JP2016073148A - ステータ巻線 - Google Patents

Abstract

【課題】隣り合うセグメント導体間の絶縁性を確保しつつ、コイルエンドの軸方向高さを短縮可能なステータ巻線を提供する。
【解決手段】複数相の交流電流が供給されるステータのスロット間に配置されるセグメント導体であって、ステータから軸方向に突出したコイルエンド部のセグメント導体の厚みは、ステータ内部に配置されたセグメント導体の厚みの、ステータに供給される交流電流の相数分の一以下の寸法で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータ巻線に関する。

従来、Ｕ字形状のセグメント導体を用いたステータの巻線構造において、セグメント導体のコイルエンド部を斜め上方に立上げ、クランク状の折り曲げ部を配した後、斜め下方に立下げるような、山なりのＵ字形状を有する平角線ステータ巻線構造が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１３−７０５１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の平角線ステータ巻線構造では、コイルエンド部において、セグメント導体間の絶縁性を確保するために、隣り合うセグメント導体を絶縁に必要な距離を確保しつつ、軸方向に並べる必要があるため、モータの小型化のために必要なコイルエンドの軸方向長さの短縮の阻害要因となる。

本発明は、隣り合うセグメント導体間の絶縁性を確保しつつ、コイルエンドの軸方向長さを短縮可能なステータ巻線を提供することを目的とする。

本発明によるステータ巻線は、複数相の交流電流が供給されるステータのスロット間に配置されるセグメント導体であって、ステータから軸方向に突出したコイルエンド部のセグメント導体の厚みは、ステータ内部に配置されたセグメント導体の厚みの、ステータに供給される交流電流の相数分の一以下の寸法で形成される。

本発明によれば、複数のセグメント導体を径方向に並べることで隣り合うセグメント導体間の絶縁性を確保することができるので、コイルエンド部における導体配策に必要な軸方向寸法を短縮することができ、コイルエンドの軸方向長さを短縮することができる。

図１は、一実施形態のセグメント導体の、反リード側の形状を説明するための図である。 図２は、一実施形態のセグメント導体の、反リード側の形状を説明するための図である。 図３は、一実施形態のステータ巻線をステータに適用した際の、反リード側の態様を説明するための図である。 図４は、一実施形態のセグメント導体の、リード側の形状を説明するための図である。 図５は、一実施形態のセグメント導体の、リード側の形状を説明するための図である。 図６は、一実施形態のステータ巻線をステータに適用した際の、リード側の態様を説明するための図である。 図７は、一実施形態のステータ巻線をステータに適用した場合の、ステータの軸方向端面と直交する平面の断面図である。 図８は、一実施形態のセグメント導体の、断面形状を説明するための図である。 図９は、一実施形態のコイルエンド部と、一実施形態のコイルエンド部と導体抵抗損失が同等で、かつ、厚みを変更しない場合のコイルエンド部とを比較するための図である。 図１０は、一実施形態のコイルエンド部と従来のコイルエンド部とを比較するための図である。 図１１は、一実施形態のコイルエンド部形状の他の例を表した図である。

本発明の一実施形態におけるステータ巻線は、セグメント導体のコイルエンド部を薄肉化することで、分布巻きの巻線構造を形成する際にモータ小型化に寄与するコイルエンド短縮を実現する。以下、図面等を参照して、詳細を説明する。

本実施形態におけるステータ巻線のセグメント導体は、断面形状が矩形になるように形成された平角線形状を有する。図１および図２は、本実施形態のセグメント導体１（平角線）の形状を説明するための図である。

本実施形態のセグメント導体１はＵ字形状のコイルエンド部２を有している。ステータ巻線は、ステータの軸方向において外部電源に繋がるリード線に接続される側（リード側）のセグメント導体１２（図４参照）と、リード側とは反対側（反リード側）のセグメント導体１とを接合して構成される。

図１（ａ）は、本実施形態に係る反リード側のセグメント導体１の正面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る反リード側のセグメント導体１の底面図である。図１（ｃ）は、本実施形態に係る反リード側のセグメント導体１の側面図である。図１（ａ）および図１（ｃ）に示すセグメント導体の、コイルエンド部２ではない方の端面は、後述するリード側のセグメント導体のコイルエンドではない方の端面と接合されてステータ巻線を形成する。

また、本実施形態におけるステータ（不図示）は３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を電源とするため、セグメント導体は、各相に応じて３パターンのコイルエンド部２ｕ、２ｖ、２ｗを有している。なお、以下のコイルエンド部の説明において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を特に指定しない場合は、全相のコイルエンド部に共通の事項について述べているものとする。

本実施形態のセグメント導体１のコイルエンド部２の厚み６０は、セグメント導体のコイルエンド部ではない部分の厚み、すなわちステータ内部に配置されるセグメント導体３の厚み５０に比べて薄く形成される（図１（ｃ）参照）。具体的には、セグメント導体のコイルエンド部２の厚み６０を、スロット内部に配置されるセグメント導体３の厚み５０より、ステータの交流電源の相数分の一以下の寸法まで薄くする（例えば、３相であれば３分の１以下）。本実施形態では３相交流を電源とするため、セグメント導体のコイルエンド部２は、スロット内部に配置されるセグメント導体３と比べて３分の１の寸法となるように形成した。

また、相毎の各セグメント導体のコイルエンド部２ｕ、２ｖ、２ｗの位置は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、セグメント導体１の厚さ方向の一端側（コイルエンド部２ｕ）、その反対側（コイルエンド部２ｗ）、および中央（コイルエンド部２ｖ）と、セグメント導体１の厚み方向にそれぞれ異なる。こうすることにより、相毎の各セグメント導体１を、相毎にスロットを変えてステータ径方向に並べて配置しても、図２で示すように、三相分重なったコイルエンド部２ｕ、２ｖ、２ｗの厚みがスロット内部のセグメント導体１本分の厚み以下に収まる。従って、隣り合うセグメント導体間に絶縁に必要な最低限の距離をステータ径方向に確保するだけで、各セグメント導体１をステータ径方向に並べて配策することが可能になる。

図３は、本実施形態におけるセグメント導体をステータ３０のスロット３１に配置した状態を、ステータ３０の軸方向端面の反リード側から見た図である。相毎に異なる形状パターンを有するコイルエンド部２ｕ、２ｖ、２ｗは、それぞれ対応するスロットに径方向に並べて配置されて、交流電源の各相の電流路をそれぞれ構成する。また、隣り合う同相のセグメント導体１のコイルエンド部間には、他の２相のセグメント導体のコイルエンド部が交互に並ぶように配置される。なお、図面から分かる通り、本実施形態のセグメント導体１のステータ軸方向から見た形状は、ステータの円環形状に沿うような円弧形状を有している。

図１（ａ）に戻って、コイルエンド部の形状についての説明を続ける。コイルエンド部２を正面から見た形状は、ステータコア（不図示）の端面からの立ち上がりの直線部分４及びステータコアへの立下りの直線部分５と、ステータコアの端面と平行な直線部分６とが、円弧状の曲げ形状部７を介して連接されている。このような形状に成形することで、ステータコア端面からの突出代が最小となる。結果として、コイルエンド部２の軸方向高さの短縮が可能となる。

次に、図４から図６を参照して、リード側のセグメント導体１２のコイルエンド部の形状について説明する。リード側のコイルエンド部８は、上述した反リード側のコイルエンド部２と同様に、交流電源の相数分の一以下、すなわち、スロット内部に配置されるセグメント導体３の３分の１以下の寸法まで薄くしたＵ字形状を形成する。そして更に、図４（ｂ）に示すように、セグメント導体のコイルエンド部の一端側９と他端側１０の位置が、ステータの径方向に、少なくともステータ内部のセグメント導体１本分の厚さ５０に相当する距離分ずれるように形成される。そのため、本実施形態では、ステータコアの端面と平行な直線部１１に曲げ部４０を設ける。

図５は、セグメント導体１２をステータ径方向に並べて配置する際のリード側の態様を説明する為の図である。図５（ａ）は、３相交流電流の各相毎に一本ずつ、三本のセグメント導体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗをステータ径方向に並べた状態をステータ軸方向から見た平面図である。

各セグメント導体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗは、各セグメント導体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに設けられる曲げ部４０を基準に重ねて並べることで、ステータ周方向における各セグメント導体の一端側９と他端側１０の位置が対応するスロット位置と一致するとともに、ステータ径方向における位置が、スロット内部に配置されるセグメント導体３の厚さの少なくとも１本分の距離を有するように形成される。

図５（ｂ）は、ステータ径方向に並べた三本のセグメント導体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗをステータ周方向から見た側面図である。上述の通り、コイルエンド部の一端側９と他端側１０は、ステータの径方向にステータ内部のセグメント導体１本分の厚さに相当する距離分ずれていることが分かる。このような形状とすることで、相毎に対応するリード側および反リード側のセグメント導体を接合すると、ステータコアの同一スロット内に配置される反リード側のセグメント導体がリード側のセグメント導体１２を介して複数ターンの一つの巻線ループを構成することが可能となる。

図６は、本実施形態におけるステータ巻線をステータ３０に配置した状態を、ステータ３０の軸方向端面のリード側から見た図である。図から分かるとおり、同一のスロットにステータ径方向に並べて配置されたセグメント導体１２は、径方向に隣り合うセグメント導体とリード側のコイルエンド部８を介して巻線ループを形成できていることが分かる。

図７は、本実施形態のステータ巻線をステータ３０に適用した場合の、ステータ３０をステータ３０の軸方向端面と直交する平面で切断した場合の断面概略図である。図７で示すようにセグメント導体は、ステータ径方向に、絶縁に必要な距離を確保しつつ並んでいることが分かる。また、セグメント導体１、１２のコイルエンド部２、８の径方向厚みは、ステータ内部に配置されているセグメント導体３の厚みの３分の１以下であることが分かる。なお、リード側コイルエンド部のステータ周方向における端部の径方向の曲りは、製図の都合上表現していない。

なお、コイルエンド部成形後に絶縁処理を行う場合は、例えば、コイルエンド部成形後に絶縁材をコーティングする方法や、樹脂などの絶縁材をモールディングするキャップ状の絶縁材をコイルエンド部に被せる方法等を用いればよい。

図８は、本実施形態におけるセグメント導体１、１２のコイルエンド部２、８の断面形状を説明するための図である。

図８（ａ）は、リード側のセグメント導体１２を正面から表した図である。図中のａ−ａ線は反リード側のセグメント導体１との接合部位近く（リード側セグメント導体１２のコイルエンド部８ではない部分）に引かれており、ｂ−ｂ線はステータ軸方向端面と平行な直線部１１のほぼ中央に引かれている。本実施形態のセグメント導体１、１２の断面形状は、厚さ等の外形寸法が変化することによる導体抵抗損失への影響を回避する必要があるため、セグメント導体１、１２のコイルエンド部２、８の導体断面積とスロット内部に配置されたセグメント導体３の導体断面積とが等価相当になるように形成する。

すなわち、コイルエンド部のセグメント導体２、８の厚さを薄くした分に応じて、当該セグメント導体２、８の軸方向幅は広くなる。言い換えると、コイルエンド部２、８の厚さの減少率と、軸方向幅の増加率は比例関係となる。

図８（ｂ）は、図８（ａ）のa−ａ線における断面図である。当該断面形状は、ステータ内部に配置される反リード側のセグメント導体３の断面形状と同様である。図８（ｃ）は、図８（ａ）のｂ−ｂ線における断面図である。

当該断面形状は、反リード側におけるステータ軸方向端面と平行な直線部１１の断面形状と同様である。本実施形態におけるコイルエンド部８のセグメント導体の厚さはステータ内部のセグメント導体３の厚さと比べて３分の１以下であるため、コイルエンド部８のセグメント導体の軸方向幅はステータ内部のセグメント導体の厚さの３倍以上の寸法となる（図８（ｂ）、（ｃ）中の式参照、本例においてはｎ＝３）。こうすることにより、セグメント導体の厚さや幅の外形寸法がコイルエンド部とステータ内部とで異なっても、巻線経路内の導体抵抗は一様となるため、セグメント導体の外形寸法変化による導体抵抗損失への影響を回避することができる。

なお、本実施形態のコイルエンド部の導体抵抗損失は、セグメント導体の厚みを変更しない場合のコイルエンド長（図９（ｂ）のＣ参照）においてのコイルエンド部導体抵抗損失と同等となる。すなわち、本実施形態のコイルエンド部導体抵抗損失は、実際よりも短いコイルエンド長における導体抵抗損失に相当する。従って、本実施形態のコイルエンド部の形状は、実際のコイルエンド部の軸方向高さの短縮代以上に導体抵抗損失を低減することができる。

ここで、図１０を参照して、従来のセグメント導体によるコイルエンド部の形状と、本実施形態におけるコイルエンド部の形状とを比較する。

図１０（ａ）は、従来の平角線形状のセグメント導体によるコイルエンド部９０の形状を正面から表した図である。従来のコイルエンド部９０は、ステータコアのスロット端部から立上がり後、斜め上方に延伸し、最上部で導体１本分のクランク状の折り曲げ部分を配した後、更に斜め下方に延伸してステータコアに立ち下がるような山なりのＵ字形状を有している。このような形状のセグメント導体をステータコアに配置する場合に、隣り合うセグメント導体が相互に干渉するのを回避するためには、各セグメント導体が、軸方向に絶縁に必要な距離を確保しつつ並ぶように配策する必要がある。このため、コイルエンドが軸方向に拡大し、コイルエンド部の短縮の阻害要因となっている。

一方、本実施形態におけるセグメント導体のコイルエンド部９１は、図１０（ｂ）に示すように、ステータコアのスロット端部からの立ち上がりの直線部位およびスロット端部への立下りの直線部位と、ステータコアの端面と平行な直線部とを円弧上の曲げ形状を配して連接した形状である。また、コイルエンド部の径方向の厚さは、スロット内部に配置されているセグメント導体の三分の一である。このような形状であれば、複数のセグメント導体をステータコアに配置する際、各セグメント導体は、他のセグメント導体との干渉回避のための絶縁スペースを径方向に設けることで相互干渉を回避することができる。

また、ステータコアの端面と並行な直線部と、ステータコアとの間は、円弧上の曲げ部のＲと、ステータコアとの絶縁に必要最低限の距離のみを有する事となる。すなわち、セグメント導体間の干渉回避のための絶縁スペースは、ステータ径方向に必要最低限確保すればよく、ステータ軸方向に設ける必要がないので、コイルエンド部が軸方向に拡大することがない。

以上、本実施形態のステータ巻線に依れば、３相の交流電流が供給されるステータのスロット間に配置されるセグメント導体のステータ巻線であって、ステータから軸方向に突出したコイルエンド部のセグメント導体の厚みは、ステータ内部に配置されたセグメント導体の厚みの３分の１以下の寸法になるように形成する。そして、当該セグメント導体を、ステータの径方向に並べるように配置する。これにより、コイルエンド部における導体配策において必要なステータ軸方向寸法を短縮化できるので、従来技術と比べて更なるコイルエンド短縮が可能となる。

また、本実施形態のステータ巻線に依れば、ステータから軸方向に突出したコイルエンド部のセグメント導体の導体断面積と、ステータ内部に配置されるセグメント導体の導体断面積とが等価相当となる導体形状を有する。これにより、セグメント導体の導体抵抗が一様となるため、セグメント導体の外形寸法が変化することによる導体抵抗損失への影響を回避することができる。

また、本実施形態のステータ巻線に依れば、セグメント導体のコイルエンド部は、ステータからの立上りの直線部分とステータへの立下りの直線部分とを有するＵ字形状であって、コイルエンド部の軸方向端部は、ステータの軸方向端面と略平行な直線である。これにより、コイルエンド部における導体配策に必要な軸方向寸法をより短縮化できるので、さらなるコイルエンド短縮が可能となる。

また、本実施形態のステータ巻線に依れば、ステータの軸方向における外部電源に繋がるリード線に接続される側の端面上に位置するリード側コイルエンド部において、リード側コイルエンド部のステータの周方向端部の一端側と他端側とが、ステータの径方向に、少なくともステータ内部に配置されたセグメント導体の厚みに相当する距離を有するように形成される。これにより、コイルエンド部のリード側および反リード側を接合することで、同一のスロット内に配置されるセグメント導体同士が、複数ターンの一つの巻線ループを構成することが可能となる。

このように、本実施形態のステータ巻線は、セグメント導体コイルエンド部の軸方向に要する外形寸法を必要最低限に抑制することにより、従来技術に対して更なるコイルエンド部短縮を実現することができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、図面を参照して説明したセグメント導体１における円弧形状部６や、セグメント導体１２における曲げ部４０等の形状は、その機能を損なわない限りにおいて変更可能である。具体的な一例を挙げると、セグメント導体１、１２における円弧形状部分は、コイルエンド部のセグメント導体とスロット内部のセグメント導体の導体断面積が等価相当であるという前提を満たす限り、図１１のような角形状であってもよい。

１…セグメント導体
２…コイルエンド部
３…ステータ内部に配置されたセグメント導体
４…立上りの直線部分
５…立下りの直線部分
６…ステータの軸方向端面と略平行な直線部分（コイルエンド部の軸方向端部）
８…リード側コイルエンド部
９…一端側
１０…他端側
３０…ステータ
３１…スロット

Claims (4)

1. 複数相の交流電流が供給されるステータのスロット間に配置されるセグメント導体からなるステータ巻線であって、
   前記セグメント導体のうち、前記ステータから軸方向に突出するコイルエンド部の厚みは、前記ステータの内部に配置される部分の厚みの前記交流電流の相数分の１以下であり、
   前記セグメント導体を、前記ステータの径方向に並べるように複数配置する、
   ことを特徴とするステータ巻線。
2. 前記セグメント導体は、前記コイルエンド部の導体断面積が前記ステータの内部に配置される部分の導体断面積と等価相当となる形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のステータ巻線。
3. 前記コイルエンド部は、前記ステータからの立上りの直線部分と、前記ステータへの立下りの直線部分と、前記ステータの軸方向端面と略平行な直線部分とを有するＵ字形状である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のステータ巻線。
4. 前記ステータの軸方向両側に位置するコイルエンド部のうち、外部電源に繋がるリード線に接続されるリード側コイルエンド部を有するＵ字形状のセグメント導体は、その一端と他端が、前記ステータの径方向において、前記セグメント導体の前記ステータの内部に配置される部分の厚みに相当する距離を有する形状である、
   ことを特徴とする請求項３に記載のステータ巻線。