JP5020537B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、ロータおよびステータ間で磁路を形成する回転電機において、この磁路が本来理想の位置から溢れることによって生じる運転効率の低下を防止する技術に関するものである。
コイル巻線を具えたステータを金属製支持部材で支持する回転電機としては従来、例えば特許文献1に記載のごときものが知られている。
特許文献1に記載の回転電機は、アルミニウム合金からなるケースの内空領域に、ロータおよびステータを収容する。ケースの外部には冷却フィンを設ける。ケースの内部にはステータを取り付ける。ステータは複数の薄板鋼板および非導電性非鉄層を積層形成したものであり、ステータ内部の磁束の渦流による損失を最小にする。更にステータは、36個の溝(グルーブ)で周方向に仕切られて、同数個のステータコアを有する。各ステータコアには導電性のコイル巻線を巻回する。
上記のケースは熱伝導性の高いアルミニウム合金で形成されることから、回転電機の強度を確保して、かつコイル巻線およびステータコアで発生する熱を速やかにケースの外部に排出することが可能であり、回転電機の冷却性能が高くなる。
特表2005−522166号公報 図1
しかし、上記従来のような回転電機にあっては、以下に説明するような問題を生ずる。 つまりロータおよびステータからの磁束が、ロータのトルク発生とは無関係なケースを通過する。そうするとケースにおいて磁束の渦電流による損失が生じ運転効率が悪化する。
ケースを通過する磁束を漏れ磁束と称すると、特に、ロータおよびステータからの磁束を大きくして高負荷運転を行う場合には、ロータおよびステータ間でギャップを介して直接形成される磁路から溢れる漏れ磁束も大きくなり、その損失も無視できないほど大きくなる。
この問題につき本願出願人は従来一般のアキシャルギャップ構造になる回転電機をモデルに解析を行い、漏れ磁束が顕著に存在する部位を明らかにした。この解析結果につき、図9〜図11に沿って説明する。図9は、ロータおよびステータを軸方向に配置した従来のアキシャルギャップ構造の回転電機を、一部断面にして示す斜視図である。
図9において、Aはロータの一部を示し、Bはステータの一部を示す。ロータAとステータBとは軸方向に僅かに離れて対向配置される。これらロータAおよびステータB間の空隙をギャップという。円板状のロータA表面のうちギャップを介してステータBと対向する前面には、永久磁石Cを接着する。そして、複数の永久磁石C、C・・・を周方向に配置する。ステータBにはステータコアDを取り付けて、これらステータコアDを周方向に複数配置する。軸方向に延在する各ステータコアDの周囲にはコイル巻線Eを巻回する。なお図9にはコイル巻線Eの一部を破断して示す。
ステータコアDの径方向内方には内周リングFを配置し、ステータコアDの径方向外方には外周リングGを配置する。そして径方向に延在する薄板材H,H・・・でこれらリングF,G同士を結合する。これらリングF,Gと薄板材Hはアルミニウムやジュラルミンなどの軽金属で形成され、これらの部材F,G,Hが一体となって金属製支持部材を構成する。
これら金属製支持部材は、ステータBおよび回転電機の骨格を成し、回転電機の構造的な強度を確保する。周方向で隣り合う薄板材H,H同士間であって、リングF,G間には、コイル巻線Eを巻回したステータコアDをそれぞれ配置する。コイル巻線Eの外周には樹脂を充填して、コイル巻線Eを薄板Hと、リングF,Hに確実に固定する。
この回転電機はロータコアDおよび永久磁石Cからの磁束が、ロータAとステータBとの間で、ギャップを介した磁路を形成することにより、ロータAにトルクを与えてこれを回転する。
ところで、回転電機の運転効率向上のためには、これら磁束のすべてが、ロータコアDの磁極および永久磁石Cの磁極間でギャップを最短距離で通過するよう、つまり磁路がロータAおよびステータB間で直接形成されるのが理想である。しかし現実にはロータコアDおよび永久磁石Cからの磁束の一部はギャップを迂回したり、ロータAおよびステータB以外の部材(F、G、H等)を通過したりする。このように理想の磁路から溢れた漏れ磁束は、ロータAおよびステータB以外の当該通過部材において渦電流を発生させて熱に変換することから、運転効率が低下する。したがって漏れ磁束を低減することが運転効率上望ましい。
図10は、図9に示す内周リングFおよび外周リングGを図9中の矢の方向から見た斜視図である。この図10では、上述した従来のアキシャルギャップ構造の回転電機を所定の電力で力行運転したときに、ロータでもステータでもない内周リングFおよび外周リングGを通過する漏れ磁束の磁束密度分布を、ゾーン分けして示す。
図10中、ゾーン4は磁束密度が大きく、ゾーン3、ゾーン2、ゾーン1の順で磁束密度が小さくなる。
なお、図10にゾーン分けして示した部位ごとに磁束密度がステップ状に変化するものではなく、磁束密度が大きな部位から小さな部位にかけて連続的かつ徐々に変化するよう分布する。
図11は、上述した漏れ磁束に起因する渦電流密度分布をゾーン分けして示す。
図11中、ゾーン4は渦電流密度が大きく、ゾーン3、ゾーン2、ゾーン1の順で渦電流密度が小さくなる。
なお、図11にゾーン分けして示した部位ごとに渦電流密度がステップ状に変化するものではなく、渦電流密度が大きな部位から小さな部位にかけて連続的かつ徐々に変化するよう分布する。
図11に示すように、渦電流密度はギャップに近いほど、つまりギャップに面するステータコアDの磁極および永久磁石Cの磁極に近いほど大きくなる。
本発明は、上述の実情およびモデル解析の結果に鑑み、漏れ磁束を効果的に防ぐことができる技術を提案するものである。
この目的のため本発明による回転電機は、ステータを金属製支持部材により該ステータの径方向外側から該ステータの周方向で支持し、該ステータに対しロータを相対回転自在に軸に支持し、前記ステータとロータとの間のギャップを介して形成される磁路によりロータにトルクを与える回転電機において、前記金属製支持部材は、前記ギャップに対し軸方向で面する部位と、前記部位よりも前記ステータの径方向内側で、前記部位の前記ギャップに面する位置から軸方向内側に向かって形成される凹部と、を有し、前記凹部には絶縁部位が形成されることを特徴としたものである。
かかる本発明の構成によれば、空所は磁気抵抗が大きく、磁束は当該空所を通過し難いため、ステータおよびコイル間の磁路が当該空所で遮断される。したがってステータを支持する金属製支持部材を通過することを大いに解消することができ、渦電流の発生を抑制して回転電機の不所望な温度上昇を軽減することができる。
また、ステータおよびロータ間のギャップを介して形成される磁路から磁束が漏れることを解消し、これらステータに設けた電機子の磁極と、ロータに設けた永久磁石の磁極または突極とを最短距離で結ぶよう磁路が形成されて、運転効率の向上およびトルクの増大効果を期待することができ、磁路の磁束密度が大きくなる大トルク運転の際には、上述した発熱抑制の効果および運転効率向上の効果を益々享受することができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図1は本発明の一実施例になる回転電機のステータ構造を、軸線を含む平面で一部断面にして示す縦断面図である。
この実施例ではステータ5の軸O方向両側にロータ6をそれぞれ対向配置する。これらステータ5およびロータ6間には、ギャップ部分7を設ける。
ステータ5の外周にはアルミニウム製のケース8を設ける。ケース8はアルミニウム素材の他、丈夫で軽く熱伝導率の高い金属素材からなるケース8は軸Oを中心とする中空円筒部材であり、その内周側にある内壁8uにはステータコア9を取り付ける。ステータコア9は軸Oの周方向に複数配置されて、軸O方向に延在する。
ステータコア9の軸O方向両端9t,9tを拡幅して、ギャップ部分7と隣接する面積を広く確保する。これら両端9t、9t間にあるステータコア9の中程にはコイル巻線10を巻回する。コイル巻線10の軸O方向両端には、インシュレータ14を取り付ける。インシュレータ14はコイル巻線10の軸O方向端をステータコア9の外周に確実に固定する役目を果たす。ステータコア9およびコイル巻線10は電機子を構成する。
ステータコア9の内径方向には中空円筒形状の内周リング11を配置する。内周リング11はアルミニウム製であり、その内壁が形成する中央孔11cには軸Oに沿って延在しロータ6と結合するシャフト(図示せず)が貫通する。内周リング11の外壁11sと、上述したケース8の内壁8uとを径方向に延在する薄板材12で結合する。薄板材12はステータコア9と交互に周方向に複数配列される。
周方向で隣り合う薄板材12,12同士間であって、径方向で隣り合うケース8および内周リング11間には、コイル巻線10が巻回されたステータコア9を配設する。この配設は、まずコイル巻線10から突出した端子などの突出部23を、樹脂21で内周リング11の外壁11sに一次固定する。次に、コイル巻線10の全周囲を樹脂22で囲繞し、コイル巻線10が巻回されたステータコア9を、内壁8uおよび外壁11sに完全に固定する。
ケース8は上述した通り中空円筒形状であるが、その径方向厚みはすべて一様ではない。つまり、ケース8の軸方向両端で内壁から外径方向に向かって窪むようその径方向厚みを小さく形成する。これによりケース8のうちステータコア先端9tに近い部位に空所13を設ける。
ロータコア9の軸方向長さおよび軸方向位置はケース8と一致するところ、ケース8の軸方向中程で内壁がより内径方向になるようその径方向厚みを大きく形成する。これにより熱伝導性の大きいケース8はロータコア9で生じる熱を速やかに排出して、ロータコア9が過度に熱くなることを防止する。
ステータコア先端9tは電機子の磁極であるため、ステータコア9で発生する磁束の磁束密度はステータコア先端9t付近で最も大きい。また、ロータ6には図示しない永久磁石を設けておき、この永久磁石の磁極をステータコア先端9tに対向させる。したがってギャップ部分7は、これらステータコア先端9tと図示しない永久磁石とで挟まれた空間(図1中破線で囲まれた空間)でアキシャルギャップとなる。
回転電機の運転はコイル巻線10に適宜通電することにより行う。コイル巻線10に通電する間ステータコア9には軸O方向の磁束が発生し、アキシャルギャップ部分7を介して両側のロータ6,6との間で磁路を形成する。このようにアキシャルギャップ部分7のみを介してステータ5およびロータ6間で直接磁路を形成することにより、ロータ6にはトルクが効率よく与えられて、ロータ6は回転する。
この実施例では、ステータ側電機子の磁極であるステータコア先端9tに近いケース8の部位に空所13を設け、ステータおよびロータ間の磁路を遮断したことから、ステータコア先端9t付近で生じる密度の大きな磁束が、ケース8を通過することがない。したがってステータコア9の磁束がアキシャルギャップ部分7を迂回することを解消して、ケース8における渦電流の発生および熱損失を防止することができる。
また、ステータコア9の磁束を漏れのないようアキシャルギャップ部分7を介してロータ6に繋げることが可能となり、回転電機の運転効率が向上する。
次に、本発明の他の実施例になる回転電機について説明する。
図2は本発明の他の実施例になる回転電機のステータ構造を、軸線を含む平面で断面にして示す縦断面図である。図2に示す実施例の基本構成は、上述した図1に示す実施例と
共通するものの、空所13をバスバー(ブスバーともいう)で置き換えたことを特徴とする。
そこで、図1に示す実施例と同様の構成要素については共通する符号を付して説明を省略し、異なる構成要素については新たに符号を付して説明する。
バスバー15は、ケース8と略同じ半径寸法の円環形状であって、複数の要素を具える。各要素16は内部に導電性部を具え、この導電性部の外周を絶縁材料で囲繞したものである。バスバー15は、コイル巻線10と、回転電機の外部に設けた図示しないインバータとを電気的に接続してコイル巻線10に配電するとともに、三相交流の中性点を形成する役目を果たす。
図2に示す実施例では、三相を個々に通電する3個の要素16を、軸O方向に配列してなるバスバー15を、ケース8の軸方向両端に取り付ける。つまりバスバー15は軸O方向に分割されて、複数の要素16を具える。そして軸O方向に狭小に分割して、各要素16の軸O方向寸法を軸Oに直角な径方向寸法よりも小さくする。
この実施例では、ステータ側電機子の磁極であるステータコア先端9tに対し、近い位置にバスバー15を設けた。バスバーを構成する各要素16は、絶縁材料で囲繞されることから、ステータコア先端9tからバスバー15をみたときに、バスバー15は軸O方向に狭小に分割されている。したがってステータコア先端9tからの磁束が狭小な各要素16に入っても渦電流およびその損失を軽減することができる。
次に、本発明の別な実施例になる回転電機について説明する。
図3は本発明の別な実施例になる回転電機のケースの一部を破断して示す斜視図である。図3に示す実施例の基本構成は、前述した図1に示す実施例と共通するものの、空所13に複数のフィンを立設したことを特徴とする。
そこで、これから説明する別な実施例では、図1に示す実施例と同様の構成要素については図示せず、異なる構成要素であるケースについて、新たに符号を付して説明する。
図3に示すように中空円筒形状のケース8の軸方向端部には、ブロック体のフィン17を周方向に複数立設する。このため、隣り合うフィン17同士間は空所13となる。別な言い方をすると、中空円筒形状のケース8の軸方向端部には、矩形の凹部13を周方向に複数穿設したといえる。
この実施例では、ステータ側電機子の磁極であるステータコア先端9tに対し、近い位置にフィン17および空所13を設ける。ここで、内径側にあるステータコア先端9tから外径側にあるこれらフィン17をみたときに、フィン17は周方向に狭小に分割されている。したがってステータコア先端9tからの磁束が狭小な各フィン17に入っても渦電流およびその損失を軽減することができる。
また、フィン17はブロック体であることからケース8端部の強度を確保することができる。
図3に示す実施例ではさらに、ケース8の内部に空所18を設け、この空所18に冷媒を流すことにより回転電機の温度上昇を防止する。
ケース8は熱伝導率の高いアルミニウム等の金属で形成されるため、ロータコア9およびコイル巻線10の熱が内壁8uを速やかに通過して空所18で排出される。
次に、本発明の更に別な実施例について説明する。
図4は本発明の更に別な実施例になる回転電機のケースの一部を破断して示す斜視図である。図4に示す実施例の基本構成は、ケースを除いた他のすべての部材に関しては前述した図1に示す実施例と共通するため図示を略し、異なる構成要素であるケースについて、新たに符号を付して説明する。
図4に示すように中空円筒形状のケース8の内部には、空所18を設ける。空所18は、なるべくケース8の軸方向両端かつ内径側まで拡大するよう配置される。
さらに空所18における軸方向端部であって内径側の隅角部位には、ブロック体のフィン19を周方向に複数立設する。
図4中に一点鎖線で示すA−A面で、ケース8を断面にして図5に示す。また図4中に一点鎖線で示すB−B面で、ケース8を断面にして図6に示す。
図5および図6を比較すれば、図4に示す実施例では、フィン19が周方向に複数配設されて、これら隣り合うフィン19同士間には空所18が存在することがわかる。
空所18には冷媒を満たし、この冷媒を空所18および図示しない放熱器(ラジエータ)間で循環させることで空所18を冷媒の通路とする。
この実施例では、ロータコア9を支持するケース8の内部に、冷媒が流れる通路である空所18を形成し、この通路たる空所18をロータコア先端9t近くまで拡大して配置したものである。
したがってステータコア先端9tからの磁束がケース8に入っても渦電流およびその損失を軽減することができる。
この実施例では特に、ステータコア先端9tから図4および図6に示すフィン19をみたときに、フィン19は周方向に狭小な単位として分割されている。したがってステータコア先端9tからの磁束が狭小な各フィン19に入っても渦電流およびその損失を軽減することができる。
また、フィン19はブロック体であることからケース8端部の強度を確保することができる。
本実施例の効果を確認するため、本願出願人は、前述の「発明が解決しようとする課題」にて説明した解析モデル(図9)と同様のモデルを用いて改めて解析を行った。
図7は、図9に示す内周リングFに相当する内周リング11と、外周リングGに相当するケース8を、図9中の矢の方向から見た斜視図である。この図7では、前述した図9〜図11に示す従来のアキシャルギャップ構造の回転電機と同じ所定の電力で力行運転したときに、ロータでもステータでもない内周リングFおよび外周リングGを通過する漏れ磁束の磁束密度分布を、ゾーン分けして示す。
なお、図7および図8に示すケース8内部には、上述した図4〜図6に示すように、空所18が配設されている。
図7中、ゾーン4は磁束密度が大きく、ゾーン3、ゾーン2、ゾーン1の順で磁束密度が小さくなる。
空所18を有さない図10に示す従来の外周リングGと比較しつつ、図4〜図6に示す実施例の効果を示す図7のケース8をみると、本発明の実施例になるケース8によれば漏れ磁束の密度分布を大幅に低減することができる。
図8は、上述した漏れ磁束に起因する渦電流密度分布をゾーン分けして示す。
図8中、ゾーン4は渦電流密度が大きく、ゾーン3、ゾーン2、ゾーン1の順で渦電流密度が小さくなる。
空所18を有さない図11に示す従来の外周リングGと比較しつつ、図4〜図6に示す実施例の効果を示す図8のケース7をみると、本発明の実施例になるケース8によれば渦電流の密度分布を大幅に低減することができる。
ところで、上記した各実施例によれば、ステータのステータコアを支持する金属製のケース8のうちギャップ部分7に面するステータの磁極9tに近い部位には磁路を遮断する空所13を設けたことから、従来のように大きな磁束がケース8を通過することを解消し、渦電流による熱損失を大いに抑制して、回転電機の不所望な温度上昇を軽減することができる。
また、ステータコア先端9tおよびロータ6間のギャップ部分7を介して形成される磁路から磁束が漏れることを解消し、これらステータ5に設けた電機子の磁極9tと、ロータ6に設けた永久磁石の磁極または突極とを最短距離で結ぶよう磁路が形成されて、運転効率の向上およびトルクの増大効果を期待することができ、磁路の磁束密度が大きくなる大トルク運転の際には、上述した発熱抑制の効果および運転効率向上の効果を益々享受することができる。
具体的には図1に示す実施例における空所13の他、図2に示す実施例のように空所13を、コイル巻線10と回転電機の図示しないインバータとを接続する絶縁材料で囲繞されたバスバー15で置き換えても、図1に示す実施例と同様の効果を奏する。
図2に示す実施例では、ステータ5の磁極9tからみたときにバスバー15は、絶縁材料で複数の要素16に狭小に分割されている。これにより、ステータコア先端9tからの磁束が狭小な各要素16に入っても渦電流およびその損失を軽減することができる。
また図3に示す実施例では、空所13にフィン17を複数立設したことから、ケース8端部の強度を確保することができる。
また図3に示す実施例では、ステータ5の磁極9tからみたときに、フィン17とこれらフィン17,17同士間に位置する空所13とが交互に配列されたことから、フィン17は周方向に狭小に分割されて、ステータ5の磁極9tからの磁束が狭小な各フィン17に入っても渦電流およびその損失を軽減することができる。さらには、フィン17を設けたことによりケース8端部の強度を確保することができる。
なお、上述した図1〜図3のいずれの実施例においても、ケース8の内部に空所18を設けて、この空所18に冷媒を流してもよい。
また図4に示す実施例ではケース8の内部に、冷媒が流れる通路として空所18を形成し、この通路が磁路を遮断する空所18として利用されることから、図1〜図3に示す実施例と同様の効果を奏する。
また図1〜図4に示す実施例では、ステータ5を支持する金属部材が、回転電機の外殻を形成するケース8であることから、
ステータ5の熱源であるステータコア9およびコイル巻線10から速やかにケース8の外部に排熱することができ、ステータ5の強度を確保して、回転電機の内部が適正な温度範囲を超えて上昇することを効果的に防止することができる。
また図1〜図4に示す実施例では、ステータ5およびロータ6を軸O方向に対向させてアキシャルギャップ型とし、ケース8は中空円筒形状に形成されて内壁8uでステータ5を支持する構造であることから、
上述した本発明の効果をアキシャルギャップ型の回転電機において享受することができる。
具体的には、図2に示すアキシャルギャップ型回転電機の実施例では、ステータ5の磁極9tの軸O方向位置と略同位置にバスバー15を配置し、このバスバー15をO軸方向に分割して3個の要素16とし、これら要素16の軸O方向寸法を径方向寸法よりも小さくしたことから、
ステータコア先端9tからの磁束が狭小な各要素16に入っても渦電流およびその損失を軽減することができる。
なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。例えば本発明の適用例としては、図1〜8に示すアキシャルギャップ型に限られず、ラジアルギャップ型の回転電機であってもよい。
本発明の一実施例になる回転電機のステータ構造を、軸線を含む平面で断面にして示す縦断面図である。 本発明の他の実施例になる回転電機のステータ構造を、軸線を含む平面で断面にして示す縦断面図である。 本発明の別な実施例になる回転電機のケースの一部を破断して示す斜視図である。 本発明の更に別な実施例になる回転電機のケースの一部を破断して示す斜視図である。 同実施例をA−Aで断面にして示す図である。 同実施例をB−Bで断面にして示す図である。 同実施例の内周リングおよびケースの磁束密度分布を図9に示すモデルと同様の条件で解析した結果を示す斜視図である。 同実施例の内周リングおよびケースの渦電流密度分布を図9に示すモデルと同様の条件で解析した結果を示す斜視図である。 ロータおよびステータを軸方向に配置した従来のアキシャルギャップ構造の回転電機である解析モデルを、一部断面にして示す斜視図である。 同解析モデルにおける内周リングおよび外周リングの磁束密度分布を示す斜視図である。 同解析モデルにおける内周リングおよび外周リングの渦電流密度分布を示す斜視図である。
符号の説明
5 ステータ
6 ロータ
7 ギャップ部分
8 金属製ケース
9 ステータコア
10 コイル巻線
11 内周リング
12 薄板材
13 空所
14 インシュレータ
15 バスバー
16 バスバー要素
17 フィン
18 冷媒通路(空所)
19 フィン
21,22 樹脂

Claims (11)

  1. ステータを金属製支持部材により該ステータの径方向外側から該ステータの周方向で支持し、該ステータに対しロータを相対回転自在に軸に支持し、前記ステータとロータとの間のギャップを介して形成される磁路によりロータにトルクを与える回転電機において、
    前記金属製支持部材は、
    前記ギャップに対し軸方向で面する部位と、
    前記部位よりも前記ステータの径方向内側で、前記部位の前記ギャップに面する位置から軸方向内側に向かって形成される凹部と、を有し、
    前記凹部には絶縁部位が形成されることを特徴とする回転電機。
  2. 請求項1に記載の回転電機において、
    前記絶縁部位は、前記金属製支持部材の径方向内面に面するように設けられていることを特徴とする回転電機。
  3. 請求項1または2に記載の回転電機において、
    前記絶縁部位は、空所であることを特徴とする回転電機。
  4. 請求項3に記載の回転電機において、
    前記空所を、前記コイル巻線と回転電機の外部電源とを接続する絶縁材料で囲繞されたバスバーで置き換えたことを特徴とする回転電機。
  5. 請求項4に記載の回転電機において、
    前記ステータの磁極からみたときに前記バスバーは、絶縁材料で複数の要素に分割されていることを特徴とする回転電機。
  6. 請求項5に記載の回転電機において、
    前記ステータの前記ロータと対向する面を基準として、前記ステータの磁極の軸方向位置と略同位置に前記バスバーを配置し、
    このバスバーを軸方向に分割して前記複数の要素とし、該要素の軸方向寸法を径方向寸法よりも小さくしたことを特徴とする回転電機。
  7. 請求項3に記載の回転電機において、
    前記空所にはフィンを複数立設したことを特徴とする回転電機。
  8. 請求項7に記載の回転電機において、
    前記ステータの磁極からみたときに、前記フィンとこれらフィン同士間に位置する空所とが交互に配列するよう該フィンを立設したことを特徴とする回転電機。
  9. 請求項3または7または8に記載の回転電機において、
    前記金属製支持部材の内部に、冷媒が流れる通路を形成し、該通路を前記空所として利用したことを特徴とする回転電機。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の回転電機において、
    前記金属製支持部材は、回転電機の外殻を形成するケースであることを特徴とする回転電機。
  11. 請求項10に記載の回転電機において、
    前記ステータおよびロータを軸方向に対向させてアキシャルギャップ型とし、
    前記ケースは、中空円筒形状に形成されて該中空円筒の内周面で前記ステータを支持する構造であることを特徴とする回転電機。
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