JP2011061939A - アキシャルギャップ型回転電機のステータコイル - Google Patents

Abstract

【課題】巻線密度を増大させることで駆動力を向上させ、かつ、ステータを構成する部材の省スペース化を実現したアキシャルギャップ型回転電機のステータに備え付けられるステータコイルを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機に使用されるステータコイル１０は、導電体からなる複数のコイルピース１１と、コイルピース１１を周方向に配列する円環状のベース部材２０と、を備えている。そして、複数のコイルピース１１は、コイルループを形成する第１コイルピース１２と、バスバーと接続するための、あるいは、電流の方向を切り換えるための第２コイルピース１３と、Ｎ周目終端とＮ＋１周目始端とを接続してコイルピース１１の配列をロータの回転軸Ａの周方向にずらすための第３コイルピース１４と、から構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に使用されるステータコイルに係り、特にアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルに関するものである。

従来、アキシャルギャップ型回転電機の分野では、固定子（以下、「ステータ」という。）に配置されるコイル（以下、「ステータコイル」という。）について多数の構造が提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２によれば、巻線の代わりに複数の個片化した導体を複数接続してコイルループを形成するステータコイルが開示されている。

特許文献１においては、導電性を有し、かつ互いに導通すべき先端同士を接合した複数本の導体バーからなるステータコイルが開示されている。また、特許文献２においては、複数の導電性セグメントによって形成され、かつその複数の導電性セグメントの端部同士が溶接によって接合されているステータコイルが開示されている。

特開２００６−２８８０７４号公報（段落００１６参照） 特表２００６−５０２６８８号公報（段落０００１参照）

ここで、アキシャルギャップ型回転電機の分野では、ステータコイルの巻線密度を増大させることによる駆動力の向上が大きな課題の一つとされてきた。また、ステータを構成する部材、例えばステータコイルに電気エネルギーを供給する給電システム等のレイアウトを工夫して装置全体を小型化することも、重要な課題の一つであった。

しかしながら、特許文献１および特許文献２では、巻線密度を高めるための工夫やステータで用いられる部材のレイアウト等については考慮されておらず、前記したような課題を解決することができなかった。

本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、アキシャルギャップ型回転電機に使用されるステータコイルの巻線密度を増大させることで駆動力を向上させ、かつ、ステータを構成する部材の省スペース化を実現したアキシャルギャップ型回転電機のステータに備え付けられるステータコイルを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルは、ロータを回転させるアキシャルギャップ型回転電機のステータに備え付けられるステータコイルであって、導電体からなる複数のコイルピースと、前記コイルピースを周方向に配列するとともに、前記コイルピースの一端側を係止する係止部を有する円環状のベース部材と、を備え、前記コイルピースは、第１コイルピースと、第２コイルピースと、第３コイルピースと、からなり、前記第１コイルピースは、前記ベース部材に係止される一端側の被係止部と、前記一端側の被係止部から他端側に延出して前記ロータの回転軸の周方向に開脚するように形成された上層コイルピース部および下層コイルピース部と、を有し、前記上層コイルピース部および前記下層コイルピース部のそれぞれは、前記被係止部から所定角度に曲折された第１曲折部と、前記第１曲折部から所定角度に曲折された長尺状の中間部と、前記中間部から所定角度に曲折された第２曲折部と、前記第２曲折部から所定角度に曲折された他端側の接合部と、を有し、前記第２コイルピースは、他端側に形成された接合部と、前記接合部から所定角度に曲折された第１曲折部と、前記第１曲折部から所定角度に曲折された長尺状の中間部と、前記中間部から所定角度に曲折された第２曲折部と、前記第２曲折部から所定角度に曲折された一端側の給電端子接続部と、を有し、前記第３コイルピースは、前記被係止部と、前記上層コイルピース部および前記下層コイルピース部と、を有するとともに、前記上層コイルピースおよび前記下層コイルピースによる開脚角度が、前記第１コイルピースの開脚角度よりも鋭角であり、前記第１コイルピース、前記第２コイルピースおよび前記第３コイルピースは、前記ロータの回転軸の周方向に隣り合う二体のコイルピースのうちの一方のコイルピースの前記接合部と、他方のコイルピースの前記接合部とが、前記ロータの回転軸方向で上層と下層とで重なって接続されることでコイルループを形成しており、前記コイルループは、Ｎ周目（Ｎは自然数）とＮ＋１周目との間を前記第３コイルピースで接続して、前記コイルピースの配列を前記ロータの回転軸の周方向にずらす構成とする。

このような構成を備えるアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルは、配設箇所に応じた形状のコイルピースをベース部材に配設することにより、各コイルピースをベース部材に無駄なく配設することができ、コイルピースの密度を高めることができる。特に、第１コイルピースよりも開脚角度を鋭角にした第３コイルピースによって、コイルループのＮ周目（Ｎは自然数）とＮ＋１周目との間を接続することで、コイルピースの配列をロータの回転軸の周方向にずらすことができる。

また、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルは、前記コイルループが、前記コイルピースの配列を前記ロータの回転軸の周方向に１ピッチずらすことが好ましい。

このような構成を備えるアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルは、第３コイルピースを用いてＮ周目（Ｎは自然数）とＮ＋１周目との間を接続することで、コイルピースの配列をロータの回転軸の周方向に１ピッチずらすことができる。従って、コイルループを構成する全てのコイルピースをロータの回転軸方向における上層および下層とで重なり合うように配設することができ、平面レイアウト上におけるコイルループのターン数を増加させることができる。

さらに、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルは、前記ベース部材が、前記係止部よりも内径側に切欠部を有し、当該切欠部が形成された空間に、前記第２コイルピースの前記給電端子接続部を配設することが好ましい。

このような構成を備えるアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルは、ステータコイルのデッドスペースに第２コイルピースの給電端子接続部を配設することで、ベース部材の内径側に給電システムおよびバスバー（給電端子）を設けた場合に、この給電端子接続部と好適に接続することができる。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルによれば、コイルループを構成する全てのコイルピースが、ロータの回転軸方向における上層および下層とで重なり合うようにして巻線密度が高く配設されるため、コイルピースに電流が流れることにより発生する磁界を相互に強め合うことができる。従って、ステータコイルがロータに与える駆動力を増大させることができる。また、ベース部材の内径側に給電システムおよびバスバーを設けることができるため、ステータを構成する部材の省スペース化を実現することができる。

実施形態に係るステータコイルを備えたアキシャルギャップ型回転電機のステータの全体構成を示す斜視図である。 図１に示すアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルをＢ−Ｂ線方向で切った場合における、アキシャルギャップ型回転電機のステータコイルの側面を示す断面図である。 実施形態に係るステータコイルのうち、Ｕ相を構成するステータコイルを示す図であり、左上部は、順方向１周目に配列されたステータコイルを抜き出して示す平面図であり左下部は、順方向に３周分配列されたステータコイルを示す平面図であり、右部は、順方向および逆方向に３周分配列されたステータコイルを示す平面図である。 実施形態に係る第１コイルピース、第２コイルピース、第３コイルピースを示す平面図である。 実施形態に係る第１コイルピースを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、折曲加工前の形状を示す斜視図である。 実施形態に係る第２コイルピースを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、折曲加工前の形状を示す斜視図である。 実施形態に係る第３コイルピースを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、折曲加工前の形状を示す斜視図である。 実施形態に係るステータコイルとバスバーとの接続状態を示す平面図である。 実施形態に係るステータコイルにおけるＵ相のコイルピースを流れる電流の流れを模式的に示す１組のコイルピースの平面図である。 比較例に係るステータコイルにおけるコイルピースの配置を示す図であり、（ａ）は、第１の比較例において、第１コイルピースおよび第２コイルピースのみを順方向に１周分配置した場合を示す平面図、（ｂ）は、第２の比較例において、第１コイルピースおよび第２コイルピースのみを順方向に１周分配置した場合を示す平面図、（ｃ）は、第２の比較例において、第１コイルピースおよび第２コイルピースのみを順方向および逆方向に３周分配置した場合を示す平面図、（ｄ）は、（ｃ）のＣ−Ｃ断面図であり、比較例に係るステータコイルの磁界を示す図である。 実施例に係るステータコイルにおけるコイルピースの配置を示す図であり、（ａ）は、第１コイルピース、第２コイルピースおよび第３コイルピースを順方向に１周分配置した場合を示す平面図、（ｂ）は、第１コイルピース、第２コイルピースおよび第３コイルピースを順方向および逆方向に３周分配置した場合を示す平面図、（ｃ）は、ｂ）のＤ−Ｄ断面図であり、実施例に係るステータコイルの磁界を示す図である。

以下、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルを実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図示しないアキシャルギャップ型回転電機とは、ロータおよびステータをロータの回転軸Ａ（図１に示す一点鎖線）方向に相互に対向配置してケース内に収納した型式の回転電機であり、供給される電気エネルギーを機械エネルギーに変換して回転運動を行う装置である。

図１に示すアキシャルギャップ型回転電機のステータ１は、永久磁石を備えたロータを回転させるため、バスバー（給電端子、図８参照）に接続して電気エネルギーが入力されて、ロータが回転駆動するための磁界を発生することを目的とする部材である。なお、図示しないロータに設けられる永久磁石は、その一対の磁極がロータの回転軸の軸方向を向くように配置されており、かつ、隣り合う永久磁石が有する一対の磁極であるＮ極とＳ極とがロータの回転軸の周方向で互いに逆向きとなるように配設されている。（すなわち、平面視方向から見てＮ極とＳ極が周方向に交互に配列されている）。

実施形態に係るアキシャルギャップ型のステータ１は、図１に示すように、ステータコイル１０と、ステータコイル１０の内周側を支持するベース部材２０と、ステータコイル１０の外周側を支持するリング部材３０と、コイルピース１１の端部同士を接続する接続端子４０と、を少なくとも備えている。

ステータコイル１０は、後記する第２コイルピース１３の給電端子接続部１３ｅ（図６（ａ）参照）とバスバー５０（図８参照）を介して、図示しない給電システムと接続された状態で、例えば、車両の駆動モータとして、又は、車輪の所定位置に設置して使用されるものである。なお、この実施の形態では、ステータコイル１０が１層（ベース部材２０が１枚）を１ユニットとした場合の構成として説明するが、ステータコイル１０の最小構成を２層以上とすることもでき、その積層数は限定されない。

ステータコイル１０は、図示しない給電システムから電気エネルギーが入力されて励磁する部材であって、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相からなっている。以下において、ステータコイル１０を構成するＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相のうち、Ｕ相を構成するステータコイル１０ａについて図３を参照しながら説明する。なお、他のＶ相およびＷ相については、Ｕ相と同様の構成であるため、説明を省略する。

Ｕ相を構成するステータコイル１０ａは、電気エネルギーが入力されて励磁するという目的の他に、コイルピース同士の接続の信頼性が高く、かつ、製作性に優れるという本発明の目的を達するため、図２に示すように、ベース部材２０に係止されて、ロータの回転軸Ａの周りに環状的に配列される複数のコイルピース１１と、その複数のコイルピース１１同士を電気的に接続する接続端子４０とによって、一つのコイルループをなしている。

ここで、複数のコイルピース１１により形成される、Ｕ相における一つのコイルループとは、例えば図３に示すように、ステータコイル１０がロータの回転軸Ａ周りに対し、順方向（左回り）に３周周回し（図３左下部参照）、折り返して、逆方向に３周周回（図３右部参照）してなるコイルループのことをいう。なお、コイルピース１１の詳細な構成については、後記する。

ベース部材２０は、図２に示すように、ロータの回転軸上を中心とした円筒部材であり、その円筒部材の外周面には、係止部２１が形成されている。この係止部２１は、後記する第１コイルピース１２および第３コイルピース１４（図７参照）のそれぞれの被係止部１２ａ，１４ａの幅と同じ幅を有しており、この係止部２１に第１コイルピース１２および第３コイルピース１４のそれぞれの被係止部１２ａ，１４ａが挿入されて、ベース部材２０は第１コイルピース１２と第３コイルピース１４とを支持することができる。なお、ベース部材２０のより具体的な形状については、後記する（図８参照）。

ベース部材２０は、係止する第１コイルピース１２、第３コイルピース１４同士を電気的に接続することを回避するため、ポリフェニレンスルファイド（Polyphenylenesulfide）、ガラス繊維強化プラスチック（Glass Fiber Reinforce Plastics）等の絶縁材料により形成されている。

リング部材３０は、図２に示すように、ステータコイル１０の外径と略同等な内径を有する円筒部材であり、ステータコイル１０の外周側に嵌め合わせて、ステータコイル１０を外周側から支持することが可能となる。リング部材３０は、ステータコイル１０を保持する観点から剛性が高いほうが好ましく、ステンレス鋼、アルミ系合金等から形成されることが好ましい。

接続端子４０は、図２に示すように、コイルピース１１のリング部材３０側の端部同士が上下で接触するように、リング部材３０側から係止して接続するための導電性部材である。これによって、隣接するコイルピース１１同士が接続端子４０を介して電気的に接続され、コイルループを形成する。なお、接続端子４０は、第１コイルピース１２、第２コイルピース１３および第３コイルピース１４等の種類の異なるコイルピース１１が隣接している場合も、各コイルピース１１のリング部材３０側の端部同士を上下で接触するように接続し、電気的に接続する。

以下、実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ１において用いられるコイルピース１１について、詳細に説明する。なお、本実施形態の説明では、コイルループを順方向（左回り）に３周周回し、折り返して逆方向に３周周回することを前提にしているが、コイルループは、コイルピース１１の配設の仕方によっては、順方向および逆方向に３周以上周回して形成することももちろん可能である。

コイルピース１１は、従来のステータにおける巻線の代わりとなるものであり、導電体からなる個片化された板状のコイルピース１１を複数組み合わせてステータコイル１０として機能させるものである。このように、巻線ではなくコイルピース１１を組み合わせたものをコイルとして用いることにより、コイルを鉄心に巻回する巻線工程を簡略化させることができる。

コイルピース１１は、図４に示すように、コイルループを形成するための第１コイルピース１２と、コイルループの始端および終端に配設され、バスバー５０（図８参照）と接続するための、あるいは、電流の方向を切り換えるための第２コイルピース１３と、Ｎ周目（Ｎは自然数）の終端とＮ＋１周目の始端とを接続してコイルピース１１の配列をずらすための第３コイルピース１４と、の３種類の基本部材から構成されている。

なお、第１コイルピース１２と、第２コイルピース１３と、第３コイルピース１４とは、供給される電気エネルギーを磁界エネルギーに変換するための部材であるため、導電性部材からなり、特に抵抗率の低い銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金からなることが好ましい。

第１コイルピース１２は、ステータコイル１０においてコイルループを形成するために主に用いられるコイルピース１１である。第１コイルピース１２は、図５（ａ）に示すように、被係止部１２ａと、この被係止部１２ａから他端側に延出し、ロータの回転軸Ａ（図１参照）の周方向に開脚するように形成された上層コイルピース部１２Ａおよび下層コイルピース部１２Ｂと、を有している。

上層コイルピース部１２Ａと下層コイルピース部１２Ｂと被係止部１２ａの各構成部は、図５（ｂ）に示すように、一方方向に延びる一対の延出部１２０ａ，１２０ａを有する略コの字状の導電性板部材１２０を折り曲げて形成される。一対の延出部１２０ａ，１２０ａは、図２に示すように、第１コイルピース１２がベース部材２０に係止された場合に、ロータの回転軸Ａ（図３参照）の周方向に開脚するように折り曲げられている。なお、導電性板部材１２０の一対の延出部１２０ａ，１２０ａの間には、一対の延出部１２０ａ，１２０ａ同士が当接しないための隙間部１２０ｂが形成されている。

そして、上層コイルピース部１２Ａおよび下層コイルピース部１２Ｂは、一端側に形成された被係止部１２ａから所定角度に曲折された第１曲折部１２ｂ，１２ｃと、第１曲折部１２ｂ，１２ｃから所定角度に曲折されて延びる長尺状の中間部１２ｄ，１２ｅと、中間部１２ｄ，１２ｅから所定角度に曲折された第２曲折部１２ｆ，１２ｇと、第２曲折部１２ｆ，１２ｇから所定角度に曲折された他端側の接合部１２ｈ，１２ｉと、を有する所定形状である。

ここでいう所定形状とは、図３左上部に示すように、第１コイルピース１２と第２コイルピース１３と第３コイルピース１４とを、ロータの回転軸Ａの周方向に一周するように配列した場合に、ロータの回転軸Ａに対して、第２コイルピース１３（１周目始端）の端部と、周回した第３コイルピース１４（１周目−２周目中間）の端部と、がなす角度がθ_１となる形状をいう。

また、このθ_１は、第１コイルピース１２と第２コイルピース１３と第３コイルピース１４とを、ロータの回転軸Ａの周方向に一周するように配列した場合に、図３右上部に示すように、一周ごとに配列がずれる角度であり、適宜変更可能な角度である。

ここで、図５（ａ）に示す、中間部１２ｄ，１２ｅと、第１曲折部１２ｂ，１２ｃおよび第２曲折部１２ｆ，１２ｇと、が有する所定の角度とは、以下の二つの条件を満たす角度のことをいう。

一つ目は、図２に示すように、第１コイルピース１２をベース部材２０に係止させて、ロータの回転軸Ａの周方向に配列した場合において、長尺状の中間部１２ｄ，１２ｅがロータの回転軸Ａ周りの径線上に位置する角度である。これにより、中間部１２ｄ，１２ｅに電流が流れた場合に、ロータの回転軸Ａ周りの径線を軸として周回する磁界を発生することができる。

二つ目は、中間部１２ｄ，１２ｅがなす角度θ_２（図２、図５（ａ）参照）が、ロータの周方向に配設される永久磁石が占める位相角と一致する角度である。これにより、複数の第１コイルピース１２をロータの回転軸Ａの周方向に配列した場合に、複数の第１コイルピース１２の中間部１２ｄ，１２ｅから生じるそれぞれの磁界が、ロータに配置されるそれぞれの永久磁石と対応することができる。

被係止部１２ａは、図５（ａ）に示すように、第１曲折部１２ｂ、中間部１２ｄ、第２曲折部１２ｆおよび接合部１２ｈと、第１曲折部１２ｃ、中間部１２ｅ、第２曲折部１２ｇおよび接合部１２ｉと、に連続しており、これら第１コイルピース１２における上層コイルピース部１２Ａまたは下層コイルピース部１２Ｂを電気的に接続するための部分である。なお、被係止部１２ａは、ロータの回転軸Ａの周りに配列される場合に、ベース部材２０に形成された係止部２１に係止可能な形状となっている。

接合部１２ｈ，１２ｉは、図５（ａ）に示すように、第２曲折部１２ｆ，１２ｇから所定の角度を有するように曲折して延びる部材である。ここでいう所定の角度とは、図２に示すように、第１コイルピース１２をベース部材２０に係止させて、ロータの回転軸Ａの周方向に配列した場合に、接合部１２ｈ，１２ｉがロータの回転軸Ａ周りの径線上に位置する角度である。これにより、第１コイルピース１２をベース部材２０に係止させて、ロータの回転軸Ａの周方向に配列した場合に、第１コイルピース１２の接合部１２ｈ，１２ｉは、隣接する第１コイルピース１２の接合部１２ｈ，１２ｉと、ステータコイル１０の外周縁近傍で、接触するおそれがない。

第２コイルピース１３は、コイルループの始端および終端に配設されてバスバー５０（図８参照）と接続する、給電入力、給電出力、あるいは電流方向切換のためのコイルピース１１である。第２コイルピース１３は、本実施形態においては、後記する図８に示すように、コイルループの各方向の各周の始端および終端に配設されている。

第２コイルピース１３は、図６（ａ）に示すように、前記した第１コイルピース１２の片側半分を取り除いた形状に形成され、第２コイルピース１３の他端側に形成された接合部１３ａと、接合部１３ａから所定角度に曲折された第１曲折部１３ｂと、第１曲折部１３ｂから所定角度に曲折されて延びる長尺状の中間部１３ｃと、中間部１３ｃから所定角度に曲折された第２曲折部１３ｄと、第２曲折部１３ｄから所定角度に曲折された一端側の給電端子接続部１３ｅと、を有する所定形状である。

ここでいう所定形状とは、図３左上部に示すように、第１コイルピース１２と第２コイルピース１３と第３コイルピース１４とを、ロータの回転軸Ａの周方向に一周するように配列した場合に、ロータの回転軸Ａに対して、第２コイルピース１３（１周目始端）の端部と、周回した第３コイルピース１４（１周目−２周目中間）の端部と、がなす角度がθ_１となる形状をいう。

また、このθ_１は、第１コイルピース１２と第２コイルピース１３と第３コイルピース１４とを、ロータの回転軸Ａの周方向に一周するように配列した場合に、図３右上部に示すように、一周ごとに配列がずれる角度であり、適宜変更可能な角度である。

ここで、図６（ａ）に示す、中間部１３ｃと、第１曲折部１３ｂおよび第２曲折部１３ｄと、が有する所定の角度とは、以下の二つの条件を満たす角度のことをいう。

一つ目は、第２コイルピース１３をベース部材２０に係止させて、ロータの回転軸Ａの周方向に配列した場合において、長尺状の中間部１３ｃがロータの回転軸Ａ周りの径線上に位置する角度である。これにより、中間部１３ｃに電流が流れた場合に、ロータの回転軸Ａ周りの径線を軸として周回する磁界を発生することができる。

二つ目は、中間部１３ｃがロータの回転軸Ａ周りの径線上に位置する角度が、ロータの周方向に配設される永久磁石が占める位相角と一致する角度である。これにより、複数の第２コイルピース１３をロータの回転軸Ａの周方向に配列した場合に、第２コイルピース１３の中間部１３ｃから生じるそれぞれの磁界が、ロータに配置されるそれぞれの永久磁石と対応することができる。

接合部１３ａは、ステータ１の外周縁側で接続端子４０に接合する部分であり、給電端子接続部１３ｅは、バスバー５０（図８参照）に接続するための部分である。

第２コイルピース１３は、図６（ｂ）に示すように、一方方向に延びる延出部１３０ａを有する略Ｌ字状の導電性板部材１３０を折り曲げて形成されたものである。また、延出部１３０ａは、短手方向に延出しており、その短手方向端部側に丸穴１３０ｂが形成されている。

なお、本実施形態のように、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相交流が順方向と逆方向に３周ずつ流れる場合、第２コイルピース１３は、図９に示すように給電入力用および給電出力用として各相ごとに２つずつ、順方向３周目終端と逆方向１周目始端に用いられる電流方向切換用として各相ごとに２つ用いられる。

第３コイルピース１４は、Ｎ周目（Ｎは自然数）の終端とＮ＋１周目の始端とを接続することで、コイルループの配列を、図示しないロータの回転軸Ａの周方向にずらすためのコイルピース１１である。第３コイルピース１４は、本実施形態では、図４に示すように、順方向１周目の終端と順方向２周目の始端との間、順方向２周目の始端と順方向３周目の始端との間を接続している。また、図４では図示を省略しているものの、同じ要領で逆方向１周目の終端と逆方向２周目の始端との間、逆方向２周目の始端と逆方向３周目の始端との間を接続している。ここで、第３コイルピース１４の形状は、前記した第１コイルピース１２とほぼ同様である。従って、各部の詳細な説明は省略し、第１コイルピース１２との相違点のみを以下で説明する。

第３コイルピース１４は、上層コイルピース部１４Ａの中間部１４ｄと下層コイルピース部１４Ｂの中間部１４ｅとが形成する開脚角度が、第１コイルピース１２における上層コイルピース部１２Ａの中間部１２ｄと下層コイルピース部１２Ｂの中間部１２ｅとが形成する開脚角度よりも鋭角になるように形成されている。すなわち、図７（ａ）における第３コイルピース１４の開脚角度θ_３は、図５（ａ）における第１コイルピース１２の開脚角度θ_２よりも、浅い角度で折り曲げられている。

また、第３コイルピース１４は、図７（ａ）に示す第１曲折部１４ｂ，１４ｃの長さｄ_３および第２曲折部１４ｆ，１４ｇの長さｄ_４が、図５（ａ）に示す第１コイルピース１２の第１曲折部１２ｂ，１２ｃの長さｄ_１および第２曲折部１２ｆ，１２ｇの長さｄ_２よりも、短くなるように形成されている。すなわち、第３コイルピース１４は、中間部１４ｄ，１４ｅの長さはそのままで、第１曲折部１４ｂ，１４ｃおよび第２曲折部１４ｆ，１４ｇの長さを短くすることで、開脚角度θ_３を、第１コイルピース１２の開脚角度θ₂よりも鋭角としている。

第３コイルピース１４は、上記のような形状を備えることにより、第１コイルピース１２、第２コイルピース１３および第３コイルピース１４によって形成するコイルループの周方向における位相の調整を行なうことができる。すなわち、図１１（ａ）に示すように、コイルループのＮ周目（Ｎは自然数）とＮ＋１周目との間を開脚角度の浅い第３コイルピース１４で接続することによって、ベース部材２０における各コイルピース１１の配列を１ピッチ分ずらすことができる。そしてこのように各コイルピース１１の配列を調節することにより、後記するように、ベース部材２０の面積を最大限生かして各コイルピース１１を効率よく配設することができる。なお、第３コイルピース１４を用いることによる作用および効果については、後記する実施例において具体的に説明する。

なお、本実施形態のように、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相交流が順方向と逆方向に３周ずつ流れる場合、第３コイルピース１４は、図９に示すように順方向１周目と２周目の間、順方向２周目と３周目の間、逆方向１周目と２周目の間、逆方向２周目と３周目の間、を接続するために各相ごとに４つ用いられる。

次に、図８を参照しながら、実施形態に係るステータコイル１０とバスバー５０との接続状態について、説明する。なお、以下の説明では、第２コイルピース１３を、その機能ごとに入力用第２コイルピース１３_ｉｎ、出力用第２コイルピース１３_ｏｕｔ、切換用第２コイルピース１３_ｍ、の３種類に分類し、給電端子接続部１３ｅについても、入力用給電端子接続部１３ｅ_ｉｎ、出力用給電端子接続部１３ｅ_ｏｕｔ、切換用給電端子接続部１３ｅ_ｍ、の３種類に分類して説明することとする。

バスバー５０は、Ｕ相入力端子Ｕと、Ｖ相入力端子Ｖと、Ｗ相入力端子Ｗと、スター結線Ｎと、で構成されており、図示しない給電システムと接続され、当該給電システムの電力をステータコイル１０に対して供給するための部材である。また、本実施形態において、図示しない給電システムは、ベース部材２０の内側に配設され、バスバー５０を介してステータコイル１０に電気エネルギーを供給している。

図８に示すように、入力用第２コイルピース１３_ｉｎは、ベース部材２０に、各相に対応して計３つ配設されており、その入力用給電端子接続部１３ｅ_ｉｎは、それぞれＵ相入力端子Ｕ、Ｖ相入力端子ＶおよびＷ相入力端子Ｗと接続されている。また、出力用第２コイルピース１３_ｏｕｔも、ベース部材２０に、各相に対応して計３つ配設されており、その出力用給電端子接続部１３ｅ_ｏｕｔは、それぞれスター結線Ｎで接続されている。さらに、切換用第２コイルピース１３_ｍは、ベース部材２０に、順方向３周目終端と逆方向１周目始端に２つずつ、各相に対応して計６つ配設されている。

本実施形態では、入力用第２コイルピース１３_ｉｎ、出力用第２コイルピース１３_ｏｕｔ、切換用第２コイルピース１３_ｍをこのように配設することによって、図示しない給電システムからの３相交流をステータコイル１０に供給するとともに、順方向に３周分および逆方向に３周分のコイルループを形成することができる。

また図８に示すように、実施形態に係るステータコイル１０のベース部材２０には、係止部２１よりも内径側に切欠部２２が形成されている。そして、その切欠部２２によって形成された空間に、入力用第２コイルピース１３_ｉｎの入力用給電端子接続部１３ｅ_ｉｎと、出力用第２コイルピース１３_ｏｕｔの出力用給電端子接続部１３ｅ_ｏｕｔと、切換用第２コイルピース１３_ｍの切換用給電端子接続部１３ｅ_ｍと、がそれぞれ配設されている。

本実施形態では、このようにステータコイル１０のデッドスペースに第２コイルピース１３の各給電端子接続部を配設することで、ベース部材２０の内径側にバスバー５０と図示しない給電システムを配設することができる。従って、ステータ１を構成する部材の省スペース化を実現することができる。

次に、図９を参照しながら、実施形態に係るステータコイル１０を流れるＵ相の電流について、説明する。なお、Ｖ相およびＷ相の電流の流れについては、Ｕ相の電流の流れと同様であるため、説明を省略する。

まず、ベース部材２０（図８参照）側に配置された入力用第２コイルピース１３_ｉｎから給電されると、電流は太線矢印ａで示すように、下段の入力用第２コイルピース１３_ｉｎから左回り（順方向）で多数連設された第１コイルピース１２の上段、下段、上段、下段の順に流れてベース部材２０の周囲を１周（順方向１周目）する。そして、電流は、１周目終端で第３コイルピース１４を通って位相調整され、破線塗り潰し矢印ｂで示すように、ベース部材２０の周囲の第１コイルピース１２をさらに１周（順方向２周目）する。そして、電流は、２周目終端で第３コイルピース１４を通って位相調整され、一点鎖線塗り潰し矢印ｃで示すように、ベース部材２０の周囲の第１コイルピース１２をさらに１周（順方向３周目）すると、切換用第２コイルピース１３_ｍに流れる。

切換用第２コイルピース１３_ｍの切換用給電端子接続部１３ｅ_ｍを経由して切換用第２コイルピース１３_ｍに電流が流れると、細実線矢印ｄで示すように、第４周目からは電流の流れる方向が右回り（逆方向）に変換され、電流は第１コイルピース１２を上段、下段、上段、下段と変えて流れてベース部材２０の周囲を流れる。さらに、第５周目を点線矢印ｅで示すように流れ、第６周目を一点鎖線矢印ｆで示すように流れて出力用第２コイルピース１３_ｏｕｔまで流れる。

このように、Ｕ相におけるステータコイル１０の電流は、ベース部材２０の周囲をジグザグに６周流れる際に、二つのコイルピースの中間部１２ｄ，１２ｅ，１３ｃ，１４ｄ，１４ｅが上層と下層とに重なり合った状態に配置されて、電流が同じ方向（外周方向または軸心方向）に流れるので、電流による磁束の向きも一致し、磁界が相互に強め合うように合成されるようになっている。

次に、実施形態におけるステータ１を備えたアキシャルギャップ型回転電機の使用方法について、図８および図９を参照しながら簡単に説明する。まず、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれを構成するステータコイル１０の順方向における入力用給電端子接続部１３ｅ_ｉｎにバスバー５０を介して、図示しない制御部を有するインバータを接続する。一方で、図示しないインバータに接続した他端側であるＵ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれを構成するステータコイル１０の逆方向における出力用給電端子接続部１３ｅ_ｏｕｔは、スター結線で接続する。

そして、図示しないロータを回転駆動させる場合、制御部がロータに備え付けられた永久磁石に対応するＵ相、Ｖ相およびＷ相のいずれかに交流信号を送信するように、図示しないインバータの制御を行う。ここで、ロータに備え付けられた永久磁石に対応する相が、Ｕ相の場合、インバータはＵ相を構成するステータコイル１０ａに交流信号を送る。

そして、Ｕ相を構成するステータコイル１０ａは、送られた交流信号に対応して励磁し、第１コイルピース１２の中間部１２ｄ，１２ｅ、第２コイルピース１３の中間部１３ｃ、第３コイルピース１４の中間部１４ｄ，１４ｅを回転軸として周回する磁界を生じる。また、これら中間部１２ｄ，１２ｅ，１３ｃ，１４ｄ，１４ｅから生じた磁界により、ロータの回転軸Ａの周方向を向いて備え付けられた永久磁石が反発力を受け、ロータは回転する。

そして、次に制御部は、ロータに備え付けられた永久磁石にＶ相に対して、交流信号を送信するようインバータを制御する。そして、Ｖ相を構成するステータコイル１０が励磁して磁力を発生し、ロータは駆動力を与えられて駆動することとなる。このようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相を順次励磁させることにより、ロータは回転し続けることが可能となる。

以上、本実施形態におけるステータ１について説明したが、本発明によれば、ステータコイル１０の巻線密度を増大させることで駆動力を向上させ、かつ、ステータ１を構成する部材の省スペース化を実現したステータコイル１０を提供することができる。

その他、本発明は上記した実施形態に限定されるものでない。例えば、第１コイルピース１２の被係止部１２ａおよび接合部１２ｈ，１２ｉ以外の部分、第２コイルピース１３の接合部１３ａおよび給電端子接続部１３ｅ以外の部分、第３コイルピース１４の被係止部１４ａおよび接合部１４ｈ，１４ｉ以外の部分を絶縁被服処理するか、あるいは、絶縁チューブによる被覆を行なってもよい。これによれば、ベース部材２０に係止される第１コイルピース１２と第２コイルピース１３と第３コイルピース１４とが衝撃等により摺動し当接しても、電気的に接続することを回避することができる。

以下、本発明に係る実施例および従来技術に係る比較例を比較することにより、本発明が奏する効果を具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例によって制限されず、本発明の趣旨に適合しうる範囲で適切に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

第１の比較例は、位相調整用の第３コイルピース１４を用いずに、第１コイルピース１２および第２コイルピース１３のみでステータコイル１００ａを設計したものである。この場合は、図１０（ａ）に示すように、まず順方向１周目始端として、入力用第２コイルピース１３_ｉｎを配置し、その後、第１コイルピース１２を周方向に全て配置して１周させるため、各コイルピース１１の開脚角度は全てθ_２となって揃う。

しかしながら、このように第１コイルピース１２および第２コイルピース１３だけでコイルループを形成しようとすると、図１０（ａ）に示すように、順方向１周目終端の第１コイルピース１２の下層部分が、順方向１周目始端の第２コイルピース１３と接触してしまうことになり、配設することができない（同図の入力用第２コイルピース１３_ｉｎ参照）。従って、各コイルピース１１の開脚角度を全てθ_２とすると、何らかの手段で位相を調節しなければ、コイルループ自体を形成することができないことが分かる。

第２の比較例も、位相調整用の第３コイルピース１４を用いずに、第１コイルピース１２および第２コイルピース１３だけでステータコイル１１０ａを設計したものである。ただし、第２の比較例は、図１０（ｂ）に示すように、順方向１周目始端の入力用第２コイルピース１３_ｉｎと、順方向１周目終端の第１コイルピース１２との間に、予めθ_１分の隙間を形成している。すなわち、ステータコイル１００ａ全体の径（面積）を変える等して予めθ_１分の隙間を設けることで、第１の比較例のように第１コイルピース１２を配設することができないという不都合を解消したものである。

この場合、コイルループ自体を形成することは可能であるが、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように、順方向１周目始端の入力用第２コイルピース１３_ｉｎの上層および、逆方向１周目終端の第１コイルピース１２の下層に、他のコイルピース１１が配設されなくなる。すなわち、予めθ_１分の隙間を設けたことで、上層および下層で二つのコイルピース１１の中間部が重なり合った状態がθ_１分だけずれてしまい、各コイルピース１１が上層および下層で重なり合った状態を形成できなくなる。従って、第２の比較例では、コイルピース１１の無駄な配設面積が増大してステータコイル１１０ａが大型化するとともに、ベース部材２０の面積を最大限生かしてコイルピース１１を効率良く配設することができないことが分かる。

また、図１０（ｄ）に示すように、各コイルピース１１に流れる電流によって発生する磁界ＭＦが図示しないロータの回転軸Ａ（図１参照）に対して斜めに歪んでしまうため、ステータコイル１１０ａが励磁する磁力も低下してしまう。従って、ステータコイル１１０ａが図示しないロータに与える駆動力も低下することになる。

一方、本発明に係る実施例は、第１コイルピース１２および第２コイルピース１３に加えて、位相調整用の第３コイルピース１４を用いてステータコイル１０ａを設計したものである。本発明に係る実施例は、図１１（ａ）に示すように、順方向１周目の始端に入力用第２コイルピース１３_ｉｎが配設され、その後、第１コイルピース１２が順方向に１周分配設され、順方向の１周目終端と２周目始端との間に、第３コイルピース１４が配設されている。

ここで、第３コイルピース１４の開脚角度θ_３は、第１コイルピース１２の開脚角度θ_２よりも鋭角に構成されており、具体的には開脚角度θ_３は、開脚角度θ_２よりも１ピッチ分（θ_１）浅く形成されている。このように、第３コイルピース１４をベース部材２０に配設すると、図１１（ａ）に示すように、各コイルピース１１の配列が１ピッチ分コイルループの逆方向（図３参照）にずれることになる。従って、第３コイルピース１４を用いることで、コイルループを構成する全てのコイルピース１１をロータの回転軸Ａ方向における上層および下層とで重なり合うように配設することができ、平面レイアウト上におけるコイルループのターン数を増加させることができる。また、前記した第２の比較例のように、ステータコイル１０ａが大型化することもなく、ベース部材２０の面積を生かしてコイルピース１１を効率よく配設することができる。

また、図１１（ｄ）に示すように、各コイルピース１１が上層と下層とで重なり合った状態に配設されているため、各コイルピース１１に流れる電流によって発生する磁界ＭＦが歪むこともなく相互に強めあうように合成されている。従って、ステータコイル１０ａが励起する磁力も増大し、ステータコイル１０ａが図示しないロータに与える駆動力も増大することになる。

１ ステータ
１０ ステータコイル
１０ａ Ｕ相を構成するステータコイル
１１ コイルピース
１２ 第１コイルピース
１２Ａ 上層コイルピース部
１２Ｂ 下層コイルピース部
１２ａ 被係止部
１２ｂ 第１曲折部
１２ｃ 第１曲折部
１２ｄ 中間部
１２ｅ 中間部
１２ｆ 第２曲折部
１２ｇ 第２曲折部
１２ｈ 接合部
１２ｉ 接合部
１３ 第２コイルピース
１３ａ 接合部
１３ｂ 第１曲折部
１３ｃ 中間部
１３ｄ 第２曲折部
１３ｅ 給電端子接続部
１３_ｉｎ 入力用第２コイルピース
１３ｅ_ｉｎ 入力用給電端子接続部
１３_ｏｕｔ 出力用第２コイルピース
１３ｅ_ｏｕｔ 出力用給電端子接続部
１３_ｍ 切換用第２コイルピース
１３ｅ_ｍ 切換用給電端子接続部
１４ 第３コイルピース
１４Ａ 上層コイルピース部
１４Ｂ 下層コイルピース部
１４ａ 被係止部
１４ｂ 第１曲折部
１４ｃ 第１曲折部
１４ｄ 中間部
１４ｅ 中間部
１４ｆ 第２曲折部
１４ｇ 第２曲折部
１４ｈ 接合部
１４ｉ 接合部
２０ ベース部材
２１ 係止部
２２ 切欠部
３０ リング部材
４０ 接続端子
５０ バスバー（給電端子）
１００ａ Ｕ相を構成するステータコイル（第１の比較例）
１１０ａ Ｕ相を構成するステータコイル（第２の比較例）
１２０ 導電性板部材
１２０ａ 延出部
１２０ｂ 隙間部
１３０ 導電性板部材
１３０ａ 延出部
１３０ｂ 丸孔
１４０ 導電性板部材
１４０ａ 延出部
１４０ｂ 隙間部
Ａ ロータの回転軸
ＭＦ 磁界
Ｎ スター結線
Ｕ Ｕ相入力端子Ｕ
Ｖ Ｖ相入力端子Ｖ
Ｗ Ｗ相入力端子Ｗ
ｄ_１ 第１、第２コイルピースの第１曲折部の長さ
ｄ_２ 第１、第２コイルピースの第２曲折部の長さ
ｄ_３ 第３コイルピースの第１曲折部の長さ
ｄ_４ 第３コイルピースの第２曲折部の長さ
θ_１ コイルピースの配列がずれる角度
θ_２ 第１コイルピースの開脚角度
θ_３ 第３コイルピースの開脚角度

Claims (3)

1. ロータを回転させるアキシャルギャップ型回転電機のステータに備え付けられるステータコイルであって、
   導電体からなる複数のコイルピースと、
   前記コイルピースを周方向に配列するとともに、前記コイルピースの一端側を係止する係止部を有する円環状のベース部材と、を備え、
   前記コイルピースは、第１コイルピースと、第２コイルピースと、第３コイルピースと、からなり、
   前記第１コイルピースは、前記ベース部材に係止される一端側の被係止部と、前記一端側の被係止部から他端側に延出して前記ロータの回転軸の周方向に開脚するように形成された上層コイルピース部および下層コイルピース部と、を有し、
   前記上層コイルピース部および前記下層コイルピース部のそれぞれは、前記被係止部から所定角度に曲折された第１曲折部と、前記第１曲折部から所定角度に曲折された長尺状の中間部と、前記中間部から所定角度に曲折された第２曲折部と、前記第２曲折部から所定角度に曲折された他端側の接合部と、を有し、
   前記第２コイルピースは、他端側に形成された接合部と、前記接合部から所定角度に曲折された第１曲折部と、前記第１曲折部から所定角度に曲折された長尺状の中間部と、前記中間部から所定角度に曲折された第２曲折部と、前記第２曲折部から所定角度に曲折された一端側の給電端子接続部と、を有し、
   前記第３コイルピースは、前記被係止部と、前記上層コイルピース部および前記下層コイルピース部と、を有するとともに、前記上層コイルピースおよび前記下層コイルピースによる開脚角度が、前記第１コイルピースの開脚角度よりも鋭角であり、
   前記第１コイルピース、前記第２コイルピースおよび前記第３コイルピースは、前記ロータの回転軸の周方向に隣り合う二体のコイルピースのうちの一方のコイルピースの前記接合部と、他方のコイルピースの前記接合部とが、前記ロータの回転軸方向で上層と下層とで重なって接続されることでコイルループを形成しており、
   前記コイルループは、Ｎ周目（Ｎは自然数）とＮ＋１周目との間を前記第３コイルピースで接続して、前記コイルピースの配列を前記ロータの回転軸の周方向にずらすことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機のステータコイル。
2. 前記コイルループは、前記コイルピースの配列を前記ロータの回転軸の周方向に１ピッチずらすことを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータコイル。
3. 前記ベース部材は、
   前記係止部よりも内径側に切欠部を有し、
   当該切欠部が形成された空間に、前記第２コイルピースの前記給電端子接続部を配設したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータコイル。

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