JP2023106791A - ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】芯線の幅及び厚さの増大を抑えつつ芯線の断面積の増大を図りやすくする。【解決手段】ステータ４０は、車両の交流電動機４０に用いられる。ステータ４０は、ステータコア４１と、ステータコア４１に巻き回されるコイル４２と、を備える。コイル４２は、平角線状の芯線８１と、芯線８１を覆う被覆部８２と、を有する。芯線８１の断面の角Ｒは、０．１０ｍｍ以上且つ０．２７ｍｍ未満である。【選択図】図４

Description

本開示は、ステータに関する。

特許文献１には、ステータを含む電動機が開示されている。この電動機は、周方向に配列された複数のスロットを有するステータコアと、スロットに収容されてステータコアに巻装されるステータ巻線と、を備えている。ステータ巻線を構成する導体線（芯線）は、矩形断面の平角線である。

特開２０１７－１７５８５２号公報

この種のステータでは、電動機の最大トルクを大きくするためには、ステータ巻線を流れる最大電流を大きくする必要があり、ステータ巻線の芯線の断面積を大きくすることが有効である。しかし、芯線の幅及び厚さを大きくして芯線の断面積を大きくしようとすると、ステータが大型化しやすい。

本開示は、芯線の幅及び厚さの増大を抑えつつ芯線の断面積の増大を図りやすくすることが可能な技術を提供する。

本開示のステータは、
車両用の交流電動機に用いられるステータであって、
ステータコアと、前記ステータコアに巻き回されるコイルと、を備え、
前記コイルは、平角線状の芯線と、前記芯線を覆う被覆部と、を有し、
前記芯線の断面の角Ｒは、０．１０ｍｍ以上且つ０．２７ｍｍ未満である。

本開示によれば、芯線の幅及び厚さの増大を抑えつつ芯線の断面積の増大を図りやすい。

図１は、第１実施形態のステータコアの斜視図である。 図２は、スロット内に巻線が配置された状態を示す断面図である。 図３は、第１実施形態のステータを含む車載システムを概略的に例示する回路図である。 図４（Ａ）は、比較例の巻線の断面図である。図４（Ｂ）は、第１実施形態の巻線の断面図である。図４（Ｃ）は、比較例のコイルが用いられる交流電動機の最大トルクと回転数の最大値との関係を示したグラフである。図４（Ｄ）は、第１実施形態のコイルが用いられる交流電動機の最大トルクと回転数の最大値との関係を示したグラフである。 図５（Ａ）は、比較例の巻線の断面図である。図５（Ｂ）は、第２実施形態の巻線の断面図である。図５（Ｃ）は、比較例のコイルが用いられる交流電動機の最大トルクと回転数の最大値との関係を示したグラフである。図５（Ｄ）は、第２実施形態のコイルが用いられる交流電動機の最大トルクと回転数の最大値との関係を示したグラフである。 図６（Ａ）は、比較例の巻線の断面図である。図６（Ｂ）は、第３実施形態の巻線の断面図である。図６（Ｃ）は、比較例のコイルが用いられる交流電動機の最大トルクと回転数の最大値との関係を示したグラフである。図６（Ｄ）は、第３実施形態のコイルが用いられる交流電動機の最大トルクと回転数の最大値との関係を示したグラフである。

［本開示の実施形態の説明］
以下では、本開示の実施形態が列記されて例示される。

〔１〕車両用の交流電動機に用いられるステータであって、
ステータコアと、前記ステータコアに巻き回されるコイルと、を備え、
前記コイルは、平角線状の芯線と、前記芯線を覆う被覆部と、を有し、
前記芯線の断面の角Ｒは、０．１０ｍｍ以上且つ０．２７ｍｍ未満であるステータ。

このステータは、従来の構成（例えば角Ｒが０．５０ｍｍの構成）と比較して角Ｒが小さいため、芯線の幅及び厚さの増大を抑えつつ芯線の断面積を大きくすることができる。なお、芯線の断面とは、芯線の延び方向と直交する方向に芯線を切断した切断面のことである。また、芯線の断面の角Ｒとは、芯線の断面の角Ｒに沿う円の半径のことである。

〔２〕前記被覆部の誘電率は、１．８以上で且つ３．０以下である〔１〕に記載のステータ。

この構成によれば、必要な耐電圧を確保しやすく、高速回転する交流電動機に適用しやすい。また、角Ｒと被覆部の誘電率とを調整することで、必要なトルクと回転数に適したコイルを設計しやすい。

〔３〕前記被覆部の厚さは、０．１０ｍｍ以上で且つ０．２５ｍｍ以下である〔１〕又は〔２〕に記載のステータ。

この構成によれば、必要なトルク及び必要な耐電圧をバランスよく確保しやすい。また、被覆部の厚さを上記範囲内で０．２５ｍｍに近づけることで、耐電圧の上昇を重視することができる。また、被覆部の厚さを上記範囲内で０．１０ｍｍに近づけて芯線の幅及び厚さを大きくすることで、最大トルクの上昇を重視することができる。また、角Ｒと被覆部の厚さとを調整することで、必要なトルクと回転数に適したコイルを設計しやすい。なお、被覆部の厚さとは、被覆部の皮膜厚の厚さのことである。

〔４〕前記角Ｒが０．２０ｍｍ以下である〔１〕から〔３〕のいずれか１つに記載のステータ。

この構成によれば、芯線の断面積の増大をより図りやすい。

＜第１実施形態＞
１．ステータの概要
第１実施形態のステータ４０は、車両用の交流電動機４（図３参照）の部品である。交流電動機４は、三相交流電動機である。交流電動機４は、例えば、車両に設けられた車輪を回転駆動するための駆動力を発生させる駆動用三相モータである。

ステータ４０は、環状（具体的には円環状）をなしている。以下では、ステータ４０の径方向を径方向と称し、ステータ４０の軸方向を軸方向と称し、ステータ４０の周方向を周方向と称する。ステータ４０の内周面よりも径方向内側には、図示しないロータが配置される。ステータ４０は、図２に示されるように、ステータコア４１と、コイル４２と、絶縁部材４３と、を備える。

ステータコア４１は、図１に示されるように、ヨーク部５１と、ティース部５２と、を有している。ヨーク部５１は、環状（具体的には円環状）をなしている。ティース部５２は、複数設けられている。ティース部５２は、ヨーク部５１の内周面に沿って環状に並んで配置されている。各々のティース部５２は、周方向に互いに間隔をあけて配置されている。各々のティース部５２は、ヨーク部５１の内周面から径方向内側（径方向のロータが配置される側）に突出している。各々のティース部５２は、径方向及び軸方向に沿った壁状をなしている。

図１に示すように、隣り合う２つのティース部５２によってスロット５５が構成されている。スロット５５は、ステータコア４１を軸方向に貫通している。スロット５５は、ステータコア４１の軸方向の両面及び径方向の内周面に開口している。スロット５５は、複数設けられている。スロット５５は、環状に並んで配置されている。

コイル４２は、スロット５５内を通り、ティース部５２に巻き回される。

絶縁部材４３は、例えば絶縁紙である。絶縁部材４３は、図２に示されるように、スロット５５内に配置され、スロット５５内を通るコイル４２の外周を囲む。絶縁部材４３は、コイル４２をステータコア４１から絶縁させる。

コイル４２は、図３に示すように、複数相（具体的には三相）の巻線７１，７２，７３を有している。巻線７１，７２，７３は、ティース部５２（図１参照）に巻き回される。巻線７１は、Ｕ相の巻線７１とも称される。巻線７２は、Ｖ相の巻線７２とも称される。巻線７３は、Ｗ相の巻線７３とも称される。コイル４２は、いわゆるＹ結線された三相コイルである。Ｕ相（第一相）の巻線７１、Ｖ相（第二相）の巻線７２及びＷ相（第三相）の巻線７３は、中性点となり得る短絡部９０にて結線される。

２．車載システムの構成
ステータ４０は、図３に示される車載システム１に適用される。車載システム１は、車両に搭載されるシステムである。車載システム１は、インバータ６と、３つの導電路（Ｕ相の導電路６１、Ｖ相の導電路６２、Ｗ相の導電路６３）と、を有する。

インバータ６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力を出力するインバータ回路である。インバータ６から出力される三相交流電力は、３つの導電路（Ｕ相の導電路６１、Ｖ相の導電路６２、Ｗ相の導電路６３）を介して交流電動機４に供給され、交流電動機４の回転駆動に用いられる。インバータ６は、上アーム素子として機能するスイッチング素子６Ａ，６Ｃ，６Ｅと下アーム素子として機能するスイッチング素子６Ｂ，６Ｄ，６Ｆとを有する。スイッチング素子６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆの各々は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）及び還流ダイオードにより構成されている。

インバータ６では、例えば、スイッチング素子６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆがオンオフ信号（例えば、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号）を受けることによってオン動作及びオフ動作を繰り返し、三相交流電力を発生させる。スイッチング素子６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆのオンオフ制御は、例えば、図示されていない電子制御装置（例えば、車載ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等）によって行われる。電子制御装置がインバータ６を制御する方式は、例えば、ＰＷＭ信号を用いた三相変調方式である。なお、上記電子制御装置がインバータ６を制御する方式は、交流電動機４を駆動可能な方式であればよく、例えば、公知のＶ／ｆ制御や公知のベクトル制御などの様々な方式が採用され得る。

インバータ６において、Ｕ相のスイッチ対は、上アーム素子であるスイッチング素子６Ａと下アーム素子であるスイッチング素子６Ｂとによって構成される。Ｖ相のスイッチ対は、上アーム素子であるスイッチング素子６Ｃと下アーム素子であるスイッチング素子６Ｄとによって構成される。Ｗ相のスイッチ対は、上アーム素子であるスイッチング素子６Ｅと下アーム素子であるスイッチング素子６Ｆとによって構成される。

Ｕ相の導電路６１は、スイッチング素子６Ａ，６ＢとＵ相の巻線７１との間の導電路である。Ｖ相の導電路６２は、スイッチング素子６Ｃ，６ＤとＶ相の巻線７２との間の導電路である。Ｗ相の導電路６３は、スイッチング素子６Ｅ，６ＦとＷ相の巻線７３との間の導電路である。

インバータ６には、一対の電力路６４，６５が接続されている。電力路６４，６５には、図示しないバッテリが接続されている。バッテリの満充電時の出力電圧は、例えば４００Ｖ～１２００Ｖである。電力路６４，６５に印加される電圧の上限値は、４００Ｖ～１２００Ｖである。インバータ６は、バッテリの出力電圧に基づいて三相交流電圧を発生させる。

３．コイルの構成
コイル４２は、上述したように、巻線７１，７２，７３を有する。以下では、巻線７１，７２，７３を区別せず、巻線８０と称する。巻線８０は、図２に示されるように、芯線８１と、芯線８１の外周を覆う被覆部８２と、を有する。芯線８１及び被覆部８２は、スロット５５内に挿し通され、スロット５５内に少なくとも一部が配置される。

芯線８１は、平角線状をなしている。芯線８１の断面は、矩形状をなしている。芯線８１は、導電性を有する。芯線８１は、例えば銅又は銅合金からなる。

被覆部８２は、絶縁性を有する。被覆部８２は、例えば樹脂マトリックスと、樹脂マトリックス中に分散する気泡と、を有する。樹脂マトリックスは、例えばポリイミド及びポリエーテルスルホンを含有する。

４．効果の例
芯線８１の断面の角Ｒは、０．１０ｍｍ以上且つ０．２７ｍｍであり、従来の構成（例えば角Ｒが０．５０ｍｍの構成）よりも小さくなっている。この構成によれば、芯線８１の幅及び厚さの増大を抑えつつ芯線８１の断面積を大きくすることができる。この点について、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を参照して説明する。幅は、周方向（径方向及び軸方向と直交する方向）の長さを意味し、厚さは、径方向の長さを意味する。

図４（Ａ）には、比較例のコイル４２Ｚの巻線８０Ｚの断面が示されており、図４（Ｂ）には、第１実施形態のコイル４２の巻線８０の断面が示されている。本明細書において、「巻線の断面」とは、巻線の延び方向と直交する方向に巻線を切断した切断面のことである。なお、図４（Ａ）（Ｂ）の巻線８０，８０Ｚの形状は誇張されている。

巻線８０Ｚの幅は、例えば４．４４２ｍｍである。巻線８０Ｚの厚さは、例えば２．４４２ｍｍである。巻線８０Ｚは、芯線８１Ｚと、被覆部８２Ｚと、を有する。芯線８１Ｚの幅は、例えば４．０００ｍｍである。芯線８１Ｚの厚さは、例えば２．０００ｍｍである。芯線８１Ｚの断面の角Ｒは、例えば０．５０ｍｍである。被覆部８２Ｚの厚さは、例えば０．２２１ｍｍである。

巻線８０の幅及び厚さは、巻線８０Ｚの幅及び厚さと同じであり、芯線８１の幅及び厚さも、芯線８１Ｚの幅及び厚さと同じである。しかし、芯線８１の断面の角Ｒ（具体的には芯線８１の断面の角Ｒに沿う円の半径Ｒ１）は、芯線８１Ｚの断面の角Ｒ（具体的には芯線８１Ｚの断面の角Ｒに沿う円の半径ＲＺ）よりも小さく、例えば０．１５ｍｍである。このため、芯線８１の断面積は、芯線８１Ｚの断面積よりも大きい。すなわち、ステータ４０によれば、芯線８１の幅及び厚さの増大を抑えつつ芯線８１の断面積を大きくすることができる。芯線８１の断面積が大きくなることで、芯線８１の電気抵抗値が下がるため、芯線８１に流すことが可能な最大電流が大きくなる。その結果、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）のグラフを比較すると分かるように、図４（Ｄ）に示される第１領域Ａ１の分、ステータ４０が用いられる交流電動機４の最大トルクが大きくなる。

また、被覆部８２の誘電率は、例えば１．８以上で且つ３．０以下である。この構成によれば、必要な耐電圧を確保しやすく、高速回転する交流電動機４に適用しやすい。また、芯線８１の断面の角Ｒと被覆部８２の誘電率を調整することで、必要なトルクと回転数に適したコイル４２を設計しやすい。

また、被覆部８２の厚さは、０．１０ｍｍ以上で且つ０．２５ｍｍ以下である。この構成によれば、必要なトルク及び必要な耐電圧をバランスよく確保しやすい。更に、被覆部８２の厚さを上記範囲内で０．２５ｍｍに近づけることで、耐電圧の上昇を重視することができる。また、被覆部８２の厚さを上記範囲内で０．１０ｍｍに近づけて芯線８１の幅及び厚さを大きくすることで、最大トルクの上昇を重視することができる。また、芯線８１の断面の角Ｒと被覆部８２の厚さとを調整することで、必要なトルクと回転数に適したコイル４２を設計しやすい。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、比較例に対して、芯線の幅及び厚さを変えることなく、芯線の断面積を大きくする構成について説明した。これに対し、第２実施形態では、比較例に対して、芯線の断面積を変えることなく、被覆部の厚さを大きくする構成について説明する。なお、第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

図５（Ａ）には、比較例となるコイル４２Ｚの巻線８０Ｚの断面が示されており、図５（Ｂ）には、第２実施形態のコイル２４２の巻線２８０の断面が示されている。巻線８０Ｚは、第１実施形態で説明した巻線８０Ｚと同じである。なお、図５（Ａ）（Ｂ）の巻線２８０，８０Ｚの形状は誇張されている。

巻線２８０の幅及び厚さは、巻線８０Ｚの幅及び厚さと同じである。芯線２８１の断面積は、芯線８１Ｚの断面積と同じである。しかし、芯線２８１の断面の角Ｒ（具体的には、芯線２８１の断面の角Ｒに沿う円の半径Ｒ２）は、芯線８１Ｚの断面の角Ｒ（具体的には、芯線８１Ｚの断面の角Ｒに沿う円の半径ＲＺ）よりも小さく、例えば０．１５ｍｍである。更に、芯線２８１の幅Ｗ２は、芯線８１Ｚの幅ＷＺよりも小さく、芯線２８１の厚さＤ２は、芯線８１Ｚの厚さＤＺよりも小さい。芯線２８１の幅Ｗ２及び厚さＤ２が小さくなった分、被覆部２８２の厚さＣ２が、被覆部８２の厚さＣＺよりも大きくなっている。この構成によれば、コイル２４２の耐電圧を高めることができる。その結果、図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）のグラフを比較すると分かるように、図５（Ｄ）に示される第２領域Ａ２の分、第２実施形態のステータが用いられる交流電動機４の回転数（回転速度）の上限を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、比較例に対して、巻線の幅及び厚さを変えることなく、芯線の断面積を大きくし、且つ被覆部の厚さを大きくする構成について説明する。なお、第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

図６（Ａ）には、比較例となるコイル４２Ｚの巻線８０Ｚの断面が示されており、図６（Ｂ）には、第３実施形態のコイル３４２の巻線３８０の断面が示されている。巻線８０Ｚは、第１実施形態で説明した巻線８０Ｚと同じである。なお、図６（Ａ）（Ｂ）の巻線３８０，８０Ｚの形状は誇張されている。

巻線３８０の幅及び厚さは、巻線８０Ｚの幅及び厚さと同じである。しかし、芯線３８１の断面の角Ｒ（具体的には、芯線３８１の断面の角Ｒに沿う円の半径Ｒ３）は、芯線８１Ｚの断面の角Ｒ（具体的には、芯線８１Ｚの断面の角Ｒに沿う円の半径ＲＺ）よりも小さく、例えば０．１５ｍｍである。芯線３８１の断面積は、芯線８１Ｚの断面積よりも大きいが、芯線３８１の幅Ｗ３は、芯線８１Ｚの幅ＷＺよりも小さく、芯線３８１の厚さＤ３は、芯線８１Ｚの厚さＤＺよりも小さい。芯線３８１の幅Ｗ３及び厚さＤ３が小さくなった分、被覆部３８２の厚さＣ３が、被覆部８２の厚さＣＺよりも大きくなっている。この構成によれば、芯線３８１の断面積を大きくし、且つコイル２４２の耐電圧を高めることができる。その結果、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）のグラフを比較すると分かるように、図６（Ｄ）に示される第３領域Ａ３の分、第３実施形態のステータが用いられる交流電動機４の最大トルクを高め、且つ回転数（回転速度）の上限を向上させることができる。

＜他の実施形態＞
本開示は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述又は後述の実施形態の特徴は、矛盾しない範囲であらゆる組み合わせが可能である。また、上述又は後述の実施形態のいずれの特徴も、必須のものとして明示されていなければ省略することもできる。更に、上述した実施形態は、次のように変更されてもよい。

上述の各実施形態では、比較例に対して、巻線の幅及び厚さを変えない構成を説明したが、巻線の幅及び厚さを変えてもよい。例えば、第２実施形態の芯線のように断面積を変えることなく幅及び厚さを小さくした芯線に対して被覆部の厚さを比較例と同じにすることで、巻線の幅及び厚さを小さくしてもよい。この構成によれば、芯線をより高密度で配置させることができるため、例えば、ステータコアの積厚を小さくすることができる。ステータコアの積厚が小さくなることで、材料の使用量が減少し、材料コストが低減され得る。

なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、今回開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示された範囲内又は特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…車載システム
４…交流電動機
６…インバータ
６Ａ…スイッチング素子
６Ｂ…スイッチング素子
６Ｃ…スイッチング素子
６Ｄ…スイッチング素子
６Ｅ…スイッチング素子
６Ｆ…スイッチング素子
４０…ステータ
４１…ステータコア
４２…コイル
４２Ｚ…コイル
４３…絶縁部材
５１…ヨーク部
５２…ティース部
５５…スロット
６１…導電路
６２…導電路
６３…導電路
６４…電力路
６５…電力路
７１…巻線
７２…巻線
７３…巻線
８０…巻線
８０Ｚ…巻線
８１…芯線
８１Ｚ…芯線
８２…被覆部
８２Ｚ…被覆部
９０…短絡部
２４２…コイル
２８０…巻線
２８１…芯線
２８２…被覆部
３４２…コイル
３８０…巻線
３８１…芯線
３８２…被覆部
Ａ１…第１領域
Ａ２…第２領域
Ａ３…第３領域

Claims (4)

1. 車両用の交流電動機に用いられるステータであって、
   ステータコアと、前記ステータコアに巻き回されるコイルと、を備え、
   前記コイルは、平角線状の芯線と、前記芯線を覆う被覆部と、を有し、
   前記芯線の断面の角Ｒは、０．１０ｍｍ以上且つ０．２７ｍｍ未満であるステータ。
2. 前記被覆部の誘電率は、１．８以上で且つ３．０以下である請求項１に記載のステータ。
3. 前記被覆部の厚さは、０．１０ｍｍ以上で且つ０．２５ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載のステータ。
4. 前記角Ｒが０．２０ｍｍ以下である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のステータ。

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