JP5222770B2

JP5222770B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5222770B2
Application number: JP2009083982A
Authority: JP
Inventors: 孝石上; 豊松延; 尚長縄
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010239726A

Description

本発明は、モータや発電機などの回転電機に関する。

地球温暖化防止を目的としたＣＯ₂排出の規制強化や、化石燃料の枯渇に伴う省エネルギーの社会的要請に伴い、モータや発電機など、エネルギーの変換機関である回転機の高効率化が強く求められている。また、自動車やクリーナーなどの移動体に搭載する用途の拡大により、小型化のニーズも高まっている。

小型高出力の回転電機を得るため、近年は、ティースに纏めてコイルを巻回する集中巻と、ステータコアを分割する工法の採用が進んでいる。

先ず、ティースに集中的に巻線する構造は、コイルエンド同士に干渉が生じないため、コイルエンドの長さを短くできる。この結果、コイルの銅損を小さくでき、また回転電機の軸方向寸法を小型化できる。

一方、ステータコアを複数のブロックに分割することで、巻線時のノズルの干渉をなくし、コイルの整列性を向上できる。また、剛性の大きな太線をダメージなく巻線することができる。従って、スロット内の電線の本数や断面積を増やすことができる。なお、ステータコアの分割には、ティース毎にバックヨーク部で分割する形態（Ｔ形）と、各個ティースと環状のバックヨークに分割する形態（Ｉ形）がある。

以上のように、集中巻の分割コアステータは、マイコンの発達と制御技術の高度化に後押しされ、小型高効率化のニーズと合致して、家電用のモータや自動車用のモータなどに広く採用されるようになっている。

しかしながら、回転電機の小型高効率化の追及は留まる所がない。そこで、集中巻・分割コアのステータにおいて、コイルの素材である電線を、丸線から直線状の４つの辺を持つ略角線（角部にはＲがある）に変更し、スロット内の電線の占積率（Ｓｆ＝（単一電線の皮膜込み断面積×電線の総数）／（スロットの断面積−絶縁物の断面積）×１００（％））を向上する方法が注目を浴びている。ＨＥＶ駆動主機用のモータなど、従来よりも大幅な小型高出力化が要求される回転電機には、既に略角線を用いた集中巻の分割コアステータが採用されている。

ここで、略角線の集中巻コイルを巻線するにあたり、従来は層上がり部の電線の崩れが問題となっていた。丸線のコイルの場合は、樹脂製ボビンの表面の溝や下層の巻線が構成する溝によってスロット内の電線の位置を拘束することができた。このため、ボビンの端部、或いは巻胴部でコイルの層が上がる時も、電線の崩れを抑制することができた。ところが、素材を略角線に変更すると、ボビンの表面にピッチ毎に溝を形成することができず、巻線した電線で溝を構造することもできないため、層上がり時に電線が崩れ、スロット内に不要な空隙が生じたり、以後の巻線が継続できないという問題があった。

特開２０００−２４５０９２号公報特開２００３−２４４９０６号公報

本発明で解決しようとする課題は、分割コア（Ｔ形，Ｉ形の両方）に略角線を集中巻した回転電機用ステータにおいて、コイルの層上がり時に発生する電線の巻き崩れやスロット内の空隙の発生を防止し、高密度なコイルをステータコアに実装することである。

本発明は、電線を巻き付ける絶縁物のコイルの折り返し端部において、スロット内に相当するボビンの側面（電線がコイルエンドで斜めに移行する前の側面、もしくは両側面）に略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部を設ける。或いは、コイルの折り返し端部において、ボビンの角部（電線がコイルエンドで斜めに移行を開始する角部、もしくは前記角部を含む複数の角部）に略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部を設ける。これら凹部によって、略角線を層上がりして折り返す際にスロット内の電線の位置を拘束し、巻き崩れを防止する。

また、巻胴部で層上がりをして、コイルエンドで電線を斜めに移行させる場合は、層上がり後の最初の巻回位置で、ボビンの側面（電線がコイルエンドで斜めに移行した後の側面、もしくは両側面）に、略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部を設ける。或いは、層上がり後の最初の巻回位置で、ボビンの角部（電線がコイルエンドで斜めに移行した直後の角部、もしくはそれを含む複数の角部）に、略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部を設ける。

本発明により、高密度なコイルをステータコアに実装することができる。

本発明の一実施形態をなすＩ形分割コアのステータ構造を示す図である。本発明の一実施形態をなすＴ形分割コアステータの構造を示す図である。本発明の一実施形態をなす丸線を用いた集中巻コイルの全体図と断面図。本発明の一実施形態をなす丸線を用いたコイルの１層目の巻線を示す。本発明の一実施形態をなす丸線を用いたコイルの２層目の巻線を示す。本発明の一実施形態をなすコイルの折り返し部で２層目の第一ターンを巻線した模式図。本発明の一実施形態をなすコイルの折り返し部で２層目の第二ターンを巻線した模式図。本発明の一実施形態をなす巻胴部で略角線を層上がりさせる理想の巻線状態を示す。従来の技術により、巻胴部で略角線を層上がりさせた時の巻線状態を示す。本発明の一実施形態をなすボビンの構造。本発明の一実施形態をなすコイルエンド側から見たコイルの模式図。本発明の一実施形態をなすボビンの構造。本発明の一実施形態をなすコイルエンド側から見たコイルの模式図。本発明の一実施形態をなすボビンの構造。本発明の一実施形態をなすボビンの構造。本発明の一実施形態をなすボビンの構造。本発明の一実施形態をなすコイルエンド側から見たコイルの模式図。本発明の一実施形態をなすボビンの構造。本発明の一実施形態をなすボビンの構造。本発明の一実施形態をなすボビンの構造。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いながら説明する。

先ず、分割コアを用いた集中巻ステータの構造を説明する。図１にＩ形の分割コアステータの構造を示す。ステータコアは、各個ティース１と環状のバックヨーク２に分割する。そして、樹脂製のボビン３にコイル４を巻回し、巻線後のコイル４とティース１を組み合わせる。ティース１の根本には突起５、バックヨークの内周側にはこれと嵌合する溝６が等間隔に設けられており、ティース１とコイル４を組み合わせた後、ティースの突起５とバックヨークの溝６の位置を合わせて両者を軸方向に組み立てる。以上により、回転機のステータを構成し、この内周に永久磁石を取り付けたロータ（図示せず）を組み込んで回転機とする。

また、図２にＴ形の分割コアステータの構造を示す。ステータコアは、ティース毎にバックヨーク部で分割する。このコアブロック７の積層方向の上下から２分割の樹脂製ボビン３を組み付け、コアブロック７と一体となったボビン３にコイル４を巻線する。そして、巻線をした複数のコアブロック７を環状に並べ、環状のハウジング８に圧入して環状一体のステータを得る。或いは、コアブロック外周の分割部を溶接して環状一体にする方法もある。Ｉ形の分割コアと同様に、ステータの内周に永久磁石を取り付けたロータ（図示せず）を組み込んで回転機とする。

次に、従来の丸線９を用いた集中巻コイルの整列巻線を、Ｉ形分割コア用の一体型ボビンを用いて説明する。図３にコイル４を巻いたボビン３の全体構造と、断面図を示す。スロット内に相当するボビンの側面にはターン間の巻線のピッチで溝１０が設けられている（図示していないが、コイルエンド部には溝は設けない）。この溝１０によってスロット内の電線の位置を拘束することができ、図４に示すように１層目の電線をコイルエンドで斜めに移行させ、スロット内に相当するボビンの側面は隙間なく整列巻線することができる。また、図５に２層目の巻線を示す。２層目以降は、既に巻線をした下層の電線が構成する凹部１１が溝と同様の役割を果たし、スロット内の電線の位置が拘束され、俵積み状に整列巻線される。

ここで、コイルの素材を丸線から略角線に変更した場合の問題点について説明する。素材に略角線１２を用いると、丸線９のコイルのようにボビン３の表面に溝を設けることができなくなる。このため、略角線１２をコイルエンドで斜めに移行させた時に、ボビン３の側面と電線の間の摩擦力が小さいと、スロット内の電線の位置がずれてしまう。

この問題が顕著に現れるのが、コイルの層上がり部である。図６は、コイルの折り返し部で２層目の第一ターンを巻線した模式図を示す。２層目の第一ターンがコイルエンド部に突出している。図７に示すように、この突出部１３が第二ターンの最初の移行部の電線１４と干渉するため、２層目の第一ターンの巻き終わり１５の位置を保つことができず、巻き崩れによる隙間１６が生じてしまう。また、図８に示すように、コイルの巻胴部において層上がりをして、コイルエンド上で渡り線（移行部）１７を大きく斜めに移行したい場合があるが、実際は巻き終わりの電線１８の位置を維持することができないため、図９のようにボビン３の側面にも斜めに電線が渡ってしまい、スロット内に無駄な隙間が生じてしまう。

コイルの折り返し端部にて巻き崩れが生じる問題に対しては、図１０，図１２に示すボビンの構造を用いる。なお、ここでは、Ｉ形の分割コア用の一体ボビンで説明するが、これを積厚方向の中間で半分に分割すれば、Ｔ形の分割コア用のボビンとなる。先ず、図１０に示すように、コイルの折り返し端部において、コイルエンドで電線が斜めに移行する前のボビンの側面１８に、略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部１９を設ける。この結果、図１１に示すコイルエンド側から見たコイルの模式図のように、ボビンの凹部１９に巻き付けられた下層の電線の表面にも凹部ができ、これによって移行前の電線２０の位置が拘束され、折り返しによる巻き崩れを防ぐことができる。更に、図１２に示すように、コイルの折り返し端部において、ボビン３の両側面に略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部１９を設けると、この部分に巻回される電線のボビン側面の位置を強固に拘束できる。従って、図１３に示すコイルエンド側から見たコイルの模式図のように、折り返しによる巻き崩れを防止することができる。また、ボビンの角部に凹部２１を設けても、コイルエンドで移行する前の電線の位置を固定する効果が得られるため、図１４，図１５のようなボビンの構造を用いてもよい。

次に、巻胴部で層上がりをした際に、ボビンの側面に渡り線が斜めに配置されてしまう問題に対しては、図１６，図１８に示すボビンの構造を用いる。なお、ここでは、Ｉ形の分割コア用の一体ボビンで説明するが、これを積厚方向の中間で半分に分割すれば、Ｔ形の分割コア用のボビンとなる。先ず、図１６に示すように、層上がり後の最初の巻回位置において、コイルエンドの電線の移行が終了した側のボビンの側面２２に、略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部１９を設ける。この結果、図１７に示すコイルエンドから見た模式図のように、下層の電線の表面にも凹部ができ、ボビンの側面で斜めに移行した後の略角線２３の位置を拘束できるため、コイルエンド上のみで電線を斜めに移行させることができる。また、図１８に示すように、層上がり後の最初の巻回位置において、ボビンの両側面に略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部１９を設けると、層上がり後の電線の巻回位置を強固により固定できるため、同様に渡り線をコイルエンド上のみで斜めに移行させることができる。また、ボビンの角部に凹部２１を設けても、コイルエンドで移行した後の電線の位置を固定する効果が得られるため、図１９，図２０のようなボビン構造を用いてもよい。

以上のように、略角線を用いた集中巻のコイルにおいて、本実施形態を用いると、コイルの折り返し端部や巻胴部における層上がり時に、略角線の巻き崩れやボビン側面での電線の移行を防ぐことができ、スロット内に相当するボビン側面の電線の整列性が高く、隙間のないコイルを造ることができる。その結果、ステータのスロット内の導体密度を高めて、小型で高効率な回転電機を得ることができる。

本実施形態により、コイルの折り返し端部において、スロット内の略角線の位置を固定し、層上がり時の巻き崩れを防止することができる。また、巻胴部で層上がりをする際に、コイルエンドのみで電線を斜めに移行させ、スロット内の略角線を隙間なく整列巻線することができる。コイルエンドのみで電線を移行させ、スロット内に不要な空隙のない略角線の集中巻コイルを得ることができ、スロット内の導体密度の向上によって、従来よりも小型で高効率の回転電機を得ることができる。

１Ｉ形分割コアのティース
２Ｉ形分割コアのバックヨーク
３ボビン
４集中巻コイル
５Ｉ形分割コアのティース根本の突起
６Ｉ形分割コアのバックヨーク内周の溝
７Ｔ形分割コアのコアブロック
８ハウジング
９丸線
１０ボビン側面の溝
１１丸線の俵積みで構成される凹部
１２略角線
１３角線コイルの２層目第一ターンの突出部
１４角線コイルの移行部
１５角線コイルの２層目第一ターンの巻き終わり
１６巻き崩れによる隙間
１７渡り線（移行部）
１８コイルエンドで電線を斜めに移行させる前のボビン側面
１９ボビン側面に設けた凹部
２０移行前の電線
２１ボビン角部に設けた凹部
２２コイルエンドで電線の移行が終了する側のボビン側面
２３ボビンの側面で斜めに移行した後の略角線

Claims

略四角断面の電線を、絶縁物のボビンに多層に巻回して構成した集中巻コイルを有し、
前記コイルの折り返し端部において、コイルエンドで電線が斜めに移行を開始する角部に、略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部がある集中巻ステータを有する回転電機。
略四角断面の電線を、絶縁物のボビンに多層に巻回して構成した集中巻コイルを有し、
前記コイルの折り返し端部において、コイルエンドで電線が斜めに移行を開始する角部を含む複数の角部に、略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部がある集中巻ステータを有する回転電機。
略四角断面の電線を、絶縁物のボビンに多層に巻回して構成した集中巻コイルを有し、
前記ボビンの巻胴部でコイルが層上がりし、層上がり後の最初の巻回位置で、コイルエンドの電線の移行が終了した側のボビンの角部に、略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部がある集中巻ステータを有する回転電機。
略四角断面の電線を、絶縁物のボビンに多層に巻回して構成した集中巻コイルを有し、
前記ボビンの巻胴部でコイルが層上がりし、層上がり後の最初の巻回位置で、コイルエンドの電線の移行が終了した最初の角部を含む複数のボビンの角部に、略四角線の幅１本分以上２本分以下の凹部がある集中巻ステータを有する回転電機。