JP2014057460A - 回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の固定子において、スロット内のコイル巻線の占積率を向上させながら、渦電流損を低減することである。
【解決手段】回転電機の固定子１０は、ステータコア１２の周方向に沿って複数配置されるスロット１８と、スロット１８内の周方向に一導体で配置されるコイル２２等がスロット１８内の径方向に沿って複数ターン巻回されて形成されるコイル体２０を備え、少なくとも１つのコイル２２，２４，２６，２８は、平角導体部４０と、平角導体部４０の周囲に設けられる磁性体層４２と、磁性体層４２の周囲に設けられる絶縁被膜４４とを有する。磁性体層４２を有するコイルを１ターンおきに配置することもでき、最内周側のコイルにのみ磁性体層４２を設けるものとしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の固定子に係り、特に、スロット内にコイル巻線が巻回される回転電機の固定子に関する。

回転電機の小型化、高性能化のためには、コイルの巻き方の効率化や、銅損、鉄損等の損失の低減が必要である。特許文献１には、回転電機の固定子巻線として、凹部と凸部とを有する平角線を用い、隣接する平角線コイル同士が凹部と凸部が互いに嵌め合うようにスロット内に配置され、コイルのスロット内占積率の向上を図ることが開示される。

特許文献２には、電磁石のコイルに用いられる線材として、導電体の表層に磁性体層を設けることで、電磁石としての吸引力が増加することが述べられている。また、この線材を回転電機の固定子の分布巻コイルの巻線として用いる実施例は、１つのスロットに円形断面の線材が複数収納されている。

特許文献３には、回転電機の小型化のために、平角コイル導線に被覆される絶縁層の厚さまたは絶縁材料をコイルエンド部とスロット部とで異ならせることが開示される。また、インバータの急峻サージ電圧を緩和する電界緩和層として、導電性高分子の層や、導電性または半導電性フィラーを混入したエポキシ樹脂等の層が、コイル導体表面または絶縁層の表面に備えることも述べられている。

特開２００９−２３２６０７号公報 特開２０１１−２１０６３８号公報 特開２００８−２３６９２４号公報

凹部と凸部とを有する平角線を用いることで占積率は向上するが、導電体の抵抗値が低くなり電流が流れやすくなるので、漏れ磁束による渦電流損が増加する恐れがある。導電体の表層に磁性体層を設けることで渦電流損を減少させ得るが、磁性体層の厚さ分、占積率が低下する。本発明の目的は、スロット内のコイル巻線の占積率を向上させながら、渦電流損を低減することができる回転電機の固定子を提供することである。

本発明に係る回転電機の固定子は、ステータコアの周方向に沿って複数配置されるスロットと、スロット内の周方向に一導体で配置されるコイルが、スロット内の径方向に沿って複数ターン巻回されて形成されるコイル体と、を備え、少なくとも１つのコイルは、平角導体部と、平角導体部の周囲に設けられる磁性体層と、磁性体層の周囲に設けられる絶縁被膜と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機の固定子において、コイル体は、磁性体層を有するコイルを径方向に沿って１ターンおきに配置することが好ましい。

また、本発明に係る回転電機の固定子において、コイル体は、スロット内の最内周側の１ターンにのみ磁性体層を有するコイルを配置することが好ましい。

上記構成により、回転電機の固定子における漏れ磁束は、平角導体部の周囲に設けられる磁性体層を通り、平角導線部を通らないので、平角導線部における渦電流損失を低減できる。これにより、平角線を用いて占積率の向上を図りながら、渦電流損失を低減できる。

また、回転電機の固定子において、径方向に沿って複数ターン巻回されるコイルは、隣接するコイルのところで磁性体層が重複する。そこで、径方向に沿って１ターンおきに磁性体層を有するコイルを配置する。これによって、重複する部分の磁性体層を省略でき、コイル体のスロット内占積率をさらに向上しながら、渦電流損失を効果的に低減できる。

また、回転電機の固定子において、コイル体は、スロット内の最内周側の１ターンにのみ磁性体層を有するコイルを配置する。回転電機の固定子におけるロータからの漏れ磁束は径方向の最内周側が大きい。この最内周側にのみ磁性体層を有するコイルを配置し、他のターンでは磁性体層を省略する。これにより、渦電流損失を効果的に低減しながら、コイル体のスロット内占積率をさらに向上させることができる。

本発明の実施の形態における回転電機の固定子の構造を示す図で、（ａ）は、スロットの断面図、（ｂ）はコイルの断面図である。 比較のために、従来技術のコイルを用いたときの渦電流損失を示す図である。 図１の構成における渦電流損失低減を示す図である。 磁性体層を有するコイルの他の配置例を示す図である。 図４の構成における渦電流損失低減を示す図である。 磁性体層を有するコイルの別の配置例を示す図である。 図６の構成における渦電流損失低減を示す図である。 本発明の実施の形態における回転電機の固定子の斜視図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、コイル体は分布巻方式で巻回されるものを述べるが、スロット内の周方向に一導体で配置されてこれが径方向に複数ターン巻回されるものであればよく、例えば、波巻方式で巻回されるものも含まれる。また、コイルとして断面が矩形形状の平角導線を用いるものを述べるが、矩形形状の角部を丸めた略矩形形状断面の導線、楕円形に近い断面の導線等を用いてもよい。以下で述べるステータコアのスロットの数、コイルの巻数、寸法、厚さ等は説明のための例示であって、回転電機の固定子の仕様に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機の固定子１０を示す図で、図１（ａ）は1つのスロットについての断面図、（ｂ）はコイルの断面図である。回転電機の固定子１０は、図示されていない回転子と組み合わせて回転電機を構成し、コイルに通電することで回転子と電磁作用的に協働して回転子を回転させ、回転子の回転軸にトルクを出力させる。

回転電機の固定子１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２の周方向に沿って配置される複数のティース１４，１６と、隣接するティース１４、１６の間の空間であるスロット１８と、スロット１８を通り複数ターン巻回されるコイル体２０を備える。

ステータコア１２は、内周側に複数のティース１４，１６が配置される円環状の磁性体部材である。後述する図８では、７２個のティース１４を有するステータコア１２が示されている。かかるステータコア１２は、所定の形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成される。

図１（ａ）に示されるように、コイル体２０は、スロット１８内の周方向に一導体で配置されるコイルが、スロット１８内の径方向に沿って複数ターン巻回されて形成される。図１で周方向をθ方向で、径方向をＲ方向で示した。図１では、コイル体２０は、径方向に沿って４ターンのコイル２２，２４，２６，２８から構成される。各コイル２２，２４，２６，２８は、１つのスロット１８の周方向に沿った一方端と他方端の間に１ターンだけ配置される。すなわち、スロット１８内の周方向に沿って一導体で配置される。

各コイル２２，２４，２６，２８は、ステータコア１２の軸方向の一方側からスロット１８を通り他方側に出て、ステータコア１２の周方向に沿って６スロット分隔てた別のスロットに挿入され、これを繰り返す分布巻方式で固定子巻線を構成する。

図１（ｂ）に示されるように、コイル２２は、平角導体部４０と、平角導体部４０の周囲に設けられる磁性体層４２と、磁性体層４２の周囲に設けられる絶縁被膜４４を含む。

平角導体部４０は、導体の延びる方向に垂直な断面が矩形形状を有する導体線である。導体の材料としては高導電性の金属を用いることができる。高導電性の金属としては銅等を用いることができる。

磁性体層４２は、平角導体部４０の外周の全体を均一に連続して覆う導電性を有する強磁性体の層である。磁性体の材料は、鉄ニッケル合金で、平角導体部４０の外周に磁性体層４２を形成する方法としては、メッキ法が用いられる。磁性体層４２の厚さの一例を挙げると、約１μｍである。磁性体の材質としては、軟磁性材、鉄、あるいはニッケルを用いてもよい。

絶縁被膜４４は、磁性体層４２の外周の全体を均一に連続して覆う電気的絶縁性を有する樹脂層である。絶縁被膜４４は、ポリアミドイミドのエナメル被覆が用いられる。絶縁被膜４４の厚さは、回転電機の固定子１０の絶縁仕様等で定められる。厚さの一例を挙げると、約３０〜５０μｍである。絶縁被膜４４に用いられるエナメル被覆としては、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等を用いてもよい。また、ガラス繊維を巻きアルキッド樹脂等を含浸したガラス繊維被膜を用いてもよい。コーティングによって被膜を形成する他に、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレンナフタレート等のフィルムや薄膜シートを巻き付けることでもよい。

コイル２２は、スロット１８の周方向に一導体のみが配置される。つまり、スロット１８内の周方向に沿ってはコイル２２の１ターンのみが配置される。コイル２２の平角導体部４０は矩形形状の断面を有しているが、矩形形状の各辺は、スロット１８の内壁面に平行または垂直である。したがって、磁性体層４２は、矩形枠形状を有し、その矩形枠の各辺も、スロット１８の内壁面に平行または垂直である。

上記構成の作用について、図２、図３を用いて詳細に説明する。これらの図は図１（ｂ）に対応してスロット１８の径方向に沿って４ターンのコイルが配置されている。４ターンのコイルのうち、１つに代表させて符号を付した。図２は、磁性体層を設けず、平角導体部４０と絶縁被膜４４のみを有する従来技術のコイル２９を用いる例を示す。図３は、図１（ｂ）に対応する図で、磁性体層４２が設けられるコイル２８を用いる。

図２において、回転電機のロータ側からステータコア１２の側に漏れてくる漏洩磁束５０，５２，５４，５６，５８の流れ方を示した。漏洩磁束は、ロータ側からティース１４に入ってティース１６に戻る際に、スロット１８内のコイル２９を通る。コイル２９は、銅の平角導体部４０と絶縁体の絶縁被膜４４で構成され、いずれもティース１４，１６の透磁率よりは低い透磁率であるので、漏洩磁束５０，５２，５４，５６，５８はコイル２９の有無にほとんど関係ない流れ方で流れる。したがって、漏洩磁束５０，５２，５４，５６，５８は、コイル２９の銅の平角導体部４０の部分を流れ、ここで渦電流損失が発生する。

図３においては、コイル２８は平角導体部４０の周囲を覆う磁性体層４２を有する。磁性体層４２は、強磁性体であるので、その透磁率は銅の平角導体部４０の透磁率よりも数１００倍高い。したがって、銅の平角導体部４０よりも磁性体層４２の方に磁束が流れやすい。図３に示すように、ロータ側からの漏洩磁束５１，５３，５５，５７，５９は磁性体層４２を流れ、銅の平角導体部４０には流れない。したがって、図２に比べ、平角導体部４０における渦電流損失が大幅に低減される。

また、磁性体層４２は、平角導体部４０と別体で組付けられるのではなく、平角導体部４０の周囲を覆うようにメッキ法によって一体化して形成される。したがって、磁性体層４２の配置のための特別な組付工程を要せず、コイル２２，２４，２６，２８をスロット１８内に通して巻回するときに、平角導体部４０と磁性体層４２との間に位置ずれが生じることがない。

図４は、コイル体２０の径方向に沿った４ターンのコイル２２，２４，２６，２８のうち、径方向に沿って１ターンおきに配置されるコイル２２，２６にのみ磁性体層４２を設け、コイル２４，２８には磁性体層４２を配置しない構成を示す図である。図１（ｂ）のように、コイル２２，２４，２６，２８の全てに磁性体層４２を設けると、コイル２２，２４，２６，２８は矩形形状の断面を有するので、隣接するコイルの間では、磁性体層４２が周方向に沿って重複することになる。図４は、磁性体層４２を有するコイル２２，２６を１ターン飛びに配置することで、この重複する部分の磁性体層４２の一方側を省略したものである。

図５は、図４の構成の場合における漏洩磁束６１，６３，６５の流れ方を示す図である。磁性体層４２は、銅に比べ数１００倍の透磁率を有するので、隣接するコイルの間の周方向に沿った磁性体層４２の重複の一方側を省略しても、漏洩磁束６１，６３，６５の流れ方は図３の場合とほとんど変わらない。１つのスロット１８に収納される４ターンのコイル２２，２４，２６，２８のうち、２ターンのコイル２４，２６には磁性体層４２が設けられないので、その厚さの分だけ、各コイル２２，２４，２６，２８の平角導体部４０の断面積を大きくできる。したがって、図１（ｂ）の構成と比べて、渦電流損失を同等に低減させながら、磁性体層４２を設けることによる占積率の低下を最小限とすることができ、磁性体層４２を設けることによる銅損の低下を抑制できる。

図６は、コイル体２０の径方向に沿った４ターンのコイル２２，２４，２６，２８のうち、スロット１８内の最内周側の１ターンにのみ磁性体層を有するコイル２２を配置する構成を示す図である。ロータ側からの漏洩磁束は、ロータに近いほど多く、ロータから遠ざかる程少ない。したがって、漏洩磁束に起因する渦電流損失は、スロット１８内の最内周側のコイル２２で最も大きく、スロット１８の外周側に配置されるコイル２４，２６，２８は、この順に渦電流損失が減少して少なくなる。

図７は、図６の構成の場合における漏洩磁束７１，７３の流れ方を示す図である。スロット１８内で、最内周側のコイル２２は磁性体層４２を有するので、最も磁束量が多い漏洩磁束７１をこの磁性体層４２に流すことができる。これによって、最内周側のコイル２２の平角導体部４０に漏洩磁束７１が流れない。コイル２２よりも１ターン分だけ外周側に配置されるコイル２４には磁性体層４２が設けられないが、漏洩磁束７３はコイル２２の磁性体層４２に導かれて流れ込むので、コイル２４の平角導体部４０にもほとんど漏洩磁束７３が流れない。さらに外周側に配置されるコイル２６，２８にも磁性体層４２が設けられないが、その平角導体部４０を流れる漏洩磁束はかなり少ない。

図８は、回転電機の固定子１０の斜視図である。上記構成によれば、回転電機の固定子１０の１つのスロット１８に収納される４ターンのコイル２２，２４，２６，２８のうち、最内周側のコイル２２にのみ磁性体層４２を設け、それよりも外周側のコイル２４，２６，２８には磁性体層４２を設けなくて済む。その厚さの分だけ、各コイル２２，２４，２６，２８の平角導体部４０の断面積を大きくでき、占積率を低下させなくて済み、磁性体層４２を設けることによる銅損の低下を抑制できる。

１０ 回転電機の固定子、１２ ステータコア、１４，１６ ティース、１８ スロット、２０ コイル体、２２，２４，２６，２８，２９ コイル、４０ 平角導体部、４２ 磁性体層、４４ 絶縁被膜、５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６１，６３，６５，７１，７３ 漏洩磁束。

Claims (3)

1. ステータコアの周方向に沿って複数配置されるスロットと、
   スロット内の周方向に一導体で配置されるコイルが、スロット内の径方向に沿って複数ターン巻回されて形成されるコイル体と、
   を備え、
   少なくとも１つのコイルは、
   平角導体部と、
   平角導体部の周囲に設けられる磁性体層と、
   磁性体層の周囲に設けられる絶縁被膜と、
   を有することを特徴とする回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   コイル体は、
   磁性体層を有するコイルを径方向に沿って１ターンおきに配置することを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   コイル体は、
   スロット内の最内周側の１ターンにのみ磁性体層を有するコイルを配置することを特徴とする回転電機の固定子。

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