JP2012065423A

JP2012065423A - 回転電機

Info

Publication number: JP2012065423A
Application number: JP2010206748A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Osada; 正彦長田; Takuzo Mukai; 向井　　拓三
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-29
Also published as: DE102011053609A1; US8466598B2; US20120062064A1

Abstract

【課題】分布巻き方式の回転電機において、相間絶縁を確保するとともに、スロット内の占積率の低下防止を図ることにある。
【解決手段】分布巻き方式でステータコア２に配される各相コイル７、８、９は、それぞれ、複数本の被覆線の束である集合線１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗを有している。そして、１つの相コイルを形成する集合線において、異相のコイルと重なる位置の外周に絶縁層１３が設けられている。これによれば、絶縁層１３によって相間絶縁を確保することができる。また、相間絶縁が必要な部分のみに絶縁層１３を設けているため、スロット４内の占積率を低下させることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される回転電機に関する。また、産業用機器、家庭電化製品等への適用も可能である。

従来より、回転電機として、電機子鉄心とこの電機子鉄心に巻装される複数相のコイルからなる電機子巻線とを備えるものが周知である。
そして、電機子巻線の巻線方式として、集中巻き方式及び分布巻き方式が一般的に知られている。
また、巻線間の絶縁のため、電機子巻線を形成する導線は、絶縁皮膜を有する被覆線となっている（特許文献１参照）。

特開２００８−５４４０４号公報

高トルクを得る観点では、集中巻き方式よりも分布巻き方式が好ましいとされているが、分布巻き方式では、電機子鉄心の軸方向端面から突出するコイルエンド部において、異なる相のコイル同士が重なる部分が生じるため、集中巻き方式とは異なり、相間絶縁が困難であるという問題がある。

被覆線によって相間絶縁をしようとすると、部分放電による絶縁破壊を避けるために、絶縁皮膜の厚さをある程度厚くしなければならない。そして、絶縁皮膜の厚さを厚くすると、スロット内の占積率が低くなってしまう。
特に、高電圧用回転電機の場合は、より厚い絶縁皮膜を設けなければならないため、相間絶縁の確保とスロット内の占積率の低下防止の両立が困難である。

そこで、本発明は、分布巻き方式の回転電機において、相間絶縁を確保するとともに、スロット内の占積率の低下防止を図ることを課題とする。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の回転電機は、複数のスロットを有する電機子鉄心と、スロット内に分布巻き方式で配される複数相のコイルとを備えている。そして、各相のコイルは、それぞれ、複数本の被覆線の束である集合線を有している。

集合線は、電機子鉄心の軸方向端面から突出するコイルエンド部において異なる相のコイルと重なる位置に、集合線を部分的に覆う第１の絶縁層を有し、集合線内で複数本の被覆線が互いに結線されることで、各相のコイルが形成されている。

この構成によれば、第１の絶縁層によって相間絶縁を確保することができる。
被覆線の絶縁皮膜によって相間絶縁を行おうとすると、部分放電を抑えるために、被覆線の絶縁皮膜の厚さを厚くしなければならない。この場合、絶縁皮膜の厚さによって、スロット内の占積率が低下してしまう。

しかしながら、本発明では、相間絶縁が必要な部分のみに第１の絶縁層を設けているため、結果的にスロット内の占積率が低下しない。
すなわち、相間絶縁を確保するとともに、スロット内の占積率の低下防止を図ることができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の回転電機によれば、集合線を形成する複数本の被覆線は、発生電圧に応じて複数のグループに分けられて、各グループ毎に第２の絶縁層により覆われている。
これによれば、請求項１の効果に加えて、各集合線内（同相のコイル内）においても、グループ毎に第２の絶縁層により絶縁されるため、同相のコイル間での部分放電を防止することができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の回転電機は、複数相のコイルへの通電を制御するインバータ回路を搭載するプリント板を備えている。
そして、各相のコイルの集合線におけるそれぞれの被覆線の巻き始めおよび巻き終わりをプリント板に接続し、プリント板にプリントされた銅パターンによって、複数本の被覆線同士の結線がなされる。
これによれば、各相のコイル内での結線が容易となり、巻線工数を低減することができる。

３相交流モータの電機子巻線の構成図である（実施例１）。（ａ）はＵ相コイルを形成する集合線の側面図であり、（ｂ）はＵ相コイルを形成する集合線の断面図であり、（ｃ）は成形された集合線を示す側面図である（実施例１）。集合線内の被覆線の結線を説明する図である（実施例１）。プリント板の正面図である（実施例１）。（ａ）はＵ相コイルを形成する集合線の側面図であり、（ｂ）はＵ相コイルを形成する集合線の断面図であり、（ｃ）は成形された集合線を示す側面図である（実施例２）。集合線内の被覆線の結線を説明する図である（実施例２）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の回転電機の構成を、図１〜図４を用いて説明する。
実施例１の回転電機は、３相交流モータであって、ステータコア２（電機子鉄心）と、このステータコア２に分布巻き方式で巻装されるステータコイル３（電機子巻線）とを有する電機子を備える。そして、このステータコイル３に３相交流電流を流すことにより回転磁界を形成し、回転磁界内に配されるロータ（図示せず）を回転させる。なお、ロータは永久磁石型、電磁石型、鉄心型等、様々な態様をとり得る。

ステータコア２は、内周に複数のスロット４が形成された円環形状をなしており、複数枚の鋼板が積層されて形成されている。
スロット４は、ステータコア２の内周から外周に向けて凹む凹部であり、周方向に複数並んで形成されている。
ステータコイル３は、３相のコイル（Ｕ相コイル７、Ｖ相コイル８、Ｗ相コイル９）を有している。

〔実施例１の特徴〕
実施例１のステータコイル３の各相コイル７、８、９は、それぞれ、複数本の被覆線を束ねた集合線で構成されている。

ここで、１つのＵ相コイル７を例にとって、図２を用いて具体的に説明する。
Ｕ相コイル７は、ｎ本の被覆線１０を束ねた集合線１２Ｕからなる（図２（ａ）、（ｂ）参照）。なお、被覆線１０は外周に絶縁皮膜１１が施された導線である。ここで、ｎ本の被覆線１０を被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎと表現する。
集合線１２Ｕを形成する被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎは、それぞれの巻き始めと巻き終わりとが交互に結線されることで、直列に接続され、１つのＵ相コイル７を形成している。

すなわち、被覆線Ｕ_１の他端Ｕ_１ｅ（Ｕ_１の巻き終わり）に被覆線Ｕ_２の他端Ｕ_２ｆ（Ｕ_２の巻き始め）が結線され、被覆線Ｕ_２の一端Ｕ_２ｅ（Ｕ_２の巻き終わり）に被覆線Ｕ_３の一端Ｕ_３ｆ（Ｕ_３の巻き始め）が結線される。同じように、被覆線Ｕ_ｎのＵ_ｎｆ（Ｕ_ｎの巻き始め）に被覆線Ｕ_ｎ−１のＵ_ｎ−１ｅ（Ｕ_ｎ−１の巻き終わり）が結線され、被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎによりＵ相コイル７が形成される（図２（ａ）、図３参照）。

また、集合線１２Ｕは、所定の位置の外周に絶縁層１３（第１の絶縁層）を有している。
ここで、所定の位置とは、集合線１２Ｕをステータコア２に巻装した際に、異なる相のコイルと重なる位置である。

すなわち、集合線１２Ｕは、ステータコア２の軸方向端面から突出するコイルエンド部１５Ｕと、スロット４内に収容されるスロット収容部１６Ｕとを周方向に交互に有している。そして、ステータコア２に分布巻き方式で巻装される。

例えば、図１に示すように、Ｕ相コイル７を構成する集合線１２Ｕは、スロット収容部１６Ｕａがスロット４ａに収容され、スロット収容部１６Ｕｂがスロット４ｄに収容され、スロット収容部１６Ｕａとスロット収容部１６Ｕｂとの間のコイルエンド部１５Ｕが２つのスロット４ｂ、４ｃを跨ぐように巻装される。

そして、Ｖ相コイル８を構成する集合線１２Ｖは、スロット収容部１６Ｖａがスロット４ｂに収容され、スロット収容部１６Ｖｂがスロット４ｅに収容され、スロット収容部１６Ｖａとスロット収容部１６Ｖｂとの間のコイルエンド部１５Ｖが２つのスロット４ｃ、４ｄを跨ぐように巻装される。
また、Ｗ相コイル９を構成する集合線１２Ｗは、スロット収容部１６Ｗａがスロット４ｃに収容され、スロット収容部１６Ｗｂがスロット４ｆに収容され、スロット収容部１６Ｗａとスロット収容部１６Ｗｂとの間のコイルエンド部１５Ｗが２つのスロット４ｄ、４ｅを跨ぐように巻装される。

このため、Ｕ相コイル７のコイルエンド部１５Ｕには、ステータコア２の軸方向及び径方向において、異相のコイル（Ｖ相コイル８又はＷ相コイル９）と重なり合う箇所が存在する。
そこで、集合線１２Ｕにおいて、この異相のコイルと重なる位置の外周に絶縁層１３を設けている。本実施例では、コイルエンド部１５Ｕのほぼ全体を覆うように絶縁テープが巻かれることで、絶縁層１３が設けられている。なお、絶縁層１３は、絶縁コーティングや絶縁性のチューブであってもよい。

なお、上述した被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎ同士の結線は、回転電機に設けられているプリント板２０上で行われる。
プリント板２０は、例えば、ステータコア２の軸方向一端側もしくは他端側に配置された円板状のプリント配線板であり、ステータコイル３への通電を制御するインバータ回路内蔵の半導体モジュール２１を搭載している（図４参照。網掛け部分は銅プリントを示す）。

そして、プリント板２０の外周部には、被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎを接続可能な複数のポート２２が形成されており、ポート２２内の銅プリントによって、被覆線同士が結線される。

例えば、ポート２２ａには、被覆線Ｕ_１の他端Ｕ_１ｅと被覆線Ｕ_２の他端Ｕ_２ｆとが接続されており、ポート２２ａ内で銅プリントを介して結線される。また、ポート２２ｂには、被覆線Ｕ_２の一端Ｕ_２ｅと被覆線Ｕ_３の一端Ｕ_３ｆが接続されており、ポート２２ｂ内で銅プリントを介して結線される。
なお、被覆線Ｕ_１の一端Ｕ_１ｆは、銅プリントによって半導体モジュール２１に接続される（図４では、半導体モジュール２１までの銅プリントは省略している）。

以上、１つのＵ相コイル７の構成を説明したが、Ｖ相コイル８、Ｗ相コイル９も、このＵ相コイル７と同様に構成される。
そして、所定巻数を達する最後のＵ_ｎの巻き終わりＵ_ｎｅが、銅プリントによりＶ相コイル８及びＷ相コイル９と結線されている（スター結線）。

次に、ステータコア２にＵ相コイル７を巻装する手順の一例を説明する。
まず、被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎを束ねて集合線１２Ｕとし、予め、所定位置の外周に絶縁層１３を設ける（図２（ａ）参照）。
そして、集合線１２Ｕを、コイルエンド部１５Ｕとスロット収容部１６Ｕとが周方向に交互に並ぶように成形する（図２（ｃ）参照）。その後、スロット収容部１６Ｕをスロット４に収容する。

〔実施例１の作用効果〕
実施例１の回転電機によれば、分布巻き方式でステータコア２に配される各相コイル７、８、９は、それぞれ、複数本の被覆線の束である集合線１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗを有している。そして、１つの相コイルを形成する集合線において、異相のコイルと重なる位置の外周に絶縁層１３が設けられている。

これによれば、絶縁層１３によって相間絶縁を確保することができる。
被覆線１０の絶縁皮膜１１によって相間絶縁を行おうとすると、部分放電を抑えるために、被覆線１０の絶縁皮膜１１の厚さを厚くしなければならない。この場合、絶縁皮膜１１の厚さによって、スロット４内の占積率が低下してしまう。

しかしながら、本実施例の相間絶縁では、相間絶縁が必要な部分のみに絶縁層１３を設け、相間絶縁の必要のないスロット４内に絶縁層１３を設けていないため、結果的にスロット４内の占積率が低下しない。
すなわち、相間絶縁を確保するとともに、スロット４内の占積率の低下防止を図ることができる。
特に、高電圧用回転電機の場合には、部分放電が問題となるが、本実施例では、絶縁層１３により、部分放電を抑えつつ、スロット４内の占積率を低下させることなく、相間絶縁を実現することができる。

また、実施例１の回転電機では、被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎ同士の結線は、インバータ回路を内蔵する半導体モジュール２１を搭載したプリント板２０上で行われる。
これによれば、各相コイルを形成するための結線、相コイル同士の結線、および相コイルとインバータ回路との接続を、プリント板２０上の銅プリントを介して行うことができる。
このため、結線作業が煩雑にならず容易となり、巻線工数を低減することができる。

〔実施例２の構成〕
実施例２の回転電機の構成を、実施例１とは異なる点を中心に、１つのＵ相コイル７を例にとって、図５、図６を用いて説明する。
実施例２の回転電機では、集合線１２Ｕを形成する複数本の被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎが、発生電圧に応じて２つのグループに分けられて、グループ毎に絶縁層２５（第２の絶縁層）で覆われている。

すなわち、集合線１２Ｕを構成する被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎは、発生電圧の高い高電位グループを構成する被覆線Ｕｈ_１〜Ｕｈ_ｋと、高電位グループよりも発生電圧の低い低電位グループを構成する被覆線Ｕｌ_１〜Ｕｌ_ｊに分けられる。

高電位グループは、被覆線Ｕｈ_１〜Ｕｈ_ｋを束ねた集合線３０となっており、その外周が絶縁層２５により覆われている。また、低電位グループは、被覆線Ｕｌ_１〜Ｕｌ_ｊを束ねた集合線３１となっており、その外周が絶縁層２５により覆われている。絶縁層２５は、集合線３０、３１のコイルエンド部１５Ｕとなる位置だけではなくスロット収容部１６Ｕとなる位置にも設けられる。
絶縁層２５は、例えば、絶縁性のチューブである。なお、絶縁コーティングや絶縁性テープであってもよい。

そして、集合線３０（高電位グループ）を構成する被覆線Ｕｈ_１〜Ｕｈ_ｋは、それぞれの巻き始めと巻き終わりとが交互に結線されることで、直列に接続されている。すなわち、被覆線Ｕｈ_１の他端Ｕｈ_１ｅ（Ｕｈ_１の巻き終わり）に被覆線Ｕｈ_２の他端Ｕｈ_２ｆ（Ｕｈ_２の巻き始め）が結線される。同じように、被覆線Ｕｈ_ｋの巻き終わりＵｈ_ｋｅまでが結線される（図６参照）。
また、集合線３１（低電位グループ）を構成する被覆線Ｕｌ_１〜Ｕｌ_ｊも、集合線３０と同様に、それぞれの巻き始めと巻き終わりとが交互に結線されることで、直列に接続されている。

そして、集合線３０および集合線３１を束ねた集合線１２Ｕには、異相のコイル（Ｖ相コイル８、Ｗ相コイル９）と重なる位置の外周に絶縁層１３が設けられている。
Ｖ相コイル８、Ｗ相コイル９も、Ｕ相コイル７と同様に構成される。

次に、ステータコア２にＵ相コイル７を巻装する手順の一例を説明する。
まず、被覆線Ｕｈ_１〜Ｕｈ_ｋを束ねた集合線３０および被覆線Ｕｌ_１〜Ｕｌ_ｊを束ねた集合線３１のそれぞれの外周に絶縁層２５を設ける。

集合線３０および集合線３１を束ねた集合線１２Ｕの所定位置の外周に絶縁層１３を設ける（図５（ａ）参照）。
そして、集合線１２Ｕを、コイルエンド部１５Ｕとスロット収容部１６Ｕとが周方向に交互に並ぶように成形する（図５（ｃ）参照）。その後、スロット収容部１６Ｕをスロット４に収容する。

これによれば、実施例１の作用効果に加えて、同相のコイル内においても、高電位グループと低電位グループとの間が絶縁層２５により絶縁されるため、同相のコイル間での部分放電を防止することができる。

〔変形例〕
本発明の実施態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、回転電機は３相交流モータであったが、複数相のコイルを有する回転電機であればよく、３相交流モータに限られない。
なお、実施例１では、被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎが直列に結線された直列コイルとして相コイルが形成されていたが、例えば、２つの直列コイルを並列に繋ぐことによって相コイルを形成してもよい。

また、実施例２では、集合線１２Ｕを形成する複数本の被覆線Ｕ_１〜Ｕ_ｎが発生電圧に応じて２つのグループに分けられていたが、３つ以上のグループに分けてもよい。

２ステータコア（電機子鉄心）
３ステータコイル
４スロット
７Ｕ相コイル
８Ｖ相コイル
９Ｗ相コイル
１２Ｕ集合線
１３絶縁層（第１の絶縁層）
１５Ｕコイルエンド部
２０プリント板
２５絶縁層（第２の絶縁層）
３０高電位グループをなす集合線
３１低電位グループをなす集合線
Ｕ_１〜Ｕ_ｎ集合線１２Ｕを形成する被覆線
Ｕｈ_１〜Ｕｈ_ｋ集合線３０を形成する被覆線
Ｕｌ_１〜Ｕｌ_ｊ集合線３１を形成する被覆線

Claims

複数のスロットを有する電機子鉄心と、
前記スロット内に分布巻き方式で配される複数相のコイルとを備える回転電機において、
前記各相のコイルは、それぞれ、複数本の被覆線の束である集合線を有しており、
前記集合線は、前記電機子鉄心の軸方向端面から突出するコイルエンド部において異なる相のコイルと重なる位置に、前記集合線を部分的に覆う第１の絶縁層を有し、
前記集合線内で前記複数本の被覆線が互いに結線されることで、前記各相のコイルが形成されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記集合線を形成する前記複数本の被覆線は、発生電圧に応じて複数のグループに分けられて、前記各グループ毎に第２の絶縁層により覆われていることを特徴とする回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機において、
前記複数相のコイルへの通電を制御するインバータ回路を搭載するプリント板を備え、
前記各相のコイルの前記集合線におけるそれぞれの被覆線の巻き始めおよび巻き終わりを前記プリント板に接続し、
前記プリント板にプリントされた銅パターンによって、前記複数本の被覆線同士の結線がなされることを特徴とする回転電機。