(57)【要約】【課題】高極時においてもトルクの発生効率を悪化させることなく、かつコイルエンドを小型化することができる極数切り替え型の回転電機を得る。【解決手段】固定子は、極毎および相毎に２以上の固定子スロットを有し、固定子スロットを４往復以上するコイルにおいて、第１スロットを通ったコイルは、第１スロットから周方向にｐ個のスロット分離間した第２スロットを通り、続いて、第１スロットの第２スロット側に隣接する第３スロットを通り、次に、第２スロットの第３スロットとは反対側に隣接する第４スロットを通るように接続されている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子スロットが機械角方向に等間隔に配置された固定子と、前記固定子スロットに格納された固定子コイルに流れる電流が発生する起磁力により回転する回転子と、を備え、ｎ群のｍ相インバータにより（ここで、ｎ、ｍは自然数である）、前記固定子コイルに流す電流の位相を変化させることで、極数を切り替えて駆動する回転電機であって、
前記固定子は、極毎および相毎に２以上の前記固定子スロットを有し、
前記固定子スロットを４往復以上するコイルにおいて、第１スロットを通ったコイルは、前記第１スロットから周方向にｐ個のスロット分離間した第２スロットを通り（ここで、ｐは自然数である）、続いて、前記第１スロットの前記第２スロット側に隣接する第３スロットを通り、次に、前記第２スロットの前記第３スロットとは反対側に隣接する第４スロットを通るように接続されている
回転電機。
【請求項２】
前記ｎ群のｍ相インバータのうち、何れかのインバータに接続される複数の相に跨って連続したコイルを有する
請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
固定子スロットが機械角方向に等間隔に配置された固定子と、前記固定子スロットに格納された固定子コイルに流れる電流が発生する起磁力により回転する回転子と、を備え、ｎ群のｍ相インバータにより（ここで、ｎ、ｍは自然数である）、前記固定子コイルに流す電流の位相を変化させることで、極数を切り替えて駆動する回転電機の固定子の製造方法であって、
前記固定子は、極毎および相毎に２以上の前記固定子スロットを有し、
前記固定子スロットを４往復以上するコイルにおいて、
第１スロットを通ったコイルを、前記第１スロットから周方向にｐ個のスロット分離間した第２スロットに通すステップと（ここで、ｐは自然数である）、
このコイルを、前記第１スロットの前記第２スロット側に隣接する第３スロットに通すステップと、
このコイルを、前記第２スロットの前記第３スロットとは反対側に隣接する第４スロットに通すステップと、を有する
回転電機の固定子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、極数を切り替えて駆動する極数切り替え型の回転電機に関し、特に回転電機の固定子の構造および固定子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド車等に使用される回転電機として、広い回転域にわたって高トルク、高出力特性を確保するために、極数を切り替えて駆動する極数切り替え型の回転電機が知られている。
【０００３】
このような極数切り替え型の回転電機として、６個のコイルを６０°毎に配設するとともに、相互に向かい合うコイル同士を、極性が同一となるように接続して１相分の巻線とし、このように構成した３組の三相巻線の端子に印加する電源電圧の相順を切り替えることで、極数を切り替えるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１８３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
すなわち、特許文献１に記載の極数切り替え型の回転電機では、固定子の磁束密度分布が周方向に高い周波数分布となる高極時において、１極対あたりの固定子スロットに用いられる電流位相の数である電流位相自由度が３となるため、巻線係数が低下してトルクの発生効率が悪化するとともに、端末線の数が多く、コイルエンドが大型化するという問題がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高極時においてもトルクの発生効率を悪化させることなく、かつコイルエンドを小型化することができる極数切り替え型の回転電機および回転電機の固定子の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る回転電機は、固定子スロットが機械角方向に等間隔に配置された固定子と、固定子スロットに格納された固定子コイルに流れる電流が発生する起磁力により回転する回転子と、を備え、ｎ群のｍ相インバータにより（ただし、ｎ、ｍは自然数である）、固定子コイルに流す電流の位相を変化させることで、極数を切り替えて駆動する回転電機であって、固定子は、極毎および相毎に２以上の固定子スロットを有し、固定子スロットを４往復以上するコイルにおいて、第１スロットを通ったコイルは、第１スロットから周方向にｐ個のスロット分離間した第２スロットを通り（ただし、ｐは自然数である）、続いて、第１スロットの第２スロット側に隣接する第３スロットを通り、次に、第２スロットの第３スロットとは反対側に隣接する第４スロットを通るように接続されているものである。
【０００８】
また、この発明に係る回転電機の固定子の製造方法は、固定子スロットが機械角方向に等間隔に配置された固定子と、固定子スロットに格納された固定子コイルに流れる電流が発生する起磁力により回転する回転子と、を備え、ｎ群のｍ相インバータにより、固定子コイルに流す電流の位相を変化させることで、極数を切り替えて駆動する回転電機の固定子の製造方法であって、固定子は、極毎および相毎に２以上の固定子スロットを有し、固定子スロットを４往復以上するコイルにおいて、第１スロットを通ったコイルを、第１スロットから周方向にｐ個のスロット分離間した第２スロットに通すステップと、このコイルを、第１スロットの第２スロット側に隣接する第３スロットに通すステップと、このコイルを、第２スロットの第３スロットとは反対側に隣接する第４スロットに通すステップと、を有するものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る回転電機および回転電機の固定子の製造方法によれば、固定子は、極毎および相毎に２以上の固定子スロットを有し、固定子スロットを４往復以上するコイルにおいて、第１スロットを通ったコイルは、第１スロットから周方向にｐ個のスロット分離間した第２スロットを通り、続いて、第１スロットの第２スロット側に隣接する第３スロットを通り、次に、第２スロットの第３スロットとは反対側に隣接する第４スロットを通るように接続されている。
そのため、高極時においてもトルクの発生効率を悪化させることなく、かつコイルエンドを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機を適用した駆動システムにおける回転電機とインバータとの接続を示す概要図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機における高極時の固定子コイルの電流位相配置を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機における低極時の固定子コイルの電流位相配置を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機を適用した駆動システムにおいて、インバータから供給される電流位相順を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機の内部における巻線の接続を１群インバータとともに示す模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機における固定子コイルの配置順序を示す模式図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る極数切り替え型の回転電機の内部における巻線の接続を１群インバータとともに示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明に係る回転電機および回転電機の固定子の製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００１２】
なお、下記の実施の形態では、回転電機が誘導電動機である場合を例に挙げて説明するが、回転磁界を有する回転電機であればその種類を限定する必要はない。そのため、この発明は、永久磁石型同期回転機や界磁巻線型同期回転機にも適用することができる。
【００１３】
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機の構成について説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機の断面図である。図１において、回転電機１は、固定子６および回転子１０を備えている。また、回転電機１は、図示しないｎ群で構成されるｍ相インバータにより駆動される。
【００１４】
ここで、固定子６は、円筒形をしており、固定子６の内周には、スロット番号＃１〜＃４８で識別される４８個の固定子スロット８が、機械角方向に等間隔に配置されている。また、固定子スロット８には、固定子コイル９が格納されている。また、隣り合う固定子スロット８間には、固定子ティース７が形成されている。
【００１５】
また、回転子１０は、円柱形をしており、回転子鉄心１１を有している。回転子１０は、固定子６の内側において、シャフト穴１４を通るシャフトを回転軸として、固定子コイル９に流れる電流が発生する起磁力により回転する。回転子１０の外周には、回転子スロット１２が機械角方向に等間隔に配置され、回転子スロット１２には、二次導体１３が格納される。固定子６と回転子１０との間には、回転空隙１５が存在する。
【００１６】
図２は、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機を適用した駆動システムにおける回転電機とインバータとの接続を示す概要図である。図２において、この駆動システムは、回転電機１、インバータ２１〜２４およびインバータ２１〜２４の制御部３を備えている。４つの群からなる３相インバータ２１〜２４は、回転電機１の対応する固定子コイル９に対して、図示しない電源から電流を供給する。また、インバータ２１〜２４は、制御部３により制御される。
【００１７】
ここで、回転電機１の固定子コイル９は、図２に示すように４群×３相＝１２の引出口を有しており、４群３相のインバータ２１〜２４から、それぞれ対応する群および相（以下、「電流位相」と称する）の電流が供給される。
【００１８】
すなわち、固定子コイル９の第１群Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は、１群インバータ２１に接続され、第２群Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、２群インバータ２２に接続され、第３群Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３は、３群インバータ２３に接続され、第４群Ｕ４、Ｖ４、Ｗ４は、４群インバータ２４に接続されている。
【００１９】
また、第１群Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の隣り合う電流位相は、互いに３６０°／３＝１２０°の位相差を有している。このとき、第２群Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２、第３群Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３、および第４群Ｕ４、Ｖ４、Ｗ４についても同様である。
【００２０】
また、制御部３は、ハードウェアとして、プログラムが保存された記憶部４と、記憶部４に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ５とを備えている。制御部３は、例えば、システムＬＳＩ等の処理回路として実現される。
【００２１】
記憶部４は、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶部と、フラッシュメモリまたはハードディスク等の不揮発性の補助記憶部とを有している。
【００２２】
また、プロセッサ５は、記憶部４に保存されたプログラムを実行する。記憶部４が揮発性記憶部と補助記憶部とを具備するため、プロセッサ５は、補助記憶部から揮発性記憶部を介してプログラムを入力する。
【００２３】
なお、プロセッサ５は、演算結果等のデータを記憶部４の揮発性記憶部に出力してもよいし、揮発性記憶部を介して補助記憶部にデータを保存してもよい。
【００２４】
また、制御部３は、複数のプロセッサ５および複数の記憶部４が連携して上記機能を実行してもよいし、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。また、複数のプロセッサ５および複数の記憶部４と、複数の処理回路との組み合わせにより連携して上記機能を実行してもよい。
【００２５】
図３は、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機における高極時の固定子コイルの電流位相配置を示す模式図であり、ここでは８極における２極対分の電流位相配置を示している。また、図４は、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機における低極時の固定子コイルの電流位相配置を示す模式図であり、ここでは４極における１極対分の電流位相配置を示している。
【００２６】
固定子６には、固定子スロット数＝４８の固定子スロット８が機械角方向に７．５度の等間隔に配置され、固定子スロット８には、固定子コイル９が格納されている。また、隣り合う固定子スロット８間には、固定子ティース７が形成されている。
【００２７】
固定子スロット８は、固定子６の外径側、いわゆる上口と内径側、いわゆる下口とに分割され、固定子６の上口と下口とには、２種の固定子コイル９が重なるように配置されて２層重ね巻を構成している。
【００２８】
インバータ２１〜２４の制御部３は、固定子コイル９に流れる電流の電流位相配置が、高極時、低極時に、それぞれ図３、図４に示す電流位相配置となるように、固定子コイル９に流す電流位相を制御する。なお、図３、図４において下線が記された電流位相は、下線が記されていない電流位相に対して固定子コイル９の巻線方向が反転していることを意味している。
【００２９】
具体的には、制御部３は、高極駆動時の極数が、低極駆動時の極数の２倍となり、１極対当りの固定子スロット８に用いられる異なる電流位相の数が、高極駆動時と低極駆動時とで等しく、群数ｎ×相数ｍ／２＝６となるように、固定子コイル９に流れる電流の電流位相を制御している。
【００３０】
なお、図３には、高極時において極ピッチおよびコイルピッチがともに６スロットピッチの全節巻きとなるように格納された固定子６を示しているが、この実施の形態１の固定子６は、必ずしもこのような構成に限定されるものではない。この実施の形態１では、１極対当りの固定子スロット８に用いられる電流位相の数である電流位相自由度が、高極時において群数ｎ×相数ｍ／２＝６となっており、低極時において群数ｎ×相数ｍ＝１２となっていればよい。
【００３１】
この結果、図３、図４では、２つの固定子スロット８毎に１電流位相分の固定子コイル９が格納されていることから、高極時には、１２の固定子スロット８により１極対が形成され、低極時には、２４の固定子スロット８により１極対が形成される。
【００３２】
次に、図５を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機を適用した駆動システムの動作について説明する。図５は、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機を適用した駆動システムにおいて、インバータから供給される電流位相順を示す説明図である。
【００３３】
この駆動システムにおいて、高極から低極へと切り替える際、インバータ２１〜２４は、図５に示されるように、電流位相順を、Ｕ１のコイルに流す電流の位相を基準とした位相に変更すればよい。すなわち、図３、図４に示す電流位相配置は、図２に示す４群３相のインバータ２１〜２４と回転電機１との巻線配置、およびインバータ２１〜２４の位相を制御することによって、巻線切り替え機構を用いることなく実現することができる。
【００３４】
ここで、上述した図３において、Ｕ１と記載した箇所は、すべて同一の相から構成されており、下線が記されていない電流位相に紙面方向表から裏に電流が流れるとき、下線が記された電流位相について、紙面方向裏から表に電流が流れるものとする。なお、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２、Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３、Ｕ４、Ｖ４、Ｗ４についても同様にすべて同一の相から構成されているものとする。
【００３５】
続いて、図６を参照しながら、回転電機１の内部におけるＵ１、Ｖ１、Ｗ１の接続方法について説明する。図６は、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機の内部における巻線の接続を１群インバータとともに示す模式図である。
【００３６】
図６において、Ｕ１のコイルの一端は、１群インバータ２１に接続され、他端は、１群の中性点Ｎ１に接続される。また、Ｖ１のコイルの一端は、１群インバータ２１に接続され、他端は、１群の中性点Ｎ１に接続される。また、Ｗ１のコイルの一端は、１群インバータ２１に接続され、他端は、１群の中性点Ｎ１に接続される。
【００３７】
次に、上述した図３を参照しながら、固定子コイルの電流位相配置および結線について説明する。図３において、１群インバータ２１に接続されるＵ１のコイルは、＃１および＃２のスロット、並びに＃２５および＃２６のスロットに下口が収納され、＃７および＃８のスロット、並びに＃３１および＃３２のスロットに上口が収納される。
【００３８】
この実施の形態１において、固定子６には、４８個の固定子スロット８が設けられており、１つの固定子スロット８には、４本の導体が収納される。すなわち、上口および下口のそれぞれについて２本ずつに分かれており、スロット内には、１つのコイルの下口の２本の導体と、このコイルとは異なる１つのコイルの上口の２本の導体が収納される。
【００３９】
このとき、１つのコイルを見ると、例えば、１つ目のコイルについては、１番目のスロットおよび６スロットピッチ離間した７番目のスロットにおいて、同一のコイルがそれぞれ上口および下口に収納されることになる。このようなコイルが周方向にスロット数と同数、すなわち、４８個収納される。
【００４０】
続いて、図７を参照しながら、固定子コイルの具体的な配置について説明する。図７は、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機における固定子コイルの配置順序を示す模式図である。なお、図７において、実線は紙面手前側のコイルエンドを示し、点線は紙面奥側のコイルエンドを示している。
【００４１】
図７において、径方向に４層にわたって配置されたコイルは、１群インバータ２１に接続されるコイルが、＃１のスロットの４番線に配置される。また、このコイルは、紙面奥側のコイルエンドを通じて、＃７のスロットの２番線に接続される。
【００４２】
また、このコイルは、紙面手前側のコイルエンドを通じて、再び＃１のスロットの３番線に接続される。また、このコイルは、紙面奥側のコイルエンドを通じて、再び＃７のスロットの１番線に接続される。
【００４３】
次に、このコイルは、紙面手前側のコイルエンドを通じて、２つ目のコイルである、＃２のスロットの４番線に接続される。また、この２つ目のコイルは、紙面奥側のコイルエンドを通じて、＃８のスロットの３番線に接続される。
【００４４】
また、この２つ目のコイルは、紙面手前側のコイルエンドを通じて、再び＃２のスロットの３番線に接続される。また、この２つ目のコイルは、紙面奥側のコイルエンドを通じて、再び＃８のスロットの１番線に接続される。このように、図７に記載する順序でコイルを接続することで、２つ目のコイルの中性点Ｎ１側の端末は、＃８のスロットの１番線に配置される。
【００４５】
ここで、Ｕ１を構成する４つのコイルが直列に配置される場合には、＃８のスロットの１番線と＃２５のスロットの４番線とを接続し、＃１、＃２、＃７、＃８のスロットに収められるコイルと同様の接続をすることで、＃３２のスロットの１番線へとつながる。これを１群の中性点Ｎ１に接続する。
【００４６】
このように接続することで、８つのスロットに挿入されるＵ１のコイルのうち、周方向に離間している＃８のスロットと＃２５のスロットとの間を接続する線が１本となり、コイルエンドにおいて銅の量を少なくすることができる。そのため、コイルエンドの小型化を実現するとともに、抵抗値を下げて銅損を低減し、効率のよい回転電機を実現することができる。
【００４７】
以上のように、実施の形態１によれば、固定子スロットを４往復以上するコイルにおいて、第１スロットを通ったコイルは、第１スロットから周方向にｐ個のスロット分離間した第２スロットを通り、続いて、第１スロットの第２スロット側に隣接する第３スロットを通り、次に、第２スロットの第３スロットとは反対側に隣接する第４スロットを通るように接続されている。
そのため、高極時においてもトルクの発生効率を悪化させることなく、かつコイルエンドを小型化することができる。
【００４８】
すなわち、この発明の実施の形態１に係る極数切り替え型の回転電機は、通電により起磁力を発生するコイルを有する固定子を備え、高極時に発生する固定子磁束密度分布が２ｎ極であり、低極時に発生する固定子磁束密度分布がｎ極であることを特徴としている。また、４群の３相インバータに接続され、それぞれのインバータの電流位相を変化させることで、極数を切り替えられるようになっている。
【００４９】
このとき、コイルは、毎極毎相２以上となっており、スロットを４往復以上するコイルにおいて、第１スロットを通ったコイルは、ｐ個のスロット分周方向に離間した第２スロットを通り、第１スロットに隣接した第３スロットを通り、第２スロットに隣接した第４スロットを通るよう接続され、周方向に離間した位置に同様の構造を備えている。
【００５０】
これにより、電流位相自由度を大きくすることで、より高い巻線係数を得ることができ、かつ４つのインバータを持つことにより、巻線の端末が非常に多くなるにもかかわらず、小型なコイルエンドをもつ回転電機を得ることができる。
【００５１】
実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係る極数切り替え型の回転電機の内部における巻線の接続を１群インバータとともに示す模式図である。なお、図８において、実線は紙面手前側のコイルエンドを示し、点線は紙面奥側のコイルエンドを示している。
【００５２】
この実施の形態２では、コイルＵ１とコイルＶ１との接続部の構成が、上記実施の形態１と異なる。図８において、上述した図６に示されるコイルＵ１の中性点Ｎ１側の端末が、＃４０のスロットに収められるコイルＶ１の１番線と連続して巻かれている。これにより、さらに端末線の数を減らすことができる。
【００５３】
なお、＃４８のスロットに収められるコイルＷ１の１番線と、コイルＵ１およびコイルＶ１との接続部は、後工程で溶接や圧着などによって接合され、図６に示す回転電機の結線を構成することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１  回転電機、３  制御部、４  記憶部、５  プロセッサ、６  固定子、７  固定子ティース、８  固定子スロット、９  固定子コイル、１０  回転子、１１  回転子鉄心、１２  回転子スロット、１３  二次導体、１４  シャフト穴、１５  回転空隙、２１〜２４  インバータ。
【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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【図８】
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