(57)【要約】【課題】設計自由度を大きくできる３相電機子巻線を提供する。【解決手段】コイル飛びが＃１〜＃２となり、３つのコイルグループＵＶＷが全て同相コイルの直列接続されている３相平衡電機子巻線において、３つの直列接続される同相コイル７を、配置順としてｃ１、ｃ２、ｃ３としたとき、（ｎ１＝ｎ３）≠ｎ２それぞれの巻き回数をｎ１、ｎ２、ｎ３とした場合、上記のような関係に決めるものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル飛びが＃１〜＃２となり、３つのコイルグループが全て同相コイルの直列接続されている３相平衡巻線による３相電機子巻線において、
３つの直列接続される同相コイルを、配置順としてｃ１、ｃ２、ｃ３とした場合、それぞれの巻き回数をｎ１、ｎ２、ｎ３としたときに、
（ｎ１＝ｎ３）≠ｎ２
の関係に決めたことを特徴とする３相電機子巻線。
【請求項２】
２種類の線径の導体を用いて巻線するものとし、その時、２種の巻線の配置スペース（スロット断面積の１／２）に対する巻線密度（巻線占積率ＳＰｆ１、ＳＰｆ２）の差が、相対的に１０％の差以内にしたことを特徴とする請求項１記載の３相電機子巻線。
【請求項３】
コイル寸法をＨ（高さ）×Ｗ（幅）、ｎ２導体を線径φａ、ｎ１およびｎ３導体を線径φｂ、ａ２段×ｂ２列の整列巻線の関係を、
Ｗ＝φａ×ｂ２列、  ａ２段＝Ｈ／φａ（小数点切り捨て）
とした場合、
ｎ１＝ｎ３の巻線を、
ｂ１列＝Ｗ／φｂ  （小数点切り捨て）
ａ１段＝Ｈ／φｂ  （小数点切り捨て）で、φｂ＜φａに導体径を選定したことを特徴とする請求項１又は２記載の３相電機子巻線。
【請求項４】
コイル寸法をＨ（高さ）×Ｗ（幅）、ｎ２導体を線径φａ、ｎ１およびｎ３導体を線径φｂ、ａ２段×ｂ２列の整列巻線の関係を、
Ｗ＝φａ×ｂ２列、  ａ２段＝Ｈ／φａ  （小数点切り捨て）
とした場合、
ｎ１＝ｎ３の巻線を、
ｂ１列＝Ｗ／φｂ  （小数点切り捨て）
ａ１段＝Ｈ／φｂ  （小数点切り捨て）で、φｂ＞φａに導体径
を選定したことを特徴とする請求項１又は２記載の３相電機子巻線。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項記載の３相電機子巻線で巻回された電機子と、該電機子に対向する永久磁石とを備えたモータにおいて、
前記永久磁石の磁石幅Ｗｍが、その界磁磁極ピッチをλｐとした場合、
Ｗｍ＝（６／７）λｐ、又はＷｍ＝（４／５）λｐ
であることを特徴とするモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同相３コイルが連続する３相電機子巻線に関し、特に２種の線径の導体で巻くことで、巻線占積率を低下させることなく巻線ターン数に自由度を持たせた３相電機子巻線およびそれを用いたモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の同相３コイルが連続する３相電機子の巻線を図６に示す。図６（ａ）の電機子巻線の側断面図に示すように、連続する３つのＵ相巻線のターン数Ｎｕ１、Ｎｕ２、Ｎｕ３は、
Ｎｕ１＝Ｎｕ２＝Ｎｕ３
の関係になっている。
相順は、３コイルのグループで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順番の巻線配置となっていて、図６（ｂ）の結線図に示すようになっている。図７は、図７（ａ）が各導体に電流を流した場合のアンペアターンベクトル（ＡＴｕ、ＡＴｗ、等）を示している。
この場合の、巻線係数Ｋｗは、次の（１）式で求められる。
Ｋｗ＝［ｎ×ｃｏｓ（３０°γ）＋（１＋１）ｎ×ｃｏｓ（１０°γ）＋（１＋１）ｎ×ｃｏｓ（１０°γ）＋ｎ×ｃｏｓ（３０°γ）］／［１＋（１＋１）＋（１＋１）＋１］ｎ      ……（１）
Ｋｗ（１）＝（ｃｏｓ３０°＋２ｃｏｓ１０°＋２ｃｏｓ１０°＋ｃｏｓ３０°）／６  ＝０．９４５  ……（２）
（２）式は（１）式を用いた高調波γ＝１（基本波）の場合のＫｗ（１）値の計算式である。
図７（ｂ）は、その各高調波（γ：１〜２１）における、巻線係数Ｋｗのリストを示すものであり、第２項「従来Ｋｗ」がこの場合の計算値である。
また、こうした３相電機子巻線の使用例としては、特許文献１に開示の「リニアモータ」がある。図８はリニアモータの側面断面図であり、可動子８３の分割された各ブロックコア３１、３２、３３が相互に界磁磁石８１のピッチＰｍの２／３（電機角で１２０°）の間隔片８６によって隔離され、これに応じて各ブロックコアの電機子コイル８５を相互に電機角で１２０°の位相差で巻回すことにより、各ブロックコアの端効果によって発生するコギング推力ＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３は、図９に示すように１２０°の位相差が生じ、その和をゼロに相殺することができ、鎖交磁束を最大にできる。
【０００３】
【特許文献１】
ＷＯ９９／４１８２５号公報（第１１頁、図１、図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１記載の発明にあっては、以下のような問題があった。
コイル寸法をＨ（高さ）×Ｗ（幅）、導体の線径φＩとする、ａＩ段×ｂＩ列の整列巻線の関係を、
Ｗ＝φＩ×ｂＩ列、ａＩ段＝Ｈ／φＩ（小数点切り捨て）
とした場合、  巻線の巻き回数を変化させようとしたとき、
ｂＪ列＝Ｗ／φＪ  （小数点切り捨て）
ａＪ段＝Ｈ／φＪ  （小数点切り捨て）
の関係として、占積率同一という条件の場合、
仮に、φＩ＝φ１．５ｍｍ、ａＩ段×ｂＩ列＝２０段×２列（４０ターン）で、１相グループのトータル巻き回数Ｗ＝４０ターン×３コイル＝１２０ターンのものを、これ以上に巻線を巻き込む（Ｋｔを大きく設計）とき、例えば、
φＪ＝φ１．０ｍｍ、ａＩ段×ｂＩ列＝３０段×３列（９０ターン）としたら、１相グループのトータル巻き回数Ｗ＝９０ターン×３コイル＝２７０ターンとなり、巻線巻回数の飛びが、２．２５倍になる場合があって、巻線設計の自由度が小さく、ユーザの要求する出力特性に整合させることが困難であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、同相３コイルの＃１（＝＃３）コイルと＃２等の線径と巻回数を変えることによって、巻回数の飛びの中間的な巻回数が得られるようにして設計自由度が大きくとれるようにすると共に、界磁磁石の磁石幅をそれぞれ最適化することで出力特性の自由度を高くし、トルクリップルを軽減できる３相電機子巻線およびそれを用いたモータを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の３相電機子巻線の発明はコイル飛びが＃１〜＃２となり、３つのコイルグループが全て同相コイルの直列接続されている３相平衡巻線による３相電機子巻線において、３つの直列接続される同相コイルを、配置順としてｃ１、ｃ２、ｃ３とした場合、それぞれの巻き回数をｎ１、ｎ２、ｎ３としたときに、（ｎ１＝ｎ３）≠ｎ２  の関係に決めたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の３相電機子巻線において、２種類の線径の導体を用いて巻線するものとし、その時、２種の巻線の配置スペース（スロット断面積の１／２）に対する巻線密度（巻線占積率ＳＰｆ１、ＳＰｆ２）の差が、相対的に１０％の差以内にしたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の３相電機子巻線において、コイル寸法をＨ（高さ）×Ｗ（幅）、ｎ２導体を線径φａ、ｎ１およびｎ３導体を線径φｂ、ａ２段×ｂ２列の整列巻線の関係を、Ｗ＝φａ×ｂ２列、  ａ２段＝Ｈ／φａ（小数点切り捨て）
とした場合、ｎ１＝ｎ３の巻線を、ｂ１列＝Ｗ／φｂ（小数点切り捨て）、ａ１段＝Ｈ／φｂ（小数点切り捨て）で、φｂ＜φａに導体径を選定したことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の３相電機子巻線において、コイル寸法をＨ（高さ）×Ｗ（幅）、ｎ２導体を線径φａ、ｎ１およびｎ３導体を線径φｂ、ａ２段×ｂ２列の整列巻線の関係を、Ｗ＝φａ×ｂ２列、ａ２段＝Ｈ／φａ（小数点切り捨て）とした場合、ｎ１＝ｎ３の巻線を、ｂ１列＝Ｗ／φｂ（小数点切り捨て）、ａ１段＝Ｈ／φｂ（小数点切り捨て）で、φｂ＞φａに導体径を選定したことを特徴とする。
請求項５記載のモータの発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の３相電機子巻線で巻回された電機子と、該電機子に対向する永久磁石とを備えたモータにおいて、前記永久磁石の磁石幅Ｗｍが、その界磁磁極ピッチをλｐとした場合、Ｗｍ＝（６／７）λｐ、又はＷｍ＝（４／５）λｐであることを特徴とする。
このような構成の３相電機子巻線によれば、同相３コイルの＃１（＝＃３）コイルと＃２コイルの線径と巻回数を変えることによって、従来方式の巻回数の飛びの中間的な巻き回数が得られることとなり、出力特性の自由度が改善される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る３相電機子巻線の側断面図である。
図２は図１に示す各スロット内導体の特性図で、（ａ）は図１の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流（アンペアＡ）とコイルの巻数（ターンＴ）の積で表すアンペアターンＡＴのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、（ｂ）は図１の場合の各高調波γに対する巻線係数Ｋｗ値が記載されたリストである。
図３は図１に示すＮｕ２のターン数が大きい場合の３相電機子巻線の側面図である。
図４は図３に示す各スロット内導体の特性図で、（ａ）は図３の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流（アンペアＡ）とコイルの巻数（ターンＴ）の積で表すアンペアターンＡＴのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、（ｂ）は図３の場合の各高調波γに対する巻線係数Ｋｗ値が記載されたリストである。
図５は図１、図３に示す３相電機子巻線の速度−推力特性を示す図である。
図１において、１はコアティース間のスロットスペース、２は電機子コア、３はコイルボビン、４は界磁ヨーク、５は磁石カバー、６は界磁磁石、７はコイルを示している。
【０００８】
つぎに動作について説明する。
図１（ａ）は３相電機子巻線の側断面図で、図１（ｂ）にその結線図を示す。相順は、３コイルのグループでＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順番の巻線配置となる。そのＵ相の３コイルの巻線ターン数Ｎｕ１、Ｎｕ２、Ｎｕ３は、
（Ｎｕ１＝Ｎｕ３）＞Ｎｕ２
として、Ｎｕ２の導体線径φａを
φａ＝φ１．５ｍｍ    ａ２段×ｂ２列＝２０段×２列（４０ターン）として、Ｎｕ１＝Ｎｕ３の導体線径φｂを、
φｂ＝φ１．０ｍｍとすると、ｂ１列＝Ｗ／φｂ、ａ１段＝Ｈ／φｂより、
ａ１段×ｂ１列＝３０段×３列（９０ターン）
となり、Ｕ相グループのトータル巻き回数Ｗは、
Ｗ＝Ｎｕ１＋Ｎｕ２＋Ｎｕ３＝９０＋４０＋９０＝２２０ターンとなる。
【０００９】
次に、図３は、図３（ａ）が側断面図で、図３（ｂ）が結線図であり。この場合の巻線ターンＮｕ１〜Ｎｕ３が、
（Ｎｕ１＝Ｎｕ３）＜Ｎｕ２
の場合であり、Ｎｕ２の導体線径φａを
φａ＝φ１．０ｍｍ    ａ２段×ｂ２列＝３０段×３列（９０ターン）
Ｎｕ１＝Ｎｕ３の導体線径φｂを、
φｂ＝φ１．５ｍｍとすると、ａ１段×ｂ１列＝２０段×２列（４０ターン）となり、Ｕ相グループのトータル巻き回数Ｗは、
Ｗ＝Ｎｕ１＋Ｎｕ２＋Ｎｕ３＝４０＋９０＋４０＝１７０ターンとなる。
このようにして中間的な巻線ターンが可能になる。
【００１０】
次に、このようなコイルの出力特性については、図２に図１の場合の特性を示す。
先ず、図２（ａ）は図１の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を表すものとして、コイル電流（アンペアＡ）とコイルの巻数（ターンＴ）の積で表すアンペアターンＡＴのベクトル表示であるアンペアターンベクトル図であり、図２（ｂ）はその場合の各高調波γに対する巻線係数Ｋｗ値のリストである。
この場合の巻線係数Ｋｗは次の（３）、（４）式より算出される。
Ｋｗ＝［２．２５ｎ×ｃｏｓ（３０°γ）＋（２．２５＋１）ｎ×ｃｏｓ（１０°γ）＋（１＋２．２５）ｎ×ｃｏｓ（１０°γ）＋２．２５ｎ×ｃｏｓ（３０°γ）］／［２．２５＋（２．２５＋１）＋（１＋２．２５）＋２．２５］ｎ  ・・・・・（３）
Ｋｗ（１）＝｛２．２５ｃｏｓ３０°＋３．２５ｃｏｓ１０°＋３．２５ｃｏｓ１０°＋２．２５ｃｏｓ３０°］／１１＝０．９３６…（４）
【００１１】
一方、図３に示した、（Ｎｕ１＝Ｎｕ３）＜Ｎｕ２、の場合の出力特性については、図４（ａ）にアンペアターンベクトル図を示し、図４（ｂ）は各高調波γに対する巻線係数Ｋｗのリストを示す。この場合の巻線係数Ｋｗは次の（５）式、（６）式により算出される。
Ｋｗ＝［ｎ×ｃｏｓ（３０°γ）＋（１＋２．２５）ｎ×ｃｏｓ（１０°γ）＋（２．２５＋１）ｎ×ｃｏｓ（１０°γ）＋ｎ×ｃｏｓ（３０°γ）］／［１＋（２．２５＋１）＋（１＋２．２５）＋１］ｎ      ・・・・・（５）
Ｋｗ（１）＝｛ｃｏｓ３０°＋３．２５ｃｏｓ１０°＋３．２５ｃｏｓ１０°＋ｃｏｓ３０°｝／８．５＝０．９５７・・・（６）
【００１２】
以上、従来の３相平衡巻線による８Ｐ／９ｓｌｏｔ、１０ｐ／９ｓｌｏｔ等の巻線方式の場合は、巻線係数Ｋｗも大きくとれ、コギング・トルクも小さくなる利点があるが、反面グループ数も少なく、整列高密度巻線設計を行う場合に自由度が小さいという問題点があったが、本発明では（Ｎｕ１＝Ｎｕ３）＞Ｎｕ２、若しくは、（Ｎｕ１＝Ｎｕ３）＜Ｎｕ２、のターン数と、導体線径φａ、φｂを変えてターン数の飛びを埋める方式によって、図５に示すように、従来は巻線のターン数が１２０ターン→２７０ターン（２．２５倍）の飛び差があったものが、図１の場合は１２０ターン→２２０ターン（１．８３倍）、図３の場合は１２０ターン→１７０ターン（１．４倍）と言うように中間を埋める巻線ターン数の設計が可能になるので、出力特性の自由度が改善される。
【００１３】
次に、このように改善された巻線ターン数の出力特性の変化についての評価・検証と、更なる、改善策について、各図を参照して検討する。
図２（ｂ）又は図４（ｂ）の巻線係数Ｋｗのリストを参照すると、高調波γの項目中、推力の中心となる基本波Ｋｗ（１）成分については従来の０．９４５に対して、図１の例では０．９３６、図３の例では、０．９５７と約±１０％の範囲内に入っており、鎖交磁束係数に大きな変化はなく、巻線占積率も低下しない。
３次高調波については、相結線をＹ結線にすれば、推力波形（端子間誘起電圧波形）に現れないため、５次、７次の係数と、磁石幅との組み合わせを最適化することで推力波形（端子間誘起電圧波形）の高調波成分を低減させることができる。
また、図２（ｂ）の場合は、５次係数が、小さく、７次係数が大きいので、界磁磁束に含まれる７次成分が小さくなるように、磁石幅Ｗｍを図１（ａ）に示すように磁極ピッチλｐから、
Ｗｍ＝（６／７）λｐ
のピッチに変えた磁石界磁と組み合わせる。
さらに、図４（ｂ）の場合は、５次係数が、大きく、７次係数が小さいので、界磁磁束に含まれる５次成分が小さくなるように、図３（ａ）に示すように、
Ｗｍ＝（４／５）λｐ
の磁石界磁と組み合わせ改善している。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、３つの直列接続される同相コイルを、配置順としてｃ１、ｃ２、ｃ３としたとき、それぞれの巻き回数をｎ１、ｎ２、ｎ３とした場合、（ｎ１＝ｎ３）≠ｎ２の関係に決め、巻線も２種類の線径の巻線を使用するようにしたので、従来技術の場合の中間的巻線ターン数にて設計することが可能になり、駆動ドライバ容量を規定した場合、出力特性の自由度を高くすることができるという効果がある。
また、界磁磁石の磁石幅を、それぞれ最適化することで、推力またはトルクリップル成分を軽減・改善することができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る３相電機子巻線の側断面図である。
【図２】図１に示す各スロット内導体の特性図で、（ａ）は図１の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流（アンペアＡ）とコイルの巻数（ターンＴ）の積で表すアンペアターンＡＴのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、（ｂ）は図１の場合の各高調波γに対する巻線係数Ｋｗ値が記載されたリストである。
【図３】図１に示すＮｕ２のターン数が大きい場合の３相電機子巻線の側断面図である。
【図４】図３に示す各スロット内導体の特性図で、（ａ）は図３の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流（アンペアＡ）とコイルの巻数（ターンＴ）の積で表すアンペアターンＡＴのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、（ｂ）は図３の場合の各高調波γに対する巻線係数Ｋｗ値が記載されたリストである。
【図５】図１、図３に示す３相電機子巻線の速度−推力特性を示す図である。
【図６】従来の３相電機子巻線の側断面図である。
【図７】図６に示す各スロット内導体の特性図で、（ａ）は従来の図６の場合の各相導体に電流を流した時に推力を発生する出力特性を、コイル電流（アンペアＡ）とコイルの巻数（ターンＴ）の積で表すアンペアターンＡＴのベクトル表示としたアンペアターンベクトル図であり、（ｂ）は従来の場合の各高調波γに対する巻線係数Ｋｗ値が記載されたリストである。
【図８】従来のリニアモータの側断面図である。
【図９】図８に示すリニアモータのコギング推力の特性図である。
【符号の説明】
１  コアティース間のスロットスペース
２  電機子コア
３  コイルボビン
４  界磁ヨーク
５  磁石カバー
６  界磁磁石
７  コイル
【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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