JP5487612B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車等に搭載される回転電機に関する。

従来から、固定子のコイルエンドの漏れ磁束によって発生する誘導トルクを利用して電動機の出力向上を図る手法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この電動機では、回転子の軸方向端部に円盤が取り付けられており、この円盤が固定子のコイルエンドの漏れ磁束を透過させるようになっている。この円盤が回転子とともに回転すると、漏れ磁束によって円盤に渦電流が発生するため、この渦電流による誘導トルクが磁石トルクに加わって出力を向上させることができる。
特開２００４−２５４３５６号公報（第４−８頁、図１−８）

ところで、上述した特許文献１に開示された電動機では、固定子のコイルエンドの漏れ電流の方向およびそれにより発生する渦電流の方向は一定ではなく多岐にわたるとともに、漏れ磁束が磁気抵抗の大きい空気中を通過するため円盤を透過する磁束が少なくなり、誘導トルクによる出力向上が少ないという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、出力向上を図ることができる回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、固定子巻線が巻装された固定子鉄心を有する固定子と、固定子鉄心に対向配置された回転子と、固定子鉄心の軸方向端面から突出した固定子巻線のコイルエンド部に配置された磁性体部と、回転子とともに回転して磁性体部に対向する円盤部とを備えている。これにより、コイルエンド部で発生する磁束を透磁率が高い磁性体部に通してその向きを揃えるとともに損失を低減して円盤部に効率よく磁束を通すことができるため、出力向上を図ることが可能となる。

また、上述した磁性体部は、コイルエンド部によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されていることが望ましい。あるいは、上述した磁性体部は、コイルエンド部内に放射状に配置された複数の板状部材と、複数の板状部材を連結する環状部材とを含んで構成されていることが望ましい。また、上述したコイルエンド部は、径方向に沿った向きに延在した電気導体を含んでおり、板状部材は、周方向に隣り合った電気導体の間に配置されていることが望ましい。これにより、コイルエンド部で発生する磁束を確実に磁性体部に導くことができる。

また、上述した円盤部の少なくとも一部であって磁性体部と対向する部分は、磁石または磁性体で構成されていることが望ましい。これにより、コイルエンド部内の磁性体部と円盤部による磁路を形成することができ、円盤部を回転子の一部として出力向上を図ることができる。

以下、本発明の回転電機を適用した一実施形態の車両用電動機について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、一実施形態の車両用電動機の断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用電動機１００は、固定子鉄心１、回転子２、固定子巻線３、フロントフレーム４、リアフレーム５、円盤部６、回転軸７、磁性体部１０を含んで構成されている。

固定子鉄心１は、フロントフレーム４とリアフレーム５によって軸方向に挟持されて固定されており、所定厚さの鋼板を積層することにより構成されている。固定子巻線３は、固定子鉄心１の各スロットに巻装されている。固定子巻線３と、固定子巻線３が巻装された固定子鉄心１とによって固定子が構成されている。

回転子２は、フロントフレーム４およびリアフレーム５に軸受け８、９を介して回転自在に支持された回転軸７に固定されたリラクタンス型の構造を有しており、固定子鉄心１の内径側に配置されている。回転子２は、例えば、所定厚さの鋼板を積層することにより構成されている。固定子巻線３は、例えば三相電機子巻線であって、外部のバッテリに接続された三相インバータ（図示せず）から給電されて回転磁界を発生する。なお、回転子２はリラクタンス型の構造を有しているが、磁石を含むＩＰＭ型構造あるいは界磁巻線を含む構造であってもよい。

固定子巻線３は、図２に示す所定形状（Ｕ字状）の電気導体としてのセグメント３３を固定子鉄心１の一方の端面側から固定子鉄心１の各スロットに挿通し、スロットから各セグメント３３の飛び出し端部を固定子鉄心１の他方の端面側に必要な長さだけ突出させ、各セグメント３３の飛び出し端部を周方向にほぼ電気角でπ／２だけそれぞれ捻り、各セグメント３３の飛び出し端部の先端部（接合部）を所定の組み合わせで溶接して構成されている。セグメント３３は、溶接部分すなわち上記飛び出し端部の先端部（端部先端部ともいう）を除いて樹脂皮膜（絶縁皮膜）で被覆されたＵ字形状を有している。

次に、２本のセグメント３３からなるセグメントセット（図２）の詳細を更に詳しく説明する。図２に示すセグメントセットは、ほぼＵ字状のターン部と、このターン部の両端から直線的に伸びてスロットに収容されている一対のスロット導体部と、両スロット導体部の先端からそれぞれ伸びる一対の飛び出し端部とをそれぞれ有する２つのセグメント３３からなっている。これら２つのセグメント３３において、小さい方を小セグメント３３２、この小セグメント３３２を囲む大きい方を大セグメント３３１と称する。なお、固定子鉄心１の各スロット３５に挿入される前の状態では、周方向に捻られた飛び出し端部が形成されておらず、スロット導体部と飛び出し端部に相当する部分が直線部を形成している。

固定子巻線３は、固定子鉄心１の一方の端面側に全体としてリング状に存在する第１のコイルエンド部３１と、固定子鉄心１の他方の端面側に全体としてリング状に存在する第２のコイルエンド部３２と、スロット内に存在するスロット導体部とに区分される。つまり、図１において、一方のコイルエンド３１は、各セグメント３３のターン部により構成され、他方のコイルエンド３２は各セグメント３３の飛び出し端部により構成されている。

大セグメント３３１は、スロット導体部３３１ａ、３３１ｂと、ターン部３３１ｃと、飛び出し端部３３１ｆ、３３１ｇとを有する。飛び出し端部３３１ｆ、３３１ｇの先端部３３１ｄ、３３１ｅは、接合部分であるので端部先端部又は接合部とも称する。

小セグメント３３２は、スロット導体部３３２ａ、３３２ｂと、ターン部３３２ｃと、飛び出し端部３３２ｆ、３３２ｇとを有する。飛び出し端部３３２ｆ、３３２ｇの先端部３３２ｄ、３３２ｅは、接合部分であるので端部先端部又は接合部とも称する。

符号「’」は、図示しない大セグメント３３１または小セグメント３３２の符号「’」がない部分と同じ部分を示す。したがって、図２では、互いに径方向に隣接する接合部３３２ｄと接合部３３１ｄ’とが溶接され、互いに径方向に隣接する接合部３３２ｅと接合部３３１ｅ’とが溶接されている。

図２では、最内層のスロット導体部３３１ａと中内層のスロット導体部３３２ａが、固定子鉄心１の一のスロット３５に収容される場合、同じ大セグメント３３１および小セグメント３３２の最外層のスロット導体部３３１ｂと中外層のスロット導体部３３２ｂは、この一のスロット３５から所定奇数磁極ピッチＴ（たとえば１磁極ピッチ（電気角度π））離れた他のスロット３５に収容される。小セグメント３３２のターン部３３２ｃは大セグメント３３１のターン部３３１ｃに囲まれるようにして配置されている。

磁性体部１０は、上述した一方のコイルエンド部３１に、このコイルエンド部３１によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されている。図３は、磁性体部１０の平面図である。また、図４は磁性体部１０の断面図である。本実施形態の磁性体部１０は、コイルエンド部３１内に回転軸７を中心とした放射状に配置された複数の板状部材１０ａと、複数の板状部材１１を連結する環状部材１０ｂとを含んで構成されている。これらの板状部材１０ａおよび環状部材１０ｂの両方が磁性体材料により形成されている。環状部材１０ｂは、上述した大セグメント３３１の内側に配置された小セグメント３３２のターン部３３２ｃのさらに内側を貫通するように配置されている。また、磁性体部１０の固定および位置決めは、複数（少なくとも２枚）の板状部材１０ａから連結部１０ｃを固定子鉄心１側に延在させ、その端部を固定子鉄心１に溶接等で連結することにより行われる（図１）。

図５は、固定子巻線３のコイルエンド３１と磁性体部１０の板状部材１０ａの位置関係を示す平面図である。図５に示すように、コイルエンド部３１は、径方向に沿った向きに延在した電気導体としての大セグメント３３１のターン部３３１ｃおよび小セグメント３３２のターン部３３２ｃ（図５ではターン部３３１ｃにターン部３３２ｃが隠れている）を含んでいる。複数の板状部材１０ｂは、周方向に隣り合ったターン部３３１ｃ間に配置されている。

円盤部６は、回転子２の一方の軸方向端部に固定されて回転子２とともに回転する。この円盤部６は、断面がクランク形状に形成されており、外周側の円盤部分に複数の磁性体６ａが周方向に所定間隔で配置されている。これらの磁性体６ａは、上述した板状部材１０ａの軸方向端面と所定の隙間を介して対向配置されている。また、磁性体６ａを除く円盤部６は非磁性体材料により形成されている。

図６は、板状部材１０ａと円盤部６の位置関係を示す図であり、固定子鉄心１を内径側から見た部分的な展開図である。図６に示すように、各板状部材１０ａの軸方向端面に対応する位置に円盤部６の磁性体６ａが配置されている。また、隣接する２つの磁性体６ａの周方向ピッチ（間隔）は、回転子２の磁極ピッチに一致している。なお、円盤部６全体を磁性体材料で形成し、磁性体６ａに対応する円盤部分において磁性体６ａ以外の部分を凹ませるようにしてもよい（図５に示す回転子２の形状を周方向に展開した形状）。また、磁性体６ａの代わりに永久磁石を用いるようにしてもよい。この場合には、極性が異なる永久磁石が周方向に沿って交互に配置されるようにする。

このような構造を有する本実施形態の車両用電動機１００では、コイルエンド部３１で発生する磁束を透磁率が高い磁性体部１０に通してその向きを揃えるとともに損失を低減して円盤部６に効率よく磁束を通すことができるため、出力向上を図ることが可能となる。具体的には、コイルエンド部３１内に磁性体部１０として板状部材１０ａと環状部材１０ｂとによって、円盤部６の隣接する２つの磁性体６ａとの間に磁路が形成されるため、回転子２と固定子鉄心１の対向面積を増加させた場合と同様に作用し、これにより出力向上が図られる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、固定子巻線３の一方のコイルエンド部３１側に磁性体部１０と円盤部６を配置したが、これらを他方のコイルエンド部３２側に配置したり、両方のコイルエンド部３１、３２に配置するようにしてもよい。

図７は、両方のコイルエンド部３１、３２に磁性体部と円盤部が配置された車両用電動機１００Ａの断面図である。この車両用電動機１００Ａは、図１に示した車両用電動機１００に対してコイルエンド部３２側に磁性体部１０’（図８）と円盤部６が追加された点が異なっている。追加された円盤部６は、コイルエンド部３１側の円盤部６と同じ構成を有している。また、磁性体部１０’は、コイルエンド部３１側の磁性体部１０（図３）に対して、環状部材１０ｂが１本追加されて、２本の環状部材１０ｂを備えている点が異なっている。環状部材１０ｂの本数は、コイルエンド部３２の形状に基づいて決定される。すなわち、図２に示すように、コイルエンド部３２は、飛び出し端部３３１ｇと飛び出し端部３３２ｇの先端同士を接合することで構成される第１のターン部と、飛び出し端部３３２ｆと飛び出し端部３３１ｆの先端同士を接合することで構成される第２のターン部とが径方向に沿って並んでおり、これら第１および第２のターン部のそれぞれに内包されるように２本の環状部材１０ｂが備わっている。したがって、コイルエンド部３１あるいはコイルエンド部３２において、径方向に並んだターン部の数が３以上の場合には、これらのターン部の数に合わせた環状部材１０ｂを有する磁性体部を用いればよい。

また、上述した環状部材１０ｂは、セグメント３３を固定子鉄心１のスロットに挿入する際に各ターン部の内側に環状部材１０ｂを配置する必要があり、製造工程が複雑になる。図９は、固定子鉄心１に固定子巻線３を装備した後に磁性体部を追加する場合の具体例を示す図である。図９（Ａ）に示すセグメント３３では、径方向に沿って２つのターン部が並んでいる（例えば、図１および図７に示すコイルエンド３２）。

この変形例では、磁性体部２１０、２２０が磁性体部１０の代わりに用いられる。磁性体部２１０、２２０のそれぞれは、上部から見た形状がコの字型を有し、側方から見た形状（固定子巻線３の径方向から見た形状）がくの字型を有している（図９（Ａ）、（Ｂ））。図９（Ｂ）は図９（Ａ）に示された磁性体部２１０、２２０の側面図である。

これら２つの磁性体部２１０、２２０を組み合わせることにより、図２に示すセグメント３３の反ターン部側（飛び出し端部３３１ｆ等）の端部を部分的に抜き出したような形状となる（図９（Ｃ）、（Ｄ））。図９（Ｄ）は図９（Ｃ）に示された磁性体部２１０、２２０の側面図である。

図９（Ｃ）、（Ｄ）に示す一組の磁性体部２１０、２２０が、周方向に隣接するセグメント３３間に配置される。これにより、周方向に隣接する一方の組に含まれる磁性体部２１０の斜行部２１０ａの先端と、他方の組に含まれる磁性体部２２０の斜行部２２０ａの先端とが径方向に連結するように配置される（図９（Ｄ））。これにより、各組の磁性体部２１０、２２０によって、図８に示した磁性体部１０’と同様に周方向に連結するとともに、板状部材１０ａと同等の部位を含む磁路が確保される。しかも、固定子巻線３を形成した後に磁性体部２１０、２２０を追加することができるため、製造が容易となる。なお、２つの磁性体部２１０、２２０を組み合わせて用いるのは、磁性体部２１０、２２０を組み合わせた後の周方向幅が、周方向に隣接するセグメント３３の間隔よりも広いためである。

また、上述した実施形態では、円盤部６に磁性体あるいは永久磁石を配置するようにしたが、円盤部６を導電性部材からなる非磁性体材料で形成するようにしてもよい。この場合には、この円盤部６に渦電流を発生させて出力向上を図ることができる。

一実施形態の車両用電動機の断面図である。 固定子巻線の一部をなすセグメントの斜視図である。 磁性体部の平面図である。 磁性体部の断面図である。 固定子巻線のコイルエンドと磁性体部の板状部材の位置関係を示す平面図である。 板状部材と円盤部の位置関係を示す図である。 両方のコイルエンド部に磁性体部と円盤部が配置された車両用電動機の断面図である。 変形例の磁性体部の平面図である。 固定子鉄心に固定子巻線を装備した後に磁性体部を追加する場合の具体例を示す図である。

符号の説明

１００ 車両用電動機
１ 固定子鉄心
２ 回転子
３ 固定子巻線
４ フロントフレーム
５ リアフレーム
６ 円盤部
７ 回転軸
１０ 磁性体部
１０ａ 板状部材
１０ｂ 環状部材

Claims (3)

1. 固定子巻線が巻装された固定子鉄心を有する固定子と、
   前記固定子鉄心に対向配置された回転子と、
   前記固定子鉄心の軸方向端面から突出した前記固定子巻線のコイルエンド部に配置された磁性体部と、
   前記回転子とともに回転して前記磁性体部に対向する円盤部と、
   を備えるものであって、
   前記磁性体部は、前記コイルエンド部によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されているとともに、前記コイルエンド部内に放射状に配置された複数の板状部材と、前記複数の板状部材を連結する環状部材とを含んで構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記コイルエンド部は、径方向に沿った向きに延在した電気導体を含んでおり、
   前記板状部材は、周方向に隣り合った前記電気導体の間に配置されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記円盤部の少なくとも一部であって前記磁性体部と対向する部分は、磁石または磁性体で構成されていることを特徴とする回転電機。

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