JP6599713B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

特許文献１では、回転電機の固定子スロットにコイルを挿入する際、ターン数を当初の半分にした２つのコイルを、１段目（外径側）と２段目（内径側）の２回に分けて挿入している。特許文献１には明確に記載されていないが、この場合、１段目のコイルと２段目のコイルとを直列接続することが前提であると考えられる。

特開平１０−２８３４６号公報

すると、特許文献１の構成では各コイルの端末を接続する箇所が増大することになり、製造コストが増加する。
そこで、分布巻を採用した場合に、各巻線の末端を接続する箇所が増大することを回避できる回転電機を提供する。

実施形態の回転電機は、各相各極の巻線が固定子鉄心に分布巻されている固定子と、
この固定子に対して回転可能に設けられた回転子とを備え、
前記固定子鉄心の各スロットには、巻き数が等しい２以上の同相の巻線が並列接続で挿入されている。

一実施形態であり、Ｕ相のコイルについて導体群を２分割した場合に各コイル端末の接続状態をモデル的に示す図 スロットにコイルを一括挿入する場合と、コイルを巻き数で２分割した挿入場合と、本実施形態とを比較して示す図 外径側及び内径側コイルの導体本数の一例を示す固定子の一部断面図 従来構成であり、コイルを一括で挿入した固定子を示す平面図 同固定子の側面図 従来構成であり、同じスロットに納めるコイルを巻き数で２分割して挿入した固定子を示す平面図 図４に示す固定子のコイルがスロットに巻回されている状態を展開して示す図 図７に示すコイルの各端末の接続状態をモデル的に示す図 図６に示す固定子のコイルがスロットに巻回されている状態を展開して示す図 図９に示すコイルの各端末の接続状態をモデル的に示す図 変形例を示す図１相当図

以下、一実施形態について図面を参照して説明するが、本実施形態の構成と従来構成との相違を明確にするため、従来構成から順を追って説明する。図４は、分布巻の一形態である重ね巻方式の固定子の平面図であり、図５は同側面図である。固定子１は、ステータコア（固定子鉄心）２、Ｕ相コイル（巻線）３Ｕ、Ｖ相コイル３Ｖ及びＷ相コイル３Ｗを有しており、各コイルはスロット４に渦巻状に配置されている。

尚、回転電機としてはインナロータ型であり、ステータコア（固定子鉄心）２の中空部に破線で示す回転子５が配置される。但し、本実施形態は固定子１の構造に特徴を有しているので、回転子５については詳細な説明を省略する。

各コイル３Ｕ〜３Ｗは、複数本の導体（例えば銅線）を束ねた導体群が巻回されたもので、巻回された状態でスロット４内に納められる。この構成では、コイル３をスロット４に収容する際の銅線量が多くなるため、手作業の場合は作業性が悪化して挿入に時間がかかる。また、機械によって収容する場合でも銅線への負荷が大きくなり、被膜を損傷して絶縁信頼性が悪化し易い。更に、コイル３の挿入後に、ステータコア２の端面に露出するコイル部であるコイルエンド３Ｅ（図５参照）を、外径方向に押し広げる成形工程においても同様の問題が生じる。加えて、銅線数が多くなるとコイル３の剛性が高くなるため、コイルエンド３Ｅの高さが高くなり、銅線の使用量が増えてしまう。

図６は、特許文献１のように、各スロット４に納めるコイル６を巻き数で２分割した場合の図４相当図である。同じスロット４に納めるコイル６を２回に分けて（６（１）、６（２））挿入するので一度に納める銅線量が減少し、コイル挿入、成形時の作業性向上や絶縁信頼性の確保、コイルエンドの高さ低減による銅線使用量の削減が可能になる。

しかし、このようにコイル６を巻き数で分割する場合、モータ特性を一括で挿入する場合と同等にするには、分割して同じスロット４に挿入するコイル６（１）、６（２）を直列に接続することが必要になる。すると、コイル６の端末を接続する箇所が増加するため、接続作業に要する時間が増加するというデメリットがある。

図７は、一般的な三相４極４８スロットモータの固定子に、図４に示したようにＵ相巻線３Ｕが収容されている状態を展開してモデル的に示した図である。各コイル３Ｕを２個連続で巻回しているので、２つのコイル３Ｕの端末間は図中に破線で示す渡り線７で接続されている。具体的には、例えば図中に示すステータコア２のティース番号１−２間、１０−１１間に納まるコイル３Ｕを先に作成し、次に渡り線７を介して２−３間、１１−１２間に納まるコイル３Ｕを作成する。そのため、２個連続のコイル１つについてコイル端末は２本となる。以下の説明は、２個連続のコイルを１つのコイルとして扱う。

図中の添字Ｕ−Ａ−Ｂ−Ｃ（例えばＵ−１−１−１）は、Ｕ：Ｕ相、Ａ:段数、Ｂ:コイル番号、Ｃ：端末番号を示している。図４に示した一般的な重ね巻のコイル段数は１段であるから、Ｕ相のコイルは４つでコイル端末は８本となる。図８はこの場合のＵ相巻線のコイル端末接続図である。図中に示すドットは、溶接等により端末の接続が必要な箇所であり、Ｕ相巻線の接続箇所は４箇所であるから三相分で１２箇所となる。

図９は、図６に示したようにコイル６を巻き数で２分割して挿入した場合の図７相当図である。便宜上、１段目コイル６Ｕ（１）と２段目コイル６Ｕ（２）とを分けて図示しているが、これらは実際には同じスロット内に納められる。この場合、Ｕ相巻線のコイル数は８つでコイル端末は１６本となる。

図１０は、図９に対応する図８相当図である。例えば、６本の銅線を１つに束ねた銅線群を２０回巻きしたコイルの場合、それぞれ６本１０回巻きのコイルに分割する。モータ特性を一括挿入の場合と等しくするには、１段目コイルの巻き終わりと２段目コイルの巻き始めとを直列接続する必要がある（例えばＵ１−１−２とＵ２−１−１）。したがって、端末接続箇所は、Ｕ相分で８箇所、三相分で２４箇所となる。結果として、コイル挿入後の端末接続時間が一括挿入した場合と比べて２倍になり、製造コストが増加する。また、直列接続の場合、１段目と２段目の導体群に同じ大きさの電流が流れるので、損失のアンバランスを避けるには、１段目と２段目の導体群の導体断面積の合計を必ず等しくすることが望ましい。

以上を踏まえて、本実施形態の構成について説明する。本実施形態では、同じスロット内に収めるコイルの導体群を２つに分けて、２つのコイルに分割することで接続箇所を削減する。例えば、当初の設計仕様において、６本の銅線を１つに束ねた導体群を２０回巻きしたコイルを使用する場合、３本の銅線を１つに束ねた導体群を２０回巻きしたコイル２つに分割する。分割した２つのコイルは並列接続状態とすることになるから、一括挿入の場合と２分割挿入の場合の合成抵抗は、何れも当初の設計値と変わらず、モータ特性は同等となる。

図１は、本実施形態の構成における図１０相当図である。同じスロットに挿入されたコイル８Ｕの端末をそれぞれ並列接続することで（例えばＵ１−１−１とＵ２−１−１）、接続箇所がＵ相分で４箇所、三相分でも１２箇所となるから、図４に示したようにコイル３を一括で挿入した場合と等しくなる。したがって、本実施形態の構成を採用すれば、巻き数で分割した場合に比べて接続作業時間が半減することになる。

このように導体群で分割すると、コイル１つ当たりの巻き数は、図６に示す巻き数で分割する場合と比較すれば２倍となる。しかし、コイルの製造工程は機械で実施することが多く、接続作業に要する時間に比較して短いため、トータルでの製造時間は短くなり製造コストが削減できる。

また、１つの導体群を２分割すれば、上述のように１段目のコイル８Ｕ（１）と２段目のコイル８Ｕ（２）とは並列接続の状態になっている。したがって、それぞれのコイル８Ｕ（１）、８Ｕ（２）の導体断面積の合計を均等にする必要はない。例えば、導体の総本数６本を２分割するなら、例えば２本と４本、１本と５本のように分割可能な上、さらに１段目と２段目で銅線の線径の組合せを変更することも可能になる。

一般的に、２段目のコイルを挿入する際には、１段目のコイルが既にスロット内に存在しているため、挿入、成形時の２段目コイルへの負荷が増加する。そこで、２段目コイルの導体群を構成する導体の本数、線径を調整してコイル全体の断面積を１段目より小さくすることで、２段目コイルにかかる負荷を低減できる。挿入、成形時にコイルに係る負荷を極力小さくすることで、コイルの絶縁信頼性が向上する。例えば図３は、同じスロット内に収める総導体数が１２０本となるように構成したものであり、１段目コイル８Ｕ（１）は導体数を４本で構成した導体群を２０回巻きし、２段目コイル８Ｕ（２）は導体数を２本で構成した導体群を２０回巻きしている。

また、コイルエンド部において異相のコイルが接触する部分に相間絶縁紙を挿入する工程についても、一般的に２段目コイルに対する作業は、固定子の外周側に１段目コイルが存在するため作業性が著しく低下する。これに対して本実施形態では、２段目コイルの導体本数を少なくして、コイル全体の断面積を小さくできるので挿入性が向上する。

図２は、図４に示すコイル３を一括で挿入した場合と、図６に示すコイル６を巻き数で２分割した場合と、本実施形態の導体群を構成する導体数を分割した場合とを比較した一覧である。何れも設計値では同じスロット内に収めるコイル導体総本数が１２０本分となる場合（当初設計値）であり、コイル端末の接続箇所は、一括挿入の場合と本実施形態の場合が最小となり、また、本実施形態の場合は１段目コイルと２段目コイル全体の断面積が変更可能であるという独自のメリットがある。

以上のように本実施形態によれば、ステータコア２の各スロット４に挿入される各コイル８を、導体群で２つに分けた巻き数が等しい並列接続コイル８（１）及び８（２）で構成した。これにより、各コイル８の端末接続点数を削減できるので、接続作業に要する時間を短縮できる。また、並列接続コイルのうち、ステータコア２の内径側に配置されるコイル８（２）の全体の断面積を、同外径側に配置されるコイル８（１）の全体の断面積よりも小さくしたので、コイル８の挿入負荷や成形負荷を低減し、相間絶縁紙の挿入性や設計自由度を向上させることができる。

（その他の実施形態）
図１１に示すように、直列コイルの接続箇所を全て共通にすれば、１相当たりの接続点数を「３」にすることもできる。
重ね巻に限ることなく、同心巻に適用しても良い。
連続で巻回するコイル数は、「２」である必要はない。
必ずしも２段目コイルの導体群を構成する導体数を、１段目コイルの導体群を構成する導体数より少なくする必要はない。

また、導体の総本数や、分割した導体群のそれぞれの本数については、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
導体群を分割する数は、「３」以上であっても良い。
コイルは、複数の導体を１つに束ねた導体群である必要はなく、導体数が「１」のコイルでも良い。この場合、１本の導体の断面積が外径側のコイルと内径側のコイルとで異なっていても良い（但し、導体としては連続している）。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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、１は固定子、２はステータコア（固定子鉄心）、４はスロット、５は回転子、８はコイル（巻線）を示す。

Claims (2)

1. 各相各極の巻線が固定子鉄心に分布巻されている固定子と、
   この固定子に対して回転可能に設けられた回転子とを備え、
   前記固定子鉄心の各スロットには、巻き数が等しい２以上の同相の巻線が並列接続で挿入されている回転電機。
2. 前記並列接続された複数の巻線は、その導体合計断面積が異なる請求項１記載の回転電機。

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