JP2012100497A - ステータコア - Google Patents

Abstract

【課題】 台形ティースと台形ティースとは形状の異なる異形ティースとが混合配置されたステータコアにおいて、異形ティースを周方向に均等配置する、および各相に均等に割り当てるという制約を満たした上で、従来よりも各相に割り当てられる異形ティースの数を軽減させる。
【解決手段】ティース１４は、ヨーク１２の中心軸Ｃに垂直な断面形状が台形である台形ティース１６と、台形ティース１６を挟んでヨーク１２の中心軸Ｃ周りに１２０°ごとに配置された３個の異形ティース１８とから構成される。３個の異形ティース１８には、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかが割り当てられる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、ステータコアに関する。

モータやジェネレータなどの回転電機には回転磁界を発生させてロータ（回転子）を回転させるステータ（固定子）が設けられている。ステータは略円筒形状のステータコアとコイルとを含んで構成されており、ステータコアに設けられたティース（極歯）にコイルが組み付けられる。ティースはステータコアの内周面の周方向に沿って複数個設けられており、隣り合うティース同士の隙間はスロットと呼ばれる。このスロットにおけるコイル密度（スロット体積に占めるコイル体積の割合）の向上を図るために、従来から台形ティースと呼ばれるティースが使用されている。台形ティースとは、図４に示すように、ステータコア１１０の中心軸Ｃに垂直な断面形状が台形であるティースであり、ステータコア１１０の中心軸Ｃに向かう方向に沿って幅が小さくなるように形成されている。

台形ティース１１２には台形ティース１１２の形状に沿った台形コイル１１４が組み付けられる。ティースおよびコイルの断面形状を台形にすると、図５のようにティースおよびコイルの断面形状が長方形である場合に比べてスロット１１６におけるコイル密度が向上する。このことから、台形ティース１１２を使用する事で、従来の出力を維持したまま回転電機を小型化することが可能となる。

ここで、図６に示すように、所定の台形ティース１１２に台形コイル１２２を組み付けるにあたり、両隣の台形ティース１１２に既に台形コイル１１４が組み付けられている場合、所定の台形ティース１１２に台形コイル１２２を組み付けることができない。そこで従来からコイルの組み付けを容易にするために、図７に示すように台形ティース１１２と長方形ティース１１８とを交互に配置し、両隣の台形ティース１１８に台形コイル１１４が組み付けられていても長方形ティース１１８に長方形コイル１２０を組み付けることができるように構成している。

ところで、台形ティース１１２と長方形ティース１１８とではその形状の違いから発生する磁束量が異なる。磁束量が異なると磁束量に応じて生じる誘起電圧（逆起電力）も異なる。このことから、回転電機の相数が三相等の複数相であり、各相に割り当てられる長方形ティース１１８の数が異なっていると、各相で発生する誘起電圧が異なる。ロータ（回転子）の回転は誘起電圧によって左右されることから、各相で誘起電圧が異なるとロータの回転が不安定になるおそれがある。

加えて、長方形ティース１１８がステータコア１１０の周方向に対して均等でなく、偏って配置されている場合にトルクリプルが大きくなることが従来から知られている。トルクリプルが大きくなると回転電機の騒音・振動特性（ＮＶ特性）が悪化してしまう。

そこで、特許文献１においては各相に同数の長方形ティース１１８を割り当てるとともに、長方形ティース１１８をステータコア１１０の周方向に均等配置している。具体的には、回転電機の相数を三相とし、ティースの総数を１２個とし、さらに台形ティース１１２と長方形ティース１１８を交互に３０°間隔で配置している。このような配置により、長方形ティース１１８は周方向に均等に配置される。また、それぞれの相に割り当てられる長方形ティース１１８の数はいずれも２個となる。

特開２００８−１６０９３９号公報

上述したように、長方形ティース等の台形ティースとは形状の異なる異形ティースが多くなるほどスロットにおけるコイル密度が下がる。従来技術は各相に二個ずつ異形ティースが割り当てられているが、コイル密度の低下をより抑制するために、異形ティースの割り当て数の更なる減少が望まれている。

本願発明は、三相回転電機におけるステータコアに関するものである。ステータコアは、円筒形状のヨークと、ヨークの内周面に周方向に沿って配置され、それぞれ第一相から第三相のいずれかのコイルが組み付けられるティースと、を備えている。また、ティースは、ヨークの中心軸に垂直な断面形状が台形である台形ティースと、台形ティースを挟んでヨークの中心軸周りに１２０°ごとに配置され、第一相のコイルが組み付けられる第一のティースと、第二相のコイルが組み付けられる第二のティースと、第三相のコイルが組み付けられる第三のティースをそれぞれ一個ずつ備える、台形ティースとは形状の異なる異形ティースと、からなる。

また、上記発明において、第一相から第三相のコイルは、ヨークの内周面の周方向に沿って第一相、第二相、第三相のコイルの順に台形ティース及び異形ティースに組み付けられることが好適である。さらに、台形ティースと異形ティースの総数は３（３ｋ＋１）個（ただし、ｋは０または任意の自然数）であって、異形ティースは、台形ティースを挟んで３ｋ＋１個ごとに配置されていることが好適である。

また、上記発明において、第一相から第三相のコイルは、ヨークの内周面の周方向に沿って第一相、第二相、第三相のコイルの順に台形ティース及び異形ティースに組み付けられることが好適である。さらに、台形ティース及び異形ティースには、ヨークの内周面の周方向に沿って第一相から第三相のコイルがそれぞれ組み付けられ、台形ティース及び異形ティースには、ヨークの内周面の周方向に沿って第一相から第三相のコイルが組み付けられ、台形ティースと異形ティースの総数は３（３ｋ＋２）個（ただし、ｋは０または任意の自然数）設けられ、異形ティースは、台形ティースを挟んで３ｋ＋２個ごとに配置されていることが好適である。

本願発明により、異形ティースを周方向に均等配置する、および各相に均等に割り当てるという制約を満たした上で、従来よりも各相に割り当てられる異形ティースの数を軽減させることができる。

本実施形態に係るステータコアを例示する図である。 本実施形態に係るステータコアの変形例を示す図である。 本実施形態に係るステータコアを回転電機に備えたときに当該回転電機に発生するトルクリプルを説明する図である。 従来技術に係るステータコアを例示する図である。 従来技術に係るステータコアを例示する図である。 従来技術に係るステータコアを例示する図である。 従来技術に係るステータコアを例示する図である。

図１に本実施形態に係るステータコア１０を例示する。ステータコア１０は略円筒形状をしており、内周側に図示しないロータ（回転子）が収容される。ステータコア１０に後述するコイルを組み付けることでステータ（固定子）が形成され、ステータから発生する回転磁界によってロータが回転する。ステータ及びロータを備える回転電機は、例えば車両のモータまたはジェネレータとして使用される。なお、回転電機の種類としては、ロータ（回転子）に永久磁石を備えた永久磁石モータであってもよく、ロータに永久磁石を備えないリラクタンスモータであってもよい。

ステータコア１０は、円筒形状のヨーク（継鉄）１２と、ヨーク１２の内周面に周方向に沿って配置され、ヨーク１２の中心軸Ｃに向かって延びる複数個のティース１４とを備えている。ヨーク１２とティース１４とは一体に形成されており、例えば珪素鋼板の積層体から構成されている。

ティース１４は、台形ティース１６と、台形ティース１６とは形状の異なる異形ティース１８から構成されている。台形ティース１６はヨーク１２の中心軸Ｃに垂直な断面形状が台形のティースであり、ヨーク１２の中心に向かって幅が小さくなるように形成されている。また、隣り合う台形ティース１６の側面同士はほぼ平行となるように形成されている。

異形ティース１８はヨーク１２の中心軸Ｃに垂直な断面形状が台形ティース１６とは異なる形状をしている。図１では異形ティース１８の断面を長方形で示しているが、この形状に限らない。要するに両隣の台形ティース１６に台形コイル２０が挿入されている時であってもコイルが挿入できる形状であれば良く、例えば異形ティース１８の断面形状を台形ティース１６よりも幅の狭い（細い）台形に形成してもよい。

台形ティース１６および異形ティース１８にはそれぞれの形状に沿って成形されたコイルが組みつけられる。以下、台形ティース１６に組み付けられるコイルを台形コイル２０と呼び、異形ティース１８に組み付けられるコイルを異形コイル２２と呼ぶ。ここで、台形コイル２０および異形コイル２２はいわゆる集中巻き用のコイルであって、例えば銅製の平角線を厚み方向に巻いて形成されるエッジワイズコイルであってよい。また、エッジワイズコイルの他にも、銅製の丸線をボビンに巻いた丸線コイルであってもよく、さらに、銅製の平角線をボビンに巻いたフラット巻きコイルであっても良い。

隣り合う台形ティース１６の側面同士はほぼ平行となるように形成されていることが好適である。側面同士がほぼ平行である場合、台形ティース１６の形状に沿って成形された台形コイル２０を台形ティース１６に組み付けると、隣り合う台形コイル２０の外周面同士もほぼ平行となる。一方、台形ティース１６と異形ティース１８とが隣り合う場合、両者の側面は非平行となる。この場合において、台形ティース１６に組み付けられた台形コイル２０の外周面と、異形ティース１８に組み付けられた異形コイル２２の外周面は非平行となり、ヨーク１２の外周側に向かう方向に沿って両者の隙間が増える。すなわち、台形ティース１６と異形ティース１８とで形成された非平行スロット２４は、台形ティース１６同士で形成された平行スロット２６と比較してコイル密度が低くなる。このことから、異形ティース１８の低減がコイル密度の向上に繋がることが理解される。

また、回転電機が三相回転電機である場合、台形コイル２０及び異形コイル２２は図示しないインバータの各相のアームに接続される。各コイルは、ヨーク１２の内周面の周方向に沿って各相のアームに順次接続され、この周方向に沿って、第一相（Ｕ相）コイル、第二相（Ｖ層）コイル、第三相（Ｗ相）コイルとなる。インバータから各相の交流電流が台形コイル２０及び異形コイル２２に供給されることにより、台形ティース１６および異形ティース１８に磁束が生じ、この磁束によってステータコア１０の内周部に収容された図示しないロータが回転する。

ここで、本実施形態においては、台形ティース１６を挟んで、ヨーク１２の中心軸Ｃ周りに１２０°ごとに異形ティース１８を３個配置している。さらに、それぞれの異形ティース１８に組み付けられる異形コイル２２がそれぞれＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルとなるようにしている。

３個の異形ティース１８を１２０°ごとに配置することによって異形ティース１８がヨーク１２の周方向に対して均等配置される。したがって異形ティース１８を偏って配置した場合に比べてトルクリプルを低減させることができる。さらに本実施形態では、各相に割り当てられる異形ティース１８の数を等しくしつつ、従来２個であった各相の異形ティース１８の個数を１個に減らしている。これにより、各相の誘起電圧のばらつきを抑えつつ、スロットにおけるコイル密度の低下を抑制することができる。

次に、異形ティース１８を１２０°ごとに配置するための構成を説明する。なお、説明を容易にするため、以下では基準線Ａ上のティースを１個目（０°）のティースとし、基準線Ａから反時計回りに角度が増えるものとする。

まず、三相回転電機において各相のコイルおよびティースの数を等しくするため、ティースの数（台形ティース１６と異形ティース１８の総数）は３ｍ個（ｍは任意の自然数）とする。このとき、０°、１２０°、２４０°のティースはｍ個ごとに配置される。つまり、０°、１２０°、２４０°のティースの位置は以下のように記述することができる。

０°のティース：１個目
１２０°のティース：０°のティースから数えてｍ＋１個目
２４０°のティース：０°のティースから数えて２ｍ＋１個目

さらに、これらのティースにそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルを対応させるための構成を説明する。なお、以下ではステータコア１０の基準線Ａから反時計回りにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順にコイルが組み付けられるものとする。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルにそれぞれ対応するティースは以下のように記述することができる。

Ｕ相のティース：３ｎ＋１個目（ｎは０または任意の自然数）
Ｖ相のティース：３ｎ＋２個目
Ｗ相のティース：３ｎ個目

ここで、３ｍ個のティースについて、ｍ＝３ｋ（ｋは任意の自然数）のときを考える。

ｍ＝３ｋのとき
０°のティース：１個目→Ｕ相
１２０°のティース：ｍ＋１個目＝３ｋ＋１個目→Ｕ相
２４０°のティース：２ｍ＋１個目＝６ｋ＋１個目→Ｕ相

上記から、ｍ＝３ｋのとき、０°、１２０°、２４０°すべてのティースがＵ相となる。次に、ｍ＝３ｋ＋１のときを考える。

ｍ＝３ｋ＋１のとき
０°のティース：１個目→Ｕ相
１２０°のティース：ｍ＋１個目＝（３ｋ＋１）＋１個目＝３ｋ＋２個目→Ｖ相
２４０°のティース：２ｍ＋１個目＝（６ｋ＋２）＋１個目＝３（２ｋ＋１）個目→Ｗ相

上記から、ｍ＝３ｋ＋１のとき、０°、１２０°、２４０°の各ティースにＵ相、Ｖ相、Ｗ相が一つずつ割り当てられる。次に、ｍ＝３ｋ＋２のときを考える。

ｍ＝３ｋ＋２のとき、
０°のティース：１個目→Ｕ相
１２０°のティース：ｍ＋１個目＝（３ｋ＋２）＋１個目＝３（ｋ＋１）個目→Ｗ相
２４０°のティース：２ｍ＋１個目＝（６ｋ＋４）＋１個目＝３（２ｋ＋１）＋２個目→Ｖ相

上記から、ｍ＝３ｋ＋２のとき、０°、１２０°、２４０°の各ティースにＵ相、Ｖ相、Ｗ相が一つずつ割り当てられる。

以上の検討から、ｍ＝３ｋ＋１またはｍ＝３ｋ＋２のとき、１２０°ごとに配置された３つのティースにはそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかが一つずつ割り当てられることが理解される。このことから、本実施形態においてはティースの総数を３（３ｋ＋１）個または３（３ｋ＋２）個とし、３（３ｋ＋１）個のときは３ｋ＋１個ごとに異形ティース１８を配置し、また、ティースの総数が３（３ｋ＋２）個のときは３ｋ＋２個ごとに異形ティース１８を配置している。さらに、この配置を台形ティース１６を用いて言い換えると、ティースの総数が３（３ｋ＋１）個のときは３ｋ個の台形ティース１６を挟んで異形ティース１８を配置し、ティースの総数が３（３ｋ＋２）個のときは３ｋ＋１個の台形ティース１６を挟んで異形ティース１８を配置している。これにより、異形ティース１８がヨーク１２の中心軸周りに１２０°ごとに配置され、また各相に異形ティース１８が均等に割り当てられつつ、各相に割り当てられる異形ティース１８の個数を最小（１個）にすることができる。

なお、図１においてはティースの総数が１２個、つまり、３（３ｋ＋１）、ｋ＝１であるステータコア１０を例示している。さらに、ティースの総数が１５個、つまり、３（３ｋ＋２）、ｋ＝１であるステータコア１０を図２に例示する。いずれの場合においても、異形ティース１８が１２０°ごとに配置され、かつ、各相に異形ティース１８が１個ずつ割り当てられていることが理解される。

ここで、図２の実施形態におけるステータコア１０を回転電機に設けた際に、当該回転電機に生じるトルクリプルを図３右側に示す。なお、図３左側は比較例であり、異形ティース１８が不均等に設けられたステータコア１０を備えた回転電機に生じるトルクリプルを示している。具体的には１５個のティースのうち、異形ティース１８を１個のみ設けた場合のトルクリプルを示している。本実施形態におけるトルクリプルは、異形ティース１８を不均等に設けた場合と比較して１０％ほどトルクリプルが軽減されており、騒音・振動特性が向上していることが理解される。

１０ ステータコア、１２ ヨーク、１４ ティース、１６ 台形ティース、１８ 異形ティース、２０ 台形コイル、２２ 異形コイル、２４ 非平行スロット、２６ 平行スロット。

Claims (3)

1. 三相回転電機におけるステータコアであって、
   円筒形状のヨークと、
   前記ヨークの内周面に周方向に沿って配置され、それぞれ第一相から第三相のいずれかのコイルが組み付けられるティースと、
   を備え、
   前記ティースは、
   前記ヨークの中心軸に垂直な断面形状が台形である台形ティースと、
   前記台形ティースを挟んで前記ヨークの中心軸周りに１２０°ごとに配置され、前記第一相のコイルが組み付けられる第一のティースと、前記第二相のコイルが組み付けられる第二のティースと、前記第三相のコイルが組み付けられる第三のティースをそれぞれ一個ずつ備える、前記台形ティースとは形状の異なる異形ティースと、
   からなることを特徴とするステータコア。
2. 請求項１記載のステータコアであって、
   前記第一相から第三相のコイルは、前記ヨークの内周面の周方向に沿って前記第一相、前記第二相、前記第三相のコイルの順に前記台形ティース及び前記異形ティースに組み付けられ、
   前記台形ティースと異形ティースの総数は３（３ｋ＋１）個（ただし、ｋは０または任意の自然数）であって、
   前記異形ティースは、前記台形ティースを挟んで３ｋ＋１個ごとに配置されていることを特徴とするステータコア。
3. 請求項１記載のステータコアであって、
   前記第一相から第三相のコイルは、前記ヨークの内周面の周方向に沿って前記第一相、前記第二相、前記第三相のコイルの順に前記台形ティース及び前記異形ティースに組み付けられ、
   前記台形ティース及び前記異形ティースには、前記ヨークの内周面の周方向に沿って前記第一相から第三相のコイルがそれぞれ組み付けられ、
   前記台形ティース及び前記異形ティースには、前記ヨークの内周面の周方向に沿って前記第一相から第三相のコイルが組み付けられ、
   前記台形ティースと異形ティースの総数は３（３ｋ＋２）個（ただし、ｋは０または任意の自然数）設けられ、
   前記異形ティースは、前記台形ティースを挟んで３ｋ＋２個ごとに配置されていることを特徴とするステータコア。

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