JP6725296B2 - ステータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータに関する。

従来、回転電機の固定子（ステータともいう）に対してコイルの巻線を波巻きすることが知られている。
波巻きにおいては、平角線の中央部を松葉形状に折り曲げた松葉形状の松葉コイルセグメントの両端を固定子の一対のスロットの挿入側から挿入し、スロットの反挿入側から突出した巻線セグメントの一端と、当該一対のスロットに対し、回転方向に所定ピッチ離間したスロットの反挿入側から突出した他の巻線セグメントの他端とを溶接している（例えば、特許文献１参照）。
このような松葉コイルセグメントを利用した波巻きコイルは、ステータコアのスロットに挿入面から一度に複数の松葉コイルを挿入し、反対側で溶接により固定することができるため、大量生産に適した巻線方式である。

特開２０１４−９０５４６号公報

しかしながら、松葉コイルセグメントを利用した波巻きコイルでは、コイルエンド高さを一定にする必要があるため、ステータコアの内周側と外周側では形状が大きく異なり、形状に応じた型が必要であり、特にコイルのターン数が増えるほど、たくさんの型を準備しなければならないという課題がある。

本発明の目的は、コイルのターン数が増えても、型の増加を抑えることのできるステータを提供することにある。

本発明のステータは、内部にロータが収容され、回転方向に交互に形成された複数のティースおよび複数のスロットを有するステータコアと、前記複数のスロットに所定のピッチで波巻き状に巻回されたコイルと、を備え、前記コイルは、平角線が松葉形状に折り曲げられた折曲部、および前記スロットに挿入される一対の脚部を有する複数の松葉コイルセグメントと、前記複数のスロットに前記複数の松葉コイルセグメントの脚部が挿入された状態で、前記複数の松葉コイルセグメントの挿入面側とは反対側の面に突出した前記複数の脚部のうち、隣り合う脚部同士を溶接した溶接部とを備え、前記松葉コイルセグメントの折曲部の折曲角度が、前記スロットのレイヤーの配置位置によらず一定とされていることを特徴とする。

本発明では、前記松葉コイルセグメントの頂部の折曲角度が、１２５°±１５°の範囲に設定されているのが好ましい。
本発明では、前記松葉コイルセグメントは、前記コイルのレイヤーに応じて、前記脚部の長さ寸法が異なることが好ましい。
本発明では、前記コイルのレイヤーの内周に配置される松葉コイルセグメントから、外周に配置される松葉コイルセグメントになるにしたがって、それぞれの脚部長さ寸法がしだいに大きくなるのが好ましい。
本発明では、前記溶接部は、前記コイルに給電する給電部の接続部が形成された面とは、反対側の面に形成されているのが好ましい。

本発明によれば、松葉コイルセグメントの中央部の頂部の折曲角度が、スロットのレイヤーの配置位置によらず一定とされていることにより、ベンダーやプレスで折り曲げる際の型を少なくすることができる。

本発明の実施形態に係る回転電動機の構造を表す斜視図。 本発明の実施形態に係る回転電動機の構造を表す斜視図。 前記実施形態における三相交流回路を表す回路図。 前記実施形態における給電部が接続される入口の配置を表す模式図。 前記実施形態における連続コイルを表す斜視図。 前記実施形態におけるコイルの製造方法を表す斜視図。 前記実施形態における４ターンのコイルを表す斜視図。 前記実施形態における８ターンのコイルを表す斜視図。 前記実施形態における松葉コイルセグメントを表す正面図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２は、本実施形態に係る回転電機１０のステータ１１を示す斜視図である。
［１］回転電機１０の概略説明
図１および図２において、回転電機１０は、例えば図示しない建設機械の上部旋回体を下部走行体に対して旋回駆動する３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）８極の交流型の永久磁石同期モータとして構成される。回転電機１０は、円筒状のステータ１１と、ステータ１１の内部に回転自在に収容されるロータとを備える。

ステータ１１は、複数の円環状の電磁鋼板を積層して構成されるステータコア１２と、ステータコア１２に波巻き状に巻回される平角線により形成された３相分のコイル１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗとを備える。３相８極を有する本実施形態において、ステータコア１２にはそれぞれ、４８個のティース１４およびスロット１５が周方向（回転電機１０での回転方向に同じ）に等間隔で交互に形成されている。
図３には、コイル１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗを組み合わせて構成される三相交流回路が示されており、コイル１３Ｕは、並列接続されるコイルＵ１、Ｕ２を備え、コイル１３Ｖは、並列接続されるコイルＶ１、Ｖ２を備え、コイル１３Ｗは、並列接続されるコイルＷ１、Ｗ２を備える。三相交流回路は、コイル１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗを、中性点Ｎ１、Ｎ２で接続したダブルスター結線が採用されている。
コイル１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗの中性点は、図１および図２に示されるように、最内周に第１の中性点Ｎ１が配置され、最内周から２番目に第２の中性点Ｎ２が配置され、それぞれ独立に配置されている。これにより、中性点Ｎ１、Ｎ２が同じ内周位置で重ならないので、コイルエンドが高くなることはない。なお、本発明はこれに限らず、中性点Ｎ１およびＮ２を短絡させて共通としてもよい。

また、図２に示されるように、本実施形態の説明では、スロット１５の番号を順に括弧書きにて、（１）…（４８）として示すこととする。以下の説明においても、同様である。
図２において、コイル１３ＶのコイルＶ１の端部は外部電源の給電部に接続され、（４８）番のスロット１５の最外周のレイヤーとされ、コイルＶ２の端末も、外部電源の給電部とされ、（１３）番のスロット１５の最外周から２番目のレイヤーである。

コイル１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗにおける給電部の位置は、図４に示される位置に設定されている。コイル１３Ｖにおいて、コイルＶ１における給電部ＬＶ１の位置は（４８）番のスロット１５であり、コイルＶ２における給電部ＬＶ２の位置は（１３）番のスロット１５である。
コイル１３Ｕにおいて、コイルＵ１における給電部ＬＵ１の位置は（４）番のスロット１５であり、コイルＵ２における給電部ＬＵ２の位置は（１７）番のスロット１５である。

コイル１３Ｗにおいて、コイルＷ１における給電部ＬＷ１の位置は（８）番のスロット１５であり、コイルＷ２における給電部ＬＷ２の位置は（２１）番のスロット１５である。
コイル１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗにおける給電部ＬＵ１〜ＬＷ２の位置は、ステータコア１２のスロット１５の数をＮｓとし、回転電機１０の極数をＮｐとすると、２Ｎｓ／Ｎｐ＋１スロット分離れている。本実施形態では、スロット１５の数が４８であり、ロータの極数が８極なので、２×４８／８＋１＝１３スロット毎に給電部ＬＵ１〜ＬＷ２が接続される。

［２］コイル１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗの構造
次に、コイル１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗの具体的な構造について、代表してＵ相のコイル１３Ｕを以下に説明する。図５は、２周分を１ターンとする連続コイル１３である。
連続コイル１３は、平角線を松葉状に折り曲げた松葉コイルセグメント１３１を、ステータコア１２内で円周方向に複数組み合わせて構成される。１周目のコイルＣＡの終端と、２周目のコイルＣＢの始端との間は、サブコイルセグメント１３２によって連結される。

松葉コイルセグメント１３１の松葉の頂点側の折曲部は、周方向に延びて松葉の頂点部で隣のレイヤーにシフトする。松葉コイルセグメント１３１は、周方向に斜めに延びているので、１ピッチずれた松葉コイルセグメント１３１とは、上下に重なって延びることができる。隣のレイヤーにシフトする頂点も１ピッチずれているので、干渉することがなく、上下が入れ替わる交差がなされる。隣接する脚部間の溶接位置で前述とは逆のレイヤーにシフトする。ここでも１ピッチずれた松葉コイルセグメント１３１と上下が入れ替わる。

このようなコイルＣＡ、ＣＢは、図６に示されるように、松葉コイルセグメント１３１をスロット１５に挿入し、ステータコア１２のスロットを有する面とは反対側の面である下面側で突出した隣接する松葉コイルセグメント１３１の脚部間を溶接接合することにより、形成することができる。
松葉コイルセグメント１３１は、両脚部が、スロット１５が６ピッチずれた位置に挿入、例えば、一方の脚部が（１）番目のスロット１５に差し込まれれば、他方の脚部は（７）番のスロット１５に挿入される。
ステータコア１２のスロット１５の数をＮｓ、回転電機１０の極数をＮｐとすると、ピッチずれは、Ｎｓ／Ｎｐピッチとなっており、本実施形態では、スロット数が４８、極数が８であるから、６ピッチずれた位置に松葉コイルセグメント１３１が挿入される。

一方、サブコイルセグメント１３２は、両脚部が５ピッチずれた位置に挿入され、一方が（１）番目のスロット１５に挿入されれば、他方は（６）番のスロット１５に挿入されることとなる。サブコイルセグメント１３２を使用することにより、２周目のコイルＣＢが挿入されるスロット１５が、１周目のコイルＣＡが挿入されるスロット１５に対して、１つずれた位置となる。
また、１周目の松葉コイルセグメント１３１の始端と、２周目の松葉コイルセグメント１３１の終端には、渡りコイルセグメント１３３が設けられる。

以下、図７および図８を参照して８ターンのコイルについて説明する。
図７には、２周４ターンのコイル１３Ａが示されている。コイル１３Ａは、前述した２周１ターンの連続コイル１３（以下、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４という）４個を径方向に配置して直列に接続し、図３で説明したＵ相コイルＵ１としている。
外側から同心状に配置される連続コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、外側のコイルほど周方向寸法が大きくなる。コイル１３Ａと同様のコイルＵ２を４５°回転させて組み合わせることにより、図８に示されるような８ターンのコイルとなる。なお、コイルＵ１は時計回りで巻回され、コイルＵ２は反時計回りで巻回されている。
連続コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の端部となる入口Ｃ１Ｓ、Ｃ２Ｓ、Ｃ３Ｓ、Ｃ４Ｓおよび出口Ｃ１Ｇ、Ｃ２Ｇ、Ｃ３Ｇ、Ｃ４Ｇは、コイル１３Ａの中心から外側に向かう一対の放射線上に配置される。連続コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の端部となる入口Ｃ１Ｓ、Ｃ２Ｓ、Ｃ３Ｓ、Ｃ４Ｓは、一方の放射線ＬＬ上に配置され、連続コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の端部となる出口Ｃ１Ｇ、Ｃ２Ｇ、Ｃ３Ｇ、Ｃ４Ｇは、他方の放射線ＬＲ上に配置される。
レイヤーは、最内周が１番目のレイヤーとされ、最外周が８番目のレイヤーとされる。

Ｕ相のコイルＵ１の連続コイルＣ１は、最内周から８番目のレイヤーの入口Ｃ１Ｓから、７番目のレイヤーの出口Ｃ１Ｇまで連続し、連続コイルＣ２は、６番目のレイヤーの入口Ｃ２Ｓから、５番目のレイヤーの出口Ｃ２Ｇまで連続する。連続コイルＣ３は、４番目のレイヤーの入口Ｃ３Ｓから、３番目のレイヤーの出口Ｃ３Ｇまで連続し、連続コイルＣ４は、２番目のレイヤーの入口Ｃ４Ｓから、１番目のレイヤーの出口Ｃ４Ｇまで連続する。
コイルＵ１は、７番目のレイヤーの出口Ｃ１Ｇと６番目のレイヤーの入口Ｃ２Ｓとを渡り線で連結し、５番目のレイヤーの出口Ｃ２Ｇと４番目のレイヤーの入口Ｃ３Ｓとを渡り線で連結し、３番目のレイヤーの出口Ｃ３Ｇと２番目のレイヤーの入口Ｃ４Ｓとを渡り線で連結することにより、形成される。

一方、Ｕ相のコイルＵ２の連続コイルＣ１は、最内周から７番目のレイヤーの入口Ｃ１Ｓから８番目のレイヤーの出口Ｃ１Ｇまで連続し、連続コイルＣ２は、５番目のレイヤーの入口Ｃ２Ｓから６番目のレイヤーの出口Ｃ２Ｇまで連続する。連続コイルＣ３は、３番目のレイヤーの入口Ｃ３Ｓから４番目のレイヤーの出口Ｃ３Ｇまで連続し、連続コイルＣ４は、１番目のレイヤーの入口Ｃ４Ｓから２番目のレイヤーの出口Ｃ４Ｇまで連続する。
コイルＵ２は、８番目のレイヤーの出口Ｃ１Ｇと５番目のレイヤーの入口Ｃ２Ｓとを渡り線で連結し、６番目のレイヤーの出口Ｃ２Ｇと３番目のレイヤーの入口Ｃ３Ｓとを渡り線で連結し、４番目のレイヤーの出口Ｃ３Ｇと１番目のレイヤーの入口Ｃ４Ｓとを渡り線で連結することにより、形成される。
これを、連続コイルをＣ１、Ｃ２、…、入口、出口のレイヤーをＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３、ＬＡ４…、連結部をＬＡ３−ＬＡ２等で表現すると、図８に示される８ターンのコイルの入口、出口、連結部の位置は、下記表１のようになる。

［３］松葉コイルセグメント１３１の形状
このような８ターンのコイル１３Ｕを構成する松葉コイルセグメント１３１は、図９に示されるように、高さ寸法Ｌ１を有し、平角線の中央部を松葉形状に折り曲げて形成される。松葉コイルセグメント１３１は、折曲部１３１Ａ、脚部１３１Ｂ１、１３１Ｂ２および溶接部１３１Ｃを備える。
折曲部１３１Ａは、平角線を折曲角度θで折り曲げられて形成され、平角線同士が平行になるように、折曲部１３１Ａの端部がさらに折曲られている。折曲角度θとしては、１２５°±１５°の範囲に設定するのが好ましい。なお、折曲部１３１Ａの折曲角度θは、コイル１３Ｕの最外周のレイヤーから最内周のレイヤーまで、スロット１５のレイヤーによらず、一定とされる。折曲部の折曲角度θを１２５°±１５°の範囲とすることにより、コイルエンド高さを必要最小限に抑えることができ、加えて、コイルエンド高さを必要最小限とすることにより、コイル１３Ｕのコイル長さを短くすることができるため、コイル１３Ｕの銅量（平角線の材質）を少なくすることができ、コイル１３Ｕの抵抗値を抑えることができる。
折曲角度θが、１２５°±１５°よりも小さい場合、互いに周方向に隣り合う松葉コイルセグメント１３１の折曲部１３１Ａ同士が接近しすぎて、絶縁距離が確保できない。
一方、折曲角度θが、１２５°±１５°よりも大きい場合、絶縁距離は確保できるが、コイルエンド高さが大きくなってしまう。

松葉コイルセグメント１３１は、ステータコア１２のスロット１５の最外周に挿入される場合と、スロット１５の最内周に挿入される場合では、同じスロット跨ぎ数であっても、内側に向かうにしたがって、脚部１３１Ｂ１、１３１Ｂ２間の周方向距離が短くなっていくため、折曲部１３１Ａの角度を小さくしなければならないが、これを脚部１３１Ｂ１、１３１Ｂ２の長さで調整していく。
具体的には、脚部１３１Ｂ１、１３１Ｂ２は、互いに、平行に配置される長さ寸法Ｌ２の平角線から構成され、最外周レイヤーに配置される場合と、これよりも内側に配置される場合とでは、脚部１３１Ｂの長さ寸法Ｌ２を調整することにより、折曲角度θを一定としたことによる不整合を解消する。

溶接部１３１Ｃは、脚部１３１Ｂ１、１３１Ｂ２の端部を、外側に拡がるように折り曲げて形成される。溶接部１３１Ｃには、コイルを形成する際、互いに隣り合う溶接部１３１Ｃに溶接材料が施され、脚部１３１Ｂ１、１３１Ｂ２同士の間に溶接材料によって溶接部が構成される。
前述したサブコイルセグメント１３２、渡りコイルセグメント１３３も、松葉コイルセグメント１３１と同様に、折曲部１３１Ａと同様の折曲角度θに設定される。
松葉コイルセグメント１３１、サブコイルセグメント１３２、および渡りコイルセグメント１３３の折曲部１３１Ａの折曲角度θを統一すると、下記表２に示されるように、基本的には、８つの型で８ターンのコイル１３Ｕを形成することができる。

すなわち、図８に示されるような８ターンのコイル１３Ｕを作製するには、複数のスロット１５は、レイヤーＬＡ１からレイヤーＬＡ８に区画され、表１のように８番目のレイヤーＬＡ８から７番目のレイヤーＬＡ７に配置される連続コイルＣ１、６番目のレイヤーＬＡ６から５番目のレイヤーＬＡ５に配置される連続コイルＣ２、４番目のレイヤーＬＡ４から３番目のレイヤーＬＡ３に配置される連続コイルＣ３、および２番目のレイヤーＬＡ２から１番目のレイヤーＬＡ１に配置される連続コイルＣ４を構成する。
松葉コイルセグメント１３１は、それぞれ連続コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に応じて、折曲部１３１Ａの異なる４種類の型が必要となる。サブコイルセグメント１３２についても同様に、折曲角度の異なる４種類の型が必要となる。
渡りコイルセグメント１３３は、表２に示されるように、レイヤーＬＡ７からレイヤーＬＡ６、レイヤーＬＡ５からレイヤーＬＡ４、レイヤーＬＡ３からレイヤーＬＡ２、レイヤーＬＡ８からレイヤーＬＡ５、レイヤーＬＡ６からレイヤーＬＡ３、およびレイヤーＬＡ４からレイヤーＬＡ１の６種類の型が必要となる。

本実施形態では、頂角がθとされたブロック状の型により、表１に示されるように、連続コイルＣ１用の８番目のレイヤーＬＡ８から７番目のレイヤーＬＡ７への松葉コイルセグメント１３１、および、連続コイルＣ３用のレイヤーＬＡ４から３番目へのレイヤーＬＡ３への松葉コイルセグメント１３１との２種類の松葉コイルセグメント１３１を加工する型と、連続コイルＣ２用の６番目のレイヤーＬＡ６から５番目のレイヤーＬＡ５への松葉コイルセグメント１３１、および、連続コイルＣ４用の２番目のレイヤーＬＡ２から１番目のレイヤーＬＡ１への松葉コイルセグメント１３１を加工する型との２種類の型で、松葉コイルセグメント１３１を成型できる。

渡りコイルセグメント１３３については、Ｕ１側は、レイヤーＬＡ７からレイヤーＬＡ６と、レイヤーＬＡ３からレイヤーＬＡ２との２種類の型を用い、レイヤーＬＡ５からレイヤーＬＡ４については、どちらかの型で成型し、脚部の長さを調整して対応する。
同様に、Ｕ２側についても、レイヤーＬＡ８からレイヤーＬＡ５と、レイヤーＬＡ４からレイヤーＬＡ１との２種類の型を用いて成型し、レイヤーＬＡ６からＬＡ３についてはどちらかの型を用いて成型し、脚部の長さを調整して対応する。
これによって、従来１４種類の型が必要であったものが、８種類の型で済ませることができ、少ない型で２周８ターンのコイル１３Ｕを形成できる。

このような松葉コイルセグメント１３１、サブコイルセグメント１３２、渡りコイルセグメント１３３により、２周８ターンのコイル１３Ｂを、図８に示されるように、８ターンのコイル１３Ｕに組み立てる。
すべての松葉コイルセグメント１３１、サブコイルセグメント１３２、渡りコイルセグメント１３３の頂部を治具で押さえつけ、複数のスロット１５の全部に挿入する。

次に、松葉コイルセグメント１３１の挿入面とは反対側の面から突出した複数の脚部１３１Ｂ１、１３１Ｂ２の隣り合う脚部１３１Ｂ１、１３１Ｂ２の溶接部１３１Ｃ同士を溶接することにより、ステータ１１を完成させる。
本実施形態では、コイル１３Ｂを連結する溶接部が、ステータコア１２における松葉コイルセグメント１３１の挿入面とは反対側の面に形成され、前述したように給電部ＬＵ１、ＬＶ１、ＬＷ１は、ステータコア１２の松葉コイルセグメント１３１の挿入面側に形成されるため、溶接箇所同士で干渉することを防止して、コアエンド高さを抑えることができる。

１０…回転電機、１１…ステータ、１２…ステータコア、１３…連続コイル、１３１…松葉コイルセグメント、１３１Ａ…折曲部、１３１Ｂ１、１３１Ｂ２…脚部、１３１Ｃ…溶接部、１３２…サブコイルセグメント、１３３…渡りコイルセグメント、１３Ａ…コイル、１３Ｂ…コイル、１３Ｕ…コイル、１３Ｖ…コイル、１３Ｗ…コイル、１４…ティース、１５…スロット、Ｃ１…連続コイル、Ｃ１Ｇ…出口、Ｃ１Ｓ…入口、Ｃ２…連続コイル、Ｃ２Ｓ…入口、ＣＡ…コイル、ＣＢ…コイル、Ｌ１…高さ寸法、Ｌ２…寸法、ＬＡ１…レイヤー、ＬＡ２…レイヤー、ＬＡ３…レイヤー、ＬＡ４…レイヤー、ＬＡ５…レイヤー、ＬＡ６…レイヤー、ＬＡ７…レイヤー、ＬＡ８…レイヤー、ＬＬ…放射線、ＬＲ…放射線、ＬＵ１…給電部、ＬＵ２…給電部、ＬＶ１…給電部、ＬＶ２…給電部、ＬＷ１…給電部、ＬＷ２…給電部、Ｎ１…第１の中性点、Ｎ２…第２の中性点、Ｕ１…コイル、Ｕ２…コイル、Ｖ１…コイル、Ｖ２…コイル、Ｗ１…コイル、Ｗ２…コイル、θ…折曲角度。

Claims (5)

1. 内部にロータが収容され、回転方向に交互に形成された複数のティースおよび複数のスロットを有するステータコアと、
   前記複数のスロットに所定のピッチで波巻き状に巻回されたコイルと、を備え、
   前記コイルは、平角線が松葉形状に折り曲げられた折曲部、および前記スロットに挿入される一対の脚部を有する複数の松葉コイルセグメントと、前記複数のスロットに前記複数の松葉コイルセグメントの脚部が挿入された状態で、前記複数の松葉コイルセグメントの挿入面側とは反対側の面に突出した前記複数の脚部のうち、隣り合う脚部同士を溶接した溶接部とを備え、
   前記スロットは、前記ステータコアの径方向に沿って、複数のレイヤーが設けられ、
   前記松葉コイルセグメントの折曲部の頂点の折曲角度が、前記レイヤーの配置位置によらず一定とされていることを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータにおいて、
   前記松葉コイルセグメントの折曲部の折曲角度が、１２５°±１５°の範囲に設定されていることを特徴とするステータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のステータにおいて、
   前記松葉コイルセグメントは、前記コイルのレイヤーに応じて、前記脚部の長さ寸法が異なることを特徴とするステータ。
4. 請求項３に記載のステータにおいて、
   前記コイルのレイヤーの内周に配置される松葉コイルセグメントから、外周に配置される松葉コイルセグメントになるにしたがって、それぞれの脚部の長さ寸法がしだいに大きくなることを特徴とするステータ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のステータにおいて、
   前記溶接部は、前記コイルに給電する給電部の接続部が形成された面とは、反対側の面に形成されることを特徴とするステータ。

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