JP6651426B2 - 回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、モータや発電機等の回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０００−１４０６６号公報（特許文献１）がある。この公報には、「各コイルが、隣のコイルによって形成されるティース間領域の隙間を補填する形状を有しているので、コイル線の占積率を増大でき、これによりモータ性能の向上を図ることができる。」と記載されている（要約参照）。

特開２０００−１４０６６号公報

回転電機の電動機や発電機の固定子は、円筒状の固定子コアのティースが複数個配置され、ティース間に生じる空間部分であるスロット内にコイルを巻線した構造となっている。従来、固定子スロット内にコイルの占める割合である占積率を向上させるために、特許文献１に示すような、巻線断面積を有効に利用しつつ、隣接スロット間のコイル干渉を防ぐ位置に巻線をずらして配置する構造としている。しかし、この方法では隣接するティースに巻線される最外層のコイル巻位置が交互に配置されており、巻線の断面形状で見たときに左右対称のコイル巻き位置とした磁極ティースが２種類必要となり、部品点数が増加してしまう。

本発明は、上記のような従来技術に代わるコイル配置を提案して、部品点数削減及び高占積率巻線とした回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「固定子コアの１つのティースに集中的に巻線して構成した集中巻方式の固定子コイルを有する回転電機の固定子であって、前記固定子コイルは、前記回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向に沿って巻線を整列巻して複数の段を形成する断面形状を有し、隣接するティースに最も近接する段の巻き始め側と巻き終わり側の１巻き分以上のコイル配置を左右非対称に間隔を設けて配置するように構成されていることを特徴とする回転電機の固定子。」である。

本発明によれば、固定子コアに巻線されるコイル配置の種類を削減することで部品点数を削減しつつ、固定子スロット内の占積率を向上させた高占積率巻線の回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供することができる。本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る回転電機の全体構成を示す模式図。 固定子の軸方向に対して直交する平面での断面図。 実施例１のコイル配置を示した断面図。 実施例２のコイル配置を示した断面図。 実施例３のコイル配置を示した断面図。 実施例４のコイル配置を示した断面図。 比較例のコイル配置を示した断面図。

以下、本発明の実施例を説明する。
以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリッド電気自動車用の回転電機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）を指す。

［実施例１］
まず、実施例１の概要を説明する。
ここで説明する実施例１は、回転電機の固定子のコイル配置構造に関するものである。回転電機は、大きく分けて、円筒状をなす固定子と、この固定子の内周側に所定の間隙を隔てて配置された回転子とにより構成される。

固定子は、回転方向に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ものであって、円筒状をなす固定子コアと、この固定子コアに巻回された複数の固定子コイルと、を有している。固定子コアは、固定子コイルが巻線されるティースを有しており、互いに隣り合うティースの間には、固定子コイルを収容するため、軸方向に貫通するとともに周方向に配列された複数のスロットが形成されている。各固定子コイルは、ティースが磁極をなすよう、巻線が複数回巻かれており、固定子コイルの一方は中性線、もう一方はＵ、Ｖ、Ｗの３相をなす結線板に電気的に接続することにより構成されている。

そして、本実施例では、１つのティースに巻線される固定子コイルを左右非対称となる配置とすることで、隣接するコイル間との干渉を避け、高占積率な巻線とすることが出来る。

次に、図面を用いて実施例を詳述する。
図１は、本発明の実施形態に係る回転電機の全体構成を示す模式図である。図１では、回転電機１００の一部分を断面とすることで、回転電機１００の内部を示している。回転電機１００は、図１に示すように、ケース１１０の内部に配設されており、ハウジング１０２と、ハウジング１０２に固定される固定子１２０と、固定子１２０内に回転自在に配設される回転子１３０と、を備えている。ケース１１０は、エンジンのケースや変速機のケースによって構成される。

回転電機１００は、永久磁石内蔵型の三相同期モータである。回転電機１００は、固定子１２０の固定子コイル１０５に三相交流電流が供給されることで、回転子１３０を回転させる電動機として作動する。また、回転電機１００は、エンジンによって駆動されると、発電機として作動して三相交流の発電電力を出力する。つまり、回転電機１００は、電気エネルギーに基づいて回転トルクを発生する電動機としての機能と、機械エネルギーに基づいて発電を行う発電機としての機能の両方を有しており、自動車の走行状態によって上記機能を選択的に利用することができる。

固定子１２０はハウジング１０２に固定されている。固定子１２０は、ハウジング１０２に設けられたフランジ１１５がボルト１１３によりケース１１０に締結されることで、ケース１１０内に固定保持されている。シャフト１３１に固定された回転子１３０は、ケース１１０の軸受け１１１、１１２により支承され、固定子１２０の内側において回転可能に保持されている。回転子１３０は、既知の構成のものを用いており、構成についての詳細な説明は省略する。

図２は、本実施形態における回転電機の固定子の軸方向に対して直交する平面での断面図である。
固定子１２０は、固定子コア１０１と、固定子コイル１０５を有している。固定子コア１０１は、周方向に複数分割されており、略円筒状のハウジング１０２によって、径方向外周を保持され、略円筒状に保持される。なお、本実施例では、固定子コア１０１を分割した方式としているが、固定子コア１０１を分割せず一体とし、略円筒状のハウジング１０２で保持しない構成としても良い。

固定子コア１０１は、径方向内側に突出するよう櫛歯状に等間隔で配置されたティース１０３を有する。そして、隣接するティース１０３の間には、スロット１０４が形成されており、固定子コイル１０５及び絶縁部材１０６が挿入されている。固定子コイル１０５は、１つのティース１０３の周囲に集中的に巻線を複数回巻線して構成した形態の集中巻方式である。

図３は、実施例１のコイル配置を示した断面図、図７は、比較例のコイル配置を示した断面図である。図３及び図７に示す断面図は、固定子コア１０１に固定子コイル１０５を巻線したものを２つ隣接配置させ、軸方向に対して直交する平面で切断した断面を示す図である。そして、図中で固定子コイル１０５の巻線内に示される数字は、コイル巻き数（巻線のターン数)を示す。

固定子コイル１０５は、固定子コア１０１の巻き始め側（固定子１２０の周方向一方側）からティース１０３の周囲に巻線することにより形成される。固定子コイル１０５は、回転電機１００の回転軸を中心としたときの動径方向に沿って巻線を整列巻して複数の段を形成する断面形状を有する。

固定子コイル１０５は、隣接する固定子コイル１０５との干渉を防ぐために、巻線の断面形状で見たときに左右非対称のコイル巻き位置となっている。すなわち、固定子コイル１０５は、ティース１０３を中心とした回転電機１００の回転方向一方側の断面形状と他方側の断面形状とが非対称である。

本実施例では、隣接するティース１０３に最も近接する段の巻き始め側と巻き終わり側の２巻き分のコイル配置を左右非対称に間隔を設けて配置するように構成されている。したがって、固定子コイル１０５には、回転電機１００の回転方向一方側と他方側の少なくとも一方において、巻線間隔が列方向に２巻き分離れて配置されて干渉防止空間１０９が形成されている。

固定子コイル１０５は、固定子コア１０１の径方向外側から径方向内側に向かって一列に整列して巻線されるＡ段と、固定子コア１０１の径方向内側から径方向外側に向かって一列に整列して巻線されるＢ段と、をそれぞれ一つ以上有している。そして、Ａ段とＢ段の少なくとも一つに干渉防止空間１０９が形成されている。Ａ段とＢ段が複数の場合は、これら複数のＡ段とＢ段のうちの少なくとも一つに干渉防止空間１０９が形成される。

本実施例では、図３に経路Ｆで示すように、固定子コア１０１の径方向外側から径方向内側に向けて固定子コイル１０５が等間隔で１列に整列するよう巻線されている（Ａ段）。そして、ティース１０３の先端部で段上がりし、固定子コア１０１の径方向内側から径方向外側に向けて等間隔で整列するよう１列に巻線されている（Ｂ段）。そして、これらＡ段とＢ段を複数段にわたり繰り返すように巻線されている。本実施例では、段数が５段でコイル巻数が４３ターン（４３周）での例を示す。そして、Ｂ段に干渉防止空間１０９が形成されている。

以下に、固定子コイル１０５のさらに具体的な構成について説明する。
まず、固定子コイル１０５の１段目は、径方向外側から径方向内側に向けて等間隔で１列に並ぶように１１ターン目まで巻線される。そして、１２ターン目で２段目に段上がりする。２段目は、１段目の外側を径方向内側から径方向外側に向けて等間隔で１列に並ぶように２２ターン目まで巻線される。２段目の最終ターンとなる２２ターン目を巻線した後、２３ターン目で３段目に段上がりする。３段目は、２段目の外側を径方向外側から径方向内側に向けて等間隔で１列に並ぶように３３ターン目まで巻線される。

Ｂ段となる４段目は３４ターン目から始まるが、隣接するティース１０３に巻線される固定子コイル１０５との干渉を防ぐために、３４ターン目の配置を巻き始め側と巻き終わり側で非対称とする。具体的には、３段目の３３ターン目の巻き終わり側から４段目の３４ターン目の巻き始め側まで巻き渡る巻き渡り部１０７によって、３４ターン目の巻き初め側の位置を、３段目の３２ターン目と３３ターン目の上に配置する。

そして、４段目の３４ターン目の巻き始め側から巻き終わり側まで巻き渡る巻き渡り部１０８によって、３４ターン目の巻き終わり側の位置を、３段目の３０ターン目と３１ターン目の上に配置する。これにより、隣接するティース１０３に最も近接する４段目の巻き始め側と巻き終わり側の２巻き分のコイル配置を左右非対称に間隔を設けて配置する。

そして、３５ターン目の巻き初め側と巻き終わり側は、ともに２９ターン目と３０ターン目の上に配置する。そして、４段目の３６ターン目から４１ターン目までは、径方向内側から径方向外側に向けて等間隔で１列に並ぶように巻線される。５段目は、４２ターン目で段上がりし、４２ターン目と４３ターン目が径方向外側から径方向内側に向けて整列するように巻線される。したがって、固定子コイル１０５は、図３に示すように、ティース１０３を中心とした回転電機１００の回転方向一方側の断面形状と他方側の断面形状とが非対称となる。

本実施例によれば、３４ターン目の配置が巻き始め側と巻き終わり側で非対称とされ、４段目の巻き始め側において、３４ターン目と３５ターン目との間に、１巻き分以上の間隔を有する干渉防止空間１０９が設けられる。干渉防止空間１０９は、本実施例では、３４ターン目と３５ターン目との間に２巻き分の間隔を有している。この干渉防止空間１０９は、隣接する固定子コイル１０５との干渉を防止することができ、３５ターン目を２９ターン目と３０ターン目の上に配置することができる。

例えば図３において、３４ターン目の巻き始め側の位置を、３４ターン目の巻き終わり側と同じように、３０ターン目と３１ターン目の上に配置しようとすると、隣接する固定子コイル１０５の３４ターン目の巻き終わり側との間に適切な隙間が確保できず、互いに干渉するおそれがある。したがって、３４ターン目の巻き始め側の位置を３０ターン目と３１ターン目の上に配置することはできない。そうすると、結局図７に示す比較例のように、３４ターン目の位置を、２９ターン目と３０ターン目の上に配置せざる得ず、固定子コイル１０５の総巻数が４２ターンになり、コイル占積率を向上させることができない。

これに対して、本実施例では、３４ターン目の配置を巻き始め側と巻き終わり側で非対称とし、４段目の巻き始め側において、３４ターン目と３５ターン目との間に、２巻き分の間隔を有する干渉防止空間１０９を設けているので、隣接する固定子コイル１０５との干渉を防止して、３５ターン目を２９ターン目と３０ターン目の上に配置することができ、固定子コイル１０５の総巻数を４３ターンとし、コイル占積率を向上させることができる。

本実施例によれば、複数の固定子コイル１０５は、全て同じ形状を有しているので、特許文献１のように異なる形状のティースを設ける必要なく、部品点数が増加することはない。

本実施例のような、１つのティース１０３に巻線される固定子コイル１０５を左右非対称となる配置とすることで、隣接する固定子コイル１０５との干渉を避け、高占積率な巻線とした回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供することが出来る。

［実施例２］
次に、本発明の実施例２について説明する。なお、実施例１と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

図４は、実施例２のコイル配置を示した断面図である。
本実施例において特徴的なことは、３４ターン目と３５ターン目との間に、１巻き分の間隔を有する干渉防止空間１０９を設けたことである。これにより、固定子コイル１０５は、隣接するティース１０３に最も近接する４段目における巻き始め側と巻き終わり側の１巻き分のコイル配置が左右非対称に間隔を設けて配置される。

４段目は、３段目の３３ターン目の巻き終わり側から４段目の３４ターン目の巻き始め側まで巻き渡る巻き渡り部１０７によって、３４ターン目の巻き初め側の位置を、３段目の３２ターン目と３３ターン目の上に配置する。そして、４段目の３４ターン目の巻き始め側から巻き終わり側まで巻き渡る巻き渡り部１０８によって、３４ターン目の巻き終わり側の位置を、３段目の３１ターン目と３２ターン目の上に配置する。

そして、３５ターン目の巻き初め側と巻き終わり側は、ともに３０ターン目と３１ターン目の上に配置する。そして、４段目の３６ターン目から４２ターン目までは、径方向内側から径方向外側に向けて等間隔で１列に並ぶように巻線される。５段目は、４３ターン目で段上がりし、４３ターン目と４４ターン目が径方向外側から径方向内側に向けて整列するように巻線される。

干渉防止空間１０９は、本実施例では、３４ターン目と３５ターン目との間に１巻き分の間隔を有している。この干渉防止空間１０９は、隣接する固定子コイル１０５との干渉を防止することができ、３５ターン目を３段目の３０ターン目と３１ターン目の上に配置することができる。したがって、固定子コイル１０５の総巻数を４４ターンとし、実施例１の構成よりもターン数を増加させることができ、コイル占積率をさらに向上させることができる。また、１巻き分の間隔を有する構成の方が、実施例１における２巻き分の間隔を有する構成よりも、巻線する際の制御が容易であり、製造の簡単化を図ることができる。

［実施例３］
次に、本発明の実施例３について説明する。なお、実施例１、２と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

図５は、実施例３のコイル配置を示した断面図である。
本実施例において特徴的なことは、Ａ段となる５段目の巻き終わり側において、４３ターン目と４４ターン目との間に、１巻き分の間隔を有する干渉防止空間１０９を設けたことである。
３段目までの構成は実施例１、２と同様であるので説明を省略する。４段目は、３４ターンが巻き始め側及び巻き終わり側とも３段目の３０ターン目と３１ターン目の上に配置される。４段目は、３段目の外側を径方向内側から径方向外側に向けて等間隔で１列に並ぶように４１ターン目まで巻線される。４段目の最終ターンとなる４１ターン目を巻線した後、４２ターン目で５段目に段上がりする。５段目は、４段目の外側を径方向外側から径方向内側に向けて１列に並ぶように４４ターン目まで巻線される。

５段目は、隣接するティース１０３に巻線される固定子コイル１０５との干渉を防ぐために、４４ターン目の配置を巻き始め側と巻き終わり側で非対称とする。具体的には、５段目の４４ターン目の巻き始め側から巻き終わり側まで巻き渡る巻き渡り部１０８によって、４４ターン目の巻き終わり側の位置を、４段目の３８ターン目と３９ターン目の上に配置する。

本実施例によれば、４４ターン目の配置が巻き始め側と巻き終わり側で非対称とされ、５段目の巻き終わり側において、４３ターン目と４４ターン目との間に、１巻き分の間隔を有する干渉防止空間１０９が設けられる。この干渉防止空間１０９は、隣接する固定子コイル１０５との干渉を防止することができ、４４ターン目を設けることができる。

本実施例では、４４ターン目の配置を巻き始め側と巻き終わり側で非対称とし、５段目の巻き終わり側において、４３ターン目と４４ターン目との間に、１巻き分の間隔を有する干渉防止空間１０９を設けているので、隣接する固定子コイル１０５との干渉を防止して、４４ターン目を設けることができ、固定子コイル１０５の総巻数を４４ターンとし、コイル占積率をさらに向上させることができる。

［実施例４］
次に、本発明の実施例４について説明する。なお、上述の各実施例と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

図６は、実施例３のコイル配置を示した断面図である。
本実施例は、実施例２の構成と実施例３の構成を組み合わせたものであり、Ｂ段となる４段目およびＡ段となる５段目に干渉防止空間１０９Ａと１０９Ｂを設けている。

４段目は、３段目の３３ターン目の巻き終わり側から４段目の３４ターン目の巻き始め側まで巻き渡る巻き渡り部１０７Ａによって、３４ターン目の巻き初め側の位置を、３段目の３２ターン目と３３ターン目の上に配置する。そして、４段目の３４ターン目の巻き始め側から巻き終わり側まで巻き渡る巻き渡り部１０８Ａによって、３４ターン目の巻き終わり側の位置を、３段目の３１ターン目と３２ターン目の上に配置する。

そして、３５ターン目の巻き初め側と巻き終わり側は、ともに３０ターン目と３１ターン目の上に配置する。そして、４段目の３６ターン目から４２ターン目までは、径方向内側から径方向外側に向けて等間隔で１列に並ぶように巻線される。

５段目は、４段目の外側を径方向外側から径方向内側に向けて１列に並ぶように４５ターン目まで巻線される。５段目は、隣接するティース１０３に巻線される固定子コイル１０５との干渉を防ぐために、４５ターン目の配置を巻き始め側と巻き終わり側で非対称とする。具体的には、５段目の４５ターン目の巻き始め側から巻き終わり側まで巻き渡る巻き渡り部１０７Ｂによって、４５ターン目の巻き終わり側の位置を、４段目の３９ターン目と４０ターン目の上に配置する。

本実施例によれば、３４ターン目と４４ターン目の配置が巻き始め側と巻き終わり側で非対称とされ、４段目（Ｂ段）の巻き始め側と５段目（Ａ段）の巻き終わり側（回転電機１００の回転方向一方側と他方側の両方）において、それぞれ１巻き分の間隔を有する干渉防止空間１０９Ａ、１０９Ｂが設けられる。この干渉防止空間１０９Ａ、１０９Ｂは、隣接する固定子コイル１０５との干渉を防止することができ、４５ターン目を設けることができる。

本実施例では、３４ターン目と４４ターン目の配置を巻き始め側と巻き終わり側で非対称とし、４段目の巻き始め側と５段目の巻き終わり側において、それぞれ１巻き分の間隔を有する干渉防止空間１０９Ａ、１０９Ｂを設けているので、隣接する固定子コイル１０５との干渉を防止して、４５ターン目を設けることができ、固定子コイル１０５の総巻数を４５ターンとし、コイル占積率をさらに向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００：回転電機
１０１：固定子コア
１０２：ハウジング
１０３：ティース
１０４：スロット
１０５：固定子コイル
１０６：絶縁部材
１０７：巻き渡り部
１０８：巻き渡り部
１０９：干渉防止空間
１２０：固定子

Claims (2)

1. 固定子コアの１つのティースに集中的に巻線して構成した集中巻方式の固定子コイルを有する回転電機の固定子であって、
   前記固定子コイルは、前記回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向に沿って巻線を整列巻して複数の段を形成する断面形状を有し、
   前記複数の段は、隣接するティースの巻線に少なくとも一部が対向する段であって、動径方向外側から内側に向かって一列に整列して巻線されるＡ段と、動径方向内側から外側に向かって一列に整列して巻線されるＢ段と、を有し、
   前記Ａ段と前記Ｂ段の両方に巻線間隔が列方向に１巻き分以上離れて配置された干渉防止空間が形成されており、
   前記Ａ段と前記Ｂ段のいずれか一方の干渉防止空間が前記ティースの巻き始め側に配置され、いずれか他方の干渉防止空間が前記ティースの捲き終わり側に配置され、
   前記回転電機の回転軸方向から見た場合、
   前記Ａ段と前記Ｂ段は、当該Ａ段および当該Ｂ段が巻き回される第１ティースと当該第１ティースに隣接する第２ティースとの間を通って動径方向に延びる仮想境界線よりも前記第１ティース側に配置されることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の固定子を有することを特徴とする回転電機。

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