JP6375518B2

JP6375518B2 - 三相モータ

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Publication number: JP6375518B2
Application number: JP2015558773A
Authority: JP
Inventors: 邦之小川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2035-01-07
Also published as: US20160322875A1; CN106416003A; CN106416003B; JPWO2015111369A1; WO2015111369A1; EP3098945A4; EP3098945A1

Description

本発明は、異なる線材で構成されたコイルを備える、三相モータに関するものであり、特に、コイルの位置関係に関する。

従来、三相モータが備えるステータには、一種類の線材で構成されたコイルが使用される。一般的に、コイルに使用される電線の代表的な線材は、銅線である。

近年、銅の価格が高騰している。そこで、コイルに使用される電線のコストを抑制するとともに、モータの軽量化を図るため、銅線とは異なる線材が使用される。例えば、銅線とは異なる線材として、アルミニウム線がある。アルミニウム線は、銅線と比べて軽量であり、価格も安価である。

しかしながら、アルミニウム線は、銅線と比べて導電率が低い。よって、モータに使用される全ての銅線が、アルミニウム線に置き換えられた場合、コイルの発熱量が増え過ぎる。よって、全ての銅線がアルミニウム線に置き換えられたモータは、モータの温度が上昇し過ぎる、という課題を有していた。

上述した課題に対応するため、特許文献１に開示された方法が提案されている。すなわち、特許文献１では、１つのモータにおいて、異なる線材の電線を組合せて使用するものが開示される。

図６Ａ、図６Ｂ、図７を用いて、特許文献１に開示された方法の概要を説明する。

図６Ａ、図６Ｂに示すように、特許文献１に開示された三相モータが備えるステータ１３ａは、ティースである歯部４２に、電線が巻き回される。歯部４２に巻き回された電線は、巻線部であるコイルを形成する。コイルを形成する電線は、一部の線材にアルミニウム線４０が使用され、残りの部分に銅線４１が使用される。

図７に示すように、銅線４１は、接続部４３で、アルミニウム線４０と直列に接続される。図６Ａ、図６Ｂに示すように、アルミニウム線４０は、歯部４２側に巻き付けられる。銅線４１は、歯部４２に巻き付けられたアルミニウム線４０の上側に巻き付けられる。

本構成により、高温になるアルミニウム線４０に生じた熱が、歯部４２へ伝達される。よって、三相モータは、三相モータ全体に生じている発熱むらを抑制する。

特開２０１０−１８３７８８号公報

本発明が対象とする三相モータは、ステータコアと、外層コイルと、内層コイルと、中層コイルと、を備える。

ステータコアは、複数のティースと、第１のスロットと、第２のスロットと、第３のスロットと、を含む。複数のティースは、中心軸に向かって延びる。第１のスロットと、第２のスロットと、第３のスロットと、は、複数のティースのうち、隣接するそれぞれのティース間に位置してほぼ同じ面積を有する。スロットの面積とは、中心軸と直交する面上に形成される、隣接するティース間で囲われた部分の面積をいう。ステータコアは、中心軸方向に沿って延伸する。

外層コイルは、第１のスロットに挿入される。

内層コイルは、中心軸と直交する方向において、外層コイルよりも中心軸側に位置する。内層コイルは、第２のスロットに挿入される。

中層コイルは、中心軸と直交する方向において、外層コイルと内層コイルとの間に位置する。中層コイルは、第３のスロットに挿入される。

外層コイルと内層コイルと中層コイルは、それぞれが単一の線材で形成される。外層コイルと内層コイルと中層コイルとを構成するコイルは、複数の線材で形成される。特に、外層コイルは、内層コイルおよび中層コイルよりも機械的強度が強い線材で構成される。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における三相モータが備えるステータの正面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１における三相モータが備えるステータの要部断面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態１における三相モータが備えるステータに用いられる巻線のうち、スター結線を示すモデル図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態１における三相モータが備えるステータに用いられる巻線のうち、デルタ結線を示すモデル図である。図３は、本実施の形態１における三相モータが備えるステータに用いられるステータコアの正面図である。図４Ａは、本発明の実施の形態２における三相モータが備えるステータの正面図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態２における三相モータが備えるステータの要部断面図である。図５Ａは、本発明の実施の形態３における三相モータが備えるステータの正面図である。図５Ｂは、本発明の実施の形態３における三相モータが備えるステータの要部断面図である。図６Ａは、従来の三相モータが備えるステータの正面図である。図６Ｂは、従来の三相モータが備えるステータの要部断面図である。図７は、従来の三相モータが備えるステータに用いられる巻線の結線を示すモデル図である。

本発明の実施の形態における三相モータは、後述する構成により、三相を形成するコイルに使用される線材の材質や、各々のコイルの配置が、より好ましい状態となる。よって、本発明の実施の形態における三相モータは、性能、コスト、品質、軽量化、のバランスが取れた好ましい状態で、提供される。

つまり、従来の三相モータには、つぎの改善すべき点があった。すなわち、従来の三相モータにおいて、各相を成すコイルは、アルミニウム線と銅線とが接続部を介して、直列に接続される。三相モータを製造する上で、アルミニウム線と銅線とを接続する工程は、負担となっていた。

また、三相モータの性能において、アルミニウム線と銅線とを接続する電線は、つぎの不具合を招いていた。

すなわち、アルミニウム線と銅線とが接続された電線を用いて、集中巻による三相モータが、作成される。集中巻による三相モータは、電線がステータの歯部に巻き付けられる。集中巻による三相モータは、巻線高調波が大きくなる。

つぎに、アルミニウム線と銅線とが接続された電線を用いて、分布巻による三相モータが、作成される。分布巻による三相モータは、予め、電線を巻き取ることで、コイルを形成する。形成されたコイルは、ステータが含むスロット内に挿入される。分布巻による三相モータは、電線が複数の歯部を渡るため、ステータに含まれる歯部に対して、アルミニウム線を巻き付けることができない。よって、分布巻による三相モータは、モータの内部において、広い範囲で発熱にむらが生じる。

特に、分布巻による三相モータは、三相を形成する、外層コイルと、中層コイルと、内層コイルと、の３種類が必要となる。分布巻による三相モータは、外層コイル、中層コイル、内層コイルの順で、ステータコアに挿入される。

分布巻による三相モータを製造する過程において、最初に、ステータコアに挿入される外層コイルには、つぎの点が要求される。すなわち、外層コイルは、次に挿入される中層コイルを挿入する工程が円滑に行われるよう、大きくステータコアの外周側に押し退けられる。よって、外層コイルには、強い機械的強度が求められる。

さらに、コイルエンドの寸法を小さくすることが求められる場合、ステータを製造する工程において、外層コイルには、コイルエンドを整形するための強い圧力が加えられる。よって、外層コイルには、更なる、強い機械的強度が求められる。

また、温度上昇が大きいモータの場合、モータは、モータを運転する際に生じる熱を、モータの外部に放熱することが求められる。

さらに、三相モータにおいて、各相を成すコイルに流される電流間のバランスが、悪くなることがある。いわゆる、三相間の電流アンバランスが大きい場合、三相モータは、各相を成すコイルにおいて、各々のコイルが有する抵抗値の差を小さくすることが求められる。

そこで、後述する構成とすることで、本発明の実施の形態における三相モータは、三相を成すコイルに使用される線材の材質や、各々のコイルの配置が、より好ましい状態となる。よって、本発明の実施の形態における三相モータは、性能と、コストと、品質と、軽量化と、が、より好ましいバランスを保った状態で提供される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

なお、以下の実施の形態は、本発明を具現化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１における三相モータが備えるステータの正面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１における三相モータが備えるステータの要部断面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態１における三相モータが備えるステータに用いられる巻線のうち、スター結線を示すモデル図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態１における三相モータが備えるステータに用いられる巻線のうち、デルタ結線を示すモデル図である。図３は、本実施の形態１における三相モータが備えるステータに用いられるステータコアの正面図である。

図１Ａ、図１Ｂに示すように、本実施の形態１における三相モータは、ステータコア１９と、外層コイル１０と、内層コイル１２と、中層コイル１１と、を備える。

図３に示すように、ステータコア１９は、複数のティース１５と、第１のスロット１６と、第２のスロット１７と、第３のスロット１８と、を含む。複数のティース１５は、中心軸２０に向かって延びる。第１のスロット１６と、第２のスロット１７と、第３のスロット１８と、は、複数のティース１５のうち、隣接するそれぞれのティース１５間に位置する。ステータコア１９は、中心軸２０方向に沿って延伸する。

図１Ａ、図１Ｂ、図３に示すように、外層コイル１０は、第１のスロット１６に挿入される。

内層コイル１２は、中心軸２０と直交する方向において、外層コイル１０よりも中心軸２０側に位置する。内層コイル１２は、第２のスロット１７に挿入される。

中層コイル１１は、中心軸２０と直交する方向において、外層コイル１０と内層コイル１２との間に位置する。中層コイル１１は、第３のスロット１８に挿入される。

特に、外層コイル１０は、内層コイル１２および中層コイル１１よりも機械的強度が強い線材で構成される。

また、特に、顕著な作用、効果を奏する形態は、つぎのとおりである。

すなわち、外層コイル１０は、銅線で構成される。内層コイル１２と中層コイル１１とは、アルミニウム線で構成される。

さらに、図面を用いて、詳細に説明する。

図１Ａ、図１Ｂに示すように、ステータ１３の内周側に構成されたスロットの内部には、三相の巻線を成す、外層コイル１０と、中層コイル１１と、内層コイル１２と、が挿入される。ステータ１３の中心軸２０方向の端部には、コイルエンド１４が形成される。

ステータ１３に取り付けられる三相の巻線は、図２Ａに示される、スター結線を構成する。あるいは、ステータ１３に取り付けられる三相の巻線は、図２Ｂに示される、デルタ結線を構成する。

本構成とすれば、本実施の形態１における三相モータは、つぎの形状となる。すなわち、外層コイル１０には、中層コイル１１に使用される線材および内層コイル１２に使用される線材よりも機械的強度が強い線材、例えば、銅線を使用できる。外層コイル１０は、機械的強度が強いため、コイルに傷が付き難い。

また、中層コイル１１および内層コイル１２には、外層コイル１０に使用される線材よりも機械的強度は小さいが、価格が安く、比重が小さい線材、例えば、アルミニウム線を使用できる。

本実施の形態１における三相モータは、分布巻モータである。上述した構成において、本実施の形態１における三相モータは、まず、ステータコア１９に外層コイル１０が挿入される。その後、本実施の形態１における三相モータは、ステータコア１９に中層コイル１１が挿入される。

ステータコア１９に挿入された外層コイル１０は、中層コイル１１を挿入する作業の妨げにならないよう、ステータコア１９の外周側に向けて、大きく押し退けられる。よって、外層コイル１０には、強い圧力が加えられるため、強い機械的強度が求められる。

さらに、ステータ１３は、コイルエンド１４の寸法を小さくすることを求められることがある。このとき、外層コイル１０には、コイルエンド１４を整形するための強い圧力が、さらに加えられる。よって、本実施の形態１における三相モータは、外層コイル１０に機械的強度が強い線材が使用されると、外層コイル１０に傷が付き難くなる。従って、本実施の形態１における三相モータは、コイル傷による品質の低下を防止できる。

しかも、本実施の形態１における三相モータにおいて、外層コイル１０以外を成す、中層コイル１１と内層コイル１２には、コイルエンド１４を整形する際、加えられる圧力が比較的小さい。よって、中層コイル１１と内層コイル１２には、機械的強度は弱くても、価格が安く、比重が小さい線材を使用できる。従って、本実施の形態１における三相モータは、コスト、品質、軽量化のバランスが取れた、好ましい状態で提供できる。

（実施の形態２）
図４Ａは、本発明の実施の形態２における三相モータが備えるステータの正面図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態２における三相モータが備えるステータの要部断面図である。

なお、本実施の形態１における三相モータと同様の構成については、同じ符号を付して、説明を援用する。

図４Ａ、図４Ｂに示すように、本発明の実施の形態２における三相モータは、ステータコア１９と、外層コイル１０ａと、内層コイル１２ａと、中層コイル１１ａと、を備える。

図４Ａ、図４Ｂ、図３に示すように、外層コイル１０ａは、第１のスロット１６に挿入される。

内層コイル１２ａは、中心軸２０と直交する方向において、外層コイル１０ａよりも中心軸２０側に位置する。内層コイル１２ａは、第２のスロット１７に挿入される。

中層コイル１１ａは、中心軸２０と直交する方向において、外層コイル１０ａと内層コイル１２ａとの間に位置する。中層コイル１１ａは、第３のスロット１８に挿入される。

特に、外層コイル１０ａと内層コイル１２ａとは、中層コイル１１ａよりも熱伝導率が高い線材で構成される。

すなわち、外層コイル１０ａと内層コイル１２ａとは、銅線で構成される。中層コイル１１ａは、アルミニウム線で構成される。

さらに、図面を用いて、詳細に説明する。

図４Ａ、図４Ｂに示すように、ステータ１３の内周側に構成されたスロットの内部には、三相の巻線を成す、外層コイル１０ａと、中層コイル１１ａと、内層コイル１２ａと、が挿入される。ステータ１３の中心軸２０方向の端部には、コイルエンド１４が形成される。

本構成とすれば、本実施の形態２における三相モータは、つぎの形状となる。すなわち、外層コイル１０ａおよび内層コイル１２ａには、中層コイル１１ａに使用される線材よりも熱伝導率が高い線材、例えば、銅線を使用できる。

また、中層コイル１１ａには、外層コイル１０ａに使用される線材および内層コイル１２ａに使用される線材よりも熱伝導率は低いが、価格が安く、比重が小さい線材、例えば、アルミニウム線を使用できる。

本実施の形態２における三相モータは、分布巻モータである。本実施の形態２における三相モータは、三相モータの内部温度の上昇が大きい環境下において、駆動されることがある。

このとき、上述した構成とすれば、本実施の形態２における三相モータは、三相モータの外部に存在する空気等と接触する機会が多い場所に、外層コイル１０ａおよび内層コイル１２ａが位置する。換言すれば、本実施の形態２における三相モータは、中層コイル１１ａよりも外層コイル１０ａおよび内層コイル１２ａのほうが、三相モータの外部に存在する空気等と接触する表面積が多い。そこで、外層コイル１０ａおよび内層コイル１２ａは、中層コイル１１ａよりも熱伝導率が高い線材が使用される。

よって、三相モータの内部で生じた熱は、熱伝導率が高い線材で形成された、外層コイル１０ａおよび内層コイル１２ａを介して、三相モータの外部に放出され易くなる。従って、本実施の形態２における三相モータは、三相モータの内部温度の上昇を抑制できる。

一方、本実施の形態２における三相モータにおいて、中層コイル１１ａは、三相モータの外部に存在する空気等と接触する機会が少ない。換言すれば、本実施の形態２における三相モータは、外層コイル１０ａおよび内層コイル１２ａよりも中層コイル１１ａのほうが、三相モータの外部に存在する空気等と接触する表面積は少ない。そこで、中層コイル１１ａには、外層コイル１０ａおよび内層コイル１２ａよりも熱伝導率は低くても、価格が安く、比重が小さい線材を使用できる。従って、本実施の形態２における三相モータは、モータ内部に生じた熱の放熱性、コスト、軽量化のバランスが取れた、好ましい状態で提供できる。

（実施の形態３）
図５Ａは、本発明の実施の形態３における三相モータが備えるステータの正面図である。図５Ｂは、本発明の実施の形態３における三相モータが備えるステータの要部断面図である。

なお、本実施の形態１、２における三相モータと同様の構成については、同じ符号を付して、説明を援用する。

図５Ａ、図５Ｂに示すように、本発明の実施の形態３における三相モータは、ステータコア１９と、外層コイル１０ｂと、内層コイル１２ｂと、中層コイル１１ｂと、を備える。

図５Ａ、図５Ｂ、図３に示すように、外層コイル１０ｂは、第１のスロット１６に挿入される。

内層コイル１２ｂは、中心軸２０と直交する方向において、外層コイル１０ｂよりも中心軸２０側に位置する。内層コイル１２ｂは、第２のスロット１７に挿入される。

中層コイル１１ｂは、中心軸２０と直交する方向において、外層コイル１０ｂと内層コイル１２ｂとの間に位置する。中層コイル１１ｂは、第３のスロット１８に挿入される。

特に、外層コイル１０ｂと中層コイル１１ｂとは、内層コイル１２ｂよりも比抵抗が小さい線材で構成される。

すなわち、外層コイル１０ａと中層コイル１１ｂとは、銅線で構成される。内層コイル１２ｂは、アルミニウム線で構成される。

さらに、図面を用いて、詳細に説明する。

図５Ａ、図５Ｂに示すように、ステータ１３の内周側に構成されたスロットの内部には、三相の巻線を成す、外層コイル１０ｂと、中層コイル１１ｂと、内層コイル１２ｂと、が挿入される。ステータ１３の中心軸２０方向の端部には、コイルエンド１４が形成される。

本構成とすれば、本実施の形態３における三相モータは、つぎの形状となる。すなわち、外層コイル１０ｂおよび中層コイル１１ｂには、内層コイル１２ｂに使用される線材よりも比抵抗が小さい線材、例えば、銅線を使用できる。

また、内層コイル１２ｂには、外層コイル１０ｂに使用される線材および中層コイル１１ｂに使用される線材よりも比抵抗は大きいが、価格が安く、比重が小さい線材、例えば、アルミニウム線を使用できる。

本実施の形態３における三相モータは、分布巻モータである。

一般的に、三相モータを駆動する際、三相モータが有する各相を成すコイル間の電流ばらつき、いわゆる、電流アンバランスが生じることがある。各コイル間の電流アンバランスが大きい場合、各コイルを成す線材が有する抵抗値の差を、少しでも小さくすることが有効である。

また、本実施の形態３における三相モータは、構造上、内層コイル１２ｂと比べて、外層コイル１０ｂおよび中層コイル１１ｂの周長が長くなる。同じ線材が使用される場合、周長が長いと、外層コイル１０ｂおよび中層コイル１１ｂが有する抵抗値は大きくなる。

そこで、本実施の形態３における三相モータは、外層コイル１０ｂおよび中層コイル１１ｂには、内層コイル１２ｂよりも比抵抗が小さい線材が使用される。

よって、三相を成す各相コイル間の抵抗値の差は、小さくなる。従って、本実施の形態３における三相モータは、各相を成すコイル間の電流アンバランスを抑制できる。

一方、本実施の形態３における三相モータにおいて、内層コイル１２ｂは、外層コイル１０ｂおよび中層コイル１１ｂと比べて、周長が短いため、内層コイル１２ｂが有する抵抗値は小さい。そこで、内層コイル１２ｂは、外層コイル１０ｂおよび中層コイル１１ｂよりも比抵抗は大きくても、価格が安く、比重が小さい線材を使用できる。従って、本実施の形態３における三相モータは、各相コイル間で生じる電流アンバランス、コスト、軽量化のバランスが取れた、好ましい状態で提供できる。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施の形態における三相モータは、分布巻である。本実施の形態における三相モータは、三相の各々を構成するコイルに、つぎの特徴を有する。すなわち、各相を構成するコイルは、単一の線材で形成される。三相を構成するコイルは、複数の線材で形成される。

このような三相モータは、目的に応じて、各相コイルを成す線材が、適宜、選択される。

つまり、本発明の実施の形態における三相モータは、主に、三相モータを製造する際、外層コイルに生じる傷付きを防止するため、つぎの構成となる。

すなわち、外層コイルに用いられる線材は、内層コイルおよび中層コイルに用いられる線材よりも機械的強度が強い。

また、本発明の実施の形態における三相モータは、主に、三相モータに生じた熱の放熱性を高めるため、つぎの構成となる。

すなわち、外層コイルおよび内層コイルに用いられる線材は、中層コイルに用いられる線材よりも熱伝導率が高い。

さらに、本発明の実施の形態における三相モータは、主に、三相間において、電流アンバランスが生じることを抑制するため、つぎの構成となる。

すなわち、外層コイルおよび中層コイルに用いられる線材は、内層コイルに用いられる線材よりも比抵抗が小さい。

なお、上述した各実施の形態における三相モータは、分布巻が施されていれば、三相誘導モータ以外でもよい。上述した各実施の形態における三相モータは、三相直流モータでもよい。

さらに、各相コイルに用いられる線材は、アルミニウム線、銅線以外でもよい。各相コイルに用いられる線材は、アルミニウム線の表面に銅の被覆が施された、銅クラッド線でもよい。

本発明の三相モータは、モータ性能、コスト、品質、軽量化の各指標において、バランスが取れた三相モータを提供できる。本発明の三相モータは、三相誘導モータや、三相直流モータ等に適用できる。

１０，１０ａ，１０ｂ外層コイル
１１，１１ａ，１１ｂ中層コイル
１２，１２ａ，１２ｂ内層コイル
１３，１３ａステータ
１４コイルエンド
１５ティース
１６第１のスロット
１７第２のスロット
１８第３のスロット
１９ステータコア
２０中心軸
４０アルミニウム線
４１銅線
４２歯部
４３接続部

Claims

中心軸に向かって延びる、複数のティースと、
前記複数のティースのうち、隣接するそれぞれのティース間に位置して同じ面積を有する、第１のスロットと、第２のスロットと、第３のスロットと、
を含み、前記中心軸方向に沿って延伸するステータコアと、
前記第１のスロットに挿入される外層コイルと、
前記中心軸と直交する方向において、前記外層コイルよりも前記中心軸側に位置し、前記第２のスロットに挿入される内層コイルと、
前記中心軸と直交する方向において、前記外層コイルと前記内層コイルとの間に位置し、前記第３のスロットに挿入される中層コイルと、
を備え、
前記外層コイルと前記内層コイルと前記中層コイルは、それぞれが単一の線材で形成されるとともに、
前記外層コイルと前記内層コイルと前記中層コイルとを構成するコイルは、複数の線材で形成され、
前記外層コイルは、前記内層コイルおよび前記中層コイルよりも機械的強度が強い線材で構成される、三相モータ。
前記外層コイルは、銅線で構成され、
前記内層コイルと前記中層コイルとは、アルミニウム線で構成される、
請求項１に記載の三相モータ。
中心軸に向かって延びる、複数のティースと、
前記複数のティースのうち、隣接するそれぞれのティース間に位置する、第１のスロットと、第２のスロットと、第３のスロットと、
を含み、前記中心軸方向に沿って延伸するステータコアと、
前記第１のスロットに挿入される外層コイルと、
前記中心軸と直交する方向において、前記外層コイルよりも前記中心軸側に位置し、前記第２のスロットに挿入される内層コイルと、
前記中心軸と直交する方向において、前記外層コイルと前記内層コイルとの間に位置し、前記第３のスロットに挿入される中層コイルと、
を備え、
前記外層コイルおよび前記内層コイルは、前記中層コイルよりも熱伝導率が高い線材で構成される、三相モータ。
前記外層コイルと前記内層コイルとは、銅線で構成され、
前記中層コイルは、アルミニウム線で構成される、
請求項３に記載の三相モータ。
分布巻された、前記請求項１から４のいずれか一項に記載の三相モータ。