JP2019193471A - 回転電機のステータ - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向の長さを短くすることが可能な回転電機のステータを提供する。【解決手段】少なくとも３種類の磁極を有して構成される回転電機のステータ１は、コイル２０を構成する導体３０が巻き付け可能なティース１１が周方向に沿って複数設けられた筒状のステータコア１０を備え、磁極の夫々は、複数のティース１１のうち、互いに隣接するティース１１に亘って導体３０が巻き付けられて構成され、互いに隣接するティース１１に巻き付けられる導体３０は巻き付け方向が互いに逆であり、磁極の夫々における、互いに隣接するティース１１の夫々から導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なるように形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、少なくとも３種類の磁極を有して構成される回転電機のステータに関する。

従来、回転電機が広く利用されてきた。この種の回転電機には永久磁石を有するロータと、コイルを有するステータとを備えて構成されるものがあり、これまでにステータに関する技術が検討されてきた（例えば特許文献１及び２）。

特許文献１に記載の技術は、薄板を積層した積層鉄心からなり、バックヨーク部と当該バックヨーク部から突出したティース部とを有する磁極片を複数個、備えた固定子（ステータ）に関するものである。この固定子では、フライヤを用いてティースに導体が巻き付けられる。磁極片は、第１及び第２の２個１組の磁極片と第３及び第４の２個１組の磁極片とを有する。第１及び第２の磁極片は、バックヨーク部の周方向端面同士が互いに隣接し、且つ、フライヤによる導体の巻き付けを行っていない磁極片に対して干渉しないように、ティース部同士がＶ字形を呈する様に配置されている。第３及び第４の磁極片は、バックヨーク部の周方向端面同士が互いに隣接し、且つ、フライヤによる導体の巻き付けを行っていない磁極片に対して干渉しないように、ティース部同士がＶ字形を呈する様に配置した後、第１の磁極片のティース部にフライヤにより導体を巻き付けている。

特許文献２には、同相を構成する第１−第４の巻線を一本の線材を連続して巻き付けて構成した回転電機に関して記載されている。この回転電機では、隣接する第１の巻線と第２の巻線とを互いに逆巻きに巻き付け、第１の巻線と第２の巻線とに対して周方向に離れた位置に配置されて隣接する第３の巻線と第４の巻線とを互いに逆巻きに巻き付け、一本の線材上で内側に位置する第２の巻線と第３の巻線との間を中性点としている。

特開２０１３−１４１４１２号公報 特開２０１４−１０８０２９号公報

特許文献１に記載の技術は、フライヤを用いて導体を巻き付けるため、線径の太い導体を巻き付ける場合には、当該線径が太い導体を巻き付けることが可能なフライヤを用意する必要がある。また、互いに異なるティースに巻き付けられた導体同士を繋ぐ導体（後述する「渡り線」に相当）がステータの軸方向一方側に集められることから、ステータの当該導体がステータの軸方向に沿って積層されることになり、線径の太い線材を用いた場合においてステータの軸方向長さが長くなる。また、ティースにおいて導体が巻き付けている方向と、ティースに巻き付けられた導体を他のティースに向けて引き出す引出方向とが互いに異なる場合があるので、導体の巻き付け作業が複雑になり、製造コスト（加工費用や製造装置の費用）が増大する可能性がある。

また、特許文献２に記載の技術は、中性点を有するスター結線の回転電機には適用できるが、中性点を有さないデルタ結線の回転電機は想定されていない。

そこで、軸方向の長さを短くすることが可能な回転電機のステータが求められる。

本発明に係る回転電機のステータの特徴構成は、少なくとも３種類の磁極を有して構成される回転電機のステータであって、コイルを構成する導体が巻き付け可能なティースが周方向に沿って複数設けられた筒状のステータコアを備え、前記磁極の夫々は、前記複数のティースのうち、互いに隣接するティースに亘って前記導体が巻き付けられて構成され、前記互いに隣接するティースに巻き付けられる前記導体は巻き付け方向が互いに逆であり、前記磁極の夫々における、前記互いに隣接するティースの夫々から前記導体が引き出される前記ステータコアの軸方向に沿った引出位置が互いに異なるように形成されている点にある。

このような特徴構成とすれば、磁極の夫々において、互いに隣接するティースに巻き付けられた導体同士を接続する部分（後述する「渡り線」に相当）を、ステータコアの軸方向の一方側及び他方側に分散させることができるので、渡り線の形成作業を容易にできる。更には、ステータコアの軸方向一方側にのみ、渡り線が積層されることを避けることができる。このため、仮に径が太い導体を用いた場合であってもステータコアの軸方向長さを短くすることができる。したがって、ステータコアの材料を削減できるので、製造コストを低減することが可能となる。

また、前記複数のティースのうちの所定の１つのティースから他のティースへの前記導体の前記引出位置は、前記１つのティースに巻き付けられた状態の前記導体の巻線の方向（接線の方向）と前記１つのティースから前記他のティースの方向に向かって前記導体を引っ張る方向とが一致する位置であると好適である。

このような構成とすれば、導体を巻き付ける際に、当該導体を支持するガイド部品が不要となる。したがって、製造コストを抑制できる。

また、前記導体は三相回転電機用のデルタ結線を構成していると好適である。

このような構成であれば、従来のステータコアよりも短い軸方向長さを有する、デルタ結線により構成されたステータコアのコイルを容易に形成することができる。

ステータの斜視図である。 ステータの軸方向視図である。 ティースに対する巻線の状態を模式的に示す図である。

本発明に係る回転電機のステータはコンパクトに（特に、軸方向長さが短くなるように）構成される。以下、本実施形態の回転電機のステータ（以下「ステータ」とする）１について説明する。ここで、回転電機とは、電動機及び発電機の総称である。このため、ステータ１は電動機及び発電機の双方に適用可能である。また、本ステータ１は、少なくとも３種類の磁極を有して構成される。３種類の磁極とは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる各相の磁極である。以下ではステータ１を三相電動機に適用した場合の例を挙げて説明する。

図１にはステータ１の斜視図が示され、図２にはステータコア１０の軸方向外側から見たステータ１が示される。本実施形態に係るステータ１は、ステータコア１０、コイル２０、導体３０、渡り線４０、給電線５０を備えて構成される。

ステータコア１０は、図１及び図２に示されるように筒状に形成される。特に本実施形態では、ステータコア１０は円筒状に形成され、電磁鋼板からなる複数の円環状の薄板を積層して構成される。ステータコア１０は、内周面から径方向内側に向って突出する複数のティース１１が周方向に沿って複数設けられる。「内周面から径方向内側に向って突出する」とは、円筒状のステータコア１０の内周面から当該ステータコア１０の軸心に向かって突出していることを意味する。ティース１１には、コイル２０を構成する導体３０が巻き付け可能である。

本実施形態では、ステータコア１０の周方向に沿って１２個のティース１１が設けられる。したがって、本実施形態のステータ１は、所謂「１０極１２スロット」の三相電動機に利用される。図２には、理解を容易にするために、夫々のティース１１に対して反時計回りに１１Ａから１１Ｌまで符号が付されている。

コイル２０は、複数のティース１１のうち互いに隣り合う２つのティース１１に同相の導体３０が巻き付けられて形成される。複数のティース１１とは、ステータコア１０に形成される１２個のティース１１である。互いに隣り合う２つのティース１１とは、例えば図２において、夫々、ティース１１Ａとティース１１Ｂ、ティース１１Ｃとティース１１Ｄ、ティース１１Ｅとティース１１Ｆ、ティース１１Ｇとティース１１Ｈ、ティース１１Ｉとティース１１Ｊ、ティース１１Ｋとティース１１Ｌにあたる。同相とは、三相電動機における三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のうちの同一の相である。図２には、理解を容易にするために、同一の相毎にティース１１が一点鎖線で囲まれる。導体３０とは、周囲が絶縁材料で被覆された導線である。コイル２０は、このような導体３０をＵ相毎、Ｖ相毎、及びＷ相毎にティース１１に巻き付けて形成される。これにより、磁極の夫々（すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）は、複数のティース１１のうち互いに隣接する２つのティース１１に亘って導体３０が巻き付けられて構成される。

図３には、理解を容易にするためにステータコア１０の軸心からステータコア１０の内周面を見た場合の展開図が示される。また、理解を容易にするために渡り線４０を各ティース１１に巻き付けている導体３０よりも太く示しているが、実際には同じ太さの導体で良い。更には、導体３０と渡り線４０とは１本の線材を用いて構成しても良い。

図３に示されるように、互いに隣接するティース１１に巻き付けられる導体３０は巻き付け方向が互いに逆になるように巻き付けられる。ティース１１Ａには当該ティース１１Ａをステータコア１０の軸心から径方向に沿って見て反時計周りに導体３０が巻き付けられ、ティース１１Ａに隣接するティース１１Ｂには時計回りに導体３０が巻き付けられる。ティース１１Ａに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向一端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｂに巻き付けられる。

また、ティース１１Ｂに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向他端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｇに巻き付けられる。ティース１１Ｇには当該ティース１１Ｇをステータコア１０の軸心から径方向に沿って見て反時計周りに導体３０が巻き付けられ、ティース１１Ｇに隣接するティース１１Ｈには時計回りに導体３０が巻き付けられる。ティース１１Ｇに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向一端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｈに巻き付けられる。したがって、ティース１１Ａに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｂに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｇに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｈに巻き付けられた導体３０とは直列に接続される。

また、ティース１１Ｃには当該ティース１１Ｃをステータコア１０の軸心から径方向に沿って見て反時計周りに導体３０が巻き付けられ、ティース１１Ｃに隣接するティース１１Ｄには時計回りに導体３０が巻き付けられる。ティース１１Ｃに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向一端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｄに巻き付けられる。

また、ティース１１Ｄに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向他端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｉに巻き付けられる。ティース１１Ｉには当該ティース１１Ｉをステータコア１０の軸心から径方向に沿って見て反時計周りに導体３０が巻き付けられ、ティース１１Ｉに隣接するティース１１Ｊには時計回りに導体３０が巻き付けられる。ティース１１Ｉに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向一端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｊに巻き付けられる。したがって、ティース１１Ｃに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｄに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｉに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｊに巻き付けられた導体３０とは直列に接続される。

更に、ティース１１Ｅには当該ティース１１Ｅをステータコア１０の軸心から径方向に沿って見て反時計周りに導体３０が巻き付けられ、ティース１１Ｅに隣接するティース１１Ｆには時計回りに導体３０が巻き付けられる。ティース１１Ｅに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向一端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｆに巻き付けられる。

また、ティース１１Ｆに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向他端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｋに巻き付けられる。ティース１１Ｋには当該ティース１１Ｋをステータコア１０の軸心から径方向に沿って見て反時計周りに導体３０が巻き付けられ、ティース１１Ｋに隣接するティース１１Ｌには時計回りに導体３０が巻き付けられる。ティース１１Ｋに巻き付けられた導体３０は、ステータコア１０の軸方向一端側に設けられた渡り線４０を介してティース１１Ｌに巻き付けられる。したがって、ティース１１Ｅに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｆに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｋに巻き付けられた導体３０とティース１１Ｌに巻き付けられた導体３０とは直列に接続される。

渡り線４０は、ステータコア１０のティース１１よりも軸方向一端側又は軸方向他端側に設けられ、周方向に互いに離間するティース１１に巻き付けられた同相の磁極を構成する導体３０同士を接続する。コイル２０は、互いに隣り合うティース１１に対して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に形成される。本実施形態ではティース１１は１２個あるので、ティース１１Ａ及びティース１１Ｂと共に、ティース１１Ｇ及びティース１１Ｈにより同相のコイル２０（図３の例ではＵ相のコイル２０）が形成され、ティース１１Ｃ及びティース１１Ｄと共に、ティース１１Ｉ及びティース１１Ｊにより同相のコイル２０（図３の例では相のコイル２０）が形成され、ティース１１Ｅ及びティース１１Ｆと共に、ティース１１Ｋ及びティース１１Ｌにより同相のコイル２０（図３の例ではＵ相のコイル２０）が形成される。

また、図３に示されるように、磁極の夫々における、互いに隣接するティース１１の夫々から導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なるように形成される。Ｕ相のコイル２０に着目した場合、ティース１１Ａからは軸方向一端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続され、ティース１１Ａに隣接するティース１１Ｂからは軸方向他端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続される。したがって、互いに隣接するティース１１Ａとティース１１Ｂとは、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

また、ティース１１Ｇからは軸方向一端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続され、ティース１１Ｇに隣接するティース１１Ｈからは軸方向他端側から導体３０が引き出されて給電線５０に接続される。したがって、互いに隣接するティース１１Ｇとティース１１Ｈとは、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

更に、Ｕ相のコイル２０に着目した場合に互いに隣接するティース１１Ｂとティース１１Ｇとも、上述したように、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

同様に、Ｖ相のコイル２０に着目した場合、ティース１１Ｃからは軸方向一端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続され、ティース１１Ｃに隣接するティース１１Ｄからは軸方向他端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続される。したがって、互いに隣接するティース１１Ｃとティース１１Ｄとは、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

また、ティース１１Ｉからは軸方向一端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続され、ティース１１Ｉに隣接するティース１１Ｊからは軸方向他端側から導体３０が引き出されて給電線５０に接続される。したがって、互いに隣接するティース１１Ｉとティース１１Ｊとは、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

更に、Ｖ相のコイル２０に着目した場合に互いに隣接するティース１１Ｄとティース１１Ｉとも、上述したように、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

同様に、Ｗ相のコイル２０に着目した場合、ティース１１Ｅからは軸方向一端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続され、ティース１１Ｅに隣接するティース１１Ｆからは軸方向他端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続される。したがって、互いに隣接するティース１１Ｅとティース１１Ｆとは、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

また、ティース１１Ｋからは軸方向一端側から導体３０が引き出されて渡り線４０に接続され、ティース１１Ｋに隣接するティース１１Ｌからは軸方向他端側から導体３０が引き出されて給電線５０に接続される。したがって、互いに隣接するティース１１Ｋとティース１１Ｌとは、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

更に、Ｗ相のコイル２０に着目した場合に互いに隣接するティース１１Ｆとティース１１Ｋとも、上述したように、導体３０が引き出されるステータコア１０の軸方向に沿った引出位置が互いに異なる。

また、本実施形態では、複数のティース１１のうちの所定の１つのティース１１から他のティース１１への導体３０の引出位置は、前記１つのティース１１に巻き付けられた状態の導体３０の巻線の方向（接線の方向）と前記１つのティース１１から前記他のティース１１の方向に向かって導体３０を引っ張る方向とが一致する位置に設定される。

具体的には、ティース１１Ａからティース１１Ｂへの導体３０の引出位置は、ティース１１Ａに巻き付けられた状態の導体３０の巻線の方向とティース１１Ａからティース１１Ｂの方向に向かって導体３０を引っ張る方向とが一致する位置に設定される。「ティース１１Ａに巻き付けられた状態の導体３０の巻線の方向」とは、ステータコア１０の軸心から径方向にそってティース１１Ａを見た際にティース１１Ａの形状が円形状である場合には、ティース１１Ａの外周縁からティース１１Ａの径方向に直交する方向に沿って延長した方向が相当する。また、ステータコア１０の軸心から径方向にそってティース１１Ａを見た際にティース１１Ａの形状が多角形状である場合には、多角形の外縁と点で接触するときは当該点とティース１１Ａの中心とを結ぶ線に対して直交する方向に沿って延長した方向であり、多角形の外縁と線で接触するときは当該接触する辺を延長した方向と考えると良い。「ティース１１Ａからティース１１Ｂの方向に向かって導体３０を引っ張る方向」とは、導体３０をティース１１Ａからティース１１Ｂに引き回す場合に、導体３０に所定のテンションを掛けて引っ張る方向にあたる。

したがって、ティース１１Ａの前記形状が円形状である場合には、ティース１１Ａからティース１１Ｂへの導体３０の引出位置は、ティース１１Ａの外周縁からティース１１Ａの径方向に直交する方向に沿って延長した方向と導体３０をティース１１Ａからティース１１Ｂに引き回す場合に導体３０に所定のテンションを掛けて引っ張る方向とが一致する位置に設けられ、図３に示されるように、ティース１１Ａの前記形状が多角形状である場合には、ティース１１Ａからティース１１Ｂへの導体３０の引出位置は、ティース１１Ａの当該多角形状の辺を延長した方向と、導体３０をティース１１Ａからティース１１Ｂに引き回す場合に導体３０に所定のテンションを掛けて引っ張る方向とが一致する位置に設けられる。

以下、Ｕ相のコイル２０における、ティース１１Ｂからティース１１Ｇへの導体３０の引出位置、及びティース１１Ｇからティース１１Ｈへの導体３０の引出位置も同様に設けられる。なお、ティース１１Ｈからは給電線５０に接続されるのでこの限りではない。

また、Ｖ相のコイル２０における、ティース１１Ｃからティース１１Ｄへの導体３０の引出位置、ティース１１Ｄからティース１１Ｉへの導体３０の引出位置、及びティース１１Ｉからティース１１Ｊへの導体３０の引出位置も同様に設けられる。

更には、Ｗ相のコイル２０における、ティース１１Ｅからティース１１Ｆへの導体３０の引出位置、ティース１１Ｆからティース１１Ｋへの導体３０の引出位置、及びティース１１Ｋからティース１１Ｌへの導体３０の引出位置も同様に設けられる。

また、導体３０は、三相回転電機用のデルタ結線を構成するように接続すると良い。すなわち、例えば図３における給電線５０のＵｉｎとＷｏｕｔとを接続し、ＶｉｎとＵｏｕｔとを接続し、ＷｉｎとＶｏｕｔとを接続すると良い。もちろん、導体３０は、三相回転電機用のスター結線を構成するように接続しても良い。

また、上記のように構成することで、ステータコア１０の軸方向両側に渡り線４０を配置することができる。したがって、ステータコア１０における軸方向両側における渡り線４０同士の積層数を低減できるので、ステータ１の軸方向長さの増大を抑制できる。また、全ての磁極において、夫々のティース１１に巻き付けられる導体３０巻き数がｎ＋１／２（ターン）（ｎは整数）とすることができるので、全てのティース１１における巻き数を等しくでき、電気的特性のバラツキを低減できる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、３種類の磁極を有する場合の例を挙げて説明したが、４種類以上の磁極を有するものに適用することも可能である。

上記実施形態では、複数のティース１１のうちの所定の１つのティース１１から他のティース１１への導体３０の引出位置は、１つのティース１１に巻き付けられた状態の導体３０の接線の方向と１つのティース１１から他のティース１１の方向に向かって導体３０を引っ張る方向とが一致する位置であるとして説明したが、複数のティース１１のうちの所定の１つのティース１１から他のティース１１への導体３０の引出位置は、１つのティース１１に巻き付けられた状態の導体３０の接線の方向と１つのティース１１から他のティース１１の方向に向かって導体３０を引っ張る方向とが一致しない位置であっても良い。

上記実施形態では、特に図３において、導体３０が夫々の磁極のコイル２０を構成するように示したが、例えば各磁極のコイル２０が並列接続されるように構成することも可能である。

本発明は、少なくとも３種類の磁極を有して構成される回転電機のステータに用いることが可能である。

１：ステータ（回転電機のステータ）
１０：ステータコア
１１：ティース
２０：コイル
３０：導体

Claims (3)

1. 少なくとも３種類の磁極を有して構成される回転電機のステータであって、
   コイルを構成する導体が巻き付け可能なティースが周方向に沿って複数設けられた筒状のステータコアを備え、
   前記磁極の夫々は、前記複数のティースのうち、互いに隣接するティースに亘って前記導体が巻き付けられて構成され、
   前記互いに隣接するティースに巻き付けられる前記導体は巻き付け方向が互いに逆であり、
   前記磁極の夫々における、前記互いに隣接するティースの夫々から前記導体が引き出される前記ステータコアの軸方向に沿った引出位置が互いに異なるように形成されている回転電機のステータ。
2. 前記複数のティースのうちの所定の１つのティースから他のティースへの前記導体の前記引出位置は、前記１つのティースに巻き付けられた状態の前記導体の接線の方向と前記１つのティースから前記他のティースの方向に向かって前記導体を引っ張る方向とが一致する位置である請求項１に記載の回転電機のステータ。
3. 前記導体は三相回転電機用のデルタ結線を構成している請求項１又は２に記載の回転電機のステータ。

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