(57)【要約】【課題】  巻線係数の改善によって、トルクリップルの小さい環状巻線電動機を得る。【解決手段】  ステータコア８のヨーク部９にトロイダル状に巻き付けられた巻線１４を、この巻線１４に印加される多相交流の相順に従って所定の順序で配列されて、ステータコア８のスロット１１、１３に一つ置きに順番に挿入された巻線配置Ａの巻線群１４と、この巻線配置Ａの順序と同じ順序で配列されて残余のスロット１１、１３のいずれかから順番に挿入されて巻線配置Ａとは位相差を有する巻線配置Ｂの巻線群１４とで構成して、巻線配置Ａと巻線配置Ｂの巻線群１４に多相交流を印加したときの合成起磁力分布を正弦波に近づけるようにした。【選択図】        図１０
2006345682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のヨークの外周に突設された外側ティースと上記ヨークの内側に上記外側ティースに対応させて突設された内側ティースが形成されたステータコアと、このステータコアを内包して上記外側ティースと対向する磁極が内面に配設された外側回転子と、上記ステータコアに内包されて上記内側ティースと対向する磁極が外面に配設された内側回転子と、上記外側ティース相互間及び上記内側ティース相互間に、それぞれ形成されたスロットに挿入されて上記ヨーク部にトロイダル状に巻き付けられた巻線とを備え、この巻線が多相交流で付勢されて回転磁界を発生させることによって上記外側回転子及び上記内側回転子を回動させる環状巻線電動機において、上記巻線を、上記多相交流の相順に従って所定の順序で配列されて、上記スロットに一つ置きに順番に挿入された巻線配置Ａの巻線群と、上記巻線配置Ａの上記順序と同じ順序で、かつ、電流の向きが同じになるように配列されて、残余の上記スロットのいずれかから順番に挿入されて上記巻線配置Ａとは位相差を有する巻線配置Ｂの巻線群とで構成して、上記巻線配置Ａと上記巻線配置Ｂの上記巻線群による合成起磁力分布を正弦波に近づけるようにしたことを特徴とする環状巻線電動機。
【請求項２】
巻線配置Ｂを、巻線配置Ａの巻線と同相で、かつ、電流の向きが同じ巻線が互に隣接するように残余のスロットに挿入される巻線配置とした請求項１に記載の環状巻線電動機。
【請求項３】
請求項１に記載の環状巻線電動機において、巻線配置Ｂを、電流の向きが同じになる巻線配置に替えて、巻線配置Ａの順序と同じ順序で、かつ、電流の向きが逆になる巻線配置とした環状巻線電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、環状のヨークの外側及び内側に、それぞれティースが突設されたステータコアの上記ティースに、磁極が取り付けられた回転子を対向させ、上記ヨーク部にトロイダル状に巻き付けられた巻線を多相交流で付勢して上記回転子を回動させる環状巻線電動機に係る。
【背景技術】
【０００２】
電動機の巻線方式には、集中巻と分布巻、全節巻と短節巻がある。巻線を電機子の周辺方向に分布させると、電気的な位相差が生じる。一般に分布巻と呼ばれる巻き方と同様に機能するように巻線を分布させるものを、以下、ここでは分布巻と定義し、このときの巻線係数を分布巻係数と呼ぶ。
毎極毎相スロット数ｑが１のものを集中巻、ｑが１以上のものを分布巻と定義している。従って、分布巻は二層巻によって実現され、分布巻係数は、磁極数とスロット数によって決定される値である。
一方、短節巻係数は巻線ピッチと磁極ピッチによって決まる値である。分布巻係数と短節巻係数を乗じた値を巻線係数と呼ぶ。
【０００３】
近年、１ティースに集中的に巻線を卷回して集中巻と呼ぶ巻線方式がある。実際には、毎極毎相スロット数ｑが、１／４〜１／２の場合である。このように集中巻と呼ばれる巻線方式を、一般の集中巻と区別するために、ここでは、以下、磁極集中巻と呼ぶ。例えば、１４極１２スロットの３相電動機の場合の毎極毎相スロット数ｑは、ｑ＝１２／（１４×３）＝２／７となる。磁極集中巻においても、毎極毎相スロット数ｑが１よりも小さい分数スロットとなり、巻線を分布させたことにより分布巻係数が得られ、巻線辺の位相差によって短節巻係数が得られる。従って、磁極集中巻の巻線係数は、巻線係数＝（分布巻係数×短節巻係数）となる。
環状巻においても、磁極集中巻のように、毎極毎相スロット数ｑを、分数スロットにすることによって、巻線を分布させることが可能であり、分布巻係数が得られる。
【０００４】
従来の環状巻線電動機を、図３８及び図３９に示す。図３８は、特許文献１に記載された電動機と同様の環状巻線電動機を示し、４極１２スロットを例示したものである。図３９は図３８のＡ−Ａ線断面を矢視した断面図である。両図において、ブラケット１に、ステータコア８が固定されている。このステータコア８は、環状のヨーク９と、このヨーク９の外周に突設された外側ティース１０と、この外側ティース１０に対応させてヨーク９の内周に突設された内側ティース１２とからなっている。外側ティース１０相互間には外側スロット１１が形成され、内側ティース１２相互間には、外側スロット１１に対応して内側スロット１３が形成されている。ヨーク９部には、外側スロット１１及び内側スロット１３に挿入された巻線１４がトロイダル状に巻き付けられていて、３相交流が供給される。
【０００５】
また、ブラケット１には、ヨーク９と同心の回転軸２が軸受３を介して回動自在に支承されている。この回転軸２にはステータコア８を内包する外側ロータ４が固着されている。この外側ロータ４の内面には、外側ティース１０と対向する外側磁極５が取り付けられている。更に、回転軸２にはステータコア８に内包された内側ロータ６も回転軸２に固着されている。内側ロータ６の外面には内側ティース１２と対向する内側磁極７が取り付けられている。
巻線１４に３相交流を供給することによって、外側の巻線辺１４に流れる電流によって外側ロータ４にトルクが発生し、内側の巻線辺１４に流れる電流によって内側ロータ６にトルクが発生する。このため、同一の電流で大きなトルクが得られる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３７１３３号公報（段落番号２７、図１０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の環状巻線電動機は、上記のとおり構成されており、環状巻線では短節巻を施すことは困難である。従って、集中巻あるいは分布巻の整数スロットの巻線配置が施されている。集中巻や分布巻の整数スロットでは短節巻が施せないため、高次の高調波の巻線係数が大きくなり、誘起電圧高調波によるトルクリップルが大きくなる、という問題があった。
即ち、上記従来例では、４極１２スロットの整数スロットであり、その分布巻係数Ｋｄは後述の（１）式によって算出される。その結果を図４０に示した。基本波（ｎ＝１）及び高次の高調波（ｎ＝５、７、１１、１３）の巻線係数Ｋｄは、いずれもＫｄ＝１となり、大きなトルクリップルが発生する。
【０００８】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、巻線係数の改善によって、トルクリップルの小さい環状巻線電動機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る環状巻線電動機は、ステータコアのヨーク部にトロイダル状に巻き付けられた巻線を、この巻線に印加される多相交流の相順に従って所定の順序で配列して、ステータコアのスロットに一つ置きに順番に挿入した巻線配置Ａの巻線群と、この巻線配置Ａの順序と同じ順序で配列して残余のスロットのいずれかから順番に挿入して巻線配置Ａとは位相差を有する巻線配置Ｂの巻線群とで構成して、巻線配置Ａと巻線配置Ｂの巻線群に多相交流を印加したときの合成起磁力分布を正弦波に近づけるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る環状巻線電動機は、巻線配置Ａの巻線群と、この巻線配置Ａに対して位相差を有する巻線配置Ｂの巻線群とを、ステータコアのヨーク部にトロイダル状に巻き付けて多相交流で付勢するようにしたので、合成起磁力分布を正弦波に近づけることができる。このため、環状巻線電動機のトルクリップルを低減させることができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一符号を付し、説明の重複を省いた。
【００１２】
実施の形態１．
まず、電動機の巻線係数について述べる。
一般的な分布巻係数Ｋｄを、図１から図３に従って説明する。図において、分布巻の場合、巻線１４は異なる複数のスロットに挿入されているので、各巻線辺１４−１、１４−２、１４−３の誘起電圧ｅ１、ｅ２、ｅ３は、スロットピッチ相当の位相差αを生じる。このため、分布巻の毎極毎相の合成誘起電圧ｅｒ´は、各巻線辺の誘起電圧ｅ１、ｅ２、ｅ３のベクトル和となる。集中巻の場合の毎極毎相の合成誘起電圧ｅｒと分布巻の合成誘起電圧ｅｒ´の比が分布巻係数Ｋｄとなる。
【００１３】
即ち、相数ｍ、磁極数Ｐ、電機子スロット数Ｑ、毎極毎相のスロット数ｑ、高調波次数ｎとすると、
毎極毎相スロット数ｑ＝Ｑ／（ｍＰ）
位相差α＝πＰ／Ｑ＝π／（ｍｑ）
ｎ次高調波に対する分布巻係数Ｋｄ＝ｓｉｎ｛ｎπ／（２ｍ）｝／［ｑ・ｓｉｎ｛ｎπ／（２ｍｑ）｝］-----------（１）
ただし、分数スロットの場合、毎極毎相のスロット数ｑは、毎極毎相のスロット数の仮分数の分子値を用いる。
即ち、巻線１４を分布させたときは、各誘起電圧ｅ１、ｅ２、ｅ３の間には位相差αが生じるので、合成誘起電圧ｅｒ´には（１）式で表される分布巻係数Ｋｄが適用される。
【００１４】
次に、環状巻の分布巻係数Ｋｄについて、図４から図９に従って説明する。（１）式に示した巻線１４の分布巻係数Ｋｄは、電機子の周方向に巻線１４が分布するものとして算出した。環状巻においては、図４に示したとおり、巻線辺１４が放射方向に隔てて配置されるので、図１に示した巻線１４の配置とは異なる。しかし、例えば、内側の巻線辺１４のみについて考えれば、図１と同様の考え方が適用できる。
即ち、図４は環状巻の巻線１４の配置を示す。内側の巻線辺１４の内、同相の巻線辺１４に位相差αｔがある場合、合成誘起電圧ｅｒ´は図５に示すようになる。従って、環状巻の分布巻係数Ｋｄも、磁極数Ｐとスロット数Ｑの関係から求められるので、同様に上記（１）式によって表される。
因みに、図３８に示す従来の環状巻線電動機は、磁極数Ｐ＝４、電機子スロット数Ｑ＝１２、相数ｍ＝３であるから、毎極毎相スロット数ｑ＝１となる。従って、図４０に示したように、いずれの高調波次数ｎについても、分布巻係数Ｋｄ＝１の全節巻となる。
【００１５】
次に、環状巻線電動機の巻線係数Ｋｗについて説明する。図６（ａ）は磁極数Ｐの永久磁石からなる磁極５、７と、スロット数Ｑの電機子８で構成された環状巻線電動機の展開図である。なお、図３９に示したとおり、電機子８はフレームに固定されるので、以下、電機子８をステータコア８ともいう。
図６（ｂ）は、図６（ａ）の奇数番号に該当するスロット１１、１３が穿設されたステータコア８Ａに、上記スロット１１、１３に対応する相の巻線１４が収納された巻線配置Ａの環状巻線電動機の展開図である。従って、スロット数Ｑ´とすると、Ｑ´＝Ｑ／２となる。相数ｍ（図ではｍ＝３）とすると、毎極毎相スロット数ｑ´＝Ｑ´／（ｍＰ）となる。図６（ｂ）の環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄは（１）式となる。
また、図６（ｃ）は、図６（ａ）の偶数番号に該当するスロットが穿設されたステータコア８Ｂに、上記スロットに対応する相の巻線１４が収納された巻線配置Ａの環状巻線電動機の展開図である。この場合もスロット数Ｑ´＝Ｑ／２となる。相数ｍ（図ではｍ＝３）とすると、毎極毎相スロット数ｑ´＝Ｑ´／（ｍＰ）となる。図６（ｃ）の環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄも（１）式で表すことができる。
【００１６】
ところで、図６（ｃ）のステータコア８Ｂに収納された巻線１４は、図６（ｂ）のステータコア８Ａの巻線１４に対して電気角（πＰ／Ｑ）の位相差を有する。この位相差は１スロット分に相当する。従って、図６（ｂ）の巻線配置Ａと図６（ｃ）の巻線配置Ｂとを重ね合わせることによって図６（ａ）の環状巻線電動機が得られる。
そこで、＃１スロット、＃２スロット、＃３スロット、＃４スロットについて、各巻線１４に発生する誘起電圧をｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４とする。ステータコア８Ａの＃１スロットと＃３スロットの巻線１４の誘起電圧ｅ１とｅ３の間には、位相差α＝（ｍＰ／Ｑ´）が生じる。ステータコア８Ｂの＃２スロットと＃４スロットの巻線１４の誘起電圧ｅ２とｅ４の間にも、位相差α＝（ｍＰ／Ｑ´）が生じる。また、＃１スロットと＃２スロットの巻線１４の誘起電圧ｅ１とｅ２の間には、位相差α´＝（ｍＰ／Ｑ）＝α／２が生じる。
【００１７】
図７は誘起電圧ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４を表すベクトル図である。
ここで、位相差α´によって分布巻係数Ｋｄに乗じられる係数を結合係数Ｋｃとする。基本波をｎ＝１とするｎ次成分の結合係数Ｋｃは、
Ｋｃ＝ｃｏｓ｛ｎπＰ／（２Ｑ）｝---------------（２）
従って、巻線係数Ｋｗは、（１）式の分布巻係数Ｋｄに（２）式の結合係数Ｋｃを乗じた下記（３）式となる。
Ｋｗ＝Ｋｄ・Ｋｃ＝［ｓｉｎ｛ｎπ／（２ｍ）｝／［ｑ´・ｓｉｎ｛ｎπ／（２ｍｑ´）｝］］・ｃｏｓ｛ｎπＰ／（２Ｑ）｝------------------（３）
ただし、（ｎπＰ／Ｑ）は、０から２πの範囲とする。
上記（３）式から、高次成分の巻線係数Ｋｗが小さくなるような磁極数Ｐとスロット数Ｑを選定することによって、トルクリップルを抑えることができる。
【００１８】
図８は、偶数番号のスロットが穿設されたステータコア８Ｂに、ステータコア８Ａの巻線１４に対して電気角｛（πＰ／Ｑ）・Ｑｎ｝の位相差を有する巻線１４を収納した巻線配置Ｂの環状巻線電動機の展開図である。
即ち、ステータコア８Ｂの巻線１４は、ステータコア８Ａの巻線１４に対して、シフトさせることができるスロット数Ｑｎは奇数で、１、３、５〜（２Ｑ´−１）となる。このときの結合係数Ｋｃに関する位相差は、（πＰ／Ｑ）×Ｑｎ、即ち、（πＰ／Ｑ）×１、（πＰ／Ｑ）×３、（πＰ／Ｑ）×５〜（πＰ／Ｑ）×（２Ｑ´−１）となる。
【００１９】
従って、ステータコア８Ａの巻線１４に対して、スロット数Ｑｎだけシフトさせた場合の結合係数Ｋｃは、下記（４）式で表される。また、巻線係数Ｋｗは（５）式で表される。ただし、｛（πＰ／Ｑ）×Ｑｎ｝は０〜２πとする。
Ｋｃ＝ｃｏｓ［｛ｎπＰ／（２Ｑ）｝×Ｑｎ］---------------（４）
Ｋｗ＝Ｋｄ・Ｋｃ＝［ｓｉｎ｛ｎπ／（２ｍ）｝／［ｑ´・ｓｉｎ｛ｎπ／（２ｍｑ´）｝］］・ｃｏｓ［｛ｎπＰ／（２Ｑ）｝×Ｑｎ］------------------（５）
つまり、磁極数Ｐとスロット数Ｑの組合せに対して、巻線１４を適切にシフトさせた巻線配置を選択することによって、巻線係数Ｋｗの改善が可能であり、起磁力分布を、より正弦波に近づけることができ、反作用磁束の集中を避けることができる。このため、トルク／電流比の改善に対して有効となり、トルクリップルを低減させることができる。
【００２０】
図９は、図８の巻線１４に対して、位相を反転させた巻線１４をステータコア８Ｂに収納した巻線配置Ｂの環状巻線電動機の展開図である。
即ち、ステータコア８Ｂの巻線１４は、上記のとおり、ステータコア８Ａの巻線１４に対して、シフトさせることができるスロット数Ｑｎは奇数で、１、３、５〜（２Ｑ´−１）となる。また、巻線１４の位相を反転させるため、各スロット間の位相に対してπずらす。このときの結合係数Ｋｃに関する位相差は、巻線１４の位相を反転させることを考慮して、｛（πＰ／Ｑ）×Ｑｎ−π｝となる。即ち、｛（πＰ／Ｑ）×１−π｝、｛（πＰ／Ｑ）×３−π｝、｛（πＰ／Ｑ）×５−π｝〜｛（πＰ／Ｑ）×（２Ｑ´−１）−π｝となる。
【００２１】
従って、ステータコア８Ａの巻線１４に対して、スロット数Ｑｎだけシフトさせ、更に巻線１４の位相を反転させた場合の結合係数Ｋｃは、下記（６）式で表される。また、巻線係数Ｋｗは（７）式で表される。ただし、｛（πＰ／Ｑ）×Ｑｎ−π｝は０〜２πとする。
Ｋｃ＝ｃｏｓ［ｎ｛πＰ／（２Ｑ）×Ｑｎ−π｝］----------------（６）
Ｋｗ＝Ｋｄ・Ｋｃ＝［ｓｉｎ｛ｎπ／（２ｍ）｝／［ｑ´・ｓｉｎ｛ｎπ／（２ｍｑ´）｝］］・ｃｏｓ  ｎ［｛πＰ／（２Ｑ）｝×Ｑｎ−π］------------------（７）
つまり、磁極数Ｐとスロット数Ｑの組合せに対して、適切な巻線１４のシフトと位相の反転を考慮した巻線配置を選択することによっても同様に、巻線係数Ｋｗの改善が可能であり、起磁力分布を、より正弦波に近づけることができ、反作用磁束の集中を避けることができる。このため、トルク／電流比の改善に対して有効となり、トルクリップルを低減させることができる。
【００２２】
なお、上記は、奇数番号のスロットと偶数番号のスロットに２分するものとしたが、これに限られるものではない。
環状巻線を有する電動機について磁極数Ｐとスロット数Ｑの構成に対して、磁極数Ｐとスロット数Ｑ´＝（Ｑ／４）における分布巻の分数スロットによる巻線配置と、それぞれ（πＰ／Ｑ）の位相差を持つ磁極数Ｐとスロット数Ｑ´＝（Ｑ／４）における分布巻の分数スロットによる巻線配置３つを、磁極数Ｐとスロット数Ｑの環状巻線電動機に対して上記に倣い、４つ重ねて巻線１４を施すことにより、巻線係数Ｋｗを改善することも可能である。また、上記巻線係数Ｋｗに関する各数式は、下記の各実施の形態にも適用することができる。以上、環状巻線電動機における巻線係数Ｋｗについて述べた。
【００２３】
次に、図１０から図１５に従って、この発明の実施の形態１に係る環状巻線電動機について述べる。
図１０は、外側と内側に、それぞれ磁極数Ｐ＝８の磁極５、７と、スロット数Ｑ＝１８の電機子を構成するステータコア８を備えた環状巻線電動機の断面図である。ステータコア８はブラケットに固定されている。このステータコア８は、環状のヨーク９と、このヨーク９の外周に突設された外側ティース１０と、この外側ティース１０に対応させてヨーク９の内周に突設された内側ティース１２とからなっている。外側ティース１０相互間には、＃１から＃１８までスロット数Ｑ＝１８の外側スロット１１が形成されている。内側ティース１２相互間にも、外側スロット１１に対応して内側スロット１３が形成されている。ヨーク９部には、外側スロット１１及び内側スロット１３に挿入された巻線１４がトロイダル状に巻き付けられていて、３相交流が供給される。
【００２４】
また、ヨーク９と同心の回転軸２にはステータコア８を内包する外側ロータ４が固着されている。この外側ロータ４の内面には、外側ティース１０と対向する外側磁極５が取り付けられている。更に、回転軸２にはステータコア８に内包された内側ロータ６も固着されている。内側ロータ６の外面には内側ティース１２と対向する内側磁極７が取り付けられている。
巻線１４に３相交流を供給することによって、外側の巻線辺１４に流れる電流によって外側ロータ４にトルクが発生し、内側の巻線辺１４に流れる電流によって内側ロータ６にトルクが発生する。
【００２５】
図１１は、磁極数Ｐ＝８の磁極５、７と、スロット数Ｑ´＝９のステータコア１８を備えた環状巻線電動機の断面図である。ステータコア１８には、基準位置を図１０と同じにして、＃１、＃３、＃５〜＃１７の奇数番号に該当する外側スロット１１及び内側スロット１３が穿設されている。各スロット１１、１３には巻線１４が挿入され、ヨーク９部にトロイダル状に巻き付けられていて、巻線配置Ａに相当する。この巻線１４には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相交流が供給される。
図１１の環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄは、（１）式によって求めることができる。その計算結果を図１３に示す。
【００２６】
図１２は、磁極数Ｐ＝８の磁極５、７と、スロット数Ｑ´＝９のステータコア２８を備えた環状巻線電動機の断面図である。ステータコア２８には、外側ティース３０と内側ティース３２が突設されていて、＃２、＃４、＃６〜＃１８の偶数番号に該当する外側スロット１１及び内側スロット１３が穿設されている。従って、＃２、＃４、＃６〜＃１８の各スロット１１、１３は、＃１、＃３、＃５〜＃１７の各スロット１１、１３に対して（πＰ／Ｑ）＝π×８／１８＝４π／９だけ位相が遅れる。しかも、＃２、＃４、＃６〜＃１８の各スロット１１、１３には、図９に示す巻線配置に従って巻線１４が収納されていて、巻線配置Ｂに相当する。この分布巻係数Ｋｄも、図１１の場合と同じであって、図１３に示す値となる。
【００２７】
図１０の環状巻線電動機は、磁極数Ｐ＝８、スロット数Ｑ＝１８であって、図１１の巻線配置Ａと図１２の巻線配置Ｂとを重ね合わせたものである。巻線配置Ａと巻線配置Ｂを重ね合わせるにあたり、図１２における巻線配置Ｂの基準位置が＃１２に配置されるので、誘起電圧の位相差は、｛１８０×（Ｐ／Ｑ）×Ｑｎ−１８０｝＝（１８０×８×１１／１８）−１８０＝−２０°となる。この位相差による結合係数Ｋｃは、（６）式によって求めることができる。その計算結果を図１４に示す。
図１４は、図１１の巻線配置Ａと図１２の巻線配置Ｂを重ね合わせたときの結合係数Ｋｃであって、一般的な分布巻や磁極集中巻の短節巻係数に相当するものである。
従って、図１０の環状巻線電動機の巻線係数Ｋｗは、図１１の巻線配置Ａにより得られる分布巻係数Ｋｄと、基準位置に対して位相差がある図１２の巻線配置Ｂにより得られる結合係数Ｋｃとの乗算となる。例えば、５次の巻線係数Ｋｗは、Ｋｗ＝０．２１８×０．６４３＝０．１４０となる。他の次数の巻線係数Ｋｗは、図１５に示す。
【００２８】
上記実施の形態１によれば、巻線配置Ａの巻線１４と、この巻線配置Ａに対して位相差を有する巻線配置Ｂの巻線１４とを、ステータコア８のヨーク９にトロイダル状に巻き付けて多相交流で付勢するようにしたので、高調波成分の巻線係数Ｋｗが小さくなる。即ち、巻線配置Ａと巻線配置Ｂの巻線１４による合成起磁力分布を正弦波に近づけることができる。このため、環状巻線電動機のトルクリップルを低減させることができる。
【００２９】
実施の形態２．
この実施の形態２は、磁極数Ｐ＝１０、ステータコア８のスロット数Ｑ＝３６（＃１〜＃３６）の環状巻線電動機について述べる。実施の形態１と同様の考え方により、磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ´＝１８の巻線配置Ａ（＃１、＃３〜＃３５）と巻線配置Ｂ（＃２、＃４〜＃３６）とする。巻線配置Ｂは、基準位置を＃４に配置し、かつ、各巻線の位相を１８０°反転させた配置である。巻線配置Ａと巻線配置Ｂとを重ね合わせて、磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝３６の環状巻線電動機を得る。
図１６は、上記環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄ、結合係数Ｋｃ、巻線係数Ｋｗを示す。ここで、図１６において、５次と７次の結合係数Ｋｃは、それぞれ０．２５９、−０．２５９となり、巻線係数Ｋｗは従来に比べて改善することができる。
【００３０】
次に、巻線の起磁力分布について述べる。比較基準として評価に使用する巻線配置は、分布巻で整数スロットである磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝３０とする。従って、毎極毎相スロット数ｑ＝１となる。
まず、起磁力分布の描き方について説明する。磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝３０は、磁極数Ｐ＝２、スロット数Ｑ＝６の連続と考えられるので、磁極数Ｐ＝２、スロット数Ｑ＝６の起磁力分布で説明することとし、その巻線構成を図１７に示す。
図１８は、３相交流の各相の電流を示す。Ｕ相は電気角位相が９０°でピーク値（ここでは、１Ａとする。）となり、そのときの起磁力分布を考える。電気角位相が９０°のＶ相の電流及びＷ相の電流は、共に−０．５Ａとなる。１スロットに入る巻線１４は１ターンと定義すると、１巻線１４の起磁力はターン数が１であることから、電流値１で表される。
図１９に、図１８の各相電流により発生する起磁力分布を示す。１巻線１４における起磁力を含む1つの閉磁路内のギャップは２つであるから、起磁力の振幅は各々１／２である。図１９に示す各相の起磁力分布を合成することにより、３相起磁力分布となり、その合成起磁力分布を図２０に示す。図２０より明らかなとおり、合成起磁力分布のピーク値＝１となる。更に、毎極毎相スロット数ｑ＝１であるから、巻線係数Ｋｗは、図４０に示した値と同値となり、各次数の振幅値も１となる。
【００３１】
次に、磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝３６の環状巻線の起磁力分布について述べる。
Ｕ、Ｖ、Ｗ各相の電流は、同じ値で同じトルクを発生させる条件とするため、比較基準モデルの磁極数Ｐは、上記のとおり同一としている。一方、スロット数Ｑは比較基準モデルと異なるため、同じトルクを発生させる条件とするには、電流値を比較基準に対して（３０／３６）倍している。Ｕ相の電流ピーク値は、１×（３０／３６）＝０．８３３の値となる。同様に、電気角位相９０°のときのＶ相電流は−０．４１７、Ｗ相電流も−０．４１７となる。このときの電流位相の関係は、図１８と同等である。
【００３２】
図２１は、起磁力分布を算出する磁気回路をモデル化した図である。磁極５、７とティース１０、１２のギャップの磁気抵抗をＲとし、各スロット１１、１３の巻線１４に流れる電流によって発生する起磁力をＦｋ、この起磁力Ｆｋによって生じる各ティース１０、１２の磁束をφｋ、各接点における磁位をＵｋとする。各磁束φｋは、下式で表される。
φ１＝Ｕ１／Ｒ
φ２＝Ｕ２／Ｒ＝（Ｆ１−Ｕ１）／Ｒ
φ３＝Ｕ３／Ｒ＝（Ｆ２＋Ｆ１−Ｕ１）／Ｒ
…………
φｎ＝Ｕｎ／Ｒ＝（Ｆｎ−１＋……＋Ｆ２＋Ｆ１−Ｕ１）／Ｒ
ｙ点に流れ込む総磁束量は０となるので、上式より、磁位Ｕｋを確定する条件は、下式となる。即ち、
Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋……Ｕｎ＝０-----------（８）
【００３３】
図２２に巻線配置を示す。各相の電流の向きが、図面奥方向のときはＵ、Ｖ、Ｗとし、図面手前方向のときはＵ´、Ｖ´、Ｗ´とした。
図２３は、各スロット１１、１３の起磁力Ｆｋ、磁位Ｕｋ及びオフセット起磁力Ｆｏを示す図である。初めに、巻線配置Ａ、巻線配置Ｂの起磁力Ｆｋを算出する。
まず、各巻線１４により発生する起磁力Ｆｋは、各相電流×電流方向で表される。ここで、各相の電流の向きが符号Ｕ、Ｖ、Ｗで表されるときはプラス、符Ｕ´、Ｖ´、Ｗ´で表されるときはマイナスとする。例えば、巻線配置Ａの＃１における起磁力Ｆ1は０．８３×１＝０．８３となり、＃３における起磁力Ｆ３は−０．４２×（−１）＝０．４２となる。巻線配置Ｂも含め、＃２、＃４〜＃３６も同様に求めることができる。
【００３４】
次に、巻線配置Ａ及び巻線配置Ｂの磁位Ｕｋを算出する。
巻線配置Ａの磁位Ｕｋは、＃１から順次＃３、＃５と起磁力Ｆｋを加算していく。最終的には＃３５までの起磁力Ｆｋを求めて合計値を算出すると、０．２１となる。同様に、巻線配置Ｂの磁位Ｕｋについても、＃２、＃３……＃３６まで加算すると、０．２１となる。巻線配置Ａ及び巻線配置Ｂにおいて、それぞれ０．２１の磁位Ｕｋを持つが、（８）式の条件が成り立つ必要があるので、これらの値は各巻線１４に対して起磁力Ｆｋのオフセットとなる。このオフセット分を取り除いた磁位Ｕｋがオフセット起磁力Ｆｏであり、このモデルの起磁力分布となる。以下、起磁力分布はオフセット起磁力Ｆｏのこととして説明する。
【００３５】
図２４は、巻線配置Ａの起磁力分布を示し、図２５は、巻線配置Ｂの起磁力分布を示す。巻線配置Ａは正方向に偏った起磁力分布となり、巻線配置Ｂは負方向に偏った起磁力分布となる。
図２６は、巻線配置Ａの起磁力分布と巻線配置Ｂの起磁力分布を合成した合成起磁力分布で、この実施の形態２における環状巻線電動機の起磁力分布となる。図より明かなとおり、合成起磁力分布は、０を境として上下方向にバランスされており、特定のスロット１１、１３に偏っていないことが確認される。
【００３６】
上記実施の形態２によっても、巻線を巻線配置Ａ及びＢのように配置したので、巻線係数Ｋｗが改善されて、トルクリップルを減少させることができる。
【００３７】
実施の形態３．
上記実施の形態２では、磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝３６の環状巻線電動機について述べた。ここでは、磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ´＝１８の巻線配置Ａと同じく巻線配置Ｂに対し、巻線配置Ｂの基準位置を＃２スロットに配置し、各巻線１４の位相は反転させず、巻線配置Ａ及び巻線配置Ｂを重ね合わせて、磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝３６の環状巻線電動機とした。図２７は、上記環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄ、結合係数Ｋｃ及び巻線係数Ｋｗを示す。
図２８は、巻線配置Ａと巻線配置Ｂにおける各スロット１１、１３に収納された巻線１４の配置を示す。図２９は、巻線配置Ａの起磁力分布を示し、図３０は、巻線配置Ｂの起磁力分布を示す。図３１は、巻線配置Ａと巻線配置Ｂの起磁力分布を合成した合成起磁力分布を示す。
【００３８】
巻線配置Ａの＃１からの起磁力分布と、巻線配置Ｂの＃２からの起磁力分布が同一となっていることから確認できるように、１スロットの違いで推移している。このため、合成起磁力分布は、図３１に示したとおり、ある特定のスロット１１、１３に集中することになる。例えば、＃１０スロット、＃１８スロットでは、ギャップ起磁力が１．６７となり、図２６に示し実施の形態２に比べると大きくなっている。このため、局所的な磁気飽和の原因となるため、実施の形態２に比べてトルク／電流比が悪化し、トルクリップルが実施の形態２よりも大きくなるものの、巻線係数Ｋｗは改善される。
【００３９】
上記実施の形態３によっても、巻線係数Ｋｗが改善されて、トルクリップルを減少させることができる。即ち、実施の形態３は、実施の形態２と同じ磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝３６の環状巻線電動機であるが、巻線配置Ａ及びＢを選択することによって、ギャップ起磁力を異なった正弦波に近づけてトルクリップルを減少させるようにしたものである。
【００４０】
実施の形態４．
ここでは、磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝４８（＃１〜＃４８）の環状巻線電動機について述べる。実施の形態１と同様の考え方により、磁極数Ｐ＝１０とスロット数Ｑ´＝２４の巻線配置Ａと巻線配置Ｂとし、図３３に示すように配置にする。
即ち、巻線配置Ｂの基準位置を＃６に配置し、各巻線１４は、位相を１８０°反転させる。巻線配置Ａと巻線配置Ｂを重ね合わせて磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝４８の環状巻線電動機を得る。このときの分布巻係数Ｋｄ、結合係数Ｋｃ及び巻線係数Ｋｗを纏めて図３２に示す。５次成分と７次成分の結合係数は、それぞれ０．９４７と０．８９７となる。従って、巻線係数Ｋｗは、図１６に示す実施の形態２におけるよりも大きいものの、従来に比べて改善される。
【００４１】
図３４は、巻線配置Ａと巻線配置Ｂの起磁力分布を重ね合わせて合成した合成起磁力分布を示す。実施の形態２と同様に、巻線配置Ａの起磁力分布は、正方向に偏った起磁力が得られ、巻線配置Ｂでは起磁力分布は、負方向に偏った起磁力が得られる。従って、起磁力分布は、０を境として上下方向にバランスされており、起磁力が特定のスロット１１、１３に偏ることはない。
【００４２】
上記実施の形態４によっても、巻線配置Ａと巻線配置Ｂに従って配置された巻線１４を重ね合わせることによって高調波成分の巻線係数Ｋｗは小さくなるので、トルクリップルを減少させることができる。
【００４３】
実施の形態５．
磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝４８（＃１〜＃４８）の環状巻線電動機について述べる。ここでは、磁極数Ｐ＝１０とスロット数Ｑ´＝２４の巻線配置Ａと巻線配置Ｂとし、図３６に示すように配置にする。
即ち、巻線配置Ｂの基準位置を＃２に配置し、各巻線１４は、位相を反転させず、巻線配置Ａと巻線配置Ｂを重ね合わせて磁極数Ｐ＝１０、スロット数Ｑ＝４８の環状巻線電動機を得る。このときの分布巻係数Ｋｄ、結合係数Ｋｃ及び巻線係数Ｋｗを纏めて図３５に示す。５次成分と７次成分の結合係数は、それぞれ−０．０６５と−０．６５９となる。従って、巻線係数Ｋｗは、図３２に示す実施の形態４におけるよりも改善される。
【００４４】
図３７は、ギャップ起磁力分布を示す。実施の形態３と同様に、巻線配置Ａの＃１からの起磁力分布と、巻線配置Ｂの＃２からの起磁力分布は同一となっているので、１スロットの違いで推移している。従って、起磁力分布は、ある特定のスロット１１、１３に集中することになる。例えば、＃２４又は＃３２のスロット１１、１３では起磁力が１．８８となり、実施の形態４に比べると大きくなっている。これは、ステータコア８の局部的な磁気飽和の原因となり、実施の形態４に比べてトルク／電流比が悪化し、トルクリップルが実施の形態４に比べて大きくなる。
【００４５】
上記実施の形態５によっても、巻線配置Ａと巻線配置Ｂを重ね合わせることによって高調波成分の巻線係数Ｋｗは小さくなるので、従来例に比べてトルクリップルを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】一般の電動機の巻線状況を示す説明用図。
【図２】一般の電動機の誘起電圧ｅ１、ｅ２、ｅ３を示すベクトル図。
【図３】一般の電動機の分布巻係数Ｋｄを示すベクトル図。
【図４】環状巻線電動機の巻線状況を示す説明用図。
【図５】環状巻線電動機の誘起電圧ｅ１、ｅ２を示すベクトル図。
【図６】この発明の実施の形態１における環状巻線電動機の展開図。
【図７】環状巻線電動機の結合係数Ｋｃ及び巻線係数Ｋｗを示すベクトル図。
【図８】環状巻線電動機の巻線配置Ｂを示す展開図。
【図９】環状巻線電動機の巻線配置Ｂを示す展開図。
【図１０】この発明の実施の形態１における環状巻線電動機の軸直交の断面図。
【図１１】この発明の実施の形態１における巻線配置Ａによる環状巻線電動機の軸直交の断面図。
【図１２】この発明の実施の形態１における巻線配置Ｂによる環状巻線電動機の軸直交の断面図。
【図１３】この発明の実施の形態１における環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄの演算結果を示す図。
【図１４】この発明の実施の形態１における環状巻線電動機の結合係数Ｋｃの演算結果を示す図。
【図１５】この発明の実施の形態１における環状巻線電動機の巻線係数Ｋｗの演算結果を示す図。
【図１６】この発明の実施の形態２における環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄ、結合係数Ｋｃ、巻線係数Ｋｗを示す図。
【図１７】この発明の実施の形態２〜５における巻線の起磁力分布の比較基準用の巻線構成を示す図。
【図１８】３相交流の各相の電流を示す説明用図。
【図１９】各相電流により発生する起磁力分布図。
【図２０】合成起磁力分布を示す図。
【図２１】起磁力分布を算出するための磁気回路をモデル化した図。
【図２２】ステータコア８の巻線配置を示す図。
【図２３】起磁力、磁位及びオフセット起磁力を示す図。
【図２４】巻線配置Ａの起磁力分布を示す図。
【図２５】巻線配置Ｂの起磁力分布を示す図。
【図２６】合成起磁力分布を示す図。
【図２７】この発明の実施の形態３における環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄ、結合係数Ｋｃ及び巻線係数Ｋｗを示す図。
【図２８】ステータコア８の巻線配置を示す図。
【図２９】巻線配置Ａの起磁力分布を示す図。
【図３０】巻線配置Ｂの起磁力分布を示す図。
【図３１】合成起磁力分布を示す図。
【図３２】この発明の実施の形態４における環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄ、結合係数Ｋｃ及び巻線係数Ｋｗを示す図。
【図３３】ステータコア８の巻線配置を示す図。
【図３４】巻線配置Ａと巻線配置Ｂの起磁力分布を合成した合成起磁力分布を示す図。
【図３５】この発明の実施の形態５における環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄ、結合係数Ｋｃ及び巻線係数Ｋｗを示す図。
【図３６】ステータコア８の巻線配置を示す図。
【図３７】巻線配置Ａと巻線配置Ｂの起磁力分布を合成した合成起磁力分布を示す図。
【図３８】従来の環状巻線電動機の軸直交の断面図。
【図３９】図３８のＡ−Ａ線断面を矢視した断面図。
【図４０】従来の環状巻線電動機の分布巻係数Ｋｄを示す図。
【符号の説明】
【００４７】
１  ブラケット、  ２  回転軸、  ３  軸受、  ４  外側ロータ、  ５  外側磁極、  ６  内側ロータ、  ７  内側磁極、  ８  ステータコア、  ９  ヨーク、  １０  外側ティース、  １１  外側スロット、  １２  内側ティース、  １３  内側スロット、  １４  コイル、  １８  ステータコア、  ２０  外側ティース、  ２２  内側ティース、  ２８  ステータコア、  ３０  外側ティース、  ３２  内側ティース。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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