JP4007186B2

JP4007186B2 - 回転電機の固定子

Info

Publication number: JP4007186B2
Application number: JP2002369995A
Authority: JP
Inventors: 請司香田; 瀬口　　正弘
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: JP2004201465A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機の固定子、特にその導体コイルの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の交流発電機や電気自動車の発電電動機等の回転電機の固定子は、円筒形状で複数のスロットが円周方向に隔設されたコアと、スロットに収容された導体コイルとから成る。一本の継ぎ目のない連続線から成る導体コイルもあるが、複数の導体セグメントを接合して成る導体コイルが本願出願人により提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、松葉形状の外導体セグメントと、これに囲まれる松葉形状の内導体セグメントとを複数使用して、各スロット内に４つの層が構成されている場合を考える。図９において外導体セグメントの一方直線部１５１及び内導体セグメントの一方直線部１６１がコア１７０の第１スロット１７１内に収容され、最内層（第１層）及び内層（第２層）を形成している。また、外導体セグメントの他方直線部１５３及び内導体セグメントの他方直線部１６３が第１スロット１７１から所定磁極ピッチ離れた第２スロット１７３内に収容され、最外層（第４層）及び外層（第３層）を形成している。
【０００４】
第１スロット１７１の最内層１５１と第２スロット１７３の最外層１５３とがＵ字形状の外ターン部１５５で接続されている。また、第１スロット１７１の内層１６１と第２スロット１７３の外層１６３とがＵ字形状の内ターン部１６５で接続されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２００１−３７１３２号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記導体セグメントは、所定厚さを持ち、Ｕ字形状の結合部と平行な一対の脚部とを含む素材（不図示）の両脚部を、板厚方向で離れる方向に変形させることにより製作されたものである。最内層１５１及び最外層１５３はその板厚方向が第１スロット１７１及び第２スロット１７３の半径方向と一致するように収容される。
【０００７】
ここで、外ターン部１５５と最内層１５１との間の第１内接続部１５２と、外ターン部１５５と最外層１５３との間の第１外接続部１５４との相対位置関係に注目する。コア１７０の中心から最内層１５１までの半径と、最外層１５３までの半径との差は一定である。しかし、回転子の極数が少なく磁極ピッチが短い場合、第１内接続部１５２と第１外接続部１５４との円周方向の間隔が短くなる。その結果、外ターン部１５５は第１内接続部１５２と第１外接続部１５４との間で急激にＳ字形状に捻られ、最内層１５１側の内方部１５６ａと最外層１５３側の外方部１５６ｂとの境界に、湾曲方向が反転する変曲点１５７が形成されることになる。
【０００８】
また、外ターン部１５５のＳ字形状の捻りは、コア１７０の半径が大きい場合にも生ずる。大きな半径のコアでは、第１内接続部１５２と第１外接続部１５４との半径方向の間隔が大きくなるからである。そして、磁極ピッチが短い場合も、コアの半径が大きい場合も、変曲部及びその周辺の被膜が剥離したり、加工性や強度の信頼性及び巻線の信頼性が低下し易い。
【０００９】
尚、内ターン部１６５と内層１６１との第２内接続部１６２と、外層１６３との間の第２外接続部１６４間の半径方向距離は、外ターン部１５５のそれに比べると短い。但し、磁極ピッチが短いとき等には内ターン部１６５がＳ字形状に捻られ、外ターン部１５５と同様の問題が生ずる。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、導体コイルを構成する複数の導体セグメントのターン部の変曲部に被膜の剥離等が生じ難い固定子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、ターン部の被膜の剥離等は応力集中に起因し、応力集中は変曲部の位置に関連することを見い出して、両者の関係を調べた。上記図９において外導体セグメントの外ターン部１５５の中間点１５８と、第１内接続点１５２及び第１外接続点１５４との距離に注目する。中間点１５８と第１内接続点１５２との間の半径方向距離と、中間点１５８と第１外接続点１５４とのそれとは等しい。
【００１２】
しかし、円周方向において、中間点１５８と第１内接続点１５２との間の距離と中間点１５８と第１外接続点１５４との距離とは異なり、後者の方が前者よりも長い。そのため、中間点１５８を基準として外ターン部１５５を捻ると、外方部１５６ｂの方が内方部１５６ａよりもより多く引っ張られ、これが中間点１５８での引張応力の集中の主な原因になっていることに気付いた。そこで、次に、外方部に引張応力が集中し難くするため、外方部の長さが内方部の長さよりも長くなるような変曲点の位置について検討した。
【００１３】
以下、図８を参照しつつ説明する。図８はコアの端面から軸方向に突出した外ターン部の端面視である。尚、簡略化のため、外ターン部１５５の変曲点１５７から内側の内方部１５６ａも外側の外方部１５６ｂも円弧状に変形すると仮定し、外方部１５６ｂの半径はＲ１で、内方部１５６ａの半径はＲ２とする。また、スロット１７１及び１７３に収容された４つの層１５１，１６１，１６３及び１５３の厚さ（コアの半径方向の寸法）をａとする。更に、コアの内周面の半径をＳ１，スロットの外周縁（最奥部）の半径をＳ２とする。
【００１４】
変曲点１５７が中間点１５８にある（変曲点１５７と中間点１５８とが一致している）場合、Ｓ２−Ｓ１＝Ｒ１＋Ｒ２＝４×ａが成立する。これに対して、変曲点１５７を中間点１５８よりも最内層１５１側に移動させるためには、Ｒ１＞２ａかつＲ２＜２ａとすれば良い。
【００１５】
以上の検討に基づきなされた本願の第１発明による回転電機の固定子は、請求項１に記載したように、円筒形状を持ちｍ個のスロットが円周方向に隔設されたコアと、ｍ個のセグメント組を有しスロットに収容された導体コイルと、から成り；ｍ個のセグメント組は松葉形状のｍ個の外導体セグメントと松葉形状で外導体セグメントに囲まれたｍ個の内導体セグメントから成り；第ｋ外導体セグメントの一方直線部が第ｋスロットの最内層を形成すると共に他方直線部が第ｋスロットから所定磁極ピッチ離れた第ｌスロットの最外層を形成し、コアの端面から突出し最内層と最外層とを結合する第ｋ外ターン部がコアの端面視でＳ字形状に湾曲し、外湾曲部の変曲点が第ｋ外ターン部の中間点よりも前記最内層側に位置している；ことを特徴とする。
【００１６】
この回転電機の固定子において、最内層と最外層とを結合しコアの端面視でＳ字形状に湾曲した第ｋ外ターン部の外湾曲部の変曲点が、第ｋ外ターン部の中間点よりも最内層側に位置している。これにより、素材から外導体セグメントを製作しコアのスロットに収容する際、変形量の大きい外方部の長さが変形量の小さい内方部の長さよりも長くなる。
【００１７】
この固定子は、外ターン部のうち、外湾曲部よりも最外層側の外方部の半径をＲ１、外湾曲部よりも最内層側の内方部の半径をＲ２とし、スロットに収容された前記導体セグメントの一つの層のコア半径方向の寸法をａとするとき、Ｒ１＞２ａ、Ｒ２＜２ａである。
【００１８】
請求項２の固定子は、請求項１において、更に、第ｋ内導体セグメントの一方直線部が第ｋスロットの内層を形成すると共に他方直線部が第ｌスロットの外層を形成し、コアの端面から突出し内層と外層とを結合する第ｋ内ターン部がコアの端面視でＳ字形状に湾曲し、内湾曲部の変曲点がｋ内ターン部の中間点よりも内層側に位置している。
【００１９】
請求項３の固定子は、請求項２において、第ｋ外ターン部及び第ｋ内ターン部がコアの半径方向外向きに傾斜し、コアの端面からの突出量及び直線部に対する傾斜角度は所定値以下とされている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
＜回転電機、回転子＞
回転電機は自動車やトラックの交流発電機、電気自動車の発電電動機（ＭＧ）、及び一般産業車両の電動機等を含む。ハウジングに固定された固定子（ステータ）と、固定子と対向する状態で回転軸に取り付けられた回転子（ロータ）とから成る。ロータは界磁巻線を備えたものでも、永久磁石を備えたものでも良い。
＜固定子＞
固定子は鉄心（コア）と、導体コイルとから成る。
(1) コア
コアは複数枚の薄い鋼板を積層して成り、全体として円筒形状で、所定幅で半径方向及び軸方向に延びる多数のスロットを備えている。コアの内径及び外径や、スロットの個数は任意に選定できる。後述するように、各スロットには４の倍数又は２の倍数の直線部が収容され層を成している。
(2) 導体コイル
導体コイルは多数のセグメント組から成る第１タイプと、多数の導体セグメントから成る第２タイプとがある。
<1>第１タイプ（重ね巻き）
導体コイルを構成する各セグメント組は松葉形状の多数の外導体セグメントと、該外導体セグメントに取り囲まれた、外導体セグメントと同数の内導体セグメントとを含む。ある外導体セグメントの一方直線部及び他方直線部は所定の磁極ピッチ離れた第ｋスロット及び第ｌスロットにかけて（またがって）、収容される。一方直線部は第ｋスロットの最内層を形成し、他方直線部は第ｌスロットの最外層を形成する。
【００２３】
最内層と最外層を結合する外ターン部はコアの端面から軸方向に突出し、コアの端面視においてＳ字形状に湾曲している。外ターン部の変曲点は外ターン部の中間点よりも最内層側にずれており、このずれ量は捻り部に形成されるＲ部（湾曲部）等を考慮して、０．１ａから１．０ａの範囲で選定することが望ましい。
【００２４】
また、外導体セグメントに取り囲まれた内導体セグメントの一方直線部は外導体セグメントの一方直線部と同じスロットに収容され内層を形成し、他方直線部は外導体セグメントの他方直線部と同じスロットに収容され外層を形成する。内層と外層を結合する内ターン部はコアの端面から軸方向に突出し、コアの端面視においてＳ字形状に湾曲している。内ターン部の中間点よりも内層側にずれた変曲点のずれ量は捻り部に形成されるＲ部（湾曲部）等を考慮して、０．１ａから１．０ａの範囲で選定することが望ましい。
【００２５】
尚、上記位置に変曲点を持つ外ターン部が、スロットの軸線に対して所定角度コアの半径方向外向きに押し倒されることがある。この場合、外ターン部及び内ターン部と周辺の機器との干渉を避ける等のため、外ターン部等のコアの端面からの突出量及びスロットに収容された直線部に対する傾斜角度を所定値以下に選定することが望ましい。
【００２６】
第ｋスロットと第ｌスロットとにかけて、更に、上記セグメント組と同じ構成の少なくとも一周分（ｍ個）の追加セグメント組を収容することができる。
▲２▼第２タイプ（波巻き）
導体コイルを構成する各導体セグメントの一方直線部が第ｋスロット内で内層を形成すると共に、他方直線部が第ｋスロットから所定磁極ピッチだけ円周方向に離れた第ｌスロットで外層を形成している。内層と外層を結合するターン部の変曲点は中間点よりも半径方向内方にずれている。ずれ量は捻り部に形成されるＲ部（湾曲部）等を考慮して、０．１ａから１．０ａの範囲で選定することが望ましい。
【００２７】
第ｋスロットと第ｌスロットとにかけて、更に、上記導体セグメントと同形状の少なくとも一周分（ｍ個）の追加導体セグメントを収容することができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
（構成）
▲１▼回転電機
図１に示す電気自動車用電動機は、固定子３０、回転子１０及びフレーム１８等を含んで構成されている。このうち、固定子３０は、固定子鉄心（コア）３２と、固定子巻線（導体コイル）６８を構成する二種類の多数の導体セグメント４０，５０と、コア３２と各導体セグメント４０，５０との間を電気絶縁する絶縁材２８とを備えている。
【００２９】
この電動機は固定子３０のコア３２のスロット３４の個数が１０８、１磁極ピッチが９で、極数が１２である。各スロット３４の内には４つの層が形成されている。コア３２の半径は比較的小さく、スロット３４の磁極ピッチ間距離は比較的長い。固定子３０の詳細については後述する。
【００３０】
回転子１０は、回転軸１２と、該回転軸に固定された回転子鉄心（コア）１４と、絶縁処理された導線を円筒状に巻いた界磁巻線１６とを有する。界磁巻線はコア１４を構成する一対のポールコアにより両側から挟持されている。
【００３１】
フレーム１８は、固定子３０及び回転子１０を収容し、回転子１０の回転軸１２を回転可能に支持するとともに、ポールコアの外周側に所定の隙間を介して固定子３０が固定されている。
▲２▼固定子
図１及び図２に示すように、固定子３０のコア３２は円筒形状を持ち、軸方向及び半径方向に延びる複数（１０８個）のスロット３４が円周方向に隔設されている。全てのスロット３４は同形状で、各スロット３４の横断面形状は半径方向に細長い矩形状であり、内周側が開口している。
【００３２】
１０８個の外導体セグメント４０等と１０８個の内導体セグメント５０等とにより１０８個のセグメント組６０等が構成されている。１０８個の外導体セグメント４０等、及び１０８個の内導体セグメント５０等は一部の異形線を除き同形状である。１０８個のセグメント組６０等により導体コイル６８が構成される。
【００３３】
以下、第９０セグメント組６０を例にとって説明する。図３に示すように、第９０外導体セグメント（以下実施例では「外セグメント」と略称する）４０は長手方向で中間の横断面矩形状の一対の直線部４１及び４２と、一端のＵ字形状の外ターン部４３と、他端の一対の接合片４５及び４７とから成り、捻れた松葉形状を持つ。
【００３４】
この外セグメント４０は図４（ａ）に示すように、一対の平行な脚部１０１及び１０４と、両方の脚部を結合するＵ字形状の結合部１０８とを含む外素材１００から製作されたものである。一方の脚部１０１の中間部１０２を一方の治具１１５の挿入孔に挿入し、他方の脚部１０４の中間部を他方の治具１１７の挿入孔に挿入し、図４（ｂ）に示すように、両方の治具１１５及び１１７を素材１００の板厚方向で互いに離れる方向に移動させる。
【００３５】
その際、図４（ｂ）に二点鎖線で示すように、ピン状の変形規制部材１２５を結合部１０８の中間部１０９よりも一方治具側１１５において垂直方向に位置決めし、結合部１０８の変形を規制する。
【００３６】
その結果、図３に示すように、結合部１０８は変形規制部材１２５を起点として変形し、比較的大きな半径を持つ円弧状の外方部４４ａと、比較的小さな半径を持つ円弧状の内方部４４ｂとを含むターン部４３が形成される。また、脚部１０１及び１０４の中間部１０２及び１０５が板厚方向及び幅方向で離れ互いに平行な一対の直線部４１及び４２となり、先端部１０３及び１０６は板厚方向に屈曲されて接合片４５及び４７になる。中間点４４ｄよりも一方直線部４１寄りに変曲点４４ｃが位置している。
【００３７】
内素材１２０が外素材１００と同時に曲げ加工され、第９０内導体セグメント（以下実施例では「内セグメント」と略称する）５０が製作される。この内セグメント５０も、外セグメント４０と同様に中間の横断面矩形状の一対の直線部５１及び５２と、一端の内ターン部５３、他端の一対の接合片５５及び５７とを含み、捻れた松葉形状を持つ。但し、内セグメント５０は外セグメント４０の内側に位置して取り囲まれている。よって、内ターン部５３は外ターン部４３よりも小さく、外ターン部と同様Ｓ字形状に捻られているが、捻れの程度は小さい。
【００３８】
一方直線部５１及び他方直線部５３は上記一方直線部４１及び他方直線部４３と長さは同じであるが間隔は狭い。また、一方の接合片５５及び他方接合片５７は長手方向と直交する方向で互いに近づく方向に屈曲されている。
【００３９】
各セグメント組のターン部４３，５３等が一端側コイルエンド群を形成している。
【００４０】
この様にして製作された外導体セグメント４０及び内導体セグメント５０はコア３２の所定のスロット３４ａ、３４ｂ等に軸方向に挿入される。一方直線部４１及び５１がスロット３４ａに収容され、他方直線部４２及び５２がスロット３４ｂに収容され、ターン部４３及び５３が一端面３６から突出し、接合片４５，５５及び４７，５７が他端面３３から突出する。
【００４１】
次に、接合片４５，５５及び４７，５７の接合について図５を参照しつつ説明する。例えば、第９９スロット（第ｋスロット）３４ｂの最内層を形成する直線部４１に連続した第９９外導体セグメント（実線で示す）４０の一方接合片４５は、コア３２の他端面３３側でコア３２の湾曲に沿って時計方向に延びている。一方、第９０スロット（第１スロット）３４ａの内層を形成する直線部５１に連続した第９０内導体セグメント５０の他方接合片５５は他端面３３でコア３２の湾曲に沿って反時計方向に延びている。そして、一方接合片４５と他方接合片５５とは接合部７２で接合されている。
【００４２】
また、第９９スロット３４ｂの外層を形成する直線部５２に連続しコア３２の湾曲に沿って時計方向に延びた第９０内導体セグメント（破線で示す）５０の一方接合片５７は、第９０スロット３４ｂの最外層を形成する直線部４２に連続し反時計方向に延びた第９０外導体セグメント４０の他方接合片４７と、接合部７１で接合されている。
【００４３】
多数の接合部７１、７２で接合された多数の一方接合片４４，５５及び多数の他方接合片４７，５７が他端側コイルエンド群を形成している。
【００４４】
以上の構成は第９１セグメント組６２及び第８９セグメント組６４についても同様である。第９０セグメント組６０、第９１グメント組６２及び第８９セグメント組６４は直列に接続されＵ相を形成している。尚、Ｖ相及びＷ相はＵ相と同様に構成されている。
（作用効果）
電動機の作動自体は公知であり、また本発明に直接関係ないので、説明を割愛する。
【００４５】
図４（ｂ）に示すように、外素材１００から外セグメント４０を製作する際、中間点１０９よりも一方の脚部１０２（最内層４１を形成する）側に変形規制部材１２５を位置決めし、結合部１０８の変形を規制する。その結果、コア３３の端面３６視である図７に示すように、外方部４４ａと内方部４４ｂとの間で外ターン部４３の湾曲方向が反転する変曲点４４ｃは中間点４４ｄよりも内方部４４ｂ側に位置している。これにより、外方部４４ａが内方部４４ｂよりも長くなるので、外方部４４ａに加わる引張応力が緩和される。
【００４６】
尚、外方部４４ａの半径を大きくしても、変曲点４４ｃの位置が内方に移動するのみで、外方部４４ａの一部がスロット３４ａの外周縁（最奥部、コア３２の中心からの半径Ｓ）よりも半径方向外側に位置することはない。但し、図６に示すように、コア３２の端面３６から突出した外ターン部４３及び内ターン部５３を、占有スペースを小さくする等の理由から、半径方向外向きに押し倒すことがある。この場合、外ターン部４３の一部（中間点４４ｄ、変曲点４４ｃ付近）がスロット３４ａの外周縁よりも外側に位置する虞がある。余り大きく押し倒すと、コア３２の端面３６から突出した外ターン部４３の被膜を傷付けたり、突出部分を変形させ応力集中を起こし、望ましくない。
【００４７】
ここで、外ターン部４３の軸方向突出量をＡとし、外ターン部４３がスロット３４ａの軸方向（図６で左右方向）に対してなす角度をθとすると、内層５１と外層５２との境界面即ちスロット３４ａの半径方向の中間部から外ターン部４３の中間点４３ｃまでの半径方向の距離ｄは、ｄ＝Ａ×ｔａｎθ＋２ａとなる。また、スロット３４ａの外周縁から外ターン部４３の中間点４３ｃまでの半径方向の距離をＸとすると、ｄ＝Ｘ＋Ｒ１となる。
【００４８】
以上より、外方部４４ａの半径や、外ターン部４３及び内ターン部５３の突出量Ａ及び／又は傾斜角θを所定値との関係でｄを所定値以下に選定することにより、上記不具合を解消している。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べてきたように、第１発明にかかる回転電機の固定子によれば、コアの各スロット内に４つの層が収容される場合、Ｓ字形状に湾曲した第ｋ外ターン部の外湾曲部の変曲点が第ｋ外ターン部の中間点よりも最内層側に位置し、外導体セグメントを製作時及びスロットへの収容時、変形量の大きい外方部の長さが変形量の小さい内方部の長さよりも長くなる。その結果、外方部に発生する引張応力が緩和され、変曲点において被膜の剥離等が発生し難くなる。
【００５０】
請求項２の固定子によれば、外方部及び内方部の半径をスロット内の導体セグメント直線部のコア半径方向の寸法との関係で選定したことにより、変曲点の移動がより確実になり、被膜の剥離等がより確実に防止される。請求項３の固定子によれば、第ｋ外導体セグメントに加えて、第ｋ内導体セグメントの内ターン部の変曲点における被膜の剥離等が防止される。請求項４の固定子によれば、第ｋ外導体セグメントの外ターン部及び第ｋ内導体セグメントの内ターン部での被膜の剥離等を防止しつつ、外ターン部及び内ターン部の配置スペースの増加を抑えることができる。
【００５１】
第２発明に係る回転電機の固定子によれば、コアの各スロット内に２つの層が収容される場合において、コアの各スロット内に４つの層が収容される上記第１発明と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の全体を示す正面断面図である。
【図２】図１におけるコアの端面図である。
【図３】図１のコアに収容されたセグメント組の斜視図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は素材から外導体セグメント及び内導体セグメントを製作する工程を示す斜視図である。
【図５】複数のセグメント組から成る導体コイルの配線状態を示す説明図である。
【図６】セグメント組のターン部の押倒しを示す説明図である。
【図７】外ターン部における変曲点の位置を示す説明図である。
【図８】本発明の基本概念を説明する説明図である。
【図９】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０：回転子３０：固定子３２：コア３４ａ，３４ｂ：スロット
３６：端面４０：外導体セグメント
４１、５１：一方直線部４２、５２：他方直線部
４３、５３：ターン部５０：内導体セグメント
４５，５５：一方接合片４７，５７：他方接合片
４３ａ：外方部４３ｂ：内方部
４３ｃ：変曲点４３ｄ：中間点
６０、６２，６４：セグメント組６８：導体コイル

Claims

円筒形状を持ちｍ個のスロットが円周方向に隔設されたコアと、ｍ個のセグメント組を有し該スロットに収容された導体コイルと、から成り、
該ｍ個のセグメント組は松葉形状のｍ個の外導体セグメントと松葉形状で外導体セグメントに囲まれたｍ個の内導体セグメントから成り、
第ｋ外導体セグメントの一方直線部が前記第ｋスロットの最内層を形成すると共に他方直線部が該第ｋスロットから所定磁極ピッチ離れた第ｌスロットの最外層を形成し、前記コアの端面から突出し該最内層と該最外層とを結合する第ｋ外ターン部が該コアの端面視でＳ字形状に湾曲し、外湾曲部の変曲点が該第ｋ外ターン部の中間点よりも前記最内層側に位置しており、前記外ターン部のうち、前記外湾曲部よりも前記最外層側の外方部の半径をＲ１、外湾曲部よりも前記最内層側の内方部の半径をＲ２とし、スロットに収容された前記導体セグメントの一つの層のコア半径方向の寸法をａとするとき、Ｒ１＞２ａ、Ｒ２＜２ａであることを特徴とする回転電機の固定子。
前記第ｋ内導体セグメントの一方直線部が第ｋスロットの内層を形成すると共に他方直線部が該第ｌスロットの外層を形成し、前記コアの端面から突出し該内層と該外層とを結合する第ｋ内ターン部が該コアの端面視でＳ字形状に湾曲し、内湾曲部の変曲点が該ｋ内ターン部の中間点よりも該内層側に位置している請求項１に記載の回転電機の固定子。
前記第ｋ外ターン部及び前記第ｋ内ターン部が該コアの半径方向外向きに傾斜し、前記コアの端面からの突出量及び前記直線部に対する傾斜角度は所定値以下とされている請求項２に記載の回転電機の固定子。