JPWO2020008883A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機は、回転子と固定子とを備え、回転子は、周方向に配置されたｎ極の永久磁石を有し、固定子は、周方向に配置されたｍ個のスロットおよびティースと、ティースに巻き付けられたｒ相のコイルとを備え、コイルは、各相に、１番目からｓ番目まで順に直列接続されたｓ個の相コイルを有し、永久磁石の極数ｎとスロット数ｍとの比が、ｎ：ｍ＝（３±１）：ｒであり、各相の１番目の相コイルはインバータに接続され、ｓ番目の相コイルは中性点に接続され、相コイルは、ティースに対して、１番目の相コイル同士が周方向に隣接しないように配置されている。

Description

本発明は回転電機に関し、特に、回転子と固定子とを有する回転電機に関する。

従来、例えば４極６スロットの回転電機で直列結線する場合、結線方法として、例えば時計回りで、各相の巻線を、Ｕ１→Ｖ１→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ２→Ｗ２の順に結線する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、同一スロット内に配置される隣接した巻線間の絶縁方法としては、主に絶縁紙を挿入する方法が用いられている。

特開２００２−１１２４８８号公報

上記の特許文献１に記載の結線方法の場合、３つのコイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１は、高電圧側のコイルである。そのため、Ｕ１とＶ１との間、および、Ｖ１とＷ１との間の巻線間電圧が最も高くなる。一方、３つのコイルＵ２、Ｖ２、Ｗ２は、低電圧側のコイルである。そのため、Ｕ２とＶ２との間、Ｖ２とＷ２との間では、巻線間電圧が最も低くなる。このように、スロットの場所によって巻線間電圧の値がばらついている。その場合、巻線間電圧の最大値に合わせて、スロット内の絶縁設計を行って、絶縁紙の厚さを決定する。その結果、巻線間電圧の低いスロットに対しても、同一の絶縁紙を使用するため、絶縁紙が必要以上に厚くなってしまうという課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、巻線間電圧の最大値の低減を図る、回転電機を得ることを目的とする。

本発明に係る回転電機は、回転子と、前記回転子の外周に対して空隙を介して配置された固定子とを備え、前記回転子は、周方向に配置されたｎ個の永久磁石を有し、前記固定子は、周方向に配置されたｍ個のティースと、隣接する２つのティース間に形成されたｍ個のスロットと、前記ティースに巻き付けられたｒ相のコイルとを備え、前記ｒ相のコイルのそれぞれは、１番目からｓ番目まで順に直列接続されたｓ個の相コイルで構成され、各相の前記ｓ番目の相コイルが中性点に接続されることで、前記ｒ相のコイルがＹ結線されており、前記永久磁石の極数ｎと前記スロットのスロット数ｍとの比が、ｎ：ｍ＝（３±１）：ｒであり、前記ｒは３以上の自然数、前記ｎ、前記ｍおよび前記ｓは、それぞれ、２以上の自然数であり、各相の前記１番目の相コイル同士は、周方向に隣接しないように配置されている。

本発明に係る回転電機によれば、巻線間電圧の最大値の低減を図ることができる。

実施の形態１に係る４極６スロットの回転電機の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る回転電機が設けられたシステム全体の構成を示す回路図である。 実施の形態１に係る回転電機における各コイルの結線方法を示した説明図である。 実施の形態１に係る回転電機におけるＵ相コイルの結線方法を示した結線図である。 従来例の４極６スロットの回転電機の断面図である。 実施の形態１に係る回転電機のコイルに印加される３相交流電圧波形を示した図である。 従来例の回転電機の３相交流印加時におけるスロット部分の相間電位差を示した図である。 実施の形態１に係る回転電機の３相交流印加時におけるスロット部分の相間電位差を示した図である。 従来の１０極１２スロットの回転電機の断面図である。 実施の形態２に係る６極９スロットの回転電機の結線図である。 実施の形態２に係る６極９スロットの回転電機の構成を示した断面図である。 従来例における６極９スロットの回転電機の断面図である。 実施の形態３に係る回転電機におけるＵ相コイルの結線方法を示した結線図である。 実施の形態３に係る回転電機の各ティースの巻線図である。 実施の形態３に係る回転電機の各巻線の等価回路図である。 実施の形態４に係る８極１２スロットの回転電機の構成を示した断面図である。 実施の形態４に係る８極１２スロットの回転電機の結線図である。 従来例の８極１２スロットの回転電機の断面図である。 実施の形態４に係る回転電機の線間の電位差を示す図である。 実施の形態１に係る８極１２スロットの回転電機の構成を示した断面図である。 実施の形態４に係る１０極１５スロットの回転電機の結線図である。 実施の形態４に係る１０極１５スロットの回転電機の構成を示す断面図である。 実施の形態４に係る１２極１８スロットの回転電機の結線図である。 実施の形態４に係る１２極１８スロットの回転電機の構成を示す断面図である。 実施の形態５に係る６極１５スロットの回転電機の構成を示す断面図である。 実施の形態５に係る６極１５スロットの回転電機の結線図である。 実施の形態６に係る６極９スロットの回転電機の断面図である。 実施の形態６に係る６極９スロットの回転電機のＵ１−Ｖ３間の拡大図である。 実施の形態６に係る６極９スロットの回転電機のＷ１−Ｕ２間の拡大図である。 実施の形態６に係る６極９スロットの回転電機Ｗ２−Ｕ３間の拡大図である。 本発明の実施の形態１〜６に係る回転電機の永久磁石の変形例を示した断面図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る回転電機の実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機の構成を示す断面図である。図２は、本実施の形態１に係る回転電機が設けられるシステム全体の構成を示した結線図である。図３は、本実施の形態１に係る回転電機に設けられた各コイルの結線方法を示した説明図である。図４は、本実施の形態１に係る回転電機のＵ相コイル部分の結線図である。

なお、以下では、回転電機として、モータ１０を例に挙げて説明する。図１に示すように、モータ１０は、固定子１と、回転子１１とを備えて構成されている。なお、図１の例では、回転子１１の極数ｎが４極、固定子１のスロット数ｍが６スロットの場合を示している。但し、極数ｎおよびスロット数ｍは、これに限定されない。本実施の形態１においては、回転電機の相数をｒとしたとき、極数ｎとスロット数ｍの比がｎ：ｍ＝（３−１）：ｒの条件を満たしていればよい。なお、補足ながら、ティース３の個数は、スロット６の個数と同じであるため、ティース３の個数もｍ個となる。従って、極数ｎとティース３の個数ｍの比も、同様に、ｎ：ｍ＝（３−１）：ｒの関係が成り立つ。

図１に示すように、固定子１は、固定子鉄心２と、複数のティース３と、コアバック４と、コイル５と、複数のスロット６とを備えて構成されている。固定子鉄心２は、円環状の形状を有している。固定子鉄心２の内側には、回転子１１が配置されている。固定子鉄心２の内周面と回転子１１の外周面との間には空隙が設けられている。固定子鉄心２の内周面には、６個のティース３が設けられている。各ティース３は、回転子１１の外周面に対向している。各ティース３は、周方向に間隔を空けて配置されている。各ティース３は、例えば等ピッチで配置されている。また、各ティース３は、凸状の形状を有している。また、隣接するティース３の間には、スロット６が形成されている。また、スロット６を利用して、ティース３には、コイル５が巻き付けられている。本実施の形態では、コイル５の巻き付け方法として、ティース３に、直接、コイル５を巻き付ける集中巻方式が用いられている。

また、回転子１１の外周面には、磁性の異なる４個の永久磁石１２が設けられている。
永久磁石１２は、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互になるように配置されている。永久磁石１２は、例えば等ピッチで配置されている。ここで、図１に示す「Ｎ」および「Ｓ」の表記は、回転子１１の外周面に発生する磁極を示す。

また、図２に示すように、固定子１のコイル５は、インバータ３１を介して、電源３３に接続される。また、インバータ３１の上流側、すなわち、電源３３側には、コンデンサ３２が接続されている。インバータ３１は、複数のスイッチング素子を備えて構成されている。スイッチング素子は、モータ１０の各相に２個ずつ設けられている。２個のスイッチング素子は、直列に接続されている。スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作により、コイル５に印加される電圧が制御される。コンデンサ３２は、電源３３とインバータ３１とによるスイッチング動作によって発生する電流変動を抑制する。電源３３は、直流電源から構成されている。しかしながら、その場合に限らず、電源３３を交流電源から構成するようにしてもよい。その場合には、交流電源からの交流電流を、例えばダイオード等によって整流して、直流電流を得るようにすればよい。

図１において、各ティース３に記載されている「Ｕ１」、「Ｖ１」および「Ｗ１」などの最初の１文字の「Ｕ」、「Ｖ」および「Ｗ」は、それぞれ、モータ１０の各相を示している。

また、図１に示す「Ｕ１」および「Ｕ２」の表記は、それぞれ、図２に示す「Ｕ１」および「Ｕ２」に対応している。図２に示すように、「Ｕ１」および「Ｕ２」は、インバータ３１に対して近い順に、それぞれ、Ｕ相の第１のコイルおよび第２のコイルを示している。以下では、Ｕ相の第１のコイルを「相コイルＵ１」と呼び、Ｕ相の第２のコイルを「相コイルＵ２」と呼ぶこととする。

同様に、図１に示す「Ｖ１」および「Ｖ２」の表記は、それぞれ、図２に示す「Ｖ１」および「Ｖ２」に対応している。図２に示すように、「Ｖ１」および「Ｖ２」は、インバータ３１に対して近い順に、それぞれ、Ｖ相の第１のコイルおよび第２のコイルを示している。以下では、Ｖ相の第１のコイルを「相コイルＶ１」と呼び、Ｖ相の第２のコイルを「相コイルＶ２」と呼ぶこととする。

同様に、図１に示す「Ｗ１」および「Ｗ２」の表記は、それぞれ、図２に示す「Ｗ１」および「Ｗ２」に対応している。図２に示すように、「Ｗ１」および「Ｗ２」は、インバータ３１に対して近い順に、それぞれ、Ｗ相の第１のコイルおよび第２のコイルを示している。以下では、Ｗ相の第１のコイルを「相コイルＷ１」と呼び、Ｗ相の第２のコイルを「相コイルＷ２」と呼ぶこととする。

本実施の形態１では、図２に示すように、コイル５がＹ結線されている。すなわち、Ｕ相においては、相コイルＵ１とＵ２とが直列接続され、Ｖ相においては、相コイルＶ１とＶ２とが直列接続され、Ｗ相においては、相コイルＷ１とＷ２とが直列接続されている。また、Ｕ、ＶおよびＷの各相の第２のコイルの巻き終わり、すなわち、相コイルＵ２、Ｖ２およびＷ２の巻き終わりが、それぞれ、中性点Ｎに接続されている。このように、実施の形態１では、各相における直列接続された相コイルの個数ｓが２個の場合を示しているが、それに限定されるものではなく、個数ｓは、２以上の任意の個数でよい。

以下では、図２に示すように、相コイルＵ１とＵ２間の電位を電位Ｕ_ａと呼び、相コイルＶ１とＶ２間の電位を電位Ｖ_ａと呼び、相コイルＷ１とＷ２間の電位を電位Ｗ_ａと呼ぶ。

なお、本実施の形態１では、上述したように、コイル５が集中巻方式により、ティース３に巻き付けられている。集中巻方式では、１つのティース３に対して１つの相コイルが巻き付けられる。図１を用いて、具体的に説明すると、相コイルＵ１が１つのティース３に巻き付けられている。従って、ティース３およびスロット６の個数ｍと、コイル５の相数ｒと、直列接続された相コイルの個数ｓとは、ｓ×ｒ＝ｍの関係が成り立つ。また、当該ティース３に隣接する他のティース３には、相コイルＶ２が巻き付けられている。このように、１つのティース３に対して１つの相コイルが巻き付けられる。このとき、各ティース３は、ティース３間に形成された１つのスロット６を共有している。すなわち、相コイルＵ１と相コイルＶ２とは、共通のスロット６を用いている。このように、１つのスロット６内では、当該スロットの両側のティース３にそれぞれ巻き付けられた２つの相コイルが隣接することになる。

図３は、相コイルＵ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２のうちの１つのコイルを示した図である。本実施の形態１では、図３に示すように、これらの各コイルにおいて、ティース３側の１つの巻線を「コイルの巻き始め４１」とし、スロット６のスロット中央部に位置する１つの巻線を、「コイルの巻き終わり４２」とする。

また、コイル５への給電方法としては、「コイルの巻き始め４１」をインバータ３１側、すなわち、高電圧側とし、「コイルの巻き終わり４２」を中性点Ｎ側、すなわち、低電圧側とする。

また、同相コイルの接続方法としては、図４に示す通りである。図４においては、Ｕ相の同相コイルの接続方法を示している。相コイルＵ１の巻き始め４１ａがインバータ３１に接続され、相コイルＵ２の巻き終わり４２ｂが中性点Ｎに接続されている。また、相コイルＵ１の巻き終わり４２ａと相コイルＵ２の巻き始め４１ｂとが接続されている。なお、Ｖ相、Ｗ相も同様の構成であるため、ここでは、その説明を省略する。

従来のＹ結線された３相の４極６スロットのモータにおいて、各相が２つの相コイルを有している場合、図５の構成にすることが一般的である。すなわち、図５に示すように、反時計回りに、Ｕ１→Ｖ１→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ２→Ｗ２→Ｕ１の順に、コイル１０５を巻き付ける。この場合において、図６に示すような印加電圧を、コイル１０５に印加する場合を考える。図６においては、基準とするために、印加電圧の各相振幅の値が２になるように、予め設定された電圧値で印加電圧が規格化されている。図６において、実線６７がＵ相コイルに印加される印加電圧を示し、破線６８がＶ相コイルに印加される印加電圧を示し、一点鎖線６９がＷ相コイルに印加される印加電圧を示す。

図６に示す印加電圧をコイル１０５に印加すると、図７に示すように、相コイルＵ１とＶ１間、および、相コイルＵ１とＷ１間では、スロット１０６における巻線間の電位差が、各相の印加電圧の√３／２倍となる。なお、図７において、実線７１が相コイルＵ１とＶ１間の電位差を示し、破線７２が相コイルＷ１とＵ１間の電位差を示す。

図７において、相コイルＵ１とＶ１間の電位差は電位Ｕ_ａとＶ_ａとの電位差であり、相コイルＶ１とＷ１間の電位差は電位Ｖ_ａとＷ_ａの電位差を示している。一方、相コイルＵ２とＶ２間、および、相コイルＶ２とＷ２間では、中性点Ｎに相コイルＵ２、Ｖ２、Ｗ２が接続されているため、巻線間の電位差が０となる。このように、図５に示す従来のモータにおいては、電位Ｕ_ａとＶ_ａの電位差のスロットと、電位Ｖ_ａとＷ_ａの電位差のスロットと、電位差が０のスロットとが混在する。そのため、巻線間の電位差が、スロット１０６ごとで大きくばらついていた。このような場合においても、各スロット１０６における絶縁設計を行う際には、巻線間の電位差が最も高い箇所に合わせて、絶縁設計を行う。図５の例では、相コイルＵ１とＶ１間および相コイルＶ１とＷ１間に合わせて絶縁設計が行われる。絶縁設計とは、１つのスロット内に配置された隣接する巻線間に挿入する絶縁紙の大きさを決定することをいう。絶縁紙の大きさは、電位差が大きい箇所ではサイズの大きい絶縁紙が必要であるが、電位差の小さい箇所ではサイズの小さい絶縁紙でよい。しかしながら、絶縁紙の大きさをスロットごとに変えることはせずに、同一サイズの絶縁紙を用いる。すなわち、固定子１０１の内径の形状精度の安定性のため、各スロット１０６において、絶縁上の必要性にかかわらず、同じ寸法の絶縁紙を用いて、巻線間を絶縁する。そのため、各スロット１０６内では、サイズの最も大きい絶縁紙が使用される。

次に、本実施の形態１における結線とスロット間の巻線間の電位差について説明する。
本実施の形態１においては、図１に示すように、各相において、高電圧側の相コイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１と、低電圧側の相コイルＵ２、Ｖ２、Ｗ２とが交互に配置されている。すなわち、図１に示すように、各ティース３に対して、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ２→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ１→Ｗ２→Ｕ１の順に、コイル５を巻き付けている。そのため、各スロット６においては、順に、相コイルＵ１とＶ２とが隣接し、相コイルＶ２とＷ１とが隣接し、相コイルＷ１とＵ２とが隣接し、相コイルＵ２とＶ１とが隣接し、相コイルＶ１とＷ２とが隣接し、相コイルＷ２とＵ１とが隣接する。このとき、相コイルＵ２、Ｖ２、Ｗ２の相間部分の巻線では、中性点Ｎの電位となり、０となる。そのため、本実施の形態１のコイル５に対して、図６に示す三相交流電圧を印加した場合、図８に示すように、巻線間の電位差の最大値は各スロット６間で等しくなる。具体的には、各スロット６における巻線間の電位差の最大値は、各相の印加電圧の１／２となる。

なお、図８においては、代表例として、実線８１により、相コイルＵ１−Ｗ２間のスロット６における巻線間の電位差を示し、破線８２により、相コイルＶ１−Ｕ２間のスロット６における巻線間の電位差を示している。この時の電位差は相コイルＵ１−Ｗ２間の場合、電位Ｕ_ａと中性点Ｎ間、相コイルＶ１−Ｕ２間の場合、電位Ｖ_ａと中性点Ｎ間の電位差を示しており、他のスロットについても同様となる。

そのため、本実施の形態１において、図５の従来例と比較して、巻線間の電位差の最大値が、１／２÷（√３／２）＝１／√３＝０．５７７倍となる。このように、本実施の形態１においては、巻線間の電位差の最大値を低減できるので、従来よりも絶縁設計が容易となり、絶縁紙を薄くすることができる。また、絶縁紙の薄化に伴い、スロット６内にスペースができる。その結果、スロット６内のコイル５の巻き数を増やすことができる。そのため、コイル５に発生する銅損を低減することができ、モータ１０の効率を向上させることが可能となる。

ここで、本願の実施の形態１の効果をさらに示すために、例えば特開２０１１−０３０３０９号公報に記載の１０極１２スロットの巻線配置の場合を図９に示す。図９の構成では、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ１→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ２→Ｗ２→Ｕ３→Ｖ３→Ｗ３→Ｕ４→Ｖ４→Ｗ４→Ｕ１のように、コイルが巻き付けられている。そのため、１つのスロット内で、高電圧となる同相コイルが２個隣り合った構成となる。しかしながら、この場合、同相のコイルであるため、電圧の位相差が発生しない。このとき、図９の１０極１２スロットの構成において、異相の高電圧コイルが隣り合った場合を考えると、電圧の位相差は大きくなる。従って、異相の高電圧コイルが隣り合った構成においては、本願の実施の形態１で示した回転電機が最も電位差の低減効果が大きく、最も効果を有する構成となる。しかしながら、図９の従来例では、極数とスロット数の比が（３−１）：ｒの条件を満たしていないため、本実施の形態１の構成を適用することはできない。

なお、本実施の形態１では、説明簡略化のため、スロット６間の電位差を表す場合、巻き始め４１および巻き終わり４２の電位差を例に挙げて説明している。しかしながら、実際のモータのスロット間では、スロット中央部における各巻線の電位差が異なるため、本実施の形態１の電位差よりも電位差が大きくなるが、電位差の最大値を小さくすることで、絶縁距離を短縮できる効果は変わらない。

以上のように、本実施の形態１においては、集中巻のＹ結線されたｒ相の回転電機において、回転電機の極数ｎとスロット数ｍの比が、ｎ：ｍ＝（３−１）：ｒとなっている。また、各相の最も高電圧となる第１のコイル同士が周方向に隣接しないように、各相コイルが配置されている。これにより、巻線間の電位差のばらつきがなくなるとともに、巻線間の電位差の最大値が低減できる。そのため、巻線間の絶縁距離を小さくすることができる。その結果、絶縁紙のサイズを小さくすることができる。そのため、スロット６内の空間に余裕ができ、スロット６内の巻線量を多くすることができる。その結果、銅損を低減することができ、回転電機の効率が向上する。

実施の形態２．
図１０に、実施の形態２に係る回転電機における結線図を示す。本実施の形態２においても、回転電機として、集中巻のＹ結線された３相のモータ１０を例に挙げて説明する。上記の実施の形態１では、直列接続された相コイルの個数ｓが２個の場合を示したが、本実施の形態２では、直列接続された相コイルの個数ｓが３個の場合を示す。すなわち、本実施の形態２では、３つの相コイル、すなわち、相コイルＵ１、相コイルＵ２、および、相コイルＵ３が直列接続されて、Ｕ相コイルを形成している。同様に、３つの相コイル、すなわち、相コイルＶ１、相コイルＶ２、および、相コイルＶ３が直列接続されて、Ｖ相コイルを形成している。また、同様に、３つの相コイル、すなわち、相コイルＷ１、相コイルＷ２、および、相コイルＷ３が直列接続されて、Ｗ相コイルを形成している。

なお、本実施の形態２においては、図１０に示すように、「Ｕ１」、「Ｕ２」および「Ｕ３」は、インバータ３１に対して近い順に、それぞれ、Ｕ相の第１のコイル、第２のコイル、および、第３のコイルを示している。以下では、これらのコイルを、「相コイルＵ１」、「相コイルＵ２」、「相コイルＵ３」と呼ぶこととする。Ｖ相およびＷ相においても、同様であるため、ここでは、説明を省略する。

本実施の形態２では、図１０に示すように、Ｕ、ＶおよびＷの各相の第３のコイル、すなわち、相コイルＵ３、相コイルＶ３および相コイルＷ３が、それぞれ、中性点Ｎに接続され、Ｙ結線を構成している。

以下では、図１０に示すように、Ｕ相について、相コイルＵ１の入力側の電位を電位Ｕ_ｈ、Ｕ１とＵ２間の電位を電位Ｕ_ａ１、Ｕ２とＵ３間の電位を電位Ｕ_ａ2と定義する。また、Ｖ相について、Ｖ１の入力側の電位を電位Ｖ_ｈ、Ｖ１とＶ２間の電位を電位Ｖ_ａ１、Ｖ２とＶ３間の電位を電位Ｖ_ａ2と定義する。また、Ｗ相について、Ｗ１の入力側の電位を電位Ｗ_ｈ、Ｗ１とＷ２間の電位を電位Ｗ_ａ１、Ｗ２とＷ３間の電位を電位Ｗ_ａ2と定義する。

図１１は、図１０に対応したモータ１０の断面図を示す。なお、図１１においては、インバータ３１からの結線は省略しているが、図２と同様に、各相の第１のコイルである相コイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１が、インバータ３１に接続されている。

図１１に示すように、本実施の形態２では、回転子１１の極数が６極、固定子１のスロット数が９スロットの６極９スロットのモータ１０を示している。本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、回転電機の相数をｒとしたとき、極数ｎとスロット数ｍの比がｎ：ｍ＝（３−１）：ｒとなっている。また、本実施の形態２においては、図１１に示すように、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ３→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ１→Ｗ２→Ｕ３→Ｖ２→Ｗ３→Ｕ１の順で、ティース３に対して、コイル５が巻き付けられている。この場合、巻線間の電位差が最大となる部分は、相コイルＷ１とＵ２間、相コイルＵ２とＶ１間、および、相コイルＶ１とＷ２間の３箇所となる。

一方、従来の巻線方法では、図１２に示すように、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ１→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ２→Ｗ２→Ｕ３→Ｖ３→Ｗ３→Ｕ１の順に、コイル１０５が巻き付けられる。この場合、図１２に示すように、連続するティース１０３に、Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１のように、高電圧の相コイルが並んでいる。従って、巻線間の電位差が最大となる部分は、相コイルＵ１とＶ１間、相コイルＶ１とＷ１間の２箇所となる。

この時の電位差は、図１０で示した電位を使うと、相コイルＵ１とＶ１間では電位Ｕ_ａ１と電位Ｖ_ａ１の電位差、相コイルＶ１とＷ１間では電位Ｖ_ａ１と電位Ｗ_ａ１の電位差、となる。ここで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電位Ｕ_ｈ、Ｖ_ｈ、Ｗ_ｈを正弦波の電圧で表すと、３相交流のため振幅が同じで電位の位相が２／３πずれた波形として下式（１）〜（３）のように表される。

Ｕ_ｈ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋２／３π） （１）
Ｖ_ｈ＝Ａｓｉｎ（ωｔ） （２）
Ｗ_ｈ＝Ａｓｉｎ（ωｔ−２／３π） （３）
なお、Ａは振幅、ωが角速度を表しており、電圧の周波数ｆに依存して変化する。ここで、角速度ωと周波数ｆの関係は、ω＝２πｆである。

このとき、Ｕ_ａ１、Ｖ_ａ１、Ｗ_ａ１の電位は、Ｕ_ｈ、Ｖ_ｈ、Ｗ_ｈの２／３となるため、下式（４）〜（６）で表すことができる。

Ｕ_ａ１＝２Ａ／３ｓｉｎ（ωｔ＋２／３π） （４）
Ｖ_ａ１＝２Ａ／３ｓｉｎ（ωｔ） （５）
Ｗ_ａ１＝２Ａ／３ｓｉｎ（ωｔ−２／３π） （６）

ここで、相コイルＵ１とＶ１の電位差は正弦の加法定理を使って式（７）で表すことができる。

Ｕ_ａ１−Ｖ_ａ１
＝２Ａ／３ｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−２Ａ／３ｓｉｎ（ωｔ）
＝２Ａ／３｛ｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−ｓｉｎ（ωｔ）｝
＝２Ａ／３＊√３ｓｉｎ（ωｔ＋１／３π）
＝２√３／３Ａｓｉｎ（ωｔ＋１／３π） （７）

従って、相コイルＵ１とＶ１の電位差は振幅２√３／３Ａとなり、各相の印加電圧の２√３／３倍となる。なお、相コイルＶ１とＷ１の電位差についても同様に算出できる。

本実施の形態２においても、上記の図４に示すように、Ｕ相コイルのうち、ティース３側の１つの巻線を「コイルの巻き始め４１」とし、スロット６のスロット中央部に位置する１つの巻線を、「コイルの巻き終わり４２」とする。Ｖ相コイルおよびＷ相コイルも同様とする。また、コイル５への給電方法としては、「コイルの巻き始め４１」をインバータ３１側とし、「コイルの巻き終わり４２」を中性点Ｎ側とする。

このとき、スロット間の最大の電位差となるのは、例えばＵ２とＶ１間となる。従って、電位Ｕ_ａ２とＶ_ａ１間の電位差となる。ここで、Ｕ_ａ２は式（８）で表される。

Ｕ_ａ２＝Ａ／３ｓｉｎ（ωｔ＋２／３π） （８）

そのため、相コイルＵ２と相コイルＶ１の電位差は式（９）で表すことができる。

Ｕ_ａ２−Ｖ_ａ１
＝Ａ／３ｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−２Ａ／３ｓｉｎ（ωｔ）
＝Ａ／３｛ｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−２ｓｉｎ（ωｔ）｝
＝Ａ／３｛ｓｉｎ（ωｔ）・ｃｏｓ（２／３π）
＋ｃｏｓ（ωｔ）・ｓｉｎ（２／３π）−２ｓｉｎ（ωｔ）｝
＝Ａ／３｛−５／２ｓｉｎ（ωｔ）＋√３／２ｃｏｓ（ωｔ）｝
＝Ａ／３｛√７ｓｉｎ（ωｔ＋α）｝
＝√７／３Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） （９）
なお、α=ｔａｎ-1（−√３／５）、０＜α＜πで表される。

従って、相コイルＵ２と相コイルＶ１の電位差は振幅√７／３Ａとなり、各相の印加電圧の√７／３倍となる。

本実施の形態２においては、図１１に示されるように、相コイルＵ２と相コイルＷ１とが１つのスロット６にあるため、巻線間の電位差の最大値は、各相の印加電圧の√７/３となる。一方で、従来のモータにおいては、巻線間の電位差の最大値が、各相の印加電圧の２√３/３倍となる。従って、本実施の形態２の巻線間の電位差の最大値は、従来の巻線方式と比較して、√７／３÷（２√３／３）＝０．７６３倍となり、絶縁距離を短縮することができる。

以上のように、本実施の形態２においては、実施の形態１と同様に、集中巻のＹ結線されたｒ相の回転電機において、回転電機の極数ｎとスロット数ｍの比が、ｎ：ｍ＝（３−１）：ｒとなっている。また、各相コイルの直列接続された相コイルの個数ｓは、３個となっている。また、各相の最も高電圧となる第１のコイル同士が周方向に隣接しないようにティース３に対して配置されている。これにより、巻線間の電位差の最大値が低減でき、絶縁距離を小さくすることができる。また、絶縁紙のサイズも小さくできるため、スロット６内の巻線量を多くすることができる。その結果、銅損を低減することができ、回転電機の効率が向上する。

実施の形態３．
図１３に、実施の形態３に係る回転電機の各ティースにおける結線方法を示す。図１３は、本実施の形態３に係る回転電機のＵ相コイルの結線図を示している。本実施の形態３においても、回転電機として、集中巻のＹ結線された３相のモータ１０を例に挙げて説明する。本実施の形態３において、モータ１０の構成、および、各コイルの接続は、実施の形態１または２と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。

上記の実施の形態１との違いは、実施の形態１では、コイル５の巻き始め４１をインバータ３１側に、コイル５の巻き終わり４２を中性点Ｎ側としていたが、本実施の形態３においては、逆に、コイル５の巻き終わり４２をインバータ３１側に、コイル５の巻き始め４１を中性点Ｎ側としている点である。具体的には、図１３に示すように、相コイルＵ１の巻き終わり４２ａをインバータ３１に接続し、相コイルＵ３の巻き始め４１ｃを中性点Ｎに接続している。

また、相コイルＵ１および相コイルＵ２においては、相コイルＵ１の巻き始め４１ａと相コイルＵ２の巻き終わり４２ｂとを接続している。また、相コイルＵ２および相コイルＵ３においては、相コイルＵ２の巻き始め４１ｂと相コイルＵ３の巻き終わり４２ｃとを接続している。本実施の形態３では、このように接続された、相コイルＵ１、相コイルＵ２、および、相コイルＵ３を直列接続して、Ｕ相コイルを形成している。この場合、実施の形態２と同様に、巻線間の電位差を式（１）〜（６）を使って計算する。

まず本実施の形態３においては、巻線間の電位差が最大となるのは例えばＵ１の巻き始め（電位Ｕ_ｈ）とＶ２の巻き始め（電位Ｖ_ａ１）となるため、電位差は式（１０）で表される。

Ｕ_ｈ−Ｖ_ａ１
＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−２／３Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−２／３ｓｉｎ（ωｔ）｝
＝Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ）・ｃｏｓ（２／３π）+ｃｏｓ（ωｔ）・
ｓｉｎ（２／３π）−２／３ｓｉｎ（ωｔ）｝
＝Ａ｛−１／２ｓｉｎ（ωｔ）＋√３／２ｃｏｓ（ωｔ）
−２／３ｓｉｎ（ωｔ）｝
＝Ａ｛−７／６ｓｉｎ（ωｔ）＋√３／２ｃｏｓωｔ｝
＝√１９／３Ａｓｉｎ（ωｔ+β） （１０）
なお、β=ｔａｎ-1（−３√３／７）、０＜β＜πで表される。

してみると、本実施の形態３の場合には、巻線間の電位差（Ｕ_ｈ−Ｖ_ａ１）は、各相の印加電圧の√１９／３倍、すなわち、１．４５３倍となる。一方、上記の図１２に示す従来の巻線方式では巻線間の電位差（Ｕ_ｈ−Ｖ_ｈ）は各相の印加電圧の√３倍、すなわち、１．７３２倍となる。本実施の形態３に示すように、巻き始めおよび巻き終わりを反対にした場合についても、実施の形態１，２と同様に、巻線間の電位差を√５７／９倍、すなわち、０．８３９倍に低減できる。

さらに、本実施の形態３の構成では、コイル５に高周波の電圧が印加された場合、実施の形態２と比較して、数百ｋＨｚから数ＭＨｚまでの帯域における漏洩電流が低下するという効果も有する。

ここで、漏洩電流の発生原理について説明する。図１４に、１つのティース３にターン数１０で巻き付けられた場合について示す。ここで、コイル５の巻き始めから、順に、１ターン目、２ターン目、・・・、１０ターン目までを、１〜１０の数字で示している。漏洩電流とは、固定子鉄心２を接地してアースした場合、固定子１のコイル５から固定子鉄心２に流れる電流のことを指す。ここで、コイル５から固定子鉄心２までの等価回路を図１５に示す。図１５で示すように、１ターン分の等価回路５１は、１ターン分のコイル抵抗５３、１ターン分のインダクタンス５２、および、１ターン間の静電容量５４で表すことができる。

また、固定子鉄心２とコイル５とは容量結合されているため、コイル５と固定子鉄心２との間に、静電容量５５が発生している。この時、コイル５に交流電流が流れると、コイル５と固定子鉄心２との間の静電容量５５の大きさに応じて、コイル５から固定子鉄心２に電流が流れる。これが漏洩電流である。

なお、クーロンの法則により、静電容量５５が大きいと、同じ電圧を印加した場合においても電荷が多くなる。電流は電荷を微分したものであるため、漏洩電流は大きくなる。

ここで、コイル５に、例えば数百Ｈｚの低周波の電圧が印加された場合について説明する。まず、インダクタンス５２部分で発生するインピーダンスＺＬは、インダクタンスをＬ、角周波数をωとすると、ＺＬ＝ωＬで表される。一方、コイル５間の静電容量５４でのインピーダンスはＺＣ＝１／ωＣで表される。ここで、低周波の場合はωが小さいため、ＺＬ＜ＺＣとなる。この時、コイル５の１ターンの長さおよび巻線間の距離が、各ターンでほぼ等しいため、各コイル５にかかる電位差は一定となる。そのため、各コイル５の静電容量５４は、コイル５と固定子鉄心２との間の距離および軸長で表現することができる。

一方、コイル５に、例えば数百ｋＨｚ以上の高周波の電圧が印加された場合について説明する。高周波の場合はωが大きいため、ＺＬ＞ＺＣとなる。この時、コイル５のインダクタンス５２で発生する誘導起電力が大きくなる。そのため、インバータ３１に近い１ターン目で電圧降下が大きくなる。また、各コイル５間の電位差は、インバータ３１に近い側が大きく、インバータ３１から遠くなるにつれて小さくなる。従って、この場合の漏洩電流については、インバータ３１に近い高電圧側のコイルの静電容量の大きさに依存する。ここで、コイル５の巻き始めをインバータ３１に接続した場合、固定子鉄心２とコイル５との距離は、コイル５の絶縁被覆およびコイル５の絶縁保護となるインシュレータで決定される。

上述したように、本実施の形態３においては、コイル５の巻き終わり４２ａにインバータ３１を接続している。すなわち、本実施の形態３においては、図１３の数字「１０」で示されるスロット中央部のコイル５をインバータ３１に接続している。そのため、固定子鉄心２のティース３とコイル５との距離は、巻き終わり４２ａの方が、巻き始め４１ａよりも、大きくなる。そのため、静電容量５４が小さくなる。漏洩電流は、静電容量５４の大きさに比例するので、実施の形態３の方が、実施の形態１よりも、漏洩電流を低減することができる。

実施の形態４．
図１６に、実施の形態４に係る回転電機の断面図を示す。図１７に、本実施の形態４に係る回転電機における結線図を示す。図１７において、実施の形態２と同様に、相コイルＵ１の入力側の電位を電位Ｕ_ｈ、相コイルＵ１と相コイルＵ２間の電位を電位Ｕ_ａ１、相コイルＵ２と相コイルＵ３間の電位を電位Ｕ_ａ2、相コイルＵ３と相コイルＵ４間の電位を電位Ｕ_ａ3と定義し、Ｖ相、Ｗ相についても同様に定義する。

本実施の形態４においても、回転電機として、集中巻のＹ結線された３相のモータ１０を例に挙げて説明する。本実施の形態４において、モータ１０の構成、および、各コイルの接続は、実施の形態１〜３と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。

本実施の形態４では、図１６に示すように、極数ｎが８で、スロット数ｍが１２の、８極１２スロットのモータ１０を例に挙げて説明する。従って、本実施の形態４においても、相数をｒとすると、極数ｎとスロット数ｍとの比がｎ：ｍ＝（３−１）：ｒとなっている。また、図１７に示すように、各相の直列接続された相コイルの個数ｓが、４つの場合を示す。本実施の形態４では、図１７に示すように、Ｕ、ＶおよびＷの各相の第４のコイル、すなわち、相コイルＵ４、相コイルＶ４および相コイルＷ４をそれぞれ中性点Ｎで接続し、Ｙ結線を構成している。

また、本実施の形態４では、図１６に示すように、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ３→Ｗ２→Ｕ４→Ｖ１→Ｗ３→Ｕ２→Ｖ４→Ｗ１→Ｕ３→Ｖ２→Ｗ４→Ｕ１の順に、ティース３に対してコイル５が巻き付けられている。

ここで、図１８に示す従来の結線方法、上記の実施の形態１、および、本実施の形態４の場合におけるスロット間の線間の電位差について、図１９を用いて説明する。図１９において、横軸は電気角、縦軸は巻線間の電位差を示す。また、図１９において、一点鎖線は従来例を示し、破線は実施の形態１を示し、実線は本実施の形態４を示す。ここでは簡単のため、コイル５の巻き始めをインバータ３１側として説明する。

まず、従来の結線の場合、図１８に示すような断面図となる。すなわち、ティース１０３に対して、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ１→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ２→Ｗ２→Ｕ３→Ｖ３→Ｗ３→Ｕ４→Ｖ４→Ｗ４→Ｕ１の順に、コイル１０５が巻き付けられている。従って、例えば相コイルＵ１とＶ１のように、高電圧となる相コイルが１つのスロット内で隣り合い、電位差としてはＵ_ａ１−Ｖ_ａ１間となる。ここで、Ｕ_ｈ、Ｖ_ｈが式（１）および式（２）で表されるとすると、Ｕ_ａ１とＶ_ａ１の電位差は式（１１）で表される。

Ｕ_ａ１−Ｖ_ａ１
＝３／４Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−ｓｉｎ（ωｔ）｝
＝３√３／４Ａｓｉｎ（ωｔ＋π／３） （１１）

そのため、巻線間の電位差の最大値は、図１９に示すように、相電圧の３√３／４倍、すなわち、１．２９９倍となる。

一方、上記の実施の形態１の結線方法を、８極１２スロットのモータ１０に適用すると、図２０に示す断面図となる。すなわち、ティース３に対して、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ２→Ｗ３→Ｕ４→Ｖ１→Ｗ２→Ｕ３→Ｖ４→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ３→Ｗ４→Ｕ１の順に、コイル５が巻き付けられている。この場合、電位差が最も大きい箇所は、例えばＵ１とＶ２間であり、すなわち、Ｕ_ａ１とＶ_ａ２の電位差となる。従って、上記式（１１）に示した従来の場合と同様に計算すると、式（１２）で表される。

Ｕ_ａ１−Ｖ_ａ２
＝３／４Ａｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−１／２Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝３／４Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ）・ｃｏｓ（２／３π）
＋ｃｏｓ（ωｔ）・ｓｉｎ（２／３π）｝
−１／２Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝３／４Ａ｛−１／２ｓｉｎ（ωｔ）＋√３／２ｃｏｓ（ωｔ）｝
−１／２Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝−３／８Ａｓｉｎ（ωｔ）+３√３／８Ａｃｏｓ（ωｔ）
−１／２Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝−７／８Ａｓｉｎ（ωｔ）+３√３／８Ａｃｏｓ（ωｔ）
＝√１９／４Ａｓｉｎ（ωｔ＋β） （１２）
なお、β=ｔａｎ-1（-３√３／７）、０＜β＜πで表される。

その結果、図１９に示すように、巻線間の電位差の最大値は、相電圧の√１９／４倍、すなわち、１．０８９倍となる。

また、図１６に示した本実施の形態４の構成においては、電位差が最も大きい箇所はＵ１とＶ３間となり、電位Ｕ_ａ１と電位Ｖ_ａ３の電位差となる。従って、上記式（１１）および式（１２）に示した従来の場合および実施の形態１の結線方法の場合と同様に計算すると、式（１３）で表される。

Ｕ_ａ１−Ｖ_ａ３
＝３／４Ａｓｉｎ（ωｔ＋２／３π）−１／４Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝３／４Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ）・ｃｏｓ（２／３π）
＋ｃｏｓ（ωｔ）・ｓｉｎ（２／３π）｝−１／４Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝３／４Ａ｛−１／２ｓｉｎ（ωｔ）＋√３／２ｃｏｓ（ωｔ）｝
−１／４Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝−３／８Ａｓｉｎ（ωｔ）＋３√３／８Ａｃｏｓ（ωｔ）
−１／４Ａｓｉｎ（ωｔ）
＝−５／８Ａｓｉｎ（ωｔ）＋３√３／８Ａｃｏｓ（ωｔ）
＝√１３／４Ａｓｉｎ（ωｔ＋γ） （１３）
なお、γ=ｔａｎ-1（−３√３／５）、０＜γ＜πで表される。

その結果、図１９に示すように、巻線間の電位差の最大値は、相電圧の√１３／４倍、すなわち、０．９０１倍となる。従って、本実施の形態４の電位差の最大値が、図１９のグラフの中で最も小さい。実施の形態１では、相コイルＵ１とＶ２が隣接していたが、本実施の形態４では、相コイルＵ１とＶ３が隣接している。相コイルＶ３の方が相コイルＶ２よりも低電圧であるので、その分だけ、実施の形態１よりも、さらに、巻線間の電位差の最大値を小さくすることができる。

実施の形態４に係る結線方法を一般化すると下記のように表すことができる。各相コイルにおいて、直列接続された相コイルの数をｓ個とする。ここで、ｓは、４以上の自然数である。このとき、ｓ／２以下の最大の自然数をｋとする。この時、各相の相コイルのうち、第ｋのコイル、第ｋ−１のコイル、・・・、第１のコイルが互いに隣り合わないように結線する。以下に、その例を示す。

まず、例えば、図２１のように、直列接続されたコイルの個数ｓが５個の場合には、ｓ／２以下の最大の自然数ｋが２となる。従って、各相のうち、第２のコイルと第１のコイルがそれぞれ隣り合わないようにコイル５を巻き付ける。その場合の一例を図２２に示す。すなわち、ティース３に対して、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ４→Ｗ２→Ｕ５→Ｖ３→Ｗ１→Ｕ４→Ｖ２→Ｗ５→Ｕ３→Ｖ１→Ｗ４→Ｕ２→Ｖ５→Ｗ３→Ｕ１の順に、コイル５が巻き付けられている。

また、例えば、図２３のように、直列接続された相コイルの個数ｓが６個の場合には、ｓ／２以下の最大の自然数ｋが３となる。従って、各相のうち、第３のコイル、第２のコイル、第１のコイルがそれぞれ隣り合わないようにコイル５を巻き付ける。その場合の一例を図２４に示す。すなわち、ティース３に対して、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ６→Ｗ３→Ｕ４→Ｖ２→Ｗ６→Ｕ３→Ｖ５→Ｗ２→Ｕ６→Ｖ１→Ｗ５→Ｕ２→Ｖ４→Ｗ１→Ｕ５→Ｖ３→Ｗ４→Ｕ１の順に、コイル５が巻き付けられている。

このように、直列接続された相コイルの個数がｓ個のとき、ｓ／２以下の最大の自然数をｋとして、各相のうち、ｋ番目に高電圧の第ｋのコイルから、最も高電圧の第１のコイルまでの各相コイルすべてが互いに隣り合わないように結線する。このことにより、巻線間の電位差を小さくすることができる。なお、本実施の形態４においても、実施の形態３で示したように、コイル５の巻き終わりをインバータ３１側としても同様の効果を有する。

実施の形態５．
図２５に、実施の形態５に係る回転電機の断面図を示す。図２６に、本実施の形態５に係る回転電機における結線図を示す。本実施の形態５においても、回転電機として、モータ１０を例に挙げて説明する。図２６におけるそれぞれの電位は実施の形態１および実施の形態２と同様に、相コイルＵ１の入力側の電位を電位Ｕ_ｈ、相コイルＵ１と相コイルＵ２間の電位を電位Ｕ_ａ１、相コイルＵ２と相コイルＵ３間の電位を電位Ｕ_ａ2と定義し、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相、Ｙ相についても同様に定義する。本実施の形態５において、モータ１０の構成、および、各コイルの接続は、実施の形態１〜３と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。

上記実施の形態１〜４においては、３相の回転電機について説明したが、図２５に示すように、本実施の形態５においては、５相の回転電機について説明する。各相を、以下では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相およびＹ相と呼ぶ。

本実施の形態５では、図２５に示すように、極数ｎが６個で、スロット数ｍが１５個の、６極１５スロットのモータ１０を例に挙げて説明する。従って、本実施の形態４においても、相数をｒ相とすると、極数ｎとスロット数ｍの比が、ｎ：ｍ＝（３−１）：ｒとなっている。また、図２６に示すように、直列接続された相コイルの個数ｓが３個の場合を示す。本実施の形態４では、図２６に示すように、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙの各相の第３のコイル、すなわち、相コイルＵ３、相コイルＶ３、相コイルＷ３、相コイルＸ３、および、相コイルＹ３をそれぞれ中性点Ｎに接続し、Ｙ結線を構成している。

本実施の形態５では、図２５に示すように、ティース３に対して、反時計回りに、相コイルＵ１→Ｖ３→Ｗ２→Ｘ１→Ｙ３→Ｕ２→Ｖ１→Ｗ３→Ｘ２→Ｙ１→Ｕ３→Ｖ２→Ｗ１→Ｘ３→Ｙ２→Ｕ１の順に、コイル５が巻き付けられている。

図２５においては、各相のうち最も高電圧となる第１のコイル、すなわち、相コイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｘ１、Ｙ１が、周方向に隣り合わないように、１つ飛びで配置されている。すなわち、１つの相の第１のコイルを１つのスロットに配置した場合、他の相の第１のコイルは、隣接するスロットではなく、隣接するスロットの次のスロットに配置している。具体的には、相コイルＵ１がスロット６１に配置されているため、スロット６２にはいずれの相の第１のコイルも配置しない。そして、スロット６２の次のスロットであるスロット６３に相コイルＸ１を配置している。また、スロット６４に相コイルＸ１が配置されているため、隣接するスロット６５には、いずれの相の第１のコイルも配置しない。そして、スロット６５の次のスロットであるスロット６６に相コイルＶ１を配置している。

ここで、本実施の形態５では、５相のモータであるため、各相の振幅が同等で位相差が７２度となる正弦波電圧で表すことができる。従って、各相の電位（Ｕ_ｈ、Ｖ_ｈ、Ｗ_ｈ、Ｘ_ｈ、Ｙ_ｈ）はそれぞれ式（１４）〜（１８）で表される。

Ｕ_ｈ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋４／５π） （１４）
Ｖ_ｈ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋２／５π） （１５）
Ｗ_ｈ＝Ａｓｉｎ（ωｔ） （１６）
Ｘ_ｈ＝Ａｓｉｎ（ωｔ−２／５π） （１７）
Ｙ_ｈ＝Ａｓｉｎ（ωｔ−４／５π） （１８）

ここで、コイル５の巻き始めをインバータ３１に接続した場合、スロット６の巻線間の電位差（Ｕ_ａ１−Ｙ_ａ２間）は、式（１９）で表すことができる。

Ｕ_ａ１−Ｙ_ａ２＝２／３Ｕ_ｈ−１／３Ｙ_ｈ
＝２／３Ａｓｉｎ（ωｔ＋４／５π）
−１／３Ａｓｉｎ（ωｔ−４／５π）
＝２／３Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（４／５π）
＋ｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（４／５π）｝
−１／３Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（４／５π）
−ｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（４／５π）｝
＝１／３Ａｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（４／５π）
＋Ａｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（４／５π）
＝Ａ｛１／３ｃｏｓ（４／５π）ｓｉｎ（ωｔ）
＋ｓｉｎ（４／５π）ｃｏｓ（ωｔ）｝
＝０．６４６７Ａｓｉｎ（ωｔ+ζ） （１９）
ζ＝ｔａｎ-1（３ｔａｎ（４／５π））、０＜ζ＜πで表される。

従って、実施の形態５における巻線間の電位差は相電圧の０．６４６７倍となる。

一方、従来のように、高電圧となる相コイルが周方向に隣り合う場合には、巻線間の電位差（Ｕ_ａ１−Ｙ_ａ１間）であるため、式（２０）で表すことができる。

Ｕ_ａ１−Ｙ_ａ２＝２／３Ｕ_ｈ−２／３Ｙ_ｈ
＝２／３Ａｓｉｎ（ωｔ＋４／５π）
−２／３Ａｓｉｎ（ωｔ−４／５π）
＝２／３Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（４／５π）
＋ｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（４／５π）｝
−２／３Ａ｛ｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（４／５π）
−ｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（４／５π）｝
＝４／３Ａｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（４／５π）
＝０．７８３７Ａｃｏｓ（ωｔ） （２０）

各相の印加電圧の０．７８３７倍となる。従って、本実施の形態５は、従来の方式よりも、巻線間の電位差の最大値を、０．８２５倍小さくすることができる。

以上のように、本実施の形態５においては、実施の形態１〜４と同様に、集中巻のＹ結線されたｒ相の回転電機において、回転電機の極数ｎとスロット数ｍの比が、ｎ：ｍ＝（３−１）：ｒとなっている。また、各相コイルの直列接続された相コイルの個数ｓは、３個となっている。但し、相コイルの個数ｓは、３個に限定されない。また、各相の最も高電圧となる第１のコイル同士が周方向に隣接しないようにティース３に対して配置されている。これにより、巻線間の電位差の最大値が低減でき、絶縁距離を小さくすることができる。また、絶縁紙のサイズも小さくできるため、スロット６内の巻線量を多くすることができる。その結果、銅損を低減することができ、回転電機の効率が向上する。

実施の形態６．
図２７に実施の形態６に係る回転電機の断面図を示す。図２８、図２９、および、図３０に、図２７に示したＵ１相−Ｖ３相、Ｗ１相−Ｕ２相、Ｗ２相−Ｕ３相間の拡大図をそれぞれ示す。上記の実施の形態１〜５においては、コイル５と固定子鉄心２との間の絶縁部材を省略していたが、本実施の形態６では、コイル５と固定子鉄心２との間に、絶縁部材９０が設けられている。ここで、コイル５の結線方法については図１０と同様である。実施の形態２と同様に、各相の第１のコイルである相コイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１が、インバータ３１に接続されており、各相の第３のコイルである相コイルＵ３、Ｖ３、Ｗ３が中性点Ｎに接続され、Ｙ結線を構成している。

この時、各相の第１コイル、すなわち、相コイルＵ１，Ｖ１、Ｗ１が、最も高い電圧が印加されるコイルとなる。そして、次に高い電圧が印加されるコイルは、第２コイル、すなわち、相コイルＵ２、Ｖ２，Ｗ２である。また、最も低い電圧が印加されるコイルは、第３のコイル、すなわち、相コイルＵ３、Ｖ３、Ｗ３である。このように、第１コイル、第２コイル、第３コイルとなるに従って、印加される電圧が低下する。

従って、第１コイルである相コイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１が、固定子鉄心２との絶縁距離を最も長く取る必要があり、第２コイル、第３コイルになるに従って、固定子鉄心２との絶縁距離を徐々に小さくすることができる。そこで、本実施の形態６では、図２８〜図３０に示すように、固定子鉄心２との絶縁距離ｄ１、ｄ２、ｄ３を以下のように設定する。まず、第１コイルである相コイルＵ１，Ｖ１、Ｗ１と固定子鉄心２との絶縁距離をｄ１とする。また、第２コイルである相コイルＵ２、Ｖ２、Ｗ２と固定子鉄心２との絶縁距離をｄ２とする。また、第３コイルである相コイルＵ３、Ｖ３、Ｗ３と固定子鉄心２との絶縁距離をｄ３とする。このとき、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３の関係が成り立つように、絶縁距離ｄ１、ｄ２、ｄ３を適宜設定する。これにより、第２コイルの絶縁距離ｄ２および第３コイルの絶縁距離ｄ３を、それぞれ、第１コイルの絶縁距離ｄ１よりも小さくすることができ、第２コイルおよび第３コイルにおけるコイル５の巻線スペースを増やすことができる。本実施の形態６では、同一線径のコイルでの巻線の図を示しているが、第１コイル、第２コイル、第３コイルの順にコイルの線径を次第に太くすることでコイルの抵抗値を下げることができ、銅損を低減することが可能となる。

また、絶縁距離ｄ１、ｄ２、ｄ３を精度よく確保する方法としては、第１コイル、第２コイル、および、第３コイルのそれぞれに合わせて３種類の絶縁部材９０を用意し、各絶縁部材９０の厚さを、絶縁距離ｄ１、ｄ２、ｄ３と同じ値にする。そして、第１コイル、第２コイル、および、第３コイルのそれぞれに合わせて、各絶縁部材９０をコイル５と固定子鉄心２との間に設けることで、所望の絶縁距離ｄ１、ｄ２、ｄ３を確保することができる。

なお、他の構成および動作については、上記の実施の形態１〜５と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

以上のように、本実施の形態６では、ティース３とティース３に巻き付けられたコイル５のインバータ３１に近い側の一端との距離が、ティース３とティース３に巻き付けられたコイル５の他端との距離よりも大きくなるようにした。これにより、中性点Ｎに近くなるほど、コイル５の巻線スペースを増やすことができる。また、第１コイル、第２コイル、第３コイルの順に、コイルの線径を次第に太くすることで、コイルの抵抗値を下げることができ、銅損を低減することが可能となる。

なお、上記実施の形態１〜６では、回転電機の相数をｒとしたとき、極数ｎとスロット数ｍの比が、ｎ：ｍ＝（３−１）：ｒ＝２：ｒの場合について説明した。しかしながら、この場合に限定せず、本実施の形態１〜５は、ｎ：ｍ＝（３＋１）：ｒ＝４：ｒの場合にも適用可能である。以下、極数とスロット数が４：ｒの場合について具体的に説明する。

極数とスロット数が４：ｒの場合において、ｒ＝３の場合は、どれか２つの相のコイルを入れ替えれば成立する。また、ｒ＝５の場合においては、Ｖ相とＹ相を入れ替え、且つ、Ｗ相とＸ相を入れ替えれば、回転電機として駆動する。そのため、極数ｎとスロット数ｍの比が、ｎ：ｍ＝４：ｒの場合でも、実施の形態１〜６の構成で各スロットの線間の電位差を低減できる。

また、上記実施の形態１〜６では、永久磁石１２を、回転子１１の表面に配置した構成について説明した。しかしながら、これに限定されない。実施の形態１〜６で示した例と磁石の極数が一致していれば、永久磁石１２の配置構成については、他の構成でもよい。
具体的には、例えば、図３１に示すように、回転子１１の一方の端面に、永久磁石１２を埋め込んだ構成でもよい。なお、図３１においては、１極当たり２個の磁石をＶ型に配置しているが、１極当たりの磁石の個数および配置については、極数が一致していれば、特に限定されない。また、いずれの構成においても、本実施の形態１〜６で示した巻線構成により、同様の効果が得られることは言うまでもない。

１ 固定子、２ 固定子鉄心、３ ティース、４ コアバック、５ コイル、１０ モータ、１１ 回転子、１２ 永久磁石、３１ インバータ、３２ コンデンサ、３３ 電源、４１ コイルの巻き始め、４２ コイルの巻き終わり、５１ 等価回路、５２ インダクタンス、５３ 抵抗、５４ 静電容量、５５ 静電容量、９０ 絶縁部材。

本発明に係る回転電機は、回転子と、前記回転子の外周に対して空隙を介して配置された固定子とを備え、前記回転子は、周方向に配置されたｎ個の永久磁石を有し、前記固定子は、周方向に配置されたｍ個のティースと、隣接する２つのティース間に形成されたｍ個のスロットと、前記ティースに集中巻方式で巻き付けられたｒ相のコイルとを備え、前記ｒ相のコイルのそれぞれは、１番目からｓ番目まで順に直列接続されたｓ個の相コイルで構成され、各相の前記ｓ番目の相コイルが中性点に接続されることで、前記ｒ相のコイルがＹ結線されており、前記永久磁石の極数ｎと前記スロットのスロット数ｍとの比が、ｎ：ｍ＝（３±１）：ｒであり、前記ｒは３以上の自然数、前記ｎ、前記ｍおよび前記ｓは、それぞれ、２以上の自然数であり、各相の前記１番目の相コイル同士は、周方向に隣接しないように配置されている。

Claims (10)

1. 回転子と、
   前記回転子の外周に対して空隙を介して配置された固定子と
   を備え、
   前記回転子は、周方向に配置されたｎ個の永久磁石を有し、
   前記固定子は、周方向に配置されたｍ個のティースと、隣接する２つのティース間に形成されたｍ個のスロットと、前記ティースに巻き付けられたｒ相のコイルとを備え、
   前記ｒ相のコイルのそれぞれは、１番目からｓ番目まで順に直列接続されたｓ個の相コイルで構成され、各相の前記ｓ番目の相コイルが中性点に接続されることで、前記ｒ相のコイルがＹ結線されており、
   前記永久磁石の極数ｎと前記スロットのスロット数ｍとの比が、ｎ：ｍ＝（３±１）：ｒであり、
   前記ｒは３以上の自然数、前記ｎ、前記ｍおよび前記ｓは、それぞれ、２以上の自然数であり、
   各相の前記１番目の相コイル同士は、周方向に隣接しないように配置されている、
   回転電機。
2. 前記各相の前記１番目の相コイルと前記ティースとの間の距離は、前記ｓ番目の相コイルと前記ティースとの間の距離よりも、大きい、
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記永久磁石の極数ｎが４で、前記スロット数ｍが６で、前記コイルの相数ｒが３で、前記直列接続された前記相コイルの個数ｓが２の場合、
   Ｕ相の１番目の相コイルをＵ１、２番目の相コイルをＵ２、Ｖ相の１番目の相コイルをＶ１、２番目の相コイルをＶ２、Ｗ相の１番目の相コイルをＷ１、２番目の相コイルをＷ２とすると、
   各前記相コイルは、前記ティースに対して、反時計回りに、Ｕ１→Ｖ２→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ１→Ｗ２→Ｕ１の順に巻き付けられている、
   請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記永久磁石の極数ｎが６で、前記スロット数ｍが９で、前記コイルの相数ｒが３で、前記直列接続された前記相コイルの個数ｓが３の場合、
   Ｕ相の１番目の相コイルをＵ１、２番目の相コイルをＵ２、３番目の相コイルをＵ３、Ｖ相の１番目の相コイルをＶ１、２番目の相コイルをＶ２、３番目の相コイルをＶ３、Ｗ相の１番目の相コイルをＷ１、２番目の相コイルをＷ２、３番目の相コイルをＷ３とすると、
   各前記相コイルは、前記ティースに対して、反時計回りに、Ｕ１→Ｖ３→Ｗ１→Ｕ２→Ｖ１→Ｗ２→Ｕ３→Ｖ２→Ｗ３→Ｕ１の順に巻き付けられている、
   請求項１または２に記載の回転電機。
5. 前記永久磁石の極数ｎが６で、前記スロット数ｍが１５で、前記コイルの相数ｒが５で、前記直列接続された前記相コイルの個数ｓが３の場合、
   Ｕ相の１番目の相コイルをＵ１、２番目の相コイルをＵ２、３番目の相コイルをＵ３、Ｖ相の１番目の相コイルをＶ１、２番目の相コイルをＶ２、３番目の相コイルをＶ３、Ｗ相の１番目の相コイルをＷ１、２番目の相コイルをＷ２、３番目の相コイルをＷ３、Ｘ相の１番目の相コイルをＸ１、２番目の相コイルをＸ２、３番目の相コイルをＸ３、Ｙ相の１番目の相コイルをＹ１、２番目の相コイルをＹ２、３番目の相コイルをＹ３とすると、
   各前記相コイルは、前記ティースに対して、反時計回りに、Ｕ１→Ｖ３→Ｗ２→Ｘ１→Ｙ３→Ｕ２→Ｖ１→Ｗ３→Ｘ２→Ｙ１→Ｕ３→Ｖ２→Ｗ１→Ｘ３→Ｙ２→Ｕ１の順に巻き付けられている、
   請求項１または２に記載の回転電機。
6. 前記直列接続された前記相コイルの個数ｓが４以上の場合には、ｓ／２以下の最大の自然数をｋとしたとき、各相コイルのうち、ｋ番目に電圧の高い第ｋのコイルから、最も電圧の高い第１のコイルまでの各相コイルが周方向に隣接しないように、各相コイルが配置されている、
   請求項１または２に記載の回転電機。
7. 前記永久磁石の極数ｎが８で、前記スロット数ｍが１２で、前記コイルの相数が３で、前記直列接続された前記相コイルの個数ｓが４の場合、
   Ｕ相の１番目の相コイルをＵ１、２番目の相コイルをＵ２、３番目の相コイルをＵ３、４番目の相コイルをＵ４、Ｖ相の１番目の相コイルをＶ１、２番目の相コイルをＶ２、３番目の相コイルをＶ３、４番目の相コイルをＶ４、Ｗ相の１番目の相コイルをＷ１、２番目の相コイルをＷ２、３番目の相コイルをＷ３、４番目の相コイルをＷ４とすると、
   各前記相コイルは、前記ティースに対して、反時計回りに、Ｕ１→Ｖ３→Ｗ２→Ｕ４→Ｖ１→Ｗ３→Ｕ２→Ｖ４→Ｗ１→Ｕ３→Ｖ２→Ｗ４→Ｕ１の順に巻き付けられている、
   請求項６に記載の回転電機。
8. 前記永久磁石の極数ｎが１０で、前記スロット数ｍが１５で、前記コイルの相数が３で、前記直列接続された前記相コイルの個数ｓが５の場合、
   Ｕ相の１番目の相コイルをＵ１、２番目の相コイルをＵ２、３番目の相コイルをＵ３、４番目の相コイルをＵ４、５番目の相コイルをＵ５、Ｖ相の１番目の相コイルをＶ１、２番目の相コイルをＶ２、３番目の相コイルをＶ３、４番目の相コイルをＶ４、５番目の相コイルをＶ５、Ｗ相の１番目の相コイルをＷ１、２番目の相コイルをＷ２、３番目の相コイルをＷ３、４番目の相コイルをＷ４、５番目の相コイルをＷ５とすると、
   各前記相コイルは、前記ティースに対して、反時計回りに、Ｕ１→Ｖ４→Ｗ２→Ｕ５→Ｖ３→Ｗ１→Ｕ４→Ｖ２→Ｗ５→Ｕ３→Ｖ１→Ｗ４→Ｕ２→Ｖ５→Ｗ３→Ｕ１の順に巻き付けられている、
   請求項６に記載の回転電機。
9. 前記永久磁石の極数ｎが１２で、前記スロット数ｍが１８で、前記コイルの相数が３で、前記直列接続された前記相コイルの個数ｓが６の場合、
   Ｕ相の１番目の相コイルをＵ１、２番目の相コイルをＵ２、３番目の相コイルをＵ３、４番目の相コイルをＵ４、５番目の相コイルをＵ５、６番目の相コイルをＵ６、Ｖ相の１番目の相コイルをＶ１、２番目の相コイルをＶ２、３番目の相コイルをＶ３、４番目の相コイルをＶ４、５番目の相コイルをＶ５、６番目の相コイルをＶ６、Ｗ相の１番目の相コイルをＷ１、２番目の相コイルをＷ２、３番目の相コイルをＷ３、４番目の相コイルをＷ４、５番目の相コイルをＷ５、６番目の相コイルをＷ６とすると、
   各前記相コイルは、前記ティースに対して、反時計回りに、Ｕ１→Ｖ６→Ｗ３→Ｕ４→Ｖ２→Ｗ６→Ｕ３→Ｖ５→Ｗ２→Ｕ６→Ｖ１→Ｗ５→Ｕ２→Ｖ４→Ｗ１→Ｕ５→Ｖ３→Ｗ４→Ｕ１の順に巻き付けられている、
   請求項６に記載の回転電機。
10. 前記ティースと前記ティースに巻き付けられた前記コイルのインバータに近い側の一端との間の距離は、前記ティースと前記ティースに巻き付けられた前記コイルの他端との間の距離よりも大きい、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の回転電機。

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