JP2011130556A - ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において渦電流損失の発生を抑制することが可能な構造を備えるステータを提供する。
【解決手段】ティース部５２１ｂの先端側には、コイル５２２をヨーク部５２１ａ側に押さえつける略環状の押さえ部材５２５が設けられている。押さえ部材５２５は、先端側に環状の非磁性体５２５ａが配設され、この非磁性体５２５ａおよびコイル５２２の間に環状の磁性体５２５ｂが配設されている。非磁性体５２５ａおよび磁性体５２５ｂを有する押さえ部材５２５により、フラックスバリアを構成する。
【選択図】図５

Description

この発明は、モータやジェネレータに用いられるステータに関する。

モータやジェネレータに用いられるステータの構造の一例として、分割されたコアを複数個有するステータが挙げられる。このような構成を有するステータを開示する文献として、特許文献１から特許文献３が挙げられる。

特許文献１には、ステータに設けられるスロット開口部に磁性体を配置することで、基本波磁束の流れを改善し、高周波磁束をスロット開口部に通過させる技術が開示されている。特許文献２には、分割ステータコアのティースに設けられた鍔部のコイル側に、高透磁率材料を設けることで、渦電流の発生を抑制する技術が開示されている。特許文献３には、ステータのティース部に巻回されるコイルとロータとの間に磁性体を配置することで、渦電流の発生を抑制する技術が開示されている。

図８および図９に、ステータのティース部に巻回されるコイルとロータとの間に磁性体を配置する構造の一例を図示する。ステータのティース部５２１ｂには、コイル５２２が巻回されている。コイル５２２には、横断面が矩形形状のコイル（エッジワイズ）が用いられる。

ティース部５２１ｂとコイル５２２との間には、樹脂製のインシュレータ５２３が位置し、コイル５２２の外側には、絶縁紙５２４が位置している。また、ティース部５２１ｂの先端側において、先端部に位置するコイル５２２と回転電機のロータ１１０との間には、磁性体５２５が位置している。

回転電機において、エッジワイズ型のコイルを使用した場合、コイルを鎖交する磁束によって、導体内部に渦電流損失が発生し、回転電機の損失が悪化する問題がある。そこで、図９に示すように、ティース部５２１ｂの先端側に磁性体５２５を配設することで、ロータ１１０からの磁束を磁性体５２５に誘導し、ロータ１１０からの磁束がコイル５２２を鎖交しないようようにしている。しかし、磁束密度の飽和により磁性体５２５の磁気抵抗が増加すると、逆にロータ１１０からの磁束がコイル５２２を鎖交してしまうことが考えられる。

図１０に示すように、磁性体５２５のティース部５２１ｂに近い領域において磁束密度が飽和した状態を考える。ティース部５２１ｂに近い領域Ａにおいては、ロータ１１０からの磁束は、磁性体５２５を通過することなく、ティース部５２１ｂを通過する（矢印Ｘ）。

領域Ａから反対のＢ方向に遠ざかった場合には、ロータ１１０からの磁束は、磁性体５２５の磁束密度が飽和した領域Ａを通過せずに、時期抵抗が低い磁性体５２５の中間領域またはＢに近い領域を通過する。これにより、磁束はコイル５２２を鎖交してしまう（矢印Ｙ，Ｚ）。その結果、回転電機において渦電流損失が増加し、回転電機の損失を悪化させてしまうことになる。

特開平０５−２７６７０６号公報 特開２００６−６０１５号公報 特開平０５−２２８８５号公報

この発明が解決しようとする課題は、回転電機において渦電流損失が増加し、回転電機の損失を悪化させてしまう点にある。したがって、この発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、回転電機において渦電流損失の発生を抑制することが可能な構造を備えるステータを提供することにある。

この発明に基づいたステータにおいては、ヨーク部とティース部とを有する分割ステータコアと、上記ティース部に巻回されるエッジワイズ型のコイルと、上記コイルの上記ティース部の先端側に配設されるフラックスバリアとを備え、上記フラックスバリアは、上記ティース部の先端側に配設される非磁性体と、上記非磁性体および上記コイルの間に配設される磁性体とを含む。

上記ステータの他の形態においては、上記非磁性体は樹脂製部材である。
上記いずれかのステータの他の形態においては、上記ティース部の先端側に、上記コイルを上記ヨーク部側に押さえ込む押さえ部材を含み、上記押さえ部材が、上記非磁性体および上記磁性体を有する。

上記いずれかのステータの他の形態においては、上記コイルは、２層巻きであり、上記磁性体の周方向幅は、２層巻き状態の上記コイルのいずれにも当接可能な幅に設けられる。

この発明に基づいたステータによれば、回転電機において渦電流損失の発生を抑制することが可能な構造を備えるステータを提供することが可能になる。

実施の形態におけるステータを採用した回転電機を示す断面図である。 実施の形態におけるステータの構造を示す断面斜視図である。 実施の形態におけるステータに採用した分割ステータコア周りの構造を示す分解斜視図である。 実施の形態におけるステータに採用した分割ステータコア周りの構造を示す部分拡大図である。 図４中のＶで囲まれた領域の拡大断面図である。 実施の形態における分割ステータコアの他の形態におけるフラックスバリアの構造を示す断面図である。 実施の形態における分割ステータコアのさらに他の形態におけるフラックスバリアの構造を示す断面図である。 背景技術における回転電機のステータとロータとの部分拡大断面図である。 図８中ＩＸで囲まれた領域の部分拡大断面図である。 背景技術における課題を説明するための模式図である。

本発明に基づいた実施の形態におけるステータについて、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

図１は、本発明に基づいた実施の形態におけるステータ５０を採用した回転電機を示す断面図である。図中に示す回転電機は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車に搭載されたモータである。回転電機とは、電力が供給されてモータとしての機能と、発電機（ジェネレータ）としての機能との少なくとも一方の機能を有するモータジェネレータを意味する。

図１を参照して、回転電機１００は、ロータ１１０と、ロータ１１０の外周上に配置された本発明に基づいた実施の形態におけるステータ５０とを備える。ロータ１１０は、中心線１０１に沿って延びるロータシャフト５８に設けられている。ロータシャフト５８は、ロータ１１０とともに中心線１０１を中心に回転する。

ロータ１１０は、ロータコア２０と、ロータコア２０に埋設された永久磁石３１とを有する。すなわち、回転電機１００は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。

ロータコア２０は、中心線１０１に沿った円筒形状を有する。ロータコア２０は、中心線１０１の軸方向に積層された複数の電磁鋼板２１から構成されている。なお、ロータコア２０は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心から構成されても良い。

中心線１０１方向に位置するロータ１１０の軸方向端面には、エンドプレート２９が設けられている。ロータシャフト５８には軸方向に延びるオイル経路４１が設けられており、そのオイル経路４１から供給されたオイルをロータから放出するオイル排出孔４４がエンドプレート２９に設けられている。

ステータ５０は、分割ステータコア５２１と、分割ステータコア５２１に巻回されたエッジワイズ型のコイル５２２とを有する。分割ステータコア５２１は、中心線１０１の軸方向に積層された複数の電磁鋼板５２から構成されている。なお、分割ステータコア５２１は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心から構成されても良い。

コイル５２２は、３相ケーブル６０によって制御装置７０に電気的に接続されている。３相ケーブル６０は、Ｕ相ケーブル６１、Ｖ相ケーブル６２、およびＷ相ケーブル６３からなる。コイル５２２は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなり、これらの３つのコイルの端子に、それぞれ、Ｕ相ケーブル６１、Ｖ相ケーブル６２およびＷ相ケーブル６３が接続されている。

制御装置７０には、ハイブリッド自動車に搭載されたＥＣＵ（Electrical Control Unit）８０から、回転電機１００が出力すべきトルク指令値が送られる。制御装置７０は、そのトルク指令値によって指定されたトルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、そのモータ制御電流を、３相ケーブル６０を介してコイル５２２に供給する。

図２は、ステータ５０の断面斜視図である。図２を参照して、ステータ５０は、環状に複数個配置された分割ステータコア５２１、分割ステータコア５２１に巻回されるコイル５２２の他、コイルエンドカバー５０１，５０３、内径側カバー５０４、およびリング５０５を含む。

コイルエンドカバー５０１，５０３は、コイル５２２のコイルエンドを覆うように形成される。なお、コイルエンドとは、コイル５２２のうち、分割ステータコア５２１の軸方向端面上に位置する部分を意味する。

内径側カバー５０４は、分割ステータコア５２１の内周面上、すなわち、後述するティース部５２１ｂの先端上に設けられる。リング５０５は、分割ステータコア５２１の外周面上に設けられる。リング５０５は、周方向に複数に分割して形成された分割ステータコア５２１を締結する締結リングとして機能する。

次に、図３および図４を参照して、分割ステータコア５２１周りの構造について説明する。図３は、分割ステータコア周りの構造を示す分解斜視図であり、分割ステータコア周りの構造を示す部分拡大図である。

分割ステータコア５２１は、上記したように軸方向に積層された複数の電磁鋼板５２から構成され、円周方向に沿うヨーク部５２１ａと半径方向に沿うティース部５２１ｂとを有する。

ティース部５２１ｂには、樹脂製のインシュレータ５２３が嵌め入れられる。インシュレータ５２３は、ベース部５２３ａ、ベース部５２３ａに設けられた開口部５２３ｂ、およびこの開口部５２３ｂの周縁部全周から起立するように設けられた立壁部５２３ｃを有する。

インシュレータ５２３とコイル５２２との間には、絶縁紙５２４が介在する。絶縁紙５２４は、ベース紙５２４ａを有し、ベース紙５２４ａは、ティース部５２１ｂおよびインシュレータ５２３の立壁部５２３ｃが貫通する開口部５２４ｂを有する。コイル５２２は、内側巻線５２２ａとこの内側巻線５２２ａの外側に配置される外側巻線５２２ｂとを有する２層コイルが採用されている。

ティース部５２１ｂの先端側には、コイル５２２をヨーク部５２１ａ側に押さえつける略環状の押さえ部材５２５が設けられている。押さえ部材５２５は、先端側に環状の非磁性体５２５ａが配設され、この非磁性体５２５ａおよびコイル５２２の間に環状の磁性体５２５ｂが配設されている。非磁性体５２５ａおよび磁性体５２５ｂを有する押さえ部材５２５により、フラックスバリアを構成する。

押さえ部材５２５の幅Ｗは、コイル５２２をティース５２１ａ側に抑え込むために、２層巻き状態のコイル５２２の内側巻線５２２ａおよび外側巻線５２２ｂのいずれにも当接可能な幅に設けられる。

次に、図５を参照して、押さえ部材５２５によるフラックスバリアの作用効果について説明する。図５は、図４中のＶで囲まれた領域の拡大断面図であり、磁束流れを示す模式図である。ティース５２１ｂに近いＡに示す領域においては、ロータ１１０からの磁束Ｘは、磁性体５２５ｂを通らずにティース５２１ｂに入る。ティース５２１ｂから遠いＢに示す領域においては、ロータ１１０からの磁束Ｚは、磁性体５２５ｂに引き寄せられ、磁束Ｚがコイル５２２を鎖交せずにティース５２１ｂに入る。また、Ａに示す領域とＢに示す領域との中間に位置するロータ１１０からの磁束Ｙは、非磁性体５２５ａを通過した後に、磁性体５２５ｂに引き寄せられ、磁束Ｙがコイル５２２を鎖交せずにティース５２１ｂに入る。

ここで、ティース部５２１ｂの先端側に配設される非磁性体５２５ａとコイル５２２との間に磁性体５２５ｂを配設することで、Ａに示す領域における磁束Ｘは、磁性体５２５ｂを通らずにティース５２１ｂに入ることから、磁性体５２５ｂの磁束密度による飽和を抑制することを可能としている。このように、ロータ１１０から見た場合において、非磁性体５２５ａをティース５２１ｂの先端側に配設することで、磁性体５２５ｂをティース５２１ｂの先端部から距離ｈだけ後退させることができる。

これにより、磁性体５２５ｂの磁束密度による飽和を抑制させて、回転電機における渦電流損失が低減し、回転電機の回転効率を向上させることが可能となる。たとえば、非磁性体５２５ａを先端側に配設することで、約１０％程度の渦電流損失の低減が可能となる。

なお、上記実施の形態では、非磁性体５２５ａと磁性体５２５ｂとは別部材で構成した場合について説明したが、たとえば図６に示すように、一体型の樹脂成型において領域Ｒ１は樹脂材料のみとし、領域Ｒ２には磁性材料粉（粒）を混在させることにより、領域Ｒ１において非磁性体５２５ａを構成し、領域Ｒ２において磁性体５２５ｂを構成するようにしてもかまわない。

また、非磁性体５２５ａとして樹脂材料を用いた場合について説明したが、非磁性材料とし樹脂材料に限定されることはなく、たとえば、図７に示すように空気を非磁性材料として採用することも可能である。

また、押さえ部材５２５と兼用として非磁性体５２５ａおよび磁性体５２５ｂを用いる場合について説明しているが、押さえ部材、非磁性体、および磁性体をそれぞれ別構造とすることも可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

２０ ロータコア、２１ 電磁鋼板、２９ エンドプレート、３１ 永久磁石、４１ オイル経路、４４ オイル排出孔、５０ ステータ、５２ 電磁鋼板、５８ ロータシャフト、６０ ３相ケーブル、６１ Ｕ相ケーブル、６２ Ｖ相ケーブル、６３ Ｗ相ケーブル、７０ 制御装置、８０ ＥＣＵ（Electrical Control Unit）、１００ 回転電機、１０１ 中心線、１１０ ロータ、５０１，５０３ コイルエンドカバー、５０４ 内径側カバー、５０５ リング、５２１ 分割ステータコア、５２１ａ ヨーク部、５２１ｂ ティース部、５２２ コイル、５２２ａ 内側巻線、５２２ｂ 外側巻線、５２３ インシュレータ、５２３ａ ベース部、５２３ｂ 開口部、５２３ｃ 立壁部、５２４ 絶縁紙、５２４ａ ベース紙、５２４ｂ 開口部、５２５ 押さえ部材、５２５ａ 非磁性体、５２５ｂ 磁性体。

Claims (4)

1. ヨーク部とティース部とを有する分割ステータコアと、
   前記ティース部に巻回されるエッジワイズ型のコイルと、
   前記コイルの前記ティース部の先端側に配設されるフラックスバリアとを備え、
   前記フラックスバリアは、
   前記ティース部の先端側に配設される非磁性体と、
   前記非磁性体と前記コイルとの間に配設される磁性体と、を含むステータ。
2. 前記非磁性体は樹脂製部材である、請求項１に記載のステータ。
3. 前記ティース部の先端側に、前記コイルを前記ヨーク部側に押さえ込む押さえ部材を含み、
   前記押さえ部材が、前記非磁性体および前記磁性体を有する、請求項１または２に記載のステータ。
4. 前記コイルは、２層巻きであり、
   前記磁性体の周方向幅は、２層巻き状態の前記コイルのいずれにも当接可能な幅に設けられる、請求項１から３のいずれかに記載のステータ。

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