(57)【要約】【課題】コイルの巻数を増加させることなくモータの小型化及びコストダウンが可能なモータシステムを提供することを目的とする。【解決手段】ステータコア２をもつモータと、そのモータを駆動させる駆動回路３とを備えるモータシステム１において、駆動回路３からモータの駆動用電力が供給される１次側コイル４と、モータのステータコア２に設けられるコイル５に接続される２次側コイル６とを有する変圧器７とを備える。【選択図】図１
2009044892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、そのモータを駆動させる駆動回路とを備えるモータシステムであって、
前記駆動回路から前記モータの駆動用電力が供給される１次側コイルと、前記モータのステータコアに設けられるコイルに接続される２次側コイルと、前記１次側コイルと２次側コイルが巻かれるコアとを有する変圧器を備える、
ことを特徴とするモータシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のモータシステムであって、
前記ステータコアに設けられるコイルは、セグメントコイルである、
ことを特徴とするモータシステム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のモータシステムであって、
前記変圧器を冷却する冷却手段を備える、
ことを特徴とするモータシステム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータシステムであって、
前記変圧器のコアのギャップを調整するギャップ調整手段を備える、
ことを特徴とするモータシステム。
【請求項５】
駆動用電力が供給される１次側コイルと、モータのステータコアに設けられるコイルに接続される２次側コイルと、前記１次側コイルと２次側コイルが巻かれるコアを有する変圧器を備える、
ことを特徴とするモータ。
【請求項６】
請求項５に記載のモータであって、
前記ステータコアに設けられるコイルは、セグメントコイルである、
ことを特徴とするモータ。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載のモータであって、
前記変圧器を冷却する冷却手段を備える、
ことを特徴とするモータ。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のモータであって、
前記変圧器のコアのギャップを調整するギャップ調整手段を備える、
ことを特徴とするモータ。
【請求項９】
モータを駆動させる駆動回路であって、
駆動用電力が供給される１次側コイルと、前記モータのステータコアに設けられるコイルに接続される２次側コイルと、前記１次側コイルと２次側コイルが巻かれるコアを有する変圧器を備える、
ことを特徴とする駆動回路。
【請求項１０】
請求項９に記載の駆動回路であって、
前記変圧器を冷却する冷却手段を備える、
ことを特徴とする駆動回路。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の駆動回路であって、
前記変圧器のコアのギャップを調整するギャップ調整手段を備える、
ことを特徴とする駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータやそのモータを駆動する駆動回路などを備えるモータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内転型のいわゆる誘導電動機や同期電動機といったモータについて、小型化及びコストダウンを図るために、例えば、同一のモータ出力をより小型のステータコアで得ることが考えられる。同一のモータ出力をより小型のステータコアで得るための構成としては、例えば、モータのステータコアのスロットの断面積に対するスロット内のコイルの断面積の占積率（以下、単に占積率という）を上げることが考えられる。占積率を上げるための構成としては、例えば、ステータコアのスロット内に設けられるコイルとしてセグメントコイルを採用することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、同一のモータ出力をより小型の駆動回路で得るための構成としては、例えば、コイルの巻数を多くして、モータへの入力電流を抑えることが考えられる。コイルの巻数を多くして、モータへの入力電流を抑えることにより、モータ出力を保ったまま細い配線を使用したり、電流容量の小さな素子を使用することができる。これにより、駆動回路の小型化及びコストダウンを図ることができる。
【特許文献１】特開２００６−１６６５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、コイルの巻数を多くする場合は、セグメントコイルの採用がし難くなってしまうという問題がある。
図８は、ステータコアの構造を示す図である。
【０００５】
図８に示すように、積層型のステータコア８０のスロット内にコイルを設けると、ステータコア８０から出るコイル部分、すなわち、コイルエンド８１が生じてしまう。そのため、モータ全体の厚さであるステータ厚さは、ステータコア８０の積層厚さよりも厚くなる。なお、図８においてコイルエンド８１は、その外形を模式的に示している。
【０００６】
図９は、図８に示すステータコア８０を矢印方向から見た図である。なお、図８に示す構成と同じ構成には同じ符号を付す。
図９に示すように、コイルエンド８１は、ステータコア８０の各スロット内にそれぞれ設けられるコイル同士を電気的につなぐ渡り線の役割を果たすものであって、モータのトルクに寄与しない。なお、図９においてコイルエンド８１はその渡り線を模式的に示すものであり、実際の形状とは異なる。
【０００７】
上述したように、コイルの巻数を多くする場合は、セグメントコイルの採用がし難くなるため、セグメントコイルよりも細い導線をコイルとしてステータコア８０のスロットに何回も巻く必要がある。そのため、図１０に示すように、セグメントコイルよりも細い導線をコイルとしてステータコア８０のスロットに何回も巻く場合は、セグメントコイルを採用する場合に比べて、相毎のコイルエンド８１（Ｕ相コイルエンド８１、Ｖ相コイルエンド８１、Ｗ相コイルエンド８１）を互いに重ねる必要があるため、コイルエンド８１全体が大きくなり、モータの小型化及びコストダウンが望めないという問題がある。また、セグメントコイルよりも細い導線をコイルとしてステータコアのスロットに何回も巻く場合は、図１１に示すように、ステータコア８０のスロット８２内のコイル８３間のデッドスペースが大きくなり、占積率が下り、モータの小型化及びコストダウンが望めないという問題もある。また、占積率が下ると、コイル８３に流れる電流の密度が高くなるため、コイル８３が発熱してモータの最大トルクが制限されてしまうという問題もある。
【０００８】
また、コイル８３の巻数を多くする場合は、コイル８３にかかる電圧が高くなる。そのため、図１０に示すように、相毎のコイル８３間に設けられる絶縁紙８４やスロット８２とコイル８３との間に設けられる絶縁紙８４を厚くするなど絶縁耐圧対策を余計に行う必要があるので、モータの製造が困難になり、モータ製造の歩留まりが低下するという問題がある。また、コイル８３にかかる電圧が高くなると、コイルエンド８１においてステータコア８０とコイル８３との間の空間距離を広くする必要があり、モータの大型化及びコストアップにつながってしまうという問題がある。また、コイル８３にかかる電圧が高くなると、スロット８２内の絶縁紙８４を厚くする必要があるため、占積率が低下し、モータの大型化及びコストアップにつながってしまうという問題がある。
【０００９】
また、コイル８３の巻数を多くする場合は、コイル８３の放熱性が低下し、放熱対策が困難になるという問題がある。
また、コイル８３の巻数を多くする場合は、ステータコア８０のスロット開口幅を確保する必要があるため、モータのトルクリプルの増大につながってしまうという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、ステータコアに設けられるコイルの巻数を増加させることなくモータの小型化及びコストダウンが可能なモータシステム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】
【００１１】
上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明のモータシステムは、モータと、そのモータを駆動させる駆動回路とを備えるモータシステムであって、前記駆動回路から前記モータの駆動用電力が供給される１次側コイルと、前記モータのステータコアに設けられるコイルに接続される２次側コイルと、前記１次側コイルと２次側コイルが巻かれるコアとを有する変圧器を備える。
【００１２】
このように構成されるモータシステムによれば、同一のモータ出力を保ったまま、２次側コイルの巻数を１次側コイルの巻数よりも少なくすることができるので、同一のモータ出力を保ったまま、ステータコアのスロットに設けられるコイルの巻数を少なくさせることができる。これにより、同一のモータ出力をより小型のステータコアで得ることができるので、ステータコアのスロットに設けられるコイルの巻数を増加させることなくモータの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００１３】
また、上記ステータコアのスロットに設けられるコイルをセグメントコイルとしてもよい。
上述したように、２次側コイルの巻数を１次側コイルの巻数よりも少なくすることができるため、ステータコアのスロットに設けられるコイルとしてセグメントコイルを採用することができる。これにより、占積率を上げることができ、さらにモータの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００１４】
また、上記モータシステムは、前記変圧器を冷却する冷却手段を備えるように構成してもよい。
また、上記モータシステムは、前記変圧器のコアのギャップを調整するギャップ調整手段を備えるように構成してもよい。
【００１５】
また、本発明の範囲は、上記モータまたは上記駆動回路まで及ぶものとする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、モータのステータコアに設けられるコイルの巻数を増加させることなくモータの小型化及びコストダウンが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施形態のモータシステムを示す図である。
図１（ａ）に示すモータシステム１は、ステータコア２を有する３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）モータと、その３相モータを駆動させる駆動回路３と、その駆動回路３から３相モータの駆動用電力が供給される１次側コイル４（Ｕ相：４−１、Ｖ相：４−２、Ｗ相：４−３）と、ステータコア２のスロットに設けられるコイル５（Ｕ相：５−１、Ｖ相：５−２、Ｗ相：５−３）に接続される２次側コイル６（Ｕ相：６−１、Ｖ相：６−２、Ｗ相：６−３）とを有する変圧器７（Ｕ相：７−１、Ｖ相：７−２、Ｗ相：７−３）と、変圧器７を冷却する冷却機構８（冷却手段）とを備えて構成されている。なお、冷却機構８は、空冷式冷却機構（例えば、ファン）や水冷式冷却機構など特に限定されない。また、図１（ａ）に示すコイル５−１〜５−３は、ステータコア２の各スロットに分布巻きされているが、集中巻きされていてもよい。また、１次側コイル４、コイル５、及び２次側コイル６は、例えば、銅線で構成されるものとする。
【００１８】
上記１次側コイル４−１、４−２、及び４−３は、それぞれ、一方端が駆動回路３のＵ相出力、Ｖ相出力、及びＷ相出力と接続され、他方端が互いに接続されている（図１（ａ）に示すＡ点）。なお駆動回路３は各相において上アームと下アームにそれぞれスイッチング素子が配置された三相ブリッジインバータ回路であり、図示しない指令信号によりスイッチング素子を制御して、モータを駆動させる三相交流を出力するものである。
【００１９】
上記２次側コイル６−１、６−２、及び６−３は、それぞれ、一方端がコイル５−１、５−２、及び５−３のそれぞれの一方端に接続され、他方端が互いに接続されている（図１（ａ）または図１（ｂ）に示すＢ点）。すなわち、図１（ｂ）に示すように、２次側コイル６−１の一方端はコイル５−１の一方端に接続され、２次側コイル６−２の一方端はコイル５−２の一方端に接続され、２次側コイル６−３の一方端はコイル５−３の一方端に接続されている。また、上記コイル５−１〜５−３のそれぞれの他方端は互いに接続されている（図１（ａ）または図１（ｂ）に示すＣ点）。このように本実施の形態ではＣ点にてスター結線をしているが、デルタ結線を採用しても良い。
【００２０】
図２は、変圧器７を示す図である。なお、変圧器７−１〜７−３のそれぞれの構成は図２に示す変圧器７と同じ構成であるものとする。
図２に示す変圧器７のコア９には、１次側コイル４が１３回巻かれ、２次側コイル６が２回巻かれている。なお、図２の破線矢印は、１次側コイル４に図２に示す方向の電流Ｉ１を流したときのコア９に生じる磁束の向きを示している。
【００２１】
例えば、１次側コイル４の巻数をＮ１、２次側コイル６の巻数をＮ２、１次側コイル４に流れる電流をＩ１、１次側コイル４にかかる電圧をＶ１、２次側コイル６に流れるＩ２、２次側コイル６にかかる電圧Ｖ２とすると、Ｉ１＝（Ｎ２／Ｎ１）×Ｉ２、Ｖ１＝（Ｎ１／Ｎ２）×Ｖ２という式が成り立つ。
【００２２】
これらの式において、Ｎ１とＮ２の大小関係をＮ１＞Ｎ２にすることにより、１次側コイル４に流れる電流Ｉ１を電流Ｉ２より低電流に、１次側コイル４にかかる電圧Ｖ１を電圧Ｖ２より高電圧にすることができる。そのため、図１に示すように、駆動回路３側を高電圧、低電流型の回路で構成することができる。また、Ｎ１＞Ｎ２にすることにより、２次側コイル６に流れる電流Ｉ２を電流Ｉ１より大電流に、２次側コイル６にかかる電圧Ｖ２を電圧Ｖ１より低電圧にすることができる。そのため、図１に示すように、コイル５に流れる電流を大電流に、コイル５にかかる電圧を低電圧にすることができる。
【００２３】
従って、本実施形態のモータシステム１によれば、同一のモータ出力を保ったまま、２次側コイル６の巻数を１次側コイル４の巻数よりも少なくすることができるので、同一のモータ出力を保ったまま、コイル５の巻数を少なくさせることができる。これにより、同一のモータ出力をより小型のステータコア２で得ることができるので、コイル５の巻数を増加させることなくモータの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００２４】
また、本実施形態のモータシステム１によれば、コイル５にかかる電圧が低電圧になるため、ステータコア２とコイル５の間やスロット毎のコイル５間の絶縁耐圧対策が簡易となり、さらにモータの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００２５】
また、本実施形態のモータシステム１によれば、コイル５にかかる電圧が低電圧になるため、ステータコア２のスロット内の絶縁紙を薄くすることができるため、さらに占積率が向上し、モータの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００２６】
また、本実施形態のモータシステム１によれば、コイル５にかかる電圧が低電圧になるため、ステータコア２とコイル５との間の空間距離を、図１０に示すステータコア８０とコイル８３との間の空間距離よりも狭くすることができる。これにより、コイルエンドを小さくすることができるので、さらにモータの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００２７】
また、本実施形態のモータシステム１によれば、モータの外部に露出している変圧器７を介してコイル５を、図１０に示すように、ステータコア８０のスロット内やコイルエンド８１においてコイル８３が密集している場合に比べて、効率よく冷却することができる。これにより、コイル５の許容電流密度を上げることができるので、ステータコア２のティース幅を、図１１に示すステータコア８０のティース幅に比べて広くすることができ、モータのトルク特性の向上やモータの鉄損の低減を図ることができる。
【００２８】
また、本実施形態のモータシステム１のデッドスペースに変圧器７を配置することにより、モータシステム１全体の小型化を図ることができる。
また、本実施形態のモータシステム１によれば、コイル５の巻数を低減することができるので、モータの極数が多くなってもモータの製造が容易である。
【００２９】
また、本実施形態のモータシステム１によれば、駆動回路３に流れる最大電流を小さくすることができるため、駆動回路３に使用される配線を細くすることができる。これにより、駆動回路３を構成する素子のコストを低減することができたり、駆動回路３の出力の損失を低減することができる。
【００３０】
図３は、コイル５−１〜５−３としてセグメントコイルを採用したときのステータコア２を示す図である。なお、図３に示す例では、コイル５−１〜５−３のそれぞれの巻数が１回のものを示している。
【００３１】
図３に示すように、コイル５−１〜５−３をそれぞれステータコア２の所定のスロットに設ける場合、コイル５−１〜５−３は、それぞれ、スロット１０内において絶縁紙１１によりステータコア２と絶縁されると共に、コイルエンドにおいて絶縁紙１１により互いに絶縁される。
【００３２】
このように、コイル５−１〜５−３としてセグメントコイルを採用することにより、コイル５−１〜５−３が互いに重ならないので、図１０に示すように、セグメントコイルを採用しない場合に比べて、コイルエンドを小さくすることができるため、さらにモータの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００３３】
また、コイル５−１〜５−３としてセグメントコイルを採用することにより、図４に示すように、スロット１０内のデッドスペースを少なくすることができる。そのため、セグメントコイルを採用する場合は、セグメントコイルを採用しない場合に比べて、占積率を上げることができる。
【００３４】
また、占積率を上げることができるため、コイル５の電流密度を低減させることができ、コイル５の発熱を抑えることができる。そのため、モータを冷却するための冷却機構を省略することができる分、モータの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００３５】
また、コイル５としてセグメントコイルを採用することにより、スロット１０の開口幅を、図１１に示すスロット８２の開口幅に比べて狭く、または、無くすことができるので、モータのトルクリプルを低減することができる。
【００３６】
図５は、他の構成の変圧器７を示す図である。
図５に示す変圧器７では、コア９が、１次側コイル４が巻かれるコア９−１（第１のコア）と、２次側コイル６が巻かれるコア９−２（第２のコア）とに分割されて構成されている。そして、コア９−１とコア９−２とが不図示のアクチュエータにより１次側コイル４または２次側コイル６の巻き方向（上下方向）に相対的にずらすことが可能な構成になっている。なお、コア９−１、９−２は、他の方向に相対的にずらされてもよい。
【００３７】
これにより、コア９−１とコア９−２とが対向する部分の面積を調整することができるため、コア９全体の磁気抵抗を制御することができる。そのため、モータの高速回転時の弱め磁界の制御を行うことができるため、モータの運転範囲を拡大することができる。
【００３８】
図６は、さらに他の構成の変圧器７を示す図である。なお、図５に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。
図６に示す変圧器７では、コア９−１とコア９−２とが不図示のアクチュエータにより１次側コイル４と２次側コイル６とを近づけたり、離したりすることが可能な構成になっている。
【００３９】
これにより、コア９−１とコア９−２とのギャップ長を調整することができるため、コア９全体の磁気抵抗を制御することができる。そのため、図５に示す変圧器７と同様に、モータの高速回転時の弱め磁界の制御を行うことができるため、モータの運転範囲を拡大することができる。
【００４０】
図７は、さらに他の構成の変圧器７を示す図である。
図７に示す変圧器７では、コア９−１の一方端とコア９−２の一方端とが接続され、コア９全体としてコの字型に形成されている。コア９−１とコア９−２とのギャップにおいて、アクチュエータ１２によりコア９−３が挿入されたり引き出されることが可能な構成になっている。アクチュエータ１２は、例えば、モータ１２−１と、支柱１２−２とを備えており、モータ１２−１によりネジが切られた支柱１２−２が回転すると、その支柱１２−２の先端部において、内部にネジが切られたコア９−３が上下動する機構になっているものとする。
【００４１】
これにより、図６に示す変圧器７と同様に、コア９−１とコア９−２とのギャップ長を調整することができるため、コア９全体の磁気抵抗を制御することができる。そのため、モータの高速回転時の弱め磁界の制御を行うことができるため、モータの運転範囲を拡大することができる。また、１次側コイル４が巻かれるコア９−１、２次側コイル６が巻かれるコア９−２を動かす必要がない為、構成が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態のモータシステムを示す図である。（ｂ）は、変圧器の２次側コイルとステータコアのコイルとの結線関係を示す図である。
【図２】本発明の実施形態のモータシステムにおける変圧器を示す図である。
【図３】本発明の実施形態のモータシステムにおけるステータコアを示す図である。
【図４】本発明の実施形態のモータシステムにおけるステータコアを示す図である。
【図５】本発明の実施形態のモータシステムにおける他の変圧器を示す図である。
【図６】本発明の実施形態のモータシステムにおける他の変圧器を示す図である。
【図７】本発明の実施形態のモータシステムにおける他の変圧器を示す図である。
【図８】ステータコアの構造を示す図である。
【図９】ステータコアの構造を示す図である。
【図１０】ステータコアの構造を示す図である。
【図１１】ステータコアの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  モータシステム
２  ステータコア
３  駆動回路
４  １次側コイル
４−１  １次側コイル
４−２  １次側コイル
４−３  １次側コイル
５  コイル
５−１  コイル
５−２  コイル
５−３  コイル
６  ２次側コイル
６−１  ２次側コイル
６−２  ２次側コイル
６−３  ２次側コイル
７  変圧器
８  冷却機構
９  コア
９−１  コア
９−２  コア
９−３  コア
１０  スロット
１１  絶縁紙
１２  アクチュエータ
８０  ステータコア
８１  コイルエンド
８２  スロット
８３  コイル
８４  絶縁紙
【図２】
2009044892.tif 000003
【図４】
2009044892.tif 000004
【図５】
2009044892.tif 000005
【図６】
2009044892.tif 000006
【図７】
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【図８】
2009044892.tif 000008
【図１１】
2009044892.tif 000009
【図１】
2009044892.tif 000010
【図３】
2009044892.tif 000011
【図９】
2009044892.tif 000012
【図１０】
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