(57)【要約】【課題】集中巻コイルでの鉄損を低減でき、効率の向上を図ることができる、回転機を提供する。【解決手段】ステータコア１１は、ステータヨーク１３および複数のティース１４を備えている。ステータヨーク１３は、ロータ３を取り囲む環状をなし、各ティース１４は、ステータヨーク１３からロータ３側、つまり回転中心側に延出している。隣り合うティース１４の各間にスロット１５が形成されており、そのスロット１５にティース１４に巻かれた集中巻コイル１２が収容されている。また、ティース１４には、回転軸線方向に貫通する単一の孔４１が形成されることにより、一方側面１４Ａおよび他方側面１４Ｂと孔４１との各間を当該ティース１４の延出方向に延びる狭小部４６,４７が設けられている。【選択図】図１
2020005370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータおよび永久磁石型のロータを備える回転機であって、
前記ステータは、前記ロータを取り囲む環状のヨークおよび前記ヨークから前記ロータ側に延出する複数のティースを有するステータコアと、前記ティースの周囲に巻回される集中巻コイルとを含み、
前記ティースには、回転軸線方向に貫通する単一の孔を形成することにより、当該ティースの一方側面および他方側面と前記孔との各間に、当該ティースの延出方向に延び、磁気飽和により磁束を制限するための狭小部が設けられている、回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機などの回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）には、発電機が搭載されている。
【０００３】
発電機としては、集中巻ステータと、永久磁石型のロータとを備えたものが知られている。集中巻ステータでは、ステータコアが円環状（円筒状）のステータヨークおよびステータヨークから径方向内側に延びる複数のティースを有し、各ティースに巻線が集中巻されている。ロータは、集中巻ステータの内側に配置されており、ステータヨークと同心で円環状のロータヨークおよびロータヨークに周方向に並べて埋め込まれた複数の永久磁石を有している。ロータヨークの中心には、回転軸が相対回転不能に挿通されている。
【０００４】
コイルに電流が流れると、ティースに沿って回転径方向に延びる磁束が発生し、この磁束がロータの永久磁石に作用して、ロータに回転力が生じる。そのため、ロータの回転位置に応じてコイルに流れる電流が制御されることにより、ロータに回転力が連続的に発生し、ロータおよび回転軸が一定方向に回転する。
【０００５】
磁束が変化すると、ステータコアに渦電流が流れる。渦電流が大きいと、コイルでの鉄損が大きくなり、発電機の効率が低下する。そこで、渦電流損（渦電流による鉄損）を低減すべく、ティースに非導電性部を設けて、ティースに流れる渦電流を低減する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。ティースに導電性部が設けられることにより、ティースに沿って延びる磁束が複数に分割されて、その分割された各磁束に対してティースに流れる渦電流の総和が非導電性部が設けられていない構成でティースに流れる渦電流よりも小さくなるので、渦電流損を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−９５９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、その提案に係る構成では、非導電性部が設けられていない構成と比較して、コイルに電流が流れることにより発生する磁束の総和が変わらず、磁束の総和をティースの断面積で除算して得られる磁束密度は変わらない。そのため、渦電流損を低減することができても、ヒステリシス損（ティースの磁区が交番磁界によって磁界の向きを変えるときの損失）の低減効果が期待できず、発電機の効率を大きく向上させることはできない。
【０００８】
本発明の目的は、集中巻コイルでの鉄損を効果的に低減でき、効率を向上させることができる、回転機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明の一の局面に係る回転機は、ステータおよび永久磁石型のロータを備える回転機であって、ステータは、ロータを取り囲む環状のヨークおよびヨークからロータ側に延出する複数のティースを有するステータコアと、ティースの周囲に巻回される集中巻コイルとを含み、ティースには、回転軸線方向に貫通する単一の孔を形成することにより、当該ティースの一方側面および他方側面と孔との各間に、当該ティースの延出方向に延び、磁気飽和により磁束を制限するための狭小部が設けられている。
【００１０】
この構成によれば、ステータコアは、ヨークおよび複数のティースを備えている。ヨークは、ロータを取り囲む環状をなし、各ティースは、ヨークからロータ側、つまり回転中心側に延出している。隣り合うティースの各間にスロットが形成されており、そのスロットにティースに巻かれた集中巻コイルが収容されている。また、ティースには、回転軸線方向に貫通する単一の孔が形成されることにより、その一方側面および他方側面と孔との各間を当該ティースの延出方向に延びる狭小部が設けられている。
【００１１】
集中巻コイルに電流が流れると、ティースに沿って回転径方向に延びる磁束が発生する。ティースに狭小部が設けられていることにより、狭小部で磁気飽和が生じ、磁束の発生が制限される。そのため、ティースに狭小部が設けられていない構成と比較して、磁束をティースの断面積で除算して得られる磁束密度が低減する。集中巻コイルでの鉄損には、ヒステリシス損と渦電流損とが含まれ、磁束密度の低減に伴い、ヒステリシス損および渦電流損は、磁束密度の約二乗に比例して低減される。よって、鉄損を効果的に低減でき、回転機の効率を向上させることができる。
【００１２】
ティースは、回転軸線方向および回転径方向の両方と直交する方向の幅が一定に形成されたストレートティースであってもよい。
【００１３】
集中巻コイルは、ボビンに巻線を巻きつけることにより形成され、ボビンをティースに嵌合することによりティースに巻回されることが好ましい。
【００１４】
この構成では、巻線をティースに直に巻きつける必要がないので、スロットに巻線機の巻線ノズルを配置する空きスペースを不要とすることができる。よって、巻線がティースに直に巻かれた構成と比較して、スロットにおけるコイル（巻線）の占積率を高めることができ、回転機の効率をさらに向上させることができる。
【００１５】
集中巻コイルは、回転軸線方向から見てティースの先端側ほど（回転軸線に近づくにつれて）先細りとなる台形状の台形状コイルと、回転軸線方向から見て矩形状の矩形状コイルとを含み、台形状コイルおよび矩形状コイルは、ステータコアの周方向に交互に並べて配置されていることが好ましい。
【００１６】
この構成により、スロットにおけるコイルの占積率をさらに高めることができ、回転機の効率のさらなる向上を図ることができる。
【００１７】
本発明の他の局面に係る回転機は、ステータおよび永久磁石型のロータを備える回転機であって、ステータは、ロータを取り囲む環状のヨークおよびヨークからロータ側に延出する複数のティースを有するステータコアと、ティースの周囲に巻回される集中巻コイルとを含み、ティースには、透磁率が電磁鋼板よりも小さい磁気的な高抵抗部を形成することにより、少なくとも当該ティースの一方側面と高抵抗部との間に、磁気飽和により磁束を制限するための狭小部が設けられている。
【００１８】
この構成によれば、ステータコアは、ヨークおよび複数のティースを備えている。ヨークは、ロータを取り囲む環状をなし、各ティースは、ヨークからロータ側、つまり回転中心側に延出している。隣り合うティースの各間にスロットが形成されており、そのスロットにティースに巻かれた集中巻コイルが収容されている。また、ティースには、透磁率が電磁鋼板よりも小さい磁気的な高抵抗部が形成されて、少なくともティースの一方側面と孔との間に狭小部が設けられている。高抵抗部は、ステータコアの材料である電磁鋼板よりも透磁率が小さい。
【００１９】
集中巻コイルに電流が流れると、ティースに沿って回転径方向に延びる磁束が発生する。ティースに狭小部が設けられていることにより、狭小部で磁気飽和が生じ、磁束の発生が制限される。そのため、ティースに狭小部が設けられていない構成と比較して、磁束をティースの断面積で除算して得られる磁束密度が低減する。集中巻コイルでの鉄損には、ヒステリシス損と渦電流損とが含まれ、ヒステリシス損および渦電流損は、磁束密度の低減に伴い、磁束密度の二乗に比例して低減される。よって、鉄損を効果的に低減でき、回転機の効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、集中巻コイルでの鉄損を効果的に低減でき、回転機の効率を向上させることができる
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電機の断面図である。
【図２】ステータコアの一部分の断面図である。
【図３】ステータコアの第１変形例を示す図であり、回転軸線方向から見た図である。
【図４】ステータコアの第２変形例を示す図であり、回転軸線方向から見た図である。
【図５】ステータコアの第３変形例を示す図であり、回転軸線方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
＜発電機＞
図１は、本発明の一実施形態に係るモータ１の断面図である。
【００２４】
発電機１は、たとえば、ハイブリッド車または電気自動車に、発電機として搭載される。発電機１は、ステータ２およびロータ３を備えている。ステータ２およびロータ３は、ケース（図示せず）に収容されている。
【００２５】
ステータ２には、ステータコア１１および集中巻コイル１２が含まれる。ステータコア１１は、電磁鋼板を積み重ねて形成された積層鋼板からなり、ステータヨーク１３と、複数のティース１４とを有している。
【００２６】
ステータヨーク１３は、発電機１の回転軸線を中心として回転径方向に幅を有する円筒状をなしている。言い換えれば、ステータヨーク１３は、発電機１の回転軸線方向から見て、その回転軸線を中心として回転径方向に幅を有する円環状をなしている。
【００２７】
複数のティース１４は、発電機１の回転軸線、つまりステータヨーク１３の中心線を中心とする等角度間隔で設けられ、ステータヨーク１３の内周面からステータヨーク１３の中心線に向けて延出している。各ティース１４は、回転軸線方向および回転径方向の両方と直交する方向の幅が一定に形成されたストレートティースである。具体的には、各ティース１４は、ステータヨーク１３からの延出方向に延びる２つの側面１４Ａ，１４Ｂと、各側面１４Ａ，１４Ｂの先端縁を接続する先端面１４Ｃとを有している。側面１４Ａ，１４Ｂは、ティース１４の延出方向に沿った直線状に延び、互いに平行をなしている。先端面１４Ｃは、ステータヨーク１３の外周面と同心の円弧状に形成されている。
【００２８】
隣り合うティース１４の各間は、集中巻コイル１２を収容するスロット１５として形成されている。スロット１５は、一方側のティース１４の側面１４Ａと直交する底面１５Ａと、他方側のティース１４の側面１４Ｂと直交し、底面１５Ａと同じサイズの底面１５Ｂとを有している。スロット１５にて、一方側の側面１４Ａと他方側の側面１４Ｂとがステータヨーク１３の中心線に近づくほど互いに近接するので、スロット１５は、ステータヨーク１３の中心線に近づくほどステータヨーク１３の周方向の幅が狭くなる形状をなしている。
【００２９】
なお、ステータコア１１を構成する電磁鋼板は、１つのティース１４とその両側の底面１５Ａ，１５Ｂとを含む分割体を結合して構成されていてもよいし、一体に構成されていてもよい。
【００３０】
集中巻コイル１２は、四角枠状のボビン２１に巻線２２を巻きつけることにより形成されている。ボビン２１は、ティース１４に外嵌されて、そのティース１４の側面１４Ａ，１４Ｂと接する環状部２３と、環状部２３の回転径方向外側の端縁から周囲に延出し、ティース１４の一方側のスロット１５の底面１５Ａおよび他方側のスロット１５の底面１５Ｂと接する外鍔部２４と、環状部２３の回転径方向内側の端縁から周囲に延出し、外鍔部２４と平行をなす内鍔部２５とを一体的に有している。巻線２２は、ボビン２１の環状部２３に巻かれている。
【００３１】
集中巻コイル１２は、その形状の違いから、台形状コイル２６と、矩形状コイル２７とを含む。台形状コイル２６のボビン２１は、外鍔部２４が内鍔部２５よりも外側に大きく張り出した形状に形成されている。そして、ボビン２１に巻線２２が回転径方向の外側ほど多重に巻かれることにより、その巻線２２からなる台形状コイル２６は、断面形状が回転径方向の内側（発電機１の回転軸線側）ほど細くなる台形状をなしている。矩形状コイル２７のボビン２１は、外鍔部２４と内鍔部２５とが同一形状に形成されている。そして、ボビン２１に巻線２２が回転径方向の各位置で同じ重なりで巻かれることにより、その巻線２２からなる矩形状コイル２７は、断面形状が矩形状をなしている。台形状コイル２６および矩形状コイル２７の巻き数は、同じである。
【００３２】
台形状コイル２６と矩形状コイル２７とは、発電機１の回転方向、つまりステータヨーク１３の周方向に交互に配置されている。まず、１つ置きのティース１４に台形状コイル２６のボビン２１が外嵌され、次に、残りのティース１４に矩形状コイル２７のボビン２１が外嵌されることにより、各ティース１４に台形状コイル２６または矩形状コイル２７が巻回された状態となる。この順序であれば、台形状コイル２６および矩形状コイル２７のボビン２１をティース１４に外嵌させることができ、逆の順序では、台形状コイル２６のボビン２１をティース１４に外嵌させるときに、そのボビン２１が矩形状コイル２７と干渉し、台形状コイル２６のボビン２１をティース１４に外嵌させることができない。
【００３３】
ロータ３は、永久磁石型のロータである。具体的には、ロータ３は、ステータ２の内側に配置されており、発電機１の回転軸線を中心として回転径方向に幅を有する円筒状、言い換えれば、発電機１の回転軸線方向から見て、その回転軸線を中心として回転径方向に幅を有する円環状のロータヨーク３１を有している。ロータヨーク３１の外周面３１Ａとティース１４の先端面１４Ｃとの間には、隙間が設けられている。ロータヨーク３１には、複数（たとえば、１６個（８極））の永久磁石３２が周方向に並べて配置されている。ロータヨーク３１の中心には、回転軸３３が相対回転不能に挿通されている。
【００３４】
＜狭小部＞
図２は、ステータコア１１の一部分の断面図である。
【００３５】
ステータコア１１の各ティース１４には、ステータヨーク１３からの延出方向の中央よりも先端側の位置に、電磁鋼板を厚さ方向に貫通する孔４１が形成されている。孔４１は、第１辺４２、第２辺４３、第３辺４４および第４辺４５を有する矩形状をなしている。第１辺４２は、ティース１４の一方の側面１４Ａに対して間隔を空けて平行に延びている。第２辺４３は、ティース１４の他方の側面１４Ｂに対して側面１４Ａと第１辺４２との間の間隔と同じ間隔を空けて平行に、第１辺４２と同じ長さで延びている。第３辺４４は、第１辺４２および第２辺４３と直交する方向に延び、第１辺４２および第２辺４３の回転径方向内側の端を連結している。第４辺４５は、第１辺４２および第２辺４３と直交する方向に延び、第１辺４２および第２辺４３の回転径方向外側の端を連結している。
【００３６】
孔４１が形成されていることにより、ティース１４は、側面１４Ａと第１辺４２との間および側面１４Ｂと第２辺４３との間にそれぞれ狭小部４６，４７を有している。狭小部４６，４７は、第１辺４２および第２辺４３と同じ長さで、ステータヨーク１３からのティース１４の延出方向に延びている。
【００３７】
集中巻コイル１２に電流が流れると、ティース１４に沿って回転径方向に延びる磁束が発生する。この磁束がロータ３の永久磁石３２に作用して、ロータ３に回転力が生じる。そのため、ロータ３の回転位置に応じて集中巻コイル１２に流れる電流が制御されることにより、ロータ３に回転力が連続的に発生し、ロータ３および回転軸３３が一定方向に回転する。
【００３８】
孔４１のサイズおよび位置ならびに集中巻コイル１２の巻き数は、集中巻コイル１２に電流が流れたときに狭小部４６，４７で磁気飽和が生じるように設計されている。狭小部４６，４７で磁気飽和が生じ、磁束の発生が制限される。そのため、ティース１４に狭小部４６，４７が設けられていない構成と比較して、ティース１４の狭小部４６，４７以外の部分における磁束密度（＝磁束／ティース１４の狭小部４６，４７以外の部分を回転径方向と直交する平面で切断したときの断面積）が低減する。
【００３９】
集中巻コイル１２での鉄損Ｗｉは、ヒステリシス損Ｐｈと渦電流損Ｐｅとを加算した値である。ヒステリシス損Ｐｈは、式（１）に従って求めることができ、渦電流損Ｐｅは、式（２）に従って求めることができる。
【００４０】
Ｐｈ＝Ｋｈ・Ｂｍ１．６・ｆ    ・・・（１）
Ｐｅ＝Ｋｅ・Ｂｍ２・ｆ２    ・・・（２）
ただし、Ｋｈ：ヒステリシス損係数
Ｋｅ：渦電流損係数
Ｂｍ：最大磁束密度
ｆ：周波数
【００４１】
一方、発電機１のトルクＴは、式（３）に従って求めることができる。
Ｔ＝Ｐｎ｛Φｍ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ｝・Ｉｑ    ・・・（３）
ただし、Φｍ：マグネット磁束
Ｐｎ：極対数
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス
Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス
Ｉｄ：ｄ軸電流
Ｉｑ：ｑ軸電流
【００４２】
式（３）は、電流ベクトルと電機子鎖交磁束ベクトルとの外積により導出されるため、トルクＴは、最大磁束密度Ｂｍに比例する。したがって、磁束密度の低減に伴い、ヒステリシス損Ｐｈおよび渦電流損Ｐｅは、磁束密度の約二乗に比例して低減されるのに対し、トルクＴは、磁束密度の一乗に比例して低下する。よって、ティース１４に狭小部４６，４７を設けることにより、トルクＴの低下を抑制しつつ、集中巻コイル１２での鉄損Ｗｉを効果的に低減でき、発電機１の効率の向上を図ることができる。
【００４３】
＜作用効果＞
以上のように、発電機１では、ステータコア１１のティース１４に狭小部４６，４７が設けられているので、トルクＴの低下を抑制しつつ、集中巻コイル１２での鉄損Ｗｉを効果的に低減でき、効率を向上させることができる。
【００４４】
狭小部４６，４７を設けるための孔４１がティース１４に形成される構成では、ティース１４の剛性の低下を抑制でき、かつ、磁気吸引力の変動による振動や異音の発生の問題が生じにくいという効果も期待できる。
【００４５】
また、孔４１は、ティース１４に外嵌されたボビン２１の固定に利用することもできる。
【００４６】
集中巻コイル１２は、ボビン２１に巻線２２を巻きつけることにより形成され、ボビン２１をティース１４に嵌合することによりティース１４に巻回されている。巻線２２をティース１４に直に巻きつける必要がないので、スロット１５に巻線機の巻線ノズルを配置する空きスペースを不要とすることができる。よって、巻線２２がティース１４に直巻された構成と比較して、スロット１５における集中巻コイル１２の占積率を高めることができ、発電機１の効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
集中巻コイル１２は、回転軸線方向から見てティース１４の先端側ほど（回転軸線に近づくにつれて）先細りとなる台形状の台形状コイル２６と、回転軸線方向から見て矩形状の矩形状コイル２７とを含み、台形状コイル２６および矩形状コイル２７は、ステータコア１１の周方向に交互に並べて配置されている。これにより、スロット１５における集中巻コイル１２の占積率をさらに高めることができ、発電機１の効率のさらなる向上を図ることができる。
【００４８】
＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００４９】
たとえば、ステータコア１１のティース１４に形成される孔４１は、矩形状に限らず、図３に示されるように、五角形状をなしていてもよい。具体的には、孔４１は、第１辺４２、第２辺４３および第３辺４４に加えて、第１辺４２の回転径方向外側の端から回転径方向の外側かつ第２辺４３側に延びる第５辺５１と、第２辺４３の回転径方向外側の端から回転径方向の外側かつ第１辺４２側に延び、第５辺５１の回転径方向外側の端に接続される第６辺５２とを有していてもよい。図３に示される形状を採用することにより、孔４１の開口面積を大きく確保でき、ステータコア１１の軽量化を図ることができる。
【００５０】
また、孔４１は、図４に示される形状をなしていてもよい。すなわち、孔４１は、図４に示されるように、第１辺４２、第２辺４３、第５辺５１および第６辺５２に加えて、第１辺４２の回転径方向内側の端から回転径方向の内側かつ第２辺４３側に延びる第７辺５３と、第２辺４３の回転径方向内側の端から回転径方向の内側かつ第１辺４２側に延びる第８辺５４と、回転軸線方向および回転径方向の両方向に直交し、第７辺５３および第８辺５４の回転径方向内側の端を連結する第９辺５５とを有する形状であってもよい。
【００５１】
さらには、図５に示されるように、第３辺４４および第４辺４５がそれぞれ回転径方向外側に凸となる円弧状に形成されていてもよい。
【００５２】
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１：発電機（回転機）
２：ステータ
３：ロータ
１１：ステータコア
１２：集中巻コイル
１３：ステータヨーク
１４：ティース
１４Ａ，１４Ｂ：側面（一方側面、他方側面）
４１：孔
４６，４７：狭小部
【図１】
2020005370.tif 000003
【図２】
2020005370.tif 000004
【図３】
2020005370.tif 000005
【図４】
2020005370.tif 000006
【図５】
2020005370.tif 000007