JP2016034192A - 固定子および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】成形コイルを用いつつ電気特性を向上させることができる固定子および回転電機を提供することである。【解決手段】実施形態の回転電機は、円環状のヨークと、複数のティースと、チップと、成形コイルとを持つ。複数のティースは、ヨークから径方向に突出する。チップは、複数のティースの各々における径方向の先端部において周方向に突出する。チップは、周方向で隣り合うティースの先端部において周方向の相互に向かい合う方向の突出長さが異なる。成形コイルは、複数のコイル部に分割されている。成形コイルは、隣り合うティースの間に形成されるスロットに挿入される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固定子および回転電機に関する。

従来、固定子のティース間に形成されるスロットに巻線として成形コイルを収納することによって、巻線の占積率を増大させる回転電機がある。しかしながら、成形コイルを径方向からスロットに収納するためにティース先端部の形状に幾何学的な制約が生じる場合があり、固定子と回転子との間のギャップにおける磁気抵抗が低下する可能性がある。

特許第４７９２０６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、成形コイルを用いつつ電気特性を向上させることができる固定子および回転電機を提供することである。

実施形態の回転電機は、円環状のヨークと、複数のティースと、チップと、成形コイルとを持つ。複数のティースは、ヨークから径方向に突出する。チップは、複数のティースの各々における径方向の先端部において周方向に突出する。チップは、周方向で隣り合うティースの先端部において周方向の相互に向かい合う方向の突出長さが異なる。成形コイルは、複数のコイル部に分割されている。成形コイルは、隣り合うティースの間に形成されるスロットに挿入される。

実施形態の回転電機の構成を示す断面図。 実施形態の回転電機のティースおよびコイルの一部の構成を示す断面図。 実施形態の回転電機のティースおよびロータ間の磁束分布を示す断面図。 実施形態の回転電機におけるティースのチップの大きさに応じた力率改善率の変化を示す図。 実施形態の変形例に係る回転電機の一部の構成を示す断面図。 実施形態の変形例に係る回転電機のティースおよびコイルの一部の構成を示す断面図。

以下、実施形態の回転電機を、図面を参照して説明する。

実施形態の回転電機１０は、図１に示すように、ロータ１１およびステータ１２を備えている。回転電機１０は、例えばインナーロータ型であり、円筒状のステータ１２の内部にロータ１１を備えている。回転電機１０は、例えば誘導機である。
ロータ１１の外形は、円柱状に形成されている。ロータ１１は、複数の導体用スロット２１が設けられたロータコア２２と、複数の導体用スロット２１に挿入される複数の導体バー２３と、ロータコア２２の中心に固定された回転シャフト２４と、を備えている。
ロータコア２２は、例えばケイ素鋼板などの電磁鋼板の積層体によって形成されている。複数の導体用スロット２１は、ロータコア２２の内部を回転シャフト２４の軸方向に貫通し、ロータコア２２の内部において周方向に所定間隔を置いて配置されている。複数の導体バー２３の各々は各導体用スロット２１の外部において互いに接続されている。

ステータ１２は、ヨーク３１と、複数のティース３２と、複数の成形コイル３３と、を備えている。ヨーク３１および複数のティース３２は、例えばケイ素鋼板などの電磁鋼板の積層体によって形成されている。ヨーク３１の外形は、円筒状に形成されている。複数のティース３２は、ヨーク３１の内周部から径方向内周側に向かい突出し、周方向に所定間隔を置いて配置されている。複数のティース３２のうち周方向で隣り合うティース３２の間には、回転シャフト２４の軸方向に伸びるスロット３４が形成されている。複数の成形コイル３３は、複数のスロット３４に装着されている。

複数のティース３２の各々の先端面３２Ａは、径方向に所定間隔のギャップを介してロータ１１の外周面１１Ａに対向している。各ティース３２の先端部３２ａは、図２に示すように、周方向の第１方向に突出する第１チップ３５および第２方向に突出する第２チップ３６を備えている。これにより各ティース３２の先端部３２ａの径方向に対する断面積は先端部３２ａよりも基端側の部位の径方向に対する断面積よりも大きく形成されている。

周方向で隣り合うティース３２の先端部３２ａにおいて、互いに向かい合う方向に突出する第１チップ３５および第２チップ３６は異なる突出長さを有している。例えば、各ティース３２の先端部３２ａは、第１チップ３５の第１方向の突出長さＬ１が第２チップ３６の第２方向の突出長さＬ２よりも長く形成されている。これにより隣り合うティース３２の先端部３２ａ間のスロット開口幅Ｗは、隣り合うティース３２の先端部３２ａよりも基端側の部位間のスロット幅Ｗ０よりも小さく形成されている。

さらに、隣り合うティース３２の先端部３２ａ間に形成されるスロット開口部３４ａの周方向の中心位置Ｃと、スロット３４の周方向の中心位置Ｃ０とは、周方向にずれて配置されている。複数のスロット開口部３４ａのうち周方向で隣り合うスロット開口部３４ａにおいて、各スロット３４の中心位置Ｃ０に対する各スロット開口部３４ａの中心位置Ｃの周方向におけるずれ方向は同一方向である。複数のスロット開口部３４ａは、周方向に所定間隔を置いて配列されている。

複数の成形コイル３３の各々は、複数のセグメント化されたコイル部３７を備えている。例えば各成形コイル３３は、２つのコイル部３７を備えている。各コイル部３７は、積層状に束ねられた複数の巻線３７ａを備えている。例えば各コイル部３７は、複数の巻線３７ａとして、断面形状が長方形状の６本の平角銅線を備えている。複数の成形コイル３３は、例えばＵ相、Ｖ相、およびＷ相の３相コイルを構成している。

複数の成形コイル３３は、例えば２層の分布巻きによって複数のスロット３４に装着されている。これにより各スロット３４には、互いに異なる相の第１の成形コイル３３ａと第２の成形コイル３３ｂとが径方向で積層されるように配置されている。各スロット３４に第１および第２の成形コイル３３ａ，３３ｂが装着される際には、第１および第２の成形コイル３３ａ，３３ｂの各々において、各コイル部３７が、順次、径方向にスロット開口部３４ａから各スロット３４の内部に挿入される。これにより各スロット開口部３４ａのスロット開口幅Ｗは、少なくとも各コイル部３７の周方向幅ＷＣよりも大きく形成されている。

実施形態の回転電機１０における各ティース３２の先端部３２ａは、第１チップ３５および第２チップ３６を備えるので、図３に示すように、各ティース３２の基端側の部位から先端部３２ａに向かうことに伴い、各ティース３２内の磁束Ｍの分布は拡大する。磁束Ｍの拡大の度合いは、第１チップ３５および第２チップ３６の周方向の突出長さが増大することに伴い、増大傾向に変化する。これにより各ティース３２の先端面３２Ａとロータ１１の外周面１１Ａとの間のギャップにおける有効的な磁気抵抗が低減傾向に変化し、回転電機１０の力率およびトルクが増大傾向に変化する。第１チップ３５および第２チップ３６の周方向の突出長さの和は、図４に示すように、各コイル部３７を各スロット開口部３４ａから各スロット３４の内部に挿入するために必要とされる最小のスロット開口幅Ｗを確保する突出長さ上限値ＬＴ以下に形成される。

以上説明した実施形態によれば、周方向の相互に向かい合う方向の突出長さが異なる第１チップ３５および第２チップ３６を持つことにより、スロット開口部３４ａの中心位置Ｃをスロット３４の中心位置Ｃ０から周方向にずらすことができる。これによりスロット３４の内部を隙間なく埋めるように成形コイル３３を挿入することができ、占積率を向上させることができる。さらに第１チップ３５および第２チップ３６によって各ティース３２の内部の磁束Ｍの分布を拡大することができ、電気特性を向上させることができる。

さらに、各コイル部３７の周方向幅ＷＣよりも大きいスロット開口幅Ｗのスロット開口部３４ａを持つことにより、各コイル部３７を径方向にスロット開口部３４ａからスロット３４の内部に的確に挿入することができる。
さらに、各ティース３２において、径方向に対する断面積が、先端部３２ａよりも基端側の部位に比べて、より大きな先端部３２ａを持つことにより、先端部３２ａとロータ１１との間のギャップにおける有効的な磁気抵抗を低減することができる。これにより回転電機１０の力率およびトルクを向上させることができる。
さらに、複数の平角銅線からなる巻線３７ａが積層状に束ねられたコイル部３７を持つことにより、損失を低減しつつ、例えば平角銅線の代わりに丸線などを用いる場合に比べて、スロット３４の占積率を向上させることができる。

以下、変形例について説明する。
上述した実施形態では、複数のスロット開口部３４ａは周方向に均等な所定間隔を置いて配置されるとしたが、これに限定されない。複数のスロット開口部３４ａは、周方向に不均等な間隔を置いて配置されてもよい。
また、上述した実施形態では、周方向で隣り合うスロット開口部３４ａにおいて、各スロット３４の中心位置Ｃ０に対する各スロット開口部３４ａの中心位置Ｃの周方向におけるずれ方向は同一方向であるとしたが、これに限定されない。周方向で隣り合うスロット開口部３４ａにおいて、各スロット３４の中心位置Ｃ０に対する各スロット開口部３４ａの中心位置Ｃの周方向におけるずれ方向は反対方向でもよい。
上述した実施形態の変形例による回転電機５０は、図５および図６に示すように、ロータ１１およびステータ５２を備えている。ステータ５２は、ヨーク３１と、複数の第１ティース６１および第２ティース６２と、複数の成形コイル３３と、を備えている。この変形例の回転電機５０において、上述した実施形態の回転電機１０と異なる点は、実施形態の複数のティース３２の代わりに、複数の第１ティース６１および第２ティース６２を備える点である。

複数の第１ティース６１と複数の第２ティース６２とは、ヨーク３１の内周部から径方向内周側に向かい突出し、周方向に所定間隔を置いて交互に配置されている。周方向で隣り合う第１ティース６１と第２ティース６２との間には、回転シャフト２４の軸方向に伸びる第１スロット６３または第２スロット６４が形成されている。複数の成形コイル３３は、複数の第１スロット６３または第２スロット６４に装着されている。

複数の第１ティース６１および第２ティース６２の各々の先端面６１Ａ，６２Ａは、径方向に所定間隔のギャップを介してロータ１１の外周面１１Ａに対向している。各第１ティース６１の先端部６１ａは、周方向の第１方向および第２方向の各々に突出する１対の第１チップ６５を備えている。各第２ティース６２の先端部６２ａは、周方向の第１方向および第２方向の各々に突出する１対の第２チップ６６を備えている。これにより第１ティース６１および第２ティース６２の各先端部６１ａ，６２ａの径方向に対する断面積は、各先端部６１ａ，６２ａよりも基端側の部位の径方向に対する断面積よりも大きく形成されている。

第１チップ６５および第２チップ６６は、相互に異なる突出長さを有している。例えば、第１チップ６５の突出長さＬ１が第２チップ６６の突出長さＬ２よりも長く形成されている。これにより隣り合う第１ティース６１および第２ティース６２の先端部６１ａ，６２ａ間のスロット開口幅Ｗは、先端部６１ａ，６２ａよりも基端側の部位間のスロット幅Ｗ０よりも小さく形成されている。第１スロット開口部６３ａおよび第２スロット開口部６４ａの各々のスロット開口幅Ｗは、少なくとも各コイル部３７の周方向幅ＷＣよりも大きく形成されている。

さらに、周方向で隣り合う第１ティース６１および第２ティース６２の先端部６１ａ，６２ａ間に形成される第１スロット開口部６３ａの周方向の中心位置Ｃ１と、第１スロット６３の周方向の中心位置Ｃ０とは、周方向にずれて配置されている。周方向で隣り合う第１ティース６１および第２ティース６２の先端部６１ａ，６２ａ間に形成される第２スロット開口部６４ａの周方向の中心位置Ｃ２と、第２スロット６４の周方向の中心位置Ｃ０とは、周方向にずれて配置されている。第１スロット６３の中心位置Ｃ０に対する第１スロット開口部６３ａの中心位置Ｃ１の周方向でのずれ方向と、第２スロット６４の中心位置Ｃ０に対する第２スロット開口部６４ａの中心位置Ｃ２の周方向でのずれ方向とは、反対方向である。複数の第１スロット開口部６３ａと複数の第２スロット開口部６４ａとは周方向に交互に配置され、周方向で隣り合う第１スロット開口部６３ａと第２スロット開口部６４ａとの間の間隔は、周方向において第１間隔と第１間隔よりも小さい第２間隔との交互となる。

変形例の回転電機５０は、例えば誘導機である。ステータ５２は、例えば４極３６スロット構造である。複数の成形コイル３３は、例えば毎極毎相のスロット数が３である２層の分布巻きかつ全節巻によって、複数の第１スロット６３および第２スロット６４に装着されている。

以上説明した変形例によれば、周方向に不均等間隔（例えば、第１間隔と第２間隔との交互）に配置される複数の第１および第２スロット開口部６３ａ，６４ａを持つことにより、回転電機１０の正転および逆転によらずに機械的に同一特性を得ることができる。さらに、スロットリップルによる振動の周波数が分散するので、振動の振幅が小さくなり、回転電機１０の運転時の騒音を低減することができる。

なお、上述した実施形態の回転電機１０および変形例の回転電機５０において、毎極毎相のスロット数、極数、および各スロットにおける成形コイル３３の層数は、他の値に設定されてもよい。また、複数の成形コイル３３は、全節巻の代わりに短節巻であってもよい。

以下、他の変形例について説明する。
上述した実施形態では、複数のスロット開口部３４ａのスロット開口幅Ｗを同一としたが、これに限定されない。複数のティース３２の先端部３２ａの各々において第１チップ３５および第２チップ３６の周方向の突出長さを変化させることによって、複数のスロット開口部３４ａのスロット開口幅Ｗを変化させてもよい。
この場合には、スロットリップルによる振動の周波数を分散させることができ、振動および騒音を、より一層、低減することができる。

上述した実施形態では、回転電機１０を誘導機としたが、これに限定されず、回転電機１０を、永久磁石同期機、または同期リラクタンス機などのように、他の種類の回転電機としてもよい。

上述した実施形態では、巻線３７ａを平角銅線としたが、これに限定されず、丸線などの他の形状の巻線でもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、周方向の相互に向かい合う方向の突出長さが異なる第１チップおよび第２チップを持つことにより、スロット開口部の中心位置をスロットの中心位置Ｃ０から周方向にずらすことができる。これによりスロットの内部を隙間なく埋めるように成形コイル３３を挿入することができ、占積率を向上させることができる。さらに第１チップおよび第２チップによって各ティースの内部の磁束の分布を拡大することができ、電気特性を向上させることができる。

さらに、各コイル部３７の周方向幅ＷＣよりも大きいスロット開口幅Ｗのスロット開口部を持つことにより、各コイル部３７を径方向にスロット開口部からスロットの内部に的確に挿入することができる。
さらに、各ティースにおいて、径方向に対する断面積が、先端部よりも基端側の部位に比べて、より大きな先端部を持つことにより、先端部とロータ１１との間のギャップにおける有効的な磁気抵抗を低減することができる。これにより回転電機の力率およびトルクを向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…回転電機、１１…ロータ、１２…ステータ、３１…ヨーク、３２…ティース、３２ａ…先端部、３３…成形コイル、３３ａ…第１の成形コイル、３３ｂ…第２の成形コイル、３４…スロット、３４ａ…スロット開口部、３５…第１チップ、３６…第２チップ、３７…コイル部、３７ａ…巻線、５０…回転電機、５２…ステータ、６１…第１ティース、６２…第２ティース、６３…第１スロット、６４…第２スロット、６５…第１チップ、６６…第２チップ

Claims (6)

1. 円環状のヨークと、
   前記ヨークから径方向に突出する複数のティースと、
   前記複数のティースの各々における前記径方向の先端部において周方向に突出し、前記周方向で隣り合うティースの先端部において前記周方向の相互に向かい合う方向の突出長さが異なるチップと、
   複数のコイル部に分割され、前記周方向で隣り合うティースの間に形成されるスロットに挿入される成形コイルと、
   を備える、
   固定子。
2. 前記周方向で隣り合うティースの先端部間に形成されるスロット開口部の周方向幅は、前記先端部よりも基端側の部位間の周方向間隔よりも小さく、かつ前記複数のコイル部の各々の周方向幅よりも大きい、
   請求項１に記載の固定子。
3. 前記先端部の径方向に対する断面積は前記先端部よりも基端側の部位の径方向に対する断面積よりも大きい、
   請求項２に記載の固定子。
4. 複数の前記スロット開口部は前記周方向に不均等間隔で配置される、
   請求項２または請求項３に記載の固定子。
5. 前記スロット開口部は、前記スロットの中心位置から前記周方向にずれて配置され、
   前記周方向で隣り合う前記スロット開口部のずれ方向は反対方向である、
   請求項４に記載の固定子。
6. 請求項１から請求項５の何れか１つに記載の固定子と、
   回転子と、を備える、
   回転電機。

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