JP2012165624A - 回転電機のコイルエンド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】平角線の絶縁被膜に影響を及ぼすことなく小型化を図れる回転電機のコイルエンド構造を提供する。
【解決手段】回転電機は、ステータ１とロータとを備える。ステータ１はステータコア２とコイル３とから成る。ステータコア２には周方向に間隔を存して軸方向に貫通するように複数のスロット２ａが設けられる。コイル３は、スロット２ａに挿入される一対の脚部４１，４１と、両脚部４１，４１を一方の端部で接続する頭部４２とからなる複数のＵ字状コイルセグメント４を接合して構成される。頭部４２がコイルエンドを構成する。コイルセグメント４は複数の平角線からなり、各平角線のスロット２ａ内（脚部４１，４１）で向かい合う面と、コイルエンド（頭部４２）で向かい合う面とが、同一の面とされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機や発電機などの回転電機のコイルエンド構造に関する。

従来、ステータとロータとを備える電動機や発電機などの回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の回転電機のステータは、図１０に示すように、ステータコア２’と、周方向に間隔を存して軸方向に貫通するようにステータコア２’に設けられた複数のスロット２ａ’と、コイルとを備える。

コイルは、一対の脚部４１’，４１’と両脚部４１’，４１’を一方の端部で接続する頭部４２’とからなる複数のＵ字状コイルセグメント４’を、脚部４１’，４１’がスロット２ａ’を通って突き出るように配置し、スロット２ａ’から突出した脚部４１’，４１’の突出部分を対応するもの同士で接合して構成される。

コイルセグメント４’は複数の平角線の束で構成されており、コイルセグメント４’の頭部４２’がコイルエンドを構成する。特許文献１のものでは、コイルエンドにおいて、隣り合う平角線同士がステータコア２’の周方向に整列するように配置されており、これにより、コイルエンドの小型化を図るものが記載されている。

コイルセグメント４’を構成するＵ字状の平角線は、Ｕ字状に湾曲させて一対の脚部４１’，４１’と両脚部４１’，４１’を連結する頭部４２’とを形成した後、頭部４２’の延伸方向を含む平面に対する法線方向（図１０では周方向）に、両脚部４１’，４１’の先端（下端）が互いに離隔するように、両脚部４１’，４１’を湾曲させて構成されている。又、スロット２ａ’内に位置するコイルセグメント４’の各平角線の脚部４１’同士は、ステータコア２の径方向に１列に並んで配置されている。

国際公開第２００８／０２０４７１号パンフレット

従来のコイルエンド構造では、コイルエンドでの各平角線同士の対向面が、スロット内での各平角線同士の対向面と異なる面となる。従って、コイルエンドで平角線の角部が隣接する平角線と接触し易く、回転電機の回転振動等の影響で、平角線の絶縁被膜が剥がれる虞がある。

本発明は、以上の点に鑑み、平角線の絶縁被膜に影響を及ぼすことなく小型化を図れる回転電機のコイルエンド構造を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明は、ステータとロータとを備え、前記ステータは、ステータコアと、周方向に間隔を存して軸方向に貫通するように該ステータコアに設けられた複数のスロットと、コイルとを備え、該コイルは、一対の脚部と両脚部を一方の端部で接続する頭部とからなる複数のＵ字状コイルセグメントを、前記脚部が前記スロットを通って前記スロットから突き出るように配置し、前記脚部の前記スロットから突出した突出部分を接合して構成され、前記コイルセグメントは、複数の平角線の束で構成され、前記コイルセグメントの頭部は、コイルエンドを構成するものであり、隣り合う平角線同士が前記ステータの周方向に整列するように配置される回転電機のコイルエンド構造において、前記コイルエンドを構成する前記コイルセグメントの頭部における隣接する前記平角線同士の対向面は、前記スロット内に挿入される前記脚部における隣接する前記平角線同士の対向面と同一の面とされることを特徴とする。

本発明によれば、頭部で隣り合う平角線同士は、ステータの周方向に整列されているため、ステータの径方向に整列させた場合に比べて、コイルエンドの軸方向の寸法を小さくすることができ、コイルエンドの小型化を図ることができる。又、本発明では、隣り合う平角線のコイルエンド（頭部）における対向面が、スロット内と同一の面同士で対向する。従って、従来のように平角線の角が隣接する平角線に接触することを防止し、これによって絶縁被膜が剥がれることを防止できる。

［２］本発明においては、コイルエンドの頭部に、Ｓ字状に湾曲するＳ字状部を形成することが好ましい。

ここで、同一形状のコイルセグメントを用いてコイルを構成する場合、一方の脚部をスロットの径方向内方側に配置し、他方の脚部をスロットの径方向外方に配置する必要がある。このように構成することにより、他方の脚部が挿入されたスロットの径方向内側の部分に、他のコイルセグメントの一方の脚部を挿入することができるため、同一形状のコイルセグメントで全てのスロットに対応することができる。

ところで、上記の如く両脚部をスロットの径方向内側と径方向外側とに夫々挿入する場合、コイルセグメントの頭部は、両脚部が挿入されるスロットの間で径方向内側と径方向外側とを横断することとなる。そして、コイルを３相交流などの複数相で構成する場合、両脚部が挿入されるスロットの間には、他の位相電流が流れるコイルセグメントのスロットが存在することとなる。従って、コイルセグメントの頭部における径方向内側と径方向外側との横断領域の周方向寸法が大きいと、各コイルセグメントを適切にスロットに挿入できなくなる虞がある。

この場合、上述したように、コイルエンドの頭部にＳ字状に湾曲するＳ字状部を形成すれば、Ｓ字状部で径方向内側と径方向外側とを横断させることができて、横断領域の周方向寸法を小さく抑えることができる。これにより、各コイルセグメントを適切にスロットに挿入できると共に、隣接するスロットから延びるコイルセグメントの頭部同士をコンパクトに重ね合わせることができて、コイルエンドの小型化を図ることができる。

［３］本発明のコイルセグメントは、複数の平角線を１列に整列させて束とした平角線束の中央部を整列方向にＳ字状に湾曲させてＳ字状部を形成するＳ字加工工程と、平角線束の両端部を、スロットの位置に対応するようにＳ字状部を中心にして、整列方向に屈曲させる周曲げ工程と、平角線束の両端部を、ステータの軸方向に向けて所定の角度で中央部から傾斜させる頭部傾斜形成工程と、平角線束の両端部を、スロットの貫通方向に沿うように屈曲させて脚部を形成する脚部形成工程とからなる製造方法で製造することができる。

この製造方法によれば、複数の平角線をまとめて屈曲させることができ、平角線を１本ずつ曲率を変化させて製造する場合に比べて、製造工程の簡略化を図ることができる。

本発明の実施形態のコイルエンド構造を適用した回転電機のステータを示す斜視図。 本実施形態のコイルセグメントを示す斜視図。 本実施形態のコイルセグメントの突出部分を示す説明図。 本実施形態のコイルセグメントの製造方法のＳ字加工工程を示す説明図。 本実施形態のコイルセグメントの製造方法の周曲げ工程を示す説明図。 本実施形態のコイルセグメントの製造方法の頭部傾斜形成工程を示す説明図。 本実施形態のコイルセグメントの製造方法の脚部形成工程を示す説明図。 本実施形態のコイルセグメントを周方向に整列させた状態を示す説明図。 本実施形態のコイルセグメントの突出部分を周方向に捩り曲げる捩り曲げ治具を示す説明図。 従来のコイルエンド構造を示す説明図

図１から図９を参照して、本発明のコイルエンド構造の実施形態について説明する。図１は、電動機や発電機などの回転電機のステータ１を示している。ステータ１は円筒状に形成されており、ステータ１の内側には、回転電機のロータ（図示省略）が回転自在に配置される。

ステータ１は、ステータコア２と、コイル３とで構成される。ステータコア２は、円筒形状であり、回転軸方向に貫通する複数のスロット２ａが周方向に間隔を存して複数設けられている。各スロット２ａは、ステータコア２の径方向断面形状がステータコア２の中心側から径方向に向かって放射状に延びるように形成されており、ステータコア２に形成されたスリット２ｂを介してステータコア２の内周面に連通している。尚、スリット２ｂは設けなくてもよい。

コイル３は、図２に示すコイルセグメント４をスロット２ａに一方から挿入し、スロット２ａの他方から突き出た突出部分を周方向に捩り曲げて接合することにより構成される。コイルセグメント４は、複数（図では５本）の断面長方形状の導線（平角線）を幅の広い方の面が対向するように１列に整列させて１つの束にしてＵ字状に形成したものであり、一対の脚部４１，４１と、両脚部４１，４１の一方端（図では上端）を連結する頭部４２とからなる。尚、コイルセグメント４は、複数の平角線を幅方向に整列させた束であればよく、例えば、複数の平角線を幅の狭い方の面が対向するように１列に整列させたものであってもよい。

頭部４２の中央には、平角線の整列方向にＳ字状に湾曲するＳ字状部４２ａが形成されている。又、頭部４２は、その中央（Ｓ字状部４２ａの中央）から両脚部４１，４１に向かって下方に傾斜している。コイルセグメント４の脚部４１は、対応するスロット２ａに一方から挿入される。スロット２ａの他方からは、コイルセグメント４の脚部４１が突出する。このスロット２ａの他方から突出した脚部４１の突出部分４３を、図３（ａ）に示すように、ステータ１の周方向に捩り曲げて、対応する突出部分４３同士をＴＩＧ溶接等で接合する。このようにして、コイル３が完成される。尚、本実施形態のコイル３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相コイルであり、各スロット２ａに挿入されるコイルセグメント４の脚部４１は、周方向に、Ｕ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｗ相の順に並ぶ。図３（ｂ）では、３つの相のうちの１相のコイル（例えば、Ｕ相コイル）のみを示している。

次に、図４から図７を参照して、図２に示したコイルセグメント４の製造方法を説明する。

コイルセグメント４を製造するには、まず、複数（図４では５本）の平角線を幅の広い方の面が互いに対向するように１列に並べて、１束の平角線束を作る。次に、図４に示すＳ字加工工程に進み、平角線束ＷをＳ字加工型５１に配置する。Ｓ字加工型５１は、図４（ａ）の上方に示す可動型５１ａと、図４（ａ）の下方に示す固定型５１ｂとからなる。平角線束Ｗの一方の端部は可動型５１ａに傾斜した状態で保持され、平角線束Ｗの他方の端部は固定型５１ｂに傾斜した状態で保持される。

可動型５１ａ及び固定型５１ｂには、互いに対向する側に夫々突出する山型の凸部５１ｃ，５１ｄが位置を横方向にずらして設けられている。そして、図４（ｂ）に示すように、可動型５１ａを固定型５１ｂに向けて移動させることにより、平角線束Ｗの中央部をＳ字状に折り曲げて、Ｓ字状部４２ａを形成する。

次に、スロット２ａは周方向に間隔を存して配置されているため、周方向に沿うように平角線束Ｗを曲げる必要がある。この曲げ工程を周曲げ工程と定義する。この周曲げ工程に用いられる周曲げ加工型を図５に示す。周曲げ加工型５２は、図５（ａ）の上方に示す可動型５２ａと、図５（ｂ）の下方に示す固定型５２ｂとで構成される。

平角線束Ｗは、そのＳ字状部４２ａが固定型５２ｂの中央部で保持部材５２ｃに押さえ付けられることにより、固定型５２ｂ上に保持される。固定型５２ｂの左右側縁部は、下方に向かって傾斜する傾斜面５２ｄ，５２ｄを備えている。可動型５２ａも、固定型５２ｂの傾斜面５２ｄ，５２ｄに対向する位置に、固定型５２ｂの傾斜面５２ｄ，５２ｄに沿うように傾斜する傾斜面５２ｅ，５２ｅを備えている。

可動型５２ａを固定型５２ｂに向かって移動させると、平角線束Ｗの左右両部分が整列方向に向かって傾斜するように曲げ加工される。これにより、図５（ｃ）に示すように、ステータコア２に設けられたスロット２ａの位置に対応するように平角線束Ｗが周方向に沿うように折れ曲がる。

次に、図６に示す頭部傾斜形成工程に進む。頭部傾斜形成工程では、左右両側に所定角度の傾斜面を有する凸型５３ａと、凸型５３ａの傾斜面に対応する傾斜面を有する凹型５３ｂとで、平角線束Ｗを挟み込み、平角線束Ｗを、その中央（Ｓ字状部４２ａの中央）から下方に向かって傾斜するように湾曲させる。

次に、図７に示す脚部形成工程に進む。脚部形成工程では、上面がコイルセグメント４の頭部４２の内面と同一形状であり、両側面がコイルセグメント４の脚部４１の内側面と同一形状の脚部形成型５４ａを用いる。脚部形成型５４ａの上方には、脚部形成型５４ａの上面と各側面とが接続される肩部５４ｂと同一形状のＬ字状内面を有する一対のＬ字型５４ｃ，５４ｃが配置されている。脚部形成型５４ａの上面中央部には、平角線束ＷのＳ字状部４２ａを平角線束Ｗの整列方向から挟みこんで保持する保持部５４ｄが設けられている。脚部形成工程では、脚部形成型５４ａ上に平角線束Ｗを配置して保持部５４ｄで保持させ、Ｌ字型５４ｃ，５４ｃを下方に移動させることにより、平角線束Ｗの両端部を脚部形成型５４ａの肩部５４ｂから下方に折り曲げて脚部４１，４１を形成する。このようにして、図２に示すコイルセグメント４が成形される。

本実施形態のコイルセグメント４の製造方法によれば、複数の平角線を一度にまとめて加工できる。このため、１本ずつの平角線を曲率を変化させながら屈曲加工させる場合と比べて、コイルセグメント４の生産効率を向上させることができる。又、１本ずつの平角線を屈曲させる場合には、平角線ごとに対応する曲率に設計された型を用意する必要があるが、本実施形態の製造方法によれば、１通りの型を揃えるだけで、１つのコイルセグメント４を構成する全ての平角線を製造することができ、製造設備コストを抑えることができる。

又、本実施形態のコイルセグメント４の製造方法では、図４に示したＳ字加工工程でＳ字状部４２ａを形成した後、図５に示した周曲げ工程を行う。そして、周曲げ工程では、Ｓ字加工工程で形成されたＳ字状部４２ａを保持部材５２ｃで押さえ付けながら曲げ加工が行われる。このため、周曲げ工程によりＳ字状部４２ａに余計な力が加わることを防止でき、例えば、Ｓ字加工工程と周曲げ工程との加工を１つの型で同時に行う場合と比べて、Ｓ字状部４２ａを適切に形成することができる。

上述のようにして成形されたコイルセグメント４は、図８に示すように、スロット２ａの位置に対応させて周方向に一部が重ね合わさるように整列され、脚部４１がステータコア２のスロット２ａに挿入される。脚部４１はスロット２ａの下方に所定の長さで突き出すように設計されている。スロット２ａの下方から突き出した脚部４１の突出部分４３は、捩り曲げ治具６で周方向に捩り曲げられる。捩り曲げられた突出部分４３は、対応する他の突出部分４３とＴＩＧ溶接などで接合される。このようにして、ステータ１が完成する。

本実施形態のコイルエンド構造によれば、隣り合う平角線同士は、コイルエンドでステータ１の周方向に重なり合うため、小型化を図ることができる。又、隣り合う平角線のコイルエンドにおける対向面が、スロット２ａ内の対向面と同一の面となる。従って、図１０に示す従来のコイルエンド構造ように平角線の角が隣接する平角線に接触することを防止し、これによって絶縁被膜が剥がれることを防止できる。

又、コイルセグメント４の脚部４１，４１の一方は、スロット２ａの径方向内側に位置し、他方は、スロット２ａの径方向外側に位置する。ここで、頭部にＳ字状部を形成しない場合、頭部は両脚部を直線的に連結するため、径方向内側と径方向外側とが入れ替わる周方向の領域が大きくなり、逆にコイルセグメントの頭部同士をコイルエンドで重ね合わせることができる領域が狭くなる。

本実施形態の如く頭部４２にＳ字状部４２ａを形成すれば、径方向内側と径方向外側とが入れ替わる周方向の領域を小さくすることができるため、コイルセグメント４の頭部４２同士をコイルエンドで重ね合わせることができる領域を広く確保することができる。これにより、コイルエンドの小型化を図ることができる。

１…ステータ、２…ステータコア、２ａ…スロット、３…コイル、４…コイルセグメント、４１…脚部、４２…頭部、４２ａ…Ｓ字状部、４３…突出部分、５１…Ｓ字加工型、５１ａ…可動型、５１ｂ…固定型、５１ｃ…凸部、５１ｄ…凸部、５２…周曲げ加工型、５２ａ…可動型、５２ｂ…固定型、５２ｃ…保持部材、５２ｄ…固定型の傾斜面、５２ｅ…可動型の傾斜面、５３ａ…凸型、５３ｂ…凹型、５４ａ…脚部形成型、５４ｂ…肩部、５４ｃ…Ｌ字型、６…捩り曲げ治具、Ｗ…平角線束。

Claims (3)

1. ステータとロータとを備え、前記ステータは、ステータコアと、周方向に間隔を存して軸方向に貫通するように該ステータコアに設けられた複数のスロットと、コイルとを備え、
   該コイルは、一対の脚部と両脚部を一方の端部で接続する頭部とからなる複数のＵ字状コイルセグメントを、前記脚部が前記スロットを通って前記スロットから突き出るように配置し、前記脚部の前記スロットから突出した突出部分を接合して構成され、
   前記コイルセグメントは、複数の平角線の束で構成され、
   前記コイルセグメントの頭部は、コイルエンドを構成するものであり、隣り合う平角線同士が前記ステータの周方向に整列するように配置される回転電機のコイルエンド構造において、
   前記コイルエンドを構成する前記コイルセグメントの頭部における隣接する前記平角線同士の対向面は、前記スロット内に挿入される前記脚部における隣接する前記平角線同士の対向面と同一の面とされることを特徴とする回転電機のコイルエンド構造。
2. 請求項１記載の回転電機のコイルエンド構造において、
   前記コイルエンドの頭部には、Ｓ字状に湾曲するＳ字状部が形成されていることを特徴とする回転電機のコイルエンド構造。
3. 請求項２記載の回転電機のコイルエンド構造に用いられる前記コイルセグメントの製造方法であって、
   複数の平角線を１列に整列させて束とした平角線束の中央部を整列方向にＳ字状に湾曲させて前記Ｓ字状部を形成するＳ字加工工程と、
   前記平角線束の両端部を、前記スロットの位置に対応するように前記Ｓ字状部を中心にして、整列方向に屈曲させる周曲げ工程と、
   前記平角線束の両端部を、前記ステータの軸方向に向けて所定の角度で中央部から傾斜させる頭部傾斜形成工程と、
   前記平角線束の両端部を、前記スロットの貫通方向に沿うように屈曲させて前記脚部を形成する脚部形成工程とからなるコイルセグメントの製造方法。