(57)【要約】【課題】相間絶縁することなく、容易に組付けができ、性能の低下も抑えることができる３相回転電機を提供する。【解決手段】３相同期電動機１のＵ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３は、それぞれ異なる広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍに集中巻にて巻回される。広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍに巻回された各相巻線の間には狭幅歯状１１０ｂ〜１１０ｇが配置されている。そのため、Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３が互いに接触することはない。従って、相間絶縁をする必要がない。また、集中巻であり、容易に巻線をすることができる。しかも、狭幅歯状部より歯幅が広い広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍによって磁束を確保できるため、性能の低下を抑えることができる。従って、相間絶縁することなく、容易に組付けができ、性能の低下も抑えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周面に磁極が形成される回転子と、
前記回転子の周面に対向する複数の歯状部を有する電機子鉄心と、
前記電機子鉄心の前記歯状部に巻回される第１相巻線、第２相巻線及び第３相巻線と、
を備えた３相回転電機において、
前記回転子は、周面に形成される磁極の総数Ｐが４以上の偶数であり、
複数の前記歯状部は、第１歯状部と、最小歯幅が前記第１歯状部の最小歯幅より広い第２歯状部とからなり、前記第１歯状部と前記第２歯状部の総数Ｎが３Ｐ／２であり、かつ、前記第１歯状部の数と前記第２歯状部の数が等しく、前記第１歯状部と前記第２歯状部が周方向に交互に配置され、
前記第１相巻線、前記第２相巻線及び前記第３相巻線は、それぞれ異なる前記第２歯状部に集中巻にて巻回され、前記第１歯状部には巻回されないことを特徴とする３相回転電機。
【請求項２】
前記第２歯状部の最小歯幅は、前記第１歯状部の最小歯幅の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の３相回転電機。
【請求項３】
前記回転子は、直軸の磁気抵抗と横軸の磁気抵抗が異なることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の３相回転電機。
【請求項４】
ハイブリッド車両に搭載され、２００Ｖを超える高電圧を電源とする機器に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の３相回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３相回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、３相回転電機として、例えば特許文献１に開示されている３相分布巻モータがある。この３相分布巻モータは、ステータコアと、Ｕ相コイルと、Ｖ相コイルと、Ｗ相コイルとを備えている。ステータコアは、軸心方向に突出する１８のティースを有している。ティースの間には、相コイルを収容するスロットが形成されている。Ｕ相コイルは、２スロット置きにスロットに収容されている。また、Ｖ相コイルは、Ｕ相コイルから１スロットずれ、２スロット置きにスロットに収容されている。さらに、Ｗ相コイルは、Ｖ相コイルから１スロットずれ、２スロット置きにスロットに収容されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２５３０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前述した３相分布巻モータは、各相コイルが１スロットずつずれ、２スロット置きにスロットに収容されている。そのため、各相コイルのコイルエンドが径方向に接触して配置されることとなる。この場合、コイルエンドにおいて相間絶縁をしなければならず、構成が複雑になり、組付けを容易に行うことができないという問題があった。これに対し、別々のティースに各相コイルを集中巻する構成が広く用いられている。これにより、各相コイルのコイルエンドが径方向に接触して配置されることはなくなる。そのため、コイルエンドにおいて相間絶縁をする必要がなくなる。しかし、同一スロットに異なる相の相コイルが収容され、周方向に接触して配置されることとなるため、スロット内において相間絶縁をしなければならない。また、この場合、同一の体格及び同一の巻線仕様で比較すると、モータとしての性能が低下してしまうという問題もあった。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、相間絶縁することなく、容易に組付けができ、性能の低下も抑えることができる３相回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、歯状部として、第１歯状部と、最小歯幅が第１歯状部の最小歯幅より広い第２歯状部を設け、第２歯状部に電機子相巻線を集中巻にて巻回することで、相間絶縁することなく、容易に組付けができ、性能の低下も抑えられることを思いつき、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、請求項１に記載の３相回転電機は、周面に磁極が形成される回転子と、回転子の周面に対向する複数の歯状部を有する電機子鉄心と、電機子鉄心の歯状部に巻回される第１相巻線、第２相巻線及び第３相巻線と、を備えた３相回転電機において、回転子は、周面に形成される磁極の総数Ｐが４以上の偶数であり、複数の歯状部は、第１歯状部と、最小歯幅が第１歯状部の最小歯幅より広い第２歯状部とからなり、第１歯状部と第２歯状部の総数Ｎが３Ｐ／２であり、かつ、第１歯状部の数と第２歯状部の数が等しく、第１歯状部と第２歯状部が周方向に交互に配置され、第１相巻線、第２相巻線及び第３相巻線は、それぞれ異なる第２歯状部に集中巻にて巻回され、第１歯状部には巻回されないことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線は、それぞれ異なる第２歯状部に集中巻にて巻回される。第２歯状部に巻回された各相巻線の間には第１歯状部が配置されることとなる。そのため、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線が互いに接触することはない。従って、相間絶縁をする必要がない。また、集中巻であり、容易に巻線をすることができる。しかも、第１歯状部より歯幅が広い第２歯状部によって磁束を確保できるため、性能の低下を抑えることができる。従って、相間絶縁することなく、容易に組付けができ、性能の低下も抑えることができる。
【０００９】
請求項２に記載の３相回転電機は、第２歯状部の最小歯幅は、第１歯状部の最小歯幅の１．５倍以上、より好ましくは２倍以上であることを特徴とする。この構成によれば、性能の低下を確実に抑えることができる。
【００１０】
請求項３に記載の３相回転電機は、回転子は、直軸の磁気抵抗と横軸の磁気抵抗が異なることを特徴とする。この構成によれば、リラクタンストルクを出力することができる。そのため、性能の低下をより確実に抑えることができる。
【００１１】
請求項４に記載の３相回転電機は、ハイブリッド車両に搭載され、２００Ｖを超える高電圧を電源とする機器に用いられることを特徴とする。この構成によれば、ハイブリッド車両に搭載され、２００Ｖを超える高電圧を電源とする機器に用いられる３相回転電機において、相間絶縁することなく、容易に組付けができ、性能の低下も抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態における３相同期電動機の固定子及び回転子を軸方向から見た平面図である。
【図２】比較例としての従来の３相同期電動機の固定子及び回転子を軸方向から見た平面である。
【図３】同一電流を流した場合における、図１に示す３相同期電動機と、図２に示す３相同期電動機の電流位相に対する出力トルクの解析結果を示すグラフである。
【図４】別の形態の回転子を軸方向から見た平面図である。
【図５】さらに別の形態の回転子を軸方向から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る３相回転電機を、ハイブリッド車両に搭載され、３相交流電流が流れることでトルクを発生する３相同期電動機に適用した例を示す。
【００１４】
まず、図１を参照して３相同期電動機の構成について説明する。ここで、図１は、本実施形態における３相同期電動機の固定子及び回転子を軸方向から見た平面図である。
【００１５】
図１に示す３相同期電動機１（３相回転電機）は、ハイブリッド車両に搭載され、２００Ｖを超える高電圧を電源とする機器に用いられるものである。３相同期電動機１は、３相交流電圧が供給され、３相交流電流が流れることでトルクを発生する。３相同期電動機１は、回転子１０と、固定子１１とを備えている。
【００１６】
回転子１０は、固定子１１の発生する磁束と鎖交することでトルクを発生する部材である。回転子１０は、ヨーク部１００と、磁石１０１ａ〜１０１とを備えている。
【００１７】
ヨーク部１００は、磁路の一部を構成する円柱状の部材である。ヨーク部１００は、硅素鋼板を積層して構成されている。ヨーク部１００の外周部には、外周側に開口する略Ｙ字状であって軸方向に貫通する貫通孔１００ａが、周方向に等角度ピッチ４５度（機械角）で８個設けられている。ヨーク部１１０は、回転軸１２に固定されている。
【００１８】
磁石１０１は、磁束を発生する矩形板状の部材である。磁石１０１は、ヨーク部１００の貫通孔１００ａに収容され、ヨーク部１００の外周側に開口するＶ字状に配置されている。磁石１０１は、ヨーク部１００の外周面に、周方向に交互に異なる磁極が形成されるよう、板厚方向に着磁されている。
【００１９】
これにより、回転子１０を構成するヨーク部１００の外周面に、８極の磁極が形成されることとなる。磁極の総数Ｐは８である。また、回転子１０を構成するヨーク部１００の直軸の磁気抵抗と、直軸に対して電気角で９０度の位置にある横軸の磁気抵抗が異なることとなる。
【００２０】
固定子１１は、所定のタイミングで電流が流れることで回転磁界を発生する部材である。固定子１１は、電機子鉄心１１０と、Ｕ相巻線１１１（第１相巻線）と、Ｖ相巻線１１２（第２相巻線）と、Ｗ相巻線１１３（第３相巻線）とを備えている。
【００２１】
電機子鉄心１１０は、磁路の一部を構成するとともに、Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３が巻回される略円筒状の部材である。電機子鉄心１１０は、硅素鋼板を積層して構成されている。電機子鉄心１１０は、バックヨーク部１１０ａと、複数の歯状部を構成する狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇ（歯状部、第１歯状部）と、広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍ（歯状部、第２歯状部）とを備えている。
【００２２】
バックヨーク部１１０ａは、円筒状の部位である。狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇ及び広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍは、バックヨーク部１１０ａの内周面から軸心方向に突出し、回転子１０の外周面と所定のエアギャップを隔てて対向する略直方体状の部位である。広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍの最小歯幅Ｗｗは、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇの最小歯幅Ｗｎより広く設定されている。具体的には、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇの最小歯幅Ｗｎが２ｍｍ、広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍの最小歯幅Ｗｗが１３ｍｍに設定されている。つまり、広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍの最小歯幅Ｗｗが、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇの最小歯幅Ｗｎの６．５倍に設定されている。また、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇと広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍの総数Ｎは、磁極の総数Ｐに対して３Ｐ／２となる１２に設定されている。さらに、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇの数と広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍの数は等しく、ともに６に設定されている。狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇ及び広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍは、周方向に等角度ピッチ３０度（機械角）で交互に配置されている。
【００２３】
Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３は、所定のタイミングで電流が流れることで回転磁界を発生する部材である。Ｕ相巻線１１１は、広幅歯状部１１０ｈ、１１０ｋに集中巻にて巻回されている。Ｖ相巻線１１２は、広幅歯状部１１０ｉ、１１０ｌに集中巻にて巻回されている。Ｗ相巻線１１３は、広幅歯状部１１０ｊ、１１０ｍに集中巻にて巻回されている。また、Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３は、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇには巻回されていない。Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３はＹ結線されている。
【００２４】
次に、図１を参照して３相同期電動機の動作について説明する。図１に示す３相同期電動機において、Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３に所定のタイミングで３相交流電流を流すと、回転子１０は、磁石１０１の磁束に起因した、いわゆるマグネットトルクを発生する。また、直軸の磁気抵抗と、横軸の磁気抵抗の違いに起因した、いわゆるリラクタンストルクを発生する。そして、回転軸１２が回転する。
【００２５】
最後に、図１〜図３を参照して効果について説明する。ここで、図２は、比較例としての従来の３相同期電動機の固定子及び回転子を軸方向から見た平面図である。図３は、同一電流を流した場合における、図１に示す３相同期電動機と、図２に示す３相同期電動機の電流位相に対する出力トルクの解析結果を示すグラフである。
【００２６】
図２に示すように、比較例である従来の３相同期電動機１’の回転子１０’は、図１に示す本実施形態の３相同期電動機１の回転子１０と同一構成である。固定子１１’の歯状部１１０ｂ’は全て同一形状である。歯状部１１０ｂ’の数は４８であり、周方向に等角度ピッチ７．５度（機械角）で配置されている。Ｕ相巻線１１１’、Ｖ相巻線１１２’及びＷ相巻線１１３’は、歯状部１１０ｂ’間に形成されるスロットに収容されている。各相巻線１１１’，１１２’，１１３’は、４スロットずつずれ、５スロット置きに収容されている。回転子１０’の外径、固定子１１’の外径、エアギャップの寸法、相巻線１１１’、１１２’、１１３の総ターン数及び相巻線１１１’、１１２’、１１３の抵抗は、本実施形態の３相同期電動機１と同一に設定されている。
【００２７】
Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３に所定のタイミングで３相交流電流を流すと、３相同期電動機１、１’はトルクを発生する。出力トルクは、流す３相交流電流の位相を調整することで変化する。図３に示すように、従来の３相同期電動機１’では、最大出力トルクが６．６４Ｎｍであったのに対して、本実施形態の３相同期電動機１では、最大出力トルクが６．９０Ｎｍであった。
【００２８】
本実施形態によれば、Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３は、それぞれ異なる広幅歯状部に集中巻にて巻回されている。広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍに巻回された各相巻線１１１、１１２、１１３の間には、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇが配置されることとなる。そのため、Ｕ相巻線１１１、Ｖ相巻線１１２及びＷ相巻線１１３が互いに接触することはない。従って、相間絶縁をする必要がない。また、各相巻線１１１、１１２、１１３集中巻であり、容易に巻線をすることができる。しかも、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇより歯幅が広い広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍによって磁束を確保できるため、性能の低下を抑えることができる。従って、ハイブリッド車両に搭載され、２００Ｖを超える高電圧を電源とする機器に用いられる３相同期電動機１において、相間絶縁することなく、容易に組付けができ、性能の低下も抑えることができる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍの最小歯幅Ｗｗが、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇの最小歯幅Ｗｎの６．５倍に設定されている。そのため、磁束を充分に確保でき、性能の低下を確実に抑えることができる。
【００３０】
さらに、本実施形態によれば、回転子１０は、直軸の磁気抵抗と横軸の磁気抵抗が異なるように設定されている。そのため、リラクタンストルクを出力することができ、性能の低下をより確実に抑えることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍの最小歯幅Ｗｗが、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇの最小歯幅Ｗｎの６．５倍に設定されている例を挙げているが、これに限られるものではない。広幅歯状部の最小歯幅Ｗｗが、狭幅歯状部の最小歯幅Ｗｎの１．５倍以上、より好ましくは２倍以上あれば、従来構成と同等の実用上問題ない性能を確保することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、磁極の総数Ｐが８であり、狭幅歯状部１１０ｂ〜１１０ｇと広幅歯状部１１０ｈ〜１１０ｍの総数Ｎが１２である例を挙げているが、これに限られるものではない。磁極の総数Ｐが４以上の偶数であり、幅歯状部と広幅歯状部の総数Ｎが、磁極の総数Ｐに対してＮ＝３Ｐ／２の関係にあれば、同様の構成とすることができ、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、ヨーク部１００に設けられた貫通孔１００ａに磁石１０１が収容されている、いわゆる磁石埋め込み型の回転子１０を用いた例を挙げているが、これに限られるものではない。図４に示すように、ヨーク部２００の外周面に円弧状又は円筒状の磁石２０１を固定した、いわゆる表面磁石型の回転子２０を用いてもよい。また、図５に示すように、図１の回転子１０から磁石１０１を取り除いた、略Ｙ字状であって軸方向に貫通する貫通孔３００ａを有し、直軸の磁気抵抗と横軸の磁気抵抗が異なる回転子３０を用いてもよい。
【００３４】
加えて、本実施形態では、本発明に係る３相回転電機を同期電動機に適用した例を挙げているが、これに限られるものではない。発電機に適用してもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１、１’・・・３相同期電動機（３相回転電機）、１０、１０’、２０、３０・・・回転子、１００・・・ヨーク部、１００ａ、３００ａ・・・貫通孔、１０１、２０１・・・磁石、１１、１１’・・・固定子、１１０・・・電機子鉄心、１１０ａ・・・バックヨーク部、１１０ｂ〜１１０ｇ・・・狭幅歯状部（歯状部、第１歯状部）、１１０ｈ〜１１０ｍ・・・広幅歯状部（歯状部、第２歯状部）、１１０ｂ’・・・歯状部、１１１、１１１’・・・Ｕ相巻線、１１２、１１２’・・・Ｖ相巻線、１１３、１１３’・・・Ｗ相巻線、１２・・・回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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