JP2018026894A - 回転電機のステータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸およびハウジングを連結する導体部材を設けることなく、高負荷域でも効果的に軸受の電食を抑制できるステータを提供する。
【解決手段】 回転電機のステータ１０は、円環状のヨーク２６と、前記ヨーク２６の内周面から径方向に突出する複数のティース２８と、を有したステータコア２４と、前記ティース２８に巻回され、通電により回転磁界を発生させるステータコイル３０と、前記ヨーク２６の内周側および外周側位置において軸方向に延び、前記ステータコア２４の前記軸方向外側位置において径方向に延びて前記ヨーク２６を横断するように前記ステータコア２４に巻回された要素コイルＣを１以上有し、１以上の閉路を構成するキャンセルコイル３２と、磁性材料からなり、前記キャンセルコイル３２の内側に配されて当該キャンセルコイル３２の鉄心の一部として機能する磁性コア３６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータコアと回転磁界を発生させるステータコイルとを備えたステータに関する。

従来から、三相回転電機が広く知られている。かかる三相回転電機は、ステータとロータとを有しており、ロータは、その中心に回転軸が装着されている。回転軸は、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられており、ステータコイルへの通電に伴い、ロータとともに回転する。ステータは、ステータコアと当該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有しており、ステータコイルは、三相のコイル、すなわち、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルを有している。この三相のコイルに、三相交流電流を印加することで、回転磁界が生成され、ロータが回転する。

特開２０１４−１１８２７号公報

ところで、従来の回転電機では、回転軸を軸支する軸受の電食が生じるという問題があった。これについて図２３を参照して説明する。図２３は、従来の回転電機１０の構成を示す図である。回転電機１０では、その内部において磁気的なアンバランスが生じると、回転軸１６の周囲に電気周期高次の磁束（以下「不平衡磁束５０」と呼ぶ）が発生する。そして、不平衡磁束５０に起因して、回転軸１６の両端には、電圧（以下「軸電圧」と呼ぶ）が誘導される。図２４は、軸電圧ＶＳとＵ相コイルに流れる電流（Ｕ相電流ＡＵ）との波形の一例を示すグラフである。図２４に示す通り、軸電圧ＶＳは、基本波の３倍の周波数をもつ三次高調波電圧となる。軸電圧ＶＳは、回転軸１６およびハウジング１８を介して回転中の軸受１９の内外輪に印加される。軸受１９の内外輪は、潤滑油膜で絶縁されているが、当該潤滑油膜は、数μｍと薄いため、一定以上の電圧（数Ｖ程度）が印加されると、絶縁破壊する。軸受１９の内外輪の絶縁が破壊されると、図２３において破線で示す通り、「回転軸１６−軸受１９−ハウジング１８−回転軸１６」の循環経路で誘導電流５２が流れる。このとき、ジュール損は、絶縁破壊部、すなわち、軸受１９に集中するため、軸受１９の電食が進行するという問題があった。

特許文献１には、こうした軸受の電食を抑制するために、回転軸およびハウジングを機械的に連結する導体部材を別途設ける技術が開示されている。かかる構成とすることで、誘導電流は、軸受よりもインピーダンスの小さい導体部材に支配的に流れるため、軸受の電食を抑制できる。

しかしながら、特許文献１の技術では、導体部材を別途設ける必要があり、回転軸、ハウジング、回転出力部に構造的な制約が生じ、設計の自由度が低くなったり、回転電機全体のサイズや重量、コストが増加したりという別の問題を招いていた。特に、電動車両（例えばハイブリッド自動車や電気自動車等）に搭載される回転電機は、小型であり、また、高負荷域でも高い性能を発揮することが求められるが、従来技術では、この要望を満たすことは難しかった。

そこで、本発明では、回転軸およびハウジングを連結する導体部材を設けることなく、高負荷域でも効果的に軸受の電食を抑制できる回転電機のステータを提供することを目的とする。

本発明の回転電機のステータは、円環状のヨークと、前記ヨークの内周面からステータ径方向に突出する複数のティースと、を有したステータコアと、前記ティースに巻回され、通電により回転磁界を発生させるステータコイルと、前記ヨークの内周側および外周側位置においてステータ軸方向に延び、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置においてステータ径方向に延びて前記ヨークを横断するように前記ステータコアに巻回された要素コイルを１以上有し、１以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、磁性材料からなり、前記キャンセルコイルの内側に配されて当該キャンセルコイルの鉄心の一部として機能する磁性コアと、を備えることを特徴とする。

かかる構成とした場合、ヨーク内を周方向に流れる不平衡磁束が、キャンセルコイルを貫き、キャンセルコイルに三次の電圧が誘導される。そして、三次の電圧が誘導されることで、キャンセルコイルには、不平衡磁束を妨げる向きの電流が流れる。また、磁性コアを設けることで、高負荷域でも、キャンセルコイルのインダクタンスを高く保つことができる。結果として、高負荷域でも不平衡磁束が低減し、軸受の電食が効果的に抑制される。

好適な態様では、前記磁性コアは、前記ステータコアの前記ステータ軸方向両端のうち、少なくとも一方に配される環状体である。

かかる構成とすることで、ステータの外径を増やすことなく、高負荷域でも軸受の電食を効果的に抑制できる。

他の好適な態様では、前記磁性コアは、前記ヨークの前記ステータ軸方向両端のうち、少なくとも一方に配される環状体である。

かかる構成とすることで、キャンセルコイルが、ステータコイルやティースを横断する場合に比して、キャンセルコイルの線長を短くすることができ、また、磁気的特性も向上できる。

他の好適な態様では、前記ステータコイルは、前記ステータコアのステータ軸方向端面から突出するコイルエンド部を有しており、前記磁性コアの前記ステータ軸方向端面からの突出量は、前記コイルエンド部の前記ステータ軸方向端面からの突出量よりも小さい。

かかる構成とすることで、ステータの体格増加を防止できる。

他の好適な態様では、前記磁性コアの外周長は、前記ステータコアの外周長よりも小さい。

かかる構成とすることで、キャンセルコイルのインダクタンスの低下をより効果的に抑制できる。

他の好適な態様では、前記磁性コアは、前記ステータコアの外周囲に配される円筒体である。

かかる構成とすることで、磁性コアに発生する渦電流を抑制できる。

他の好適な態様では、さらに、前記磁性コアと、前記ステータコアとの間に、非磁性層を備える。

かかる構成とすることで、磁性コアに発生する渦電流を抑制でき、また、有効磁束が磁性コアに漏れることを防止できる。

他の好適な態様では、前記磁性コアは、電磁鋼板を前記ステータ軸方向に積層してなる。

かかる構成とすることで、磁性コアを、ステータコア等とともにプレス加工で製作でき、生産性が向上する。

他の好適な態様では、前記キャンセルコイルは、導電性材料からなる複数の線材を、電気的に連結して構成される。

かかる構成とすることで、キャンセルコイルの組み付け性が向上する。

本発明によれば、キャンセルコイルを設けることで、不平衡磁束が低減できる。また、磁性コアを設けることで、高負荷域でも、キャンセルコイルのインダクタンスを高く保つことができる。結果として、高負荷域でも不平衡磁束が低減し、軸受の電食が効果的に抑制される。

本発明の実施形態である回転電機の縦断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 磁性コアの斜視図である。 キャンセルコイルの結線図である。 他のキャンセルコイルの結線図である。 一次の誘導電圧を示すグラフである。 三次の誘導電圧を示すグラフである。 軸電圧を示すグラフである。 磁性コアの有無によるキャンセル電流の違いを示す図である。 キャンセルコイル、磁性コアの有無による軸電圧の違いを示す図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 他の回転電機の一例を示す横断面図である。 図１３のＣ−Ｃ断面図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 図１６のＤ−Ｄ断面図である。 他の回転電機の一例を示す縦断面図である。 キャンセルコイルの結線を示す図である。 キャンセルコイル周辺の斜視図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 従来の回転電機の縦断面図である。 従来の回転電機でのＵ相電流と、軸電圧とを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である回転電機１０の縦断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ断面図である。また、図４は、磁性コア３６の斜視図である。なお、以下の図面では、見易さのために、キャンセルコイル３２を比較的大きく図示しているが、キャンセルコイル３２は、実際には、より小さい。また、以下の説明において、「軸方向」、「周方向」、「径方向」とは、ステータ１４の軸方向、周方向、径方向の意味である。

回転電機１０は、ロータ１２と、ステータ１４と、回転軸１６と、ハウジング１８と、に大別される。ロータ１２は、ロータコア２０および当該ロータコア２０に埋め込まれた永久磁石２２を備えている。ロータコア２０は、電磁鋼板を積層してなる円柱形部材である。このロータコア２０の中心には、回転軸１６が挿通され、固着されている。回転軸１６の両端は、軸受１９を介してハウジング１８に取り付けられており、回転軸１６および回転軸１６に固着されたロータコア２０は、ハウジング１８に対して回転自在となっている。

軸受１９は、外輪１９ａと内輪１９ｃとの間に複数の転動体１９ｂ（球体）を配して構成されており、外輪１９ａと転動体１９ｂの間、および、内輪１９ｃと転動体１９ｂの間には、潤滑油膜が介在している。この潤滑油膜は、転動体１９ｂの動きを滑らかにする潤滑剤として機能するとともに、外輪１９ａと内輪１９ｃとを絶縁する絶縁部材としても機能する。潤滑油膜が介在することで、回転軸１６とハウジング１８とが電気的に絶縁される。

ステータ１４は、ステータコア２４と、ステータコイル３０と、磁性コア３６と、キャンセルコイル３２と、を有している。ステータコア２４は、ロータ１２と同心に配される略円筒形部材で、円環状のヨーク２６と、当該ヨーク２６の内周面から径方向に突出する複数のティース２８と、を含む。複数のティース２８は、周方向に所定間隔で並んでおり、隣接する二つのティース２８の間には、ステータコイル３０が挿入される空間であるスロットが形成されている。

こうしたステータコア２４は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）から構成されている。複数の電磁鋼板は、互いに位置決めされて、接合され、ステータコア２４を構成する。この電磁鋼板の位置決めおよび接合方法は、従来から多数提案されている。例えば、各電磁鋼板に、カシメ用の凸部および凹部を形成し、一つの電磁鋼板の凸部を他の電磁鋼板の凹部に嵌め込んでいき、複数の電磁鋼板を互いに位置決めするとともに結合してステータコア２４を構成する。

ステータコイル３０は、巻線をティース２８に集中巻することで構成される。ステータコイル３０は、三相の相コイル、すなわち、Ｕ相コイルＰＵ、Ｖ相コイルＰＶ、Ｗ相コイルＰＷを有している。なお、以下の説明で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を区別しないときは、アルファベットＵ，Ｖ，Ｗを省略して、「相コイルＰ」と呼ぶ。各相コイルＰの一端は、入力端子（図示せず）に接続されている。また、各相コイルＰの他端は、他の相コイルＰに接続され、中性点（図示せず）を構成する。したがって、三相の相コイルＰＵ，ＰＶ，ＰＷは、いわゆるスター結線された状態となっている。各相コイルＰは、複数の単コイルを直列につなぐことで構成され、各単コイルは、巻線を一つのティース２８に巻回して構成される。複数のティース２８には、Ｕ相の単コイル、Ｖ相の単コイル、Ｗ相の単コイルが、周方向に順に繰り返し並ぶようにセットされている。なお、こうしたステータコイル３０の構成は、一例であり、適宜、変更されてもよい。例えば、ステータコイル３０は、集中巻に限らず、分布巻でもよい。いずれにしても、ステータコイル３０に三相交流電流を印加することで、回転磁界が形成され、ロータ１２が回転する。

磁性コア３６は、図４に示すように、磁性材料からなる環状部材である。磁性コア３６は、鉄やコバルト等の磁性金属で構成されてもよいし、複数の電磁鋼板を軸方向に積層した積層体であってもよい。本実施形態では、この磁性コア３６を、ステータコア２４の軸方向両端に、ステータコア２４と同心に配している。各磁性コア３６の外径は、ステータコア２４の外径とほぼ同じか僅かに小さく、磁性コア３６の内径は、ヨーク２６の内径とほぼ同じか僅かに大きくなっている。つまり、磁性コア３６は、ヨーク２６とほぼ同形となっており、ヨーク２６に対して軸方向に隣接して配されている。磁性コア３６は、ステータコア２４の軸方向端面から外側に突出することになるが、この突出量Ｈ１は、コイルエンド部の軸方向端面からの突出量Ｈ２より小さくなっている。これは、磁性コア３６に起因するステータ１４の体格増加を避けるためである。以上のような磁性コア３６を設ける理由については、後述する。

キャンセルコイル３２は、ヨーク２６に巻回されたコイルである。このキャンセルコイル３２は、ステータコイル３０には、接続されておらず、ステータコイル３０から完全に独立して設けられている。キャンセルコイル３２は、Ｕ相コイルＰＵに対応する四つの第一要素コイルＣＵと、Ｖ相コイルＰＶに対応する四つの第二要素コイルＣＶと、Ｗ相コイルＰＷに対応する四つの第三要素コイルＣＷと、を含む。なお、第一〜第三を区別しない場合は、アルファベットＵ，Ｖ，Ｗを省略して「要素コイルＣ」と呼ぶ。各要素コイルＣは、ヨーク２６よりも内周側および外周側位置において軸方向に延び、磁性コア３６より軸方向外側位置において径方向に延びてヨーク２６および磁性コア３６を横断するように、ヨーク２６に巻回されている。後に詳説するようにヨーク２６には、二種類の磁束が、周方向に流れるが、要素コイルＣは、この周方向に流れる磁束の周囲を囲むように巻回されている。また、別の見方をすれば、ヨーク２６および磁性コア３６は、要素コイルＣの鉄心コアとして機能する。

ここで、「Ｕ相コイルＰＵに対応する」とは、「Ｕ相コイルＰＵに対して特定の磁気的関係を持つ」との意味である。例えば、本実施形態では、Ｕ相コイルＰＵの左隣（Ｕ相コイルＰＵとＶ相コイルＰＶとの間）に配された要素コイルをＵ相コイルＰＵに対応する「第一要素コイルＣＵ」としている。なお、図２から明らかな通り、四つの第一要素コイルＣＵは、互いに異なる箇所に巻回されているが、いずれも、Ｕ相コイルＰＵの左隣に配されているため、ステータコイル３０から受ける磁気的影響は、ほぼ同じとなっている。

同様に、Ｖ相コイルＰＶの左隣（Ｖ相コイルＰＶとＷ相コイルＰＷとの間）に配されたコイルをＶ相コイルＰＶに対応する「第二要素コイルＣＶ」とし、Ｗ相コイルＰＷの左隣（Ｗ相コイルＰＷとＵ相コイルＰＵとの間）に配されたコイルをＷ相コイルＰＷに対応する「第三要素コイルＣＷ」とする。第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷは、いずれも、対応する相コイルＰに対して特定の位置関係にあり、当該対応する相コイルＰへの電流印加で発生する磁束（いわゆる「有効磁束」）から特定の磁気的影響を受ける。

こうした第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷは、１以上の閉路を構成するように接続される。この接続形態としては、種々考えられるが、本実施形態では、図５に示すように、キャンセルコイル３２を構成する四つの第一要素コイルＣＵと、四つの第二要素コイルＣＶと、四つの第三要素コイルＣＷと、を互いに直列に接続し、単一の閉路を構成している。

次に、かかるキャンセルコイル３２を設ける理由について説明する。図２３は、従来の回転電機１０の構成を示す図である。回転電機１０では、その内部において磁気的なアンバランスが生じると、回転軸１６の周囲に電気周期高次の磁束（以下「不平衡磁束５０」と呼ぶ）が発生する。そして、不平衡磁束５０に起因して、回転軸１６両端には、電圧（以下「軸電圧」と呼ぶ）が誘導される。この軸電圧は、回転軸１６およびハウジング１８を介して回転中の軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃに印加される。軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃは、潤滑油膜で絶縁されているが、当該潤滑油膜は、数μｍと薄いため、一定以上の電圧（数Ｖ程度）が印加されると、絶縁破壊する。軸受１９の外輪１９ａ−内輪１９ｃ間の絶縁が破壊されると、図２３に示す通り、「回転軸１６−軸受１９−ハウジング１８−回転軸１６」の循環経路で誘導電流５２が流れる。このとき、ジュール損は、絶縁破壊部、すなわち、軸受１９に集中するため、軸受１９の電食が進行するという問題があった。

こうした問題を解決するために、一部では、回転軸１６とハウジング１８とを接続する導体部材を別途設けることが提案されている。かかる構成とすれば、誘導電流５２は、軸受１９よりもインピーダンスの小さい導体部材に支配的に流れるため、軸受１９の電食を抑制できる。しかしながら、こうした導体部材の採用は、構造的な制約を招き、設計の自由度が低くなったり、回転電機１０全体のサイズや重量、コストが増加したりという別の問題を招いていた。

本実施形態では、回転軸１６およびハウジング１８を連結する導体部材を設けることなく、軸受１９の電食を抑制して、軸受１９の電食を抑制するために、キャンセルコイル３２を設けている。キャンセルコイル３２は、既述した通り、ヨーク２６に巻回されているが、このヨーク２６には、大きく分けて二種類の磁束が流れる。

一つは、回転電機１０の磁気的アンバランスにより生じる不平衡磁束５０である。この不平衡磁束５０は、ヨーク２６を、周方向に進む。また、この不平衡磁束５０は、基本周波数の３倍の周波数で変化する三次の磁束である。

もう一つは、回転トルクを生みだすための磁束である。以下では、この磁束を「有効磁束」と呼ぶ。有効磁束は、一つのティース２８の先端から径方向外向きに進んだ後、ヨーク２６を周方向に移動し、その後、他のティース２８を径方向内向きに進んで、ロータ１２に流れ込む。この有効磁束は、基本周波数と同じ周波数で変化する一次の磁束である。

キャンセルコイル３２を構成する要素コイルＣは、ヨーク２６を周方向に流れる不平衡磁束５０、および、有効磁束の周囲を囲むように、ヨーク２６に巻回されている。換言すれば、キャンセルコイル３２の内部を不平衡磁束５０および有効磁束が貫くことになる。その結果、キャンセルコイル３２には、不平衡磁束５０および有効磁束の時間変化に応じて、電圧が誘導され、これら磁束を妨げる向きの電流が流れる。

以下では、有効磁束の時間変化に応じて誘導される電圧を「一次の誘導電圧」、不平衡磁束５０の時間変化に応じて誘導される電圧を「三次の誘導電圧」と呼ぶ。図７は、一次の誘導電圧を示すグラフである。図５において、破線は、第一要素コイルＣＵに誘導される一次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ１を、実線は、第二要素コイルＣＶに誘導される一次の誘導電圧Ｖ＿Ｖ１を、一点鎖線は、第三要素コイルＣＷに誘導される一次の誘導電圧Ｗ＿Ｖ１を示している。図７から明らかな通り、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに誘導される一次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ１，Ｖ＿Ｖ１，Ｗ＿Ｖ１は、互いに、電気角で１２０度ずつ位相がずれている。そのため、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを直列で接続した場合、各要素コイルＣに誘導される一次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ１，Ｖ＿Ｖ１，Ｗ＿Ｖ１は互いに相殺し合い、閉路全体としての電圧Ａ＿Ｖ１は、ゼロとなる。すなわち、一次の誘導電圧の合計値Ａ＿Ｖ１は、図７において太実線で示されるような値となる。そして、一次の誘導電圧の合計値Ａ＿Ｖ１がゼロとなることで、要素コイルＣには、一次の電流は流れないことになり、有効磁束を打ち消すような磁束は発生しない。結果として、キャンセルコイル３２を設けても、回転電機１０の出力トルクは影響を受けないことになる。

図８は、三次の誘導電圧を示すグラフである。図８において、破線は、各要素コイルＣに誘導される三次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ３，Ｖ＿Ｖ３，Ｗ＿Ｖ３を示しており、実線は、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに誘導される三次誘導電圧の合計値Ａ＿Ｖ３を示している。第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに誘導される三次誘導電圧Ｕ＿Ｖ３，Ｖ＿Ｖ３，Ｗ＿Ｖ３は、互いに位相が同じとなっている。そのため、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを直列で接続した場合、閉路全体としての電圧Ａ＿Ｖ３は、一つの要素コイルＣに誘導される三次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ３，Ｖ＿Ｖ３，Ｗ＿Ｖ３の三倍の電圧となる。そして、閉路全体に高い電圧が誘導されることで、これら閉路には、誘導電流が流れる。この誘導電流は、不平衡磁束５０を打ち消すような方向に流れる。

図９は、キャンセルコイル３２の有無による軸電圧の違いを示すグラフである。図９において、実線は、キャンセルコイル３２を設けた場合の軸電圧Ｖａを、破線は、キャンセルコイル３２を設けない場合の軸電圧Ｖｂを示している。図９から明らかな通り、キャンセルコイル３２を設けることで、不平衡磁束５０が、キャンセルコイル３２に流れる三次の誘導電流により低減されるため、軸電圧も低下する。そして、軸電圧が低下することで、軸受１９の潤滑油膜の絶縁破壊が防止され、軸受１９の電食が効果的に防止される。

なお、図５に示す要素コイルＣの結線態様は、一例であり、キャンセルコイル３２が１以上の閉路を構成するのであれば、要素コイルＣの結線態様は、適宜変更されてもよい。例えば、別の形態として、図６に示すように、一つの第一要素コイルＣＵと、一つの第二要素コイルＣＶと、一つの第三要素コイルＣＷと、を直列に接続して１つの閉路を構成し、キャンセルコイル３２全体としては、四つの閉路を含むような構成としてもよい。このように、一つの閉路が第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを一つずつ含む構成とした場合、図５の場合に比べて巻回が容易になる。一方、図５に示すように、全ての要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを直列に接続して単一の閉回路を構成した場合、ロータ１２の偏心等に起因する磁気的なアンバランス、ひいては、周位置による有効磁束の違いを吸収できる。結果として、一次の誘導電圧の合計値Ａ＿Ｖ１をより確実にゼロにすることができ、キャンセルコイル３２が、回転トルクに及ぼす影響をより確実に低減できる。

また、別の形態として、二つの第一要素コイルＣＵと、二つの第二要素コイルＣＶと、二つの第三要素コイルＣＷと、を直列に接続して１つの閉路を構成し、キャンセルコイル３２全体としては、二つの閉路を含むような構成としてもよい。いずれにしても、一つの閉路に、第一要素コイルＣＵと、第二要素コイルＣＶと、第三要素コイルＣＷと、が同数含まれていることが望ましい。かかる構成とすることで、一つの閉路における一次の誘導電圧の和Ａ＿Ｖ１をゼロに近づけることができる。また、この場合、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷは、起磁力が互いに等しいこと、すなわち、各要素コイルＣを構成する巻線の材質や形状、巻回数等が等しいことが望ましい。かかる構成とすることで、一つの閉路における一次の誘導電圧の和Ａ＿Ｖ１をほぼゼロにすることができる。結果として、キャンセルコイル３２が、回転トルクに及ぼす影響をより確実に低減できる。

また、本実施形態では、回転トルクへの影響を最小限にするために、一つの閉路に、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを設けている。しかし、軸受１９の電食抑制のみを目的とするのであれば、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷは、直列に接続されていなくてもよい。例えば、第一要素コイルＣＵのみ、第二要素コイルＣＶのみ、第三要素コイルＣＷのみで一つの閉路を構成するなどしてもよい。この場合でも、不平衡磁束５０は低減できるため、軸受１９の電食を抑制できる。

ところで、これまで説明したように、本実施形態では、キャンセルコイル３２には、不平衡磁束５０を打ち消す方向の誘導電流（以下「キャンセル電流」と呼ぶ）が流れる。このキャンセル電流は、回転電機１０の動作域が、高負荷域に近づくにつれ、増加する。これは、キャンセルコイル３２の鉄心の一部として機能するヨーク２６に流れる有効磁束が増加して、ヨーク２６が、磁気飽和に近づくことで、ヨーク２６の透磁率が低下するためである。ヨーク２６の透磁率が低下すると、キャンセルコイル３２のインダクタンスも低下し、キャンセル電流が増加する。キャンセル電流が大きくなると、その分、キャンセルコイル３２の線径を太くする必要があり、回転電機１０の体格増加を招く。

回転電機１０の体格増加を防止するためには、キャンセルコイル３２のインダクタンスを比較的高い状態に保ち、キャンセル電流を比較的低い値に保つことが必要となる。本実施形態では、キャンセルコイル３２のインダクタンスを比較的高い状態に保つために、ヨーク２６の軸方向両端に、磁性材料からなる磁性コア３６を設けている。この磁性コア３６は、既述した通り、ヨーク２６とともにキャンセルコイル３２の鉄心として機能する。また、磁性コア３６は、ヨーク２６と異なり、回転電機１０が、高負荷域で動作したとしても、有効磁束は、殆ど流れない。そのため、回転電機１０が、高負荷域で動作したとしても、磁性コア３６の透磁率は、殆ど低下しないため、キャンセルコイル３２のインダクタンスを比較的高い状態に保つことができる。結果として、キャンセルコイル３２の電流を低めに保つことができ、キャンセルコイル３２の線径を細くすることができる。

次に、磁性コア３６の有無によるキャンセル電流および軸電圧の違いについて、図１０、図１１を参照して説明する。図１０は、回転電機１０を高負荷域で動作させた際のキャンセル電流を示すグラフである。図１０において、本実施形態の構成、すなわち、磁性コア３６を設けた構成でのキャンセル電流を、実線は、磁性コア３６が無い場合のキャンセル電流を、それぞれ示している。また、図１１は、軸電圧を示すグラフであり、左端は、キャンセルコイル３２が無い場合を、真ん中は、キャンセルコイル３２があるものの磁性コア３６が無い場合を、右端は、キャンセルコイル３２および磁性コア３６の双方がある場合を示している。

図１０から明らかな通り、磁性コア３６を設けた場合（破線の場合）は、磁性コア３６を設けない場合（実線の場合）に比べて、キャンセル電流が大幅に低下することが分かる。一方で、図１１から明らかな通り、磁性コア３６の有無に関わらず、キャンセルコイル３２を設ければ、軸電圧は、十分に低下できることが分かる。つまり、ステータコア２４にキャンセルコイル３２を巻回するとともに、当該キャンセルコイル３２の鉄心の一部として機能する磁性コア３６を設けることで、軸電圧を効果的に低下させつつも、回転電機１０の体格増加を防止できる。また、有効磁束が増加する高負荷域においても、軸電圧を抑制でき、ひいては、軸受の電食を抑制できる。

次に、磁性コア３６の配置および形状のバリエーションについて説明する。上述の実施形態では、磁性コア３６を、ステータコア２４の軸方向両側に配したが、磁性コア３６は、キャンセルコイル３２の内側に位置するのであれば、ステータコア２４の軸方向一端側にのみ配されてもよい。また、磁性コア３６は、既述した通り、電磁鋼板を積層してなる積層鋼板で構成されてもよい。磁性コア３６を積層鋼板とすることで、磁性コア３６を、ステータコア２４と同様のプレス加工で製作できるため、生産性が向上する。

また、これまでの説明では、磁性コア３６をステータコア２４に直接接触させていたが、磁性コア３６とステータコア２４との間に、磁束を通しにくい非磁性層を設けてもよい。非磁性層は、非磁性材料からなる非磁性体でもよいし、空気層でもよい。図１２は、ヨーク２６と磁性コア３６との間に、非磁性層として機能する非磁性体３８を設けた場合の一部断面図である。非磁性体３８は、非磁性材料、例えば、アルミニウムや樹脂等からなり、磁性コア３６と相似形の環状体である。かかる非磁性体３８を設けることで、ヨーク２６から磁性コア３６に有効磁束が流れ込むことによって、磁性コア３６が磁気飽和することを回避でき、ひいては、キャンセルコイル３２のインダクタンス低下を抑制できる。そして、結果として、有効磁束が増加する高負荷域においても、軸受の電食を効果的に抑制できる。

また、磁性コア３６を積層鋼板で構成した場合、積層鋼板を軸方向に貫く磁束によって面内の渦電流が発生するおそれがある。非磁性体３８は、こうした渦電流対策にも有効で、非磁性体３８を設けることで、こうした軸方向の磁束が抑制され、渦電流の発生を抑制できる。

また、これまでの説明では、磁性コア３６を、ヨーク２６に対して軸方向に隣接する位置に配置したが、磁性コア３６は、キャンセルコイル３２の鉄心の一部として機能するのであれば、他の箇所に配されてもよい。例えば、図１３、図１４に示すように、磁性コア３６を、ステータコア２４の外周囲に配してもよい。なお、図１４は、図１３のＣ−Ｃ断面図である。この場合、磁性コア３６は、ステータコア２４と同心かつステータコア２４よりも大径の円筒体である。かかる構成とした場合でも、磁性コア３６が、キャンセルコイル３２の鉄心の一部として機能するため、ヨーク２６が磁気飽和に近づいても、キャンセルコイル３２のインダクタンスを高く保つことができ、キャンセル電流を低く抑えることができる。結果として、有効磁束が増加する高負荷域においても、軸受の電食を効果的に抑制できる。

また、この場合も、磁性コア３６とステータコア２４との間に非磁性層を設けることが望ましい。図１３、図１４では、ステータコア２４と磁性コア３６との間に、非磁性材料（アルミニウム等）からなり、略円筒形の非磁性体３８を配している。かかる構成とすることで、ステータコア２４から磁性コア３６への有効磁束の流れ込みを防止でき、磁性コア３６が磁気飽和することを防止できる。

また、これまでの説明では、各要素コイルＣは、ヨーク２６および磁性コア３６の双方に一括して巻回されている。しかし、キャンセルコイル３２を構成する要素コイルＣは、図１５に示すように、ヨーク２６および磁性コア３６それぞれごとに巻回してもよい。図１５では、ステータコア２４の外周囲に、略円筒形の非磁性体３８と、略円筒形の磁性コア３６を配している。そして、ヨーク２６にのみ巻回された要素コイルＣ１と、磁性コアにのみ巻回された要素コイルＣ２とを接続している。このように、要素コイルＣを、ヨーク２６および磁性コア３６それぞれごとに巻回したとしても、両者を接続するのであれば、図１３に示すように、ヨーク２６および磁性コア３６の双方に一括して巻回する場合と電磁気的特性は、同じとなる。したがって、図１５に示す構成でも、図１３に示す構成でも、同様に、キャンセル電流を低く抑えつつ、軸電圧も低く抑えることができる。結果として、有効磁束が増加する高負荷域においても、軸受の電食を効果的に抑制できる。

また、磁性コア３６は、ステータコイル３０より径方向内側に配されてもよい。この例を図１６、図１７に示す。図１７は、図１６のＤ−Ｄ断面図である。図１６、図１７に示すように、磁性コア３６を、その外周が、ステータコイル３０より径方向内側になる環状体としてもよい。この場合、磁性コア３６は、ティース２８の軸方向端部に配されていると言える。かかる構成とすると、磁性コア３６の外周が、ステータコア２４の外周よりも短くなる。ここで、一般に、コイルのインダクタンスは、磁路の距離に反比例する。そのため、磁性コア３６の外周を、ステータコア２４の外周よりも短くすることで、キャンセルコイル３２のインダクタンスをより高くでき、キャンセル電流をより低く抑えることができる。結果として、有効磁束が増加する高負荷域においても、軸受の電食を効果的に抑制できる。

また、磁性コア３６は、ステータコア２４に近接配置されていなくてもよく、例えば、ステータコア２４から離れて設置されてもよい。図１８は、回転軸１６の外周に装着されたトロイダルコアを、磁性コア３６として用いた場合を示す図である。また、図１９は、この場合におけるキャンセルコイル３２の結線態様を示す模式図である。トロイダルコアは、特殊な金属の粉末をドーナツ型に圧縮・成形し、焼き固めたものである。図１９の実施例では、かかるトロイダルコアを磁性コア３６として、回転軸１６の周囲に装着している。キャンセルコイル３２は、ヨーク２６に巻回された要素コイルＣに加え、この離間した磁性コア３６に巻回されるとともに要素コイルＣに接続された環状コイルＣｃと、を含んでいる。かかる構成とした場合も、磁性コア３６が、キャンセルコイル３２（要素コイルＣおよび環状コイルＣｃ）の鉄心の一部として機能するため、キャンセルコイル３２のインダクタンスをより低減できる。特に、この場合、磁性コア３６は、ステータコア２４と離間しているため、ステータコア２４に流れる有効磁束が磁性コア３６に流入し、磁性コア３６の透磁率が低下することが効果的に防止できる。そして、結果として、キャンセル電流を低く抑えつつ、軸電流を効果的に抑制できる。結果として、有効磁束が増加する高負荷域においても、軸受の電食を効果的に抑制できる。

次に、キャンセルコイル３２のバリエーションについて説明する。キャンセルコイル３２は、ヨーク２６の内周側および外周側位置において軸方向に延び、ステータコア２４の軸方向外側位置において径方向に延びてヨーク２６を横断するようにステータコア２４に巻回された要素コイルＣを１以上有するのであれば、その構成は、適宜、変更されてもよい。したがって、例えば、キャンセルコイル３２は、単一の巻線を巻回して構成されてもよいが、導電性材料からなる複数の線材を、電気的に連結して構成されてもよい。例えば、図２０に示すように、導電性材料からなる複数の導体セグメントＣａ，Ｃｂを機械的かつ電気的に連結してキャンセルコイル３２（要素コイルＣ）を構成してもよい。かかる構成とすることで、単一の巻線を巻回する場合に比して、キャンセルコイル３２の組み付け性を向上することができる。また、キャンセルコイル３２を構成する導体セグメントＣａ，Ｃｂのうち、軸方向端面に位置する導体セグメントＣａは、プリント板の配線パターン等で構成してもよい。これにより、キャンセルコイルの組み付け性をより向上できる。

また、図２１に示すように、要素コイルＣは、ヨーク２６の内周側位置と外周側位置とにおいて、その周方向位置がずれていてもよい。換言すれば、要素コイルＣは、軸方向端部において、ヨーク２６を斜めに（径方向に対して傾斜して）横断してもよい。また、要素コイルＣの周方向位置は、スロットに対応する位置ではなく、図２２に示すように、ティース２８に対応する位置でもよい。なお、図２１、図２２では、磁性コア３６を、図示していないが、キャンセルコイル３２の内側には、磁性コア３６が配されている。

さらに、要素コイルＣの数は、スロット数と異なっていてもよく、例えば、スロット三つまたは六つおきに、要素コイルＣを設けるようにしてもよい。ただし、回転トルクの低下を抑制するためには、Ｕ相コイルＰＵに対応する第一要素コイルＣＵの数と、Ｖ相コイルＰＶに対応する第二要素コイルＣＶの数と、Ｗ相コイルＰＷに対応する第三要素コイルＣＷの数と、は互いに等しいことが望ましい。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ 回転軸、１８ ハウジング、１９ 軸受、２０ ロータコア、２２ 永久磁石、２４ ステータコア、２６ ヨーク、２８ ティース、３０ ステータコイル、３２ キャンセルコイル、３６ 磁性コア、３８ 非磁性体、５０ 不平衡磁束、５２ 誘導電流。

Claims (9)

1. 回転電機のステータであって、
   円環状のヨークと、前記ヨークの内周面からステータ径方向に突出する複数のティースと、を有したステータコアと、
   前記ティースに巻回され、通電により回転磁界を発生させるステータコイルと、
   前記ヨークの内周側および外周側位置においてステータ軸方向に延び、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置においてステータ径方向に延びて前記ヨークを横断するように前記ステータコアに巻回された要素コイルを１以上有し、１以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、
   磁性材料からなり、前記キャンセルコイルの内側に配されて当該キャンセルコイルの鉄心の一部として機能する磁性コアと、
   を備えることを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータであって、
   前記磁性コアは、前記ステータコアの前記ステータ軸方向両端のうち、少なくとも一方に配される環状体である、ことを特徴とするステータ。
3. 請求項２に記載のステータであって、
   前記磁性コアは、前記ヨークの前記ステータ軸方向両端のうち、少なくとも一方に配される環状体である、ことを特徴とするステータ。
4. 請求項２または３に記載のステータであって、
   前記ステータコイルは、前記ステータコアのステータ軸方向端面から突出するコイルエンド部を有しており、
   前記磁性コアの前記ステータ軸方向端面からの突出量は、前記コイルエンド部の前記ステータ軸方向端面からの突出量よりも小さい、
   ことを特徴とするステータ。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載のステータであって、
   前記磁性コアの外周長は、前記ステータコアの外周長よりも小さい、ことを特徴とするステータ。
6. 請求項１に記載のステータであって、
   前記磁性コアは、前記ステータコアの外周囲に配される円筒体である、ことを特徴とするステータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のステータであって、さらに、
   前記磁性コアと、前記ステータコアとの間に、非磁性層を備える、ことを特徴とするステータ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のステータであって、
   前記磁性コアは、電磁鋼板を前記ステータ軸方向に積層してなる、ことを特徴とするステータ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のステータであって、
   前記キャンセルコイルは、導電性材料からなる複数の線材を、電気的に連結して構成される、ことを特徴とするステータ。
   

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