JP2008054404A - 回転電機，巻線機，回転電機システム，ハイブリッド自動車，燃料電池自動車、及び電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】耐インバータサージ電圧を高める。
【解決手段】円筒形状の固定子磁心と、この固定子磁心の内部で同軸に回転する回転子磁心と、前記固定子磁心あるいは前記回転子磁心の何れか一方又は双方に軸方向に形成された複数のスロットを用いて被覆導線が巻回された複数のコイルとを備える回転電機であって、前記各コイルは、複数のコイルグループに分割され、一の前記コイルグループの巻き始めの被覆導線と他の前記コイルグループの巻き終わりの被覆導線とが隣接して巻回され、前記複数のコイルグループの被覆導線の巻き始めの引出線同士、及び巻き終わりの引出線同士が前記スロットの外部で接続されることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、被覆導線が巻回された複数のコイルの各々が複数のコイルグループに分解された回転電機，巻線機，回転電機システム，ハイブリッド自動車，燃料電池自動車、及び電気自動車に関する。

近年、省エネルギー化の観点からインバータを用いたモータ（回転電機）の可変速運転が盛んに行われている。しかしながら、矩形波電圧を生成するインバータでモータを駆動した場合、インバータが発する急峻なサージ電圧が原因となりモータ巻線間に高い電圧が発生し、巻線間で絶縁劣化が生じる恐れがある（非特許文献１参照）。

この巻線間絶縁問題に対して、インバータのサージ電圧が加わる口出し側第１コイルのターン数を減らし、絶縁皮膜を厚くするなどの絶縁強化を施す方法が提案されている（非特許文献２参照）。しかしながら、同文献にあるように、回転電機の機械出力特性が変化するため、絶縁強化をする場合にも限界があった。

また、巻線間絶縁分布を改善するために、巻線間の分布静電容量に比し巻線各部の対地分布静電容量を小さく設計することが開示されている（非特許文献３参照）。

また、巻線の外部から巻線間の分布静電容量調整用のコンデンサを接続し、高圧用回転電機の巻線間分担電圧を緩和する方法も提案されている（特許文献１参照）。

特開昭５０−３０１号公報（特許請求の範囲、第３図、第６図） 電気学会技術報告第７３９号、ｐ.１４〜２０，１９９９年８月発行 電気学会回転機研究会資料ＲＭ−００−９２〜１０９ Ｐ.１９，２０００年１０月１８日発行，端子コイルの巻き数を低減した誘導電動機の特性試験，一杉 和良，森安 正司 家田正之著、現代高電圧工学、オーム社、ｐ.９１〜９３

ところが、１ｋＶｒｍｓ未満の低圧用の回転電機では、急峻サージ電圧に対する巻線間の分担電圧緩和対策は施されていなかった。この原因には、配電系統にある低圧の回転電機は雷サージや開閉サージが直接侵入する可能性が低いことと、低圧の回転電機では巻線導体にはエナメル皮膜を施した丸線を使用してコイルが製作されるため、平角導体を用いた型巻コイルのように巻線間の分布静電容量と巻線各部の対地分布静電容量とを制御することが困難であること、とが考えられる。また、巻線の途中に巻線間電圧分布調整用のコンデンサを接続することはスペースや信頼性の面で困難である。

言い換えれば、従来の回転電機では絶縁寸法を大きくし、大型化しなければ急峻なインバータのサージ電圧に対応した信頼性の高い回転電機を提供することが困難であった。

そこで、本発明は、絶縁寸法を大きくしなくとも、耐インバータサージ電圧を高めることができる回転電機，巻線機，回転電機システム，ハイブリッド自動車，燃料電池自動車、及び電気自動車を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の回転電機は、円筒形状の固定子磁心と、この固定子磁心の内部で同軸に回転する回転子磁心と、前記固定子磁心あるいは前記回転子磁心の何れか一方又は双方に軸方向に形成された複数のスロットを用いて被覆導線が巻回された複数のコイルとを備える回転電機であって、前記各コイルは、複数のコイルグループに分割され、一の前記コイルグループの巻き始めの被覆導線と他の前記コイルグループの巻き終わりの被覆導線とが一括（隣接）して巻回され、前記複数のコイルグループの被覆導線の巻き始めの引出線同士、及び巻き終わりの引出線同士が前記スロットの外部で接続されていることを特徴とする。

すなわち、巻き始めターンの被覆導線と巻き終わりターンの被覆導線とが隣接しているため、これらの被覆導線の間に静電容量が発生する。また、複数のコイルグループの被覆導線の巻き始めの引出線同士、及び巻き終わりの引出線同士がスロットの外部で接続されているため、互いに接続された接続点は、コイルを介することなく、発生した静電容量に接続される。これにより接続点に印加されたサージ電圧は、一のコイルグループ及び他のコイルグループのコイルのインダクタンスを介さずに静電容量を介して通過する。したがって、コイルの巻線間電圧が上昇することなく耐サージ電圧が上昇する。

本発明によれば、耐サージ電圧を高くすることができる回転電機，巻線機，回転電機システム，ハイブリッド自動車，燃料電池自動車、及び電気自動車を提供することができる。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態であるインバータ駆動の回転電機システムを図１を参照して説明する。回転電機システム２００は、回転電機１００と、インバータ電源１１と、回転電機
１００及びインバータ電源１１を接続するケーブル１８とを備え、回転電機１００の回転トルクが負荷９を駆動する。

インバータ電源１１は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路１２と、直流電圧を安定化させる平滑コンデンサ１３と、直流電圧をＦＥＴ(Field Effect Transistor)，ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor) などのスイッチング素子でスイッチングし、矩形波交流電圧に変換するインバータ回路（インバータ）１４から構成される。なお、平滑コンデンサ１３は上アーム１６と下アーム１７との間に接続され、平滑コンデンサ１３の下アーム１７が接地されている。

回転電機１００は、三相交流電圧，電流によって回転磁界を作るための固定子３と、複数の磁極を備え、回転磁界と磁極との相互作用で固定子３の内部で同軸に回転する回転子５とを備え、これらがハウジング２に納められている。ここで、回転子５は、回転子磁心７の表面付近に磁極として機能する複数の磁石を設けたものである。また、固定子３は、固定子磁心２０と、固定子磁心２０に巻回されたコイルである固定子コイル１９とを備え、ボルト２１によってハウジング２に固定されている。また、回転子５に固定されるシャフト８は、ハウジング２に取り付けられた２つの軸受６によって支えられている。ハウジング２及び固定子磁心２０は安全のため、直接接地され、もしくはインバータ電源側から供給されるケーブル１８を介して接地（アース）されている。なお、固定子コイル１９は、後記するように分布巻のＹ結線コイルである。

図２（ａ）は、回転電機１００の固定子コイルの回路図であり、図２（ｂ）は、固定子３の外観図とスロットの部分拡大断面図である。

図２（ｂ）に示されるように、回転電機１００の固定子コイルは、Ｙ結線されている。Ｙ型結線の場合、Ｕ相コイル３１，Ｖ相コイル３２、及びＷ相コイル３３の巻き終わり側が中性点Ｐとして電気的に接続され、巻き始め側に相電圧Ｕ，Ｖ，Ｗが印加されている。なお、各相のコイルは１相あたり第１コイル３４，第２コイル３５，第３コイル３６、及び第４コイル３７の４コイルが直列接続され、これらの直列コイルが２組並列接続されている。

図２（ｂ）に示されるように、固定子３に備えられる固定子磁心２０は、放射状であって中心方向に向けて突出する複数のティース６３が回転子５の回転軸の垂直面内に周方向等角度に形成され、ティース間にスロット部（スロット）５２が形成される。また、スロット部５２の表面にスロット絶縁（スロット絶縁部材）５５が敷かれ、絶縁物である楔
５６がティース６３間に施される。

また、スロット部５２の中に巻回されたコイルである２つのコイルグループ５３，５４が納められる。コイルグループ５３，５４の被覆導線は、巻き始め同士が接続され、巻き終わり同士が接続されており、２本持ち導体の一層巻コイルに形成されている。この例では、１導体を電線２本持ちで１２ターン巻いてコイルを製作している。

被覆導線は、１以上のスロット部５２を跨いだ両側の２つのスロット部を用いて、分布巻に巻回され、コイルグループ５３とコイルグループ５４との２つのグループを形成している。コイルグループ５３は、スロット底の巻き始めターン（１）から、順次、巻き終わりターン（１２）まで被覆導線が巻回されている。続いて、コイルグループ５４は、巻き始めターン（１′）がコイルグループ５３の巻き終わりターン（１２）に隣接して巻きつけられ、巻き終わりターン（１２′）まで巻回されている。なお、各固定子コイルから出た被覆導線にスロット外で絶縁チューブを施す場合、スロットの異なる位置から出た被覆導線に個別にガラス絶縁チューブ５７などの絶縁チューブを被せるか、あるいはこれらの被覆導線を一括して１本にして同様の絶縁チューブ５７を被せている。

図３（ａ）は、コイルグループ５３，５４のコイルを互いに接続した等価回路であり、コイルグループ５３，５４の被覆導線は、巻き始め同士，巻き終わり同士が接続され、巻き始め部分と巻き終わり部分とが隣接しているため、静電容量Ｃが生成されている。なお、コイルグループ５３，５４に接続線（引出線）が並行することで、被覆導線の巻き始め部分と巻き終わり部分とを除いて隣接していないことを表現している。この静電容量Ｃによって、巻線間に印加されたサージ電圧は吸収され、サージ電圧以外の通常の印加電圧によって、巻線間電圧は徐々に上昇する。

図３（ｂ）はサージ電圧立ち上がり時間に対する巻線間電圧特性を示し、図３（ｃ）はサージ電圧立ち上がり時間に対するモータの耐サージ電圧特性を示す。図３（ｂ）の縦軸は巻線間電圧であり、横軸はサージ電圧立ち上がり時間である。巻線間電圧１０ａが本実施形態のコイルを用いた場合を示し、巻線間電圧１０ｂが後記する比較例１のコイルを用いた場合を示す。なお、比較例１は、巻き始めから巻き終わりまで、２本の被覆導線を２本並列してスロット部５２（図２（ａ））に巻回し、巻き始めの２本の引出線と巻き終わりの２本の引出線とをスロット外部で接続した場合である。

後記する比較例１の回転電機ではこのような急峻なサージ電圧に対し巻線間電圧１０ｂが急激に高くなり、「巻線間絶縁使用可能電圧レベル」と同等か、あるいは、それ以上になる恐れがあった。しかしながら、本実施形態の回転電機１００ではサージ電圧の立ち上がり時間が短くなっても巻線間電圧１０ａが緩やかに増加するため、巻線間絶縁使用可能電圧レベルに比し巻線間電圧を低くできる。なお、この巻線間絶縁使用可能電圧レベルは、材料固有の値である。巻線間電圧を低くできるため、インバータ電源１１の給電側母線電圧の過渡変動など、不測の電圧変動に対しても大きな安全率で高信頼なインバータ駆動の回転電機システムを提供できる。一方、同じサージ電圧立ち上がり時間ｔｒでは、巻線間電圧１０ｂに比し本実施形態の巻線間電圧１０ａを１／αに低減できるため、比較例１と同等の安全率で考えた場合、回転電機１００の耐インバータのサージ電圧、及びインバータシステム電圧をα倍だけ高電圧化できる。本実施形態のインバータ駆動の回転電機システムの回転電機１００では、インバータの急峻サージ電圧が印加された際の巻線間電圧を比較例１の巻線間絶縁使用電圧レベルに比し低減している。言い換えれば、回転電機
１００の巻線間サージ電圧は、２本の被覆導線を並列してスロット部５２に巻回した並列コイルに、急峻サージ電圧を印加するときに発生する巻線間サージ電圧よりも低減している、といえる。また、このサージ電圧は、巻線間絶縁の部分放電開始電圧以下とするか、又は所定の時間経過後に巻線間絶縁が絶縁破壊する電圧以下とすることが好ましい。

図３（ｃ）は、本実施形態と比較例１との関係について、横軸をサージ電圧の立ち上がり時間、縦軸をサージ電圧として示す。比較例１ではサージ電圧の立ち上がり時間が短くなることにより、巻線間電圧が増加し、回転電機の耐インバータのサージ電圧１０ｃが急激に低下する。しかしながら、本実施形態の回転電機１００では巻線間電圧が緩やかに増加するため、回転電機１００の耐インバータサージ電圧１０ｄも緩やかに低下する。このため、本実施形態の回転電機１００の耐インバータサージ電圧は比較例１に比べて高くなる。この増加割合は、急峻サージ電圧を印加した際の巻線間電圧の比率になるため、結果的にα倍高くなる。したがって、本実施形態の構成を用いることで、回転電機１００の耐インバータサージ電圧を高電圧化することが可能となる。また、高電圧化の結果として、高出力密度なインバータ駆動の回転電機システム２００を提供することができる。

図４（ａ）に、サージ電圧の実測例を示す。縦軸のスケールは３００Ｖ／ｄｉｖであり、横軸のスケールは０.２μｓ／ｄｉｖと２ｍｓ／ｄｉｖとで描かれ、０.２μｓ／ｄｉｖの実測例は、２ｍｓ／ｄｉｖの部分拡大図である。フィールドのサージ電圧は立ち上がり時間ｔｒ＝約０.１μｓの急峻な電圧変化を有するパルス状電圧波形を示している。

図４（ｂ）に、回転電機１００のＵ相コイル３１，Ｖ相コイル３２，Ｗ相コイル３３
（図２(ａ)）の各コイルに急峻サージ電圧を印加したときの巻線間電圧測定結果を示す。縦軸のスケールは、対地電圧が６２.５％／ｄｉｖ であり、巻線間電圧が５０％／ｄｉｖである。また、横軸のスケールは、０.５μｓ／ｄｉｖ である。印加電圧１３０は、第１コイルの口出しターンの対地電圧である。以下、対地電圧１３１〜１３３はそれぞれ第２〜４コイルの口出しターンの測定電圧である。これらの差分が各コイルの巻線間電圧であり、巻線間電圧１３４〜１３６は、それぞれ第１〜３コイルの電圧である。図４（ｂ）では、対地電圧，巻線間電圧のいずれも印加電圧の変化量を１００％として示している。本実施形態では立ち上がり時間約０.１μｓ の急峻サージ電圧でも第１〜３コイルの巻線間電圧１３４〜１３６はほぼ同じ波高値を示しており、急峻なサージ電圧に対しても巻線間電圧の増加が認められない。

（製作工程）
図５は、本実施形態の回転電機１００の製作方法を示す図である。始めに、電磁鋼板を打ち抜き（Ｓ１）、この電磁鋼板を積層させるか（Ｓ２）、磁性粉末を圧縮成型（圧粉成型）することにより（Ｓ３）、固定子磁心２０であるコアを完成させる（Ｓ４）。次に、この固定子磁心２０のスロット部５２にスロット絶縁５５を施して（図２（ａ）参照）、スロット絶縁作業を行う（Ｓ５）。スロット絶縁５５を施した固定子磁心２０に巻線を所定回数巻き付ける巻線作業を行い（Ｓ６）、各スロット内に巻線を格納する（Ｓ７）。

さらに、スロット部５２から固定子磁心２０の軸方向両端に飛び出た部分において、相電圧が異なる巻線が接触する部分には異相間のコイル絶縁を施し、同一相でもライン側の高電圧巻線と内部側の低電圧巻線とが接触する部分にはコイル間絶縁を施すようにする
（Ｓ８）。これらの作業を終えたコイルの端末を溶接，熱カシメ，ハンダ付け，ロウ付けなどの方法で巻線端末接続し（Ｓ９）、Ｙ型あるいはΔ型などの巻線回路を完成させる
（Ｓ１０）。次に、製作した巻線の絶縁チェックを行い（Ｓ１１）、絶縁に問題が無ければ、固定子３と回転子５とをハウジング２に組み込み（Ｓ１２）、回転電機１００が完成する（Ｓ１３）。

（他の巻線作業）
図５のＳ６では、固定子磁心２０のティース６３（図２（ａ）参照）に被覆導線を直接巻き付けたが、予め巻回されたコイルを固定子磁心２０に挿入することができる。

図６に分布巻の回転電機１００の巻線作業の他の例を示す。この作業工程は、Ｓ２１からＳ２３までの３つの工程からなり、巻枠７０及びボビン７１，７２で巻線機を構成する。まず、巻枠７０にボビン７１，７２から被覆導線を引き出して巻き付ける（Ｓ２１）。この際、ボビン７１から引き出した被覆導線を所定のターン数（例えば、１２ターン）巻き終えて、コイルグループ５３を形成し、この巻き終わった位置に隣接する位置からボビン７２から引き出した被覆導線を所定のターン数巻きつけてコイルグループ５４を形成する。なお、巻枠７０は、被覆導線の径に合わせた溝が形成され、この溝に沿って被覆導線が巻回される。また、巻枠７０は、コイルグループ５３の巻き終わり位置、あるいはコイルグループ５４の巻き始め位置に位置検出用マークを設けることにより、コイルグループ５３の巻き終わりが容易に検出される。

そして、コイルグループ５３，５４をブレード７６に落とし込み（Ｓ２２）、これを２回繰り返して製作したコイル７７，７８を固定子磁心２０に挿入する（Ｓ２３）。本巻線方法でも、同一構成の分布巻コイルが形成されるので、急峻サージ電圧に対する巻線間電圧の増加が抑制され、耐インバータサージ電圧に優れた回転電機１００を提供することができる。なお、図面ではボビン７１，７２を固定し、巻枠７０を回転させたが、巻枠７０を固定し、ボビン７１，７２を回転させても同様にコイルグループ５３，５４を形成することができる。

以上説明したように、本実施形態の回転電機１００によれば、固定子３に巻回されているコイルグループ５３の巻き始めターンとコイルグループ５４の巻き終わりターンとの被覆導線が隣接しているため、これらの被覆導線の間に静電容量Ｃが生成される。また、この巻き始めターンの引出線と巻き終わりターンの引出線とが前記スロットの外部で接続されているため、互いに接続された接続点Ｐは、コイルを介することなく、生成された静電容量Ｃに接続される。これにより印加されたサージ電圧は、コイルを介さずに静電容量Ｃを通過するので、コイルにはサージ電圧が印加されない。

これにより、巻線間の分布静電容量と巻線各部の対地分布静電容量との制御が容易な平角導体を用いることなく、屈曲が容易な丸線を使って、巻線間電圧を低減できる。巻線間電圧の低減によって、耐サージ電圧を向上することができる。具体的には、サージ電圧を部分放電開始電圧以下にすることができ、あるいは、巻き線間絶縁が所定の期間だけ絶縁破壊しない電圧以下にすることができる。また、本実施形態によれば、絶縁被覆を強化することなく、外部にコンデンサを設ける必要がないので、絶縁寸法を大きくしたり、大型化したりすることなく、耐サージ電圧を向上することができる。このため、正弦波駆動回路よりも高い信頼性が求められ、省エネルギー化された回転電機システム２００が実現できる。また、インバータ電源１１の直流電圧を高電圧化し、回転電機１００の通電電流を低減することができることから、ケーブル１８を細線化することができる。

（第２実施形態）
前記実施形態は分布巻の固定子コイルであったが、集中巻の固定子コイルとすることができる。

図７（ａ）は、本実施形態の回転電機の固定子の外観図と、スロットの部分拡大断面図である。固定子６０の固定子磁心は、形状材質共に、図２（ａ）の固定子磁心２０と共通である。なお、図２（ａ）のスロット絶縁５５は、集中巻きにおいてはボビンが使用される。固定子６０は、（１）〜（４）ターンまでのコイルグループ６５をティース６３に巻回した後、コイルグループ６５の巻き終わりターン（４）に隣接した外周に次のコイルグループ６４の巻き始めターン（１′）を配置し、巻き終わりターン（４′）まで巻きつけている。

これらのコイルグループ６４，６５の巻き始め同士と巻き終わり同士とは、スロット部５２の外部で接続されており、２本持ち導体の４ターンコイルを形成している。本実施形態の集中巻の回転電機においても前記分布巻の回転電機１００と同様に、コイルグループ６５の巻き終わりターン(４)に隣接して次のコイルグループ６４の巻き始めターン(１′)を配置しているので、この隣接部分に静電容量が生成される。この静電容量を介して、サージ電圧が放電され、コイル間にはサージ電圧が印加されない。

このため、本実施形態においても、急峻サージ電圧に対する巻線間電圧の増加が抑制され、耐インバータサージ電圧に優れた回転電機を提供することができる。なお、ティース６３に巻回したコイルから出た被覆導線に絶縁チューブ５７を施す場合、ティース６３の異なる位置から出た被覆導線に個別に絶縁チューブ５７を被せてもよく、これらの被覆導線を一括して１本にして絶縁チューブを被せてもよい。

図７（ｂ）は、集中巻の固定子の他の例である。固定子６１は、一体の固定子磁心を用いることなく、複数に分割された分割コア８１と、分割コア８１のティースに巻回された固定子コイルから構成されている。しかしながら、分割したコアに巻線を巻きつけた後、これを組み合わせた回転電機でも同様の効果が得られる。なお、図面の分割コア型の固定子には集中巻を示したが、分割コアで製作した分布巻でも同様の効果が得られる。

（比較例１）
図８（ａ）は、比較例１である分布巻の固定子の外観図及びスロットの部分拡大断面図である。比較例１では、固定子磁心に、巻き始めから巻き終わりまで２本並列した被覆導線を巻回し、巻き始め同士と巻き終わり同士との双方をスロット外部で接続している。図２（ａ）と同様に、固定子磁心２０のスロット部５２にスロット絶縁５５及び楔５６が施され、スロット部５２の中にコイル９３が納められている。コイル９３は２本持ち導体の一層巻コイルであり、１２ターン巻いて１コイルが形成されている。巻き始めターン(１)（１′）の引出線同士、巻き終わりターン（１２）（１２′）の引出線同士が接続されているが、この比較例の場合は、２本の被覆導線全体を並列させている点が実施形態１と異なる。

比較例１では、被覆導線を固定子磁心２０に巻きつける際、異なる２つのボビンから被覆導線を引き出し、これを隣接させてスロット底から巻き始めターン（１），（１′）から巻き終わりターン（１２），（１２′）まで巻いて製作している。なお、図示していないが比較例１は実施形態１と同様に１相あたり４コイルが直列接続されて、固定子コイルが形成されている。比較例１では、実施形態１で述べたように、急峻サージ電圧に対しエナメル被覆導線の使用可能電圧レベルと同程度の巻線間電圧が発生した。

図８（ｂ）は、比較例１の回転電機の巻線間電圧測定結果である。縦軸のスケールは、対地電圧が６２.５％／ｄｉｖ であり、巻線間電圧が５０％／ｄｉｖである。横軸の時間軸スケールは０.５μｓ／ｄｉｖ である。印加電圧１４０は、第１コイルの口出しターンに印加された対地電圧である。以下、対地電圧１４１〜１４３は、それぞれ第２〜４コイルの口出しターンの対地電圧である。これらの差分がコイル９３（図８（ａ））の巻線間電圧となり、巻線間電圧１４４〜１４６は、それぞれ第１〜３コイル（図３（ａ））の巻線間電圧である。比較例１の回転電機では、印加電圧１４０がピークに達してから０.５〜１μｓ遅れて第２コイル３５の口出しの電圧（対地電圧１４２）がピークに達している。この結果、印加電圧１４０と対地電圧１４１との差分である第１コイル３４の巻線間電圧１４４は印加電圧１４０とほぼ同じ大きさになっている。このように、比較例１の回転電機では、急峻なサージ電圧に対して高い巻線間電圧が発生する。

図９（ａ）に、実施形態１と比較例１との巻線間電圧の測定結果を示す。０.１μｓ の急峻サージ電圧では、比較例１の巻線間電圧１５０はサージ電圧の８３.０％ にまで達している。また、これは今回使用したエナメル被覆導線の使用可能電圧レベルと一致しており、安全率にマージンが無い。しかしながら、実施形態１での巻線間電圧１５１は45.6％でありエナメル被覆導線の使用可能電圧レベルに対し十分な余裕がある。ここで、エナメル被覆導線の使用可能電圧レベルは、エナメル電線が備える固有の値である。したがって、実施形態１の回転電機１００は、耐インバータサージ電圧特性に優れており、電圧変動などの不測の事態に対しても安全率が高くなり、回転電機１００は、比較例１の回転電機に対し８３.０／４５.６＝１.８２倍信頼性が高い。

図９（ｂ）に、信頼性を同じくした場合の実施形態１と比較例１との回転電機の耐インバータサージ電圧を示す。なお、図は電圧の立ち上がり時間０.１μｓ における比較例１の耐インバータサージ電圧１６１を１００％として示した。実施形態１の耐インバータサージ電圧１６０は、比較例１よりも巻線間電圧低下分の逆数の８３.０／４５.６＝1.82倍高くなるため、１８２％の耐インバータサージ電圧を有すると考えられる。したがって、実施形態１の回転電機１００を用いたシステムでは、１.８２ 倍インバータシステム電圧を高電圧化し、インバータ駆動の回転電機システム２００を高出力密度化できると考えられる。

（比較例２）
図１０（ａ）に比較例２の集中巻の固定子と、固定子の部分拡大断面図とを示す。本比較例の固定子６２は、巻線導体をティース６３に巻きつける際、異なる２つのボビンから被覆導線を引き出し、これを隣接させてティース底の巻き始めターン（１），（１′）から巻き終わりターン（４），（４′）まで巻いて４ターンのコイル１０４を形成している。比較例２の回転電機においても比較例１と同様な急峻サージ電圧に対し高い巻線間電圧が発生する。

（比較例３）
図１０（ｂ）に比較例３の分布巻回転電機の巻線工程を示す。比較例１，２では固定子磁心２０やティース６３に被覆導体を巻き付けて巻線を製作したが、比較例３では、ボビン７１，７２から被覆導体を引き出し、この被覆導体を巻枠７０に巻き付ける。この際、ボビン７１から取り出した被覆導体とボビン７２から引き出した被覆導体とが巻枠７０に巻き付ける前にダイス７３でまとめられる（Ｓ３１）。まとめられた２本の被覆導体を巻枠７０に巻きつけてコイル１１４を形成し、これをブレード７６に落とし込む（Ｓ３２）。これを２回繰り返して製作したコイル１１６，１１７を固定子磁心２０に挿入することで固定子を製造する（Ｓ３３）。本方法によっても、比較例１，２と同様の固定子が製造されるので、急峻サージ電圧に対し高い巻線間電圧が発生する。

本発明の結果、巻線方法を変えるだけで急峻サージ電圧に対する巻線間電圧を低減し、従来に比し同等以下の寸法で耐インバータサージ信頼性の高い回転電機を提供するとともに、高出力密度な産業用インバータ駆動の回転電機システムを提供することができる。

（ハイブリッド自動車）
次に、図１１を用いて、回転電機システム２００が使用されるハイブリッド自動車について説明する。

ハイブリッド自動車３００は、四輪駆動式の自動車であり、内燃機関であるエンジン
２１０とフロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機１１０によって２つの前輪２２０を駆動し、リア側のモータ・ジェネレータＲＭＧである回転電機１００によって２つの後輪２２５をそれぞれ駆動する。なお、回転電機１１０は前記実施形態の回転電機１００と同一構成であるが、他の構成の回転電機を用いることもできる。

以下、エンジン２１０とフロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機110とによって前輪２２０を駆動し、リア側のモータ・ジェネレータＲＭＧである回転電機
１００によって後輪２２５を駆動する場合について説明するが、エンジン２１０とリア側のモータ・ジェネレータＲＭＧである回転電機１００によって後輪２２５を駆動し、フロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機１１０によって前輪２２０を駆動するようにしてもよい。

前輪２２０の前輪車軸２７１，２７２には前輪差動装置（ＦＤＦ）２５０を介して変速機２８０が機械的に接続されている。変速機２８０には出力制御機構（図示省略）を介してエンジン２１０と回転電機１１０とが機械的に接続されている。この出力制御機構（図示省略）は、回転出力の合成や分配を司る機構である。回転電機１００，１１０の固定子コイルとインバータ（ＩＮＶ）２３０の交流側とが電気的に接続されている。インバータ電源２３０は、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置であり、回転電機１００，１１０の駆動を制御するものである。また、インバータ電源２３０の直流側には電池であるバッテリ２４０が電気的に接続されている。

後輪２２５の後輪車軸２７３，２７４には後輪差動装置（ＲＤＦ）２５５とリア側減速機（ＲＧ）２６０とを介してリア側のモータ・ジェネレータＲＭＧである回転電機１００が機械的に接続されている。ここで、インバータ電源２３０はフロント側のモータ・ジェネレータＭＧＦとリア側のモータ・ジェネレータＲＭＧに対して共用のものであり、モータ・ジェネレータＭＧ用の変換回路部と、リア側のモータ・ジェネレータＲＭＧの変換回路部と、それらを駆動するための駆動制御部とを有する。

ハイブリッド自動車の始動時及び低速走行時（エンジン２１０の運転効率（燃費）が低下する走行領域）は、フロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機１１０によって前輪２２０を駆動し、リア側の回転電機１００は駆動しない。なお、フロント側の回転電機１１０で前輪２２０を駆動し、リア側の回転電機１００で同時に後輪２２５を駆動するようにしてもよい（四輪駆動走行をしてもよい）。

インバータ電源２３０はバッテリ２４０から直流電力が供給され、この直流電力はインバータ電源２３０によって三相交流電力に変換され、この三相交流電力は回転電機１１０の固定子コイルに供給される。これにより、フロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機１１０が発生した回転出力は、出力制御機構（図示省略）を介して変速機
２８０に入力される。入力された回転出力は変速機２８０によって変速され、変速された回転出力は前輪差動装置２５０によって左右に分配され、分配された回転出力は前輪車軸２７１及び前輪車軸２７２に各々伝達される。これにより、前輪２２０が回転駆動する。

ハイブリッド自動車３００の通常走行時（乾いた路面を走行する場合であって、エンジン２１０の運転効率（燃費）がよい走行領域）は、エンジン２１０によって前輪２２０を駆動する。さらに、バッテリ２４０の充電状態の検出により、バッテリ２４０を充電する必要がある場合には、出力制御機構（図示省略）はエンジン２１０の回転出力をフロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機１１０に分配する。これにより、回転電機１００は発電機として動作し、固定子コイルに三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ電源２３０によって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリ２４０に蓄電される。

ハイブリッド自動車３００の四輪駆動走行時（雪道などの低μ路を走行する場合であって、エンジン２１０の運転効率（燃費）がよい走行領域）では、リア側のモータ・ジェネレータＲＭＧである回転電機１００が後輪２２５を駆動し、前記通常走行と同様に、エンジン２１０が前輪２２０を駆動する。さらに、回転電機１００の駆動によってバッテリ
２４０の蓄電量が減少するので、前記通常走行と同様に、エンジン２１０の回転出力によってフロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機１１０を回生駆動して、バッテリ２４０を充電する。

リア側のモータ・ジェネレータＲＭＧである回転電機１００によって後輪２２５を駆動するために、バッテリ２４０から直流電力がインバータ電源２３０に供給される。供給された直流電力はインバータ電源２３０によって三相交流電力に変換され、この変換された交流電力によって、回転電機１００が駆動する。この駆動力は、リア側減速機（ＲＧ）
２６０，後輪差動装置（ＲＤＦ）２５５，後輪車軸２７３，２７４を介して、後輪２２５を回転駆動する。

ハイブリッド自動車３００の加速時は、エンジン２１０とフロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機１１０とが前輪２２０を駆動する。エンジン２１０と回転電機１１０との双方の回転出力は出力制御機構（図示省略）を介して変速機２８０に入力される。入力された回転出力は、変速機２８０，前輪差動装置（ＦＤＦ）２５０，前輪車軸２７１，２７２を介して、前輪２２０を回転駆動させる。

ハイブリッド自動車３００の回生時（ブレーキを踏み込み時，アクセルの踏み込みを緩めたとき、或いはアクセルの踏み込みを止めたときなどの減速時）は、前輪２２０の回転出力は、前輪車軸２７１，２７２，前輪差動装置（ＦＤＦ）２５０，変速機２８０、及び出力制御機構（図示省略）を介して回転電機１１０に伝達される。

また、後輪２２５の回転出力は、後輪車軸２７３，２７４，後輪差動装置（ＲＤＦ）
２５５，減速機（ＲＧ）２６０を介してリア側のモータ・ジェネレータＲＭＧである回転電機１００に伝達される。回転電機１１０，１１０は発電機として動作し、回転電機110，１１０が発生した三相交流電力は、インバータ電源２３０を介してバッテリ２４０に供給され、バッテリ２４０は充電される。

次に、図１２を用いて、前記ハイブリッド自動車に使用される回転電機システムについて説明する。

ハイブリッド自動車の回転電機システムは、リア側のモータ・ジェネレータＲＭＧである回転電機１００と、フロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧである回転電機１１０と、インバータ電源２３０と、回転電機１００とインバータ電源２３０とを接続するケーブル１８と、高圧充電される電池であるバッテリ２４０とを備える。

インバータ電源２３０は、２個のインバータ回路１４，１４から構成され、各インバータ回路１４，１４は、パワーモジュールと、ドライバユニット（ＤＵ）３２０とを備えている。ドライバユニット３２０は、モータ制御ユニット（ＭＣＵ）３１０によって制御される。パワーモジュールには、バッテリ２４０から直流電力が供給され、インバータ回路１４，１４は、それぞれ、直流電力を三相交流電力に変換して、回転電機１００，１１０に供給する。また、回転電機１００，１１０が発電機として動作するときには、発電機の交流出力は、インバータ回路１４，１４によって直流電力に変換され、バッテリ２４０に蓄電される。

インバータ回路１４のパワーモジュールは６つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６から構成され、バッテリ２４０から供給される直流電力を交流電力に変換して回転電機１００，１１０に電力を供給する。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、半導体のスイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate
Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用している。なお、半導体のスイッチング素子としてはＩＧＢＴ以外に電力用ＭＯＳ−ＦＥＴ(Metal Oxide
Semiconductor−Field Effect Transistor) を使用することができる。

ＩＧＢＴは動作速度が速いメリットがある。昔は、電力用ＭＯＳ−ＦＥＴを使用できる電圧が低かったので、高電圧用のインバータはＩＧＢＴで作られていた。しかし最近は電力用ＭＯＳ−ＦＥＴの使用できる電圧が高くなり、どちらも半導体スイッチング素子として使用可能である。電力用ＭＯＳ−ＦＥＴの場合は半導体の構造がＩＧＢＴに比べてシンプルであり、半導体の製造工程がＩＧＢＴに比べて少なくなるメリットがある。

上アーム（Ｐ）は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のコレクタ端子（電力用ＭＯＳ−ＦＥＴ使用の場合はドレイン端子）が互いに接続され、さらにバッテリ２４０の正極側に接続されている。また、下アーム（Ｎ）は、スイッチング素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６のエミッタ端子（電力用ＭＯＳ−ＦＥＴの場合はソース端子）が互いに接続され、さらにバッテリ２４０の負極側に接続されている。

Ｕ相のスイッチング素子Ｓ１のエミッタ端子（電力用ＭＯＳ−ＦＥＴの場合はソース端子）とＵ相のスイッチング素子Ｓ４のコレクタ端子（電力用ＭＯＳ−ＦＥＴの場合はドレイン端子）の接続点は、回転電機１００，１１０のＵ相端子に接続され、Ｕ相電流が流れる。電機子巻線（永久磁石型同期モータの固定子コイル）がＹ結線の場合はＵ相巻線の電流が流れる。

同様に、Ｖ相のスイッチング素子Ｓ２のエミッタ端子とＶ相のスイッチング素子Ｓ５との接続点は、回転電機１００，１１０のＶ相の電機子コイル（固定子コイル）のＶ相端子に接続される。Ｗ相のスイッチング素子Ｓ３のエミッタ端子と、Ｗ相のスイッチング素子Ｓ６のコレクタ端子の接続点は回転電機１００，１１０のＷ相端子に接続される。

インバータ回路１４がバッテリ２４０から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、この三相交流電力が回転電機１００，１１０の固定子を構成するＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相の固定子コイルに供給される。これにより、回転磁界が生成されることにより、回転電機１００，１１０の回転子が回転駆動する。

また、モータ制御ユニット（ＭＣＵ）３１０は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６のゲート信号を発生するドライバユニット（ＤＵ）３２０を制御する。このゲート信号により各アームの導通，非導通（遮断）が制御され、バッテリ２４０が供給する直流電力は三相交流電力に変換される。なお、三相交流の発生は既に知られているので詳細な動作説明を省略する。

以上のようなハイブリッド自動車の電機駆動システムにおいて、回転電機１００，110をフロント側のモータ・ジェネレータＦＭＧ、リア側のモータ・ジェネレータＲＭＧに使用した場合、インバータ電源２３０から発せられた高電圧急峻なサージ電圧が印加された際にも、前記比較例の回転電機を使用した場合に比べて巻線間のサージ電圧を小さくすることができる。このため、同じ耐サージ電圧の場合、巻線間絶縁を比較例に比べて薄くすることができ、モータジェネレータ（回転電機１００，１１０）をコンパクト，軽量，低コスト化できる。この結果、ハイブリッド自動車の小型化，軽量化及び低コスト化に寄与することができる。また、モータ・ジェネレータの小型・軽量化によって、燃費の向上も期待できる。

以上の回転電機システムではハイブリッド自動車を例に説明したが、燃料電池自動車や純粋な電気自動車でも同様な効果が期待できる。また、一般産業用の回転電機システムに使用した場合にも、回転電機システムの小型・軽量・低コスト化や高信頼化が期待できる。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、Ｙ結線したがΔ結線することも可能である。図１１（ａ）にはΔ結線の接続図を示す。Ｕ相とＶ相との間には、相間コイル４１が接続され、Ｖ相とＷ相との間には相間コイル４２が接続され、Ｗ相とＵ相との間には相間コイル４３が接続されている。これらの相間コイル４１，４２，４３は、直列接続された３つのコイルが４本並列接続して構成されている。
（２）前記各実施形態では、いずれも固定子の例を示したが、回転子でも同様の効果が得られる。例えば、回転子巻線にインバータサージ電圧が加わる二次励磁型誘導電動機や誘導発電機についても同様の結果が得られる。
（３）前記各実施形態は、２つのコイルグループを形成し、巻き始めターンの引出線と巻き終わりターンの引出線とをスロット外部で接続したが、３つ以上のコイルグループを形成することも可能である。例えば、３つの場合のコイル等価回路を図１１（ｂ）に示す。

また、Ｎ個のボビンから引き出したＮ本の被覆導線を巻枠に巻回する場合の巻線機は、第ｎボビンから引き出された被覆導線を巻枠に所定回数巻いたコイルグループの巻き終わりターンの被覆導線に隣接させて第（ｎ＋１）ボビンの被覆導線を巻枠に巻き始め、第
（ｎ＋１）ボビンの被覆導線を所定回数巻いたコイルグループの巻き終わりターンに隣接させて第（ｎ＋２）ボビンの被覆導線を前記巻枠に巻き始めることになる。
（４）図５の製作工程のＳ３においては、磁性粉末を圧縮成型（圧粉成型）したが、磁性粉末と鉄粉とを一体成形することもできる。

本発明の一実施形態である回転電機システムの構成図である。 第１実施形態である分布巻コイルの外観図、及びＹ型結線のコイル回路図である。 巻線間電圧，サージ電圧、及びコイルの等価回路である。 サージ電圧波形，対地電圧特性、及び巻線間電圧特性である。 回転電機の製造工程を示す図である。 分布巻固定子コイルの巻線工程を示す図である。 第２実施形態である分布巻コイルの外観図、及び分割コアを用いた製造方法を示す図である。 比較例１である分布巻コイルの外観図，対地電圧特性、及び巻線間電圧特性である。 比較例１である分布巻コイルの巻線間電圧特性、及びサージ電圧特性である。 比較例２である集中巻コイルの外観図、及び固定子製造工程を示す図である。 ハイブリッド自動車の構成図である。 ハイブリッド自動車に使用される回転電機システムの構成図である。 Δ結線の配線図、及びコイルの等価回路である。

符号の説明

２…ハウジング、３，４，６０，６１，６２…固定子、５…回転子（回転子磁心）、６…軸受、８…シャフト、９…負荷、１０ａ，１０ｂ，１３４，１３５，１３６，１４４，１４５，１４６，１５０，１５１…巻線間電圧、１０ｃ，１０ｄ…サージ電圧、１１…インバータ電源、１２…コンバータ回路、１３，１３ａ，１３ｂ…平滑コンデンサ、１４…インバータ回路（インバータ）、１５…中間点、１６…上アーム、１７…下アーム、１８…ケーブル、１９…固定子コイル（コイル）、２０…固定子磁心、２１…ボルト、３１…Ｕ相コイル、３２…Ｖ相コイル、３３…Ｗ相コイル、３４…第１コイル、３５…第２コイル、３６…第３コイル、３７…第４コイル、４１，４２，４３…相間コイル、５２…スロット部（スロット）、５３，５４，６４，６５…コイルグループ、５５…スロット絶縁
（スロット絶縁部材，ボビン）、５６…楔、５７…絶縁チューブ、６３…ティース、７０…回転巻枠（巻枠）、７１，７２…ボビン、７３…ダイス、７６…ブレード、７７，７８，９３，１０４，１１４，１１６，１１７…コイル、８１…分割コア、１００…回転電機、１１０…回転電機，モータジェネレータ、１３０，１４０…印加電圧、１３１，１３２，１３３，１４１，１４２，１４３…口出しターンの対地電圧、１６０，１６１…耐インバータサージ電圧、２００…回転電機システム、２１０…エンジン、２２０…前輪、225…後輪、２３０…インバータ電源（ＩＮＶ）、２４０…バッテリ（電池）、２５０…前輪差動装置（ＦＤＦ）、２５５…後輪差動装置（ＲＤＦ）、２６０…減速機(ＲＧ)、２７１，２７２…前輪車軸、２７３，２７４…後輪車軸、２８０…変速機、３１０…モータ制御ユニット（ＭＣＵ）、３２０…ドライバユニット（ＤＵ）、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，
Ｓ５，Ｓ６…スイッチング素子。

Claims (24)

1. 円筒形状の固定子磁心と、この固定子磁心の内部で同軸に回転する回転子磁心と、前記固定子磁心あるいは前記回転子磁心の何れか一方又は双方に軸方向に形成された複数のスロットを用いて被覆導線が巻回された複数のコイルとを備える回転電機であって、
   前記各コイルは、複数のコイルグループに分割され、
   一の前記コイルグループの巻き始めの被覆導線と他の前記コイルグループの巻き終わりの被覆導線とが隣接して巻回され、
   前記複数のコイルグループの被覆導線の巻き始めの引出線同士、及び巻き終わりの引出線同士が前記スロットの外部で接続されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記コイルは、一以上のスロットを跨いで、この跨いだスロットの両側のスロットを用いて前記被覆導線を巻回した分布巻にされていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記コイルは、隣接する前記スロットを用いて前記被覆導線を巻回した集中巻にされていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記巻き始めの被覆導線と前記巻き終わりの被覆導線との間に静電容量が生成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
5. 急峻サージ電圧を前記コイルに印加した際の巻線間サージ電圧は、
   複数の被覆導線を一括して前記スロットに巻回したコイルに、前記急峻サージ電圧を印加するときに発生する巻線間サージ電圧よりも低減することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
6. 前記巻線間サージ電圧が巻線間絶縁の部分放電開始電圧以下に低減されることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
7. 複数の被覆導線を一括して前記スロットに巻回したコイルの巻線間絶縁が絶縁破壊する大きさの急峻サージ電圧を前記コイルに印加する際、所定の時間経過後に前記巻線間絶縁が絶縁破壊するように巻線間のサージ電圧を低減させたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
8. 急峻サージ電圧を前記コイルに印加した際に発生する巻線間サージ電圧が、複数の被覆導線を一括して前記スロットに巻回するときよりも低下し、耐インバータサージ電圧が向上したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
9. 巻枠から前記被覆導線を巻回したコイルが前記スロットに収納されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
10. 前記固定子磁心あるいは前記回転子磁心は、複数の分割コアから形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
11. 複数のボビンから引き出された被覆導線が巻回され、複数のコイルグループが形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の回転電機。
12. 溝が形成されたスロット絶縁部材あるいはボビンを前記各スロット内に設け、
    前記被覆導線が前記溝に沿って配列されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
13. スロットの異なる位置からコイルエンド部に引き出された前記被覆導線の各々に絶縁チューブを被覆したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
14. 複数の前記被覆導線を前記スロットの出口で一括して被覆する絶縁チューブを備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
15. 複数のボビンに巻回された被覆導線を巻枠に巻回する巻線機であって、
    一のボビンから引き出された被覆導線を前記巻枠に所定回数巻いたコイルグループの巻き終わりターンの被覆導線に隣接させて他のボビンの被覆導線を前記巻枠に巻き始めることを特徴とする巻線機。
16. 前記一のボビンから引き出した電線を所定の回数巻回した際のコイルグループの巻き終わりターンの被覆導線の隣接位置を計算して、この計算された位置から前記他のボビンの被覆導線を巻き始めることを特徴とする請求項１５に記載の巻線機。
17. 前記巻枠は、表面に溝あるいは位置検出用のマークが設けられたことを特徴とする請求項１５に記載の巻線機。
18. Ｎ個のボビンに巻回された被覆導線を巻枠に巻回する巻線機であって、
    第ｎボビンから引き出された被覆導線を前記巻枠に所定回数巻いたコイルグループの巻き終わりターンの被覆導線に隣接させて第（ｎ＋１）ボビンの被覆導線を前記巻枠に巻き始め、第（ｎ＋１）ボビンの被覆導線を所定回数巻いたコイルグループの巻き終わりターンに隣接させて第（ｎ＋２）ボビンの被覆導線を前記巻枠に巻き始めることを特徴とする請求項１５に記載の巻線機。
19. 請求項１に記載の回転電機と、
    直流電圧を多相交流電圧に変換し、回転電機を可変速駆動するインバータと、
    を備えることを特徴とする回転電機システム。
20. 直流電圧を電池から供給することを特徴とする請求項１９の回転電機システム。
21. 交流電圧を直流電圧に整流して前記直流電圧を得ることを特徴とする請求項２０の回転電機システム。
22. 請求項１に記載の回転電機を搭載したハイブリッド自動車。
23. 請求項１に記載の回転電機を搭載した燃料電池自動車。
24. 請求項１に記載の回転電機を搭載した電気自動車。
    

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