(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子または固定子の何れかに永久磁石が用いられ、この永久磁石に対向して配置される固定子または回転子に設けられた複数のスロット内に収納される固定子巻線または回転子巻線を有する永久磁石型回転電機の巻線構造において、
前記固定子巻線または前記回転子巻線における前記スロットへの収納部位を除く部位であり、かつ、これらの固定子巻線または回転子巻線における１ターン毎の所定部位に、異常時の電流を遮断する電流遮断機構が設けられていることを特徴とする永久磁石型回転電機の巻線構造。
【請求項２】
前記電流遮断機構は、前記所定部位に設けられる括れ構造によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機の巻線構造。
【請求項３】
前記電流遮断機構は、前記所定部位の抵抗値が当該所定部位以外の抵抗値よりも小さい素材を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機の巻線構造。
【請求項４】
前記永久磁石型回転電機が、固定子巻線を有し、永久磁石を回転子とする永久磁石型電動機であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の永久磁石型回転電機の巻線構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子または固定子の何れかに永久磁石を用いて構成した永久磁石型回転電機に関するものであり、特に、当該永久磁石に対向して設けられた固定子巻線または回転子巻線の巻線構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
まず、永久磁石型回転電機の特徴について、永久磁石型回転電機の一つであり、回転子に永久磁石を内蔵し固定子を巻線形として構成した永久磁石型同期電動機を一例として説明する。
【０００３】
永久磁石型同期電動機（以下、特に区別を要するとき以外は単に「電動機」と記す）は、従来から多用されている誘導電動機と比較して、以下に示す特徴がある。
【０００４】
（１）回転子に内蔵された永久磁石による磁束が確立しているので励磁電流が不要である。
（２）誘導電動機のように回転子に電流が流れないため、二次銅損が発生しない。
（３）上記（１）、（２）項の特徴を備えているため、高効率な電動機として注目されている。
【０００５】
従来、電気車の駆動装置には誘導電動機の使用が一般的であったが、近年、さらなる効率の向上を図るため、上記の特徴を有する永久磁石型同期電動機の適用が検討されている。
【０００６】
一般に、電気車は複数の車両を連結した編成を成して走行しており、電動機と、その電動機を駆動する電力変換装置とは、それぞれ複数台が複数の車両に分散搭載されている。このため、例えば編成中の複数の電力変換装置のうち、一部の電力変換装置が故障して一部の電動機が運転不能になった場合においても、電気車は他の健全な電力変換装置および電動機により走行を継続することが可能である。
【０００７】
ところで、永久磁石型同期電動機は、従来、多用されてきた誘導電動機と異なり、外部からの電力供給がなくとも、電動機の回転子に内蔵されている永久磁石の磁束の働きにより、回転子の回転中は常に電動機の端子に誘起電圧を発生する。このため、電気車の走行中に電動機または電力変換装置が故障した場合であっても、電気車が走行しつづける間、電動機の回転子は直結されている車輪側から回され続けることになり、電動機の固定子巻線には回転数に比例した誘起電圧を発生し続ける。
【０００８】
一方、固定子巻線の内部で短絡故障が発生した場合には、固定子巻線に発生した誘起電圧を短絡する回路が構成されてしまうので、意図しない非常に大きな短絡電流が流れる可能性がある。
【０００９】
実際、本願発明者らは、ある電気車向けに設計された電動機において、想定される最高回転数の状態下で、固定子巻線の内部に短絡故障を強制的に発生させた場合に、数百〜千数百（Ａ）の短絡電流が発生することを確認している。
【００１０】
なお、電気自動車等、一台の電動機で駆動されるシステムの場合では、上記のような短絡故障が発生しても、車両は直ちに走行不能となり、電動機の回転は停止することになる。このため、短絡電流は速やかに解消する。
【００１１】
しかしながら、本発明が想定する対象の一つである電気車においては、走行中に一部の電動機に短絡故障が生じた場合においても他の健全な電動機により電気車は走行を続けることになる。この結果、短絡故障を生じた電動機の故障部位（短絡回路）には、固定子巻線に発生し続ける誘起電圧によって短絡電流が流れ続けることになる。この状態を放置すると、固定子巻線の温度が上昇して固定子巻線の損傷がさらに拡大され、固定子巻線の溶断あるいは、それに伴う電動機の発熱や発煙を招く虞があり大きな問題点となる。
【００１２】
なお、当然のことながら、従来の誘導電動機の場合は、回転中の誘導電動機の端子間を短絡しても短絡電流は流れないため、この種の問題点は発生しない。
【００１３】
また、上記のような状況を想定したものではないが、内燃機関用のスタータにおいて、絶縁シール部材であるグロメットからの発煙・発火による他の周辺部品への類焼を確実に防止するため、電機子の整流子に当接するプラス側ブラシから引き出されるプラス側リード線の該グロメットで包含されていない部分と、電機子の整流子に当接するマイナス側ブラシから引き出されるマイナス側リード線の部分とのうち、少なくとも一方に、所定温度になると溶断する電流遮断機構を設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−６６３１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記特許文献１に示される電流遮断機構では、永久磁石型同期電動機に想定される上記のような問題点に対応することは不可能である。例えば、永久磁石型同期電動機に具備される固定子巻線の内部で短絡故障が発生した場合には、固定子巻線の内部で短絡回路が形成されてしまうでの、特許文献１に示されるような電流遮断機構を設けても意味を成さない。
【００１６】
また、永久磁石型同期電動機に使用される固定子巻線は、電動機の仕様に応じた所定の巻回数をもって形成されるため、固定子巻線のどの位置で短絡故障が起こるかの予想がつかない。さらに、固定子巻線に短絡故障が発生する確率はそれほど多くないと予想される一方で、短絡故障が発生した場合には、これを検知する術がないので、従来の電動機では予想し得なかった被害が発生する可能性がある。このため、この種の永久磁石型同期電動機においては、短絡故障が生起した場合に流れるような異常時の電流を簡易かつ確実に遮断することが望まれている。
【００１７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、異常時の電流を簡易かつ確実に遮断することができる永久磁石型回転電機の巻線構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる永久磁石型回転電機の巻線構造は、回転子または固定子の何れかに永久磁石が用いられ、この永久磁石に対向して配置される固定子または回転子に設けられた複数のスロット内に収納される固定子巻線または回転子巻線を有する永久磁石型回転電機の巻線構造において、前記固定子巻線または前記回転子巻線における前記スロットへの収納部位を除く部位であり、かつ、これらの固定子巻線または回転子巻線における１ターン毎の所定部位に、異常時の電流を遮断する電流遮断機構が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、異常時の電流を遮断する電流遮断機構を設けるにあたり、固定子巻線または回転子巻線におけるスロットへの収納部位を避け、かつ、固定子巻線または回転子巻線における１ターン毎の所定部位に電流遮断機構を設けるようにしているので、異常時の電流を簡易かつ確実に遮断することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明にかかる永久磁石型回転電機の巻線構造の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２１】
図１は、回転電機における固定子の概略構造を示す斜視図である。同図において、固定子１８は、固定子鉄心１６、コイル体１５、渡り線１７などを備えている。コイル体１５は、例えば平角電線を用いて巻回され、概略六角形の亀甲状に成形された亀甲形コイル１１が円周方向に複数配列されて構成されるとともに、複数のスロットが形成された固定子鉄心１６に嵌め込まれる。その後、所定の亀甲形コイル１１同士が、渡り線１７にて電気的に接続されて固定子１８となる。なお、コイル体１５の内部には、永久磁石が埋め込まれた回転子（図示省略）が挿入され、これらの固定子および回転子等によって永久磁石型回転電機（永久磁石型電動機、永久磁石型発電機など）が構成される。
【００２２】
なお、以下の説明では、図１に示すような、固定子にコイル体、回転子に永久磁石を具備する回転電機を一例として説明するが、本発明は、固定子に永久磁石、回転子にコイル体を具備する回転電機に適用することも可能である。また、図１では、外側にコイル体を具備する固定子、内側に永久磁石を具備する回転子を備えたインナーロータ型の回転電機を一例としているが、本発明は、外側にコイル体を具備する回転子、内側に永久磁石を具備する固定子を備えたアウターロータ型の回転電機、あるいは外側に永久磁石を具備する回転子、内側にコイル体を具備する固定子を備えたアウターロータ型の回転電機に適用することも可能である。
【００２３】
図２は、図１に示した亀甲形コイル１１の拡大図である。図２において、亀甲形コイル１１は、スロット内で導体断面積を大きくできるように平角電線を用いて所定ターン数分（図２では、３ターンを例示）巻回されて概略六角形の亀甲形状を成すとともに、直線状を成す一対のスロット収納部１１ａ，１１ｂと、その両端部の一方側に形成されるコイル先端部１１ｃと、他方側に形成されるコイルエンド部１１ｎと、を有している。一対のスロット収納部１１ａ，１１ｂは、固定子鉄心１６のスロット内に収納されるとともに、コイル先端部１１ｃおよびコイルエンド部１１ｎは、それぞれ固定子鉄心１６の両端面から突出するように収納される。
【００２４】
コイル先端部１１ｃは、互いに逆向きに傾斜し、各一端側がスロット収納部１１ａ，１１ｂの各一端側に連結する傾斜部１１ｄ，１１ｅと、Ｕ字形状を成し、傾斜部１１ｄ，１１ｅの各他端側に一端および他端が連結するＵ字部１１ｆと、を有している。ここで、Ｕ字部１１ｆには、本実施の形態にかかる永久磁石型回転電機の巻線構造を具現化する電流遮断器機構が設けられる。なお、この電流遮断機構の詳細については、後述する。
【００２５】
一方、コイルエンド部１１ｎは、互いに逆向きに傾斜し、各一端側がスロット収納部１１ａ，１１ｂの各他端側に連結する傾斜部１１ｈ，１１ｊと、Ｕ字形状を成し、傾斜部１１ｈ，１１ｊの各他端側に一端および他端が連結するＵ字部１１ｐと、上方から引き出された巻き始め端（コイル端の一方）１１ｋおよび下方から引き出された巻き終り端（コイル端の他方）１１ｍと、を有している。
【００２６】
つぎに、本実施の形態にかかる永久磁石型回転電機の巻線構造について図３〜図５の各図面を参照して説明する。ここで、図３は、図１に示した回転電機の要部断面図であり、図４は、本実施の形態にかかる永久磁石型回転電機の巻線構造を具現化する電流遮断機構の設置位置を示す図であり、図５は、亀甲形コイル上に設けられた本電流遮断機構の概略構造を示す要部斜視図である。なお、図４では、この電流遮断機構の設置位置を、Ｕ相巻線を構成する亀甲形コイルとＵバー相巻線を構成する亀甲形コイルとの結線を表す模式図上に示している。
【００２７】
図３に示すように、亀甲形コイル１１の各１ターンを構成する巻線１１ｘ，１１ｙ，１１ｚは、永久磁石２２を内蔵する回転子２０に対向するように配置された固定子鉄心１６に設けられたスロット２４内に収納される。また、図４に示すように、これらの巻線１１ｘ，１１ｙ，１１ｚには、電流遮断機構Ｆ１〜Ｆ３が設けられている。さらに、これらの電流遮断機構Ｆ１〜Ｆ３は、図５の破線部で示すように、亀甲形コイル１１のＵ字部１１ｆにおける各巻線（巻線１１ｘ，１１ｙ，１１ｚ）上に、括れ部２６を設けることによって形成される。なお、この括れ部２６は、例えば、巻線１１ｘ，１１ｙ，１１ｚとして用いられる平角電線の長さ方向と厚さ方向とにそれぞれ直交する方向（線幅方向）に所定の圧力を印加すること（圧延作用）によって、所定幅の括れを形成することができるが、これ以外の手法（例えば、切削加工）を用いて形成してもよい。また、図４では、括れの凹部が平角電線の線幅方向となるように加工しているが、括れの凹部が平角電線の厚さ方向となるように加工してもよい。
【００２８】
図６は、固定子巻線の内部で短絡故障が発生して短絡回路が形成された状態を示す図である。同図の破線部に示すように、巻線１１ｘと巻線１１ｙとの間に層間短絡が発生した場合には、同図の太実線で示されるような、巻線１１ｘと巻線１１ｙとの間が電気的に接続された短絡回路が形成される。
【００２９】
ここで、上記背景技術の項でも説明したように、永久磁石型電動機では、外部からの電力供給がなくとも、回転子に内蔵されている永久磁石から発生する磁束の作用により、回転子の回転中は常に固定子巻線に誘起電圧を発生する。このため、電気車の走行中に一部の電動機または一部の電力変換装置が故障した場合であっても、電気車が走行しつづける間、電動機の回転子は直結されている車輪側から回され続けることになり、固定子巻線には回転数に比例した誘起電圧を発生し続けることになる。したがって、図６に示すような短絡故障が発生した場合には、意図しない非常に大きな短絡電流が流れてしまうことになる。この状態が継続した場合、固定子巻線の全体が溶断して短絡回路が遮断されるまでの間、この短絡回路に大きな短絡電流が流れ続けることになり、その部位の温度が上昇し、電動機の発熱や発煙を招く虞がある。
【００３０】
一方、固定子巻線上に、図５に示すような括れ部２６を設けた場合には、当該括れ部の部分が他の部分よりも早く溶断するので、上記短絡電流のような異常時の電流を早期に遮断することができる。なお、このときの作用は、つぎのように説明することができる。
【００３１】
固定子巻線の１ターンの一部分に括れを設けた場合、その部分の断面積は小さくなるので、当該部分の抵抗値は、他の部分の抵抗値よりも大きくなる。ここで、固定子巻線に発生する発熱量は、電流の２乗と抵抗値の積に比例する。また、短絡回路において、括れ部と、それ以外の部分とは、直列接続されているので、双方に流れる電流は等しいので、括れ部に発生する発熱量は、括れ部以外の部分に発生する部分の発熱量に比べて確実に大きくなる。その結果、括れ部のみを確実かつ早期に溶断させることが可能となる。
【００３２】
また、本実施の形態では、括れ部２６を亀甲形コイル１１のＵ字部１１ｆに設けるようにしているので、この部分の損傷が他の部分に波及するのを効果的に防止することが可能となる。すなわち、本実施の形態では、短絡電流によって溶断させる部位を、固定子鉄心１６のスロット内に収納される部位ではなく、固定子鉄心１６から離れた部位に設けるようにしているので、溶断部位の損傷が原因となって引き起こされる可能性のある二次損傷を効果的に防止することが可能となる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、括れ部２６を亀甲形コイル１１のＵ字部１１ｆに設ける実施形態を示したが、この実施形態に限定されるものではなく、例えば固定子鉄心１６を挟んでＵ字部１１ｆの反対側に位置するコイルエンド部１１ｎのＵ字部１１ｐ上に設けるようにしてもよい。また、これら以外にも、コイル先端部１１ｃ側の傾斜部１１ｄ，１１ｅ上や、コイルエンド部１１ｎ側の傾斜部１１ｈ，１１ｊ上に設けることでもよく、ある一定以上の効果が得られる。
【００３４】
また、括れ部２６の幅（線幅方向）または厚さ（厚さ方向）は、通常使用において、永久磁石型電動機に許容される電流値（例えば、定格電流の２〜３倍の電流値：以下「最大許容電流」という）が流れた場合、二次損傷が起こらないように、括れ部２６の部分が確実に溶断できるように設計されていればよい。したがって、括れ部２６の厚さ、幅および長さ（平角電線に沿う方向の長さ）等については、電動機の構造、容量、最大許容電流、あるいは平角電線の素材、厚さ、幅、固定子巻線の長さ等に応じた好ましい範囲の値に設定すればよい。
【００３５】
図７は、図２とは異なる亀甲形コイルの一例を示す図である。図７に示す亀甲形コイル１１Ａでは、コイル先端部１１ｃ側において、互いに逆向きに傾斜する傾斜部１１ｄ，１１ｅ間で湾曲して両傾斜部を略垂直方向に連結する湾曲部１１ｒが設けられるとともに、コイルエンド部１１ｎ側において、互いに逆向きに傾斜する傾斜部１１ｊ，１１ｈ間で湾曲して両傾斜部を略垂直方向に連結する湾曲部１１ｓが設けられている。
【００３６】
このような形状の亀甲形コイル１１Ａにおいても、上記と同様な電流遮断機構を設けることができる。すなわち、亀甲形コイル１１Ａの湾曲部１１ｒにおける各巻線上、または湾曲部１１ｓにおける各巻線上に括れを形成することにより、上記電流遮断機構を設けることができる。なお、これらの湾曲部１１ｒ，１１ｓに設ける構成に代え、コイル先端部１１ｃ側の傾斜部１１ｄ，１１ｅ上や、コイルエンド部１１ｎ側の傾斜部１１ｈ，１１ｊ上に設けることでもよい。
【００３７】
また、上記の実施の形態では、固定子巻線の１ターンの部分であって、スロットに収納される部位以外の部位に、括れ構造による電流遮断機構を設ける構成について示したが、括れ構造以外にも、これと同様な作用が得られるものであれば、他の手法を用いてもよい。例えば、括れ構造を設けようとする部位の素材を、他の部位の素材と異ならせるようにしてもよい。この場合、当該変更された部位の抵抗値が、他の部位の抵抗値よりも小さくなるような素材を用いて構成することにより、上述した電流遮断機構と同様な効果が得られる。
【００３８】
なお、本実施の形態の全体を通じ、平角電線を用いて形成された亀甲形コイルを一例として説明したが、平角電線以外の電線を用いて形成してもよく、また、コイル体自身も亀甲形に限定されるものではない。
【００３９】
また、本実施の形態の全体を通じ、電気車に搭載される永久磁石型の電動機を想定した説明を行ってきたが、適用用途は必ずしも電気車に限定されるものではない。例えば、高速に回転している永久磁石型の電動機に流れる短絡電流を瞬時に遮断したい場合などにおいては、本実施の形態にかかる巻線構造は、有効に作用する。また、例えば慣性の大きな大型の電動機に流れる短絡電流を瞬時に遮断したい場合などにおいても、本実施の形態にかかる巻線構造は、有効に作用する。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明にかかる久磁石型回転電機の巻線構造は、異常時の電流を簡易かつ確実に遮断することができる発明として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】回転電機における固定子の概略構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示した亀甲形コイルの拡大図である。
【図３】図１に示した回転電機の要部断面図である。
【図４】本実施の形態にかかる永久磁石型回転電機の巻線構造を具現化する電流遮断機構の設置位置を示す図である。
【図５】亀甲形コイル上に設けられた電流遮断機構の概略構造を示す要部斜視図である。
【図６】固定子巻線の内部で短絡故障が発生して短絡回路が形成された状態を示す図である。
【図７】図２とは異なる亀甲形コイルの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１，１１Ａ  亀甲形コイル
１１ａ，１１ｂ  スロット収納部
１１ｃ  コイル先端部
１１ｄ，１１ｅ，１１ｈ，１１ｊ  傾斜部
１１ｆ，１１ｐ  Ｕ字部
１１ｎ  コイルエンド部
１１ｒ，１１ｓ  湾曲部
１１ｘ，１１ｙ，１１ｚ  巻線
１５  コイル体
１６  固定子鉄心
１７  渡り線
１８  固定子
２０  回転子
２２  永久磁石
２４  スロット
２６  括れ部
Ｆ１〜Ｆ３  電流遮断機構
【図１】
0005137615.tif 000002
【図２】
0005137615.tif 000003
【図３】
0005137615.tif 000004
【図４】
0005137615.tif 000005
【図５】
0005137615.tif 000006
【図６】
0005137615.tif 000007
【図７】
0005137615.tif 000008