(57)【要約】      （修正有）【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
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【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。
【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。
【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】
【非特許文献１】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】
図６は、これら１２個の歯磁束のベクトルを示す。好適には、先端歯１８及びI形歯１９は、先端歯１５及び１６と比べて増加された周方向幅をもつ。これにより、各歯磁束の最大振幅がほぼ等しくなる。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大幅に低減できる。これにより、トルクリップル及び振動をさらに低減することができる。さらに、この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。
【００３２】
第３実施例
本発明の３相ステータの第３実施形態が図７を参照して説明される。図７は、８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７２０度（機械角１８０度）を示す。このモータは極数切替誘導モータである。この３相ステータは図５に示される４極３相モータのステータと同じである。しかし、各相コイルに供給される相電流の位相は変更されている。３相同期モータはこの３相ステータを採用することができる。
【００３３】
この実施例によれば、相コイル３１-３３からなる集中巻き３相コイルは第１の３相インバータにより駆動される。相コイル４１-４３からなる分布巻き３相コイルは第２の３相インバータにより駆動される。U相電流IUが相コイル３１及び４１に供給され、V相電流IVが相コイル３３及び４２に供給され、W相電流IWが相コイル３２及び４３に供給される。
【００３４】
図８は、６個の歯磁束のベクトルを示す。先端歯１５、１６、１８及びI形歯１９は、等しい周方向幅をもつ。この実施例の３相ステータは、従来の全節巻き分布巻き３相コイルと等しい高い巻線係数をもつことができる。さらに、２つの３相インバータから６つの相コイル（３１-３３及び４１-４３に供給される６つの相電流の位相調節により、第２実施例の回転磁界を形成することができる。言い換えれば、この３相ステータはステータ極数を容易に切り替えることができる。けれども、１つの３相インバータが６つの相コイル（３１-３３及び４１-４３）に３相電流を供給する時、ステータの極数は変更されない。
【００３５】
図９は、図５に示される３相ステータにおけるU相電流の分布を示す模式展開図である。図１０は、従来の分布巻き３相ステータの一例におけるU相電流の分布を示す模式展開図である。ステータコア１００は、電気角３６０度の範囲内に１２個のティース１０１をもつ。図９に示される３相ステータは、図１０に示される３相ステータと比べてステータコアを径方向長へ延長する必要があることが理解される。
【００３６】
図１１は、図５に示される３相ステータを示す平面図である。図１２は、従来の分布巻き３相ステータの一例を示す平面図である。コイルエンド２００は、模式的に図示されている。図１１に示される３相ステータは、図１２に示される３相ステータと比べて短かい軸方向幅をもつことが理解される。
【００３７】
結局、本発明の３相ステータは、従来の分布巻き３相ステータと比べて、増加される鉄損及び低減される銅損をもつ。EVトラクションモータとして採用される３相誘導モータは、銅損低減を必要とする。第２実施例及び第３実施例を切り替えるポールチエンジモータは、この問題を改善する。この３相誘導ポールチエンジモータは、スタータジエネレータとして採用されることができる。さらに、グリッドネットワークに接続される３相誘導ポールチエンジモータは、２つの３相インバータを必要としない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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