JPWO2017168574A1 - 電動機 - Google Patents

Abstract

電動機は、永久磁石式ロータを有し、ステータのコイル巻線が、２組の多相巻線から構成され、ティースにコイル巻線が集中巻きに巻装され、１組の多相巻線は、１個のティース飛びに巻装され、他組の多相巻線は、１組の多相巻線の間のティースに巻装されており、隣り合う２組のコイル巻線は同方向に巻装され、コイル巻線に電力を供給する制御ユニットは、２組のコイル巻線に対して独立に制御回路を有し、２組の制御信号は１５０度の位相差をなして制御される。

Description

この発明は、電動機に関するものである。

従来、電動機において、特に永久磁石式同期モータにおいて、その巻線構造には大きく分けて２種類が存在する。巻線方法の１つは集中巻（例えば特許文献１参照）で、他方は分布巻（例えば特許文献２参照）がある。また、電動機駆動中のノイズ、リップルに対して巻線を２組、用意し、この２組を位相差駆動することにより２組の巻線の制御により相殺させて抑制するものがあった。

特許第５１０６８８８号明細書 特許第５３０４４２７号明細書

特許文献１に開示されたモータ装置では、分布巻された第１、第２の３相巻線に対して駆動信号をπ／６の位相差を設けて制御するものであった。分布巻は集中巻に対して巻線係数が高くなるため、高出力に向いているとされている。

しかし、分布巻は集中巻に対して所定ピッチ離れたスロット間に巻装するため、巻線機が複雑であり、また、スロット間の渡り線が長くなるため、コイルエンド高さが高くなり、軸長が長くなる傾向にある。

一方、特許文献２に開示された回転電機の駆動システムにおいては、集中巻であって第１、第２巻線間の制御をπ／６位相差で行うことが記載されている。この装置でもトルクリップルが低減できる効果がある。

しかし、スロットに巻装されたコイルを見ると第１群のＵ相と隣り合う第２群のＸ相は逆向きである。そのため第１群Ｕ，Ｖ，Ｗ相と第２群のＸ，Ｙ，Ｚ相とを同時にコイル巻装することは困難であった。さらに第１群のＵ相と６スロット離れた次の第１群のＵ相とが存在する場合、両者を直接接続することは巻線方向から不可能であった。そのため、別途、渡り線を用いて結線が必要となっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、集中巻、２組の多相巻線を有する電動機において、コイル巻線の簡略化および工作性の向上を可能とする電動機を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は、永久磁石式ロータを有し、ステータのコイル巻線が、２組の多相巻線から構成され、ティースにコイル巻線が集中巻きに巻装され、１組の多相巻線は、１個のティース飛びに巻装され、他組の多相巻線は、１組の多相巻線の間のティースに巻装されている、電動機であって、隣り合う２組のコイル巻線は同方向に巻装され、コイル巻線に電力を供給する制御ユニットは、２組のコイル巻線に対して独立に制御回路を有し、２組の制御信号は１５０度の位相差をなして制御される。

本発明によれば、集中巻、２組の多相巻線を有する電動機において、コイル巻線の簡略化および工作性の向上を可能とすることができる。

実施の形態１におけるモータの模式図である。 実施の形態１におけるモータの巻線回路図を示す図である。 実施の形態１におけるモータの巻線回路図である。 実施の形態１におけるモータの巻線回路図である。 実施の形態１における全体の回路図である。 実施の形態１におけるモータへの電力供給波形である。 実施の形態２におけるモータの巻線回路図である。 実施の形態２におけるモータの巻線回路図である。 実施の形態２におけるモータの巻線仕様説明図である。 実施の形態２におけるモータの巻線仕様説明図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。電動機として永久磁石式インナーロ−タモータを例にして説明する。図１は、モータ２のステータおよびロータを、出力軸２４と直交する方向で示す、模式図である。中心に存在する出力軸２４の周囲には、出力軸２４と一緒に回転するロータ２３が設けられている。さらにロータ２３の外周には永久磁石２５のＮ、Ｓ極が交互に配置され、すなわち、合計１０極設けられている。永久磁石２５は、等角度間隔で配置されている。これら永久磁石２５と隙間を設けてステータ２０が同軸状に配置されている。ステータ２０は、コイル巻線を収納するスロット２１とティース２２とが交互に周方向に配置され、各１２個設けられている。

コイル巻線は、１個のティース２２を跨ぐように一方のスロットから隣のスロットに巻装している。図２には、２組の３相コイルが模式的に記載されている。コイル巻線の回路は、図２に示したように、△（デルタ）結線２組のうちの１組目がＵ＋、Ｕ−、Ｖ＋、Ｖ−、Ｗ＋、ｗ−であり、２組目がＸ＋、Ｘ−、Ｙ＋，Ｙ−，Ｚ＋，Ｚ−である、計１２個のコイルから構成されている。本実施の形態１のモータは、図１で示したスロット配置と図２の回路とを備える。

さらに巻線の詳細について図３および図４を用いて説明する。図３および図４は、ステータ２０を直線状に展開した図であり、１２個のティース２２にコイルが巻装されていることを示している。また、説明を分かりやすくするため、２組のコイル巻線を、組ごとに分けて図３および図４それぞれに記載している。実際のモータ２としては、図３および図４を重ね合わせたものである。Ｕ、Ｖ、Ｗの組と、Ｘ，Ｙ、Ｚの組とは、同一巻線構造である。図中左よりティース２２の３個（Ｕ＋、Ｖ−、Ｗ＋）については、図中左より右に向かう右巻きで複数回巻かれている。さらに次の３個（Ｕ−、Ｖ＋、Ｗ−）は逆に左巻きである。また、各ティースの左側から巻始め、右側で巻終わりと同一構造であり、コイル巻線用の引出線が全ティースで同一形態となる。さらに、Ｕ＋の巻終わり（２６Ｕ＋ｅ）と６ティース先のＵ−巻始め（２６Ｕ−ｓ）は切断されることなく、連続線で接続している。なお、渡り線２７Ｕ、２７Ｖ、２７Ｗは別体のコイル線又は電気導体であり、コイル線又は電気導体と例えば溶接により接続されており、そのような箇所は、黒丸印で示している。

同様にＸ、Ｙ、Ｚ相のコイル巻線も図中左半分に位置するティース２２では右巻きであり、右半分では左巻きとなり、同一相は連続線で構成されている。以上より左半分の隣り合った各ティースに対して巻装方向は同一である。右半分も逆巻きではあるが、同様に連続して巻かれている。以上のように半分のコイルは同一方向に同じように巻装され、６個先のティースまで延ばされ、さらに連続線で残りのコイルも逆巻きではあるが隣り合うコイルが同一方向に巻かれているので、１組の３相のコイルを同時に巻くことができる。さらには２組のコイル巻線６本を同時に巻くことも可能となり、巻線機の構造が簡略され、工作時間も同一巻装仕様であるため短縮できる。なお、巻始め、巻終わりは同一構造で引き出されており、ステータの上方で△（デルタ）結線することも、Ｙ結線することもできる。Ｙ結線であってもトルクリップルの低減効果を得ることができる。

本実施の形態のモータは、５対１０極の１２スロットのモータで、２組の３相のコイル巻線を有し、各組が隣り合うスロットに挿入され、同一方向に巻装された構造である。よって、隣り合うコイル巻線は、
３６０（度）÷５（対）＝７２（度） → ３６０（度）
が当てはまり、機械角は７２度であり、電気角に変換すると３６０度となる。
また、スロット間の条件は、
３６０（度）÷１２（スロット）＝３０（度） → １５０（度）
が当てはまり、機械角は３０度であり、電気角に変換すると１５０度となる。
以上より図１〜図４で示すスロット間は電気角１５０度位相ずれとなっている。

次にモータ２を制御する制御ユニット１について図５の全体回路図で説明する。図５は電動パワーステアリング装置を例とした全体回路図であり、電動機およびその制御装置（制御ユニット１）は、車両用の電動パワーステアリング装置を構成する。モータ２を駆動する制御ユニット１がモータ２の２組のコイル巻線に電力を供給するものである。制御ユニット１の外部には、車両に搭載されたバッテリ６、イグニッションスイッチ７、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサや車速センサ等のセンサ類８が設置されている。また、制御ユニット１内には、モータ２に電流を供給するいわゆるインバータ回路３ａ、３ｂと、電源回路１３、入力回路１２、ＣＰＵ１０および駆動回路１１ａ、１１ｂを含む小信号回路と、フィルタ１７、電源リレーの役目をする電源用スイッチング素子５ａ、５ｂとが含まれる。

制御ユニット１内の前述した各部位の接続と動作の概略は、イグニッションスイッチ７がドライバーにより投入されると、電源回路１３によりＣＰＵ１０、入力回路１２、駆動回路１１ａ、１１ｂに定電圧が供給される。また、インバータ回路３ａ、３ｂ用の電源はフィルタ１７（コンデンサとコイル）を介して供給される。車速センサ、トルクセンサ等のセンサ類８からの情報は、入力回路１２を介してＣＰＵ１０に送られ、これらの情報に基づきモータ２へ電力を供給する制御量をＣＰＵ１０が演算し、出力としての初段の駆動回路１１を介して出力される。また、インバータ回路３ａ、３ｂ内の各部の電圧、又は電流を検出するとともに、モータ２の出力軸の回転を検出する回転センサ９による回転角の各情報も入力回路１２を介してＣＰＵ１０に伝達される。＋Ｂ電源ラインには開閉するリレー機能を有した電源用スイッチング素子５ａ、５ｂが挿入されている。このスイッチング素子は例えばＦＥＴであり、寄生ダイオードは電流供給方向と順方向と逆方向の素子が直列に配置されている。このスイッチング素子により、インバータ回路３ａ、３ｂ、又はモータ２に故障が発生した場合などに電力供給を強制的に遮断することができる。このスイッチング素子５の駆動もＣＰＵ１０が駆動回路１１を介して制御する。

インバータ回路３ａ、３ｂは、モータ２の２組の３相巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）のために各相に対して同一の３個のスイッチング素子の構成とコンデンサ３０等から構成され、同一回路が２組内蔵されている。上下アームを構成するスイッチング素子（図中ではＵ相に関して代表して示し、３１Ｕ、３２Ｕで表記されている）が直列に２個ずつと、モータ巻線と前記スイッチング素子間を開閉するリレー機能を有したモータリレー用スイッチング素子（図中ではＵ相に関して代表して示し、３４Ｕで表記されている）をそれぞれ備えている。上下アーム用スイッチング素子はＣＰＵ１０の指令に基づきＰＷＭ駆動されるため、ノイズ抑制の目的でコンデンサ（図中ではＵ相に関して代表して示し、３０Ｕで表記されている）も近傍で接続されている。またモータ２に流れる電流を検出するためにシャント抵抗（図中ではＵ相に関して代表して示し、３３Ｕで表記されている）も接続されている。上下アームのスイッチング素子の間、又はモータ巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の端子の電圧、及びシャント抵抗の電圧がＣＰＵ１０に伝達されて、ＣＰＵ１０の制御指令値（目標値）と実際の電流、電圧値の差異を把握し、いわゆるフィードバック制御、さらには各部の故障判定も行っている。また回転センサ９により回転角を検出してモータの回転位置、又は速度をＣＰＵ１０は算出し、制御タイミングに利用している。

次に制御ユニット１のＣＰＵ１０におけるインバータ回路３ａ、３ｂの制御方法について図６を用いて説明する。図６はモータコイルへの電力供給波形であり、インバータ３ａ、３ｂに対して独立制御しており、正弦波ＰＷＭ制御により略正弦波電流を通電している。図６の実線Ｕ，Ｖ，ＷはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各々のモータコイルへ電流供給タイミングを示している。３相制御であるため、各相は１２０度の位相差で制御されている。同様に１点鎖線のＸ、Ｙ、ＺはＸ相、Ｙ相、Ｚ相の電流供給タイミングを示し、各相は１２０度位相差である。１組のＵ，Ｖ，Ｗと２組目のＸ，Ｙ，Ｚとの位相差は１５０度＝５／６π（電気角）ずれたことを示している。この１５０度は、図１〜図４におけるコイル巻線の両組の位相差が１５０度であることに起因して制御面でも１５０度位相差制御としている。この位相差は、図５の回転センサ９の回転角情報により、ＣＰＵ１０にて任意の位相差出力することは簡単に実現可能である。

以上のように２組の多相コイル巻線を有する電動機において、２組の隣り合うコイル巻線の巻装方向は同一であり、それらコイル巻線への電力供給のための制御回路は各組独立に制御され、その位相差を１５０度としたので、コイル巻線の構造が簡単になり、その結果巻装するための機械が簡略化でき、工作時間も短縮できる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図７〜図１０を用いて説明する。なお、本実施の形態２は、以下に説明する内容を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

図７および図８は本発明の実施の形態２における回路図である。回路としては、図３および図４と同じであるが、巻始め線と巻終り線の取出し方が異なる。図３および図４では各ティースの左側から巻始め、右側で巻終りと統一していたが、図７および図８ではＵ＋、Ｖ−、Ｗ＋、Ｘ−、Ｙ＋、Ｚ−の巻始め線とＵ−、Ｖ＋、Ｗ−、Ｘ＋、Ｙ−、Ｚ＋の巻終り線が同じ方向から引き出されている。巻始めと巻終りに関係なく、接続する必要のある引出線を同じ方向に引き出すことで、引出線の取扱いが容易になり、工作時間が短縮できる。また、この構造の場合、図９および図１０のように連続線２８をモータ軸方向に対し、引出線と反対側に配置することができる。これにより、連続線２８と渡り線の軸方向反対側に配置することで、渡り線２７のスペースが大きくなり、取扱いが容易になる。

このような本実施の形態２においても、実施の形態１と同様、中出力以下で集中巻、２組の多相巻線を有する電動機において、コイル巻線の簡略化および工作性の向上を可能とするとともに、駆動時のトルクリップルの低減、及びトルクリップルに起因するノイズの低減を可能とする。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

２０ ステ−タ、２１ スロット、２２ ティース、２３ ロータ、２５ 永久磁石、２７ 渡り線、２８ 連続線。

Claims (8)

1. 永久磁石式ロータを有し、ステータのコイル巻線が、２組の多相巻線から構成され、ティースにコイル巻線が集中巻きに巻装され、１組の多相巻線は、１個のティース飛びに巻装され、他組の多相巻線は、１組の多相巻線の間のティースに巻装されている、電動機であって、
   隣り合う２組のコイル巻線は同方向に巻装され、
   コイル巻線に電力を供給する制御ユニットは、２組のコイル巻線に対して独立に制御回路を有し、２組の制御信号は１５０度の位相差をなして制御される、
   電動機。
2. １組の１つの相のコイル巻線は、少なくとも２個のティースにそれぞれ集中巻きされ、１方のティースの巻線端と他方のティースの巻線端は連続線で接続されている、
   請求項１の電動機。
3. 各相のコイル巻線は、ティースの１方側から巻始め、他方側で巻終わりとなるように集中巻きされる、
   請求項２の電動機。
4. 各相のコイル巻線は、隣り合う６つのティースからそれぞれ引出される渡り線による接続を必要とする巻始め線と、残りの隣り合う６つのティースからそれぞれ引出される渡り線による接続を必要とする巻終り線とが、ティースに対し同じ１方側から引出されている、
   請求項２の電動機。
5. 各相のコイル巻線において、所定ティース離れた同一相の巻線を繋ぐ連続線が、渡り線による接続が必要な引出線とは、軸方向に対して反対側に取出されている、
   請求項２の電動機。
6. 各相のコイル巻線において、１個のティースの巻装方向と、所定ティース離れた同一相のティースの巻装方向とは、逆巻きであり、それら１個のティースと所定ティース離れた同一相のティースとの間を繋ぐ渡り線は、連続線である、
   請求項２の電動機。
7. ５対１０極の永久磁石と、１２個のスロットとを備えた、
   請求項１〜６の何れか一項の電動機。
8. 車両用の電動パワーステアリング装置を構成する、
   請求項１〜７の何れか一項の電動機。

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