JP6316439B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

この発明は、乗用車、トラック、電車等の車両に搭載される回転電機の回転子に関し、特にボビンの巻胴部に巻回される回転子コイルの巻回構造に関するものである。

従来の回転電機の回転子コイルにおいては、コイル線のクロスポイントを円周方向へ４０度〜８０度に配置し、互いに径方向に重ならないように構成している。（例えば特許文献１）
また、コイル線のクロスポイントの位置を円周方向の全周に亘り順次ずらして、分散させるような構成にしている。（例えば特許文献２）

特許第４３４７２１９号公報 特公平５-７２７３１号公報

特許文献１の従来の回転子コイルにおいては、コイル線をボビンに７列４段に巻回してコイルフィールドＡを構成した後、さらに４列１段巻回し、その上に１周巻回してコイルフィールド山巻き部を構成しているが、コイルフィールドＡにおけるコイル線の各段のクロスポイントが径方向に重なることはないが、コイルフィールドＡにおけるクロスポイントと山巻き部におけるクロスポイントとの関係が何ら設定されていないため、コイルフィールドＡと山巻き部のクロスポイントが略同じ位置に設定されると、各クロスポイントにおける外径が大きくなるため、さらに該巻胴部の肉厚を変更する必要があった。また層が増えると肉厚の変更では吸収しきれないという問題があった。
さらにまた、互いのクロスポイントがほぼ同じ位置で一方向に固まると、バランスが悪くなり、回転子として悪影響を生じさせる問題点があった。
また特許文献２では、クロスポイントを全周に形成しているがクロスポイントを円周方向手前にずらしていく必要があり、その場合、下層のコイルフィールドにコイル線の無い箇所が発生する。例えばこの下層のコイルフィールドの外周に、複数列で多段の山巻き部を巻回する場合、下層のコイルフィールドのクロスポイントは特許文献２にあるように８等分してあり、１／８周コイルの無い箇所が発生する。（特許文献２の、第２図の２層目のようなコイル線の無い部分が１／８周に発生する。）そのため特許文献２では山巻き部を含む上層のコイル線の落ち込みを防ぐためにクロスポイントをずらした層全ての層にテープ等を巻く必要があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、該巻胴部の肉厚を変更することなく、またテープ等を使用しなくともクロスポイント位置をずらすことができる回転電機の回転子を得ることを目的としている。

この発明に係る回転電機の回転子では、それぞれ先細り形状の爪状磁極がその先細り方向を軸方向に一致させて円柱状の基部の外周縁部に周方向に等角ピッチで複数形成されてなり、該爪状磁極をかみ合わせるように構成された一対のポールコアと、
第１および第２フランジ部が円筒状の巻胴部の軸方向の両端部から径方向の外周に延設された断面コ字状の環状に形成され、上記一対のポールコアの上記爪状磁極の根元部で挟持されて上記基部に装着されたボビンと、
コイル線をボビンの巻胴部の外周に、軸方向に複数列で多段に巻回され径方向に隣接する段のコイル線により形成されるクロスポイントを有する下部のコイルフィールドと、この下部のコイルフィールドの外周と爪状磁極の内周との空き空間に配設され、下部のコイルフィールドの列数よりも少ない列数で複数段有する如く下部のコイルフィールドの外周に巻回され径方向に隣接する段のコイル線により形成されるクロスポイントを有する山巻きのコイルフィールドとからなる回転子コイルとを備え、
山巻きのコイルフィールドのクロスポイントと、下部のコイルフィールドのクロスポイントとは、ボビンの円周方向へ１８０度対称位置に配設されているとともに、下部のコイルフィールドにおける各段に形成されるコイル線のクロスポイントは、互いに角度３度から１０度の範囲で円周方向にずれており、山巻きのコイルフィールドにおける各段に形成されるコイル線のクロスポイントは、互いに角度３度から１０度の範囲で円周方向にずれていることを特徴とする。

この発明に係る回転電機の回転子によれば、該巻胴部のクロスポイント部の肉厚を変更することなく、または、肉厚の変更を少なくして、バランスを抑制することができ、巻胴部全体を小径とすることができるため外周部でのポールとの絶縁性の向上ができ、小径となることで同ターン数においてコイル線長を短くできるため起磁力を大きくすることができる。また、コイル線間の層にテープ等を使用することをなくし得る。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子に適用されるボビンを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるボビンの回転子コイルの巻装状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルの巻装方法を説明する工程図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルの巻装方法を説明する工程図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルの巻装方法を説明する工程図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルの巻装状態を示す断面図である。 図７のVIII−VIII線断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子に適用されるボビンを示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルの巻装方法を説明する斜視図、図４乃至図６はそれぞれこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルの巻装方法を説明する工程図、図７は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルの巻装状態を示す断面図、図８は、図７のVIII−VIII線断面図、図９は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。

回転電機の回転子１０は、図１に示されるように、電流を流して磁束を発生する回転子コイル１１と、この回転子コイル１１を覆うように設けられ、回転子コイル１１で発生された磁束によって磁極が形成される一対のポールコア１２とから構成される。

各ポールコア１２は、鉄製で、先細り形状の爪状磁極１３がそれぞれその先細り方向を軸心方向に一致させて、円柱状の基部１４の外周縁部に周方向に等角ピッチで複数形成されている。そして、一対のポールコア１２が、爪状磁極１３をかみ合わせるように対向させて基部１４の端面同士を当接してシャフト（図示せず）に固着されている。なお、図示されていないが、シャフト挿通孔が基部１４の軸心位置に穿設されている。

ボビン１６は、図２に示されるように、第１および第２フランジ部１８、１９が巻胴部１７の軸方向の両端部から径方向の外方に延設されて、断面コ字状の環状体に構成されている。また、絶縁用の舌片１８ａ、１９ａが、第１および第２フランジ部１８、１９の外周端に周方向に等角ピッチで設けられ、ボビン１６が一対のポールコア１２に装着された際に、舌片１８ａ、１９ａが爪状磁極１３の内周壁面に沿うように曲げられ、回転子コイル１１と爪状磁極１３との直接的な接触を防止している。さらに、一対の係止部２１ａ、２１ｂが第１フランジ部１８の外周端に立設され、後述する溝２２が係止部２１ａの近傍の第１フランジ部１８の外周端から巻胴部１７に至るように第１フランジ部１８の内周壁面に凹設されている。

このボビン１６は、巻胴部１７を基部１４に装着し、両側（図１の左右）から爪状磁極１３の根元部１３ａにより挟持されて、一対のポールコア１２の爪状磁極１３と基部１４とから構成される空間内に収納されている。そして、回転子コイル１１は、コイル線１５を巻胴部１７の外周に、各段の軸方向の列数を同じくして多段に巻回して構成されている。ここでは、コイル線１５は１２列４段のコイルフィールドＡおよび軸方向の列数が減る４段の山巻きであるコイルフィールドＢが巻回されている。

ここで、回転子コイル１１の巻装方法について説明する。
コイル線１５は、断面円形の銅等の芯材の表面にポリイミド樹脂等の絶縁被膜を被覆して作製されている。このコイル線１５は、ノズル２３から繰り出され、その先端をスピンドル（図示せず）等に装着されたボビン１６の係止部２１ａに巻き付け、溝２２内を通って巻胴部１７に導かれる。

そして、図３示されるように、ノズル２３からコイル線１５を繰り出しつつ、ボビン１６を回転させて、コイル線１５を巻胴部１７に巻き付ける。この時、ノズル２３をボビン１６の軸方向に移動させ、コイル線１５の１段目が巻胴部１７に巻回される。この１段目のコイル線１５は、図４示されるように、溝２２から巻胴部１７に延出した後、第１フランジ部１８の内周壁面に接しながら巻胴部１７周りに略１周し、ついでコイル線１５の１本分第２フランジ部１９側にシフトして１周目のコイル線１５に接しながら巻胴部１７周りに略１周し、同様にして巻胴部１７周りに全１２周している。この時、１段目の１２周目のコイル線１５と第２フランジ部１９の内周壁面との間には、隙間Ｓが形成されている。

続いて、コイル線１５の２段目が１段目のコイル線１５上に巻回される。まず、コイル線１５は、図５示されるように、１２周目のコイル線１５上に乗り上げて、第２フランジ部１９の内周壁面に接するように略１周する。そして、図６示されるように、コイル線１５の１本分第１フランジ部１８側にシフトして２段目の１周目のコイル線１５に接しながら、かつ、１段目の１１周目と１２周目のコイル線１５に接しながら巻胴部１７周りに略１周し、同様にして巻胴部１７周りに全１２周している。

このコイル線１５の巻回工程を繰り返し行い、コイル線１５が巻胴部１７に爪状磁極１３の根元部１３ａ高さと同等の高さまで巻回され、下部のコイルフィールドＡが構成される。このコイルフィールドＡにおけるコイル線１５の各段へのシフト時のクロスポイントＣ_１〜２、Ｃ_２〜３、Ｃ_３〜４は、図７に示すようにボビン１６の円周方向に角度１０度ずつ、ずらして巻回される。この後コイルフィールドＢを構成するのにコイルフィールドＡのクロスポイントより１８０度周方向手前で次の層へ上がることでコイルフィールドＢのクロスポイント部はコイルフィールドＡ部のクロスポイント部に対し１８０度反対側に構成される。そこで、さらに９列１段巻回し、さらにそのうえに７列１段、さらにそのうえに４列１段、さらにその上に１周巻回して山巻きのコイルフィールドＢ部を構成している。このコイルフィールドＢにおけるコイル線１５の各段へのシフト時のクロスポイントＣ_４〜５、Ｃ_５〜６、Ｃ_６〜７、Ｃ_７〜８は図７に示すようにボビン１６の円周方向に角度１０度ずつ、ずらして巻回される。そして、ノズル２３から延出するコイル線１５を切断し、コイル線１５の切断側を係止部２１ｂに巻き付け、図３に示される回転子コイル１１が得られる。

この回転子１０では、コイルフィールドＡの上部に、コイルフィールドＢを形成しているので、コイルフィールドＡ外周とポールコア１２の爪状磁極１３内周との間の空き空間を利用してコイル線１５の巻回数を増やすことができる。これにより、回転子コイル１１の起磁力が大きくなり、回転電機の出力を向上させることができる。
また、コイルフィールドＢは、コイルフィールドＡの各段の列数より少ない列数で構成されているので、爪状磁極１３との接触を避けてコイルフィールドＡとポールコア１２の爪状磁極１３との間の空き空間に配設することができる。

ここで、コイルフィールドＢは、コイルフィールドＡの各段の列数より少ない列数で複数段に構成すればよい。そして、コイルフィールドＢの各段の列数は、コイルフィールドＡとポールコア１２の爪状磁極１３との間の空き空間形状に合わせ、上段方向に漸次減少するように山巻きとしている。

コイルフィールドＡでクロスポイント部を１８０度移動させるとそれまでのクロスポイント部までの１８０度部にコイルがない箇所が発生するためその次の層において整列にまけなくなり、その上に巻かれる全てのコイルが整列に巻けなくなる。但しその次の層の軸方向の列の数が減るコイルフィールドＢへ移る際にはクロスポイントを移動させることが可能となる。そのクロスポイント部はコイルフィールドＢが上部にないコイルフィールドＡの最終層のどこで移動させても問題ない。またコイルフィールドＢに移る際にコイルフィールドＢで移動させても問題ない。

このように作製された回転子コイル１１においては、図１に示されるように、ボビン１６の巻胴部１７に１２列４段のコイルフィールドＡ部とその上にコイルフィールドＢ部が巻装されている。そして、下部のコイルフィールドＡ部では奇数段では、コイル線１５は、１周目が第１フランジ部１８の内周壁面に接して巻回され、以降互いに接するように全１２周し、１２周目のコイル線１５と第２フランジ部１９内周壁面との間に隙間Ｓを持つように巻回されている。一方、偶数段では、コイル線１５は、１周目が第２フランジ部１９の内周壁面に接して巻回され、以降互いに接するように全１２周し、１２周目のコイル線１５と第１フランジ部１８内周壁面との間に隙間Ｓを持つように巻回されている。そして、例えば、２段目の１周目のコイル線１５が、第２フランジ部１９の内周壁面に接して巻回されているので、２段目の１周目のコイル線１５は、１段目の１２周目のコイル線１５を第１フランジ部１８側に押圧し、１段目の１２周のコイル線１５を互いに密接させるように作用する。そこで、２段目に、コイル線１５を２周目、３周目と順次巻回しても、１段目に巻回されているコイル線１５の密着状態が確保される。なお、３段目および４段目にコイル線１５を巻回する場合でも、同様に、下段に巻回されているコイル線１５の密着状態が確保される。つまり、下部整列巻部Ａにおける各段のコイル線１５の整列状態が確保される。

図１における隙間Ｓは、特許文献１に記載のようにＤ／４以上、かつ、Ｄ／２以下に設定することが望ましい（Ｄは、コイル線１５の直径）。特に、隙間ＳをＤ／２と設定すれば、コイル線１５を安定した状態に巻回できるので、巻回工程での巻き乱れの発生が抑制され、コイル線１５を整列状態に巻回できる。その結果、外径が軸方向に関して揃ったコイルフィールドＡを簡易に作製できるとともに、崩れの発生しにくいコイルフィールドＡおよびＢを実現できる。さらに、コイル線１５の巻回数が多くなり、回転子コイル１１で発生する起磁力を大きくすることができる。

図７はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルの巻装状態を示す断面図である。なお、図８は、図７のVIII−VIII線断面図で、コイル線１５を２段目に巻回した際に発生するクロスポイントＣ_１〜２を通る断面図である。

この図７では、回転子コイル１１の下部整列巻部であるコイルフィールドＡは、図７に示されるように、コイル線１５がボビン１６の巻胴部１７に１２列４段に巻装され、かつ、クロスポイントＣ_１〜２、Ｃ_２〜３、Ｃ_３〜４が互いに円周方向に角度１０度ずつ、ずれて径方向に関して重ならないように構成されている。コイルフィールドＡ、Ｂのコイル線１５を軸方向に配列ピッチＰ分移行させる移行開始位置が各段毎に周方向にずらされている。つまり、コイル線１５を２段目、３段目および４段目に巻回する際に発生した各クロスポイントＣ_１〜２、Ｃ_２〜３、Ｃ_３〜４は周方向に分散され、径方向に関しては互いに重なっていない。
また、コイルフィールドＢにおいてもクロスポイントＣ_４〜５、Ｃ_５〜６、Ｃ_６〜７、Ｃ_７〜８は互いに円周方向に角度１０度ずつずれて、径方向に関して重ならないように構成されている。しかも、クロスポイントＣ_４〜５とＣ_１〜２、クロスポイントＣ_５〜６とＣ_２〜３、クロスポイントＣ_６〜７とＣ_３〜４とは、各々円周方向に角度１８０度ずれて構成されている。

なお、各段（１段目を除く）にコイル線１５を巻回する場合、コイル線１５は、ｎ１周目から配列ピッチＰ分軸方向に移行して（ｎ１＋１）周目に巻回される際に、下段のコイル線１５の頂部を乗り越えることになる。このクロスポイントＣとは、コイル線１５が下段のコイル線１５の頂部を乗り越える点である。

回転子コイル１１においては、クロスポイントＣが径方向に重なるようにコイルフィールドＡおよびＢを構成すると、クロスポイントＣの重なり部分におけるコイルフィールドＡおよびＢの外径が大きくなってしまう。そして、クロスポイントＣの重なりが多くなるほど、クロスポイントＣの重なり部分におけるコイルフィールドＡおよびＢの外径が大きくなる。その結果、回転子コイルをポールコア１２に装着して回転子を作製した場合、クロスポイントＣの重なり部分におけるコイルフィールドＡおよびＢの最外径部に位置するコイル線１５が爪状磁極１３の内周壁面と接触し、コイル線１５の絶縁被膜を損傷させてしまう。また、クロスポイントＣの重なり部分におけるコイルフィールドＡ、Ｂの最外径部に位置するコイル線１５と爪状磁極１３の内周壁面との接触を回避させるには、コイルフィールドＡおよびＢの段数を少なくする必要があり、コイル線１５の巻回数が少なくなってしまう。

クロスポイントＣを周方向に分散させてコイルフィールドは構成されているがクロスポイントＣの形成に伴うコイルフィールドの外径の増大分は存在する。特許文献１では巻胴部１７に厚みの変化を設けることで相殺し均一な外径を有するコイルフィールドを得るとしている。
これに対し、この発明では、コイルフィールドＢのクロスポイントをコイルフィールドＡのクロスポイントと１８０度ずらすことで対称の形状となりバランスのよいコイルフィールドを得ることができるため、巻胴部１７の厚みを変化させる必要がなくなる。その結果、コイル線１５と爪状磁極１３の内周壁面との接触を回避できるコイルフィールドＡおよびＢの段数を増やすことができるので、コイル線１５の絶縁被膜の損傷の発生を抑制して、コイル線１５の巻回数の多い回転電機が得られる。また、ボビン１６の型も簡単になるため、バリ等の発生の抑えることができる。

また特許文献１のように巻胴部１７に厚みの変化をつけるとしても、コイルフィールドＡとコイルフィールドＢのクロスポイント部を１８０度ずらしているので巻胴部１７の厚みを変化させる量および範囲も小さくてすむ。

なお、図８では、コイル線１５を２段目に巻回した際に発生するクロスポイントＣが軸方向に重なっているが、クロスポイントＣの軸方向の重なりはコイルフィールドＡおよびＢの外径増大に関与しない。

図９は回転子全体を示した斜視図である。矢印２４はコイルフィールドを除く回転子１０の重心ずれ方向を示している。矢印２５はコイルフィールドの重心ずれ方向を示す。コイルフィールドＡとＢによって、クロスポイント位置を任意の位置にずらすことで、コイルフィールドの重心ずれ方向を制御し、意図的に矢印２４を打ち消す方向にコイルフィールドの重心位置をずらし、重心位置ずれの少ない回転子１０を得ることができるので、回転バランスを良好にでき、シャフトのたわみ、回転騒音、等の改善と、軸受の耐久性向上の効果が期待できる。

実施の形態２.
なお、図１、図４、図５、図６ではコイルフィールドＡ部の奇数層と偶数層が同じ列数での説明をしているが、図１０に示すように、奇数層の列数に対し偶数層の列数が１列少なくなる場合でも上記実施の形態１と同様の作用効果を奏するものである。

また、上記各実施の形態では、説明の便宜上、コイルフィールドＡが１２列４段に形成され、コイルフィールドＢがそれよりも少ない列で４段に形成されているものとしているが、コイルフィールドＡ、Ｂの列数・段数はこれに限定されるものではない。これに伴い、上述のように上部と下部のみの場合は１８０度位置でいいが層が多くなり下部に対する列数の減る層（上部）が多くある場合は９０度位置で４箇所等複数個所にずらしてもよい。

さらに、上記の各実施の形態では、下部のコイルフィールドＡにおける各段に形成されるコイル線１５のクロスポイントＣは、互いに角度１０度の範囲で円周方向にずれて構成したものを例示したが、回転コイルの小径化、および小型化の狙いでは、角度３度〜１０度の範囲が好ましい。また、コイルフィールドＡおよびＢにおける径方向の段数が少ない場合では、円周方向のずれ角度は、少なくとも何れか一方が０度でもよく、コイルフィールドＡと山巻きコイルフィールドＢのクロスポイントとの間で円周方向のずれを構成すれば、バランスの効果は期待できる。

さらにまた、上記の各実施の形態では、一対のポールコア１２は、基部１４を構成する回転子コイル１１の巻胴部１７を装着してなる円筒部を一体形成したものを例示したが、この円筒部が別体構成のものでもよい。

さらに、この発明による回転子は、例えば乗用車、トラック、電車等の車両に搭載される交流発電機、交流電動機、交流発電電動機等の回転電機に適用できる。

１０ 回転子
１１ 回転子コイル
１２ ポールコア
１３ 爪状磁極
１３ａ 根元部
１４ 基部
１５ コイル線
１６ ボビン
１７ 巻胴部
１８ 第１フランジ部
１８ａ 舌片
１９ 第２フランジ部
１９ａ 舌片
２１ａ 係止部
２１ｂ 係止部
２２ 溝
２３ ノズル
Ａ 下部のコイルフィールド
Ｂ 上部（山巻き）のコイルフィールド
Ｃ クロスポイント
Ｄ コイル線外径
Ｐ 配列ピッチ
Ｓ 隙間

Claims (3)

1. それぞれ先細り形状の爪状磁極がその先細り方向を軸方向に一致させて円柱状の基部の外周縁部に周方向に等角ピッチで複数形成されてなり、該爪状磁極をかみ合わせるように構成された一対のポールコアと、
   第１および第２フランジ部が円筒状の巻胴部の軸方向の両端部から径方向の外周に延設された断面コ字状の環状に形成され、上記一対のポールコアの上記爪状磁極の根元部で挟持されて上記基部に装着されたボビンと、
   コイル線を上記ボビンの巻胴部の外周に、軸方向に複数列で多段に巻回され径方向に隣接する段の上記コイル線により形成されるクロスポイントを有する下部のコイルフィールドと、この下部のコイルフィールドの外周と上記爪状磁極の内周との空き空間に配設され、上記下部のコイルフィールドの列数よりも少ない列数で複数段有する如く上記下部のコイルフィールドの外周に巻回され径方向に隣接する段の上記コイル線により形成されるクロスポイントを有する山巻きのコイルフィールドとからなる回転子コイルとを備え、
   上記山巻きのコイルフィールドのクロスポイントと、上記下部のコイルフィールドのクロスポイントとは、上記ボビンの円周方向へ１８０度対称位置に配設されているとともに、上記下部のコイルフィールドにおける各段に形成されるコイル線のクロスポイントは、互いに角度３度から１０度の範囲で円周方向にずれており、上記山巻きのコイルフィールドにおける各段に形成されるコイル線のクロスポイントは、互いに角度３度から１０度の範囲で円周方向にずれていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 上記ボビンの巻胴部は、全周に亘り均一な肉厚で構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回転子。
3. 上記山巻きのコイルフィールドは、上記下部のコイルフィールドの段数と同じ複数段で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。

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