JP6824371B1 - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
回転電機を高出力化するためには、回転電機を構成する固定子鉄心に線状導体を巻回して形成したコイルに高電圧を印加することが必要であり、そのため、コイル間に生じる大きな電位差に耐える十分な厚みの絶縁材料を備えることが必要である。
逆に、コイルを構成する線状導体の太さを一定として絶縁材料を厚くすると、コイルを配置した領域が大径化し、回転電機が大型化することになる。
実施の形態1の回転電機を図1〜図10を用いて説明する。
まず、図1、図2A及び図2Bを用いて回転電機の概略構成を説明し、図3A〜図4を用いて、固定子巻線を形成するコイルの形状、コイルの巻回方法を説明する。
次に図5〜図8を用いてこれらのコイルを用いた固定子の構造を説明し、図9、図10を用いて、本実施の形態1で特徴となるコイルの配置を説明する。
図1に回転電機100の断面図を示す。
回転電機100は、有底円筒状のハウジング1と、ハウジング1の開口部を塞口するブラケット2とで外周が覆われている。ハウジング1の内部には、焼き嵌め又は圧入等により固定された固定子3が配置され、固定子3の中央には回転子5が配置されている。
回転子5は、ハウジング1の底部とブラケット2に取付けられたベアリング4に、回転可能に支持された回転軸6と、回転軸6に固着された回転子鉄心7と、回転子鉄心7の外周面の周方向に一定の間隔で埋設された複数の永久磁石8とで形成され、永久磁石型回転子を構成している。
この明細書の説明においては、回転軸6の延伸方向を軸方向、回転軸6を中心として放射線方向を径方向、回転軸6を中心とする回転方向を周方向と呼び、説明に用いる。
図2Aに示すように、分割された固定子鉄心9は、径方向に突出したティース21を有しており、隣接した2つのティース21間はスロット22と呼ばれる。分割された固定子鉄心9を組み立てる際に、ティース21は固定子巻線10を構成するコイル12の中心に挿入される。
図2Bに示すように、分割された固定子鉄心9を一体に組み立てることによって固定子巻線10を構成する複数のコイル12の一部は、ティース21間に挟持され、スロット22内に収納される。
以下に固定子巻線10を構成するコイル12の形状、巻回方法等を説明する。
コイル12は、絶縁被覆を形成した金属材である線状導体を加工して形成される。
図3Aは固定子巻線10を構成するコイル12の斜視図である。固定子巻線10は、複数のコイル12を連結してコイル群13を構成し、さらに複数のコイル群13を用いて形成される。また図3Bは図3Aに示したコイル12のA−A断面を示している。
図3Aに示すようにコイル12は、2つの六角形の線状導体がずれて配置された構成を有している。この六角形に形成されたそれぞれの線状導体を単位コイル14と呼び、線状導体を環状の同心巻形状に形成して得られる。
2つの単位コイル14で形成されたコイル12に電流を供給する端末部は外周側端末25と呼ばれる。一方、コイル12から隣接した次のコイル12に電流を供給する端末部は内周側端末26と呼ばれる。
なお、単位コイル14を構成する線状導体は、2重に限定するものではなく、3重以上の線状導体により形成されてもよい。
図4は、コイル12の巻回方法を説明する図である。図4の上段の図は、固定子鉄心9を軸方向に上から観察した時の一部分について、周方向に湾曲して配置されたティース21、スロット22を説明の簡略化のために直線状に記載した模式図である。図4において、スロット22にはスロットNo.1〜8の番号が付けられており、それぞれのスロット22には4個の四角形が記載され、スロット22内にはコイル12の挿通部23が4本ずつ配置可能であることを示している。
上段と下段の図では、左右の位置を合わせて記載しており、一例として、上段の図のスロットNo.1には、下段の図に描かれたコイル12の内、左端の2本の挿通部23a、23cが配置され、スロットNo.8には、右端の2本の挿通部23f、23hが配置されていることを示している。
スロット22内に記載された四角形のうち、ハッチングを施した四角形の部分には、図4の下段の図に記載されたコイル12の8本の挿通部23a〜23hが配置されている。また、上段の固定子鉄心9の図に重ねて描かれた斜めの実線、破線及び二点鎖線は、挿通部23相互間を接続するターン部24a〜24gを示しており、一例として、実線で描かれたターン部24bは挿通部23bと挿通部23cを接続することを示している。
まず、外周側端末25から線状導体の巻回を開始し、スロットNo.1について図4の上段の図では紙面奥方向へ、下段の図では上から下へ線状導体を巻回し、挿通部23aを形成する。
以下の巻回方向は、図4の下段の図での方向に沿って記載する。
次に、挿通部23aと挿通部23bとを固定子鉄心9の下面を経て接続するターン部24aを形成する。
以下、順に、挿通部23c、ターン部24c、挿通部23d、ターン部24d、挿通部23e、ターン部24e,挿通部23f、ターン部24f、挿通部23g、ターン部24g、挿通部23hと形成し、最後に内周側端末26に接続される。
外周側端末25及び内周側端末26は、隣接するコイル12間での接続、又はインバータと接続し、電力を供給する給電部として機能する。
図5は固定子を構成するコイル12の配線図の一例を示している。
インバータ装置から、U相、V相及びW相の三相交流が出力される。U1〜U8、V1〜V8及びW1〜W8はそれぞれのコイル12を示しており、三相に対応したコイル群13を形成している。
UPin、VPin、WPinはインバータ装置からそれぞれのコイル群13への入力、UPout、VPout、WPoutはそれぞれのコイル群13からの出力を示している。
コイル12は、図6の左側に示されたコイルA29と右側に示されたコイルB30の2種類がある。コイルA29は、図3Aにも示したように外周側端末25と内周側端末26が外側に突出して形成される。コイルB30は、外周側端末27と内周側端末28が内側に向いて形成される。
図2Aで示したように、分割された固定子鉄心9のティース21を、周囲からコイル12の中央の間隙に挿入し、固定子3が形成される。
本実施の形態1においては、固定子鉄心9は分割可能な構成を例として示したが、周方向に分割面のない固定子鉄心9を用いることもできる。この場合、固定子鉄心9の内側から径方向にコイル12を挿入することで、固定子3を形成することができる。
図9は、U相について固定子巻線10を形成するコイル12の接続構成を示している。図9においては、上部に示したスロットNo.は、固定子鉄心9のティース21間に形成され、円環状に配列されたすべてのスロット22について、説明を容易にするためNo.1〜48に採番し、直線状に描いている。したがって、図9に示した、この接続構成の図の右端と左端は、実際の固定子鉄心9においては円環状に連続して配置されている。
スロットNo.の下に、縦方向に並んだ4つの数字は、同一のスロット22内にコイル12の挿通部23が4個配置されていることを示しており、同一のスロット22内に、4回ずつ線状導体が巻回されることを示している。なお、図9において、挿通部23と他の挿通部23とを接続するターン部24は省略されている。
またU1とU2、U7とU8のように周方向に隣接するコイル12は、接続配線により電気的に接続され、さらにU1とU2ではスロットNo.7、8、U7とU8ではスロットNo.31、32のように、それぞれのコイル12の一方の挿通部23は共通するスロット22内に配置される。
V相、W相のコイル群13についても同様にスロット22に巻回されることですべてのスロット22に三相のコイル群13が配置される。
U1とU2はスロットNo.7、8で接続され、各々のコイル12の挿通部23は共通するスロット22であるスロットNo.7、8に配置される。
他のコイル12も同様に接続、配置される。なお、この図では、細い実線はU1〜U4のコイル群13、細い破線はU5〜U8のコイル群13、太い実線と太い破線はそれぞれコイル12間の接続配線を示している。
これらはいずれも、並列に接続された2つのコイル群13の給電部又は中性点に接続するコイル12であるので、給電部に接続されたU1とU5、中性点に接続されたU4とU8のコイル12間には電位差をほとんど生じない。
給電部から中性点までの電位は相内電位差と同じであるので、各々のコイル12間の電位差は、4つのコイル12に分割され、相内電位差の1/4に抑制することができる。
これらのU1〜U(n/2)のコイル群13と、U(n/2+1)〜Unのコイル群13とは、それぞれ給電部から中性点にかけて並列に接続されており、それぞれのコイル群13を構成するコイル12の数はn/2となる。
U1とU(n/2+1)を給電部に接続し、かつそれぞれの一方の挿通部23が共通するスロット22内に配置されると,各コイル12間の電位差は、給電部から中性点までの相内電位差をコイル群13のコイル12の数であるn/2に分割することができ、1/(n/2)=2/nに抑制することができる。
また、インバータ装置から並列に接続される給電部を近接して配置するため、接続に用いる端子台を小型化することができ、装置を小型化することができる。
加えて、各相の固定子巻線10は、周方向に隣接するコイル群13同士を接続して構成されているため、コイル群13間を接続する接続配線である渡り線を短くすることができ、銅損を低減することができるため、回転電機100の高効率化にも効果を奏する。
本実施の形態2について、実施の形態1と異なる点を中心に、図11を主に用いて説明する。
図11は、本実施の形態2に係るコイル12について、コイル12間の接続構成を示している。この図は、実施の形態1で説明した図4の上段の図と同様に、固定子鉄心9を軸方向に上から観察した時の一部分について、周方向に湾曲して形成されたティース21、スロット22を、直線状に記載している。
さらに、太枠内に記載した1〜8の文字は、第一のコイル12の挿通部23の巻回順序を示しており、破線枠内に記載した1〜8の文字は、第一のコイル12に隣接して接続される第二のコイル12の挿通部23の巻回順序を示している。
続いて、隣接するコイル12と共通するスロットNo.7、8では、同じコイル12の2本の挿通部23がスロット22内の内径側(図中の上側)に配置された。
このようにスロット22内に配置することによって、固定子鉄心9の上面を通り、挿通部23間を相互に接続するターン部24相互間の交差を減少させることができるため、固定子巻線10のターン部24を小さく形成することができ、回転電機100の小型化を達成することができる。
本実施の形態3について、実施の形態1と異なる点を中心に、図12を用いて説明する。
実施の形態1においては、図10の固定子鉄心9に対するコイル12の配置の図に示したように、固定子鉄心9のスロット22の数は48個であり、各相8個のコイル12を2つに分け、各々4個のコイル12からなる2つのコイル群13が、並列に接続されていた。
本実施の形態3では、固定子鉄心9のスロット22の数を96個、各相について16個のコイル12を4つのコイル群13に分け、各々4個のコイル12からなる4つのコイル群13を並列に接続し固定子鉄心9に円環状に配置した点が異なっている。
給電部(UP1in等)から4つのコイル群13を経て中性点に至るように、並列に接続され、各々のコイル群13を構成するコイル12は隣接するコイル12と接続され、共通するスロット22に、それぞれのコイル12の一方の挿通部23が配置される。
4つのコイル群13は給電部と中性点との間で並列に接続されているので、それぞれのコイル群13には相内電位差が印加される。
それぞれのコイル群13は、n/2のコイル12で構成されているので、コイル12間の電位差はコイル12の数に分割され、1/(n/2)=2/nに抑制することができる。
さらに、固定子鉄心9のスロット22の数を多くしたため、コギングトルクを低減することができ、回転電機100の低振動化の効果を得ることができる。
本実施の形態4について、実施の形態1と異なる点を中心に、図13A、B及び図14A、Bを用いて説明する。
実施の形態1においては、図4等に示したように磁極を8極、固定子鉄心9の一周のスロット22の数を48個として回転電機100を構成し、各相の固定子巻線10が毎極毎相2スロットとなる構成について説明した。
なお、図13A、Bは、図4の上段の図と同様に、固定子鉄心9を軸方向に上から観察した時の一部分について、周方向に湾曲して形成されたティース21、スロット22を直線状に記載したものである。
また、ここでは、q*n個の単位コイル14、n個のコイル12を用い、n/2個のコイル12からなるコイル群13を2つ形成する例を示した。しかし、実施の形態3で示したように、2*q*n個の単位コイル14、2*n個のコイル12を用い、n/2個のコイル12からなる4つのコイル群13を用いた場合であっても、毎極毎相当たりqスロットとすることで相内電位差を2/nに低減することができる。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (3)
- 周方向に配列され径方向に延びるスロットが毎極毎相当たりq(qは2以上の自然数)の割合で形成された円環状の固定子鉄心と、
前記固定子鉄心に取付けられた各相の固定子巻線と、を備えた回転電機であって、
前記固定子巻線は、
各相について、線状導体が一定間隔で同心巻形状に巻回されたq*n個(nは4以上の偶数)の単位コイルを用い、同一方向に巻回されたq個の前記単位コイルを周方向にずらして接続されたn個のコイルを得、さらにn/2個の前記コイルを連結して得た2個のコイル群からなり、
前記コイル群を構成する前記コイルは円環状の前記固定子鉄心の前記スロットを周回して配列し、周方向に隣接する前記コイル間では前記スロットを共有して連結し、
2個の前記コイル群は給電部と中性点との間で並列に接続され、2個の前記コイル群を構成する前記コイルのうち、給電部に接続する2個の前記コイルは、前記スロットを共有して配置されていることを特徴とする回転電機。 - 周方向に配列され径方向に延びるスロットが毎極毎相当たりq(qは2以上の自然数)の割合で形成された円環状の固定子鉄心と、
前記固定子鉄心に取付けられた各相の固定子巻線と、を備えた回転電機であって、
前記固定子巻線は、
線状導体を一定間隔で同心巻形状に巻回された2*q*n(nは4以上の偶数)個の単位コイルを用い、同一方向に巻回されたq個の前記単位コイルを周方向にずらして接続された2*n個のコイルを得、さらにn/2個の前記コイルを連結した得た4個のコイル群からなり、
前記コイル群を構成する前記コイルは円環状の前記固定子鉄心の前記スロットを周回して配列し、周方向に隣接する前記コイル間では前記スロットを共有して連結し、
4個の前記コイル群は給電部と中性点との間で並列に接続され、2個の前記給電部の各々に接続される2個の前記コイル群のうち、前記給電部に接続する2個の前記コイルは、前記スロットを共有して配置されていることを特徴とする回転電機。 - 隣接する前記コイル間で同じ前記スロットを共有して配置し、隣接する2つ前記コイルを構成する前記線状導体からなる挿通部が前記スロット内で交互に配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の回転電機。
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