JP6012582B2 - 巻線切換型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石型モータ等の巻線切換型回転電機に関し、特に農業機械や産業機械の原動機に適した巻線切換型回転電機に関するものである。

ハイブリッドシステムは乗用車だけでなく農業機械や建設機械、レクリエーショナル用など多目的用途用の車両（ユーティリティビークル、以下ＵＶという）等においても使用が検討されつつある。ハイブリッドシステム用のモータとしては、高効率であることからロータに永久磁石を用いた同期式永久磁石モータが用いられることが多い。バッテリーを使用しないシリーズハイブリッド車両とは異なり、パラレルハイブリッド車両では、永久磁石モータは電池システムと接続して使用される。永久磁石モータは使用する電池の電圧によって回転数の上限が規定されるため、使用用途に応じたモータを設計することが必要となる。特に電源電圧は電池の価格やモータあるいは発電機の特性に大きな影響を与える。例えば高電圧型のモータであれば高回転数を得ることができる。又低電圧モータであれば回転数は低いが、高トルク型とすることができる。従ってこのような特性を切換えるために従来より巻線を切換えて特性を変化させるモータが提案されている。

例えば特許文献１には、モータの固定子の巻線を直列と並列とのいずれかに切換えることによって高速低トルク型と低速高トルク型の特性を選択できるようにした巻線切換型回転電機が提案されている。又特許文献２には外部に出力される６つの巻線のうち３本の導電ピンをＹ字接続にした３つの巻線に接続し、他の３つの巻線を夫々両端から出力して９本の導電ピンを外部に出力した巻線切換型回転電機の構成が示されている。又運転中にスイッチングによってこのような巻線切換えを行えるようにした装置についても提案されている（特許文献３）。

特開平６−２０５５７３号公報 特開２０１１−２２９２２１号公報 特開２０１２−２２７９８０号公報

しかしながらこのような従来の巻線切換型回転電機においては、巻線を切換えるための切換回路や切換スイッチが１箇所に設けられている。従って各端子をその切換回路に導く必要があり、構造が複雑になるという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであって、簡単な構造で特性を切換えることができるようにすることを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の巻線切換型回転電機は、円柱状の外周に永久磁石が設けられ、回転自在に保持された回転子と、前記回転子の外側の全周にギャップを隔ててコイル巻線を有する固定子と、を具備する回転電機において、前記回転電機の側方に対称に設けられ、固定子コイル巻線を切換える第１，第２のターミナルボックスを具備し、前記固定子の固定子巻線は、１８０°単位の２つのブロックで形成されたものであり、前記第１，第２のターミナルボックスは、前記２つのブロックの固定子巻線をＹ接続とダブルＹ接続とのいずれかとなるように接続するものである。

ここで前記回転電機は、前記回転子に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータとしてもよい。

ここで前記第１，第２のターミナルボックスは、前記固定子巻線の１８０°単位の２つのブロックの境界位置に設けられたものとしてもよい。

ここで前記回転電機の固定子巻線は、集中巻き又は分布巻きのいずれかとしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、２つのターミナルボックスを用いているため、固定子コアに巻かれるコイル端部の配線ライン長を短くすることができる。そしてターミナルボックス内で接続を変化させ、直列接続（Ｙ接続）とすることによって高圧用モータ又は発電機として使用したり、低速駆動モータ又は発電機として使用することができる。又並列接続（ダブルＹ接続）とすることによって低圧用モータ又は発電機として使用したり、高速駆動モータ又は発電機として使用することができる。そのためモータ自体の機種数を少なくして種々の用途に切換えて使用することができるという効果が得られる。例えば農業機械や建設機械では低速高トルク型モータが用いられることが多く、レクリエーション用途等のＵＶでは低トルクであっても高速のモータが求められることが多く、機種の数も多くなる。本発明によれば車両に搭載する電池の電圧に応じて切換えることができるという効果が得られる。又ターミナルボックスを第１，第２のコイル巻線のブロックの境界位置に設けるようにすれば、配線ライン長をより短くすることができる。

図１は本発明の実施の形態によるＩＰＭモータの正面図及び断面図である。 図２は本実施の形態によるＩＰＭモータのターミナルボックスの正面図である。 図３は本実施の形態によるＩＰＭモータの固定子のコアとスロットを示す図である。 図４は本実施の形態によるＩＰＭモータの巻線パターンの第１の例を示す概念図である。 図５は直列接続する場合のターミナルボックスの結線図及びコイルの接続図である。 図６は並列接続する場合のターミナルボックスの結線図及びコイルの接続図である。 図７は本実施の形態によるＩＰＭモータの巻線パターンの第２の例を示す概念図である。 図８は本実施の形態によるＩＰＭモータの巻線パターンの第３の例を示す概念図である。

次に本発明の実施の形態による回転電機について説明する。本実施の形態はロータ内に永久磁石が埋め込まれて形成された同期式のＩＰＭモータ１０とする。図１（ａ）はその正面図であり、図１（ｂ）はその断面図である。これらの図に示すようにこのモータ１０は円柱状の外周部に多数のボルトを介してハウジング１１が固定されている。シャフト１２に一対のベアリング１３，１４を介して円柱状の回転子２０が回転自在に形成されている。回転子２０の外周部分には一定の角度間隔で永久磁石が埋め込まれている。回転子２０の外側には所定のギャップを介して固定子３０がハウジング１１に固定されている。固定子３０は例えば２４の環状に形成された固定子コアとその間のスロットが外周から回転子２０の中心軸に向かって形成されている。各固定子コアには後述するように３相のコイル巻線が形成されている。

そしてこの実施の形態によるＩＰＭモータ１０には、図１に示すようにハウジング１１の左右の対称な位置に第１のターミナルボックス４１，第２のターミナルボックス４２が設けられている。ターミナルボックス４１，４２は固定子のコイル巻線を直列及び並列のいずれかに切換えることによって、電池電圧やモータの所望の特性に対応したＹ接続又はダブルＹ接続となるように切換えて結線するためのものである。図２はターミナルボックス４１，４２の正面図を示している。

次に固定子のコイル巻線のパターンを示す概念図について説明する。図３は２４スロットの場合の固定子のスロットとコアを示しており、図４は巻線パターンの一例である集中巻きを示す概念図である。これらの図において１〜２４の数字はスロットの番号を示している。図４に示すようにＵ巻線ではスロット１〜５の間の４つの固定子コアに対して夫々集中してコイル巻線が形成されており、その両端部をＵ１及びＵ２とする。そしてスロット５〜９の間の４つの固定子コアに対して同様にＷ巻線のコイルが形成されており、その両端部をＷ１，Ｗ２とする。又スロット９〜１３の間の４つの固定子コアに対して同様にＶ巻線のコイル巻線が形成されており、その両端部をＶ１，Ｖ２とする。こうしてスロット１〜１３の間の固定子コアに対して１８０°分の第１のブロックの巻線が形成される。又スロット１３〜２４の間の固定子コアに対しても同様に、Ｕ巻線ではスロット１３〜１７の間に４つのコアに対して集中してコイル巻線が形成されており、その両端部をＵ３及びＵ４とする。そしてスロット１７〜２１の４つのコアに対して同様にＷ巻線のコイルが形成されており、その両端部をＷ３，Ｗ４とする。又スロット２１〜２４の間の４つのコアに対して同様にＶ巻線のコイル巻線が形成されており、その両端部をＶ３，Ｖ４とする。そして図示のようにＵ巻線ではＵ１〜Ｕ４、Ｖ巻線ではＶ１〜Ｖ４、Ｗ巻線ではＷ１〜Ｗ４の端子が引き出される。こうしてスロット１３〜１の間の残りの固定子コアに対して１８０°分の第２のブロックの巻線が形成される。

さて本実施の形態のＩＰＭモータ１０では、コイル巻線の端子のうち端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１とＵ４，Ｗ４，Ｖ４とはターミナルボックス４１に導かれる。その他の端子である端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２とＵ３，Ｖ３，Ｗ３とはターミナルボックス４２に導かれる。これらのターミナルボックス４１，４２は、配線ライン長を短くするため図１及び図３に示すように対称で第１，第２のブロックの境界となる位置に設けられる。

そして固定子コイルの結線を直列接続とする場合には、図５（ａ）に示すようにターミナルボックス４１では端子Ｕ４，Ｖ４，Ｗ４を接続し、端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を外部の図示しないインバータから三相交流電力を供給する電源線ＵＶＷに接続する。ターミナルボックス４２では端子Ｕ２とＵ３、端子Ｖ２とＶ３、端子Ｗ２とＷ３とを夫々接続する。このように端子を接続した場合に図５（ｂ）に示すような直列のＹ接続となる。

直列のＹ接続の方法では、ＩＰＭモータ１０に高電圧を供給することができ、高速型のモータとすることができる。又低速で駆動する場合にはモータの駆動電圧は低くてもよい。従ってインダクタンスが高くなる直列Ｙ接続にしてモータを駆動することができる。
一方発電機として用いた場合には、高圧で駆動して高電圧の発電機として用いることができる。又低速で駆動して発電する場合にはインダクタンスが高くなる直列のＹ接続として発電機を駆動することができる。

次に固定子コイルの結線を並列接続とする場合には、図６（ａ）に示すようにターミナルボックス４１では端子Ｕ１とＵ４、端子Ｖ１とＶ４、端子Ｗ１とＷ４とを接続し、端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を外部の図示しないインバータから三相交流電力を供給する電源線ＵＶＷに接続する。そしてターミナルボックス４２では図示のように端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を接続すると共に、端子Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３を接続する。このように端子を接続した場合には、図６（ｂ）に示すように並列のダブルＹ接続となる。

この並列のダブルＹ接続の方法では、ＩＰＭモータ１０に供給する電圧を低くして低速型モータとすることができる。又高速運転であれば必要となる駆動電圧も高くなるので、並列にしてインダクタンスを低くすることによって同じ電圧でもモータを高速で駆動することができる。
一方発電機として用いた場合には、低圧で駆動して低電圧の発電機として用いることができる。又高速で駆動して発電する場合には、インダクタンスが低くなる並列のダブルＹ接続として発電機を駆動することができる。

このように本実施の形態ではモータあるいは発電機の固定子巻線を１８０°単位の大きな２ブロックで構成し、離れた位置に２箇所のターミナルボックスを設置している。そしてこのターミナルボックスにおいて巻線の接続を変化させることによってＹ接続又はダブルＹ接続として結線することができる。この場合にはコイルに両端のラインを最短距離でターミナルボックスに接続し、モータ電流が流れるラインの距離を短くすることができる。又ターミナルボックスはモータの両端の対称な位置に設けているため、モータ全体の重量バランスを向上させることができる。そして１つの機種のモータを用いて接続を変化させることによって、高圧用の高回転型モータとして使用したり、低圧用の低回転型モータとしても使用することができる。そのためモータ自体の機種数を少なくして例えば農業機械やレジャー用の高速車両などの種々の用途に１つのモータで切換えて使用することができるという効果が得られる。

この実施の形態ではコイルの巻き方について集中巻きについて説明しているが、コイルの配線については１８０°毎に２つのブロックで巻線を形成するものであればよく、集中巻きの接続に限定されるものではない。例えば図８に示すように１スロット飛びにコイル巻線を形成して巻く分布巻きとしてもよく、又図９に示すように２スロット飛び毎にコイル巻線を形成して分布巻きとしてもよい。

又この実施の形態ではＩＰＭモータについて説明しているが、永久磁石がロータの表面に配置されるＳＰＭモータについても本発明を適用することができる。

又この実施の形態では永久磁石モータについて説明しているが、永久磁石がロータの表面に配置される発電機についても本発明を適用することができる。

本発明は機種数を少なくしても異なった特性を有するモータや発電機として用いることができ、種々の車両や発電装置に対応させることができる。

１０ ＩＰＭモータ
１１ ハウジング
１２ シャフト
１３，１４ ベアリング
２０ 回転子
３０ 固定子
４１，４２ ターミナルボックス
Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ 端子

Claims (4)

1. 円柱状の外周に永久磁石が設けられ、回転自在に保持された回転子と、
   前記回転子の外側の全周にギャップを隔ててコイル巻線を有する固定子と、を具備する回転電機において、
   前記回転電機の側方に対称に設けられ、固定子コイル巻線を切換える第１，第２のターミナルボックスを具備し、
   前記固定子の固定子巻線は、１８０°単位の２つのブロックで形成されたものであり、
   前記第１，第２のターミナルボックスは、前記２つのブロックの固定子巻線をＹ接続とダブルＹ接続とのいずれかとなるように接続するものである巻線切換型回転電機。
2. 前記回転電機は、前記回転子に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータである請求項１記載の巻線切換型回転電機。
3. 前記第１，第２のターミナルボックスは、前記固定子巻線の１８０°単位の２つのブロックの境界位置に設けられたものである請求項１又は２記載の巻線切換型回転電機。
4. 前記回転電機の固定子巻線は、集中巻き又は分布巻きのいずれかである請求項１〜３のいずれかに記載の巻線切換型回転電機。

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