JP5487733B2 - スイッチング素子一体型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子一体型回転電機に関する。

従来、アウタステータの外周にスイッチング素子を配置したスイッチング素子一体型回転電機が知られている（例えば特許文献１）。

特許第３５５９９０９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されるスイッチング素子一体型回転電機では、スイッチング素子とコイルとを接続する配線が屈曲した経路で配索されているため、配線の抵抗による損失が大きくなってしまう虞があった。特に、スイッチング素子を複数備える構成では、配線を特定の経路に沿って配索すると、スイッチング素子のレイアウトによっては配線の長さがさらに長くなってしまう虞があった。

そこで、本発明は、複数のスイッチング素子のそれぞれとコイルとを電気的に接続する導電経路の抵抗による損失がより少ないスイッチング素子一体型回転電機を得ることを目的とする。

本発明は、回転軸の周りに略環状に配置されるステータと、前記ステータと対向する複数の永久磁石を有するロータと、を備えるスイッチング素子一体型回転電機であって、前記ステータは、前記回転軸の周方向に延在するヨークと、前記ヨークから前記回転軸の径方向内側に向けて突出する複数のティースと、前記複数のティースにそれぞれ巻回されるコイルとを有し、前記コイルは、並列に巻回される複数の配線より構成され、前記コイルの配線の端部は、前記コイルの側面上に突出させかつ前記回転軸の径方向にずらして配置し、前記コイルの配線の端部に接続する複数のスイッチング素子を備えることを特徴とする。

本発明によれば、コイルの側面上に複数のスイッチング素子をより効率よく配置することができるとともに、各スイッチング素子とコイルとを電気的に接続する導電経路をより短くすることができるため、当該導電経路における電気抵抗による損失をより少なくすることができる。

図１は、本発明の実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機を含む回路の等価回路図である。 図２は、本発明の実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機の一つの相に含まれる複数の並列なスイッチング素子および配線を示す回路図である。 図３は、本発明の第１実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機の内部構成の一部を示す斜視図である。 図４は、本発明の第１実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機に含まれるステータの一部を示す斜視図である。 図５は、本発明の第１実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機に含まれるステータコアの一部およびコイルの分解斜視図である。 図６は、本発明の第２実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機の内部構成の一部を示す斜視図である。 図７は、本発明の第３実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機に含まれるステータの一部を示す斜視図である。 図８は、本発明の第４実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機に含まれるステータコアの一部およびコイルの分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態には同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素に共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）図１に示すように、本実施形態にかかるスイッチング素子一体型回転電機１（以下、単に回転電機１と称する）は、Ｕ相のコイル６ｕ、Ｖ相のコイル６ｖ、およびＷ相のコイル６ｗを有する三相交流モータ２と、複数のスイッチング素子９ｕｐ，９ｖｐ，９ｗｐ，９ｕｍ，９ｖｍ，９ｗｍによって構成されるインバータ３と、を一体に含んでいる。インバータ３は、配線１０ｐ，１０ｍを介してバッテリ４およびコンデンサ５に接続されており、図示しない制御装置によって複数のスイッチング素子９ｕｐ，９ｖｐ，９ｗｐ，９ｕｍ，９ｖｍ，９ｗｍのオンオフを制御され、各相の配線８ｕ，８ｖ，８ｗおよびコイル６ｕ，６ｖ，６ｗに対して、相互に位相差を有する所定波形の交流電力を出力する。各相のコイル６ｕ，６ｖ，６ｗは、中性点７で接続されている。

また、図２に示すように、本実施形態にかかる回転電機１では、各相に、スイッチング素子９ｕｐ，９ｖｐ，９ｗｐ，９ｕｍ，９ｖｍ，９ｗｍを構成する複数のスイッチング素子９０（正極側素子９０ｐおよび負極側素子９０ｍ）、ならびに配線８０が、並列に複数含まれており、各相のコイル６ｕ，６ｖ，６ｗには、複数本（本実施形態では２本）の配線（巻線）８０が並列に巻かれている。

モータ２は、図３に示すように、回転軸Ａｘの周りに略環状に配置されるアウタステータ（ステータ）２Ｓと、当該アウタステータ２Ｓの径方向内側に配置されて回転軸Ａｘ周りに回転するインナロータ（ロータ）２Ｒと、を備えている。なお、図３では、説明の便宜上、アウタステータ２Ｓの一部を切り欠いてあるが、アウタステータ２Ｓは全周に亘って連続するものとして構成してもよいし、図３のように実際に一部を切り欠いた構成としてもよい。

インナロータ２Ｒは、図示しない永久磁石が埋め込まれた所謂ＩＰＭ型のロータとして形成されている。なお、ＳＰＭ型のロータとしてもよい。また、各図では、ケース、シャフト、軸受等は省略してある。

一方、アウタステータ２Ｓは、図３および図４に示すように、回転軸Ａｘの周方向に沿って延在するヨーク２０ｏと、ヨーク２０ｏから回転軸Ａｘの径方向内側に向けて突出する複数のティース２０ｔと、当該ティース２０ｔに巻回された配線８０からなるコイル６と、を有しており、周方向に沿って一定のピッチで並ぶ複数の電磁石が形成されている。

また、本実施形態では、ヨーク２０ｏとティース２０ｔとからなるステータコアは、ティース２０ｔ毎（コイル６毎）に分割された分割体２０を組み合わせて構成されている。ステータコアは、例えば積層鋼板によって構成することができる。また、コイル６は、ティース２０ｔに配線８０を巻回した所謂集中巻きの形態となっている。本実施形態では、コイル６は、ティース２０ｔに配線８０を巻回することで形成されているため、コイル６の軸方向Ｃとティース２０ｔの突出方向とが同じになっている。

ここで、本実施形態では、コイル６を形成する巻線（配線８０）の複数の端部８０ａ，８０ｂは、図３および図４に示すように、いずれも、コイル６から同一方向（本実施形態では回転軸Ａｘに沿う方向）の一方側（図３および図４の上側）に引き出されている。

そして、一つのコイル６に対応する複数のスイッチング素子９０を、コイル６の側面６ａ上で当該コイル６の軸方向Ｃにずらして配置してある。よって、コイル６の側面６ａ上に複数のスイッチング素子９０をより効率よく配置して、これら複数のスイッチング素子９０のそれぞれについて、コイル６との距離をより短く設定することができる。

さらに、本実施形態では、一つのコイル６に対応する複数のスイッチング素子９０を、回転軸Ａｘの周方向（ヨーク２０ｏの延在方向）にもずらして配置してある。これにより、複数のスイッチング素子９０による発熱位置が分散されて局所的な過熱を抑制しやすくなるという利点がある。

また、本実施形態では、スイッチング素子９０が配置される側のコイル６の側面６ａを、複数のコイル６について、回転軸Ａｘと垂直な仮想平坦面Ｐ上に重なる平面状に形成し、複数（好適には全て）のスイッチング素子９０について、スイッチング素子９０と当該側面６ａとの距離を同じにしてある。

さらに、複数のスイッチング素子９０間には中性点７に相当する円環状のバスリング７０を配置し、バスリング７０のコイル６の側面６ａからの距離を、スイッチング素子９０のコイル６の側面６ａからの距離とほぼ同じにしてある。

したがって、複数のスイッチング素子９０ならびにバスリング７０を図示しない共通の支持部材（例えば円環状の基板）上に取り付けることができるようになる。この場合、別個に取り付ける場合に比べて組立の手間が減る上、スイッチング素子９０およびバスリング７０と、配線８０の端部８０ａ，８０ｂとの結線作業を、より容易に行うことができるようになる。

なお、図３および図４では、スイッチング素子９０およびバスリング７０をコイル６の側面６ａ上から離間させた状態で示しているが、スイッチング素子９０およびバスリング７０は、コイル６の側面６ａにより近い位置に配置することが可能であるし、側面６ａ上に載置することも可能である。この際、スイッチング素子９０の内部導体ならびにバスリング７０と配線８０の内部導体との間で絶縁が確保されるのは勿論である。また、コイル６の側面６ａ上に、上述した共通の支持部材を載置することも可能である。

スイッチング素子９０は、本実施形態では、正極側素子９０ｐと負極側素子９０ｍとを一体化したものとして構成されている。なお、図３および図４では、バッテリ４およびコンデンサ５とスイッチング素子９０とを電気的に接続する配線１０ｐ，１０ｍや、スイッチング素子９０のオンオフ制御用の配線は、省略してある。

また、スイッチング素子９０は、ティース２０ｔおよびそれに巻回されるコイル６毎に、そのコイル６に並列に巻回される配線８０の数（本実施形態では２つ）ずつ設けられている。すなわち、スイッチング素子９０の数は、本実施形態では、コイル６の数の２倍となっており、各分割体２０のコイル６の側面６ａ上に、スイッチング素子９０が２個ずつ載置されている。

このように、本実施形態では、多数の並列なスイッチング素子９０によって、図１の等価回路に示すスイッチング素子９ｕｐ，９ｖｐ，９ｗｐ，９ｕｍ，９ｖｍ，９ｗｍが構成されている。かかる構成により、各スイッチング素子９０を小型化しかつ各配線８０を細径化することが可能になるとともに、スイッチング素子９０をオンオフするタイミングをわずかに適宜にずらすことで、サージを減殺することも可能となる。さらには、コンデンサ５の容量をより小さくすることも可能となる。

また、図５に示すように、コイル６は、当該コイル６の軸方向Ｃに沿って並べて配置された相互に並列な複数（本実施形態では二つ）の分割コイル６Ｄを有し、各分割コイル６Ｄに対応してスイッチング素子９０を設けてある。そして、各分割コイル６Ｄの配線８０の一方の端部８０ａをスイッチング素子９０に電気的に接続し、他方の端部８０ｂをバスリング７０に電気的に接続してある。また、本実施形態では、二つの分割コイル６Ｄのバスリング７０に接続される端部８０ｂ，８０ｂを、コイル６の軸方向Ｃの中央部寄りに配置して回転軸Ａｘの周方向に沿うように配置し、これら端部８０ｂを円環状のバスリング７０に接続しやすくしてある。

以上、説明したように、本実施形態では、複数のスイッチング素子９０を、アウタステータ２Ｓのコイル６の側面６ａ上で、当該コイル６の軸方向Ｃにずらして配置した。これにより、コイル６の側面６ａ上に複数のスイッチング素子９０をより効率よく配置することができるとともに、各スイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導電経路をより短くすることができるため、当該導電経路における電気抵抗による損失をより少なくすることができる。

また、本実施形態では、コイル６の配線（巻線）８０の端部８０ａをコイル６の側面６ａ上に突出させ、端部８０ａとスイッチング素子９０とを結線した。よって、各スイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導電経路としての配線８０の端部８０ａをいずれも直線的により短く配索することができるため、当該導電経路における電気抵抗による損失をより少なくすることができる。

また、本実施形態では、複数の端部８０ａ，８０ｂを、コイル６から同一方向に引き出した。よって、端部８０ａ，８０ｂとスイッチング素子９０やバスリング７０との結線作業をコイル６の一方側で行うことができる分、作業性を高めることができる。

また、本実施形態では、コイル６が、当該コイル６の軸方向Ｃに沿って並べて配置された相互に並列な複数（本実施形態では２つ）の分割コイル６Ｄを有し、各分割コイル６Ｄの配線８０の端部８０ａとスイッチング素子９０とを結線した。よって、配線８０の端部８０ａのコイル６からの引き出し位置とスイッチング素子９０とを、軸方向Ｃにより近づけて配置することができ、配線８０の端部８０ａの長さをより短くすることができる。

また、本実施形態では、複数のコイル６のスイッチング素子９０側の側面６ａを、一つの仮想平坦面Ｐ上に重なる平面状に形成した。よって、複数のスイッチング素子９やバスリング７０を当該仮想平坦面Ｐに沿って配置しやすくなるため、当該仮想平坦面Ｐに沿う共通の支持部材（基板等）を用いるなどして、組み付けの手間を減らすことが可能となる。また、結線処理を行う位置が揃う分、作業性を高めることも可能となる。

また、本実施形態では、ティース２０ｔおよびコイル６毎に形成される分割体２０における、スイッチング素子９０および配線８０の端部８０ａ，８０ｂのスペック（ティース２０ｔに対する相対位置、長さ等）を、複数（好適には全て）の分割体２０について同じにしてある。よって、複数の電磁石間の磁力のばらつきを抑制することができ、インナロータ２Ｒの回転むらが生じるのを抑制することができる。なお、上記スペックは、電磁石の磁力低下が極力生じないように設定することが可能であるし、回転電機１の性能低下を極力避けるためにインナロータ２Ｒの構成を最適化することも可能である。

（第２実施形態）図６に示すように、本実施形態では、複数（本実施形態では４つ）のスイッチング素子９０を、相互に隣接する二つのコイル６の境界部分に、回転軸Ａｘの径方向に沿って並べて配置した。具体的には、境界部分の一方側のコイル６に繋がるスイッチング素子９０と他方側のコイル６に繋がるスイッチング素子９０とを交互に並べて配置するのが好適である。なお、図６では、バッテリ４およびコンデンサ５とスイッチング素子９０とを電気的に接続する配線１０ｐ，１０ｍや、スイッチング素子９０のオンオフ制御用の配線、バスリング７０は、省略してある。

本実施形態でも、上記第１実施形態と同様、コイル６の側面６ａ上に複数のスイッチング素子９０をより効率よく配置することができるとともに、各スイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導電経路をより短くすることができるため、当該導電経路における電気抵抗による損失をより少なくすることができる。

また、本実施形態では、相互に隣接する二つのコイル６に対応する複数のスイッチング素子９０が集約して配置されるため、結線作業をより効率よく行えるようになるという利点がある。なお、複数のスイッチング素子９０のレイアウトは図３、図６等には限定されず、種々に変形可能である。

（第３実施形態）図７に示すように、本実施形態では、コイル６の側面６ａ上に、基板９１を設けた。かかる構成では、スイッチング素子９０（図７には図示せず）を実装した基板９１の導体部分（導体パターン等、図示せず）に配線８０の端部８０ａを結線してもよいし、基板９１に取り付けたスイッチング素子９０に配線８０の端部８０ａを結線してもよい。また、図７のように基板９１をコイル６毎に分割するのではなく、複数のコイル６について共用してもよい。

本実施形態でも、上記第１および第２実施形態と同様、コイル６の側面６ａ上に複数のスイッチング素子９０をより効率よく配置することができるとともに、各スイッチング素子９０とコイル６とを電気的に接続する導電経路をより短くすることができるため、当該導電経路における電気抵抗による損失をより少なくすることができる。なお、基板９１は、コイル６の側面６ａにより近づけて配置することが可能であるし、側面６ａ上に載置することも可能である。

（第４実施形態）図８に示すように、本実施形態では、コイル６に対応する配線８０の複数の端部８０ａ，８０ｂを、コイル６から相反する方向に引き出した。本実施形態では、コイル６に対して回転軸Ａｘの軸方向の一方側（図８では上側）にスイッチング素子９０（図８には図示せず）に繋がる配線８０の端部８０ａを引き出し、他方側にバスリング７０（図８には図示せず）に繋がる配線８０の端部８０ｂを引き出した。

かかる構成によれば、複数のスイッチング素子９０やバスリング７０を、コイル６の両側に配置することができるようになるため、スイッチング素子９０やバスリング７０のサイズが、コイル６の側面６ａの広さに対して相対的に大きい場合にあっても、これらスイッチング素子９０およびバスリング７０を分散させてレイアウトしやすくなるという利点がある。

なお、スイッチング素子９０に繋がる配線８０の端部８０ａを、コイル６の両側（すなわち図８の上側と下側と）に分けて引き出してもよい。この場合は、複数のスイッチング素子９０による発熱位置が分散されて局所的な過熱を抑制しやすくなるという利点がある。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず種々の変形が可能である。例えば、本発明は、アキシャルギャップ型の回転電機を含む構成としても実施することが可能である。また、スイッチング素子の並列数は２以外であってもよいし、スイッチング素子を複数のコイルで共用してもよい。また、コイル側面上でのスイッチング素子の姿勢や位置も、上記実施形態には限定されない。また、回転電機の細部の構成も、上記実施形態には限定されず、種々に変更して実施することができる。また、コイルは、導体が環状に周回したものであればよく、ティースに配線を直接巻回したものには限定されない。

１ スイッチング素子一体型回転電機
２Ｒ インナロータ（ロータ）
２Ｓ アウタステータ（ステータ）
６ コイル
６Ｄ 分割コイル
６ａ 側面
８０ 配線（巻線）
８０ａ，８０ｂ 端部
９０ スイッチング素子
Ａｘ 回転軸
Ｃ 軸方向
Ｐ 仮想平坦面

Claims (5)

1. 回転軸の周りに略環状に配置されるステータと、
   前記ステータと対向する複数の永久磁石を有するロータと、を備えるスイッチング素子一体型回転電機であって、
   前記ステータは、前記回転軸の周方向に延在するヨークと、前記ヨークから前記回転軸の径方向内側に向けて突出する複数のティースと、前記複数のティースにそれぞれ巻回されるコイルとを有し、
   前記コイルは、並列に巻回される複数の配線より構成され、
   前記コイルの配線の端部は、前記コイルの側面上に突出させかつ前記回転軸の径方向にずらして配置し、
   前記コイルの配線の端部に接続する複数のスイッチング素子を備えることを特徴とするスイッチング素子一体型回転電機。
2. 前記コイルの巻線の端部を前記コイルの側面上に突出させ、当該端部と前記スイッチング素子とを結線したことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子一体型回転電機。
3. 複数の前記端部が、前記コイルから前記回転軸の軸方向に対し同一方向に引き出されていることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング素子一体型回転電機。
4. 複数の前記端部が、前記コイルから前記回転軸の軸方向に対し相反する方向に引き出されていることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング素子一体型回転電機。
5. 複数の前記コイルの前記スイッチング素子側の側面を一つの仮想平坦面上に重なる平面状に形成したことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一つに記載のスイッチング素子一体型回転電機。

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