JP2004336966A

JP2004336966A - 回転電機

Info

Publication number: JP2004336966A
Application number: JP2003133182A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Yonetani; 晴之米谷; Yoshito Asao; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25
Also published as: FR2854990B1; US20040251766A1; US7067949B2; DE102004023253A1; FR2854990A1

Abstract

【課題】この発明は、回転子表面での渦電流損失を低減し、かつ、永久磁石による誘起電圧の高調波成分を低減できる回転電機を得る。
【解決手段】三相固定子巻線１６を構成するＸ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹｙおよびＺ相巻線_Ｚは、それぞれ電気角で３６°の位相差を有する巻線３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆを千鳥結線して構成されている。そして、回転子はクローポール型であり、永久磁石が爪状磁極間に介装されている。
【選択図】図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、毎極毎相当たり２の割合で形成されたスロットを有する固定子と界磁巻線および永久磁石による磁束を発生する回転子とを備えた回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用交流発電機は、固定子巻線が固定子鉄心に装着されてなる固定子と界磁巻線および永久磁石による磁束を発生する回転子とを備えている。この固定子鉄心には、スロットが毎極毎相当たり２の割合で等角ピッチに形成されている。そして、固定子鉄心に巻装された巻線を三相千鳥結線して固定子巻線を構成している。また、界磁磁極に塊状（以下、ソリッドという）の鉄心を用い、中心軸に界磁巻線を施してクローポール型の回転子を構成している。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１５４２６６号公報（図２２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の車両用交流発電機においては、固定子巻線電流により発生する固定子起磁力高調波および空隙中の固定子スロットによるパーミアンス高調波（以下、スロット高調波という）により、高調波による渦電流損失が回転子表面に発生し、効率の悪化、さらには回転子や軸受の温度上昇などの性能不良が発生する。また、回転子がソリッドであることから、回転子表面での渦電流損失が大きくなる。そして、この回転子表面での渦電流損失による発熱が爪状磁極間に配設されている永久磁石の熱減磁を発生させてしまうという不具合があった。
また、回転子に永久磁石を備えているので、界磁無励磁状態においても、回転子の回転にともない固定子巻線に誘起電圧が発生する。そして、高速回転域において、この誘起電圧が電源電圧や素子破壊電圧を超えてしまうという不具合があった。
さらに、従来の車両用交流発電機をインバータ制御して電動機として使用する場合、インバータを構成する半導体素子の破壊電圧を基準として電圧制限を設ける必要がある。そして、永久磁石を回転子に備えている場合、回転数に応じて固定子巻線に発生する誘起電圧が電圧制限を超えないように管理しなければならない。この誘起電圧が一瞬でも電圧制限を超えても、素子に対して重大な影響を及ぼすことから、永久磁石から発生する誘起電圧の高調波による瞬時過電圧も問題視される。従って、永久磁石の高調波成分が小さくなるように構成されることが望ましい。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、回転子表面での渦電流損失を低減し、かつ、永久磁石による誘起電圧の高調波成分を低減できる回転電機を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明では、スロットが毎極毎相当たり２で設けられた環状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に装着された三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられ、界磁巻線および永久磁石による磁束を発生する回転子とを備えた回転電機において、上記三相固定子巻線は、それぞれ６スロット毎の上記スロットで構成されるスロット群のそれぞれに巻装された複数の巻線を備え、上記三相固定子巻線を構成するＸ相巻線、Ｙ相巻線およびＺ相巻線は、それぞれ隣接する上記スロット群に巻装された上記巻線を直列に接続して構成され、上記スロットは、スロット開口部の中心線間の間隔が電気角でα°と（６０−α）°とを交互にとる不等ピッチ（α≠３０°）に形成されているものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機を示す縦断面図である。
図１において、回転電機１００は、アルミニウム製のフロントブラケット１およびリヤブラケット２から構成されたケース３と、このケース３内に設けられ、一端部にプーリ４が固定されたシャフト６と、このシャフト６に固定されたクローポール型の回転子７と、この回転子７の軸方向両端部に固定されたファン５と、回転子７を包囲するようにケース３に固定された固定子８と、シャフト６の他端部に固定されて回転子７に電流を供給する一対のスリップリング９と、各スリップリング９の表面に摺動する一対のブラシ１０と、このブラシ１０を収容するブラシホルダ１１と、固定子８に電気的に接続され、固定子８で生じた交流を直流に整流する整流器１２と、ブラシホルダ１１に嵌着されたヒートシンク１７に取り付けられて、固定子８で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ１８とを備えている。
【０００８】
そして、回転子７は、電流を流して磁束を発生する界磁巻線１３と、この界磁巻線１３を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成される一対のポールコア２０、２１とを備えている。一対のポールコア２０、２１は、鉄製で、それぞれ最外径面形状を略台形形状とする８個の爪状磁極２２、２３が外周縁部に周方向に等角ピッチで突設されてなり、これらの爪状磁極２２、２３を噛み合わせるように対向させてシャフト６に固着されている。
また、固定子８は、爪状磁極２２、２３の外周面と固定子鉄心１５の内周面との間に均一なエアギャップを形成するようにフロントブラケット１とリヤブラケット２とに挟持されている。
【０００９】
ついで、固定子８の具体的な構成について、図２乃至図８を参照しつつ説明する。ここで、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される固定子を示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される固定子における固定子巻線の１相巻線を模式的に示すリヤ側端面図、図４はこの発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される固定子の固定子巻線を構成する巻線アッセンブリを説明する図、図５は図４に示される巻線アッセンブリを構成する連続導体線を示す斜視図、図６は図４に示される巻線アッセンブリを構成する連続導体線の対を示す斜視図、図７はこの発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される固定子鉄心の要部を示す端面図、図８はこの発明の実施の形態１に係る回転電機における電気回路を示す回路図である。なお、図３において、実線はリヤ側の配線を示し、点線はフロント側の配線を示し、黒丸は接合部を示している。
【００１０】
固定子８は、磁性鋼板の積層体からなる円筒状の固定子鉄心１５と、固定子鉄心１５に巻装された三相固定子巻線１６とから構成されている。
固定子鉄心１５には、内周側に開口するスロット１５ａが周方向に９６個形成されている。そして、スロット１５ａは、図７に示されるように、ティース１５ｃの周方向幅を変えて、スロット開口部１５ｂの中心線の間隔が電気角でα°と（６０−α）°とを交互に採る不等ピッチに形成されている。ここでは、α°＝３６°としている。つまり、スロット１５ａは毎極毎相当たり２個の割合で、電気角で３６°と２４°とを交互に採る不等ピッチで形成されている。なお、中心線は、固定子鉄心１５の軸心と直交する平面で、スロット開口部１５ｂの周方向中央と固定子鉄心１５の軸心とを結ぶ直線である。
【００１１】
つぎに、三相固定子巻線１６の構造について説明する。
まず、三相固定子巻線１６を構成する１相分の巻線構造について図３を参照しつつ説明する。ここで、説明の便宜上、導体線４０のスロット１５ａ内の収納位置を内周側から１番地、２番地・・・６番地とする。
ａ相巻線３０ａは、それぞれ絶縁被覆された矩形断面の連続銅線からなる１本の導体線４０からなる第１乃至第６巻線４１〜４から構成されている。そして、第１巻線４１は、１本の導体線４０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、１番地と２番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第２巻線４２は、１本の導体線４０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、２番地と１番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第３巻線４３は、１本の導体線４０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、３番地と４番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第４巻線４４は、１本の導体線４０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、４番地と３番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第５巻線４５は、１本の導体線４０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、５番地と６番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第６巻線４６は、１本の導体線４０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、６番地と５番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。そして、各スロット１５ａ内には、導体線４０が矩形断面の長手方向を径方向に揃えて径方向に１列に６本並んで配列されている。
【００１２】
なお、第１乃至第６巻線４１〜４６はそれぞれ導体線４０の両端をＴＩＧ（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接により接合して１ターンの波巻き巻線となっている。また、第２巻線４２、第４巻線４４および第６巻線４６は、第１巻線４１、第３巻線４３および第５巻線４５に対してそれぞれ電気角で１８０°ずらして反転巻装されている。
【００１３】
そして、固定子鉄心１５のリヤ側において、９１番と１番とのスロット１５ａから延出する第１、第３および第５巻線４１、４３、４５の導体線４０の部位を切断し、１番と７番とのスロット１５ａから延出する第２、第４および第６巻線４２、４４、４６の導体線４０の部位を切断する。ついで、９１番のスロット１５ａの４番地から延出する第３巻線４３の切断端と、１番のスロット１５ａの１番地から延出する第１巻線４１の切断端とをＴＩＧ溶接により接合する。また、９１番のスロット１５ａの６番地から延出する第５巻線４５の切断端と、１番のスロット１５ａの３番地から延出する第３巻線４３の切断端とをＴＩＧ溶接により接合する。また、１番のスロット１５ａの４番地から延出する第４巻線４４の切断端と、７番のスロット１５ａの１番地から延出する第２巻線４２の切断端とをＴＩＧ溶接により接合する。また、１番のスロット１５ａの６番地から延出する第６巻線４６の切断端と、７番のスロット１５ａの３番地から延出する第４巻線４４の切断端とをＴＩＧ溶接により接合する。さらに、９１番のスロット１５ａの２番地から延出する第１巻線４１の切断端と、１番のスロット１５ａの２番地から延出する第２巻線４２の切断端とをＴＩＧ溶接により接合する。これにより、第１乃至第６巻線４１〜４６が直列に接続された６ターンの波巻き巻線（ａ相巻線３０ａ）が形成される。そして、１番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、７番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、このａ相巻線３０ａの両端部となる。
【００１４】
図示していないが、同様にして、導体線４０が巻装されるスロット１５ａを１スロットずつずらしてｄ相巻線３０ｄ、ｃ相巻線３０ｃ、ｆ相巻線３０ｆ、ｂ相巻線３０ｂおよびｅ相巻線３０ｅが形成される。そして、ａ相巻線３０ａが１番、７番・・・９１番のスロット群に巻装され、ｄ相巻線３０ｄが２番、８番・・・９２番のスロット群に巻装され、ｃ相巻線３０ｃが３番、９番・・・９３番のスロット群に巻装され、ｆ相巻線３０ｆが４番、１０番・・・９４番のスロット群に巻装され、ｂ相巻線３０ｂが５番、１１番・・・９５番のスロット群に巻装され、ｅ相巻線３０ｅが６番、１２番・・・９６番のスロット群に巻装されている。また、ｄ相巻線３０ｄ、ｅ相巻線３０ｅおよびｆ相巻線３０ｆは、ａ相巻線３０ａ、ｂ相巻線３０ｂおよびｃ相巻線３０ｃに対してそれぞれ電気角で３６°の位相差を有している。
【００１５】
ここで、２番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、８番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、ｄ相巻線３０ｄの両端部となる。１１番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、１７番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、ｂ相巻線３０ｂの両端部となる。１２番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、１８番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、ｅ相巻線３０ｅの両端部となる。２１番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、２７番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、ｃ相巻線３０ｃの両端部となる。２２番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、２８番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、ｆ相巻線３０ｆの両端部となる。
【００１６】
ついで、図２に示されるように、２番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、７番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、リヤ側コイルエンド部１６ｒの上部を引き回され、端部同士を突き合わされ、ＴＩＧ溶接により接合されて、接合部３１_ａ−ｄを構成している。これにより、ａ相巻線とｄ相巻線とを直列に接続したＸ相巻線１６_Ｘが形成される。つまり、第１および第２固定子巻線としてのａ相巻線３０ａとｄ相巻線３０ｄとが、電気角で３６°の千鳥接続されている。
【００１７】
また、１２番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、１７番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、リヤ側コイルエンド部１６ｒの上部を引き回され、端部同士を突き合わされ、ＴＩＧ溶接により接合されて、接合部３１_ｂ−ｅを構成している。これにより、ｂ相巻線３０ｂとｅ相巻線３０ｅとを直列に接続したＹ相巻線１６_Ｙが形成される。つまり、第１および第２固定子巻線としてのｂ相巻線３０ｂとｅ相巻線３０ｅとが、電気角で３６°の千鳥接続されている。
【００１８】
また、２２番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端と、２７番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、リヤ側コイルエンド部１６ｒの上部を引き回され、端部同士を突き合わされ、ＴＩＧ溶接により接合されて、接合部３１_ｃ−ｆを構成している。これにより、ｃ相巻線３０ｃとｆ相巻線３０ｆとを直列に接続したＺ相巻線１６_Ｚが形成される。つまり、第１および第２固定子巻線としてのｃ相巻線３０ｃとｆ相巻線３０ｆとが、電気角で３６°の千鳥接続されている。
【００１９】
そして、８番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端と、１８番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端と、２８番のスロット１５ａの５番地から延出する第６巻線４６の切断端とが、リヤ側コイルエンド部１６ｒの上部を引き回され、端部同士を突き合わされ、ＴＩＧ溶接により接合されて、中性点Ｎを構成している。これにより、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_ＺをＹ結線してなる三相交流巻線からなる三相固定子巻線１６が得られる。
そして、１番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端がＸ相巻線１６_Ｘの口出し線Ｏ_Ｘとなる。また、１１番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端がＹ相巻線１６_Ｙの口出し線Ｏ_Ｙとなる。また、２１番のスロット１５ａの５番地から延出する第５巻線４５の切断端がＺ相巻線１６_Ｚの口出し線Ｏ_Ｚとなる。
このように作製された固定子８は、回転電機１００に搭載され、口出し線Ｏ_Ｘ、Ｏ_Ｙ、Ｏ_Ｚが整流器１２に接続されて、図８に示す電気回路を構成する。
【００２０】
ここで、三相固定子巻線１６は図４に示される巻線アッセンブリ５０を用いて構成することができる。
この巻線アッセンブリ５０は、１スロットピッチで平行に配列された１２本の導体線４０を、同時に同一平面上で雷状に折り畳んで作製される。
雷状に折り畳まれた各導体線４０は、図５に示されるように、ターン部４０ｂで連結された直線状のスロット収容部４０ａが６スロットピッチ（６Ｐ）で配列された平面上パターンに折り曲げ成形されている。そして、隣り合うスロット収容部４０ａが、ターン部４０ｂにより、導体線４０の幅（ｗ）分ずらされている。
巻線アッセンブリ５０は、このように折り曲げ成形された２本の導体線４０を図６に示されるように６スロットピッチずらしてスロット収容部４０ａを重ねられて配列された導体線４０の対が、１スロットピッチずつずらして６対配列されて構成されている。
【００２１】
このように構成された巻線アッセンブリ５０が３層に重ねられて固定子鉄心１５に装着される。各導体線４０は６スロット数毎にスロット１５ａ内でスロット深さ方向に内層と外層とを交互に採るように巻装され、図３における第１乃至第６巻線４１〜４６を構成する。そして、図３に示される結線方法に基づいて結線され、第１乃至第６巻線４１〜４６を直列に接続してなる６ターンの波巻き巻線からなるａ相巻線３０ａ、ｂ相巻線３０ｂ、ｃ相巻線３０ｃ、ｄ相巻線３０ｄ、ｅ相巻線３０ｅ、ｆ相巻線３０ｆが構成される。さらに、固定子鉄心１５のリヤ側において、ターン部４０ｂが３列となって周方向に１スロットピッチで配列されてリヤ側コイルエンド群１６ｒを構成している。また、固定子鉄心１５のフロント側において、ターン部４０ｂが３列となって周方向に１スロットピッチで配列されてフロント側コイルエンド群１６ｆを構成している。
【００２２】
ついで、回転子７の具体的な構成について、図９を参照しつつ説明する。ここで、図９はこの発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される回転子要部を示す斜視図である。
回転子７は、爪状磁極２２、２３が磁性材料の塊状体で構成され、爪状磁極２２、２３間には、これらの爪状磁極２２、２３間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された略直方体形状の永久磁石２５が固着されている。この永久磁石２５によって、固定子８に錯交する有効磁束を増大し、出力向上を図っている。
【００２３】
ついで、この実施の形態１による作用効果について説明する。
スロット１５ａが毎極毎相２の割合で形成された固定子鉄心１５および三相千鳥結線された三相固定子巻線１６を有する固定子８が発生する高調波は、固定子起磁力高調波とスロット高調波に分類され、起磁力高調波は理論的に計算することができる。スロット高調波は、スロット開口部１５ｂの周方向幅（スロット開口部幅）の大きさにより変化するが、一般にスロット開口部幅／スロットピッチは１／２〜１／５であるため、スロット高調波の大きさも理論的に計算することができる。
ただし、回転子表面損失は高調波の大きさだけでは決定されない。すなわち、回転子表面損となる高調波は、発生する高調波の大きさだけではなく、この高調波が空隙を通して回転子７に鎖交する大きさを議論する必要がある。このためには、各空間高調波が空隙中で回転子表面に到達する量を推定することが必要となる。ここで、空隙とは、回転子７の外周面と固定子鉄心１５の内周面との間隙を意味している。
また、空間高調波次数とは、空隙中の高調波の１周期ピッチの長さの意味であり、５次高調波とは基本波１周期（２極分）の１／５の長さのピッチであることを意味している。すなわち、空間高調波次数ｎ次のピッチは、１／ｎである。
【００２４】
上記の各高調波が回転子表面に到達する量を推定するために、本出願人は詳細な電磁界解析を行い、空隙長／高調波のピッチに対する高調波の減衰率を計算した。その電磁界解析結果を図１０に示す。
図１０より、空隙長／高調波ピッチが大きいほど、回転子表面に到達する高調波磁束が低減されることがわかる。
これらの電磁界解析結果より得られた減衰率を考慮し、スロット開口部ピッチ角度（スロット開口部の中心線間の間隔）に対する回転子表面における各高調波の大きさを計算した結果を図１１および図１２に示す。
なお、図１１はティース先端幅：スロット開口部幅＝２：１の固定子鉄心を用いた場合（スロット高調波の影響が小さい場合）、図１２はティース先端幅：スロット開口部幅＝３：１の固定子鉄心を用いた場合（スロット高調波の影響が大きい場合）である。なお、一般に、固定子鉄心は、ティース先端幅とスロット開口部幅との関係が、２≦（ティース先端幅／スロット開口部幅）≦３の範囲となるように作製されている。
図１１および図１２において、１１次、１３次高調波が大きいのは、起磁力高調波とスロット高調波が重畳する高調波次数であるためである。
回転子表面損失は、図１１および図１２に示された高調波の大きさだけでは検討することができない。すなわち、この高調波による発生する渦電流の２乗に比例して損失が発生するためである。
【００２５】
ここで、回転子７の磁極が磁性材料の塊状体から構成されている場合（以下、ソリッド回転子という）には、おおよそ渦電流は磁束密度に比例すると考えられるため、高調波による渦電流損失の大きさを議論する場合、高調波の大きさの２乗に比例していると考えられる。また、回転子の磁極が磁性鋼板を積層一体化して構成されている場合（以下、積層回転子という）では、渦電流はおおよそ磁束密度の２乗と周波数の２乗の積に比例していると考えられる。即ち、回転子７の材料によらず、高調波の大きさの２乗と（高調波の大きさ×周波数）の２乗の間に損失があると考えてもよい。
ここで、周波数は、５次、７次高調波は回転子座標系で基本波の６倍の周波数となり、同様に、１１次、１３次高調波は１２倍、１７次、１９次高調波は１８倍、２３次、２５次高調波は２４倍の周波数となる。
【００２６】
この周波数を考慮して、α＝３０°の等ピッチスロットにおける回転子表面損失に対する不等ピッチ固定子における回転子表面損失の割合をグラフ化すると、図１３および図１４となる。ただし、図１３は高調波の大きさの２乗に比例するソリッド回転子を模擬しており、図１４は積層回転子を模擬している。
図１３から、ソリッド回転子においては、不等ピッチ角度α°が３０°＜α°≦３７°の範囲において、回転子表面損失が等ピッチ角度である３０°における回転子表面損失より小さくなることがわかる。
また、図１４から、積層回転子においては、α°が３０°等ピッチで最も回転子表面損失が大きくなり、α°を３０°より大きくしても、小さくしても回転子表面損失が低減されることがわかる。
【００２７】
以上まとめると、ソリッド回転子の場合、毎極毎相２で三相千鳥巻線を施した固定子スロットの不等ピッチ角度α°が３０°＜α°≦３７°の範囲であれば、高調波による回転子表面損失が小さくなるため、高効率で信頼性の高い回転電機が得られる。
一方、積層回転子の場合、毎極毎相２で三相千鳥巻線を施した固定子スロットが不等ピッチ（α°≠３０°）であれば、高調波による回転子表面損失が小さくなるため、高効率で信頼性の高い回転電機が得られる。なお、不等ピッチ角度α°は、図１４から、２０°≦α°≦２８°および３２°≦α°≦３８°とすることが好ましい。
【００２８】
次に、界磁巻線１３による界磁起磁力を０とした場合（界磁電流が０）、に永久磁石２５によって三相固定子巻線１６に発生する誘起電圧の高調波成分について検討する。
永久磁石２５による高調波起磁力は、一般に高調波次数が奇数次しか発生せず、これによって発生する三相固定子巻線１６への誘起電圧は毎極毎相のスロット数が１である三相巻線の場合、次式で表される。
相電圧Ｖ_ｐ１（Δ結線）
Ｖ_ｐ１＝Ａｃｏｓ（ｎωｔ）（１）
線間電圧Ｖ_ｌ１（Ｙ結線）

ここで、ｎ：高調波次数、ω：基本波各周波数、Ａ振幅、ｔ：時間である。
一方、毎極毎相のスロット数が２、かつ、不等ピッチ角度α°の場合、次式となる。
相電圧Ｖ_ｐ１（Δ結線）

線間電圧Ｖ_ｌ１（Ｙ結線）

【００２９】
上記（３）（４）式で求められる高調波成分のピーク値を不等ピッチ角度α°に対してグラフ化した結果を図１５および図１６に示す。なお、図１５は相電圧と不等ピッチ角度α°との関係を示し、図１６は線間電圧と不等ピッチ角度α°との関係を示している。ただし、各高調波の大きさは相誘起電圧の基本波の振幅を２としてｎ次高調波の振幅を１／ｎとしている。
図１５および図１６より、５次高調波は不等ピッチ角度３６°で、７次高調波は２５．７°（＝１８０／７°）で極小となり、かつ、１１次、１３次高調波は３０°付近でピークになる特性であることがわかる。この特性より、等ピッチ３０°より不等ピッチにすることで、誘起電圧高調波が低減されることがわかる。
【００３０】
この実施の形態１によれば、α°を３６°に設定しているので、高調波による回転子表面損失が小さくなるため、高効率で信頼性の高い回転電機が得られるとともに、回転子表面損失による発熱が小さくなるため、爪状磁極２２、２３間に装着された永久磁石２５が減磁、出力低下を招くこともない。また、界磁無励磁状態でも、回転子７が高速回転中に永久磁石起磁力によって発生する誘起電圧の高調波成分が低減されるため、電源電圧や素子破壊電圧を超えてしまうこともない。
【００３１】
また、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚが、それぞれ電気角で３６°の位相差を有する２つの巻線を直列に接続して構成されている。そこで、２つの巻線が電気角で３６°を有する隣接するスロット１５ａ間で直列に接続されるので、固定子８の空間および時間高調波が低減でき低電磁騒音、低振動となる。また、２つの巻線を直列に接続する結線スペースが広くなり、直列結線する作業性が向上するという効果もある。
【００３２】
また、回転子７がソリッド回転子であるので、回転子を安価に作製することができる。
また、永久磁石２５が爪状磁極２２、２３間に介装されているので、爪状磁極２２、２３間の磁束の漏洩が減少される。これにより、固定子８に錯交する有効磁束が増大され、出力の向上が図られる。さらに、永久磁石２５が爪状磁極２２、２３に当接しているので、爪状磁極２２、２３間の磁束の漏洩がさらに減少される。
【００３３】
実施の形態２．
図１７はこの発明の実施の形態２に係る回転電機に適用される回転子の要部斜視図、図１８はこの発明の実施の形態２に係る回転電機に適用される回転子のポールコアを示す側断面図を示す。
【００３４】
図１７および図１８において、回転子７Ａは、ポールコア２０Ａ、２１Ａの爪状磁極２２Ａ、２３Ａのみが積層で構成された積層回転子である。そして、ポールコア２０Ａ、２１Ａの軸端部２４は上記実施の形態１のように鉄製のソリッド部材からなり、磁性鋼板を積層一体化して構成された爪状磁極２２Ａ、２３Ａが軸端部２４に溶接接合されている。また、爪状磁極２２Ａ、２３Ａ間には永久磁石２５が装着されている。なお、積層構成の爪状磁極２２Ａ、２３Ａは強度的に弱いため、永久磁石２５の端部がポールコア２０Ａ、２１Ａの軸端部２４にも係止されている。
固定子において、上記実施の形態１では、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚが、それぞれ電気角で３６°の位相差を有する２つの巻線を直列に接続して構成されているのに対して、この実施の形態２では、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚが、それぞれ電気角で２４°の位相差を有する２つの巻線を直列に接続して構成されている。
【００３５】
このように構成された回転電機では、回転子７Ａが積層回転子であり、かつ、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚのそれぞれを構成する２つの巻線が電気角で２４°に構成されているので、図１４から分かるように、従来の等ピッチ角度である３０°のものより回転子表面損失が小さくなる。従って、回転子表面損失による発熱が小さくなるため、爪状磁極２２Ａ、２３Ａ間に装着された永久磁石２５が減磁、出力低下を招くこともない。また、爪状磁極２２Ａ、２３Ａが磁性鋼板を積層して構成されているため、爪状磁極２２Ａ、２３Ａから永久磁石２４に熱が伝わりにくく、さらに永久磁石２５の減磁を抑制する効果がある。
【００３６】
また、図１６に示すように、７次高調波の極小値２５．７°に近接する２４°の位相差をもつ２つの巻線が直列接続されているため、従来の等ピッチ３０°のものと異なり、誘起電圧高調波が低減されることがわかる。従って、界磁無励磁状態でも、回転子が高速回転中に永久磁石起磁力によって発生する誘起電圧の高調波成分が低減されるため、電源電圧や素子破壊電圧を超えてしまうこともない。
【００３７】
実施の形態３．
図１９はこの発明の実施の形態３に係る回転電機に適用される回転子を示す要部斜視図、図２０はこの発明の実施の形態３に係る回転電機に適用される回転子の爪状磁極部を示す断面図を示す。
図１９において、回転子７Ｂは、積層回転子であり、永久磁石２６が各爪状磁極２２Ａ、２３Ａの両側面にそれぞれ配置されている。この永久磁石２６は回転子７Ｂの回転時に永久磁石２６に加わる遠心力を、自身の変形により吸収する補強体５２によって、外周側が互いに広がるように傾斜する如く、爪状磁極２２Ａ、２３Ａに支持されている。補強体５２は、厚み０．５ｍｍ程度のステンレス鋼等の金属プレートよりなり、１枚の金属板をプレス加工により折り曲げて形成されている。
【００３８】
この補強体５２は、図２０に示されるように、回転子７Ｂの軸方向と直交する断面が略Ｍ字形状であり、爪状磁極２２Ａ、２３Ａの内周面に沿う形状で爪状磁極２２Ａ、２３Ａの内周面に接合されている。そして、永久磁石２６がＭ字形状の補強体５２のコ字序の両翼部に固着されて、補強体５２の弾性により爪状磁極２２Ａ、２３Ａの側面に補強体５２を介して当接している。
このような構成をとることで、回転子７Ｂの高速回転時に遠心力で爪状磁極２２Ａ、２３Ａが外径側に広がっても、一対の爪状磁極２２Ａ、２３Ａがそれぞれ変位するだけで永久磁石２６には大きな応力が発生せず破壊を防止できる。
また、図示していないが、固定子鉄心においては、スロットは毎極毎相当たり２個の割合で、電気角で３２．５°と２７．５°とを交互に採る不等ピッチで形成されている。そして、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚが、それぞれ電気角で２７．５°の位相差を有する２つの巻線を直列に接続して構成されている。
【００３９】
このように構成された回転電機では、回転子７Ｂが積層回転子であり、かつ、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚのそれぞれを構成する２つの巻線が電気角で２７．５°に構成されているので、図１４から分かるように、従来の等ピッチ角度である３０°のものより回転子表面損失が小さくなる。従って、回転子表面損失による発熱が小さくなるため、爪状磁極２２Ａ、２３Ａ間に装着された永久磁石２６が減磁、出力低下を招くこともない。また、回転子爪状磁極２２Ａ、２３Ａと永久磁石２６との間には、補強体５２が介在しているため、直接爪状磁極２２Ａ、２３Ａから永久磁石２６に熱が伝わりにくく、更に永久磁石２６の減磁を抑制する効果がある。
さらに、２つの永久磁石２６が爪状磁極２２Ａ、２３Ａ間に周方向に互いに離間して配設されているので、爪状磁極２２Ａ、２３Ａからの熱伝導が永久磁石２６の分離部分で遮断されるため、各永久磁石２６には爪状磁極２２Ａ、２３Ａの一方からだけの発熱が伝導されることになる。このため、爪状磁極２２Ａ、２３Ａの両方の発熱が永久磁石２５に伝導される上記実施の形態２と比較して、永久磁石２６の温度上昇を低減でき、熱に起因する永久磁石２６の特性劣化や減磁を低減できる効果もある。
【００４０】
また、図１６に示すように、７次高調波の極小値２５．７°に近接する２７．５°の位相差をもつ２つの巻線が直列接続されているため、従来の等ピッチ３０°のものと異なり、誘起電圧高調波が低減されることがわかる。従って、界磁無励磁状態でも、回転子７Ｂが高速回転中に永久磁石起磁力によって発生する誘起電圧の高調波成分が低減されるため、電源電圧や素子破壊電圧を超えてしまうこともない。
【００４１】
実施の形態４．
図２１はこの発明の実施の形態４に係る回転電機を示す縦断面図、図２２はこの発明の実施の形態４に係る回転電機の回路図、図２３はこの発明の実施の形態４に係る回転電機に適用される回転子の要部斜視図、図２４はこの発明の実施の形態３に係る回転電機に適用される回転子の爪状磁極部を示す断面図である。なお、固定子８は、上記実施の形態３と同じ構成であり、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚのそれぞれを構成する２つの巻線が電気角で２７．５°を有する隣接するスロット１５ａ間で直列に接続されている。
【００４２】
図２１および図２２において、回転電機１０１は、上記実施の形態３のものとは異なり、整流器１２は有しておらず、三相固定子巻線１６のＸ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚの出力が回転電機１０１の外部に取り出されるようになっている。
インバータユニット７１は、シャフト６のリヤ側端部外周に位置するようにリヤブラケット２の外壁面に取り付けられている。このインバータユニット７１は、６個のスイッチング素子７３と各スイッチング素子７３に並列に接続されたダイオード７４とからなるインバータモジュール７２と、インバータモジュール７２に並列に接続されたコンデンサ７５とを備えている。このコンデンサ７５はインバータモジュール７２に流れる電流を平滑にする役目を有する。
【００４３】
このインバータモジュール７２は、並列に接続されたスイッチング素子７３およびダイオード７４の２組を直列に接続したものを、並列に３つ配置してヒートシンク７７上に実装されて構成されている。また、スイッチング素子７３をＯＮ／ＯＦＦ制御するための電子部品が回路基板上に実装されてなる制御ユニット７６が絶縁性樹脂によりヒートシンク７７に一体に成型された樹脂政経部７８内に収納されている。そして、三相固定子巻線１６のＸ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚの口出し線Ｏ_Ｘ、Ｏ_Ｙ、Ｏ_Ｚが直列に接続されたスイッチング素子７３の中間点にそれぞれ接続されている。
【００４４】
また、回転電機１０１の駆動用電源である例えば３６Ｖ系の第１バッテリ８０がインバータモジュール７２に並列に接続されている。さらに、車両に搭載される電気負荷用電源である例えば１２Ｖ系の第２バッテリ８１が備えられている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２がインバータモジュール７２に並列に接続され、インバータユニット７１で整流された直流電力を例えば１２Ｖに変換し、第２バッテリ８１に供給する。
【００４５】
この回転電機１０１はエンジン６９の始動充電装置として、エンジン６９のクランク軸にベルトを介して連結されている。そして、インバータユニット７１は回転電機１０１のＸ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚ（ステータ三相線）を介して回転電機１０１に接続されている。このインバータユニット７１は、制御ユニット７６により、スイッチング素子７３のＯＮ／ＯＦＦが制御され、回転電機１０１が始動トルク（正のトルク）やブレーキトルク（負のトルク）を発生できるようになっている。
【００４６】
また、電源線を介してインバータユニット７１に接続された第１バッテリ８０は、インバータユニット７１の電源を構成すると共に、回転電機１０１がエンジン６９の始動装置として動作する時は、インバータユニット７１及びステータ三相線を介して回転電機１０１に電力を供給し、エンジン６９が自己着火して自己運転を確立した後は、回転電機１０１は発電機として動作する。なお、制御ユニット７６は、インバータユニット７１に対する上位の制御ユニットとしてインバータユニット７１に対して指令信号やエンジン６９の回転速度の情報等を送るとともに、エンジン６９の速度や空気に関する情報、温度に関する情報などがインプットされ、これらに対応する吸入空気量や燃料噴射量、点火タイミングなどの制御指令をアウトプットとしてエンジン６９に与えることができる機能も有している。
【００４７】
この構成において、回転電機１０１は、始動やブレーキトルクの発生の際には、時間的には短いが大きなトルクを発生する必要があり、回転子７Ｃの界磁巻線１３に、上記の実施の形態とは異なり、大電流を流して大きな磁束を発生する必要がある。
【００４８】
図２３において、回転子７Ｃは積層回転子であり、永久磁石２６が各爪状磁極２２Ａ、２３Ａの両側面に配置されている。この永久磁石２６は回転子７Ｃの回転時に永久磁石２６に加わる遠心力を、自身の変形により吸収する補強体５３によって、爪状磁極２２、２３に支持されている。補強体５３は、上記実施の形態３と同様に、厚み０．５ｍｍ程度のステンレス鋼の金属プレートよりなり、１枚の金属板をプレス加工により折り曲げて形成されている。
この補強体５３は、回転子７Ｃの軸方向と直交する断面が略Ｃ字形状であり、爪状磁極２２Ａ、２３Ａの内周面に沿う形状で爪状磁極２２Ａ、２３Ａの内周面に接合されている。そして、永久磁石２６が断面Ｃ字形状の補強体５３の両側辺に固着され、補強体５３の弾性により爪状磁極２２Ａ、２３Ａの側面に直接当接している。
【００４９】
このような構成をとることで、回転子７Ｃの高速回転時に遠心力で爪状磁極２２Ａ、２３Ａが外径側に広がっても、一対の爪状磁極２２Ａ、２３Ａがそれぞれ変位するだけで永久磁石２６には大きな応力が発生せず破壊を防止できる。また、上記実施の形態３と異なり、補強体５３はＣ字形状と簡単な構成であるため、重量が軽く遠心力対して更に有利で、また、簡単な曲げ成形で構成ができ製造が容易である。さらに、永久磁石２６は爪状磁極２２Ａ、２３Ａの側面に直接当接しているので、爪状磁極２２Ａ、２３Ａ間の磁束の漏洩が減少される。
【００５０】
この実施の形態４においても、Ｘ相巻線１６_Ｘ、Ｙ相巻線１６_ＹおよびＺ相巻線１６_Ｚのそれぞれを構成する直列に接続された２つの巻線が、上記実施の形態３と同様に、電気角で２７．５°に構成されているので、図１４に示されるように、従来の等ピッチ角度である３０°のものより回転子表面損失が小さくなる。従って、回転子表面損失による発熱が小さくなるため、爪状磁極２２Ａ、２３Ａ間に装着された永久磁石２６が減磁、出力低下を招くこともない。特に、この実施の形態４では、爪状磁極２２Ａ、２３Ａに永久磁石２６が直接当接されているために爪状磁極２２Ａ、２３Ａから永久磁石２６に熱が伝わりやすい構成となっているが、直列に接続される２つの巻線の位相差が電気角で２７．５°に構成されているので、永久磁石２６の温度上昇が抑制される。
【００５１】
また、２つの永久磁石２６が爪状磁極２２Ａ、２３Ａ間に周方向に互いに離間して配設されているので、爪状磁極２２Ａ、２３Ａからの熱伝導が永久磁石２６の分離部分で遮断されるため、各永久磁石２６には爪状磁極２２Ａ、２３Ａの一方からだけの発熱が伝導されることになる。このため、爪状磁極２２Ａ、２３Ａの両方の発熱が永久磁石２５に伝導される上記実施の形態２と比較して、永久磁石２６の温度上昇を低減できる。従って、始動やブレーキトルクの発生の際に、界磁巻線１３に大電流を流すことによって生じる大きな磁束による発熱に対して、永久磁石２６への影響を効果的に抑制できる。
【００５２】
また、直列に接続される２つの巻線の位相差が、図１６に示される７次高調波の極小値２５．７°に近接する２７．５°の電気角となっているので、従来の等ピッチ３０°のものと異なり、誘起電圧高調波が低減される。従って、界磁無励磁状態でも、回転子７Ｃが高速回転中に永久磁石起磁力によって発生する誘起電圧の高調波成分が低減されるため、電源電圧や素子破壊電圧を超えてしまうこともない。特に、この実施の形態４では、爪状磁極２２Ａ、２３Ａに永久磁石２６が直接当接されているために、永久磁石２６の磁束が爪状磁極２２Ａ、２３Ａに流れやすく、回転子７Ｃが高速回転中に磁石起磁力によって発生する誘起電圧が過大となるが効果的に高調波成分を抑制できる。
【００５３】
なお、上記各実施の形態において、ワニスなどの樹脂を回転子に含浸するようにしてもよい。この場合、各隙間が樹脂で充填されるために、発熱が分散され冷却されるので、局所的に永久磁石に熱が集中せず、永久磁石の減磁等が生じ難くなるとともに、各部材の拘束力も高まり高速回転時の強度も向上するという効果が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、スロットが毎極毎相当たり２で設けられた環状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に装着された三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられ、界磁巻線および永久磁石による磁束を発生する回転子とを備えた回転電機において、上記三相固定子巻線は、それぞれ６スロット毎の上記スロットで構成されるスロット群のそれぞれに巻装された複数の巻線を備え、上記三相固定子巻線を構成するＸ相巻線、Ｙ相巻線およびＺ相巻線は、それぞれ隣接する上記スロット群に巻装された上記巻線を直列に接続して構成され、上記スロットは、スロット開口部の中心線間の間隔が電気角でα°と（６０−α）°とを交互にとる不等ピッチ（α≠３０°）に形成されているので、回転子表面での渦電流損失を低減し、かつ、永久磁石による誘起電圧の高調波成分を低減できる回転電機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す縦断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される固定子を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される固定子における固定子巻線の１相巻線を模式的に示すリヤ側端面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される固定子の固定子巻線を構成する巻線アッセンブリを説明する図である。
【図５】図４に示される巻線アッセンブリを構成する連続導体線を示す斜視図である。
【図６】図４に示される巻線アッセンブリを構成する連続導体線の対を示す斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される固定子鉄心の要部を示す端面図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係る回転電機における電気回路を示す回路図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される回転子要部を示す斜視図である。
【図１０】空隙長／高調波ピッチに対する高調波の減衰率を示す図である。
【図１１】発生する高調波磁束相対値と不等ピッチ角度との関係を示す図である。
【図１２】発生する高調波磁束相対値と不等ピッチ角度との関係を示す図である。
【図１３】ソリッド回転子における回転子表面損失相対値と不等ピッチ角度との関係を示す図である。
【図１４】積層回転子における回転子表面損失相対値と不等ピッチ角度との関係を示す図である。
【図１５】無励磁相誘起電圧高調波含有率と不等ピッチ角度との関係を示す図である。
【図１６】無励磁線間誘起電圧高調波含有率と不等ピッチ角度との関係を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態２に係る回転電機に適用される回転子要部を示す斜視図である。
【図１８】この発明の実施の形態２に係る回転電機に適用される回転子のポールコアを示す側断面図である。
【図１９】この発明の実施の形態３に係る回転電機に適用される回転子を示す要部斜視図である。
【図２０】この発明の実施の形態３に係る回転電機に適用される回転子の爪状磁極部を示す断面図を示す。
【図２１】この発明の実施の形態４に係る回転電機を示す縦断面図である。
【図２２】この発明の実施の形態４に係る回転電機における電気回路を示す回路図である。
【図２３】この発明の実施の形態４に係る回転電機に適用される回転子の要部斜視図である。
【図２４】この発明の実施の形態３に係る回転電機に適用される回転子の爪状磁極部を示す断面図である。
【符号の説明】
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ回転子、８固定子、１３界磁巻線、１５固定子鉄心、１５ａスロット、１６三相固定子巻線、１６_ＸＸ相巻線、１６_ＹＹ相巻線、１６_ＺＺ相巻線、２２、２２Ａ、２３、２３Ａ爪状磁極、２５、２６永久磁石、３０ａａ相巻線、３０ｂｂ相巻線、３０ｃｃ相巻線、３０ｄｄ相巻線、３０ｅｅ相巻線、３０ｆｆ相巻線、１００、１０１回転電機。

Claims

スロットが毎極毎相当たり２で設けられた環状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に装着された三相固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられ、界磁巻線および永久磁石による磁束を発生する回転子とを備えた回転電機において、
上記三相固定子巻線は、それぞれ６スロット毎の上記スロットで構成されるスロット群のそれぞれに巻装された複数の巻線を備え、
上記三相固定子巻線を構成するＸ相巻線、Ｙ相巻線およびＺ相巻線は、それぞれ隣接する上記スロット群に巻装された上記巻線を直列に接続して構成され、
上記スロットは、スロット開口部の中心線間の間隔が電気角でα°と（６０−α）°とを交互にとる不等ピッチ（α≠３０°）に形成されていることを特徴とする回転電機。
上記回転子の磁極が磁性材料の塊状体で構成され、直列に接続される上記巻線の位相差α°は、電気角で３０°＜α°≦３７°であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
上記回転子の磁極が磁性鋼板を積層一体化して構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
上記回転子は爪状磁極を有するクローポール型であり、上記永久磁石が隣り合う上記爪状磁極間に介装されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
上記永久磁石が上記爪状磁極の側面に当接していることを特徴とする請求項４記載の回転電機。
隣接する上記爪状磁極間には、２つの上記永久磁石が、それぞれ上記爪状磁極の側面に沿って、かつ、周方向に互いに離間して配設されていることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の回転電機。