JP6589721B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、環状のステータコアにトロイダル状に巻き回された巻線を備える回転電機が知られている。例えば、特許文献１に開示された回転電機では、巻線は、周方向に並ぶ複数のトロイダル巻き部から構成されている。トロイダル巻き部は、ステータコアの内周部と外周部とに掛けられるようにトロイダル状に巻かれた電線からなる。ステータコアの外周部には、ステータコアの内周部と同数の電線が設けられている。

このような巻線を備える回転電機では、ステータコアの外周部から径方向外側への漏れ磁束による性能低下が懸念される。これに対して、特許文献１では、ステータコアに対して径方向外側に非磁性金属製のシールド部材を設けている。これにより、シールド部材での渦電流によるシールド作用を利用して巻線の径方向外側への漏れ磁束の低減が図られている。

特開２００３−７９１１５号公報

特許文献１では、シールド部材で積極的に渦電流を発生させている。このことは、巻線の径方向外側への漏れ磁束を低減するには有効である。しかし、上記の方策は、渦電流損が増加して回転電機の効率が低下するという新たな問題を招く。渦電流損は、巻線を流れる交流電流の周波数の二乗に比例して大きくなるため、高速回転する回転電機ほど効率低下の問題が深刻になる。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、渦電流損による効率低下が抑制された回転電機を提供することである。

本発明による回転電機は、ロータと、ステータコアと、巻線とを備えている。ステータコアは、ロータに対して径方向外側に設けられている環状部材であり、内周部に形成されている内スロットおよび外周部に形成されている外スロットを有する。巻線は、内スロットおよび外スロットを軸方向へ挿通するようにステータコアにトロイダル状に巻き回されている。内スロットの数をNsとし、巻線の相数をmとし、ロータの極数をPとすると、(Ns≧2mP)である。巻線のうち内スロットを挿通している部分を内側挿通線とし、巻線のうち外スロットを挿通している部分を外側挿通線とすると、外側挿通線の数は内側挿通線の数の半分である。

トロイダル状の巻線を備える従来の回転電機では、外側挿通線の数は内側挿通線の数と同じである。これに対して、本発明の回転電機では、外側挿通線の数は内側挿通線の数の半分である。そのため、本発明では、ステータコアの径方向外側に設けられるハウジングで発生する渦電流損が従来と比べて半減する。したがって、本発明によれば、渦電流損による効率低下を抑制することができる。

本発明の第１実施形態による回転電機の縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面のステータを示す図である。 図１のステータを矢印ＩＩＩ方向から見た図である。 図１のステータを矢印ＩＶ方向から見た図である。 図３のステータを矢印Ｖ方向から見た図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面のステータを示す図である。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面のステータを示す図である。 図２の巻線のＵ相巻線について説明する図である。 本発明の第１実施形態の変形例の巻線のＵ相巻線について説明する図である。 本発明の第２実施形態による回転電機のステータを示す図である。 本発明の第３実施形態による回転電機の巻線の断面を拡大して示す図である。 本発明の第４実施形態による回転電機のステータを示す図である。 本発明の第５実施形態による回転電機のステータおよびハウジングを示す断面図である。 比較形態の巻線のＵ相巻線について説明する図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による回転電機を図１に示す。回転電機１０は、例えば車両などに搭載され、モータ、発電機、またはモータジェネレータとして使用される。

＜全体構成＞
先ず、回転電機１０の全体的な構成について図１および図２を参照して説明する。
回転電機１０は、ハウジング１１、シャフト１２、ロータ１３、およびステータ１４を備えている。
ハウジング１１は、有底筒状の第１ケース１５および第２ケース１６を有している。第１ケース１５および第２ケース１６は、アルミニウム合金からなり、互いに開口端部が組み合わされた状態で固定されている。第１ケース１５の底部の中央部には軸受１７が設けられている。第２ケース１６の底部の中央部には軸受１８が設けられている。

シャフト１２は、軸受１７、１８により回転可能に支持されている。
ロータ１３は、インナーロータであり、ロータコア２１および複数の永久磁石２２を有している。ロータコア２１は、シャフト１２に嵌合して固定されている。永久磁石２２は、ロータコア２１の外周部に固定されており、ロータ１３の磁極を構成している。ロータ１３は、シャフト１２と共に回転する。

ステータ１４は、ステータコア２３および巻線２４を有している。ステータコア２３は、ロータ１３に対して径方向外側に設けられている環状部材である。ステータコア２３の内周部には複数の第１内スロット２５１および第２内スロット２５２が形成されている。ステータコア２３の外周部には複数の外スロット２６が形成されている。以降、第１内スロット２５１および第２内スロット２５２を区別しない場合には「内スロット２５」と記載する。内スロット２５および外スロット２６は、軸方向へ貫通するように延びている溝である。

巻線２４は、内スロット２５および外スロット２６を軸方向へ挿通するようにステータコア２３にトロイダル状に巻き回されている。本実施形態では、巻線２４は、一端部同士が互いに結線されたＵ相巻線２７、Ｖ相巻線２８およびＷ相巻線２９からなる。各相巻線の他端部は、外部の駆動回路に接続される。
このように構成された回転電機１０は、各相巻線への通電が所定の通電パターンで切り替えられると回転磁界を発生させてロータ１３を回転させる。

＜特徴構成＞
次に、回転電機１０の特徴的な構成について図２〜図９を参照して説明する。図８および図９において、一点鎖線は紙面よりも手前にある電線を示しており、また、破線は紙面よりも奥にある電線を示している。以降、ステータコア２３の軸方向を単に「軸方向」と記載し、ステータコア２３の径方向を単に「径方向」と記載する。

（内スロット数、極数、相数の関係）
回転電機１０では、内スロット数（すなわち、内スロット２５の数）Nsと、ロータ１３の極数Pと、巻線の相数mとの関係は、(Ns≧2mP)が成り立つ。

（スロット）
図２に示すように、第１内スロット２５１および第２内スロット２５２は、周方向において交互に配置されている。第２内スロット２５２は、第１内スロット２５１よりも径方向外側に深くなるように形成されている。つまり、第２内スロット２５２の径方向長さ（すなわち溝深さ）は第１内スロット２５１の径方向長さよりも長い。外スロット２６は、第１内スロット２５１と同じ周方向位置に形成されている。外スロット２６の数は、内スロット２５の数の半分であり、第１内スロット２５１の数と同じである。ステータコア２３のバックヨークのうち、第１内スロット２５の外側の磁気透過領域の幅Ｗｂ１と、第２内スロット２５の外側の磁気透過領域の幅Ｗｂ２は同じである。

（巻線の構造）
図３〜図７に示すように、巻線２４は、平角線から構成されている複数のセグメント導体同士を電気的に接続してなるセグメント巻線である。
また、巻線２４は、第１内スロット２５１を挿通している第１内側挿通線３１１と、第２内スロット２５２を挿通している第２内側挿通線３１２と、外スロット２６を挿通している外側挿通線３２と、第１内側挿通線３１１と外側挿通線３２とを接続している径方向接続線３３と、コイルエンド部で周方向へ延びている渡り線とを有している。

上記渡り線には、周方向で隣接する第２内側挿通線３１２と外側挿通線３２とを接続している隣接スロット接続線３４と、周方向で離れた第２内側挿通線３１２同士を接続している極対内接続線３５と、周方向で離れた第１内側挿通線３１１同士を接続している極対間接続線３６（図８参照）または倍スロット間接続線３７（図９参照）とが含まれている。極対間接続線３６、倍スロット間接続線３７については、極数Pおよび内スロット数Nsによって有無が決定する。以降、第１内側挿通線３１１と第２内側挿通線３１２とを区別しない場合には「内側挿通線３１」と記載する。

各相巻線は、上記各種の線の組み合わせにより構成されている。以下、各相巻線を代表して、Ｕ相巻線２７の構造について説明する。
先ずは、図８に示すように、極数Pが４であり、内スロット数Nsが２４である本実施形態について説明する。本実施形態の場合、Ｕ相巻線２７は、周方向において互いに約９０度離れた４箇所に１つずつ設けられている４つの第１内側挿通線３１１と、第１内側挿通線３１１に隣接している４つの第２内側挿通線３１２と、第１内側挿通線３１１に対して径方向外側に位置している４つの外側挿通線３２と、それらを接続している４つの径方向接続線３３および４つの隣接スロット接続線３４と、極対内に設けられている２つの極対内接続線３５と、極対間に設けられている１つの極対間接続線３６とから構成されている。

続いて、図９に示すように、極数Pが２であり、内スロット数Nsが２４である変形例について説明する。この変形例の場合、Ｕ相巻線２７は、周方向において互いに約１８０度離れた２箇所に２つずつ設けられている４つの第１内側挿通線３１１と、第１内側挿通線３１１に隣接している４つの第２内側挿通線３１２と、第１内側挿通線３１１に対して径方向外側に位置している４つの外側挿通線３２と、それらを接続している４つの径方向接続線３３および４つの隣接スロット接続線３４と、極対内に設けられている２つの極対内接続線３５と、一巡目の巻線部と二巡目の巻線部との間に設けられている１つの倍スロット間接続線３７とから構成されている。

図８および図９のどちらの場合であっても、巻線２４は、第１内側挿通線３１１から径方向接続線３３と外側挿通線３２と隣接スロット接続線３４とを経て第２内側挿通線３１２まで接続された後は、渡り線を経て他の極に向かうように構成されている。巻線２４は、２つの内側挿通線３１および１つの外側挿通線３２を含むトロイダル巻き部と、トロイダル巻き部同士を接続している渡り線とから構成されている。これにより、外側挿通線３２の数は、内側挿通線３１の数の半分となっている。

（渡り線の形状）
巻線２４の渡り線は、周方向へ延びているため、他の渡り線と干渉しないように形成する必要がある。本実施形態では、図８および図９に示すように、極対内接続線３５、極対間接続線３６および倍スロット間接続線３７（以下、内側接続線）は、中間部３８が両端部３９と比べて径方向外側に位置するように形成されている。つまり、内側接続線の中間部３８は、隣接する他の内側接続線の両端部３９と干渉しないように径方向外側へ逃がされている。

（渡り線の総合長さ）
巻線２４の渡り線は、その総合長さが長いほど構造が複雑化し、コイルエンド部の高さも増大してしまう。この点において、本実施形態では、図１４に示すように従来からある通常の分布巻きの巻線（以下、通常巻線）９１を備える比較形態と比べて、渡り線の総合長さが短くなるように設計されている。つまり、(Ns／3P)で表される値を倍スロット数Nmsとし、(m／3)で表される値を系統数Nsysとすると、式（１）を満たすように各パラメータが設定されている。

式（１）は、「巻線２４の渡り線の総合長さが通常巻線９１の渡り線の総合長さよりも小さい」という関係式から導かれている。以下、具体的に説明する。
図８、図９に示すように、巻線２４の渡り線の総合長さは、式（２）で表される隣接スロット接続線３４の総合長さと、式（３）で表される極対内接続線３５の総合長さと、式（４）で表される極対間接続線３６の総合長さと、式（５）で表される倍スロット間接続線３７の総合長さとを足し合わせて、倍スロット数Nms、系統数Nsys、および基本巻線ピッチLcpについてまとめた式（６）で表される。渡り線平均直径Dcは、ロータ１３の回転軸心ＡＸから渡り線までの距離の平均値を二倍した値である。また、基本巻線ピッチLcpは、(πDc／P)で表される値である。

図１４に示すように、比較形態のステータ９２は、内周部にスロット９３を有するステータコア９４と、通常巻線９１とを備えている。比較形態の極数は４であり、スロット９３の数は２４である。通常巻線９１のＵ相巻線は、８つの挿通線９５と、４つの極対内接続線９６と、２つの極対間接続線９７と、倍スロット間接続線９８とから構成されている。
通常巻線９１の渡り線の総合長さは、式（７）で表される極対内接続線９６の総合長さと、式（８）で表される極対間接続線９７の総合長さと、式（９）で表される倍スロット間接続線９８の総合長さとを足し合わせて、倍スロット数Nms、系統数Nsys、および基本巻線ピッチLcpについてまとめた式（１０）で表される。

そして、式（６）が式（１０）よりも小さいという関係式（１１）から、式（１）が導かれる。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、外側挿通線３２の数は内側挿通線３１の数の半分である。
これに対して、トロイダル状の巻線を備える従来の回転電機では、外側挿通線の数は内側挿通線の数と同じである。したがって、本実施形態によれば、ステータコア２３の径方向外側に設けられるハウジング１１で発生する渦電流損が従来と比べて半減するので、渦電流損による効率低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、「巻線２４の渡り線の総合長さが通常巻線９１の渡り線の総合長さよりも小さい」という関係を示す前記の式（１）を満たす。
したがって、干渉を避けるように渡り線を配策することが比較的容易になり、巻線２４のコイルエンド部の構造を簡素化することができる。そのため、コイルエンド高さが低くなり搭載性が向上する。

また、第１実施形態では、巻線２４は、複数のセグメント導体同士を電気的に接続してなるセグメント巻線である。
したがって、巻線２４の断面に占める導体の割合である占積率を高めて、損失を低減することができる。

また、第１実施形態では、巻線２４のうち内側挿通線３１同士を接続している部分である内側接続線は、中間部３８が両端部３９と比べて径方向外側に位置している。
これにより、内側接続線３１同士の干渉を避けることができる。

また、第１実施形態では、内スロット２５は、周方向において交互に配置された第１内スロット２５１および第２内スロット２５２から構成されている。外スロット２６は、第１内スロット２５と同じ周方向位置に形成されている。第２内スロット２５２は、第１内スロット２５１よりも径方向外側に深くなるように形成されている。
これにより、第１内スロット２５１の外側の磁気透過領域の幅Ｗｂ１と第２内スロット２５２の外側の磁気透過領域の幅Ｗｂ２とを同じにして、ステータコア２３のバックヨークに磁気絞り部を設けることなく、第２内側挿通線３１２をロータ１３から離して配置することができる。つまり、第２内側挿通線３１２をロータ１３から離して配置しつつも、ステータコア２３のバックヨークの磁気透過領域をできるだけ径方向へ拡大させることができる。第２内側挿通線３１２をロータ１３から離して配置することで、第２内側挿通線３１２を透過する磁束による渦電流損が低減する。バックヨークの磁気透過領域の拡大により、ステータ１４の磁気飽和が緩和され力率が向上する。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態では、図１０に示すように、外側挿通線５１は、平角線であり、厚み方向がステータコア５２の径方向と一致するように設けられている。
これにより、外スロット５３は、第１実施形態における外スロット２６よりも径方向長さが短くて済む。したがって、第２実施形態では、第１実施形態と比べて、ステータコア５２のバックヨークの磁気透過領域を径方向へ拡大させることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態では、図１１に示すように、巻線６１は、複数の平角線６２を厚み方向に積層してなる積層線６３から構成されている。
これにより、巻線６１で生じる渦電流損が低減され、回転電機の効率が向上する。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態では、図１２に示すように、ステータコア７１は、複数の分割コア７２を環状に連結してなる。
これにより、各分割コア７２が分割された状態で巻線作業（電線を分割コア７２に巻き回す作業）をすることができるので、巻線作業が単純化され、生産性が向上する。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態では、図１３に示すように、ハウジング１１の第１ケース１５は、ステータコア２３に対して径方向外側に隣接して設けられている。このハウジング１１と外側挿通線３２と間には放熱材８１が設けられている。
これにより、巻線２４の放熱性が向上する。また、冷却装置を別途設ける場合、この冷却装置の簡素化が可能となる。

［他の実施形態］
本発明の他の実施形態では、内スロットの数は２４以外であってもよい。また、外スロットの数は１２以外であってもよい。
本発明の他の実施形態では、巻線は、セグメント巻線に限らない。同一のスロットに複数本の電線が挿通していてもよい。
本発明の他の実施形態では、第１内スロットおよび第２内スロットの径方向長さが同じであってもよい。
第１〜第５実施形態では、隣接スロット接続線でセグメント導体同士が溶接されていた。これに対して、本発明の他の実施形態では、隣接スロット接続線以外の例えば径方向接続線などでセグメント導体同士が溶接されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１３・・・ロータ
２３、５２、７１・・・ステータコア
２４、６１・・・巻線
２５１・・・第１内スロット（内スロット）
２５２・・・第２内スロット（内スロット）
２６、５３・・・外スロット
３１１・・・第１内側挿通線（内側挿通線）
３１２・・・第２内側挿通線（内側挿通線）
３２、５１・・・外側挿通線

Claims (9)

1. ロータ（１３）と、
   前記ロータに対して径方向外側に設けられている環状部材であり、内周部に形成されている内スロット（２５１、２５２）および外周部に形成されている外スロット（２６、５３）を有するステータコア（２３、５２、７１）と、
   前記内スロットおよび前記外スロットを軸方向へ挿通するように前記ステータコアにトロイダル状に巻き回されている巻線（２４、６１）と、
   を備えており、
   前記内スロットの数をNsとし、前記巻線の相数をmとし、前記ロータの極数をPとすると、(Ns≧2mP)であり、
   前記巻線のうち前記内スロットを挿通している部分を内側挿通線（３１１、３１２）とし、前記巻線のうち前記外スロットを挿通している部分を外側挿通線（３２、５１）とすると、前記外側挿通線の数は、前記内側挿通線の数の半分である回転電機。
2. (Ns／3P)で表される値を倍スロット数Nmsとし、(m／3)で表される値を系統数Nsysとすると、次式の関係を満たす請求項１に記載の回転電機。
   

   
3. 前記巻線は、複数のセグメント導体同士を電気的に接続してなるセグメント巻線である請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記巻線のうち前記内側挿通線同士を接続している部分を内側接続線（３５、３６、３７）とすると、
   前記内側接続線の中間部（３８）は両端部（３９）と比べて径方向外側に位置している請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記内スロットは、周方向において交互に配置された第１内スロット（２５１）および第２内スロット（２５２）から構成されており、
   前記外スロットは、前記第１内スロットと同じ周方向位置に形成されており、
   前記第２内スロットは、前記第１内スロットよりも径方向外側に深くなるように形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記外側挿通線は、平角線であり、厚み方向が前記ステータコアの径方向と一致するように設けられている請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記巻線（６１）は、複数の平角線（６２）を厚み方向に積層してなる積層線（６３）から構成されている請求項１に記載の回転電機。
8. 前記ステータコア（７１）は、複数の分割コア（７２）を環状に連結してなる請求項１に記載の回転電機。
9. 前記ステータコアに対して径方向外側に隣接して設けられているハウジング（１１）と、
   前記外側挿通線（５１）と前記ハウジングとの間に設けられている放熱材（８１）と、
   をさらに備える請求項１に記載の回転電機。

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