JP2020036444A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの巻線に生ずる渦電流損を低減することができるモータを提供する。【解決手段】本発明のモータは、回転子２及び固定子３を備え、回転子２に対して回転磁界を印加するための複数の励磁コイル６が固定子３に設けられているものであって、励磁コイル６には、表面の内の少なくとも回転子２に対向する部位に、磁性部材１１ａが付されているものである。励磁コイル６には、さらに表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に、磁性部材が付されていることが好ましく、表面全体に磁性部材が付されていることがより好ましい。【選択図】図２

Description

本発明は、コイルの巻線に生じる渦電流損を低減可能なモータに関するものである。

近年、モータやインバータのエネルギー効率が高いためにハイブリッド自動車や電気自動車の普及が急速に進んでいる。また、電動車両に搭載されるモータは、容量では最大で200kW級、単一種の最大生産数は年間数十万台にまで及んでいる。この需要の中で、モータの高効率化が望まれている。

モータの高効率化には高出力化とともに、低損失化が重要である。モータの損失には、機械損、銅損、鉄損や漂遊負荷損に分類され、自動車に多く使用される永久磁石埋込型同期モータ(以下、ＩＰＭモータ)では、鉄損はコアや永久磁石で発生する渦電流損およびヒステリシス損、銅損は巻線に生ずる渦電流損を含むジュール損、漂遊負荷損はその他の電気損失として分類できる。

ここで、上記の損失の中でも、損失の割合が大きくなる可能性がある、巻線に生ずる渦電流損（コイル渦電流損）の低減に対する検討はあまり行われていない。

例えば、特許文献１には、第１インシュレータ及び第２インシュレータを有し、スロット歯（ティース）に嵌合する第２インシュレータを絶縁部及び磁性体部で構成し、スロット歯の先端部に磁性体部を設け、スロット歯の先端部の幅を実質的に増加させてコイル渦電流損を低減させるモータが記載されている。磁性体部とコイルとの間には、絶縁体部が設けられている。

特開２０１５−１８６３５２号公報

特許文献１に記載されたモータよりも、コイル渦電流損を低減し得るモータの開発が望まれている。

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、コイルの巻線に生ずる渦電流損を低減することができるモータを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載されたモータは、回転子及び固定子を備え、前記回転子に対して回転磁界を印加するための複数の励磁コイルが前記固定子に設けられているモータであって、前記励磁コイルには、表面の内の少なくとも前記回転子に対向する部位に、磁性部材が付されていることを特徴とする。

請求項２に記載のモータは、請求項１に記載のものであり、前記励磁コイルには、さらに表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に、磁性部材が付されていることを特徴とする。

請求項３に記載のモータは、請求項１又は２に記載のものであり、前記励磁コイルには、表面全体に磁性部材が付されていることを特徴とする。

請求項４に記載のモータは、請求項１から３のいずれかに記載のものであり、前記固定子は、複数の前記励磁コイルのコアになる複数のスロット歯と、前記スロット歯間に位置して前記励磁コイルを収容する複数のスロットとを有し、同一の前記スロットに収容されている異なる相の２つの前記励磁コイルには、前記回転子に対向する部位同士を架け渡す形状の磁性部材が付されていることを特徴とする。

請求項５に記載のモータは、請求項１から３のいずれかに記載のものであり、前記固定子は、磁性部材であって筒部の両端にフランジが設けられた形状のボビンと、前記ボビンに巻かれることで前記筒部によって前記励磁コイルの内周部に磁性部材が付されると共に前記フランジによって前記励磁コイルの両側部に磁性部材が付された前記励磁コイルと、磁性部材であって前記励磁コイルの外周部を覆うように付された磁性シートと、前記ボビンの筒状の穴が嵌められて前記励磁コイルのコアになるスロット歯とを有することを特徴とする。

請求項６に記載されたモータは、回転子及び固定子を備え、前記回転子が界磁コイルを備えるモータであって、前記界磁コイルには、表面の内の少なくとも前記固定子に対向する部位に磁性部材が付されていることを特徴とする。

請求項７に記載のモータは、請求項６に記載のものであり、前記界磁コイルには、さらに表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に、磁性部材が付されていることを特徴とする。

請求項８に記載のモータは、請求項６又は７に記載のものであり、前記界磁コイルには、表面全体に磁性部材が付されていることを特徴とする。

本発明のモータによれば、励磁コイルの表面の内の少なくとも回転子に対向する部位に磁性部材が付されていることにより、回転子からの漏れ磁束が磁性部材に集中して通り、励磁コイルに鎖交する磁束が少なくなる。このため、励磁コイルのコイル渦電流損を低減することができる。

励磁コイルの表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に磁性部材が付されている場合、回転子からの漏れ磁束がさらに磁性部材を通るため、励磁コイルに鎖交する磁束がより少なくなる。このため、励磁コイルのコイル渦電流損をより低減することができる。励磁コイルの表面全体に磁性部材が付されている場合、励磁コイルに鎖交する磁束がより一層少なくなるため、励磁コイルのコイル渦電流損をより一層低減することができる。

同一のスロットに収容されている異なる相の２つの励磁コイルに、回転子に対向する部位同士を架け渡す形状の磁性部材が付されている場合、回転子からの漏れ磁束が磁性部材に集中して通り、励磁コイルに鎖交する磁束がより少なくなる。このため、励磁コイルのコイル渦電流損をさらに低減することができる。

固定子が磁性部材であって筒部の両端にフランジが設けられた形状のボビンと、ボビンに巻かれることで筒部によって励磁コイルの内周部に磁性部材が付されると共にフランジによって励磁コイルの両側部に磁性部材が付された励磁コイルと、磁性部材であって励磁コイルの外周部を覆うように付された磁性シートと、ボビンの筒状の穴が嵌められて励磁コイルのコアになるスロット歯とを有する場合、励磁コイルの表面全体に磁性部材を簡便に付すことができると共に、スロット歯に簡便に集中巻の励磁コイルを装着することができる。

本発明のモータによれば、界磁コイルには表面の内の少なくとも固定子に対向する部位に磁性部材が付されていることにより、固定子からの漏れ磁束が磁性部材に集中して通り、界磁コイルに鎖交する磁束が少なくなる。このため、界磁コイルのコイル渦電流損を低減することができる。

界磁コイルの表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に磁性部材が付されている場合、回転子からの漏れ磁束がさらに磁性部材を通るため、界磁コイルに鎖交する磁束がより少なくなる。このため、界磁コイルのコイル渦電流損をより低減することができる。界磁コイルの表面全体に磁性部材が付されている場合、界磁コイルに鎖交する磁束がより一層少なくなるため、界磁コイルのコイル渦電流損をより一層低減することができる。

本発明を適用するモータの１／６部分を模式的に示す断面図である。 図１中の一点鎖線枠内の拡大断面図である。 図２の構成に代わる別の構成例を示す拡大断面図である。 図２の構成に代わるさらに別の構成例を示す拡大断面図である。 図２の構成に代わるさらに別の構成例を示す拡大断面図である。 図２の構成に代わるさらに別の構成例を示す拡大断面図である。 ＩＰＭモータの巻線にＣＯＷを使用した場合のトルク-電流特性である。 ＩＰＭモータの巻線に適用する磁性コンポジット材料の磁気特性である。 ＩＰＭモータの励磁電流の特性である。 ３種類の解析モデルを示す巻線の拡大断面図である。 ＦＥＭ解析１の解析結果の(a)抵抗、(b)銅損、(c)鉄損、(d)トルクを示すグラフである。 磁性コンポジット材無しとパターンNo.3の電流密度分布図である。 パターンNo.3における磁性コンポジット材の厚さ・幅を変更した際の、(a)抵抗、(b)銅損、(c)鉄損、(d)トルクを示すグラフである。 スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材を付した場合の要部拡大断面図である。 ＦＥＭ解析２の各条件における電流密度分布図である。 ＦＥＭ解析２の解析結果の(i)抵抗、(ii)銅損、(iii)鉄損、(iv)トルクを示すグラフである。 ＦＥＭ解析３の電流密度分布図である。 ＦＥＭ解析３の解析結果の(i)抵抗、(ii)銅損、(iii)鉄損、(iv)トルクを示すグラフである。 本発明を適用する別のモータの一部を模式的に示す断面図である。 本発明を適用するさらに別のモータの一部を模式的に示す断面図である。 本発明を適用するさらに別のモータの一部を模式的に示す断面図である。 本発明を適用するさらに別のモータの一部を模式的に示す断面図である。 ボビンを用いた集中巻の励磁コイルの製造工程を示す模式図である。

以下、発明を実施するための形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの形態に限定されるものではない。

図１に、本発明を適用するモータ１の一部断面図を示す。この例では、モータ１がＩＰＭモータである例を示している。

図１に示すように、モータ１は、回転子２及び固定子３を備え、回転子２に対して回転磁界を印加するための複数の励磁コイル６が固定子３に設けられている。ここでは、回転子２に対して回転磁界を印加するために固定子３に設けられているコイル（固定子側のコイル）を励磁コイル６と呼んでいる。

回転子２は、回転可能に軸支されている。回転子２には、内部に永久磁石２１が埋め込まれている。この例では、２枚の永久磁石２１がＶ字型に配置されて１極を構成している。この配置により、Ｖ字型の中心部分に磁束が集中する。

固定子３は、一例として、積層された電磁鋼鈑から構成されている。固定子３は、一体型コアで形成されていてもよいし、複数の分割コアで形成されていてもよい。

図１に示すように、固定子３は、複数の励磁コイル６のコア（芯）になる複数のスロット歯４と、スロット歯４，４間に位置して励磁コイル６を収容する複数のスロット５とを有している。スロット歯４は、固定子３の内周の円周方向に等間隔で形成されている。

同図は、励磁コイル６がスロット歯４に集中巻で巻かれて装着されている例を示している。集中巻では、１つのスロット歯４に１つの励磁コイル６が巻き付けられている。同図に示すように、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相がこの順で複数の励磁コイル６に流されるように電気的に接続されている。

本発明は、励磁コイル６の表面の内の少なくとも回転子２に対向する部位に、磁性部材が付されていることに特徴がある。励磁コイル６には、さらに表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に、磁性部材が付されていることが好ましい。励磁コイル６には、表面全体に磁性部材が付されていることがより好ましい。また、固定子２は複数の励磁コイル６のコアになる複数のスロット歯４と、スロット歯４，４間に位置して励磁コイル６を収容する複数のスロット５とを有し、同一のスロット５に収容されている異なる相の２つの励磁コイル６，６には、回転子２に対向する部位同士を架け渡す形状の磁性部材が付されていることが好ましい。

図２〜図６に、励磁コイル６への磁性部材の付し方の構成例を示す。各図は、図１中の破線枠で囲まれた部分の拡大図に相当する。

励磁コイル６は、一例として、銅線（ＣＯＷ）が巻かれて形成されたものである。励磁コイル６は、スロットの巻線占積率を高めるために平角線を使用したエッジワイズコイルである。なお、励磁コイル６の巻線に、丸線を用いてもよい。

図２は、励磁コイル６の表面の内の回転子２に対向する部位に、磁性部材１１ａが付されている例である。

磁性部材１１ａは、磁性を有するものであり、例えば、絶縁性（高抵抗）を有する磁性体である。磁性部材１１ａは、例えば、液状のバインダ中に磁性粉を分散させて硬化させた、柔軟性を有するシート状の磁性コンポジット材である。磁性紛は、例えば、鉄紛、アモルファス合金粉、鉄-コバルト合金粉、シリコン鉄粉、ファインメットなどである。バインダは、絶縁性を有するものであり、例えば熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂などである。シート状の磁性コンポジット材（磁性部材１１ａ）は、例えば、接着剤又は両面テープ等で励磁コイル６の表面に貼り付けることで、励磁コイル６に付される。シート状の磁性コンポジット材として市販されているものを用いてもよい。磁性部材１１ａとして、磁性紛を圧縮成形したものを用いてもよい。
以下に説明する磁性部材１１ｂ〜１１ｅは、磁性部材１１ａと同様のものである。

コイル渦電流損は、回転子２の永久磁石２１の漏れ磁束が励磁コイル６に鎖交することで発生する。励磁コイル６の表面の内の回転子２に対向する部位は、回転子２に最も近い部位である。この部位に磁性部材１１ａを付すことで、永久磁石２１の磁束が磁性部材１１ａに集中して通る。このため、励磁コイル６に鎖交する磁束が少なくなり、コイル渦電流損を低減することができる。

背景技術に記載した特許文献１では、スロット歯の先端部の幅を広げるような形状で磁性体部を設けているが、励磁コイルの回転子に対向する部位を完全に磁性体部で覆っておらず、さらに励磁コイルとの間に距離が生じている。そのため、励磁コイルに鎖交する漏れ磁束の低減効果に限りがある。本発明のように、励磁コイル６に磁性部材１１ａを直接付すことで、コイル渦電流損をより低減させることができる。

図３は、励磁コイル６の回転子２に対向する部位に加えて、さらに表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に、磁性部材１１ｂが付されている例である。この例では、励磁コイル６には、回転子２に対向する部位に加えて、さらに表面の内の内周部に、磁性部材１１ｂが付されている。

励磁コイル６は、スロット歯４をコアとして巻かれているため、励磁コイル６の内周部はコアとなるスロット歯４に対向する部位である。励磁コイル６を磁性部材１１ｂで覆うことで、回転子２の漏れ磁束が磁性部材１１ｂに集中して通るため、図２の場合よりも、さらにコイル渦電流損を低減させることができる。

図４は、励磁コイル６の回転子２に対向する部位に加えて、さらに表面の内の外周部及び内周部に、磁性部材１１ｃが付されている例である。励磁コイル６の外周部は、隣接する異なる相（他の相）の励磁コイル６に対向する部位である。励磁コイル６の表面を磁性部材１１ｃで覆う部位が多いほど、回転子２の漏れ磁束が磁性部材１１ｃに集中するため、図３の例よりもコイル渦電流損をさらに低減させることができる。

図５は、励磁コイル６の表面全体に磁性部材１１ｄが付されている例である。励磁コイル６の表面全体を磁性部材１１ｄで覆うことで、図４の例よりもコイル渦電流損をさらに低減させることができる。

図６は、同一のスロット５に収容されている異なる相の２つの励磁コイル６，６の回転子２に対向する部位同士を架け渡す（繋ぐ）形状の磁性部材１１ｅが付されている例である。言い換えると、励磁コイル６，６の回転子２側が磁性部材１１ｅによって全閉されている例である。同図の例では、励磁コイル６，６の各々の内周部にも磁性部材１１ｅが付されている。

磁性部材１１ｅが、励磁コイル６，６の回転子２に対向する部位同士を架け渡すことで、回転子２の漏れ磁束が磁性部材１１ｅに集中するため、コイル渦電流損をより低減させることができる。さらに、励磁コイル６の外周部や表面全体に磁性部材１１ｅが付されていてもよい。

なお、液状の磁性部材（例えば磁性粉を液状のバインダに混合した液状の磁性コンポジット材料）を、励磁コイル６に直接塗布した後にバインダを硬化させることも考えられるが、液状の場合には励磁コイル６の巻線間など、励磁コイル６の表面以外の内部にも磁性部材が流れ込んでしまう。巻線内部に入り込んだ磁性部材があると、この内部の磁性部材に漏れ磁束が流れて巻線に鎖交することで、交流抵抗が増加してコイル渦電流損が生じてしまう。そこで本発明では磁性部材を巻線の表面のみに設けるようにしている。磁性部材として液体ではなく固体を用いることで、磁性部材が巻線の内部に入り込むことを防止できる。

［ＦＥＭ解析１］
有限要素法(ＦＥＭ解析)を用いて、ＩＰＭモータの励磁コイルへの磁性部材の付与による銅損低減効果を解析した。

＜ＩＰＭモータ＞
図１に示すＩＰＭモータの構成で解析を行った。ＩＰＭモータの仕様を表１に示す。本解析で使用するＩＰＭモータは、ハイブリッド自動車や電気自動車への搭載を想定した定格出力が30kWのモータである。また、極数が12、スロット数が18の整数スロットで、コイルエンドを除いたモータ全軸長が69mm、固定子外径寸法がφ200mm、内径φ130mmであり、ギャップ長0.75mmである。巻線にはスロットの巻線占積率を高めるために平角線を使用し、巻数N=26回巻のエッジワイズコイルであり、かつ集中巻とした。ＩＰＭモータの各部寸法は、同図中に示す回転子２の厚さa1=16.75mm、励磁コイルの巻幅a2=20 mm、回転子の中心から回転子の外周までの長さa3=65mm、回転子の中心から固定子の外周までの長さa4=100mmである。同図に表れている部分の永久磁石２１の長辺10mm、短辺2.5mmである。

図７にＩＰＭモータの巻線にＣＯＷを使用した場合のトルク-電流特性を示した。本解析を行う際には、トルク-電流特性が飽和していない線形領域にて解析を行った。

＜ＩＰＭモータに適用する磁性材料＞
図８にＩＰＭモータの巻線に適用する磁性コンポジット材料の磁気特性を示した。複素透磁率の測定にはインピーダンスアナライザ(16454A、キーサイト・テクノロジー社)および、ターミナルアダプタ(42942A、キーサイト・テクノロジー社)を用いて磁性材料をトロイダルコア状にした試料として測定した。複素透磁率のうちμ’（実数部）は測定を行った全周波数帯域（０．１MHz〜１５MHz）において１９．５という値を示している。一方、複素透磁率のうちμ”（虚数部）は周波数に対して増加傾向にある。ただし、前記測定系では５MHz以下を正確に測ることは困難であるため、５MHz以下は予測値を長破線で示している。なお、基本周波数１kHzとした以下のＦＥＭ解析１においてはμ’＝１９．５、μ”＝０．２５（５MHzでの値）とする。いずれも周波数１kHzで実測されたものではないが、μ’については原理的に直流においても同じ値であることから、μ”については、必ず５MHzでの値以下であることから高めの値として、そのような値に設定した。

＜解析条件＞
解析の簡略化のために、図１に示すように解析モデルは２極３スロット分の１／６モデルとして境界条件を使用して解析を行う。

表２にＩＰＭモータの解析条件を示した。JMAG-Designerを用いて二次元磁界過渡解析によって巻線の抵抗、インダクタンス、銅損、モータのトルク、鉄損を計算した。回転子の回転数は10,000rpmとした。図９に励磁電流の特性を示した。回転子の回転数が10,000rpmで、極数が１２であるために、励磁電流の基本周波数は1kHzとした。ここで、リラクタンストルクを使用するために、Ｕ相電流の初期位相角αは３０°進角させた。

図１０に巻線への貼付パターンの異なる３種類の解析モデルにおける巻線の拡大断面図を示した。同図(a)のパターンNo.1はスロット歯と回転子に対面する部分のみに貼付したモデルである。これは図３に示した構成に相当する。同図(b)のパターンNo.2は、同図(a)のパターンに加えてスロット中心側の他相の巻線同士が対面する部分にも貼付したモデルである。これは図４に示した構成に相当する。同図(c)のパターンNo.3は、巻線の外周部にすべて貼付したモデルである。これは図５に示した構成に相当する。

ここで、各モデルについて、磁性材料厚さd=0.3mm、磁性材料幅l=0.3mmでそれぞれ解析を行った。さらに、比較例として磁性材料を貼付しないモデルも同様に解析を行った。磁性コンポジット材の貼付による銅損低減効果の検討と、抵抗および銅損が最も低減される貼付方法の検討を行った。また、最も抵抗および銅損が低減されるモデルについては、磁性材料厚さd=0.1〜0.4mm、磁性材料幅l=0.1〜0.3mmの範囲で変更してさらに解析を行った。

＜各貼付方法による解析結果＞
図１１に各条件における解析結果を示した。同図(a）〜(d)には、左から順に、磁性コンポジット材無し（比較例）、パターンNo.1（実施例）、パターンNo.2（実施例）、パターンNo.3（実施例）を表示している。

同図(a)に各条件における抵抗を示した。磁性コンポジット材を貼付けしないときで抵抗が90.4mΩであった。それに対して磁性コンポジット材を貼付けした各パターンにおいて、抵抗が低減された。中でもパターンNo.3では抵抗が58.7mΩとなり36％低減された。

同図(b)に各条件における巻線の銅損を示した。抵抗の傾向と同様に、磁性コンポジット材を貼付しないときの銅損が524Wであったのに対して、貼付した各パターンで銅損が低減され、パターンNo.3では347Wと34%低減された。

同図(c)に各条件における鉄損を示した。磁性コンポジット材を貼付しないときの鉄損が563Wであった。これに対して、貼付した各パターンでは鉄損が増加し、銅損が最も低減されていたパターンNo.3では、貼付しないときと比較して5%増加した。これは、磁性コンポジット材を貼付したことにより、磁性コンポジット内で生ずる鉄損による増加と、漏れ磁束が、磁性コンポジット材を介してスロット歯に流れたことによるスロット歯の磁束密度向上に伴う鉄損の増加のためである。しかし、パターンNo.3の鉄損増加は、銅損低減分よりも十分に小さいために、モータの電気損失で考えると巻線への磁性コンポジット材の適用により損失は低減可能である。

同図(d)に各条件におけるトルクを示した。磁性コンポジット材を貼付しないときときと比較して、貼付した各パターンはトルクが微小増加した。これは、漏れ磁束が、磁性コンポジット材を介してスロット歯に流れたことによるスロット歯の磁束密度向上によるものである。

図１２に(a)ＣＯＷのみで磁性コンポジット材無し（貼付しないとき）の場合と(b)パターンNo.3の場合の電流密度分布を示した。(b)の場合には、銅線に鎖交する磁束数が少なく、電流密度の偏りの低減が確認された。これは磁性コンポジット材を巻線に貼付することにより巻線に鎖交する磁束数が減少したためである。

＜磁性コンポジット材の厚さ・幅を変更した場合の解析結果＞
図１３に最も損失が低減されたパターンNo.3における磁性コンポジット材の厚さ・幅を変更した際の解析結果を示した。磁性層の厚さdを厚くするほど、磁性層の幅lを広くするほど銅損は低減される。最も銅損が少なるのはd=0.4mm、l=0.3mmのときで338Wであり、磁性コンポジット材を貼付しない場合と比較して36%低減された。なお、d=0.4mm、l=0.3mmは解析モデルの寸法から取り得る最大値である。

表３に効率を示した。d=0.4mm、l=0.3mmのとき最も効率が向上し、磁性コンポジット材を貼付しないときと比較すると効率で0.5%向上し、損失低減の割合で考えると14%低減された。以上より、本ＩＰＭモータへはパターンNo.3の貼付方法でかつd=0.4mm、l=0.3mmで貼付することが良い。しかし、巻線に磁性コンポジット材を貼り付けする製作工程を考えるとd=lで１枚の磁性シートで貼り付けられる方が製作が容易であるため、損失の低減と製作コストのバランスを考える必要がある。また、本解析では複素透磁率実数部μ’=19.5の磁性コンポジット材料を使用して解析した。これよりもμ’が高い材料を使用すればより銅損低減が可能である。しかし、μ’が高い材料を使用することで磁性コンポジット材の磁束密度が高くなるため、飽和磁束密度が高い材料を選定し使用することが望ましい。

ＦＥＭ解析１の内容をまとめると以下のようになる。
1) 漏れ磁束により巻線に生ずる渦電流損の低減
ＩＰＭモータの巻線への磁性コンポジット材の貼付方法の検討を行った。磁性コンポジット材を巻線を覆うように貼付した場合 (d=0.1〜0.4mm，l=0.1〜0.3mm)を適用することで、何も貼付していない場合と比較して、銅損が36%低減した。これは、磁性コンポジット材を介して、回転子による漏れ磁束がスロット歯に、スロット歯による漏れ磁束が回転子に流れることで、巻線への鎖交磁束が減少し渦電流損が低減されたからである。モータ全体の損失で見ると、銅損と鉄損の合計が最小になることが重要である。今回、銅損の減少分のほうが鉄損の増加分よりも影響が大きく、合計値が減少した。

［ＦＥＭ解析２］
本発明は励磁コイルに磁性部材（例えば磁性コンポジット材）を付すことに特徴があるが、スロット歯やスロット内壁に磁性部材を付すことも考えられる。そこで、励磁コイルに磁性部材を付した場合と、スロット歯及びスロット内壁に磁性部材を付した場合でコイル渦電流損の低減効果を解析した。

ＦＥＭ解析を用いて、ＩＰＭモータの励磁コイルへの磁性部材の付与による銅損低減効果を解析した。ＩＰＭモータの構造、仕様、電流-トルク特性及び電流特性は、ＦＥＭ解析１と同様であり、それぞれ図１、表１、図７及び図９に示した通りである。励磁コイルの巻線もＦＥＭ解析１と同様である。

解析は、(a)ＣＯＷのみ（磁性コンポジット材無し）の場合（比較例）、(b)励磁コイルの表面全体に磁性コンポジット材（磁性部材）を付した場合（ＦＥＭ解析１のパターンNo.3、d=0.3mm、l=0.3mm）（実施例）、(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材（磁性部材）を付した場合（比較例）、の３パターンについて実施した。

図１４に、(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材９１を付した場合の構成を図示する。図１、図２で既に説明した構成と同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。磁性コンポジット材９１の厚さは0.3mmで解析を行った。

表４に解析条件を示した。

図１５に各条件における電流密度分布を示した。同図(b)では，回転子による漏れ磁束が磁性コンポジット材を介してスロット歯へと流れている。これによりコイルへ鎖交する磁束が減少し電流密度の偏りが低減された。同図(c)ではスロット歯付近の漏れ磁束に対しては、有効的に作用し電流密度の偏りが低減されているが、磁性コンポジット材が付されていないスロット中心部分においては、依然として電流密度の偏りが大きいままである。

図１６(i)に抵抗、同図(ii)に銅損を示した。(b)コイル表面全体に磁性コンポジット材を付した場合と(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材を付した場合はともに(a)ＣＯＷのみの場合と比較して抵抗および銅損が低減された。しかし、(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材を付した場合では、スロット中心側のコイルへの鎖交磁束低減ができていないために、(b)コイル表面全体に磁性コンポジット材を付した場合と比較して抵抗および銅損低減効果が小さい。

同図(iii)に鉄損を示した。磁性コンポジット材を貼り付けることにより、磁性コンポジット材内で生ずる鉄損による増加と、漏れ磁束が磁性コンポジットを介してスロット歯に流れることによるコアの磁束密度増加に伴う鉄損増加により、(a)ＣＯＷのみの場合と比較して鉄損が増加した。(b)の方が(c)よりも鉄損の増加分は小さい。

同図(iv)にトルクを示した。コアの磁束密度が増加したことによりトルクは微小増加した。

ＦＥＭ解析２の内容をまとめると以下のようになる。
(b)コイル全面に磁性コンポジット材を付した場合と(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材を付した場合はともに(a)ＣＯＷのみの場合と比較して抵抗および銅損が低減された。しかし、(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材を付した場合には、スロット中心側のコイルへの鎖交磁束低減ができていないために、(b)コイル全面に磁性コンポジット材を付した場合と比較して、抵抗および銅損低減効果が小さい。以上より、磁性コンポジット材を漏れ磁束に対するシールドとして使用する場合には、スロット歯及びスロットに付すのではなく、コイルに直接付ける方が有効的であることが明らかにされた。

［ＦＥＭ解析３］
図６に示した、同一のスロットに収容されている異なる相の２つの励磁コイルの回転子に対向する部位同士を架け渡す形状の磁性コンポジット材（磁性部材）が付されている場合（以下、回転子側を磁性部材で全閉した場合）について、ＦＥＭ解析を行った。解析条件は、ＦＥＭ解析２の場合と同様である。

図１７に電流密度分布を示した。同図(a)に回転子側を磁性部材で全閉した場合（実施例）を示し、(b)に、ＦＥＭ解析２で説明した図１４のスロット歯及びスロットに磁性部材を付した場合（比較例）を示す。

スロット歯に近いコイルに関しては(b)スロット歯及びスロットに磁性部材を付した場合の方が電流密度の偏りが低減されるが、スロット中心付近のコイルに関しては、(a)回転子側を磁性部材で全閉した場合の方が偏りが低減される。これは(a)の方が、回転子による漏れ磁束をシールドできるためである。

図１８に、抵抗、銅損、鉄損、トルクを示す。同図の解析は、(a)ＣＯＷのみ（磁性コンポジット材無し）の場合（比較例）、(b)回転子側を磁性部材で全閉した場合（実施例）、(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材（磁性部材）を付した場合（比較例）、の３パターンについて実施した。

図１８(i)に抵抗、同図(ii)に銅損を示した。(b)回転子側を磁性部材で全閉した場合と(c)スロット歯及びスロットに磁性部材を付した場合はともに(a)ＣＯＷのみの場合と比較して抵抗および銅損が低減された。しかし、(c)スロット歯及びスロットに磁性部材を付した場合ではスロット中心側のコイルへの鎖交磁束低減ができていないために、(b)回転子側を磁性部材で全閉した場合と比較して、抵抗および銅損低減効果が小さい。したがって、(c)スロット歯及びスロットに磁性部材を付した場合とは異なり、回転子側の漏れ磁束をシールドするように磁性コンポジット材を貼り付けることにより、渦電流損低減効果の促進が可能であることが得られた。

同図(iii)に鉄損を示した。磁性コンポジット材を貼り付けることにより、磁性コンポジット材内で生ずる鉄損による増加と、漏れ磁束が磁性コンポジットを介してスロット歯に流れることによるコアの磁束密度増加に伴う鉄損増加により、(a)ＣＯＷのみの場合と比較して鉄損が増加した。(b)の方が(c)よりも鉄損の増加分は小さい。

同図(iv)にトルクを示した。コアの磁束密度が増加したことによりトルクは微小増加した。

ＦＥＭ解析３の内容をまとめると以下のようになる。
(b)回転子側を磁性部材で全閉した場合と(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材を付した場合はともに(a)ＣＯＷのみの場合と比較して抵抗および銅損が低減された。しかし、(c)スロット歯及びスロットに磁性コンポジット材を付した場合には、スロット中心側のコイルへの鎖交磁束低減ができていないために、(b)回転子側を磁性部材で全閉した場合と比較して、抵抗および銅損低減効果が小さい。以上より、磁性コンポジット材を漏れ磁束に対するシールドとして使用する場合には、スロット歯及びスロットに付すのではなく、コイルに直接付けると共に回転子側を磁性コンポジット材で全閉にした方が有効的であることが明らかにされた。

ここまで、集中巻を使用したＩＰＭモータの例について説明したが、分布巻などの巻線方法の場合、あるいは表面磁石型同期モータのほかインダクションモータなどモータの種類が異なる場合にも磁性部材（磁性コンポジット材）を使用した巻線の渦電流損低減は可能であり、本発明は非常に汎用性が高い。本発明は、コイル（巻線）を使用する全てのモータに適用できる。

［分布巻］
図１９に、励磁コイル６を分布巻したＩＰＭモータであるモータ１ａを示す。以下において、既に説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図１に示した集中巻のモータ１では、固定子３の１つのスロット５に、異なる相の２つの励磁コイル６が円周方向に並べて配置される。一方、図１９に示した分布巻のモータ１ａでは、固定子３ａの１つのスロット５に、異なる相の２つの励磁コイル６が半径方向に並べて配置される。例えば、スロット５_１には、異なる相の励磁コイル６_１、６_３が半径方向に並べて配置されており、スロット５_２には、異なる相の励磁コイル６_２、６_４が半径方向に並べて配置されている。分布巻きの場合、回転子２に近い方の励磁コイル６の回転子２に対向する部位（回転子２に近い部位）に磁性部材１１が少なくとも付される。例えば、スロット５_１では、励磁コイル６_３の回転子２に対向する部位に磁性部材１１が付される。

磁性部材１１はすでに説明した磁性部材１１ａと同様のものであり、例えばシート状の磁性コンポジット材である。

図示しないが、さらに励磁コイル６の表面の内の内周部及び外周部の少なくとも一方に磁性部材１１を付してもよい。また、回転子２から遠い方の励磁コイル６の表面の内のスロット５の奥部に対向する部位（回転子２から遠い方の部位）に磁性部材１１を付してもよい。また、励磁コイル６の表面全体に磁性部材１１を付してもよい。

［ＳＰＭモータ］
図２０に、表面磁石型同期モータ（ＳＰＭモータ）であるモータ１ｂを示す。なお、励磁コイル６を分布巻している例を示しているが、集中巻であってもよい。モータ１ｂでは、永久磁石２１が回転子２ｂの表面に配置されている。

この場合、図１９の分布巻きの例と同様に、磁性部材１１を設ければよい。なお、集中巻の場合には、図１〜図６に示したように磁性部材１１を配置すればよい。

［界磁巻線型同期モータ］
図２１に、界磁巻線型同期モータであるモータ１ｃを示す。固定子３ａの励磁コイル６は、分布巻の例であり、図１９、図２０と同様に、磁性部材１１が付されている。なお、励磁コイル６が、集中巻であってもよい。

このモータ１ｃでは、回転子２ｃに永久磁石が設けられず、界磁コイル８が設けられている。ここでは、回転子２ｃに設けられて電磁石になるコイル（回転子側のコイル）を界磁コイルと呼んでいる。界磁コイル８は、回転子２ｃのスロット歯２４に集中巻されて、スロット２５に収容されている。１つのスロット２５には、異なる相の界磁コイル８，８が円周方向に並ぶように配置されている。

本発明は、界磁コイル８の表面の内の少なくとも固定子３ａに対向する部位に、磁性部材１１ｆが付されていることに特徴がある。界磁コイル８には、さらに表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に、磁性部材１１ｆが付されていることが好ましい。界磁コイル８には、表面全体に磁性部材１１ｆが付されていることがより好ましい。同一のスロット２５に収容されている異なる相の２つの界磁コイルには、固定子に対向する部位同士を架け渡す形状の磁性部材が付されていることが好ましい。

同図には、界磁コイル８の表面全体に磁性部材１１ｆが付されている例を示している。磁性部材１１ｆは、磁性部材１１と同様の材質のものであり、例えばシート状の磁性コンポジット材であって、界磁コイル８に接着剤又は両面テープ等で貼り付けて装着されている。

界磁コイル８に磁性部材１１ｆを付すことで、固定子３ａからの漏れ磁束をシールドすることができ、界磁コイル８のコイル渦電流損を低減することができる。

［誘導モータ］
図２２に、誘導モータであるモータ１ｄを示す。固定子３ａの励磁コイル６は、分布巻の例であり、図１９、図２０と同様に、磁性部材１１が付されている。なお、励磁コイル６が、集中巻であってもよい。同図に示す回転子２ｄは、一例であって、公知の誘導モータの回転子が用いられる。回転子２ｄは、例えば、かご（２次導体）４１を備えている。

誘導モータであっても、励磁コイル６に磁性部材１１を付すことで、コイル渦電流損を低減することができる。

［ボビンを用いた集中巻の励磁コイル］
図２３に示すように、磁性部材であるボビン５４に巻いた励磁コイル６の外周部に、磁性部材である磁性シート６３を貼り付けて、励磁コイル６の表面全体に磁性部材１１ｇを付してもよい。このように構成した励磁コイルユニット６５を、固定子３となる分割コア３１のスロット歯４に嵌め込むことで、スロット歯４に励磁コイル６を集中巻することができる。

同図(a)に示すように、ボビン５４は、磁性部材であり、筒部５６の両端にフランジ５７，５７が設けられた形状のものである。同図(a)に示すように、一例として、ボビン５４は、液状のバインダ５１と磁性紛５２とを混合して磁性コンポジット材の原料液５３とし、これを成形することで磁性コンポジット材によって形成されている。バインダは、例えば、絶縁性の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂である。

同図(b)に示すように、励磁コイル６は、ボビン５４に銅線６１が巻かれて形成される。励磁コイル６は、ボビン５４に巻かれることで筒部５６によって励磁コイル６の内周部に磁性部材（磁性コンポジット材）が付されると共にフランジ５７、５７によって励磁コイル６の両側部に磁性部材（磁性コンポジット材）が付されている。

同図(c)に示すように、磁性シート６３は、絶縁性を有する柔軟なシート状の磁性部材であり、励磁コイル６の外周部を覆うように付される。これにより、同図(d)に示すように、励磁コイル６は、ボビン５４及び磁性シート６３からなる磁性部材１１ｇが表面全体に付されたものになる。磁性シート６３は、例えば接着剤又は両面テープ等で励磁コイル６に貼り付けられる。

同図(d)、同図(e)に示すように、ボビン５４の筒状の穴が、励磁コイル６のコアになる分割コア３１のスロット歯４に嵌められる。これにより、集中巻の励磁コイル６がスロット歯４に装着される。ボビン５４とスロット歯４とは接着剤等で固定される。このように分割コア３１と励磁コイルユニット６５とを一体化したものを、複数個円周状に配置して固定することで、固定子３が構成される。

励磁コイルユニット６５を用いることで、励磁コイル６の表面全体に磁性部材を簡便に付すことができると共に、スロット歯４に簡便に集中巻の励磁コイル６を装着することができる。なお、分割コア３１について説明したが、一体型のコアで構成される固定子３に励磁コイルユニット５６を用いてもよい。

１・１ａ・１ｂ・１ｃ・１ｄはモータ、２・２ａ・２ｂ・２ｃ・２ｄは回転子、３・３ａは固定子、４はスロット歯、５はスロット、６は励磁コイル、８は界磁コイル、１１・１１ａ・１１ｂ・１１ｃ・１１ｄ・１１ｅ・１１ｆ・１１ｇは磁性部材、２１は永久磁石、２４はスロット歯、２５はスロット、３１は分割コア、４１はかご、５１はバインダ、５２は磁性紛、５３は磁性コンポジット材の原料液、５４はボビン、５６は筒部、５７はフランジ、６１は銅線、６３は磁性シート、６５は励磁コイルユニット、９１は磁性コンポジット材、ａ１は回転子の半径方向の厚さ、ａ２は励磁コイルの巻幅、ａ３は回転子の中心から回転子の外周までの長さ、ａ４は回転子の中心から固定子の外周までの長さ、ｄは磁性層（磁性部材）の厚さ、ｌは磁性層（磁性部材）の幅、Ｕ・Ｖ・Ｗは三相交流の相である。

Claims (8)

1. 回転子及び固定子を備え、前記回転子に対して回転磁界を印加するための複数の励磁コイルが前記固定子に設けられているモータであって、
   前記励磁コイルには、表面の内の少なくとも前記回転子に対向する部位に、磁性部材が付されていることを特徴とするモータ。
2. 前記励磁コイルには、さらに表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に、磁性部材が付されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記励磁コイルには、表面全体に磁性部材が付されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記固定子は、複数の前記励磁コイルのコアになる複数のスロット歯と、前記スロット歯間に位置して前記励磁コイルを収容する複数のスロットとを有し、
   同一の前記スロットに収容されている異なる相の２つの前記励磁コイルには、前記回転子に対向する部位同士を架け渡す形状の磁性部材が付されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータ。
5. 前記固定子は、磁性部材であって筒部の両端にフランジが設けられた形状のボビンと、前記ボビンに巻かれることで前記筒部によって前記励磁コイルの内周部に磁性部材が付されると共に前記フランジによって前記励磁コイルの両側部に磁性部材が付された前記励磁コイルと、磁性部材であって前記励磁コイルの外周部を覆うように付された磁性シートと、前記ボビンの筒状の穴が嵌められて前記励磁コイルのコアになるスロット歯とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータ。
6. 回転子及び固定子を備え、前記回転子が界磁コイルを備えるモータであって、
   前記界磁コイルには、表面の内の少なくとも前記固定子に対向する部位に磁性部材が付されていることを特徴とするモータ。
7. 前記界磁コイルには、さらに表面の内の外周部及び内周部の少なくとも一方に、磁性部材が付されていることを特徴とする請求項６に記載のモータ。
8. 前記界磁コイルには、表面全体に磁性部材が付されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のモータ。