JP4476585B2 - ２ｙモータの固定子構造 - Google Patents

Description

本発明は、モータの固定子構造、特に、Ｙ結線された二つの三相コイルを有するモータ（以下、２Ｙモータという）の固定子に適用される固定子コイルの巻線構造の改良に関するものである。

誘導モータ、直流モータなどの回転電機は、産業用または車両用の動力源として広く使用されている。この種の回転電機における固定子のコイルレイアウトとしては、一般的に、比出力が高い分布巻きが採用されている。この分布巻きは、複数のティースをまたいでコイルが巻かれる巻き方であって、各相のコイルが重複するという構造上の特徴を有している。

なお、この種の固定子構造としては、下記特許文献１に示すような構造を有するものが知られている。特許文献１に開示されている固定子では、異なる巻線である電機子巻線Ａ１および電機子巻線Ｂ１を構成するコイル線輪数の選定範囲を１相あたり１極分ないし隣接する（Ｐ／２−１）極分としている。この選定範囲に従うことによって、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂは、少なくとも同相間で重なり合うことがない領域を必ず設けることができるので、両電機子巻線Ａ，Ｂ間の磁気的相互干渉が軽減される。

特開２００１−２７５３２２号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されている固定子構造は、それぞれの巻線（巻線Ａ１，Ａ２と巻線Ｂ１，Ｂ２）が重なって巻回されている分布巻きを採用している。したがって、両電機子巻線Ａ，Ｂ間の磁気的相互干渉が少なくとも同相間で軽減されるものの、両電機子巻線Ａ，Ｂ間の重なりが発生しているために完全に磁気的相互干渉を解消することはできず、相電流に重畳される大きな電流リップルと機械振動の発生を完全に防止することはできないという問題がある。

また、２Ｙモータに上記特許文献１に開示されている発明を適用した場合には、中性点間に配置された電源を行き来する零相電流によって不適切な磁界が発生し、これによってトルクの落ち込みと相電流の歪みを発生するという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、２Ｙモータにおいてモータ特性を向上させることができる固定子構造を提供することにある。

以下で参考として開示するモータの固定子構造は、界磁束発生源である回転子と、この回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子とからなるモータにおける固定子構造であって、前記複数組の固定子コイルは、機械角３６０°において互いに重複することなく前記固定子鉄心に巻回され、これによって、各組の固定子コイル間の相互干渉が抑制されていることを特徴とする。

また、参考として開示する他のモータの固定子構造は、界磁束発生源である回転子と、この回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子とからなるモータにおける固定子構造であって、前記複数組の固定子コイルは、機械角３６０°において互いに重複する電気角が３６０°以下となるように前記固定子鉄心に対し巻回され、これによって、各組の固定子コイル間の相互干渉が抑制されていることを特徴とする。

参考として開示する他のモータの固定子構造は、直流電圧を出力する第１電源と、この第１電源からの電力供給を受ける一対のインバータと、この一対のインバータからの交流出力の供給を別々に受け、それぞれ回転磁界を発生する一対のスター結線固定子コイルと、このスター結線固定子コイルの中性点間に接続され、この中性点間に電位差を与える第２電源と、前記複数組のスター結線固定子コイルに対応して設けられた１つの回転子と、を含むモータシステムにおいて、前記一対の固定子コイルは、機械角３６０°において互いに重複することなく固定子鉄心に巻回され、これによって、一対のスター結線固定子コイル間の相互干渉が抑制されていることを特徴とする。

また、参考として開示する他のモータの固定子構造は、直流電圧を出力する第１電源と、この第１電源からの電力供給を受ける一対のインバータと、この一対のインバータからの交流出力の供給を別々に受け、それぞれ回転磁界を発生する一対のスター結線固定子コイルと、このスター結線固定子コイルの中性点間に接続され、この中性点間に電位差を与える第２電源と、前記一対のスター結線固定子コイルに対応して設けられた１つの回転子と、を含むモータシステムにおいて、前記一対の固定子コイルは、機械角３６０°において互いに重複する電気角が３６０°以下となるように固定子鉄心に対し巻回され、これによって、一対のスター結線固定子コイル間の相互干渉が抑制されていることを特徴とする。

また、上記したような課題を解決するために、本発明に係る２Ｙモータの固定子構造は、直流電圧を出力する第１電源と、この第１電源からの電力供給を受ける一対のインバータと、この一対のインバータからの交流出力の供給を別々に受け、それぞれ回転磁界を発生する一対のスター結線固定子コイルと、このスター結線固定子コイルの中性点間に接続され、この中性点間に電位差を与える第２電源と、前記複数組のスター結線固定子コイルに対応して設けられた１つの回転子と、を含む２Ｙモータシステムにおいて、前記固定子コイルが巻回される複数のティースを有し、各ティースには前記スター結線固定子コイルが径方向に偶数段に分けて巻回されることによりティースに鎖交するスター結線固定子コイルが必ず偶数本となっており、前記ティースの奇数段には前記一対のスター結線固定子コイルの一部がそれぞれ巻回され、かつ前記ティースの偶数段には別のスター結線固定子コイルが前記奇数段に巻回された固定子コイルとは逆方向の零相電流が流れるように巻回されていることを特徴とする。

また、参考として開示する他のモータの固定子構造は、界磁束発生源である回転子と、この回転子を回転させる回転磁界を発生するスター結線固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子とからなるモータにおける固定子構造であって、前記固定子コイルが巻回される複数のティースを有し、各ティースには前記複数組のスター結線固定子コイルの一部がそれぞれ重複して巻回され、かつ別組のスター結線固定子コイルは円周方向において、逆側が中性点となるように設定されていることを特徴とする。

参考として開示するモータの固定子構造を多相モータに適用した場合には、巻線同士の相互干渉がほとんど発生しないので、モータ回転軸に加わるトルクが対称となり、モータ回転軸の軸振れを抑制することができる。また、回転子コイルの結線間の相互干渉がある場合において発生する相電流に重畳される大きな電流リップルについても抑制することができる。

また、参考として開示する他のモータの固定子構造によれば、回転子コイルの相互干渉をほとんど無くしたことの背反として生じた自己インダクタンスのアンバランスを抑制することができ、自己インダクタンスをそろえることによって、電流制御性を向上させることが可能となる。

さらに、参考として開示するモータの固定子構造は２Ｙモータにおいても適用可能であり、かかる発明によって多相モータの場合と同様の効果を得ることができる。

またさらに、本発明における態様によって、２Ｙモータ特有の問題であるティースに鎖交する電機子巻線に零相電流が流れることによるトルクの落ち込みと、相電流の歪みの発生を防止することができるので、モータ特性の向上を図ることができる。

さらにまた、上述した技術を多相モータに適用することが可能であり、かかる技術によって通常の多相モータで磁極を複数段に分けた構成とすることにより、漏れインダクタンスを減少することができる。

本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。

実施形態１
図１は、本実施形態における固定子構造の概略構成を示す図である。図１では、８極（４極対）モータを例示している。つまり、本実施形態における固定子構造は、界磁束発生源である回転子と、この回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子とからなる、いわゆる多相モータに適用されるものである。本実施形態の固定子構造では、固定子コイル同士の重なりを無くした形で電機子巻線を巻く構造としている。

この図１で示される８極（４極対）モータは、紙面右上と左下に巻かれる巻線１によってＵＶＷ相という３相を構成している。また、紙面左上と右下に巻かれる巻線２によっても、同様にＵＶＷ相という３相を構成している。このように、巻線１と巻線２の重なりを無くすことによって、固定子コイル同士の相互干渉がほとんどないモータを実現することができる。

具体的な固定子構造について、図２および図３を用いて説明する。なお、図２（ａ）および図３（ａ）は、図１における巻線１の巻線構成を説明する図であり、図２（ｂ）および図３（ｂ）は、図１における巻線２の巻線構成を説明する図である。すなわち、巻線１と巻線２の構成をより明確に示すために両巻線を分けて図示している。しかし、実際には、両巻線は同一の電機子鉄心に巻回されるものである。なお、図２と図３では、機械角で９０°の範囲におけるＵＶＷ相の固定子コイルの納め方が異なっている。

図２で示される巻線構造は、図２（ａ）に示される巻線１を用いて説明すると、紙面最上部から時計回りの方向に（U1-V1-V1-W1-W1-U1-U1-V1-V1-W1-W1-U1）の順で巻線１が納められている。つまり、Ｕ相コイル３ｕは、間に６個のティース６を隔てた２個のスロット５ｕ，５ｕの間に電機子巻線８ｕ（巻線１）が巻かれて形成されている。紙面右隣のＶ相コイル３ｖも同様に、間に６個のティース６を隔てた２個のスロット５ｖ，５ｖの間に電機子巻線８ｖ（巻線１）が巻かれて形成されている。以後同様に、Ｗ相コイル３ｗについても巻き回され、巻線１は、機械角で９０°の範囲内に納められることになる。また、これら各相のコイル３ｕ，３ｖ，３ｗは、機械角で１８０°の対向する位置にも同一相のコイルがティース６間に納められることになる。これらのコイル３ｕ，３ｖ，３ｗは、渡り線７によって接続され、巻線１による固定子コイルが形成されることになる。

一方、図３で示される巻線構造は、図３（ａ）に示される巻線１を用いて説明すると、紙面最上部から（U1-U1-V1-V1-W1-W1-U1-U1-V1-V1-W1-W1）の順で巻線が納められている。図３の場合も図２で示した固定子構造と同様であるが、Ｕ相コイル３ｕは、間に６個のティース６を隔てた２個のスロット５ｕ，５ｕの間に電機子巻線８ｕ（巻線１）が巻かれて形成されている。以後、Ｕ相コイル３ｕ、Ｖ相コイル３ｖ、Ｗ相コイル３ｗについても同様に巻き回され、巻線１は、機械角で９０°の範囲内に納められることになる。また、これら各相のコイル３ｕ，３ｖ，３ｗは、機械角で１８０°の対向する位置にも同一相のコイルがティース６間に納められることになる。これらのコイル３ｕ，３ｖ，３ｗは、渡り線７によって接続され、巻線１による固定子コイルが形成されることになる。

以上のように、図２および図３のうちにおけるいずれの固定子構造でも、巻線１と巻線２で構成される複数組の固定子コイルは、機械角３６０°において互いに重複することがないので、各組の固定子コイル間の相互干渉がほとんどないのである。

このように、本実施形態における固定子構造では、巻線同士の相互干渉がほとんど発生しない。したがって、モータ回転軸に加わるトルクが対称となるので、モータ回転軸の軸振れを抑制することができる。また、電機子巻線の結線間の相互干渉がある場合において発生する相電流に重畳される大きな電流リップルについても抑制することができるという利点を有している。

実施形態２
先に説明した実施形態１では、回転子コイル同士の重なりを無くした形で巻線を巻く構造とした固定子を説明した。本実施形態では、回転子コイルの重なりを許容する代わりに（図４参照）、ＵＶＷ相の間でのアンバランスを無くすことによって自己インダクタンスをそろえることができる固定子構造について説明する。なお、本実施形態においても、８極（４極対）モータ（いわゆる多相モータ）を例示して説明する。

図５は、本実施形態を適用した具体的な固定子構造を示す図である。なお、図５（ａ）は、図４における巻線１の巻線構成を説明するための図であり、図５（ｂ）は、図４における巻線２の巻線構成を説明するための図である。図５において示されているように、ティース６に納められた回転子コイルをつなぐ電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗは、巻線１と巻線２で重なりが発生していることがわかる。具体的には、例えば、図５（ａ）で示される巻線１を参照すると、Ｖ１相とＷ１相をつなぐ電機子巻線８ｖ，８ｗが紙面右側の巻線２の範囲にはみ出していることがわかる。

しかしながら、本実施形態で示される固定子構造では、ＵＶＷ相の間でのアンバランスを無くすことによって自己インダクタンスをそろえているところに特徴を有している。例えば、先に説明した図２中の破線円で囲んで示す符号（α）の箇所において、Ｕ１相の電機子巻線８ｕ，８ｕには同一のティース６に鎖交する部分が存在しており、電流の流れる向きが互いに逆向きになっている。したがって、Ｕ１相の電機子巻線８ｕでは磁界がキャンセルされてＵ１相で自己インダクタンスが小さくなってしまう。一方、Ｖ１相、Ｗ１相では、同一のティース６に鎖交する電機子巻線８ｖ，８ｗにおいて、各相の電機子巻線８ｖ，８ｗで電流の流れる向きは同じになっている。したがって、Ｕ１相ではＶ１相、Ｗ１相に比べて自己インダクタンスが小さくなるので自己インダクタンスがそろっていないことになる。

一方、図５で示される本実施形態における固定子構造では、例えば、図５（ａ）で示される通り、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相それぞれにおいてティース６に鎖交する電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗの重なりがないので、自己インダクタンスはそろっているといえるのである。つまり、本実施形態における複数組の固定子コイルは、機械角３６０°において互いに重複する電気角が３６０°以下となるように固定子鉄心に対し巻回されているといえるのである。したがって、本実施形態では、先に説明した実施形態１において電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗの相互干渉をほとんど無くしたことの背反として生じた自己インダクタンスのアンバランスを無くすことができる。つまり、自己インダクタンスをそろえることによって、電流制御性を向上させることが可能となるのである。

なお、図３に示す固定子構造では、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相それぞれにおいてティース６に鎖交する電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗに流れる電流の方向は同じである。したがって、図３に示す固定子構造であっても自己インダクタンスがそろっており、電流制御性の向上という面において、図２に示す固定子構造と比較して好適であるといえる。

実施形態３
上述した実施形態１および実施形態２では、いわゆる多相モータに本発明を適用した場合を例示して説明した。しかし、本発明の適用は、多相モータのみに限られるものではない。例えば、図６中で例示されている２Ｙモータであっても適用可能である。なお、図６は、２Ｙモータが適用される動力出力装置の概略構成を示す図であり、この図を用いて２Ｙモータについて説明する。

図６に例示される動力出力装置１０は、Ｙ結線された二つの三相コイル１４，１６を有するモータ（２Ｙモータ）１２と、二つの三相コイル１４，１６に各々接続され、正極母線１８と負極母線２０を共用する二つのインバータ回路２２，２４と、正極母線１８と負極母線２０とに接続されたコンデンサ２６と、２Ｙモータ１２の二つの三相コイル１４，１６の中性点間に設けられた直流電源２８と、装置全体をコントロールする図示しない電子制御ユニットとを備えている。

２Ｙモータ１２自体は、通常の発電可能な同期発電電動機と同様の構成をしており、こうした２Ｙモータ１２を駆動するには、インバータ回路２２により三相コイル１４に印加される三相交流電圧に対して位相差をもった三相交流電圧が三相コイル１６に印加されるようにインバータ回路２４を制御すればよい。なお、２Ｙモータ１２の回転軸は動力出力装置１０の出力軸となっており、この回転軸から動力が出力される。図６の２Ｙモータ１２は前述したように発電電動機として構成されているから、２Ｙモータ１２の回転軸に動力を入力すれば、２Ｙモータ１２により発電できるようになっている。

インバータ回路２２，２４は、共に６個のトランジスタと６個のダイオードとにより構成されている。６個のトランジスタは、それぞれ正極母線１８と負極母線２０とに対してソース側とシンク側となるよう２個ずつペアで配置され、その接続点に２Ｙモータ１２の三相コイル１４，１６（ＵＶＷ）の各々が接続されている。したがって、正極母線１８と負極母線２０とに電圧が作用している状態で対をなすトランジスタのオン時間の割合を位相差にしたがって制御すれば、２Ｙモータ１２の三相コイル１４，１６により回転磁界を形成し、２Ｙモータ１２を回転駆動することができる。

このような、２Ｙモータ１２に対して、上述した実施形態１および実施形態２に示した本発明を適用することによっても、同様の効果を得ることができるのである。

実施形態４
ところで、２Ｙモータ特有の問題として、動力出力装置１０では、２つのスター結線の間に直流電源２８を置き、この直流電源２８から直流電流をコンデンサ２６側に流すので、中性点から流れてくる電流が２Ｙモータ１２の中を流れるときに磁束が重畳されるという現象が発生する。本実施形態は、かかる磁束の重畳を良好に抑制することができる固定子構造を提供するものである。本実施形態について、図７および図８を用いて説明する。ここで、図７は、本実施形態における巻線構造を例示する図であり、図７（ａ）は巻線１の巻線構成を説明するための図であり、図７（ｂ）は巻線２の巻線構成を説明するための図である。また、図８は、図７の一部分を拡大した図である。

本実施形態において特徴的なことは、電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗによって形成される回転子コイルが１つのティース６間において２段に分けて設けられていることである。しかも、本実施形態における固定子構造では、ティース６に鎖交する電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗの本数が必ず偶数本（図７および図８では、必ず４本または６本となっている）となるように構成されている。

このような構成としたのは、２Ｙモータ特有の問題を解決するためである。すなわち、通常の多相モータでは、中性点間に直流電源２８をつなぐことがないので、ティース６に鎖交する電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗに零相電流が流れることはない。つまり、ティース６に対して零相電流による磁束の重畳がないのである。一方、２Ｙモータでは、ティース６に鎖交する電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗに対して零相電流が流れるので、零相電流によるティース６への磁束の重畳によってトルクの落ち込みが発生し、相電流の歪みが発生してしまう。したがって、モータ特性が劣化してしまうのである。

そこで、本実施形態では、固定子コイルが巻回される複数のティース６を有しており、各ティース６には一対のスター結線固定子コイルの一部がそれぞれ巻回され、かつ別のスター結線固定子コイルは互いに逆方向の零相電流が流れるように設定した。すなわち、ティース６を鎖交する電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗの配置を工夫することによって、電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗに流れる零相電流によってティース６に発生する磁束を電機子巻線同士で互いにキャンセルするようにしたのである。

図８を用いてさらに詳細に説明すると、図８中の矢印は、２つのモータの中性点間をつなぐ配線中に設けられた電池に流れる零相電流の向きを示している。そして、矢印で示されている各電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗにおいて流れる零相電流の向きは、ティース６に鎖交する偶数本の電機子巻線８ｕ，８ｖ，８ｗにおいて互いに打ち消し合うように流れている。したがって、磁束はキャンセルされ、結果としてティース６に対する磁束の重畳がない。つまり、中性点を流れる零相電流による磁界がティース中に残留しないのである。なお、巻線同士の重なりは若干発生するのであるが１極対分は重なっていないので、その影響は軽微である。

なお、本実施形態は図７および図８に示される構成に限定されるものではなく、例えば、図７で示される２段の磁極を４段にするもの、円周方向でティース６の個数を増やしたものなど、中性点を流れる零相電流による磁界がティース６中に残留しない構造であればどのようなものであっても良い。

また、本実施形態における固定子の巻線構造を多相モータに適用することも可能である。すなわち、固定子コイルが巻回される複数のティースを有しており、各ティースには複数組のスター結線固定子コイルの一部がそれぞれ重複して巻回され、かつ別組のスター結線固定子コイルは円周方向において、逆側が中性点となるように設定される構造とすることが好適である。このように、別組の電機子巻線を巻回すことによってティース間に複数組の磁極を形成し、それぞれの磁極の中性点が逆側となるように構成したのは、通常の多相モータでは零相電流が発生することはないのであるが、通常の多相モータで磁極を複数段に分けた構成とすると漏れインダクタンスが無くなるという効果が得られるためである。

実施形態１における固定子構造の概略構成を示す図である。 実施形態１における固定子構造を示す図であり、図２（ａ）は、図１における巻線１の巻線構成を説明する図であり、図２（ｂ）は、図１における巻線２の巻線構成を説明する図である。 実施形態１における固定子構造を示す図であり、図３（ａ）は、図１における巻線１の巻線構成を説明する図であり、図３（ｂ）は、図１における巻線２の巻線構成を説明する図である。 実施形態２における固定子構造の概略構成を示す図である。 実施形態２を適用した具体的な固定子構造を示す図であり、図５（ａ）は、図４における巻線１の巻線構成を説明するための図であり、図５（ｂ）は、図４における巻線２の巻線構成を説明するための図である。 ２Ｙモータが適用される動力出力装置の概略構成を示す図である。 実施形態４における巻線構造を例示する図であり、図７（ａ）は巻線１の巻線構成を説明するための図であり、図７（ｂ）は巻線２の巻線構成を説明するための図である。 図７の一部分を拡大した図である。

符号の説明

３ｕ Ｕ相コイル、３ｖ Ｖ相コイル、３ｗ Ｗ相コイル、５ｕ，５ｖ，５ｗ スロット、６ ティース、７ 渡り線、８ｕ，８ｖ，８ｗ 電機子巻線、１０ 動力出力装置、１２ ２Ｙモータ、１４，１６ 三相コイル、１８ 正極母線、２０ 負極母線、２２，２４ インバータ回路、２６ コンデンサ、２８ 直流電源。

Claims (1)

1. 直流電圧を出力する第１電源と、
   この第１電源からの電力供給を受ける一対のインバータと、
   この一対のインバータからの交流出力の供給を別々に受け、それぞれ回転磁界を発生する一対のスター結線固定子コイルと、
   このスター結線固定子コイルの中性点間に接続され、この中性点間に電位差を与える第２電源と、
   前記複数組のスター結線固定子コイルに対応して設けられた１つの回転子と、
   を含む２Ｙモータシステムにおいて、
   前記固定子コイルが巻回される複数のティースを有し、各ティースには前記スター結線固定子コイルが径方向に偶数段に分けて巻回されることによりティースに鎖交するスター結線固定子コイルが必ず偶数本となっており、前記ティースの奇数段には前記一対のスター結線固定子コイルの一部がそれぞれ巻回され、かつ前記ティースの偶数段には別のスター結線固定子コイルが前記奇数段に巻回された固定子コイルとは逆方向の零相電流が流れるように巻回されていることを特徴とする２Ｙモータの固定子構造。

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