JP2011015459A - 回転電機とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁性,生産性に優れた回転電機とその製造方法を提供する。
【解決手段】複数のスロットが周方向に形成された固定子鉄心51と、スロットに収納され、固定子鉄心51の軸方向端部外側において、複数の磁極に対応するようにスロットを跨いで収納されている固定子巻線を有し、第1の固定子巻線と、第1の固定子巻線が収納されているスロットに隣接したスロットに収納されている第2の固定子巻線の組み合わせを相の数だけ有し、第1の固定子巻線及び第2の固定子巻線はいずれも一端を口出し部とするとともに他端を中性点とし、スロットには径方向に複数の固定子巻線がレイヤーをなして収納され、第1の固定子巻線の口出し部と第2の固定子巻線の口出し部は、一方がスロットの最外径レイヤーから延出するとともに他方がスロットの最内径レイヤーから延出して互いに接続され、当該接続された口出し部が外部接続用端子をなす。
【選択図】 図1

Description

本発明は、回転電機とその製造方法に関する。

従来の回転電機としては、その固定子において、外部接続側口出し部を固定子鉄心の上部で軸方向に延長させ配置し、その両側に中性線を配置した構成が知られている(例えば特許文献1参照)。

特開2002−218689号公報

例えば車両用交流発電機等の固定子の外部接続側口出し部は、整流子との関係で分散させることも有効な場合があるが、例えば電気自動車用モータの固定子の外部接続側口出し部は、ケーブルと接続するため1箇所に集約することが望ましい。また、エンドコイルの上部はミッション部との隙間を確保するため、中性線の引き回しなどの凸部領域を狭くすることが望ましい。しかしながら、口出し部を1箇所に集中させながら、導体間の絶縁確保と製作上の作業性を考慮したシンプルな構造とする必要がある。

そこで本発明は、絶縁性,生産性に優れた回転電機とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、周方向に極性が交互になるように配置された複数の磁極を有する回転子と、回転子に対して回転空隙を介して設けられ、複数のスロットが周方向に形成された固定子鉄心と、スロットに収納され、固定子鉄心の軸方向端部外側において、複数の磁極に対応するようにスロットを跨いで収納されている固定子巻線と、を有する固定子と、を有し、固定子巻線は、第1の固定子巻線と、第1の固定子巻線が収納されているスロットに隣接したスロットに収納されている第2の固定子巻線の組合せを相の数だけ有し、第1の固定子巻線及び第2の固定子巻線はいずれも一端を口出し部とするとともに他端を中性点とし、スロットには径方向に複数の固定子巻線がレイヤーをなして収納され、第1の固定子巻線の口出し部と第2の固定子巻線の口出し部は、一方がスロットの最外径レイヤーから延出するとともに他方がスロットの最内径レイヤーから延出して互いに接続され、当該接続された口出し部が外部接続用端子をなす回転電機、およびその製造方法である。

本発明によれば、絶縁性,生産性に優れた回転電機とその製造方法が得られる。

本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子の口出し部拡大図を示す。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子の口出し部側面図を示す。 本発明の一実施形態をなす車上搭載のブロック図を示す。 本発明の一実施形態をなす回転電機の断面図を示す。 本発明の一実施形態をなす回転電機の回転子の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子の結線回路図を示す。 本発明の一実施形態をなす固定子のU1相組付の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす固定子のU2相組付の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす固定子のU相組付の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす中性線Aの成形形状の図を示す。 本発明の一実施形態をなす中性線Aの3本一対の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす中性線Bの成形形状の図を示す。 本発明の一実施形態をなす中性線Bの3本一対の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす固定子の中性線と口出し線の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子の外観図を示す。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子の口出し部拡大図を示す。

以下、本発明の実施形態を説明する。ここで説明する実施形態は、回転電機の固定子の外部接続側口出し部と中性線の構造に関するものである。

以下の実施形態では、固定子の外部接続側口出し部を1箇所に集約させ、かつ中性線の引き回しなどの凸部領域を狭くしながらも導体間の絶縁確保するとともに、製造が容易な回転電機の固定子を提供する。外部接続側口出し部をケーブルと接続するため1箇所に集約し、エンドコイル上部の中性線引き回しなどの凸部領域を狭くしてミッション部との隙間を確保する。また、1箇所に集中させながらも導体間の絶縁確保と製作上の作業性を考慮したシンプルな構造とした。

主に電気自動車用モータの固定子の外部接続側口出し部は、ケーブルと接続するため1箇所に集約するためには、本実施形態の複数のスロットが形成された固定子鉄心を有すると共に、前記複数のスロットのそれぞれに収納された複数の導体で固定子巻線が構成された固定子と、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有すると共に、前記固定子に空隙を介して設けられた回転子とを有し、隣接する複数の前記スロットに渡って配置されると共に前記複数の磁極に対応するように複数の前記スロットを跨いで配置された複数の前記導体が電気的に接続されて回転電機の固定子が構成されるが、1相巻は外部接続側口出し部と中性線を有し、複数相でコイルを巻回した2Yの分布巻で、各2本の外部接続側口出し部の1本は最内径のスロットから延長し、もう1本の外部接続側口出し部は最外径のスロットから延長され一対の外部接続側口出し部とし、固定子鉄心の外周に軸方向と垂直の位置に整列配置させることで達成することができる。

エンドコイルの上部はミッション部との隙間を確保するため、中性線の引き回しなどの凸部領域を狭くするためには、本実施形態の複数のスロットが形成された固定子鉄心を有すると共に、前記複数のスロットのそれぞれに収納された複数の導体で固定子巻線が構成された固定子と、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有すると共に、前記固定子に空隙を介して設けられた回転子とを有し、隣接する複数の前記スロットに渡って配置されると共に前記複数の磁極に対応するように複数の前記スロットを跨いで配置された複数の前記導体が電気的に接続されて回転電機の固定子が構成されるが、1相巻は外部接続側口出し部と中性線を有し、複数相でコイルを巻回した2Yの分布巻で、各2本の外部接続側口出し部の1本は最内径のスロットから延長し、もう1本の外部接続側口出し部は最外径のスロットから延長され一対の外部接続側口出し部とし、外部接続側口出し部が延長されている最内径,最大径のスロットの間に位置するスロットに2Yの巻線同士の結合部と中性線接続部を設け、中性線接続部を外部接続側口出し部の範囲より周方向外側相反方向に設けたことで達成することができる。

1箇所に集中させながらもコイル間の絶縁確保と製作上の作業性を考慮したシンプルな構造とするためには、本実施形態の複数のスロットが形成された固定子鉄心を有すると共に、前記複数のスロットのそれぞれに収納された複数の導体で固定子巻線が構成された固定子と、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有すると共に、前記固定子に空隙を介して設けられた回転子とを有し、隣接する複数の前記スロットに渡って配置されると共に、前記複数の磁極に対応するように複数の前記スロットを跨いで配置された複数の前記導体が電気的に接続されて回転電機の固定子が構成されるが、1相巻は外部接続側口出し部と中性線を有し、複数相でコイルを巻回した2Yの分布巻で、各2本の外部接続側口出し部の1本は最内径のスロットから延長し、もう1本の外部接続側口出し部は最外径のスロットから延長され一対の外部接続側口出し部とし、外部接続側口出し部が延長されている最内径,最大径のスロットの間に位置する中性線形状は、絶縁距離を確保するため、予め導体単体で成形され中性線が接続部された3本で一対となる状態でスロットに挿入されることで達成することができる。

図3は、本発明の一実施形態による回転電機3を含むす車上搭載のブロック図を示す。本実施形態で説明する回転電機3は、ハイブリッド自動車用のものである。回転電機3は、エンジン1と変速機2の間、もしくは変速機2の中に搭載されるとともに、モータの回転電機3は小型高出力が要求される。

図4は、回転電機の断面図を示す。回転電機3の周囲は、ケース11に囲まれる。ここで、回転電機3はエンジン1と変速機2の間に配置される場合、ケース11はエンジンのケースや変速機のケースによって構成される。また、回転電機3が変速機2の中に搭載される場合には、ケース11は、変速機のケースによって構成される。

回転電機3は、回転子4と、固定子5と、ハウジング6とを備えている。回転子4は、固定子5の内周側に、隙間を介して配置される。回転子4は、シャフト41に固定されており、シャフト41の両端は、軸受42A,42Bより回転可能に支持される。

固定子5の外周は、ハウジング6の内周に固定される。ハウジング6の外周は、ケース11の内周側に固定される。回転電機3は、永久磁石内蔵型の3相同期モータで、固定子4に大電流(例えば400A)の3相交流が供給されることで電動機として作動する。また、回転電機3がエンジン1によって駆動されると発電機として作用し、3相交流の発電電力を出力する。発電機として作動する場合、固定子4から出力する電流は電動機として作動する場合に比べて小さい(例えば100A)。また、本例で用いる回転電機3は、回転軸方向の厚さが、外径よりも小さな偏平型の回転電機である。

図5に回転電機の回転子の外観図を示す。回転子4は、ロータコア42と、このロータコア42に形成された孔に挿入された永久磁石43とを備えている。永久磁石43は1極あたり1個でなく、複数個に分割した磁石を用いることもできる。回転子4は、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有する。

図6に回転電機の固定子の外観図を示す。固定子5は、複数のスロットが形成された固定子鉄心51を有すると共に、前記複数のスロットのそれぞれに収納された複数の導体52で固定子巻線が構成される。回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有すると共に、前記固定子5に空隙を介して設けられた回転子4を有し、隣接する複数の前記スロットに渡って配置されると共に、前記複数の磁極に対応するように複数の前記スロットを跨いで配置された複数の前記導体52が電気的に接続されて回転電機の固定子が構成される。複数の導体52エンドコイル上部に這い回された中性点A56、中性点B57と外部と接続するためのU相口出し部53,V相口出し部54,W相口出し部55を有する。

図7は回転電機の固定子の結線回路図を示す。固定子5は、2Yの分布巻の3相結線で外部と接続するための、U相口出し部53,V相口出し部54,W相口出し部55と中性点A56,中性点B57を有する。

図1に回転電機の固定子の口出し部拡大図を示す。主に電気自動車用モータの固定子の外部接続側口出し部は、ケーブルと接続するため1箇所、例えば固定子鉄心の所定のスロット数以内の周方向幅に集約する。例えば互いの絶縁を確保するために1相につき3スロット分を確保した場合には、全体で9スロット程度の間に集約することも可能であるが、9スロットに限られるものではない。

U相口出し部53は、固定子鉄心51の最内径のスロットから延長されたU1相口出し531と固定子鉄心51の最外径のスロットから延長されたU2相口出し532を固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置に整列配置させる。U1相口出し531とU2相口出し532の先端部を皮膜剥離して先端を丸めてU1相口出し531の下面とU2相口出し532の上面を密着させ端子となる。V相口出し部54は、V1相口出し541とV2相口出し542を固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置に整列配置させる。V1相口出し541とV2相口出し542の先端部を皮膜剥離して先端を丸めてV1相口出し541の下面とV2相口出し542の上面を密着させ端子となる。同様にW相口出し部55も、W1相口出し551とW2相口出し552を固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置に整列配置させる。W1相口出し551とW2相口出し552の先端部を皮膜剥離して先端を丸めてW1相口出し551の下面とW2相口出し552の上面を密着させ端子となる。外部接続側口出し部のU相口出し部53は、U1相口出し531とU2相口出し532を一対とし、同様にV相口出し部54は、V1相口出し541とV2相口出し542とW相口出し部55も、W1相口出し551とW2相口出し552を一対とし、固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置で平行に整列配置させる。エンドコイルの上部はミッション部との隙間を確保するには、中性点A56,中性点B57の引き回しの凸部領域を狭くする。このためには、中性点A56は、U1相中性線561,V1相中性線562,W1相中性線563を複数の導体52のエンドコイル上部で引き回し、前記W1相口出し551とW2相口出し552の外側に配置する。中性点B57は、U2相中性線571,V2相中性線572,W2相中性線573を複数の導体52のエンドコイル上部で引き回し、前記U1相口出し531とU2相口出し532の外側に配置する。

図2に回転電機の固定子の口出し部側面図を示す。固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置で平行に整列配置させた外部接続との口出し部53,54,55をケーブルと接続するため1箇所に集約し、複数の導体52のエンドコイル上部で外部接続との口出し部53,54,55の範囲より周方向外側相反方向に中性点A56,中性点B57を配置して中性線引き回しの凸部領域を狭くした。

複数の導体52は、予め最終形状に成形された導体とすることで、導体間の絶縁を確保し、曲げも鈍角にすることで、絶縁皮膜に無理をかけない成形としている。

図8に固定子のU1相組付の外観図を示す。磁極の極数が12、スロットの個数が72、固定子巻線の相数が3、極数から決定される毎極毎相スロット数が2で磁極の1極当たり4本の導体で構成される巻線回路は、回転子の磁極2極(極性の異なるN極とS極の磁極一対)当りにスロットが12個配置される。また、一つのスロット当り4本の導体で、隣接する複数のスロットに磁極の1極当たり4本の導体を配置する。

この巻線回路は、一つのスロット当り4本の導体が径方向に1列に配置され、外周側から1番目,2番目の導体と3番目,4番目の導体に分割され、複数スロットの3番目,4番目の導体で構成される内側回路と複数スロットの1番目,2番目の導体で構成される外側回路の組合せで構成され、内側回路の2本の導体と外側回路の2本の導体を組合せた4本の導体で構成する。すなわち1つのスロット当たり4段(4レイヤー)の導体が挿入されている。

U1相は、U1相口出し531を巻き始めとし、複数スロットの3番目,4番目の導体で構成される内側回路をスロット跨ぎ幅の異なる導体で隣接するスロット移動させ、2周巻き回して複数スロットの2番目,3番目の導体を介して複数スロットの1番目,2番目の導体で構成される外側回路に移動させ、スロット跨ぎ幅の異なる導体で隣接するスロット移動させ2周巻き回してU1相中性線561を巻き終わりとする回路を構成する。内側回路の2本の導体と外側回路の2本の導体が挿入されるスロットが1スロット異なる位置にあり見かけ上短節巻となる。

図9に固定子のU2相組付の外観図を示す。U2相は、U2相口出し532を巻き始めとし、複数スロットの3番目,4番目の導体で構成される内側回路をスロット跨ぎ幅の異なる導体で隣接するスロット移動させ、2周巻き回して複数スロットの2番目,3番目の導体を介して複数スロットの1番目,2番目の導体で構成される外側回路に移動させ、スロット跨ぎ幅の異なる導体で隣接するスロット移動させ2周巻き回してU2相中性線571を巻き終わりとする回路を構成する。内側回路の2本の導体と外側回路の2本の導体が挿入されるスロットが1スロット異なる位置にあり見かけ上短節巻となる。

図10に固定子のU相組付の外観図を示す。図8に示すU1相と図9に示すU2相を組付けた外観図で、U1相口出し531とU2相口出し532は軸方向と垂直の位置に整列配置となり、周方向外側相反方向にU1相中性線561,U2相中性線571を配置した。同様に、V相,W相組付も相口出しと相中性線の形状は異なるが、相口出しを巻き始めとし、複数スロットの3番目,4番目の導体で構成される内側回路をスロット跨ぎ幅の異なる導体で隣接するスロット移動させ、2周巻き回して複数スロットの2番目,3番目の導体を介して複数スロットの1番目,2番目の導体で構成される外側回路に移動させ、スロット跨ぎ幅の異なる導体で隣接するスロット移動させ2周巻き回して相中性線を巻き終わりとする回路を構成する。内側回路の2本の導体と外側回路の2本の導体が挿入されるスロットが1スロット異なる位置にあり見かけ上短節巻となる。

図11に中性線Aの成形形状の図を示す。中性線Aは、U1相の巻き終わりとなるU1相中性線561とV1相の巻き終わりとなるV1相中性線562とW1相の巻き終わりとなるW1相中性線563で構成される。各々の中性線561,562,563は、予め最終形状に成形された導体とすることで、導体間の絶縁を確保し、曲げも鈍角にすることで、絶縁皮膜に無理をかけない成形とする。長さの異なる3種類の中性線を予め最終形状に成形するには3種類の成形型が必要となるが、U1相の巻き終わりとなるU1相中性線561の成形型をI,II,IIIの領域に分割して、Iの領域では中性線561の一部と中性線562の一部と中性線563の形状を同じにした。IIの領域では中性線561の一部と中性線562の一部の形状を同じにした。IIIの領域では中性線561の一部の形状にした。これにより、一つの成形型で長さの異なる3本の中性線を成形することができ、型の種類を減らすことで導体間の絶縁確保と製作上の作業性を考慮した。

図12に中性線Aの3本一対の外観図を示す。予め最終形状に成形されたU1相中性線561とV1相中性線562とW1相中性線563の先端をTIG溶接で接続して3本で一対となる中性線1のブクミの状態にする。これにより、固定子鉄心に挿入する導体の種類を減らすことで導体間の絶縁確保と製作上の作業性を考慮した。

図13に中性線Bの成形形状の図を示す。中性線Bは、U2相の巻き終わりとなるU2相中性線571とV2相の巻き終わりとなるV2相中性線572とW2相の巻き終わりとなるW2相中性線573で構成される。各々の中性線571,572,573は、予め最終形状に成形された導体とすることで、導体間の絶縁を確保し、曲げも鈍角にすることで、絶縁皮膜に無理をかけない成形とする。長さの異なる3種類の中性線を予め最終形状に成形するには3種類の成形型が必要となるが、W2相の巻き終わりとなるW2相中性線573の成形型をI,II,IIIの領域に分割して、Iの領域では中性線573の一部と中性線572の一部と中性線571の形状を同じにした。IIの領域では中性線573の一部と中性線572の一部の形状を同じにした。IIIの領域では中性線573の一部の形状にした。これにより、一つの成形型で長さの異なる3本の中性線を成形することができ、型の種類を減らすことで導体間の絶縁確保と製作上の作業性を考慮した。

図14に中性線Bの3本一対の外観図を示す。予め最終形状に成形されたU2相中性線571とV2相中性線572とW2相中性線573の先端をTIG溶接で接続して3本で一対となる中性線2のブクミの状態にする。これにより、固定子鉄心に挿入する導体の種類を減らすことで導体間の絶縁確保と製作上の作業性を考慮した。

図15に固定子の中性線と口出し線の外観図を示す。外部と接続側する口出しのU相口出し部53,V相口出し部54,W相口出し部55は、軸方向と垂直の位置で平行に整列配置させ、中性点A56,中性点B57を口出し部53,54,55の周方向外側相反方向に配置したことで、エンドコイル上部の中性線A56,中性点B57の引き回しの凸部領域を狭くしてミッション部との隙間を確保すると共に口出し部を1箇所に集中させながらも導体間の絶縁確保と製作上の作業性を考慮したシンプルな構造とした。

図16に回転電機の固定子の外観図を示す。固定子5は、複数のスロットが形成された固定子鉄心51を有すると共に、前記複数のスロットのそれぞれに収納された複数の導体52で固定子巻線が構成される。回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有すると共に、前記固定子5に空隙を介して設けられた回転子4を有し、隣接する複数の前記スロットに渡って配置されると共に、前記複数の磁極に対応するように複数の前記スロットを跨いで配置された複数の前記導体52が電気的に接続されて回転電機の固定子が構成される。複数の導体52エンドコイル上部に這い回された中性点A56,中性点B57と外部と接続するためのU相口出し部53,V相口出し部54,W相口出し部55を有する。

図17に回転電機の固定子の口出し部拡大図を示す。主に電気自動車用モータの固定子の外部接続側口出し部は、ケーブルと接続するため1箇所に集約する。

U相口出し部53は、固定子鉄心51の最内径のスロットから延長されたU1相口出し531と固定子鉄心51の最外径のスロットから延長されたU2相口出し532を固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置に整列配置させる。U1相口出し531とU2相口出し532の側面を密着させ端子7と接続する構造となる。

V相口出し部54は、V1相口出し541とV2相口出し542を固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置に整列配置させる。V1相口出し541とV2相口出し542の側面を密着させ端子7と接続する構造となる。

同様にW相口出し部55も、W1相口出し551とW2相口出し552を固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置に整列配置させる。W1相口出し551とW2相口出し552の側面を密着させ端子7と接続する構造となる。

外部接続側口出し部のU相口出し部53は、U1相口出し531とU2相口出し532を一対とし、同様にV相口出し部54は、V1相口出し541とV2相口出し542とW相口出し部55も、W1相口出し551とW2相口出し552を一対とし、固定子鉄心51の外周に軸方向と垂直の位置で平行に整列配置させる。エンドコイルの上部はミッション部との隙間を確保するには、中性点A56,中性点B57の引き回しの凸部領域を狭くする。このためには、中性点A56は、U1相中性線561,V1相中性線562,W1相中性線563を複数の導体52のエンドコイル上部で引き回し、前記W1相口出し551の外側に配置する。中性点B57は、U2相中性線571,V2相中性線572,W2相中性線573を複数の導体52のエンドコイル上部で引き回し、前記U2相口出し532の外側に配置する。

3 回転電機
4 回転子
5 固定子
51 固定子鉄心
52 導体

Claims (6)

  1. 周方向に極性が交互になるように配置された複数の磁極を有する回転子と、
    前記回転子に対して回転空隙を介して設けられ、複数のスロットが周方向に形成された固定子鉄心と、前記スロットに収納され、前記固定子鉄心の軸方向端部外側において、前記複数の磁極に対応するように前記スロットを跨いで収納されている固定子巻線と、を有する固定子と、を有し、
    前記固定子巻線は、第1の固定子巻線と、前記第1の固定子巻線が収納されている前記スロットに隣接した前記スロットに収納されている前記第2の固定子巻線の組み合わせを相の数だけ有し、前記第1の固定子巻線及び前記第2の固定子巻線はいずれも一端を口出し部とするとともに他端を中性点とし、
    前記スロットには径方向に複数の固定子巻線がレイヤーをなして収納され、前記第1の固定子巻線の口出し部と前記第2の固定子巻線の口出し部は、一方が前記スロットの最外径レイヤーから延出するとともに他方が前記スロットの最内径レイヤーから延出して互いに接続され、当該接続された前記口出し部が外部接続用端子をなす回転電機。
  2. 請求項1記載の回転電機であって、
    前記外部接続用端子は前記固定子鉄心の外周であって、前記固定子鉄心の軸方向垂直の位置に配置されている回転電機。
  3. 請求項1記載の回転電機であって、
    各相の前記外部接続用端子が前記固定子鉄心の周方向の所定の数の前記スロット内に集約して配置されている回転電機。
  4. 請求項1記載の回転電機であって、
    前記中性点をなす導体は、前記スロットの前記最外径レイヤーと前記最内径レイヤーとの間にあるレイヤーから延出されている回転電機。
  5. 請求項4記載の回転電機であって、
    前記中性点をなす導体は、前記スロットから延出されたあと、周方向一方に前記第1の固定子巻線の中性点をなす導体、周方向他方に前記第2の固定子巻線の中性点をなす導体が延び、延びた先でそれぞれの中性点同士が接続されている回転電機。
  6. 請求項5記載の回転電機の製造方法であって、
    前記中性点をなす導体を、互いに接続する位置が同じになるように各相の導体の長さを設定し、当該設定された長さに予め型で成形する回転電機の製造方法。
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