(57)【要約】【課題】インバータによって駆動される交流電動機に発生するサージ電圧を低下させる。【解決手段】ステータコア１１の複数のスロットに被覆導線が分布巻きかつ重ね巻された各相の巻線２０，３０，４０をＹ結線としたステータ１０を備え、インバータによって駆動される三相交流電動機１００であって、各相の入力側第１コイル２１の巻き始めの第１ターン２１１の被覆導線２１１ａ，２１１ｂの外面を絶縁チューブ２２０で覆い、第１ターン２１１の被覆導線２１１ａ，２１１ｂと残余のターン２１２，２１３の被覆導線との距離を大きくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアの複数のスロットに被覆導線が分布巻きかつ重ね巻された各相の巻線をＹ結線としたステータを備え、インバータによって駆動される三相交流電動機であって、
各相コイルの入力側のターン間結合容量を中性点側のターン間結合容量よりも小さくすること、
を特徴とする三相交流電動機。
【請求項２】
請求項１に記載の三相交流電動機であって、
各相の入力側第１コイルの巻き始めの第１ターンの被覆導線の外面を絶縁部材で覆い、第１ターンの被覆導線と残余のターンの被覆導線との距離を大きくすること、
を特徴とする三相交流電動機。
【請求項３】
ステータコアの複数のスロットに被覆導線が分布巻きかつ重ね巻された各相の巻線をＹ結線としたステータを備え、インバータによって駆動される三相交流電動機であって、
各相の入力側コイルとステータコアとの間の結合容量を中性点側コイルとステータコアとの間の結合容量よりも小さくすること、
を特徴とする三相交流電動機。
【請求項４】
請求項３に記載の三相交流電動機であって、
各相の入力側第１コイルが巻きつけられるスロットの内周面に挿入される絶縁紙の厚さを各相の残余のコイルが巻きつけられるスロットの内周面に挿入される絶縁紙の厚さよりも厚くすること、
を特徴とする三相交流電動機。
【請求項５】
請求項３または４に記載の三相交流電動機であって、
各相の入力側第１コイルに含浸するワニスの比誘電率を各相の残余のコイルに含浸するワニスの比誘電率よりも小さくすること、
を特徴とする三相交流電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相交流電動機の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子によって直流電力を矩形波の交流電力に変換するインバータにより駆動される交流電動機には、インバータから矩形の電圧パルスが入力される際に発生する高電圧のサージ電圧が入力される。このため、インバータによって駆動される交流電動機は高圧のサージ電圧が入力されても絶縁劣化が生じない様に通常の商用周波数で使用される交流モータに比べて大きな絶縁性を持たせる必要があった。そこで、ステータコアのスロットに挿入された銅線とスロットの内面との間にアモルファス皮膜が形成された磁性シートを挿入して外部から侵入するサージ電圧や高周波の磁界を緩和して、絶縁特性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献1参照）。
【０００３】
また、サージ電圧によって電動機の巻線間に高い電圧が発生して巻線間で絶縁劣化が生じる場合がある。このため、インバータのサージ電圧が掛かる口出し側第１コイルのターン数を減らし、絶縁皮膜を厚くして絶縁を強化したり、巻線間の分布静電容量に比べて巻線各部の対地分布静電容量を小さくしたりすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、特許文献２では、巻線を２つのコイルグループに分け、一方の巻線の巻き初めと他方のコイルの巻き終わりとを隣接させ、両方のコイルグループの巻き始めの引き出し線同士と巻き終わりの引き出し線同士は、スロットの外部で接続されるようにすることが提案されている。この方法によると、接続点に印加されたサージ電圧がコイルのインダクタンスを介さずに静電容量を介して通過するのでコイルの巻線間電圧が上昇することがなく、耐サージ電圧が上昇する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１４６１０５号公報
【特許文献２】特開２００８−５４４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インバータのスイッチングによる急峻な電圧パルスが電動機に入力された場合、ケーブルインダクタンスと電動機の巻線のインダクタンス、及び、巻線間、電動機の巻線とステータコアとの間の静電容量などによってサージ電圧が高くなってしまい、絶縁皮膜が劣化し、絶縁劣化が生じる場合がある。
【０００６】
本発明は、インバータによって駆動される交流電動機に発生するサージ電圧を低下させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の三相交流電動機は、ステータコアの複数のスロットに被覆導線が分布巻きかつ重ね巻された各相の巻線をＹ結線としたステータを備え、インバータによって駆動される三相交流電動機であって、各相コイルの入力側のターン間結合容量を中性点側のターン間結合容量よりも小さくすること、を特徴とする。
【０００８】
本発明の三相交流電動機において、各相の入力側第１コイルの巻き始めの第１ターンの被覆導線の外面を絶縁部材で覆い、第１ターンの被覆導線と残余のターンの被覆導線との距離を大きくすること、としても好適である。
【０００９】
本発明の三相交流電動機は、複数のスロットに被覆導線が分布巻きかつ重ね巻された各相の巻線をＹ結線としたステータを備え、インバータによって駆動される三相交流電動機であって、各相の入力側コイルとステータコアとの間の結合容量を中性点側コイルとステータコアとの間の結合容量よりも小さくすること、を特徴とする。
【００１０】
本発明の三相交流電動機において、各相の入力側第１コイルが巻きつけられるスロットの内周面に挿入される絶縁紙の厚さを各相の残余のコイルが巻きつけられるスロットの内周面に挿入される絶縁紙の厚さよりも厚くすること、としても好適である。
【００１１】
本発明の三相交流電動機において、各相の入力側第１コイルに含浸するワニスの比誘電率を各相の残余のコイルに含浸するワニスの比誘電率よりも小さくすること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、インバータによって駆動される交流電動機に発生するサージ電圧を低下させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態における三相交流電動機のステータの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態における三相交流電動機のステータの巻線の回路図である。
【図３】本発明の実施形態における三相交流電動機のステータの巻線配置を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における三相交流電動機のステータの接地線の接続を示す系統図である。
【図５】本発明の実施形態における三相交流電動機のステータ巻線と接地線の等価回路図である。
【図６】本発明の実施形態における三相交流電動機のステータ巻線の第１ターンの共振周波数の変化を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態における三相交流電動機のステータのサージ電圧の変化を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の三相交流電動機１００に組み込まれているステータ１０は、円筒状で内径側にコイルが巻かれる複数のスロットが設けられたステータコア１１と、ステータコア１１に巻かれたＵ相巻線２０、Ｖ相巻線３０、Ｗ相巻線４０を備えている。各巻線２０，３０，４０の一端にはそれぞれ入力端子１３，１４，１５が設けられ、各入力端子１３，１４，１５と各巻線２０，３０，４０との間は外面を樹脂などで被覆されたスリーブ線１６，１７，１８で接続されている。
【００１５】
図２に示すように、各相の巻線２０，３０，４０は、それぞれ第１コイル２１，３１，４１から第８コイル２８，３８，４８を直列に配置したもので、各巻線２０，３０，４０はＹ結線となっており、各巻線２０，３０，４０の各入力端子１３，１４，１５と反対の端部は外面を樹脂などで被覆されたスリーブ線２９，３９，４９で中性点５０に接続されている。
【００１６】
図３を参照しながらステータ１０の巻線２０，３０，４０の配置について詳しく説明する。なお、図３において、各巻線２０，３０，４０のコイル２１〜２８、３１〜３８，４１〜４８の両端の円で囲んだＸマークと円の中に点を配置したマークはそれぞれ被覆導線の巻き方向が紙面の表面側から裏面側になっていること、及び被覆導線の巻き方向が紙面の裏面側から表面側に向かっていることを示している。
【００１７】
図３に示すように、各相の巻線２０，３０，４０が巻かれるステータコア１１は、内周側に円周方向に沿って４８個のスロット１２が配置されている。各スロット１２はＵ相の第１コイルのスリーブ線１６に接続されている被覆導線が入るスロットを第１スロット１２ａとし、以下、半時計周りに第１スロット１２ａから第４８スロットが配置されている。また、図４に示すように、各スロット１２の内面には被覆導線との間に絶縁紙９１が挿入されている。
【００１８】
Ｕ相の入力端子１３、スリーブ線１６に接続されているＵ相巻線２０の被覆導線は、図３の紙面の表面側から裏面側に向かって第１スロット１２ａに入り、ステータコア１１の紙面裏側の表面を半時計周りに回り、第１のスロット１２ａから半時計周りに６番目の第６スロット１２ｃに紙面の裏面側から表面側に向かって入る。第６スロット１２ｃに入った被覆導線は第６スロット１２ｃの紙面表面側に出て、ステータコア１１の紙面表側の表面を時計周りに回って再び第１スロット１２ｂに入る。このように、Ｕ相巻線２０の第１コイル２１は第１スロット１２ａと第６スロット１２ｃとの間に被覆導線が所定の回数だけ巻きつけられたものである。同様に、Ｕ相の第２コイル２２は第６スロット１２ｃ半時計周り方向に隣接している第７スロットと第７スロットから半時計周りに６番目の第１２スロットとの間に被覆導線が所定の回数だけ巻きつけられたものである。以下同様に、Ｕ相の第３コイル２３は第１３スロットと第１８スロットとの間、Ｕ相の第４コイル２４は第１９スロットと第２４スロットとの間、Ｕ相の第５コイル２５は第２５スロットと第３０スロットとの間、Ｕ相の第６コイル２６は第３１スロットと第３６スロットとの間、Ｕ相の第７コイル２７は第３７スロットと第４２スロットとの間、Ｕ相の第８コイル２８は第４３スロットと第４８スロットとの間に被覆導線が所定の回数だけ巻きつけられたものである。
【００１９】
また、図３に示すように、Ｖ相巻線３０の第１コイル３１は、Ｕ相の第１コイル２１と第２コイル２２との内側であって、第５スロット１２ｂと第１０スロット１２ｅとの間に被覆導線が所定の回数だけ巻きつけられたもので、Ｕ相巻線２０と同様、Ｖ相の第２コイル３２は第１１スロットと第１６スロットとの間、Ｖ相の第３コイル３３は第１７スロットと第２２スロットとの間、Ｖ相の第４コイル３４は第２３スロットと第２８スロットとの間、Ｖ相の第５コイル３５は第２９スロットと第３４スロットとの間、Ｖ相の第６コイル３６は第３５スロットと第４０スロットとの間、Ｖ相の第７コイル３７は第４１スロットと第４６スロットとの間、Ｖ相の第８コイル３８は第４７スロットと第４スロットとの間に被覆導線が所定の回数だけ巻きつけられたものである。
【００２０】
また、図３に示すように、Ｗ相巻線４０の第１コイル４０は、Ｖ相の第１コイル３１と第２コイル３２との内側であって、第９スロット１２ｄと第１４スロット１２ｆとの間に被覆導線が所定の回数だけ巻きつけられたもので、Ｕ相、Ｖ相巻線２０，３０と同様、Ｗ相の第２コイル４２は第１５スロットと第２０スロットとの間、Ｗ相の第３コイル４３は第２１スロットと第２６スロットとの間、Ｗ相の第４コイル４４は第２７スロットと第３２スロットとの間、Ｗ相の第５コイル４５は第３３スロットと第３８スロットとの間、Ｗ相の第６コイル４６は第３９スロットと第４４スロットとの間、Ｗ相の第７コイル４７は第４５スロットと第２スロットとの間、Ｗ相の第８コイル４８は第３スロットと第８スロットとの間に被覆導線が所定の回数だけ巻きつけられたものである。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態の三相交流電動機１００のステータ１０は、複数のスロット１２に被覆導線が分布巻きかつ重ね巻された各相の巻線２０，３０，４０をＹ結線としたものである。また、本実施形態では、ステータコア１１の外周側からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線２０，３０，４０が配置されたものとして説明したが、各相の巻線の半径方向の重なり方はこれにかかわらず、例えば、内周側からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線２０，３０，４０が配置されたものとしてもよい。
【００２２】
図１に示すように、Ｕ相の第１コイル２１は、第１ターン２１１、第２ターン２１２、第３ターン２１３を含んでいる。そして、第１ターン２１１は被覆導線２１１ａ，２１１ｂの外側に絶縁材である絶縁チューブ２２０を被せたものであり、第２ターン２１２、第３ターン２１３以下は被覆導線のみで構成されている。Ｖ相の第１コイル３１、Ｗ相の第１コイル４１の各第１ターンも同様に、第１ターンのみ被覆導線の外側に絶縁チューブ２２０が被せられている。また、各相の各コイル２１〜２８、３１〜３８，４１〜４８にはワニスが含浸されている。
【００２３】
次に図４を参照しながら、本実施形態の三相交流電動機１００の接地線の配置について説明する。図４に示すように、三相交流電動機１００のステータ１０のグランド部６７は図示しないケーシングに接続された電動機接地線６６を介して接地されている。また、ステータ１０から延びる各相のスリーブ線１６，１７，１８に接続される各相の入力端子１３，１４，１５にはバッテリ８０の直流電力を三相交流電動機１００の駆動用の三相交流電力に変換するインバータ７０のパワーケーブル６０が接続されている。パワーケーブル６０は外面が金属性のシールドで被覆されており、そのシールドはシールド接地線６２によって接地接続されている。
【００２４】
以上説明した本実施形態の三相交流電動機１００のステータ１０のＵ相の入力端子１３から第１コイル２１の第３ターンまでと、三相交流電動機１００の接地系統の等価回路を図５に示す。
【００２５】
図５に示すように、Ｕ相の入力端子１３に接続されたスリーブ線１６は、所定の抵抗と、インダクタンスＬ０を含んでいる。ただし、図５では抵抗の表示は省略している。同様に、Ｕ相の第１コイル２１の入力端子１３側の第１ターン２１１はインダクタンスＬ１１の被覆導線２１１ａとインダクタンスＬ１２の被覆導線２１１ｂとが直列に接続されたものとして表され、その外面に絶縁材である絶縁チューブ２２０が被せられている。同様に、第２ターン２１２はインダクタンスＬ２１の被覆導線２１２ａとインダクタンスＬ２２の被覆導線２１２ｂとが直列に接続されたもので表され、第３ターン２１３はインダクタンスＬ３１の被覆導線２１３ａとインダクタンスＬ３２の被覆導線２１３ｂとが直列に接続されたもので表されている。第１ターンの被覆導線２１１ａ，２１１ｂと第２ターンの被覆導線２１２ａ，２１２ｂとの間には容量Ｃ１２のコンデンサ２５１によって容量結合され、第２ターンの被覆導線２１２ａ，２１２ｂと第３ターンの被覆導線２１３ａ，２１３ｂとの間には容量Ｃ２３のコンデンサ２５２によって容量結合されている。
【００２６】
図４に示すパワーケーブル６０のシールド６１とシールド接地線６２とは一つの接地ケーブル６５として表されている。接地ケーブル６５はインダクタンスＬ１を有しており、容量Ｃ０のコンデンサ２３０によってスリーブ線１６と容量結合されている。また、ステータ１０のグランド部６７はそれぞれ所定のインダクタンスＬ１を持ち、各ターン２１１，２１２，２１３の各被覆導線２１１ａ，２１１ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，２１３ａ，２１３ｂとの間はそれぞれ容量Ｃ０１，Ｃ０２，Ｃ０３のコンデンサ２３１，２３２，２３３によって容量結合されている。
【００２７】
以上説明したような等価回路を持つステータ１０の入力端子１３から第１ターン２１１までの間のＬＣ共振の振動数ｆ１は、
ｆ１＝１／［２×π×√（（Ｌ０＋Ｌ１１＋Ｌ１２）×Ｃ１２）］−−−  （式１）
で表される。インバータ７０のスイッチング周波数とこのＬＣ共振の振動数ｆ１とが近い場合には、ＬＣ共振によるサージ電圧が大きくなってしまう。この場合、ＬＣ共振の振動数ｆ１をインバータ７０のスイッチング周波数よりも高い側に離調することがサージ電圧の低減に有効である。
【００２８】
図１に示すように、第１ターン２１１の被覆導線２１１ａ，２１１ｂの外側に絶縁チューブ２２０を被せると、第１ターン２１１の被覆導線２１１ａ，２１１ｂと第２ターン２１２の被覆導線２１２ａ，２１２ｂとの間の距離が大きくなることから、第１ターンの被覆導線２１１ａ，２１１ｂと第２ターン２１２の被覆導線２１２ａ，２１２ｂとの間の結合容量Ｃ１２が小さくなる。入力端子１３から第１ターン２１１までの間のＬＣ共振の振動数ｆ１は上記の式１によって計算できるので、Ｃ１２が小さくなると、絶縁チューブ２２０のない状態を示す図６の線ａから線ｂのように入力端子１３から第１ターン２１１までの間のＬＣ共振の振動数ｆ１は高い方に移動し、インバータ７０のスイッチング周波数よりも高い周波数に離調することができる。このようにＬＣ共振の振動数を高くすると絶縁チューブ２２０のない状態を示す図７の線ｃから線ｄに示すように、サージ電圧のピークが低下する。上記のように、第１ターン２１１の被覆導線２１１ａ，２１１ｂの外側に絶縁チューブを被せると、第１ターンの被覆導線２１１ａ，２１１ｂと第２ターン２１２の被覆導線２１２ａ，２１２ｂとの間の結合容量Ｃ１２は、中性点側の第２ターンの被覆導線２１２ａ，２１２ｂと第３ターン２１３の被覆導線２１３ａ，２１３ｂとの間の結合容量Ｃ２３よりも小さくなる。
【００２９】
また、入力端子１３から第２ターンまでの間のＬＣ共振の振動数ｆ２は、
ｆ２＝１／［２×π×√（（Ｌ０＋Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ２１＋Ｌ２２）
×（Ｃ１２＋Ｃ２３）］                    −−−（式２）
のように表されるので、通常入力端子１３から第２ターンまでの間のＬＣ共振の振動数ｆ２は、入力端子１３から第１ターン２１１までの間のＬＣ共振の振動数ｆ１よりも低くなるのでインバータ７０のスイッチング周波数に近くなることはない。しかし、入力端子１３から第２ターンまでの間のＬＣ共振の振動数ｆ２がインバータ７０のスイッチング周波数に近くなる場合には、第２ターン２１２の各被覆導線２１２ａ，２１２ｂの外側にも絶縁チューブ２２０を被せるようにしてもよい。
【００３０】
以上説明した実施形態は、ＬＣ共振振動数がインバータ７０のスイッチング周波数と近くなるターンにのみ絶縁チューブを被せることによってサージ電圧を低減することができるので、電動機の性能を低下させずに効果的にサージ電圧を低減することができる。また、本実施形態では、第１ターン２１１の被覆導線２１１ａ，２１１ｂの外側に絶縁チューブ２２０を被せることとして説明したが、絶縁チューブは伸縮性のあるものであってもよいし、第１ターン２１１の被覆導線２１１ａ，２１１ｂと第２ターン２１２の被覆導線２１２ａ，２１２ｂとの間の距離が大きくなるように被覆導線２１１ａ，２１１ｂの外側に絶縁紙などを巻きつけるようにしてもよい。
【００３１】
また、以上説明したような等価回路を持つステータ１０は、対地容量を考慮した場合、入力端子１３から第１コイル２１までの間のＬＣ共振の振動数ｆ３は、入力端子１３から第１コイル２１までのすべてのインダクタンスの合計ＡＬとすべての結合容量の合計ＡＣとを用いて、
ｆ３＝１／［２×π×√（（ＡＬ）×（ＡＣ）］        −−−−−−−  （式３）
ここで、ＡＬ＝Ｌ０＋Ｌ１１＋Ｌ１２＋・・Ｌ１＋２×Ｌ１０＋・・・  −  （式４）
ＡＣ＝Ｃ１２＋Ｃ０＋Ｃ０１＋Ｃ０２＋Ｃ０３・・・      −−−  （式５）
で表される。先に述べたと同様、インバータ７０のスイッチング周波数とこのＬＣ共振の振動数ｆ３とが近い場合には、ＬＣ共振によるサージ電圧が大きくなってしまう。この場合、ＬＣ共振の振動数ｆ３をインバータ７０のスイッチング周波数よりも高い側に離調するためには、第１コイル２１とステータ１０のグランド部６７との間の結合容量の合計（Ｃ０１＋Ｃ０２＋Ｃ０３・・）を低くなるようにしてＬＣ共振の振動数ｆ３を高くするようにしてもよい。
【００３２】
このためには、図４に示したように、Ｕ相の第１コイル２１の挿入されている第１スロット１２ａと第６スロット１２ｃの絶縁紙の厚さを厚くして第１コイル２１とステータコア１１との間の結合容量が低くなるようにしてもよい。この場合、図３に示すＶ相、Ｗ相の各第１コイル３１，４１の挿入される第５スロット１２ｂ、第１０スロット１２ｅ、第９スロット１２ｄ、第１４スロット１２ｆの各スロットの絶縁紙を厚くするようにする。各第１コイル２１，３１，４１よりも中性点５０側にある各第２コイル２２，３２，４２から各第８コイル２８，３８，４８は各第１コイル２１，３１，４１よりもＬＣ共振の振動数ｆ３が低くなるので、通常インバータ７０のスイッチング周波数と近い振動数となることはないが、これらのコイルのＬＣ共振の振動数がインバータ７０のスイッチング周波数と近くなる場合には、そのスロットに挿入される絶縁紙の厚さを厚くしてもよい。
【００３３】
この実施形態は、ＬＣ共振振動数がインバータ７０のスイッチング周波数と近くなるコイルの挿入されるスロットの絶縁紙だけを厚くすることによってサージ電圧を低減することができるので、電動機の性能を低下させずに効果的にサージ電圧を低減することができる。
【００３４】
また、絶縁紙を厚くすることと合わせてあるいは別に、ＬＣ共振振動数がインバータ７０のスイッチング周波数と近くなるコイルに含浸させるワニスの比誘電率を小さくしてそのコイルとステータコア１１との間の結合容量を小さくするようにしてもよい。この場合も先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ステータ、１１  ステータコア、１２、１２ａ〜１２ｆ  スロット、１３，１４，１５  入力端子、１６，１７，１８，２９，３９，４９  スリーブ線、２０，３０，４０  巻線、２１〜２８，３１〜３８，４１〜４８  コイル、５０  中性点、６０  パワーケーブル、６１  シールド、６２  シールド接地線、６５  接地ケーブル、６６  電動機接地線、６７  グランド部、７０  インバータ、８０  バッテリ、９１  絶縁紙、１００  三相交流電動機、２１１，２１２，２１３  ターン、２１１ａ，２１１ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，２１３ａ，２１３ｂ  被覆導線、２２０  絶縁チューブ、２３０，２３１，２３２，２３３，２５１，２５２  コンデンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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