JP7010680B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

回転電機のステータコアに設けられたティースに、平角線を集中巻した単位コイルを挿入してステータを作成する際に、単位コイル間、電源線と単位コイル間、中性点とコイル間を配線により接続する。これらの接続を効率的に行わないと、接続のためのスペースが大きくなり、回転電機の小型化に反し、接続抵抗が高くなって消費電力が大きくなる等の弊害が生じる。

特開２０１３－１６５５６６号公報

実施形態は、上記課題に鑑みたものであり、小型化、低消費電力化が可能な回転電機を提供する。

実施形態に係る回転電機は、ロータと、平板円環形状で内周側に複数のティースを備えるヨークと、前記ティースに配置される複数の単位コイルと、を備えるステータと、を備え、前記単位コイルは、前記単位コイルを構成する導電線の端部の構成が異なる第１単位コイル、第２単位コイル、及び第３単位コイルにより構成され、前記ステータの回転方向にコイルＡ、コイルＢ、コイルＣ、コイルＤを配置した場合に、前記コイルＡ及び前記コイルＣは前記第１単位コイルにより構成され、前記コイルＢは前記第２単位コイルで構成され、前記コイルＤは前記第３単位コイルで構成されており、前記第１単位コイルは前記ステータの外周側に始点の端部を備え、且つ、内周側に終点の端部を備え、前記第２単位コイル及び前記第３単位コイルは前記ステータの外周側に終点の端部を備え、且つ、内周側に始点の端部を備えるように配置されている。

実施形態に係る回転電機のステータの概略構成を示す正面図 ステータの接続略図 ステータの接続略図 第１及び第３単位コイルの概略構成を示す正面図 第１及び第３単位コイルの概略構成を示す側面図 第２単位コイルの概略構成を示す正面図 第２単位コイルの概略構成を示す側面図 第３単位コイルの概略構成を示す正面図 第３単位コイルの概略構成を示す側面図 図１の部分拡大図 ステータの斜視図

以下、実施形態について図面に基づいて説明する。実施形態の説明において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１は、実施形態に係る回転電機１のステータの概略構成を示す正面図であり、図２及び図３は回転電機１における電気的な接続の概略的に示す接続略図である。なお、図３はステータの内側より見た展開図であり、図中の矢印は電流の方向を示す。

図４及び図５は実施形態に係る回転電機１におけるステータ１２の内周側に設けられた複数のティース１１に配置可能な第１単位コイル３１の概略構成を示す正面図及び側面図である。図６及び図７は実施形態に係る回転電機１におけるステータ１２の内周側に設けられた複数のティース１１に配置可能な第２単位コイル３２の概略構成を示す正面図及び側面図である。図８及び図９は実施形態に係る回転電機１におけるステータ１２の内周側に設けられた複数のティース１１に配置可能な第３単位コイル３３の概略構成を示す正面図及び側面図である。

図１０は図１の部分拡大図であり、コイルＵ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４が設けられる領域を拡大して、各コイルＵを接続する渡り線２０の接続状態をわかりやすくするための図である。以下の説明で、コイルＵ１１～Ｕ１４、Ｕ２１～Ｕ２４をまとめてコイルＵと、コイルＶ１１～Ｖ１４、Ｖ２１～Ｖ２４をまとめてコイルＶと、コイルＷ１１～Ｗ１４、Ｗ２１～Ｗ２４をまとめてコイルＷと称することがある。図１１はステータ１２の斜視図であり、図１０にて拡大して示す部分を立体的に示す図である。

実施形態に係る回転電機１は、図１に示すように、ロータ１６およびステータ１２を備えている。回転電機１は、例えばインナーロータ型であり、円筒状のステータ１２の内部にロータ１６を備えている。回転電機１は、例えば同期電動機である。

ロータ１６は円柱状に形成されている。ロータ１６は、同一円周上に等角ピッチで配列された例えば８つの磁石挿入穴１３を備えている。磁石挿入穴１３はロータ１６を積層方向に貫通するように形成されている。磁石挿入穴１３のそれぞれには永久磁石１４が挿入されている。

ステータ１２は、ヨーク１０、ティース１１、及びティース１１に装着された成形コイル３０を備えている。ヨーク１０は、例えばケイ素鋼板などにより構成された平板円環形状の電磁鋼板の積層体によって形成されている。ステータ１２は、所定のギャップを介してロータ１６の周りを囲むようにして配設されている。ヨーク１０および複数のティース１１は、例えばケイ素鋼板などの電磁鋼板の積層体によって形成されている。

ヨーク１０の外形は、円筒状に形成されている。複数のティース１１は、ヨーク１０の内周部から径方向内周側に向かって突出しており、周方向に所定間隔を離間して配置されている。複数のティース１１のうち周方向で隣り合うティース１１の間には、外周方向に延びる凹部であるスロット２２が形成されている。複数の成形コイル３０は、複数のティース１１に巻回するように装着されている。図１においては、２４個のティース１１及び２４個の成形コイル３０が設けられている。各成形コイル３０は渡り線２０（２０１～２１８）により接続されている。

ここで、図１に示すように、ステータ１２の内周部に設けられたティース１１には、Ｕ端子に接続されたコイルＵ、Ｖ端子に接続されたコイルＶ、及びＷ端子に接続されたコイルＷ、すなわち、コイルＵ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４、コイルＷ１１、Ｗ１２、Ｗ１３、Ｗ１４、コイルＶ１１、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ１４、コイルＵ２１、Ｕ２２、Ｕ２３、Ｕ２４、コイルＷ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、Ｗ２４、コイルＶ２１、Ｖ２２、Ｖ２３、Ｖ２４がこの順番で反時計回りに配列されて挿入されている。これらコイルＵ、コイルＶ、コイルＷは、図２、及び図３に示すようにダブルスター結線されており、コイルＵ１４、コイルＶ１４及びコイルＷ１４は中性点Ｎ１を介して接続されており、コイルＵ２４、コイルＶ２４及びコイルＷ２４は中性点Ｎ２を介して接続されている。コイルＵ１１及びＵ２１はＵ端子に、コイルＷ１１及びＷ２１はＷ端子に、コイルＶ１１及びＶ２１はＶ端子に接続されている。コイルＵ、Ｖ、Ｗの各電源端子のぞれぞれはＵ相端子５０、Ｖ相端子５１、Ｗ相端子５２に接続されている。

図４及び図５は第１単位コイル３１を示す図であり、図４は図５の矢視方向から見た図である。図６及び図７は第２単位コイル３２を示す図であり、図６は図７の矢視方向から見た図である。図８及び図９は第３単位コイル３３を示す図であり、図８は図９の矢視方向から見た図である。

図４、図６、図８のいずれにおいても、各コイルの巻回の始点である第１端部３６１、３６２、３６３を図面左側に配置し、始点側から右手方向に向かって左巻きとなるように巻回しながら、すなわち反時計回りに巻回しながら前方に進むように導電線を巻回し、図面右側において終点である第２端部３８１、３８２、３８３が配置されるようにレイアウトされて構成されている。

図４に示す第１単位コイル３１を例示して詳しく説明すると、導電線は、第１端部３６１が図面左上に位置した所から奥方向に延伸し、その後、下方向に屈曲した後、下方向に延伸し、下部において手前方向に延伸した後、上方向に屈曲し、やや右にずれて上方向斜め右に延伸した後に、第１端部３６１の右側を通過して、紙面奥方向に屈曲する。なお、コイルがステータ１２に備えられて動作する際に、始点は電流の入り口に該当し、終点は電流の出口に該当する。

また、図５、図７、図９のいずれにおいても、コイルの巻回の始点である第１端部３６１、３６２、３６３を図面左側に配置し、始点側から右手方向に向かって左巻きとなるように巻回し、図面左側において終点である第２端部３８１、３８２、３８３が配置されるようにレイアウトされている。

第１単位コイル３１、第２単位コイル３２及び第３単位コイル３３は上述したように導電線を巻回してなる成形コイル３０であり、ティース１１に嵌め込まれてステータ１２を構成する。上述のコイルＵ、コイルＶ、コイルＷは、第１単位コイル３１、第２単位コイル３２及び第３単位コイル３３を組み合わせて構成されている。第１単位コイル３１、第２単位コイル３２及び第３単位コイル３３はそれぞれ異なる構造を備えている。以下の説明で、それぞれのコイルを構成する導電線が巻回している部分を巻回部３１１、３２１、３３１と称する。

コイルを構成する導電線はいわゆる平角線で構成されており、各成形コイル３１、３２、３３は、平角線をエッジワイズ巻きすることにより構成されている。コイルは平角線のエッジ側すなわち短辺側の方向に、１層に左巻きに巻回されることにより構成されている。

エッジワイズ巻のコイルを用いることにより、コイルの占積率を増やすことができるため、設置機器や装備の小型化や性能向上を図ることができる。また、コイルの断面積を増やすことができるため、放熱性に優れるとともに電流低減することができる。また、コイルの折り返し部分を少なくできるため、高周波数を維持でき、機器の性能向上を図ることができる。以下の説明では、各成形コイル３１、３２、３３は図４、図６、図８において左から右方向に向かって左巻きに巻回したもの、すなわち、反時計回り方向に巻回しながら前方に進むように巻回したものを例示している。

まず、第１単位コイル３１について説明する。第１単位コイル３１は、図４及び図５に示すように、導体線を、図４において右方向に向かって左巻きに巻回したもの、図５において紙面奥方向から紙面手前方向に向かって左巻きに巻回したものである。

巻回の始点は第１端部３６１であり、終点は第２端部３８１である。始点である第１端部３６１は図４における巻回部３１１の左上部において手前方向に直線的に引き出されたところで終端している。図５においては巻回部３１１の左上部から左方向に直線的に延伸して引き出された状態で第１端部３６１となって終端している。

終点である第２端部３８１は図４における巻回部３１１の右下部において手前方向に直線的に引き出されたところで終端している。図５においては巻回部３１１の左下部から左方向に直線的に延伸して引き出された状態で終端している。第１単位コイル３１は、その端部である第１端部３６１及び第２端部３８１が巻回部３１１の正面において対角線の位置にあり、同一方向すなわち図４において手前方向に直線的に延伸して終端している。始点である第１端部３６１と終点である第２端部３８１は対角線の位置に配置されている。

次に、第２単位コイル３２について説明する。第２単位コイル３２は、図６及び図７に示すように、導体線を、左巻きに巻回したものである。巻回の始点は第１端部３６２であり、終点は第２端部３８２である。

始点である第１端部３６２は、図６において巻回部３２１の左上部において巻回部３２１から手前方向にやや引き出されたところで下方向に屈曲し、その後やや左方向に屈曲して延伸したところすなわち左下部で第１端部３６２となって終端している。図７においては、第１端部３６２は巻回部３２１の左上部において巻回部３２１から左方向にやや引き出されたところで下方向に屈曲し、その後直線的に延伸したところで第１端部３６２となって終端している。

終点である第２端部３８２は、図６において巻回部３２１の右下部において巻回部３２１から手前方向にやや引き出されたところで上方向に屈曲し、その後やや左方向に屈曲したところで第２端部３８２となって終端している。図７においては、第２端部３８２は巻回部３２１の左下部において巻回部３２１から左方向にやや引き出されたところで上方向に屈曲し、その後直線的に延伸したところで第１端部３６２となって終端している。始点である第１端部３６２と終点である第２端部３８２は対角線の位置に配置されている。

次に、第３単位コイル３３について説明する。第３単位コイル３３は、図８及び図９に示すように、導体線を左巻きに巻回したものである。巻回の始点は第１端部３６３であり、終点は第２端部３８３である。

始点である第１端部３６３は、図８において巻回部３３１の左上部において巻回部３３１から手前方向にやや引き出されたところで下方向に屈曲し、その後やや左方向に屈曲して延伸したところで第１端部３６３となって終端している。図９においては、第１端部３６３は巻回部３３１の左上部において左方向にやや引き出されたところで下方向に屈曲し、その後直線的に延伸したところで第１端部３６３となって終端している。

終点である第２端部３８３は図８において巻回部３３１の右下部に存し、巻回部３３１の右下部から直線的に手前方向にやや引き出されたところで第２端部３８３となって終端している。図９においては、巻回部３３１左下部からやや左方向に直線的に引き出されたところで第２端部３８３となって終端している。第３単位コイル３３は、その終端である第１端部３６３及び第２端部３８３の一方、この場合第２端部３８３が手前方向に直線的に延伸して終端し、他方、この場合第１端部３６３が一方の直角方向に指向して延伸している。

次に、ステータ１２は、上述した第１単位コイル３１、第２単位コイル３２、第３単位コイル３３を用いて構成される。ここで、図１、図１０及び図１１を参照して、コイルＵ、Ｖ、Ｗのうち、コイルＵを例示して説明する。

コイルＵ１１は第１単位コイル３１により構成される。コイルＵ１１は、図４に示す第１単位コイル３１の右方向が、ステータ１２の内周方向に向かって指向するように配置される。コイルＵ１２は第２単位コイル３２により構成される。コイルＵ１２は、図６に示す第２単位コイル３２の左方向が、ステータ１２の内周方向に向かって指向するように配置される。コイルＵ１３は第１単位コイル３１により構成される。コイルＵ１３は、図４に示す第１単位コイル３１の右方向が、ステータ１２の内周方向に向かって指向するように配置される。コイルＵ１４は第３単位コイル３３により構成される。コイルＵ１４は、図８に示す第３単位コイル３３の左方向が、ステータ１２の内周方向に向かって指向するように配置される。

言い換えると、図４及び図５に示す第１単位コイル３１の始点である第１端部３６１と、終点である第２端部３８１は対角線位置に位置し、図４において手前方向、図５において左方向、すなわち同一方向に引き出されている。

図６及び図７に示す第２単位コイル３２の始点である第１端部３６２と、終点である第２端部３８２は、第１単位コイル３１とは異なる対角線位置に位置し、図６において上下逆方向、図７において左右逆方向、すなわち相互に異なる方向に引き出されており、さらに第１単位コイル３１の第１端部３６１及び第２端部３８１と直行する方向に引き出されている。

図８及び図９に示す第３単位コイル３３については以下の構成となっている。第３単位コイル３３の始点である第１端部３６３は、第２単位コイル３２の第１端部３６２と同じ位置、同じ引き出し方向となるように構成されている。第３単位コイル３３の終点である第２端部３８３は、第１単位コイル３１の第２端部３８１と同じ位置、同じ引き出し方向となるように構成されている。

こうすることで、コイルＵ１２の第２単位コイル３２の第１端部３６２が、隣接するコイルＵ１１の第２端部３８１との接続位置に配置され、渡り線２０１を構成する。コイルＵ１２の第２端部３８２は、隣接するコイルＵ１３の第１端部３６１と接続可能な位置に配置され、渡り線２０２を構成する。コイルＵ１４の第２単位コイル３２の第１端部３６３が、隣接するコイルＵ１３の第２端部３８１との接続位置に配置され、渡り線２０３を構成する。

この時、隣接するコイルＵ１１とＵ１２間で第２端部３８１と第１端部３６２が構成する渡り線２０１は、ステータ１２の内周側に配置される。隣接するコイルＵ１２とＵ１３間で第２端部３８２と第１端部３６１が構成する渡り線２０２は、ステータ１２の外周側に配置される。隣接するコイルＵ１３とＵ１４間で第２端部３８１と第１端部３６３が構成する渡り線２０３は、ステータ１２の内周側に配置される。

なお、コイルＵ１１及びＵ２１の第１端部３６１にはＵ相端子５０が接続される。コイルＶ１１及びＶ２１の第１端部３６１にはＶ相端子５１が接続される。コイルＷ１１及びＷ２１の第１端部３６１にはＷ相端子５２が接続される。コイルＵ１４、Ｗ１４、Ｖ１４の第２端部３８３には中性点Ｎ１が接続され、コイルＵ２４、Ｗ２４、Ｖ２４の第２端部３８３には中性点Ｎ２が接続される。なお、中性点Ｎ１、Ｎ２は図２の接続略図では「点」として表現されるが、実際には、図１に示すように配線として構成されている。

上記に説明したコイルＵ１１～コイルＵ１４と同様の構成、及び配置位置で、コイルＷ１１～Ｗ１４、コイルＶ１１～Ｖ１４、コイルＵ２１～Ｕ２４、コイルＷ２１～Ｗ２４、コイルＶ２１～Ｖ２４が構成されている。

コイルＵ１１及びＵ２１、コイルＶ１１及びＶ２１、コイルＷ１１及びＷ２１の始点である第１端部３６１、３６２、３６３、３６４は、それぞれＵ相端子５０、Ｖ端子５１、Ｗ端子５２に接続される。従って、コイルＵ、Ｖ、ＷのそれぞれとＵ端子５０、Ｖ端子５１、Ｗ端子５２とは、ステータ１２の外周側において接続する。また、コイルＷ１１及びコイルＶ２１と中性点Ｎ１と、及び、コイルＵ２４及びコイルＷ２４と中性点Ｎ２とを、ステータ１２の外周側において接続する。

実施形態に係る回転電機１によれば以下の効果を得る。
ステータ１２において、コイルＵ１１～コイルＵ１４、コイルＷ１１～Ｗ１４、コイルＶ１１～Ｖ１４、コイルＵ２１～Ｕ２４、コイルＷ２１～Ｗ２４、コイルＶ２１～Ｖ２４は隣接して配置されており、上記の順番で配置されている。ティース１１に挿入される単位コイルの巻方向は同じ巻方向であり、実施形態においては左巻きの例を示している。また、配置される単位コイルは、第１単位コイル３１、第２単位コイル３２、第３単位コイル３３の３種類である。第１単位コイル３１は、図４において、第１端部３６１が左上に配置され、第２端部３８１が右下に配置される。第２単位コイル３２は図６において、第１端部３６２が左下に配置され、第２端部３８２が右上に配置される。第３単位コイル３３は図８において、第１端部３６３が左下に配置され、第２端部３８３が右下に配置される。第１単位コイル３１はコイルＵ１１、Ｕ２１、Ｖ１１、Ｖ２１、Ｗ１１、Ｗ２１、Ｕ１３、Ｕ２３、Ｖ１３、Ｖ２３、Ｗ１３及びＷ２３に用いられ、第２単位コイル３２はコイルＵ１２、Ｕ２２、Ｖ１２、Ｖ２２、Ｗ１２及びＷ２２に用いられ、第３単位コイル３３は、コイルＵ１４、Ｕ２４、Ｖ１４、Ｖ２４、Ｗ１４及びＷ２４に用いられる。

渡り線２０について、コイルＵ１１～１４について例示すれば、コイルＵ１１の第２端部３８１とコイルＵ１２の第１端部３６２で渡り線２０１が構成され、コイルＵ１２の第２端部３８２とコイルＵ１３の第１端部３６１で渡り線２０２が構成され、コイルＵ１３の第２端部３８１とコイルＵ１４の第１端部３６３で渡り線２０３が構成される。第１端部３６１はＵ端子からの接続線が接続する。第２端部３８３には中性点Ｎ１が接続される。第１端部３６１、及び第２端部３８３はステータ１２の外周側に配置される。

この構成により、隣接するコイル間を接続するための端子が近接して配置可能となるため、端子間を接続する渡り線２０を短く構成することが可能となる。この構成によれば、ステータ１２の巻線抵抗を低くすることが可能となるため、回転電機１の発熱、消費電力を低減することが可能となる。

また、中性点Ｎ１、Ｎ２をステータ１２の外周側に配置可能となるため、コイル間を接続する配線の自由度が向上する。これにより、コイル間の接続設計が容易となり、最短距離で効率的に配線可能となる。

また、ステータ１２に用いられる単位コイルは、第１単位コイル３１、第２単位コイル３２、及び第３単位コイル３３の３種類で構成可能であるため、部品点数が少なくてよい。また、いわゆる逆巻はなく巻方向を全て同一とすることができるため、巻線装置などの構成を簡素化できる。これにより、回転電機１の製造を容易にし、コストを削減可能となる。

以上のように、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１…回転電機、１０…ヨーク、１１…ティース、１２…ステータ、１６…ロータ、２０、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９、２１０、２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８…渡り線、３０…成形コイル、３１…第１単位コイル、３１１、３２１、３３１…巻回部、３２…第２単位コイル、３３…第３単位コイル、３６１、３６２、３６３…第１端部、３８１、３６２、３６３…第２端部、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ１４、Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３、Ｗ１４、Ｕ２１、Ｕ２２、Ｕ２３、Ｕ２４、Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２３、Ｖ２４、Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、Ｗ２４…コイル、Ｎ１、Ｎ２…中性点

Claims (6)

1. ロータと、
   平板円環形状で内周側に複数のティースを備えるヨークと、前記ティースに配置される複数の単位コイルと、を備えるステータと、を備え、
   前記単位コイルは、前記単位コイルを構成する導電線の端部の構成が異なる第１単位コイル、第２単位コイル、及び第３単位コイルにより構成され、
   前記ステータの回転方向にコイルＡ、コイルＢ、コイルＣ、コイルＤを配置した場合に、
   前記コイルＡ及び前記コイルＣは前記第１単位コイルにより構成され、前記コイルＢは前記第２単位コイルで構成され、前記コイルＤは前記第３単位コイルで構成されており、
   前記第１単位コイルは前記ステータの外周側に始点の端部を備え、且つ、内周側に終点の端部を備え、前記第２単位コイル及び前記第３単位コイルは前記ステータの外周側に終点の端部を備え、且つ、内周側に始点の端部を備えるように配置された回転電機。
2. 前記第１単位コイルの始点と終点の端部は、同一方向に引き出されており、
   前記第２単位コイルの始点と終点の端部は、前記第１単位コイルの端部に対して直行方向に引き出されており、
   前記第３単位コイルの始点の端部は、前記第２単位コイルの始点の端部と同じ方向に引き出されており、前記第３単位コイルの終点の端部は、前記第１単位コイルの終点の端部と同じ方向に引き出されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記コイルＡの終点の端部と、前記コイルＢの始点の端部は前記ステータの内周側で相互を接続する渡り線を構成し、
   前記コイルＢの終点の端部と、前記コイルＣの始点の端部は前記ステータの外周側で相互を接続する渡り線を構成し、
   前記コイルＣの終点の端部と、前記コイルＤの始点の端部は前記ステータの内周側で相互を接続する渡り線を構成する、請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 複数の前記単位コイルは、二つの中性点を備えてダブルスター結線されており、前記中性点は、Ｕ相を構成するコイルＤの終点の端部、Ｖ相を構成するコイルＤの終点の端部、及びＷ相を構成するコイルＤの終点の端部に接続されることにより前記ステータの外周側に配置されている請求項１から３の何れか一項に記載の回転電機。
5. 前記Ｕ、Ｖ、Ｗ相を構成するコイルのそれぞれは、３種類の前記単位コイルにより構成されている請求項１から４の何れか一項に記載の回転電機。
6. 前記単位コイルを構成する導電線は、平角線により構成されている請求項１から５の何れか一項に記載の回転電機。

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