WO2023286273A1 - モータ - Google Patents

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WO2023286273A1
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wiring
filter
frame
phase
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Inventor
真一 岡田
将臣 鷲野
盛幸 枦山
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/02—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for suppression of electromagnetic interference
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits

Definitions

  • This application relates to motors.
  • inverter surge occurs at the input terminal of the motor.
  • This inverter surge occurs because the impedance of the motor is higher than the impedance of the cable.
  • Inverter surges are also called microsurges.
  • an overvoltage generated by an inverter surge is simply referred to as a surge voltage.
  • the surge voltage applied to the input terminals of the motor adversely affects the insulation properties of the motor, so it is necessary to suppress the surge voltage.
  • a motor has been disclosed in which a filter is connected between the output terminal of the inverter and the input terminal of the motor in order to suppress the surge voltage (see Patent Document 1, for example). Further, in a motor provided with a cooling fan, a motor is disclosed in which the filter is downsized by cooling the filter with cooling air generated by the cooling fan (see, for example, Patent Document 2).
  • the conventional motor has a filter between the output terminal of the inverter and the input terminal of the motor. .
  • the present invention was made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a motor capable of suppressing an increase in installation volume of the entire motor drive system by incorporating a filter into the body of the motor. do.
  • the motor of the present application is a motor driven by an inverter, and includes a box-shaped frame, a stator having a stator core and windings fixed inside the frame, and a stator disposed with a gap therebetween so as to be rotatable on the frame.
  • Wiring that electrically connects the supported rotor, the output cable and windings of the inverter, and a filter that is placed between the frame and stator to suppress surge voltage between the ground potential and the wiring.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a motor according to Embodiment 1;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a motor according to Embodiment 1;
  • FIG. 1 is an external view of a motor according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the inside of the terminal box of Embodiment 1.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of voltage waveforms on the output side of the inverter and the input side of the motor according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram showing connection between an inverter and a motor according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a wire connection plate provided with a filter according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the wire connection plate viewed from the axial direction in Embodiment 1; 1 is a side view of a motor according to Embodiment 1; FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the basic structure of the wire connection plate in Embodiment 1; 4 is a cross-sectional view of the wire connection plate in Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram of the filter in Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a voltage waveform diagram on the input side of the motor in Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a connection diagram of windings of a motor according to Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 10 is a configuration diagram of a printed circuit board according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a side view of a motor according to Embodiment 2;
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a motor according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the motor according to this embodiment. 1 is a cross-sectional view in a direction parallel to the rotating shaft of the motor, and FIG. 2 is a cross-sectional view in a direction orthogonal to the rotating shaft of the motor.
  • a three-phase two-coil motor will be described as the motor of the present embodiment.
  • the motor 1 includes a rotor core 3 fixed to a cylindrical shaft 2 , a cylindrical stator core 4 arranged with a gap from the rotor core 3 , and a stator core 4 installed on the outer periphery of the stator core 4 . It has a box-shaped frame 5 wrapped around and windings 6 wound around a stator core 4 .
  • the stator core 4 is provided with a plurality of teeth 8 that are arranged side by side in the circumferential direction and protrude inward. A space called a slot is provided between the teeth 8 .
  • the windings 6 are wound around the teeth 8 using slots.
  • the rotor core 3 and the stator core 4 are configured by laminating electromagnetic steel sheets, for example.
  • Coil end insulators 7 for electrically insulating the windings 6 and the stator core 4 are arranged at both ends of the stator core 4 . Further, on the side walls of the teeth 8 of the stator core 4 , an in-slot insulating material (not shown) is arranged for electrically insulating between the windings 6 and the stator core 4 .
  • the shaft 2 is rotatably supported by the frame 5 via bearings 9 .
  • a motor 1 of the present embodiment includes a box-shaped frame 5 , a rotor 11 having a shaft 2 and a rotor core 3 , and a stator 12 having a stator core 4 and windings 6 . In the motor 1 of this embodiment, the rotor 11 rotates with respect to the stator 12 with the shaft 2 as the rotation axis.
  • connection plate 21 on which wiring for electrically connecting the windings 6 is formed, and a connection plate 21 Conductive pins 22 for electrically connecting the wires 21 and the windings 6 and the stator core 4 are provided.
  • the connection plate 21 has an annular shape, and a filter 30 described later is mounted on the connection plate 21 .
  • the motor 1 of the present embodiment includes two windings each of U-phase, V-phase and W-phase.
  • the U-phase consists of two windings U1 and U2
  • the V-phase consists of two windings V1 and V2
  • W-phase consists of two windings W1 and W2.
  • FIG. 3 is an external view of the motor 1 of this embodiment.
  • the motor 1 shown in FIG. 3A has a cylindrical outer shape
  • the motor 1 shown in FIG. 3B has a rectangular prismatic outer shape.
  • the stator core 4 is cylindrical as shown in FIG. 2, the two motors shown in FIG.
  • the frame 5 is a box-shaped structure made of metal or resin that accommodates the rotor core 3 and the stator core 4 , and covers the radially outer peripheral side and the axial end sides of the stator core 4 .
  • a terminal box 13 is installed outside the frame 5 , and a cable hole 14 is formed in the side wall of the terminal box 13 through which a cable for supplying power from the inverter to the motor 1 passes.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of the inside of the terminal box.
  • a terminal block 15 is provided inside the terminal box 13 .
  • the terminal box 13 is made of metal or resin.
  • the terminal block 15 is made of a resin plate.
  • the terminal block 15 is provided with three connection terminals 16 made of metal.
  • Four cables 17 are inserted through the cable hole 14 of the terminal box 13 , and one of the cables 17 is connected to the grounding terminal 18 .
  • the three cables 17 are connected to one ends of the three connection terminals 16, respectively.
  • the other ends of the three connection terminals 16 are connected to three wiring cables 19 respectively connected to three-phase windings.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of voltage waveforms on the output side of the inverter and the input side of the motor in this embodiment.
  • the cable 17 that connects the inverter 10 and the motor 1 is composed of four cables of U-phase, V-phase, and W-phase cables and a ground line G cable.
  • a rectangular wave voltage is output from the inverter 10.
  • the input side of the motor 1 will have a surge voltage of about 2 times the original voltage, called a surge voltage.
  • An overvoltage that doubles occurs. This surge voltage is caused by an impedance mismatch between inverter 10 and cable 17 and an impedance mismatch between cable 17 and motor 1 .
  • the impedance of the inverter is the smallest, the impedance of the cable is larger than that of the inverter, and the impedance of the motor is the largest. Since the surge voltage is higher than the output voltage from the inverter 10, the voltage stress applied to the insulating members of the motor 1 increases, causing partial discharge. If partial discharge occurs, the insulating member will be damaged, causing the motor 1 to malfunction.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the connection between the inverter and the motor in this embodiment.
  • Cable 17 is connected to terminal block 15 in terminal box 13 , and terminal block 15 and winding 6 are connected via wiring cable 19 and wiring 23 of wiring board 21 .
  • the U-phase, V-phase, and W-phase windings 6 are connected in a star connection by the wiring 23 of the connection plate 21 .
  • the ground line G is connected to the stator core via the distribution cable 19 and the wiring 23 of the connection plate 21 .
  • the potential of the stator core is set to the ground potential. Since the stator core and the frame 5 are electrically connected, the ground line G may be connected to the frame 5 as well.
  • a filter for suppressing surge voltage is mounted on wire connection plate 21 .
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a connection board provided with a filter in this embodiment.
  • the cables 17 of U-phase, V-phase, W-phase and the ground line G are connected to the U-phase, V-phase and V-phase cables 17 via the terminal block 15 of the terminal box 13, the wiring cable 19 and the wiring 23 of the connection plate 21. , W-phase windings 6 and stator core 4, respectively.
  • a filter 30 is connected between the U-phase, V-phase, and W-phase wirings 23 of the wiring board 21 and the grounding wiring 23 .
  • the filter 30 is composed of a series connection of an inductor 31 , a capacitor 32 and a resistor 33 .
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the wire connection plate viewed from the axial direction in this embodiment.
  • the connection plate 21 has an annular shape, and its shape is substantially the same as the axial cross-sectional shape of the stator core.
  • the stator core 4 and windings 6 are indicated by thin dashed lines.
  • the filter 30 is arranged between the connection plate 21 and the stator core 4, that is, on the back side of the connection plate 21 in FIG. 8, the filter 30 is also indicated by a thin dashed line.
  • the wiring board 21 is composed of a three-layered printed circuit board, and wirings 23 are formed on each layer. The wiring 23 in each layer is electrically connected to a conductive pin or the like using a through hole.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the wire connection plate viewed from the axial direction in this embodiment.
  • the connection plate 21 has an annular shape, and its shape is substantially the same as the axial cross-sectional shape of the stator core.
  • the stator core 4 and windings 6
  • a thick solid line represents the wiring 23 of the first layer
  • a thick dashed line represents the wiring 23 of the second layer
  • a thick dotted line represents the wiring 23 of the third layer.
  • a three-layer printed circuit board is used for the connection plate 21 because the U-phase, V-phase and W-phase wirings intersect.
  • through holes indicated by U, V, W, and G are through holes to which wiring cables 19 of U phase, V phase, W phase and ground line G are connected from the terminal block 15, respectively.
  • each phase winding 6 indicated by a thin dashed line is electrically connected to a conductive pin arranged on the outer peripheral side thereof.
  • the winding 6 and the conduction pin are electrically connected by welding, caulking or the like.
  • a through hole indicated by G to which the grounding wiring cable 19 is connected is electrically connected to the stator core 4 with a conducting pin P via the second layer wiring and the through hole.
  • the through holes and windings of each phase are electrically connected in the following order.
  • a U-phase connection will be described as an example.
  • the U-phase includes a U-phase through hole A indicated by U, a wiring B on the first layer, a through hole C into which one conductive pin connected to the U1 winding is inserted, one conductive pin D, and the U1 winding.
  • a through-hole C in which a conductive pin is inserted six through-holes 29 and the wiring of the first layer are used.
  • a filter 30 is connected as follows.
  • V-phase and W-phase connections are connected in the same order as the U-phase, and each connection is made from the through holes indicated by V and W to the first-layer wiring O, which is the neutral point, via two windings. It is Between the V-phase through-hole indicated by V and the ground through-hole indicated by G, a second-layer wiring, through-holes into which conductive pins are inserted, six through-holes 29 and conductive pins are provided. A filter 30 is connected using P. Further, between the W-phase through-hole indicated by W and the ground through-hole indicated by G, there are a third-layer wiring, through-holes into which conductive pins are inserted, six through-holes 29 and one-layer through-holes. A filter 30 is connected using an eye wiring.
  • FIG. 9 is a side view of the motor viewed from the direction of the arrow indicated by X in FIG.
  • Windings 6 are wound around the teeth 8 of the stator core 4 via an in-slot insulating material.
  • the portions where the windings are formed in a semicircular shape outside the coil end insulating material 7 at both axial ends of the teeth 8 are called coil ends.
  • An inductor 31, a capacitor 32, and a resistor 33 that constitute the filter 30 are arranged in these gaps.
  • Inductor 31 , capacitor 32 and resistor 33 are electrically connected to through holes 29 of connection plate 21 .
  • an insulating film 20 may be arranged between the windings in the slot.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the wire connection plate in this embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the basic structure of the wiring board 21 made up of a printed circuit board.
  • the wiring board 21 is composed of a printed circuit board in which a first wiring layer 24, a second wiring layer 25 and a third wiring layer 26 made of copper foil are laminated with an insulating layer 27 interposed therebetween. The front and back surfaces of the printed circuit board are protected with a resist layer 28 .
  • the wiring board 21 using a printed circuit board is manufactured as follows.
  • Wiring patterns of the first wiring layer 24, the second wiring layer 25 and the third wiring layer 26 are prepared by etching a copper foil, and these wiring layers are sandwiched between prepregs serving as an insulating layer 27 and pressure is applied. Heat harden while applying.
  • a prepreg is, for example, a plate-shaped material made by impregnating a glass fiber plate with a thermosetting resin. If the wiring width is narrow, heat generation may be a problem depending on the current flowing through the wiring. In that case, a printed circuit board having four or more layers may be used to widen the wiring width.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the wire connection plate taken along line YY in FIG.
  • the inductor 31, which is one of the components of the filter 30, has its lead wire 34 inserted into the through hole 29 of the connection plate 21 and fixed to the connection plate 21.
  • a capacitor 32 and a resistor 33, which are other components of the filter 30, are also fixed to the connection plate 21 with their lead wires 34 inserted into the through holes 29 of the connection plate 21.
  • the lead wire 34 is soldered to the through hole 29 and electrically connected to any one of the first wiring layer 24, the second wiring layer 25 and the third wiring layer 26.
  • connection between inductor 31 , capacitor 32 and resistor 33 , which are components of filter 30 , and connection plate 21 is performed before connection plate 21 is attached to stator core 4 .
  • the connection board 21 on which the inductor 31, the capacitor 32, and the resistor 33, which are components of the filter 30, are mounted is called a connection board with a filter.
  • the motor 1 of this embodiment is manufactured as follows.
  • a winding 6 is wound around the stator core 4 .
  • the stator core 4 around which the windings 6 are wound is fixed inside the frame 5 by shrink fitting, for example.
  • a connection plate with a filter is arranged on the stator core 4 fixed in the frame 5, and the wires 23 of the connection plate 21 are electrically connected to the stator core 4 and the windings 6 using conductive pins.
  • the shaft 2 to which the rotor core 3 is fixed is attached to the frame 5 via the bearings 9 .
  • the motor 1 of this embodiment is manufactured.
  • the frame 5 may be of a closed type, and the interior thereof may be filled with an insulating mold liquid.
  • the molding liquid can improve the heat dissipation, insulation, and foreign matter resistance of the motor body, and can improve the heat dissipation, insulation, and foreign matter resistance of the components of the filter 30 attached to the wire connection plate 21 .
  • the windings 6 and the connection plate 21 on which the filter 30 is mounted may be integrated with an insulating, high-thermal-conductivity resin. Insulating, high-thermal-conductivity resin can also improve the heat dissipation, insulation, and foreign matter resistance of the components of the winding 6 and the filter 30 .
  • FIG. 12 is a characteristic diagram of the filter in this embodiment.
  • FIG. 12 shows an example of the relationship between frequency and impedance, which are filter characteristics.
  • the characteristic values of the inductor 31, the capacitor 32 and the resistor 33 that constitute the filter 30 are set as follows.
  • the inductance of the inductor 31 is 150 nH
  • the capacity of the capacitor 32 is 10 nF
  • the resistance value of the resistor 33 is 68 ⁇ .
  • the frequency component included in the rising portion of the voltage waveform when the rectangular wave output from the inverter reaches the motor is in the range of 500 kHz to 10 MHz.
  • the impedance of the cable in this frequency range is 50 to 100 ⁇
  • the impedance of the motor body is several k ⁇ .
  • FIG. 13 is a voltage waveform diagram on the input side of the motor in this embodiment.
  • the characteristics shown in FIG. 13 are the U-phase characteristics when the length of the cable connecting the inverter and the motor is 20 m. It is a voltage waveform when there is no filter 30 for.
  • the configuration of this filter 30 is such that the inductor 31 has an inductance of 150 nH, the capacitor 32 has a capacity of 10 nF, and the resistor 33 has a resistance of 68 ⁇ .
  • the filter 30 when the filter 30 is not present, an overvoltage surge occurs, but when the filter 30 is present, the surge voltage is suppressed.
  • the motor of the present embodiment includes a box-shaped frame, a stator having a stator core and windings fixed inside the frame, a rotor arranged with a gap from the stator and rotatably supported by the frame, It has a connection terminal to which the output cable of the inverter is connected, wiring that electrically connects the connection terminal and the winding, and a filter that suppresses a surge voltage provided between the ground potential and the connection terminal. .
  • the motor of the present embodiment includes a wiring board having a wiring layer formed in the gap between the frame and the stator, and the filter is mounted on the wiring board. increase can be suppressed.
  • FIG. 14 is a connection diagram of the windings of the motor according to the second embodiment.
  • the windings are connected to each other by the wiring of the wiring board formed of the multilayer printed circuit board.
  • the U-phase, V-phase and W-phase wiring cables 19 led out from the terminal block 15 are composed of covered conductors 40 , and these wiring cables 19 are electrically connected to the windings 6 .
  • the windings are also connected to each other by covered conductors 40 .
  • a coated conductor 40 connecting the windings is connected to a conductive pin 22 electrically connected to the winding 6 .
  • connection relationship of the windings is the same as the connection relationship shown in FIG. 6 of Embodiment 1, and the U-phase, V-phase, and W-phase windings 6 are connected in a star connection.
  • a covered conductor 40 is arranged in a gap between the frame 5 and the stator core 4 .
  • FIG. 15 is a configuration diagram of a printed circuit board arranged between the covered conductor 40 and the stator core 4 in the motor of this embodiment.
  • filter 30 in the present embodiment is mounted on printed circuit board 41 .
  • white circles represent through holes.
  • Printed circuit board 41 has through holes 29 for mounting components of filter 30, through holes 42 for U-phase wiring connection, through holes 43 for V-phase wiring connection, and through holes for W-phase wiring connection.
  • a hole 44, a through hole 45 for connecting a ground line, and a wiring 46 connecting between the through holes are formed.
  • Through-holes 42 for U-phase wiring connection, through-holes 43 for V-phase wiring connection, through-holes 44 for W-phase wiring connection, and through-holes 45 for grounding wire connection are provided with wires drawn out from the terminal block 15 .
  • U-phase, V-phase, W-phase and ground wiring cables 19 are connected respectively.
  • Inductor 31 , capacitor 32 and resistor 33 which are components of filter 30 , are fixed to printed circuit board 41 with their lead wires inserted into through-holes 29 .
  • the components of filter 30 are connected in series using through holes 29 and wiring 46 between the U-phase, V-phase and W-phase wirings and the ground line.
  • FIG. 16 is a side view of the motor viewed from the direction of the arrow indicated by X in FIG.
  • a covered conductor 40 and a printed circuit board 41 are arranged between the winding 6 and the frame 5 .
  • the inductor 31, the capacitor 32, and the resistor 33, which constitute the filter 30, are mounted on the printed circuit board 41 and arranged in the gap between the coil ends.
  • an insulating film 20 may be arranged between the windings in the slot.
  • Embodiments 1 and 2 a motor with star-connected three-phase windings was used, but a motor with delta-connected three-phase windings may be used.
  • a three-phase two-coil motor is used, but a three-phase N-coil motor (N is a natural number) may be used.

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Abstract

フィルタをモータの本体に内蔵させることでモータ駆動系全体の設置体積の増加を抑制することができるモータを提供する。　インバータで駆動されるモータ（１）であって、箱型のフレーム（５）と、フレームの内部に固定されたステータコア（４）および巻線（６）を有するステータ（１２）と、ステータと隙間を介して配置され、フレームに回転可能に支持されたロータ（１１）と、インバータの出力ケーブルと巻線とを電気的に接続する配線と、フレームとステータとの隙間に配置され、接地電位と配線との間に設けられたサージ電圧を抑制するフィルタ（３０）とを備えている。

Description

モータ
　本願は、モータに関する。
　インバータで駆動されるモータにおいて、インバータとモータとを電気的に接続するケーブルの長さが長くかつインバータの出力電圧の立ち上がり時間が短い場合、モータの入力端子でインバータサージと呼ばれる過電圧が発生する。このインバータサージは、モータのインピーダンスがケーブルのインピーダンスよりも大きいことに起因して発生する。インバータサージは、マイクロサージとも呼ばれる。これ以降、インバータサージで発生する過電圧を単にサージ電圧と表現する。モータの入力端子に印加されるサージ電圧はモータの絶縁性に悪影響を与えるので、サージ電圧を抑制する必要がある。
　サージ電圧を抑制するために、インバータの出力端子とモータの入力端子との間にフィルタを接続したモータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、冷却ファンを備えたモータにおいて、冷却ファンが発生する冷却風でフィルタを冷却することでフィルタを小型化したモータが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５－１８４９８３号公報 特開平５－９１７５５号公報
　しかしながら、従来のモータにおいてはインバータの出力端子とモータの入力端子との間にフィルタを備えているので、インバータとモータとで構成されたモータ駆動系全体の設置体積が増加するという問題があった。
　本願は上述のような課題を解決するためになされたもので、フィルタをモータの本体に内蔵させることでモータ駆動系全体の設置体積の増加を抑制することができるモータを提供することを目的とする。
　本願のモータはインバータで駆動されるモータであって、箱型のフレームと、フレームの内部に固定されたステータコアおよび巻線を有するステータと、ステータと隙間を介して配置され、フレームに回転可能に支持されたロータと、インバータの出力ケーブルと巻線とを電気的に接続する配線と、フレームとステータとの隙間に配置され、接地電位と配線との間に設けられたサージ電圧を抑制するフィルタとを備えている。
　本願のモータにおいては、インバータの出力ケーブルと巻線とを電気的に接続する配線と、フレームとステータとの隙間に配置され、接地電位と配線との間に設けられたサージ電圧を抑制するフィルタとを備えているので、モータ駆動系全体の設置体積の増加を抑制することができる。
実施の形態１に係るモータの縦断面図である。 実施の形態１に係るモータの横断面図である。 実施の形態１に係るモータの外観図である。 実施の形態１の端子箱の内部の構成図である。 実施の形態１によるインバータの出力側とモータの入力側とにおける電圧波形の説明図である。 実施の形態１によるインバータとモータとの接続を示した説明図である。 実施の形態１におけるフィルタを備えた結線板の説明図である。 実施の形態１における軸方向から見た結線板の構成図である。 実施の形態１に係るモータの側面図である。 実施の形態１における結線板の基本構造の断面図である。 実施の形態１における結線板の断面図である。 実施の形態１におけるフィルタの特性図である。 実施の形態１におけるモータの入力側の電圧波形図である。 実施の形態２に係るモータの巻線の接続図である。 実施の形態２におけるプリント基板の構成図である。 実施の形態２に係るモータの側面図である。
　以下、本願を実施するための実施の形態に係るモータについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係るモータの縦断面図である。図２は、本実施の形態に係るモータの横断面図である。図１はモータの回転軸に平行な方向の断面図であり、図２はモータの回転軸に直交する方向の断面図である。これ以降、本実施の形態のモータとして、３相２コイルのモータで説明する。
　図１および図２に示すように、モータ１は、円柱状のシャフト２に固定されたロータコア３と、ロータコア３と隙間を介して配置された円筒状のステータコア４と、ステータコア４の外周に設置された箱型のフレーム５と、ステータコア４に巻かれた巻線６とを有する。ステータコア４は、周方向に並んで配置され、内周側に突出した複数のティース８を備えている。ティース８同士の間はスロットと呼ばれる空間になっている。巻線６は、スロットを利用してティース８に巻かれている。ロータコア３およびステータコア４は、例えば電磁鋼板が積層されて構成されている。ステータコア４の両端部には、巻線６とステータコア４との間を電気的に絶縁するためのコイルエンド絶縁材７が配置されている。また、ステータコア４のティース８の側壁には、図示してはいないが、巻線６とステータコア４との間を電気的に絶縁するためのスロット内絶縁材が配置されている。シャフト２はベアリング９を介してフレーム５に対して回転可能に支持されている。本実施の形態のモータ１は、箱型のフレーム５と、シャフト２およびロータコア３を有するロータ１１と、ステータコア４および巻線６を有するステータ１２とで構成されている。本実施の形態のモータ１は、シャフト２を回転軸としてロータ１１がステータ１２に対して回転する。
　図１に示すように、ステータコア４の軸方向の一方の端部とフレーム５との間には、巻線６同士を電気的に接続するための配線が形成された結線板２１と、結線板２１の配線と巻線６およびステータコア４とを電気的に接続する導通ピン２２とが設置されている。結線板２１は円環状の形状であり、結線板２１には後述するフィルタ３０が実装されている。本実施の形態のモータ１は、図２に示すように、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相がそれぞれ２つの巻線で構成されている。Ｕ相はＵ１、Ｕ２の２つの巻線、Ｖ相はＶ１、Ｖ２の２つの巻線、Ｗ相はＷ１、Ｗ２の２つの巻線で構成されている。
　図３は、本実施の形態のモータ１の外観図である。図３Ａに示すモータ１は外形が円柱状であり、図３Ｂに示すモータ１は外形が四角柱状である。図２に示すように、ステータコア４は円筒状であるため、図３に示す２つのモータにおいては、フレーム５の外形が異なるのみである。フレーム５はロータコア３およびステータコア４を収める金属製または樹脂製の箱型の構造物であり、ステータコア４の径方向の外周側と軸方向の両端側とを覆っている。フレーム５の外側には端子箱１３が設置されており、この端子箱１３の側壁にはインバータからモータ１へ電力を供給するためのケーブルを通すケーブル孔１４が形成されている。
　図４は、端子箱の内部の構成図である。端子箱１３の内部には端子台１５が設けられている。端子箱１３は、金属または樹脂で構成されている。端子台１５は、樹脂板で構成されている。端子台１５には金属で構成された３つの接続端子１６が設けられている。端子箱１３のケーブル孔１４から４本のケーブル１７が挿入され、ケーブル１７の１本は、接地用端子１８に接続される。３本のケーブル１７は、３つの接続端子１６の一方の端部にそれぞれ接続される。３つの接続端子１６の他方の端部には、３相の巻線にそれぞれつながる３本の配線ケーブル１９が接続されている。
　図５は、本実施の形態において、インバータの出力側とモータの入力側とにおける電圧波形の説明図である。インバータ１０とモータ１とをつなぐケーブル１７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のケーブルと接地線Ｇのケーブルとの４本で構成されている。図５に示すように、インバータ１０からは矩形波の電圧が出力されるが、ケーブルが長くかつ矩形波の立ち上がり時間が短い場合、モータ１の入力側ではサージ電圧と呼ばれる元の電圧の約２倍になる過電圧が発生する。このサージ電圧は、インバータ１０とケーブル１７との間のインピーダンスの不整合、およびケーブル１７とモータ１との間のインピーダンスの不整合に起因して発生する。一般に、インバータのインピーダンスが最も小さく、ケーブルのインピーダンスはインバータのインピーダンスより大きく、モータのインピーダンスが最も大きい。サージ電圧はインバータ１０からの出力電圧に比べて大きいため、モータ１の絶縁部材に印加される電圧ストレスが大きくなり部分放電の原因となる。仮に部分放電が発生した場合、絶縁部材が損傷してモータ１の故障の原因となる。
　図６は、本実施の形態において、インバータとモータとの接続を示した説明図である。ケーブル１７は端子箱１３の中の端子台１５に接続されており、端子台１５と巻線６との間は配線ケーブル１９および結線板２１の配線２３を経由して接続されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線６は、結線板２１の配線２３によってスター結線で接続されている。接地線Ｇは、配線ケーブル１９および結線板２１の配線２３を経由してステータコアに接続されている。ステータコアの電位は、接地電位に設定されている。なお、ステータコアとフレーム５とは導通しているので、接地線Ｇをフレーム５に接続してもよい。本実施の形態のモータ１においては、サージ電圧を抑制するためのフィルタは結線板２１に実装されている。
　図７は、本実施の形態において、フィルタを備えた結線板の説明図である。図７に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相および接地線Ｇのケーブル１７は、端子箱１３の端子台１５、配線ケーブル１９並びに結線板２１の配線２３を経由してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線６およびステータコア４にそれぞれ接続されている。結線板２１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の配線２３と接地の配線２３との間にフィルタ３０が接続されている。フィルタ３０は、インダクター３１とコンデンサ３２と抵抗３３との直列接続で構成されている。
　図８は、本実施の形態において、軸方向から見た結線板の構成図である。結線板２１は円環状の形状であり、その形状はステータコアの軸方向の断面形状とほぼ同じである。図８において、ステータコア４および巻線６を細い破線で示している。フィルタ３０は結線板２１とステータコア４との間に配置される、つまり図８では結線板２１の裏側に配置されるため、フィルタ３０も細い破線で示している。結線板２１は３層のプリント基板で構成されており、各層には配線２３が形成されている。各層の配線２３はスルーホールを用いて導通ピンなどに電気的に接続される。図８において、白丸はスルーホールを表し、黒丸はスルーホールに挿入された導通ピンを表している。さらに図８において、太い実線は１層目の配線２３、太い破線は２層目の配線２３、太い点線は３層目の配線２３をそれぞれ表している。本実施の形態においては、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の配線が交差するため結線板２１に３層のプリント基板を用いている。図８において、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｇで示したスルーホールは、端子台１５からＵ相、Ｖ相、Ｗ相および接地線Ｇの配線ケーブル１９がそれぞれ接続されるスルーホールである。６個のスルーホール２９は、フィルタ３０の構成部品であるインダクター３１、コンデンサ３２および抵抗３３を結線板２１に実装するためのスルーホールである。図８において、細い破線で示す各相の巻線６は、その外周側に配置された導通ピンと電気的に接続されている。巻線６と導通ピンとは、溶接、かしめなどの方法で電気的に接続されている。また、接地の配線ケーブル１９が接続されるＧで示したスルーホールは、２層目の配線およびスルーホールを経由して、導通ピンＰでステータコア４と電気的に接続されている。
　本実施の形態の結線板２１では次のような順番で各相のスルーホールと巻線とが電気的に接続されている。Ｕ相の接続を例に取って説明する。Ｕ相は、Ｕで示したＵ相のスルーホールＡ、１層目の配線Ｂ、Ｕ１巻線に接続されている一方の導通ピンが挿入されたスルーホールＣ、一方の導通ピンＤ、Ｕ１巻線Ｅ、Ｕ１巻線に接続されている他方の導通ピンＦ、他方の導通ピンが挿入されたスルーホールＨ、１層目の配線Ｉ、Ｕ２巻線に接続されている一方の導通ピンが挿入されたスルーホールＪ、一方の導通ピンＫ、Ｕ２巻線Ｌ、Ｕ２巻線に接続されている他方の導通ピンＭ、他方の導通ピンが挿入されたスルーホールＮ、中性点となる１層目の配線Ｏ、の順に接続されている。また、Ｕで示したＵ相のスルーホールとＧで示した接地のスルーホールとの間には、導通ピンが挿入されたスルーホールＣ、６個のスルーホール２９および１層目の配線を利用してフィルタ３０が接続されている。
　Ｖ相およびＷ相の接続もＵ相と同様な順に接続されており、ＶおよびＷで示したスルーホールから２つの巻線を経由して中性点となる１層目の配線Ｏまでそれぞれ接続されている。また、Ｖで示したＶ相のスルーホールとＧで示した接地のスルーホールとの間には、２層目の配線、導通ピンが挿入されたスルーホール、６個のスルーホール２９および導通ピンＰを利用してフィルタ３０が接続されている。さらに、Ｗで示したＷ相のスルーホールとＧで示した接地のスルーホールとの間には、３層目の配線、導通ピンが挿入されたスルーホール、６個のスルーホール２９および１層目の配線を利用してフィルタ３０が接続されている。
　図９は、図８にＸで示した矢印の方向からモータを見た側面図である。ステータコア４のティース８の周りにはスロット内絶縁材を介して巻線６が巻かれている。ティース８の軸方向の両端部のコイルエンド絶縁材７の外側で巻線が半円状になっているところをコイルエンドと呼ぶ。巻線６のＷ２のコイルエンドとＵ１のコイルエンドとの間には隙間がある。同様に、巻線６のＵ１のコイルエンドとＶ１のコイルエンドとの間、およびＶ１のコイルエンドとＷ１のコイルエンドとの間にも隙間がある。これらの隙間にフィルタ３０を構成するインダクター３１、コンデンサ３２および抵抗３３が配置されている。インダクター３１、コンデンサ３２および抵抗３３は、結線板２１のスルーホール２９に電気的に接続されている。なお、図９に示したように、スロット内の巻線の間に絶縁フィルム２０が配置されていてもよい。
　図１０は、本実施の形態における結線板の断面図である。図１０は、プリント基板で構成された結線板２１の基本構造を示した断面図である。結線板２１は、銅箔で構成された１層目配線層２４、２層目配線層２５および３層目配線層２６が絶縁層２７を挟んで積層されたプリント基板で構成されている。プリント基板の表面および裏面はレジスト層２８で保護されている。プリント基板を用いた結線板２１は、次のようにして作製される。銅箔をエッチング処理して１層目配線層２４、２層目配線層２５および３層目配線層２６の配線パターンを作製し、それらの配線層を絶縁層２７となるプリプレグに挟んで圧力をかけながら熱硬化させる。プリプレグは、例えばガラス繊維の板材に熱硬化性の樹脂を含浸させた板状の素材である。
　なお、配線幅が狭い場合、配線に流れる電流によっては発熱が問題となる場合がある。その場合は、配線幅を広くするために４層以上のプリント基板を用いてもよい。
　図１１は、図８のＹ－Ｙ線の位置における結線板の断面図である。図１１に示すように、フィルタ３０の構成部品の１つであるインダクター３１は、そのリード線３４が結線板２１のスルーホール２９に挿入されて結線板２１に固定されている。フィルタ３０の他の構成部品であるコンデンサ３２および抵抗３３も、そのリード線３４が結線板２１のスルーホール２９に挿入されて結線板２１に固定されている。リード線３４は、スルーホール２９に半田付けされて１層目配線層２４、２層目配線層２５および３層目配線層２６のいずれかの配線層と電気的に接続される。
　フィルタ３０の構成部品であるインダクター３１、コンデンサ３２および抵抗３３と結線板２１との接続は、結線板２１をステータコア４に取り付ける前に実施される。フィルタ３０の構成部品であるインダクター３１、コンデンサ３２および抵抗３３が実装された結線板２１をフィルタ付き結線板と称する。
　本実施の形態のモータ１は、次のようにして製造される。ステータコア４に巻線６が巻かれる。巻線６が巻かれたステータコア４は、フレーム５の内部に例えば焼き嵌めを用いて固定される。フレーム５内に固定されたステータコア４の上にフィルタ付き結線板が配置され、導通ピンを用いて結線板２１の配線２３とステータコア４および巻線６とが電気的に接続される。次に、ロータコア３が固定されたシャフト２がベアリング９を介してフレーム５に取り付けられる。このようにして本実施の形態のモータ１は製造される。
　なお、フレーム５を密閉型とし、その内部に絶縁性のモールド液を充填してもよい。モールド液は、モータ本体の放熱性、絶縁性および耐異物性を向上させると共に、結線板２１に取り付けられたフィルタ３０の構成部品の放熱性、絶縁性および耐異物性を向上させることができる。また、巻線６とフィルタ３０が実装された結線板２１とを絶縁性の高熱伝導性樹脂で一体化してもよい。絶縁性の高熱伝導性樹脂も巻線６およびフィルタ３０の構成部品の放熱性、絶縁性および耐異物性を向上させることができる。
　図１２は、本実施の形態におけるフィルタの特性図である。図１２は、フィルタの特性である周波数とインピーダンスとの関係の一例を示している。ここで、フィルタ３０を構成するインダクター３１、コンデンサ３２および抵抗３３の特性値は次の値とした。インダクター３１のインダクタンスは１５０ｎＨ、コンデンサ３２の容量は１０ｎＦ、抵抗３３の抵抗値は６８Ωである。インバータから出力された矩形波がモータに到達したときの電圧波形の立ち上がり部分に含まれる周波数成分は、５００ｋＨｚ～１０ＭＨｚの領域である。この周波数領域におけるケーブルのインピーダンスは５０～１００Ωであり、モータ本体のインピーダンスは数ｋΩである。そのため、フィルタがない場合、ケーブルのインピーダンスとモータ本体のインピーダンスとが不整合となりサージ電圧が発生する。フィルタがある場合、図１２に示すように、５００ｋＨｚ～１０ＭＨｚの領域ではフィルタのインピーダンスは約７０Ωである。モータ本体のインピーダンスを１ｋΩとすると、フィルタとモータ本体との合成インピーダンスは約６５Ωになる。その結果、フィルタを備えたモータのインピーダンスはケーブルのインピーダンスと同等になるので、サージ電圧の発生が抑制される。ここで、１つの例として１０極のモータを２００Ｈｚの周期で回転させる場合、１ｋＨｚの疑似交流電流（駆動電流の基本波）が流れるようにインバータで電圧を制御する。駆動電流の基本波に対してフィルタが低インピーダンスの場合、漏れ電流による発熱などの問題が発生する。本実施の形態のフィルタを備えたモータにおいては、図１２に示すように数百ｋＨｚ以下の低周波数領域ではフィルタのインピーダンスは大きいため、漏れ電流はほとんど発生せず、無駄な発熱を防ぐことができる。
　図１３は、本実施の形態におけるモータの入力側の電圧波形図である。図１３に示す特性はインバータとモータとをつなぐケーブルの長さが２０ｍのときのＵ相の特性であり、実線は本実施の形態におけるフィルタ３０がある場合の電圧波形であり、破線は比較のためのフィルタ３０がない場合の電圧波形である。このフィルタ３０の構成は、インダクター３１のインダクタンスが１５０ｎＨ、コンデンサ３２の容量が１０ｎＦ、および抵抗３３の抵抗値が６８Ωである。図１３に示すように、フィルタ３０がない場合は過電圧となるサージ電圧が発生しているが、フィルタ３０がある場合はサージ電圧の発生が抑制されている。
　本実施の形態のモータは、箱型のフレームと、フレームの内部に固定されたステータコアおよび巻線を有するステータと、ステータと隙間を介して配置され、フレームに回転可能に支持されたロータと、インバータの出力ケーブルが接続される接続端子と、接続端子と巻線とを電気的に接続する配線と、接地電位と接続端子との間に設けられたサージ電圧を抑制するフィルタとを備えている。そして、本実施の形態のモータは、フレームとステータとの隙間に配線となる配線層が形成された結線板を備え、フィルタは結線板に実装されているので、モータ駆動系全体の設置体積の増加を抑制することができる。
　従来のモータにおいては、サージ電圧を抑制するためのフィルタをインバータの出力端子とモータの入力端子との間に別の構成部品として設ける必要があった。そのため、インバータとモータとで構成されたモータ駆動系全体の設置体積が大きくなるという問題があった。本実施の形態のモータにおいては、モータの本体の内部であるフレームとステータとの隙間にフィルタを設けているので、モータ駆動系全体の設置体積の増加を抑制することができる。また、密閉型のフレームの内部が絶縁性のモールド液で充填されている場合は、フィルタの構成部品の放熱性、絶縁性および耐異物性が向上する。さらに、巻線とフィルタが実装された結線板とが絶縁性の高熱伝導性樹脂で一体化されている場合は、振動によるフィルタの構成部品の脱落の問題もない。
　なお、本実施の形態のモータにおいて、フィルタはインダクターとコンデンサと抵抗との直列接続で構成されている。フィルタは、インダクター、コンデンサおよび抵抗の少なくとも２つの直列接続体で構成されていてもよい。
　また、本実施の形態においては、結線板は全てがフレームの内部に位置する構成である。別の構成として、配線ケーブルがそれぞれ接続されるスルーホールの部分がフレームの外に位置するような結線板を用いてもよい。このような構成とすることで、端子箱を介さずにインバータからのケーブルを結線板のスルーホールに直接接続することができる。
実施の形態２．
　図１４は、実施の形態２に係るモータの巻線の接続図である。実施の形態１のモータにおいては、多層プリント基板で構成された結線板の配線で巻線同士が接続されていた。本実施の形態のモータにおいては、端子台１５から引き出されたＵ相、Ｖ相およびＷ相の配線ケーブル１９は被覆導線４０で構成されており、これらの配線ケーブル１９は巻線６と電気的に接続された導通ピン２２にそれぞれ接続されている。そして、巻線同士も被覆導線４０で接続されている。巻線同士を接続する被覆導線４０は、巻線６と電気的に接続された導通ピン２２に接続されている。巻線の接続関係は、実施の形態１の図６に示した接続関係と同様であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線６はスター結線で接続されている。被覆導線４０は、フレーム５とステータコア４との間の隙間に配置されている。
　図１５は、本実施の形態のモータにおいて、被覆導線４０とステータコア４との間に配置されるプリント基板の構成図である。図１５に示すように、本実施の形態におけるフィルタ３０は、プリント基板４１に実装される。図１５において、白丸はスルーホールを表している。プリント基板４１には、フィルタ３０の構成部品を実装するためのスルーホール２９、Ｕ相の配線接続用のスルーホール４２、Ｖ相の配線接続用のスルーホール４３、Ｗ相の配線接続用のスルーホール４４、接地線接続用のスルーホール４５、およびスルーホール間を接続する配線４６が形成されている。Ｕ相の配線接続用のスルーホール４２、Ｖ相の配線接続用のスルーホール４３、Ｗ相の配線接続用のスルーホール４４および接地線接続用のスルーホール４５には、端子台１５から引き出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相および接地の配線ケーブル１９がそれぞれ接続される。フィルタ３０の構成部品であるインダクター３１、コンデンサ３２および抵抗３３は、そのリード線がスルーホール２９に挿入されてプリント基板４１に固定されている。フィルタ３０の構成部品は、スルーホール２９および配線４６を用いて、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の配線と接地線との間に直列に接続されている。
　なお、図１５に示したプリント基板４１はステータコアの約１／４周の扇型であるが、フィルタ３０の放熱性の向上のためにステータコアの全周に渡る円環状の形状であってもよい。また、スルーホール間を接続する配線４６は、プリント基板４１の一方の面に形成されているが、配線の放熱性の向上のために、接地線接続用のスルーホール４５につながる配線を他方の面に形成してもよい。
　図１６は、図１４にＸで示した矢印の方向からモータを見た側面図である。図１６に示すように、巻線６とフレーム５との間に、被覆導線４０およびプリント基板４１が配置されている。フィルタ３０を構成するインダクター３１、コンデンサ３２および抵抗３３は、プリント基板４１に実装されており、コイルエンドの隙間の位置に配置されている。なお、図１６に示したように、スロット内の巻線の間に絶縁フィルム２０が配置されていてもよい。
　また、フレーム５を密閉型とし、その内部に絶縁性のモールド液を充填してもよい。モールド液は、モータ本体の放熱性、絶縁性、耐異物性を向上させると共に、プリント基板４１に取り付けられたフィルタ３０の構成部品の放熱性、絶縁性、耐異物性を向上させることができる。巻線６がワニスで固定されている場合、プリント基板４１とフィルタの構成部品とは絶縁性の高熱伝導性樹脂で一体化されていてもよい。
　本実施の形態のモータは、箱型のフレームと、フレームの内部に固定されたステータコアおよび巻線を有するステータと、ステータと隙間を介して配置され、フレームに回転可能に支持されたロータと、インバータの出力ケーブルが接続される接続端子と、接続端子と巻線とを電気的に接続する配線と、接地電位と接続端子との間に設けられたサージ電圧を抑制するフィルタとを備えている。そして、本実施の形態のモータは、フレームとステータとの隙間に配線となる被覆導線とプリント基板とを備え、フィルタはプリント基板に実装されているので、モータ駆動系全体の設置体積の増加を抑制することができる。
　なお、実施の形態１および２においては３相の巻線がスター結線のモータを用いて説明したが、３相の巻線がデルタ結線のモータを用いてもよい。また、実施の形態１～３においては３相２コイルのモータを用いて説明したが、３相Ｎコイル（Ｎは自然数）のモータを用いてもよい。
　本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
　１　モータ、２　シャフト、３　ロータコア、４　ステータコア、５　フレーム、６　巻線、７　コイルエンド絶縁材、８　ティース、９　ベアリング、１０　インバータ、１１　ロータ、１２　ステータ、１３　端子箱、１４　ケーブル孔、１５　端子台、１６　接続端子、１７　ケーブル、１８　接地用端子、１９　配線ケーブル、２０　絶縁フィルム、２１　結線板、２２　導通ピン、２３　配線、２４　１層目配線層、２５　２層目配線層、２６　３層目配線層、２７　絶縁層、２８　レジスト層、２９　スルーホール、３０　フィルタ、３１　インダクター、３２　コンデンサ、３３　抵抗、３４　リード線、４０　被覆導線、４１　プリント基板、４２　Ｕ相の配線接続用のスルーホール、４３　Ｖ相の配線接続用のスルーホール、４４　Ｗ相の配線接続用のスルーホール、４５　接地線接続用のスルーホール、４６　配線。

Claims (6)

  1. 　インバータで駆動されるモータであって、
    　箱型のフレームと、
    　前記フレームの内部に固定されたステータコアおよび巻線を有するステータと、
    　前記ステータと隙間を介して配置され、前記フレームに回転可能に支持されたロータと、
    　前記インバータの出力ケーブルと前記巻線とを電気的に接続する配線と、
    　前記フレームと前記ステータとの隙間に配置され、接地電位と前記配線との間に設けられたサージ電圧を抑制するフィルタとを備えたことを特徴とするモータ。
  2. 　前記フレームと前記ステータとの隙間に配置され、前記配線となる配線層が形成された結線板を備え、前記フィルタは、前記結線板に実装されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
  3. 　前記フレームと前記ステータとの隙間に配置され、前記配線となる被覆導線とプリント基板とを備え、前記フィルタは、前記プリント基板に実装されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
  4. 　前記フィルタは、隣り合う前記巻線のコイルエンドの隙間に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載のモータ。
  5. 　前記巻線と前記フィルタとは絶縁性の材料で一体化されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のモータ。
  6. 　前記フィルタは、インダクター、コンデンサおよび抵抗の少なくとも２つの直列接続体で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ。
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