WO2022208929A1 - 回転電機の固定子、回転電機 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a stator of a rotating electrical machine and a rotating electrical machine.
- Patent Document 1 when the wave winding direction of the coil is unified with only one type of slot pitch on the opposite connection side, four parallel circuits are used to increase the number of parallel circuits per phase. , there is a problem that a phase difference occurs in the circuit. Further, under the same conditions, if the wave winding direction of the coil is not unified, there is a problem that the number of connecting parts for connecting the coil ends increases and the cost increases.
- the vehicle 100 is equipped with an engine 120 , a first rotating electric machine 200 , a second rotating electric machine 202 , and a battery 180 .
- the vehicle 100 is also equipped with a battery (not shown) for supplying low-voltage power such as 14-volt power. supply power.
- the battery 180 is connected to the rotating electric machines 200 and 202 via the DC terminals of the power conversion device 600. Supply DC power.
- the power conversion device 600 is provided with a power semiconductor (described later in FIG. 2) that constitutes an inverter for driving the rotating electric machines 200 and 202 . Based on the torque control command from the integrated control device 170, the power conversion device 600 controls the switching operation of the power semiconductor so as to generate the torque output or generated power as commanded. Due to the switching operation of the power semiconductors, rotating electric machines 200 and 202 are operated as electric motors or as generators.
- a power semiconductor described later in FIG. 2
- the power conversion device 600 controls the switching operation of the power semiconductor so as to generate the torque output or generated power as commanded. Due to the switching operation of the power semiconductors, rotating electric machines 200 and 202 are operated as electric motors or as generators.
- the power modules 610 and 620 have a three-phase bridge circuit, and series circuits corresponding to three phases are electrically connected in parallel between the positive and negative sides of the battery 180, respectively.
- Each series circuit includes a power semiconductor 21 forming an upper arm and a power semiconductor 21 forming a lower arm, and these power semiconductors 21 are connected in series.
- the power module 610 and the power module 620 have substantially the same circuit configuration, and the power module 610 will be representatively described below.
- the control circuit 648 constitutes a control section of each inverter device, and is composed of a microcomputer that calculates a control signal (control value) for operating (turning on/off) a plurality of switching power semiconductor elements. .
- a control circuit 648 receives a torque command signal (torque command value) from a host controller, sensor outputs of current sensors 660 and 662, and sensor outputs of rotation sensors mounted on rotating electric machines 200 and 202.
- FIG. Control circuit 648 calculates control values based on these input signals and outputs control signals for controlling switching timings to drive circuits 652 and 656 .
- FIG. 3 shows a cross-sectional view of the rotating electric machine 200 of FIG. Note that the rotating electrical machine 200 and the rotating electrical machine 202 have substantially the same structure, and the structure of the rotating electrical machine 200 will be described below as a representative example. However, the structure described below need not be employed in both rotating electric machines 200 and 202, and may be employed in only one of them.
- a stator 230 is held inside the housing 212 .
- Stator 230 comprises a stator core 232 and stator windings 238 .
- a rotor 250 is rotatably held on the inner peripheral side of the stator core 232 via a gap 222 .
- the permanent magnets 254 act as field poles of the rotor 250 and have an 8-pole configuration in this embodiment.
- the circumferential width of the hole 253 is set larger than the circumferential width of the permanent magnets 254 (254a, 254b), and the hole spaces 257 on both sides of the permanent magnets 254 function as magnetic gaps.
- the hole space 257 may be filled with an adhesive, or may be integrally fixed with the permanent magnet 254 with molding resin.
- the first star connection, the second star connection, the third star connection, and the fourth star connection are electrically connected between U phases, between V phases, and between W phases, respectively. It is connected.
- FIG. 8 is a first connection layout diagram according to one embodiment of the present invention. Note that slot number 46 to slot number 13 are shown in the horizontal direction of FIG. 8, and the rotation direction of the rotor is from left to right in the drawing.
- the coil end portions 241a to 241d connecting the slot conductors 233 of the layers 1 and 2 are also connected in the same manner as the connection method of the layers 5 and 6. Therefore, the description is omitted.
- an output line connecting the slot conductor 233 and another device, and 2n from the inner peripheral side of the rotary electric machine 200 (202) where n is a natural number. and a jumper conductor 243 connecting the slot conductor 233 arranged on the th layer and the slot conductor 233 arranged on the 2n+1-th layer. Since it did in this way, embodiment of this invention can be employ
- a rotating electrical machine 200 (202) that employs the embodiment of the present invention includes a stator 230 and a rotor 250 facing the stator of the rotating electrical machine with a predetermined gap therebetween. With this configuration, it is possible to provide rotating electrical machine 200 (202) that achieves both reduction in the number of connection parts 243 and improvement in output.
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Abstract
回転電機の固定子および回転電機は、固定子コアと、スロット導体と一対のスロット導体の同一側端部同士を接続する渡り導体とを有する複数相の固定子巻線と、を備え、前記固定子巻線は、相ごとに複数の並列回路をそれぞれ構成する複数の相巻線群を有し、スロットピッチをＮｐ、所定の自然数をＮ１、毎極毎相のスロット数をＮｓｐｐとした場合、一方の前記コイルエンドにおいて、同一の前記相巻線群における前記渡り導体は、Ｎｐ＝Ｎ１で前記スロット導体間を接続する第１渡り導体と、Ｎｐ＝Ｎ１＋Ｎｓｐｐで前記スロット導体間を接続する第２渡り導体と、を含み、前記第１渡り導体と前記第２渡り導体とは、前記固定子コアの周方向に交互に配置される。
Description
本発明は、回転電機の固定子および回転電機に関する。
車両の駆動用として用いられる回転電機において、複数のティース部と隣接するティース部の間にそれぞれ形成された複数のスロットを有する環状のステータコアに対しての巻線技術は、さらなる連続定格での高出力の要求に応える必要がある。そのため、たとえば、巻回させるコイルの導体面積を大きくする（太くする）手段や、１相当たりの並列回路数を増やすという手段を用いて、電流密度増加防止しつつ高出力化を図る改善が日々なされている。
本願発明の背景技術として、下記の特許文献１では、複数のセグメントコイルにおいて、接続側コイルエンドでは、複数のセグメント同士を接続する複数の端末部が設けられる第１接続群と、第１接続群とは異なる層間を接続しかつ複数の端末部が設けられる第２接続群と、を有する構成の回転電機によって、工程の簡略化が工程の簡略化ができる技術が開示されている。
特許文献１に記載の技術では、たとえば、反接続側のスロットピッチが１種類だけの構成でコイルの波巻き方向が統一される場合、１相当たりの並列回路数を増やすために４つの並列回路を形成していると、回路内で位相差が発生する課題がある。また同様の条件で、コイルの波巻き方向が統一されない場合は、コイルエンド同士をつなぐ結線部品が増加してコストアップする課題がある。
以上を鑑みて、本発明は、結線部品数の低減と出力の向上とを両立させた回転電機の固定子および回転電機を提供することが目的である。
本発明の回転電機の固定子および回転電機は、複数のスロットが形成された固定子コアと、前記固定子コアの各スロットに挿通されて複数のレイヤのうちいずれか一つを構成するスロット導体と、異なるスロットに挿通された一対の前記スロット導体の同一側端部同士を接続してコイルエンドを構成する渡り導体と、を有する波巻の周回巻線を複数有する複数相の固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子であって、前記固定子巻線は、相ごとに複数の並列回路をそれぞれ構成する複数の相巻線群を有し、スロットピッチをＮｐ、所定の自然数をＮ１、毎極毎相のスロット数をＮｓｐｐとした場合、一方の前記コイルエンドにおいて、同一の前記相巻線群における前記渡り導体は、Ｎｐ＝Ｎ１で前記スロットを跨いで前記スロット導体間を接続する第１渡り導体と、Ｎｐ＝Ｎ１＋Ｎｓｐｐで前記スロットを跨いで前記スロット導体間を接続する第２渡り導体と、を含み、前記第１渡り導体と前記第２渡り導体とは、前記固定子コアの周方向に交互に配置される。
本発明によれば、結線部品の低減と出力の向上とを両立させた回転電機の固定子を提供できる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
（一実施形態および全体構成）
本発明による回転電機の固定子及び回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車にも適用できるが、以下ではハイブリッド型の電気自動車を例に説明する。
本発明による回転電機の固定子及び回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車にも適用できるが、以下ではハイブリッド型の電気自動車を例に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。
車両１００には、エンジン１２０と第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とバッテリ１８０とが搭載されている。また、車両１００には、高電圧のバッテリ１８０とは別に、例えば１４ボルト系電力の低電圧電力を供給するためのバッテリ（図示せず）が搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給する。
バッテリ１８０は、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの２次電池で構成され、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。
バッテリ１８０は、回転電機２００，２０２を電動機として運転させる場合、つまり、回転電機２００，２０２による駆動力が必要な場合には、電力変換装置６００の直流端子を介して、回転電機２００，２０２に直流電力を供給する。
一方で、回転電機２００，２０２を発電機として運転させる場合、つまり、回生走行時には、回転電機２００，２０２の回転子が外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、これにより、回転電機２００，２０２の固定子巻線には３相交流電力が発生する。発生した３相交流電力は電力変換装置６００で直流電力に変換され、その直流電力がバッテリ１８０に供給されることにより、バッテリ１８０が充電される。
バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０を制御し、バッテリ１８０の充放電状況やバッテリ１８０を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に出力する。統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいて、バッテリ１８０の充電が必要と判断すると、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。
エンジン１２０は、エンジン制御装置１２４により制御され、変速機１３０は、変速機制御装置１３４により制御される。エンジン１２０および回転電機２００，２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。
統合制御装置１７０は、エンジン制御装置１２４、変速機制御装置１３４、電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４よりも上位の制御装置であり、各制御装置が制御している各機能部の状態を表す情報を、通信回線１７４を介して、各制御装置からそれぞれ受信する。統合制御装置１７０は、受信したそれぞれの情報に基づき、各制御装置の制御指令を演算する。演算処理された制御指令は、通信回線１７４を介して各制御装置へ送信される。
統合制御装置１７０は、主に、エンジン１２０および回転電機２００，２０２の出力トルクの管理、エンジン１２０の出力トルクと回転電機２００，２０２の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理を行う。その演算処理結果に基づくトルク制御指令は、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４および電力変換装置６００へ送信される。
電力変換装置６００には、回転電機２００，２０２を運転するためのインバータを構成するパワー半導体（図２で後述）が設けられている。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク制御指令に基づき、指令通りのトルク出力あるいは発電電力が発生するようにパワー半導体のスイッチング動作を制御する。このパワー半導体のスイッチング動作により、回転電機２００，２０２は電動機としてあるいは発電機として運転される。
図２は、図１の電力変換装置６００の回路図である。
電力変換装置６００には、回転電機２００のための第１のインバータ装置と、回転電機２０２のための第２のインバータ装置と、が設けられている。
第１のインバータ装置は、パワーモジュール６１０と、パワーモジュール６１０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第１の駆動回路６５２と、回転電機２００の電流を検知する電流センサ６６０と、が備えられている。駆動回路６５２は、駆動回路基板６５０に設けられている。
一方、第２のインバータ装置は、パワーモジュール６２０と、パワーモジュール６２０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第２の駆動回路６５６と、回転電機２０２の電流を検知する電流センサ６６２と、が備えられている。駆動回路６５６は、駆動回路基板６５４に設けられている。
パワーモジュール６１０，６２０は、それぞれ対応する駆動回路６５２，６５６から出力された駆動信号によって動作する。パワーモジュール６１０，６２０は、それぞれバッテリ１８０から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、対応する回転電機２００，２０２の電機子巻線である固定子巻線にその電力を供給する。また、パワーモジュール６１０，６２０は、回転電機２００，２０２の固定子巻線に誘起された交流電力を直流に変換し、高電圧バッテリ１８０に供給する。
パワーモジュール６１０，６２０は３相ブリッジ回路を備えており、３相に対応した直列回路が、それぞれバッテリ１８０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。各直列回路は上アームを構成するパワー半導体２１と下アームを構成するパワー半導体２１とを備え、それらのパワー半導体２１は直列に接続されている。パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０とは、回路構成がほぼ同じであり、以下ではパワーモジュール６１０で代表して説明する。
本実施形態では、パワーモジュール６１０に、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２１を用いている。ＩＧＢＴ２１は、コレクタ電極，エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード３８が電気的に接続されている。
ダイオード３８は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ２１のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ２１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
なお、スイッチング用パワー半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＭＯＳＦＥＴの場合には、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、ダイオード３８を設ける必要がない。
各相のアームは、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極とＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。なお、本実施形態では、各相の各上下アームのＩＧＢＴを１つしか図示していないが、制御する電流容量が大きいので、実際には複数のＩＧＢＴが電気的に並列に接続されて構成されている。
図２に示す例では、各相の各上下アームはそれぞれ３個のＩＧＢＴによって構成されている。各相の各上アームのＩＧＢＴ２１のコレクタ電極はバッテリ１８０の正極側に、各相の各下アームのＩＧＢＴ２１のソース電極はバッテリ１８０の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。各相の各アームの中点（上アーム側ＩＧＢＴのエミッタ電極と下アーム側のＩＧＢＴのコレクタ電極との接続部分）は、対応する回転電機２００，２０２の対応する相の電機子巻線（固定子巻線）に電気的に接続されている。
制御回路基板６４６に設けられた制御回路６４８と、コンデンサモジュール６３０およびコネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４とは、駆動回路６５２，６５６を介して、第１のインバータ装置と第２のインバータ装置とで共通に使用される。
駆動回路６５２，６５６は、対応するインバータ装置を制御するための駆動部を構成しており、制御回路６４８から出力された制御信号に基づいて、ＩＧＢＴ２１を駆動させるための駆動信号を発生する。それぞれの駆動回路６５２，６５６で発生した駆動信号は、対応するパワーモジュール６１０，６２０の各パワー半導体素子のゲートにそれぞれ出力される。駆動回路６５２，６５６には、各相の各上下アームのゲートに供給する駆動信号を発生する集積回路がそれぞれ６個設けられており、６個の集積回路を１ブロックとして構成されている。
制御回路６４８は、各インバータ装置の制御部を構成しており、複数のスイッチング用パワー半導体素子を動作（オン・オフ）させるための制御信号（制御値）を演算するマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路６４８には、上位制御装置からのトルク指令信号（トルク指令値）、電流センサ６６０，６６２のセンサ出力、回転電機２００，２０２に搭載された回転センサのセンサ出力が入力される。制御回路６４８は、それらの入力信号に基づいて制御値を演算し、駆動回路６５２，６５６にスイッチングタイミングを制御するための制御信号を出力する。
コネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、電力変換装置６００と外部の制御装置との間を電気的に接続するためのもので、通信回線１７４を介して他の装置と情報の送受信を行う。
コンデンサモジュール６３０は、ＩＧＢＴ２１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成するもので、第１のパワーモジュール６１０や第２のパワーモジュール６２０における直流側の端子に電気的に並列に接続されている。
図３は、図１の回転電機２００の断面図を示す。なお、回転電機２００と回転電機２０２とはほぼ同じ構造を有しており、以下では回転電機２００の構造を代表例として説明する。ただし、以下に示す構造は回転電機２００，２０２の双方に採用されている必要はなく、一方だけに採用されていても良い。
ハウジング２１２の内部には固定子２３０が保持されている。固定子２３０は固定子コア２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子コア２３２の内周側には、回転子２５０が空隙２２２を介して回転可能に保持されている。
回転子２５０は、シャフト２１８に固定された回転子コア２５２と、永久磁石２５４と、非磁性体のあて板２２６とを備えている。ハウジング２１２は軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有しており、シャフト２１８はこれらの軸受２１６により回転自在に保持されている。
シャフト２１８には、回転子２５０の極の位置や回転速度を検出するレゾルバ２２４が設けられている。このレゾルバ２２４からの出力は、制御回路６４８（図２）に取り込まれる。
パワーモジュール６１０（図２）は、制御信号に基づきスイッチング動作を行い、バッテリ１８０から供給される直流電力を３相交流電力に変換するが、この３相交流電力は固定子巻線２３８に供給され、回転磁界が固定子２３０に発生する。３相交流電力の周波数は、レゾルバ２２４の出力値に基づいて制御され、３相交流電力の回転子２５０に対する位相も同じくレゾルバ２２４の出力値に基づいて制御される。
図４は、固定子２３０および回転子２５０の断面図である。なお、図４は、図３のＡ－Ａ断面図を示したものであり、ハウジング２１２、シャフト２１８および固定子巻線２３８の記載を省略した。
固定子コア２３２の内周側には、多数のスロット２３７とティース２３６とが全周に渡って均等に配置形成されている。図４では、スロットおよびティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のティースとスロットにのみに符号を付した。スロット２３７内にはスロット絶縁材（図示省略）が設けられ、固定子巻線２３８（図３）を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施形態では、スロット２３７は等間隔に４８個形成されている。
また、回転子コア２５２の外周近傍には、矩形の磁石を挿入するための複数の穴２５３が周方向に沿って等間隔に８個配設されている。各穴２５３は軸方向に沿って形成されており、その穴２５３には永久磁石２５４がそれぞれ埋め込まれ、接着剤などで固定されている。
永久磁石２５４は回転子２５０の界磁極として作用し、本実施形態では８極構成となっている。穴２５３の円周方向の幅は、永久磁石２５４（２５４ａ，２５４ｂ）の円周方向の幅よりも大きく設定されており、永久磁石２５４の両側の穴空間２５７は磁気的空隙として機能する。なお、この穴空間２５７には接着剤を埋め込んでも良いし、成型用樹脂で永久磁石２５４と一体に固めても良い。
永久磁石２５４の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、永久磁石２５４ａの固定子側面がＮ極、軸側の面がＳ極であったとすれば、隣の永久磁石２５４ｂの固定子側面はＳ極、軸側の面はＮ極となっている。そして、これらの永久磁石２５４ａ，２５４ｂが円周方向に交互に配置されている。
永久磁石２５４は、磁化した後に穴２５３に挿入しても良いし、回転子コア２５２の穴２５３に挿入した後に強力な磁界を与えて磁化するようにしても良い。ただし、磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石なので、回転子２５０に永久磁石２５４を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石２５４の固定時に回転子コア２５２との間に強力な吸引力が生じて組み付け作業の妨げとなる。また、永久磁石２５４の強力な吸引力により、永久磁石２５４に鉄粉などのごみが付着するおそれもある。そのため、回転電機の生産性を考慮した場合、永久磁石２５４を回転子コア２５２に挿入した後に磁化するのが好ましい。
なお、永久磁石２５４には、ネオジウム系，サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石，ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。永久磁石２５４の残留磁束密度は０.４～１.４Ｔ程度である。
３相交流電流を固定子巻線２３８（図３）に流すことにより回転磁界が固定子２３０に発生すると、この回転磁界が回転子２５０の永久磁石２５４ａ，２５４ｂに作用してトルクが生じる。このトルクは、永久磁石２５４から出される磁束のうち各相巻線に鎖交する成分と、各相巻線に流れる交流電流の鎖交磁束に直交する成分の積で表される。
ここで、交流電流は正弦波状になるように制御されているので、鎖交磁束の基本波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの時間平均成分となり、鎖交磁束の高調波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの高調波成分であるトルクリプルとなる。つまり、トルクリプルを低減するには、鎖交磁束の高調波成分を低減すればよい。言い換えれば、鎖交磁束と回転子の回転する角速度の積が誘起電圧であるから、鎖交磁束の高調波成分を低減することは、誘起電圧の高調波成分を低減することに等しい。
図５は固定子２３０の斜視図である。
本実施形態では、固定子巻線２３８は固定子コア２３２に波巻で巻き回されている。固定子コア２３２の両端面には、固定子巻線２３８のコイルエンド２４１が形成されている。また、固定子コア２３２の一方の端面側には、固定子巻線２３８の口出し線２４２が引き出されている。口出し線２４２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応して引き出されている。
図６は、一実施形態に係る、固定子の接続側を示す図である。
図６の固定子２３０は、図５の固定子２３０を裏側から見たものであり、接続側のコイルエンド２４１である。接続側のコイルエンド２４１には一部に結線部品（ジャンパー導体）２４３が取り付けられている。結線部品２４３は、固定子コア２３２のスロットに挿通されているスロット導体と他の装置とを接続する出力線につながる部品であり、コイルの端部同士をつなぐ部品を指す。
本発明は、図６に示した接続側のコイルエンドとは反対側（反接続側）のコイルエンド２４１において、スロット間の接続に２種類のスロットピッチを混在させて適用する（後述）。そうすることで、結線部品２４３を増加させることがない。
図７は、固定子巻線２３８の結線図であり、結線方式および各相巻線の電気的な位相関係を示したものである。
固定子巻線２３８にはダブルスター結線方式が採用されており、本実施形態のＵ１相巻線群、Ｖ１相巻線群、Ｗ１相巻線群から成る第１のスター結線と、Ｕ２相巻線群、Ｖ２相巻線群、Ｗ２相巻線群から成る第２のスター結線と、Ｕ３相巻線群、Ｖ３相巻線群、Ｗ３相巻線群から成る第３のスター結線と、Ｕ４相巻線群、Ｖ４相巻線群、Ｗ４相巻線群から成る第４のスター結線と、が並列に接続されている。すなわち、固定子巻線２３８がこれらの相巻線群を有することにより、相ごとに複数の並列回路がそれぞれ構成される。
第１のスター結線、第２のスター結線、第３のスター結線、第４のスター結線は、それぞれＵ相同士、Ｖ相同士、Ｗ相同士が電気的に接続されており、電流センサ６６０に接続されている。
Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１相巻線群およびＵ２，Ｖ２，Ｗ２相巻線群は、それぞれ６つの周回巻線で構成されており、Ｕ１相巻線群は周回巻線Ｕ１１～Ｕ１６を有し、Ｖ１相巻線群は周回巻線Ｖ１１～Ｖ１６を有し、Ｗ１相巻線群は周回巻線Ｗ１１～Ｗ１６を有している。Ｕ２相巻線群は周回巻線Ｕ２１～Ｕ２６を有し、Ｖ２相巻線群は周回巻線Ｖ２１～Ｖ２６を有し、Ｗ２相巻線群は周回巻線Ｗ２１～Ｗ２６を有している。Ｕ３相巻線群は周回巻線Ｕ３１～Ｕ３６を有し、Ｖ３相巻線群は周回巻線Ｖ３１～Ｖ３６を有し、Ｗ３相巻線群は周回巻線Ｗ３１～Ｗ３６を有している。Ｕ４相巻線群は周回巻線Ｕ４１～Ｕ４６を有し、Ｖ４相巻線群は周回巻線Ｖ４１～Ｖ４６を有し、Ｗ４相巻線群は周回巻線Ｗ４１～Ｗ４６を有している。
Ｖ相，Ｗ相，Ｕ相は互いにほぼ同様の構成であり、それぞれに誘起される電圧の位相が電気角で１２０度ずれるように配置されている。また、それぞれの周回巻線の角度が相対的な位相を表している。なお、結線方式は、回転電機の駆動電圧によってはそれらを直列につないでシングルスター（１Ｙ）結線としても良い。
図８は、本発明の一実施形態に係る、第１の結線配置図である。なお、図８の横方向にスロット番号４６～スロット番号１３までを示しており、回転子の回転方向は図の左から右の方向である。
固定子コア２３２には、２極分、つまり電気角３６０度にスロット２３７が１２個配置されており、例えば、スロット番号０１からスロット番号１２までは２極分（電気角３６０度）に相当する。そのため、毎極スロット数Ｎは６、毎極毎相スロット数Ｎｓｐｐは２（毎極スロット数６を相数の３で割った）である。各スロット２３７には、固定子巻線２３８のスロット導体２３３が６本ずつ挿通されている。
各スロット導体２３３は、固定子コア２３２の各スロットに挿通されて複数のレイヤのうちいずれか一つを構成する導体であり、矩形で示されているが、その矩形の中には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を示す符号Ｕ１～Ｕ４，Ｖ，Ｗと、口出し線がある側（接続側＝図の手前側）から反対側（反接続側＝図の奥側）への電流方向を示すクロス印「×」、その逆（図の手前から奥へ）の電流方向を示す黒丸印「●」をそれぞれ図示した。
また、スロット２３７の最も内周側（スロット開口側）にあるスロット導体２３３をレイヤ１と呼び、外周側（スロット底側）にかけて順にレイヤ２、レイヤ３、レイヤ４、レイヤ５、レイヤ６と呼ぶことにする。
なお、Ｕ相のスロット導体２３３のみ相巻線群を表す符号Ｕ１～Ｕ４で示し、Ｖ相およびＷ相のスロット導体２３３に関しては、相を表す符号Ｖ，Ｗだけで示した。Ｕ相のスロット導体２３３の相巻線群を表す符号Ｕ１～Ｕ４は、本発明の特徴である、並列回路数を４にしていることで設けた符号である。以下、Ｕ相を代表して実施形態の詳細を説明する。
本発明のコイルの反接続側のスロットピッチは、スロットピッチＮｐ＝Ｎと、スロットピッチＮｐ＝Ｎ＋２の２種類のスロットピッチを混在させる構成になっている。
図８では、渡り導体２４１ａ～２４１ｄを図示している。渡り導体２４１ａ～２４１ｄは、異なるスロットに挿通されたスロット導体２３３の同一側端部同士を接続してコイルエンド２４１を構成する。また、渡り導体２４１ａ，２４１ｂはＵ３相巻線群に含まれ、渡り導体２４１ｃ，２４１ｄはＵ１相巻線群に含まれる。また、渡り導体２４１ａ，２４１ｃは反接続側のコイルエンド２４１の一部であり、コイルエンド部２４１ｂ，２４１ｄは接続側のコイルエンド２４１の一部である。
Ｕ３相巻線群における反接続側のコイルエンドの渡り導体２４１ａは、７スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続している。具体的には、レイヤ５、レイヤ６に配置された渡り導体２４１ａは、スロット番号０１のレイヤ５とスロット番号０８のレイヤ６を接続している。一方で、Ｕ１相巻線群における反接続側のコイルエンドの渡り導体２４１ｃは、５スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続している。具体的には、レイヤ５、レイヤ６に配置された渡り導体２４１ｃは、スロット番号０２のレイヤ５とスロット番号０７のレイヤ６を接続している。
また、接続側のコイルエンドの渡り導体２４１ｂと渡り導体２４１ｄは、Ｕ相において違う相巻線群にそれぞれ含まれているが、どちらも６スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続している。具体的には、レイヤ５、レイヤ６に配置された渡り導体２４１ｂは、スロット番号０８のレイヤ６とスロット番号１４のレイヤ５を接続している。一方で、レイヤ５、レイヤ６に配置された渡り導体２４１ｄは、スロット番号０７のレイヤ６とスロット番号１３のレイヤ５を接続している。
レイヤ１、レイヤ２のスロット導体２３３同士を接続するコイルエンド部２４１ａ～２４１ｄも、レイヤ５、レイヤ６の接続方法と同様である。そのため、記載を省略する。
このように、反接続側のコイルエンドでは、所定数の自然数Ｎ１を定義すると、スロットピッチＮｐ＝Ｎ１（第１渡り導体）と、スロットピッチＮｐ＝Ｎ１＋２（第２渡り導体）の２種類の渡り導体２４１ａ，２４１ｃを混在させて固定子コア２３２の周方向に交互に配置している。
具体的には、Ｎ１＝５としたときに、渡り導体２４１ｃはスロットピッチＮｐ＝５で、渡り導体２４１ａはスロットピッチＮｐ＝７でスロットをそれぞれ跨いで、複数のスロット導体２３３間を接続している。一方で、接続側のコイルエンドでは所定数をＮ２と定義すると、スロットピッチＮｐ＝Ｎ２（第３渡り導体）の渡り導体２４１ｂ，２４１ｄを固定子コア２３２の周方向に配置している。具体的には、Ｎ２＝６としたときに、渡り導体２４１ｂ，２４１ｄはいずれも同一のスロットピッチＮｐ＝６でスロットを跨いで、複数のスロット導体２３３間を接続している。このようにしたことで、４並列回路であっても、位相差が発生せず、かつ、図６で前述したように結線部品２４３を増加させない回転電機の固定子を提供できる。
本発明の原理を説明する。モータ出力を向上させる手段として、モータ出力が入力から損失を差し引いたものであることを踏まえると、入力を増やすか、損失を減らすか、のどちらかの手段を取る必要がある。
本発明では、入力を増やすことでモータ出力を向上させる方法として、並列回路数を２から４に増やす手段を採用した。これにより、１回路当たりの電流が相電流の１/２から１/４まで低下する。このようにしたことで、電流密度を上げることなく相電流を増やすことができ、導体面積を保ったまま入力を増やすことができ、モータ出力を向上させられる。さらに、この並列回路数を増やす手段は、銅損を減らすことにもつながる。従来は導体面積を増やすのみであったが、並列回路数を増やすことにより１回路あたりのコイル長さが低下する。よって、損失を低下させることができ、同様に、モータ出力を向上させられる。
しかし、並列回路数増加に伴う循環電流発生を防止するため、並列回路内の位相差が発生しないように固定子にコイルを配列する必要がある。循環電流が発生すると、余計な電流が流れることになるためモータ起動時に、制御性悪化、発熱、騒音・振動数増加、トルクの不安定性の増加、損失の増加、等の懸念がある。
従来のように、反接続側のコイルエンドにおいて、スロットピッチを統一させたコイル配列の場合、位相差を発生させないようにするために、固定子コア２３２の半周分のコイルを巻いた段階で、スロットにおいて次のレイヤにジャンパー接続させる必要がある。このとき、同じレイヤ同士を接続させる必要がある部分が１回路につき一箇所発生する。そのため、接続のための結線部品が増加してしまう課題があった。
しかし、本発明のように、同一の相巻線群において、反接続側のスロットピッチを、第１渡り導体としてＮｐ＝Ｎ１、第２渡り導体としてＮｐ＝Ｎ１＋２の２種類混在させることにより、固定子コア２３２の１周分のコイルを巻いてジャンパー接続させる構造が可能となり、従来に比べて結線部品の増加を防止できる。また、並列回路数を増やしても、導体面積を保ったまま、電流密度を上げずに大電流を流すことができ、モータ出力が向上する。
なお、本実施形態を採用する場合、この結線部品は、ｎを自然数としたときに、回転電機の内周側から２ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体と２ｎ＋１レイヤ目に配置されるスロット導体とを接続する手段を取っている。
また、接続側のコイルエンドにおいて、出力線と接続する第１スロット導体と、結線部品と接続する第２スロット導体と、が同一のスロット番号内に配置され、第１スロット導体は、レイヤの最外周側であるレイヤ６に配置される。
図９～図１２は、第２～第５の結線配置図である。
図９～図１２の結線配置の特徴について説明する。なお、図９～図１２は、いずれも反接続側のスロットピッチを、図８と同様にＮｐ＝Ｎ１、Ｎｐ＝Ｎ１＋２の２種類混在させる構成の変形例であり、図８と同様の構成の説明になる部分については割愛する。
図９、図１１は、反接続側のコイルエンドの渡り導体２４１ａが８スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続し、渡り導体２４１ｃが６スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続している。それに対して、接続側のコイルエンドの渡り導体２４１ｂ，２４１ｄは、同一の５スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続している。
つまり、反接続側のコイルエンドでは、Ｎ１＝６として、渡り導体２４１ｃのスロットピッチＮｐ＝Ｎ１と、渡り導体２４１ａのスロットピッチＮｐ＝Ｎ１＋２都が決まっている。このとき、Ｎ１は毎極毎スロット数Ｎと等しい。一方、接続側のコイルエンドでは、Ｎ２＝５として、渡り導体２４１ｂ，２４１ｄのスロットピッチＮｐ＝Ｎ２が決まっている。また、Ｎ２＝Ｎ１－１である。
図１０、図１２は、反接続側のコイルエンドの渡り導体２４１ａが７スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続し、渡り導体２４１ｃが５スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続している。それに対して、接続側のコイルエンドの渡り導体２４１ｂ，２４１ｄは、同一の６スロットピッチでスロット導体２３３同士を接続している。
つまり、反接続側のコイルエンドでは、Ｎ１＝５として、渡り導体２４１ｃのスロットピッチＮｐ＝Ｎ１と、渡り導体２４１ａのスロットピッチＮｐ＝Ｎ１＋２とが決まっている。一方、接続側のコイルエンドでは、Ｎ２＝６として、渡り導体２４１ｂ，２４１ｄのスロットピッチＮｐ＝Ｎ２が決まっている。また、Ｎ２＝Ｎ１＋１である。
図１３～図１７は、それぞれ図８～図１２の結線配置を実施したときのトルク波形例である。図８～図１２をそれぞれ実施例１～実施例５として図示している。また、図１８は、図１３～図１７に示すトルク波形例の比較図である。なお、縦軸をトルク量、横軸を回転角度（電気角）で表している。
図１９は、図９に示した第２の結線配置図のコイル配列例である。なお、図９の配列は、図１９の最左列のパターンである。
本発明の実施形態を採用する場合、並列回路数をＬとすると、回転電機の軸方向からみたときの本発明の結線部品は、結線部品と回転電機の回転軸の中心とを結んだ仮想線と、出力線と回転軸中心とを結んだ仮想線と、の間の角度が(３６０°／Ｌ)×Ｎｓｐｐ×２となる位置に配置される。
以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）本発明の回転電機２００（２０２）の固定子２３０は、複数のスロット２３７が形成された固定子コア２３２と、固定子コア２３２の各スロット２３７に挿通されて複数のレイヤのうちいずれか一つを構成するスロット導体２３３と、異なるスロット２３７に挿通された一対のスロット導体２３３の同一側端部同士を接続してコイルエンド２４１を構成する渡り導体２４１ａ～２４１ｄと、を有する波巻の周回巻線を複数有する複数相の固定子巻線２３８と、を備えた回転電機２００（２０２）の固定子２３０を採用する。この回転電機２００（２０２）の固定子２３０の固定子巻線２３８は、複数の並列回路をそれぞれ構成する複数の相巻線群を有し、スロットピッチをＮｐ、所定の自然数をＮ１、毎極毎相のスロット数をＮｓｐｐとした場合、一方の前記コイルエンドにおいて、同一の前記相巻線群における渡り導体は、Ｎｐ＝Ｎ１で前記スロットを跨いでスロット導体間を接続する第１渡り導体２４１ｃと、Ｎｐ＝Ｎ１＋Ｎｓｐｐで前記スロット２３７を跨いでスロット導体２３３間を接続する第２渡り導体２４１ａと、を含み、第１渡り導体２４１ｃと第２渡り導体２４１ａとは、固定子コア２３２の周方向に交互に配置される。このようにしたことで、結線部品２４３の低減と出力の向上とを両立させた回転電機２００（２０２）の固定子２３０を提供できる。
（２）固定子コア２３２の他方のコイルエンド２４１において、所定の自然数をＮ２としたとき、同一の相巻線群における渡り導体は、Ｎｐ＝Ｎ２でスロット２３７を跨いでスロット導体２３３間を接続する第３渡り導体２４１ｂ，２４１ｄを含む。このようにしたことで、固定子コア２３２の１周分のコイルを巻いてジャンパー接続させる構造が可能となる。
（３）固定子コア２３２の他方のコイルエンド２４１（接続側コイルエンド）の毎極スロット数Ｎ２＝Ｎ１－１である。このようにしたことで、固定子コア２３２の１周分のコイルを巻いてジャンパー接続させる構造が可能となる。
（４）固定子コア２３２の他方のコイルエンド２４１（接続側コイルエンド）の毎極スロット数Ｎ２＝Ｎ１＋１である。このようにしたことで、固定子コア２３２の１周分のコイルを巻いてジャンパー接続させる構造が可能となる。
（５）固定子コア２３２の毎極毎スロット数をＮとした場合、Ｎ１＝Ｎである。このようにしたので、本発明の実施形態を採用することができ、結線部品２４３の低減と出力の向上とを両立させた回転電機２００（２０２）の固定子２３０を提供できる。
（６）固定子コア２３２の他方のコイルエンド２４１において、スロット導体２３３と他の装置とを接続する出力線と、ｎを自然数としたときに、回転電機２００（２０２）の内周側から２ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体２３３と２ｎ＋１レイヤ目に配置されるスロット導体２３３とを接続するジャンパー導体２４３と、を備える。このようにしたので、本発明の実施形態を採用することができ、結線部品２４３の低減と出力の向上とを両立させた回転電機２００（２０２）の固定子２３０を提供できる。
（７）回転電機２００（２０２）の軸方向からみた場合、並列回路数をＬとすると、ジャンパー導体２４３は、ジャンパー導体２４３と回転電機の回転軸の中心とを結んだ仮想線と、出力線と回転軸中心とを結んだ仮想線と、の間の角度が(３６０°／Ｌ)×Ｎｓｐｐ×２となる位置に配置される。このようにしたことで、本発明の実施形態を採用することができ、結線部品２４３の低減と出力の向上とを両立させた回転電機２００（２０２）の固定子２３０を提供できる。
（８）出力線と接続する第１スロット導体と、ジャンパー導体２４３と接続する第２スロット導体と、が同一のスロット２３７内に配置され、第１スロット導体は、レイヤの最外周側に配置される。このようにしたことで、本発明の実施形態を採用することができ、結線部品２４３の低減と出力の向上とを両立させた回転電機２００（２０２）の固定子２３０を提供できる。
（９）本発明の実施形態を採用した回転電機２００（２０２）は、固定子２３０と、回転電機の固定子とは所定の隙間を介して対向する回転子２５０と、を備える。このようにしたので、結線部品２４３の低減と出力の向上とを両立させた回転電機２００（２０２）を提供できる。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
１００・・・車両
２００，２０２・・・回転電機
２１２・・・ハウジング
２１４・・・エンドブラケット
２１８・・・シャフト
２２２・・・空隙
２２４・・・レゾルバ
２２６・・・あて板
２３０・・・固定子
２３２・・・固定子コア
２３３・・・スロット導体
２３６・・・ティース
２３７・・・スロット
２３８・・・固定子巻線
２４１・・・コイルエンド
２４１ａ・・・反接続側渡り導体
２４１ｂ・・・接続側渡り導体
２４１ｃ・・・反接続側渡り導体
２４１ｄ・・・接続側渡り導体
２４２・・・口出し線
２４３・・・結線部品（ジャンパー導体）
２５０・・・回転子
２５２・・・回転子鉄心
２５３・・・穴
２５４，２５４ａ，２５４ｂ・・・永久磁石
２５７・・・穴空間
６００・・・電力変換装置
６１０，６２０・・・パワーモジュール
６６０・・・電流センサ
２００，２０２・・・回転電機
２１２・・・ハウジング
２１４・・・エンドブラケット
２１８・・・シャフト
２２２・・・空隙
２２４・・・レゾルバ
２２６・・・あて板
２３０・・・固定子
２３２・・・固定子コア
２３３・・・スロット導体
２３６・・・ティース
２３７・・・スロット
２３８・・・固定子巻線
２４１・・・コイルエンド
２４１ａ・・・反接続側渡り導体
２４１ｂ・・・接続側渡り導体
２４１ｃ・・・反接続側渡り導体
２４１ｄ・・・接続側渡り導体
２４２・・・口出し線
２４３・・・結線部品（ジャンパー導体）
２５０・・・回転子
２５２・・・回転子鉄心
２５３・・・穴
２５４，２５４ａ，２５４ｂ・・・永久磁石
２５７・・・穴空間
６００・・・電力変換装置
６１０，６２０・・・パワーモジュール
６６０・・・電流センサ
Claims (9)
- 複数のスロットが形成された固定子コアと、
前記固定子コアの各スロットに挿通されて複数のレイヤのうちいずれか一つを構成するスロット導体と、異なるスロットに挿通された一対の前記スロット導体の同一側端部同士を接続してコイルエンドを構成する渡り導体と、を有する波巻の周回巻線を複数有する複数相の固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子であって、
前記固定子巻線は、相ごとに複数の並列回路をそれぞれ構成する複数の相巻線群を有し、
スロットピッチをＮｐ、所定の自然数をＮ１、毎極毎相のスロット数をＮｓｐｐとした場合、一方の前記コイルエンドにおいて、同一の前記相巻線群における前記渡り導体は、Ｎｐ＝Ｎ１で前記スロットを跨いで前記スロット導体間を接続する第１渡り導体と、Ｎｐ＝Ｎ１＋Ｎｓｐｐで前記スロットを跨いで前記スロット導体間を接続する第２渡り導体と、を含み、
前記第１渡り導体と前記第２渡り導体とは、前記固定子コアの周方向に交互に配置される
回転電機の固定子。 - 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
所定の自然数をＮ２としたとき、
他方の前記コイルエンドにおいて、同一の前記相巻線群における前記渡り導体は、Ｎｐ＝Ｎ２で前記スロットを跨いで前記スロット導体間を接続する第３渡り導体を含む
回転電機の固定子。 - 請求項２に記載の回転電機の固定子であって、
Ｎ２＝Ｎ１－１である
回転電機の固定子。 - 請求項２に記載の回転電機の固定子であって、
Ｎ２＝Ｎ１＋１である
回転電機の固定子。 - 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
毎極毎スロット数をＮとした場合、Ｎ１＝Ｎである
回転電機の固定子。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機の固定子であって、
他方の前記コイルエンドにおいて、前記スロット導体と他の装置とを接続する出力線と、
ｎを自然数としたときに、前記回転電機の内周側から２ｎ番目の前記レイヤに配置される前記スロット導体と２ｎ＋１レイヤ目に配置される前記スロット導体とを接続するジャンパー導体と、を備える
回転電機の固定子。 - 請求項６に記載の回転電機の固定子であって、
前記回転電機の軸方向からみた場合、並列回路数をＬとすると、
前記ジャンパー導体は、当該ジャンパー導体と前記回転電機の回転軸の中心とを結んだ仮想線と、前記出力線と前記回転軸中心とを結んだ仮想線と、の間の角度が(３６０°／Ｌ)×Ｎｓｐｐ×２となる位置に配置される
回転電機の固定子。 - 請求項６に記載の回転電機の固定子であって、
前記出力線と接続する第１スロット導体と、
前記ジャンパー導体と接続する第２スロット導体と、が同一の当該スロット内に配置され、
前記第１スロット導体は、前記レイヤの最外周側に配置される
回転電機の固定子。 - 請求項１乃至８のいずれかに記載の回転電機の固定子と、
当該回転電機の固定子とは所定の隙間を介して対向する回転子と、を備える
回転電機。
Priority Applications (4)
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