JP2004166388A - スロットレス永久磁石式回転電機及びその巻線製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】銅損の大幅な増加を生じることなく、高速回転域における損失を大幅に低減することが可能なスロットレス永久磁石式回転電機を提供すること。
【解決手段】永久磁石（５２）を有する概ね円筒形の回転子（５３）と、回転子を囲繞する固定子鉄心（５４）と、回転子と固定子鉄心との間に、回転子との間に隙間をあけて設けられた巻線（５５）とを有するスロットレス永久磁石式回転電機であって、巻線は、隣接する巻きが回転子の周方向に部分的に重なり合うようにずれて全体的に周方向に延在しており、且つ、巻線は長寸の断面を有する導体（６０、６０ａ、６０ｂ）からなり、導体の断面の長手方向軸が半径方向に沿って配置されていることを特徴とするスロットレス永久磁石式回転電機を提供する。
【選択図】 図７
【解決手段】永久磁石（５２）を有する概ね円筒形の回転子（５３）と、回転子を囲繞する固定子鉄心（５４）と、回転子と固定子鉄心との間に、回転子との間に隙間をあけて設けられた巻線（５５）とを有するスロットレス永久磁石式回転電機であって、巻線は、隣接する巻きが回転子の周方向に部分的に重なり合うようにずれて全体的に周方向に延在しており、且つ、巻線は長寸の断面を有する導体（６０、６０ａ、６０ｂ）からなり、導体の断面の長手方向軸が半径方向に沿って配置されていることを特徴とするスロットレス永久磁石式回転電機を提供する。
【選択図】 図７
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スロットレス永久磁石式回転電機及びその巻線の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電機やモータなどの回転電機において、トルクリップル（またはコギングトルク）を低減するため、固定子鉄心が巻線を収容するためのスロットを有しない、いわゆるスロットレス構造を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のスロットレスモータでは、巻線の占積率を高めるため断面が円形の丸導体の代わりに断面が長方形の平角導体（平角線）を用いて巻線を形成している。また、平角導体は内周側から外周側に渦巻き状に巻かれている。これに対し、特許文献２には、コア付きスロットレスモータにおいて、コアレスモータで用いられるようないわゆる六角巻きの巻線を用いるための好適な巻線の製造方法が開示されている。六角巻きの巻線では、各巻きは同じ大きさの概ね六角形をなし、隣接する巻きは回転子の周方向に部分的に重なるようにずらして配置され（分布巻ということもある）、全体として薄い周方向に延在する円筒形の巻線が形成される。特許文献２には、コアレスモータで用いられる巻線形態として六角巻きの他に、菱形巻き及びハネカム巻きが開示されている。
【０００３】
図１〜図３に、典型的なスロットレス永久磁石式発電機の構成を示す。図１はスロットレス永久磁石式発電機の模式的な分解斜視図、図２は模式的な軸線方向断面図、図３は図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。図示されているように、スロットレス永久磁石式発電機１は、永久磁石２を有する概ね円筒形状のシャフト（回転子）３と、回転子３を取り囲むように配置された固定子鉄心４と、回転子３の外周面との間にエアギャップを形成するように固定子鉄心４の内周面に固定された巻線５とを有する。回転子３は図示しない軸受けに回転可能に支持されており、回転子３を回転させることで巻線５に電圧を誘起することが可能となっている。巻線５は通常、互いに電気角で１２０度位相のずれたＵ、Ｖ、Ｗの３相の電圧を生成するため、３つの独立した巻線を有する。各相の巻線は導体がコイル状に巻かれたコイル部を有し、コイル部の各巻きが隣接する巻きに対して回転子の回転方向にずらして配置され全体として周方向に延在している。この例では各巻きの形状は菱形であり、巻線は菱形巻線となっている。このようなスロットレス永久磁石式発電機１は小型の発電機を製造するのに適しているが、高出力を得るには回転子３を高速回転する必要がある。
【０００４】
図４（ａ）は、図３の部分拡大図であり、各相の巻線が正方形の断面を有する導体１０からなる場合を示している。導体１０は図示しない絶縁材料により被覆されている。図４（ａ）の断面図において、導体１０は内層と外層の２層に分布しているが、これは導体１０が重ね巻きされていることを示すものであり、各相において導体１０は単一の巻線をなすように巻かれている。ただし、各相の単一の巻線は、例えば回転子３に設けられる永久磁石２が１つのＮ極及びＳ極を有する２極発電機の場合、回転子３の周りに１８０度離れた位置に配置され渡り線を介して互いに直列に接続された２つのコイル部を有し得る。このように、各相の巻線が正方形の断面形状を有する単一の導体１０からなるものとした場合、銅損を低減するには導体１０の断面積を大きくする必要がある。しかしながら、導体１０の断面積を大きくすると、図４（ｂ）のグラフに示すように、回転子３の回転数の増加に伴い、導体１０の断面内において渦状に流れる電流によって生じる渦電流損が急激に増加し（通常、回転子３の回転数の１．６〜１．８乗で増加する）、高速回転域において発電機１の効率が大きく低下する。
【０００５】
一般に、渦電流は導体１０の断面積を小さくするにつれて小さくなる。そこで、図５（ａ）に示すように、巻線５をより小さな面積（例えば約１／４）の正方形の断面の導体１０ａにより形成することが考えられる。この場合、導体１０ａの断面積が小さくなったことに伴う銅損の上昇を極力抑えるため、各相に対し巻線を例えば２つ形成し、これら２つの巻線を並列に接続するのが通常である。このようにすると、図５（ｂ）のグラフに示すように、回転子３の回転数の上昇に伴う渦電流損の増加は低く抑えることができる。しかしながら、回転子３の回転数の増加に伴い、各相毎に並列に接続された２つの巻線の起電力に差が生じ、これら２つの巻線を循環して電流が流れることによる循環電流損が発生するため、やはり、高速回転域における損失を抑制することができない。循環電流損が生じないように各相毎に１つの巻線のみを使用すると、導体の断面積減少により、銅損が大幅に増加してしまう。
【０００６】
尚、チョークコイルなどにおいて、断面が長方形の平角導体をエッジワイズ巻きすることが知られている（特許文献３参照）。また、誘導加熱コイルにおいて断面が平角状に圧延されたリッツ線を用いることが知られている（特許文献４参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２７２０４９号公報
【特許文献２】
特開２００２−２４７７９１号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０３４３８号公報
【特許文献４】
特開２０００−２１５９７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記したような従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の主な目的は、小型高出力で低損失の回転電機を提供することである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、銅損の大幅な増加を生じることなく、高速回転域における損失を大幅に低減することが可能なスロットレス永久磁石式回転電機を提供することである。
【００１０】
本発明の第３の目的は、上記したようなスロットレス永久磁石式回転電機の巻線を形成するための好適な方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明に基づくと、永久磁石（５２）を有する概ね円筒形の回転子（５３）と、回転子を囲繞する固定子鉄心（５４）と、回転子と固定子鉄心との間に、回転子との間に隙間をあけて設けられた巻線（５５）とを有するスロットレス永久磁石式回転電機であって、巻線は、隣接する巻きが回転子の周方向に部分的に重なり合うようにずれて全体的に周方向に延在しており、且つ、巻線は長寸の断面を有する導体（６０、６０ａ、６０ｂ）からなり、導体の断面の長手方向軸が半径方向に沿って配置されていることを特徴とするスロットレス永久磁石式回転電機が提供される。このようにすることにより、導体断面積の減少による銅損の増加を抑えつつ、高速回転域における渦電流損を低減して、効率のよいスロットレス永久磁石式回転電機を実現することができる。
【００１２】
一実施例では、導体は、断面が短辺と長辺を有する概ね長方形の平角線からなり、長辺が半径方向に沿って配置される。
【００１３】
導体はリッツ線（６０ａ）からなってもよい。これにより、高速回転域における渦電流損の発生をより一層抑制することができる。
【００１４】
また、導体（６０ｂ）は、その概ね長方形の断面の四隅が丸められていてもよい。これもまた、高速回転域における渦電流損の発生をより一層抑制するのに効果がある。
【００１５】
本発明の別の側面に基づくと、スロットレス永久磁石式回転電機（５１）の巻線（５５）の製造方法であって、巻線は、断面が短辺と長辺とを有する概ね長方形の平角線（６０、６０ａ、６０ｂ）をエッジワイズ巻してなり、当該方法は、平角線の短辺と略等しい直径を有する第１丸線（６１）と、第１丸線より大きな直径を有する第２丸線（６２）とを長寸の板状巻芯（６３）に螺旋状に巻き付け、板状巻芯の軸線方向断面でみたときこれら第１丸線と第２丸線が板状巻芯の軸線方向に交互に且つ互いに密接して位置するようにする過程と、第１丸線を板状巻芯から取り外す過程と、第１丸線を取り外すことで生じた隙間に沿って、平角線をその長辺が板状巻芯の軸線と直交するようにして板状巻芯に巻き付ける過程と、第２丸線を板状巻芯から取り外す過程と、を有することを特徴とする巻線の製造方法が提供される。これによると、平角線を容易に且つ精度高くエッジワイズ巻きして概ね平坦な巻線を形成することができるため、巻線を円筒状に巻いてスロットレス永久磁石式回転電機に装着したとき、平角線の長辺が半径方向に沿って延在するようにすることができる。それにより、銅損の増加を抑えつつ高速回転域における渦電流損を低減して、効率のよいスロットレス永久磁石式回転電機を実現することができる。
【００１６】
巻線が、スロットレス永久磁石式回転電機に装着された状態で電気角において１８０度離れて位置する２つのコイル部と、これらコイル部を連絡する渡り線とを有する場合、平角線の巻芯への巻き付け過程において、２つのコイル部で平角線を逆方向に巻き付けるとよい。これにより、２つのコイル部に誘起される電圧の位相を揃えることができるため、渡り線は２つのコイル部の隣接する端部同士を連結すればよく、渡り線の長さを短くすることができる。
【００１７】
平角線は、リッツ線からなってもよい。これにより、高速回転域における渦電流損の発生をより一層抑制することができる。
【００１８】
好適には、当該方法は、第２丸線を前記板状巻芯から取り外す過程の後、巻線の一巻きが概ね円または多角形をなすように巻線を変形する過程を更に有する。各巻きの形状は例えば菱形とすることができる。一実施例によると、巻線を変形する過程は、巻線を板状巻芯から取り外し、板状巻芯より幅の狭い第２の板状巻芯（６９）に嵌装する過程と、所定の形状の端部を有する第１の押圧部材（７０）と、第１の押圧部材の端部の所定の形状と補完的な形状を有する端部を備えた第２の押圧部材（７１）を、それら端部が巻線のそれぞれの端部に対向するように配置する過程と、第１及び第２の押圧部材を第２の板状巻芯の表面に沿って互いに向かって移動させ、これら第１及び第２の押圧部材で巻線を両端から加圧する過程とを有する。これにより、各巻きを所望の形状に容易に変形することができる。
【００１９】
本発明の特徴、目的及び作用効果は、添付図面を参照しつつ好適実施例について説明することにより一層明らかとなるだろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施例について図面を参照して説明する。
【００２１】
図６は、本発明が適用されるスロットレス永久磁石式発電機を示す図３と同様の断面図である。このスロットレス永久磁石式発電機５１は、図３〜図５に示した従来のスロットレス永久磁石式発電機１と同様に、永久磁石５２を有する概ね円筒形状の回転子５３と、回転子５３を取り囲むように配置された固定子鉄心５４と、回転子５３の外周面との間にエアギャップを形成するように固定子鉄心５４の内周面に固定された巻線５５とを有するが、以下に述べるように巻線５５を構成する導体６０の断面形状が従来と異なっている。
【００２２】
図７（ａ）に示すように、このスロットレス永久磁石式発電機５１では、導体６０が長寸の断面を有する。より詳細には、導体６０は、長辺と短辺を有する長方形の断面の平角線からなる。例えば、図７（ａ）に示した導体６０の長辺は、図４（ａ）に示した導体１０の正方形の断面の一辺と同じとし、短辺は概ね３分の１とすることができる。また、図７（ａ）に示すように導体６０はその長手方向軸（または長辺）が回転子５３の半径方向に沿って配置されている。
【００２３】
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した実施例における回転子５３の回転数と巻線５５における損失の関係を示すグラフである。図示されているように、図７（ａ）に示すような導体６０を用いることにより、銅損の増加を抑えつつ回転子５３の高速回転域における渦電流損の増加を大幅に抑制することができる。別の言い方をすると、断面積が同じとすると、導体６０の断面形状を長方形としその長辺が半径方向に沿うようにすることにより、断面形状が正方形である場合に比べて、銅損は同じで、渦電流損を大幅に低減することができる。
【００２４】
図８（ａ）は本発明の別の実施例を示す図７（ａ）と同様の部分拡大断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示す実施例における回転子５３の回転速度と損失との関係を示すグラフである。図８（ａ）の巻線用導体６０ａは図７（ａ）の導体６０と同様に、長方形の断面形状を有し、その長辺が半径方向に沿って配置されているが、図８（ａ）の導体６０ａはリッツ線からなる点が異なる。リッツ線とは、個々に絶縁された多くの線を撚って編んだ線であり、本分野ではよく知られている。リッツ線を用いると個々の線の絶縁被膜のため導体６０ａの面積は図７（ａ）の導体６０に比べて小さくなるので、図８（ｂ）のグラフに示すように、その分銅損が増加する。しかしながら、渦電流損をより効果的に抑制することができることから、非常に高い回転数で用いる場合には、図８（ａ）の実施例の方が図７（ａ）の実施例より適している。
【００２５】
渦電流は巻線を構成する導体の長方形の断面における角部分に集中する傾向がある。図９（ａ）は、そのような渦電流の性質を利用して、より効果的に渦電流の低減を図った本発明の更に別の変形実施例を示す図７（ａ）と同様の部分拡大断面図である。図９（ａ）の実施例では、導体６０ｂは長方形の角を丸めた断面形状を有している。これにより、図９（ｂ）のグラフに示すように、図７（ｂ）と比べて回転子５３の高速回転域における渦電流損を一層抑制することができる。図９（ａ）の実施例の導体６０ｂは角を丸めた断面形状を有しているため、図７（ａ）の実施例の導体と比べると若干断面積が減少し、その分、銅損は増加する。一般に、丸めの程度を大きくするにつれ、渦電流損は減少するが、銅損は増加する。
【００２６】
図１０に、上記した本発明の実施例（図７〜図９）及び従来例（図４、図５））における回転子５３、３の回転速度と損失との関係をまとめて示す。図示されているように、本発明の実施例では、高速回転域における損失（渦電流損）が大幅に低下し、且つ、低速回転域における損失（銅損）の大幅な増加も抑えられている。
【００２７】
次に、図１１〜図２１を参照して、本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機５１の巻線５５の好適な製造方法について説明する。尚、図１１〜１４において（ａ）は平面図を、（ｂ）は縦方向部分断面図を示す。
【００２８】
図１１（ａ）に示すように、最終的に巻線５５を構成する断面が長方形の導体６０（または６０ａ、６０ｂ）の短辺と略等しい直径を有する第１丸線６１と、第１丸線６１より大きな直径を有する第２丸線６２とを長寸の板状巻芯６３に螺旋状に巻き付け、図１１（ｂ）に示すように、巻芯６３の軸線方向（縦方向）断面でみたときこれら第１丸線６１と第２丸線６２が板状巻芯の軸線方向に交互に且つ互いに密接して位置するようにする。例えば、導体６０の断面寸法は０．２×０．６ｍｍ（即ち短辺と長辺の比が１：３）、第１丸線６１の直径は０．３ｍｍ、第２丸線６２の直径は０．５ｍｍである。尚、この例では、一相分の巻線が渡り線６７（図１５参照）で接続された２つのコイル部６５、６６（図１５参照）を有するように、コイル部６５、６６が形成されるべき位置に対応した軸線方向の２箇所において、第１及び第２丸線６１、６２が板状巻芯６３に巻き付けられている。尚、これらコイル部６５、６６は、スロットレス永久磁石式回転電機５１に装着された状態で電気角において１８０度離れて位置する。
【００２９】
続いて、図１２に示すように、第１丸線６１のみを板状巻芯６３から取り外す。
【００３０】
そうして、図１３に示すように、第１丸線６１を取り外すことで生じた隙間に沿って、断面長方形の導体６０をその長辺が板状巻芯６３の軸線と概ね直交するようにして板状巻芯６３に巻き付ける（エッジワイズ巻き）。
【００３１】
導体６０を板状巻芯６３にエッジワイズ巻きした後、第２丸線６２を板状巻芯６３から取り外す。このようにして、図１４に示すように、軸線方向に隣接する導体片と導体片の間のスペースを精度高く制御しつつ断面長方形の導体６０のエッジワイズ加工を実現することができる。
【００３２】
尚、導体６０を板状巻芯６３にエッジワイズ巻きするとき、図１５（ａ）に示すように、２つのコイル部６５、６６において導体６０の巻回方向を逆にするとよい（例えばコイル部６５を右巻き、コイル部６６を左巻き）。図１５（ｂ）のように２つのコイル部６５、６６において導体６０の巻回方向が同じ場合（例えば両方右巻き）、これらコイル部６５、６６には位相が１８０度異なる電圧が生成されるため、一方のコイル部６５の端を他方のコイル部６６の離れた側の端に渡り線６７で接続する必要がことから、渡り線６７が長くなってしまう。これに対し図１５（ａ）のように２つのコイル部６５、６６において導体６０の巻回方向を逆にすると、両コイル部６５、６６に生成される電圧の位相をそろえることができ、渡り線６７はこれらコイル部６５、６６の隣接する端部同士を接続すればいいため、渡り線６７の長さを短くすることができる。
【００３３】
続いて、図１６に示すように、巻線６０を板状巻芯６３から取り外し、一方のコイル部（例えばコイル部６５）をより幅の狭い第２の板状巻芯６９に嵌装する。この第２の板状巻芯６９の表面には端部の形状がＶ字形のＶプレート７０と、端部の形状がＭ字形のＭプレート７１が、Ｖ字形の端部とＭ字形の端部とが向き合うように且つ第２の板状巻芯６９の表面に沿って滑動可能に設けられており、コイル部６５は、これらＶプレート７０とＭプレート７１の間に配置される。
【００３４】
このような状態でＶプレート７０とＭプレート７１とを互いに向けて移動させることで、図１７に示すように、両プレート７０、７１間のコイル部６５を加圧し、第２の板状巻芯６９の表面側に位置するコイル部６５の各コイル片（導体片）をＶ字形に変形させることができる。図示は省略するが、第２の板状巻芯６９の裏面にも同様のＶプレート及びＭプレートが、表側とは逆の配置となるように設けられており、第２の板状巻芯６９の裏側においても同様にしてコイル片の加工がなされる。或いは、第２の板状巻芯６９の表面側に位置するコイル部６５の各コイル片をＶ字形に変形させた後、Ｖプレート７０及びＭプレート７１を第２の板状巻芯６９からいったん外し第２の板状巻芯６９の裏面側に装着し直して、裏面側のコイル片の加工を行っても良い。他方のコイル部６６も同様に変形加工する。
【００３５】
これにより、コイル部６５、６６を第２の板状巻芯６９から取り外すと、図１８に示すように、２つのコイル部６５、６６を有し、各コイル部６５、６６の各巻が概ね菱形をなし、隣接する巻きが互いに長手方向にずれるようにして重なり合って、全体として概ね平坦な一相分の巻線７３が完成する。
【００３６】
図１９に示すように、図１８に示したような巻線７３を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相分形成し、それらの一部が重なるように重ね合わせ、巻線５５を形成する。そして、図２０に示すように、巻線５５を円柱シャフト７５に巻き付け、円筒形にする。その際、巻線５５を保護するため、円柱シャフト７５にポリイミドのテープなどを巻き付けておくとよい。１回の巻き付けで所望の直径の円筒をなすように巻線５５を変形させることは困難であるため、実際には、異なる直径の複数の円柱シャフト７５を用意し、太いものから細いものへと順に巻線５５を巻き付け、少しずつ巻線５５の直径を小さくしていくとよい。
【００３７】
そうして、巻線５５の直径がある程度小さくなったら、周囲から加圧することで、さらに直径を所望の値まで小さくする。これは、図２１に示すように、円柱シャフト７５に巻いた状態の巻線５５の周囲に巻線保護用の銅箔テープ及びポリイミドテープを巻き付けた後、３分割された第１円筒治具７６を外側から取り付け、それを第１円筒治具７６の外径と概ね同じかやや小さい内径を有する第２円筒治具７７内に圧入することによってなされる。第１円筒治具７６として内径の異なるものを複数種類用意し、内径の大きいものから順に使っても良い。このようにして、巻線５５が完成する。
【００３８】
図２２は、図８に示したような、リッツ線からなる、断面が長方形の導体６０ａを製造するための好適な方法を示している。図２２の左上に示すように、まず、複数の例えばエナメル線のような断面形状が丸い細線８０を撚り、リッツ線８１を形成する。続いて、図２２の左下に示すように、リッツ線８１をポリイミド、エポキシなどの接着剤８２で含浸し、凹金型８３に押し込む。そうして、図２２の右上に示すように上から凸金型８４で接着剤８２で含浸されたリッツ線８１に圧力を加える。凸金型８４で圧力を加える前は、リッツ線８１を構成する各細線８０は丸線であるが、凸金型８４で加圧すると、図２２の右下に示すように各細線８０が変形して角線となり、リッツ線からなる断面が長方形の導体６０ａが得られる。
【００３９】
本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらの実施例はあくまでも例示であって本発明は実施例によって限定されるものではない。当業者であれば特許請求の範囲によって定められる本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な変形若しくは変更が可能であることは言うまでもない。例えば、実施例では本発明を発電機として説明したが、本発明をモータに適用することも可能である。また、巻線のコイル部の各巻きを菱形以外に六角形などの別の多角形や概ね円とすることも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、スロットレス永久磁石型回転電機において、巻線を断面が長寸の導体から構成し、導体の長手方向軸を半径方向に沿って配置するようにすることで、銅損の大幅な増加を防ぎつつ、高速回転域における渦電流損を大幅に低減して効率のよい回転電機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスロットレス永久磁石型発電機を示す分解斜視図。
【図２】図１のスロットレス永久磁石型発電機の縦方向断面図。
【図３】図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図。
【図４】図４（ａ）は従来のスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の一例を示す図３の部分拡大図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図５】図５（ａ）は従来のスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の別の例を示す図３の部分拡大図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図６】本発明が適用されるスロットレス永久磁石型発電機の図３と同様の断面図。
【図７】図７（ａ）は本発明に基づくスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の好適実施例を示す図６の部分拡大図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図８】図８（ａ）は本発明に基づくスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の別の実施例を示す図６の部分拡大図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図９】図９（ａ）は本発明に基づくスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の別の実施例を示す図６の部分拡大図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図１０】本発明に基づくスロットレス永久磁石型発電機の実施例と従来例における回転子回転速度と損失の関係を比較したグラフである。
【図１１】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す図であり、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の縦方向部分断面図である。
【図１２】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す図であり、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の縦方向部分断面図である。
【図１３】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す図であり、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の縦方向部分断面図である。
【図１４】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す図であり、図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の縦方向部分断面図である。
【図１５】図１５（ａ）は本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な態様を示す平面図であり、図１５（ｂ）は従来の態様を示す平面図。
【図１６】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す平面図。
【図１７】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す平面図。
【図１８】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す平面図。
【図１９】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す平面図。
【図２０】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す模式的な斜視図。
【図２１】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す模式的な斜視図。
【図２２】リッツ線からなる、断面が長方形の導体を製造するための好適な方法を示す模式図。
【符号の説明】
１ スロットレス永久磁石式発電機
２ 永久磁石
３ 回転子
４ 固定子鉄心
５ 巻線
１０ 導体
１０ａ 導体
５１ スロットレス永久磁石式発電機
５２ 永久磁石
５３ 回転子
５４ 固定子鉄心
５５ 巻線
６０ 導体
６０ａ 導体
６０ｂ 導体
６１ 第１丸線
６２ 第２丸線
６３ 板状巻芯
６７ 渡り線
６５、６６ コイル部
６９ 第２の板状巻芯
７０ Ｖプレート
７１ Ｍプレート
７３ 一相分の巻線
７５ 円柱シャフト
７６ 第１円筒治具
７７ 第２円筒治具
８０ 細線
８１ リッツ線
８２ 接着剤
８３ 凹金型
８４ 凸金型
【発明の属する技術分野】
本発明は、スロットレス永久磁石式回転電機及びその巻線の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電機やモータなどの回転電機において、トルクリップル（またはコギングトルク）を低減するため、固定子鉄心が巻線を収容するためのスロットを有しない、いわゆるスロットレス構造を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のスロットレスモータでは、巻線の占積率を高めるため断面が円形の丸導体の代わりに断面が長方形の平角導体（平角線）を用いて巻線を形成している。また、平角導体は内周側から外周側に渦巻き状に巻かれている。これに対し、特許文献２には、コア付きスロットレスモータにおいて、コアレスモータで用いられるようないわゆる六角巻きの巻線を用いるための好適な巻線の製造方法が開示されている。六角巻きの巻線では、各巻きは同じ大きさの概ね六角形をなし、隣接する巻きは回転子の周方向に部分的に重なるようにずらして配置され（分布巻ということもある）、全体として薄い周方向に延在する円筒形の巻線が形成される。特許文献２には、コアレスモータで用いられる巻線形態として六角巻きの他に、菱形巻き及びハネカム巻きが開示されている。
【０００３】
図１〜図３に、典型的なスロットレス永久磁石式発電機の構成を示す。図１はスロットレス永久磁石式発電機の模式的な分解斜視図、図２は模式的な軸線方向断面図、図３は図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。図示されているように、スロットレス永久磁石式発電機１は、永久磁石２を有する概ね円筒形状のシャフト（回転子）３と、回転子３を取り囲むように配置された固定子鉄心４と、回転子３の外周面との間にエアギャップを形成するように固定子鉄心４の内周面に固定された巻線５とを有する。回転子３は図示しない軸受けに回転可能に支持されており、回転子３を回転させることで巻線５に電圧を誘起することが可能となっている。巻線５は通常、互いに電気角で１２０度位相のずれたＵ、Ｖ、Ｗの３相の電圧を生成するため、３つの独立した巻線を有する。各相の巻線は導体がコイル状に巻かれたコイル部を有し、コイル部の各巻きが隣接する巻きに対して回転子の回転方向にずらして配置され全体として周方向に延在している。この例では各巻きの形状は菱形であり、巻線は菱形巻線となっている。このようなスロットレス永久磁石式発電機１は小型の発電機を製造するのに適しているが、高出力を得るには回転子３を高速回転する必要がある。
【０００４】
図４（ａ）は、図３の部分拡大図であり、各相の巻線が正方形の断面を有する導体１０からなる場合を示している。導体１０は図示しない絶縁材料により被覆されている。図４（ａ）の断面図において、導体１０は内層と外層の２層に分布しているが、これは導体１０が重ね巻きされていることを示すものであり、各相において導体１０は単一の巻線をなすように巻かれている。ただし、各相の単一の巻線は、例えば回転子３に設けられる永久磁石２が１つのＮ極及びＳ極を有する２極発電機の場合、回転子３の周りに１８０度離れた位置に配置され渡り線を介して互いに直列に接続された２つのコイル部を有し得る。このように、各相の巻線が正方形の断面形状を有する単一の導体１０からなるものとした場合、銅損を低減するには導体１０の断面積を大きくする必要がある。しかしながら、導体１０の断面積を大きくすると、図４（ｂ）のグラフに示すように、回転子３の回転数の増加に伴い、導体１０の断面内において渦状に流れる電流によって生じる渦電流損が急激に増加し（通常、回転子３の回転数の１．６〜１．８乗で増加する）、高速回転域において発電機１の効率が大きく低下する。
【０００５】
一般に、渦電流は導体１０の断面積を小さくするにつれて小さくなる。そこで、図５（ａ）に示すように、巻線５をより小さな面積（例えば約１／４）の正方形の断面の導体１０ａにより形成することが考えられる。この場合、導体１０ａの断面積が小さくなったことに伴う銅損の上昇を極力抑えるため、各相に対し巻線を例えば２つ形成し、これら２つの巻線を並列に接続するのが通常である。このようにすると、図５（ｂ）のグラフに示すように、回転子３の回転数の上昇に伴う渦電流損の増加は低く抑えることができる。しかしながら、回転子３の回転数の増加に伴い、各相毎に並列に接続された２つの巻線の起電力に差が生じ、これら２つの巻線を循環して電流が流れることによる循環電流損が発生するため、やはり、高速回転域における損失を抑制することができない。循環電流損が生じないように各相毎に１つの巻線のみを使用すると、導体の断面積減少により、銅損が大幅に増加してしまう。
【０００６】
尚、チョークコイルなどにおいて、断面が長方形の平角導体をエッジワイズ巻きすることが知られている（特許文献３参照）。また、誘導加熱コイルにおいて断面が平角状に圧延されたリッツ線を用いることが知られている（特許文献４参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２７２０４９号公報
【特許文献２】
特開２００２−２４７７９１号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０３４３８号公報
【特許文献４】
特開２０００−２１５９７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記したような従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の主な目的は、小型高出力で低損失の回転電機を提供することである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、銅損の大幅な増加を生じることなく、高速回転域における損失を大幅に低減することが可能なスロットレス永久磁石式回転電機を提供することである。
【００１０】
本発明の第３の目的は、上記したようなスロットレス永久磁石式回転電機の巻線を形成するための好適な方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明に基づくと、永久磁石（５２）を有する概ね円筒形の回転子（５３）と、回転子を囲繞する固定子鉄心（５４）と、回転子と固定子鉄心との間に、回転子との間に隙間をあけて設けられた巻線（５５）とを有するスロットレス永久磁石式回転電機であって、巻線は、隣接する巻きが回転子の周方向に部分的に重なり合うようにずれて全体的に周方向に延在しており、且つ、巻線は長寸の断面を有する導体（６０、６０ａ、６０ｂ）からなり、導体の断面の長手方向軸が半径方向に沿って配置されていることを特徴とするスロットレス永久磁石式回転電機が提供される。このようにすることにより、導体断面積の減少による銅損の増加を抑えつつ、高速回転域における渦電流損を低減して、効率のよいスロットレス永久磁石式回転電機を実現することができる。
【００１２】
一実施例では、導体は、断面が短辺と長辺を有する概ね長方形の平角線からなり、長辺が半径方向に沿って配置される。
【００１３】
導体はリッツ線（６０ａ）からなってもよい。これにより、高速回転域における渦電流損の発生をより一層抑制することができる。
【００１４】
また、導体（６０ｂ）は、その概ね長方形の断面の四隅が丸められていてもよい。これもまた、高速回転域における渦電流損の発生をより一層抑制するのに効果がある。
【００１５】
本発明の別の側面に基づくと、スロットレス永久磁石式回転電機（５１）の巻線（５５）の製造方法であって、巻線は、断面が短辺と長辺とを有する概ね長方形の平角線（６０、６０ａ、６０ｂ）をエッジワイズ巻してなり、当該方法は、平角線の短辺と略等しい直径を有する第１丸線（６１）と、第１丸線より大きな直径を有する第２丸線（６２）とを長寸の板状巻芯（６３）に螺旋状に巻き付け、板状巻芯の軸線方向断面でみたときこれら第１丸線と第２丸線が板状巻芯の軸線方向に交互に且つ互いに密接して位置するようにする過程と、第１丸線を板状巻芯から取り外す過程と、第１丸線を取り外すことで生じた隙間に沿って、平角線をその長辺が板状巻芯の軸線と直交するようにして板状巻芯に巻き付ける過程と、第２丸線を板状巻芯から取り外す過程と、を有することを特徴とする巻線の製造方法が提供される。これによると、平角線を容易に且つ精度高くエッジワイズ巻きして概ね平坦な巻線を形成することができるため、巻線を円筒状に巻いてスロットレス永久磁石式回転電機に装着したとき、平角線の長辺が半径方向に沿って延在するようにすることができる。それにより、銅損の増加を抑えつつ高速回転域における渦電流損を低減して、効率のよいスロットレス永久磁石式回転電機を実現することができる。
【００１６】
巻線が、スロットレス永久磁石式回転電機に装着された状態で電気角において１８０度離れて位置する２つのコイル部と、これらコイル部を連絡する渡り線とを有する場合、平角線の巻芯への巻き付け過程において、２つのコイル部で平角線を逆方向に巻き付けるとよい。これにより、２つのコイル部に誘起される電圧の位相を揃えることができるため、渡り線は２つのコイル部の隣接する端部同士を連結すればよく、渡り線の長さを短くすることができる。
【００１７】
平角線は、リッツ線からなってもよい。これにより、高速回転域における渦電流損の発生をより一層抑制することができる。
【００１８】
好適には、当該方法は、第２丸線を前記板状巻芯から取り外す過程の後、巻線の一巻きが概ね円または多角形をなすように巻線を変形する過程を更に有する。各巻きの形状は例えば菱形とすることができる。一実施例によると、巻線を変形する過程は、巻線を板状巻芯から取り外し、板状巻芯より幅の狭い第２の板状巻芯（６９）に嵌装する過程と、所定の形状の端部を有する第１の押圧部材（７０）と、第１の押圧部材の端部の所定の形状と補完的な形状を有する端部を備えた第２の押圧部材（７１）を、それら端部が巻線のそれぞれの端部に対向するように配置する過程と、第１及び第２の押圧部材を第２の板状巻芯の表面に沿って互いに向かって移動させ、これら第１及び第２の押圧部材で巻線を両端から加圧する過程とを有する。これにより、各巻きを所望の形状に容易に変形することができる。
【００１９】
本発明の特徴、目的及び作用効果は、添付図面を参照しつつ好適実施例について説明することにより一層明らかとなるだろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施例について図面を参照して説明する。
【００２１】
図６は、本発明が適用されるスロットレス永久磁石式発電機を示す図３と同様の断面図である。このスロットレス永久磁石式発電機５１は、図３〜図５に示した従来のスロットレス永久磁石式発電機１と同様に、永久磁石５２を有する概ね円筒形状の回転子５３と、回転子５３を取り囲むように配置された固定子鉄心５４と、回転子５３の外周面との間にエアギャップを形成するように固定子鉄心５４の内周面に固定された巻線５５とを有するが、以下に述べるように巻線５５を構成する導体６０の断面形状が従来と異なっている。
【００２２】
図７（ａ）に示すように、このスロットレス永久磁石式発電機５１では、導体６０が長寸の断面を有する。より詳細には、導体６０は、長辺と短辺を有する長方形の断面の平角線からなる。例えば、図７（ａ）に示した導体６０の長辺は、図４（ａ）に示した導体１０の正方形の断面の一辺と同じとし、短辺は概ね３分の１とすることができる。また、図７（ａ）に示すように導体６０はその長手方向軸（または長辺）が回転子５３の半径方向に沿って配置されている。
【００２３】
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した実施例における回転子５３の回転数と巻線５５における損失の関係を示すグラフである。図示されているように、図７（ａ）に示すような導体６０を用いることにより、銅損の増加を抑えつつ回転子５３の高速回転域における渦電流損の増加を大幅に抑制することができる。別の言い方をすると、断面積が同じとすると、導体６０の断面形状を長方形としその長辺が半径方向に沿うようにすることにより、断面形状が正方形である場合に比べて、銅損は同じで、渦電流損を大幅に低減することができる。
【００２４】
図８（ａ）は本発明の別の実施例を示す図７（ａ）と同様の部分拡大断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示す実施例における回転子５３の回転速度と損失との関係を示すグラフである。図８（ａ）の巻線用導体６０ａは図７（ａ）の導体６０と同様に、長方形の断面形状を有し、その長辺が半径方向に沿って配置されているが、図８（ａ）の導体６０ａはリッツ線からなる点が異なる。リッツ線とは、個々に絶縁された多くの線を撚って編んだ線であり、本分野ではよく知られている。リッツ線を用いると個々の線の絶縁被膜のため導体６０ａの面積は図７（ａ）の導体６０に比べて小さくなるので、図８（ｂ）のグラフに示すように、その分銅損が増加する。しかしながら、渦電流損をより効果的に抑制することができることから、非常に高い回転数で用いる場合には、図８（ａ）の実施例の方が図７（ａ）の実施例より適している。
【００２５】
渦電流は巻線を構成する導体の長方形の断面における角部分に集中する傾向がある。図９（ａ）は、そのような渦電流の性質を利用して、より効果的に渦電流の低減を図った本発明の更に別の変形実施例を示す図７（ａ）と同様の部分拡大断面図である。図９（ａ）の実施例では、導体６０ｂは長方形の角を丸めた断面形状を有している。これにより、図９（ｂ）のグラフに示すように、図７（ｂ）と比べて回転子５３の高速回転域における渦電流損を一層抑制することができる。図９（ａ）の実施例の導体６０ｂは角を丸めた断面形状を有しているため、図７（ａ）の実施例の導体と比べると若干断面積が減少し、その分、銅損は増加する。一般に、丸めの程度を大きくするにつれ、渦電流損は減少するが、銅損は増加する。
【００２６】
図１０に、上記した本発明の実施例（図７〜図９）及び従来例（図４、図５））における回転子５３、３の回転速度と損失との関係をまとめて示す。図示されているように、本発明の実施例では、高速回転域における損失（渦電流損）が大幅に低下し、且つ、低速回転域における損失（銅損）の大幅な増加も抑えられている。
【００２７】
次に、図１１〜図２１を参照して、本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機５１の巻線５５の好適な製造方法について説明する。尚、図１１〜１４において（ａ）は平面図を、（ｂ）は縦方向部分断面図を示す。
【００２８】
図１１（ａ）に示すように、最終的に巻線５５を構成する断面が長方形の導体６０（または６０ａ、６０ｂ）の短辺と略等しい直径を有する第１丸線６１と、第１丸線６１より大きな直径を有する第２丸線６２とを長寸の板状巻芯６３に螺旋状に巻き付け、図１１（ｂ）に示すように、巻芯６３の軸線方向（縦方向）断面でみたときこれら第１丸線６１と第２丸線６２が板状巻芯の軸線方向に交互に且つ互いに密接して位置するようにする。例えば、導体６０の断面寸法は０．２×０．６ｍｍ（即ち短辺と長辺の比が１：３）、第１丸線６１の直径は０．３ｍｍ、第２丸線６２の直径は０．５ｍｍである。尚、この例では、一相分の巻線が渡り線６７（図１５参照）で接続された２つのコイル部６５、６６（図１５参照）を有するように、コイル部６５、６６が形成されるべき位置に対応した軸線方向の２箇所において、第１及び第２丸線６１、６２が板状巻芯６３に巻き付けられている。尚、これらコイル部６５、６６は、スロットレス永久磁石式回転電機５１に装着された状態で電気角において１８０度離れて位置する。
【００２９】
続いて、図１２に示すように、第１丸線６１のみを板状巻芯６３から取り外す。
【００３０】
そうして、図１３に示すように、第１丸線６１を取り外すことで生じた隙間に沿って、断面長方形の導体６０をその長辺が板状巻芯６３の軸線と概ね直交するようにして板状巻芯６３に巻き付ける（エッジワイズ巻き）。
【００３１】
導体６０を板状巻芯６３にエッジワイズ巻きした後、第２丸線６２を板状巻芯６３から取り外す。このようにして、図１４に示すように、軸線方向に隣接する導体片と導体片の間のスペースを精度高く制御しつつ断面長方形の導体６０のエッジワイズ加工を実現することができる。
【００３２】
尚、導体６０を板状巻芯６３にエッジワイズ巻きするとき、図１５（ａ）に示すように、２つのコイル部６５、６６において導体６０の巻回方向を逆にするとよい（例えばコイル部６５を右巻き、コイル部６６を左巻き）。図１５（ｂ）のように２つのコイル部６５、６６において導体６０の巻回方向が同じ場合（例えば両方右巻き）、これらコイル部６５、６６には位相が１８０度異なる電圧が生成されるため、一方のコイル部６５の端を他方のコイル部６６の離れた側の端に渡り線６７で接続する必要がことから、渡り線６７が長くなってしまう。これに対し図１５（ａ）のように２つのコイル部６５、６６において導体６０の巻回方向を逆にすると、両コイル部６５、６６に生成される電圧の位相をそろえることができ、渡り線６７はこれらコイル部６５、６６の隣接する端部同士を接続すればいいため、渡り線６７の長さを短くすることができる。
【００３３】
続いて、図１６に示すように、巻線６０を板状巻芯６３から取り外し、一方のコイル部（例えばコイル部６５）をより幅の狭い第２の板状巻芯６９に嵌装する。この第２の板状巻芯６９の表面には端部の形状がＶ字形のＶプレート７０と、端部の形状がＭ字形のＭプレート７１が、Ｖ字形の端部とＭ字形の端部とが向き合うように且つ第２の板状巻芯６９の表面に沿って滑動可能に設けられており、コイル部６５は、これらＶプレート７０とＭプレート７１の間に配置される。
【００３４】
このような状態でＶプレート７０とＭプレート７１とを互いに向けて移動させることで、図１７に示すように、両プレート７０、７１間のコイル部６５を加圧し、第２の板状巻芯６９の表面側に位置するコイル部６５の各コイル片（導体片）をＶ字形に変形させることができる。図示は省略するが、第２の板状巻芯６９の裏面にも同様のＶプレート及びＭプレートが、表側とは逆の配置となるように設けられており、第２の板状巻芯６９の裏側においても同様にしてコイル片の加工がなされる。或いは、第２の板状巻芯６９の表面側に位置するコイル部６５の各コイル片をＶ字形に変形させた後、Ｖプレート７０及びＭプレート７１を第２の板状巻芯６９からいったん外し第２の板状巻芯６９の裏面側に装着し直して、裏面側のコイル片の加工を行っても良い。他方のコイル部６６も同様に変形加工する。
【００３５】
これにより、コイル部６５、６６を第２の板状巻芯６９から取り外すと、図１８に示すように、２つのコイル部６５、６６を有し、各コイル部６５、６６の各巻が概ね菱形をなし、隣接する巻きが互いに長手方向にずれるようにして重なり合って、全体として概ね平坦な一相分の巻線７３が完成する。
【００３６】
図１９に示すように、図１８に示したような巻線７３を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相分形成し、それらの一部が重なるように重ね合わせ、巻線５５を形成する。そして、図２０に示すように、巻線５５を円柱シャフト７５に巻き付け、円筒形にする。その際、巻線５５を保護するため、円柱シャフト７５にポリイミドのテープなどを巻き付けておくとよい。１回の巻き付けで所望の直径の円筒をなすように巻線５５を変形させることは困難であるため、実際には、異なる直径の複数の円柱シャフト７５を用意し、太いものから細いものへと順に巻線５５を巻き付け、少しずつ巻線５５の直径を小さくしていくとよい。
【００３７】
そうして、巻線５５の直径がある程度小さくなったら、周囲から加圧することで、さらに直径を所望の値まで小さくする。これは、図２１に示すように、円柱シャフト７５に巻いた状態の巻線５５の周囲に巻線保護用の銅箔テープ及びポリイミドテープを巻き付けた後、３分割された第１円筒治具７６を外側から取り付け、それを第１円筒治具７６の外径と概ね同じかやや小さい内径を有する第２円筒治具７７内に圧入することによってなされる。第１円筒治具７６として内径の異なるものを複数種類用意し、内径の大きいものから順に使っても良い。このようにして、巻線５５が完成する。
【００３８】
図２２は、図８に示したような、リッツ線からなる、断面が長方形の導体６０ａを製造するための好適な方法を示している。図２２の左上に示すように、まず、複数の例えばエナメル線のような断面形状が丸い細線８０を撚り、リッツ線８１を形成する。続いて、図２２の左下に示すように、リッツ線８１をポリイミド、エポキシなどの接着剤８２で含浸し、凹金型８３に押し込む。そうして、図２２の右上に示すように上から凸金型８４で接着剤８２で含浸されたリッツ線８１に圧力を加える。凸金型８４で圧力を加える前は、リッツ線８１を構成する各細線８０は丸線であるが、凸金型８４で加圧すると、図２２の右下に示すように各細線８０が変形して角線となり、リッツ線からなる断面が長方形の導体６０ａが得られる。
【００３９】
本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらの実施例はあくまでも例示であって本発明は実施例によって限定されるものではない。当業者であれば特許請求の範囲によって定められる本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な変形若しくは変更が可能であることは言うまでもない。例えば、実施例では本発明を発電機として説明したが、本発明をモータに適用することも可能である。また、巻線のコイル部の各巻きを菱形以外に六角形などの別の多角形や概ね円とすることも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、スロットレス永久磁石型回転電機において、巻線を断面が長寸の導体から構成し、導体の長手方向軸を半径方向に沿って配置するようにすることで、銅損の大幅な増加を防ぎつつ、高速回転域における渦電流損を大幅に低減して効率のよい回転電機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスロットレス永久磁石型発電機を示す分解斜視図。
【図２】図１のスロットレス永久磁石型発電機の縦方向断面図。
【図３】図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図。
【図４】図４（ａ）は従来のスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の一例を示す図３の部分拡大図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図５】図５（ａ）は従来のスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の別の例を示す図３の部分拡大図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図６】本発明が適用されるスロットレス永久磁石型発電機の図３と同様の断面図。
【図７】図７（ａ）は本発明に基づくスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の好適実施例を示す図６の部分拡大図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図８】図８（ａ）は本発明に基づくスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の別の実施例を示す図６の部分拡大図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図９】図９（ａ）は本発明に基づくスロットレス永久磁石型発電機の巻線形態の別の実施例を示す図６の部分拡大図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示したような巻線形態を有するスロットレス永久磁石型発電機における回転子回転数と損失の関係を表すグラフである。
【図１０】本発明に基づくスロットレス永久磁石型発電機の実施例と従来例における回転子回転速度と損失の関係を比較したグラフである。
【図１１】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す図であり、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の縦方向部分断面図である。
【図１２】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す図であり、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の縦方向部分断面図である。
【図１３】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す図であり、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の縦方向部分断面図である。
【図１４】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す図であり、図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の縦方向部分断面図である。
【図１５】図１５（ａ）は本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な態様を示す平面図であり、図１５（ｂ）は従来の態様を示す平面図。
【図１６】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す平面図。
【図１７】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す平面図。
【図１８】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す平面図。
【図１９】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す平面図。
【図２０】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す模式的な斜視図。
【図２１】本発明に基づくスロットレス永久磁石式発電機の巻線の好適な製造方法の一過程を示す模式的な斜視図。
【図２２】リッツ線からなる、断面が長方形の導体を製造するための好適な方法を示す模式図。
【符号の説明】
１ スロットレス永久磁石式発電機
２ 永久磁石
３ 回転子
４ 固定子鉄心
５ 巻線
１０ 導体
１０ａ 導体
５１ スロットレス永久磁石式発電機
５２ 永久磁石
５３ 回転子
５４ 固定子鉄心
５５ 巻線
６０ 導体
６０ａ 導体
６０ｂ 導体
６１ 第１丸線
６２ 第２丸線
６３ 板状巻芯
６７ 渡り線
６５、６６ コイル部
６９ 第２の板状巻芯
７０ Ｖプレート
７１ Ｍプレート
７３ 一相分の巻線
７５ 円柱シャフト
７６ 第１円筒治具
７７ 第２円筒治具
８０ 細線
８１ リッツ線
８２ 接着剤
８３ 凹金型
８４ 凸金型
Claims (9)
- 永久磁石を有する概ね円筒形の回転子と、
前記回転子を囲繞する固定子鉄心と、
前記回転子と前記固定子鉄心との間に、前記回転子との間に隙間をあけて設けられた巻線とを有するスロットレス永久磁石式回転電機であって、
前記巻線は、隣接する巻きが前記回転子の周方向に部分的に重なり合うようにずれて全体的に前記周方向に延在しており、
前記巻線は長寸の断面を有する導体からなり、前記導体の前記断面の長手方向軸が半径方向に沿って配置されていることを特徴とするスロットレス永久磁石式回転電機。 - 前記導体が、断面が短辺と長辺を有する概ね長方形の平角線からなり、前記長辺が前記半径方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスロットレス永久磁石式回転電機。
- 前記導体がリッツ線からなることを特徴とする請求項２に記載のスロットレス永久磁石式回転電機。
- 前記導体は、その概ね長方形の断面の四隅が丸められていることを特徴とする請求項２に記載のスロットレス永久磁石式回転電機。
- スロットレス永久磁石式回転電機の巻線の製造方法であって、前記巻線は、断面が短辺と長辺とを有する概ね長方形の平角線をエッジワイズ巻してなり、当該方法は、
前記平角線の前記短辺と略等しい直径を有する第１丸線と、前記第１丸線より大きな直径を有する第２丸線とを長寸の板状巻芯に螺旋状に巻き付け、前記板状巻芯の軸線方向断面でみたときこれら第１丸線と第２丸線が前記板状巻芯の軸線方向に交互に且つ互いに密接して位置するようにする過程と、
前記第１丸線を前記板状巻芯から取り外す過程と、
前記第１丸線を取り外すことで生じた隙間に沿って、前記平角線をその長辺が前記板状巻芯の軸線と直交するようにして前記板状巻芯に巻き付ける過程と、
前記第２丸線を前記板状巻芯から取り外す過程と、を有することを特徴とする巻線の製造方法。 - 前記巻線が、前記スロットレス永久磁石式回転電機に装着された状態で電気角において１８０度離れて位置する２つのコイル部と、これらコイル部を連絡する渡り線とを有し、前記平角線の前記巻芯への巻き付け過程において、前記２つのコイル部で前記平角線が逆方向に巻き付けられることを特徴とする請求項５に記載の巻線の製造方法。
- 前記平角線がリッツ線からなることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載の巻線の製造方法。
- 前記第２丸線を前記板状巻芯から取り外す過程の後、前記巻線の一巻きが概ね円または多角形をなすように前記巻線を変形する過程を更に有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の巻線の製造方法。
- 前記巻線を変形する過程が、前記巻線を前記板状巻芯から取り外し、前記板状巻芯より幅の狭い第２の板状巻芯に嵌装する過程と、
所定の形状の端部を有する第１の押圧部材と、前記第１の押圧部材の前記端部の所定の形状と補完的な形状を有する端部を備えた第２の押圧部材を、それら端部が前記巻線のそれぞれの端部に対向するように配置する過程と、
前記第１及び第２の押圧部材を前記第２の板状巻芯の表面に沿って互いに向かって移動させ、これら第１及び第２の押圧部材で前記巻線を両端から加圧する過程とを有することを特徴とする請求項８に記載の巻線の製造方法。
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