JP2017216855A

JP2017216855A - 回転電機

Info

Publication number: JP2017216855A
Application number: JP2016110860A
Authority: JP
Inventors: 芳永久保田; Yoshinaga Kubota; 真大青山; Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-07

Abstract

【課題】高調波起磁力を低減させることができ、騒音やトルクリップルを低減させることができる回転電機を提供すること。
【解決手段】回転電機のステータに形成された複数のスロット１２に巻き回される電機子巻線１３は、レイヤ２はレイヤ１に対して１スロットずれて巻き回され、レイヤ３はレイヤ２に対して周方向にレイヤ１からレイヤ２とは逆方向（負方向）に１スロットずれて巻き回され、レイヤ４はレイヤ３に対して負方向に１スロットずれて巻き回される。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に関する。

特許文献１には、モータの電機子の巻線構造において、同一相の巻線を多スロットにわたり配置することが開示されている。このようにすることで、トルクリップルや騒音の原因となる高調波起磁力を低減させることができる。

一極分の同一相の巻線を多スロットにわたり配置した場合、一極分の同一相の巻線を１スロットに配置した場合と比べ、起磁力分布が正弦波に近づき、高調波起磁力を低減させることができる。

特許第５５８７６８３号公報

しかしながら、一極分の同一相の巻線を多スロットにわたり配置した場合、各巻線の径方向の位置により漏れインダクタンスの大きさが異なるため、実際には電機子巻線が作るギャップ磁束密度分布が左右非対称となってしまう。

そこで、本発明は、高調波起磁力を低減させることができ、騒音やトルクリップルを低減させることができる回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明は、複数のスロットが形成されたステータと、前記スロットに挿通されて複数のレイヤの内の一つを構成する複数相の電機子巻線と、を有する回転電機であって、前記電機子巻線は、一極分の同一相を前記複数のレイヤにおいて等間隔の前記レイヤで周方向の両側に交互に同じだけスロットをずらされて多スロットにわたり配置されるものである。

このように、本発明によれば、高調波起磁力を低減させることができ、騒音やトルクリップルを低減させることができる回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機の径方向の断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る回転電機の電機子巻線の結線図である。図３は、本発明の一実施形態に係る回転電機の電機子巻線のスロットでの配置を示す図である。図４は、従来の回転電機の電機子巻線の結線図である。図５は、従来の回転電機の電機子巻線のスロットでの配置を示す図である。図６は、従来の回転電機の漏れインダクタンスを考慮したギャップ磁束密度分布を示す図である。図７は、本発明の一実施形態に係る回転電機のギャップ磁束密度分布の調波解析の結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転電機について詳細に説明する。
図１において、本発明の一実施形態に係る回転電機１は、概略円筒形状に形成されたステータ１０と、ステータ１０とギャップを介して径方向の内側に対向配置されるロータ２０と、を備えている。ロータ２０は、回転軸３と一体に回転する。

なお、「径方向」とは、回転軸３が延伸する方向に直交する方向であり、回転軸３を中心として放射方向に示される。「径方向の外側」とは、径方向において回転軸３から遠い側のことであり、「径方向の内側」とは、径方向において回転軸３に近い側のことである。

また、「周方向」とは、回転軸３を中心とする円周方向を示す。また、「軸方向」とは、回転軸３が延伸する方向を示す。

（ステータ）
ステータ１０は、高透磁率の磁性部材から形成され、非磁性体からなる不図示の連結片を介して不図示のモータケースに磁気的に遮断された状態で固定されている。これにより、例えば、漏れ磁束の発生等が抑制される。

ステータ１０には、径方向の内側に突出したステータティース１１が周方向に所定の間隔で複数形成されている。

周方向に隣り合うステータティース１１の間には、溝状の空間であるスロット１２が形成されている。スロット１２には、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する電機子巻線１３が納められている。電機子巻線１３は、分布巻きによりステータティース１１に波巻で巻き回されている。電機子巻線１３は、スロット１２を軸方向に貫通するようにスロット１２内に配置される。

電機子巻線１３は、通電により磁束を発生させる。本実施形態では、スロット１２は等間隔に４８個形成されている。

電機子巻線１３は、１つのスロット１２内に径方向の外側から内側へ順にレイヤ１、レイヤ２、レイヤ３、レイヤ４と称する四層の巻線が挿通される。各レイヤの電機子巻線１３は、周方向に６個のステータティース１１を跨いで、離間したスロット１２にそれぞれ配置される。

電機子巻線１３は、連続した導体で形成されてもよいし、セグメントに分割した巻線をスロット１２内に挿通した後に溶接等により接続するようにしてもよい。また。電機子巻線１３に使用する導体は、平角線や丸線、もしくは細線を多本持ちにした導体でもよい。小型高出力化や高効率化を目的として占積率を高めるためには、平角線が適している。

ステータ１０は、電機子巻線１３に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生する。このステータ１０は、発生した磁束をロータ２０に鎖交させることにより、ロータ２０を回転駆動させる。

（ロータ）
ロータ２０の外周近傍には、矩形の磁石を挿入するための複数の穴２１が周方向に沿って等間隔に８個配設されている。各穴２１は軸方向に沿って形成されており、その穴２１には永久磁石２２がそれぞれ埋め込まれ、接着剤などで固定されている。

穴２１の周方向の幅は、永久磁石２２（２２ａ、２２ｂ）の周方向の幅よりも大きく設定されており、永久磁石２２の両側の穴空間２３は磁気的空隙として機能する。この穴空間２３は接着剤を埋め込んでも良いし、成型用樹脂で永久磁石２２と一体に固めても良い。永久磁石２２は、ロータ２０の界磁極として作用し、本実施の形態では８極構成となっている。

永久磁石２２の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、永久磁石２２ａの径方向の外側の面がＮ極、径方向の内側の面がＳ極であったとすれば、隣の永久磁石２２ｂの径方向の外側の面はＳ極、径方向の内側の面はＮ極となっている。そして、これらの永久磁石２２ａ、２２ｂが周方向に交互に配置されている。

なお、永久磁石２２には、ネオジウム系，サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石、ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。

ステータ１０の電機子巻線１３に三相交流を流すことで、回転磁界がステータ１０に発生すると、この回転磁界がロータ２０の永久磁石２２ａ、２２ｂに作用してトルクが生じる。

電機子巻線１３は、Ｕ、Ｖ、Ｗのいずれかの相の一極分の巻線が３つのスロット１２にわたり配置されている。

本実施形態においては、ギャップ磁束密度分布の左右非対称性を低減させるため、電機子巻線１３を等間隔のレイヤでスロット１２位置を周方向の両側に交互に同じだけずらしている。

図２に示すように、本実施形態の電機子巻線１３は、スター結線が採用されており、Ｕ相巻線群、Ｗ相巻線群、Ｖ相巻線群から成る。Ｕ、Ｖ、Ｗ相巻線群はそれぞれレイヤ１からレイヤ４に対応する４つの周回巻線で構成されており、Ｕ相巻線群は周回巻線Ｕ１〜Ｕ４を有し、Ｖ相巻線群は周回巻線Ｖ１〜Ｖ４を有し、Ｗ相巻線群は周回巻線Ｗ１〜Ｗ４を有している。

すなわち、周回巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１はレイヤ１に巻き回され、周回巻線Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、レイヤ２に巻き回され、周回巻線Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３はレイヤ３に巻き回され、周回巻線Ｕ４、Ｖ４、Ｗ４はレイヤ４に巻き回される。

図２は、本実施形態の電機子巻線１３の結線図であり、結線方式および各相巻線の電気的な位相関係を示したものである。

図２に示すように、Ｗ相およびＶ相はＵ相とほぼ同様の構成であり、それぞれに誘起される電圧の位相が電気角で１２０度ずれるように配置されている。また、それぞれの周回巻線の角度が相対的な位相を表している。

図３は、図２に示す結線図による電機子巻線１３のスロット１２での配置を示す図である。図３では、１から１２までの１２個のスロット１２の配置を示している。本実施形態では、２極分、つまり電気角３６０度にスロット１２が１２個配置されている。

各電機子巻線１３は、矩形で示されているが、その矩形の中には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を示す符号Ｕ、Ｖ、Ｗと、レイヤを示す数字１から４と、電流の流れる方向を示す「＋」または「−」が示してある。「＋」は、電機子巻線１３を図面の奥側から手前側に電流が流れることを示している。「−」は、電機子巻線１３を図面の手前側から奥側に電流が流れることを示している。すなわち、電機子巻線１３を示す矩形の中には、周回巻線の種類を示す符号（Ｕ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４、Ｗ１〜Ｗ４）と、電流が流れる方向を示す符号（＋、−）が示してある。

また、電機子巻線１３は、ステータ１０の軸方向の図面の手前側の端部では、「＋」の符号が付けられた電機子巻線１３から図面の右方向の「−」の符号が付けられた電機子巻線１３に巻き回されている。また、電機子巻線１３は、ステータ１０の軸方向の図面の奥側の端部では、「−」の符号が付けられた電機子巻線１３から図面の右方向の「＋」の符号が付けられた電機子巻線１３に巻き回されている。

図３において、矩形間に引かれた矢印は、Ｕ相について、電機子巻線１３のステータ１０の軸方向端部における配置と電流の流れる方向を示している。実線の矢印は、電機子巻線がステータ１０の図面の手前側の端部においてスロット１２を跨いで配置されていることを示す。破線の矢印は、電機子巻線がステータ１０の図面の奥側の端部においてスロット１２を跨いで配置されていることを示す。矢印は、電流の流れる方向を示す。

図３に示すように、本実施形態の電機子巻線１３は、Ｕ相を例にすると、Ｕ２の電機子巻線１３はＵ１の電機子巻線１３に対して１スロットずれて巻き回されることから、１スロット相当の電気角分の位相差が発生する。本実施形態では、１スロットは電気角３０度相当であり、図２においても、Ｕ１とＵ２とは電気角３０度ずれて記載されている。

また、図３に示すように、Ｕ３の電機子巻線１３はＵ２の電機子巻線１３に対して周方向にＵ１からＵ２とは逆方向（負方向）に１スロットずれて巻き回されることから、Ｕ２とＵ３との電機子巻線１３の間には負方向に１スロット相当の電気角分の位相差が発生する。図２においても、Ｕ２とＵ３とは負方向に電気角３０度ずれて記載されている。すなわち、Ｕ３の電機子巻線１３は、Ｕ１の電機子巻線１３と同一の位相に戻っている。

また、図３に示すように、Ｕ４の電機子巻線１３はＵ３の電機子巻線１３に対して負方向に１スロットずれて巻き回されることから、Ｕ３とＵ４との電機子巻線１３の間には負方向に１スロット相当の電気角３０度分の位相差が発生する。図２においても、Ｕ３とＵ４とは負方向に電気角３０度ずれて記載されている。

このようにすることで、ギャップ磁束密度分布の左右非対称性を低減させることができる。

図４は、従来の回転電機の結線図であり、図２と同様に、結線方式および各相巻線の電気的な位相関係を示したものである。また、図５は、図４に示す結線図による電機子巻線のスロットでの配置を示す図である。

図５に示すように、従来の電機子巻線は、Ｕ相を例にすると、Ｕ２の電機子巻線はＵ１の電機子巻線に対して１スロットずれて巻き回されることから、１スロット相当の電気角分の位相差が発生する。１スロットは電気角３０度相当であり、図４においても、Ｕ１とＵ２とは電気角３０度ずれて記載されている。

また、図５に示すように、Ｕ３の電機子巻線はＵ２の電機子巻線に対して周方向にずれずに巻き回されることから、Ｕ２とＵ３との電機子巻線の間には位相差は発生しない。図４においても、Ｕ２とＵ３とは位相差が無いように記載されている。

また、図５に示すように、Ｕ４の電機子巻線はＵ３の電機子巻線に対して１スロットずれて巻き回されることから、１スロット相当の電気角３０度分の位相差が発生する。図４においても、Ｕ３とＵ４とは電気角３０度ずれて記載されている。

このように、スロット１２をずらして一極分の同一相の電機子巻線を３スロットにわたり配置することで、起磁力分布を正弦波に近づけることができ、高調波起磁力を低減させることができる。

しかしながら、同一相の電機子巻線を多層に配置する場合、各巻線の径方向の位置（レイヤ）により漏れインダクタンスの大きさが異なる。漏れインダクタンスの大きさは、ギャップに近い（径方向の内側の）電機子巻線ほど大きくなる。例えば、Ｕ相の周回巻線Ｕ１〜Ｕ４を例にすると、漏れインダクタンスの大きさは、Ｕ４＞Ｕ３＞Ｕ２＞Ｕ１となる。このため、図６に示すように、実際には電機子巻線１３が作るギャップ磁束密度分布が左右非対称となってしまう。

本実施形態では、電機子巻線１３を等間隔のレイヤでスロット１２位置を周方向の両側に交互に同じだけずらしているため、ギャップ磁束密度分布の左右非対称性を低減させることができる。

図７は、図４及び図５で示した従来例の配線パターンと本実施形態の配線パターンとのギャップ磁束密度分布の調波解析の結果を比較したものである。図７では、図４及び図５で示した配線パターンでのギャップ磁束密度を１００％として、その割合を示している。

図７に示すように、本実施形態では、図４及び図５で示した配線パターンに比べ、１次は変わらず、５次、７次の高調波が低減できていることが分かる。このように、従来例に比べ、高調波起磁力を低減させることができ、騒音やトルクリップルを低減させることができる。

このように、上述の実施形態では、電機子巻線１３を等間隔のレイヤでスロット１２位置を周方向の両側に交互に同じだけずらしている。

これにより、ギャップ磁束密度分布の左右非対称性を低減させ、高調波起磁力を低減させることができ、騒音やトルクリップルを低減させることができる。
また、電機子巻線１３は、一極分の同一相を３スロットにわたり配置されるとよい。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１回転電機
１０ステータ
１２スロット
１３電機子巻線

Claims

複数のスロットが形成されたステータと、
前記スロットに挿通されて複数のレイヤの内の一つを構成する複数相の電機子巻線と、を有する回転電機であって、
前記電機子巻線は、一極分の同一相を前記複数のレイヤにおいて等間隔の前記レイヤで周方向の両側に交互に同じだけスロットをずらされて多スロットにわたり配置される回転電機。
前記電機子巻線は、一極分の同一相を３スロットにわたり配置される請求項１に記載の回転電機。