JP2015154708A - 回転電機ステータ - Google Patents
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Abstract
【課題】回転電機ステータにおいて、回転電機の性能低下を抑制し、かつ、動力線バスバの体格を小さくすることである。
【解決手段】ステータ10は、複数相の動力線バスバ12uと、中性線バスバ16と、各相の動力線バスバのそれぞれと中性点バスバの間に並列接続された各相の複数のコイルとを含む。各相の複数のコイルは、周方向において複数の範囲のコイルに分割され、各相の動力線バスバ12uは、周方向において範囲数と同数に分割され、各相の動力線28uに対して電気的に並列接続される分割動力線バスバであって、それぞれ対応する範囲のコイルが接続される分割動力線バスバ13u、14uに分割され、各分割動力線バスバの断面積S1,S2は、分割動力線バスバが属する相のコイルの合計数に対する、分割動力線バスバに接続されたコイルの数の比の値に、中性線バスバの断面積Saを乗じることにより定められる。
【選択図】図1
【解決手段】ステータ10は、複数相の動力線バスバ12uと、中性線バスバ16と、各相の動力線バスバのそれぞれと中性点バスバの間に並列接続された各相の複数のコイルとを含む。各相の複数のコイルは、周方向において複数の範囲のコイルに分割され、各相の動力線バスバ12uは、周方向において範囲数と同数に分割され、各相の動力線28uに対して電気的に並列接続される分割動力線バスバであって、それぞれ対応する範囲のコイルが接続される分割動力線バスバ13u、14uに分割され、各分割動力線バスバの断面積S1,S2は、分割動力線バスバが属する相のコイルの合計数に対する、分割動力線バスバに接続されたコイルの数の比の値に、中性線バスバの断面積Saを乗じることにより定められる。
【選択図】図1
Description
本発明は、動力線バスバと中性線バスバとの間に接続された複数のコイルを備える回転電機ステータに関し、特に動力線バスバの体格の低減に関する。
特許文献1には、複数の円弧状要素が円環状に接続されることにより形成されたバスバと、各円弧状要素に接続される複数のコイルとを含む回転電機ステータが記載されている。
特許文献1に記載された構成において、バスバにコイルが多数並列接続される場合、バスバへの流入電流が大きくなるので、回転電機の必要な性能を確保するためにバスバの長手方向に対し直交する断面の断面積を大きくすることを要求される場合がある。しかしながら、この場合にはバスバの体格が大きくなることによりステータの体格が大きくなる場合がある。本発明は、複数のバスバのうち、動力線に近い動力線バスバの体格を低減するために考えられた。
本発明の目的は、回転電機の性能低下を抑制でき、かつ、動力線バスバの体格を低減できる回転電機ステータを提供することである。
本発明に係る回転電機ステータは、複数相の動力線バスバと、中性線バスバと、各相の動力線バスバのそれぞれと前記中性点バスバの間に並列接続された各相の複数のコイルと、を備え、各相の前記複数のコイルは、周方向において複数の範囲のコイルに分割され、各相の動力線バスバは、周方向において前記範囲の数と同数に分割され、各相の動力線に対して電気的に並列接続される分割動力線バスバであって、それぞれ対応する範囲のコイルが接続される分割動力線バスバに分割され、前記各分割動力線バスバの長手方向に対し直交する断面の断面積は、前記分割動力線バスバが属する相の前記コイルの合計数に対する、前記分割動力線バスバに接続された前記コイルの数の比の値に、前記中性線バスバの長手方向に対し直交する断面の断面積を乗じることにより定められる。
本発明に係る回転電機ステータによれば、回転電機の性能低下を抑制でき、かつ、動力線バスバの体格を低減できる。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態について詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、個数、方向は、本発明の理解を容易にするための例示であって、仕様に応じて適宜変更することができる。以下ではすべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。
図1は、本発明の実施形態における回転電機ステータ10(以下、単にステータ10という。)の概略構成(a)と、(a)の3つのバスバ13u,14u,16の長手方向に対し直交する断面(b)(c)(d)とを示している。図2は、図1のステータ10の周方向一部を示している。ステータ10は、径方向内側に配置される図示しないロータと組み合わされて回転電機を形成する。「径方向」はステータ10の中心軸Oに対し直交する放射方向である。「軸方向」はステータ10の中心軸Oに平行な方向であり、「周方向」はステータ10の中心軸Oを中心として描かれる円形に沿う方向である。回転電機は、車両に搭載され、電動モータ、または発電機、または電動モータ及び発電機の両方の機能を有するモータジェネレータとして用いられる。
ステータ10は、円環状のステータコア18(図2)と、ステータコア18の内周側に集中巻きで巻装される複数相(図示の例では3相)の複数のコイル21u,22u,21v,22v,21w,22wと、複数相の動力線バスバ12u,12v,12wと、中性線バスバ16とを含む。
各相の複数のコイル21u,22u,21v,22v,21w,22wは、後で詳しく説明するように各相の動力線バスバ12u,12v,12wのそれぞれと中性線バスバ16との間に並列接続される。図1では、円の内側にU、V、Wの文字を付したものにより、u相、v相、w相の各コイル21u,22u,21v,22v,21w,22wを模式的に示している。
複数のコイル21u,22u,21v,22v,21w,22wは、u相コイル21u,22uと、v相コイル21v,22vと、w相コイル21w,22wとを有する。u相コイル21u,22uは、周方向において第1範囲A1に配置される複数のコイルである第1u相コイル21uと、第2範囲A2に配置される複数のコイルである第2u相コイル22uとの2組のコイルに分割される。図1では、範囲A1,A2をそれぞれ矢印で示している(後述の範囲B1,B2,C1,C2も同様である。)。範囲A1,A2は周方向に分かれている。
v相コイル21v,22vは、周方向において第1範囲B1に配置される複数のコイルである第1v相コイル21vと、第2範囲B2に配置される複数のコイルである第2v相コイル22vとの2組のコイルに分割される。範囲B1,B2も周方向に分かれている。
w相コイル21w,22wは、周方向において第1範囲C1に配置される複数のコイルである第1w相コイル21wと、第2範囲C2に配置される複数のコイルである第2w相コイル22wとの2組のコイルに分割される。範囲C1,C2も周方向に分かれている。以下の説明では、各コイル21u,22u,21v,22v,21w,22wは、u相、v相、w相を区別せずに各コイル21,22という場合がある。
u相の動力線バスバ12uは、周方向に離れて配置されるように、周方向においてu相の第1範囲A1,A2の範囲数と同数の2に分割され、第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uに分割されている。第1分割動力線バスバ13uには対応する範囲のコイルである第1u相コイル21uが接続され、第2分割動力線バスバ14uには対応する範囲のコイルである第2u相コイル22uが接続される。
同様に、v相の動力線バスバ12vは、周方向に離れて配置されるように、周方向においてv相の範囲数と同数の2に分割され、第1分割動力線バスバ13v及び第2分割動力線バスバ14vに分割されている。第1分割動力線バスバ13vには対応する範囲のコイルである第1v相コイル21vが接続され、第2分割動力線バスバ14vには対応する範囲のコイルである第2v相コイル22vが接続される。
同様に、w相の動力線バスバ12wは、周方向に離れて配置されるように、周方向においてw相の範囲数と同数の2に分割され、第1分割動力線バスバ13w及び第2分割動力線バスバ14wに分割されている。第1分割動力線バスバ13wには第1w相コイル21wが接続され、第2分割動力線バスバ14wには第2w相コイル22wが接続される。
各相の分割動力線バスバ13u、14u、13v、14v、13w、14wは、後述の中性線バスバ16よりも動力線28u、28v、28wよりも近いバスバであり、各相の動力線28u、28v、28wに対してそれぞれ電気的に2並列に並列接続される。
図2に示すように、ステータコア18は、円環状のヨーク部23と、ヨーク部23の周方向に離れた複数の等間隔位置に径方向内側へ突出して設けられる突極24と、隣り合う突極24同士の間に形成される複数の径方向の溝であるスロット26とを含む。ステータコア18は、電磁鋼板の積層体により形成される。ステータコア18は、磁性粉末を加圧成形してなる圧粉コアにより形成されてもよい。
突極24には、各コイル21,22が集中巻きで巻装される。各コイル21,22は、同一の断面積を有する断面矩形の平角線により形成される。各コイル21,22は、複数の突極24に掛け渡すように分布巻きで巻装されてもよい。各コイル21,22の電流の流れ方向に対し直交する断面の断面積は互いに同一である。
各分割動力線バスバ13u、13v、13w、14u、14v、14wは、互いに同一の導電性材料、例えば銅により円弧状に形成される。各分割動力線バスバ13u、13v、13w、14u、14v、14wのうち、u相の第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uは、ヨーク部23の軸方向一端面よりも軸方向外側において、径方向内側の径方向同位置で、周方向に沿って互いに離れて配置される。
w相の第1分割動力線バスバ13w及び第2分割動力線バスバ14w(図1)は、ヨーク部23の軸方向一端面よりも軸方向外側において、径方向外側の径方向同位置で、周方向に沿って互いに離れて配置される。
v相の第1分割動力線バスバ13v及び第2分割動力線バスバ14v(図1)は、径方向に関して第1分割動力線バスバ13uと第1分割動力線バスバ13wとの間、及び、第2分割動力線バスバ14uと第2分割動力線バスバ14wとの間の径方向同位置において、周方向に沿って周方向に互いに離れて配置される。以下の説明では、第1分割動力線バスバ13u、13v、13w及び第2分割動力線バスバ14u、14v、14wは、u相、v相、w相を区別せずに第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14という場合がある。
回転電機の使用時には、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14に接続された動力線28u、28v、28wに、図示しないインバータを介して電源、例えばバッテリが接続され、動力線28u、28v、28wに3相交流電流が流れる。これによって、各コイル21,22に交流電流が流れてステータ10からロータに回転磁界が作用する。
中性線バスバ16は、動力線28u,28v,28wから遠いバスバであり、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14と同一の導電性材料により円環状に形成される。中性線バスバ16は、ステータコア18の軸方向一端よりも軸方向外側において、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14に対し径方向内側に離れて、ステータ10の中心軸Oを中心とする円形に沿って配置される。第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の少なくとも一部が径方向に関してヨーク部23の内側に配置される場合に、中性線バスバ16が第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の径方向外側に配置される構成としてもよい。
各バスバ13,14,16は、電流流れ方向に対し直交する断面である、長手方向に対し直交する断面の形状が矩形に形成される。後述するように、各分割動力線バスバ13,14の断面積は、中性線バスバ16の断面積と、バスバ13,14に接続されるコイル21,22の数との関係で規制される。
図3は、図1のステータ10のコイル21,22及びバスバ13,14を含む回路図である。第1u相コイル21uは、第1分割動力線バスバ13uと中性線バスバ16との間に4つ並列接続され、第2u相コイル22uは、第2分割動力線バスバ14uと中性線バスバ16との間に4つ並列接続される。これによって、8つのu相コイルは、第1分割動力線バスバ13u側の4つの第1u相コイルと、第2分割動力線バスバ14u側の4つの第2u相コイルとの2組に、1/2の数で分けられる。
この場合、図2に示すように、第1u相コイル21uの一端部Pは、ステータ径方向の外端部から径方向外側に延伸され、第1分割動力線バスバ13uに溶接により接続される。第1u相コイル21uの他端部Qは、ステータ径方向の内端部から軸方向外側に延伸された部分を径方向に曲げて、中性線バスバ16に重ねて溶接により接続される。第2u相コイル22uの両端も同様に、第2分割動力線バスバ14u及び中性線バスバ16に接続される。
また、第1分割動力線バスバ13uの長手方向に対し直交する断面の断面積S1(図1(b))は、中性線バスバ16の長手方向に対し直交する断面の断面積(図1(d))の断面積Saとの関係で規制される。具体的には、第1分割動力線バスバ13uの断面積S1は、第1分割動力線バスバ13uが属するu相のu相コイル21u,22uの合計数Naに対する第1u相コイル21uの数N1の比の値(=N1/Na)に、中性線バスバ16の断面積Saを乗じることにより定められる。このため、S1=Sa×N1/Naである。本例の場合、N1/Naは1/2であるので、第1分割動力線バスバ13uの断面積S1は中性線バスバ16の断面積Saの1/2と小さくなっている。
さらに、第2分割動力線バスバ14uの長手方向に対し直交する断面(図1(c))の断面積S2は、第2分割動力線バスバ14uが属するu相のu相コイル21u,22uの合計数Naに対する第2u相コイル22uの数N2の比の値(N2/Na)に、中性線バスバ16の断面積Saを乗じることにより定められる。このため、S2=Sa×N2/Naである。本例の場合、N2/Naも、N1/Naと同じく1/2であるので、第2分割動力線バスバ14uの断面積S2は、中性線バスバ16の断面積Saの1/2と小さくなっている。
この場合、第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uの断面積S1,S2の比は1:1となり、第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uのそれぞれに接続されるコイル21u,22uの数の比(N1:N2)と、それぞれの断面積の比(S1:S2)とは一致する。これによって、後述のように、回転電機の性能低下を抑制でき、かつ、第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uの体格を低減できる。
第1v相コイル21v及び第1w相コイル21wも同様に、第1分割動力線バスバ13v、13wと中性線バスバ16との間に4つずつ並列接続され、第2v相コイル22v及び第2w相コイル22wも同様に、第2分割動力線バスバ14v、14wと中性線バスバ16との間に4つずつ並列接続される。
第1v相コイル21vと接続される第1分割動力線バスバ13vの断面積、及び、第2v相コイル22vと接続される第2分割動力線バスバ14vの断面積も、第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uの場合と同様に、中性線バスバ16の断面積と、第1v相コイル21v及び第2v相コイル22vの数との関係で規制される。また、第1w相コイル21wと接続される第1分割動力線バスバ13wの断面積、及び、第2w相コイル22wと接続される第2分割動力線バスバ14wの断面積も同様に、中性線バスバ16の断面積と、第1w相コイル21w及び第2w相コイル22wの数との関係で規制される。上記では、各バスバ13,14に接続されるコイル21,22の数を4としているが、接続されるコイル21,22の数を1〜3、または5以上の任意の数としてもよい。
上記の構成によれば、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の断面積が中性線バスバ16の断面積よりも小さくなるので、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の体格を低減できる。したがって、ステータ10の体格も低減できる。一方、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の断面積S1,S2は中性線バスバ16の断面積Saの1/2となるので、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の抵抗は各断面積S1,S2,Saを同じとする場合よりも増大はする。しかしながら、各相でコイル21,22が2つのバスバ13,14によって2並列に接続されるので、動力線28u、28v、28wから各バスバ13,14に流入される最大の電流が中性線バスバ16に流入する電流の1/2と小さくなる。これによって、各バスバ13,14の断面積S1,S2が中性線バスバ16の断面積Saよりも小さくなることによる損失の増大を、各バスバ13,14への流入電流の低下によって相殺できる。したがって、回転電機の性能低下を抑制できる。
さらに、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14は、各相の半分のコイル21,22と接続されるように形成される。このため、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の周方向長さは、ステータ10の全周にわたって環状に形成される場合よりも小さくなる。これによって、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14における抵抗が過度に増大することを防止できる。したがって、回転電機の性能低下をさらに抑制できる。また、バスバ13,14の体格を小さくできるので、バスバ13,14の材料費を少なくして、コストを低減できる。
図4は、本発明の実施形態におけるステータ10の別例の回路図(a)と、2つのバスバ13u,14uの断面(b)(c)とを示す図である。本例の場合、8つのu相コイル21u,22uが、5つ第1u相コイル21uと3つの第2u相コイル22uとの異なる数で、2組に分けられる。5つの第1u相コイル21uは、第1分割動力線バスバ13uと中性線バスバ16との間に並列接続される。3つの第2u相コイル22uは、第2分割動力線バスバ14uと中性線バスバ16との間に並列接続される。同様に、5つの第1v相コイル21v及び5つの第1w相コイル21wが、第1分割動力線バスバ13v、12wと中性線バスバ16との間に並列接続され、3つの第2v相コイル22v及び3つの第2w相コイル22wが、第2分割動力線バスバ14v、14wと中性線バスバ16との間に並列接続される。
各相において、コイル21,22の合計数Naに対する第1コイル21の数N1の比の値は5/8であり、合計数Naに対する第2コイル22の数N2の比の値は3/8である。また、第1分割動力線バスバ13の断面積S1は、中性線バスバ16の断面積Saの5/8と小さくし、第2分割動力線バスバ14の断面積S2は、中性線バスバ16の断面積Saの3/8と小さくしている。この場合、第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uの断面積の比は5:3となる。この場合、第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uのそれぞれに接続されるコイル21u,22uの数の比(N1:N2)と、第1分割動力線バスバ13u及び第2分割動力線バスバ14uの断面積の比(S1:S2)とは一致する。
また、動力線28u、28v、28wから第1分割動力線バスバ13への最大の流入電流は、中性線バスバ16に流入する電流の5/8と小さくなり、動力線28u、28v、28wから第2分割動力線バスバ14への最大の流入電流は、中性線バスバ16に流入する電流の3/8と小さくなる。このため、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の断面積S1,S2を中性線バスバ16の断面積Saよりも小さくした状態で、回転電機の性能低下を抑制できる。
また、本例の構成において、小さい断面積S2を有する第2分割動力線バスバ14uの少なくとも一部は、v相またはw相の大きい断面積を有する第1分割動力線バスバ13v(または12w)と周方向の同じ位置で、径方向の異なる位置に配置されることが好ましい。また、大きい断面積S1を有する第1分割動力線バスバ13uの少なくとも一部は、v相またはw相の小さい断面積を有する第2分割動力線バスバ14v(または14w)と周方向の同じ位置で、径方向の異なる位置に配置されることが好ましい。これによって、各相のバスバ13,14の全体の配置空間の径方向寸法を小さくできる。その他の構成及び作用は、図1から図3の構成と同様である。
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において、種々の形態で実施できるのは勿論である。例えば、上記では各相のコイル21,22において、2つのバスバ13,14で動力線に対して2並列に複数のコイル21,22が接続される構成を説明したが、各相で3つの範囲に配置される3組以上のコイルに分割し、範囲数と一致する3つ以上のバスバで動力線に対して3並列以上に各範囲のコイルが接続されてもよい。また、第1分割動力線バスバ13または第2分割動力線バスバ14に1つのみのコイルを接続してもよい。
また、バスバ13,14,16は少なくとも一部が円弧状に形成されていればよく、例えば端部が径方向または軸方向に曲げられていてもよい。また、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14の長さが小さい場合に、第1分割動力線バスバ13及び第2分割動力線バスバ14はステータ10の周方向に対し傾斜する直線部を有する構成としてもよい。また、各コイル21,22は断面矩形の平角線で形成されるものに限定せず、例えば断面円形の丸線により形成されてもよい。
10 回転電機ステータ、12u,12v,12w 動力線バスバ、13u,13v,13w 第1分割動力線バスバ、14u,14v,14w 第2分割動力線バスバ、16 中性線バスバ、18 ステータコア、21u 第1u相コイル、21v 第1v相コイル、21w 第1w相コイル、22u 第2u相コイル、22v 第2v相コイル、22w 第2w相コイル、23 ヨーク部、24 突極、26 スロット、28u,28v,28w 動力線。
Claims (1)
- 複数相の動力線バスバと、中性線バスバと、各相の動力線バスバのそれぞれと前記中性点バスバの間に並列接続された各相の複数のコイルと、を備え、
各相の前記複数のコイルは、周方向において複数の範囲のコイルに分割され、
各相の動力線バスバは、周方向において前記範囲の数と同数に分割され、各相の動力線に対して電気的に並列接続される分割動力線バスバであって、それぞれ対応する範囲のコイルが接続される分割動力線バスバに分割され、
前記各分割動力線バスバの長手方向に対し直交する断面の断面積は、前記分割動力線バスバが属する相の前記コイルの合計数に対する、前記分割動力線バスバに接続された前記コイルの数の比の値に、前記中性線バスバの長手方向に対し直交する断面の断面積を乗じることにより定められる、回転電機ステータ。
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