JP2014033500A

JP2014033500A - 回転電機のステータ

Info

Publication number: JP2014033500A
Application number: JP2012171160A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hattori; 宏之服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: JP5754424B2; WO2014020397A2; WO2014020397A3

Abstract

【課題】ステータのティース間のコイルを流れる漏れ磁束の変動によりコイル内に循環電流が発生するのを抑制する。
【解決手段】回転軸方向におけるスロット２４の一端２４ａと他端２４ｅ間を延びる集合導体４２は、スロット２４内において捩じられ、複数の素線４４の配置がスロット２４内で奇数回位相反転している。これによって、ティース２３間の漏れ磁束の変動により集合導体４２（各素線４４）に渦電流が発生しても、スロット２４内全体で渦電流が互いに打ち消し合い、循環電流が発生するのを抑制することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ロータへ向けて突出する複数のティースが互いに間隔をおいて配列され、ティース間にスロットが形成されたステータコアと、スロット内を通ってティースに巻装されたコイルと、を備える回転電機のステータに関する。

下記特許文献１の回転電機では、ロータに近接するコイルの先端部分を分割断面型の巻線部とすることで、コイルに鎖交する磁束の変動により発生する渦電流の低減を図っている。

特開２０１２−１１０１１４号公報特開２０１１−１８８７２１号公報

ステータとロータとの間で磁束を作用させる際に、ステータのティース内を流れる磁束が飽和してくると、磁束がティースから漏れ出し、隣接するティース間（スロット内）に位置するコイルを流れ出すようになる。このティース間のコイルを流れる漏れ磁束が変動すると、コイルに渦電流が発生する。

特許文献１では、コイルを複数の領域に分割した分割断面型の巻線とすることで、渦電流の低減を図っている。しかし、ティース間のコイルを流れる漏れ磁束が変動すると、分割された各領域に発生する渦電流によって、コイル内を循環する循環電流が発生し、この循環電流による損失が発生する。

本発明に係る回転電機のステータは、ティース間のコイルを流れる漏れ磁束の変動によりコイル内に循環電流が発生するのを抑制し、この循環電流による損失を抑制することを目的とする。

本発明に係る回転電機のステータは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機のステータは、ロータへ向けて突出する複数のティースが互いに間隔をおいて配列され、ティース間にスロットが形成されたステータコアと、スロット内を通ってティースに巻装されたコイルと、を備える回転電機のステータであって、コイルは、複数の素線を集合させた集合導体をスロット内に有し、集合導体がスロット内でティース突出方向に重ねられてティースに巻装されており、集合導体は、スロット内で捩じられ、スロット内で複数の素線の配置が奇数回反転していることを要旨とする。

本発明によれば、ティース間の漏れ磁束の変動により集合導体に渦電流が発生しても、スロット内全体で素線に流れる渦電流が互いに打ち消しあう。その結果、集合導体に循環電流が発生するのを抑制することができ、循環電流による損失を抑制することができる。

ロータ回転軸と平行方向から見たステータ及びロータの概略構成を示す断面図である。ロータ回転軸と直交する方向から見たステータ及びロータの概略構成を示す断面図である。本発明の実施形態に係るステータにおいて、スロットに挿入されたコイルの構成を示す断面図である。本発明の実施形態に係るステータにおいて、スロットに挿入された複数の素線の転位状態を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜４は本発明の実施形態に係るステータを備える回転電機の概略構成を示す図である。図１はステータ軸あるいはロータ回転軸（以下単に回転軸とする）方向から見たステータ１２及びロータ１４の概略構成図を示し、図２は回転軸と直交する方向から見たステータ１２及びロータ１４の概略構成図を示し、図３は回転軸方向から見たステータ１２の概略構成図を示し、図４は回転軸と直交する方向から見たステータ１２の概略構成図を示す。本実施形態に係る回転電機は、回転が固定されたステータ１２と、ステータ１２に対し相対回転可能なロータ１４と、を備える。図１，２に示す例では、回転軸と直交する径方向においてステータ１２とロータ１４が所定の微小空隙を空けて対向配置され、ロータ１４がステータ１２の内周側に配置されている。

ロータ１４は、ロータコア３１と、ロータコア３１にその周方向に沿って配設された複数の永久磁石３２と、を含む。ステータ１２は、ステータコア２１と、ステータコア２１に配設された複数相（例えば３相）のコイル２２と、を含む。ステータコア２１には、ロータ１４へ向けて径方向内側に突出する複数のティース２３が回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、周方向に隣接するティース２３間には、スロット２４が回転軸方向に沿って延びて形成されている。図１，２に示す例では、各ティース２３の突出方向は径方向に一致し、複数のティース２３の配列方向は周方向に一致し、スロット２４の延設方向は回転軸方向に一致する。コイル２２がティース２３間のスロット２４を通ってティース２３に例えば分布巻等の巻装方式で巻装されることで、ステータ１２に磁極が構成される。

図３，４に示すように、コイル２２は、複数の素線(細線)４４を集合させて接合した集合導体４２をスロット２４内に有し、スロット２４内を回転軸方向に沿って延びる集合導体４２が径方向（ティース突出方向）に複数重ねられてティース２３に巻装されている。図３では、ティース２３及びコイル２２を周方向に関して部分的に図示しているが、図示を省略している部分の構成は、図示している部分と同様の構成で実現可能である。各素線４４は、導体線と、導体線の外周を覆う絶縁体層とを含んで構成され、スロット２４内では絶縁体層により電気的に互いに絶縁され、スロット２４の外部で電気的に接続される。このように、素線４４を集合させた（太断面線で分割した）集合導体４２を単位として各スロット２４内に配置されるコイルターンが形成される。そして、各コイルターン（集合導体４２）毎に部品構成されており、各コイルターン間は例えば溶接等により接合されている。図３，４に示す例では、スロット２４内には、集合導体４２が径方向に沿って一列に４層並んで配置されている。なお、図３，４に示す例では、４層の集合導体４２が径方向に並べられているが、径方向に並べる集合導体４２の数については任意に設定可能である。また、図３，４に示す例では、集合導体４２を構成する素線４４の数が、（周方向に４本）×（径方向に４本）で、計１６本であるが、集合導体４２を構成する素線４４の数についても任意に設定可能である。また、スロット２４の外部では、コイル２２を必ずしも集合導体４２で構成する必要はない。

本実施形態では、図４に示すように、集合導体４２は、スロット２４の一端２４ａから他端２４ｅへ向かうにつれて、その中心軸まわりに捩じられている（撚られている）ことで、各素線４４の配置が転位している。さらに、回転軸方向におけるスロット２４の一端２４ａと他端２４ｅ間を延びる集合導体４２は、スロット２４内において、複数の素線４４の配置が奇数回位相反転している。この場合における素線４４の位相反転とは、集合導体４２の中心軸に対して素線４４が１８０°点対称の位置に移動した状態をいう。図４に示すように、集合導体４２は、スロット２４の一端２４ａと他端２４ｅとで、複数の素線４４の配置が等しい（同相である）。そして、スロット２４の一端２４ａと他端２４ｅ間の回転軸方向距離をＬとすると、スロット２４の一端２４ａから回転軸方向距離Ｌ／４のスロット位置２４ｂでは、スロット２４の一端２４ａと比較して、集合導体４２が１８０°捩じられていることで、複数の素線４４の配置が１８０°位相反転している。そして、スロット２４の一端２４ａから回転軸方向距離Ｌ／２のスロット位置（中央位置）２４ｃでは、スロット位置２４ｂと比較して、集合導体４２が１８０°捩じられていることで、複数の素線４４の配置が１８０°位相反転している。さらに、スロット２４の一端２４ａから回転軸方向距離３×Ｌ／４のスロット位置２４ｄでは、スロット位置２４ｃと比較して、集合導体４２が１８０°捩じられていることで、複数の素線４４の配置が１８０°位相反転している。さらに、集合導体４２は、スロット位置２４ｄからスロット２４の他端２４ｅにかけて、１８０°捩じられている。図４では、最も径方向内側の（最もロータ１４に近い）集合導体４２のみ、素線４４の構成を図示しているが、図示を省略している他の集合導体４２における素線４４の構成についても、図示している部分と同様の構成で実現可能である。

このように、集合導体４２は、スロット２４内において捩じられ、各素線４４の配置がスロット２４内で異なる位置に転位している。さらに、集合導体４２は、複数の素線４４の位相反転箇所をスロット２４内に奇数箇所（図４に示す例ではスロット位置２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの３箇所）有する。ただし、同コイルターン（集合導体４２）内で各素線４４の配置を転位（位相反転）させ、異なるコイルターン（集合導体４２）間では各素線４４の配置を転位（位相反転）させない。また、スロット２４内でのみ各素線４４の配置を転位させ、スロット２４外では各素線４４の配置を転位させない。さらに、集合導体４２においては、複数の素線４４の位相反転箇所間の距離（スロット位置２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ間の距離）が均等であることが好ましい。また、図４に示す例では、集合導体４２を構成する各素線４４の配置のスロット２４内での位相反転回数が３回であるが、集合導体４２を構成する各素線４４の配置のスロット２４内での位相反転回数については、例えば１回や５回等、奇数回を満たす範囲で任意に設定可能である。

回転電機では、複数相（３相）のコイル２２に交流電流を流すことで、各ティース２３が順次磁化され、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に形成される。そして、ステータ１２に発生した回転磁界とロータ１４の永久磁石３２で発生した界磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、ロータ１４にトルク（磁石トルク）を作用させてロータ１４を回転駆動することができる。このように、回転電機を、コイル２２への供給電力を利用してロータ１４に動力を発生させる電動機として機能させることができる。一方、回転電機を、ロータ１４の動力を利用してコイル２２に電力を発生させる発電機として機能させることもできる。また、ロータ１４は、永久磁石３２が設けられた構成に限られるものではなく、例えばコイルが設けられた構成や、磁気抵抗の変化によりリラクタンストルクを利用する構成であってもよい。

ステータ１２とロータ１４との間にトルクを作用させる際には、ステータ１２とロータ１４との間で磁束が作用し、磁束がティース２３内を径方向に流れる。ただし、ティース２３内を流れる磁束が飽和してくると、磁束がティース２３から漏れ出し、隣接するティース２３間（スロット２４内）を周方向に流れ出すようになる。特に、ロータ１４のトルクが大きい場合には、ティース２３内を流れる磁束が飽和しやすくなり、磁束がティース２３間を周方向に流れやすくなる。このティース２３間の漏れ磁束は、集合導体４２（各素線４４）内を周方向に流れる。そして、ティース２３間の集合導体４２を流れる漏れ磁束が変動すると、各素線４４に渦電流が発生し、これにより集合導体４２に循環電流が発生することで、この循環電流による損失が発生する。

これに対して本実施形態では、集合導体４２はスロット２４内において捩じられ、各素線４４の配置がスロット２４内で異なる位置に転位している。その結果、ティース２３間の漏れ磁束の変動により各素線４４に発生する渦電流の向きも同時に変わり、スロット２４内全体（スロット２４の一端２４ａと他端２４ｅ間）で考えると渦電流が互いに打ち消し合う。例えば図４に示すように、スロット２４の一端２４ａとスロット位置２４ｂ間の素線ａに流れる渦電流４６ａの向きと、スロット位置２４ｂとスロット位置２４ｃ間の素線ａに流れる渦電流４６ｂの向きが逆転し、互いに打ち消しあう。そして、スロット位置２４ｃとスロット位置２４ｄ間の素線ａに流れる渦電流４６ｃの向きと、スロット位置２４ｄとスロット２４の他端２４ｅ間の素線ａに流れる渦電流４６ｄの向きが逆転し、互いに打ち消しあう。このように、スロット位置２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ（位相反転箇所）前後で素線に流れる渦電流の向きが逆転し、スロット２４内全体で素線ａに流れる渦電流が互いに打ち消し合う。そして、他の素線についても、スロット２４内全体で考えると渦電流が互いに打ち消し合う。その結果、集合導体４２に循環電流が発生するのを抑制することができ、循環電流による損失を抑制することができる。さらに、素線４４内を循環する電流の閉ループが小さくなるため、複数の素線４４の位相反転箇所間の距離（スロット位置２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ間の距離）が均等でない場合であっても、循環電流による損失を小さくすることができる。

以上の実施形態では、径方向に並べられた集合導体４２の必ずしもすべてについて、各素線４４の配置をスロット２４内で位相反転させる必要はない。例えばロータ１４との距離が近い径方向内側（ティース先端側）の集合導体４２についてだけ、各素線４４の配置をスロット２４内で奇数回位相反転させ、ロータ１４から離れる径方向外側（ティース根元側）の集合導体４２については、各素線４４の配置をスロット２４内で位相反転させないことも可能である。

以上の実施形態では、コイル２２を分布巻でティース２３に巻装した場合について説明したが、コイル２２を分布巻以外の巻装方式、例えば集中巻でティース２３に巻装することも可能である。

以上の実施形態では、本発明をラジアル型の回転電機に適用した場合について説明したが、本発明をアキシャル型の回転電機に適用することも可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１２ステータ、１４ロータ、２１ステータコア、２２コイル、２３ティース、２４スロット、３１ロータコア、３２永久磁石、４２集合導体、４４素線。

Claims

ロータへ向けて突出する複数のティースが互いに間隔をおいて配列され、ティース間にスロットが形成されたステータコアと、
スロット内を通ってティースに巻装されたコイルと、
を備える回転電機のステータであって、
コイルは、複数の素線を集合させた集合導体をスロット内に有し、集合導体がスロット内でティース突出方向に重ねられてティースに巻装されており、
集合導体は、スロット内で捩じられ、スロット内で複数の素線の配置が奇数回反転している、回転電機のステータ。