特許 6346112 多相交流電動機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6346112

(24)【登録日】2018年6月1日

(45)【発行日】2018年6月20日

(54)【発明の名称】多相交流電動機

(51)【国際特許分類】

   H02K 3/12 20060101AFI20180611BHJP

   H02K 3/28 20060101ALI20180611BHJP

   H02K 3/34 20060101ALI20180611BHJP

【ＦＩ】

   H02K3/12

   H02K3/28 J

   H02K3/34 D

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-56997(P2015-56997)

(22)【出願日】2015年3月19日

(65)【公開番号】特開2016-178788(P2016-178788A)

(43)【公開日】2016年10月6日

【審査請求日】2016年11月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】509216094

【氏名又は名称】古河マグネットワイヤ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100130247

【弁理士】

【氏名又は名称】江村 美彦

(74)【代理人】

【識別番号】100167863

【弁理士】

【氏名又は名称】大久保 恵

(72)【発明者】

【氏名】達川 永吾

(72)【発明者】

【氏名】青井 恒夫

【審査官】 小林 紀和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２１００９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７８８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６７５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３５５８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ３／１２

Ｈ０２Ｋ ３／２８

Ｈ０２Ｋ ３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

各相の巻線を分布巻きするとともにＹ結線したステータを備え、インバータによって駆動される多相交流電動機において、
各相の巻線は入力端子に接続される入力側部分導体である第１部分導体と、中性点に接続される最終部分導体である第ｎ（ｎは２以上の自然数）部分導体と、前記第１部分導体および前記第ｎ部分導体の間に接続される中間部分導体である第２〜第ｎ−１部分導体とを有し、
各相の前記第１部分導体に対して前記ステータ内において隣接して配置される部分導体の少なくとも一部、または、前記第１部分導体が前記スロットから外部に伸出するコイルエンド部に隣接して配置されるコイルエンド部を有する部分導体の少なくとも一部は、以下の（１）〜（２）のいずれかに記載の部分導体に該当する、
（１）前記インバータからの交流電圧が印加された場合に、前記中間部分導体のうち、ロータ内の永久磁石による磁束密度に起因して電圧が極値をとる同相または異相の第ａ（ａは２以上の自然数）部分導体
（２）前記極値をとる中間部分導体に接続される同相もしくは異相の第ａ−３〜第ａ−１部分導体のいずれかまたは同相もしくは異相の第ａ＋１〜第ａ＋３部分導体のいずれか
ことを特徴とする多相交流電動機。

【請求項2】

各相の前記第２部分導体または前記第３部分導体に対して前記ステータ内において隣接して配置される部分導体の少なくとも一部、または、前記第２部分導体または前記第３部分導体が前記スロットから外部に伸出するコイルエンド部に隣接して配置されるコイルエンド部を有する部分導体の少なくとも一部は、前記（１）〜（２）のいずれかに記載の部分導体に該当することを特徴とする請求項１に記載の多相交流電動機。

【請求項3】

前記極値をとる部分導体は、各層の前記第１部分導体が収容されたスロット端とステータの周方向に隣接する同相もしくは異相の第ｂ（ｂは２以上の自然数）部分導体、または、当該部分導体に前後して接続される第ｂ−３〜ｂ−１部分導体のいずれか、または、当該部分導体に接続される第ｂ＋１〜ｂ＋３部分導体のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の多相交流電動機。

【請求項4】

複数の相の前記第１部分導体のうちの少なくとも一の相の前記第１部分導体が前記ステータの径方向の一方の端部に配置され、それ以外の相の前記第１部分導体が前記ステータの径方向の他方の端部に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多相交流電動機。

【請求項5】

前記各相の巻線の前記ステータの周方向に対する巻方向が全て同方向であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多相交流電動機。

【請求項6】

前記各相の巻線の前記ステータの周方向に対する巻方向の少なくとも１つが逆方向であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多相交流電動機。

【請求項7】

前記第１部分導体が前記スロットから外部に伸出するコイルエンド部に隣接して配置されるコイルエンド部を有する部分導体の少なくとも一部は、以下の（１）〜（２）のいずれかに記載の部分導体に該当する、
（１）各層の前記第１部分導体が収容されたスロット端とステータの周方向に隣接する同相もしくは異相の第ｂ（ｂは２以上の自然数）部分導体
（２）前記第ｂ部分導体に前後して接続される第ｂ−１部分導体もしくは第ｂ＋１部分導体のいずれか
であることを特徴とする請求項１または２に記載の多相交流電動機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多相交流電動機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、自動車に用いられる電動機は、環状の固定子鉄心（ステータ）に設けられるスロットに巻線を収容し、ステータから軸方向外部のコイルエンド部に巻線の一部が飛び出した形状をしている。

【0003】

近年、自動車のエンジンルーム内の容積を変えずに電動機を搭載したいという要求から、コイルエンド部も含めた電動機の小型化かつ高出力化が要求されている。このようなニーズに対応するために、コイルエンド部の長さを短縮して隣接する導体間の距離をできるだけ小さくすると、導体間に非常に高い電圧差が生じて部分放電による絶縁性能劣化が生じるという問題がある。

【0004】

部分放電による絶縁性能劣化について、実際の電動機の使用時を例に説明する。実際の電動機使用時には、電気的に直列接続されている同相のコイル同士の間にも電圧降下による電位差が生じる。特に、複数相のコイルがスター結線されて配置されているステータでは、複数相のコイルは中性点で接続されるとともに、各相の入力端子側から電流が入力される。このため、それぞれの入力端子側に近い各相の特定のコイルでは、インバータのスイッチング作用に基づいて、通常の交流電流で駆動する際の電圧よりも高い急峻なサージ電圧の発生により電圧が集中し、特定コイルでの分担電圧が上昇する場合がある。特に、近年ではインバータにおける損失を低減するために、スイッチングの高速化が図られ、このサージ電圧が増大、高周波化する傾向にある。この場合、特定のコイルと、このコイルと別のコイルとが同じスロット内で隣接している場合やコイルエンド部で近接している場合に、前述したサージ電圧の影響により、隣接コイル間の電位差が大きくなり、隣接するコイル間の電位差が部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ: Partial Discharge Inception Voltage）を超えた場合に、コイル間で部分放電が生じ、コイル間の絶縁部が劣化する。すなわちコイルの絶縁寿命が短くなる可能性がある。

【0005】

この問題に対し、スロット内に絶縁紙を設けて、絶縁紙により複数のコイル間を仕切ることも考えられる。しかし、このような方法では、スロット内のコイル占積率が低下したり、スロットの長さが長くなったりすることで、電動機のサイズが大きくなる原因となる。また、スロット内に絶縁紙を挿入すると、スロット内でステータの径方向内端部に設けられるスロット先端隙と呼ばれる空間が減少し、銅渦損が増加する可能性もある。この場合、電動機の損失が増大し、電動機を走行用モータ等として使用するハイブリッド車両等の車両の燃費が悪化したり、コイルのうち、スロットの最内周部に配置される部分を含む部分で損失が増大し、コイル温度上昇を招いたりする可能性もある。

【0006】

一方、スロット内要素の周囲に設ける絶縁層の全体を含むすべてのコイルを、従来使用されているものよりも低誘電率の絶縁層により構成することも考えられる。しかし、このような方法では、ステータの製造コストが増加する可能性がある。

【0007】

そこで、これらの問題を解決するため、例えば、特許文献1には、各相のコイルを形成する複数の部分コイルのうち、電位の高い入出力端子側に接続されるコイルのスロット内導体部を、各相スロット群のうち周方向端位置以外のスロットに収容することで、同相スロット内では同相の入出力端子側コイルと電位の低い中性点側コイルが隣接し、スロット外部では異なる相の電位の高い入力端子側コイルと電位の低い中性点側コイルが隣接するようなスロットへのコイル収容方法を実施することで同相コイル間および他相コイル間同士の電位差を小さくし、絶縁性能を向上させる技術が開示されている。

【0008】

また、特許文献２には、第１誘電率を有する第１絶縁被膜を含むコイルを収容する基準スロットと、最も電位が高くなる入力端子側コイルに第１誘電率よりも低い第２誘電率を有する被膜を設けて基準スロットとは別のスロットに収容することで、コイル間の電圧を低減する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００４−１１２８９０号公報

【特許文献2】特開２０１２−１７５８２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、近年は、前述のようにインバータの損失を低減するために、スイッチングの高速化が図られ、サージ電圧の増加や高周波化する傾向にある。

【0011】

一般に、インバータサージ電圧は、商用周波数の正弦波電圧に比較すると波形に含まれる高調波成分が数十ＭＨｚの広帯域に亘ると言われている。このような高調波を含むサージが印加された場合、コイル内の電圧分布は商用周波数やインバータのキャリア周波数の数１０ｋＨｚの周波数の電圧が印加された場合よりも複雑なものとなる。このため、単純に最も電位が高い入力端子側コイルと最も電位が低い中性点電位のコイルを隣接して電圧を低減する特許文献１の構成では、高周波のサージが印加された場合のコイルのスロット収容方法として最適とは言えず、部分的に導体間で高い電圧差を生じてしまう。また、特許文献２の構成では被膜材料がコイルの一部で異なることにより、製造方法の複雑化や低誘電率被膜を要するためコスト増加といった問題が生じる。

【0012】

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、インバータスイッチングの高速化に伴う高周波化に起因する高調波を含むインバータサージが入力端子に印加された場合においても、高周波におけるコイル内の電位分布の特徴を活かし、占積率を下げることなく、同相間コイルまたは異相間コイルの電圧を低減し、部分放電を抑制することができ、製造が容易かつ低コストの多相交流電動機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】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明は、各相の巻線を分布巻きするとともにＹ結線したステータを備え、インバータによって駆動される多相交流電動機において、各相の巻線は入力端子に接続される入力側部分導体である第１部分導体と、中性点に接続される最終部分導体である第ｎ（ｎは２以上の自然数）部分導体と、前記第１部分導体および前記第ｎ部分導体の間に接続される中間部分導体である第２〜第ｎ−１部分導体とを有し、各相の前記第１部分導体に対して前記ステータ内において隣接して配置される部分導体の少なくとも一部、または、前記第１部分導体が前記スロットから外部に伸出するコイルエンド部に隣接して配置されるコイルエンド部を有する部分導体の少なくとも一部は、以下の（１）〜（２）のいずれかに記載の部分導体に該当する、（１）前記インバータからの交流電圧が印加された場合に、前記中間部分導体のうち、ロータ内の永久磁石による磁束密度に起因して電圧が極値をとる同相または異相の第ａ（ａは２以上の自然数）部分導体（２）前記極値をとる中間部分導体に接続される同相もしくは異相の第ａ−３〜第ａ−１部分導体のいずれかまたは同相もしくは異相の第ａ＋１〜第ａ＋３部分導体のいずれかことを特徴とする
このような構成によれば、インバータスイッチングの高速化に伴う高周波化に起因する高調波を含むインバータサージが入力端子に印加された場合においても、高周波におけるコイル内の電位分布の特徴を活かし、占積率を下げることなく、同相間コイルまたは異相間コイルの電圧を低減し、部分放電を抑制することができ、製造が容易かつ低コストの多相交流電動機を提供することができる。

【0014】

また、本発明は、各相の前記第２部分導体または前記第３部分導体に対して前記ステータ内において隣接して配置される部分導体の少なくとも一部、または、前記第２部分導体または前記第３部分導体が前記スロットから外部に伸出するコイルエンド部に隣接して配置されるコイルエンド部を有する部分導体の少なくとも一部は、前記（１）〜（２）のいずれかに記載の部分導体に該当することを特徴とする。
このような構成によれば、第１部分導体に次いで電圧が高い第２部分導体および第３部分導体についても部分放電を抑制することができる。

【0015】

また、本発明は、前記極値をとる部分導体は、各層の前記第１部分導体が収容されたスロット端とステータの周方向に隣接する同相もしくは異相の第ｂ（ｂは２以上の自然数）部分導体、または、当該部分導体に前後して接続される第ｂ−３〜ｂ−１部分導体のいずれか、または、当該部分導体に接続される第ｂ＋１〜ｂ＋３部分導体のいずれかであることを特徴とする。
このような構成によれば、部分導体のスロットへの配置を容易に行うことができる。

【0016】

また、本発明は、複数の相の前記第１部分導体のうちの少なくとも一の相の前記第１部分導体が前記ステータの径方向の一方の端部に配置され、それ以外の相の前記第１部分導体が前記ステータの径方向の他方の端部に配置されることを特徴とする。
このような構成によれば、部分導体のスロットへの配置を容易に行うことができる。

【0017】

また、本発明は、前記各相の巻線の前記ステータの周方向に対する巻方向が全て同方向であることを特徴とする。
このような構成によれば、部分導体のスロットへの配置を容易に行うことができる。

【0018】

また、本発明は、前記各相の巻線の前記ステータの周方向に対する巻方向の少なくとも１つが逆方向であることを特徴とする。
このような構成によれば、部分導体のスロットへの配置を容易に行うことができる。

【0019】

また、本発明は、前記第１部分導体が前記スロットから外部に伸出するコイルエンド部に隣接して配置されるコイルエンド部を有する部分導体の少なくとも一部は、以下の（１）〜（２）のいずれかに記載の部分導体に該当する、（１）各層の前記第１部分導体が収容されたスロット端とステータの周方向に隣接する同相もしくは異相の第ｂ（ｂは２以上の自然数）部分導体（２）前記第ｂ部分導体に前後して接続される第ｂ−１部分導体もしくは第ｂ＋１部分導体のいずれかであることを特徴とする。
このような構成によれば、部分導体のスロットへの配置を容易に行うことができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、インバータスイッチングの高速化に伴う高周波化に起因する高調波を含むインバータサージが入力端子に印加された場合においても、高周波におけるコイル内の電位分布の特徴を活かし、占積率を下げることなく、同相間コイルまたは異相間コイルの電圧を低減し、部分放電を抑制することができ、製造が容易かつ低コストの多相交流電動機を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態に係る多相交流電動機の構成例を示す図である。

【図2】図１に示すスロット付近を拡大して示す図である。

【図3】図１に示すスロットに収容される部分導体の収容態様を示す図である。

【図4】解析対象となる１／４モデルを示す図である。

【図5】図４に示す１／４に対する従来の部分導体の収容態様を示す図である。

【図6】図５に示す収容態様における部分導体の電位分布を示す図である。

【図7】図４に示す１／４に対して１ｋＨｚの交流を印加した場合の磁束密度分布の解析結果を示す図である。

【図8】図４に示す１／４に対して１０ＭＨｚの交流を印加した場合の磁束密度分布の解析結果を示す図である。

【図9】図４に示す１／４に対する本発明の実施形態の部分導体の収容態様を示す図である。

【図10】図４に示す１／４に対して１ｋＨｚの交流を印加した場合の隣接部分導体間の層間電圧を示す図である。

【図11】図４に示す１／４に対して１０ＭＨｚの交流を印加した場合の隣接部分導体間の層間電圧を示す図である。

【図12】図１０と図１１の比較結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

次に、本発明の実施形態について説明する。

【0023】

（Ａ）本発明の実施形態の説明
図１は、本発明の実施形態に係る多相交流電動機の構成例を示す図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係る多相交流電動機１０は、概略円筒形状に形成された固定子（ステータ）２０と、このステータ２０内に回転自在に収納されて軸心に一致する回転軸１１に固設されている回転子（ロータ）１５とを備えており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車において、内燃機関と同様の駆動源として、あるいは車輪ホイール内への搭載に好適な性能を有している。

【0024】

図１および図２に示すように、ステータ２０には、ロータ１５の外周面にギャップｇを介して内周面側を対面させるように軸心の法線方向に延在する複数本のティース１７が形成されたステータ部材１６によって構成されている。ティース１７間にはスロット１８が形成され、内部に対面収納されているロータ１５を回転駆動させる磁束を発生するための３相巻線を構成する部分導体１９が分布巻によって巻きつけられている。ロータ１５は、回転軸１１の周囲にロータ部材１２，１３が配置され、ロータ部材１３内に永久磁石１４が埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造を有している。

【0025】

ティース１７間の空間は、部分導体１９を通して巻き掛けることにより巻線（コイル）を形成するためのスロット１８を構成しており、本実施形態では８組（１対で1磁極）の永久磁石１４側にそれぞれ６本のティース１７が対面するように構成されている。つまり、一対の永久磁石１４が構成する１磁極に６つのスロット１８が対応するように構築されている。図１および図２に示す多相交流電動機１０は、隣接する１磁極毎に永久磁石１４のＮ極とＳ極の表裏を交互にした８極４８スロットで分布巻きされた３相のＩＰＭ電動機であり、各スロットにはステータ２０の径方向に積層して巻線を構成する部分導体１９を収容する１２層の収容数を備えている。なお、磁極の数やスロット数、各スロットに設けられた巻線の部分導体を収容するステータ径方向に積層された収容数は、電動機により異なるため図１および図２に示すものに限定されるものではない。

【0026】

また、本実施形態ではステータ２０のティース１７に分布巻きされ、４８個のスロット１８に収容される巻線はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなり、中性点でスター結線されている。各相の巻線はそれぞれ複数の部分導体１９からなり、スロット１８から延出された部分導体の端末部が隣接する部分導体の端末部と接合されて構成されるセグメントコイルから成る。また、この巻線は入力端子側に接続された入力側部分導体である各第１部分導体と、中性点に接続され最終部分導体である各第ｎ部分導体（ｎは２以上の自然数）と、第１部分導体と第ｎ部分導体との間に直列に接続された複数の中間部分導体である各第２部分導体〜第ｎ−１部分導体を含む。

【0027】

図３は、図１に示すスロット１８に収容される部分導体１９の態様を示す図である。図３の横方向の番号１〜４８は、スロット１８のそれぞれに対して付与されたスロット番号であり、図１に示すスロット１８の反時計回りに１〜４８スロットとされている。また、縦方向に示す番号１２〜１は、スロット１８内において、ロータ１５側を１とし、スロット１８の最奥部を１２とする層番号である。なお、図３では、視認性を向上するために、第１〜第２４スロットと、第２５〜第４８スロットの２つに分割して示している。また、表の要素として格納されているＵ、Ｖ、Ｗとそれに続く１〜４８の数字は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の部分導体を示している。例えば、Ｕ相は、１〜１６の部分導体によって構成され、第１スロット第１２層に収容されるＵ１を入力側部分導体とし、第７スロット第１１層（Ｕ１）、・・・、第１９スロット第１層（Ｕ１）、第１３スロット第１２層（Ｕ２）、・・・、第１０スロット第１層（Ｕ１６）を介して中性点に接続される。Ｖ相は、１７〜３１の部分導体によって構成され、第５スロット第１２層に収容されるＶ１７を入力側部分導体とし、第１１スロット第１１層（Ｖ１７）、・・・、第２３スロット第１層（Ｖ１７）、第１７スロット第１２層（Ｖ１８）、・・・、第１４スロット第１層（Ｖ３２）を介して中性点に接続される。Ｗ相は、３２〜４８の部分導体によって構成され、第９スロット第１２層に収容されるＷ３３を入力側部分導体とし、第１５スロット第１１層（Ｗ３３）、・・・、第２７スロット第１層（Ｗ３３）、第２１スロット第１２層（Ｗ３４）、・・・、第１８スロット第１層（Ｗ４８）を介して中性点に接続される。

【0028】

なお、以下では、解析で使用した電動機の全体構造を、図４に示す１／４モデル（すなわちスロット数１２、ｎ＝４８）とした場合を例に挙げて説明する。図４の例では、図１に示す全体モデルを１／４に分割したモデルとなっている。なお、図４に示すように、スロット１８は、反時計方向に第１〜第１２スロットとされ、また、スロット１８に収容される部分導体１９は、ロータ１５側が第１層とされ、スロット１８の最奥部が第１２層とされている。

【0029】

図５は、従来の方法によって、図４の１／４モデルのスロット１８に対して収容される部分導体１９の態様を示す図である。図５において、１行目の番号１〜１２は、スロット番号であり、どのスロットに該当するかを示す番号であり、図５の左側から順に第１〜第１２スロットとしている。また、１列目の番号１〜１２は層番号であり、スロット１８内に収容される部分導体がステータ２０の径方向に積層される多数の収容部の内、どの収容部に収容されるかを示す番号であり、ステータ２０の径方向の最も内側の収容部を第１層とし、ステータ２０の径方向の最も外側の収容部を第１２層としている。また、Ｕ１〜Ｕ４８はＵ相巻線の部分導体を入力端子側に接続される入力側部分導体Ｕ１から順に示し、Ｕ１に直列接続されている中間部分導体Ｕ２〜Ｕ４７、および、中性点に接続される最終部分導体であるＵ４８を示すと同時にそれらの部分導体が収容される位置を示している。同様にＶ１〜Ｖ４８およびＷ１〜Ｗ４８はそれぞれＶ相およびＷ相の入力側部分導体、中間部分導体、最終部分導体とその収容位置を表している。

【0030】

図５に示す従来の例では、第１スロット第１２層にＵ相の入力側部分導体Ｕ１が収容され、同様に第５スロット第１２層にＶ相の入力側部分導体Ｖ１が収容され、第９スロット第１２層にＷ相の入力側部分導体Ｗ１が収容されている。また、第１０スロット第１層にＵ層の最終部分導体Ｕ４８が収容され、第２スロット第１層にＶ層の最終部分導体Ｗ４８が収容され、第６スロット第１層にＷ層の最終部分導体Ｗ４８が収容されている。そして部分導体Ｕ４８，Ｖ４８，Ｗ４８はエンドコイル部において中性点接続されている。また、第１スロット第１２層に収容された入力側接続部分導体Ｕ１に連なる中間部分導体Ｕ２が1磁極ピッチ（６スロット）離れ、1つ内層側の第７スロット第１１層に収容され、続く中間部分導体Ｕ３は第１スロットに戻り、１つ内層側の第１スロット第１０層に収容される。このように、中間部分導体は最外層１２層から最内層１層に向かい、１磁極ピッチ離れた２つの収容部を交互に順次収容される。そして、最内層まで収容された中間部分導体Ｕ１２に連なる中間部分導体Ｕ１３は、再度最外層１２層に戻り、かつ入力側部分導体Ｕ１から中間部分導体Ｕ２へのステータ２０の周方向の巻き方向と同方向に１スロットずれた第２スロット第１２層に収容され、以後、同様に規則的に中間導体が各収容部に収容され、最終部分導体であるＵ４８が第１０スロット第１層に収容される。Ｖ相、Ｗ相についても同様の方法で規則的に巻かれ、各部分導体が各収容部に収容される。

【0031】

図５に示す方法で巻かれた従来の巻線について、入力側部分導体から最終部分導体までの電位分布を解析した結果と実測した結果を図６に示す。解析および実測の周波数は電動機の定常運転時の周波数を想定した１ｋＨｚと、インバータの高速スイッチングによる数ＭＨｚの高調波を含むサージ電圧が入力端子に印加された場合を想定して１０ＭＨｚで実施した。また、参考として１０ｋＨｚと１ＭＨｚの解析結果も示す。電位分布の実測には８極４８スロットの電動機を使用し、１／４モデルと等価なスロット収容部に収容された部分導体と中性点に電圧測定プローブを接続し、入力端子と中性点に所定の周波数で交流電圧を印加して電位測定を行った。

【0032】

解析には磁界解析を使用して１／４モデルで所定の周波数の電位分布の解析を実施した。図６に示す解析と実測の結果は各相の位相がそれぞれＵ相９０°，Ｖ相３３０°，Ｗ相２１０°の場合のＵ相の結果である。図６の横軸は各部分導体Ｕ１〜Ｕ４８を示し、縦軸には各部分導体の入力側電位を入力電位との比で表している。１ｋＨｚの場合、解析および実測値ともに入力側部分導体（Ｕ１）から最終部分導体（Ｕ４８）にかけて単調に減少している。一方、１０ＭＨｚの場合は単調な減少傾向は見られず、Ｕ１３，Ｕ２５，Ｕ３７において極値を有する電位分布が生じている。この極値が生じている位置は、ステータ２０の径方向の最外層である第１２層の収容位置にあたる。

【0033】

この電位分布に極値が生じる理由を調査するため、磁束密度分布について解析した結果を図７と図８に示す。図７および図８の磁束密度分布の解析結果から、各スロット内において、内層側、特に、最内層で外層側に比べ磁束密度が高く、この傾向は１ｋＨｚよりも１０ＭＨｚの方が顕著である。これはロータ１５に埋め込まれた永久磁石１４の影響であると考えられ、１ｋＨｚおよび１０ＭＨｚともに永久磁石１４が対向していないスロット１８内では磁束密度がほぼ均一であることからも明らかである。また、１０ＭＨｚの場合、１ｋＨｚよりも高周波化し、単位時間当たりの磁束の変化が増し、発生する逆起電力が増加するので磁束密度分布が顕著になっていると考えられる。この磁束密度分布の解析結果から、図６の１０ＭＨｚの電位分布の結果において、最内層に配置される部分導体Ｕ１３，Ｕ２５，Ｕ３７において電位分布が極値を取る原因が、高周波化による逆起電力の増加によるものと考えられる。

【0034】

近年では、効率改善のためにインバータのスイッチングが高周波化される傾向にあるので、数ＭＨｚの高調波を含むサージ電圧が入力端子に印加された場合、図６に示すように電動機の定常状態の１ｋＨｚにおける単調減少する電位分布では無く、図６に示す１０ＭＨｚの様な特定の位置で極値を取る電位分布が巻線内に生じることが予想される。また、図６から、ｋＨｚオーダの周波数では、入力側端子から中性点に向かって単調に減少する電位分布となるが、ＭＨｚオーダの高周波数では、前述のような特定の位置で極値を取る電位分布を生じる傾向があることが測定から分かった。

【0035】

本願発明者は、高周波のサージ電圧が印加された場合の電圧分布を基に、他相間あるいは同相間の巻線間に生じる電圧を低減し、部分放電を抑制する構造について検討した。前述したように、入力される周波数がＭＨｚオーダの高周波になると、ステータ２０の径方向の最も内側のスロット端に収容されている部分導体の電位が極値を取るような電位分布となる。特に、入力側部分導体（Ｕ相の場合Ｕ１）とステータ２０の周方向に隣接する中間部分導体（Ｕ相の場合Ｕ１３）は中性点電位付近まで電位が低下する傾向にある。つまり、入力側部分導体（Ｕ相の場合Ｕ１）と、ステータ２０の周方向に隣接する中間部分導体（Ｕ相の場合Ｕ１３）は他相との電位差が小さくなる傾向にある。また、その部分導体（Ｕ相の場合Ｕ１３）に連なる部分導体（Ｕ相の場合Ｕ１０〜Ｕ１６等）も比較的、中性点電位に近く、他相との電位差が小さくなると考えられる。また、高周波においても中性点側に接続される中間コイルである最終部分導体（Ｕ相の場合Ｕ４８）とそれに連なる中間部分導体（Ｕ相の場合Ｕ４５，Ｕ４６，Ｕ４７等）も他相との電位差を小さくできる。

【0036】

以上のような、高周波における電位分布特性を利用し、入力側部分導体と、この入力側部分導体とステータ２０の周方向に隣接して配置される中間部分導体、あるいはその部分導体に連なる中間部分導体、あるいは中性点側部分導体、あるいは中性点側部分導体に連なる部分導体とを隣接させて巻線の各部分導体を収容することで、他相との電圧差を低減し、部分放電を抑制する本実施形態に係る巻線の導体収容方法を図９に示す。本実施形態では、８極４８スロットの１／４モデルの場合、Ｕ相の入力側部分導体Ｕ１は第１スロット第１２層に収容され、Ｖ相の入力側部分導体Ｖ１は第８スロット第１２層に収容され、Ｗ相の入力側部分導体Ｗ１は第３スロット第１層に収容される。また、中性点に接続されるＵ相の最終部分導体Ｕ４８は第１０スロット第１層に収容され、Ｖ相の最終部分導体Ｖ４８は第１１スロット第１層に収容され、Ｗ相の最終部分導体Ｗ４８は第１２スロット第１２層に収容され、Ｕ４８，Ｖ４８，Ｗ４８はコイルエンド部にて中性点に接続される。

【0037】

また、第１スロット第１２層に収容された入力側部分導体Ｕ１に連なる中間部分導体Ｕ２は、１磁極ピッチ（６スロット）離れ、１つ内層側の第７スロット第１１層に収容され、次に続く中間導体Ｕ３は第１スロットに戻り、１つ内層側の第１スロット第１０層に収容される。このように、中間部分導体は最外層である第１２層から最内層である第１層に向かい、１磁極ピッチ離れた２つの収容部に交互に順次収容される。そして、最内層まで収容された中間部分導体Ｕ１２に連なる中間部分導体Ｕ１３は、再度最外層である第１２層に戻り、かつ入力側部分導体Ｕ１から中間部分導体Ｕ２へのステータ２０の周方向の巻き方向と同方向に１スロットずれた第２スロット第１２層に収容され、以後、同様に規則的に中間部分導体が各収容部に収容され、最終部分導体であるＵ４８が第１０スロット第１層に収容される。Ｖ相についてもＵ相の部分導体と同様に規則的に１磁極ピッチ毎に２つのスロットを交互にステータ２０の径方向の最外層側から最内層側へと順次収容されるが、異なる点は、Ｕ相が第１スロットから第４スロットのステータ２０の周方向へ巻かれるのに対し、Ｖ相は第８スロットから第５スロットのステータ周方向へ巻かれ、部分導体が収容されている。また、Ｗ相についてもＵ相とＷ相と同様の方法で規則的に、各部分導体が各収容部に収容されているが、異なる点はＵ相、Ｖ相の入力側部分導体がステータ２０の径方向の最外周側である第１２層から最内周側である第１層に向かって１磁極ピッチ離れた２つのスロット間を順次、収容されるのに対し、Ｗ相の入力側部分導体はステータ２０の径方向の最内周側である第１層から収容され、第３スロットから第６スロットのステータ周方向へと１磁極離れた２スロット間を順次、最内層側から最外層側へと巻かれ収容される。

【0038】

本実施形態では、図９に示す態様で部分導体を収容するようにしたので、一般に、最も高電位になる入力側部分導体（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）とスロット内で隣接する部分導体、または、スロット１８外のコイルエンド部においてステータ２０の径方向もしくは周方向に隣接する部分導体との電位差を小さくし、部分放電を抑制することができる。

【0039】

より詳細には、本実施形態では、入力側部分導体Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１にスロット１８内またはスロット１８外においてコイルエンドにより隣接する部分導体として、図６に示す極値を有する部分導体（例えば、部分導体Ｕ１３，Ｕ３７，Ｖ１３，Ｖ３７，Ｗ１３，Ｗ３７）、または、これら極値を有する部分導体に前後して接続される部分導体（例えば、部分導体Ｕ１０〜Ｕ１２，Ｕ１４〜Ｕ１６，Ｖ１０〜Ｖ１２，Ｖ１４〜Ｖ１６，Ｗ１０〜Ｗ１２，Ｗ１４〜Ｗ１６）、または、出力側部分導体Ｕ４８，Ｖ４８，Ｗ４８、または、出力側部分導体に接続される部分導体（例えば、Ｕ４５〜Ｕ４７，Ｖ４５〜Ｖ４７，Ｗ４５〜Ｗ４７）を配置するようにした。これにより、最も電圧が高い入力側部分導体Ｖ１，Ｕ１，Ｗ１とスロット１８内またはスロット１８外において隣接する部分導体との電位差を抑制することができる。

【0040】

なお、図９の例では、入力側部分導体Ｕ１に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体としては部分導体Ｕ１３，Ｖ１４，Ｗ４８を配置し、入力側部分導体Ｖ１に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体としては部分導体Ｕ１４，Ｖ１３，Ｗ１２を配置し、入力側部分導体Ｗ１に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体としては部分導体Ｕ３５，Ｖ１２，Ｗ１３を配置している。

【0041】

また、図９の例では、入力側部分導体Ｕ１に接続される部分導体Ｕ２に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体として部分導体Ｕ１４，Ｖ１３，Ｖ１５，Ｗ４７を配置し、部分導体Ｕ２に接続される部分導体Ｕ３に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体として部分導体Ｕ１５，Ｖ１４，Ｖ１６，Ｗ４６を配置している。同様に、入力側部分導体Ｖ１に接続される部分導体Ｖ２に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体として部分導体Ｕ１３，Ｕ１５，Ｖ１４，Ｗ１１を配置し、部分導体Ｖ２に接続される部分導体Ｖ３に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体として部分導体Ｕ１４，Ｕ１６，Ｖ１５，Ｗ１０を配置している。同様に、入力側部分導体Ｗ１に接続される部分導体Ｗ２に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体として部分導体Ｕ３４，Ｕ３６，Ｖ１１，Ｗ１４を配置し、部分導体Ｗ２に接続される部分導体Ｗ３に対してスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体として部分導体Ｕ３３，Ｕ３５，Ｖ１０，Ｗ１５を配置している。

【0042】

このように、入力側部分導体Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１およびこれらに接続される部分導体Ｕ２，Ｕ３，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ２，Ｗ３が、スロット１８内またはスロット１８外において隣接する部分導体として（１）図６に示す極値を有する部分導体Ｕ１３，Ｕ３７，Ｖ１３，Ｖ３７，Ｗ１３，Ｗ３７、（２）これらに前後して接続される部分導体Ｕ１０〜Ｕ１２，Ｕ１４〜Ｕ１６，Ｖ１０〜Ｖ１２，Ｖ１４〜Ｖ１６，Ｗ１０〜Ｗ１２，Ｗ１４〜Ｗ１６、（３）出力側部分導体Ｕ４８，Ｖ４８，Ｗ４８、（４）出力側部分導体に接続される部分導体Ｕ４５〜Ｕ４７，Ｖ４５〜Ｖ４７，Ｗ４５〜Ｗ４７を選択するようにした。極値を有する部分導体は、図６に示すように中性点電位に近いことから、入力側部分導体Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１およびこれらに接続される部分導体Ｕ２，Ｕ３，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ２，Ｗ３との間の電位差を小さくすることができる。

【0043】

図１０および図１１は本発明の実施形態の効果を説明するための図である。より詳細には、図１０は、図５に示す部分導体の収容方法における隣接する部分導体間の電位差を示し、図１１は、図９に示す部分導体の収容方法における隣接する部分導体間の電位差を示している。図１０および図１１では、３相巻線の各相の入力端子に印加されるサージが１２００Ｖ、周波数１０ＭＨｚ、Ｕ相の位相が３０°，６０°，９０°，１２０°の場合に関して計算した結果である。なお、これらの図において、縦軸は相間の電圧を示し、横軸は対象となる隣接導体を示している。例えば、図１０の左端の棒グラフは、Ｕ相の位相が３０°，６０°，９０°，１２０°の場合における部分導体Ｕ１と部分導体Ｕ１３の間の電位差を示している。図１０と図１１の比較から、図５に示す従来のスロット収容方法では入力側部分導体の最大相間電圧がＵ相の位相１２０°の場合のＷ相の入力側部分導体Ｗ１とＵ相の部分導体Ｕ２６との相間電圧で１８１５Ｖであるのに対し、図９に示す本実形態のスロット収容方法では、入力側部分導体の最大相間電圧がＵ相の位相１２０°の場合のＵ相の入力側部分導体Ｕ１とＶ相の部分導体Ｖ１４との相間電圧で１４４６Ｖとなっている。この結果から、図１２に示すように、本実施形態では従来例と比較して、最大相間電圧を約２０％低減できることがわかる。

【0044】

以上に説明したように、本実施形態によれば電位が高い入力側部分導体Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１にスロット１８内またはスロット１８外で隣接する部分導体として、（１）極値を有する部分導体、（２）極値を有する部分導体に前後して接続される部分導体、（３）出力側部分導体、（４）出力側部分導体に接続される部分導体のいずれかを配置するようにしたので、入力側部分導体Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１と、隣接する部分導体との間の電位差を低減することができる。また、入力側部分導体Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に接続される部分導体Ｕ２〜Ｕ３，Ｕ２〜Ｖ３，Ｗ２〜Ｗ３に隣接する部分導体としても同様の部分導体を配置するようにしたので、部分導体Ｕ２〜Ｕ３，Ｕ２〜Ｖ３，Ｗ２〜Ｗ３とこれらに隣接する部分導体の間の電位差を低減することができる。これにより、効果的に部分放電を抑制することができる。また、インバータスイッチングの高速化に伴う高周波化に起因する高調波を含むインバータサージが入力端子に印加された場合においても、占積率を下げることなく、同相間コイルまたは異相間コイルの電圧を低減し、部分放電を抑制することができ、製造を容易にするとともに、コストを低減することができる。

【0045】

（Ｄ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、スロット数を４８とし、層数を１２としたが、これ以外の数に設定可能であることはいうまでもない。

【0046】

また、図９に示す部分導体の配置は一例であって、これ以外の配置になるようにしてもよいことはいうまでもない。例えば、図９の例では、Ｖ相のみがステータ２０の逆方向に巻回されるようにしたが、Ｖ相以外を逆方向に巻回するようにしたり、あるいは、全ての相を同方向に巻回したりするようにしてもよい。また、図９の例では、Ｗ相のみ第１層に入力側部分導体Ｗ１を配置するようにしたが、Ｗ相以外の入力側部分導体を第１層に配置したり、全ての相の入力側部分導体を第１層または第１２層に配置したり、あるいは、いずれか１層の入力側部分導体を第１２層に配置するようにしてもよい。

【0047】

また、以上の実施形態では、１０ＭＨｚの高周波電力を印加した場合における極値を用いて部分導体の配置を決定するようにしたが、本発明は１０ＭＨｚに限定されるものではなく、インバータのスイッチング周波数に応じた極値を求め、求めた極値に応じて部分導体の配置を決定すればよい。

【0048】

また、以上の実施形態では、最終部分導体である部分導体Ｕ４８，Ｖ４８，Ｗ４８または最終部分導体よりも前段に接続される部分導体Ｕ４５〜Ｕ４７，Ｖ４５〜Ｖ４７，Ｗ４５〜Ｗ４７も入力側部分導体Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１または入力側部分導体に接続される部分導体Ｕ２〜Ｕ３，Ｖ２〜Ｖ３，Ｗ２〜Ｗ３に隣接して配置するようにしたが、場合によっては最終部分導体である部分導体Ｕ４８，Ｖ４８，Ｗ４８または最終部分導体よりも前段に接続される部分導体Ｕ４５〜Ｕ４７，Ｖ４５〜Ｖ４７，Ｗ４５〜Ｗ４７については隣接して配置する対象から除外するようにしてもよい。すなわち、本発明の技術思想は、高周波電圧を印加した場合に、図６に示すように中性点電圧に近い極値を有する部分導体が存在するので、これらの部分導体またはこれらの部分導体に接続される部分導体を、入力側部分導体または入力側部分導体に接続される部分導体に隣接して配置することで、部分放電を抑制するものである。このため、最終部分導体である部分導体または最終部分導体よりも前段に接続される部分導体については、必ずしも隣接配置する対象とする必要はないが、対象とすることを除外するものでもない。電動機の種類に応じて、最適な配置となるように設定すればよい。

【0049】

また、以上の実施形態では、極値を有する各相の部分導体を第ａ部分導体とした場合に、第ａ−３〜第ａ＋３の範囲に該当する各相の部分導体を、各相の第１〜第３部分導体に隣接して配置するようにした。これは、第ａ＋４および第ａ−４部分導体が、１０ＭＨｚにおいて入力側部分導体に対して約７５％程度の電位となっており（図６）、配置を考慮しなくても２０％以上の減衰が得られることから、第ａ−３〜第ａ＋３の範囲としている。しかしながら、用途または周波数によっては、これよりも狭い範囲（例えば、第ａ−２〜第ａ＋２の範囲の部分導体または第ａ−１〜第ａ＋１の範囲）の部分導体を用いるようにしてもよい。もちろん、隣接する対象となる第１〜第３部分導体についても同様で、用途によってはこれよりも狭い範囲（例えば、第１〜第２部分導体または第１部分導体のみ）を対象とするようにしてもよい。

【符号の説明】

【0050】

１０ 多相交流電動機
１１ 回転軸
１２，１３ ロータ部材
１４ 永久磁石
１５ ロータ
１６ ステータ部材
１７ ティース
１８ スロット
１９ 部分導体
２０ ステータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】