JP5541585B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車等に搭載される回転電機に関する。

従来から、Ｕ字状の導体セグメントの端部同士を接合することにより構成される固定子巻線を備えた回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この回転電機では、導体セグメントのターン部側で構成されるコイルエンドのピッチをＮＳ磁極ピッチよりも狭くすることにより、具体的には電気角で１８０°のＮＳ磁極ピッチに対して導体セグメントのターン部に連続する２本の導体の周方向に沿った間隔を１５０°に設定することによりコイルエンド剛性を高め、耐震性を向上させている。

特開２００３−２０９９５６号公報（第３−４頁、図１−８）

ところで、特許文献１に開示された回転電機では、導体セグメントの溶接側のコイルエンドのピッチは１８０°に設定されているため溶接部までの長さが長くなり、特に大電流を流すために導体セグメントを太くした場合に、溶接部によって重量が増すこととも相まって、溶接側のコイルエンドの耐震性が低下するという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、導体セグメントを用いて固定子巻線を形成した場合に溶接側のコイルエンドの耐震性を向上させることができる車両用回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、直線部とターン部とを有するＵ字状の導体セグメントを溶接にて複数本直列接続することにより形成される固定子巻線と、複数本の導体セグメントに含まれる直線部が収容される複数のスロットを有する固定子鉄心とを有する固定子を備える回転電機において、導体セグメントの反ターン部側に形成される溶接部につながる２本の直線部がスロットに収容される周方向間隔である溶接側スロットピッチを、回転子のＮＳ磁極ピッチよりも狭くするとともに、固定子巻線は、同じ２個のスロットを用いて巻装される重ね巻き部と、溶接部側に配置されて異なる重ね巻き部間を相互に接続するわたり線とを有している。

溶接側スロットピッチをＮＳ磁極ピッチよりも狭くすることにより、溶接側のコイルエンドの長さを短くすることができ、溶接側のコイルエンドの耐震性を向上させることができる。特に、溶接部側にわたり線を配置して重ね巻き部間を相互に連結することにより、溶接部側のコイルエンドの耐震性をさらに向上させることができる。また、コイルエンドの長さが短くなるため、溶接部につながる導体セグメントの温度変化に伴う長さの変動が少なくなり、溶接部に繰り返し加わる応力を低減することができ、これによる溶接部の信頼性向上が可能となる。さらに、固定子鉄心の軸方向端面から溶接部の端部までの溶接側のコイルエンド高さを低くすることができ、これによる回転電機の小型化が可能となる。

また、上述したわたり線には、最内周側に配置された前記導体セグメントの端部同士を接続するものと、最外周側に配置された導体セグメントの端部同士を接続するものとが含まれる。このようなわたり線は、コイルエンドに対して径方向に突出することなく、しかも複雑な引き回しを行うことなく配置することが可能であり、固定子およびこの固定子を含む回転電機の軸方向体格を小さくすることができる。

また、上述した導体セグメントのターン部につながる２本の直線部がスロットに収容される周方向間隔である非溶接側スロットピッチを、回転子のＮＳ磁極ピッチよりも狭くすることが望ましい。溶接側と非溶接側の両方のコイルエンドのスロットピッチを狭くすることにより、固定子巻線全体のさらなる耐震性向上が可能となるとともに、固定子巻線全体の軸方向長さを短くすることができる。

また、それぞれの重ね巻き部に対応する溶接側スロットピッチと非溶接側スロットピッチの両方を、回転子のＮＳ磁極ピッチよりも狭くすることが望ましい。また、固定子巻線は、複数の相巻線によって構成されており、少なくとも一部のスロットに、異なる２つの相巻線の重ね巻き部に対応する直線部が混在して収容されていることが望ましい。このような巻線構造を採用することにより、溶接側と非溶接側の両方のコイルエンドのスロットピッチを狭くすることが可能となる。

また、上述したわたり線は、重ね巻き部に対応するコイルエンドに対して、径方向に沿った隣接位置において周方向に延在していることが望ましい。これにより、わたり線を用いることによって軸方向の長さが長くなることを防止することができる。

また、上述したわたり線は、重ね巻き部に対応するコイルエンドに対して、内径側および外径側に分散して周方向に延在していることが望ましい。これにより、内径側あるいは外径側に偏ってわたり線を配置する場合に比べて、わたり線の引き回しが容易となる。

また、上述した固定子は、通電時に冷却液によって冷却され、わたり線が冷却液の供給経路に配置されていることが望ましい。これにより、わたり線に沿ってコイルエンドの広範囲にわたって冷却液を供給することが可能となり、冷却性の向上および冷却機構の簡略化が可能となる。

一実施形態の車両用回転電機の全体構造を示す断面図である。 固定子鉄心と固定子巻線とによって構成される固定子の外観斜視図である。 固定子鉄心と固定子巻線とによって構成される固定子の外観斜視図である。 固定子巻線の巻線構造を概略的に示す図である。 固定子巻線６の部分的な巻線仕様図である。 導体セグメントのターン部の形状を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、一実施形態の車両用回転電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用回転電機１００は、固定子１、回転子２、フロントベアリング３、リアベアリング４、フレーム５を含んで構成されている。

固定子１は、周方向に沿って配置された複数のスロットが形成された円筒形の固定子鉄心１１と、Ｙ結線された多相巻線（例えばＵ、Ｖ、Ｗ相からなる３相巻線）としての固定子巻線６を構成する複数本の導体セグメント１０とを備えている。固定子鉄心１１は、所定厚さの積層鋼板を複数枚重ねることによって形成された積層コアとして形成されている。固定子巻線６は、例えば外部の三相インバータ制御回路（図示せず）から給電されている。

回転子２は、固定子１の内側に対向配置されており、永久磁石が内部に組み込まれている。回転子２の回転軸７がフロントベアリング３およびリアベアリング４によって回転自在に支持されている。フレーム５は、これらのフロントベアリング３およびリアベアリング４を収容する。

端子ケース１２は、固定子巻線６の各相から引き出された３本の引出しリード線９の端部に接続された３つの接続端子を内蔵する。これらの接続端子には、外部の三相インバータ制御回路が接続される。この三相インバータ制御回路から固定子巻線６に三相交流電圧を印加することにより、車両用回転電機１００に電動動作を行わせることができる。一方、固定子巻線６で発生した電圧を三相インバータ制御回路によって整流することにより、車両用回転電機１００に発電動作を行わせることができる。

本実施形態では、固定子巻線６は、断面が四角形形状を有する平角のＵ字状の導体セグメント１０を固定子鉄心１１の一方の軸方向端面側から固定子鉄心１１の各スロットに挿通し、スロットから各導体セグメント１０の飛び出し端部を固定子鉄心１１の他方の軸方向端面側に必要な長さだけ突出させ、各導体セグメント１０の飛び出し端部を周方向にそれぞれ捻り、各導体セグメント導体１０の飛び出し端部の先端部（接合部）を所定の組み合わせで溶接によって接合することにより構成されている。このようにして、直線部とターン部１０ｂとを有するＵ字状の導体セグメント１０を溶接にて複数本直列接続することにより固定子巻線６が形成されている。

図２および図３は、固定子鉄心１１と固定子巻線６とによって構成される固定子１の外観斜視図である。図２には導体セグメント１０の溶接部１０ａ側から見た外観斜視図が、図３には導体セグメント１０のターン部１０ｂ側から見た外観斜視図がそれぞれ示されている。なお、これらの図では、固定子巻線６から端子ケース１２に延びるリード線９は省略されている。

次に、固定子巻線６の詳細について説明する。本実施形態の固定子巻線６は、導体セグメント１０の溶接部１０ａが配置された側の一方のコイルエンド２０と、導体セグメント１０のターン部１０ｂが配置された側の他のコイルエンド３０を有している。

上述した溶接側のコイルエンド２０では、導体セグメント１０の反ターン部側に形成される溶接部１０ａにつながる２本の直線部が固定子鉄心１１のスロットに収容される周方向間隔である溶接側スロットピッチが、回転子２のＮＳ磁極ピッチよりも狭く設定されている。

同様に、非溶接側のコイルエンド３０では、導体セグメント１０のターン部１０ｂにつながる２本の直線部が固定子鉄心１１のスロットに収容される周方向間隔である非溶接側スロットピッチが、回転子２のＮＳ磁極ピッチよりも狭く設定されている。

図４は、固定子巻線６の巻線構造を概略的に示す図である。また、図５は固定子巻線６の部分的な巻線仕様図である。これらの図では、固定子巻線６に含まれるＵＶＷの各相の中でＵ相巻線のみが示されている。また、数字はスロット番号を示している。また、図４では１０本の同心円でスロット内の導体の収容位置を示している。図５に示す巻線仕様図では、上側が溶接部１０ａが配置された一方のコイルエンド２０を、下側がターン部１０ｂが配置された他方のコイルエンド３０をそれぞれ示している。

本実施形態では、回転子２のＮＳ磁極ピッチが固定子鉄心１１の６スロットに対応しており、溶接側スロットピッチおよび非溶接側スロットピッチがこのＮＳ磁極ピッチである６スロットよりも狭い５スロットに設定されている。例えば、番号８と番号１４の２つのスロットを用いて溶接側スロットピッチおよび非溶接側スロットピッチが５スロットになるように巻数が４．５の重ね巻きが行われている。同様に、番号１５と番号２０の２つのスロットを用いて溶接側スロットピッチおよび非溶接側スロットピッチが５スロットになるように巻数が４．５の重ね巻きが行われている。そして、これら２つの重ね巻きされた巻線同士が、２本のわたり線ｃ、ｄによって相互に接続されている。図４に示すように、一方のわたり線ｃは、最内周側に配置された導体セグメント１０の端部同士を相互に接続するために用いられ、他方のわたり線ｂは、最外周側に配置された導体セグメント１０の端部同士を相互に接続するために用いられる。図５に示した他のわたり線ａ、ｄについても同様であり、最内周側あるいは最外周側に配置された導体セグメント１０の端部同士を接続するために用いられる。

最内周側に配置されたわたり線ｃ、ｄが、図２では１０ｄの符号で示されており、最外周側に配置されたわたり線ａ、ｂが、図２では１０ｃの符号で示されている。図２に示すように、これらのわたり線１０ｃ、１０ｄは、コイルエンド２０に対して、径方向に沿った隣接位置において周方向に延在している。これにより、わたり線１０ｃ、１０ｄを用いることによってこれらのわたり線を含めたコイルエンド２０の軸方向長さ（高さ）が長くなることを防止している。また、内径側のわたり線１０ｄと外径側のわたり線１０ｃとに分散することにより、わたり線を内径側あるいは外径側に偏って配置する場合に比べてわたり線１０ｃ、１０ｄの引き回しが容易になる。なお、引き回しを工夫してこれらのわたり線を内径側あるいは外径側に集中して配置するようにしてもよい。

また、本実施形態では、番号１４のスロットのようにＵ相の１０本の導体が収容されるスロットを挟んで、番号１３、１５のスロットのように同じＵ相の５本の導体が収容されるスロットが配置されている。番号１３、１５の一方のスロットでは、残りの収容スペースにＶ相の５本の導体が収容され、他方のスロットでは、残りの収容スペースにＷ相の５本の導体が収容される。このように、本実施形態では、ＵＶＷの中の２相について部分的に重複するように巻線を行うことにより、５スロットの溶接側スロットピッチおよび非溶接側スロットピッチを実現している。

さらに、本実施形態では、非溶接側のコイルエンド３０を構成する各導体セグメント１０のターン部１０ｂは、階段形状に形成されている。図６は、ターン部１０ｂの形状を示す図である。ターン部１０ｂのほぼ中央部にはねじりを伴わないクランク部１０ｅが形成されている。クランク部１０ｅは、ターン部１０ｂの固定子鉄心１１から最も離れた位置にクランク形状に形成されており、固定子鉄心１１の軸方向端面に平行に形成されている。このクランク部１０ｅのクランク形状によるずれ量は、導体セグメント１０の線材のほぼ幅分に一致する。これにより、径方向に隣接している導体セグメント１０のターン部１０ｂ同士を密に巻回することができる。その結果、コイルエンド３０の径方向の幅が小さくなるため、コイルエンド３０が径方向外側に張り出すことを防止することができる。

また、各スロットから固定子鉄心１１の外に突出するターン部１０ｂの突出箇所に、１本の導体セグメント１０がまたがって挿入されているスロット同士に向けて固定子鉄心１１の軸方向端面に沿って段部１０ｆが形成されている。これにより、図６に示すように、スロットから突出しているターン部１０ｂの突出箇所の間隔、言い換えればターン部１０ｂが形成する三角形状部分の底辺の長さは、導体セグメント１０がまたがって挿入されているスロット同士の間隔よりも狭くなっている。その結果、コイルエンド３０の高さが低くなる。しかも、すべてターン部１０ｂの突出箇所に、固定子鉄心１１の軸方向端面に沿った段部１０ｆが形成されている。これにより、固定子鉄心１１から突出している導体セグメント１０（コイルエンド３０）の形状全体が小さくなる。

また、固定子鉄心１１の軸方向端面に沿った段部１０ｆの長さをＤ１、周方向に隣接するスロット同士の間隔をＤ２とすると、Ｄ１≦Ｄ２になっている。したがって、段部１０ｆが周方向に隣り合うスロットから突出する導体セグメント１０と干渉することを防止することができる。これにより、周方向に隣接するスロットから突出する導体セグメント１０同士が互いに干渉することを避けるために、コイルエンド３０の高さが高くなったり、あるいは、コイルエンド３０の径方向の幅が大きくなることを防止することができる。その結果、コイルエンド３０の高さが低くなる。さらに、コイルエンド３０の径方向の幅が小さくなるため、固定子巻線６が径方向外側に張り出すことを防止することができる。

さらに、導体セグメント１０のターン部１０ｂには、ほぼ中央のクランク部１０ｅと両端近傍の２箇所の段部１０ｆの間に、それぞれ１個の段部１０ｇが形成されている。これにより、段部１０ｆ、１０ｇやクランク部１０ｅが形成されていない三角形状のターン部の高さに比べて、ターン部１０ｂの高さが大幅に低くなる。段部１０ｇの形状も、段部１０ｆと同様に、固定子鉄心１１の軸方向端面に平行に形成されている。したがって、ターン部１０ｂは、クランク部１０ｅを挟んで両側に固定子鉄心１１の軸方向に段部を複数有する階段形状に形成されている。このとき、固定子鉄心１１の軸方向端面に平行な段部１０ｇの長さＤ３はいずれも、周方向に隣り合うスロット同士の間隔Ｄ２以下の長さになっている。これにより、ターン部１０ｂが隣接するスロットから突出するターン部１０ｂと干渉することを防止することができる。結果として、干渉を避けるために、コイルエンド３０の高さが高くなったり、あるいは、コイルエンド３０の径方向の幅が大きくなることを防止することができる。

このように、本実施形態の車両用回転電機１００では、溶接側スロットピッチをＮＳ磁極ピッチよりも狭くすることにより、溶接側のコイルエンド２０の長さを短くすることができ、溶接側のコイルエンドの耐震性を向上させることができる。また、コイルエンド２０の長さが短くなるため、溶接部１０ａにつながる導体セグメント１０の温度変化に伴う長さの変動が少なくなり、溶接部１０ａに繰り返し加わる応力を低減することができ、これによる溶接部１０ａの信頼性向上が可能となる。さらに、コイルエンド２０の長さが短くなるとともに、溶接部１０ａにつながる導体と重なる他の導体の本数が１本減ることにより軸方向寸法の公差積み上げ代が減るため、固定子鉄心１１の軸方向端面から溶接部１０ａの端部までの溶接側のコイルエンド２０の高さを低くすることができ、これによる車両用回転電機１００の小型化が可能となる。特に、溶接側と非溶接側の両方のコイルエンド２０、３０のスロットピッチを狭くすることにより、固定子巻線６全体のさらなる耐震性向上が可能となるとともに、固定子巻線６全体の軸方向長さを短くすることができる。

また、溶接部１０ａ側にわたり線ａ、ｂ、ｃ、ｄを配置して重ね巻き部間を相互に連結することにより、溶接部１０ａ側のコイルエンド２０の耐震性をさらに向上させることができる。特に、これらのわたり線ａ、ｂ、ｃ、ｄには、最内周側に配置された導体セグメント１０の端部同士を接続するものと、最外周側に配置された導体セグメント１０の端部同士を接続するものとが含まれており、このようなわたり線ａ、ｂ、ｃ、ｄは、コイルエンド２０に対して径方向に突出することなく、しかも複雑な引き回しを行うことなく配置することが可能であり、固定子１およびこの固定子１を含む車両用回転電機１００の軸方向体格を小さくすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、車両用回転電機１００の外部に三相インバータ制御回路が接続されるものとして説明を行ったが、これを内蔵するようにしてもよい。また、車両用回転電機１００は電動動作および発電動作のいずれか一方を行うようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、各スロットに１０本の導体が収容されるようにしたが、導体の収容本数を１０本以外としてもよい。また、上述した実施形態では、図２に示すように、溶接側のコイルエンド２０に隣接させてわたり線１０ｃ、１０ｄを配置したが、これらのわたり線１０ｃ、１０ｄをスロット内を通して引き回して非溶接側のコイルエンド３０に隣接するように配置してもよい。

また、上述した実施形態では、基本的に重ね巻きを行って例外的にわたり線を用いたが、波巻を行って、溶接側のコイルエンド２０のみのスロットピッチを５スロットに設定し、非溶接側のコイルエンド３０のスロットピッチを５スロット以外（例えば、６スロット等）に設定するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、図２に示すように溶接側のコイルエンド２０に隣接するようにわたり線１０ｃ、１０ｄが配置されているため、これらの周方向に延在するわたり線１０ｃ、１０ｄ（特に外周側のわたり線１０ｃ）を利用して、固定子巻線６の通電時の冷却を冷却液（冷却油）を用いて行う液冷式を採用した場合の冷却性改善を行うことができる。例えば、図１において、冷却液（冷却油）の供給管２００が点線で示されてている。この供給管２００から供給される冷却液が、図２に示す外径側のわたり線１０ｃの近傍に供給されると、この供給された冷却液は、周方向に延在するわたり線１０ｃに沿ってコイルエンド２０の広範囲にわたって広がるため、コイルエンド２０全体を効率よく冷却することが可能となる。また、内周側のわたり線１０ｄが存在することにより、コイルエンド２０内に冷却液が滞留する時間を長くすることができるため、高温になったコイルエンドと冷却液との間での熱の交換効率を上げることが可能となる。

上述したように、本発明によれば、溶接側スロットピッチをＮＳ磁極ピッチよりも狭くすることにより、溶接側のコイルエンド２０の長さを短くすることができ、溶接側のコイルエンド２０の耐震性を向上させることができる。

１ 固定子
２ 回転子
３ フロントベアリング
４ リアベアリング
５ フレーム
６ 固定子巻線
７ 回転軸
１０ 導体セグメント
１０ａ 溶接部
１０ｂ ターン部
１０ｃ、１０ｄ わたり線
１０ｅ クランク部
１０ｆ、１０ｇ 段部
１１ 固定子鉄心
２０、３０ コイルエンド
１００ 車両用回転電機

Claims (7)

1. 直線部とターン部とを有するＵ字状の導体セグメントを溶接にて複数本直列接続することにより形成される固定子巻線と、複数本の前記導体セグメントに含まれる前記直線部が収容される複数のスロットを有する固定子鉄心とを有する固定子を備える回転電機において、
   前記導体セグメントの反ターン部側に形成される溶接部につながる２本の前記直線部が前記スロットに収容される周方向間隔である溶接側スロットピッチを、前記回転子のＮＳ磁極ピッチよりも狭くするとともに、
   前記固定子巻線は、同じ２個の前記スロットを用いて巻装される重ね巻き部と、前記溶接部側に配置されて異なる前記重ね巻き部間を相互に接続するわたり線とを有し、
   前記わたり線には、最内周側に配置された前記導体セグメントの端部同士を接続するものと、最外周側に配置された前記導体セグメントの端部同士を接続するものとが含まれることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記導体セグメントのターン部につながる２本の前記直線部が前記スロットに収容される周方向間隔である非溶接側スロットピッチを、前記回転子のＮＳ磁極ピッチよりも狭くすることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２において、
   それぞれの前記重ね巻き部に対応する前記溶接側スロットピッチと前記非溶接側スロットピッチの両方を、前記回転子のＮＳ磁極ピッチよりも狭くすることを特徴とする回転電機。
4. 請求項３において、
   前記固定子巻線は、複数の相巻線によって構成されており、
   少なくとも一部のスロットに、異なる２つの相巻線の前記重ね巻き部に対応する前記直線部が混在して収容されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項３または４において、
   前記わたり線は、前記重ね巻き部に対応するコイルエンドに対して、径方向に沿った隣接位置において周方向に延在していることを特徴とする回転電機。
6. 請求項５において、
   前記わたり線は、前記重ね巻き部に対応するコイルエンドに対して、内径側および外径側に分散して周方向に延在していることを特徴とする回転電機。
7. 請求項５または６において、
   前記固定子は、通電時に冷却液によって冷却され、
   前記わたり線が前記冷却液の供給経路に配置されていることを特徴とする回転電機。

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