JP4265973B2

JP4265973B2 - 回転電機の固定子

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Publication number: JP4265973B2
Application number: JP2004008667A
Authority: JP
Inventors: 裕之秋田; 若木宮地; 利昭柏原; 省吾岡本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP2005204420A

Description

この発明は、モータ等の回転電機に使用される固定子に関するものであり、特に、コイルが整列巻された分布巻き構造における結線構造に関するものである。

回転機の固定子は、固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されたコイルと、スロット内に装着されてコイルを固定子鉄心に対して絶縁するインシュレータとを備えている。

固定子鉄心は、薄い鋼板を重ねて積層した円筒状であり、中心軸方向に延びるスロットが内周側に開口するように所定ピッチで周方向に複数個設けられている。固定子鉄心にコイルを装着する際には、固定子鉄心を帯状にしてスロット間の間隙をコイル導体の線幅より大きくし、太い線幅の導体を装着できるようにしている。コイルを装着した後、固定子鉄心は、帯状の固定子鉄心の両端が突き合わされて円環状にされ、両端が溶接等により接合される。

コイルの形状としては、固定子鉄心の軸方向端面の外側において、コイルに用いる導体のコイルエンドを折り返して波巻きした構造のものがあり、スロットのスペースを効率よく使うために、２本１組の導体がスロットの深さ方向の内層と外層を交互に採るように所定のスロット数毎にコイルを２組装着し、このコイルを３相に分布巻きしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

回転機の性能はコイルの巻数の影響が大きく、巻数が限定されると用途に応じた適正な性能設計ができない。

例えば、回転機を自動車の交流発電機に用いた場合、発電機の出力電流とロータの回転数に比例するエンジンの回転数との関係は、コイルの巻数の多い方が低速での出力電流は低く、高速での電流出力が高くなる。低速と高速での出力電流のバランスに対して様々なニーズがあるが、スロット中のコイルの数は特定され、コイルのターン数は整数となるので、上記ニーズに対して応えられない場合が生じるという問題がある。

この問題の解決策として、整数ターンコイルのΔ結線と整数ターンコイルのＹ結線とを組み合わせ、Δ結線をした３相コイルの外側にＹ結線をした３相コイルを直列接続した構成のものがある。この構成では、整数ターンの２組の３相コイルの中、一方の組の３相コイルをΔ結線し、他方の組の３相コイルをΔ結線の結線部に接続し、２組の３相コイルは、互いに電気角でπ／６ずれた状態になるスロット位置に配置している。

この構成によれば、２組の３相コイルのターン数は整数であっても、Δ結線とＹ結線との結線状態におけるターン数は整数と整数との間の巻数（非整数ターン数）とすることができる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２１１５８４号公報（第５−８頁、図２−６）特開２００２−２４７７８８号公報（第４−５頁、図２−５）

上記特許文献２では、２組の３相コイルを必要とし、また、２組の３相コイルのターン数をそれぞれ整数としているので、Δ結線とＹ結線との結線状態における非整数ターン数は自由に得られないという問題がある。

この発明は、上記のような問題を解決するものであり、自由な非整数ターン数が得られる結線構造の固定子を提供することを目的とするものである。

この発明に係る回転電機の固定子は、薄鋼板を積層した円環状の積層体の軸方向に延在し、周方向に所定ピッチで設けられた複数のスロットを有する固定子鉄心と、６相のコイルとを備え、
上記各相のコイルは、２本の長尺の導体を一組とした複数の組の導体で構成された整列巻きコイルであり、上記各組の２本の導体は上記固定子鉄心の端面の外側で折り返され、所定のスロットピッチで、上記スロット内で当該スロット深さ方向に内層側と外層側とに交互に配置されるように上記スロットのそれぞれに装着され、
上記６相のコイルの各相において、上記複数本の導体を直列に接続し、この直列に接続した導体からなるコイルを第１のコイルと第２のコイルに分割し、
上記６相の中の一組の３相の第１のコイルをΔ結線し、残りの他組の３相の第２のコイルを上記一組の３相の第１のコイルを結線したΔ結線の相間の接続部に中性点接続なしにＹ結線接続するとともに、
上記他組の３相の第１のコイルをΔ結線し、上記一組の３相の第２のコイルを上記他組の３相の第１のコイルを結線したΔ結線の外側にＹ結線した結線構造を有するものである。

上記発明に係る回転電機の固定子の構成によれば、非整数ターン数の結線構造を構成するに当たって、非整数ターン数の設計の自由度が増す。

先にも述べたように、回転機を自動車等の交流発電機に用いた場合、発電機の出力電流（Ｉ）とロータの回転数に比例するエンジンの回転数（Ｎ）との関係は、図８に示すように、コイル３５０のターン数の多い方が、コイル３５１のターン数の少ない方に比べて、低速での出力電流が低く、高速での電流出力が高くなる。また、低速と高速での出力電流（Ｉ）のバランスに対して様々なニーズがある。このニーズに対応するためには、コイルのターン数に対する設計の自由度を上げることが必要である。この発明は、低速と高速での出力電流（Ｉ）のバランスに対する様々なニーズに応えられるように、自由な非整数ターン数が得られる結線構造を得るものである。

以下に、図面に基づき、この発明の実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明に係る回転電機の固定子における実施の形態１の構成を示す斜視図である。
同図において、固定子１は、薄い鋼板を重ねて積層した固定子鉄心２と、固定子鉄心２の内周側に開口するように周方向に所定ピッチで複数個設けられ、中心軸方向に延びるスロット４に装着されたコイルとを備えている。

図２は、コイルの形状を示す平面図である。同図に示したように、コイル５は、固定子鉄心の軸方向端面（紙面の上下方向に直立する線の端部）の外側において、コイルエンド５ａを折り返して波巻きした構造であり、第１配線５１と第２配線５２、第３配線５３と第４配線５４及び第５配線５５と第６配線５６をそれぞれ１組として、スロット内に装着される。

図３は、スロット内に複数組の導体からなるコイル（配線）が装着された状態を示す断面図である。同図に示したように、１組の第１配線５１と第２配線５２は、スペースを効率よく使うためにスロット４の深さ方向の内層側と外層側を交互に採るように所定のスロットピッチ（図では第１スロットの次に第７スロット）で装着される。他の組の第３配線５３と第４配線５４及び第５配線５５と第６配線５６も同様に内層側と外層側を交互に採るように所定のスロットピッチで装着され、コイルａを形成する。また、同様に、残る５相のコイルｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆが所定のスロットピッチで装着される。ここで、例えば、コイルａをＡ相、コイルｂをＤ相、コイルｃをＣ相、コイルｄをＦ相、コイルｅをＢ相、コイルｆをＥ相とする。

このように、長尺の導体を固定子鉄心の端面の外側で折り返して、所定スロットピッチでスロットのそれぞれに複数のコイルを装着することによって、各スロットのＵ相、Ｖ相及びＷ相におけるコイルエンドが整列された、いわゆる整列巻とすることができる。

図４は、この発明の実施の形態１における配線の結線を説明するための模式図である。図４において、丸はスロット内に配置されたコイル（図２において、紙面の上下方向に直立する線）であり、丸を結ぶ実線は固定子鉄心の一方の端部のコイルエンドを示し、丸を結ぶ破線は固定子鉄心の他方の端部のコイルエンドを示し、縦方向に同一の位置にある丸は同一のスロットに装着されていることを示している。また、丸の上の数字は、この１相について見た場合の装着スロットに番号を付したものであり、図示していないが、横方向の丸と丸の間には他の５相のコイルとスロットが存在し、スロット数は全部で９６存在する。

図４に示したように、１つの相のコイルは、第１配線５１と第２配線５２、第３配線５３と第４配線５４及び第５配線５５と第６配線５６の３組から構成され、これらの配線のうち、第１配線５１、第３配線５３及び第５配線５５を、１番スロットと１６番スロットの端末で直列に接続し、第２配線５２、第４配線５４及び第６配線５６を直列に接続し、それぞれ３ターンコイルを構成する。さらに、第１配線５１の８番スロットと９番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０１及び２０２を配置し、第２配線５２の９番スロットと１０番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０３及び２０４を配置し、リード線２０３とリード線２０４とを接続することによって、３ターンコイル同士を直列に接続して、６ターンコイルの構成とする。さらに、第６配線５６の第５番スロットと第６番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０５及び２０６を配置することによって、６ターンコイルを分割し、リード線２０３とリード線２０６を端末とする第１のコイルと、リード線２０１とリード線２０５を端末とする第２のコイルが得られる。得られた第１のコイルは、１周と１／４周、周回して１．２５ターンの非整数ターン数となり、第２のコイルは、４周と３／４周、周回して４．７５ターンの非整数ターン数となる。他の各相も同様にして１．２５ターンの第１のコイルと４．７５ターンの第２のコイルを形成する。

図５は、第１のコイルと第２のコイルの接続の例を示す回路図である。図５において、コイル４０１は１．２５ターンの第１のコイルを示し、コイル４０２は４．７５ターンの第２のコイルを示す。図５に示したように、図３に示したＡ相〜Ｆ相につき、Ｄ相、Ｅ相及びＦ相の４．７５ターンのコイル４０２でΔ結線し、このΔ結線の接続部にＡ相、Ｂ相及びＣ相の１．２５ターンのコイル４０１を接続するとともに、Ａ相、Ｂ相及びＣ相の４．７５ターンのコイル４０２でΔ結線し、このΔ結線の接続部にＤ相、Ｅ相及びＦ相の１．２５ターンのコイル４０１を接続することによって、一つの３相コイルのＹ結線と他の一つの３相コイルのΔ結線とを結線した結線構造（以下、ハイブリッド接続という）が２つ形成される。

４．７５ターンのコイル４０２によるΔ結線は、Ｙ結線の２．７４ターン（＝４．７５／√３）に相当するので、図５のハイブリッド接続は、３．９９ターン（１．２５＋２．７４）に相当する。

以上、スロット内に３組のコイル（６本）が装着された例を示したが、この本数に限られるものではない。
スロットに入っているコイルの数をｎ（整数）とした場合、これらのコイルを直列に接続すれば最大巻数がｎターンのコイルを得ることができる。上記の説明と同様にして、ｎターンのコイルを、ｍターンと（ｎ−ｍ）ターンのコイルに分離し、ｍターンのコイルをＹ結線とし、（ｎ−ｍ）ターンのコイルをΔ結線とし、それらを組み合わせた場合、ターン数ｔは次式（１）で表される。
ｔ＝ｍ＋（ｎ−ｍ）／√３（１）

ｎターンを全てＹ結線とした場合のターン数ｔはｎであり、ｎターンを全てΔ結線とした場合のターン数ｔはｎ／√３であり、ターン数ｔは、ｎ／√３＜ｔ＜ｎの範囲とすることができる。

先に述べた特許文献２の例では、Ｙ成分のターン数（ｍに相当）及びΔ成分のターン数（（ｎ−ｍ）に相当）を整数としているのに対して、この発明では、ターン数を非整数を含むｍ及び（ｎ−ｍ）まで分割しているので、ターン数の設計の自由度が増す。

図４に示した例の場合、リード線を引き出す位置は１コイル（各配線）当たり８箇所あり、６コイルまで設定しているので、両端末を含めて４８の位置を選ぶことができる。この場合、ハイブリッド結線のＹ成分を０ターン、Δ成分を６ターンとした３．４６ターン相当（６／√３）から、Ｙ成分を６ターン、Δ成分を０ターンとした６ターン相当までの間を４８分割したターン数を構成することができる。

図６は、図４に示した例の場合に、リード線の位置を変え、上記式（１）のｍの値を変化させた場合の製作可能なターン数を示す図であり、図中、四角印は６ターンを整数ターンでＹ成分とΔ成分に分割した場合に製作可能なものである。図６から、製作できるコイルターン数の自由度が向上したことが分かる。

以上のように、各相の整数ターン数のコイルを、非整数ターン数の第１のコイル及び第２のコイルに分割し、第１のコイル同士をΔ結線し、Δ結線の相間の接続部に中性点接続なしに第２のコイルを接続することによって、非整数ターン数のコイルの設計における自由度を増すことができる。また、異なるターン数のコイルが容易に構成できる。

また、第１のコイルのターン数と第２のコイルのターン数との和を整数とすることによって、スロット内のコイルの数が全スロットにおいて同じになり、固定子の周方向の磁気的アンバランスがなくなる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２における配線の結線を説明するための模式図であり、６相の結線を示している。同図における、丸、実線、破線、番号は図４と同様のものとしている。

図７に示したように、一つのコイルは、第１配線５１と第２配線５２、第３配線５３と第４配線５４及び第５配線５５と第６配線５６の３組から構成され、これらの配線のうち、第１配線５１、第３配線５３及び第５配線５５を端末（１番スロットと１６番スロット）で直列に接続し、第２配線５２、第４配線５４及び第６配線５６を端末で直列接続し、それぞれ３ターンコイルを構成する。さらに、第１配線５１の８番スロットと９番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０１及び２０２を配置し、第２配線５２の９番スロットと１０番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０３及び２０４を配置し、リード線２０３とリード線２０４とを接続することによって、３ターンコイル同士を直列に接続して、６ターンコイルの構成とする。さらに、第６配線５６の９番スロットと１０番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０５及び２０６を配置することによって、６ターンコイルを分割し、リード線２０３とリード線２０６を端末とする第１のコイルと、リード線２０１とリード線２０５を端末とする第２のコイルが得られる。得られた第１のコイルは、１周、周回して１ターンとなり、第２のコイルは、５周、周回して５ターンとなる。他の各相も同様にして１ターンの第１のコイルと５ターンの第２のコイルを形成する。

ここで、例えば、上記実施の形態１と同様に一の組の３相コイルの５ターンの第２のコイルでΔ結線し、このΔ結線の接続部に他の組の１ターンの第１のコイルを接続するとともに、他の組の５ターンの第２のコイルでΔ結線し、このΔ結線の接続部に一の組の３相コイルを接続することによって、Ｙ結線とΔ結線とのハイブリッド接続が２つ形成される。

この場合、５ターンの第２のコイルによるΔ結線は、Ｙ結線の２．８８ターン（＝５／√３）に相当するので、ハイブリッド接続は、３．８８ターン（２．８８＋１）に相当する。

以上のように、各相の整数ターン数のコイルを、整数ターン数の第１のコイル及び第２のコイルに分割し、第２のコイル同士をΔ結線し、Δ結線の接続部に第１のコイルを接続することによって、非整数ターン数の結線を構成することができ、コイル巻線におけるターン数選択の自由度が向上する。

また、第１のコイルのリード線と第２のコイルのリード線がステータの周方向に同じ位置に配置されるのでコイル５１，５２とコイル５５，５６の形状が同じになり、製造が簡単になる。

この発明に係る回転電機の固定子は、例えば、車両用交流発電機等の固定子に利用することができる。

この発明に係る回転電機の固定子における実施の形態１の構成を示す斜視図である。コイルの形状を示す平面図である。スロット内に複数組のコイルが装着された状態を示す断面図である。この発明の実施の形態１における配線の結線を説明するための模式図である。実施の形態１におけるＵ相、Ｖ相及びＷ相の第１のコイルと第２のコイルの接続の例を示す回路図である。リード線の位置を変えた場合の製作可能なターン数を示す図である。実施の形態２におけるＵ相、Ｖ相及びＷ相の第１のコイルと第２のコイルの接続の例を示す回路図である。エンジン回転数と電流出力との関係を示す図である。

符号の説明

１固定子、２固定子鉄心、
３，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６リード線、４スロット、
５コイル、５ａコイルエンド、５１第１配線、５２第２配線、５３第３配線、５４第４配線、５５第５配線、５６第６配線。

Claims

薄鋼板を積層した円環状の積層体の軸方向に延在し、周方向に所定ピッチで設けられた複数のスロットを有する固定子鉄心と、６相のコイルとを備え、
上記各相のコイルは、２本の長尺の導体を一組とした複数の組の導体で構成された整列巻きコイルであり、上記各組の２本の導体は上記固定子鉄心の端面の外側で折り返され、所定のスロットピッチで、上記スロット内で当該スロット深さ方向に内層側と外層側とに交互に配置されるように上記スロットのそれぞれに装着され、
上記６相のコイルの各相において、上記複数本の導体を直列に接続し、この直列に接続した導体からなるコイルを第１のコイルと第２のコイルに分割し、
上記６相の中の一組の３相の第１のコイルをΔ結線し、残りの他組の３相の第２のコイルを上記一組の３相の第１のコイルを結線したΔ結線の相間の接続部に中性点接続なしにＹ結線接続するとともに、
上記他組の３相の第１のコイルをΔ結線し、上記一組の３相の第２のコイルを上記他組の３相の第１のコイルを結線したΔ結線の外側にＹ結線した結線構造を有することを特徴とする回転電機の固定子。
上記第１のコイル及び第２のコイルのターン数が整数ターン数であることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記第１のコイル及び第２のコイルのターン数が非整数ターン数であることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記第１のコイルのターン数と上記第２のコイルのターン数との和が整数であることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記第１のコイル及び第２のコイルのターン数が異なるターン数であることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記スロット内のコイルの数をｎとし、上記結線構造のターン数をｔとしたときに、ｎ／√３＜ｔ＜（１＋１／√３）×（ｎ／２）であることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。