JP2018085881A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】巻線間の最大電圧を低減可能な回転電機を提供する。
【解決手段】モータジェネレータ5のロータ16は、周方向に配列された複数対の磁極を有し、シャフト15と一体に回転する。ステータコア21には、周方向に配列された複数のスロットが形成される。巻線30は、ステータコア21に巻回される。U相巻線の一端は、スロットをステータ20の径方向に2分割する分割線よりもステータ20の径方向外側に設けられている。W相巻線の一端は、この分割線よりもステータ20の径方向内側に設けられている。V相巻線の一端は、少なくとも1つのスロットを挟んで、ステータ20の径方向に対してU相巻線の一端とW相巻線の一端との間に設けられている。3相に対応する各巻線の一端が、非接触になる。各巻線の一端同士の電圧よりも低くなり、回転電機内における接触箇所の最大電圧を低減可能である。また、巻線の絶縁被膜を薄膜化できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、回転電機に関する。
従来、固定子鉄心のスロットに複数のセグメントコンダクタが挿入され、セグメントコンダクタを溶接等により接合することで固定子巻線を形成するセグメント接合型の電動機が知られている。特許文献1では、端子が接続される第1周回コイルと径方向で隣接するコイルを、周方向で隣接するコイルよりも中性点側のものとすることで、端子から電圧を印加した瞬間にコイルエンド部において部分放電が発生するのを抑制している。
特開2008−035580号公報
特許文献1では、周回コイルの両端部が接触する。このため、両端部の電圧が高くなるシステムにおいては、両端部に印加される電圧に耐えうる絶縁被膜を形成する必要がある。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、巻線間の最大電圧を低減可能な回転電機を提供することにある。
本発明の回転電機は、ハウジング(10)、シャフト(15)、ロータ(16)、ステータ(20)を備える。
シャフトは、ハウジングに回転可能に支持される。
ロータは、周方向に配列された複数対の磁極を有し、シャフトと一体に回転する。
ステータは、ステータコア(21)および3相の巻線(30)を有する。
ステータコアは、周方向に配列された複数のスロット(22)が形成されている。
3相の巻線(30)は、ステータコアに巻回されている。
3相に対応する巻線を第1巻線(40)、第2巻線(50)および第3巻線(60)とする。
第1巻線の一端(45)は、スロットをステータの径方向に2分割する分割線(P)よりもステータの径方向外側に設けられている。
第2巻線の一端(65)は、分割線よりもステータの径方向内側に設けられている。
第3巻線の一端(55)は、少なくとも1つのスロットを挟んで、ステータの径方向に対して第1巻線の一端と第2巻線の一端との間に設けられている。
3相に対応する各巻線の一端が、非接触になる。これにより、第1巻線の中間箇所と第3巻線の一端との電圧、および、第2巻線の中間箇所と第3巻線の一端との電圧、最大電圧となる。各巻線の一端同士の電圧よりも低くなり、回転電機内における接触箇所の最大電圧を低減可能である。また。巻線の絶縁被膜を薄膜化できる。
もう1つの発明による回転電機は、上記と同様に、ハウジング、シャフト、ロータ、ステータを備える。
第1巻線の一端(45)は、スロットをステータの周方向に2分割する分割線(Q)よりもステータの一方側に設けられている。
第2巻線の一端(65)は、分割線よりもステータの他方側に設けられている。
第3巻線の一端(55)は、ステータの周方向に対して第1巻線の一端と第2巻線の一端との間に設けられている。
このような構成においても、上記と同様の効果を奏する。
本発明の第1実施形態によるモータジェネレータを示す模式的な断面図。 本発明の第1実施形態によるステータを示す斜視図。 本発明の第1実施形態によるスロットおよびセグメントコンダクタを示す斜視図 本発明の第1実施形態による4つのセグメントコンダクタが接続された状態を周方向に展開した模式図。 本発明の第1実施形態による4つのセグメントコンダクタが接続された状態を示す平面図。 本発明の第1実施形態による1つの部分巻線を示す斜視図。 本発明の第1実施形態による各相巻線の説明図。 本発明の第1実施形態によるモータジェネレータが適用される電力変換システムを説明するための構成図。 本発明の第1実施形態による駆動領域の説明図。 本発明の第1実施形態による巻線を説明するための図。 システム内における電位を説明するための図。 本発明の第2実施形態による巻線を説明するための図。 本発明の第2実施形態による巻線を説明するためのステータコアの断面図。 その他の実施形態によるモータジェネレータが適用される電力変換システムを説明する構成図。
以下、本発明による回転電機を図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施形態という場合、複数の実施形態を包括する。
(第1実施形態)
第1実施形態の回転電機を図1−図11に示す。
図1に示すように、回転電機としてのモータジェネレータ5は、ハウジング10、シャフト15、ロータ16およびステータ20を備える。
モータジェネレータ5は、例えば、電気自動車やハイブリッド車両等の電動車両に適用され、駆動トルクを発生する。
また、モータジェネレータ5は、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、エンジンや駆動輪等から伝わる運動エネルギーによって発電する発電機としての機能、を有する。本実施形態のモータジェネレータ5は、3相ブラシレスの回転電機である。
ハウジング10は、一対のハウジング部材11、12が接合されて形成されている。
ハウジング部材11、12は、有底筒状に形成されている。
ハウジング部材11の底部には軸受13が設けられ、ハウジング部材12の底部には軸受14が設けられている。
シャフト15は、軸受13、14を介して、ハウジング10に回転可能に支持されている。
ロータ16は、周方向に配列された複数対の磁極を有し、シャフト15に固定され、シャフト15と一体となって回転する。
ロータ16は、周方向において磁極が所定間隔で交互となるように、複数個の永久磁石を外周面に有する。永久磁石に代替して、界磁巻線を巻装した巻線界磁式等としてもよい。本実施形態では、磁極数Mは8極で、N極が4つ、S極が4つとする。
図2−図6に示すように、ステータ20は、ロータ16の径方向外側に設けられている。
また、ステータ20は、ステータコア21および巻線30を有する。
ステータコア21は、複数のコアシートが軸方向に積層されて、ハウジング10に固定されている。コアシートは、鋼板で形成されている。
また、ステータコア21は、複数のスロット22およびインシュレータ24を含む。
スロット22は、等ピッチで放射状に形成され、巻線30が巻回されている。
本実施形態では、ロータ16の1極あたり、各相につきスロット倍数kのスロット22が形成されている。例えば、スロット倍数k=2の場合、ステータコア21には、8[極]×3[相]×2=48のスロット22が形成されている。
本実施形態では、スロット倍数kを2とする。
1つのスロット22は、セグメントコンダクタ35の挿入部36が径方向に6本挿入可能に、形成されている。
インシュレータ24は、スロット22に設けられ、ステータ20と巻線30との間を絶縁する。
巻線30は、複数のセグメントコンダクタ35が電気的に接続されて構成されている。
図3および図4に示すように、セグメントコンダクタ35は、絶縁膜が被覆された導体をU字形状に折り曲がって形成されている。
また、セグメントコンダクタ35は、挿入部36およびターン部38を有する。
挿入部36は、互いに並行な一対となっている。
ターン部38は、挿入部36の一端を連結する。
一対の挿入部36は、ステータコア21の軸方向における一方の端部である第1端部211側から、それぞれ異なるスロット22に挿入される。このとき、ターン部38が第1端部211側に突出し、第1コイルエンド31が形成される。
先端側の挿入部36は、他の挿入部36または渡り線と溶接により電気的に接続される。このとき、ステータ20の第2端部212側にて第2コイルエンド32が形成される。
2つのセグメントコンダクタ35が接続される箇所を接続部39とする。なお、セグメントコンダクタ35同士、または、セグメントコンダクタ35と渡り線とが電気的に接続される箇所の絶縁膜は適宜剥離される。
図4および図5に示すように、4個のセグメントコンダクタ35が接続されることによって、巻線30は、ステータコア21を1周する。
図6に示すように、後述する1つの部分巻線は、12個のセグメントコンダクタ35を接続して形成される。セグメントコンダクタ35の配置および巻回方向等の詳細については後述する。
巻線30は、U相巻線40、V相巻線50およびW相巻線60を有する。本実施形態では、U相巻線40、V相巻線50およびW相巻線60が「3相の巻線」に対応する。以下適宜、「各相巻線40、50、60」という。
図7に示すように、U相巻線40、V相巻線50およびW相巻線60は、n個の部分巻線に分割されている。nは2以上の整数である。
本実施形態では、n=4であり、U相巻線40、V相巻線50およびW相巻線60は、それぞれ、4つの部分巻線に分割されている。
図7および図8に示すように、U相巻線40は、第1U相部分巻線41、第2U相部分巻線42、第3U相部分巻線43および第4U相部分巻線44を有する。
U相巻線40は、波巻に構成され、U相部分巻線41−44が直列に接続されている。
U相巻線40の一端45は、第2インバータ部80に接続され、U相巻線40の他端46は、第1インバータ部70に接続される。
V相巻線50は、第1V相部分巻線51、第2V相部分巻線52、第3V相部分巻線53および第4V相部分巻線54を有する。
V相巻線50は、波巻に構成され、V相部分巻線51−54が直列に接続されている。
V相巻線50の一端55は、第2インバータ部80に接続され、V相巻線50の他端56は、第1インバータ部70に接続される。
W相巻線60は、第1W相部分巻線61、第2W相部分巻線62、第3W相部分巻線63および第4W相部分巻線64を有する。
W相巻線60は、波巻に構成され、W相部分巻線61−64が直列に接続されている。
W相巻線60の一端65は、第2インバータ部80に接続され、W相巻線60の他端66は、第1インバータ部70に接続される。
U相巻線40の一端45は、取出線47と接続され、U相巻線40の他端46は、取出線48と接続されている。
V相巻線50の一端55は、取出線57と接続され、V相巻線50の他端56は、取出線58と接続されている。
W相巻線60の一端65は、取出線67と接続され、W相巻線60の他端66は、取出線68と接続されている。
図1に示すように、取出線47、48、57、58、67、68は、ハウジング10の軸方向端部から取り出される。
取出線47、57、67は、スロット22の径方向内側から取り出される。
取出線48、58、68は、スロット22の径方向外側から取り出される。
なお、図1においては、煩雑になることを避けるため、取出線47、57、67および取出線48、58、68を、それぞれ1本ずつ記載した。
以下、図8等においては、U相巻線40を1つのコイルとして図示している。V相巻線
50およびW相巻線60についても同様である。
図8に示すように、電力変換システム1は、モータジェネレータ5、第1インバータ部70および第2インバータ部80を備える。
第1インバータ部70は、3相インバータであり、巻線30への通電を切り替え可能である。
また、第1インバータ部70は、6つのスイッチング素子71−76が接続されている。高電位側のスイッチング素子71と低電位側のスイッチング素子74との接続点77に、U相巻線40の他端46が接続される。高電位側のスイッチング素子72とスイッチング素子75との接続点78に、V相巻線50の他端56が接続される。高電位側のスイッチング素子73と低電位側のスイッチング素子75との接続点79に、W相巻線60の他端66が接続される。
第2インバータ部80は、3相インバータであり、巻線30への通電を切り替え可能である。
また、第2インバータ部80は、6つのスイッチング素子81−86が接続されている。高電位側のスイッチング素子81と低電位側のスイッチング素子84との接続点87には、U相巻線40の一端45が接続される。高電位側のスイッチング素子82と低電位側のスイッチング素子85との接続点88には、V相巻線50の一端55が接続される。高電位側のスイッチング素子83と低電位側のスイッチング素子86との接続点89には、W相巻線60の一端65が接続される。
本実施形態では、第1インバータ部70および第2インバータ部80は、巻線30の両側に接続される。
本実施形態では、スイッチング素子71−76、81−86は、IGBTである。スイッチング素子71−76、81−86は、MOSFETまたはバイポーラトランジスタ等であってもよい。以下適宜、高電位側に接続されるスイッチング素子71−73、81−83を「上アーム素子」、低電位側に接続されるスイッチング素子74−76、84−86を「下アーム素子」という。
「第1電力供給源」としての第1バッテリ91は、充放電可能な直流電源であって、第1インバータ部70と接続されている。
また、第1バッテリ91は、第1インバータ部70を経由してモータジェネレータ5と電力を授受可能に設けられている。第1バッテリ91の電圧を第1電圧V1とする。
「第2電力供給源」としての第2バッテリ92は、充放電可能な直流電源であって、第2インバータ部80と接続されていうr。
また、第2バッテリ92は、第2インバータ部80を経由してモータジェネレータ5と電力を授受可能に設けられている。第2バッテリ92の電圧を第2電圧V2とする。
第2電圧V2は、第1電圧V1以上に設定されている。
第1実施形態では、V1=200[V]とし、V2=600[V]とする。
第1コンデンサ93は、第1バッテリ91と並列に接続されている。
第1コンデンサ93は、第1バッテリ91から第1インバータ部70へ供給される電流、または、第1インバータ部70から第1バッテリ91へ供給される電流を平滑化する。
第2コンデンサ94は、第2バッテリ92と並列に接続されている。
第2コンデンサ94は、第2バッテリ92から第2インバータ部80へ供給される電流、または、第2インバータ部80から第2バッテリ92へ供給される電流を平滑化する。
制御部95は、通常のコンピュータとして構成されており、内部には、CPU、ROM
、RAM、I/Oおよびこれらを接続するバスライン等が備えられる。
制御部95は、スイッチング素子71−76、81−86のオンオフを制御する制御信号を生成する。
モータジェネレータ5の駆動モードについて、説明する。
図9に示すように、本実施形態では、回転数およびトルクが比較的小さい駆動領域R1において「片側駆動モード」とする。また、本実施形態では、回転数およびトルクが比較的大きい駆動領域R2において「両側駆動モード」とする。
片側駆動モードでは、第2インバータ部80の上アーム素子81−83を3相同時オン、下アーム素子84−86を3相同時オフにしている。
これにより、第2インバータ部80側が中性点化される。また、上アーム素子81−83を3相同時オフ、下アーム素子84−86を3相同時オンとしても、同様に第2インバータ部80側が中性点化される。
また、第1インバータ部70は、電圧指令に基づく基本波と、三角波等であるキャリア波とに基づいてPWM制御される。ここで、PWM制御は、正弦波PWM制御および過変調PWM制御を含む。
正弦波PWM制御では、基本波の振幅がキャリア波の振幅以下である。
過変調PWM制御では、基本波の振幅がキャリア波の振幅より大きい。
このとき、モータジェネレータ5に印加される電圧である駆動電圧は、パルスの高さが第1電圧V1となる。
また、第1インバータ部70の上アーム素子71−73を3相同時オン、下アーム素子74−76を3相同時オフとすることで第1インバータ部70側を中性点化し、第2インバータ部80をPWM制御してもよい。上アーム素子71−73を3相同時オフ、下アーム素子74−76を3相同時オンとしても、同様に第1インバータ部70側が中性点化される。
このとき、モータジェネレータ5に印加される電圧である駆動電圧は、パルスの高さが第2電圧V2となる。
いずれか一方のインバータ部70、80を中性点化することで、スイッチング損失を低減できる。また、中性点化されるインバータ部70、80、および、3相同時オンされる素子を適宜切り替えることで、特定の素子のオン状態が継続することによる発熱や、素子間の熱損失の偏りを低減できる。
両側駆動モードでは、第1インバータ部70および第2インバータ部80は、PWM制御、または、矩形波制御される。
第1インバータ部70の駆動に係る基本波を第1基本波とし、第2インバータ部80の駆動に係る基本波を第2基本波とする。
PWM制御では、第1基本波と第2基本波とは、位相が反転されている。第1基本波と第2基本波とは、位相が180[°]ずれている。
基本波の位相を反転することで、各相にてオンされる素子は、第1インバータ部70と第2インバータ部80とで上下反対となる。これにより、第1バッテリ91と第2バッテリ92とを直列に接続した状態に対応する電圧をモータジェネレータ5に印加可能である。なお、第1基本波と第2基本波との位相差は、180[°]であるが、第1バッテリ91と第2バッテリ92とを直列に接続した状態に対応する電圧を印加可能な程度のずれは許容される。
両側駆動モードでは、第1インバータ部70において、U相の上アーム素子71がオン、V相およびW相の下アーム素子75、76がオンされる。同時に、第2インバータ部80において、U相の下アーム素子84がオン、V相およびW相の上アーム素子82、83がオンされる。
このとき、駆動電圧は、パルスの高さが第1電圧V1と第2電圧V2との和となる。
従来、固定子鉄心のスロットに複数のセグメントコンダクタを挿入し、セグメントコンダクタを溶接等により接合することで固定子巻線を形成するセグメント接合型の電動機が知られている。特許文献1では、端子が接続される第1周回コイルと径方向で隣接するコイルを、周方向で隣接するコイルよりも中性点側のものとすることで、端子から電圧を印加した瞬間にコイルエンド部において部分放電が発生するのを抑制している。
特許文献1では、周回コイルの両端部が接触する。このため、両端部の電圧が高くなるシステムにおいては、両端部に印加される電圧に耐えうる絶縁被膜を形成する必要がある。
そこで、本実施形態のモータジェネレータ5は、巻線30間の最大電圧を低減可能にする。
本実施形態の巻線30の詳細を図10に基づいて説明する。
図10は、スロット22に挿入されるセグメントコンダクタ35の対応する部分巻線を説明するための図である。例えば、U相スロットの「1」は、第1U相部分巻線41を構成することを意味する。
図10において、紙面左右方向がステータ20の周方向であって、紙面右から左に向かう方向が反時計回り方向、紙面左から右に向かう方向が時計回り方向とする。また、紙面上下方向がステータ20の径方向に対応し、紙面上側が径方向外側、下側が径方向内側に対応する。
本実施形態では、スロット倍数k=2であるので、ステータ20において、1つの磁極に対応する3[相]×2(スロット倍数)=6つのスロット22を「領域」とする。
また、本実施形態では、磁極数M=8であるので、領域数は8である。
U相巻線40の最も一端45側となる挿入部36が挿入されるスロット22を含む領域を「領域A」とする。また、領域Aから時計回りに、領域B、領域C・・・とし、領域Aから反時計回りに、領域H、領域G・・・とする。
各領域内におけるスロット番号を時計回り方向に1〜6とする。
各スロット22内における位置を表す周番号を、径方向外側から1〜6とする。
図中において、スロット番号および周番号は、丸印を付した番号で記載する。
以下、挿入部36が挿入される箇所を、領域、スロット番号、周番号の順で表すこととし、具体的には、U相巻線40の最も一端45となる挿入部36が挿入される箇所を「A21」と表す。
また、図中において、U相巻線40を構成するセグメントコンダクタ35が挿入されるスロット22を太線で記載する。また、V相巻線50およびW相巻線60を構成するセグメントコンダクタ35が挿入されるスロット22を細線で記載する。
図10において、セグメントコンダクタ35を実線で示し、渡り線を破線で示す。
丸印で記載した箇所は、U相巻線40の一端45または他端46、V相巻線50の一端55または他端56、および、W相巻線60の一端65または他端66、であることを意味する。
三角印で記載した箇所は、渡り線にて接続される箇所であることを意味する。
各U相部分巻線41−44の一端45側の端部をS1−S4とする。
各U相部分巻線41−44の他端46側の端部をE1−E4とする。
始端S1がU相巻線40の一端45に対応し、終端E4がU相巻線40の他端46に対応する。
各V相部分巻線51−54の一端55側の端部をS5−S8とする。
各V相部分巻線51−54の他端56側の端部をE5−E8とする。
始端S5がV相巻線50の一端55に対応し、終端E8がV相巻線50の他端56に対応する。
各W相部分巻線61−64の一端65側の端部をS9−S12とする。
各W相部分巻線61−64の他端66側の端部をE9−E12とする。
始端S9がW相巻線60の一端65に対応し、終端E12がW相巻線60の他端66に対応する。
図10に示すように、領域Aにおいて、A1スロットに、第2U相部分巻線42および第4U相部分巻線44を構成するセグメントコンダクタ35が挿入される。
A2スロットに、第1U相部分巻線41および第3U相部分巻線43を構成するセグメントコンダクタ35が挿入される。
A3スロットに、第2V相部分巻線52および第4V相部分巻線54を構成するセグメントコンダクタ35が挿入される。
A4スロットに、第1V相部分巻線51および第3V相部分巻線53を構成するセグメントコンダクタ35が挿入される。
A5スロットに、第1W相部分巻線61および第3W相部分巻線63を構成するセグメントコンダクタ35が挿入される。
A6スロットに、第2W相部分巻線62および第4W相部分巻線64を構成するセグメントコンダクタ35が挿入される。
他の領域においても同様である。
U相巻線40の最も一端45側となるセグメントコンダクタ35は、一方の挿入部36がA21に挿入され、他方の挿入部36がH22に挿入されるように、スロット22に挿入される。
U相巻線40の一端45側から2番目のセグメントコンダクタ35は、一方の挿入部36がG21に挿入され、他方の挿入部36がF22に挿入されるように、スロット22に挿入される。
第1実施形態では、挿入部36は、隣接する磁極に対応する領域のスロット番号が同じであって径方向における位置が1つずれた箇所に挿入される。
また、U相巻線40の最も一端45側のセグメントコンダクタ35と2番目のセグメントコンダクタ35とは、B22に挿入された挿入部36とC21に挿入された挿入部36とを溶接等により接続することで、接続される。
第1実施形態では、異なるセグメントコンダクタ35を電気的に接続していくことで、巻線30を構成する。
以下、挿入部36が挿入されるスロット位置および巻回方向を説明する。
第1U相部分巻線41は、A21、H22、G21、F22、E21、D22、C21、B22、A23、H24、・・・、C23、B24、A25、H26、・・・、C25、B26の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されている。
第1U相部分巻線41は、反時計回りに巻回され、径方向外側から内側に向かって、巻回されている。
第2U相部分巻線42は、A16、H15、G16、F15、E16、D15、C16、B15、A14、H13、・・・、C14、B13、A12、H11、・・・、C12、B11の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されている。
第2U相部分巻線42は、反時計回りに巻回され、径方向内側から外側に向かって、巻回されている。
第3U相部分巻線43は、A26、H25、G26、F25、E26、D25、C26、B25、A24、H23、・・・、C24、B23、A22、H21、・・・、C22、B21の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されている。
第3U相部分巻線43は、反時計回りに巻回され、径方向内側から外側に向かって、巻回されている。
第4U相部分巻線44は、A11、H12、G11、F12、E11、D12、C11、B12、A13、H14、・・・、C13、B14、A15、H16、・・・、C15、B16の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されている。
第4U相部分巻線44は、反時計回りに巻回され、径方向外側から内側に向かって、巻回されている。
第1U相部分巻線41の終端E1と、第2U相部分巻線42の始端S2とは、渡り線W11により接続されている。第2U相部分巻線42の終端E2と、第3U相部分巻線43の始端S3とは、渡り線W12により接続されている。第3U相部分巻線43の終端E3と、第4U相部分巻線44の始端S4とは、渡り線W13により接続されている。
第1V相部分巻線51は、D43、C44、B43、A44、H43、G44、F43、E44、D45、C46、・・・、F45、E46、D41、C42、・・・、F41、E42の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第1V相部分巻線51は、反時計回りに巻回されている。
第2V相部分巻線52は、D34、C33、B34、A33、H34、G33、F34、E33、D32、C31、・・・、F32、E31、D36、C35、・・・、F36、E35の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第2V相部分巻線52は、反時計回りに巻回されている。
第3V相部分巻線53は、D44、C43、B44、A43、H44、G43、F44、E43、D42、C41、・・・、F42、E41、D46、C45、・・・、F46、E45の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第3V相部分巻線53は、反時計回りに巻回されている。
第4V相部分巻線54は、D33、C34、B33、A34、H33、G34、F33、E34、D35、C36、・・・、F35、E36、D31、C32、・・・、F31、E32の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第4V相部分巻線54は、反時計回りに巻回されている。
第1V相部分巻線51の終端E5と、第2V相部分巻線52の始端S6とは、渡り線により接続されている。第2V相部分巻線52の終端E6と、第3V相部分巻線53の始端S7とは、渡り線により接続されている。第3V相部分巻線53の終端E7と、第4V相部分巻線54の始端S8とは、渡り線Wより接続されている。
第1W相部分巻線61は、A56、H55、G56、F55、E56、D55、C56、B55、A54、H53、・・・、C54、B53、A52、H51、・・・、C52、B51の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されている。
第1W相部分巻線61は、反時計回りに径方向外側から内側に巻回されている。
第2W相部分巻線62は、A66、H65、G66、F65、E66、D65、C66、B65、A64、H63、・・・、C64、B63、A62、H61、・・・、C62、B61の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されている。
第2W相部分巻線62は、反時計回りに径方向内側から外側に巻回されている。
第3W相部分巻線63は、A51、H52、G51、F52、E51、D52、C51、B52、A53、H54、・・・、C53、B54、A55、H56、・・・、C55、B56の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されている。
第3W相部分巻線63は、反時計回りに径方向外側から内側に巻回されている。
第4W相部分巻線64は、A61、H62、G61、F62、E61、D62、C61、B62、A63、H64、・・・、C63、B64、A65、H66、・・・、C65、B66の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されている。
第4W相部分巻線64は、反時計回りに径方向外側から内側に巻回されている。
第1W相部分巻線61の終端E9と、第2W相部分巻線62の始端S10とは、渡り線により接続される。第2W相部分巻線62の終端E10と、第3W相部分巻線63の始端S11とは、渡り線により接続される。第3W相部分巻線63の終端E11と、第4W相部分巻線64の始端S12とは、渡り線により接続される。図中において、煩雑さを避けるため、V相巻線50およびW相巻線60の渡り線を省略する。また、第1実施形態の巻回方向は、反時計回りの一方向に巻回されている。なお、巻回方向は、反時計回りに限らず、時計回りとしてもよい。
第1実施形態では、U相巻線40の一端45に対応する始端S1がスロット22をステータ20の径方向に2分割する分割線Pよりも径方向外側に設けられている。
また、W相巻線60の一端65に対応する始端S9が分割線Pよりも径方向内側に設けられている。
さらに、V相巻線50の一端55に対応する始端S5が、少なくとも1つのスロット22を挟んで、ステータ20の径方向に対して、U相巻線40の一端45とW相巻線60の一端65との間に設けられている。
ここで、両側駆動モータにおいて、スイッチング状態のときの電圧分布を図11に示す。図11において、第1インバータ部70、第2インバータ部80、第1コンデンサ93第2コンデンサ94および制御部95の記載を省略し、巻線30、930の各箇所における電位、および、巻線30、930が絶縁被膜を介して接触する箇所の電位を破線で示す。
図11(b)に示すように、参考例としての電力変換システム9は、バッテリ910、920および巻線930を備える。バッテリ910の電圧を200Vとし、バッテリ920の電圧を600Vとし、バッテリ920の電圧は、バッテリ910の電圧よりも高く設定されている。
バッテリ910は、巻線930の一方側に設けられており、バッテリ920は、巻線930の他方側に設けられている。
巻線930では、U相巻線940、V相巻線950およびW相巻線960の一側を接続して中性点970としている。また、各巻線930の一端は、接触している。
電力変換システム9において、バッテリ910、920の電圧を巻線930に印加する場合、電力変換システム9における最大電圧が相関電圧Vi(参考例では600V)となる。このため、巻線930に、サージ電圧分を考慮した絶縁皮膜を設ける必要がある。
一方、本実施形態の電力変換システム1においで、巻線30の耐圧を下げることができ、絶縁皮膜を薄膜化できる。
本実施形態の電力変換システム1において、第1バッテリ91の負極側を電位0[V]とすると、スイッチング状態のときのDC成分の電圧分布は、図11(a)に示すようになる。
他の2相とオンされる素子の上下が異なる1相の両端電圧Vbおよび相関電圧Viは、以下の式(1)、(2)で表される。両側駆動モードの場合における最大電圧箇所は、U相巻線40、V相巻線50またはW相巻線60の両端電圧Vbとなる。本実施形態では、両端電圧Vbは、約533Vである。
また、図11に示すように、各相において、接触可能性のある箇所の電圧である相内電圧Vcは、式(3)で表される。なお、式(3)のnは、各相巻線40、50、60の分割数である。本実施形態では、分割数n=4である。
Vb=(V1+V2)×(2/3) ・・・(1)
Vi=(V1+V2)/2 ・・・(2)
Vc=Vb×(n−1)/n ・・・(3)
第1実施形態では、U相巻線40の一端45が分割線Pよりも径方向外側に設けられており、W相巻線60の一端65が分割線Pよりも径方向内側に設けられている。
また、V相巻線50の一端55が、少なくとも1つのスロット22を挟んで、U相巻線40の一端45とW相巻線60の一端65との間に設けられている。
これにより、U相巻線40の一端45、V相巻線50の一端55およびW相巻線60の一端65は確実に非接触となる。
第1U相部分巻線41の中間点をU相中間点Huとする。
中間点Huは、分割数n=4を2倍した数の8でU相巻線40を等分割した箇所である。
第1W相部分巻線61の中間点をW相中間点Hwとする。
中間点Hwは、分割数n=4を2倍した数の8でW相巻線60を等分割した箇所である。
このとき、U相中間点HuとV相巻線50の一端55が接触する箇所が最大電圧箇所となる。また、W相中間点HwとV相巻線50の一端55が接触する箇所が最大電圧箇所となる。この最大電圧箇所の電圧は、533Vである。
第1実施形態では、各相巻線40、50、60の一端45、55、65が非接触になることによって、参考例の電力変換システム9と比較して、モータジェネレータ5内における接触箇所の最大電圧を低減可能である。これにより、巻線30の絶縁被膜を薄膜化できる。
なお、特許請求の範囲において、「第1巻線」は、U相巻線40に相当し、「第2巻線」は、W相巻線60に相当し、「第3巻線」は、V相巻線50に相当する。
(第2実施形態)
第2実施形態では、各相巻線の一端の配置および巻回方向が異なる点を除き、第1実施形態と同様である。
第2実施形態では、U相巻線40、V相巻線50およびW相巻線60は、重ね巻にて、構成されている。
以下、図12を参照して、第2実施形態における挿入部36が挿入されるスロット位置および巻回方向を説明する。
第1U相部分巻線41は、A21、H22、A23、H24、A25、H26、G21、F22、G23、F24、G25、F26、・・・、C21、B22、C23、B24、C25、B26の順に、セグメントコンダクタ35が接続されている。
第1U相部分巻線41は、反時計回りの順番で、径方向外側から内側に巻回されている。
第2U相部分巻線42は、A16、B15、A14、B13、A12、B11、C16、D15、C14、D13、C12、D11、・・・、G16、H15、G14、H13、G12、H11の順に、セグメントコンダクタ35が接続されている。
第2U相部分巻線42は、時計回りの順番で、径方向内側から外側に巻回されている。
第3U相部分巻線43は、A26、B25、A24、B23、A22、B21、C26、D25、C24、D23、C22、D21、・・・、G26、H25、G24、H23、G22、H21の順にセグメントコンダクタ35が接続されている。
第3U相部分巻線43は、時計回りの順番で、径方向内側から外側に巻回されている。
第4U相部分巻線44は、A11、H12、A13、H14、A15、H16、G11、F12、G13、F14、G15、F16、・・・、C11、B12、C13、B14、C15、B16の順に、セグメントコンダクタ35が接続されている。
第4U相部分巻線44は、反時計回りの順番で、径方向外側から内側に巻回されている。
第1U相部分巻線41の終端E1と、第2U相部分巻線42の始端S2とは、渡り線W11により接続されている。第2U相部分巻線42の終端E2と、第3U相部分巻線43の始端S3とは、渡り線W12により接続されている。第3U相部分巻線43の終端E3と、第4U相部分巻線44の始端S4とは、渡り線W13により接続されている。
第1V相部分巻線51は、D41、C42、D43、C44、D45、C46、B41、A42、B43、A44、B45、A46、・・・、F41、E42、F43、E44、F45、E46の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第1V相部分巻線51は、反時計回りの順番で、径方向外側から内側に巻回されている。
第2V相部分巻線52は、D36、C35、D34、C33、D32、C31、B36、A35、B34、A33、B32、A31、・・・、F36、E35、F34、E33、F32、E31の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第2V相部分巻線52は、時計回りの順番で、径方向内側から外側に巻回されている。
第3V相部分巻線53は、D46、C45、D44、C43、D42、C41、B46、A45、B44、A43、B42、A41、・・・、F46、E45、F44、E43、F42、E41の順に、の順に12個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第3V相部分巻線53は、時計回りの順番で、に径方向内側から外側に巻回されている。
第4V相部分巻線54は、D31、C32、D33、C34、D35、C36、B31、A32、B33、A34、B35、A36、・・・、F31、E32、F33、E34、F35、E36の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第4V相部分巻線54は、反時計回りの順番で、径方向外側から内側に巻回されている。
第1V相部分巻線51の終端E5と、第2V相部分巻線52の始端S6とは、渡り線により接続されている。第2V相部分巻線52の終端E6と、第3V相部分巻線53の始端S7とは、渡り線により接続されている。第3V相部分巻線53の終端E7と、第4V相部分巻線54の始端S8とは、渡り線により接続されている。
第1W相部分巻線61は、A56、B55、A54、B53、A52、B51、C56、D55、C54、D53、C52、D51、・・・、G56、H55、G54、H53、G52、H51の順に、セグメントコンダクタ35が接続されている。
第1W相部分巻線61は、時計回りの順番で、径方向内側から外側に巻回されている。
第2W相部分巻線62は、A66、B65、A64、B63、A62、B61、C66、D65、C64、D63、C62、D61、・・・、G66、H65、G64、H63、G62、H61の順に、セグメントコンダクタ35が接続されている。
第2W相部分巻線62は、時計回りの順番で、径方向内側から外側に巻回されている。
第3W相部分巻線63は、A51、H52、A53、H54、A55、H56、G51、F52、G53、F54、G55、F56、・・・、C51、B52、C53、B54、C55、B56の順に、セグメントコンダクタ35が接続されている。
第3W相部分巻線63は、反時計回りの順番で、径方向外側から内側に巻回されている。
第4W相部分巻線64は、A61、H62、A63、H64、A65、H66、G51、F62、G63、F64、G65、F66、・・・、C61、B62、C63、B64、C65、B66の順に、セグメントコンダクタ35が接続されている。
第4W相部分巻線64は、反時計回りの順番で、径方向外側から内側に巻回されている。
第1W相部分巻線61の終端E9と、第2W相部分巻線62の始端S10とは、渡り線により接続されている。第2W相部分巻線62の終端E10と、第3W相部分巻線63の始端S11とは、渡り線により接続されている。第3W相部分巻線63の終端E11と、第4W相部分巻線64の始端S12とは、渡り線により接続されている。
スロット22をステータ20の周方向に2分割する線を分割線Qとする。
第2実施形態では、U相巻線40の一端45に対応する始端S1が分割線Qよりも一方側に設けられている。
また、W相巻線60の一端65に対応する始端S9が分割線Qよりも他方側に設けられている。
さらに、V相巻線50の一端55に対応する始端S5が、ステータ20の周方向において、U相巻線40の一端45とW相巻線60の一端65との間に設けられている。
図13に示すように、ステータコア21の中心をOとする。中心OからU相巻線40の一端45までの線をU相仮想線Iuとする。中心OからV相巻線50の一端55までの線をV相仮想線Ivとする。中心OからW相巻線60の一端65までの線をW相仮想線Iwとする。
U相仮想線IuとV相仮想線Ivとのなす角度を第1角度θ1[°]とする。W相仮想線IwとV相仮想線Ivとのなす角度を第2角度θ2[°]とする。
第1角度θ1が以下関係式(4)を満たすように、設定されている。または、第2角度θ2が以下関係式(5)を満たすように、設定されている。第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を奏する。
θ1≧360÷M×2 ・・・(4)
θ2≧360÷M×2 ・・・(5)
(その他の実施形態)
(i)図14に示すように、第2インバータ部80と第2バッテリ92との間に昇圧コンバータ96を設けて、第2電圧V2が第1電圧V1よりも大きくしてもよい。
昇圧コンバータ96は、リアクトル97、昇圧部98および平滑コンデンサ99を含む。
昇圧コンバータ96は、第2電圧V2を昇圧し、昇圧電圧Vsを生成する。生成された昇圧電圧Vsが第2インバータ部80に出力される。
リアクトル97は、電流の変化に伴って発生する誘起電圧による電気エネルギーを蓄積および放出可能である。
昇圧部98は、直列に接続された2つのスイッチング素子981、982および各スイッチング素子981、982に対して並列に接続された還流ダイオードを含む。
平滑コンデンサ99は、昇圧コンバータ96および第2インバータ部80の間に、第2インバータ部80と並列に接続され、昇圧電圧Vsの変動を平滑する。
(ii)本実施形態では、各相巻線は、4個の部分巻線から構成されている。各相巻線を1つの巻線により構成してもよいし、複数の部分巻線から構成してもよい。
(iii)本実施形態では、磁極数Mが8、スロット倍数kが2であって、スロット数が48である。磁極数Mおよびスロット倍数kは、これに限らずいくつとしてもよい。また、スロット数は、磁極数Mおよびスロット倍数kに応じ、適宜設定可能である。
(iv)1つのスロットに挿入されるセグメントコンダクタ数は6または8である。1つのスロットに挿入されるセグメントコンダクタ数は、6または8に限らず、いくつとしてもよい。また、セグメントコンダクタに替えて、一般的な断面が円形状である導線を巻回することで巻線を構成してもよい。
(v)各相巻線の一端および他端は、ハウジングの軸方向端部から取り出される。各相巻線の一端または他端の少なくとも一方は、ハウジングの軸方向端部以外の箇所からハウジングの外部に取り出してもよい。
(vi)第1インバータ部および第2インバータ部は、PWM制御あるいは矩形波制御により制御される。第1インバータ部および第2インバータ部の制御方法は、限定されない。
(vii)回転電機は、例えば、1電源1インバータのシステム等のシステムに適用してもよい。
(viii)電力変換システムは、電動車両に適用される。電動車両の主機以外の車両補機や他の装置に電力変換システムを適用してもよい。
(ix)第1電力供給源または第2電力供給源の一方を電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等により構成してもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
10 ・・・ハウジング、
15 ・・・シャフト、
16 ・・・ロータ、
20 ・・・ステータ、
21 ・・・ステータコア、
22 ・・・スロット、
30 ・・・巻線、
40 ・・・U相巻線(第1巻線)
45 ・・・U相巻線の一端、
50 ・・・V相巻線(第3巻線)
55 ・・・V相巻線の一端、
60 ・・・W相巻線(第2巻線)
65 ・・・W相巻線の一端。
P ・・・分割線、
Q ・・・分割線。

Claims (10)

  1. ハウジング(10)と、
    前記ハウジングに回転可能に支持されるシャフト(15)と、
    周方向に配列された複数対の磁極を有し、前記シャフトと一体に回転するロータ(16)と、
    周方向に配列された複数のスロット(22)が形成されるステータコア(21)および前記ステータコアに巻回される3相の巻線(30)を有するステータ(20)と、
    を備え、
    3相に対応する前記巻線を第1巻線(40)、第2巻線(60)および第3巻線(50)とすると、
    前記第1巻線の一端(45)は、前記スロットを前記ステータの径方向に2分割する分割線(P)よりも前記ステータの径方向外側に設けられ、
    前記第2巻線の一端(65)は、前記分割線よりも前記ステータの径方向内側に設けられ、
    前記第3巻線の一端(55)は、少なくとも1つの前記スロットを挟んで、前記ステータの径方向に対して前記第1巻線の一端と前記第2巻線の一端との間に設けられている回転電機。
  2. 2以上の整数をnとし、
    前記巻線は、直列に接続されたn個の部分巻線(41、42、43、44、51、52、53、54、61、62、63、64)で構成され、
    最も前記巻線の一端側の前記部分巻線を第1部分巻線(41、51、61)、最も前記巻線の他端側の前記部分巻線を第n部分巻線(44、54、64)とすると、
    前記第1部分巻線および前記第n部分巻線は、前記ステータの軸方向の同一側からみて反時計回り、または、時計回りの一方向に巻回されている請求項1の回転電機。
  3. 前記第1巻線の他端(46)、前記第2巻線の一端(66)および前記第3巻線の他端(56)は、第1インバータ部(70)を経由して第1電力供給源(91)と接続され、
    前記第1巻線の一端、前記第2巻線の一端および前記第3巻線の一端は、第2インバータ部(80)を経由して第2電力供給源(92)と接続されている請求項1または2に記載の回転電機。
  4. 前記第2電力供給源の電圧(V2)は、前記第1電力供給源の電圧(V1)よりも大きい請求項3に記載の回転電機。
  5. ハウジング(10)と、
    前記ハウジングに回転可能に支持されるシャフト(15)と、
    周方向に配列された複数対の磁極を有し、前記シャフトと一体に回転するロータ(16)と、
    周方向に配列された複数のスロット(22)が形成されるステータコア(21)および前記ステータコアに巻回される巻線(30)を有するステータ(20)と、
    を備え、
    3相に対応する前記巻線を第1巻線(40)、第2巻線(60)および第3巻線(50)とすると、
    前記第1巻線の一端(45)は、前記スロットを前記ステータの周方向に2分割する分割線(Q)よりも前記ステータの一方側に設けられ、
    前記第2巻線の一端(65)は、前記分割線よりも前記ステータの他方側に設けられ、
    前記第3巻線の一端(55)は、前記ステータの周方向に対して前記第1巻線の一端と前記第2巻線の一端との間に設けられている回転電機。
  6. 前記磁極の数をMとし、
    前記ステータコアの中心(O)から前記第1巻線の一端までの線(Iu)と前記ステータコアの中心から前記第3巻線の一端までの線(Iv)とでなす角度をθ1[°]とすると、
    θ1は、以下関係式(1)が成り立つように、設定されている請求項5に記載の回転電機。
    θ1≧360÷M×2 ・・・(1)
  7. 前記磁極の数をMとし、
    前記ステータコアの中心(O)から前記第2巻線の一端までの線(Iw)と前記ステータコアの中心から前記第3巻線の一端までの線(Iv)とでなす角度をθ2[°]とすると、
    θ2は、以下関係式(2)が成り立つように、設定されている請求項5または6に記載の回転電機。
    θ2≧360÷M×2 ・・・(2)
  8. 2以上の整数をnとし、
    前記巻線は、直列接続されたn個の部分巻線(41、42、43、44、51、52、53、54、61、62、63、64)で構成され、
    前記巻線の最も一端側の前記部分巻線を第1部分巻線(41、51、61)、前記巻線の最も他端側の前記部分巻線を第n部分巻線(44、54、64)とすると、
    前記第1部分巻線および前記第n部分巻線は、前記ステータコアの周方向に対し反時計回りまたは時計回りの順に、前記ステータコアの径方向外側から径方向内側、または、前記ステータコアの径方向内側から径方向外側に向かって巻回されている請求項5から7のいずれか一項に記載の回転電機。
  9. 前記第1巻線の他端(46)、前記第2巻線の一端(66)および前記第3巻線の他端(56)は、第1インバータ部(70)を経由して第1電力供給源(91)と接続され、
    前記第1巻線の一端、前記第2巻線の一端および前記第3巻線の一端は、第2インバータ部(80)を経由して第2電力供給源(92)と接続されている請求項5から8のいずれか一項に記載の回転電機。
  10. 前記第2電力供給源の電圧(V2)は、前記第1電力供給源の電圧(V1)よりも大きい請求項9に記載の回転電機。
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