JP6410104B2 - 回転電機の固定子及びその固定子を備えた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機の固定子及びその固定子を備えた回転電機に関する。

従来、車両に搭載されて使用される回転電機として、回転可能に設けられ界磁として働く回転子と、該回転子と径方向に対向して配置され電機子として働く固定子とを備えたものが一般に知られている。そして、固定子は、周方向に配列された複数のスロットを有する円環状の固定子コアと、スロットに収容されて固定子コアに巻装されたそれぞれ電気的位相の異なる三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の相巻線よりなる固定子巻線とを備えている。

特許文献１には、固定子コアの軸方向端面から突出して固定子巻線の軸方向両端に形成される一対のコイルエンド部の冷却を均一化することによって、冷却性能を向上し得るようにした固定子が開示されている。この固定子の固定子巻線は、スロットに収容されるスロット収容部と、周方向に異なるスロットに収容されたスロット収容部同士をスロットの外部で接続しているターン部とを有する。

この場合、コイルエンド部を形成する複数のターン部は、固定子コアの軸方向端面から最も離間した部位に周方向に延びる頭頂部を有し、頭頂部は径方向に折れ曲がるクランク部を有している。そして、一方のコイルエンド部を形成する各ターン部に設けられたクランク部の径方向への折れ曲がり方向と、他方のコイルエンド部を形成する各ターン部に設けられたクランク部の径方向への折れ曲がり方向が、回転子の回転方向に対して同一にされている。これにより、回転子が回転した時に、回転子から遠心方向に向かって流れる冷却風や冷却液などの冷媒により、回転子の径方向外側に位置する両コイルエンド部を均一に冷却することが可能となる。

特開２０１０−１１５０３１号公報

ところで、例えばハイブリッド車両や電気自動車に搭載される走行用モータ（電動機）は、正逆両方向に回転可能な回転子が採用されている。このようなモータでは、回転子の回転方向によって、コイルエンド部の内部を流れる冷媒の流れが変化するため、正逆両方向のうちの一方において冷却性が低下することとなる。そのため、冷却性の低下により、導体線の外周面を被覆する絶縁皮膜が熱劣化したり溶融したりして、絶縁不良に至る恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、回転子の回転方向に関わりなくコイルエンド部の良好な冷却性能を得ることができる回転電機の固定子及びその固定子を備えた回転電機を提供することを解決すべき課題とするものである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、
周方向に配列された複数のスロット（３１）を有する固定子コア（３０）と、前記スロットに収容されて前記固定子コアに巻装されたそれぞれ電気的位相の異なる三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の相巻線（４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ）よりなる固定子巻線（４０）と、を備え、各前記スロットには前記相巻線が径方向１列に偶数本ずつ収容されている回転電機の固定子（２０）において、
前記固定子巻線は、前記スロットに収容されるスロット収容部（５１Ｃ）と、周方向に異なる前記スロットに収容された前記スロット収容部同士を前記スロットの外部で接続しているターン部（５２Ａ，５２Ｂ）とを有するとともに、前記スロット内のＮ（Ｎは１以上の自然数）層目と（Ｎ＋１）層目の前記スロット収容部同士が電気的に接続される波巻き構造を有し、
前記ターン部は、前記固定子コアの軸方向端面（３０ａ）から最も離間した部位に周方向に延びる頭頂部（５３Ａ，５３Ｂ）を有するとともに、前記頭頂部は径方向に折れ曲がるクランク部（５４Ａ，５４Ｂ）を有し、
前記固定子コアの軸方向端面から突出する複数の前記ターン部により構成される円環状のコイルエンド部（４０ａ）は、周方向全域において、周方向に隣り合う所定の前記ターン部の前記頭頂部同士が軸方向に重なる２層構造を有し、軸方向外側に位置する外側頭頂部（５３Ａ）の前記クランク部の折れ曲がり方向と軸方向内側に位置する内側頭頂部（５３Ｂ）の前記クランク部の折れ曲がり方向が逆方向にされている。

この構成によれば、固定子コアの軸方向端面から突出する複数のターン部により構成される円環状のコイルエンド部は、周方向全域において、周方向に隣り合う所定のターン部の頭頂部同士が軸方向に重なる２層構造を有し、軸方向外側に位置する外側頭頂部のクランク部の折れ曲がり方向と軸方向内側に位置する内側頭頂部のクランク部の折れ曲がり方向が逆方向にされている。これにより、回転子が正逆どちらの方向に回転した場合でも、２層構造のうちの、軸方向外側に位置する外側頭頂部のクランク部と軸方向内側に位置する内側頭頂部のクランク部のどちらかに、回転子から冷媒を確実に流すことができる。そのため、回転子の回転方向に関わりなくコイルエンド部の良好な冷却性能を得ることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲に記載された各請求項の構成に何ら影響を及ぼすものではない。

実施形態１に係る固定子を搭載した回転電機の軸方向断面図である。 実施形態１に係る固定子の全体斜視図である。 実施形態１に係る固定子巻線の第１コイルエンド部を示す斜視図である。 実施形態１に係る固定子巻線に用いられる大小一組の導体セグメントの斜視図である。 実施形態１に係る固定子巻線に用いられる大小一組の導体セグメントを模式的に示す正面図である。 実施形態１に係る固定子巻線を構成する導体セグメントの断面図である。 実施形態１に係る固定子巻線の第１コイルエンド部の径方向断面図である。 実施形態１に係る固定子巻線の第１コイルエンド部の一部を示す部分斜視図である。 実施形態１に係る固定子巻線の第１コイルエンド部の外側頭頂部の配置状態を示す説明図である。 実施形態１に係る固定子巻線の第１コイルエンド部の外側頭頂部を模式的に示す説明図である。 実施形態１に係る固定子巻線の第１コイルエンド部の内側頭頂部を模式的に示す説明図である。 実施形態１に係る固定子巻線のスター結線図である。 実施形態１に係る固定子巻線を構成する相巻線のうちＵ相巻線だけを示す巻線配置図である。 図１３に示すＵ相巻線のうち並列巻線Ｕ１だけを示す巻線配置図である。 図１３に示すＵ相巻線のうち並列巻線Ｕ２だけを示す巻線配置図である。 図１３に示すＵ相巻線のうち並列巻線Ｕ３だけを示す巻線配置図である。 図１３に示すＵ相巻線のうち並列巻線Ｕ４だけを示す巻線配置図である。 図１３に示すＵ相巻線のうち並列巻線Ｕ５だけを示す巻線配置図である。 実施形態１において各Ａ・Ｂスロットに収容されたＵ相巻線を構成する５本の並列巻線の配置状態を示す説明図である。 実施形態１において各Ａ・Ｂスロットの１〜６層目に収容されたＵ相巻線を構成する５本の並列巻線の配置本数を示す説明図である。 実施形態２に係る固定子を搭載した回転電機の軸方向断面図である。 実施形態２に係る固定子巻線の第１コイルエンド部の外側層コイルにおける冷却液の流れを示す説明図である。 実施形態２に係る固定子巻線の第１コイルエンド部の内側層コイルにおける冷却液の流れを示す説明図である。 実施形態２に係る固定子巻線の第１コイルエンド部の外側層及び内側層コイルの複合により発生する冷却液の流れを示す説明図である。

以下、本発明に係る回転電機の固定子の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
本実施形態に係る固定子２０が搭載された回転電機１は、車両用電動機として使用されるものである。この回転電機１は、図１に示すように、有底筒状の一対のハウジング部材１０ａ，１０ｂが開口部同士で接合されてなるハウジング１０と、ハウジング１０に軸受け１１，１２を介して回転自在に支承される回転軸１３に固定された回転子１４と、ハウジング１０内の回転子１４を包囲する位置でハウジング１０に固定された固定子２０と、を備えている。

回転子１４は、固定子２０の内周側と径方向に対向する外周側に、周方向に所定距離を隔てて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。これらの磁極は、回転子１４の所定位置に埋設された複数の永久磁石により形成されている。回転子１４の磁極の数は、回転電機により異なるため限定されるものではない。本実施形態では、１０極（Ｎ極：５、Ｓ極：５）の回転子が用いられている。

次に、図２〜図２０を参照して固定子２０について説明する。固定子２０は、図２及び図３に示すように、周方向に配列された複数のスロット３１を有する円環状の固定子コア３０と、固定子コア３０のスロット３１に分布巻きの波巻きで巻装されたそれぞれ電気的位相の異なる三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗよりなる固定子巻線４０と、各相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗとインバータ（図示せず）を電気的に接続するＵ相バスバー６１、Ｖ相バスバー６２及びＷ相バスバー６３と、各相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗを電気的に接続して中性点を形成する中性線バスバー６４とを備えている。

固定子コア３０は、円環状の複数の電磁鋼板を固定子コア３０の軸方向に積層して形成された一体型のものである。この固定子コア３０は、円環状のバックコア３３と、バックコア３３から径方向内方へ突出し周方向に所定距離を隔てて配列された複数のティース３４とからなり、隣り合うティース３４の間にスロット３１が形成されている。固定子コア３０に形成されたスロット３１の数は、回転子１４の磁極数（１０磁極）に対し、固定子巻線４０の一相あたりＭ（Ｍは２以上の自然数）個の割合で形成されており、スロット倍数がＭとされている。本実施形態では、スロット倍数Ｍが２とされ、１０×３×２＝６０より、スロット３１の数は６０個とされている。

固定子巻線４０を構成する三相の相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗは、スロット３１に収容されるスロット収容部５１Ｃと、周方向に異なるスロット３１に収容されたスロット収容部５１Ｃ同士をスロット３１の外部で接続しているターン部５２Ａ，５２Ｂとを有する。この固定子巻線４０は、Ｕ字形状をなす複数の導体セグメント５０を固定子コア３０の軸方向一端側からスロット３１に挿入して、軸方向他端側に延出した一対の開放端部を互いに周方向反対側へ捻った後、所定の捻り部の端末同士を溶接等により接合して所定のパターンで電気的に接続することにより形成されている。

本実施形態では、基本となる導体セグメント５０として、図４に示すように、大きさの異なる２種類の大小セグメント５０Ａ，５０Ｂが採用されている。大セグメント５０Ａ及び小セグメント５０Ｂは、矩形断面のコイル線材をそれぞれ異なる成形型で押圧成形することによりＵ字形状に形成されており、互いに平行な一対の直線部５１Ａ，５１Ｂと、一対の直線部５１Ａ，５１Ｂの一端同士を連結するターン部５２Ａ，５２Ｂとからなる。大セグメント５０Ａと小セグメント５０Ｂは、ターン部５２Ａ，５２Ｂの延伸方向長さが異なる。

具体的には、大セグメント５０Ａのターン部５２Ａは、７スロットピッチの長さに形成され、小セグメント５０Ｂのターン部５２Ｂは、５スロットピッチの長さに形成されている。これにより、大セグメント５０Ａのターン部５２Ａは、小セグメント５０Ｂのターン部５２Ｂの軸方向外側に重なるように配置可能とされている。よって以下、大セグメント５０Ａのターン部５２Ａを「外側ターン部５２Ａ」と呼び、小セグメント５０Ｂのターン部５２Ｂを「内側ターン部５２Ｂ」と呼ぶ場合もある。

ターン部５２Ａ，５２Ｂの延伸方向（周方向）中央部で固定子コア３０の軸方向端面３０ａから最も離間した部位には、軸方向端面３０ａと平行に周方向に延びる頭頂部５３Ａ，５３Ｂが設けられている。この場合、図５に示すように、外側ターン部５２Ａの頭頂部（外側頭頂部）５３Ａの周方向長さＬ１は、内側ターン部５２Ｂの頭頂部（内側頭頂部）５３Ｂの周方向長さＬ２よりも所定長さだけ長くなるように設定されている。頭頂部５３Ａ，５３Ｂの周方向中央部には、径方向に折れ曲がるクランク部５４Ａ，５４Ｂが押圧成形により形成されている。各クランク部５４Ａ，５４Ｂの径方向への折れ曲がり量は、１本の導体セグメント５０の径方向幅と概ね同じにされている。また、各クランク部５４Ａ，５４Ｂの径方向への傾き角度θは、それぞれが同じになるように統一されている。

ここで、軸方向外側に位置する大セグメント５０Ａの外側頭頂部５３Ａに形成されたクランク部５４Ａの径方向への折れ曲がり方向と、軸方向内側に位置する小セグメント５０Ｂの内側頭頂部５３Ｂに形成されたクランク部５４Ｂの径方向への折れ曲がり方向が、逆方向となるようにされている。この場合、大セグメント５０Ａのクランク部５４Ａは、周方向一端側（図４の右側）から他端側（図４の左側）に向かうにつれて径方向外側（図４の奥側）へ寄るように折れ曲がっている。一方、小セグメント５０Ｂのクランク部５４Ｂは、周方向他端側（図４の左側）から一端側（図４の右側）に向かうにつれて径方向外側（図４の奥側）へ寄るように折れ曲がっている。

ターン部５２Ａ，５２Ｂの頭頂部５３Ａ，５３Ｂの周方向両側には、固定子コア３０の軸方向端面３０ａに対して所定の角度で傾斜した斜行部５５Ａ，５５Ｂが設けられている。本実施形態の場合には、図５に示すように、大セグメント５０Ａの斜行部（外側斜行部）５５Ａの傾斜角度α１と、小セグメント５０Ｂの斜行部（内側斜行部）５５Ｂの傾斜角度α２が同等にされている。また、ターン部５２Ａ，５２Ｂの両側にある各斜行部５５Ａ，５５Ｂと各直線部５１Ａ，５１Ｂとの間には、成形型で押圧成形することによってくの字形状に曲げ加工された立ち上がり部５６Ａ，５６Ｂがそれぞれ形成されている。この立ち上がり部５６Ａ，５６Ｂは、固定子コア３０の軸方向端面３０ａから露出した部位である。

これら大セグメント５０Ａ及び小セグメント５０Ｂは、図６に示すように、断面形状が長方形の導体５８と、導体５８の外周面を被覆する絶縁被膜５９とからなる角線で形成されている。そして、図７に示すように、固定子巻線４０を構成する各相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗは、導体セグメント５０の長方形断面の長辺に当たる面が固定子コア３０の径方向を向く状態に配置されている。

固定子巻線４０の軸方向一方側（図２の上方側）には、固定子コア３０の軸方向端面３０ａから突出した多数のターン部５２Ａ，５２Ｂの集合体により円環状の第１コイルエンド部４０ａが形成されている。また、固定子巻線４０の軸方向他方側（図２の下方側）には、固定子コア３０の軸方向端面３０ａから突出した多数の捻り部及び接合部の集合体により円環状の第２コイルエンド部４０ｂが形成されている。

第１コイルエンド部４０ａは、図８に示すように、周方向に隣り合う所定の大セグメント５０Ａと小セグメント５０Ｂのターン部５２Ａ，５２Ｂの頭頂部５３Ａ，５３Ｂ同士が軸方向に重なる２層構造を有する。即ち、軸方向外側に位置する大セグメント５０Ａの外側ターン部５２Ａにより外側層が形成され、軸方向内側に位置する小セグメント５０Ｂの内側ターン部５２Ｂにより内側層が形成されている。この場合、軸方向外側に位置する外側頭頂部５３Ａのクランク部５４Ａの径方向への折れ曲がり方向と、軸方向内側に位置する内側頭頂部５３Ｂのクランク部５４Ｂの径方向への折れ曲がり方向が逆方向にされている。

そして、図９に示すように、外側頭頂部５３Ａの径方向に並んだクランク部５４Ａ同士は、径方向への傾き角度θが同じにされて、互いに径方向の離間距離Ｓを保つように配置されている。この場合、外側頭頂部５３Ａのクランク部５４Ａは、径方向に延びる直線Ｘと直角に交わる直線Ｙに対して、周方向一端側（図９の右側）から他端側（図９の左側）に向かうにつれて径方向外側（図９の上側）へ傾き角度θで折れ曲がっている。これにより、図１０に示すように、回転子１４が矢印ａ方向に左回転した際に、回転子１４から遠心方向に向かって流れる冷却風が、外側層の径方向に並んだ外側頭頂部５３Ａ同士の間を流れるようになり、冷却性が確保される。

また、内側頭頂部５３Ｂの径方向に並んだクランク部５４Ｂ同士は、外側頭頂部５３Ａの場合とは折れ曲がり方向が逆方向の傾き角度θで同じにされて、互いに径方向の離間距離Ｓを保つように配置されている。これにより、図１１に示すように、回転子１４が矢印ｂ方向に右回転した際に、回転子１４から遠心方向に向かって流れる冷却風が、内側層の径方向に並んだ内側頭頂部５３Ｂ同士の間を流れるようになり、冷却性が確保される。

この固定子巻線４０は、図１２に示すように、それぞれ５本の並列巻線Ｕ１〜Ｕ５，Ｖ１〜Ｖ５，Ｗ１〜Ｗ５よりなる三相の相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗにより構成されており、各相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗの巻線端がスター結線（Ｙ結線）で結線されている。以下、図１３〜図２０を参照して、固定子巻線４０の巻線仕様について説明する。なお、固定子巻線４０を構成する各相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗは、電気的位相が異なるだけで巻線仕様が同じであるため、それらの代表としてＵ相巻線４１Ｕの巻線仕様について説明する。

図１３は、固定子巻線４０を構成する三相の相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１ＷのうちＵ相巻線４１Ｕだけを示す巻線配置図である。また、図１４〜図１８は、図１３に記載されたＵ相巻線４１Ｕの巻回状態を容易に理解できるようにするために、Ｕ相巻線４１Ｕを構成する各並列巻線Ｕ１〜Ｕ５のそれぞれの巻回状態を単独で記載した巻線配置図である。なお、本実施形態では、回転電機１の作動時に回転子１４の鎖交磁束によって固定子２０に形成される極数は、回転子１４の磁極数に対応して１０極となっており、並列巻線Ｕ１〜Ｕ５の並列数の倍数に設定されている。ここで極数の１０は、２と並列巻線Ｕ１〜Ｕ５の並列数５の最小公倍数である。

なお、図１３〜図１８において、時計の１２時方向の位置にある極を第１極とし、時計回り方向に順番に、第２極、第３極、・・・、第１０極とする。また、図１３〜図１８においては、各並列巻線Ｕ１〜Ｕ５の第１コイルエンド部４０ａ側の結線構造が実線で記載され、各並列巻線Ｕ１〜Ｕ５の第２コイルエンド部４０ｂ側の結線構造が破線で記載されている。ここで、各スロット３１に６本ずつ収容されるＵ相巻線４１Ｕのスロット収容部５１Ｃは、固定子コア３０の内周側から順番に、１層目、２層目、・・・、５層目、６層目とする。

また、Ｕ相巻線４１Ｕが収容されるスロット３１は、本実施形態ではスロット倍数Ｍが２とされていることから、固定子コア３０に周方向に隣接して配置されたＡスロットとＢスロットが周方向に６スロットピッチで設けられている。これらのＡスロット及びＢスロットに収容される各並列巻線Ｕ１〜Ｕ５のスロット収容部は、巻き始め側から巻き終わり側に向かって順番に第１スロット収容部、第２スロット収容部、・・・、第２４スロット収容部とする。

並列巻線Ｕ１は、図１４に示すように、巻き始め側の第１スロット収容部が第１極のＢスロットの６層目に収容され、第２スロット収容部が時計回り方向に６スロット離れた第２極のＢスロットの５層目に収容されている。なお、第１スロット収容部の巻き始め側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、入力側引き出し線４２Ｕ１とされている。次いで、第３スロット収容部が第３極のＡスロットの６層目に収容され、第４スロット収容部が第４極のＡスロットの５層目に収容されている。

次いで、第５スロット収容部が第５極のＢスロットの４層目に収容され、第６スロット収容部が第６極のＢスロットの３層目に収容されている。次いで、第７スロット収容部が第７極のＡスロットの４層目に収容され、第８スロット収容部が第８極のＡスロットの３層目に収容されている。次いで、第９スロット収容部が第９極のＢスロットの２層目に収容され、第１０スロット収容部が第１０極のＢスロットの１層目に収容されている。次いで、第１１スロット収容部が第１極のＡスロットの２層目に収容され、第１２スロット収容部が第２極のＡスロットの１層目に収容されている。

次の第１３スロット収容部は、第３極のＡスロットの１層目に収容されており、第１コイルエンド部４０ａ側において、第１２スロット収容部と渡り線４５（図８参照）を介して接続されている。次の第１４スロット収容部が反時計回り方向に６スロット離れた第２極のＡスロットの２層目に収容されており、この第１４スロット収容部から反時計回り方向への巻き戻しが開始される。次いで、第１５スロット収容部が第１極のＢスロットの１層目に収容され、第１６スロット収容部が第１０極のＢスロットの２層目に収容されている。次いで、第１７スロット収容部が第９極のＡスロットの３層目に収容され、第１８スロット収容部が第８極のＡスロットの４層目に収容されている。

次いで、第１９スロット収容部が第７極のＢスロットの３層目に収容され、第２０スロット収容部が第６極のＢスロットの４層目に収容されている。次いで、第２１スロット収容部が第５極のＡスロットの５層目に収容され、第２２スロット収容部が第４極のＡスロットの６層目に収容されている。第２３スロット収容部が第３極のＢスロットの５層目に収容され、巻き終わり側の第２４スロット収容部が第２極のＢスロットの６層目に収容されている。なお、第２４スロット収容部の巻き終わり側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、中性点側引き出し線４３Ｕ１とされている。

並列巻線Ｕ１は、上記のように固定子コア３０の各Ａ・Ｂスロットに収容されて巻装されている。この場合、第１コイルエンド部４０ａを形成するターン部５２Ａ，５２Ｂ（図１４において実線）は、５スロットピッチの長さに形成された内側ターン部５２Ｂと、７スロットピッチの長さに形成された外側ターン部５２Ａが周方向に交互に配置されている。また、第２コイルエンド部４０ｂを形成する導体線（図１４において破線）は、隣り合うスロット収容部同士を６スロットピッチで接続している。

並列巻線Ｕ２は、図１５に示すように、巻き始め側の第１スロット収容部が第９極のＢスロットの６層目に収容され、第２スロット収容部が時計回り方向に６スロット離れた第１０極のＢスロットの５層目に収容されている。即ち、並列巻線Ｕ２の巻き始めとなる第９極のＢスロットは、並列巻線Ｕ１の巻き始めとなる第１極のＢスロットから反時計回り方向に角度で７２°ずれた位置にある。ここで角度７２°は、３６０°を並列巻線Ｕ１〜Ｕ５の並列数（本実施形態では並列数が５）で除算した角度に相当する。そして、その後に続く並列巻線Ｕ２の第２〜第２４スロット収容部は、並列巻線Ｕ１の第２〜第２４スロット収容部と全く同様に、反時計回り方向に角度で７２°ずれた位置にある各Ａ・Ｂスロットに収容されている。

なお、並列巻線Ｕ２の第１スロット収容部の巻き始め側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、入力側引き出し線４２Ｕ２とされている。また、並列巻線Ｕ２の第２４スロット収容部の巻き終わり側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、中性点側引き出し線４３Ｕ２とされている。

並列巻線Ｕ３は、図１６に示すように、巻き始め側の第１スロット収容部が第７極のＢスロットの６層目に収容され、第２スロット収容部が時計回り方向に６スロット離れた第８極のＢスロットの５層目に収容されている。即ち、並列巻線Ｕ３の巻き始めとなる第７極のＢスロットは、並列巻線Ｕ２の巻き始めとなる第９極のＢスロットから反時計回り方向に角度で７２°ずれた位置にある。そして、その後に続く並列巻線Ｕ３の第２〜第２４スロット収容部は、並列巻線Ｕ２の第２〜第２４スロット収容部と全く同様に、反時計回り方向に角度で７２°ずれた位置にある各Ａ・Ｂスロットに収容されている。

なお、並列巻線Ｕ３の第１スロット収容部の巻き始め側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、入力側引き出し線４２Ｕ３とされている。また、並列巻線Ｕ３の第２４スロット収容部の巻き終わり側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、中性点側引き出し線４３Ｕ３とされている。

並列巻線Ｕ４は、図１７に示すように、巻き始め側の第１スロット収容部が第５極のＢスロットの６層目に収容され、第２スロット収容部が時計回り方向に６スロット離れた第６極のＢスロットの５層目に収容されている。即ち、並列巻線Ｕ４の巻き始めとなる第５極のＢスロットは、並列巻線Ｕ３の巻き始めとなる第７極のＢスロットから反時計回り方向に角度で７２°ずれた位置にある。そして、その後に続く並列巻線Ｕ４の第２〜第２４スロット収容部も、並列巻線Ｕ３の第２〜第２４スロット収容部と全く同様に、反時計回り方向に角度で７２°ずれた位置にある各Ａ・Ｂスロットに収容されている。

なお、並列巻線Ｕ４の第１スロット収容部の巻き始め側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、入力側引き出し線４２Ｕ４とされている。また、並列巻線Ｕ４の第２４スロット収容部の巻き終わり側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、中性点側引き出し線４３Ｕ４とされている。

並列巻線Ｕ５は、図１８に示すように、巻き始め側の第１スロット収容部が第３極のＢスロットの６層目に収容され、第２スロット収容部が時計回り方向に６スロット離れた第４極のＢスロットの５層目に収容されている。即ち、並列巻線Ｕ５の巻き始めとなる第３極のＢスロットは、並列巻線Ｕ４の巻き始めとなる第５極のＢスロットから反時計回り方向に角度で７２°ずれた位置にある。そして、その後に続く並列巻線Ｕ５の第２〜第２４スロット収容部も、並列巻線Ｕ４の第２〜第２４スロット収容部と全く同様に、反時計回り方向に角度で７２°ずれた位置にある各Ａ・Ｂスロットに収容されている。

なお、並列巻線Ｕ５の第１スロット収容部の巻き始め側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、入力側引き出し線４２Ｕ５とされている。また、並列巻線Ｕ５の第２４スロット収容部の巻き終わり側端末は、第１コイルエンド部４０ａ側（図１４の手前側）に延出して、中性点側引き出し線４３Ｕ５とされている。

以上のように巻装された並列巻線Ｕ１〜Ｕ５は、３６０°を並列巻線Ｕ１〜Ｕ５の並列数で除算した角度ずつ周方向にずれて回転対称となる位置に配置されている。この場合、各Ａ・Ｂスロットには、Ｕ相巻線４１Ｕを構成する並列巻線Ｕ１〜Ｕ５のスロット収容部５１Ｃが径方向１列に偶数本ずつ（本実施形態では６本ずつ）収容されている。また、Ｕ相巻線４１Ｕを構成する並列巻線Ｕ１〜Ｕ５は、各Ａ・Ｂスロット内のＮ（Ｎは１以上の自然数）層目と（Ｎ＋１）層目のスロット収容部５１Ｃ同士が電気的に接続されている。本実施形態の場合には、Ｎ＝１とされている。

そして、Ｕ相巻線４１Ｕを構成する５本の並列巻線Ｕ１〜Ｕ５は、図１９に示すように、各Ａ・Ｂスロット内の全ての層において、Ｍ個（Ｍ＝２で２個）のスロットに均等に配置されている。即ち、図２０に示すように、並列巻線Ｕ１〜Ｕ５は、Ａスロット及びＢスロットの１〜６層目にそれぞれ２本ずつ均等に配置されている。

また、各Ａ・Ｂスロット内の各層において、外側頭頂部５３Ａに繋がるスロット収容部と内側頭頂部５３Ｂに繋がるスロット収容部が周方向に交互に配置されている（図１３参照）。そして、軸方向外側に配置される外側ターン部５２Ａの外側斜行部５５Ａと、軸方向内側に配置される内側ターン部５２Ｂの内側斜行部５５Ｂは、周方向の少なくとも一部が接触している（図５参照）。この場合、図５に示された２本の外側ターン部５２Ａと内側ターン部５２Ｂは、右側の外側斜行部５５Ａと内側斜行部５５Ｂの一部が接触している。外側ターン部５２Ａの残りの非接触部は、図示されていない他の内側ターン部５２Ｂの内側斜行部５５Ｂと接触している。

そして、Ｕ相巻線４１Ｕを構成する並列巻線Ｕ１〜Ｕ５の入力側引き出し線４２Ｕ１〜４２Ｕ５は、Ｕ相バスバー６１を介してインバータと電気的に接続される。また、Ｖ相巻線４１Ｖを構成する並列巻線Ｖ１〜Ｖ５の入力側引き出し線４２Ｖ１〜４２Ｖ５は、Ｖ相バスバー６２を介してインバータと電気的に接続される。また、Ｗ相巻線４１Ｗを構成する並列巻線Ｗ１〜Ｗ５の入力側引き出し線４２Ｗ１〜４２Ｗ５は、Ｗ相バスバー６３を介してインバータと電気的に接続される。さらに、各相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗを構成する並列巻線Ｕ１〜Ｕ５，Ｖ１〜Ｖ５，Ｗ１〜Ｗ５の中性点側引き出し線４３Ｕ１〜４３Ｕ５，４３Ｖ１〜４３Ｖ５，４３Ｗ１〜４３Ｗ５は、中性線バスバー６４を介して電気的に接続されて中性点を形成する。

以上のように構成された本実施形態の固定子２０によれば、複数のターン部５２Ａ，５２Ｂにより構成される円環状の第１コイルエンド部４０ａは、周方向全域において、周方向に隣り合う所定のターン部５２Ａ，５２Ｂの頭頂部５３Ａ，５３Ｂ同士が軸方向に重なる２層構造を有し、軸方向外側に位置する外側頭頂部５３Ａのクランク部５４Ａの折れ曲がり方向と、軸方向内側に位置する内側頭頂部５３Ｂのクランク部５４Ｂの折れ曲がり方向が逆方向にされている。これにより、回転子１４が正逆どちらの方向に回転した場合でも、２層構造のうちの、軸方向外側に位置する外側頭頂部５３Ａのクランク部５４Ａと軸方向内側に位置する内側頭頂部５３Ｂのクランク部５４Ｂのどちらかに、回転子１４から冷却風（冷媒）を確実に流すことができる。そのため、回転子１４の回転方向に関わりなく第１コイルエンド部４０ａの良好な冷却性能を得ることができる。

また、本実施形態では、径方向に並んだクランク部５４Ａ，５４Ｂ同士は、径方向への傾き角度θが同じにされ、互いに径方向の離間距離Ｓを保つように配置されている。そのため、径方向に並んだクランク部５４Ａ，５４Ｂ同士の隙間を保つことで冷却風が流れるスペースを確保し、冷却風による冷却性を向上させることができる。

また、本実施形態では、固定子巻線４０を構成する相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗは、断面形状が長方形の角線よりなり、長方形断面の長辺に当たる面が固定子コア３０の径方向を向く状態に配置されている。これにより、回転子１４が回転した時に、回転子１４から遠心方向に流れる冷却風に対して相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗの接触面積を大きくすることができるので、冷却性をより向上させることができる。

また、本実施形態では、外側頭頂部５３Ａの周方向長さＬ１は、内側頭頂部５３Ｂの周方向長さＬ２よりも長くされている。固定子コア３０からより遠く離れた位置に配置されている外側頭頂部５３Ａは、内側頭頂部５３Ｂに比べて高温になることから、外側頭頂部５３Ａの周方向長さＬ１を長くして、回転子１４から流れる冷却風による冷却性を向上させることで、局所的な温度上昇を防止することができる。

また、本実施形態では、スロット３１内の各層において、外側頭頂部５３Ａに繋がるスロット収容部５１Ｃと内側頭頂部５３Ｂに繋がるスロット収容部５１Ｃが周方向に交互に配置されているとともに、軸方向外側に配置される外側ターン部５２Ａの外側斜行部５５Ａと、軸方向内側に配置される内側ターン部５２Ｂの内側斜行部５５Ｂは、周方向の少なくとも一部が接触している。回転子１４から流れる冷却風が、コイルエンド部４０ａの軸方向外側に位置する外側層コイルと軸方向内側に位置する内側層コイルのうち一方のコイルに沿って流れる際には、他方のコイルの冷却性が低下して温度が上昇し易い。そのため、外側層コイルと内側層コイルを周方向に交互に配置して、外側斜行部５５Ａと内側斜行部５５Ｂが接触するように配置することで、外側層コイルと内側層コイルの熱の均一化を図ることができる。

〔実施形態２〕
実施形態２に係る固定子２０が搭載された回転電機２は、実施形態１の回転電機１に対して、固定子巻線４０の第１コイルエンド部４０ａに冷却液（液体冷媒）７１を供給して冷却する冷却装置７０が付加されている点で実施形態１のものと異なる。よって、実施形態１と共通する部材や構成については、同じ符号を付して詳しい説明は省略し、以下、異なる点及び重要な点について説明する。

実施形態２の回転電機２は、図２１に示すように、有底筒状の一対のハウジング部材１０ａ，１０ｂが開口部同士で接合されてなるハウジング１０と、ハウジング１０に軸受け１１，１２を介して回転自在に支承される回転軸１３に固定された回転子１４と、ハウジング１０内の回転子１４を包囲する位置でハウジング１０に固定された固定子２０と、冷却装置７０と、を備えている。なお、固定子２０は、実施形態１と同じものである。

ハウジング１０の下方部には、ハウジング１０内の底部に溜まった冷却液７１をハウジング１０の外部に排出する排出口１５が設けられている。また、実施形態２の回転軸１３は、軸中心部を軸方向に延びる冷媒通路１６と、冷媒通路１６の軸方向両端部から放射方向に延びる複数の放出孔１７とを有する。

冷却装置７０は、固定子巻線４０の第１及び第２コイルエンド部４０ａ，４０ｂに向けてそれぞれ冷却液７１を滴下するノズル７２，７３と、各ノズル７２，７３及び回転軸１３の冷媒通路１６に冷却液７１を搬送するポンプ７４と、回収された冷却液７１の熱を放出させる放熱器７５と、を備えている。各ノズル７２，７３は、第１及び第２コイルエンド部４０ａ，４０ｂのそれぞれの上方部に向けて冷却液７１を滴下するように、第１及び第２コイルエンド部４０ａ，４０ｂの鉛直方向上方に設置されている。これらノズル７２，７３とポンプ７４と放熱器７５は、冷却液搬送用の配管で排出口１５と接続されており、冷却液７１の循環回路上に設置されている。なお、冷却液７１としては、例えばＡＴＦ（冷却油）などの公知のものを採用することができる。

実施形態２の回転電機２は、固定子２０の固定子巻線４０への通電により運転が開始されると、回転子１４の回転に伴って回転軸１３が回転し、回転軸１３から駆動力伝達装置等を介して他の機器に駆動力が供給される。これと同時に、冷却装置７０のポンプ７４及び放熱器７５が作動を開始し、回転軸１３の冷媒通路１６及び各ノズル７２，７３に冷却液７１が搬送される。

冷媒通路１６に導入された冷却液７１は、回転軸１３の回転に伴って発生する遠心力により、各放出孔１７から第１及び第２コイルエンド部４０ａ，４０ｂに放出される。第１及び第２コイルエンド部４０ａ，４０ｂに放出された冷却液７１は、第１及び第２コイルエンド部４０ａ，４０ｂを伝って冷却しつつハウジング１０の底部に落下する。また、各ノズル７２，７３から第１及び第２コイルエンド部４０ａ，４０ｂの上方部にそれぞれ滴下された冷却液７１は、第１及び第２コイルエンド部４０ａ，４０ｂを伝って冷却しつつハウジング１０の底部に落下する。

このとき、複数のターン部５２Ａ，５２Ｂにより構成される第１コイルエンド部４０ａは、ターン部５２Ａ，５２Ｂの頭頂部５３Ａ，５３Ｂ同士が軸方向に重なる２層構造を有し、軸方向外側に位置する外側頭頂部５３Ａのクランク部５４Ａの折れ曲がり方向と、軸方向内側に位置する内側頭頂部５３Ｂのクランク部５４Ｂの折れ曲がり方向が逆方向にされている。そのため、２層構造のうち軸方向外側に位置する外側層コイルでは、図２２に示すように、径方向外側から内側に向かって冷却液７１が流れる。また、２層構造のうち軸方向内側に位置する内側層コイルでは、図２３に示すように、径方向内側から外側に向かって冷却液７１が流れる。

これにより、第１コイルエンド部４０ａの２層構造全体では、図２４に示すように、外側層コイルを流れる冷却液７１と内側層コイルを流れる冷却液７１が複合することによって、第１コイルエンド部４０ａの外径側と内径側を往復するように蛇行して冷却液７１が流れる。よって、第１コイルエンド部４０ａの広範囲に亘って冷却液７１が流れるため、効率良く確実に冷却することができる。

なお、回転軸１３の回転方向が逆になった場合でも、２層構造のうち、軸方向外側に位置する外側層コイルを流れる冷却液７１と軸方向内側に位置する内側層コイルを流れる冷却液７１の流れ方向が逆になるが、結果的には上記と同様に、第１コイルエンド部４０ａの外径側と内径側を往復するように蛇行して冷却液７１が流れる（図２４参照）。

その後、第１コイルエンド部４０ａから落下した冷却液７１は、ハウジング１０の底部に設けられた排出口１５からポンプ７４に戻され、ポンプ７４から放熱器７５を経由して低温化された後、再び回転軸１３の冷媒通路１６及び各ノズル７２，７３に搬送され、第１コイルエンド部４０ａに供給される。これにより、循環回路を循環する冷却液７１により回転電機２の冷却が繰り返し行われる。

以上のように構成された本実施形態の回転電機２によれば、固定子巻線４０の第１コイルエンド部４０ａが２層構造を有し、軸方向外側に位置する外側頭頂部５３Ａのクランク部５４Ａの折れ曲がり方向と、軸方向内側に位置する内側頭頂部５３Ｂのクランク部５４Ｂの折れ曲がり方向が逆方向にされている固定子２０を備えている。そのため、回転子１４の回転方向に関わりなく第１コイルエンド部４０ａの良好な冷却性能を得ることができるなど、実施形態１と同様の作用及び効果を奏する。

さらに、実施形態２の回転電機２は、第１コイルエンド部４０ａに冷却液７１を供給して冷却する冷却装置７０を備えているため、第１コイルエンド部４０ａの広範囲に亘って流れる冷却液７１によって、効率良く確実に冷却することができるので、より冷却性を向上させることができる。

なお、実施形態２では、第１コイルエンド部４０ａに対して、内周側に配置された回転軸１３の冷媒通路１６と外周側に配置されたノズル７２，７３とによって、径方向両側から冷却液７１を供給するようにしているが、どちらか一方側だけから冷却液７１を供給するようにしてもよい。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態の固定子巻線４０は、多数のＵ字形状の導体セグメント５０を接続して構成されたものであるが、これに代えて、スロット３１に収容される複数のスロット収容部と、異なるスロット３１に収容されたスロット収容部同士をスロット３１の外部で接続する複数のターン部とを有する波形導線で構成される固定子巻線を採用することができる。

また、上記の実施形態では、本発明に係る回転電機の固定子を車両用電動機に適用した例を説明したが、本発明は、車両に搭載される回転電機としての発電機あるいは電動機、さらには両者を選択的に使用し得る回転電機にも適用することができる。

１，２…車両用電動機（回転電機）、 ２０…固定子、 ３０…固定子コア、 ３０ａ…軸方向端面、 ３１…スロット、 ４０…固定子巻線、 ４０ａ…第１コイルエンド部、 ４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ…相巻線、 Ｕ１〜Ｕ５，Ｖ１〜Ｖ５，Ｗ１〜Ｗ５…並列巻線、 ５０…導体セグメント、 ５１Ｃ…スロット収容部、 ５２Ａ…外側ターン部、 ５２Ｂ…内側ターン部、 ５３Ａ…外側頭頂部、 ５３Ｂ…内側頭頂部、 ５４Ａ…外側クランク部、 ５４Ｂ…内側クランク部、 ５５Ａ…外側斜行部、 ５５Ｂ…内側斜行部、 ７０…冷却装置、 ７１…冷却液（液体冷媒）。

Claims (6)

1. 周方向に配列された複数のスロット（３１）を有する固定子コア（３０）と、前記スロットに収容されて前記固定子コアに巻装されたそれぞれ電気的位相の異なる三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の相巻線（４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ）よりなる固定子巻線（４０）と、を備え、各前記スロットには前記相巻線が径方向１列に偶数本ずつ収容されている回転電機の固定子（２０）において、
   前記固定子巻線は、前記スロットに収容されるスロット収容部（５１Ｃ）と、周方向に異なる前記スロットに収容された前記スロット収容部同士を前記スロットの外部で接続しているターン部（５２Ａ，５２Ｂ）とを有するとともに、前記スロット内のＮ（Ｎは１以上の自然数）層目と（Ｎ＋１）層目の前記スロット収容部同士が電気的に接続される波巻き構造を有し、
   前記ターン部は、前記固定子コアの軸方向端面（３０ａ）から最も離間した部位に周方向に延びる頭頂部（５３Ａ，５３Ｂ）を有するとともに、前記頭頂部は径方向に折れ曲がるクランク部（５４Ａ，５４Ｂ）を有し、
   前記固定子コアの軸方向端面から突出する複数の前記ターン部により構成される円環状のコイルエンド部（４０ａ）は、周方向全域において、周方向に隣り合う所定の前記ターン部の前記頭頂部同士が軸方向に重なる２層構造を有し、軸方向外側に位置する外側頭頂部（５３Ａ）の前記クランク部の折れ曲がり方向と軸方向内側に位置する内側頭頂部（５３Ｂ）の前記クランク部の折れ曲がり方向が逆方向にされている回転電機の固定子。
2. 径方向に並んだ前記クランク部同士は、径方向への傾き角度θが同じにされ、互いに径方向の離間距離Ｓを保つように配置されている請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 前記固定子巻線を構成する前記相巻線は、断面形状が長方形の角線よりなり、長方形断面の長辺に当たる面が前記固定子コアの径方向を向く状態に配置されている請求項１又は２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記外側頭頂部の周方向長さＬ１は、前記内側頭頂部の周方向長さＬ２よりも長くされている請求項１〜３の何れか一項に記載の回転電機の固定子。
5. 前記スロット内の各層において、前記外側頭頂部に繋がる前記スロット収容部と前記内側頭頂部に繋がる前記スロット収容部が周方向に交互に配置されているとともに、
   軸方向外側に配置される外側ターン部（５２Ａ）の前記外側頭頂部と前記スロット収容部の間に位置する外側斜行部（５５Ａ）と、軸方向内側に配置される内側ターン部（５２Ｂ）の前記内側頭頂部と前記スロット収容部の間に位置する内側斜行部（５５Ｂ）は、周方向の少なくとも一部が接触している請求項１〜４の何れか一項に記載の回転電機の固定子。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の固定子（２０）と、前記コイルエンド部に液体冷媒（７１）を供給して冷却する冷却装置（７０）と、を備えている回転電機。

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