JP2019103298A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化、低消費電力化が可能な回転電機を提供する。【解決手段】回転電機は、ロータと、平板円環形状で内周側に複数のティースを備えるヨークと、前記ティースに配置される複数の単位コイルと、を備えるステータと、を備え、前記単位コイルは、前記単位コイルを構成する導電線の端部の構成が異なる第1単位コイル、第2単位コイル、及び第3単位コイルにより構成され、前記ステータの回転方向にコイルA〜Dを配置した場合に、前記コイルA及び前記コイルCは第1単位コイルにより構成され、前記コイルBは第2単位コイルで構成され、前記コイルDは第3単位コイルで構成されており、前記第1単位コイルは前記ステータの外周側に始点の端部を備え、且つ、内周側に終点の端部を備え、前記第2単位コイル及び第3単位コイルはステータの外周側に終点の端部を備え、且つ、内周側に始点の端部を備えるように配置されている。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。
回転電機のステータコアに設けられたティースに、平角線を集中巻した単位コイルを挿入してステータを作成する際に、単位コイル間、電源線と単位コイル間、中性点とコイル間を配線により接続する。これらの接続を効率的に行わないと、接続のためのスペースが大きくなり、回転電機の小型化に反し、接続抵抗が高くなって消費電力が大きくなる等の弊害が生じる。
特開2013−165566号公報
実施形態は、上記課題に鑑みたものであり、小型化、低消費電力化が可能な回転電機を提供する。
実施形態に係る回転電機は、ロータと、平板円環形状で内周側に複数のティースを備えるヨークと、前記ティースに配置される複数の単位コイルと、を備えるステータと、を備え、前記単位コイルは、前記単位コイルを構成する導電線の端部の構成が異なる第1単位コイル、第2単位コイル、及び第3単位コイルにより構成され、前記ステータの回転方向にコイルA〜Dを配置した場合に、前記コイルA及び前記コイルCは第1単位コイルにより構成され、前記コイルBは第2単位コイルで構成され、前記コイルDは第3単位コイルで構成されており、前記第1単位コイルは前記ステータの外周側に始点の端部を備え、且つ、内周側に終点の端部を備え、前記第2単位コイル及び第3単位コイルはステータの外周側に終点の端部を備え、且つ、内周側に始点の端部を備えるように配置されている。
実施形態に係る回転電機のステータの概略構成を示す正面図 ステータの接続略図 ステータの接続略図 第1及び第3単位コイルの概略構成を示す正面図 第1及び第3単位コイルの概略構成を示す側面図 第2単位コイルの概略構成を示す正面図 第2単位コイルの概略構成を示す側面図 第3単位コイルの概略構成を示す正面図 第3単位コイルの概略構成を示す側面図 図1の部分拡大図 ステータの斜視図
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。実施形態の説明において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図1は、実施形態に係る回転電機1のステータの概略構成を示す正面図であり、図2及び図3は回転電機1における電気的な接続の概略的に示す接続略図である。なお、図3はステータの内側より見た展開図であり、図中の矢印は電流の方向を示す。
図4及び図5は実施形態に係る回転電機1におけるステータ12の内周側に設けられた複数のティース11に配置可能な第1単位コイル31の概略構成を示す正面図及び側面図である。図6及び図7は実施形態に係る回転電機1におけるステータ12の内周側に設けられた複数のティース11に配置可能な第2単位コイル32の概略構成を示す正面図及び側面図である。図8及び図9は実施形態に係る回転電機1におけるステータ12の内周側に設けられた複数のティース11に配置可能な第3単位コイル33の概略構成を示す正面図及び側面図である。
図10は図1の部分拡大図であり、コイルU11、U12、U13、U14が設けられる領域を拡大して、各コイルUを接続する渡り線20の接続状態をわかりやすくするための図である。以下の説明で、コイルU11〜U14、U21〜U24をまとめてコイルUと、コイルV11〜V14、V21〜V24をまとめてコイルVと、コイルW11〜W14、W21〜W24をまとめてコイルWと称することがある。図11はステータ12の斜視図であり、図10にて拡大して示す部分を立体的に示す図である。
実施形態に係る回転電機1は、図1に示すように、ロータ16およびステータ12を備えている。回転電機1は、例えばインナーロータ型であり、円筒状のステータ12の内部にロータ16を備えている。回転電機1は、例えば同期電動機である。
ロータ16は円柱状に形成されている。ロータ16は、同一円周上に等角ピッチで配列された例えば8つの磁石挿入穴13を備えている。磁石挿入穴13はロータ16を積層方向に貫通するように形成されている。磁石挿入穴13のそれぞれには永久磁石14が挿入されている。
ステータ12は、ヨーク10、ティース11、及びティース11に装着された成形コイル30を備えている。ヨーク10は、例えばケイ素鋼板などにより構成された平板円環形状の電磁鋼板の積層体によって形成されている。ステータ12は、所定のギャップを介してロータ16の周りを囲むようにして配設されている。ヨーク10および複数のティース11は、例えばケイ素鋼板などの電磁鋼板の積層体によって形成されている。
ヨーク10の外形は、円筒状に形成されている。複数のティース11は、ヨーク10の内周部から径方向内周側に向かって突出しており、周方向に所定間隔を離間して配置されている。複数のティース11のうち周方向で隣り合うティース11の間には、外周方向に延びる凹部であるスロット22が形成されている。複数の成形コイル30は、複数のティース11に巻回するように装着されている。図1においては、24個のティース11及び24個の成形コイル30が設けられている。各成形コイル30は渡り線20(201〜218)により接続されている。
ここで、図1に示すように、ステータ12の内周部に設けられたティース11には、U端子に接続されたコイルU、V端子に接続されたコイルV、及びW端子に接続されたコイルW、すなわち、コイルU11、U12、U13、U14、コイルW11、W12、W13、W14、コイルV11、V12、V13、V14、コイルU21、U22、U23、U24、コイルW21、W22、W23、W24、コイルV21、V22、V23、V24がこの順番で反時計回りに配列されて挿入されている。これらコイルU、コイルV、コイルWは、図2、及び図3に示すようにダブルスター結線されており、コイルU14、コイルV14及びコイルW14は中性点N1を介して接続されており、コイルU24、コイルV24及びコイルW24は中性点N2を介して接続されている。コイルU11及びU21はU端子に、コイルW11及びW21はW端子に、コイルV11及びV21はV端子に接続されている。コイルU、V、Wの各電源端子のぞれぞれはU相端子50、V相端子51、W相端子52に接続されている。
図4及び図5は第1単位コイル31を示す図であり、図4は図5の矢視方向から見た図である。図6及び図7は第2単位コイル32を示す図であり、図6は図7の矢視方向から見た図である。図8及び図9は第3単位コイル33を示す図であり、図8は図9の矢視方向から見た図である。
図4、図6、図8のいずれにおいても、各コイルの巻回の始点である第1端部361、362、363を図面左側に配置し、始点側から右手方向に向かって左巻きとなるように巻回しながら、すなわち反時計回りに巻回しながら前方に進むように導電線を巻回し、図面右側において終点である第2端部381、382、383が配置されるようにレイアウトされて構成されている。
図4に示す第1単位コイル31を例示して詳しく説明すると、導電線は、第1端部361が図面左上に位置した所から奥方向に延伸し、その後、下方向に屈曲した後、下方向に延伸し、下部において手前方向に延伸した後、上方向に屈曲し、やや右にずれて上方向斜め右に延伸した後に、第1端部361の右側を通過して、紙面奥方向に屈曲する。なお、コイルがステータ12に備えられて動作する際に、始点は電流の入り口に該当し、終点は電流の出口に該当する。
また、図5、図7、図9のいずれにおいても、コイルの巻回の始点である第1端部361、362、363を図面左側に配置し、始点側から右手方向に向かって左巻きとなるように巻回し、図面左側において終点である第2端部381、382、383が配置されるようにレイアウトされている。
第1単位コイル31、第2単位コイル32及び第3単位コイル33は上述したように導電線を巻回してなる成形コイル30であり、ティース11に嵌め込まれてステータ12を構成する。上述のコイルU、コイルV、コイルWは、第1単位コイル31、第2単位コイル32及び第3単位コイル33を組み合わせて構成されている。第1単位コイル31、第2単位コイル32及び第3単位コイル33はそれぞれ異なる構造を備えている。以下の説明で、それぞれのコイルを構成する導電線が巻回している部分を巻回部311、321、331と称する。
コイルを構成する導電線はいわゆる平角線で構成されており、各成形コイル31、32、33は、平角線をエッジワイズ巻きすることにより構成されている。コイルは平角線のエッジ側すなわち短辺側の方向に、1層に左巻きに巻回されることにより構成されている。
エッジワイズ巻のコイルを用いることにより、コイルの占積率を増やすことができるため、設置機器や装備の小型化や性能向上を図ることができる。また、コイルの断面積を増やすことができるため、放熱性に優れるとともに電流低減することができる。また、コイルの折り返し部分を少なくできるため、高周波数を維持でき、機器の性能向上を図ることができる。以下の説明では、各成形コイル31、32、33は図4、図6、図8において左から右方向に向かって左巻きに巻回したもの、すなわち、反時計回り方向に巻回しながら前方に進むように巻回したものを例示している。
まず、第1単位コイル31について説明する。第1単位コイル31は、図4及び図5に示すように、導体線を、図4において右方向に向かって左巻きに巻回したもの、図5において紙面奥方向から紙面手前方向に向かって左巻きに巻回したものである。
巻回の始点は第1端部361であり、終点は第2端部381である。始点である第1端部361は図4における巻回部311の左上部において手前方向に直線的に引き出されたところで終端している。図5においては巻回部311の左上部から左方向に直線的に延伸して引き出された状態で第1端部361となって終端している。
終点である第2端部381は図4における巻回部311の右下部において手前方向に直線的に引き出されたところで終端している。図5においては巻回部311の左下部から左方向に直線的に延伸して引き出された状態で終端している。第1単位コイル31は、その端部である第1端部361及び第2端部381が巻回部311の正面において対角線の位置にあり、同一方向すなわち図4において手前方向に直線的に延伸して終端している。始点である第1端部361と終点である第2端部381は対角線の位置に配置されている。
次に、第2単位コイル32について説明する。第2単位コイル32は、図6及び図7に示すように、導体線を、左巻きに巻回したものである。巻回の始点は第1端部362であり、終点は第2端部382である。
始点である第1端部362は、図6において巻回部321の左上部において巻回部321から手前方向にやや引き出されたところで下方向に屈曲し、その後やや左方向に屈曲して延伸したところすなわち左下部で第1端部362となって終端している。図7においては、第1端部362は巻回部321の左上部において巻回部321から左方向にやや引き出されたところで下方向に屈曲し、その後直線的に延伸したところで第1端部362となって終端している。
終点である第2端部382は、図6において巻回部321の右下部において巻回部321から手前方向にやや引き出されたところで上方向に屈曲し、その後やや左方向に屈曲したところで第2端部382となって終端している。図7においては、第2端部382は巻回部321の左下部において巻回部321から左方向にやや引き出されたところで上方向に屈曲し、その後直線的に延伸したところで第1端部362となって終端している。始点である第1端部362と終点である第2端部382は対角線の位置に配置されている。
次に、第3単位コイル33について説明する。第3単位コイル33は、図8及び図9に示すように、導体線を左巻きに巻回したものである。巻回の始点は第1端部363であり、終点は第2端部383である。
始点である第1端部363は、図8において巻回部331の左上部において巻回部331から手前方向にやや引き出されたところで下方向に屈曲し、その後やや左方向に屈曲して延伸したところで第1端部363となって終端している。図9においては、第1端部363は巻回部331の左上部において左方向にやや引き出されたところで下方向に屈曲し、その後直線的に延伸したところで第1端部363となって終端している。
終点である第2端部383は図8において巻回部331の右下部に存し、巻回部331の右下部から直線的に手前方向にやや引き出されたところで第2端部383となって終端している。図9においては、巻回部331左下部からやや左方向に直線的に引き出されたところで第2端部383となって終端している。第3単位コイル33は、その終端である第1端部363及び第2端部383の一方、この場合第2端部383が手前方向に直線的に延伸して終端し、他方、この場合第1端部363が一方の直角方向に指向して延伸している。
次に、ステータ12は、上述した第1単位コイル31、第2単位コイル32、第3単位コイル33を用いて構成される。ここで、図1、図10及び図11を参照して、コイルU、V、Wのうち、コイルUを例示して説明する。
コイルU11は第1単位コイル31により構成される。コイルU11は、図4に示す第1単位コイル31の右方向が、ステータ12の内周方向に向かって指向するように配置される。コイルU12は第2単位コイル32により構成される。コイルU12は、図6に示す第2単位コイル32の左方向が、ステータ12の内周方向に向かって指向するように配置される。コイルU13は第1単位コイル31により構成される。コイルU13は、図4に示す第1単位コイル31の右方向が、ステータ12の内周方向に向かって指向するように配置される。コイルU14は第3単位コイル33により構成される。コイルU14は、図8に示す第3単位コイル33の左方向が、ステータ12の内周方向に向かって指向するように配置される。
言い換えると、図4及び図5に示す第1単位コイル31の始点である第1端部361と、終点である第2端部381は対角線位置に位置し、図4において手前方向、図5において左方向、すなわち同一方向に引き出されている。
図6及び図7に示す第2単位コイル32の始点である第1端部362と、終点である第2端部382は、第1単位コイル31とは異なる対角線位置に位置し、図6において上下逆方向、図7において左右逆方向、すなわち相互に異なる方向に引き出されており、さらに第1単位コイル31の第1端部361及び第2端部381と直行する方向に引き出されている。
図8及び図9に示す第3単位コイル33については以下の構成となっている。第3単位コイル33の始点である第1端部363は、第2単位コイル32の第1端部362と同じ位置、同じ引き出し方向となるように構成されている。第3単位コイル33の終点である第2端部383は、第1単位コイル31の第2端部381と同じ位置、同じ引き出し方向となるように構成されている。
こうすることで、コイルU12の第2単位コイル32の第1端部362が、隣接するコイルU11の第2端部381との接続位置に配置され、渡り線201を構成する。コイルU12の第2端部382は、隣接するコイルU13の第1端部361と接続可能な位置に配置され、渡り線202を構成する。コイルU14の第2単位コイル32の第1端部363が、隣接するコイルU13の第2端部381との接続位置に配置され、渡り線203を構成する。
この時、隣接するコイルU11とU12間で第2端部381と第1端部362が構成する渡り線201は、ステータ12の内周側に配置される。隣接するコイルU12とU13間で第2端部382と第1端部361が構成する渡り線202は、ステータ12の外周側に配置される。隣接するコイルU13とU14間で第2端部381と第1端部363が構成する渡り線203は、ステータ12の内周側に配置される。
なお、コイルU11及びU21の第1端部361にはU相端子50が接続される。コイルV11及びV21の第1端部361にはV相端子51が接続される。コイルW11及びW21の第1端部361にはW相端子52が接続される。コイルU14、W14、V14の第2端部383には中性点N1が接続され、コイルU24、W24、V24の第2端部383には中性点N2が接続される。なお、中性点N1、N2は図2の接続略図では「点」として表現されるが、実際には、図1に示すように配線として構成されている。
上記に説明したコイルU11〜コイルU14と同様の構成、及び配置位置で、コイルW11〜W14、コイルV11〜V14、コイルU21〜U24、コイルW21〜W24、コイルV21〜V24が構成されている。
コイルU11及びU21、コイルV11及びV21、コイルW11及びW21の始点である第1端部361、362、363、364は、それぞれU相端子50、V端子51、W端子52に接続される。従って、コイルU、V、WのそれぞれとU端子50、V端子51、W端子52とは、ステータ12の外周側において接続する。また、コイルW11及びコイルV21と中性点N1と、及び、コイルU24及びコイルW24と中性点N2とを、ステータ12の外周側において接続する。
実施形態に係る回転電機1によれば以下の効果を得る。
ステータ12において、コイルU11〜コイルU14、コイルW11〜W14、コイルV11〜V14、コイルU21〜U24、コイルW21〜W24、コイルV21〜V24は隣接して配置されており、上記の順番で配置されている。ティース11に挿入される単位コイルの巻方向は同じ巻方向であり、実施形態においては左巻きの例を示している。また、配置される単位コイルは、第1単位コイル31、第2単位コイル32、第3単位コイル33の3種類である。第1単位コイル31は、図4において、第1端部361が左上に配置され、第2端部381が右下に配置される。第2単位コイル32は図6において、第1端部362が左下に配置され、第2端部382が右上に配置される。第3単位コイル33は図8において、第1端部363が左下に配置され、第2端部383が右下に配置される。第1単位コイル31はコイルU11、U21、V11、V21、W11、W21、U13、U23、V13、V23、W13及びW23に用いられ、第2単位コイル32はコイルU12、U22、V12、V22、W12及びW22に用いられ、第3単位コイル33は、コイルU14、U24、V14、V24、W14及びW24に用いられる。
渡り線20について、コイルU11〜14について例示すれば、コイルU11の第2端部381とコイルU12の第1端部362で渡り線201が構成され、コイルU12の第2端部382とコイルU13の第1端部361で渡り線202が構成され、コイルU13の第2端部381とコイルU14の第1端部363で渡り線203が構成される。第1端部361はU端子からの接続線が接続する。第2端部383には中性点N1が接続される。第1端部361、及び第2端部383はステータ12の外周側に配置される。
この構成により、隣接するコイル間を接続するための端子が近接して配置可能となるため、端子間を接続する渡り線20を短く構成することが可能となる。この構成によれば、ステータ12の巻線抵抗を低くすることが可能となるため、回転電機1の発熱、消費電力を低減することが可能となる。
また、中性点N1、N2をステータ12の外周側に配置可能となるため、コイル間を接続する配線の自由度が向上する。これにより、コイル間の接続設計が容易となり、最短距離で効率的に配線可能となる。
また、ステータ12に用いられる単位コイルは、第1単位コイル31、第2単位コイル32、及び第3単位コイル33の3種類で構成可能であるため、部品点数が少なくてよい。また、いわゆる逆巻はなく巻方向を全て同一とすることができるため、巻線装置などの構成を簡素化できる。これにより、回転電機1の製造を容易にし、コストを削減可能となる。
以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…回転電機、10…ヨーク、11…ティース、12…ステータ、16…ロータ、20、201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、216、217、218…渡り線、30…成形コイル、31…第1単位コイル、311、321、331…巻回部、32…第2単位コイル、33…第3単位コイル、361、362、363…第1端部、381、362、363…第2端部、U、V、W、U11、U12、U13、U14、V11、V12、V13、V14、W11、W12、W13、W14、U21、U22、U23、U24、V21、V22、V23、V24、W21、W22、W23、W24…コイル、N1、N2…中性点

Claims (6)

  1. ロータと、
    平板円環形状で内周側に複数のティースを備えるヨークと、前記ティースに配置される複数の単位コイルと、を備えるステータと、を備え、
    前記単位コイルは、前記単位コイルを構成する導電線の端部の構成が異なる第1単位コイル、第2単位コイル、及び第3単位コイルにより構成され、
    前記ステータの回転方向にコイルA、コイルB、コイルC、コイルDを配置した場合に、
    前記コイルA及び前記コイルCは第1単位コイルにより構成され、前記コイルBは第2単位コイルで構成され、前記コイルDは第3単位コイルで構成されており、
    前記第1単位コイルは前記ステータの外周側に始点の端部を備え、且つ、内周側に終点の端部を備え、前記第2単位コイル及び第3単位コイルはステータの外周側に終点の端部を備え、且つ、内周側に始点の端部を備えるように配置された回転電機。
  2. 前記第1コイルの始点と終点の端部は、同一方向に引き出されており、
    前記第2コイルの始点と終点の端部は、前記第1コイルの端部に対して直行方向に引き出されており、
    前記第3コイルの始点の端部は、前記第2コイルの始点の端部と同じ方向に引き出されており、前記第3コイルの終点の端部は、前記第1コイルの終点の端部と同じ方向に引き出されている請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記コイルAの終点の端部と、前記コイルBの始点の端部は前記ステータの内周側で相互を接続する渡り線を構成し、
    前記コイルBの終点の端部と、前記コイルCの始点の端部は前記ステータの外周側で相互を接続する渡り線を構成し、
    前記コイルCの終点の端部と、前記コイルDの始点の端部は前記ステータの内周側で相互を接続する渡り線を構成する、請求項1又は2に記載の回転電機。
  4. 複数の前記成形コイルは、二つの中性点を備えてダブルスター結線されており、前記中性点は、前記U相を構成するコイルAの始点の端部、前記V相を構成するコイルDの終点の端部、及び前記W相を構成するコイルDの終点の端部に接続されることにより前記ステータの外周側に配置されている請求項1から3の何れか一項に記載の回転電機。
  5. 前記U、V、W相を構成するコイルのそれぞれは、3種類の前記単位コイルにより構成されている請求項1から4の何れか一項に記載の回転電機。
  6. 前記単位コイルを構成する導電線は、平角線により構成されている請求項1から5の何れか一項に記載の回転電機。
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