JP6189691B2

JP6189691B2 - 回転電機の固定子

Info

Publication number: JP6189691B2
Application number: JP2013195442A
Authority: JP
Inventors: 松原　正克; 正克松原; 佑将松岡
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: JP2015061476A

Description

本発明の実施形態は、回転電機の固定子に関する。

近年、回転電機には高トルク化や高出力化が求められており、これに伴い、コイルに印加される電圧が高くなってきている。そして、このような印加電圧の高電圧化に伴い、異相のコイル間における絶縁信頼性の向上が求められている。このような絶縁信頼性の向上は、例えば異相のコイルが配置されるスロット内に絶縁紙を挿入することにより行われている。しかし、この技術では、絶縁紙を挿入するためのスペースが必要となることからコイルの大きさや断面積が制限されてしまい、回転電機の出力効率が悪化してしまう。そこで、例えば特許文献１には、異相のコイルが配置されるスロットを分散させることにより、絶縁紙が必要となるスロット数を低減する技術が開示されている。

特開平９−１２１４９１号公報

しかしながら、このような従来技術によっても、絶縁信頼性の確保が必要となるスロット数を十分に低減することができず、従って、コイルに対する印加電圧の高電圧化、ひいては回転電機の高トルク化や高出力化に十分に対応することができない。そこで、絶縁信頼性の確保が必要となるスロット数の一層の低減化を図ることができる技術が求められている。

本実施形態は、絶縁信頼性の確保が必要となるスロット数の一層の低減化を図ることができ、回転電機の高トルク化や高出力化に対応することができる回転電機の固定子を提供する。

本実施形態に係る回転電機の固定子は、固定子鉄心の複数のスロットに複数相のコイルが設けられた回転電機の固定子であって、各相のコイルは、それぞれ、磁極を形成する複数の単位コイルを有しており、電源端子側の単位コイルがスロット内において同相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置され、中性点側の単位コイルがスロット内において異相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置されている。

本実施形態に係る回転電機の固定子を構成する固定子鉄心の展開図本実施形態に係る各相のコイルの接続態様の一例を模式的に示す図本実施形態に係るＵ相コイルの巻線パターンの一例を示す図１相当図本実施形態に係るＶ相コイルの巻線パターンの一例を示す図１相当図本実施形態に係るＷ相コイルの巻線パターンの一例を示す図１相当図従来構成の一例を示す図１相当図変形例を示す図３相当図

以下、回転電機の固定子に係る一実施形態について図面を参照しながら説明する。例えば図１には、本実施形態に係る回転電機の固定子を構成する固定子鉄心の展開図の一例を示しており、この固定子鉄心には、複数のスロットＳ［ｎ］が設けられている。この場合、固定子鉄心には、４８個のスロットＳ［１］〜Ｓ［４８］が設けられており、図には、そのスロット番号のみを示している。これらスロットＳ［１］〜Ｓ［４８］には、複数相、この場合、３相のコイル３，４，５が設けられている。この場合、図１に実線で示すコイル３はＵ相に対応し、破線で示すコイル４はＶ相に対応し、一点鎖線で示すコイル５はＷ相に対応している。詳しい説明は省略するが、このように固定子鉄心の各スロットに各相のコイルが設けられることで固定子が構成され、この固定子の内周側に回転子が回転可能に配置されることで、回転電機が構成される。なお、固定子鉄心は、周知のように、例えば電磁鋼板をプレスにより打ち抜いた鉄心材を積層することにより概ね円筒状に形成したものであり、その内周壁に複数のスロットを有する構成となっている。

次に、各相のコイル３，４，５の構成例について説明する。なお、以下、コイル３をＵ相コイル３と称し、コイル４をＶ相コイル４と称し、コイル５をＷ相コイル５と称する。例えば図２に示すように、Ｕ相コイル３は、第１直列回路Ｕ１と第２直列回路Ｕ２とが並列に接続された構成となっている。第１直列回路Ｕ１は、それぞれ磁極を形成する複数個、この場合、８個の単位コイルＵ１１〜Ｕ１８が直列に接続された構成である。第２直列回路Ｕ２は、それぞれ磁極を形成する複数個、この場合、８個の単位コイルＵ２１〜Ｕ２８が直列に接続された構成である。これら第１直列回路Ｕ１および第２直列回路Ｕ２は、それぞれの一方の端部が共通の電源端子６（Ｕ相）に接続されており、それぞれの他方の端部がそれぞれ個別に異相のコイルに接続されて中性点Ｎ１および中性点Ｎ２を形成している。

また、Ｖ相コイル４は、第１直列回路Ｖ１と第２直列回路Ｖ２とが並列に接続された構成となっている。第１直列回路Ｖ１は、それぞれ磁極を形成する複数個、この場合、８個の単位コイルＶ１１〜Ｖ１８が直列に接続された構成である。第２直列回路Ｖ２は、それぞれ磁極を形成する複数個、この場合、８個の単位コイルＶ２１〜Ｖ２８が直列に接続された構成である。これら第１直列回路Ｖ１および第２直列回路Ｖ２は、それぞれの一方の端部が共通の電源端子７（Ｖ相）に接続されており、それぞれの他方の端部がそれぞれ個別に異相のコイルに接続されて中性点Ｎ１および中性点Ｎ２を形成している。

また、Ｗ相コイル５は、第１直列回路Ｗ１と第２直列回路Ｗ２とが並列に接続された構成となっている。第１直列回路Ｗ１は、それぞれ磁極を形成する複数個、この場合、８個の単位コイルＷ１１〜Ｗ１８が直列に接続された構成である。第２直列回路Ｗ２は、それぞれ磁極を形成する複数個、この場合、８個の単位コイルＷ２１〜Ｗ２８が直列に接続された構成である。これら第１直列回路Ｗ１および第２直列回路Ｗ２は、それぞれの一方の端部が共通の電源端子８（Ｗ相）に接続されており、それぞれの他方の端部がそれぞれ個別に異相のコイルに接続されて中性点Ｎ１および中性点Ｎ２を形成している。

次に、Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５の巻線パターンについて説明する。なお、Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５をそれぞれ構成する複数の単位コイルのうち、電源端子６，７，８に最も近い側の単位コイルが第１単位コイルとなり、電源端子６，７，８から最も遠い側、つまり、中性点Ｎ１，Ｎ２に最も近い側の単位コイルが第８単位コイルとなる。

例えば図３に示すように、Ｕ相コイル３は、電源端子６側である第１直列回路Ｕ１の前半部を構成する第１単位コイルＵ１１がスロットＳ［１］，Ｓ［４３］に同心巻きで形成され、第２単位コイルＵ１２がスロットＳ［３７］，Ｓ［３１］に同心巻きで形成され、第３単位コイルＵ１３がスロットＳ［２５］，Ｓ［１９］に同心巻きで形成され、第４単位コイルＵ１４がスロットＳ［１３］，Ｓ［７］に同心巻きで形成された構成となっている。この場合、これら第１単位コイルＵ１１〜第４単位コイルＵ１４は、第５単位コイルＵ１５〜第８単位コイルＵ１８よりもコイル径が大きい大コイルを構成している。

また、Ｕ相コイル３は、中性点Ｎ１側である第１直列回路Ｕ１の後半部を構成する第５単位コイルＵ１５がスロットＳ［４８］，Ｓ［４４］に同心巻きで形成され、第６単位コイルＵ１６がスロットＳ［３６］，Ｓ［３２］に同心巻きで形成され、第７単位コイルＵ１７がスロットＳ［２４］，Ｓ［２０］に同心巻きで形成され、第８単位コイルＵ１８がスロットＳ［１２］，Ｓ［８］に同心巻きで形成された構成となっている。この場合、これら第５単位コイルＵ１５〜第８単位コイルＵ１８は、第１単位コイルＵ１１〜第４単位コイルＵ１４よりもコイル径が小さい小コイルを構成している。

また、この場合、第１単位コイルＵ１１と第５単位コイルＵ１５が同心となり、第２単位コイルＵ１２と第６単位コイルＵ１６が同心となり、第３単位コイルＵ１３と第７単位コイルＵ１７が同心となり、第４単位コイルＵ１４と第８単位コイルＵ１８が同心となる構成となっている。

また、Ｕ相コイル３は、電源端子６側である第２直列回路Ｕ２の前半部を構成する第１単位コイルＵ２１がスロットＳ［１］，Ｓ［７］に同心巻きで形成され、第２単位コイルＵ２２がスロットＳ［１３］，Ｓ［１９］に同心巻きで形成され、第３単位コイルＵ２３がスロットＳ［２５］，Ｓ［３１］に同心巻きで形成され、第４単位コイルＵ２４がスロットＳ［３７］，Ｓ［４３］に同心巻きで形成された構成となっている。この場合、これら第１単位コイルＵ２１〜第４単位コイルＵ２４は、第５単位コイルＵ２５〜第８単位コイルＵ２８よりもコイル径が大きい大コイルを構成している。

また、Ｕ相コイル３は、中性点Ｎ２側である第２直列回路Ｕ２の後半部を構成する第５単位コイルＵ２５がスロットＳ［２］，Ｓ［６］に同心巻きで形成され、第６単位コイルＵ２６がスロットＳ［１４］，Ｓ［１８］に同心巻きで形成され、第７単位コイルＵ２７がスロットＳ［２６］，Ｓ［３０］に同心巻きで形成され、第８単位コイルＵ２８がスロットＳ［３８］，Ｓ［４２］に同心巻きで形成された構成となっている。この場合、これら第５単位コイルＵ２５〜第８単位コイルＵ２８は、第１単位コイルＵ２１〜第４単位コイルＵ２４よりもコイル径が小さい小コイルを構成している。

また、この場合、第１単位コイルＵ２１と第５単位コイルＵ２５が同心となり、第２単位コイルＵ２２と第６単位コイルＵ２６が同心となり、第３単位コイルＵ２３と第７単位コイルＵ２７が同心となり、第４単位コイルＵ２４と第８単位コイルＵ２８が同心となる構成となっている。

また、この場合、Ｕ相コイル３は、例えば第１直列回路Ｕ１を構成する第１単位コイルＵ１１と次の第２単位コイルＵ１２との間に別の直列回路Ｕ２を構成する第４単位コイルＵ２４が設けられている構成となっている。つまり、Ｕ相コイル３は、同一の直列回路において連続する２つの単位コイル間が他の直列回路に属する単位コイルによって隔てられた「隔極」となる構成となっている。

なお、図４にはＶ相コイル４の巻線パターンを示し、図５にはＷ相コイル５の巻線パターンを示している。詳しい説明は省略するが、これらＶ相コイル４およびＷ相コイル５の巻線パターンも、各単位コイルが形成されるスロットの位置（スロット番号）が異なる点を除き、Ｕ相コイル３の巻線パターンと同様の巻線パターンで構成されている。従って、Ｖ相コイル４およびＷ相コイル５も、電源端子側である各直列回路の前半部を構成する第１単位コイル〜第４単位コイルが大コイルを形成し、それに続いて、中性点側である各直列回路の後半部を構成する第５単位コイル〜第８単位コイルが小コイルを形成するパターンとなっている。また、Ｖ相コイル４およびＷ相コイル５も、第１単位コイルと第５単位コイルが同心となり、第２単位コイルと第６単位コイルが同心となり、第３単位コイルと第７単位コイルが同心となり、第４単位コイルと第８単位コイルが同心となるパターンとなっている。また、Ｖ相コイル４およびＷ相コイル５も、同一の直列回路において連続する２つの単位コイル間が他の直列回路に属する単位コイルによって隔てられた「隔極」となる構成となっている。

以上のような巻線パターンによって構成されたＵ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５は、それぞれ、電源端子６，７，８側の単位コイル（この場合、第１単位コイル〜第４単位コイル）がスロット内において同相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置され、中性点Ｎ１，Ｎ２側の単位コイル（この場合、第５単位コイル〜第８単位コイル）がスロット内において異相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置されている構成となっている。

即ち、例えばＵ相コイル３は、電源端子６側である第１直列回路Ｕ１の第１単位コイルＵ１１が、スロットＳ［１］内において、同相の第２直列回路Ｕ２を構成する第１単位コイルＵ２１とともに配置され、スロットＳ［４３］内において、同相の第２直列回路Ｕ２を構成する第４単位コイルＵ２４とともに配置されている。また、Ｕ相コイル３は、電源端子６側である第１直列回路Ｕ１の第２単位コイルＵ１２が、スロットＳ［３１］内において、同相の第２直列回路Ｕ２を構成する第３単位コイルＵ２３とともに配置され、スロットＳ［３７］内において、同相の第２直列回路Ｕ２を構成する第４単位コイルＵ２４とともに配置されている。また、Ｕ相コイル３は、電源端子６側である第１直列回路Ｕ１の第３単位コイルＵ１３が、スロットＳ［１９］内において、同相の第２直列回路Ｕ２を構成する第２単位コイルＵ２２とともに配置され、スロットＳ［２５］内において、同相の第２直列回路Ｕ２を構成する第３単位コイルＵ２３とともに配置されている。また、Ｕ相コイル３は、電源端子６側である第１直列回路Ｕ１の第４単位コイルＵ１４が、スロットＳ［７］内において、同相の第２直列回路Ｕ２を構成する第１単位コイルＵ２１とともに配置され、スロットＳ［１３］内において、同相の第２直列回路Ｕ２を構成する第２単位コイルＵ２２とともに配置されている。

また、Ｕ相コイル３は、中性点Ｎ１側である第１直列回路Ｕ１の第５単位コイルＵ１５が、スロットＳ［４４］内において、異相であるＷ相コイル５の第１直列回路Ｗ１を構成する第６単位コイルＷ１６とともに配置され、スロットＳ［４８］内において、異相であるＶ相コイル４の第１直列回路Ｖ１を構成する第５単位コイルＶ１５とともに配置されている。また、Ｕ相コイル３は、中性点Ｎ１側である第１直列回路Ｕ１の第６単位コイルＵ１６が、スロットＳ［３２］内において、異相であるＷ相コイル５の第１直列回路Ｗ１を構成する第７単位コイルＷ１７とともに配置され、スロットＳ［３６］内において、異相であるＶ相コイル４の第１直列回路Ｖ１を構成する第６単位コイルＶ１６とともに配置されている。また、Ｕ相コイル３は、中性点Ｎ１側である第１直列回路Ｕ１の第７単位コイルＵ１７が、スロットＳ［２０］内において、異相であるＷ相コイル５の第１直列回路Ｗ１を構成する第８単位コイルＷ１８とともに配置され、スロットＳ［２４］内において、異相であるＶ相コイル４の第１直列回路Ｖ１を構成する第７単位コイルＶ１７とともに配置されている。また、Ｕ相コイル３は、中性点Ｎ１側である第１直列回路Ｕ１の第８単位コイルＵ１８が、スロットＳ［８］内において、異相であるＷ相コイル５の第１直列回路Ｗ１を構成する第５単位コイルＷ１５とともに配置され、スロットＳ［１２］内において、異相であるＶ相コイル４の第１直列回路Ｖ１を構成する第８単位コイルＶ１８とともに配置されている。

なお、詳しい説明は省略するが、Ｖ相コイル４も、電源端子７側である第１直列回路Ｖ１の第１単位コイルＶ１１〜Ｖ１４および第２直列回路Ｖ２の第１単位コイルＶ２１〜Ｖ２４がスロット内において同相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置され、中性点Ｎ１側である第１直列回路Ｖ１の第５単位コイルＶ１５〜Ｖ１８および中性点Ｎ２側である第２直列回路Ｖ２の第５単位コイルＶ２５〜Ｖ２８がスロット内において異相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置されている構成となっている。また、Ｗ相コイル５も、電源端子８側である第１直列回路Ｗ１の第１単位コイルＷ１１〜Ｗ１４および第２直列回路Ｗ２の第１単位コイルＷ２１〜Ｗ２４がスロット内において同相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置され、中性点Ｎ１側である第１直列回路Ｗ１の第５単位コイルＷ１５〜Ｗ１８および中性点Ｎ２側である第２直列回路Ｗ２の第５単位コイルＷ２５〜Ｗ２８がスロット内において異相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置されている構成となっている。

本実施形態に係る構成において、例えばＵ相コイル３において電圧が最も高くなるスロット、即ち、最も電源端子６側で異相の単位コイル同士が挿入されるスロットは、例えば図１に示すように、Ｕ相コイル３の第２直列回路Ｕ２に属する第５単位コイルＵ２５とＶ相コイル４の第２直列回路Ｖ２に属する第５単位コイルＶ２５が挿入されるスロットＳ［６］である。これに対して、例えば図６に示す従来の巻線パターンの構成において、例えばＵ相コイル３´において電圧が最も高くなるスロット、即ち、最も電源端子側で異相の単位コイル同士が挿入されるスロットは、例えば、Ｕ相コイル３´の第２直列回路Ｕ２´に属する第２単位コイルＵ２２´とＶ相コイル４´の第２直列回路Ｖ２´に属する第２単位コイルＶ２２´が挿入されるスロットＳ［６］である。そして、本実施形態におけるスロットＳ［６］の電圧は、従来構成におけるスロットＳ［６］の電圧の０．５７倍ほどに低減することが確かめられている。即ち、本実施形態によれば、異相の単位コイルが挿入されるスロットにかかる電圧を従来構成に比べ低減することができ、このようなスロットについては、例えば絶縁紙を配置するなどといった絶縁対策を不要とすることができる。これにより、絶縁信頼性の確保が必要となるスロットの数を一層低減することができ、回転電機の高トルク化や高出力化に十分に対応することができる。

なお、本実施形態では、各相のコイル３，４，５は、それぞれを構成する各直列回路において電源端子側の半分の単位コイルがスロット内において同相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置され、中性点側の残り半分の単位コイルがスロット内において異相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置される構成を例示した。しかし、本実施形態は、この構成に限られるものではなく、各相のコイル３，４，５は、それぞれ、電源端子側の少なくとも１つの単位コイルがスロット内において同相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置され、中性点側の残りの単位コイルがスロット内において異相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置されるように構成してもよい。

また、各相のコイル３，４，５は、巻き線の中心が同一となるいわゆる同心巻きにより単位コイルを形成する構成に限らず、例えば、巻き線の中心が同一とならないいわゆる重ね巻きにより単位コイルを形成する構成としてもよい。
また、各相のコイル３，４，５が備える単位コイルの数も、例えば各直列回路に１２個ずつ設けるなど、適宜変更して実施することができる。また、固定子鉄心が備えるストット数も、適宜変更して実施することができる。

また、例えば図７に示すように、Ｕ相コイル３は、例えば第１直列回路Ｕ１を構成する第１単位コイルＵ１１と次の第２単位コイルＵ１２とが隣接する構成、つまり、同一の直列回路において連続する２つの単位コイル間が他の直列回路に属する単位コイルによって隔てられない「隣極」となる構成としてもよい。なお、図７には示していないが、この場合、Ｖ相コイル４およびＷ相コイル５についても同様の「隣極」となる構成を採用する。

本実施形態に係る回転電機の固定子は、固定子鉄心の複数のスロットに複数相のコイルが設けられた回転電機の固定子であって、各相のコイルは、それぞれ、磁極を形成する複数の単位コイルを有しており、電源端子側の単位コイルがスロット内において同相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置され、中性点側の単位コイルがスロット内において異相のコイルに含まれる単位コイルとともに配置されている。この構成によれば、絶縁信頼性の確保が必要となるスロット数の一層の低減化を図ることができ、回転電機の高トルク化や高出力化に対応することができる。

なお、本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施形態およびその変形は、発明の範囲および要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、３，４，５はコイル、Ｕ１１〜Ｕ１８，Ｕ２１〜Ｕ２８，Ｖ１１〜Ｖ１８，Ｖ２１〜Ｖ２８，Ｗ１１〜Ｗ１８，Ｗ２１〜Ｗ２８は単位コイル、６，７，８は電源端子、Ｎ１，Ｎ２は中性点を示す。

Claims

固定子鉄心の複数のスロットに複数相のコイルが設けられた回転電機の固定子であって、
各相の前記コイルは、それぞれ、磁極を形成する複数の単位コイルを有しており、電源端子側の前記単位コイルが前記スロット内において同相の前記コイルに含まれる前記単位コイルとともに配置され、中性点側の前記単位コイルが前記スロット内において異相の前記コイルに含まれる前記単位コイルとともに配置されている回転電機の固定子。
各相の前記コイルは、それぞれ、電源端子側の少なくとも１つの前記単位コイルが前記スロット内において同相の前記コイルに含まれる前記単位コイルとともに配置されている請求項１に記載の回転電機の固定子。