JP2010252611A - ステータ、及びステータ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】循環電流や渦電流の発生を抑えることが可能なステータ又はステータ製造方法を提供する。
【解決手段】本実施形態の集中巻コイル１０は、導体を巻回してティース２１に巻回された集中巻コイル１０を備えるステータ５０において、集中巻コイル１０は、複数ターンに巻回された第１導線コイル１１と、第１導線コイル１１よりターン数を少なく巻回された第２導線コイル１２とが交互に組み合わされて形成され、集中巻コイル１０は、並列に接続されて、１相のＵ相電気回路４０を形成し、Ｕ相電気回路４０の第１導線コイル１１と第２導線コイル１２が同数となるように結線される。
【選択図】図４

Description

本発明は、モータに用いるステータにコイルを巻回する技術に関し、詳しくはコイルに発生する渦電流や循環電流を抑制する技術に関するものである。

車載用のモータのうち、車の駆動に用いるモータは、小型化と高出力化を求められている。このため、多くの電流を流すことができ、かつ占積率を向上させる目的で平角導体をコイルに用いることが検討されている。
ただし、平角導体をコイルとして用いる場合には、コイル形状に巻回することが困難であることもあり、さまざまな検討がなされている。

特許文献１には、回転磁界型電動機に関する技術が開示されている。
ステータの内周側に突出して形成されるティースに平角導体を巻回するにあたり、１つ目のティースには平角導体を先端側から基端側に巻回され、その隣に位置する２つ目のティースには基端側から先端側に巻回され、その隣に位置する３つ目のティースには先端側から基端側に巻回される形状にコイルを形成することで、平角導体を連続的に巻回することが可能となる。
このように巻回することで、平角導体の接続部を低減できると共に、巻回時に平角導体を捻ることなくステータに巻回することが可能となり、絶縁被覆の損傷を防止できる。

特許文献２には、回転電機の集中巻型ステータコイルに関する技術が開示されている。
ティースの根本にコイルを巻き取る方式で平角導体を巻回してコイルを形成するに際して、巻き初めと巻き終わりがステータコアの外周側に突出するように２重に巻かれて形成される。
リード側のコイルエンドで変形させて巻回することで、２層巻で巻かれるコイルで、コイル巻数を欠落させてコイルを奇数ターンとする。このようにすることで、コイル巻数を同じターン数だけ巻いた場合に、コイルのターン数を偶数ターンしかもてなくなるという不具合を解消することが可能となる。

特許文献３には、回転電機の固定子構造及びその製造方法に関する技術が開示されている。
ステータコアに備えるティースに対して、平角導体をペアで巻回することで２層のコイルを形成する。この際に、各ティースに供給する平角導体の数：Ｐ、ステータ全体のスロット数：Ｔ、中性点：Ｓとしたときに、Ｔ＝３×Ｓ×Ｐ×Ｎの関係を満たすＮ個おきの間隔で、ティースの間の巻き線が捻られることを特徴としている。
このように構成することで、平角導体を用いたペアコイルを形成することができ、循環電流等の損失を抑え、平角導体１本当たりの断面積を減らすことが可能となるので渦電流などの発生を抑制することが可能となる。

特開２００２−１０５５３号公報 特開２００５−３１２２７７号公報 特開２００８−１０９８２９号公報

しかしながら、特許文献１乃至特許文献３には以下に説明する課題があると考えられる。
特許文献１の方法でコイルを形成した場合、コイルをティースに差し込む為の隙間が必要となると考えられ、占積率を向上させることは困難である。
特許文献２の方法の場合、コイル巻数をする際にコイル端部で曲げ加工することは困難だと考えられる。このため、ティースと導線との間に隙間を必要とし、コイルエンドが膨らんでしまう可能性がある。また、複雑な立体曲げ加工を必要とする点も問題である。

特許文献３の方法はコイルをペアにして巻回するが、コイルエンドでクロスする加工を必要とするため、作りの困難さが考えられる。すなわちコイルを形成する為の巻回機を複雑化するなどの問題が考えられる。また、クロス部ができることでコイルエンドが大きくなってしまう虞がある。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、循環電流や渦電流の発生を抑えることが可能なステータ又はステータ製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明によるステータは以下のような特徴を有する。
（１）導体を巻回して形成した集中巻コイルと、前記集中巻コイルを配設するティースを有するステータコアとを備えるステータにおいて、
前記集中巻コイルは、複数ターンに巻回された第１導線コイルと、前記第１導線コイルよりターン数を少なく巻回された第２導線コイルとが交互に組み合わされて形成され、前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが接続されて形成される第１電気回路と、前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが接続されて形成される第２電気回路と、が、並列に接続されて１相の並列回路を形成し、前記並列回路の前記第１導線コイルと前記第２導線コイルが同数となるように結線されたことを特徴とする。

（２）（１）に記載のステータにおいて、
前記第１電気回路又は前記第２電気回路の前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが交互に接続されていることを特徴とする。

（３）（１）又は（２）に記載のステータにおいて、
前記第１電気回路が有する前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが同数であり、前記第２電気回路が有する前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが同数であることを特徴とする。

前記目的を達成するために、本発明によるステータ製造方法は以下のような特徴を有する。
（４）導体を巻回して形成した集中巻コイルをステータコアに有するティースに配設することでステータを形成するステータ製造方法において、
前記集中巻コイルを、複数ターンに巻回された第１導線コイルと、前記第１導線コイルよりターン数を少なく巻回された第２導線コイルとを交互に組み合わせて形成し、前記集中巻コイルを、ステータコアに形成されるスロットに挿入し、前記集中巻コイルの端部を、１相の電気回路が並列に形成され、前記第１導線コイルと前記第２導線コイルが同数となるように結線することを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によるステータにより、以下のような作用、効果が得られる。
上記（１）に記載される発明は、導体を巻回して形成した集中巻コイルと、集中巻コイルを配設するティースを有するステータコアとを備えるステータにおいて、集中巻コイルは、複数ターンに巻回された第１導線コイルと、第１導線コイルよりターン数を少なく巻回された第２導線コイルとが交互に組み合わされて形成され、第１導線コイルと第２導線コイルとが接続されて形成される第１電気回路と、第１導線コイルと第２導線コイルとが接続されて形成される第２電気回路と、が、並列に接続されて１相の並列回路を形成し、並列回路の第１導線コイルと第２導線コイルが同数となるように結線されたものである。

上記の通り、第１導線コイルと第２導線コイルを組み合わせた集中巻コイルを接続することで並列回路を形成すれば、特許文献３で示されるように導体の断面積を増やさず、コイルに流す電流量を増やすことが可能となる為、渦電流の発生を抑えることが可能となる。また、並列回路の第１導線コイルと第２導線コイルが同数になるように結線されているので、巻回数の異なる第１導線コイルと第２導線コイルが同数接続され、その結果、並列回路の距離が同じとなる。つまり、並列回路の第１電気回路と第２電気回路の抵抗を同じとすることができ、並列回路に循環電流が発生することを抑えることが可能となる。
また、特許文献３と異なりステータのコイルエンドで捻る必要がない為、作りの困難性を伴うこともない。このため、低コストに渦電流の発生を抑え、循環電流を生じにくいステータを提供することが可能となる。

また、上記（２）に記載される発明は、（１）に記載のステータにおいて、第１電気回路又は第２電気回路の第１導線コイルと第２導線コイルとが交互に接続されているものである。
第１導線コイルと第２導線コイルとで形成されたコイルは、第１導線コイルと第２導線コイルが重ね合わされてコイルが形成され、第１導線コイルと第２導線コイルとのターン数が異なる。例えば、第１導線コイルが１０ターンで形成され、第２導線コイルは９ターンで形成されているとすると、ステータのリード側で形成する結線部分は、図４に示されるようにクロスすることなく結線が可能となる。
ステータのコイルエンドでクロスせずに結線する事が可能なので、ステータのコイルエンドの厚みを薄く保つことが可能となる。

また、上記（３）に記載される発明は、（１）又は（２）に記載のステータにおいて、第１電気回路が有する第１導線コイルと第２導線コイルとが同数であり、第２電気回路が有する第１導線コイルと第２導線コイルとが同数であるものである。
第１導線と第２導線で一組とすることで、第１電気回路と第２電気回路の長さを均しくすることが可能である。この結果、並列回路に循環電流が発生することを抑えることが可能となる。

また、このような特徴を有する本発明によるステータ製造方法により、以下のような作用、効果が得られる。
上記（４）に記載される発明は、導体を巻回して形成した集中巻コイルをステータコアに有するティースに配設することでステータを形成するステータ製造方法において、集中巻コイルを、複数ターンに巻回された第１導線コイルと、第１導線コイルよりターン数を少なく巻回された第２導線コイルとを交互に組み合わせて形成し、集中巻コイルを、ステータコアに形成されるスロットに挿入し、集中巻コイルの端部を、１相の電気回路が並列に形成され、第１導線コイルと第２導線コイルが同数となるように結線するものである。
したがって、（１）に示す通り、長さの同じ並列回路を各相に備え、渦電流の発生を抑え、循環電流の発生を抑えたステータを製造可能なステータ製造方法を提供可能となる。

本実施形態の、コイルの斜視図である。 本実施形態の、ステータコアにコイルを挿入する様子を表した斜視図である。 本実施形態の、ステータの斜視図である。 本実施形態の、コイルエンドにおける、コイルの接続図である。 本実施形態の、コイルの接続概念図である。 本実施形態の、ステータ内周側からの立面図である。

まず、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態のコイルの斜視図を示す。
本実施形態の集中巻コイル１０は、図１に示すように、第１導線コイル１１及び第２導線コイル１２を備えている。
第１導線コイル１１は平角導体をエッジワイズ曲げ加工して１０ターン巻回されて形成されている。又、第２導線コイル１２についても平角導体をエッジワイズ曲げ加工され、９ターン巻回されて形成されている。第１導線コイル１１及び第２導線コイル１２の形成に用いられる平角導体は、銅などの導電性の良い金属で矩形断面に形成されており、その周囲にはエナメルなどの絶縁性被膜が形成されている。

第１導線コイル１１はリード端部１１ａ及びリード端部１１ｂを備えており、第２導線コイル１２はリード端部１２ａ及びリード端部１２ｂを備えている。
また、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２は重ねられ図１に示すように略台形形状に巻回されている。
このため、図１に示すように、リード端部１１ａ及びリード端部１１ｂは集中巻コイル１０の最も外側に配置され、リード端部１２ａ及びリード端部１２ｂはそれらの一つ内側に配置されることになる。

図２に、ステータコアにコイルを挿入する様子を表した斜視図を示す。
図３に、ステータの斜視図を示す。
ステータコア２０は薄い電磁鋼板を積層して略円筒形状に形成されるものであり、内周側に４８本のティース２１を備え、ティース２１の間には同数のスロット２２が形成されている。図２に示すように、ステータコア２０に形成されるスロット２２に集中巻コイル１０のスロット内導線部１０ａを挿入することで、ステータコア２０に集中巻コイル１０が配置される。この際、ステータコア２０の両端部にリード部１０ｂ及び反リード部１０ｃが突出する結果となる。

図４に、コイルエンドにおける、コイルの接続図を示す。なお、図４は説明の為に巻回数を少なくし、接続部分を模式的に示している。
集中巻コイル１０同士を接続しているのは渡り線１５である。便宜的に集中巻コイル１０をＵ相第１集中巻コイル１０Ａ、Ｕ相第２集中巻コイル１０Ｂ、Ｕ相第３集中巻コイル１０Ｃとすると、図３に示す通り、Ｕ相第１集中巻コイル１０Ａのリード端部１１ａはＵ相第２集中巻コイル１０Ｂのリード端部１２ｂと渡り線１５によって接続され、Ｕ相第１集中巻コイル１０Ａのリード端部１２ａはＵ相第２集中巻コイル１０Ｂのリード端部１１ｂと渡り線１５と接続される。

又、Ｕ相第２集中巻コイル１０Ｂのリード端部１１ａはＵ相第３集中巻コイル１０Ｃのリード端部１２ｂと渡り線１５によって接続される。又、Ｕ相第２集中巻コイル１０Ｂのリード端部１２ａはＵ相第３集中巻コイル１０Ｃのリード端部１１ｂと渡り線１５によって接続される。
リード端部１１ａ、リード端部１２ａ、リード端部１１ｂ、及びリード端部１２ｂと渡り線１５との接続方法については、溶接やロウ付け等の接合方法で接合されている。そして、渡り線１５との接合には所定の接合面積を確保することで、接合部分の電気抵抗が低くなるように接合されている。

図５に、コイルの接続概念図を示す。
Ｕ相電気回路４０は、図５に示すように、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２とが交互に接続される。また、並列に接続されている。この際、図４に示されるように第１導線コイル１１と第２導線コイル１２はＵ相電気回路４０において同数となる。
なお、図５では省略しているが、ステータコア２０は４８スロットあるので、集中巻コイル１０は２４個挿入される。このため、Ｕ相電気回路４０には８個の集中巻コイル１０が接続されることになる。

また、Ｕ相電気回路４０同様にＶ相、Ｗ相についても同様の回路が形成される。
このようにステータコア２０に３相の回路が形成された状態で、コイルエンドを樹脂モールドして図３に示したようなステータ５０が形成される。

本実施形態の集中巻コイル１０は上記の構成であるので、以下に説明するような効果、作用を奏する。
まず、効果として循環電流や渦電流の発生を抑えたステータを提供することが可能である点が挙げられる。
本実施形態の集中巻コイル１０は、導体を巻回してティース２１に巻回された集中巻コイル１０を備えるステータ５０において、集中巻コイル１０は、複数ターンに巻回された第１導線コイル１１と、第１導線コイル１１よりターン数を少なく巻回された第２導線コイル１２とが交互に組み合わされて形成され、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２とが接続されて形成されるＡ側回路と、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２とが接続されて形成されるＢ側回路と、が、並列に接続されて１相のＵ相電気回路４０及びＶ相、Ｗ相の並列回路を形成し、並列回路の第１導線コイル１１と第２導線コイル１２が同数となるように結線されたものである。

また、図１に示されるように第１導線コイル１１と第２導線コイル１２とが重ねて巻回され、図４に示されるように第１導線コイル１１と第２導線コイル１２とが交互に接続されることで、Ａ側とＢ側が並列となるようＵ相電気回路４０が形成される。Ｖ相、Ｗ相に関しても同様である。
このように、Ｕ相電気回路４０及び、Ｕ相電気回路４０と同様に形成されるＶ相、Ｗ相は並列回路として形成されていることで、第１導線コイル１１又は第２導線コイル１２に用いる平角導体の断面積を増やすことなく、回路に流す電流を増やすことが可能となる。平角導体の断面積を増やすと渦電流が発生し易くなる等の問題があるが、集中巻コイル１０を並列回路として接続することで、渦電流の発生を抑えることが可能となるので、ステータ５０の高出力化に貢献することが出来る。

又、並列回路を形成した場合に問題となるのは、図４に示すようなＡ側回路とＢ側回路の抵抗値に差があると、循環電流が発生してしまい効率が悪化する。
しかし、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２が交互に接続されることで、Ａ側回路とＢ側回路の長さは均しくなる。このため、並列接続されるＡ側回路とＢ側回路との電気抵抗を均しくすることが可能であり、その結果、循環電流の発生を抑えることが可能となる。

また、効果としてコイルエンドを厚くする必要がない点が挙げられる。
図６に、ステータ内周側からの立面図を示す。
本実施形態の集中巻コイル１０は図４に示す通り、渡り線１５がクロスしないように結線可能である。これは、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２の巻数が異なる為であり、第１導線コイル１１に比べて第２導線コイル１２は巻数が１ターン少ない為、図４に示すように、ステータコア２０の最外周に第１導線コイル１１のリード端部１１ａが来た場合、ステータコア２０の最内周に第１導線コイル１１のリード端部１１ｂが配置される。また、第２導線コイル１２のリード端部１２ａはステータコア２０の最外周より平角導体１本分だけ内側に、リード端部１２ｂはステータコア２０の最内周より平角導体１本分だけ内側に配置される。

一方、渡り線１５は例えばＵ相第１集中巻コイル１０Ａのリード端部１１ａと、Ｕ相第２集中巻コイル１０Ｂのリード端部１２ｂが外側渡り線１５Ａによって接続され、Ｕ相第１集中巻コイル１０Ａのリード端部１２ａと、Ｕ相第２集中巻コイル１０Ｂのリード端部１１ｂが内側渡り線１５Ｂによって接続されている。
リード端部１１ａ、リード端部１１ｂ、リード端部１２ａ及びリード端部１２ｂの配置によって、外側渡り線１５Ａと内側渡り線１５Ｂは平行に配置されることになるので、クロスすることがない。
このため、図６に示されるようにリード部１０ｂのコイルエンド厚みＸは、集中巻コイル１０の曲げＲに平角導体の厚みｔ１及び、渡り線１５の厚みｔ２を積算したものとほぼ同等の厚みで足りる。

このようにリード部１０ｂで、渡り線１５がクロスするようなことがない為、コイルエンドの厚みを増やすことなく集中巻コイル１０を結線することが可能となる。反リード部１０ｃの厚みに関しても曲げＲに平角導体の厚みｔ１の和となる。
このため、ステータ５０のコイルエンドの厚みを抑えることが可能となり、ステータ５０の小型化に貢献することが可能である。

以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
例えば、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２の接続方法に関しては、図４に示したように、Ａ側回路とＢ側回路とに第１導線コイル１１と第２導線コイル１２が交互に接続される方法ではなくとも、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２の数が同じになるように接続し、Ａ側回路とＢ側回路の長さが均しくなるように構成すれば、Ｕ相電気回路４０及びＶ相、Ｗ相の並列な電気回路の循環電流を抑えることができる。

第１導線コイル１１と第２導線コイル１２がＡ側回路で均しくＢ側回路で均しければ、循環電流を抑えることが可能であるので、例えばＡ側回路で第１導線コイル１１を同数ずつ連続で結合するという方法でも、並列な電気回路を形成することが可能である。
ただし、第１導線コイル１１と第２導線コイル１２とで集中巻コイル１０を回路形成しているため、渡り線１５がクロスしないように構成する必要がある。

１０ コイル
１０Ａ Ｕ相第１コイル
１０Ｂ Ｕ相第２コイル
１０Ｃ Ｕ相第３コイル
１０ａ スロット内導線部
１０ｂ リード部
１０ｃ 反リード部
１１ 第１導線
１１ａ リード端部
１１ｂ リード端部
１２ 第２導線
１２ａ リード端部
１２ｂ リード端部
１５ 渡り線
１５Ａ 外側渡り線
１５Ｂ 内側渡り線
２０ ステータコア
２１ ティース
２２ スロット
４０ Ｕ相電気回路
５０ ステータ

Claims (4)

1. 導体を巻回して形成した集中巻コイルと、前記集中巻コイルを配設するティースを有するステータコアとを備えるステータにおいて、
   前記集中巻コイルは、複数ターンに巻回された第１導線コイルと、前記第１導線コイルよりターン数を少なく巻回された第２導線コイルとが交互に組み合わされて形成され、
   前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが接続されて形成される第１電気回路と、
   前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが接続されて形成される第２電気回路と、
   が、並列に接続されて１相の並列回路を形成し、
   前記並列回路の前記第１導線コイルと前記第２導線コイルが同数となるように結線されたことを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータにおいて、
   前記第１電気回路又は前記第２電気回路の前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが交互に接続されていることを特徴とするステータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のステータにおいて、
   前記第１電気回路が有する前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが同数であり、
   前記第２電気回路が有する前記第１導線コイルと前記第２導線コイルとが同数であることを特徴とするステータ。
4. 導体を巻回して形成した集中巻コイルをステータコアに有するティースに配設することでステータを形成するステータ製造方法において、
   前記集中巻コイルを、複数ターンに巻回された第１導線コイルと、前記第１導線コイルよりターン数を少なく巻回された第２導線コイルとを交互に組み合わせて形成し、
   前記集中巻コイルを、ステータコアに形成されるスロットに挿入し、
   前記集中巻コイルの端部を、１相の電気回路が並列に形成され、前記第１導線コイルと前記第２導線コイルが同数となるように結線することを特徴とするステータ製造方法。

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