JP2021515524A - 分割された巻線を有する回転電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、主に、偶数対の極Ｎｐを有するロータと、スロットが設けられた本体と、ステータ本体内のスロットに挿入された三相巻線（１４）と、を備えるステータ（１０）と、を備える自動車両用の回転電気機械に関する。三相巻線（１４）は、少なくとも３つのブリッジアームの第１セット（２１．１）に関連付けられる、相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の少なくとも１つの第１グループ（Ｇ１）、および相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の少なくとも１つの第２グループ（Ｇ２）と、少なくとも３つのブリッジアームの第２セット（２１．１）に関連付けられる、相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の少なくとも１つの第３グループ（Ｇ３）、および相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の少なくとも１つの第４グループ（Ｇ４）と、を備える。

Description

本発明は、回転電気機械に関する。本発明は、低電圧電気機械において、すなわち、６０Ｖより低い電圧で動作する電気機械において特に有利な用途を有する。電気機械は、特にハイブリッドタイプの自動車両において使用されるように設計されている。

既知の態様において、回転電気機械は、ステータと、シャフトと一体のロータと、を備えている。ロータは、駆動および／または従動シャフトと一体であり得るとともに、オルタネータ、電気モータ、または両モードで動作可能な可逆機械の形態にある回転電気機械に属し得る。

ロータは、適切な固定システムによって一連の形態で保持された金属板シートの積層体により形成される本体を備えている。ロータは、例えば本体に設けられたキャビティに収容された永久磁石により形成される極を備えている。

ステータは、シャフトを回転させるように構成されたハウジングにローラーベアリングによって取り付けられている。ステータは、ノッチを規定する複数の歯が設けられた本体と、ステータのノッチに挿入された巻線と、を備えている。巻線は、例えばエナメルで被覆された連続ワイヤから、または溶接によって互いに接続されたピンの形状の導電性要素から得ることができる。あるいは、機械の相は、ステータの歯にそれぞれ巻かれた個々のコイルから形成される。

回転電気機械を確実に制御するように、機関コンピュータと相互作用する制御モジュールが、機械の異なる相に接続されたブリッジアームの内部への電流の流れを制御する。これらのブリッジアームは、一般にＭＯＳトランジスタの形状にある整流素子を組み込んでいる。ブリッジアームは、特にステータの温度、ロータの位置および速度、ならびに機関コンピュータにより提供される熱機関の動作パラメータにしたがって制御される。ブリッジアームは、インバータモードにおいて、または電圧整流器モードにおいて動作可能である。

従来、自動車両のバッテリから供給される低圧電気機械の電力は、およそ１５ｋＷから３０ｋＷである。この電力を増加させるため、機械を通流する電流の強度の増加に耐え得るようにブリッジアームのサイズを変更することが知られている。しかしながら、このようにすると、特定のモジュールの開発に関するコストの問題、ならびにモジュールのサイズが大きいことを理由とする電子ブロックの統合の問題が生じる。

本発明の目的は、以下の自動車両用の回転電気機械を提案することにより、これらの欠点を効率的に解消することである。自動車両用の回転電気機械は、
−偶数対の極を有するロータと、
−ノッチが設けられた本体と、前記ステータ本体の前記ノッチに挿入された三相巻線と、を備えたステータと、を備え、
前記三相巻線は、
−少なくとも３つのブリッジアームの第１アセンブリに関連付けられる、相の部分の少なくとも１つの第１グループ、および相の部分の少なくとも１つの第２グループと、
−少なくとも３つのブリッジアームの第２アセンブリに関連付けられる、相の部分の少なくとも１つの第３グループ、および相の部分の少なくとも１つの第４グループと、を備える、ことを特徴とする。

単一のインバータに代えて２つのインバータを使用することにより、および巻線を相の部分の複数のグループに分割することにより、本発明は、標準的なブリッジアームの使用を可能とすることでシステムの統合を容易にすることができる。さらに、これにより、電気機械の製造と保守が容易になる。また、本発明は、存在する高調波が少ないため、ロータの構成を変更する必要なく、磁気損失および音響ノイズを制限しつつ、電気機械のトルクの波を最小にする。また、本発明は、コンパクトな電気機械を提供することができる。

一実施形態によれば、相の部分の各グループは、異なる相に属する２つの導体を少なくとも単一のノッチ内に備える。

一実施形態によれば、相の部分の各グループは、少なくとも２つの隣接するノッチ内に単一の相に属する少なくとも２つの導体を備える。

一実施形態によれば、極毎および相毎のノッチの個数は、厳密に１より大きく、かつ、３以下である。

一実施形態によれば、極毎および相毎のノッチの個数は、２．５に等しい。

一実施形態によれば、前記ステータの周囲に、ブリッジアームの前記第１アセンブリの相の部分のグループと、ブリッジアームの前記第２アセンブリの相の部分のグループとが交互に存在する。

一実施形態によれば、三相ステータが、相の部分の４つのグループを備える場合、ブリッジアームの単一のアセンブリに関連付けられた相の部分の前記グループは、互いに直径方向に反対側にある。

一実施形態によれば、前記ロータは、４、６、８、１０または１２のうちから選択される数の対の極を備える。

一実施形態によれば、前記巻線は、実質的に矩形状の断面を備えるピンを有するタイプである。「実質的に」とは、ステータのノッチへの挿入時にワイヤが損傷しないように、矩形が丸みを帯びた角部を有し得ることを意味する。

一実施形態によれば、前記ロータは、永久磁石を有するロータ、巻線ロータ、または混合ロータである。

一実施形態によれば、前記回転電気機械は、６０Ｖより低い動作電圧を有する。

本発明は、以下の説明を読み、これに添付された図面を精査することでより良く理解されるであろう。これらの図面は、単に例示として提供されるものであり、本発明を限定するものでは全くない。

図１は、本発明による回転電気機械に使用されるステータの４分の１の部分斜視図を示す。 図２は、本発明による分割された三相巻線の相の部分の種々のグループの概略図である。 図３は、本発明による巻線の相の部分の種々のグループと、対応するブリッジアームの２つのアセンブリとの接続の概略図である。 図４ａは、標準的な集中タイプの巻線で得られた高調波のレベルのグラフ図である。 図４ｂは、本発明による分割された三相巻線で得られた高調波のレベルのグラフ図である。 図５は、本発明による回転電気機械で得られたトルクの波のグラフ図である。 図６は、ブリッジアームの２つの別個のアセンブリに関連付けられた、相の部分のグループの、ステータの周囲における配置を示す。 図７は、本発明による回転電気機械の縦断面図である。

同一、類似または相似の要素には、図面を通して同じ参照符号を付す。

図１は、本発明による回転電気機械の巻線ステータ１０の一部分を示す。ステータ１０は、図７に示すロータ１１を、ロータ１１の外周とステータ１０の内周との間にエアギャップが存在した状態で取り囲むように設計されている。ロータ１１は、偶数対の極を備えている。極の数は、有利には、４、６、８、１０または１２のうちから選択される。

ステータ１０は、ボールベアリングおよび／またはニードルベアリングを介してロータ１１のシャフトを回転させるように構成されたハウジング（図示せず）に固定されるように設計されている。有利には、回転電気機械は同期タイプであり、２５ｋＷから３０ｋＷの出力を有する。

より具体的には、ステータ１０は、本体１３と、本体１３のノッチＥｉの内部に挿入された、特に三相である多相巻線１４と、を備えている。ステータ本体１３は、リベット１５等の適切な固定システムによって一体に保持された平坦な金属板の軸方向積層体からなる。ステータ本体１３は、ヨーク１７の内周の周囲に角度的に規則的に分散配置された歯１６を備えている。これらの歯１６がノッチＥｉ（ｉは整数）を画定することにより、各ノッチＥｉは２つの連続する歯１６によって画定されている。ノッチＥｉは、ステータ本体１３の軸方向端面に軸方向に開放している。同様にノッチＥｉは、ステータ本体１３の内部に向かって径方向に開放している。ステータ１０は、歯１６の自由端部側に歯根１８を設けられ得る。各歯根１８は、対応する歯１６の両側において周方向に延びている。

図示された例において、巻線１４は、全体として「Ｕ」字形状のピンにより構成された導体２０から作製されている。一般に、導体２０の軸方向分岐部がノッチＥｉの内部に挿入される。ノッチＥｉの内部における分岐部の軸方向積層体は、導体２０の外層および導体２０の内層を備えている。換言すれば、ステータ１０は、ノッチＥｉ毎に２つの導体２０を備えている。導体２０の自由端部は、特にレーザータイプの特に溶接によって、互いに電気的に接続されている。本例において、導体２０は、ノッチの充填を最適化するために実質的に矩形状の断面を有しているが、変形例として丸みを帯びた断面を有し得る。

変形例として、巻線１４は、ステータ１０のノッチの内部で起伏を形成する連続的な導電性ワイヤから得られる。いずれの場合にも、導体２０は、有利には、エナメル層または選択的にアルミニウムで被覆された銅から作製される。

図２および図３から理解されるように、巻線１４は、有利には３つの相Ｕ、Ｖ、Ｗを備えている。相Ｕ、Ｖ、Ｗは、ブリッジアームの２つの別個のアセンブリ２１．１および２１．２に関連付けられた相の部分の複数のグループＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４に分けられている。図２において、用語「＋」は相での電流の入力に対応し、用語「−」は電流の出力に対応する。

各アセンブリ２１．１、２１．２は、従来の態様において、３つのブリッジアーム２４、すなわち、相毎に１つのブリッジアーム２４を備えている。ブリッジアームは、対応する相Ｕ、Ｖ、Ｗを機械の正の電源電位Ｂ＋に、またはアースに選択的に接続するように、２つの制御スイッチＩ１およびＩ２により形成されている。相に接続されるブリッジアーム２４は、制御モジュールにより制御される。各スイッチＩ１、Ｉ２は、好ましくはフリーホイールダイオードに関連付けられる、例えばＭＯＳタイプのパワートランジスタにより構成され得る。

有利には、図３に示すように、相Ｕ、Ｖ、Ｗの部分の第１グループＧ１および相Ｕ、Ｖ、Ｗの部分の第２グループＧ２は、アセンブリ２１．１に関連付けられる。相Ｕ、Ｖ、Ｗの部分の第３グループＧ３および相Ｕ、Ｖ、Ｗの部分の第４グループＧ４は、アセンブリ２１．２に関連付けられる。相の一部分とは、ステータ本体１３の周囲に部分的に延びる任意の相Ｕ、Ｖ、Ｗの巻線の一部に相当する。

本例において、ブリッジアームの第１アセンブリ２１．１に接続されたグループＧ１およびＧ２について、第１グループＧ１の相Ｕの部分は、第２グループＧ２の相Ｕの部分に直列に接続されている。第１グループＧ１の相Ｖの部分は、第２グループＧ２の相Ｖの部分に直列に接続されている。第１グループＧ１の相Ｗの部分は、第２グループＧ２の相Ｗの部分に直列に接続されている。

ブリッジアームの第２アセンブリ２１．２に接続されたグループＧ３およびＧ４について、第３グループＧ３の相Ｕの部分は、第４グループＧ４の相Ｕの部分に直列に接続されている。第３グループＧ３の相Ｖの部分は、第４グループＧ４の相Ｖの部分に直列に接続されている。第３グループＧ３の相Ｗの部分は、第４グループＧ４の相Ｗの部分に直列に接続されている。

相Ｕ、Ｖ、Ｗは、有利には、星の形状で結合される。ブリッジアームの２つのアセンブリ２１．１、２１．２の中性点Ｎは、好ましくは、２つのアセンブリ２１．１、２１．２間で高調波が再度通流することを回避するように離間している。しかしながら、変形例として、中性点Ｎは組み合わされ得る。

図２から理解されるように、相Ｕ、Ｖ、Ｗの部分の各グループＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４は、少なくとも１つのノッチＥｉにおいて、異なる相に属する２つの導体２０を備えている。したがって、各グループＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４において、ノッチＥ１、Ｅ２、およびＥ９は、それぞれ相Ｕおよび相Ｗに関連付けられた導体２０を収容している。ノッチＥ４、Ｅ１１、およびＥ１２は、それぞれ相Ｖおよび相Ｗに関連付けられた導体２０を収容している。ノッチＥ６、Ｅ７、およびＥ１４は、それぞれ相Ｕおよび相Ｖに関連付けられた導体２０を収容している。

また、相Ｕ、Ｖ、Ｗの部分の各グループＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４は、単一の相に属する少なくとも２つの導体２０を、少なくとも２つの隣接するノッチ、すなわち、互いに隣り合って配置されるとともに共通の歯１６によって離間した２つのノッチＥｉ内に備えている。

したがって、図示された例において、相Ｕに関連付けられた導体２０は、ノッチＥ１、Ｅ２、Ｅ６、Ｅ７、Ｅ８、Ｅ９、およびＥ１５に配置されている。相Ｖに関連付けられた導体２０は、ノッチＥ４、Ｅ５、Ｅ６、Ｅ７、およびＥ１１、Ｅ１２、Ｅ１３、Ｅ１４に配置されている。相Ｗに関連付けられた導体２０は、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１、およびＥ１２に配置されている。

ステータ１０の周囲において、ブリッジアームの第１アセンブリ２１．１の相の部分のグループと、ブリッジアームの第２アセンブリ２１．２の相の部分のグループとが交互に存在している。したがって、図６から理解されるように、三相ステータ１０が、相の部分の４つのグループＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を備える場合、ブリッジアームの単一のアセンブリ２１．１、２１．２に関連付けられた相の部分のグループは、互いに直径方向に反対側にある。第１アセンブリ２１．１に関連付けられた相の部分のグループＧ１とＧ２とが、互いに直径方向に反対側にあり、第２アセンブリ２１．２に関連付けられた相の部分のグループＧ３とＧ４とが、互いに直径方向に反対側にある。

有利には、極毎および相毎のノッチの個数（「ｓｐｐ」（ｓｐｌｏｔ ｐｅｒ ｐｏｌｅ ｐｅｒ ｐｈａｓｅ）として知られるパラメータ）は、厳密に１より大きく、かつ、３以下であり、好ましくは２．５に等しい。

非限定的な好ましい実施形態によれば、機械は、６０個のノッチとロータ１１上の４対の極からなる極性とを有する三相ステータ１０を備えている。各グループＧ１、Ｇ２、Ｇ３、およびＧ４について１５個のノッチの基本パターンが４回繰り返される。こうして、極毎および相毎に２．５個のノッチの構成となる。ブリッジアームの別個のアセンブリ２１．１、２１．２によって給電されるステータ回路は、好ましくは、一対の極により間隔を置いている。

図４ａは、集中巻線が設けられた、すなわちステータ１０の歯１６の周囲に巻かれたコイルにより形成された、従来のステータ１０の構成であって、４対の極と、極毎および相毎に０．５個のノッチとを有するステータ１０の構成が、甚大な磁気損失をもたらす分数調波ＳＨを生成することを示している。図４ｂに示すように、本発明による構成は、巻線１４により生成される分数調波を解消することが可能であるとともに、高調波の総数ならびにそれらの振幅を制限することが可能である。

また、図５から理解されるように、本発明による電気機械のトルクの波Ｏｎｄ＿Ｃは低い。この波は、最大トルクと最小トルクとの差を平均トルクで割った値により定義されることに留意されたい。このトルクの波Ｏｎｄ＿Ｃは、ロータ１１の構成を変更することを必要とせずに、５％以下である。

ステータ１０は、任意のタイプのロータ１１、特に永久磁石を有するロータ１１、巻線ロータ１１、またはコイルにより形成された極と少なくとも１つの関連する磁石とを備える混合ロータ１１と共に使用することができる。

既知の態様において、磁石は、用途や機械に必要な電力に応じて、フェライトまたは希土類から作製され得る。ロータ１１は、磁束集中性を有し得る。すなわち、２つの連続するキャビティに置かれた磁石の対向する側面は、同一の極性を有する。

図７は、特に自動車両用のコンパクトな多相オルタネータ２２の内部における本発明によるステータ１０の実施態様の非限定的な例を示す。オルタネータ２２は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換可能であるとともに、可逆的であり得る。オルタネータ−スタータとして知られるこのタイプの可逆オルタネータ２２は、特に車両の熱機関を始動させるために、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換することを可能にする。

このオルタネータ２２は、ハウジング２３を備えている。このハウジングの内部に、オルタネータ２２は、シャフト２５に装着された爪を有するロータ１１と、ロータ１１を取り囲むとともにエアギャップにより当該ロータから離間したステータ１０と、を備えている。シャフト２５は軸Ｘに沿って延び、この軸Ｘは電気機械の軸を形成している。

ハウジング２３は、ステータを支持する前方ベアリング２７および後方ベアリング２８を備えている。ベアリング２７、２８は中空形状を有しており、シャフト２５を回転可能に装着するためのボールベアリングをそれぞれ中央で支持している。

より具体的には、ロータ１１は、横方向の配向を有するフランジ３２をそれぞれ有する２つのマグネットホイール３０、３１であって、例えば台形形状および軸方向の配向を有する爪３３が外周に設けられたマグネットホイール３０、３１を備えている。一方のホイール３０、３１の爪３３は、他方のホイール３０、３１のフランジ３２に対して軸方向に対面している。したがって、一方のマグネットホイール３０、３１の爪３３が、他方のマグネットホイール３０、３１の２つの隣接する爪３３の間に存在するスペースに入り込むことにより、マグネットホイール３０、３１の爪３３は、互いに対して重なり合っている。

円筒状コア３５が、ホイール３０、３１のフランジ３２同士の間に軸方向に介在している。本例において、コア３５は、それぞれがフランジ３２の一方に属する２つの半体コアからなる。このコア３５は、その外周において、コア３５とコイル３６との間に径方向に介在した絶縁体３７の周囲に巻かれた励磁コイル３６を支持している。

シャフト２５は、その前端部側で、プーリ３９を支持している。プーリ３９は、オルタネータ２２と自動車両の熱機関との間での運動を少なくとも１つのベルトまたはチェーンに伝達するための装置に属している。

後方ベアリング２８は、ロータ１１の巻線への電力供給を確実にするように、コレクタ４３のリング４２に摩擦接触するように設計されたブラシ４１が設けられたブラシホルダ４０を支持している。

ステータ１０は、他のタイプの電気機械、特にモータモードのみにおいて動作する電気機械の内部に組み込まれ得る。

上述の説明は、純粋に例として提供されたものであって、本発明の分野を制限するものではなく、ここからの逸脱は、異なる要素を他の同等物で置き換えることで構成されないことを理解されたい。

また、本発明の種々の特徴、変形例および／または実施形態は、それらが矛盾しない、または相互に排他的でない限り、種々の組み合わせに従って互いに関連付けられ得る。

Claims (11)

1. 自動車両用の回転電気機械であって、
   −偶数対の極を有するロータ（１１）と、
   −ノッチ（Ｅｉ）が設けられた本体（１３）と、前記ステータ本体（１３）の前記ノッチ（Ｅｉ）に挿入された三相巻線（１４）と、を備えたステータ（１０）と、を備え、
   前記三相巻線（１４）は、
   −少なくとも３つのブリッジアームの第１アセンブリ（２１．１）に関連付けられる、相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の少なくとも１つの第１グループ（Ｇ１）、および相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の少なくとも１つの第２グループ（Ｇ２）と、
   −少なくとも３つのブリッジアームの第２アセンブリ（２１．２）に関連付けられる、相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の少なくとも１つの第３グループ（Ｇ３）、および相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の少なくとも１つの第４グループ（Ｇ４）と、を備える、ことを特徴とする回転電気機械。
2. 相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の各グループ（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４）は、異なる相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に属する２つの導体（２０）を少なくとも単一のノッチ（Ｅｉ）内に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械。
3. 相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の部分の各グループ（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４）は、少なくとも２つの隣接するノッチ（Ｅｉ）内に単一の相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に属する少なくとも２つの導体（２０）を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電気機械。
4. 極毎および相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）毎のノッチ（Ｅｉ）の個数は、厳密に１より大きく、かつ、３以下である、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電気機械。
5. 極毎および相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）毎のノッチ（Ｅｉ）の個数は、２．５に等しい、ことを特徴とする請求項４に記載の回転電気機械。
6. 前記ステータ（１０）の周囲に、ブリッジアームの前記第１アセンブリ（２１．１）の相の部分のグループ（Ｇ１、Ｇ２）と、ブリッジアームの前記第２アセンブリ（２１．２）の相の部分のグループ（Ｇ３、Ｇ４）とが交互に存在する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電気機械。
7. 三相ステータ（１０）が、相の部分の４つのグループ（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４）を備える場合、ブリッジアームの単一のアセンブリ（２１．１、２１．２）に関連付けられた相の部分の前記グループは、互いに直径方向に反対側にある、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電気機械。
8. 前記ロータ（１１）は、４、６、８、１０または１２のうちから選択される数の対の極を備える、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電気機械。
9. 前記巻線（１４）は、実質的に矩形状の断面を備えるピンを有するタイプである、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の回転電気機械。
10. 前記ロータ（１１）は、永久磁石を有するロータ、巻線ロータ、または混合ロータである、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の回転電気機械。
11. 前記回転電気機械は、６０Ｖより低い動作電圧を有する、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の回転電気機械。

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