JP2014023239A - 回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】２つのコイルに相当する固定子巻線を用い、上記成形工程を不要とする回転電機の固定子を提供する。
【解決手段】ステータコア２２（固定子鉄心）に形成される複数のスロット２３に対して、複数のコイルが巻き回されて電気的に接続されるステータコイル２１（固定子巻線）を有する回転電機１０の固定子２０において、ステータコイル２１（コイル）は、スロット２３に収容される複数のスロット部２１ｓと、スロット２３に収容されずに突出する複数のコイルエンド部２１ｅとを有するとともに、両端部を除く所定部位を折り返し部位２１ａとして巻き回されることを特徴とする。ステータコイル２１は折り返し部位２１ａで折り返されるので、当該ステータコイル２１については接続を行う必要がない。コイルエンド部２１ｅを跨がせたり、コイルエンド部２１ｅに近接するような成形工程も不要になる。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数のスロットと固定子巻線とを有する回転電機の固定子に関する。

従来では、コイルエンドの寸法を小さくすることを目的とする回転電機に関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この回転電機において、固定子巻線の互いに接続された２つのコイルは、スロットの内周側から固定子巻線のコイルエンド方向に引き出された先端側コイル端末を有する第１のコイルと、スロットの底側から固定子巻線のコイルエンド方向に引き出され、先端側コイル端末に接続される底側コイル端末を有する第２のコイルとから成り、先端側コイル端末と底側コイル端末とをコイルエンドを跨ぐように接続し、その接続部分をコイルエンドに近接するように折り曲げる。

特開２００９−２１９３４３号公報

しかし、特許文献１に開示された第１のコイルおよび第２のコイルは、いずれもα巻線であるとともに重ね巻である。α巻線や重ね巻のいずれの巻き方にせよ、２つのコイルを溶接等で電気的な接続を行う必要がある。また、先端側コイル端末と底側コイル端末とをコイルエンドを跨がせ、接続部分をコイルエンドに近接するように折り曲げるための成形工程が別途必要となる。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、２つのコイルに相当する固定子巻線を用い、上記成形工程を不要とする回転電機の固定子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、固定子鉄心に成形される複数のスロットに対して、複数のコイルが巻き回されて電気的に接続される固定子巻線を有する回転電機の固定子において、前記コイルは、前記スロットに収容される複数のスロット部と、前記スロットに収容されずに突出する複数のコイルエンド部とを有するとともに、両端部を除く所定部位を折り返し部位として巻き回されることを特徴とする。

この構成によれば、コイルは折り返し部位を起点に折り返されるので、特許文献１に開示された２つのコイルに相当する。よって、当該コイルについては電気的な接続を行う必要がない。また、コイルエンドを跨がせたりコイルエンドに近接するような成形工程も不要になる。したがって、回転電機の固定子を簡単かつ容易に製造することができる。

第２の発明は、前記所定部位は、前記コイルの中央部に位置する前記スロット部または前記コイルエンド部であることを特徴とする。この構成によれば、コイルは２つ折りのような形状になるので、巻き回した後に当該コイルの端部を揃え易くなる。

回転電機の構成例を示す模式図である。 ステータコアの第１構成例を示す模式図である。 コイルの巻き回し例を示す模式図である。 巻き回した後の固定子を示す模式図である。 巻き回した後の固定子を示す模式図である。 コイルの結線例を示す図である。 コイルの成形例を示す模式図である。 コイルの成形例を示す模式図である。 ステータコアの第２構成例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図６を参照しながら説明する。本形態では、回転電機１０として電動機（いわゆるモータ）を適用する。

図１に示す回転電機１０は、固定子２０（ステータ），回転子３０（ロータ），ハウジング４０（フレーム），電力源５０，駆動部６０，制御部７０などを有する。制御部７０から伝達される制御信号Ｓ^*に基づいて駆動部６０から出力されるステータ電流（図１の例では相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）が出力され、ステータコイル２１を流れる。ステータコイル２１に流れる電流の向きや大きさ等に応じて、回転電機１０（特にロータシャフト３１）の回転駆動が制御される。

固定子２０は、ステータコイル２１（固定子巻線）やステータコア２２（固定子鉄心）などを有する。ステータコイル２１は、ステータコア２２に巻かれた複数相（例えば三相）のコイル（巻線）として用いる。ステータコア２２には電磁石（あるいは永久磁石等）が用いられる。ステータコア２２の具体的な構成例や、ステータコア２２に備えるスロット２３に対するステータコイル２１の巻き回しについては後述する。

回転子３０は固定子２０に対向して回転するように構成され、本形態ではアウタロータ型で構成する。この回転子３０は、ロータシャフト３１，ロータフレーム３２，ロータコア３３などを有する。ロータシャフト３１は、回転電機１０の主軸（あるいは回転軸）として用いられ、外周面の一部に被検出部（例えば磁気突極や印刷模様等）を備える。ロータフレーム３２はロータシャフト３１に対して固定されている。ロータフレーム３２の形状は任意であるが、本形態ではＬ字状に成形する。ロータフレーム３２の端部に設けられるロータコア３３は磁性体（特に軟磁性体）である。

ハウジング４０はいわゆる筐体であり、上述した固定子２０や回転子３０（ロータ）などを収容する。具体的には、固定子２０を固定する突起部や、回転子３０を回転可能に支持するベアリング、被検出部を検出する回転センサ４５など等を有する。

回転センサ４５は、回転子３０（具体的にはロータシャフト３１）の回転情報を検出できれば任意のセンサ（例えばレゾルバや光検出器等）を用いてよい。レゾルバは、被検出部（磁気突極）を検出するごとに信号（アナログ信号またはデジタル信号）を制御部７０に伝達する。回転情報は、例えば回転（回転速度や回転加速度等）や位置（固定子２０に対するロータシャフト３１の相対的位置等）などが該当する。

電力Ｅ（電圧や電流）を供給する電力源５０は、例えばバッテリ（主に二次電池）や燃料電池等が該当する。駆動部６０は、制御部７０から伝達される制御信号Ｓ^*に基づいて、電力源５０から供給される電力Ｅを上記ステータ電流として出力する。通常は、回転センサ４５によって検出される回転情報に基づいて、目的とする回転状態になるようにステータ電流を制御する。

図２に示すステータコア２２は、多数のスロット２３や貫通穴２４などを有する。多数のスロット２３は外周に沿って配置される。各スロット２３は突起状（凸状）に成形されるティースの相互間部位であるとともに、ステータコイル２１を巻き回す部位である。貫通穴２４は、ロータシャフト３１を通すための穴である。

次に、スロット２３にステータコイル２１を巻き回す例について図３〜図５を参照しながら説明する。本形態では未成形の丸線であるステータコイル２１を、手作業や巻き回し機によって巻き回す例を示す。

図３において、始めにステータコイル２１の折り返し部位２１ａをスロット２３に入れる。スロット２３に収容された部分のステータコイル２１は、スロット部２１ｓである。そして、スロット２３から突出した部分のステータコイル２１をそれぞれ１８０度曲げて近隣のスロット２３に巻き回す作業を、所定方向Ｄｒ（図３では右方向）に沿って繰り返し行う。スロット２３から突出した部分のステータコイル２１は、コイルエンド部２１ｅである。巻き回しの対象となる近隣のスロット２３は任意である。本形態では、ステータコイル２１を入れたスロット２３を基準として１から３の範囲内で離れたスロット２３を適用する。

ステータコイル２１は、折り返し部位２１ａ（所定部位）を折り返し点として、ステータコイル２１を一方側部位２１ｂと他方側部位２１ｃとに分ける。一方側部位２１ｂと他方側部位２１ｃが対向するように巻き回す。言い換えると、一方側部位２１ｂと他方側部位２１ｃとは、スロット２３ごとに交互に位置が入れ替わるように巻き回す。ステータコイル２１の両端部はスロット２３から突出させて引き出す。この巻き回しによれば、ステータコイル２１は折り返し部位２１ａから巻き始められて両端部まで一本の電線で連続する。巻き回し後の状態を図４と図５に示す。

図４には、三相（例えばＵ相，Ｖ相，Ｗ相）について複数のステータコイル２１を接続して巻き回した固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を示す。図５には、スロット２３から引き出される固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１と固定子巻線Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との位置関係を示す。

図４に示す固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の一端側は、１つおきのスロット２３からそれぞれ引き出され、先端には駆動部６０との接続を行う端子（すなわち図６に示す端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ）が取り付けられる。端子に代えて、他の導電部材（例えば電極、ピン、リード、バスバー等）を用いてもよい。図３に示す折り返し部位２１ａで折り返された固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の他端側もまた、１つおきのスロット２３からそれぞれ引き出され、適宜に曲げられて中性点Ｔｍとして接続される。なお図４では、固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の一端側と他端側をステータコア２２の同一面から引き出しているが、異なる面（例えば反対面や側面等）から引き出してもよい。

図５に示す固定子巻線Ｕ１および固定子巻線Ｕ２にかかる一端側は、３つおきのスロット２３からそれぞれ引き出され、適宜に曲げられて接続される。固定子巻線Ｖ１および固定子巻線Ｖ２にかかる一端側や、固定子巻線Ｗ１および固定子巻線Ｗ２にかかる一端側についても同様に接続が行われる。よって本形態における結線状態（接続状態）は、図６のようになる。すなわち中性点Ｔｍと端子Ｔｕとの間に固定子巻線Ｕ１および固定子巻線Ｕ２が接続され、中性点Ｔｍと端子Ｔｖとの間に固定子巻線Ｖ１および固定子巻線Ｖ２が接続され、中性点Ｔｍと端子Ｔｗとの間に固定子巻線Ｗ１および固定子巻線Ｗ２が接続される。なお、中性点Ｔｍと端子との間に接続するステータコイル２１の本数は、回転電機１０の定格や構成等に応じて任意に設定してよい。

上述した実施の形態では、固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の両端部は、それぞれ１つおきのスロット２３からそれぞれ引き出した。また各相の固定子巻線にかかるの両端部は、それぞれ３つおきのスロット２３からそれぞれ引き出した。これらの形態に代えて、どれだけ離れたスロット２３から引き出すのかは、固定子巻線やステータコイル２１の長さを調整することで任意に設定することができる。ステータコイル２１を曲げ加工を不要とするには、複数相にかかるステータコイル２１を同一のスロット２３から引き出すとよい。

上述した実施の形態１によれば、以下に示す各効果を得ることができる。

（１）回転電機１０の固定子２０において、ステータコイル２１（コイル）は、スロット２３に収容される複数のスロット部２１ｓと、スロット２３に収容されずに突出する複数のコイルエンド部２１ｅとを有するとともに、両端部を除く所定部位を折り返し部位２１ａとして巻き回される構成とした（図３〜図５を参照）。この構成によれば、ステータコイル２１は折り返し部位２１ａを起点に折り返されるので、当該ステータコイル２１については接続を行う必要がない。また、コイルエンド部２１ｅを跨がせたり、コイルエンド部２１ｅに近接するような成形工程も不要になる。したがって、回転電機１０の固定子２０を簡単かつ容易に製造することができる。

（２）巻き回された複数のステータコイル２１（すなわち固定子巻線）の端部は、１から３の範囲内で離れたスロット２３から引き出される構成とした（図４，図５を参照）。この構成によれば、ステータコイル２１の端部どうしは近隣のスロット２３から引き出されるので、端子の取り付けが容易に行え、中性点Ｔｍの接続も容易に行える。

（３）複数相にかかるステータコイル２１は、同一のスロット２３から引き出される構成とした（図４，図５を参照）。この構成によれば、ステータコイル２１を曲げずに接続したり、端子を取り付けたりすることができる。

（４）所定部位は、ステータコイル２１の中央部に位置するスロット部２１ｓである構成とした（図３を参照）。図示しないが、ステータコイル２１の中央部にコイルエンド部２１ｅを位置させてもよい。これらの構成によれば、ステータコイル２１を２つ折りのような形状になるので、巻き回した後に当該ステータコイル２１の端部を揃え易くなる。したがって、端部に端子を取り付け易くなったり、端部との接続が容易になる。

（５）ステータコイル２１は、所定部位を折り返し部位２１ａ（折り返し点）として一方側部位２１ｂと他方側部位２１ｃとに分かれ、一方側部位２１ｂと他方側部位２１ｃが対向するように成形される構成とした（図３を参照）。この構成によれば、ステータコイル２１を簡単に波巻することができる。

（６）一方側部位２１ｂと他方側部位２１ｃとは、スロット２３ごとに交互に位置が入れ替わる構成とした（図３を参照）。この構成によれば、ステータコイル２１を簡単に波巻することができる。

（８）ステータコイル２１は、折り返し部位２１ａ（所定部位）から巻き始められ、両端部まで一本の電線で連続している構成とした（図３〜図５を参照）。この構成によれば、ステータコイル２１自体が折り返し部位２１ａを含めて一本の電線で連続するので、途中で接続等を行わなくてもよく、巻き回りを容易に行うことができる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は図７〜図９を参照しながら説明する。なお、回転電機１０の構成等は実施の形態１と同様であり、図示および説明を簡単にするために実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

実施の形態１では成形されていないステータコイル２１を用いて巻き回しを行うのに対し、実施の形態２では予め所定形状に成形したステータコイル２１を巻き回しを行う点で相違する。図７には、予め成形する所定形状の一例を示す。上段の平面図には一方側部位２１ｂを示し、中段の平面図には一方側部位２１ｂを示す。下段の側面図にはステータコイル２１（一方側部位２１ｂと他方側部位２１ｃ）の全体を示す。

図７に示す成形例は、成形機によって成形され、実施の形態１と同様に波巻できる形状である。ただし、本形態では平角線のステータコイル２１を用いる。ステータコイル２１は、折り返し部位２１ａで折り返され、一方側部位２１ｂと他方側部位２１ｃが対向するように成形され、スロット２３ごとに交互に位置が入れ替わるように成形される。三相すなわち固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１および固定子巻線Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に対応するように成形して並べた状態を図８に示す。

図８に示すように予め成形したステータコイル２１（固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２等）は、スロット２３の一端側が開口していないと収容し難い。そこで、図８に示すステータコイル２１を収容するには、例えば図２または図９に示すステータコア２２を用いるとよい。図９に示すステータコア２２は、内径側に開口するスロット２３を有する。スロット２３の開口側から図８に示す固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２のスロット部２１ｓを順番に収容することで巻き回しを行う。巻き回し後は実施の形態１と同様になる（図４，図５を参照）。

スロット２３の内径側先端部と二点鎖線で示す部位との間には、ステータコイル２１に電流を流すことで生じる磁束を通すための磁性体を介在させてもよい。図示しないが、外径側に開口するスロット２３を有するステータコア２２でもよい。

上述した実施の形態２によれば、以下に示す各効果を得ることができる。なお、回転電機１０の構成については実施の形態１と同様であるので、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（７）ステータコイル２１は、成形機によって成形された後に、複数のスロット２３に対して巻き回される構成とした（図７，図８を参照）。この構成によれば、ステータコイル２１は予め所定形状に成形されるので、スロット２３への巻き回しは容易に行える。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１，２に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態１，２では、ステータコイル２１の中央部に位置するスロット部２１ｓを折り返し部位２１ａとして折り返す構成とした（図３，図７，図８を参照）。この形態に代えて、中央部以外の部位（ただし引き出しを行う端部を除く）を折り返し部位２１ａとして折り返す構成としてもよい。また、折り返し部位２１ａは２以上あってもよい（すなわち三つ折りや四つ折り等になる）。折り返す位置や数が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。なお、折り返し部位２１ａの数が増えるにつれてスロット２３に収容する回数（巻き回し回数）が減るので、巻き回し工程に要する時間を短縮することができる。

上述した実施の形態１，２では、回転電機１０としてアウタロータ型の電動機に適用する構成とした（図１を参照）。この形態に代えて、インナロータ型の電動機に適用する構成としてもよい。さらに、アウタロータ型やインナロータ型に限らず、他の回転電機に適用する構成としてもよい。他の回転電機は、例えば発電機や電動発電機などが該当する。インナロータ型の電動機や他の回転電機でも、固定子巻線としてステータコイル２１を適用できるので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１では丸線のステータコイル２１を用いて巻き回す構成とし（図３〜図５を参照）、実施の形態２では平角線のステータコイル２１を成形機で予め成形したうえでスロット２３に収容して巻き回す構成とした（図７〜図９を参照）。この形態に代えて、平角線のステータコイル２１を用いて実施の形態１と同様に巻き回す構成としてもよい。丸線のステータコイル２１を用いて実施の形態２と同様に成形機で予め成形したうえでスロット２３に収容して巻き回す構成としてもよい。丸線や平角線以外の電線（導電線）を用いて巻き回す構成としてもよい。いずれの構成にせよ、固定子巻線としてステータコイル２１を適用できるので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、回転電機１０の固定子２０に巻き回すコイル（巻線）としてステータコイル２１を適用する構成とした（図３〜図５，図７〜図９を参照）。この形態に代えて、回転電機１０の回転子３０に巻き回すコイルとしてステータコイル２１を適用する構成としてもよい。回転電機１０が発電機や電動発電機である場合には、発電や回生によって得られる電力を取得することができる。適用する対象が異なるに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、三相について複数のステータコイル２１を接続して固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２として巻き回す構成とした（図３〜図５，図７〜図９を参照）。この形態に代えて、三相以外の相数で構成される回転電機１０について複数のステータコイル２１を接続して固定子巻線として巻き回す構成としてもよい。単に相数が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

１０ 回転電機
２０ 固定子
２１ ステータコイル（固定子巻線）
２１ａ 折り返し部位
２１ｅ コイルエンド部
２１ｓ スロット部
２２ ステータコア（固定子鉄心）
２３ スロット

Claims (8)

1. 固定子鉄心に形成される複数のスロットに対して、複数のコイルが巻き回されて電気的に接続される固定子巻線を有する回転電機の固定子において、
   前記コイルは、前記スロットに収容される複数のスロット部と、前記スロットに収容されずに突出する複数のコイルエンド部とを有するとともに、両端部を除く所定部位を折り返し部位として巻き回されることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 巻き回された複数の前記コイルの端部は、１から３の範囲内で離れた前記スロットから引き出されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 複数相にかかる前記コイルは、同一の前記スロットから引き出されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記所定部位は、前記コイルの中央部に位置する前記スロット部または前記コイルエンド部であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
5. 前記コイルは、前記所定部位を折り返し点として一方側部位と他方側部位とに分かれ、前記一方側部位と前記他方側部位が対向するように形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
6. 前記一方側部位と前記他方側部位とは、前記スロットごとに交互に位置が入れ替わることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の固定子。
7. 前記コイルは、成形機によって成形された後に、複数の前記スロットに対して巻き回されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
8. 前記コイルは、前記所定部位から巻き始められ、両端部まで一本の電線で連続していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。

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