JP4940252B2

JP4940252B2 - 回転電機の製造方法

Info

Publication number: JP4940252B2
Application number: JP2009022098A
Authority: JP
Inventors: 尚長縄; 健治宮田; 孝石上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: US20100194230A1; US8407881B2; JP2010183649A

Description

本発明は、回転電機の製造方法に関する。

回転電機の固定子コイルの構造として、分布巻，集中巻などの方式が知られている。その中で、回転子の磁極ピッチに対し、固定子コアのティースに短節重ね巻きした３個の固定子コイルを三相結線した第１三相結線コイルと、第１三相結線コイルの各固定子コイルに対してそれぞれ電気角でπ／３ラジアンずつずらして、ティースに３個の固定子コイルを短節重ね巻するとともに、第１三相結線コイルと同一の結線態様で結線した第２三相結線コイルとからなる巻線構造が知られている（特許文献１参照）。

特開平６−１６５４２２号公報

昨今のエネルギー問題に鑑み、回転電機も高効率化が求められている。しかし、上記技術は原理的に集中巻であるため、１相分の固定子コイルは、ロータとの鎖交磁束のうち電気角で１２０度領域しか利用せず、電気角３６０度領域にわたり利用している分布巻に対して、さらに高い効率を得ることが困難に成りつつある。

一方分布巻は、全節巻きと短節巻きがあるが、いずれも実質電気角で１８０度にわたってコイルを巻き、残りの１８０度を反対向きに巻くことにより、固定子のティースには全ての相のコイルが巻かれた構造になっている。従って、コイルに流れた電流が誘起する磁束が自己のコイルに鎖交する鎖交磁束量が多くなり、コイルのインダクタンスは比較的大きい値となる。このため、発電機では高速回転領域での発電電流が抑えられ、モータではコイル電流の制御応答性が悪化する。

本発明の目的は、回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、同相のコイルターンによって形成される固定子磁極が２つ配置されるようにコイルが巻回された、小型で高出力の回転電機に対し、好適な製造方法を提供することを目的とする。

上記目的は、周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、前記回転子に空隙を介して配置された固定子とを備え、前記固定子は、前記回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、ティースと第１のコイルターンと前記第１のコイルターンに直列かつ逆極性をなす第２のコイルターンとによって形成される２の同相の固定子磁極を有し、前記第１のコイルターンと前記第２のコイルターンは、それぞれ周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さく巻回され、前記第１のコイルターンと前記第２のコイルターンの間に他相の固定子磁極の一部を形成するティースを挟んで設けられる回転電機の製造方法であって、前記固定子を、線材を巻枠に巻きつけた前記第１のコイルターンと前記第２のコイルターンとを、前記巻枠ごと前記固定子を構成する固定子コアの内側に配置する第１のステップと、前記第１のコイルターンと前記第２のコイルターンとを挿入ブレードの移動により固定子コアの径方向に広げるようにして、前記固定子に形成された固定子コアスロット内に挿入する第２のステップと、前記巻枠には巻線凸部が円周状に配置されているとともに、巻線凸部の上方，下方に巻線ピンが配置されており、当該巻線凸部と巻線ピンの箇所を、分散巻コイルを形成するように線材を巻回する第３のステップとを有して製造する回転電機の製造方法において、前記固定子を、前記第３のステップの後、前記巻線ピンの軸方向高さ位置を低くすることによって前記分散巻コイルから前記巻線ピンを外し、加圧ロッドを上昇することによって前記挿入ブレードを径方向に移動させて前記分散巻コイルを前記固定子コアスロット内に挿入する第４のステップを有して製造することによって達成される。

回転電機の生産性を向上できる。

本発明の一実施形態をなす回転電機の正面図を示す。本発明の一実施形態をなす分散巻コイルの１相目を組線する工程図を示す。本発明の一実施形態をなす分散巻コイルの２相目を組線する工程図を示す。本発明の一実施形態をなす分散巻コイルの３相目を組線する工程図を示す。本発明の一実施形態をなす分散巻コイルを巻線している際の巻枠の斜視図を示す。本発明の一実施形態をなす分散巻コイルの組線を示す工程図を示す。本発明の一実施形態をなす分散巻コイル巻線経路を示す展開図を示す。本発明の一実施形態をなす分散巻コイルを巻線する際の巻枠の斜視図を示す。本発明の一実施例をなす回転電機の概念図を示す。本発明の一実施例をなす回転電機の概念図を示す。本発明の一実施例をなす空冷式の車両用交流発電機１００の断面図を示す。図１１で示した巻線で構成される三相整流回路を示す。

以下、本発明の詳細を、図面を用いながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態をなす回転電機の正面図を示す。

固定子２０１は、回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、同相のコイルターンによって形成される固定子磁極が２つ配置されるようにコイルが巻回される。以下、このように形成されたコイルを分散巻コイル２０７と称す。

図１（Ａ）は、固定子コア２の側面側から見た固定子２０１の正面図を示しており、分散巻コイル２０７を固定子コア２０２に組み込み、線材２０３の端末部２０９を接続している。この構造により、コイルエンド部２０３ｄの高さが低くなる。

図１（Ｂ）は、固定子コア２０２の固定子コアスロット２０６内の部分を拡大した断面図を示す。固定子コア２０２は厚さ約０.３５mmの珪素鋼板などを打抜き積層して形成したものである。線材２０３は絶縁被膜を有した導線であり、本実施例では銅製の導体をポリアミドイミド樹脂で被覆している。固定子コア２０２の固定子コアスロット２０６内に、絶縁材で包まれた線材が配置されている。線材２０３が絶縁材２０４で包まれていることにより絶縁性を向上させている。絶縁材２０４で包むのは、コイル素線２０３を覆うエナメル被膜の万が一に存在するピンホールに対する絶縁対策と、固定子コアへの組み込み時のエナメル被膜損傷の防止とを兼ねている。さらに、くさび２０５を固定子コア２０２に設置することにより、コア内周面への絶縁信頼性を高めている。本図における線材２０３は断面が円形の丸線で、固定子コア２０２の固定子コアスロット２０６内の軸方向に線材２０３が１６個配置された構造になっている。

この固定子２０１の内部に磁石ロータ（図示せず）、もしくはかご型の銅ロータ（図示せず）を同軸で組み込み、ロータの両端を軸受で回転可能に支持して、電動機、もしくは発電機を構成する。

図２から図６までを用いて分散巻コイルの製造方法および固定子コアへの組線方法について述べる。図２から図６までは説明のために、巻きつける線材の本数を少なくし簡略化して示している。

図２は線材を１相目の分散巻コイル２０７ａをコアに組線する前後の状態を示す。図２（Ａ）は線材を巻枠２１０に分散状に巻きつけた分散巻コイル２０７ａを、巻枠２１０ごと固定子コア２０２の内側に配置した状態を示す。図２（Ｂ）は分散巻コイル２０７ａを挿入ブレード２１３の移動により固定子コア２０２の径方向に広げるようにして、固定子コアスロット２０６内に挿入した状態を示す。

図３は１相目の分散巻コイル２０７ａをコアに組線した後、２相目の分散巻コイル２０７ｂをコアに組線する前後の状態を示す。図３（Ａ）は線材を巻枠２１０に分散状に巻きつけたコイル２０７ｂを巻枠２１０ごと固定子コア２０２の内側に配置した状態を示し、図３（Ｂ）はすでに挿入されている分散巻コイル２０７ａを径方向に押し付けるようにして、分散巻コイル２０７ｂを挿入ブレード２１３の移動により固定子コア２０２の径方向に広げるようにして、固定子コアスロット２０６内に挿入した状態を示す。

図４は１相目の分散巻コイル２０７ａ、および２相目の分散巻コイル２０７ｂをコアに組線した後、３相目の分散巻コイル２０７ｃをコアに組線する前後の状態を示す。図３（Ａ）は線材を巻枠２１０に分散状に巻きつけた分散巻コイル２０７ｃを巻枠２１０ごと固定子コア２０２の内側に配置した状態を示し、図３（Ｂ）はすでに挿入されている分散巻コイル２０７ａ，２０７ｂを径方向に押し付けるようにして、分散巻コイル２０７ｂを挿入ブレード２１３の移動により固定子コア２０２の径方向に広げるようにして、固定子コアスロット２０６内に挿入した状態を示す。

図５は一部分を拡大した巻枠２１０の斜視図を示す。巻枠２１０には巻線凸部２１１が円周状に配置されており、巻線凸部の上方，下方に巻線ピン２１２が配置されている。この巻線凸部２１１と巻線ピン２１２の箇所を、所定の形状となるよう線材が巻回されて分布巻コイル２０７が形成される。これを図２から図４までに示したように繰り返して、所定の相、コイル数を組線し、固定子を形成する。

図６は１相分の分散巻コイル２０７を固定子コア２０２に組線する過程図を示す。図６（Ａ）は線材を巻枠２１０に分散状に巻きつけた分散巻コイル２０７を巻枠２１０ごと固定子コア２０２の内側に配置した状態を示している。分散コイル２０７は巻枠２１０の上下に配置された巻線ピン２１２の箇所で巻回されている。また巻枠２１０には固定子コアスロット２０６内に分布巻コイル２０７を挿入する挿入ブレード２１３が配置されている。図６（Ｂ）は巻線ピン２１２の軸方向高さ位置を低くし、分散巻コイル２０７から巻線ピン２１２を外し、挿入ブレード２１３を移動させるための加圧ロッド２１４を配置した状態を示す。図６（Ｃ）は加圧ロッド２１４を上昇し、挿入ブレード２１３を径方向に移動させ分散巻コイル２０７を固定子コア２０２の固定子コアスロット２０６内に挿入している状態を示す。これを図２から図４までに示したように繰り返して、所定の相、コイル数を組線し、固定子を形成する。

図７は分散巻コイル２０７の巻線経路を示す展開図の一例である。図のような経路で固定子コア２０２の固定子コアスロット２０６を巻回されるように巻線されるよう巻枠を形成することもできる。なお、巻枠および巻線経路により、本実施例以外の巻線経路で分布巻コイル２０７を巻線することもできる。

図８は図７で示した巻線経路にて巻線する巻枠２１０の一部分を拡大した斜視図を示す。巻枠２１０には巻線凸部２１１が円周状に配置されており、巻線凸部の上方，下方に巻線ピン２１２が配置されている。この巻線凸部２１１と巻線ピン２１２の箇所を、図７で示した所定の形状となるよう線材が巻回されて分布巻コイル２０７が形成される。これを図２から図４までに示したように繰り返して、所定の相、コイル数を組線し、固定子を形成する。

図９及び図１０を用いて、分散巻コイルについて詳細に述べる。

図９は、本発明の一実施例をなす回転電機の概念図を示す。回転電機の一部を直線状に展開して示したものである。

回転子１および固定子２から構成され、回転子１には複数の回転子磁極１１が装備され、固定子２には固定子の磁極を形成する複数のティース２１が装備されており、複数のティース２１にはＵ相コイル３１，Ｖ相コイル３２，Ｗ相コイル３３が巻かれている。ここで、Ｖ相コイルとはＵ相コイルを流れる交流電流に対して位相が１２０度遅れた（２４０度進んだ）交流電流が流れるコイルと定義する。また、Ｗ相コイルとはＵ相コイルを流れる交流電流に対して位相が２４０度遅れた（１２０度進んだ）交流電流が流れるコイルと定義する。回転子１の回転方向を図１において矢印方向で示してある。

実線はコイルが正巻き（ティースを内径側から見て時計方向巻き）されており、点線はそれとは反対の逆巻き（ティースを内径側から見て反時計方向巻き）されていることを意味する。図１には正巻きのコイルを回転子から遠い位置に巻いた場合を載せてあるが、回転子から近い位置に巻いても良い。図のように本実施例の固定子コイル構造は、２つの集中巻コイルを互いに電気角１８０度ずれた位置に２重に配置し、それぞれのＵ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイル同士を直列に接続した構造になっている。言い換えれば、固定子２が回転子１に空隙を介して配置され、電気角幅３６０度領域内に、同相のコイルターンによって形成される２つの固定子磁極９１，９２が配置されるようにコイルが巻回され、固定子磁極９１，９２を形成するそれぞれのコイルターンは周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さく、２つの固定子磁極９１，９２をなすコイルターンが互いに重ならないように設けられているとともに、個々の固定子磁極９１，９２が互いに逆極性をなすようにコイルターンが巻回されている回転電機である。ここでは、２つの固定子磁極９１，９２をなすコイルターンが互いに電気角１８０度ずらして設けられている。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗの３つの相の固定子磁極を構成し、それぞれ電気角６０度ずつずらして配置されている。なお、Ｖ相コイルはＵ相コイルとは逆に巻く。これにより、＋６０度−１８０度＝−１２０度となり、Ｖ相コイルはＵ相コイルよりも位相が１２０度遅れる。また、Ｗ相コイルは、Ｕ相コイルと同じ向きに巻くため、Ｕ相コイルよりも２×６０度＝１２０度位相が進む。また、この実施例では、１つのコイルターンがなす電気角幅は１２０度であり、同相では２つのコイルターンで２４０度の領域、すなわち全体の２／３の数のティースに巻かれている。このようなコイルの巻き方を、分散巻と呼ぶことにする。

このため、本実施例における固定子コイルは、電気角３６０度以内に１つの集中巻コイルを設ける集中巻構造に比べて、回転子の磁束と鎖交する各コイルターンの回路面積が２倍であり、コイル利用効率は集中巻の２倍になっている。集中巻と同じ鎖交磁束を得るためには、ティースに巻くコイルターン数は、ある１本のティースに着目した場合、本実施例では、集中巻に比べて半分で済む。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各コイルは、集中巻に比べて２倍に分散されており、さらに、分布巻のように全てのティースにコイルが巻かれた構造ではなく、全体の２／３の数のティースにしか巻かれていない。このため、集中巻や分布巻に比べて、コイルインダクタンスを低く抑えることができる。

さらに本実施例は、集中巻に比べて、コイルが２倍に分散配置されており、Ｕ相コイル，Ｖ相コイル、およびＷ相コイルは半分程度重複しながら巻かれているので、電機子反作用は集中巻に比べて周方向に比較的なめらかに分布することになり、高次の電磁力高調波成分が低減された構造になっている。このため、集中巻に比べると、より静かな回転電機として機能できる。

なお、図９の例は、固定子ティースが電気角６０度毎に１本配置し、コイルターンが電気角度幅１２０度で巻回された構造であるが、固定子ティースを電気角３０度毎に１本配置し、コイルターンを電気角度幅で９０度、あるいは１２０度、もしくは１５０度で巻回された構造にしても同様の効果を持たせることができる。

図１０は、本発明の一実施例をなす回転電機の概念図を示す。以下に述べる事項の他は、上記実施例と同様である。

本実施例では、上記の分散巻構造とダブル三相構造を組み合わせた構造である。すなわち、図９で示した巻線群を２つ設け、互いに位相をずらして配置する。図１０に示すように、ティース２１の本数を電気角３６０度あたり１２本にし、隣接するティース２１間の電気角位相差が３０度になるような構成にする。ティース２１において半径方向外側の部分にひとつの三相交流系（三相系Ａ）の分散巻構造の三相交流系コイルを配置し、半径方向内側の部分にさらにもうひとつの三相交流系（三相系Ｂ）の分散巻構造の三相交流系コイルを配置する。三相系Ｂは三相系Ａに対して電気角で３０度ずれた位置に配置し、並列に接続される。三相系Ａ，Ｂともに各コイルは例えば４本のティースを束ねるように巻く。

図１１は、本発明の一実施例をなす空冷式の車両用交流発電機１００の断面図を示す。回転子１にはシャフトの中心部に爪形磁極１１３とその中心部に界磁巻線１１２が配置される。シャフトの先端にはプーリ１０１が取り付けられており、その反対側には前記界磁巻線に給電するためのスリップリング１０９が設けられている。更に回転子１の爪形磁極１１３の両端面には回転と同期して回転する冷却ファンのフロントファン１０７Ｆとリアファン１０７Ｒから構成されている。また、爪磁極極１１３には永久磁石１１６が配置され界磁巻線磁束を増加させる補助励磁の役目を果たしている。一方、固定子２は固定子磁極９１，９２と固定子巻線から構成され、回転子１と僅かなギャップを介して対向配置されている。固定子２はフロントブラケット１１４とリアブラケット１１５によって保持され、両ブラケットと回転子１はベアリング１０２Ｆおよび１０２Ｒで回転可能に支持されている。先に述べたスリップリング１０９はブラシ１０８と接触し電力を給電される構成となっている。固定子巻線は上記実施例のように三相巻線で構成されており、それぞれの巻線の口出し線は、整流回路１１１に接続されている。整流回路１１１はダイオード等の整流素子から構成され、全波整流回路を構成している。例えばダイオードの場合、カソード端子はターミナル１０６に接続されている。また、アノード側の端子は車両用交流発電機本体に電気的に接続されている。リアカバー１１０は整流回路１１１の保護カバーの役割を果たしている。

次に、発電動作について説明する。エンジン（図示せず）と車両用交流発電機１００は一般的にはベルトで連結されている。車両用交流発電機１００はプーリ１０１でエンジン側とベルトで接続され、エンジンの回転と共に回転子１は回転する。回転子１の爪形磁極１１３の中心部に設けられた界磁巻線１１２に電流が流れることで、この爪形磁極１１３が磁化され、回転することで固定子巻線に三相の誘導起電力が発生する。その電圧は先に述べた整流回路１１１で全波整流され、直流電圧が発生する。この直流電圧のプラス側はターミナル１０６と接続されており、更にバッテリー（図示せず）と接続されている。詳細は省略するが、整流後の直流電圧はバッテリーを充電するのに適した電圧となるように、界磁電流は制御されている。

図１２は、図１１で示した巻線で構成される三相整流回路を示す。図１２（Ａ）は図９の実施例、図１２（Ｂ）は図１０の実施例に対応する。各相巻線は三相Ｙ結線で接続されている。三相コイルの反中性点側の端子は図示したように６個のダイオードＤ１＋〜Ｄ３−に接続されている。また、プラス側のダイオードのカソードは共通となっており、バッテリーのプラス側に接続されている。マイナス側のダイオード端子のアノード側は同様にバッテリーのマイナス端子に接続されている。

図１２（Ｂ）において、電気的に独立した三相巻線のＵ１巻線とＵ２巻線の電圧は等しく電気的位相は３０度ずれているため、電位の大きいところが選択され最終的には３０度幅のリプルとなる。

尚、ここではスター結線の例を示したが、デルタ結線を採用しても良い。デルタ結線を採用した場合は、スター結線の場合に比べてコイル誘起電圧を１１.５％高めることができるという効果が得られる。

尚、上記した実施例は、言い換えれば、単一の三相交流系の電流が流れる固定子コイルと、これを巻きつけるティース、ティースを流れる磁束を還流させるコアバックからなる固定子、およびティースに対向する磁極を有する回転子、で構成される回転電機において、各ティースに巻かれる固定子コイルが、Ｕ相コイルとＶ相コイル、あるいはＶ相コイルとＷ相コイル、もしくはＷ相コイルとＵ相コイルのみである回転電機である。

また、単一の三相交流系の電流が流れる固定子コイルと、これを巻きつけるティース、ティースを流れる磁束を還流させるコアバックからなる固定子、およびティースに対向する磁極を有する回転子、で構成される回転電機において、ティースにおいて半径方向外側の位置にＵ相コイル，Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの集中巻コイル系を配置し、さらに半径方向内側の位置に先に述べた集中巻コイル系とは逆巻きのＵ相コイル，Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの集中巻コイル系を配置し、これら２つの集中巻コイル系を各相毎に直列に接続する回転電機である。

また、Ｕ相コイル，Ｖ相コイルおよびＷ相コイルで形成される三相コイル系を２つもち、それぞれのコイル系統の電気角位相差を略３０度、あるいは２０度から４０度の範囲内に設定した回転電機である。

２０１固定子
２０２固定子コア
２０３線材
２０４絶縁紙
２０５くさび
２０６固定子コアスロット
２０７分散巻コイル
２１０巻枠
２１１巻線凸部
２１２巻線ピン
２１３挿入ブレード

Claims

周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、
前記回転子に空隙を介して配置された固定子とを備え、
前記固定子は、前記回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、ティースと第１のコイルターンと前記第１のコイルターンに直列かつ逆極性をなす第２のコイルターンとによって形成される２の同相の固定子磁極を有し、
前記第１のコイルターンと前記第２のコイルターンは、それぞれ周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さく巻回され、前記第１のコイルターンと前記第２のコイルターンの間に他相の固定子磁極の一部を形成するティースを挟んで設けられる回転電機の製造方法であって、
前記固定子を、
線材を巻枠に巻きつけた前記第１のコイルターンと前記第２のコイルターンとを、前記巻枠ごと前記固定子を構成する固定子コアの内側に配置する第１のステップと、
前記第１のコイルターンと前記第２のコイルターンとを挿入ブレードの移動により固定子コアの径方向に広げるようにして、前記固定子に形成された固定子コアスロット内に挿入する第２のステップと、
前記巻枠には巻線凸部が円周状に配置されているとともに、巻線凸部の上方，下方に巻線ピンが配置されており、当該巻線凸部と巻線ピンの箇所を、分散巻コイルを形成するように線材を巻回する第３のステップとを有して製造する回転電機の製造方法において、
前記固定子を、
前記第３のステップの後、前記巻線ピンの軸方向高さ位置を低くすることによって前記分散巻コイルから前記巻線ピンを外し、加圧ロッドを上昇することによって前記挿入ブレードを径方向に移動させて前記分散巻コイルを前記固定子コアスロット内に挿入する第４のステップを有して製造することを特徴とする回転電機の製造方法。
請求項１において、
前記固定子を、
前記第１のステップと前記第２のステップを複数回繰り返すことによって、複数の相の
巻線を前記固定子コアスロット内に挿入して製造することを特徴とする回転電機の製造方法。