JP2013034350A - 回転電機固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機固定子において、巻線コイルに発生し得る渦電流を抑制しながら、回転電機が出力するトルクを確保できるようにすることである。
【解決手段】回転電機固定子は、一体型のステータコアと、ステータコアのティース１６に所定の巻数で巻回される巻線コイル２０と、巻線コイル２０の最内周コイルのさらに内周側に配置される磁性体の鍔部材３０とを備える。鍔部材３０は、周方向に沿った長さＣは、最内周コイルの周方向に沿った長さ（２Ｄ＋Ｅ＋Ｆ）よりも短く設定される。ここで、Ｄは、内側巻線２２と外側巻線２４の周方向に沿った寸法、Ｅは、内側巻線２２とティース１６との間の隙間寸法、Ｆは、内側巻線２２と外側巻線２４との間の隙間寸法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機固定子に係り、特に、回転子に向かい合う巻線コイルの内周面に磁性体部材が配置される回転電機固定子に関する。

回転電機の固定子には、ステータコアのティースと呼ばれる突起部分に巻線コイルが巻回される。ここで、ロータ磁石の影響で回り込む漏れ磁束が巻線コイルと鎖交すると、巻線コイルに渦電流が流れ、損失が発生する。

例えば、特許文献１には、モータの固定子として、円環状に配列される分割界磁極において、界磁鉄心の長手方向に相隣接して第１界磁コイルと第２界磁コイルとを巻回する構成が述べられている。ここで、ロータに面する側の第２界磁コイルの巻線の界磁鉄心の長手方向に沿った寸法である巻線幅を、第１界磁コイルの巻線幅より小さくして、ロータの磁石の影響で回り込む漏れ磁束による渦電流による損失を低減することが開示されている。

また、特許文献２には、コイル部材と鍔部材を有するカセットコイルが開示されている。鍔部材は、コイル部材のコイルサイド領域におけるロータ側に位置するように配置され、先端面はコイル部材の内周面を覆い、ロータに対峙しロータからの磁束を受ける。これにより、ロータから受ける磁束のコイル部材への漏れも低減され、渦電流損も小さくなり、また、鍔部材がない場合に比べ、トルクリップルやコギングトルクが抑制されると述べられている。

特開２００４−１５３８７４号公報 特開２００９−２５４１７１号公報

特許文献２によれば、回転子に向かい合う巻線コイルの内周面に磁性体部材が配置されることで、漏れ磁束によって巻線コイルに発生する渦電流が抑制されることが述べられている。この磁性体部材は、回転子と巻線コイルとの間に配置されるので、回転電機の出力トルクに影響を及ぼす可能性がある。

本発明の目的は、巻線コイルに発生し得る渦電流を抑制しながら、出力トルクを確保できる回転電機固定子を提供することである。

本発明は、回転子に向かい合う巻線コイルの内周面に磁性体部材である鍔部材を配置するときに、鍔部材の大きさ、配置位置によって、渦電流損失と出力トルクが変化することを見出したことに基づく。上記知見により、渦電流損失を抑制しながら、出力トルクを確保するため、以下の手段が取られる。

すなわち、本発明に係る回転電機固定子は、円環状のコア本体と、コア本体から内周側に突き出して周方向に沿って配置される複数のティースと、を有する一体型ステータコアと、ティースに所定の巻数で巻回される巻線コイルと、巻線コイルの最内周コイルのさらに内周側に配置される磁性体の鍔部材であって、周方向に沿った長さは、最内周コイルの周方向に沿った長さよりも短く設定される鍔部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機固定子において、隣接するティースにそれぞれ巻回され互いに隣接する巻線コイルについて、それぞれの最内周コイルの間の離間距離をＡとして、それぞれの巻線コイルに対応して配置される隣接する鍔部材の間の離間距離をＢとして、ＢがＡよりも大きく設定されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機固定子において、鍔部材は、ティース先端よりも外周側に配置されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機固定子において、鍔部材によって巻線コイルをコア本体側に押し当てつつ、巻線コイルと鍔部材とを固定するモールド部を備えることが好ましい。

上記構成により、回転電機固定子は、巻線コイルの最内周コイルのさらに内周側に磁性体の鍔部材が配置される。そして、鍔部材の周方向に沿った長さは、最内周コイルの周方向に沿った長さよりも短く設定される。実験結果等によれば、これにより、巻線コイルに発生し得る渦電流を抑制しながら、出力トルクを確保できる。

また、回転電機固定子において、隣接するティースにそれぞれ巻回され互いに隣接する巻線コイルについて、それぞれの最内周コイルの間の離間距離をＡとして、それぞれの巻線コイルに対応して配置される隣接する鍔部材の間の離間距離をＢとして、ＢがＡよりも大きく設定される。実験結果等によれば、これにより、巻線コイルに発生し得る渦電流を抑制しながら、出力トルクを確保できる。

また、回転電機固定子において、鍔部材は、ティース先端よりも外周側に配置される。実験結果等によれば、これにより、巻線コイルに発生し得る渦電流を抑制しながら、出力トルクを確保できる。

また、回転電機固定子において、鍔部材によって巻線コイルをステータコア側に押し当てつつ、巻線コイルと鍔部材とを固定するモールド部を備える。これにより、鍔部材をステータコアと別部材とでき、鍔部材の寸法、配置位置について自由度が増す。

本発明に係る実施の形態の回転電機固定子の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機固定子において、鍔部材の寸法と配置関係を説明する図である。 本発明の基礎となった実験結果を示す図である。 鍔部材を用いる場合について、ステータコアにおける磁束の流れと、巻線コイルに発生する渦電流損失をシミュレーションにより示す図である。 比較のため、鍔部材を用いない従来例の場合について、ステータコアにおける磁束の流れと、巻線コイルに発生する渦電流損失をシミュレーションにより示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、回転電機のステータコアとして、内周側ほど先細りとなるテーパ型のティースを有するものを説明するが、テーパ型以外の平行幅型ティースであっても構わない。また、巻線コイルとして、平角断面の導線を用い、ティースに対し、二重巻きとする構成を説明するが、円形断面の導線を用いてもよく、また、二重巻き以外の多重重ね巻きとしても構わない。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、回転電機固定子１０の全体構成と、１つのティースについて拡大した様子を示す図である。回転電機固定子１０は、ステータコア１２と、巻線コイル２０と、鍔部材３０を含んで構成される。

ステータコア１２は、円環状のコア本体１４と、コア本体１４から内周側に突き出して周方向に沿って配置される複数のティース１６とを有する一体型のステータコアである。一体型とは、周方向に複数に分割した部材を組み合わせて、１つのステータコアを形成する分割型と異なり、複数のティースを含む円環状形状を１つの部材で構成するものである。具体的には、予め定めた所定の形状として、複数のティースを含む円環状形状を打ち抜いた電磁鋼板を複数枚積層したものをステータコア１２として用いることができる。

ティース１６は、その周囲に巻線コイル２０を巻回する突出部である。図１の拡大図に示されるように、ティース１６は、円環状のコア本体１４の側を基端部とし、内周側を先端部として、基端部側から先端部側に向かうにつれて、先細りとなるテーパ型の形状を有する。

巻線コイル２０は、絶縁被覆で覆われた導体線である。その断面形状は図１の拡大図に示されるように、矩形の平角断面である。巻線コイル２０は、ティース１６の軸方向に沿った１つの巻線位置で、つまり基端部から先端部に向かう方向に沿った１つの巻線位置で、二重に重ね巻きされる。図１の拡大図の例では、巻数を８として、それぞれの巻きについて、内側巻線２２と外側巻線２４の二重に集中巻装されている。

鍔部材３０は、巻線コイル２０の最内周コイルのさらに内周側に配置される磁性体の部材である。図１の斜視図で示されるように、ティース１６は、内周側で長方形形状を有しているが、鍔部材３０は、そのティース１６の長方形形状の周りを取り囲む矩形枠形状の部材である。磁性体の材質は、ステータコア１２と同じものを用いることができる。

鍔部材３０は、ステータコア１２と独立の別部材で構成される。鍔部材３０は、モールド部４０によって、巻線コイル２０と一体化されてティース１６に固定される。すなわち、モールド部４０は、鍔部材３０によって巻線コイル２０をコア本体１４の側に押し当てつつ、巻線コイル２０と鍔部材３０とを固定する機能を有する。モールド部４０としては、適当な樹脂材料を用いることができる。

図２は、鍔部材３０の寸法と配置関係を説明する図である。ここでは、隣接する２つのティース１６にそれぞれ巻回される巻線コイル２０，２１が示されている。隣接するティース１６によって形成される空間は、スロット１８と呼ばれるが、１つのスロット１８には、一方側の巻線コイル２０の片側の巻線部と、他方側の巻線コイル２１の片側の巻線部が配置される。他方側の巻線コイル２１も、内側巻線２３と外側巻線２５が二重に集中巻装される。

ここで、隣接するティース１６にそれぞれ巻回され互いに隣接する巻線コイル２０，２１について、それぞれの最内周コイルの間の離間距離をＡとして、それぞれの巻線コイルに対応して配置される２つの鍔部材の間の離間距離をＢとする。図２には、このＡとＢが示されている。ここで、１つのスロット１８において、隣接する鍔部材３０について、ＢがＡよりも大きく設定される。

また、１つの鍔部材３０の片側について見ると、周方向に沿った長さＣは、最内周コイルの周方向に沿った長さ（２Ｄ＋Ｅ＋Ｆ）よりも短く設定される。ここで、Ｄは、内側巻線２２と外側巻線２４の周方向に沿った寸法、Ｅは、内側巻線２２とティース１６との間の隙間寸法、Ｆは、内側巻線２２と外側巻線２４との間の隙間寸法である。図２には、このＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆが示されている。このように、鍔部材３０は、最内周コイルを部分的に覆う大きさに設定されている。なお、特許文献１の鍔部材は、最内周コイルを全面的に覆う大きさとされている。

また、図２の拡大図に示されるように、鍔部材３０とティース１６とは別部材ではあるが、鍔部材３０とティース１６の側面４４との隙間４２は、できるだけ小さく設定される。鍔部材３０とティース１６の側面４４とは接触してもよく、嵌り合いによって結合されていてもよい。また、鍔部材３０は、ティース１６の先端の角部４６から、外周側、つまり、ティース１６の先端面から見ると、スロット１８の内側の位置に配置される。なお、特許文献２の鍔部材の先端面は、ティースの先端面と同じ位置とされている。

このような鍔部材３０の寸法と配置関係は、図３に示される実験結果に基づくものである。図３の横軸は、コイル表面被覆率で、縦軸は、回転電機が出力するトルク、および回転電機固定子１０における渦電流損失である。コイル表面被覆率は、図２のＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆを用いて、以下の式で計算される。すなわち、コイル表面被覆率（％）＝｛Ｃ／（２Ｄ＋Ｅ＋Ｆ）｝×１００で示される。

図３によれば、コイル表面被覆率を高くすると、渦電流損失が低減するが、一方で回転電機が出力するトルクも低下する。したがって、あまりコイル表面被覆率を高くしない方が、渦電流損失の低減を図りながら、出力するトルクを確保できる。図３の例では、コイル表面被覆率を７２％より大きくしても渦電流損失はさらには低減されないのに対し、出力するトルクは次第に低下を始める。このことから、コイル表面被覆率を７２％前後とすることがよい。この結果に基づいて、図２のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ等を設定することができる。

また、図示しないが、鍔部材３０の先端面をティース１６の先端の角部と同じ位置に配置すると、図２で示した配置位置に比較して、回転電機が出力するトルクが低下する。したがって、図２に示すように、鍔部材３０の先端面は、ティース１６の先端面から巻線コイル２０の１巻分の寸法の前後だけ、外周側に配置されることが好ましい。

図４と図５は、鍔部材３０の有無について、巻線コイル２０における渦電流損失がどのように変化するかをシミュレーションで確認した結果を示す図である。これらの図で曲線は、磁束の流れる様子を示し、曲線の方向が磁束の流れる方向、隣接する曲線の間が密となるほど、磁束密度が高いことを示す。渦電流損失が現れる領域６０，６２は、黒塗りつぶしで示されている。図４は、鍔部材３０を設けた場合、図５は比較のため、鍔部材３０を設けない従来技術の場合である。

図４と図５とを比較して分かるように、鍔部材３０を設ける場合に渦電流損失の現れるのは、ごく限られた領域６０に過ぎないが、鍔部材３０を設けない従来技術では、スロット１８のかなり広い領域６２に、渦電流損失が現れる。この理由は、図４では磁束の流れがティース１６と鍔部材３０のところに集中しているのに対し、従来技術の図５では、磁束がスロット１８にかなり漏れていることによると考えられる。

このように、鍔部材３０の寸法と配置位置を適切にすることで、巻線コイル２０の渦電流損失を抑制しながら、回転電機が出力するトルクを確保することができる。

本発明に係る回転電機固定子は、車両搭載用の回転電機等に利用できる。

１０ 回転電機固定子、１２ ステータコア、１４ コア本体、１６ ティース、１８ スロット、２０，２１ 巻線コイル、２２，２３ 内側巻線、２４，２５ 外側巻線、３０ 鍔部材、４０ モールド部、４２ 隙間、４４ （ティースの）側面、４６ （ティース先端面の）角部、６０，６２ （渦電流損失の現れる）領域。

Claims (4)

1. 円環状のコア本体と、コア本体から内周側に突き出して周方向に沿って配置される複数のティースと、を有する一体型ステータコアと、
   ティースに所定の巻数で巻回される巻線コイルと、
   巻線コイルの最内周コイルのさらに内周側に配置される磁性体の鍔部材であって、周方向に沿った長さは、最内周コイルの周方向に沿った長さよりも短く設定される鍔部材と、
   を備えることを特徴とする回転電機固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機固定子において、
   隣接するティースにそれぞれ巻回され互いに隣接する巻線コイルについて、それぞれの最内周コイルの間の離間距離をＡとして、それぞれの巻線コイルに対応して配置される隣接する鍔部材の間の離間距離をＢとして、ＢがＡよりも大きく設定されることを特徴とする回転電機固定子。
3. 請求項２に記載の回転電機固定子において、
   鍔部材は、ティース先端よりも外周側に配置されることを特徴とする回転電機固定子。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載の回転電機固定子において、
   鍔部材によって巻線コイルをコア本体側に押し当てつつ、巻線コイルと鍔部材とを固定するモールド部を備えることを特徴とする回転電機固定子。

Images