特許 7599357 ステータ及び回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-05

(45)【発行日】2024-12-13

(54)【発明の名称】ステータ及び回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 3/493 20060101AFI20241206BHJP

【ＦＩ】

H02K3/493

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021042194

(22)【出願日】2021-03-16

(65)【公開番号】P2022142154

(43)【公開日】2022-09-30

【審査請求日】2023-11-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100154852

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100194087

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 伸一

(72)【発明者】

【氏名】角田 陽平

(72)【発明者】

【氏名】井上 雅志

【審査官】稲葉 礼子

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５９－１２６５５６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０２０－０９６４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０８０１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５８３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５８－１０５７５７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０２２－０６８０５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ３／４９３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スロットを形成する複数の歯部を有するステータコアと、
前記スロットに配された巻線と、
前記巻線とロータとの間に設けられた磁性楔と、を備えたステータにおいて、
前記磁性楔は、前記ロータに対向する対向面と、前記対向面に続いて前記ロータから離れる方向に延びる側面と、を有する凸部を備え、
前記側面と前記歯部とは離間し、
前記ロータの回転軸に垂直な断面において、前記対向面の幅は前記巻線の最内面の幅以下である
ことを特徴とするステータ。

【請求項2】

前記対向面の幅は前記巻線の最内面の幅の５０％以上である
ことを特徴とする請求項１に記載のステータ。

【請求項3】

前記対向面は、前記ステータの内面の延長面に沿って位置する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステータ。

【請求項4】

前記磁性楔は、３０％以上８０％以下の磁粉含有率を有する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のステータ。

【請求項5】

前記磁性楔は、前記磁性楔の外面を覆い、絶縁性を有する発泡材を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のステータ。

【請求項6】

前記歯部は、前記ロータの回転軸に沿う溝を有し、
前記磁性楔は、前記発泡材を外面に有する鍔部を備え、
前記鍔部は、前記溝に嵌っている
ことを特徴とする請求項５に記載のステータ。

【請求項7】

前記磁性楔と前記巻線とは、空隙を介して離間している
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のステータ。

【請求項8】

前記磁性楔は、外面に、前記ロータに向かう方向に凹む凹部を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のステータ。

【請求項9】

請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の前記ステータを備えた回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ステータ及び回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ステータにおいて、ティース間に挟まれたコイルのロータ側に磁性楔を備えた回転電機があった（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－２８１７０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１に記載の回転電機は、磁性楔の影響により、ステータの鉄損を悪化させたり、ステータの磁束を変動させたりすることがあった。

【0005】

本発明は、ステータの鉄損及びトルクリプルを抑制できるステータ及び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】

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
（１）本発明に係るステータ（例えば、実施形態のステータ１０）は、スロット（例えば、実施形態のスロット１１Ｓ）を形成する複数の歯部（例えば、実施形態の歯部１１０）を有するステータコア（例えば、実施形態のステータコア１１）と、前記スロットに配された巻線（例えば、実施形態の巻線１２）と、前記巻線とロータ（例えば、実施形態のロータ２０）との間に設けられた磁性楔（例えば、実施形態の磁性楔１３）と、を備えたステータにおいて、前記磁性楔は、前記ロータに対向する対向面（例えば、実施形態の対向面１３Ａ）と、前記対向面に続いて前記ロータから離れる方向に延びる側面（例えば、実施形態の側面１３Ｂ）と、を有する凸部（例えば、実施形態の凸部１３１）を備え、前記側面と前記歯部とは離間している。

【0007】

この構成によれば、前記側面と前記歯部とは離間させた。よって、ステータの内面近傍における磁束密度の周方向での分布の変化をなだらかにできる。これにより、ステータの鉄損及びトルクリプルを抑制できる。

【0008】

（２）前記ロータの回転軸（例えば、実施形態の回転軸Ｐ）に垂直な断面において、前記対向面の幅（例えば、実施形態の幅Ｘ）は前記巻線の最内面（例えば、実施形態の最内面１２Ａ）の幅（例えば、実施形態の幅Ｙ）以下であってよい。

【0009】

この構成によれば、前記対向面の幅は前記巻線の最内面の幅以下とした。よって、回転電機の主たる性能であるトルクに大きな影響を及ぼすことなく、鉄損を低減し、トルクリプルを低減できる。

【0010】

（３）前記対向面の幅は前記巻線の最内面の幅の５０％以上であってよい。

【0011】

この構成によれば、前記対向面の幅は前記巻線の最内面の幅の５０％以上とした。よって、回転電機の主たる性能であるトルクに大きな影響を及ぼすことなく、顕著に、鉄損を低減し、トルクリプルを低減できる。

【0012】

（４）前記対向面は、前記ステータの内面の延長面（例えば、実施形態の延長面Ｍ）に沿って位置してよい。

【0013】

この構成によれば、前記対向面は、前記ステータの内面の延長面に沿って位置させた。これにより、磁性楔の対向面を、ステータの内面の延長面に沿うように精度良く配置させることができる。よって、ステータの内面近傍における周方向での磁束密度の変化を抑制できる。

【0014】

（５）前記磁性楔は、３０％以上８０％以下の磁粉含有率を有してよい。

【0015】

この構成によれば、前記磁性楔は、３０％以上８０％以下の磁粉含有率を有した。これにより、顕著に、トルクを維持しつつ、鉄損を低減でき、トルクリプルを低減できる。

【0016】

（６）前記磁性楔は、前記磁性楔の外面（例えば、実施形態の外面１３Ｄ）を覆い、絶縁性を有する発泡材（例えば、実施形態の発泡材１３３）を備えてよい。

【0017】

この構成によれば、前記磁性楔は、前記磁性楔の外面を覆い、絶縁性を有する発泡材を備えた。これにより、磁性楔と巻線との間の絶縁性を高めることができる。

【0018】

（７）前記歯部は、前記ロータの回転軸に沿う溝（例えば、実施形態の溝１１２）を有し、前記磁性楔は、前記発泡材を外面に有する鍔部（例えば、実施形態の鍔部１３２）を備え、前記鍔部は、前記溝に嵌っていてよい。

【0019】

この構成によれば、前記歯部は、前記ロータの回転軸に沿う溝を有した。これにより、歯部に対して磁性楔を確実に位置決めでき、固定できる。また、前記磁性楔は、前記発泡材を外面に有する鍔部（例えば、実施形態の鍔部１３２）を備え、前記鍔部は、前記溝に嵌っていることとした。これにより、発泡材の圧力を利用して、歯部の溝に対して磁性楔の鍔部を確実に嵌めることができる。

【0020】

（８）前記磁性楔と前記巻線とは、空隙を介して離間していてよい。

【0021】

この構成によれば、前記磁性楔と前記巻線とは、空隙を介して離間させた。これにより、磁性楔と巻線との間の絶縁性を高めることができる。

【0022】

（９）前記磁性楔は、外面に、前記ロータに向かう方向に凹む凹部（例えば、実施形態の凹部１３４）を備えてよい。

【0023】

この構成によれば、前記磁性楔は、外面に、前記ロータに向かう方向に凹む凹部を備えた。これにより、磁束のループが短絡することによるトルクの減少を抑制できる。

【0024】

（１０）本発明に係る回転電機（例えば、実施形態の回転電機１）は、前記ステータを備えてよい。

【0025】

この構成によれば、回転電機は、前記ステータを備えた。これにより、ステータの鉄損及びトルクリプルを抑制できる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、ステータの鉄損及びトルクリプルを抑制できるステータ及び回転電機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本実施形態に係る回転電機の断面図である。

【図2】図１のＡ部詳細図である。

【図3】磁性楔の凸部における対向面の幅と、巻線の最内面の幅との関係の異なるケース（１）からケース（４）までと、鉄損、トルク及びトルクリプルとの関係を表す図である。

【図4】ケース（１）、ケース（３）及びケース（４）についての鉄損分布と磁束密度分布を表す比較図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係るステータ１０及びそのステータ１０を備えた回転電機１を説明する。なお、ロータ２０の回転軸Ｐに直交する方向を半径方向といい、ロータ２０の回転軸Ｐを中心として円を描く方向を周方向という場合がある。なお、回転軸Ｐから離れる方向を外方といい、回転軸Ｐに向かう方向を内方という場合がある。なお、外方の面を外面といい、内方の面を内面という場合がある。

【0029】

＜回転電機＞
図１は、本実施形態に係る回転電機１の断面図である。図２は、図１のＡ部詳細図である。なお、回転電機１の断面は、概ね、ロータの極数に応じた回転対称であるので、図１では、一部のみを図示し、他の部分の図示を省略する。
図１又は図２に示すように、回転電機１は、回転軸Ｐを中心として回転するロータ２０と、回転軸Ｐを中心として環状にロータ２０を覆うステータ１０と、を備えている。回転電機１は、例えば、同期電動機である。回転電機１は、例えば、８極のロータ２０と、巻線１２を収めた４８箇所のスロット１１Ｓを有するステータ１０とを備えている。

【0030】

＜ロータ＞
ロータ２０は、回転軸Ｐを中心として回転する円柱状の構造体である。ロータ２０は、極が異なる磁石を周方向に交互に配置したものである。ロータ２０は、例えば、永久磁石を備えている。ロータ２０の極数は、例えば、８極である。

【0031】

＜ステータ＞
ステータ１０は、スロット１１Ｓを形成する複数の歯部１１０を有するステータコア１１と、スロット１１Ｓに配された巻線１２と、巻線１２とロータ２０との間に設けられた磁性楔１３と、を備えている。
磁性楔１３は、ロータ２０に対向する対向面１３Ａと、対向面１３Ａに続いてロータ２０から離れる方向に延びる側面１３Ｂと、を有する凸部１３１を備えている。
ここで、側面１３Ｂと歯部１１０とは離間している。このように、磁性楔１３の凸部１３１の側面１３Ｂと歯部１１０とは離間しているので、歯部１１０の内面近傍に磁束が集中しないようにできる。したがって、歯部１１０の内面近傍から磁性楔１３の内面近傍までの間に生じる磁束密度の変化をなだらかにでき、ステータ１０の内面近傍における磁束密度を、周方向で均一にできる。よって、ステータ１０の鉄損及び磁束変動によるトルクリプルを抑制できる。

【0032】

＜ステータコア＞
ステータコア１１は、例えば、電磁鋼板を積層して形成されている。ステータコア１１は、ロータ２０を収容する空洞を中央に有する円筒状である。ステータコア１１は、外周部からロータ２０の回転軸Ｐに向けて延びる歯部１１０を複数有している。ロータ２０の回転軸Ｐに垂直な断面において、歯部１１０の断面は回転軸Ｐに沿って一様である。
ステータコア１１は、歯部１１０とスロット１１Ｓとを、ステータ１０の周方向に沿って交互に設けている。ステータコア１１は、例えば、４８箇所の歯部１１０と、４８箇所のスロット１１Ｓを有している。

【0033】

歯部１１０は、ロータ２０の回転軸Ｐに沿う溝１１２を有していてよい。溝１１２は、スロット１１Ｓに開口するよう設けられている。溝１１２には、磁性楔１３の両端部が嵌められて固定されている。磁性楔１３が、後述の発泡材１３３を外面１３Ｄに有する鍔部１３２を備えている場合、その鍔部１３２は、溝１１２に嵌っている。すなわち、溝１１２には、発泡材１３３を外面１３Ｄに有する鍔部１３２が嵌っていてもよい。発泡材１３３を磁性楔１３の少なくとも鍔部１３２の外面１３Ｄに塗布した状態で、鍔部１３２を歯部１１０の溝１１２に挿入し、発泡材１３３を加熱すると、発泡材１３３が発泡して膨張し、鍔部１３２を内方に押し付ける力が発生する。そして、磁性楔１３は、半径方向の位置を決められた状態で溝１１２に嵌って確実に固定される。

【0034】

＜巻線＞
巻線１２は、スロット１１Ｓを通るように配置されている。巻線１２は、例えば、銅製の平角線である。巻線１２が平角線である場合、巻線１２は、平角線の断面における短辺を回転軸Ｐから離れる半径方向に沿わせて、長辺を周方向に沿わせた状態で、スロット１１Ｓの中に、半径方向に重ねて束ねられている。
なお、巻線１２と歯部１１０の壁面１１１との間には、絶縁シートが介在しており、ワニス等の絶縁材が充填されている。

【0035】

＜磁性楔＞
磁性楔１３は、スロット１１Ｓから巻線１２が脱落することを防ぐため、また、ステータ１０の内面近傍における磁束密度の周方向での分布を調節するため、巻線１２とロータ２０との間に設けられている。磁性楔１３は、回転軸Ｐに沿って延びる棒状体である。磁性楔１３は、スロット１１Ｓの内方を塞ぐように、隣り合う歯部１１０同士に架け渡されている。
磁性楔１３は、例えば、鉄粉のような磁性粉を含有する磁性材料によって形成されている。磁性楔１３は、例えば、磁性粉を含有する樹脂を射出成型することにより製造してよい。磁性楔１３は、例えば、アモルファス金属であってよい。

【0036】

磁性楔１３は、３０％以上８０％以下の磁粉含有率を有することが好ましい。なお、磁粉含有率は、発泡材１３３を除く、磁性楔１３を構成する成分全体の体積に対する磁性粉の体積の割合である。これにより、顕著に、トルクを維持しつつ、鉄損を低減でき、トルクリプルを低減できる。

【0037】

磁性楔１３は、図２に示すように、断面がハット形状になっている。詳細には、磁性楔１３は、ロータ２０に対向する対向面１３Ａと、対向面１３Ａに続いてロータ２０から離れる方向に延びる側面１３Ｂと、を有する凸部１３１を備えている。磁性楔１３は、凸部１３１を備えているので、歯部１１０との間に空隙を形成することができる。このため、歯部１１０の内面１１３近傍から磁性楔１３の対向面１３Ａ近傍への磁束の伝達を抑制できる。よって、ステータ１０の内面近傍における周方向での磁束密度の分布を均すことができる。

【0038】

対向面１３Ａは、ステータ１０の内面１１３の延長面Ｍに沿って位置している。これにより、磁性楔１３は、鍔部１３２の内面が歯部１１０の溝１１２の内面に接した状態で歯部１１０に固定しているので、対向面１３Ａを、ステータ１０の内面１１３の延長面Ｍに沿うように精度良く配置させることができる。よって、ステータ１０の内面近傍における周方向での磁束密度の変化を抑制できる。

【0039】

磁性楔１３は、歯部１１０の壁面１１１に嵌る鍔部１３２を備えている。磁性楔１３は、歯部１１０の壁面１１１に設けられた溝１１２に嵌っていてもよい。

【0040】

磁性楔１３は、外面１３Ｄに、ロータ２０に向かう方向に凹む凹部１３４を備えている。これにより、凹部１３４に空隙を形成できる。そして、磁性楔１３と歯部１１０とが接する部分(例えば、鍔部１３２と溝１１２とが接する部分)とその空隙との半径方向での位置をずらすことができる。そのため、磁束を、隣り合う歯部１１０の一方から、磁性楔１３を介して、隣り合う歯部１１０の他方へ伝達し難くできる。よって、磁束のループが短絡することによるトルクの減少を抑制できる。

【0041】

磁性楔１３は、磁性楔１３の外面１３Ｄを覆い、絶縁性を有する発泡材１３３を備えていてよい。発泡材１３３は、加熱すると発泡して膨張するものであってよく、時間の経過に伴い、発泡して膨張するものであってもよい。発泡材１３３は、液体の塗料であってよく、磁性楔１３の外面１３Ｄに貼付できるシート状のものであってもよい。これにより、磁性楔１３と巻線１２との間の絶縁性を高めることができる。また、磁性楔１３の鍔部１３２の外面１３Ｄに発泡材１３３を備えた状態で歯部１１０の溝１１２に挿入しておくと、発泡材１３３の膨張により、磁性楔１３を溝１１２に対して確実に嵌めた状態で固定できる。

【0042】

磁性楔１３と巻線１２とは、空隙を介して離間していることが好ましい。これにより、磁性楔１３と巻線１２との間の絶縁性を高めることができる。

【0043】

磁性楔１３の鍔部１３２と溝１１２との間には、周方向に隙間ｅを有していてよい。また、この隙間ｅには、発泡材１３３が充填されていてもよい。これにより、絶縁性を高めるとともに、磁束が歯部１１０から磁性楔１３に短絡する面積を低減できる。よって、ステータ１０の内面１１３近傍における磁束密度の周方向での分布を適切に均すことができる。

【0044】

（磁性楔の凸部と巻線の幅との関係）
次に、磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘと巻線１２の幅Ｙとの関係について説明する。
図３は、磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘと、巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙとの関係の異なるケース（１）からケース（４）までと、鉄損、トルク及びトルクリプルとの関係を表す図である。
図３に示すように、共通のロータ２０を用いて、ステータ１０の構造を変えたケース（１）からケース（４）までについて、鉄損、トルク及びトルクリプルを測るための数値解析及び実験を行った。なお、各ケースにおいて、磁性楔１３の磁粉含有率を可変させた。
ケース（１）は、磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘを巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙの５０％未満としたケースである。
ケース（２）は、磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘを巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙの５０％以上９０％未満としたケースである。
ケース（３）は、磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘを巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙの９０％以上１００％以下としたケースである。
ケース（４）は、磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘを巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙの１００％超としたケースである。
数値解析及び実験の結果、図３に示すように、磁性楔１３の磁粉含有率が３０％から８０％までの範囲で、好ましくは４０％から７０％の範囲で、更に好ましくは４５％から６５％の範囲で、顕著に、トルクを維持しつつ、鉄損を低減でき、トルクリプルを低減できることが確認された。

【0045】

また、ステータコア１１及びロータ２０の断面における鉄損及び磁束密度のそれぞれの分布について、数値解析結果を比較した。
図４は、ケース（１）、ケース（３）及びケース（４）についての鉄損分布と磁束密度分布を表す比較図である。
図４に示すように、ケース（３）は、ケース（１）に比べて、ロータ２０の鉄損、特に、ロータ２０の外面近傍における鉄損を低減できることが確認できた。また、ケース（３）は、ケース（４）に比べて、ステータコア１１の鉄損、特に、ステータコア１１の歯部１１０の内面近傍における鉄損を低減できることが確認できた。
また、ケース（３）は、ケース（１）に比べて、ロータ２０の磁束変動を低減できることが確認できた。また、ケース（３）は、ケース（４）に比べて、ステータコア１１の特に歯部１１０と磁性楔１３との接続部分の磁束の集中を緩和し、磁束変動を低減できることが確認できた。

【0046】

ロータ２０の回転軸Ｐに垂直な断面において、すなわち、図１から図４に示すように、磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘは、巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙ以下であることが好ましい（ケース（１）、ケース（２）及びケース（３））。なお、最内面１２Ａは、巻線１２のうち最も回転軸Ｐに近く、最もロータ２０に近い内面を意味し、スロット１１Ｓ内に複数の巻線１２が重なって束ねられている場合、最も内方にある巻線１２の内面を意味する。なお、最内面１２Ａの幅Ｙは、最も内方にある巻線１２の周方向における最大寸法を意味し、巻線１２が図に示すような平角線である場合、その平角線の断面における周方向に沿う辺（長辺）の寸法を意味する。磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘと、巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙとの関係をこのようにすることで、図３に示すように、回転電機１の主たる性能であるトルクに大きな影響を及ぼすことなく、鉄損を低減し、トルクリプルを低減できる。

【0047】

また、ロータ２０の回転軸Ｐに垂直な断面において、すなわち、図１から図４に示すように、磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘは、巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙの５０％以上であることがより好ましい（ケース（２）及びケース（３））。磁性楔１３の凸部１３１における対向面１３Ａの幅Ｘと、巻線１２の最内面１２Ａの幅Ｙとの関係をこのようにすることで、図３に示すように、回転電機１の主たる性能であるトルクに大きな影響を及ぼすことなく、鉄損を大きく低減し、トルクリプルを低減できる。

【0048】

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

【0049】

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0050】

１ 回転電機
１０ ステータ
１１ ステータコア
１１Ｓ スロット
１２ 巻線
１２Ａ 最内面
１３ 磁性楔
１３Ａ 対向面
１３Ｂ 側面
１３Ｄ 外面
２０ ロータ
１１０ 歯部
１１１ 壁面
１１２ 溝
１１３ 内面
１３１ 凸部
１３２ 鍔部
１３３ 発泡材
１３４ 凹部
Ｍ 延長面
Ｐ 回転軸
Ｘ （対向面の）幅
Ｙ （最内面の）幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】