JP2018153040A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルを多層化した場合のコイルエンド寸法の小型化を実現する。【解決手段】第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５で形成されたターミナルコイル部は、径方向においてセグメントコイル３のコイルエンドの外径側または内径側、もしくはその両方に配置されており、コイルエンドにおけるセグメントコイル３の径方向の合計層数と軸方向において同じ層数である。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機に関する。

本技術分野の背景技術として、下記特許文献１がある。特許文献１には、製造コストを低減するとともに、コイルエンド部分の容積を低減して小型化を図ることができる回転電機のステータが開示されている。具体的には、回転電機のステータ１は、内周面に複数のスロット１１が形成された筒状のステータコア１０と、スロット１１に収容される複数のコイルセグメント２１と、ステータコア１０の端面のいずれか一方においてコイルセグメント２１と電気的に接続される複数の第１コイルエンドプレート２２，２３，２４と、ステータコア１０の端面のいずれか他方においてコイルセグメント２１と電気的に接続される複数の第２コイルエンドプレート２５，２６，２７と、を備え、複数の第１コイルエンドプレート２２，２３，２４のうちの少なくとも１つが、プレート部２４ａが他のプレート部２２ａ，２３ａよりも長く形成され、かつ、プレート部２４ａが折り曲げられて形成された段付部２４ａ１を有している。

特許第５８７５８８６号

特許文献１は、コイルセグメントとコイルエンドプレートを電気的に接続することで、コイルエンド寸法の小型化を図っている。しかし、コイルエンドプレートを１層毎に積み重ねる構造であるため、ステータコイルを多層化した場合、コイルエンド寸法の小型化は困難である。

本発明による回転電機は、複数のスロットを有するステータコアと、前記ステータコアの前記スロットにそれぞれ収納される複数のセグメントコイルとを備えたステータを有するものであって、前記ステータは、径方向において、前記セグメントコイルのコイルエンドの側部に配置されたターミナルコイル部を有し、前記ターミナルコイル部は、前記コイルエンドにおける前記セグメントコイルの径方向の層数と軸方向において同じ層数であって、かつ、径方向において複数層となる複数のターミナルコイルによって形成される。

本発明によれば、ステータコイルを多層化した場合のコイルエンド寸法の小型化が可能である。

本発明の一実施形態に係る回転電機の全体構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る回転電機におけるステータの斜視図である。 同ステータの分解状態を説明する斜視図である。 同ステータにおける結線盤の透視状態を説明する斜視図である。 同ステータにおける結線盤の透視状態を説明する側面図である。 同ステータにおける結線盤の透視状態を説明する正面図である。 第１ターミナルコイルを説明する正面図である。 第１ターミナルコイルを説明する側面図である。 第２ターミナルコイルを説明する正面図である。 第２ターミナルコイルを説明する側面図である。 セグメントコイルを説明する斜視図である。 第１ターミナルコイルとセグメントコイルを接続した状態を説明する斜視図である。 第２ターミナルコイルとセグメントコイルを接続した状態を説明する斜視図である。 第１ターミナルコイルとセグメントコイル、および第２ターミナルコイルとセグメントコイルをそれぞれ接続した状態を説明する斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る回転電機におけるコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転電機におけるコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転電機におけるコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。 本発明の第４の実施形態に係る回転電機におけるモールド前のコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。 本発明の第４の実施形態に係る回転電機におけるモールド後のコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
本実施の形態に係る回転電機は、自動車の駆動源となる主機駆動用の発電電動機や、電動パワーステアリングやエアコンコンプレッサなどを駆動する補機駆動用の電動機などに適用できる。以下、電動パワーステアリングを駆動する補機駆動用の電動機として構成される回転電機を例に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機１０の全体構成を示す模式図である。図１では、回転電機１０の一部分を断面とすることで、回転電機１０の内部を示している。回転電機１０は、図１に示すように、ケース２０の内部に配設される。回転電機１０は、円筒状のハウジング１１２と、ハウジング１１２に固定されてステータコア２を有するステータ１００と、ステータコア２の内周側において、ステータコア２に対して隙間を介して回転可能に配置されるロータ１５０と、を備えている。ロータ１５０は、ロータコア１５２と、ロータコア１５２に形成された磁石挿入孔に保持されている永久磁石１５４と、を有している。

回転電機１０は、たとえば、永久磁石内蔵型の三相同期モータである。回転電機１０は、ステータコア２に巻回されるステータコイル１２０に三相交流電流が供給されることで、ロータ１５０を回転させる電動機として作動する。つまり、回転電機１０は、電気エネルギーに基づいて回転トルクを発生する。

ハウジング１１２に固定されたステータ１００は、ハウジング１１２に設けられたフランジ１１５がボルト２２によりケース２０に締結されることで、ケース２０内に固定保持されている。ロータ１５０は、ケース２０の軸受け２４Ａ，２４Ｂにより支承されるシャフト１１８に固定されており、ステータコア２の内側において回転可能に保持されている。回転電機１０の駆動力は、シャフト１１８に取り付けられるプーリ（不図示）を介して、不図示の電動パワーステアリングシステムの駆動機構に伝達される。

図２は、本発明の一実施形態に係る回転電機１０におけるステータ１００の斜視図である。図２に示すように、ステータ１００は、結線盤１と、珪素鋼板を積層して形成した円筒状のステータコア２と、エナメル皮膜等で絶縁被覆された導体からなり、ステータコア２が有する複数のスロットにそれぞれ収納された複数のセグメントコイル３とを備える。結線盤１は、エナメル皮膜等で絶縁被覆された導体からなる複数の第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５を有しており、セグメントコイル３と接続される。

図２のステータ１００において、ステータコア２の各スロットには、セグメントコイル３が４層分重ねて収納されている。以下では、この４層のセグメントコイル３を内径側（ロータ１５０側）から順に、第１レイヤー、第２レイヤー、第３レイヤー、第４レイヤーと称する。第１ターミナルコイル４は、各スロットの第１レイヤーのセグメントコイル３と、別のスロットの第２レイヤーのセグメントコイル３とをそれぞれ接続している。第２ターミナルコイル５は、各スロットの第３レイヤーのセグメントコイル３と、別のスロットの第４レイヤーのセグメントコイル３とをそれぞれ接続している。こうしてステータコア２の各スロットにそれぞれ収納された複数のセグメントコイル３が第１ターミナルコイル４または第２ターミナルコイル５とそれぞれ接続されることで、分布巻きによるステータコイル１２０（図１参照）が形成される。なお、ここではステータコイル１２０が４層巻きコイルである場合の例を説明したが、他の層数であっても、セグメントコイル３と接続されるターミナルコイルの数を層数に応じて変化させることで、同様にステータコイル１２０を形成することが可能である。

図３は、ステータ１００の分解状態を説明する斜視図である。ステータコア２が有する複数のスロットに４層のセグメントコイル３をそれぞれ挿入し、さらに結線盤１を軸方向でセグメントコイル３に対向させて配置した状態で、双方を電気的に接続することにより、ステータ１００が構成される。

図４、図５、図６はそれぞれ、ステータ１００における結線盤１の透視状態を説明する斜視図、側面図、正面図である。これらの図では、結線盤１の透視状態として、結線盤１の第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５を除いた部分の図示を省略することで、ステータ１００における第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５の配置を分かりやすく示している。図３、図４、図５に示すように、ステータ１００の軸方向の端部では、第１ターミナルコイル４の軸方向上層に、第２ターミナルコイル５が配置されている。なお、ステータコア２の各スロットに収納されるセグメントコイル３をさらに多層化することで、前述のようにその層数に応じてターミナルコイルの数がこれより増加した場合は、増加分のターミナルコイルを軸方向にさらに積み重ねることで対応可能である。

図７、図８はそれぞれ、第１ターミナルコイル４を説明する正面図、側面図である。図７に示すように、第１ターミナルコイル４は、中央部に形成された折り返し部４ｄを起点として両側にそれぞれ開脚された外径側開脚部４ｃ、４ｅと、外径側開脚部４ｃ、４ｅからそれぞれ折り曲げられた直線部４ｂ、４ｆと、直線部４ｂ、４ｆから同じ向きにそれぞれ折り曲げられた接続端部４ａ、４ｇとを有している。

第１ターミナルコイル４がステータコア２のスロットに収納された第１レイヤーおよび第２レイヤーのセグメントコイル３に接続されると、この状態において、第１ターミナルコイル４の外径側開脚部４ｃ、４ｅは、これらのセグメントコイル３よりもステータ１００の外径側に、周方向に沿って開脚した状態で配置される。また、直線部４ｂ、４ｆは、ステータコア２のスロットの側部において、外径側開脚部４ｃ、４ｅから接続端部４ａ、４ｇへ向かう方向がステータ１００の外径側から内径側に向かう方向となるように、ステータ１００の径方向に沿った向きで配置される。接続端部４ａ、４ｇは、直線部４ｂ、４ｆからステータ１００の円周方向に沿って同じ向きに曲げられた状態となるように配置され、セグメントコイル３にそれぞれ接続される。

ここで図８に示すように、折り返し部４ｄでは、第１レイヤーから第２レイヤーへの移行を可能にするため、第１ターミナルコイル４が軸方向に折り曲げられている。すなわち、折り返し部４ｄは、第１レイヤーから第２レイヤーへの移行時に他のターミナルコイルの導体１本分のずれを吸収し、ターミナルコイル同士の干渉を防止する機能を有する。ただし、ターミナルコイル同士が干渉しない条件であれば、導体１本分以上ずれていても問題ないことはもちろんである。

図９、図１０はそれぞれ、第２ターミナルコイル５を説明する正面図、側面図である。図９に示すように、第２ターミナルコイル５は、中央部に形成された折り返し部５ｄを起点として両側にそれぞれ開脚された外径側開脚部５ｃ、５ｅと、外径側開脚部５ｃ、５ｅからそれぞれ折り曲げられた直線部５ｂ、５ｆと、直線部５ｂ、５ｆから同じ向きにそれぞれ折り曲げられた接続端部５ａ、５ｇとを有している。図９に示すように、直線部５ｂ、５ｆの長さは、図７、図８に示した第１ターミナルコイル４の直線部４ｂ、４ｃよりも、それぞれ導体２本分だけ短い。これ以外の点では、第２ターミナルコイル５における各部の構造や、第２ターミナルコイル５がステータコア２のスロットに収納された第３レイヤーおよび第４レイヤーのセグメントコイル３に接続されたときの各部の配置は、第１ターミナルコイル４の各部とそれぞれ同様である。

図１１は、セグメントコイル３を説明する斜視図である。図１１に示すように、セグメントコイル３は、Ｕ字形状に折り曲げて形成され、その両端にターミナルコイルとの接続端部３ａ、３ｂが形成される。接続端部３ａ、３ｂには切り欠きがあり、Ｌ字形状の構造を有する。ここで、接続端部３ａと接続端部３ｂは、第１ターミナルコイル４または第２ターミナルコイル５と接続するために、ステータコア２のスロットに収納されたときに軸方向の位置が導体１本分だけずれるように形成されている。なお、ターミナルコイルの折り返し形状に合わせて、接続端部３ａと接続端部３ｂが導体１本分以上ずれていても問題ないことはもちろんである。

図１２は、第１ターミナルコイル４とセグメントコイル３を接続した状態を説明する斜視図である。第１ターミナルコイル４の両端すなわち接続端部４ａ、４ｇ（図７参照）は、ステータコア２の円周方向に複数のスロット、具体的には６つのスロットを跨いで、セグメントコイル３と接続されている。こうして第１ターミナルコイル４を用いることにより、ステータコア２において第１レイヤーのセグメントコイル３と第２レイヤーのセグメントコイル３を接続する際に、周方向に６スロット分の移行が可能となる。すなわち、第１ターミナルコイル４を介して第１レイヤーのセグメントコイル３と第２レイヤーのセグメントコイル３を接続すると、これらのセグメントコイル３がそれぞれ収納された２つのスロットの間には、４つのスロットが存在することになる。なお、第１ターミナルコイル４がセグメントコイル３と接続される際に跨ぐスロット数は６つに限らず、任意のスロット数とすることができる。第１ターミナルコイル４が跨ぐスロット数を１つ、すなわち隣接するスロットのセグメントコイル３同士を第１ターミナルコイル４が接続してもよい。

また、図１１で説明したように、セグメントコイル３の各接続端部３ａ、３ｂがＬ字形状となっていることから、図１２において、第１ターミナルコイル４の両端に形成された接続端部４ａ、４ｇを周方向と軸方向にそれぞれ位置決めすることが可能であり、組み立てが容易となる。

図１３は、第２ターミナルコイル５とセグメントコイル３を接続した状態を説明する斜視図である。図１２で説明したのと同様に、第２ターミナルコイル５の両端すなわち接続端部５ａ、５ｇ（図９参照）は、ステータコア２の円周方向に複数のスロット、具体的には６つのスロットを跨いで、セグメントコイル３と接続されている。こうして第２ターミナルコイル５を用いることにより、ステータコア２において第３レイヤーのセグメントコイル３と第４レイヤーのセグメントコイル３を接続する際に、周方向に６スロット分の移行が可能となる。なお、第１ターミナルコイル４と同様に、第２ターミナルコイル５がセグメントコイル３と接続される際に跨ぐスロット数は６つに限らず、任意のスロット数とすることができる。また、セグメントコイル３の各接続端部３ａ、３ｂがＬ字形状となっていることから、第２ターミナルコイル５の両端に形成された接続端部５ａ、５ｇを周方向と軸方向にそれぞれ位置決めすることが可能であり、組み立てが容易となる。

図１４は、第１ターミナルコイル４とセグメントコイル３、および第２ターミナルコイル５とセグメントコイル３をそれぞれ接続した状態を説明する斜視図である。図１４に示すように、第１ターミナルコイル４の軸方向上層に、積み重ねるように第２ターミナルコイル５が配置される。このため、これらのターミナルコイルの各直線部、すなわち第１ターミナルコイル４の直線部４ｂ、４ｆ（図７参照）および第２ターミナルコイル５の直線部５ｂ、５ｆ（図９参照）が、ステータコア２の軸方向に積み重なって配置される。また、これらのターミナルコイルの各接続端部、すなわち第１ターミナルコイル４の接続端部４ａ、４ｇ（図７参照）および第２ターミナルコイル５の接続端部５ａ、５ｇ（図９参照）は、いずれもステータコア２の円周方向に同じ向きに曲げられてセグメントコイル３とそれぞれ接続されている。

以上説明した第１ターミナルコイル４、第２ターミナルコイル５およびセグメントコイル３の配置状態および接続状態により、ステータコア２の互いに隣接するスロット間で対応するターミナルコイル同士の間に、一定の隙間Ｇを確保することができる。すなわち、任意のスロットに対応して積層された第１ターミナルコイル４の接続端部４ａ、４ｇ（図７参照）および第２ターミナルコイル５の接続端部５ａ、５ｇ（図９参照）と、当該スロットに隣接したスロットに対応して積層された第１ターミナルコイル４の接続端部４ａ、４ｇおよび第２ターミナルコイル５の接続端部５ａ、５ｇとの間は、少なくとも一定の隙間Ｇ以上離れている。これにより、セグメントコイル３の接続端部３ａ、３ｂと、第１ターミナルコイル４の接続端部４ａ、４ｇまたは第２ターミナルコイル５の接続端部５ａ、５ｇとを溶接治具でクランプし、これらを溶接で接続することが可能となる。また、これらの接続端部が径方向に階段状に複数層をなして配置されているため、溶接のトーチを近づけることが容易となる。

図１５は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機におけるコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。図１５では、第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５とセグメントコイル３との接続状態を示している。図１５に示すように、ステータコア２のスロットに収納された４層のセグメントコイル３の各コイルエンドは、ステータコア２から軸方向にそれぞれ異なる高さで突出しており、ステータコア２の径方向すなわち図の左右方向において、これらのコイルエンドの側部（外径側）に第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５が配置されている。また、第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５の各端部（接続端部４ａ、４ｂおよび接続端部５ａ、５ｂ）は、ステータコア２の軸方向すなわち図の上下方向において、異なる位置に積層された状態で、セグメントコイル３にそれぞれ接続されている。これらにより、セグメントコイル３のコイルエンドの側部に第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５が配置され、コイルエンドにおけるセグメントコイル３の径方向の層数と、第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５の軸方向の層数とが、同じであることが分かる。

（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、セグメントコイル３の両端にコイルエンドを設けて第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５をそれぞれ接続した場合の例を説明する。

図１６は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機におけるコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。図１６では、セグメントコイル３を直線状の導体片とし、図２、３で説明した結線盤１を２個使用して、この直線状のセグメントコイル３の両端に第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５を接続した状態を示している。これにより、図１１で示したＵ字形状のセグメントコイル３を使用しなくても、分布巻きによるステータコイル１２０を形成することが可能である。

（第３の実施形態）
次に本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では、第１ターミナルコイル４をコイルエンドの内径側に配置した場合の例を説明する。

図１７は、本発明の第３の実施形態に係る回転電機におけるコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。図１７では、セグメントコイル３のコイルエンドの外径側に第２ターミナルコイル５を配置し、内径側に第１ターミナルコイル４を配置して、それぞれをセグメントコイル３と接続した状態を示している。このように、コイルエンドの内径側にもターミナルコイルを配置することで、コイルエンド寸法をさらに小型化することが可能である。なお、第１ターミナルコイル４だけでなく、第２ターミナルコイル５もコイルエンドの内径側に配置することで、全てのターミナルコイルを内径側に配置するようにしてもよい。すなわち、第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５は、ステータコア２の径方向において、セグメントコイル３のコイルエンドの外径側または内径側、もしくはその両方に配置することが可能である。

（第４の実施形態）
次に本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態では、ターミナルコイルとセグメントコイル３を接続した後、コイルエンドを樹脂等でモールドした場合の例を説明する。

図１８は、本発明の第４の実施形態に係る回転電機におけるモールド前のコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。図１８では、第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５を保持部材６で固定した状態を示している。保持部材６は、たとえば樹脂など、第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５を一定の位置関係で保持することが可能であり、かつ十分な強度を有する部材で構成される。この保持部材６と第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５とにより、本実施形態の結線盤１が形成される。

図１９は、本発明の第４の実施形態に係る回転電機におけるモールド後のコイルエンドの接続状態を説明する断面概略図である。図１９では、図１８に示した結線盤１をセグメントコイル３のコイルエンドに配置して、セグメントコイル３と第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５とを接続し、その接続部分の周囲をモールド部材７で固定した状態を示している。モールド部材７は、たとえば樹脂など、セグメントコイル３と第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５との接続部分に密着して成形可能であり、かつ十分な強度を有する部材で構成される。これにより、コイルエンド全体を固定すると共に、接続部分の絶縁を確保することが可能である。

以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）回転電機１０は、複数のスロットを有するステータコア２と、ステータコア２のスロットにそれぞれ収納される複数のセグメントコイル３とを備えたステータ１００を有する。ステータ１００は、径方向において、セグメントコイル３のコイルエンドの側部に配置されたターミナルコイル部を有する。このターミナルコイル部は、コイルエンドにおけるセグメントコイル３の径方向の層数と軸方向において同じ層数であって、かつ、径方向において複数層となる複数のターミナルコイル、すなわち第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５によって形成される。このようにしたので、ステータコイルを多層化した場合のコイルエンド寸法の小型化が可能である。

（２）第１ターミナルコイル４および第２ターミナルコイル５で形成されたターミナルコイル部は、径方向においてセグメントコイル３のコイルエンドの外径側または内径側、もしくはその両方に配置されており、コイルエンドにおけるセグメントコイル３の径方向の合計層数と軸方向において同じ層数である。このようにしたので、多層化されたセグメントコイル３をターミナルコイル部でそれぞれ接続しつつ、ターミナルコイル部によってコイルエンド寸法が増大するのを抑止することが可能である。

（３）ターミナルコイル部の両端、すなわち第１ターミナルコイル４の接続端部４ａ、４ｇおよび第２ターミナルコイル５の接続端部５ａ、５ｇは、円周方向に同じ向きで曲げられてセグメントコイル３と接続されている。このようにしたので、ターミナルコイル部とセグメントコイル３を接続する際の作業性を向上することが可能である。

（４）ターミナルコイル部の両端、すなわち第１ターミナルコイル４の接続端部４ａ、４ｇおよび第２ターミナルコイル５の接続端部５ａ、５ｇは、円周方向に１つまたは複数のスロットを跨いでセグメントコイル３と接続されている。このようにしたので、ターミナルコイル部とセグメントコイル３を用いて、分布巻きによるステータコイル１２０を形成することが可能である。

なお、以上説明した各実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１ 結線盤
２ ステータコア
３ セグメントコイル
４ 第１ターミナルコイル
５ 第２ターミナルコイル
６ 保持部材
７ モールド部材
１０ 回転電機
１００ ステータ
１２０ ステータコイル
１５０ ロータ
１５２ ロータコア

Claims (4)

1. 複数のスロットを有するステータコアと、前記ステータコアの前記スロットにそれぞれ収納される複数のセグメントコイルとを備えたステータを有する回転電機であって、
   前記ステータは、径方向において、前記セグメントコイルのコイルエンドの側部に配置されたターミナルコイル部を有し、
   前記ターミナルコイル部は、前記コイルエンドにおける前記セグメントコイルの径方向の層数と軸方向において同じ層数であって、かつ、径方向において複数層となる複数のターミナルコイルによって形成される回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ターミナルコイル部は、径方向において、前記セグメントコイルのコイルエンドの外径側または内径側、もしくはその両方に配置され、
   前記ターミナルコイル部は、前記コイルエンドにおける前記セグメントコイルの径方向の合計層数と軸方向において同じ層数である回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記ターミナルコイル部の両端は、円周方向に同じ向きで曲げられて前記セグメントコイルと接続されている回転電機。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の回転電機において、
   前記ターミナルコイル部の両端は、円周方向に１つまたは複数の前記スロットを跨いで前記セグメントコイルと接続されている回転電機。

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