JP4665595B2 - 回転電機の巻線構造 - Google Patents

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Description

本発明は、回転電機の巻線構造に関し、特に、コア体と巻線部とを備えた回転電機の巻線構造に関する。
従来の回転電機の巻線構造としては、たとえば、特開2000−217290号公報や特開平10−313557号公報に記載されたものなどが挙げられる。
特開2000−217290号公報においては、各相ごとに相対する極位置関係にある巻線同士を並列に接続し、この並列接続の巻線を直列に接続して一相の巻線とした電動機が開示されている。
また、特開平10−313557号公報においては、対向する巻線の巻線数を調整することにより、不平衡磁気吸引力を調整した回転電機が開示されている。
特開2000−217290号公報 特開平10−313557号公報
回転電機の回転子と固定子とが偏芯して設けられる場合がある。ここで、直列コイルを並列に接続した巻線構造においては、偏芯による起電力のアンバランスにより、並列回路内に循環電流が生じ、この結果、回転電機の駆動時の振動、ノイズが増大する場合がある。
しかしながら、特開2000−217290号公報に記載されたように、各コイルごとに並列回路を形成した場合、接続点が多くなるために作業性が低下し、体格も大きくなる。
一方、特開2000−217290号公報に記載された巻線構造は、巻線数を調整するものであって、巻線の配置を調整するものではない。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、循環電流の発生が抑制される回転電機の巻線構造を提供することにある。
本発明に係る回転電機の巻線構造は、ティースを有するコア体と、コア体のティースに巻付けられる巻線部とを備え、巻線部は第1と第2コイル群を有し、第1と第2コイル群は並列に接続され、第1コイル群は直列に接続された複数の第1コイルを含み、複数の第1コイルはその直列接続順に交互に逆向きに巻回され、コア体の周方向において分離し、分離された一方と他方とが前記コア体の径方向に対向し、かつ、分離された一方と他方とがコア体の周方向に隣接するように配置された複数の第1コイルをそれぞれ含むように配置され、かつ、分離された一方と他方とがコア体の径方向に対向するように配置され、第2コイル群は直列に接続された複数の第2コイルを含み、複数の前記第2コイルはその直列接続順に交互に逆向きに巻回され、コア体の周方向において分離し、分離された一方と他方とがコア体の径方向に対向し、かつ、分離された一方と他方とがコア体の周方向に隣接するように配置された複数の第2コイルをそれぞれ含むように配置される。
上記構成によれば、コア体の周方向において分離された直列コイルの一方と他方とがコア体の径方向に対向するように配設されるので、回転子と固定子とが偏芯して設けられた場合でも、電磁気的なバランスが保たれ、並列回路内に循環電流が生じることが抑制される。そして、直列に接続されたコイルはその接続順に交互に逆向きに巻回されるので、コイル捻れを緩和しながらコイルの巻取りを行なうことができる。結果として、直列コイルの連続巻きを容易に行なうことができる。
上記回転電機の巻線構造においては、上述のとおり、第1コイル群は、コア体の周方向に隣接する複数の第1コイルを含みながらコア体の周方向に分離され、第2コイル群は、コア体の周方向に隣接する複数の第2コイルを含みながらコア体の周方向に分離される。
分布巻きの巻線構造においては、コア体の周方向に隣接するコイルは逆向きに巻回される。したがって、第1と第2コイル群が該コア体の周方向に隣接する複数のコイルを含む場合にも、該複数のコイルをその直列接続順に交互に逆向きに巻回することができる。結果として、直列コイルの連続巻きを容易に行なうことができる。また、直列コイルの一部を隣接させることで、複数のコイル間を接続する渡り線を短くして、回転電機の小型化を図ることができる。
上記回転電機の巻線構造は、好ましくは、コア体の周方向に互いにずれて形成された複数相の巻線部を備える。
これにより、複数相を有する回転電機の巻線構造が提供される。
一例として、上記回転電機の巻線構造において、コア体の周方向において分離された第1コイルの一方と他方とが、ともに、コア体の周方向において分離された第2コイルの一方と他方とに隣接する。
一例として、上記回転電機の巻線構造において、コア体は中空円筒形状からなり、周方向に配列された複数のティースを該コア体の内周面に有し、巻線部は、U相コイルと、V相コイルと、W相コイルとを有し、U相コイルは、コア体の径方向の最外周に配置され、V相コイルは、U相コイルの内側であって、U相コイルに対して周方向に一定距離だけずれた位置に配置され、W相コイルは、V相コイルの内側であって、V相コイルに対して周方向に一定距離だけずれた位置に配置されている。
一例として、上記回転電機の巻線構造において、第1コイルおよび第2コイルは、各々、対応する複数のティースに巻回される。
一例として、上記回転電機の巻線構造において、コア体は中空円筒形状からなり、周方向に配列された複数のティースを該コア体の内周面に有し、巻線部は、U相コイルと、V相コイルと、W相コイルとを有し、U相コイル、V相コイル、およびW相コイルの各々は、略円弧状形状からなり、U相コイルは、コア体の径方向の最外周に配置され、V相コイルは、U相コイルの内側であって、U相コイルに対して周方向に一定距離だけずれた位置に配置され、W相コイルは、V相コイルの内側であって、V相コイルに対して周方向に一定距離だけずれた位置に配置され、U相コイル、V相コイル、およびW相コイルの各々は、複数のティースに所定回数巻回され、U相コイル、V相コイル、およびW相コイルの各々は、隣接する同相のコイルと逆向きに巻回される。
本発明によれば、回転電機の巻線構造において、並列回路内に流れる循環電流の発生を抑制することができる。
以下に、本発明に基づく回転電機の巻線構造の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
図1は、本発明の1つの実施の形態に係る巻線構造が設けられる回転電機を示した軸方向断面図である。図1を参照して、回転電機は、ステータ1と、ロータ2とを備える。ステータ1は、「コア体」としてのステータコア100と、ステータコア100に巻付けられるステータ巻線(図1には図示せず。)とを有する。
図2は、図1に示される回転電機のステータ巻線構造を示した図である。図2を参照して、「巻線部」としてのステータ巻線110は、U相コイル110Uと、V相コイル110Vと、W相コイル110Wとを有する。各相コイル110U,110V,110Wの一方端は、三相ケーブルである給電ケーブルの対応する各相に接続されるU相端子120U,V相端子120V,W相端子120Wである。また、各相コイル110U,110V,110Wの他方端は、一点に共通接続され、中性点Nとなる。
図3は、図2に示された巻線構造が設けられたステータ1を示した上面図である。図3を参照して、ステータコア100は、中空円筒形状からなり、周方向に配列された48個のティース(たとえばティース100A〜100E)を内周面に有する。U相コイル111U〜118Uは、U相コイル110U(図2)を構成し、V相コイル111V〜118Vは、V相コイル110V(図2)を構成し、W相コイル111W〜118Wは、W相コイル110W(図2)を構成する。各相コイル111U〜118U,111V〜118V,111W〜118Wの各々は、略円弧形状から成る。U相コイル111U〜118Uは、最外周に配置される。V相コイル111V〜118Vは、U相コイル111U〜118Uの内側であって、それぞれ、U相コイル111U〜118Uに対して円周方向に一定距離だけずれた位置に配置される。W相コイル111W〜118Wは、V相コイル111V〜118Vの内側であって、それぞれ、V相コイル111V〜118Vに対して円周方向に一定距離だけずれた位置に配置される。
各相コイル111U〜118U,111V〜118V,111W〜118Wの各々は、対応する複数のティースの各々に直列に巻回される。たとえば、U相コイル111Uは、ティース100A〜100Eに所定回数巻回されて形成される。
その他のコイル112U〜118U,111V〜118V,111W〜118Wについても、それぞれ対応するティースに巻回され、U相コイル111Uと同じようにして形成される。
各相コイルは、隣接する同相のコイルと逆向きに巻回される。たとえば、U相コイル111Uは、U相コイル118Uと逆向きに巻回され、U相コイル112Uは、U相コイル111Uと逆向き、すなわち、U相コイル118Uと同じ向きに巻回される。U相コイル111Uの巻回方向を「第1方向」とし、U相コイル112Uの巻回方向を「第2方向」とすると、U相コイル111U,113U,115U,117Uが「第1方向」に巻回され、U相コイル112U,114U,116U,118Uが「第2方向」に巻回される。
図4は、U相コイル111U〜118Uを含む巻線構造を模式的に示した図である。また、図5は、図4に示される巻線構造を示した等価回路図である。図4,図5を参照して、「第1コイル群(直列コイルA)」を構成する複数の「第1コイル」としてのU相コイル111U,112U,115U,116Uは、直列に接続され、その一方端がU相端子120Uであり、他方端が中性点Nである。「第2コイル群(直列コイルB)」を構成する複数の「第2コイル」としてのU相コイル113U,114U,117U,118Uは、直列に接続され、その一方端がU相端子120Uであり、他方端が中性点Nである。すなわち、本実施の形態に係る巻線構造においては、直列に接続された複数のコイルの集合体であるU相コイル111U,112U,115U,116U(直列コイルA)およびU相コイル113U,114U,117U,118U(直列コイルB)が、並列に接続されている。
図4に示すように、「直列コイルA」であるU相コイル111U,112U,115U,116Uは、ステータコア100の周方向において分離し、かつ、分離された一方と他方とがステータコア100の径方向に対向するように配設される。より具体的には、U相コイル111U,112UとU相コイル115U,116Uとは、ステータコア100の周方向に180°ずれて形成されている。
また、「直列コイルB」であるU相コイル113U,114U,117U,118Uは、ステータコア100の周方向において分離し、かつ、分離された一方と他方とがステータコア100の径方向に対向するように配設される。より具体的には、U相コイル113U,114UとU相コイル117U,118Uとは、ステータコア100の周方向に180°ずれて形成されている。
図6は、図4に示される巻線構造と比較される1つの巻線構造を模式的に示した図である。また、図7は、図6に示される巻線構造を示した等価回路図である。図6,図7を参照して、本比較例に係る巻線構造は、基本的には、図4,図5に示される巻線構造と同様の構成を有するが、U相コイル111U〜118Uの接続状態が、図4,図5に示される巻線構造と異なる。すなわち、本比較例においては、直列に接続された複数のコイルの集合体であるU相コイル111U〜114U(直列コイルA)およびU相コイル115U〜118U(直列コイルB)が、並列に接続されている。
本比較例に係る巻線構造においては、図6に示されるように、ステータ1に対してロータ2が偏芯して設けられた場合に、図7に示すように、U相コイル111U〜114U(直列コイルA)における起電力200の和と、U相コイル115U〜118U(直列コイルB)における起電力200の和とが不均衡となる状態が生じる。この結果、2つの直列コイルによる並列回路内に流れる循環電流300が発生する。この結果、三相回路間に電流差が生じ、起磁力に2f(f:電気周波数)の高調波が発生する。この結果、ステータ1に作用する力の変動が生じ、回転電機の駆動時の振動、ノイズが増大する場合がある。
たとえば、回転電機が搭載されるハイブリッド車においては、走行中にエンジンを停止させるモード(たとえば、低車速時に蓄電機構から電力が供給された回転電機により走行するEV走行モードや、減速時に車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し蓄電機構に回収する回生モードなど)があり、暗騒音が低く、ギアノイズやモータノイズが比較的聞こえやすくなっている。したがって、回転電機の駆動時の騒音を抑制することは重要である。また、回転電機を車両に搭載する際に、スペースや重量の制約から伝達系、共振系のノイズ対策を採ることが制限される場合がある。これらの制約条件を満たしながら回転電機の駆動時の騒音を抑制することは重要である。
一方で、効率的に高出力、高トルクを得る観点からは、ステータ1とロータ2とのギャップは極力小さく設定されることが好ましい。しかしながら、該ギャップが小さく設定されることで、僅かな偏芯であってもステータ−ロータ間のギャップに及ぼす影響は大きくなり、結果として、大きな起振力が生じやすい。また、製作の都合上、ステータ1とロータ2との偏芯量を、図6,図7に示される巻線構造において循環電流300が全く生じない程度にまで抑えることは難しい。そして、制御システムによって偏芯に伴なう電流の不均衡を抑制しようとする場合、該システムは複雑なものになる。
これに対し、本実施の形態においては、上記のように、第1と第2コイル群が、それぞれステータコア100の周方向において分離され、分離された部分の一方と他方とがステータコア100の径方向に対向するように配設されることで、ステータ1とロータ2とが偏芯して設けられた場合でも、電磁気的なバランスが保たれ(図5)、並列回路内に循環電流が生じることが抑制される。この結果、回転電機駆動時の振動、ノイズが抑制される。また、回転電機駆動時の損失が低減され、動作効率が向上する。
図8は、図4に示される巻線構造と比較される他の巻線構造を模式的に示した図である。また、図9は、図8に示される巻線構造を示した等価回路図である。図8,図9を参照して、本比較例に係る巻線構造は、基本的には、図4,図5に示される巻線構造と同様の構成を有するが、U相コイル111U〜118Uの接続状態が、図4,図5に示される巻線構造と異なる。すなわち、直列に接続された複数のコイルの集合体であるU相コイル111U,113U,115U,117U(直列コイルA)およびU相コイル112U,114U,116U,118U(直列コイルB)が、並列に接続されている。
本比較例に係る巻線構造においては、直列コイルAに含まれるU相コイル111U,113U,115U,117Uと、直列コイルBに含まれるU相コイル112U,114U,116U,118Uとが互いに逆向きに巻回されている。そして、直列コイルAに含まれるU相コイル111U,113U,115U,117Uの巻回方向は全て同じ方向であり、直列コイルBに含まれるU相コイル112U,114U,116U,118Uの巻回方向は全て同じ方向である。
図10は、巻線を形成する巻線機(たとえば、フライヤー式巻線機)を示した概略図である。ステータコイルは、巻線機により形成された後にインサータを用いてステータコアに組付けられる。図10を参照して、巻付け枠4に巻線3が巻回され、コイルが形成される。この際に、巻線3が矢印DR1の方向に捻れやすい傾向にある(本願明細書では、上記捻れを「コイル捻れ」と称する場合がある。)。図8,図9に示される巻線構造のように、直列コイルの巻線方向が全て同じであると、コイル巻取り時にコイル捻れ量が順次増大し、直列コイルの連続巻きが困難になる場合がある。一方で、コイル捻れを生じさせずにコイルを形成するためには、別段の設備が必要になる。このことは、工程の煩雑化やコストアップの要因になる。
これに対し、本実施の形態においては、図5に示すように、直列コイルAを構成するU相コイル111U,112U,115U,116Uが、その接続順に交互に逆向きに巻回されている。同様に、直列コイルBを構成するU相コイル113U,114U,117U,118Uが、その接続順に交互に逆向きに巻回されている。これにより、コイル捻れを緩和しながらコイルの巻取りを行なうことができる。具体的には、たとえば、U相コイル111Uの巻取り時に生じたコイル捻れをU相コイル112Uの巻取り時に緩和することができる。結果として、直列コイルA,Bの連続巻きを容易に行なうことができる。
また、図8,図9に示される巻線構造においては、U相端子120Uに接続される入力線と、中性点Nに接続されるGND線とが周方向に近接している。この結果、巻線構造の絶縁性能が低下する。これに対し、本実施の形態に係る巻線構造においては、入力線とGND線とが、絶縁性を確保できる程度に周方向に離間している。
なお、本実施の形態に係る巻線構造においては、U相コイル111U,112U,115U,116UおよびU相コイル113U,114U,117U,118Uは、ステータコア100の周方向に隣接する複数のコイルを含みながらステータコア100の周方向に分離される。具体的には、たとえば、「第1コイル群」としてのU相コイル111U,112U,115U,116Uは、ステータコア100の周方向に隣接するU相コイル111U,112UとU相コイル115U,116Uとを含みながらステータコア100の周方向に分離されている。
一般に、本実施の形態のような分布巻きの巻線構造においては、ステータコア100の周方向に隣接するコイルは逆向きに巻回される。そして、上述したように、「直列コイル」を形成する一部のコイルを隣接させることで、複数のコイル間を接続する渡り線を短くして、コイルエンドの小型化を図ることができる。
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る巻線構造は、ティース(たとえばティース100A〜100E)を有するステータコア100と、ステータコア100のティースに巻付けられるステータ巻線110とを備え、ステータ巻線110は直列コイルA,Bを有し、直列コイルA,Bは並列に接続され、直列コイルAは直列に接続されたU相コイル111U,112U,115U,116Uを含み、U相コイル111U,112U,115U,116Uはその直列接続順に交互に逆向きに巻回され、ステータコア100の周方向において分離し、かつ、分離された一方(U相コイル111U,112U)と他方(U相コイル115U,116U)とがステータコア100の径方向に対向するように配設され、直列コイルBは直列に接続されたU相コイル113U,114U,117U,118Uを含み、U相コイル113U,114U,117U,118Uはその直列接続順に交互に逆向きに巻回され、ステータコア110の周方向において分離し、かつ、分離された一方(U相コイル113U,114U)と他方(U相コイル117U,118U)とがステータコア110の径方向に対向するように配設されている。
なお、本実施の形態においては、U相コイルの場合について説明したが、V相コイル,W相コイルについても同様の思想は当然に適用可能である。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
本発明の1つの実施の形態に係る巻線構造が設けられる回転電機を示した軸方向断面図である。 本発明の1つの実施の形態に係る巻線構造を示した図である。 本発明の1つの実施の形態に係る巻線構造が設けられたステータを示した上面図である。 本発明の1つの実施の形態に係る巻線構造の詳細を模式的に示した図である。 図4に示される巻線構造を示した等価回路図である。 図4に示される巻線構造と比較される1つの巻線構造の詳細を模式的に示した図である。 図6に示される巻線構造を示した等価回路図である。 図4に示される巻線構造と比較される他の巻線構造の詳細を模式的に示した図である。 図8に示される巻線構造を示した等価回路図である。 巻線を形成する巻線機を示した図である。
符号の説明
1 ステータ、2 ロータ、3 巻線、4 巻付け枠、100 ステータコア、110 ステータ巻線、110U〜118U U相コイル、110V〜118V V相コイル、110W〜118W W相コイル、120U U相端子、120V V相端子、120W W相端子、200 起電力、300 循環電流、N 中性点。

Claims (6)

  1. ティースを有するコア体と、
    前記コア体のティースに巻付けられる巻線部とを備え、
    前記巻線部は第1と第2コイル群を有し、
    前記第1と第2コイル群は並列に接続され、
    前記第1コイル群は直列に接続された複数の第1コイルを含み、
    複数の前記第1コイルはその直列接続順に交互に逆向きに巻回され、前記コア体の周方向において分離し、分離された一方と他方とが前記コア体の径方向に対向し、かつ、分離された一方と他方とが前記コア体の周方向に隣接するように配置された複数の前記第1コイルをそれぞれ含むように配置され、
    前記第2コイル群は直列に接続された複数の第2コイルを含み、
    複数の前記第2コイルはその直列接続順に交互に逆向きに巻回され、前記コア体の周方向において分離し、分離された一方と他方とが前記コア体の径方向に対向し、かつ、分離された一方と他方とが前記コア体の周方向に隣接するように配置された複数の前記第2コイルをそれぞれ含むように配置される、回転電機の巻線構造。
  2. 前記コア体の周方向において分離された前記第1コイルの一方と他方とが、ともに、前記コア体の周方向において分離された前記第2コイルの一方と他方とに隣接する、請求項1に記載の回転電機の巻線構造。
  3. 前記コア体の周方向に互いにずれて形成された複数相の前記巻線部を備えた、請求項1または請求項2に記載の回転電機の巻線構造。
  4. 前記コア体は中空円筒形状からなり、周方向に配列された複数のティースを該コア体の内周面に有し、
    前記巻線部は、U相コイルと、V相コイルと、W相コイルとを有し、
    前記U相コイルは、前記コア体の径方向の最外周に配置され、
    前記V相コイルは、前記U相コイルの内側であって、前記U相コイルに対して前記周方向に一定距離だけずれた位置に配置され、
    前記W相コイルは、前記V相コイルの内側であって、前記V相コイルに対して前記周方向に一定距離だけずれた位置に配置されている、請求項1または請求項2に記載の回転電機の巻線構造。
  5. 前記第1コイルおよび前記第2コイルは、各々、対応する複数の前記ティースに巻回される、請求項1から請求項4のいずれかに記載の回転電機の巻線構造。
  6. 前記コア体は中空円筒形状からなり、周方向に配列された複数のティースを該コア体の内周面に有し、
    前記巻線部は、U相コイルと、V相コイルと、W相コイルとを有し、
    前記U相コイル、前記V相コイル、および前記W相コイルの各々は、略円弧状形状からなり、
    前記U相コイルは、前記コア体の径方向の最外周に配置され、
    前記V相コイルは、前記U相コイルの内側であって、前記U相コイルに対して前記周方向に一定距離だけずれた位置に配置され、
    前記W相コイルは、前記V相コイルの内側であって、前記V相コイルに対して前記周方向に一定距離だけずれた位置に配置され、
    前記U相コイル、前記V相コイル、および前記W相コイルの各々は、複数の前記ティースに所定回数巻回され、
    前記U相コイル、前記V相コイル、および前記W相コイルの各々は、隣接する同相のコイルと逆向きに巻回される、請求項1または請求項2に記載の回転電機の巻線構造。
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