JP2009268245A - 回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石に発生する渦電流を効率的に抑制し、永久磁石の温度上昇や特性劣化、回転電機の効率低下を防止する回転電機の固定子を提供する。
【解決手段】複数個の永久磁石１３が周方向に配置固定された回転子１４と空隙２３を介して対向する回転電機の固定子２０であって、空隙２３に面する複数の固定子鉄心歯部２５を有する固定子鉄心と、複数の固定子鉄心歯部２５の各々に巻回された固定子巻線２１とを備え、複数の固定子鉄心歯部２５の各々は、空隙２３側から半径方向に向けて延びる１個以上のスリット２６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の固定子に係り、特に形状を改良した回転電機の固定子に関する。

近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、回転電機の小型・高出力化が進められている。特にハイブリット自動車向けのような車両用を用途とする回転電機では、排出ガスの抑制、燃費向上のため、高効率化を強く求められている。また、搭載スペースが小さく、限られた空間の中で高トルク、高出力化を要求されており、これを達成するためには大電流及び起磁力を要する高エネルギー密度の回転電機を構成する必要がある。

図９は、従来の永久磁石式回転電機１の構成を示す軸方向断面図である。また、図１０は、従来の永久磁石式回転電機１の回転子の径方向断面図である。永久磁石式回転電機１は、図９に示すように、固定子巻線２１と固定子鉄心２２とを有する固定子２０と、軸１１に固着した回転子鉄心１２と回転子鉄心１２の表面あるいは内部に設けられた永久磁石１３からなる回転子とを備える。回転子は、固定子鉄心２２との間に空隙２３を設けた状態で配置され、軸１１を中心に回転可能に構成されている。

回転子に設けられた永久磁石１３は、永久磁石の製造可能寸法制約や製作容易性のために、軸方向又は周方向に複数個のセグメントに分割されている。例えば図９における永久磁石１３は、軸方向に２個のセグメント（永久磁石１３ａ，１３ｂ）に分割されている。この永久磁石１３を軸方向や周方向に複数個に分割する方法は、渦電流を抑制する手段としても知られている。永久磁石１３は、固定子鉄心２２からの磁束と鎖交することにより、その表面に渦電流を発生させる。この渦電流は、永久磁石式回転電機１の効率を悪化させるとともに、永久磁石１３の温度を上昇させる。永久磁石１３は、温度上昇により特性が劣化するため、永久磁石回転電機１の性能を悪化させる要因にもなりうる。

特許文献１には、回転子の製造を容易に行える永久磁石式回転電機の回転子の製造方法が記載されている。この永久磁石式回転電機の回転子の製造方法により製造された永久磁石式回転電機は、回転子鉄心及び永久磁石を軸方向に直交する方向に複数に分割して回転子鉄心片及び磁石片とし、当該回転子鉄心片及び磁石片を各々貼り合せて回転子片を構成し、回転子片を各々順次重ね合わせて回転子全体を構成する。さらに当該製造方法は、回転子片を各々順次重ね合わせて回転子全体を構成する際に、重ね合わせる各々の回転子片の間に絶縁物を充填しながら重ね合わせるようにする。

この特許文献１に記載の永久磁石式回転電機の回転子の製造方法によれば、各々の回転子片の間に絶縁物を充填しているので、永久磁石表面の渦電流損の発生を軽減し、永久磁石の発熱を抑えることができる。
特開２００２−３５９９５５号公報

しかしながら、上述した方法を用いたとしても、発生する渦電流損の抑制効果が十分でなく、回転電機の性能が劣化する不具合が発生する場合がある。また、永久磁石を多数個に分割する手法は、多くの組立工数を必要とし手間やコストがかかるといった問題も招来する。

本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、永久磁石に発生する渦電流を効率的に抑制し、永久磁石の温度上昇や特性劣化、回転電機の効率低下を防止する回転電機の固定子を提供することを課題とする。

本発明に係る回転電機の固定子は、上記課題を解決するために、複数個の永久磁石が周方向に配置固定された回転子と空隙を介して対向する回転電機の固定子であって、前記空隙に面する複数の固定子鉄心歯部を有する固定子鉄心と、前記複数の固定子鉄心歯部の各々に巻回された固定子巻線とを備え、前記複数の固定子鉄心歯部の各々は、前記空隙側から半径方向に向けて延びる１個以上のスリットを有することを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石に発生する渦電流を効率的に抑制し、永久磁石の温度上昇や特性劣化、回転電機の効率低下を防止して高効率な回転電機を実現することができる。

以下、本発明の回転電機の固定子の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

最初に図１を用いて実施例１の構成について説明する。図１は、本発明の実施例１の回転電機の径方向断面の一部を示す図である。なお、図９及び図１０の従来技術における構成要素と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以て示し、重複した説明を省略する。

回転子１４は、図１に示すように、固定子２０の内側に設けられており、図示されない軸を中心に回転可能に構成されている。本発明の回転電機の固定子２０は、回転子鉄心１２に複数個の永久磁石１３が周方向に配置固定された回転子１４と空隙２３を介して対向し、固定子鉄心２２と固定子巻線２１とを備える。

また、回転子鉄心１２に設けられた複数個の永久磁石１３の各々は、従来技術と同様に周方向あるいは軸方向に複数個に分割されていてもよい。

固定子鉄心２２は、空隙２３に面する複数の固定子鉄心歯部２５を有する。固定子巻線２１は、複数の固定鉄心歯部２５の各々に巻回された突極集中巻線である。

また、複数の固定子鉄心歯部２５の各々は、空隙２３側から半径方向に向けて延びる１個以上のスリット２６を有する。本実施例において、各固定子鉄心歯部２５は、それぞれ１個のスリット２６を有するが、複数のスリットが設けられていてもよい。このスリット２６は、各固定子鉄心歯部２５の空隙２３側表面に軸方向に延びる溝（凹部）のように設けられている。すなわち、固定子鉄心歯部２５におけるスリット２６は、軸方向に貫通するように設けられている。

ここで、スリット２６の幅をＷＳとし、固定子鉄心歯部２５の幅をＷＴとした場合に、スリット２６は、０．０１≦ＷＳ／ＷＴ≦０．０５の関係を満たすように構成される。例えば、固定子鉄心歯部２５の幅ＷＴが１０ｍｍであるとすると、スリット２６の幅ＷＳは、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の条件を満たすように構成される。

また、スリット２６の深さをＤＳとし、固定子鉄心歯部２５の長さをＤＴとした場合に、スリット２６は、ＤＳ／ＤＴ≦０．２の関係を満たすように構成される。例えば、固定子鉄心歯部２５の長さＤＴが２０ｍｍであるとすると、スリット２６の深さＤＳは、４ｍｍ以下の条件を満たすように構成される。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図２は、本発明の回転電機の固定子２０を適用した永久磁石式回転電機の固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０を示す図である。本実施例のように集中巻の固定子巻線２１を採用した回転電機において、磁束３０は、固定子鉄心歯部２５の先端部分と回転子１４の永久磁石１３とを周回する。その際に、磁束３０は、永久磁石１３内部に渦電流３１を誘起する。永久磁石１３に誘起される渦電流の主たる成分は、固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０によるものであることが知られている。

磁束３０により永久磁石１３に誘起される渦電流３１は、永久磁石１３の温度上昇を引き起こして特性を劣化させるため、回転電機の特性も低下させる。また、渦電流３１は、渦電流損を発生させるため、回転電機の効率を低下させる。集中巻の回転電機における高調波損失は、このように固定子鉄心歯部２５の先端部分を周回する磁束３０により誘起される渦電流３１の渦電流損によるところが大きいため、磁束３０を低減させることが重要な課題となる。

本実施例において、磁束３０は、上述したように固定子鉄心歯部２５の先端部分を通るため、図２に示すように、スリット２６の内側（空気部分）を通過することになる。空気は、鉄に比して透磁率が低いため、鉄よりも磁束３０を通しにくい。すなわち、本発明におけるスリット２６は、固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０に対して磁気的な抵抗として作用する。したがって、本実施例のようにスリット２６を有する固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０は、スリット２６を有さない従来の固定子鉄心歯部２５を周回する磁束に比して小さなものとなる。結果として、磁束３０により永久磁石１３内部に誘起される渦電流３１は、スリット２６を有さない従来の回転電機に比して減少する。

図３は、本実施例の回転電機の固定子鉄心歯部２５に設けられたスリット２６の幅の割合であるＷＳ／ＷＴの値に対するモータ性能及び渦電流損失を示す図である。図３に示すように、モータ性能は、ＷＳ／ＷＴの値が０．０１から０．０５までの範囲においてはほぼ一定であり、０．０５より大きくなるにつれて減少する。これは、固定子鉄心歯部２５の幅ＷＴに対するスリット２６の幅ＷＳの割合が大きくなると、回転電機のトルクを発生させるための磁束が低減するためである。

また、渦電流損失は、スリットの幅ＷＳの割合が大きくなるにつれて低減するが、ＷＳ／ＷＴの値が０．０５を超えるとほとんど減少しないという特徴がある。そのため、本実施例におけるスリット２６は、０．０１≦ＷＳ／ＷＴ≦０．０５の関係を満たすように構成され、モータ性能を落とすことなく渦電流損失を低減させる効果がある。

図４は、本実施例の回転電機の固定子鉄心歯部２５に設けられたスリット２６の深さの割合であるＤＳ／ＤＴの値に対するモータ性能及び渦電流損失を示す図である。図４に示すように、モータ性能は、スリット２６の深さＤＳを深くしたとしても、ほぼ一定である。また、渦電流損失は、スリットの深さＤＳの割合が大きくなるにつれて低減するが、ＤＳ／ＤＴの値が０．２を超えるとほとんど減少しないという特徴がある。これは、固定子鉄心歯部２５の先端部分から離れた場所を周回する磁束３０が少ないためである。したがって、本実施例におけるスリット２６は、ＤＳ／ＤＴ≦０．２の関係を満たすように構成され、モータ性能を落とすことなく渦電流損失を低減させる効果がある。

上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る回転電機の固定子によれば、永久磁石１３に発生する渦電流３１を効率的に抑制し、永久磁石の温度上昇や特性劣化、及びそれに付随する回転電機の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

また、スリット２６の固定子鉄心歯部２５に対する幅の割合であるＷＳ／ＷＴが０．０１≦ＷＳ／ＷＴ≦０．０５を満たすように構成するので、モータ性能を落とすことなく渦電流損失を低減させることができる。

さらに、スリット２６の固定子鉄心歯部２５に対する深さの割合であるＤＳ／ＤＴがＤＳ／ＤＴ≦０．２を満たすように構成するので、モータ性能を落とすことなく渦電流損失を低減させることができる。

図５は、本発明の実施例２の回転電機の径方向断面の一部を示す図である。なお、実施例１で説明した図１の構成要素と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以て示し、重複した説明を省略する。

基本的な構成は、実施例１と同様である。実施例１の構成と異なる点は、複数の固定子鉄心歯部２５の各々に設けられたスリット２６が、内部に非磁性の導電体２７を備える点である。

導電体２７は、非磁性のものであればよく、例えば銅又はアルミニウムにより構成される。他に非磁性の導電体として金や銀を用いることも考えられるが、これらの導電体は高コストであるため、現実的には使用は困難である。また、導電体２７は、必ずしもスリット２６内部の全てを埋めるように構成される必要は無く、スリット２６内部の一部に設けられてもよい。また、複数のスリット２６が設けられている場合において、設計者は、そのうち一部のスリット２６に対してのみ非磁性の導電体２７を設けるように構成してもよい。

図６は、本発明の実施例２の回転電機の鳥瞰図である。本実施例において、導電体２７は、図６に示すように、固定子鉄心２２に軸方向に貫通するように設けられたスリット２６内部を埋めるように構成されている。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図２で説明した実施例１と同様に、本実施例の回転電機において、磁束３０は、固定子鉄心歯部２５の先端部分と回転子１４の永久磁石１３とを周回する。本実施例において、磁束３０は、固定子鉄心歯部２５の先端部分を通る際に、スリット２６の内側（導電体２７）を通過することになる。非磁性の導電体２７は、空気と同様に鉄に比して透磁率が低いため、鉄よりも磁束３０を通しにくい。また、磁束３０が導電体２７を通過する際に、導電体２７は、磁束３０を弱めるような短絡電流が誘起される。すなわち、本実施例におけるスリット２６内部の導電体２７は、固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０に対して磁気的な抵抗として作用する。

したがって、本実施例のようにスリット２６内部に導電体２７を有する固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０は、従来の固定子鉄心歯部２５を周回する磁束に比して小さなものとなる。結果として、磁束３０により永久磁石１３内部に誘起される渦電流３１は、スリット２６を有さない従来の回転電機に比して減少する。

なお、導電体２７に誘起される短絡電流は、渦電流であるため、永久磁石１３に誘起される渦電流３１が減少する代わりに導電体２７に誘起されたと考えることもできる。しかしながら、渦電流に基づく渦電流損は、誘起された材料の抵抗率が小さいほど小さいものとなる。非磁性の導電体２７（例えば銅）は、永久磁石１３に比して抵抗率が非常に小さい。そのため、導電体２７に渦電流が流れたとしても、それによる渦電流損は非常に小さい。したがって、本実施例の構成による回転電機の固定子は、永久磁石１３に誘起される渦電流による渦電流損を抑えることができるとともに、回転電機全体としての損失も抑えることができる。

上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る回転電機の固定子によれば、スリット２６内部に非磁性の導電体２７を備えるので、永久磁石１３に発生する渦電流３１を効率的に抑制し、永久磁石の温度上昇や特性劣化、及びそれに付随する回転電機の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

図７は、本発明の実施例３の回転電機の径方向断面の一部を示す図である。なお、実施例１で説明した図１の構成要素と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以て示し、重複した説明を省略する。

基本的な構成は、実施例１と同様である。実施例１の構成と異なる点は、複数の固定子鉄心歯部２５の各々に設けられたスリット２６が、内部に短絡コイル２８を備える点である。また、複数のスリット２６が設けられている場合において、設計者は、そのうち一部のスリット２６に対してのみ短絡コイル２８を設けるように構成してもよい。

短絡コイル２８は、スリット２６内部にエナメル線等を用いて設けられており、固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０に対して、磁束３０を抑制する短絡電流が誘起されるように巻かれている。

図８は、本発明の実施例３の回転電機の鳥瞰図である。短絡コイル２８は、図８に示すように、固定子鉄心２２に軸方向に貫通するように設けられたスリット２６内部に設けられ、固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０を抑制する短絡電流が誘起されるように回転電機の軸方向に長く巻かれて構成されている。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図２で説明した実施例１と同様に、本実施例の回転電機において、磁束３０は、固定子鉄心歯部２５の先端部分と回転子１４の永久磁石１３とを周回する。本実施例において、磁束３０は、固定子鉄心歯部２５の先端部分を通る際に、スリット２６の内側（短絡コイル２８の内側）を通過することになる。磁束３０が短絡コイル２８の内側を通過する際に、短絡コイル２８は、磁束３０を弱めるような短絡電流が誘起される。すなわち、本実施例における短絡コイル２８を備えたスリット２６は、固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０に対して磁気的な抵抗として作用する。

したがって、本実施例のようにスリット２６内部に短絡コイル２８を有する固定子鉄心歯部２５と永久磁石１３とを周回する磁束３０は、従来の固定子鉄心歯部２５を周回する磁束に比して小さなものとなる。結果として、磁束３０により永久磁石１３内部に誘起される渦電流３１は、スリット２６を有さない従来の回転電機に比して減少する。

なお、短絡コイル２８に誘起される短絡電流を渦電流の一種と考えることができる点は、実施例２の説明と同様である。短絡コイル２８（例えばエナメル線）の抵抗率は永久磁石１３のそれに比して非常に小さいため、短絡コイル２８に流れる短絡電流による損失は、非常に小さなものとなる。したがって、本実施例の構成による回転電機の固定子は、永久磁石１３に誘起される渦電流による渦電流損を抑えることができるとともに、回転電機全体としての損失も抑えることができる。

上述のとおり、本発明の実施例３の形態に係る回転電機の固定子によれば、スリット２６内部に短絡コイル２８を備えるので、永久磁石１３に発生する渦電流３１を効率的に抑制し、永久磁石の温度上昇や特性劣化、及びそれに付随する回転電機の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

本発明に係る回転電機の固定子は、回転電機や回転電機を動力源として搭載する車両等に利用可能である。

本発明の実施例１の形態の回転電機の径方向断面の一部を示す図である。 本発明の実施例１の形態の回転電機の固定子を適用した永久磁石式回転電機の固定子鉄心歯部と永久磁石とを周回する磁束を示す図である。 本発明の実施例１の形態の回転電機の固定子鉄心歯部に設けられたスリットの幅の割合であるＷＳ／ＷＴの値に対するモータ性能及び渦電流損失を示す図である。 本発明の実施例１の形態の回転電機の固定子鉄心歯部に設けられたスリットの深さの割合であるＤＳ／ＤＴの値に対するモータ性能及び渦電流損失を示す図である。 本発明の実施例２の形態の回転電機の径方向断面の一部を示す図である。 本発明の実施例２の形態の回転電機の鳥瞰図である。 本発明の実施例３の形態の回転電機の径方向断面の一部を示す図である。 本発明の実施例３の形態の回転電機の鳥瞰図である。 従来の永久磁石式回転電機の構成を示す軸方向断面図である。 従来の永久磁石式回転電機の回転子の径方向断面図である。

符号の説明

１ 永久磁石式回転電機
１０ フレーム
１１ 軸
１２ 回転子鉄心
１３，１３ａ，１３ｂ 永久磁石
２０ 固定子
２１ 固定子巻線
２２ 固定子鉄心
２３ 空隙
２５ 固定子鉄心歯部
２６ スリット
２７ 導電体
２８ 短絡コイル
３０ 磁束
３１ 渦電流

Claims (6)

1. 複数個の永久磁石が周方向に配置固定された回転子と空隙を介して対向する回転電機の固定子であって、
   前記空隙に面する複数の固定子鉄心歯部を有する固定子鉄心と、
   前記複数の固定子鉄心歯部の各々に巻回された固定子巻線とを備え、
   前記複数の固定子鉄心歯部の各々は、前記空隙側から半径方向に向けて延びる１個以上のスリットを有することを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記スリットの幅をＷＳ、前記固定子鉄心歯部の幅をＷＴとした場合に、
   

   

   なる関係を満たすように構成したことを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
3. 前記スリットの深さをＤＳ、前記固定子鉄心歯部の長さをＤＴとした場合に、
   

   

   なる関係を満たすように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転電機の固定子。
4. 前記スリットは、内部に非磁性の導電体を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の回転電機の固定子。
5. 前記導電体は、銅又はアルミニウムにより構成されることを特徴とする請求項４記載の回転電機の固定子。
6. 前記スリットは、内部に短絡コイルを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の回転電機の固定子。

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