JP2015006082A - 回転電機の固定子 - Google Patents

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Abstract

【課題】運転中の電位差をも考慮しつつ、異相間の絶縁性を確保することができる回転電機の固定子を提供する。
【解決手段】n極(ただし、nは2以上の偶数)の磁極をそれぞれ形成する複数相のコイル3〜5と、そのコイル3〜5が設けられる固定子鉄心2と、を備え、複数相のコイル3〜5は、電源端子6〜8に最も近い側を第1極目とし、最も電源端子6〜8に遠い側を第n極目とすると、各相の第1極目を、異相の第(n/2)極目以降と隣り合うように配置する。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、回転電機の固定子に関する。
近年、回転電機には高トルク化や高出力化が求められており、コイルに印加される電圧が高くなってきている。さて、コイルは、電圧が印加される端子部側の電位が相対的に高くなる一方、中性点側の電位は相対的に低くなると考えられる。そのため、例えば特許文献1では、異相のコイルを、端子部側のコイルが隣接するように配置した回転電機が記載されている。
特開2012−210094号公報
しかしながら、回転電機では、必ずしも端子側のコイル間が最大の電位差となるわけでは無い。
本発明が解決しようとする課題は、運転中の電位差をも考慮しつつ、異相間の絶縁性を確保することができる回転電機の固定子を提供することである。
実施形態によれば、n極(ただし、n≧2)の磁極をそれぞれ形成する複数相のコイルと、コイルが設けられる固定子鉄心と、を備え、複数相のコイルは、電源端子に最も近い側を第1極目とし、最も電源端子に遠い側を第n極目とすると、各相の第1極目を、異相の第(n/2)極目以降と隣り合うように配置する。
第1実施形態の回転電機の固定子の構成を模式的に示す図 第1実施形態のコイルの接続態様を模式的に示す図 第2実施形態の回転電機の固定子の構成を模式的に示す図 第3実施形態のコイルの接続態様を模式的に示す図 第3実施形態の回転電機の固定子の構成を模式的に示す図
以下、複数の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、複数の実施形態において実質的に共通する構成部位には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態ついて図1および図2を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態による回転電機の固定子1は、固定子鉄心2と、その固定子鉄心2に設けられた三相分のコイル3、コイル4およびコイル5とを備えている。固定子鉄心2は、周知のように電磁鋼板等をプレスなどにより打ち抜いた鉄心材を積層すること等により概ね円筒状に形成されており、その内周壁に、コイル3〜5を収容するためのスロットが複数設けられている。コイル3〜5は、例えばU相、V相、W相の三相に対応しており、固定子鉄心2に収容された際、固定子鉄心2の径方向外側から順に内側に向かってU相(コイル3)、V相(コイル4)、W相(コイル5)の順に配置されている。
つまり、各相のコイル3〜5は、コイルエンドにおいて互いに径方向に隣り合って配置されている。ただし、各相のコイル3〜5の配置順はこれに限定されるものでは無い。なお、図示は省略するが、固定子1の内周側に回転子が配置され、回転電機が構成されることになる。ここで、径方向に隣り合うとは、例えばU相のコイル3に対するV相のコイル4のように直接的に隣り合っている状態だけでなく、U相のコイル3に対するW相のコイル5のように、間に他の異相が入って間接的に隣り合っている状態をも含んでいる。
各相のコイル3〜5は、図2に示すように、それぞれn個(本実施形態ではn=8。つまり8極)の単位コイルが直列に接続された直列回路により構成されている。各相のコイル3〜5は、直列回路の一方の端部にそれぞれ電源端子6(U相)、電源端子7(V相)、電源端子8(W相)が接続され、他方の端部が異相のコイル間で接続されて中性点Nとなっている。ここで、各相の単位コイルのうち、電源端子に最も近い側の単位コイルが第1単位コイルとなり、電源端子から最も遠い側(中性点Nに最も近い側)の単位コイルが第8単位コイル(特許請求の範囲に記載した第n単位コイルに相当する)となる。
すなわち、本実施形態では、各磁極はそれぞれ1個の単位コイルにより形成されており、第1単位コイルが電源端子に最も近い側の第1極目の磁極を形成し、第8単位コイルが電源端子に最も遠い側の第8極目の磁極を形成している。なお、第2単位コイル〜第7単位コイルは、それぞれ第2極目〜第7極目に対応している。以下、便宜的にU相のコイル3の単位コイルをU1(第1単位コイル)〜U8(第8単位コイル)と称し、V相のコイル4の単位コイルをV1(第1単位コイル)〜V8(第8単位コイル)と称し、W相のコイル5の単位コイルをW1(第1単位コイル)〜W8(第8単位コイル)と称する。
各単位コイルは、図1に示すように、その接続順に、固定子鉄心2の周方向に隣り合って配置されている。具体的には、U相のコイル3の場合、図示時計回りにU1、U2・・・U8の順に周方向に等間隔で配置され、最終的にU1とU8とが隣り合うように各単位コイルが配置されている。V相のコイル4の場合、U相のコイル3とは逆向きとなるように、図示反時計回りにV1、V2・・・V8の順に周方向に等間隔で配置され、最終的にV1とV8とが隣り合うように各単位コイルが配置されている。W相のコイル5の場合、V相のコイル4とは逆向きとなるように、図示反時計回りにW1、W2・・・W8の順に周方向に等間隔で配置され、最終的にW1とW8とが隣り合うように各単位コイルが配置されている。つまり、各相のコイル3〜5は、いわゆる隔極巻きにて、固定子鉄心2に設けられている。なお、図1では、中性点Nの図示は省略している。
さて、このような構成のコイルにおいて、異相間の単位コイルでの電位差が最も大きくなるのは、第1単位コイル間である。そのため、本実施形態では、各相の第1単位コイル(U1、V1、W1。第1極目)を、コイルエンドにおいて、異相のコイルの第(n/2)単位コイル以降、つまり本実施形態では第4単位コイル(第4極目)〜第8単位コイル(第8極目)と径方向に隣り合うように配置している。より具体的にはU相の第1単位コイル(U1)は、V相の第4単位コイル(V4)および第5単位コイル(V5)と隣り合う位置に配置され、且つ、W相の第4単位コイル(W4)および第5単位コイル(W5)と隣り合っている。ここで、単位コイルが径方向に隣り合うとは、周方向における位置がほぼ同じであることを示している。つまり、ある単位コイルに対して径方向の内側および/または外側に位置する異相の単位コイルが隣り合う単位コイルに相当する。換言すると、ある単位コイルの内周側および/または外周側を周方向に覆う態様で設けられている異相の単位コイルが,隣り合う単位コイルに相当する。
同様に、V相の第1単位コイル(V1)は、U相の第4単位コイル(U4)および第5単位コイル(U5)と隣り合う位置に配置され、且つ、W相の第7単位コイル(W7)および第8単位コイル(W8)と隣り合うように配置されている。そして、W相の第1単位コイル(W1)は、U相の第5単位コイル(U5)および第6単位コイル(U6)と隣り合う位置に配置され、且つ、V相の第7単位コイル(V7)および第8単位コイル(V8)と隣り合うように配置されている。
次に、上記した構成の作用・効果について説明する。
本実施形態で想定している回転電機は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の駆動用モータ等を想定しており、そのような回転電機では、高性能化については勿論であるが、小型化や軽量化も求められている。このとき、高性能化を図るために印加電圧を上げると、部分放電や絶縁破壊等が生じるおそれが高くなる。その場合、例えば絶縁紙やコイルの素線の絶縁被覆を厚くして絶縁性能を向上させることが考えられるが、その場合、スロットに収容されるコイル量が低下し、性能が低下するおそれがある。かといって、同じ性能を得るためにコイル量を増やそうとすると、固定子鉄心2が大きくなり、筐体の大型化や高重量化を招くことになる。
そこで、本実施形態では、各相の第1極目を形成する第1単位コイル(U1、V1、W1)を、異相のコイルの第(n/2)極目を形成する第(n/2)単位コイル以降と径方向に隣り合うように配置している。つまり、異相間の電位差が大きくなると予想される第1単位コイルと異相の単位コイルとの位置関係を規定し、異相間において最大の電位差が生じる単位コイルを、互いに離間した配置としている。これにより、部分放電や絶縁破壊等が生じるおそれを低減することができる。具体的には、異相間の第1コイル(第1極目)同士を隣り合わせた場合に対して、電圧が各単位コイルで等しく分担されているとすると、異相間の電位差を約0.82倍程度に抑えることができる。
また、部分放電や絶縁破壊等が生じるおそれが低減されることから、絶縁紙やコイルの素線の絶縁被覆を厚くすること等の必要性が低下する。したがって、コイルを収容する容積が低下することを抑制でき、コイル量の低下によって性能が低下してしまうおそれを低減することができる。
この場合、部分放電や絶縁破壊等が生じるおそれが低減されることから、絶縁紙やコイルの素線の絶縁被覆を薄くすること、換言すると収容可能なコイル量を増加させることも可能となり、性能の向上を図ることもできる。また、コイルエンド成形時に異相間が接触しないのであれば、コイルエンドの絶縁紙を排除すること等も可能となり、製造コストや作業時間の削減をも図ることができる。
また、部分放電や絶縁破壊等が生じるおそれが低減されることから、同程度の絶縁性能を維持するのであれば、さらなる高電圧化により高性能化を図ることができるようになる。一方、同程度の性能を維持するのであれば、絶縁紙の削減やコイルの絶縁被覆を薄くする等、小型化・低コスト化を図ることができる。勿論、性能と小型化のバランスを考慮してもよく、設計の自由度を向上させることができる。
(第2実施形態)
以下、第2実施形態ついて図3を参照して説明する。
図3に示すように、第2実施形態の固定子1は、第1実施形態と同様に、固定子鉄心2と、その固定子鉄心2に設けられた三相分のコイル3、コイル4およびコイル5とを備えている。なお、固定子1、固定子鉄心2、および各コイル3〜5の構成は図2にて示した第1実施形態のものと共通するので、その説明は省略する。すなわち、本実施形態でも、第1実施形態と同様に第1単位コイルが第1極目の磁極を形成し、第8単位コイルが第8極目の磁極を形成している。
本実施形態では、各単位コイルの配置順が第1実施形態と異なっている。具体的には、各相のコイル3〜5は、単位コイルが、いずれも接続順で時計回りとなるように配置されている。さらに言えば、本実施形態では、単位コイルの並び順は問わない。つまり、第1実施形態のように、U相とV相とで周方向において逆向きの配置としたり、W相を逆向きの配置とする等であってもよい。
そして、本実施形態では、各単位コイルは、電源端子に最も近い側の第1単位コイルが、コイルエンドにおいて異相のコイルの第(n/2−1)単位コイル以降、本実施形態では第3単位コイル以降と径方向に隣り合うように配置されている。
より具体的には、U相の第1単位コイル(U1)は、V相の第3単位コイル(V3)および第4単位コイル(V4)と隣り合う位置に配置され、且つ、W相の第6単位コイル(W6)および第7単位コイル(W7)と隣り合うように配置される。また、V相の第1単位コイル(V1)は、U相の第6単位コイル(U6)および第7単位コイル(U7)と隣り合う位置に配置され、且つ、W相の第3単位コイル(W3)および第4単位コイル(W4)と隣り合うように配置されている。そして、W相の第1単位コイル(W1)は、U相の第3単位コイル(U3)および第4単位コイル(U4)と隣り合う位置に配置され、且つ、V相の第6単位コイル(V6)および第7単位コイル(V7)と隣り合うように配置される。
このような配置にすることで、第1実施形態と同様に、異相間の電圧を低減することができる。第2実施形態の場合、異相間の電位差は、第1単位コイル同士が隣り合う配置の場合に比べて約0.88倍に抑えることができる。これにより、部分放電や絶縁破壊等が生じるおそれを低減することができる、高性能化を図ることができる、小型化・低コスト化を図ることができる等、第1実施形態にて述べたような効果を同様に得ることができる。
(第3実施形態)
以下、第3実施形態ついて図4および図5を参照して説明する。
第3実施形態では、図4に示すように、それぞれ4個(=m/2個。本実施形態ではm=8)の単位コイルが直列的に接続された直列回路が、2つ並列に接続されて各相のコイル3〜5を形成している。ここで、便宜的に、直列回路の一方を第1直列回路と称し、他方を第2直列回路と称する。第1直列回路および第2直列回路は、一方の端部が共通の電源端子に接続されており、他方の端部がそれぞれ個別に異相のコイルに接続されて中性点N1と中性点N2とを形成している。つまり、本実施形態のコイルは、いわゆるダブルスター型の結線となっている。また、本実施形態でも、いわゆる隔極巻きとなっている。
各相のコイル3〜5は、各直列回路の単位コイルが、固定子鉄心2の周方向に1極飛ばしとなるように、且つ、互いの直列回路で逆周りとなるように配置されている。具体的には、図5に示すように、U相の場合、第1直列回路の第1単位コイル(U11)を起点とした場合、時計回りに隣り合って第2直列回路の第4単位コイル(U24)が配置され、その隣に第1直列回路の第2単位コイル(U12)、続いて、第2直列回路の第3単位コイル(U23)、第1直列回路の第3単位コイル(U13)、第2直列回路の第2単位コイル(U22)、第1直列回路の第4単位コイル(U14)、第2直列回路の第1単位コイル(U21)の順に各単位コイルが周方向に配置されている。なお、V相の単位コイルの配置はU相と共通し、W相の単位コイルの配置はU相、V相とは逆回りの配置となっている。
すなわち、本実施形態では、各磁極がそれぞれ1個の単位コイルにより構成されているとともに、各相における第1単位コイル(例えばU相であれば、U11とU21)が電源端子に最も近い側の第1極目となる2つの磁極を形成し、第4単位コイル(例えばU相であれば、U14とU24)が電源端子から最も遠い側の第4極目となる2つの磁極を形成している。そして、第1極目に相当する各相の第1単位コイルが、固定子鉄心2のコイルエンドにおいて異相のコイルの第2極目に相当する第2単位コイル以降、すなわち、第(m/2/2)単位コイル以降と径方向に隣り合うように配置されている。
具体的には、U相の第1単位コイルは、V相の第2単位コイルおよび第3単位コイルと隣り合い、且つ、W相の第2単位コイル、第3単位コイルおよび第4単位コイルのいずれかと隣り合う配置となっている。また、V相の第1単位コイルは、U相の第2単位コイルおよび第3単位コイルと隣り合い、且つ、W相の第2単位コイル、第3単位コイルおよび第4単位コイルのいずれかと隣り合う配置となっている。そして、W相の第1単位コイルは、V相の第2単位コイル、第3単位コイルおよび第4コイルのいずれかと隣り合い、且つ、U相の第2単位コイル、第3単位コイルおよび第4単位コイルのいずれかと隣り合う配置となっている。
このような配置にすることで、第1、第2実施形態と同様に、異相間の電圧を低減することができる。第3実施形態の場合、異相間の電位差は、第1単位コイル同士が隣り合う配置の場合に比べて約0.88倍に抑えることができる。これにより、部分放電や絶縁破壊等が生じるおそれを低減することができる、高性能化を図ることができる、小型化・低コスト化を図ることができる等、第1実施形態にて述べたような効果を同様に得ることができる。
(その他の実施形態)
本発明は、上記した各実施形態にて例示したもの限定されるものではなく、例えば次のような変形や拡張を行うことができる。
各実施形態で示した配置は一例であり、図示した配置のみに限定されるものでは無い。例えば、U相、V相、W相の配置が異なっていてもよい。
また、単位コイルの数も、8個(あるいは4個×2)に限定されるものでは無く、例えば12個(n=12。つまり12極)等であってもよい。単位コイルが12個の場合、第1実施形態と同様に外周側からU相、V相、W相の順で配置したとすると、U相の第1単位コイル(U1。第1極目のコイル)は、V相の第6単位コイル(V6)および第7単位コイル(V7)と隣り合う位置に配置され、且つ、W相の第6単位コイル(W6)および第7単位コイル(W7)と隣り合うように配置される。V相の第1単位コイル(V1。第1極目のコイル)は、U相の第6単位コイル(U6)および第7単位コイル(U7)と隣り合う位置に配置され、且つ、W相の第11単位コイル(W11)および第12単位コイル(W12)と隣り合うように配置されている。そして、W相の第1単位コイル(W1。第1極目のコイル)は、U相の第7単位コイル(U7)および第8単位コイル(U8)と隣り合う位置に配置され、且つ、V相の第11単位コイル(V11)および第12単位コイル(V12)と隣り合うように配置される。この場合、異相間の電位差を、第1単位コイル同士が隣り合う場合に比べて約0.80倍に抑えることができる。
各実施形態では、各磁極をそれぞれ1個の単位コイルにより形成したが、各磁極を複数の単位コイルで形成してもよい。すなわち、各磁極を複数の単位コイルで構成されたコイル群で形成してもよい。例えば、第1実施形態や第2実施形態の場合、各相のコイルが16個の単位コイルを直列的に接続して形成されている場合、第1および第2単位コイルにて第1極目を形成し、第15および第16単位コイルにて第8極目を形成し、第1および第2単位コイルを、異相の第4(=8/2)極目を形成する単位コイルと隣り合うように配置すること等が考えられる。勿論、各磁極を形成する単位コイルの数が3個等、他の個数であってもよい。
また、第3実施形態の場合も同様に、複数の単位コイルで磁極を形成してもよい。例えば、各直列回路を8個の単位コイル(U相を例とすると、U11〜U18、U21〜U28)にて構成し、第1直列回路においてはU11とU12で第1極目を形成し、U17とU18で第4極目を形成し、第2直列回路においてはU21とU22で第1極目を形成し、U27とU28で第4極目を形成すること等が考えられる。勿論、3個以上の単位コイルで各磁極を形成するようにしてもよい。
第1実施形態ではU相のコイル3とW相のコイル5とを時計回り、V相のコイル4を反時計回りとなるように単位コイルを配置したが、その逆、つまりU相のコイル3とW相のコイル5とを反時計回り、V相のコイル4を時計回りとなるように単位コイルを配置してもよい。すなわち、径方向において直接隣り合う異相のコイル間で、単位コイルの配置順が周方向で逆になっていればよい。
各実施形態では同心巻の例を示したが、重ね巻では外周側と内周側の区別が相によってなくなるものの、径方向に隣り合うことに違いはないため、重ね巻でも同様の効果を得ることができる。
また、各実施形態では1スロットに1つのコイルを挿入する例を示したが、1つのスロットに異相あるいは同相の他のコイル(他の単位コイル)が挿入されるいわゆる2相巻きであっても、各実施形態に示した効果を同様に得ることができる。
各実施形態で例示した固定子およびそれを用いる回転電機は、車両用以外に適用してもよいし、電動機では無く発電機に適用してもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
図面中、1は固定子、2は固定子鉄心、3、4、5はコイル、U1〜U8、V1〜V8、W1〜W8は単位コイル、U1、V1、W1は第1単位コイルを示す。

Claims (6)

  1. n極(ただし、nは2以上の偶数)の磁極をそれぞれ形成する複数相のコイルと、
    前記コイルが設けられる固定子鉄心と、を備え、
    複数相の前記コイルは、電源端子に最も近い側を第1極目とし、最も電源端子に遠い側を第n極目とすると、各相の第1極目を、異相の第(n/2)極目以降と隣り合うように配置することを特徴とする請求項1記載の回転電機の固定子。
  2. 前記コイルは、三相であり、それぞれの相においてn個の単位コイルが直列に接続されてn極の磁極を形成しており、
    三相の前記コイルは、前記単位コイルが接続順で前記固定子鉄心の周方向に順番に配置されているとともに、コイルエンドにおいて前記固定子鉄心の径方向に隣り合って配置される異相間では前記単位コイルの配置順が周方向で逆向きとなっており、
    各相の前記コイルにおいて電源端子に最も近い側の第1極目を形成する前記単位コイルを第1単位コイルとし、最も遠い側の第n極目を形成する前記単位コイルを第n単位コイルとすると、各相の前記第1単位コイルを、前記コイルエンドにおいて異相の前記コイルの第(n/2)単位コイル以降と径方向に隣り合うように配置することを特徴とする請求項1記載の回転電機の固定子。
  3. n極(ただし、nは2以上の偶数)の磁極をそれぞれ形成する複数相のコイルと、
    前記コイルが設けられる固定子鉄心と、を備え、
    複数相の前記コイルは、電源端子に最も近い側を第1極目とし、最も電源端子に遠い側を第n極目とすると、各相の第1極目を、異相の第(n/2−1)極目以降と隣り合うように配置することを特徴とする回転電機の固定子。
  4. 前記コイルは、三相であり、それぞれの相においてn個の単位コイルが直列に接続されてn極の磁極を形成しており、
    各相の前記コイルにおいて電源端子に最も近い側の第1極目を形成する前記単位コイルを第1単位コイルとし、最も遠い側の第n極目を形成する前記単位コイルを第n単位コイルとすると、各相の前記第1単位コイルを、前記固定子鉄心のコイルエンドにおいて異相の前記コイルの第(n/2−1)単位コイル以降と径方向に隣り合うように配置することを特徴とする請求項3記載の回転電機の固定子。
  5. m極(ただし、mは4以上の偶数)の磁極をそれぞれ形成する複数相のコイルと、
    前記コイルが設けられる固定子鉄心と、を備え、
    複数相の前記コイルは、電源端子に最も近い側を第1極目とし、最も電源端子に遠い側を第m極目とすると、各相の第1極目を、異相の第(m/2/2)極目以降と隣り合うように配置することを特徴とする回転電機の固定子。
  6. 前記コイルは、三相であり、それぞれの相においてm/2個の単位コイルが直列に接続されてm/2極の磁極を形成する直列回路を2つ並列に接続して、m極の磁極を形成しており、
    各相の前記コイルにおいて電源端子に最も近い側の第1極目を形成する前記単位コイルを第1単位コイルとし、最も遠い側の第(m/2)極目を形成する前記単位コイルを第(m/2)単位コイルとすると、各相の前記第1単位コイルを、前記固定子鉄心のコイルエンドにおいて異相の前記コイルの第(m/2/2)単位コイル以降と径方向に隣り合うように配置することを特徴とする請求項5記載の回転電機の固定子。
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