回転電機、モータ
【課題】巻線配置が容易に行えると共に、巻線の対地容量を小さくすることで、漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を低減することができる回転電機及び該回転電機を用いてなるモータの提供を課題とする。
【解決手段】ステータコア１１０のスロット部１３０を利用してコイル１２０を巻回してなるステータ１００を備えたモータ１０であって、前記ステータコア１１０と前記コイル１２０との間に絶縁体１４０を介在させると共に、少なくとも入力端子側に最も近い第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてある。
【解決手段】ステータコア１１０のスロット部１３０を利用してコイル１２０を巻回してなるステータ１００を備えたモータ１０であって、前記ステータコア１１０と前記コイル１２０との間に絶縁体１４０を介在させると共に、少なくとも入力端子側に最も近い第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機及び該回転電機を用いてなるモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個のコイルを装着するステータを備える回転電機がインバータで駆動される場合は多い。そのような回転電機では、インバータが半導体の高速スイッチングにより、矩形パルスを発生し、電源ケーブルを介して電圧が印加される。電圧が印加される際、反射などの原因で急峻なサージ電圧が発生する。このサージ電圧により、コイル巻線間にコロナ放電が発生し、巻線の絶縁性が劣化し、回転電機が焼損する場合が多い。
巻線間のコロナ放電は、巻線間の電位差が大きい場合に発生しやすい。同じ相における巻線間の電位差は、サージ電圧が作用する時の巻線間分担電圧となる。サージ電圧は、各コイルに均等に分担されず、電圧入力側に近いほど、高い分担率で分担される。つまりサージ電圧が作用する時の同じ相における巻線間の電位差は、電圧入力側に近いほど大きくなる。
一般的に、サージ電圧の６５％〜８０％の電圧が電圧入力端子側の１個目のコイルに分担される。
また分担電圧の大きさは、巻線の対地容量と巻線間容量とに左右される。巻線の対地容量が大きいと巻線とコア間に高周波電流が流れやすくなり、分担電圧が大きくなる。一方、巻線間容量を大きくすると、分担電圧を緩和できる。
巻線間容量を大きくすることで分担電圧を緩和するものとして、下記特許文献１がある。
下記特許文献１は、回転電機及びその製造方法に関する発明で、スロット１５内における巻き始めエナメル電線４１Ｓと巻き終わりエナメル電線４１Ｅとの間の距離を近接させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に示す回転電機では、絶縁強化に伴う機械出力特性の変化を生じさせることなく、急峻なインバータサージ電圧に対するリード側単位巻線への電圧集中を低減できるメリットがある。
しかし上記特許文献１に示す回転電機では、巻線配置が複雑になると共に、巻線同士が干渉し、加工ストレスを受けやすいという問題があった。
また上記特許文献１に示す回転電機では、巻線の対地容量を小さくすることで分担電圧を緩和するような構成は、何ら示されていないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は上記従来における問題点を解決し、巻線配置が容易に行えると共に、巻線の対地容量を小さくすることで、漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を低減することができる回転電機及び該回転電機を用いてなるモータの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の回転電機は、ステータコアのスロット部を利用してコイルを巻回してなるステータを備えた回転電機であって、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁体を介在させると共に、少なくとも入力端子側に最も近い第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることを第１の特徴としている。
【０００７】
上記本発明の第１の特徴によれば、ステータコアのスロット部を利用してコイルを巻回してなるステータを備えた回転電機であって、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁体を介在させると共に、少なくとも入力端子側に最も近い第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることから、ステータコアとコイルとの間に絶縁体を介在させることで、コイル被膜と絶縁体とを介して形成するコンデンサの容量を調整することができる。また第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくすることで、高い分担電圧が発生する第１コイルの漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を効果的に低減することができる。
【０００８】
また本発明の回転電機は、上記本発明の第１の特徴に加えて、絶縁体の厚さ、数により第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることを第２の特徴としている。
【０００９】
上記本発明の第２の特徴によれば、上記本発明の第１の特徴による作用効果に加えて、絶縁体の厚さ、数により第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることから、絶縁体の厚さ、数を調整することで、第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくすることができる。
【００１０】
また本発明の回転電機は、上記本発明の第１又は第２の特徴に加えて、絶縁体は、紙又は絶縁性樹脂で構成されるシートからなることを第３の特徴としている。
【００１１】
上記本発明の第３の特徴によれば、上記本発明の第１又は第２の特徴による作用効果に加えて、絶縁体は、紙又は絶縁性樹脂で構成されるシートからなることから、絶縁性、耐熱性、機械強度に優れる絶縁体とすることができる。またステータコアとコイルとの間にシートを介在させるだけであるので、取り付けが容易であると共に、巻線配置が容易に行え、製造効率のよい回転電機とすることができる。
【００１２】
また本発明の回転電機は、上記本発明の第１又は第２の特徴に加えて、絶縁体は、スロット部の表面を絶縁性樹脂で被覆することでステータコアと一体形成される絶縁層からなることを第４の特徴としている。
【００１３】
上記本発明の第４の特徴によれば、上記本発明の第１又は第２の特徴による作用効果に加えて、絶縁体は、スロット部の表面を絶縁性樹脂で被覆することでステータコアと一体形成される絶縁層からなることから、絶縁体とステータコアとの間に空隙を生じることがない。よって一段と絶縁性の高い絶縁体とすることができる。
【００１４】
また本発明の回転電機は、上記本発明の第１〜第４の何れか１つの特徴に加えて、対向する位置に巻回されたコイル同士のターン数を同じにしてあることを第５の特徴としている。
【００１５】
上記本発明の第５の特徴によれば、上記本発明の第１〜第４の何れか１つの特徴による作用効果に加えて、対向する位置に巻回されたコイル同士のターン数を同じにしてあることから、磁気吸引力の不平衡を効果的に抑制することができる。
【００１６】
また本発明の３相モータは、請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機を用いてなることを第６の特徴としている。
【００１７】
上記本発明の第６の特徴によれば、請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機を用いてなることから、巻線配置が容易に行えると共に、漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を低減することができる３相モータとすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の回転電機及び該回転電機を用いたモータによれば、巻線配置が容易に行えると共に、巻線の対地容量を小さくすることで、漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るモータにおけるステータの巻線構造を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るモータへの配電系統を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るモータの概略配線図である。
【図４】本発明の実施形態に係るモータにおけるステータを簡略化して示す拡大斜視図の一部である。
【図５】図４の水平方向の断面図で、（ａ）は一部断面図、（ｂ）は要部の断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係るモータにおけるステータのＵ相の巻線構造を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明の実施形態に係るモータにおけるステータのＵ相を構成するコイルのターン数を示す概略配線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の図面を参照して、本発明の実施形態に係るモータを説明し、本発明の理解に供する。しかし、以下の説明は本発明の実施形態であって、特許請求の範囲に記載の内容を限定するものではない。
【００２１】
まず図１〜図３を参照して、本発明の実施形態に係るモータを説明する。
【００２２】
本発明の実施形態に係るモータ１０は、図１に示すように、ステータ１００と図示しないロータとから構成される。
また図２、図３に示すように、このモータ１０は、インバータ制御によりスイッチングされた電力が供給されるＰＷＭ駆動（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）の３相式モータである。具体的には図２に示すように、バッテリー２００からの電力が、その電圧をリレー３００及び昇圧コンバータ４００により上げられ、スイッチング素子を備えるインバータ制御部５００を経て、高圧ケーブル６００と接続された図示しないＵ相、Ｖ相、Ｗ相の入力端子を経てモータ１０に供給される。また図３に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は、直列接続された４本のコイルを１対並列接続させた構成である。
【００２３】
スイッチング素子としては、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、横型デバイス、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等、任意のスイッチング素子を用いることができる。
【００２４】
次に図１〜図７を参照して、本発明の実施形態に係るステータ１００を説明する。
【００２５】
前記ステータ１００は、モータ１０の固定子であり、図１に示すように、ステータコア１１０と、コイル１２０とから構成される。
【００２６】
前記ステータコア１１０は、図１に示すように、環状のステータコア本体１１１と、環状に複数配置されたティース部１１２とから構成されている。またティース部１１２の両側には複数のスロット部１３０が構成され、このスロット部１３０を利用してコイル１２０がティース部１１２に巻回される。
【００２７】
より具体的には、図３に示すように、本実施形態におけるモータ１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相式モータである。また各相は、直列接続された４本のコイル１２０を１対並列接続させた構成であるところ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に予め巻回された状態のコイル１２０を各スロット部１３０に挿入することで、図１、図４に示すように、コイル１２０がティース部１１２に巻回された状態となる。
この状態において図１、図３に示すように、各相を構成するコイル１２０の一端は、高圧ケーブル６００と接続される入力端子１２０Ｕ、１２０Ｖ、１２０Ｗとなり、他端は中性点１２０ＵＮ、１２０ＶＮ、１２０ＷＮとなる。
【００２８】
なお図４は、Ｕ相を構成する第１コイル１２１、第２コイル１２２がティース部１１２に巻回された状態のみを簡略化して示すものである。また以下の説明においては、Ｕ相のみの説明を行い、Ｕ相と同一構成をなすＶ相、Ｗ相については、説明を省略するものとする。
ここで「第１コイル、第２コイル」とは、複数個のコイルを装着するステータにおいて、各相における電圧入力側に最も近いコイルを第１コイルとし、２番目に近いコイルを第２コイルとするものであり、以降は順に第３コイル、第４コイルとなる。
【００２９】
図４、図５に示すように、ステータコア１１０とコイル１２０との間には、絶縁体１４０を介在させている。このような構成とすることで、図５に示すように、コイル皮膜１２０ａと絶縁体１４０とを介してコンデンサを形成している。
ここで「対地容量」とは、ステータコア１１０とコイル１２０との間の静電容量のことを示すものであり、コイル皮膜１２０ａ部分の容量と絶縁体１４０部分の容量の直列容量と見なすことができる。
絶縁体１４０部分の容量は、Ｃ＝εＳ／ｄで求められる。（Ｃ：容量、ε：絶縁体誘電率、Ｓ：絶縁体の面積、ｄ：絶縁体の厚み）
【００３０】
また図５（ｂ）に示すように、第１コイル１２１に対応する絶縁体１４０の厚みを、第２コイル１２２に対応する絶縁体１４０の厚みよりも厚肉な構成としている。
また図示していないが、Ｕ相を構成するもう一方の第１コイル１２５に対応する絶縁体１４０の厚みは、第１コイル１２１に対応する絶縁体１４０と同一としている。またＵ相を構成するもう一方の第２コイル１２６に対応する絶縁体１４０の厚みは、第２コイル１２２に対応する絶縁体１４０と同一としている。また第３コイル１２３、１２７に対応する絶縁体１４０の厚みは、第２コイル１２２、１２６に対応する絶縁体１４０の厚みと同一としている。
【００３１】
このような構成とすることで、既述したＣ＝εＳ／ｄより、コイル１２０の対地容量は、絶縁体１４０の厚みを増加させることで小さくすることができ、よって図６に示すように、入力端子であるＵ相端子１２０Ｕ側に最も近い第１コイル１２１、１２５の対地容量を、第２コイル１２２、１２６及び第３コイル１２３、１２７の対地容量よりも小さくすることができる。
従って高い分担電圧が発生する第１コイル１２１、１２５の漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を効果的に低減することができる。
【００３２】
また図６において詳しく図示していないが、第１コイル１２１に対向する位置に巻回された第４コイル１２８に対応する絶縁体１４０の厚みを第１コイル１２１に対応する絶縁体１４０の厚みと同一としている。また第１コイル１２５に対向する位置に巻回された第４コイル１２４に対応する絶縁体１４０の厚みを第１コイル１２５に対応する絶縁体１４０の厚みと同一としている。
【００３３】
更に図７（ａ）で示すように、第１コイル１２１に対向する位置に巻回された第４コイル１２８のターン数を第１コイル１２１のターン数と同じにしてある。また第１コイル１２５に対向する位置に巻回された第４コイル１２４のターン数を第１コイル１２５のターン数と同じにしてある。なお図７において、括弧に記入した数字がターン数を示すものである。
ここで「ターン数」とは、コイルの巻数のことを示すものである。
このような構成とすることで、Ｕ相におけるスロット部１３０内の導体占積率を合わせることができ、磁気吸引力の不平衡を解消することができる。
ここで「スロット部内の導体占積率」とは、スロット部面積に対する巻線導体面積の割合のことを示し、巻線導体面積／スロット部面積で求められる。
【００３４】
つまり第１コイル１２１、１２５に対応する絶縁体１４０の厚みを他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みよりも厚肉なものとした場合には、図７（ｂ）に示すように、第１コイル１２１、１２５のターン数が他のコイルのターン数よりも少ないものとなるため、第１コイル１２１、１２５と他のコイルとでスロット部１３０内の導体占積率が異なることになり、ステータ１００の周方向の磁束が均一ではなくなり、磁気吸引力が不平衡になる。
【００３５】
従って図６に示すＵ相の巻線構造おいて、第１コイル１２１、１２５及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルである第４コイル１２４、１２８に対応する絶縁体１４０の厚みを同一とし、且つターン数を同じにすることで、Ｕ相におけるスロット部１３０内の導体占積率を合わせることができ、磁気吸引力の不平衡を解消することができる。
【００３６】
前記コイル１２０は、エナメル等で絶縁被覆された導体であり、モータのコイルとして通常用いられるものであれば如何なるものであってもよい。
なおコイル皮膜１２０ａの厚みは、０．０３６ｍｍ〜０．０５０ｍｍであることが望ましい。
【００３７】
前記絶縁体１４０は、絶縁紙で構成されるシートからなる。このような構成とすることで、絶縁性、耐熱性、機械強度に優れる絶縁体１４０とすることができる。またステータコア１１０とコイル１２０との間にシートを介在させるだけであるので、取り付けが容易であると共に、巻線配置が容易に行え、製造効率のよいモータ１０とすることができる。
なお絶縁紙としては、アラミド紙、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等、モータの絶縁紙として通常用いられるものであれば如何なるものであってもよい。
また第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルに対応する絶縁体１４０の厚みは、他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みの１〜２倍程度であることが望ましい。
【００３８】
なお本実施形態においては、絶縁体１４０を絶縁紙で構成されるシートからなる構成としたが、必ずしもこのような構成に限るものではない。
例えば、絶縁性樹脂で構成されるシートを用いることができる。このような構成とすることで、ステータコア１１０との密着性を向上させることができ、一段と絶縁性、耐熱性、機械強度に優れる絶縁体１４０とすることができる。
絶縁性樹脂としては、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等を用いることができる。
【００３９】
また絶縁体１４０を構成するシートの厚さ、数も本実施形態のものに限るものではなく、適宜変更可能である。但し、少なくとも第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルに対応する絶縁体１４０の厚みが、他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みよりも肉厚なものとなることが必要である。
例えば同一厚のシートからなる絶縁体１４０を用い、第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルに対応する絶縁体１４０を２枚のシートで構成し、他のコイルに対応する絶縁体１４０を１枚のシートで構成することができる。
つまり第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくする構成として、絶縁体１４０の厚さ又は数を調節する構成であってもよいし、厚さ及び数を調節する構成であってもよい。
【００４０】
またスロット部１３０の表面を絶縁性樹脂で被覆することで、ステータコア１１０と一体形成される絶縁層からなる絶縁体１４０とするものであってもよい。このような構成とすることで、ステータコア１１０と絶縁体１４０との間で空隙を生じることがない。よって一段と絶縁性の高い絶縁体１４０とすることができる。
なおこの場合、絶縁層は単一層、複数層の何れであってもかまわないが、少なくとも第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルに対応する絶縁体１４０の厚みが、他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みよりも肉厚なものとなることが必要である。
【００４１】
また本実施形態においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成するコイル１２０は、直列接続された４本のコイル１２０を１対並列接続させた構成としたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、コイル１２０の数、接続形態等は適宜変更可能である。
【００４２】
また本実施形態においては、第１コイル１２１、１２５及びそれぞれのコイル対向する位置に巻回された第４コイル１２８、１２４に対応する絶縁体１４０のみを他のコイルに対応する絶縁体１４０よりも厚肉なものとする構成としたが、必ずしもこの構成に限るものではない。
例えば、直列接続された８本のコイル１２０を１対並列接続させた構成でＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相を形成した場合、第１コイルと第２コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回された第８コイルと第２コイルに対向する位置に巻回された第７コイルに対応する絶縁体１４０の厚みを他のコイルに対応する絶縁体１４０よりも厚肉なものとすることができる。
つまり第１コイルから連続する任意のコイル１２０まで及びそれぞれのコイル１２０に対向する位置に巻回されたコイル１２０に対応する絶縁体１４０を、他のコイルに対応する絶縁体１４０よりも厚肉なものとするような構成も、本発明の範囲内である。
【００４３】
またターン数も本実施形態におけるものに限るものではなく、スロット部内の導体占積率を合わせることができ、磁気吸引力の不平衡を解消することができるものであれば適宜変更可能である。但し、少なくとも対向する位置に巻回されたコイル同士のターン数を同じにしてある構成であることが必要である。
【００４４】
また本実施形態においては、第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回された第４コイルに対応する絶縁体１４０の厚みを他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みよりも肉厚なものとすることで、第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回された第４コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくする構成としてあるが、必ずしもこのような構成に限るものではない。
例えば第１コイル対応する絶縁体１４０に誘電率の小さい絶縁体を用いる構成とすることができる。
【００４５】
絶縁体１４０部分の容量は、Ｃ＝εＳ／ｄで求められる。（Ｃ：容量、ε：絶縁体誘電率、Ｓ：絶縁体の面積、ｄ：絶縁体の厚み）
よって絶縁体１４０として誘電率の小さい絶縁体を用いることで、第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくすることができる。
なお誘電率の小さい絶縁体としては、ポリエステルイミド等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明はインバータ制御によりスイッチングされた電力をコイルに供給するモータ等の回転電機に利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０ モータ
１００ ステータ
１１０ ステータコア
１１１ ステータコア本体
１１２ ティース部
１２０ コイル
１２０ａ コイル皮膜
１２０Ｕ Ｕ相端子
１２０ＵＮ Ｕ相中性点
１２０Ｖ Ｖ相端子
１２０ＶＮ Ｖ相中性点
１２０Ｗ Ｗ相端子
１２０ＷＮ Ｗ相中性点
１２１ 第１コイル
１２２ 第２コイル
１２３ 第３コイル
１２４ 第４コイル
１２５ 第１コイル
１２６ 第２コイル
１２７ 第３コイル
１２８ 第４コイル
１３０ スロット部
１４０ 絶縁体
２００ バッテリー
３００ リレー
４００ 昇圧コンバータ
５００ インバータ制御部
６００ 高圧ケーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機及び該回転電機を用いてなるモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個のコイルを装着するステータを備える回転電機がインバータで駆動される場合は多い。そのような回転電機では、インバータが半導体の高速スイッチングにより、矩形パルスを発生し、電源ケーブルを介して電圧が印加される。電圧が印加される際、反射などの原因で急峻なサージ電圧が発生する。このサージ電圧により、コイル巻線間にコロナ放電が発生し、巻線の絶縁性が劣化し、回転電機が焼損する場合が多い。
巻線間のコロナ放電は、巻線間の電位差が大きい場合に発生しやすい。同じ相における巻線間の電位差は、サージ電圧が作用する時の巻線間分担電圧となる。サージ電圧は、各コイルに均等に分担されず、電圧入力側に近いほど、高い分担率で分担される。つまりサージ電圧が作用する時の同じ相における巻線間の電位差は、電圧入力側に近いほど大きくなる。
一般的に、サージ電圧の６５％〜８０％の電圧が電圧入力端子側の１個目のコイルに分担される。
また分担電圧の大きさは、巻線の対地容量と巻線間容量とに左右される。巻線の対地容量が大きいと巻線とコア間に高周波電流が流れやすくなり、分担電圧が大きくなる。一方、巻線間容量を大きくすると、分担電圧を緩和できる。
巻線間容量を大きくすることで分担電圧を緩和するものとして、下記特許文献１がある。
下記特許文献１は、回転電機及びその製造方法に関する発明で、スロット１５内における巻き始めエナメル電線４１Ｓと巻き終わりエナメル電線４１Ｅとの間の距離を近接させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に示す回転電機では、絶縁強化に伴う機械出力特性の変化を生じさせることなく、急峻なインバータサージ電圧に対するリード側単位巻線への電圧集中を低減できるメリットがある。
しかし上記特許文献１に示す回転電機では、巻線配置が複雑になると共に、巻線同士が干渉し、加工ストレスを受けやすいという問題があった。
また上記特許文献１に示す回転電機では、巻線の対地容量を小さくすることで分担電圧を緩和するような構成は、何ら示されていないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は上記従来における問題点を解決し、巻線配置が容易に行えると共に、巻線の対地容量を小さくすることで、漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を低減することができる回転電機及び該回転電機を用いてなるモータの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の回転電機は、ステータコアのスロット部を利用してコイルを巻回してなるステータを備えた回転電機であって、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁体を介在させると共に、少なくとも入力端子側に最も近い第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることを第１の特徴としている。
【０００７】
上記本発明の第１の特徴によれば、ステータコアのスロット部を利用してコイルを巻回してなるステータを備えた回転電機であって、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁体を介在させると共に、少なくとも入力端子側に最も近い第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることから、ステータコアとコイルとの間に絶縁体を介在させることで、コイル被膜と絶縁体とを介して形成するコンデンサの容量を調整することができる。また第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくすることで、高い分担電圧が発生する第１コイルの漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を効果的に低減することができる。
【０００８】
また本発明の回転電機は、上記本発明の第１の特徴に加えて、絶縁体の厚さ、数により第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることを第２の特徴としている。
【０００９】
上記本発明の第２の特徴によれば、上記本発明の第１の特徴による作用効果に加えて、絶縁体の厚さ、数により第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることから、絶縁体の厚さ、数を調整することで、第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくすることができる。
【００１０】
また本発明の回転電機は、上記本発明の第１又は第２の特徴に加えて、絶縁体は、紙又は絶縁性樹脂で構成されるシートからなることを第３の特徴としている。
【００１１】
上記本発明の第３の特徴によれば、上記本発明の第１又は第２の特徴による作用効果に加えて、絶縁体は、紙又は絶縁性樹脂で構成されるシートからなることから、絶縁性、耐熱性、機械強度に優れる絶縁体とすることができる。またステータコアとコイルとの間にシートを介在させるだけであるので、取り付けが容易であると共に、巻線配置が容易に行え、製造効率のよい回転電機とすることができる。
【００１２】
また本発明の回転電機は、上記本発明の第１又は第２の特徴に加えて、絶縁体は、スロット部の表面を絶縁性樹脂で被覆することでステータコアと一体形成される絶縁層からなることを第４の特徴としている。
【００１３】
上記本発明の第４の特徴によれば、上記本発明の第１又は第２の特徴による作用効果に加えて、絶縁体は、スロット部の表面を絶縁性樹脂で被覆することでステータコアと一体形成される絶縁層からなることから、絶縁体とステータコアとの間に空隙を生じることがない。よって一段と絶縁性の高い絶縁体とすることができる。
【００１４】
また本発明の回転電機は、上記本発明の第１〜第４の何れか１つの特徴に加えて、対向する位置に巻回されたコイル同士のターン数を同じにしてあることを第５の特徴としている。
【００１５】
上記本発明の第５の特徴によれば、上記本発明の第１〜第４の何れか１つの特徴による作用効果に加えて、対向する位置に巻回されたコイル同士のターン数を同じにしてあることから、磁気吸引力の不平衡を効果的に抑制することができる。
【００１６】
また本発明の３相モータは、請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機を用いてなることを第６の特徴としている。
【００１７】
上記本発明の第６の特徴によれば、請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機を用いてなることから、巻線配置が容易に行えると共に、漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を低減することができる３相モータとすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の回転電機及び該回転電機を用いたモータによれば、巻線配置が容易に行えると共に、巻線の対地容量を小さくすることで、漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るモータにおけるステータの巻線構造を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るモータへの配電系統を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るモータの概略配線図である。
【図４】本発明の実施形態に係るモータにおけるステータを簡略化して示す拡大斜視図の一部である。
【図５】図４の水平方向の断面図で、（ａ）は一部断面図、（ｂ）は要部の断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係るモータにおけるステータのＵ相の巻線構造を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明の実施形態に係るモータにおけるステータのＵ相を構成するコイルのターン数を示す概略配線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の図面を参照して、本発明の実施形態に係るモータを説明し、本発明の理解に供する。しかし、以下の説明は本発明の実施形態であって、特許請求の範囲に記載の内容を限定するものではない。
【００２１】
まず図１〜図３を参照して、本発明の実施形態に係るモータを説明する。
【００２２】
本発明の実施形態に係るモータ１０は、図１に示すように、ステータ１００と図示しないロータとから構成される。
また図２、図３に示すように、このモータ１０は、インバータ制御によりスイッチングされた電力が供給されるＰＷＭ駆動（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）の３相式モータである。具体的には図２に示すように、バッテリー２００からの電力が、その電圧をリレー３００及び昇圧コンバータ４００により上げられ、スイッチング素子を備えるインバータ制御部５００を経て、高圧ケーブル６００と接続された図示しないＵ相、Ｖ相、Ｗ相の入力端子を経てモータ１０に供給される。また図３に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は、直列接続された４本のコイルを１対並列接続させた構成である。
【００２３】
スイッチング素子としては、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、横型デバイス、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等、任意のスイッチング素子を用いることができる。
【００２４】
次に図１〜図７を参照して、本発明の実施形態に係るステータ１００を説明する。
【００２５】
前記ステータ１００は、モータ１０の固定子であり、図１に示すように、ステータコア１１０と、コイル１２０とから構成される。
【００２６】
前記ステータコア１１０は、図１に示すように、環状のステータコア本体１１１と、環状に複数配置されたティース部１１２とから構成されている。またティース部１１２の両側には複数のスロット部１３０が構成され、このスロット部１３０を利用してコイル１２０がティース部１１２に巻回される。
【００２７】
より具体的には、図３に示すように、本実施形態におけるモータ１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相式モータである。また各相は、直列接続された４本のコイル１２０を１対並列接続させた構成であるところ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に予め巻回された状態のコイル１２０を各スロット部１３０に挿入することで、図１、図４に示すように、コイル１２０がティース部１１２に巻回された状態となる。
この状態において図１、図３に示すように、各相を構成するコイル１２０の一端は、高圧ケーブル６００と接続される入力端子１２０Ｕ、１２０Ｖ、１２０Ｗとなり、他端は中性点１２０ＵＮ、１２０ＶＮ、１２０ＷＮとなる。
【００２８】
なお図４は、Ｕ相を構成する第１コイル１２１、第２コイル１２２がティース部１１２に巻回された状態のみを簡略化して示すものである。また以下の説明においては、Ｕ相のみの説明を行い、Ｕ相と同一構成をなすＶ相、Ｗ相については、説明を省略するものとする。
ここで「第１コイル、第２コイル」とは、複数個のコイルを装着するステータにおいて、各相における電圧入力側に最も近いコイルを第１コイルとし、２番目に近いコイルを第２コイルとするものであり、以降は順に第３コイル、第４コイルとなる。
【００２９】
図４、図５に示すように、ステータコア１１０とコイル１２０との間には、絶縁体１４０を介在させている。このような構成とすることで、図５に示すように、コイル皮膜１２０ａと絶縁体１４０とを介してコンデンサを形成している。
ここで「対地容量」とは、ステータコア１１０とコイル１２０との間の静電容量のことを示すものであり、コイル皮膜１２０ａ部分の容量と絶縁体１４０部分の容量の直列容量と見なすことができる。
絶縁体１４０部分の容量は、Ｃ＝εＳ／ｄで求められる。（Ｃ：容量、ε：絶縁体誘電率、Ｓ：絶縁体の面積、ｄ：絶縁体の厚み）
【００３０】
また図５（ｂ）に示すように、第１コイル１２１に対応する絶縁体１４０の厚みを、第２コイル１２２に対応する絶縁体１４０の厚みよりも厚肉な構成としている。
また図示していないが、Ｕ相を構成するもう一方の第１コイル１２５に対応する絶縁体１４０の厚みは、第１コイル１２１に対応する絶縁体１４０と同一としている。またＵ相を構成するもう一方の第２コイル１２６に対応する絶縁体１４０の厚みは、第２コイル１２２に対応する絶縁体１４０と同一としている。また第３コイル１２３、１２７に対応する絶縁体１４０の厚みは、第２コイル１２２、１２６に対応する絶縁体１４０の厚みと同一としている。
【００３１】
このような構成とすることで、既述したＣ＝εＳ／ｄより、コイル１２０の対地容量は、絶縁体１４０の厚みを増加させることで小さくすることができ、よって図６に示すように、入力端子であるＵ相端子１２０Ｕ側に最も近い第１コイル１２１、１２５の対地容量を、第２コイル１２２、１２６及び第３コイル１２３、１２７の対地容量よりも小さくすることができる。
従って高い分担電圧が発生する第１コイル１２１、１２５の漏れ電流を抑制し、巻線間分担電圧を効果的に低減することができる。
【００３２】
また図６において詳しく図示していないが、第１コイル１２１に対向する位置に巻回された第４コイル１２８に対応する絶縁体１４０の厚みを第１コイル１２１に対応する絶縁体１４０の厚みと同一としている。また第１コイル１２５に対向する位置に巻回された第４コイル１２４に対応する絶縁体１４０の厚みを第１コイル１２５に対応する絶縁体１４０の厚みと同一としている。
【００３３】
更に図７（ａ）で示すように、第１コイル１２１に対向する位置に巻回された第４コイル１２８のターン数を第１コイル１２１のターン数と同じにしてある。また第１コイル１２５に対向する位置に巻回された第４コイル１２４のターン数を第１コイル１２５のターン数と同じにしてある。なお図７において、括弧に記入した数字がターン数を示すものである。
ここで「ターン数」とは、コイルの巻数のことを示すものである。
このような構成とすることで、Ｕ相におけるスロット部１３０内の導体占積率を合わせることができ、磁気吸引力の不平衡を解消することができる。
ここで「スロット部内の導体占積率」とは、スロット部面積に対する巻線導体面積の割合のことを示し、巻線導体面積／スロット部面積で求められる。
【００３４】
つまり第１コイル１２１、１２５に対応する絶縁体１４０の厚みを他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みよりも厚肉なものとした場合には、図７（ｂ）に示すように、第１コイル１２１、１２５のターン数が他のコイルのターン数よりも少ないものとなるため、第１コイル１２１、１２５と他のコイルとでスロット部１３０内の導体占積率が異なることになり、ステータ１００の周方向の磁束が均一ではなくなり、磁気吸引力が不平衡になる。
【００３５】
従って図６に示すＵ相の巻線構造おいて、第１コイル１２１、１２５及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルである第４コイル１２４、１２８に対応する絶縁体１４０の厚みを同一とし、且つターン数を同じにすることで、Ｕ相におけるスロット部１３０内の導体占積率を合わせることができ、磁気吸引力の不平衡を解消することができる。
【００３６】
前記コイル１２０は、エナメル等で絶縁被覆された導体であり、モータのコイルとして通常用いられるものであれば如何なるものであってもよい。
なおコイル皮膜１２０ａの厚みは、０．０３６ｍｍ〜０．０５０ｍｍであることが望ましい。
【００３７】
前記絶縁体１４０は、絶縁紙で構成されるシートからなる。このような構成とすることで、絶縁性、耐熱性、機械強度に優れる絶縁体１４０とすることができる。またステータコア１１０とコイル１２０との間にシートを介在させるだけであるので、取り付けが容易であると共に、巻線配置が容易に行え、製造効率のよいモータ１０とすることができる。
なお絶縁紙としては、アラミド紙、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等、モータの絶縁紙として通常用いられるものであれば如何なるものであってもよい。
また第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルに対応する絶縁体１４０の厚みは、他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みの１〜２倍程度であることが望ましい。
【００３８】
なお本実施形態においては、絶縁体１４０を絶縁紙で構成されるシートからなる構成としたが、必ずしもこのような構成に限るものではない。
例えば、絶縁性樹脂で構成されるシートを用いることができる。このような構成とすることで、ステータコア１１０との密着性を向上させることができ、一段と絶縁性、耐熱性、機械強度に優れる絶縁体１４０とすることができる。
絶縁性樹脂としては、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等を用いることができる。
【００３９】
また絶縁体１４０を構成するシートの厚さ、数も本実施形態のものに限るものではなく、適宜変更可能である。但し、少なくとも第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルに対応する絶縁体１４０の厚みが、他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みよりも肉厚なものとなることが必要である。
例えば同一厚のシートからなる絶縁体１４０を用い、第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルに対応する絶縁体１４０を２枚のシートで構成し、他のコイルに対応する絶縁体１４０を１枚のシートで構成することができる。
つまり第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくする構成として、絶縁体１４０の厚さ又は数を調節する構成であってもよいし、厚さ及び数を調節する構成であってもよい。
【００４０】
またスロット部１３０の表面を絶縁性樹脂で被覆することで、ステータコア１１０と一体形成される絶縁層からなる絶縁体１４０とするものであってもよい。このような構成とすることで、ステータコア１１０と絶縁体１４０との間で空隙を生じることがない。よって一段と絶縁性の高い絶縁体１４０とすることができる。
なおこの場合、絶縁層は単一層、複数層の何れであってもかまわないが、少なくとも第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回されたコイルに対応する絶縁体１４０の厚みが、他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みよりも肉厚なものとなることが必要である。
【００４１】
また本実施形態においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成するコイル１２０は、直列接続された４本のコイル１２０を１対並列接続させた構成としたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、コイル１２０の数、接続形態等は適宜変更可能である。
【００４２】
また本実施形態においては、第１コイル１２１、１２５及びそれぞれのコイル対向する位置に巻回された第４コイル１２８、１２４に対応する絶縁体１４０のみを他のコイルに対応する絶縁体１４０よりも厚肉なものとする構成としたが、必ずしもこの構成に限るものではない。
例えば、直列接続された８本のコイル１２０を１対並列接続させた構成でＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相を形成した場合、第１コイルと第２コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回された第８コイルと第２コイルに対向する位置に巻回された第７コイルに対応する絶縁体１４０の厚みを他のコイルに対応する絶縁体１４０よりも厚肉なものとすることができる。
つまり第１コイルから連続する任意のコイル１２０まで及びそれぞれのコイル１２０に対向する位置に巻回されたコイル１２０に対応する絶縁体１４０を、他のコイルに対応する絶縁体１４０よりも厚肉なものとするような構成も、本発明の範囲内である。
【００４３】
またターン数も本実施形態におけるものに限るものではなく、スロット部内の導体占積率を合わせることができ、磁気吸引力の不平衡を解消することができるものであれば適宜変更可能である。但し、少なくとも対向する位置に巻回されたコイル同士のターン数を同じにしてある構成であることが必要である。
【００４４】
また本実施形態においては、第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回された第４コイルに対応する絶縁体１４０の厚みを他のコイルに対応する絶縁体１４０の厚みよりも肉厚なものとすることで、第１コイル及び第１コイルに対向する位置に巻回された第４コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくする構成としてあるが、必ずしもこのような構成に限るものではない。
例えば第１コイル対応する絶縁体１４０に誘電率の小さい絶縁体を用いる構成とすることができる。
【００４５】
絶縁体１４０部分の容量は、Ｃ＝εＳ／ｄで求められる。（Ｃ：容量、ε：絶縁体誘電率、Ｓ：絶縁体の面積、ｄ：絶縁体の厚み）
よって絶縁体１４０として誘電率の小さい絶縁体を用いることで、第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくすることができる。
なお誘電率の小さい絶縁体としては、ポリエステルイミド等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明はインバータ制御によりスイッチングされた電力をコイルに供給するモータ等の回転電機に利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０ モータ
１００ ステータ
１１０ ステータコア
１１１ ステータコア本体
１１２ ティース部
１２０ コイル
１２０ａ コイル皮膜
１２０Ｕ Ｕ相端子
１２０ＵＮ Ｕ相中性点
１２０Ｖ Ｖ相端子
１２０ＶＮ Ｖ相中性点
１２０Ｗ Ｗ相端子
１２０ＷＮ Ｗ相中性点
１２１ 第１コイル
１２２ 第２コイル
１２３ 第３コイル
１２４ 第４コイル
１２５ 第１コイル
１２６ 第２コイル
１２７ 第３コイル
１２８ 第４コイル
１３０ スロット部
１４０ 絶縁体
２００ バッテリー
３００ リレー
４００ 昇圧コンバータ
５００ インバータ制御部
６００ 高圧ケーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアのスロット部を利用してコイルを巻回してなるステータを備えた回転電機であって、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁体を介在させると共に、少なくとも入力端子側に最も近い第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
絶縁体の厚さ、数により第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
絶縁体は、紙又は絶縁性樹脂で構成されるシートからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
絶縁体は、スロット部の表面を絶縁性樹脂で被覆することでステータコアと一体形成される絶縁層からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項５】
対向する位置に巻回されたコイル同士のターン数を同じにしてあることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の回転電機。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機を用いてなることを特徴とする３相モータ。
【請求項１】
ステータコアのスロット部を利用してコイルを巻回してなるステータを備えた回転電機であって、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁体を介在させると共に、少なくとも入力端子側に最も近い第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
絶縁体の厚さ、数により第１コイルの対地容量を他のコイルの対地容量よりも小さくしてあることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
絶縁体は、紙又は絶縁性樹脂で構成されるシートからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
絶縁体は、スロット部の表面を絶縁性樹脂で被覆することでステータコアと一体形成される絶縁層からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項５】
対向する位置に巻回されたコイル同士のターン数を同じにしてあることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の回転電機。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機を用いてなることを特徴とする３相モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２５２５１９（Ｐ２０１０−２５２５１９Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９８９１５（Ｐ２００９−９８９１５）
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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