JP2015133811A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】加工コストを低減するとともに、トルクの減少を抑制しつつトルクリップルを低減し得るようにした回転電機を提供する。【解決手段】回転電機1は、回転子14と、固定子コア30及び固定子巻線40を有する固定子20とを備える。固定子コア30は、径方向内方へ突出して周方向両側の側面でスロット31を区画する複数のティース34を有し、回転子14と径方向に対向配置されている。ティース34は、突出先端から周方向両側にそれぞれ突出する一対の突出部35,36を有する。一対の突出部35,36を含んで形成される各ティース34の突出先端面37の周方向長さが同一にされている。突出部35,36は、軸直角方向の断面形状が異なる第1突出部35と第2突出部36を有する。【選択図】図3

Description

本発明は、例えば車両等に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機に関する。
従来、車両において電動機や発電機として使用される回転電機として、回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ構造をもつ回転界磁形式の同期モータ(以下、「IPMモータ」という。)が知られている。このIPMモータは、回転子の磁化によるリラクタンストルクと永久磁石の磁化によるトルクの両方を利用することができるので高効率であることから、ハイブリッド車両や電気自動車等に好適に採用されている。
このようなIPMモータは、周方向に配列された永久磁石よりなる複数の磁極を有する回転子と、径方向内方へ突出して周方向両側の側面でスロットを区画する複数のティースを有し回転子と径方向に対向配置された固定子コア、及び、スロットに挿入されて固定子コアに巻装された固定子巻線を有する固定子と、を備えている。
このIPMモータにおいて、上記の特性を低下させることなくトルクリップルを低減させる方法として、例えば特許文献1,2には、各ティースの突出先端面の周方向長さが異なる複数種類の鋼板を軸方向に積層して固定子コアを形成することが開示されている。これにより、トルクリップルの位相をずらしてキャンセルさせるスキュー機能を果たすようにされている。
実開平6−29353号公報 特開2010−166810号公報
ところで、特許文献1の場合には、ティース形状の異なる複数種類の鋼板を用いることから、スキューの自由度が増すほど多種類の鋼板が必要になるため、鋼板の加工工数が増えてしまいコスト高を招くという問題がある。
また、特許文献2のように、スキュー機能を果たすために回転子に対するティースの突出先端面の対向面積を減らす方法の場合には、流れる磁束の量を減らし、発生するトルクを減少させてしまうという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、加工コストを低減するとともに、トルクの減少を抑制しつつトルクリップルを低減し得るようにした回転電機を提供することを解決すべき課題とするものである。
上記課題を解決するためになされた本発明は、周方向に配列された複数の磁極を有する回転子(14)と、径方向内方へ突出して周方向両側の側面でスロット(31)を区画する複数のティース(34)を有し前記回転子と径方向に対向配置された円環状の固定子コア(30)、及び、前記スロットに挿入されて前記固定子コアに巻装された複数の相巻線よりなる固定子巻線(40)を有する固定子(20)と、を備えた回転電機において、前記ティースは、突出先端から周方向両側にそれぞれ突出する一対の突出部(35,36)を有し、一対の前記突出部を含んで形成される各前記ティースの突出先端面(37)の周方向長さが同一にされているとともに、前記突出部は、軸直角方向の断面形状が異なる第1突出部(35)と第2突出部(36)を有することを特徴とする。
本発明によれば、ティースは、突出先端から周方向両側にそれぞれ突出する一対の突出部を有し、一対の突出部を含んで形成される各ティースの突出先端面の周方向長さが同一にされている。そのため、同一形状の1種類の鋼板で固定子コアを作製することができるので、加工コストを低減することができる。
また、突出部は、軸直角方向の断面形状が異なる第1突出部と第2突出部を有することから、各ティースの突出先端部を通る磁束の量を調節することによって、トルクリップルを低減することが可能となる。この場合、第1突出部と第2突出部は、軸直角方向の断面形状が異なるようにされているので、回転子と対向するティースの突出先端面の対向面積に大きな影響を与えない。そのため、ティースの突出先端面の対向面積が低減することによるトルクの減少を最小限に抑えることができる。したがって、本発明によれば、トルクの減少を抑制しつつトルクリップルを低減することが可能となる。
実施形態1に係る回転電機の軸方向に沿う断面図である。 実施形態1に係る固定子の第2コイルエンド群側から見た斜視図である。 実施形態1に係る固定子コアの一部を示す部分平面図である。 実施形態1に係る固定子の一部を示す部分断面図である。 実施形態1において固定子コアのスロットに導体セグメントを挿入する状態を示す説明図である。 実施形態1に係る固定子において発生する磁束の状態を示す説明図である。 実施形態1及び比較例1,2においてトルクと電流の関係を調べた試験結果を示すグラフである。 実施形態1と比較例1の24次成分のトルク下降比を調べた試験結果を示すグラフである。
以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。
〔実施形態1〕
本実施形態の回転電機1は、車両用モータとして用いられるものであって、図1に示すように、概ね有底筒状の一対のハウジング部材10a,10bが開口部同士で接合されてなるハウジング10と、ハウジング10に軸受け11,12を介して回転自在に支承された回転軸13に固定された回転子14と、ハウジング10内の回転子14を包囲する位置でハウジング10に固定された固定子20と、を備えている。
また、この回転電機1には、固定子20の固定子巻線40に冷却用の液体冷媒を供給する一対の管路15、16を備えた冷媒供給手段が設けられている。管路15,16は、ハウジング10の内部と外部を連通するようにして、ハウジング部材10a,10bにそれぞれ貫通した状態で取り付けられている。各管路15、16の先端部には、液体冷媒を吐出する吐出口15a,16aが設けられている。吐出口15a,16aは、ハウジング10内に収容された固定子巻線40の第1及び第2コイルエンド群47、48のそれぞれの鉛直上方に開口している。
なお、この回転電機1には、吐出口15a,16aから吐出した液体冷媒を回収し冷媒供給手段に戻して再度吐出口15a,16aから吐出するように循環させる回収手段(図示せず)や、加熱された液体冷媒を冷却する冷却器(図示せず)等が循環経路の途中に設けられており、これらの機器により固定子巻線40(固定子20)を冷却する冷却機構が構成されている。また、液体冷媒として、本実施形態ではATFを用いているが、従来の回転電機において使用される公知の液体冷媒を用いてもよい。
回転子14は、固定子20の内周側と向き合う外周側に、周方向に所定距離を隔てて配置された複数の永久磁石を有し、これら永久磁石により周方向に極性が交互に異なる複数の磁極が形成されている。回転子14の磁極の数は、回転電機1の仕様により異なるため限定されるものではない。本実施形態では、8極(N極:4、S極:4)の回転子が用いられている。
次に、固定子20について図2〜図8を参照して説明する。固定子20は、図2に示すように、周方向に配列された複数のスロット31を有し回転子14と径方向に対向配置された円環状の固定子コア30と、スロット31に挿入配置された複数の導体セグメント(導体線)50の端部同士が固定子コア30の軸方向一方側で接続されて固定子コア30に巻装された3相(U相、V相、W相)の固定子巻線40と、を備えている。即ち、本実施形態の固定子巻線40は、U字形状の複数の導体セグメント50を溶接により所定の状態に接続して固定子コア30に巻装されているセグメント型のものである。
固定子コア30は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して円環状に形成されている。この固定子コア30は、図3及び図4に示すように、円環状のバックコア部33と、バックコア部33から径方向内方へ突出し周方向に所定距離を隔てて配列された複数のティース34とからなり、隣り合うティース34の間にティース34の周方向両側の側面で区画されたスロット31が形成されている。即ち、固定子コア30の内周面には、固定子巻線40を収容できるように、固定子コア30を軸方向に貫通し断面が矩形状の複数のスロット31が周方向に等ピッチに、また、径方向に放射状に設けられている。
固定子コア30に形成されたスロット31の数は、回転子14の磁極数(8磁極)に対し、固定子巻線40の1相あたり2個の割合で形成されており、スロット倍数n(nは2以上の自然数)が2とされている。即ち、固定子コア30には、同一相の相巻線を収容する同相スロット(U1,U2)(V1,V2)(W1,W2)が前記磁極ごとに周方向に連続して2個ずつ設けられている(図3、図4参照)。よって、本実施形態では、8×3×2=48より、スロット数は48個とされている。
各ティース34の突出先端部には、周方向両側にそれぞれ突出する一対の突出部35,36が設けられている。本実施形態では、一対の突出部35,36を含んで形成される各ティース34の突出先端面37の周方向長さが同一にされている。そして、突出部35,36は、軸直角方向の断面形状が異なる第1突出部35と第2突出部36とを有する。
第1突出部35は、同相スロット(U1,U2)(V1,V2)(W1,W2)の間に位置するティース34に設けられ、径方向の厚み幅が概ね一定に形成されている。一方、第2突出部36は、隣接する異相スロット間(U2−V1)(V2−W1)(W2−U1)に位置するティース34に設けられ、径方向の厚み幅が周方向突出先端に向かうほど小さくなるテーパ状に形成されている。
第2突出部36の径方向外方側の側面36aは、ティース34の突出先端から周方向に突出するにつれて径方向内方側に近づくように傾斜するテーパ面よりなる。図3に示すように、このテーパ面36aと当該ティース34の径方向に延びる中心線L1とのなす角度αは、第1突出部35の径方向外方側の側面35aと当該ティース34の径方向に延びる中心線L2とのなす角度βよりも大きくされている。
これにより、第1突出部35と第2突出部36は、軸直角方向の断面形状が異なる。さらに、図3に示す通り、第1突出部35と第2突出部36は、軸直角方向の断面積が異なり、本実施形態の場合には、第2突出部36の断面積よりも第1突出部35の断面積の方が大きく形成されている。これにより、第2突出部36は、第1突出部35に比べて磁束が通り難くなるようにされている。
なお、第2突出部36は、本実施形態ではスロット倍数nが2とされていることから、周方向に配列された複数のティース34において1(n−1=1)個おきのティース34に設けられている。また、本実施形態では、各ティース34の突出先端面37の周方向長さは、軸方向において同一にされている。さらに、各ティース34は、中心線L1,L2に対して周方向に対称形状に形成されている。即ち、本実施形態では、各ティース34の突出先端部は、スキュー構造にされていない。
固定子コア30のスロット31に巻装された固定子巻線40は、U字形状をなす複数の導体セグメント50の開放端側の端部同士を溶接で互いに接合することにより構成されている。この導体セグメント50は、外周面が絶縁皮膜で被覆されてなる平角導体をU字形状に折り曲げることにより形成されている。絶縁皮膜は、例えばポリイミド樹脂(PI)、ポリアミドイミド樹脂(PAI)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)等を採用して形成することができる。
U字形状に形成された導体セグメント50は、図5に示すように、互いに平行な一対のストレート部51,51と、一対のストレート部51,51の一端を互いに連結するターン部52とからなる。ターン部52の中央部には、固定子コア30の端面30aに沿って延びる頭頂段部53が設けられており、頭頂段部53の両側には、固定子コア30の端面30aに対して所定の角度で傾斜した傾斜部54が設けられている。
図5には、同一相の隣接する2個のスロット31A,31Bに挿入配置される2個で一組の導体セグメント50A,50Bが示されている。この場合、2個の導体セグメント50A,50Bは、それらの一対のストレート部51,51が、同一のスロット31ではなく、隣接した2個のスロット31A,31Bに別々に軸方向一端側から挿入される。即ち、図5の右側にある2個の導体セグメント50A,50Bにおいて、一方の導体セグメント50Aは、一方のストレート部51が一のスロット31Aの最外層(第6層)に挿入され、他方のストレート部51が固定子コア30の反時計回り方向に向けて1磁極ピッチ(NS磁極ピッチ)離れた他のスロット(図示せず)の第5層に挿入される。
そして、他方の導体セグメント50Bは、一方のストレート部51がスロット31Aと隣接したスロット31Bの最外層(第6層)に挿入され、他方のストレート部51が固定子コア30の反時計回り方向に向けて1磁極ピッチ(NS磁極ピッチ)離れた他のスロット(図示せず)の第5層に挿入される。即ち、2個の導体セグメント50A,50Bは、周方向に1スロットピッチずれた状態に配置される。このようにして、全スロット31に対して偶数本の導体セグメント50のストレート部51が挿入配置される。本実施形態の場合には、図4に示すように、各スロット31内に、合計6本のストレート部51が径方向1列に積層配置されている。
スロット31から軸方向他端側へ延出した一対のストレート部51,51の開放端部は、固定子コア30の端面30aに対して所定の角度をもって斜めに斜行するように互いに周方向反対側へ捻られて、概ね半磁極ピッチ分の長さの斜行部55(図2参照)が形成されている。
そして、固定子コア30の軸方向他端側において、導体セグメント50の所定の斜行部55の先端部同士が溶接により接合されて所定のパターンで電気的に接続される。即ち、所定の導体セグメント50が直列に接続されることにより、固定子コア30のスロット31に沿って周方向に波巻きで巻回された3本の相巻線(U相、V相、W相)を有する固定子巻線40が形成される。
なお、固定子巻線40の各相について、基本となるU字形状の導体セグメント50により、固定子コア30の周りを6周する巻線(コイル)が形成される。しかし、固定子巻線40の各相について、出力用引き出し線及び中性点用引き出し線を一体に有するセグメント、並びに1周目と2周目、・・・、5周目と6周目をそれぞれ接続するターン部を有するセグメントは、基本となる導体セグメント50とは異なる異形セグメント(図示せず)で構成される。これら異形セグメントを用いて、固定子巻線40の各相の巻線端が星型結線により結線される。
上記のように構成された固定子巻線40の軸方向一端側には、図2に示すように、固定子コア30の一端側の端面30aから突出した導体セグメント50の複数のターン部52が固定子コア30の径方向に積層されてなる第1コイルエンド群47が形成されている。また、固定子巻線40の軸方向他端側には、固定子コア30の他端側の端面30aから突出した導体セグメント50の複数の斜行部55及び溶接接合部が固定子コア30の径方向に積層されてなる第2コイルエンド群48が形成されている。なお、第1及び第2コイルエンド群47,48は、それらを構成する導体セグメント50が網目状となり、導体セグメント50同士の間には隙間が形成されている。
固定子巻線40の第1及び第2コイルエンド群47,48の内周側には、図1及び図2に示すように、第1及び第2コイルエンド群47,48に滴下された液体冷媒が、第1及び第2コイルエンド群47,48の内周側へ落下するのを防止する遮蔽部材60が設けられている。この遮蔽部材60は、概ね一定の厚みで円環状に形成されており、第1及び第2コイルエンド群47,48のそれぞれの内周側に圧入により取り付けられている。
上記のように構成された本実施形態の回転電機1は、固定子20の固定子巻線40への通電により運転が開始されると、回転子14の回転に伴って回転軸13が回転し、回転軸13から他の機器に駆動力が供給される。このとき、回転電機1は、8磁極でスロット倍数nが2であることから、図6に示すように、各相(U,V,W)は電気角180°ピッチで磁束の多く流れる箇所が発生する。即ち、180°÷3相=60°から、固定子20の電流位相によって、電気角60°ごとに磁束が多く流れる位置が発生する。なお、ティース34は、電気角30°ごとのピッチで、磁束の多く流れる箇所と少なく流れる箇所が交互に発生する。
本実施形態では、トルク量を調節するために、磁束が多く流れる異相スロット間(U2−V1)(V2−W1)(W2−U1)に位置するティース34に設けられた第2突出部36の軸直角方向の断面積を、同相スロット間(U1−U2)(V1−V2)(W1−W2)に位置するティース34に設けられた第1突出部35の軸直角方向の断面積よりも小さくしている。これにより、第2突出部36に入ってくる磁束量を減らして、トルクリップルを低減することができる。
図7は、実施形態1と、ティースの突出先端に設けられる突出部の形状が異なるようにした比較例1,2とにおいて、トルクと電流の関係を調べた試験結果を示すグラフである。比較例1は、実施形態1の第1突出部35と同じ突出部だけを有するものである。また、比較例2は、ティースの突出先端部がスキュー構造にされ、ティースの突出先端面の周方向長さが比較例1のものよりも小さくされたものである。そして、図8は、実施形態1と比較例1の24次成分のトルク下降比を調べた試験結果を示すグラフである。ここで24次成分は、トルクリップルが発生する成分である。
比較例1の場合には、図7及び図8から明らかなように、トルクを増加させることができるが、トルクリップルも増加する。また、比較例2の場合には、図7から明らかなように、ティースの突出先端面の周方向長さが小さくされたことによりトルクが減少する。
これに対して、実施形態1の場合には、図7及び図8から明らかなように、低負荷領域での必要なトルクを確保し、且つトルクリップルの低減も同時に達成することができる。特に、トルクリップルは、比較例1に対して48%も大幅に低減されていることが明らかとなった。なお、高負荷領域では、磁気飽和により性能は比較例1と同等となる。
以上のように、本実施形態の回転電機1によれば、固定子コア30のティース34は、一対の第1突出部35又は第2突出部36を含んで形成される各ティース34の突出先端面の周方向長さが同一にされている。そのため、同一形状の1種類の鋼板で固定子コア30を作製することができるので、加工コストを低減することができる。
また、突出部は、軸直角方向の断面形状が異なる第1突出部35と第2突出部36を有することから、各ティース34の突出先端部を通る磁束の量を調節することによって、トルクリップルを低減することが可能となる。本実施形態では、磁束が多く流れる異相スロット間(U2−V1)(V2−W1)(W2−U1)に位置するティース34に設けられた第2突出部36の軸直角方向の断面積を、第1突出部35の軸直角方向の断面積よりも小さくしている。これにより、第2突出部36に入ってくる磁束量を減らし、トルクリップルを効果的に低減することができる。
また、本実施形態では、第1突出部35と第2突出部36は、軸直角方向の断面形状が異なるようにされているので、回転子14と対向するティース34の突出先端面37の対向面積に大きな影響を与えない。そのため、ティース34の突出先端面37の対向面積が低減することによるトルクの減少を最小限に抑えることができる。したがって、本実施形態の回転電機1によれば、トルクの減少を抑制しつつトルクリップルを低減することができる。
また、本実施形態では、第2突出部36の径方向外方側の側面36aは、ティース34の突出先端から周方向に突出するにつれて径方向内方側に近づくように傾斜するテーパ面よりなる。そのため、第2突出部36の軸直角方向の断面積を、第1突出部35の軸直角方向の断面積よりも小さく容易に設定することができる。
また、第2突出部36の径方向外方側の側面36aと当該ティース34の中心線L1とのなす角度αは、第1突出部35の径方向外方側の側面35aと当該ティース34の中心線L2とのなす角度βよりも大きい。これによっても、第2突出部36の軸直角方向の断面積を、第1突出部35の軸直角方向の断面積よりも小さく容易に設定することができる。
〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。
例えば、上記の実施形態1の第2突出部36は、ティース34の突出先端から周方向に突出するにつれて先細りとなるテーパ形状に形成されていたが、径方向の厚み幅が概ね一定となるように形成してもよい。この場合、第2突出部36の軸直角方向の断面積が、第1突出部35の軸直角方向の断面積よりも小さくすることが条件となる。
また、上記の実施形態1では、スロット倍数nが2とされていることから、第2突出部36は、周方向に配列された複数のティース34において1個おきのティース34に設けられていたが、スロット倍数nの数値に応じて第2突出部36の設置パターンが変化する。例えば、スロット倍数nが3であれば、第2突出部36は、2(n−1=2)個おきのティース34に設けられる。また、スロット倍数nが4であれば、第2突出部36は、3(n−1=3)個おきのティース34に設けられる。以下、第2突出部36の設置パターンは同様に変化する。
なお、上記の実施形態1は、本発明に係る回転電機をモータ(電動機)に適用した例であるが、本発明は、車両に搭載される回転電機として、電動機あるいは発電機、さらには両者を選択的に使用しうる回転電機にも利用することができる。
1…回転電機、 14…回転子、 20…固定子、 30…固定子コア、 31…スロット、 34…ティース、 35…第1突出部、 35a…第1突出部の径方向外方側の側面、 36…第2突出部、 36a…第2突出部の径方向外方側の側面(テーパ面)、 37…突出先端面、 40…固定子巻線、 L1,L2…ティースの中心線。

Claims (8)

  1. 周方向に配列された複数の磁極を有する回転子(14)と、径方向内方へ突出して周方向両側の側面でスロット(31)を区画する複数のティース(34)を有し前記回転子と径方向に対向配置された円環状の固定子コア(30)、及び、前記スロットに挿入されて前記固定子コアに巻装された複数の相巻線よりなる固定子巻線(40)を有する固定子(20)と、を備えた回転電機において、
    前記ティースは、突出先端から周方向両側にそれぞれ突出する一対の突出部(35,36)を有し、一対の前記突出部を含んで形成される各前記ティースの突出先端面(37)の周方向長さが同一にされているとともに、前記突出部は、軸直角方向の断面形状が異なる第1突出部(35)と第2突出部(36)を有することを特徴とする回転電機。
  2. 前記第1突出部と前記第2突出部は、軸直角方向の断面積が異なることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記固定子コアは、同一相の前記相巻線が収容される同相スロット(U1,U2)(V1,V2)(W1,W2)を前記磁極ごとに周方向に連続してn(nは2以上の自然数)個ずつ有し、
    前記同相スロット間に位置する前記ティースに設けられた前記第1突出部の軸直角方向の断面積は、隣接する異相スロット間(U2−V1)(V2−W1)(W2−U1)に位置する前記ティースに設けられた前記第2突出部の軸直角方向の断面積よりも大きくされていることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
  4. 前記第2突出部の径方向外方側の側面(36a)は、前記ティースの突出先端から周方向に突出するにつれて径方向内方側に近づくように傾斜するテーパ面よりなることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の回転電機。
  5. 前記テーパ面と当該ティースの径方向に延びる中心線(L1)とのなす角度αは、前記第1突出部の径方向外方側の側面(35a)と当該ティースの径方向に延びる中心線(L2)とのなす角度βよりも大きいことを特徴とする請求項4に記載の回転電機。
  6. 前記第2突出部は、周方向に配列された複数の前記ティースにおいて(n−1)個おきの前記ティースに設けられていることを特徴とする請求項3〜5の何れか一項に記載の回転電機。
  7. 各前記ティースの前記突出先端面の周方向長さは、軸方向において同一にされていることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の回転電機。
  8. 前記ティースは、前記中心線(L1,L2)に対して周方向に対称形状に形成されていることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の回転電機。
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