JP2023043655A - 回転電機用ステータおよびこれを備える回転電機並びに回転電機用ステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの占積率を高めつつ渦電流損失を低減でき、生産性に優れた回転電機用ステータを提供する。【解決手段】電機子巻線２０と、電機子巻線２０を格納するコイルホルダ３１、３２と、コイルホルダ３１、３２に対する電機子巻線２０の格納位置を保持する非磁性のコイルガイド６と、を備え、コイルホルダ３１、３２内に軟磁性粉末を含んだモールド樹脂７が充填されて硬化された状態で電機子巻線２０がコイルホルダ３１、３２内の格納位置に固定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機（電動機（モータ）または発電機）に関する。

回転電機用ステータにおいて、渦電流損失を低減することは重要な課題である。
渦電流損失を低減するために、例えば特許文献１記載の技術では、コイル（電機子巻線）とコイルの間に絶縁紙と絶縁体層を挿入している。また、例えば特許文献２記載の技術では、巻回する導線と隣接で巻回する導線間に軟磁性体を設けている。

特開２０１９－１６１９５１号公報 特開２０２１－２３０３５号公報

しかし、特許文献１、２に記載の技術では、絶縁紙や絶縁体層ないし軟磁性体を介装するため、それらを介装する製造上の手間がかかるため生産性が低下するという問題がある。さらに、それらを介装する厚みの分だけコイルの占積率が下がるという問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、電機子巻線の占積率を高めつつ渦電流損失を低減でき、生産性に優れた回転電機用ステータおよびこれを備える回転電機並びに回転電機用ステータの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る回転電機用ステータは、電機子巻線と、前記電機子巻線を格納するコイルホルダと、前記コイルホルダに対する前記電機子巻線の格納位置を保持する非磁性のコイルガイドと、を備え、前記コイルホルダ内に、軟磁性粉末を含んだモールド樹脂が充填されて硬化された状態で前記電機子巻線が前記コイルホルダ内の前記格納位置に固定されていることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る回転電機は、本発明の一態様に係る回転電機用ステータと、ハルバッハ系列をなして配置される複数の単位永久磁石を有する界磁子と、を備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る回転電機用ステータの製造方法は、本発明の一態様に係る回転電機用ステータを製造する方法であって、前記コイルホルダ内に、軟磁性粉末を含んだモールド樹脂を真空含浸によって充填することを特徴とする。

上述のように、本発明によれば、電機子巻線の占積率を高めつつ渦電流損失を低減でき、生産性に優れた回転電機用ステータおよびこれを備える回転電機並びに回転電機用ステータの製造方法を提供できる。

本発明に係る回転電機用ステータを備える回転電機の一実施形態であるハルバッハモータを示す説明図であって、同図はモータの中心位置での横断面を模式的に示している。 本発明に係る回転電機用ステータの一実施形態の説明図であって、同図はステータの中心に沿った縦断面を模式的に示している。 平角線を用いた電機子巻線の模式的横断面図である。 本発明に係る回転電機用ステータの一実施形態でのトルク特性のシミュレーション解析結果である。 実施形態の一変形例の説明図であって、同図はステータの中心に沿った縦断面を模式的に示している。 リッツ線を用いた電機子巻線の模式的横断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。本実施形態は、回転電機として、三相同期電動機として構成されたハルバッハモータの例である。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

［ハルバッハモータ］
図１に示すように、本実施形態のハルバッハモータ１は、複数の単位永久磁石１０を円筒状に配列した構造を含んで界磁子が構成されるロータ２と、ロータ２の外周面に径方向で対向配置するように、３つの電機子巻線２０を保持して電機子が構成されるステータ３０と、を有する。

ステータ３０の外周面には、外周面を囲繞するように電磁鋼板製のヨーク５が同軸に配置されている。ロータ２の中心には、回転電機の入力または出力軸となるシャフト（不図示）が同軸に固定され、その軸方向前後に離隔して一対のシャフトフランジがロータ２の端面に固定されて界磁子と一体化される。

本実施形態では、３つの電機子巻線２０は、平面視が小判型をなす空芯コイルであり、周方向に沿って湾曲形成されている。電機子巻線２０の中心部には、コイルホルダ６の外面にはめ込まれることで、電機子巻線３０が所期の装着位置に保持される。
３つの電機子巻線２０は、各電機子巻線２０の巻き初めの端子が相互に繋がれて中性点とされる。なお、中性点には測定用の配線が接続され機外まで延設される。そして、各電機子巻線２０の巻き終わりの各端子に三相交流がそれぞれ印加されるようになっている。

本実施形態のハルバッハモータ１は、３つの電機子巻線３０に対して時間的に１２０°遅れたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流を順に流すことで、その移動磁界に４極の界磁子２のＮ・Ｓ磁界が引かれることで界磁子２が同期して、三相交流電流の周波数に応じた回転数で回転することができる。

［ステータ］
次に、本実施形態のステータ３０について、図面を適宜参照しつつ、より詳しく説明する。なお、本実施形態のステータ３０は、磁性コアを持たない空芯コイルを備える回転電機用ステータとして特に有効である。

図１に示すように、本実施形態の回転電機用ステータ３０は円筒状に形成されている。ステータ３０の径方向内外には、中空円筒状のコイルホルダ３１、３２がそれぞれ配置されている。内外のコイルホルダ３１、３２は、非磁性の格納容器であって、二つのコイルホルダ３１、３２の間の空間に、鉄心を有しない３個の電機子巻線３０が格納される。本実施形態では、各電機子巻線３０には平角線を使用している。

コイルホルダ３１、３２内での電機子巻線３０の位置は、周方向に等配された非磁性のコイルガイド６でそれぞれ保持される。さらに、コイルホルダ３１、３２内に、軟磁性粉末として、低鉄損の磁性粉末が均一に混合されたモールド樹脂７が充填されて全体が一体に硬化されている。そして、コイルホルダ３１、３２は、電磁鋼板製のヨーク５と共に電気機器のケース（不図示）に固定されてステータ３０を構成する。

ここで、本実施形態のステータ３０では、図２に示すように、コイルホルダ３１、３２内の各電機子巻線２０は、樹脂材料製のコイルガイド６によって所定位置に保持される。本実施形態では、図３にコイルの模式的断面図を示すように、平角線２０ｃを電機子巻線２０として使用している。なお、非磁性のコイルガイド６は、樹脂材料製に限らず、セラミックス製としてもよい。

本実施形態のステータ３０は、平角線２０ｃが高密度に巻かれた電機子巻線３０を径方向の内外から覆う円筒状をなす二つのコイルホルダ３１、３２間に格納し、非磁性のコイルガイド６により各電機子巻線３０の周方向の位置が固定される。

そして、磁性粉末が均一に含まれたモールド樹脂７を、二重円筒状のコイルホルダ３１、３２内の隙間に、低鉄損の磁性粉末が均一に混ざったモールド樹脂７を充填・硬化させて全体を固定している。本実施形態では、コイルガイド６は、各電機子巻線３０間に設置されて、ロータ回転軸の中心に対して３つの電機子巻線３０が回転対称となる位置で保持される。

特に、本実施形態では、モールド樹脂７の充填状態は、径方向内外においては、各電機子巻線３０の中心側となる径方向内側での充填量が、径方向外側での充填量よりも多く充填されるように各電機子巻線３０の軸方向での保持位置が調整された状態で充填固化されている。これにより、コイル中心部分に磁性粉末の含まれた樹脂モールド７が多く充填される。

モールド樹脂７の充填方法としては、真空含浸によりむら無く充填される方法が望ましい。本実施形態では、均一に混合した磁性粉末が含まれているモールド樹脂７を真空含浸によって充填している。

これにより、各電機子巻線３０の表面がモールド樹脂７によって確実に覆われる。そのため、コイルホルダ３１、３２に対する各電機子巻線３０の保持性が高まるとともに、空気層をより確実に無くすことができるため熱伝導性が高まる。更に、各電機子巻線３０の電気絶縁性が高まるため、漏れ磁束のコイル内への侵入による渦電流損失を低減する上で好適である。

モールド樹脂７としては、例えば２つの液体を混ぜ合わせることで化学反応を起こして硬化するエポキシ樹脂が挙げられる。磁性粉末は、液体中で均一に混合され硬化することで、電気的に絶縁状態となる。そのため、回転電機が回転する際の漏れ磁束による渦電流損失はほとんど発生しない。

［作用効果］
次に、本実施形態の回転電機用ステータ３０の作用効果について説明する。
上述したように、回転電機用ステータにおいては、コイルの占積率を高めつつ渦電流損失を低減することは重要な課題である。

例えば特許文献１では、複数のスロットが形成されたステータコアと、複数のスロット各々に挿入されるセグメントコイルと、を備える。同文献記載の回転電機用ステータでは、２以上のセグメントコイルを周回するように絶縁紙を配置し、少なくとも１枚の絶縁紙には磁性体層を設けている。

同文献記載の技術では、回転電機のロータ側からステータ側に流れる漏れ磁束は、セグメントコイルよりも磁性体層の方に流れるため、セグメントコイルに渦電流が発生することを低減できるとしている。
また、例えば特許文献２記載の技術では、コアレスモータのコイルにおいて、巻回する導線と隣接で巻回する導線間に軟磁性体を設け、磁束経路を透磁率の高い導線間の軟磁性体を通るように制御することで、電機子巻線内での渦電流損失を低減できるとしている。

しかし、特許文献１、２に記載の技術では、絶縁紙や絶縁体層ないし軟磁性体を介装するため、製造上の手間がかかり、更に、それらの厚みの分だけコイルの占積率が下がるという問題がある。
また、モータの回転速度が１００，０００ｒｐｍの超高速回転下では、モータ全体の損失に対してコイルの渦電流損の割合が増えるため有効な方式ではあるものの、例えば２０，０００ｒｐｍ以下の回転数においては、鎖交磁束が減るため、かえってトルク特性が低下するという問題がある。

これに対し、本実施形態の回転電機用ステータ３０によれば、占積率の高い平角線２０ｃで各電機子巻線３０を形成してコイルホルダ３１、３２内に格納し、均一に混合した磁性粉末を含んだモールド樹脂７をコイルホルダ３１、３２内に充填して硬化している。これにより、回転電機からの漏れ磁束による渦電流損失を低減できる。

すなわち、モールド樹脂７はコイル導体よりも透磁率が高い。そのため、ロータ２からの漏れ磁束はコイル導体ではなく磁性モールドの方に流れる。そのため、各電機子巻線３０に発生する渦電流を低減させることができる。更に、ステータ３０の中心部分に磁性粉末の含まれた樹脂モールド７が多く充填されるため、鎖交磁束が大きくなりモータのトルク向上に寄与することになる。

また、モールド樹脂７は、空気と比較して非常に熱伝導率が高い性質がある。そのため、各電機子巻線３０からの発熱を放熱し易くなる利点がある。例えば、空気の熱伝導率０．０２４１［Ｗ／ｍ・Ｋ］に対して、熱伝導率の高いエポキシ樹脂では２．１６［Ｗ／ｍ・Ｋ］の数値となるため、８９．６倍熱が伝わり易くなる。

ここで、従来、回転電機が回転する際の漏れ磁束による渦電流損失を改善するために、鉄心がない回転電機のコイル（磁性コアを持たないコイル）は、ロータ２の回転によって各電機子巻線３０に発生する渦電流を低減させるために、一般的に、図６に示すようなリッツ線（撚り線）２０Ｌを使用している。

リッツ線２０Ｌを用いたコイルにおいては、複数の導体素線２０Ｌｃを同心円状に撚り、更に、その複数の撚り線を同心円状に撚ってその外側を絶縁被膜２０Ｌｆで覆った構造となっている。しかし、リッツ線２０Ｌは、複数の線材を束ねて撚ってあるため、同図から看取されるように、隣り合う撚り線相互の間に隙間が広く生じる。実際、リッツ線２０Ｌを用いたコイルにおいては、コイルスロット面積に占める導体の割合である占積率は４０％程度である。

そのため、リッツ線２０Ｌを使用したコイルであると、コイルスロット内に占める導体の割合である占積率が小さくなるという問題がある。占積率を更に大きくできれば、モータの小型化や高性能化において有利になる。
また、リッツ線２０Ｌは曲げ加工が行い難く、無理に曲げると導体素線２０Ｌｃが切れたり、絶縁被膜２０Ｌｆが剥がれたりするという問題がある。更に、リッツ線２０Ｌはその加工に手間がかかるため、通常のコイルよりもコストが高くなるという問題がある。

これに対し、本実施形態の回転電機用ステータ３０によれば、図３に示したように、平角線２０を各電機子巻線３０に使用することにより、導体素線２０ｃと絶縁被膜２０ｆとの間に隙間がほとんど無くなる。そのため、占積率を８０％とすることができる。コイルの占積率が大きくなるということは、同じ性能の回転電機を、より小型化し、軽量化できることを意味する。

このように、例えば、従来方式であるリッツ線を使用した場合、占積率は４０％程度であるが、本実施形態では８０％程度に向上でき、回転電機の小型軽量化を更に進めることができる。
また、リッツ線２０Ｌを使用した場合と比較して、平角線２０を使用することで、コイル形成の加工性に優れ、摩擦などによるコイルの絶縁被膜がはがれるおそれも改善できる。よって、製造工程を増やすことなく、回転電機ステータの渦電流損失の対策ができる。

次に、本実施形態の回転電機用ステータの効果を確認するために、図１に示したハルバッハモータ１においてシミュレーション解析を行った。シミュレーション諸元を表１に示す。本シミュレーション解析は２次元解析モデルで行っている。

シミュレーションモデルとしたハルバッハモータ１は、図１に示すように、ロータ２を構成する複数の単位永久磁石１０が、４極４０個の円筒型ハルバッハ配列で構成されている。ハルバッハ配列は、複数の単位永久磁石１０の磁極を、所定角度ずつ回転させながら順に配列する。これにより、磁石配列の一方の側の磁場が弱まり、他方の側では磁場が強くなって、磁石配列の片側に強い磁場を発生させることができる。

ハルバッハ配列は、例えば３の倍数に２を加えた数の何れか一つが電気角１周期の分割数とされ、電気角１周期を分割数で除した角度ずつ着磁方向が順に変更されてなる単位永久磁石１０が配列されることが好ましい。この場合、すべての単位永久磁石１０の着磁方向に平行な断面積形状が同一である。

つまり、この例では、すべての単位永久磁石１０の着磁方向に平行な断面積形状が同一なので、着磁方向が１８°ずつ順に変更されてなる４０個の単位永久磁石１０の組によってハルバッハ界磁子のハルバッハ配列が構成される。

ステータ３０を構成する３個の電機子巻線２０は、電磁鋼板製のヨーク５の内側に配置されており、それぞれの電機子巻線２０の間に、コイル保持用のコイルガイド６が１２０°の角度で配置される。ハルバッハモータ１は、３つの電機子巻線２０に対して時間的に１２０°遅れたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流を順に流すことで、その移動磁界に４極のロータ２のＮ・Ｓ磁界が引かれることでロータ２が同期して、三相交流電流の周波数に応じた回転数で回転することができる。

そして、ヨーク５の内側とコイルガイド６の高さの同心円で囲まれた範囲内に、３つの電機子巻線２０を覆うようにしてモールド樹脂７が充填されている。このモールド樹脂７の比透磁率を、１～４０の範囲で変化させたときのモータトルク特性を有限要素法でシミュレーション解析した。トルク特性のシミュレーション解析結果を図４のグラフに示す。

同図に示すように、モールド樹脂７に磁性粉末が含まれない樹脂モールド（比透磁率＝１）に対して、比透磁率５の磁性モールドでは、約１３％トルクが増加する結果が得られた。同図のグラフより、磁性モールドの比透磁率が大きくなるほど、ハルバッハモータ１の平均トルクも大きくなるが、比透磁率が５０程度になるとトルク値は飽和傾向になることがわかる。

また、モールド樹脂７に含ませる磁性粉末の成分が多すぎると樹脂モールドの強度も低下する。そのため、実用的な比透磁率の範囲としては１～２０程度が望ましい。なおまた、コイル保持用のコイルガイド６がなかった場合、トルクリップルが増加して平均トルクが低下する結果となった。

以上説明したように、本実施形態の回転電機用ステータ３０によれば、電機子巻線２０の占積率を高めつつ渦電流損失を低減でき、生産性に優れた高性能の回転電機を提供できる。なお、本発明に係る回転電機用ステータは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、３個の電機子巻線２０を有するステータ３０の例を示したが、これに限らず、本発明を適用するステータでの電機子巻線の個数は仕様に応じて適宜設定可能である。

また、例えば、図２に示す例では、電機子巻線２０の軸方向において片側の端面のみをモールド樹脂７で覆っている例を示したが、これに限らず、例えば図５に示すように、電機子巻線２０の軸方向において裏面側となる端面についても、モールド樹脂７で覆うように構成することができる。

１ ハルバッハモータ（回転電機）
２ ロータ（界磁子）
３ 界磁子内ホルダ（内筒）
４ 界磁子外ホルダ（外筒）
５ ヨーク
６ コイルガイド
７ モールド樹脂
１０ 単位永久磁石
２０ 電機子巻線（コイル）
３０ ステータ（電機子）
３１ コイル内ホルダ（内筒）
３２ コイル外ホルダ（外筒）

Claims (10)

1. 電機子巻線と、
   前記電機子巻線を格納するコイルホルダと、
   前記コイルホルダに対する前記電機子巻線の格納位置を保持する非磁性のコイルガイドと、を備え、
   前記コイルホルダ内に、軟磁性粉末を含んだモールド樹脂が充填されて硬化された状態で前記電機子巻線が前記コイルホルダ内の前記格納位置に固定されていることを特徴とする回転電機用ステータ。
2. 前記電機子巻線は、巻線の形状が平角線である請求項１に記載の回転電機用ステータ。
3. 前記電機子巻線は、磁性コアを有しないものである請求項１または２に記載の回転電機用ステータ。
4. 前記コイルガイドは、樹脂材料製である請求項１～３のいずれか一項に記載の回転電機用ステータ。
5. 前記コイルガイドは、セラミックス製である請求項１～３のいずれか一項に記載の回転電機用ステータ。
6. 前記モールド樹脂は、エポキシレジンである請求項１～５のいずれか一項に記載の回転電機用ステータ。
7. 軟磁性粉末を含んだモールド樹脂の透磁率が１以上２０以下である請求項１～５のいずれか一項に記載の回転電機用ステータ。
8. 軟磁性粉末を含んだモールド樹脂の熱伝導率が１［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上である請求項１～５のいずれか一項に記載の回転電機用ステータ。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の回転電機用ステータと、ハルバッハ系列をなして配置される複数の単位永久磁石を有する界磁子と、を備えることを特徴とする回転電機。
10. 請求項１～８のいずれか一項に記載の回転電機用ステータを製造する方法であって、
    前記コイルホルダ内に、軟磁性粉末を含んだモールド樹脂を真空含浸によって充填することを特徴とする回転電機用ステータの製造方法。

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