JP6857514B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のステータに関する。

ハイブリッド車両や電気自動車などに使用される回転電機のステータは、環状のステータヨークと、該ステータヨークから径方向内側に等間隔で突出する複数のティースと、該ステータヨークの外周面から径方向外側に突出し、貫通孔が設けられたフランジとを有するステータコア、及び隣り合うティース間に形成されたスロット内に挿入されるコイルを備え、フランジの貫通孔に挿通されるボルトによりステータコアがハウジングに固定されている。

特開２０１６−１７１６３６号公報

上記説明した回転電機では、ステータヨークから突出したフランジに設けられた貫通孔にボルトを挿通することで、ステータコアがハウジングに固定される。しかし、例えば特許文献１に記載のように、フランジが周方向に一定間隔で設けられた構成では、ステータコアと同材料によって形成されたステータヨークから突出したフランジのために、回転電機のトルクリプルが増大する可能性がある。例えば、図３に示すように、ステータヨーク４の外周面にフランジ６が６０度間隔で設けられた回転電機１では、フランジ６があることによって磁気的な不均衡が生じ、当該磁気的な不均衡による影響をロータ２が周期的に受けるために、トルクが変動する。

以下、図３に示した回転電機１におけるトルクリプルの発生原理について、図４（ａ），（ｂ）及び図５（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）は、フランジ６がない回転電機のロータ及びステータの２つの磁極部に対応する部分を軸方向から見た概念図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の構成に対応した１周期のトルク変化を示すグラフである。図５（ａ）は、図３に示した回転電機１のロータ２及びステータ３の２つの磁極部に対応する部分を軸方向から見た概念図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の構成に対応した１周期のトルク変化を示すグラフである。

図４（ａ）に示すように、ステータ３の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）からみると、１周期の間にロータ２の磁極部は２回（Ｎ極、Ｓ極）通過する。各相でトルクピークをもつため、１周期のトルク変化には、図４（ｂ）に示すように、６回（＝３相×２磁極部）のトルクピークがある。このトルクリプルは基本次数であり不可避な変動分であるが、この他にも磁気的な不均衡があれば、その次数のトルクリプルが生じる。図３に示したフランジ６は、ステータヨーク４（ステータコア）と同材料の電磁鋼材によって形成されており、ステータヨーク４の外周面の一部に設けられているため、フランジ６が磁気的な不均衡の原因となる。

フランジ６は６０度の一定間隔で設けられているため、図５（ａ）に示すように、ステータ３の特定相（図５（ａ）ではＶ相）の上にフランジ６が位置する。このため、当該特定相のステータヨーク４側は磁束が流れやすくなり、他の２相（図５（ａ）ではＵ相、Ｗ相）のステータヨーク４側は相対的に磁束が流れにくくなる。その結果、磁気的な不均衡が生じる。このように、一定間隔に設けられたフランジ６による磁気的な不均衡のためにトルクが変動する。図３に示した例では、１つ当たりのフランジ６に対してロータ２の磁極部は２回（Ｎ極、Ｓ極）通過し、フランジ６が６０度間隔で６個設けられているため、１２次（＝３６０度／６０度×２磁極部）のトルクリプルが生じる。その結果、図５（ｂ）に示すように、図４（ｂ）に示した基本次数のトルクリプルに加え、１２次のトルクリプルが合成されたトルクリプルが発生する。

上記説明したトルクリプルはロータ２の円環振動の主要因であるため、トルクリプルを低減できればロータ２の振動及びノイズをさらに抑えることができる。このため、回転電機を搭載した車両の静粛性を向上するためには、トルクリプルの低減が求められる。また、トルクリプルを低減できれば回転電機のトルクが向上する。

本発明の目的は、トルクリプルを低減可能な回転電機のステータを提供することである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
環状のステータヨーク（例えば、後述の実施形態でのステータヨーク３３）と、該ステータヨークから径方向一方に等間隔で突出する複数のティース（例えば、後述の実施形態でのティース３４）と、該ステータヨークから径方向他方に突出し、ボルトによりハウジング（例えば、後述の実施形態でのハウジング４０）と締結するための貫通孔（例えば、後述の実施形態での貫通穴３７）が設けられた複数のフランジ（例えば、後述の実施形態でのフランジ３６）と、を有するステータコア（例えば、後述の実施形態でのステータコア３１）と、
隣り合う前記ティース間に形成されたスロット（例えば、後述の実施形態でのスロット３５）内に挿入されるコイル（例えば、後述の実施形態でのコイル３２）と、を備えた回転電機（例えば、後述の実施形態での回転電機１０）のステータ（例えば、後述の実施形態でのステータ３０）であって、
前記ステータヨークの周方向に配置される前記複数のフランジは、前記周方向で隣り合うフランジの周方向位相差が全周にわたり均等な配置からずれて配置されており、
前記複数のフランジのうちの前記周方向で隣り合うフランジの周方向位相差は２つの値を有し、
前記ステータヨークの前記径方向他方の外周には、第１の周方向位相差（例えば、後述の実施形態での周方向位相差θ１）を有するフランジの配置と、第２の周方向位相差（例えば、後述の実施形態での周方向位相差θ２）を有するフランジの配置とが全周にわたって交互に行われ、
前記ステータヨークの前記径方向他方の外周の全周にわたって設けられる前記複数のフランジの個数が２Ｎ個である場合、
前記第１の周方向位相差は「３６０／８Ｎ×５」度であり、前記第２の周方向位相差は「３６０／８Ｎ×３」度であり、
前記回転電機の極対数は２Ｎである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記ステータコアは、複数の鋼板が積層されることで構成された鋼板積層体が、互いに異なる周方向位相となるように前記Ｎの倍数回、転積して構成される。

請求項１の発明によれば、フランジの周方向にわたる位置が均等でないため、フランジが起因した磁気的な不均衡によって生じたトルクリプルを、異なるフランジによるトルクリプルで打ち消すことができる。その結果、回転電機のトルクリプルを低減できる。

請求項１の発明によれば、フランジが起因した磁気的な不均衡によって生じたトルクリプルと、第１の周方向位相差又は第２の周方向位相差を有するフランジによるトルクリプルとの間には位相差があるため、双方のトルクリプルが合成されると互いに打ち消し合う。このため、回転電機のトルクリプルを低減できる。

請求項１の発明によれば、「３６０／８Ｎ×５」度又は「３６０／８Ｎ×３」度の周方向位相差を有する２つのフランジによるトルクリプルには略１８０度の位相差があるため、フランジが起因した磁気的な不均衡によって生じたトルクリプルは互いに相殺される。このため、トルクリプルの低減率を最大化できる。

請求項２の発明によれば、ステータコアの歪み軽減やステータコアの磁気特性の均一化を実現可能な転積を、単一種類の鋼板によって行うことができる。

一実施形態の回転電機の径方向断面図である。 図１に示した回転電機のロータ及びステータの３つの磁極部に対応する部分を軸方向から見た概念図及び１周期のトルク変化を示すグラフである。 フランジが等間隔に設けられた回転電機の径方向断面図である。 （ａ）は、フランジがない回転電機のロータ及びステータの２つの磁極部に対応する部分を軸方向から見た概念図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成に対応した１周期のトルク変化を示すグラフである。 （ａ）は、図３に示した回転電機のロータ及びステータの２つの磁極部に対応する部分を軸方向から見た概念図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成に対応した１周期のトルク変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１は、一実施形態の回転電機の径方向断面図である。図１に示す回転電機１０は、ロータ２０と、ロータ２０の径方向外側に僅かな隙間を介して対向配置されるステータ３０と、ステータ３０を内部に収容して固定するハウジング４０とを備える。回転電機１０は、ステータ３０のティース３４に巻回されたコイル３２に通電することによりロータ２０が回転するように構成されている。

ロータ２０は、ハウジング４０に回転自在に支承される回転軸２１と、回転軸２１の外周面に固定されたロータコア２２と、ロータコア２２に埋め込まれた複数の永久磁石２４とを有した、いわゆる永久磁石埋め込み型回転電機（ＩＰＭモータ）のロータである。

ロータコア２２は、略同一形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成され、略円環形状を有する。各電磁鋼板は、その中央部に回転軸２１が挿通する軸挿通孔２６を有するとともに、その外周部には、一対の磁石挿入孔２３，２３が、周方向に所定の間隔で複数形成されている。また、一対の磁石挿入孔２３，２３は、ロータコア２２のステータ３０との対向面である外周面に向かって広がる略Ｖ字形状を有している。

なお、電磁鋼板は磁性材料によって形成され、一対の磁石挿入孔２３，２３に挿入された２つの永久磁石２４，２４が組となって１つの磁極部２５を構成する。すなわち、１つの磁極部２５を構成する一対の磁石挿入孔２３，２３には磁化方向が同じ２つの永久磁石２４，２４が挿入され、周方向で交互に磁極が反転するよう永久磁石が挿入される。例えば、図１に示すように、磁極部２５ａの外周側がＮ極とすると、隣接する磁極部２５ｂは、その外周側がＳ極となるように、永久磁石２４が磁石挿入孔２３に挿入されて構成されている。

ステータ３０は、ステータコア３１と、コイル３２とを有する。

ステータコア３１は、複数の鋼板積層体が互いに異なる周方向位相となるように転積（回転積層：Rotational buildup）して構成されている。鋼板積層体は、電磁鋼板等の複数の鋼板が積層されて形成されている。積厚は同一であってもよく、異なっていてもよい。なお、鋼板積層体を構成する鋼板には、その片面若しくは両面に、軸方向で隣り合う鋼板同士が導通しないように図示しない絶縁層が設けられている。

各鋼板は、環状のステータヨーク３３と、ステータヨーク３３から径方向内側に等間隔で突出する複数のティース３４と、隣り合うティース３４間に周方向に等間隔で形成されたスロット３５と、ステータヨーク３３から径方向外側に突出し、貫通穴２７が設けられたフランジ３６とを有する板状部材であり、電磁鋼板をプレス抜きすることで形成されている。本実施形態では、ステータヨーク３３の周方向全周にわたって、２Ｎ個（但し、Ｎは２以上の自然数）、すなわち４以上の偶数個のフランジ３６が設けられている。図１に示した例は、Ｎ＝３の場合である。

複数の鋼板を積層して形成した鋼板積層体を複数積層すると、ステータコア１３には、軸方向に貫通する複数のスロット１４が周方向に等間隔で形成される。スロット３５には、ティース３４に巻装された図示しない巻線によって形成されたコイル３２が挿入される。

また、鋼板積層体を複数積層すると、ステータコア１３の各フランジ３６には、軸方向に貫通する貫通穴３７が形成される。ステータコア１３は、図示しないボルトを貫通穴３７に挿通してハウジング４０と締結することで、ハウジング４０に固定される。なお、フランジ３６は、外径側に向かうに従い、軸方向に見た回転電機１０の中心Ｏと貫通穴３７を結ぶ仮想直線ＩＬに近づく一対の傾斜面３６ｄ，３６ｅを有する。

本実施形態では、ステータヨーク３３の周方向に配置された６つ（２Ｎ個）のフランジ３６は、等間隔ではなく、周方向で隣り合うフランジ３６の周方向位相差がステータヨーク３３の全周にわたり均等な配置からずれて配置されている。すなわち、６つのフランジ３６のうちの周方向で隣り合うフランジ３６の周方向位相差は７５度（＝３６０度／８Ｎ×５）と４５度（＝３６０度／８Ｎ×３）といった２つの値を有し、７５度の周方向位相差θ１を有するフランジ３６の配置と、４５度の周方向位相差θ２を有するフランジ３６の配置とが、ステータヨーク３３の全周にわたって交互に行われている。なお、隣り合うフランジ３６の周方向位相差は、軸方向に見た回転電機１０の中心Ｏと各フランジ３６の貫通穴３７を結ぶ２本の仮想直線ＩＬが形成する角度である。

このように、本実施形態では、周方向で隣り合うフランジ３６の周方向位相差を均等とせず、均等である場合の周方向位相差θ０（６０度＝３６０度／２Ｎ）から所定値θ進んだ周方向位相差θ１（７５度＝３６０度／８Ｎ×５）と、同所定値θ遅れた周方向位相差θ２（４５度＝３６０度／８Ｎ×３）とが交互に並ぶように、偶数個（２Ｎ個）のフランジ３６がステータヨーク３３の全周にわたって配置されている。当該構成によれば、１つのフランジ３６が起因した磁気的な不均衡によって生じたトルクリプルと、周方向で隣り合うフランジ３６が起因した磁気的な不均衡によって生じたトルクリプルとの間には位相差が生じる。

隣り合うフランジ３６が起因した２つのトルクリプル間の位相差Δは、以下の式（１）によって求められる。但し、θは、２Ｎ個のフランジ３６が均等配置された場合の周方向位相差θ０−周方向位相差θ２であり、Ｐはロータの極対数であり、定数２はトルクリプル次数が２次であることによる。
Δ＝θ×Ｐ×２ …（１）

図１に示した例では、θ＝１５度、Ｐ＝６であるため、Δ＝１８０度となる。すなわち、図２に示すように、フランジ３６ａが起因したトルクリプル１０１ａと、フランジ３６ａに対して４５度（＝３６０度／８Ｎ×３）の周方向位相差θ２を有したフランジ３６ｂが起因したトルクリプル１０１ｂとの間には略１８０度の位相差があるため、双方のトルクリプル１０１ａ，１０１ｂは互いに相殺される。このため、トルクリプルの低減率を最大化できる。なお、フランジ３６ｃが起因したトルクリプルと、フランジ３６ｂに対して７５度（＝３６０度／８Ｎ×５）の周方向位相差θ１を有したフランジ３６ｂが起因したトルクリプルとの間にも略１８０度の位相差があるため、双方のトルクリプルは互いに相殺されるとの説明も同じ意味である。

このように、本実施形態では、１つのフランジ３６によって生じたトルクリプルと、周方向で隣り合うフランジ３６によって生じたトルクリプルとの間には１８０度の位相差があり、双方のトルクリプルが合成されると互いに打ち消し合う。その結果、回転電機１０の出力トルクに含まれるフランジ３６が起因したトルクリプルは低減される。

また、図１に示す本実施形態の回転電機１０では、周方向位相差θ１を有するフランジ３６の配置と、周方向位相差θ２を有するフランジ３６の配置とが、ステータヨーク３３の全周にわたって交互に行われている。このため、複数の鋼板積層体を転積する際には、θ１＋θ２毎に、「３６０／（θ１＋θ２）」回又はその倍数回、転積する。したがって、本実施形態では、ステータコア３１の歪み軽減や磁気特性の均一化を実現可能な転積を、単一種類の鋼板によって行うことができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記実施形態では、フランジ３６の個数が２Ｎ個である場合の周方向位相差θ１が「３６０度／８Ｎ×５」度（＝７５度）、周方向位相差θ２が「３６０度／８Ｎ×３」度（＝４５度）である構成を例に説明したが、例えば、周方向位相差θ１が「３６０度／１２Ｎ×７」度（＝７０度）、周方向位相差θ２が「３６０度／１２Ｎ×７」度（＝５０度）の構成であっても良い。但し、この場合、周方向で隣り合うフランジ３６が起因したトルクリプルの間の位相差は１８０度ではないため、上記実施形態の例に比べ、トルクリプルの低減率は低下する。

なお、フランジ３６の個数を３つに削減して均等配置すれば、フランジの数が減った分トルクリプルは小さくなるが、ステータコア３１とハウジング４０との締結数が減るため、ステータコア３１の固定力は低下する。

また、磁石挿入孔２３は一対で略Ｖ字形状としているが、磁極の構成として、一対に限るものでは無く、１つや３つ以上でも良いし、Ｖ字以外の直線状配置等でも良い。

１０ 回転電機
２０ ロータ
２１ 回転軸
２２ ロータコア
２３ 磁石挿入孔
２４ 永久磁石
２５，２５ａ，２５ｂ 磁極部
３０ ステータ
３１ ステータコア
３２ コイル
３３ ステータヨーク
３３ａ 外周面
３４ ティース
３５ スロット
３６ フランジ
３７ 貫通穴
４０ ハウジング

Claims (2)

1. 環状のステータヨークと、該ステータヨークから径方向一方に等間隔で突出する複数のティースと、該ステータヨークから径方向他方に突出し、ボルトによりハウジングと締結するための貫通孔が設けられた複数のフランジと、を有するステータコアと、
   隣り合う前記ティース間に形成されたスロット内に挿入されるコイルと、を備えた回転電機のステータであって、
   前記ステータヨークの周方向に配置される前記複数のフランジは、前記周方向で隣り合うフランジの周方向位相差が全周にわたり均等な配置からずれて配置されており、
   前記複数のフランジのうちの前記周方向で隣り合うフランジの周方向位相差は２つの値を有し、
   前記ステータヨークの前記径方向他方の外周には、第１の周方向位相差を有するフランジの配置と、第２の周方向位相差を有するフランジの配置とが全周にわたって交互に行われ、
   前記ステータヨークの前記径方向他方の外周の全周にわたって設けられる前記複数のフランジの個数が２Ｎ個である場合、
   前記第１の周方向位相差は「３６０／８Ｎ×５」度であり、前記第２の周方向位相差は「３６０／８Ｎ×３」度であり、
   前記回転電機の極対数は２Ｎである、回転電機のステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のステータであって、
   前記ステータコアは、複数の鋼板が積層されることで構成された鋼板積層体が、互いに異なる周方向位相となるように前記Ｎの倍数回、転積して構成された、回転電機のステータ。

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