JP2020124051A - 回転電機の固定子及びそれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コアバック材料利用率を向上し、低コストの回転電機の固定子を提供する。【解決手段】本発明に係る固定子又は回転電機は、複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、前記スロットに設けられかつＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体により構成される固定子コイルと、を備え、前記固定子コイルは、各々の前記セグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続され、前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列されてＮ列の環状列を構成し、前記固定子鉄心は、コアバック部と、当該コアバック部に取り付けられかつ回転子に向かって突出する複数のティース部との分割構成にされ、前記ティース部は、アモルファス磁性材もしくはナノ結晶磁性材で形成され、前記コアバック部は、冷間圧延鋼板もしくは珪素鋼板の巻コアで構成される。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機の固定子及びそれを用いた回転電機に関する。

昨今の地球温暖化に対し、回転電機は小型・高効率化が求められている。このような回転電機として、例えば、複数の永久磁石を備えた回転子と、この回転子と対向して設けられた固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻掛けられた固定子巻線とを有する永久磁石を備えた回転電機において、前記固定子鉄心を、コアバック部と、このコアバック部に取り付けられ前記回転子に向かって突出する複数のティース部との分割構成にすると共に、前記ティース部をアモルファス磁性材で形成することにより、鉄損を低減させ、高効率とした固定子がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１０１６７３号公報

特許文献１の技術は、高効率化は可能であるが、コアバック部を珪素鋼板で打ち抜く構成としているため、中身が空洞の大きな円環のみを打ち抜くことになる。材料利用率が大変低く（１０％以下）、高コストになるため、これを解決する手段が必要である。

上記課題を解決するために、本発明に係る固定子又は回転電機は、複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、前記スロットに設けられかつＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体により構成される固定子コイルと、を備え、前記固定子コイルは、各々の前記セグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続され、前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列されてＮ列の環状列を構成し、前記固定子鉄心は、コアバック部と、当該コアバック部に取り付けられかつ回転子に向かって突出する複数のティース部との分割構成にされ、前記ティース部は、アモルファス磁性材もしくはナノ結晶磁性材で形成され、前記コアバック部は、冷間圧延鋼板もしくは珪素鋼板の巻コアで構成される。

本発明によれば、高効率でありながら、コアバック部の材料利用率が向上でき、低コストの回転電機固定子を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本実施形態に係る固定子を備える回転電機を示す断面図である。 本実施形態に係る固定子２０の全体斜視図である。 本実施形態に係る固定子コイル６０を構成するセグメント導体２８の正面図である。 本実施形態に係るセグメント導体２８のコイル形成を示す正面図である。 本実施形態に係る固定子スロット２１Ｓ内のセグメント導体２８の配置を説明する部分拡大図である。 本実施形態に係る固定子鉄心２１の軸方向から見た図である。 本実施形態に係るティース部２１Ｔに用いられる材料の外観斜視図である。 本実施形態に係るコアバック２３の正面図である。 本実施形態に係るコアバック２３の製造工程の途中を示す正面図である。 本実施形態の巻コア２２を用いた表面磁石型の回転電機であって軸方向から見た正面図である。 本実施形態の巻コア２２を用いた埋め込み磁石型の回転電機であって軸方向から見た正面図である。 四輪駆動を前提としたハイブリッド自動車のパワートレインのブロック構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
なお、以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリット自動車に用いられる電動機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）を指す。

図１は、本実施形態に係る固定子を備える回転電機を示す断面図である。

回転電機１０は、ハウジング５０と、固定子２０と、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０と、回転子１１と、から構成される。

固定子２０は、ハウジング５０の内周側に固定される。回転子１１は、固定子２０の内周側に、回転可能に支持される。ハウジング５０は、炭素鋼など鉄系材料の切削により、または、鋳鋼やアルミニウム合金の鋳造により、または、プレス加工によって円筒状に成形した、電動機の外被を構成している。ハウジング５０は、枠体或いはフレームとも称されている。

液冷ジャケット１３０は、ハウジング５０の外周側に固定される。液冷ジャケット１３０の内周壁とハウジング５０の外周壁とで、油などの液状の冷媒ＲＦの冷媒通路１５３が構成され、この冷媒通路１５３は液漏れしないように形成される。液冷ジャケット１３０は、軸受１４４及び軸受１４５を収納しており、軸受ブラケットとも称されている。

直接液体冷却の場合、冷媒ＲＦは、冷媒通路１５３を通り、冷媒出口１５４及び冷媒出口１５５から固定子２０へ向けて流出し、固定子２０を冷却する。

固定子コイル６０からの発熱は、固定子鉄心２１を介して、液冷ジャケット１３０に伝熱され、液冷ジャケット１３０内を流通する冷媒ＲＦにより放熱される。

回転子１１は、回転子鉄心１２と、回転軸１３とから構成される。回転子鉄心１２は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られる。回転軸１３は、回転子鉄心１２の中心に固定される。

回転軸１３は、液冷ジャケット１３０に取り付けられた軸受１４４及び軸受１４５により回転自在に保持され、固定子２０内の所定の位置で、固定子２０に対向した位置で回転する。また、回転子１１には、永久磁石１８と、エンドリング（図示せず）が設けられる。

回転電機１０の組立は、予め、固定子２０をハウジング５０の内側に挿入してハウジング５０の内周壁に取付けておき、その後、固定子２０内に回転子１１を挿入する。次に、回転軸１３に軸受１４４及び軸受１４５が嵌合するようにして液冷ジャケット１３０に組み付ける。

図２は、本実施形態に係る固定子２０の全体斜視図である。

固定子２０は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２０の内周部に多数個設けられているスロット２１Ｓに巻回された固定子コイル６０と、から構成される。

固定子コイル６０は、断面が略矩形形状の導体（本実施例では銅線）を使用しスロット内の占積率を向上させ、回転電機の効率が向上する。固定子鉄心２１には、内径側に開口するスロット２１Ｓが周方向に例えば２４個形成される。

スロットライナー３０２が各スロット２１Ｓに配設され、固定子鉄心２１と固定子コイル６０との電気的に絶縁させる。スロットライナー３０２は、銅線を包装するようにＢ字形状や、Ｓ字形状に成形されている。

図３（ａ）は、本実施形態に係る固定子コイル６０を構成するセグメント導体２８の正面図である。図３（ｂ）は、本実施形態に係るセグメント導体２８のコイル形成を示す正面図である。図３（ｃ）は、本実施形態に係る固定子スロット２１Ｓ内のセグメント導体２８の配置を説明する部分拡大図である。

図３（ａ）に示されるように、断面が略矩形のエナメル等で絶縁された銅線を、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃを折り返し点とするように、略Ｕ字形状のセグメント導体２８に成型する。

このとき、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃは略Ｕ字形状において導体の向きを折り返す形状であればよい。すなわち、図３（ａ）のような、径方向から見たときに反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃと反溶接側コイルエンドの導体斜行部２８Ｆとが略三角形をなすような形状に限らない。例えば、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃの一部において、導体が固定子鉄心２１の端面と略平行になるような形状（径方向から見たとき反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃと導体斜行部２８Ｆとが略台形をなすような形状）であっても良い。

図３（ｂ）に示されるように、セグメント導体２８を軸方向から固定子スロット２１Ｓに差し込む。所定のスロット数分だけ離れたところに差し込まれた別のセグメント導体２８と導体端部２８Ｅにおいて（例えば溶接等により）接続する。

このとき、セグメント導体２８には、固定子スロット２１Ｓに挿入される部位である導体直線部２８Ｓと、接続相手のセグメント導体の導体端部２８Ｅへ向かって傾斜する部位である導体斜行部２８Ｄとが形成される（斜行部２８Ｄや端部２８Ｅは曲げにより形成する）。

図３（ｃ）に示されるように、固定子スロット２１Ｓ内には２、４、６・・・（２の倍数）本のセグメント導体２８が挿入される。１スロットに４本のセグメント導体２８Ｒ１ないし２８Ｒ４が挿入された例であるが、断面が略矩形の導体のため、スロット内の占積率を向上させることが出来、回転電機の効率が向上する。

図４は、本実施形態に係る固定子鉄心２１の軸方向から見た図である。
ティース部２１Ｔは、台形状のアモルファス磁性材もしくはナノ結晶磁性材を積層して形成される。コアバック２３は、間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）もしくは珪素鋼板の巻コアで構成される。固定子鉄心２１は、複数のティース部２１Ｔを周方向に並べてかつコアバック２３の内周側に接続する。巻コア巻終わり２２Ｅは、コアバック２３の先端と終端が向き合う部分である。

図５（ａ）は、本実施形態に係るティース部２１Ｔに用いられる材料の外観斜視図である。ティース部２１Ｔを構成するアモルファス磁性材もしくはナノ結晶磁性材は、薄板上のアモルファス磁性材もしくはナノ結晶磁性材を台形状に切断して積層することにより形成される。
アモルファス磁性材もしくはナノ結晶磁性材は、強度が高いため例えば、特許文献１の図５に示されている様な、複雑なティース形状を金型で打ち抜き積層を行うと、金型がすぐに摩耗し、金型費が高くなるため高コストになる欠点があった。本実施形態では、直線で切断するのみなので、カッター等での製造が可能となり、低コスト化が可能になっている。

コアバック２３に関し、例えば特許文献１の図１に示されている様に、珪素鋼板を金型で打ち抜く構成とすると、中身が空洞の大きな円環のみを打ち抜くことになる。材料利用率が大変低く（１０％以下）、高コストになるため、これを解決する手段が必要であった。

図５（ｂ）は、本実施形態に係るコアバック２３の正面図である。本実施形態のコアバック２３は、巻コアの構成をとっている。これにより、コアバック部２３の材料利用率を飛躍的に向上（８０％以上）させることができた。

図５（ｃ）は、本実施形態に係るコアバック２３の製造工程の途中を示す正面図である。巻コアは、凸部と凹部を組み合わせて、２台分の巻コアを製作することもできる。この場合、占積率は９０％以上に向上する。

本実施形態に係る回転電機は、永久磁石がロータの表面に配置される表面磁石型において、最も効果を発揮する。ロータコアの積層鋼板が存在しないため、巻コアとティースのみ作成すればよいからである。

図６（ａ）は、本実施形態の巻コア２２を用いた表面磁石型の回転電機であって軸方向から見た正面図である。図６（ｂ）は、本実施形態の巻コア２２を用いた埋め込み磁石型の回転電機であって軸方向から見た正面図である。

図６（ｂ）に示す埋め込み磁石型の場合は、ロータコアを打ち抜き積層する必要があるため、本実施形態の効果は減少するが、ロータコアとコアバック２３を同時抜きし、ティース部２１Ｔの部分を破棄する場合と比較するとコアバック２１を巻コア２２とする本実施形態の方が占積率は向上できる。

以上においては、永久磁石式の回転電機において説明を行ったが、本実施形態の特徴は固定子のコアに関するものであるため、回転子は永久磁石式でなく、インダクション式や、シンクロナスリラクタンス、爪磁極式等にも適用可能である。また、巻線方式においては波巻方式であるが、同様の特徴を持つ巻線方式であれば、適用可能である。次に、内転型で説明を行っているが、外転型でも同様に適用可能である。

図７を用いて、本実施例による回転電機１０を搭載する車両の構成について説明する。図７は、四輪駆動を前提としたハイブリッド自動車のパワートレインのブロック構成図である。

前輪側の主動力として、エンジンと回転電機１０を有する。エンジンと回転電機１０の発生する動力は、変速機により変速され、前輪側駆動輪に動力を伝えられる。また、後輪の駆動においては、後輪側に配置された回転電機１０と後輪側駆動輪を機械的に接続され、動力が伝達される。

回転電機１０は、エンジンの始動を行い、また、車両の走行状態に応じて、駆動力の発生と、車両減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生を切り換える。回転電機１０の駆動，発電動作は、車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置により制御される。回転電機１０の駆動に必要な電力は、電力変換装置を介してバッテリから供給される。また、回転電機１０が発電動作のときは、電力変換装置を介してバッテリに電気エネルギーが充電される。

ここで、前輪側の動力源である回転電機１０は、エンジンと変速機の間に配置されており、図１〜図６にて説明した構成を有するものである。後輪側の駆動力源である回転電機１０としては、同様のものを用いることもできるし、他の一般的な構成の回転電機を用いることもできる。なお、四輪駆動式以外のハイブリッド方式においても勿論適用可能である。

以上で説明したように、本発明によれば、小型・高効率であるにも関わらず、低コストの回転電機の固定子を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０…回転電機、１１…回転子、１２…回転子鉄心、１３…回転軸、１８…永久磁石、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２１Ｓ…固定子スロット、２１Ｔ…ティース部、２２…巻コア、２２Ｅ…巻コア巻終わり、２８…セグメント導体、２８Ｃ…反溶接側コイルエンド頂点、２８Ｄ…導体斜行部、２８Ｅ…導体端部、２８Ｆ…導体斜行部、２８Ｓ…導体直線部、５０…ハウジング、６０…固定子コイル、１３０…液冷ジャケット、１４４…軸受、１４５…軸受、１５３…冷媒通路、１５４…冷媒出口、１５５…冷媒出口、３０２…スロットライナー、ＲＦ…冷媒

Claims (3)

1. 複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、
   前記スロットに設けられかつＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体により構成される固定子コイルと、を備え、
   前記固定子コイルは、各々の前記セグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続され、
   前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列されてＮ列の環状列を構成し、
   前記固定子鉄心は、コアバック部と、当該コアバック部に取り付けられかつ回転子に向かって突出する複数のティース部との分割構成にされ、
   前記ティース部は、アモルファス磁性材もしくはナノ結晶磁性材で形成され、
   前記コアバック部は、冷間圧延鋼板もしくは珪素鋼板の巻コアで構成される回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   前記ティース部は、台形形状である回転電機の固定子。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の固定子と、当該固定子と空隙を介して対向する回転子を備えた回転電機。

Images