JP2008092672A - 軟磁性コイル導体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルの製造が容易で材料費の低減も可能な回転電機を提供すること。
【解決手段】ステータコイル３１は、軟鉄角形線を曲げ成形して構成されたＵ字状セグメント導体を用いて形成され、軟鉄製の円筒状継鉄部であるステータコア３２の内周面側に圧入、固定されている。これにより、磁束量を増やすことができ、最大出力を増大することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用交流発電機等の回転電機に関し、特に軟磁性コイル導体型回転電機に関する。

通常の回転電機のステータコイルは、断面が略円形の絶縁被覆導線をステータコアのスロットに多数巻回して構成されている。以下、このステータコイルを巻線型ステータコイルと言うものとする。

その他の形式のステータコイルとして、本出願が製造しており、たとえば下記の特許文献１、２などに記載されるセグメント順次接続型ステータコイルがある。このセグメント順次接続型ステータコイルは、ステータコアの各スロットに多数のＵ字状セグメント導体を軸方向一方側から挿入し、ステータコアの軸方向他方側に飛び出した各Ｕ字状セグメント導体の飛び出し端部を周方向に一斉に曲げ、その後、各Ｕ字状セグメント導体の先端同士を順次接合して構成されている。セグメント順次接続型ステータコイル自体は、もはや当業者により広く知られているため、更なる詳細説明は省略する。

通常の回転電機のステータコアは積層電磁鋼板により構成され、ステータコイルは絶縁被覆銅線又は絶縁被覆アルミ線により構成される。
特開２００５−１２４３８８号公報 特開２００１−３７１３２号公報

しかしながら、従来の巻線型ステータコイルは、銅線をステータコアのスロットに巻回する作業が大変でかつスロット占積率を向上できなかった。これに対して、セグメント順次接続型ステータコイルは、スロットに巻回の代わりにＵ字状セグメント導体をスロットに軸方向に挿入するためステータコイル巻回工程は簡略化されるものの、各スロットの飛び出し端部やＵ字状頭部を一斉に周方向へ捻る必要があり、製造設備が大型、複雑となるという問題があった。

更に、近年、銅価格の上昇により、回転電気の製造コストに占める材料費が増大しつつあった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、ステータコイルの製造が容易で材料費の低減も可能な回転電機を提供することをその目的としている。

上記目的を解決する本発明は、フレームに固定されたステータと、前記ステータの径方向内側に位置して前記フレームに回転自在に支承されるロータとを有する軟磁性コイル導体型回転電機において、前記ステータコイルは、軟磁性コイル導体により構成されていることを特徴としている。すなわち、この発明は、コイル導体をたとえば軟鉄や純鉄のような軟磁性金属により構成するため、少なくとも従来のステータコアのティースを省略してこのティース配置空間にもステータコイルを配置することができる。このことは、ロータと磁束を授受するステータ内周面に隣接してステータ電流を軸方向に通過させる電気導体の径方向断面積を略倍増できることを意味する。このことは、コイル導体としての鉄と銅との電気抵抗差ほどステータコイルの抵抗損失（いわゆる銅損）が増大しないことを意味する。なお、軟磁性コイル導体は、電気絶縁のために絶縁被覆されていることが好ましい。また、ステータコアのスロットを省略できるということは、ロータと磁束を授受するステータ内周面に隣接して磁束を径方向に流すステータコアの周方向断面積を略倍増できることを意味する。このことは、ステータコアの磁束量を略倍増できること、もしくはその磁束密度の略半減による鉄損の大幅な低下が可能なことを意味する。良く知られているように、回転電機の出力は、ステータ電流量と磁束量（たとえば界磁束量）との積に比例するため、磁束量の倍増は、同一体積当たりの出力を倍増できることを意味する。結局、磁束量の増大により従来より同一体積当たりの出力が大きい回転電機を実現できる。

また、本発明のステータコイルはステータコアのスロットに収容される必要がないため（ステータコアのティースに巻回する必要がないため）、ステータコイルをステータコアのスロットに巻装したり、スロットに軸方向に挿入したＵ字状セグメント導体の飛び出し端部を周方向へ一斉に捻ったりするなどの複雑な工程を省略でき、ステータコイル製造工程を大幅に簡素化することができ、自動化も容易となる。

さらに、本発明のステータコイルは、銅に較べて格段に安価な軟鉄を用いることができるため、材料費用を大幅に削減することができる。

好適な態様において、前記ステータコイルの外周面に隣接配置された軟磁性の円筒状継鉄部（バックヨーク）を有する軟磁性コイル導体を有する軟磁性コイル導体を有する。このようにすれば、ロータから受け取った磁束をステータ電流と直交して径方向へ外側へ十分に流すことができるため、各コイル導体に流れるステータ電流は良好に磁束と鎖交できるため出力をアップできる。また、円筒状継鉄部は、ステータコイルの機械的保護機能及び機械的支持機能ももつことができる。

好適な態様において、前記円筒状継鉄部は、積層電磁鋼板からなる。これにより、円筒状継鉄部の鉄損を低減することができる。

好適な態様において、前記ステータは、前記ステータコイルを一体化するためのコイル支持部を有する。これにより、ステータコイルの各コイル導体が一体化されるため、ステータ剛性を向上することができる。

好適な態様において、前記コイル支持部は、前記ステータコイルをモールドする樹脂モールド部を有する。これにより、損失を増大することなく、ステータコイルの各コイル導体を一体化することができる。

好適な態様において、前記ステータコイルは、周方向へ互いに隣接配置されるとともにそれぞれ前記ステータコイルの半ターンを構成する多数の略I字状の半ターン導体片及び略U字状の１ターン導体片の少なくとも一方からなる多数のセグメントを有し、前記セグメントは、前記ロータの磁極の径方向外側に位置して軸方向へ延在する軸方向延在部と、前記軸方向延在部の軸方向両側から少なくとも周方向へ延在する周方向延在部とを有し、前記周方向延在部の先端は、他の周方向延在部の先端に結合されている。このようにすれば、通常の丸線状のコイル導体に較べてステータの磁気抵抗を低減することができる。また、ステータ電流が通過するステータコイルの径方向断面積を増大できるため、ステータコイルの電気抵抗を低減することができる。更に、従来の銅製のセグメント順次接続型ステータコイルに較べてコイルエンド部分の一斉捻り工程を必要としないため、製造設備の簡素化を図ることができる。

好適な態様において、前記各セグメントは、絶縁樹脂膜により被覆されている。これにより、コイル導体を良好に絶縁することができる。

本願発明の軟磁性コイル導体型回転電機を車両用交流発電機に適用した実施形態を図面を参照して説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきではなく、直流機を含む種々の回転電機に適用することができる。

（実施形態１）
実施形態１を以下に説明する。

（全体構成）
この車両用交流発電機の全体構成をその一部省略軸方向断面図である図１を参照して説明する。この車両用交流発電機は、ロータ２、ステータ３、ブラシ装置４、レクチファイヤ５、レギュレータ６、フロントフレーム７、リアフレーム８、プーリ９等を含んで構成されている。フロントフレーム７及びリアフレーム８は本発明で言うフレームを構成している。

ロータ２は、同期発電機であるオルタネータのランデル型回転子であって、ステータ３の内周面に対面する位置に配置され、フロントフレーム７及びリアフレーム８に軸受けを介して回転自在に支承されている。ロータ２は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回したロータコイル２１を、それぞれが複数個の爪２７、２８を有するポールコア２２、２３によって回転軸であるシャフト２４を通して軸方向両側から挟み込んだ構造を有している。フロント側（プーリ９側）のポールコア２２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために軸流式の冷却ファン２５が溶接等によって取付け固定されている。リア側のポールコア２３の端面にも、リア側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン２６が溶接等によって取付け固定されている。シャフト２４の後端部には、ロータコイル２１の両端に電気的に接続された一対のスリップリングが形成されている。ブラシ装置４内のブラシ４１、４２を各スリップリングに個別に押し当てた状態で組み付けることにより、レクチファイヤ５からロータコイル２１に対して励磁電流が流れるようになっている。この車両用交流発電機の等価回路を図２に示す。この種の車両用交流発電機の構成及び動作は周知事項であるため、説明を省略する。

（ステータ３）
ステータ３は、セグメント順次接続型ステータコイルからなるステータコイル３１と、フロントフレーム７とリアフレーム８とに軸方向に挟持されるステータコア３２とからなる。ステータコア３２は、ティースを持たず単純な軟鉄円筒好適には積層電磁鋼板製の円筒からなり、本発明で言う円筒状継鉄部を構成している。なお、ステータコア３２がティースを持たないということは同時にスロットももたないということを意味する。

（ステータコイル３１）
ステータコイル３１の径方向断面図（AーA線矢視断面図）を図３に示し、その部分周方向展開図を図４に示す。ステータコイル３１は、既述したようにセグメント順次接続型ステータコイルにより構成されており、全体として円筒状に一体化されて円筒状のステータコア３２の内周面部分に嵌め込まれている。

セグメント順次接続型ステータコイルであるステータコイル３１は、多数のＵ字状セグメント導体（図５、図６参照）３３の先端部３３６、３３７を順次接続して構成されている。なお、Ｕ字状セグメント導体３３は、本発明で言う１ターン導体片（セグメント）を構成している。

Ｕ字状セグメント導体３３は、ロータ２の爪部２７、２８の径方向外側に位置して互いに周方向へ１磁極ピッチ（電気角π）離れて軸方向へ延在する一対の軸方向延在部３３１、３３２と、軸方向延在部３３１、３３２のリア側に配置されて軸方向延在部３３１、３３２を繋ぐとともに頭部側コイルエンドを構成するＵ字状頭部３３３と、軸方向延在部３３１、３３２のフロント側に配置されて周方向外側へそれぞれ半磁極ピッチ斜設された一対の飛び出し端部３３４、３３５と、飛び出し端部３３４、３３５の先端から軸方向へ突出する先端部３３６、３３７とからなる。なお、Ｕ字状頭部３３３はV字状に形成されていても良い。

Ｕ字状セグメント導体３３は、角形断面の軟鉄片乃至純鉄片の表面に樹脂皮膜を設けて構成されるが、その先端部３３６、３３７の樹脂皮膜は剥離されているか元々樹脂皮膜を形成されていない。

Ｕ字状セグメント導体３３の先端部３３６、３３７は、径方向に隣接する同相の他のＵ字状セグメント導体３３の先端部３３６、３３７に溶接されている。軸方向延在部３３１、３３２の軸方向長さは、爪部２７、２８の軸方向有効長さより多少大きく形成されている。これは、軸方向延在部３３１、３３２からＵ字状頭部３３３又は飛び出し端部３３４、３３５への曲げを緩和するためである。

Ｕ字状セグメント導体３３の軸方向延在部３３１と軸方向延在部３３２とは、ほぼＵ字状セグメント導体３３の径方向幅だけ径方向へずれるようにＵ字状頭部３３３及び飛び出し端部３３４、３３５が構成されている。

ステータコイル３１の各軸方向延在部３３１、３３２は、図３に示すように、円筒状継鉄部３２の内周面から径方向内側へ４段配置されている。以下、径方向最内の段を第１段、径方向最外の段を第４段とする。したがって、径方向最内の第１段の軸方向延在部３３１と次の第２段の軸方向延在部３３２とにより、第１の３相波形コイルが形成される。同様に、第３段の軸方向延在部３３１と径方向最外の第４段の軸方向延在部３３２とにより、第２の３相第１の３相波形コイルが形成される。これら二つの３相波形コイルは、図示しない渡り導体により相ごとに接続されまた中性点接続されて星形接続ステータコイル３１を構成している。ステータコイル３１の各Ｕ字状セグメント導体３３は、たとえばエポキシ樹脂のモールド成形などにより一体化されて円筒状に形成されている。なお、セグメント順次接続型ステータコイルの巻線形成方法としては、上記の他、種々のバリエーションが本出願人により出願され、公報に掲載されているため、必要であれば参照されたい。

（動作）
この実施形態の車両用交流発電機の特徴は、ステータコイル３１のＵ字状セグメント導体３３を軟鉄乃至純鉄を素材として形成し、図３に示すようにステータ３の内周面においてほぼ隙間無しに又は最小の隙間にて周方向へ配列した点にある。

すなわち、この実施形態のステータコイル３１は、従来のセグメント順次接続型ステータコイルをもつ回転電機のステータコアのティース部分にもＵ字状セグメント導体３３を配置した点にその特徴がある。その他の点は従来のセグメント順次接続型ステータコイルをもつ回転電機と同じである。

（ステータコイル３１の製造方法）
各Ｕ字状セグメント導体３３を既述したように、円筒状継鉄部であるステータコア３２の内周面に配列するには、円筒状のドラム状治具の外周面に各Ｕ字状セグメント導体３３を配列し、樹脂モールドして円筒状のステータコイル３１を形成し、各Ｕ字状セグメント導体３３の先端部を溶接やかしめなどの連結してからドラム状の治具をＵ字状頭部３３３側に引き抜く作業が行われ、その後、この一体成形されたステータコイル３１を円筒状継鉄部であるステータコア３２の内周側に圧入される。

（効果）
このようにすれば、ステータコイル３１が従来のステータコアのいわゆるティースを兼ねることになり、しかもその周方向幅がほぼ倍増されることになる。また、従来のセグメント順次接続型ステータコイルに異なり、成形したセグメント順次接続型ステータコイルをステータコアのスロットに挿入したり、コイルエンド部分を一斉に捻ったりするなどの複雑な製造工程及び製造設備も省略することができる。

（変形態様）
ステータコア３２は省略することができる。この場合には、Ｕ字状セグメント導体３３に入ったロータ磁束はステータコア３２のコイルエンドを通じて、あるいは直接周方向へ流れる。また、ステータコア３２を樹脂乃至アルミなどの非磁性のステータコイル支持部とすることも可能である。その他、セグメント順次接続型ステータコイルの代わりに、通常の巻線型ステータコイルの断面略円形のコイル導体線を鉄を素材として構成してもよい。

（実施形態２）
実施形態２を図７を参照して以下に説明する。

この実施形態は、ステータコイル３１の構成が実施例と異なる。図７は、それぞれ絶縁皮膜を有する６本の軟鉄角形線１０１〜１０６をそれらの幅方向へ一列に並べ、長さ方向へ所定ピッチで一斉に斜めに曲げることにより、直線状の軸方向延在部３３１、３３２と斜行部１１３、１１４とを長手方向へ交互に形成したものである。

これら軟鉄角形線１０１〜１０６の斜行部１１３、１１４をその長手方向中央で折り返すと、実施形態１のＵ字状頭部３３３と本質的に同構造のコイルエンドを構成することができる。したがって、折り返し線L1、L2などで次々と折り返していけば、幅方向へ平面的に展開されたコイル展開アセンブリを構成することができる。

この平面的に展開されたコイル展開アセンブリを円筒状に丸め、同相端を接続し、中性点接続を行い、残る端子を相端子とし、樹脂モールドなどにより一体化すれば、ステータコイル３１が完成する。このステータコイル３１は、実施形態１と同じく、円筒状継鉄部であるステータコア３２に圧入される。

このようにすれば、セグメント接続工程、各セグメントの配列工程を省略することができるため、ステータコイル３１の製造を大幅に簡素化することができる。

実施形態１の車両用交流発電機の全体構成を示す一部省略軸方向断面図である。 図１の車両用交流発電機の等価回路図である。 図１のステータコイルの径方向断面図（AーA線矢視断面図）である。 図２のステータコイルの部分周方向展開図である。 Ｕ字状セグメント導体の展開図である。 Ｕ字状セグメント導体の軸方向にみた正面図である。 実施形態２の車両用交流発電機のステータコイルを形成する工程を説明する説明図である。

符号の説明

２ ロータ
３ ステータ
４ ブラシ装置
５ レクチファイヤ
６ レギュレータ
７ フロントフレーム
８ リアフレーム
９ プーリ
２１ ロータコイル
２２ ポールコア
２３ ポールコア
２４ シャフト
２５ 冷却ファン
２６ 冷却ファン
２７ 爪部
２８ 爪部
３１ ステータコイル
３２ ステータコア（円筒状継鉄部）
３３ Ｕ字状セグメント導体
１０１〜１０６ 軟鉄角形線
１１３ 斜行部
１１４ 斜行部
３３１ 軸方向延在部
３３２ 軸方向延在部
３３３ Ｕ字状頭部
３３４ 飛び出し端部（斜行部）
３３５ 飛び出し端部（斜行部）
３３６ 先端部
３３７ 先端部

Claims (7)

1. フレームに固定されたステータと、
   前記ステータの径方向内側に位置して前記フレームに回転自在に支承されるロータと、
   を有する回転電機において、
   前記ステータコイルは、軟磁性コイル導体により構成されていることを特徴とする軟磁性コイル導体型回転電機。
2. 請求項１記載の軟磁性コイル導体型回転電機において、
   前記ステータコイルの外周面に隣接配置された軟磁性の円筒状継鉄部を有する軟磁性コイル導体型回転電機。
3. 請求項２記載の軟磁性コイル導体型回転電機において、
   前記円筒状継鉄部は、
   積層電磁鋼板からなる軟磁性コイル導体型回転電機。
4. 請求項１記載の軟磁性コイル導体型回転電機において、
   前記ステータは、
   前記ステータコイルの各コイル導体を一体化するためのコイル支持部を有する軟磁性コイル導体型回転電機。
5. 請求項４記載の軟磁性コイル導体型回転電機において、
   前記コイル支持部は、
   前記ステータコイルをモールドする樹脂モールド部を有する軟磁性コイル導体型回転電機。
6. 請求項１記載の軟磁性コイル導体型回転電機において、
   前記ステータコイルは、
   周方向へ互いに隣接配置されるとともにそれぞれ前記ステータコイルの半ターンを構成する多数の略I字状の半ターン導体片及び略U字状の１ターン導体片の少なくとも一方からなる多数のセグメントを有し、
   前記セグメントは、
   前記ロータの磁極の径方向外側に位置して軸方向へ延在する軸方向延在部と、前記軸方向延在部の軸方向両側から少なくとも周方向へ延在する周方向延在部とを有し、
   前記周方向延在部の先端は、
   他の周方向延在部の先端に結合されている軟磁性コイル導体型回転電機。
7. 請求項６記載の軟磁性コイル導体型回転電機において、
   前記各セグメントは、絶縁樹脂膜により被覆されている軟磁性コイル導体型回転電機。

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