JP5855318B2 - 固定子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子に関する。

回転電機のスロットの形状を同一に保ったまま回転電機を高効率化させる手法として、スロットに挿入される多重巻亀甲形巻線の断面積を増加させる方法がある。このとき、多重巻亀甲形巻線の断面積を増加させるには、巻線に使用される電線径を上げる方法、多重巻亀甲形巻線の巻数（ターン数）を増加させる方法、若しくは、素線数を増加させる方法が用いられる。小容量機においては、製作の容易性から複数の丸線よりなる多重巻亀甲形巻線が主に採用されている。

特許文献１には、各相の多重巻亀甲形巻線を等しい本数の素線よりなる複数の組に分け、その組毎にスロットの奥側からの挿入位置を順次変更することにより、組ごとの多重巻亀甲形巻線の接続線の上下の位置が交換されることが記載されている。これにより、特許文献１によれば、多重巻亀甲形巻線間の接続線に転位が施されるので、多重巻亀甲形巻線において渦電流損失や循環電流が少なくなるとされている。

特開平６−２８４６１４号公報

特許文献１に記載の技術では、各相の多重巻亀甲形巻線を予め複数組に分けて作成する必要があるので、接続線（渡り線）の転位を行うための準備の作業が煩雑である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、渡り線の転位を行うための準備の負担を軽減できる回転電機の固定子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる回転電機の固定子は、複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記複数のスロットに挿入されて巻回される固定子巻線と、を備え、前記固定子巻線は、複数の多重巻亀甲形巻線からなり、前記複数の多重巻亀甲形巻線が前記複数のスロットに挿入された後に渡り線が部分的に切断されて渡り線が切断前と異なるパターンで再接続されることにより渡り線の転位が行われ、隣接する前記多重巻亀甲形巻線間でスロット開口側とスロット奥側とに挿入された前記多重巻亀甲形巻線を交差させるものであって、第１の渡り線群で接続された状態で前記複数のスロットに挿入された複数の多重巻亀甲形巻線と、前記複数の多重巻亀甲形巻線が前記複数のスロットに挿入された状態で前記第１の渡り線群が部分的に切断された後に前記第１の渡り線群と異なるパターンで前記複数の多重巻亀甲形巻線を再接続させるように構成された第２の渡り線群と、を有し、前記第２の渡り線群は、同一スロットに挿入された２つの多重巻亀甲形巻線が並列に接続されるように、前記複数の多重巻亀甲形巻線を再接続させることを特徴とする回転電機の固定子。

本発明によれば、固定子巻線は、複数の巻線が複数のスロットに挿入された後に渡り線が部分的に切断されて渡り線が切断前と異なるパターンで再接続されることにより渡り線の転位が行われて構成されている。これにより、予め多重巻亀甲形巻線を複数組に分けて製作する作業を省略することができるので、渡り線の転位を行うための準備の負担を軽減できる。

図１は、実施の形態にかかる回転電機の固定子の構成を示す図である。 図２は、実施の形態によって１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線の素線数を示す図である。 図３は、図３は、実施の形態によって製作される４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線の概略図である。 図４は、実施の形態によって製作される４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線の切断・再接続を解説するための図である。 図５は、実施の形態によって製作される４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線が固定子鉄心に挿入された状態を示す概略図である。 図６は、実施の形態によって製作される４８スロット４極機における等価回路図である。 図７は、実施の形態において製作された多重巻亀甲形巻線のスロット挿入時の結線状態、再接続後の結線状態、及びスロット深さと漏れ磁束の関係をそれぞれ示す図である。 図８は、基本の形態にかかる固定子を用いた回転電機の構成を示す図である。 図９は、基本の形態にかかる回転電機の固定子の構成を示す図である。 図１０は、基本の形態によって１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線の素線数を示す図である。 図１１は、基本の形態によって製作される４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線の概略図である。 図１２は、基本の形態によって製作される４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線が固定子鉄心に挿入された状態を示す概略図である。 図１３は、基本の形態によって製作される４８スロット４極機における等価回路図である。

以下に、本発明にかかる回転電機の固定子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
実施の形態にかかる回転電機５０の固定子３０ｉについて説明する前に、基本の形態にかかる回転電機５０の固定子３０について説明する。

固定子３０は、固定子３０に対して回転子４０が回転するような回転電機５０に用いられる。回転電機５０は、例えば、図８に示すような三相誘導電動機である。図８は、基本の形態にかかる固定子３０を用いた回転電機５０の構成を示す図である。

回転電機５０は、フレーム１、固定子３０、ブラケット５、回転子４０、外扇ファン８、及び外扇カバー９を備える。固定子３０は、固定子鉄心２及び固定子巻線４を有する。回転子４０は、回転子鉄心３、エンドリングファン１０、ベアリング６、及びシャフト７を有する。

フレーム１は、例えば略円筒形状を有し、固定子３０、ブラケット５、回転子４０、外扇ファン８、及び外扇カバー９を収容する。フレーム１には、その表面に冷却フィンが設けられている。

固定子３０は、フレーム１に固定されている。固定子３０は、回転子４０に離間しながら、回転子４０を収容するように構成されている。固定子３０では、固定子巻線４が、固定子鉄心２に挿入されている。固定子鉄心２は、シャフト７と同心になるように構成されており、例えば、シャフト７に沿った軸を有する略円筒形状を有している。固定子鉄心２は、例えば、積層された電磁鋼板等により形成されている。

ブラケット５は、フレーム１の端板を成すように構成されている。ブラケット５は、回転子４０のシャフト７により貫通されている。

回転子４０は、固定子３０に対して回転可能に構成されている。回転子鉄心３は、シャフト７に取り付けられている。回転子鉄心３は、例えばかご形で構成され、２つのエンドリング部、及び複数の導体バー（複数のローターバー）を有する。エンドリングファン１０は、２つのエンドリング部に取り付けられており、回転子鉄心３とともに回転可能に構成されている。ベアリング６は、シャフト７をブラケット５に対して回転可能に軸支する転がり軸受である。シャフト７は、回転負荷に連結されており、回転軸ＲＡ周りの回転動力を回転負荷に伝達する。例えば、シャフト７は、外扇ファン８に連結されており、回転軸ＲＡ周りの回転動力を外扇ファン８に伝達する。

外扇ファン８は、回転することにより、外部の空気を吸引してフレーム１側に導き、フレーム１の表面とフレーム１に付随する冷却フィンとを冷却させる。

外扇カバー９は、外扇ファン８を覆うように設けられ、外扇ファン８を外部の衝撃等から保護する。

次に、回転電機５０の固定子３０の構成について図９を用いて説明する。図９は、基本の形態にかかる回転電機５０の固定子３０の構成を示す図である。

固定子３０は、上記のように、固定子鉄心２及び固定子巻線４を有する。固定子鉄心２は、固定子鉄心本体２１、複数のティース１２、及び複数のスロット１１を有する。

複数のティース１２は、固定子鉄心本体２１から回転軸ＲＡに向けて放射方向に沿って延びている。複数のティース１２は、根元側端部が固定子鉄心本体２１にリング状に連結されている。隣接するティース１２間には、それぞれ、スロット１１が形成されている。例えば、図９には、固定子鉄心本体２１に沿ったスロット番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４８で示す位置に、それぞれスロット１１が配されている。以下では、Ｕ相に関連した構成を中心に説明するが、他の相（Ｖ相、Ｗ相）についても同様である。

固定子巻線４は、複数のスロット１１に挿入されて、複数のティース１２に巻回されている。固定子巻線４は、複数の多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｄ、及び渡り線群１７を有する。各多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｄは、スロット１１に挿入されている。渡り線群１７は、複数の多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｃを互いに接続する。渡り線群１７は、複数の渡り線１７ａ〜１７ｃを有する。

例えば、渡り線１７ａは、多重巻亀甲形巻線１４ａ及び多重巻亀甲形巻線１４ｂを接続する。例えば、渡り線１７ｂは、多重巻亀甲形巻線１４ｂ及び多重巻亀甲形巻線１４ｃを接続する。例えば、渡り線１７ｃは、多重巻亀甲形巻線１４ｃ及び多重巻亀甲形巻線１４ｄを接続する。

より具体的には、各多重巻亀甲形巻線１４を、図１０に示すように複数本の素線１３で構成する。例えば、図１１に示すように、複数の多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｄが渡り線群１７で接続されるように固定子巻線４を構成する。そして、図１２に示すように、固定子巻線４を複数のスロット１１に挿入する。これにより、図９に示す回転電機５０の固定子３０が得られる。

図１０は、基本の形態によって１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線１４の素線数を示す図である。例えば、図１０では、１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線１４の素線数が４本である場合について例示されている。

図１１は、基本の形態によって製作される回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０における４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｄの概略図である。図１２は、基本の形態によって製作される回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０における４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｄが固定子鉄心２に挿入された状態を示す概略図である。図９は、基本の形態によって製作される回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０における４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｄが固定子鉄心２に挿入された状態を、回転軸ＲＡに沿った方向から示している。

図１１及び図１２に示された矢印は、巻線の巻き回されている方向を示している。なお、図１２、図９の図中に示す数字はスロット１１を時計まわりの順に番号付けしたものである。この番号は図１２、図９いずれにおいても共通である。

図１１に示す多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｄは、図１２のようにスロット１１へ挿入される。例えば、スロット番号Ｎｏ．１のスロット１１とスロット番号Ｎｏ．１２のスロット１１とには、同一の多重巻亀甲形巻線１４ａが挿入されており、スロット番号Ｎｏ．２のスロット１１とスロット番号Ｎｏ．１１のスロット１１とには、多重巻亀甲形巻線１４ｂが挿入されている。例えば、スロット番号Ｎｏ．２４のスロット１１とスロット番号Ｎｏ．１３のスロット１１とには、同一の多重巻亀甲形巻線１４ｃが挿入されており、スロット番号Ｎｏ．２３のスロット１１とスロット番号Ｎｏ．１４のスロット１１とには、多重巻亀甲形巻線１４ｄが挿入されている。

基本の形態で製作した場合における固定子巻線４の等価回路図は、例えば、図１３に示すようになる。図１３は、基本の形態によって製作される回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０における４８スロット４極機における等価回路図である。

図１３では、複数の多重巻亀甲形巻線１４ａ〜１４ｄ及び複数の渡り線１７ａ〜１７ｃに対応した構成を便宜的にＵ相の多重巻亀甲形巻線１４として示している。Ｕ相の多重巻亀甲形巻線１４は、その一端が給電端子１５に接続され、その他端が中性点端子１６に接続されている（図１１、図１２、図９参照）。

基本の形態では、回転電機５０の高効率化を行うためには、多重巻亀甲形巻線の断面積を増加させることが考えられる。多重巻亀甲形巻線の断面積を増加させる方法としては、１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線の素線数を増加させることが考えられる。

このとき、仮に、各相の多重巻亀甲形巻線を等しい本数の素線よりなる複数の組に分け、その組毎にスロットの奥側からの挿入位置を順次変更して、渡り線の転位を行うことで、１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線の素線数を増加させる場合について考える。各相の多重巻亀甲形巻線を予め複数組に分けて作成する必要があるので、接続線（渡り線）の転位を行うための準備の作業が煩雑である。例えば、各相の多重巻亀甲形巻線を予め複数組に分けて作成する作業を、人手で行うか、あるいは、専用の巻線設備を用意して、複雑な操作を行う必要がある。

そこで、本実施の形態では、以下の工夫を行うことで、渡り線の転位を行うための準備の負担を軽減させることを目指す。以下では、基本の形態と異なる部分を中心に説明する。

具体的には、回転電機５０の固定子３０ｉを図１に示すように構成する。図１は、実施の形態にかかる回転電機５０の固定子３０ｉの構成を示す図である。

固定子巻線４ｉは、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈが複数のスロット１１に挿入された後に渡り線１９ａ〜１９ｇが部分的に切断されて渡り線２０ａ〜２０ｅが切断前と異なるパターンで再接続されることにより渡り線の転位が行われて構成されている。

例えば、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈは、第１の渡り線群１９で接続された状態で複数のスロット１１に挿入されている（図１参照）。第２の渡り線群２０は、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈが複数のスロット１１に挿入された状態で第１の渡り線群１９が部分的に切断された後に第１の渡り線群１９と異なるパターンで複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈを再接続させるように構成されている。第１の渡り線群１９は、複数の渡り線１９ａ〜１９ｇを有する（図３参照）。第２の渡り線群２０は、複数の渡り線２０ａ〜２０ｅを有する（図４参照）。

より具体的には、各多重巻亀甲形巻線１８を、図２に示すように複数本の素線１３で構成する。例えば、図３に示すように、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈが第１の渡り線群１９で接続されるように固定子巻線４ｉを構成する。そして、固定子巻線４ｉを複数のスロット１１に挿入し、図４に示すように、第１の渡り線群１９を部分的に切断し、その後、第２の渡り線群２０により、第１の渡り線群１９と異なるパターンで複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈを再接続させる。このとき、第２の渡り線群２０は、同一スロット１１に挿入された２つの多重巻亀甲形巻線が並列に接続されるように、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈを再接続させる。これにより、図５、図１に示す回転電機５０の固定子３０ｉが得られる。

図２は、実施の形態によって１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線１８の素線数を示す図である。例えば、図２では、１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線１８の素線数が８本である場合について例示されている。例えば、各多重巻亀甲形巻線１８の素線数が基本の形態と同様であっても（図１０参照）、１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線１８の数を例えば２倍にすることができるので、１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線１８の素線数を２倍にすることができる。

これにより、図２に示すように、素線１３を複数本まとめて製作される多重巻亀甲形巻線を既存の巻線設備そのままに２倍の素線数の多重巻亀甲形巻線と同等の電気特性をもつ固定子鉄心を製作することができる。

図３は、実施の形態によって製作される回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０ｉにおける４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈの概略図である。図４は、基本の形態によって製作される回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０ｉにおける４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈが固定子鉄心２に挿入されたまま切断・再接続される様子を示す概略図である。図５は、切断・再接続後における、回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０ｉにおける４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈの概略図である。図１は、切断・再接続後における、回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０ｉにおける４８スロット４極機の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈが固定子鉄心２に挿入された状態を、回転軸ＲＡに沿った方向から示している。

本実施の形態では、多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈ間をつないでいる渡り線１９ａ、１９ｃ、１９ｅ、１９ｇをスロット１１へ挿入後に切断・再接続するため通常より長めにすることが好ましい。

図３に示すように製作した、多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈはスロット１１へ挿入する。このとき、基本の形態では、１スロットに対して１つの多重巻亀甲形巻線１４を挿入しているが、本実施の形態においては、１つのスロットに対して例えば２つの多重巻亀甲形巻線１８を挿入する。

スロット１１に挿入された多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈは、図４のように、渡り線１９ａ、１９ｃ、１９ｅ、１９ｇを切断する。切断した多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈについては、同一スロット１１に挿入された２つの多重巻亀甲形巻線が並列に接続されるように渡り線２０ａ〜２０ｅで再接続する。

実施の形態で製作した場合における固定子巻線４ｉの等価回路図は、例えば、図６に示すようになる。図６は、実施の形態によって製作される回転電機（例えば、三相誘導電動機）５０の固定子３０ｉにおける４８スロット４極機における等価回路図である。

図６では、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈ及び複数の渡り線１９ｂ，１９ｄ，１９ｆ，２０ａ〜２０ｅに対応した構成を便宜的にＵ相の２つの多重巻亀甲形巻線１８として示している。例えば、図６に破線で囲って示すように、Ｕ相の２つの多重巻亀甲形巻線１８が給電端子１５及び中性点端子１６の間で並列接続されている。これにより、１スロット当りに挿入される多重巻亀甲形巻線の素線数を増加させることができ、多重巻亀甲形巻線の等価的な断面積を増加させることができるので、回転電機５０の高効率化を行うことができる。

なお、上記の再接続には、隣接する多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈ間でスロット開口側とスロット奥側とに挿入された多重巻亀甲形巻線を交差させ多重巻亀甲形巻線に流れるコイルの漏れ磁束、ついては漏れリアクタンスを均等にする目的がある。

例えば、スロット開口側とスロット奥側とに挿入された２つの多重巻亀甲形巻線１８を比較すると、図７（ｂ）に示すように、スロット開口側の多重巻亀甲形巻線１８の漏れ磁束の方がスロット奥側の多重巻亀甲形巻線１８の漏れ磁束よりも大きい傾向にある。図７（ｂ）は、スロット深さと漏れ磁束との関係を示す図である。

それに対して、図７（ａ）の左図に示すスロット１１挿入時の結線状態から、渡り線を切断・再接続させることで、図７（ａ）の右図に示す結線状態へ転位させる。これにより、１つのスロット１１内でスロット開口側及びスロット奥側の一方に配置される２つの多重巻亀甲形巻線１８がそれぞれ別のスロット１１内でスロット開口側及びスロット奥側の他方に配置されることになるので、２つの多重巻亀甲形巻線１８の漏れ磁束を互いに均等にすることができる。

なお、本発明によるコイル間の結線接続方法は接続部に発熱等の問題が生じない限り接続方法を限定しない。（カシメ接続や溶接での接続でも良い。）

本実施の形態によれば、多重巻亀甲形巻線間の渡り線をスロット１１挿入後の簡単な切断・再接続作業により既存の巻線設備をそのままに２倍の素線からなる多重巻亀甲形巻線と同等の電気特性をもった固定子鉄心を製作することができる。

以上のように、本実施の形態では、回転電機５０の固定子３０ｉにおいて、固定子巻線４ｉは、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈが複数のスロット１１に挿入された後に渡り線１９ａ〜１９ｇが部分的に切断されて渡り線２０ａ〜２０ｅが切断前と異なるパターンで再接続されることにより渡り線１９ｂ，１９ｄ，１９ｆ，２０ａ〜２０ｅの転位が行われて構成されている。これにより、予め多重巻亀甲形巻線を複数組に分けて製作する作業を省略することができるので、渡り線の転位を行うための準備の負担を軽減できる。

また、本実施の形態では、回転電機５０の固定子３０ｉにおいて、固定子巻線４ｉが、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈ及び第２の渡り線群２０を有する。複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈは、第１の渡り線群１９で接続された状態で複数のスロット１１に挿入されている。第２の渡り線群２０は、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈが複数のスロット１１に挿入された状態で第１の渡り線群１９が部分的に切断された後に第１の渡り線群１９と異なるパターンで複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈを再接続させるように構成されている。これにより、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈが複数のスロット１１に挿入された後に渡り線１９ａ〜１９ｇが部分的に切断されて渡り線２０ａ〜２０ｅが切断前と異なるパターンで再接続されるように、固定子巻線４ｉを構成することができる。

また、本実施の形態では、回転電機５０の固定子３０ｉにおいて、第２の渡り線群２０は、同一スロット１１に挿入された２つの多重巻亀甲形巻線が並列に接続されるように、複数の多重巻亀甲形巻線１８ａ〜１８ｈを再接続させる。これにより、１つのスロット１１内でスロット開口側及びスロット奥側の一方に配置される２つの多重巻亀甲形巻線１８がそれぞれ別のスロット１１内でスロット開口側及びスロット奥側の他方に配置されることになるので、２つの多重巻亀甲形巻線１８の漏れ磁束を互いに均等にすることができる。これにより、既存の巻線設備において作成可能であった素線数からなる多重巻亀甲形巻線の２倍の素線数からなる多重巻亀甲形巻線と同等の多重巻亀甲形巻線を製作することが可能となるとともに、固定子３０ｉの特性を向上できる。

以上のように、本発明にかかる回転電機の固定子は、回転電機に有用である。

１ フレーム、２ 固定子鉄心、３ 回転子鉄心、４ 固定子巻線、５ ブラケット、６ ベアリング、７ シャフト、８ 外扇ファン、９ 外扇カバー、１０ エンドリングファン、１１ スロット、１２ ティース、１３ 素線、１４ａ〜１４ｄ 多重巻亀甲形巻線、１５ 給電端子、１６ 中性点端子、１７ａ〜１７ｃ 渡り線、１８ａ〜１８ｈ 多重巻亀甲形巻線、１９ａ〜１９ｇ 渡り線、２０ａ〜２０ｅ 渡り線、３０，３０ｉ 固定子、４０ 回転子、５０ 回転電機。

Claims (1)

1. 複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記複数のスロットに挿入されて巻回される複数の多重巻亀甲形巻線と、を備える固定子の製造方法であって、
   第１の渡り線群で接続された状態で前記複数のスロットに複数の多重巻亀甲形巻線を挿入するステップと、
   前記第１の渡り線群を部分的に切断するステップと、
   前記第１の渡り線群が切断された部分に第２の渡り線群を接続して、前記第１の渡り線群と異なるパターンで前記複数の多重巻亀甲形巻線を再接続するステップと、
   を有し、
   前記第２の渡り線群は、同一スロットに挿入された２つの多重巻亀甲形巻線が並列に接続されるように、前記複数の多重巻亀甲形巻線を再接続させ、隣接する前記多重巻亀甲形巻線間でスロット開口側とスロット奥側とに挿入された前記多重巻亀甲形巻線を交差させることを特徴とする固定子の製造方法。

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