JP2010041795A - 回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な巻線構成で、導体の整列と磁気回路の最適化を両立することができる回転電機の固定子を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機１は、複数のスロット２５を周方向に配列した円筒状の固定子鉄心２２と、固定子鉄心２２に装着された固定子巻線２３を有する。固定子巻線２３は、スロット内に収納されたスロット部と、スロット部の端部を連結するコイルエンド部とからなる。スロット部の断面は、長辺Ｌと短辺Ｓからなる矩形をなし、スロット部は、スロット内に径方向に配置され、内径側のスロット部は、周方向に短辺Ｓを向けて配置され、外径側のスロット部は、周方向に長辺Ｌを向けて配置される。また、スロットは、周方向幅が内径側から外径側に向かうにしたがって大となっている。
【選択図】図８

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される回転電機の固定子に関する。

従来から、車両用交流発電機に用いられる固定子として、複数の導体セグメントを接合することにより形成された巻線を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示された固定子は、Ｕ字状の複数の導体セグメントを固定子鉄心の一方の端面側から挿入した後に、反挿入側の端部同士を接合することにより巻線が形成されている。この固定子は、連続した導体を巻いて巻線を構成する場合に比べて、規則的に配置された巻線が形成しやすいという特長がある。スロット内での導体周辺の隙間を減らしてより整列性を向上させるために、スロットの対向する側面を平行とし、ティースを扇形にしている。

一般に、磁気回路を鉄で形成する場合には、材料鉄の飽和磁束密度よりやや小さい磁束密度で使用すべきであるといわれている。低磁束密度での使用は、鉄が有効に使われていないばかりか、磁気回路断面積が無駄に大きくなる。この場合、鉄断面積を削減しても磁気回路の磁気抵抗増加はわずかであり、軽量化の観点では明らかに鉄を削減すべきである。逆に、飽和磁束密度以上での使用は、磁気回路の磁気抵抗が過大になり、無駄に励磁磁束を浪費することになる。このような場合、磁気回路断面積を若干増加することで磁気抵抗は大幅に低下し、性能向上が期待される。このような観点では、磁気回路に沿って、断面積は一定が望ましい。固定子鉄心においては、平行ティースが望ましい。この場合、スロット形状は、平行でなく、扇形スロットとなる。

コイル整列と磁気回路の最適化を両立する従来技術として、矩形導体を整列配置し、さらに縦横比Ｓ／Ｌを徐々に変化させることで、平行ティースとなる扇形スロットに巻線を巻回する構成が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２の図１０では、１０本の導体の縦横比を徐々に変化させている。この特許文献２では、加圧力を変化させて縦横比を徐々に変化させる手法を提案している。

また、従来から、周方向幅の太い導体を外径側に、細い導体を内径側に配置するとともに、スロット形状をこれらの導体の形状に合わせるようにした構成が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
国際公開第９２／０６５２７号パンフレット 国際公開第２００４／０６２０６５号パンフレット 国際公開第２００８／０４４７０３号パンフレット

ところで、特許文献２に開示された従来技術では、導体の異なる縦横比形成のためには、加圧力の異なる１０回の加圧変形が必要である。縦横比一定であれば一回の加圧で成形できることを考えると大変な手間である。また、特許文献３に開示された従来技術では、内径側と外径側とで断面積が異なる導体を用意しなければならないのでさらに手間がかかる。このように、従来は、磁気回路を最適化した固定子鉄心と組み合わされる導体は製造が容易ではなく、簡単な巻線構成で導体の整列と磁気回路を最適化することができる固定子が望まれていた。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、簡単な巻線構成で、導体の整列と磁気回路の最適化を両立することができる回転電機の固定子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機の固定子は、複数のスロットを周方向に配列した円筒状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着された固定子巻線を有し、
固定子巻線は、スロット内に収納されたスロット部と、スロット部の端部を連結するコイルエンド部とからなり、スロット部の断面は、長辺Ｌと短辺Ｓからなる矩形、または長径Ｌと短径Ｓからなる楕円形をなし、スロット部は、スロット内に径方向に配置され、内径側のスロット部は、周方向に短辺Ｓあるいは短径Ｓを向けて配置され、外径側のスロット部は、周方向に長辺Ｌあるいは長径Ｌを向けて配置され、スロットは、周方向幅が内径側から外径側に向かうにしたがって大となっている。

これにより、内径側は縦横比Ｓ／Ｌ、外径側は縦横比Ｌ／Ｓの異なる縦横比の導体からなる構造を１種類の導体縦横比で構成することができ、簡単な巻線構成を実現することができる。このため、加圧成形する場合は１回でよく、矩形断面に予め形成された角線を用いる場合は１種類でよい。なお、角線を用いる場合には加圧成形しなくてのよいので被膜にダメージを与えるおそれもない。また、周方向幅が外径側ほど大きくなるスロット形状を採用することにより、スロット間のティース部の周方向幅を一定あるいは一定に近づけることができるため、導体の整列と同時に磁気回路の最適化を図ることが可能となる。

また、上述した固定子巻線は、スロット部の長辺Ｌと短辺Ｓとの比Ｓ／Ｌあるいは長径Ｌと短径Ｓとの比Ｓ／Ｌの異なるｎ組の２ｎ本のスロット部を含んで構成され、長辺／長径Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌｎ−１、Ｌｎおよび短辺／短径Ｓｎ、Ｓｎ−１、・・・、Ｓ２、Ｓ１が、外径側から内径側にこの順番で配置されるとともに、それぞれの関係がＬ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌｎ−１≧Ｌｎ≧Ｓｎ≧Ｓｎ−１≧・・・≧Ｓ２≧Ｓ１の関係を満足することが望ましい。これにより、加圧成形する場合はこれまでの構成では２ｎ回の加圧が必要であったが、ｎ回の加圧ですむため、加圧回数をｎ回削減することができる。また、矩形断面に予め形成された角線を用いる場合は、これまでの構成では２ｎ種類の角線が必要であったが、ｎ種類の角線ですむため、角線の種類をｎ種類削減することができる。

また、上述した固定子鉄心の軸方向端面側に配置されるコイルエンド部は、外径側斜行部と、頂部と、内径側斜行部と、からなり、外径側斜行部は、外径側のスロット部から頂部に向けて、周方向に延伸されるとともに、固定子鉄心から軸方向に離間し、頂部は、外径側斜行部から内径側斜行部へと、径方向に接合し固定子鉄心から最大限離間し、内径側斜行部は、頂部から内径側のスロット部に向けて、周方向に延伸されるとともに、固定子鉄心へ軸方向に漸近し、外径側斜行部において、固定子巻線は周方向に長辺Ｌまたは長径Ｌを向けて配置され、内径側斜行部において、固定子巻線は径方向に長辺Ｌまたは長径Ｌを向けて配置され、頂部において、外径側斜行部および内径側斜行部の長辺Ｌあるいは長径Ｌは滑らかに方向転換することが望ましい。これにより、適切な縦横比の導線を曲げ加工するだけで周方向幅の異なる２種のスロット部を備えた固定子巻線を提供することができる。縦横比の異なる導線や、縦横比を変えるための加圧加工を行うことなく、コイル整列と磁気回路の最適化を両立する回転電機の固定子を提供することができる。なお、加圧しなくてもよいので被膜にダメージを与えるおそれもなく、捻りが少ないので頂部における被膜へのダメージも少ない。

また、上述した固定子巻線は、コイルエンド部においてほぼ円形断面を有することが望ましい。丸線を用いてスロット部を加圧成形する場合にはスロット部の加工率が高くなるため、上記の巻線構成で加工回数を減らすことにより、加工性を飛躍的に向上させることができる。

また、所定の隙間をΔとしたときに、スロットは、最内径側に配置されたスロット部の短辺Ｓあるいは短径Ｓよりも２×Δ大きい最内径側周方向幅を有し、最外径側に配置されたスロット部の長辺Ｌあるいは長径Ｌよりも２×Δ大きい最外径側周方向幅を有し、周方向に隣接する２つのスロットに挟まれたティース部は、最内径側周方向幅と最外径側周方向幅がほぼ等しいことが望ましい。また、上述したスロット内に配置される複数のスロット部は、周方向に隣接するスロット側面との距離が隙間Δとなるように長辺／長径Ｌおよび短辺／短径Ｓを設定することが望ましい。さらに、周方向に隣接する２つのスロットに挟まれたティース部は、周方向幅が径方向に沿ってほぼ一定であることが望ましい。あるいは、周方向に隣接する２つのスロットに挟まれたティース部は、周方向の側面が隣接するスロット部の側面形状に沿った形状を有することが望ましい。これにより、磁気回路の最適化とともに高占積率化を実現することができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。また、図２は図１に示す車両用交流発電機の結線図である。

図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、整流装置５等を含んで構成されている。

固定子２は、固定子鉄心２２と、固定子鉄心２２に形成された複数のスロット（例えば本実施形態では９６個）内に備わった電気導体としての複数の導体セグメントを相互に接合することにより形成された固定子巻線２３と、固定子鉄心２２と固定子巻線２３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを含んで構成されている。固定子鉄心２２は、薄い鋼板を重ね合わせて構成されている。

固定子巻線２３は、一つの多相巻線を一組として、複数組の多相巻線が設けられている。例えば、図２に示すように、本実施形態の固定子巻線２３は、２組の多相巻線としての三相巻線２３Ａ、２３Ｂからなっており、これら２組の三相巻線２３Ａ、２３Ｂが互いに電気角で３０°異なる位置に巻装されている。一方の三相巻線２３Ａは、Ｙ結線されたＸ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線を含んでいる。また、他方の三相巻線２３Ｂは、Ｙ結線されたＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線を含んでいる。

回転子３は、シャフト６と一体になって回転するものであり、１組のランデル型ポールコア７、界磁コイル８、スリップリング９、１０、冷却用の斜流ファン１１および遠心ファン１２等を含んで構成されている。シャフト６は、プーリ２０に連結され、車両に搭載された走行用のエンジン（図示せず）によって回転駆動される。

ランデル型のポールコア７は、一組のコアを組み合わせることにより構成されている。各コアは、シャフト６に組み付けられた円筒状のボス部７１と、ボス部７１の一方の軸方向端面から径方向に延びるディスク部７２と、ディスク部７２の外周部から軸方向に沿ってボス部７１側に延びる複数の爪状磁極部７３とによって構成されている。各ポールコア７は、それぞれの爪状磁極部７３を互い違いに向かい合わせるようにして組み付けられる。界磁コイル８は、絶縁紙８１を介してポールコア７の爪状磁極部７３の内径側に適当な圧縮力をもって当接されている。絶縁紙８１は、樹脂を含浸したシートからなり、界磁コイル８を包囲しており、加熱処理によって界磁コイル８を固着するとともに、ポールコア７と界磁コイル８との間の電気絶縁を担っている。

プーリ２０側に配置されたポールコア７のディスク部７２の端面には、冷却用の斜流ファン１１が溶接等により固定されている。また、反プーリ２０側（スリップリング側）に配置されたポールコア７のディスク部７２の端面には、遠心ファン１２が溶接等により固定されている。斜流ファン１１の投影面積（回転方向に投影したブレードの面積）は、遠心ファン１２のブレードの投影面積よりも小さく設定されている。

フレーム４は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３がシャフト６を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア７の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。フレーム４は、フロントフレーム４Ａとリアフレーム４Ｂとからなり、これらが複数本の締結ボルト（図示せず）によって締結されて上述した固定子２等の支持が行われる。また、フレーム４は、固定子鉄心２２の軸方向端面から突出した固定子巻線２３に対向した部分に冷却風の吐出窓４１が、軸方向端面に吸入窓４２がそれぞれ設けられている。

リアフレーム４Ｂの外側には、整流装置５や電圧調整装置５１、ブラシ装置５２が取り付けられ、これらを覆うようにリヤカバー５３が取り付けられる。

整流装置５は、固定子巻線２３から延びる引出し線が接続されており、印加される三相交流電圧を三相全波整流して直流電圧に変換する。図２に示すように、固定子巻線２３には２組の三相巻線２３Ａ、２３Ｂが含まれており、整流装置５には２組の三相巻線２３Ａ、２３Ｂのそれぞれに対応する２つの三相全波整流回路５Ａ、５Ｂが含まれている。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ２０にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁コイル８に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア７のそれぞれの爪状磁極部７３が励磁され、固定子巻線２３に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置５の出力端子からは所定の直流電力が取り出される。

次に、固定子２の詳細について説明する。図３は、固定子巻線２３を構成する導体セグメントの斜視図である。また、図４は図３に示した導体セグメントの組み付け状態を示す斜視図である。図５は、導体セグメントの形成過程を示す図である。

固定子鉄心２２のスロット２５に装備された固定子巻線２３は複数の電気導体により構成され、各スロット２５には偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。また、一のスロット２５内の４本の電気導体は、図４に示すように固定子鉄心２２の径方向について内側から内端層２３１ａ、内中層２３２ａ、外中層２３２ｂ’、外端層２３１ｂ’の順で一列に配列されている。

本明細書では、スロット２５内に収容された各電気導体を「スロット部」と称するものとする。また、本実施形態の固定子巻線２３では、スロット部およびスロット２５の外部に突出する電気導体の断面は、長辺Ｌと短辺Ｓからなる矩形形状を有している。

一のスロット２５内の内端層の電気導体２３１ａは、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂと対をなしている。同様に、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外中層の電気導体２３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心２２の軸方向の一方の端面側において連続線を用いることにより、頂部としてのターン部２３１ｃ、２３２ｃを経由することで接続される。

したがって、固定子鉄心２２の一方の端面側においては、外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとをターン部２３２ｃを経由して接続する連続線を、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとをターン部２３１ｃを経由して接続する連続線が内包することとなる。このように、固定子鉄心２２の一方の端面側においては、対をなす電気導体の接続部としてのターン部２３２ｃが、同じスロット２５内に収容された他の対をなす電気導体の接続部としてのターン部２３１ｃにより囲まれる。外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとの接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとの接続により端層コイルエンドが形成される。

一方、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の内端層の電気導体２３１ａ’とも対をなしている。同様に、一のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂ’は、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外中層の電気導体２３２ｂとも対をなしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心２２の軸方向の他方の端面側において接合により接続される。

したがって、固定子鉄心２２の他方の端面側においては、外端層の電気導体２３１ｂ’と外中層の電気導体２３２ｂとを接続する外側接合部２３３ｂと、内端層の電気導体２３１ａ’と内中層の電気導体２３２ａとを接続する内側接合部２３３ａとが、径方向および周方向に互いにずれた状態で配置されている。外端層の電気導体２３１ｂ’と外中層の電気導体２３２ｂとの接続、および内端層の電気導体２３１ａ’と内中層の電気導体２３２ａとの接続により、異なる同心円上に配置された２つの隣接層コイルエンドが形成される。

さらに、図３に示すように、内端層の電気導体２３１ａと外端層の電気導体２３１ｂとが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる大セグメント２３１により提供される。また、内中層の電気導体２３２ａと外中層の電気導体２３２ｂとが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる小セグメント２３２により提供される。基本となるＵ字状の導体セグメント２３０は、大セグメント２３１と小セグメント２３２によって形成される。各セグメント２３１、２３２は、スロット２５内に収容されて軸方向に沿って延びる部分を備えるとともに、軸方向に対して所定角度傾斜して延びる曲げ部としての斜行部２３１ｆ、２３１ｇ、２３２ｆ、２３２ｇを備える。これら斜行部によって、固定子鉄心２２から軸方向の両端面に突出するコイルエンドが形成されており、回転子３の軸方向の両端面に取り付けられた斜流ファン１１および遠心ファン１２を回転させたときに生じる冷却風の通風路は、主にこれら斜行部の間に形成されている。また、この冷却風の通風路には、固定子巻線２３の引出し線も配置されている。

以上の構成を、全てのスロット２５の導体セグメント２３０について繰り返す。そして、反ターン部側のコイルエンド群において、外端層の端部２３１ｅ’と外中層の端部２３２ｅ、並びに内中層の端部２３２ｄと内端層の端部２３１ｄ’とがそれぞれ溶接、超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等の手段によって接合されて外側接合部２３３ｂおよび内側接合部２３３ａが形成され、電気的に接続されている。

次に、導体セグメント２３０の形成過程の詳細について説明する。上述したように導体セグメント２３０には、大セグメント２３１と小セグメント２３２が含まれており、以下の説明では大セグメント２３１に着目して説明を行うものとする。

大セグメント２３１は、図５に示すように、矩形状の断面を有する銅線を９０°に捻るとともに（図５（Ｂ））、捻ったところを中心にＵ字状の導体２３１’に変形し（図５（Ａ））、さらにこのＵ字状の導体２３１’をＡ方向に変形させて形成したターン部２３１ｃおよび斜行部２３１ｆに連なる２つの直線部２３１ａ、２３１ｂを、固定子鉄心２２のスロット２５にインシュレータ２４を介在させた状態で挿入し、反ターン部側をＢ方向に折り曲げて斜行部２３１ｇを形成した後、その先端部分である端部２３１ｄ、２３１ｅを別に挿入された小セグメント２３２の端部に接合することにより構成されている。図５において、矢印Ｃは固定子鉄心２２の周方向を示している。

実際には、図４に示すように、反ターン部側の斜行部が形成される前の大セグメント２３１と小セグメント２３２を、固定子鉄心２２の軸方向端面の同一側にターン部２３１ｃ、２３２ｃが揃うように重ね、大セグメント２３１はスロット２５の奥側に、小セグメント２３２はスロット２５の開口側に位置するように挿入する。これらの大セグメント２３１と小セグメント２３２は、平角被覆導線を折り曲げ、プレス等でほぼＵ字型形状に成形して製作され、ほぼ平行なスロット２５の側面に、大セグメント２３１と小セグメント２３２のそれぞれの両側面がインシュレータ２４を介して当接するように圧入される。その後、図３に示すように、ターン部２３１ｃ、２３２ｃと斜行部２３１ｆ、２３２ｆによって形成される第１のコイルエンド群（コイルエンド部）２３ａとは反対側に位置する端部２３１ｄ、２３２ｄを互いに隣接するもの同士が反対側に位置するように周方向に折り曲げた後、異層の大セグメント２３１の端部２３１ｄと小セグメント２３２の端部２３２ｄ同士が電気導通するように超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等で接合され、その接合された端部２３１ｄ、２３２ｄと斜行部２３１ｇ、２３２ｇによって第２のコイルエンド群２３（コイルエンド部）ｂが形成される。

ところで、図３に示すように、大セグメント２３１の斜行部２３１ｆには、ターン部２３１ｃを挟んで径方向内側（内径側）に配置される内径側斜行部２３１ｆ１と径方向外側（外径側）に配置される外径側斜行部２３１ｆ２とが含まれる。同様に、小セグメント２３２の斜行部２３２ｆには、ターン部２３２ｃを挟んで径方向内側に配置される内径側斜行部２３２ｆ１と径方向外側に配置される外径側斜行部２３２ｆ２とが含まれる。

大セグメント２３１の外径側斜行部２３１ｆ２は、外径側のスロット部としての外端層の電気導体２３１ｂからターン部２３１ｃに向けて周方向に延伸されるとともに、固定子鉄心２２から軸方向に離間している。また、ターン部２３１ｃは、外径側斜行部２３１ｆ２から内径側斜行部２３１ｆ１へと径方向に接合し、固定子鉄心２２から最大限離間している。内径側斜行部２３１ｆ１は、ターン部２３１ｃから内径側のスロット部としての内端層の電気導体２３１ａに向けて周方向に延伸されるとともに、固定子鉄心２２へ軸方向に漸近している。さらに、外径側斜行部２３１ｆ２において、固定子巻線２３は周方向に長辺Ｌを向けて配置され、内径側斜行部２３１ｆ１において、固定子巻線２３は径方向に長辺Ｌを向けて配置され、ターン部２３１ｃにおいて、外径側斜行部２３１ｆ２および内径側斜行部２３１ｆ１の長辺Ｌは滑らかに方向転換している。小セグメント２３２についても同様である。

図６は、一方の三相巻線２３Ａの詳細な等価回路を示す図である。なお、他方の三相巻線２３Ｂも同様の構成を有しており、その詳細説明は省略する。

上述したように、固定子巻線２３には２組の三相巻線２３Ａ、２３Ｂが含まれており、それぞれが整流装置５に含まれる整流回路５Ａ、５Ｂに別々に接続されている。また、一方の三相巻線２３Ａは、Ｘ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線のそれぞれの一方端同士が共通に結線されたＹ結線を有するが、各相巻線は電気角が１８０°異なるように巻装された２つの巻線を相間接合線を介して逆相の状態で直列接続することにより構成されている。

Ｘ相巻線に着目すると、互いに電気角が１８０°異なる巻線Ｘ１と巻線Ｘ２とが、異型の導体セグメントによって構成される相間接合線Ｘａを介して接続されている。そして、一方の巻線Ｘ１の一方端側であって相間接合線Ｘａと反対側の端部Ｘからは整流装置５に向かって引出し線Ｘｂが延びており、他方の巻線Ｘ２の他方端側であって相間接合線Ｘａと反対側の端部Ｘ’からは各相巻線が共通に接続される中性点に向かって延びる引出し線Ｘｃが延びている。

同様に、Ｙ相巻線に着目すると、互いに電気角が１８０°異なるＹ１相巻線とＹ２相巻線とが、異型の導体セグメントによって構成される相間接合線Ｙａを介して接続されている。そして、一方の巻線Ｙ１の他方端側であって相間接合線Ｙａと反対側の端部Ｙからは整流装置５に向かって引出し線Ｙｂが延びており、他方の巻線Ｙ２の他方端側であって相間接合線Ｙａと反対側の端部Ｙ’からは各相巻線が共通に接続される中性点に向かって延びる引出し線Ｙｃが延びている。

Ｚ相巻線に着目すると、互いに電気角が１８０°異なるコイルＺ１とコイルＺ２とが、異型の導体セグメントによって構成される相間接合線Ｚａを介して接続されている。そして、一方の巻線Ｚ１の他方端側であって相間接合線Ｚａと反対側の端部Ｚからは整流装置５に向かって引出し線Ｚｂが延びており、他方の巻線Ｚ２の他方端側であって相間接合線Ｚａと反対側の端部Ｚ’からは各相巻線が共通に接続される中性点に向かって延びる引出し線Ｚｃが延びている。

上述した各相巻線に含まれる相間接合線および引出し線に対応して形成される絶縁皮膜の耐環境性がそれ以外の部分（例えば図３に示す導体セグメントの絶縁皮膜）よりも良好になるように設定されており、部分的に絶縁特性の改良が行われている。

図７は、固定子巻線２３の巻線仕様図であり、その一部を抜き出して示したものである。図７において、「６８」等の数字はスロット番号を示している。「Ｎ１」、「Ｎ２」はＹ結線された各相巻線が共通に接続される中性点を示している。丸で囲まれた「Ｘ」はＸ相巻線の整流装置５側の端部を、丸で囲まれた「Ｘ’」はＸ相巻線の中性点側の端部をそれぞれ示している。また、Ｘ相巻線以外のＹ相巻線、Ｚ相巻線、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線についても同様である。また、各スロットにおいて、一点鎖線は内端層の電気導体に、点線は内中層の電気導体に、実線は外中層の電気導体に、二点鎖線は外端層の電気導体にそれぞれ対応している。

図７に示すように、本実施形態の固定子巻線２３においては、例えばＸ相巻線を構成する一方の巻線Ｘ１は、第４０スロットと第３４スロットが両端となるように、５スロットおきにほぼ１周巻装されている。Ｘ相巻線を構成する他方の巻線Ｘ２も、第４０スロットと第３６スロットが両端となるように、５スロットおきにほぼ１周巻装されている。第４０スロットから延びる巻線Ｘ１の一方端側は引出し線Ｘｂとして整流装置５に向けて引き出されており、第３４スロットから延びる巻線Ｘ２の一方端側は引出し線Ｘｃとして中性点Ｎ１に向けて引き出されている。また、第３４スロットから延びる巻線Ｘ１の他方端側と第４０スロットから延びる巻線Ｘ２の他方端側は、相互に相間接合線Ｘａを介して接続されている。

ところで、本実施形態の固定子巻線２３は、２組のセグメント２３１、２３２の合計４本のスロット部としての電気導体が含まれるが、セグメントの数をｎ組として一般化すると、以下の特徴を有する。

固定子巻線２３は、矩形断面の電気導体の長辺Ｌと短辺Ｓとの比Ｓ／Ｌの異なるｎ組の２ｎ本の電気導体をスロット部として含む場合に、長辺Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌｎ−１、Ｌｎおよび短辺Ｓｎ、Ｓｎ−１、・・・、Ｓ２、Ｓ１が、外径側から内径側にこの順番で配置されており、かつ、それぞれの関係がＬ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌｎ−１≧Ｌｎ≧Ｓｎ≧Ｓｎ−１≧・・・≧Ｓ２≧Ｓ１の関係を満足するようになっている。

例えば、図８に示すように、２組４本の電気導体の場合には、外端層の電気導体の長辺Ｌ１、外中層の電気導体の長辺Ｌ２、内中層の電気導体の短辺Ｓ２、内端層の電気導体の短辺Ｓ１が、外径側から内径側にこの順番でしかもこれらの各辺が周方向に沿うように配置されるとともに、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｓ２＞Ｓ１の関係を満足している。

また、本実施形態では、固定子鉄心２２のスロット２５は、収容される各電気導体の周方向幅に沿った形状を有している。具体的には、図８に示すように、スロット２５の周方向幅は、外径側において最も大きくなり、内径側になるほど小さくなっている。

所定の隙間をΔとしたときに、図８に示すスロット２５は、最内径側に配置された電気導体の短辺Ｓ１よりも２×Δ大きい最内径側周方向幅を有し、最外径側に配置された電気導体の長辺Ｌ１よりも２×Δ大きい最外径側周方向幅を有している。そして、周方向に隣接する２つのスロット２５に挟まれたティース部２６は、最内径側周方向幅と最外径側周方向幅がほぼ等しく、かつ周方向幅が径方向に沿ってほぼ平行に設定されている。また、一つのスロット２５内に配置される複数の電気導体は、周方向に隣接するスロット側面との距離が隙間Δとなるように長辺Ｌ１、Ｌ２および短辺Ｓ１、Ｓ２が設定されている。これにより、磁気回路の最適化とともに高占積率化を実現することができる。

なお、本実施形態では、電気導体の周方向長さは外径側からＬ１＞Ｌ２＞Ｓ２＞Ｓ１の関係を満足し、径方向長さは外径側からＳ１＜Ｓ２＜Ｌ２＜Ｌ１の関係を満足しているが、部分的な適用でもよい。例えば、他機種との共用や導体の入手容易性等の事情により、径方向長さを短くしたい場合、以下の構成でもよい。第１層と第４層は適用し、第２層と第３層は従来の手法とする。すなわち、周方向長さは外径側からＬ１＞Ｌ２＝Ｌ２＞Ｓ１の関係を満足し、径方向長さは外径側からＳ１＜Ｓ２＝Ｓ２＜Ｌ１の関係を満足する構成とする。これによりスロット長を短くすることができる。

図９は、スロット形状の変形例を示す図である。図８に示す例では、スロット２５の側面（電気導体に対して周方向に隣接する面）は平面であったが、図９に示すように、スロット２５内に収容される４本の電気導体の周方向幅に合わせて、側面形状を階段状にしてもよい。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１の固定子２では、内径側は縦横比Ｓ／Ｌ、外径側は縦横比Ｌ／Ｓの異なる縦横比の導体からなる構造を１種類の導体縦横比で構成することができ、簡単な巻線構成を実現することができる。このため、加圧成形する場合は１回でよく、矩形断面に予め形成された角線を用いる場合は１種類でよい。なお、角線を用いる場合には加圧成形しなくてのよいので被膜にダメージを与えるおそれもない。また、周方向幅が外径側ほど大きくなるスロット形状を採用することにより、スロット２５間のティース部２６の周方向幅を一定あるいは一定に近づけることができるため、導体の整列と同時に磁気回路の最適化を図ることが可能となる。

また、本実施形態の車両用交流発電機１では、外径側斜行部２３１ｆ２、２３２ｆ２の下面（固定子鉄心２２側）と外径側斜行部２３１ｆ２、２３２ｆ２の内径面と内径側斜行部２３１ｆ１、２３２ｆ１の下面（固定子鉄心２２側）と内径側斜行部２３１ｆ１、２３２ｆ１の内径面とがそれぞれ滑らかに連続するように変形するため、ターン部２３１ｃ、２３２ｃを挟んでその両側で斜行部２３１ｆ、２３２ｆの方向を変えるという簡単な構成により、各々の面の各々の部位に加わるストレスを低減することができる。したがって、固定子巻線２３の被膜へのストレスを低減して確実な被覆（剥離や損傷のない被膜）を提供することができ、耐環境性が良好な車両用交流発電機１の固定子２を提供することができる。

図１０は、電気導体を９０°捻る場合の説明図である。図１１は、電気導体を１８０°捻る場合の説明図である。図１２は、９０°捻りおよび１８０°捻りのそれぞれの伸びを比較した結果を示す図である。電気導体を９０°捻る場合には、図１０に示す捻り前のａ点が捻り後のａ'点に移動する。また、電気導体を１８０°捻る場合には、図１１に示す捻り前のｂ点が捻り後のｂ'点に移動する。

一般に、電気導体を折り曲げる場合の内曲げＲ、捻り幅は、電気導体の短辺と同等以上のＲ寸法が必要となる。また、図１２に示すように、１８０°捻りの場合は、断面が正方形の場合の伸び（ｂ→ｂ’）は初期（捻り前）に比べて約２倍となる。ここで、初期の２倍の伸びが製品上の限界と仮定すると、９０°捻りの場合の伸び（ａ→ａ’）は１８０°捻りの場合の約１／２に抑えることができる。よって、初期の２倍の伸びとなる捻り幅を従来の１／２まで短縮することが可能となり、スロットピッチ幅が狭い場合にも適用可能となる。また、同様の考えで、線サイズに対しては２倍の太さが可能となり、高出力化に適した固定子巻線２３を実現することができる。さらに、従来と同じ捻り幅（スロットピッチ幅）にした場合、伸びが１／２になり皮膜破れに対する耐久性に対して効果がある。

また、外径側の電気導体の周方向幅よりも内径側の電気導体の周方向幅を小さくすることができるため、スロット２５内に複数本（２Ｎ本）の電気導体を整列配置した場合であっても、周方向の長さが異なる外径側と内径側のそれぞれについて、周方向に隣接するコイルエンド部のギャップを均一に設定することができ、コイル間のショートやレアの発生を防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、固定子巻線２３を構成する電気導体の断面形状が長辺Ｌと短辺Ｓの矩形であるものとして説明したが、断面形状が長径Ｌと短径Ｓの楕円形の場合にも本発明を適用することができる。図１３には図８に示す固定子鉄心２２に断面形状が楕円形の電気導体を組み合わせた例が、図１４には図９に示す固定子鉄心２２に断面形状が楕円形の電気導体を組み合わせた例がそれぞれ示されている。

また、上述した実施形態では、断面が矩形形状の電気導体（導体セグメント）を用いて固定子巻線２３を形成したが、断面が円形の丸線を用い、スロット２５に収容されるスロット部を加圧成形して断面を矩形形状（あるいは楕円形状）に加工するようにしてもよい。この場合は、コイルエンド部の断面が円形断面となり、スロット部の断面が矩形形状（あるいは楕円形状）となる。丸線を用いてスロット部を加圧成形する場合にはスロット部の加工率が高くなるため、本実施形態の巻線構成で加工回数を減らすことにより、加工性を飛躍的に向上させることができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。 図１に示す車両用交流発電機の結線図である。 固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図である。 図３に示した導体セグメントの組み付け状態を示す斜視図である。 導体セグメントの形成過程を示す図である。 一方の三相巻線の詳細な等価回路を示す図である。 固定子巻線の巻線仕様図である。 固定鉄心のスロット形状を示す図である。 スロット形状の変形例を示す図である。 電気導体を９０°捻る場合の説明図である。 電気導体を１８０°捻る場合の説明図である。 ９０°捻りおよび１８０°捻りのそれぞれの伸びを比較した結果を示す図である。 断面形状が楕円形の電気導体を用いた固定子の部分的な断面図である。 断面形状が楕円形の電気導体を用いた固定子の部分的な断面図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 固定子
３ 回転子
４ フレーム
５ 整流装置
２２ 固定子鉄心
２３ 固定子巻線
２５ スロット

Claims (8)

1. 複数のスロットを周方向に配列した円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された固定子巻線を有し、
   前記固定子巻線は、前記スロット内に収納されたスロット部と、前記スロット部の端部を連結するコイルエンド部と、からなり、
   前記スロット部の断面は、長辺Ｌと短辺Ｓからなる矩形、または長径Ｌと短径Ｓからなる楕円形をなし、
   前記スロット部は、前記スロット内に径方向に配置され、
   内径側の前記スロット部は、周方向に短辺Ｓあるいは短径Ｓを向けて配置され、
   外径側の前記スロット部は、周方向に長辺Ｌあるいは長径Ｌを向けて配置され、
   前記スロットは、周方向幅が内径側から外径側に向かうにしたがって大となることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 請求項１において、
   前記固定子巻線は、前記スロット部の前記長辺Ｌと前記短辺Ｓとの比Ｓ／Ｌあるいは前記長径Ｌと前記短径Ｓとの比Ｓ／Ｌの異なるｎ組の２ｎ本の前記スロット部を含んで構成され、
   長辺／長径Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌｎ−１、Ｌｎおよび短辺／短径Ｓｎ、Ｓｎ−１、・・・、Ｓ２、Ｓ１が、外径側から内径側にこの順番で配置されるとともに、
   それぞれの関係がＬ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌｎ−１≧Ｌｎ≧Ｓｎ≧Ｓｎ−１≧・・・≧Ｓ２≧Ｓ１の関係を満足することを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項２において、
   前記固定子鉄心の軸方向端面側に配置される前記コイルエンド部は、外径側斜行部と、頂部と、内径側斜行部と、からなり、
   前記外径側斜行部は、外径側の前記スロット部から前記頂部に向けて、周方向に延伸されるとともに、前記固定子鉄心から軸方向に離間し、
   前記頂部は、前記外径側斜行部から前記内径側斜行部へと、径方向に接合し前記固定子鉄心から最大限離間し、
   前記内径側斜行部は、前記頂部から内径側の前記スロット部に向けて、周方向に延伸されるとともに、前記固定子鉄心へ軸方向に漸近し、
   前記外径側斜行部において、前記固定子巻線は周方向に前記長辺Ｌまたは前記長径Ｌを向けて配置され、
   前記内径側斜行部において、前記固定子巻線は径方向に前記長辺Ｌまたは前記長径Ｌを向けて配置され、
   前記頂部において、前記外径側斜行部および前記内径側斜行部の前記長辺Ｌあるいは前記長径Ｌは滑らかに方向転換することを特徴とする回転電機の固定子。
4. 請求項１または２において、
   前記固定子巻線は、前記コイルエンド部においてほぼ円形断面を有することを特徴とする回転電機の固定子。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   所定の隙間をΔとしたときに、
   前記スロットは、最内径側に配置された前記スロット部の短辺Ｓあるいは短径Ｓよりも２×Δ大きい最内径側周方向幅を有し、最外径側に配置された前記スロット部の長辺Ｌあるいは長径Ｌよりも２×Δ大きい最外径側周方向幅を有し、
   周方向に隣接する２つの前記スロットに挟まれたティース部は、最内径側周方向幅と最外径側周方向幅がほぼ等しいことを特徴とする回転電機の固定子。
6. 請求項５において、
   前記スロット内に配置される複数の前記スロット部は、周方向に隣接するスロット側面との距離が前記隙間Δとなるように長辺／長径Ｌおよび短辺／短径Ｓを設定することを特徴とする回転電機の固定子。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   周方向に隣接する２つの前記スロットに挟まれたティース部は、周方向幅が径方向に沿ってほぼ一定であることを特徴とする回転電機の固定子。
8. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   周方向に隣接する２つの前記スロットに挟まれたティース部は、周方向の側面が隣接する前記スロット部の側面形状に沿った形状を有することを特徴とする回転電機の固定子。

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