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公開番号2021002922
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210107
出願番号2019114906
出願日20190620
発明の名称電機子
出願人株式会社デンソー
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02K 3/04 20060101AFI20201204BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】渦電流と循環電とを効率的に低減可能とする電機子を提供する。
【解決手段】電機子巻線は、相あたり複数の部分巻線からなる相巻線を有する多相の電機子巻線と、円筒状のバックヨークを含むベース部材と、を有し、バックヨークの径方向外側又は径方向内側に部分巻線が組み付けられている。部分巻線は、導線材CRが多重に巻回されて構成されている。導線材CRは、N本(N=2〜4)の素線901を撚り合わせてなる撚り線902を、さらにM本(M=2〜4)撚り合わせてなる複合撚り線903を含み、素線901の本数であるNと撚り線902の本数であるMとの積(M×N)が6以上であり、M×N本の素線901が並列に接続されている。
【選択図】 図106
特許請求の範囲【請求項1】
相あたり複数の部分巻線(741)からなる相巻線を有する多相の電機子巻線(731)と、円筒状のバックヨーク(732)を含むベース部材(736)と、を有し、前記バックヨークの径方向外側又は径方向内側に前記部分巻線が組み付けられているスロットレス構造の電機子(730)であって、
前記部分巻線は、導線材(CR)が多重に巻回されて構成されており、
前記導線材は、N本(N=2〜4)の第1導線(901)を撚り合わせてなる第2導線(902)を、さらにM本(M=2〜4)撚り合わせてなる複合撚り線(903)を含み、前記第1導線の本数であるNと前記第2導線の本数であるMとの積(M×N)が6以上であり、M×N本の前記第1導線が並列に接続されている電機子。
続きを表示(約 840 文字)【請求項2】
前記第1導線は、外表面に絶縁被膜を有していない導体、又は外表面に酸化被膜のみを有する導体であり、
前記導線材の横断面において、前記各第2導線の間に空隙(905)が設けられているとともに、前記導線材の最外周に絶縁被膜(904)が設けられている請求項1に記載の電機子。
【請求項3】
前記第1導線は、自己融着被膜(911)を有し、前記各第1導線は撚り合わされた状態で互いの自己融着被膜が融着し合うことにより相互に固定されている請求項1に記載の電機子。
【請求項4】
前記相巻線は、同相の前記部分巻線どうしが並列接続されることにより構成されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の電機子。
【請求項5】
前記複合撚り線において、M本の前記第2導線には、前記各第1導線の撚り合わせによる螺旋方向が異なるものが含まれている請求項1〜4のいずれか1項に記載の電機子。
【請求項6】
前記導線材は、前記複合撚り線を、さらにL本(L=2〜4)撚り合わせて構成されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の電機子。
【請求項7】
前記部分巻線は、周方向に所定間隔を離して設けられる一対の中間導線部(746)と、軸方向一端側及び他端側に設けられ前記一対の中間導線部を環状に接続する渡り部(747,748)とを有し、前記一対の中間導線部及び前記各渡り部にて前記導線材が多重に巻回されて構成され、軸方向両側の前記各渡り部の少なくともいずれかに、径方向に延び、周方向に隣り合う前記部分巻線どうしの干渉を回避する干渉回避部(Y1,Y2)が設けられており、
前記部分巻線における前記一対の中間導線部の間に、他相の前記部分巻線における前記一対の中間導線部のうち一方の中間導線部が配置されることで、各相の前記中間導線部が周方向に所定順序で並べられている請求項1〜6のいずれか1項に記載の電機子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
この明細書における開示は、回転電機の電機子に関する。
続きを表示(約 8,500 文字)【背景技術】
【0002】
従来、周方向に極性が交互となる複数の磁極を有する磁石部を含む界磁子と、多相の電機子巻線を有する電機子と、を備える回転電機が知られている。電機子巻線は相ごとに相巻線を有している。また、スロットレス構造の電機子として、複数の素線が撚られた撚り線を用い、その撚り線を巻回してなる電機子巻線を有する構成技術が知られている(例えば特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2009−171839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、電機子巻線での渦損低減には導体分割が有効であり、さらに導線材として撚り線を用いることにより、循環電流の低減を図ることが可能となる。しかしながら、上記特許文献1の技術を含め既存技術では、電機子巻線において、撚り線の中央に芯線ができることに起因して循環電流が生じることが考えられる。例えば特許文献1には、6本又は7本の素線(マグネットワイヤ)が螺旋状に撚られた構成が開示されている。この場合、複数本の素線のうち導線の横断面中央に位置する素線の周りを、他の素線が螺旋状に周回することとなり、中央の素線が芯線になることで循環電流の発生が懸念される。
【0005】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、渦電流と循環電とを効率的に低減可能とする電機子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】
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。
【0007】
手段1は、
相あたり複数の部分巻線からなる相巻線を有する多相の電機子巻線と、円筒状のバックヨークを含むベース部材と、を有し、前記バックヨークの径方向外側又は径方向内側に前記部分巻線が組み付けられているスロットレス構造の電機子であって、
前記部分巻線は、導線材が多重に巻回されて構成されており、
前記導線材は、N本(N=2〜4)の第1導線を撚り合わせてなる第2導線を、さらにM本(M=2〜4)撚り合わせてなる複合撚り線を含み、前記第1導線の本数であるNと前記第2導線の本数であるMとの積(M×N)が6以上であり、M×N本の前記第1導線が並列に接続されている。
【0008】
スロットレス構造の電機子では、電機子巻線において渦電流が生じることの懸念に加え、循環電流が生じることの懸念がある。つまり、電機子コアにおいて周方向に並ぶティース(導線間部材)が設けられていない構成では、回転電機の界磁子にて生じる磁石磁束が電機子巻線の導線部に直接鎖交し、渦損の増加に伴うモータ効率の低下や熱定格性能の低下が懸念される。また、電機子巻線において、導体を複数に分割し、導体の細分化により渦損低減を図ることが考えられるが、かかる構成では、分割導体が互いに並列接続されることに起因する循環電流の発生が懸念される。この循環電流も、電機子がスロットレス構造であることにより懸念が一層強くなると考えられる。
【0009】
この点、上記電機子では、N本(N=2〜4)の第1導線を撚り合わせてなる第2導線を、さらにM本(M=2〜4)撚り合わせた複合撚り線を含む導線材を用い、その導線材を多重に巻回してなる部分巻線により電機子巻線を構成するようにした。この場合、2〜4本の第1導線を撚り合わせてなる第2導線と、同じく2〜4本の第2導線を撚り合わせてなる複合撚り線はそれぞれ、その撚り線構造として、いずれかの第1導線又は第2導線が芯線になることはなく、循環電流低減の効果を高めることが可能となっている。つまり、5本以上の第1導線又は第2導線が撚り合わされる場合には、第2導線においてその中央にいずれかの第1導線からなる芯線ができるか、又は複合撚り線においてその中央にいずれかの第2導線からなる芯線ができることがあり、それに起因して循環電流低減の効果が低くなることが懸念される。これに対して、撚り合わせる第1導線及び第2導線の数をそれぞれ2〜4本に制限することで、導線中央に芯線ができにくく、循環電流低減の効果が高められる。そして、第1導線の本数であるNと第2導線の本数であるMとの積(M×N)を6以上とするとともに、M×N本の第1導線を並列接続することで、渦電流と循環電とを効率的に低減可能となっている。
【0010】
手段2では、手段1において、前記第1導線は、外表面に絶縁被膜を有していない導体、又は外表面に酸化被膜のみを有する導体であり、前記導線材の横断面において、前記各第2導線の間に空隙が設けられているとともに、前記導線材の最外周に絶縁被膜が設けられている。
【0011】
上記構成によれば、第1導線が絶縁被膜を有していないか、薄膜の酸化被膜のみを有するものであるため、導体分割化により導体占積率が低下するといった不都合を抑制できる。また、各第2導線の間に空隙が設けられていることで、第1導線間に適度な電気抵抗を付与することができ、一層の渦損低減を図ることができる。
【0012】
手段3では、手段1において、前記第1導線は、自己融着被膜を有し、前記各第1導線は撚り合わされた状態で互いの自己融着被膜が融着し合うことにより相互に固定されている。
【0013】
上記構成では、導線材において、第1導線どうしが相互に融着し合うことにより、第1導線の撚り状態がほどけることを抑制できる。また、電機子において電機子巻線の組み付けが容易となっている。
【0014】
手段4では、手段1〜3のいずれかにおいて、前記相巻線は、同相の前記部分巻線どうしが並列接続されることにより構成されている。
【0015】
上記構成によれば、複数の部分巻線を並列接続することにより、電機子巻線における相ごとの導体分割数を一層増やすことができ、渦電流低減の効果を一層高めることができる。
【0016】
手段5では、手段1〜4のいずれかにおいて、前記複合撚り線において、M本の前記第2導線には、前記各第1導線の撚り合わせによる螺旋方向が異なるものが含まれている。
【0017】
上記構成によれば、複合撚り線において、第1導線の螺旋の向きが互いに逆になる複数の第2導線が互いに近接した状態で撚り合わされるようになっている。この場合、第2導線どうしにおいて互いの接触面積(詳しくは第1導線どうしの接触面積)が小さくなり、これに伴う渦損低減を図ることができる。
【0018】
なお、第2導線において第1導線の螺旋方向が異なる構成としては、軸方向に対する螺旋の傾斜の向き(すなわち捻りの向き)が互いに逆になる構成(図109)や、軸方向に対する螺旋の傾斜の向きは同じだが傾斜角度が互いに異なる構成(図110)が考えられる。
【0019】
手段6では、手段1〜5のいずれかにおいて、前記導線材は、前記複合撚り線を、さらにL本(L=2〜4)撚り合わせて構成されている。
【0020】
上記構成では、導線材は、N本(N=2〜4)の第1導線が撚り合わされて第2導線とされるとともに、M本(M=2〜4)の第2導線が撚り合わされて複合撚り線とされ、さらにL本(L=2〜4)の複合撚り線が撚り合わせられるものとなっている。つまり、導線材は、3段の撚り線構造を有するものとなっている。これにより、渦電流低減の効果と循環電流低減の効果とを一層高めることができる。なお、導線材が4段以上の撚り線構造を有するものであってもよい。
【0021】
手段7では、手段1〜6のいずれかにおいて、前記部分巻線は、周方向に所定間隔を離して設けられる一対の中間導線部と、軸方向一端側及び他端側に設けられ前記一対の中間導線部を環状に接続する渡り部とを有し、前記一対の中間導線部及び前記各渡り部にて前記導線材が多重に巻回されて構成され、軸方向両側の前記各渡り部の少なくともいずれかに、径方向に延び、周方向に隣り合う前記部分巻線どうしの干渉を回避する干渉回避部が設けられており、前記部分巻線における前記一対の中間導線部の間に、他相の前記部分巻線における前記一対の中間導線部のうち一方の中間導線部が配置されることで、各相の前記中間導線部が周方向に所定順序で並べられている。
【0022】
上記構成によれば、各相の相巻線における複数の部分巻線において、一対の中間導線部が周方向に所定間隔(所定のコイルピッチ分)を離して設けられ、その一対の中間導線部が、軸方向両側の各渡り部により環状に接続されている。部分巻線では、一対の中間導線部及び各渡り部にて導線が多重に巻回されている。この場合、部分巻線において軸方向両側の各渡り部の少なくともいずれかに径方向に延びる干渉回避部が設けられていることにより、電機子巻線のコイルエンドで部分巻線どうしの干渉を回避しつつ、各相の中間導線部を周方向に所定順序で並べて配置することができる。また、スロットレス構造を有する電機子にあっても、電機子巻線の組み付けを好適に実施できるものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【0023】
回転電機の縦断面斜視図。
回転電機の縦断面図。
図2のIII−III線断面図。
図3の一部を拡大して示す断面図。
回転電機の分解図。
インバータユニットの分解図。
固定子巻線のアンペアターンとトルク密度との関係を示すトルク線図。
回転子及び固定子の横断面図。
図8の一部を拡大して示す図。
固定子の横断面図。
固定子の縦断面図。
固定子巻線の斜視図。
導線の構成を示す斜視図。
素線の構成を示す模式図。
n層目における各導線の形態を示す図。
n層目とn+1層目の各導線を示す側面図。
実施形態の磁石について電気角と磁束密度との関係を示す図。
比較例の磁石について電気角と磁束密度との関係を示す図。
回転電機の制御システムの電気回路図。
制御装置による電流フィードバック制御処理を示す機能ブロック図。
制御装置によるトルクフィードバック制御処理を示す機能ブロック図。
第2実施形態における回転子及び固定子の横断面図。
図22の一部を拡大して示す図。
磁石ユニットにおける磁束の流れを具体的に示す図。
変形例1における固定子の断面図。
変形例1における固定子の断面図。
変形例2における固定子の断面図。
変形例3における固定子の断面図。
変形例4における固定子の断面図。
変形例7における回転子及び固定子の横断面図。
変形例8において操作信号生成部の処理の一部を示す機能ブロック図。
キャリア周波数変更処理の手順を示すフローチャート。
変形例9において導線群を構成する各導線の接続形態を示す図。
変形例9において4対の導線が積層配置されている構成を示す図。
変形例10においてインナロータ型の回転子及び固定子の横断面図。
図35の一部を拡大して示す図。
インナロータ型の回転電機の縦断面図。
インナロータ型の回転電機の概略構成を示す縦断面図。
変形例11においてインナロータ構造の回転電機の構成を示す図。
変形例11においてインナロータ構造の回転電機の構成を示す図。
変形例12において回転電機子形の回転電機の構成を示す図。
変形例14における導線の構成を示す断面図。
リラクタンストルク、磁石トルク及びDMの関係を示す図。
ティースを示す図。
インホイールモータ構造の車輪及びその周辺構造を示す斜視図。
車輪及びその周辺構造の縦断面図。
車輪の分解斜視図。
回転電機を回転軸の突出側から見た側面図。
図48の49−49線断面図。
図49の50−50線断面図。
回転電機の分解断面図。
回転子の部分断面図。
固定子巻線及び固定子コアの斜視図。
固定子巻線を平面状に展開して示す正面図。
導線のスキューを示す図。
インバータユニットの分解断面図。
インバータユニットの分解断面図。
インバータハウジングでの各電気モジュールの配置の状態を示す図。
電力変換器の電気的構成を示す回路図。
スイッチモジュールの冷却構造例を示す図。
スイッチモジュールの冷却構造例を示す図。
スイッチモジュールの冷却構造例を示す図。
スイッチモジュールの冷却構造例を示す図。
スイッチモジュールの冷却構造例を示す図。
冷却水通路に対する各電気モジュールの配列順序を示す図。
図49の66−66線断面図。
図49の67−67線断面図。
バスバーモジュールを単体で示す斜視図。
各電気モジュールとバスバーモジュールとの電気的な接続状態を示す図。
各電気モジュールとバスバーモジュールとの電気的な接続状態を示す図。
各電気モジュールとバスバーモジュールとの電気的な接続状態を示す図。
インホイールモータにおける変形例1を説明するための構成図。
インホイールモータにおける変形例2を説明するための構成図。
インホイールモータにおける変形例3を説明するための構成図。
インホイールモータにおける変形例4を説明するための構成図。
変形例15における回転電機の全体を示す斜視図。
回転電機の縦断面図。
回転電機の分解断面図。
回転子の断面図。
磁石ユニットの断面構造を示す部分断面図。
磁石ユニットの一部を拡大して示す部分断面図。
固定子の構成を示す斜視図。
固定子巻線と固定子コアとを分解して示す斜視図。
各相の相巻線のうちU相巻線に相当する構成のみを示す斜視図。
固定子の縦断面図。
3相の各相巻線における部分巻線の接続状態を示す回路図。
コイルモジュールの構成を示す図。
コイルモジュールの構成を示す図。
コイルモジュールの構成を示す図。
コイルモジュールの構成を示す図。
固定子の縦断面を示す断面図。
固定子の横断面を示す断面図。
固定子コア及びエンドリングとコイルモジュールとを互いに分離して示す断面図。
インナユニットの縦断面図。
インナユニットの縦断面図。
バスバーモジュールの斜視図。
バスバーモジュールの縦断面の一部を示す断面図。
各バスバーに対する接続端子の接続位置を示す略図。
部分巻線における導線の巻回順序を示す図。
コイルモジュールの構成を示す図。
コイルモジュールの構成を示す図。
コイルモジュールの構成を示す図。
コイルモジュールの構成を示す図。
コイルモジュールの構成を示す図。
固定子の横断面を示す断面図。
導線材の構成を説明するための斜視図。
導線材の横断面図。
導線材の横断面図。
導線材の構成を説明するための斜視図。
導線材の構成を説明するための斜視図。
導線材の構成を説明するための斜視図。
【発明を実施するための形態】
【0024】
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび/または構造的に対応する部分および/または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および/又は関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。
【0025】
本実施形態における回転電機は、例えば車両動力源として用いられるものとなっている。ただし、回転電機は、産業用、車両用、家電用、OA機器用、遊技機用などとして広く用いられることが可能となっている。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
【0026】
(第1実施形態)
本実施形態に係る回転電機10は、同期式多相交流モータであり、アウタロータ構造(外転構造)のものとなっている。回転電機10の概要を図1乃至図5に示す。図1は、回転電機10の縦断面斜視図であり、図2は、回転電機10の回転軸11に沿う方向での縦断面図であり、図3は、回転軸11に直交する方向での回転電機10の横断面図(図2のIII−III線断面図)であり、図4は、図3の一部を拡大して示す断面図であり、図5は、回転電機10の分解図である。なお、図3では、図示の都合上、回転軸11を除き、切断面を示すハッチングを省略している。以下の記載では、回転軸11が延びる方向を軸方向とし、回転軸11の中心から放射状に延びる方向を径方向とし、回転軸11を中心として円周状に延びる方向を周方向としている。
【0027】
回転電機10は、大別して、軸受ユニット20と、ハウジング30と、回転子40と、固定子50と、インバータユニット60とを備えている。これら各部材は、いずれも回転軸11と共に同軸上に配置され、所定順序で軸方向に組み付けられることで回転電機10が構成されている。本実施形態の回転電機10は、「界磁子」としての回転子40と、「電機子」としての固定子50とを有する構成となっており、回転界磁形の回転電機として具体化されるものとなっている。
【0028】
軸受ユニット20は、軸方向に互いに離間して配置される2つの軸受21,22と、その軸受21,22を保持する保持部材23とを有している。軸受21,22は、例えばラジアル玉軸受であり、それぞれ外輪25と、内輪26と、それら外輪25及び内輪26の間に配置された複数の玉27とを有している。保持部材23は円筒状をなしており、その径方向内側に軸受21,22が組み付けられている。そして、軸受21,22の径方向内側に、回転軸11及び回転子40が回転自在に支持されている。軸受21,22により、回転軸11を回転可能に支持する一組の軸受が構成されている。
【0029】
各軸受21,22では、不図示のリテーナにより玉27が保持され、その状態で各玉同士のピッチが保たれている。軸受21,22は、リテーナの軸方向上下部に封止部材を有し、その内部に非導電性グリース(例えば非導電性のウレア系グリース)が充填されている。また、内輪26の位置がスペーサにより機械的に保持され、内側から上下方向に凸となる定圧予圧が施されている。
【0030】
ハウジング30は、円筒状をなす周壁31を有する。周壁31は、その軸方向に対向する第1端と第2端を有する。周壁31は、第1端に端面32と有するとともに、第2端に開口33を有する。開口33は、第2端の全体において開放されている。端面32には、その中央に円形の孔34が形成されており、その孔34に挿通させた状態で、ネジやリベット等の固定具により軸受ユニット20が固定されている。また、ハウジング30内、すなわち周壁31及び端面32により区画された内部スペースには、中空円筒状の回転子40と中空円筒状の固定子50とが収容されている。本実施形態では回転電機10がアウタロータ式であり、ハウジング30内には、筒状をなす回転子40の径方向内側に固定子50が配置されている。回転子40は、軸方向において端面32の側で回転軸11に片持ち支持されている。
(【0031】以降は省略されています)

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