JP5812145B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両において電動機や発電機として使用される回転電機の固定子に関する。

近年、電動機や発電機として使用される回転電機において、小型高出力および品質の向上が求められている。例えば、車両に搭載される回転電機においては、車両のエンジンルームで回転電機を搭載するためのスペースが小さくなってきている一方で、車両負荷の増大による発電出力の向上が求められている。特に、回転電機の小型高出力については、各巻線の巻線抵抗値の低減や、固定子の磁気回路内に納める電気導体の占積率の向上、さらには各相巻線のターン部の整列化および高密度化が必要であった。

この要求に対して、本出願人は、特許文献１および２において、周方向に複数のスロットを有する固定子コアと、周方向の異なるスロットに収容されるスロット収容部とスロットの外部でスロット収容部同士を接続しているターン部とを有する複数の導線を固定子コアに波巻きしてなる固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子に関する技術を提案した。

特許文献１では、固定子コアの端面の拡がる方向に沿って延びる段部をターン部に形成することにより、ターン部を密に配置して、固定子巻線のターン部の固定子コアからの突出高さを低くすることができる。また、特許文献１では、２本の導線を内側と外側に交互に入れ換えることにより編み込んで帯状の導線集積体を形成し、その導線集積体を渦巻き状に巻き付けて円筒状の固定子巻線を形成することにより、導線集積体の幅寸法（ターン部の固定子コアからの突出高さ）を小さくし、導線集積体の厚みを薄くすることができるので、回転電機の小型化が可能となる。

また、特許文献２では、複数の導線を所定の方法で編み込んで固定子巻線を製造することにより、波巻き方式の固定子巻線において、径方向の厚み寸法を低減することが可能となる。即ち、特許文献１および２には、回転電機の小型化を実現するために、複数の導線を編み込んで形成した導線集積体を用いて固定子巻線を形成することが開示されている。

国際公開第ＷＯ２００８／１０８３５１Ａ１号パンフレット 特開２０００−１３９０４８号公報

ところで、上記特許文献１および２のように、複数の導線を編み込んで導線集積体を製造する場合、複数の導線を編み込む工程が必要となるが、編み込む導線の本数が多い場合などには、導線の編込み動作が複雑になりやすいため、製造工数が多くなるという問題がある。

そこで、本願発明者等は、導線集積体の簡易な作製方法について検討した結果、所定の波形形状に成形した複数の導線を所定の状態に積み重ねて帯状の導線集積体を作製することを考えた。この場合には、複数の導線を単純に積み重ねるのみであり、導線の編込み工程が不要となるため、導線集積体の作製が格段に簡易となり、低コスト化も可能である。

しかし、この導線集積体を渦巻き状に巻き付けて円筒状の固定子巻線を作製した場合には、導線集積体の厚みが長手方向において周期的に変化しており、また、厚みの変化量が導線を編み込んで作製した導線集積体に比べてやや大きくなることから、その固定子巻線の内周面および外周面の一部に、径方向内方および外方へそれぞれ突出した部分（スロット収容部）が１周期毎に形成される。そのため、固定子巻線の外径が大きくなってしまい大型化するという新たな問題が発生する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、固定子巻線の外径を小さくし小型化し得るようにした回転電機の固定子を提供することを解決すべき課題とするものである。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、周方向に複数のスロットを有する円環状の固定子コアと、周方向の異なる前記スロットに収容されるスロット収容部と前記スロットの外部で前記スロット収容部同士を接続しているターン部とを有する複数の導線を前記固定子コアに波巻きしてなる固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子において、前記ターン部は、前記固定子コアから最も離れた位置にある頂部に前記固定子コアの径方向に折れ曲がるクランク部を有するとともに、前記スロット収容部と接続される根元部に前記クランク部よりも折れ曲がり量が小さい小クランク部が周方向の複数箇所に設けられていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ターン部は、固定子コアから最も離れた位置にある頂部及びスロット収容部と接続される根元部に、固定子コアの径方向に折れ曲がるクランク部を有するとともに、クランク部よりも折れ曲がり量が小さい小クランク部または折れ曲がりのないストレート部が周方向の複数箇所に設けられている。この場合、ターン部の頂部に設けられるクランク部は、隣り合うスロットに収容される導線同士の干渉を避けるために設けられている。請求項１に記載の発明においては、このターン部同士の干渉を避けるために設けられるクランク部とは折れ曲がり量が異なり、スロット収容部の層位置を変えないようにするために設けられる（通常、折れ曲がり量が小さくされる）クランク部が、周方向の複数箇所に設けられている。これにより、複数のターン部が重なるコイルエンド部の外径を小さくすることができるので、固定子巻線の小型化が可能となる。

請求項１に記載の発明において、折れ曲がり量の異なるクランク部の折れ曲がり量は、ターン部同士の干渉を避けるために設けられるクランク部の折れ曲がり量よりも小さくされるのが好ましい。ここでクランク部の径方向への折れ曲がり量とは、クランク部の両端に位置する頂部の径方向への変位量のことをいう。また、請求項１に記載の発明において、折れ曲がり量の異なるクランク部が設けられる箇所の数は、固定子コアに設けられるスロットの数と、固定子巻線を構成する導線の本数により変化するため、適宜設定することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機の固定子において、前記固定子巻線は、所定の折れ曲がり量の第１クランク部を有する第一の導線と、前記第１クランク部よりも折れ曲がり量が小さい第２クランク部を有する第二の導線と、により構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、第１クランク部を有する第一の導線と第２クランク部またはストレート部を有する第二の導線とを用いることによって、外径が小さくされ小型化された固定子巻線を簡易に得ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転電機の固定子において、前記第二の導線は、ｍ個（ｍは自然数）の前記第１クランク部と、ｎ個（ｎは自然数）の前記第２クランク部とを一組としてなる複数のクランク部群が周方向に繰り返し配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、第１クランク部よりも折れ曲がり量の小さい第２クランク部が、固定子巻線の径方向外方へ突出する突出部の位置に配置されることによって、その突出部の突出量が低減される。また、固定子巻線において、帯状の導線集積体を渦巻き状に巻き付けて円筒状に成形する場合、折れ曲がり量の小さい第２クランク部のみを有する導線を用いると、第ｆ周から第ｆ＋１周に周移りする箇所に段差が形成され、その段差により径方向外方へ突出する突出部が形成される。請求項３に記載の発明における第二の導線は、その段差が形成される部分に、第２クランク部よりも折れ曲がり量の大きい第１クランク部が配置されるように構成されるので、第１クランク部により段差を減少させることができる。そのため、請求項３に記載の発明によれば、固定子巻線の外径を効果的に小さくし小型化することができる。

なお、請求項３に記載の発明において、一組のクランク部群は、固定子巻線の一周毎の単位に形成されているのが好ましい。また、第１クランク部の個数ｍと第２クランク部の個数ｎは、固定子コアに設けられるスロットの数と、固定子巻線を構成する導線の本数により変化するため、適宜設定することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の回転電機の固定子において、前記第二の導線は、一端側に配置されたｊ個（ｊは自然数）の前記第１クランク部と、他端側に配置されたｋ個（ｋは自然数）の前記第２クランク部とを有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、固定子巻線の最内周に、第１クランク部よりも折れ曲がり量が小さくされた第２クランク部が位置するように第二の導線を配置することによって、径方向内方へ突出する突出部の突出量を低減することができる。これにより、固定子コアの内周側に配設される回転子との干渉を回避することができる。なお、第１クランク部の個数ｊと第２クランク部の個数ｋは、固定子コアに設けられるスロットの数と、固定子巻線を構成する導線の本数により変化するため、適宜設定することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項２〜４に記載の回転電機の固定子において、前記固定子巻線は、ｈ本（ｈは自然数）の前記導線を所定の状態に積み重ねて帯状に形成した導線集積体を渦巻き状に巻き付けることにより円筒状に成形されており、積み重ね順番の２番目からｈ−１番目までの前記導線は前記第一の導線であることを特徴とする。

請求項５によれば、ｈ本の導線を所定の状態に積み重ねて帯状の導線集積体を形成する際に、積み重ね順番の２番目からｈ−１番目までの導線として第一の導線を用いることによって、外径が小さくされ小型化された固定子巻線を簡易に得ることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５に記載の回転電機の固定子において、前記ターン部は、前記固定子コアの端面に平行な段部を前記固定子コアの軸方向に複数有する階段形状に形成されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、ターン部が階段形状に形成されていることによって、固定子コアの端面から突出しているターン部（コイルエンド）の突出高さを低くすると共に、径方向幅を小さくすることができるので、固定子巻線を小型化することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６に記載の回転電機の固定子において、前記導線は、断面形状が矩形状の導体部と、該導体部の外周を覆う絶縁被膜部とからなることを特徴とする。

請求項７に記載の発明によれば、断面形状が矩形状の導体部を有する導線を用いることで、固定子コアのスロット内に配置される導線（スロット収容部）をより密な状態に配置することができるため、占積率の向上を図ることができる。また、ターン部もより密な状態に配置することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の固定子の平面図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の固定子の底面図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の固定子の斜視図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の固定子の外筒を外した状態の斜視図である。 本発明の実施形態に係る固定子巻線の平面図である。 本発明の実施形態に係る固定子巻線の底面図である。 本発明の実施形態に係る固定子巻線の斜視図である。 本発明の実施形態に係る導線集積体の正面図である。 本発明の実施形態に係る導線集積体の平面図である。 本発明の実施形態に係る導線集積体の最内周を拡大して示す説明図である。 本発明の実施形態に係る導線集積体の２周目を拡大して示す説明図である。 本発明の実施形態における導線５０Ａの一端部の正面図である。 本発明の実施形態における導線５０Ｂの一端部の正面図である。 本発明の実施形態における導線５０Ｃの一端部の正面図である。 本発明の実施形態における導線５０Ａの一部を拡大して示す図であって、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）はその正面図である。 本発明の実施形態に係る導線５０Ｂの一部を拡大して示す図であって、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）はその正面図である。 本発明の実施形態における導線５０Ｃの一部を拡大して示す図であって、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）はその正面図である。 本発明の実施形態における導線５０Ａの一部を拡大して示す図であって、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）はその正面図である。 本発明の実施形態において各スロット内に配置された導線の状態を示す説明図である。 比較例としてスロット内に配置された導線の状態を示す説明図である。 本発明の実施形態において導線のターン部に設けられたクランク部の配置状態を模式的に示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）比較例として導線のターン部に設けられたクランク部の配置状態を模式的に示す説明図である。 本発明の実施形態において用いられる導線の断面図である。 本発明の実施形態において用いられる固定子巻線の結線を示す説明図である。

以下、本発明に係る回転電機の固定子の実施形態について図１〜図２４を参照しつつ具体的に説明する。図１は本実施形態に係る回転電機の固定子の平面図である。図２はその固定子の底面図である。図３はその固定子の斜視図である。図４は外筒を外した状態の固定子の斜視図である。

本実施形態の固定子２０は、例えば車両の電動機及び発電機を兼ねる回転電機に使用されるものであって、内周側に回転子（図示せず）を回転自在に収容する。回転子は、永久磁石により周方向に交互に異なる磁極を固定子２０の内周側と向き合う外周側に複数形成している。固定子２０は、図１〜図４に示すように、固定子コア３０と、複数（本実施形態では１２本）の導線５０から形成される三相の固定子巻線４０と、を備えている。なお、固定子コア３０と固定子巻線４０との間には、絶縁紙を配してもよい。

固定子コア３０は、内周に複数のスロット３１が形成された円環状を呈している。複数のスロット３１は、その深さ方向が径方向と一致するように形成されている。固定子コア３０に形成されたスロット３１の数は、回転子の磁極数（８磁極）に対し、固定子巻線４０の一相あたり２個の割合で形成されている。本実施形態では、８×３×２＝４８より、スロット数は４８個とされている。なお、図１および図２には、４８個のスロット３１が形成された位置に対応してスロット番号１〜４８が付されている。

固定子コア３０は、所定数（本実施形態では２４個）の分割コアを周方向に連結して形成されている。この分割コアの外周には、外筒３７が嵌合されている。分割コアは、一つのスロット３１を区画するとともに、周方向で隣接する分割コアとの間で一つのスロット３１を区画する形状を呈している。固定子コア３０を構成する分割コアは、複数枚の電磁鋼板を積層させて形成されている。積層された電磁鋼板の間には、絶縁薄膜が配置されている。分割コアは、この電磁鋼板の積層体からだけでなく、従来公知の金属薄板および絶縁薄膜を用いて形成してもよい。

図５は本実施形態に係る固定子巻線の平面図であり、図６はその固定子巻線の底面図であり、図７は固定子巻線の斜視図である。図５〜図７に示す固定子巻線４０は、所定の波形形状に成形した１２本の導線５０を所定の状態に積み重ねて帯状に形成した導線集積体６０（図８〜図１１参照）を渦巻き状に巻き付けることにより円筒状に形成されている。なお、本実施形態では、導線集積体６０が６周巻き付けられている。

固定子巻線４０を構成する導線５０は、図２３（Ａ）に示すように、銅製の導体６７と、導体６７の外周を覆い導体６７を絶縁する内層６８ａ及び外層６８ｂからなる絶縁被膜６８とから形成されている。内層６８ａおよび外層６８ｂを合わせた絶縁被膜６８の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。このように、内層６８ａおよび外層６８ｂからなる絶縁被膜６８の厚みが厚いので、導線５０同士を絶縁するために導線５０同士の間に絶縁紙等を挟み込む必要がなくなっているが、導線５０同士の間あるいは固定子コア３０と固定子巻線４０との間に絶縁紙を配設してもよい。

外層６８ｂはナイロン等の絶縁材、内層６８ａは外層６８ｂよりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。これにより、回転電機１００に発生する熱により外層６８ｂは内層６８ａよりも早く軟化するので、同じスロット３１に設置されている導線５０同士が外層６８ｂ同士で熱接着する。その結果、同じスロット３１に設置されている複数の導線５０が一体化し導線５０同士が剛体化するので、スロット３１内の導線５０の機械的強度が向上する。また、過剰な振動が発生しても、内層６８ａと導線５０の接着箇所よりも内層６８ａと外層６８ｂとの接着箇所が先に剥離するので、内層６８ａと導線５０との接着を維持し絶縁を確保できる。

さらに、導線５０は、図２３（Ｂ）に示すように、内層６８ａおよび外層６８ｂからなる絶縁被膜６８の外周をエポキシ樹脂等からなる融着材６９で被覆してもよい。これにより、回転電機に発生する熱により融着材６９は絶縁被膜６８よりも早く溶融するので、同じスロット３１に設置されている複数の導線５０同士が融着材６９同士により熱接着する。その結果、同じスロット３１に設置されている複数の導線５０が一体化し導線５０同士が鋼体化することで、スロット３１の導線５０の機械的強度が向上する。なお、絶縁被膜６８には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）よりなる被膜を用いてもよい。

図８〜図１１に示す導線集積体６０は、図１２〜図１４に示すように３種類に大別される導線５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃにより形成されている。即ち、図８〜図１１に示す導線集積体６０において、導線５０Ａ（図１２）は丸１の導線に用いられ、導線５０Ｂ（図１３）は丸１２の導線に用いられ、導線５０Ｃ（図１４）は丸２〜丸１１の導線に用いられている。導線５０Ａ〜５０Ｃは、長手方向に沿って並列配置され固定子コア３０のスロット３１に設置されるスロット収容部５１と、スロット３１から突出して隣り合うスロット収容部５１の一端部同士および他端部同士をそれぞれ接続するターン部５２とを有する波形に形成されている。

導線集積体６０は、丸１〜丸１２の導線を長手方向に１スロットピッチずつずれせた状態で、丸１の導線に対して図８において手前側へ順番に積み重ねることにより形成されている。これにより、丸１と丸７、丸２と丸８、丸３と丸９、丸４と丸１０、丸５と丸１１、丸６と丸１２の導線のスロット収容部５１同士が重なり合った状態になっている。この重なり合ったスロット収容部５１同士が固定子コア３０の同一スロット３１に収容される。

導線５０Ａ〜５０Ｃのスロット収容部５１は、同一に形成されており、導線５０Ａ〜５０Ｃのターン部５２は、以下の点で同一に形成されている（図１５〜図１８参照）。即ち、ターン部５２の中央部には、固定子コア３０の端面から軸方向外方へ最も離れた部位となる頂部５３が、固定子コア３０の端面３２と平行に形成されている。

また、スロット３１から固定子コア３０の外に突出するターン部５２の突出箇所に、導線５０Ａ〜５０Ｃがまたがって設置されているスロット同士に向けて固定子コア３０の軸方向両側の端面に沿って段部５５が形成されている。これにより、スロット３１から突出している導線５０Ａ〜５０Ｃのターン部５２の突出箇所の間隔、言い換えればターン部５２が形成する三角形状部分の底辺の長さは、導線５０Ａ〜５０Ｃがまたがって設置されているスロット３１同士の間隔よりも狭くなっている。その結果、固定子コア３０の両端面から突出しているターン部５２の部分（以下、「コイルエンド」という）の高さ（軸方向長さ）が低くなる。

また、固定子コア３０の端面に沿った段部５５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。これにより、導線５０Ａ〜５０Ｃの段部５５が周方向に隣り合うスロットから突出する導線５０Ａ〜５０Ｃと干渉することを防止できる。これにより、周方向に隣接するスロット３１から突出する導線５０Ａ〜５０Ｃ同士が互いに干渉することを避けるために、コイルエンドの高さが高くなったり、あるいはコイルエンドの径方向の幅が大きくなったりすることを防止できる。その結果、コイルエンドの高さが低くなる。さらに、コイルエンドの径方向の幅が小さくなるので、固定子巻線４０が径方向外側に張り出すことを防止する。

さらに、導線５０Ａ〜５０Ｃには、ターン部５２の中央部の頂部５３と、ターン部５２の突出箇所に形成した段部５５との間に、それぞれ２個の段部５６が形成されている。つまり、固定子コア３０の一方の軸方向端面側の導線５０Ａ〜５０Ｃのターン部５２には、合計６個の段部５５、５６と１個の頂部５３が形成されている。これにより、段部を形成しない三角形状のターン部の高さに比べ、ターン部５２の高さが低くなる。段部５６の形状も、段部５５と同様に、固定子コア３０の端面に平行に形成されている。したがって、導線５０Ａ〜５０Ｃのターン部５２は、頂部５３を挟んで両側が階段状に形成されている。

次に、導線５０Ａ〜５０Ｃの異なる構成について説明する。導線集積体６０の丸１の導線に用いられる導線５０Ａは、図１２および図１５に示すように、ターン部５２の根元部に、スロット収容部５１の一端から固定子コア３０の径方向外方に向かって折れ曲がるクランク部５７が設けられている。この場合、クランク部５７は、導線５０Ａの１周目の範囲において、始端側（図１２の右側）から２番目までのスロット収容部５１が位置する所には設けられておらず、３番目から８番目までのスロット収容部５１が位置する所に設けられている。そして、導線５０Ａの２周目以降の範囲においても、１周目のクランク部５７の配置パターンと同様に、クランク部５７が繰り返し設けられている。

クランク部５７の径方向外方への折れ曲がり量は、固定子コア３０の径方向における１本の導線５０Ａの幅寸法と略同じである。このクランク部５７は、導線５０Ａの軸線方向中央部に位置する直線状部５７ａと、直線状部５７ａと連続して軸線方向両端に位置する曲げＲ部５７ｂとからなる（図２１参照）。直線状部５７ａは、導線５０Ａの延伸方向に垂直な方向の幅寸法が他の部分（スロット収容５１、ターン部５２）よりも所定量小さくされている。

導線５０Ａ（図１２）に設けられたクランク部５７は、導線集積体６０の丸２〜丸５、丸７〜丸１１の導線に用いられる導線５０Ｃ（図１４）にも同様に設けられている（図１４、図１７参照）。即ち、丸２〜丸５、丸７〜丸１１の導線にも、ターン部５２の根元部に、スロット収容部５１の一端から固定子コア３０の径方向外方に向かって折れ曲がるクランク部５７が設けられている。この場合、クランク部５７の折れ曲がり量は、固定子コア３の同一スロット３１に配置される、丸１と丸７、丸２と丸８、丸３と丸９、丸４と丸１０、丸５と丸１１の導線同士が同じにされている。

そして、丸１〜丸５、丸７〜丸１１の導線のターン部５２の根元部に設けられたクランク部５７の折れ曲がり量は、丸１（丸７）側から丸５（丸１１）側に向かって徐々に小さくなるように変化している。なお、丸７〜丸１１の導線の最内周（１周目）の第１層においては、ターン部５２の始端側の根元部に設けられたクランク部５７ｂの折れ曲がり量が零（ストレート）で一定にされている。また、同一のスロット３１に配置される丸６の導線５０Ｃと丸１２の導線５０Ｂには、クランク部５７は設けられていない。

したがって、上記の丸１〜丸１２の導線５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃにより形成された導線集積体６０の最内周（１周目）の第１層には、図１０に示すように、丸７〜丸１２の導線のターン部５２の終端側（図１０の左側）の根元部に設けられた、折れ曲がり量が徐々に変化するクランク部５７により第１のクランク部群５８が形成されている。この場合、折れ曲がり量は、丸７側から丸１２側に向かって徐々に小さくなるように変化している。なお、丸１２の導線は、クランク部５７が設けられていないが、その折れ曲がりのないストレート部は、丸１１の導線５０に設けられるクランク部５７の折れ曲がり量より小さいとみなすことができるので、第１のクランク部群５８に含められている（以下、同じ）。また、第１のクランク部群５８の始端側には、丸７〜丸１２の導線のターン部５２の始端側（図１０の右側）の根元部に設けられた、折れ曲がり量が一定（この場合は零）のクランク部５７ｂにより第２のクランク部群５９が形成されている。

そして、導線集積体６０の２周目には、図１１に示すように、丸７〜丸１２の導線のターン部５２の終端側（図１１の左側）の根元部に設けられた、折れ曲がり量が徐々に変化するクランク部５７により第１のクランク部群５８が形成されている。また、第１のクランク部群５８の始端側に連続して、丸７〜丸１２の導線のターン部５２の始端側（図１１の右側）の根元部に設けられた、折れ曲がり量が徐々に変化するクランク部５７により第１のクランク部群５８が形成されている。これら２つの第１のクランク部群５８は、丸７側から丸１２側に向かって折れ曲がり量が徐々に小さくなるように変化している。これら２つの第１のクランク部群５８は、導線集積体６０が６周巻き付けられることに対応して、２周目以降に繰り返し配置されている。

なお、第１のクランク部群５８および第２のクランク部群５９におけるクランク部５７の折れ曲がり量は、導線集積体６０を渦巻き状に巻き付けることにより円筒状に形成される固定子巻線４０の内周面および外周面に発生する径方向の凹凸部の位置、或いはそれらの径方向への凹み量や突出量などを考慮して適宜設定することができる。

上記のようにクランク部５７が設けられた導線５０Ａ、５０Ｃおよび導線５０Ｂを用いて円筒状に形成された固定子巻線４０は、固定子コア３０に対して、クランク部５７の折れ曲がり量が同じ導線５０のスロット収容部５１同士が、固定子コア３０の同一スロット３１に交互に配置された状態に組み付けられる（図１９参照）。この場合、導線５０Ａ、５０Ｃに固定子コア３０の径方向外方に向かって折れ曲がるクランク部５７が設けられていることにより、固定子巻線４０のスロット収容部５１における内周面および外周面から径方向内方および外方へそれぞれ突出する部分の突出量が低減され、内周面および外周に発生する径方向の凹凸が周方向において均一化されている。

そのため、固定子コア３０の各スロット３１内に配置されるべきスロット収容部５１は、スロット３１から一部がはみ出したり、スロット３１の底面との間に隙間が形成されたりすることなく、確実にスロット３１内に配置される。これにより、スロット３１内での導線５０の占積率が向上し、性能の低下が回避される。また、クランク部５７は、固定子コア３０の径方向外方に向かって折れ曲げられているので、クランク部５７やターン部５２が固定子コア３０の内周側に配設される回転子と干渉する恐れもない。

なお、図２０に示すように、上記のクランク部５７が設けられていない場合には、スロット３１内に収容されるべき導線５０のスロット収容部５１の一部がスロット３１からはみ出すと共に、スロット３１の底面との間に大きな隙間Ｓが形成された状態となる。よって、スロット３１内での導線５０の占積率が低下してしまい、性能の低下を招く。また、スロット３１から内周側にはみ出した導線５０（スロット収容部５１）が回転子と干渉する恐れも発生する。

また、導線５０Ａ、５０Ｃに設けられたクランク部５７は、導線の延伸方向に垂直な向の幅寸法（であって導線同士が重なり合う方向、以下同じ）ｄが他の部分Ｄよりも所定量小さくされている。そのため、固定子コア３の同一スロット３１に配置される例えば丸１と丸７の導線５０は、図２１に示すように、各ターン部５２に設けられたクランク部５７の曲げ開始位置が固定子コア３０の端面３２から等距離離れた位置に揃えられている。これにより、固定子コア３０の端面３２から突出しているターン部５２の突出高さＨを低くすることができる。

なお、図２２（Ａ）に示すように、クランク部５７の導線の延伸方向に垂直な方向の幅寸法ｄが他の部分の幅寸法Ｄと同じにされていると、隣り合うクランク部５７同士が干渉して突出高さＨ方向にずれるため、固定子コア３０の端面３２から突出しているターン部５２の突出高さＨが高くなる。この場合、各ターン部５２に設けられたクランク部５７の曲げ開始位置を、固定子コア３０の端面３２から等距離離れた位置に揃えることによって、ターン部５２の突出高さＨを低くすることも可能である。しかし、クランク部５７の曲げ開始位置を無理に揃えると、図２２（Ｂ）に示すように、隣り合うクランク部５７同士が干渉して径方向にずれるため、固定子巻線４０の径方向幅Ｗが増大する。したがって、上記のように、クランク部５７の導線の延伸方向に垂直な方向の幅寸法ｄを他の部分の幅寸法Ｄよりも所定量小さくすることによって、固定子巻線４０の径方向幅Ｗを増大させることなく、ターン部５２の突出高さＨを低くすることができる。

次に、本実施形態において、導線５０Ａ〜５０Ｃの更に異なる構成について説明する。第一の導線として丸２〜丸１１に用いられる導線５０Ｃ（図１４）には、図１７に示すように、ターン部５２の頂部５３の中央に、固定子コア３０の径方向に折れ曲がるねじりを伴わないクランク部５４ａが設けられている。このクランク部５４ａは、固定子コア３０の端面３２に平行となるように形成されており、導線５０Ｃの全ての頂部５３に設けられている。各クランク部５４ａの径方向への折れ曲がり量は、導線５０Ｃの略幅分に統一されている。これにより、固定子巻線４０において径方向に隣接している導線５０のターン部５２同士を密に巻回できる。その結果、コイルエンドの径方向の幅が小さくなるので、固定子巻線４０が径方向外側に張り出すことを防止する。なお、ターン部５２の頂部５３に設けられるクランク部５４ａの径方向への折れ曲がり量とは、クランク部５４ａの両側に位置する頂部５３の周方向両端の径方向への変位量のことをいう（以下、ターン部５２の頂部５３に設けられるクランク部については同じ。）。

また、第二の導線（請求項３）として丸１に用いられる導線５０Ａ（図１２）には、所定の折れ曲がり量で形成された２個の第１クランク部５４ｂと、第１クランク部５４ｂよりも折れ曲がり量の小さい６個の第２クランク部５４ｃとを一組としてなる複数（本実施形態では６組）のクランク部群が繰り返し配置されている。本実施形態では、導線５０Ａの始端（図１２の右端）から２番目までの２個のターン部５２にそれぞれ第１クランク部５４ｂが設けられ、導線５０Ａの始端側の３〜８番目までの６個のターン部５２にそれぞれ第１クランク部５４ｂが設けられており、合計８個のクランク部５４ｂ、５４ｃを一組としたクランク部群が周方向に繰り返し配置されている。

このクランク部群は、導線集積体６０が６周巻き付けられることに対応して、６組のクランク部群が始端側から順に繰り返し配置されている。第１クランク部５４ｂの折れ曲がり量は、導線５０Ｃのクランク部５４ａと同じであり、導線５０Ａの略幅分に統一されている。また、本実施形態では、第２クランク部５４ｃは、折れ曲がりのないストレート部とされている
また、第二の導線（請求項４）として丸１２に用いられる導線５０Ｂ（図１３）は、所定の折れ曲がり量で形成された４２個の第１クランク部５４ｄと、第１クランク部５４ｄよりも折れ曲がり量の小さい６個の第２クランク部５４ｅとを有する。第２クランク部５４ｅは、導線５０Ｂの始端（図１３の右端）から６番目までのターン部５２にそれぞれ設けられ、導線５０Ｂの始端から７番目以降の全ターン部５２にそれぞれ第１クランク部５４ｄが設けられている。第１クランク部５４ｄの折れ曲がり量は、導線５０Ｃのクランク部５４ａと同じであり、導線５０Ｂの略幅分に統一されている。また、第２クランク部５４ｅ量は、第２クランク部５４ｃと同様に、折れ曲がりのないストレート部とされている（図１８参照）。

なお、第２クランク部５４ｃ、５４ｅは、折れ曲がり量が零ではなく、第１クランク部５４ａ、５４ｂ、５４ｄの折れ曲がり量よりも小さい範囲で適宜設定するようにしてもよい。

以上のように、ターン部５２の頂部５３に設けられた第１および第２クランク部５４ａ〜５４ｅの折れ曲がり量、およびクランク部５４ａ〜５４ｅの配置の仕方において異なる３種類の導線５０Ａ〜５０Ｃにより形成される円筒状の固定子巻線４０は、第１クランク部５４ａ、５４ｂ、５４ｄに対して折れ曲がり量の異なる第２クランク部５４ｃ、５４ｅ（折れ曲がり量が零のストレート部）が周方向の複数箇所に設けられている。即ち、導線５０Ａおよび導線５０Ｂの頂部５３に設けられた折れ曲がり量が零の第２クランク部５４ｃ、５４ｅは、図１、図２、図５および図６に示すように、周方向の３箇所に配置されている。

この場合、第２クランク部５４ｃ（図中の斜線部）は、表面側（図１、図５）においてスロット番号２１〜２３、３３〜３５、４５〜４７の３箇所にそれぞれ６層ずつ配置され、裏面側（図２、図６）においてスロット番号１５〜１７、２７〜２９、３９〜４１の３箇所にそれぞれ５層ずつ配置されている。これにより、第２クランク部５４ｃが配置されている箇所に形成される径方向外方へ突出する突出部の突出量が第２クランク部５４ｃによって低減されると共に、第１クランク部５４ｂが配置されている周移り箇所に形成される段差が第１クランク部５４ｂによって低減されるので、固定子巻線４０の外径を効果的に小さくすることができる。

また、第２クランク部５４ｅ（図中の斜線部）は、表面側（図１、図３）においてスロット番号２０〜２２、３２〜３４、４４〜４６の３箇所の最内周にそれぞれ１層ずつ配置され、裏面側（図２、図４）においてスロット番号１４〜１６、２６〜２８、３８〜４０の３箇所の最内周にそれぞれ１層ずつ配置されている。これにより、第２クランク部５４ｅが配置されている箇所の径方向内方への突出量が第２クランク部５４ｅによって低減され、内周側に配設される回転子との干渉を回避することができる。

上記のように構成される固定子巻線４０は、図８〜図１１に示す帯状の導線集積体６０を渦巻き状に６周巻き付けることにより円筒状に形成されている。固定子巻線４０は、図２４に示すように、それぞれが２本の三相巻線（Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２）により形成されている。固定子巻線４０を構成する導線５０は、固定子コア３０の内周側で周方向に沿って波巻きされた形状で成形されている。導線５０のスロット収容部５１は、所定のスロット数（本実施形態では、３相×２個＝６個）ごとのスロット３１に収容され、ターン部５２は、固定子コア３０の軸方向の両端面からそれぞれ突出している。この固定子コア３０の軸方向の両端面から突出しているターン部５２により、固定子巻線４０のコイルエンドが形成される。

固定子巻線４０は、複数の導線５０を、一方の端部がスロット５１の最外周側で固定子コア３０の軸方向の端面から突出した状態で、周方向に沿って波状に巻装した状態で形成されている。複数の導線５０の他方の端部は、スロット３１の最内周側で固定子コア３０の軸方向の端面から一方の端部と同一方向に突出している。そして、同一のスロット３１には、２本の導線５０が巻装されている。同一のスロット３１に収容される二つのスロット収容部３１は、そのスロット３１の深さ方向での位置が交互に位置するように設置されている。

以上のように、本実施形態の回転電機の固定子によれば、ターン部５２の頂部５３に、固定子コア３０の径方向に折れ曲がる第１および第２クランク部５４ａ〜５４ｅを有し、第２クランク部５４ｃ、５４ｅ（折れ曲がりのないストレート部）が周方向の３箇所に設けられているので、固定子巻線４０の外径を小さくし小型化することができる。

また、固定子巻線４０は、所定の折れ曲がり量の第１クランク部５４ａを有する第一の導線と、第１クランク部５４ｂ、５４ｄおよび第２クランク部５４ｃ、５４ｅ（折れ曲がりのないストレート部）を有する第二の導線とにより構成されているので、外径が小さくされ小型化された固定子巻線４０を簡易に得ることができる。

また、第二の導線として用いられる丸１の導線５０Ａは、所定の折れ曲がり量で形成された２個の第１クランク部５４ｂと、第１クランク部５４ｂよりも折れ曲がり量の小さい６個の第２クランク部５４ｃ（折れ曲がりのないストレート部）とを一組としてなる６組のクランク部群が繰り返し配置されている。これにより、第２クランク部５４ｃが配置されている箇所に形成される径方向外方へ突出する突出部の突出量が第２クランク部５４ｃによって低減されると共に、第１クランク部５４ｂが配置されている周移り箇所に形成される段差が第１クランク部５４ｂによって低減されるので、固定子巻線４０の外径を効果的に小さくすることができる。

また、第二の導線として用いられる丸１２の導線５０Ｂは、固定子巻線４０の最内周に、第１クランク部５４ｄよりも折れ曲がり量が小さくされた第２クランク部５４ｅ（折れ曲がりのないストレート部）が位置するように配置されているので、径方向内方へ突出する突出部の突出量を低減することができる。これにより、固定子コア３０の内周側に配設される回転子との干渉を回避することができる。

また、第一の導線として用いられる丸２〜丸１１の導線５０Ｃは、１２本の導線５０を所定の状態に積み重ねて帯状の導線集積体６０を形成する際に、積み重ね順番の２番目から１１番目までの導線として用いられているので、外径が小さくされ小型化された固定子巻線４０を簡易に得ることができる。

また、ターン部５２は、階段形状に形成されていることによって、固定子コア３０の端面から突出しているターン部５２（コイルエンド）の突出高さＨを低くすると共に、径方向幅を小さくすることができるので、固定子巻線４０を小型化することができる。

そして、本実施形態では、断面形状が矩形状の導体部６７を有する導線５０を採用していることから、固定子コア３０のスロット３１内に配置される導線５０のスロット収容部５１をより密な状態に配置することができるため、占積率の向上を図ることができる。また、ターン部５２もより密な状態に配置することができる。

２０…固定子 ３０…固定子コア ３１…スロット ３２…端面 ４０…固定子巻線 ５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ…導 ５１…スロット収容部 ５２…ターン部線 ５３…頂部 ５４ａ、５４ｂ、５４ｄ…第１クランク部 ５４ｃ、５４ｅ…第１クランク部 ５５、５６…段部 ６０…導線集積体 ６７…導体 ６８…絶縁皮膜

Claims (8)

1. 周方向に複数のスロットを有する円環状の固定子コアと、周方向の異なる前記スロットに収容されるスロット収容部と前記スロットの外部で前記スロット収容部同士を接続しているターン部とを有する複数の導線を前記固定子コアに波巻きしてなる固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子において、
   前記ターン部は、前記固定子コアから最も離れた位置にある頂部に、前記固定子コアの径方向に折れ曲がるクランク部を有するとともに、前記スロット収容部と接続される根元部に前記クランク部よりも折れ曲がり量が小さい小クランク部が周方向の複数箇所に設けられていることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記固定子巻線は、所定の折れ曲がり量の第１クランク部を有する第一の導線と、前記第１クランク部よりも折れ曲がり量が小さい第２クランク部を有する第二の導線と、により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 前記第二の導線は、ｍ個（ｍは自然数）の前記第１クランク部と、ｎ個（ｎは自然数）の前記第２クランク部とを一組としてなる複数のクランク部群が周方向に繰り返し配置されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記第二の導線は、一端側に配置されたｊ個（ｊは自然数）の前記第１クランク部と、他端側に配置されたｋ個（ｋは自然数）の前記第２クランク部とを有することを特徴とする請求項２に記載の回転電機の固定子。
5. 前記固定子巻線は、ｈ本（ｈは自然数）の前記導線を所定の状態に積み重ねて帯状に形成した導線集積体を渦巻き状に巻き付けることにより円筒状に成形されており、積み重ね順番の２番目からｈ−１番目までの前記導線は前記第一の導線であることを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の回転電機の固定子。
6. 前記ターン部は、前記固定子コアの端面に平行な段部を前記固定子コアの軸方向に複数有する階段形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の回転電機の固定子。
7. 前記導線は、断面形状が矩形状の導体部と、該導体部の外周を覆う絶縁被膜部とからなることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の回転電機の固定子。
8. 前記固定子巻線は、前記固定子コアから最も離れた位置にある頂部に設けられたクランク部および前記スロット収容部と接続される根元部に設けられたクランク部を有する第一の導線と、前記固定子コアから最も離れた位置にある頂部に設けられたクランク部を有する第二の導線と、により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
   

Images