JP2018082606A

JP2018082606A - モータ

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Publication number: JP2018082606A
Application number: JP2017084236A
Authority: JP
Inventors: 健開田; Ken Hirakida; 岡田　真一; Shinichi Okada; 真一岡田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: JP6885180B2

Abstract

【課題】給電部側コイルの占積率を低下させることなく、給電部側コイルの分担電圧を低下させることを目的とする。【解決手段】ティース５に巻き回された巻線１３で構成されたコイルを複数備えたモータ１であって、給電部側に位置するコイルの巻線１３をモールド材１４でモールドし、給電部側に位置するコイルの巻線１３をモールドするモールド材１４の誘電率を、給電部側以外に位置するコイルの巻線１３の周囲の誘電率より高くしたものである。【選択図】図６

Description

この発明は、電動自動車およびハイブリッド自動車の電動機やエレベータの巻上機などで用いられる、インバータで駆動されるモータに関する。

省エネルギー化に伴い高効率の特徴を持つインバータで駆動されるモータが広く用いられている。インバータで駆動されるモータでは、インバータからの出力であるパルス電圧に急峻なサージ電圧が重畳されることがある。ここで、サージ電圧とは、瞬間的に定常状態を超えて発生する高い電圧のことである。このようなサージ電圧がモータに印加されると、部分放電が発生し、モータの絶縁性能が低下するという問題がある。

急峻な立ち上がりのサージ電圧は、モータを構成する各コイルに均等に分担されず、給電部側のコイルにそのサージ電圧の８割が集中して印加される。このため、給電部側コイルの耐電圧を向上させるために、給電部側コイルの巻線の電線被膜の膜厚を他のコイルの巻線の電線被膜の膜厚より厚くする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、給電部側コイルの巻線の絶縁被膜の誘電率をそれ以外のコイルの巻線の絶縁被膜の誘電率よりも低くして、給電部側の部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ：ＰａｒｔｉａｌＤｉｓｃｈａｒｇｅＩｎｃｅｐｔｉｏｎＶｏｌｔａｇｅ）を向上させる手法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−１２０４０５号公報（６頁、図５、図６）特開２０１２−１７５８２２号公報（１１頁、図９Ａ）

給電部側コイルの巻線の電線被膜の膜厚を他のコイルの巻線の電線被膜の膜厚より厚くする方法では、給電部側コイルの巻線の占積率が低下するという問題がある。給電部側コイルの巻線の占積率が低下すると、モータの出力が低下するという弊害がある。

また、給電部側コイルの巻線の絶縁被膜の誘電率をそれ以外のコイルの巻線の絶縁被膜の誘電率よりも低くする方法では、給電部側コイルの分担電圧が高くなり、給電部側のコイルに重畳されるサージ電圧がさらに高くなるという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、給電部側コイルの占積率を低下させることなく、給電部側コイルの分担電圧を低下させることを目的とする。

この発明に係るモータは、ティースに巻き回された巻線で構成されたコイルを複数備えたモータであって、給電部側に位置するコイルの巻線をモールド材でモールドし、給電部側に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率を、給電部側以外に位置するコイルの巻線の周囲の誘電率より高くしたものである。

この発明は、給電部側に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率を、給電部側以外に位置するコイルの巻線の周囲の誘電率より高くしているので、給電部側コイルの占積率を低下させることなく、給電部側のコイルの分担電圧を低下させることができる。

この発明の実施の形態１に係るモータの模式図である。この発明の実施の形態１に係るモータの等価回路図である。この発明の実施の形態１におけるモールドコイルの断面図である。この発明の実施の形態１におけるモータの静電容量を示した等価回路である。この発明の実施の形態１における１つの相のコイルの静電容量を示した等価回路である。この発明の実施の形態１に係る分担電圧の特性図である。この発明の実施の形態２におけるモールドコイルの断面図である。この発明の実施の形態３に係るモータの模式図である。この発明の実施の形態４に係るモータの模式図である。この発明の実施の形態４に係るモータの等価回路図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係るモータの模式図である。図１において、このモータ１は、ロータ２とステータ３とから構成されている。ステータ３は、円筒状のコア４と、このコア４から内周側に突き出たティース５と、このティース５に挿入される中空のモールドコイル６とで構成されている。本実施の形態におけるモータ１は、三相４コイル直列のＹ結線された集中巻のモータであり、後述するインバータから給電を受けるコイルを給電部側コイルと称すると、三相それぞれの給電部側コイルをＵ１、Ｖ１およびＷ１とし、中性点側のコイルに向かって、Ｕ２、Ｖ２およびＷ２、Ｕ３、Ｖ３およびＷ３、並びにＵ４、Ｖ４およびＷ４とする。以下、給電部側コイルを第１コイル７、中性点側に向かって第２コイル８、第３コイル９および第４コイル１０と呼ぶ。これらのコイルは全てモールドコイル６で構成されている。

図２は、本実施の形態のモータ１の等価回路図である。図２において、インバータ１１からの出力は、各相の第１コイルＵ１、Ｖ１およびＷ１に接続されている。各相のコイルは４つのコイルが直列に接続されており、各相で中性点１２に向かって、第１コイルに続いて第２コイル、第３コイルおよび第４コイルが直列に接続されている。

図３は、本実施の形態におけるモールドコイル６の断面図である。本実施の形態においては、第１コイルから第４コイルまでのそれぞれのコイルの基本構造は同じである。図３において、円筒状のモールドコイル６は、その中空部分にティース５が挿入されている。モールドコイル６は、巻線１３とモールド材１４とで構成されている。給電部側に配置される第１コイルのモールド材の誘電率をε_１とし、それ以外、つまり第２コイル、第３コイルおよび第４コイルのモールド材の誘電率をε_２とする。本実施の形態のモータにおいては、ε_１がε_２よりも大きくなるようにモールド材を選定している。

通常、モールド材としては樹脂が用いられている。モールド材として用いることができる樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリキノリン樹脂、ポリ（ベンゾシクロブテン）樹脂、アモルファスポリオレフィン樹脂などが挙げられる。誘電率が高いモールド材としては、例えば、これらの樹脂に窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、チタン−バリウム−ネオジウム系複合酸化物、鉛−カルシウム系複合酸化物、二酸化チタン系セラミックス、チタン酸鉛系セラミックス、チタン酸マグネシウム系セラミックス、チタン酸ストロンチウム系セラミックス、チタン酸ビスマス系セラミックス、ジルコン酸鉛系セラミックスなどの高誘電率粉末を含有させたものを用いることができる。誘電率が低いモールド材としては、これらの樹脂のみで構成されたもの、あるいはこれらの樹脂に低誘電率のフィラーを含有させたものを用いることができる。

次に、ステータ３の製造方法について説明する。ティース５の外径よりも大きな径で巻線１３を巻き回し、この巻線１３が巻き回されたものをモールド材１４でモールドしてモールドコイル６を作製し、このモールドコイル６にティース５を挿入することでステータ３を作製することができる。また、別の製造方法としては、先に巻線１３をティース５に巻き回し、巻線１３がティース５に巻き回された状態で巻線１３をモールド材１４でモールドしてステータ３を作製することもできる。この方法であれば、モールド材とティースとの間に空隙が生じないので、サージ電圧に対する耐電圧性能の向上、さらにはモールド材とティースとの間の熱伝導率の向上が期待できる。なお、ティース５とコア４とが一体ではなく別部材として構成されており、ステータ３の製造時にこれらを組み合わせる構造であってもよい。

このように、給電部側コイルのモールド材の誘電率ε_１をそれ以外のコイルのモールド材の誘電率ε_２よりも大きくしたことにより、給電部側コイルの分布静電容量が、それ以外のコイルの分布静電容量よりも大きくなる。一般に、インバータ出力の電圧パルスの立ち上り時間が、インバータとモータとを接続しているケーブル中でのパルス往復伝播時間以下となると、モータの端子間にインバータ出力の電圧パルスの２倍に達するサージ電圧が発生する。さらに、モータに生じるサージ電圧の立ち上がり時間が急峻で、サージ電圧の高周波成分がモータ巻線の共振周波数を超えると、モータの静電容量成分が顕著になるため、各コイルに分担される電圧は均等にならず給電部側コイルに電圧が集中する。これに伴い、給電部コイルにおける巻線間の電位差、給電部側コイルとコアとの間の電位差、および給電部側の各相のコイル間の電位差のいずれかが部分放電開始電圧を超えると、部分放電が発生する。

図４は、本実施の形態におけるモータの各コイルの静電容量を示した等価回路である。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相それぞれは給電部側の第１コイル７から第２コイル８、第３コイル９および第４コイル１０の順に直列に接続されている。各コイルの静電容量等価回路は分布静電容量１５と対地間静電容量１６とで表すことができる。各相の第４コイル１０は中性点１２に接続されている。Ｕ相の第１コイル７はＵ相給電部１７に、Ｖ相の第１コイル７はＶ相給電部１８に、Ｗ相の第１コイル７はＷ相給電部１９にそれぞれ接続されている。

図５は、本実施の形態におけるモータの１つの相のコイルの静電容量を示した等価回路である。以下、１つの相としてＵ相を選択したとして説明する。図５に示すように、Ｕ相の静電容量を示した等価回路は、Ｕ相の第１コイル７の分布静電容量１５と対地間静電容量１６として表し、Ｕ相の第１コイル７以外の、Ｕ相の第２コイル〜第４コイルおよびＶ相並びにＷ相の各コイルの静電容量を結合した結合静電容量２０として表したものである。

図５において、Ｕ相給電部１７からモータ全体に印加される電圧をＥとし、Ｕ相の第１コイル７に印加される電圧をＶ_１、Ｕ相の第１コイル７の分布静電容量１５の値をＣ_１、対地間静電容量１６の値をＣ_２、Ｕ相の第１コイル７以外の結合静電容量２０の値をＣ_ａとする。インバータ駆動によってモータに急峻なサージ電圧が印加されるが、そのときのＵ相の第１コイル７に印加される電圧をＶ_１は、次の式によって表わすことができる。

Ｖ_１＝（Ｃ_ａ＋Ｃ_２）／（Ｃ_１＋Ｃ_２＋Ｃ_ａ）×Ｅ

この式からわかるように、Ｃ_ａが一定としたときにＵ相の第１コイルの分布静電容量Ｃ_１を大きく、対地間静電容量Ｃ_２を小さくすれば、Ｖ１が小さくなる。Ｕ相の第１コイルの分布静電容量Ｃ_１を大きく、対地間静電容量Ｃ_２を小さくするためには、Ｕ相の第１コイルのモールド材の誘電率ε_１を他のコイルのモールド材の誘電率ε_２よりも高くすればよい。つまり、給電部側に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率を、給電部側以外に位置するコイルの巻線の周囲の誘電率より高くすることにより、給電部側に位置するコイルの分担電圧が低くなり、サージ電圧による給電部側に位置するコイルの部分放電を防止することができる。

また、モールド材の誘電率を変えているだけなので、給電部側に位置するコイルのコイル構造と、給電部側以外に位置するコイルのコイル構造とを同じにすることができるので、給電部側のコイルの占積率が低下することもない。

このように構成されたモータにおいては、給電部側コイルの占積率を低下させることなく、給電部側のコイルの分担電圧を低下させることができる。

本実施の形態における給電部側のコイルの分担電圧を低下させる効果について、さらに詳細に説明する。給電部側に位置するコイルのモールド材として、比誘電率が３．５のエポキシ樹脂に対して比誘電率が９．２の酸化アルミニウムをフィラーとして７５重量％添加したモールド材を用い、給電部側以外のコイルのモールド材としては、エポキシ樹脂のみを用いてモールドコイルを構成する。このとき、給電部側に位置するコイルのモールド材の誘電率ε_１は７．８であり、給電部側以外に位置するコイルのモールド材の誘電率ε_２は３．５であり、ε_１／ε_２は２．２となる。このようにして、給電部側に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率を、給電部側以外に位置するコイルの巻線の周囲の誘電率より高くすることができる。

これのようなモールドコイルを備えた図１に示す三相４コイル直列のＹ結線された集中巻のモータに対して、立ち上がりの急峻なパルス電圧を印加したとする。印加するパルス電圧のピーク電圧をＥとし、このピーク電圧に到達するまでの立ち上がり時間を２００ｎｓとする。このような条件で駆動されたモータにおいては、印加電圧は高周波と見なせるためモータの容量成分が顕著となり、図３で示した静電容量の等価回路で表わすことができる。この静電容量で表わした等価回路を用いて給電部側に位置するコイルに印加される電圧Ｖ_１を計算により求めることができる。

図６は、本実施の形態における給電部側のコイルに印加される電圧（分担電圧）を計算により求めた特性図である。図６において、縦軸は、Ｖ_１／Ｅである。横軸は、ε_１／ε_２であり、上述のようにモールド材を構成する樹脂およびフィラーを適宜選定して、ε_１／ε_２を変化させたものでる。ε_１／ε_２＝１は、給電部側に位置するコイルのモールド材の誘電率と給電部側以外に位置するコイルモールド材の誘電率とを同じにしたものである。この場合、給電部側のコイルにモータへの入力電圧の８０％が集中していることがわかる。

図６からわかるように、ε_１／ε_２が１．５以上であれば、給電部側のコイルの分担電圧は７５％以下となる。ε_１／ε_２が１．５から５までの範囲では、ε_１／ε_２が大きくなるにしたがって給電部側のコイルの分担電圧は減少するが、ε_１／ε_２が５を超えると、その減少率が低下する。また、ε_１／ε_２が５を超えると、比誘電率が高いコイルに剥離やボイドの欠陥が発生した場合、電界集中が発生するため部分放電開始電圧が低下するという問題も生じる恐れがある。

このようなことから、給電部側に位置するコイルのモールド材の誘電率が、給電部側以外に位置するコイルのモールド材の誘電率の１．５倍以上５倍以下であることが好ましい。

実施の形態２．
図７は、この発明を実施するための実施の形態２に係るモールドコイルの断面図である。本実施の形態におけるモータの構造は、実施の形態１の図１で示したモータの構造と同様である。図７において、図７（ａ）は、給電部側に位置するコイルのモールドコイルの断面図、図７（ｂ）は、給電部側以外に位置するコイルのモールドコイルの断面図である。図７（ａ）に示す給電部側に配置される第１コイルのモールド材の誘電率をε_１とし、図７（ｂ）に示すそれ以外、つまり第２コイル、第３コイルおよび第４コイルのモールド材の誘電率をε_２とする。本実施の形態のモータにおいては、ε_１がε_２よりも大きくなるようにモールド材を選定している。

さらに、図７（ａ）に示す給電部側に配置される第１コイルの巻線１３とコア４およびティース５との間のモールド材１４の厚みＡが、図７（ｂ）に示す給電部側以外に配置される第２〜４コイルの巻線１３とコア４およびティース５との間のモールド材１４の厚みＢよりも大きく設定されている。給電部側に配置される第１コイルの巻線１３の巻数と、給電部側以外に配置される第２〜４コイルの巻線１３の巻数とは同じである。

このように構成されたモータにおいては、実施の形態１と同様に、給電部側コイルの占積率を低下させることなく、給電部側のコイルの分担電圧を低下させることができる。また、給電部側に配置される第１コイルの巻線とコア４およびティース５との間のモールド材の厚みＡが、給電部側以外に配置される第２〜４コイルの巻線とコア４およびティース５との間のモールド材の厚みＢよりも大きく設定されているので、給電部側に配置されるコイルの対地間静電容量を給電部側以外に配置されるコイルの対地間静電容量よりも小さくすることができる。

実施の形態３．
図８は、この発明を実施するための実施の形態３に係るモータの模式図である。本実施の形態におけるモータ１は、実施の形態１と同様に、三相４コイルと直列のＹ結線された集中巻のモータであり、インバータから給電を受けるコイルを給電部側の三相それぞれの給電部側コイルをＵ１、Ｖ１およびＷ１とし、中性点側のコイルに向かって、Ｕ２、Ｖ２およびＷ２、Ｕ３、Ｖ３およびＷ３、並びにＵ４、Ｖ４およびＷ４とする。

本実施の形態においては、給電部側コイルの第１コイル７（Ｕ１、Ｖ１およびＷ１）は、実施の形態１と同様にモールド材でモールドされたモールドコイル６で構成されているが、それ以外の第２コイル８（コイルＵ２、Ｖ２およびＷ２）、第３コイル９（Ｕ３、Ｖ３およびＷ３）、並びに第４コイル１０（Ｕ４、Ｖ４およびＷ４）は、巻線１３のみで構成されている。すなわち、給電部側に位置するコイル以外のコイルは、巻線の周囲の誘電率が１の空気である。

このように構成されたモータは、給電部側に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率を、給電部側以外に位置するコイルの巻線の周囲の誘電率より高くすることができるので、実施の形態１と同様に、給電部側コイルの占積率を低下させることなく、給電部側のコイルの分担電圧を低下させることができる。

実施の形態４．
図９は、この発明を実施するための実施の形態４に係るモータの模式図である。図９において、このモータ１は、ロータ２とステータ３とから構成されている。ステータ３は、円筒状のコア４と、このコア４から内周側に突き出たティース５と、このティース５に挿入されるモールドコイル６とで構成されている。本実施の形態におけるモータ１は、三相３コイル２並列のＹ結線された集中巻モータであり、インバータから給電を受けるコイルを給電部コイルと称すると、各相の給電部側コイルを２並列の第１群のＵ１１、Ｖ１１、Ｗ１１ならびに、第２群のＵ２１、Ｖ２１、Ｗ２１とし、中性点側のコイルに向かって、第１群はＵ１２、Ｖ１２およびＷ１２、Ｕ１３、Ｖ１３およびＷ１３とし、第２群はＵ２２、Ｖ２２およびＷ２２、Ｕ２３、Ｖ２３およびＷ２３とする。以下、給電部側コイルを第１コイル７、中性点側に向かって第２コイル８、および第３コイル９と呼ぶ。これらのコイルは全てモールドコイル６で構成されている。

図１０は、本実施の形態に係るモータの等価回路図である。図１０において、インバータ１１からの出力は、各相の第１コイルＵ１１、Ｕ１２、Ｖ１１、Ｖ１２およびＷ１１、Ｗ１２に接続されている。各相は２つの群からなり、それぞれの群は３つのコイルが直列に接続されており、各相で中性点１２に向かって第１コイルに続いて第２コイル、および第３コイルが直列に接続されている。

図９で示したモールドコイル６の構成は実施の形態１と同様の構成であり、実施の形態１の図３で示すモールドコイル６の断面図で表わされ、円筒状のモールドコイル６は、その中空部分にティース５が挿入されている。モールドコイル６は、巻線１３とモールド材１４とで構成されている。給電部側に配置される第１コイルのモールド材の誘電率をε_１とし、それ以外、つまり第２コイル、および第３コイルのモールド材の誘電率をε_２とする。本実施の形態のモータにおいては、ε_１がε_２よりも大きくなるようにモールド材を選定している。

このように構成されたモータは、給電部側に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率を、給電部側以外に位置するコイルの巻線の周囲の誘電率より高くすることができるので、実施の形態１と同様に、給電部側コイルの占積率を低下させることなく、給電部側のコイルの分担電圧を低下させることができる。その結果、サージ電圧による給電部側に位置するコイルの部分放電を防止することができる。

なお、本実施の形態では２並列の例を挙げて説明したが、並列数を増やすこともできる。並列数を増やした場合でも各コイル群は並列に接続されるため、各コイル群には直列接続の場合と同様の相電圧が生じる。その結果、実施の形態１と同様に、給電部側コイルの占積率を低下させることなく、給電部側のコイルの分担電圧を低下させることができる。

また、本実施の形態では第１コイル７、第２コイル８および第３コイル９を全てモールドコイル６で構成する例を挙げて説明したが、実施の形態３で説明したように、給電側コイルである第１コイル７のみをモールドコイルで構成し、それ以外の第２コイル８および第３コイル９を巻線１３のみで構成されたコイルとしてもよい。

１モータ、２ロータ、３ステータ、４コア、５ティース、６モールドコイル、７第１コイル、８第２コイル、９第３コイル、１０第４コイル、１１インバータ、１２中性点、１３巻線、１４モールド材、１５分布静電容量、１６対地間静電容量、１７Ｕ相給電部、１８Ｖ相給電部、１９Ｗ相給電部、２０結合静電容量

Claims

ティースに巻き回された巻線で構成されたコイルを複数備えたモータであって、
給電部側に位置するコイルの巻線はモールド材でモールドされており、
前記給電部側に位置するコイルの巻線をモールドする前記モールド材の誘電率は、給電部側以外に位置する前記コイルのコイル巻線の周囲の誘電率より高い
ことを特徴とするモータ。
給電部側以外に位置する前記コイルの巻線の少なくとも一つはモールド材でモールドされており、
前記給電部側に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率は、
前記給電部側以外に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率より高い
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
前記給電部側に位置するコイルの巻線とティースとの間に位置するモールド材の厚さが、
前記給電部側以外に位置するコイルの巻線とティースとの間に位置するモールド材の厚さより厚い
ことを特徴とする請求項２に記載のモータ。
前記給電部側に位置するコイルの巻線をモールドするモールド材の誘電率が、前記給電部側以外に位置するコイルの巻線の周囲の誘電率の１．５倍以上５倍以下である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ。