JP2010063323A - コイル部材およびステータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数層のコイル線を並列に巻回した構造を採りつつ、循環電流を抑制しうるコイル部材およびステータを提供する。
【解決手段】コイル部材２０は、２本のコイル線を含むコイル１０をエッジワイズ状に巻回したものである。コイル１０は、内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとの長辺同士を、同一平面上に並べたものである。内層第１端子２１ａと外層第２端子２２ｂとが、連結部１０ｘにおいて連結されている。内層第２端子２１ｂおよび外層第１端子２２ａは、モールド樹脂４０から露出して、外部端子となっている。内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとは、連結部１０ｘを介して、電気的に直列に接続されている。これにより、コイル部材２０中の単位長さ当たりの抵抗率はほぼ均一となるので、循環電流はほとんど生じない。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転モータ、リニアモータ、発電機などに用いられるコイル部材、および、コイル部材を備えたステータに関する。

モータ，発電機，リアクトル，トランスなどに配置されるコイル部材として、複数のコイル線を並列に巻回したものが知られている。特に、最近では、平角線と呼ばれる断面が角形の導線を、上下層に重ねて巻回する構造も提案されてきている。

ところで、上下層に重ねて巻回された２つの導体の長さは異なるので、抵抗にも差が生じる。共通の端子に接続される２つの角形導線の抵抗に差があると、高周波電流に対して電圧差が生じ、循環電流が流れる。この循環電流は、モータの出力には寄与せず、無効な電流となる。

そこで、特許文献１には、その対策としての技術が開示されている。特許文献１では、２本の角形導線（コイル線）をエッジワイズ形状に巻回した分割ステータの構造が開示されている。ここで、相接続される縦巻きコイル間において、一方のステータの内側の角形導線（内側コイル線）が、他方のステータの外側の角形導線（外側コイル線）に接続することが記載されている（同文献の段落［００５０］参照）。このように接続することにより、２つのコイル線の電気抵抗のアンバランスを押さえようとしている。
特開２００５−１９６１８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、コイル部材間の端末接続構造が複雑になり、接続作業が困難となる。また、いたずらにモータ軸長が増大するおそれもある。
さらに、特許文献１の構造において、共通の相に属するコイル線の抵抗率差を０とするためには、スロット数（分割ステータ数）が偶数でなければならない。

本発明の目的は、コイルの構造として、複数層のコイル線を並列に巻回した構造を採りつつ、循環電流を抑制しうるコイル部材，およびこのコイル部材を備えたステータを提供することにある。

本発明のコイル部材は 、複数層のコイル線が並列に巻回されたコイル部材を前提としている。そして、複数層のコイル線の端部が互いに連結されて、複数層のコイル線全体が電気的に直列に接続されている。
複数層とは、ステータのコアに接する内層からその上方の層までの複数層を意味する。したがって、少なくとも２層のコイル線が並列に巻回されていることになる。

これにより、全てのコイル線が直列に接続されているので、高周波電流に対しても、循環電流を生じさせることがなく、電流の利用効率が向上する。

各コイル線は、断面形状が丸型の導線であってもよいし、平角線等の角形導線であってもよい。平角線を用いる場合には、エッジワイズ状に巻回してもよいし、フラットワイズ状に巻回してもよい。エッジワイズ状に巻回する場合は、層上がりをなくしつつ、占積率を高めることができる。ただし、フラットワイズ状に巻回する方が、コイル線を巻回する際の変形抵抗が小さいので、コイルの形成が容易である。

各コイル線の端部同士は、コイルエンド部において互いに連結されていることが好ましい。これにより、占積率の低下を抑制することができる。

コイル線の端部同士が、ヨーク部において互いに連結されていることによっても、上記と同様の効果を発揮することができる。

上述のコイル部材をコアに装着したステータは、損失の小さなモータ，発電機，リアクトル，トランスなどの部品として、高い利便性を発揮する。ステータは、分割ステータであってもよいし、一体化されたステータであってもよい。

本発明のコイル部材またはステータによると、複数層のコイル線を並列に巻回した構造を採用しつつ、電流の利用効率を高めることができる。

（実施の形態１）
−コイル部材およびステータの構造−
図１は、本実施の形態に係るコイル部材２０と分割コア５１とを示す斜視図である。本実施の形態のコイル部材２０は、２本のコイル線を含むコイル１０をエッジワイズ状に巻回したものである。コイル１０は、内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとの長辺同士を、同一平面上に並べたものである。

各コイル線１０ａ，１０ｂは、断面がほぼ矩形状の銅線１２と、銅線１２を被覆する，ポリイミド，ポリアミドイミド，ポリエステルイミド等に代表されるイミド系樹脂からなる被覆膜１３とを有している。

そして、内層コイル線１０ａの内層第１端子２１ａと、外層コイル線１０ｂの外層第２端子２２ｂとが、連結部１０ｘにおいて、ＴＩＧ溶接等により連結されている。つまり、内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとは、連結部１０ｘを介して、電気的に直列に接続されている。連結部１０ｘは、コイルエンド部の上方に位置している。これにより、占積率の低下を抑制することができる。

分割コア５１は、ヨーク部５１ａと、ヨーク部５１ａからロータ側に突出したティース部５１ｂとを有している。本実施形態では、圧粉コア構造を採用しているが、積層鋼板を用いてもよい。圧粉構造の場合は、ヨーク部５１ａに、図１に示す破線部分を上下に設けてもよい。
図１に示す破線は、コイル部材２０のコイル１０をモールドしているモールド樹脂４０の外形を示している。モールド樹脂４０には、分割コア５１のヨーク部５１ａの上面および下面に嵌合する部分が設けられている。そして、モールド樹脂４０をティース部５１ｂに嵌め込み、さらにヨーク部５１ａの上下面を挟むことにより、コイル部材２０がティース部５１ｂを囲むように取り付けられる。

内層第１端子２１ａ，外層第２端子２２ｂ，および連結部１０ｘは、モールド樹脂４０内に埋設されている。一方、内層第２端子２２ａおよび外層第１端子２１ｂは、モールド樹脂４０から露出して、外部端子となっている。

−モータの構造−
図２は、本実施の形態に係るモータのステータ５０の概略的な構造を示す断面図である。図２において、見やすくするために、モールド樹脂の表示は省略されている。同図に示すように、ステータ５０は、複数の分割コア５１を環状に組み合わせた後、図示しないリング部材等を用いて外側から囲み込んで組み付けられる。本実施形態では、コアとして分割コア５１を集合させたものを用いているが、コアが分割されずに一体化されたものであってもよい。

ステータ５０の内方には、永久磁石を設けたロータ（図示せず）が配置される。分割コア５１は、本実施の形態では、絶縁被膜を有する磁性粉末を圧縮成形して形成されている。ただし、多数の珪素鋼板を樹脂絶縁層を挟んで積層したものであってもよい。

そして、分割コア５１のティース部５１ｂには、内層コイル線１０ａおよび外層コイル線１０ｂを含むコイル１０が巻回されている。樹脂は図示されていないが、コイル１０は樹脂モールドされている。なお、コイル１０が樹脂モールドされていることで、ティース部５１ｂを被覆するインシュレータは不要となっている。

−バスバーとの接続構造−
図３は、本実施の形態のステータ５０であって、３相交流モータのステータ５０の平面図である。図４は、３相交流モータのステータ５０の等価回路を示す図である。見やすくするために、図３においては、モールド樹脂４０の図示を省略している。
図３および図４に示すように、分割ステータ５１のコイル部材２０は、Ｕ相電力が供給されるもの、Ｖ相電力が供給されるもの、およびＷ相電力が供給されるもの、に分かれて配置される。それぞれの相では、４個のコイル部材２０が直列配置され、各コイル部材２０の端子は、バスバー３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗによって電気的に接続されている。各相の最も中心側の端部に位置するコイル部材２０の外層第１端子２１ｂは、各相共通に中性点（基準点）用バスバー３３に接続されている。また、直列接続の最も外側に位置するコイル部材２０の内層第２端子２２ａは、電源側接続導体３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに接続されて、インバータモジュール等から変換された交流電力の供給を受ける。

そして、各分割ステータ５１のコイル部材２０の外層第２端子２２ｂと内層第１端子２１ａとが、連結部１０ｘにおいて連結されている。

なお、図３においては、バスバー３２Ｕ，３２ｖ，３２Ｗのみ断面構造を示している。バスバー３２Ｕ，３２ｖ，３２Ｗは、端子部分を除き絶縁膜で被覆されているが、必ずしも絶縁膜で被覆されている必要はない。

−実施の形態の効果−
本実施形態のコイル部材２０またはステータ５０によると、以下の作用効果が得られる。コイル部材２０のコイル１０は、内層コイル線１０ａおよび外層コイル線１０ｂをエッジワイズ状に並列に巻回した構造を有している。そして、内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとは、連結部１０ｘを介して、電気的に直列に接続されている。

このように、複数層のコイル線が並列に巻回された構造でありながら、各コイル部材２０において複数層のコイル線が直列に接続されている。よって、高周波電流に対しても、循環電流を生じさせることがなく、電流の利用効率を高めることができる。

また、特許文献１のように、ある分割ステータ５１の第１コイル線１０ａを他の分割ステータ５１の第２コイル線１０ｂに接続する場合、図４に示すような簡素な構造とはならない。つまり、図４に示す第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとが、１つの相内の全てのコイル部材を通じて、２つの並列回路に分かれる。したがって、各分割ステータ５１間を結ぶバスバー３２Ｕ，３２ｖ，３２Ｗがそれぞれ２本ずつ必要である。そのために、図３に示す各端子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂとバスバー３２Ｕ，３２ｖ，３２Ｗとの接続構造が複雑で、接続作業が困難となる。また、モータ軸長が増大することにより、モータ効率がかえって悪化するおそれもある。

それに対し、本実施の形態では、各コイル部材２０内で内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとが直列接続されている（図４参照）。したがって、各分割ステータ５１間を電気的に接続するバスバーは１本ずつでよく、バスバー構造が簡素である。具体的には、図３に示す端子２１ａ，２２ｂおよび連結部１０ｘは、モールド樹脂４０内に埋設することができる。そして、中性点（基準点）用バスバー３３を除くと、各分割ステータ５１のコイル部材２０間を接続するバスバー３２Ｕ，３２ｖ，３２Ｗが１本だけでよい。したがって、バスバーと端子との接続作業も容易である。

また、特許文献１の構造では、共通の相に属する２系列のコイル線の抵抗率差を０とするためには、共通の相に属するコイル部材２０（分割ステータ５１）の数が偶数でなければならない。
それに対し、本実施の形態では、コイル部材２０の個数に拘わらず、コイル部材２０内におけるコイル線の抵抗率差がほぼ０になる。よって、モータ等の種類や構造に応じた最適な数のスロット数に設計することができる。すなわち、分割ステータの構造を有するものでは、最適な分割ステータ数（コイル部材数）に、設計することができる。

（実施の形態２）
図５（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態２におけるコイル部材２０の斜視図および分割ステータの断面図である。同図においては、モールド樹脂の図示が省略されている。

本実施の形態では、内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとは、フラットワイズ状に巻回されている。図５（ｂ）においては、理解を容易にするために、この断面には存在しない端子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂおよび連結部１０ｘが表示されている。本実施の形態においても、内層第１端子２１ａと外層第２端子２２ｂとが、連結部１０ｘにおいて、ＴＩＧ溶接等により連結されている。つまり、内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとは、連結部１０ｘを介して、電気的に直列に接続されている。そして、内層第２端子２２ｂおよび外層第１端子２１ｂとが、モールド樹脂から露出した外部端子となっている。

本実施の形態においても、モータのステータ５０の概略的な構造は、図２に示すとおりである。また、ステータ５０の平面構造および等価回路は、図３および図４に示すとおりである。

本実施の形態においても、内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとが、電気的に直列に接続されているので、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。加えて、本実施の形態では、フラットワイズ状に巻回することにより、巻回時の変形に要する応力を低減することができる。つまり、コイル部材２０の形成が容易となる。

（実施の形態２の変形例）
図６は、実施の形態２の変形例における分割ステータの断面図である。同図においては、モールド樹脂の図示が省略されている。図６において、実施の形態２と同じ部材については、同じ符号を付して説明を省略する。

本変形例では、内層第１端子２１ａと外層第２端子２２ｂとの連結部１０ｘは、分割ステータ５１のヨーク部５１ａ上に位置する。つまり、内層第１端子２１ａと外層第２端子２２ｂとは、ヨーク部５１ａの上でＴＩＧ溶接等されている。このように、ヨーク部５１ａ上で溶接することにより、接続作業が容易となる利点がある。

（実施の形態３）
図７は、実施の形態３における分割ステータの断面図である。同図においては、モールド樹脂の図示が省略されている。図７において、実施の形態１と同じ部材については、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施の形態では、内層コイル線１０ａと外層コイル線１０ｂとに加えて、中間層コイル線１０ｃが存在する。つまり、３つのコイル線１０ａ，１０ｃ，１０ｂが内側から順に重ねられて、エッジワイズ状に巻回されている。そして、各コイル線の端部には、内層第１，第２端子２１ａ，２２ａ，外層第１，第２端子２１ｂ，２２ｂおよび中間層第１，第２端子２１ｃ，２２ｃが設けられている。

本実施の形態においても、モータのステータ５０の概略的な構造は、図２に示すとおりである。また、ステータ５０の平面構造および等価回路は、図３および図４に示すとおりである。

図７においては、理解を容易にするために、この断面には存在しない端子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよび連結部１０ｘが表示されている。本実施の形態においては、中間層第２端子２２ｃとが第１連結部１０ｘ１において連結されている。また、中間第１端子２１ｃと外層第２端子２２ｂとが、第２連結部１０ｘ２において連結されている。これにより、３つのコイル線１０ａ〜１０ｃが、第１，第２連結部１０ｘ１，１０ｘ２を介して，電気的に直列に接続される。

このように、３層以上のコイル線を巻回した構造においても、各コイル線を順に連結して、電気的に直列に接続させることができる。よって、本実施の形態によっても、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。

（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

上記各実施の形態では、コア５０を多数の分割コア５１に分割した構造を採用したが、複数の分割コア５１が一体化されたものであってもよい。

上記各実施の形態では、各コイル線１１の断面形状をほぼ矩形状としたが、円形やその他の形状であってもよい。

上記各実施の形態では、コイル部材２０として、樹脂でモールドされたカセットコイル構造を採用しているが、本発明は掛かる実施の形態に限定されるものではない。ただし、カセットコイル構造を採用することにより、モジュール化された部材を利用して、組立や商品化の便宜を図ることができる。

上記各実施の形態では、連結部１０ｘは、ＴＩＧ溶接により形成されているが、ろう付けなど、他の方法によって連結することもできる。

本発明のコイル部材およびステータは、産業用モータ、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車，ロボットなどに配置されるモータ（リニアモータを含む）、発電機、リアクトル、トランスなどに利用することができる。

本発明の実施形態１に係るコイル部材および分割コアの構造を示す斜視図である。 実施の形態１に係るステータの概略的な構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る３相交流モータのステータの平面図である。 実施の形態１に係る３相交流モータのステータの等価回路を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態２におけるコイル部材の斜視図および分割ステータの断面図である。 実施の形態２の変形例における分割ステータの断面図である。 実施の形態３における分割ステータの断面図である。

符号の説明

１０ コイル
１０ａ 外層コイル線
１０ｂ 内層コイル線
１０ｃ 中間層コイル線
１０ｘ 連結部
１２ 銅線
１３ 被覆膜
２０ コイル部材
２１ａ 内層第１端子
２１ｂ 外層第１端子
２１ｃ 中間層第１端子
２２ａ 内層第２端子
２２ｂ 外層第２端子
２２ｃ 中間層第２端子
３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ 電源側接続導体
３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ バスバー
３３ 中性点用バスバー
５０ コア
５１ 分割コア
５１ａ ヨーク部
５１ｂ ティース部

Claims (6)

1. 複数層のコイル線が並列に巻回されたコイル部材であって、
   前記複数層のコイル線の端部が互いに連結されて、複数層のコイル線全体が電気的に直列に接続されている、コイル部材。
2. 請求項１記載のコイル部材において、
   前記各コイル線は、各々平角線であり、
   前記複数層のコイル線は、エッジワイズ状に巻回されている、コイル部材。
3. 請求項１記載のコイル部材において、
   前記各コイル線は、各々平角線であり、
   前記複数層のコイル線は、フラットワイズ状に巻回されている、コイル部材。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のコイル部材において、
   前記複数層のコイル線の端部同士は、コイルエンド部において互いに連結されている、コイル部材。
5. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のコイル部材において、
   前記複数層のコイル線の端部同士は、ヨーク部において互いに連結されている、コイル部材。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のコイル部材と、
   前記コイル部材が装着されるコアと、
   を備えているステータ。

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