JP2022043915A - 固定子及び回転電機、並びに電動ホイール及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク密度向上を可能にする回転電機を提供する。【解決手段】スロット１１０を周方向に複数有する固定子コア１６０を含む固定子１０１と、軸心を中心に回転自在に設けられ、固定子との間に空隙を有する回転子１０２と、を備える回転電機１００であって、多相コイルの各相コイル１２０Ｇが複数のレイヤを構成するように、スロット内の径方向に一列に配置され、相コイルの断面形状は略長方形であり、一つの相コイルは周方向に３つ以上連続して配置されたスロットの一群を渡って巻装され、複数の相コイルのうちの同相の組み合わせのコイルのみが配置された同相スロット１１１と、位相が異なる２つの組み合わせの相コイルのみが配置された異相スロット１１２と、が備えられ、一つの同相スロットの周方向の両隣りに異相スロットが一つ配置されるか、または、周方向に２つ以上連続して並んだ同相スロットの両隣りに異相スロットが一つ配置される。【選択図】図１

Description

本発明は固定子及び回転電機、並びに電動ホイール及び車両に関する。

車両等の電動化の進展に伴って、回転電機の小型化・軽量化の要求が高まっている。そのため、回転電機のトルク密度の向上がさらに求められてきている。回転電機のトルク密度は、回転電機のトルクと回転電機の質量の商で表される。つまり、回転電機の高トルク化を達成すると同時に、回転電機の軽量化が必須となる。一般的に、回転電機の巻線方式には、集中巻と分布巻の二つがある。両者を比較すると、集中巻はコイルエンドの重量を低減することができるので軽量化に適していると言われている。

すなわち、軽量化に適した集中巻について、さらに、その巻線係数を向上させることが鍵となる。集中巻の場合に、トルクを向上することができる技術として、集中巻・分数スロット構造が知られている。この集中巻・分数スロット構造は、同一相のコイルが周方向に連続配置された構造を持っていることが特徴的である。

この集中巻・分数スロット構造を採用し、回転電機のトルク密度をさらに向上しようとすると、コイルからの発熱が新たな課題となる。何故なら、高トルク密度化を達成するために、小型化した回転電機の固定子スロットは狭くなり、コイルの電気抵抗が増加し、最終的には、コイルからの発熱が増加するからである。

従って、回転電機の軽量化と合わせて、トルク密度を高くするためには、コイルの電気抵抗を減らすことが必至となる。そのため、固定子のスロット内に収容するコイルの占積率が高いことが望まれる。

一般的な集中巻のコイルの巻装構造は、ティース１本にコイルが１個巻かれた構造である。従来から、集中巻で占積率を向上する手段の一つに角線を使用することが知られていた。例えば、特許文献１には、固定子のティースの先端に径方向に伸びた折り曲げ可能な突起部を設け、固定子ティースにコイルを収納した後、ティースの先端に位置する突起部を変形させて周方向に折り曲げる構造が示されている。この構造によって、コイルを固定子に組み込む前に独立して巻装することが可能となる。この方法により、コイルを密に巻装した状態で仕上げてから固定子に組み込むことができる。そのため、コイルを製造する際の容易さが向上するとともに、コイル占積率の向上が実現できている。

特許第５５３７９６４号

しかしながら、特許文献１のように、コアの変形を伴って製造された固定子は、変形部における磁気特性が悪化する。磁気特性が悪化することでトルクが減少し、コア鉄損が増加するため、コイル占積率を高めた効果が相殺される。コイル占積率の向上により銅損を低減する効果が得られる一方で、磁気特性の悪化で減少したトルク分を補うため、追加電流が必要となる。このように、銅損が増加し、コア鉄損も増加するからである。このことから、当初狙った銅損を低減するという効果が打ち消される懸念がある。また、ティース１本にコイルを１個巻く従来の巻線構造では、スロット内で以下のような課題が発生するため占積率の向上が困難となっていた。

一つは、異なるコイルが同一スロット内で周方向に並ぶため、コイル間に空隙が発生することである。通常は、集中巻のコイルを巻装する時には巻線ノズルを使用する。そのため、スロット内に巻線ノズルの先端が通過するだけの隙間が必要である。上述した特許文献１のように、コイルを独立して巻いてから固定子に挿入する方法では、コイル間の空隙を小さくできる。

しかし、コイルの組立性をあげるためにボビンを使用し、ボビンにコイルを巻装するとボビンの体積分だけコイルの占積率が低下する。もしくは、ボビンを使用しない場合はコイルの組立性が悪化する。このため、ティースにコイルを挿入する工程で他のコイルとの接触を防ぐための空隙の確保が必要となる。このため、いずれの従来技術においても、自動化によって固定子を量産することを考えると、コイル間に空隙を設けるか、もしくは、ボビンが必要となり、その分だけコイルの占積率が低下するという課題があった。

二つ目は、異なる相のコイル同士を絶縁するために、コイル間に追加の絶縁が必要となることである。固定子には通常３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルがあり、各相では電流と印加電圧の位相が異なっている。固定子スロットには、同じ相のコイルだけが入ったスロット（以下、同相スロットと呼称する）と、異なる相のコイルが一緒に入ったスロット（以下、異相スロットと呼称する）が存在する。

異相スロット内の異相コイル間には、大きな電位差が生じる。そのため、コイルの絶縁設計は異相スロット内の絶縁性能で決定される。従来技術の集中巻の構造では、異相スロット内の異相コイルは周方向に並ぶため、周方向に厚い絶縁が必要となる。従来技術の絶縁方法では、異相コイル間に絶縁紙等の絶縁体を挟む方法、コイルの絶縁被膜を厚くする方法、または十分な空間距離を確保する方法、等が一般的である。

電圧差が高くなる異相コイル間に絶縁紙を挟む場合は、絶縁紙の厚みの他、絶縁紙を挿し込むための空隙がさらに必要になる。また、コイルの絶縁被膜を厚くする場合は、コイルの絶縁被膜の全体の厚みが増加する。そのため、コイルと固定子のティース間の絶縁や、回転電機の径方向の絶縁被膜の厚みも厚くなる。従って、異相スロットで十分な絶縁性を得るためには、回転電機の周方向の絶縁や空隙のためにスロットの空間が使われるため、コイルの占積率が低下する課題があった。

本発明の目的は、スロット内の相コイル間の不要な空隙を無くすことである。さらに、異相スロットであっても、周方向の絶縁を最小限にすることである。また、回転電機のコイル占積率を向上し、かつ回転電機のトルク密度の向上を達成することである。

上記の課題を解決するために、本発明の回転電機は、周方向にスロットを複数有する固定子コアと、前記スロットのそれぞれに配置された導体スロット部、前記導体スロット部をコイルエンドにおいて繋げる導体渡り部、及び引出部によって構成される相コイルが少なくとも２つ以上備えられた固定子と、前記固定子のスロット開口部に対向して回転自在に配置された回転子と、を備えた回転電機であって、前記相コイルは周方向に連続して３つ以上並んだ前記スロットの一群を渡って巻装され、前記スロットは、その内部に一つの前記相コイルを含む同相スロットか、位相が異なる二つの前記相コイルを含む異相スロットの何れか一つであり、前記導体スロット部は前記スロット内の径方向に一列に配置されて複数のレイヤが構成され、全ての前記スロットの前記レイヤの総数は同一であり、（１）周方向に一つ置かれた前記同相スロットの両隣に前記異相スロットがそれぞれ一つ配置されるか、または、（２）周方向に２つ以上連続して並んだ前記同相スロットの両隣に前記異相スロットがそれぞれ一つ配置され、前記相コイルの断面形状は略長方形であることを特徴とする。

本発明において、周方向における相コイル間の不要な空隙はなくなる。また、異相スロットでは、異相コイルが回転電機の径方向にのみ並ぶため、周方向の絶縁性を得るための絶縁紙や空隙は不要になる。さらに、複数の異相コイル間の絶縁性を得るために絶縁被膜を厚くしても、周方向の絶縁体の体積は、例えば、従来技術の集中巻の半分程度にすることができる。このため、従来技術に比べて、コイルの占積率を向上することができる。また、相コイルのレイアウトを簡素化することができる。

実施例１に係る内転型回転子を有する回転電機の断面図。 実施例１の変形例に係る外転型の回転子を有する回転電機の断面図。 実施例１に係る回転電機の固定子スロットの部分断面図。 実施例１（レイヤが４層で同相スロットが１つ、異相スロット内で相コイルが交互配置）に係る回転電機の固定子の部分結線図。 実施例１の変形例（引出線の取り出し方向が実施例１と反対側に設定）に係る回転電機の固定子の部分結線図。 実施例１の変形例（レイヤが４層で同相スロットが２連続）に係る回転電機の固定子の部分結線図。 実施例１の変形例（レイヤが３層で同相スロットが２連続、異相スロット内で相コイルが交互配置）に係る回転電機の固定子の部分結線図。 実施例１の変形例（レイヤが４層で同相スロットが２連続、異相スロット内で相コイルが連続配置）に係る回転電機の固定子の部分結線図。 実施例１の変形例（レイヤが２層で同相スロットが２連続）に係る回転電機の固定子の部分結線図。 実施例１の変形例に係る異相スロットのコイルに流れる電流とそれにより発生する磁束の概念説明図。 実施例１の変形例に係る異相スロットのコイルに流れる電流とそれにより発生する磁束の概念説明図。 従来技術の回転電機の固定子スロットの部分断面図。 実施例２に係る分割固定子を有する回転電機の固定子の部分断面図。 実施例２に係る分割固定子の部分断面図。 実施例３に係る回転電機の固定子の部分結線図。 本発明の実施例３と変形例に係る回転電機の固定子の部分断面図。 実施例３に係る回転電機のコイルの部分拡大図。 実施例３の変形例に係る回転電機のコイルの部分拡大図。 実施例３に係る薄板から打ち抜き成形したコイルの折り返す前の平面図。 実施例３に係る薄板から打ち抜き成形したコイルを一回折り返した状態を示す平面図。 実施例３に係る薄板から打ち抜き成形したコイルを二回折り返した状態を示す平面図。 実施例３の変形例に係る回転電機の固定子の部分結線図。 折返し部を有する実施例３の変形例に係る回転電機のコイルの部分拡大図。 接続部を有する実施例３の変形例に係る回転電機のコイルの部分拡大図。 実施例３の変形例に係る薄板から打ち抜き成形した折り返し前のコイルの平面図。 実施例４に係る電動ホイールの断面の概念図。 実施例５に係る鉄道車両の概念図。

以下、図面を参照しつつ本発明を詳述する。本発明は以下の実施例の具体的態様に限定されるものではない。

本実施形態の固定子は、専ら分数スロットの集中巻線を対象としている。分数スロットとは、毎極毎相のスロット数が分数となるものをいう。つまり、固定子のスロットの数Ｎと、固定子の相数Ｑ及び固定子の極数Ｐとの比が整数とならない場合である。即ち、毎極毎数スロット数が、Ｎ／（Ｑ・Ｐ）＝ｋ＋（ｎ／ｍ）である（ｋ、ｎ、ｍは整数、（ｎ／ｍ）は既約分数）。このとき、１つの相コイルあたりの同相スロットの数は、ｎ－１である。したがって、１つの固定子あたりの同相スロット数の合計は、Ｎ・（ｎ－１）／ｎである。

例えば、極数が５０未満の場合における、固定子の極数とスロット数、及び１つの相コイルあたりの同相スロットの数（括弧内に示す）の組み合わせは、８：９（２）、１０：９（２）、１０：１２（１）、１４：１２（１）、１４：１５（４）、１４：１８（２）、１６：１５（４）、１６：１８（２）１６：２１（６）、２０：１８（２）、２０：２１（６）、２０：２４（１）、２０：２７（８）、２２：１８（２）、２２：２１（６）、２２：２４（３）、２２：２７（８）、２２：３０（４）、２４：２７（２）、２６：２１（６）、２６：２４（３）、２６：２７（８）、２６：３０（４）、２６：３３（１０）、２６：３６（５）、２８：２４（１）、２８：２７（８）、２８：３０（４）、２８：３３（１０）、２８：３６（２）、２８：３９（１２）、３０：２７（２）、３０：３６（１）、３２：２７（８）、３２：３０（４）、３２：３３（１０）、３２：３６（２）、３２：３９（１２）、３２：４２（６）、３２：４５（１４）、３４：２７（８）、３４：３０（４）、３４：３３（１０）、３４：３６（５）、３４：３９（１２）、３４：４２（６）、３４：４５（１４）、３４：４８（７）、３８：３０（４）、３８：３３（１０）、３８：３６（５）、３８：３９（１２）、３８：４２（６）、３８：４５（１４）、３８：４８（７）、３８：５１（１６）、３８：５４（８）、４０：３３（１０）、４０：３６（２）、４０：３９（１２）、４０：４２（６）、４０：４５（２）、４０：４８（１）、４０：５１（１６）、４０：５４（８）、４０：５７（１８）、４２：３６（１）、４２：４５（４）、４２：５４（２）、４４：３６（２）、４４：３９（１２）、４４：４２（６）、４４：４５（１４）、４４：４８（３）、４４：５１（１６）、４４：５４（８）、４４：５７（１８）、４４：６０（４）、４４：６３（２０）、４６：３６（５）、４６：３９（１２）、４６：４２（６）、４６：４５（１４）、４６：４８（７）、４６：５１（１６）、４６：５４（８）、４６：５７（１８）、４６：６０（９）、４６：６３（２０）、４６：６６（１０）、４８：４５（４）、４８：５４（２）、４８：６３（６）、である。

極数が５０～７０である場合の組み合わせは、５０：３９（１２）、５０：４２（６）、５０：４５（２）、５０：４８（７）、５０：５１（１６）、５０：５４（８）、５０：５７（１８）、５０：６０（１）、５０：６３（２０）、５０：６６（１０）、５０：６９（２２）、５０：７２（１１）、５２：４２（６）、５２：５４（１４）、５２：４８（３）、５２：５１（１６）、５２：５４（８）、５２：５７（１８）、５２：６０（４）、５２：６３（２０）、５２：６６（１０）、５２：６９（２２）、５２：７２（５）、５２：７５（２４）、５６：４５（１４）、５６：４８（１）、５６：５１（１６）、５６：５４（８）、５６：５７（１８）、５６：６０（４）、５６：６３（２）、５６：６６（１０）、５６：６９（２２）、５６：７２（２）、５６：７５（２４）、５６：７８（１２）、５６：８１（２６）、５８：４５（１４）、５８：４８（７）、５８：５１（１６）、５８：５４（８）、５８：５７（１８）、５８：６０（９）、５８：６３（２０）、５８：６６（１０）、５８：６９（２２）、５８：７２（１１）、５８：７５（２４）、５８：７８（１２）、５８：８１（２６）、５８：８４（１３）、６０：５４（２）、６０：６３（６）、６０：７２（１）、６０：８１（８）、６２：４８（７）、６２：５１（１６）、６２：５４（８）、６２：５７（１８）、６２：６０（９）、６２：６３（２０）、６２：６６（１０）、６２：６９（２２）、６２：７２（１１）、６２：７５（２４）、６２：７８（１２）、６２：８１（２６）、６２：８４（１３）、６２：８７（２８）、６２：９０（１４）、６４：５１（１６）、６４：５４（８）、６４：５７（１８）、６４：６０（４）、６４：６３（２０）、６４：６６（１０）、６４：６９（２２）、６４：７２（２）、６４：７５（２４）、６４：７８（１２）、６４：８１（２６）、６４：８４（６）、６４：８７（２８）、６４：９０（１４）、６４：９３：（３０）、６６：５４（２）、６６：６３（６）、６６：７２（３）、６６：８１（８）、６６：９０（４）、６８：５４（８）、６８：５７（１８）、６８：６０（４）、６８：６３（２０）、６８：６６（１０）、６８：６９（２２）、６８：７２（５）、６８：７５（２４）、６８：７８（１２）、６８：８１（２６）、６８：８４（６）、６８：８７（２８）、６８：９０（１４）、６８：９３（３０）、６８：９６（７）、６８：９９（３２）、である。

極数が７０～８０未満である場合の組み合わせは、７０：５４（８）、７０：５７（１８）、７０：６０（１）、７０：６３（２）、７０：６６（１０）、７０：６９（２２）。７０：７２（１１）、７０：７５（４）、７０：７８（１２）、７０：８１（２６）、７０：８４（１）、７０：８７（２８）、７０：９０（２）、７０：９３（３０）、７０：９６（１５）、７０：９９（３２）、７０：１０２（１６）、７２：８１（２）、７４：５７（１８）、７４：６０（９）、７４：６３（２０）、７４：６６（１０）、７４：６９（２２）、７４：７２（１１）、７４：７５（２４）７４：７８（１２）、７４：８１（２６）、７４：８４（１３）、７４：８７（２８）、７４：９０（１４）、７４：９３（３０）、７４：９６（１５）、７４：９９（３２）、７４：１０２（１６）、７４：１０５（３４）、７４：１０８（１７）、７６：６０（４）、７６：６３（２０）、７６：６６（１０）、７６：６９（２２）、７６：７２（５）、７６：７５（２４）、７６：７８（１２）、７６：８１（２６）、７６：８４（６）、７６：８７（２８）、７６：９０（１４）、７６：９３（３０）、７６：９６（７）、７６：９９（３２）、７６：１０２（１６）、７６：１０５（３４）、７６：１０８（８）、７６：１１１（３６）、７８：６３（６）、７８：７２（３）、７８：８１（８）、７８：９０（４）、７８：９９（１０）、７８：１０８（５）、である。

極数が８０～９０未満、かつスロット数が１２０以下である場合の組み合わせは、８０：６３（２０）、８０：６６（１０）、８０：６９（２２）、８０：７２（２）、８０：７５（４）、８０：７８（１２）、８０：８１（２６）、８０：８４（６）、８０：８７（２８）、８０：９０（２）、８０：９３（３０）、８０：９６（１）、８０：９９（３２）、８０：１０２（１６）、８０：１０５（６）、８０：１０８（８）、８０：１１１（３６）、８０：１１４（１８）、８０：１１７（３８）、８２：６３（２０）、８２：６６（１０）、８２：６９（２２）、８２：７２（１１）、８２：７５（２４）、８２：７８（１２）、８２：８１（２６）、８２：８４（１３）、８２：８７（２８）、８２：９０（１４）、８２：９３（３０）、８２：９６（１５）、８２：９９（３２）、８２：１０２（１６）、８２：１０５（３４）、８２：１０８（１７）、８２：１１１（３６）、８２：１１４（１８）、８２：１１７（３８），８２：１２０（１９）、８４：７２（１）、８４：８１（８）、８４：９０（４）、８４：９９（１０）、８４：１０８（２）、８４：１１７（１２）、８６：６６（１０）、８６：６９（２２）、８６：７２（１１）、８６：７５（２４）：８６：７８（１２）、８６：８１（２６）、８６：８４（１３）、８６：８７（２８）、８６：９０（１４）、８６：９３（３０）、８６：９６（１５）、８６：９９（３２）、８６：１０２（１６）、８６：１０５（３４）、８６：１０８（１７）、８６：１１１（３６）、８６：１１４（１８）、８６：１１７（３８）、８６：１２０（１９）、８８：６９（２２）、８８：７２（２）、８８：７５（２４）、８８：７８（１２）、８８：８１（２６）、８８：８４（６）、８８：８７（２８）、８８：９０（１４）、８８：９３（３０）、８８：９６（３）、８８：９９（２）、８８：１０２（１６）、８８：１０５（３４）、８８：１０８（８）、８８：１１１（３６）、８８：１１４（１８）、８８：１１７（３８）、８８：１２０（４）、である。

極数が９０～１００未満、かつスロット数が１２０以下である場合の組み合わせは、９０：８１（２）、９０：１０８（１）、９２：７２（５）、９２：７５（２４）、９２：７８（１２）、９２：８１（２６）、９２：８４（６）、９２：８７（２８）、９２：９０（１４）、９２：９３（３０）、９２：９６（７）、９２：９９（３２）、９２：１０２（１６）、９２：１０５（３４）、９２：１０８（８）、９２：１１１（３６）、９２：１１４（１８）、９２：１１７（３８）、９２：１２０（９）、９４：７２（１１）、９４：７５（２４）、９４：７８（１２）、９４：８１（２６）、９４：８４（１３）、９４：８７（２８）、９４：９０（１４）、９４：９３（３０）、９４：９６（１５）、９４：９９（３２）、９４：１０２（１６）、９４：１０５（３４）、９４：１０８（１７）、９４：１１１（３６）、９４：１１４（１８）、９４：１１７（３８）、９４：１２０（１９）、９６：８１（８）、９６：９０（４）、９６：９９（１０）、９６：１０８（２）、９６：１１７（１２）、９８：７５（２４）、９８：７８（１２）、９８：８１（２６）、９８：８４（１）、９８：８７（２８）、９８：９０（１４）、９８：９３（３０）、９８：９６（１５）、９８：９９（３２）、９８：１０２（１６）、９８：１０５（４）、９８：１０８（１７）、９８：１１１（３６）、９８：１１４（１８）、９８：１１７（３８）、９８：１２０（１９）である。

極数が１００～１１０未満、かつスロット数が１２０以下である場合の組み合わせは、１００：７８（１２）、１００：８１（２６）、１００：８４（６）、１００：８７（２８）、１００：９０（２）、１００：９３（３０）、１００：９６（７）、１００：９９（３２）、１００：１０２（１６）、１００：１０５（６）、１００：１０８（８）、１００：１１１（３６）、１００：１１４（１８）、１００：１１７（３８）、１００：１２０（１）、１０２：８１（８）、１０２：９０（４）、１０２：９９（１０）、１０２：１０８（５）、１０２：１１７（１２）、１０４：８１（２６）、１０４：８４（６）、１０４：８７（２８）、１０４：９０（１４）、１０４：９３（３０）、１０４：９６（３）、１０４：９９（３２）、１０４：１０２（１６）、１０４：１０５（３４）、１０４：１０８（８）、１０４：１１１（３６）、１０４：１１４（１８）、１０４：１１７（２）、１０４：１２０（４）、１０６：８１（２６）、１０６：８４（１３）、１０６：８７（２８）、１０６：９０（１４）、１０６：９３（３０）、１０６：９６（１５）、１０６：９９（３２）、１０６：１０２（１６）、１０６：１０５（３４）、１０６：１０８（１７）、１０６：１１１（３６）、１０６：１１４（１８）、１０６：１１７（３８）、１０６：１２０（１９）、である。

極数が１１０～１２０以下、かつスロット数が１２０以下である場合の組み合わせは、１１０：８４（１３）、１１０：８７（２８）、１１０：９０（２）、１１０：９３（３０）、１１０：９６（１５）、１１０：９９（２）、１１０：１０２（１６）、１１０：１０５（６）、１１０：１０８（１７）、１１０：１１１（３６）、１１０：１１４（１８）、１１０：１１７（３８）、１１０：１２０（３）、１１２：８７（２８）、１１２：９０（１４）、１１２：９３（３０）、１１２：９６（１）、１１２：９９（３２）、１１２：１０２（１６）、１１２：１０５（４）、１１２：１０８（８）、１１２：１１１（３６）、１１２：１１４（１８）、１１２：１１７（３８）、１１２：１２０（４）、１１４：９０（４）、１１４：９９（１０）、１１４：１０８（５）、１１４：１１７（１２）、１１６：９０（１４）、１１６：９３（３０）、１１６：９６（７）、１１６：９９（３２）、１１６：１０２（１６）、１１６：１０５（３４）、１１６：１０８（８）、１１６：１１１（３６）、１１６：１１４（１８）、１１６：１１７（３８）、１１６：１２０（９）、１１８：９０（１４）、１１８：９３（３０）、１１８：９６（１５）、１１８：９９（３２）、１１８：１０２（１６）、１１８：１０５（３４）、１１８：１０８（１７）、１１８：１１１（３６）、１１８：１１４（１８）、１１８：１１７（３８）、１１８：１２０（１９）、１２０：９９（１０）、１２０：１０８（２）、１２０：１１７（１２）である。本発明は上記の極数・スロット数の具体的な組み合わせのものに適用することができる。また、極数またはスロット数が１２０を超える場合でも、前記数式から得られる組み合わせのうち、１つの相コイルあたりの同相スロットの数が１以上となる組み合わせのものに、本発明を適用することができる。

図１は実施例１に係る回転電機の断面図である。図２は本発明の実施例１の変形例に係る回転電機の断面図である。回転電機１００は、固定子１０１と、固定子１０１に対して回転可能に支持された回転子１０２とを備えている。回転子１０２は回転軸心Ｃを中心に回転する。以下では断りのない限り、「内周側」「外周側」という言葉は、それぞれ回転軸心Ｃに対して距離が近い側を「内周側」、遠い側を「外周側」と定義する。

また「径方向Ｒ」は回転軸心Ｃと垂直に交わる直線方向と定義し、「周方向θ」は回転軸心Ｃまわりの回転方向と定義する。「軸方向Ｚ」は回転軸心Ｃに平行な直線方向と定義する。回転子１０２にはシャフト（図示せず）が固定されていてもよく、回転電機１００は固定子１０１及び回転子１０２を覆うフレーム（図示せず）を備えていてもよい。

回転子１０２は、シャフトやフレーム等の構造部材を介して負荷（図示せず）と接続されるか、または直接接続される。回転子１０２が回転することで、負荷に回転とトルクを伝達する。固定子１０１及び回転子１０２は同一の中心軸（回転軸心Ｃ）を有し、固定子１０１と回転子１０２との間には空隙１０９が設けられ、互いに接触しないように配置されている。

なお、回転電機１００は、回転子１０２が固定子１０１の内周側に回転可能に支持されていてもよく、回転子１０２が固定子１０１の外周側に回転可能に支持されていてもよい。図１は回転子１０２が固定子１０１の内周側に回転可能に支持されている、いわゆるインナーロータ構造の場合の構成を示し、図２は回転子１０２が固定子１０１の外周側に回転可能に支持されている、いわゆるアウターロータ構造の場合の構成を示す。以下の説明は、インナーロータ構造とアウターロータ構造のいずれの場合でも成立する。

回転子１０２は、電磁鋼板を複数枚積層して構成された回転子鉄心（図示せず）と、磁極部（図示せず）とを備えている。回転子鉄心は、一体成形されたソリッド部材で構成してもよい。また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成形した構成でもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成してもよい。磁極部は例えば、回転子バー及びエンドリングの電気伝導体からなる。回転子バー及びエンドリングの材料には、例えば、銅やアルミニウムなどが用いられる。エンドリングは複数の回転子バーを電気的に接続してあれば、いかなる接続方法であってもよい。

例えば、回転子バー及びエンドリングは一体成形してもよく、また、それぞれを別部材で構成し、ロウ付け等の方法により接続してもよい。なお、磁極部の構造としてかご形誘導電動機の回転子構造を例示したが、回転子鉄心の突極性を利用した構造、例えば、スイッチトリラクタンスモータやシンクロナスリラクタンスモータの磁極部であってもよい。また、磁極部に少なくとも一つ以上の永久磁石（図示せず）を配置した、表面磁石型モータや埋込磁石型モータの磁極部、その他、界磁巻線（図示せず）を有した巻線界磁同期モータの磁極部の何れの構成であってもよい。

固定子１０１は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成した固定子コア１６０と、ティース１７０に巻装された複数の相コイル１２０Ｇとから構成される。例えば３相の多相コイルを巻装する場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルを設ける。基本的に各相の位相は１２０°ずらして配置される。ただし、例えば２４極２７スロットの回転電機などはこの限りではない。さらに、Ｕ_１相、Ｕ_２相、Ｖ_１相、Ｖ_２相、Ｗ_１相、Ｗ_２相のように、６つの相コイルとし、そのスロット位置と位相を組み合わせた構成にすることもできる。この場合、Ｕ_１相とＵ_２相の組は直列または並列に接続され、Ｖ_１相とＶ_２相の組、Ｗ_１相とＷ_２相の組はそれぞれＵ相の組と同様に接続される。さらに、Ｕ_１相、Ｕ_２相、…、Ｕ_ａ相、Ｖ_１相、Ｖ_２相、…、Ｖ_ａ相、Ｗ_１相、Ｗ_２相、…、Ｗ_ａ相のように、３ａ個の相コイルとして、そのスロット位置と位相を組み合わせた構成にすることもできる。

固定子コア１６０は円環状のバックヨーク１８０と、径方向の空隙１０９側に複数設けられたティース１７０と、ティース１７０間に設けられたスロット１１０とから構成される。バックヨーク１８０はティース１７０と接続される。一本の相コイル１２０Ｇはティース１７０を取り巻くように巻装されている。固定子コア１６０は、一体成形されたソリッド部材で構成してもよい。また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成形した構成でもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成してもよい。

相コイル１２０Ｇは、スロット１１０の中に配置された導体スロット部１２２と、位置が異なるスロット１１０間のコイルエンドを渡る導体渡り部１２１とを含む。さらに、外部回路（図示せず）から電流を入力し、位置が異なる相コイル１２０Ｇ同士を接続するための引出部１２３(引出線１２３Ａ、１２３Ｂを含む)を含んでいる。複数の相コイル１２０Ｇは、空隙１０９に回転磁界を発生させるために、上記したように３相の位相が異なるコイルを含んでいる。これらの３つの相に対応する相コイル１２０Ｇは、固定子１０１の周方向に対して、例えば１２０°ずれて配置されている。各相コイル１２０Ｇ同士は、入力される電流基本波成分の位相が互いに１２０°ずつ異なっており、これにより、空隙１０９に回転磁界を発生させ、回転子１０２を回転させることを可能にしている。ここでは例として３相コイルを挙げたが、他にも例えば五相コイルなど、少なくとも位相が異なる２つ以上の相コイル１２０Ｇを備えている場合でも、本発明の効果を得ることができる。

相コイル１２０Ｇの導体は断面が略長方形の角線である。本発明において、相コイル１２０Ｇは、周方向に連続して３つ以上並んだスロットの一群を渡って巻装される。その際、同一のスロット内を通過する、複数の導体スロット部の電流方向は一致する。また、一つのスロット１１０内のコイルは径方向にのみ一列の状態で並んでいる。まず、一つのスロット１１０に注目して説明する。

図３に実施例１に係る回転電機の固定子に備えられたスロットの部分断面図を示す。本図に示すように、スロット１１０のコイル挿入領域１１３は略長方形形状であることが好ましい。図３では、ティース１７０のティーストップ１７１に張出部１７２がある。このためコイル挿入領域１１３は隣接する二つのティース１７０と、ティースの張出部１７２と、バックヨーク１８０とで囲まれた領域となる（図３の部分拡大図を参照）。

単独の素材として見た場合のコイル１２０は、電流を流すための素線１３０と、素線１３０を周囲の部材と電気的に絶縁するための絶縁被膜１４０から構成される。図３に示すようにコイル１２０の絶縁被膜１４０を含む断面は略長方形であり、コイル１２０はスロット１１０内で径方向Ｒ（図１を参照）に並び、互いに周方向θ（図１を参照）では接しない。図３に示す構成例では、複数のコイル１２０は、スロット１１０内で一列の第１レイヤ２０１、第２レイヤ２０２、第３レイヤ２０３及び第４レイヤ２０４の４つのレイヤを構成している。

なお、コイル１２０の角部１２４は必ずしも直角でなくてもよく、Ｒ面やＣ面等の面取りをされていてもよい。特に、素線１３０は電界集中緩和のためＲ面やＣ面等の面取りをされていてもよい。素線１３０の材料は良導体であり、例えば銅やアルミニウムなどの材料が好ましい。

また絶縁被膜１４０は電気絶縁性に優れた材料、例えば、エナメルなどの材料が好ましい。ただし、コイルに用いる材料は上述した具体的材料に限定されない。特に絶縁被膜１４０は、素線１３０同士や素線１３０と固定子コア１６０などの材料との電気的絶縁の機能を有するものであれば、素線１３０に固着した被膜物である必要もなく、例えば、絶縁テープや絶縁紙などで代用してもよい。

次に相コイル１２０Ｇの巻装の形態について詳述する。図４Ａに実施例１に係る回転電機の固定子の軸方向Ｚ（図１を参照）と径方向Ｒ（図１を参照）から見た部分結線図を示す。実際の回転電機１００の固定子１０１は略円柱または略円筒状の形状をしているため、周方向θに有限の曲率をもった構造をしているが、図４Ａ以降の図では本発明の構造を簡略的に示すために、周方向を直線状に示した模式図を用いている。図４Ａは集中巻・分数スロット構造において、同相の磁界を発生させるティース１７０が周方向において２本並んだ場合のＵ相の結線の形態を示す。

図４Ａでは、各スロット１１０には径方向に４つのコイルが４つのレイヤをなすように構成されている。同相スロット１１１には４つのコイルが一列に並んでいる。以下の説明では、スロット内に置かれた４本のコイルの位置に対応する径方向の４つの領域をレイヤとも定義する。第３図と同様に本図においても、バックヨーク１８０に近い位置から空隙１０９へ向かう順に、第１レイヤ２０１、第２レイヤ２０２、第３レイヤ２０３、第４レイヤ２０４と定義する。一つのスロットに含まれるレイヤの段数は、コイルのターン数で決まる。本図では、一例として４レイヤの構造を示すが、スロット当たりのレイヤの段数は２段以上のいかなる段数でもよい。

図４Ａ（ａ）のＵ相の相コイル（以下、Ｕ相コイルとも呼ぶ。）に注目する。Ｕ相コイルの引出線１２３Ａは、軸方向Ｚ（図１を参照）の負方向から正方向に伸び、異相スロット１１２Ａ内の導体スロット部１２２ａとなり、第１レイヤ２０１を軸方向Ｚの正方向へ伸びる。固定子コア１６０の軸方向Ｚの正側終端に至った導体スロット部１２２ａは、一つ隣の同相スロット１１１に向かう導体渡り部１２１ａを経て、同相スロット１１１内の導体スロット部１２２ｂとなる。この同相スロット１１１内の導体スロット部１２２ｂは、同相スロット１１１内の第１レイヤ２０１を軸方向Ｚの負方向へ伸びる。

固定子コア１６０の軸方向Ｚの負側終端に至った同相スロット１１１内の導体スロット部１２２ｂは、さらに一つ隣の異相スロット１１２Ｂに向かう導体渡り部１２１ｂを経て、異相スロット１１２Ｂ内の導体スロット部１２２ｃとなる。ここで、スロット内の導体スロット部１２２ｃは、第２レイヤ２０２に位置しているので、同相スロット１１１から異相スロット１１２Ｂの間で１レイヤ分の径方向での移動が発生する。Ｕ相コイルは、異相スロット１１２Ｂで周方向に折返し、同相スロット１１１に向かう導体渡り部１２１ｃを経て、同相スロット１１１内の導体スロット部１２２ｄとなる。同相スロット１１１内の導体スロット部１２２ｄは同相スロット１１１の第２レイヤ２０２において、軸方向Ｚの負方向へ伸びる。固定子コア１６０の軸方向Ｚの負側終端に至ったスロット内の導体スロット部１２２ｄは、さらに一つ隣の異相スロット１１２Ａに向かう導体渡り部１２１ｄを経て、異相スロット１１２Ａ内の導体スロット部１２２ｅとなる。ここで、スロット内の導体スロット部１２２ｅは、第３レイヤ２０３に移動したことになる。以下、一連の相コイルの巻回しとターンに応じて、スロット間を渡ることと、レイヤの移動を繰り返す。最後は引出線１２３Ｂから、固定子１０１の外部に引き出される。図４A（ｂ）を参照すると、各スロットにおいて、Ｕ相のコイルの電流方向が揃っていることを読み取ることができる。

ここではＵ相コイルにのみ注目したが、他のＶ相、Ｗ相のコイルもＵ相コイルと同様に固定子１０１に巻装される。このとき、異相スロット１１２Ａと異相スロット１１２ＢにはＵ相コイル以外に、もう一つ他の相のコイルが挿入される。すなわち一つのスロットに２つの位相が異なる相コイルが挿入されるスロットが存在する。ここでは、同じ相のコイルのみ挿入されるスロットを同相スロット１１１として表し、異相が異なる２つの相コイルが挿入されるスロットを異相スロット１１２と表わしている。

本発明では、コイルは軸方向Ｚにジグザグしながら隣接するスロットへと渡り（図１２を参照）、かつ、同相スロット１１１を介して異相スロット１１２間を周方向θに往復するように巻装される。ここで、コイルは図１２に示すような一つながりのものでもよく、途中で分離したコイル要素同士を接続したものでもよい。例えば、導体スロット部と導体渡り部とが一体のコイル要素として構成されたものを準備し、さらに、複数のコイル要素同士を、溶接、はんだ付け、嵌め合い、メッキ及び圧着の何れか一つによって接続してもよい。また、一つの相コイルは一つのレイヤ分だけ、径方向Ｒにずれた状態で同相スロット１１１と異相スロット１１２を跨ぐ。集中巻・分数スロット構造をとる固定子において、同相の磁界を発生させるティース１７０は周方向に２本以上並ぶため、相コイルは少なくとも、連続して並んだ３つ以上のスロット１１０の一群を渡って巻装される。

図４Ａでは、同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るときにレイヤが総段数の４つのうちの１段ずれる場合を示している。しかし、本発明の形態はこの限りではない。図４Ｂに本発明の実施例１の変形例に係る回転電機の固定子の軸方向Ｚと径方向Ｒから見た部分結線図を示す。例えば、図４Ｂでは、異相スロット１１２Ａ、１１２Ｂから同相スロット１１１に渡るときに、レイヤが１段ずれる例を示している。図４Ａや図４Ｂに示すように、同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るとき、または異相スロット１１２から同相スロット１１１に渡るときに、スロット内のコイルのレイヤが１段移動する構造が好ましい。ただし、同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るとき、または異相スロット１１２から同相スロット１１１に渡るときに、コイルのレイヤが２段以上移動する構造でも本発明の基本的な効果を得ることができる。図４Ｂ（ｂ）についても、各スロットにおいて、Ｕ相のコイルの電流方向が揃っていることを読み取ることができる。

図５Ａ～５Ｄに、本発明の実施例１の別の変形例に係る回転電機の固定子の軸方向Ｚと径方向Ｒから見た部分結線図を示す。図５Ａ～５Ｄは集中巻・分数スロット構造において、同相の磁界を発生させるティース１７０が周方向３本並ぶ場合、すなわち同相スロット１１１が２つ連続して周方向に並ぶ場合のＵ相の結線の形態を示す。

この場合も図４Ａと同様、相コイル１２０Ｇは軸方向Ｚにジグザグしながら隣接するスロットへと渡り、かつ、同相スロット１１１を介して異相スロット１１２間を周方向θに往復するように巻装される。

ただし、同相スロット１１１間をコイルが渡る場合は、コイルは配置されているレイヤをずれることなく、同一のレイヤを保った状態で隣接する同相スロット１１１に渡る。同相スロット１１１が３つ以上連続して周方向に並ぶ場合でも同様である。同相スロット１１１が２つ以上連続して周方向に並ぶ場合でも、同様の構成により本発明の効果を得ることができる。次に本実施例の作用について説明する。

本発明によれば、集中巻・分数スロット構造において、角線のコイルを一方の異相スロット１１２から他方の異相スロット１１２まで連続して渡らせる巻装構造とすることで、相コイル同士が回転電機の周方向θにおいて相互に接しない状態を形成できる。また、図５A（ｂ）、図５Ｂ（ｂ）、図５Ｃ（ｂ）及び図５Ｄ（ｂ）を参照すると、上記の図４Ａ（ｂ），図４Ｂ（ｂ）と同様に、各スロットにおいて、Ｕ相のコイルの電流方向が揃っていることを読み取ることができる。

ここで、図６に従来技術の回転電機の固定子コアに設けられたスロットの断面図を示す。従来技術における集中巻の構造では、相コイル１２０Ｇは一つのティース１７０に対して巻装されるため、スロット１１０内の周方向θに、２列のコイル１２０が並ぶ。スロット１１０内の素線１３０同士が電気的に短絡しないようにするため、素線１３０の周りに絶縁が必要となる。特に異相スロット１１２の場合は、位相が異なる２つのコイル１２０が挿入されているため、コイルの絶縁はこの異相スロット１１２に必要な絶縁耐圧に基づいて設計される。このため、従来技術では、周方向θに異なる相のコイル１２０が並ぶため、これらのコイル１２０間を絶縁するのに十分な厚さの絶縁被膜１４０を必要とする。

ここでは、この絶縁被膜１４０の厚さをｔとする。すなわち、位相が異なる２つのコイル１２０間の絶縁には２ｔの厚みの絶縁被膜があればよいが、このとき、周方向θにおける絶縁被膜の総和は一つのスロット１１０あたり４ｔとなる。したがって、従来の集中巻構造は、分数スロット構造か否かによらず共通したコイル巻装方法で固定子１０１を製作できる点ではメリットがあったが、各スロット１１０に対して絶縁被膜１４０が占める体積が多くなり、占積率は小さかった。

一方で、上述した図３に示したように、本発明のコイル巻装構造では、集中巻・分数スロット構造において、コイル１２０をスロット１１０に対して、１本ずつスロットの径方向に揃えて配置し、編み込むような巻装構造を有している。このコイル巻装の構造においては、コイル１２０はスロット１１０内で径方向Ｒに並び、互いに周方向θでは接しない。

従来技術と同様に、本発明においても、コイルの絶縁は、異相スロット１１２の異なる相のコイル１２０間で必要な絶縁耐圧に基づいて設計される。本発明では、径方向Ｒに異なる相のコイル１２０が並ぶため、このコイル１２０間を絶縁するのに十分な厚さの絶縁被膜１４０を必要とする。従来技術と同様に、この絶縁被膜１４０の厚さをｔとする。このとき、径方向Ｒの複数のコイル１２０間の絶縁被膜１４０の総和は２ｔであり、絶縁性に問題はない。径方向Ｒの絶縁被膜の総和は従来技術と同じである。

一方で、周方向θにおける絶縁被膜の総和は一つのスロット１１０あたり２ｔとなり、従来技術に対して半減している。したがって、絶縁被膜１４０の体積が従来技術よりも低減しているが、絶縁耐圧は従来技術の場合と同等である。従って、本発明における集中巻・分数スロットに限定した巻装構造は、各スロット１１０に対して絶縁被膜１４０が占める体積を低減し、特に周方向θの絶縁被膜の量を半減することができる。そのため、コイルの占積率を向上することができる。

また、従来技術の集中巻では、製造公差等の都合で周方向θのコイル間にデッドスペース１５０（図６を参照）が必要となる。場合によっては、絶縁紙などの絶縁材料が設けられており、さらにコイル占積率を低下させていた。一方で、本発明における巻線構造では、周方向θでのコイル１２０同士の接触や干渉がないため、周方向のコイル間の不要な空隙はなくなっている。または周方向の絶縁性を得るための絶縁紙は不要になる。このため、コイルの占積率はさらに向上する。占積率の向上はコイル１２０の銅損、すなわちコイル１２０での発熱量を低減させることが可能となる。そのため、その分のマージンを回転電機１００の小型化、具体的にはスロット１１０の断面の縮小、に利用することで、回転電機１００のトルク密度を向上することができる（図１、２を参照）。

図４Ａ、４Ｂ、及び５Ａに示したように、レイヤ数が偶数（左記の図ではいずれも４レイヤ）の場合は、引出部１２３を軸方向Ｚの同一端（コイルエンド方向の端）に集約することができる。これにより引出線の結線作業が軸方向における一端側だけで完結するためコイルの組立作業性が向上する。また、結線スペースを小さくできるため回転電機の小型化が可能である。

一方で、図５Ｂに示したように、レイヤ数が奇数（図５Ｂでは３レイヤ）の場合は、引出部１２３を軸方向Ｚの両端側に分散させることができる。これにより結線レイアウトの自由度が向上する。

以上の効果は、例えば図５Ｃに示したように、コイルが同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るとき、または異相スロット１１２から同相スロット１１１に渡るときに、コイルのレイヤが２段以上移動する構造でも得ることができる。ただし、コイルが同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るとき、または異相スロット１１２から同相スロット１１１に渡るときに、コイルのレイヤが１段移動する構造にすれば、同相スロット１１１と異相スロット１１２を渡る導体渡り部１２１の長さの総和が最小になり、コイルの巻線抵抗を最小にできる。

コイルの銅損はコイルの巻線抵抗の大きさに比例するから、コイルの巻線抵抗が最小の条件では、コイルでの発熱量をさらに低減することが可能となり、回転電機１００のトルク密度をさらに向上することができる。

また、コイルでの発熱は損失とも言えるため、コイルが同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るとき、または異相スロット１１２から同相スロット１１１に渡るときにコイルのレイヤが１段だけ移動する態様は、コイルに発生する損失低減の観点からも効果的である。最後に、図５Ｄは、実施例１の変形例であり、総レイヤ数が２であり、同相スロットが２つ連続して並んでいる場合である。

次に、図５Ｅに、本発明の実施例１の変形例に係る異相スロットのコイルに流れる電流とそれにより発生する磁束の概念図を示す。図５Ｅは、コイル１２０が同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るとき、または異相スロット１１２から同相スロット１１１に渡るときにコイル１２０のレイヤが２段以上移動する場合の異相スロット１１２の断面図である。

これに対して、図５Ｆは、コイル１２０が同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るとき、または異相スロット１１２から同相スロット１１１に渡るときに、コイル１２０のレイヤが１段だけ移動する場合の異相スロット１１２の断面図である。

異相スロット１１２は異なる２つの相のコイルが挿入されているため、ある瞬間においては異なる相のコイル同士で電流の向きが逆になることがある。

図５Ｅ及び５Ｅでは、各コイル１２０に、ある瞬間に流れる電流の向きを示しており、電流の向きが同じコイルは同相、電流の向きが異なるコイルは異相であることを意味する。図５Ｅの構成の場合、同相のコイル１２０同士が径方向Ｒに少なくとも１組は連続して並ぶが、図５Ｆの構成の場合は、同相コイル同士が径方向Ｒに連続して並ぶことはない。例えば、図５Ｅでは、第１レイヤ２０１と第２レイヤ２０２に同相のコイルが連続して並んでいる。

このとき、コイルがスロット周りに作る磁束について考える。それぞれの断面図に、第１レイヤ２０１に配置されているコイル１２０に流れる電流の作る磁束７０１と、第２レイヤ２０２に配置されているコイル１２０に流れる電流の作る磁束７０２を示す。図５Ｅの構成では、同相のコイルが作る磁束７０１、７０２が重畳するため、この磁束による近接効果によるコイル１２０の交流抵抗値の増加が顕著になる。交流抵抗値の増加は、コイル１２０で発生する高調波損失の増加を招く。

一方で、図５Ｆの構成のように、互いに異なる相のコイルが作る磁束７０１、７０２の向きが逆である場合は、これらの重畳により互いの磁束は部分的に打ち消し合い、コイル１２０の交流抵抗値の増加を低減することができる。

例えば、ＰＷＭ電圧波形を用いてそれぞれの異相スロット１１２に発生する交流抵抗損失を磁界解析により計算する。その結果、図５Ｅの構成における損失量を１．００ｐｕとすると、図５Ｆの構成では０．９０ｐｕとなり、損失を１割低減することが可能であることが分かった。このように、コイル１２０が同相スロット１１１から異相スロット１１２に渡るとき、または異相スロット１１２から同相スロット１１１に渡るときに、コイル１２０のレイヤが１段だけ移動する構造は優れた効果を発現している。すなわち、コイルに発生する交流抵抗による損失を低減することができる好適な構造である。

実施例２について図７、８を参照しつつ説明する。図７は本発明の実施例２に係る回転電機の固定子の部分断面図である。なお、実施例１と重複する事項については説明を省略する。

実施例２における固定子の鉄心は、分割コア１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃを組み合わせることで形成されている。分割コアのコア分割部１６２Ａ、１６２Ｂは、固定子のバックヨーク１８０にあり、かつ、異相スロット１１２と周方向θの方向において重なっている。例えば図７では、集中巻・分数スロット構造において、同相の磁界を発生させるティース１７０が周方向に３本並ぶ場合のＵ相のコイル１２０を網掛けのハッチングで示している。分割コアは固定子コアの周方向を分割するように構成するが、例えば、分割数は１０～１５程度である。また、一つの分割コアに数個から１０個程度のスロットを設けることを想定している。

このとき、分割コア１６１ｂにＵ相コイルが巻装されており、異相スロット１１２Ａと周方向θで重なるバックヨーク１８０部分に、コア分割部１６２Ａがあり、異相スロット１１２Ｂと周方向（θ）で重なるバックヨーク１８０部分にコア分割部１６２Ｂがある。同様に分割コア１６１ａ、１６１ｃにはＵ相コイル１２０とは異なる、Ｖ相コイルまたはＷ相コイルがそれぞれ巻装されている。

本実施例の構造のように、分割コア毎に一つの相のコイルを巻装することで、各相コイルを巻装した分割固定子を形成することができる。図８に本実施例に係る分割固定子４００の断面図を示す。分割固定子４００のコイルは一つの相コイルのみで巻装されているため、分割固定子４００内で一つの相コイルの巻装が完結する。このため、先に分割固定子４００を複数個組み立てて、その後、それら複数の分割固定子４００を組み合わせて固定子１０１を形成することができる。固定子１０１と比べて、分割固定子４００は小型であるため組み立て作業性がよいだけでなく、分割固定子４００では、位相が異なる２つの相コイルが挿入される異相スロット１１２が分割されている。そのため、相コイルの巻装時に異なる相のコイルの干渉が発生しない分、コイルの巻装性がよい。以上の理由から、本実施例により、コイルの巻装性、集中巻・分数スロット構造の固定子の組立作業性が向上し、回転電機の量産性が向上する。

次に実施例３について、図９～１５を参照しつつ説明する。図９は本発明の実施例３に係る回転電機の固定子の部分結線図を示す。図９は集中巻・分数スロット構造において、同相の磁界を発生させるティース１７０が周方向に２本並ぶ場合の、Ｕ相の結線の形態を示す。なお、実施例１、実施例２と重複する事項については説明を省略する。上述した実施例と同様に、図９（ｂ）を参照すると、各スロットにおいて、Ｕ相のコイルの電流方向が揃っていることを読み取ることができる。

実施例３における回転電機の固定子のティーストップ１７１は、張出部１７２を有さない、いわゆるオープンタイプのスロットで構成されている。図１０（ａ）に実施例３に係る回転電機の固定子のスロットの部分断面図を示し、図１０（ｂ）に実施例３の変形例に係る回転電機の固定子のスロットの部分断面図を示す。本実施例では、スロットの幅（最小幅）Ｗ_１とスロット開口部１１４の幅（最小幅）Ｗ_２は、Ｗ_１≦Ｗ_２の関係にある。つまり、スロットの底面側よりスロットの開口部の方が拡がっているオープン型のスロットである。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、楔１７３でスロット開口部１１４を塞いでもよい。楔１７３の材料は、磁性材料でも非磁性材料でもよい。本変形例の構造のように、スロットの幅Ｗ_１より、スロット開口部１１４の幅Ｗ_２のほうが大きいオープンタイプのスロットの場合、あらかじめ巻装しておいたコイル１２０を後から固定子コア１６０に組み込むことが可能になる。これにより、固定子１０１の組立作業性が格段に向上する。

実施例１のように固定子の鉄心が分割されていない場合は、異相スロット１１２で各相の相コイル１２０同士が干渉する。そのため、各相のコイルを同時に鉄心に組み込む必要がある。しかし、実施例２のように固定子の固定子コア１６０が分割コアで構成される場合は（図７を参照）、あらかじめ巻装しておいたコイルを分割コアに組み込む。従って、コイルを組み込んだ分割固定子４００同士を組み合わせるだけで固定子を製作することが可能になる。これにより、集中巻・分数スロット構造の固定子の組立作業性が向上し、回転電機の量産性が向上する。

さらに、図１１Ａに実施例３に係る回転電機のコイルの部分拡大図を示す。本図に、同相スロット１１１から異相スロット１１２（またはその逆）に渡るコイルの導体渡り部１２１に、折返し部１２５を設ける巻線構造を示している。この構成によると、コイルを一枚の導電性の薄板から打ち抜き成形して製作する、もしくは、１本の平角線を折り曲げ成形して製作することが可能になる。コイルは少なくとも３つ以上、連続して並んでいるスロットの一群を渡る途中で、最後のティース１７０のコイルエンドの位置から周方向θに向け１８０°折返すように巻装される。同相スロット１１１から異相スロット１１２（またはその逆）に渡る導体渡り部１２１は、折返し部１２５でコイルを１８０度折り返すことで成形できる。この際、折返し部１２５を軸方向Ｚに、他のレイヤのコイルの導体渡り部１２１の幅以上、スロットの外側にずらすことで、異相スロット１１２内で、共に巻装される異なる相のコイルと干渉せず、コイルを成形できる。

この場合、折返し部が、他のレイヤのコイルのコイルエンドにおける、軸方向の突出長さと同等かそれ以上の長さだけ軸方向に張り出すように配置する。すると、コイルエンドとティース１７０の側部との間に空隙が存在することになる。つまり、その空隙の分だけ固定子の軸方向サイズが大きくなる。しかし、コイルエンドが周囲の空気に接する有効面積が実質的に増えるので、コイルエンドを積極的に冷却する観点では好ましい。

なお、折返し部１２５でコイルの折り返しが困難である場合は、図１４Ｂに示すように、折返し部１２５を接続部１２６に置き換えてもよい。この場合、一方の接続部１２６（または引出部１２３）から他方の接続部１２６までの区間のコイルを、薄板から打ち抜き成形して、もしくは、１本の平角線を折り曲げ成形して製作する。そして、図９の結線図に基づき薄板を積層し、接続部１２６の個所を溶接、はんだ付け、嵌め合い、メッキ及び圧着の何れか一つによって、後工程で接続しコイルを成形してもよい。あるいは、溶接、はんだ付け、嵌め合い、メッキ及び圧着のうちから複数を組み合わせて使用してもよい。

このように、引出部の正の引出線と負の引出線の間に置かれた一つの相コイルは、二つの異相スロットの間で折返して往復するように巻装されている。そのため、薄板から成形したコイル、もしくは、１本の平角線を折り曲げ成形したコイルを適用することが容易となる。

図１１Ａ、図１１Ｂは集中巻・分数スロット構造において、同相の磁界を発生させるティース１７０が周方向に２本並ぶ場合を示している。図１２Ａに図１１Ａのコイルレイアウトに対応する金属の薄板から打ち抜き成形した、もしくは、１本の平角線を折り曲げ成形した折り返し前の相コイル１２０の平面図を示す。相コイル１２０を図１２Ａのように薄板から打ち抜き成形する、もしくは、１本の平角線を折り曲げ成形することで、相コイル１２０を一体で作ることが可能になる。なお、相コイル１２０Ｇは薄板から打ち抜き成形するだけでなく、削り出し、切り出し、鋳造、ＡＭ法（アディティブ・マニュファクチュアリング法）など、製作容易な機械加工を用いて成形してもよい。図１２Ｂに、図１２Ａの相コイル１２０Ｇを折返し部１２５で一回折り返した状態の平面図を示す。図１２Ｃでは、さらに一回まげてティースに巻装したような状態のコイルの形態を完成させている。図１２Ｃに示す相コイル１２０Ｇであれば、オープン型のスロットはめ込むように配置することができる。この形態の相コイル１２０Ｇであれば、実際に電線をティース（スロット）間を巻き回す必要がなく、所要時間も短縮できるので製造上の利点がある。図１１A、図１１Bの引出部１２３は、スロット内で第１レイヤ２０１の位置にあるので、そのまま外部に引き出すと、異なる相のコイルの折返し部１２５と干渉する。そのため、第１レイヤのさらに一つ下のレイヤになるように約９０度の折り曲げを２回行い、軸方向の外側に端子として引出している。

次に図１３～１５は、実施例３の変形例として、同相の磁界を発生させるティース１７０が周方向に３本並ぶ場合を示している。図１３は実施例３の変形例に係る回転電機の固定子の部分結線図を示している。図１４Ａは実施例３の変形例に係る回転電機のコイルの部分拡大図を示している。図１５は本発明の実施例３の変形例に係る薄板から打ち抜き成形した、もしくは、１本の平角線を折り曲げ成形した折り返し前のコイルの平面図を示している。以下同様に、同相の磁界を発生させるティース１７０が周方向に３本以上並ぶ場合も、レイヤの段数によらず、相コイル１２０Ｇを一枚の金属板から成形する、もしくは、１本の平角線を折り曲げ成形することが可能である。なお、折返し部１２５でコイルの折り返しが困難である場合は、図１４Ｂに示すように、折返し部１２５を接続部１２６に置き換えてもよい。この場合、一方の接続部１２６（または引出部１２３）から他方の接続部１２６までの区間のコイルを、薄板から打ち抜き成形して、もしくは、１本の平角線を折り曲げ成形して製作する。そして、図９の結線図に基づき薄板を積層し、接続部１２６の個所を溶接、はんだ付け、嵌め合い、メッキ及び圧着の何れか一つによって、後工程で接続しコイルを成形してもよい。

特に、相コイル１２０Ｇを一枚の金属板から構成することで、巻線ノズルや手巻きで巻線コイルを作製する場合に比べて、コイルの折り曲げ回数を削減できる。そのため、相コイル１２０Ｇの製作性、巻装容易性が向上する。さらに、従来の導体渡り部１２１のように軸方向Ｚへの折り曲げがなく、周方向θへの折り曲げのみである。そのため、スロット１１０内で周方向θに幅が広く、径方向Ｒに幅が狭い扁平なコイルを採用することが可能になる。扁平なコイルを用いることで、コイル内の表皮効果と近接効果から発生する交流抵抗損失を低減することが可能になる。これにより、コイルでの発熱量をさらに低減することが可能となり、回転電機のトルク密度をさらに向上することができる。

さらに、コイルの幅が導体スロット部１２２と導体渡り部１２１で等しい必要がない。導体渡り部１２１の幅を導体スロット部１２２の幅より狭めて、コイル重量を軽減し、回転電機のトルク密度を向上させることができる。さらに、導体渡り部１２１の幅を導体スロット部１２２の幅より広げて、コイルの発熱を減らし、コイルの冷却系統（図示せず）を簡素化することもできる。このように、回転電機システム全体の小型軽量化を達成することができるようになる。

実施例４について図１６を参照しつつ説明する。図１６は実施例４に係る電動ホイール５００の断面の概念図である。電動ホイール５００には、アウターロータタイプの回転電機１００が使用される。回転電機１００の回転子１０２は回転子フレーム５３０に接続されている。回転子フレーム５３０は、接続部材５４０によって、ホイール５２０と接続されている。ホイール５２０にはタイヤ５１０が嵌め合わされている。ホイール５２０及び回転子１０２がシャフト５６０に対して回転自在に支持されるようにするために、ホイール５２０もしくは回転子フレーム５３０はシャフト５６０に軸受５５０で接続されている。一方、回転電機１００の固定子１０１は、支持部材（図示を省略）でシャフト５６０に固定支持されており、支持部材には電気回路５７０も搭載されている。電気回路５７０は電力を固定子１０１に供給し、回転子１０２を回転させる。回転子１０２の回転は回転子フレーム５３０、及び接続部材５４０を介してホイール５２０に伝達され、ホイール５２０を回転させる。

本実施例の構造を採用すると、回転電機１００のトルク密度が高いため、回転電機１００はホイール５２０の内周側に収容できるだけでなく、ギアレス化、すなわちホイール５２０のダイレクトドライブが可能となる。従来の電動ホイールはギアを利用しており、ギアの摩耗、騒音や、ギアを支持する必要があるため軸受の使用数が増加するなど課題が発生していた。

これに対して、本発明のトルク密度が高い回転電機１００を使用した電動ホイール５００はギアを必要としないため、ギアの摩耗を配慮したメンテナンスが不要になる上に、ギアから発生する騒音が無くなる。また、軸受の使用量は最低限となり、軸受の摩耗リスクが低減する上に、軸受のグリス交換等でのメンテナンスの作業量を削減することができる。また回転電機１００の体積が小さいため、電気回路５７０もホイール５２０の内部に搭載することができ、ギアレス化との相乗効果により、電動ホイール５００を小型軽量にすることが可能となる。

実施例５について図１７を参照しつつ説明する。図１７は実施例５に係る鉄道車両６００の概念図である。鉄道車両６００には、インナーロータタイプの回転電機１００が使用される。回転電機１００は支持部材６１０により台車６４０に固定支持されている。回転電機１００の回転子１０２は車軸６３０と直結し、回転電機１００は車軸６３０を介して車輪６２０を駆動する。

回転電機１００のトルク密度が高いため、鉄道車両は本実施例の回転電機を採用することが可能になり、ギアレス化、すなわち車輪６２０のダイレクトドライブが可能となる。従来の鉄道車両はギアを利用しており、ギアの摩耗、騒音や、ギアを支持する必要があるため軸受の使用数が増加するなど課題が発生していた。これに対して、本発明のトルク密度が高い回転電機１００を使用した鉄道車両６００はギアを必要としないため、ギアの摩耗を配慮したメンテナンスが不要になる上に、ギアから発生する騒音が無くなる。また、軸受の使用量は最低限となり、軸受の摩耗リスクが低減する上に、軸受のグリス交換等でのメンテ作業量は削減できる。また回転電機１００の体積が小さいため、ギアレス化との相乗効果により鉄道車両６００を小型軽量にすることが可能となる。

本発明の回転電機は鉄道車両に限らず、バス、作業車、モノレール等、台車に回転電機を備え、タイヤ、車輪等に対して回転軸から駆動力を与える車両であれば、問題なく使用することができる。

１００： 回転電機、１０１： 固定子、１０２： 回転子、１０９： 空隙、１１０： スロット、１１１： 同相スロット、１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ： 異相スロット、１１３： コイル挿入領域、１１４： スロット開口部、１２０： コイル、１２０Ｇ： 相コイル、１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ： 導体渡り部、１２２、１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ、１２２ｅ： 導体スロット部、１２３：引出部、１２３Ａ、１２３Ｂ：引出線、１２４： 角部、１２５： 折返し部、１２６： 接続部、１３０： 素線、１４０： 絶縁被膜、１５０： デッドスペース、１６０： 固定子コア、１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃ： 分割コア、１６２Ａ、１６２Ｂ： コア分割部、１７０： ティース、１７１： ティーストップ、１７２： 張出部、１７３： 楔、１８０： バックヨーク、２０１： 第１レイヤ、２０２： 第２レイヤ、２０３： 第３レイヤ、２０４： 第４レイヤ、４００： 分割固定子、５００： 電動ホイール、５１０： タイヤ、５２０： ホイール、５３０： 回転子フレーム、５４０： 接続部材、５５０： 軸受、５６０： シャフト、５７０： 電気回路、６００： 鉄道車両、６１０： 支持部材、６２０： 車輪、６３０： 車軸、６４０： 台車、７０１，７０２： 磁束、Ｃ： 回転軸心、Ｒ： 径方向、θ：周方向、Ｚ： 軸方向

Claims (16)

1. 周方向にスロットを複数有する固定子コアと、
   前記スロットのそれぞれに配置された導体スロット部、前記導体スロット部をコイルエンドにおいて繋げる導体渡り部、及び引出部によって構成される相コイルが少なくとも２つ以上備えられた固定子と、
   前記固定子のスロット開口部に対向して回転自在に配置された回転子と、を備えた回転電機であって、
   前記相コイルは周方向に連続して３つ以上並んだ前記スロットの一群を渡って巻装され、
   前記スロットは、その内部に一つの前記相コイルを含む同相スロットか、位相が異なる二つの前記相コイルを含む異相スロットの何れか一つであり、
   前記導体スロット部は前記スロット内の径方向に一列に配置されて複数のレイヤが構成され、全ての前記スロットの前記レイヤの総数は同一であり、
   （１）周方向に一つ置かれた前記同相スロットの両隣に前記異相スロットがそれぞれ一つ配置されるか、または、
   （２）周方向に２つ以上連続して並んだ前記同相スロットの両隣に前記異相スロットがそれぞれ一つ配置され、
   前記相コイルの断面形状は略長方形であることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載された回転電機において、
   前記引出部は正の引出線と負の引出線を有し、前記相コイルは、前記同相スロットの両隣に配置された二つの前記異相スロットの一方と他方の位置で、それぞれ周方向に折返されて巻装されたことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載された回転電機において、
   前記相コイルは前記レイヤの一つ分だけ径方向にずれた状態で、前記同相スロットと前記異相スロットを跨ぐように巻装されたことを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載された回転電機において、
   前記異相スロット内の位相が異なる二つの前記相コイルが径方向に交互に配置されたことを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載された回転電機において、
   前記同相スロットは、周方向に２つ以上連続して配置され、
   前記相コイルは、連続して並んだ前記同相スロットの一群を、同一の前記レイヤを維持して巻装されたことを特徴とする回転電機。
6. 請求項５に記載された回転電機において、
   前記レイヤの総数が偶数であり、前記正の引出線と前記負の引出線が、前記固定子コアの軸方向端部の片側のみから引き出されたことを特徴とする回転電機。
7. 請求項５に記載された回転電機において、
   前記レイヤの総数が奇数であり、前記正の引出線と前記負の引出線の一方が、前記スロットの軸方向端部の一端側から引き出され、他方が前記スロットの軸方向端部の他端側から引き出されたことを特徴とする回転電機。
8. 請求項１に記載された回転電機において、
   前記固定子コアが、前記異相スロットが置かれた位置に対応する、周方向のバックヨーク部で分割されたことを特徴とする回転電機。
9. 請求項１に記載された回転電機において、
   前記同相スロット及び前記異相スロットの周方向における幅の最小値をＷ_１とし、前記スロット開口部の周方向幅の最小値をＷ_２とすると、Ｗ_１≦Ｗ_２の関係を満たすことを特徴とする回転電機。
10. 請求項１に記載された回転電機において、
    前記相コイルは、前記異相スロットのコイルエンドにおいて折返し部を有し、
    前記コイルエンドにおいて折返した前記相コイルは、前記異相スロットに隣接する前記同相スロットへ巻装され、前記複数のレイヤに相当する前記相コイルが一体として成形されたことを特徴とする回転電機。
11. 請求項１０に記載された回転電機において、
    前記折返し部が、前記コイルエンドの軸方向における突出長さと同等か、それ以上の長さだけ前記軸方向に張り出されたことを特徴とする回転電機。
12. 請求項５に記載された回転電機において、
    前記導体スロット部と前記導体渡り部とが一体のコイル要素として構成され、
    前記コイル要素同士は、溶接、はんだ付け、嵌め合い、メッキ及び圧着の何れか一つによって接続されたことを特徴とする回転電機。
13. 請求項１に記載された回転電機において、
    前記スロットがオープン型スロットであり、前記固定子コアが分割コアを備えたことを特徴とする回転電機。
14. 請求項１に記載された回転電機において、
    前記スロットがセミクローズド型スロットであることを特徴とする回転電機。
15. 請求項１に記載された回転電機を備えた電動ホイールであって、
    前記回転電機がギアを介さず機械的な結合だけでホイールと直結することを特徴とする電動ホイール。
16. 請求項１に記載の回転電機を備えた車両であって、
    前記回転電機がギアを介さず機械的な結合だけで車輪と直結している車両。

Images