電機子、JP2021-002922、株式会社デンソー

JP2021-002922、astamuse（アスタミューゼ）

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。

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

回転子４０は、中空筒状に形成された磁石ホルダ４１と、その磁石ホルダ４１の径方向内側に設けられた環状の磁石ユニット４２とを有している。磁石ホルダ４１は、略カップ状をなし、磁石保持部材としての機能を有する。磁石ホルダ４１は、円筒状をなす円筒部４３と、同じく円筒状をなしかつ円筒部４３よりも小径の固定部（attachment）４４と、それら円筒部４３及び固定部４４を繋ぐ部位となる中間部４５とを有している。円筒部４３の内周面に磁石ユニット４２が取り付けられている。

0033

固定部４４の貫通孔４４ａには回転軸１１が挿通される。貫通孔４４ａ内に配置された回転軸１１に対して固定部４４が固定されている。つまり、固定部４４により、回転軸１１に対して磁石ホルダ４１が固定されている。なお、固定部４４は、凹凸を利用したスプライン結合やキー結合、溶接、又はかしめ等により回転軸１１に対して固定されているとよい。これにより、回転子４０が回転軸１１と一体に回転する。

0034

また、固定部４４の径方向外側には、軸受ユニット２０の軸受２１，２２が組み付けられている。上述のとおり軸受ユニット２０はハウジング３０の端面３２に固定されているため、回転軸１１及び回転子４０は、ハウジング３０に回転可能に支持されるものとなっている。これにより、ハウジング３０内において回転子４０が回転自在となっている。

0035

回転子４０には、その軸方向に対向する二つの端部の一方にのみ固定部４４が設けられており、これにより、回転子４０が回転軸１１に片持ち支持されている。ここで、回転子４０の固定部４４は、軸受ユニット２０の軸受２１，２２により、軸方向に異なる２位置で回転可能に支持されている。すなわち、回転子４０は、磁石ホルダ４１の、その軸方向に対向する二つの端部の一方において、その軸方向に離間する二つの軸受２１，２２により回転可能に支持されている。そのため、回転子４０が回転軸１１に片持ち支持される構造であっても、回転子４０の安定回転が実現されるようになっている。この場合、回転子４０の軸方向中心位置に対して片側にずれた位置で、回転子４０が軸受２１，２２により支持されている。

0045

また、磁石部としての磁石ユニット４２は、円筒部４３の径方向内側において、周方向に沿って極性が交互に変わるように配置された複数の永久磁石により構成されている。これにより、磁石ユニット４２は、周方向に複数の磁極を有する。ただし、磁石ユニット４２の詳細については後述する。

0046

固定子５０は、回転子４０の径方向内側に設けられている。固定子５０は、略筒状（環状）に巻回形成された固定子巻線５１と、その径方向内側に配置されたベース部材としての固定子コア５２とを有しており、固定子巻線５１が、所定のエアギャップを挟んで円環状の磁石ユニット４２に対向するように配置されている。固定子巻線５１は複数の相巻線よりなる。それら各相巻線は、周方向に配列された複数の導線が所定ピッチで互いに接続されることで構成されている。本実施形態では、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相巻線と、Ｘ相、Ｙ相及びＺ相の３相巻線とを用い、それら３相の巻線を２つ用いることで、固定子巻線５１が６相の相巻線として構成されている。

0073

上述のとおり、ケーシング６４に囲まれた空間内に電気コンポーネント６２が収容され、その外側に、ハウジング３０、回転子４０及び固定子５０が層状に設けられている構成によれば、インバータ回路で生じる電磁ノイズが好適にシールドされるようになっている。すなわち、インバータ回路では、所定のキャリア周波数によるＰＷＭ制御を利用して各半導体モジュール６６でのスイッチング制御が行われ、そのスイッチング制御により電磁ノイズが生じることが考えられるが、その電磁ノイズを、電気コンポーネント６２の径方向外側のハウジング３０、回転子４０、固定子５０等により好適にシールドできる。

0079

一般に、回転電機における固定子の構成として、積層鋼板よりなりかつ円環状をなす固定子コアに周方向に複数のスロットを設け、そのスロット内に固定子巻線を巻装するものが知られている。具体的には、固定子コアは、ヨークから所定間隔で径方向に延びる複数のティースを有しており、周方向に隣り合うティース間にスロットが形成されている。そして、スロット内に、例えば径方向に複数層の導線が収容され、その導線により固定子巻線が構成されている。

0089

以下に、上述した固定子５０のスロットレス構造、固定子巻線５１の扁平導線構造、及び磁石ユニット４２の極異方構造について個別に説明を加える。ここではまずは、固定子５０におけるスロットレス構造と固定子巻線５１の扁平導線構造とを説明する。図８は、回転子４０及び固定子５０の横断面図であり、図９は、図８に示す回転子４０及び固定子５０の一部を拡大して示す図である。図１０は、図１１のＸ‐Ｘ線に沿った固定子５０の横断面を示す断面図であり、図１１は、固定子５０の縦断面を示す断面図である。また、図１２は、固定子巻線５１の斜視図である。なお、図８及び図９には、磁石ユニット４２における磁石の磁化方向を矢印にて示している。

0090

図８乃至図１１に示すように、固定子コア５２は、軸方向に複数の電磁鋼板が積層され、かつ径方向に所定の厚さを有する円筒状をなしており、回転子４０側となる径方向外側に固定子巻線５１が組み付けられるものとなっている。固定子コア５２において、回転子４０側の外周面が導線設置部（導体エリア）となっている。固定子コア５２の外周面は凹凸のない曲面状をなしており、その外周面において周方向に所定間隔で複数の導線群８１が配置されている。

固定子コア５２は、回転子４０を回転させるための磁気回路の一部となるバックヨークとして機能する。この場合、周方向に隣り合う各２つの導線群８１の間には軟磁性材からなるティース（つまり、鉄心）が設けられていない構成（つまり、スロットレス構造）となっている。本実施形態において、それら各導線群８１の間隙５６には、封止部材５７の樹脂材料が入り込む構造となっている。つまり、固定子５０において、周方向における各導線群８１の間に設けられる導線間部材が、非磁性材料である封止部材５７として構成されている。封止部材５７の封止前の状態で言えば、固定子コア５２の径方向外側には、それぞれ導線間領域である間隙５６を隔てて周方向に所定間隔で導線群８１が配置されており、これによりスロットレス構造の固定子５０が構築されている。言い換えれば、各導線群８１は、後述するように二つの導線（conductor）８２からなり、固定子５０の周方向に隣り合う各二つの導線群８１の間は、非磁性材のみが占有している。この非磁性材とは、封止部材５７以外に空気などの非磁性気体や非磁性液体などをも含む。なお、以下において、封止部材５７は導線間部材（conductor-to- conductor member）ともいう。

0092

図１０に示すように、固定子巻線（すなわち電機子巻線）５１は、所定の厚みＴ２（以下、第１寸法とも言う）と幅Ｗ２（以下、第２寸法とも言う）を有するように形成されている。厚みＴ２は、固定子巻線５１の径方向において互いに対向する外側面と内側面との間の最短距離である。幅Ｗ２は、固定子巻線５１の多相（実施例では３相：Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相あるいはＸ相、Ｙ相及びＺ相の３相）の一つとして機能する固定子巻線５１の一部分の固定子巻線５１の周方向の長さである。具体的には、図１０において、周方向に隣り合う２つの導線群８１が３相の内の一つである例えばＵ相として機能する場合、周方向において当該２つの導線群８１の端から端までの幅Ｗ２である。そして、厚みＴ２は幅Ｗ２より小さくなっている。

0101

固定子コア５２の径方向外側における各導線群８１は、断面が扁平矩形状をなす複数の導線８２が固定子コア５２の径方向に並べて配置されて構成されている。各導線８２は、横断面において「径方向寸法＜周方向寸法」となる向きで配置されている。これにより、各導線群８１において径方向の薄肉化が図られている。また、径方向の薄肉化を図るとともに、導体領域が、ティースが従来あった領域まで平らに延び、扁平導線領域構造となっている。これにより、薄肉化により断面積が小さくなることで懸念される導線の発熱量の増加を、周方向に扁平化して導体の断面積を稼ぐことで抑えている。なお、複数の導線を周方向に並べ、かつそれらを並列結線とする構成であっても、導体被膜分の導体断面積低下は起こるものの、同じ理屈に依る効果が得られる。なお、以下において、導線群８１のそれぞれ、および導線８２のそれぞれを、伝導部材（conductive member）とも言う。

0107

導線８２(conductor)は、導体(conductor body)８２ａの表面が絶縁被膜８２ｂにより被覆された被覆導線よりなり、径方向に互いに重なる導線８２同士の間、及び導線８２と固定子コア５２との間においてそれぞれ絶縁性が確保されている。この絶縁被膜８２ｂは、後述する素線８６が自己融着被覆線であるならその被膜、又は、素線８６の被膜とは別に重ねられた絶縁部材で構成されている。なお、導線８２により構成される各相巻線は、接続のための露出部分を除き、絶縁被膜８２ｂによる絶縁性が保持されるものとなっている。露出部分としては、例えば、入出力端子部や、星形結線とする場合の中性点部分である。導線群８１では、樹脂固着や自己融着被覆線を用いて、径方向に隣り合う各導線８２が相互に固着されている。これにより、導線８２同士が擦れ合うことによる絶縁破壊や、振動、音が抑制される。

0115

各導線８２は、固定子巻線５１の周方向に所定の配置パターンで配置されるように折り曲げ形成されており、これにより、固定子巻線５１として相ごとの相巻線が形成されている。図１２に示すように、固定子巻線５１では、各導線８２のうち軸方向に直線状に延びる直線部８３によりコイルサイド部５３が形成され、軸方向においてコイルサイド部５３よりも両外側に突出するターン部８４によりコイルエンド５４，５５が形成されている。各導線８２は、直線部８３とターン部８４とが交互に繰り返されることにより、波巻状の一連の導線として構成されている。直線部８３は、磁石ユニット４２に対して径方向に対向する位置に配置されており、磁石ユニット４２の軸方向外側となる位置において所定間隔を隔てて配置される同相の直線部８３同士が、ターン部８４により互いに接続されている。なお、直線部８３が「磁石対向部」に相当する。

0116

本実施形態では、固定子巻線５１が分布巻きにより円環状に巻回形成されている。この場合、コイルサイド部５３では、相ごとに、磁石ユニット４２の１極対に対応する間隔で周方向に直線部８３が配置され、コイルエンド５４，５５では、相ごとの各直線部８３が、略Ｖ字状に形成されたターン部８４により互いに接続されている。１極対に対応して対となる各直線部８３は、それぞれ電流の向きが互いに逆になるものとなっている。また、一方のコイルエンド５４と他方のコイルエンド５５とでは、ターン部８４により接続される一対の直線部８３の組み合わせがそれぞれ相違しており、そのコイルエンド５４，５５での接続が周方向に繰り返されることにより、固定子巻線５１が略円筒状に形成されている。

0119

ここで、固定子巻線５１における導線８２の巻回構造を具体的に説明する。本実施形態では、波巻にて形成された複数の導線８２を、径方向に隣接する複数層（例えば２層）に重ねて設ける構成としている。図１５（ａ）、図１５（ｂ）は、ｎ層目における各導線８２の形態を示す図であり、図１５（ａ）には、固定子巻線５１の側方から見た導線８２の形状を示し、図１５（ｂ）には、固定子巻線５１の軸方向一側から見た導線８２の形状を示している。なお、図１５（ａ）、図１５（ｂ）では、導線群８１が配置される位置をそれぞれＤ１，Ｄ２，Ｄ３，…と示している。また、説明の便宜上、３本の導線８２のみを示しており、それを第１導線８２＿Ａ、第２導線８２＿Ｂ、第３導線８２＿Ｃとしている。

0120

各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃでは、直線部８３が、いずれもｎ層目の位置、すなわち径方向において同じ位置に配置され、周方向に６位置（３×ｍ対分）ずつ離れた直線部８３同士がターン部８４により互いに接続されている。換言すると、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃでは、いずれも回転子４０の軸心を中心とする同一の円上において、固定子巻線５１の周方向に隣接して並ぶ７個の直線部８３の両端の二つが一つのターン部８４により互いに接続されている。例えば第１導線８２＿Ａでは、一対の直線部８３がＤ１，Ｄ７にそれぞれ配置され、その一対の直線部８３同士が、逆Ｖ字状のターン部８４により接続されている。また、他の導線８２＿Ｂ，８２＿Ｃは、同じｎ層目において周方向の位置を１つずつずらしてそれぞれ配置されている。この場合、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃは、いずれも同じ層に配置されるため、ターン部８４が互いに干渉することが考えられる。そのため本実施形態では、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃのターン部８４に、その一部を径方向にオフセットした干渉回避部を形成することとしている。

0121

具体的には、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃのターン部８４は、同一の円（第１の円）上で周方向に延びる部分である１つの傾斜部８４ａと、傾斜部８４ａからその同一の円よりも径方向内側（図１５（ｂ）において上側）にシフトし、別の円（第２の円）に達する頂部８４ｂ、第２の円上で周方向に延びる傾斜部８４ｃ及び第１の円から第２の円に戻る戻り部８４ｄとを有している。頂部８４ｂ、傾斜部８４ｃ及び戻り部８４ｄが干渉回避部に相当する。なお、傾斜部８４ｃは、傾斜部８４ａに対して径方向外側にシフトする構成であってもよい。