JP5896250B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

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Description

本発明は、車両等に搭載され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。

従来、車両に搭載されて使用される回転電機として、回転可能に設けられた回転子と、該回転子と径方向に対向して配置され周方向に配列された複数のスロットを有する固定子コア、及び該固定子コアのスロットに巻装された複数の相巻線よりなる固定子巻線を有する固定子と、を備えたものが一般に知られている。

そして、特許文献1には、更なる大電流化を実現でき、しかも引き出し線や接続線を簡素化できる回転電機用電機子(固定子)に関する技術が開示されている。この特許文献1には、固定子コアのスロットに挿入した複数の導体セグメントの所定の開放端部同士を、固定子コアの軸方向一端側で溶接等により接続することにより、固定子コアに重ね巻きで巻装された三相の相巻線よりなる固定子巻線が開示されている。この固定子巻線の各相巻線は、それぞれ並列接続された4本の並列巻線により構成されている。さらに、特許文献1には、周方向に隣接する2個のスロットごとに同相の相巻線が均一に収容されることが開示されている。

また、特許文献2には、分布巻きの複数倍スロットにおいて、多数の並列巻きをしても循環電流を抑制できる固定子に関する技術が開示されている。この特許文献2には、固定子コアに波巻きで巻装された多相の相巻線よりなる固定子巻線が開示されている。この固定子巻線の各相巻線は、それぞれ並列接続された複数本の並列巻線により構成されている。さらに、特許文献2には、周方向に隣接する2個のスロットに収容された同相の相巻線が、各スロットの異なる層に層渡りする際に、当該2個のスロット間でスイッチすることが開示されている。

特開2005−110361号公報 特開2014−96857号公報

ところで、上記の特許文献1に開示された固定子巻線は、複数のU字状導体セグメントの所定の開放端部同士を接続して形成されていることから、各スロットに導体セグメントのスロット収容部が径方向1列に偶数本ずつ収容されている。特許文献1の場合には、基本となる2種類の外側導体セグメントと内側導体セグメントにより形成されており、外側導体セグメントは各スロットの第1層と第4層に収容され、内側導体セグメントは各スロットの第2層と第3層に収容されている。

これら外側及び内側導体セグメントは、通常、6スロットごとのスロットに(6スロットピッチで)収容されて巻装されている。この場合、図17に示すように、第2層と第3層に収容される内側導体セグメント71と、第1層と第4層に収容される外側導体セグメント72が2重に重なった状態になる。

しかし、第1層と第4層の間を層渡りする渡り線は、5スロットピッチと7スロットピッチの2種類が存在する。この場合、図18に示すように、第2層と第3層に収容される内側導体セグメント71と、第1層と第4層に収容される5スロットピッチの外側導体セグメント72Aと、第1層と第4層に収容される7スロットピッチの外側導体セグメント72Bが3重に重なった状態になる。そのため、固定子巻線の軸方向端部に形成されるコイルエンド部の軸方向長さが増加してしまうという欠点がある。

また、各スロットに導体セグメントのスロット収容部が径方向1列に6本ずつ収容されている場合には、各スロットの第3層と第4層に収容される第1導体セグメント75と、各スロットの第2層と第5層に収容される第2導体セグメント76と、各スロットの第1層と第6層に収容される第3導体セグメント77A,77Bが用いられる。この場合には、図19に示すように、第3層と第4層に収容される第1導体セグメント75と、第2層と第5層に収容される第2導体セグメント76と、第1層と第6層に収容される5スロットピッチの第3導体セグメント77Aと、第1層と第6層に収容される7スロットピッチの第3導体セグメント77Bが4重に重なった状態になる。そのため、固定子巻線の軸方向端部に形成されるコイルエンド部の軸方向長さが更に増加してしまうこととなる。

一方、特許文献2の固定子巻線は、固定子コアに波巻きで巻装される波巻きタイプであるため、特許文献1において発生する、コイルエンド部の軸方向長さの増加を抑制することができる。また、特許文献2の固定子巻線は、第2層と第3層の間を渡り線が層渡りする際に、特許文献1のように、同相の相巻線が収容された周方向に隣接する2個のスロット間でスイッチすることで、並列巻線間の電位差を低減して循環電流の発生を抑制することができる。

しかし、特許文献1及び特許文献2ともに、並列巻線が周方向に隣接する2個のスロットに均等に配置されること、又は2個のスロット間でスイッチすることは記載されているが、スロット内の何層目に配置されるかまでは考慮されていない。そのため、径方向の巻線位置のバランスがとれていないため、並列巻線間での循環電流の発生を完全に無くすことはできない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コイルエンド部の軸方向長さの増加を抑制しつつ、各相巻線を構成する並列巻線間に発生する循環電流を完全に防止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本発明は、
周方向に配列された複数のスロット(31)を有する固定子コア(30)と、前記スロットに収容されて前記固定子コアに巻装されたそれぞれ電気的位相の異なる三相(U相,V相,W相)の相巻線(41U,41V,41W)よりなる固定子巻線(40)と、を備えた回転電機の固定子(20)において、
前記固定子巻線は、U字形状をなす複数の導体セグメント(50)を前記固定子コアの軸方向一端側から前記スロットに挿入して、軸方向他端側に延出した一対の開放端部を互いに周方向反対側へ捻った後、所定の捻り部(55)の端末同士を所定のパターンで電気的に接続してなる各前記相巻線を星型結線で結線することにより形成され、
各前記スロットには、各前記相巻線のスロット収容部が径方向1列に偶数本ずつ収容され、
各前記相巻線は、各前記スロット内に収容された第m層(mは1以上の自然数)と第m+1層の前記スロット収容部同士が電気的に接続されているとともに、前記スロット内の各層において、周方向に隣接する2個の前記スロットごとに同相の前記相巻線が収容されて、且つ、各前記相巻線は、それぞれ並列接続された4×n本(nは1以上の自然数)の並列巻線(U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4)により構成され、
各前記並列巻線は、各前記スロット内の全ての層において、前記周方向に隣接する2個の前記スロットの両方に均等に配置されているとともに、
前記固定子巻線の前記捻り部と反対側に形成されるコイルエンド部(41)において、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、周方向全域において、各前記スロット内の各層で前記周方向に隣接する2個の前記スロットを入れ替わりながら巻回されていることを特徴とする。

本発明によれば、各相巻線は、各スロット内に収容された第m層(mは1以上の自然数)と第m+1層のスロット収容部同士が電気的に接続されて波巻き仕様にされているので、コイルエンド部の軸方向長さの増加を抑制することができる。また、各相巻線は、それぞれ並列接続された4×n本(nは1以上の自然数)の並列巻線(U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4)により構成され、各並列巻線は、各スロット内の全ての層において、周方向に隣接する2個のスロットの両方に均等に配置されている。これにより、各相巻線を構成する並列巻線間の平衡をとり、並列巻線間に発生する循環電流を完全に防止することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲に記載された各請求項の構成に何ら影響を及ぼすものではない。

実施形態1に係る固定子を搭載した回転電機の軸方向断面図である。 実施形態1に係る固定子の全体斜視図である。 図2のD部の拡大図である。 実施形態1において固定子コアのスロットに導体セグメントを挿入する状態を示す説明図である。 実施形態1に係る固定子の部分断面図である。 実施形態1に係る固定子巻線の結線図である。 実施形態1に係る固定子巻線の巻線仕様図であって左側半分を示す。 実施形態1に係る固定子巻線の巻線仕様図であって右側半分を示す。 実施形態1に係る固定子巻線において1本の並列巻線(U3)のスロット収容部の位置及び軌跡を示す説明図である。 実施形態1に係る固定子巻線を構成する相巻線のターン部の状態を示す説明図であって、(a)は通常部を示し、(b)はスイッチ部を示す。 実施形態1において2個ずつ配置された各相スロットの各層に配置された相巻線の本数を示す説明図である。 比較例1に係る固定子巻線において1本の並列巻線(U3)のスロット収容部の配置位置及び軌跡を示す説明図である。 比較例1において2個ずつ配置された各相スロットの各層に配置された相巻線の本数を示す説明図である。 実施形態2に係る固定子巻線の巻線仕様図であって左側半分を示す。 実施形態2に係る固定子巻線の巻線仕様図であって右側半分を示す。 実施形態2に係る固定子巻線において1本の並列巻線(U3)のスロット収容部の位置及び軌跡を示す説明図である。 実施形態2において2個ずつ配置された各相スロットの各層に配置された相巻線の本数を示す説明図である。 回転電機において回転子が偏心している状態を示す説明図である。 特許文献1に係る固定子巻線のコイルエンド部において通常の重ね巻きの状態を模式的に示す説明図である。 特許文献1に係る固定子巻線のコイルエンド部において通常の重ね巻きに加えて第1層と第4層間の5−7スロットピッチの渡り線を有する場合を模式的に示す説明図である。 特許文献1に係る固定子巻線のコイルエンド部において通常の重ね巻きに加えて第1層と第6層間の5−7スロットピッチの渡り線を有する場合を模式的に示す説明図である。

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面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態1〕
本実施形態に係る固定子20が搭載された回転電機1は、車両用電動機として使用されるものである。この回転電機1は、図1に示すように、有底筒状の一対のハウジング部材10a,10bが開口部同士で接合されてなるハウジング10と、ハウジング10に軸受け11,12を介して回転自在に支承される回転軸13に固定された回転子14と、ハウジング10内の回転子14を包囲する位置でハウジング10に固定された固定子20と、を備えている。

回転子14は、固定子20の内周側と径方向に対向する外周側に、周方向に所定距離を隔てて極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有する。これらの磁極は、回転子14の所定位置に埋設された複数の永久磁石により形成されている。回転子14の磁極の数は、回転電機により異なるため限定されるものではない。本実施形態では、8極(N極:4、S極:4)の回転子が用いられている。

次に、図2〜図10を参照して固定子20について説明する。固定子20は、図2及び図3に示すように、周方向に複数のスロット31を有する円環状の固定子コア30と、固定子コア30のスロット31に巻装された三相(U相、V相、W相)の固定子巻線40と、を備えている。

固定子コア30は、円環状の複数の電磁鋼板を固定子コア30の軸方向に積層して形成された一体型のものである。この固定子コア30は、円環状のバックコア33と、バックコア33から径方向内方へ突出し周方向に所定距離を隔てて配列された複数のティース34とからなり、隣り合うティース34の間にスロット31が形成されている。固定子コア30に形成されたスロット31の数は、回転子14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。即ち、48個のスロット31は、周方向に順番に繰り返し2個ずつ配置されたU相スロット、V相スロット及びW相スロットよりなる。

固定子巻線40は、図6に示すように、それぞれ4本の並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4が並列接続された各相巻線41U,41V,41Wの巻線端が星型結線で結線されている。この固定子巻線40は、U字形状をなす複数の導体セグメント50を固定子コア30の軸方向一端側からスロット31に挿入して、軸方向他端側に延出した一対の開放端部を互いに周方向反対側へ捻った後、所定の捻り部の端末同士が溶接により接合されて所定のパターンで電気的に接続されている。この導体セグメント50は、断面が長方形の導体と、導体の外周面を被覆する絶縁被膜とからなる平角線をU字形状に折り曲げて形成されている。

U字形状の導体セグメント50は、図4に示すように、互いに平行な一対の直線部51,51と、一対の直線部51,51の一端同士を連結するターン部52とからなる。ターン部52の中央部には、固定子コア30の端面30aに沿って延びる頭頂段部53が設けられており、頭頂段部53の両側には、固定子コア30の端面30aに対して所定の角度で傾斜した傾斜部54が設けられている。なお、符号24は、固定子コア30と固定子巻線40との間を電気絶縁するインシュレータである。

図4には、周方向に隣接する同一相の2個のスロット31A,31Bに挿入配置される2個で一組の導体セグメント50A,50Bが示されている。この場合、2個の導体セグメント50A,50Bは、それらの一対の直線部51,51が、同一のスロット31ではなく、隣接した2個のスロット31A,31Bに別々に軸方向一端側(図4の上側)から挿入される。即ち、図4の右側にある2個の導体セグメント50A,50Bにおいて、一方の導体セグメント50Aは、一方の直線部51が一のスロット31Aの最外層(第6層)に挿入され、他方の直線部51が固定子コア30の反時計回り方向に1磁極ピッチ(NS磁極ピッチ)離れた他のスロット(図示せず)の第5層に挿入される。

そして、他方の導体セグメント50Bは、一方の直線部51がスロット31Aと隣接したスロット31Bの最外層(第6層)に挿入され、他方の直線部51が固定子コア30の反時計回り方向に1磁極ピッチ(NS磁極ピッチ)離れた他のスロット(図示せず)の第5層に挿入される。即ち、2個の導体セグメント50A,50Bは、周方向に1スロットピッチずれた状態に配置される。このようにして、全スロット31に対して偶数本の導体セグメント50の直線部51が挿入配置される。本実施形態の場合には、各スロット31内に、合計6本の直線部51が径方向1列に整列した状態で収容されている。

スロット31から軸方向他端側(図4の下側)へ延出した一対の直線部51,51の開放端部は、固定子コア30の端面30aに対して所定の角度をもって斜めに斜行するように互いに周方向反対側へ捻られて、略半磁極ピッチ分の長さの捻り部55(図2参照)が形成されている。そして、固定子コア30の軸方向他端側において、導体セグメント50の所定の捻り部55の先端部同士が例えば溶接により接合されて所定のパターンで電気的に接続される。即ち、所定の導体セグメント50が直列に接続されて、各スロット31内に収容された第m層(mは1以上の自然数)と第m+1層のスロット収容部(直線部51)同士が電気的に接続されることにより、固定子コア30のスロット31に沿って周方向に波巻きにて巻回された3本の相巻線41U,41V,41Wよりなる固定子巻線40が形成される。

なお、固定子巻線40の各相について、基本となるU字形状の導体セグメント50により、固定子コア30の周方向に6周する巻線(コイル)が形成される。しかし、固定子巻線40の各相について、出力用引き出し線及び中性点用引き出し線と接続されたセグメント、並びに1周目と2周目、・・・、5周目と6周目をそれぞれ接続するターン部を有するセグメントは、基本となる導体セグメント50とは異なる異形セグメント(図示せず)で構成される。これら異形セグメントを用いて、図6に示すように、固定子巻線40の各相巻線41U,41V,41Wの巻線端が星型結線により結線される。

このようにして固定子コア30に巻装された固定子巻線40の軸方向一端側には、固定子コア30の軸方向一端側の端面30aからスロット31の外部に突出した複数のターン部により全体としてリング状の第1コイルエンド部41(図2参照)が形成されている。また、固定子巻線40の軸方向他端側には、固定子コア30の軸方向他端側の端面からスロット31の外部に突出した複数の捻り部55及び端末接合部56により全体としてリング状の第2コイルエンド部42(図2参照)が形成されている。

以下、固定子巻線40の巻線仕様について、図7A、図7B、図8〜図10を参照して説明する。なお、固定子巻線40を構成する三相の相巻線41U,41V,41Wは、電気的位相が異なるだけで巻線仕様が同じであるため、それらの代表としてU相巻線41Uの巻線仕様を説明する。

なお、図8において、周方向に隣接して2個ずつ配置されたU相スロットA,Bは、それぞれ6スロットごとに配置されている。図8の上方のU相スロットA,Bは、図7Aに示される2番スロット(UA)及び3番スロット(UB)である。各U相スロットA,Bには、U相巻線41Uが径方向1列に偶数本(本実施形態では6本)ずつ収容されている(図5参照)。また、U相スロットのA−A、A−B、B−Bを結ぶ実線は、導体セグメントのターン部側を示し、U相スロットのA−A、A−B、B−Bを結ぶ破線は、導体セグメントの捻り側(溶接側)を示す。

U相巻線41Uの並列巻線U3は、図8に示すように、始端側のスロット収容部が2番スロット(UA)の第6層(最外層)に収容され、図8の(1)の位置から内周側に向かって時計回り方向に周回を開始する。そして、始端側から2番目以降のスロット収容部は、8番スロット(UA)の第5層、14番スロット(UA)の第6層、20番スロット(UA)の第5層、27番スロット(UB)の第6層、33番スロット(UB)の第5層、39番スロット(UB)の第6層、45番スロット(UB)の第5層に順番に収容されて1周する。このとき、20番スロット(UA)の第5層から27番スロット(UB)の第6層へ移る際には、U相スロットAから7スロット飛び越えてU相スロットBにスイッチしている。これにより、U相スロットA,Bの第6層及び第5層には、図10に示すように、並列巻線U3のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

続いて、45番スロット(UB)の第5層から6スロット離れた3番スロット(UB)の第4層に渡り線57で層渡りして2周目の周回を開始する。この場合、渡り線57は、固定子コア30への巻き始め側(外周側)を基準として、各U相スロットA,B内の第E層(E=2で第2層(第5層))と第E+1層(E=2で第3層(第4層))との間を層渡りしている。

そして、2周目の2番目以降のスロット収容部は、9番スロット(UB)の第3層、15番スロット(UB)の第4層、21番スロット(UB)の第3層、26番スロット(UA)の第4層、32番スロット(UA)の第3層、38番スロット(UA)の第4層、44番スロット(UA)の第3層に順番に収容されて1周する。このとき、21番スロット(UB)の第3層から26番スロット(UA)の第4層へ移る際には、U相スロットBから5スロット飛び越えてU相スロットAにスイッチしている。これにより、U相スロットA,Bの第4層及び第3層には、図10に示すように、並列巻線U3のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

続いて、44番スロット(UA)の第3層から6スロット離れた2番スロット(UA)の第2層に渡り線57で層渡りして3周目の周回を開始する。この場合、渡り線57は、固定子コア30への巻き始め側(外周側)を基準として、各U相スロットA,B内の第E層(E=4で第4層(第3層))と第E+1層(E=4で第5層(第2層))との間を層渡りしている。

そして、3周目の2番目以降のスロット収容部は、8番スロット(UA)の第1層(最内層)、14番スロット(UA)の第2層、20番スロット(UA)の第1層、27番スロット(UB)の第2層、33番スロット(UB)の第1層、39番スロット(UB)の第2層、45番スロット(UB)の第1層に順番に収容されて1周し、終端側が引き出される。このとき、20番スロット(UA)の第1層から27番スロット(UB)の第2層へ移る際には、U相スロットAから7スロット飛び越えてU相スロットBにスイッチしている。これにより、U相スロットA,Bの第2層及び第1層には、図10に示すように、並列巻線U3のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

なお、この並列巻線U3の渡り線57は、全て6スロットピッチとされているとともに、固定子巻線40の第1コイルエンド部41の周方向の所定範囲(44番スロットから3番スロットの間)に配置されている。そして、渡り線57が配置されている所定範囲内に、並列巻線U3の巻き始め端部(2番スロット)と巻き終わり端部(45番スロット)が位置している。

そして、並列巻線U4は、始端側のスロット収容部が3番スロット(UB)の第6層(最外層)に収容され、図8の(2)の位置から内周側に向かって時計回り方向に周回を開始し3周する。この場合にも、21番スロット(UB)から26番スロット(UA)、及び20番スロット(UA)から27番スロット(UB)へ移る際には、U相スロットのAとBの間でスイッチしている。これにより、U相スロットA,Bの第1層〜第6層の全ての層において、図10に示すように、並列巻線U4のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

また、並列巻線U1は、始端側のスロット収容部が2番スロット(UA)の第1層(最内層)に収容され、図8の(3)の位置から外周側に向かって反時計回り方向に周回を開始し3周する。この場合にも、32番スロット(UA)から27番スロット(UB)、及び33番スロット(UB)から26番スロット(UA)へ移る際には、U相スロットのAとBの間でスイッチしている。これにより、U相スロットA,Bの第1層〜第6層の全ての層において、図10に示すように、並列巻線U1のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

また、並列巻線U2は、始端側のスロット収容部が3番スロット(UB)の第1層(最内層)に収容され、図8の(4)の位置から外周側に向かって反時計回り方向に周回を開始し3周する。この場合にも、33番スロット(UB)から26番スロット(UA)、及び32番スロット(UA)から27番スロット(UB)へ移る際には、U相スロットのAとBの間でスイッチしている。これにより、U相スロットA,Bの第1層〜第6層の全ての層において、図10に示すように、並列巻線U2のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

よって、各並列巻線U1〜U4は、各U相スロットA,B内の全ての層において、周方向に隣接する2個のU相スロットA,Bの両方に均等に配置されている。

なお、並列巻線U3と並列巻線U4のスイッチ部においては、図9(b)に示すように、7スロットを飛び越える一方の並列巻線U3が、5スロット飛び越える他方の並列巻線U4を跨ぐ状態となる。また、スイッチ部以外の通常部においては、図9(a)に示すように、並列巻線U3と並列巻線U4が、第6層と第5層の間、第4層と第3層の間、第2層と第1層の間でそれぞれ交差した状態となる。

なお、V相巻線41Vの並列巻線V1〜V4及びW相巻線41Wの並列巻線W1〜W4は、上記のU相巻線41Uの並列巻線U1〜U4と同じであるので説明を省略する。

以上のように構成された本実施形態の固定子20によれば、各相巻線41U,41V,41Wは、各スロット31内に収容された第m層(mは1以上の自然数)と第m+1層のスロット収容部同士が電気的に接続されて波巻き仕様にされているので、第1及び第2コイルエンド部41,42の軸方向長さの増加を抑制することができる。

特に、本実施形態では、固定子巻線40の軸方向一端側に複数のターン部52により形成された第1コイルエンド部41において、ターン部52同士の軸方向の重なりが多くても2重である。即ち、5スロットピッチと7スロットピッチのスイッチ部(図9(b)参照)の2重の重なりだけであるので、第1コイルエンド部41の軸方向長さの増加を抑制することができる。

また、各並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4は、各相スロットA,B内の全ての層において、周方向に隣接する2個の相スロットA,Bの両方に均等に配置されている。これにより、各相巻線41U,41V,41Wを構成する並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4間の平衡をとり、並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4間に発生する循環電流を完全に防止することができる。

また、各並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4の渡り線57は、全て6スロットピッチとされているとともに、渡り線57は、第1コイルエンド部41の周方向の所定範囲に配置され、渡り線57が配置されている所定範囲内に、各並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4の巻き始め端部と巻き終わり端部が位置している。そのため、渡り線57を6スロットピッチとすることで、結線部における第1コイルエンド部41の軸方向高さを低減することができる。また、これに合わせて、巻き始め端部と巻き終わり端部の異形線の軸方向高さも低減することができるので、結線部の軸方向高さを低減することができる。

また、固定子コア30は、周方向に順番に繰り返し2個ずつ配置されたU相スロット、V相スロット及びW相スロットよりなる複数のスロット31を有し、各相スロットには、各相巻線41U,41V41Wが径方向1列に6層ずつ収容され、各相巻線41U,41V41Wは、それぞれ並列接続された4本の並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4により構成されていることで、4ターンと2ターンの中間となる3ターンの特性を有する固定子巻線40を実現することができる。

ここでのターン数は、1極当たりの1並列巻線の入る本数を表すもので、(ターン数)=(スロット倍数)×(スロット内の巻線の本数)/(並列巻線の本数)から求められる。本実施形態の場合、スロット倍数が2であり、スロット内の巻線の本数が6であり、並列巻線の本数が4であるので、2×6/4=3から、3ターンとなる。

なお、図11に示す比較例1の巻線のように、例えば各並列巻線のスロット収容部が通常通りの6スロットピッチで飛び続ける場合には、各並列巻線のスロット収容部が、各相スロット内の第1層〜第6層の各層において、2個ずつ配置された各相スロットの片方の相スロットに入り続けるため、各相巻線における4本の並列巻線間の平衡がとれない。

即ち、図12に示すように、図11の(1)及び(3)の位置から周回を開始する並列巻線(1)(3)のスロット収容部は、各相スロット内の第1層〜第6層の各層において、2個ずつ配置された各相スロットの一方の相スロットAに4本配置され、他方の相スロットBには0本となる。また、図11の(2)及び(4)の位置から周回を開始する並列巻線(2)(4)のスロット収容部は、各相スロット内の第1層〜第6層の各層において、一方の相スロットBに4本配置され、他方の相スロットAには0本となる。したがって、比較例1の場合には、並列巻線間の循環電流発生を防止することができない。

〔実施形態2〕
実施形態2に係る回転電機の固定子(図示せず)は、基本的構成が実施形態1のものと同じであり、固定子巻線40を構成する各相巻線41U,41V41Wの巻線仕様が実施形態1のものと異なる。よって、実施形態1と共通する部材や構成については、同じ符号を付して詳しい説明は省略し、以下、異なる点及び重要な点について説明する。

実施形態2の固定子巻線40は、実施形態1と同様に、それぞれ4本の並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4が並列接続された各相巻線41U,41V41Wの巻線端が星型結線で結線されている(図6参照)。そして、U字形状をなす複数の導体セグメントを所定のパターンで電気的に接続して形成されている点も実施形態1と同様である。

以下、実施形態2の固定子巻線40の巻線仕様について、図13A、図13B、図14,図15を参照して説明する。なお、実施形態2の場合にも、固定子巻線40を構成する三相の相巻線41U,41V41Wは、電気的位相が異なるだけで巻線仕様が同じであるため、それらの代表としてU相巻線41Uの巻線仕様を説明する。

なお、図14において、周方向に隣接して2個ずつ配置されたU相スロットA,Bは、それぞれ6スロットごとに配置されている。図14の上方のU相スロットA,Bは、図13Aに示される2番スロット(UA)及び3番スロット(UB)である。各U相スロットA,Bには、U相巻線41Uが径方向1列に偶数本(本実施形態では6本)ずつ収容されている(図5参照)。また、U相スロットのA−A、A−B、B−Bを結ぶ実線は、導体セグメントのターン部側を示し、U相スロットのA−A、A−B、B−Bを結ぶ破線は、導体セグメントの捻り側(溶接側)を示す。

U相巻線41Uの並列巻線U3は、図14に示すように、始端側のスロット収容部が2番スロット(UA)の第6層(最外層)に収容され、図14の(1)の位置から内周側に向かって時計回り方向に周回を開始する。そして、始端側から2番目以降のスロット収容部は、8番スロット(UA)の第5層、15番スロット(UB)の第6層、21番スロット(UB)の第5層、26番スロット(UA)の第6層、32番スロット(UA)の第5層、39番スロット(UB)の第6層、45番スロット(UB)の第5層に順番に収容されて1周する。

このとき、8番スロット(UA)の第5層から15番スロット(UB)の第6層へ、及び32番スロット(UA)の第5層から39番スロット(UB)の第6層へ移る際には、U相スロットAから7スロット飛び越えてU相スロットBにスイッチしている。また、21番スロット(UB)の第5層から26番スロット(UA)の第6層へ移る際には、U相スロットBから5スロット飛び越えてU相スロットAにスイッチしている。即ち、並列巻線U3の1周目は、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、2個ずつ配置されたU相スロットA,Bの両方を周方向の全域で交互に入れ替わりながら巻回されている。これにより、U相スロットA,Bの第6層及び第5層には、図15に示すように、並列巻線U3のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

続いて、45番スロット(UB)の第5層から6スロット飛び越えて3番スロット(UB)の第4層に層渡りして2周目の周回を開始する。この場合、渡り線57は、固定子コア30への巻き始め側(外周側)を基準として、各U相スロットA,B内の第E層(E=2で第2層(第5層))と第E+1層(E=2で第3層(第4層))との間を層渡りしている。

そして、2周目の2番目以降のスロット収容部は、9番スロット(UB)の第3層、14番スロット(UA)の第4層、20番スロット(UA)の第3層、27番スロット(UB)の第4層、33番スロット(UB)の第3層、38番スロット(UA)の第4層、44番スロット(UA)の第3層に順番に収容されて1周する。

このとき、9番スロット(UB)の第3層から14番スロット(UA)の第4層へ、及び33番スロット(UB)の第3層から38番スロット(UA)の第4層へ移る際には、U相スロットBから5スロット飛び越えてU相スロットAにスイッチしている。また、20番スロット(UA)の第3層から27番スロット(UB)の第4層へ移る際には、U相スロットAから7スロット飛び越えてU相スロットBにスイッチしている。即ち、並列巻線U3の2周目も、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、2個ずつ配置されたU相スロットA,Bの両方を周方向の全域で交互に入れ替わりながら巻回されている。これにより、U相スロットA,Bの第4層及び第3層には、図15に示すように、並列巻線U3のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

続いて、44番スロット(UA)の第3層から6スロット飛び越えて2番スロット(UA)の第2層に層渡りして3周目の周回を開始する。この場合、渡り線57は、固定子コア30への巻き始め側(外周側)を基準として、各U相スロットA,B内の第E層(E=4で第4層(第3層))と第E+1層(E=4で第5層(第2層))との間を層渡りしている。

そして、3周目の2番目以降のスロット収容部は、8番スロット(UA)の第1層(最内層)、15番スロット(UB)の第2層、21番スロット(UB)の第1層、26番スロット(UA)の第2層、32番スロット(UA)の第1層、39番スロット(UB)の第2層、45番スロット(UB)の第1層に順番に収容されて1周し、終端側が引き出される。

このとき、8番スロット(UA)の第1層から15番スロット(UB)の第2層へ、及び32番スロット(UA)の第1層から39番スロット(UB)の第2層へ移る際には、U相スロットAから7スロット飛び越えてU相スロットBにスイッチしている。また、21番スロット(UB)の第1層から26番スロット(UA)の第2層へ移る際には、U相スロットBから5スロット飛び越えてU相スロットAにスイッチしている。即ち、並列巻線U3の3周目も、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、2個ずつ配置されたU相スロットA,Bの両方を周方向の全域で交互に入れ替わりながら巻回されている。これにより、U相スロットA,Bの第2層及び第1層には、図15に示すように、並列巻線U3のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

なお、この並列巻線U3の渡り線57は、全て6スロットピッチとされているとともに、固定子巻線40の第1コイルエンド部41の周方向の所定範囲(44番スロットから3番スロットの間)に配置されている。そして、渡り線57が配置されている所定範囲内に、並列巻線U3の巻き始め端部(2番スロット)と巻き終わり端部(45番スロット)が位置している。

そして、並列巻線U4は、始端側のスロット収容部が3番スロット(UB)の第6層(最外層)に収容され、図14の(2)の位置から内周側に向かって時計回り方向に周回を開始し3周する。この並列巻線U4の場合にも、並列巻線U3と同様に、6スロット飛びと5スロット飛び又は7スロット飛びとを交互に繰り返しながら巻回されている。即ち、並列巻線U4は、固定子コア30のスロット31に沿って周方向に3周する間の全域において、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、2個ずつ配置されたU相スロットA,Bの両方を交互に入れ替わりながら巻回されている。これにより、U相スロットA,Bの第1層〜第6層の各層には、図15に示すように、並列巻線U4のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

また、並列巻線U1は、始端側のスロット収容部が2番スロット(UA)の第1層(最内層)に収容され、図14の(3)の位置から外周側に向かって反時計回り方向に周回を開始し3周する。この並列巻線U1の場合にも、並列巻線U3と同様に、6スロット飛びと5スロット飛び又は7スロット飛びとを交互に繰り返しながら巻回されている。即ち、並列巻線U1は、固定子コア30のスロット31に沿って周方向に3周する間の全域において、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、2個ずつ配置されたU相スロットA,Bの両方を交互に入れ替わりながら巻回されている。これにより、U相スロットA,Bの第1層〜第6層の各層には、図15に示すように、並列巻線U1のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

また、並列巻線U2は、始端側のスロット収容部が2番スロット(UA)の第1層(最内層)に収容され、図14の(4)の位置から外周側に向かって反時計回り方向に周回を開始し3周する。この並列巻線U2の場合にも、並列巻線U3と同様に、6スロット飛びと5スロット飛び又は7スロット飛びとを交互に繰り返しながら巻回されている。即ち、並列巻線U2は、固定子コア30のスロット31に沿って周方向に3周する間の全域において、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、2個ずつ配置されたU相スロットA,Bの両方を交互に入れ替わりながら巻回されている。これにより、U相スロットA,Bの第1層〜第6層の各層には、図15に示すように、並列巻線U1のスロット収容部がU相スロットA,Bの両方に2本ずつ均等に配置されている。

よって、各並列巻線U1〜U4は、各U相スロットA,B内の全ての層において、周方向に隣接する2個のU相スロットA,Bの両方に均等に配置されている。

なお、各並列巻線U1〜U4の5スロットピッチと7スロットピッチのスイッチ部においては、図9(b)に示すように、7スロットを飛び越える一方の並列巻線U1〜U4が、5スロット飛び越える他方の並列巻線U1〜U4を跨ぐ状態となる。即ち、5スロットピッチと7スロットピッチのスイッチ部による2重の重なりだけであるので、第1コイルエンド部41の軸方向長さの増加が抑制される。

以上のように構成された実施形態2の固定子によれば、第1及び第2コイルエンド部41,42の軸方向長さの増加を抑制しつつ、各相巻線41U,41V,41Wを構成する並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4間に発生する循環電流を完全に防止することができるなど、実施形態1と同様の作用効果を奏する。

特に、実施形態2では、各並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4は、固定子巻線40の第1コイルエンド部41において、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、周方向全域において、各スロット31内の各層で周方向に隣接する2個の各相スロットA,Bを入れ替わりながら巻回されている。そのため、周方向において通過するスロット31の偏りがなくなり、回転子14の偏心に伴う各並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4間の不平衡を抑制し、循環電流の発生を確実に防止することができる。

なお、上記実施形態1では、図16に示すように、スイッチ部が周方向の1箇所にあり、固定子コア30の右半分では並列巻線のスロット収容部が一方の相スロットAに入り続け、固定子コア30の左半分では並列巻線のスロット収容部が他方の相スロットBに入り続けるようにされていた。このように、周方向において通過するスロット31の偏りがある場合には、回転子14が偏心していると、並列巻線間の平衡が崩れ易くなる。

したがって、上記実施形態2のように、並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4が、2個ずつ配置された各相スロットA,Bの両方を周方向の全域で交互に入れ替わりながら巻回されていることによって、回転子14の偏心に伴う並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4間の不平衡を抑制し、循環電流の発生を効果的に防止することが可能となる。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態1,2に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態1,2では、各スロット31に収容される相巻線41U,41V,41Wの本数が6本とされ、各相巻線41U,41V,41Wを構成する並列巻線U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4の本数が4×n本(n=1で4本)とされて、3ターンの特性を有する固定子巻線40を実現していた。表1に示すように、スロット31内の巻線の本数と並列巻線の本数との組み合わせを種々変更することにより、所望のターン数の特性を有する固定子巻線を得ることができる。この場合、並列巻線の本数をP本とし、スロット内に収容される相巻線41U,41V,41Wの本数をQ本としたときに、PとQの組み合わせが(4−6)(4−10)(8−6)(8−10)(8−12)の何れかである場合には、奇数ターンや小数点ターンの特性を有する固定子巻線を実現することができる。

また、上記の実施形態1,2では、同相の相巻線41U,41V,41Wが収容された周方向に隣接する2個のスロット31は、周方向に順番に繰り返し2個ずつ配置されたU相スロット、V相スロット及びW相スロットにより構成されていたが、スロット31内の各層において、周方向に隣接する2個のスロット31ごとに同相の相巻線41U,41V,41Wが収容されるようにしてもよい。

また、上記の実施形態1,2では、本発明に係る回転電機の固定子を車両用電動機に適用した例を説明したが、本発明は、車両に搭載される回転電機としての発電機あるいは電動機、さらには両者を選択的に使用し得る回転電機にも適用することができる。

1…車両用電動機(回転電機)、
20…固定子、
30…固定子コア、
31…スロット、
40…固定子巻線、
41…第1コイルエンド部、
42…第2コイルエンド部、
50…導体セグメント、
51…直線部、
52…ターン部、
55…捻り部、
57…渡り線、
U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4…並列巻線。

Claims (4)

  1. 周方向に配列された複数のスロット(31)を有する固定子コア(30)と、前記スロットに収容されて前記固定子コアに巻装されたそれぞれ電気的位相の異なる三相(U相,V相,W相)の相巻線(41U,41V,41W)よりなる固定子巻線(40)と、を備えた回転電機の固定子(20)において、
    前記固定子巻線は、U字形状をなす複数の導体セグメント(50)を前記固定子コアの軸方向一端側から前記スロットに挿入して、軸方向他端側に延出した一対の開放端部を互いに周方向反対側へ捻った後、所定の捻り部(55)の端末同士を所定のパターンで電気的に接続してなる各前記相巻線を星型結線で結線することにより形成され、
    各前記スロットには、各前記相巻線のスロット収容部が径方向1列に偶数本ずつ収容され、
    各前記相巻線は、各前記スロット内に収容された第m層(mは1以上の自然数)と第m+1層の前記スロット収容部同士が電気的に接続されているとともに、前記スロット内の各層において、周方向に隣接する2個の前記スロットごとに同相の前記相巻線が収容されて、且つ、各前記相巻線は、それぞれ並列接続された4×n本(nは1以上の自然数)の並列巻線(U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4)により構成され、
    各前記並列巻線は、各前記スロット内の全ての層において、前記周方向に隣接する2個の前記スロットの両方に均等に配置されているとともに、
    前記固定子巻線の前記捻り部と反対側に形成されるコイルエンド部(41)において、5スロットピッチと7スロットピッチの組み合わせにより、周方向全域において、各前記スロット内の各層で前記周方向に隣接する2個の前記スロットを入れ替わりながら巻回されていることを特徴とする回転電機の固定子。
  2. 前記導体セグメントは、互いに平行な一対の直線部(51)と、一対の前記直線部の一端同士を連結するターン部(52)とからなり、
    前記固定子巻線の軸方向一端側に複数の前記ターン部により形成されたコイルエンド部(41)において、前記ターン部同士の軸方向の重なりが多くても2重であ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. 各前記相巻線を構成する前記並列巻線の本数をP本とし、各前記スロット内に収容される各前記相巻線の本数をQ本としたときに、PとQの組み合わせが(4−6)(4−10)(8−6)(8−10)(8−12)の何れかであることを特徴とする請求項1又は2に記載の回転電機の固定子。
  4. 各前記並列巻線は、前記固定子コアへの巻き始め側を基準として、各前記スロット内の第E層(Eは2以上の偶数)と第E+1層との間を層渡りする渡り線(57)が全て6スロットピッチとされているとともに、
    前記渡り線は、前記固定子巻線の前記捻り部と反対側に形成されるコイルエンド部(41)の周方向の所定範囲に配置され、前記渡り線が配置されている前記所定範囲内に、各前記並列巻線の巻き始め端部と巻き終わり端部が位置していることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の回転電機の固定子。
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