JP6416561B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、巻線が接触する箇所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。
各相に対応する巻線である各相巻線の一端または他端の一方は、スロットを径方向に二分割する分割線よりも径方向外側である外周領域に配置される。また、一端または他端の他方は、分割線よりも径方向内側である内周領域に配置される。
各相巻線は、直列接続されたn(nは2以上の整数)個の部分巻線から構成され、それぞれの部分巻線は、外周領域または内周領域の一方から他方に亘って巻回される。最も一端側の部分巻線を第1部分巻線、最も他端側の部分巻線を第n部分巻線とすると、第1部分巻線および第n部分巻線は、ともに、外周領域から内周領域、または、内周領域から外周領域へ巻回される。部分巻線間のうちの少なくとも1箇所は、分割線を跨ぐ渡り線にて接続される。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による回転電機を図1〜図17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と、シャフト15と、ロータ16と、ステータ20と、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、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する。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、図示しないエンジンや駆動輪等から伝わる運動エネルギによって駆動され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。
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る。
ステータコア21には、複数のスロット22が形成される。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が形成される。例えば、スロット倍数k=2とすると、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、図示しない絶縁被膜が被覆された平角導体を略U字形状に折り曲げて形成され、互いに並行な一対の挿入部36、および、挿入部36の一端を連結するターン部38からなる。
挿入部36の先端側は、他のセグメントコンダクタ35の挿入部36または渡り線等と溶接等により電気的に接続され、ステータコア21の第2端部212側にて第2コイルエンド32を構成する。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、或いは、セグメントコンダクタ35と渡り線等とが電気的に接続される箇所の絶縁被膜は適宜剥離される。
図4および図5に示すように、巻線30は、4個のセグメントコンダクタ35を接続することでステータコア21を1周する。また、図6に示すように、後述する1つの部分巻線(例えば第1U相部分巻線41)は、12個のセグメントコンダクタ35を接続して構成される。
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。
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(nは2以上の整数)個の部分巻線に分割されている。本実施形態では、n=4であり、4つの部分巻線に分割されている。
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。一端45、55、65と接続される取出線47、57、67は、スロット22の径方向外側から取り出され、他端46、56、66と接続される取出線48、58、68は、スロット22の径方向内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、径方向外側から取り出される取出線47、57、67、および、径方向内側から取り出される取出線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。
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るべく、6つのスイッチング素子(以下、「SW素子」という。)71〜76が接続される。高電位側のSW素子71と低電位側のSW素子74との接続点77には、U相巻線40の一端45が接続される。高電位側のSW素子72とSW素子75との接続点78には、V相巻線50の一端55が接続される。高電位側のSW素子73と低電位側のSW素子76との接続点79には、W相巻線60の一端65が接続される。
本実施形態では、SW素子71〜76、81〜86は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるが、例えばMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、バイポーラトランジスタ等を用いてもよい。以下適宜、高電位側に接続されるSW素子71〜73、81〜83を「上アーム素子」、低電位側に接続されるSW素子74〜76、84〜86を「下アーム素子」という。
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、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る。本実施形態では、第2バッテリ92の電圧を第2電圧V2とする。本実施形態では、V1=V2=300[V]とする。
第2コンデンサ94は、第2バッテリ92と並列に接続され、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、あるいは、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平滑化コンデンサである。
ここで、モータジェネレータ5の駆動モードについて、図9〜図13に基づいて説明する。図10および図12において、制御部95の記載を省略する。以下、モータジェネレータ5が電動機として機能する場合を中心に説明する。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」とし、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。
図14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って、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14において、紙面左右方向がステータ20の周方向であって、紙面左方向が時計回り方向、紙面右方向が反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。
また、各領域内におけるスロット番号を時計回り方向に1〜6とし、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。図中においては、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、セグメントコンダクタ35の挿入部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、最も一端45となるセグメントコンダクタ35の挿入部36が挿入される箇所を「A21」と表す。
これらの点に関し、特段の言及がない限り、以下の実施形態についても同様とする。
なお、各部分巻線41〜44の巻き始め箇所および巻き終わり箇所は、周方向にずれても差し支えない。後述の実施形態においても同様である。
Vb=(V1+V2)×(2/3) ・・・(1)
Vi=(V1+V2)/2 ・・・(2)
したがって、第1電圧V1が第2電圧V2以上である前提とすると、第1電圧V1が第2電圧V2の2倍未満(V1<(2×V2))のとき、両側駆動した場合のシステム内における最大電圧箇所が、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。
Vc=Vb×(n−1)/n ・・・(3)
シャフト15は、ハウジング10に回転可能に支持される。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と一体に回転する。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には、周方向に配列された複数のスロット22が形成される。巻線30は、ステータコア21に巻回される。
各相に対応する巻線30である各相巻線40、50、60の一端45、55、65は、スロット22を径方向に二分割する分割線Pよりも径方向外側である外周領域に配置され、他端46、56、66は、分割線Pよりも径方向内側である内周領域に配置される。
巻線30は、それぞれ異なるスロット22に挿入される2つの挿入部36、および、挿入部36の間を連結するターン部38を有する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る。巻線30を複数のセグメントコンダクタ35を接続して構成することにより、モータジェネレータ5の性能を高めることができる。また、モータジェネレータ5の体格を小型化することができる。
最も一端45側の部分巻線を第1部分巻線41、最も他端46側の部分巻線を第n部分巻線44とすると、第1部分巻線41および第n部分巻線44は、ともに、外周側から内周側へ巻回される。これにより、一端45を外周領域、他端46を内周領域に配置することができる。
また、第1部分巻線41と第4部分巻線44とは、異なるスロット22に巻回される。これにより、巻線30をセグメントコンダクタ35により構成した場合、一端45をスロット22の最外周側、他端46をスロット22の最内周側に配置することができる。
V相、W相についても同様である。
本発明の第2実施形態を図18および図19に基づいて説明する。
本実施形態は、第1実施形態と巻線30の渡り線が異なっているので、この点を中心に説明する。
これにより、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第3実施形態を図20に基づいて説明する。
本実施形態は第1実施形態の変形例であり、部分巻線41〜44の配置の内周側と外周側とが第1実施形態と逆になっている。
第1部分巻線41は、A26、B25、C26、D25、E26、F25、G26、H25、A24、B23、・・・G24、H23、A22、B21、・・・・G22、H21の順に、12個のセグメントコンダクタ35が接続されることで、反時計回りに径方向内側から外側に巻回される。
また、第1部分巻線41および第4部分巻線44は、ともに、内周側から外周側へ巻回される。
このように構成しても、一端45、55、65と他端46、56、66とを非接触とすることができるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第4実施形態を図21〜図23に示す。
第4実施形態〜第7実施形態では、1つのスロット22には、8本の挿入部36が挿入可能に形成される。また、本実施形態では、部分巻線41〜44をそれぞれ4つのブロックに分ける。第1部分巻線41では、一端45側から、第1ブロック411、第2ブロック412、第3ブロック413、第4ブロック414とする。同様に、第2部分巻線42では、一端45側から、第1ブロック421、第2ブロック422、第3ブロック423、第4ブロック424とする。第3部分巻線43および第4部分巻線44についても同様とする。本実施形態では、第1ブロック411、421、および、第2ブロック412、422が「それぞれの部分巻線において、一端側である前半部分」に対応し、第3ブロック413、423、および、第4ブロック414、424が「それぞれの部分巻線において、他端側である後半部分」に対応する。
図22および図23は、ステータ20をステータコア21の第1端部211側から見た図であって、図22は第1部分巻線41を示し、図23は第2部分巻線42を示す。図22および図23において、それぞれ(a)が第1ブロック411、421、(b)が第2ブロック412、422、(c)が第3ブロック413、423、(d)が第4ブロック414、424を示す。後述の図26についても同様とする。なお、図22および図23において、始端と終端とが近接している箇所については、始端または終端を示す三角印の記載を適宜省略した。
第1部分巻線41の第1ブロック411は、A21、B22、C21、D22、E21、F22、G21、H22の順に4個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第1部分巻線41の第2ブロック412は、A11、B12、C11、D12、E11、F12、G11、H12の順に4個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第1部分巻線41の第3ブロック413は、A23、B24、C23、D24、E23、F24、G23、H24の順に4個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第1部分巻線41の第4ブロック414は、A13、B14、C13、D14、E13、F14、G13、H14の順に4つのセグメントコンダクタ35が挿入される。
また、第1部分巻線41の第4ブロック414の終端E14は、渡り線W44により、第2部分巻線42の第1ブロック421の始端S21と接続される。
第2部分巻線42の第2ブロック422は、A24、H23、G24、F23、E24、D23、C24、B13の順に4個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第2部分巻線42の第3ブロック423は、A12、H11、G12、F11、E12、D11、C12、B11の順に4個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第2部分巻線42の第4ブロック424は、A22、H21、G22、F21、E12、D21、C22、B21の順に4個のセグメントコンダクタ35が接続される。
第3部分巻線43は、内周側から分割線P側に、第2部分巻線42と同様、時計回りに巻回される。
第4部分巻線44は、分割線P側から内周側に、第1部分巻線41と同様、反時計回りに巻回される。
本実施形態では、第1部分巻線41および第2部分巻線42が「前半巻線」に対応し、第3部分巻線43および第4部分巻線44が「後半巻線」に対応する。
このように構成しても、一端45、55、65と他端46、56、66とを非接触とすることができるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第5実施形態を図24に基づいて説明する。
本実施形態は、第4実施形態の変形例であり、部分巻線41〜44の配置が第4実施形態と逆になっている。
図24に示すように、本実施形態では、内周領域に第1部分巻線41および第2部分巻線42を巻回し、外周領域に第3部分巻線43および第4部分巻線44を巻回する。
第1部分巻線41の第2ブロック412は、A18、B17、C18、D17、E18、F17、G18、H17の順に4つのセグメントコンダクタ35が接続される。
第1部分巻線41の第3ブロック413は、A26、B25、C26、D25、E26、F25、G26、H25の順に4つのセグメントコンダクタ35が接続される。
第1部分巻線41の第4ブロック414は、A16、B15、C16、D15、E16、F15、G16、H15の順に4つのセグメントコンダクタ35が接続される。
また、第1部分巻線41の第4ブロック414の終端E14は、渡り線W64により、第2部分巻線42の第1ブロック421の始端S21と接続される。
第2部分巻線42の第2ブロック422は、A25、H26、G25、F26、E25、D26、C25、B26の順に4つのセグメントコンダクタ35が接続される。
第2部分巻線42の第3ブロック423は、A17、H18、G17、F18、E17、D18、C17、B18の順に4つのセグメントコンダクタ35が接続される。
第2部分巻線42の第4ブロック424は、A27、H28、G27、F28、E27、D28、C27、B28の順に4つのセグメントコンダクタ35が接続される。
第3部分巻線43は、外周側から分割線P側に、第2部分巻線42と同様、時計回りに巻回される。
第4部分巻線44は、分割線P側から内周側に、第1部分巻線41と同様、反時計回りに巻回される。
より詳細には、内周領域において、第1部分巻線41が内周側から分割線P側へ反時計回りに巻回され、第2部分巻線42が分割線P側から外周側へ時計回りに巻回される。また、外周領域において、第3部分巻線43が外周側から分割線P側へ時計回りに巻回され、第4部分巻線44が分割線P側から外周側へ反時計回りに巻回される。これにより、一端45をスロット22の最内周側に配置可能であり、他端46をスロット22の最外周側に配置可能である。
このように構成しても、一端45、55、65と他端46、56、66とを非接触とすることができるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第6実施形態を図25および図26に示す。
図25に示すように、本実施形態では、スロット22内において、外周側からの2層に第1部分巻線41を巻回し、次の2層に第2部分巻線42を巻回し、次の2層の第3部分巻線43を巻回し、内周側からの2層に第4部分巻線44を巻回する。すなわち、本実施形態では、第1部分巻線41および第2部分巻線42が外周領域に巻回され、第3部分巻線43および第4部分巻線44が内周領域に巻回される。
第1部分巻線41の第2ブロック412は、A11、B12、C11、D12、E11、F12、G11、H12の順に、4つのセグメントコンダクタ35が反時計回りに接続される。
第1部分巻線41の第4ブロック414は、G12、F11、E12、D11、C12、B11、A12、H11の順に、4つのセグメントコンダクタ35が時計回りに接続される。
すなわち、本実施形態では、第1部分巻線41内において、前半部分である第1ブロック411および第2ブロック412と、後半部分である第3ブロック413および第4ブロック414とで、巻回方向が異なっている。
これにより、第1ブロック411、第2ブロック412、第3ブロック413、および、第4ブロック414が接続されて、外周側からの2層に巻回される第1部分巻線41を構成する。
第2部分巻線42、第3部分巻線43、および、第4部分巻線44は、第1部分巻線41と同様、順に内周側となるように巻回される。
また、それぞれの部分巻線41〜44において、一端45側である前半部分の巻回方向と、他端46側である後半部分の巻回方向とは、異なる。
V相およびW相についても同様である。
このように構成しても、一端45、55、65と他端46、56、66とを非接触とすることができるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第7実施形態を図27に基づいて説明する。
本実施形態は、第6実施形態の変形例であり、内周側からの2層に第1部分巻線41を巻回し、次の2層に第2部分巻線42を巻回し、次の2層の第3部分巻線43を巻回し、外周側からの2層に第4部分巻線44を巻回する。すなわち、本実施形態では、第1部分巻線41および第2部分巻線42が内周領域に巻回され、第3部分巻線43および第4部分巻線44が外周領域に巻回される。
第1部分巻線41の第2ブロック412は、A18、B17、C18、D17、E18、F17、G18、H17の順に、4つのセグメントコンダクタ35が反時計回りに巻回される。
第1部分巻線41の第4ブロック414は、G17、F18、E17、D18、C17、B18、A17、H18の順に、4つのセグメントコンダクタ35が時計回りに巻回される。
すなわち、本実施形態では、第6実施形態と同様、第1部分巻線41内において、前半部分である第1ブロック411および第2ブロック412と、後半部分である第3ブロック413および第4ブロック414とで、巻回方向が異なっている。
これにより、第1ブロック411、第2ブロック412、第3ブロック413、および、第4ブロック414が接続されて、内周側からの2層に巻回される第1部分巻線41を構成する。
第2部分巻線42、第3部分巻線43、および、第4部分巻線44は、第1部分巻線41と同様、順に外周側となるように巻回される。
また、それぞれの部分巻線41〜44において、一端45側である前半部分の巻回方向と、他端46側である後半部分の巻回方向とは、異なる。
このように構成しても、一端45、55、65と他端46、56、66とを非接触とすることができるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。
上記実施形態では、各相巻線は、4個の部分巻線から構成される。他の実施形態では、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。
上記実施形態では、磁極数が8、スロット倍数が2であって、スロット数が48である。他の実施形態では、磁極数およびスロット倍数は、これに限らずいくつとしてもよい。また、スロット数は、磁極数およびスロット倍数に応じ、適宜設定可能である。また、上記実施形態では、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。他の実施形態では、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。また他の実施形態では、セグメントコンダクタに替えて、例えば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。
また、上記実施形態では、一端または他端の一方がスロットの最外周側に配置され、他方がスロットの最内周側に配置される。他の実施形態では、一端または他端の一方が外周領域であれば最外周側でなくてもよいし、他方が内周側であれば最内周側でなくてもよい。
上記実施形態では、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。他の実施形態では、一端および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。
上記実施形態では、第1電力供給源および第2電力供給源は、共にバッテリである。他の実施形態では、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。
上記実施形態では、回転電機は、一端が第1インバータ部を経由して第1バッテリに接続され、他端が第2インバータ部を経由して第2バッテリに接続される「2電源2インバータ」の電力変換システムに適用される。他の実施形態では、回転電機は、例えば1電源1インバータのシステム等、どのようなシステムに適用してもよい。
上記実施形態では、電力変換システムは、電動車両に適用される。他の実施形態では、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。
以上、本発明は、上記実施形態になんら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可能である。
5・・・モータジェネレータ(回転電機)
20・・・ステータ
21・・・ステータコア
22・・・スロット
30・・・巻線
40、50、60・・・各相巻線
45、55、65・・・一端
46、56、66・・・他端
Claims (9)
- 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、
各相に対応する前記巻線である各相巻線(40、50、60)の一端(45、55、65)または他端(46、56、66)の一方は、前記スロットを径方向に二分割する分割線よりも径方向外側である外周領域に配置され、
前記一端または前記他端の他方は、前記分割線よりも径方向内側である内周領域に配置され、
前記各相巻線は、直列接続されたn(nは2以上の整数)個の部分巻線(41〜44、51〜54、61〜64)から構成され、
それぞれの前記部分巻線は、前記外周領域または前記内周領域の一方から他方に亘って巻回され、
最も前記一端側の前記部分巻線を第1部分巻線(41、51、61)、最も前記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、ともに、前記外周領域から前記内周領域、または、前記内周領域から前記外周領域へ巻回され、
前記部分巻線間のうちの少なくとも1箇所は、前記分割線を跨ぐ渡り線にて接続されることを特徴とする回転電機(5)。 - 前記一端は、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、
前記他端は、第2インバータ部(80)を経由して第2電力供給源(92)と接続されることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 - 前記一端または前記他端の一方は、前記スロットの最外周側に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機。
- 前記一端または前記他端の他方は、前記スロットの最内周側に配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転電機。
- 前記巻線は、それぞれ異なる前記スロットに挿入される2つの挿入部(36)、および、前記挿入部の間を連結するターン部(38)を有する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ることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転電機。
- 前記第1部分巻線と前記第n部分巻線とは、異なる前記スロットに巻回されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の回転電機。
- それぞれの前記部分巻線において、前記一端側である前半部分の巻回方向と、前記他端側である後半部分の巻回方向とは、同じであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の回転電機。
- それぞれの前記部分巻線において、前記一端側である前半部分の巻回方向と、前記他端側である後半部分の巻回方向とは、異なることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の回転電機。
- 前記一端および前記他端は、前記ハウジングの軸方向端部から取り出されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の回転電機。
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