WO2020031610A1 - 固定子、回転電機、自動車用電動補機システム - Google Patents

固定子、回転電機、自動車用電動補機システム Download PDF

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segment
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teeth
segment coil
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一農 田子
金澤　宏至
貴行 近岡
大祐 郡
裕司 辻
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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
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a stator, a rotating electric machine using the stator, and an electric auxiliary machine system for a vehicle.
  • vibration sources originating from the electric motor which lead to vibration and noise in the vehicle cabin
  • a torque fluctuation component cogging torque and torque ripple
  • an electromagnetic excitation force generated between the stator and the rotor of the electric motor.
  • the vibration energy due to the torque fluctuation component propagates into the vehicle interior via the output shaft of the electric motor
  • the vibration energy due to the electromagnetic excitation force propagates into the vehicle interior via the mechanical parts of the EPS device.
  • Propagation of these vibration energies into the vehicle interior leads to vibration and noise in the vehicle interior.
  • the electric motor assists the steering wheel operation, so that the driver feels the cogging torque and torque ripple of the electric motor through the steering wheel.
  • it is generally required to suppress cogging torque to less than 1/1000 of the assist torque and torque ripple to less than 1/100 of the assist torque.
  • the minimum order of the spatial mode of the electromagnetic excitation force is not less than 2.
  • the output of the electric motor is proportional to (voltage acting on the magnetic circuit) ⁇ (current). Therefore, in an EPS device driven by a low-voltage power supply, it is required to reduce the resistance of the winding in order to reduce the loss. In order to reduce the resistance of the winding without changing the motor outer diameter due to size restrictions, at least one of the reduction of the winding length by reducing the motor shaft length and the increase of the winding diameter (winding cross-sectional area) is required. One is needed.
  • the inductance is proportional to the axial length ⁇ number of turns 2, the motor in order to reduce the winding length If the shaft length is reduced, a sufficient d-axis inductance cannot be obtained. Therefore, to reduce the resistance of the winding in the EPS device, it is necessary to increase the winding diameter (winding cross-sectional area).
  • the winding cross-sectional area is substantially equal to the circumferential width ⁇ the radial width of the winding.
  • the winding cross-sectional area is increased by increasing the circumferential width, it is necessary to reduce the teeth width by the increased circumferential width of the winding. That is, when the winding cross-sectional area is increased, the tooth width is reduced accordingly.
  • the teeth width is reduced, magnetic saturation tends to occur, so that the torque ripple tends to increase. Therefore, in the electric motor used for the EP device, it is important to suppress an increase in torque ripple while reducing the resistance of the winding.
  • Patent Document 1 discloses that an armature core having an annular portion and a plurality of teeth extending radially from the annular portion, and a plurality of segment conductors provided in a slot between the teeth so as to penetrate in the axial direction. Wherein the teeth have a width adjustment portion that narrows the width of the slot in a direction perpendicular to the radial direction toward the radially inner side.
  • a featured stator is disclosed.
  • Patent Document 1 The stator disclosed in Patent Document 1 has much room for improvement with respect to reduction of winding resistance and torque ripple.
  • a stator according to the present invention includes a stator core provided with a plurality of teeth, and a plurality of segment coils inserted into slots formed between the teeth, wherein the teeth include the plurality of teeth.
  • the teeth width is
  • Each of the innermost peripheral segment coils has a portion which is parallel to each other and a portion which is narrower on the inner peripheral side.
  • An electric auxiliary machine system for a vehicle according to the present invention includes the rotating electric machine described above, and performs electric power steering or electric braking using the rotating electric machine.
  • the winding resistance and the torque ripple can be sufficiently reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a permanent magnet type rotating electric machine according to an embodiment of the present invention, in a plane of rotation.
  • the figure explaining the torque ripple reduction effect which concerns on one Embodiment of this invention. 1 is an external perspective view of a stator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a sectional view in the rotation plane of a permanent magnet type rotating electric machine 1 according to one embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a cross section of the stator 10 according to one embodiment, and is an enlarged view of an X portion surrounded by a dotted line in FIG.
  • the permanent magnet type rotating electric machine 1 of the present embodiment has a 10-pole 60 in which a substantially annular stator 10 is disposed on the outer peripheral side and a substantially cylindrical rotor 20 is disposed on the inner peripheral side. It is a slot distribution winding permanent magnet type rotating electric machine.
  • An air gap 30 is provided between the stator 10 and the rotor 20.
  • the stator 10 has a stator core 100 and a core back 110, a plurality of teeth 120, slots 130 and windings 140, and is arranged to face the rotor 20 via the air gap 30. .
  • the stator 10 is formed, for example, as follows. First, a plurality of radial teeth 120 are formed on the inner peripheral side by a stator core laminated body in which integral punched cores of electromagnetic steel sheets are laminated, and slots 130 are formed between the teeth 120. Next, a plurality of segment coils are inserted into each of the slots 130 to form the windings 140, which are then shrink-fitted or press-fitted into a housing (not shown) to be integrated. Thus, the stator 10 is formed.
  • the rotor 20 has a rotor core 200 that is an iron core formed by laminating electromagnetic steel sheets, and a shaft 300 that is a rotation axis.
  • a rotor core 200 that is an iron core formed by laminating electromagnetic steel sheets
  • a shaft 300 that is a rotation axis.
  • ten magnetic pole portions 220 are provided in the circumferential direction.
  • Each of the magnetic pole portions 220 is provided with a magnetic pole outer peripheral surface forming a surface facing the stator 10, and is provided with a V-shaped storage space 212 in which the permanent magnet 210 is stored. In the storage space 212, two rectangular permanent magnets 210 are inserted and arranged for each magnetic pole part 220.
  • the winding 140 is formed by inserting four segment coils into each slot 130.
  • reference numerals 140a, 140b, 140c, and 140d are assigned in order from the segment coil on the inner peripheral side.
  • the teeth 120 face a segment coil (hereinafter, referred to as an “innermost segment coil”) 140 a arranged on the innermost side in the slot 130.
  • the region 121 the region indicated by the solid arrow in the drawing
  • the region 122 the figure shows the minimum tooth width.
  • the innermost segment coil 140a has a shape different from the other segment coils 140b to 140d. That is, while the segment coils 140b to 140d have a rectangular cross section, the innermost peripheral segment coil 140a has two side surfaces 142a and 143a extending in the radial direction and portions 144a and 145a (in FIG. It is formed so as to have a shape having portions indicated by broken-line arrows) and portions 146a and 147a whose intervals are narrowed on the inner peripheral side (portions indicated by dashed-dotted arrows in the drawing). As described above, both side surfaces 142a and 143a of the innermost circumferential segment coil 140a have shapes along the side surfaces of the teeth 120 facing each other.
  • the segment coils 140a to 140d are inserted into the slots 130 to form the windings 140
  • the segment coils 140a and 140b are inserted first. Then, these segment coils 140a and 140b are pressed toward the inner peripheral side, that is, toward the distal end side of each tooth 120.
  • the inner peripheral portions 146a and 147a of the both side surfaces 142a and 143a of the innermost peripheral segment coil 140a are brought into close contact with the side surfaces of the teeth 120 via insulating paper (not shown). Therefore, a gap necessary for inserting the remaining segment coils 140c and 140d into the respective slots 130 can be provided. Thereafter, the remaining segment coils 140c and 140d are inserted into the respective slots 130 to form the windings 140.
  • the circumferential gap between the innermost segment coil 140a and the teeth 120 is smaller than the circumferential gap between the segment coil 140d and the teeth 120 arranged at the outermost periphery in the slot 130.
  • the gap between the teeth 120 and the windings 140 is minimized. It is possible to increase the ratio of the winding 140 occupied therein, that is, the ratio of the segment coils 140a to 140d. As a result, the cross-sectional area of the winding 140 can be increased, and the resistance can be reduced.
  • Comparative Example 1 is an example in which the sectional shapes of the segment coils 140a to 140d are all the same substantially rectangular.
  • Comparative Example 2 is an example in which the cross-sectional shape of the two inner segment coil segments 140a and 140b is trapezoidal. In each of the embodiment and Comparative Examples 1 and 2, the sectional areas of all the segment coils 140a to 140d are assumed to be equal.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a cross section of the stator 10A according to the comparative example 1, and shows a portion corresponding to the enlarged view of the cross section of the stator 10 according to the embodiment shown in FIG.
  • the cross-sections of the segment coils 140a to 140d are substantially the same and substantially rectangular, and the circumferential width of each of the slots 130 accommodating the same is determined at any position along the radial direction. But they are the same. Therefore, the width of the teeth 120 changes along the radial direction, and decreases from the outer peripheral side toward the inner peripheral side. That is, the tooth width in Comparative Example 1 is minimum at a position in contact with the inner peripheral end 141a of the innermost peripheral segment coil 140a.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a cross section of the stator 10B according to the comparative example 2, and shows a portion corresponding to the enlarged view of the cross section of the stator 10 according to the embodiment shown in FIG.
  • the cross-sectional shape of the two inner segment coils 140a and 140b is trapezoidal, and the cross-sectional shape of the two outer segment coils 140c and 140d is substantially rectangular.
  • the circumferential width of each of the slots 130 for accommodating them is narrower toward the inner circumferential side along the radial direction at a position corresponding to the segment coils 140a and 140b, and at a position corresponding to the segment coils 140c and 140d, It is constant along the radial direction.
  • the width of the teeth 120 increases from the outer side to the inner side in the range along the segment coils 140a and 140b, and decreases from the outer side to the inner side in the range along the segment coils 140c and 140d. I do. That is, the tooth width in Comparative Example 2 is minimum at a position in contact with the boundary between the segment coil 140b and the segment coil 140c.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the effect of reducing torque ripple according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a magnetic field analysis of torque and torque ripple in the permanent magnet type rotating electric machine 1 using the stator 10 according to the present embodiment, the stator 10A according to Comparative Example 1, and the stator 10B according to Comparative Example 2, respectively. Are shown as ratios where the magnitude of the torque and torque ripple in Comparative Example 1 are set to 1.
  • the torque ripple can be reduced by about 10% with almost no change in the torque as compared with Comparative Example 1.
  • the torque ripple can be further reduced, but the torque is reduced by about 20% compared to the present embodiment and the comparative example 1.
  • the torque ripple can be reduced without lowering the torque as compared with Comparative Examples 1 and 2, it is suitable for reducing both the winding resistance and the torque ripple.
  • the reason why the torque ripple is reduced as compared with the comparative example 1 is that the width of the teeth 120 is increased. That is, in the case of the present embodiment, as described with reference to FIG. 2, in the region 121 facing the innermost peripheral segment coil 140a and on the outer peripheral side of the inner peripheral end 141a of the innermost peripheral segment coil 140a. , The teeth width is minimized. For this reason, assuming that the sectional areas of the segment coils 140a to 140d are the same, the minimum tooth width of the present embodiment is larger than that of the comparative example 1.
  • the radial length of the innermost circumferential segment coil 140a is increased as compared with the first comparative example, and the increase in the length is (BA) * ⁇ / N * (B -A) / W.
  • W represents the slot width.
  • Comparative Example 2 since the width of the teeth 120 is larger than in the present embodiment, the torque ripple is further reduced as described above. However, in Comparative Example 2, the radial length of the innermost circumferential segment coil 140a is significantly increased as compared with Comparative Example 1. Therefore, the radius of the rotor 20 is greatly reduced, which leads to a decrease in torque as described above.
  • FIG. 4 shows an example in which the position in contact with the boundary between the segment coil 140b and the segment coil 140c is the minimum tooth width as Comparative Example 2, but the position in contact with the boundary between the segment coil 140a and the segment coil 140b, A similar problem occurs when the position in contact with the boundary between 140c and segment coil 140d is the minimum tooth width.
  • the cross sections of the segment coils 140b to 140d excluding the innermost segment coil 140a can be made substantially rectangular as in Comparative Example 1, and the innermost segment coil 140a can also be formed. , The cross-sectional shape of which can be made nearly rectangular. Therefore, the same processing as in Comparative Example 1 can be performed on the segment coils 140a to 140d.
  • an increase in the radial length of the cross section of the innermost circumferential segment coil 140a can be suppressed as compared with Comparative Example 2.
  • the increase in the radial length can be kept to less than 10% as compared with the case of Comparative Example 1 in which the cross section of the innermost segment coil 140a is rectangular. it can. Even if the number of slots is different, the increase can be limited to about 20% at the maximum. For this reason, the problem of the film integrity at the time of processing as described above and the problem of the twistability of the end portion hardly occur, and the same processing as that of Comparative Example 1 can be performed. Furthermore, in the welding process of the segment coils performed after the end portion is twisted, the same workability as that of the segment coil having a rectangular cross section can be ensured. it can.
  • the cross-sectional shape may be substantially rectangular.
  • the cross section of the end portion where the twisting is performed can be made substantially rectangular, so that the same processing as that of Comparative Example 1 can be performed.
  • the resistance of the winding 140 is reduced in this embodiment so that a large current can be used with a low-voltage power supply, the eddy current loss in the segment coils 140a to 140d does not need to be considered. . Therefore, there is no need to provide any gap other than that required for manufacturing between the segment coils 140a to 140d and the teeth 120 in the slot 120. Rather, it is not preferable to provide a useless gap in the slot 120, because this may hinder the lowering of the resistance of the winding 140.
  • the inner circumferential portions 146a and 147a of the both side surfaces 142a and 143a of the innermost circumferential segment coil 140a are brought into close contact with the side surfaces of the teeth 120, respectively, so that extra The gap is reduced, and the winding resistance is reduced as much as possible.
  • FIG. 6 is an external perspective view of the stator 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the stator 10 of the present embodiment has an annular stator core 100 and a wave-shaped winding 140 configured using the segment coils 140a to 140d described in FIG.
  • the winding 140 includes a first system winding 141 and a second system winding 142.
  • the first system winding 141 and the second system winding 142 electrically connect the terminal ends of a plurality of segment coils having a substantially U-shape corresponding to the segment coils 140a to 140d to each other at a connection portion 160. It is constituted by.
  • As a connection method of the connection portion 160 solder, Tig welding, laser welding, or the like is used.
  • the first system winding 141 includes two conductors arranged on the inner peripheral side of the stator core 100, that is, segment coils 140a and 140b.
  • the second system winding 142 is composed of the remaining two conductors arranged on the outer peripheral side of the first system winding 141, that is, the segment coils 140c and 140d.
  • An insulating member 170 is provided between these two system windings 141 and 142 in order to avoid mutual mechanical and electrical contact.
  • a crossover 161 is connected to each of the first system winding 141 and the second system winding 142 as necessary.
  • the first system winding 141 and the second system winding 142 are provided with a first system lead wire 151 and a second system winding lead wire 153 connected to an inverter (not shown).
  • the first system lead wire 151 is on the right side of FIG. Each of them is collectively arranged on the left side of FIG.
  • the first system lead wire 151 and the second system winding 142 have a winding start side and a winding end side for each of the three phase windings, and both of them have the same axial side in the stator core 100.
  • the stator 10 capable of sufficiently reducing the winding resistance and the torque ripple and the permanent magnet type rotating electric machine 1 using the same can be realized.
  • the power supply power can be effectively used by reducing the winding resistance, and the vibration and noise propagating in the vehicle cabin can be suppressed.
  • the present invention to other electric auxiliary equipment for automobiles, for example, an electric auxiliary equipment for automobile that performs electric braking, it is possible to reduce vibration and suppress noise and vibration.
  • the application of the permanent magnet type rotating electric machine 1 of the present embodiment is not limited to the field of automobiles, but can be applied to all industrial permanent magnet type rotating electric machines in which low resistance and low vibration are preferable.
  • the stator 10 has a stator core 100 provided with a plurality of teeth 120, and a plurality of segment coils 140a to 140d inserted into slots 130 formed between the teeth 120.
  • the teeth 120 are located in a region 121 of the plurality of segment coils 140a to 140d facing the innermost peripheral segment coil 140a disposed in the innermost periphery in the slot 130 and on the inner peripheral side of the innermost peripheral segment coil 140a.
  • a portion 122 having a minimum tooth width is provided on the outer peripheral side of the end portion 141a.
  • Both side surfaces 142a and 143a along the radial direction of the innermost segment coil 140a have portions 144a and 145a parallel to each other and portions 146a and 147a whose intervals are reduced on the inner circumferential side. With this configuration, the winding resistance and the torque ripple can be sufficiently reduced.
  • the side surfaces 142a and 143a of the innermost segment coil 140a have shapes along the side surfaces of the teeth 120 facing each other.
  • the portions 146a, 147a of which the intervals are reduced on the inner peripheral side of both side surfaces 142a, 143a along the radial direction of the innermost peripheral segment coil 140a are in close contact with the side surfaces of the teeth 120 via insulating paper.
  • the circumferential gap between the innermost segment coil 140a and the tooth 120 is equal to the distance between the outermost segment coil 140d and the tooth 120, which are arranged on the outermost periphery in the slot 130 among the plurality of segment coils 140a to 140d. Smaller than the gap in the direction. Because of this, the segment coils 140a and 140b arranged on the inner peripheral side are inserted into each slot 130, and then the remaining segment coils 140c and 140d are inserted into each slot 130 to form the winding 140. it can.
  • the sectional areas of the plurality of segment coils 140a to 140d are equal to each other. With this configuration, the winding resistance of each phase can be made uniform.
  • the permanent magnet type rotating electric machine 1 is configured using the stator 10 described above. With this configuration, it is possible to realize a rotating electric machine with sufficiently reduced winding resistance and torque ripple.
  • the permanent magnet type rotating electric machine 1 as described above may be provided, and using the permanent magnet type rotating electric machine 1, an electric auxiliary machine system for an automobile that performs electric power steering or electric braking may be configured. In this way, it is possible to realize an automobile electric accessory system in which power and electric power are effectively used and vibration and noise are suppressed.
  • the permanent magnet type rotary electric machine 1 having 10 poles and 60 slots distributed winding has been described as an example.
  • the present invention can be applied to a rotary electric machine having other poles and slots. That is, for a rotating electric machine having an arbitrary number of poles and slots, the winding resistance and the torque ripple can be sufficiently reduced according to the configuration of the stator described in the present embodiment.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

本発明の課題は、回転電機における巻線抵抗とトルクリプルを十分に低減することである。　本発明の固定子１０は、複数のティース１２０が設けられた固定子コア１００と、ティース１２０間に形成されるスロット１３０に挿入された複数のセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄとを有する。ティース１２０は、複数のセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄのうちスロット１３０内で最内周に配置された最内周セグメントコイル１４０ａと対向する領域１２１内で、かつ、最内周セグメントコイル１４０ａの内周側端部１４１ａよりも外周側に、ティース幅が最小となる部位１２２を有する。最内周セグメントコイル１４０ａの径方向に沿った両側面１４２ａ、１４３ａは、互いに平行な部位１４４ａ、１４５ａと、内周側で間隔が狭まる部位１４６ａ、１４７ａとを有する。

Description

固定子、回転電機、自動車用電動補機システム
　本発明は、固定子と、これを用いた回転電機および自動車用電動補機システムとに関する。
　近年の自動車は、油圧システムから電動システムへの移行や、ハイブリッド自動車、電気自動車の市場拡大の流れを受けて、電動パワーステアリング（以下、ＥＰＳ）装置や電動ブレーキ装置の装着率が急速に増大している。また、アイドリングストップやブレーキなどの運転操作の一部を自動化した車の普及を背景に、運転快適性の向上とともに車室内の静音化が進展している。
　車室内の振動、騒音に繋がる電気モータ起因の加振源としては、電気モータのトルク変動成分（コギングトルクやトルクリプル）と、電気モータのステータと回転子の間に発生する電磁加振力がある。これらのうちトルク変動成分による振動エネルギーは、電気モータの出力軸を介して車室内へ伝搬し、また、電磁加振力による振動エネルギーは、ＥＰＳ装置の機械部品などを介して車室内へ伝搬する。これらの振動エネルギーが車室内へ伝搬することで、車室内の振動、騒音に繋がっている。
　例えば、ＥＰＳ装置では、電気モータがステアリングホイール操作をアシストすることから、運転者はステアリングホイールを介して、電気モータのコギングトルクやトルクリプルを手に感じることになる。これを抑制するため、ＥＰＳ装置に用いる電気モータでは、一般にコギングトルクをアシストトルクの１／１０００未満に、トルクリプルをアシストトルクの１／１００未満に抑制することが求められる。また、電磁加振力の空間モードの最小次数が２以下でないことがよいとされる。
　ここで、電気モータの出力は、（磁気回路に作用する電圧）×（電流）に比例する。そのため、低電圧電源で駆動されるＥＰＳ装置においては、損失低減のために巻線の低抵抗化が求められる。サイズの制約上、モータ外径を変えずに巻線を低抵抗化する場合は、モータ軸長の低減による巻線長の低減と、巻線径（巻線断面積）の増加との少なくとも一つが必要となる。
　ＥＰＳ装置では、ハンドル急操作時には電気モータの回転数が増加し、磁石磁束による誘起電圧が増加することで、磁気回路に作用する電圧が小さくなる。このときにトルクが小さくなりすぎるのを防ぐ方法として、一般的には弱め界磁制御が用いられる。すなわち、高回転時には弱め界磁制御を行って磁石磁束を打ち消すことにより、磁気回路に作用する電圧を残して電気モータの出力を維持する。弱め界磁制御を行うためには、巻線が磁石磁束を打ち消すのに十分なｄ軸インダクタンスを有する必要があるが、インダクタンスは軸長×巻数２に比例するため、巻線長の低減のためにモータ軸長を低減すると、十分なｄ軸インダクタンスが得られなくなってしまう。したがって、ＥＰＳ装置において巻線の低抵抗化を達成するには、巻線径（巻線断面積）の増加が必要となる。
　略矩形断面を有する電線を用いて分布巻線が構成された電気モータにおいては、巻線断面積は巻線の周方向幅×径方向幅にほぼ等しい。周方向幅を増加して巻線断面積を増加する場合、巻線の周方向幅を増加させた分だけティース幅を減少させる必要がある。すなわち、巻線断面積を増加すると、その分だけティース幅が減少する。ティース幅が減少すると磁気飽和が生じやすくなるため、トルクリプルが増加する傾向がある。したがってＥＰ装置に用いられる電気モータでは、巻線を低抵抗化しつつ、トルクリプルの増加を抑制することが重要である。
　電気モータにおける巻線抵抗とトルクリプルの低減に関して、特許文献１の技術が知られている。特許文献１には、環状部と該環状部から径方向に延びる複数のティースとを有する電機子コアと、前記ティース間のスロットに軸方向に貫通するように設けられる複数のセグメント導体同士が電気的に接続されて構成されるセグメント巻線とを備えたステータであって、前記ティースは、前記スロットの径方向と直交する方向の幅を径方向内側ほど狭くする幅調整部を有したことを特徴とするステータが開示されている。
特開２０１３－５６８３号公報
　特許文献１に開示されたステータでは、巻線抵抗とトルクリプルの低減に関して改良の余地が多く残されている。
　本発明による固定子は、複数のティースが設けられた固定子コアと、前記ティース間に形成されるスロットに挿入された複数のセグメントコイルとを有するものであって、前記ティースは、前記複数のセグメントコイルのうち前記スロット内で最内周に配置された最内周セグメントコイルと対向する領域内で、かつ、前記最内周セグメントコイルの内周側端部よりも外周側に、ティース幅が最小となる部位を有し、前記最内周セグメントコイルの径方向に沿った両側面は、互いに平行な部位と、内周側で間隔が狭まる部位とを有する。
　本発明による回転電機は、上記の固定子を用いたものである。
　本発明による自動車用電動補機システムは、上記の回転電機を備え、前記回転電機を用いて、電動パワーステアリングまたは電動ブレーキを行う。
　本発明によれば、巻線抵抗とトルクリプルを十分に低減することができる。
本発明の一実施形態に係る永久磁石式回転電機の回転面内断面図 本発明の一実施形態に係る固定子の断面の拡大図 比較例１による固定子の断面の拡大図 比較例２による固定子の断面の拡大図 本発明の一実施形態に係るトルクリプルの低減効果を説明する図 本発明の一実施形態に係る固定子の外観斜視図
　本発明の実施例について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　図１と図２を用いて、本発明の一実施形態に係る回転子を備えた永久磁石式回転電機１の構成を説明する。図１は、一実施形態に係る永久磁石式回転電機１の回転面内断面図である。図２は、一実施形態に係る固定子１０の断面の拡大図であり、図１の点線で囲ったＸ部を拡大して示した図である。
　図１に示すように、本実施形態の永久磁石式回転電機１は、外周側に略環状の固定子１０を配置し、内周側に略円柱状の回転子２０を配置した、１０極６０スロット分布巻の永久磁石式回転電機である。固定子１０と回転子２０の間にはエアギャップ３０が設けられている。固定子１０は、固定子コア１００およびコアバック１１０と、複数のティース１２０、スロット１３０および巻線１４０とを有しており、エアギャップ３０を介して回転子２０と対向して配置されている。
　固定子１０は、例えば次のようにして形成される。まず、電磁鋼板の一体打ち抜きコアを積層したステータコア積層体により、内周側に放射状のティース１２０を複数形成するとともに、各ティース１２０間にスロット１３０を形成する。次に、各スロット１３０に複数のセグメントコイルを挿入して巻線１４０を形成した後、図示しないハウジングに焼嵌めまたは圧入して一体化する。このようにして、固定子１０が形成される。
　また、図１に示すように、回転子２０は、電磁鋼板を積層した鉄心である回転子コア２００と、回転軸となるシャフト３００とを有する。回転子コア２００の外周には、周方向に１０極の磁極部２２０が設けられている。磁極部２２０の各々は、固定子１０との対向面を形成する磁極外周面が設けられるとともに、永久磁石２１０が収納されるＶ字形の収納空間２１２が設けられている。収納空間２１２には、矩形の永久磁石２１０が各磁極部２２０について２個ずつ挿入されて配置されている。
　図１および図２に示すように、本実施形態の固定子１０では、各スロット１３０内に４つのセグメントコイルが挿入されることで巻線１４０が形成される。図２では、内周側のセグメントコイルから順に、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄの符号を付している。図２に示すように、本実施形態の固定子１０において、ティース１２０は、スロット１３０内で最も内周側に配置されたセグメントコイル（以下では「最内周セグメントコイル」と称する）１４０ａと対向する領域１２１（図中に実線矢印で示した領域）内で、かつ、最内周セグメントコイル１４０ａの内周側端部１４１ａよりも外周側に、ティース幅が最小となる部位１２２（図中に破線で囲って示した範囲）が設けられている。また、このようなティース１２０の形状に対応して、最内周セグメントコイル１４０ａは、他のセグメントコイル１４０ｂ～１４０ｄとは異なる形状を有している。すなわち、セグメントコイル１４０ｂ～１４０ｄは断面が矩形形状であるのに対して、最内周セグメントコイル１４０ａは、径方向に沿った両側面１４２ａ、１４３ａが、互いに平行な部位１４４ａ、１４５ａ（図中に破線矢印で示した部位）と、内周側で間隔が狭まる部位１４６ａ、１４７ａ（図中に一点鎖線矢印で示した部位）とを有する形状となるように形成されている。このように、最内周セグメントコイル１４０ａの両側面１４２ａ、１４３ａは、対向するティース１２０の側面にそれぞれ沿った形状を有している。
　なお、各スロット１３０にセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄを挿入して巻線１４０を形成する際には、最初にセグメントコイル１４０ａ、１４０ｂを挿入する。そして、これらのセグメントコイル１４０ａ、１４０ｂを内周側、すなわち各ティース１２０の先端側に向かって押し付けるようにする。これにより、最内周セグメントコイル１４０ａの両側面１４２ａ、１４３ａにおける内周側の部位１４６ａ、１４７ａは、図示しない絶縁紙を介してティース１２０の側面にそれぞれ密着される。したがって、残りのセグメントコイル１４０ｃ、１４０ｄを各スロット１３０に挿入する際に必要な隙間を設けることができる。その後、残りのセグメントコイル１４０ｃ、１４０ｄを各スロット１３０に挿入して、巻線１４０を形成する。このとき、最内周セグメントコイル１４０ａとティース１２０との周方向の隙間は、スロット１３０内で最外周に配置されたセグメントコイル１４０ｄとティース１２０との周方向の隙間より小さくなる。
　本実施形態の固定子１０では、上記のようにしてセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄをスロット１３０に挿入して巻線１４０を形成することで、ティース１２０と巻線１４０との隙間を最小化し、スロット１３０内に占める巻線１４０の割合、すなわちセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄの割合を増加することができる。その結果、巻線１４０の断面積を増加し、低抵抗化を図ることができる。
　ここで、本実施形態の固定子１０における巻線抵抗とトルクリプルの低減効果について、以下に比較例１、２と対比して説明する。比較例１は、セグメントコイル１４０ａ～１４０ｄの断面形状を全て同一の略矩形とした場合の例である。比較例２は、内周側の２つのセグメントコイル１４０ａ、１４０ｂの断面形状を台形とした場合の例である。なお、本実施形態および比較例１、２いずれの場合も、全てのセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄの断面積は等しいものとする。
　図３は、比較例１による固定子１０Ａの断面の拡大図であり、図２に示した一実施形態に係る固定子１０の断面の拡大図に対応する部分を示している。図３に示すように、比較例１では、セグメントコイル１４０ａ～１４０ｄの断面がいずれも同一の略矩形であり、これらを収容する各スロット１３０の周方向の幅は、径方向に沿ったどの位置でも同一である。そのため、ティース１２０の幅は径方向に沿って変化し、外周側から内周側に向かうほど減少する。すなわち、比較例１におけるティース幅は、最内周セグメントコイル１４０ａの内周側端部１４１ａに接する位置において最小となる。
　図４は、比較例２による固定子１０Ｂの断面の拡大図であり、図２に示した一実施形態に係る固定子１０の断面の拡大図に対応する部分を示している。図４に示すように、比較例２では、内周側の２つのセグメントコイル１４０ａ、１４０ｂの断面形状が台形であり、外周側の２つのセグメントコイル１４０ｃ、１４０ｄの断面形状が略矩形である。これらを収容する各スロット１３０の周方向の幅は、セグメントコイル１４０ａ、１４０ｂに対応する位置では、径方向に沿って内周側に向かうほど狭くなり、セグメントコイル１４０ｃ、１４０ｄに対応する位置では、径方向に沿って一定である。そのため、ティース１２０の幅は、セグメントコイル１４０ａ、１４０ｂに沿った範囲では外周側から内周側に向かって増加し、セグメントコイル１４０ｃ、１４０ｄに沿った範囲では外周側から内周側に向かって減少する。すなわち、比較例２におけるティース幅は、セグメントコイル１４０ｂとセグメントコイル１４０ｃの境界に接する位置において最小となる。
　図５は、本発明の一実施形態に係るトルクリプルの低減効果を説明する図である。図５では、本実施形態に係る固定子１０と、比較例１に係る固定子１０Ａと、比較例２に係る固定子１０Ｂとをそれぞれ用いた永久磁石式回転電機１におけるトルクおよびトルクリプルを磁場解析により計算した結果を、比較例１でのトルクおよびトルクリプルの大きさを１とした比でそれぞれ示している。
　図５に示されるように、本実施形態では、比較例１に対してトルクがほぼ変化せずに、トルクリプルを１０％程度低減することができる。一方、比較例２ではトルクリプルをさらに低減することが可能であるが、本実施形態および比較例１に対してトルクが２０％程度低減してしまう。このように、本実施形態によれば、比較例１、２と比べて、トルクを低下せずにトルクリプルを減少させることができるため、巻線抵抗とトルクリプルをともに低減させる上で好適である。
　なお、本実施形態において比較例１よりもトルクリプルが低減するのは、ティース１２０の幅が増加するためである。すなわち、本実施形態の場合は、図２で説明したように、最内周セグメントコイル１４０ａと対向する領域１２１内で、かつ、最内周セグメントコイル１４０ａの内周側端部１４１ａよりも外周側に位置する部位１２２において、ティース幅が最小となる。このため、セグメントコイル１４０ａ～１４０ｄの断面積が同一であるとすると、本実施形態の最小ティース幅は、比較例１の場合よりも増加する。比較例１における最小ティース幅の位置、すなわち内周側端部１４１ａの回転中心からの半径をＡとし、本実施形態における最小ティース幅の位置、すなわち部位１２２の回転中心からの半径をＢとすると、比較例１に対する本実施形態の最小ティース幅の増加分は、（Ｂ－Ａ）＊２π／Ｎで表される。ここで、Ｎはスロット数を表している。
　本実施形態では、前述のようにスロット数がＮ＝６０である。そのため、上記で計算される最小ティース幅の増加分は、（Ｂ－Ａ）の約１０％になる。このように、本実施形態では比較例１と比べて最小ティース幅を増加させることができるため、トルクリプルの低減が可能である。
　また、本実施形態では、最内周セグメントコイル１４０ａの径方向の長さが比較例１と比べて増加するが、この長さの増加分は、（Ｂ－Ａ）＊π／Ｎ＊（Ｂ－Ａ）／Ｗで近似できる。ここで、Ｗはスロット幅を表している。この長さの増加分を回転子２０の半径の減少分に換算すると、これは１％に満たない程度の値である。したがって、本実施形態での比較例１に対するトルク低下分は、上記の最小ティース幅の増加によるトルク増加分と相殺され、無視できる程度になると考えられる。
　一方、比較例２ではティース１２０の幅が本実施形態よりも増加するため、前述のようにトルクリプルがさらに低下する。しかしながら、比較例２では比較例１と比べて、最内周セグメントコイル１４０ａの径方向の長さが大きく増加する。そのため、回転子２０の半径が大きく減少し、前述のようなトルクの低下につながる。
　また、比較例２の場合は、セグメントコイル１４０ａおよび１４０ｂの断面が径方向に細長い台形形状であるため、加工時に被膜健全性が損なわれやすいという問題もある。さらに、スロット１３０への挿入後に行われる末端部の捻り加工時には、内周側により大きな力を加える必要があるため、断面が矩形形状のセグメントコイル１４０ｃ、１４０ｄとは同様の加工工程を採用できないという問題もある。これらの問題は、特に最内周セグメントコイル１４０ａについて顕著に生じる。したがって、比較例２におけるセグメントコイル１４０ａおよび１４０ｂのように、断面が径方向に細長い台形形状の巻線を採用するのは、巻線抵抗の低減に関して好ましくない。なお、図４では比較例２として、セグメントコイル１４０ｂとセグメントコイル１４０ｃの境界に接する位置を最小ティース幅とした例を示したが、セグメントコイル１４０ａとセグメントコイル１４０ｂの境界に接する位置や、セグメントコイル１４０ｃとセグメントコイル１４０ｄの境界に接する位置を最小ティース幅とした場合でも、同様の問題が生じる。
　一方、本実施形態の場合は、最内周セグメントコイル１４０ａを除いたセグメントコイル１４０ｂ～１４０ｄの断面を、比較例１と同様に略矩形とすることができるとともに、最内周セグメントコイル１４０ａについても、その断面形状を矩形に近いものとすることができる。したがって、セグメントコイル１４０ａ～１４０ｄに対して、比較例１と同様の加工が可能となる。
　以上説明したように、本実施形態に係る固定子１０の構成を採用した永久磁石式回転電機１によれば、巻線抵抗とトルクリプルを十分に小さくできることが分かる。
　また、本実施形態においては、比較例２と比べて、最内周セグメントコイル１４０ａの断面の径方向長さの増加を抑えることができる。本実施形態では、スロット数がＮ＝６０であるため、最内周セグメントコイル１４０ａの断面が矩形である比較例１の場合と比べて、径方向長さの増加を１０％未満に留めることができる。なお、スロット数が異なる場合でも、最大で２０％程度の増加に留めることができる。このため、前述のような加工時における被膜健全性の問題や、末端部の捻り加工性の問題が生じにくく、比較例１と同様の加工が可能である。さらに、末端部の捻り加工後に行われるセグメントコイル同士の溶接工程においても、断面が矩形形状のセグメントコイルと同様の作業性を確保できるため、比較例１と同様の製造のしやすさとすることができる。
　さらに、本実施形態においては、最内周セグメントコイル１４０ａのうち、スロット１３０内に配置される部分の断面のみを図２のような形状に成形し、スロット１３０の外に配置される部分については他のセグメントコイル１４０ｂ～１４０ｄと同様に、断面形状を略矩形とすることもできる。このようにすれば、捻り加工を行う末端部の断面を略矩形とすることができるため、比較例１と同様の加工が可能となる。
　なお、本実施形態における巻線１４０の低抵抗化は、低電圧電源で大電流を使用できるようにするためのものであるため、セグメントコイル１４０ａ～１４０ｄにおける渦電流損は考慮しなくてもよい。そのため、スロット１２０内においてセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄとティース１２０の間には、製造上必要な隙間以外を設ける必要がない。むしろ、スロット１２０内に無駄な隙間を設けることは、巻線１４０の低抵抗化の障害となるため好ましくない。したがって、本実施形態では前述のように、最内周セグメントコイル１４０ａの両側面１４２ａ、１４３ａにおける内周側の部位１４６ａ、１４７ａをティース１２０の側面にそれぞれ密着させることで、スロット１３０内の余分な隙間を削減し、巻線抵抗を可能な限り低減している。
　次に、本実施形態の固定子１０における立体的な巻線構造について、図６を参照して説明する。図６は、本発明の一実施形態に係る固定子１０の外観斜視図である。
　本実施形態の固定子１０は、円環状の固定子コア１００と、図２で説明したセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄを用いて構成された波巻状の巻線１４０とを有している。この巻線１４０は、図６で示すように、第１系統巻線１４１および第２系統巻線１４２で構成される。第１系統巻線１４１および第２系統巻線１４２は、セグメントコイル１４０ａ～１４０ｄに相当して略Ｕ字形状を有する複数のセグメントコイルの末端側を、接続部１６０で電気的に相互に接続することにより構成されている。接続部１６０の接続方式としては、半田やＴｉｇ溶接、レーザー溶接等が用いられる。
　図２で説明したように、固定子コア１００に形成された各スロット１３０内には、セグメントコイル１４０ａ～１４０ｄとして４本の導体が設置されている。第１系統巻線１４１は、固定子コア１００の内周側に配置された２本の導体、すなわちセグメントコイル１４０ａおよび１４０ｂで構成されている。また、第２系統巻線１４２は、第１系統巻線１４１の外周側に配置された残りの２本の導体、すなわちセグメントコイル１４０ｃおよび１４０ｄで構成されている。これら２つの系統巻線１４１、１４２の間には、機械的および電気的な相互の接触を避けるため、絶縁部材１７０が設けられている。また、第１系統巻線１４１および第２系統巻線１４２には、必要に応じて渡り線１６１がそれぞれ接続されている。
　第１系統巻線１４１と第２系統巻線１４２には、不図示のインバータに接続される第１系統口出し線１５１と第２系統巻線口出し線１５３がそれぞれ設けられている。本実施形態では、第１系統巻線１４１と第２系統巻線１４２の機械的な接触を避けるために、第１系統口出し線１５１は図６の右側に、第２系統巻線口出し線１５３は図６の左側に、それぞれまとめて配置されている。第１系統口出し線１５１および第２系統巻線１４２は、３相分の巻線のそれぞれについて巻始め側と巻終わり側を有しており、そのどちらも固定子コア１００において軸方向で同じ側に配置されている。本実施形態の固定子１０を用いて永久磁石式回転電機１を構成する場合には、不図示のリレーにより、第１系統口出し線１５１および第２系統巻線１４２における巻終わり側の３相分を互いに電気的に接続して中性点を設けることが好ましい。これにより、永久磁石式回転電機１の内部で電気的な短絡が発生した場合には、中性点のリレーを切り離して電気的な短絡によるブレーキトルクの発生を防止することができる。
　以上説明したように、本実施形態の構成によれば、巻線抵抗とトルクリプルを十分に低減可能な固定子１０およびこれを用いた永久磁石式回転電機１を実現することができる。
　なお、本実施形態の永久磁石式回転電機１をＥＰＳ装置に用いることで、巻線抵抗の低減により電源電力を有効利用するとともに、車室内に伝搬する振動や騒音を抑制できる。また、その他の自動車用電動補機装置、たとえば電動ブレーキを行う自動車用電動補機装置に適用することでも、低抵抗化とともに、振動や騒音を抑制することが可能である。さらには、本実施形態の永久磁石式回転電機１の採用は自動車分野に限定されず、低抵抗化や低振動化が好ましい産業用の永久磁石式回転電機全般にも適用可能である。
　以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）固定子１０は、複数のティース１２０が設けられた固定子コア１００と、ティース１２０間に形成されるスロット１３０に挿入された複数のセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄとを有する。ティース１２０は、複数のセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄのうちスロット１３０内で最内周に配置された最内周セグメントコイル１４０ａと対向する領域１２１内で、かつ、最内周セグメントコイル１４０ａの内周側端部１４１ａよりも外周側に、ティース幅が最小となる部位１２２を有する。最内周セグメントコイル１４０ａの径方向に沿った両側面１４２ａ、１４３ａは、互いに平行な部位１４４ａ、１４５ａと、内周側で間隔が狭まる部位１４６ａ、１４７ａとを有する。このようにしたので、巻線抵抗とトルクリプルを十分に低減することができる。
（２）最内周セグメントコイル１４０ａの側面１４２ａ、１４３ａは、対向するティース１２０の側面に沿った形状をそれぞれ有する。最内周セグメントコイル１４０ａの径方向に沿った両側面１４２ａ、１４３ａの内周側で間隔が狭まる部位１４６ａ、１４７ａは、絶縁紙を介してティース１２０の側面にそれぞれ密着している。このようにしたので、スロット１３０内に占める巻線１４０の割合を可能な限り大きくして、巻線抵抗を十分に低減することができる。
（３）最内周セグメントコイル１４０ａとティース１２０との周方向の隙間は、複数のセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄのうちスロット１３０内で最外周に配置された最外周セグメントコイル１４０ｄとティース１２０との周方向の隙間より小さい。このようにしたので、内周側に配置されるセグメントコイル１４０ａ、１４０ｂを各スロット１３０に挿入後、残りのセグメントコイル１４０ｃ、１４０ｄを各スロット１３０に挿入して、巻線１４０を形成することができる。
（４）固定子１０は、複数のセグメントコイル１４０ａ～１４０ｄの断面積が互いに等しい。このようにしたので、各相の巻線抵抗を均一にすることができる。
（５）永久磁石式回転電機１は、上記の固定子１０を用いて構成される。このようにしたので、巻線抵抗とトルクリプルを十分に低減した回転電機を実現できる。
（６）上記のような永久磁石式回転電機１を備え、この永久磁石式回転電機１を用いて、電動パワーステアリングまたは電動ブレーキを行う自動車用電動補機システムを構成してもよい。このようにすれば、電源電力を有効利用するとともに、振動や騒音を抑制した自動車用電動補機システムを実現できる。
　なお、本実施形態では１０極６０スロット分布巻の永久磁石式回転電機１を例として説明したが、他の極数やスロット数の分布巻の回転電機においても、本発明を適用可能である。すなわち、任意の極数およびスロット数の回転電機について、本実施形態で説明した固定子の構成にしたがって、巻線抵抗とトルクリプルを十分に低減可能である。
　以上説明した実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
１　　　永久磁石式回転電機
１０　　固定子
２０　　回転子
３０　　エアギャップ
１００　固定子コア
１１０　コアバック
１２０　ティース
１３０　スロット
１４０　巻線
１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ　セグメントコイル
２００　回転子コア
２１０　永久磁石
２１２　収納空間
２２０　磁極部
３００　シャフト

Claims (6)

  1. 　複数のティースが設けられた固定子コアと、前記ティース間に形成されるスロットに挿入された複数のセグメントコイルとを有する固定子であって、
    　前記ティースは、前記複数のセグメントコイルのうち前記スロット内で最内周に配置された最内周セグメントコイルと対向する領域内で、かつ、前記最内周セグメントコイルの内周側端部よりも外周側に、ティース幅が最小となる部位を有し、
    　前記最内周セグメントコイルの径方向に沿った両側面は、互いに平行な部位と、内周側で間隔が狭まる部位とを有する固定子。
  2. 　請求項１に記載の固定子において、
    　前記最内周セグメントコイルの側面は、対向する前記ティースの側面に沿った形状をそれぞれ有し、
    　前記最内周セグメントコイルの径方向に沿った両側面の前記内周側で間隔が狭まる部位は、絶縁紙を介して前記ティースの側面にそれぞれ密着している固定子。
  3. 　請求項２に記載の固定子において、
    　前記最内周セグメントコイルと前記ティースとの周方向の隙間は、前記複数のセグメントコイルのうち前記スロット内で最外周に配置された最外周セグメントコイルと前記ティースとの周方向の隙間より小さい固定子。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固定子において、
    　前記複数のセグメントコイルの断面積が互いに等しい固定子。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の固定子を用いた回転電機。
  6. 　請求項５に記載の回転電機を備え、
    　前記回転電機を用いて、電動パワーステアリングまたは電動ブレーキを行う自動車用電動補機システム。
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