JP4453673B2 - 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、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６本以上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、互いに他方のターン部を跨いで交差しており、多相巻線の各相には、電気角で１８０°対称に配置された２種類の巻線が含まれており、磁極ピッチよりも大きい反接合側コイル辺間隔である後ピッチを有するセグメント導体により、これら２種類の巻線間を接続している。

また、磁極ピッチよりも大きい後ピッチを有するセグメント導体によって、電気角で１８０°対称に配置された２種類の巻線間を接続するにより、２種類の巻線間の接続線によるコイルエンド高さの増加を最小限に抑えることが可能になる。

また、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、上述したターン部が交差する一組のセグメント導体は、どちらも重ね巻で互いに接続されており、この一組のセグメント導体に波巻として直列接続される他のセグメント導体のターン部がこの一組のセグメント導体を覆う位置に配置されていることが望ましい。

また、上述した固定子巻線を構成する各相巻線は、同じ接続形態の複数の巻線が並列接続された並列巻線であり、セグメント導体の端部において４本以上の偶数本をまとめて接合することが望ましい。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（固定子鉄心）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３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＝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（図４では符号６ａが付されている）は、図４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１１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。固定子巻線６の各相には、電気角で１８０°対称に配置された２種類の巻線が含まれており、この１層−５層をつなぐセグメント導体１０は、これら２種類の巻線間を接続するために用いられている。図５は、１層−５層導体をつなぐ異形線の形状を示す図である。図６は、図５に示す異形線を含むコイルエンドの斜視図である。図４〜図６に示すように、磁極ピッチＰｐよりも小さい後ピッチを有するセグメント導体１０のターン部を覆う位置に、磁極ピッチＰｐよりも大きい後ピッチを有するセグメント導体１０のターン部である１層−５層をつなぐ異形線（１−５層）が配置されている。

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（＝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、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１１と大きい１層−５層導体をつなぐ異形線は、図４〜図６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。したがって、このように低いコイルエンド高さを有するセグメント導体１０のターン部を覆うようにコイル辺ピッチが大きいセグメント導体１０のターン部を配置することにより、コイルエンド全体の高さを低くすることができる。

また、固定子巻線６の各相には、電気角で１８０°対称に配置された２種類の巻線が含まれており、磁極ピッチよりも大きい後ピッチを有するセグメント導体１０（１層−５層導体をつなぐ異形線が含まれるセグメント導体１０）は、これら２種類の巻線間を接続しており、これにより、２種類の巻線間の接続線によるコイルエンド高さの増加を最小限に抑えることが可能になる。

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、固定子コア１１の径方向に沿って一列に配置されている。これにより、固定子コア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、固定子コア１１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、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、ターン部が交差する一組のセグメント導体１０（２層−４層導体をつなぐセグメント導体１０と３層−５層導体をつなぐセグメント導体１０）は、どちらも重ね巻で互いに直列接続されており、これらのセグメント導体１０に波巻として直列接続される他のセグメント導体（１層−６層導体をつなぐセグメント導体１０）のターン部がこれらのセグメント導体１０を覆う位置に配置されている。直列接続することによって固定子巻線６の各相の導体巻数を増加させることが容易となり、高電圧駆動に適した回転電機１００を実現することが可能となる。

図７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７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８は、固定子巻線６の変形例を示す側面図である。図８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８に示すＨ０から図８に示すＨ１に抑えることが可能になる。

〔第２の実施形態〕
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９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１０はセグメント導体の連結状態を示す斜視図である。図１１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１２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９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つながれており、その周りを１層−７層導体、２層−８層導体をつな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つながれている。

１層から８層の各導体は、図１０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１２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１１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、内回りコイル（１層−７層導体間、２層−８層導体間、３層−５層導体間、４層−６層導体間の曲げ側）のコイル辺ピッチ（後ピッチ）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。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、固定子巻線６の各相には、電気角で１８０°対称に配置された２種類の巻線が２組含まれており、これら２種類の巻線間を接続するために用いられているピッチが１１と大きい３層−７層導体をつなぐ異形線（図１１では符号６ｂが付されている）と４層−８層導体をつなぐ異形線（図１１では符号６ｃが付されている）は、図１１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。図１３は、３層−７層導体をつなぐ異形線と４層−８層導体をつなぐ異形線のそれぞれの形状を示す図である。図１３および図１１に示すように、磁極ピッチＰｐよりも小さい後ピッチを有するセグメント導体１０のターン部を覆う位置に、磁極ピッチＰｐよりも大きい後ピッチを有するセグメント導体１０のターン部である３層−７層をつなぐ異形線（３−７層）と４層−８層をつなぐ異形線（４層−８層）とが配置されている。

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、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１１と大きい３層−７層導体をつなぐ異形線と４層−８層導体をつなぐ異形線は、図１１や図１３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。

また、ターン部が交差する一組のセグメント導体１０（３層−５層導体をつなぐセグメント導体１０と４層−６層導体をつなぐセグメント導体１０）は、どちらも重ね巻で互いに並列接続されており、これらのセグメント導体１０に波巻として直列接続される他のセグメント導体（１層−７層導体をつなぐセグメント導体１０と２層−８層導体をつなぐセグメント導体１０）のターン部がこれらのセグメント導体１０を覆う位置に配置されている。並列接続することにより、交差する一組のセグメント導体１０は、同じスロットに対応していて端部が接近しているため、これらを互いに並列接続する場合の接合工程を簡略化することができる。また、大電流に対応することが容易となる。

〔他の実施形態〕
図１４は、変形例のセグメント導体の連結状態を示す斜視図である。図１５は、図１４に示すセグメント導体を用いて毎極毎相あたりのスロット数Ｎｓを３とした１相２極対分の巻線模式図である。図１４に示すように、８層スロット導体を２組に分け、重ね巻部を構成する３層−５層導体と波巻部を構成する４層−６層導体からなる第１組導体を順次接続し、これを取り囲む形で重ね巻部を構成する１層−７層導体と波巻部を構成する２層−８層導体からなる第２組導体を順次接続し、これら第１組導体と第２組導体とを図１５に示す直列接続線Ｃにてつなぐようにしてもよい。この固定子巻線６は、接合側導体端部が２本ずつ溶接される点、および、第１組導体と第２組導体が２つの経路で巻装された並列導体が同一スロットの引出し線に合流して並列接続される点が第２の実施形態の固定子巻線６と異なっている。異形線Ｄだけは、長ピッチ（１０スロット）だが、他の異形線に近接させてコンパクト化することでコイルエンド高さを低くしている。

なお、図１４に示したセグメント導体は、８層スロット導体をすべて直列接続するようにしてもよい。図１６は、図１４に示すセグメント導体において８層スロット導体をすべて直列接続した変形例の巻線模式図である。図１６に示す直列接続線Ｃを用いて、８層スロット導体をすべて直列接続することにより、図１４に示した巻線仕様に対して直列導体数Ｚを２倍（Ｚ＝２４）とすることができ、より高電圧仕様の回転電機１００を実現することができる。また、異形線Ｄだけは長ピッチ（１０スロット）だが、他の異形線に近接させてコンパクト化することでコイルエンド高さを低くしている。

また、８層スロット導体をすべて直列接続する場合の変形例で、図１７に示すように、隣接スロットの導体間を異形線で接続することで結線を簡素化するようにしてもよい。図１８は、８層スロット導体をすべて直列接続する場合の変形例に対応する固定子巻線６のコイルエンド形状を示す図である。また、図１９はセグメント導体の連結状態を示す斜視図である。図２０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１８に示すように、２層−４層導体および３層−５層導体が曲げ側コイルエンド部で交互にクロスしてつながれ、その周りを１層−７層導体をつなぐ曲げ側コイルエンド部が取り囲み、さらにこの１層−７層導体および６層−８層導体をつなぐ曲げ側コイルエンド部が交互にクロスして配置された構造となっており、これによりコイルエンド高さの低減を図っている。１層から８層導体は、図１９に示すように一巡で全ての層導体が接続される導体配置となっており、２層−４層導体、３層−５層導体、６層−８層導体が重ね巻部、１層−７層導体が波巻部を構成する。図２０に示すように、６−８層導体間をつなぐ異形線Ｄだけは長ピッチ（１０スロット）だが、他の異形線に近接させてコンパクト化することでコイルエンド高さを低くしている。

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（エナメル層）の外周をＰＰＳ樹脂層で覆った被膜厚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３とした１相１極対分の巻線模式図である。 １層−５層導体をつなぐ異形線の形状を示す図である。 図５に示す異形線を含むコイルエンドの斜視図である。 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。 ３層−７層導体をつなぐ異形線と４層−８層導体をつなぐ異形線のそれぞれの形状を示す図である。 変形例のセグメント導体の連結状態を示す斜視図である。 図１４に示すセグメント導体を用いて毎極毎相あたりのスロット数Ｎｓを３とした１相２極対分の巻線模式図である。 図１４に示すセグメント導体において８層スロット導体をすべて直列接続した変形例の巻線模式図である。 ８層スロット導体をすべて直列接続する場合の変形例を示す図である。 ８層スロット導体をすべて直列接続する場合の変形例に対応する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。

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 (4)

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本以上の偶数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、互いに他方のターン部を跨いで交差しており、
   前記多相巻線の各相には、電気角で１８０°対称に配置された２種類の巻線が含まれており、
   磁極ピッチよりも大きい反接合側コイル辺間隔である後ピッチを有する前記セグメント導体により、これら２種類の巻線間を接続することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   互いにターン部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層に配置することを特徴とする回転電機。
3. 請求項１において、
   互いにターン部が交差する一組の前記セグメント導体は、どちらも重ね巻で互いに接続されており、この一組の前記セグメント導体に波巻として直列接続される他のセグメント導体のターン部がこの一組の前記セグメント導体を覆う位置に配置されていることを特徴とする
   回転電機。
4. 請求項２において、
   前記固定子巻線を構成する各相巻線は、同じ接続形態の複数の巻線が並列接続された並列巻線であり、前記セグメント導体の端部において４本以上の偶数本をまとめて接合することを特徴とする回転電機。

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