(57)【要約】【課題】複数の分割コアを環状に繋ぎ合わせて構成されるトロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子において、分割コアの係止部で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子の磁気特性を適正に保持する。【解決手段】固定子巻線４が巻回される巻回部単位で周方向に分割された複数の分割コア２からなる固定子１において、各分割コア２が、隣接する分割コアとの相対移動を規制すべく互いに嵌合する凹部１４および凸部１５からなる係止部を有し、その係止部が、固定子巻線４に電流を流した場合に巻回部において径方向で磁束密度が最小となる部位に設けられた構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子であって、
固定子巻線が巻回される巻回部単位で周方向に分割された複数の分割コアからなり、
前記各分割コアは、隣接する分割コアとの相対移動を規制すべく互いに嵌合する凹部および凸部からなる係止部を有し、
前記係止部は、前記固定子巻線に電流を流した場合に前記巻回部において径方向で磁束密度が最小となる部位に設けられたことを特徴とする回転電機用の固定子。
【請求項２】
前記固定子の内周側にのみ回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部の外周側端部に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
【請求項３】
前記固定子の外周側にのみ回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部の内周側端部に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
【請求項４】
前記固定子の内周側および外周側に回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部の径方向の中央部分に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
【請求項５】
前記固定子の軸方向における片側にのみ回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部における前記回転子配置側とは反対側の端部に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
【請求項６】
前記固定子の軸方向における両側に回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部の軸方向の中央部分に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
【請求項７】
前記分割コアは、径方向延在部と、前記固定子巻線の巻回部として前記径方向延在部の径方向中間部から周方向に延出する周方向部とを有し、
前記固定子の内周側または外周側に回転子が配置される場合、前記径方延在向部は、前記回転子配置側とは反対側の前記中間部の内周側または外周側に位置する部位に空隙が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
【請求項８】
前記分割コアは、軸方向延在部と、前記固定子巻線の巻回部として前記軸方向延在部の軸方向中間部から周方向に延出する周方向部とを有し、
前記固定子の軸方向における片側に回転子が配置される場合、前記軸方延在向部は、前記中間部を挟んで前記回転子配置側とは反対側に位置する部位に空隙が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
【請求項９】
トロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子であって、
固定子巻線が巻回される巻回部を所定の数含む単位で周方向に分割された複数の分割コアからなり、
前記各分割コアは、隣接する分割コアとの相対移動を規制すべく互いに嵌合する凹部および凸部からなる係止部を有し、
前記係止部は、前記固定子巻線に電流を流した場合に前記巻回部において径方向で磁束密度が最小となる部位に設けられたことを特徴とする回転電機用の固定子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータ等の回転電機において、その小型化等を目的としてトロイダル巻線構造を採用したものが存在する。この種の回転電機に用いられる固定子においては、分割形成された複数の分割コアのティース（歯部）間に設けたスロット（溝部）毎に、ヨーク（継鉄部）にトロイダル状の巻線を施した後、それらの分割コアを環状に組み立てて固定子を構成する技術が知られている。
【０００３】
そのような技術として、例えば、各スロット単位で積層された複数の分割コアが、その一方側及び他方側にそれぞれ凹部及び凸部を有し、隣接する分割コア同士の凹部及び凸部をそれぞれ嵌合させることで、一円形状の固定子を組み立てるようにしたトロイダル巻線モータが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９６０３５号公報（第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような固定子に関し、磁束経路を形成する巻線装着部における磁束密度分布について本発明者らが鋭意調査を行ったところ、凹部及び凸部により構成される係止部においては、応力集中や変形により、固定子の磁気特性を適正に保持するにあたり無視できない程度の磁束ムラが生じ得ることがわかった。また、巻線装着部の径方向の磁束密度分布には偏りがあり（例えば、固定子の内周側にのみ回転子が配置される場合、巻線装着部の径方向の磁束量分布は、巻線装着部の内周側から外周側に向けて減少する。）、特に、係止部を径方向で磁束密度が比較的高い部位に設けた場合には、固定子の磁気特性の劣化が著しいことがわかった。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載のような従来技術では、凹部及び凸部が、磁束経路を形成する巻線装着部の中央付近（即ち、磁束密度が比較的高い部位）に設けられており、当該係止部に磁束にムラが生じて磁気特性が劣化するという課題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、固定子を構成する複数の分割コアの係止部で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子の磁気特性を適正に保持することを可能としたトロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、トロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子（１）であって、固定子巻線（４）が巻回される巻回部単位で周方向に分割された複数の分割コア（２）からなり、前記各分割コアは、隣接する分割コアとの相対移動を規制すべく互いに嵌合する凹部（１４）および凸部（１５）からなる係止部を有し、前記係止部は、前記固定子巻線に電流を流した場合に前記巻回部において径方向で磁束密度が最小となる部位に設けられた構成とする。
【０００９】
上記課題を解決するためになされた第２の発明は、前記固定子の内周側にのみ回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部の外周側端部に設けられた構成とすることができる。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた第３の発明は、前記固定子の外周側にのみ回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部の内周側端部に設けられた構成とすることができる。
【００１１】
上記課題を解決するためになされた第４の発明は、前記固定子の内周側および外周側に回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部の径方向の中央部分に設けられた構成とすることができる。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた第５の発明は、前記固定子の軸方向における片側にのみ回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部における前記回転子配置側とは反対側の端部に設けられた構成とすることができる。
【００１３】
上記課題を解決するためになされた第６の発明は、前記固定子の軸方向における両側に回転子が配置される場合、前記係止部が、前記巻回部の軸方向の中央部分に設けられた構成とすることができる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた第７の発明は、前記分割コアは、径方向延在部（３）と、前記固定子巻線の巻回部として前記径方向延在部の径方向中間部（１２）から周方向に延出する周方向部（５）とを有し、前記固定子の内周側または外周側に回転子（２６）が配置される場合、前記径方延在向部は、前記回転子配置側とは反対側の前記中間部の内周側（１１）または外周側（１３）に位置する部位に空隙（２０）が設けられた構成とすることができる。
【００１５】
上記課題を解決するためになされた第８の発明は、前記分割コアは、軸方向延在部（３）と、前記固定子巻線の巻回部として前記軸方向延在部の軸方向中間部（１２）から周方向に延出する周方向部（５）とを有し、前記固定子の軸方向における片側に回転子（２６）が配置される場合、前記軸方延在向部は、前記中間部を挟んで前記回転子配置側とは反対側に位置する部位（１３）に空隙が設けられた構成とすることができる。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた第９の発明は、トロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子であって、固定子巻線が巻回される巻回部を所定の数含む単位で周方向に分割された複数の分割コアからなり、前記各分割コアは、隣接する分割コアとの相対移動を規制すべく互いに嵌合する凹部および凸部からなる係止部を有し、前記係止部は、前記固定子巻線に電流を流した場合に前記巻回部において径方向で磁束密度が最小となる部位に設けられた構成とする。
【発明の効果】
【００１７】
上記第１及び第９の発明の発明によれば、係止部を分割コアの巻線の巻回部（即ち、周方向に形成される磁束経路）の径方向で磁束密度が最小となる部位に設けることで、係止部で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子の磁気特性を適正に保持することが可能となるという優れた効果を奏する。また、上記第２乃至第６の発明によれば、簡易な構成により、係止部で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子の磁気特性を適正に保持することが可能となる。上記第６及び第７の発明によれば、漏れ磁束が発生し得る部位の磁気抵抗を増大させて損失低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態に係るトロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子の正面図であり、図２は、その固定子を構成する分割コアを示す斜視図である。
【００２０】
この固定子１は、複数の分割コア２からなり、周方向に等間隔で複数配置され、磁極として径方向に延在するティース部３と、各ティース部３間に配置され、固定子巻線４が巻回される巻回部として周方向に延在するヨーク部５とを有している。
【００２１】
分割コア２は、固定子巻線４が巻回される巻回部を単位として固定子１を周方向に分割するようにして形成されており、ティース部３の径方向の中央付近からヨーク部５が側方（周方向）に延出した構成を有する。ティース部３は、略同一の幅をなして径方向内側に延びるとともに、その先端側に幅広部が設けられた内側部１１と、その外側に位置してヨーク部５と一体をなす中央部１２と、外周側に位置する外側部１３とからなる。その中央部１２の外周側には凹部１４が設けられており、この凹部１４は、ヨーク部５の外周側端部に側方に突出するように設けた凸部１５とともに、繋ぎ合わされた隣接する分割コアとの相対移動（径方向の移動）を規制する係止部として機能する。これらの凹部１４及び凸部１５は、隣接する分割コアの対応する凸部及び凹部と互いに嵌合可能なようにその形状及び配置（径方向位置）が定められている。
【００２２】
凹部１４及び凸部１５からなる係止部は、ここでは、ヨーク部５の外周側端部の位置に設けられているが、このような係止部の配置は、後述するように、固定子巻線４に電流を流した場合（即ち、回転電機の稼働時）にヨーク部５において径方向で磁束密度が最小となる部位に基づき定められる。これにより、係止部を固定子巻線４の巻回部（即ち、周方向に形成される磁束経路）の径方向で磁束密度が最小となる部位またはその近傍に設けることで、凹部１４及び凸部１５の嵌合位置で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子１の磁気特性を適正に保持することが可能となる。
【００２３】
回転子２６の配置側（ここでは、内周側）とは反対側に位置して実質的に磁束経路を形成しないティース部３の外側部１３には、例えば、図３に示すように、分割コア２を略軸方向に貫くように開口部２０を設けることができる。この開口部２０の形状を適切に定めることで、主要な磁路が形成される部位（即ち、ティース部３の内側部１１及び中央部１２並びにヨーク部５）の磁気抵抗の増大を回避しつつ、外周側からの応力を緩和することが可能となる。また、外側部１３により、リング部材２５を用いて周方向からの分割コア２の固定が可能となる。
【００２４】
さらに、上記ティース部３の外側部１３に設ける開口部２０の構成（形状、数量、配置等）を変更することで、外側部１３における磁気抵抗を増加させるとともに、外側部１３を磁気飽和しやすくして、漏れ磁束の発生による損失の低減を図ることができる。
【００２５】
例えば、開口部２０として、方形の貫通孔２０ａを周方向に連ねて１列に配置した構成（図４（ａ）参照）や、方形の貫通孔２０ａを周方向に連ねて２列に配置した構成（図４（ｂ）参照）や、方形の貫通孔２０ａを周方向に連ねて千鳥配置した構成（図４（ｃ）参照）が可能である。或いは、開口部２０として、円形の貫通孔２０ａを周方向に連ねて１列に配置した構成（図５（ａ）参照）や、円形の貫通孔２０ａを周方向に連ねて２列に配置した構成（図５（ｂ）参照）や、円形の貫通孔２０ａを周方向に連ねて千鳥配置した構成（図５（ｃ）参照）も可能である。このように、外側部１３に適切に空隙を設けることで、図１に想像線で示すような漏れの磁路Ｐの形成が阻害される。なお、上記貫通孔（その少なくとも一部）の代替として外側部１３の周縁に溝を設けるようにしてもよい。また、回転子２６を外周側に配置した構成では、ティース部３の内側部１１に分割コア２を略軸方向に貫くように同様の開口部を設けることができる。
【００２６】
また、分割コアは、複数の巻回部を単位として固定子１を周方向に分割するようにして形成することができる。例えば、三相の回転電機用の固定子の場合、図６に示すように、巻回部を所定の数（ここでは、３つ）含む単位で周方向に分割された分割コア１０２を用いることもできる。この分割コア１０２は、図２に示した分割コア２を複数連結して一体として形成した構造を有しており、３つのティース部１０３ａ〜１０３ｃと、ティース部１０３ａ及び１０３ｂ間に配置されたヨーク部１０５ａと、ティース部１０３ｂ及び１０３ｃ間に配置されたヨーク部１０５ｂと、ティース部１０３ｃの径方向の中央付近から側方に延在するヨーク部１０５ｃとを有する。この場合、図１に示したような固定子を、６つの分割コア１０２を用いて形成することができる。
【００２７】
このような分割コア２は、例えば、磁性材料粉末の圧縮成形、樹脂結合、または焼結等により形成することができる。或いは、珪素鋼板を複数積層して１つの分割コアを構成してもよい。
【００２８】
固定子巻線４は、分割コア２が繋ぎ合わされた状態でそのティース部３及びヨーク部５により画定されるスロット２１，２２内に配置される三相巻線である。ここで、ティース部３の外側部１３は、その周方向の一端１３ａが、内側部１１及び中央部１２の側端を越えて突出してスロット２２の周方向長さを狭めるように設けられている。これにより、固定子巻線４の巻き乱れ等を防止して適切に収容可能なようにスロット２２の大きさが調節さるとともに、ティース部３を固定子巻線４に近接させて巻線４との熱伝達を良好にし、巻線４が発生する熱をより効果的に放熱させることが可能となる。なお、図１においては、固定子巻線４はその一部のみを図示してある。
【００２９】
固定子１の組み立てに際しては、各分割コア２に固定子巻線４を巻装した後、各分割コア２を周方向に繋ぎ合わせた状態で、圧入または焼きばめにより、その外径に適合するリング部材２５に嵌入することで固定子１を一体として構成する。このとき、分割コア２のヨーク部５に設けられた凸部１５が隣接する分割コアの凹部に嵌入され、ヨーク部５の周方向の側壁５ａが、隣接する分割コアにおけるティース部３の中央部１２の側壁１２ａと密接した状態となる。また、このとき、ティース部３の外側部１３が、隣接する分割コアのヨーク部５の外周端部に密接した状態になる。組み立てられた固定子１は、図示しない回転軸に取り付けられた回転子２６を所定の空隙を介して外囲するように配置される。
【００３０】
図７は、第１実施形態に係る固定子の巻線部における径方向の磁束量分布を示すグラフである。ここでは、図８に示す固定子１の拡大図のＡ線における磁束量分布を示しており、横軸の距離ｒ１，ｒ２は、それぞれヨーク部５における固定子巻線４の巻回部の内周端部及び外周端部の位置に相当する。
【００３１】
図７に示すように、固定子１のヨーク部５における磁束量は、内周端部ｒ１において最大となり、そこから外周側に向けて徐々に減少して外周端部ｒ２において最小となる傾向を示す。従って、図１に示したように内周側にのみ回転子２６が配置される固定子１では、凹部１４及び凸部１５からなる係止部を磁束密度が最小となるヨーク部５の外周側端部の近傍に設けることで、凹部１４及び凸部１５の嵌合位置で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子１の磁気特性を適正に保持することが可能となる。
【００３２】
図９は、第２実施形態に係る固定子の巻線部における径方向の磁束量分布を示すグラフである。ここで、第２実施形態に係る固定子については、図１に示した第１実施形態に係る固定子１と概ね同様の構成を有するため説明を省略するが、その外周側にのみ回転子が配置される構成を有する点において図１の固定子１とは異なる。
【００３３】
図９に示すように、固定子のヨーク部における磁束量は、内周端部ｒ１において最小となり、そこから外周側に向けて徐々に増大して外周端部ｒ２において最大となる傾向を示す。従って、外周側にのみ回転子が配置される固定子では、各分割コアに設ける係合部を、図３に想像線で示した凹部３４及び凸部３５のように、ヨーク部の内周側端部の近傍に設けることで、凹部３４及び凸部３５の嵌合位置で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子の磁気特性を適正に保持することが可能となる。
【００３４】
図１０は、第３実施形態に係る固定子の巻線部における径方向の磁束量分布を示すグラフである。ここで、第３実施形態に係る固定子については、図１に示した第１実施形態に係る固定子１と概ね同様の構成を有するため説明を省略するが、その内周側及び外周側の双方に回転子が配置される構成を有する点において図１の固定子１とは異なる。なお、図１０において、横軸の距離ｒ３はヨーク部の径方向中央部分に相当するものとする。
【００３５】
図１０に示すように、固定子のヨーク部における磁束量は、内周端部ｒ１から徐々に減少してヨーク部の中央部分ｒ３で最小となり、そこから外周側に向けて徐々に増大する傾向を示す。従って、内周側及び外周側の双方に回転子が配置される固定子では、各分割コアに設ける係合部を、図３に想像線で示した凹部４４及び凸部４５のように、ヨーク部の径方向の中央部分に設けることで、凹部４４及び凸部４５の嵌合位置で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子の磁気特性を適正に保持することが可能となる。
【００３６】
上記第１〜第３実施形態では、本発明に係るトロイダル巻線構造をラジアルギャップタイプの回転電機用の固定子に適用した場合に示したが、図１１に示すように、アキシャルギャップタイプの回転電機用の固定子にも同様に適用することができる。図１１では、図１〜図５に示した固定子と同様の構成について同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この場合、分割コア２の各部の形状は、外周側から内周側に向けて先細り状となるように構成されている。ここでは図示しないが、回転子２６の配置側（図１１では、固定子１の上側）とは反対側に位置して実質的に磁束経路を形成しないティース部３の下側部１３には、図４及び図５の場合と同様に、分割コア２を経方向に貫くように開口部を設けることが可能である。また、回転子２６を下側に配置した構成では、ティース部３の上側部１１に同様の開口部を設けることができる。
【００３７】
本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、分割コアの係止部として設ける凹部及び凸部の形状は、実施形態で示したものに限定されず、少なくとも互いに嵌合可能であればよい。また、実施形態では、凸部１５を略周方向に突出させた構成としたが、同様の凸部を径方向側に突出させることも可能である。また、回転子と固定子を軸方向に対向配置したアキシャル型電動機の場合には、分割コアの係止部は軸方向端部に設けるとよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係るトロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子は、係止部を分割コアの巻線の巻回部（即ち、周方向に形成される磁束経路）の径方向で磁束密度が最小となる部位の近傍に設けることで、係止部で生じる磁束ムラの影響を抑制して固定子の磁気特性を適正に保持することを可能とするので、トロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係るトロイダル巻線構造を備えた回転電機用の固定子の正面図
【図２】固定子を構成する分割コアの斜視図
【図３】分割コアの構成の変更例を示す正面図
【図４】分割コアの開口部の構成例を示す正面図
【図５】分割コアの開口部の別の構成例を示す正面図
【図６】分割コアの構成の変更例を示す正面図
【図７】第１実施形態に係る固定子の巻線部における磁束量分布を示すグラフ
【図８】図１の固定子の一部を拡大して示した図
【図９】第２実施形態に係る固定子の巻線部における磁束量分布を示すグラフ
【図１０】第３実施形態に係る固定子の巻線部における磁束量分布を示すグラフ
【図１１】アキシャルギャップタイプの回転電機用の固定子の斜視図
【符号の説明】
【００４０】
１  固定子
２  分割コア
３  ティース部
４  固定子巻線
５，１０５ａ−ｃ  ヨーク部（巻回部）
１４，１１４  凹部
１５，１１５  凸部
２１，２２，１２１，１２２  スロット
２５  リング部材
２６  回転子
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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