JP5227077B2

JP5227077B2 - ３相回転電機

Info

Publication number: JP5227077B2
Application number: JP2008129073A
Authority: JP
Inventors: 亨脇本; 芳光 ▲高▼橋; 敬次滝澤
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: JP2009278806A

Description

本発明は、３相回転電機に係り、特に、ティースに巻回される各コイルが近接して配置される３相回転電機に関する。

３相回転電機の駆動には、インバータ電源が広く用いられている。しかし、インバータ電源で３相回転電機を駆動した場合、インバータ回路のスイッチング時に発する急峻なサージ電圧によって３相回転電機に高電圧が発生して問題となることがある。具体的には、複数のティース部と、隣接するティース部の間に形成されるスロット部と、ティース部に巻回される３相コイルであって同相コイルが周方向に並んで設けられ異相コイルが径方向に並んで設けられる３相コイルとを含む３相回転電機において、各コイルのうちスロット部内に位置するスロット内部分とティース部（接地）との間に静電容量が形成される。インバータ回路のスイッチングによって発生する急峻なサージ電圧が３相回転電機に印加されると、この電圧印加時の立ち上がりの瞬間の電流は、上述の静電容量を介して他相コイルへバイパスされ、特に、上述の電流は、３相回転電機の各入力端子に直結するコイルである第１コイルに集中するため第１コイルの分担電圧が上昇する。そして、第１コイルにおける両端の電位差が大きい場合は、この電位差が部分放電開始電圧を超えた場合は、部分放電の発生によりコイルの絶縁寿命が短くなることがある。

特許文献１には、２ｎ（ｎは整数）の導体をモータ巻線の巻回数の１／２回だけ巻いた後、巻き始めと巻き終わりの導体を２分割し、巻き始めのｎ個と巻き終わりのｎ個の導体を外部で接続した低圧モータであって、この低圧モータの巻線の巻き始めと巻き終わりの接続部と、巻線の巻き始め部、極間亘り線、巻き終わり部の間にコンデンサを接続するものが開示されている。

特開２００５−６５３６３号公報

上記特許文献１の構成を用いることで、急峻サージ電圧に対してコイル間の分担電圧を緩和し、コイルにおける絶縁劣化が発生することを防止することもできる。しかし、特許文献１の構成では、モータ巻線の巻き始めと巻き終わりの電線を取り出して溶接するという工程が必要であり、またコンデンサを並列に巻かれた巻線全てに設置する必要があるためコスト増加となってしまう場合がある。

本発明の目的は、急峻なサージ電圧が３相回転電機に入力されたときのコイル間の分担電圧をより簡単な構成で緩和し、絶縁性能を確保する３相回転電機を提供することである。

本発明に係る３相回転電機は、複数のティース部と、隣接するティース部の間に形成されるスロット部と、ティース部に巻回される３相コイルであって同相コイルが周方向に並んで設けられ異相コイルが径方向に並んで設けられる３相コイルとを含む３相回転電機であって、各コイルのスロット部の外側に位置するコイルエンド部分において同相コイル同士及び異相コイル同士の間の比誘電率がε₁であり、各コイルのスロット部の内側に位置するスロット内部分とティース部との間の比誘電率がε₂であり、ε₁がε₂よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明に係る３相回転電機において、ε₁が１よりも大きいことが好ましい。

また、本発明に係る３相回転電機において、各コイルにおいてコイルエンド部分同士の間には比誘電率がε₁であるワニスが含浸され、各コイルにおいてスロット内部分とティース部との間には比誘電率がε₂であるワニスが含浸されることが好ましい。

また、本発明に係る３相回転電機において、３相回転電機の各入力端子側の第１番目の各コイルエンド部分から第３番目の各コイルエンド部分までのコイルエンド部分同士の間のみ、比誘電率がε₁であることが好ましい。

また、本発明に係る３相回転電機において、ε₁が５よりも大きく、ε₂が５よりも小さいことが好ましい。

また、本発明に係る３相回転電機において、各コイルにおいてコイルエンド部分同士の間は比誘電率がε₁の絶縁紙によって絶縁されることが好ましい。

上記構成によれば、ε₁がε₂よりも高いため、コイルエンド部分同士の間に形成される静電容量の値が、スロット内部分とスロット部を形成するティース部との間に形成される静電容量の値よりも大きくなる。したがって、インバータ回路のスイッチングによって発生する急峻なサージ電圧が回転電機に印加されても、コイルエンド部分同士の間に形成される静電容量を介して、入力端子とは反対側の中性点側に配置されるコイルに向けてサージ電流が流れ込む。そして、各コイルに高周波電流が分散するため、入力端子と直結する第１番目のコイルである第１コイルへのサージ電圧の集中を抑制することができる。これにより、コイルの絶縁性能を確保することができる。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の第１実施形態である３相回転電機１０の上面図である。なお、図１ではコイルの巻回状態を分かりやすくするために各相コイルを簡略化して描いている。３相回転電機１０は、固定子であるステータ８と、ステータ８に巻回される３相コイルと、図示していない回転子であるロータとを含んで構成される。３相コイルは、Ｕ相コイル３２と、Ｖ相コイル３４と、Ｗ相コイル３６とを含んで構成され、ステータ８の外周側からＵ相コイル３２、Ｖ相コイル３４、Ｗ相コイル３６の順に配置される。また、インバータ回路（図示せず）からの出力を受ける入力端子としてＵ相入力端子１２とＶ相入力端子１４とＷ相入力端子１６とが設けられる。ここで、Ｕ相入力端子１２とＶ相入力端子１４とＷ相入力端子１６に直結される第１番目のコイルである各コイルをそれぞれ第１Ｕ相コイル３２１と第１Ｖ相コイル３４１と第１Ｗ相コイル３６１と規定する。さらに、Ｕ相コイル３２とＶ相コイル３４とＷ相コイル３６との接続点として中性点１３が設けられる。

ステータ８は、３相コイルが巻回される４８極のティース２２と、各ティース２２の間に形成されるスロット２４と、ステータヨーク１８とを含んで構成される。ステータヨーク１８は、ステータ８の外形を構成するドーナツ形状を有する。ティース２２は、ステータヨーク１８からステータ８の内径側に向けて肉厚が先細りとなる略四角錐台の形状である。Ｕ相コイル３２、Ｖ相コイル３４、Ｗ相コイル３６は、隣接する５つのティース２２を跨ぐようにスロット２４に挿入してティース２２に巻回される。

図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。Ａ−Ａ線断面の箇所では、Ｕ相コイル３２がスロット２４に挿入されてティース２２を巻回している。このとき、Ｖ相コイル３４とＷ相コイル３６については、ここではスロット２４に挿入されずに延伸している。

Ｕ相コイル３２は、Ｕ相コイルエンド部分３２２と、Ｕ相スロット内部分３２４とを含んで構成される。Ｕ相コイルエンド部分３２２は、Ｕ相コイル３２においてスロット２４の内部からティース２２の端面を沿って突出し隣接する５つのティース２２を跨いで、その先のスロット２４の内部に入るまでのスロット２４の外側に配置される部分である。Ｕ相スロット内部分３２４は、Ｕ相コイル３２においてスロット２４を形成するティース２２の側面壁２２１に沿ってティース２２を巻回するようにスロット２４の内側に配置される部分である。なお、Ｕ相コイル３２と同様に、Ｖ相コイル３４は、Ｖ相コイルエンド部分３４２とＶ相スロット内部分（図示せず）とを含んで構成され、Ｗ相コイル３６は、Ｗ相コイルエンド部分３６２とＷ相スロット内部分（図示せず）とを含んで構成される。

また、Ｕ相コイルエンド部分３２２とＶ相コイルエンド部分３４２とＷ相コイルエンド部分３６２においてそれぞれ形成される同相の全てのコイルエンド部分同士の間隙７０（図１参照）と異相の全てのコイルエンド部分同士の間隙８０を埋めるように比誘電率ε₁（例えばε₁＝２０）のワニスを含浸して、その後加熱して硬化させて間隙７０，８０を埋める物５１を形成する。さらに、各Ｕ相スロット内部分３２４と対応する各ティース２２の側面壁２２１との間隙９０を埋めるように比誘電率ε₂（例えばε₂＝３）のワニスを含浸して、その後加熱して硬化させて間隙９０を埋める物５２を形成する。これと同様に、各Ｖ相スロット内部分および各Ｗ相スロット内部分と対応する各ティース２２の側面壁２２１との間隙９０を埋めるように比誘電率ε₂（例えばε₂＝３）のワニスを含浸して間隙９０を埋める物５２を形成する。ここで、比誘電率ε₁は空気の誘電率である１よりも大きく、より好ましくは５よりも大きい値に設定される。また、比誘電率ε₂は、５よりも小さい値に設定されることが好ましい。

各Ｕ相コイルエンド部分３２２と、隣り合って設けられ異相である各Ｖ相コイルエンド部分３４２との間に静電容量４６（比誘電率ε₁）が形成され、また、図１に示されるように、隣り合って設けられ同相である各Ｕ相コイルエンド部分３２２との間に静電容量４２（比誘電率ε₁）が形成される。さらに、各Ｕ相スロット内部分３２４とティース２２の側面壁２２１（接地）との間に静電容量４４（比誘電率ε₂）が形成される。なお、Ｖ相コイル３４およびＷ相コイル３６においても同様に、静電容量４２，４４，４６が形成される。

続いて、上記構成からなる３相回転電機１０の動作について、図１〜図３を用いて説明する。図３は、３相回転電機１０を要素単位で示した回路図である。３相回転電機１０をインバータ回路によって駆動する場合に、インバータ回路のスイッチングの瞬間に各相の間に立ち上がりが急峻でピーク電圧が高いサージ電圧が発生し、そのサージ電圧が３相回転電機１０の入力端子に印加される。例えば、このサージ電圧がＵ相入力端子１２に印加されると、Ｕ相入力端子１２側から第１番目のコイルである第１Ｕ相コイル３２１と接する静電容量４４を介して隣接する他のＶ相入力端子１４側から第１番目のコイルである第１Ｖ相コイル３４１やＷ相入力端子１６側から第１番目のコイルである第１Ｗ相コイル３６１に電流が流れる経路と、第１Ｕ相コイル３２１と接する静電容量４２や静電容量４６を介して隣接するＵ相入力端子１２側から第２番目のコイルである第２Ｕ相コイル３２３やＶ相入力端子１４側から第２番目のコイルである第２Ｖ相コイル３４３に電流が流れ込む経路が存在する。

ここで、比誘電率ε₁＞比誘電率ε₂の関係にあるから、静電容量４２と静電容量４６の値は、静電容量４４の値に比べて大きい値となる。したがって、サージ電圧の印加によって３相回転電機１０に流れるサージ電流は、静電容量４２を介して第２Ｕ相コイル３２３、また静電容量４６を介して第２Ｖ相コイル３４３へと流れ込む。さらに、第２Ｕ相コイル３２３と接する静電容量４２と静電容量４４と静電容量４６についても容量値の関係は上述の通りであるため、Ｕ相入力端子１２側から第３番目のコイルである第３Ｕ相コイル３２５およびＶ相入力端子１４側から第３番目のコイルである第３Ｖ相コイル３４５へと、さらに中性点１３側にサージ電流が流れ込む。

同様に、Ｖ相入力端子１４あるいはＷ相入力端子１６にサージ電圧が印加された場合にも静電容量４４を介さずに静電容量４２，４６を介して中性点１３側のコイルに向けてサージ電流が流れ込む。このように、サージ電流が中性点１３側のコイルに向けて流れ込むことにより、各コイルへの高周波電流が分散するため、第１Ｖ相コイル３４１と第１Ｗ相コイル３６１へのサージ電圧の集中を抑制することができる。これにより、Ｕ相コイル３２とＶ相コイル３４とＷ相コイル３６の絶縁性能を確保することができる。

なお、上記では、Ｕ相コイルエンド部分３２２とＶ相コイルエンド部分３４２とＷ相コイルエンド部分３６２においてそれぞれ形成される同相および異相の全てのコイルエンド部分同士の間隙７０，８０（図１、図２参照）を埋めるように比誘電率ε₁のワニスを含浸するものとして説明した。しかし、上記のように、各入力端子から中性点１３までの全てのコイルエンド部分ではなく、例えば、３相回転電機１０の第１Ｕ相コイル３２１、第１Ｖ相コイル３４１、第１Ｗ相コイル３６１のコイルエンド部分から第３Ｕ相コイル３２５、第３Ｖ相コイル３４５、第３Ｗ相コイル３６５のコイルエンド部分までのコイルエンド部分同士の間の間隙７０，８０を埋めるように比誘電率ε₁のワニスを含浸するものとしてもよい。

次に、図４を参照して本発明の第２実施形態である３相回転電機１１について説明する。図４は、本発明の第２実施形態である３相回転電機１１の上面図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ線断面図である。ここで、３相回転電機１１は、上記第１実施形態の３相回転電機１０とほぼ同様の構成を有するため、同一構成要素には同一符号を付して重複することとなる説明を援用によって省略し、異なる構成およびその作用について説明する。３相回転電機１１は、絶縁部６０についてのみ相違するため、以下では、特に、絶縁部６０ついて詳細な説明を行う。

絶縁部６０は、Ｕ相コイル３２とＶ相コイル３４との間を絶縁する絶縁紙６１と、Ｖ相コイル３４とＷ相コイル３６との間を絶縁する絶縁紙６２とを含んで構成される。絶縁紙６１は、比誘電率がε₁である環状の絶縁部材であり、３相回転電機１１に略環状をなして設けられるＵ相コイル３２とＶ相コイル３４との間に配置される。絶縁紙６２についても同じ絶縁部材であり、３相回転電機１１に略環状をなして設けられるＶ相コイル３４とＷ相コイル３６との間に配置される。

上述の絶縁部６０の配置により、各Ｕ相コイルエンド部分３２２と各Ｖ相コイルエンド部分３４２との間には、比誘電率ε₁の絶縁紙６１が配置される。さらに、絶縁紙６１を配置した後に比誘電率ε₁のワニスを含浸して、その後にワニスを加熱して硬化させて間隙７０，８０を埋める物５１が形成される。これにより、各Ｕ相コイルエンド部分３２２と各Ｖ相コイルエンド部分３４２との間には、静電容量４６（比誘電率ε₁）が形成される。なお、隣接する同相のＵ相コイルエンド部分３２２同士の間には、物５１が埋められているため、静電容量４２（比誘電率ε₁）が形成され、各コイルのスロット内部分とティース２２との間には物５２が埋められているため、静電容量４４（比誘電率ε₂）が形成される。

続いて、上記構成からなる３相回転電機１１の動作について、図４〜図５を用いて説明する。３相回転電機１１をインバータ回路によって駆動する場合に、インバータ回路のスイッチングの瞬間に各相の間に立ち上がりが急峻でピーク電圧が高いサージ電圧が発生し、そのサージ電圧が３相回転電機１１の入力端子に印加される。

ここで、比誘電率ε₁＞比誘電率ε₂の関係であるから、静電容量４２と静電容量４６の値は、静電容量４４の値に比べて大きい値となる。したがって、３相回転電機１０の場合と同様に、Ｕ相入力端子１２あるいはＶ相入力端子１４あるいはＷ相入力端子１６にサージ電圧が印加された場合にも静電容量４４を介さずに静電容量４２，４６を介して中性点１３側のコイルに向けてサージ電流が流れ込み、各コイルへの高周波電流が分散する。これにより、Ｕ相コイル３２とＶ相コイル３４とＷ相コイル３６の絶縁性能を確保することができる。

なお、上記では、各Ｕ相コイルエンド部分３２２と各Ｖ相コイルエンド部分３４２との間には、比誘電率ε₁の絶縁紙６１と間隙７０，８０を埋める物５１とが存在し静電容量４６（比誘電率ε₁）が形成されるが、絶縁紙６１のみが存在して静電容量４６が形成されるものであっても、静電容量４２と静電容量４６の値が静電容量４４の値に比べて大きい値となる限り同様の効果が得られる。

図６は、３相回転電機１０，１１の効果を確認した結果を示す図である。図６の縦軸は、３相回転電機のコイル間最大電位差分担率を示す図である。グラフ１０１は、上記の３相回転電機におけるコイルのコイルエンド部分同士の間隙７０，８０に比誘電率ε₁の値を３、コイルのスロット部内分とティース２２との間隙９０に比誘電率ε₂の値を３のワニスを含浸した際の電圧分担率を示す。グラフ１０２は、同様の間隙にそれぞれ比誘電率ε₁の値が２０で、比誘電率ε₂の値も２０であるワニスを含浸した際の電圧分担率を示す。グラフ１０３は、同様の間隙にそれぞれ比誘電率ε₁の値が２０で比誘電率ε₂の値が３であるワニスを含浸した際の電圧分担率を示す。

グラフ１０１の場合は、比誘電率ε₁と比誘電率ε₂の値がともに３で同じ値となり、グラフ１０２の場合は、グラフ１０１の場合と比べて値が大きくなるものの比誘電率ε₁と比誘電率ε₂の値がともに２０で同じ値となる。ここで、グラフ１０１の場合は、静電容量４２，４４，４６の値がほとんど同じ値となり、入力端子に直結する他の第１番目のコイルに多くのサージ電流が流れるため電圧分担率は図６に示される通りとなる。また、グラフ１０２の場合は、静電容量４２，４４，４６の値がグラフ１０１の場合に比べて大きくなるものその関係は変わらず、やはり入力端子に直結する他の第１番目のコイルに多くのサージ電流が流れるため電圧分担率はグラフ１０１と同様のものになる。

これに対し、本発明の実施形態である３相回転電機１０，１１では、例えば比誘電率ε₂を３とすることで静電容量４４の値を低く抑え、例えば比誘電率ε₁を２０とし静電容量４２，４６の値を上昇させることでサージ電流の分散を促進させ、電圧分担率は図６に示される通りグラフ１０１，１０２に比べて低下することができる。

本発明の第１実施形態である３相回転電機の上面図である。図１におけるＡ−Ａ断面図である。３相回転電機を要素単位で示した回路図である。本発明の第２実施形態である３相回転電機の上面図である。図４におけるＡ−Ａ断面図である。本発明の第１実施形態の３相回転電機と本発明の第２実施形態の３相回転電機との効果を確認した結果を示す図である。

符号の説明

８ステータ、１０、１１３相回転電機、１２Ｕ相入力端子、１３中性点、１４Ｖ相入力端子、１６Ｗ相入力端子、１８ステータヨーク、２２ティース、２４スロット、３２Ｕ相コイル、３４Ｖ相コイル、３６Ｗ相コイル、４２，４４，４６静電容量、５１，５２物、６０絶縁部、６１，６２絶縁紙、７０，８０，９０間隙、１０１，１０２，１０３グラフ、２２１側面壁、３２１第１Ｕ相コイル、３２２Ｕ相コイルエンド部分、３２３第２Ｕ相コイル、３２４Ｕ相スロット内部分、３２５第３Ｕ相コイル、３４１第１Ｖ相コイル、３４２Ｖ相コイルエンド部分、３４３第２Ｖ相コイル、３４５第３Ｖ相コイル、３６１第１Ｗ相コイル、３６２Ｗ相コイルエンド部分、３６３第２Ｗ相コイル、３６５第３Ｗ相コイル。

Claims

複数のティース部と、隣接するティース部の間に形成されるスロット部と、ティース部に巻回される３相コイルであって同相コイルが周方向に並んで設けられ異相コイルが径方向に並んで設けられる３相コイルとを含む３相回転電機であって、
各コイルのスロット部の外側に位置するコイルエンド部分において同相コイル同士及び異相コイル同士の間の比誘電率がε₁であり、
各コイルのスロット部の内側に位置するスロット内部分とティース部との間の比誘電率がε₂であり、ε₁がε₂よりも大きいことを特徴とする３相回転電機。
請求項１に記載の３相回転電機において、
ε₁が１よりも大きいことを特徴とする３相回転電機。
請求項１または請求項２に記載の３相回転電機において、
各コイルにおいてコイルエンド部分同士の間には比誘電率がε₁であるワニスが含浸され、
各コイルにおいてスロット内部分とティース部との間には比誘電率がε₂であるワニスが含浸されることを特徴とする３相回転電機。
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の３相回転電機において、
３相回転電機の各入力端子側の第１番目の各コイルエンド部分から第３番目の各コイルエンド部分までのコイルエンド部分同士の間のみ、比誘電率がε₁であることを特徴とする３相回転電機。
請求項１から請求項４のいずれか１に記載の３相回転電機において、
ε₁が５よりも大きく、ε₂が５よりも小さいことを特徴とする３相回転電機。
請求項１または請求項２に記載の３相回転電機において、
各コイルにおいてコイルエンド部分同士の間は比誘電率がε₁の絶縁紙によって絶縁されることを特徴とする３相回転電機。