JP4453669B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車等に搭載されて高電圧駆動される回転電機に関する。

Ｕ字状のセグメント導体を接合することにより構成される固定子巻線を備えた回転電機が知られているが、高電圧仕様の車載用モータにこのような固定子巻線を適用する場合、電圧（出力）にもよるが、毎極毎相あたりの直列導体数Ｚは１２〜２４が必要となる。そのためには、スロット導体数Ｎｃおよびスロット数Ｎｓを大きくすることが必要となる。このような固定子巻線として、例えばスロット導体数Ｎｃが６あるいは８の固定子巻線が知られている（特許文献１〜３参照。）。
特許第３３８４３３７号公報（第４−８頁、図１−１１） 特許第３３０３７７３号公報（第５−９頁、図１−１９） 特開２００４−１６６３１６号公報（第１５−３３頁、図１−４６）

ところで、スロット導体数が多くなると、曲げ側（ターン部側）のコイルエンド高さが高くなるという問題があった。重ねられるセグメント導体の本数が少なくなるように配列を工夫することである程度コイルエンド高さを低くすることはできるが、固定子巻線の低抵抗化やフレームとの間の隙間の増大等のためにはさらにコイルエンド高さを低くする必要がある。また、上述した特許文献に開示されたスロット導体数Ｎｃが大きい固定子巻線ではセグメント導体の接合側のコイルエンド高さに関しては特に工夫がなされておらず、この接合側のコイルエンドについても低くする工夫が望まれる。また、接合側コイルエンドは、スロット導体数が増えると径方向接合点数が増えるため、コイルエンド端が外径側に拡がり、フレームとの隙間が減少するという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、固定子巻線のコイルエンド高さを低くすることができる回転電機を提供することにある。また、本発明の他の目的は、コイルエンドの外径寸法を小さくすることができる回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、回転子と、この回転子の径方向外側に対向配置された固定子とを有しており、固定子は、周方向に沿って配置された複数のスロットが形成された固定子鉄心と、一部がスロット内に配置され、残りの一方が固定子鉄心の軸方向端面から突出するＵ字状のセグメント導体の端部を接合することにより形成され、残りの他方がセグメント導体のターン部により形成される複数のコイルからなる多相巻線としての固定子巻線とを備え、スロット内には６本の偶数本のセグメント導体の直線部が径方向に沿って一列に配置されており、同じスロット内の異なる径方向位置であって内外径部を除く径方向中央部に直線部が配置された少なくとも一組のセグメント導体のターン部は、固定子鉄心の径方向に沿って、１本のセグメント導体を跨いで交差しており、１本のセグメント導体を跨いで交差するターン部につながる一組のセグメント導体の２本の直線部をスロット内に１層飛びに、スロットの径方向内周から数えて一のスロットの第２層と他のスロットの第４層に、一のスロットの第３層と他のスロットの第５層に配置し、複数のコイルの接合側コイル辺間隔である前ピッチを磁極ピッチよりも小さく設定している。また、上述した複数のコイルのうち、スロットの径方向中央部に両コイル辺を有する内回りコイルの反接合側コイル辺間隔である後ピッチを磁極ピッチより小さく設定することが望ましい。固定子巻線の各相巻線の少なくとも一部のコイル辺ピッチを磁極ピッチよりも小さくすることにより、各相巻線において２つのスロット内に配置された直線部（コイル辺）同士を繋ぐコイルエンド高さを低くすることができる。

また、上述したスロット内に配置された偶数本のセグメント導体の直線部は、固定子鉄心の径方向に沿って一列に配置されているため、固定子鉄心の周方向に沿って配列されるセグメント導体の本数を減らすことができ、コイル辺ピッチの間隔を小さくすることと相まってコイルエンド高さを低くすることができる。

また、上述したスロット内の異なる径方向位置に配置された直線部に対応する少なくとも一組のセグメント導体のターン部は、固定子鉄心の径方向に沿って交差しているため、コイルエンドの高さ方向にセグメント導体のターン部を重ねて配置せずに交差させることにより、さらにコイルエンド高さを低くすることができる。また、コイルエンドの径方向への拡がりを減らすことができる。

また、本発明の回転電機は、回転子と、この回転子の径方向外側に対向配置された固定子とを有しており、固定子は、周方向に沿って配置された複数のスロットが形成された固定子鉄心と、一部がスロット内に配置され、残りの一方が固定子鉄心の軸方向端面から突出するＵ字状のセグメント導体の端部を接合することにより形成され、残りの他方が前記セグメント導体のターン部により形成される複数のコイルからなる多相巻線としての固定子巻線とを備え、スロット内には８本の偶数本のセグメント導体の直線部が配置されており、同じスロット内の異なる径方向位置に配置された直線部に対応するセグメント導体のターン部は、固定子鉄心の径方向に沿って、１本のセグメント導体を跨いで交差しており、複数のコイルのうち、スロットの径方向中央部に直線部が配置された内回りコイルのターン部につながる一組のセグメント導体の２本の直線部をスロット内に１層飛びに、スロットの径方向内周から数えて一のスロットの第３層と他のスロットの第５層に、一のスロットの第４層と他のスロットの第６層に配置し、複数のコイルのうち、スロットの内周部あるいは外周部に直線部が配置された外回りコイルのターン部につながる一組のセグメント導体の２本の直線部をスロット内に６層飛びに、スロットの径方向内周から数えて一のスロットの第１層と他のスロットの第７層に、一のスロットの第２層と他のスロットの第８層に配置し、複数のコイルの接合側コイル辺間隔である前ピッチ、または、反接合側コイル辺間隔である後ピッチを磁極ピッチよりも小さく設定している。これにより、接合箇所の数が減り、接合側コイルエンドの外径側への拡がりを抑えることができるとともに、接合工程も簡略化することができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の回転電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の回転電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の回転電機１００は、固定子１、回転子２、フロントベアリング３、リアベアリング４、フレーム５を含んで構成されている。

固定子１は、周方向に沿って配置された複数のスロットが形成された円筒形の固定子コア１１と、Ｙ結線された多相巻線（例えばＵ、Ｖ、Ｗ相からなる３相巻線）としての固定子巻線６を構成する複数種類のセグメント導体１０とを備えている。固定子コア１１は、所定厚さの積層鋼板を複数枚重ねることによって形成された積層コアとして形成されている。固定子巻線６は、例えば外部の三相インバータ制御回路（図示せず）から給電されている。

回転子２は、固定子１の内側に対向配置されており、永久磁石が内部に組み込まれている。回転子２のシャフト（回転軸）７がフロントベアリング３およびリアベアリング４によって回転自在に支持されている。フレーム５は、これらのフロントベアリング３およびリアベアリング４を収容する。

端子ケース１２は、固定子巻線６の各相から引き出された３本の引出しリード線９の端部に接続された３つの接続端子を内蔵する。これらの接続端子には、外部の三相インバータ制御回路が接続される。端子ケース１２より引き出された引出しリード線９は、シャフト７の軸線と平行に伸びた後、径方向内側に曲げられ、さらに軸線と平行になるよう曲げられてセグメント導体１０の径方向側に位置し、スロット最外層より引き出された口出し線用引出し線８と径方向で合わされ、双方の軸方向端を溶接にて結線する。溶接部は絶縁樹脂１３にて覆われている。

本実施形態では、固定子巻線６は、断面が四角形形状を有する平角のＵ字状のセグメント導体１０を固定子コア１１の一方の軸方向端面側から固定子コア１１の各スロットに挿通し、スロットから各セグメント導体１０の飛び出し端部を固定子コア１１の他方の軸方向端面側に必要な長さだけ突出させ、各セグメント導体１０の飛び出し端部を周方向にそれぞれ捻り、各セグメント導体１０の飛び出し端部の先端部（接合部）を所定の組み合わせで溶接によって接合することにより構成されている。

次に、本実施形態の固定子巻線６の詳細について説明する。本実施形態では、固定子巻線６は、スロット導体数Ｎｃが６の６層スロット導体の構造を有している。図２は、セグメント導体１０のターン部側から見た固定子巻線６のコイルエンド形状を示す図であり、一部について外側のセグメント導体１０を省略した状態が示されている。また、図３はセグメント導体の連結状態を示す斜視図である。図４は、毎極毎相あたりのスロット数Ｎｓを２とした１相１極対分の巻線模式図である。

図２に示すように、本実施形態の固定子巻線６は、全周のコイルエンド高さを低減するために、スロット最内径側を１層導体、スロット最外径側導体を６層導体としたときに（図４において、矩形枠に付された１〜６の符号がこれらの層番号を示している）、２層−４層導体、及び、３層−５層導体が曲げ側（ターン部側）コイルエンド部にて径方向に交差して繋がれており、その周りを１層−６層導体を繋ぐ曲げ側コイルエンド部が取り囲む構造になっている。１層から６層導体は、図３に示すように一巡で全ての層が接続される導体配置となっており、２層−４層導体、及び、３層−５層導体が重ね巻部、１層−６層導体が波巻部を構成する。

図４に示すように、極ピッチＰｐ＝６（単位：スロット）に対し、内回りコイル（２層−４層導体間、及び、３層−５層導体間の曲げ側）のコイル辺ピッチ（後ピッチ）を５、溶接（接合）側のコイル辺ピッチ（前ピッチ）を５としており、極ピッチＰｐより１ピッチ小さい形状にしている。図２〜図４から明らかなように、スロットに挿入されたＵ字状のセグメント導体１０の高さは、異なるスロット内に収納される２本の直線部の周方向位置が離れるほど高くなる。２本の直線部の周方向位置が離れれば、それだけそれらの間に配置する他のセグメント導体１０の本数が増加するからである。したがって、図４に示すように、極ピッチＰｐ（＝６）よりも小さいピッチのセグメント導体１０は、極ピッチＰｐと同じピッチのセグメント導体よりも曲げ側および接合側の両方の高さを低くすることが可能になる。

一方、外回りコイル（１層−６層導体間の曲げ側）のコイル辺ピッチは、極ピッチＰｐより１ピッチ大きい７となるが、図４に示すように、高さが低くなった内回りコイルに先端部を近接させて先端部曲げ形状を最適化した導体形状にしている。

このようなセグメント導体の形状とすることにより、曲げ側、及び、接合側のコイルエンド高さを、コイル辺ピッチを極ピッチＰｐ（＝６）と同じにした全節巻よりも低くすることができる。また、隣接スロット導体を接続するための異形線（コイル辺ピッチや曲げ側形状の異なる線）の中でピッチが７と大きい１層−５層導体をつなぐ異形線は、図４に示すように他のコイルに近接させることにより、コイルエンド高さを低くすることができる。

このように、本実施形態の回転電機１００では、固定子巻線６の各相巻線の少なくとも一部のコイル辺ピッチを磁極ピッチよりも小さくすることにより、各相巻線において隣接する２つのスロット内に配置された直線部同士を繋ぐコイルエンド高さを低くすることができる。

また、セグメント導体１０はＵ字形状を有しており、固定子巻線６は、異なるセグメント導体１０の端部同士を互いに接合して直列接続することにより構成されている。これにより、Ｕ字形状のセグメント導体１０のターン部側（曲げ側）のコイル辺ピッチ（後ピッチ）あるいは接合部側のコイル辺ピッチ（前ピッチ）の少なくとも一方を磁極ピッチよりも小さくすることができ、ターン部によって形成されるコイルエンド高さ、あるいは、接合部側のコイルエンド高さを低くすることができる。

また、スロット内に配置された偶数本のセグメント導体１０の直線部は、固定子鉄心１１の径方向に沿って一列に配置されている。これにより、固定子鉄心１１の周方向に沿って配列されるセグメント導体１０の本数を減らすことができ、コイル辺ピッチの間隔を小さくすることと相まってコイルエンド高さを低くすることができる。

また、スロット内の異なる径方向位置に配置された直線部に対応する少なくとも一組のセグメント導体１０のターン部は、固定子鉄心２１の径方向に沿って交差している。このように、コイルエンドの高さ方向にセグメント導体１０のターン部を重ねて配置せずに交差させることにより、さらにコイルエンド高さを低くすることができる。また、ターン部を重ねて配置する場合よりコイルエンド外径を小さくすることができ、フレーム５との距離が大きくなる。

図５は、本実施形態の固定子巻線の変形例の巻線模式図であり、毎極毎相あたりのスロット数Ｎｓを３とした１相１極対分の巻線模式図が示されている。極ピッチＰｐ＝９（単位：スロット）に対し、内回りコイル（２層−４層導体間、及び、３層−５層導体間の曲げ側）のコイル辺ピッチ（後ピッチ）を８、溶接側のコイル辺ピッチ（前ピッチ）を８としており、１ピッチ小さいセグメント導体１０の形状にしている。一方、外回りコイル（１層−６層導体間の曲げ側）のコイル辺ピッチ（後ピッチ）は、極ピッチＰｐより１ピッチ大きい１０となるが、図５に示すように、高さが低くなった内回りコイルに先端部を近接させて先端部曲げ形状を最適化した導体形状にしている。このようなセグメント導体１０の形状とすることにより、曲げ側、及び、接合側のコイルエンド高さを、コイル辺ピッチを極ピッチＰｐ（＝９）と同じにした全節巻（コイル辺ピッチ＝９）より低くすることができる。また、隣接スロット導体を接続するための異形線の中でピッチが１１と大きい１層−５層導体をつなぐ異形線は、図５に示すように、他コイルに近接させて、コイルエンド高さを低減する。これに合わせてピッチ９の異形線（１層−５層導体間）も他のコイルに近接させてコイルエンド高さを抑えている。

図６は、セグメント導体１０の曲げ側の固定子巻線６の側面図である。図６に示すように、軸方向に頂部が突出する異形線６ａにより隣接スロット導体を接続する構造とし、結線の簡素化を図っている。

図７は、固定子巻線６の変形例を示す側面図である。図７に示すように、３相巻線の各相の端部をスロット外径側（コアバック側）に張り出させ、セグメント導体１０の曲げ側の頂部からずらした位置で結線することにより、中性点接続部の突出高さを、図７に示すＨ０から図７に示すＨ１に抑えることが可能になる。

〔第２実施例〕
次に、スロット導体数Ｎｃを８とした固定子巻線６が備わった第２の実施形態の回転電機について説明する。なお、本実施形態の回転電機の全体構成については、図１に示した第１の実施形態の回転電機１００と同じであり、全体構成の説明は省略して巻線構造のみについて説明を行うものとする。

図８は、第２の実施形態のセグメント導体１０のターン部側から見た固定子巻線６のコイルエンド形状を示す図であり、一部について外側のセグメント導体１０を省略した状態が示されている。また、図９はセグメント導体の連結状態を示す斜視図である。図１０は、毎極毎相あたりのスロット数Ｎｓを３とした１相１極対分の巻線模式図である。図１１は、セグメント導体１０の接合部側から見た固定子巻線６のコイルエンド形状を示す図である。

図８に示すように、８層スロット導体（Ｎｃ＝８）の場合、全周のコイルエンド高さを低くするため、３層−５層導体、４層−６層導体が曲げ側コイルエンド部にて径方向に交差して繋がれており、その周りを１層−７層導体、２層−８層導体を繋ぐ曲げ側コイルエンド部が取り囲む構造としている。また、これらの１層−７層導体、２層−８層導体も曲げ側コイルエンド部にて径方向に交差して繋がれている。

１層から８層の各導体は、図９に示すように、一巡で全ての層が接続される導体配置となっており、３層−５層導体、４層−６層導体が重ね巻部、１層−７層導体、２層−８層導体が波巻部を構成する。図示のように隣接する導体が並行して巻装された並列巻線として構成され、大電流に対応できるのが特徴である。また、図１１に示すように、径方向に整列した接合側導体端部を４本ずつ（１〜４層導体、および、５〜８層導体を）まとめて溶接することにより、隣接導体を並列接続している。これにより、接合箇所の数を減らすことができ、接合側コイルエンドの外径側への拡がりを抑えることができ、接合工程も簡略化することができる。

図１０に示すように、本実施形態の固定子巻線は、極ピッチＰｐ＝９（単位：スロット）に対し、溶接側のコイル辺ピッチが９、曲げ側のコイル辺ピッチが８となるセグメント導体形状にしている。溶接側のコイル辺ピッチが９であるため、接合側のコイルエンド高さは変わらないが、曲げ側は内回りコイル（３層−５層、４層−６層導体間の曲げ側）のコイル辺ピッチと、外回りコイル（１層−７層、２層−８層導体間の曲げ側）のコイル辺ピッチの両方が８であって極ピッチ９よりも小さくすることができ、曲げ側のコイルエンド高さを、コイル辺ピッチを極ピッチＰｐ（＝９）と同じにした全節巻よりも低くすることができる。

また、内回りコイルと外回りコイルのコイル辺ピッチが等しいため、Ｕ字状のセグメント導体１０の２本の直線部を周方向にコイル辺ピッチ分だけ捻ることにより行われる曲げ側のコイル成形を、内回りコイルに対応するセグメント導体１０と外回りコイルに対応するセグメント導体１０について一度に行うことができ、固定子巻線６の製作が容易になる利点がある。

また、図１０に示すように、隣接スロット導体を接続するための異形線の中で、曲げ側ピッチが１０と大きい１層−５層導体、及び、２層−６層導体を繋ぐ異形線Ｂは、図中丸印で示した異形線Ａ（曲げ側コイル辺ピッチ＝７）に近接させることにより、コイルエンド高さを抑えることができる。なお、これらの異形線Ａ、Ｂにより隣接スロット導体を接続する構造としたので、３相結線部（図略）も簡素化し、固定子巻線６全体をコンパクトな形状にすることができる。

図１２は、本実施形態の固定子巻線６の変形例を示す巻線模式図であり、図１０に示した固定子巻線と同様に毎極毎相あたりのスロット数Ｎｓを３とした変形例が示されている。

図１２に示すように、この変形例の固定子巻線６は、極ピッチＰｐ＝９（単位：スロット）に対し、溶接側のコイル辺ピッチが８、曲げ側内回りコイルのコイル辺ピッチが７、曲げ側外回りコイルのコイル辺ピッチが９となるセグメント導体形状にしている。外回りコイル辺ピッチは、極ピッチＰｐと同じなるが、先端曲げ形状を最適化し、図１２に示すように先端部を内回りコイルに近接させ、曲げ側コイルエンド高さを低くしている。このようなセグメント導体形状とすることにより、曲げ側、及び、接合側のコイルエンド高さを全節巻（コイル辺ピッチ＝９）よりも低くすることができる。また、隣接スロット導体を接続するための異形線の中で曲げ側コイル辺ピッチが１０と大きい１層−５層導体、及び、２層−６層導体をつなぐ異形線Ｂは、先端曲げ形状を最適化し、曲げ側コイル辺ピッチが８の異形線Ａ２に近接させてコイルエンド高さを抑えている。同様に、異形線Ａ２も先端曲げ形状を最適化し、図１０中丸印で示した異形線Ａ１（曲げ側コイル辺ピッチ＝６）に近接させてコイルエンド高さを抑えている。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、セグメント導体（平角線）は、通常絶縁層の外周をＰＰＳで覆った被膜厚１００μｍ以上の厚被膜線を使用するようにしてもよい。これにより、高電圧による部分（コロナ）放電を、セグメント導体１０の周囲に配置するインシュレータを用いずに抑制することができる。また、上述した各実施形態のように短節巻にすると同一スロット内に異なる相導体が巻装されるため、従来の平角線では、異相導体間の絶縁を確実にするにはこれらの間に絶縁紙を介装することが望ましいが、厚被膜線を使用することにより、これらの間の絶縁紙をなくすことができ、製作容易性やコスト低減および高占積率化などのメリットがある。

第１の実施形態の回転電機の全体構造を示す断面図である。 セグメント導体のターン部側から見た固定子巻線のコイルエンド形状を示す図である。 セグメント導体の連結状態を示す斜視図である。 毎極毎相あたりのスロット数Ｎｓを２とした１相１極対分の巻線模式図である。 第１の実施形態の固定子巻線の変形例の巻線模式図である。 セグメント導体の曲げ側の固定子巻線の側面図である。 固定子巻線の変形例を示す側面図である。 第２の実施形態のセグメント導体のターン部側から見た固定子巻線のコイルエンド形状を示す図である。 セグメント導体の連結状態を示す斜視図である。 毎極毎相あたりのスロット数Ｎｓを３とした１相１極対分の巻線模式図である。 セグメント導体の接合部側から見た固定子巻線のコイルエンド形状を示す図である。 第２の実施形態の固定子巻線の変形例を示す巻線模式図である。

符号の説明

１ 固定子
２ 回転子
３ フロントベアリング
４ リアベアリング
５ フレーム
６ 固定子巻線
１０ セグメント導体
１１ 固定子コア
１２ 端子ケース
１００ 回転電機

Claims (3)

1. 回転子と、この回転子の径方向外側に対向配置された固定子とを有する回転電機において、
   前記固定子は、周方向に沿って配置された複数のスロットが形成された固定子鉄心と、一部が前記スロット内に配置され、残りの一方が前記固定子鉄心の軸方向端面から突出するＵ字状のセグメント導体の端部を接合することにより形成され、残りの他方が前記セグメント導体のターン部により形成される複数のコイルからなる多相巻線としての固定子巻線とを備え、
   前記スロット内には６本の前記セグメント導体の直線部が径方向に沿って一列に配置されており、
   同じ前記スロット内の異なる径方向位置であって内外径部を除く径方向中央部に直線部が配置された少なくとも一組の前記セグメント導体のターン部は、前記固定子鉄心の径方向に沿って、１本の前記セグメント導体を跨いで交差しており、
   １本の前記セグメント導体を跨いで交差する前記ターン部につながる一組の前記セグメント導体の２本の前記直線部を前記スロット内に１層飛びに、前記スロットの径方向内周から数えて一のスロットの第２層と他のスロットの第４層に、一のスロットの第３層と他のスロットの第５層に配置し、
   前記複数のコイルの接合側コイル辺間隔である前ピッチを磁極ピッチよりも小さく設定することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記複数のコイルのうち、前記スロットの径方向中央部に両コイル辺を有する内回りコイルの反接合側コイル辺間隔である後ピッチを磁極ピッチより小さく設定することを特徴とする回転電機。
3. 回転子と、この回転子の径方向外側に対向配置された固定子とを有する回転電機において、
   前記固定子は、周方向に沿って配置された複数のスロットが形成された固定子鉄心と、一部が前記スロット内に配置され、残りの一方が前記固定子鉄心の軸方向端面から突出するＵ字状のセグメント導体の端部を接合することにより形成され、残りの他方が前記セグメント導体のターン部により形成される複数のコイルからなる多相巻線としての固定子巻線とを備え、
   前記スロット内には８本の前記セグメント導体の直線部が径方向に沿って一列に配置されており、
   同じ前記スロット内の異なる径方向位置に配置された直線部に対応する前記セグメント導体のターン部は、前記固定子鉄心の径方向に沿って、１本の前記セグメント導体を跨いで交差しており、
   前記複数のコイルのうち、前記スロットの径方向中央部に直線部が配置された内回りコイルの前記ターン部につながる一組の前記セグメント導体の２本の前記直線部を前記スロット内に１層飛びに、前記スロットの径方向内周から数えて一のスロットの第３層と他のスロットの第５層に、一のスロットの第４層と他のスロットの第６層に配置し、
   前記複数のコイルのうち、前記スロットの内周部あるいは外周部に直線部が配置された外回りコイルの前記ターン部につながる一組の前記セグメント導体の２本の前記直線部を前記スロット内に６層飛びに、前記スロットの径方向内周から数えて一のスロットの第１層と他のスロットの第７層に、一のスロットの第２層と他のスロットの第８層に配置し、
   前記複数のコイルの接合側コイル辺間隔である前ピッチ、または、反接合側コイル辺間隔である後ピッチを磁極ピッチよりも小さく設定することを特徴とする回転電機。

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