JP2010220421A

JP2010220421A - 回転電機システム

Info

Publication number: JP2010220421A
Application number: JP2009065546A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Serikawa; 一朗芹川; Mitsuhiro Kawamura; 光弘川村; Haruyuki Yonetani; 晴之米谷
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】回転電機の軸方向寸法を短縮する。
【解決手段】回転電機は、固定子コイルと、円弧状の第１サーキットリング４１、４２と、円弧状の第２サーキットリング５１、５２とを有する。固定子コイルは、第１の３相コイル１０と第２の３相コイル２０を含む。第１サーキットリング４１、４２は、回転軸１を含む境界平面８１で区切られて形成された第１空間１９に、間隔をあけて軸方向に並んで複数配置される。第２サーキットリング５１、５２は、境界平面８１を挟んで第１空間１９と反対側の第２空間２９に、複数配置される。第１の３相コイル１０のコイルエンド部１５、１６は、第１サーキットリング４１、４２に接続される。第２の３相コイル２０のコイルエンド部２５、２６は、第２サーキットリング５１、５２に接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数台の３相出力インバータにより駆動される回転電機システムに関する。

３相出力インバータによって電源供給されて駆動される回転電機は、一般に、回転軸周りを回転する回転子と、この回転子を取り囲む固定子を有する。固定子は、回転軸方向に複数積層された鋼鈑によって形成される固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻かれる固定子コイルを有している。このような回転電機では、複数台の３相出力インバータによって駆動されているものが多くある。

しかし、複数台の３相出力インバータを回転電機に接続すると、固定子鉄心の軸方向端部に形成されるコイル接続部の構造が、複雑になる場合がある。コイルの接続部の構造が複雑になると、固定子の軸方向寸法が増大する。固定子の寸法増大に伴い、回転電機の寸法も増大する。

回転電機の寸法増大を抑制する方法として、例えば、特許文献１に開示されているように、コイルの接続構造を改良し回転電機を小型化する方法などが知られている。

特開２００６−１９１７３３号公報

固定子鉄心の軸方向外側には、固定子コイル等を配線するために、部分環状の導体（サーキットリング）が複数配置される。例えば、２組の３相出力インバータを接続して回転電機を駆動するときには、少なくとも８個のサーキットリングが軸方向に互いに間隔をあけて配列されるものがある。

これらのサーキットリングの周りには、固定子コイルのコイルエンド部や、引出しリード等が複雑に配線される。このため、軸方向寸法が増大してしまう。このような場合、上記のような例では、軸方向の寸法の増大を抑制することが困難になるものもある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転電機の軸方向寸法を短縮することである。

上記目的を達成するための本発明に係る回転電機システムは、第１の３相出力インバータおよび第２の３相出力インバータを含む複数の３相出力インバータと、これらの３相出力インバータによって駆動される回転電機とを有する回転電機システムにおいて、前記回転電機は、回転軸周りを回転する回転子と、前記回転子を半径方向外側から覆うように形成された略円筒形の固定子鉄心と、前記第１の３相出力インバータからの３相の出力それぞれに対応した３つのコイルからなり、これらの各コイルが前記回転軸を含む平面で少なくとも２つに区切られて形成された第１空間内で且つ前記固定鉄心の内周側に周方向に互いに隣接するように配置されて、前記各コイルそれぞれの一方の端部に前記第１の３相出力インバータからの出力が供給される第１インバータ側コイルエンド部が形成されて、前記各コイルそれぞれの他方の端部は互いに結線されて中性点となる第１中性点側コイルエンド部が形成されて、前記第１インバータ側コイルエンド部および第１中性点側コイルエンド部それぞれが前記固定子鉄心の一方の軸方向端部から軸方向外側に向かって延びるように巻き回された第１の３相コイルと、前記第２の３相出力インバータからの３相の出力それぞれに対応した３つのコイルからなり、これらの各コイルが前記平面で区切られた空間のうち前記第１空間とは別の第２空間内で且つ前記固定鉄心の内周側に周方向に互いに隣接するように配置されて、前記各コイルそれぞれの一方の端部は前記第２の３相出力インバータからの出力が供給される第２インバータ側コイルエンド部が形成されて、前記各コイルそれぞれの他方の端部は互いに結線されて中性点となる第２中性点側コイルエンド部が形成されて、前記第２インバータ側コイルエンド部および第２中性点側コイルエンド部それぞれは前記第１インバータ側コイルエンド部がある側の前記固定子鉄心の軸方向端部から軸方向外側に向かって延びるように巻き回された第２の３相コイルと、それぞれが導電性を備え略円弧状で前記回転軸の半径方向外側に配置されて、それぞれが前記第１空間内で前記第１インバータ側コイルエンド部がある側の前記固定子鉄心の軸方向端部に軸方向外側に互いに所定の間隔をあけて軸方向に並んで複数配置されて、前記第１の３相出力インバータからの３相の出力それぞれの出力端子と電気的に接続され且つ前記各第１インバータ側コイルエンド部それぞれと互いに電気的に接続される複数の第１インバータ側サーキットリングと、導電性を備え略円弧状で前記回転軸の半径方向外側に配置されて、少なくとも１つの前記第１インバータ側サーキットリングと互いに所定の間隔をあけて軸方向に並んで配置されて、前記第１中性点側コイルエンド部と互いに電気的に接続される少なくとも１つの第１中性点側サーキットリングと、それぞれが導電性を備え略円弧状で前記回転軸の半径方向外側に配置されて、それぞれが前記第２空間内で前記第２インバータ側コイルエンド部がある側の前記固定子鉄心の軸方向端部に軸方向外側に互いに所定の間隔をあけて軸方向に並んで複数配置されて、前記第２の３相出力インバータからの３相の出力それぞれの出力端子と電気的に接続され且つ前記各第２インバータ側コイルエンド部それぞれと互いに電気的に接続される複数の第２インバータ側サーキットリングと、導電性を備え略円弧状で前記回転軸の半径方向外側に配置されて、少なくとも１つの前記第２インバータ側サーキットリングと互いに所定の間隔をあけて軸方向に並んで配置されて、前記第２中性点側コイルエンド部と互いに電気的に接続される少なくとも１つの第２中性点側サーキットリングと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の軸方向寸法を短縮することが可能になる。

本発明に係る回転電機システムの一実施形態で、固定子コイルの配置状態を示すコイル配置図である。図１の固定子コイルおよび２台の３相出力インバータの結線図である。従来の固定子コイルの結線図の例である。

以下、本発明に係る回転電機システムの一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、本実施形態の回転電機システムの固定子コイルの配置状態を示すコイル配置図である。図２は、図１の固定子コイルおよび２台の３相出力インバータの結線図である。図３は、従来の固定子コイルの結線図である。なお、図２および図３の結線図は、コイル、コイルエンド、およびサーキットリング等の各部材に対応する部位に符号を付している。

先ず、本実施形態の回転電機システムの構成について説明する。

本実施形態の回転電機システムは、水平に延びる回転軸１周りを回転する回転子２と、この回転子２を半径方向外側から覆うように配置された固定子３を有する。

回転子２の一方の端部は、負荷に連結される負荷側端部で、もう一方は反負荷側端部となる。固定子３は、詳細な図示は省略するが、固定子鉄心（図示せず）と、この固定子鉄心に巻き付けられる固定子コイルを有する。

また、この回転電機システムには、少なくとも２台の３相出力インバータ、すなわち、第１の３相出力インバータ７１および第２の３相出力インバータ７２を有している。第１の３相出力インバータ７１および第２の３相出力インバータ７２それぞれは、３相（Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相）の出力によって、回転電機を駆動する。

固定子鉄心は、回転軸１に垂直に広がる面を有する中空円板状の鋼鈑が、軸方向に積層された略円筒形状である。この円筒形状の中空部に回転子２が挿入される。この固定子鉄心の内周側には、軸方向に延びた溝（図示せず）が互いに周方向に間隔をあけて並んで複数形成されている。この溝に固定子コイルが巻き付けられている。

固定子コイルは、第１の３相出力インバータ７１からの３相の出力それぞれに対応する第１の３相コイル１０と、第２の３相出力インバータ７２からの３相の出力それぞれに対応する第２の３相コイル２０を含む。

第１の３相コイル１０は、３つのコイル、すなわち第１Ｕ相コイル１１、第１Ｗ相コイル１２、および第１Ｖ相コイル１３を有する。第２の３相コイル２０は、３つのコイル、すなわち第２Ｕ相コイル２１、第２Ｗ相コイル２２、および第２Ｖ相コイル２３を有する。これらの６つのコイル、すなわち第１Ｕ相コイル１１、第１Ｗ相コイル１２、第１Ｖ相コイル１３、第２Ｕ相コイル２１、第２Ｗ相コイル２２、および第２Ｖ相コイル２３それぞれが、固定子鉄心の内周側に、等間隔に並んで配置されている。

一方の軸方向端部から固定子鉄心をみたときに、固定子コイルは、第１Ｕ相コイル１１を起点として、周方向に沿って、第１Ｕ相コイル１１、第１Ｗ相コイル１２、第１Ｖ相コイル１３、第２Ｕ相コイル２１、第２Ｗ相コイル２２、第２Ｖ相コイル２３の順に配置されている。各コイルそれぞれは、固定子鉄心の内周に形成された溝に別々に巻きつけられている。

また、第１の３相コイル１０の各コイルそれぞれは、回転軸１を含む所定の平面を境界平面８１として、この境界平面８１によって２つに区切られたうちの一方の空間（第１空間１９）に全て配置されている。第２の３相コイル２０の各コイルそれぞれは、境界平面８１によって２つに区切られたうちの他方の空間、すなわち第２空間２９に配置されている。

第１Ｕ相コイル１１、第１Ｗ相コイル１２、第１Ｖ相コイル１３それぞれの一方の端部には、第１の３相出力インバータ７１からの出力が供給される第１インバータ側コイルエンド部１５が形成される。また、反対側の端部には、端部同士が互いに電気的に結線されて中性点となる第１中性点側コイルエンド部１６が形成される。

同様に、第２Ｕ相コイル２１、第２Ｗ相コイル２２、第２Ｖ相コイル２３それぞれの一方の端部には、第２の３相出力インバータ７２からの出力が供給される第２インバータ側コイルエンド部２５が形成される。また、反対側の端部には、端部同士が互いに電気的に結線されて中性点となる第２中性点側コイルエンド部２６が形成される。

第１インバータ側コイルエンド部１５、第１中性点側コイルエンド部１６、第２インバータ側コイルエンド部２５、および第２中性点側コイルエンド部２６それぞれは、固定子鉄心の負荷側端部から軸方向外側に向かって延びるように巻き回されている。

固定子鉄心の負荷側端部の軸方向外側には、３つの第１インバータ側サーキットリング４１および１つの第１中性点側サーキットリング４２が、軸方向外側に互いに間隔をあけて配置されている。これらのサーキットリング４１、４２は、回転軸１に垂直な平面内に周方向に延びる円弧状であって、回転軸１を中心とする中心角が１８０度未満の円弧状である。また、これらのサーキットリング４１、４２は、回転軸１の半径方向外側で且つ全てが第１空間１９内に配置されている。これらのサーキットリング４１、４２それぞれの横断面形状は、軸方向に短い長方形であることが好ましい。

なお、これらのサーキットリング４１、４２は、固定子鉄心の負荷側端部から軸方向外側に延びる固定部材（図示せず）等で固定されている。

３つの第１インバータ側サーキットリング４１それぞれは、第１の３相出力インバータ７１からの３相の出力それぞれに対応する各出力端子と電気的に接続される。さらに、これらの第１インバータ側サーキットリング４１それぞれは、第１Ｕ相コイル１１、第１Ｗ相コイル１２、および第１Ｖ相コイル１３それぞれの第１インバータ側コイルエンド部１５と互いに電気的に接続されている。例えばＶ相に対応する出力端子と電気的に接続された第１インバータ側サーキットリング４１は、第１Ｖ相コイル１３の第１インバータ側コイルエンド部１５と電気的に接続される。

第１中性点側サーキットリング４２は、第１Ｕ相コイル１１、第１Ｗ相コイル１２、および第１Ｖ相コイル１３それぞれの第１中性点側コイルエンド部１６と互いに電気的に接続されている。

第２空間２９には、３つの第２インバータ側サーキットリング５１および１つの第２中性点側サーキットリング５２が、軸方向外側に互いに間隔をあけて配置されている。これらのサーキットリング５１、５２それぞれは、第１空間１９に配置された第１インバータ側サーキットリング４１等と、境界平面８１を挟んでほぼ対向するように配置される。

第２インバータ側サーキットリング５１および第２中性点側サーキットリング５２それぞれは、第１インバータ側サーキットリング４１等と同様に、回転軸１に垂直な平面内に周方向に延びる円弧状であって、回転軸１を中心とする中心角が１８０度未満の円弧状である。これらのサーキットリング５１、５２それぞれの横断面形状は、軸方向に短い長方形であることが好ましい。

なお、これらのサーキットリング５１、５２は、固定子鉄心の負荷側端部から軸方向外側に延びる固定部材（図示せず）等で固定されている。

３つの第２インバータ側サーキットリング５１それぞれは、第２の３相出力インバータ７２からの３相の出力それぞれに対応する各出力端子と電気的に接続される。さらに、これらの第２インバータ側サーキットリング５１それぞれは、第２Ｕ相コイル２１、第２Ｗ相コイル２２、および第２Ｖ相コイル２３それぞれの第２インバータ側コイルエンド部２５と互いに電気的に接続されている。例えば第２の３相出力インバータ７２のＵ相に対応する出力端子と電気的に接続された第２インバータ側サーキットリング５１は、第２Ｕ相コイル２１の第２インバータ側コイルエンド部２５と電気的に接続される。

第２中性点側サーキットリング５２は、第２Ｕ相コイル２１、第２Ｗ相コイル２２、および第２Ｖ相コイル２３それぞれの第２中性点側コイルエンド部２６と互いに電気的に接続されている。

図２の結線図では、第１の３相出力インバータ７１と電気的に接続される第１インバータ側サーキットリング４１は、第１Ｖ相コイル１３用のもののみを示し、第１Ｕ相コイル１１用および第１Ｗ相コイル１２用の図示は省いている。同様に、第２の３相出力インバータ７２と電気的に接続される第２インバータ側サーキットリング５１は、第２Ｕ相コイル２１用のもののみを示し、第２Ｗ相コイル２２用および第２Ｖ相コイル２３用の図示は省いている。

従来の一般的な２組の３相コイルおよび２台の３相出力インバータの結線図の概略は、図３に示すように、第１の３相出力インバータ７１に対応する第１インバータ側サーキットリング４１と、第２中性点側サーキットリング５２とが、軸方向に交差する部分（交差部８５）がある。

これに対して、本実施形態では、回転軸１を含む境界平面８１を境界にして、第１空間１９側に第１の３相コイル１０を配置して、第２空間２９側に第２の３相コイル２０を配置している。これによって、第１の３相コイル１０と電気的に接続されるサーキットリング４１、４２を第１空間１９内に配置して、第２の３相コイル２０と電気的に接続されるサーキットリング５１、５２を第２空間２９内に配置することが可能になる。

これにより、第１空間１９側のサーキットリング４１、４２と、第２空間２９側のサーキットリング５１、５２とが、軸方向に互いに重なる部分がなくなる。このため、同じ空間内に配置されるサーキットリング同士の軸方向距離を短くすることが可能になる。

したがって、回転電機の軸方向寸法を短縮することが可能になる。

上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、第１中性点側コイルエンド部１６は、１つの第１中性点側サーキットリング４２に電気的に接続されて、第２中性点側コイルエンド部２６は、１つの第２中性点側サーキットリング５２に電気的に接続されているが、これに限らない。例えば、第１中性点側サーキットリング４２を３つ配置して、第１Ｕ相コイル１１、第１Ｗ相コイル１２、および第１Ｖ相コイル１３それぞれの第１中性点側コイルエンド部１６を、３つの第１中性点側サーキットリング４２それぞれに電気的に接続してもよい。この場合、３つの第１中性点側サーキットリング４２それぞれに引出しリード等を電気的に接続して、これらの引出しリードを互いに結線するとよい。

また、本実施形態では、１つの境界平面８１によって、第１空間１９および第２空間２９を形成して、それぞれの空間に別々の３相コイルに対応するサーキットリングを配置しているが、これに限らない。例えば、回転軸１を含む３つの平面で空間を区切ることによって、３つの空間を形成して、それぞれの空間に別々の３相コイルを１組ずつ配置してもよい。この場合、３つの空間それぞれに、各３相コイルに対応するサーキットリングを配置するとよい。

１…回転軸、２…回転子、３…固定子、１０…第１の３相コイル、１１…第１Ｕ相コイル、１２…第１Ｗ相コイル、１３…第１Ｖ相コイル、１５…第１インバータ側コイルエンド部、１６…第１中性点側コイルエンド部、１９…第１空間、２０…第２の３相コイル、２１…第２Ｕ相コイル、２２…第２Ｗ相コイル、２３…第２Ｖ相コイル、２５…第２インバータ側コイルエンド部、２６…第２中性点側コイルエンド部、２９…第２空間、４１…第１インバータ側サーキットリング、４２…第１中性点側サーキットリング、５１…第２インバータ側サーキットリング、５２…第２中性点側サーキットリング、７１…第１の３相出力インバータ、７２…第２の３相出力インバータ、８１…境界平面、８５…交差部

Claims

第１の３相出力インバータおよび第２の３相出力インバータを含む複数の３相出力インバータと、これらの３相出力インバータによって駆動される回転電機とを有する回転電機システムにおいて、
前記回転電機は、
回転軸周りを回転する回転子と、
前記回転子を半径方向外側から覆うように形成された略円筒形の固定子鉄心と、
前記第１の３相出力インバータからの３相の出力それぞれに対応した３つのコイルからなり、これらの各コイルが前記回転軸を含む平面で少なくとも２つに区切られて形成された第１空間内で且つ前記固定鉄心の内周側に周方向に互いに隣接するように配置されて、前記各コイルそれぞれの一方の端部に前記第１の３相出力インバータからの出力が供給される第１インバータ側コイルエンド部が形成されて、前記各コイルそれぞれの他方の端部は互いに結線されて中性点となる第１中性点側コイルエンド部が形成されて、前記第１インバータ側コイルエンド部および第１中性点側コイルエンド部それぞれが前記固定子鉄心の一方の軸方向端部から軸方向外側に向かって延びるように巻き回された第１の３相コイルと、
前記第２の３相出力インバータからの３相の出力それぞれに対応した３つのコイルからなり、これらの各コイルが前記平面で区切られた空間のうち前記第１空間とは別の第２空間内で且つ前記固定鉄心の内周側に周方向に互いに隣接するように配置されて、前記各コイルそれぞれの一方の端部は前記第２の３相出力インバータからの出力が供給される第２インバータ側コイルエンド部が形成されて、前記各コイルそれぞれの他方の端部は互いに結線されて中性点となる第２中性点側コイルエンド部が形成されて、前記第２インバータ側コイルエンド部および第２中性点側コイルエンド部それぞれは前記第１インバータ側コイルエンド部がある側の前記固定子鉄心の軸方向端部から軸方向外側に向かって延びるように巻き回された第２の３相コイルと、
それぞれが導電性を備え略円弧状で前記回転軸の半径方向外側に配置されて、それぞれが前記第１空間内で前記第１インバータ側コイルエンド部がある側の前記固定子鉄心の軸方向端部に軸方向外側に互いに所定の間隔をあけて軸方向に並んで複数配置されて、前記第１の３相出力インバータからの３相の出力それぞれの出力端子と電気的に接続され且つ前記各第１インバータ側コイルエンド部それぞれと互いに電気的に接続される複数の第１インバータ側サーキットリングと、
導電性を備え略円弧状で前記回転軸の半径方向外側に配置されて、少なくとも１つの前記第１インバータ側サーキットリングと互いに所定の間隔をあけて軸方向に並んで配置されて、前記第１中性点側コイルエンド部と互いに電気的に接続される少なくとも１つの第１中性点側サーキットリングと、
それぞれが導電性を備え略円弧状で前記回転軸の半径方向外側に配置されて、それぞれが前記第２空間内で前記第２インバータ側コイルエンド部がある側の前記固定子鉄心の軸方向端部に軸方向外側に互いに所定の間隔をあけて軸方向に並んで複数配置されて、前記第２の３相出力インバータからの３相の出力それぞれの出力端子と電気的に接続され且つ前記各第２インバータ側コイルエンド部それぞれと互いに電気的に接続される複数の第２インバータ側サーキットリングと、
導電性を備え略円弧状で前記回転軸の半径方向外側に配置されて、少なくとも１つの前記第２インバータ側サーキットリングと互いに所定の間隔をあけて軸方向に並んで配置されて、前記第２中性点側コイルエンド部と互いに電気的に接続される少なくとも１つの第２中性点側サーキットリングと、
を有することを特徴とする回転電機システム。
前記第１中性点側サーキットリングおよび第２中性点側サーキットリングはそれぞれ少なくとも３つずつ有し、
前記第１の３相コイルの各コイルの前記第１中性点側コイルエンド部を形成する側の端部それぞれは、３つの前記第１中性点側サーキットリングそれぞれに電気的に接続されて、これら３つの前記第１中性点側サーキットリングが互いに結線されて前記第１の３相コイルの中性点を形成するように構成されて、
前記第２の３相コイルの各コイルの前記第２中性点側コイルエンド部を形成する側の端部それぞれは、３つの前記第２中性点側サーキットリングそれぞれに電気的に接続されて、これら３つの前記第２中性点側サーキットリングが互いに結線されて前記第２の３相コイルの中性点を形成するように構成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の回転電機システム。