JPWO2017130701A1 - 固定子、回転電機、および自動車用電動補機装置 - Google Patents

Abstract

電磁加振力を低減した、低振動の固定子、回転電機、および自動車用電動補機装置を提供する。１４ｎ（ｎは１以上の整数）個または２２ｎ個の磁極を有する回転子に対向して配置され、１８ｎ本のティース２２と、前記ティースに巻き回された集中巻方式の固定子コイル２５と、を備え、前記固定子コイルは、隣接するティースに巻き回された固定子コイルの相が異なる単独相コイル群２５１と、隣接するティースに巻き回された固定子コイルの相が同じ連続相コイル群２５２とを有し、前記単独相コイルが巻き回されたティース内部の最大磁束量が、前記連続相コイルが巻き回されたティース内部の最大磁束量より大きくなるように固定子２０を構成する。

Description

本発明は、固定子、回転電機、および自動車用電動補機装置に関する。

電動化による油圧式パワーステアリング装置からの代替や、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）の市場投入を受けて、電動パワーステアリング（以下、ＥＰＳ）装置の装着率が急速に増大している。

ＥＰＳ装置では、回転電機が人間の手の力をアシストする。このため、運転者はステアリングホイール（ハンドル）を介して回転電機のトルク脈動を手に感じることになる。したがって、ＥＰＳ装置用の回転電機では、コギングトルクを回転電機の発生トルクの約１／１０００程度に、トルク脈動を回転電機の発生トルクの１−２％程度に小さくする必要がある。

また、ＥＰＳ装置の機械部品の摩擦や回転電機の振動によって発生する、車室内の騒音も十分に小さくする必要がある。特に近年では、アイドリングストップなどの機能によって、エンジンの静音化が進展しており、ＥＰＳ装置等の電装品に対する振動、騒音の要求仕様が厳しくなっている。

車室内の振動、騒音に繋がる回転電機起因の加振源としては、回転電機の出力軸に発生するトルクの変動（コギングトルクやトルク脈動）と、回転電機の機内に発生する電磁加振力がある。

特に電磁加振力を低減する技術として、特許文献２は、集中巻方式の回転電機の回転子の磁極数と固定子のスロット数の比を１４：１８または２２：１８にすることで、振動への影響が大きい電磁加振力の空間２次成分を、１０：１２または１４：１２の場合と比べて小さくできることを開示している。

国際公開第２０１３／０８０３７４号

集中巻方式の回転電機において、巻線係数が高く、コギングトルクが小さい磁極数とスロット数の比として、８：９または１０：９、もしくは、１０：１２または１４：１２、があることが知られている。しかし、これらのコンビネーションは、振動への影響が大きい空間１次や空間２次などの低次の電磁加振力が発生するため、振動が大きくなりやすいといった課題がある。

特許文献１に示される１４：１８または２２：１８の場合は、１０：１２または１４：１２の場合と比べて電磁加振力の空間２次成分が小さいことから、振動を低減できる。しかし、電磁加振力の空間２次成分が完全になくなることはないため、回転電機の振動を更に抑えるには、電磁加振力の空間２次成分を更に低減する必要がある。

よって、従来技術には電磁加振力の低減に関して改良の余地がある。

そこで本発明は、電磁加振力を低減した、低振動の固定子、回転電機、および自動車用電動補機装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、１４ｎ（ｎは１以上の整数）個または２２ｎ個の磁極を有する回転子に対向して配置される固定子であって、１８ｎ本のティースと、前記ティースに巻き回された集中巻方式の固定子コイルと、を備え、前記固定子コイルは、隣接するティースに巻き回された固定子コイルの相が異なる単独相コイル群と、隣接するティースに巻き回された固定子コイルの相が同じ連続相コイル群とを有し、前記単独相コイルが巻き回されたティース内部の最大磁束量が、前記連続相コイルが巻き回されたティース内部の最大磁束量より大きいことを特徴とする。

本発明によれば、電磁加振力を低減した低振動の固定子、回転電機、および自動車用電動補機装置を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

１４極−１８スロットの回転電機の軸方向垂直断面図。 １４極−１８スロットの回転電機における各ティース中の磁束の位相関係を表したベクトル図。 １４極−１８スロットの回転電機における三相の誘起電圧が最大となる各ティース中の磁束の位相関係を表したベクトル図。 １４極−１８スロットの回転電機における三相の誘起電圧が最大となる相配置を示した回転電機の軸方向垂直断面図。 １４極−１８スロットの回転電機のコイル接続を示した回路図。 １４極−１８スロットの回転電機の電磁加振力の空間２次成分の計算結果。 １４極−１８スロットの回転電機における単独相コイル群２５１で発生する電磁加振力の空間２次成分と連続相コイル群２５２で発生する電磁加振力の空間２次成分の模式図（電流位相０度の場合）。 １４極−１８スロットの回転電機における単独相コイル群２５１で発生する電磁加振力の空間２次成分と連続相コイル群２５２で発生する電磁加振力の空間２次成分の模式図（電流位相６０度の場合）。 実施例１における１４極−１８スロットの回転電機のコイル接続を示した回路図。 実施例１における１４極−１８スロットの回転電機の電磁加振力の空間２次成分の計算結果。 実施例２における１４極−１８スロットの回転電機のコイル接続を示した回路図。 実施例２における１４極−１８スロットの回転電機の電磁加振力の空間２次成分の計算結果。 実施例２における１４極−１８スロットの回転電機のトルクの計算結果。 実施例３における１４極−１８スロットの回転電機の軸方向垂直断面図。 実施例４における１４極−１８スロットの回転電機の軸方向垂直断面図。 実施例５における２２極−１８スロットの回転電機の軸方向垂直断面図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

実施例１−４では、磁極数とスロット数との比が１４：１８の場合について、磁極数が１４、スロット数が１８（１４極−１８スロット）の回転電機を例に説明する。実施例５では、磁極数とスロット数との比が２２：１８の場合について、磁極数が２２、スロット数が１８（２２極−１８スロット）の回転電機を例に説明する。

まず、図１−７を用いて、１４極−１８スロットの回転電機の構造、コイル相配置、コイル接続、および電磁加振力の特徴について説明する。

＜回転電機の構造＞
図１に１４極−１８スロットの回転電機の軸方向垂直断面図を示す。１４極−１８スロットの回転電機は回転子１０と固定子２０で構成される。

回転子１０は、回転子コア１１と、回転子コアの外周表面（内部の場合もあり）に配置された１４個の永久磁石１２を備えている。永久磁石１２の磁化方向は回転電機の径方向であり、周方向に沿ってＮ・Ｓ・Ｎ・Ｓ・・と磁極が交互に変わるように配置されている。

固定子２０は、固定子コア２１と、集中巻方式の固定子コイル２５とを備えている。固定子コア２１は、回転子１０と対向して突出した１８本のティース２２と、ティースの固定子外周側に磁路を形成するためのコアバック２３と、コアバックと隣り合うティース間とで形成された巻線用のスロット２４とを備えている。固定子コイル２５は、ティース２２に集中的に巻き回わされ、スロット２４に収容されている。

＜コイル相配置＞
図２−５を用いてコイル相配置の決定方法について説明する。

図２に１４極−１８スロットの回転電機における各ティース中の磁束の位相関係を表したベクトル図を示す。図のベクトルの番号と図１のティースの番号が対応しており、図１で回転子を反時計方向に回したときの各ティース内部の磁束の時間に関する位相を示している。番号１のティースの磁束量が最大となった後、次に番号１４のティースの磁束量が最大になり、番号９、４、１７、・・・と続いていく。

図３に１４極−１８スロットの回転電機における三相の誘起電圧が最大となる各ティース中の磁束の位相関係を表したベクトル図を示す。コイル相配置を決めるにあたり、三相の誘起電圧が最大となるように各ティースのコイル相を決める必要がある。各ティースにおける誘起電圧の位相関係と磁束の位相関係は同じであることから、図２より誘起電圧が最大となる磁束のベクトル図は図３のようになる。ここでは、番号４、５、６、１０、１１、１２、１６、１７、１８のベクトルを反転させた。この操作はコイルの巻き方を逆にすることと等価である。また、番号１、５、９、１０、１４、１８のグループをＵ相としたが、他のグループをＵ相としてもよく、Ｖ、Ｗ相はＵ相のグループから１２０度、２４０度遅れたグループに割り当てればよい。

図４に１４極−１８スロットの回転電機における三相の誘起電圧が最大となる相配置を示した回転電機の軸方向断面図を示す。図３でベクトルを反転させたコイル相にはマイナスを付けている。図４に示す通り、１４極−１８スロットの回転電機のコイルの相配置には、隣接するコイルの相が異なる単独相コイル群２５１と、隣接するコイルの相が同じである連続相コイル群２５２とが存在する。以下、図面において、単独相コイル群２５１の相には下線を付けて連続相コイル群２５２と区別する。

＜コイル接続＞
図５に１４極−１８スロットの回転電機のコイル接続を示した回路図を示す。図ではＵ相のみを表示しているが、Ｖ、Ｗ相も同様に接続されているものとする。また、電源はインバータなどのパワーデバイスを含んでいるものとする。また、コイル結線はＹ結線として示されているが、Δ結線でもよい。１４極−１８スロットの回転電機のコイル接続として６直１並列、３直２並列、２直３並列、１直６並列がある。本発明では、並列回路の各直列部に単独相コイルが均等に含まれていることが望ましいことから３直２並列とした。図中のＮはコイルターン数である（Ｎは１以上の整数）。

＜電磁加振力の特徴＞
図６−７を用いて１４極−１８スロットの回転電機の電磁加振力の特徴について説明する。

図６に１４極−１８スロットの回転電機の電磁加振力の空間２次成分の計算結果を示す。これは、固定子と回転子の間のエアギャップ中の電磁応力を有限要素法による磁界解析で計算し、電磁応力を時間と空間でフーリエ級数展開したときの空間２次、時間１４次成分の振幅値を示したものである。ここでは、連続相コイル群２５２のみ通電した場合、単独相コイル群２５１のみ通電した場合、両方とも通電した場合の３ケースの電磁加振力を示している。連続相コイル群２５２のみ通電したときの電磁加振力を１００％としたとき、単独相コイル群２５１のみ通電したときの電磁加振力は６７％であり、両方とも通電したときの電磁加振力は３４％である。１４極−１８スロットの回転電機の空間２次電磁加振力の特徴は、連続相コイル群２５２のみ通電したときと単独相コイル群２５１のみ通電したときとの空間２次電磁加振力の差分量が、単独相コイル群２５１と連続相コイル群２５２との両方に通電した時の空間２次電磁加振力とほぼ等しいことである。

図７Ａ、図７Ｂに、１４極−１８スロットの回転電機における単独相コイル群２５１で発生する電磁加振力の空間２次分布と、連続相コイル群２５２で発生する電磁加振力の空間２次分布の模式図を示す。実曲線の円からの変位方向が、電磁加振力の方向を示す。図７Ａは電流位相０度の場合、図７Ｂは電流位相６０度の場合を示している。図７Ａより、電流位相０度のときＵ，Ｖ，Ｗ相の電流振幅が１．０，−０．５，−０．５であるため、単独相コイル群２５１と連続相コイル群２５２で発生する電磁加振力の空間２次分布は互いに機械角９０度ずれて発生し、互いに打ち消し合う。これにより、１４極−１８スロットの回転電機の空間２次電磁加振力は、連続相コイル群２５２のみ通電したときと単独相コイル群２５１のみ通電したときの電磁加振力の差分量となる。これは電流位相が変わっても同じであり、図７Ｂに示すように電流位相６０度においても同様の現象になる。

実施例１を、図８−９を用いて説明する。

図８に実施例１における１４極−１８スロットの回転電機のコイル接続を示した回路図を示す。図ではＵ相のみを表示しているが、Ｖ，Ｗ相も同様に接続されているものとする。また、電源はインバータなどのパワーデバイスを含んでいるものとする。また、コイル結線はＹ結線であるが、Δ結線でもよい。

本実施例では、連続相コイル群２５２のコイル１個当たり（ティース１本当たり）のターン数をＮターン、単独相コイル群２５１のターン数を１．５Ｎターンとした。ただし、ターン数は０．５ターンが最小単位であるため、１．５Ｎターンは０．５ターン刻みで繰り上げ、または繰り下げを行うものとする。

図９に実施例１における１４極−１８スロットの回転電機の電磁加振力の空間２次成分の計算結果を示す。これは、固定子と回転子の間のエアギャップ中の電磁応力を有限要素法による磁界解析で計算し、電磁応力を時間と空間でフーリエ級数展開したときの空間２次、時間１４次成分の振幅値を示したものである。単独相コイル群２５１のターン数を１．５Ｎターンにしたことにより、単独相コイル群２５１のみ通電したときの電磁加振力が９７％となり、連続相コイル群２５２と単独相コイル群２５１の両方とも通電したときの電磁加振力は５％となる。空間２次電磁加振力は連続相コイル群２５２のみ通電したときと単独相コイル群２５１のみ通電したときの空間２次電磁加振力の差分量になることから、単独相コイル群２５１の起磁力を大きくすることで連続相コイル群２５２のみ通電したときの空間２次電磁加振力との差分量が小さくなり、１４極−１８スロットの回転電機の電磁加振力が低減する。このことから、単独相コイル群２５１が巻かれたティース内部の磁束量を連続相コイル群２５２が巻かれたティース内部の磁束量より大きくすることにより、回転電機の振動を低減できる。

実施例１では、図６より単独相コイル群２５１による空間２次電磁加振力が６７％程度であることから、単独相コイル群２５１のターン数は１．５（≒１００÷６７）Ｎ±０．１Ｎターン以内とすることが望ましい。

コイルターン数には整数巻と整数巻がある。整数巻はターン数が整数であり、コイル線の巻き始めと巻き終わりが同じ方向になる。整数巻はターン数が小数（整数＋０．５）であり、コイル線の巻き始めと巻き終わりが反対方向になる。実施例１では、ターン数によるばらつきの影響を抑えるため、単独相コイル群２５１と連続相コイル群２５２のターン数はどちらも整数巻、または整数巻とすることが望ましい。

実施例２について図１０−１２を用いて説明する。

図１０に実施例２における１４極−１８スロットの回転電機のコイル接続を示した回路図を示す。図ではＵ相のみを表示しているが、Ｖ、Ｗ相も同様に接続されているものとする。また、電源はインバータなどのパワーデバイスを含んでいるものとする。また、コイル結線はＹ結線であるが、Δ結線でもよい。実施例２では、回転電機を駆動する電源として第一電源Ｖ_１と第二電源Ｖ_２の２つがあり、第一電源と連続相コイル群２５２が接続され、第二電源と単独相コイル群２５１が接続されている。連続相コイル群２５２と単独相コイル群２５１のターン数はＮターンである。第一電源による電流はＩアンペア、第二電源による電流は１．５Ｉアンペアである。

図１１に実施例２における１４極−１８スロットの回転電機の電磁加振力の空間２次成分の計算結果を示す。これは、固定子と回転子の間のエアギャップ中の電磁応力を有限要素法による磁界解析で計算し、電磁応力を時間と空間でフーリエ級数展開したときの空間２次、時間１４次成分の振幅値を示したものである。第二電源Ｖ_２による電流を１．５Ｉアンペアとしたことで、単独相コイル群２５１のみ通電したときの電磁加振力が１００％となり、連続相コイル群２５２と単独相コイル群２５１の両方とも通電したときの電磁加振力は２％となる。電流Ｉは連続量として調整できることから、実施例１よりも電磁加振力を低減することが可能となる。

図１２に実施例２における１４極−１８スロットの回転電機のトルクの計算結果を示す。トルクは有限要素法による磁界解析で計算した。ここでは、第一電源Ｖ_１による電流のみを流した場合、第二電源Ｖ_２による電流のみを流した場合、両方とも流した場合の３ケースのトルクを示している。図より、連続相コイル群２５２と単独相コイル群２５１でコイル１個当たりの起磁力が異なるが、トルクの時間変動は小さく低トルク脈動である。これは、図３のベクトル図において、単独相コイル群２５１のベクトル（番号２、５、８、１１、１４、１７）が互いに１２０度の位相差を持っており三相バランスが成立していることから、単独相コイル群２５１の起磁力を大きくしてもトルク脈動は増加しない。本実施例のもう一つの効果として、第一電源Ｖ_１または第二電源Ｖ_２のどちらかが故障しても、トルクを５０％程度維持することが可能であり、システムの信頼性を向上させることができる。

実施例２では、図６より単独相コイル群２５１による空間２次電磁加振力が６７％程度であることから、単独相コイル群２５１の電流は１．５（≒１００÷６７）Ｉ±０．１Ｉアンペア以内とすることが望ましい。

実施例２では、第二電源Ｖ_２の電流を下げたい場合は、単独相コイル群２５１を直列接続することで電流を低減することが可能である。また、第一電源Ｖ_１の電圧を下げたい場合は、連続相コイル群２５２のみをΔ接続にすることで電圧を低減することが可能である。また、第二電源Ｖ_２の電圧を下げたい場合は、単独相コイル群２５１のみをΔ接続にすることで電圧を低減することが可能である。

実施例３について図１３を用いて説明する。

図１３に実施例３における１４極−１８スロットの回転電機の軸方向垂直断面図を示す。本実施例の固定子コア２１は、コアバック部で分割されている。分割された固定子コア（分割コア）において、単独相コイル群が巻かれたティース２２１の幅は、連続相コイル群が巻かれたティース２２２の幅より大きい。

単独相コイル群２５１が巻かれたティースの幅を連続相コイル群２５２が巻かれたティースの幅より大きくすることで、単独相コイル群２５１により発生する磁束の経路の磁気抵抗が連続相コイル群２５２により発生する磁束の経路の磁気抵抗より小さくでき、単独相コイル群２５１が巻かれたティース内部の磁束量を連続相コイル群２５２が巻かれたティース内部の磁束量より大きくできることから、回転電機の振動を低減することができる。固定子コアを分割することで材料歩留まりとコイル占積率を向上できるが、分割しなくても本効果は得られる。

実施例４について図１４を用いて説明する。

図１４に実施例４における１４極−１８スロットの回転電機の軸方向垂直断面図を示す。本実施例の固定子コア２１はコアバック部で分割されている。単独相コイル群が巻かれたティース２２１には第一の電磁鋼鈑２１１、連続相コイル群が巻かれたティース２２２には第二の電磁鋼鈑２１２を使用し、第一の電磁鋼鈑の透磁率が第二の電磁鋼鈑の透磁率より高い。

第一の電磁鋼鈑の透磁率を第二の電磁鋼鈑の透磁率より高くすることで、単独相コイル群２５１により発生する磁束の経路の磁気抵抗が連続相コイル群２５２により発生する磁束の経路の磁気抵抗より小さくでき、単独相コイル群２５１が巻かれたティース内部の磁束量を連続相コイル群２５２が巻かれたティース内部の磁束量より大きくできることから、回転電機の振動を低減することができる。

実施例５について図１５を用いて説明する。

図１５に実施例５における２２極−１８スロットの回転電機の軸方向垂直断面図を示す。実施例５の２２極−１８スロットの回転電機は回転子１０と固定子２０で構成される。回転子は、回転子コア１１と、回転子コアの外周表面（内部の場合もあり）に配置された２２個の永久磁石１２を備えており、永久磁石の磁化は回転電機の径方向を向いており、周方向に沿ってＮ・Ｓ・Ｎ・Ｓ・・と磁極が交互に代わるように配置されている。固定子は、回転子と対向して突出した１８本のティース２２と、ティースの固定子外周側に磁路を形成するためのコアバック２３と、コアバックと隣り合うティース間で形成された巻線用のスロット２４で構成された固定子コア２１と、ティースに巻き回わされた固定子コイル２５を備えている。

図４のコイル相配置による回転磁界と同期する回転子は１４極と２２極であり、２２極の回転子においても、単独相コイル群２５１が巻かれたティース内部の磁束量を連続相コイル群２５２が巻かれたティース内部の磁束量より大きくすることで、回転電機の振動を低減することができる。

本発明は、１４極−１８スロットまたは２２極−１８スロットの場合に限られるものではなく、磁極数とスロット数との比が１４：１８または２２：１８であれば適用可能であり、上述した実施例と同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０…回転子
１１…回転子コア
１２…永久磁石
２０…固定子
２１…固定子コア
２１１…第一の電磁鋼鈑
２１２…第二の電磁鋼鈑
２２…ティース
２２１…単独相コイル群が巻かれたティース
２２２…連続相コイル群が巻かれたティース
２３…コアバック
２４…スロット
２５…固定子コイル
２５１…単独相コイル群
２５２…連続相コイル群
Ｖ_１…第一電源
Ｖ_２…第二電源
Ｉ…電流

Claims (11)

1. １４ｎ（ｎは１以上の整数）個または２２ｎ個の磁極を有する回転子に対向して配置される固定子であって、
   １８ｎ本のティースと、
   前記ティースに巻き回された集中巻方式の固定子コイルと、を備え、
   前記固定子コイルは、隣接するティースに巻き回された固定子コイルの相が異なる単独相コイル群と、隣接するティースに巻き回された固定子コイルの相が同じ連続相コイル群とを有し、
   前記単独相コイルが巻き回されたティース内部の最大磁束量が、前記連続相コイルが巻き回されたティース内部の最大磁束量より大きいことを特徴とする固定子。
2. 請求項１に記載の固定子であって、
   前記単独相コイル群のコイル一個当たりの起磁力が、前記連続相コイル群のコイル一個当たりの起磁力より大きいことを特徴とする固定子。
3. 請求項１または２に記載の固定子であって、
   前記単独相コイル群のコイル一個当たりのターン数が、前記連続相コイル群のコイル一個当たりのターン数より大きいことを特徴とする固定子。
4. 請求項３に記載の固定子であって、
   前記連続相コイル群のコイル一個当たりのターン数をＮとしたとき、前記単独相コイル群のコイル一個当たりのターン数が１．５Ｎ±０．１Ｎターン以内であることを特徴とする固定子。
5. 請求項１乃至４に記載の固定子であって、
   前記単独相コイル群のコイル一個当たりに流れる電流が、前記連続相コイル群のコイル一個当たりに流れる電流より大きいことを特徴とする固定子。
6. 請求項５に記載の固定子であって、
   前記連続相コイル群のコイル一個当たりに流れる電流をＩアンペアとしたとき、前記単独相コイル群のコイル一個当たりに流れる電流が１．５（≒１００÷６７）Ｉ±０．１Ｉアンペア以内であることを特徴とする固定子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の固定子であって、
   前記単独相コイル群により発生する磁束の経路の磁気抵抗が、前記連続相コイル群により発生する磁束の経路の磁気抵抗より小さいことを特徴とする固定子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の固定子であって、
   前記連続相コイル群が第一の電源と接続され、前記単独相コイル群が第二の電源と接続されたことを特徴とする固定子。
9. １４ｎ（ｎは１以上の整数）個または２２ｎ個の磁極を有する回転子に対向して配置される固定子であって、
   １８ｎ本のティースと、
   前記ティースに巻き回された集中巻方式の固定子コイルと、を備え、
   前記固定子コイルは、隣接するティースに巻き回された固定子コイルの相が異なる単独相コイル群と、隣接するティースに巻き回された固定子コイルの相が同じ連続相コイル群とを有し、
   前記単独相コイル群のコイル１個当たりのターン数が、前記連続相コイル群のコイル１個当たりのターン数より大きいことを特徴とする固定子。
10. １８ｎ（ｎは１以上の整数）本のティースを有する請求項１乃至９のいずれかに記載の固定子と、
    前記固定子に対向して配置される１４ｎ個または２２ｎ個の磁極を有する回転子と、
    を備えた回転電機。
11. 請求項１０に記載の回転電機を搭載した自動車用電動補機装置。

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