JP3903609B2 - 回転電機の波巻きコイルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機の波巻き巻線及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
モータ・発電機等の回転電機の固定子巻線や回転子巻線の巻装方法として、1磁極に所定巻数の導体を巻装し、巻装終了後、次の磁極に移る集中巻き巻装方式と、導体を波状に巻装していく波巻き巻装方式とが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、集中巻きの場合、巻装を磁極毎に行っていくため製作に時間がかかる。また、波巻きの場合、回転電機に広く使用されている三相コイルを巻装する場合、巻装作業が煩雑となり、更に巻装作業上、大断面積のコイル導体を使用するのが困難であるため、コイル導体の抵抗電力損失が大きく、コイル導体のスロット占積率の向上も簡単ではなかった。更に、コイルエンドが大きくなってその合計導体長が増加し、コイルエンドにおける抵抗電力損失が増大するという問題もあった。
【0004】
波巻きにおけるこれらの問題を解決するために、本発明者らは、コイル導体を細板状導体により形成し、スロット内に挿入される往き導体部の端部と還り導体部の端部とを接続する渡り導体部を略周面上にて山形に形成し、この渡り導体部の先端部(山頂部)にて折り重ねるか又は段差を設けることにより、渡り導体部の一半部を他半部に比較してその厚さ方向に厚さ分だけ変位させた構成のコイルエンドをもつ回転電機の波巻き巻線構造(以下、板状山形渡り導体式波巻きコイルという)を開発した。
【0005】
ところが、この板状山形渡り導体式波巻きコイルのコイルエンドは、各渡り導体部が極めて高密度に重なり合うので、放熱性に劣るという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、上記板状山形渡り導体式波巻きコイルを用いてコイルエンドのスペースや抵抗電力損失の低減が可能である上、更にコイルエンドの冷却性に優れる回転電機の波巻き巻線及びその巻装方法を提供することをその目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転電機の波巻き巻線は、上述した板状山形渡り導体式波巻きコイル構造を有するので、あらかじめ成形したコイルをスロットに挿入するだけで巻装を完了することができ、巻装作業が容易となる。また、巻装作業中に湾曲などのコイル導体塑性変形作業がないので大断面積のコイル導体を使用することができ、コイル導体のスロット占積率も向上することができ、更に、コイルエンドの合計導体長の短縮も実現できるのでコイルの抵抗電力損失を減少することができ、その上、コイルエンドの必要スペースも従来の波巻き巻線に比較して格段に縮小することができる。
【0007】
更に本構成では、複数の渡り導体部を径方向に所定の径方向隙間を隔てて積層してコイルエンドを形成しているので、コイルエンド、特に径方向両側に渡り導体部が隣接する径方向中央部の渡り導体部の冷却性を従来より格段に改善することができる。
本発明の回転電機の波巻き巻線においては更に、径外側の渡り導体部は、コアから離れるにつれて径外側に傾斜するので、コアのヨーク部すなわち各ティース同士を磁気的に接続する部分の軸方向外側の空きスペースに渡り導体部を配置することができるので、スペース使用効率がよく、かつ、コイルエンドの径外側に冷却ファンなどを支障なく設置することもできる。
【0009】
本発明の回転電機の波巻き巻線においては更に、スロットに挿入する前における渡り導体部の周方向占有幅は、渡り導体部の両端部に接続される一対のスロット導体部が挿入されるべきコアのスロットの周方向占有幅より所定の割合だけ広く形成される。
【0010】
このようにすれば渡り導体部の軸方向先端部をその軸方向基端部(スロット導体部との接続部位)よりも径外側へ容易に変位させることができ、コイルエンドの径外側の空きスペースを有効利用することができる。
請求項2記載の構成によれば請求項1記載の回転電機の波巻き巻線の製造方法において更に、スロットに挿入する前における径外側の渡り導体部の周方向占有幅の割合は、スロットに挿入する前における径内側の前記渡り導体部の周方向占有幅の割合よりも大きく設定されているので、各渡り導体部の径方向傾斜率を徐々に変化させて各渡り導体部間の径方向隙間を広くすることができ、コイルエンド冷却に有利である。
【0011】
【発明を実施するための態様】
本発明の好適な態様を以下の実施例により説明する。
【0012】
【実施例1】
本発明の波巻き巻線を固定子巻線に適用した三相モータの実施例を説明する。図1はこのモータの固定子の平面図を示し、図2は正面図を示し、図3〜図10に固定子コイル作成手順を示し、図11は図1とはことなる角度からみた固定子の平面図を示し、図12はコイルエンド部分の拡大軸方向断面図を示し、図13は一個の渡り導体部の拡大部分平面図を示し、図14は図13に示す渡り導体部の軸方向にみた正面図を示す。
【0013】
1は薄板状の電極鋼板を積層した固定子コアで、内径側に開口する多数のスロット(図示せず)を有する。各スロット内には、星型接続された三相二層波巻き型の固定子コイル(以下、単にコイルともよぶ)2が巻装されており、スロット入り口部には、コイルのスロットからの飛出しを防止する板状のウエッジ4が嵌着されている。また、スロットの内周部にはコイル2とコア1とを絶縁するインシュレータ3が挿入されている。
【0014】
コイル2は、スロット内に挿入される直線状のスロット導体部21と、スロット導体部21と一体に形成される渡り導体部22とを有し、渡り導体部22の両端は、2スロット挟んだ両側のスロットに挿入される一対のスロット導体部21の同一端部に個別に接続されている。コイル2は、図1に示すように、三つの相コイル2a、2b、2cからなり、スロット導体部21は、図3に示すように、各相コイル2a、2b、2cの始端23〜25からみて離れる往き方向へ延在する往き導体部21aと、各相コイル2a、2b、2cの始端23〜25からみて近づく還り方向へ延在する還り導体部21bとからなる。したがって、スロット両側のコイルエンド部2dは、正確にはスロット導体部21の両側の端部と渡り導体部22とで構成され、各渡り導体部22は、図1に示すように、スロット導体部21に対して周方向へ斜めに折れ曲がっており、渡り導体部22の中央部で折り曲げられて、その軸方向先端部で山形になっている。
【0015】
更に詳しく言えば軸方向先端部にて径方向に折り重ねられて重なる折り曲げ端部22aを各一個づつ有する。したがって、渡り導体部22の軸方向先端部22aのこの折り重ねにより、この渡り導体部22の両端から延在する一対のスロット導体部21にその厚さに等しい径方向変位が付与される。なお、渡り導体部22の軸方向先端部22aを折り重ねる代わりに、塑性変形により段差部を形成しても、同様に渡り導体部22の両端から延在する一対のスロット導体部21にその厚さに等しい径方向変位が付与することができる。そして、渡り導体部22のこの軸方向先端部22aは隣接する渡り導体部22とは径方向に重ならないので、上記径方向の折り曲げ又は段差付与が支障なく実施できるようになっている。
【0016】
以下、コイル2について更に詳しく説明する。
コイル2は、図3に示すように、1スロットピッチずつ離れて平行に配列された6本のコイル導体201〜206を有し、コイル導体201、204が相コイル2aを構成し、コイル導体203、206が相コイル2bを構成し、コイル導体202、205が相コイル2cを構成している。各コイル導体201〜206は固定子コア1の径方向に薄く周方向に広い略角形断面形状を有している。
【0017】
また、第m(mは整数)番目のコイル導体の第n(nは整数)番目のスロット導体部21は、第m番目のコイル導体の第n−1番目又は第n+1番目のスロット導体部21が収容されるスロットに対して電気角180度離れたスロット、すなわち、3スロット周方向占有幅離れたスロットに収容されている。なお、この3スロット周方向占有幅離れたスロットには、第m−3番目又は第m+3番目のコイル導体のスロット導体部21とともに収容される。
【0018】
更に、6本のコイル導体201〜206の各始端のうち、2、4、6番目の始端は互いに短絡されて中性点とされ、残る1、3、5番目の始端は、三相星型接続された各相コイル2a、2b、2cの端子をなす。
コイル導体201〜206の具体的な製造方法について図3〜図10にに示す作製手順を参照して説明する。
【0019】
まず、図3に示すように、6本のコイル導体201〜206を1スロットピッチずつ離れて平行に配置する。スロット導体部21及び渡り導体部22はそれぞれ直線帯状に形成されており、渡り導体部22はスロット導体部21に対して適当な角度(ここでは約60度)で斜設されている。なお、23はコイル導体201の始端であり、24はコイル導体203の始端であり、25はコイル導体205の始端であり、26はコイル導体202の始端であり、27はコイル導体204の始端であり、28はコイル導体206の始端である。
【0020】
次に、図4に示すように、コイル導体201〜206の始端23〜28から数えて最初の6個の渡り導体部22をその中央部(図3に破線で示す)で、最初のスロット導体部21が下となるように(谷折りで)折り曲げる。なお、図3において、各コイル導体201〜206の始端23〜28から数えて最初のスロット導体部21と次のスロット導体部21とは3スロットピッチ離れて形成されており、これによりコイル導体201の二番目のスロット導体部21はコイル導体204の最初のスロット導体部21の上に重なり、以下同様に、コイル導体202の二番目のスロット導体部21はコイル導体205の最初のスロット導体部21の上に重なり、コイル導体203の二番目のスロット導体部21はコイル導体206の最初のスロット導体部21の上に重なる。
【0021】
次に、図5に示すように、コイル導体201〜206の始端23〜28から数えて二番目の6個の渡り導体部22をその中央部(図4に破線で示す)で、二番目のスロット導体部21が三番目のスロット導体部21の上となるように(山折りで、すなわち最初の折り曲げ方向と同一回転方向へ)折り曲げる。これによりコイル導体201の三番目のスロット導体部21はコイル導体204の二番目のスロット導体部21の下に重なり、以下同様に、コイル導体202の三番目のスロット導体部21はコイル導体205の二番目のスロット導体部21の下に重なり、コイル導体203の三番目のスロット導体部21はコイル導体206の二番目のスロット導体部21の下に重なる。これにより、三番目のスロット導体部21は最初のスロット導体部21とスロット内で同じ深さ(最も深い位置)に無理なく収容される。
【0022】
以下、図6に示すように、順次、谷折り、山折り、谷折りと同一回転方向へ折り曲げることにより、6本のコイル導体201〜206を各スロットに2層に収容する。その結果、ロータ磁極数から1を引いた回数だけ折り曲げることにより、各コイル導体201〜206は一周することになり、スロット内に2層に2ターン分のコイルが形成される。
【0023】
次に、図7に示すように、いままでと反対回転方向へ(すなわち上記最初の2ターン形成の最後の折り曲げが谷折りとなるので、再び谷折りで)折り曲げる。これにより、その後のスロット導体部21はスロット内で3、4層目に円滑に配置されることができる。
以下、図8に示すように、順次、谷折り、山折り、谷折りと最初の2ターンと反対回転方向へ折り曲げることにより、6本のコイル導体201〜206を各スロットに4層に収容する。その結果、再度、ロータ磁極数から1を引いた回数だけ折り曲げることにより、各コイル導体201〜206は次の一周を行うことになり、スロット内に4層に4ターン分のコイルが形成される。以下、必要なターン数が上記と同じ手順で作製される。
【0024】
次に、所定ターンを作製した後、図8に示すように、コイル導体201〜206の最終渡り導体部22bは、いままでの渡り導体部22に対して約半分の長さとされ、かつ、コイル導体204〜206の最終渡り導体部22bはそれ以外の渡り導体部22及び最終渡り導体部22bと線対称方向に斜設されている。その結果、図10に示すように、コイル導体201、204の最終渡り導体部22bの先端部は重なり、コイル導体202、205の最終渡り導体部22bの先端部は重なり、コイル導体203、206の最終渡り導体部22bの先端部は重なり、これら重なり部分を溶接することにより、三相ステータコイルが形成されることになる。更に具体的に説明すれば、図9に示すようにコイル導体201〜203の折り曲げを行い、その後、図10に示すようにコイル導体204〜206の折り曲げを行って、上記重なりを形成し、溶接すればよい。
【0025】
次に、上述のように作製されたコイル2を固定子コア1の各スロットに挿入され、次にまたはスロット挿入前にコイル導体202、204、206の始端を短絡して中性点とする。
以下、本実施例の要部を図12〜図14を参照して以下に説明する。
図12に一端側のコイルエンド2dを示す。コイルエンド2dの主要部は径方向へそれぞれ径方向隙間22cを挟んで5層の渡り導体部22を積層してなる。ただし、各渡り導体部22は実際にはその軸方向先端部22bからその両側へ向けて周方向に広がっているが、理解を容易とするために上記周方向広がりを無視するものとする。
【0026】
図12から明らかなように、各渡り導体部22はそのコア1近傍から軸方向先端部22aに向けて反コア方向へ突出しているが、特に重要な点は、各渡り導体部22が最も径内側の渡り導体部22を除いてコア1の近傍からやや径外側に傾斜した姿勢で延在しており、かつ、各渡り導体部22の上記傾斜の割合が径外側の渡り導体部22ほど大きくなっていることである。したがって、径方向に隣接する2つの渡り導体部22、22間の径方向隙間22cは渡り導体部22の軸方向先端部22aに向かうにつれて拡大している。
【0027】
このように径方向に積層される各渡り導体部22の間に径方向隙間を介在させたので、空気流などによる各渡り導体部22の冷却性を向上することができる。次に、この径方向隙間22cの作成手順を図13、図14を参照して説明する。図13はスロット導体部21がスロットに挿入される前のスロット導体部21及び渡り導体部22を示し、図14は図13に示すスロット導体部21をスロットに挿入した後の渡り導体部22を軸方向にみた正面図である。
【0028】
m1、m2はこの渡り導体部22の両端から延在するスロット導体部21の軸直角平面における中心点であり、一点鎖線はこれら中心点m1、m2を結ぶコア1の軸方向中心を中心点とする円弧であり、L’は中心点m1、m2間の周方向占有幅(スパン)である。ただし、正確には、中心点m1は中心点m2より径内側へ渡り導体部22の厚さだけコア1の軸方向中心に変位しているが、図14ではそれを無視するものとする。
【0029】
図13に示すスロット挿入前の渡り導体部22は他の渡り導体部22と同じく、コア1の軸方向中心線を中心とする円筒面上に略延在するようにあらかじめ湾曲されている。
ただし、図13に示すスロット導体部21のスロット挿入前の渡り導体部22の周方向占有幅(スパン)Lは、図14に示すスロット導体部21のスロット挿入前の渡り導体部22の周方向占有幅(スパン)L、すなわち、スロット導体部21が挿入される一対のスロット間の周方向占有幅(スパン)L’よりも所定割合だけ大きくされている。その結果、スロット導体部21をそのスパンを縮めて両スロットに挿入する際に、渡り導体部22は図14に示すように一点鎖線で示す円筒面よりも径外側へ逃げる。
【0030】
径方向に重なる5つの渡り導体部22の周方向占有幅(スパン)Lは径外側の渡り導体部22ほど、本来の増加率よりも更に広く設定されているので、結局図12に示すように、径外側の渡り導体部22ほど強く径外側に傾斜し、これにより各渡り導体部22間に径方向隙間22cを確保することができる。なお、上記した本来の増加率とは、径外側の渡り導体部22の上記傾斜を形成しない場合の周方向占有幅(スパン)がその径内側に隣接する渡り導体部22の周方向占有幅(スパン)より、その厚さだけ径外側へ変位しているのでその分(4πt)だけ広くなっていることを意味する。
【0031】
【変形態様】
また、コイル導体201〜206はあらかじめ渡り導体部22をスロット導体部21に対して斜設するのではなく、折り曲げ時に屈曲して渡り導体部22としてもよい。
また、6本のコイル導体201〜206でたとえば偶数ターン分のコイル(本発明でいうコイル群)を作り、更に他の6本のコイル導体でたとえば偶数ターン分のコイル(本発明でいうコイル群)を作り、これらコイル群同士を半分の長さの渡り導体部22を重ねて溶接する手法などにより接続してもよい。
【0032】
コイル導体201と204、コイル導体202と205、コイル導体203と206と上述したそれぞれの最終渡り導体部で折り曲げて作製してから、図3から順にコイル成形してもよい。
更に、コイル導体202、204、206の始端を短絡する代わりにデルタ接続を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の波巻き巻線を固定子巻線に適用した三相モータの実施例における固定子の平面図である。
【図2】 図1に示す固定子の正面図である。
【図3】 図1、図2に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図4】 図1、図2に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図5】 図1、図2に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図6】 図1、図2に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図7】 図1、図2に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図8】 図1、図2に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図9】 図1、図2に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図10】 図1、図2に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図11】 図1とはことなる角度からみた固定子の平面図である。
【図12】 コイルエンド部分の拡大軸方向断面図である。
【図13】 スロット導体部をスロットに挿入する前の渡り導体部の拡大部分平面図である。
【図14】 図13に示すスロット導体部をスロットに挿入した後の渡り導体部の軸方向にみた正面図である。
【符号の説明】
1は固定子コア、2はコイル、21はスロット導体部、22は渡り導体部、22aは折り曲げ端部、22cは径方向隙間
Claims (2)
- コアの各スロットに交互に挿通される往き導体部及び還り導体部からなるスロット導体部と、前記スロット導体部と一体に形成されて前記往き導体部及び還り導体部の同一側端部を接続する渡り導体部とからなるコイル導体を有し、コイルエンドが前記コアの両端から突出する回転電機の波巻き巻線において、
前記渡り導体部は、厚さ方向がコアの径方向となる姿勢で延設された細板状導体から構成され、一端が他端よりも軸方向先端部の折り重ね又は段差により前記コアの径方向へ少なくとも厚さ分だけ変位した形状を有し、
前記コイルエンドは、複数の前記渡り導体部を径方向に所定の径方向隙間を隔てて積層してなり、
径外側の前記渡り導体部は、前記コアから離れるにつれて径外側に傾斜し、
前記スロットに挿入する前における前記渡り導体部の周方向占有幅は、前記渡り導体部の両端部に接続される一対のスロット導体部が挿入されるべき前記コアのスロットの周方向占有幅より所定の割合だけ広く形成されていることを特徴とする回転電機の波巻き巻線の製造方法。 - 請求項1記載の回転電機の波巻き巻線の製造方法において、
前記スロットに挿入する前における径外側の前記渡り導体部の周方向占有幅の前記割合は、前記スロットに挿入する前における径内側の前記渡り導体部の周方向占有幅の前記割合よりも大きく設定されていることを特徴とする回転電機の波巻き巻線の製造方法。
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