JP5741534B2

JP5741534B2 - 集中巻コイル

Info

Publication number: JP5741534B2
Application number: JP2012172495A
Authority: JP
Inventors: 弘樹加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: CN104885344A; CN104885344B; US20150188371A1; EP2853018A2; WO2014020398A3; WO2014020398A2; US9806573B2; JP2014033532A

Description

本発明は、集中巻コイルの構造に関する。

モータの損失を低減するにはステータのコイル占積率（導体断面積／コイル断面積）を大きくすることが有効である。このため、コイルを構成する導線として断面形状が丸形の丸線を多数層ティースに巻回するよりも断面形状が矩形の太い平角線をティースに一層に巻回する構造が用いられる場合が多い。一方、径方向に向かって周方向幅が略一定のティースが用いられる場合も多くなってきている。この場合、コイルの挿入されるスロットの周方向幅はティースの先端（ステータの内周側）に向って狭くなる。太い平角線をティースに一層に巻回してコイルを構成した場合には、丸線を多数層ティースに巻回する場合と異なり、コイルの断面形状をティースの長手方向に沿って変化させることが難しくなるのでステータ内周側での隣接コイル間の隙間が狭くなってしまうという問題があった。

そこで、スロットの形状に合わせてコイル全体の断面をティースの先端（ステータの内周側）に向って高さの低くなる台形とするように巻き線の断面形状を変化させる方法が提案されている（例えば、特許文献1参照）。

特開２００１−１７８０５１号公報

しかし、特許文献1に記載されたコイルでは、コイルを構成する導線の断面形状、断面積をコイルのターン毎に変化させることが必要で、導線の形状が複雑となりコストアップとなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、簡便な構成でステータのコイル占積率を向上させることを目的とする。

本発明の集中巻コイルは、回転電機のステータに配置され、半径方向に向かって周方向幅が略一定なティースに導線を巻回した集中巻コイルであって、前記ティースの先端側から１ターンあるいは複数ターンの各導線の前記ティース表面からの各高さは、前記各導線の前記ティースの根元側に隣接する他の導線の前記ティース表面からの高さよりも低く、他のターンの各導線の前記ティース表面からの各高さは略同一で、前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線の前記ティース表面からの各高さよりも高く、前記他のターンの各導線の断面形状は略同一であり、前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線の断面形状は、前記他のターンの各導線の断面形状と異なり、前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線の断面積は、前記他のターンの各導線の断面積よりも小さく、周方向に隣接するティースに巻回した周方向に対向する各前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線間の周方向間隔の最小値は周方向に隣接するティースに巻回した対向する各他のターンの各導線の周方向間隔の最小値と同じかそれより小さいこと、を特徴とする。

本発明の集中巻コイルにおいて、前記他のターンの各導線の断面形状は略平角形状であり、前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線の断面形状は、台形、五角形、三角または長方形であること、としても好適である。

本発明は、簡便な構成でステータのコイル占積率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における集中巻きコイルが取り付けられた回転電機のステータの一部を示す図である。本発明の他の実施形態における集中巻きコイルが取り付けられた回転電機のステータの一部を示す図である。本発明の他の実施形態における集中巻きコイルが取り付けられた回転電機のステータの一部を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の集中巻きコイルが取り付けられる回転電機は、中心軸の周りに回転するロータの周囲に円周状にステータが配置されたものであり、例えば、一般的な回転式モータあるいは、モータジェネレータ、発電機などを含むものである。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の集中巻きコイル２０が取り付けられている回転電機のステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２に配置された複数のティース１４とを有している。

ステータコア１２は、略円筒状のヨーク１３と、ヨーク１３の内周面１９から回転電機の回転中心軸の方向に向かって延びる複数のティース１４を有している。各ティース１４は、ヨーク１３の周方向に間隔をあけて配置され、各ティース１４の間の空間はスロット１８を形成する。各スロット１８の中には導線２１〜２６が配置され、この導線２１〜２６は１つのティース１４の周囲を回り、ティース１４に巻きついた導線２１〜２６により集中巻きコイル２０が形成される。なお、導線２１〜２６は連続した１本の導線のうち、ティース１４の根元１６側の第一ターンからティース１４の先端１５側の第六ターンの各ターンを構成する導線の部分である。

図１（ａ）に示すように、ティース１４は、ヨーク１３の内周面１９側の根元１６から先端１５に向けて一定の幅ｄを有しているものである。つまり、ティース１４は、回転電機の半径方向に向かって周方向の幅ｄが一定でヨーク１３の内周面１９から回転電機の中心軸に向かって突出している。このため、図１（ａ）に示すように、隣接する各ティース１４の各表面１７間の周方向の間隔は、ティース１４の先端１５あるいは、ステータ１０の内周側に向うにつれて狭くなってくる。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、図中左側のティース１４ａに巻回されている集中巻きコイル２０ａは、第一ターンから第五ターン、第六ターンの二種類のターンによって構成されている。第一ターンから第五ターンは、厚さＴ₁、高さＨ₁の長方形断面の平角線の導線２１ａ〜２５ａを厚さＴ₁の辺がティース１４ａのスロット１８側の表面１７ａに対向し、高さＨ₁の辺が表面１７ａから垂直方向に伸びるように、ティース１４ａの周りにそれぞれ巻回したものである。また、第六ターンは、厚さＴ₁でティース１４ａの根元１６ａ側の高さが高さＨ₁，ティース１４ａの先端１５ａ側の高さが根元側の高さＨ₁より低い高さＨ₂の台形断面の導線２６ａを厚さＴ₁の辺がティース１４ａのスロット１８側の表面１７ａに対向し、高さＨ₁，Ｈ₂の各辺が表面１７ａから垂直方向に伸びるように、ティース１４ａの周りに巻回したものである。第一ターンから第五ターンを構成する導線２１ａ〜２５ａは同一の断面形状、断面積であり、第六ターンを構成する導線２６ａは導線２１ａ〜２５ａと断面形状が異なり、断面積は小さくなっている。また、第一ターンから第六ターンの各導線２１ａ〜２６ａは、ティース１４ａの延びる方向に略隙間のない状態で詰めて巻回されている。

つまり、図１（ｂ）の左側の集中巻きコイル２０ａでは、ティース１４ａの先端１５ａ側の第六ターンの導線２６ａの高さは、根元１６ａ側の第一から第五ターンの各導線２１ａ〜２５ａの共通の高さＨ₁よりも低くなっている。

また、図中左側のティース１４ａの右側に隣接するティース１４ｂに巻回されている集中巻きコイル２０ｂは、左側のティース１４ａに巻回されている集中巻きコイル２０ａと同様、厚さＴ₁、ティース１４ｂの表面１７ｂからの高さＨ₁の長方形断面の平角線の導線２１ｂ〜２５ｂがティース１４ｂに順次巻回される第一ターンから第五ターンと、厚さＴ₁でティース１４ｂの根元１６ｂ側の高さが高さＨ₁、ティース１４ｂの先端１５ｂ側の高さが根元側の高さＨ₁より低い高さＨ₂の台形断面の導線２６ｂがティース１４ｂに巻回される第六ターンを含んでいる。

図１（ｂ）に示すように、スロット１８を挟んで対向する左右のティース１４ａ，１４ｂの各集中巻きコイル２０ａ，２０ｂの各導線２１ａ〜２６ａ，２１ｂ〜２６ｂはそれぞれスロット１８を挟んで対向するように配置され、対向する各導線２１ａ〜２５ａ，２１ｂ〜２５ｂの対向する面の間隔は、ティース１４ａ，１４ｂの先端１５ａ，１５ｂに向って小さくなっていき、各第五ターンの各導線２５ａ，２５ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の角部あるいは、各第六ターンの各導線２６ａ，２６ｂの根元１６ａ，１６ｂ側の角部の間隔が最も狭く、最小間隔Ｓ₁となっている。

第六ターンの各導線２６ａ，２６ｂは、各ティース１４ａ，１４ｂの先端１５ａ，１５ｂに向ってその高さが高さＨ₁から高さＨ₂に小さくなっており、各導線２６ａ，２６ｂの対向する面の間隔は最小間隔Ｓ₁に保たれている。したがって、隣接する２つの集中巻きコイル２０ａ，２０ｂの間隔は、上記の最小間隔Ｓ₁によって規定される。この最小間隔Ｓ₁は、図１（ｂ）に一点鎖線２７ａ，２７ｂで示すように、各集中巻きコイル２０ａ，２０ｂの第一ターンから第六ターンの各導線２１ａ〜２６ｂを高さＨ₂の平角導線とした場合の最小間隔と同様である。したがって、本実施形態の集中巻きコイル２０ａ，２０ｂは、第一ターンから第六ターンの各導線２１ａ〜２６ｂを高さＨ₂の平角導線で構成した場合に比較して、同一の最小間隔Ｓ₁を確保しつつ、より大きなコイル占積率とすることができるものである。

以上述べたように、本実施形態では、先端１５側の第六ターンの導線２６の形状を先端１５に行くほど高さが低くなるような台形とするという簡便な方法により、コストアップを抑えつつ、ステータ１０のコイル占積率を向上させ、損失を効果的に低減することができるという効果を奏する。

なお、本実施形態では、各導線２６ａ，２６ｂの対向する面の間隔は最小間隔Ｓ₁に保たれていることとして説明したが、導線２６ａ，２６ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の高さＨ₂をより小さくして、各導線２６ａ，２６ｂの対向する面の間隔が先端１５ａ，１５ｂに向うほど最小間隔Ｓ₁よりも広がるように構成してもよい。また、第六ターンの導線２６ａ，２６ｂの根元１６ａ，１６ｂ側の辺の高さを高さＨ₁よりも小さくしてもよい。更に、本実施形態では、第六ターンの導線２６ａ，２６ｂの断面積は、他のターンの各導線２１ａ~２５ｂの断面積よりも小さいこととして説明したが、例えば、導線２６ａ，２６ｂの厚さをＴ₁よりも厚くすることによって最小間隔Ｓ₁を保ちつつ、他のターンの導線２１ａ~２５ｂと同一の断面積として構成してもよい。

次に図２を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図１（ａ）、図１（ｂ）を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図２に示すように、本実施形態は、ティース１４ａ，１４ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の第六ターンを構成する各導線２６ａ，２６ｂの各先端１５ａ，１５ｂ側の対向する各角部を切り欠いて、各導線２６ａ，２６ｂの断面形状を五角形としたものである。

図２に示すように、図中左側のティース１４ａに巻回されている集中巻きコイル２０ａは、先に図１を参照して説明した実施形態と同様、厚さＴ₃、高さＨ₃の長方形断面の平角線の導線２１ａ〜２５ａがティース１４ａに順次巻回される第一ターンから第五ターンと、厚さＴ₃でティース１４ａの根元１６ａ側から厚さＴ₄の部分の高さが高さＨ₃、それよりも先端１５ａ側の高さが根元側の高さＨ₃より低い高さＨ₄の五角形の導線２６ａがティース１４ａに巻回される第六ターンを含んでいる。つまり、この導線２６ａは先に説明したように、導線２６ｂと対向する先端１５ａ側の角部を切り欠いた五角形の形状となっている。図中左側のティース１４ａの右側に隣接するティース１４ｂに巻回されている集中巻きコイル２０ｂの第一ターンから第六ターンの各導線２１ｂ〜２６ｂも導線２１ａ〜２６ａと同様の構成となっている。

図２に示すように、各集中巻きコイル２０ａ，２０ｂのスロット１８を挟んで対向する各導線２１ａ〜２６ａ，２１ｂ〜２６ｂの対向する面の間隔は、ティース１４ａ，１４ｂの先端１５ａ，１５ｂに向って小さくなっていき、第六ターンの各導線２６ａ，２６ｂの根元１６ａ，１６ｂから先端１５ａ，１５ｂ側に向って厚さＴ₄に位置する各角部の間隔が最も狭く、最小間隔Ｓ₃となっている。第六ターンの各導線２６ａ，２６ｂは、厚さＴ₄の位置の角部から各ティース１４ａ，１４ｂの先端１５ａ，１５ｂに向って高さが小さくなり、先端１５ａ，１５ｂでの高さは高さＨ₄となっている。この間、各導線２６ａ，２６ｂの対向する面の間隔は最小間隔Ｓ₃に保たれている。したがって、隣接する２つの集中巻きコイル２０ａ，２０ｂの間隔は、上記の最小間隔Ｓ₃によって規定される。この最小間隔Ｓ₃は、図２に一点鎖線２７ａ，２７ｂで示すように、第一ターンから第六ターンの各導線２１ａ，２６ｂを全て高さＨ₄の平角導線とした場合の最小間隔と同様である。

以上説明した実施形態では、第六ターンの導線２６の形状を先端１５側の角部を切り欠いた五角形とし、導線２６の高さを他のターンの各導線２１〜２５の高さよりも低くするという簡便な方法により、コストアップを抑えつつ、ステータ１０のコイル占積率を向上させ、損失を効果的に低減することができるという効果を奏する。

なお、本実施形態では、各導線２６ａ，２６ｂの対向する面の間隔は最小間隔Ｓ₃に保たれていることとして説明したが、導線２６ａ，２６ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の高さＨ₄をより小さくして、各導線２６ａ，２６ｂの対向する面の間隔が先端１５ａ，１５ｂに向うほど最小間隔Ｓ₃よりも広がるように構成してもよい。また、第六ターンの導線２６ａ，２６ｂの根元１６ａ，１６ｂ側の厚さＴ₄の部分の高さを高さＨ₃よりも小さくしてもよい。

次に図３を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。先に図１、図２を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図３に示すように、本実施形態は、ティース１４ａ，１４ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の３つのターン、すなわち、第四、第五、第六ターンの各導線２４ａ，２４ｂ、導線２５ａ，２５ｂ,導線２６ａ，２６ｂの各断面形状をそれぞれ五角形、台形、三角形としたものである。各導線２４ａ〜２６ｂの各断面形状は、第一ターンから第三ターンの各導線２１ａ〜２３ｂの断面形状とは異なる断面形状となっており、その断面積も導線２１ａ〜２３ｂの断面積よりも小さくなっている。

図３に示すように、図中左側のティース１４ａに巻回されている集中巻きコイル２０ａは、第一ターンから第三ターン、第四ターン、第五ターン、第六ターンの四種類のターンによって構成されている。第一ターンから第三ターンは、先に図１，図２を参照して説明した実施形態と同様、厚さＴ₅、高さＨ₅の長方形断面の平角線の導線２１ａ〜２３ａをティース１４ａに順次巻回したものである。第四ターンは、厚さＴ₅でティース１４ａの根元１６ａ側から厚さＴ₆の部分の高さが高さＨ₅、それよりも先端１５ａ側の高さが根元側の高さＨ₅より低く最低高さが高さＨ₆の五角形の導線２４ａをティース１４ａに巻回したものである。第五ターンは、厚さＴ₅でティース１４ａの根元１６ａ側の高さが導線２４ａの先端１５ａ側の高さと同一の高さＨ₆，先端１５ａ側の高さが根元１６ａ側の高さＨ₆より低い高さＨ₇の台形断面の導線２５ａをティース１４ａに巻回したものである。第六ターンは、厚さＴ₅でティース１４ａの根元１６ａ側の高さが導線２５ａの先端１５ａ側の高さと同一の高さＨ₇，先端１５ａ側の高さがゼロの三角形断面の導線２６ａをティース１４ａに巻回したものである。

つまり、本実施形態では、図２の左側の集中巻きコイル２０ａは、ティース１４ａの先端１５ａ側の３つのターン（第四から第六ターン）の各導線２４ａ〜２６ｂの高さは、第四ターンの導線２４ａの厚さＴ₆の部分を除き除き、その他のターン（第一ターンから第三ターン）の各導線２１ａ〜２３ａの共通高さＨ₅よりも低くなっている。また、第五ターンの導線２５ａの高さは導線２５ａの根元１６ａ側に隣接する導線２４ａの高さよりも低く、第六ターンの導線２６ａの高さは導線２６ａの根元１６ａ側に隣接する導線２５ａの高さよりも低くなるように構成されている。そして、第一から第三ターンの各導線２１ａから２３ａの各高さは略同一で、先端１５ａ側の第四ターンから第六ターンの各導線２４ａ〜２６ａの高さよりも高くなっている。各導線２４ａ〜２６ａの断面積は根元１６ａ側の導線２３ａの断面積よりも小さく、導線２４ａ，２５ａ，２６ａと先端１５ａに行くほど断面積は順次小さくなっている。図中左側のティース１４ａの右側に隣接するティース１４ｂに巻回されている集中巻きコイル２０ｂの第一ターンから第六ターンの各導線２１ｂ〜２６ｂも導線２１ａ〜２６ａと同様の構成となっている。

図３に示すように、各集中巻きコイル２０ａ，２０ｂのスロット１８を挟んで対向する各導線２１ａ〜２６ａ，２１ｂ〜２６ｂの面の間隔は、ティース１４ａ，１４ｂの先端１５ａ，１５ｂに向って小さくなっていき、各第四ターンの各導線２４ａ，２４ｂの根元１６ａ，１６ｂから先端１５ａ，１５ｂ側に向って厚さＴ₆に位置する各角部の間隔が最も狭く、最小間隔Ｓ₅となっている。第四ターンの各導線２４ａ，２４ｂは、厚さＴ₆の位置の角部から各ティース１４ａ，１４ｂの先端１５ａ，１５ｂに向ってその高さが小さくなり先端１５ａ側では高さＨ₆となり、第五ターンの各導線２５ａ，２５ｂは、根元１６ａ側の高さＨ₆から先端１５ａ側の高さＨ₇に向って高さが低くなり、第六ターンの各導線２６ａ，２６ｂは、根元１６ａ側の高さＨ₇から先端１５ａ側の高さゼロに向って高さが低くなっている。そして、本実施形態では導線２４ａ〜２６ａ、２４ｂ〜２６ｂの先端１５ａ，１５ｂに向う傾斜部分（各導線２１ａ〜２６ａ，２４ｂ〜２６ｂの各斜辺の面）は、同一平面となっており、その対向する面の間隔は、先端１５ａ，１５ｂに向って最小間隔Ｓ₅よりも広がるように構成されている。

なお、本実施形態では、導線２４ａ，２４ｂ根元１６ａ，１６ｂ側の高さと導線２３ａ，２３ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の高さは同じ高さＨ₅として説明したが、各導線２４ａ〜２６ａ，２４ｂ〜２６ｂの高さはその導線の根元１６ａ，１６ｂ側に隣接する他の導線の高さよりも低くなっていればよい。例えば、具体的には、導線２４ａ，２４ｂの根元１６ａ，１６ｂ側の高さは導線２３ａ，２３ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の高さよりも低くてもよい。同様に、導線２５ａ，２５ｂの根元１６ａ，１６ｂ側の高さは導線２４ａ，２４ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の高さよりも低くてもよいし、導線２６ａ，２６ｂの根元１６ａ，１６ｂ側の高さは導線２５ａ，２５ｂの先端１５ａ，１５ｂ側の高さよりも低くてもよい。

本実施形態では、先端１５側の第四から第六ターンの導線２４から２６の断面形状を先端１５に行くほど高さが低くなるような五角形、台形、三角形とするという簡便な方法により、コストアップを抑えつつ、ステータ１０のコイル占積率を向上させ、損失を効果的低減することができるという効果を奏する。なお、本実施形態では先端１５側の３つのターンの断面形状を根元１６側の他のターンの導線の断面形状と異なる形状とすることとして説明したが、先端１５側の３つのターンに限らず、例えば、４−６ターンの断面形状を根元１６側の他のターンの断面形状と異なる形状とするようにしてもよい。

１０ステータ、１２ステータコア、１３ヨーク、１４，１４ａ，１４ｂティース、１５，１５ａ，１５ｂ先端、１６，１６ａ，１６ｂ根元、１７，１７ａ，１７ｂ表面、１８スロット、１９内周面、２０，２０ａ，２０ｂ集中巻きコイル、２１〜２６，２１ａ〜２６ａ，２１ｂ〜２６ｂ導線、２７ａ，２７ｂ一点鎖線。

Claims

回転電機のステータに配置され、半径方向に向かって周方向幅が略一定なティースに導線を巻回した集中巻コイルであって、
前記ティースの先端側から１ターンあるいは複数ターンの各導線の前記ティース表面からの各高さは、前記各導線の前記ティースの根元側に隣接する他の導線の前記ティース表面からの高さよりも低く、
他のターンの各導線の前記ティース表面からの各高さは略同一で、前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線の前記ティース表面からの各高さよりも高く、
前記他のターンの各導線の断面形状は略同一であり、
前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線の断面形状は、前記他のターンの各導線の断面形状と異なり、
前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線の断面積は、前記他のターンの各導線の断面積よりも小さく、
周方向に隣接するティースに巻回した周方向に対向する各前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線間の周方向間隔の最小値は周方向に隣接するティースに巻回した対向する各他のターンの各導線の周方向間隔の最小値と同じかそれより小さいこと、
を特徴とする集中巻コイル。
請求項１に記載の集中巻コイルであって、
前記他のターンの各導線の断面形状は略平角形状であり、
前記１ターンあるいは前記複数ターンの各導線の断面形状は、台形、五角形、三角または長方形であること、
を特徴とする集中巻コイル。