JP6196804B2

JP6196804B2 - 回転電機のステータ

Info

Publication number: JP6196804B2
Application number: JP2013103759A
Authority: JP
Inventors: 諭史西本; 公宇野
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2017-09-13
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP2014225968A

Description

本発明は、例えば、モータや発電機等の回転電機のステータに関し、特にコイルが巻回された複数のティースを環状に配置した回転電機のステータに関する。

例えば、車両の駆動源として搭載されるモータ等の回転電機は、ハウジングに回転自在に軸支される回転主軸に設けられるロータと、ロータの外側に配置されるステータとを有し、ステータは複数の分割コアであるステータセグメントをハウジング内に円形に配置して構成される。各ステータセグメントは、円周方向に延在するヨークと、ヨークから内径方向に突出するティースとを有する略Ｔ字形に形成される。各ステータセグメントのティースにボビン状のインシュレータを装着し、インシュレータを介在してティースの外側にコイルが巻回される。

この種のステータにおいて、各ステータセグメントのティースに巻回されるコイルの巻き数を多くし、スロットにおけるコイルの占積率を大きくすることが望まれる。一方、回転電機の効率向上を図ることから、コイルを構成する導線として大径のものが使用される傾向がある。

例えば、図１３に要部断面を示すように、各ステータセグメント１０１のティース１０３にインシュレータ１０４を介在してコイル１０６をティース１０３の周方向両側面１０３ａ及び１０３ｂ側において同断面形となるように整列して俵積み状に巻回する場合には、第１層として導線１０５をヨーク１０２側の基端側から隙間なく巻き始めて内方端の鍔１０３ｃ側に順に８ターン分整列巻回して送り、第２層として第１層の７ターンと８ターンとの間から基端側に隙間なく８ターンから１５ターンの７ターン分整列巻回して戻し、第３層としてヨーク１０２と１５ターンの間から内方端の鍔１０３ｃ側に順に隙間なく１６ターンから２２ターンの７ターン分整列巻回して送り、第４層として２０ターンと１９ターンとの間から基端側に順に隙間なく２３ターンから２６ターンの４ターン分整列巻回して戻し、第５層としてヨーク１０２と２６ターンの間から内方端側に順に２７ターンと２８ターンの２ターン分整列巻回すると、２８ターン目の導線１０５が隣設するステータセグメント１０１のティース１０２に巻回されるコイル１０６の２８ターン目と干渉して巻けなくなる。即ち、実際には、第５層は２７ターン目までしか巻けなくなり、隣接するティース１０３との間、即ちスロットに大きな空間が形成されることになる。なお、導線１０５に付した番号は巻順となるターンを示している。

このように、ティースの周方向両面側に同断面形状、即ち対称断面形状にコイルを巻回すると、隣接する各ティースに巻回されるコイルが互いに干渉して巻回数が制限されてスロットにおけるコイルの占積率が低下する。

この種のティースに俵積み状に巻回されるコイルの巻き数を多くして、スロットにおけるコイルの占積率を大きくすることが望まれており、種々の技術が提案されている。

例えば、特許文献１及び２には、コイルを俵積み状に複数層巻回する際に、隣接するティースに巻回されるコイルが互いに干渉しないようにティースの周方向両側面において断面が異なる非対称形状となるように導線を巻回する。これにより、隣接するティースに巻回されるコイルが互いに干渉しないように導線が交互に配置され、コイル巻回数が多くなりコイルの高占積化が図れる。

特開２００３−３３３７８３号公報特開２００６−３５３０３８号公報

上記特許文献１、２によると、ティースに対して周方向両側面側で非対称の断面形状となるようにコイルを巻回することで、コイル占積率が向上する。

しかし、ティースに対してコイルを周方向両側面側で非対称の断面形状に巻回することから、所定の巻付層において巻き付けられる導線間に隙間が形成されて、コイルを巻装する作業の際や、既に巻回されたコイルに崩れの発生が懸念される。特に、巻付層の最内側において導線間に隙間が形成される場合にはより多くコイル崩れ発生が誘発され、円滑なコイル巻装作業が妨げられると共に、ステータの品質に影響する。また、ステータセグメントをハウジング内に環状に配置したステータの内周にモールド型を配置して各ティースに装着されたコイルを樹脂モールドする際に、モールド型の隙間に充填されるモールド樹脂の充填圧力によって巻回されたコイルに崩れが発生することが懸念される。

従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、コイルの占積率が確保できると共にコイル崩れのない高品質の回転電機のステータを提供することにある。

前記目的を達成する請求項１に記載の回転電機のステータの発明は、ヨークの内周面側に周方向に間隔を有して内径方向に突出して形成された断面矩形状の複数のティースのそれぞれに、導線を基端側から内方端側に順次螺旋状に巻回して送り、かつ上記内方端側から基端側に順次螺旋状に巻回する戻しを繰り返すことにより上記ティースの周方向両側面側で非対称の断面形状となるように積層されたコイルを備えた回転電機のステータにおいて、上記コイルは俵積み状に巻回され上記送り及び戻しによる導線の交差がコイルエンド側に配置されると共に、同一層において２つのターンを構成する導線が、コイルエンド側で前記同一層におけるヨークの内径方向最内側で交差し、この交差する２つのターンの導線が、前記コイルエンド側で次のターンを構成する導線であって前記同一層とこれに積層される層とを繋ぐ導線で巻回固定されることを特徴とする。

これによると、ティースに周方向両側面側で非対称の断面形状となるように積層されたコイルを巻回することで、コイルの占積率の高いステータが得られると共に、ティースに巻回されるコイルが同一層で最内側に巻回される２つのターンを構成する導線がコイルエンド側で交差することで巻回された導線の崩れ発生が防止され、安定したコイルの巻回状態が維持できる。また、巻付端部となる最内側に巻回される導線が他の巻回される導線によって巻回固定され導線の崩れ発生が防止され、安定した高品質のコイルの巻回状態が維持できる。

また、コイル巻装作業やコイルを樹脂モールドする際などにおいて、コイル崩れの発生は防止されて、コイル崩れのない高品質のステータが得られる。

請求項２の発明は、請求項１の回転電機のステータにおいて、前記同一層とこれに積層される層を構成する巻回導線は、前記ティースの周方向側面側で、隙間なく前記ティースの側面に沿って配列されていることを特徴とする。

本発明によると、ティースに周方向両側面側で非対称の断面形状となるように積層されたコイルを巻回することで、コイルの占積率の高いステータが得られると共に、ティースに巻回されるコイルが同一層で最内側に巻回される導線がコイルエンド側で最内側にならないように配置されることで巻回された導線の崩れ発生が防止され、安定したコイルの巻回状態が維持できる。

一実施の形態における回転電機の要部断面図である。図１のＩＩ部拡大図である。ステータセグメントの斜視図である。コイル組み立て体の斜視図である。図４のＶ−Ｖ線断面図である。ティースに導線を巻回する工程を示す説明図である。ティースに導線を巻回する工程を示す説明図である。ティースに導線を巻回する工程を示す説明図である。ティースに導線を巻回する工程を示す説明図である。ティースに導線を巻回する工程を示す説明図である。ティースに導線を巻回する工程を示す説明図である。ティースに導線を巻回する工程を示す説明図である。従来の回転電機におけるステータのコイル巻回の説明図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は一実施の形態であるモータや発電機等の回転電機の要部断面図であり、図２は図１のＩＩ部拡大図である。

この回転電機５０は、円筒状のハウジング５１を備え、ハウジング５１の径方向中心部に図示しない軸受によって回転主軸５２が回転自在に支持される。回転主軸５２には、ロータ５３が設けられ、このロータ５３には例えば８個のマグネット５４が設けられる。ハウジング５１の内面５１ａに全体的にほぼ円筒状のステータ６０がロータ５３の外周面を覆うように設けられる。

ステータ６０は、例えば１２個の分割コアであるステータセグメント６１によって形成される。各ステータセグメント６１は円周方向に延在する円弧状のヨーク片とこのヨーク片に対して内径方向に突出するティース片とを有するほぼＴ字形の鋼板製コアシートを積層することによって形成される。

コアシートを所定枚数積層してブロック状に形成されるステータセグメント６１は、図３に斜視図を示すように、ハウジング５１の内面５１ａに沿って延在する外周面６２ａ及び内周面６２ｂを有する円周方向に円弧状で延在するヨーク６２と、このヨーク６２に対して内周面６２ｂから回転主軸５２に向けて内径方向に突出してヨーク６２と一体形成されたコイル巻回部となるティース６３とを有する略Ｔ字形に形成される。ヨーク６２の円周方向の一方端面に凸部６２ｃが設けられ、他方端面には凹部６２ｄが形成される。

ヨーク６２から内径方向に突出するティース６３は、周方向両側面６３ａ、６３ｂ及びコイルエンド６３ｃ、６３ｄを有する断面矩形状でヨーク６２の内周面６２ｂ側の基端から内径方向に突出し、先端となる内方端側に鍔６３ｅが形成される。

また、後述する図６に示すように、ヨーク６２の外周面６２ａからティース６３の一方の側面６３ａに隣接してヨーク６２を貫通する導線挿入孔６２ｅが形成される。各々のステータセグメント６１の凸部６２ｃと凹部６２ｄとを嵌合することにより１２個のティース６３及びスロットを有するステータ６０が形成される。

このステータセグメント６１のティース６３にボビン状の樹脂製インシュレータ６４を装着し、インシュレータ６４を介してティース６３の外周に導線６５を基端側から内方端側に順次螺旋状に巻回して送り、かつ内方端側に順次螺旋状に巻回する戻しを繰り返して複数層のコイル６６を形成することにより、図４に斜視図を示し、かつ図５に図４のＶ−Ｖ線断面を示すコイル組立体７０が形成される。

ティース６３に導線６５を巻き付けてコイル６６を形成する巻回について図５及び図６乃至図１２を参照して説明する。なお、図５において導線６５に付した番号は巻き順となるターンを示している。

先ず、図６に示すようにステータセグメント６１のヨーク６２に形成された導線挿入孔６２ｅ及びインシュレータ６４を貫通してティース６３の一方の側面６３ａの近傍に供給される導線６５を、第１層としてティース６３の基端となるヨーク６２の内周面６２ｂとティース６３の一方の側面６３ａとの間に沿ってコイルエンド６３ｃ側からコイルエンド６３ｄに向かって巻き始め、コイルエンド６３ｄ側を経由して他方の側面６３ｂに沿ってコイルエンド６３ｃ側に向かって１ターン目を巻回し、更にコイルエンド６３ｃに沿って２ターンを巻き始め、１ターンに沿って２ターンを巻回する。同様に内方端の鍔６３ｅ側に３、４、５、６、７及び８ターンの順に導線６５を整列巻回して送る。この第１層はティース６３の基端側の１ターンから最内側の８ターンの順に導線６５を螺旋状に隙間なく整列して巻回することで安定した導線６５の送りができる。

次に、図７に示すように第１層の終端となる内方端側の８ターンの終端から、第２層の９ターンをコイルエンド６３ｃ上の８ターン目の導線６５と交差、即ち乗り越えて側面６３ａ側の第１層の７ターンと８ターンとの間に沿って巻回し、コイルエンド６３ｄから側面６３ｂ側の７ターンと８ターンとの間に沿って巻回する。同様に側面６３ａ側及び側面６３ｂ側における第１層の６ターンと７ターン、６ターンと５ターン、５ターンと４ターン、４ターンと３ターン、３ターンと２ターン、２ターンと１ターンとの各間に順に１０、１１、１２、１３、１４、１５ターンの導線６５を整列巻回して基端側に戻す。この第２層は側面６３ａ側及び側面６３ｂ側における第１層の隣接する各ターン間に沿って導線６５を連続して隙間なく内方端側から基端側に螺旋状に整列巻回して戻すことで安定した導線６５の巻回ができる。

次に、図８に示すように第２層の終端となる１５ターンの終端から、第３層の１６ターンをコイルエンド６３ｃ上の１５ターン目の導線６５上を通過させて側面６３ａ側の１５ターンとヨーク６２の内周面６２ｂとの間に沿って巻回し、コイルエンド６３ｄから側面６３ｂ側の１５ターンとヨーク６２の内周面６２ｂとの間に沿って巻回する。同様に側面６３ａ側及び側面６３ｂ側における第２層の１５ターンと１４ターン、１４ターンと１３ターン、１３ターンと１２ターン、１２ターンと１１ターンの各間に沿って１７、１８、１９、２０ターンの順に導線６５を内方端側に整列巻回する。この第３層の１６ターンから２０ターンは第２層の隣接する各ターンの各間に沿って導線６５を隙間なくヨーク６２側から内方端側に整列して巻回することでコイル崩れがなく安定した状態で導線６５を送る。

次に、２０ターンの終端となる側面６３ｂ側の１１ターンと１２ターンとの間から２１ターンを図９に示すように、コイルエンド６３ｃ上における第２層の１２、１１及び１０ターンの導線６５と交差、即ち乗り越えて側面６３ａ側の第３層の最内側となる９ターンと１０ターンとの間に沿って巻回し、コイルエンド６３ｄ側から側面６３ｂ側の９ターンと１０ターンとの間に沿って巻回する。この２１ターンの巻回は第３層の最内側となる９ターンと１０ターンとの間に沿って導線６５が配置されて安定した状態で保持される。

次に、２１ターンの終端から２２ターンを図１０に示すように、コイルエンド６３ｃ上における２１ターンにおける導線６５上を交差して側面６３ａ側の２層の１０ターンと１１ターンとの間、即ち第３層の２０ターンと２１ターンとの間に挟持されて巻回して、コイルエンド６３ｃ上において２１ターンにおける導線６５を巻回固定し、コイルエンド６３ｄ側から側面６３ｂ側の第２層の９ターンと１０ターンとの間、即ち３層の２０ターンと２１ターンとの間に挟持して巻回する。

この２２ターンの巻回により同一層となる第３層で最内側に巻回される２１ターンの導線６５のコイルエンド６３ｃ側では最内方側とならないように配置され、第３層で最内側に巻回される２１ターンの導線６５がコイルエンド６３ｃ側で他の２２ターンで巻回される導線６５で巻回固定され、２１ターンにおける導線６５が第２層の上に締め付けられて固定されてコイル崩れが阻止されて安定した導線６５の巻回が実行できる。

次に、２２ターンの終端となる側面６３ｂ側の２１ターンと２０ターンの間から図１１に示すように、コイルエンド６３ｃ上において第４層の２３ターンを２１ターンの導線６５と交差すると共に２２ターンにおける導線６５を押さえるように巻回して側面６３ａ側の第３層の２０ターンと２２ターンとの間に沿って巻回してコイルエンド６３ｃ上において２１ターンにおける導線６５及び２２ターンにおける導線６５を締め付け、コイルエンド６３ｄ側から側面６３ｂ側の第３層の１９ターンと２０ターンとの間に巻回する。この２３ターンの巻回によりコイルエンド６３ｃ上に導線６５が巻回されて２１ターンにおける導線６５及び２２ターンにおける導線６５が第２層の上に締め付けられて確実に固定されてコイル崩れが阻止されて安定した導線６５の巻回が実行できる。

次に、２３ターンの終端となる側面６３ｂ側の１９ターンと２０ターンとの間から図１２に示すように２４ターンを側面６３ａ側の１９ターンと２０ターンとの間及び側面６３ｂ側の１８ターンと１９ターンとの間に巻回する。同様に、２５ターンを側面６３ｂ側の１８ターンと１９ターンとの間から側面６３ｂ側の１８ターンと１９ターン及び側面６３ｂ側のターン１７ターンと１８ターンとの間に沿って巻回し、２６ターンを側面６３ｂ側の１７ターンと１８ターンとの間から側面６３ａ側の１７ターンと１８ターンとの間及び側面６３ｂ側の１６ターンと１７ターンとの間に沿って巻回し、２７ターンを側面６３ｂ側の１６ターンと１７ターンとの間から側面６３ａ側の１６ターンと１７ターンとの間及び側面６３ｂ側の２６ターンとヨーク１２の内面１２ｂとの間に沿って安定した状態で巻回する。更に、第５層の２８ターンを側面６３ｂ側の２６とヨーク１２の内周面１２ｂとの間から側面６３ａ側の２７ターンとヨーク６２の内周面６２ｂ及び側面６３ｂ側の２６ターンと２５ターンとの間に沿って巻回する。その後、導線６５を切断してコイル６６の巻回を終了する。

図５に示すように、巻回されたコイル６６の断面は、ティース６３に対して周方向両側面６３ａ、６３ｂ側で非対称となる。具体的には、第１層、第２層及び第３層では側面６３ａ、６３ｂ側でそれぞれ８ターン、７ターン、７ターンずつの対称形状であるが、第４層は側面６３ａ側が５ターン、側面６３ｂ側が４ターンで側面６３ａ側と６３ｂ側で非対称になっている。同様に、第５層は側面６３ａ側が１ターン、側面６３ｂ側が２ターンで側面６３ａ側と側面１６ｂ側で非対称になっている。

このようにティース６３にコイル６５が巻回されたステータセグメント６１がステータ６０として組み立てたられた際、図２に示すように、図示左側のステータセグメント６１のティース６３に巻回されたコイル６５の側面６３ｂ側の第５層における２８ターンが、右側のステータセグメント６１のティース６３に巻回されたコイル６５の側面６３ａ側の第４層の２７ターン、２８ターン及び第５層の２８ターンによって形成される空き領域内に侵入する一方、右側のティース６３に巻回されコイル６５の側面６３ａ側の第５層の２３ターンが左側のティース６３に巻回されたコイル６６の側面６３ｂ側の第３層の２０ターン、２３ターン及び第４層の２３ターンによって形成される空き領域内に侵入する。

このように各ステータセグメント６１のティース６３に巻回されたコイル６６は、隣接するステータセグメント６１に巻回されたコイル６６の空き領域に相互に侵入することでスロットを有効に利用して占積率を向上させている。また、隣接するコイル２１が互いに干渉することがない。

各ティース６３に巻回されるコイル６６、特にティース６３のコイルエンド６３ｃ上における第３層の最内側の巻付端部となる２１ターンにおける導線６５が最内側とならないように配置された２１ターンにおける導線６５の部分が他の巻回される２２ターンにおける導線６５によって巻回固定され、更に２１ターン及び２２ターンにおける導線６５の部位が２３ターンにおける導線６５の部位によって巻回固定されてティース６３に巻回されたコイル６６の崩れ発生が防止され、安定したコイル６６の巻回状態が維持できる。

これにより、ステータセグメント６１をハウジング５１内に環状に配置して形成したステータ６０の内周にモールド型を配置して各ティース６３に装着されたコイル６５を樹脂モールドする際に、モールド型に充填されるモールド樹脂の充填圧力が巻回されたコイル６５に付与されてもコイル６５が崩れることがなく所望の樹脂モールドを施すことができ、コイル崩れのない高品質の回転電機のステータが得られる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施の形態ではティースにコイルを俵積み状に５層巻回する場合を例に説明したが、５層に限らず他の複数層に巻回することもできる。また、各ステータセグメント６１のティース６３にコイル６６を巻回したコイル組立体の状態でコイルに樹脂モールドを施すこともできる。

５０回転電機
５１ハウジング
５２回転主軸
６０ステータ
６１ステータセグメント
６２ヨーク
６３ティース
６３ａ、６３ｂ側面
６３ｃ、６３ｄコイルエンド
６３ｅ鍔
６４インシュレータ
６５導線
６６コイル

Claims

ヨークの内周面側に周方向に間隔を有して内径方向に突出して形成された断面矩形状の複数のティースのそれぞれに、導線を基端側から内方端側に順次螺旋状に巻回して送り、
かつ上記内方端側から基端側に順次螺旋状に巻回する戻しを繰り返すことにより上記ティースの周方向両側面側で非対称の断面形状となるように積層されたコイルを備えた回転電機のステータにおいて、
上記コイルは俵積み状に巻回され上記送り及び戻しによる導線の交差がコイルエンド側に配置されると共に、同一層において２つのターンを構成する導線が、コイルエンド側で前記同一層におけるヨークの内径方向最内側で交差し、この交差する２つのターンの導線が、前記コイルエンド側で次のターンを構成する導線であって前記同一層とこれに積層される層とを繋ぐ導線で巻回固定されることを特徴とする回転電機のステータ。
前記同一層とこれに積層される層を構成する巻回導線は、前記ティースの周方向側面側で、隙間なく前記ティースの側面に沿って配列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ステータ。