JP6488862B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、三相交流電流を巻線に通電して回転動作させる回転電機に関する。

回転電機は、巻線をステータに設置して、ロータを回転自在に取り付けるタイプが普及している。このような回転電機は、ステータの巻線に三相交流電流を通電して磁界を発生させることによりロータを回転させる電動機として利用することができる。また、ロータ側に永久磁石が配置されている回転電機の場合には、そのロータを回転させることにより巻線（コイル）に磁界が形成されるのに伴って発生する回生電流をバッテリ等に蓄電させる発電機として利用することができる。

このように、三相交流電流が巻線に通電される回転電機は、巻線がＹ結線（スター結線）されて、一端側が三相の各相に接続され、他端側が中性点とされる回路構成が採用されている（特許文献１を参照）。

特開２００９−２３２６５０号公報

しかしながら、このような回転電機にあっては、ステータの巻線上に三相線と共に中性点の結線部を配置することになり、これらが回転軸方向に積み重なってコイルエンドが高くなってしまう。このため、回転電機が大型化してしまう、という不都合がある。

そこで、本発明は、三相交流電流により回転動作する、コンパクトな回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、三相交流電流が通電される巻線が巻かれた複数の突極部を有するステータと、前記巻線への通電によって発生する磁界により回転軸を中心に回転するロータと、を備える回転電機であって、前記ステータは、三相の巻線を一組とする複数組が設置されて、前記複数組の同相の巻線の一方の端部を並列接続する複数の共通線と、同じ組の前記巻線の他方の端部と前記各組の中性点とを接続する複数の引き出し線と、を備えており、前記巻線は、前記突極部の回転軸側における巻き数が、当該突極部の外周側の巻き数よりも少なく巻かれることより、前記突極部を挟んで前記回転軸の軸方向両側に前記複数の共通線および前記複数の引き出し線を設置する設置スペースを形成しており、前設置スペースのうち、前記突極部を挟んで軸方向一端側の設置スペースに前記複数の共通線を設置し、前記突極部を挟んで軸方向他端側の設置スペースに前記複数の引き出し線を設置しているものである。

このように本発明の一態様によれば、三相交流電流により回転動作するコンパクトな回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その概略全体構成を示す上面図である。 図２は、回転電機の概略全体構成を示す下面図である。 図３は、回転電機の概略全体構成を示す図であり、図１および図２におけるＡ−Ａ縦断面図である。 図４は、ステータに設置する巻線の回路構成図である。 図５は、図３に示すＡ−Ａ縦断面図の一部拡大縦断面図である。 図６は、図４に示す回路構成と比較するステータに設置する巻線の回路構成図である。 図７は、図１に示すステータと比較する巻線の配線状態を示す上面図である。 図８は、図２に示すステータと比較する巻線の配線状態を示す下面図である。 図９は、図３に示すステータと比較する巻線の配線状態を示す側面図である。 図１０は、図１に示すステータと比較する巻線の配線状態を示す上面図である。 図１１は、図２に示すステータと比較する巻線の配線状態を示す下面図である。 図１２は、図３に示すステータと比較する巻線の配線状態を示す側面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１２は本発明の一実施形態に係る回転電機を説明する図である。

図１〜図３において、回転電機１０は、概略リング形状に形成されているステータ１１と、このステータ１１内に回転自在に収納されているロータ２１と、を備えている。回転電機１０は、三相交流電源からステータ１１に電力供給を受けてロータ２１を回転動作させるようになっている。

ステータ１１は、周方向に並列させる分割コア１２を、不図示のハウジング内に嵌め込みつつ、リング部材１９を外周側に設置してハウジングにネジ止め固定することにより円環状に作製されている。分割コア１２は、軸心側に向かって突出する突極形状の突極部１３が形成されている。分割コア１２の突極部１３には、巻線３１がコイル状に巻き付けられている。

このステータ１１は、巻線３１毎に三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相がそれぞれ接続されて（図４を参照）、三相交流電流が通電されることにより、分割コア１２の突極部１３に磁界が形成されるようになっている。これにより、ステータ１１は、例えば、ロータ２１を回転駆動させるマグネットトルクを発生させることができる。

ロータ２１は、円盤形状に形成されて軸心に一致するようにシャフト（回転軸）１００が固定されている。ロータ２１は、ステータ１１の分割コア１２に囲まれた中心に位置するようにハウジング側に設置されている不図示のベアリングに、シャフト１００が回転自在に支持されることにより、円盤形状の外周面２１ａが分割コア１２の突極部１３の内周面１３ａに近接対面する状態を維持しつつ回転するようになっている。

このロータ２１は、磁力の発生源として、例えば、不図示の永久磁石が外周面２１ａ側に埋め込まれている。なお、本実施形態の回転電機１０としては、ロータ２１に永久磁石を設置する同期モータを一例として説明するが、これに限るものではない。例えば、ロータとしては、磁力を電磁石により発生させる構成を採用してもよい。また、回転電機としては、同期モータに限らず、誘導モータに構築してもよい。

これにより、ロータ２１は、ステータ１１の巻線３１に三相交流電流が通電されて分割コア１２の突極部１３に形成される磁界との間で、永久磁石の磁力に対する吸引力あるいは反発力による回転トルクを得ることができ、シャフト１００を回転駆動させる電動機として回転電機１０を利用することができる。また、シャフト１００が回転力を受けて回転される場合、ロータ２１は、ステータ１１の分割コア１２の突極部１３に、永久磁石による磁束の変動を与えてコイル状の巻線３１に誘導電流を発生させることができ、シャフト１００を回転させて発電する発電機として回転電機１０を利用することができる。

このステータ１１に設置する巻線３１は、図４に示すように、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を１組とした場合の４組分が各相毎に並列接続されている。巻線３１の一端側の引き出し線３１ａは、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ結線される仮想の共通線３２ｕ、３２ｖ、３２ｗに並列接続される通電回路にされている。巻線３１の他端側の引き出し線３１ｂは、各組毎の仮想の中性線（中性点）３３ａ〜３３ｄに共通接続されている。

この巻線３１は、ステータ１１に実装する場合には、引き出し線３１ａが三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎の丸型端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗにかしめられて導通接続されることにより、各相毎の仮想の共通線３２ｕ、３２ｖ、３２ｗに並列接続される回路構成にされている。この引き出し線３１ａは、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎に、例えば、シリコン製の保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ内に収容されて、端部の丸型端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗが露出するように作製されている。

また、引き出し線３１ｂは、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を１組とする４組の各組毎にチューブ形状のスリーブ端子３５ａ〜３５ｄにかしめられて導通接続されることにより、各組毎の仮想の中性線（中性点）３３ａ〜３３ｄに共通接続される回路構成にされている。この引き出し線３１ｂは、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各組毎に、同様に、シリコン製の保護チューブ３７ａ〜３７ｄ内にスリーブ端子３５ａ〜３５ｄと共に収容されている。

また、巻線３１は、図３に示すように、分割コア１２の突極部１３との間にインシュレータ（絶縁物）１５を介在させることにより絶縁性が確保されてコイル状に巻き付けられている。インシュレータ１５は、シャフト１００の軸方向におけるステータ１１の両面側に底面部１５ａ、１５ｂが位置している。インシュレータ１５は、その底面部１５ａ、１５ｂの内周側と外周側とから連続するリブ形状に形成されて、巻線３１の移動を制限する障壁として機能する内壁部１６ａ、１６ｂおよび外壁部１７ａ、１７ｂを備えている。

この巻線３１は、図５に示すように、インシュレータ１５（底面部１５ａ、１５ｂ）周りにおいて、シャフト１００に近接する内壁部１６ａ、１６ｂ側の巻き数（巻き付け周回数）が外周側に位置する外壁部１７ａ、１７ｂ側よりも少なくされている。これにより、巻線３１は、シャフト１００の軸方向に対する両面側の回転軸側に、保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ、３７ａ〜３７ｄの設置スペース１８ａ、１８ｂを確保するようにステータ１２の突極部１３に巻き付けられている。

そして、巻線３１は、図２に示すように、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎の引き出し線３１ａが、シャフト１００の軸方向に対する一面側（一方側）に引き出されて、ステータ１１に配線されている。この引き出し線３１ａは、ステータ１１の外形の円環形状に倣うように湾曲して周回する形状に形成される保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ内に収容された状態で、巻線３１上の設置スペース１８ａ内に設置されている。

また、三相交流電源の三相各組毎の引き出し線３１ｂは、シャフト１００の軸方向に対する他面側（引き出し線３１ａの背面側）に引き出されて、ステータ１１に配線されている。この引き出し線３１ｂは、引き出し線３１ａと同様に、保護チューブ３７ａ〜３７ｄ内に収容された状態で、巻線３１上の設置スペース１８ｂ内に設置されている。

これにより、ステータ１１は、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎の引き出し線３１ａと、三相交流電源の三相各組毎の引き出し線３１ｂと、がシャフト１００の軸方向に対する両面側に振り分けられている。この引き出し線３１ａ、３１ｂは、分割コア１２の突極部１３に巻き付ける巻線３１の偏りにより確保されている設置スペース１８ａ、１８ｂに設置される保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ、３７ａ〜３７ｄ内にそれぞれ収納されている。このため、回転電機１０は、ステータ１１のコイルエンド高さＨが引き出し線３１ａ、３１ｂにより高くなってしまうことを抑えて薄型にすることができる。

ここで、ステータ１１は、分割コア１２の突極部１３に巻き付けられる巻線３１が保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ、３７ａ〜３７ｄ内に収容されて、後述するインシュレータ１５内に設置されると共に結束紐３９により結束される。これにより、回転電機１０の稼動時に発生する振動などによって巻線３１が移動することが制限されるようになっている。この巻線３１は、インシュレータ１５内にエポキシ樹脂ＥＲが充填されることにより信頼性高く固定されるとともに、水分等の浸透により損傷してしまうことが防止されている。

ところで、巻線３１は、図６に示すように結線接続する回路構成を採用して、図７〜図９に示すように、ステータ２１１に設置することも考えられる。このステータ２１１の巻線３１の一端側の引き出し線３１ａは、図４の回路構成と同様に、丸型端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗにかしめられて三相各相毎の仮想の共通線３２ｕ、３２ｖ、３２ｗに並列接続される。

しかしながら、図６に示す回路構成では、巻線３１の他端側の引き出し線３１ｂは、１つのスリーブ２３５にかしめられ、各組共通の仮想の中性線（中性点）２３３に共通接続される回路構成にされてステータ２１１に実装されることになる。

また、ステータ２１１の巻線３１の一端側の引き出し線３１ａは、図７に示すように、三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎に巻線３１上に倣うように個々に配線されている。このステータ２１１の構造の引き出し線３１ａは、分割コア１２の外周の外側に露出する箇所が保護チューブ２３６ｕ、２３６ｖ、２３６ｗ内に収容されて丸型端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗがかしめられて導通接続されている。

そして、ステータ２１１の巻線３１の他端側の引き出し線３１ｂは、図７に示すように、１本の保護チューブ２３７に収容されて、引き出し線３１ａと同じ側において、外形の円環形状に倣うように湾曲して巻線３１上に配線されている。

このため、ステータ２１１の引き出し線３１ａは、図７に示すように、保護チューブ内に収容されて保護されることなく、ばらばらの状態で巻線３１上に配線されている。また、ステータ２１１の引き出し線３１ｂは、図７および図９に示すように、１本の保護チューブ２３７に収容されて、引き出し線３１ａと同じ側で設置スペースのない巻線３１上に配線される。このために、ステータ２１１では、コイルエンド高さＨが高くなってしまう。

この課題を解消するために、図６に示す回路構成を採用する場合でも、図１０〜図１２に示すように、巻線３１をステータ３１１に配線することも考えられる。このステータ３１１では、図１０に示すように、ステータ２１１と同様に、引き出し線３１ａが三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎に巻線３１上に倣うように個々に配線される。また、ステータ３１１では、図１１に示すように、引き出し線３１ｂをまとめて収容する１本の保護チューブ２３７が、引き出し線３１ａと反対側（シャフト１００の軸方向に対する引き出し線３１ａの背面側）において外形の円環形状に倣うように湾曲されて巻線３１上に配線されている。

このため、ステータ３１１は、図６に示す回路構成で、引き出し線３１ａ、３１ｂをそれぞれシャフト１００の軸方向の両面側に設置したとしても、ステータ２１１と同様の問題が発生してしまう。このステータ３１１の引き出し線３１ａは、図１０に示すように、ステータ２１１と同様に、保護チューブ内に収容されて保護されることなく、ばらばらの状態で巻線３１上に配線されている。また、ステータ３１１の引き出し線３１ｂは、図１１および図１２に示すように、１本の保護チューブ２３７に収容されて、設置スペースのない巻線３１上に配線されるために、コイルエンド高さＨを高くしてしまう。

これに対して、ステータ１１は、巻線３１の引き出し線３１ａ、３１ｂがシャフト１００の軸方向に対する両面側に振り分けられ、保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ、３７ａ〜３７ｄ内に収容された状態で、巻線３１上のインシュレータ１５内の設置スペース１８ａ、１８ｂに設置される。このため、ステータ１１は、コイルエンド高さＨがインシュレータ１５の高さに抑えられて薄型に作製されている。

このように、本実施形態の回転電機１０は、巻線３１の中性点が三相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相一組毎で複数個所に配置される。このため、各組毎の中性点となる引き出し線３１ｂは、三相交流電源の各相毎の引き出し線３１ａの保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗのように細めの保護チューブ３７ａ〜３７ｄ内に収容することができる。これら保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ、３７ａ〜３７ｄは、シャフト１００の軸方向の両面側において、ステータ１１の外周側における巻線３１の巻き数よりもシャフト１００側における巻線３１の巻き数を少なくすることにより形成される設置スペース１８ａ、１８ｂ内に設置されている。

したがって、回転電機１０は、巻線３１の引き出し線３１ａ、３１ｂが保護チューブ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ、３７ａ〜３７ｄ内にまとめられて保護される構造にしても、コイルエンド高さＨを高くしてしまうことなく、ステータ１１を薄型に作製することができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１０ 回転電機
１１ ステータ
１２ 分割コア
１３ 突極部
１５ インシュレータ
１６ａ、１６ｂ 内壁部
１７ａ、１７ｂ 外壁部
１８ａ、１８ｂ 設置スペース
２１ ロータ
３１ 巻線
３１ａ、３１ｂ 引き出し線
３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ 共通線（通電回路、三相線）
３３ａ〜３３ｄ 中性線（中性点）
３４ｕ、３４ｖ、３４ｗ 丸型端子
３５ａ〜３５ｄ スリーブ端子（中性点）
３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ 保護チューブ
３７ａ〜３７ｄ 保護チューブ（中性点）
１００ シャフト（回転軸）

Claims (4)

1. 三相交流電流が通電される巻線が巻かれた複数の突極部を有するステータと、
   前記巻線への通電によって発生する磁界により回転軸を中心に回転するロータと、を備える回転電機であって、
   前記ステータは、三相の巻線を一組とする複数組が設置されて、前記複数組の同相の巻線の一方の端部を並列接続する複数の共通線（３２Ｕ〜Ｗ）と、同じ組の前記巻線の他方の端部と前記各組の中性点とを接続する複数の引き出し線（３３ａ〜ｄ）と、を備えており、
   前記巻線は、前記突極部の回転軸側における巻き数が、当該突極部の外周側の巻き数よりも少なく巻かれることより、前記突極部を挟んで前記回転軸の軸方向両側に前記複数の共通線および前記複数の引き出し線を設置する設置スペース（１８ａ、１８ｂ）を形成しており、
   前設置スペースのうち、前記突極部を挟んで軸方向一端側の設置スペース（１８ｂ）に前記複数の共通線を設置し、前記突極部を挟んで軸方向他端側の設置スペース（１８ａ）に前記複数の引き出し線を設置している、回転電機。
2. 前記複数組の各引き出し線は、それぞれ前記ステータの周方向に間隔をあけて設置している、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数の共通線は、前記ステータの径方向に並んで設置されている、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記複数の引き出し線は、保護チューブに収容されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。

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