JP5799964B2 - 回転電機用コイル導線およびコイル体 - Google Patents

Description

本発明は、複数の素線を束ねて構成される素線集合体の周囲に被覆部材が被覆されている回転電機用コイル導線、およびこれを用いたコイル体に関する。

従来、例えば国際公開第２０１２／０４９７７５号（以下、特許文献１という）には、複数の導線を束ねてなる集合導線の外周面に帯状部材を螺旋状に巻き付けて構成されるモータ用導線が開示されている。このモータ用導線に用いられる帯状部材は金属製であって、その電気抵抗値は導線の電気抵抗値以上であると記載されている。これにより、このモータ用導線をコイルにするために曲げ加工する際の耐久性が高くなって複数の導線がばらけることなく結束した状態に維持できるとともに、コイルにおける渦電流の発生を低減できると述べられている。

国際公開第２０１２／０４９７７５号

特許文献１に記載されるモータ用導線のように、導電性の帯状部材が螺旋状に巻き付けられてなる被覆部材を有する導線をコイルとしてモータステータに巻装したとき、スロット内に位置する導線部分では被覆部材が分割されていることで渦電流や循環電流の発生を抑制して損失を低減できる利点がある。

しかし、スロット内に位置する導線部分を長手方向の全体にわたって１枚の帯状部材を螺旋状に巻くと帯状部材の全長が長くなり、その分、電流が流れる経路長が長くなることによる抵抗損失が大きくなって渦電流や循環電流による損失の低減分が相殺されてしまうことがある。

本発明の目的は、渦電流に起因する循環電流による損失を抑制しながら、スロット内部分の被覆部材における抵抗損失を低減できる回転電機用コイル導線およびコイル体を提供することである。

本発明に係る回転電機用コイル導線は、それぞれ絶縁被覆された複数の素線を束ねて構成される素線集合体の周囲に導電性の被覆部材が被覆される回転電機用コイル導線であって、前記コイル導線のうち回転電機のステータのスロット内に配置されるスロット内部分の被覆部材は、前記素線集合体の周囲にコイル導線の長手方向に対して斜めに巻き付けられ、且つ、それぞれ互いに電気絶縁状態にある複数の導電性帯状部材によって形成されており、前記各導電性帯状部材は前記スロット内部分の周方向の１周分に満たない長さで巻き付けられているものである。

本発明に係る回転電機用コイル導線において、前記各帯状部材は、互いの間に配置された絶縁部を介して平行に巻かれていてもよい。

また、本発明に係る回転電機用コイル導線において、前記絶縁部は、前記各帯状部材間に形成された隙間、または、前記隙間に設けられる絶縁材で構成されてもよい。

さらに、本発明に係る回転電機用コイル導線において、２本の脚部と各脚部の一方端部に連設される連設部とを有する略Ｕ字状の導体セグメントとして形成され、該導体セグメントの連設部と前記脚部の先端部分とが前記コイルエンド部分を構成し、前記脚部における前記先端部分を除く中間部分が前記スロット内部分を構成してもよい。

本発明の別の態様である回転電機用コイル体は、上記いずれかの構成の回転電機用コイル導線が回転電機のステータのティースに巻装されるようにコイル状に形成されているものである。

本発明に係る回転電機用コイル導線及びコイル体によれば、渦電流に起因する循環電流による損失を抑制しながら、スロット内部分の被覆部材における抵抗損失を低減できる。

本発明の一実施の形態であるコイル導線の斜視図を示す図である。 図１のコイル導線が略Ｕ字状の導体セグメントに形成されてステータに装着されるときの様子を示す図である。 コイル導線のスロット内部分の斜視図と、スロット内部分の被覆部材の展開図である。 導体セグメントの平面図である。 導体セグメント同士が溶接される様子を概略的に示す斜視図である。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

また、以下においては回転電機用コイル導線（以下、適宜に「コイル導線」とだけいう。）として断面が四角形の角形導線を例に挙げて説明するが、これに限定されず、本発明は断面がその他の多角形の導線や断面が円形の導線などにも広く適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態であるコイル導線１を示す斜視図である。図示するように、コイル導線１は、複数の素線１０と被覆部材１６とを備える。

素線１０は、芯線１２の外周面に絶縁皮膜１４が設けられたものである。芯線１２は、導電体であり、例えば、銅、アルミニウム、銀、金、あるいはこれらの合金などの導電性を有する金属により線状に形成されている。絶縁皮膜１４は、例えば、エナメル樹脂または酸化金属などの絶縁物によって形成されている。

図１に示すように、コイル導線１は、複数の素線１０を束ねて構成される素線集合体１８の外周面を被覆部材１６により被覆して形成されている。本実施形態のコイル導線１では、縦に２本、横に４本の計８本の素線１０が配列されて素線集合体１８が構成される例が示されているが、これに限定されるものではなく素線数は任意に変更されてもよい。また、本実施形態では、コイル導線１の断面が短辺２０と長辺２２とからなる矩形状または長方形状に形成されている。

被覆部材１６は、複数枚の導電性の金属製帯状部材を素線集合体１８の周囲に巻き付けて構成されている。具体的には、被覆部材１６は、例えば、銅、アルミニウム、鉄またはこれらの合金などの金属製の帯状部材によって構成される。被覆部材１６は、後述するように巻き付けられることによって、複数の素線１０を結束してばらけないようにする機能を有する。

図２は、図１のコイル導線１が略Ｕ字状の導体セグメント２に形成されてモータステータ３に装着されるときの様子を示す図である。図２には、筒状をなすモータステータ３の一部分を内周側から見た様子を平面的に示してあり、矩形状の端面を有するティース４と、各ティース４間に形成されたスロット５とが示されている。

図２に示すように、本実施形態においてコイル導線１は、略Ｕ字状をなす導体セグメント２として形成されて、モータステータ３に装着される。導体セグメント２は、互いに平行に延びる２本の脚部２４ａ，２４ｂと、各脚部２４ａ，２４ｂの一方端部（図２中の下側端部）に連設される連設部２６とを有する。導体セグメント２は、所定長さに切断されたコイル導線１を曲げ加工することによって形成することができる。

導体セグメント２の脚部２４ａ，２４ｂは、それぞれ、スロット内部分（中間部分）２８と先端部分３０とを含む。スロット内部分２８は、モータステータ３のスロット５内に導体セグメント２の２本の脚部２４ａ，２４ｂを挿入配置したときに、スロット５内に配置される部分である。これに対し、先端部分３０は、モータステータ３のスロット５内に導体セグメント２の２本の脚部２４ａ，２４ｂを挿入配置したときにモータステータ３のスロット５から軸方向（図２中の上下方向）外側へ突出し、コイルとして形成されたときのコイルエンド部を構成する部分である。導体セグメント２の連設部２６もまた、コイルとして形成されたときに軸方向他方側においてモータステータ３のスロット５外に配置されてコイルエンド部を構成する部分となる。

導体セグメント２の一方の脚部２４ａの先端部分３０は矢印Ａ方向に曲げ加工され、他方の脚部２４ｂは矢印Ｂ方向に曲げ加工される。すなわち、２本の脚部２４ａ，２４ｂの各先端部分３０は、互いに近づく方向に曲げ加工される。そして、上記一方の脚部２４ａの先端部分３０は、例えば、スロット５内に挿入されて径方向内側（図２の紙面垂直方向の手前側）に配列されている別の導体セグメント（図示せず）の曲げ加工された他方の脚部の先端部分に溶接等によって接続される。また、上記他方の脚部２４ｂの先端部分３０は、例えば、スロット５内に挿入されて径方向外側（図２の紙面垂直方向の奥側）に配列されている更に別の導体セグメント（図示せず）の曲げ加工された一方の脚部の先端部分に溶接等によって接続される。

このようにして複数の導体セグメント２が接続されることにより、スロット５を通してティース４の周囲にコイル（コイル体）が分布巻きで形成されることになる。この場合のコイルは、コイル導線１の短辺２０側の両側面がコイル内周側および外周側の側面として巻回されるコイルとなり、エッジワイズコイルとも称される。

図３は、導体セグメント２のスロット内部分２８を示す斜視図（左図）と、このスロット内部分２８の被覆部材１６の展開状態で示す平面図（右図）である。図３では、矩形断面を有するスロット内部分２８の２つの短辺側面が符号２０ａ，２０ｂで示され、２つの長辺側面が符号２２ａ，２２ｂで示されている。

図３に示すように、導体セグメント２のスロット内部分２８の周囲に設けられた被覆部材１６は、素線集合体１８の周囲に巻き付けられた複数枚の導電性の帯状部材から構成されている。具体的には、本実施形態では、例えば７枚の帯状部材３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４によって構成される例を示す。各帯状部材３２−４４には、例えば、銅、アルミニウム、鉄またはこれらの合金などの金属製の板材、箔材、またはテープ材を用いることができ、特に、電気抵抗が小さい銅製のものが好適である。また、本実施形態では、各帯状部材３２−４４は、平行四辺形の平面形状をなしている。

各帯状部材３２−４４は、コイル導線１の長手方向に対して斜めに巻き付けられている。図３に示す例では、コイル導線１の長手方向（紙面の上下方向）に対して約４５度の角度をなしている。また、各帯状部材３２−４４は、それぞれの間に設けられる絶縁部３３，３５，３７，３９，４１，４３，４５を介して平行に巻かれており、これによりスロット内部分２８において各帯状部材３２−４４は、互いに電気的に絶縁されている。ここで、絶縁部３３−４５は、各帯状部材３２−４４間に形成される隙間によって形成されている。ただし、絶縁部３３−４５は、各帯状部材３２−４４間の隙間に設けられた例えば樹脂製の接続部材等の絶縁材によって構成されてもよい。

図３中の展開図を参照してより詳しく説明すると、７枚の帯状部材３２−４４のうち帯状部材３２は、スロット内部分２８の長辺側面２２ａの上部縁部を巻き始め位置とすると、そこから長辺側面２２ａ、短辺側面２０ａ、長辺側面２２ｂ、および短辺側面２０ｂにわたって巻き付けられて、スロット内部分２８の周方向の１周分に満たない長さで巻き付けられている。

７枚の帯状部材３２−４４のうち、上記帯状部材３２に絶縁部３３を介して隣接する帯状部材３４は、スロット内部分２８の長辺側面２２ａの上部中央位置を巻き始め位置として、そこから長辺側面２２ａ、短辺側面２０ａ、長辺側面２２ｂ、短辺側面２０ｂ、および長辺側面２２ａにわたって巻き付けられて、スロット内部分２８の周方向の１周分に満たない長さで巻き付けられている。

他の帯状部材３６−４４についても同様にスロット内部分２８の周方向の１周分に満たない長さで巻き付けられている。すなわち、帯状部材３４に絶縁部３５を介して隣接する帯状部材３６は、短辺側面２０ａから、長辺側面２２ｂ、短辺側面２０ｂ、および長辺側面２２ａにかけて巻き付けられている。帯状部材３６に絶縁部３７を介して隣接する帯状部材３８は、短辺側面２０ａから、長辺側面２２ｂ、短辺側面２０ｂ、長辺側面２２ａ、および短辺側面２０ａにかけて巻き付けられている。帯状部材３８に絶縁部３９を介して隣接する帯状部材４０は、長辺側面２２ｂから、短辺側面２０ｂ、長辺側面２２ａ、および、短辺側面２０ａにかけて巻き付けられている。帯状部材４０に絶縁部４１を介して隣接する帯状部材４２は、長辺側面２２ｂから、短辺側面２０ｂ、長辺側面２２ａ、短辺側面２０ａ、および長辺側面２２ｂにかけて巻き付けられている。帯状部材４２に絶縁部４３を介して隣接する帯状部材４４は、短辺側面２０ｂから、長辺側面２２ａ、短辺側面２０ａ、および長辺側面２２ｂにかけて巻き付けられている。

なお、上記においては、スロット内部分２８の被覆部材１６を構成する複数の帯状部材３２−４４がコイル導線１の周方向に関して１周未満であるものと説明したが、これに限定されるものではなく、１周以上周回するように巻き付けられてもよい。

図４は、導体セグメント２の平面図である。上記のようにして構成されるコイル導線１のスロット内部分２８を２本準備し、これらのスロット内部分２８の各一端部を溶接部４６によって連設部２６を連結するとともに、各スロット内部分２８の他端部に脚部２４ａ，２４ｂの先端部分３０を溶接部４６によって連結する。これらの溶接部４６では、コイル導線１に含まれる複数の素線１０がスロット内部分２８と連設部２６および脚部２４ａ，２４ｂの先端部分３０との間で互いに電気的に接続されるとともに、スロット内部分２８の被覆部材１６と連設部２６および脚部２４ａ，２４ｂの先端部分３０の各被覆部材１６とが電気的に接続される。これにより、導体セグメント２が出来上がる。

ここで、導体セグメント２のうち連設部２６および脚部２４ａ，２４ｂの先端部分３０の被覆部材１６は、例えば螺旋状の絶縁部が設けられていない１つの導電性部材として形成されてもよい。これは、コイルエンド部では漏れ磁束に起因する渦電流や循環電流による損失を考慮しなくてもよいためである。この場合、金属製の管材によって素線集合体１８の周囲を覆う被覆部材を形成してもよく、円筒状の管材内に素線集合体１８を挿通した状態でダイス孔を通過させることにより圧縮成形して、図１に示すような矩形断面形状のコイル導線としてもよい。このようにすれば、コイルエンド部を構成するコイル導線の剛性が高くなり、導体セグメント同士の溶接やコイルの位置決め等を安定して行える利点がある。ただし、連設部２６および脚部先端部分３０についても、１枚または複数枚の導電性の帯状部材を周囲に巻き付けて被覆部材を構成してもよいことは勿論である。

上述したように導体セグメント２がモータステータ３のスロット５内に挿入および配置され、曲げ加工等された後に、図５に示すように、導体セグメント２の脚部２４ａ，２４ｂの先端部分３０同士が溶接部４８によって連結される。これにより、複数の導体セグメント２が電気的に接続されて、モータステータ３に巻装されたコイルが形成される。上記溶接部４８では、各導体セグメント２に含まれる複数の素線１０が電気接続されるとともに、被覆部材１６同士も電気接続される。

なお、曲げ加工されて略Ｕ字状の導体セグメント２にする前に、直線状に延伸するコイル導線１の外周面に例えばエナメル樹脂等によって絶縁皮膜が形成される。

上述した構成を有する本実施形態のコイル導線１により構成されたコイルが巻装されたモータステータ３を例えば三相同期型モータ（回転電機、図示せず）に組み込み、コイルに三相交流電圧を印加することによってモータステータ３の内周側に回転磁界が発生する。これにより、モータステータ３の内側に回転可能に設けられるロータ（図示せず）が上記回転磁界の作用によって回転駆動される。このとき、モータステータ３のティース４内を通って磁束が径方向に出入りするが、ティース４内で磁気飽和が生じると磁束がティース４からスロット５内へと周方向に漏れ出ることがある。このような磁束の漏出は、高出力モータにおいて特に発生しやすい。

スロット５内に漏れ出る磁束は、モータ出力により変動する。このように変動する磁束がスロット５内に配置されたコイル導線に鎖交すると、コイル導線の周囲を覆う導電性の被覆部材に渦電流が発生し、この渦電流がつながって循環電流となって流れることで損失が生じることになる。

これに対し、本実施形態のコイル導線１によれば、変動する漏出磁束がコイル導線１のスロット内部分２８の被覆部材１６に鎖交したとき、被覆部材１６を構成する複数の帯状部材３２−４４がコイル導線１の長手方向に対して斜めに巻き付けられていることで、渦電流の流れ方向が短辺側面２０ａと短辺側面２０ｂとで逆になって打ち消し合うことになり、その結果、各帯状部材３２−４４における渦電流の発生を抑制し、渦電流に起因する循環電流による損失を低減することができる。

また、本実施形態のコイル導線１によれば、スロット内部分２８を構成する複数の金属製帯状部材３２−４４がコイル導線の長手方向に対して斜めに巻き付けられて構成され、かつ、各帯状部材３２−４４が絶縁部３３−４５を介して互いに絶縁された状態にある。したがって、このように被覆部材１６が分割されることによって、渦電流や循環電流の発生およびこれによる損失を低減することができる。

さらに、本実施形態のコイル導線１によれば、スロット内部分２８を構成する複数の金属製帯状部材３２−４４が互いに絶縁された状態でコイル導線の長手方向に対して斜めに巻き付けられて構成されていることで、１本の金属製の帯状板材をコイル導線の周囲に螺旋状に巻き付けて被覆部材を構成する場合に比べて、電流経路長が短くなる分だけ電気抵抗を小さくすることができ、その結果、抵抗損失を抑制することができる。

さらにまた、コイル導線１は、複数の素線１０を束ねて構成される素線集合体１８の外周面に複数枚の金属製の帯状部材を巻き付けてなる被覆部材１６が密着状態で被覆されているため、断面積に占める導体部分の割合を大きくすることができる。これにより、このコイル導線１がコイルに形成されてモータステータのスロット内に配置されたときの占積率が向上し、モータ効率を高くすることができる利点がある。

なお、本発明に係る回転電機用コイル導線は、上述した実施形態や変形例のものに限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲内において種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記においては、コイル導線１を略Ｕ字状の導体セグメントとして形成し、この導体セグメントを溶接等によって複数接続してコイルが構成されるとして説明したが、これに限定されるものではなく、所定の間隔でスロット内部分が形成されているコイル導線が連続的につながった状態でティースまたはボビンにコイル状に巻回することによってコイルが形成されてもよい。

１ 回転電機用コイル導線、２ 導体セグメント、３ モータステータ、４ ティース、５ スロット、１０ 素線、１２ 芯線、１４ 絶縁皮膜、１６ 被覆部材、１８ 素線集合体、２０ 短辺、２０ａ，２０ｂ 短辺側面、２２ 長辺、２２ａ，２２ｂ 長辺側面、２４ａ，２４ｂ 脚部、２６ 連設部、２８ スロット内部分、３０ 先端部分、３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４ 帯状部材、３３，３５，３７，３９，４１，４３，４５ 絶縁部、４６，４８ 溶接部。

Claims (5)

1. それぞれ絶縁被覆された複数の素線を束ねて構成される素線集合体の周囲に導電性の被覆部材が被覆される回転電機用コイル導線であって、
   前記コイル導線のうち回転電機のステータのスロット内に配置されるスロット内部分の被覆部材は、前記素線集合体の周囲にコイル導線の長手方向に対して斜めに巻き付けられ、且つ、それぞれ互いに電気絶縁状態にある複数の導電性帯状部材によって形成されており、前記各導電性帯状部材は前記スロット内部分の周方向の１周分に満たない長さで巻き付けられている、回転電機用コイル導線。
2. 請求項１に記載の回転電機用コイル導線において、
   前記各帯状部材は、互いの間に配置された絶縁部を介して平行に巻かれていることを特徴とする、回転電機用コイル導線。
3. 請求項２に記載の回転電機用コイル導線において、
   前記絶縁部は、前記各帯状部材間に形成された隙間、または、前記隙間に設けられる絶縁材で構成されることを特徴とする、回転電機用コイル導線。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機用コイル導線において、
   ２本の脚部と各脚部の一方端部に連設される連設部とを有する略Ｕ字状の導体セグメントとして形成され、該導体セグメントの連設部と前記脚部の先端部分とが前記コイルエンド部分を構成し、前記脚部における前記先端部分を除く中間部分が前記スロット内部分を構成することを特徴とする、回転電機用コイル導線。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機用コイル導線が回転電機のステータのティースに巻装されるようにコイル状に形成されている、回転電機用コイル体。

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