JP5940432B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子に関し、特に、外部機器と接続する固定子巻線の口出し線部の改良に関する。

特許文献１には、従来の回転電機の固定子の一例が記載されている。この固定子では、固定子コアに巻かれた複数の固定子巻線の一端に設けられた外部機器との接続用の口出し線部を、固定子コアのスロットに配列された固定子巻線の複数の導体のうち、最も径方向内側に位置する導体から引き出している。また、口出し線部に作用する張力や圧縮力を吸収するように、口出し線部に、振動吸収用の曲げ部を形成している。

特開２００４−３５０３８１号公報

例えば電気自動車用電動機（回転電機）の固定子の外部接続用の口出し線部の先端は、ケーブルと接続するために１箇所に集約することが望ましい。また、固定子の軸方向一端側のエンドコイルの上部は、ミッション部等の他の機器との隙間を確保するため、口出し線部が配設される凸部領域を狭くすることが望ましい。しかしながら、口出し線部を１箇所に集約させると、固定子と外部接続用の口出し線部との間に、エンジンや回転電機の振動による相対的な位置変動が発生し、過大な張力や圧縮応力が発生するため、口出し線部の信頼性や耐久性を確保する構造が必要となる。

本発明は、複数の口出し線部の先端を一箇所に集約して配置しつつ、振動に対する耐久性・信頼性に優れ、かつ、複数の固定子巻線の間で線間抵抗の均一化を容易に図ることができる新規な回転電機の固定子を提供することを目的としている。

そこで本発明は、円筒状をなす固定子コアと、この固定子コアに巻かれた複数本の固定子巻線と、を有する回転電機の固定子において、上記固定子コアには、軸方向に貫通するとともに周方向に配列された複数のスロットが形成され、各固定子巻線は、上記スロット内を軸方向に延在しつつ、上記スロットの軸方向一端より引き出された引出し線部によって、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロットに跨って延在し、各引出し線部は、軸方向に対して所定方向に傾斜して上記スロットの軸方向一端より引き出された傾斜線部を有し、上記各固定子巻線の一端には、外部機器と接続するための口出し線部が設けられ、上記複数の固定子巻線の全ての口出し線部は、その先端が同方向を指向する姿勢で、一箇所に集約して配置され、かつ、各口出し線部には、上記傾斜線部から９０度以上の角度で折り返される折返し部が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、複数の口出し線部の先端を一箇所に集約して配置しつつ、振動に対する耐久性・信頼性に優れ、かつ、複数の回転子巻線の間で線間抵抗の均一化を容易に図ることができる。

本発明の実施例１に係る回転電機の固定子が適用されたハイブリッド電気自動車を示すブロック図。 上記回転電機を示す一部断面図。 上記回転電機の固定子を示す斜視図。 上記固定子の固定子コアの各スロットに入る固定子巻線の導体を示す断面対応図。 上記固定子巻線の口出し部を示す側面対応図。 同じく上記固定子巻線の口出し部を示す斜視図。 上記口出し部の配置を示す上面図。 Ｕ相口出し線部を示す斜視図。 口出し線部のコイルフォーミング加工を説明する説明図。 同じく口出し線部のコイルフォーミング加工を説明する説明図。 本発明の実施例２に係る回転電機の固定子の固定子巻線を示す説明図。

以下、本発明の実施形態を説明する。回転電機は、円筒状をなす固定子と、この固定子の内周側に所定の間隙を隔てて配置された回転子と、により大略構成される。固定子は、回転方向に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ものであって、円筒状をなす固定子コアと、この固定子コアに巻かれた複数本の固定子巻線と、を有している。上記固定子コアには、軸方向に貫通するとともに周方向に配列された複数のスロットが形成されている。各固定子巻線は、各スロット内に収容配置された多数の導体を電気的に接続することにより構成されており、スロット内を軸方向に延在しつつ、スロットの軸方向一端より引き出された引出し線部によって、複数の磁極に対応するように、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロットに跨って延在している。各引出し線部には、軸方向に対して所定方向に傾斜して上記スロットの軸方向一端より引き出された傾斜線部が設けられている。

各固定子巻線の両端には、外部接続用の口出し線部と中性線部とが設けられ、中性線部において、複数相の固定子巻線（コイル）が例えばＹ結線により結線される。

そして本実施形態では、上記複数の固定子巻線の全ての口出し線部は、その先端が同方向を指向する姿勢で、一箇所に集約して配置されている。例えば、複数の口出し線部は、スロットに配列された複数の導体のうちで最も径方向外側に位置する導体の引出し線部に設けられ、固定子コアの外周部分において、ほぼ径方向に沿って整列配置される。

各口出し線部には、上記傾斜線部から９０度以上の角度で折り返される折返し部が設けられる。このように、各口出し線部に、傾斜線部から９０度以上の角度で折り返される折返し部を設けることで、複数の口出し線部の先端を１箇所に集約させながらも、口出し線部の剛性を向上して、振動の発生を抑制することが可能となる。また、各口出し線部に適宜な曲げ部を設けて、その長さを適宜に調整することで、複数の口出し線部の先端を一箇所に集約して配置しつつ、複数の回転子巻線の間で線間抵抗の均一化を容易に図ることができるとともに、口出し線部が設けられるスペースである凸部領域を狭くすることで、ミッション部等の他の機器との隙間を確保することができる。

以下、図１〜１０を参照して、本発明の実施例１について説明する。図１は、本発明の実施例１に係る回転電機を搭載したハイブリッド電気自動車のブロック図を示している。車両１には、車両動力源としてのエンジン２と回転電機３とが搭載されている。なお、役割の異なる２つの回転電機を併用するようにしても良く、この場合、一方の回転電機は発電及び車両の駆動の双方を行い、他方の回転電機は車両の駆動を担う。

エンジン２および回転電機３による回転トルクは、無段変速機や有段自動変速機等の変速機４と、ディファレンシャルギア５と、を介して車輪（駆動輪）６に伝達される。回転電機３は、エンジン２と変速機４の間、もしくは変速機４の中に搭載される。従って、回転電機３は、車両１に対するスペースの影響を最小限とするため、小型高出力が要求される。

図２は、上記の回転電機３を簡略的に示す一部断面図であり、シャフト２０１を挟んで右側の領域を断面で示し、左側の領域を側面図として示している。回転電機３はケース７の内部に収容配置されている。ここで、図１に示すように回転電機３がエンジン２と変速機４の間に配置される構成の場合、ケース７はエンジン２のケースや変速機４のケースを利用して構成される。また、回転電機３が変速機４の中に搭載される場合には、ケース７が変速機４のケースを利用して構成される。

回転電機３は、周知のように、固定子１００と回転子２００とを備えている。回転子２００は、固定子１００の内周側に隙間１１を介して配置される。回転子２００はシャフト２０１に固定されており、このシャフト２０１と一体的に回転する。シャフト２０１の両端は軸受２０２Ａ、２０２Ｂよってケース７に回転可能に支持されている。固定子１００は、その外周側がボルト１２等を用いてケース７の内周側に固定されている。この回転電機３は、回転子２００に永久磁石を有する３相同期型の電動機であり、固定子１００に大電流（例えば３００Ａ程度）の３相交流が供給されることで電動機として作動する。また、本実施例で用いる回転電機３は、回転軸方向の厚さが外径（径方向寸法）に比べて小さな偏平型の回転電機である。

図３は、回転電機１の固定子１００を単体で示す斜視図であり、図４は、各スロット１０５の内部を示す断面対応図である。なお、固定子１００の基本的な構成については、本出願人が先に出願した特開２０１１−１５４５９号公報にも記載されているように公知であるために、ここでは簡単な説明にとどめる。

図３及び図４に示すように、この固定子１００は、複数のスロット１０５が内周側に形成された固定子コア（固定子鉄心とも呼ぶ）１０１と、この固定子コア１０１に巻かれるＶ相，Ｗ相，及びＵ相に対応した３本の固定子巻線１０２と、を有している。スロット１０５は、軸方向に貫通形成されるとともに、所定の周方向ピッチで周方向に等間隔おきに配列されており、内周側には軸方向に延びるスリット１０９が開口形成されている。

各固定子巻線１０２は、後述するように、スロット１０５に挿入・保持される多数の導体１０６を有している。そして、同一のスロット１０５内で隣り合う導体１０６同士が、固定子コア１０１の軸方向一端側（図３の下端側）に設けられた溶接部１０４で互いに溶接されることによって、複数の導体１０６が溶接部１０４で電気的に接続された長尺な固定子巻線１０２が構成されている。各スロット１０５内には絶縁紙１０３が挿入され、この絶縁紙１０３によって、導体１０６のスロット１０５内を挿通する直線部１１２と固定子コア１０１との間が絶縁されている。図４に示すように、絶縁紙１０３は、各スロット１０５内に配列される４つの導体１０６のうち、隣り合う２つの導体１０６を束ねるように設けられており、つまり各スロット１０５に２つの絶縁紙１０３が設けられている。

各固定子巻線１０２は、スロット１０５の軸方向一端より引き出された略Ｕ字状もしくは略Ｖ字状をなす引出し線部１０７によって、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロット１０５に跨って延在している。そして、複数の固定子巻線１０２によって、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極が生成されている。

各固定子巻線１０２の一端に位置する導体１０６の引出し線部１０７には、外部機器（ケーブル）と接続するための口出し線部３００（３０１，３０２，３０３）が設けられている。各口出し線部３００の先端には、例えば図６に示すように接続用の端子１１０が固定される。そして、複数の固定子巻線１０２の全ての口出し線部３００は、固定子１００の軸方向一端であるコイルエンドの上部に引き出されて、その先端が同方向を指向する姿勢で、一箇所に集約して配置されている。この実施例では、Ｖ相，Ｗ相，及びＵ相の３本の固定子巻線１０２に対応して、それぞれＶ相口出し線部３０１，Ｗ相口出し線部３０２，及びＵ相口出し線部３０３が設けられている。口出し線部３００は、スロット１０５内に径方向に一列に配列された複数の固定子巻線１０２の導体１０６のうち、径方向で最も外側に位置する導体１０６に一体的に形成されており、つまりスロット１０５の最も径方向外側の導体１０６から引き出されている。このため、本実施例のように他の機器との干渉を回避するために口出し線部３００を固定子コア１０１よりも径方向外側に配置する場合に、上述した従来例のように径方向内側より口出し線部を引き出す場合に比して、口出し線部３００の長さを短くすることができる。図５にも示すように、ＵＶＷの３相の口出し線部３００（３０１，３０２，３０３）は、周方向で一定の間隔４０１（４スロット分）で引き出されている。

一方、３本の固定子巻線１０２の他端に設けられた中性線部は、図示していないが、例えばＹ結線あるいはΔ結線等により結線されている。

図４に示すように、スロット１０５に挿入される導体１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄの４本は、同心円状の層をなすように固定子コア１０１の径方向に一列に配置されている。各スロット１０５に挿入される導体１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄを内径方向から順に、第１層，第２層，第３層，第４層とする。つまり、導体部１０６ａは第１層、導体部１０６ｂは第２層、導体部１０６ｃは第３層、導体部１０６ｄは第４層に配置・挿入されている。

固定子巻線１０２を構成する各導体１０６は、図４〜図６にも示すように、断面長方形状をなす平角セグメントコイルであり、口出し線部３００及び中性線部が設けられた固定子巻線１０２の両端の導体１０６を除いて、ほぼ同様の形状に形成されている。各導体１０６は、スロット１０５内を軸方向に貫通する直線部１１２（図５参照）を有するとともに、スロット１０５の軸方向一端（図３の上端）から引き出される一方の引出し線部１０７がＵ字状又はＶ字状に形成されて、所定の周方向ピッチで離間する２つの直線部１１２を繋いでおり、かつ、両端に接合部１０４を有する銅線で構成されている。

なお、セグメントコイルを用いることもでき、この場合には、セグメントコイルをスロット１０４に挿通する前に、固定子コア１０１の端部より軸方向両端に位置するコイルエンドを予め成形することができ、異相間もしくは同相間に適切な絶縁距離を容易に設けることができる。

図３〜図７に示すように、３つの口出し線部３００（３０１，３０２，３０３）は、電気自動車用モータの固定子１００に対する外部接続機器であるケーブル（図示省略）との接続を容易とするために、その先端が同方向を指向する姿勢で、一箇所に集約して配置されている。更に言えば、図６に示すように、３つの口出し線部３００のいずれにおいても、端子１１０が固定される面が同じ側（図６の下側）となるように、各口出し線部３００の先端の断面形状も同じ姿勢に揃えられている。また、図７に示すように、３つの口出し線部３００は、固定子コア１０１よりも外周側に配置されるとともに、ほぼ径方向に沿う直線状に並んで配列されている。更に、車両用電動機では、外部接続用のケーブルと口出し線部３００との位置を出来るだけ近傍に配置する必要があることから、３つの口出し線部３００は、スロット１０５からの引き出し部分１０７Ａから６０度以内の角度範囲１０８に集約して配置されている。

全ての導体１０６の引出し線部１０７には、スロット１０５の軸方向一端より引き出される部分に、スロット１０５内を挿通する直線部１１２に対して所定方向へ傾斜しつつ周方向に沿って延在する傾斜線部１１３が形成されている。そして、口出し線部３００が設けられていない通常の導体１０６の引出し線部１０７は、この傾斜線部１１３に対して鈍角に傾斜する他の傾斜線部が設けられたＵ字状もしくはＶ字状をなしており、上述したように、所定の周方向ピッチだけ離れた２つの直線部１１２を繋ぐ構造となっている。

これに対して、口出し線部３００が設けられた引出し線部１０７においては、傾斜線部１１３の引出し方向に対して、９０度以上反転する折返し部４００が折曲形成されている。つまり、折返し部４００によって、傾斜線部１１３から周方向に関してほぼ反対方向へ折り返された折返し線部４０２が設けられている。

特に本実施例では、エンドコイル群から突出する口出し線部３００が配置される凸部領域を縮小するように、折返し線部４０２が固定子１００の軸方向に直交する面に平行で、かつ、コイルエンド群と同様に周方向に沿うように形成されている。

また、各口出し線部３００には、上記の折返し部４００の他に、後述するクランク部４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃを含めた複数の曲げ部を有している。このように複数の曲げ部を設けることで、複数の口出し線部３００の先端を同じ姿勢で一箇所に集約して配置した構造でありながら、曲げ部を設けることでその剛性を向上して振動を抑制し、耐久性・信頼性を向上することができる。更に、曲げ部を適宜に設定することで、口出し線部３００の長さを調整することが可能とるために、各口出し線部３００の長さを適正化することで、複数の口出し線部３００の間で抵抗値を均一化することができる。

特に、車両用交流電動機においては、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相の電気抵抗値が異なると、電流波形や電圧波形が異なり、トルクや誘起電圧、出力といった諸特性に悪影響を及ぼす。本実施例では、各口出し線部３００において適宜な曲げ部を設けてコイル長を調整することで、各相の固定子巻線の間で抵抗値を等しくすることが可能となる。

更に、図示していないが、各口出し線部３００は、エポキシ樹脂等の絶縁性のエポキシ系の被膜により覆われている。このように絶縁性の被膜により口出し線部３００の周囲を覆うことで、導体の冷却性を損なうことなく、絶縁性を確保することが容易に可能となる。

図８は、Ｕ相の口出し線部３０３を単体で示す斜視図である。なお、基本的な構造はＶ相口出し線部３０１やＷ相口出し線部３０４も同様であるために、ここでは説明を省略する。Ｕ相口出し線３０３は、固定子コア周方向に緩く湾曲する湾曲部４０４，４０５を有するとともに、大きく折曲する曲げ部４０６，４０７を有し、この曲げ部４０６，４０７によって、軸方向と径方向のそれぞれの方向に一箇所以上で屈曲するクランク部が構成されている。このようにクランク部４０６，４０７を設けることで、口出し線部３００の形成範囲をコンパクトに構成しつつ、電気抵抗値を一定にするための適宜な長さを確保し、かつ、剛性を向上して耐久性・信頼性を向上することができる。なお、この実施例１においては、クランク部を径方向及び軸方向のそれぞれに設けているが、径方向または軸方向のいずれか一方にのみ折曲する１か所以上のクランク部を設ける構造であっても良い。

図９及び図１０は、口出し線部３００のコイルフォーミング加工を説明する図である。図９は固定子コア１０１の中心側から見た図であり、図１０はコイルエンドの上方から軸方向に沿って見た図である。図６にも示すように口出し線３０３の形状は立体的に成形されているため、このような形状を実現するには、フォーミング加工による成形が必要となる。

これらの図９及び図１０において、フォーミング加工による曲げ加工は、図中のＰ１〜Ｐ１０の順に行われる。なお、Ｐ１〜Ｐ９は、フォーミング加工を行う際の成形ピンの位置をも示している。図９のＰ１〜Ｐ３では、平角線の幅が狭い面にピンを当てて曲げ加工が行われる。ピン位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の順に導体のコイル５０１が折り曲げられ、第１導体部５０２，第２導体部５０３および端子部５０４が形成される。

図１０のＰ４〜Ｐ９では、平角線の幅が広い面にピンを当てて曲げ加工が行われる。ピン位置Ｐ４，Ｐ５で折り曲げることによって、第１導体部５０２の最終形状が形成される。第１導体部５０２は、コイルエンド径方向に湾曲している。次工程でピン位置Ｐ７，Ｐ８で折り曲げることにより、第２導体部５０３の最終形状が形成される。最後に、ピン位置Ｐ９において９０度折り曲げて、端子部５０４の部分を成形する。

これらの図９、図１０に示すように、導体のコイル５０１をフォーミング加工により折り曲げられることで、図１０に示すように、成形ピンが当接した複数のクランク部Ｃと、クランク部Ｃと隣接するクランク部Ｃとの間の直線部Ｓを容易に形成することができる。クランク部Ｃのピン当接部分には、成形ピンの圧痕が形成される。このように複数の折り曲げ加工を行うことにより、曲げ部分の多い複雑な曲線形状であっても、精度良く容易に口出し線部を加工することができる。

図１１は、実施例２に係る固定子巻線の口出し線部の近傍を示している。固定子コアのスロット１０５から引き出された口出し線部３００は、上述した実施例１と同様に、スロット１０５の最外径部から引き出され、初期の引き出し線部の引出し方向に対し、折返し部４００において９０度以上反転する方向に折り返されて配置されている。

そして実施例２では、図１１に示すように、口出し線部３００には、上記９０度反転する方向に折り返された折返し線部４０２が設けられるとともに、固定子コア軸方向に折曲する２つのクランク部４０６，４０７が設けられており、更に、軸方向に延在する軸方向コイル長調整部４０８ａ，４０８ｂと、径方向に延在する径方向コイル長調整部４０９と、が設けられている。このように、複数の軸方向コイル長調整部４０８ａ，４０８ｂと径方向コイル長調整部４０９とを設ける構造とすることによって、コイル長さをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相でそれぞれ容易に調整することが可能となる。従って、上記の実施例１と同様に、３相の口出し線部３００の先端を同じ姿勢で一箇所に集約して配置しつつ、曲げ部を設けることで剛性を向上して振動を抑制することができ、かつ、各口出し線部３００でコイル長さを調整することで、複数の固定子巻線の間で全長を均一にして、電気抵抗値を均一化することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では固定子巻線を３本としているが、他の本数であっても良い。また、本実施例では、スロットの最も径方向外側の層からのみ口出し線部を引き出しているが、径方向外側の層と径方向内側の層の双方から口出し線部を引き出すように構成しても良い。

３…回転電機
１００…固定子
１０１…固定子コア
１０２…固定子巻線
１０５…スロット
１０６…導体
１０７…引出し線部
１１３…傾斜線部
２００…回転子
３００（３０１，３０２，３０３）…口出し線部
４００…折返し部
４０２…折返し線部
４０６，４０７…曲げ部（クランク部）

Claims (9)

1. 円筒状をなす固定子コアと、この固定子コアに巻かれた複数本の固定子巻線と、を有する回転電機の固定子において、
   上記固定子コアには、軸方向に貫通するとともに周方向に配列された複数のスロットが形成され、
   各固定子巻線は、上記スロット内を軸方向に延在しつつ、上記スロットの軸方向一端より引き出された引出し線部によって、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロットに跨って延在し、
   各引出し線部は、軸方向に対して所定方向に傾斜して上記スロットの軸方向一端より引き出された傾斜線部を有し、
   上記各固定子巻線の一端を構成する引出し線部には、外部機器と接続するための口出し線部が設けられ、上記複数の固定子巻線の全ての口出し線部は、その先端が同方向を指向する姿勢で、一箇所に集約して配置され、
   かつ、各口出し線部には、上記傾斜線部から９０度以上の角度で折り返される折返し部が設けられていることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 上記口出し線部は、上記スロット内に径方向に一列に配列された複数の固定子巻線のうち、径方向で最も外側に位置する固定子巻線の引出し線部に一体的に形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. 上記口出し線部は、上記傾斜線部から上記折返し部で折り返されて、周方向に沿って上記傾斜線部とは反対方向へ延在する折返し線部を有す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. 上記口出し線部には、クランク状に折曲する振動吸収用のクランク部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機の固定子。
5. 上記口出し線部には、上記折返し部の他に、軸方向もしくは径方向に折曲する曲げ部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機の固定子。
6. 上記複数の固定子巻線の全ての口出し線部を、軸方向視で６０度以内の角度範囲内に配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の回転電機の固定子。
7. 上記各固定子巻線は、所定の周方向ピッチで離間する２つのスロットに挿入される２つの直線部と、上記スロットの一方の軸方向端部より引き出されて上記２つの直線部を繋ぐ引出し線部と、上記スロットの他方の軸方向端部より引き出されて隣接する他の導体に溶接により電気的に接続される溶接部と、を有する複数の導体を有し、
   上記各固定子巻線の端部を構成する導体の引出し線部に、上記口出し線部が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の回転電機の固定子。
8. 上記複数の固定子巻線が均一の抵抗値となるように、各口出し線部の長さが設定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の回転電機の固定子。
9. 上記複数の固定子巻線は、上記口出し線部が設けられた端部とは反対側の端部に設けられた中性線部において結線されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の回転電機の固定子。

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