JP2012186938A - 電機子 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットに配置される巻線に発生する渦電流損を低減させること。
【解決手段】回転子の周囲に間隙を介して配設される円環状を成し、この円環状の周方向に所定間隔で配置された複数のスロット１７ａを有するコア１７と、スロット１７ａ間のティース１７ｂに巻装されてスロット１７ａ内に径方向に配置される複数の角型巻線１６−１〜１６−６とを有し、回転子と共に回転電機を構成する電機子１８である。この電機子１８において、スロット１７ａ内に配置された回転子に最も近い１層目の角型巻線１６−１の断面の径方向の長さＬ１を、同スロット１７ａ内の他の角型巻線１６−２〜１６−６の長さＬ２よりも短くする。これにより、１層目の角型巻線１６−１におけるコア１７の周方向に通過する第１磁束φ１との交差面の面積を、他の角型巻線１６−２〜１６−６よりも小さくする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ステータコアのスロットに巻装されるコイルに発生する渦電流損を低減することができる電機子に関する。

従来、回転電機の電機子として例えば特許文献１に記載のものが有る。この電機子は、複数のスロットを有するコアと、スロットに巻装されるコイルとを備え、磁界を発生させる界磁としての回転子に対向配置されて当該回転子とともに回転電機を構成する。コイルをなす線状導体が、スロットの深さ方向に複数本並ぶように整列配置され、少なくともスロット内の深さ方向で回転子に最も近接した位置に配置される線状導体を近接導体とするとともに、近接導体よりも回転子から離間した位置に配置される角線による線状導体を離間導体としたときに、近接導体が離間導体を構成する材料よりも抵抗率の大きい材料であるアルミ（アルミニュウム）で構成されている。このように近接導体をアルミ線とすることにより、アルミは銅よりも抵抗率が大きいので渦電流損を低減することができる。

特開２０１０−１８３７４１号公報

ところで、上記の特許文献１の電機子の線状導体は角線であることから近接導体も角線である。この角線の場合、スロットに配置される角線断面の辺の長さが長くなるため、磁界の変化により渦電流が流れ易くなり、このため渦電流損が大きくなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、スロットに配置される巻線に発生する渦電流損を低減させることができる電機子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、回転子の周囲に間隙を介して配設される円環状を成し、この円環状の周方向に所定間隔で配置された複数のスロットを有するコアと、前記スロット間のティースに巻装されて前記スロット内に径方向に配置される複数の巻線とを有し、前記回転子と共に回転電機を構成する電機子において、前記スロット内に配置された複数の巻線の内、前記回転子に最も近い１層目の巻線は、前記コアの周方向に通過する第１磁束と交差する面の面積、及び前記回転子から前記スロットに入って通過する第２磁束と交差する面の面積の何れか一方又は双方が、同スロット内の他の巻線よりも小さいことを特徴とする。

この構成によれば、スロット内の１層目の巻線の第１磁束が交差する面の面積を小さくした場合、この面を通過する第１磁束の量が減少するので、その第１磁束の通過に応じて発生する渦電流が減少し、これによって渦電流損が低減する。また、スロット内の１層目の巻線の第２磁束が交差する面の面積を小さくした場合、この面を通過する第２磁束の量が減少するので、その第２磁束の通過に応じて発生する渦電流が減少し、これによって渦電流損が低減する。更に、巻線における第１磁束の交差面と第２磁束の交差面との双方の断面積を小さくすれば、第１磁束の交差面と第２磁束の交差面の何れか一方の断面積を小さくする場合よりも、より渦電流損の低減効果を得ることが出来る。

請求項２に記載の発明は、前記１層目の巻線は、前記コアを軸方向と直交する径方向に切断した際の断面が角型を成し、この角型断面の径方向の長さが同スロット内の他の巻線よりも短いことを特徴とする。

この構成によれば、１層目の巻線の角型断面の径方向の長さが短いので、この径方向の面に交差する第１磁束が通過する量が減少する。従って、第１磁束の通過に応じて発生する渦電流が減少し、これによって渦電流損が低減する。

請求項３に記載の発明は、前記１層目の巻線は、前記回転子と対向する面が角型を成し、この角型面の前記周方向の長さが同スロット内の他の巻線よりも短いことを特徴とする。

この構成によれば、１層目の巻線の回転子と対向する面の周方向の長さが短いので、この周方向の面に交差する第２磁束が通過する量が減少する。従って、第２磁束の通過に応じて発生する渦電流が減少し、これによって渦電流損が低減する。

請求項４に記載の発明は、前記スリット内に配置された巻線の内、前記１層目から外周側に向かう複数の巻線が当該１層目の巻線と同形状であることを特徴とする。

この構成によれば、同一スロット内に配置された全ての巻線の内、回転子に最も近い側（１層目）から外周側に向かうに従って渦電流損が小さくなる。そこで、１層目の巻線のみならず１層目の外側の２層目も１層目と同じ形状とすることによって、２層目の巻線でも渦電流損が低減できるので、１層目の渦電流損の低減効果と合わさって、より大きな渦電流損の低減効果を得ることが出来る。同様に、３層目の巻線、４層目の巻線、４＋ｎ（ｎ＝１つずつ増加する整数）層目の巻線を、１層目と同形状とする追加を逐次行うことによって、更なる大きな渦電流損の低減効果を得ることが出来る。

請求項５に記載の発明は、前記ティースの前記回転子に対向する端面と前記１層目の巻線の当該回転子に対向する対向面との距離を、当該対向面に前記第２磁束が通過する量が所定量減少する長さとしたことを特徴とする。

この構成によれば、ティースの端面と１層目の巻線の回転子との対向面との距離を、その対向面に第２磁束が通過する量が所定量減少する長さとしたので、１層目の巻線の回転子対向面への第２磁束の通過量が減少し、その分、渦電流の発生が減少し、渦電流損が低減するといった効果が得られる。

本発明の実施形態に係る電機子を有する回転電機の構造を示す回転軸方向の断面図である。 （ａ）電機子のコアを軸方向と直交する径方向に切断した際の角型巻線の一部断面図、（ｂ）（ａ）の破線枠で囲んだ１スロットの部分を表す図である。 （ａ）通常のスロット内に配列された角型巻線の断面図、（ｂ）（ａ）に示す各角型巻線に発生する渦電流損の割合を示す図である。 従来の電機子の巻線による渦電流損の低減量と抵抗損の増加量を示す図である。 本実施形態の電機子の巻線による渦電流損の低減量と抵抗損の増加量を示す図である。 （ａ）本実施形態の電機子の１層目の角型巻線の回転子への対向面の面積を減少させた構成を示し、（ｂ）回転子からスロットを斜めに通過する第２磁束を示す図である。 （ａ）１層目及び２層目の角型巻線の径方向長Ｌ１を短くした構成を示し、（ｂ）１層目〜３層目の角型巻線の径方向長Ｌ１を短くした構成を示し、（ｃ）１層目〜４層目の角型巻線の径方向長Ｌ１を短くした構成を示す図である。 本実施形態の電機子のコアの回転子に対向するティースの端面と１層目の角型巻線の面との距離Ｌ５を所定長長くした構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る電機子を有する回転電機の構造を示す回転軸方向の断面図である。

図１に示す回転電機１０は、車両等に用いられ、回転軸１１に挿通されて嵌合された円環状で且つ薄板状の鋼板が多数積層された積層鋼板１２及び当該積層鋼板１２の外周近傍部分に軸方向に埋め込まれた永久磁石１３とを有する回転子１４を備えると共に、回転子１４の外周面に対して所定間隔の間隙を介して配置された円環状を成し、図示せぬ電力変換用のインバータに接続された導電材料による三相の巻線１６と、この巻線１６が巻装された積層鋼板によるコア１７とを有する電機子１８を備えて構成されている。巻線１６は例えば銅線である。

ここで、図２（ａ）にコア１７を軸方向と直交する径方向に切断した際の角型巻線１６の断面の一部を表す。電機子１８は、図２（ａ）に示すように、コア１７に周方向に所定間隔で形成された複数のスロット１７ａを備え、このスロット１７ａ間のティース１７ｂに巻線１６が巻かれ、この巻線１６がスロット１７ａ内に径方向に配列されている。巻線１６は、図示の通り断面形状が角型を成しており、以降、角型巻線１６ともいう。

図２（ａ）の破線枠で囲んだ１スロット１７ａの部分を表す（ｂ）に示すように、スロット１７ａには、各角型巻線１６−１〜１６−６が、回転子１４側から１層目の角型巻線１６−１、２層目の角型巻線１６−２、３層目の角型巻線１６−３、４層目の角型巻線１６−４、５層目の角型巻線１６−５、６層目の角型巻線１６−６と順に外周側へ向かって配置されている。

１層目の角型巻線１６−１は、その径方向の長さ（径方向長）Ｌ１を、他の角型巻線１６−２〜１６−６の径方向長Ｌ２よりも短くしてある。言い換えれば、１層目の角型巻線１６−１は、電機子１８を周方向に流れる磁束（第１磁束とも称す）φ１に交差する辺の長さＬ１を、他の角型巻線１６−２〜１６−６の同じ辺の長さＬ２よりも短くしてあり、これによって第１磁束φ１が交差する面の面積が、他の角型巻線１６−２〜１６−６の面積よりも小さくなっている。

このように、回転子１４に所定間隔を介して対向する１層目の角型巻線１６−１の径方向長Ｌ１を短くした場合、言い換えれば、第１磁束φ１が交差する面の面積を小さくした場合、この径方向長Ｌ１の面を通過する第１磁束φ１の数が減少するので、その第１磁束φ１の通過に応じて発生する渦電流が減少する。これによって渦電流損が低減することになる。

例えば、図３（ａ）に示すように、１層目の角型巻線１６−１ａの径方向長Ｌ１が他のものと同じで全ての角型巻線１６−１ａ，１６−２〜１６−６の断面積が同じである場合、全角型巻線１６−１ａ，１６−２〜１６−６に発生する渦電流損の割合は、図３（ｂ）に示すように、１層目が４６％、２層目が２７％、３相目が１６％、４相目が８％となり、５及び６層目は合計で３％となる。従って、全角型巻線１６−１ａ，１６−２〜１６−６に発生する渦電流損のうち、１層目の角型巻線１６−１ａに発生する渦電流損の割合が約半分を占める。

このことから図２（ｂ）に示したように、１層目の角型巻線１６−１の径方向長Ｌ１を短くして第１磁束φ１との交差面の面積を小さくし、これにより渦電流損を低減させた場合、全角型巻線１６−１〜１６−６に発生する渦電流損に対して比較的大きな割合で渦電流損を低減させることができる。

例えば、従来の特許文献１のように１層目の巻線のみをアルミ線とした場合、アルミは抵抗率が銅の１．６倍あるので、図４（ａ）に示す銅線の渦電流損が（ｂ）のアルミ線に示すように１／１．６と低減する。しかし、アルミ線は抵抗率が上記のように銅よりも大きいので、（ａ）から（ｂ）に示すように抵抗損が１．６倍と増加する。

一方、本実施形態にように、１層目の角型巻線１６−１の径方向長Ｌ１を短くして第１磁束φ１との交差面の面積を小さくし、これにより渦電流損を低減させた場合、図５（ａ）に示す銅線の渦電流損が（ｂ）の銅線に示すように１／３と低減する。また、径方向長Ｌ１が短くなって断面積が小さくなった分、抵抗率が高くなるので、（ａ）から（ｂ）に示すように１．５倍と増加する。つまり、本実施形態の場合、渦電流損を１／３と、従来の１／１．６よりも大きく低減させることができる。

この他、図６（ａ）に示すように、１層目の角型巻線１６−１ｂを、その周方向の長さ（周方向長）Ｌ３を、他の角型巻線１６−２〜１６−６の周方向長Ｌ４よりも短くして、回転子１４に対向する面の面積を小さくしてもよい。この場合、図６（ｂ）に示すように、回転子１４からスロット１７ａに斜め方向に入る磁束（第２磁束とも称す）φ２が１層目の角型巻線１６−１ｂを通過する量を低減させることができる。従って、磁束φ２の通過に応じて発生する渦電流を減少させることができ、これによって渦電流損を低減させることができる。また、第２磁束φ２は、第１磁束φ１よりも大きいので、その周方向長Ｌ３を短くして第２磁束φ２の交差面の面積を小さくする割合によっては、より渦電流損の低減効果を得ることが出来る。

更には、第１磁束φ１の交差面と第２磁束φ２の交差面との双方の面積を小さくすれば、第１磁束φ１の交差面と第２磁束φ２の交差面の何れか一方の面積を小さくする場合よりも、より渦電流損の低減効果を得ることが出来る。

また、図７（ａ）に示すように、２層目の角型巻線１６−２ａの径方向長Ｌ１も、１層目の角型巻線１６−１の径方向長Ｌ１と同じにしてもよい。この場合、上述したように２層目は渦電流損の割合が２７％あるので、１相目の４６％と合わせれば、渦電流損の割合が７３％となる。この７３％の渦電流損のうち所定の渦電流損を低減させるので、より渦電流損の低減効果を得ることが出来る。

更に、図７（ｂ）に示すように、３層目の角型巻線１６−３ａの径方向長Ｌ１も、１層目及び２層目の角型巻線１６−１，１６−２ａの径方向長Ｌ１と同じにしてもよい。この場合も、上述したように３層目は渦電流損の割合が１６％あるので、１及び２相目の７３％と合わせれば、渦電流損の割合が８９％となる。この８９％の渦電流損のうち所定の渦電流損を低減させるので、より渦電流損の低減効果を得ることが出来る。

更には、図７（ｃ）に示すように、４層目の角型巻線１６−４ａの径方向長Ｌ１も、１〜３層目の角型巻線１６−１，１６−２ａ，１６−３ａの径方向長Ｌ１と同じにしてもよい。この場合も、上述したように４層目は渦電流損の割合が８％あるので、１〜３相目の８９％と合わせれば、渦電流損の割合が９７％となる。この９７％の渦電流損のうち所定の渦電流損を低減させるので、より渦電流損の低減効果を得ることが出来る。

この他、図８に示すように、回転子１４に対向するティース１７ｂの端面と１層目の角型巻線１６−１の面との距離Ｌ５を長くしてもよい。この距離Ｌ５は、１層目の角型巻線１６−１の回転子１４への対向面に第２磁束φ２が通過する量が所定量減少する長さとする。つまり、距離Ｌ５が短い場合は、１層目の角型巻線１６−１の回転子対向面が、スロット１７ａの開口に近いので第２磁束φ２が通過し易く、その分、第２磁束φ２の通過量が多い。このため渦電流が多く発生して渦電流損が大きくなる。

しかし、距離Ｌ５が長ければ、１層目の角型巻線１６−１の回転子対向面への第２磁束φ２の通過量が減少するので、その分、渦電流の発生が減少し、渦電流損が低減するといった効果が得られる。

以上の説明では、巻線１６は断面が角型であることを前提としたが、角型以外の形状であっても上述と同様の効果を得ることが出来る。

１０ 回転電機
１１ 回転軸
１２ 積層鋼板
１３ 永久磁石
１４ 回転子
１６ 巻線
１６−１，１６−１ａ，１６−１ｂ １層目の角型巻線
１６−２，１６−２ａ ２層目の角型巻線
１６−３，１６−３ａ ３層目の角型巻線
１６−４，１６−４ａ ４層目の角型巻線
１６−５ ５層目の角型巻線
１６−６ ６層目の角型巻線
１７ コア
１７ａ スロット
１７ｂ ティース
１８ 電機子
φ１，φ２ 磁束

Claims (5)

1. 回転子の周囲に間隙を介して配設される円環状を成し、この円環状の周方向に所定間隔で配置された複数のスロットを有するコアと、前記スロット間のティースに巻装されて前記スロット内に径方向に配置される複数の巻線とを有し、前記回転子と共に回転電機を構成する電機子において、
   前記スロット内に配置された複数の巻線の内、前記回転子に最も近い１層目の巻線は、前記コアの周方向に通過する第１磁束と交差する面の面積、及び前記回転子から前記スロットに入って通過する第２磁束と交差する面の面積の何れか一方又は双方が、同スロット内の他の巻線よりも小さいことを特徴とする電機子。
2. 前記１層目の巻線は、前記コアを軸方向と直交する径方向に切断した際の断面が角型を成し、この角型断面の径方向の長さが同スロット内の他の巻線よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の電機子。
3. 前記１層目の巻線は、前記回転子と対向する面が角型を成し、この角型面の前記周方向の長さが同スロット内の他の巻線よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の電機子。
4. 前記スロット内に配置された巻線の内、前記１層目から外周側に向かう複数の巻線が当該１層目の巻線と同形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電機子。
5. 前記ティースの前記回転子に対向する端面と前記１層目の巻線の当該回転子に対向する対向面との距離を、当該対向面に前記第２磁束が通過する量が所定量減少する長さとしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電機子。

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