JP6004819B2

JP6004819B2 - 回転電機およびコイル製造方法

Info

Publication number: JP6004819B2
Application number: JP2012175141A
Authority: JP
Inventors: 昭範神谷; 尾畑　功治; 功治尾畑; 和雄西濱; 昭裕関根
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: JP2014036468A

Description

本発明は、同心巻コイルを用いた固定子コイルを備え、インバータ装置により駆動される回転電機、および、同心巻コイルのコイル製造方法に関する。

近年、省エネルギー化の観点からインバータ装置を用いて回転電機を可変速運転することが盛んに行われている。しかしながら、インバータ装置を用いて回転電機を駆動した場合、インバータ装置の動作により発生する急峻なサージ電圧が原因となり、従来の商用周波電源駆動時に比べて高い電圧が、回転電機の固定子巻線を構成する巻線間に発生することが報告されている。

さらに、今後は、スイッチング損失の低減が図れ、かつ、電圧立上り時間が小さいSiC（IGBT＋SiCdiode，MOS-FET）インバータが増えると予測される。回転電機では、インバータの立上り時間が短くなると、供電ライン側の第１コイルの分担電圧が高くなるという問題がある。

従来、このような問題に対しては、例えば、スロット内における巻き始めの巻線導体と巻き終わりの巻線導体との間の距離が近接するように巻線を行い、巻線間電圧を低減する方法（例えば、特許文献１参照）が提案されている。

特開２００７−２８８８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術の場合、巻枠に巻かれた巻線を固定子スロットに挿入するときに，巻線の巻終りと巻始めの位置を隣接させる作業が難しい。特に、複数の巻線を同心状に巻く同心巻コイルの場合、巻枠から巻線を取り外して固定子コアに挿入する際に、巻始めと巻終りの位置が不確定になり易いという問題がある。

請求項１の発明に係る回転電機は、インバータからの電圧が印加される固定子コイルを有する固定子と、固定子に対して空隙を介して回転自在に配置され回転子と、を備え、固定子コイルの各相コイルは、複数の同心巻コイルが直列接続された直列回路構造を有し、同心巻コイルは、周長およびコイル導体長さがそれぞれ異なる３以上の単位コイルを有し、各相コイルに設けられた複数の同心巻コイルの内、少なくともインバータの供電ラインに接続される同心巻コイルは、該同心巻コイルを構成する３以上の単位コイルの内で最も導体長さの短い単位コイルが、供電ラインに最も近い位置に配置されていることを特徴とする。
請求項３の発明に係る回転電機は、インバータからの電圧が印加される固定子コイルを有する固定子と、前記固定子に対して空隙を介して回転自在に配置され回転子と、を備え、前記固定子コイルの各相コイルは、複数の同心巻コイルが直列接続された直列回路構造を有し、前記同心巻コイルは、周長およびコイル導体長さが異なる複数の単位コイルを有し、前記各相コイルに設けられた複数の同心巻コイルの内、少なくとも前記インバータの供電ラインに接続される同心巻コイルは、該同心巻コイルを構成する複数の単位コイルの内で最も導体長さの短い単位コイルが、前記供電ラインに最も近い位置に配置され、前記相コイルは、巻回方向が正方向の第１同心巻コイルと、巻回方向が逆方向の第２同心巻コイルとを同数有し、隣接配置された前記第１同心巻コイルおよび前記第２同心巻コイルの、それぞれに含まれる導体長さが同じ単位コイル同士が接続されるように、前記相コイルに含まれる前記第１同心巻コイルおよび前記第２同心巻コイルが前記固定子の周方向に沿って配置されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、周長の異なる複数の巻枠部が、周長の大きなものから順に回転軸方向にそって形成された回転巻枠を用いて同心巻コイルを巻線することにより、請求項２または３に記載の回転電機に用いられる第１同心巻コイルおよび第２同心巻コイルを形成するコイル製造方法であって、第１同心巻コイルは、回転巻枠を一方向に回転させつつ、周長の大きな巻枠部から巻き始めて順に複数の巻枠部に巻線して形成し、第２同心巻コイルは、回転巻枠を前記一方向と逆の方向に回転させつつ、周長の大きな巻枠部から巻き始めて順に複数の巻枠部に巻線して形成することを特徴とする。
請求項６の発明は、周長の異なる複数の巻枠部が、周長の大きなものから順に回転軸方
向にそって形成された回転巻枠を用いて同心巻コイルを巻線することにより、請求項２または３に記載の回転電機に用いられる第１同心巻コイルおよび第２同心巻コイルを形成するコイル製造方法であって、第１同心巻コイルは、回転巻枠を一方向に回転させつつ、周長の最も大きな巻枠部から巻き始めて順に複数の巻枠部に巻線して形成し、第２同心巻コイルは、回転巻枠を一方向に回転させつつ、周長の最も小さな巻枠部から巻き始めて順に複数の巻枠部に巻線して形成することを特徴とする。

本発明によれば、同心巻コイルを用いた回転電機において、急峻なインバータサージ電圧に対する供電ライン側巻線への電圧集中を低減することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態の回転電機を説明する図である。図２は、回転電機１を示す半断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’断面図である。図４は、ステータコイル１３ａ〜１３ｃの構成を示す回路図である。図５は、同心巻コイル４０の構造の詳細図である。図６は、同心巻コイル４０，５０を示す図である。図７は、ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃの組線図である。図８は、比較例を示す図である。図９は、比較例の場合の組線図である。図１０は、比較例の場合における、対地間電圧とコイル電圧の測定結果を示す図である。図１１は、大コイル４０ｂと小コイル４０ａとを直列接続した場合の、それぞれのコイルに印加される電圧を説明する図である。図１２は、本実施の形態における、電圧印加直後の対地間電圧およびコイル電圧の測定結果を示す図である。図１３は、第２の実施の形態におけるＵ相ステータコイル１３ａの組線図である。図１４は、図７、図９、図１３に示す巻線に関して、わたり線の重なり本数、わたり線の跨り、使用する動員巻きの種類を示したものである。図１５は、本発明の適用範囲を示す図である。図１６は、４極で毎極毎相スロット数６の回転電機に適用した場合の回路図である。図１７は、４極で毎極毎相スロット数６の回転電機に適用した場合の組線図である。図１８は、６極で毎極毎相スロット数４の回転電機に適用した場合の回路図である。図１９は、６極で毎極毎相スロット数４の回転電機に適用した場合の組線図である。図２０は、Ｙ結線の場合の回路図の一例を示す図である。図２１は、巻線工程の手順を示すフローチャートである。図２２は、正転コイル４０および反転コイル５０の第１の製造方法を示す図である。図２３は、正転コイル４０および反転コイル５０の第２の製造方法を示す図である。図２４は、反転コイル５０の他の製造方法を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本発明の第１の実施の形態の回転電機を説明する図であり、インバータ駆動の回転電機システムを示す。回転電機システムは，回転電機１とインバータ電源２とインバータ３とを備えている。回転電機１とインバータ３とは、供電ラインを構成するケーブル５により接続されている。回転電機１をインバータ３で駆動することにより発生する回転トルクによって、負荷４が駆動される。

インバータ３は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路３０と、直流電圧を安定化させる平滑コンデンサ３１と、インバータ回路３２とを備えている。インバータ回路３２は、直流電圧をFET(Field Effect Transistor)，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチング素子３３でスイッチングして矩形波交流電圧に変換する。なお、平滑コンデンサ３１は、インバータ３の上アームと下アームとの間に接続され、平滑コンデンサ３１の下アームが接地される。

図２は、回転電機１を示す半断面図である。本実施の形態の回転電機１は、ハウジング１１内に、ロータ１４およびステータ１５を備えている。ロータ１４は、ステータ１５の内周側に空隙を介して配置されている。ステータ１５は回転電機１のハウジング１１内に保持され、ロータ１４のシャフト１４ａは、ハウジング１１に保持されたベアリング１７によって回転可能に支持されている。

図３は、図２のＡ−Ａ’断面図である。ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃとを備えている。ステータコア１２は、プレス成形により所定の形状された薄板鋼板を積層したものである。ステータコア１２は、環状のヨークコア１２ａと、ヨークコア１２ａから径方向内側に突出するように形成されたティースコア１２ｂとを有する。複数のティースコア１２ｂは、ヨークコア１２ａの周方向に等間隔で配置されている。ヨークコア１２ａと複数のティースコア１２ｂとは一体に形成されており、隣接する一対のティースコア１２ｂの間にはスロット１２ｃが形成されている。スロット１２ｃはステータコア内周面側が開口し、ステータコア軸方向に延在する溝を形成している。図３に示す例では、ステータコア１２には４８のスロット１２ｃが形成されている。

Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相の各巻線回路を構成するステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、それぞれ同心巻コイルで構成されている。各同心巻コイルは、ステータコア１２のティースコア１２ｂに巻回されている。ここで、同心巻きとは、コイル導体が複数のスロット１２ｃを跨いで（あるいは挟んで）離間した２つのスロット１２ｃに収納されるように、ティースコア１２ｂに巻き回され、同じ極を構成するコイルであれば同心状に配置される巻線方式である。

ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、後述するように自動巻線機を用いて巻き枠に所定の順序で予め巻回され。その後、ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、自動挿入機を用いて、ステータコア１２の内周側に開口したスロット開口部からスロット１２ｃに挿入されることにより、ステータコア１２に巻き回された状態となる。ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、Ｕ相ステータコイル１３ａ、Ｖ相ステータコイル１３ｂ、Ｗ相ステータコイル１３ｃの順に、スロット１２ｃ内に挿入される。ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃの巻き順の詳細については後述する。ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃのコイル端部は、スロット１２ｃからステータ軸方向の両方向に突出し、ステータコア１２の軸方向両端面に配置されている。

ロータ１４は、ロータコア１４ｂと、永久磁石１４ｃと、シャフト１４ａとから構成されている。ステータコア１２は、プレス成形により所定の形状された薄板鋼板を積層したものである。ロータコア１４ｂは、プレス成形により所定の形状された薄板鋼板を積層したものであり、積層後にシャフト１４ａに固定される。ロータコア１４ｂの外周部には、ロータ１４の軸方向に貫通する複数の磁石挿入孔が周方向に等間隔で形成されている。本実施形態では、４個の磁石挿入孔が形成されている。各磁石挿入孔には、永久磁石１４ｃが挿入され、固定されている。

図３に示すように、ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃはそれぞれ８個の同心巻コイルで構成されており、合計で２４個の同心巻コイルを備えている。例えば、Ｕ相のステータコイル１３ａの同心巻コイルは、８個のスロット１２ｃを跨ぐように互いに離間したスロット１２ｃ内に挿入されるように巻き回されている。そして、その８個のスロット１２ｃには他の相（Ｖ相およびＷ相）の同心巻コイルが挿入されている。同様の構成で、Ｕ相ステータコイル１３ａを構成する４個の同心巻コイルが周方向に配置されている。Ｖ相ステータコイル１３ｂおよびＷ相ステータコイル１３ｃも同様の構成となっており、全体で３相４極構造のステータコイルを構成している。本実施の形態の回転電機では、図３に示すようにステータコイルは分布巻きの構成であるため、弱め界磁制御や、リラクタンストルクを活用して、低回転速度だけでなく高回転速度までの広い回転数範囲について制御が可能となる。

次に、図４〜図１２を参照して、本実施の形態におけるサージ電圧対策について説明する。図４は、本実施形態のステータコイル１３ａ〜１３ｃの構成を示す回路図である。３相分のステータコイル１３ａ〜１３ｃは図４（ａ）に示すようにΔ結線されており、１相当たり２並列で４直列の回路になっている。供電ライン側の端子は、Ｕ１，Ｕ６，Ｖ１，Ｖ６，Ｗ１，Ｗ６端子である。Ｕ１−Ｕ２間には２つの同心巻コイル４０，５０が並列接続されている。一方、Ｕ５−Ｕ６間の場合も、Ｕ１−Ｕ２間の場合と同様に２つの同心巻コイル４０，５０が並列接続されている。

図４（ｂ）に示すように、同心巻コイル４０は、２つの単位コイル４０ａ，４０ｂが２連続して巻線されている。図５は、同心巻コイル４０の構造をより詳細に示したものである。単位コイル４０ａ，４０ｂは、それぞれコイル導体を複数ターン巻き回したものである。図３に示したように、内側の単位コイル４０ａは９スロットピッチ（９ＳＰ）で巻き回されており、外側の単位コイル４０ｂは１１スロットピッチ（１１ＳＰ）で巻き回されている。そのため、１ターン当たりの長さであるコイル周長は、単位コイル４０ｂの方が大きい。本実施の形態では、単位コイル４０ａ，４０ｂのターン数は等しく設定されているので、スロットピッチ（すなわちコイル幅）の大きな単位コイル４０ｂの方が、コイルを構成している導体の長さが長い。

以下では、コイルを構成している導体の長さがより長い単位コイル４０ｂを大コイル４０ｂと呼び、導体の長さが短い方の単位コイル４０ａを小コイル４０ａと呼ぶことにする。上述のように、本実施の形態ではコイル４０ａ、４０ｂはターン数が等しいので、スロットピッチが小さい方が小コイルで、スロットピッチの大きい方が大コイルになっている。なお、これらの小コイル４０ａ，大コイル４０ｂを、図４（ｂ）に示す同心巻コイル４０のように簡略化して示すことにする。この場合、内側の単位コイルが小コイル４０ａであり、外側の単位コイルが大コイル４０ｂである。

また、同心巻コイル５０は、同心巻コイル４０の場合と同様に、小コイル５０ａと大コイル５０ｂとが２連続して巻線されたものであるが、巻回方向が同心巻コイル４０と逆になっている。図６は同心巻コイル４０，５０を示したものである。同心巻コイル４０を正転コイルとすると、同心巻コイル５０は同心巻コイル４０を左右方向に１８０°反転した反転コイルになっている。小コイル４０ａおよび大コイル４０ｂの端子位置と小コイル５０ａおよび大コイル５０ｂの端子位置とが、それぞれ左右反対になっている。

Ｖ相のステータコイル１３ｂおよびＷ相のステータコイル１３ｃも、Ｕ相のステータコイル１３ａと同様の構造になっている。この場合、端子Ｖ１、Ｗ１が端子Ｕ１に対応し、端子Ｖ６、Ｗ６が端子Ｕ１に対応する。

図７は、ステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃの組線図を示したものである。Ｕ相のステータコイル１３ａの配置を見ると、Ｕ１−Ｕ２間の同心巻コイル４０，５０が、正転コイル（同心巻コイル４０）−反転コイル（同心巻コイル５０）の順に配置され、次いで、Ｕ５−Ｕ６間の同心巻コイル４０，５０が、反転コイル（同心巻コイル５０）−正転コイル（同心巻コイル４０）の順に配置されている。

すなわち、ステータコイル１３ａは、巻回方向が正方向の正転コイル４０と、巻回方向が逆方向の反転コイル５０とを２個ずつ備えている。そして、隣接配置された正転コイル４０および反転コイル５０の、それぞれに含まれる導体長さが同じ単位コイル同士（小コイル４０ａ同士、大コイル４０ｂ同士）が接続されるように、ステータコイル１３ａに含まれる正転コイル４０および反転コイル５０が、固定子の周方向に沿って配置されている。Ｖ相およびＷ相のステータコイル１３ｂ，１３ｃについても、ステータコイル１３ａと同様に構成されている。

図８は、本実施の形態に対する比較例を示す図であり、同心巻コイルを用いたステータコイルの一例を示したものである。この場合、同一形態の同心巻コイル４０を４つ用いて２並列４直列のステータコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃをそれぞれ形成している。このような構成の場合、組線図は図９に示すようなものとなる。

図８，９に示すように、Ｕ１−Ｕ２間で並列接続された同心巻コイル４０，４０において、外側に図示した同心巻コイル４０は、供電ライン側の端子Ｕ１から大コイル４０ｂ、小コイル４０ａの順で接続されている。一方、内側に図示した同心巻コイル４０は、端子Ｕ１から小コイル４０ａ、大コイル４０ｂの順で接続されている。また、Ｕ６−Ｕ５間で並列接続された同心巻コイル４０，４０において、外側に図示した同心巻コイル４０は、供電ライン側の端子Ｕ６から小コイル４０ａ、大コイル４０ｂの順で接続されている。一方、内側に図示した同心巻コイル４０は、端子Ｕ６から大コイル４０ｂ、小コイル４０ａの順で接続されている。符号４０ａ，４０ｂの図示は省略したが、Ｖ相およびＷ相のステータコイル１３ｂ，１３ｃについても、ステータコイル１３ａと同様の構成となっている。

図１０は、図８，９に示したステータコイルの場合における、対地間電圧とコイル電圧の測定結果を示したものである。図１０において、上側に示したデータは対地間電圧を示したものであって、曲線Ｕ１は、ステータコイル１３ａの巻始め（口出し線部）の部分（図８の端子Ｕ１の部分に相当）の対地間電圧を示している。曲線ａは、Ｕ１−Ｕ２間の外側の同心巻コイル４０の第１コイル（大コイル４０ｂ）と第２コイル（小コイル４０ａ）とのわたり部ａの対地間電圧を示している。曲線Ｕ２は端子Ｕ２で対地間電圧、すなわち、Ｕ１−Ｕ２間の第２コイル（小コイル４０ａ）とＵ６−Ｕ５間の第２コイル（大コイル４０ｂ）とのわたり部の対地間電圧を示している。曲線ｂは、Ｕ６−Ｕ５間の第２コイル（大コイル４０ｂ）と第１コイル（小コイル４０ａ）とのわたり部の対地間電圧を示している。

図１０の下側に示したデータは、Ｕ１−ａ間のコイル（大コイル４０ｂ）、ａ−Ｕ２間のコイル（小コイル４０ａ）およびＵ２−ｂ間のコイル（大コイル４０ｂ）のそれぞれに印加される電圧（コイル電圧）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を示したものである。例えば、端子Ｕ１の電位とわたり部ａの電位との差が、Ｕ１−ａ間の大コイル４０ｂに印加される電圧である。

図１０に示す例では、直列に接続された３つのコイル４０ｂ、４０ａ、４０ｂを見た場合、１番目のコイル４０ｂの電圧Ｃ１がピークに達してから、約１．２μs遅れて２番目のコイル４０ａの電圧Ｃ２がピークに達している。この結果，巻始めの対地間電圧の約９０％が１番目のコイルに集中していることがわかる。このように、図８，９に示すようなステータコイルの場合には、急峻なサージ電圧に対して、１番目のコイルに高い電圧が発生している。

図１１は、大コイル４０ｂと小コイル４０ａとを直列接続した場合の、それぞれのコイルに印加される電圧を説明する図である。図１１（ａ）は供電ライン側の第１コイルとして大コイル４０ｂを配置した場合を示し、図１１（ｂ）は供電ライン側に第１コイルとして小コイル４０ａを配置した場合を示す。ここでは、小コイル４０ａの導体全体の長さ（以下では、導体長さと称する）をＬとし、大コイル４０ｂの導体長さを２Ｌと仮定している。図１１（ａ）に示す配置の場合、モータ端子電圧Ｖに対して、第１コイルには（２／３）・Ｖの電圧が分担され、第２コイルには（１／３）・Ｖの電圧が分担される。一方、図１１（ｂ）に示すように小コイルを供電ライン側に配置した場合には、第１コイルである小コイルの分担電圧は（１／３）・Ｖとなり、第２コイル（大コイル）の分担電圧は（２／３）・Ｖとなる。

図１１（ｂ）の配置では、第１コイルと第２コイルのわたり部ａの電位が図１１（ａ）の場合よりも高くなるので、わたり部ａの対地間電圧の立ち上がりは図１０に示した曲線ａの立ち上がりよりも速くなり、電圧レベルも高くなる。その結果、巻始めの対地間電圧の内の１番目のコイルへの集中度が減少する。図８，９に示したステータコイル１３ａでは、外側の直列接続においては端子Ｕ１側に大コイル４０ｂが配置され、内側の直列接続では端子Ｕ６側に大コイル４０ｂが配置されている。そのため、端子Ｕ１に電圧が印加された場合には、端子Ｕ１に接続された外側の第１コイル（４０ｂ）および第２コイル（４０ａ）の部分が図１１（ａ）の状況となる。逆に、端子Ｕ６に電圧が印加された場合には、端子Ｕ６に接続された内側の第１コイル（４０ｂ）および第２コイル（４０ａ）の部分が図１１（ａ）の状況となる。その結果、図１０に示すような大きなサージ電圧が供電ライン側の第１コイルに発生することになる。

そこで、本実施の形態では、同心巻コイルとして図６に示す正転コイル４０と反転コイル５０とを使用し、図４，７に示すように、供電ライン側に配置された第１コイルが小コイル４０ａまたは５０ａとなるような構成のステータコイル１３ａ，１３４ｂ，１３ｃとした。なお、図４では、Ｕ相のステータコイル１３ａのみに符号４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂが付されているが、Ｖ相およびＷ相のステータコイル１３ｂ，１３ｃについても、同様のコイル配置となっている。このように、供電ライン側に小コイルを配置することで、供電ライン側の単位コイル（第１コイル）の分担電圧が小さくなり、電圧印加直後の対地間電圧およびコイル電圧の測定結果は図１２のようになる。

図１２の対地間電圧において、符号ａ１で示すデータは、第１コイルが大コイルで、第２コイルが小コイルの場合、すなわち、図８に示すコイル構成の場合のわたり部ａの対地間電圧を示したものである。一方、符号ａ２で示すデータは、第１コイルが小コイルで、第２コイルが大コイルの場合、すなわち、図４に示した本実施の形態のコイル構成の場合である。また、コイル電圧に関しては、第１コイルのコイル電圧を示しており、符号Ｃ１１のデータは図８のコイル構成の場合を示し、符号Ｃ１２のデータは図４に示す本実施の形態の場合を示す。コイル電圧Ｃ１２は、Ｃ１１に比べて約１０％程度小さくなっている。

上述したように、本実施の形態では、供電ラインに接続される同心巻コイル４０，５０においては、導体長さの短い小コイル４０ａが供電ライン側に配置されるようにした。その結果、供電ラインに接続される単位コイルの分担電圧が小さくなり、急峻なインバータサージ電圧に対する電圧集中を低減することができる。よって、信頼性の高い回転電機を提供することができる。

また、本実施の形態では、隣接配置された正転コイル４０および反転コイル５０の、それぞれに含まれる導体長さが同じ単位コイル同士（小コイル４０ａ同士、大コイル４０ｂ同士）が接続されるように、ステータコイル１３ａに含まれる正転コイル４０および反転コイル５０が、固定子の周方向に沿って配置されている。そのため、後述するように、わたり線の重なりを極力減らすことができ、コイルエンドを小さくすることができる。さらに、わたり線の跨りを４８スロット/相にできるため、銅損による発熱を小さくすることができる。

−第２の実施の形態−
上述した第１の実施の形態では、図４，７に示すように、同心巻コイルとして図６に示すような正転コイル４０および反転コイル５０を用いることで、供電ライン側の第１コイルに小コイル４０ａまたは５０ａを配置した。各端子の結線に関しては、図７と図９とを比較してわかるように、従来の場合と同様の結線が採用されている。

一方、第２の実施の形態では、ステータコイル１３ａにおける端子Ｕ１，Ｕ２，Ｕ５，Ｕ６の結線を図１３のような構成とすることで、同心巻コイルに正転コイル４０のみ使用するようにしている。図１３は、第２の実施の形態におけるＵ相ステータコイル１３ａの組線図を示したものである。なお、Ｖ相およびＷ相のステータコイル１３ｂ、１３ｃについては、ステータコイル１３ａと同様の構成なので、図示および説明を省略する。

Ｕ１−Ｕ２間で並列接続された２つの同心巻コイル４０と、Ｕ５−Ｕ６間で並列接続された２つの同心巻コイル４０とは、固定子の周方向に交互に配置されている。すなわち、並列接続された２つの同心巻コイル４０は、１極分離れて配置される。図１３のように同心巻コイル４０を配置することにより、第１の実施の形態の場合と同様に、急峻なインバータサージ電圧に対する供電ライン側単位コイルへの電圧集中を低減することができ、信頼性の高い回転電機を提供することができる。また、本実施形態では、第１の実施の形態のように反転コイル５０を作る必要がないという利点を有する

ただし、図１３に示すように、端子間を接続するためのわたり線の重なりが多くなり、図示左側から２３番目〜２５番目のスロットにおいては４本のわたり線が重なっている。さらに、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相分を考えると、わたり線の重なり本数は最大で１０本となる。また、図１３に示す例では、わたり線の跨りが１相あたり９６スロット（＝２４×４）となる。

図１４は、図９の構成（従来例）の場合、図７の構成の場合、図１３の構成の場合について、わたり線の重なり本数、わたり線の跨り、使用する動員巻きの種類（コイル方向）について表にまとめたものである。図７の構成と比較した場合、図１３の構成は、サージ対策の点では同等であるが、わたり線の重なり本数およびわたり線の跨りの点で劣っていることになる。わたり線の重なり本数が多いとコイルエンドが大きくなり、わたり線の跨りが大きいとわたり線の銅損による発熱が増大する。図７に示す構成では、わたり線の重なりは最大２本になり、コイルエンドを小さくすることができる。また、わたり線の跨りを４８スロット/相にでき、銅損による発熱を小さくすることができる。

すなわち、コイルエンドの大きさや銅損の観点では、図７に示す構成が最も優れており、本実施の形態における図１３の構成の場合は、図９に示す従来の構成と比べて若干劣る。

上述した実施形態は、４極で毎極毎相スロット数が４の場合の回転電機を例に説明したが、図１５に示すように、本発明は４極以上、毎極毎相スロット数（NSPP）が３以上の回転電機に適用することができる。なお、NSPPは次式（１）で定義される数であって、上述した実施の形態の場合には、Ns＝４８、Np＝４、Nph＝３なので、NSPP=４となる。
NSPP=Ns/(Np×Nph) ・・・（１）
ここに、Ns：スロット数、Np：極数、Nph：相数(=3)

図１５は本発明の適用範囲を示したものであり、縦方向に極数、横方向にNSPPをとったものである。丸印が適用可能を示し、×印が適用できないことを示している。毎極毎相スロット数が１、２の場合，コイル間に導体長さの差が無くなるため、本発明は適用できない。また、極数が２極の場合も、供電ライン側に小コイルを配置することができないため本発明は適用できない。よって、本発明は４極以上，毎極毎相スロット数が３以上に適用できる。

図１６，１７は、本発明を４極で毎極毎相スロット数６の回転電機に適用した場合の回路図および組線図を示したものである。図１７ではＵ相のみの組線図を示しており、上側に示したものは正転コイル４０のみで構成した場合であり、下側に示したものは、正転コイル４０と反転コイル５０を用いた場合である。

図１６，１７で使用している同心巻コイル４０は、図１７に示すように、導体長さの異なる３つの単位コイル４０Ｓ，４０Ｍ，４０Ｌから成る。単位コイル４０Ｓ，４０Ｍ，４０Ｌの幅は、それぞれ１３スロットピッチ、１５スロットピッチ、１７スロットピッチであって、それぞれの導体長さは「単位コイル４０Ｓ＜単位コイル４０Ｍ＜単位コイル４０Ｌ」のように設定されている。なお、反転コイル５０は正転コイル４０を左右反転した構成であり、正転コイル４０の場合と同様に、導体長さの異なる３つの単位コイル５０Ｓ，５０Ｍ，５０Ｌから成る。

この場合も、供電ライン側である、端子Ｕ１および端子Ｕ６に接続される同心巻コイルは、最も導体長さの短い単位コイル４０Ｓが供電ライン側となるように配置されている。そのため、急峻なインバータサージ電圧に対する供電ライン側単位コイルへの電圧集中を低減することができ、信頼性の高い回転電機を提供することができる。

図１７の上側の構成と下側の構成との関係は、上述した図１３の構成と図７の構成との関係と同様である。すなわち、図１７の上側に示した構成では正転コイル４０のみを用いてＵ相のステータコイルを構成し、図１７の下側に示した構成では正転コイル４０と反転コイル５０とを用いてＵ相のステータコイルを構成している。正転コイル４０のみを用いる構成では、１極分離れた正転コイル４０同士を接続するようにしている。

一方、正転コイル４０と反転コイル５０とを用いる構成では、隣接する正転コイル４０と反転コイル５０とが接続され、かつ、導体長さが同一単位コイル同士を接続するようにしている。そのため、わたり線の重なり数を小さくすることができるとともに、わたり線の跨りを小さくすることができる。その結果、銅損の低減、および、コイルエンドの小型化を図ることができる。

図１８，１９は、本発明を６極で毎極毎相スロット数４の回転電機に適用した場合の回路図および組線図を示したものである。ここでは、図６に示したものと同じ正転コイル４０および反転コイル５０を用いてステータコイルを構成している。図１９ではＵ相のみの組線図を示しており、上側に示したものは正転コイル４０のみで構成した場合であり、下側に示したものは、正転コイル４０と反転コイル５０を用いた場合である。なお、図１８では、小コイル４０ａ，５０ａに対応する単位コイルを符号Ｓで示し、大コイル４０ｂ，５０ｂに対応する単位コイルを符号Ｌで示した。

図１９の上側の構成と下側の構成との関係は、上述した図１３の構成と図７の構成との関係と同様である。端子Ｕ１と端子Ｕ６との間には直列関係で６つの単位コイルが設けられている。端子Ｕ１側から順に第１コイル、第２コイル、第３コイル、第４コイル、第５コイル、第６コイルとした場合、供電ライン側の第１コイルおよび第６コイルは小コイルとされている。Ｕ３−Ｕ４間の第３コイルおよび第４コイルに関しては、いずれを小コイルとしても良い。図１８に示す例では、第３コイルを小コイルとしている。なお、Ｖ相およびＷ相のステータコイルについてもＵ相ステータコイルと同様の構成となっている。

このように、各相のステータコイルは３つの同心巻コイルが直列接続された直列回路構造を有しており、少なくとも供電ライン（端子Ｕ１，Ｕ６等）に接続される同心巻コイルは、その同心巻コイルを構成する２つの単位コイルの内で最も導体長さの短い単位コイルが、供電ラインに最も近い位置に配置されている。そのため、急峻なインバータサージ電圧に対する供電ライン側単位コイルへの電圧集中を低減することができ、信頼性の高い回転電機を提供することができる。

なお、上述した実施の形態では、Δ結線の場合を例に説明したが、本発明はＹ結線の場合にも同様にて適用することができる。例えば、図４に示したΔ結線をＹ結線に変更した場合には、図２０に示すような回路図となる。なお、図２０では、小コイルを符号Ｓで示し、大コイルを符号Ｌで示した。例えば、Ｕ相のステータコイルにおいては、端子Ｕ１−Ｕ６間の単位コイルの配置は、図４に示した場合と同様の関係となっている。

図２１〜２３は、本実施の形態の同心巻回転電機の巻線工程を説明する図である。図２１は、巻線工程の手順を示すフローチャートである。図２２は、正転コイル４０および反転コイル５０の第１の製造方法を示す図である。図２３は、正転コイル４０および反転コイル５０の第２の製造方法を示す図である。

同心巻きされたステータは、たとえば、インサータ装置を用いたインサータ方式により製造される。インサータ装置６２は、王冠形状に形成されており、その形状の周方向に並んで軸方向に突出する複数の突出部（ブレード６３）を有する。まず、ステータコアを用意し（ステップＳ１０）、ステータコア１２の各スロットにスロット絶縁紙を挿入する（ステップＳ２０）。次いで、図２２（ａ）に示すように、正転コイル４０を製作し、その正転コイル４０をコイル巻落とし装置によってインサータ装置６２の各ブレード６３に掛落とす（ステップＳ３０）。

図２２において、６０は回転巻枠、６１はノズルである。回転巻枠６０には、軸方向の図示上側に大コイルを巻きつける周長の大きな巻枠部６０ｂが形成されており、図示下側には小コイルを巻きつける周長の小さな巻枠部６０ａが形成されている。正転コイル４０を製作する場合には、回転巻枠６０を時計回りに回転させつつ、ノズル６１を上側から下側へと移動させてコイル導体を巻枠部６０ｂ、巻枠部６０ａの順に巻きつける。その後、正転コイル４０を回転巻枠６０から外し、複数のブレード６３にそれぞれ掛落とす。

同様に、図２２（ｂ）に示すように反転コイル５０を製作し、その反転コイル５０をコイル巻落とし装置によってインサータ装置６２の各ブレード６３に掛落とす（ステップＳ４０）。反転コイル５０を製作する場合には、回転巻枠６０を反時計回りに回転させつつ、ノズル６１を上側から下側へと移動させてコイル導体を巻枠部６０ｂ、巻枠部６０ａの順に巻きつける。そして、ステップＳ３０およびステップＳ４０の作業を極数分だけ繰り返し行う（ステップＳ５０）。

全ての正転コイル４０および反転コイル５０がインサータ装置６２の各ブレード６３に掛落とされたならば、各コイル４０，５０は、図２３に示すように、インサータ装置６２を介してステータコア１２のスロット内に押し込まれる。ステップＳ３０からステップＳ６０までの工程を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれについて行ったならば、ステータコア１２に装着されたコイルのコイル間および異相間に絶縁紙を挿入する（ステップＳ８０）。

その後、巻線端末処理（ステップＳ９０）、コイル端部のレーシング（ステップＳ１００）、コイル端部の整形（ステップＳ１１０）、ワニス処理（ステップＳ１２０）を行うことで、固定子が完成する（ステップＳ１３０）。固定子完成後は絶縁検査を行う（ステップＳ１４０）。

なお、図２２（ｂ）に示した例では、回転巻枠６０を反時計回りに回転させて反転コイル５０を製作したが、図２４に示すように、回転巻枠６０を時計回りに回転させつつノズルを図示下側から上側へと移動させるようにして反転コイル５０を製作するようにしても良い。図２２（ｂ）に示した方法では巻き始めを大コイルとしたが、図２４に示した巻線方法では、巻き始めを小コイルとすることで、回転巻枠６０の回転方向を正転コイル４０の場合と同様に時計回りとすることができる。

また、図１６，１７に示したような、大、中、小と３種類の単位コイル４０Ｌ，４０Ｍ，４０Ｓを有する同心巻コイル４０の場合には、周長が大、中、小と異なる３種類の巻枠部が形成された回転巻枠６０を使用する。巻線の方法は、正転コイル４０および反転コイル５０と同様の方法で巻線することができる。図２２，２４のいずれに示す巻線方法においても、正転コイル４０を製造する巻線機の設定を変更することで、反転コイル５０を容易に製造することができる。

上述した実施の形態では、並列接続された同心巻コイルを複数直列に接続して１相分を形成しているステータコイルについて説明したが、並列構造を有さず同心巻コイルを複数直列接続しただけのステータコイルにも同様に適用することができる。その場合も、供電ライン側に小コイルの単位コイルを配置するようにすれば良い。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：回転電機、２：インバータ電源、３：インバータ、１３ａ〜１３ｃ：ステータコイル、１４：ロータ、１５：ステータ、３２：インバータ回路、４０：同心巻コイル（正転コイル）、４０ａ，５０ａ：単位コイル（小コイル）、４０ｂ，５０ｂ：単位コイル（大コイル）、５０：同心巻コイル（反転コイル）、４０Ｓ，４０Ｍ，４０Ｌ，５０Ｓ，５０Ｍ，５０Ｌ：単位コイル、６０：回転巻枠、６０ａ，６０ｂ：巻枠部、６１：ノズル、６２：インサータ装置

Claims

インバータからの電圧が印加される固定子コイルを有する固定子と、
前記固定子に対して空隙を介して回転自在に配置され回転子と、を備え、
前記固定子コイルの各相コイルは、複数の同心巻コイルが直列接続された直列回路構造を有し、
前記同心巻コイルは、周長およびコイル導体長さがそれぞれ異なる３以上の単位コイルを有し、
前記各相コイルに設けられた複数の同心巻コイルの内、少なくとも前記インバータの供電ラインに接続される同心巻コイルは、該同心巻コイルを構成する３以上の単位コイルの内で最も導体長さの短い単位コイルが、前記供電ラインに最も近い位置に配置されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記相コイルは、
巻回方向が正方向の第１同心巻コイルと、巻回方向が逆方向の第２同心巻コイルとを同数有し、
隣接配置された前記第１同心巻コイルおよび前記第２同心巻コイルの、それぞれに含まれる導体長さが同じ単位コイル同士が接続されるように、前記相コイルに含まれる前記第１同心巻コイルおよび前記第２同心巻コイルが前記固定子の周方向に沿って配置されていることを特徴とする回転電機。
インバータからの電圧が印加される固定子コイルを有する固定子と、
前記固定子に対して空隙を介して回転自在に配置され回転子と、を備え、
前記固定子コイルの各相コイルは、複数の同心巻コイルが直列接続された直列回路構造を有し、
前記同心巻コイルは、周長およびコイル導体長さが異なる複数の単位コイルを有し、
前記各相コイルに設けられた複数の同心巻コイルの内、少なくとも前記インバータの供電ラインに接続される同心巻コイルは、該同心巻コイルを構成する複数の単位コイルの内で最も導体長さの短い単位コイルが、前記供電ラインに最も近い位置に配置され、
前記相コイルは、
巻回方向が正方向の第１同心巻コイルと、巻回方向が逆方向の第２同心巻コイルとを同数有し、
隣接配置された前記第１同心巻コイルおよび前記第２同心巻コイルの、それぞれに含まれる導体長さが同じ単位コイル同士が接続されるように、前記相コイルに含まれる前記第１同心巻コイルおよび前記第２同心巻コイルが前記固定子の周方向に沿って配置されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記相コイルは、該相コイルを構成する前記複数の同心巻コイルの巻回方向がすべて同一方向であって、固定子周方向に１極分離れて配置された同心巻コイル同士が接続されていることを特徴とする回転電機。
周長の異なる複数の巻枠部が、周長の大きなものから順に回転軸方向にそって形成された回転巻枠を用いて同心巻コイルを巻線することにより、請求項２または３に記載の回転電機に用いられる前記第１同心巻コイルおよび第２同心巻コイルを形成するコイル製造方法であって、
前記第１同心巻コイルは、前記回転巻枠を一方向に回転させつつ、前記周長の大きな巻枠部から巻き始めて順に前記複数の巻枠部に巻線して形成し、
前記第２同心巻コイルは、前記回転巻枠を前記一方向と逆の方向に回転させつつ、前記周長の大きな巻枠部から巻き始めて順に前記複数の巻枠部に巻線して形成することを特徴とするコイル製造方法。
周長の異なる複数の巻枠部が、周長の大きなものから順に回転軸方向にそって形成された回転巻枠を用いて同心巻コイルを巻線することにより、請求項２または３に記載の回転電機に用いられる前記第１同心巻コイルおよび第２同心巻コイルを形成するコイル製造方法であって、
前記第１同心巻コイルは、前記回転巻枠を一方向に回転させつつ、前記周長の最も大きな巻枠部から巻き始めて順に前記複数の巻枠部に巻線して形成し、
前記第２同心巻コイルは、前記回転巻枠を前記一方向に回転させつつ、前記周長の最も小さな巻枠部から巻き始めて順に前記複数の巻枠部に巻線して形成することを特徴とする
コイル製造方法。