JP2016174440A - Stator of dynamo-electric machine and dynamo-electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固定子鉄心や固定子巻線を含む固定子と、当該固定子と回転子を含む回転電機とに関する。 The present invention relates to a stator including a stator core and a stator winding, and a rotating electrical machine including the stator and a rotor.
従来では、製造工程の複雑化、磁気抵抗の増大、ステータコアの機械的剛性の低下といった諸問題の派生を防止しつつ、ステータコアのスロット開口部の十分な良好な狭窄又は全廃を実現することを目的とする回転電機のステータに関する技術の一例が開示されている(例えば特許文献1を参照)。この回転電機のステータは、スロットの径方向内側の短辺とステータコアの内周面との間に、ティースから周方向に延在するスロット開口遮蔽部(爪部)が設けられる。スロット開口遮蔽部の径方向幅は、ロータコアの外周面とステータコアのロータ対向周面との間の径方向ギャップ(電磁ギャップ)の径方向幅未満に制限される。 Conventionally, the purpose is to achieve sufficiently good constriction or complete elimination of the slot opening of the stator core while preventing the derivation of problems such as complicated manufacturing processes, increased magnetic resistance, and decreased mechanical rigidity of the stator core. An example of a technique related to a stator of a rotating electric machine is disclosed (for example, see Patent Document 1). In the stator of this rotating electrical machine, a slot opening shielding portion (claw portion) extending in the circumferential direction from the teeth is provided between the short side radially inward of the slot and the inner peripheral surface of the stator core. The radial width of the slot opening shield is limited to less than the radial width of the radial gap (electromagnetic gap) between the outer peripheral surface of the rotor core and the rotor-facing peripheral surface of the stator core.
しかし、特許文献1に記載の技術では、スロット開口遮蔽部の径方向幅は径方向ギャップの径方向幅未満に制限されるものの、製造方法によっては極端に狭くすることができず漏れ磁束により性能(特にトルク)が低下するという問題点があった。
However, in the technique described in
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、従来よりも性能の低下を抑えつつ、機械的剛性を高めて騒音を抑制できる回転電機の固定子および回転電機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a stator for a rotating electrical machine and a rotating electrical machine that can suppress noise by increasing mechanical rigidity while suppressing deterioration in performance as compared with the prior art. And
上記課題を解決するためになされた第1の発明は、複数の磁極歯(12)と複数のスロット(13)とを設けた固定子鉄心(10)と、前記スロットに収容されて巻回される固定子巻線(20)とを有する回転電機の固定子(30)において、全ての前記スロットは、径方向に開口する開スロット部位(13a)と、隣り合う前記磁極歯の相互間をブリッジ部(Br)で連結する閉スロット部位(13b)とを有し、前記開スロット部位と前記閉スロット部位との軸方向の比率である開閉率(開閉比率;OCR)は、全ての前記スロットについて同一を含む第1所定範囲内になるように構成されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a first invention is a stator core (10) provided with a plurality of magnetic pole teeth (12) and a plurality of slots (13), and wound in the slots. In the stator (30) of the rotating electrical machine having the stator winding (20), all the slots are bridges between the open slot portions (13a) opening in the radial direction and the adjacent magnetic pole teeth. And an open / close ratio (open / close ratio; OCR), which is an axial ratio between the open slot portion and the closed slot portion, for all the slots. It is configured to be within a first predetermined range including the same.
この構成によれば、全てのスロットは開スロット部位だけでなく閉スロット部位も有しており、しかも開閉率が同一を含む第1所定範囲内であるので、機械的剛性が向上するとともに、固有振動数を高めることができる。また、開スロット部位だけでなく、閉スロット部位を部分的に有しており、全閉スロット構造に対し漏れ磁束が低減できるので、性能(特にトルク)の低下を抑制することができる。開閉率にかかる「同一を含む第1所定範囲」は、同一のほかに、積層数やスロット数などに応じて同一とみなせる範囲を含む。 According to this configuration, all the slots have not only the open slot portion but also the closed slot portion, and the opening / closing ratio is within the first predetermined range including the same, so that the mechanical rigidity is improved and the inherent The frequency can be increased. Further, not only the open slot portion but also the closed slot portion is partially provided, and the leakage magnetic flux can be reduced with respect to the fully closed slot structure, so that a decrease in performance (particularly torque) can be suppressed. The “first predetermined range including the same” relating to the open / close ratio includes a range that can be regarded as the same according to the number of stacked layers, the number of slots, and the like in addition to the same.
第2の発明は、前記固定子鉄心は複数の電磁鋼板を積層して構成されるとともに、前記電磁鋼板は、前記開閉率に対応して、前記開スロット部位を有する前記スロットと、前記閉スロット部位を有する前記スロットとを有し、前記固定子鉄心は、全ての前記スロットにおいて軸方向に均等を含む第2所定範囲内に前記閉スロット部位が配置されるよう、前記電磁鋼板を順次積層して構成される。 According to a second aspect of the present invention, the stator iron core is configured by laminating a plurality of electromagnetic steel plates, and the electromagnetic steel plates correspond to the open / close ratio, the slots having the open slot portions, and the closed slots. The stator iron core is formed by sequentially laminating the electrical steel sheets so that the closed slot portion is disposed in a second predetermined range including all the slots equally in the axial direction. Configured.
この構成によれば、固定子鉄心は開スロット部位と閉スロット部位を有する複数の電磁鋼板を順次積層するので、機械的剛性が向上するとともに、固有振動数を高めることができる。また、同一形状の電磁鋼板を用いて固定子鉄心を製造することができるので、製造工程を簡素化できるとともに、電磁鋼板の大量生産によってコストを低減することができる。閉スロット部位の配置にかかる「均等を含む第2所定範囲」は、均等のほかに、積層数やスロット数などに応じて均等とみなせる範囲を含む。 According to this configuration, since the stator iron core sequentially laminates the plurality of electromagnetic steel plates having the open slot portion and the closed slot portion, the mechanical rigidity can be improved and the natural frequency can be increased. In addition, since the stator core can be manufactured using electromagnetic steel sheets having the same shape, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced by mass production of the electromagnetic steel sheets. The “second predetermined range including equality” related to the arrangement of the closed slot portions includes a range that can be regarded as equal according to the number of stacked layers, the number of slots, and the like in addition to equality.
第3の発明は、前記ブリッジ部は、前記スロットの径方向の辺に対して垂直な方向に連結されることを特徴とする。 The third invention is characterized in that the bridge portion is connected in a direction perpendicular to the radial side of the slot.
この構成によれば、ブリッジ部はスロットにおける径方向の中間位置に設けられる。中間位置にブリッジ部を設けても、機械的剛性(軸剛性,曲げ剛性,せん断剛性,ねじり剛性など)を向上させ、固有振動数を高めることができ、性能の低下をより抑制することができる。 According to this configuration, the bridge portion is provided at an intermediate position in the radial direction in the slot. Even if a bridge is provided at an intermediate position, mechanical rigidity (axial rigidity, bending rigidity, shear rigidity, torsional rigidity, etc.) can be improved, natural frequency can be increased, and performance degradation can be further suppressed. .
第4の発明は、前記スロットは、前記磁極歯における径方向の辺に対応する面が平行になるように形成されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the slot is formed so that surfaces corresponding to radial sides of the magnetic pole teeth are parallel to each other.
この構成によれば、スロットを構成する磁極歯の対向面が平行に形成されるので、断面が四角形状のセグメント導体を収容することができる。セグメント導体は特殊な加工を行う必要がないのでコストを抑制でき、ひいては固定子の製造コストも抑制できる。 According to this configuration, since the opposing surfaces of the magnetic pole teeth constituting the slot are formed in parallel, the segment conductor having a quadrangular cross section can be accommodated. Since the segment conductor does not need to be specially processed, the cost can be suppressed, and the manufacturing cost of the stator can also be suppressed.
第5の発明は、回転電機において、請求項1から8のいずれか一項に記載の回転電機の固定子と、回転自在に支持される回転子とを有することを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a rotating electrical machine including the stator of the rotating electrical machine according to any one of
この構成によれば、従来よりも性能の低下を抑制するとともに、機械的剛性を高めて騒音が抑制される回転電機を提供することができる。 According to this configuration, it is possible to provide a rotating electrical machine that suppresses a decrease in performance as compared with the prior art and increases mechanical rigidity to suppress noise.
なお、「回転電機」は、回転する部位(例えば軸やシャフト等)を有する機器であれば任意である。例えば、発電機,電動機,電動発電機等が該当する。回転子が固定子の内側に配置されるインナーロータ型でもよく、回転子が固定子の外側に配置されるアウターロータ型でもよい。「磁極歯」は、バックヨークから径方向の外側または内側に向けて延びて(突出して)形成される部位であって、「ティース」とも呼ばれる。「スロット」は、隣り合う磁極歯の相互間に形成される空間であって、固定子巻線が収容される部位である。「開閉率」は、開スロット部位と閉スロット部位との比率であれば、任意に設定してよい。例えば、面積,周方向幅,径方向幅などのうちで一以上が該当し、比率が整数であるか否かを問わない。「セグメント導体」は、導電性を有する任意の材料(例えば銅,アルミニウム,鉄,合金等)で成形され、形状や数等を問わない。 The “rotating electric machine” is optional as long as it is a device having a rotating part (for example, a shaft or a shaft). For example, a generator, a motor, a motor generator, and the like are applicable. An inner rotor type in which the rotor is arranged inside the stator may be used, or an outer rotor type in which the rotor is arranged outside the stator. The “magnetic pole teeth” are portions formed by extending (projecting) radially outward or inward from the back yoke, and are also referred to as “teeth”. A “slot” is a space formed between adjacent magnetic pole teeth, and is a portion in which a stator winding is accommodated. The “open / close ratio” may be arbitrarily set as long as it is a ratio of the open slot portion to the closed slot portion. For example, one or more of the area, the circumferential width, the radial width, and the like are applicable, and it does not matter whether the ratio is an integer. The “segment conductor” is formed of any material having conductivity (for example, copper, aluminum, iron, alloy, etc.), and may have any shape or number.
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Note that unless otherwise specified, “connecting” means electrically connecting. Each figure shows elements necessary for explaining the present invention, and does not necessarily show all actual elements. When referring to directions such as up, down, left and right, the description in the drawings is used as a reference.
英数字の連続符号は記号「〜」を用いて略記する。符号の英文字は、特に明示しない限り、大文字と小文字とで別の要素を意味する。例えば、図2に示す電磁鋼板11Aと電磁鋼板11aは包含関係が成立する別の要素である。「巻回」は巻き回すことを意味し、巻いて装う「巻装」と同義に用いる。特に明示しない限り、「外側」は径方向における外径側や外周側を意味し、「内側」は径方向における内径側や内周側を意味する。
Alphanumeric continuous codes are abbreviated using the symbol “˜”. Unless otherwise specified, the letter of the sign means another element in uppercase and lowercase letters. For example, the
〔実施の形態1〕
実施の形態1は図1〜図17を参照しながら説明する。図1に示す固定子鉄心10は、複数の電磁鋼板11Aを軸方向(積層方向)に積層して形成される。積層する電磁鋼板11Aの数である積層数L1は、任意に設定してよい。本形態はL1=4を適用する。
[Embodiment 1]
The first embodiment will be described with reference to FIGS. A
電磁鋼板11Aは、電磁鋼板11の一例である。この電磁鋼板11Aは、複数の磁極歯12、複数のスロット13、バックヨーク14などを有する。磁極歯12は、バックヨーク14から径方向に延びて(突出して)形成される部位である(図6を参照)。スロット13は、隣り合う磁極歯12の相互間に形成される空間であって、後述する固定子巻線20(図10〜図13を参照)が収容される部位である。磁極歯12とスロット13の数は任意に設定してよい。ただし、磁極歯12とスロット13は交互に配置されるので同数になる。バックヨーク14は、円環状(円筒状を含む)に形成される部位である。図1に示す電磁鋼板11Aは、電磁鋼板11a〜11dの4層で積層し、磁極歯12とスロット13を「18」に設定した例を示す。電磁鋼板11a〜11dは、いずれも電磁鋼板11Aの一例である。
The
固定子鉄心10を形成する際は、電磁鋼板11a〜11dを周方向に回転させながら軸方向に順次積層してゆく。周方向は、時計回りでもよく、反時計回りでもよい。例えば、電磁鋼板11aを基準として、電磁鋼板11b〜11dを角度θずつ回転させながら順次積層してゆく。角度θは、スロット13の数であるスロット数を「N」とすると、θ=360/N[度]になる。スロット数Nは任意に設定してよい。電磁鋼板11aを基準とすれば(θ=0[度])、電磁鋼板11bは角度θだけ回転させ、電磁鋼板11cは角度2θだけ回転させ、電磁鋼板11dは角度3θだけ回転させて積層する。
When the
電磁鋼板11aと電磁鋼板11cの姿勢(積層する状態)を図2と図3に示す。電磁鋼板11bと電磁鋼板11dの姿勢を図4と図5に示す。図2に示す電磁鋼板11a,11cは軸方向の厚みHaを有し、図4に示す電磁鋼板11b,11dは軸方向の厚みHbを有する。本形態ではHa=Hbを適用し、0.3〜0.5[mm]とする。
FIG. 2 and FIG. 3 show the postures (stacking states) of the
図1〜図5に示すように、スロット13は開スロット部位13aと閉スロット部位13bを有する。開スロット部位13aと閉スロット部位13bの詳細については後述する(図6を参照)。本形態では、スロットに対する開スロット部位13aと閉スロット部位13bの軸方向の比率である開閉率をOCRとして1:1を適用する。電磁鋼板11a〜11dは、それぞれ周方向の開スロット部位13a:閉スロット部位13b=1:1で形成される。開閉率OCRが1:1以外の比率となる電磁鋼板11の構成例については後述する(図23〜図25を参照)。
As shown in FIGS. 1 to 5, the
OCR=1:1であるので、図2,図3に示す電磁鋼板11aと電磁鋼板11cは同じ姿勢になる(θの偶数倍)。同様に、図4,図5に示す電磁鋼板11bと電磁鋼板11dもまた同じ姿勢になる(θの奇数倍)。そのため、上述した角度θを順次増加させながら積層する形成法に代えて、図2,図3に示す電磁鋼板11a(11c)と、図4,図5に示す電磁鋼板11b(11d)とを交互に積層する形成法でもよい。いずれの形成法でも、結果として図1に示す固定子鉄心10を形成できる。
Since OCR = 1: 1, the
図6には、開スロット部位13aと閉スロット部位13bの構成例を示す。開スロット部位13aは、スロット13のうちで径方向に開口する部位である。閉スロット部位13bは、スロット13のうちで隣り合う磁極歯12の相互間をブリッジ部Brで連結する部位である。スロット13は、磁極歯12における径方向の辺に対応する面SF1,SF2が平行になるように形成するとよい。こうすると、断面が四角形状のセグメント導体21(図10,図11を参照)を容易に収容できる。なお、セグメント導体21は「コイル」とも呼ばれ、断面が四角形状のセグメント導体21を「平角線」とも呼ぶ。
FIG. 6 shows a configuration example of the
漏れ磁束φは、一方の磁極歯12からブリッジ部Brを経て他方の磁極歯12に流れる。漏れ磁束φの流れは図示する矢印の方向に限らず、後述する固定子巻線20に電流を流す向きや、固定子巻線20の巻回する方向などに応じて逆向きになる場合がある。
The leakage flux φ flows from one
ブリッジ部Brは、径方向の厚みであるブリッジ幅Wを有し、隣り合う磁極歯12の相互間で漏れ磁束φが流れる。ブリッジ幅Wは任意に設定してよい。ブリッジ幅Wを小さく設定するにつれて、磁束が漏れにくくなり性能が向上する。図6に示す形成例のブリッジ部Brは、磁極歯12の先端に位置し、隣り合う磁極歯12の先端面と滑らかになるように曲面で形成される。曲面は滑らかに形成される限りにおいて任意であり、例えば固定子鉄心10の中心点CPから半径Rに基づく円弧状の曲面などを含む。
The bridge portion Br has a bridge width W that is a thickness in the radial direction, and a leakage flux φ flows between the adjacent
図7〜図9には、スロット13の軸方向における開スロット部位13aと閉スロット部位13bの構成例を示す。固定子鉄心10の内側(内周面)は、全体として開閉率OCR=1:1を満たすように開スロット部位13aと閉スロット部位13bを配置する。積層数L1=4〜6について示すが、積層数L1≧7でも同様である。
7 to 9 show configuration examples of the
図7に示す配置例は、積層数L1=4として電磁鋼板11Aを積層した固定子鉄心10(図1を参照)の一例である。図8に示す配置例は、積層数L1=6として電磁鋼板11Aを積層した固定子鉄心10(図1を参照)の一例である。積層数L1が偶数枚のとき、固定子鉄心10の内側が全体で開閉率OCR=1:1を満たすには、図7(A),図8(A)に示す配置と、図7(B),図8(A)に示す配置が同数となる必要がある。このとき、全てのスロット13について、開閉率OCRに関して「同一」となり、閉スロット部位13bの配置に関して「均等」となる。
The arrangement example shown in FIG. 7 is an example of the stator core 10 (see FIG. 1) in which the
図9に示す配置例は、積層数L1=5として電磁鋼板11Aを積層した固定子鉄心10の一例である。固定子鉄心10の内側が全体で開閉率OCR=1:1に最も近くするためには、図9(A)に示す配置と図9(B)に示す配置が同数となる必要がある。積層数L1が奇数のときは、どのように積層しても開閉率OCRが全てのスロット13で同一(1:1)にはならないため、開閉率OCRが1:1に最も近くなる積層を行えばよい。このときの開閉率OCRは同一とみなせる範囲であるので「第1所定範囲」に含まれる。角度θずつ回転させながら積層すると、図9(A)および図9(B)のようになる。
The arrangement example shown in FIG. 9 is an example of the
また、軸方向について、閉スロット部位13bを均等に配置することができないので、均等を含む第2所定範囲内に閉スロット部位13bが配置されるように積層すればよい。ここで、スロット13における閉スロット部位13bの数をm(mは1以上の整数)と仮定する。このとき、2m±1は2mと均等とみなせる範囲であるので「第2所定範囲」に含まれる。回転子102に対向するスロット13について、閉スロット部位13bの数に限らず、閉スロット部位13bの面積を合計した合計面積についても同様である。すなわち、2mにおける閉スロット部位13bの合計面積と、2m±1における閉スロット部位13bの合計面積とは均等とみなせる範囲であるので「第2所定範囲」に含まれる。
Further, since the
図10には、上述のようにして構成された固定子鉄心10に対して、固定子巻線20の一部であるセグメント導体21を収容する過程を示す。固定子巻線20を構成するセグメント導体21は多数あり、所定形状に形成されている。言い換えると、固定子巻線20は多数に分割されたセグメント導体21からなる。本形態では、セグメント導体21の所定形状として、図示するようなU字形状を適用する。
FIG. 10 shows a process of accommodating the
図10に示すように、セグメント導体21を矢印D1方向(軸方向)に沿って移動させ、スロット13に収容する。収容した後の状態を図11に示す。面SF1,SF2が平行に形成されると、図11に示すようにセグメント導体21を整列してスロット13に収容することが容易である。
As shown in FIG. 10, the
スロット13に軸方向に収容されたセグメント導体21は、図12に示す接続部Jのように、端部21a同士を固定子鉄心10の軸方向外側(コイルエンド)で接続する。接続法は導通すれば任意であり、例えば溶接やハンダ付け等のような接合が該当する。固定子巻線20は、多数のセグメント導体21同士を接続することによって、固定子鉄心10に巻回される。こうして、図11に示す固定子30(ステータ)を製造することができる。
The
上述した固定子30や回転子102(ロータ)などをハウジング101内に組み付けることによって、図13に示す回転電機100を製造することができる。この回転電機100は、インナーロータ型の一例であり、発電機,電動機,電動発電機等が該当する。
The rotating
図13に示す回転電機100は、固定子30や回転子102のほかに、ハウジング101,軸受103(ベアリング),回転軸106などを有する。
A rotating
固定子30は、固定子鉄心10や固定子巻線20などを有する。回転子102は、固定子30の内径側にギャップを介して回転自在に配置される。当該回転子102は、固定子30との間で磁束が流れて回転すれば、どのように構成してもよい。回転軸106は、軸受103を介してハウジング101に回転自在に支持される。回転軸106は、回転子102に直接的または間接的に固定されるか、回転子102と一体成形される。いずれにせよ、回転軸106と回転子102は協働して回転する。ハウジング101は、フレームや筐体などを含み、固定子30,回転子102,回転軸106などを収容できれば任意の形状・材料で成形してよい。
The
制御装置105は、回転電機100(具体的には回転子102)の回転を制御する装置であり、例えばECU(Electronic Control Unit)やコンピュータなどが該当する。この制御装置105は、少なくとも電力を変換するインバータを含み、さらには電圧を変換するコンバータを含めてもよい。回転電機100(すなわち固定子巻線20の端部)と制御装置105との間は、接続線104によって接続する。
The
上述のように構成された回転電機100にかかる各種の特性について、図14〜図17を参照しながら説明する。図14には、縦軸をトルクリプル率TRとし、横軸を積層の偏りとする特性線CL1の一例を示す。特性線CL1は、積層が偏り、各スロット13において開閉率OCRが同等でなくなった場合でも、トルクリプル率TR1で一定であった。
Various characteristics of the rotating
図15には、縦軸を固有周波数F(具体的には円環6次の固有周波数)とし、横軸を積層の偏りとする特性線CL2の一例を示す。特性線CL2は、1:4から0:1での間において、周波数f1よりも低くなった。これに対して、積層の偏りが1:1から3:7までの間において、周波数f1よりも高い周波数f2以上になった。図示しないが、円環6次の固有周波数以外の固有周波数Fについても同様の結果が得られるが、スロット数と開閉スロットの周方向割合の関係から積層の偏りが大きくなっても固有周波数が大きく変動しない次数も存在する(例えばスロット数18で開スロット部位13a:閉スロット部位13b=1:1の場合における円環5次の固有周波数等)。
FIG. 15 shows an example of a characteristic line CL2 in which the vertical axis is the natural frequency F (specifically, the natural frequency of the sixth annular ring) and the horizontal axis is the stacking bias. The characteristic line CL2 was lower than the frequency f1 between 1: 4 and 0: 1. On the other hand, when the stacking bias was from 1: 1 to 3: 7, the frequency f2 was higher than the frequency f1. Although not shown, the same result can be obtained for the natural frequency F other than the natural frequency of the sixth-order ring, but the natural frequency increases even if the stacking bias increases due to the relationship between the number of slots and the circumferential ratio of the open / close slots. There are also orders that do not vary (for example, the fifth-order natural frequency of an annulus in the case where the number of slots is 18 and the
なお、図14,図15に示す「積層の偏り」は、複数の電磁鋼板11Aを角度θごとに回転させながら積層しなかった場合であり、積層状態が偏った状態である。言い換えると、開閉率OCRがスロット13によって変わる固定子鉄心10である。例えば、図15に示す開スロット部位13a:閉スロット部位13b=0:1は、複数の電磁鋼板11Aを全く回転させずに積層し、開スロット部位13aだけからなるスロット13と、閉スロット部位13bだけからなるスロット13とで構成される固定子鉄心10である。開スロット部位13aの割合が増えるにつれて、図14,図15の左側に変化してゆく。比較のために図14,図15の一番左側に示す開スロット部位13a:閉スロット部位13b=1:1は、複数の電磁鋼板11Aを角度θごとに回転させながら積層した固定子鉄心10である(図1を参照)。
The “lamination of lamination” shown in FIGS. 14 and 15 is a case where the plurality of
図16には、縦軸を固有周波数F(具体的には円環6次の固有周波数)とし、横軸をブリッジ幅Wとする特性線CL3の一例を示す。特性線CL3は、ブリッジ幅Wが0[mm](すなわちブリッジ部Brがない)のときに周波数f10であり、ブリッジ幅W11(例えば0.3[mm])のときに周波数f11であり、ブリッジ幅W12(例えば1.0[mm])のときに周波数f12である。大小関係は、f10<f11<f12である。ブリッジ幅Wが0からブリッジ幅W11まで増えるにつれて、固有周波数Fも比例的に増加する。これに対して、ブリッジ幅Wがブリッジ幅W11を超えると、固有周波数Fの増加率が減少して横ばいになる。ブリッジ幅Wをブリッジ幅W12より大きくしても、固有周波数Fの増加率はブリッジ幅W11までの範囲には及ばなかった。 FIG. 16 shows an example of a characteristic line CL3 in which the vertical axis is the natural frequency F (specifically, the natural frequency of the 6th ring) and the horizontal axis is the bridge width W. The characteristic line CL3 has a frequency f10 when the bridge width W is 0 [mm] (that is, no bridge portion Br), and a frequency f11 when the bridge width W11 (for example, 0.3 [mm]). When the width is W12 (for example, 1.0 [mm]), the frequency is f12. The magnitude relationship is f10 <f11 <f12. As the bridge width W increases from 0 to the bridge width W11, the natural frequency F also increases proportionally. On the other hand, when the bridge width W exceeds the bridge width W11, the increase rate of the natural frequency F decreases and becomes flat. Even if the bridge width W is larger than the bridge width W12, the increase rate of the natural frequency F does not reach the range up to the bridge width W11.
ブリッジ幅Wが大きくになるにつれて、固定子巻線20の収容領域が小さくなる。固定子巻線20の収容領域を広く確保する観点から、ブリッジ幅Wはブリッジ幅W11からブリッジ幅W12までの間で設定するとよい。図示しないが、円環6次の固有周波数以外の固有周波数Fについても同様の結果が得られた。 As the bridge width W increases, the accommodation area of the stator winding 20 decreases. From the viewpoint of securing a large accommodation area for the stator winding 20, the bridge width W may be set between the bridge width W11 and the bridge width W12. Although not shown, similar results were obtained for natural frequencies F other than the natural frequency of the sixth order of the ring.
図17には、縦軸を静トルクTとし、横軸をブリッジ幅Wとする特性線CL4の一例を示す。特性線CL4は、ブリッジ幅Wが0[mm]のときにトルクT12であり、ブリッジ幅W21(例えば0.55[mm])のときにトルクT11であり、ブリッジ幅W22(例えば1.0[mm])のときにトルクT10である。大小関係は、T10<T11<T12である。ブリッジ幅Wが増えるにつれて静トルクTも比例的に減少するので、高い静トルクTを得るにはブリッジ幅Wを小さく設定するとよい。 FIG. 17 shows an example of a characteristic line CL4 in which the vertical axis is the static torque T and the horizontal axis is the bridge width W. The characteristic line CL4 has the torque T12 when the bridge width W is 0 [mm], the torque T11 when the bridge width W21 (for example, 0.55 [mm]), and the bridge width W22 (for example, 1.0 [for example]). mm]). The magnitude relationship is T10 <T11 <T12. Since the static torque T also decreases proportionally as the bridge width W increases, the bridge width W may be set small to obtain a high static torque T.
図16と図17に示す特性線によれば、固有周波数Fを高めながら、静トルクTを高くするには、ブリッジ幅Wをブリッジ幅W11からブリッジ幅W21までの間に設定するとよい。ブリッジ幅Wの大小関係は、W11<W21である。 According to the characteristic lines shown in FIGS. 16 and 17, in order to increase the static torque T while increasing the natural frequency F, the bridge width W may be set between the bridge width W11 and the bridge width W21. The magnitude relationship of the bridge width W is W11 <W21.
〔実施の形態2〕
実施の形態2は図18〜図21を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態1で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態1と相違する点を説明する。
[Embodiment 2]
The second embodiment will be described with reference to FIGS. For simplicity of illustration and description, unless otherwise specified, the same elements as those used in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. Therefore, differences from the first embodiment will be mainly described.
図18に示す電磁鋼板11Bは、電磁鋼板11の一例である。この電磁鋼板11Bは、実施の形態1に示す電磁鋼板11Aと同様に、複数の磁極歯12、複数のスロット13、バックヨーク14などを有する。電磁鋼板11Bが電磁鋼板11Aと相違するのは、ブリッジ部Brの位置である。すなわち電磁鋼板11Aはブリッジ部Brが磁極歯12の先端に位置させるのに対して、電磁鋼板11Bは先端以外の中間に位置させる点が相違する。以下では、ブリッジ部Brの位置を「ブリッジ位置P」と呼ぶことにする(図19を参照)。ブリッジ位置Pは、磁極歯12の根元(バックヨーク14側)を0[%]とし、磁極歯12の先端(回転子102側)を100[%]とする。
An
図19に示すように、中間に位置させるブリッジ部Brは、隣り合う磁極歯12の相互間であって、スロット13の径方向の辺(面SF1,SF2)に対して垂直な方向に連結される。実施の形態1に示す電磁鋼板11Aと同様に、電磁鋼板11Bにブリッジ部Brを設けることで、固定子鉄心10の機械的剛性を向上させることができる。
As shown in FIG. 19, the bridge portion Br positioned in the middle is connected between the adjacent
複数の電磁鋼板11Bを軸方向に角度θごとに回転させながら積層して固定子鉄心10を形成する点は、実施の形態1と同様である。また、固定子鉄心10にセグメント導体21を収容して接続することで固定子巻線20を巻回し、固定子30を製造する点は、実施の形態1と同様である。
The point which forms the
上述のように構成された回転電機100にかかる各種の特性について、図20,図21を参照しながら説明する。
Various characteristics of the rotating
図20には、縦軸を固有周波数F(具体的には円環6次の固有周波数)とし、横軸をブリッジ位置Pとする特性線CL5の一例を示す。特性線CL5は、ブリッジ位置Pがブリッジ位置P10(0[%];ブリッジ部Brがない)のときに周波数f20であり、ブリッジ位置P11(例えば65[%])のときに周波数f21であり、ブリッジ位置P12(100[%])のときに周波数f22である。大小関係は、f20<f21<f22である。ブリッジ位置Pがブリッジ位置P10からブリッジ位置P11まで増えるにつれて、固有周波数Fも比例的に増加する。これに対して、ブリッジ位置Pがブリッジ位置P11を超えると、固有周波数Fの増加率が減少して横ばいになる。振動による騒音を抑制するには、ブリッジ位置Pはブリッジ位置P11からブリッジ位置P12までの間で設定するとよい。図示しないが、円環6次の固有周波数以外の固有周波数Fについても同様の結果が得られた。 FIG. 20 shows an example of a characteristic line CL5 in which the vertical axis is the natural frequency F (specifically, the annular sixth-order natural frequency) and the horizontal axis is the bridge position P. The characteristic line CL5 has a frequency f20 when the bridge position P is the bridge position P10 (0 [%]; no bridge portion Br), and a frequency f21 when the bridge position P11 (for example, 65 [%]). The frequency is f22 at the bridge position P12 (100 [%]). The magnitude relationship is f20 <f21 <f22. As the bridge position P increases from the bridge position P10 to the bridge position P11, the natural frequency F also increases proportionally. On the other hand, when the bridge position P exceeds the bridge position P11, the increase rate of the natural frequency F decreases and becomes flat. In order to suppress noise due to vibration, the bridge position P is preferably set between the bridge position P11 and the bridge position P12. Although not shown, similar results were obtained for natural frequencies F other than the natural frequency of the sixth order of the ring.
図21には、縦軸を静トルクTとし、横軸をブリッジ位置Pとする特性線CL6の一例を示す。特性線CL6は、ブリッジ位置Pがブリッジ位置P20(0[%])のときにトルクT22であり、ブリッジ位置P21(例えば80[%])のときにトルクT21であり、ブリッジ位置P22(例えば100[%])のときにトルクT20である。大小関係は、T20<T21<T22である。ブリッジ位置Pが増えるにつれて静トルクTも比例的に減少するので、高い静トルクTを得るにはブリッジ位置Pを小さく設定するとよい。 FIG. 21 shows an example of a characteristic line CL6 in which the vertical axis is the static torque T and the horizontal axis is the bridge position P. The characteristic line CL6 is the torque T22 when the bridge position P is the bridge position P20 (0 [%]), the torque T21 when the bridge position P21 (for example, 80 [%]), and the bridge position P22 (for example, 100). [%]), The torque T20. The magnitude relationship is T20 <T21 <T22. Since the static torque T decreases proportionally as the bridge position P increases, the bridge position P may be set small to obtain a high static torque T.
図20と図21に示す特性線によれば、固有周波数Fを高めながら、静トルクTを高くするには、ブリッジ位置Pをブリッジ位置P11からブリッジ位置P21までの間に設定するとよい。ブリッジ位置Pの大小関係は、P11<P21である。 According to the characteristic lines shown in FIGS. 20 and 21, in order to increase the static torque T while increasing the natural frequency F, the bridge position P may be set between the bridge position P11 and the bridge position P21. The magnitude relationship of the bridge position P is P11 <P21.
〔実施の形態3〕
実施の形態3は図22を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態1,2で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態1,2と相違する点を説明する。
[Embodiment 3]
The third embodiment will be described with reference to FIG. For simplicity of illustration and description, unless otherwise specified, the same elements as those used in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. Therefore, differences from
図22に示す積層体11Cは、複数の電磁鋼板11Aや、複数の電磁鋼板11Bについて、角度θが同じになる同一姿勢で積層したものである。例えば、図2,図3に示す姿勢で積層したり、図4,図5に示す姿勢で積層したりする。積層体11Cを形成する電磁鋼板11の積層数L2は任意に設定してよい。積層体11Cの厚みHcも任意に設定してよい。図22は、積層数L2=9として電磁鋼板11aを積層して、積層体11Cを形成した例を示す。
The
複数の積層体11Cを軸方向に角度θごとに回転させながら積層して固定子鉄心10を形成する点は、実施の形態1,2と同様である。積層体11Cを積層して固定子鉄心10を形成する積層数L3も任意に設定してよい。また、固定子鉄心10にセグメント導体21を収容して接続することで固定子巻線20を巻回し、固定子30を製造する点は、実施の形態1,2と同様である。したがって、回転電機100の特性も実施の形態1,2と同様になる(図14〜図17,図20,図21を参照)。
The point which forms the
〔実施の形態4〕
実施の形態4は図23〜図25を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態1〜3で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態1〜3と相違する点を説明する。
[Embodiment 4]
The fourth embodiment will be described with reference to FIGS. For simplicity of illustration and description, unless otherwise specified, the same elements as those used in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. Therefore, differences from
図23に示す電磁鋼板11D、図24に示す電磁鋼板11E、図25に示す電磁鋼板11Fは、各スロットにて開閉率同等として積層した場合に開閉率OCRが1:1以外の比率となる電磁鋼板の一例である。電磁鋼板11Dの開閉率OCRは2:1である。電磁鋼板11Eの開閉率OCRは1:2である。電磁鋼板11Fの開閉率OCRは5:1である。ただし、磁極歯12とスロット13については、実施の形態1〜3と同様に「18」である。よって、固定子鉄心10を形成するにあたっては、角度θずつ回転させながら電磁鋼板11D〜11Fを積層する。
The
電磁鋼板11D〜11Fを用いて形成された固定子鉄心10に対して、セグメント導体21を収容して接続することで固定子巻線20を巻回し、固定子30を製造する点は、実施の形態1〜3と同様である。したがって、回転電機100の特性も実施の形態1〜3と同様になる(図14〜図17,図20,図21を参照)。
The point which manufactures the
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態1〜4に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、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することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。
[Other Embodiments]
In the above, although the form for implementing this invention was demonstrated according to Embodiment 1-4, this invention is not limited to the said form at all. In other words, various forms can be implemented without departing from the scope of the present invention. For example, the following forms may be realized.
上述した実施の形態1〜4では、開スロット部位13aと閉スロット部位13bの比率である開閉率OCRに整数の比率を適用する構成とした(図1〜図5,図18,図22〜図25を参照)。この形態に代えて、整数を除いた実数の比率を適用してもよい。単に比率の設定が相違するに過ぎないので、実施の形態1〜4と同様の作用効果が得られる。
In the first to fourth embodiments described above, an integer ratio is applied to the open / close rate OCR, which is the ratio of the
上述した実施の形態1〜4では、電磁鋼板11に設けられる磁極歯12とスロット13を「18」に設定する構成とした(図1〜図5,図18,図22〜図25を参照)。この形態に代えて、18以外の数値を設定してもよい。単に磁極歯12とスロット13の数が相違するに過ぎないので、実施の形態1〜4と同様の作用効果が得られる。
In the above-described first to fourth embodiments, the
上述した実施の形態1〜4では、電磁鋼板11の厚みHa,Hbを0.3〜0.5[mm]とする構成とした(図1〜図5,図18,図22〜図25を参照)。この形態に代えて、0.3[mm]よりも薄くしてもよく、0.5[mm]よりも厚くしてもよい。電磁鋼板11の厚みが相違するに過ぎないので、実施の形態1〜4と同様の作用効果が得られる。
In Embodiment 1-4 mentioned above, it was set as the structure which sets thickness Ha and Hb of the
上述した実施の形態1,2では、固定子鉄心10は積層数L1=4として電磁鋼板11を積層して形成する構成とした(図1〜図3,図10,図12を参照)。この形態に代えて、積層数L1を4以外の数(例えば2,3や5〜数千など)に設定して、設定した数の電磁鋼板11を積層して形成する構成としてもよい。単に積層数L1の数が相違するに過ぎないので、実施の形態1,2と同様の作用効果が得られる。このことは、実施の形態3の図22に示す積層体11Cを形成する積層数L2についても同様であり、積層体11Cを積層して固定子鉄心10を形成する積層数L3についても同様である。
In the first and second embodiments described above, the
上述した実施の形態1〜4では、開スロット部位13aと閉スロット部位13bを有する電磁鋼板11(11A〜11F)を積層して固定子鉄心10を形成する構成とした(図1〜図5,図18,図22〜図25を参照)。この形態に代えて、全てのスロット13について開閉率OCRが同一を含む第1所定範囲内になることを条件として、開スロット部位13aだけが形成される電磁鋼板11や、閉スロット部位13bだけが形成される電磁鋼板11を含めてもよい。このような電磁鋼板11を含む固定子鉄心10であっても、実施の形態1〜4と同様の作用効果が得られる。
In the first to fourth embodiments, the
上述した実施の形態1〜4では、複数の電磁鋼板11を積層して固定子鉄心10を形成する構成とした(図1,図22を参照)。この形態に代えて、鋳造によって固定子鉄心10を形成する構成としてもよい。結果として図1等に示す固定子鉄心10が形成されるので、全てのスロット13が開スロット部位13aと閉スロット部位13bを有し、かつ、全てのスロット13について開閉率OCRが同一を含む第1所定範囲内になる。よって、実施の形態1〜4と同様の作用効果が得られる。
In Embodiment 1-4 mentioned above, it was set as the structure which laminates | stacks the some
上述した実施の形態1〜4では、複数の電磁鋼板11(11A〜11F)を角度θごとに回転させながら軸方向に積層して固定子鉄心10を形成する構成とした(図1〜図5,図18,図22〜図25を参照)。この形態に代えて、角度θ以外の角度ごとに回転させながら軸方向に積層して固定子鉄心10を形成する構成としてもよい。スロット13は、軸方向と交差する方向(斜め方向)に形成されるものの、全てのスロット13について開閉率OCRが同一を含む第1所定範囲内になればよい。よって、実施の形態1〜4と同様の作用効果が得られる。
In the first to fourth embodiments described above, the
上述した実施の形態1〜4では、固定子鉄心10をインナーロータ型の回転電機100に適用する構成とした(図13を参照)。この形態に代えて、図示を省略するが、アウターロータ型の回転電機100に適用する構成としてもよい。アウターロータ型は、インナーロータ型と径方向に対照的であり、開スロット部位13aや閉スロット部位13bが外側に現れる。アウターロータ型の開閉率OCRについては、インナーロータ型を同じであるので、実施の形態1〜4と同様の作用効果が得られる。
In the first to fourth embodiments described above, the
〔作用効果〕
上述した実施の形態1〜4および他の実施の形態によれば、以下に示す各効果を得ることができる。
[Function and effect]
According to the first to fourth embodiments and the other embodiments described above, the following effects can be obtained.
(1)固定子30において、全てのスロット13は、径方向に開口する開スロット部位13aと、隣り合う磁極歯12の相互間をブリッジ部Brで連結する閉スロット部位13bとを有し、各スロットにおける開スロット部位13aと閉スロット部位13bとの軸方向の比率である開閉率OCRは、全てのスロット13について同一を含む第1所定範囲内になるように構成した(図1,図7を参照)。この構成によれば、固定子鉄心10に形成される全てのスロット13は、開スロット部位13aだけでなく閉スロット部位13bも有しており、しかも全てのスロット13について開閉率OCRが同一を含む第1所定範囲内に含まれるので、機械的剛性を高めて騒音を低減することができる。また、開スロット部位13aだけでなく閉スロット部位13bを有しており、全閉スロット構造に対し漏れ磁束φが低減できるので、性能の低下を抑制することができる。回転電機100に含まれ、共振を起こし易いSR(Switched Reluctance)モータは、特に振動や騒音を著しく低減することができる。
(1) In the
(2)固定子鉄心10は、複数の電磁鋼板11(11a〜11d)を積層して構成した(図7〜図9,図22〜図25を参照)。この構成によれば、所定形状に形成された電磁鋼板11を積層すればよいので、簡単な工程で固定子鉄心10を形成(製造)することができる。
(2) The
(3)電磁鋼板11は、開閉率OCRに対応して、開スロット部位13aと閉スロット部位13bとを有する複数のスロット13を有し、固定子鉄心10は、全てのスロット13において軸方向に均等を含む第2所定範囲内に閉スロット部位13bが配置されるように、電磁鋼板11を順次積層して構成した(図2〜図5,図7〜図9を参照)。この構成によれば、固定子鉄心10は複数の電磁鋼板11が軸方向に均等を含む第2所定範囲内に閉スロット部位13bが配置されるように順次積層するので、機械的剛性が向上するとともに、固有周波数Fを高めることができる。また、同一形状の電磁鋼板11を用いて固定子鉄心10を製造できるので、製造工程を簡素化できるとともに、電磁鋼板11の大量生産によってコストを低減することができる。
(3) The
(4)二以上の電磁鋼板11を同一姿勢で積層した積層体11Cを有し、固定子鉄心10は、全てのスロット13において軸方向に均等を含む第2所定範囲内に閉スロット部位13bが配置されるように、積層体11Cを順次積層して構成した(図7〜図9を参照)。この構成によれば、積層体11Cの単位で積層して固定子鉄心10を製造できるので、製造工程をより簡素化できる。
(4) It has the
(5)固定子巻線20は、多数に分割された所定形状のセグメント導体21からなり、スロット13に軸方向に収容されたセグメント導体21の端部21a同士を固定子鉄心10の軸方向外側で接続される構成とした(図10〜図12を参照)。この構成によれば、セグメント導体21をスロット13に収容して、固定子鉄心10の軸方向外側(コイルエンド)で接合して接続すればよい。そのため、固定子鉄心10に対する固定子巻線20の組み付けは従来と同様に行える。
(5) The stator winding 20 is composed of
(6)ブリッジ部Brは、スロット13の径方向の辺に対して垂直な方向に連結される構成とした(図18,図19を参照)。この構成によれば、ブリッジ部Brはスロット13における径方向の中間位置(ブリッジ位置P)に設けられる。中間位置にブリッジ部Brを設けても、機械的剛性を向上させ、固有周波数Fを高めることができ、性能の低下をより抑制することができる。
(6) The bridge portion Br is configured to be connected in a direction perpendicular to the radial side of the slot 13 (see FIGS. 18 and 19). According to this configuration, the bridge portion Br is provided at the radial intermediate position (bridge position P) in the
(7)スロット13は、磁極歯12における径方向の辺に対応する面SF1,SF2が平行になるように形成される構成とした(図6,図19を参照)。この構成によれば、スロット13を構成する磁極歯12の面SF1,SF2が平行であるので、断面が四角形状のセグメント導体21を用いると占積率(固定子巻線20がスロット13を占める比率)が向上する。セグメント導体21は特殊な加工を行う必要がないのでコストを抑制でき、ひいては固定子30の製造コストも抑制できる。
(7) The
(8)ブリッジ部Brは、閉スロット部位13bが磁極歯12の先端に位置するとき、隣り合う磁極歯12の先端面と滑らかになるように曲面で形成される構成とした(図6を参照)。この構成によれば、回転子102との間のギャップが一定に保たれるので、性能(特にトルク)を向上することができる。
(8) The bridge portion Br is configured to have a curved surface so as to be smooth with the tip surface of the adjacent
(9)回転電機100は、固定子30と、回転自在に支持される回転子102とを有する構成とした(図11を参照)。この構成によれば、従来よりも性能の低下を抑制するとともに、機械的剛性を高めて騒音が抑制される回転電機100を提供することができる。
(9) The rotating
10 固定子鉄心(ステータコア)
11(11A,11B,11D,11E,11F) 電磁鋼板
11C 積層体(電磁鋼板)
12 磁極歯(ティース)
13 スロット
13a 開スロット部位
13b 閉スロット部位
20 固定子巻線
30 固定子(ステータ)
100 回転電機
Br ブリッジ部
OCR 開閉率
10 Stator core (stator core)
11 (11A, 11B, 11D, 11E, 11F)
12 Magnetic teeth (teeth)
13
100 Rotating electric machine Br Bridge part OCR Open / close ratio
Claims (9)
全ての前記スロットは、径方向に開口する開スロット部位(13a)と、隣り合う前記磁極歯の相互間をブリッジ部(Br)で連結する閉スロット部位(13b)とを有し、
前記開スロット部位と前記閉スロット部位との軸方向の比率である開閉率(OCR)は、全ての前記スロットについて同一を含む第1所定範囲内になるように構成されることを特徴とする回転電機の固定子。 Fixing of a rotating electrical machine having a stator core (10) provided with a plurality of magnetic pole teeth (12) and a plurality of slots (13), and a stator winding (20) wound in the slot. In child (30)
All the slots have an open slot portion (13a) that opens in the radial direction and a closed slot portion (13b) that connects the adjacent magnetic pole teeth with a bridge portion (Br),
An opening / closing ratio (OCR), which is an axial ratio between the open slot portion and the closed slot portion, is configured to be within a first predetermined range including the same for all the slots. Electric stator.
前記固定子鉄心は、全ての前記スロットにおいて軸方向に均等を含む第2所定範囲内に前記閉スロット部位が配置されるよう、前記電磁鋼板を順次積層して構成されることを特徴とする請求項2に記載の回転電機の固定子。 The electromagnetic steel sheet has the slot having the open slot portion and the slot having the closed slot portion corresponding to the opening / closing ratio,
The stator iron core is configured by sequentially laminating the electromagnetic steel sheets so that the closed slot portion is disposed within a second predetermined range including an equal axial direction in all the slots. Item 3. A rotating electrical machine stator according to Item 2.
前記固定子鉄心は、全ての前記スロットにおいて軸方向に前記第2所定範囲内に前記閉スロット部位が配置されるよう、前記積層体を順次積層して構成されることを特徴とする請求項3に記載の回転電機の固定子。 Having a laminate (11C) in which two or more electromagnetic steel sheets are laminated in the same posture;
The stator core is configured by sequentially stacking the stacked bodies so that the closed slot portions are arranged in the second predetermined range in the axial direction in all the slots. The stator of the rotating electrical machine described in 1.
回転自在に支持される回転子(102)とを有することを特徴とする回転電機(100)。 A stator (30) for a rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 8,
A rotating electrical machine (100) having a rotor (102) rotatably supported.
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