JP4650323B2

JP4650323B2 - 回転電機の巻線構造

Info

Publication number: JP4650323B2
Application number: JP2006090432A
Authority: JP
Inventors: 訓小出; 泰彦石丸; 浩史服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: KR100993966B1; EP1999838B1; US7781933B2; US20090102308A1; EP1999838A1; CN101411039A; JP2007267526A; CN101411039B; KR20080110872A; WO2007111073A1

Description

本発明は、シングルスター結線された回転電機の巻線構造に関する。より詳細には、絶縁性能を高めることができる回転電機の巻線構造に関するものである。

従来、回転電機においてはシングルスター結線されたものが多かった。このシングルスター結線は、例えばＵ相コイルを８個形成する場合を考えると、図４（ａ）に示すように、Ｕ相コイル配置位置１Ｕ〜８Ｕに対して、コイルＵ１から巻始め、その後順番にコイルＵ１〜Ｕ７を巻いていき、コイルＵ８で巻き終わるようになっている。このため、巻き始めのコイルＵ１と巻き終わりのコイルＵ８とが隣接する構造になっている。なお、隣接するコイルにおいては、巻線の巻回方向が互いに逆になっている。そして、図４（ｂ）に示すように、Ｕ相コイルにおいて、Ｕ点と中性点との間の電位差が最大になる。つまり、コイルＵ１とコイルＵ８との間で最大電位差Ｖｍａｘが生じる。従って、シングルスター結線では、最大電位差を持つコイルＵ１とコイルＵ８とが隣接する構造になっている。これによりシングルスター結線された回転電機では、高電位で使用すると、同相コイル間における絶縁性能を確保することができないおそれがある。

このため、高電位で使用される回転電機では、シングルスター結線の代わりにダブルスター結線されたものが使用されている（特許文献１）。このダブルスター結線は、例えば上記と同様にＵ相コイルを８個形成する場合を考えると、図５（ａ）に示すように、コイルＵ１〜Ｕ４とコイルＵ１１〜Ｕ１４とのペアのコイル群を並列に配置するようになっている。ここで、コイルＵ１〜Ｕ４のコイル群においては、シングルスター結線と同様に、Ｕ１から巻き始め、その後順番にコイルＵ２，Ｕ３を巻いていき、コイルＵ４で巻き終わるようになっている。なお、コイルＵ１１〜Ｕ１４のコイル群においても同様である。このため、巻き始めのコイルＵ１，Ｕ１１同士と巻き終わりのコイルＵ４，Ｕ１４同士とが隣接する構造になっている。そして、図５（ｂ）に示すように、Ｕ相コイルにおいて、Ｕ点と中性点との間の電位差が最大になる。つまり、コイルＵ１，Ｕ１１とコイルＵ４，Ｕ１４との間で最大電位差Ｖｍａｘが生じる。従って、ダブルスター結線では、最大電位差を持つコイルＵ１，Ｕ１１とコイルＵ４，Ｕ１４とが隣接せずに離れる構造になる。これにより、ダブルスター結線された回転電機では、高電位で使用されても、同相コイル間における絶縁性能を確保することができるようになっている。

特開２００２−１９９６３８号公報

しかしながら、上記したダブルスター結線では、シングルスター結線に比べてリード線の数が増える（倍になる）のに伴い、リード線を処理するための部品や工程が増加してしまい、コストアップや生産効率の低下を招くという問題があった。また、リード線の数が増えることにより、回転電機のコイルエンド高さ（ステータ軸方向高さ）が増大してしまい、回転電機の小型化が阻まれるという問題もあった。

これに対して、シングルスター結線の場合であれば、リード線がダブルスター結線の半分であるため、コストアップや生産効率の低下を招くことがないし、コイルエンド高さ（ステータ軸方向高さ）も増大しないから回転電機の小型化を図ることができるという有利な点がある。ところが上記したように、シングルスター結線された回転電機が高電位で使用されると、同相コイル間における絶縁性能を確保することができないおそれがあった。このため、シングルスター結線された回転電機において、同相コイル間における絶縁性能を確保することができるように絶縁性能を高めることが望まれていた。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、同相コイル間における絶縁性能を高めることができるシングルスター結線された回転電機の巻線構造を提供することを課題とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係る回転電機の巻線構造は、
シングルスター結線された回転電機の巻線構造において、
同相の複数のコイルが形成されて配置されるコイル配置位置が周状に配置され、そのうちの少なくとも１つ以上のコイル配置位置が飛ばされてコイルが形成されており、
前記巻き始めコイルから第１のコイル配置位置までは、隣接するコイル配置位置に対して順次コイルが形成され、
前記第１のコイル配置位置にコイルが形成された後、既に形成された１つ以上のコイルを飛ばして、前記巻き始めコイルに対し前記巻き始めコイルから前記第１のコイル配置位置へコイルが形成される周方向とは逆方向にて隣接するコイル配置位置から第２のコイル配置位置までは隣接するコイル配置位置に対して順次コイルが形成され、
前記第２のコイル配置位置にコイルが形成された後、前記第２のコイル配置位置に隣接するコイル配置位置が飛ばされて、前記第１のコイル配置位置に隣接するコイル配置位置にコイルが形成され、
その後に前記第２のコイル配置位置から前記第１のコイル配置位置に向かう方向とは逆方向に隣接するコイル配置位置に順次コイルが形成され、
前記第２のコイル配置位置に隣接するコイル配置位置に、前記巻き終わりコイルが形成されていることを特徴とする。

このような構成にすることにより、巻き終わりコイルに隣接する両側に、巻き終わりコイルに連続して巻かれたコイルを配置するとともに、巻き終わりコイルに隣接するコイルと巻き始めコイルとが隣接しないようにする（巻き始めコイルと巻き終わりコイルとをより離して配置する）ことができる。これにより、隣接コイル間における最大電位差をさらに小さくすることができ、同相コイル間における絶縁性能をより高めることができる。

本発明に係る回転電機の巻線構造によれば、シングルスター結線を維持しつつ、巻き始めコイルと巻き終わりコイルとを隣接させることなく配置することができるので、隣接コイル間における最大電位差が小さくなり、同相コイル間における絶縁性能を高めることができる。

以下、本発明に係る回転電機の巻線構造を具体化した最も好適な実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態では、三相ブラシレスＤＣモータに使用するステータを製造する際に本発明を適用した場合について説明する。なお、各相コイルは、平面視リング状であって径方向内側に向かって延びる複数のティース、およびこれらのティース同士の間に位置するスロットが形成された周知のステータコア（不図示）に装着されている。以下に述べる実施の形態では、ティースおよびスロットが４８個形成されたステータコアに対して、各相コイルが８個ずつ装着される場合を例示する。

（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態について説明する。そこで、第１の実施の形態に係る巻線構造を図１に示す。図１は、第１の実施の形態に係る巻線構造を模式的に示す図である。なお、図１にはＵ相コイルのみの巻線構造を示しているが、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルにおいても、コイルの配置位置がずれるだけであり、各相の巻線構造はＵ相コイルと同じである。従って以下では、Ｕ相コイルについてのみ説明し、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルについての説明は省略する。

第１の実施の形態に係る巻線構造では、図１に示すように、円周状に配置されたコイル配置位置１Ｕ〜８Ｕに対し、巻線１０の巻き始めを中性線ＵＮとして、１番コイルＵ１から順に８番コイルＵ８までを順次形成し、８番コイルＵ８に対する巻き終わりを動力線Ｕとしている。ここで、コイル配置位置１Ｕ〜８Ｕは、巻き始めコイル（１番コイル）Ｕ１が配置される位置をコイル配置位置１Ｕとして、時計回りに順に符号を付したものである。

そして、第１の実施の形態に係る巻線構造では、６番コイルＵ６が形成された後に７番コイルＵ７が形成される際に、コイル配置位置７Ｕが飛ばされてコイル配位置８Ｕに７番コイルＵ７が形成されている。これにより、８番コイルＵ８が６番コイルＵ６と７番コイルＵ７とに挟まれた構造になっている。このため、巻き始めコイルである１番コイルＵ１と巻き終わりコイルである８番コイルＵ８とが隣接しないようになっている。

このような巻線構造とするためには、まず、Ｕ相コイル配置位置１Ｕに対応するスロット間に反時計回り（ＣＣＷ）に巻線１０を巻回して１番コイルを形成する。次に、Ｕ相コイル配置位置２Ｕに対して、巻線１０を時計回り（ＣＷ）に巻回して２番コイルＵ２を形成する。その後、同様に、Ｕ相コイル配置位置３Ｕに対して３番コイルＵ３、Ｕ相コイル配置位置４Ｕに４番コイルＵ４、Ｕ相コイル配置位置５Ｕに５番コイルＵ５、およびＵ相コイル配置位置６Ｕに６番コイルＵ６を、それぞれ巻線１０の巻回方向を交互に反転させながら順に形成していく。具体的には、３番コイルＵ３および５番コイルＵ５は巻線１０を反時計回りに巻線１０を巻回して形成し、４番コイルＵ４および６番コイルＵ６は巻線１０を時計回りに巻線１０を巻回して形成する。つまり、１番コイルＵ１から６番コイルＵ６までは、従来のシングルスター結線の巻線構造と同じである（図４（ａ）参照）。

その後、７番コイルＵ７を形成する際に、Ｕ相コイル配置位置７Ｕを飛ばしてＵ相コイル配置位置８Ｕに７番コイルＵ７を形成する。このとき、７番コイルＵ７は時計回りに巻線１０が巻回されて形成される。最後に、飛ばしたＵ相コイル配置位置７Ｕに対して、８番コイルＵ８を形成する。このとき、８番コイルＵ８は反時計回りに巻線１０が巻回されて形成される。

このようにして、１番コイルＵ１から８番コイルＵ８を形成することにより、巻き始めコイルである１番コイルＵ１と巻き終わりコイルである８番コイルＵ８との間に、７番コイルＵ７が配置される。これにより、１番コイルＵ１と８番コイルＵ８とを隣接させないようにすることができる。
そして、このような巻線構造を有するステータにおいて隣接するコイル間における電位差を調べたところ、１番コイルＵ１と７番コイルＵ７との間に最大電位差が生じたが、そのときの電位差は従来のシングルスター結線の巻線構造における最大電位差に比べ約１７％低減されていた。

以上、詳細に説明したように第１の実施の形態に係る巻線構造によれば、シングルスター結線を維持しつつ、８番コイルＵ８を６番コイルＵ６と７番コイルＵ７とで挟む構造となるので、同相コイル間における最大電位差を小さくすることができる。これにより、同相コイル間における絶縁性能を高めることができる。また、第１の実施の形態に係る巻線構造によれば、シングルスター結線が維持されているため、ダブルスター結線のようにリード線の数が増えない。その結果、リード線を処理するための部品や工程が増加しないのでコストアップや生産効率の低下を招かず、また、ステータのコイルエンド高さも増大しないのでモータの小型化を阻まれることもない。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。そこで、第２の実施の形態に係る巻線構造を図２に示す。図２は、第２の実施の形態に係る巻線構造を模式的に示す図である。なお、図２でも第１の実施の形態と同様にＵ相コイルのみの巻線構造を示している。

第２の実施の形態に係る巻線構造では、図２に示すように、円周状に配置されたコイル配置位置１Ｕ〜８Ｕに対し、巻線１０の巻き始めを中性線ＵＮとして、１番コイルＵ１から順に８番コイルＵ８までを順次形成し、８番コイルＵ８に対する巻き終わりを動力線Ｕとしている。そして、５番コイルＵ５が形成された後に６番コイルＵ６が形成される際に、２つのコイル配置位置６Ｕ，７Ｕが飛ばされてコイル配位置８Ｕに６番コイルＵ６が形成されている。これにより、８番コイルＵ８が５番コイルＵ５と７番コイルＵ７とに挟まれた構造になっている。このため、巻き始めコイルである１番コイルＵ１と巻き終わりコイルである８番コイルＵ８とが隣接しないようになっている。

このような巻線構造とするためには、まず、Ｕ相コイル配置位置１Ｕに対応するスロット間に反時計回り（ＣＣＷ）に巻線１０を巻回して１番コイルＵ１を形成する。次に、Ｕ相コイル配置位置２Ｕに対して、巻線１０を時計回り（ＣＷ）に巻回して２番コイルＵ２を形成する。その後、同様に、Ｕ相コイル配置位置３Ｕに対して３番コイルＵ３、Ｕ相コイル配置位置４Ｕに４番コイルＵ４、およびＵ相コイル配置位置５Ｕに５番コイルＵ５を、それぞれ巻線１０の巻回方向を交互に反転させながら順に形成していく。具体的には、３番コイルＵ３および５番コイルＵ５は巻線１０を反時計回りに巻回して形成し、４番コイルＵ４は巻線１０を時計回りに巻回して形成する。つまり、１番コイルＵ１から５番コイルＵ５までは、従来のシングルスター結線の巻線構造と同じである（図４（ａ）参照）。

その後、６番コイルＵ６を形成する際に、Ｕ相コイル配置位置６Ｕ，７Ｕを飛ばしてＵ相コイル配置位置８Ｕに６番コイルＵ６を形成する。このとき、６番コイルＵ６は時計回りに巻線１０が巻回されて形成される。次いで、飛ばしたＵ相コイル配置位置７Ｕ，６Ｕに対して、７番コイルＵ７と８番コイルＵ８とを形成する。具体的には、Ｕ相コイル配置７Ｕ対して巻線１０を反時計回りに巻回して７番コイルＵ７を形成し、Ｕ相コイル配置位置８Ｕに対して巻線１０を時計回りに巻回して８番コイルを形成する。このような巻線構造にすることにより、１番コイルＵ１から８番コイルＵ８までの巻線１０の巻回方向が、従来のシングルスター結線と同様に交互に逆転する。

このようにして、１番コイルＵ１から８番コイルＵ８を形成することにより、巻き始めコイルである１番コイルＵ１と巻き終わりコイルである８番コイルＵ８との間に、６番コイルＵ６と７番コイルＵ７とが配置される。これにより、１番コイルＵ１と８番コイルＵ８とを隣接させないようにすることができる。
そして、このような巻線構造を有するステータにて隣接するコイル間の電位差を調べたところ、５番コイルＵ５と８番コイルＵ８との間に最大電位差が生じたが、そのときの電位差は従来のシングルスター結線の巻線構造における最大電位差に比べ約２１％低減されていた。

以上、詳細に説明したように第２の実施の形態に係る巻線構造によれば、シングルスター結線を維持しつつ、８番コイルＵ８を５番コイルＵ５と７番コイルＵ７とで挟むとともに、１番コイルＵ１と８番コイルＵ８との間に６番コイルＵ６と７番コイルＵ７とが配置される構造になるのので、同相コイル間における最大電位差をより小さくすることができる。これにより、同相コイル間における絶縁性能をより高めることができる。また、第２の実施の形態に係る巻線構造によれば、シングルスター結線が維持されているため、ダブルスター結線のようにリード線の数が増えない。その結果、リード線を処理するための部品や工程が増加しないのでコストアップや生産効率の低下を招かず、また、ステータのコイルエンド高さも増大しないのでモータの小型化が阻まれることがない。また、第２の実施の形態に係る巻線構造によれば、１番コイルＵ１から８番コイルＵ８までの巻線１０の巻回方向を従来のシングルスター結線と同様にすることができるので、設備変更を最小限に抑えることができる。

（第３の実施の形態）
最後に、第３の実施の形態について説明する。そこで、第３の実施の形態に係る巻線構造を図３に示す。図３は、第３の実施の形態に係る巻線構造を模式的に示す図である。なお、図３でも第１の実施の形態と同様にＵ相コイルのみの巻線構造を示している

第３の実施の形態に係る巻線構造では、図３に示すように、円周状に配置されたＵ相コイル配置位置１Ｕ〜８Ｕに対し、巻線１０の巻き始めを中性線ＵＮとして、１番コイルＵ１から順に８番コイルＵ８までを順次形成し、８番コイルＵ８に対する巻き終わりを動力線Ｕとしている。そして、３番コイルＵ３が形成された後に４番コイルＵ４が形成される際に２つのＵ相コイル配置位置８Ｕ，１Ｕ（ここにはすでにコイルＵ２，Ｕ１が形成されている）が飛ばされてＵ相コイル配置位置２Ｕに４番コイルＵ４が形成されている。また、６番コイルＵ６が形成された後に７番コイルＵ７が形成される際に、Ｕ相コイル配置位置５Ｕが飛ばされてＵ相コイル配位置６Ｕに７番コイルＵ７が形成されている。これにより、１番コイルＵ１が２番コイルＵ２と４番コイルＵ４とに挟まれるとともに、８番コイルＵ８が６番コイルＵ６と７番コイルＵ７とに挟まれた構造になっている。このため、巻き始めコイルである１番コイルＵ１と巻き終わりコイルである８番コイルＵ８とが隣接しないようになっている。

このような巻線構造とするためには、まず、Ｕ相コイル配置位置１Ｕに対応するスロット間に反時計回り（ＣＣＷ）に巻線１０を巻回して１番コイルＵ１を形成する。次に、Ｕ相コイル配置位置８Ｕに対して、巻線１０を時計回り（ＣＷ）に巻回して２番コイルＵ２を形成する。続いて、Ｕ相コイル配置位置７Ｕに対して巻線１０を反時計回りに巻回して３番コイルＵ３を形成する。そして、４番コイルＵ４を形成する際に、Ｕ相コイル配置位置８Ｕ，１Ｕを飛ばしてＵ相コイル配置位置２Ｕに４番コイルＵ４を形成する。このとき、４番コイルＵ４は時計回りに巻線１０が巻回されて形成される。その後、Ｕ相コイル配置位置３Ｕに５番コイルＵ５、Ｕ相コイル配置位置４Ｕに６番コイルＵ６を、それぞれ巻線１０の巻回方向を交互に反転させて順に形成していく。具体的には、５番コイルＵ５は巻線１０を反時計回りに巻回して形成し、６番コイルＵ６は巻線１０を時計回りに巻回して形成する。

次に、７番コイルＵ７を形成する際に、Ｕ相コイル配置位置５Ｕを飛ばしてＵ相コイル配置位置６Ｕに７番コイルＵ７を形成する。このとき、７番コイルＵ７は時計回りに巻線１０が巻回されて形成される。最後に、飛ばしたＵ相コイル配置位置５Ｕに対して、８番コイルＵ８を形成する。このとき、８番コイルは反時計回りに巻線１０が巻回されて形成される。すなわち、６番〜８番コイルＵ６〜Ｕ８の形成方法は、コイル配置位置が異なるだけで第１の実施の形態と同じである。

このようにして、１番コイルＵ１から８番コイルＵ８を形成することにより、巻き始めコイルである１番コイルＵ１と巻き終わりコイルである８番コイルＵ８との間に、７番コイルＵ７と３番コイルＵ３と２番コイルＵ２とが配置される。これにより、１番コイルＵ１と８番コイルＵ８とを隣接させないようにすることができる。
そして、このような巻線構造を有するステータにて隣接するコイル間の電位差を調べたところ、３番コイルＵ３と７番コイルＵ７との間に最大電位差が生じたが、そのときの電位差は従来のシングルスター結線の巻線構造における最大電位差に比べ約４３％低減されていた。

以上、詳細に説明したように第３の実施の形態に係る巻線構造によれば、シングルスター結線を維持しつつ、１番コイルＵ１が２番コイルＵ２と４番コイルＵ４とに挟まれるとともに、８番コイルＵ８が６番コイルＵ６と７番コイルＵ７とに挟まれるため、１番コイルＵ１と８番コイルＵ８との間に７番コイルＵ７と３番コイルＵ３と２番コイルＵ２とが配置された構造になるので、同相コイル間における最大電位差をより一層小さくすることができる。これにより、同相コイル間における絶縁性能をより一層高めることができる。また、第３の実施の形態に係る巻線構造によれば、シングルスター結線が維持されているため、ダブルスター結線のようにリード線の数が増えない。その結果、リード線を処理するための部品や工程が増加しないのでコストアップや生産効率の低下を招かず、また、ステータのコイルエンド高さも増大しないのでモータの小型化が阻まることもない。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態においては、巻き始めコイルを１番コイルＵ１とし、巻き終わりコイルを８番コイルＵ８として、１番コイルＵ１から順に８番コイルＵ８までを形成（Ｕ１→Ｕ２→Ｕ３→Ｕ４→Ｕ５→Ｕ６→Ｕ７→Ｕ８）している。しかしながら、これとは逆に、巻き始めコイルを８番コイルＵ８とし、巻き終わりコイルを１番コイルＵ１として、８番コイルＵ８から順に１番コイルＵ１までを形成（Ｕ８→Ｕ７→Ｕ６→Ｕ５→Ｕ４→Ｕ３→Ｕ２→Ｕ１）することもできる。

また、上記した実施の形態においては、分布巻きのモータを例示したが、本発明は集中巻きのモータに対しても適用することができる。

第１の実施の形態に係る巻線構造を模式的に示す図である。第２の実施の形態に係る巻線構造を模式的に示す図である。第３の実施の形態に係る巻線構造を模式的に示す図である。従来のシングルスター結線された巻線構造を示す図であって、（ａ）は巻線構造を模式的に示す図であり、（ｂ）は結線図を示す。ダブルスター結線された巻線構造を示す図であって、（ａ）は巻線構造を模式的に示す図であり、（ｂ）は結線図を示す。

符号の説明

１Ｕ〜８Ｕコイル配置位置
１０巻線
Ｕ１〜Ｕ８コイル

Claims

シングルスター結線された回転電機の巻線構造において、
同相の複数のコイルが形成されて配置されるコイル配置位置が周状に配置され、そのうちの少なくとも１つ以上のコイル配置位置が飛ばされてコイルが形成されており、
前記巻き始めコイルから第１のコイル配置位置までは、隣接するコイル配置位置に対して順次コイルが形成され、
前記第１のコイル配置位置にコイルが形成された後、既に形成された１つ以上のコイルを飛ばして、前記巻き始めコイルに対し前記巻き始めコイルから前記第１のコイル配置位置へコイルが形成される周方向とは逆方向にて隣接するコイル配置位置から第２のコイル配置位置までは隣接するコイル配置位置に対して順次コイルが形成され、
前記第２のコイル配置位置にコイルが形成された後、前記第２のコイル配置位置に隣接するコイル配置位置が飛ばされて、前記第１のコイル配置位置に隣接するコイル配置位置にコイルが形成され、
その後に前記第２のコイル配置位置から前記第１のコイル配置位置に向かう方向とは逆方向に隣接するコイル配置位置に順次コイルが形成され、
前記第２のコイル配置位置に隣接するコイル配置位置に、前記巻き終わりコイルが形成されていることを特徴とする回転電機の巻線構造。