JP2013062897A - インバータモータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で長寿命のインバータモータ装置を提供する。
【解決手段】複数スロットに巻装された三相のステータ巻線をモータの周方向に複数組並べて配置されたステータと外周に永久磁石を有する回転子とを備えたモータと、前記複数の三相のステータ巻線を駆動する複数の三相インバータとを備えたインバータモータ装置において、上記三相のステータ巻線を構成する各相巻線は、複数の丸線の素線からなり、複数のスロットに納められた各組のステータ巻線を対応する三相インバータに直接接続するとともに、複数のステータ巻線の巻線間のわたり部で、複数のスロット間に収納されたステータ巻線間のわたり部には絶縁強度の高い絶縁物を設け、隣のスロット間に収納されたステータ巻線間のわたり部には上記絶縁物より絶縁強度の低い絶縁物を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータモータ装置にかかわり、特に、小型で長寿命のインバータモータ装置に関する。

インバータモータ装置は、低価格、小型軽量、低トルクリプルであることのほか、振動の多い環境においても、耐震性を備えて長寿命であることなどが要求される。

これらの要求を一部実現できるモータとして、下記の開示技術がある。

第一の開示例として、１台のモータに２組の３相ステータ巻線を有し、その２組の３相ステータ巻線をそれぞれ２組のインバータ装置で駆動するインバータモータ装置が特許文献１（特開２０００−１７５４２０号）に開示されている。

第二の開示例として、高トルクで、トルクリプルを低減できる永久磁石モータ構造が、特許文献２（特許第２７６５７６４号公報）に開示されている。ここでは、永久磁石回転子として８極、固定子スロットとして３６スロットのモータ構造のいわゆる毎極毎相あたりのスロット数が分数（整数で割りきれない）となる分数スロットモータ構造が示されている。特に、一般に使用されている整数スロットのモータと異なり、１極を構成する巻線が極毎に異なる構成を開示している。

第三の開示例として、生産性の向上やスロット内の巻線の占積率等を向上できるモータ構造例が特許文献３（特開２００９−１９５００６号）に開示されている。ここでは、平角巻線を用いて、特に同極間の接続を連続的に巻回してコイル間の接続作業を省略した構成について開示している。

特開２０００−１７５４２０号公報 特許第２７６５７６４号公報 特開２００９−１９５００６号公報

上記特許文献１によれば、ひとつの大きなインバータによってモータの多相ステータ巻線を駆動せずに、分割されたより小さなインバータを複数台用いることでより汎用性のある、生産性の高いインバータが使用でき、コストの低減を行うことができる。

上記特許文献２の分数スロットモータ構成では、同相として接続される複数のステータ巻線が、永久磁石磁極に対してそれぞれ異なった位相を有することで、毎極毎相あたりのスロット数を整数倍に選択した永久磁石モータに比較して、トルクリプルを相対的に低減できることを開示している。

上記特許文献３の構成では、平角線を用いることによるスロット内の巻線占積率の向上と、同極のコイル間を連続接続したことによる接続作業の省略とによって生産性の向上とコイルエンド部の占める空間を少なくできることを開示している。

しかしながら、コイルエンド部に対する小型化と長寿命化については、上記のいずれの開示例も配慮がなされておらず、特に、小型化と長寿命化とを同時に実現できるモータの絶縁構成が課題であった。

本発明は、分数スロット構成モータの固定子巻線構成に対してコイルエンド部の絶縁を効果的に実施することで、小型で、長寿命のモータを備えたインバータモータ装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数スロットに巻装された三相のステータ巻線をモータの周方向に複数組並べて配置されたステータと外周に永久磁石を有する回転子とを備えたモータと、前記複数の三相のステータ巻線を駆動する複数の三相インバータとを備えたインバータモータ装置において、
上記三相のステータ巻線を構成する各相巻線は、複数の丸線の素線からなり、複数のスロットに納められた各組のステータ巻線を対応する三相インバータに直接接続するとともに、複数のステータ巻線の巻線間のわたり部で、他の相のステータ巻線に接触するわたり部には絶縁強度の高い絶縁物を設け、それ以外の巻線間のわたり部には上記絶縁物より絶縁強度の低い絶縁物を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、複数スロットに巻装された三相のステータ巻線をモータの周方向に複数組並べて配置されたステータと外周に永久磁石を有する回転子とを備えたモータと、前記複数の三相のステータ巻線を駆動する複数の三相インバータとを備えたインバータモータ装置において、
上記三相のステータ巻線を構成する各相巻線は、複数の丸線の素線からなり、複数のスロットに納められた各組のステータ巻線を対応する三相インバータに直接接続するとともに、複数のステータ巻線の巻線間のわたり部で、複数のスロット間に収納されたステータ巻線間のわたり部には絶縁強度の高い絶縁物を設け、隣のスロット間に収納されたステータ巻線間のわたり部には上記絶縁物より絶縁強度の低い絶縁物を設けたことを特徴とする。

また、上記に記載のインバータモータ装置において、同極間のステータ巻線のわたり部の長さを短く、他極へのステータ巻線のわたり部の長さを長くしたことを特徴とする。

また、上記に記載のインバータモータ装置において、中性点の引き出しをスロットの中心部より引き出したことを特徴とする。

また、上記に記載のインバータモータ装置において、多相ステータ巻線の組数が少なくとも４組以上であることを特徴とする。

本発明によれば、複数のステータ巻線間のわたり部の絶縁を一部省略できることにより、コイルエンド部の小型化、長寿命のモータが提供できる。

また、上記の効果に加え、同極間のわたり部の長さを短くできることにより、コイルエンド部の小型化ができる。さらに、上記効果に加え、巻線作業が容易になる、

本発明の実施例のモータの要部拡大断面図を示す。 同じくインバータモータ装置のモータ断面図を示す。 同じくインバータモータ装置のモータの軸方向断面図を示す。 同じくモータのステータコアとステータ巻線の周方向の展開図とその結線図を示す。 同じくモータの一つの相に属するステータ巻線の構成を示す。 同じく図５（ａ）のステータ巻線の構成の斜視図を示す。 同じくインバータモータ装置の構成を示す。 他の実施例のインバータモータ装置のモータ断面図を示す。 同じくモータのステータコアとステータ巻線の周方向の展開図とその結線図を示す。 同じくモータの一つの相に属するステータ巻線の構成を示す。

以下、本発明の実施例を図により説明する。図２に本発明の一実施例に基づくインバータモータ装置のモータ断面図を、図１にその一部拡大断面図を示す。図３に本発明のインバータモータ装置のモータの軸方向断面図を示す。

図において、モータ１は、ステータ２とロータ３とから構成される。ステータ２は、ステータコア４、ステータコア４の内周に多数設けられたスロット４Ａ（Ｓ１、Ｓ２、…）、スロット４Ａに収納されるステータ巻線５（５Ａ１…）とから構成されている。また、ステータ２は、固定子ピン１１、エンドブラケット１２によって、エンドプレート１３に固定された構成とする。

一方、ロータ３は、永久磁石６、ロータコア７、シャフト８、永久磁石６の軸方向の移動を抑えるロータプレート９、永久磁石６にかかる半径方向の力を支える磁石保持部材１０とから構成される。ロータ３は、ベアリング１５を介してエンドプレート１３に回転可能に支持されている。また、ロータ３の位置を検出する位置検出器のステータ１４Ａがエンドプレート１３に、位置検出器のロータ１４Ｂがシャフト８の軸上に固定され、位置検出器１４を構成している。ここでは、位置検出器１４として、レゾルバの例で示した。

位置検出器としては、レゾルバたけでなく、エンコーダでも可能であり。また、位置検出器はモータ内部に設置するのではなく、エンドプレートの外側、あるいはロータの回転位置が検出できる適切なところに設置できる。

ステータコア４は、例えば０．５ｍｍ厚の電磁鋼板を積層して構成され、図示のような外周形状で、固定子ピン１１用の孔や、ステータ巻線５を収納するスロット４Ａ、ロータ３の永久磁石６の磁気回路を構成するステータティース４Ｂ、外周部のステータコアバック４Ｃで構成される。その他、外周部には必要によっては、冷却用のフィンを一体に成型することも可能である。ステータコア４は積層部材であるが、その外周部を必要に応じて溶接し、機械強度を上げることができる。また、固定子ピン１１によってさらに一体にすることができる。

ロータ３は、永久磁石６とロータコア７とで磁気回路を構成し、一般には永久磁石６は小型化のためにネオジム磁石を使用する。ロータコア７は、鉄（磁性体）の鋳物等により製作される。ここでは、軽量化と冷却のため、図示のように、内周円筒部７Ａと外周円筒部７Ｂの二つの円筒部を持ち、その間をロータリブ７Ｃで連結する構成とした。従って、ロータリブ７Ｃ間には、通風孔７Ｄを備えた構成としている。これによって、永久磁石６やロータコア７内に発生するうず電流による発熱を効果的に除去することができる。

ここでは、ステータコア４のスロット数Ｎは１０８で、ロータ３の極数Ｐは２４極の例を示す。また、モータ１のステータ巻線５は三相巻線であり、毎極毎相のスロット数Ｎspp＝Ｎ／Ｐ／Ｍ（ここでＭは相数）は３／２で、整数ではなく、分数スロットである。なお、ステータ２のスロット数１０８とロータの極数２４はいわゆるスロット数９とロータの極数２のスロットコンビネーションが１２回の繰り返される構造である。構成の基本単位であるスロット数９とロータの極数２スロットコンビネーションは開示例２と同じである。

上記、分数スロットの利点は、スロット数を極数と相数で割った値Ｎsppが整数となるいわゆる整数スロットに比較して次の点で優れている。
（１）一つの相に属する各ステータ巻線の回転子の極に対する位相がそれぞれ異なっているために基本波に対する巻線係数の値をあまり下げずに、しかも高調波の影響を効果的に小さくすることができる利点がある。このことは、モータでいえばトルク脈動の少ないモータを提供できる。また、トルク脈動を下げるためのスキュー等の構造をとる必要がなく、製作工数を少なくできる。また、整数スロットで、スキューを施したモータに比較してトルクを増加することができる。
（２）高調波の影響を同一とすれば、相対的にスロットの数を減らすことができる。これは１個のスロットの面積が増えるので、占積率を向上できる。また、スロット数の減少はステータの巻線５とステータコア４との接触面積を少なくすることができるので、インバータ運転時におけるステータの巻線５からステータコア４への漏洩電流が少なくでき、使用した絶縁材の寿命を長くすることが可能になる。また、ステータ巻線のコイル数を減らすことができるので製作工数を低減し、安価なモータとすることができる。

特に、電動サーボプレス等の駆動装置として使用する場合に、モータは、長期間使われること、また、インバータでの運転となること等で分数スロットの選択は重要である。

本実施例においては、ステータ２のスロット数が１０８、ロータ３の極数は２４極を選択した。このステータ２のスロット数１０８とロータの極数２４はいわゆるスロット数９とロータの極数２の１２回の繰り返し構造である。この１２回の繰り返し数は非常に重要な選択である。例えば、同一の構成で同一の相に属するモータ１のステータ巻線５が１２組存在するので、使用するインバータの数を変えることで、インバータ１台に対して接続できるステータ巻線の数を大きく変えることができる。

すなわち、同じ素線、ターン数で構成されたステータ巻線で、インバータ１台に対して、ステータ巻線を１２組直列接続して使用する（つまり全体でインバータ１台を使用する）選択や、インバータ１台に対して、ステータ巻線を６組、直列接続して使用する（つまり全体でインバータ２台を使用する）選択や、インバータ１台に対して、ステータ巻線を３組、直列接続して使用する（つまり全体でインバータ４台を使用する）選択や、インバータ１台に対して、ステータ巻線を４組、直列接続して使用する（つまり全体でインバータ３台を使用する）選択、インバータ１台に対して、ステータ巻線を２組、直列接続して使用する（つまり全体でインバータ６台を使用する）選択、インバータ１台に対して、ステータ巻線を１組、接続して使用する（つまり全体でインバータ１２台を使用する）選択などができる。上記で、１２台のインバータを使用することによって１台のインバータを使用した場合に比較して、１２倍の速度まで回転させることができる。これによって、同じ構造のモータでも用途に応じて異なった特性が選択でき、多種類のトルク−速度特性を持ったインバータモータ装置として対応できる。

図１、２、４、５は、インバータ１台に対して、ステータ巻線５を２組（１組のＵ相のステータ巻線のコイルは９スロット／３相で３である）直列接続して使用する場合、つまり全体でインバータ６台を使用する例について示した。

インバータ６台の使用は、１台当たりのステータ巻線は全体の約６０度の範囲を占めるステータ巻線となるので、内転型のモータでは、巻線作業時にインバータ１台当たりのステータ巻線の量が少なく、占める固定子内部の作業空間を大きく取ることができ、巻線作業がしやすくなり、したがって占積率を向上できる等の利点がある。

従来例で示したインバータ２台の構成の場合には、１台のインバータに接続するステータ巻線が１８０度の範囲を占めるために、巻線作業時のステータ巻線の量が増加する。これによって、ステータ内部の作業空間が相対的に少なくなって、巻線がしにくくなる。これによって、モータの占積率が低下し、モータ効率を落とすことになる。インバータ４台以上の構成は従来例に対して、作業性、モータ特性の点で有効である。

以下、本実施例の巻線構成法について説明する。図１、図２において、ステータ巻線５を収納するスロット４Ａに順に番号が付加されている。図４には、本実施例のモータ（図１、図２で示された）のステータコア４と、ステータ巻線５の周方向の展開図とその結線図を示す。

ここでは、二組の３相のスター結線が構成できる範囲を示した。ステータ巻線５のコイル数は、スロットの数と同じで１０８である。１つのステータ巻線のコイル５Ａで、スロットの外周部であるステータ巻線の導体５ＢをＢとし、スロットの内周部であるステータ巻線の導体５ＢをＡと呼称する。ここでは、一つのステータ巻線の導体５Ｂは、数十本に達する複数の丸線のエナメル線（例えばΦ１のＡＩＷ）により構成されるものとする。また、ステータ巻線のコイル５Ａは複数組のスロットの内外周に配置されるステータ巻線の導体５Ｂを有する、つまり複数ターンの巻回数を有するものとする。

図５には、本実施例のモータのＷ１相に属するステータ巻線５の構成を示す。１０８個のステータ巻線５を３相のインバータ６台で駆動するので、１相当たりのステータ巻線５のコイルの数は６となる。

２極９スロットのいわゆる毎極、毎相あたりのスロット数が分数となる分数スロットの巻線構成については、例えば、執行岩根著「電気機械設計論」に記述されているが、２極９スロット構成では、隣のスロットに収納されるステータ巻線５との電気的な位相差は１８０×２極／９スロットで４０度となる。したがって、スロットＳ１からスロットＳ１８の外周側に配置される導体を有する１８組のステータ巻線５の中で、それぞれ位相の最も近い電気角６０度（３相モータの相帯で逆相も含む）の中に入るステータ巻線５は例えば、Ｗ相については（（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ６），（Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１５））のスロット４Ａの外周部に配置されるステータ巻線のコイル５Ａが組になるものである。

また、例えばスロットＳ１の外周部であるステータ巻線の導体５Ｂ（Ｓ１Ｂ）が１ターンのステータ巻線のコイル５Ａを形成すべきスロットの内周部であるステータ巻線の導体５Ｂとしては、スロット間隔が電気角で１８０度に最も近いスロットＳ５（電気角で１６０度）か、スロットＳ６（電気角で２００度）のステータ巻線５の導体５Ｂが選択される。電気的な位相差は逆相である１８０度に対して両方とも２０度ずつの間隔があり、同じである。しかし、ステータ巻線５のコイルエンド部を短くできるスロットＳ５の内周部であるステータ巻線の導体５Ｂ（Ｓ５Ａ）が、図示のように選択される（一般に、短節巻と称される）。

従って、順次Ｓ２の外周部であるステータ巻線の導体５Ｂ（Ｓ２Ｂ）が１ターンのステータ巻線のコイル５Ａを形成すべきスロットの内周部であるステータ巻線の導体５Ｂとしては、スロットＳ６の内周部であるステータ巻線の導体５Ｂ（Ｓ６Ａ）が図示のように選択され、順次Ｓ３の外周部であるステータ巻線の導体５Ｂ（Ｓ３Ｂ）が１ターンを形成すべきスロットの内周部であるステータ巻線の導体５ＢとしてはスロットＳ７の内周部であるステータ巻線の導体５Ａ（Ｓ７Ａ）が図示のように選択される。

したがって、一つのインバータのＷ相に属するステータ巻線５は、図１、２、４、５で示すように、スロットＳ１の外周のステータ巻線の導体５ＢからスロットＳ５の内周のステータ巻線の導体５Ｂへ（ステータ巻線のコイル５Ａ１）、さらにスロットＳ２の外周のステータ巻線の導体５ＢからスロットＳ６の内周のステータ巻線の導体５Ｂへ（ステータ巻線のコイル５Ａ２）、スロットＳ１０の内周のステータ巻線の導体５ＢからスロットＳ６の外周のステータ巻線の導体５Ｂへ（ステータ巻線のコイル５Ａ３）接続される。

さらに、スロットＳ１０の外周のステータ巻線の導体５ＢからスロットＳ１４の内周のステータ巻線の導体５Ｂへ（ステータ巻線のコイル５Ａ４）、さらにスロットＳ１１の外周のステータ巻線の導体５ＢからスロットＳ１５の内周のステータ巻線の導体５Ｂ（ステータ巻線のコイル５Ａ５）へ、スロットＳ１９の内周のステータ巻線の導体５ＢからスロットＳ１５の外周のステータ巻線の導体５Ｂへ（ステータ巻線のコイル５Ａ６）接続する。

ここで、スロットＳ１の外周のステータ巻線の導体５Ｂは外部への引き出し線Ｗ１とし、スロットＳ１５の外周のステータ巻線の導体５Ｂは中性点の接続ＷＮ１として、他のＶ、Ｕ相の中性点と接続される。中性点と外部への引き出しは逆であっても良い。分数スロットの巻線構成の特徴は図４に示すように、極を構成するコイルの数が２となる場合と１となる場合とがあり、全て同じではない点に特徴がある。

図５にモータの一つの相に属する６個のステータ巻線５の構成を示す。図５（ａ）に構成を、図５（ｂ）に断面を示す。図６は、図５（ａ）の巻線構成を斜めから見た斜視図である。各コイル５（５Ａ１〜５Ａ６）は同じ巻型によって巻回される。図では各巻線が３ターンの例を示すが、４ターンでも良くモータ仕様により適切なターン数が決定される。

１相を構成するステータ巻線は、６個のステータ巻線５のコイル５Ａ（５Ａ１、５Ａ２、５Ａ３、５Ａ４、５Ａ５、５Ａ６）とわたり部５Ｃ（５Ｃ１，５Ｃ２，５Ｃ３，５Ｃ４，５Ｃ５，）、中性点への引き出し線ＷＮ１、および外部への引き出し線Ｗ１からなり、複数の円形の素線によって構成される。つまり、途中に接続部を設けない構成としたことを特徴とする。

ステータ巻線５のコイル５Ａのわたり部５Ｃのうち、５Ｃ２，５Ｃ３，５Ｃ５には、巻線時にステータ巻線の導体５Ｂを構成する数十本単位の導体素線を、例えば管状の絶縁材５Ｄを図示のように取り付けて絶縁強度の高い絶縁処理を行う。ここで、ステータ巻線の導体５Ｂとして、０．５５ｍｍのエナメル線を５５本で構成され、絶縁材５Ｄとして、シリコンワニスガラスチューブを用いる。こうすることによって、電位差の大きい他の相のステータ巻線５と接触するコイルエンド部での、わたり部の絶縁処理を、追加工程で行う必要がない。巻線後のコイルエンド部は、導体素線が複雑に入り組んでいるため、作業性が悪く、絶縁物の挿入により膨らみやすい。巻線時での絶縁処理は、作業性が良いと共に、コンパクトに絶縁物を挿入することができ、コイルエンド部もコンパクトな構成とすることができる。

このように、複数のステータ巻線の巻線間のわたり部５Ｃが、複数のスロット間に収納されたステータ巻線間（図１、図２における外周部のコイルのＳ２とＳ６の間、Ｓ６とＳ１０の間、Ｓ１０とＳ１４の間）のわたり部には、電気的絶縁強度の高い絶縁材５Ｄを備えている。複数のスロットには他の相のステータ巻線が収納されており、上記わたり部はこの他の相のステータ巻線に接触する。

また、隣のスロット間（スロットＳ１とＳ２間、Ｓ１０とＳ１１間）に収納されたステータ巻線間のわたり部には、新たな絶縁をなくした構成としている。すなわち、導体素線はエナメル等の絶縁物が被覆されているので、その絶縁を利用することで前記絶縁材５Ｄより電気的絶縁強度の低い絶縁物で構成しているものである。

このように、本実施例では、隣のスロット間（スロットＳ１とＳ２間、スロットＳ１０とＳ１１間）に収納されたステータ巻線間のわたり部には、新たな絶縁をなくした構成とすることによって、コイルエンド部全体をコンパクトにでき、モータ全体を小型化することができる。また、複数のスロット間に収納されたステータ巻線間のわたり部に電気的絶縁強度の高い絶縁材５Ｄを備えているので、絶縁材の無いモータと比較して、高電圧に耐え、長寿命のモータとすることができる。特に、振動の多い電動サーボプレス装置用モータインバータ装置の適した構成である。以上の構成により、小型で長寿命のインバータモータ装置及びこれを搭載した電動サーボプレス装置を提供できる。

さらに、図４で示すように、同極に属するステータ巻線のコイル５Ａ間（５Ａ１，５Ａ２及び５Ａ４，５Ａ５）を接続するわたり部５Ｃ（５Ｃ１、５Ｃ４）の長さを異極に属するステータ巻線のコイル５Ａ間（５Ａ２，５Ａ３間、５Ａ３，５Ａ４間、５Ａ５，５Ａ６間）接続するわたり部５Ｃ（５Ｃ２，５Ｃ３，５Ｃ５）の長さよりも短くすることによって、ステータ巻線５の全長を短くでき、効率の良いモータとできるとともに、コイル５Ａ間を接続するわたり部５Ｃの冗長部分をなくすことができるので、コイルエンド空間を少なくでき、モータを小型化できる。

前記開示例２（特許文献２）で示した平角巻線を有する従来方式では、スロット内の巻線占積率は向上できるが、巻線内の渦電流によって、回転数の高い、高周波領域において、かえって抵抗が大きくなり、銅損を大きくしてしまう欠点がある。また、平角線のコイルエンド部の変形の困難さで亀甲状のコイル形状にするために、コイルエンド部の空間が大きくなってしまい、小型化には難がある。

本実施例の構成では、図示のように円形素線でかつ略長方形とすることによって、エンド部の変形が容易になるとともに、わたり線の新たな絶縁を行う部分と行わない部分を設けることによりコイルエンドをコンパクトにでき、モータも小型化できる。さらに、渦電流も小さくでき、高速域での効率を向上させることができる。また、効果的にコイルエンド部に絶縁を配置することで、高圧に耐え、長寿命のモータを提供できる。

また、上記の巻線においてＷ相の引き出し線の位置Ｗ１は、スロットの外周部から、中点の位置ＷＮ１も外周部より引き出す構成とした。しかしステータ巻線のコイル５Ａ６の中性点の引き出しをスロットに収納する以前に、図示反接続線側のコイルエンド部直線部にかけて内周側に移動させてからステータ巻線のコイル５Ａをスロット内に収納することにより、外周部からではなく、ステータ巻線の内外周中心から出すことが可能になる。これによって、巻線作業中、作業後の中性点の引き出し線を安定的に固定することができ、中性点の接続作業等がしやすくなる。

なお、以上の構成は１台のインバータに接続されるステータ巻線が、全周の約１／６の範囲内に収納される構成であるために、連続巻されたＷ１，Ｖ１，Ｕ１相のコイルをステータスロットに収納後、以下、Ｗ２，Ｖ２，Ｕ２相からＷ６，Ｖ６，Ｕ６相へいたるまで順次収めてゆく巻線スペースを設けることが可能である。これは、対象とするモータが外周径で数百ｍｍから１０００ｍｍ、トルクで数ｋＮｍの大型のモータで有効である。ステータの内側に大きな空間があるとともに、１組のスター巻線の占める空間が相対的に小さいから、巻線作業を容易に行うことができる。

以上、Ｗ相について説明したが、Ｖ相については電気角で１２０度位相の異なるＳ４からスタートし、Ｗ相と同様に６個のステータ巻線のコイルを、それぞれ順次Ｗ相と１２０度異なるスロットに収納することで、Ｕ相についてはＷ相から２４０度位相の異なるスロットＳ７からスタートし、順次スロットに収納することで完成できる。

図７に本発明の一実施例に基づくインバータモータ装置の構成を示す。図４で示したように、ロータ３の４極と、それに対応するステータ２の固定子スロット１８個分に対応するステータ巻線５のステータ巻線のコイル５Ａが１セットになり、各相６個ずつ組としてその間接続部なしで、一方はインバータ１７のＷ，Ｖ，Ｕの端子に、一方は中性点で接続した構成とする。すなわち、ステータ巻線のコイル群Ｅ−１は、Ｕ１を始点としてＵＮ１を終点とする中性点、Ｖ１を始点としてＶＮ１を終点とする中性点、Ｗ１を始点としてＷＮ１を終点とする中性点の３コイルで構成される１つの巻線軸を構成する。コイルＥ−２、Ｅ−３、Ｅ−４、Ｅ−５、Ｅ−６も同様である。

従って、インバータ１７は本実施例では６台の構成となる。ロータ３は全周２４極で、その軸端には位置検出器のロータ１４Ｂを同軸上に配置し、そこからの位置情報θを、図示しない位置検出器の固定子を介して固定子側に取り込む。インバータ１７は同じ構造のインバータ要素を６台備えた構成である。

インバータ１７は図示のように３相構成で、例えばスィッチング素子１８としてＩＧＢＴ等から構成されるものとする。このインバータ１７の電源としては交流電源１９から整流器２０を介して直流に変換し、直流端には比較的容量の大きいコンデンサ２１を接続した構成である。電動サーボプレス等の用途では、モータ１は一定の角度範囲での繰り返し運動となることが多い。この場合に、モータ１の加減速のエネルギーをコンデンサ２１で充放電させることで電源容量、整流器容量を小さく抑える構成にできる。

個々のインバータ１７の制御は、一般のＡＣサーボ等に使用されている制御とほぼ同じであるが、この場合には同一の電流（トルク）指令Ｉｓを６台のインバータ１７に同じに与えることによって、６倍のトルクを発生させることができる。位置検出器１４Ｂからの回転角度情報θから、正弦、余弦波発生回路２２を介してその出力を２相―３相変換回路２３に出力して、それによってＵ，Ｖ，Ｗ相に各層に応じた電流指定Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗを出力する。上記の電流指令Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗと、電流検出器ＣＴからのフィードバック信号Ｉｆｕ，Ｉｆｖ，Ｉｆｗとで、各相の電流制御系２４（ＡＣＲＵ，ＡＣＲＶ，ＡＣＲＷ）を構成する。電流検出器ＣＴは３個の例で示したが、２個でもよい。

インバータの制御系として、上記外にｄ／ｑ軸の制御系で行う方法もある。この方法は本願発明には直接関係がないので詳述は省略する。

以上の構成では、大きなインバータ１台で行うよりも、汎用性のある小型のインバータ１７を６台使用することで、価格的に安価で、生産性、拡張性に富んだシステムにできる。また、故障時や装置のメンテナンス等も容易にできる利点がある。ここで、１相を形成するステータ巻線５のコイル６個は、本実施例では前述のように接続部を含まず一本の線として構成しているので振動の多い、電動サーボプレス等の駆動装置として使用する場合、信頼性の向上、長寿命化することができる利点がある。さらに、分数スロットであるために先に示した特徴がある。

以上は、表面磁石の永久磁石回転子で示したが、ロータコア内に埋め込んだいわゆる埋め込み型の回転子構成の永久磁石回転電機でもよい。この場合、磁石はより堅固に回転子内に保持できる。

次に本発明の他の実施例に基づくインバータモータ装置を説明する。図８に本発明の他の実施例に基づくインバータモータ装置のモータ断面図を示す。図９に本発明の他の実施例に基づくモータのステータコアとステータ巻線の周方向の展開図とその結線図を示す。図１０に本発明の他の実施例に基づくモータの一つの相に属するステータ巻線の構成を示す。

ここでは、ステータコアのスロット数Ｎとして６０とし、ロータ３の極数Ｐを１６極とし、モータ１のステータ巻線５の相数Ｍは一般的な３相とする。つまり、毎極毎相のスロット数ＮＳＰＰ＝Ｎ／Ｐ／Ｍは５／４となり、スロット数１５とロータの極数４のスロットコンビネーションが４回の繰り返される構造である。

以下、他の実施例の巻線構成法について説明する。図８において、ステータ巻線５の収納するスロット４Ａに順に番号が付加している。図９には、他の実施例のモータ（図８で示された）のステータコア４とステータ巻線５の周方向の展開図とその結線図を示す。図１０には、モータのＶ１相に属するステータ巻線５の構成を示す。６０のステータ巻線５を３相のインバータ４台で駆動するので、１相当たりのステータ巻線５のコイル数は５となる。

４極１５スロット構成では、隣のスロットに収納されるステータ巻線５との電気的な位相差は、１８０×４極／１５スロットで４８度となる。したがって、スロットＳ１からスロットＳ１５の外周側に配置される導体を有する１５組のステータ巻線５の中で、それぞれ位相の最も近い電気角６０度（３相モータの相帯で逆相も含む）の中に入るステータ巻線５は、例えば、Ｖ相については（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ５、Ｓ９、Ｓ１３）のスロット４Ａの外周部に配置されるステータ巻線のコイル５Ａ、５本が組になるものである。

また、例えばスロットＳ１の外周部であるステータ巻線の導体５Ｂが１ターンを形成すべきスロットの内周部であるステータ巻線の導体５Ａとしては、スロット間隔が電気角で１８０度に最も近いスロットＳ５（電気角で４８×４＝１９２度）のステータ巻線５の導体５Ｂが選択される。従って、順次Ｓ２の外周部であるステータ巻線の導体５Ｂが、１ターンを形成すべきスロットの内周部であるステータ巻線の導体５Ｂとしては、スロットＳ６の内周部であるステータ巻線の導体５Ｂが図示のように選択され、順次、選択される。

したがって、一つのインバータのＶ相に属するステータ巻線５は、図８、９，１０で示すように、スロットＳ１の外周のステータ巻線の導体５Ｂから、スロットＳ５の内周のステータ巻線の導体５Ｂへ、さらにスロットＳ２の外周のステータ巻線の導体５ＢからスロットＳ６の内周のステータ巻線の導体５Ｂへ、スロットＳ９の内周のステータ巻線の導体５Ｂから、スロットＳ５の外周のステータ巻線の導体５Ｂへ接続される。

さらに、スロットＳ９の外周のステータ巻線の導体５Ｂから、スロットＳ１３の内周のステータ巻線の導体５Ｂへ、さらにスロットＳ１７の内周のステータ巻線の導体５Ｂから、スロットＳ１３の外周のステータ巻線の導体５Ｂへ接続する。ここで、スロットＳ１の外周のステータ巻線５は外部への引き出し線Ｖ１とし、一方スロットＳ１３の外周のステータ巻線５は中性点の接続用ＶＮ１として他のＶ、Ｕ相の中性点と接続される。中性点と外部への引き出しは逆であっても良い。さらに、巻線組を４組以上とすれば、大容量化が容易に実現できる。

本発明の他の実施例では、図１０に示した５個のステータ巻線の各コイル５Ａは、同じ巻型によって巻回される。また、１相を構成するステータ巻線は、５個のステータ巻線５のコイル５Ａ（５Ａ１、５Ａ２、５Ａ３、５Ａ４、５Ａ５）を、わたり部５Ｃ（５Ｃ１，５Ｃ２，５Ｃ３，５Ｃ４）、中性点への引き出し線ＶＮ１、および外部への引き出し線Ｖ１とからなり、複数の導体素線によって構成される。つまり、途中に接続部を設けない構成としたことを特徴とする。

また、ステータ巻線５のコイル５Ａのわたり部５Ｃのうち、５Ｃ２，５Ｃ３，５Ｃ４にはステータ巻線の導体５Ｂを構成する導体素線を例えば、管状の絶縁材５Ｄを図示のように取り付けておくことによって、電位差のある他の相のステータ巻線５と接触するコイルエンド部の絶縁を後の追加工程で行うことなく、効果的に対応することができる。さらに、図１０で示すように、同極に属するステータ巻線のコイル５Ａ間を接続するわたり部５Ｃ１の長さを異極に属するステータ巻線のコイル５Ａ間を接続するわたり部５Ｃ２，５Ｃ３，５Ｃ４の長さよりも短くすることによって、ステータ巻線５の全長を短くでき、効率の良いモータとできるとともに、コイル５Ａ間を接続するわたり部５Ｃの冗長部分をなくすことができるので、コイルエンド空間を少なくでき、モータを小型化できる。

本発明の他の実施例の構成では、図示のように円形素線でかつ略長方形とすることによって、エンド部の変形が容易になる点、わたり線の絶縁を行う部分と行わない部分を設けることによりコイルエンドをコンパクトにでき、モータも小型化できる。さらに、渦電流も小さくでき、高速域での効率を向上させることができる。また、効果的にエンド部に絶縁を配置することで、高圧に耐え、長寿命のモータインバータ装置及びそれを搭載した電動サーボプレス装置を提供できる。

１：モータ、２：ステータ、３：ロータ、４：ステータコア、４Ａ（Ｓ１、Ｓ２、…）：スロット、４Ｂ：ステータティース、４Ｃ：ステータコアバック、５：ステータ巻線、５Ａ：ステータ巻線のコイル、５Ｂ：ステータ巻線の導体、５Ｃ：ステータ巻線のわたり部、５Ｄ：管状の絶縁材、Ｅ１〜Ｅ６：ステータ巻線のコイル群、６：永久磁石、７：ロータコア、７Ａ：内周円筒部、７Ｂ：外周円筒部、７Ｃ：ロータリブ、７Ｄ：通風孔、８：シャフト、９：ロータプレート、１０：磁石保持部材、１１：固定子ピン、１２：エンドブラケット、１３：エンドプレート、１４：位置検出器、１４Ａ：位置検出器のステータ、１４Ｂ：位置検出器のロータ、１５：ベアリング、１６Ａ：スロット絶縁、１６Ｂ：層間絶縁、１７：インバータ、１８：スィッチング素子、ＣＴ：電流検出器、１９：交流電源、２０：整流器、２１：コンデンサ、２２：正弦、余弦波発生回路、２３：２相―３相変換回路、２４：電流制御系。

Claims (5)

1. 複数スロットに巻装された三相のステータ巻線をモータの周方向に複数組並べて配置されたステータと外周に永久磁石を有する回転子とを備えたモータと、前記複数の三相のステータ巻線を駆動する複数の三相インバータとを備えたインバータモータ装置において、
   上記三相のステータ巻線を構成する各相巻線は、複数の丸線の素線からなり、
   複数のスロットに納められた各組のステータ巻線を対応する三相インバータに直接接続するとともに、複数のステータ巻線の巻線間のわたり部で、他の相のステータ巻線に接触するわたり部には絶縁強度の高い絶縁物を設け、それ以外の巻線間のわたり部には上記絶縁物より絶縁強度の低い絶縁物を設けたことを特徴とするインバータモータ装置。
2. 複数スロットに巻装された三相のステータ巻線をモータの周方向に複数組並べて配置されたステータと外周に永久磁石を有する回転子とを備えたモータと、前記複数の三相のステータ巻線を駆動する複数の三相インバータとを備えたインバータモータ装置において、
   上記三相のステータ巻線を構成する各相巻線は、複数の丸線の素線からなり、
   複数のスロットに納められた各組のステータ巻線を対応する三相インバータに直接接続するとともに、複数のステータ巻線の巻線間のわたり部で、複数のスロット間に収納されたステータ巻線間のわたり部には絶縁強度の高い絶縁物を設け、隣のスロット間に収納されたステータ巻線間のわたり部には上記絶縁物より絶縁強度の低い絶縁物を設けたことを特徴とするインバータモータ装置。
3. 請求項１または２に記載のインバータモータ装置において、同極間のステータ巻線のわたり部の長さを短く、他極へのステータ巻線のわたり部の長さを長くしたことを特徴とするインバータモータ装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のインバータモータ装置において、中性点の引き出しをスロットの中心部より引き出したことを特徴とするインバータモータ装置。
5. 請求項１または２に記載のインバータモータ装置において、多相ステータ巻線の組数が少なくとも４組以上であることを特徴とするインバータモータ装置。

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