JP2019126173A - 回転電機ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機ステータにおいて、ステータコイルが２組のＹ結線された３相のコイル群を含む場合に、同相のコイル群と動力線との接続に必要な溶接点数を削減することである。【解決手段】回転電機ステータは、複数のティースを有するステータコアと、２組のＹ結線された３相のコイル群を含み、それぞれのコイル群が複数のティースに巻回されて直列接続された複数のコイルを有するステータコイルと、各組で各相のコイル群の端部に設けられ、ステータコアの軸方向外側で径方向外側に伸びるように引き出された引き出し線の接続端部に接続された電源側の動力線とを含む。同相のコイル群から引き出される２本の引き出し線のうち、少なくとも一方の引き出し線が、径方向外側端部で他方の引き出し線の接続端部に近づくように曲げられて、２本の引き出し線の接続端部が動力線に直接に溶接されている。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機ステータに関する。

従来から、電動モータ、発電機、またはこれらの両方の機能を有するモータジェネレータとして使用される回転電機が知られている。回転電機は、ステータの内側にロータを配置することにより構成する。ステータは、環状のヨークから径方向内側に伸びる複数のティースを有するステータコアと、ティースに巻回したステータコイルとを備える。例えば、ステータコイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のコイル群を有する。

特許文献１には、ステータコアにステータコイルを組み付けたステータが記載されている。ステータコイルは、最外周に配置された複数のコイルからステータコアの径方向外側に複数本の引き出し線を引き出している。

特開２０１７−１０８５０９号公報

特許文献１に記載されたステータにおいて、ステータコイルが、２組のＹ結線した３相のコイル群を含む場合が考えられる。この場合、３相のコイル群のそれぞれの一端は中性点バスバーで接続し、２つの同相のコイル群の他端は電源側の動力線の一端に接続する。このために、同相のコイル群の他端部に、ステータコアの径方向外側に引き出した２本の引き出し線が形成される。この場合には、同相の２本の引き出し線が互いに周方向に離れているので、周方向に伸びる金属部材を２本の引き出し線と動力線とで挟んで接続する。これにより、２本の引き出し線と金属部材との２つの溶接位置、及び動力線と金属部材との溶接位置の少なくとも３点を溶接する必要が生じる。

本発明の回転電機ステータの目的は、ステータコイルが２組のＹ結線された３相のコイル群を含む場合に、同相のコイル群と動力線との接続に必要な溶接点数を削減することにある。

本発明に係る回転電機ステータは、環状のヨークから径方向内側に伸びる複数のティースを有するステータコアと、２組のＹ結線された３相のコイル群を含み、それぞれの前記コイル群が前記複数のティースに巻回されて直列接続された複数のコイルを有するステータコイルと、各組で各相の前記コイル群の端部に設けられ、前記ステータコアの軸方向外側で径方向外側に伸びるように引き出された引き出し線の接続端部に接続された電源側の動力線と、を備え、同相の前記コイル群から引き出される２本の前記引き出し線のうち、少なくとも一方の前記引き出し線が、径方向外側端部で他方の前記引き出し線の前記接続端部に近づくように曲げられて、前記２本の引き出し線の前記接続端部が前記動力線に直接に溶接されている。

本発明に係る回転電機ステータによれば、ステータコイルが２組のＹ結線された３相のコイル群を含む場合に、同相のコイル群と動力線とで周方向に伸びる金属部材を挟む必要がなくなる。これにより、同相のコイル群と動力線との接続に必要な溶接部が、同相のコイル群から引き出される２本の引き出し線の接続端部と、動力線との溶接部だけになるので、溶接点数を削減できる。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、好ましくは、前記２本の引き出し線の前記接続端部がそれぞれ軸方向と平行に伸びており、前記動力線の軸方向と平行な一端部にそれぞれ溶接される。

上記の好ましい構成によれば、２本の引き出し線の接続端部と動力線の一端部との溶接部を軸方向に長くできるので、溶接強度を高くできる。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、好ましくは、前記２本の引き出し線は、径方向外側端部で軸方向と平行な方向に伸びるように曲げられることにより前記接続端部が形成されており、前記他方の引き出し線は、周方向において前記一方の引き出し線側には曲げられない。

上記の好ましい構成によれば、ステータコイルの引き出し線の加工時間を短くできる。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、好ましくは、前記２本の引き出し線は、径方向外側端部で軸方向と平行な方向に伸びるように曲げられることにより前記接続端部が形成されており、前記動力線の一端部外周面は多角形筒状に形成され、前記動力線の一端部外周面と前記２本の引き出し線の前記接続端部とが面接触した状態で、前記動力線と２本の前記接続端部とが溶接される。

上記の好ましい構成によれば、動力線と２本の引き出し線との溶接強度をさらに高くできる。

本発明の回転電機ステータによれば、ステータコイルが２組のＹ結線された３相のコイル群を含む場合に、同相のコイル群と動力線との接続に必要な溶接点数を削減できる。

本発明の実施形態の回転電機ステータの周方向一部を示す斜視図である。 回転電機ステータのステータコアのスロットにＵ字状のコイル線を挿入する状態を示す斜視図である。 回転電機ステータのステータコイルの各相コイル群が結線された状態を示す図である。 図１のＡ部を、一部を省略して異なる方向から見た拡大斜視図である。 比較例の回転電機ステータにおいて、一部を省略して２つのＵ相のコイル群の２本の引き出し線を、動力線に接続した状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態の別例の回転電機ステータにおける図４に対応する図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料、及び個数は、説明のための例示であって、回転電機ステータの仕様に応じて適宜変更することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

以下の図面及び実施形態の説明で、Ｒは、回転電機ステータの径方向を示し、θは、回転電機ステータの周方向を示し、Ｚは、回転電機ステータの軸方向を示す。Ｒ、Ｚ、及びθの接線方向は、互いに直交する。

図１は、実施形態の回転電機ステータ１０の周方向一部を示す斜視図である。以下では、回転電機ステータ１０はステータ１０と記載する。図１に示すように、ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコイル２０とを備える。

図２は、ステータコア１２のスロット１５にＵ字状のコイル線２６を挿入する状態を示す斜視図である。ステータコア１２は、環状の磁性体部品であり、例えば、複数の珪素鋼鈑（電磁鋼鈑）を軸方向Ｚに積層することにより構成される。ステータコアは、樹脂バインダと磁性材粉末を加圧成形することにより構成されてもよい。

ステータコア１２は、環状で外周側に配置されるヨーク１３と、ヨーク１３の内周面から径方向Ｒに伸びる複数のティース１４とを有する。複数のティース１４は、周方向θに互いに間隔をおいて配置される。隣り合う２つのティース１４の間には溝であるスロット１５が形成される。

図１に戻って、ステータコイル２０は、２組の３相ステータコイル２１，２２を含んでいる。第１組の３相ステータコイル２１は、螺旋状に延在するＵ，Ｖ，Ｗの３相のコイル群２３ｕ，２３ｖ，２３ｗを有する。第２組の３相ステータコイル２２は、螺旋状に延在するＵ，Ｖ，Ｗの３相のコイル群２４ｕ，２４ｖ，２４ｗを有する。Ｕ，Ｖ，Ｗの３相のコイル群２３ｕ，２４ｕ，２３ｖ、２４ｖ、２３ｗ、２３ｗのそれぞれは、スロット１５に挿通されながら、複数のティース１４（図２）を跨ぐように複数のティース１４に巻回される。以下では、第１組の３相のコイル群２３ｕ，２３ｖ、２３ｗを総称して、３相のコイル群２３と記載し、第２組の３相のコイル群２４ｕ，２４ｖ、２４ｗを総称して、３相のコイル群２４と記載する場合がある。なお、図１では、ステータコア１２の軸方向Ｚ他端（図１の上端）に、円環状のステータカフサ５０を配置している。ステータカフサ５０は、ステータコア１２の複数のティース１４に重なった複数の径方向Ｒの柱部５１を有し、複数の柱部５１の径方向Ｒ内端、径方向Ｒ外端がそれぞれ内側リング（図示せず）、外側リング５２で連結される。ステータでは、ステータカフサを省略してもよい。

Ｕ，Ｖ，Ｗの３相のコイル群２３，２４のそれぞれは、複数のセグメントコイル２５を直列に接続して形成される。各セグメントコイル２５は、図２に示す複数の略Ｕ字状のコイル線２６から形成される。

コイル線２６は、断面矩形の平角線である導体素線２７の長さ方向中間部を絶縁皮膜２８で覆い、その導体素線２７の両端部を絶縁皮膜２８から露出させ、Ｕ字形に形成される。図２では、２つのＵ字状のコイル線２６のみがスロット１５に挿入される場合を示しているが、他のコイル線についても同様である。

各セグメントコイル２５（図１）を形成する際には、径方向Ｒ（図１）に並んだ複数のコイル線２６が複数のティース１４の軸方向Ｚ一端面（図２の下端面）を跨いで、複数のティース１４の両側に位置する２つのスロット１５に複数のコイル線２６を挿入する。このとき、ステータコア１２の軸方向Ｚ他端面（図１の上端面）から、コイル線２６の一対の脚部の端部である突出部を突出させる。そして、複数のコイル線２６の突出部が周方向に曲げ加工された後、複数のコイル線２６がつながって螺旋を形成するように、径方向Ｒに重なったコイル線２６の突出部の先端部を、レーザ溶接等により溶接する。このとき、コイル線２６では、導体素線２７の露出した部分が溶接される。これにより、各セグメントコイル２５は、複数のティース１４に跨るように複数のティース１４に巻回される。また、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相のコイル群２３，２４のそれぞれは、複数のセグメントコイル２５の端部が連結されることにより円環状に形成される。

図３は、ステータコイル２０の各相コイル群２３，２４が結線された状態を示す図である。各組の３相ステータコイル２１，２２では、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相のそれぞれでセグメントコイル２５（図１）を電気的に直列に接続することで、それぞれの相のコイル群２３，２４が形成される。各相のコイル群２３，２４の一端は、中性点バスバーである中性点Ｃで接続されることでＹ結線される。中性点バスバーは、具体的な構造の図示を省略するが、例えばステータコア１２の外周側端部に配置される。図３では、２組の３相ステータコイル２１，２２が共通の中性点Ｃで接続された状態を示しているが、２組の３相ステータコイルが異なる中性点を持つ構成としてもよい。

さらに、図１に示すように、第１組の３相のコイル群２３のそれぞれの他端部には、第１組の引き出し線３０ｕ、３０ｖ、３０ｗが設けられる。第２組の３相のコイル群２４のそれぞれの他端部には、第２組の引き出し線３１ｕ、３１ｖ、３１ｗが設けられる。以下では、第１組の引き出し線３０ｕ，３０ｖ、３０ｗを総称して、３相の引き出し線３０と記載し、第２組の引き出し線３１ｕ，３１ｖ、３１ｗを総称して、３相の引き出し線３１と記載する場合がある。

各引き出し線３０，３１は、各相で各組のコイル群２３，２４の他端部においてステータコア１２の軸方向Ｚ他端（図１の上端）より外側に引き出された部分が、径方向Ｒ外側に伸びるように引き出されることにより形成される。各引き出し線３０，３１の径方向Ｒ外側端部に設けられた接続端部３２，３３には、電源側に接続された動力線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗの一端が接続される。動力線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗの一端は、円柱状に形成される。以下では、動力線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗを総称して動力線４０と記載する場合がある。各接続端部３２，３３は、各引き出し線３０，３１の径方向Ｒ外側端部に形成され、軸方向Ｚと平行な方向に伸びる部分である。

このとき、同相のコイル群２３，２４から引き出される２本の引き出し線３０，３１のうち、一方の引き出し線３０が、径方向外側端部で他方の引き出し線３１の接続端部３３に近づくように曲げられる。一方、同相のコイル群２３，２４から引き出される２本の引き出し線３０，３１のうち、他方の引き出し線３１は、周方向において同相の一方の引き出し線３０側には曲げられない。そして、同相の２本の引き出し線３０，３１の接続端部３２，３３が、動力線４０の軸方向Ｚと平行な円柱状の一端部に直接に溶接されている。

図４は、図１のＡ部を、一部を省略して異なる方向から見た拡大斜視図である。以下、Ｕ相のコイル群２３ｕ、２４ｕを基本的に説明する。２組のＵ相のコイル群２３ｕ、２４ｕの他端部に設けられた２本の引き出し線３０ｕ、３１ｕは、周方向θに隙間をあけて隣り合った状態で、ステータコア１２（図１）の軸方向他端より外側でステータコア１２の径方向Ｒ外側に向けて伸びている。２本の引き出し線３０ｕ、３１ｕの接続端部３２，３３は、軸方向Ｚと平行な方向に伸びている。２本の引き出し線３０ｕ、３１ｕの一方の引き出し線３０ｕは、他方の引き出し線３１ｕの接続端部３３と径方向Ｒにおける略同じ位置で、他方の引き出し線３１ｕの接続端部３３側である周方向一方側（図４の左下側）に略直角に曲げられて周方向θに伸びる。周方向θに伸びた一方の引き出し線３０ｕの一端部は、他方の引き出し線３１ｕの接続端部３３の近傍で、軸方向Ｚと平行な方向に向くように略直角に曲げられる。

そして、一方の引き出し線３０ｕの接続端部３２の平面状の側面３２ａと、他方の引き出し線３１ｕの接続端部３３の平面状の側面３３ａとが、略直角に配置される。これとともに、Ｕ相の動力線４０ｕの軸方向Ｚと平行な円柱状の一端部の外周面が、これらの平面状の側面３２ａ、３３ａとそれぞれ線接触する。この状態で、Ｕ相の２本の引き出し線３０ｕ、３１ｕの接続端部３２、３３とＵ相の動力線４０ｕの一端部とが、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接等により溶接される。このとき、２本の引き出し線３０ｕ、３１ｕの接続端部３２，３３の側面３２ａ、３３ａのそれぞれと、動力線４０ｕの一端部とを、図４の点Ｐ１，Ｐ２で示す２つの位置で溶接することができる。なお、図４にＱで示す枠で囲った１つの部分で、２つの引き出し線３０ｕ、３１ｕの接続端部３２，３３と動力線４０ｕとを溶接してもよい。上記では、Ｕ相の２本の引き出し線３０ｕ、３１ｕの接続部について説明したが、Ｖ相、Ｗ相の２本の引き出し線３０ｖ、３１ｖ、３０Ｗ，３１ｗ（図１）の接続部についても同様である。

上記のステータ１０によれば、ステータコイル２０が２組のＹ結線された３相のコイル群２３，２４を含む場合に、同相のコイル群２３，２４と動力線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗとで周方向θに伸びる金属部材を挟む必要がなくなる。これにより、同相のコイル群２３，２４と動力線４０との接続に必要な溶接部が、同相のコイル群２３，２４から引き出される２本の引き出し線３０，３１の接続端部３２，３３と、動力線４０との溶接部だけになる。このため、同相のコイル群２３，２４と動力線４０との接続に必要な溶接点数を、各相で２つまたは１つに削減できる。

また、同相の２本の引き出し線３０，３１の接続端部３２，３３がそれぞれ軸方向Ｚと平行に伸びており、動力線４０の軸方向Ｚと平行な一端部にそれぞれ溶接される。これにより、２本の引き出し線３０，３１の接続端部３２，３３と動力線４０の一端部との溶接部を軸方向Ｚに長くできるので、溶接強度を高くできる。

さらに、同相の２本の引き出し線３０，３１は、径方向Ｒ外側端部で軸方向Ｚと平行な方向に伸びるように曲げられることにより接続端部３２，３３を形成している。同相の２本の引き出し線３０，３１のうち、他方の引き出し線３１は、周方向θにおいて一方の引き出し線３０側には曲げられない。これにより、ステータコイル２０の引き出し線３０，３１の加工時間を短くできる。このため、ステータ１０の生産性、信頼性、及び製品価値の向上を図れる。

図５は、比較例のステータにおいて、一部を省略して２つのＵ相のコイル群３５ｕ、３６ｕの２本の引き出し線３７ｕ、３８ｕを、動力線４０ｕに接続した状態を示す斜視図である。比較例では、２つのＵ相のコイル群３５ｕ、３６ｕから引き出して周方向θに隣り合う２本の引き出し線３７ｕ、３８ｕがステータコア１２の軸方向Ｚ他端（図５の上端）より外側で径方向Ｒ外側に伸びている。そして、２本の引き出し線３７ｕ、３８ｕの径方向Ｒ外側に伸びた部分の径方向Ｒ外側端部で、軸方向Ｚに平行な方向に向くように略直角に曲げられることで、接続端部３９ａ、３９ｂが形成される。動力線４０ｕの軸方向Ｚに平行な一端部と、２本の引き出し線３７ｕ、３８ｕの接続端部３９ａ、３９ｂとで、周方向θに伸びる直方体状の金属部材４３を挟んでいる。

このような比較例では、２本の引き出し線３７ｕ、３８ｕと金属部材４３との２つの溶接位置（図５に一点鎖線Ｓ１，Ｓ２で囲った部分）、及び動力線４０ｕと金属部材４３との溶接位置（図５に一点鎖線Ｓ３で囲った部分）の少なくとも３点を溶接する必要が生じる。これにより、溶接作業が煩雑になり、かつ、溶接時間が長くなる。さらに、金属部材４３を必要とするので、部品点数が増えてコストが上昇する原因となる。上記の図１〜図４に示した実施形態によれば、このような不都合を解消できる。

図６は、実施形態の別例のステータにおける図４に対応する図である。図６に示す別例の構成では、動力線４１ｕは、一端部の円柱状部分に加工を施すことで、一端部外周面が、直角に隣接する２つの平面部４２ａ、４２ｂを持つ多角形筒状に形成される。動力線４１ｕの一端部の外周面における、隣接した２つの平面部４２ａ、４２ｂには、２本の引き出し線３０ｕ、３１ｕの接続端部３２，３３における平面状の側面３２ａ、３３ａが面接触する。この状態で、動力線４１ｕの一端部と２本の引き出し線３０ｕ、３１ｕの接続端部３２，３３とが溶接される。上記では、Ｕ相の引き出し線の接続部について説明したが、Ｖ相、Ｗ相についても同様である。これにより、動力線４１ｕの一端部と引き出し線３０ｕ、３１ｕの接続端部３２，３３との接触部が面接触状態となり、溶接強度をさらに高くできる。本例においてその他の構成及び作用は、図１から図４の実施形態と同様である。

なお、図示を省略するが、上記の各実施形態で、同相の２本の引き出し線の両方を周方向において互いに向き合う方向に略直角に曲げて、相手側の引き出し線の接続端部に近づける構成としてもよい。

また、上記では、ステータコイルは、複数のＵ字状のコイル線を曲げた後、接続してなる複数のセグメントコイルにより形成する場合を説明した。一方、ステータコイルが、複数の断面円形の丸線の導線を曲げ加工等することで、２組のＹ結線された３相のコイル群を含んで形成される場合に、本発明の構成を適用してもよい。

また、上記では、ステータコイルが、２組のＹ結線された３相のコイル群を含み、それぞれのコイル群が直列接続された複数のコイルを有する場合を説明した。一方、ステータコイルは、３組以上のｎ組のＹ結線された３相のコイル群を含み、それぞれのコイル群が直列接続された複数のコイルを有する構成としてもよい。この場合、同相のｎ本の引き出し線を１つに集中させるように、（ｎ−１）本の引き出し線が、１本の引き出し線の接続端部に近づくように曲げられてもよい。

１０ 回転電機ステータ（ステータ）、１２ ステータコア、１３ ヨーク、１４ ティース、１５ スロット、２０ ステータコイル、２１，２２ ３相ステータコイル、２３ｕ,２３ｖ,２３ｗ,２４ｕ,２４ｖ,２４ｗ コイル群、２５ セグメントコイル、２６ コイル線、２７ 導体素線、２８ 絶縁皮膜、３０ｕ,３０ｖ,３０ｗ,３１ｕ,３１ｖ,３１ｗ 引き出し線、３２，３３ 接続端部、３２ａ,３３ａ 側面、３５ｕ,３６ｕ コイル群、３７ｕ,３８ｕ 引き出し線、３９ａ,３９ｂ 接続端部、４０ｕ,４０ｖ,４０ｗ,４１ｕ 動力線、４２ａ,４２ｂ 平面部、４３ 金属部材、５０ ステータカフサ、５１ 柱部、５２ 外側リング。

Claims (1)

1. 環状のヨークから径方向内側に伸びる複数のティースを有するステータコアと、
   ２組のＹ結線された３相のコイル群を含み、それぞれの前記コイル群が前記複数のティースに巻回されて直列接続された複数のコイルを有するステータコイルと、
   各組で各相の前記コイル群の端部に設けられ、前記ステータコアの軸方向外側で径方向外側に伸びるように引き出された引き出し線の接続端部に接続された電源側の動力線と、を備え、
   同相の前記コイル群から引き出される２本の前記引き出し線のうち、少なくとも一方の前記引き出し線が、径方向外側端部で他方の前記引き出し線の前記接続端部に近づくように曲げられて、前記２本の引き出し線の前記接続端部が前記動力線に直接に溶接されている、
   回転電機ステータ。

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