WO2019198289A1 - 回転電機 - Google Patents

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祐太朗 北川
白木 康博
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三菱電機株式会社
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    • H02K9/22Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine, and more particularly, to a rotating electrical machine driven by a power conversion circuit including an inverter or the like.
  • Patent Document 1 a three-layer shield part composed of an insulator, a conductor, and an insulator is sandwiched between a salient pole of a stator and a coil, and a high-frequency conduction noise is obtained by grounding this shield part.
  • a rotating electrical machine that reduces the above is described.
  • Patent Document 2 a shield portion formed by sandwiching a conductor plate between the first insulating layer and the first insulating layer is provided on each side surface of each tooth portion, and the shield portion is sandwiched between the first insulating layer and the first insulating layer. A rotating electrical machine that winds a coil around each tooth portion is described.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and provides a rotating electrical machine capable of reducing high-frequency conduction noise leaking to a housing without providing a shield part separately. Objective.
  • a rotating electrical machine is a rotating electrical machine driven by a power conversion circuit, and is configured by laminating a plurality of core sheets, and an annular core back portion and A stator having a plurality of teeth portions extending radially inward from the inner peripheral side of the core back portion, and one end connected to the core back portion of the outermost core sheet constituting the stator, and a power conversion circuit And a noise bypass line having the other end grounded.
  • a shield is provided by providing a noise bypass line having one end connected to the core back portion of the outermost core sheet constituting the stator and the other end grounded to the GND of the power conversion circuit. High-frequency conduction noise leaking to the housing can be reduced without providing a separate portion.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a main part of the motor according to the first embodiment.
  • 2 is a perspective view of a stator according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the stator according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a noise path according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a diagram of a simulation result according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the structure of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 2, and its periphery.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a main part of a motor according to a second embodiment. It is sectional drawing of the stator which concerns on other embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a rotating electrical machine and its surroundings according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • a metal casing 100 accommodates a noise filter circuit 20, a power conversion circuit 30, and a motor 50 that is a rotating electrical machine.
  • a DC power supply 10 is connected to the connector 110 of the housing 100.
  • the DC power supply 10 is a battery that supplies driving power to the motor 50.
  • the DC power supply 10 can be constituted by, for example, a lithium ion battery, a nickel hydride rechargeable battery, a lead storage battery, or the like.
  • the noise filter circuit 20 suppresses high-frequency conduction noise included in DC power supplied from the DC power supply 10.
  • the DC power supply 10 and the noise filter circuit 20 are connected by DC power lines 70a and 70b.
  • the DC power line 70 a is connected to the positive electrode side of the DC power supply 10.
  • the DC power line 70 b is connected to the negative electrode side of the DC power supply 10.
  • the GND of the noise filter circuit 20 is connected to the housing 100 via the ground line 21.
  • the noise filter circuit 20 includes an inductor and a capacitor.
  • the noise filter circuit 20 may be mounted on a substrate independent of the power conversion circuit 30 described below, or may be mounted on the same substrate as the power conversion circuit 30.
  • the inductor of the noise filter circuit 20 is connected in series with the DC power line 70a. Since the inductor behaves as a high impedance with respect to the high frequency conduction noise, there is an effect of suppressing the high frequency conduction noise from the DC power supply 10.
  • the inductor for example, a coil in which a winding is mounted on a magnetic material such as ferrite can be used.
  • the capacitor of the noise filter circuit 20 is connected in parallel to the DC power line 70a and the DC power line 70b. Since the capacitor behaves as a low impedance to the high frequency conduction noise, there is an effect of bypassing the high frequency conduction noise from the DC power supply 10 to the GND side.
  • a ceramic capacitor or the like can be used as the capacitor.
  • the power conversion circuit 30 converts the DC power supplied from the DC power supply 10 via the noise filter circuit 20 into AC power.
  • the power conversion circuit 30 includes a converter circuit 32, a smoothing capacitor 34, and an inverter circuit 36.
  • the converter circuit 32 boosts or lowers the DC voltage that has passed through the noise filter circuit 20 to a predetermined DC voltage.
  • the noise filter circuit 20 and the converter circuit 32 are connected by DC power lines 72a and 72b. Further, the GND of the converter circuit 32 is connected to the housing 100 via the ground line 33.
  • the converter circuit 32 includes a switching element, a choke coil, a capacitor, a diode, and the like.
  • the switching element for example, IGBT, MOSFET or the like can be used.
  • the converter circuit 32 boosts or steps down the DC voltage that has passed through the noise filter circuit 20 to a predetermined DC voltage depending on the ON / OFF time ratio of the switching element.
  • the inverter circuit 36 converts the DC power output from the converter circuit 32 into three-phase AC power by PWM control.
  • the converter circuit 32 and the inverter circuit 36 are connected by DC power lines 74a and 74b. Further, the GND of the inverter circuit 36 is connected to the housing 100 via a ground line 37.
  • the inverter circuit 36 includes a switching element, a diode, and the like.
  • the switching element for example, IGBT, MOSFET or the like can be used.
  • the smoothing capacitor 34 is connected in parallel to the DC power line 74a and the DC power line 74b in order to suppress the AC component superimposed on the DC power boosted by the converter circuit 32, that is, the ripple.
  • the smoothing capacitor 34 for example, an electrolytic capacitor can be used.
  • the motor 50 generates a rotational driving force by the three-phase AC power supplied from the inverter circuit 36.
  • the inverter circuit 36 and the motor 50 are connected by AC power lines 80a to 80c.
  • the GND of the motor 50 is connected to the housing 100 via a ground wire 51.
  • the housing 100 accommodates the noise filter circuit 20, the power conversion circuit 30, the motor 50, the DC power lines 70a, 70b, 72a, 72b, 74a, 72b, and the AC power lines 80a to 80c.
  • the housing 100 is made of a conductive metal such as steel or aluminum.
  • the housing 100 functions as an electromagnetic noise shield that prevents electromagnetic waves from entering from the outside and prevents electromagnetic waves generated inside the housing 100 from leaking to the outside.
  • the housing 100 functions as a common GND for the noise filter circuit 20, the power conversion circuit 30, and the motor 50.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a main part of the motor 50 according to the first embodiment.
  • the motor 50 is a general brushless motor, and includes a stator 52, a stator winding 56, a rotor 57, and a housing 61.
  • FIG. 3 is a perspective view of the stator 52.
  • the stator 52 is configured by laminating a plurality of core sheets 40 in the direction of the rotation axis.
  • Each core sheet 40 is made by covering a magnetic material such as electromagnetic steel with an insulating film.
  • the laminated core sheets 40 are fastened to each other by caulking, welding, bolts, or the like.
  • the stator 52 includes an annular core back portion 53, a teeth portion 54 that extends radially inward from the inner peripheral side of the core back portion 53, and a flange portion 55 that protrudes in the circumferential direction from the tip of the tooth portion 54. have.
  • FIG. 2 and FIG. 3 show a winding method in which one stator winding 56 is wound around one tooth portion 54, which is generally called concentrated winding. It is a method. However, even in the case of a winding method generally called distributed winding, the same effect as that of the present embodiment described later can be obtained.
  • stator winding 56 In the stator winding 56, a three-phase AC current supplied from the inverter circuit 36 described above via the AC power lines 80a to 80c flows.
  • the magnetic flux induced in each tooth portion 54 by the three-phase alternating current flowing through the stator winding 56 forms one magnetic circuit via the core back portion 53 and generates a rotating magnetic field.
  • the rotor 57 is rotatably disposed in a space surrounded by the flanges 55 on the inner peripheral side of the stator 52.
  • the rotor 57 includes a drive shaft 58, a permanent magnet 59, and a structure 60 that holds the drive shaft 58 and the permanent magnet 59.
  • the permanent magnet 59 is embedded in the rotor 57, but the permanent magnet 59 may be mounted on the surface of the rotor 57.
  • the permanent magnet 59 in the rotor 57 receives a force by the electromagnetic force induced by the rotating magnetic field, and the rotor 57 Rotate.
  • the driving force generated by the rotation of the rotor 57 can be taken out of the housing 100 through the driving shaft 58.
  • the housing 61 is located on the outer peripheral side of the stator 52 and fixes the stator 52.
  • the stator 52 and the housing 61 are fixed to each other by press fitting or shrink fitting.
  • each end of the noise bypass line 65 is connected to the stator 52 of the motor 50 according to the first embodiment.
  • the noise bypass line 65 is configured by a metal conductor. More specifically, the noise bypass line 65 can be constituted by, for example, a copper wire covered with an enamel film.
  • a configuration method of the noise bypass wire 65 a flat copper plate, that is, a bus bar, a wiring obtained by twisting a plurality of copper wires, that is, a litz wire, or the like is also conceivable.
  • the first noise bypass line 65a is connected at one point to the core back portion 53 of the outermost core sheet 40a on one side of the stator 52.
  • the second noise bypass line 65b is connected at one point to the core back portion 53 of the outermost core sheet 40b on the other side of the stator 52.
  • soldering may be used, or the core back part 53 may be fastened with caulking.
  • the other end of the noise bypass line 65 is connected to a connection point 67 on the GND side of the smoothing capacitor 34.
  • EMC Electromagnetic compatibility
  • LISN has an external output terminal for measuring the generation amount of power line conduction noise, that is, the noise terminal voltage, keeping the impedance of the power source as seen from the device under test constant.
  • a measuring device such as a receiver or a spectrum analyzer
  • Complying with the EMC standard means that the noise terminal voltage measured at the external output terminal of the LISN falls below the limit value defined by the EMC standard. In order for a device incorporating a motor to be shipped to the market, it is necessary to comply with these EMC standards.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a place where the LISN is installed in the first embodiment.
  • a LISN 90 is connected to a DC power line 70 a between the positive electrode side of the DC power supply 10 and the connector 110 of the housing 100.
  • a LISN 91 is connected to the DC power line 70 b between the negative electrode side of the DC power supply 10 and the connector 110 of the housing 100.
  • the LISNs 90 and 91 are grounded to the same GND as that of the housing 100.
  • the noise bypass line 65 when the noise bypass line 65 does not exist, all the high-frequency conduction noise flowing into the stator 52 leaks to the housing 100 through the housing 61 of the motor 50.
  • the high-frequency conduction noise leaked to the housing 100 flows along the noise path (A) indicated by a broken line in the drawing, wraps around to the LISN 90 via the GND of the housing 100, and is generated as a noise terminal voltage by the noise measuring device 92. Detected.
  • one end 66 a of the first noise bypass line 65 a is the core back portion of the outermost core sheet 40 a among the stacked core sheets 40 constituting the stator 52. 53 is connected at one point. Further, one end 66b of the second noise bypass line 65b is connected to the core back portion 53 of the outermost core sheet 40b of the stacked core sheets 40 constituting the stator 52 at one point.
  • the core sheets 40 a and 40 b are the outermost core sheets of the stacked core sheets 40 constituting the stator 52, and are therefore the core sheets closest to the stator winding 56. Further, the core sheets 40a and 40b have the largest facing area with respect to the stator winding 56 as compared with other core sheets.
  • the stray capacitance Ca between the core sheets 40a and 40b and the stator winding 56 has a larger value than the stray capacitance Cb between the other core sheets and the stator winding 56. become.
  • each of the noise bypass lines 65a, 65b is connected to the core sheet 40a, 40b at one point, that is, connected with a sufficiently low impedance, thereby superposing the high frequency conduction noise superimposed on the stator winding 56. Is bypassed to the noise bypass lines 65a and 65b and flows along the noise path (B) indicated by the solid line in FIG.
  • the other end of the noise bypass line 65 is connected to a connection point 67 on the GND side of the smoothing capacitor 34. Therefore, the high frequency conduction noise bypassed to the noise bypass line 65 is returned to the GND side of the smoothing capacitor 34. That is, by providing the noise bypass line 65, high-frequency conduction noise generated in the converter circuit 32 and the inverter circuit 36 is returned to the GND side of the smoothing capacitor 34. Thereby, the high frequency conduction noise which leaks to the housing
  • FIG. 6 shows the result of a simulation for verifying the above effect.
  • the frequency spectrum of the noise terminal voltage detected at the external output terminal of the LISN 90 connected to the positive electrode side of the DC power supply 10 is shown in the range of 0.01 MHz to 10 MHz.
  • the frequency spectrum of the noise terminal voltage observed by the LISN 90 is reduced by about 20 dB in the range of 0.01 MHz to 10 MHz. This indicates that the value of the noise terminal voltage detected at the external output terminal of the LISN 90 is reduced to about 1/10.
  • the configuration of the rotating electrical machine according to the first embodiment can effectively reduce high-frequency electric noise that leaks to the housing 100 without separately providing a noise countermeasure shield part in the stator 52.
  • noise countermeasure components such as capacitors and inductors included in the noise filter circuit 20 can be reduced in size or reduced.
  • Patent Documents 1 and 2 which is a conventional example, a shield portion is attached to the teeth portion of the stator for the purpose of reducing high-frequency conduction noise.
  • a shield portion is attached to the teeth portion of the stator for the purpose of reducing high-frequency conduction noise.
  • winding in a teeth part falls. Therefore, in order to obtain the same motor output as when the shield part is not installed, the wire diameter of the winding is reduced to achieve the same number of turns, or the teeth part is enlarged while maintaining the wire diameter of the winding. You need to do either.
  • the noise bypass wire 65 is connected to the core back portion 53, the area in which the winding of the tooth portion can be wound does not decrease. Therefore, the output reduction and enlargement of the motor 50 are avoided.
  • the rotating electrical machine according to the first embodiment is a noise in which one end is connected to the core back portion of the core sheet of the outermost layer constituting the stator and the other end is grounded to the GND of the power conversion circuit.
  • a bypass line is provided.
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a rotating electrical machine and its surroundings according to Embodiment 2 for carrying out the present invention.
  • a plurality of noise bypass lines 265a to 265f are bundled to form a noise bypass line group 262.
  • One end of the noise bypass line group 262 is connected to the core back portion 53 of the stator 52 of the motor 250 at a plurality of points.
  • one end 266a to 266f of the plurality of noise bypass lines 265a to 265f constituting the first noise bypass line group 262 is provided on one side constituting the stator 52. It is connected to the core back part 53 in the core sheet of the outermost layer at a plurality of points.
  • FIG. 8 shows only the first noise bypass line group 262 connected at a plurality of points to the core back portion 53 of the outermost core sheet on one side. There is also a second noise bypass line group connected at multiple points to the core back portion 53 in the outermost core sheet on the other side.
  • the other end of the noise bypass line group 262 is connected to a connection point 67 on the GND side of the smoothing capacitor 34 as in the first embodiment.
  • the high frequency conduction noise flowing into the core sheet of the outermost layer through the stray capacitance between the stator winding and the stator of the motor 250 can be bypassed to the connection point 67 on the GND side of the smoothing capacitor 34.
  • the impedances of the noise bypass lines 265a to 265f uniform by making the lengths of the noise bypass lines 265a to 265f constituting the noise bypass line group 262 equal.
  • the shield cover 263 is attached to the noise bypass line group 262.
  • the shield coating 263 can be formed of, for example, a metal braided wire. Both ends of the shield coating 263 may be grounded to GND or may not be grounded.
  • both ends of the shield coating 263 are grounded to GND, for example, it is conceivable that one end of the shield coating 263 is connected to the motor 250 and the other end is connected to a heat sink (not shown) of the inverter circuit 36. Further, when both ends of the shield coating 263 are grounded to GND, it is preferable to ground with low impedance using a connector jig, a so-called skin top.
  • a braided wire at the end may be stranded and replaced by soldering or screwing. At that time, in order to reduce the parasitic inductance, it is preferable to shorten the length of the combined portions as much as possible and to ground the shortest path from the end of the shield coating 263 to the installation location.
  • the power conversion circuit 30 includes the converter circuit 32 and the inverter circuit 36.
  • the power conversion circuit 30 may include only the inverter circuit 36.
  • the ground point can be the GND of the inverter circuit 36, for example, a heat sink (not shown) of the inverter circuit 36.
  • the noise bypass lines 65 and 265a to f of the core back part 53 are the shortest.
  • the parasitic inductance of the noise bypass lines 65 and 265a to 65f can be minimized.
  • more high-frequency conduction noise can be caused to flow through the noise bypass lines 65 and 265a-f.
  • the other end of the noise bypass lines 65 and 265a to f is connected to the GND side of the smoothing capacitor 34.
  • the present invention is not limited to this.
  • the line-to-ground capacitor (Y capacitor) included in the noise filter circuit 20 may be connected to the GND side.
  • the noise bypass lines 65 and 265a to f may be connected to only one of the outermost core sheets of the stator. As a result, the number of noise bypass lines 65 and 265a to f can be reduced.
  • the outermost core sheet may be thicker than the other core sheets. Thereby, the impedance of the noise path (B) is reduced, and more high-frequency conduction noise can flow.

Abstract

モータは、複数のコアシートを積層して構成される固定子と、固定子の複数のティース部にそれぞれ巻回される複数の固定子巻線と、固定子の内周側に回転自在に配設される回転子と、固定子を構成する最外層のコアシートにおけるコアバック部に一端が接続されると共にモータを駆動する電力変換回路のGNDに他端が接地されるノイズバイパス線とを備えている。

Description

回転電機
 本発明は、回転電機に係り、特にインバータ等を含む電力変換回路によって駆動される回転電機に関する。
 インバータ等を含む電力変換回路によって駆動される回転電機では、電力変換回路を構成する素子のスイッチングに起因して、高周波伝導ノイズが発生する。この高周波伝導ノイズが回転電機の筐体に漏洩して周辺機器へと伝搬すると、周辺機器の動作に悪影響を及ぼす可能性がある。そのため、電力変換回路によって駆動される回転電機では、高周波伝導ノイズの筐体への漏洩を低減する必要がある。
 従来の回転電機では、固定子のティース部に装着されるシールド部を別途設け、このシールド部を接地することによって、周辺機器へと伝搬する高周波伝導ノイズを低減する技術が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
 特許文献1には、固定子の突極とコイルとの間に、絶縁物、導電物、絶縁物によって構成される3層構造のシールド部を挟み、このシールド部を接地することによって高周波伝導ノイズを低減する回転電機が記載されている。
 また、特許文献2には、第1絶縁層と第1絶縁層との間に導体板が挟み込まれて形成されるシールド部を、各ティース部の各側面に設け、このシールド部を挟み込むように、各ティース部にコイルを巻回する回転電機が記載されている。
実開昭62-185479号公報 特開2013-123278号公報
 しかしながら、特許文献1、2に記載の発明では、回転電機の固定子にノイズ対策用のシールド部を別途設ける必要がある。そのため、固定子巻線を巻回する領域がシールド部に限定され、固定子巻線を巻回できる面積が低下するという問題がある。
 本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、シールド部を別途設けることなく筐体へと漏洩する高周波伝導ノイズを低減することができる、回転電機を提供することを目的とする。
 上記の課題を解決するために、本発明に係る回転電機は、電力変換回路によって駆動される回転電機であって、複数のコアシートを積層して構成されると共に円環状のコアバック部および当該コアバック部の内周側から径方向内側に向けて延びる複数のティース部を有する固定子と、固定子を構成する最外層のコアシートにおけるコアバック部に一端が接続されると共に、電力変換回路のGNDに他端が接地されるノイズバイパス線とを備える。
 本発明に係る回転電機では、固定子を構成する最外層のコアシートにおけるコアバック部に一端が接続されると共に電力変換回路のGNDに他端が接地されるノイズバイパス線を備えることにより、シールド部を別途設けることなく、筐体へと漏洩する高周波伝導ノイズを低減することができる。
実施の形態1に係る回転電機およびその周辺の構成を示す図である。 実施の形態1に係るモータの要部を示す概略図である。 実施の形態1に係る固定子の斜視図である。 実施の形態1に係る固定子の断面図である。 実施の形態1に係るノイズ経路を示す図である。 実施の形態1に係るシミュレーション結果の図である。 実施の形態2に係る回転電機およびその周辺の構成を示す図である。 実施の形態2に係るモータの要部を示す概略図である。 その他の実施の形態に係る固定子の断面図である。
 以下、添付図面を参照して、本願が開示する回転電機の実施の形態を詳細に説明する。
ただし、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
 実施の形態1.
 図1は、本発明を実施するための実施の形態1に係る回転電機およびその周辺の構成を示す図である。図1において、金属製の筐体100には、ノイズフィルタ回路20と、電力変換回路30と、回転電機であるモータ50とが収容されている。また、筐体100のコネクタ110には、直流電源10が接続されている。
 直流電源10は、モータ50に駆動電力を供給するバッテリである。直流電源10は、例えば、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素充電池、鉛蓄電池等によって構成することができる。
 ノイズフィルタ回路20は、直流電源10から供給される直流電力に含まれる高周波伝導ノイズを抑制する。直流電源10とノイズフィルタ回路20とは、直流電力線70a,70bによって接続されている。直流電力線70aは、直流電源10の正極側に接続されている。直流電力線70bは、直流電源10の負極側に接続されている。また、ノイズフィルタ回路20のGNDは、接地線21を介して筐体100に接続されている。
 ノイズフィルタ回路20は、インダクタおよびキャパシタを含んでいる。なお、ノイズフィルタ回路20は、次に述べる電力変換回路30とは独立した基板上に実装されてもよいし、電力変換回路30と同じ基板上に実装されてもよい。
 ノイズフィルタ回路20のインダクタは、直流電力線70aに直列に接続されている。インダクタは、高周波伝導ノイズに対して高インピーダンスとして振る舞うため、直流電源10からの高周波伝導ノイズを抑制する効果がある。インダクタとしては、例えば、フェライト等の磁性体に巻線を装着したコイルを用いることができる。
 ノイズフィルタ回路20のキャパシタは、直流電力線70aと直流電力線70bとに並列に接続されている。キャパシタは、高周波伝導ノイズに対して低インピーダンスとして振る舞うため、直流電源10からの高周波伝導ノイズをGND側にバイパスする効果がある。キャパシタとしては、例えば、セラミックキャパシタ等を用いることができる。
 電力変換回路30は、直流電源10からノイズフィルタ回路20を介して供給された直流電力を交流電力に変換する。電力変換回路30は、コンバータ回路32と、平滑キャパシタ34と、インバータ回路36とを含んでいる。
 コンバータ回路32は、ノイズフィルタ回路20を通った直流電圧を予め決められた直流電圧に昇圧または降圧する。ノイズフィルタ回路20とコンバータ回路32とは、直流電力線72a,72bによって接続されている。また、コンバータ回路32のGNDは、接地線33を介して筐体100に接続されている。
 コンバータ回路32は、スイッチング素子、チョークコイル、キャパシタ、ダイオード等を含んでいる。スイッチング素子としては、例えばIGBT、MOSFET等を用いることができる。コンバータ回路32は、スイッチング素子のオンおよびオフの時間比によって、ノイズフィルタ回路20を通った直流電圧を予め決められた直流電圧に昇圧または降圧する。
 インバータ回路36は、コンバータ回路32から出力される直流電力をPWM制御によって三相交流電力に変換する。コンバータ回路32とインバータ回路36とは、直流電力線74a,74bによって接続されている。また、インバータ回路36のGNDは、接地線37を介して筐体100に接続されている。
 インバータ回路36は、スイッチング素子、ダイオード等を含んでいる。スイッチング素子としては、例えばIGBT、MOSFET等を用いることができる。
 平滑キャパシタ34は、コンバータ回路32によって昇圧された直流電力に重畳している交流成分、すなわちリップルを抑えることを目的として、直流電力線74aと直流電力線74bとに並列に接続されている。平滑キャパシタ34としては、例えば電解キャパシタを用いることができる。
 モータ50は、インバータ回路36から供給される三相交流電力によって回転駆動力を発生させる。インバータ回路36とモータ50とは、交流電力線80a~80cによって接続されている。また、モータ50のGNDは、接地線51を介して筐体100に接続されている。
 筐体100は、ノイズフィルタ回路20と、電力変換回路30と、モータ50と、直流電力線70a,70b、72a,72b、74a,72bおよび交流電力線80a~cとを収容する。筐体100は、鉄鋼、アルミニウム等の導電性の金属によって作られている。筐体100は、外部からの電磁波の侵入を防ぐと共に、筐体100の内部で発生した電磁波が外部に漏洩するのを防ぐ電磁ノイズシールドとして機能する。また、筐体100は、ノイズフィルタ回路20、電力変換回路30およびモータ50の共通のGNDとして機能する。
 次に、実施の形態1に係る回転電機であるモータ50の詳細な構成について説明する。
 図2は、実施の形態1に係るモータ50の要部を示す概略図である。モータ50は、一般的なブラシレスモータであり、固定子52と、固定子巻線56と、回転子57と、ハウジング61とを備えている。
 図3は、固定子52の斜視図である。この図に示されるように、固定子52は、複数のコアシート40を回転軸の方向に積層して構成されている。各コアシート40は、電磁鋼等の磁性体を絶縁皮膜で覆うことによって作られている。積層されたコアシート40は、カシメ、溶接、ボルト等によって互いに締結されている。
 固定子52は、円環状のコアバック部53と、コアバック部53の内周側から径方向内側に向けて延びるティース部54と、ティース部54の先端から周方向に突出する鍔部55とを有している。
 固定子52の各ティース部54には、固定子巻線56がそれぞれ巻回されている。図2、図3に示されているのは、1つのティース部54に対して1つの固定子巻線56が巻回される巻回方式であり、これは一般的に集中巻と呼ばれる巻回方式である。ただし、一般的に分布巻と呼ばれる巻回方式の場合でも、後に述べる本実施の形態の効果と同じ効果が得られる。
 固定子巻線56には、先に説明したインバータ回路36から交流電力線80a~80cを介して供給される三相交流電流が流れる。固定子巻線56に流れる三相交流電流によって各ティース部54に誘導された磁束はコアバック部53を介して1つの磁気回路を形成し、回転磁界を発生させる。
 図2に戻って、回転子57は、固定子52の内周側の各鍔部55によって囲まれた空間に回転自在に配設されている。回転子57は、駆動軸58と、永久磁石59と、駆動軸58および永久磁石59を保持する構造体60とを含んでいる。なお、図2に示される回転子57では、永久磁石59は回転子57の内部に埋め込まれているが、永久磁石59は回転子57の表面に装着されていてもよい。
 固定子巻線56に三相交流電流が流れて、上記の原理によって回転磁界が発生すると、回転磁界によって誘起される電磁力によって回転子57内の永久磁石59が力を受け、回転子57が回転する。回転子57の回転による駆動力は、駆動軸58を通して筐体100の外部に取り出すことができる。
 ハウジング61は、固定子52の外周側に位置しており、固定子52を固定する。固定子52とハウジング61とは、圧入または焼き嵌めによって互いに固定されている。
 また、実施の形態1に係るモータ50の固定子52には、ノイズバイパス線65の各一端がそれぞれ接続されている。ノイズバイパス線65は、金属導線によって構成されている。より具体的には、ノイズバイパス線65は、例えばエナメル皮膜によって覆われた銅線によって構成することができる。その他にも、ノイズバイパス線65の構成方法としては、平板形状の銅板、すなわちバスバー、複数の銅線を撚り合わせた配線、すなわちリッツ線等も考えられる。
 図4に示されるように、実施の形態1では、第1のノイズバイパス線65aは、固定子52を構成する一方の側における、最外層のコアシート40aにおけるコアバック部53に1点で接続されている。また、第2のノイズバイパス線65bは、固定子52を構成する他方の側における、最外層のコアシート40bにおけるコアバック部53に1点で接続されている。ノイズバイパス線65a,65bの各一端66a,66bを固定子52のコアバック部53に接続する方法としては、半田付けでもよいし、コアバック部53にカシメで締結してもよい。
 また、図1に示されるように、ノイズバイパス線65の他端は、平滑キャパシタ34のGND側の接続点67に接続されている。
 次に、実施の形態1に係る回転電機の作用効果、より具体的には、モータ50の固定子52から筐体100へと漏洩する高周波伝導ノイズの低減効果について説明する。
 まず、EMC(Electromagnetic compatibility)規格について、規制対象の一つである伝導ノイズを例にとって説明する。
 伝導ノイズ規格試験には、電源インピーダンス安定化網、すなわちLISNを用いて評価する試験方法がある。
 LISNは、被試験機器から見た電源のインピーダンスを一定に保ち、電源線伝導ノイズの発生量、すなわち雑音端子電圧を測定するための外部出力端子を有する。この外部出力端子に測定機器、例えばレシーバまたはスペクトルアナライザを接続することによって、各周波数における雑音端子電圧を評価することができる。EMC規格に適合するということは、LISNの外部出力端子において測定された雑音端子電圧が、EMC規格で規定された限度値を下回ることを意味する。モータが組み込まれた機器が市場に出荷されるためには、こうしたEMC規格に適合する必要がある。
 図5は、実施の形態1において、LISNが設置される箇所を説明する図である。この図に示されるように、直流電源10の正極側と筐体100のコネクタ110との間の直流電力線70aに、LISN90が接続されている。また、直流電源10の負極側と筐体100のコネクタ110との間の直流電力線70bに、LISN91が接続されている。なお、LISN90,91は、筐体100と同じGNDに接地されている。
 モータ50の駆動時、モータ50の固定子巻線56を流れる三相交流電流には、コンバータ回路32およびインバータ回路36に含まれるスイッチング素子のスイッチング動作によって発生する高周波伝導ノイズが重畳している。この高周波伝導ノイズは、固定子巻線56と固定子52との間の浮遊容量Csを介して、固定子巻線56から固定子52へと流れ込む。
 ここで、ノイズバイパス線65が存在しない場合には、固定子52に流れ込んだ高周波伝導ノイズは、モータ50のハウジング61を介してすべて筐体100へと漏洩する。筐体100に漏洩した高周波伝導ノイズは、図中に破線で示されるノイズ経路(A)に沿って流れ、筐体100のGNDを介してLISN90へと回り込み、ノイズ測定機器92によって雑音端子電圧として検出される。
 このようにEMC規格に適合するために雑音端子電圧を低減するには、高周波伝導ノイズの筐体100への漏洩を低減する必要がある。
 次に、実施の形態1において、ノイズバイパス線65が存在することによる効果について説明する。先に図4を参照して説明したように、第1のノイズバイパス線65aの一端66aは、固定子52を構成する積層されたコアシート40のうち、最外層のコアシート40aのコアバック部53に1点で接続されている。また、第2のノイズバイパス線65bの一端66bは、固定子52を構成する積層されたコアシート40のうち、最外層のコアシート40bのコアバック部53に1点で接続されている。
 コアシート40a,40bは、固定子52を構成する積層されたコアシート40のうち、それぞれ最外層のコアシートであり、それゆえ固定子巻線56に最も近いコアシートである。また、コアシート40a,40bは、他のコアシートと比較して、固定子巻線56に対する対向面積がもっとも広い。
 これらのことから、コアシート40a,40bと固定子巻線56との間の浮遊容量Caは、他のコアシートと固定子巻線56との間の浮遊容量Cbよりも、大きな値を有することになる。
 周知のように、高周波伝導ノイズにとって浮遊容量が大きいとは、低インピーダンスであることを意味している。そのため、コアシート40a,40bは、他のコアシートと比べて、より多くの高周波伝導ノイズが流れやすい。
 したがって、コアシート40a,40bにノイズバイパス線65a,65bの各一端66a,66bをそれぞれ1点で接続、すなわち十分低インピーダンスで接続することによって、固定子巻線56に重畳している高周波伝導ノイズは、ノイズバイパス線65a,65bへとバイパスされ、図5において実線で示されるノイズ経路(B)に沿って流れる。
 ノイズバイパス線65の他端は、平滑キャパシタ34のGND側の接続点67に接続されている。そのため、ノイズバイパス線65へとバイパスされた高周波伝導ノイズは、平滑キャパシタ34のGND側に還流される。すなわち、ノイズバイパス線65を設けることにより、コンバータ回路32およびインバータ回路36において発生した高周波伝導ノイズは、平滑キャパシタ34のGND側へと還流される。これにより、固定子52を介して筐体100へと漏洩してノイズ測定機器92で検出される高周波伝導ノイズが低減される。
 図6には、上記の効果を検証するためのシミュレーションの結果が示されている。この図では、直流電源10の正極側に接続されたLISN90の外部出力端子で検出された雑音端子電圧の周波数スペクトルが、0.01MHzから10MHzの範囲で示されている。この図から見て取れるように、実施の形態1では、従来例に比べて、LISN90で観測される雑音端子電圧の周波数スペクトルが0.01MHzから10MHzの範囲で約20dB低減している。これはLISN90の外部出力端子で検出された雑音端子電圧の値が約1/10に低減することを示している。すなわち、実施の形態1に係る回転電機の構成は、固定子52にノイズ対策用のシールド部を別途設けることなく筐体100へと漏洩する高周波電動ノイズを有効に低減することができる。これによりノイズフィルタ回路20に含まれるキャパシタ、インダクタ等のノイズ対策部品を小型化したり、削減したりすることができる。
 なお、従来例である特許文献1、2に記載の構成では、高周波伝導ノイズの低減を目的として、固定子のティース部にシールド部を装着していた。しかしながら、そのような構成では、ティース部において巻線を巻回できる面積が低下するという問題がある。そのため、シールド部を装着しない場合と同等のモータ出力を得るためには、巻線の線径を細くして同じ巻数を達成するか、あるいは巻線の線径を保ったままティース部を大型化するかのいずれかを行う必要がある。
 しかしながら、巻線の線径を細くする場合には、巻線抵抗による銅損が増大して電圧降下が発生し、これがモータ出力を低下させてしまう。また、線径を保ったままティース部を大型化することは、モータ全体の大型化につながってしまう。
 これに対して、実施の形態1に係る構成では、ノイズバイパス線65をコアバック部53に接続するため、ティース部の巻線を巻回できる面積は低下しない。そのため、モータ50の出力低下および大型化が回避される。
 以上説明したように、実施の形態1に係る回転電機は、固定子を構成する最外層のコアシートにおけるコアバック部に一端が接続されると共に電力変換回路のGNDに他端が接地されるノイズバイパス線を備えている。これにより、シールド部を別途設けることなく、筐体へと漏洩する高周波伝導ノイズを低減することができる。
 実施の形態2.
 図7は、本発明を実施するための実施の形態2に係る回転電機およびその周辺の構成を示す図である。実施の形態2では、複数のノイズバイパス線265a~265fが束ねられて、ノイズバイパス線群262が構成されている。
 ノイズバイパス線群262の一端は、モータ250の固定子52におけるコアバック部53に複数点で接続されている。詳細には、図8に示されるように、第1のノイズバイパス線群262を構成する複数のノイズバイパス線265a~265fの各一端266a~266fは、固定子52を構成する一方の側における、最外層のコアシートにおけるコアバック部53に複数点で接続されている。
 なお、簡単のために、図8では、一方の側における最外層のコアシートにおけるコアバック部53に複数点で接続される、第1のノイズバイパス線群262しか示されていないが、実際には、他方の側における最外層のコアシートにおけるコアバック部53に複数点で接続される、第2のノイズバイパス線群も同様に存在する。
 また、図7に示されるように、ノイズバイパス線群262の他端は、実施の形態1と同様に、平滑キャパシタ34のGND側の接続点67に接続されている。これにより、モータ250の固定子巻線と固定子との間の浮遊容量を介して最外層のコアシートに流れ込む高周波伝導ノイズを、平滑キャパシタ34のGND側の接続点67にバイパスすることができる。
 特に、ノイズバイパス線群262を構成する各ノイズバイパス線265a~265fの長さを等しくすることで、各ノイズバイパス線265a~265fのインピーダンスを揃えることが好ましい。ノイズバイパス線265a~265fが並列接続されることで、各ノイズバイパス線265a~265fの寄生インダクタンスを合成した合成寄生インダクタンスを小さくすることができる。したがって、より多くの高周波伝導ノイズを、平滑キャパシタ34のGND側の接続点67に還流することができる。
 また、図7、図8に示されるように、ノイズバイパス線群262には、シールド被覆263が装着されている。ノイズバイパス線群262にシールド被覆263を装着することによって、ノイズバイパス線群262からの放射ノイズを低減することができる。シールド被覆263は、例えば金属の編組線によって構成することができる。シールド被覆263の両端はGNDに接地してもよいし、接地しなくてもよい。
 シールド被覆263の両端をGNDに接地する場合には、例えば、シールド被覆263の一端はモータ250に接続し、他端はインバータ回路36のヒートシンク(図示せず)に接続することが考えられる。また、シールド被覆263の両端をGNDに接地する場合には、コネクタ用の治具、いわゆるスキントップを用いて低インピーダンスで接地することが好ましい。
 なお、治具の使用が難しい場合には、端部の編組線を撚り合わせたものをハンダ付け、もしくはネジ締結することによって代用してもよい。その際、寄生インダクタンスを低減するために、より合わせた部位の長さは可能な限り短くして、シールド被覆263の端部から設置箇所まで最短経路で接地することが好ましい。
 また、実施の形態1、2では、電力変換回路30は、コンバータ回路32およびインバータ回路36を含んでいたが、電力変換回路30は、インバータ回路36のみを含むものであってもよい。この場合には、接地点は、インバータ回路36のGND、例えばインバータ回路36のヒートシンク(図示せず)とすることができる。
 実施の形態1、2において、ノイズバイパス線65,265a~fの一端を固定子52のコアバック部53に接続する際に、コアバック部53のうちノイズバイパス線65,265a~fが最も短くなるような位置に接続するで、ノイズバイパス線65,265a~fの寄生インダクタンスを最小化することができる。これにより、より多くの高周波伝導ノイズをノイズバイパス線65,265a~fに流すことができる。
 また、ノイズバイパス線65,265a~fの他端を交流電力線80に沿わせて平滑キャパシタ34まで導くようにすれば、高周波伝導ノイズによって作られる磁束が打ち消し合い、放射ノイズを低減することができる。
 また、実施の形態1、2では、ノイズバイパス線65,265a~fの他端の接続先は平滑キャパシタ34のGND側であったが、これに限定されるものではない。例えば、ノイズフィルタ回路20に含まれる線-対地キャパシタ(Yキャパシタ)のGND側に接続してもよい。
 また、実施の形態1、2において、図9に示されるように、ノイズバイパス線65,265a~fを固定子の最外層のコアシートのいずれか一方のみに接続するようにしてもよい。これにより、ノイズバイパス線65,265a~fの数を減らすことができる。
 また、実施の形態1、2において、最外層のコアシートを他のコアシートよりも厚くしてもよい。これにより、ノイズ経路(B)のインピーダンスが小さくなり、より多くの高周波伝導ノイズを流すことができる。
 30 電力変換回路、40 コアシート、50,250 モータ(回転電機)、52 固定子、53 コアバック部、54 ティース部、56 固定子巻線、57 回転子、65,265a~f ノイズバイパス線、262 ノイズバイパス線群。

Claims (7)

  1.  電力変換回路によって駆動される回転電機であって、
     複数のコアシートを積層して構成されると共に円環状のコアバック部および該コアバック部の内周側から径方向内側に向けて延びる複数のティース部を有する固定子と、
     前記固定子を構成する最外層のコアシートにおける前記コアバック部に一端が接続されると共に、前記電力変換回路のGNDに他端が接地されるノイズバイパス線と
     を備える、回転電機。
  2.  前記ノイズバイパス線は、第1、第2のノイズバイパス線であり、
     前記第1のノイズバイパス線の一端は、前記固定子を構成する一方の側における、最外層のコアシートにおける前記コアバック部に1点で接続され、
     前記第2のノイズバイパス線の一端は、前記固定子を構成する他方の側における、最外層のコアシートにおける前記コアバック部に1点で接続される、請求項1に記載の回転電機。
  3.  前記ノイズバイパス線は、第1群、第2群のノイズバイパス線であり、
     前記第1群のノイズバイパス線の一端は、前記固定子を構成する一方の側における、最外層のコアシートにおける前記コアバック部に複数点で接続され、
     前記第2群のノイズバイパス線の一端は、前記固定子を構成する他方の側における、最外層のコアシートにおける前記コアバック部に複数点で接続される、請求項1に記載の回転電機。
  4.  前記固定子を構成する前記一方の側における最外層のコアシートおよび前記他方の側における最外層のコアシートは、その他のコアシートよりも厚い、請求項2または3に記載の回転電機。
  5.  前記ノイズバイパス線は、第1のノイズバイパス線であり、
     前記第1のノイズバイパス線の一端は、前記固定子を構成する一方の側における、最外層のコアシートにおける前記コアバック部に1点で接続される、請求項1に記載の回転電機。
  6.  前記ノイズバイパス線は、第1群のノイズバイパス線であり、
     前記第1群のノイズバイパス線の一端は、前記固定子を構成する一方の側における、最外層のコアシートにおける前記コアバック部に複数点で接続される、請求項1に記載の回転電機。
  7.  前記固定子を構成する前記一方の側における最外層のコアシートは、その他のコアシートよりも厚い、請求項5または6に記載の回転電機。
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