JP2018046691A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータからの磁束によりステータの電機子巻線に発生するＡＣ銅損を低減することが可能な回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機２０は、ステータコア４０と、ステータコア４０に巻装されている電機子巻線４２と、を有するステータ２２と、筒状のボス部５８及びボス部５８の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部６２を有する界磁コア５０と、ボス部５８の外周側に巻装されている界磁巻線５２と、爪状磁極部６２の外周側に爪状磁極部６２の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う爪状磁極部６２同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材５４と、を有し、ステータ２２の内周側に径方向に対向して配置されたロータ２４と、備えている。短絡部材５４は、ステータコア４０の軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収まるように配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、車両の電動機や発電機などに用いられる、ステータとロータとを備える回転電機が知られている（例えば、特許文献１など）。この回転電機において、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有している。ステータコアは、円筒状の円環部と、それぞれ円環部から径方向内側に向けて延びる複数のティース部と、ティース部間に空いたスロット部と、を有している。電機子巻線は、ティース部に巻回されており、スロット部に収容されるスロット収容部と、ステータコアから軸方向外側に突出するコイルエンド部と、からなる。

ロータは、ステータの内周側に径方向に対向して配置されている。ロータは、界磁コアと、界磁巻線と、筒状部材と、を有している。界磁コアは、ボス部と、ボス部の軸方向一端から径方向外側に広がるディスク部と、ディスク部に連接してボス部の外周側に配置されると共に、軸方向に沿って突出する磁極部と、を有している。磁極部は、軸回りに所定角度ごとに設けられており、周方向に交互に異なる極性の磁極が形成されるように複数設けられている。界磁巻線は、ボス部の外周側に巻装されている。筒状部材は、磁極部の外周側にその磁極部の外周面を覆うように配置されている。

筒状部材によれば、周方向に隣接する磁極部同士を磁気的に接続することができると共に、磁極部の軸方向先端が高速回転時の遠心力によって径方向外側へ変形するのを抑えることができる。このため、磁極部間での磁束の漏れを低減して出力向上を図ることができると共に、磁極部での渦電流損を低減することができる。

特開２００９−１４８０５７号公報

ところで、ロータの回転によってＮ極−Ｓ極の磁束が交番で流れると、ステータの電機子巻線の、ロータに近い側が強い交番磁界を受けることで、その電機子巻線に銅損（いわゆるＡＣ銅損）が発生することがある。このＡＣ銅損は、ロータの軸方向外側からステータの軸方向端面側に向けて磁束が降り注ぎ、電機子巻線のスロット収容部以外の部位（すなわちコイルエンド部）に磁束が鎖交することにより大きくなる。しかしながら、上記した特許文献１記載の回転機では、かかる事態を想定した構造が採用されておらず、ＡＣ銅損を低減することは困難である。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、ロータからの磁束によりステータの電機子巻線に発生するＡＣ銅損を低減することが可能な回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、ステータコアと、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有するステータと、筒状のボス部及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部を有する界磁コアと、前記ボス部の外周側に巻装されている界磁巻線と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータと、を備える回転電機であって、前記短絡部材は、前記ステータコアの軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収まるように配置されている回転電機である。

この構成によれば、ロータにおいて交番磁界が発生する際にその磁束を短絡部材に集中させることができ、その短絡部材に導かれた磁束を径方向に沿ってステータ側へ流して、電機子巻線のコアスロット内へ垂直に鎖交させることができる。すなわち、交番磁界による磁束が軸方向成分を持ってステータの軸方向端面側に向けて降り注いで電機子巻線のコアスロット外へ鎖交するのを抑制することができ、ロータからの磁束が短絡部材を介することなくステータに鎖交するのを抑えることができる。従って、回転電機によれば、ロータにおいて交番磁界が発生する際にロータからの磁束によりステータの電機子巻線に発生するＡＣ銅損を低減することができる。

請求項２記載の発明は、前記短絡部材の軸方向長さは、前記ステータコアの軸方向長さよりも短い回転電機である。この構成によれば、短絡部材をステータコアの軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収めることができる。

請求項３記載の発明は、前記短絡部材の径方向厚さは、前記磁極部と前記ステータコアとの径方向距離に対して１／２以上である回転電機である。この構成によれば、ロータで発生した磁束をステータコアの軸方向端面側へ漏らすことなく短絡部材へ集中させ易くすることができる。

請求項４記載の発明は、前記短絡部材の径方向厚さは、前記ステータコアの円環部の径方向厚さよりも小さい回転電機である。この構成によれば、ステータの各相巻線への基本波をロータ側へ確実に送りつつ、ステータとロータとの間の高調波による鉄損（すなわち渦電流損）を減らすことができる。

請求項５記載の発明は、前記短絡部材の径方向厚さＷは、前記ステータコアの円環部の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／（６・ｎ）（但し、ｎはスロット倍数である。）を満たす回転電機である。この構成によれば、スロット数の影響で起こる高調波鉄損を減らすことができる。

請求項６記載の発明は、前記短絡部材の径方向厚さＷは、スロット倍数ｎ＝２のとき、前記ステータコアの円環部の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／１２を満たす回転電機である。この構成によれば、スロット数の影響で起こる、各相巻線への基本波に対する１１次と１３次との高調波による高調波鉄損を減らすことができる。

また、請求項７記載の発明は、前記電機子巻線は、電気角１２０°ずつずれた箇所に相を有する三相の集中巻であり、前記ロータの極数Ｐと前記ステータのスロット数Ｎとは、Ｐ：Ｎ＝２：３又は４：３の関係を有し、前記短絡部材の径方向厚さＷは、前記ステータコアの円環部の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／６を満たす回転電機である。この構成によれば、スロット数の影響で起こる高調波鉄損を減らすことができ、優れた音響特性を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る回転電機の断面図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータを径方向外側から見た際の図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの、短絡部材を除いたときの斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの一部の斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるステータ及びロータの断面図である。 本実施形態の回転電機を軸方向に垂直に広がる面で切断した際の一部の断面図である。 本実施形態の回転電機におけるロータからステータへの磁束の流れを説明するための図である。 本実施形態の回転電機と対比される対比例においてロータからステータへの磁束の長さを説明するための図である。 本実施形態の回転電機においてロータとステータとの間のエアギャップにおける磁気抵抗の、位置ごとの値を表した図である。 本実施形態の回転電機を、交番磁界による磁束が軸方向成分を持たないときに軸方向に垂直に広がる面で切断した際の断面図である。 本実施形態の回転電機を、交番磁界による磁束が軸方向成分を持たないときに軸中心側から見た際の正面図である。 本実施形態の回転電機を、交番磁界による磁束が軸方向成分を持つときに軸方向に垂直に広がる面で切断した際の断面図である。 本実施形態の回転電機を、交番磁界による磁束が軸方向成分を持つときに軸中心側から見た際の正面図である。 本実施形態の回転電機における基本波に対する１１次，１３次成分の割合の、磁極角度に対する変化を表した図である。

以下、本発明に係る回転電機の具体的な実施形態について、図１〜図１５を参照しつつ説明する。

本実施形態において、回転電機２０は、例えば車両などに搭載されており、バッテリなどの電源から電力が供給されることで車両を駆動するための駆動力を発生すると共に、車両のエンジンから動力が供給されることでバッテリを充電するための電力を発生する装置である。回転電機２０は、図１に示す如く、ステータ２２と、ロータ２４と、ハウジング２６と、ブラシ装置２８と、整流装置３０と、電圧調整器３２と、プーリ３４と、を備えている。

ステータ２２は、磁路の一部を構成すると共に、ロータ２４の回転による回転磁界が付与されることで起電力を発生する部材である。ステータ２２は、ステータコア４０と、電機子巻線４２と、を有している。ステータコア４０は、円筒状に形成された部材である。ステータコア４０は、鉄やケイ素鋼からなる電磁鋼板などの軟磁性材により構成されており、電磁鋼板などの薄板部材が軸方向に沿って積層された積層部材である。このステータコア４０において渦電流損を低減してステータ２２での損失を下げるためには、表皮深さを考慮して薄板部材を薄くすることや層間に絶縁材料を挟むなどした絶縁層を設けることが有効である。

ステータコア４０は、円環部４４と、ティース部４５と、スロット部４６と、を有している。円環部４４は、円筒状・円環状に形成された部位である。ティース部４５は、円環部４４の径方向内端から径方向内側に向けて延びる部位である。ティース部４５は、周回り所定角度をおいて配置されるように複数設けられている。スロット部４６は、周方向に隣接する２つのティース部４５間に空いた部位である。ティース部４５及びスロット部４６は、周方向において交互に連続して配置されている。

電機子巻線４２は、ステータコア４０（具体的には、そのティース部４５）に巻装されている。電機子巻線４２は、ステータコア４０のスロット部４６に収容される直線状のスロット収容部４８と、ステータコア４０の軸方向端から軸方向外側に突出する湾曲状のコイルエンド部４９と、を有している。電機子巻線４２は、回転電機２０の相数に対応した例えば多相巻線（例えば三相巻線）を有している。電機子巻線４２の各相巻線はそれぞれ、インバータ装置に接続されている。各相巻線に印加される電圧は、インバータ装置内のスイッチング素子がスイッチング駆動されることにより制御される。

ロータ２４は、ステータ２２（具体的には、ティース部４５の先端）に対して径方向内側に所定のエアギャップを空けて対向配置されている。ロータ２４は、磁路の一部を構成すると共に、電流が流れることで磁極を形成する部材である。ロータ２４は、いわゆるランデル型回転子である。ロータ２４は、界磁コア５０と、界磁巻線５２と、短絡部材５４と、永久磁石５６と、を有している。

界磁コア５０は、ボス部５８と、ディスク部６０と、爪状磁極部６２と、を有している。ボス部５８は、回転シャフト６４が挿入可能な中心軸上に空いたシャフト孔６６を有する筒状部材であって、回転シャフト６４の外周側に嵌合固定される部位である。ディスク部６０は、ボス部５８の軸方向端部側から径方向外側に向けて延びる円盤状の部位である。

爪状磁極部６２は、ディスク部６０の外周端に連接すると共に、その連接部から軸方向に沿って爪状に突出する部材である。爪状磁極部６２は、その連接部からボス部５８に沿って延びている。爪状磁極部６２は、ボス部５８の外周側に配置されている。ボス部５８とディスク部６０と爪状磁極部６２とは、ポールコア（界磁鉄心）を形成する。ポールコアは、例えば鍛造成形されている。爪状磁極部６２は、略円弧状に形成された外周面を有している。爪状磁極部６２の外周面は、回転シャフト６４の軸中心近傍（具体的には、回転シャフト６４の軸中心又はその軸中心よりも該爪状磁極部６２に近い側の位置）を中心にした円弧を有している。

爪状磁極部６２は、互いに異なる極性（具体的には、Ｎ極及びＳ極）の磁極が形成される第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２を含む。第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２は、一対のポールコアを構成する。第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２は、ロータ２４の軸回りに複数の同じ数（例えば、８個）ずつ設けられている。第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２とは、周方向に隙間空間６８を空けて交互に配置されている。

第１爪状磁極部６２−１は、ボス部５８の軸方向一端側から径方向外側に広がるディスク部６０の外周端に連接しており、軸方向他端側に向けて突出している。また、第２爪状磁極部６２−２は、ボス部５８の軸方向他端側から径方向外側に広がるディスク部６０の外周端に連接しており、軸方向一端側に向けて突出している。第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２とは、配置位置や突出する軸方向向きを除いて、互いに共通した形状に形成されている。第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２とは、軸方向根元側（又は軸方向先端側）が互いに軸方向逆側となるように周方向に交互に配置されており、互いに異なる極性に磁化される。

各爪状磁極部６２は、周方向において所定の幅（すなわち、周方向幅）を有すると共に、径方向において所定の厚さ（すなわち、径方向厚さ）を有するように形成されている。各爪状磁極部６２は、ディスク部６０との連接部近傍の根元側から軸方向先端側にかけて、周方向幅が徐々に小さくなりかつ径方向厚さが徐々に小さくなるように形成されている。すなわち、各爪状磁極部６２は、軸方向先端側ほど周方向及び径方向の双方において細くなるように形成されている。尚、各爪状磁極部６２は、周方向中心を挟んで周方向に左右対称となるように形成されていることが好ましい。

互いに周方向に隣接する第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２との間ごとに設けられた隙間空間６８は、軸方向斜めに延在しており、軸方向にかけてロータ２４の回転軸に対して所定角度で傾斜している。各隙間空間６８は、その周方向の大きさ（すなわち、寸法）が軸方向位置に応じて変化することがほとんど無いように、すなわち、その周方向寸法が一定若しくはその一定値を含む極僅かな範囲内に維持されるように設定されている。

尚、ロータ２４において磁気的なアンバランスが生じるのを回避するため、周方向のすべての隙間空間６８は同一形状であることが好ましい。しかし、特に片側方向にのみ回転するロータ２４においては、鉄損の低減などのために、爪状磁極部６２の形状を周方向中心を挟んで周方向に左右非対称形状として、隙間空間６８の軸方向位置ごとの周方向寸法を一定でないものとしてもよい。

界磁巻線５２は、ボス部５８と爪状磁極部６２との径方向隙間に配置されている。界磁巻線５２は、直流電流の流通により界磁コア５０に磁束を発生させ、通電により起磁力を発生させるコイル部材である。界磁巻線５２は、ボス部５８の外周側において軸回りに巻装されている。界磁巻線５２により発生した磁束は、ボス部５８及びディスク部６０を介して爪状磁極部６２に導かれる。すなわち、ボス部５８及びディスク部６０は、界磁巻線５２にて発生した磁束を爪状磁極部６２に導く磁路を形成する。界磁巻線５２は、発生磁束により第１爪状磁極部６２−１をＮ極に磁化させかつ第２爪状磁極部６２−２をＳ極に磁化させる機能を有する。

短絡部材５４は、爪状磁極部６２（すなわち、第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２）の外周側に配置されてその爪状磁極部６２の外周を覆う円筒状の部材である。短絡部材５４は、爪状磁極部６２のディスク部６０との連接部からその爪状磁極部６２の軸方向先端までの距離程度の軸方向長さを有している。短絡部材５４は、径方向において所定厚さ（例えば、ロータ２４での機械強度と磁気性能とを両立させることができる例えば０．６ｍｍ〜１．０ｍｍ程度）Ｗを有する薄皮部材である。短絡部材５４は、爪状磁極部６２にその外周面側で対向して接すると共に、周方向に隣接する第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２との間の隙間空間６８をその径方向外側で閉じて、それらの爪状磁極部６２−１，６２−２同士を磁気的に接続する。

短絡部材５４は、鉄やケイ素鋼からなる電磁鋼板などの軟磁性材により構成されている。短絡部材５４は、円筒状に形成されたパイプ状部材であり、又は、所定部材が軸方向に沿って積層された積層部材である。短絡部材５４は、焼き嵌めや圧入，溶接或いはそれらの組み合わせなどによって爪状磁極部６２に対して固定される。短絡部材５４が積層部材である場合は、その積層は、打ち抜き加工した電磁鋼板などの複数枚の軟磁性の薄板部材が軸方向に沿って積層されたものであってよい。尚、各薄板部材はそれぞれ、渦電流損を抑制するために、軸方向に隣接する薄板部材に対して層間絶縁されていることが望ましい。また、その積層は、一本の線状部材又は一帯の帯状部材が螺旋状に延在して軸方向に沿って積層されたものであってもよい。この線状部材や帯状部材は、強度や磁気性能の観点から断面矩形状の角材であることが好ましいが、丸線或いは角部が湾曲したものであってよい。

短絡部材５４は、ロータ２４の外周面を滑らかにして、ロータ２４の外周面に形成される凹凸に起因する風切り音を低減する機能を有する。また、短絡部材５４は、周方向に並んだ複数の爪状磁極部６２を互いに連結して、各爪状磁極部６２の変形（特に径方向への変形）を抑える機能を有する。

永久磁石５６は、短絡部材５４の内周側に収容されていると共に、周方向に隣接する爪状磁極部６２の間すなわち第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２との間にその隙間空間６８を埋めるように配置されている磁極間磁石である。永久磁石５６は、隙間空間６８ごとに配置されており、隙間空間６８と同数の数だけ設けられている。各永久磁石５６は、隙間空間６８の形状に合わせてロータ２４の回転軸に対して斜めに傾斜して延在しており、概ね直方体形状に形成されている。永久磁石５６は、爪状磁極部６２間における磁束の漏れを低減して爪状磁極部６２とステータ２２のステータコア４０との間の磁束を強化する機能を有している。

永久磁石５６は、周方向に隣接する爪状磁極部６２の間の漏れ磁束を減少させる向きの磁極が形成されるように配置されている。永久磁石５６は、起磁力が周方向に向くように着磁されている。具体的には、永久磁石５６は、Ｎ極に磁化される第１爪状磁極部６２−１に対向する周方向の面の磁極がＮ極となり、かつ、Ｓ極に磁化される第２爪状磁極部６２−２に対向する周方向の面の磁極がＳ極となるように構成されている。尚、本実施形態は、永久磁石５６が着磁された後にロータ２４に組み込まれるものに適用することとしてもよいが、永久磁石５６がロータ２４に組み込まれた後に着磁されるものに適用することが好適である。

ハウジング２６は、ステータ２２及びロータ２４を収容するケース部材である。ハウジング２６は、回転シャフト６４ひいてはロータ２４をベアリング６９を介して軸回りに回転可能に支持すると共に、ステータ２２を固定する。

ブラシ装置２８は、スリップリング７０と、ブラシ７２と、を有している。スリップリング７０は、回転シャフト６４の軸方向一端に固定されており、ロータ２４の界磁巻線５２に直流電流を供給する機能を有している。ブラシ７２は、２個一対設けられており、ハウジング２６に取り付け固定されたブラシホルダに保持されている。ブラシ７２は、その径方向内側の先端がスリップリング７０の表面に摺動するように回転シャフト６４側に押圧されつつ配置されている。ブラシ７２は、スリップリング７０を介して界磁巻線５２に直流電流を流す。

整流装置３０は、ステータ２２の電機子巻線４２に電気的に接続されている。整流装置３０は、電機子巻線４２で生じた交流を直流に整流して出力する装置である。電圧調整器３２は、界磁巻線５２に流す界磁電流を制御することにより回転電機２０の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷や発電量に応じて変化する出力電圧を略一定に維持させる機能を有している。プーリ３４は、車両エンジンの回転を回転電機２０のロータ２４に伝達するためのものであり、回転シャフト６４の軸方向他端に締め付け固定されている。

このような構造を有する回転電機２０においては、電源からブラシ装置２８を介してロータ２４の界磁巻線５２に直流電流が供給されると、その電流の通電により界磁巻線５２を貫いてボス部５８、ディスク部６０、及び爪状磁極部６２を流通する磁束が発生する。この磁束は、例えば、一方のポールコアのボス部５８→ディスク部６０→第１爪状磁極部６２−１→ステータコア４０→第２爪状磁極部６２−２→他方のポールコアのディスク部６０→ボス部５８→一方のポールコアのボス部５８の順に流れる磁気回路を形成する。この磁気回路は、ロータ２４の逆起電力を発生するものである。

上記の磁束が第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２に導かれると、第１爪状磁極部６２−１がＮ極に磁化されると共に、第２爪状磁極部６２−２がＳ極に磁化される。かかる爪状磁極部６２の磁化が行われた状態で、電源から供給される直流が例えば三相交流に変換されて電機子巻線４２に供給されると、ロータ２４がステータ２２に対して回転する。従って、回転電機２０を、電機子巻線４２への電力供給により回転駆動させる電動機として機能させることができる。

また、回転電機２０のロータ２４は、車両エンジンの回転トルクがプーリ３４を介して回転シャフト６４に伝達されることにより回転する。かかるロータ２４の回転は、ステータ２２の電機子巻線４２に回転磁界を付与することで、電機子巻線４２に交流の起電力を発生させる。電機子巻線４２で発生した交流起電力は、整流装置３０を通って直流に整流された後、バッテリに供給される。従って、回転電機２０を、電機子巻線４２の起電力発生によりバッテリを充電させる発電機として機能させることができる。

次に、本実施形態の回転電機２０の特徴部について説明する。

ところで、スロット部４６に収容される電機子巻線４２のスロット収容部４８は、ステータコア４０に囲まれていることで磁気シールドされているので、図７に示すロータ２４からの交番磁界の影響を受け難く、ロータ２４からの磁束による銅損（いわゆるＡＣ銅損）が発生し難い。一方、電機子巻線４２のコイルエンド部４９は、磁気シールドされていないので、ロータ２４からの交番磁界の影響を受け易く、ロータ２４からの磁束によるＡＣ銅損が発生し易い。

これに対して、本実施形態において、回転電機２０は、径方向に所定のエアギャップを空けて対向配置されたステータ２２及びロータ２４を備えている。ステータ２２は、電機子巻線４２が巻装される円筒状のステータコア４０を有している。電機子巻線４２は、ステータコア４０のスロット部４６に収容されるスロット収容部４８と、ステータコア４０の軸方向端から軸方向外側に突出するコイルエンド部４９と、を有している。ロータ２４は、爪状磁極部６２の外周側にその外周面を覆うように配置された筒状の短絡部材５４を有している。短絡部材５４は、爪状磁極部６２に固定されている。

図６に示す如く、ポールコアを構成するディスク部６０又は爪状磁極部６２の軸方向端部（特にディスク部６０と連接する側の軸方向端部）は、ステータコア４０（特に、ティース部４５）の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出している。また、短絡部材５４は、ステータコア４０の軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収まるように配置されている。短絡部材５４は、ステータコア４０の軸方向長さＬｓよりも短い軸方向長さＬｔを有している。短絡部材５４は、その軸方向における全体がステータコア４０に径方向で対向するように爪状磁極部６２に固定されている。

短絡部材５４は、径方向厚さＷを有している。ステータコア４０は、軸方向端部にて爪状磁極部６２にエアギャップＧ０を介して径方向に対向していると共に、軸方向中央部にてロータ２４の短絡部材５４に上記のエアギャップＧ０よりも小さな所定のエアギャップＧ（＝Ｇ０−Ｗ）を介して径方向に対向している。短絡部材５４の径方向厚さＷは、爪状磁極部６２の表面とステータコア４０（具体的には、ティース部４５の径方向先端面）との径方向距離であるエアギャップＧ０に対して１／２以上である（Ｗ／Ｇ０＞１／２）。この径方向厚さＷとエアギャップＧ０との関係は、ロータ２４で発生した磁束をステータコア４０の軸方向端面側へ漏らすことなく短絡部材５４へ集中させ易くするためである。

かかる構造を有する回転電機２０においては、爪状磁極部６２の外周側に配置された短絡部材５４がステータコア４０の軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収まるように配置されていることで、ロータ２４のうち短絡部材５４のみがその全体でステータコア４０に対して最短距離で対向するので、ロータ２４とステータ２２との間の磁束授受が短絡部材５４を用いて行われる。

このため、図８に示す如く、ロータ２４のポールコアにおいてＮ極−Ｓ極の磁束が交番で流れた際にその磁束を短絡部材５４に集中させることができ、その短絡部材５４に導かれた磁束を径方向に沿ってステータ２２側へ流して、電機子巻線４２のスロット収容部４８へ垂直に鎖交させることができる。すなわち、交番磁界による磁束が図９に示す如く軸方向成分を持って例えばディスク部６０側からステータ２２の軸方向端面側に向けて降り注いで電機子巻線４２のスロット収容部４８以外の部位（具体的には、コイルエンド部４９）へ流入するのを抑制することができ、ロータ２４からの磁束が短絡部材５４を介することなくコイルエンド部４９に鎖交するのを抑えることができる。

図１０に示す如く、ロータ２４とステータ２２との間のエアギャップにおける磁気抵抗は、ステータコア４０の軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収められた短絡部材５４が位置する範囲で極めて小さく、その短絡部材５４の位置範囲外（具体的には、コイルエンド部４９やステータコア４０のうち短絡部材５４が収められない軸方向両端部）で極めて大きい。そして、その磁気抵抗は、短絡部材５４が位置する範囲と短絡部材５４が位置しない範囲との境界で急激に変化する。このため、上記の如く、ロータ２４で発生した磁束は、短絡部材５４に集中してステータ２２側へ流れる。従って、回転電機２０によれば、ロータ２４において交番磁界が発生する際にロータ２４からの磁束によりステータ２２の電機子巻線４２に発生するＡＣ銅損を低減することができる。

また、本実施形態において、ステータ２２のステータコア４０は、上記の如く、電磁鋼板などの薄板部材が軸方向に沿って積層された積層部材である。交番磁界の発生時にロータ２４からステータ２２へ鎖交する磁束は、図１１及び図１２に直線矢印で示す如く周方向において交番で流れている。この磁束が軸方向成分を持たないときは、その磁束はステータコア４０の径方向端面へ径方向内側から垂直に鎖交するので、図１２に示す如く径方向に沿って平行に延びる軸の回りにループを描く渦電流が発生する。この渦電流は、軸方向に広がる面内に形成されるが、上記の如くステータコア４０の薄板部材が軸方向に沿って積層されたものであるので、表皮深さを考慮してその薄板部材の軸方向厚さや絶縁層ピッチを適切に設定することで、その渦電流を抑制することはできる。

一方、交番磁界の発生時にロータ２４からステータ２２へ鎖交する磁束が図１４に直線矢印で示す如く軸方向成分を持つと、その磁束はステータコア４０の軸方向端面へ軸方向外側から鎖交するので、図１３に示す如く軸方向に沿って平行に延びる軸の回りにループを描く渦電流が発生する。この渦電流は、軸方向に垂直な面内、すなわち、軸方向に沿って積層されたステータコア４０の薄板部材が広がる面内に形成されるので、その薄板部材の軸方向厚さや層間の絶縁層によってはその渦電流を効果的に抑制することができない。

これに対して、本実施形態の回転電機２０においては、短絡部材５４がステータコア４０の軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収まるように配置されていることで、軸方向成分を持つ磁束のステータコア４０への流入自体を抑制することができるので、ステータコア４０の薄板部材が広がる面内に形成される渦電流の発生を効果的に抑えることができる。

ところで、ステータ２２で発生した磁束は、短絡部材５４を通ってロータ２４のポールコアへ至る。回転電機２０を作動させるうえで回転電機２０に形成されるすべての磁気回路はｄ軸及びｑ軸を持つ。このｄ軸の磁束及びｑ軸の磁束は、ステータコア４０の円環部４４に同時に作用する。この点、回転電機２０に流れる磁束の最大量は、ステータコア４０の円環部４４の径方向厚さによって制限されることとなる。例えば、ステータ２２が、分布巻で構成された電機子巻線４２と、スロット倍数ｎが２であるステータコア４０と、からなる構造では、ロータ一極に対してステータ極歯が１２個あるとき、各相巻線への基本波に対する１１次と１３次との高調波によって高調波鉄損が生じるおそれがある。すなわち、１１次と１３次との高調波は、各相巻線への基本波に対して１１倍又は１３倍の周波数を持ち、図１５に示す如き基本波の１／１２（≒０．０８３）倍以下の振幅値を持ち、この高調波の磁束による鉄損が発生する。尚、スロット倍数ｎとは、電機子巻線４２の一相当たりに割り当てられるスロット部４６の数である。

これに対して、回転電機２０において、短絡部材５４は、ステータコア４０の円環部４４の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／１２を満たしかつＷ＜Ｗｓｔを満たす径方向厚さＷを有している。この短絡部材５４は、爪状磁極部６２よりも電気抵抗率が高い材料により構成され或いは電気的絶縁層を持つ。かかる構造によれば、ステータ２２の各相巻線への基本波をロータ２４の爪状磁極部６２で確実に受けつつ、所定の高調波をロータ２４の短絡部材５４で受けることができ、ステータ２２からの磁束を、ステータ２２とのエアギャップが比較的広い爪状磁極部６２で受けず短絡部材５４で受けることができるので、コアバック磁束の１／１２である磁束を短絡部材５４で受けることができる。従って、回転電機２０によれば、スロット数の影響で起こる、各相巻線への基本波に対する１１次と１３次との高調波によるステータ２２とロータ２４との間の高調波鉄損を減らすことができる。

尚、上記の如く高調波鉄損を減らすうえでは、スロット倍数ｎを一般化した場合、短絡部材５４の径方向厚さＷとステータコア４０の円環部４４の径方向厚さＷｓｔとの関係式は、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／（６・ｎ）を満たせばよい。また、ステータ２２の電機子巻線４２が集中巻で構成される場合は、基本励磁振動である（２極×３相）の６次の振動に対応すればよく、短絡部材５４の径方向厚さＷとステータコア４０の円環部４４の径方向厚さＷｓｔとの関係式は、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／６を満たせばよい。

また、電機子巻線４２が、電気角１２０°ずつずれた箇所に相を有し、各相の電磁力の和がゼロになる三相集中巻である回転電機２０においては、ロータ２４の極数Ｐとステータ２２のスロット数ＮとがＰ：Ｎ＝２：３又は４：３の関係を有する場合、短絡部材５４の径方向厚さＷとステータコア４０の円環部４４の径方向厚さＷｓｔとの関係式は、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／６を満たすことが好適である。これは、かかる回転電機２０の特性として主として静粛性が論じられるほどに音響特性が優れるからであり、最大限に恩恵を受けることができるからである。

以上、説明したことから明らかなように、回転電機２０は、ステータコア４０と、ステータコア４０に巻装されている電機子巻線４２と、を有するステータ２２と、筒状のボス部５８及びボス部５８の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部６２を有する界磁コア５０と、ボス部５８の外周側に巻装されている界磁巻線５２と、爪状磁極部６２の外周側に爪状磁極部６２の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う爪状磁極部６２同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材５４と、を有し、ステータ２２の内周側に径方向に対向して配置されたロータ２４と、を備えている。短絡部材５４は、ステータコア４０の軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収まるように配置されている。

この構成によれば、ロータ２４において交番磁界が発生する際にその磁束を短絡部材５４に集中させることができ、その短絡部材５４に導かれた磁束を径方向に沿ってステータ２２側へ流して、電機子巻線４２のコアスロット内へ垂直に鎖交させることができる。すなわち、交番磁界による磁束が軸方向成分を持ってステータ２２の軸方向端面側に向けて降り注いで電機子巻線４２のコアスロット外へ鎖交するのを抑制することができ、ロータ２４からの磁束が短絡部材５４を介することなくステータ２２側に鎖交するのを抑えることができる。従って、回転電機２０によれば、ロータ２４において交番磁界が発生する際にロータ２４からの磁束によりステータ２２の電機子巻線４２に発生するＡＣ銅損を低減することができる。

回転電機２０において、短絡部材５４の軸方向長さは、ステータコア４０の軸方向長さよりも短い。この構成によれば、短絡部材５４をステータコア４０の軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収めることができる。

回転電機２０において、短絡部材５４の径方向厚さＷは、爪状磁極部６２とステータコア４０との径方向距離Ｇ０に対して１／２以上である。この構成によれば、ロータ２４で発生した磁束をステータコア４０の軸方向端面側へ漏らすことなく短絡部材５４へ集中させ易くすることができる。

回転電機２０において、短絡部材５４の径方向厚さＷは、ステータコア４０の円環部４４の径方向厚さＷｓｔよりも小さい。この構成によれば、ステータ２２の各相巻線への基本波をロータ２４側で確実に受けつつ、ステータ２２とロータ２４との間の高調波による鉄損（すなわち渦電流損）を減らすことができる。

回転電機２０において、短絡部材５４の径方向厚さＷは、ステータコア４０の円環部４４の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／（６・ｎ）（但し、ｎはスロット倍数である。）を満たす。この構成によれば、スロット数の影響で起こる高調波鉄損を減らすことができる。

回転電機２０において、短絡部材５４の径方向厚さＷは、スロット倍数ｎ＝２のとき、ステータコア４０の円環部４４の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／１２を満たす。この構成によれば、スロット数の影響で起こる、各相巻線への基本波に対する１１次と１３次との高調波による高調波鉄損を減らすことができる。

また、回転電機２０において、電機子巻線４２は、電気角１２０°ずつずれた箇所に相を有する三相の集中巻であり、ロータ２４の極数Ｐとステータ２２のスロット数Ｎとは、Ｐ：Ｎ＝２：３又は４：３の関係を有し、短絡部材５４の径方向厚さＷは、ステータコア４０の円環部４４の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／６を満たす。この構成によれば、スロット数の影響で起こる高調波鉄損を減らすことができ、優れた音響特性を確保することができる。

尚、本発明は、上述した実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。

２０・・・回転電機、２２・・・ステータ、２４・・・ロータ、４０・・・ステータコア、４２・・・電機子巻線、４４・・・円環部、４５・・・ティース部、４６・・・スロット部、４８・・・スロット収容部、４９・・・コイルエンド部、５０・・・界磁コア、５２・・・界磁巻線、５４・・・短絡部材、５８・・・ボス部、６２・・・爪状磁極部。

Claims (7)

1. ステータコア（４０）と、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線（４２）と、を有するステータ（２２）と、
   筒状のボス部（５８）及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（６２）を有する界磁コア（５０）と、前記ボス部の外周側に巻装されている界磁巻線（５２）と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材（５４）と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（２４）と、
   を備える回転電機（２０）であって、
   前記短絡部材は、前記ステータコアの軸方向一端と軸方向他端との間の範囲内に収まるように配置されている回転電機。
2. 前記短絡部材の軸方向長さは、前記ステータコアの軸方向長さよりも短い請求項１記載の回転電機。
3. 前記短絡部材の径方向厚さは、前記磁極部と前記ステータコアとの径方向距離に対して１／２以上である請求項１又は２記載の回転電機。
4. 前記短絡部材の径方向厚さは、前記ステータコアの円環部の径方向厚さよりも小さい請求項１乃至３の何れか一項記載の回転電機。
5. 前記短絡部材の径方向厚さＷは、前記ステータコアの円環部の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／（６・ｎ）（但し、ｎはスロット倍数である。）を満たす請求項４記載の回転電機。
6. 前記短絡部材の径方向厚さＷは、スロット倍数ｎ＝２のとき、前記ステータコアの円環部の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／１２を満たす請求項５記載の回転電機。
7. 前記電機子巻線は、電気角１２０°ずつずれた箇所に相を有する三相の集中巻であり、
   前記ロータの極数Ｐと前記ステータのスロット数Ｎとは、Ｐ：Ｎ＝２：３又は４：３の関係を有し、
   前記短絡部材の径方向厚さＷは、前記ステータコアの円環部の径方向厚さＷｓｔに対して、Ｗ／Ｗｓｔ＞１／６を満たす請求項１乃至４の何れか一項記載の回転電機。

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