JP2016111882A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリプルおよび巻線に生じる渦電流損を低減した回転電機を提供する。【解決手段】回転電機の固定子２は、巻線５が納められる固定子のスロット２０のギャップ側開口部に、スロット２０を閉塞し、当該スロットの開口幅３００方向に対して中央に向けてスロット深さ方向の厚みが減少する磁性体を有する部材２００を設けた。【選択図】図５

Description

本発明は、回転電機に関するものである。

背景技術として、特開２０１３−３４３５０号公報には、回転電機固定子において、巻線コイルに発生し得る渦電流を抑制しながら、回転電機が出力するトルクを確保するため，回転電機固定子を、一体型のステータコアと、ステータコアのティース１６に所定の巻数で巻回される巻線コイル２０と、巻線コイル２０の最内周コイルのさらに内周側に配置される磁性体の鍔部材３０とを備え，鍔部材３０は、周方向に沿った長さＣは、最内周コイルの周方向に沿った長さよりも短く設定した構成が示されている。

また、特開２０１１−１３０５５６号公報には、回転電機において渦電流損失の発生を抑制するため，ティース部５２１ｂの先端側には、コイル５２２をヨーク部５２１ａ側に押さえつける略環状の押さえ部材５２５が設けられている。押さえ部材５２５は、先端側に環状の非磁性体５２５ａが配設され、この非磁性体５２５ａおよびコイル５２２の間に環状の磁性体５２５ｂが配設されている。非磁性体５２５ａおよび磁性体５２５ｂを有する押さえ部材５２５により、フラックスバリアを構成した回転電機ステータが示されている。

特開２０１３−３４３５０号公報 特開２０１１−１３０５５６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２のように環状あるいは鍔状の押さえ部材を用いた場合，スロットに挿入する磁性体の固定が不十分な場合に空隙において回転子に接触する懸念が生じる。

また，磁性体の部材と鉄心との磁気ギャップが大きい場合，特に巻線に大きな電流が流れる運転条件において磁性体における磁気飽和によって渦電流損やトルクリプルの低減効果が減少する可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、トルクリプルおよび巻線に生じる渦電流損を低減した回転電機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、スロットを閉塞し，スロットの開口幅方向に対して中央に向けてスロット深さ方向の厚みが減少する磁性体を有する部材を設けたことを特徴とする。

本発明の効果は、回転電機の出力低下を抑制しつつ，トルクリプルおよび巻線に生じる渦電流損を低減することにある。上記した以外の課題、構成および効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明による回転電機の外観図である。 本発明による回転電機全体について一部周長をカットして示した図である。 本発明による回転電機全体を構成部位ごとに分解した図である。 本発明による回転電機の固定子を構成部位ごとに分解した図である。 実施の形態１による回転電機の固定子の断面拡大図である。 従来の構成による回転電機の固定子スロット断面を拡大した図である。 従来の構成による回転電機の固定子スロット断面を拡大した図である。 実施の形態１による回転電機の固定子スロット断面を拡大した図である。 実施の形態２による回転電機の固定子の断面拡大図である。 実施の形態３による回転電機の固定子スロット断面拡大図である。 実施の形態１による回転電機の変形例を示す図である。 本発明の実施形態４を示す図であり，スロット断面の拡大図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

なお、本実施例では、アキシャルギャップ型回転電機の固定子スロット部分に関して説明する。これはアキシャルギャップ型回転電機の固定子スロット開口部が大きく，巻線の損失やトルクリプルといった本発明の対象とする課題が顕在化しやすいためである。本発明は，固定子スロットの形状が同様なラジアルギャップ型回転電機にも適用が可能である。

本発明の一実施形態に係る回転電機全体を示す外観図を図１に示した。図２は回転電機全体について周方向の一部を削除して示したもの、図３は回転電機全体を構成部位ごとに分解した図である。

回転電機１００は、回転子１、図示しない固定子２、シャフト７、ハウジング１１、ブラケット１２を有する。円筒状のハウジング１１とハウジング１１の軸方向両端から蓋をするように取付けられたブラケット１２で囲まれた空間内に、図示しない回転子１と固定子２が収納されている。ブラケット１２は、出力側ブラケット１２ａおよび反出力側ブラケット１２ｂで構成される。

ハウジング１１は、固定子２を外径から覆うように取付けられ，固定子２を固定および保持する。

出力側ブラケット１２ａは、軸方向出力側端からハウジング１１に取付けられ、軸受８を介して回転子１を保持する。反出力側ブラケット１２ｂは、軸方向反出力側端からハウジング１１に取付けられ、軸受８を介して回転子１を保持する。

シャフト７は、出力軸であり、回転電機１００が電動機として運転される場合には出力を機械的な負荷へ伝達し、発電機の場合には機械動力を回転電機への入力として受け取る。

回転電機１００の各構成部品は概ね円周あるいは円筒形状であるが、以下の説明では、各構成部品とそれらの断面形状が見えるよう、周方向の一部を削除した図を用いて説明を行う。図２から図５はいずれも実施形態１に関わる図である。

出力側ブラケット１２ａおよびハウジング１１は半周分を切除し、出力側回転子１ａ、固定子２も周方向の一部を削除して図示している。反出力側回転子１ｂおよび反出力側ブラケット１２ｂは全周分を図示している。

固定子２の軸方向に対向して、出力側回転子１ａと反出力側回転子１ｂ、２つの回転子１が配置されており、回転子１はいずれもシャフト７と一体かつ回転可能に構成されており、出力側回転子１ａは軸受８によって出力側ブラケット１２ａに支持されている。図示していない反出力側にも軸受８が配置され、反出力側回転子１ｂは軸受８によって反出力側ブラケット１２ｂに支持されている。軸受８は、回転子１をブラケット１２に回転可能に保持する。

アキシャルギャップ型の回転電機では、空隙を軸方向に通過した磁束は回転子１あるいは固定子２に設けられたヨーク１４において周方向へ移行することで１極対分の磁束経路を形成する。本実施形態では、磁束が周方向に移行するヨーク１４が回転子鉄心９に設けてある。したがって、磁束は永久磁石１０から対向する固定子鉄心６との空隙を通った後、コア３を軸方向に貫通して、他方の永久磁石１０に至り、回転子鉄心９を周方向に通過した後、隣接する極の永久磁石１０に至る経路を取る。すなわち、固定子鉄心６に周方向に連続したヨーク１４のような磁性体部材を設けた場合、磁束が短絡する経路が形成され、回転電機の出力低下の原因となる。このため、本実施形態では、固定子鉄心６における磁路の短絡を防ぐため、保持部材４は非磁性の金属あるいは樹脂などの材料で作成することが望ましく，保持部材４とコア３との間は絶縁されていることが望ましい。

図３は回転電機１００を構成部品ごとに分解したものであり、図４はさらに固定子２を構成部品ごとに分解したものである。

固定子２は、コイル５、固定子鉄心６で構成されている。固定子鉄心６は、コア３、２つの保持部材４で構成されている。複数のコア３は２つの保持部材４に保持されている。固定子鉄心６にコイル５が巻回されている。

コア３は、周方向に配置されている。コア３は、積層鋼板を径方向に積層して作成したものである。積層鋼板を径方向に積層して作成することで、ギャップを通過する主磁束およびコイル５が作る漏れ磁束が鋼板面に鎖交しにくくなり，鋼板面内で発生する渦電流損が生じにくい。

図５は固定子２を回転中心から外径方向に向かって見た径方向中央近傍における断面の拡大図である。固定子２のスロット２０にはコイル５が納められており，ギャップ側の開口部を閉塞するように楔２００が備えてある。

本実施形態において楔２００は磁性体から構成され，スロット開口幅３００の中央に向けスロット高さ４００方向の厚みが単調に減少する形状となっている。材料としては，積層鋼板を径方向に積層したもの，磁性体の粉末を圧縮などの方法により成型したものなどが望ましい。積層あるいは成型後に樹脂等によって固着しても良い。

図６および図７は従来の構成によるスロット断面における磁束の流れを示す図であり，図８は本実施形態によるスロット断面における磁束の流れを示す図である。これらの図を用いて，本発明の効果を説明する。なお，コイル５１とコイル５２は相が異なるものとする。

図６は楔を設けない構成であり，スロット２０と磁性体からなるティース３０との磁気抵抗の急峻な差に起因してトルクリプルが生じる。また，スロット開口部においてコイル５１およびコイル５２を鎖交する磁束５０１はコイル５１およびコイル５２に渦電流損を発生させる要因となる。

図７は磁性体からなる楔を用いた従来の構成であり，ティース３０に形成された凹部へ挿入して固定されている。楔のスロット高さ方向厚みはスロット開口幅に対して概ね一定な構成となっている。この場合，磁気抵抗の急峻な変化が解消されるためトルクリプルの低減効果は得られ，コイル５１およびコイル５２へ鎖交する磁束も低減されているが，楔を通ってギャップへ戻ってしまう磁束５０２が生じ，出力が低下する。また，コイルが作る磁束についてもティース３０から楔２００を通ってまたティース３０へ戻る経路が形成されており，出力に寄与する磁束が低下する。

これに対し，本実施形態による構成である図８では，スロット開口部における磁束５０４は楔２０１を通るため，磁気抵抗の急峻な変化が解消されるためトルクリプルの低減効果は得られ，コイル５１およびコイル５２へ鎖交する磁束も低減されている。さらに，ティース開口幅に対して中央に向けてスロット高さ方向厚みを減少させたことにより，スロット開口中央部における磁気抵抗が高くなっている。これにより，楔を通ってギャップあるいは固定子へ戻る磁束を抑制し，出力の低下を防ぐことができる。また，スロット中央からティース３０に向かって磁性体の厚みは増加しているため，ティース３０へ向かう磁束が磁性体部分で磁気飽和することを防いでおり，発明の期待するトルクリプル低減やコイル損失低減の効果を妨げることがない。

図１１は実施形態１における変形例を示す図である。スロット開口中央部に向けて楔２０３のスロット高さ方向厚みをアーク状に減少させている。これにより，楔２０３のスロット開口中央部における応力を緩和することができる。また，回転電機内に油などの液体を封入あるいは循環させて冷却を行う場合には，液体冷媒の流通路として断面がアーク状の溝を形成したことにより，冷媒が流れやすくなり，機内の冷却を効果的に行うことができる。

図９は本発明の実施形態２を示す図であり，固定子２を回転中心から外径方向に向かって見た径方向中央近傍における断面の拡大図である。楔２０２はスロット開口部における磁気抵抗の変化を緩和し，コイルへ進入する磁束を低減する効果は実施例１と同様である。

本実施形態では，楔２０２を非磁性構成部材６０１と２つの磁性構成部材６０２から構成し，スロット開口中央部を非磁性体としたことにより磁気抵抗を高くしている。これにより，楔を通ってギャップあるいは固定子へ戻る磁束をさらに抑制し，出力の低下を防ぐことができる。

図１０は本発明の実施形態３を示す図であり，スロット断面の拡大図である。ティース３０と一体で打ち抜き等によって形成した突出部６０３を折り曲げてスロットを閉塞している。また，突出部６０３は折り曲げた後，スロット開口中央部に向けてスロット高さ方向が小さくなる形状としている。

これにより，スロット開口部における磁気抵抗の変化を緩和し，コイルへ進入する磁束を低減する効果は実施例１と同様である。また，スロット開口中央部では突出部６０３はスロットを挟むティースから構成したことにより互いには分離されているため，磁気抵抗が高くなっている。これにより，楔を通ってギャップあるいは固定子へ戻る磁束を抑制し，出力の低下を防ぐことができる。

また，本実施の形態によれば，スロットを閉塞する部材をティースと一体で形成することから部品点数を削減することができる。

図１２は本発明の実施形態４を示す図であり，スロット断面の拡大図である。周方向に幅の長い磁性構成部材６０４と周方向に幅の短い磁性構成部材により非対称なスロット閉塞部材を構成している。本図では別部材で表記しているが，非対称形状を一体で構成しても良い。

本実施形態によれば，電動あるいは発電運転時においていずれかの方向に磁束が偏り，磁気飽和が顕著になることを緩和し，ギャップにおける磁束密度が高い場合にも発明の効果を得ることができる。

回転電機が電動機として運転される場合には回転進み側で磁束密度が高く，発電機として運転される場合には，回転遅れ側で磁束密度が高くなる。このため，実際に発明を適用する際にはいずれか使用時間が長い運転条件に応じて周方向の長短配置を決定することが望ましい。

１ 回転子
１ａ 出力側回転子
１ｂ 反出力側回転子
２ 固定子
３ コア
４ 保持部材
６ 固定子鉄心
７ シャフト
８ 軸受
９ 回転子鉄心
１０ 永久磁石
１１ ハウジング
１２ ブラケット
１２ａ 出力側ブラケット
１２ｂ 反出力側ブラケット
１３ 回転子枠
１４ ヨーク
１５ 突極部
２０ スロット
３０ ティース
５０ コイル
５１ コイル
５２ コイル
１００ 回転電機
２００ 従来の楔
２０１ 本発明の楔
３００ スロット開口幅
４００ スロット高さ
５００ 磁束
５０１ 磁束
５０２ 磁束
５０３ 磁束
６０１ 非磁性構成部材
６０２ 磁性構成部材
６０３ 突出部
６０４ 磁性構成部材
６０５ 磁性構成部材

Claims (4)

1. 巻線が納められる固定子のスロットのギャップ側開口部に、前記スロットを閉塞し、当該スロットの開口幅方向に対して中央に向けてスロット深さ方向の厚みが減少する磁性体を有する部材を設けた回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   前記スロットを閉塞する部材は２つ以上に分割された磁性体を組み合わせて構成したことを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   前記部材は固定子ティースの一部として構成され、当該一部を折り曲げることで前記スロットを閉塞する部材を構成したことを特徴とする回転電機の固定子。
   回転電機。
4. 請求項１乃至３に記載のいずれかの回転電機の固定子において、
   前記スロットを閉塞する部材は、前記スロットの開口幅中心に対して非対称であることを特徴とする回転電機の固定子。