JPWO2012039201A1 - 巻線構造、回転電機、及び、回転電機の製造方法 - Google Patents
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Abstract
回転電機の巻線構造は、スロットを有するコアと、互いに交差させて組み合わされた第一巻線と第二巻線からなるコイルとを備える。前記コイルの各直線部は、ある間隔をもった2つのスロットのいずれかに挿入されて、前記コイルが前記コアに組み付けられる。
Description
本発明は、巻線構造及び回転電機に関する。特に、本発明は、分布巻きの巻線構造を有する回転電機(電動機又は発電機)のコイルエンドの小型化に関する。
従来技術として、JP4234749Bは、回転電機の分布巻き巻線構造を開示する。この巻線構造は、導線が両側面を重ね合わせて巻かれた整列巻きの巻線を有する。各相の巻線は、コイルエンド部においてクランク形状の部分を有し、クランク形状の部分は、互いに幅方向に近接するように配置される。また、各相の巻線は、回転電機の固定子鉄芯の複数のスロットを跨いで巻かれる。
しかしながら、ある巻線が、クランク形状を含む非常に狭い領域で、隣接する巻線へ乗り上げ、潜り込む。このため、巻線は大きな変形を強いられる。変形量を減らすためクランク形状を大きくすると、結局、コイルエンドの小型化が困難になる。
本発明は、上記のような問題を鑑み、分布巻きの巻線構造を有する回転電機のコイルエンドを小型化することを目的とする。
本発明のある態様に係る回転電機の巻線構造は、スロットを有するコアと、互いに交差させて組み合わされた第一巻線と第二巻線からなるコイルとを備える。前記コイルの各直線部は、ある間隔をもった2つのスロットのいずれかに挿入されて、前記コイルが前記コアに組み付けられる。
この発明の詳細は、他の特徴及び利点と同様に、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
以下では図面を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
図1は、実施形態に係る巻線構造を有する回転電機の軸方向における概略断面図を示す。回転電機は、電動機又は発電機又はその両方として機能する。
回転電機1は、固定子(ステータ)2、固定子2と同軸的に配置される回転子(ロータ)3、固定子2と回転子3とを収容するケース4とを備える。固定子2と回転子3は略円環状の形状を有し、固定子2は回転子3の外周を包囲して配置される。回転子3は、中心部に回転軸5が取り付けられ、回転軸5は、軸受6を介してケース4に回転可能に支持される。これにより、回転子3は、ケース4に固定された固定子2に対して回転可能である。
回転子3は周方向に等間隔に配置された複数の永久磁石7を有する。回転子3は、固定子2の巻線体11から与えられる回転磁束によって発生する永久磁石の反力により、回転軸5を中心に回転する。
図2は、固定子2の斜視図を示す。固定子2は、略円環状の固定子鉄心10と、固定子鉄心(固定子コア)10の内周部に取り付けられた巻線体11を備える。固定子鉄心10は、略円環状の本体部10aと、本体部10aから半径方向に突出する複数の歯部(ティース)10bを備える。隣接する歯部10bの間には、巻線体11を収容するスロット12が形成される。複数の歯部10bは、所定の角度間隔で周方向に配置される。複数のスロット12も、所定の角度間隔で周方向に配置される。
巻線体11は、スロット12に対して分布巻きされた複数のコイル14から構成される。複数のコイル14は、各相のコイル14からなる。
図3Aと図3Bは、個々のコイル14を示す斜視図である。図4は、略円環状の固定子2を円周方向に沿って展開した部分展開図である。
図3Aと図3Bのように、コイル14は、第一巻線15と第二巻線16の対からなる。第一巻線15と第二巻線16は、それぞれの導線30を接続部35で接続して、一つのコイル14を構成する。導線30は、銅線などの金属線である。第一巻線15の上側と下側のコイルエンド部15a、15bは、それぞれ、回転電機1の回転軸方向に屈曲する第一クランク形状部15aA、15bAを有する。また、第一巻線15の上側と下側のコイルエンド部15a、15bは、それぞれ回転電機1の半径方向に屈曲する第二クランク形状部15aB、15bBを有する。なお、コイルエンド部は、固定子鉄心10(歯部10b)の軸方向端面上に位置する巻線の部分である。
また、第二巻線16の上側と下側のコイルエンド部16a、16bは、それぞれ回転電機1の回転軸方向に屈曲する第一クランク形状部16aA、16bAを有する。第二巻線16の上側と下側のコイルエンド部16a、16bは、それぞれ回転電機1の半径方向に屈曲する第二クランク形状部16aB、16bBを有する。
図3Aと図3Bの点線のリングで示すように、第一巻線15の第一クランク形状部15aA、15bAと第二クランク形状部15aB、15bBは、それぞれ第二巻線16の第二クランク形状部16aB、16bBと第一クランク形状部16aA、16bAとに対して、嵌めこまれて交差する。即ち、第一巻線15の回転軸方向に曲がる第一クランク形状部15aA、15bAと第二巻線16の半径方向に曲がる第二クランク形状部16aB、16bBが対向して交差する。第一巻線の15の半径方向に曲がる第二クランク形状部15aB、15bBと第二巻線16の回転軸方向に曲がる第一クランク形状部16aA、16bAが対向して交差する。
この構成により、ある巻線が、非常に狭い領域で、隣接するスロットに組みつけられている巻線への乗り上げと潜り込みの両方を行うことがなくなる(図4、図9B参照)。このため、巻線は大きな変形を受けず、従来技術に比較して、コイルエンドの小型化ができる。また、コイルエンド部をスロットから大きく離す必要がないため、従来技術や普通の分布巻に比べ、大幅なコイルエンドの小型化が可能である。
図4のように、第一と第二のクランク形状部の存在により、あるコイル14(第一コイル)の第一巻線15が、隣接する別のコイル14’(第二コイル)の第一巻線15’のコイルエンド部に潜り込みながらスロットに入る。逆に、この隣接するコイル14’の第二巻線16’が、コイル14の第二巻線16のコイルエンド部に潜り込みながらスロットに入る。
さらに、あるコイル14の第一巻線15は、歯部10b上で、隣接するコイル14’の第二巻線16’と、互いに平行に延在して位置をずらして重なっている(図9Bも参照)。即ち、歯部10b上で、コイル14の第一巻線15は、回転電機1の軸方向に垂直な方向(つまり半径方向)において、隣接するコイル14’の第二巻線16’と接して延在する。あるコイル14の第二巻線16は、歯部10b上で、隣接するコイル14’の第一巻線15’と、互いに平行に延在して位置をずらして重なっている。即ち、歯部10b上で、コイル14の第二巻線16は、回転電機1の軸方向に垂直な方向(つまり半径方向)において、隣接するコイル14’の第一巻線15’と接して延在する。これにより、巻線の占積率が向上し、回転電機1の出力トルクが大きくなる。なお、巻線の占積率とは、スロット内部の導線30(被膜含む)の総断面積を回転軸に垂直方向のスロット断面積で割ったものである。
コイル14は、ある間隔をもった二つのスロットに嵌め込まれて、固定子鉄心10に組み付けられている。即ち、第一巻線15と第二巻線16の直線部(コイルの直線部)は、ある間隔をもった二つのスロットのいずれかに挿入されている。ここで、一方のスロット12aにおいて、第一巻線15の左側直線部15cは、第二巻線16の左側直線部16cより、回転電機1の半径方向外側に位置する。他方のスロット12bにおいて、第一巻線15の右側直線部15dは、第二巻線16の右側直線部16dより、回転電機1の半径方向外側に位置する。
コイル14を挿入する上記二つのスロットの間隔、即ち巻線ピッチ(コイルピッチ)は、2に設定される。即ち、コイル14(第一巻線、第二巻線)は、一つのスロットを挟む形で、互いに隣接する二つの歯部の周りに巻かれている。この場合、全ての巻線ピッチ中で、回転電機1のコイルエンドを最大限に小型化することが可能である。
なお、固定子鉄心10の軸方向端面の上に位置するコイルエンドにおいて、コイル(巻線の対)の数は、巻線ピッチと同じとなる。故に、巻線ピッチが大きいと、多くの巻線の対をクランク形状部で交差させる必要があるため、固定子2の組み立て時における隙間や、クランク形状部の微妙な膨らみによって小型化の効果が弱くなる。一方、巻線ピッチが1の場合は、普通の集中巻であり交差させる必要がない。従って、巻線ピッチが2の場合、最大限に小型化できる。
コイルエンド部における第一巻線15と第二巻線16の交差の回数は、2回である。コイルピッチが2の場合、最低2回の交差があれば、あるスロットに組みつけられている巻線は、隣接するスロットに組みつけられている巻線への乗り上げと潜り込みのどちらか一方のみを行って、大きく曲がることなく巻かれる。
図5Aと図5Bは、第一巻線15と第二巻線16の詳細を示す。第一巻線15と第二巻線16は、固定子2が円環状であるため若干形が異なるが、ほぼ同一の形状である。図5Aが第一巻線15に相当すると仮定すると、図5Aの左右を反転させたものがほぼ第二巻線16に相当する。図5Cは、巻線の断面を示す。
第一巻線15と第二巻線16は整列巻であり、第一巻線15と第二巻線16を構成する導線30は整列している。これによりスロット内部の巻線占積率が向上する。整列巻により、スロット中の巻線占積率を、集中巻と同程度まで向上できる。なお、整列巻の巻線に第一と第二のクランク形状部を設けることで、あるコイルの第一巻線15(又は第二巻線16)は、別のコイルの第一巻線15(又は第二巻線16)のコイルエンド部に重なりながらスロットに入る(図4、図9A参照)。従って、巻線が、組み付けられない無関係のスロット上を渡る場合に、このスロットを塞ぐことがないので、巻線占積率が向上する。
なお、従来の一般的な分布巻の巻線に整列巻を適用する場合、図10のように、整列巻された巻線のコイルエンド部が、無関係のスロット上を渡ってこのスロットを塞ぐ。この場合、スロット内部の巻線占積率が大幅に低くなり、回転電機が大型化して損失が増大する。このため、従来の分布巻には、非整列の巻線が用いられ、コイルエンド部をスロットから大きく離すことによって、無関係のスロットが塞がれることが防止されていた。これにより、スロット内部の巻線占積率は改善されるが、巻線が非整列であるため占積率の改善には限界があり、また、コイルエンドが大きくなる。
図5Aと図5Bのように、巻線は、α巻方式で2層に巻かれることにより、作製されている。これにより、スロット内部での巻線占積率がさらに向上できる。また、図5Cのように、巻線の導線(素線)30の断面形状は、略矩形形状である。即ち、巻線の導線30として、角線が用いられる。これにより、さらに、スロット内部での巻線占積率が向上できる。
巻線の巻数は非整数(端数)とし、2つの引き出し線18の位置は、両側エンド部にそれぞれ割り振られる。これにより、巻線直線部の片側を1ターン減らして、巻線段変えなどに使用するスペースを確保できる。また、コイルエンド部の外周に余分な空間が存在するため、第一巻線と第二巻線の接続部を回転電機の両側へ分配することでこの空間を有効に活用でき、ひいてはコイルエンドが小型化できる。
図3Aのように、第一巻線15と第二巻線16は、固定子2の片側の端面側において、それぞれの導線30を接続部35で直列に接続して一つのコイル14を形成よい。これにより、コイルエンドの小型化が可能である。
また、図3Bのように、第一巻線15と第二巻線16がα巻により作られた場合、巻線の直線部15c、16cの接続部35おいてスロット内部で接続されてよい。接続部35を巻線の直線部に配置することで、接続部35がクランク形状部を構成することへの障害とならず、ひいてはコイルエンドの小型化ができる。
図6のように、固定子鉄心(固定子コア)10の歯部10bは、先細りの形状を有してよい。巻線の断面形状からスロット12は略矩形形状を有するため、歯部10bの形状は先細り形状となる。これにより、歯部10bの根元での磁束密度が低下し、鉄損の低下につながる。
図7は、回転電機1の巻線回路図の一例を示す。典型的には、コイル14の数Cは、磁極数をP、回転電機の駆動電源の相数をmとすると、(P/2)×mと表わされる。又、コイル14の数Cは、スロット12の数SLと等しい。図7では、磁極数Pは8(極対数4)、相数mは5、スロット数SLは20、巻線ピッチは2である。結線方式は、Y結線で中性点(N1−N4)の数が4である4並1直方式である。5相のコイルは、駆動電源のUVWRS相にそれぞれ接続されている。
巻線の短節係数K(短節巻係数)を高くすることで、回転電機1が高いトルクを有し得る。短節係数は、スロット数をSL、磁極数をP、巻線ピッチをLとすると、数式(1)で表される。このため、スロット数SLは、磁極数Pの2倍〜3倍であることが好ましい。図7の例では、スロット数SLは、磁極数Pの2.5倍である。
また、分布係数(分布巻係数)を高くすることで高トルク化が可能である。主要なスロット数と磁極数の組合せのうち、巻線ピッチが2の場合に短節係数だけでなく分布係数も高くできる組み合わせは、相数が5相で、スロット数SLと磁極数Pの比率が5:2、もしくは、相数が3相で、スロット数SLと磁極数Pの比率が3:1である。
図8A−図8Dは、固定子2の製造方法について説明する図である。図8Aのように、第一工程として、図5Aのような整列巻の第一巻線15と第二巻線16が、それぞれ複数個形成される。図8Bのように、第二工程として、第一巻線15と第二巻線16が組み合わされて、複数のコイル14が作製される。
第二工程において、第一巻線15と第二巻線16は各コイルエンド部において二回交差するよう組み合わされる。第一巻線15の第一クランク形状部は、第二巻線16の第二クランク形状部に対して嵌めこまれる。第一巻線15の第二クランク形状部は、第二巻線16の第一クランク形状部に対して嵌めこまれる。
図8Cと図8Dのように、第三工程において、複数のコイル14が、各々二つのスロットに挿入されて、固定子鉄心10に組み付けられる。第四工程において、コイル14の第一巻線15(又は第二巻線16)が、隣接するコイル14’の第二巻線16’ (又は第一巻線15’)と歯部10b上で固定子2の半径方向に重なるように、コイル14はスロットに押し込まれる。
図9Aと図9Bのように、第三工程において、複数のコイル14が同時にスロット12に挿入されて、固定子鉄心10に同時に組み付けられてもよい。これにより、固定子2は適切に組み立てられる。なお、コイル14を挿入する2つのスロットは平行ではないため、片方のスロットに各コイル14の一つの直線部を挿入後、各コイル14を回転させながら他方のスロットに各コイル14の他の直線部を挿入する必要がある。この回転のために必要なスペースを設けるため、歯部10bの根元に切欠き部22が設けられる。これにより、固定子鉄心10と巻線体11の組立が容易になる。
なお、上記の実施形態において、巻線構造を固定子に適用する場合を説明したが、回転子の鉄心に巻線体を設ける回転電機では、上記の巻線構造を回転子に適用することもできる。
実施形態によると、回転電機1の巻線構造は、スロット12を有する鉄心(単にコアとも呼ばれる)10と、互いに交差させて組み合わされた第一巻線15と第二巻線16からなるコイル14とを備える。コイル14の各直線部は、ある間隔をもった2つのスロット12のいずれかに挿入されて、コイル14が鉄心10に組み付けられる。このため、回転電機のコイルエンド、さらに固定子(または回転子)の小型化が可能になる。
第一巻線15と第二巻線16のコイルエンド部15a、15b、16a、16bは、それぞれ、回転電機1の回転軸方向に屈曲する第一クランク形状部15aA、15bA、16aA、16bAと、回転電機の半径方向に屈曲する第二クランク形状部15aB、15bB、16aB、16bBを有する。第一巻線15の第一クランク形状部15aA、15bAは、第二巻線16の第二クランク形状部16aB、16bBに嵌めこまれて交差する。第一巻線15の第二クランク形状部15aB、15bBは、第二巻線16の第一クランク形状部16aA、16bAに嵌めこまれて交差する。このため、より確実に回転電機のコイルエンドが小型化できる。
あるコイル14(第一コイル)の第一巻線は、コイルエンド部において他のコイル14’(第二コイル)の第二巻線16’と位置をずらして重なる。また、当該あるコイル14の第二巻線16は、コイルエンド部において当該他のコイル14’の第一巻線15’と位置をずらして重なる。このため、スロット内での巻線(導線)の占積率が向上して、回転電機の出力トルクが向上する。
コイル14が鉄心10のスロット12に巻かれる巻線ピッチが2である場合、回転電機のコイルエンドを最大限に小型化することが可能である。コイルエンド部における第一巻線15と第二巻線16の交差する回数が2回である。これにより、第一巻線15と第二巻線16は、隣接するスロットに組みつけられている巻線への乗り上げと潜り込みのどちらか一方のみを行って、無駄なスペースなく巻かれる。
鉄心10のスロット数が、回転電機の磁極数の2倍から3倍であるため、短節係数は高くなり、回転電機は高いトルクを有する。好適には、回転電機1の相数は5相であり、鉄心10のスロット数と回転電機の磁極数が、5:2の比率である。または、回転電機の相数は3相であり、鉄心10のスロット数と回転電機の磁極数が、3:1の比率であることが好ましい。これにより、分布係数が高くなり、回転電機1はさらに高いトルクを有する。
第一巻線15と第二巻線16が整列巻で巻かれているため、スロット中の導体占積率が、集中巻と同程度にまで向上できる。第一巻線15と第二巻線16を構成する導線30の断面形状が略矩形形状であるため、スロット中の導体占積率がさらに向上できる。第一巻線15と第二巻線16がα巻で巻かれているため、スロット中の導体占積率がさらに向上できる。
第一巻線15と第二巻線16が、スロット内で接続される場合、接続部35が巻線の直線部に配置され、クランク形状部を構成することへの障害とならない。第一巻線15と第二巻線16の巻数が非整数であり、各巻線の2つの引き出し線18が、両側のコイルエンド部に位置する場合、巻線段変えなどに使用するスペースを確保できる。第一巻線15と第二巻線16は、片側のコイルエンド部において、直列に接続される場合、回転電機のコイルエンドの小型化が可能である。
鉄心10の歯部10bの根元に切欠き部22を備えるため、固定子2の組立が容易になる。鉄心10の歯部10bが先細り形状である場合、固定子鉄心10の鉄損が低下する。
回転電機1の製造方法は、第一巻線15と第二巻線16を形成する第一工程と、第一巻線15と第二巻線16を交差させることにより組み合わせてコイル14を作製する第二工程と、コイル14を鉄心10のスロット12に挿入して、鉄心10に組み付ける第三工程とを備える。これにより、コイルエンド部、さらに固定子2(または回転子)を小型化した回転電機1を製造できる。
コイル14を複数個作成して、全てのコイル14をそれぞれ同時に鉄心10の対応するスロット12に挿入して、同時に鉄心10に組み付ける。これにより、固定子2は適切に組み立てられる。
次に、分布巻の巻線構造を有する従来技術に係る回転電機の試作品と、実施形態に係る回転電機1の試作品の比較結果を示す。回転電機1の試作品と従来技術の回転電機の試作品の両方において、固定子の鉄心の直径と軸方向長さは同一であり、回転子は同一であり、電磁鋼板、導線(銅線)、磁石などの材料は全て同じであった。また、両試作品において、瞬時最高トルク、瞬時最大出力、最高回転数、巻線の最大電流密度は同じである。
鉄心に対するコイルエンドのサイズ比率は、回転電機1の試作品について25%と小さく、従来技術の回転電機の試作品について47%と大きい。実施形態に係る回転電機1のコイルエンドは、従来技術の回転電機のコイルエンドより小型化されていることがわかる。なお、コイルエンドのサイズ比率は、回転電機の軸方向におけるコイルエンドの長さLEと軸方向における鉄心の長さLCから、式(LE/LC)×100%によって求められる。また、コイルエンドの小型化によって、実施形態の試作品のサイズは、従来技術の試作品のサイズに対して85%(=125/147×100%)になった。
前述のように定義された巻線の占積率は、回転電機1の試作品について55%と大きく、従来技術の回転電機の試作品について45%と小さい。実施形態に係る回転電機1において、従来技術の回転電機より多くの導線が一つのスロットを通過していることがわかる。また、回転数10,000rpmにおいて、回転電機1の試作品の出力(出力トルク)は、従来技術の回転電機の試作品の出力(出力トルク)から30%増加した。
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
2010年9月21日に出願された日本国特許出願2010−211193の全内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本発明のある態様に係る回転電機の巻線構造は、スロットを有するコアと、互いに交差させて組み合わされた第一巻線と第二巻線からなるコイルとを備える。前記コイルの各直線部は、ある間隔をもった2つのスロットのいずれかに挿入されて、前記コイルが前記コアに組み付けられる。前記コイルにおいて、前記第一巻線と前記第二巻線のコイルエンド部は、それぞれ、前記回転電機の回転軸方向に屈曲する第一クランク形状部と、前記回転電機の半径方向に屈曲する第二クランク形状部を備える。前記回転軸方向から見て、前記第一巻線の前記第一クランク形状部は、前記第二巻線の前記第二クランク形状部で交差し、前記第一巻線の前記第二クランク形状部は、前記第二巻線の前記第一クランク形状部で交差する。
Claims (18)
- 回転電機の巻線構造であって、
スロットを有するコアと、
互いに交差させて組み合わされた第一巻線と第二巻線からなるコイルとを備え、
前記コイルの各直線部は、ある間隔をもった2つのスロットのいずれかに挿入されて、前記コイルが前記コアに組み付けられる、
巻線構造。 - 前記コイルにおいて、前記第一巻線と前記第二巻線のコイルエンド部は、それぞれ、前記回転電機の回転軸方向に屈曲する第一クランク形状部と、前記回転電機の半径方向に屈曲する第二クランク形状部を備え、
前記第一巻線の前記第一クランク形状部は、前記第二巻線の前記第二クランク形状部に嵌めこまれて交差し、前記第一巻線の前記第二クランク形状部は、前記第二巻線の前記第一クランク形状部に嵌めこまれて交差する、
請求項1に記載の巻線構造。 - 他のコイルをさらに備え、
前記コイルの第一巻線は、コイルエンド部において、前記他のコイルの第二巻線と重なり、
前記コイルの第二巻線は、コイルエンド部において、前記他のコイルの第一巻線と重なる、
請求項1に記載の巻線構造。 - 請求項2に記載の巻線構造を備える回転電機。
- 前記コイルが前記コアのスロットに巻かれる巻線ピッチが2である、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記コイルエンド部における前記第一巻線と前記第二巻線の交差する回数が2回である、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記コアのスロット数が、前記回転電機の磁極数の2倍から3倍である、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記回転電機の相数は5相であり、前記コアのスロット数と回転電機の磁極数が、5:2の比率であるか、もしくは、前記回転電機の相数は3相であり、前記コアのスロット数と回転電機の磁極数が、3:1の比率である、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記第一巻線と前記第二巻線が整列巻で巻かれている、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記第一巻線と前記第二巻線を構成する導線の断面形状が略矩形形状である、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記第一巻線と前記第二巻線がα巻で巻かれている、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記第一巻線と前記第二巻線が、前記スロット内で接続されている、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記第一巻線と前記第二巻線の巻数が非整数であり、各巻線の2つの引き出し線が、両側のコイルエンド部に位置する、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記第一巻線と前記第二巻線は、片側のコイルエンド部において、直列に接続される、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記コアの歯部の根元に切欠き部を備える、
請求項4に記載の回転電機。 - 前記コアの歯部が先細り形状である、
請求項4に記載の回転電機。 - 回転電機の製造方法であって、
第一巻線と第二巻線を形成する第一工程と、
前記第一巻線と前記第二巻線を交差させることにより組み合わせてコイルを作製する第二工程と、
前記コイルをコアのスロットに挿入して、前記コアに組み付ける第三工程とを含む、
製造方法。 - 前記第三工程において、前記コイルが複数個作成され、全てのコイルがそれぞれ同時に前記コアの対応するスロットに挿入されて、同時に前記コアに組み付けられる、
請求項17に記載の製造方法。
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