JP2009095167A - セグメント型固定子、回転電機および駆動装置、ならびにセグメント型コイルの成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機を軸方向により短くし、小型軽量化を進めること。
【解決手段】本発明のセグメント型固定子６では、矩形断面をもつセグメント導体１の開放端部３が上り下り一対の階段状に形成されている。両階段状部分の各段々は、隣のセグメント導体１の当該階段状部分の段々に乗り上げて配設される。すると、固定子鉄心７の端面７１から開放端部３側のコイルエンド８２が突出する高さＨは、従来に比べ半減するから、回転電機の全長が短くなり回転電機を小型軽量化できる。そして、ハイブリッドカーの駆動装置内に同軸で対向配置される一対の回転電機に本発明を実施すれば、この駆動装置を小型軽量化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セグメント導体を固定子コイルに採用した電動モータおよび発電機などの回転電機とその製造方法の技術分野に属し、また、このような回転電機を構成要素とする駆動装置の技術分野に属する。この駆動装置は、動力としてエンジンと電動機とを併用するビークル（例えばハイブリッドカー）に用いて好適である。

セグメント型コイルの開放端部としては、例えば特許文献１の図２，図５および図１２に示すものが公知である。すなわち、ターン部の反対側にあたる開放端部は、周方向に所定の角度をもって斜めに斜行して成形された部分と、直線部とほぼ平行な先端部とに成形され、先端部で一層分だけずれた他の開放端部と互いに溶接されて一方のコイルエンドを形成している。

それゆえ、固定子鉄心の一端面と開放端部との間には山型の隙間が形成されており、その分だけ開放端部の先端は固定子鉄心から軸方向に突出して離れている。その結果、セグメント型固定子を有する回転電機は、このように突出したコイルエンドが収容されるだけの軸方向の寸法をもったフレームを必要とする。

また、ハイブリッドカー用の駆動装置としては、特許文献２〜４に開示されているように、一対の回転電機を同軸に配置して内蔵しているものが多い。そして、これらの回転電機には、セグメント型固定子を有するものが少なくない。
特許第３４３８５７０号公報（特に図３および図５） 特開平２００４−３４３８４５号公報 特開平２００４−３３０８４７号公報 特開平２００６−２６２５５３号公報

しかしながら、前述のように、各セグメント導体の開放端部が斜行しており、互いに接続された開放端部の外形がおおむね山型になっていると、そのコイルエンドが固定子鉄心からどうしても大きく突出してしまう。そこでこの突出寸法のことを、開放端部側コイルエンドの「突出高さ」とこの明細書中では呼ぶことにする。

もちろん、どちら側のコイルエンドであっても、その突出高さが大きければ大きいほど、セグメント型固定子の軸方向の寸法も必然的に大きくなる。すると、そのセグメント型固定子を収容しているフレームは、その軸方向の寸法が大きくならざるを得ないから、そのセグメント型固定子を有する回転電機においても、軸方向の寸法が大きくなってしまうことは不可避である。

ここで「軸方向」とは、固定子またはその固定子を含む回転電機の軸心（中心線）に沿った方向ないし軸心に平行な方向を指すものであり、軸心に向かう方向（求心方向）を指すものではない。

また、ハイブリッドカーなどに搭載される駆動装置には、互いに対向または背向して同軸に配設された一対の回転電機を内蔵するものが多い。そして、これらの回転電機がセグメント型固定子を有するものである場合には、そのコイルエンドの突出高さをたとえ一方であっても低減することができれば、その分だけ駆動装置の小型軽量化できる場合が少なくない。

そこで本発明は、セグメント型固定子の一方のコイルエンドにおける突出高さを低減することと、これに適した製造方法としてセグメント型コイルの成形方法を提供することとを解決すべき課題とする。本発明はまた、セグメント型固定子を有する回転電機の軸方向の寸法を低減し、この回転電機を小型軽量化することをも解決すべき課題とする。併せて、このような回転電機を構成要素として有する駆動装置についても、小型軽量化を可能にすることを解決すべき課題とする。

前記課題を解決するために、発明者は以下の手段を発明した。そこで、本項では各手段の構成について説明し、併せてその構成がもたらす作用効果についても簡潔に説明する。なお、以下の各手段に付せられた順序数は、本願出願時に特許請求の範囲に記載のあった請求項の番号にそれぞれ対応している。

［物の発明］
（第１手段：セグメント型固定子）
本発明の第１手段は、断面形状が概略矩形の導体線材が成形されてなる所定数のセグメント導体と、これらのセグメント導体の直線部を収容している複数のスロットが形成された固定子鉄心とを有するセグメント型固定子である。各セグメント導体は、互いに平行な一対の直線部と、これら直線部の一端を互いに接続するターン部と、これら直線部の他端を屈曲させてなる一対の開放端部とをもつ。そして、これらの開放端部のうち所定のものが互いに先端部付近で接続され、セグメント型コイルが形成されている。

そして、各前記開放端部は、前記直線部におおむね直交する複数の平坦部と、前記直線部の軸方向に所定の段差をもってこれらの平坦部を連結する複数の段差部とをもつ。すなわち、これら平坦部とこれら段差部とが交互に配設されて、各前記開放端部はそれぞれ階段状に形成されている。ここで、前記一対の開放端部のうち一方は、周方向の一方に向かって階段状に形成された上り階段状部分であり、他方は、周方向の他方に向かって階段状に形成された下り階段状部分である。さらに、これらの上り階段状部分は、それぞれ周方向に隣り合う前記開放端部同士で互いに乗り上げており、これらの下り階段状部分は、それぞれ周方向に隣り合う前記開放端部同士で互いに乗り上げている。

本手段では、各セグメント導体の開放端部が階段状に成形されており、周方向に隣り合ったセグメント導体の開放端部に互いに乗り上げているので、固定子鉄心の一端面からほとんど隙間なく開放端部が詰まっている。それゆえ、開放端部の先端が鉄心端面から軸方向に突出した突出高さは、おおむね最低限に抑制されている。

したがって本手段によれば、セグメント型固定子の両コイルエンドのうち開放端部側の突出高さを従来技術よりも大幅に低く抑え、おおむね半減することができるという効果がある。

（第２手段：回転電機）
本発明の第２手段は、セグメント型コイルをもつ固定子と、この固定子に対して同軸に軸支された回転子とを有する回転電機であり、本手段の特徴は、前記固定子が第１手段のセグメント型固定子であることである。

本手段では、第１手段の項で説明したようにセグメント型コイルの開放端部側の突出高さが半減しているから、突出高さの減少分だけ回転電機の軸方向の長さを短縮することができる。したがって本手段によれば、回転電機の小型軽量化を進めることができるという効果がある。

（第３手段）
本発明の第３手段は、互いに同軸に配設された一対の回転電機と、エンジンに駆動される入力軸と、外部に駆動力を提供する出力手段とを有する駆動装置である。本手段の特徴は、両前記回転電機のうち少なくとも一方は、第２手段の回転電機であることである。

本手段では、第２手段の項で説明したように、第２手段に相当する回転電機では開放端部側のコイルエンドの突出高さが低減されているから、それ相応に駆動装置の軸方向の寸法も短縮される。したがって本手段によれば、駆動装置の小型軽量化を進めることができるという効果がある。

［製造方法の発明］
（第４手段）
本発明の第４手段は、各セグメント導体の開放端部を互いに接続できるようにするために、固定子鉄心の一端面から真っ直ぐに突出したこれらの開放端部を所定形状に曲げ捩り成形するセグメント型コイルの成形方法である。本手段は、一端に所定間隔で櫛歯状に隙間のある中空円筒状の治具を前記開放端部に所定の深さで差し込み、その状態でこの治具を回転させつつ前記固定子鉄心に近づけることにより、これら開放端部の一部を周方向に捩りつつ曲げ、前記一端面に対してほぼ水平になるまで曲げる曲げ捩り工程を有する。そして本手段の特徴は、この治具に差し込まれたこれら開放端部の差し込み深さを所定量だけ浅くしてこの曲げ捩り工程を行うことを所定回数だけ繰り返し、これら開放端部を一段ずつ階段状に成形していくことである。

本手段では、曲げ捩り工程を行うことを所定回数だけ繰り返すことにより、セグメント導体の開放端部を階段状に成形していくので、セグメント型コイルの開放端部を階段状に積み重ねて隙間の少ないコイルエンドを成形することができる。したがって本手段によって開放端部を成形した後、開放端部の先端同士を適切に接続すれば、第１手段のセグメント型固定子を製造することができるという効果がある。

本発明の「セグメント型固定子」「回転電機」「駆動装置」および「セグメント型コイルの成形方法」がもつ実施形態については、当業者が本発明を実施することができるだけの理解が得られるように、以下の記載で明確かつ十分に説明する。なお、本発明の出願時点では、以下の実施形態ないしその変形態様が最良の形態に相当する可能性があるものと、発明者は考えている。

実施形態１

本発明の実施形態１は、「セグメント型固定子」およびその製造方法たる「セグメント型コイルの成形方法」と、この固定子を有する「回転電機」とである。それぞれの構成と作用効果については、相互に密接な関連がある。

（セグメント型固定子）
本実施形態において、セグメント型固定子６は、断面形状が概略矩形の導体線材が成形されてなる所定数のセグメント導体１と、各セグメント導体１の一対の直線部２を周方向に所定の角度間隔で収容している複数のスロット７０が形成された固定子鉄心７とを有する。各セグメント導体１は、互いに平行な一対の直線部２と、両直線部２の一端を互いに接続するターン部（図略）と、各直線部２の他端を屈曲させてなる一対の開放端部３とをもつ。そして、各セグメント導体の開放端部３のうち所定のものが互いに先端部３２付近で接続され、セグメント型コイル８が形成されている。

そして、各開放端部３は、直線部２におおむね直交する四つの平坦部４１〜４４と、直線部２の軸方向に所定の段差をもってこれらの平坦部４１〜４４を連結する三つの段差部５１〜５３とをもつ。すなわち、平坦部４１〜４４と段差部５１〜５３とが交互に配設されて、各開放端部３はそれぞれ階段状に形成されている。ここで、セグメント導体１の一対の開放端部３のうち一方は、周方向の一方に向かって階段状に形成された上り階段状部分３１であり、他方は、周方向の他方に向かって階段状に形成された下り階段状部分（符号は省略）である。なお、下り階段状部分に符号を付けなかったのは、ごく一部が同じく図１中に見え隠れしているものの識別しにくいからである。さらに、上り階段状部分３１は、それぞれ周方向に隣り合う開放端部３同士で互いに乗り上げている。一方、これらの下り階段状部分（図略）は、それぞれ逆の周方向に隣り合う開放端部同士で互いに乗り上げている。

そして、開放端部３のうち上り階段状部分３１から先の先端部３２は、一層違いで固定子鉄心７のスロット７０に収容された他のセグメント導体１の下り階段状部分の先端部に溶接によって接続されている。固定子鉄心７の各スロット７０には、それぞれ８層の直線部２が収容されており、各溶接箇所Ｗ１〜Ｗ４は、半径方向に四段階に分かれている。ただし、溶接で接合される部分を除いて、セグメント導体１のほぼ全体が絶縁被膜（図略）で覆われているので、開放端部３側のコイルエンド８２で短絡の発生は防止されている。さらに、必要に応じて絶縁性の樹脂で充填し、コイルエンド８２での絶縁性を向上させることもできる。

本実施形態のセグメント型固定子６では、前述のように各セグメント導体１の開放端部３が階段状に成形されており、周方向に隣り合った他のセグメント導体１の開放端部３に互いに乗り上げている。それゆえ、固定子鉄心７の一端面７１と第一平坦部４１との間にごく僅かしか隙間が生じないうえ、周方向に隣り合うセグメント導体１の開放端部３との間もほとんど稠密に詰まっている。その結果、開放端部３の先端部３２が鉄心端面７１から軸方向に突出した突出高さＨは、おおむね最低限に抑制されている。

したがって、本実施形態のセグメント型固定子６によれば、開放端部３側のコイルエンド８２での突出高さＨを従来技術よりも大幅に低く抑え、おおむね半減することができるという効果がある。

（セグメント型コイルの成形方法）
以上のセグメント型固定子６を製造する方法の要部として、本実施形態におけるセグメント型コイル８の成型方法を例示する。

本実施例のセグメント型コイルの成形方法は、各セグメント導体１の開放端部３を互いに接続できるようにするために、セグメント導体１を固定子鉄心７に挿入したばかりの段階では鉄心端面７１から真っ直ぐに突出した開放端部３を、所定形状に曲げ捩り成形する方法である。本成型方法は、一端に所定間隔で櫛歯状に隙間のある中空円筒状の治具（図略）を開放端部３に所定の深さで差し込み、その状態でこの治具を回転させつつ固定子鉄心７に近づけることにより、開放端部３の根本部分を周方向に捩りつつ曲げ、鉄心端面７１に対してほぼ水平になるまで曲げてほぼ直角に曲がった角部３０を形成する曲げ捩り工程を有する。そして本成型方法では、この治具に差し込まれた開放端部３の差し込み深さを一定量だけ浅くして、このような曲げ捩り工程を行うことを所定回数だけ繰り返し、開放端部３を一段ずつ階段状に成形していく。

すなわち、角部３０および第一平坦部４１を形成した後、第一段差部５１および第二平坦部４２と、第二段差部５２および第三平坦部４３と、第三段差部５３および第四平坦部４４とを順に形成していき、最後に先端部３２を残して先ほどの治具を開放端部３から抜き去る。その結果、開放端部３の先端部３２は鉄心端面７１に対してほぼ鉛直に直立し、同様にして逆の周方向に下り階段状に成型された一層違いの他の開放端部の先端部と半径方向に隣接する。そこで、両先端部３２を溶接により接続すれば、所定の回路構成をもつセグメント型コイル８が形成されるに至る。

本実施形態の成形方法では、前述のように、曲げ捩り工程を行うことを所定回数だけ繰り返すことにより、セグメント導体１の開放端部３が段階的に階段状に成形されていく。すると、周方向に隣り合うセグメント型コイル８の開放端部３を階段状に積み重ねて鉄心端面７１との間に隙間がほとんどないコイルエンド８２を形成することができる。その結果、セグメント型固定子の項で説明したように、開放端部３側のコイルエンド８２で突出高さをおおむね半減することができるようになる。

（回転電機）
本実施形態において、本発明の回転電機（例えば図２のＭＧ１およびＭＧ２）は、以上で説明したセグメント型コイル８をもつ固定子６（図１参照）と、セグメント型固定子６に対して同軸に軸支された回転子９（図２参照）とを有する。

本実施形態の回転電機では、前述のようにセグメント型固定子６のコイル８を構成するセグメント導体１の開放端部３に特徴があり、そのコイルエンド８２の突出高さＨがおおむね半減されている（図１参照）。その結果、この回転電機の軸方向の寸法を短縮することができ、そのフレームや軸を短縮することができるので、小型軽量化を進めるうえで効果がある。

実施形態２

（駆動装置の構成）
本発明の実施形態２たる駆動装置１００は、いわゆるハイブリッドカー用の駆動装置である。すなわち駆動装置１００は、図２に示すように、互いに対向して同軸に配設された一対の回転電機（第一回転電機ＭＧ１および第二回転電機ＭＧ２）と、エンジンＥに駆動される入力軸１１１と、外部に駆動力を提供する出力手段１３０とを有する。なお、図２中では、両回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の固定子８や回転子９で同じ符号（６，７，８，８１，９，９１）が割り振られているが、このような符号の共用は、必ずしも両回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の当該部品が互いに同一規格であることを示唆するものではない。

ここで、エンジンＥからの入力軸１１１と、第一回転電機ＭＧ１の回転子９の軸たる中空の回転軸９１と、第二回転電機ＭＧ２の回転子９の回転軸９１とは、互いに対向した回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の間にやはり同軸に挿置されたトルクスプリット装置１２０に接続されている。そして、第一回転電機ＭＧ１と第二回転電機ＭＧ２とでは、それぞれのセグメント型固定子６のターン部側コイルエンド８１は互いに背向しており、逆に開放端部コイルエンド８２は互いに対向して配設されている。

さて、トルクスプリット装置１２０は、遊星ギヤと幾つかのクラッチとを含む装置であり、図示しない制御装置の指令によって駆動装置１００の運転モードを切り替える作用をもつ。また、出力手段１３０は、動力伝達ギヤなどによって駆動装置１００から動力を車両の駆動輪（図略）に伝達したり、逆に発電するために駆動輪から動力を駆動装置１００に取り込んだりする作用をもつ。

そして、駆動装置１００の特徴は、二基一組の回転電機ＭＧ１，ＭＧ２のうち両方が、それぞれ実施形態１で詳述した構成の回転電機であることである。すなわち、各回転電機ＭＧ１，ＭＧ２のセグメント型固定子６では、所定数のセグメント導体１の開放端部３によって形成されるコイルエンド８２で、その突出高さＨ１，Ｈ２が従来技術に比べおおむね半減されている。

なお、両回転電機ＭＧ１，ＭＧ２のコイルエンド８２では稠密度が高くなるが、もともと駆動装置１００では両コイルエンド８１，８２を冷却油で強制冷却しているので、過熱による不具合は起こりにくい。

（駆動装置の作用効果）
本実施形態の駆動装置１００は、以上のように構成されているので、以下のような作用効果を発揮する。

すなわち、前述のように互いに同軸で対向する両回転電機ＭＧ１，ＭＧ２において、セグメント型固定子６のターン部側コイルエンド８１の突出高さＨ１，Ｈ２が、それぞれ従来技術よりも低くなっている。それゆえ、おおむねその分だけ、駆動装置１００の要部を格納するフレーム（図略）の軸方向の寸法についても、本実施形態の駆動装置１００の方が従来の駆動装置よりも低減されている。

つまり、図２中の上部に描かれた寸法線に示すように、開放端部コイルエンド８２の突出高さＨ１，Ｈ２が短くなれば、両回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の軸方向の長さＬ１，Ｌ２もそれぞれ短くなる。そして、トルクスプリット装置１２０との空間的な位置関係にもよるが、仮に両回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の開放端部コイルエンド８２の間の距離Ｌ０が一定であるならば、駆動装置１００の全長Ｌも短縮される。

具体的な数値を挙げるならば、小型乗用車クラス用の駆動装置１００においては、コイルエンド８２の突出高さＨ１，Ｈ２は、従来技術によるものよりもそれぞれ２５〜４０ｍｍくらい短縮される。したがって、本実施形態の駆動装置１００によれば、その全長Ｌを数十ｍｍ程度も短縮することができ、これに伴って容積や重量も相応に低減することができるから、相当程度に小型軽量化の効果が得られる。

（変形態様）
本実施形態の駆動装置１００では、同じく図２に示すように、両回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の開放端部３側のコイルエンド８２が互いに対向していたが、両者８２，８２を互いに背向する向きに配置した変形態様も可能である。あるいは、両回転電機ＭＧ１，ＭＧ２のうちいずれか一方の方向を変えた変形態様も可能である。そして、多少の程度の差はあるが、いずれの変形態様においても前述の本実施形態とほぼ同様の効果が得られる。

本発明の実施形態１での開放端部側コイルエンド形状を示す斜視図 本発明の実施形態２としての駆動装置の概略構成を示す断面模式図

符号の説明

１：セグメント導体
２：一対の直線部（固定子鉄心のスロットに収容される部分）
３：開放端部
３０：角部 ３２：先端部 Ｗ１〜Ｗ４：溶接部
３１：上り階段状部分
４１〜４４：第一平坦部〜第四平坦部（鉄心端面に対しほぼ平行）
５１〜５３：段差部（固定子鉄心の端面に対し斜行）
６：セグメント型固定子
７：固定子鉄心 ７０：スロット ７１：固定子鉄心の一端面
８：セグメント型コイル
８１：ターン部側のコイルエンド ８２：開放端部側のコイルエンド
Ｈ：開放端部コイルエンドの突出高さ
９：回転子 ９１：回転軸
１００：駆動装置
１１１：エンジン動力の入力軸
１２０：トルクスプリット装置（遊星ギヤおよびクラッチ等を含む）
１３０：出力手段（動力伝達ギヤ等を含む）
ＭＧ１：第一回転電機 ＭＧ２：第二回転電機
Ｈ１：第一回転電機での開放端部コイルエンドの突出高さ
Ｈ２：第二回転電機での開放端部コイルエンドの突出高さ
Ｌ：駆動装置の要部全長 Ｌ０：両回転電機の間隔
Ｌ１：第一回転電機の固定子長さ Ｌ２：第二回転電機の固定子長さ
Ｅ：エンジン

Claims (4)

1. 断面形状が概略矩形の導体線材が成形されてなり、互いに平行な一対の直線部と、これら直線部の一端を互いに接続するターン部と、これら直線部の他端を屈曲させてなる一対の開放端部とをもつ所定数のセグメント導体と、
   これらの直線部を収容している複数のスロットが形成された固定子鉄心とを有し、
   これらの開放端部のうち所定のものが互いに先端部付近で接続され、セグメント型コイルが形成されている固定子において、
   各前記開放端部は、前記直線部におおむね直交する複数の平坦部と、前記直線部の軸方向に所定の段差をもってこれらの平坦部を連結する複数の段差部とをもち、
   これら平坦部とこれら段差部とが交互に配設されて、各前記開放端部はそれぞれ階段状に形成されており、
   前記一対の開放端部のうち一方は、周方向の一方に向かって階段状に形成された上り階段状部分であり、他方は、周方向の他方に向かって階段状に形成された下り階段状部分であって、
   これらの上り階段状部分は、それぞれ周方向に隣り合う前記開放端部同士で互いに乗り上げており、これらの下り階段状部分は、それぞれ周方向に隣り合う前記開放端部同士で互いに乗り上げていることを特徴とする、
   セグメント型固定子。
2. セグメント型コイルをもつ固定子と、この固定子に対して同軸に軸支された回転子とを有する回転電機において、
   前記固定子は、請求項１記載のセグメント型固定子であることを特徴とする、
   回転電機。
3. 互いに同軸に配設された一対の回転電機と、エンジンに駆動される入力軸と、外部に駆動力を提供する出力手段とを有する駆動装置において、
   両前記回転電機のうち少なくとも一方は、請求項２記載の回転電機であることを特徴とする、
   駆動装置。
4. 各セグメント導体の開放端部を互いに接続できるようにするために、固定子鉄心の一端面から真っ直ぐに突出したこれらの開放端部を所定形状に曲げ捩り成形するセグメント型コイルの成形方法において、
   一端に所定間隔で櫛歯状に隙間のある中空円筒状の治具を前記開放端部に所定の深さで差し込み、その状態でこの治具を回転させつつ前記固定子鉄心に近づけることにより、これら開放端部の一部を周方向に捩りつつ曲げ、前記一端面に対してほぼ水平になるまで曲げる曲げ捩り工程を有し、
   この治具に差し込まれたこれら開放端部の差し込み深さを所定量だけ浅くしてこの曲げ捩り工程を行うことを所定回数だけ繰り返し、これら開放端部を一段ずつ階段状に成形していくことを特徴とする、
   セグメント型コイルの成形方法。