JP6608711B2 - 回転電機およびステータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータコアと回転磁界を発生させるステータコイルとを備えたステータ、および、当該ステータを有する回転電機に関する。

従来から、三相回転電機が広く知られている。かかる三相回転電機は、ステータとロータとを有しており、ロータは、その中心に回転軸が装着されている。回転軸は、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられており、ステータコイルへの通電に伴い、ロータとともに回転する。ステータは、ステータコアと当該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有しており、ステータコイルは、三相のコイル、すなわち、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルを有している。この三相のコイルに、三相交流電流を印加することで、回転磁界が生成され、ロータが回転する。

特開２０１４−１１８２７号公報

ところで、従来の回転電機では、回転軸を軸支する軸受の電食が生じるという問題があった。これについて図１６を参照して説明する。図１６は、従来の回転電機１０の構成を示す図である。回転電機１０では、その内部において磁気的なアンバランスが生じると、回転軸１６の周囲に電気周期高次の磁束（以下「不平衡磁束５０」と呼ぶ）が発生する。そして、不平衡磁束５０に起因して、回転軸１６の両端には、電圧（以下「軸電圧」と呼ぶ）が誘導される。図１７は、軸電圧ＶＳとＵ相コイルに流れる電流（Ｕ相電流ＡＵ）との波形の一例を示すグラフである。図１７に示す通り、軸電圧ＶＳは、基本波の３倍の周波数をもつ三次高調波電圧となる。軸電圧ＶＳは、回転軸１６およびハウジング１８を介して回転中の軸受１９の内外輪に印加される。軸受１９の内外輪は、潤滑油膜で絶縁されているが、当該潤滑油膜は、数μｍと薄いため、一定以上の電圧（数Ｖ程度）が印加されると、絶縁破壊する。軸受１９の内外輪の絶縁が破壊されると、図１６において破線で示す通り、「回転軸１６−軸受１９−ハウジング１８−回転軸１６」の循環経路で誘導電流５２が流れる。このとき、ジュール損は、絶縁破壊部、すなわち、軸受１９に集中するため、軸受１９の電食が進行するという問題があった。

特許文献１には、こうした軸受の電食を抑制するために、回転軸およびハウジングを機械的に連結する導体部材を別途設ける技術が開示されている。かかる構成とすることで、誘導電流は、軸受よりもインピーダンスの小さい導体部材に支配的に流れるため、軸受の電食を抑制できる。

しかしながら、特許文献１の技術では、導体部材を別途設ける必要があり、回転軸、ハウジング、回転出力部に構造的な制約が生じ、設計の自由度が低くなったり、回転電機全体のサイズや重量、コストが増加したりという別の問題を招いていた。

そこで、本発明では、回転軸およびハウジングを連結する導体部材を設けることなく、軸受の電食を抑制できる回転電機およびステータを提供することを目的とする。

本発明の回転電機のステータは、円環状のヨークと、前記ヨークの内周面からステータ径方向に突出する複数のティースと、を有したステータコアと、前記ティースに巻回され、通電により回転磁界を発生させるステータコイルと、前記ヨークの内周側および外周側位置においてステータ軸方向に延び、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置においてステータ径方向に延びて前記ヨークを横断するように前記ステータコアに巻回されたキャンセルコイルであって、１以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、を備え、前記ステータコイルは、互いに接続されたＵ相コイルと、Ｖ相コイルと、Ｗ相コイルと、を有し、前記キャンセルコイルは、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｕ相コイルに対応する複数の第一要素コイルと、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｖ相コイルに対応する複数の第二要素コイルと、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｗ相コイルに対応する複数の第三要素コイルと、を含み、前記キャンセルコイルは、一つの前記第一要素コイルと、一つの前記第二要素コイルと、一つの前記第三要素コイルと、を直列に接続して構成される閉路を複数有する、ことを特徴とする。

かかる構成とした場合、ヨーク内を周方向に流れる不平衡磁束が、キャンセルコイルを貫き、キャンセルコイルに三次の電圧が誘導される。そして、三次の電圧が誘導されることで、キャンセルコイルには、不平衡磁束を妨げる向きの電流が流れる。結果として、不平衡磁束が低減し、軸受の電食が抑制される。

キャンセルコイルには、回転トルクを生みだすための有効磁束も貫通する。そのため、第一〜第三要素コイルには、互いに位相差を有した三相の一次の誘導電圧が誘導される。この第一〜第三要素コイルを直列に接続することで、一次の誘導電圧が互いに相殺され、閉路全体での一次の電圧値が低下する。結果として、キャンセルコイルに有効磁束を妨げる向きの電流が流れにくくなり、回転トルクの低下を抑制できる。

他の好適な態様では、前記第一要素コイルと、前記第二要素コイルと、前記第三要素コイルは、互いに起磁力が等しい。

かかる構成とすることで、閉路全体での一次の電圧がほぼゼロになる。結果として、キャンセルコイルに有効磁束を妨げる向きの電流が殆ど流れず、回転トルクの低下を防止できる。

また、上記構成とすることで、一つの閉路の構成を簡易化でき、キャンセルコイルの巻回が容易になる。

他の好適な態様では、前記ヨークの外周面のうち、前記ティースと対向する箇所には、前記ステータ軸方向に貫通する溝部が設けられており、前記キャンセルコイルの一部は、前記溝部に収容される。

かかる構成とすることで、キャンセルコイルがステータコアの外周面から突出することを防止でき、ステータとハウジングとの干渉を防止できる。

他の好適な態様では、前記キャンセルコイルは、前記ティースとティースの間であるスロット内を通過し、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置において前記ヨークを横断するように巻回される、ことを特徴とするステータ。

かかる構成とした場合、キャンセルコイルが、ステータコイルやティースを横断する場合に比して、キャンセルコイルの線長を短くすることができ、また、磁気的特性も向上できる。

他の好適な態様では、前記キャンセルコイルは、前記ステータコイルの内周側位置を通過し、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置において前記ステータコイルおよび前記ヨークを横断するように巻回される。

かかる構成とすることで、スロットに空間的余裕がなくても不平衡磁束を抑制できる。

他の好適な態様では、前記キャンセルコイルは、前記ティースの内周側位置を通過し、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置において前記ティースおよび前記ヨークを横断するように巻回される。

かかる構成とすることで、スロットに空間的余裕がなくても不平衡磁束を抑制できる。

他の好適な態様では、前記ステータコイルは、三相の相コイルをスター結線して構成されており、前記キャンセルコイルは、前記ステータコイルに接続されていない。

かかる構成とすることで、スター結線されたステータにおいて、不平衡磁束を抑制できる。

他の好適な態様では、前記ステータコイルは、三相の相コイルをデルタ結線して構成されており、前記キャンセルコイルは、前記ステータコイルに直列接続されている。

かかる構成とすることで、デルタ結線されたステータにおいて、不平衡磁束を抑制できる。

他の本発明である回転電機は、ロータと、前記ロータとともに回転し、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられた回転軸と、前記ロータの外周囲に配置されたステータと、を備えた回転電機であって、前記ステータは、円環状のヨークと、前記ヨークの内周面からステータ径方向に突出する複数のティースと、を有したステータコアと、前記ティースに巻回され、通電により回転磁界を発生させるステータコイルと、前記ヨークの内周側および外周側位置においてステータ軸方向に延び、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置においてステータ径方向に延びて前記ヨークを横断するように前記ステータコアに巻回されたキャンセルコイルであって、１以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、を備え、前記ステータコイルは、互いに接続されたＵ相コイルと、Ｖ相コイルと、Ｗ相コイルと、を有し、前記キャンセルコイルは、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｕ相コイルに対応する複数の第一要素コイルと、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｖ相コイルに対応する複数の第二要素コイルと、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｗ相コイルに対応する複数の第三要素コイルと、を含み、前記キャンセルコイルは、一つの前記第一要素コイルと、一つの前記第二要素コイルと、一つの前記第三要素コイルと、を直列に接続して構成される閉路を複数有する、ことを特徴とする。

かかる構成した場合、ヨーク内を周方向に流れる不平衡磁束が、キャンセルコイルを貫き、キャンセルコイルに三次の電圧が誘導される。そして、三次の電圧が誘導されることで、キャンセルコイルには、不平衡磁束を妨げる向きの電流が流れる。結果として、不平衡磁束が低減し、軸受の電食が抑制される。

本発明によれば、キャンセルコイルを設けることで、不平衡磁束が低減できる。結果として、回転軸およびハウジングを連結する導体部材を設けることなく、軸受の電食を抑制できる。

本発明の実施形態である回転電機の横断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 キャンセルコイルの結線図である。 他のキャンセルコイルの結線図である。 一次の誘導電圧を示すグラフである。 三次の誘導電圧を示すグラフである。 軸電圧を示すグラフである。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 図１２におけるＢ−Ｂ断面図である。 デルタ結線されたステータコイルおよびキャンセルコイルの結線図である。 他の回転電機の一例を示す断面図である。 従来の回転電機の縦断面図である。 従来の回転電機でのＵ相電流と、軸電圧とを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である回転電機１０の横断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。なお、以下の図面では、見易さのために、キャンセルコイル３２を比較的大きく図示しているが、キャンセルコイル３２は、実際には、より小さい。また、以下の説明において、「軸方向」、「周方向」、「径方向」とは、ステータ１４の軸方向、周方向、径方向の意味である。

回転電機１０は、ロータ１２と、ステータ１４と、回転軸１６と、ハウジング１８と、に大別される。ロータ１２は、ロータコア２０および当該ロータコア２０に埋め込まれた永久磁石２２を備えている。ロータコア２０は、電磁鋼板を積層してなる円柱形部材である。このロータコア２０の中心には、回転軸１６が挿通され、固着されている。回転軸１６の両端は、軸受１９を介してハウジング１８に取り付けられており、回転軸１６および回転軸１６に固着されたロータコア２０は、ハウジング１８に対して回転自在となっている。

軸受１９は、外輪１９ａと内輪１９ｃとの間に複数の転動体１９ｂ（球体）を配して構成されており、外輪１９ａと転動体１９ｂの間、および、内輪１９ｃと転動体１９ｂの間には、潤滑油膜が介在している。この潤滑油膜は、転動体１９ｂの動きを滑らかにする潤滑剤として機能するとともに、外輪１９ａと内輪１９ｃとを絶縁する絶縁部材としても機能する。潤滑油膜が介在することで、回転軸１６とハウジング１８とが電気的に絶縁される。

ステータ１４は、ステータコア２４と、ステータコイル３０と、キャンセルコイル３２と、を有している。ステータコア２４は、ロータ１２と同心に配される略円筒形部材で、円環状のヨーク２６と、当該ヨーク２６の内周面から径方向に突出する複数のティース２８と、を含む。複数のティース２８は、周方向に所定間隔で並んでおり、隣接する二つのティース２８の間には、ステータコイル３０が挿入される空間であるスロットが形成されている。

こうしたステータコア２４は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）から構成されている。複数の電磁鋼板は、互いに位置決めされて、接合され、ステータコア２４を構成する。この電磁鋼板の位置決めおよび接合方法は、従来から多数提案されている。例えば、各電磁鋼板に、カシメ用の凸部および凹部を形成し、一つの電磁鋼板の凸部を他の電磁鋼板の凹部に嵌め込んでいき、複数の電磁鋼板を互いに位置決めするとともに結合してステータコア２４を構成する。

ステータコイル３０は、巻線をティース２８に集中巻することで構成される。ステータコイル３０は、三相の相コイル、すなわち、Ｕ相コイルＰＵ、Ｖ相コイルＰＶ、Ｗ相コイルＰＷを有している。なお、以下の説明で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を区別しないときは、アルファベットＵ，Ｖ，Ｗを省略して、「相コイルＰ」と呼ぶ。各相コイルＰの一端は、入力端子（図示せず）に接続されている。また、各相コイルＰの他端は、他の相コイルＰに接続され、中性点（図示せず）を構成する。したがって、三相の相コイルＰＵ，ＰＶ，ＰＷは、いわゆるスター結線された状態となっている。各相コイルＰは、複数の単コイルを直列につなぐことで構成され、各単コイルは、巻線を一つのティース２８に巻回して構成される。複数のティース２８には、Ｕ相の単コイル、Ｖ相の単コイル、Ｗ相の単コイルが、周方向に順に繰り返し並ぶようにセットされている。なお、こうしたステータコイル３０の構成は、一例であり、適宜、変更されてもよい。例えば、ステータコイル３０は、集中巻に限らず、分布巻でもよい。いずれにしても、ステータコイル３０に三相交流電流を印加することで、回転磁界が形成され、ロータ１２が回転する。

キャンセルコイル３２は、ヨーク２６に巻回されたコイルである。このキャンセルコイル３２は、ステータコイル３０には、接続されておらず、ステータコイル３０から完全に独立して設けられている。キャンセルコイル３２は、Ｕ相コイルＰＵに対応する四つの第一要素コイルＣＵと、Ｖ相コイルＰＶに対応する四つの第二要素コイルＣＶと、Ｗ相コイルＰＷに対応する四つの第三要素コイルＣＷと、を含む。なお、第一〜第三を区別しない場合は、アルファベットＵ，Ｖ，Ｗを省略して「要素コイルＣ」と呼ぶ。各要素コイルＣは、ヨーク２６よりも内周側および外周側位置において軸方向に延び、ステータコア２４より軸方向外側位置において径方向に延びてヨーク２６を横断するように、ヨーク２６に巻回されている。後に詳説するようにヨーク２６には、二種類の磁束が、周方向に流れるが、要素コイルＣは、この周方向に流れる磁束の周囲を囲むように巻回されている。

ここで、「Ｕ相コイルＰＵに対応する」とは、「Ｕ相コイルＰＵに対して特定の磁気的関係を持つ」との意味である。例えば、本実施形態では、Ｕ相コイルＰＵの左隣（Ｕ相コイルＰＵとＶ相コイルＰＶとの間）に配された要素コイルをＵ相コイルＰＵに対応する「第一要素コイルＣＵ」としている。なお、図１から明らかな通り、四つの第一要素コイルＣＵは、互いに異なる箇所に巻回されているが、いずれも、Ｕ相コイルＰＵの左隣に配されているため、ステータコイル３０から受ける磁気的影響は、ほぼ同じとなっている。

同様に、Ｖ相コイルＰＶの左隣（Ｖ相コイルＰＶとＷ相コイルＰＷとの間）に配されたコイルをＶ相コイルＰＶに対応する「第二要素コイルＣＶ」とし、Ｗ相コイルＰＷの左隣（Ｗ相コイルＰＷとＵ相コイルＰＵとの間）に配されたコイルをＷ相コイルＰＷに対応する「第三要素コイルＣＷ」とする。第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷは、いずれも、対応する相コイルＰに対して特定の位置関係にあり、当該対応する相コイルＰへの電流印加で発生する磁束（いわゆる「有効磁束」）から特定の磁気的影響を受ける。

こうした第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷは、１以上の閉路を構成するように接続される。この接続形態としては、種々考えられるが、本実施形態では、図３に示すように、キャンセルコイル３２を構成する四つの第一要素コイルＣＵと、四つの第二要素コイルＣＶと、四つの第三要素コイルＣＷと、を互いに直列に接続し、単一の閉路を構成している。

次に、かかるキャンセルコイル３２を設ける理由について説明する。図１６は、従来の回転電機１０の構成を示す図である。回転電機１０では、その内部において磁気的なアンバランスが生じると、回転軸１６の周囲に電気周期高次の磁束（以下「不平衡磁束５０」と呼ぶ）が発生する。そして、不平衡磁束５０に起因して、回転軸１６両端には、電圧（以下「軸電圧」と呼ぶ）が誘導される。この軸電圧は、回転軸１６およびハウジング１８を介して回転中の軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃに印加される。軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃは、潤滑油膜で絶縁されているが、当該潤滑油膜は、数μｍと薄いため、一定以上の電圧（数Ｖ程度）が印加されると、絶縁破壊する。軸受１９の外輪１９ａ−内輪１９ｃ間の絶縁が破壊されると、図１６に示す通り、「回転軸１６−軸受１９−ハウジング１８−回転軸１６」の循環経路で誘導電流５２が流れる。このとき、ジュール損は、絶縁破壊部、すなわち、軸受１９に集中するため、軸受１９の電食が進行するという問題があった。

こうした問題を解決するために、一部では、回転軸１６とハウジング１８とを接続する導体部材を別途設けることが提案されている。かかる構成とすれば、誘導電流５２は、軸受１９よりもインピーダンスの小さい導体部材に支配的に流れるため、軸受１９の電食を抑制できる。しかしながら、こうした導体部材の採用は、構造的な制約を招き、設計の自由度が低くなったり、回転電機１０全体のサイズや重量、コストが増加したりという別の問題を招いていた。

本実施形態では、回転軸１６およびハウジング１８を連結する導体部材を設けることなく、軸受１９の電食を抑制して、軸受１９の電食を抑制するために、キャンセルコイル３２を設けている。キャンセルコイル３２は、既述した通り、ヨーク２６に巻回されているが、このヨーク２６には、大きく分けて二種類の磁束が流れる。

一つは、回転電機１０の磁気的アンバランスにより生じる不平衡磁束５０である。この不平衡磁束５０は、ヨーク２６を、周方向に進む。また、この不平衡磁束５０は、基本周波数の３倍の周波数で変化する三次の磁束である。

もう一つは、回転トルクを生みだすための磁束である。以下では、この磁束を「有効磁束」と呼ぶ。有効磁束は、一つのティース２８の先端から径方向外向きに進んだ後、ヨーク２６を周方向に移動し、その後、他のティース２８を径方向内向きに進んで、ロータ１２に流れ込む。この有効磁束は、基本周波数と同じ周波数で変化する一次の磁束である。

キャンセルコイル３２を構成する要素コイルＣは、ヨーク２６を周方向に流れる不平衡磁束５０、および、有効磁束の周囲を囲むように、ヨーク２６に巻回されている。換言すれば、キャンセルコイル３２の内部を不平衡磁束５０および有効磁束が貫くことになる。その結果、キャンセルコイル３２には、不平衡磁束５０および有効磁束の時間変化に応じて、電圧が誘導され、これら磁束を妨げる向きの電流が流れる。

以下では、有効磁束の時間変化に応じて誘導される電圧を「一次の誘導電圧」、不平衡磁束５０の時間変化に応じて誘導される電圧を「三次の誘導電圧」と呼ぶ。図５は、一次の誘導電圧を示すグラフである。図５において、破線は、第一要素コイルＣＵに誘導される一次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ１を、実線は、第二要素コイルＣＶに誘導される一次の誘導電圧Ｖ＿Ｖ１を、一点鎖線は、第三要素コイルＣＷに誘導される一次の誘導電圧Ｗ＿Ｖ１を示している。図５から明らかな通り、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに誘導される一次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ１，Ｖ＿Ｖ１，Ｗ＿Ｖ１は、互いに、電気角で１２０度ずつ位相がずれている。そのため、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを直列で接続した場合、各要素コイルＣに誘導される一次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ１，Ｖ＿Ｖ１，Ｗ＿Ｖ１は互いに相殺し合い、閉路全体としての電圧Ａ＿Ｖ１は、ゼロとなる。すなわち、一次の誘導電圧の合計値Ａ＿Ｖ１は、図５において太実線で示されるような値となる。そして、一次の誘導電圧の合計値Ａ＿Ｖ１がゼロとなることで、要素コイルＣには、一次の電流は流れないことになり、有効磁束を打ち消すような磁束は発生しない。結果として、キャンセルコイル３２を設けても、回転電機１０の出力トルクは影響を受けないことになる。

図６は、三次の誘導電圧を示すグラフである。図６において、破線は、各要素コイルＣに誘導される三次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ３，Ｖ＿Ｖ３，Ｗ＿Ｖ３を示しており、実線は、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに誘導される三次誘導電圧の合計値Ａ＿Ｖ３を示している。第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに誘導される三次誘導電圧Ｕ＿Ｖ３，Ｖ＿Ｖ３，Ｗ＿Ｖ３は、互いに位相が同じとなっている。そのため、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを直列で接続した場合、閉路全体としての電圧Ａ＿Ｖ３は、一つの要素コイルＣに誘導される三次の誘導電圧Ｕ＿Ｖ３，Ｖ＿Ｖ３，Ｗ＿Ｖ３の三倍の電圧となる。そして、閉路全体に高い電圧が誘導されることで、これら閉路には、誘導電流が流れる。この誘導電流は、不平衡磁束５０を打ち消すような方向に流れる。

図７は、キャンセルコイル３２の有無による軸電圧の違いを示すグラフである。図７において、実線は、キャンセルコイル３２を設けた場合の軸電圧Ｖａを、破線は、キャンセルコイル３２を設けない場合の軸電圧Ｖｂを示している。図７から明らかな通り、キャンセルコイル３２を設けることで、不平衡磁束５０が、キャンセルコイル３２に流れる三次の誘導電流により低減されるため、軸電圧も低下する。そして、軸電圧が低下することで、軸受１９の潤滑油膜の絶縁破壊が防止され、軸受１９の電食が効果的に防止される。

なお、図３に示す要素コイルＣの結線態様は、一例であり、キャンセルコイル３２が１以上の閉路を構成するのであれば、要素コイルＣの結線態様は、適宜変更されてもよい。例えば、別の形態として、図４に示すように、一つの第一要素コイルＣＵと、一つの第二要素コイルＣＶと、一つの第三要素コイルＣＷと、を直列に接続して１つの閉路を構成し、キャンセルコイル３２全体としては、四つの閉路を含むような構成としてもよい。このように、一つの閉路が第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを一つずつ含む構成とした場合、図３の場合に比べて巻回が容易になる。一方、図３に示すように、全ての要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを直列に接続して単一の閉回路を構成した場合、ロータ１２の偏心等に起因する磁気的なアンバランス、ひいては、周位置による有効磁束の違いを吸収できる。結果として、一次の誘導電圧の合計値Ａ＿Ｖ１をより確実にゼロにすることができ、キャンセルコイル３２が、回転トルクに及ぼす影響をより確実に低減できる。

また、別の形態として、二つの第一要素コイルＣＵと、二つの第二要素コイルＣＶと、二つの第三要素コイルＣＷと、を直列に接続して１つの閉路を構成し、キャンセルコイル３２全体としては、二つの閉路を含むような構成としてもよい。いずれにしても、一つの閉路に、第一要素コイルＣＵと、第二要素コイルＣＶと、第三要素コイルＣＷと、が同数含まれていることが望ましい。かかる構成とすることで、一つの閉路における一次の誘導電圧の和Ａ＿Ｖ１をゼロに近づけることができる。また、この場合、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷは、起磁力が互いに等しいこと、すなわち、各要素コイルＣを構成する巻線の材質や形状、巻回数等が等しいことが望ましい。かかる構成とすることで、一つの閉路における一次の誘導電圧の和Ａ＿Ｖ１をほぼゼロにすることができる。結果として、キャンセルコイル３２が、回転トルクに及ぼす影響をより確実に低減できる。

また、本実施形態では、回転トルクへの影響を最小限にするために、一つの閉路に、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを設けている。しかし、軸受１９の電食抑制のみを目的とするのであれば、第一〜第三要素コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷは、直列に接続されていなくてもよい。例えば、第一要素コイルＣＵのみ、第二要素コイルＣＶのみ、第三要素コイルＣＷのみで一つの閉路を構成するなどしてもよい。この場合でも、不平衡磁束５０は低減できるため、軸受１９の電食を抑制できる。

次に、要素コイルＣの配置のバリエーションについて説明する。図１では、全てのスロットに、要素コイルＣを配置している。しかし、ヨーク２６の内周側および外周側位置において軸方向にのび、ステータコア２４の軸方向外側位置において径方向に延びる要素コイルＣを１つ以上有するのであれば、要素コイルＣの個数や位置は、特に限定されない。

例えば、図８、図９に示すように、要素コイルＣは、周方向において部分的にのみ配されてもよい。図８の例では、二つの第一要素コイルＣＵ、二つの第二要素コイルＣＶ、二つの第三要素コイルＣＷ、合計六つの要素コイルＣが、連続して並ぶ六つのスロットに配置されている。この六つの要素コイルＣは、互いに直列に接続されて単一の閉路を構成してもよいし、所定個数ごとに接続されて、複数の閉路を構成してもよい。また、図９の例では、一つの第一要素コイルＣＵと、一つの第二要素コイルＣＶと、一つの第三要素コイルＣＷとが、周方向に１２０度の間隔を開けて配置されている。かかる構成であっても、不平衡磁束を低減でき、軸受１９の電食を低減できる。

また、これまでは、各要素コイルＣを、スロット内において軸方向に延び（スロット内を通過し）、ステータコア２４の軸方向外側においてヨーク２６を横断するように巻回する例を挙げたが、要素コイルＣの位置は、適宜、変更されてもよい。例えば、図１０に示すように、各要素コイルＣを、ステータコイル３０の内周側位置において軸方向に延び（ステータコイル３０の内周側位置を通過し）、ステータコア２４の軸方向外側においてステータコイル３０およびヨーク２６を横断するように径方向に延びる構成としてもよい。かかる構成とすることで、スロット内に空間的余裕が無い場合でも、要素コイルＣを配置することができ、ひいては、軸受１９の電食を抑制できる。なお、スロットに空間的余裕がある場合は、図１に示すように、要素コイルＣの一部が、スロットを通過するように配置したほうが、磁気的特性に優れるため軸受１９の電食をより確実に抑制できる。また、要素コイルＣの一部がスロットを通過するように配置した図１の構成のほうが、キャンセルコイル３２の線長を低減できる。

また、これまでは、要素コイルＣとハウジング１８との干渉を避けるために、ハウジング１８の内周面に、要素コイルＣの一部を収容する溝を設けていた。しかし、図１１に示すように、ハウジング１８ではなく、ステータコア２４の外周面に、軸方向に貫通する溝部４０を設け、当該溝部４０に要素コイルＣを収容する構成としてもよい。図１１では、ステータコア２４の外周面のうち、ティース２８と対向する箇所に、軸方向に貫通する溝部４０を設けている。かかる箇所に溝部４０を設けるのは、有効磁束への影響が少ないためである。すなわち、有効磁束は、ステータコア２４内に進入するときは、図１１において太線矢印で示すような経路を通る。ロータ１２から一つのティース２８の先端に流れ込んだ有効磁束は、径方向外向きに進んだ後、周方向両側に分岐してヨーク２６を周方向に進む。また、有効磁束は、ステータコア２４からロータ１２に抜けるときは、この逆の順番で進む。したがって、ステータコア２４の外周面のうち、ティース２８と対向する箇所は、有効磁束が殆ど通らない箇所であると言える。かかる箇所を削って溝部４０を形成しても、回転トルクへの影響は少ない。その一方で、かかる溝部４０を設けることで、図１１から明らかな通り、要素コイルＣが、ステータコア２４の外周面から突出することを防止でき、ハウジング１８に溝を設けなくても、ステータ１４とハウジング１８との干渉を防止できる。

なお、この場合、要素コイルＣのうちヨーク２６よりも内周側になる部分は、スロット内を通過してもよいし、図１１に示すように、相コイルＰの内周側位置を通過してもよい。また、当該部分は、図１２に示すように、ティース２８の内周側位置を通過してもよい。図１２の例では、要素コイルＣは、ティース２８の内周側位置において軸方向に延び、ステータコア２４の軸方向外側において径方向に延びてティース２８およびヨーク２６を横断するように巻回される。かかる構成とすれば、スロットに空間的余裕がなくても、キャンセルコイル３２を巻回できる。なお、図１２では、ティース２８の先端を僅かに削った構成を示しているが、空間的に余裕があれば、ティース２８先端は、削らないほうがの望ましい。これは、コアが削られることに起因する回転トルクの低下を防止するためである。

ところで、ステータ１４の軸方向端部には、ステータコイル３０の一部であるコイルエンドや、同じ相コイルＰ同士を接続する渡り線等がある。要素コイルＣは、このコイルエンドや渡り線等（以下まとめて「コイルエンド等」と呼ぶ）よりも軸方向外側を通過してもよいし、軸方向内側を通過してもよい。すなわち、図１３（ａ）に示すように、要素コイルＣは、軸方向端部において、コイルエンド等よりも軸方向外側を通過してもよい。かかる構成とした場合、ステータコア２４にステータコイル３０を組み付けた後に、キャンセルコイル３２を組み付けることができる。換言すれば、キャンセルコイル３２を組み付けるまでは、従前と同様の手順でステータコイル３０を組み立てることができる。

また、図１３（ｂ）に示すように、要素コイルＣは、軸方向端部において、ステータコア２４の軸方端面とコイルエンド等の間を通過してもよい。かかる構成とすることで、キャンセルコイル３２をインシュレータとともに組み付けできる。すなわち、通常、回転電機１０のステータ１４には、ステータコア２４とステータコイル３０との間に、両者を絶縁するためのインシュレータと呼ばれる部材が配される。図１３（ｂ）に示す形態では、要素コイルＣの一部は、インシュレータと同様に、ステータコア２４とステータコイル３０との間に配される。したがって、この場合、要素コイルＣの一部をインシュレータと一体化しておけば、インシュレータ組み付けと同時に要素コイルＣの一部も組み付けることができ、組み付け工数を低減できる。

ところで、これまでの説明では、三相の相コイルＰＵ，ＰＶ，ＰＷそれぞれの一端を中性点で互いに接続したスター結線の場合を例に挙げて説明した。しかし、本願の技術は、三相の相コイルＰＵ，ＰＶ，ＰＷを、相電圧が加わる向きに接続し閉路とするデルタ結線の場合にも適用できる。図１４は、ステータコイル３０をデルタ結線した場合の結線図である。また、図１５は、ステータコイル３０をデルタ結線した場合のステータ１４の一部横断面図である。図１４に示す通り、デルタ結線では、三相の相コイルＰＵ，ＰＶ，ＰＷが、互いに直列に接続され、閉路を形成する。また、図１４では、相コイルＰと相コイルＰとの間に、キャンセルコイル３２を構成する要素コイルＣが介在している。換言すれば、図１４では、三相の相コイルＰＵ，ＰＶ，ＰＷと、キャンセルコイル３２と、が全て、直列に接続され、単一の閉路を構成している。この場合、図１５に示すように、一つの相コイルＰの末端または始端に、要素コイルＣが接続されている。そして、かかる構成とすることで、デルタ結線の場合でも、不平衡磁束５０を低減でき、ひいては、軸受１９の電食を低減できる。また、この場合、相コイルＰと要素コイルＣとを一体化できるため、コイルの本数を低減できる。なお、図１４で示した結線図は一例であり、適宜、変更されてもよい。したがって、デルタ結線の場合でも、キャンセルコイル３２は、ステータコイル３０に接続されず、ステータコイルから独立していてもよい。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ 回転軸、１８ ハウジング、１９ 軸受、２０ ロータコア、２２ 永久磁石、２４ ステータコア、２６ ヨーク、２８ ティース、３０ ステータコイル、３２ キャンセルコイル、４０ 溝部、５０ 不平衡磁束、５２ 誘導電流、Ｃ 要素コイル、ＣＵ 第一要素コイル、ＣＶ 第二要素コイル、ＣＷ 第三要素コイル、Ｐ 相コイル、ＰＵ Ｕ相コイル、ＰＶ Ｖ相コイル、ＰＷ Ｗ相コイル。

Claims (9)

1. 回転電機のステータであって、
   円環状のヨークと、前記ヨークの内周面からステータ径方向に突出する複数のティースと、を有したステータコアと、
   前記ティースに巻回され、通電により回転磁界を発生させるステータコイルと、
   前記ヨークの内周側および外周側位置においてステータ軸方向に延び、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置においてステータ径方向に延びて前記ヨークを横断するように前記ステータコアに巻回されたキャンセルコイルであって、１以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、
   を備え、
   前記ステータコイルは、互いに接続されたＵ相コイルと、Ｖ相コイルと、Ｗ相コイルと、を有し、
   前記キャンセルコイルは、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｕ相コイルに対応する複数の第一要素コイルと、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｖ相コイルに対応する複数の第二要素コイルと、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｗ相コイルに対応する複数の第三要素コイルと、を含み、
   前記キャンセルコイルは、一つの前記第一要素コイルと、一つの前記第二要素コイルと、一つの前記第三要素コイルと、を直列に接続して構成される閉路を複数有する、
   ことを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータであって、
   前記第一要素コイルと、前記第二要素コイルと、前記第三要素コイルは、互いに起磁力が等しい、ことを特徴とするステータ。
3. 請求項１または２に記載のステータであって、
   前記ヨークの外周面のうち、前記ティースと対向する箇所には、前記ステータ軸方向に貫通する溝部が設けられており、
   前記キャンセルコイルの一部は、前記溝部に収容される、
   ことを特徴とするステータ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のステータであって、
   前記キャンセルコイルは、前記ティースとティースの間であるスロット内を通過し、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置において前記ヨークを横断するように巻回される、ことを特徴とするステータ。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載のステータであって、
   前記キャンセルコイルは、前記ステータコイルの内周側位置を通過し、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置において前記ステータコイルおよび前記ヨークを横断するように巻回される、ことを特徴とするステータ。
6. 請求項１から３のいずれか１項に記載のステータであって、
   前記キャンセルコイルは、前記ティースの内周側位置を通過し、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置において前記ティースおよび前記ヨークを横断するように巻回される、ことを特徴とするステータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のステータであって、
   前記ステータコイルは、三相の相コイルをスター結線して構成されており、
   前記キャンセルコイルは、前記ステータコイルに接続されていない、
   ことを特徴とするステータ。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載のステータであって、
   前記ステータコイルは、三相の相コイルをデルタ結線して構成されており、
   前記キャンセルコイルは、前記ステータコイルに直列接続されている、
   ことを特徴とするステータ。
9. ロータと、
   前記ロータとともに回転し、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられた回転軸と、
   前記ロータの外周囲に配置されたステータと、
   を備えた回転電機であって、
   前記ステータは、
   円環状のヨークと、前記ヨークの内周面からステータ径方向に突出する複数のティースと、を有したステータコアと、
   前記ティースに巻回され、通電により回転磁界を発生させるステータコイルと、
   前記ヨークの内周側および外周側位置においてステータ軸方向に延び、前記ステータコアの前記ステータ軸方向外側位置においてステータ径方向に延びて前記ヨークを横断するように前記ステータコアに巻回されたキャンセルコイルであって、１以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、
   を備え、
   前記ステータコイルは、互いに接続されたＵ相コイルと、Ｖ相コイルと、Ｗ相コイルと、を有し、
   前記キャンセルコイルは、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｕ相コイルに対応する複数の第一要素コイルと、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｖ相コイルに対応する複数の第二要素コイルと、互いに異なる箇所に巻回されるとともに前記Ｗ相コイルに対応する複数の第三要素コイルと、を含み、
   前記キャンセルコイルは、一つの前記第一要素コイルと、一つの前記第二要素コイルと、一つの前記第三要素コイルと、を直列に接続して構成される閉路を複数有する、
   ことを特徴とする回転電機。

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