JP2014147190A - 回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】中性線に過度な電流が流れないようにした回転電機の固定子を提供する。
【解決手段】固定子は、周方向に配列された複数のスロットを有する円環状の固定子コアと、スロットに巻装された三相の相巻線よりなる固定子巻線と、星型結線において相巻線の端部同士を共通接続する中性線２６，２７とを備える。各相巻線は、それぞれ並列に電気的に接続された２本の部分巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）を有し、合計６本の部分巻線のうち異相の２本の部分巻線が組み合わされてなる少なくとも二組の部分巻線の一端と中性線２６，２７の一端とが電気的に接続され、且つそれぞれの中性線２６，２７の両端に接続された部分巻線が全ての相を含むようにされている。
【選択図】図５

Description

本発明は、車両等に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機の固定子に関する。

従来、車両に搭載されて使用される回転電機として、回転可能に設けられた回転子と、該回転子と径方向に対向して配置され周方向に配列された複数のスロットを有する固定子コアおよび該固定子コアのスロットに巻装された固定子巻線と、を備えたものが一般に知られている。

そして、特許文献１には、それぞれ２並列に電気的に接続された部分巻線を有する３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の相巻線が星型結線により結線された固定子巻線が開示されている。また、特許文献１には、それぞれの部分巻線の一端同士を、中性線で結線することが記載されている。この場合、図１１に示すように、２並列に接続された各相巻線のうち、同相の２本の部分巻線の一端と中性線２６，２７の一端とが電気的に接続されている。また、中性線２６，２７は、通常、部分巻線と同じ断面積のもの（同じ導線材）が採用されている。

特開２０１０−１１６２３号公報

ところで、上記特許文献１に開示された固定子巻線のように、同相の２本の部分巻線の一端部と中性線２６，２７の一端部とが接続されている場合、中性線２６，２７には各分割巻線の２倍の電流が流れる。例えば、Ｕ相の相巻線からＶ相の相巻線へ電流が流れる場合には、各部分巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２）を流れる電流がｉとすると、中性線２６，２７には２ｉの電流が流れることとなる。そのため、中性線２６，２７が過度に温度上昇することによって、中性線２６，２７の外周面を覆う絶縁被膜が溶融し、絶縁不良に繋がる恐れがある。なお、Ｖ相からＵ相の相巻線へ逆に電流が流れる場合や、Ｖ相とＷ相の相巻線間、およびＷ相とＵ相の相巻線間で電流が流れる場合にも同様の問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、中性線に過度な電流が流れないようにした回転電機の固定子を提供することを解決すべき課題とするものである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、周方向に配列された複数のスロット（２１ａ）を有する円環状の固定子コア（２１）と、前記スロットに巻装された三相の相巻線よりなる固定子巻線（２２）と、星型結線において前記相巻線の端部同士を共通接続する中性線（２６，２７）と、を備えた回転電機の固定子において、各前記相巻線は、それぞれ並列に電気的に接続された２本の部分巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）を有し、合計６本の前記部分巻線のうち異相の２本の前記部分巻線が組み合わされてなる少なくとも二組の前記部分巻線の一端と前記中性線の一端とが電気的に接続され、且つそれぞれの前記中性線の両端に接続された前記部分巻線が全ての相を含むようにされていることを特徴とする。

本発明によれば、各相巻線は、それぞれ並列に電気的に接続された２本の部分巻線を有し、合計６本の部分巻線のうち異相の２本の部分巻線が組み合わされてなる少なくとも二組の部分巻線の一端と中性線の一端とが電気的に接続されている。これにより、或る相から他の相へ電流が流れるときに、組み合わされた異相の２本の部分巻線の間では、何れか一方の相の部分巻線から、中性線を介することなく直接、何れか他方の相の部分巻線に電流が流れる。また、本発明では、それぞれの中性線の両端に接続された相巻線が全ての相を含むようにされているので、同相の分割巻線の組み合わせがある場合には、２本の中性線に分散して電流が流れる。よって、何れの場合でも、それぞれの中性線に、１本の部分巻線を流れる電流値を超える過度な電流が流れることがない。そのため、異常昇温による中性線の絶縁被膜の溶融と、これに起因する絶縁不良の発生を防止することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものである。

実施形態１に係る固定子を搭載した回転電機の軸方向断面図である。 実施形態１に係る固定子の全体構成を模式的に示す斜視図である。 実施形態１に係る固定子巻線を構成する導体線の断面図である。 実施形態１に係る固定子巻線の結線図である。 実施形態１に係る固定子巻線の実態配線図である。 実施形態１に係る固定子巻線の要部の部分斜視図である。 変形例１に係る固定子巻線の実態配線図である。 変形例２に係る固定子巻線の実態配線図である。 実施形態２に係る固定子巻線の要部の部分斜視図である。 図９のＡ部を軸方向から見た部分平面図である。 従来の固定子巻線の実態配線図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
本実施形態に係る回転電機１は、車両用交流発電機として用いられるものであって、図１に示すように、電機子として働く固定子２と、界磁として働く回転子３と、固定子２および回転子３を収容し、締結ボルト４ｃによって連結、固定されたフロントハウジング４ａおよびリアハウジング４ｂと、交流電力を直流電力に変換する整流器５等を含んで構成されている。

固定子２は、図２に示すように、固定子コア２１と、固定子コア２１に巻装された三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の相巻線よりなる固定子巻線２２と、を備えている。この固定子２は、フロントハウジング４ａおよびリアハウジング４ｂ間で挟持されることにより固定されており、回転子３の外周側に所定のエアギャップＧを介して配置されている。固定子２の詳細な構造については後述する。

回転子３は、図１に示すように、フロントハウジング４ａおよびリアハウジング４ｂに回転可能に支持されたシャフト３３と一体になって回転するもので、ランデル型ポールコア３２と、界磁巻線３１とを備えている。なお、シャフト３３の前端部には、自動車に搭載された走行用のエンジン（図示せず）に図示しないベルト等を介して連結されたプーリ２０が固定されている。

ランデル型ポールコア３２は、フロント側およびリア側の一組のポールコア３２ａ、３２ｂを組み合わせて構成されている。各ポールコア３２ａ、３２ｂは、それぞれが６個の爪状磁極部３２ｃを有し、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻回して構成された界磁巻線３１を前後両側から挟み込むようにシャフト３３に嵌挿されている。本実施形態では、ポールコア３２ａ、３２ｂは、各８個の磁極を持ち、即ち、１６極の回転子３を形成している。

フロントハウジング４ａの軸方向端面（前端面）およびリアハウジング４ｂの軸方向端面（後端面）には、吸入孔４２ａ、４２ｂがそれぞれ設けられている。そして、フロント側の吸入孔４２ａから吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すための斜流ファン３５がフロント側のポールコア３２ａの前端面に溶接等により固着されている。同様に、リア側の吸入孔４２ｂから吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための遠心ファン３６がリア側のポールコア３２ｂの後端面に溶接等により固着されている。また、フロントハウジング４ａおよびリアハウジング４ｂには、固定子コア２２の軸方向両端から突出した固定子巻線２１のコイルエンド部に対向した部分に冷却風の吐出孔４１がそれぞれ設けられている。

シャフト３３の後端部には、界磁巻線３１の両端に電気的に接続されたスリップリング３７、３８が形成されており、これらのスリップリング３７、３８を介してブラシ装置７から界磁巻線３１に対して給電が行われるようになっている。

上述した構成を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ２０にエンジンからの回転力が伝えられると、回転子３がシャフト３３と共に所定方向に回転する。この状態で、スリップリング３７、３８を介してブラシ装置７から回転子３の界磁巻線３１に励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２ａ、３２ｂのそれぞれの爪状磁極部３２ｃが励磁されて、回転子３の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成される。これにより、固定子巻線２１に三相交流電圧を発生させることができ、整流器５の出力端子から所定の直流電流を取り出すことができる。

次に、固定子２の詳細について図２〜図６を参照しつつ説明する。固定子２は、図２に示すように、周方向に配列された複数のスロット２１ａを有する円環状の固定子コア２１と、固定子コア２１のスロット２１ａに巻装された固定子巻線２２と、を備えている。

固定子コア２１は、周方向に分割された所定数（本実施形態では２４個）の分割コア３２を周方向に連結して円環状に形成され、その内周側に周方向に配列された複数のスロット２１ａを有する。スロット２１ａは、その深さ方向が径方向と一致するように形成されている。固定子コア２１に形成されたスロット２１ａの数は、回転子３の磁極数（８磁極）に対し、固定子巻線２２の一相あたり２個の割合で形成されている。本実施形態では、８×３×２＝４８より、スロット数は４８個とされている。

分割コアは、固定子コア２１の軸方向に積層された複数の鋼板により形成されている。分割コアの重なり合う鋼板同士は、溶接により固定されている。固定子コア２１は、円環状に組み付けられた分割コアの外周に嵌合された外筒２１ｂにより円環状に固定（保形）されている。

固定子巻線２２は、所定の波形形状に成形した所定数（本実施形態では１２本）の導体線２５を固定子コア２１の内周側に沿って波巻きされた状態で円筒状に形成されている。この固定子巻線２２は、固定子コア２１のスロット２１ａ内に収容される直状部と、異なるスロット２１ａに収容された二つの直状部の端部同士をスロット２１ａの外部で接続するターン部とを有する。固定子巻線２２の軸方向一方側には、固定子コア２１の軸方向端面から外方に突出した多数のターン部によって第１コイルエンド部２２ａが形成されている。また、固定子巻線２２の軸方向他方側には、固定子コア２１の軸方向端面から外方に突出した多数のターン部によって第２コイルエンド部２２ｂが形成されている。なお、各スロット２１ａには、固定子コア２１と固定子巻線２２との間を絶縁する絶縁紙２４がスロット２１ａの内壁面に沿って配置されている（図６参照）。

固定子巻線２２を構成する導体線２５は、図３に示すように、銅製の導体２５ａと、導体２５ａの外周を覆う絶縁被覆２５ｂとからなる平角線が採用されている。絶縁被膜２５ｂは、導体２５ａの外周を覆う内層２５ｃと、内層２５ｃの外周を覆う外層２５ｄとにより構成されている。内層２５ｃおよび外層２５ｄを合わせた絶縁被覆２５ｂの厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。このように、内層２５ｃおよび外層２５ｄからなる絶縁被覆２５ｂの厚みが厚いので、導体線２５同士を絶縁するために導体線２５同士の間に絶縁紙等を挟み込んで絶縁する必要がない。

外層２５ｄはナイロン等の絶縁材で形成され、内層２５ｃは外層２５ｄよりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。これにより、回転電機に発生する熱により外層２５ｄは内層２５ｃよりも早く軟化するので、同じスロット２１ａに収容されている複数の導体線２５同士が外層２５ｄ同士で熱接着する。その結果、同じスロット２１ａに収容されている複数の導体線２５同士が剛体化するので、スロット２１ａ内の導体線２５の機械的強度が向上する。

この固定子巻線２２は、図４に示すように、それぞれ並列に電気的に接続された２本の部分巻線よりなる各相の巻線端が星型結線により結線されている。各相巻線の出力線２８および中性点は、図６に示すように、一方のコイルエンド部２２ａにおいて軸方向に突出するように配置されている。そして、各相巻線を構成する合計６本の部分巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）の中性点側の端部同士は、２本の中性線２６，２７で共通接続されている。なお、中性線２６，２７は、固定子巻線２２を構成する導体線２５と同じ導体線材で形成されている。

本実施形態の場合、図５に示すように、異相の２本の部分巻線が組み合わされてなる三組の部分巻線の一端と中性線２６，２７の一端とが電気的に接続されている。具体的には、（Ｗ１とＶ１）、（Ｖ２とＵ１）、（Ｕ２とＷ２）の組み合わせであり、何れの組も、異相の２本の部分巻線が組み合わされている。そして、（Ｗ１とＶ１）および（Ｖ２とＵ１）が中性線２６で接続され、（Ｖ２とＵ１）および（Ｕ２とＷ２）が中性線２７で接続されている。

これにより、各中性線２６，２７の両端に接続された部分巻線が全ての相を含むようにされている。この場合、中性線２６の両端に接続された部分巻線は、Ｗ１とＶ１とＶ２とＵ１であるので、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の全ての相を含んでいる。また、中性線２７の両端に接続された部分巻線も、Ｖ２とＵ１とＵ２とＷ２であるので、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の全ての相を含んでいる。

固定子巻線２２の各相巻線が上記のように接続されているので、或る相から他の相へ電流が流れるときに、各中性線２６，２７に、１本の部分巻線を流れる電流値を超える過度な電流が流れることがない。即ち、Ｗ相の相巻線からＶ相の相巻線に電流が流れる場合には、一方のＷ１から中性線２６を介することなく直接Ｖ１に電流が流れ、他方のＷ２から中性線２７を介してＶ２に電流が流れる。よって、各中性線２６，２７には、１本の部分巻線を流れる電流値を超える過度な電流が流れない。逆に、Ｖ相の相巻線からＷ相の相巻線に電流が流れる場合にも同様となる。

また、Ｖ相の相巻線からＵ相の相巻線に電流が流れる場合には、一方のＶ１から中性線２６を介してＵ１に電流が流れ、他方のＶ２から中性線２７を介してＵ２に電流が流れる。よって、各中性線２６，２７には、１本の部分巻線を流れる電流値を超える過度な電流が流れない。逆に、Ｕ相の相巻線からＶ相の相巻線に電流が流れる場合にも同様となる。

また、Ｕ相の相巻線からＷ相の相巻線に電流が流れる場合には、一方のＵ１から中性線２６を介してＷ１に電流が流れ、他方のＵ２から中性線２７を介することなく直接Ｗ２に電流が流れる。よって、各中性線２６，２７には、１本の部分巻線を流れる電流値を超える過度な電流が流れない。逆に、Ｗ相の相巻線からＵ相の相巻線に電流が流れる場合にも同様となる。したがって、或る相から他の相へ電流が流れるときに何れの場合にも、各中性線２６，２７に、１本の部分巻線を流れる電流値を超える過度な電流が流れることがない。

以上のように構成された本実施形態の固定子２によれば、各相巻線は、それぞれ並列に電気的に接続された２本の部分巻線を有し、合計６本の部分巻線のうち異相の２本の部分巻線が組み合わされてなる三組の部分巻線の一端と中性線２６，２７の一端とが電気的に接続され、且つそれぞれの中性線２６，２７の両端部に接続された相巻線が全ての相を含むようにされている。そのため、中性線２６，２７に流れる電流の密度を低減し、過度な電流が流れないようにすることができる。これにより、異常昇温による中性線の絶縁被膜の溶融と、これに起因する絶縁不良の発生を防止することができる。

〔変形例１〕
上記の実施形態１では、２本の部分巻線が組み合わされてなる三組の部分巻線は、三組とも異相の部分巻線が組み合わされていたが、図７に示すように、２本の中性線２６，２７の一端が接続される組は、同相の部分巻線を組み合わせるようにしてもよい。

この変形例１において、Ｕ相の相巻線からＶ相の相巻線に電流が流れる場合には、一方のＵ１から中性線２６を介することなく直接Ｖ１に電流が流れ、他方のＵ２から中性線２７を介することなく直接Ｖ２に電流が流れる。よって、両中性線２６，２７に電流が流れない。逆に、Ｖ相の相巻線からＵ相の相巻線に電流が流れる場合にも同様となる。

また、Ｖ相の相巻線からＷ相の相巻線に電流が流れる場合には、一方のＶ１から中性線２６を介してＷ１に電流が流れ、他方のＶ２から中性線２７を介してＷ２に電流が流れる。即ち、この場合には、両中性線２６，２７に分散されて電流が流れるので、各中性線２６，２７には１本の部分巻線を流れる電流値を超える過度な電流が流れない。逆に、Ｗ相の相巻線からＶ相の相巻線に電流が流れる場合にも同様となる。

また、Ｗ相の相巻線からＵ相の相巻線に電流が流れる場合には、一方のＷ１から中性線２６を介してＵ１に電流が流れ、他方のＷ２から中性線２７を介してＵ２に電流が流れる。この場合にも、両中性線２６，２７に分散されて電流が流れるので、各中性線２６，２７には１本の部分巻線を流れる電流値を超える過度な電流が流れない。逆に、Ｕ相の相巻線からＷ相の相巻線に電流が流れる場合にも同様となる。

以上のように、変形例１の場合のも、実施形態１と同様の作用および効果を奏する。

〔変形例２〕
上記の変形例１のように、２本の中性線２６，２７の一端が接続される組を、同相の部分巻線を組み合わせるようにした場合には、図８に示す変形例２のように、接合部を二つに分割してもよい。この場合、中性線２６の一端とＷ１の部分巻線の一端とが接続され、中性線２７の一端とＷ２の部分巻線の一端とが接続されている。

〔実施形態２〕
実施形態２に係る回転電機の固定子２は、基本的構成が実施形態１と同じであり、固定子巻線２２の構成が実施形態１のものと異なる。よって、実施形態１と共通する部材や構成についての詳しい説明は省略し、以下、異なる点および重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する部材や部位については同じ符号を用いる。

実施形態２の固定子巻線２２は、それぞれ並列に電気的に接続された２本の部分巻線よりなる各相の巻線端が星型結線により結線されている（図４参照）。各相巻線２２の出力線２８および中性点は、図９に示すように、一方のコイルエンド部２２ａにおいて軸方向に突出するように配置されている。そして、各相巻線を構成する合計６本の部分巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）の中性点側の端部同士は、２本の中性線２６，２７で共通接続されている。

実施形態２では、各相巻線を構成する合計６本の部分巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）のうち、Ｖ２およびＵ２の部分巻線には、固定子コア２１の周方向に延びる周行部２５ｆがそれぞれ設けられている。Ｖ２の部分巻線の周行部２５ｆは、中性線２６の周方向に延びる周行部２６ａと径方向に並ぶように配置されている。これらＶ２の部分巻線の周行部２５ｆと中性線２６の周行部２６ａは、図１０に示すように、それらの径方向に対向する対向面同士がワニス等の固着部材２９で固着されている。これらＶ２の部分巻線の周行部２５ｆと中性線２６の周行部２６ａとの径方向の対向面積が、十分に大きく確保されているので、固着部材２９による十分な固着強度が確保されている。

以上のように構成された実施形態２の固定子２によれば、実施形態１と同様に、中性線２６，２７に流れる電流の密度を低減し、過度な電流が流れないようにすることができる。これにより、異常昇温による中性線の絶縁被膜の溶融と、これに起因する絶縁不良の発生を防止することができる。

特に、実施形態２では、径方向に並ぶように配置されたＶ２の部分巻線の周行部２５ｆと中性線２６の周行部２６ａが、固着部材２９で固着されているので、振動時の中性線２６，２７の変位を抑制することができ、中性線２６，２７の溶接部へのストレスを低減することができる。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態１，２に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。例えば、実施形態２では、固定子巻線２２の部分巻線と中性線２６，２７とをワニス等の固着部材２９で固定するようにしていたが、サーミスタなどの他の部材を紐等で拘束する場合には、部分巻線と中性線２６，２７とを紐で拘束するようにしてもよい。

また、上記の実施形態１，２では、本発明に係る回転電機の固定子を車両用交流発電機に適用した例を説明したが、本発明は、車両に搭載される回転電機として、発電機、あるいは電動機、さらには両者を選択的に使用し得る回転電機にも適用することができる。

１…車両用交流発電機（回転電機）、 ２…固定子、 ３…回転子、 ２１…固定子コア、 ２１ａ…スロット、 ２２…固定子巻線、 Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２…部分巻線、 ２５…導体線、 ２６，２７…中性線、 ２５ｆ，２６ａ，２７ａ…周行部、 ２９…固着部材。

Claims (2)

1. 周方向に配列された複数のスロット（２１ａ）を有する円環状の固定子コア（２１）と、前記スロットに巻装された三相の相巻線よりなる固定子巻線（２２）と、星型結線において前記相巻線の端部同士を共通接続する中性線（２６，２７）と、を備えた回転電機の固定子において、
   各前記相巻線は、それぞれ並列に電気的に接続された２本の部分巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）を有し、合計６本の前記部分巻線のうち異相の２本の前記部分巻線が組み合わされてなる少なくとも二組の前記部分巻線の一端と前記中性線の一端とが電気的に接続され、且つそれぞれの前記中性線の両端に接続された前記部分巻線が全ての相を含むようにされていることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記中性線および前記部分巻線は、それぞれ前記固定子コアの周方向に延び互いに径方向に並ぶように配置される周行部（２５ｆ，２６ａ，２７ａ）を有し、前記中性線の前記周行部と前記部分巻線の前記周行部が固着部材（２９）で固着されてい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。

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