【手続補正書】
【提出日】平成27年12月14日(2015.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、スロット数が、極対数の３倍以上となり、かつ、分数スロットとなる電動機においては、コギングトルクとトルクリップルが小さくなる傾向があるものの、スロットに挿入する巻線のコイルピッチが１スロットより大きくなり、分布巻でしか巻くことができない。特に、数スロット数を極対数と相数と２で割った値が既約分数、かつ、その分母の値が４以上となる電動機においては、巻線の配置が複雑になることから、重ね巻されるのが一般的であり、製造における巻線の自動化には不向きである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
図１に示す従来例１には３６スロットあるので、１スロット角は１０度であり、６スロットのコイルピッチである。従って、コイルピッチは電気角換算でスロット角１０度×６スロット×極対数３＝１８０度となる。図１に示す従来例１では、各スロット２に巻線４が重ね巻（２層巻）されている。重ね巻をした際の巻線（コイル）４の相手先は符号５で示す線で示してあり、電気角で１８０度離れた位置にある。例えば、スロット識別番号Ｂの値が４のスロット２において重ね巻された巻線４（＋Ｗ相巻線）の相手は、スロット識別番号Ｂの値が１０のスロット２の第１層の巻線（−Ｗ相巻線）４である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
（従来例２）
図２は従来の交流電動機の整数スロットの固定子１の別の例（従来例２）を示すものであり、６極３６スロットの巻線配置を示している。図２にも、固定子１の一部（１２スロット分）を示してある。従来例２の巻線配置が従来例１の巻線配置と異なる点は、２層巻の各相の２層目の巻線が、１スロット分ずつ右側にずらされている点である。このため、重ね巻をした際の巻線４の相手先は符号５で示す線で示すように、電気角で（１８０度×５/６）離れた位置になっている。図２に示される従来例２では、５スロットのコイルピッチであるので、コイルピッチは電気角換算で１５０度となる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
（従来例３）
図３は従来の交流電動機の分数スロットの固定子６の更に別の例（従来例３）を示すものであり、公知の４極１５スロットの巻線配置を示している。１スロットにつき２相配置されており（２層巻）、各相の占有スロット数がやや不均一になっている。従来例３は、（スロット数）÷（極数）÷（相数）が１５÷４÷３＝５／４となり、分母が４以上の既約分数となる場合である。また、重ね巻をした際の巻線の相手先は、１層目と２層目で数スロットずれた位置にあり、その２つのスロットは、電気角で、およそ１８０度離れた位置にある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
従来例３では、４極１５スロットの極数とスロット数の最小公倍数は６０であるために、ロータ１回につき最小公倍数の分だけ振動する脈動成分の振幅は小さくなる。同じ極数の整数スロットの電動機で、この最小公倍数を実現するためには、６０スロットが必要になる。少ないスロット数で、最小公倍数を大きく取ることが出来るという点で、分数スロットの電動機は、整数スロットの電動機よりも利点がある。しかし、ロータ１回転あたり、極対数×６回振動する脈動成分は、極端に小さくすることができなかった。従って、この脈動成分を小さくすることが、従来例３に示した分数スロットの固定子６の課題であった。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
２層目には、図６に示すように、１層目とは通電方向が逆となる逆位相の同じ相の巻線を配置する。例えば、あるスロット２の第１層の巻線がＵ相の巻線（−Ｕ）である場合には、このスロット２の第２層の巻線はＵ相の逆位相の巻線（＋Ｕ）を配置する。同様に、Ｖ相の巻線（−Ｖ）には逆位相のＶ相の巻線（＋Ｖ）を並べて配置し、Ｗ相の巻線（−Ｗ）には逆位相のＷ相の巻線（＋Ｗ）を並べて配置する。第１層の巻線がＵ相の巻線（＋Ｕ）、Ｖ相の巻線（＋Ｖ）及びＷ相の巻線（＋Ｗ）の場合も同様であり、第２層にはＵ相の巻線（−Ｕ）、Ｖ相の巻線（−Ｖ）及びＷ相の巻線（−Ｗ）を並べて配置する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
ここで、電動機の回転子の極対数をＰ，固定子６の巻線を挿入するスロット２の数をＮとし、更に、１層目に対して２層目をずらすスロットの数をＭとし、トルクリップルを低減できるような組み合わせを調べたところ、理論的に下記の式の値が重要であることが分った。
Ｑ＝｜Ｔ−２×Ｐ×Ｍ÷Ｎ｜    …（１）
但し、Ｔは奇数の中から選ばれて以後説明される条件を満たす式１に代入されるある特定の値である。理論的な考察から、この式１が４／３５≦Ｑ≦８／３５を満たす時、電動機のトルクリップルが低減され、電動機の性能が向上することが分った。そして、この理論的な考察に基づいた磁気解析によっても、式１のＱが４／３５≦Ｑ≦８／３５を満たす時、電動機のトルクリップルが低減され、電動機の性能が向上するが、この磁気解析については後述する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
電動機の誘起電圧の大きさは、ステータのスロットに巻かれる巻線のコイルピッチに影響され、次式で表される短節係数が重要な要因の１つであることが知られている。
Ｋｓ＝|sin(ｎπβ/２)|    …（２）
電動機のステータに発生する誘起電圧は、巻線に発生する鎖交磁束とロータから発生している磁束の位相が同期した時に大きくなるが、巻線のスロットの位置によって両者が同期し易くなったり、同期し難くなったりする。それによって、誘起電圧の大きさが影響を受ける。式２はそのコイルピッチによる誘起電圧の低減率を計算するものである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
式２において、ｎは電動機に発生する誘起電圧波形の次数であり、βはコイルピッチと磁極ピッチの比である。Ｋｓは０から１の値を取り、ｎ＝１の時、１に近い程トルクが大きくなる。ｎ＝１以外の時、Ｋｓは、誘起電圧の高調波の低減率を表しており、０に近いほど発生する高調波が小さくなる。電動機の誘起電圧高調波のうち、偶数次の波形はロータのＮ極とＳ極の対称性から発生し難い。また、３次、６次、９次、‥等の３の倍数次の波形についても、３相の結線がスター結線である場合には、３相の波形が打ち消し合うので影響は小さい。特に重要なのは、残りの高調波の中で低い次数となる５次、７次であり、ｎ＝５、ｎ＝７の時、誘起電圧の高調波の低減率Ｋｓが０に近いことが望まれる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
ところで、磁極ピッチは極対数Ｐによって決まり、また、重ね巻をした場合には、コイルピッチはスロット数Ｎとずらし数Ｍによって値が決まる。このとき、βとの関係を求めると、β＝２ＰＭ／Ｎとなる。つまり、Ｐ、Ｎ、Ｍを適切に選択することで、式２の値を操作することができる。また、式１のＱについては、Ｑ＝｜Ｔ−β｜の関係となる。式２が周期関数であるため、所定の特性が得られるβの値の範囲は、周期的になるので、大きいβの値に対しても、解を得られるようにある特定の奇数Ｔを用いて、Ｑの式を定義した。Ｐ、Ｎ、Ｍが定義され、Ｔが任意の奇数から選ばれても解が得られない場合は、本発明は適用できない。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
なお、図３に示した従来例３の電動機においては、Ｐ＝２，Ｎ＝１５，Ｍ＝４であり、この数値を式１に当てはめると、Ｔに任意の奇数を選択しても、Ｑが４／３５≦Ｑ≦８／３５の範囲内に収まらない。よって、図３に示した従来例３の電動機における巻線配置では、トルクリップルが低減されず、電動機の性能が向上しない。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
図９は、８極３０スロット（Ｐ＝４、Ｎ＝３０）のＩＰＭの電動機（埋め込み磁石形の電動機）の有限要素法（ＦＥＭ）による磁気解析結果を示すものであり、式１の根拠を示すものである。ここでは、８極３０スロット（Ｐ＝４、Ｎ＝３０）のＩＰＭの電動機のＭの値を３、４、５に変えて比較実験を行った。前述の式１におけるＱの値は、Ｍの値が３の時にＴ＝１を代入すれば、４／３５≦Ｑ≦８／３５の範囲内に収まる。Ｍの値が４の時及びＭの値が５の時は、Ｔに任意の奇数を代入しても、Ｑが４／３５≦Ｑ≦８／３５の条件を満たさない。この結果、Ｍ＝３の時のみが、４／３５≦Ｑ≦８／３５の関係を満たすことが分った。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図１０は、前述の１０極１８スロットにおいて、本発明の第３の実施例の電動機における巻線の配置を示す一例であり、Ｐ＝５，Ｎ＝１８，Ｍ＝５の場合を示している。第３の実施例では、Ｔ＝３とすれば式１におけるＱの値が４／３５≦Ｑ≦８／３５を満たし、電動機のトルクリップルが低減され、電動機の性能が向上する。実際に式２に、β＝２ＰＭ／Ｎ＝２５／９を代入し、ｎ＝１、ｎ＝５、ｎ＝７の時のＫｓの値を求めると、それぞれ、０．９３９、０．１７３、０．７６６となり、ｎ＝１のＫｓが１に近い値のまま、ｎ＝７の時、Ｋｓの低減はそれほど大きくはないが、ｎ＝５の場合の値を小さくすることができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
図１１は、前述の１０極３６スロットにおいて、本発明の第１の実施例の電動機における巻線の配置を示す一例であり、Ｐ＝５、Ｎ＝３６の場合を示している。ここで、Ｍ＝３、Ｔ＝１とすれば、式１におけるＱの値が１／６となるため、１／７≦Ｑ≦１／５を満たし、電動機のトルクリップルが低減される。実際に、式２にβ＝２ＰＭ／Ｎ＝６／５を代入し、ｎ＝１、ｎ＝５、ｎ＝７の時のＫｓの値を求めると、Ｋｓの値がそれぞれ、０．９６５、０．２５８、０．２５８となり、ｎ＝１のＫｓが１に近い値のまま、ｎ＝５、ｎ＝７の場合の値を小さくできる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
図１３は、１０極３６スロットにおいて、本発明の第１の実施例の電動機であるが、空層を有する場合の例を示している。この例では、各スロットは、１層巻になっているスロットと２層巻になっているスロットの２種類があり、それぞれのスロットで、総巻数が異なる例が示されている。図１３の各スロット上側を１層目とし、下側を２層目とすると、１層目は、ＵＶＷの各巻線配置について、互いに機械角で１２０度の回転対称性を有しており、図５を用いて説明した１層目の条件を満たしている。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
例えば、図１３のスロット識別番号Ｂの値が１５である１層目には＋Ｕの巻線が配置されているが、右側方向に１２スロットずれたスロット識別番号Ｂの値が２７である１層目に＋Ｗの巻線が配置され、左側方向に１２スロットずれたスロット識別番号Ｂの値が３である１層目に＋Ｖの巻線が配置されている。３６スロットのスロット角は１０度であるため、これらの巻線は、機械角で±１２０度離れている。他のスロット内の１層目の巻線についても同様の回転対称性がある。また、２層目については、１層目との関係が、ずらし数Ｍが３となるように巻線が配置され、Ｔ＝１とおけば、式１におけるＱの値が１／６となり、１／７≦Ｑ≦１／５を満たしているため、他のずらし数を選択した時と比較して、電動機のトルクリップルが低減する。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
図１４は、１０極３６スロットにおいて、本発明の第１の実施例の電動機であるが、空スロットを有する場合の一例を示すものである。図１４に示した各スロット上側を１層目とし、下側を２層目とすると、１層目は、ＵＶＷ相の各巻線配置について、互いに機械角で１２０度の回転対称性を有しており、図５で説明した１層目の条件を満たしている。例えば、図１４のスロット識別番号Ｂの値が２２、２３である１層目には＋Ｕの巻線が配置されているが、右側方向に１２スロットずれたスロット識別番号Ｂの値が３４、３５の１層目に＋Ｗの巻線が配置され、左側方向に１２スロットずれたスロット識別番号Ｂの値が１０、１１の１層目に＋Ｖの巻線が配置されている。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
３６スロットのスロット角は１０度であるため、これらの巻線は、機械角で±１２０度の回転対称性を有する。尚、他のＵＶＷ相の巻線についても同様の回転対称性を有している。また、２層目について、１層目との関係が、ずらし数Ｍが３となるように巻線が配置され、Ｔ＝１とおけば、式１におけるＱの値が１／６となり、１／７≦Ｑ≦１／５を満たしているため、他のずらし数を選択した時と比較して、電動機のトルクリップルが低減する。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
電動機の回転子の極対数をＰ、固定子の巻線を挿入するスロット数をＮとする時、Ｎ／（６Ｐ）が、分母の値が４以上の既約分数となり、かつ、Ｎ＞３Ｐの関係を持つ３相交流電動機において、
巻線を挿入する各スロットには、３相およびその逆位相の合計６相帯の何れかの巻線を、１スロットにつき２層に分けて配置し、各スロットに配置する２層の巻線のうち、片方の層の巻線配置について、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の巻線が、互いに機械角で±１２０度の回転対称性を持つように配置し、他方の層の巻線配置については、前記回転対称性を有する１層目の巻線の各々の相を電気角で１８０度の位相反転し、かつ１層目の巻線とはＭスロット分だけずらして配置し、
前記極対数Ｐとスロット数Ｎ及びスロットずらし数Ｍが、Ｔを奇数の中からある特定の値を選んで、以下の関係式、
４／３５≦|Ｔ−２ＰＭ／Ｎ|≦８／３５
を満たすようにしたことを特徴とする３相交流電動機。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
前記電動機において、前記極対数Ｐとスロット数Ｎ及びスロットずらし数Ｍが、Ｔを奇数の中からある特定の値を選んで、以下の関係式、
１／７≦|Ｔ−２ＰＭ／Ｎ|≦１／５
を満たすようにしたことを特徴とする請求項２に記載の３相交流電動機。