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