JP2015073379A - 回転電機ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機ステータにおいてコイルエンド部における高さを抑制することである。
【解決手段】回転電機ステータ１０は、内周に沿って複数配置されるスロット１６を有するステータコア１２と、所定の配置方法に従ってスロット１６に挿入される複数のセグメントコイル２０を接合して形成されるステータコイル１８とを備え、セグメントコイル２０は、スロット挿入部２２において、ステータコア１２の周方向に沿って重ね配置され、コイルエンド部２４において、ステータコア１２の径方向に沿って重ね配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機ステータに係り、特にセグメントコイルを用いてステータコイルを構成する回転電機ステータに関する。

本発明に関連する技術として、特許文献１には、ロータからの磁束漏れによる渦電流の発生を防止するために、ステータのスロットに平角線を巻回してステータコイルとするとき、スロットに径方向に並んで挿入される複数の平角線のうち、ロータに対向する半径方向最内周側の平角線を周方向に分割することが開示される。

特開２０１３−１３８５９４号公報

スロット内のコイル占積率を向上させるために、断面が矩形形状である平角線のセグメントコイルを用い、平角線の幅と厚さのうち寸法の大きい幅の方を周方向に沿って曲げるエッジワイズ巻とすることが行われる。この場合、コイルエンドの高さは寸法の大きい方の幅寸法で決まるので、回転電機のコイルエンドの高さが高くなって大型化する。

本発明は、平角線を用いながら、回転電機のコイルエンドの高さを抑制できる回転電機ステータを提供することである。

本発明に係る回転電機ステータは、内周に沿って複数配置されるスロットを有するステータコアと、所定の配置方法に従ってスロットに挿入される複数のセグメントコイルを接合して形成されるステータコイルと、を備え、セグメントコイルは、スロット挿入部においてステータコアの周方向に沿って複数重ね配置され、ステータコアの周方向に沿って重ね配置された複数のセグメントコイルは、コイルエンド部においてステータコアの径方向に沿って重ね配置されることを特徴とする。

上記構成によれば、セグメントコイルはスロット挿入部において周方向に沿って複数重ね配置されるが、コイルエンド部ではステータコアの軸方向に沿って重ねて配置せずに、径方向に沿って重ねて配置される。これを、コイルエンド部においてセグメントコイルをステータコアの軸方向に沿って重ね配置する場合と比較すると、ステータコイルのコイルエンドの高さを低くすることができる。

本発明に係る実施の形態の回転電機ステータを示す図である。 比較のために、従来技術において、スロットに１本の平角線のセグメントコイルを挿入し、そのままエッジワイズ巻で曲げたときのステータのコイルエンドでの高さを示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下で述べる寸法、形状、巻数、材質等は説明のための例示であって、回転電機ステータの仕様に応じ適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機ステータ１０の構成図である。この回転電機ステータ１０は、三相同期型回転電機に用いられる固定子である。なお、図１には回転電機ロータ８を二点鎖線で示した。以下では回転電機ステータ１０を単にステータ１０と呼ぶ。

図１において、ステータ１０、ステータコア１２について、軸方向をＺ方向、周方向をθ方向、径方向をＲ方向として、これらの方向を図示した。図１（ａ）は、ステータ１０の一部についての上面図であり、図１（ｂ）は（ａ）に対応する部分をステータ内周側から見た図である。ステータ内周側は、回転電機ロータ８の外周面に向かい合う側である。図１（ｃ）は、セグメントコイルの折り曲げ移り変わり部の斜視図である。

ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２に巻回されるステータコイル１８を備え、ステータコイル１８は、複数のセグメントコイル２０を接合して構成される。

図１（ａ），（ｂ）では、ステータコア１２の複数のスロット１６のうち、８つのスロット１６を示し、そのうちの２つのスロット１６について複数のステータコイル１８を示した。

ステータコア１２は、円環状の磁性体部品で、内周に沿ってティース１４とスロット１６が複数配置される。ティース１４はステータコイル１８が巻回され磁極となる突出部であり、スロット１６は隣接するティース１４の間の空隙部で、この空隙部にステータコイル１８の巻線が挿入される。

かかるステータコア１２は、ティース１４およびスロット１６を含んで所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を複数積層したものが用いられる。磁性体薄板としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を所定の形状に一体化成形したものを用いることもできる。

各相コイルを構成するステータコイル１８は、セグメントコイル２０を複数用い、これらを、予め定めたコイル巻回方法で順次電気的に接続して、ステータコア１２に巻回し三相巻線を形成したものである。ここで予め定めたコイル巻回方法は、分布巻におけるコイル配置方法である。

すなわち、ステータコア１２の周方向に沿って分布巻で定められた所定のスロット間隔だけ離れた複数のスロット１６の一方側の端部１３に、セグメントコイル２０の両側の脚部の一方側と他方側をそれぞれ挿入し、各スロット１６の他方側の端部において突き出たそれぞれの脚部を折り曲げ、その先端部を他のセグメントコイル２０の先端部と順次電気的に接続して、ステータコイル１８が形成される。

図１（ａ）では、所定のスロット間隔を６スロット間隔とし、１つのスロット１６にステータコイル１８の１６ターン分が挿入されている。６スロット間隔は、三相巻線をステータコア１２の周方向に沿ってＵ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｗ相と順次配置する場合であり、６スロット間隔でなくても３の倍数のスロット間隔であればよい。１つのスロット１６に１６ターン分とは、後述するように、スロット１６においてθ方向に２ターン分を配置し、これを１行として、Ｒ方向に８列の合計１６ターンの巻数とする。１６ターン以外の巻数であってもよい。

セグメントコイル２０は、所定の長さの絶縁被膜付き導体線を、その両側の先端部が所定のスロット間隔だけ離れて平行になるように、略Ｕ字形状に折り曲げたものである。略Ｕ字形状の両側の脚部のそれぞれがスロット１６に挿入されるスロット挿入部２２であり、両側の脚部の間の渡り部がステータ１０のコイルエンドを形成するコイルエンド部２４である。

ここで、ステータコア１２のスロット１６内において複数本のセグメントコイル２０がθ方向に沿って重ねて配置され、このθ方向に沿って重ねて配置される複数本のセグメントコイル２０を１行として、所定の行数だけ、スロット１６内においてＲ方向に沿って重ねて配置される。

図１の例では、１つのスロット１６において、２本のセグメントコイルがθ方向に沿って重ねて配置される。この２本を区別して、セグメントコイル２０ａ，２０ｂと呼ぶ。スロット１６内では、この周方向に沿って重ねて配置されるセグメントコイル２０ａ，２０ｂを１行として、８行がスロット１６のＲ方向に沿って重ねて配置される。すなわち、１つのスロット１６内に、２×８＝１６のセグメントコイル２０が配置される。なお、後述する図２の従来技術では、１つのスロット１６内において、θ方向に沿って１本のセグメントコイル２１が配置され、８本のセグメントコイル２１がスロット１６のＲ方向に沿って重ねて配置される。このように、図１では、従来技術のセグメントコイル２１をθ方向に２つに分割した大きさのセグメントコイル２０が用いられる。

スロット１６内でＲ方向に沿って８行のセグメントコイル２０ａ，２０ｂが配置されるが、各行におけるセグメントコイル２０ａ，２０ｂは同じ構成であるので、以下では、スロット１６内で最外周に配置される行のセグメントコイル２０ａ，２０ｂについて説明する。図１では、最外周に配置される行のセグメントコイル２０ａ，２０ｂに斜線を付した。

セグメントコイル２０ａ，２０ｂは、それぞれ、ステータコア１２の＋Ｚ側の端部１３の側からスロット挿入部２２がスロット１６に挿入され、挿入されたスロット挿入部２２の先端はステータコア１２の−Ｚ側の端部から突き出す。ステータコア１２の＋Ｚ側に配置されるセグメントコイル２０ａ，２０ｂのコイルエンド部２４は、ステータ１０の＋Ｚ側のコイルエンドを形成する。一方、ステータコア１２の−Ｚ側に突き出した端部は、予め定めたコイル巻回方法で、他のセグメントコイルの端部と電気的に接続されて、ステータ１０における−Ｚ側のコイルエンドを形成する。

セグメントコイル２０ａ，２０ｂには、スロット１６内の占積率を高めるために、断面が矩形形状の平角線が用いられる。ここで矩形形状の断面において、長辺を幅方向の辺としその寸法を幅寸法とし、短辺を厚さ方向の辺としその寸法を厚さ寸法とする。図１の例では、幅寸法をＷ／２、厚さ寸法をｔで示した。ここでＷ／２＞ｔである。幅寸法をＷ／２としたのは、図２の従来技術のセグメントコイル２１の幅寸法をＷ、厚さ寸法をｔとして比較しやすくしたものである。なお、周方向に沿ってＮ本のセグメントコイル２０を配置するときは、各セグメントコイル２０の幅方向の寸法はＷ／Ｎとなる。セグメントコイル２０は、幅方向をステータコア１２の周方向に平行な方向としてスロット１６内に配置される。このように平角線のセグメントコイル２０ａ，２０ｂをスロット１６内に配置することで、スロット１６内におけるステータコイル１８の占積率を高めることができる。

幅方向がステータコア１２の周方向に平行となるようにスロット１６内に配置される平角線を、スロット１６の外側でステータコア１２の周方向に沿って略Ｕ字形に曲げる巻き方はエッジワイズ巻である。スロット１６内で周方向に沿って重ねて配置されるセグメントコイル２０ａ，２０ｂをその重ね配置のままでエッジワイズ巻で曲げると、そのままではコイルエンド部２４の高さが、セグメントコイル２０ａ，２０ｂのそれぞれの幅寸法Ｗ／２を軸方向に重ねたときの寸法｛（Ｗ／２）×２｝＝Ｗに応じて高くなる。

そこで、本発明の実施の形態では、２つのセグメントコイル２０ａ，２０ｂのコイルエンド部２４をステータのＺ方向（軸方向）に沿って積層せずに、互いにＲ方向（径方向）に沿ってずらしＲ方向に沿って積層するようにして、その高さｈを揃える。これによって、ステータコア１２の端部１３から測ったコイルエンド部２４の高さｈを｛（Ｗ／２）＋α｝とできる。αは、セグメントコイル２０ａ，２０ｂがステータコア１２と直接接触しないための余裕寸法である。

２つのセグメントコイル２０ａ，２０ｂのコイルエンド部２４を互いにＲ方向にずらし、２つのコイルエンド部２４の高さを揃えるのは、セグメントコイル２０ａ，２０ｂのスロット挿入部２２からコイルエンド部２４への折り曲げ移り変わり部Ａで行われる。図１（ｃ）は、折り曲げ移り変わり部Ａの斜視図である。図１（ｂ）に示されるように、スロット１６内では、セグメントコイル２０ａ，２０ｂの（Ｗ／２）の幅方向はステータコア１２のθ方向に平行な同一面内にある。スロット１６から突き出し始める折り曲げ移り変わり部Ａでは、図１（ｃ）に示されるように、セグメントコイル２０ｂの（Ｗ／２）の幅方向は、セグメントコイル２０ａの（Ｗ／２）の幅方向に対してＲ方向にずれ始める。そして、セグメントコイル２０ａ，２０ｂが周方向にエッジワイズ巻の仕方で曲げられたコイルエンド部２４では、セグメントコイル２０ａとセグメントコイル２０ｂがＲ方向に沿って重なって配置され、その(Ｗ／２)の幅方向がθ方向に平行な方向となる。

したがって、２つのセグメントコイル２０ａ，２０ｂのコイルエンド部２４の厚さは２ｔとなるが、それぞれの高さｈを｛（Ｗ／２）＋α｝とすることができる。

図２は、比較のため、従来技術において、スロット１６内において幅方向をステータコア１２の周方向に平行となるように挿入されたセグメントコイル２１を、そのままスロット１６の外側においてエッジワイズ巻で曲げたときのステータコイル１９のコイルエンドでの高さＨを示す図である。

セグメントコイル２１は、幅寸法Ｗと厚さ寸法ｔを有する。幅寸法Ｗは、スロット１６の開口部の幅方向寸法よりやや小さい寸法で、図１のセグメントコイル２０ａ，２０ｂの幅寸法Ｗ／２の倍である。セグメントコイル２１のスロット挿入部２３は、その幅方向がステータコア１２のθ方向に平行である。そして、セグメントコイル２１は、エッジワイズ巻の方法で、幅方向をステータコア１２の周方向に平行としながら、所定のスロット間隔に渡るように略Ｕ字形に曲げられる。ステータコイル１９は、複数のセグメントコイル２１を互いに接続して形成される。したがって、ステータコイル１９のコイルエンドにおける高さＨは（Ｗ＋α）となる。αは図１で述べたように、セグメントコイル２１がステータコア１２と直接接触しないための余裕寸法である。

図１のセグメントコイル２０ａ，２０ｂのコイルエンド部２４を図２のセグメントコイル２１のコイルエンド部２５と比較すると、その体積は、図１ではおよそ｛２×（Ｗ／２）×２ｔ｝であり、図２ではおよそ（Ｗ×ｔ）でほぼ同じである。ステータ１０のコイルエンドにおいて、図１のコイルエンド部２４の高さｈは、｛（Ｗ／２）＋α｝であり、図２のコイルエンド部２５の高さＨは、（Ｗ＋α）である。このように、図１の方が、ステータ１０としてステータコイル１８のスロット１６内の占積率を確保しながら、コイルエンドの高さを低くできる。これによって回転電機の小型化を図ることができ、コスト削減、回転電機の損失低減を図ることができる。また、スロット１６内において、セグメントコイル２０ａ，２０ｂの幅寸法が図２の従来技術のセグメントコイル２１の幅寸法の１／２となるので、回転電機ロータ８からの漏れ磁束等による渦電流の発生を従来技術に比較し低減できる。

上記では、スロット１６内においてθ方向に沿って重ねて配置されるセグメントコイル２０の数を２としたが、ステータコア１２のＲ方向の寸法に余裕があれば、３以上であってもよい。また、上記では、スロット１６内においてＲ方向に沿った８行のステータコイル１８の全てについて、幅寸法Ｗ／２のセグメントコイル２０ａ，２０ｂを用いるものとしたが、回転電機の仕様によっては、特定の行について幅寸法Ｗ／２のセグメントコイル２０ａ，２０ｂを用いるものとしてもよい。

例えば、特許文献１に述べられているように、Ｒ方向に沿った最内周側のセグメントコイルがロータからの漏れ磁束による渦電流の発生が最も大きいので、Ｒ方向に沿った最内周側のセグメントコイルについてのみ幅寸法Ｗ／２のセグメントコイル２０ａ，２０ｂを用いるものとしてもよい。また、Ｒ方向に沿った最内周側から数行分について、幅寸法Ｗ／２のセグメントコイル２０ａ，２０ｂを用いるものとしてもよい。これらについて、幅寸法をＷ／２より狭い幅寸法、例えばＷ／３としてもよい。図１には、Ｒ方向に沿った最内周側のＢにおいて、Ｗ／３の幅寸法を有するセグメントコイルを３つ周方向に沿って重ねて配置する例を示した。これらの場合でも、スロット挿入部において周方向に沿って重ねて配置される各セグメントコイルについて、コイルエンド部をずらして径方向に沿って重ね配置することで、ステータのコイルエンドの高さを低く抑えることができる。

８ 回転電機ロータ、１０ （回転電機）ステータ、１２ ステータコア、１３ 端部、１４ ティース、１６ スロット、１８，１９ ステータコイル、２０，２０ａ，２０ｂ，２１ セグメントコイル、２２，２３ スロット挿入部、２４，２５ コイルエンド部。

Claims (1)

1. 内周に沿って複数配置されるスロットを有するステータコアと、
   所定の配置方法に従ってスロットに挿入される複数のセグメントコイルを接合して形成されるステータコイルと、
   を備え、
   セグメントコイルは、スロット挿入部においてステータコアの周方向に沿って複数重ね配置され、
   ステータコアの周方向に沿って重ね配置された複数のセグメントコイルは、コイルエンド部においてステータコアの径方向に沿って重ね配置されることを特徴とする回転電機ステータ。

Images