JP7841375B2 - 回転電機の製造方法 - Google Patents

回転電機の製造方法

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Description

本発明は、界磁巻線型の回転電機及びその製造方法に関する。
従来、例えば特許文献1に記載されているように、ステータと、界磁巻線を有するロータとを備える界磁巻線型の回転電機が知られている。ロータは、ロータコアと、周方向において所定間隔で設けられてかつロータコアから径方向においてステータ側に突出する主極部とを有している。各主極部に界磁巻線が巻回されている。
特開2008-178211号公報
界磁巻線への通電に伴う励磁性を高める上では、ロータにおいて界磁巻線の占積率を高める必要がある。
本発明は、界磁巻線の占積率を高めることができる界磁巻線型の回転電機及びその製造方法を提供することを主たる目的とする。
第1の発明は、ステータと、
ロータコア、及び周方向において所定間隔で設けられてかつ前記ロータコアから径方向において前記ステータ側に突出する主極部を有するロータと、
前記各主極部に巻回された界磁巻線と、
を備える界磁巻線型の回転電機において、
前記ロータの回転中心軸線を通るとともに径方向に延びる前記主極部の中心軸線を第1軸線とし、
周方向に隣り合う前記第1軸線の周方向における中央位置と前記回転中心軸線とを通るとともに径方向に延びる軸線を第2軸線とし、
周方向に隣り合う前記第1軸線及び前記第2軸線の周方向における中央位置と前記回転中心軸線とを通るとともに径方向に延びる軸線を第3軸線とする場合、
前記各主極部において、前記界磁巻線の周方向における外側端部は、周方向において前記第2軸線と前記第3軸線との間に位置している。
これにより、周方向に隣り合う主極部の間のスペースのうち界磁巻線が占めるスペースの割合を高めることができ、ロータにおける界磁巻線の占積率を高めることができる。
第2の発明は、第1の発明において、前記界磁巻線は、平角線が径方向及び周方向に並ぶように前記平角線が多重巻きされて構成されており、
前記各主極部において、前記界磁巻線の周方向における外側端部には、前記第2軸線に沿って傾斜する傾斜部が形成されている。
これにより、周方向に隣り合う界磁巻線間の電気的に絶縁しつつ、ロータにおける界磁巻線の占積率をいっそう高めることができる。
第1実施形態に係る回転電機の制御システムの全体構成図。 インバータ及びその周辺構成を示す図。 ロータの横断面図。 ロータに備えられる電気回路を示す図。 界磁巻線の製造工程を示すフローチャート。 プレス成型装置にセットされた状態の空芯コイルを示す図。 第1プレス工程において空芯コイルの圧縮前の状態を示す図。 第1プレス工程において空芯コイルの圧縮後の状態を示す図。 第2プレス工程において空芯コイルの圧縮前の状態を示す図。 第2プレス工程において空芯コイルの圧縮後の状態を示す図。 第3プレス工程において最外層に平角線を巻回した状態を示す図。 第3プレス工程において空芯コイルの圧縮前の状態を示す図。 第3プレス工程において空芯コイルの圧縮後の状態を示す図。 空芯コイルの主極部への挿入態様を示す図。 主極部に対する鍔部の取付態様を示す図。 平角線の当接割合を説明するための図。 第1実施形態の変形例に係る空芯コイルの主極部への挿入態様を示す図。 第1実施形態の変形例に係るロータコアに対する主極部材の取付態様を示す図。 第2実施形態に係る界磁巻線の一部を示す図。 図19の20-20線断面図。 図19の界磁巻線を主極部側から見た図。 第1プレス工程において空芯コイルの圧縮前の状態を示す図。 第1プレス工程において空芯コイルの圧縮後の状態を示す図。 第2プレス工程において空芯コイルの圧縮後の状態を示す図。
<第1実施形態>
以下、本発明に係る回転電機を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。回転電機を備える制御システムは車両に搭載されている。回転電機は、車両の走行動力源である。
図1に示すように、制御システムは、直流電源10、インバータ20、制御部30及び回転電機40を備えている。回転電機40は、界磁巻線型の同期機である。例えば、回転電機40、インバータ20及び制御部30を備えて機電一体型駆動装置が構成されたり、回転電機40、インバータ20及び制御部30それぞれが各コンポーネントで構成されたりする。
回転電機40は、ハウジング41と、ハウジング41内に収容されるステータ50及びロータ60とを備えている。本実施形態の回転電機40は、ロータ60がステータ50の径方向内側に配置されたインナロータ型の回転電機である。
ステータ50は、ステータコア51と、ステータ巻線52とを備えている。ステータコア51は、軟磁性体からなる積層鋼板により構成されており、円環状のバックヨークと、バックヨークから径方向内側に向かって突出する複数のティースとを有している。ステータ巻線52は、例えば銅線で構成されており、電気角で互いに120°ずれた状態で配置されたU,V,W相巻線52U,52V,52Wを含む。
ロータ60は、ロータコア61と、界磁巻線70とを備えている。界磁巻線70は、プレス成型により構成されている。これにより、占積率が向上し、界磁巻線70の組付性が向上する。なお、界磁巻線70は、例えばアルミ線で構成されていればよい。アルミ線は、比重が小さく、ロータ60が回転する場合における遠心力を低減できる。アルミ線は、銅線に比べて強度及び硬さが低く、圧縮成形する場合に好適である。また、界磁巻線70は、アルミ線に限らず、例えば、銅線又はCNT(カーボンナノチューブ)等であってもよい。
ロータコア61の中心孔には、回転軸32が挿通されている。回転軸32は、軸受42を介してハウジング41に回転可能に支持されている。ステータ50及びロータ60は、いずれも回転軸32とともに同軸上に配置されている。以下の記載では、回転軸32が延びる方向を軸方向とし、回転軸32の中心から放射状に延びる方向を径方向とし、回転軸32を中心として円周状に延びる方向を周方向としている。
図2に示すように、インバータ20は、U,V,W相上アームスイッチSUp,SVp,SWpと、U,V,W相下アームスイッチSUn,SVn,SWnとの直列接続体を備えている。U,V,W相上アームスイッチSUp,SVp,SWpと、U,V,W相下アームスイッチSUn,SVn,SWnとの接続点には、U,V,W相巻線52U,52V,52Wの第1端が接続されている。U,V,W相巻線52U,52V,52Wの第2端は、中性点で接続されている。すなわち、本実施形態において、U,V,W相巻線52U,52V,52Wは星形結線されている。なお、本実施形態において、各スイッチSUp~SWnは、IGBTである。各スイッチSUp~SWnには、フリーホイールダイオードが逆並列に接続されている。
U,V,W相上アームスイッチSUp,SVp,SWpのコレクタには、直流電源10の正極端子が接続されている。U,V,W相下アームスイッチSUn,SVn,SWnのエミッタには、直流電源10の負極端子が接続されている。なお、直流電源10には、平滑コンデンサ11が並列接続されている。
続いて、図3を用いて、ロータ60について説明する。
ロータ60は、軟磁性体からなり、例えば積層鋼板により構成されている。ロータ60は、円筒状のロータコア61と、ロータコア61から径方向外側に向かって突出する複数の主極部62と、主極部62の先端部から径方向両側に延びる鍔部63とを有している。本実施形態において、各主極部62は、周方向において等間隔に設けられている。
界磁巻線70は、第1巻線部71a及び第2巻線部71bを備えている。各主極部62において、径方向外側に第1巻線部71aが巻回され、第1巻線部71aよりも径方向内側に第2巻線部71bが巻回されている。各主極部62において、第1巻線部71a及び第2巻線部71bの巻方向は互いに同じになっている。また、周方向に隣り合う主極部62のうち、一方に巻回された各巻線部71a,71bの巻方向と、他方に巻回された各巻線部71a,71bの巻方向とが逆になっている。このため、周方向に隣り合う主極部62同士で互いに磁化方向が逆になる。
図4に、共通の主極部62に巻回された各巻線部71a,71bを備えるロータ60側の電気回路を示す。ロータ60には、整流素子としてのダイオード80と、コンデンサ90とが設けられている。ダイオード80のカソードには、第1巻線部71aの第1端が接続され、第1巻線部71aの第2端には、第2巻線部71bの第1端が接続されている。第2巻線部71bの第2端には、ダイオード80のアノードが接続されている。第2巻線部71bには、コンデンサ90が並列接続されている。図4において、L1は第1巻線部71aのインダクタンスを示し、L2は第2巻線部71bのインダクタンスを示し、Cはコンデンサ90の静電容量を示す。
本実施形態では、第1巻線部71a、コンデンサ90及びダイオード80からなる直列共振回路が構成され、第2巻線部71b及びコンデンサ90からなる並列共振回路が構成されている。直列共振回路の共振周波数である第1共振周波数をf1とし、並列共振回路の共振周波数である第2共振周波数をf2とする。各共振周波数f1,f2は、下式(eq1),(eq2)で表される。
図2の説明に戻り、制御部30は、インバータ20を構成する各スイッチSUp~SWnをオンオフする駆動信号を生成する。詳しくは、制御部30は、直流電源10から出力された直流電力を交流電力に変換してU,V,W相巻線52U,52V,52Wに供給すべく、各アームスイッチSUp~SWnをオンオフする駆動信号を生成し、生成した駆動信号を各アームスイッチSUp~SWnのゲートに供給する。
制御部30は、各相巻線52U,52V,52Wに基本波電流及び高調波電流の合成電流を流すように各スイッチSUp~SWnをオンオフする。基本波電流は、回転電機40にトルクを発生させることを主とする電流である。高調波電流は、界磁巻線70を励磁して界磁巻線70に界磁電流を流すことを主とする電流である。各相巻線52U,52V,52Wに流れる相電流は、電気角で120°ずつずれている。
なお、制御部30の各機能の一部又は全部は、例えば、1つ又は複数の集積回路等によりハードウェア的に構成されていてもよい。また、制御部30の各機能は、例えば、非遷移的実体的記録媒体に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータによって構成されていてもよい。
続いて、図3を用いて、界磁巻線70について説明する。
界磁巻線70は、横断面形状が略矩形状(具体的には略長方形状)をなす平角線が、径方向及び周方向に並ぶように多重巻きされて構成されている。平角線は、導体部と、導体部を覆う絶縁層とからなる。図3に示す例では、界磁巻線70を構成する第1巻線部71aは、径方向に2列並んでいる。第1巻線部71aにおいて、径方向でステータ50に最も近い1層目の平角線は、周方向に6つ並び、2層目の平角線は周方向に5つ並んでいる。第2巻線部71bは、径方向に2列並んでいる。第2巻線部71bにおいて、径方向でステータ50に最も近い1層目(つまり、界磁巻線70の3層目)の平角線は、周方向に4つ並び、2層目(つまり、界磁巻線70の4層目)の平角線は周方向に3つ並んでいる。
図3に示すように、ロータ60の回転軸32の回転中心軸線Oを通るとともに径方向に延びる主極部62の中心軸線を第1軸線B1とする。また、周方向に隣り合う第1軸線B1の周方向における中央位置と回転中心軸線Oとを通るとともに、径方向に延びる軸線を第2軸線B2とする。第1軸線B1はd軸に相当し、第2軸線B2はq軸に相当する。
周方向に隣り合う第1軸線B1及び第2軸線B2の周方向における中央位置と回転中心軸線Oとを通るとともに、径方向に延びる軸線を第3軸線B3とする。各主極部62において、界磁巻線70の周方向における外側端部は、周方向において第2軸線B2と第3軸線B3との間に位置している。これにより、周方向に隣り合う主極部62の間のスペースのうち界磁巻線70が占めるスペースの割合を高めることができ、ロータ60における界磁巻線70の占積率を高めることができる。また、横断面積の大きい平角線を用いて界磁巻線70の抵抗値を減少でき、界磁巻線70における損失を低減し、界磁巻線70の励磁性を高めることができる。
また、各主極部62において、界磁巻線70の周方向における外側端部には、第2軸線B2に沿って傾斜する傾斜部72が形成されている。これにより、周方向に隣り合う界磁巻線70間の電気的に絶縁しつつ、周方向に隣り合う界磁巻線70間の距離を小さくできる。その結果、界磁巻線70の占積率をいっそう高めることができる。
なお、図3に示す例では、周方向に隣り合う界磁巻線70間に隙間がある。ただし、隙間がある構成に限らず、例えば、第2軸線B2に沿って設けられたシート状の絶縁部材(例えば絶縁紙)に、周方向に隣り合う界磁巻線70それぞれの外側端部が当接する構成であってもよい。
続いて、図5を用いて、界磁巻線70の製造方法について説明する。以下では、界磁巻線70を構成する第1,第2巻線部71a,71bのうち、第1巻線部71aを例にして説明する。
界磁巻線70は、プレス成型装置200を用いて製造される。プレス成型装置200は、図6及び図7に示すように、ワークとしての空芯コイル100が載置される台座部201と、台座部201の載置面201aから上方に延びるベース部202とを備えている。ベース部202は、主極部62を模擬した形状になっている。
空芯コイル100は、図6に示すように、ベース部202の外面(側面202a)に当接するとともに平行に延びる一対の直線部101と、一対の直線部101の端部を繋ぐ渡り部102とを備え、平面視において環状をなしている。空芯コイル100を構成する平角線の両端部は、巻線端部103とされている。第1巻線部71aとなる空芯コイル100は、径方向でステータ50に最も近い1層目において、平角線が6つではなく5つ並んでいる。
図5に示すように、ステップS10では、空芯コイル100をベース部202に挿入し、空芯コイル100を載置面201aに載せる(図7参照)。
ステップS11では、ベース部202が延びる方向に空芯コイル100を圧縮する第1プレス工程(「径方向プレス工程」に相当)を行う。詳しくは、空芯コイル100を構成する直線部101の外側端部に、第1可動型203の端面203aを当接させる。この当接状態において、図7及び図8に示すように、第2可動型204により、直線部101を上側から圧縮する。第2可動型204のうち空芯コイル100に押し当てられる押圧面204aと、台座部201の載置面201aとは、平行な傾斜面になっている。傾斜面になっているのは、空芯コイル100の形状を、ロータ60を構成する鍔部63の形状に合わせるためである。第1プレス工程により、隣り合う直線部101間の隙間が小さくなり、占積率の向上に寄与する。
図5のステップS12では、ベース部202の側面202aと直交するに空芯コイル100を圧縮する第2プレス工程(「周方向プレス工程」に相当)を行う。詳しくは、空芯コイル100を構成する直線部101の上面に、第3可動型205の端面205aを当接させる。この当接状態において、図9及び図10に示すように、第4可動型206により、直線部101を側面側から圧縮する。第2プレス工程により、隣り合う直線部101間の隙間が小さくなり、占積率の向上に寄与する。
図5のステップS13では、空芯コイル100の外側端部に傾斜部72を形成する第3プレス工程(「周方向プレス工程」に相当)を行う。詳しくは、まず、図11に示すように、空芯コイル100の巻線端部103を1周巻回することにより、径方向でステータ50に最も近い1層目において平角線を6つ並ばせる。
そして、図12及び図13に示すように、直線部101の上面に、第3可動型205の端面205aを当接させた状態において、第5可動型207により、直線部101を側面側から圧縮する。第5可動型207のうち空芯コイル100に押し当てられる押圧面207aは、傾斜面になっている。この傾斜面は、空芯コイル100の外側端部に、第2軸線B2に平行な傾斜部72を形成するためのものである。第1~第3プレス工程が完了すると、プレス成型された空芯コイル100をベース部202から取り出す。
なお、以上説明した工程と同様な工程により、第2巻線部71bとなる空芯コイルもプレス成型される。
図5のステップS14では、プレス成型された空芯コイルである界磁巻線70を主極部62に挿入する。図14に示すように、本実施形態では、鍔部63と主極部62とが別部材になっている。
ステップS15では、図15に示すように、鍔部63を主極部62の先端部に取り付ける。なお、図5で説明したプレス成型装置200の各可動型及び図5の製造工程で必要な各装置は、コントローラにより制御される。
ちなみに、第1~第3プレス工程が完了した空芯コイルからなる界磁巻線70において、径方向に隣り合う平角線同士の当接部分の周方向長さ寸法をWFとし、平角線の周方向長さ寸法をWTとする(図16参照)。この場合、本実施形態では、0.2≦WF/WT<1にされている。これにより、隣り合う平角線に作用する応力集中を緩和し、絶縁層が損傷することを防止する。その結果、界磁巻線70の耐圧を向上できる。
以上説明した本実施形態によれば、界磁巻線70の占積率を好適に高めることができる。
<第1実施形態の変形例>
鍔部63と主極部62とが1つの主極部材とされ、主極部材とロータコア61とが別部材になっていてもよい。この場合、図5のステップS14において、図17に示すように、界磁巻線70を主極部62に挿入する。そして、ステップS15において、図18に示すように、界磁巻線70が挿入された主極部材をロータコア61に取り付ける。
<第2実施形態>
以下、第2実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、界磁巻線70に冷却用通路が形成されている。以下、図19~図21を用いて、冷却用通路について説明する。図19は、主極部62に巻回された界磁巻線70のうち片側部分の断面図を示す。図20は、図19の20-20線断面図である。図21は、図19の界磁巻線70を主極部62側から見た図である。
界磁巻線70のうち主極部62と対向する部分には、径方向において界磁巻線70の一端から他端までにわたって延びる溝部110が形成されている。溝部110は1つ又は複数形成されている。主極部62及び溝部110により、径方向に延びる冷却用通路が形成されている。これにより、界磁巻線70への通電に伴う界磁巻線70及び主極部62の昇温を抑制できる。
界磁巻線70には、周方向において界磁巻線70の一端から他端までにわたって延びる冷却用通路111が形成されている。図19及び図21には、2つの冷却用通路111が形成される例が示されている。冷却用通路111により、界磁巻線70の昇温を抑制できる。
本実施形態では、占積率が高められているため、冷却流体が、隣り合う平角線の間や、平角線及び主極部62の間に入りにくい。このため、上記冷却用通路が設けられるメリットが大きい。
なお、この場合における回転電機40は、空冷構造であってもよいし、油冷構造であってもよい。油冷構造の場合、回転電機40のハウジング41内に冷却油が封入され、主極部62及び溝部110により形成された冷却用通路と、冷却用通路111とを冷却油が流れる。
本実施形態では、第1プレス工程又は第3プレス工程において空芯コイル100に冷却用通路111が形成され、第2プレス工程において溝部110が形成される。
第1プレス工程を例にして説明すると、図22に示すように、第1可動型203には、端面203aからベース部202側に延びる円柱状の突出部203bが設けられている。ベース部202が延びる方向に並ぶ平角線の間に突出部203bを挟んだ状態で、図23に示すように、第2可動型204により、直線部101を上側から圧縮する。これにより、空芯コイル100に冷却用通路111が形成される。
第2プレス工程について説明する。図24に示すように、ベース部202のうち空芯コイル100の内面が当接する側面202aには、ベース部202が延びる方向に沿って延びるとともに溝部110を形成するための凸部202bが形成されている。第4可動型206により、直線部101を側面側から圧縮する。これにより、空芯コイル100に溝部110が形成される。
本実施形態では、プレス工程において冷却用の構成が界磁巻線70に形成される。このため、冷却効率を高めた界磁巻線70の製造に要する時間を短縮できる。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・共振回路を構成するコンデンサ90は、第2巻線部71bではなく第1巻線部71aに並列接続されていてもよい。また、ダイオード80の向きはカソードとアノードとが逆向きであってもよい。詳しくは、図4を参照して、ダイオード80のアノードが第1巻線部71aの一端に接続され、ダイオード80のカソードが第2巻線部71bの一端に接続されていてもよい。
・回転電機としては、インナロータ型の回転電機に限らず、アウタロータ型の回転電機であってもよい。この場合、主極部は、ロータコアから径方向内側に突出している。
・回転電機としては、星形結線された回転電機に限らず、Δ結線された回転電機であってもよい。
・ステータコアとしては、ティースが設けられていないステータコアであってもよい。
・界磁巻線に界磁電流を流すための構成としては、図4に示した回路に限らず、例えば、界磁巻線に電気的に接続されたブラシと、ブラシに電気的に接続された電源とを備える構成であってもよい。この場合、ステータ巻線に、界磁電流を誘起させるための高調波電圧を印加する必要はない。
・回転電機としては、車載主機として用いられる回転電機に限らず、例えば、電動機兼発電機であるISG(Integrated Starter Generator)として用いられる回転電機であってもよい。
・制御システムが搭載される移動体としては、車両に限らず、例えば、航空機又は船舶であってもよい。また、制御システムは、移動体に搭載されるシステムに限らず、定置式のシステムであってもよい。
40…回転電機、50…ステータ、60…ロータ、61…ロータコア、62…主極部、70…界磁巻線。

Claims (1)

  1. ステータ(50)と、
    ロータコア(61)、及び周方向において所定間隔で設けられてかつ前記ロータコアから径方向において前記ステータ側に突出する主極部(62)を有するロータ(60)と、
    前記各主極部に巻回された界磁巻線(70)と、
    を備える界磁巻線型の回転電機(40)の製造方法において、
    前記ロータの回転中心軸線(O)を通るとともに径方向に延びる前記主極部の中心軸線を第1軸線(B1)とし、
    周方向に隣り合う前記第1軸線の周方向における中央位置と前記回転中心軸線とを通るとともに径方向に延びる軸線を第2軸線(B2)とし、
    周方向に隣り合う前記第1軸線及び前記第2軸線の周方向における中央位置と前記回転中心軸線とを通るとともに径方向に延びる軸線を第3軸線(B3)とする場合、
    前記各主極部において、前記界磁巻線の周方向における外側端部は、周方向において前記第2軸線と前記第3軸線との間に位置しており、
    前記界磁巻線は、平角線が径方向及び周方向に並ぶように前記平角線が多重巻きされて構成されており、
    前記各主極部において、前記界磁巻線の周方向における外側端部には、前記第2軸線に沿って傾斜する傾斜部(72)が形成されており、
    前記界磁巻線のうち前記主極部と対向する部分には、径方向において前記界磁巻線の一端から他端までにわたって延びる溝部(110)が形成されており、
    平角線が多重に巻回されて構成された空芯コイル(100)は、前記主極部の径方向側面に対向する一対の直線部(101)と、一対の前記直線部の端部を繋ぐ渡り部(102)と、を有し、平面視において環状をなしており、
    プレス成型装置(200)を構成するとともに前記主極部を模擬したベース部(202)に前記空芯コイルを挿入する工程を備え、
    前記ベース部のうち前記空芯コイルの内面が当接する部分には、前記空芯コイルの前記直線部と直交する方向に沿って延びるとともに前記溝部を形成するための凸部(202b)が形成されており、
    前記直線部の内面を前記ベース部の外面に当接させた状態で、前記プレス成型装置を構成する可動型(207)を前記直線部の外面側から内面側に向かって前記直線部に押し当てることにより、前記空芯コイルの外側端部に前記傾斜部を形成するとともに、前記空芯コイルの内側端部に前記溝部を形成する工程と、
    前記傾斜部及び前記溝部が形成された前記空芯コイルを前記界磁巻線として前記主極部に挿入する工程と、
    を備える、回転電機の製造方法
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