼板で構成したり、電機子の電機子巻線を分布巻にして電機子電流が作る磁界の高調波を抑制することが考えられる。特許文献１には、鉄心を積層鋼板で構成し積層した鉄心をブロック化して界磁極を構成する場合に、積層鋼板間の積層方向の電気的絶縁をはかることにより、界磁極内の渦電流損失を抑えることについて記載されている。
また、特許文献２には、界磁極の鉄心を積層鋼板としない場合に、塊状ヨークで構成し、かつそのヨークを区分し、渦電流の経路を絶つことにより渦電流損失を低減する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２８９４９１号公報
【特許文献２】特許第３２８０３５１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、従来の永久磁石を備えた電気機械においては、界磁極の渦電流損失を低減するために、界磁極のヨークを積層構造にしたり、塊状ヨークを区分したりする構造が提案されてきたが、積層構造とすると、大きな金型が必要であり、かつ大型プレス機を導入しなければならないなど設備投資がコスト高となる問題点があった。また、塊状のヨークを区分すると、部品点数の増加に伴う工数増加によるコスト高を招く他、区分された塊状ヨーク間の絶縁厚さの不均一によって界磁極と電機子の磁気的空隙における磁束密度が不均一となり、騒音や振動に繋がるという問題点があった。
また、電機子を分布巻とした場合は先述のようにコイルエンドが大きくなってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、コストを低減しつつ、界磁極内に発生する渦電流損失を低減することができる電気機械を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る電気機械は、磁気的空隙を介して配置され磁気的空隙長の方向と直角の方向に駆動されて相対移動する、電機子および界磁極を備え、更に、
電機子は、磁気的空隙長の方向に突出し移動方向に沿って所定の間隔で形成された複数のティースを有する電機子鉄心、および各ティースに集中巻で巻回され三相交流の各相の電流が通電される複数の電機子巻線を備え、界磁極は、移動方向に沿って配置された所定の数の磁極を備えた電気機械において、
駆動時電機子巻線から発生する電機子起磁力の、駆動速度と同期する次数より低い次数の成分が低減するよう、複数のティースに、三相交流の互いに異なる相の電流が通電される複数の巻線を巻回するティースを含め、
磁束が相互間で流通し電気機械として機能する対向範囲における界磁極の磁極数Ｐと電機子のティース数Ｑとが、ｍを自然数としたとき、Ｐ＝５ｍ、Ｑ＝６ｍまたは、Ｐ＝７ｍ、Ｑ＝６ｍで表され、直動機として直線方向に駆動される電気機械であって、
同一のティースに巻回する巻線を（ ／ ）で、三相をＵ、Ｖ、Ｗで、巻極性を＋、−でそれぞれ表示した場合、各ティースに巻回する巻線を、下記順序または下記順序を繰り返す順序の列から連続する６ｍ個を抽出したものとするものである。
（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）
【発明の効果】
【０００９】
この発明は以上のように、発生する電機子起磁力の、特に、駆動速度と同期する次数より低い次数の成分が低減するよう、同一のティースに三相交流の互いに異なる相の電流が通電される複数の巻線を巻回するようにしたので、コスト高となる界磁極ヨークを積層することや塊状のヨークを区分することを必要とすることなく、低コストで、界磁極内に発生する渦電流損失を低減することができる。
更に、磁束が相互間で流通し電気機械として機能する対向範囲における界磁極の磁極数Ｐと電機子のティース数Ｑとが、ｍを自然数としたとき、Ｐ＝５ｍ、Ｑ＝６ｍまたは、Ｐ＝７ｍ、Ｑ＝６ｍで表され、直動機として直線方向に駆動される電気機械であって、
同一のティースに巻回する巻線を（ ／ ）で、三相をＵ、Ｖ、Ｗで、巻極性を＋、−でそれぞれ表示した場合、各ティースに巻回する巻線を、下記順序または下記順序を繰り返す順序の列から連続する６ｍ個を抽出したものとしたので、電機子起磁力の界磁極起磁力と非同期成分である高調波成分のうち、同期成分よりも低い次数の成分を低減できる。このため、界磁極に流れる渦電流を小さくできるので、直動機における界磁極の渦電流損失を低減できる。
（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における電気機械の構成を示す断面図である。
【図２】比較例として示す、従来の電気機械の構成を示す断面図である。
【図３】従来の電気機械の電機子が作る起磁力分布を示す図である。
【図４】従来の電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１における電気機械の電機子が作る起磁力分布を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１における電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図７】従来の電気機械の電機子が作る起磁力の空間１次成分の合成を説明するベクトル図である。
【図８】この発明の実施の形態１における電気機械の電機子が作る起磁力の空間１次成分の合成を説明するベクトル図である。
【図９】この発明の実施の形態２における電気機械の構成を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態２における電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３における電気機械の構成を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態３における電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態４における電気機械の構成を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態４における電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態６における電気機械の構成を一部拡大して示す断面図である。
【図１６】この発明の実施の形態７における電気機械の構成を一部拡大して示す断面図である。
【図１７】この発明の実施の形態８における電気機械の構成を示す断面図である。
【図１８】この発明の実施の形態９における電気機械の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電気機械の構成を示す断面図である。電気機械の例として、ここでは、３相１０極１２ティースの回転電機を示している。電機子１と界磁極２とが、磁気的空隙１０を介して相対的に回転自在にベアリング等の保持具により配置されている。界磁極２は、軸９に取り付けられた界磁極鉄心３とこの界磁極鉄心３に固定された永久磁石４とを有している。Ｎ極の永久磁石４ａとＳ極の永久磁石４ｂとを５対、計１０極の磁極を有している。なお、図１では、１つの永久磁石４ａ（４ｂ）で１極を構成しているが、永久磁石の具体的な構成の仕方は問わない。また、界磁極鉄心３の表面に永久磁石４ａ、４ｂが配置されているが、界磁極鉄心３の内部に埋め込むように構成してもよい。
【００１２】
電機子１は、径方向、即ち、磁気的空隙長の方向に突出し周方向に沿って３０度の間隔で計１２個のティース６が形成された電機子鉄心５とこの電機子鉄心５のティース６に集中巻で巻回されスロット８に収容された巻線７ａ、７ｂとを有している。１つのティース６に２つの巻線７ａ、７ｂを巻回している。各ティース６に巻回する巻線の相別、極性は、紙面上端から時計回りに、（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）で示す順となっている。
ここで、１つのティースに巻き回す相を（ ／ ）内に示し、またＵ＋とＵ−は巻極性（巻き方向）が互いに逆であることを示している。但し、同一のティースに巻き回している２つの巻線７ａ、７ｂの配置順序は問わず、例えば、（Ｕ＋／Ｖ−）と記載の箇所を（Ｖ−／Ｕ＋）と、径方向の位置を逆にして配置しても構わない。
【００１３】
一方、図２は、従来の３相１０極１２ティースの回転電機の断面図を示している。従来は、１つのティース６に１つの巻線７を巻き回している。巻線の相別、極性は、紙面上端から時計回りに、（Ｕ＋）（Ｕ−）（Ｖ−）（Ｖ＋）（Ｗ＋）（Ｗ−）（Ｕ−）（Ｕ＋）（Ｖ＋）（Ｖ−）（Ｗ−）（Ｗ＋）で示す順となっている。
図２に示した回転電機の巻線７に互いの位相差が２π／３の３相電流を通電すると、磁気的空隙１０における電機子起磁力が生じ、ある時間においては図３に示すような分布を持つ。
【００１４】
図２で示した回転電機は界磁極２が１０極であるから、界磁極３の回転と同期する電機子起磁力は空間５次の成分である。図３は、略矩形波上の分布となっており、同期成分以外の高調波成分（非同期成分）が多く含まれている。これら高調波成分は、図３の電機子起磁力の分布をフーリエ級数に展開することで求めることができる。
図４は、電機子起磁力の分布をフーリエ級数展開し、高調波成分を求めた結果を示している。同期成分である空間５次成分を１．０に規格化して示している。同図によれば空間１次成分が、約０．３６であり、空間７次成分が約０．７１である。
【００１５】
電機子起磁力の同期成分である空間５次成分は、界磁極２の回転と同じ速度で周方向に移動するため、界磁極２から見ると止まって見える。つまり、界磁極鉄心３や永久磁石４内における磁束の変動が無いので渦電流を発生しない。しかしながら、非同期成分は、界磁極２から見ると進行して見え、磁束の変動が有るため渦電流を発生する。
電機子巻線が集中巻の場合、一般に、電機子起磁力成分の次数が高いほど磁界が磁気的空隙１０内で回りこみ、界磁極２に鎖交しなくなる。換言すると、より低い次数の電機子起磁力ほど界磁極２に鎖交し、多くの渦電流を発生する。分布巻では低次の起磁力が発生しないことから，この問題は集中巻特有の問題である。
【００１６】
この発明の実施の形態１による回転電機は、電機子起磁力の同期成分である空間５次成分より低い次数の成分が低減するよう、先の図１で説明したように、同一のティース６に、Ｕ、Ｖ、Ｗ三相交流の互いに異なる相の電流が通電される２つの巻線７ａ、７ｂを巻回するようにしている。
図５は、図１の場合の、電機子起磁力の周方向に沿った分布図、図６は、この図５の電機子起磁力分布をフーリエ級数に展開して求めた各次成分で、図４の場合と同様、空間５次成分を１．０に規格化している。
【００１７】
図６によれば、空間１次成分が、約０．１０であり、従来例（図４）の０．３６に比べて１／３倍以下となっている。空間７次成分は、従来例と同じ０．７１である。
図７および図８は、電機子起磁力の空間１次成分の合成、ここでは、Ｕ相の電流によって作成される全起磁力の合成値を求める場合を説明するベクトル図で、それぞれ、従来例の図２の巻線構造と本発明の実施の形態１の図１の巻線構造とに対応するものである。なお、両者は、空間５次合成ベクトルの振幅を１．０としており、その場合の空間１次成分の振幅を、従来の図７では、０．３４８とし、実施の形態１の図８では、０．３７３としている。
両図から分かるように、電機子の１つのティースに、２つの集中巻の巻線を巻回することによって、空間１次のベクトルを分散させてその合成ベクトルを従来より低減させているわけである。
【００１８】
この場合、渦電流損失は、近似的に磁界の２乗に比例するので、電機子起磁力の２乗に比例する。従って、本実施の形態１では、電機子起磁力の空間１次成分による界磁極の渦電流損失が従来の１／９倍以下に低減できることを示している。
【００１９】
このように、本実施の形態１によれば、電機子起磁力の界磁極起磁力と非同期成分である高調波成分のうち、同期成分よりも低い次数の成分を低減できる。このため、界磁極に流れる渦電流を小さくできるので、界磁極の渦電流損失を低減できる。このように根本的に渦電流を低減できるため、従来のような界磁極ヨークを積層することや塊状のヨークを区分することが不要となるため、設備投資によるコストや部品点数増加によるコストを低減することができる。
【００２０】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、例として、１０極１２ティースの回転電機で説明したが、図９は、２０極２４ティースの回転電機を示している。このような極数Ｐとティース数Ｑとが、ｎを２以上の偶数としたとき、Ｐ＝５ｎ、Ｑ＝６ｎで表される場合は、各ティース６に巻回する巻線の相別、極性は、紙面上端から時計回りに、（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）を繰り返すようにすればよい。
この場合、電機子起磁力の各次数成分は、図１０のようになる。即ち、同期成分である（５ｎ／２）次の電機子起磁力を１．０に規格化すると、ｎ／２次は、０．１０となり、実施の形態１と同様にして渦電流損失を低減することが出来る。
【００２１】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３の回転電機を示しており、３相１４極１２ティースの回転電機である。１４極の回転電機としても電機子１は同じであり、空間次数７次を同期成分として動作する。更に一般化すれば、極数Ｐとティース数Ｑとが、ｎを２以上の偶数としたとき、Ｐ＝７ｎ、Ｑ＝６ｎで表される場合は、同期成分が７ｎ／２次である。
図１２は、この場合の電機子起磁力の各次数成分を示す。同図には、従来の回転電機の電機子がつくる起磁力も併記している。同図において、ｎ／２次成分が従来よりも小さくなっていることがわかる。すなわち、実施の形態１と同様にして渦電流損失を低減することが出来る。
【００２２】
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４の回転電機を示しており、例として、３相１０極１２ティースの回転電機を示している。同図において、巻線７の相順は、先の実施の形態１〜３と同じであるが、ターン数が異なる。
即ち、巻線７のうち、同一ティースに巻き回された２つの巻線が同相の場合の巻線７ｃ、７ｄ（例えば、図１３の最上端の（Ｕ＋／Ｕ＋）が相当する）のターン数をそれぞれＴとした場合、同一ティースに巻き回された２つの巻線が異相の場合の巻線７ｅ、７ｆ（例えば、図１３の最上端から１つ時計方向の（Ｕ−／Ｖ＋）が相当する）のターン数をそれぞれ約２Ｔ／√３としている。このように構成すると、全てのティースにおける電機子起磁力の合成値の大きさが等しくなり、結果として、電機子１がつくる起磁力の成分は、図１４のようになる。
【００２３】
図１４は一般化して表示しており、即ち、極数Ｐとティース数Ｑとが、ｎを２以上の偶数としたとき、Ｐ＝５ｎ、Ｑ＝６ｎで表される場合の電機子起磁力を示している。同図において、ｎ／２次成分はほとんど零になっている。つまり、ｎ／２次成分の渦電流はほとんど生ぜず、実施の形態１〜３よりもさらに渦電流損失を低減することができる。
以上の内容は、先の実施の形態３で説明した極数Ｐとティース数Ｑとが、Ｐ＝７ｎ、Ｑ＝６ｎで表される場合も全く同様に適用でき同等の効果を奏する。
【００２４】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５では、先の実施の形態４において、同一ティースに巻き回された２つの巻線が同相の場合の巻線７ｃ、７ｄの導体断面積を、同一ティースに巻き回された２つの巻線が異相の場合の巻線７ｅ、７ｆの導体断面積よりも大きく構成した。このように構成することにより、導体（銅）のスロット８に対する占積率を向上させることができるため、銅損を低減して高効率な回転電機とすることができる。
好ましくは、巻線７ｃ、７ｄの総導体断面積（単体の導体断面積×ターン数）が巻線７ｅ、７ｆの総導体断面積と同等となるように、巻線７ｃ、７ｄの導体断面積を巻線７ｅ、７ｆの導体断面積の約２／√３倍とすることが望ましい。
【００２５】
実施の形態６．
図１５は、本発明の実施の形態６の回転電機の部分拡大図を示している。先の実施の形態１〜５においては、同一ティースに巻き回された２つの巻線（７ａ、７ｂ等）をティースの軸方向に並べて配置していたが、この実施の形態６では、図１５に示すように、内周側の巻線７ｈと外周側の巻線７ｉとに分けて配置した。このように構成しても、実施の形態１〜５で示した効果は全く同様に得られる。即ち、本願発明を適用する場合において、同一ティースに巻回する２つの巻線のスロット８内における配置構成の如何は問わない。
【００２６】
実施の形態７．
図１６は、本発明の実施の形態７の回転電機の部分拡大図を示している。先の実施の形態１〜６では、同一ティースに巻回する巻線は、いずれのティース６でも２つの巻線７ａ、７ｂ等で構成したが、この実施の形態７においては、同一ティース６に巻き回された２つの相が同相の場合の巻線７ａ、７ｂをひとまとめにしてターン数を２Ｔとした単体の巻線７ｇとしている。このように構成すると、巻線７の個数が、全体として３／４倍に低減されるため、部品点数を低減することができ、低コスト化できる。
【００２７】
実施の形態８．
上述の各実施の形態例では、内側が界磁極２である、いわゆるインナロータの回転電機であったが、本願発明の実施の形態８として図１７に示すような、外側が界磁極２である、いわゆるアウタロータの回転電機としても、本発明を用いることが出来ることは勿論である。
更に、本発明は、回転電機として、電動機、発電機の区別なく適用できることは言うまでもない。
【００２８】
実施の形態９．
図１８は、回転機を直線状に展開したリニアモータに適用した、本願発明の実施の形態９を示す図である。先の形態例の回転電機のようにループになっているものは、磁極数、ティース数を、２以上の偶数ｎを適用して表現したが、リニアモータのように端部がある場合は、１以上の自然数ｍを適用して表現する。
また、図１８の例は、電機子１１が移動側（移動方向は問わない）で、界磁極２２は固定側となっており、電機子１１の移動距離に応じて多数個の磁極を備えている。従って、少なくとも、本願発明で問題とする、その磁極数Ｐとティース数Ｑとは、リニアモータとして機能する対向範囲における個数を採用する。具体的に、図１８の例では、磁極数Ｐ＝５ｍに、ｍ＝１を代入したＰ＝５、ティース数Ｑ＝６ｍに、ｍ＝１を代入したＱ＝６の場合に相当する。なお、この発明は、磁極数Ｐ＝７ｍ、ティース数Ｑ＝６ｍの場合も同様に適用することができる。
【００２９】
リニアモータの場合、各ティース６に巻回する２つの巻線７ａ、７ｂの構成は以下の通りとする。先ず、先の実施の形態１で説明した表現を準用して、下記順序または下記順序を繰り返す順序を想定する。
１：（Ｕ＋／Ｕ＋）、２：（Ｕ−／Ｖ＋）、３：（Ｖ−／Ｖ−）、４：（Ｗ−／Ｖ＋）、５：（Ｗ＋／Ｗ＋）、６：（Ｗ−／Ｕ＋）、７：（Ｕ−／Ｕ−）、８：（Ｕ＋／Ｖ−）、９：（Ｖ＋／Ｖ＋）、１０：（Ｗ＋／Ｖ−）、１１：（Ｗ−／Ｗ−）、１２：（Ｗ＋／Ｕ−）。
ここで、１：〜１２：は、以下の説明の便宜上付した番号である。
【００３０】
そして、各巻線７ａ、７ｂは、上記順序の列の中から連続する６ｍ個（ここでは、６個）を抽出した相別、極性のものとする。具体的に、図１８では、各巻線７ａ、７ｂは、図中左端のティースから順に右方に向かって、上記列の中の、第１２番、第１番〜第５番の合計６個の互いに連続する６個の巻線構成（相別、極性）を採用している。勿論、各巻線として、上記列の中の、第１番〜第６番を採用し、左端から右方に向かって、（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）としてもよい。
【００３１】
以上の巻線構成とすることにより、先の実施の形態例で説明したと同様、電機子起磁力の界磁極起磁力と非同期成分である高調波成分のうち、同期成分よりも低い次数の成分を低減できる。このため、界磁極に流れる渦電流を小さくできるので、界磁極の渦電流損失を低減できる。
【００３２】
特に、リニアモータにおいては、電機子１１が界磁極２２よりも短い場合、電機子１１が移動すると、電機子１１の起磁力に基づく磁束が鎖交していない部分に急に磁束が鎖交するようになる。このため、磁束の微分である電圧が界磁極鉄心３３内に急峻に励起されることとなり、回転電機よりも大きな渦電流損失となり得る。従って、本発明を適用することによって、この渦電流損失の原因である磁束を大幅に低減することができる。
【００３３】
なお、図１８では、電機子１１を移動側、界磁極２２を固定側としたが、両者が逆の場合でもこの発明は同様に適用することができる。また、モータに限らず、発電機として機能する場合でもよく、この発明は、広く、直線方向に駆動される直動機に同様に適用でき同等の効果を奏する。
【００３４】
また、この発明の変形例において、同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該各巻線のターン数をＴとした場合、同一のティースに巻回された２つの巻線が異相のものの当該各巻線のターン数を２Ｔ／√３としたので、界磁極の過電流損失が一層低減する。
【００３５】
また、同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該各巻線の導体断面積を、同一のティースに巻回された２つの巻線が異相のものの当該各巻線の導体断面積より大きくしたので、電機子の銅損が低減する。
【００３６】
また、同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該２つの巻線を単一の巻線で構成したので、部品点数が低減して低コスト化できる。
【符号の説明】
【００３７】
１，１１ 電機子、２，２２ 界磁極、３，３３ 界磁極鉄心、
４ａ，４ｂ 永久磁石、５ 電機子鉄心、６ ティース、７ａ〜７ｉ 巻線、
１０ 磁気的空隙。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機やリニアモータ等の電気機械に関するものであり、界磁極内に発生する渦電流損失を低減する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の永久磁石を備えた界磁極と集中巻で巻回された電機子巻線を備えた電機子とからなる回転電機が様々な用途に用いられている。集中巻は、電機子のティースに集中的に巻線が巻き回された構造であり、機械による自動巻き生産方法が発達したためにサーボ用途などの小型電動機を中心に多用されている。このような小型モータでは、銅損、鉄損、機械損が損失の大半を占めるため、界磁極に発生する渦電流損が問題とならない場合が多い。
一方、数ｋＷを越える大型電動機においては、これまでは分布巻で巻回された電機子巻線を備えた電機子を用いていたが、コイルエンドの小さい集中巻を採用する必要性が高まっている。例えば、エレベータの巻上機や工作機械のステージをダイレクト駆動するような電動機においては、省スペースの観点から、コイルエンドの小型化要求が大きい。
【０００３】
しかしながら、数ｋＷを超える大型回転電機においては、界磁極に発生する渦電流損失が全体の損失の中でも無視できない。さらに近年、希土類磁石のような残留磁束密度と保持力が高い高性能磁石が大型回転電機の界磁極の磁極として積極的に利用されるようになっている。例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石は導電率が高く、フェライト系の永久磁石に比べて渦電流が流れやすいという特徴を持っている。界磁極における渦電流損失により、効率が低下する他、界磁極の温度が上昇して磁石の減磁を招くという課題があった。また、減磁には至らなくとも温度上昇によって残留磁束密度が低下し、その結果、磁石に基づく磁束量が減少する。このため、温度上昇がない状態と同じ出力を発生させるために電機子電流を多く流す必要があり、この電流による銅損が増加して効率が低下してしまうという課題もあった。
【０００４】
渦電流損失を低減するためには、鉄心を積層鋼板で構成したり、電機子の電機子巻線を分布巻にして電機子電流が作る磁界の高調波を抑制することが考えられる。特許文献１には、鉄心を積層鋼板で構成し積層した鉄心をブロック化して界磁極を構成する場合に、積層鋼板間の積層方向の電気的絶縁をはかることにより、界磁極内の渦電流損失を抑えることについて記載されている。
また、特許文献２には、界磁極の鉄心を積層鋼板としない場合に、塊状ヨークで構成し、かつそのヨークを区分し、渦電流の経路を絶つことにより渦電流損失を低減する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２８９４９１号公報
【特許文献２】特許第３２８０３５１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、従来の永久磁石を備えた電気機械においては、界磁極の渦電流損失を低減するために、界磁極のヨークを積層構造にしたり、塊状ヨークを区分したりする構造が提案されてきたが、積層構造とすると、大きな金型が必要であり、かつ大型プレス機を導入しなければならないなど設備投資がコスト高となる問題点があった。また、塊状のヨークを区分すると、部品点数の増加に伴う工数増加によるコスト高を招く他、区分された塊状ヨーク間の絶縁厚さの不均一によって界磁極と電機子の磁気的空隙における磁束密度が不均一となり、騒音や振動に繋がるという問題点があった。
また、電機子を分布巻とした場合は先述のようにコイルエンドが大きくなってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、コストを低減しつつ、界磁極内に発生する渦電流損失を低減することができる電気機械を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る電気機械は、磁気的空隙を介して配置され磁気的空隙長の方向と直角の方向に駆動されて相対移動する、電機子および界磁極を備え、更に、
電機子は、磁気的空隙長の方向に突出し移動方向に沿って所定の間隔で形成された複数のティースを有する電機子鉄心、および各ティースに集中巻で巻回され三相交流の各相の電流が通電される複数の電機子巻線を備え、界磁極は、移動方向に沿って配置された所定の数の磁極を備えた電気機械において、
駆動時電機子巻線から発生する電機子起磁力の、駆動速度と同期する次数より低い次数の成分が低減するよう、複数のティースに、三相交流の互いに異なる相の電流が通電される複数の巻線を巻回するティースを含め、
磁束が相互間で流通し電気機械として機能する対向範囲における界磁極の磁極数Ｐと電機子のティース数Ｑとが、ｍを自然数としたとき、Ｐ＝５ｍ、Ｑ＝６ｍまたは、Ｐ＝７ｍ、Ｑ＝６ｍで表され、直動機として直線方向に駆動される電気機械であって、
同一のティースに巻回する巻線を（ ／ ）で、三相をＵ、Ｖ、Ｗで、巻極性を＋、−でそれぞれ表示した場合、各ティースに巻回する巻線を、下記順序または下記順序を繰り返す順序の列から連続する６ｍ個を抽出したものとするものである。
（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）
【発明の効果】
【０００９】
この発明は以上のように、発生する電機子起磁力の、特に、駆動速度と同期する次数より低い次数の成分が低減するよう、同一のティースに三相交流の互いに異なる相の電流が通電される複数の巻線を巻回するようにしたので、コスト高となる界磁極ヨークを積層することや塊状のヨークを区分することを必要とすることなく、低コストで、界磁極内に発生する渦電流損失を低減することができる。
更に、磁束が相互間で流通し電気機械として機能する対向範囲における界磁極の磁極数Ｐと電機子のティース数Ｑとが、ｍを自然数としたとき、Ｐ＝５ｍ、Ｑ＝６ｍまたは、Ｐ＝７ｍ、Ｑ＝６ｍで表され、直動機として直線方向に駆動される電気機械であって、
同一のティースに巻回する巻線を（ ／ ）で、三相をＵ、Ｖ、Ｗで、巻極性を＋、−でそれぞれ表示した場合、各ティースに巻回する巻線を、下記順序または下記順序を繰り返す順序の列から連続する６ｍ個を抽出したものとしたので、電機子起磁力の界磁極起磁力と非同期成分である高調波成分のうち、同期成分よりも低い次数の成分を低減できる。このため、界磁極に流れる渦電流を小さくできるので、直動機における界磁極の渦電流損失を低減できる。
（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における電気機械の構成を示す断面図である。
【図２】比較例として示す、従来の電気機械の構成を示す断面図である。
【図３】従来の電気機械の電機子が作る起磁力分布を示す図である。
【図４】従来の電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１における電気機械の電機子が作る起磁力分布を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１における電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図７】従来の電気機械の電機子が作る起磁力の空間１次成分の合成を説明するベクトル図である。
【図８】この発明の実施の形態１における電気機械の電機子が作る起磁力の空間１次成分の合成を説明するベクトル図である。
【図９】この発明の実施の形態２における電気機械の構成を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態２における電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３における電気機械の構成を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態３における電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態４における電気機械の構成を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態４における電気機械の電機子が作る起磁力の各次数成分を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態６における電気機械の構成を一部拡大して示す断面図である。
【図１６】この発明の実施の形態７における電気機械の構成を一部拡大して示す断面図である。
【図１７】この発明の実施の形態８における電気機械の構成を示す断面図である。
【図１８】この発明の実施の形態９における電気機械の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電気機械の構成を示す断面図である。電気機械の例として、ここでは、３相１０極１２ティースの回転電機を示している。電機子１と界磁極２とが、磁気的空隙１０を介して相対的に回転自在にベアリング等の保持具により配置されている。界磁極２は、軸９に取り付けられた界磁極鉄心３とこの界磁極鉄心３に固定された永久磁石４とを有している。Ｎ極の永久磁石４ａとＳ極の永久磁石４ｂとを５対、計１０極の磁極を有している。なお、図１では、１つの永久磁石４ａ（４ｂ）で１極を構成しているが、永久磁石の具体的な構成の仕方は問わない。また、界磁極鉄心３の表面に永久磁石４ａ、４ｂが配置されているが、界磁極鉄心３の内部に埋め込むように構成してもよい。
【００１２】
電機子１は、径方向、即ち、磁気的空隙長の方向に突出し周方向に沿って３０度の間隔で計１２個のティース６が形成された電機子鉄心５とこの電機子鉄心５のティース６に集中巻で巻回されスロット８に収容された巻線７ａ、７ｂとを有している。１つのティース６に２つの巻線７ａ、７ｂを巻回している。各ティース６に巻回する巻線の相別、極性は、紙面上端から時計回りに、（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）で示す順となっている。
ここで、１つのティースに巻き回す相を（ ／ ）内に示し、またＵ＋とＵ−は巻極性（巻き方向）が互いに逆であることを示している。但し、同一のティースに巻き回している２つの巻線７ａ、７ｂの配置順序は問わず、例えば、（Ｕ＋／Ｖ−）と記載の箇所を（Ｖ−／Ｕ＋）と、径方向の位置を逆にして配置しても構わない。
【００１３】
一方、図２は、従来の３相１０極１２ティースの回転電機の断面図を示している。従来は、１つのティース６に１つの巻線７を巻き回している。巻線の相別、極性は、紙面上端から時計回りに、（Ｕ＋）（Ｕ−）（Ｖ−）（Ｖ＋）（Ｗ＋）（Ｗ−）（Ｕ−）（Ｕ＋）（Ｖ＋）（Ｖ−）（Ｗ−）（Ｗ＋）で示す順となっている。
図２に示した回転電機の巻線７に互いの位相差が２π／３の３相電流を通電すると、磁気的空隙１０における電機子起磁力が生じ、ある時間においては図３に示すような分布を持つ。
【００１４】
図２で示した回転電機は界磁極２が１０極であるから、界磁極３の回転と同期する電機子起磁力は空間５次の成分である。図３は、略矩形波上の分布となっており、同期成分以外の高調波成分（非同期成分）が多く含まれている。これら高調波成分は、図３の電機子起磁力の分布をフーリエ級数に展開することで求めることができる。
図４は、電機子起磁力の分布をフーリエ級数展開し、高調波成分を求めた結果を示している。同期成分である空間５次成分を１．０に規格化して示している。同図によれば空間１次成分が、約０．３６であり、空間７次成分が約０．７１である。
【００１５】
電機子起磁力の同期成分である空間５次成分は、界磁極２の回転と同じ速度で周方向に移動するため、界磁極２から見ると止まって見える。つまり、界磁極鉄心３や永久磁石４内における磁束の変動が無いので渦電流を発生しない。しかしながら、非同期成分は、界磁極２から見ると進行して見え、磁束の変動が有るため渦電流を発生する。
電機子巻線が集中巻の場合、一般に、電機子起磁力成分の次数が高いほど磁界が磁気的空隙１０内で回りこみ、界磁極２に鎖交しなくなる。換言すると、より低い次数の電機子起磁力ほど界磁極２に鎖交し、多くの渦電流を発生する。分布巻では低次の起磁力が発生しないことから，この問題は集中巻特有の問題である。
【００１６】
この発明の実施の形態１による回転電機は、電機子起磁力の同期成分である空間５次成分より低い次数の成分が低減するよう、先の図１で説明したように、同一のティース６に、Ｕ、Ｖ、Ｗ三相交流の互いに異なる相の電流が通電される２つの巻線７ａ、７ｂを巻回するようにしている。
図５は、図１の場合の、電機子起磁力の周方向に沿った分布図、図６は、この図５の電機子起磁力分布をフーリエ級数に展開して求めた各次成分で、図４の場合と同様、空間５次成分を１．０に規格化している。
【００１７】
図６によれば、空間１次成分が、約０．１０であり、従来例（図４）の０．３６に比べて１／３倍以下となっている。空間７次成分は、従来例と同じ０．７１である。
図７および図８は、電機子起磁力の空間１次成分の合成、ここでは、Ｕ相の電流によって作成される全起磁力の合成値を求める場合を説明するベクトル図で、それぞれ、従来例の図２の巻線構造と本発明の実施の形態１の図１の巻線構造とに対応するものである。なお、両者は、空間５次合成ベクトルの振幅を１．０としており、その場合の空間１次成分の振幅を、従来の図７では、０．３４８とし、実施の形態１の図８では、０．３７３としている。
両図から分かるように、電機子の１つのティースに、２つの集中巻の巻線を巻回することによって、空間１次のベクトルを分散させてその合成ベクトルを従来より低減させているわけである。
【００１８】
この場合、渦電流損失は、近似的に磁界の２乗に比例するので、電機子起磁力の２乗に比例する。従って、本実施の形態１では、電機子起磁力の空間１次成分による界磁極の渦電流損失が従来の１／９倍以下に低減できることを示している。
【００１９】
このように、本実施の形態１によれば、電機子起磁力の界磁極起磁力と非同期成分である高調波成分のうち、同期成分よりも低い次数の成分を低減できる。このため、界磁極に流れる渦電流を小さくできるので、界磁極の渦電流損失を低減できる。このように根本的に渦電流を低減できるため、従来のような界磁極ヨークを積層することや塊状のヨークを区分することが不要となるため、設備投資によるコストや部品点数増加によるコストを低減することができる。
【００２０】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、例として、１０極１２ティースの回転電機で説明したが、図９は、２０極２４ティースの回転電機を示している。このような極数Ｐとティース数Ｑとが、ｎを２以上の偶数としたとき、Ｐ＝５ｎ、Ｑ＝６ｎで表される場合は、各ティース６に巻回する巻線の相別、極性は、紙面上端から時計回りに、（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）を繰り返すようにすればよい。
この場合、電機子起磁力の各次数成分は、図１０のようになる。即ち、同期成分である（５ｎ／２）次の電機子起磁力を１．０に規格化すると、ｎ／２次は、０．１０となり、実施の形態１と同様にして渦電流損失を低減することが出来る。
【００２１】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３の回転電機を示しており、３相１４極１２ティースの回転電機である。１４極の回転電機としても電機子１は同じであり、空間次数７次を同期成分として動作する。更に一般化すれば、極数Ｐとティース数Ｑとが、ｎを２以上の偶数としたとき、Ｐ＝７ｎ、Ｑ＝６ｎで表される場合は、同期成分が７ｎ／２次である。
図１２は、この場合の電機子起磁力の各次数成分を示す。同図には、従来の回転電機の電機子がつくる起磁力も併記している。同図において、ｎ／２次成分が従来よりも小さくなっていることがわかる。すなわち、実施の形態１と同様にして渦電流損失を低減することが出来る。
【００２２】
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４の回転電機を示しており、例として、３相１０極１２ティースの回転電機を示している。同図において、巻線７の相順は、先の実施の形態１〜３と同じであるが、ターン数が異なる。
即ち、巻線７のうち、同一ティースに巻き回された２つの巻線が同相の場合の巻線７ｃ、７ｄ（例えば、図１３の最上端の（Ｕ＋／Ｕ＋）が相当する）のターン数をそれぞれＴとした場合、同一ティースに巻き回された２つの巻線が異相の場合の巻線７ｅ、７ｆ（例えば、図１３の最上端から１つ時計方向の（Ｕ−／Ｖ＋）が相当する）のターン数をそれぞれ約２Ｔ／√３としている。このように構成すると、全てのティースにおける電機子起磁力の合成値の大きさが等しくなり、結果として、電機子１がつくる起磁力の成分は、図１４のようになる。
【００２３】
図１４は一般化して表示しており、即ち、極数Ｐとティース数Ｑとが、ｎを２以上の偶数としたとき、Ｐ＝５ｎ、Ｑ＝６ｎで表される場合の電機子起磁力を示している。同図において、ｎ／２次成分はほとんど零になっている。つまり、ｎ／２次成分の渦電流はほとんど生ぜず、実施の形態１〜３よりもさらに渦電流損失を低減することができる。
以上の内容は、先の実施の形態３で説明した極数Ｐとティース数Ｑとが、Ｐ＝７ｎ、Ｑ＝６ｎで表される場合も全く同様に適用でき同等の効果を奏する。
【００２４】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５では、先の実施の形態４において、同一ティースに巻き回された２つの巻線が同相の場合の巻線７ｃ、７ｄの導体断面積を、同一ティースに巻き回された２つの巻線が異相の場合の巻線７ｅ、７ｆの導体断面積よりも大きく構成した。このように構成することにより、導体（銅）のスロット８に対する占積率を向上させることができるため、銅損を低減して高効率な回転電機とすることができる。
好ましくは、巻線７ｃ、７ｄの総導体断面積（単体の導体断面積×ターン数）が巻線７ｅ、７ｆの総導体断面積と同等となるように、巻線７ｃ、７ｄの導体断面積を巻線７ｅ、７ｆの導体断面積の約２／√３倍とすることが望ましい。
【００２５】
実施の形態６．
図１５は、本発明の実施の形態６の回転電機の部分拡大図を示している。先の実施の形態１〜５においては、同一ティースに巻き回された２つの巻線（７ａ、７ｂ等）をティースの軸方向に並べて配置していたが、この実施の形態６では、図１５に示すように、内周側の巻線７ｈと外周側の巻線７ｉとに分けて配置した。このように構成しても、実施の形態１〜５で示した効果は全く同様に得られる。即ち、本願発明を適用する場合において、同一ティースに巻回する２つの巻線のスロット８内における配置構成の如何は問わない。
【００２６】
実施の形態７．
図１６は、本発明の実施の形態７の回転電機の部分拡大図を示している。先の実施の形態１〜６では、同一ティースに巻回する巻線は、いずれのティース６でも２つの巻線７ａ、７ｂ等で構成したが、この実施の形態７においては、同一ティース６に巻き回された２つの相が同相の場合の巻線７ａ、７ｂをひとまとめにしてターン数を２Ｔとした単体の巻線７ｇとしている。このように構成すると、巻線７の個数が、全体として３／４倍に低減されるため、部品点数を低減することができ、低コスト化できる。
【００２７】
実施の形態８．
上述の各実施の形態例では、内側が界磁極２である、いわゆるインナロータの回転電機であったが、本願発明の実施の形態８として図１７に示すような、外側が界磁極２である、いわゆるアウタロータの回転電機としても、本発明を用いることが出来ることは勿論である。
更に、本発明は、回転電機として、電動機、発電機の区別なく適用できることは言うまでもない。
【００２８】
実施の形態９．
図１８は、回転機を直線状に展開したリニアモータに適用した、本願発明の実施の形態９を示す図である。先の形態例の回転電機のようにループになっているものは、磁極数、ティース数を、２以上の偶数ｎを適用して表現したが、リニアモータのように端部がある場合は、１以上の自然数ｍを適用して表現する。
また、図１８の例は、電機子１１が移動側（移動方向は問わない）で、界磁極２２は固定側となっており、電機子１１の移動距離に応じて多数個の磁極を備えている。従って、少なくとも、本願発明で問題とする、その磁極数Ｐとティース数Ｑとは、リニアモータとして機能する対向範囲における個数を採用する。具体的に、図１８の例では、磁極数Ｐ＝５ｍに、ｍ＝１を代入したＰ＝５、ティース数Ｑ＝６ｍに、ｍ＝１を代入したＱ＝６の場合に相当する。なお、この発明は、磁極数Ｐ＝７ｍ、ティース数Ｑ＝６ｍの場合も同様に適用することができる。
【００２９】
リニアモータの場合、各ティース６に巻回する２つの巻線７ａ、７ｂの構成は以下の通りとする。先ず、先の実施の形態１で説明した表現を準用して、下記順序または下記順序を繰り返す順序を想定する。
１：（Ｕ＋／Ｕ＋）、２：（Ｕ−／Ｖ＋）、３：（Ｖ−／Ｖ−）、４：（Ｗ−／Ｖ＋）、５：（Ｗ＋／Ｗ＋）、６：（Ｗ−／Ｕ＋）、７：（Ｕ−／Ｕ−）、８：（Ｕ＋／Ｖ−）、９：（Ｖ＋／Ｖ＋）、１０：（Ｗ＋／Ｖ−）、１１：（Ｗ−／Ｗ−）、１２：（Ｗ＋／Ｕ−）。
ここで、１：〜１２：は、以下の説明の便宜上付した番号である。
【００３０】
そして、各巻線７ａ、７ｂは、上記順序の列の中から連続する６ｍ個（ここでは、６個）を抽出した相別、極性のものとする。具体的に、図１８では、各巻線７ａ、７ｂは、図中左端のティースから順に右方に向かって、上記列の中の、第１２番、第１番〜第５番の合計６個の互いに連続する６個の巻線構成（相別、極性）を採用している。勿論、各巻線として、上記列の中の、第１番〜第６番を採用し、左端から右方に向かって、（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）としてもよい。
【００３１】
以上の巻線構成とすることにより、先の実施の形態例で説明したと同様、電機子起磁力の界磁極起磁力と非同期成分である高調波成分のうち、同期成分よりも低い次数の成分を低減できる。このため、界磁極に流れる渦電流を小さくできるので、界磁極の渦電流損失を低減できる。
【００３２】
特に、リニアモータにおいては、電機子１１が界磁極２２よりも短い場合、電機子１１が移動すると、電機子１１の起磁力に基づく磁束が鎖交していない部分に急に磁束が鎖交するようになる。このため、磁束の微分である電圧が界磁極鉄心３３内に急峻に励起されることとなり、回転電機よりも大きな渦電流損失となり得る。従って、本発明を適用することによって、この渦電流損失の原因である磁束を大幅に低減することができる。
【００３３】
なお、図１８では、電機子１１を移動側、界磁極２２を固定側としたが、両者が逆の場合でもこの発明は同様に適用することができる。また、モータに限らず、発電機として機能する場合でもよく、この発明は、広く、直線方向に駆動される直動機に同様に適用でき同等の効果を奏する。
【００３４】
また、この発明の変形例において、同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該各巻線のターン数をＴとした場合、同一のティースに巻回された２つの巻線が異相のものの当該各巻線のターン数を２Ｔ／√３としたので、界磁極の過電流損失が一層低減する。
【００３５】
また、同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該各巻線の導体断面積を、同一のティースに巻回された２つの巻線が異相のものの当該各巻線の導体断面積より大きくしたので、電機子の銅損が低減する。
【００３６】
また、同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該２つの巻線を単一の巻線で構成したので、部品点数が低減して低コスト化できる。
【符号の説明】
【００３７】
１，１１ 電機子、２，２２ 界磁極、３，３３ 界磁極鉄心、
４ａ，４ｂ 永久磁石、５ 電機子鉄心、６ ティース、７ａ〜７ｉ 巻線、
１０ 磁気的空隙。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気的空隙を介して配置され上記磁気的空隙長の方向と直角の方向に駆動されて相対移動する、電機子および界磁極を備え、更に、
上記電機子は、上記磁気的空隙長の方向に突出し上記移動方向に沿って所定の間隔で形成された複数のティースを有する電機子鉄心、および上記各ティースに集中巻で巻回され三相交流の各相の電流が通電される複数の電機子巻線を備え、上記界磁極は、上記移動方向に沿って配置された所定の数の磁極を備えた電気機械において、
上記駆動時上記電機子巻線から発生する電機子起磁力の、上記駆動速度と同期する次数より低い次数の成分が低減するよう、上記複数のティースに、上記三相交流の互いに異なる相の電流が通電される複数の巻線を巻回するティースを含め、
磁束が相互間で流通し上記電気機械として機能する対向範囲における上記界磁極の磁極数Ｐと上記電機子のティース数Ｑとが、ｍを自然数としたとき、Ｐ＝５ｍ、Ｑ＝６ｍまたは、Ｐ＝７ｍ、Ｑ＝６ｍで表され、直動機として直線方向に駆動される電気機械であって、
同一のティースに巻回する巻線を（ ／ ）で、上記三相をＵ、Ｖ、Ｗで、巻極性を＋、−でそれぞれ表示した場合、上記各ティースに巻回する巻線を、下記順序または下記順序を繰り返す順序の列から連続する６ｍ個を抽出したものとしたことを特徴とする電気機械。
（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）
【請求項２】
同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該各巻線のターン数をＴとした場合、同一のティースに巻回された２つの巻線が異相のものの当該各巻線のターン数を２Ｔ／√３としたことを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項３】
同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該各巻線の導体断面積を、同一のティースに巻回された２つの巻線が異相のものの当該各巻線の導体断面積より大きくしたことを特徴とする請求項２記載の電気機械。
【請求項４】
同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該２つの巻線を単一の巻線で構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１】
磁気的空隙を介して配置され上記磁気的空隙長の方向と直角の方向に駆動されて相対移動する、電機子および界磁極を備え、更に、
上記電機子は、上記磁気的空隙長の方向に突出し上記移動方向に沿って所定の間隔で形成された複数のティースを有する電機子鉄心、および上記各ティースに集中巻で巻回され三相交流の各相の電流が通電される複数の電機子巻線を備え、上記界磁極は、上記移動方向に沿って配置された所定の数の磁極を備えた電気機械において、
上記駆動時上記電機子巻線から発生する電機子起磁力の、上記駆動速度と同期する次数より低い次数の成分が低減するよう、上記複数のティースに、上記三相交流の互いに異なる相の電流が通電される複数の巻線を巻回するティースを含め、
磁束が相互間で流通し上記電気機械として機能する対向範囲における上記界磁極の磁極数Ｐと上記電機子のティース数Ｑとが、ｍを自然数としたとき、Ｐ＝５ｍ、Ｑ＝６ｍまたは、Ｐ＝７ｍ、Ｑ＝６ｍで表され、直動機として直線方向に駆動される電気機械であって、
同一のティースに巻回する巻線を（ ／ ）で、上記三相をＵ、Ｖ、Ｗで、巻極性を＋、−でそれぞれ表示した場合、上記各ティースに巻回する巻線を、下記順序または下記順序を繰り返す順序の列から連続する６ｍ個を抽出したものとしたことを特徴とする電気機械。
（Ｕ＋／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｖ＋）（Ｖ−／Ｖ−）（Ｗ−／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｗ＋）（Ｗ−／Ｕ＋）（Ｕ−／Ｕ−）（Ｕ＋／Ｖ−）（Ｖ＋／Ｖ＋）（Ｗ＋／Ｖ−）（Ｗ−／Ｗ−）（Ｗ＋／Ｕ−）
【請求項２】
同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該各巻線のターン数をＴとした場合、同一のティースに巻回された２つの巻線が異相のものの当該各巻線のターン数を２Ｔ／√３としたことを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項３】
同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該各巻線の導体断面積を、同一のティースに巻回された２つの巻線が異相のものの当該各巻線の導体断面積より大きくしたことを特徴とする請求項２記載の電気機械。
【請求項４】
同一のティースに巻回された２つの巻線が同相のものの当該２つの巻線を単一の巻線で構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気機械。
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−１３０６６４（Ｐ２０１１−１３０６６４Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７２３２（Ｐ２０１１−７７２３２）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【分割の表示】特願２００６−４２１１７（Ｐ２００６−４２１１７）の分割
【原出願日】平成１８年２月２０日（２００６．２．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【分割の表示】特願２００６−４２１１７（Ｐ２００６−４２１１７）の分割
【原出願日】平成１８年２月２０日（２００６．２．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]