JP3903609B2

JP3903609B2 - 回転電機の波巻きコイルおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3903609B2
Application number: JP26623698A
Authority: JP
Inventors: 敏一加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2018-09-21
Also published as: JP2000139051A

Description

【０００１】
【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

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。