JP2016149905A - 回転電機のステータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの線占積率を高めることができ、しかも、より簡単かつ安価に生産できるステータを提供する。
【解決手段】ステータ１は、周方向の複数の位置に各々内向きに延びるティース部１２を備えかつ隣接するティース部１２の間に、当該ティース部１２の根本側から先端側に向かって狭くなるスロットＳが形成されたステータコアと、前記ティース部１２に装着された複数の集中巻コイル１６とを有する。集中巻コイル１６は、断面長方形の平角銅線がその短辺面を内径面として前記ティースに沿って巻回された第１コイル１７と、断面長方形の平角銅線がその長辺面を内径面として、かつ前記ティースの先端側よりも根本側の巻き数が多くなるように前記第１コイル１７に沿ってその外周面上に巻回された第２コイル１８とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機（モータ、又は発電機、又はモータ兼発電機）のステータ、およびその製造方法に関する。

回転電機のステータとして、各々内向きに延びて周方向に一定間隔で並ぶ複数のティースを備えた円環状のステータコアと、このステータコアの各ティースに装着された複数の集中巻コイルとを備えたものが知られている。集中巻コイルは、断面円形の素線を用いて形成されたものが一般的であるが、例えばハイブリッド車両等の自動車用モータのステータでは、断面四角形の素線を用いて集中巻コイルが形成されることがある。これは、コイルの線占積率、すなわちスロット断面積（隣接するティース間に形成される隙間の断面積）に占めるコイル断面積の割合をより大きくしてモータの効率を高めることが狙いである。

なお、特許文献１には、集中巻コイルとして、断面四角形の素線がティースに沿って層状に巻回され、かつ各層の素線の断面形状が最良の形状、すなわち、集中巻コイルによってスロットを完全に埋め得る形状とされたものが開示されている。

特開２００１−１７８０５１号公報

特許文献１に開示されるステータは、コイルの線占積率を大きくする上で理想的であるが、ティースに沿って巻回される素線の層毎の断面形状を全て異なる形状にする必要がある。そのため、現実の実施に際しては、克服すべき生産性やコストの難易度が高い。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、コイルの線占積率を効果的に高めることができ、しかも、より簡単かつ安価に生産できるステータおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためのものである。具体的には、ロータと共に回転電機を構成するステータであって、円環状を成し、周方向の複数の位置に各々内向きに延びるティースを備えかつ隣接するティースの間に、当該ティースの根本側から先端側に向かって狭くなるスロットが形成されたステータコアと、前記ティースに装着された複数の集中巻コイルと、を有し、前記集中巻コイルは、断面長方形の平角線がその短辺面を内径面として前記ティースに沿って巻回された第１コイルと、断面長方形の平角線がその長辺面を内径面として、かつ前記ティースの先端側よりも根本側の巻き数が多くなるように前記第１コイルに沿ってその外周面上に巻回された第２コイルと、を含むものである。

この構成によれば、単純な断面長方形の平角線を用いた簡単なコイル構造で、上記のような先窄まり形状のスロットの内側に効率良く集中巻コイルを介在させることが可能となる。よって、高い線占積率を有するステータを、より簡単かつ安価に生産することが可能となる。

この場合、前記第１コイルは、前記ティースに沿って前記平角線が立て添え巻きされた単層のコイルであるのが好適である。

この構成によれば、隣接する平角線同士が隙間無く整列して巻回されかつ一定の厚みを有した第１コイルを設けることが可能となる。また、第１コイルの外周面上に隙間無く第２コイルを安定的に設けることが可能となる。そのため、コイルの占積率を高める上で利になる。

上記ステータにおいて、第１コイルおよび第２コイルは、断面形状および／又は断面積が互いに異なる２種類の平角線で形成されていてもよし、長手方向に亘って断面形状および断面積が同一の一本の平角線により連続して形成されていてもよい。

特に、後者の構成によれば、一本の平角線により集中巻コイルが形成されるため、より簡単かつ安価にステータを生産することが可能となる。

なお、第１コイルおよび第２コイルが、互いに断面積が異なる平角線により形成されたものである場合には、第１コイルおよび第２コイルは、線長が等しくかつ互いに並列に接続されているのが好適である。

この構成によれば、第１、第２のコイルのうち、断面積が小さいコイルに過電流が流れて集中巻コイルがショート（発熱断線）することを未然に防止することが可能となる。

同様の理由から、当該ステータが三相回転電機のステータであって、かつ第１コイルおよび第２コイルが互いに断面積が異なる平角線により形成されたものである場合には、同一相に属する複数の集中巻コイルは、特定の複数の集中巻コイルの第２コイル同士が直列に接続されることにより形成された一乃至複数のコイル群を含み、前記同一相に属する複数の集中巻コイルの各第１コイルと前記コイル群は、互いに並列に接続され、かつ前記コイル群に属する第２コイルの総線長と各第１コイルの線長とが等しいものであるのが好適である。

さらに、当該ステータが三相回転電機のステータであって、かつ前記第１コイルおよび前記第２コイルが互いに断面積が異なる平角線により形成されたものである場合には、同一相に属する複数の集中巻コイルは、特定の複数の集中巻コイルの第１コイル同士が直列に接続されることにより形成された一乃至複数の第１コイル群と、特定の複数の集中巻コイルの第２コイル同士が直列に接続されることにより形成された一乃至複数の第２コイル群とを有し、前記各コイル群は、互いに並列に接続され、かつ当該コイル群各々に属するコイルの総線長が等しいものであるのが好適である。

これらの構成によれば、同一相に属する第１、第２のコイルのうち、断面積が小さいコイルに過電流が流れて集中巻コイルがショート（発熱断線）することを未然に防止することが可能となる。

なお、上記ステータにおいて、直列に接続される複数の第１コイル又は直列に接続される複数の第２コイルの少なく一方は、前記ティースの根本側および先端側を接続位置として、隣接するコイル同士が交互に異なる接続位置で接続されているのが好適である。

この構成によれば、同一相に属する隣接する第１コイル同士を比較的短い距離で接続することができ、同様に、隣接する第２コイル同士を比較的短い距離で接続することが可能となる。そのため、集中巻コイルの総線長を短く抑えること、ひいてはステータの大型化を抑制することが可能となる。

また、上記の各ステータにおいて、隣接するティースの中間地点とステータ中心とを結んだ直線であって前記スロットを周方向に分割する直線を、当該スロットの両側に位置する集中巻コイルの占有可能領域の境界線と定義したときに、前記ティースは、その根本側から先端側に亘って断面形状および断面積が同一の柱状に形成され、隣接するティースの先端同士を結んだ直線と前記境界線との交点から前記ティースの側面と平行に前記スロット内底面に降ろした直線と、前記スロット内底面と、前記境界線とにより形成される三角形であって前記境界線を斜辺とする直角三角形の隣辺の寸法をＭ、対辺の寸法をＬと定義したときに、前記第２コイルを形成する前記平角線の断面の長辺寸法ｍおよび短辺寸法ｌは以下の関係を有するものであるのが好適である。

ｍ：ｌ＝Ｍ／ｎ：Ｌ （ｎは１以上の自然数）
この構成によれば、集中巻コイルが、スロットの断面形状を考慮した合理的な形状となるため、線占積率を向上させる上で有利になる。

一方、本発明のステータの製造方法は、上述したステータの製造方法であって、前記ステータコアとは別に、前記集中巻コイルを個別に形成するコイル形成工程と、前記コイル形成工程で形成された前記集中巻コイルを前記ティースに装着する組付工程と、を含むものである。

この方法によれば、集中巻コイルが個別に形成された後、当該集中巻コイルが各ティースに装着されるので、例えばステータコアの各ティースに平角線を順次巻回して各集中巻コイルを形成する場合に比べて、効率良くステータコアを製造することが可能となる。

この場合、前記ティースを各々備え、連結されることにより前記ステータコアを形成する分割コアを予め形成しておき、前記組付工程では、前記集中巻コイルを前記分割コアのティースに装着し、前記集中巻コイルが各々装着された複数の分割コアを円環状に連結するものであってよい。

この方法によれば、ステータが比較的大型のものであっても効率良く当該ステータを製造することが可能となる。

なお、磁束の漏れを抑制するために、ステータコアのティース先端に拡幅部が設けられる場合があるが、このような場合には、次のような製造方法が好適である。すなわち、先端に拡幅部を有する前記ティースを各々備えた柱状の前記分割コアと、複数の当該分割コアをそれらの間に介在して連結する連結コアとを予め形成しておき、前記組立工程では、前記分割コアを、前記拡幅部とは反対側から前記集中巻コイルの内側に挿入することにより前記ティースに前記集中巻コイルを装着し、前記ティースに前記集中巻コイルが各々装着された複数の分割コアを前記連結コアにより円環状に連結する。

この方法によれば、ステータコアのティース先端に拡幅部が備えられたステータについても、効率良く当該ステータを製造することが可能となる。

なお、上記の各製造方法において、前記コイル形成工程では、前記ティースに嵌合可能な筒状を成しかつ電気絶縁材料から形成された絶縁パーツの外周面上に前記集中巻コイルが形成されたコイル組立体を予め形成し、前記組付工程では、前記コイル組立体を各ティースに装着するようにしてもよい。

この方法によれば、コイル形成工程において、一定形状の集中巻コイルを安定的に形成できることに加え、当該集中巻コイルの保存や運搬、さらに組付工程におけるティースへの集中巻コイルの装着に際して集中巻コイルが変形することを抑制することが可能となる。そのため、安定した品質のステータを効率的に製造することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、コイルの線占積率を効果的に高めることができ、しかも、より簡単かつ安価に生産できるステータおよびその製造方法を提供することが可能となる。

本発明にかかるステータの一部を示す断面図である。 コイルユニットを示す断面図である。 ステータコアを示す模式的な断面図である。 コイル最端部の成形方法を示す図であり、（ａ）は成形前、（ｂ）は成形工程である。 変形例にかかるコイルユニットを示す断面図である。 集中巻コイルにおける第１コイルと第２コイルとの電気的な接続構造を示す回路図である。 ステータの製造方法を示す模式図であり、（ａ）、（ｂ）はコイル形成工程であり、（ｃ）は組付工程である。 集中巻コイルにおける第１コイルと第２コイルとの電気的な接続構造を示す回路図である。 コイル同士のより具体的な電気的な接続構造を示す集中巻コイルの模式図である。 変形例にかかるコイルユニットを示す断面図である。 （ａ）は、変形例にかかるステータを示す分解模式図であり、（ｂ）は、前記ステータの製造方法（組付工程）を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。

図１は、本発明に係るステータ１の一部を断面図で示している。同図に示すステータ１は、ハイブリット車両等に搭載される三相交流モータ（本発明の回転電機／三相回転電機の一例）に用いられるステータである。すなわち、当該ステータ１と、その内側に配置されるロータと、これらステータ１及びロータを収容するケーシング等で三相交流モータが構成される。

なお、図１は、ステータ１をその中心線（三相交流モータの回転軸の軸心）と直交する断面で示している。以下の説明では、この中心線と平行な方向を単に「軸方向」と称し、前記中心線回りの方向を単に「周方向」と称し、前記中心線を中心とするステータ１の半径方向を単に「径方向」と称す。

ステータ１は、ロータの外周に、当該ロータとの間に微小隙間を隔てて配置される。ステータ１は、周方向に配列される複数のコアユニット２と、これらコアユニット２を径方向外側から保持する円環状のホルダ４とを含む。

コアユニット２は、図１及び図２に示すように、分割コア１０と、この分割コア１０の周囲に装着されるボビン１４と、分割コア１０に対して前記ボビン１４の外側から巻回される集中巻コイル１６とを含む。

分割コア１０は、ステータコアを構成するものであり、複数の前記コアユニット２が周方向に連結されることにより、各コアユニット２の分割コア１０が協働して円環状のステータコアを形成する。

分割コア１０は、周方向（図１の左右方向）に延びるバックコア部１１と、その中央部からステータ中心に向かって延びるティース部１２（本発明のティースに相当する）とを備えた断面略Ｔ字型の形状を有している。分割コア１０は、上記の略Ｔ字型に形成された所定枚数の電磁鋼板が軸方向に積層一体化されたブロック状の構造を有している。そして、ティース部１２は、断面が長方形又は正方形で、その根本から先端に亘って断面形状および断面積が等しい柱状に形成されている。

バックコア部１１のうち、周方向における一方側の端面（図１の右側端面）には、当該端面から周方向に突出して軸方向に延びる、断面半円形状の係合凸部１１ａが形成され、他方側の端面には、前記係合凸部１１ａに対応する断面円弧状の係合凹部１１ｂが形成されている。図１に示すように、隣接する分割コア１０同士は、これら係合凸部１１ａと係合凹部１１ｂとが互いに嵌合されることで周方向に連結されている。

前記ボビン１４（本発明の絶縁パーツに相当する）は、ティース部１２に対応する長方形又は正方形の貫通穴を有する筒状部材であり、絶縁性を有する樹脂材料により形成されている。ボビン１４は、分割コア１０の前記ティース部１２がその内側に嵌入されることで、当該ティース部１２の外周面上に装着されている。なお、同図では省略しているが、ボビン１４は、ティース部１２に沿って並ぶ２つの分割片１５ａ、１５ｂ（図７（ａ）参照）を含み、これらが嵌合されることにより構成されている。

図１に示すように、ボビン１４の内端（ティース部１２の先端に対応する位置）にはティース部１２から外向きに拡がる鍔部１４ａが形成され、外端（ティース部１２の根本に対応する位置）には、バックコア部１１に沿ってティース部１２から外向きに拡がる鍔部１４ｂが形成されている。そして、ボビン１４の外周面のうち、これら鍔部１４ａ、１４ｂの間の外周面に前記集中巻コイル１６が保持されることで、当該ボビン１４を介してティース部１２に集中巻コイル１６が装着されている。

集中巻コイル１６は、図２に示すように、断面長方形の平角銅線（本発明の平角線の一例）がその短辺面を内径面としてティース部１２（ボビン１４）に沿って巻回された第１コイル１７と、断面長方形の平角銅線（本発明の平角線の一例）であって第１コイル１７を形成する平角銅線と同一断面形状および同一断面積の平角銅線がその長辺面を内径面として第１コイル１７の外周面上に巻回された第２コイル１８とを含む。すなわち、第１コイル１７は、いわゆるエッジワイズコイルであり、第２コイル１８は、いわゆるフラットワイズコイルである。

第１コイル１７は、長手方向に亘って断面形状及び断面積が同一の平角銅線がティース部１２の周囲にその根本部分から先端部分に亘って一層だけ立て添え巻きされることにより構成されている。また、第２コイル１８は、長手方向に亘って断面形状及び断面積が同一の平角銅線が、ティース部１２の先端側よりも根本側の巻き数が多くなるように、第１コイル１７の周囲に整列した状態で階段状に巻回されることにより構成されている。

ここで、ステータコアの隣接するティース部１２の間には、図３（ａ）に示すように、ティース部１２の根本側から先端側に向かって幅が狭くなる先窄まり形状のスロットＳが形成されている。モータの効率を高めるには、集中巻コイル１６の線占積率、すなわちスロットＳの断面積（隣接するティース部１２の間に形成される隙間の断面積）に占めるコイル断面積の割合が大きい方が望ましい。より具体的には、隣接するティース部１２の中間地点とステータ中心とを結んだ直線であってスロットＳを周方向に分割する直線を、当該スロットＳの両側に位置する集中巻コイル１６の占有可能領域の境界線Ｓ１としたときに、スロットＳの断面において、ティース部１２と、境界線Ｓ１と、バックコア部１１とで囲まれる断面台形状の領域Ａ１（図３（ａ）中にハッチングで示す領域）に集中巻コイル１６がより隙間無く介在していることが望ましい。

当例では、上記のように、ティース部１２の周囲にまずエッジワイズコイルからなる単層、すなわち厚みが一定の第１コイル１７が設けられることで、上記領域Ａ１のうち、ティース部１２に沿ったその周囲の長方形の領域が隙間無く第１コイル１７によって占められている。そして、この第１コイル１７の外周面上に、フラットワイズコイルからなる断面階段状、すなわちティース部１２の根本側から先端側に向かって厚みが漸減する第２コイル１８が設けられることで、上記領域Ａ１のうち、第１コイル１７の外側の断面三角形の領域の大部分が当該第２コイル１８により占められている。なお、当例では、第１コイル１７と第２コイル１８とが直列に繋がる形態とされている。具体的には、長手方向に亘って断面形状及び断面積が同一の一本の平角銅線を用いて第１コイル１７と第２コイル１８とが連続して形成されている。第１コイル１７と第２コイル１８との連結部の成形方法は、第１コイルの端部に於いて、図４（ａ）に示す最端部の状態から、図４（ｂ）に示すように第１コイル１７の巻き重ね方向、及び横方向への曲げの組合せにより実現している。

上記のコイル構造の結果、上記領域Ａ１には、集中巻コイル１６の外周面と境界線Ｓ１との間に僅かな隙間が残されているだけで、それ以外の領域には第１コイル１７および第２コイル１８が隙間無く介在している。そのため、このステータ１は、集中巻コイル１６の線占積率が非常に高いものとなっている。

図２に示す構造によれば、長手方向に亘って断面形状および断面積が同一の１本の平角銅線で集中巻コイル１６を形成することができることに加え、後述する図６や図８に示すコイル同士の接続構造も不要となるので、集中巻コイル１６の製造が容易になる。従って、上記ステータ１を簡単かつ安価に生産することが可能になる。

なお、この実施形態では、ティース部１２は、その根本側から先端側に亘って断面形状および断面積が同一の柱状である。また、バックコア部１１の内側面（ステータ中心側の面）は平面であり、当該内側面はティース部１２の側面と直交している。すなわち、スロットＳの内底面は、前記境界線Ｓ１の位置を境としてその両側の面が各々ティース部１２の側面と直交している。そして、図３（ａ）に示すように、各ティース部１２の先端面の延長線と前記境界線Ｓ１との交点Ｐからティース部１２の側面と平行にスロットＳの内底面に降ろした直線と、スロットＳの内底面（バックコア部１１の内側面）と、境界線Ｓ１とにより形成される三角形であって、境界線Ｓ１を斜辺とする直角三角形の隣辺の寸法をＭ、対辺の寸法をＬとするとともに、図３（ｂ）に示すように、第１コイル１７および第２コイル１８を各々形成する平角銅線の断面の長辺寸法をｍ、短辺寸法をｌとしたときに、当例では、以下の関係式を満たす平角銅線が各コイル１７、１８の平角銅線として適用されている。

（数１）
ｍ：ｌ＝Ｍ／ｎ：Ｌ （ｎは１以上の自然数）
このような関係式を満たす平角銅線を用いれば、断面長方形の平角銅線から形成される各コイル１７、１８を上記領域Ａ１に効率良く介在させて、集中巻コイル１６の線占積率を高めることができる。例えば当例では、領域Ａ１の面積＝２１０．２ｍｍ^２、Ｍ＝２８．０ｍｍ、Ｌ＝４．７ｍｍの場合に、ｎ＝１として、上記関係式に基づき、第１コイル１７を形成する平角銅線の上記寸法をｍ_１＝４．３ｍｍ、ｌ_１＝０．７７ｍｍと定めるとともに、第２コイル１８を形成する平角銅線の上記寸法も同一の寸法として、ｍ_２＝４．３ｍｍ、ｌ_２＝０．７７ｍｍと定めた。これにより線占積率＝７７％を達成した。

なお、集中巻コイル１６は、図５に示すように、断面長方形の平角銅線（本発明の平角線の一例）がその短辺面を内径面としてティース部１２（ボビン１４）に沿って巻回されたエッジワイズコイルからなる第１コイル１７と、断面長方形の平角銅線（本発明の平角線の一例）であって第１コイル１７を形成する平角銅線よりも断面積が小さい平角銅線がその長辺面を内径面として第１コイル１７の外周面上に巻回されたフラットワイズコイルからなる第２コイル１８とを含むものであってもよい。

このようなコイル構造によれば、第１コイル１７を形成する平角銅線よりも断面積の小さい第２コイル１８により第２コイル１８が形成されていることで、第１コイル１７と同じ平角銅線を用いて第２コイル１８を形成する場合（図１、図２の例）に比べて、第１コイル１７の外側に形成される断面三角形の領域（上記領域Ａ１のうち、第１コイル１７と境界線Ｓ１との間に形成される領域）を更に効率良く第２コイル１８で占めることができる。

この場合、第１コイル１７と第２コイル１８は、これらを形成する平角銅線の線長がほぼ等しく、図６に示すように、互いに並列に接続される。これにより、集中巻コイル１６において、断面積の小さい第２コイル１８に過電流が流れることが抑制される。そして、ステータ１に設けられた集中巻コイル１６のうち、同一相に属する複数の集中巻コイル１６、例えばＵ相に属する複数の集中巻コイル１６は、図６に示すように、互いに並列に接続される。Ｖ相、Ｗ相及びこれらＶ相、Ｗ相に各々属する各集中巻コイル１６についても同じである。

なお、図５の例の場合、第１コイル１７と第２コイル１８とは、基本的には線長の等しいものであればよいが、詳細には、第２コイル１８の線長が第１コイル１７の線長の＋３０％〜−１０％の範囲で設定されていればよい。大凡この範囲であれば、第２コイル１８によって電流密度（コイルに流れる電流値を断面積で除した値）が第１コイル１７よりも相対的に高くなって電流上限の大きな制約となることを回避できる。つまり、第２コイル１８に過電流が流れることを抑制することが可能となる。

次に、上述したステータ１の製造方法について説明する。

図７は、ステータ１の製造方法を模式的に示している。なお、図中の集中巻コイル１６は、第１、第２のコイル１７、１８を区別することなく簡略化して描いている。

この製造方法は、概略的には、次の工程を含む。

（コイル形成工程）
コイル形成工程では、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、予め治具を用いて個別に形成された集中巻コイル１６をボビン１４に装着する。これにより、集中巻コイル１６がボビン１４の外周面上に形成されたコイル組立体５を形成する。詳しくは、図７（ａ）に示すように、ボビン１４を形成する分割片１５ａ、１５ｂを集中巻コイル１６の両側からその内側に挿入し、当該集中巻コイル１６の内側で互いに嵌合させる。

（組付工程）
組付工程では、まず、図７（ｃ）に示すように、上記コイル組立体５を分割コア１０のティース部１２に装着することにより、上記コアユニット２を形成する。そして、隣接するコアユニット２の係合凸部１１ａと係合凹部１１ｂとを嵌合させ、所定数のコアユニット２を円環状に結合する。最後に、ホルダ４の焼き嵌め等の固定手段によってホルダ４とコアユニット２とを相互に固定する。これにより上記ステータ１が完成する。

以上説明したように、このステータ１によれば、単純な断面長方形の平角銅体を用いた簡単なコイル構造で、上記のような先窄まり形状のスロットＳ内に効率良く集中巻コイル１６を介在させることができる。そのため、特許文献１に記載された従来のステータ、すなわちティースに沿って巻回される層毎の断面形状が全て異なる集中巻コイルを備えるものと同等程度までコイル（集中巻コイル１６）の線占積率を高めながらも、従来のステータに比べて集中巻コイルの製造を容易に行うことができる。従って、コイル（集中巻コイル１６）の線占積率が高いステータ１を、より簡単かつ安価に生産することが可能となる。

また、上記ステータ１によれば、ステータコア（ティース部１２）の冷却性能を向上させることができるという利点もある。すなわち、三相交流モータ等の回転電機には、循環する冷却液（例えばオイル）にティース部及び集中巻コイルを浸漬させてコイル相間部へ冷却液を流して強制的に冷却するものがある（例えば、特開２０１４−２０７７７２号公報）。このような回転電機に上記ステータ１を適用した場合には、第２コイル１８は、この冷却液により直接冷却が可能となる。一方、第１コイル１７については、エッジワイズコイルであるため、集中巻コイル１６の外周面により近い位置での第１コイル１７の発熱に対して、銅の高熱伝導率によって効率良くティース部１２にまで熱伝導させることができる。ステータコア（ティース部１２）は、一般的には熱伝導率の高い珪素鋼板などで構成されているため、熱伝導したステータコア及びホルダ４の外周面に冷却液を流して冷却させればよい。以上のように、第１コイル１７、第２コイル１８を共に両面から効率よく冷却することが可能となるので、冷却性能の面で非常に有利となる。

なお、図５及び図６の実施形態では、集中巻コイル１６を形成する第１コイル１７と第２コイル１８とが等しい線長を有する場合について説明したが、線長を等しくすることが構造的に困難な場合もある。その場合には、第１コイル１７と第２コイル１８との電気的な接続構造として、ステータ１に含まれる３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各集中巻コイル１６について、相毎に、例えば図８に示すような接続構造を採用することができる。

この構造では、同一相（同図ではＵ相）に属する複数の集中巻コイル１６のうち、特定の複数の集中巻コイル１６の第１コイル１７同士が直列に接続されて一乃至複数（同図では２つ）の第１コイル群Ｇａが形成されるとともに、特定の複数の集中巻コイル１６の第２コイル１８同士が直列に接続されて一乃至複数（同図では１つ）の第２コイル群Ｇｂが形成されている。各コイル群Ｇａ、Ｇｂ各々に属するコイル１７、１８の数は、当該コイル群Ｇａ、Ｇｂ各々に属するコイル１７、１８の総線長がほぼ等しくなるように定められている。そして、前記各コイル群Ｇａ、Ｇｂが互いに並列に接続されている。

図８の例は、Ｕ相が４つの集中巻コイル１６ａ〜１６ｄを含み、第１コイル１７ａ〜１７ｄが第２コイル１８ａ〜１８ｄの２倍の線長を有する場合の例である。この例では、２つの集中巻コイル１６ａ、１６ｂの第１コイル１７ａ、１７ｂ同士が直列に接続された第１コイル郡Ｇａと、残りの２つの集中巻コイル１６ｃ、１６ｄの第１コイル１７ｃ、１７ｄ同士が直列に接続された第１コイル郡Ｇａとが形成されるとともに、上記４つの集中巻コイル１６ａ〜１６ｄの第２コイル１８ａ〜１８ｄが直列に接続された第２コイル郡Ｇｂとが形成され、これら３つのコイル群Ｇａ，Ｇｂが互いに並列に接続されている。

このような構造によれば、第１コイル群Ｇａ各々に属する第１コイル１７ａ、１７ｂ（１７ｃ、１７ｄ）の総線長と第２コイル群Ｇｂに属する第２コイル１８ａ〜１８ｄの総線長とがほぼ等しいため、第１コイル１７ａ、１７ｂ（１７ｃ、１７ｄ）と第２コイル１８ａ〜１８ｄに流れる電流密度が同一となる。そのため、第２コイル群Ｇｂの各第２コイル１８ａ〜１８ｄに過電流が流れることが抑制される。従って、第１コイル１７ａ〜１７ｄの線長と第２コイル１８ａ〜１８ｄの線長とが等しくない場合であっても、図６に示す接続構造によれば、過電流に起因する第２コイル１８ａ〜１８ｄのショートなどのトラブルを未然に防止することが可能となる。

図８の例は、集中巻コイル１６ａ〜１６ｂの各コイル１７ａ〜１７ｄ、１８ａ〜１８ｄの電気的な接続構造を回路図で示しているが、実際には、図９に示すように、ティース部１２の根本側および先端側を接続位置として、出来るだけ隣接するコイル同士が交互に異なる位置で接続される、すなわちジグザグな経路で接続されるのが好ましい。図９中では、第１コイル１７ａ〜１７ｄ同士の接続構造を実線で、第２コイル１８ａ〜１８ｄ同士の接続構造を破線で各々示している。

このような構成によれば、同一相に属する第１コイル１７ａ〜１７ｄのうち、隣接するもの同士が比較的短い距離で接続され、同様に、同一相に属する第２コイル１８ａ〜１８ｄのうち、隣接するもの同士が比較的短い距離で接続される。そのため、この構造によれば、集中巻コイル１６ａ〜１６ｄの総線長を短縮化することが可能となり、ひいてはステータ１の大型化を抑制することができるという利点がある。

図８の例では、基本的には、第１コイル群Ｇａに属する第１コイル１７ａ、１７ｂ（１７ｃ、１７ｄ）の総線長と第２コイル群Ｇｂに属する第２コイル１８ａ〜１８ｄの総線長とがほぼ等しければよいが、詳細には、図６の例と同様に、第２コイル群Ｇｂに属する第２コイル１８ａ〜１８ｄの総線長が第１コイル群Ｇａに属する第１コイル１７ａ、１７ｂ（１７ｃ、１７ｄ）の総線長の＋３０％〜−１０％の範囲で設定されていればよい。大凡この範囲であれば、第２コイル群Ｇｂの第２コイル１８ａ〜１８ｄの電流密度が相対的に高くなり、電流上限の大きな制約となることを回避できる。そのため、第２コイル群Ｇｂの第２コイル１８ａ〜１８ｄに過電流が流れることを抑制することが可能となる。

図８の例では、２つの第１コイル１７ａ、１７ｂ（１７ｃ、１７ｄ）が直列に接続されて第１コイル群Ｇａが形成され、４つの第２コイル１８ａ〜１８ｄが直列に接続されて第２コイル群Ｇｂが形成されているが、第１コイル１７ａ〜１７ｄは第２コイル１８ａ〜１８ｄの２倍の線長を有するため、直列に接続された２つの第２コイル（例えば１８ａと１８ｂ）と各第１コイル１７ａ〜１７ｄとを並列に接続してもよい。この構造の場合も、図６と同様の作用効果を享受することができる。

なお、各コイル郡Ｇａ、Ｇｂの数や、各コイル郡Ｇａ、Ｇｂに含まれるコイル１７、１８の数は、図６の例に限られるものではなく、集中巻コイル１６の数や各コイル１７，１８の具体的な線長や断面積等の条件によって異なるものである。

図２に示す集中巻コイル１６の変形例として、図１０に示すような集中巻コイル１６も適用可能である。この図１０に示す集中巻コイル１６は、第２コイル１８が、第１コイル１７の外周面上に形成される内側コイル部１９ａとその外側に形成される外側コイル部１９ｂとを含む。内側コイル部１９ａは、第１コイル１７に連続して当該第１コイル１７と同一の平角銅線により形成されたものであり、図２中の第２コイル１８そのものに相当する。外側コイル部１９ｂは、内側コイル部１９ａよりも断面積の小さい平角銅線により形成されたもので、外側コイル部１９ｂの外周面と前記境界線Ｓ１との隙間領域を埋めるように、外側コイル部１９ｂの外周面上に巻回されている。このような集中巻コイル１６によれば、集中巻コイル１６の線占積率をさらに高めることが可能となる。

なお、上記実施形態では、ステータコア（分割コア１０）として、ティース部１２の先端に拡幅部（鍔部）を備えていないものが適用されているが、磁束の漏れを抑制するために、ティース部１２の先端に拡幅部が備えられたものを適用してもよい。但し、その場合には、ティース部１２への集中巻コイル１６（コイル組立体５）の装着の際に拡幅部が邪魔になり、上述した製造方法（図７参照）そのままでは、ステータ１を製造することが困難である。従って、ティース部１２がその先端に拡幅部を備える場合には、図１１に示すステータ１の構成、および製造方法を採用するのが好ましい。

図１１（ａ）に示すように、ステータ１は、周方向に配列される複数のコアユニット２と、隣接するコアユニット２の間に介設される連結用コア１０Ｂと、円環状のホルダ４（図示省略）とを含む。コアユニット２は、分割コア１０Ａと、この分割コア１０Ａの周囲に装着されるボビン１４及び集中巻コイル１６を含む。

分割コア１０Ａは、バックコア部１１と、ステータ中心に向かって延びるティース部１２とを備えた柱状を成し、ティース部１２の先端には上記拡幅部１２ａが設けられている。バックコア部１１の両側面には、係合凹部１１ｂが各々形成されている。

連結用コア１０Ｂは、分割コア１０Ａと同様に電磁鋼板の積層体である。連結用コア１０Ｂは、側面視略円弧状を成し、その両端面に、分割コア１０Ａの前記係合凹部１１ｂに嵌合可能な係合凸部１１ａを備えている。つまり、図１１（ａ）に示すステータ１は、コアユニット２と連結用コア１０Ｂとが交互に配列され、分割コア１０Ａの係合凹部１１ｂと連結用コア１０Ｂの係合凸部１１ａとが互いに嵌合されることでコアユニット２と連結用コア１０Ｂとが周方向に連結される。そして、分割コア１０Ａと連結用コア１０Ｂとが協働して円環状のステータコアを形成する。

このステータ１の製造方法も、図７に示した製造方法と同様に、コイル形成工程と組付工程と含むが、組付工程の内容が次の点で異なる。すなわち、組付工程では、図１１（ｂ）に示すように、分割コア１０Ａを、拡幅部１２ａとは反対側からコイル組立体５の内側に嵌入することにより、ティース部１２にコイル組立体５が装着されたコアユニット２を形成する。そして、ホルダ４の内周面に沿ってコアユニット２と連結用コア１０Ｂとを交互に並べながら、連結用コア１０Ｂの係合凸部１１ａと分割コア１０Ａの係合凹部１１ｂとを嵌合させる。これにより、コアユニット２と連結用コア１０Ｂとを円環状に結合し、最後に、ホルダ４の焼き嵌め等の固定手段によってホルダ４とコアユニット２及び連結用コア１０Ｂとを相互に固定する。これにより上記ステータ１が完成する。

図１１（ａ）、（ｂ）に示すようなステータ１およびその製造方法によれば、磁束の漏れを抑制するために各ティース部１２が拡幅部１２ａを有する場合でも、ステータ１を効率良く製造することが可能となる。

ところで、以上説明したステータ１やその製造方法は、本発明のステータおよびその製造方法の好ましい実施形態の例示であって、ステータ１の具体的な構成や具体的な製造方法は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ ステータ
２ コアユニット
４ ホルダ
５ コイル組立体
１０、１０Ａ 分割コア
１１ バックコア部
１２ ティース部
１４ ボビン
１６ 集中巻コイル
１７ 第１コイル
１８ 第２コイル

Claims (12)

1. ロータと共に回転電機を構成するステータであって、
   円環状を成し、周方向の複数の位置に各々内向きに延びるティースを備えかつ隣接するティースの間に、当該ティースの根本側から先端側に向かって狭くなるスロットが形成されたステータコアと、
   前記ティースに装着された複数の集中巻コイルと、を有し、
   前記集中巻コイルは、断面長方形の平角線がその短辺面を内径面として前記ティースに沿って巻回された第１コイルと、断面長方形の平角線がその長辺面を内径面として、かつ前記ティースの先端側よりも根本側の巻き数が多くなるように前記第１コイルに沿ってその外周面上に巻回された第２コイルと、を含むことを特徴とする回転電機のステータ。
2. 請求項１に記載のステータにおいて、
   前記第１コイルは、前記ティースに沿って前記平角線が立て添え巻きされた単層のコイルである、ことを特徴とする回転電機のステータ。
3. 請求項１又は２に記載のステータにおいて、
   前記第１コイルおよび前記第２コイルは、長手方向に亘って断面形状および断面積が同一の一本の平角線により連続して形成されている、ことを特徴とする回転電機のステータ。
4. 請求項１又は２に記載のステータにおいて、
   前記第１コイルおよび前記第２コイルは、互いに断面積が異なる平角線により形成されたものであって、線長が等しくかつ互いに並列に接続されている、ことを特徴とする回転電機のステータ。
5. 請求項１又は２に記載のステータにおいて、
   当該ステータは、三相回転電機のステータであって、かつ前記第１コイルおよび前記第２コイルが互いに断面積が異なる平角線により形成されたものであり、
   同一相に属する複数の集中巻コイルは、特定の複数の集中巻コイルの第２コイル同士が直列に接続されることにより形成された一乃至複数のコイル群を含み、
   前記同一相に属する複数の集中巻コイルの各第１コイルと前記コイル群は、互いに並列に接続され、かつ前記コイル群に属する第２コイルの総線長と各第１コイルの線長とが等しい、ことを特徴とする回転電機のステータ。
6. 請求項１又は２に記載のステータにおいて、
   当該ステータは、三相回転電機のステータであって、かつ前記第１コイルおよび前記第２コイルが互いに断面積が異なる平角線により形成されたものであり、
   同一相に属する複数の集中巻コイルは、特定の複数の集中巻コイルの第１コイル同士が直列に接続されることにより形成された一乃至複数の第１コイル群と、特定の複数の集中巻コイルの第２コイル同士が直列に接続されることにより形成された一乃至複数の第２コイル群とを有し、
   前記各コイル群は、互いに並列に接続され、かつ当該コイル群各々に属するコイルの総線長が等しい、ことを特徴とする回転電機のステータ。
7. 請求項５又は６に記載のステータにおいて、
   直列に接続された複数の第１コイル又は直列に接続された複数の第２コイルの少なくとも一方は、前記ティースの根本側および先端側を接続位置として、隣接するコイル同士が交互に異なる接続位置で接続されている、ことを特徴とする回転電機のステータ。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のステータにおいて、
   隣接するティースの中間地点とステータ中心とを結んだ直線であって前記スロットを周方向に分割する直線を、当該スロットの両側に位置する集中巻コイルの占有可能領域の境界線と定義したときに、
   前記ティースは、その根本側から先端側に亘って断面形状および断面積が同一の柱状に形成され、
   隣接するティースの先端同士を結んだ直線と前記境界線との交点から前記ティースの側面と平行に前記スロット内底面に降ろした直線と、前記スロット内底面と、前記境界線とにより形成される三角形であって前記境界線を斜辺とする直角三角形の隣辺の寸法をＭ、対辺の寸法をＬと定義したときに、
   前記第２コイルを形成する前記平角線の断面の長辺寸法ｍおよび短辺寸法ｌは以下の関係式を満たす、ことを特徴とする回転電機のステータ。
   ｍ：ｌ＝Ｍ／ｎ：Ｌ （ｎは１以上の自然数）
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のステータの製造方法であって、
   前記ステータコアとは別に、前記集中巻コイルを個別に形成するコイル形成工程と、
   前記コイル形成工程で形成された前記集中巻コイルを前記ティースに装着する組付工程と、を含む、ことを特徴とするステータの製造方法。
10. 請求項９に記載のステータの製造方法であって、
    前記ティースを各々備え、連結されることにより前記ステータコアを形成する分割コアを予め形成しておき、
    前記組付工程では、前記集中巻コイルを前記分割コアのティースに装着し、前記集中巻コイルが各々装着された複数の分割コアを円環状に連結する、ことを特徴とするステータの製造方法。
11. 請求項１０に記載のステータの製造方法であって、
    先端に拡幅部を有する前記ティースを各々備えた柱状の前記分割コアと、複数の当該分割コアをそれらの間に介在して連結する連結コアとを予め形成しておき、
    前記組立工程では、前記分割コアを、前記拡幅部とは反対側から前記集中巻コイルの内側に挿入することにより前記ティースに前記集中巻コイルを装着し、前記ティースに前記集中巻コイルが各々装着された複数の分割コアを前記連結コアにより円環状に連結する、ことを特徴とするステータの製造方法。
12. 請求項９乃至１１の何れか一項に記載のステータの製造方法において、
    前記コイル形成工程では、前記ティースに嵌合可能な筒状を成しかつ電気絶縁材料から形成された絶縁パーツの外周面上に前記集中巻コイルが形成されたコイル組立体を予め形成し、
    前記組付工程では、前記コイル組立体を各ティースに装着する、ことを特徴とするステータの製造方法。

Images