JP2010279205A - スイッチング素子一体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子とコイルとを電気的に接続する導電経路の抵抗による損失がより少ないスイッチング素子一体型回転電機を得る。
【解決手段】アウタステータ２Ｓのヨーク２０ｏの外周に配置したスイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導体部としての配線８０が、ヨーク２０ｏをティース２０ｔの突出方向Ｅに沿って貫通するように構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、スイッチング素子一体型回転電機に関する。

従来、アウタステータの外周にスイッチング素子を配置したスイッチング素子一体型回転電機が知られている（例えば特許文献１）。

特許第３５５９９０９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されるスイッチング素子一体型回転電機では、スイッチング素子とコイルとを接続する配線が屈曲した経路で配索されているため、配線の抵抗による損失が大きくなってしまう虞があった。

そこで、本発明は、スイッチング素子とコイルとを電気的に接続する導電経路の抵抗による損失がより少ないスイッチング素子一体型回転電機を得ることを目的とする。

本発明にかかるスイッチング素子一体型回転電機にあっては、アウタステータのヨークの外周に配置したスイッチング素子とコイルとを電気的に接続する導体部が、ヨークを、ティースの突出方向に沿って貫通するように構成したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、スイッチング素子とコイルとを電気的に接続する導電経路がより短くなる分、当該導電経路における電気抵抗による損失をより少なくすることができる。

図１は、本発明の実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機を含む回路の等価回路図である。 図２は、本発明の実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機の一つの相に含まれる複数の並列なスイッチング素子および配線を示す回路図である。 図３は、本発明の第１実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機の内部構成の一部を示す斜視図である。 図４は、本発明の第１実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機に含まれるアウタステータの一部を示す斜視図である。 図５は、本発明の第２実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機に含まれるアウタステータの一部を示す斜視図である。 図６は、本発明の第３実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機に含まれるアウタステータの一部を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態には同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素に共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）図１に示すように、本実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機１（以下、単に回転電機１と称する）は、Ｕ相のコイル６ｕ、Ｖ相のコイル６ｖ、およびＷ相のコイル６ｗを有する三相交流モータ２と、複数のスイッチング素子９ｕｐ，９ｖｐ，９ｗｐ，９ｕｍ，９ｖｍ，９ｗｍによって構成されるインバータ３と、を一体に含んでいる。インバータ３は、配線１０ｐ，１０ｍを介してバッテリ４およびコンデンサ５に接続されており、図示しない制御装置によって複数のスイッチング素子９ｕｐ，９ｖｐ，９ｗｐ，９ｕｍ，９ｖｍ，９ｗｍのオンオフを制御され、各相の配線８ｕ，８ｖ，８ｗおよびコイル６ｕ，６ｖ，６ｗに対して、相互に位相差を有する所定波形の交流電力を出力する。各相のコイル６ｕ，６ｖ，６ｗは、中性点７で接続されている。

また、図２に示すように、本実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機１では、各相に、スイッチング素子９ｕｐ，９ｖｐ，９ｗｐ，９ｕｍ，９ｖｍ，９ｗｍを構成する複数のスイッチング素子９０（正極側素子９０ｐおよび負極側素子９０ｍ）、ならびに配線８０が、並列に複数含まれており、各相のコイル６ｕ，６ｖ，６ｗには、複数本（本実施形態では５本）の配線（巻線）８０が並列に巻かれている。

図３に示すように、回転電機としてのモータ２は、回転軸Ａｘの周りに略環状に配置されるアウタステータ２Ｓと、当該アウタステータ２Ｓの径方向内側に配置されて回転軸Ａｘ周りに回転するインナロータ２Ｒと、を備えている。なお、図３では、説明の便宜上、アウタステータ２Ｓの一部を切り欠いてあるが、アウタステータ２Ｓは全周に亘って連続するものとして構成してもよいし、図３のように実際に一部を切り欠いた構成としてもよい。

インナロータ２Ｒは、図示しない永久磁石が埋め込まれた所謂ＩＰＭ型のロータとして形成されている。なお、ＳＰＭ型のロータとしてもよい。また、各図では、ケース、シャフト、軸受等は省略してある。

一方、アウタステータ２Ｓは、図３および図４に示すように、回転軸Ａｘの周方向に略沿って延在するヨーク２０ｏと、ヨーク２０ｏから回転軸Ａｘの径方向内側に向けて突出する複数のティース２０ｔと、当該ティース２０ｔに巻回された配線束８ｕｔからなるコイル６と、を有しており、周方向に沿って一定のピッチで並ぶ複数の電磁石が形成されている。なお、配線束８ｕｔは、図２に示すように、並列な複数の配線８０を相互に絶縁させた状態で束ねたものである。本実施形態では、一つのコイル６に巻回される配線８０を束ねて配線束８ｕｔが形成されている。

また、本実施形態では、ヨーク２０ｏとティース２０ｔとからなるステータコアは、ティース２０ｔ毎（コイル６毎）に分割された分割体２０を組み合わせて構成されている。ステータコアは、例えば圧粉磁心として構成することができる。また、コイル６は、ティース２０ｔに配線束８ｕｔを巻回した所謂集中巻きの形態となっている。

ここで、本実施形態では、図３および図４に示すように、複数のスイッチング素子９０をヨーク２０ｏの外周に配置してある。具体的には、複数（本実施形態では五つ）のスイッチング素子９０を、外周面２０ａ上の周方向の中央部に一列に並べて載置してある。この際、スイッチング素子９０の内部導体と外周面２０ａとの間で絶縁が確保されるのは勿論である。

スイッチング素子９０は、本実施形態では、正極側素子９０ｐと負極側素子９０ｍとを一体化したものとして構成されている。なお、図３および図４では、バッテリ４およびコンデンサ５とスイッチング素子９０とを電気的に接続する配線１０ｐ，１０ｍや、スイッチング素子９０のオンオフ制御用の配線は、省略してある。

また、スイッチング素子９０は、ティース２０ｔおよびそれに巻回されるコイル６毎に、そのコイル６に並列に巻回される配線８０の数（本実施形態では５つ）ずつ設けられている。すなわち、スイッチング素子９０の数は、本実施形態では、コイル６の数の５倍となっており、各分割体２０の外周面２０ａ上に、スイッチング素子９０が５個ずつ載置されている。

このように、本実施形態では、多数の並列なスイッチング素子９０によって、図１の等価回路に示すスイッチング素子９ｕｐ，９ｖｐ，９ｗｐ，９ｕｍ，９ｖｍ，９ｗｍが構成されている。かかる構成により、各スイッチング素子９０を小型化しかつ各配線８０を細径化することが可能になるとともに、スイッチング素子９０をオンオフするタイミングをわずかに適宜にずらすことで、サージを減殺することも可能となる。さらには、コンデンサ５の容量をより小さくすることも可能となる。

また、ヨーク２０ｏには、ティース２０ｔの突出方向Ｅに沿う貫通孔２０ｂを形成し、この貫通孔２０ｂに配線束８ｕｔ内の配線８０を挿通して、スイッチング素子９０とコイル６とを接続してある。すなわち、本実施形態では、貫通孔２０ｂが配線挿通部に相当し、配線８０が導体部に相当する。

なお、コイル６の配線束８ｕｔのスイッチング素子９０に接続される側とは反対側の端部は、中性点７を形成するバスリング７０に接続される。

以上、説明したように、本実施形態では、アウタステータ２Ｓのヨーク２０ｏの外周に配置したスイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導体部としての配線８０が、ヨーク２０ｏをティース２０ｔの突出方向Ｅに沿って貫通するように構成した。よって、スイッチング素子９０とコイル６との間を電気的に接続する導電経路がより短くなる分、当該導電経路の電気抵抗による損失をより少なくすることができる。また、配線を屈曲した経路で配索する場合に比べて、製造の手間を減らして製造コストの低減に資するという利点もある。

また、本実施形態では、ヨーク２０ｏに配線挿通部としての貫通孔２０ｂを形成し、当該配線挿通部に配線８０の端部を挿通するという比較的簡素な構成によって、導電経路の電気抵抗による損失をより少なくする構成を、得ることができる。なお、配線挿通部は、切欠等として形成することも可能である。

また、本実施形態では、ティース２０ｔおよびコイル６毎に形成される分割体２０における、スイッチング素子９０、配線挿通部としての貫通孔２０ｂ、ならびに当該貫通孔２０ｂに挿通される配線８０のスペック（ティース２０ｔに対する相対位置、大きさ等）を、複数（好適には全て）の分割体２０について同じにしてある。よって、複数の電磁石間の磁力のばらつきを抑制することができ、インナロータ２Ｒの回転むらが生じるのを抑制することができる。なお、上記スペックは、電磁石の磁力低下が極力生じないように設定することが可能であるし、回転電機１の性能低下を極力避けるためにインナロータ２Ｒの構成を最適化することも可能である。

（第２実施形態）図５に示すように、本実施形態では、アウタステータ２Ｓのステータコアの分割体２０Ａを積層鋼板２１によって形成し、その積層鋼板２１のうちの一部の鋼板２２を、スイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導体部として用いている。

鋼板２２は、導電性部材によって板状に形成され、他の積層鋼板２１とともにステータコア（ヨーク２０ｏおよびティース２０ｔ）を構成する本体部２２ａと、本体部２２ａから略一定幅で径方向外側に突出する突出部２２ｂと、突出部２２ｂの径方向外側の端部に直交して当該突出部２２ｂとともに略Ｔ字を形成する冷却部２２ｃと、を有している。鋼板２２の少なくとも本体部２２ａの表裏には、例えば絶縁性フィルムをラミネート加工する等によって絶縁層が形成されており、積層鋼板２１との間で絶縁が確保されている。

また、本実施形態では、スイッチング素子９０は、突出部２２ｂの表面２２ｄに実装されている。そして、スイッチング素子９０の内部導体を突出部２２ｂに電気的に接続するとともに、配線束８ｕｔの内部の一つの配線８０の一端を、ティース２０ｔ、あるいはヨーク２０ｏのティース２０ｔ側の部分で、鋼板２２の本体部２２ａに電気的に接続してある。本実施形態では、かかる構成により、鋼板２２が、スイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導体部となっている。

冷却部２２ｃは、空冷フィンあるいは水冷フィン（水配管を密着する等）として構成してもよいし、ペルチェ素子等で冷却してもよい。

なお、図５では、一つのスイッチング素子９０に対応する構成のみを示し、他のスイッチング素子９０に対応する構成については省略してある。また、バッテリ４およびコンデンサ５とスイッチング素子９０とを電気的に接続する配線１０ｐ，１０ｍや、スイッチング素子９０のオンオフ制御用の配線も、省略してある。

以上のように、本実施形態では、アウタステータ２Ｓのヨーク２０ｏの外周に配置したスイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導体部としての鋼板２２が、ヨーク２０ｏをティース２０ｔの突出方向Ｅに沿って貫通するように構成した。よって、スイッチング素子９０とコイル６との間を電気的に接続する導電経路がより短くなる分、当該導電経路の電気抵抗による損失をより少なくすることができる。また、配線を屈曲した経路で配索する場合に比べて、製造の手間を減らして製造コストの低減に資するという利点もある。

また、本実施形態では、ステータコアを積層鋼板２１で形成し、導体部を、当該積層鋼板２１をなす鋼板２２の少なくとも一部によって構成した。よって、積層鋼板２１によってステータコアを形成する場合に、導電経路の電気抵抗による損失をより少なくする構成を、鋼板２２を利用した比較的簡素な構成として得ることができる。

また、本実施形態でも、ティース２０ｔおよびコイル６毎に形成される分割体２０Ａにおける、スイッチング素子９０、ならびに導体部としての鋼板２２のスペック（ティース２０ｔに対する相対位置、大きさ等）を、複数（好適には全て）の分割体２０Ａについて同じにしてある。よって、複数の電磁石間の磁力のばらつきを抑制することができ、インナロータ２Ｒの回転むらが生じるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、鋼板２２の表面２２ｄにスイッチング素子９０を取り付けた。かかる構成によれば、ヨーク２０ｏにスイッチング素子９０を取り付けた構成を比較的簡素な構成として得ることができるとともに、導体部としての鋼板２２とスイッチング素子９０との電気的な接続を確立しやすくなり、その分、製造の手間を減らして製造コストの低減に資するという利点がある。

そして、本実施形態では、スイッチング素子９０を実装した鋼板２２に冷却部２２ｃを設けた。よって、冷却部２２ｃによって鋼板２２ひいてはスイッチング素子９０を冷却して、過熱を抑制することができる。

（第３実施形態）図６に示すように、本実施形態では、スイッチング素子９０がヨーク２０ｏの外周面２０ａ上に複数設けられており、それら複数のスイッチング素子９０の間となる位置に、スイッチング素子９０に電気的に接続されるバスバー１００を配置してある。バスバー１００は、図１および図２の配線１０ｐ，１０ｍや、オンオフ制御用の配線をなすものであって、導電性金属の棒状部材として形成され、外周面２０ａとの間で絶縁が確保された状態で、当該外周面２０ａ上に接着等によって固定されている。バスバー１００とスイッチング素子９０との間は、図示しないワイヤ等で電気的に接続される。

以上の本実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、アウタステータ２Ｓのヨーク２０ｏの外周に配置したスイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導体部としての配線８０が、ヨーク２０ｏをティース２０ｔの突出方向Ｅに沿って貫通するように構成してある。よって、スイッチング素子９０とコイル６との間を電気的に接続する導電経路がより短くなる分、当該導電経路の電気抵抗による損失をより少なくすることができる。

また、本実施形態でも、ティース２０ｔおよびコイル６毎に形成される分割体２０Ｂにおける、スイッチング素子９０、配線挿通部としての貫通孔２０ｂ、ならびに当該貫通孔２０ｂに挿通される配線８０のスペック（ティース２０ｔに対する相対位置、大きさ等）を、複数（好適には全て）の分割体２０について同じにしてある。よって、複数の電磁石間の磁力のばらつきを抑制することができ、インナロータ２Ｒの回転むらが生じるのを抑制することができる。

そして、本実施形態では、スイッチング素子９０をヨーク２０ｏの外周面２０ａ上に複数設け、複数のスイッチング素子９０の間となる位置に、それら複数のスイッチング素子９０に電気的に接続されるバスバー１００を配置した。よって、バスバー１００によって電気抵抗を減らすことができるとともに、ヨーク２０ｏの外周面２０ａ上に、複数のスイッチング素子９０およびバスバー１００を、効率よく配置することができる。また、外周面２０ａ上は磁束密度が比較的低い領域であるため、バスバー１００の配置によって回転電機１の性能が低下するのを回避しやすくなる。

また、本実施形態では、複数のスイッチング素子９０を外周面２０ａ上に例えば千鳥格子状に分散して載置することで、スイッチング素子９０を集約させて配置した場合に比べて、各電磁石における磁力の低下を抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず種々の変形が可能である。例えば、スイッチング素子の並列数は５以外であってもよいし、スイッチング素子を複数のコイルで共用してもよい。また、回転電機１の細部の構成も、上記実施形態には限定されず、種々に変更して実施することができる。

１ スイッチング素子一体型回転電機
２ モータ
２Ｒ インナロータ
２Ｓ アウタステータ
６ コイル
２０，２０Ａ，２０Ｂ 分割体（ステータコア）
２０ａ 外周面
２０ｂ 貫通孔（配線挿通部）
２０ｏ ヨーク
２０ｔ ティース
２１ 積層鋼板
２２ 鋼板（導体部）
２２ｃ 冷却部
２２ｄ 表面
８０ 配線（導体部）
９０ スイッチング素子
１００ バスバー
Ａｘ 回転軸
Ｅ 突出方向

Claims (7)

1. 回転軸の周方向に沿って延在するヨークと、当該ヨークから回転軸の径方向内側に向けて突出する複数のティースと、当該ティースに巻回された配線からなるコイルと、を有して回転軸の周方向に沿って並ぶ複数の電磁石が形成されたアウタステータと、
   前記周方向に沿って並べられて前記複数の電磁石と対向する複数の永久磁石を有するインナロータと、
   前記ヨークの外周に配置されたスイッチング素子と、
   前記ヨークを前記ティースの突出方向に沿って貫通して前記スイッチング素子と前記コイルとを電気的に接続する導体部と、
   を備えることを特徴とするスイッチング素子一体型回転電機。
2. 前記導体部は、前記ヨークに形成された配線挿通部に挿通された配線であることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子一体型回転電機。
3. 前記ヨークと前記ティースとからなるステータコアが積層鋼板で形成され、
   前記導体部が、前記積層鋼板をなす鋼板の少なくとも一部によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子一体型回転電機。
4. 前記スイッチング素子を前記鋼板の表面上に取り付けたことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング素子一体型回転電機。
5. 前記鋼板に、当該鋼板を冷却する冷却部を形成したことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング素子一体型回転電機。
6. 複数のティースのそれぞれに対応して前記スイッチング素子が設けられており、
   各ティースに対する前記導体部の相対的な位置を、複数のティースについて同じにしたことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一つに記載のスイッチング素子一体型回転電機。
7. 前記スイッチング素子が前記ヨークの外周面上に複数設けられており、
   前記複数の前記スイッチング素子の間となる位置に、それら複数のスイッチング素子に電気的に接続されるバスバーを配置したことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一つに記載のスイッチング素子一体型回転電機。

Images