JP2017184559A - ステータ - Google Patents

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Abstract

【課題】コイルのターン数が増えても、たくさんの型を準備する必要がないステータをを提供すること。
【解決手段】内部にロータが収容され、回転方向に交互に形成された複数のティースおよび複数のスロットを有するステータコアと、複数のスロットに所定のピッチで波巻き状に巻回されたコイルと、を備え、コイルは、平角線が松葉形状に折り曲げられた折曲部131A、およびスロットに挿入される一対の脚部131B1、131B2を有する複数の松葉コイルセグメント131と、複数の松葉コイルセグメント131の挿入面側とは反対側の面に突出した複数の脚部131B1、131B2のうち、隣り合う脚部131B1、131B2同士を溶接した溶接部とを備え、松葉コイルセグメント131の折曲部131Aの折曲角度θが、コイルのターン数によらず一定とされている。
【選択図】図9

Description

本発明は、ステータに関する。
従来、回転電機の固定子(ステータともいう)に対してコイルの巻線を波巻きすることが知られている。
波巻きにおいては、平角線の中央部を松葉形状に折り曲げた松葉形状の松葉コイルセグメントの両端を固定子の一対のスロットの挿入側から挿入し、スロットの反挿入側から突出した巻線セグメントの一端と、当該一対のスロットに対し、回転方向に所定ピッチ離間したスロットの反挿入側から突出した他の巻線セグメントの他端とを溶接している(例えば、特許文献1参照)。
このような松葉コイルセグメントを利用した波巻きコイルは、ステータコアのスロットに挿入面から一度に複数の松葉コイルを挿入し、反対側で溶接により固定することができるため、大量生産に適した巻線方式である。
特開2014−90546号公報
しかしながら、松葉コイルセグメントを利用した波巻きコイルでは、コイルエンド高さを一定にする必要があるため、ステータコアの内周側と外周側では形状が大きく異なり、形状に応じた型が必要であり、特にコイルのターン数が増えるほど、たくさんの型を準備しなければならないという課題がある。
本発明の目的は、コイルのターン数が増えても、型の増加を抑えることのできるステータを提供することにある。
本発明のステータは、内部にロータが収容され、回転方向に交互に形成された複数のティースおよび複数のスロットを有するステータコアと、前記複数のスロットに所定のピッチで波巻き状に巻回されたコイルと、を備え、前記コイルは、平角線が松葉形状に折り曲げられた折曲部、および前記スロットに挿入される一対の脚部を有する複数の松葉コイルセグメントと、前記複数のスロットに前記複数の松葉コイルセグメントの脚部が挿入された状態で、前記複数の松葉コイルセグメントの挿入面側とは反対側の面に突出した前記複数の脚部のうち、隣り合う脚部同士を溶接した溶接部とを備え、前記松葉コイルセグメントの折曲部の折曲角度が、前記スロットのレイヤーの配置位置によらず一定とされていることを特徴とする。
本発明では、前記松葉コイルセグメントの頂部の折曲角度が、125°±15°の範囲に設定されているのが好ましい。
本発明では、前記松葉コイルセグメントは、前記コイルのレイヤーに応じて、前記脚部の長さ寸法が異なることが好ましい。
本発明では、前記コイルのレイヤーの内周に配置される松葉コイルセグメントから、外周に配置される松葉コイルセグメントになるにしたがって、それぞれの脚部長さ寸法がしだいに大きくなるのが好ましい。
本発明では、前記溶接部は、前記コイルに給電する給電部の接続部が形成された面とは、反対側の面に形成されているのが好ましい。
本発明によれば、松葉コイルセグメントの中央部の頂部の折曲角度が、スロットのレイヤーの配置位置によらず一定とされていることにより、ベンダーやプレスで折り曲げる際の型を少なくすることができる。
本発明の実施形態に係る回転電動機の構造を表す斜視図。 本発明の実施形態に係る回転電動機の構造を表す斜視図。 前記実施形態における三相交流回路を表す回路図。 前記実施形態における給電部が接続される入口の配置を表す模式図。 前記実施形態における連続コイルを表す斜視図。 前記実施形態におけるコイルの製造方法を表す斜視図。 前記実施形態における4ターンのコイルを表す斜視図。 前記実施形態における8ターンのコイルを表す斜視図。 前記実施形態における松葉コイルセグメントを表す正面図。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1および図2は、本実施形態に係る回転電機10のステータ11を示す斜視図である。
[1]回転電機10の概略説明
図1および図2において、回転電機10は、例えば図示しない建設機械の上部旋回体を下部走行体に対して旋回駆動する3相(U相、V相、W相)8極の交流型の永久磁石同期モータとして構成される。回転電機10は、円筒状のステータ11と、ステータ11の内部に回転自在に収容されるロータとを備える。
ステータ11は、複数の円環状の電磁鋼板を積層して構成されるステータコア12と、ステータコア12に波巻き状に巻回される平角線により形成された3相分のコイル13U、13V、13Wとを備える。3相8極を有する本実施形態において、ステータコア12にはそれぞれ、48個のティース14およびスロット15が周方向(回転電機10での回転方向に同じ)に等間隔で交互に形成されている。
図3には、コイル13U、13V、13Wを組み合わせて構成される三相交流回路が示されており、コイル13Uは、並列接続されるコイルU1、U2を備え、コイル13Vは、並列接続されるコイルV1、V2を備え、コイル13Wは、並列接続されるコイルW1、W2を備える。三相交流回路は、コイル13U、13V、13Wを、中性点N1、N2で接続したダブルスター結線が採用されている。
コイル13U、13V、13Wの中性点は、図1および図2に示されるように、最内周に第1の中性点N1が配置され、最内周から2番目に第2の中性点N2が配置され、それぞれ独立に配置されている。これにより、中性点N1、N2が同じ内周位置で重ならないので、コイルエンドが高くなることはない。なお、本発明はこれに限らず、中性点N1およびN2を短絡させて共通としてもよい。
また、図2に示されるように、本実施形態の説明では、スロット15の番号を順に括弧書きにて、(1)…(48)として示すこととする。以下の説明においても、同様である。
図2において、コイル13VのコイルV1の端部は外部電源の給電部に接続され、(48)番のスロット15の最外周のレイヤーとされ、コイルV2の端末も、外部電源の給電部とされ、(13)番のスロット15の最外周から2番目のレイヤーである。
コイル13U、13V、13Wにおける給電部の位置は、図4に示される位置に設定されている。コイル13Vにおいて、コイルV1における給電部LV1の位置は(48)番のスロット15であり、コイルV2における給電部LV2の位置は(13)番のスロット15である。
コイル13Uにおいて、コイルU1における給電部LU1の位置は(4)番のスロット15であり、コイルU2における給電部LU2の位置は(17)番のスロット15である。
コイル13Wにおいて、コイルW1における給電部LW1の位置は(8)番のスロット15であり、コイルW2における給電部LW2の位置は(21)番のスロット15である。
コイル13U、13V、13Wにおける給電部LU1〜LW2の位置は、ステータコア12のスロット15の数をNsとし、回転電機10の極数をNpとすると、2Ns/Np+1スロット分離れている。本実施形態では、スロット15の数が48であり、ロータの極数が8極なので、2×48/8+1=13スロット毎に給電部LU1〜LW2が接続される。
[2]コイル13U、13V、13Wの構造
次に、コイル13U、13V、13Wの具体的な構造について、代表してU相のコイル13Uを以下に説明する。図5は、2周分を1ターンとする連続コイル13である。
連続コイル13は、平角線を松葉状に折り曲げた松葉コイルセグメント131を、ステータコア12内で円周方向に複数組み合わせて構成される。1周目のコイルCAの終端と、2周目のコイルCBの始端との間は、サブコイルセグメント132によって連結される。
松葉コイルセグメント131の松葉の頂点側の折曲部は、周方向に延びて松葉の頂点部で隣のレイヤーにシフトする。松葉コイルセグメント131は、周方向に斜めに延びているので、1ピッチずれた松葉コイルセグメント131とは、上下に重なって延びることができる。隣のレイヤーにシフトする頂点も1ピッチずれているので、干渉することがなく、上下が入れ替わる交差がなされる。隣接する脚部間の溶接位置で前述とは逆のレイヤーにシフトする。ここでも1ピッチずれた松葉コイルセグメント131と上下が入れ替わる。
このようなコイルCA、CBは、図6に示されるように、松葉コイルセグメント131をスロット15に挿入し、ステータコア12のスロットを有する面とは反対側の面である下面側で突出した隣接する松葉コイルセグメント131の脚部間を溶接接合することにより、形成することができる。
松葉コイルセグメント131は、両脚部が、スロット15が6ピッチずれた位置に挿入、例えば、一方の脚部が(1)番目のスロット15に差し込まれれば、他方の脚部は(7)番のスロット15に挿入される。
ステータコア12のスロット15の数をNs、回転電機10の極数をNpとすると、ピッチずれは、Ns/Npピッチとなっており、本実施形態では、スロット数が48、極数が8であるから、6ピッチずれた位置に松葉コイルセグメント131が挿入される。
一方、サブコイルセグメント132は、両脚部が5ピッチずれた位置に挿入され、一方が(1)番目のスロット15に挿入されれば、他方は(6)番のスロット15に挿入されることとなる。サブコイルセグメント132を使用することにより、2周目のコイルCBが挿入されるスロット15が、1周目のコイルCAが挿入されるスロット15に対して、1つずれた位置となる。
また、1周目の松葉コイルセグメント131の始端と、2周目の松葉コイルセグメント131の終端には、渡りコイルセグメント133が設けられる。
以下、図7および図8を参照して8ターンのコイルについて説明する。
図7には、2周4ターンのコイル13Aが示されている。コイル13Aは、前述した2周1ターンの連続コイル13(以下、C1、C2、C3、C4という)4個を径方向に配置して直列に接続し、図3で説明したU相コイルU1としている。
外側から同心状に配置される連続コイルC1、C2、C3、C4は、外側のコイルほど周方向寸法が大きくなる。コイル13Aと同様のコイルU2を45°回転させて組み合わせることにより、図8に示されるような8ターンのコイルとなる。なお、コイルU1は時計回りで巻回され、コイルU2は反時計回りで巻回されている。
連続コイルC1、C2、C3、C4の端部となる入口C1S、C2S、C3S、C4Sおよび出口C1G、C2G、C3G、C4Gは、コイル13Aの中心から外側に向かう一対の放射線上に配置される。連続コイルC1、C2、C3、C4の端部となる入口C1S、C2S、C3S、C4Sは、一方の放射線LL上に配置され、連続コイルC1、C2、C3、C4の端部となる出口C1G、C2G、C3G、C4Gは、他方の放射線LR上に配置される。
レイヤーは、最内周が1番目のレイヤーとされ、最外周が8番目のレイヤーとされる。
U相のコイルU1の連続コイルC1は、最内周から8番目のレイヤーの入口C1Sから、7番目のレイヤーの出口C1Gまで連続し、連続コイルC2は、6番目のレイヤーの入口C2Sから、5番目のレイヤーの出口C2Gまで連続する。連続コイルC3は、4番目のレイヤーの入口C3Sから、3番目のレイヤーの出口C3Gまで連続し、連続コイルC4は、2番目のレイヤーの入口C4Sから、1番目のレイヤーの出口C4Gまで連続する。
コイルU1は、7番目のレイヤーの出口C1Gと6番目のレイヤーの入口C2Sとを渡り線で連結し、5番目のレイヤーの出口C2Gと4番目のレイヤーの入口C3Sとを渡り線で連結し、3番目のレイヤーの出口C3Gと2番目のレイヤーの入口C4Sとを渡り線で連結することにより、形成される。
一方、U相のコイルU2の連続コイルC1は、最内周から7番目のレイヤーの入口C1Sから8番目のレイヤーの出口C1Gまで連続し、連続コイルC2は、5番目のレイヤーの入口C2Sから6番目のレイヤーの出口C2Gまで連続する。連続コイルC3は、3番目のレイヤーの入口C3Sから4番目のレイヤーの出口C3Gまで連続し、連続コイルC4は、1番目のレイヤーの入口C4Sから2番目のレイヤーの出口C4Gまで連続する。
コイルU2は、8番目のレイヤーの出口C1Gと5番目のレイヤーの入口C2Sとを渡り線で連結し、6番目のレイヤーの出口C2Gと3番目のレイヤーの入口C3Sとを渡り線で連結し、4番目のレイヤーの出口C3Gと1番目のレイヤーの入口C4Sとを渡り線で連結することにより、形成される。
これを、連続コイルをC1、C2、…、入口、出口のレイヤーをLA1、LA2、LA3、LA4…、連結部をLA3−LA2等で表現すると、図8に示される8ターンのコイルの入口、出口、連結部の位置は、下記表1のようになる。
Figure 2017184559
[3]松葉コイルセグメント131の形状
このような8ターンのコイル13Uを構成する松葉コイルセグメント131は、図9に示されるように、高さ寸法L1を有し、平角線の中央部を松葉形状に折り曲げて形成される。松葉コイルセグメント131は、折曲部131A、脚部131B1、131B2および溶接部131Cを備える。
折曲部131Aは、平角線を折曲角度θで折り曲げられて形成され、平角線同士が平行になるように、折曲部131Aの端部がさらに折曲られている。折曲角度θとしては、125°±15°の範囲に設定するのが好ましい。なお、折曲部131Aの折曲角度θは、コイル13Uの最外周のレイヤーから最内周のレイヤーまで、スロット15のレイヤーによらず、一定とされる。折曲部の折曲角度θを125°±15°の範囲とすることにより、コイルエンド高さを必要最小限に抑えることができ、加えて、コイルエンド高さを必要最小限とすることにより、コイル13Uのコイル長さを短くすることができるため、コイル13Uの銅量(平角線の材質)を少なくすることができ、コイル13Uの抵抗値を抑えることができる。
折曲角度θが、125°±15°よりも小さい場合、互いに周方向に隣り合う松葉コイルセグメント131の折曲部131A同士が接近しすぎて、絶縁距離が確保できない。
一方、折曲角度θが、125°±15°よりも大きい場合、絶縁距離は確保できるが、コイルエンド高さが大きくなってしまう。
松葉コイルセグメント131は、ステータコア12のスロット15の最外周に挿入される場合と、スロット15の最内周に挿入される場合では、同じスロット跨ぎ数であっても、内側に向かうにしたがって、脚部131B1、131B2間の周方向距離が短くなっていくため、折曲部131Aの角度を小さくしなければならないが、これを脚部131B1、131B2の長さで調整していく。
具体的には、脚部131B1、131B2は、互いに、平行に配置される長さ寸法L2の平角線から構成され、最外周レイヤーに配置される場合と、これよりも内側に配置される場合とでは、脚部131Bの長さ寸法L2を調整することにより、折曲角度θを一定としたことによる不整合を解消する。
溶接部131Cは、脚部131B1、131B2の端部を、外側に拡がるように折り曲げて形成される。溶接部131Cには、コイルを形成する際、互いに隣り合う溶接部131Cに溶接材料が施され、脚部131B1、131B2同士の間に溶接材料によって溶接部が構成される。
前述したサブコイルセグメント132、渡りコイルセグメント133も、松葉コイルセグメント131と同様に、折曲部131Aと同様の折曲角度θに設定される。
松葉コイルセグメント131、サブコイルセグメント132、および渡りコイルセグメント133の折曲部131Aの折曲角度θを統一すると、下記表2に示されるように、基本的には、8つの型で8ターンのコイル13Uを形成することができる。
Figure 2017184559
すなわち、図8に示されるような8ターンのコイル13Uを作製するには、複数のスロット15は、レイヤーLA1からレイヤーLA8に区画され、表1のように8番目のレイヤーLA8から7番目のレイヤーLA7に配置される連続コイルC1、6番目のレイヤーLA6から5番目のレイヤーLA5に配置される連続コイルC2、4番目のレイヤーLA4から3番目のレイヤーLA3に配置される連続コイルC3、および2番目のレイヤーLA2から1番目のレイヤーLA1に配置される連続コイルC4を構成する。
松葉コイルセグメント131は、それぞれ連続コイルC1、C2、C3、C4に応じて、折曲部131Aの異なる4種類の型が必要となる。サブコイルセグメント132についても同様に、折曲角度の異なる4種類の型が必要となる。
渡りコイルセグメント133は、表2に示されるように、レイヤーLA7からレイヤーLA6、レイヤーLA5からレイヤーLA4、レイヤーLA3からレイヤーLA2、レイヤーLA8からレイヤーLA5、レイヤーLA6からレイヤーLA3、およびレイヤーLA4からレイヤーLA1の6種類の型が必要となる。
本実施形態では、頂角がθとされたブロック状の型により、表1に示されるように、連続コイルC1用の8番目のレイヤーLA8から7番目のレイヤーLA7への松葉コイルセグメント131、および、連続コイルC3用のレイヤーLA4から3番目へのレイヤーLA3への松葉コイルセグメント131との2種類の松葉コイルセグメント131を加工する型と、連続コイルC2用の6番目のレイヤーLA6から5番目のレイヤーLA5への松葉コイルセグメント131、および、連続コイルC4用の2番目のレイヤーLA2から1番目のレイヤーLA1への松葉コイルセグメント131を加工する型との2種類の型で、松葉コイルセグメント131を成型できる。
渡りコイルセグメント133については、U1側は、レイヤーLA7からレイヤーLA6と、レイヤーLA3からレイヤーLA2との2種類の型を用い、レイヤーLA5からレイヤーLA4については、どちらかの型で成型し、脚部の長さを調整して対応する。
同様に、U2側についても、レイヤーLA8からレイヤーLA5と、レイヤーLA4からレイヤーLA1との2種類の型を用いて成型し、レイヤーLA6からLA3についてはどちらかの型を用いて成型し、脚部の長さを調整して対応する。
これによって、従来14種類の型が必要であったものが、8種類の型で済ませることができ、少ない型で2周8ターンのコイル13Uを形成できる。
このような松葉コイルセグメント131、サブコイルセグメント132、渡りコイルセグメント133により、2周8ターンのコイル13Bを、図8に示されるように、8ターンのコイル13Uに組み立てる。
すべての松葉コイルセグメント131、サブコイルセグメント132、渡りコイルセグメント133の頂部を治具で押さえつけ、複数のスロット15の全部に挿入する。
次に、松葉コイルセグメント131の挿入面とは反対側の面から突出した複数の脚部131B1、131B2の隣り合う脚部131B1、131B2の溶接部131C同士を溶接することにより、ステータ11を完成させる。
本実施形態では、コイル13Bを連結する溶接部が、ステータコア12における松葉コイルセグメント131の挿入面とは反対側の面に形成され、前述したように給電部LU1、LV1、LW1は、ステータコア12の松葉コイルセグメント131の挿入面側に形成されるため、溶接箇所同士で干渉することを防止して、コアエンド高さを抑えることができる。
10…回転電機、11…ステータ、12…ステータコア、13…連続コイル、131…松葉コイルセグメント、131A…折曲部、131B1、131B2…脚部、131C…溶接部、132…サブコイルセグメント、133…渡りコイルセグメント、13A…コイル、13B…コイル、13U…コイル、13V…コイル、13W…コイル、14…ティース、15…スロット、C1…連続コイル、C1G…出口、C1S…入口、C2…連続コイル、C2S…入口、CA…コイル、CB…コイル、L1…高さ寸法、L2…寸法、LA1…レイヤー、LA2…レイヤー、LA3…レイヤー、LA4…レイヤー、LA5…レイヤー、LA6…レイヤー、LA7…レイヤー、LA8…レイヤー、LL…放射線、LR…放射線、LU1…給電部、LU2…給電部、LV1…給電部、LV2…給電部、LW1…給電部、LW2…給電部、N1…第1の中性点、N2…第2の中性点、U1…コイル、U2…コイル、V1…コイル、V2…コイル、W1…コイル、W2…コイル、θ…折曲角度。

Claims (5)

  1. 内部にロータが収容され、回転方向に交互に形成された複数のティースおよび複数のスロットを有するステータコアと、
    前記複数のスロットに所定のピッチで波巻き状に巻回されたコイルと、を備え、
    前記コイルは、平角線が松葉形状に折り曲げられた折曲部、および前記スロットに挿入される一対の脚部を有する複数の松葉コイルセグメントと、前記複数のスロットに前記複数の松葉コイルセグメントの脚部が挿入された状態で、前記複数の松葉コイルセグメントの挿入面側とは反対側の面に突出した前記複数の脚部のうち、隣り合う脚部同士を溶接した溶接部とを備え、
    前記松葉コイルセグメントの折曲部の折曲角度が、前記スロットのレイヤーの配置位置によらず一定とされていることを特徴とするステータ。
  2. 請求項1に記載のステータにおいて、
    前記松葉コイルセグメントの折曲部の折曲角度が、125°±15°の範囲に設定されていることを特徴とするステータ。
  3. 請求項1または請求項2に記載のステータにおいて、
    前記松葉コイルセグメントは、前記コイルのレイヤーに応じて、前記脚部の長さ寸法が異なることを特徴とするステータ。
  4. 請求項3に記載のステータにおいて、
    前記コイルのレイヤーの内周に配置される松葉コイルセグメントから、外周に配置される松葉コイルセグメントになるにしたがって、それぞれの脚部の長さ寸法がしだいに大きくなることを特徴とするステータ。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のステータにおいて、
    前記溶接部は、前記コイルに給電する給電部の接続部が形成された面とは、反対側の面に形成されることを特徴とするステータ。
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