JP5837265B2 - モータコイル装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばインバータ駆動モータ等に設けられているモータコイル装置に関するものである。

従来のインバータ駆動モータの巻線構造では、コアの全体にコイルの１層目が連続して巻回されており、１層目の外周に２層目が折り返して巻回されており、３層目以降も同様に巻回されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１０−１３６６２０号公報 特開２００２−２７６９４号公報

しかしながら、上記のような従来の巻線構造では、インバータサージのような過電圧がかかる場合に、１層目の電線と２層目の電線とが接触する箇所の間の電圧が大きくなるため、絶縁層の傷により、モータ運転中に短時間で絶縁破壊に至る。また、絶縁欠陥がない場合でも、電線が接触する箇所の間の電圧が部分放電開始電圧を超えると、部分放電が発生し、部分放電による絶縁劣化が起こり、最終的に絶縁破壊に至るという問題がある。これに対して、絶縁破壊を防ぐために電線の被膜を厚くすると、コイル導体の占積率が低下するという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コイル導体の占積率の低下を防ぎつつ、電線間の電圧を低減させ、絶縁破壊をより確実に防ぐことができるモータコイル装置を得ることを目的とする。

この発明に係るモータコイル装置は、コアと、コアの外周に電線を連続して巻回してなるコイル本体とを備え、コイル本体は、その軸線に沿う方向に並べて配置された複数の分割コイル部を有しており、各分割コイル部は、コアの対応する範囲に最内層から最外層まで電線を連続して巻回することにより構成されている。

この発明のモータコイル装置は、分割コイル部毎の順で電線を巻回することにより、コイル本体が複数に分割されているので、コイル本体内で隣り合う電線の巻き順差を小さくすることができ、これにより、コイル導体の占積率の低下を防ぎつつ、電線間の電圧を低減させ、絶縁破壊をより確実に防ぐことができる。

この発明の実施の形態１によるモータコイル装置の要部断面図である。 図１のコイル本体を分割せずに巻いた場合を示す断面図である。 図１のコイル本体を３分割した変形例を示す断面図である。 ３層巻き構造のコイル本体の分割数とコイル本体内の隣り合う電線間の最大電圧との関係を示すグラフである。 ５層巻き構造のコイル本体を分割せずに巻いた場合を示す断面図である。 図５のコイル本体を２分割した場合を示す断面図である。 図５のコイル本体を３分割した変形例を示す断面図である。 図５のコイル本体を４分割した変形例を示す断面図である。 ５層巻き構造のコイル本体の分割数とコイル本体内の隣り合う電線間の最大電圧との関係を示すグラフである。 実施の形態１によるコイル本体の分割数の決定方法を示すフローチャートである。 コイル本体の分割数の決定方法の他の例を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２によるモータコイル装置の要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態３によるモータコイル装置の要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態４によるモータコイル装置の要部拡大断面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるインバータ駆動モータのモータコイル装置の要部断面図（半断面図）である。コア１には、コイル本体２が設けられている。コイル本体２は、コア１のティース部の外周に電線３を連続して巻回することにより構成されている。コア１とコイル本体２との間には、絶縁材４が介在している。

コイル本体２は、その軸線に沿う方向、即ち電線３の巻き進み方向（図１の上下方向）に並べて配置された２つの分割コイル部５ａ，５ｂを有している。即ち、実施の形態１のコイル本体２は、２分割されている。各分割コイル部５ａ，５ｂは、コア１の対応する範囲に、最内層から最外層まで電線３を連続して巻回することにより構成されている。

即ち、電線３は、コイル本体２の軸方向の一端側の分割コイル部５ａから他端側の分割コイル部５ｂの順に巻かれており、各分割コイル部５ａ，５ｂ内では、最内層から最外層へ向けて各層毎に順に巻かれている。また、隣り合う分割コイル部５ａ，５ｂ間では、電線３が最外層から最内層へ向けて巻回されている。

実施の形態１のコイル本体２は、３層巻き構造である。この構造では、まず分割コイル部５ａの１層目から３層目までを巻き、次に、分割コイル部５ａと分割コイル部５ｂとの間の部分を巻き、最後に分割コイル部５ｂの１層目から３層目までを巻く。

図１において、電線３の断面に記載した数字は、電線３の巻き順を示している。電線３の巻き順を具体的に説明すると、まず分割コイル部５ａの１層目、即ち１巻き目から７巻き目までを巻き、次に、分割コイル部５ａの２層目、即ち８巻き目から１３巻き目までを巻き、さらに、分割コイル部５ａの３層目、即ち１４巻き目から２０巻き目までを巻く。

この後、２１巻き目は２層目、２２巻き目は１層目に巻き、続いて、分割コイル部５ｂの１層目、２層目、３層目を順に巻く。

７巻き目の次に８巻き目を巻くときには、７巻き目が、まだ巻かれていない２２巻き目の方向へずれ易いと考えられる。しかし、７巻き目を巻いた後に、２２巻き目の位置から７巻き目を押さえることで、７巻き目のずれは防止できる。

また、２０巻き目及び２１巻き目を巻くときには、内層側に電線３がないため、３層目及び２層目に電線３を保持できないと考えられる。しかし、２１巻き目及び２２巻き目の位置にスペーサを一時的に入れ、それを外しながら巻くことで、電線３のずれを少なくできる。また、２０巻き目及び２１巻き目を巻く途中で、２０巻き目及び２１巻き目を外部から保持して内側に動かないようにしてもよい。

一般に、インバータ出力の電圧パルスの立ち上がり時間が、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。また、インバータ出力のパルス電圧の周波数が、モータコイルの共振周波数を超えると、端子側コイルに大きな電圧がかかるという現象が発生する。さらに、コイル内部の隣り合う電線間に関しては、比較的均等に電圧がかかることが知られている。

ここで、図２は図１のコイル本体２を分割せずに巻いた場合を示す断面図である。コイル本体２内の隣り合う電線３間には、巻き順差に応じた電圧がかかる。このため、図２の構造において、隣り合う電線３間で最大電圧がかかるのは、１巻き目と３０巻き目との間、及び１６巻き目と４５巻き目との間の２箇所であり、これら２箇所の巻き順差は２９である。

図２の構造において、コイル本体２内で電圧が比較的均等にかかる場合、１巻き目と４５巻き目との間の電圧を１００％とすると、隣り合う電線３間での最大電圧は、１００×（２９／４５）＝６４％となる。この電圧が部分放電開始電圧を超えると、部分放電が発生し、絶縁劣化が発生するため問題となる。

これに対して、図１の構造では、隣り合う電線３間で最大電圧がかかるのは、巻き順差の大きい２０巻き目と３８巻き目との間である。この最大電圧は、１巻き目と４５巻き目との間の電圧を１００％とすると、２０巻き目と３８巻き目との巻き順差である１８から、１００×（１８／４５）＝４０％となる。

このように、実施の形態１の構造では、１層目を巻く途中で２層目以降を巻き、コイル本体２を分割することにより、コイル本体２内で隣り合う電線３の最大の巻き順差が、図２のようにコイル本体２の軸線方向の全体に渡って最内層から最外層まで連続して電線３を巻回した場合よりも小さくされている。これにより、図２に示した構造と比較して、電線３の被覆を厚くすることなく、隣り合う電線３間にかかる最大の電圧を低減することができる。従って、コイル導体の占積率の低下を防ぎつつ、電線３間の電圧を低減させ、絶縁破壊をより確実に防ぐことができる。

なお、図１に示した構造においても、隣り合う電線３間の電圧が部分放電開始電圧を超える場合には、図３に示すように、コイル本体２を３つの分割コイル部５ｃ，５ｄ，５ｅに分割してもよい。これにより、隣り合う電線３間の電圧をさらに低減することができる。

図３に示す変形例では、分割コイル部５ｃの１層目、即ち１巻き目から５巻き目までを巻き、次に、分割コイル部５ｃの２層目、即ち６巻き目から９巻き目までを巻き、さらに、分割コイル部５ｃの３層目、即ち１０巻き目から１４巻き目までを巻く。

この後、１５巻き目は２層目、１６巻き目は１層目に巻き、続いて、分割コイル部５ｄの１層目、２層目、３層目を順に巻く。次に、３０巻き目は２層目、３１巻き目は１層目に巻き、続いて、分割コイル部５ｅの１層目、２層目、３層目を順に巻く。

図３の構造では、隣り合う電線３間で最大電圧がかかるのは、２９巻き目と４１巻き目との間である。この最大電圧は、１巻き目と４５巻き目との間の電圧を１００％とすると、２９巻き目と４１巻き目との巻き順差である１２から、１００×（１２／４５）＝２７％となる。

図４は３層巻き構造のコイル本体の分割数を１、２、３としたときのコイル本体内の隣り合う電線間の最大電圧を示すグラフである。なお、分割数１は、分割しない場合である。

コイル本体の端子間にかかるサージ電圧をＶｓとし、端子側コイルにかかる電圧の割合をα₁とすると、端子側コイル巻き始めと巻き終わりとの間には、α₁Ｖｓの電圧がかかる。図４の縦軸は、α₁Ｖｓを基準として示している。図４に示すように、コイル本体の分割数を増やすと、隣り合う電線間の電圧を低減できる。

次に、図５は５層巻き構造のコイル本体２を分割せずに巻いた場合を示す断面図である。この構造では、隣り合う電線３間で最大電圧がかかるのは、１巻き目と３０巻き目との間、１６巻き目と４５巻き目との間、３１巻き目と６０巻き目との間、４６巻き目と７５巻き目との間の４箇所である。そして、その最大電圧は、１巻き目と７５巻き目との間の電圧を１００％とすると、１００×（２９／７５）＝３９％となる。

図６は図５のコイル本体２を２分割した場合を示す断面図である。この構造では、隣り合う電線３間で最大電圧がかかるのは、３５巻き目と６８巻き目との間である。そして、その最大電圧は、１００×（３３／７５）＝４４％となる。即ち、この場合、電圧低減効果が得られない。

図７は図５のコイル本体２を３分割した変形例を示す断面図である。この構造では、隣り合う電線３間で最大電圧がかかるのは、４５巻き目と７０巻き目と間である。そして、その最大電圧は、１００×（２５／７５）＝３３％となる。

図８は図５のコイル本体２を４分割した変形例を示す断面図である。この例では、コイル本体２が４つの分割コイル部５ｆ，５ｇ，５ｈ，５ｉに分割されている。この構造では、隣り合う電線３間で最大電圧がかかるのは、１５巻き目と３２巻き目との間、２２巻き目と３９巻き目との間、３５巻き目と５２巻き目との間、４２巻き目と５９巻き目との間、５５巻き目と７２巻き目との間の５箇所である。そして、その最大電圧は、１００×（１７／７５）＝２３％となる。

図９は５層巻き構造のコイル本体の分割数を１、２、３、４としたときのコイル本体内の隣り合う電線間の最大電圧を示すグラフである。この場合、分割数を３以上とすると、隣り合う電線間の電圧を低減できる。

以下、コイル本体の分割数を決定する手順を図１０のフローチャートを用いて説明する。まず、モータにかかるサージ電圧Ｖｓを求める（ステップＳ１）。次に、各モータコイルにかかる電圧の割合αｎを求め、各モータコイルにかかる電圧αｎＶｓを求める（ステップＳ２）。なお、各モータコイルにかかる電圧の割合は、端側か中性点側かで異なるので、αｎと表記し、ｎはモータコイルの番号とする。

この後、コイル本体をＮ分割したときの隣り合う電線間の最大電圧を求める（ステップＳ３）。そして、隣り合う電線間の最大電圧が、モータ運転中の電線間の部分放電開始電圧未満であるかどうかを判断する（ステップＳ４）。ここで、比較基準をモータ運転中の部分放電開始電圧としたのは、モータ運転中に、例えば高温状態及び経年劣化の影響で、部分放電開始電圧が低下するのを考慮したためである。

隣り合う電線間の最大電圧がモータ運転中の電線間の部分放電開始電圧を下回れば、分割数を決定する（ステップＳ６）。下回らなければ、分割数を１増やして（ステップＳ５）、ステップＳ３に戻る。これを隣り合う電線間の最大電圧がモータ運転中の電線間の部分放電開始電圧を下回るまで行う。

このように、コイル本体内における隣り合う電線間の最大電圧を、モータ運転中の電線間の部分放電開始電圧以下とすることで、モータ運転中の部分放電による絶縁劣化をより確実に防ぎ、絶縁信頼性の高いモータを得ることができる。

なお、上記の例では、コイル本体内の電圧が均等であるという条件で説明したが、サージ電圧の周波数が高くなり、コイル本体内の電圧が不均一となったときには、図１０のフローチャートのステップ３の隣り合う電線間の最大電圧は、回路解析による推定又は電圧の実測により行う。

ここで、一般に、空気中では、２つの電極間の距離を縮めても、放電電圧の最低値は３００Ｖとなる。このため、電線に傷がある場合には、放電が発生する電圧は３００Ｖまで低下する可能性があるが、電線間の電圧が３００Ｖ未満であれば、放電は発生しないと言える。

従って、上記の例では、隣り合う電線間の最大電圧をモータ運転中の電線間の部分放電開始電圧と比較したが、電線に傷がある場合には、図１１に示すように、図１０のステップＳ４の代わりに、隣り合う電線間の最大電圧が、放電が発生する最低電圧３００Ｖ未満であるかどうかを判断する（ステップＳ７）。

このようにコイル本体の分割数を決定することで、電線の絶縁欠陥による絶縁破壊をより確実に防止することができる。

実施の形態２．
次に、図１２はこの発明の実施の形態２によるモータコイル装置の要部拡大断面図である。この例では、分割コイル部５ａの最内層の最後に巻回された部分のずれ（これから巻回される分割コイル部５ｂ側へのずれ）を防止する少なくとも１つの突起４ａが絶縁材４に設けられている。突起４ａは、７巻き目が巻かれる部分と２２巻き目が巻かれる部分との間に設けられている。突起４ａは、電線３の巻回方向に連続的又は断続的に設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このように、７巻き目と２２巻き目との間に突起４ａを設けることで、７巻き目が２２巻き目側へずれるのを防止することができ、コイル本体２を分割した場合にも、コイル本体２の巻回作業を容易に行うことができる。

なお、８巻き目の巻き圧力が強い場合には、突起４ａの突出量を大きくすることにより、７巻き目がずれるのをより確実に防止することができる。
また、図３に示した３分割の構造では、５巻き目と１６巻き目との間、及び２０巻き目と３１巻き目との間にそれぞれ突起を設ければよい。同様に、図８に示した４分割の構造では、４巻き目と１９巻き目との間、２２巻き目と３９巻き目との間、４２巻き目と５９巻き目との間にそれぞれ突起を設ければよい。

実施の形態３．
次に、図１３はこの発明の実施の形態３によるモータコイル装置の要部拡大断面図である。この例では、最内層の電線３間を仕切る複数の突起４ｂが絶縁材４に設けられている。これにより、絶縁材４には、断面矩形の複数の溝４ｃが形成されている。溝４ｃには、最内層に巻回された電線３が部分的に収容されている。これにより、最内層の電線３のずれ（巻き進み方向へのずれ）が防止されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によれば、最内層の電線３の安定性が高くなり、コイル本体２を分割した場合にも、コイル本体２の巻回作業を容易に行うことができる。

実施の形態４．
次に、図１４はこの発明の実施の形態４によるモータコイル装置の要部拡大断面図である。この例では、絶縁材４に、断面円弧状の底面を有する複数の溝４ｄが設けられている。溝４ｄには、最内層に巻回された電線３が部分的に収容されている。これにより、最内層の電線３のずれ（巻き進み方向へのずれ）が防止されている。また、最内層の電線３とコア１との距離Ｌは、図１３と同じである。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によっても、最内層の電線３の安定性が高くなり、コイル本体２を分割した場合にも、コイル本体２の巻回作業を容易に行うことができる。

なお、実施の形態１〜４では、断面円形の電線を示したが、この発明は断面矩形の電線を用いたモータコイル装置にも適用できる。

Claims (5)

1. コアと、前記コアの外周に電線を連続して巻回してなるコイル本体とを備え、
   前記コイル本体は、その軸線に沿う方向に並べて配置された複数の分割コイル部を有しており、
   各前記分割コイル部は、前記コアの対応する範囲に最内層から最外層まで前記電線を連続して巻回することにより構成されており、
   隣り合う前記分割コイル部間では、前記電線が最外層から最内層へ向けて巻回されているモータコイル装置。
2. 前記分割コイル部の数は、前記コイル本体内で隣り合う前記電線間にかかる最大電圧が、モータ運転中の前記電線間の部分放電開始電圧未満となるように設定されている請求項１記載のモータコイル装置。
3. 前記分割コイル部の数は、前記コイル本体内で隣り合う前記電線間にかかる電圧が３００Ｖ未満となるように設定されている請求項１記載のモータコイル装置。
4. 前記コアと前記コイル本体との間には、絶縁材が介在しており、
   前記絶縁材には、前記分割コイル部の最内層の最後に巻回された部分のずれを防止する突起が設けられている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のモータコイル装置。
5. 前記コアと前記コイル本体との間には、絶縁材が介在しており、
   前記絶縁材には、最内層に巻回された前記電線が部分的に収容された複数の溝が設けられている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のモータコイル装置。

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