JP5685847B2 - 電動機システム - Google Patents

Description

本発明は電動機システムに関する。

特許文献１には、突極部（ティース）とスロットとを有するステータを備え、突極部にインシュレータを介してコイルを巻きつけた回転電機が開示されている。

特開２００９−１３０９５８号公報

しかしながら、前述した従来例の回転電機のように突極部にコイルを巻きつけるものは、隣接するスロット間でコイルを行き来させる必要があり、突極部の軸方向上端面及び下端面に巻きつけられたコイル（以下「エンドコイル」という。）が存在する。エンドコイルは、ロータを回転させるために必要な回転磁界をステータに発生させるのに寄与せず、漏洩磁界の発生源となる。そのため、インバータ等の各種電気部品を突極部の軸方向端部近傍に配置しようとしても、その漏洩磁界によってノイズや渦電流損失が発生するために配置できず、回転電機やインバータを含む電動機システムが大型化す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り、電動機システムを小型化することを目的とする。

本発明は、円環状のバックヨーク部とバックヨーク部の内周面から突出する複数の突極部とを有するステータと、ステータによって外周を覆われ、ステータに発生させた回転磁界によって回転するロータと、突極部間に挿入される導体棒と、を備え、導体棒のロータ回転軸方向端部に設けた半導体素子によって導体棒を流れる電流の向きを交互に切り替え、ステータに回転磁界を発生させる電動機システムである。

本発明によれば、突極部にコイルを巻きつけるのではなく、突極部間に導体棒を挿入する構成としたので、突極部のロータ回転軸方向端部に漏洩磁界の発生源となるエンドコイルが存在しない。そのため、ステータのロータ回転軸方向端部の近傍に半導体素子等の電気部品を設けることができ、電動機システムの小型化を図ることができる。

本発明の第１実施形態によるステータを示す図である。 本発明の第１実施形態による導体棒とパワーモジュールとで構成される電気回路を示す図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の断面図である。 本発明の第１実施形態による回転電機を搭載した電動車両の概略構成図である。 本発明の第２実施形態によるステータを示す図である。 本発明の第２実施形態による導体棒とパワーモジュールとで構成される電気回路を示す図である。 本発明の第２実施形態による回転電機を搭載した電動車両の概略構成図である。 本発明の第３実施形態による導体棒とその製造方法について説明する図である。 本発明の第４実施形態による導体棒の斜視図である。 本発明の第４実施形態による両端にパワーモジュールを設けた導体棒の斜視図である。 本発明の第５実施形態による回転電機の断面図である。 従来例による回転電機を搭載した電動車両の概略構成図である。

以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。なお、以下の説明において、「軸方向」とは、回転電機１０の回転軸６の軸方向をいうものとする。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態によるステータ１を示す図である。図１（Ａ）は、ステータ１の全体構成を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、ステータ１の一部を示す分解斜視図である。

ステータ１は、薄い電磁鋼板を軸方向に積層して一体化したものであり、円環状のバックヨーク部１１と、バックヨーク部１１の内周面から突出する突極部１２と、を備える。突極部１２は、バックヨーク部１１の周方向に所定の間隔を空けて複数形成され、隣接する突極部間に形成されるスロット１３に平板状の導体棒２が挿入される。

導体棒２は、突極部１２に当接する側面に絶縁層が形成され、その軸方向両端にパワーモジュール３が設けられる。導体棒２の軸方向長さは、導体棒２をスロット１３に挿入したときにスロット１３から軸方向にはみ出ないように、突極部１２の軸方向の長さよりも短くなっている。

図２は、導体棒２とパワーモジュール３とで構成される電気回路を示す図である。

図２に示すように、パワーモジュール３は、２つの半導体スイッチと、２つのダイオードと、を備え、これらを組み合わせて２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２が形成される。

各パワーモジュール３は、直流電源のプラス端子及びマイナス端子に接続されるとともに、導体棒２にも電気的に接続されており、導体棒２の両端の２つのパワーモジュール３でＨブリッジのドライバ回路を構成して導体棒２に流れる電流の向きを切り替える。

具体的には、導体棒２の一端側（図中上側）のパワーモジュール３のスイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２をＯＦＦにし、他端側（図中下側）のパワーモジュール３のスイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ２をＯＮにすると、導体棒２の一端側から他端側に向けて矢印Ａの方向に電流が流れる。逆に、導体棒２の一端側のパワーモジュール３のスイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ２をＯＮにし、他端側のパワーモジュール３のスイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２をＯＦＦにすると、導体棒２の他端側から一端側に向けて矢印Ｂの方向に電流が流れる。各パワーモジュール３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２のＯＮ、ＯＦＦの切り替えは、入力信号として半導体スイッチ３１にパルス波を入力し、そのパルス波のデューティー比を変化させることで行う。

図３は、本実施形態による導体棒２が挿入されたステータ１を用いた回転電機１０の断面図である。

図３に示すように、回転電機１０は円筒状のハウジング４を備え、ハウジング４の軸方向両端に設けられたベアリング５によって回転軸６が回転自在に支持される。

回転軸６には、回転軸６と一体となって回転するロータ７が固定される。ロータ７の外周部には、複数の永久磁石が周方向に互いに所定の間隔を空けて埋め込まれている。

そして、このロータ７の外周を覆うようにステータ１がハウジング４に固定される。

パワーモジュール３は、ステータ１の両端から軸方向に突出しており、両端の各パワーモジュール３は、ハウジング４に設けられたドライバ部８を介して直流電源に接続される。ドライバ部８は、ステータ１の軸方向両端のパワーモジュール３に隣接して配置され、各パワーモジュール３の半導体スイッチに入力する入力信号を生成する。

回転電機１０は上記のように構成され、導体棒２の両端に設けられたパワーモジュール３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替えることで、導体棒２に流れる電流の方向を切り替えてステータ１に回転磁界を発生させ、ロータ７の永久磁石を吸着するとともに反発させてロータ７を回転させる。これにより、ロータ７とともに回転軸６が回転する。

図４は、本実施形態による回転電機１０を搭載した電動車両の概略構成図である。なお、比較例として、突極部にコイル１０２を巻きつけて構成される回転電機１００を搭載した電動車両の概略構成図を図１２に示す。

図１２に示すように、比較例の電動車両では、直流電源２００と回転電機１００との間にインバータ３００を別途設け、直流電源２００からの直流をインバータ３００によって３相交流に変換して回転電機１００のコイル１０１に流し、回転電機１００を駆動する。

ここで、比較例による回転電機１００は、ステータ１０１の軸方向両端部にエンドコイルが存在する。エンドコイルは、通電時に突極部のロータ側の磁極をＮ極又はＳ極にするための磁界、すなわちロータ１０７を回転させるために必要な回転磁界を発生させるのに寄与せず、漏洩磁界の発生源となる。

そのため、インバータ３００を回転電機１００の近く、特にステータ１０１の軸方向両端部の近傍に配置すると、その漏洩磁界によってインバータ構成部品で渦電流損失が生じるとともに、ドライバ回路にノイズの影響が出るおそれがある。

したがって、図１２に示すように、漏洩磁界の影響を避けるために回転電機１００から離れた位置にインバータ３００を別途設ける必要があり、回転電機１００とインバータ３００とを含めた電動機システムの小型化を図ることができなかった。

これに対して、図４に示すように本実施形態による回転電機１０を使用した場合は、エンドコイルが存在しないため、回転電機内のステータ１の軸方向両端部の近傍（導体棒２の両端）にインバータに相当するパワーモジュール３及びドライバ部８を設けることができる。そして、直流電源２０からの直流を直接回転電機内の各パワーモジュール３に流して回転電機１０を駆動させることができる。そのため、直流電源２０と回転電機１０との間にインバータを別途設ける必要はなく、電動機システムの小型化を図ることができる。

なお、本実施形態による電動車両において、ステータ１の軸方向一端側（図中右側）に配置された各パワーモジュール３は、プラス電線とマイナス電線とで構成される第１給電線２１ａによって、ドライバ部８を介して直流電源２０と接続される。一方、ステータ１の軸方向他端側（図中左側）に配置された各パワーモジュール３は、同じくプラス電線とマイナス電線とで構成される第２給電線２１ｂによって、ドライバ部８を介して直流電源２０と接続される。

以上説明した本実施形態によれば、ステータ１の突極部１２にコイルを巻きつけるのではなく、導体棒２をステータ１のスロット１３に挿入し、導体棒２の両端に取り付けたパワーモジュール３によって導体棒２を流れる電流の向きを切り替えることでステータ１に回転磁界を発生させ、ロータ７を回転させる。そのため、比較例の回転電機１００のようにエンドコイルが存在しない。

そのため、漏洩磁界の影響が少なく、回転電機内のステータ１の軸方向両端部の近傍（導体棒２の両端）にインバータに相当するパワーモジュール３及びドライバ部８を設けることができる。したがって、インバータを別途に設ける必要がないので、電動機システムの小型化を図ることができる。

また、導体棒２の軸方向の長さを突極部１２の軸方向の長さよりも短くして、導体棒２がスロット１３に完全に収まるようにした。そのため、導体棒２が突極部１２の上端面及び下端面から軸方向に突出することがないので、より確実に漏洩磁界の発生を抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、導体棒２をコの字形状にした点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図５は、本実施形態によるステータ１を示す図である。図５（Ａ）は、ステータ１の全体構成を示す斜視図であり、図５（Ｂ）は、ステータ１の一部を示す分解斜視図である。

図５（Ｂ）に示すように、本実施形態による導体棒２はコの字形状をしており、突極部１２を挟むように、隣接するスロット１３ａ，１３ｂに挿入される。そして、導体棒２の両端にパワーモジュール３がそれぞれ設けられる。そのため、導体棒２をスロット１３に挿入したときに、ステータ１の軸方向一端側にのみパワーモジュール３が配置されることになる。

図６は、本実施形態による導体棒２とパワーモジュール３とで構成される電気回路を示す図である。

図６に示すように、本実施形態でも導体棒２の両端の２つのパワーモジュール３でＨブリッジのドライバ回路を構成して導体棒２に流れる電流の向きを切り替える。具体的には、導体棒２の一端側（図中左側）のパワーモジュール３のスイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２をＯＦＦにし、他端側（図中右側）のパワーモジュール３のスイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ２をＯＮにすると、導体棒２の一端側から他端側に向けて矢印Ａの方向に電流が流れる。逆に、導体棒２の一端側のパワーモジュール３のスイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ２をＯＮにし、他端側のパワーモジュール３のスイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２をＯＦＦにすると、導体棒２の他端側から一端側に向けて矢印Ｂの方向に電流が流れる。

図７は、本実施形態による導体棒２が挿入されたステータ１を用いた回転電機１０を搭載した電動車両の概略構成図である。

図７に示すように、本実施形態による回転電機１０は、ステータ１の軸方向一端側（図中右側）にのみパワーモジュール３及びドライバ部８が配置される。そのため、パワーモジュール３に接続される給電線が第１給電線２１ａのみでよい。

以上説明した本実施形態によれば、ステータ１の軸方向一端側にはエンドコイルが存在しないため、回転電機内のステータ１の軸方向一端部の近傍（導体棒２の一端）にインバータに相当するパワーモジュール３及びドライバ部８を設けることができる。そのため、インバータを別途に設ける必要がないので、電動機システムの小型化を図ることができる。

またステータ１の軸方向一端側にのみパワーモジュール３及びドライバ部８が配置されるので、直流電源２０とパワーモジュール３とを電気的に接続するための給電線が第１給電線２１ａのみでよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、導体棒２の構成が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

ステータ１の各スロット１３に１本の導体棒２を挿入して構成される回転電機１０の場合、導体棒２の横断面積は、比較例の回転電機１００のように突極部１２に複数回巻きつけられるコイル１０１の横断面積よりも大きくなる。そのため、導体棒内で生じる渦電流損失はコイル内で生じる渦電流損失よりも大きくなりやすい。

導体棒２での渦電流損失を抑制するには、互いに絶縁処理を施した素線を束ねて導体棒２を製造する、又は、表面を絶縁した薄い導体板を積層して導体棒２を製造するなどの方法が考えられるが、いずれも製造方法が煩雑となりコストがかかる。そこで、以下の方法で導体棒２を製造することで、渦電流の発生を抑制できる導体棒２を簡便に製造することができる。

図８は、本実施形態による導体棒２とその製造方法について説明する図である。

本実施形態では、まず初めに図８（Ａ）に示すように、軸方向に複数のスリット２１が設けられた銅やアルミニウムなどの導体棒２を、スロット１３の形状よりも大きくなるように押し出し成型によって製造する。

次に図８（Ｂ）に示すように、スリット２１を含めた導体棒２の側面に四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＥＦ）などの有機系コーティングや無機系コーティングを施し、絶縁層２２を形成する。

最後に図８（Ｃ）に示すように、絶縁層２２を形成した導体棒２をスロット１３の形状にあわせて絞り成型を行うことで、スロット１３に挿入される導体棒２が製造される。

これにより、導体棒２の内部に絶縁部２３が形成されるので、渦電流の発生を抑制できる。また、製造方法としても押し出し成型後に絞り成型を行うだけなので、容易に導体棒２を製造することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、導体棒２の内部に軸方向に貫通する貫通孔２４を設けた点で第１実施形態と相違する。以下、図９及び図１０を参照してその相違点を中心に説明する。

図９は、本実施形態による導体棒２の斜視図である。図１０は、本実施形態による両端にパワーモジュール３を設けた導体棒２の斜視図である。

前述したように、導体棒内で生じる渦電流損失はコイル内で生じる渦電流損失よりも大きくなりやすい。そこで本実施形態では、図９に示すように、導体棒２の内部に軸方向に貫通する２つの貫通孔２４を設けた。これにより、導体棒内での渦電流の発生を抑制できるので、導体棒内での渦電流損失を軽減することができる。

そして、図１０に示すように、本実施形態では貫通孔２４を形成した導体棒２の両端に設けられたパワーモジュール３に換気孔３１を設けた。これにより、導体棒２の内部に空気を通流させることができる。そのため、導体棒２を冷却することができ、導体棒内での渦電流損失をより軽減することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、ステータ１、導体棒２、パワーモジュール３、及びドライバ部８を樹脂９によって封止して一体化した点で第２実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図１１は、本実施形態による回転電機１０の断面図である。

図１１に示すように、本実施形態では、コの字形の導体棒２がスロット１３に挿入されたステータ１と、導体棒２の両端に設けられてステータ１の軸方向一端側（図中右側）に配置されたパワーモジュール３と、パワーモジュール３に隣接して配置されるドライバ部８と、を樹脂９によって封止した。これにより、ステータ１、導体棒２、パワーモジュール３、及びドライバ部８を一体化できるので、ハウジング４への組み付けが容易になる。

また、各部で発生した熱を、樹脂９を介してハウジング４に伝達することができるので、放熱性能を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ ステータ
２ 導体棒
３ パワーモジュール（半導体素子）
７ ロータ
１１ バックヨーク部
１２ 突極部
２４ 貫通孔

Claims (5)

1. 円環状のバックヨーク部と、前記バックヨーク部の内周面から突出する複数の突極部と、を有するステータと、前記ステータによって外周を覆われ、前記ステータに発生させた回転磁界によって回転するロータと、前記突極部間毎に隔離して挿入される平板状の導体棒と、前記導体棒のロータ回転軸方向端部に設けられ、前記ステータに回転磁界が発生するように前記導体棒を流れる電流の向きを交互に切り替える半導体素子と、を備える電動機システム。
2. 前記半導体素子は、前記導体棒のロータ回転軸方向両端側に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の電動機システム。
3. 円環状のバックヨーク部と、前記バックヨーク部の内周面から突出する複数の突極部と、を有するステータと、前記ステータによって外周を覆われ、前記ステータに発生させた回転磁界によって回転するロータと、隣接する前記突極部間に、前記突極部を挟むように挿入されるコの字形状の導体棒と、前記導体棒のロータ回転軸方向端部に設けられ、前記ステータに回転磁界が発生するように前記導体棒を流れる電流の向きを交互に切り替える半導体素子と、を備え、前記導体棒の両端部を、前記ステータのロータ回転軸方向一端側にのみ配置することを特徴とする電動機システム。
4. 前記導体棒は、内部にロータ回転軸方向に貫通する貫通孔を備える、ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の電動機システム。
5. 前記導体棒のロータ軸回転方向の長さは、前記突極部のロータ軸回転方向の長さよりも短い、ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の電動機システム。
   

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