JP5874554B2

JP5874554B2 - 回転電機用ステータ

Info

Publication number: JP5874554B2
Application number: JP2012156143A
Authority: JP
Inventors: 服部　宏之; 宏之服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-07-12
Also published as: JP2014023170A

Description

本発明は、回転電機用ステータに係り、特に、ロータからの漏れ磁束によってステータコイル巻線に渦電流損が生じる回転電機用ステータに関する。

回転電機を構成するステータのコイル巻線に駆動電流が供給されることでステータは回転磁界を発生し、ロータが回転する。このとき、ロータからステータに向かう磁束の一部が漏れ磁束となってコイル巻線を貫通し、その磁束変化によって渦電流損がステータコイル巻線に生じる。

例えば、特許文献１は、ステータコアのティースに巻回されるコイル巻線の渦電流損がステータコアの内周側であるロータ側に近いほど多く、外周側に行くほど少ないことを指摘している。そこで、コイルについて、ステータコアの内周側のコイル巻線を分割断面型とし、外周側のコイル巻線を単一断面型とすることが開示されている。

特許文献２では、回転電機巻線用導線を集合導線で構成すると、渦電流の発生を抑制し、占積率を向上させることができる反面、集合導線の剛性が高くなるため、曲げ加工等が困難になることを指摘している。そこで、一層分を平面的に複数の導体素線に分割し、その一層分を複数層重ねて積層し、各導体素線の間と、複数層の各層の間を簡易絶縁部で結合して集合導線を構成することで、曲げ加工を容易にすることが開示されている。

特開２０１２−１１０１１４号公報特開２０１１−１８８７２１号公報

コイル巻線を集合導線とし、その分割数を増やせばより渦電流損を減少させることができる。しかし、集合導線の分割数を増やすと、絶縁体被覆工程の増加、導体素線を束ねる工程の複雑化、曲げや捩じり工程の困難化等が伴い、これに伴いコイル巻線の占積率が低下する。

本発明の目的は、コイル巻線の占積率を確保しながら渦電流損を効果的に低減できる回転電機用ステータを提供することである。

本発明に係る回転電機用ステータは、周方向に沿って配置される複数のティース部を有するステータコアと、ティース部にコイル巻線が複数回巻回され、それぞれのコイル巻線は、断面積が同じ複数の導体素線の集合である集合導線で構成されるコイル巻線部と、を備え、各コイル巻線において導体素線の数は当該コイル巻線を通る漏れ磁束の量に応じてステータコアの外周側から内周側に向かって順次増加し、導体素線の数を増加させるための導体素線の分割方向は漏れ磁束の量が少ない外周側ではステータコアの周方向に平行の一方向に設定され、漏れ磁束の量が増加して平行の一方向の分割では導体素線の数の増加が不足する内周側では分割方向は二方向に設定されることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機用ステータにおいて、集合導線で構成されるコイル巻線は、ティース部に単層で複数回巻回されることが好ましい。

上記構成によって、回転電機用ステータは、コイル巻線として、コイル巻線を通る漏れ磁束の量に応じて設定された数の導体素線を有する集合導線を用いる。漏れ磁束の量は一様ではないので、漏れ磁束の量に応じて集合導線の分割数を設定する。これにより、必要最小限の分割数とでき、占積率を確保しながら、渦電流損を効果的に抑制できる。

漏れ磁束の量は、ステータコアの外周側の方が内周側に比べて小さいので、これに合わせ、ステータコアの外周側のコイル巻線の導体素線の数は、内周側のコイル巻線の導体素線の数より少なくする。これにより、無駄に分割数を増やすことがなく必要最小限の分割数とでき、占積率を確保しながら、渦電流損を効果的に抑制できる。

また、ステータコアの外周側に行くほど漏れ磁束の量は少なくなるので、ステータコアの周方向に平行に分割された複数の導体素線を径方向に積層するものとし、外周側に行くほど積層数を少なくする。これにより、必要最小限の分割数とでき、占積率を確保しながら、渦電流損を効果的に抑制できる。

本発明に係る実施の形態における回転電機用ステータの平面図と一部拡大図である。本発明に係る実施の形態の回転電機用ステータにおいて、ステータコアにおける径方向の位置に応じて、コイル巻線の集合導線の分割数が変更される様子を示す図である。本発明に係る実施の形態の回転電機用ステータにおいて、漏れ磁束の量と集合導線の分割数の関係を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、コイル巻線は集中巻方式で巻回されるものを述べるが、分布巻方式で巻回されても構わない。また、コイル巻線として断面が矩形形状の平角導線を用いるものを述べるが、これは説明のための例示であって、断面が円形の丸形導線、楕円形断面の導線、矩形形状の角部を丸めた略矩形形状断面の導線等を用いてもよい。以下で述べるステータコアのティース部の数、コイル巻線の巻数、集合導線における分割数等は説明のための例示であって、回転電機用ステータの仕様に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において、一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機用ステータ１０を示す図で、図１（ａ）は一部を破断した平面図、（ｂ）は1つのスロットについての拡大図である。なお、図１において、回転電機用ステータ１０の構成要素ではないが、ロータ６と、ロータ６を固定する回転軸８を示す。回転電機用ステータ１０は、ロータ６と電磁作用的に協働して、ロータ６を回転させ、回転軸８にトルクを出力させる。

回転電機用ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２の周方向に沿って配置される複数のティース部１４と、ティース部１４の一部であってロータ６に対向する先端部１６と、隣接するティース部１４の間の空間であるスロット部１８と、スロット部１８を通りティース部１４に複数回巻回されるコイル巻線部２０を含む。

ステータコア１２は、内周側に複数のティース部１４が配置される円環状の磁性体部材である。図１では、１２個のティース部１４を有するステータコア１２が示されている。かかるスタータコア１２は、所定の形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成される。

コイル巻線部２０は、予め定めた巻数でそれぞれのティース部１４に集中巻方式で巻回される絶縁被覆付導線である。複数のコイル巻線部２０のそれぞれに、図示されていない駆動回路から予め定めた順序で駆動信号が供給されると、複数のティース部１４の先端部１６に磁界が順次発生し、ロータ６に対する回転磁界が形成される。

インシュレータ３０は、ステータコア１２とコイル巻線部２０との間、および同じスロット部１８の中に配置される２つのコイル巻線部２０との間に配置される絶縁体である。かかるインシュレータ３０としては、適当なプラスチックシートを用いることができる。これに代えて、各コイル巻線部２０の外周に絶縁性樹脂を塗布してもよい。

各ティース部１４に巻回されるコイル巻線部２０の巻数は予め設定される。図１では、各ティース部１４に４回巻回されるコイル巻線部２０が示され、コイル巻線部２０のそれぞれの１巻きがコイル巻線２２，２４，２６，２８として示されている。ここで、コイル巻線部２０の少なくとも一部には、集合導線が用いられる。

集合導線とは、断面が1本の導線で構成される単一断面型の導線に対応するもので、断面が複数の導体素線に分割され、分割された複数の導体素線を再び集合させて１本のコイル巻線としたものである。分割された複数の導体素線の間は電気的に絶縁される。集合導線は、単一断面型の導線と同じ断面積を複数に分割するので、単一断面型の導線と比較して、コイル巻線に鎖交する漏れ磁束により発生する渦電流のループが短くなり、これにより渦電流損を低下させることができる。また、適切な分割によって、スロット部１８内におけるコイル巻線部２０の占積率を向上させることもできる。

コイル巻線部２０の少なくとも一部に集合導線が用いられるとは、例えば４巻きの全部を集合導線としてもよく、４巻きの中の一部を集合導線とし、残りを単一断面型の導線としてもよいことを意味する。図１（ｂ）では、コイル巻線部２０の４巻きの全部のコイル巻線２２，２４，２６，２８に集合導線が用いられている。コイル巻線２２，２４，２６，２８において、集合導線を構成する導体素線の数がそれぞれ異なっている。導体素線の本数は、コイル巻線２２において２本であり、コイル巻線２４において３本であり、コイル巻線２６において４本であり、コイル巻線２８において１２本である。なお、導体素線の本数が互いに異なる集合導線の間の接続には、導電性接着材が用いられる。これに代えて、溶接によって単一断面型の導線と集合導線との間を接続してもよい。

なお、図１では、各ティース部１４に巻回されるコイル巻線部２０の巻数を４巻きとしたが、これ以外の巻数であっても構わない。また、４巻きの全部を集合導線としたが、場合によっては、ステータコア１２の外周側のコイル巻線を単一断面型の導線としてもよい。また、集合導線として、２本、３本、４本、１２本の導体素線に分割されるものとしたが、これ以外の分割数であってもよい。

図２は、コイル巻線２２，２４，２６，２８を比較した図で、図２（ａ）は、ステータコア１２の最外周側に巻回され、２本の導体素線３２で構成されるコイル巻線２２の断面図、（ｂ）は、コイル巻線２２よりも内周側に巻回され、３本の導体素線３４で構成されるコイル巻線２４の断面図、（ｃ）は、コイル巻線２４よりも内周側に巻回され、４本の導体素線３６で構成されるコイル巻線２６の断面図、（ｄ）は、ステータコア１２の最内周側に巻回され、１２本の導体素線３８で構成されるコイル巻線２８の断面図である。コイル巻線２２，２４，２６，２８の断面積は同じであるので、導体素線３２の断面積Ｓを基準とすると、導体素線３４の断面積は（２/３）Ｓ、導体素線３６の断面積は（１／２）Ｓ、導体素線３８の断面積は（１／６）Ｓである。

また、ステータコア１２の最内周側に巻回されるコイル巻線２８は、導体素線３８の分割方向が２方向である。これに対し、コイル巻線２８よりもステータコア１２の外周側に巻回されるコイル巻線２６，２４，２２においては、導体素線３６，３４，３２の分割方向がステータコア１２の周方向に平行の一方向のみで、各導体素線３６，３４，３２はステータコア１２の径方向に積層される。積層数は、ステータコア１２において、より外周側に巻回されるコイル巻線の方が、より内周側に巻回されるコイル巻線よりも少ない。例えば、コイル巻線２２の導体素線３２の積層数は２で、これより内周側に巻回されるコイル巻線２４の導体素線３４の積層数３よりも少ない。コイル巻線２４の導体素線３４の積層数３は、さらに内周側に巻回されるコイル巻線２６の導体素線３６の積層数４よりも少ない。

これらのコイル巻線２２，２４，２６，２８において、各導体素線３２，３４，３６，３８の外周は絶縁層４０で被覆される。これによって、コイル巻線２２，２４，２６，２８を構成する各導体素線３２，３４，３６，３８の間は電気的に絶縁される。

かかる導体素線３２，３４，３６，３８としては、銅線が用いられる。銅線に代えて、アルミニウム、銀、鉄、金、またはこれらの合金で構成される導線を用いてもよい。また、導体素線３２，３４，３６，３８の外周の絶縁層４０としては、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等のイミド系樹脂が用いられる。これに代えて、ポリビニルブチラール系、ポリアミド系、エポキシ系の融着材や、エチレン−酢酸ビニル共重合系樹脂（ＥＶＡ系樹脂）、アクリル系、ウレタン系、シリコーン系の絶縁接着材を用いることができる。

図３は、上記構成の作用効果を示す図である。図３は図１（ｂ）に対応する図であるが、コイル巻線２２，２４，２６，２８にそれぞれ作用する漏れ磁束４２，４４，４６，４８が矢印で示されている。ロータ６からの磁束は、主に、ティース部１４の先端部１６を通って磁気抵抗の小さいティース部１４を流れるが、ティース部１４が磁気飽和した場合あるいは磁気飽和に近いときにティース部１４から漏れてスロット部１８を通る。これがコイル巻線２２，２４，２６，２８に作用する漏れ磁束４２，４４，４６，４８となる。

漏れ磁束４２，４４，４６，４８の量は、ステータコア１２の内周側から外周側に向かって小さくなる。図３では、漏れ磁束４２，４４，４６，４８の量の大きさを矢印の太さで示した。ステータコア１２の最内周側に巻回されるコイル巻線２８には、最も多くの量の漏れ磁束４８が作用する。これよりもステータコア１２の外周側に巻回されるコイル巻線２６には漏れ磁束４８よりは少ない量の漏れ磁束４６が作用する。さらにステータコア１２の外周側に巻回されるコイル巻線２８には漏れ磁束４６よりは少ない量の漏れ磁束４４が作用する。ステータコア１２の最外周側に巻回されるコイル巻線２２には、最も少ない量の漏れ磁束４２が作用する。

ここで、コイル巻線２２の導体素線３２の断面積をＳとして、コイル巻線２４の導体素線３４の断面積は（２/３）Ｓ、コイル巻線２６の導体素線３６の断面積は（１／２）Ｓ、コイル巻線２８の導体素線３８の断面積は（１／６）Ｓである。このように、コイル巻線２２，２４，２６，２８に作用する漏れ磁束の量に応じて、導体素線３２，３４，３６，３８の数を増加させ、導体素線３２，３４，３６，３８の断面積を小さくする。

ステータコア１２の最内周側に巻回されるコイル巻線２８には最も量の多い漏れ磁束４８が作用するので、導体素線３８の分割方向が一方向では足りず二方向とされる。これよりもステータコア１２の外周側に巻回されるコイル巻線２６，２４，２２には少ない量の漏れ磁束４６，４４，４２が作用するので、導体素線３６，３４，３２の分割方向がステータコア１２の周方向に平行な一方向のみとできる。

このように、コイル巻線に作用する漏れ磁束の量が多くなるにつれて、コイル巻線を構成する導体素線の数を増加させ、導体素線の断面積を小さくすることで、渦電流のループを順次短くできる。これによって、導体素線の分割数を無駄のない必要最小限として、占積率を確保することができる。また、漏れ磁束の量が多いコイル巻線における渦電流損を、漏れ磁束の量が少ないコイル巻線の渦電流損に近づけることができ、渦電流損を効果的に抑制できる。

６ロータ、８回転軸、１０回転電機用ステータ、１２ステータコア、１４ティース部、１６先端部、１８スロット部、２０コイル巻線部、２２，２４，２６，２８（集合導線で構成される）コイル巻線、３０インシュレータ、３２，３４，３６，３８導体素線、４０絶縁層、４２，４４，４６，４８漏れ磁束。

Claims

周方向に沿って配置される複数のティース部を有するステータコアと、
ティース部にコイル巻線が複数回巻回され、それぞれのコイル巻線は、断面積が同じ複数の導体素線の集合である集合導線で構成されるコイル巻線部と、
を備え、
各コイル巻線において導体素線の数は当該コイル巻線を通る漏れ磁束の量に応じてステータコアの外周側から内周側に向かって順次増加し、
導体素線の数を増加させるための導体素線の分割方向は漏れ磁束の量が少ない外周側ではステータコアの周方向に平行の一方向に設定され、漏れ磁束の量が増加して平行の一方向の分割では導体素線の数の増加が不足する内周側では分割方向は二方向に設定されることを特徴とする回転電機用ステータ。
請求項1に記載の回転電機用ステータにおいて、
集合導線で構成されるコイル巻線は、ティース部に単層で複数回巻回されることを特徴とする回転電機用ステータ。