JP2014204512A - ステータ巻線、ならびに、これを備えるステータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線の占積率を向上させるとともに、サージ電圧に対する絶縁耐力を高めることができるステータ巻線を提供する。【解決手段】略環状のステータコア２１のティース部２１ｂに対してティース部２１ｂの周囲を一周する巻線ターンが複数層でかつステータコア径方向に複数列に巻回されるステータ巻線２２ａは、インバータ１４に近い側の第１列の巻線ターンが径方向内側から巻回され、第２列目以降は第１列の巻線ターンよりも径方向外側に順次に配置され、径方向外側の巻線端部に巻回される中性点側の巻線ターンの積層数は第１列の巻線ターン数よりも多い。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機のステータコアに巻回されるステータ巻線に関する。

従来、例えば下記特許文献１には、図６に示すようなステータ巻線が開示されている。このステータ巻線２２Ａは、筒状をなすステータコア２１のヨーク部２１ａに径方向内側へ突設されているティース部２１ｂの周囲に、いわゆる集中巻きにより巻装されている。

また、図６では示されていないが、ステータコア２１の内周には、ステータ巻線２２Ａが巻回される部分の幅ｗが径方向に一定であるティース部２１ｂが周方向に等間隔で複数設けられている。そのため、周方向に隣接するティース部２１ｂ間には、径方向外側へ向かって周方向幅が広がるスロット２１ｃが形成されている。

上記ステータ巻線２２Ａは、角形導線により構成され、ティース部２１ｂの周囲に複数層および複数列に巻回されている。具体的には、ステータ巻線２２Ａは、ステータコア２１の径方向外側で三層に積層され、径方向内側で二層に積層されている。また、ステータ巻線２２Ａは、径方向に沿って六列で配置されている。

このようにステータ巻線２２Ａを構成する巻線ターンの積層数を、径方向内側よりも径方向外側で多くすることにより、上記のような径方向外側へ向かって周方向幅が広がるスロット２１ｃ内での巻線の占積率が大きくなり、その結果、回転電機のエネルギー効率を向上させることができる。

特開２００５−１０２４７７号公報

上記特許文献１のステータ巻線２２Ａでは、巻線ターンの積層数が多くなる径方向外側から巻回するため、径方向に隣り合う巻線ターン間の電位差が大きくなり、ステータ巻線２２Ａに印加される電圧にサージ電圧が重畳したときの耐サージ信頼性（すなわち絶縁耐力）が低下するという問題がある。

本発明の目的は、巻線の占積率を向上させるとともに、サージ電圧に対する絶縁耐力を高めることができるステータ巻線を提供することである。

本発明に係るステータ巻線は、略環状のステータコアのティース部に対して該ティース部の周囲を一周する巻線ターンが複数層でかつステータコア径方向に複数列に巻回されるステータ巻線であって、前記ステータ巻線が接続されるインバータに近い側の第１列の巻線ターンが径方向内側から巻回され、第２列目以降は前記第１列の巻線ターンよりも径方向外側に順次に配置され、径方向外周側の巻線端部に巻回される中性点側の巻線ターンの積層数は前記第１列の巻線ターン数よりも多いことを特徴とする。

本発明に係るステータ巻線において、前記巻線は角形導線により構成されるのが好ましい。

本発明の別の態様であるステータは、上記いずれかの構成のステータ巻線が前記ステータコアの周方向に等間隔で設けられた複数のティース部にそれぞれ巻回されているものである。

また、本発明のさらに別の態様である回転電機は、本発明に係るステータと、該ステータに隙間を介して対向する回転可能なロータとを備えるものである。

本発明に係るステータ巻線、ならびに、これを備えたステータおよび回転電機によれば、積層数が比較的少ない径方向内側から導線を巻回してティース部の周囲に複数層かつ複数列のステータ巻線を形成することで、巻線ターン間の電位差が比較的大きくなるインバータに近い側の径方向内側の巻線端部において径方向に隣り合う巻線ターン間においてインバータに近い側から各巻線ターンに順序づけられる巻き順の差を比較的小さくすることができる。そのため、径方向に隣り合う巻線ターン間の電位差を比較的低く抑えることができるので、ティース部間の占積率を高めながらステータ巻線のサージ電圧に対する絶縁耐力を向上させることができる。

本実施形態におけるステータ巻線が適用されるモータを備えるモータ駆動システムの概略構成図である。 三相のステータ巻線の（ａ）概略構成図と、(ｂ）Ｕ相ステータ巻線の拡大図である。 ステータ巻線のターン間の電位差を示す図である。 本実施形態のステータ巻線におけるステータ巻線部分を示す断面図である。 （ａ）本実施形態の別の例であるステータ巻線部分を示す断面図であり、（ｂ）は比較例のステータ巻線部分の断面図である。 従来のステータ巻線を示す、図４に対応する断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

また、以下では、従来技術で説明した同一または類似の構成要素については、同一または類似の参照符号を用いて、重複する説明を繰り返さないこととする。

図１は、本実施形態のステータ巻線が適用されるモータ（回転電機）を備えるモータ駆動システムの概略構成図である。図１に示すように、モータ駆動システム１０は、直流電源１２と、インバータ１４と、モータ３０とを備える。このモータ駆動システム１０は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両を駆動するシステムとして好適に用いることができる。ただし、その用途は、これに限定されるものではなく、モータを動力源とする如何なる機械および装置に用いられてもよい。

直流電源１２は、直流電圧をインバータ１４に供給する電源であり、例えば、リチウム電池、ニッケル水素電池、ナトリウム電池、鉛電池等の充放電可能な二次電池を好適に用いることができる。

インバータ１４は、直流電圧と交流電圧との間で双方向に電圧変換する電圧変換器である。インバータ１４は、モータ３０を回転駆動するとき、直流電源１２から供給される直流電圧を交流電圧に変換して、モータ３０側へ出力する。一方、インバータ１４は、モータ３０が発電機として用いられる回生時には、モータ３０側から入力される交流電圧を直流電圧に変換して直流電源１２に充電する。

インバータ１４には、公知のどのような構成のものが用いられてもよい。本実施形態では、インバータ１４は、三相同期型モータ３０に対応して、Ｕ相アーム１５Ｕ、Ｖ相アーム１５Ｖ、Ｗ相アーム１５Ｗを備えており、各相アーム１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗはそれぞれダイオードが逆並列接続された２つのスイッチング素子が直列に接続されて構成されている。

インバータ１４は、ワイヤーハーネス１６を介してモータ３０に接続されている。より詳しくは、インバータ１４の各相アーム１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗの各中間点が、ワイヤーハーネス１６を介して、モータ３０の三相入力端子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗにそれぞれ接続されている。以下において、三相入力端子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗを総称して入力端子１８ということがある。

モータ３０は、例えば三相同期型の交流モータであり、略環状のステータ２０と、ステータ２０の内側に隙間を介して回転可能に設けられるロータ２８（図４参照）を備えている。

ステータ２０は、例えば略円環状に打ち抜き加工された電磁鋼板を積層して構成される略円筒状に形成されるステータコア２１と、ステータコア２１のヨーク部２１ａの内周に突設された複数のティース部２１ｂに巻装されるステータ巻線２２とを有する。

図１および図２（ａ）を参照すると、ステータ巻線２２は、Ｕ相ステータ巻線２２Ｕ、Ｖ相ステータ巻線２２Ｖ、およびＷ相ステータ巻線２２Ｗから構成される。各相ステータ巻線２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗの各一方端部は、モータ３０の三相入力端子１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗにそれぞれ接続され、各他方端部はモータ３０内の中性点２４において互いに接続されている。このようなステータ巻線２２にインバータ１４からワイヤーハーネス１６を介して三相交流電圧が印加されることによりステータ２０の内周に回転磁界が生成され、その結果、ロータ２８が回転駆動されるようになっている。以下において、三相ステータ巻線２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを総称してステータ巻線２２ということがある。

各相ステータ巻線２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗは、複数のステータ巻線部分が直列接続されてそれぞれ構成される。具体的には、Ｕ相ステータ巻線２２Ｕは、インバータ１４に最も近い側、すなわち、Ｕ相入力端子１８Ｕに近い側に位置するステータ巻線部分Ｕ１から、中性点２４に最も近い側であるステータ巻線部分Ｕｎ（ここで、ｎは２以上の自然数）までが直列に接続されている。図２（ａ）では、Ｕ相ステータ巻線２２Ｕが例えば５つのステータ巻線部分Ｕ１〜Ｕ５によって構成される例が示されている。

他のＶ相ステータ巻線２２ＶおよびＷ相ステータ巻線２２Ｗもまた、Ｕ相ステータ巻線２２Ｕと同様に構成される。すなわち、Ｖ相ステータ巻線２２Ｖは、例えば５つのステータ巻線部分Ｖ１〜Ｖ５が直列に接続されて構成される。ここではステータ巻線部分Ｖ１がＶ相入力端子１８Ｖに近い側となり、ステータ巻線部分Ｖ５が中性点２４に近い側となっている。

また、Ｗ相ステータ巻線２２Ｗは、例えば５つのステータ巻線部分Ｗ１〜Ｗ５が直列に接続されて構成される。ここでは、ステータ巻線部分Ｗ１がＷ相入力端子１８Ｗに近い側となり、ステータ巻線部分Ｗ５が中性点２４に近い側となっている。

各相ステータ巻線２２のステータ巻線部分は、ステータコア２１のティース部２１ｂの周囲に渦巻状にそれぞれ巻回されている。同相のステータ巻線に含まれる複数のステータ巻線部分同士は、ステータコア２１の軸方向端部に配置されるバスバー（図示せず）を介して互いに接続されている。

なお、本実施形態における各ステータ巻線部分Ｕ１〜Ｕ５、Ｖ１〜Ｖ５、Ｗ１〜Ｗ５が本発明におけるステータ巻線にそれぞれ相当する。

図１を再び参照すると、モータ３０に印加される駆動電圧には、インバータ１４に含まれるスイッチング素子のスイッチング速度によっては電源電圧Ｖｂに高周波サージ電圧Ｖｓｕｒが重畳されることがある。このような高周波サージ電圧Ｖｓｕｒがモータ印加電圧に重畳されとき、図２（ｂ）に示すように、ステータ巻線２２とステータコア２１との間の浮遊容量ｃを介してステータコア２１に電流２５が流れやすい。

特に、Ｕ相ステータ巻線２２Ｕを例として見ると、図２（ｂ）中に破線円２６で示すように、モータ印加電圧の入力側であるＵ相入力端子１８Ｕに近い側のステータ巻線部分Ｕ１を構成する多数の巻線ターンのうちでも入力端子側に位置する巻線ターンから大きな電流２５が流れ易い。これは、高周波サージ電圧Ｖｓｕｒの周波数ｆが十分大きいため、巻線のインピーダンスＺＬ（＝２πｆＬ）よりも小さい、浮遊容量のインピーダンスＺＣ（＝１／２・πｆＣ）を介した経路に電流２５が集中するためである。この電流２５で生じる電圧降下によって、Ｕ相ステータ巻線部分Ｕ１を構成する多数の巻線ターン間の電位差がインバータ１４に近い側ほど大きくなる現象が発生する。このことを図３を参照して説明する。

図３は、ステータ巻線のターン間の電位差を示す図である。図３の上図のグラフは、横軸にターン数が、縦軸にインバータ１４に最も近い側の１ターン目（「１Ｔ」と表記、他のターンについても同様）との間の電位差が、それぞれ取られている。また、図３の下図は、インバータ１４に最も近い側のＵ相ステータ巻線部分Ｕ１を構成する各巻線ターンを拡大して示しており、左側の端部がＵ相入力端子１８Ｕに接続されている。

図３中の実線３２で示されるように、１ターン目との間の電位差はＵ相入力端子１８Ｕから遠くなるほど大きくなる傾向にあるが、その巻線ターン間の電位差ΔＶの増加幅は図３中の破線３４で示されるように巻線ターン順序がＵ相入力端子１８Ｕから遠くなるほど、換言すれば、中性点２４に近くなるほど、次第に小さくなることが分かる。したがって、ステータコア２１のティース部２１ｂにステータ巻線２２を巻装する場合、入力端子１８に近い側にあるステータ巻線部分を構成する巻線ターンのうち、巻き順番号が小さい巻線ターン領域において互いに隣り合う巻線ターンの巻き順番号の差をできるだけ小さくすることが、サージ電圧に対する絶縁耐力を高くするうえで好ましいといえる。

上記のような隣り合う巻線間での高い電位差は、導線４０の絶縁皮膜間での微小な放電現象、すなわち部分放電を生じさせる。この部分放電は、絶縁破壊が発生するよりもはるかに低い電位差で発生し、またモータの動作自体には影響が見られないほど微小な現象である。

しかし、モータを継続的に駆動することによって、微小な放電によるダメージが絶縁皮膜の放電箇所に蓄積し、次第に絶縁皮膜を侵食・劣化させることによって、やがて絶縁破壊に至る。

このような部分放電を防止するためには、絶縁皮膜厚の増加や巻線間距離の増加によって部分放電の開始電圧（ＰＤＩＶ：Partial Discharge Inception Voltage）を巻線間に想定される電位差よりも十分高くすることが有効であるが、これらはモータの占積率悪化や体格の大型化をもたらし、出力密度の低下につながる。

そこで、本実施形態では、図３に示すようなステータ巻線構造を採用して、ステータ巻線を構成する巻線ターン間の電位差を比較的小さくして、サージ電圧に対する絶縁耐力を向上させるようにしている。

図４は、本実施形態のステータ巻線２２におけるステータ巻線部分２２ａを示す断面図である。このステータ巻線部分２２ａは、断面が略正方形状の角形導線４０により構成されている。ただし、これに限定されるものではなく、断面が扁平矩形状をなす角形導線が用いられてもよい。このような角形導線を用いてステータ巻線部分２２ａを構成することで、所望の位置に正確に導線を複数層に巻回する作業が容易に行うことができ、占積率も向上させることができるという利点がある。

ステータ巻線部分２２ａは、ティース部２１ｂの周囲に複数層および複数列に巻回されている。具体的には、ステータ巻線部分２２ａは、ステータコア２１の径方向内側で二層に積層され、径方向外側で三層に積層されている。また、ステータ巻線部分２２ａは、径方向に沿って六列で配置されている。図４において、略正方形状の角形導線４０内に表記されている番号は、ステータ巻線部分２２ａを構成する巻線ターンの番号を表しており、この番号が小さい方ほどインバータ１４側、すなわち、入力端子１８側に近いことを意味する。また、図４では、ステータ巻線部分２２ａを構成する巻線ターンの層数が１Ｃ〜３Ｃで示され、巻線ターンの列数が１Ｌ〜６Ｌで示されている。

上述したように、ステータコア２１の内周には、複数のティース部２１ｂが周方向に等間隔で設けられている。これらのティース部２１ｂは、ステータ巻線部分２２ａが巻回される部分の幅ｗが径方向にわたって一定である。そのため、周方向に隣接するティース部２１ｂ間には、径方向外側へ向かって周方向幅が広がるスロット２１ｃが形成されている。したがって、ステータ巻線部分２２ａを構成する巻線ターンの積層数を、径方向内側よりも径方向外側で多くすることにより、上記のような径方向外側へ向かって周方向幅が広がるスロット２１ｃ内での巻線の占積率が大きくなり、その結果、回転電機のエネルギー効率を向上させることができる。

続いて、ステータ巻線部分２２ａの導線４０の巻き方について詳細に説明する。ステータ巻線部分２２ａを構成する導線４０では、径方向内側の端部４２が入力端子１８を介してインバータ１４に接続されている。したがって、ステータ巻線部分２２ａでは、ティース部２１ｂの周囲において径方向内側に位置する巻線ターンがインバータ１４に近い側に位置する巻線ターンとなっている。

これに対し、ステータ巻線部分２２ａにおいて径方向外側に位置する導線４０の端部４４は、他の同相ステータ巻線部分およびバスバ等を介して中性点２４に接続されている。つまり、ステータ巻線部分２２ａにおいて径方向外側に位置する巻線ターンは、中性点２４に近い側に位置する巻線ターンであり、換言すれば、インバータ１４から遠い側に位置する巻線ターンである。

導線４０は、径方向内側の端部４２からティース部２１ｂの周囲に導線４０の厚さ分に相当する隙を作って巻かれて、第１列で第２層の第１巻線ターンを形成している。そこから、導線４０は、第１巻線ターンの内側にある前記隙の中でティース部２１ｂの周囲に巻かれて、第１列で第１層の第２巻線ターンを形成している。

続いて、導線４０は、ティース部２１ｂの軸方向一方端面の上において周方向に対して斜めに巻かれる遷移領域４１において列替わりして第２列目に移り、第２巻線ターンの径方向外側に隣接して巻かれることにより第２列で第１層目の第３巻線ターンを形成している。そこから、導線４０は、第３巻線ターンの外周側に巻かれて第２列で第２層目の第４巻線ターンを形成している。

続いて、導線４０は、遷移領域４１において列替わりして第３列目に移って巻かれ、第２層目の第５巻線ターンを形成し、その後、第１層目の第６ターンを形成している。

さらに続いて、導線４０は、遷移領域４１において列替わりして第４列目に移って巻かれ、ティース部２１ｂに近い方から順に第７ないし第９巻線ターンを形成している。すなわち、第４列目において、巻線ターンの積層数が二層から三層に増えている。

第９巻線ターンまで巻かれた導線４０は、そこから遷移領域４１を介して第５列目に移って巻かれ、ティース部２１ｂに遠い側から順に第１０ないし第１２巻線ターンを形成している。続いて、導線４０は、遷移領域４１を介して第６列目に移って巻かれ、ティース部２１ｂに近い側から順に第１３ないし第１５巻線ターンを形成している。そして、第１５巻線ターンがステータ巻線部分２２ａの最終巻線ターンであり、上記ステータ巻線部分２２ａの端部４４につながっている。

このようにしてティース部２１ｂの周囲に巻回されているステータ巻線部分２２ａでは、巻線ターン間の電位差が特に大きくなるインバータ１４に近い側の径方向内側領域について見ると、第３巻線ターンと第６巻線ターンとが径方向に隣接している箇所が巻線ターンの巻き順差が「３」で最大となる。

これに対し、図６を参照して説明したステータ巻線２２Ａでは、本実施形態のステータ巻線部分２２ａと同様に導線４０がティース部２１ｂの周囲に三層六列で巻回されているが、巻線ターン間の電位差が特に大きくなるインバータ１４に近い側の径方向外側領域について見ると、第４巻線ターンと第９巻線ターンとが径方向に隣接している箇所が巻線ターンの巻き順差が「５」で最大となっている。

このように本実施形態のステータ巻線部分２２ａを有するステータ巻線２２によれば、ティース部２１ｂの周囲に複数層かつ複数列で角形導線４０を巻回する場合に、特に巻線ターン間の電位差が大きくなり易いインバータ１４に近い側の巻線ターン間の巻き順差を小さくすることができ、巻線ターン間の電位差を比較的低く抑えることができる。そのため、スロット２１ｃ内におけるステータ巻線２２の占積率を高めながら、ステータ巻線２２のサージ電圧に対する絶縁耐力を向上させることができる。

なお、本発明に係るステータ巻線は、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲内で種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記においては、ティース部の周囲にステータ巻線が三層六列で巻回される例について説明したが、これに限定されるものではない。ステータ巻線の巻線ターンの周方向の積層数および径方向の列数は、第２列目以降では巻線ターンの積層数が第１列目以上であって、径方向外側の巻線端部における巻線ターンの積層数が径方向外側の第１列の巻線ターン数の積層数が多くなっていれば、どのように変更されてもよい。

例えば、図５（ａ）に別の実施形態であるステータ巻線部分２２ｂを示す。このステータ巻線部分２２ｂもまた、インバータ１４に近い側の巻線ターンが径方向内側から巻回されて、径方向外側の巻線端部が中性点２４に他のステータ巻線部分等を介して接続される。また、ステータ巻線部分２２ｂは、第１列目が第１巻線ターンの一層のみで、第２列目および第３列目は巻線ターンが三層にそれぞれ積層され、第４列目および第５列目は巻線ターンが四層に積層されており、さらに、第６列目は巻線ターンが五層に積層されている例を示す。このステータ巻線部分２２ｂでは、インバータ１４に近い側である径方向内側の巻線ターン間の巻き順差を見ると、第２巻線ターンと第７巻線ターンとの間の「５」が最大である。

これに対し、図５（ｂ）には、上記ステータ巻線２２ｂと同じ層数および列数に巻回されているが径方向外側がインバータに近い側になっているステータ巻線部分２２ｃが示される。このステータ巻線部分２２ｃでは、第２巻線ターンと第９巻線ターンとの間で巻き順差が「７」と最大になる。このように、この別の実施形態のステータ巻線部分２２ｂによっても、スロット２１ｃ内におけるステータ巻線２２の占積率を高めながら、ステータ巻線２２のサージ電圧に対する絶縁耐力を向上させることができる。

また、上記においては、ステータ巻線２２が角形導線４０によって構成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば丸形導線等の他の断面形状を有する導線により構成されてもよい。

さらに、本発明に係るステータ巻線は、ティース部の周囲に絶縁紙または樹脂製ボビンを介して巻回される場合にも適用可能である。

１０ モータ駆動システム、１２ 直流電源、１４ インバータ、１５Ｕ Ｕ相アーム、１５Ｖ Ｖ相アーム、１５Ｗ Ｗ相アーム、１６ ワイヤーハーネス、１８ 入力端子、１８Ｕ Ｕ相入力端子、１８Ｖ Ｖ相入力端子、１８Ｗ Ｗ相入力端子、２０ ステータ、２１ ステータコア、２１ａ ヨーク部、２１ｂ ティース部、２１ｃ スロット、２２，２２Ａ ステータ巻線、２２Ｕ Ｕ相ステータ巻線、２２Ｖ Ｖ相ステータ巻線、２２Ｗ Ｗ相ステータ巻線、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ ステータ巻線またはステータ巻線部分、２４ 中性点、２５ 電流、２８ ロータ、３０ モータ（回転電機）、４０ 導線、４１ 遷移領域、４２，４４ 端部、ｃ 浮遊容量、Ｕ１−Ｕ５ Ｕ相ステータ巻線部分、Ｖ１-Ｖ５ Ｖ相ステータ巻線部分、Ｗ１-Ｗ５ Ｗ相ステータ巻線部分、Ｖｂ 電源電圧、Ｖｓｕｒ 高周波サージ電圧、ｗ 幅、ΔＶ 電位差。

Claims (4)

1. 略環状のステータコアのティース部に対して該ティース部の周囲を一周する巻線ターンが複数層でかつステータコア径方向に複数列に巻回されるステータ巻線であって、
   前記ステータ巻線が接続されるインバータに近い側の第１列の巻線ターンが径方向内側から巻回され、第２列目以降は前記第１列の巻線ターンよりも径方向外側に順次に配置され、径方向外周側の巻線端部に巻回される中性点側の巻線ターンの積層数は前記第１列の巻線ターン数よりも多い、
   ステータ巻線。
2. 請求項１に記載のステータ巻線において、
   前記巻線は角形導線により構成される、ステータ巻線。
3. 請求項１または２に記載のステータ巻線が前記ステータコアの周方向に等間隔で設けられた複数のティース部にそれぞれ巻回されている、ステータ。
4. 請求項３に記載されるステータと、
   前記ステータに隙間を介して対向する回転可能なロータとを備える、回転電機。

Images