JP5243258B2 - 自動車用電気機械のステータに用いるステータ巻線の製造方法、自動車用電気機械のステータに用いるステータ巻線、および自動車用電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の、特に自動車用の電動機のステータのためのステータ巻線を製作するための方法、並びに請求項２１の上位概念に記載の形式の、対応するステータ巻線及び請求項２２の上位概念に記載の形式の電動機に関する。

背景技術
電動機のステータのためのステータ巻線を製作するための方法は、従来技術から公知である。この場合、コスト上の理由から様々な「整えられていない」巻線が製作される。このような形式の巻線では、後の導体ポジションをおおよそにしか規定することができない。それというのも、ステータ巻線はしばしば星形巻体（Ｗｉｃｋｅｌｓｔｅｒｎｅ）に巻き付けられ、次いで形成されたこの星形巻体がステータに引き込まれるからである。特に巻線端における導体の配置形式若しくは形状には限定的にしか影響を及ぼすことができないので、この形式の巻線の場合は「粗い」巻線とも云う。但し、整えられていない巻線は作動中に著しいストリームノイズを惹起し、巻線端における導体の均一な冷却はほぼ不可能であるということが判った。これらの欠点は、整えられた巻線によって回避することができる。それというのも、この場合は導体がそれぞれ規定された位置を有しているからである。これらの整えられた巻線は、差し込み巻線として製作される。このことは極めて手間がかかる。それというのも、巻線の個々のＵ字形区分は、ステータ鉄心に挿入された後に所定の位置で折り曲げられてから、電気的な接触接続のために溶接されねばならないからである。整えられた巻線の製作を簡単にする１つの手段は、単層波形巻線の簡単なケースに関する米国特許出願第２００４／０１１９３６２号明細書に記載されている。

発明の利点
特に自動車用の電動機のステータのためのステータ巻線を製作するための方法において、本発明では、ステータ巻線の少なくとも１つのストランドを１平面内に位置決めし、該ストランドの複数の範囲を少なくとも１本の折り曲げ線に沿って互いに重なり合うように曲げ、これにより、ループ巻線を形成するということを提案する。この方法の特徴は、まず最初にストランドを１平面内で位置決めするという点にある。これについてはほぼ、当該ストランドが前記平面内で配置され、設定され且つ／又は成形されるか、又は別の形式で製作されるということであると理解される。つまり、ストランドの延在部は、当該平面内で形成される。位置決めすることにより、ストランドは上から見て特定の経路を平面内に形成する。平面内では少なくとも１本の折り曲げ線（大抵は特に互いに平行に配置された複数の折り曲げ線）が規定される。次いでこの少なくとも１本の折り曲げ線に沿って、ストランドの複数の範囲が互いに重なり合うように曲げられる。この場合、当該平面内のストランドの位相は、ストランドを曲げた後にループ巻線が形成されるように選択された。つまり、出発点はフラット巻線であり、この場合、ストランドはフラットな状態で特に簡単にあらゆる所望の位置で屈曲され且つ／又は型押しすることができる。次いで完成した状態では、ストランドは電動機のためのステータ巻線を成す、少なくとも２層の構造を形成している。（１つの相のための）１つのストランドは個別に製作可能なので、このことは、複数の相を有する電動機に関して、各相を別個に製作することができるということを意味する。別の利点は、多層の基本構造であること、つまり、完成状態を得るためには、単層構成の場合よりも著しく少ない屈曲部が必要とされているという点にある。この方法を実施するための有利な変化態様は、以下の作業段階を規定する。即ち：
１．フラットストランドの製作／位置決め
２．必要な場合に限り、必要な箇所におけるストランドの型押し／屈曲
３．少なくとも１本の折り曲げ線に沿ったストランドの折り曲げ
更に、このように製作されたステータ巻線の引き続く処理は特に簡単である。以下の段階が必要とされるに過ぎない。即ち：
１．巻線をステータ鉄心に挿入する
２．必要な場合は、ステータ鉄心を曲げる
３．必要な場合は、巻線端を成形する
このようにして、整えられたループ巻線が極めて廉価に製作され得る。

有利には、少なくとも１つの第１のストランド区分は、折り曲げられた状態において第２のストランド区分に対して平行に位置している。このように、互いに面して向けられたストランド区分は、後で特に簡単にステータ鉄心の溝に挿入され得る。この場合、１ストランド区分とは、ストランドの延在部に沿った１つの区分であると理解される。この場合、このようなストランド区分の定義は純粋に仮想上であってよい、つまり、この定義は特定の物理的な形状に縛られるものではなく、ましてやストランドの中断に結びつけられるものでは全くない。但し、ストランド区分の始端部若しくは終端部はしばしば、ストランドの延在部が平面内で例えば屈曲等の方向転換を行うということと結びつけられる。

有利には、平面の第１の方向でのストランドの１ストランド区分の位置決めが、当該ストランド区分の後のスロットポジションのスロット数に対応しており、平面の、第１の方向に対して垂直な第２の方向での１ストランド区分の位置決めが、１スロット内の当該ストランド区分の半径方向位置に対応している。このような取り決めは、規定されたループ巻線を得るために必要とされるストランドの位相の理解及び実現の両方を容易にする。この場合、ストランドの位相を規定すること、既存の位相を解釈すること及び所望の変更を実施することが特に簡単になる。この原理に従った作業を、以下の実施例に基づき詳しく説明する。

有利には、第１の方向でのストランドの位置決めは蛇形で行われ且つ／又は第２の方向では波形で行われる。蛇形の構造は、供与される平面が可能な限り最良に利用されるということを保証する。第２の方向における波形の位置決めは、ストランドを折り曲げた場合にループ巻線を得るための良好な手段を成している。

有利には、少なくとも１つの巻線端又はステータ鉄心に対して複数のストランド区分を対応配置することを可能にする複数の範囲が平面内で規定されている。このことは、ストランドの位相を選択することにより、どのストランド区分をステータ巻線の製作後にステータ鉄心のスロット内に位置させ且つどのストランド区分が少なくとも１つの巻線端を形成するのかが規定され得るということを意味している。

本発明の改良に基づき、巻線端に対応配置された範囲では、１ストランド区分が第１の方向及び第２の方向に対して斜めに延びている。この方法の技術的な効果は、完成したステータ巻線を見ると容易に認識され得る。つまり、ストランドの適当な延在は、一方ではストランドを別のスロットに送り且つ他方では、スロット内のストランドの半径方向位置を、前の位置に対して変化させている。このようなストランド区分は、一般に折り曲げ線と交差する。それというのも、この場合に半径方向位置の変化が特に簡単に生ぜしめられるからである。

更に有利には、ステータ鉄心に対応配置可能な複数の範囲において、１ストランド区分が第２の方向に対して平行に延びている。

有利には、ステータ巻線を製作するためには、概ね平行に案内される複数のストランドが使用される。このような多相ステータ巻線の製作は、上で説明した方法の反復適用により、極めて簡単に実現され得る。このためには、巻線を折り曲げる前に簡単に複数のストランドを製作して、所定のマガジンに納めることができる。マガジン内のストランドが所要数に達すると直ちに、ストランドはステータ巻線を成すように折り曲げられる。

有利には、ストランドの位置決めは、分散された巻線として構成されている。このようにして、個々のストランドの交差を空間的に補正し、これにより、交差部の取り扱いが簡単になる。

本発明の更に別の改良では、１巻線端に対応配置可能なストランド区分の一方の端部が、スロット内で、当該ストランド区分の他方の端部とは異なる半径方向位置にもたらされる。これにより、完成したステータ巻線の少なくとも２層の構造が、平面内のストランドの位相から既に導出され得る。

有利には、折り曲げ線を横断するストランド区分の数は、対応配置されるステータ鉄心のスロットの数と同じである。これにより、ステータ鉄心のあらゆるスロットに、少なくとも１つのストランド区分が対応配置されている。

更に有利には、折り曲げられたステータ巻線に関しては、スロット内のストランド区分の位置が半径方向で漸進的に変化し、この場合、少なくとも１つの反転ポイントにおいて、半径方向での漸進方向が転換される。これにより、特に良好に構造化された多層構造が実現される。

ストランド用に連続した線材を用いることが特に有利である。基本的に、互いに電気的に接続される複数のエレメントからストランドを形成することも可能であるが、本発明の特徴はまさに、連続した１本の線材が使用可能であるという点にある。このことは、製作を簡単にし且つ製作コストを削減する。

本発明の更に別の改良では、ストランド用に方形線材が使用される。これにより、特に高いステータ充填係数が得られる。但し、丸形線材を用いて製作された巻線も、製作後にスロット領域内で型押し可能である。このことは高い銅充填係数をもたらす。

有利には、ストランドを形成する導体の直径は、ほぼステータ鉄心のスロットのスロット幅に等しいか、又はこのスロット幅よりも大である。これにより、一方ではスロット内での導体の滑りが減少又は防止される。他方では、当該ステータ巻線は、「オープンスロット」型ステータ鉄心用の挿入巻線として使用することができる（オープンスロットの定義＝歯先面無しのステータ歯であり且つ丸形ステータ鉄心に巻線が内側から嵌められるもの）。

有利には、ステータ巻線はフラット鉄心に挿入される。このことは全体的に電動機の製作を簡単にする。

本発明の更に別の有利な改良では、ステータ鉄心外に位置するストランド区分の長さが、特に一定の巻線端高さを生ぜしめるために可変である。

更に別の変化態様では、１つのスロット内に積層されたストランド区分の１つの層が、冷却機能を満たすために別の層の上位に著しく突出しており、この場合、当該層は特にステータ内径に対して傾斜されている。このようにして、最外位の層は特に良好に周流され且つ冷却される。

本発明は更に、特に自動車用の電動機のステータのためのステータ巻線に関しており、このステータ巻線は、上で説明した方法のうちの１つで製作された少なくとも２層のループ巻線として構成されている。この場合、当該ステータ巻線は、有利には上で説明した方法を適用した場合に得られる特徴を有している。

最後に、本発明は特に自動車用の電動機に関しており、この電動機のステータ巻線は、上で説明した方法のうちの１つで製作された少なくとも２層のループ巻線として構成されている。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、フラット巻線の第１実施例が示されている。この場合は６つの相、１つのスロットにつき５つの導体及び９６個のスロットを備えたステータ巻線１００であって、この場合、このステータ巻線１００は折り曲げられていない状態で図示されている。図面を重要な部分に限定するために、スロット１９〜８４間の領域は部分的にしか図示しなかった。巻線は、図示しない部分においても図示した部分と同様に続いている。ステータ巻線１００は６つのストランドから形成されており、ここではスロット１内のストランド始端部１０４で始まる第１のストランド１０２についてのみ説明する。この構成は、スロット２〜６において始まる別のストランドについても同様に当てはまる。ストランド１０２は、スロット９１内のストランド終端部１０６で終わる。更に、全てのスロットを越えて延びる４本の折り曲げ線１０８を認識することができる。ステータコイル１００は全体として、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙを有するＸＹ平面内に延在している。Ｘ方向で、スロットはそれぞれその順序数を、増大する順でとっている。Ｙ方向では、ストランドは第１のストランド１０２を含めてそれぞれ複数の範囲に分割されている。この場合、符号Ａで示したステータ巻線１００の範囲は、それぞれ折り曲げの完了した状態においてステータ鉄心のＡ側（接続側）に位置しており且つそこで第１の巻線ヘッドを形成する。符号Ｂで示した第２の巻線ヘッドは、第１の巻線ヘッドに対向して「Ｂ側」に位置している。後にステータ鉄心のスロット内に位置することになるストランドの範囲は、符号Ｃで示されている。

今、第１のストランド１０２の延び方について説明するが、ステータ鉄心におけるステータ巻線１００の後のポジションについても検討する。ストランド始端部１０４で始まって、ストランド１０２はまず最初はＡ側に位置しており、ステータ鉄心（範囲Ｃ）を介してＢ側に案内される。この場合、当該ストランドはスロットの最も内側、即ちステータの中心の最も近くに位置することになるということが仮定されている。ストランド１０２は、ステータ鉄心からＢ側に出てきた後に、折り曲げ線１０８を越えてスロット７へ案内される。この明らかなスロット変更の他に、折り曲げ線１０８を横断することにより、今やストランド１０２はスロット７内で、スロット１内の半径方向位置とは異なる半径方向位置に送られるということが生ぜしめられる。つまり、所定のカウント形式で、ストランド１０２はスロットの最も内側から始まって、第１の層から第２の層へ変化する。この変化の後に、ストランド１０２はスロット７においてステータ鉄心（範囲Ｃ）を通って案内される。Ａ側においてストランド１０２は再びスロット７からスロット１へ戻されて、当該ストランド１０２は再びスロット内での半径方向位置を変える。今、当該ストランドは第３の層に送られている。ストランド１０２は再びステータ鉄心を通って案内され、Ｂ側において改めてスロット及び半径方向位置を変更し、ステータ鉄心を改めて横断し、新たにスロット７からスロット１に変更して、ステータ鉄心を改めて横断すると、今、当該ストランド１０２は第５の層に送られている。再びＢ側に到達すると、ストランド１０２は反転ポイント１１０に案内される。この場合、この反転ポイント１１０はＹ方向に関するものであると理解される。今、ストランド１０２は反転ポイント１１０から再び戻し案内され、この場合、ストランド１０２はスロット７及び１３を交互に使用する。半径方向で見ると、ストランド１０２は第５の層から第１の層まで戻るように移動する。この場合、半径方向の運動方向は、反転ポイント１１０で改めて逆転し且つ最終的にストランド１０２のストランド終端部１０６がスロット９１内で終わるまで続く。

反転ポイント１１０の近傍で後続のストランドを位置決めする際に、これらのストランドが互いに重なり合って接触する恐れがあるので、ストランド１０２はその反転ポイント１１０付近で屈曲される。このことは、反転ポイント１１０から導出されるストランド区分が、この場合は反転ポイント１１０に向かって案内されるストランド区分よりもやや低く、ＸＹ平面内に位置しているということを意味している。これにより、後続ストランドは、反転ポイント１１０から導出されるストランド区分の上位を案内される。ストランド１０２がＸＹ平面内で適宜位置決めされた後に、後続の５本のストランドが同じ原理で位置決めされる。最終的に、図１に示した位相が生ぜしめられる。

次の段階において、複数のストランドが折り曲げ線１０８に沿って折り曲げられる。この場合、複数のストランド範囲１１２がアコーディオンのように互いに折り重ねられる（図７ａ参照）。しかし又、基本的に別の折り曲げ技術も使用可能である（例えば図７ｃ参照）。ストランドの位相を透明なシートに描いてから、折り曲げ線１０８に沿って折り曲げると、ステータ巻線１００のループの発生は特に簡単に理解され得る。この場合上から見ると、例えばスロット１及び７を通って案内されるループがはっきりと認識され得る。この場合、範囲Ｃ内のストランド区分は互いに平行に位置しているということも明らかになる。互いに重なり合って位置しているストランド区分は、それぞれステータ鉄心において同じスロット内に位置している。

位相を見ると、ストランドの位置決めは、第１の方向では蛇形であり且つ第２の方向では波形であるということが認識され得る。ストランドは、強制的に交差が行われる反転ポイント１１０の領域を除いて、それぞれ平行に案内される。

図２には、ここでは６つの相、１つのスロットにつき４つの導体及び９６個のスロットを備えたフラット巻線の別の実施例が示されている。図２の説明については、本実施例でも適用可能な図１の実施例を参照されたい。１つのスロットにつき奇数の導体に関する本発明の構成を示した図１と比較して、図２には１つのスロットにつき偶数の導体に関する実施例が示されている。

図３には、６つの相、１つのスロットにつき５つの導体及び９６個のスロットに関するフラット巻線の更に別の実施例が、分散された巻線としての実施例で示されている。この場合、分散された巻線の概念は、反転ポイント１１０が空間的に補正されていることであると理解される。このことは、図１との比較において特に良好に認識することができる。図１では、各６つの反転ポイント１１０が互いに密接して位置しており、この場合、各６つの反転ポイント１１０の個々のグループは、互いに著しい間隔を有している。これに比べて図３では、各２つの反転ポイント１１０がいわば１つのグループを形成しており、これらのグループは、それぞれ互いに所定の距離によって隔てられている。前記の空間的な補正により、製作プロセスにおける簡略化が得られる。更に、規則的な整った形状に基づき、ストリームノイズが少ないという利点が得られる。図３に関する説明については、本実施例でも適用され得る図１に関する説明を参照されたい。この場合は単に、第３及び第４のストランドのストランド始端部１０４′，１０４″及びストランド終端部１０６′，１０６″の特別な位置決めについてのみ指摘しておく。

更に別の実施例が図４に示されており、この場合は３つの相、１つのスロットにつき５つの導体及び４８個のスロットを備えたフラット巻線である。図４の説明については、本実施例にも適用可能な図１の説明を参照されたい。本実施例も、本発明が極めてフレキシブルに用いられるということの証明である。

図５では、本発明についての全体的な説明から、ストランドの具体的な構成に移る。この場合はステータ巻線１００の３本のストランドが示されており、これらのストランドは完成状態では６相に構成されていることになる。この場合、これらのストランドは図１に示した位相に基づいている。この場合も更なる説明に関しては、第１のストランド１０２についてのみ説明したい。具体的な構成では、第１のストランドがその反転ポイント１１０において、各１つの折り曲げ部１１４又は複数の折り曲げ部１１４を有しているということが認識される。従って、個々のストランドを接触が行われることなしに、互いに平行に配置することが可能である。更に中間部分１１６により、巻線端におけるストランド案内が良好に規定されており且つ接触無しで実施され得るということが保証される。このためには層間で各２本の折り曲げ線１０８′，１０８″が使用される
図６には最終的に折り曲げの完了した６相のステータ巻線１００が、６本のストランド全てと共に示されている。この場合、個々の層への変化及び反転ポイント１１０における交差処理がはっきりと認識される。ステータ巻線１０は、後で丸く曲げられるフラットなステータ鉄心に挿入するためのフラット巻線として、又はインナマンドレルによって内側から丸い鉄心に入れられる「オープンスロット」巻線として、すぐに使用可能である。

図７には、平面内に配置されたストランドを折り曲げるための様々な可能性が示されている。この場合、ａ）には１つのスロットにつき５つの導体のための５層の配置形式が示されている。折り曲げはこの場合、アコーディオンのように行われた。ｂ）には４層の配置形式のための同じ折り曲げ技術が示されている。ｃ）部分には、個々の層の折り曲げが、互いの周囲を巡るように行われる、即ち、いわば螺旋が生ぜしめられるということが示されている。最後にｄ）には、４層の配置形式のための同じ折り曲げ技術が示されている。

最後に図８には象徴的に、蛇形及び波形の意味が示されている。範囲ａ）には、第１の方向Ｘにおける、１つ又は複数のストランドの蛇形の位置決めが示されている。これと比較して範囲ｂ）には、第２の方向Ｙにおける波形の位置決めが示されている。結果的にこれらの構造がある程度重畳して、上で説明した実施例が得られる。

６つの相、１スロットにつき５つの導体及び９６個のスロットを備えたフラット巻線を示した図である。 ６つの相、１スロットにつき４つの導体及び９６個のスロットを備えたフラット巻線を示した図である。 ６つの相、１スロットにつき５つの導体及び９６個のスロットを備えたフラット巻線を、分散された巻線構成として示した図である。 ３つの相、１スロットにつき５つの導体及び４８個のスロットを備えたフラット巻線を示した図である。 ６相ステータ巻線の製作の中間段階を示した図である。 折り曲げが完了したステータ巻線の１実施例を示した図である。 折り曲げの様々なバリエーションを示した図である。 波形構造と蛇形構造との間の違いを象徴的に示した図である。

Claims (22)

1. ステータ巻線（１００）の複数のストランド（１０２）を、１平面において、第１の方向（Ｘ）に蛇行し且つ第２方向（Ｙ）の所定の反転ポイント（１１０）間で波形に折り返されるよう位置決めすることにより、前記ストランドの延在方向が互いに異なる複数の範囲（Ａ，Ｂ，Ｃ）に第２の方向（Ｙ）において分割された折り曲げ前状態とする工程と、
   前記折り曲げ前状態の複数のストランド（１０２）を、第１の方向（Ｘ）と平行な少なくとも１本の折り曲げ線（１０８）に沿って互いに重なり合うように曲げる工程と、
   を備えることを特徴とする自動車用電気機械のステータに用いるステータ巻線の製造方法。
2. 折り曲げられた状態で、少なくとも１つの第１のストランド区分を、第２のストランド区分に対して平行に位置させる、請求項１記載の方法。
3. ストランド（１０２）の１ストランド区分の位置決めを、前記平面の第１の方向（Ｘ）では当該ストランド区分の後のスロットポジションのスロット数に対応させ、１ストランド区分の位置決めを、前記平面の第１の方向に対して垂直な第２の方向（Ｙ）では、スロット内のストランド区分の半径方向位置に対応させる、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記平面内で、少なくとも１つの巻線端又はステータ鉄心に対する複数のストランド区分の対応配置を可能にする複数の範囲（Ａ，Ｂ，Ｃ）を規定する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. １巻線端に対応配置可能な範囲（Ａ，Ｂ）では、１ストランド区分を第１及び第２の方向（Ｘ，Ｙ）に対して斜めに延在させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ステータ鉄心に対応配置可能な範囲（Ｃ）では、１ストランド区分を第２の方向（Ｙ）に対して平行に延在させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. ステータ巻線（１００）を製作するために、ほぼ平行に案内される複数のストランドを用いる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ストランドの位置決めを、分散された巻線として行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. １巻線端に対応配置可能な１ストランド区分の一方の端部を、スロット内で当該ストランド区分の他方の端部とは異なる半径方向位置にもたらす、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 折り曲げ線（１０８）を横断するストランド区分の数が、対応配置されるステータ鉄心のスロットの数と同じである、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 折り曲げられたステータ巻線（１００）を得るために、スロット内の複数のストランド区分の位置を半径方向で漸進的に変化させ、少なくとも１つの反転ポイント（１１０）において、半径方向での漸進方向を転換させる、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. ストランド（１０２）用に連続した線材を使用する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. ストランド（１０２）用に方形線材を使用する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. ストランド（１０２）を形成する導体の直径が、ほぼステータ鉄心のスロットのスロット幅に等しいか、又は該スロット幅よりも大である、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 導体の形状を、フラットな状態又は折り曲げられた状態で型押しによって変化させる、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. スロット内に位置する導体区分をスロット形状に型押しする、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. ステータ巻線（１００）をフラット鉄心に挿入する、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。
18. 一定の巻線端高さを生ぜしめるために、ステータ鉄心の外位に位置するストランド区分の長さを変える、請求項１から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. スロット内に積層されたストランド区分の１つの層を、冷却機能を満たすために別の層の上位に突出させ、ステータ内径に対して当該層を傾斜させる、請求項１から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. 巻線端の範囲内の反転ポイントにおいて、又は反転ポイントの隣に１つ又は複数の屈曲部を付与する、請求項１から１９までのいずれか１項記載の方法。
21. ステータ巻線（１００）が、請求項１から２０までのいずれか１項記載の方法で製作された、少なくとも２層のループ巻線として構成されていることを特徴とする自動車用電気機械のステータに用いるステータ巻線。
22. 請求項１から２０までのいずれか１項記載の方法で製作された、少なくとも２層のループ巻線として構成されているステータ巻線（１００）を備えることを特徴とする、自動車用電気機械。

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