WO2017014062A1 - 回転電機の固定子及び回転電機 - Google Patents

回転電機の固定子及び回転電機 Download PDF

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stator
slot
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rotating electrical
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French (fr)
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明仁 中原
松延　豊
泰行 齋藤
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Astemo Ltd
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine stator and a rotating electrical machine.
  • Patent Document 1 As a winding technique of a rotating electrical machine used for driving a vehicle, a technique as described in Patent Document 1 is known.
  • an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine having high torque and low noise.
  • a stator of a rotating electrical machine includes a stator core having a plurality of slots, and a coil inserted through the slots, and a group of slots through which in-phase coils are inserted.
  • N is an integer greater than or equal to 1
  • the number of in-phase coils of the number of slots per phase per pole + N or the number of slots per phase per pole ⁇ N is arranged.
  • high torque and low torque ripple can be achieved in a rotating electrical machine and a vehicle equipped with the rotating electrical machine.
  • FIG. 3 is a layout diagram of slot conductors according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a layout diagram of slot conductors in a conventional rotating electrical machine. The torque waveform of the rotary electric machine to which 1st Embodiment is applied, and a comparative example. The figure which shows the modification of 1st Embodiment. The figure which shows the slot conductor arrangement
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the rotating electric machine 200.
  • a stator 230 is held inside the housing 212, and the stator 230 includes a stator core 232 and a stator winding 238.
  • a rotor 250 is rotatably held on the inner peripheral side of the stator core 232 through a gap 222.
  • the rotor 250 includes a rotor core 252 fixed to the shaft 218, a permanent magnet 254, and a non-magnetic contact plate 226.
  • the housing 212 has a pair of end brackets 214 provided with bearings 216, and the shaft 218 is rotatably held by these bearings 216.
  • the shaft 218 is provided with a resolver 224 that detects the pole position and rotation speed of the rotor 250.
  • the output from the resolver 224 is taken into a control circuit (not shown).
  • the stator winding 238 is supplied with three-phase AC power from an inverter or power source (not shown), and a rotating magnetic field is generated in the stator 230.
  • the frequency of the three-phase alternating current is controlled based on the output value of the resolver 224, and the phase of the three-phase alternating current with respect to the rotor 250 is also controlled based on the output value of the resolver 224.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the stator 230 and the rotor 250, and shows a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • the housing 212, the shaft 218, and the stator winding 238 are not shown.
  • a large number of slots 237 and teeth 236 are arranged uniformly over the entire circumference.
  • all the slots and teeth are not labeled, and only some teeth and slots are represented by symbols.
  • a slot insulating material (not shown) is provided in the slot 237, and a plurality of U-phase, V-phase, and W-phase windings constituting the stator winding 238 in FIG. In this embodiment, 48 slots 237 are formed at equal intervals.
  • a plurality of holes 253 for inserting rectangular magnets are arranged at equal intervals along the circumferential direction.
  • Each hole 253 is formed along the axial direction, and permanent magnets 254 are embedded in the holes 253 and fixed with an adhesive or the like.
  • the circumferential width of the hole 253 is set to be larger than the circumferential width of the permanent magnet 254 (254a, 254b), and the hole spaces 257 on both sides of the permanent magnet 254 function as magnetic gaps.
  • the hole space 257 may be filled with an adhesive, or may be solidified integrally with the permanent magnet 254 with a molding resin.
  • the permanent magnet 254 acts as a field pole of the rotor 250 and has an eight-pole configuration in this embodiment.
  • the magnetization direction of the permanent magnet 254 is in the radial direction, and the direction of the magnetization direction is reversed for each field pole. That is, if the stator side surface of the permanent magnet 254a is N-pole and the surface on the shaft side is S-pole, the stator side surface of the adjacent permanent magnet 254b is S-pole and the surface on the shaft side is N-pole. . These permanent magnets 254a and 254b are alternately arranged in the circumferential direction.
  • the permanent magnet 254 may be inserted into the hole 253 after being magnetized, or may be magnetized by applying a strong magnetic field after being inserted into the hole 253 of the rotor core 252.
  • the magnetized permanent magnet 254 is a strong magnet, if the magnet is magnetized before the permanent magnet 254 is fixed to the rotor 250, a strong attractive force between the rotor core 252 and the permanent magnet 254 is fixed. Occurs and hinders assembly work.
  • due to the strong attractive force of the permanent magnet 254 dust such as iron powder may adhere to the permanent magnet 254. Therefore, when considering the productivity of the rotating electrical machine, it is preferable that the permanent magnet 254 is magnetized after being inserted into the rotor core 252.
  • the permanent magnet 254 can be a neodymium-based or samarium-based sintered magnet, a ferrite magnet, a neodymium-based bond magnet, or the like.
  • the residual magnetic flux density of the permanent magnet 254 is about 0.4 to 1.4T.
  • the alternating current since the alternating current is controlled to be sinusoidal, the product of the fundamental wave component of the interlinkage magnetic flux and the fundamental wave component of the alternating current becomes the time-average component of the torque, and the harmonic component of the interlinkage magnetic flux
  • the product of the fundamental wave components of the alternating current becomes the torque ripple that is the harmonic component of the torque. That is, in order to reduce the torque ripple, the harmonic component of the flux linkage may be reduced.
  • the harmonic component of the interlinkage magnetic flux since the product of the interlinkage magnetic flux and the angular velocity at which the rotor rotates is the induced voltage, reducing the harmonic component of the interlinkage magnetic flux is equivalent to reducing the harmonic component of the induced voltage.
  • FIG. 3 is a perspective view of the stator 230.
  • the stator winding 238 is wound around the stator core 232 by wave winding. Coil ends 241 of the stator winding 238 are formed on both end surfaces of the stator core 232. Further, a lead wire 242 of the stator winding 238 is drawn out on one end face side of the stator core 232. The lead wire 242 is drawn out corresponding to each of the U phase, the V phase, and the W phase.
  • FIG. 4 is a connection diagram of the stator winding 238, showing the connection method and the electrical phase relationship of each phase winding.
  • the stator winding 238 of this embodiment employs a double star connection, and includes a first star connection composed of a U1-phase winding group, a V1-phase winding group, and a W1-phase winding group, and a U2-phase winding.
  • a second star connection composed of a group, a V2-phase winding group, and a W2-phase winding group is connected in parallel.
  • the U1, V1, and W1 phase winding groups and the U2, V2, and W2 phase winding groups are each configured by four windings.
  • the U1 phase winding group includes the windings U11 to U14, and the V1 phase.
  • the winding group has circumferential windings V11 to V14
  • the W1 phase winding group has circumferential windings W11 to W14
  • the U2 phase winding group has circumferential windings U21 to U24
  • the V2 phase windings The group has circular windings V21 to V24
  • the W2-phase winding group has circular windings W21 to W24.
  • the V phase and the W phase have substantially the same configuration as the U phase, and are arranged so that the phase of the voltage induced in each phase is shifted by 120 degrees in electrical angle.
  • the angles of the respective windings represent relative phases.
  • the stator winding 238 employs a double star (2Y) connection connected in parallel. However, depending on the driving voltage of the rotating electrical machine, they may be connected in series to form a single star (1Y) connection. good.
  • FIG. 5 and 6 are diagrams showing the detailed connection of the U-phase winding of the stator winding 238.
  • FIG. As described above, 48 slots 237 are formed in the stator core 232 (see FIG. 4), and reference numerals 1, 2,..., 47, 48 shown in FIG.
  • FIG. 5A shows the windings U11 and U12 of the U1-phase winding group.
  • FIG. 5B shows the windings U13 and U14 of the U1-phase winding group.
  • FIG. 5C shows the windings U21 and U22 of the U2-phase winding group.
  • FIG. 5D shows the windings U23 and U24 of the U2-phase winding group.
  • FIG. 6 is a diagram showing the arrangement of the slot conductors, and shows the arrangement in the slot focusing only on the U-phase winding in the lower part of the figure.
  • the stator winding group U1 is composed of the windings U11, U12, U13, and U14, and a voltage obtained by synthesizing the respective phases is induced in the U1-phase winding group.
  • a voltage in which the phases of the windings U21, U22, U23, and U24 are combined is induced.
  • the U1-phase winding group and the U2-phase winding group are connected in parallel, but there is no phase difference between the voltages induced in the stator winding groups U1, U2, and they are connected in parallel. However, imbalances such as circulating current will not occur. Of course, it may be connected in series.
  • Each of the windings U11 to U24 includes a slot conductor 233a inserted into the slot and a cross conductor 233b constituting the coil end 241 by connecting the same side ends of the slot conductor 233a inserted into different slots. Consists of. For example, in the case of the slot conductor 233a inserted through the slot 237 having the slot number 5 shown in FIG. 5A, the upper end in the figure is formed into the slot 237 having the slot number 48 by the crossing conductor 233b constituting the upper coil end.
  • the lower end is connected to the upper end of the slot conductor 233a to be inserted, and conversely, the lower end is below the slot conductor 233a to be inserted into the slot 237 of the slot number 12 by the transition conductor 233b constituting the lower coil end. Connected to the side edge. In this manner, the slot conductor 233a is connected by the crossing conductor 233b, whereby a wave winding is formed.
  • slot conductors 233a are inserted in one slot side by side from the inner peripheral side to the outer peripheral side, and are called layer 1, layer 2, layer 3, and layer 4 in order from the inner peripheral side.
  • the solid line portions of the windings U ⁇ b> 11, U ⁇ b> 12, U ⁇ b> 21, and U ⁇ b> 22 indicate layer 1, and the broken line portion indicates layer 2.
  • the alternate long and short dash line portion indicates the layer 3, and the dotted line portion indicates the layer 4.
  • the windings U11 to U24 may be formed of a continuous conductor, or the segment coils may be connected to each other by welding after the segment coils are inserted into the slots.
  • the coil ends 241 positioned at both ends in the axial direction from the end of the stator core 232 can be formed in advance. The insulation distance can be easily provided and is effective for insulation.
  • the conductor used for the circular winding may be a flat wire, a round wire, or a conductor with multiple thin wires, but in order to increase the space factor for the purpose of miniaturization and high output, Line is suitable.
  • the stator winding group U1 enters the layer 1 of the slot number 14 from the lead wire and straddles the six slots by the crossing conductors 233b, and then the slot conductor 233a becomes the layer 2 of the slot number 20. enter.
  • layer 2 of slot number 32 is entered from layer 1 of slot number 26 across six slots.
  • stator winding is wound by the wave winding so that the stator core 232 makes one turn to the layer 2 of the slot number 8.
  • the stator winding for approximately one turn so far is the circular winding U11 shown in FIG.
  • stator winding (circular winding U11 in FIG. 6) coming out from layer 2 of slot number 8 enters layer 1 of slot number 13 across five slots. From the layer 1 of the slot number 13, the circular winding U12 shown in FIG.
  • the circumferential winding U12 is also wound by wave winding as in the case of the circumferential winding U11.
  • the circumferential winding U12 is wound with a one-slot pitch shift with respect to the circumferential winding U11, so that a phase difference corresponding to one slot pitch is generated.
  • one slot pitch corresponds to an electrical angle of 30 degrees, and in FIG. 6 as well, the circumferential winding U11 and the circumferential winding U12 are described as being shifted by 30 degrees.
  • the stator winding (circular winding U12 in FIG. 6) exiting from layer 2 of slot number 7 enters layer 3 of slot number 13 with a jumper wire straddling six slots. . From layer 3 of slot number 13, the winding turns to U13. The winding U13 is wound up to the layer 4 of the slot number 7, and then crosses 6 slots by the deformed crossing conductor 233c connecting the slot conductors of the same layer, and enters the layer 4 of the slot number 2. From layer 4 of slot number 2, it becomes a circular winding U14. Next, the stator winding coming out of layer 4 of slot number 2 enters layer 3 of slot number 44. Therefore, the circumferential winding U14 has a winding direction opposite to that of the circumferential windings U11 to U13. However, the direction of the current in each slot conductor is the same direction in the in-phase coil group described later.
  • one slot pitch corresponds to an electrical angle of 30 degrees
  • the circumferential winding U13 and the circumferential winding U14 are described as being shifted by 30 degrees.
  • FIG. 6 is a diagram mainly showing the arrangement of the slot conductors 233a in the stator core 232, and shows slot numbers 48 to 13 in FIG.
  • the rotation direction of the rotor is from the left to the right in the figure.
  • twelve slots 237 are arranged for two poles, that is, an electrical angle of 360 degrees.
  • four slot conductors 233a of the stator winding 238 are inserted.
  • Each slot conductor 233a is indicated by a rectangle, and in the rectangle, signs U, V, W indicating U phase, V phase, W phase and a direction from the side where the lead wire is located to the opposite side are shown.
  • a cross mark “ ⁇ ” is shown, and a black circle mark “ ⁇ ” showing the opposite direction is shown.
  • the slot conductor 233a located on the innermost side (slot opening side) of the slot 237 will be referred to as layer 1, and will be referred to as layer 2, layer 3, and layer 4 in this order from the outer side (slot bottom side).
  • Reference numerals 01 to 12 are slot numbers similar to those shown in FIG.
  • the eight slot conductors 233a surrounded by broken lines are a slot conductor group 234 composed of U-phase slot conductors 233a.
  • the U-phase two-pole slot conductor group 234 in the figure includes slot conductors 233a of the windings U11, U12, U21, U22 disposed in the layers 1 and 2 of the slot numbers 48, 1, and 2.
  • Slot conductors 233a of the circumferential windings U13, U14, U23, and U24 disposed in the layers 3 and 4 of the slot numbers 1, 2, and 3, respectively.
  • the number N of slots per pole is 6, the number of slots NSPP per pole is 2, and the number of layers of the slot conductor 233a in the slot 237 is 4, the U phase (V phase, W phase as shown in FIG. 7).
  • a configuration in which the slot conductor 233a is also used is often employed. In this case, the windings of the same phase are arranged without shifting in the circumferential direction of the stator core 232.
  • the configuration of the present embodiment is configured such that in-phase coils of the number of slots per phase per pole + 1 are arranged in the layer of the slot group in which the coils of the same phase are inserted. Therefore, coils of the same phase can be arranged in wider slots in the circumferential direction than in the conventional configuration, and the magnetomotive force generated by the current flowing through the conductor can be distributed. As a result, torque pulsation of the rotating electrical machine can be reduced.
  • FIG. 8 shows a comparison of the torque waveform when an alternating current is applied to the rotating electrical machine of the present embodiment and the conventional rotating electrical machine configured as a full-winding winding and a short-winding winding as a conventional configuration. is there. As shown in the analysis result of FIG. 8, it can be seen that torque pulsation is reduced as compared with full-pitch winding and short-pitch winding, and an average torque larger than that of short-pitch winding is obtained.
  • FIGS. 9A to 9F show modifications of the present embodiment.
  • the arrangement of slot conductor groups which is a modified example of the present embodiment, is shown when the number of slots per phase is 2 and the number of layers is 4.
  • the arrangement of slot conductors in which current flows in the same phase and in the same direction is shown, and corresponds to the arrangement of slot conductor groups marked with “ ⁇ ” when attention is paid to a certain phase in FIG. That is, when the slot conductor arrangement is illustrated by taking FIG. 9A as an example of a modification, the slot conductors are arranged as shown in FIG. Regarding the arrangement of the slot conductors, the arrangement of the layers 3 and 4 can be interchanged as shown in FIGS. 9B and 9D. Further, as shown in FIGS. 9D and 9F, the arrangement of the slot conductor groups of layers 1 and 2 and the slot conductor groups of layers 3 and 4 may be interchanged.
  • the relative arrangement of the inter-layer and slot conductor groups is not limited to that shown in the figure, and the basic configuration of M ⁇ N slot conductor groups is different from the configuration in which the number of slots per phase is N and the number of layers is 2M. It may be configured as described.
  • FIGS. 11 (a) to 11 (g) exemplify the arrangement of slot conductor groups when the present invention is applied to a rotating electrical machine having two slots per phase and six layers per pole.
  • the arrangement of slot conductors in which current flows in the same phase and in the same direction is shown, and corresponds to the arrangement of slot conductor groups marked with “ ⁇ ” when attention is paid to a certain phase in FIG.
  • the number of slots per phase per pole + 1, that is, three in-phase coils are arranged.
  • FIG. 11A shows a slot conductor arrangement for two poles as an example of the modified example.
  • the slot conductors are arranged as shown in FIG.
  • the arrangement of layers 3 and 4 and layers 5 and 6 can be interchanged as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (c). Further, as shown in FIGS. 11B and 11G, the arrangement of the slot conductor groups of layers 1 and 2 and the slot conductor groups of layers 3 and 4 may be interchanged.
  • the relative arrangement of the inter-layer and slot conductor groups is not limited to that shown in the figure, and the basic configuration of M ⁇ N slot conductor groups is different from the configuration in which the number of slots per phase is N and the number of layers is 2M. It may be configured as described.
  • the configuration of the present embodiment is configured such that in-phase coils of the number of slots per phase per pole + 1 are arranged in the layer of the slot group in which the coils of the same phase are inserted. Therefore, coils of the same phase can be arranged in wider slots in the circumferential direction than in the conventional configuration, and the magnetomotive force generated by the current flowing through the conductor can be distributed. As a result, torque pulsation of the rotating electrical machine can be reduced.
  • FIGS. 13A to 13E show the arrangement of slot conductor groups when the present invention is applied to a rotating electrical machine having three slots per phase and four layers per pole.
  • the arrangement of slot conductors in which current flows in the same phase and in the same direction is shown, and corresponds to the arrangement of slot conductor groups marked with “ ⁇ ” when attention is paid to a certain phase in FIG.
  • FIGS. 13 (a) to 13 (c) are examples in which the number of slots per phase per pole + 1, that is, four in-phase coils are arranged in each layer.
  • FIGS. 13 (d) to (e) This is an example in which the number of slots per phase per pole + 2, that is, five in-phase coils are arranged.
  • FIG. 13 (a) shows a slot conductor arrangement for two poles as an example, and the slot conductors are arranged as shown in FIG.
  • the arrangement of layers 1 and 2 or layers 3 and 4 may be interchanged with respect to the arrangement of slot conductors. Further, the arrangement of the slot conductor groups of layers 1 and 2 and the slot conductor groups of layers 3 and 4 may be interchanged.
  • the relative arrangement of the inter-layer and slot conductor groups is not limited to that shown in the figure, and the basic configuration of M ⁇ N slot conductor groups is different from the configuration in which the number of slots per phase is N and the number of layers is 2M. It may be configured as described.
  • the configuration of the present embodiment is configured such that in-phase coils of the number of slots per phase per pole + 1 are arranged in the layer of the slot group in which the coils of the same phase are inserted. Therefore, coils of the same phase can be arranged in wider slots in the circumferential direction than in the conventional configuration, and the magnetomotive force generated by the current flowing through the conductor can be distributed. As a result, torque pulsation of the rotating electrical machine can be reduced.
  • Rotating electric machine 212 Housing 214: End bracket 216: Bearing 218: Shaft 222: Gap 224: Resolver 226: Address plate 230: Stator 232: Stator core 233a: Slot conductor 233b: Transition conductor 233c: Deformed transition conductor 234 : Slot conductor group 236: Teeth 237: Slot 238: Stator winding 241: Coil end 242: Lead wire 250: Rotor 252: Rotor core 253: Hole 254: Permanent magnet 257: Hole space U11 to U16, U21 to U26, V11 to V16, V21 to V26, W11 to W16, W21 to W26: Circumferential winding

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

本発明は、高トルクかつ低騒音である回転電機を提供することを目的とする。　複数のスロットを備えた固定子コアと、前記スロットに挿通されるコイルと、前記固定子コアに対して空隙を介して回転自在に支持された回転子と、を備えた回転電機において、同一相のコイルが挿通されたスロット群のあるレイヤにおいて、毎極毎相スロット数＋Ｎ個（Ｎは整数）の同相コイルが配置されたことを特徴とする回転電機。

Description

回転電機の固定子及び回転電機
　本発明は、回転電機の固定子及び回転電機に関する。
　車両の駆動用として用いられる回転電機の巻線技術としては、特許文献１に記載のような技術が知られている。
特開２０１２－２９３７０号公報
　ところで、電気自動車等に搭載される回転電機には、高トルクでありながら低騒音であることが要求されている。そのため、本発明は、高トルクかつ低騒音である回転電機を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するため、本発明に係る回転電機の固定子は、複数のスロットを備えた固定子コアと、前記スロットに挿通されるコイルと、を備え、同相のコイルが挿通されたスロット群のうちの所定のレイヤにおいて、Ｎを１以上の整数とした場合に、毎極毎相スロット数＋Ｎ個又は毎極毎相スロット数－Ｎ個の同相コイルが配置される。
　本発明によれば、回転電機および回転電機を備えた車両において、高トルク化かつ低トルクリプル化を図ることができる。
回転電機の断面図。 固定子２３０及び回転子２５０の断面図。 固定子２３０の斜視図。 固定子巻線の結線図。 第１実施形態のＵ相巻線を示す図。 第１実施形態のスロット導体の配置図。 従来の回転電機におけるスロット導体の配置図。 第１実施形態を適用した回転電機および比較例のトルク波形。 第１実施形態の変形例を示す図。 第１実施形態の変形例の一つにおけるスロット導体配置を示す図。 第２実施形態におけるスロット導体群の配置を示す図。 第２実施形態の一つにおけるスロット導体配置を示す図。 第３実施形態におけるスロット導体群の配置を示す図。 第３実施形態の一つにおけるスロット導体配置を示す図。
　以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
　図１に回転電機２００の断面図を示す。ハウジング２１２の内部には固定子２３０が保持されており、固定子２３０は固定子コア２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子コア２３２の内周側には、回転子２５０が空隙２２２を介して回転可能に保持されている。回転子２５０は、シャフト２１８に固定された回転子鉄心２５２と、永久磁石２５４と、非磁性体のあて板２２６とを備えている。ハウジング２１２は軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有しており、シャフト２１８はこれらの軸受２１６により回転自在に保持されている。
　シャフト２１８には、回転子２５０の極の位置や回転速度を検出するレゾルバ２２４が設けられている。このレゾルバ２２４からの出力は、図示しない制御回路に取り込まれる。
　固定子巻線２３８には図示しないインバータや電源から三相交流電力が供給され、回転磁界が固定子２３０に発生する。三相交流電流の周波数はレゾルバ２２４の出力値に基づいて制御され、三相交流電流の回転子２５０に対する位相も同じくレゾルバ２２４の出力値に基づいて制御される。
　図２は、固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図であり、図１のＡ－Ａ断面図を示したものである。なお、図２ではハウジング２１２、シャフト２１８および固定子巻線２３８の記載を省略した。固定子コア２３２の内周側には、多数のスロット２３７とティース２３６とが全周に渡って均等に配置されている。図２では、スロットおよびティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のティースとスロットにのみに符号を付した。スロット２３７内にはスロット絶縁材（図示省略）が設けられ、図１の固定子巻線２３８を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施形態では、スロット２３７は等間隔に４８個形成されている。
　また、回転子鉄心２５２の外周近傍には、矩形の磁石を挿入するための複数の穴２５３が周方向に沿って等間隔に８個配設されている。各穴２５３は軸方向に沿って形成されており、その穴２５３には永久磁石２５４がそれぞれ埋め込まれ、接着剤などで固定されている。穴２５３の円周方向の幅は、永久磁石２５４（２５４ａ、２５４ｂ）の円周方向の幅よりも大きく設定されており、永久磁石２５４の両側の穴空間２５７は磁気的空隙として機能する。この穴空間２５７は接着剤を埋め込んでも良いし、成型用樹脂で永久磁石２５４と一体に固めても良い。永久磁石２５４は回転子２５０の界磁極として作用し、本実施形態では８極構成となっている。
　永久磁石２５４の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、永久磁石２５４ａの固定子側面がＮ極、軸側の面がＳ極であったとすれば、隣の永久磁石２５４ｂの固定子側面はＳ極、軸側の面はＮ極となっている。そして、これらの永久磁石２５４ａ、２５４ｂが円周方向に交互に配置されている。
　永久磁石２５４は、磁化した後に穴２５３に挿入しても良いし、回転子コア２５２の穴２５３に挿入した後に強力な磁界を与えて磁化するようにしても良い。ただし、磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石なので、回転子２５０に永久磁石２５４を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石２５４の固定時に回転子コア２５２との間に強力な吸引力が生じて組み付け作業の妨げとなる。また、永久磁石２５４の強力な吸引力により、永久磁石２５４に鉄粉などのごみが付着するおそれがある。そのため、回転電機の生産性を考慮した場合、永久磁石２５４を回転子コア２５２に挿入した後に磁化するのが好ましい。
　なお、永久磁石２５４には、ネオジウム系、サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石、ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。永久磁石２５４の残留磁束密度は０．４～１．４Ｔ程度である。
　三相交流電流を固定子巻線２３８に流すことにより回転磁界が固定子２３０に発生すると、この回転磁界が回転子２５０の永久磁石２５４ａ、２５４ｂに作用してトルクが生じる。このトルクは、永久磁石２５４から出される磁束のうち各相巻線に鎖交する成分と、各相巻線に流れる交流電流の鎖交磁束に直交する成分の積で表される。ここで、交流電流は正弦波状になるように制御されているので、鎖交磁束の基本波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの時間平均成分となり、鎖交磁束の高調波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの高調波成分であるトルクリプルとなる。つまり、トルクリプルを低減するには、鎖交磁束の高調波成分を低減すればよい。言い換えれば、鎖交磁束と回転子の回転する角速度の積が誘起電圧であるから、鎖交磁束の高調波成分を低減することは、誘起電圧の高調波成分を低減することに等しい。
　図３は、固定子２３０の斜視図である。本実施形態では、固定子巻線２３８は固定子コア２３２に波巻で巻き回されている。固定子コア２３２の両端面には、固定子巻線２３８のコイルエンド２４１が形成されている。また、固定子コア２３２の一方の端面側には、固定子巻線２３８の口出し線２４２が引き出されている。口出し線２４２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応して引き出されている。
　図４は、固定子巻線２３８の結線図であり、結線方式および各相巻線の電気的な位相関係を示したものである。本実施形態の固定子巻線２３８にはダブルスター結線が採用されており、Ｕ１相巻線群、Ｖ１相巻線群、Ｗ１相巻線群から成る第１のスター結線と、Ｕ２相巻線群、Ｖ２相巻線群、Ｗ２相巻線群から成る第２のスター結線とが並列に接続されている。Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１相巻線群およびＵ２、Ｖ２、Ｗ２相巻線群はそれぞれ４つの周回巻線で構成されており、Ｕ１相巻線群は周回巻線Ｕ１１～Ｕ１４を有し、Ｖ１相巻線群は周回巻線Ｖ１１～Ｖ１４を有し、Ｗ１相巻線群は周回巻線Ｗ１１～Ｗ１４を有し、Ｕ２相巻線群は周回巻線Ｕ２１～Ｕ２４を有し、Ｖ２相巻線群は周回巻線Ｖ２１～Ｖ２４を有し、Ｗ２相巻線群は周回巻線Ｗ２１～Ｗ２４を有している。第１のスター結線及び第２のスター結線はＵ相同士、Ｖ相同士、Ｗ相同士が電気的に接続され、その接続部は、電流センサ６６０に接続されている。
　Ｖ相およびＷ相はＵ相とほぼ同様の構成であり、それぞれに誘起される電圧の位相が電気角で１２０度ずれるように配置されている。また、それぞれの周回巻線の角度が相対的な位相を表している。本実施形態では、固定子巻線２３８は並列に結線されたダブルスター（２Ｙ）結線を採用しているが、回転電機の駆動電圧によってはそれらを直列につないでシングルスター（１Ｙ）結線としても良い。
　図５及び図６は固定子巻線２３８のＵ相巻線の詳細結線を示す図である。上述したように固定子コア２３２には４８個のスロット２３７が形成されており（図４参照）、図５に示す符号１、２、～、４７、４８はスロット番号を示している。
　図５（ａ）は、Ｕ１相巻線群の周回巻線Ｕ１１、Ｕ１２を示している。図５（ｂ）は、Ｕ１相巻線群の周回巻線Ｕ１３、Ｕ１４を示している。図５（ｃ）は、Ｕ２相巻線群の周回巻線Ｕ２１、２２を示している。図５（ｄ）は、Ｕ２相巻線群の周回巻線Ｕ２３、Ｕ２４を示している。また、図６は、スロット導体の配置を示す図であり、図中下部にＵ相巻線のみに着目したスロット内配置を示している。
　固定子巻線群Ｕ１は周回巻線Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４からなり、それぞれの位相が合成された電圧がＵ１相巻線群に誘起される。同様に、Ｕ２相巻線群の場合も、周回巻線Ｕ２１、Ｕ２２、Ｕ２３、Ｕ２４の位相が合成された電圧が誘起される。Ｕ１相巻線群とＵ２相巻線群とは並列に接続されているが、固定子巻線群Ｕ１、Ｕ２のそれぞれに誘起される電圧の間には位相差がなく、並列接続であっても循環電流が流れるなどのアンバランスが起きることはない。もちろん、直列接続であっても良い。
　各周回巻線Ｕ１１～Ｕ２４は、スロット内に挿通されるスロット導体２３３ａと、異なるスロットに挿通されたスロット導体２３３ａの同一側端部同士を接続して、コイルエンド２４１を構成する渡り導体２３３ｂとから成る。例えば、図５（ａ）に示すスロット番号５のスロット２３７に挿通されるスロット導体２３３ａの場合、図示上側の端部は、上側コイルエンドを構成する渡り導体２３３ｂによって、スロット番号４８のスロット２３７に挿通されるスロット導体２３３ａの上側端部に接続され、逆に、下側端部は、下側コイルエンドを構成する渡り導体２３３ｂによって、スロット番号１２のスロット２３７に挿通されるスロット導体２３３ａの下側端部に接続されている。このような形態でスロット導体２３３ａが渡り導体２３３ｂによって接続されることにより、波巻の周回巻線が形成される。
　本実施形態では、１スロット内に４本のスロット導体２３３ａが内周側から外周側に並んで挿通され、内周側から順にレイヤ１、レイヤ２、レイヤ３、レイヤ４と称する。図５において、周回巻線Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ２１およびＵ２２の実線部分はレイヤ１を示しており、破線の部分はレイヤ２を示している。周回巻線Ｕ１３、Ｕ１４、Ｕ２３およびＵ２４においては、一点鎖線部分はレイヤ３を示しており、点線の部分はレイヤ４を示している。
　なお、周回巻線Ｕ１１～Ｕ２４は、連続した導体で形成されても良いし、セグメントコイルをスロット内に挿通した後に溶接等によりセグメントコイル同士を接続するようにしても良い。セグメントコイルを用いる場合、セグメントコイルをスロット２３７に挿通する前に、固定子コア２３２の端部より軸方向両端に位置するコイルエンド２４１を予め成形することができ、異相間もしくは同相間に適切な絶縁距離を容易に設けることができ、絶縁に関して有効である。
　また、周回巻線に使用する導体は平角線や丸線、もしくは細線を多本持ちにした導体でもよいが、小型高出力化や高効率化を目的として占積率を高めるためには、平角線が適している。
　図５に示すように、固定子巻線群Ｕ１は口出し線からスロット番号１４のレイヤ１に入り、渡り導体２３３ｂによりスロット６個分を跨いだ後に、スロット導体２３３ａがスロット番号２０のレイヤ２に入る。次に、スロット番号２６のレイヤ１から、スロット６個分を跨いでスロット番号３２のレイヤ２に入る。
　このように、スロット番号８のレイヤ２まで固定子コア２３２を１周するように固定子巻線が波巻で巻き回される。ここまでの略１周分の固定子巻線が図６に示した周回巻線Ｕ１１である。
　次に、スロット番号８のレイヤ２から出た固定子巻線（図６における周回巻線Ｕ１１）はスロット５個分をまたいでスロット番号１３のレイヤ１に入る。スロット番号１３のレイヤ１からは図６に示す周回巻線Ｕ１２となる。周回巻線Ｕ１２も、周回巻線Ｕ１１の場合と同様に、波巻で巻き回されている。
　なお、周回巻線Ｕ１２は、周回巻線Ｕ１１に対して１スロットピッチずれて巻き回されることから、１スロットピッチ相当の電気角分の位相差が発生する。本実施形態では、１スロットピッチは電気角３０度相当であり、図６においても、周回巻線Ｕ１１と周回巻線Ｕ１２とは３０度ずれて記載されている。
　さらに、図５に示すように、スロット番号７のレイヤ２から出た固定子巻線（図６における周回巻線Ｕ１２）は、スロット６個分をまたぐジャンパ線でスロット番号１３のレイヤ３に入る。スロット番号１３のレイヤ３からは周回巻線Ｕ１３となる。周回巻線Ｕ１３はスロット番号７のレイヤ４まで巻き回された後、同レイヤのスロット導体を接続する異形渡り導体２３３ｃによって６スロットを跨ぎ、スロット番号２のレイヤ４に入る。スロット番号２のレイヤ４からは周回巻線Ｕ１４となる。次に、スロット番号２のレイヤ４から出た固定子巻線はスロット番号４４のレイヤ３に入る。したがって、周回巻線Ｕ１４は周回巻線Ｕ１１～Ｕ１３とは逆向きの巻き方向となる。ただし、後述する同相コイル群において各スロット導体における電流の向きは同方向である。
　なお、周回巻線Ｕ１４は、周回巻線Ｕ１３に対して１スロットピッチずれて巻き回されることから、１スロットピッチ相当の電気角分の位相差が発生する。本実施形態では、１スロットピッチは電気角３０度相当であり、図６においても、周回巻線Ｕ１３と周回巻線Ｕ１４とは３０度ずれて記載されている。
　周回巻線Ｕ２１、Ｕ２２と周回巻線Ｕ１３、Ｕ１４および周回巻線Ｕ２３、Ｕ２４と周回巻線Ｕ１１、Ｕ１２に対してスロット番号が１つずつずれ、レイヤ１、２とレイヤ３、４を入れ替えた関係になっている。このため、図５に示すように、同レイヤのスロット導体を接続する異形渡り導体２３３ｃ、口出し線、ジャンパ線が干渉しにくく、かつ端子などに接続しやすい位置関係とすることができる。
　図６は、固定子コア２３２におけるスロット導体２３３ａの配置を主に示す図であり、図５のスロット番号４８～スロット番号１３までを示したものである。なお、回転子の回転方向は図の左から右の方向である。本実施形態では、２極分、つまり電気角３６０度にスロット２３７が１２個配置されており、例えば、スロット番号０１からスロット番号１２までは２極分に相当する。そのため、毎極スロット数Ｎは６、毎極毎相スロット数ＮＳＰＰは２（＝６／３）である。各スロット２３７には、固定子巻線２３８のスロット導体２３３ａが４本ずつ挿通されている。
　各スロット導体２３３ａは矩形で示されているが、その矩形の中には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を示す符号Ｕ、Ｖ、Ｗと、口出し線がある側から反対側への方向を示すクロス印「×」、その逆の方向を示す黒丸印「●」をそれぞれ図示した。
　スロット２３７の最も内周側（スロット開口側）にあるスロット導体２３３ａをレイヤ１と呼び、外周側（スロット底側）にかけて順にレイヤ２、レイヤ３、レイヤ４と呼ぶことにする。また、符号０１～１２は図５に示したものと同様のスロット番号である。
　また、Ｕ相の周回巻線Ｕ１１～Ｕ２４の配置関係を示す図を抜き出して同じく図示している。Ｕ相のスロット導体２３３ａのみ周回巻線を表す符号Ｕ１１～Ｕ２４で示し、Ｖ相およびＷ相のスロット導体２３３ａに関しては、相を表す符号Ｖ、Ｗで示した。
　図６おいて破線で囲んだ８個のスロット導体２３３ａは、全てＵ相のスロット導体２３３ａからなるスロット導体群２３４である。例えば、図中におけるＵ相２極分のスロット導体群２３４は、スロット番号４８、１、２のレイヤ１、レイヤ２に配設された周回巻線Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ２１、Ｕ２２のスロット導体２３３ａと、スロット番号１、２、３のレイヤ３、レイヤ４に配設された周回巻線Ｕ１３、Ｕ１４、Ｕ２３、Ｕ２４のスロット導体２３３ａとを有する。
　一般に、毎極スロット数Ｎが６、毎極毎相スロット数ＮＳＰＰが２、スロット２３７内のスロット導体２３３ａのレイヤ数が４の場合には、図７のようにＵ相（Ｖ相、Ｗ相も同様）のスロット導体２３３ａを配置する構成が採用される場合が多い。この場合、同一相の周回巻線が固定子コア２３２の周方向にずれることなく配設される。
　一方、本実施形態の構成は、同一相のコイルが挿通されたスロット群のレイヤにおいて、毎極毎相スロット数＋１個の同相コイルが配置されるよう構成している。したがって、同一相のコイルを従来構成に比べて周方向に広いスロットに配置することが可能であり、導体に流れる電流が生じる起磁力を分布させることができる。この結果、回転電機のトルク脈動を低減できる。
　図８は、交流電流を通電した場合のトルク波形を、本実施形態の回転電機の場合と従来構成として、一般に知られる全節巻および短節巻で構成した場合の回転電機と比較したものである。図８の解析結果に示すように、全節巻および短節巻に比べてトルク脈動を低減するとともに、短節巻よりも大きな平均トルクが得られることが分かる。
　従来構成では、大きな平均トルクを得られる全節巻か、脈動を低減するため平均トルクの低下を許容する短節巻のいずれかを選択せざるを得なかったのに対し、本発明によれば短節巻に比べて平均トルクを大きくし、さらに脈動を低減した回転電機を提供することが可能である。
　本実施形態の変形例を図９（ａ）～（ｆ）に示す。毎極毎相スロット数２、レイヤ数４の場合に本実施形態の変形例となるスロット導体群の配置を示したものである。同相かつ同方向に電流が流れるスロット導体の配置を示しており、図６においてある相に着目した時の「●」印のスロット導体群の配置に対応している。すなわち、変形例の一つ図９（ａ）を例としてスロット導体配置を図示すると、スロット導体は図１０のように配置される。スロット導体の配置に関して、図９（ｂ）と図９（ｄ）のようにレイヤ３と４の配置を入れ替えても差し支え無い。また、図９（ｄ）と図９（ｆ）のようにレイヤ１、２のスロット導体群とレイヤ３、４のスロット導体群の配置を入れ替えても良い。
　レイヤ間およびスロット導体群の相対的な配置については、図示の限りでなく、毎極毎相スロット数Ｎとレイヤ数２Ｍの構成に対してＭ×Ｎ個のスロット導体群の基本構成が本発明記載のように構成されていれば良い。
　図１１（ａ）～（ｇ）は毎極毎相スロット数２、レイヤ数６の回転電機に本発明を実施する場合のスロット導体群の配置を例示したものである。同相かつ同方向に電流が流れるスロット導体の配置を示しており、図６においてある相に着目した時の「●」印のスロット導体群の配置に対応している。各レイヤにおいて、毎極毎相スロット数＋１、すなわち３つの同相コイルが配置されている。変形例の一つ図１１（ａ）を例として２極分のスロット導体配置を図示すると、スロット導体は図１２のように配置される。
　スロット導体の配置に関して、図１１（ａ）と図１１（ｃ）のようにレイヤ３と４、レイヤ５と６の配置を入れ替えても差し支え無い。また、図１１（ｂ）と図１１（ｇ）のようにレイヤ１、２のスロット導体群とレイヤ３、４のスロット導体群の配置を入れ替えても良い。
　レイヤ間およびスロット導体群の相対的な配置については、図示の限りでなく、毎極毎相スロット数Ｎとレイヤ数２Ｍの構成に対してＭ×Ｎ個のスロット導体群の基本構成が本発明記載のように構成されていれば良い。
　本実施形態の構成は、同一相のコイルが挿通されたスロット群のレイヤにおいて、毎極毎相スロット数＋１個の同相コイルが配置されるよう構成している。したがって、同一相のコイルを従来構成に比べて周方向に広いスロットに配置することが可能であり、導体に流れる電流が生じる起磁力を分布させることができる。この結果、回転電機のトルク脈動を低減できる。
　図１３（ａ）～（ｅ）は毎極毎相スロット数３、レイヤ数４の回転電機に本発明を実施する場合のスロット導体群の配置を示したものである。同相かつ同方向に電流が流れるスロット導体の配置を示しており、図６においてある相に着目した時の「●」印のスロット導体群の配置に対応している。図１３（ａ）～（ｃ）は、各レイヤにおいて、毎極毎相スロット数＋１、すなわち４つの同相コイルを配置した例であり、図１３（ｄ）～（ｅ）は、各レイヤにおいて、毎極毎相スロット数＋２、すなわち５つの同相コイルを配置した例である。変形例の一つ図１３（ａ）を例として２極分のスロット導体配置を図示すると、スロット導体は図１４のように配置される。
　スロット導体の配置に関して、スロット導体の配置に関して、レイヤ１と２、またはレイヤ３と４の配置を入れ替えても差し支え無い。また、レイヤ１、２のスロット導体群とレイヤ３、４のスロット導体群の配置を入れ替えても良い。
　レイヤ間およびスロット導体群の相対的な配置については、図示の限りでなく、毎極毎相スロット数Ｎとレイヤ数２Ｍの構成に対してＭ×Ｎ個のスロット導体群の基本構成が本発明記載のように構成されていれば良い。
　本実施形態の構成は、同一相のコイルが挿通されたスロット群のレイヤにおいて、毎極毎相スロット数＋１個の同相コイルが配置されるよう構成している。したがって、同一相のコイルを従来構成に比べて周方向に広いスロットに配置することが可能であり、導体に流れる電流が生じる起磁力を分布させることができる。この結果、回転電機のトルク脈動を低減できる。
２００：回転電機
２１２：ハウジング
２１４：エンドブラケット
２１６：軸受
２１８：シャフト
２２２：空隙
２２４：レゾルバ
２２６：あて板
２３０：固定子
２３２：固定子コア
２３３ａ：スロット導体
２３３ｂ：渡り導体
２３３ｃ：異形渡り導体
２３４：スロット導体群
２３６：ティース
２３７：スロット
２３８：固定子巻線
２４１：コイルエンド
２４２：口出し線
２５０：回転子
２５２：回転子鉄心
２５３：穴
２５４：永久磁石
２５７：穴空間
Ｕ１１～Ｕ１６、Ｕ２１～Ｕ２６、Ｖ１１～Ｖ１６、Ｖ２１～Ｖ２６、Ｗ１１～Ｗ１６、Ｗ２１～Ｗ２６：周回巻線

Claims (7)

  1. 　複数のスロットを備えた固定子コアと、前記スロットに挿通されるコイルと、を備えた回転電機の固定子であって、
    　同相のコイルが挿通されたスロット群のうちの所定のレイヤにおいて、Ｎを１以上の整数とした場合に、毎極毎相スロット数＋Ｎ個の同相コイルが配置された回転電機の固定子。
  2. 　複数のスロットを備えた固定子コアと、前記スロットに挿通されるコイルと、を備えた回転電機の固定子であって、 
    　同相のコイルが挿通されたスロット群のうちの所定のレイヤにおいて、Ｎを１以上の整数とした場合に、毎極毎相スロット数－Ｎ個の同相コイルが配置された回転電機の固定子。
  3. 　請求項１又は２のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
    　前記Ｎは、毎極毎相スロット数よりも小さい整数である回転電機の固定子。
  4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
    　前記スロット群は、Ｍを１以上の整数とした場合に、２×Ｍ個のレイヤ数を有し、かつ、Ｍ×（毎極毎相スロット数＋Ｎ）以下のスロット数に渡って配置されている回転電機の固定子。
  5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
    　前記コイルが平角線から構成されることを特徴とする回転電機の固定子。
    回転電機。
  6. 　請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
    　前記コイルが１ターンを構成するセグメント巻線から構成される回転電機の固定子。
  7. 　請求項１乃至６のいずれかに記載の回転電機の固定子と、
    　前記固定子コアに対して空隙を介して回転自在に指示された回転子と、を備えた回転電機。
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