JP2002112484A - 集中巻電動機およびこれに用いるコイルの設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 占積率の高い矩形コイルとピラミッドコイル
を設計する。 【解決手段】 適当な巻数Ｎを用いて式（１）および式
（２）の関係を満たすｎｔとｎｈのうちその積が最小の
ものをピラミッドコイル４０の最大層数ｎｔと最大列数
ｎｈとし、ピラミッドコイル４０の高さＬを最大列数ｎ
ｈで除して平角素線の高さｈ２を決定する。また、ピラ
ミッドコイル許容最大幅Ｗｓからティース幅Ｗｔを減じ
て１／２を乗じたものを最大層数ｎｔで除して平角素線
の厚みｔ２を決定する。矩形コイル３０は、ピラミッド
コイル４０を装着したときのスロット２４の残余のスペ
ースから平角素線の高さｈ１と厚みｔ１とを決定する。 【数８】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集中巻電動機およ
びこれに用いるコイルの設計方法に関し、詳しくは、複
数のスロットとティースとが交互に配置されたステータ
コアに矩形コイルとピラミッドコイルとを交互に取り付
けてなる集中巻電動機およびこれに用いるコイルの設計
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の集中巻電動機としては、
金型等を用いて予め所定形状に形成したコイルをティー
スに装着するものが提案されている（例えば、実用新案
登録公報第２５２４０７４号など）。この集中巻電動機
では、予め形成されたコイルをティースに装着すること
により、ステータの組立作業の容易化を図ることができ
ると共に巻線作業の自動化をも図ることができる、とさ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た集中巻電動機では、予め形成したコイルをティースに
装着するために、スロットの内部に空間が生じ、十分な
占積率を確保することが困難であった。電動機の動特性
の向上と効率の向上を図るためには、ティースに装着す
る各コイルは同一断面積の素線を用いて同一巻数とする
必要がある。一方、コイルを装着するティースやスロッ
トは、ステータが環状に形成されことにより、その形状
を矩形にすることができない。このため、単に同一断面
積の素線を同一巻数だけ巻回したコイルをティースに装
着してもスロット内に空間が生じてしまう。

【０００４】本発明の集中巻電動機は、占積率を高くし
て効率を向上させることを目的とする。また、本発明の
コイルの設計方法は、集中巻電動機の占積率を高くする
コイルの設計方法を提供することを目的とする。

【０００５】なお、上述の課題の一部を解決するものと
して、出願人は、異なる２つの形状のコイルを用いてス
ロット内を埋め尽くすことにより占積率を向上させるも
のを提案している（特願平９−１８５３７１号）。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の集中巻電動機およびこれに用いるコイルの設計方
法は、上述の目的を達成するために以下の手段を採っ
た。

【０００７】本発明の集中巻電動機は、複数のスロット
とティースとが交互に配置されたステータコアに矩形コ
イルとピラミッドコイルとを交互に取り付けてなる集中
巻電動機であって、前記矩形コイルと前記ピラミッドコ
イルは、断面積が同一の平角素線を用いて同一の巻数だ
け巻回されてなると共に軸方向の長さが略同一として形
成され、更に、前記スロット内で該ピラミッドコイルの
傾斜部が該矩形コイルに略接するよう形成されてなるこ
とを要旨とする。

【０００８】この本発明の集中巻電動機では、断面積が
同一の平角素線を用いて同一の巻数だけ巻回されてなる
と共に軸方向の長さが略同一として形成された矩形コイ
ルとピラミッドコイルを、更にスロット内でピラミッド
コイルの傾斜部が矩形コイルに略接するよう形成するこ
とにより、電動機の動特性の向上と占積率の向上を図る
ことができる。ここで、「略接する」とは、接した状態
を含む他、わずかなクリアランスをもって接していない
状態も含む意である。

【０００９】こうした本発明の集中巻電動機において、
前記矩形コイルと前記ピラミッドコイルは、異なる断面
形状の平角素線で巻回されてなるものとすることもでき
る。平角素線は、同一断面積であれば電動機の動特性を
低下させないから、断面形状は如何なるものでもよい。

【００１０】また、本発明の集中巻電動機において、前
記矩形コイルと前記ピラミッドコイルは、前記軸方向の
長さが前記ティースの長さより所定長さだけ短く形成さ
れてなるものとすることもできる。ここで、「所定長
さ」は、コイルの熱膨張による長さを考慮する意であ
る。

【００１１】本発明のコイルの設計方法は、複数のスロ
ットとティースとが交互に配置されたステータコアに交
互に取り付け可能な矩形コイルとピラミッドコイルとを
設計するコイルの設計方法であって、断面積が同一の平
角素線を用いて同一の巻数だけ巻回すると共に軸方向の
長さを略同一とし、更に、前記ステータコアに取り付け
たときに前記ピラミッドコイルの傾斜部が前記矩形コイ
ルに略接するよう該矩形コイルと該ピラミッドコイルを
設計することを要旨とする。

【００１２】この本発明のコイルの設計方法によれば、
電動機の動特性と占積率とを向上させるコイルを設計す
ることができる。ここで、「略接する」とは、接した状
態を含む他、わずかなクリアランスをもって接していな
い状態も含む意である。

【００１３】こうした本発明のコイルの設計方法におい
て、（ａ）前記ピラミッドコイルの最大列数ｎｈと最大
層数ｎｔが式（３）および式（４）の関係を満たすと共
に最大列数ｎｈと最大層数ｎｔとの積が最小となるよう
最大列数ｎｈと最大層数ｎｔとを設定して該ピラミッド
コイルを設計し、（ｂ）該設計されたピラミッドコイル
を前記スロットに取り付けたときの残余のスペースに基
づいて前記矩形コイルを設計するものとすることもでき
る。ここで、式（３）および式（４）中、Ｗｓはピラミ
ッドコイル許容最大幅、Ｗｔはティース幅、Ｌはピラミ
ッドコイルの高さ、ｍはピラミッドコイルの傾斜部の列
の減少単位数、θはスロットピッチ角度、Ｎは巻数、Ｓ
は矩形コイルのスロット占有面積である。

【００１４】

【数２】

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である
集中巻電動機に用いられるステータコア２０の一部の構
成の概略を示す構成図である。図示するように、ステー
タコア２０の内周側に形成されたティース２２には矩形
コイル３０とピラミッドコイル４０とがスロット２４に
丁度収まるように装着されている。

【００１６】矩形コイル３０とピラミッドコイル４０
は、同一断面積であるがその形状が異なる平角素線、即
ち矩形コイル３０ではｈ１×ｔ１の平角素線でピラミッ
ドコイル４０ではｈ２×ｔ２（ｈ１×ｔ１＝ｈ２×ｔ
２）の平角素線を同一巻数（実施例では５２巻）だけ巻
き付けて軸方向の長さ（ピラミッドコイル４０の高さ）
Ｌがティース２２の長さより若干短くなるよう形成され
ていると共にティース２２に装着したときにピラミッド
コイル４０の傾斜部が矩形コイル３０に丁度接触するよ
う形成されている。なお、両コイル３０，４０の軸方向
の長さＬとティース２２の長さとの偏差は、両コイル３
０，４０の熱膨張を考慮したものである。

【００１７】こうして構成された矩形コイル３０とピラ
ミッドコイル４０によれば、ステータコア２０に装着し
たときに生じるスロット２４の余分な空間を小さくする
ことができるから、その占積率を向上させることができ
る。しかも、同一断面積の平角素線を同一巻数だけ巻き
付けるから、電動機の動特性を良好なものとすることが
できる。この結果、矩形コイル３０とピラミッドコイル
４０とを装着したステータコア２０を組み付けてなる集
中巻電動機の性能を向上させることができる。

【００１８】次に、実施例の矩形コイル３０とピラミッ
ドコイル４０の設計方法について説明する。まず、ピラ
ミッドコイル４０の設計方法について述べる。ティース
２２の長さから決定されるピラミッドコイル４０の高さ
Ｌとピラミッドコイル４０を形成する平角素線の高さｈ
２との関係は次式（５）により導かれる。ここで、ｎｈ
はピラミッドコイル４０の最大列数である。

【００１９】

【数３】

【００２０】ピラミッドコイル４０の最大幅は、ピラミ
ッドコイル許容最大幅Ｗｓに等しいことから、平角素線
の厚さｔ２とピラミッドコイル許容最大幅Ｗｓとの関係
は次式（６）となる。ここで、Ｗｔはティース幅であ
り、ｎｔはピラミッドコイル４０の最大層数である。

【００２１】

【数４】

【００２２】ピラミッドコイル４０の傾斜部において平
角素線が矩形コイル３０の平角素線と干渉することなく
接触する用件から、スロットピッチ角度をθとすると、
ピラミッドコイル４０を形成する平角素線の高さｈ２と
厚さｔ２とには次式（７）の関係を満たす必要がある。
ここで、式（７）中、ｍはピラミッドコイル４０の傾斜
部の列の減少単位数、即ち層を変える毎に減少させる列
の数である。

【００２３】

【数５】

【００２４】以上の式（５）ないし式（７）を最大列数
ｎｈと最大層数ｎｔとの関係として整理すると、上述の
式（３）が導かれる。

【００２５】一方、矩形コイル３０のスロット２４の占
有面積をＳとし、ピラミッドコイル４０の傾斜部を直線
とみなしたときのスロット２４の占有面積をＳ１とす
る。矩形コイル３０とピラミッドコイル４０の形状とス
ロット２４の形状との関係を図２に示す。図示するよう
に、矩形コイル３０の占有面積ＳはｘＬで計算され、ピ
ラミッドコイル４０の占有面積Ｓ１はｙＬ＋（Ｌ＋ｚ）
・（ａ−ｙ）／２で計算される。いま、ｘを変数とすれ
ば、ｙは変数ｘの関数として表わすことができ、ｚも変
数ｘの関数として表わすことができる。そして、矩形コ
イル３０の占有面積Ｓとピラミッドコイル４０の占有面
積Ｓ１とが等しい関係（Ｓ＝Ｓ１）を考慮すれば、変数
ｘを決定することができる。こうして求めた変数ｘを用
いて矩形コイル３０の占有面積Ｓを式で表わすと次式
（８）となる。なお、Ｌ０は、ステータコア２０の中心
とコイル内径部との距離である（図１参照）。

【００２６】

【数６】

【００２７】矩形コイル３０の占有面積Ｓをそのままピ
ラミッドコイル４０の占有面積として考え、高さｈ２で
厚さｔ２の平角素線を用いてピラミッドコイル４０を形
成することを考えると、その巻数Ｎと占有面積Ｓとに
は、次式（９）の関係を満たす必要がある。

【００２８】

【数７】

【００２９】この式（９）に上述の式（５）および式
（６）を代入して最大層数ｎｔについて整理すると、上
述の式（４）が導かれる。式（３）および式（４）の関
係の一例を図３に示す。図中、複数の双曲線は、式
（４）の巻数Ｎを３０，４０，５０，５２，６０とした
ものである。また、図中、黒四角や黒三角，黒丸の各ポ
イントは、式（３）で最大層数ｎｔも最大列数ｎｈも自
然数として表わしたものである。ピラミッドコイル４０
の設計では、巻き付け可能な巻数Ｎの双曲線の右上の領
域に位置する式（３）のポイントのうち最大層数ｎｔと
最大列数ｎｈの積が最小となる組み合わせを設計値とす
る。なお、巻き付け可能な巻数Ｎは、ピラミッドコイル
４０の形状や矩形コイル３０の層数ｎ１および列数ｎ２
から妥当なものを選択することにより設定する。こうし
た最大層数ｎｔと最多列数ｎｈの決定の際には、ピラミ
ッドコイル４０の傾斜部の列の減少単位数ｍも決定され
る。そして、決定した最大列数ｎｈと最大層数ｎｔとを
式（５）および式（６）に代入してピラミッドコイル４
０を巻き付ける平角素線の高さｈ２と厚みｔ２とを決定
する。

【００３０】以上説明した手法によりピラミッドコイル
４０の設計値、即ち平角素線の断面形状（高さｈ２と厚
みｔ２）や巻数Ｎ，最大列数ｎｈ，最大層数ｎｔ，傾斜
部の列の減少単位数ｍが決定される。

【００３１】矩形コイル３０の設計は、ピラミッドコイ
ル４０をステータコア２０に装着したときのスロット２
４の残余のスペースとしての縦Ｓ／Ｌで横Ｌの長方形に
巻数Ｎのコイルを形成するものとすればよい。まず、矩
形コイル３０を巻き付ける平角素線の高さをｈ１、厚み
をｔ１とすると、次式（１０）に示すように、平角素線
の断面積（ｈ１×ｔ１）に巻数Ｎを乗じたものが矩形コ
イル３０の占有面積Ｓに等しくなる関係を満たすことが
必要となる。

【００３２】ｈ１×ｔ１×Ｎ＝Ｓ （１０）

【００３３】巻数Ｎを選択する際に、矩形コイル３０の
層数ｎ１と列数ｎ２は決定されているから、矩形コイル
３０の高さをピラミッドコイル４０の高さＬと等しいも
のとして次式（１１）により平角素線の高さｈ１を決定
し、これを式（１０）に代入して平角素線の厚みｔ１を
決定する。

【００３４】ｈ１＝Ｌ／ｎ２ （１１）

【００３５】以上説明した手法により矩形コイル３０の
設計値、即ち平角素線の断面形状（高さｈ１と厚みｔ
１）や巻数Ｎ，層数ｎ１，列数ｎ２が決定される。

【００３６】以上説明した矩形コイル３０とピラミッド
コイル４０の設計方法によれば、同一断面積であるがそ
の形状が異なる平角素線を同一巻数だけ巻き付けて軸方
向の長さがティース２２の長さより若干短く、かつ、テ
ィース２２に装着したときにピラミッドコイル４０の傾
斜部が矩形コイル３０に丁度接触するよう矩形コイル３
０とピラミッドコイル４０とを設計することができる。
即ち、占積率を向上させる矩形コイル３０とピラミッド
コイル４０とを設計することができるのである。

【００３７】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である集中巻電動機に用い
られるステータコア２０の一部の構成の概略を示す構成
図である。

【図２】 矩形コイル３０とピラミッドコイル４０の形
状とスロット２４の形状との関係を説明する説明図であ
る。

【図３】 式（３）および式（４）を用いて最大列数ｎ
ｈと最大層数ｎｔとを決定している様子の一例を示す説
明図である。

【符号の説明】

２０ ステータコア、２２ ティース、２４ スロッ
ト、３０ 矩形コイル、４０ ピラミッドコイル。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のスロットとティースとが交互に配
   置されたステータコアに矩形コイルとピラミッドコイル
   とを交互に取り付けてなる集中巻電動機であって、 前記矩形コイルと前記ピラミッドコイルは、断面積が同
   一の平角素線を用いて同一の巻数だけ巻回されてなると
   共に軸方向の長さが略同一として形成され、更に、前記
   スロット内で該ピラミッドコイルの傾斜部が該矩形コイ
   ルに略接するよう形成されてなる集中巻電動機。
2. 【請求項２】 前記矩形コイルと前記ピラミッドコイル
   は、異なる断面形状の平角素線で巻回されてなる請求項
   １記載の集中巻電動機。
3. 【請求項３】 前記矩形コイルと前記ピラミッドコイル
   は、前記軸方向の長さが前記ティースの長さより所定長
   さだけ短く形成されてなる請求項１または２記載の集中
   巻電動機。
4. 【請求項４】 複数のスロットとティースとが交互に配
   置されたステータコアに交互に取り付け可能な矩形コイ
   ルとピラミッドコイルとを設計するコイルの設計方法で
   あって、 断面積が同一の平角素線を用いて同一の巻数だけ巻回す
   る共に軸方向の長さを略同一とし、更に、前記ステータ
   コアに取り付けたときに前記ピラミッドコイルの傾斜部
   が前記矩形コイルに略接するよう該矩形コイルと該ピラ
   ミッドコイルを設計するコイルの設計方法。
5. 【請求項５】 請求項４記載のコイルの設計方法であっ
   て、（ａ）前記ピラミッドコイルの最大列数ｎｈと最大
   層数ｎｔが式（１）および式（２）の関係を満たすと共
   に最大列数ｎｈと最大層数ｎｔとの積が最小となるよう
   最大列数ｎｈと最大層数ｎｔとを設定して該ピラミッド
   コイルを設計し、（ｂ）該設計されたピラミッドコイル
   を前記スロットに取り付けたときの残余のスペースに基
   づいて前記矩形コイルを設計するコイルの設計方法。 【数１】