JP4839675B2

JP4839675B2 - モータの巻線構造

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Publication number: JP4839675B2
Application number: JP2005146596A
Authority: JP
Inventors: 達雄飯田
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: JP2006325338A

Description

本発明は、モータの巻線構造、さらに、この巻線構造を備えるモータ、さらに、このモータを備えるターボチャージャ、さらに、このターボチャージャを備える内燃機関に関するものである。

従来、ターボチャージャを備えるエンジンが知られている。ターボチャージャは、エンジンの排気管に設けられたタービンホイールを、排気エネルギによって回転させ、この回転動力を、タービンシャフトを介して、吸気管に設けられたコンプレッサホイールに伝達し、このコンプレッサホイールの回転によって、吸気管内の空気を圧縮する。近年では、排気エネルギが低くても空気を十分に圧縮するため、ターボチャージャに、タービンシャフトを強制的に回転させるモータを備える構成が知られている。このようなモータでは、１０万（ｒｐｍ）以上の高い回転数が要求される。

ところで、モータは、ステータ、あるいは、ロータにコイル巻線部を備えており、ロータの回転時には、漏れ磁束によってコイル巻線部に渦電流が流れ、渦電流損失が発生する。そして、この渦電流損失は、モータの駆動周波数の２乗に比例することが知られている。したがって、モータの回転数を高くするため、駆動周波数を高くすると、コイル巻線部に発生する渦電流損失は著しく増大する。このような渦電流損失の増大は、多極モータにおいても同様に生じる。

モータにおいて、コイル巻線部における渦電流損失を低減するための技術として、複数の細線を束にして巻線する技術がある。コイル巻線に細線を用いることによって渦電流が流れにくくすることができるので、渦電流損失を低減することができる。また、この技術では、単に複数の細線を束ねただけの束線（以下、平行束線と呼ぶ）を用いて巻線する方法と、複数の細線を撚った束線（以下、撚線と呼ぶ）を用いて巻線する方法とがある。

特開２００２−３１５２４８号公報特開２０００−２９５８０７号公報

しかし、コイル巻線に平行束線を用いる場合、巻線時の剛性が低いため巻線しやすいという利点はあるが、複数の細線ごとの渦電流の不均衡によって、複数の細線全体では電流不平衡が生じ、かえって損失が増大する場合があった。また、コイル巻線に撚線を用いる場合、細線に印加される漏れ磁束の向きが、細線の長さ方向で分散されるので、平行束線を用いた場合よりも渦電流損失の低減は可能ではあるが、撚線間の空隙が広くなり、占積率が低下する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、モータの巻線構造において、コイル巻線部における漏れ磁束による渦電流損失の低減と、占積率の向上とを両立することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の巻線構造は、
モータの巻線構造であって、
前記モータは、コイル巻線するためのティースおよびスロットを有する巻線部を備えており、
前記巻線部は、
前記ティースおよびスロットの、前記モータの回転軸に垂直な方向の断面において、
複数の細線を撚った撚線を巻線した撚線部と、
前記複数の細線を撚っていない平行束線を巻線した平行束線部と、を備え、
前記平行束線部は、前記撚線間に形成される空隙を埋めるように配置されていることを要旨とする。

本発明では、撚線部によって漏れ磁束による渦電流損失を低減するとともに、断面形状を任意に変形可能な平行束線部によって占積率を向上させることができる。つまり、本発明によって、コイル巻線部における漏れ磁束による渦電流損失の低減と、占積率の向上とを両立することができる。本発明は、特に、コイル巻線部における渦電流損失が大きくなる傾向にあるモータ、例えば、駆動周波数を高く設定する高回転モータや、多極モータに適用することによって有効である。

上記巻線構造において、
前記撚線部は、少なくとも前記スロットの入口部に配置されているようにしてもよい。

スロットの入口部は、対向する磁石に近いので、漏れ磁束が多い。本発明では、少なくとも漏れ磁束の多いスロットの入口部に、渦電流損失を低減することが可能な撚線を配置するので、漏れ磁束による渦電流損失を効率よく低減することができる。

本発明の巻線構造において、
前記平行束線部は、さらに、前記スロットの奥部に配置されているようにしてもよい。

例えば、モータのステータがティースおよびスロットを有し、ティースとヨークとのなす角度が鋭角になる場合、スロットの奥部、すなわち、ティースの根元部分に撚線を巻線すると、ステータと撚線との空隙が広くなり、占積率を低下させる。本発明では、スロットの奥部に、断面形状を任意に変形可能な平行束線を配置するので、さらに占積率を向上させることができる。

本発明の巻線構造において、
前記ティースのコイルエンド部に、前記平行束線が巻線されるようにしてもよい。

平行束線は、撚線と比較して、巻線時の剛性が低いので、ティースと平行束線との空隙を狭くすることができる。したがって、本発明によって、コイルエンドの寸法の増大を抑制し、モータの全長の増大を抑制することができる。

本発明は、上述した巻線構造を備えるモータの発明として構成することもできる。

こうすることによって、コイル巻線部における漏れ磁束による渦電流損失の低減と、占積率の向上とを両立したモータを構成することができる。

本発明は、ターボチャージャの発明として構成することもできる。すなわち、
本発明のターボチャージャは、
タービンホイールと、
コンプレッサホイールと、
前記タービンホイールの回転をコンプレッサホイールに伝達するタービンシャフトと、
前記タービンシャフトの回転をアシストするためのモータと、を備え、
前記モータは、上述した本発明のモータであるであることを要旨とする。

こうすることによって、モータの渦電流損失を低減することができるので、ターボチャージャのエネルギ効率を向上させることができる。

また、本発明は、内燃機関の発明として構成することもできる。すなわち、
本発明の内燃機関は、
過給機を備える内燃機関であって、
前記過給機は、上述した本発明のターボチャージャであることを要旨とする。

こうすることによって、ターボチャージャのエネルギ効率を向上させることができるので、この結果として、内燃機関のエネルギ効率を向上させることができる。

本発明は、モータの巻線方法の発明として構成することもできる。すなわち、
本発明のモータの巻線方法は、
コイル巻線するためのティースおよびスロットを有する巻線部を備えるモータの巻線方法であって、
複数の細線を撚った撚線を前記ティースに巻線する第１の工程と、
前記複数の細線を撚らない平行束線を前記ティースに巻線する第２の工程と、を備え、
前記第２の工程は、前記第１の工程によって巻線された撚線間の空隙を埋めるように、前記平行束線を巻線する工程を含むことを要旨とする。

こうすることによって、コイル巻線部における漏れ磁束による渦電流損失の低減と、占積率の向上とを両立するように、コイル巻線することができる。

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述のモータの巻線構造としての構成の他、一般にモータと同様の構造を有する発電機の巻線構造や、発電機の巻線方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．エンジンシステムの構成：
Ｂ．モータの巻線構造：
Ｃ．変形例：

Ａ．エンジンシステムの構成：
図１は、本発明の一実施例としてのエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。このエンジンシステムは、エンジン１００と、ターボチャージャ１１０と、インバータ１３０と、エンジンシステム全体を制御するエンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）１４０とを備えている。

エンジン１００には、排気管１０１、および、吸気管１０４が接続されている。ターボチャージャ１１０は、排気管１０１内に設けられたタービンホイール１１２や、吸気管１０４内に設けられたコンプレッサホイール１１４や、タービンホイール１１２とコンプレッサホイール１１４とを連結するタービンシャフト１１６や、タービンシャフト１１６の回転をアシストするためのモータ１２０などから構成されている。エンジン１００から排出された排気ガスが、排気管１０１を通過する際にタービンホイール１１２を回転させると、タービンシャフト１１６を介してコンプレッサホイール１１４が回転し、吸気管１０４内の空気が加圧される。また、このターボチャージャ１１０は、エンジン１００から排出された排気ガスのエネルギが十分でない場合には、モータ１２０によってタービンシャフト１１６を強制的に回転させることができる。モータ１２０は、インバータ１３０を介して、ＥＣＵ１４０によって制御される。

なお、排気管１０１には、排気ガスを、タービンホイール１１２を迂回して排出するためのバイパス管１０２が設けられている。このバイパス管１０２内には、ウエイストゲートバルブ１０３が設けられており、過給の必要がない場合には、ウエイストゲートバルブ１０３は開弁される。

このエンジンシステムでは、モータ１２０に１０万（ｒｐｍ）以上の高い回転数が要求される。そして、本実施例のモータ１２０は、後述するように、ステータに巻線構造を備えており、ロータの回転時には、ロータに設定された磁石からの漏れ磁束によってコイル巻線部に渦電流が流れ、渦電流損失が発生する。この渦電流損失は、モータの駆動周波数の２乗に比例するので、モータ１２０の回転数を高くするため、駆動周波数を高くすると、コイル巻線部に発生する渦電流損失は著しく増大する。そこで、本実施例では、モータ１２０に、上述した渦電流損失を低減するために、巻線構造に改良がなされている。以下、モータ１２０の巻線構造について説明する。

Ｂ．モータの巻線構造：
図２は、モータ１２０の巻線構造を示す説明図である。本実施例のモータ１２０は、ステータ１０に巻線構造を備えている。そして、この図は、モータ１２０の回転軸に垂直な方向のステータ１０の断面図を示している。ステータ１０は、ヨーク１２と、ティース１４と、スロット１６とからなる。

まず、この巻線構造では、複数の細線を束にした束線を用いることによって、各細線に渦電流が流れにくくし、渦電流損失の低減を図っている。図中の黒丸、および、白丸は、細線を表している。なお、各細線の表面には、エナメル被覆が施されている。

さらに、この巻線構造では、図示するように、ティース１４に、平行束線２０と、撚線２２とが混在して巻線されている。巻線構造に撚線２２を混在させることによって、図示しないロータに設置された磁石から撚線２２の各細線に印加される漏れ磁束の向きが、細線の長さ方向で分散されるので、平行束線２０のみを用いた場合よりも渦電流損失を低減することができる。また、平行束線２０は、その断面形状を任意に変形可能であり、撚線２２間の空隙を埋めるように配置されている。こうすることによって、占積率を向上させることができる。つまり、上述した巻線構造によって、コイル巻線部における漏れ磁束による渦電流損失の低減と、占積率の向上とを両立することができる。

また、図示するように、本実施例では、ロータの磁石に近いため漏れ磁束が多いスロット１６の入口部に、渦電流損失を低減する効果が高い撚線２２を配置しているので、渦電流損失を効率よく低減することができる。

また、図示するように、本実施例では、スロット１６の奥部、すなわち、ティース１４の根元部分に、平行束線２０を配置している。図から分かるように、本実施例では、ティース１４とヨーク１２とのなす角度が鋭角になっている。この場合、スロット１６の奥部に撚線２２を巻線すると、ステータ１０と撚線２２との空隙が広くなり、占積率を低下させる。本実施例では、スロット１６の奥部に、断面形状を任意に変形可能な平行束線２０を配置するので、ステータ１０と撚線２２との空隙を埋め、さらに占積率を向上させることができる。

なお、図示は省略しているが、コイルエンド部分には、平行束線２０が巻線されている。平行束線２０は、撚線２２と比較して、巻線時の剛性が低いので、ティース１４と平行束線２０との空隙を狭くすることができる。したがって、コイルエンドの寸法の増大を抑制し、モータ１２０の全長の増大を抑制することができる。

以上説明した本実施例のエンジンシステムでは、モータ１２０が先に説明した巻線構造を備えているので、モータ１２０の渦電流損失を低減することができる。したがって、ターボチャージャ１１０のエネルギ効率を向上させることができる。この結果、エンジンシステムのエネルギ効率を向上させることができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｃ１．変形例１：
図３は、モータ１２０の巻線構造の変形例を示す説明図である。この巻線構造は、図２に示した上記実施例と同様に、ステータ１０に備えられている。また、この図は、図２と同様に、モータ１２０の回転軸に垂直な方向のステータ１０の断面図を示している。

この巻線構造では、撚線２２を巻線した後に、これを扁平させて撚線２２Ａとしている。この他は、図２に示した巻線構造と同様である。このようにすることによっても、コイル巻線部における漏れ磁束による渦電流損失の低減と、占積率の向上とを両立することができる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、上述した巻線構造をステータに備えるものとしたが、これに限られず、ロータに備えるようにしてもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、モータ１２０の巻線構造において、漏れ磁束が多いスロット１６の入口部に、撚線２２を配置するものとしたが、これに限られない。また、スロット１６の奥部に、平行束線２０を配置するものとしたが、これに限られない。本発明の巻線構造は、一般に、ティース１４、および、スロット１６の、モータ１２０の回転軸に垂直な方向の断面において、撚線２２間の空隙を埋めるように、平行束線２０が配置されていればよい。

Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、ターボチャージャ１１０に備えられ、高い回転数が要求されるモータ１２０に、本発明の巻線構造を適用した例を示したが、他のモータに適用するようにしてもよい。

Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、上述した巻線構造をモータに適用した例を示したが、これに限られず、モータと同様の構造を有する発電機に適用してもよい。

本発明の一実施例としてのエンジンシステムの概略構成を示す説明図である。モータ１２０の巻線構造を示す説明図である。モータ１２０の巻線構造の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１０...ステータ
１２...ヨーク
１４...ティース
１６...スロット
２０...平行束線
２２、２２Ａ...撚線
１００...エンジン
１０１...排気管
１０２...バイパス管
１０３...ウエイストゲートバルブ
１０４...吸気管
１１０...ターボチャージャ
１１２...タービンホイール
１１４...コンプレッサホイール
１１６...タービンシャフト
１２０...モータ
１３０...インバータ
１４０...エンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）

Claims

モータの巻線構造であって、
前記モータは、コイル巻線するためのティースおよびスロットを有する巻線部を備えており、
前記巻線部は、
前記ティースおよびスロットの、前記モータの回転軸に垂直な方向の断面における、前記スロットの内部に、
複数の導線を撚った撚線を巻線した撚線部と、
撚っていない複数の導線によって構成される平行束線を巻線した平行束線部と、を備え、
前記平行束線部は、前記撚線間に形成される空隙を埋めるように配置されている、
巻線構造。
請求項１記載の巻線構造であって、
前記撚線部は、少なくとも前記スロットの入口部に配置されている、
巻線構造。
請求項１記載の巻線構造であって、
前記平行束線部は、さらに、前記スロットの奥部に配置されている、
巻線構造。
請求項１記載の巻線構造であって、
前記ティースのコイルエンド部には、前記平行束線が巻線される、
巻線構造。
請求項１ないし４のいずれかに記載の巻線構造を備えるモータ。
ターボチャージャであって、
タービンホイールと、
コンプレッサホイールと、
前記タービンホイールの回転をコンプレッサホイールに伝達するタービンシャフトと、
前記タービンシャフトの回転をアシストするためのモータと、を備え、
前記モータは、請求項５記載のモータである、
ターボチャージャ。
ターボチャージャを備える内燃機関であって、
前記ターボチャージャは、請求項６記載のターボチャージャである、
内燃機関。
コイル巻線するためのティースおよびスロットを有する巻線部を備えるモータの巻線方法であって、
複数の導線を撚った撚線を前記ティースに巻線する第１の工程と、
撚っていない複数の導線によって構成される平行束線を前記ティースに巻線する第２の工程と、を備え、
前記第２の工程は、前記第１の工程によって巻線された撚線間の空隙を埋めるように、前記平行束線を巻線する工程を含む、
巻線方法。