JP6159819B2 - 固定子及びこれを備えた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子及びこれを備えた回転電機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００７−２５９５７７号公報（特許文献１）がある。この公報には、固定子巻線のコイルエンド高さを低くすることができる回転電機を提供することの解決手段として「回転子と、この回転子の径方向外側に対向配置された固定子とを有する回転電機において、固定子は、周方向に沿って配置された複数のスロットが形成された固定子コアと、一部がスロット内に配置され、残りの一方が固定子コアの軸方向端面から突出するセグメント導体を接合することにより形成される複数のコイルからなる多相巻線としての固定子巻線とを備え、スロット内には６本以上の偶数本のセグメント導体の直線部が配置されており、複数のコイルの反接合側コイル辺間隔である後ピッチは、磁極ピッチよりも大きいものと磁極ピッチよりも小さいものとが混在しており、磁極ピッチよりも小さい後ピッチを有するセグメント導体のターン部を覆う位置に、磁極ピッチよりも大きい後ピッチを有するセグメント導体のターン部を配置している」と記載されている（要約参照）。

特開２００７−２５９５７７号公報

特許文献１には、コイルエンド高さを低くした回転電機が記載されている。しかし、特許文献１の回転電機は中性線接続部を軸方向に延伸した後に溶接する構成である。

このような回転電機では、コイル溶接部の高さ分が高くなることは避けられないため、更なる低コイルエンド化が難しい場合がある。

そこで、本発明は、固定子巻線のコイルエンド高さを低くすることができる固定子及びこれを備えた回転電機を提供する。

上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相からなり中性線と出力線とを有する固定子巻線を固定子コアのスロットに挿入して巻回した回転電機の固定子において、前記中性線は、コイルエンドのコイル上部において周方向に延伸する這い回し部を有し、前記這い回し部は、軸方向に段差を有する段差部を備え、前記出力線は、少なくとも１ヶ所以上で前記段差部の軸方向下部に形成される空間部を通っていることを特徴とする。

本発明によれば、固定子巻線のコイルエンド高さを低くすることができる固定子及びこれを備えた回転電機を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

ハイブリッド電気自動車のブロック図を示す図である。 本発明の一実施例における回転電機の断面図である。 回転電機の固定子の外観図を示す図である。 一つのスロットに入る巻線の概略を示す図である。 固定子コアにコイルを挿入した状態を内径側から見た図である。 本発明の一実施例における結線構成を示す図である。 中性線の構成を説明する図である。 中性線と出力線の這い回しを示した図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
ここで説明する実施例は、回転電機の固定子の中性線及び出力線の這い回し構造に関するものである。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。各固定子巻線の両端には、外部接続用の出力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２Ｙ結線により結線される。

そして本実施例では、上記複数相の固定子巻線の中性線周方向に延伸した這い回し部に軸方向の段差を設ける。上記段差と、Ｕ字またはＶ字成形されたセグメントコイルの反接続部上部に生じる空間の間に少なくとも1相分の出力線を潜り込ませることで、低コイルエンド化を実現し、ミッション部等の他の機器との隙間を確保することが出来る。

以下、図１から図８を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例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。

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。

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Ｕ相，Ｖ相，及びＷ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１１０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。

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。

図５は固定子コアにコイルを挿入した状態を内径側から見た図である。

固定子巻線１０２を構成する各導体１０６は、図４、図５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、中性線部及び出力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１１０を有するとともに、スロット１０５の軸方向一端（図３の左端）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、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。

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、外部機器と接続するための出力線部１０８（１０８Ｕ１，１０８Ｕ２，１０８Ｖ１、１０８Ｖ２、１０８Ｗ１、１０８Ｗ２）と各相の端部を接続した中性線部３００が設けられている。本実施例における形態では上記中性線部３００ａ、ｂの構造に特徴を有している。

図６に本実施例の結線構成を示す図である。本実施例においては２Ｙ結線の巻線である。

図７は中性線３００ａを説明する図である。中性線部３００ａ、ｂは外径側のスロットと内径側のスロットから這いまわされる以外は同様の構成であるため、本実施例では中性線部３００ａを例にして説明する。コイルエンド１３（図２参照）を構成する巻線については図示を省略した。中性線３００ａは第１のスロットと第２のスロットから引き出される中性線３０１と、第１と第２のスロットの中間のピッチに位置する第３のスロットから引き出される中性線３０２から構成される。上記の導体３０１及び３０２は、図４に示す層で同一層から引き出されることを特徴とする。導体３０１はＵ相巻線の中性線とＷ相巻線の中性線から成り、連続した一本の平角導体で構成され、上記中性線にＶ相巻線の中性線３０２が接続される。中性線３０１は軸方向に鋭角な折返し曲げ部４０１を有し、上記鋭角な折返し曲げ部の近傍に軸方向曲げ段差部４０２を有することを特徴とする。上記中性線３０１と中性線３０２の第１から第３のスロットは等ピッチに配置される。コイルエンド高さが抑えられるように、接続部３０３は固定子コア１０１の径方向に並ぶように接続される。

図３と図７より、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１１０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１１１が形成されている。そして、中性線部３００ａ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１１１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字状をなしている。

これに対して、中性線３００ａにおいては、傾斜線部１１１の引出し方向に対して、９０度以上反転する鋭角な折返し部４０１が折曲形成されている。つまり、折返し部４０１によって、傾斜線部１１１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、コイルエンド部から突出する出力線部と中性線部が配置される凸部領域を縮小するように、鋭角部４０１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、中性線部３００には、上記鋭角部４０１の他に、軸方向曲げ段差部４０２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、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。

また、図示していないが、中性線部３００ａ、ｂ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中性線部３００ａ、ｂ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。

本実施例において、中性線３０１，３０２の接続部３０３は絶縁被膜を除去せずに接続されているが、接続を容易にするため、絶縁被膜を剥離する方法も用いる。例えば、接続部のある一定の面積のみ、型やレーザによって剥離する方法や、ヒュージングを用いて絶縁被膜を炭化させ圧力をかけることで、間接的に絶縁被膜を除去する方法もある。

更に中性線３０１、中性線３０２の接続部３０２は、ロウ付、ＴＩＧ溶接や超音波溶接などにより接合し、一体とする。

なお、中性線３０１、３０２の接続は、上記中性線を固定子コア１０１のスロット１０５への挿入後、挿入前のどちらの順で接続しても構わない。

本実施例においては２Ｙ結線であるので、上記中性線３００は固定子コア１０１の径方向から見て、スロット最外列と同様に、最内列にも配置されるが、１Ｙ結線やΔ結線の場合、最外列のみ、または、最内列のみに配置しても良い。

図８は中性線と出力線の這い回しを示した図である。

中性線３０１に設けた軸方向に鋭角な折返し曲げ部４０１と、上記鋭角な曲げ部の近傍に設けた軸方向曲げ段差部４０２の下部に生まれる空間部４０３にＷ相出力線１０８Ｗ２が潜るように通す。この時、Ｗ相出力線１０８Ｗ２にも中性線３００と同様の鋭角な曲げ部５０１と、その近傍に設けた軸方向曲げ段差部５０２を持つことを特徴とする。この構成により、組立時の出力線の動きを中性線が抑制し、糸等の固定を必要とすること無く、位置決めを容易にすることが可能となる。

車両用回転電機の固定子における中性線と出力線の這い回しにおいて、中性線の鋭角折返し部から引き出し後、軸方向に段差を設け、出力線を中性線の下に潜らせることで、Ｕ字またはＶ字成形されたセグメントコイルの反接続部上部で這い回したコイルの干渉を避けることが出来、低コイルエンド化を実現する。更に、中性線で出力線を挟み込む構造のため、糸等による固定が不要となることを特徴とする回転電機の固定子構造を提供することが出来る。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：車両
２：エンジン
３：回転電機
４：変速機
５：ディファレンシャルギア
６：車輪
７：ケース１００：固定子
１０１：固定子コア
１０２：導体
１０３：絶縁紙
１０４：導体溶接部
１０５：スロット
１０６ａ〜ｄ：巻線導体部
１０７：Ｕ字またはＶ字に成形された導体引き出し部
１０８Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２：各相出力線部
１０９：スロットに設けたスリット部
１１０：スロット内の導体直線部
１１１：スロットから引き出された導体傾斜線部
２００：回転子
２０１：シャフト
２０２Ａ、２０２Ｂ：軸受
３００：中性線部
３０１：中性線１
３０２：中性線２
３０３：中性線接続部
４０１：中性線の引き出し方向に鋭角な折り曲げ部
４０２：中性線の軸方向曲げ段差部
４０３：中性線軸方向曲げ部によって生じる空間部４０３ａ〜ｃ：クランク部
５０１：出力線の引き出し方向に鋭角な折り曲げ部
５０２：出力線の軸方向曲げ段差部

Claims (9)

1. Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相からなり中性線と出力線とを有する固定子巻線と、スロットを有し前記固定子巻線が前記スロットに挿入されて巻回された固定子コアと、を備えた回転電機の固定子において、
   前記中性線は、コイルエンドのコイル上部において周方向に延伸する這い回し部を有し、
   前記這い回し部は、軸方向に段差を有する段差部を備え、
   前記出力線は、少なくとも１ヶ所以上で前記段差部の軸方向下部に形成される空間部を通っている回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   前記出力線が前記段差部の軸方向下部に形成される前記空間部を通ることで、糸等による固定無しに、前記出力線を仮止めした回転電機の固定子。
3. 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、２Ｙ結線により結線されて、前記スロットの内側に層を成すように配置され、
   前記２Ｙ結線の出力線を前記スロットの最内列と最外列とから引き出した回転電機の固定子。
4. 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、第１の中性線と第２の中性線とを備える回転電機の固定子。
5. 請求項４に記載の回転電機の固定子において、
   前記第１の中性線が挿入される第１のスロットおよび第２のスロットと、前記第２の中性線が挿入される第３のスロットとは、前記第１のスロット、前記第３のスロット、前記第２のスロットの順に周方向に並んでいる回転電機の固定子。
6. 請求項５に記載の回転電機の固定子において、
   前記第１のスロット、前記第３のスロットおよび前記第２のスロットは同一スロットピッチで配置されている回転電機の固定子。
7. 請求項４に記載の回転電機の固定子において、
   前記第１の中性線と前記第２の中性線とが、前記固定子コアの径方向に並ぶように配置されて接続されている回転電機の固定子。
8. 請求項７に記載の回転電機の固定子において、
   前記第１の中性線と前記第２の中性線との接続部は、前記第１の中性線の絶縁被膜と前記第２の中性線の絶縁被膜が除去されている回転電機の固定子。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回転電機の固定子と、回転子とを備える回転電機。

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