JPWO2012111076A1 - 回転電機の固定子及びその巻線方法 - Google Patents

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Abstract

占積率の向上や小型化を図ることのできる回転電機の固定子を提供する。m層を巻き進め所定の位置にて折返しm層に重ねてm+1層を巻き戻す巻線を1セットとして、各ティースを渡りながら巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆき、第1巻線(20A)のn層で境界面16を超えるかあるいは第2巻線(20B)との距離が最小絶縁距離Dに達すると、その位置を折返し位置としてn+1層を根元部まで巻き戻し第2ティース(10B)に渡り、第2巻線(20B)のn層で境界面16を超えるかあるいは第1巻線(20A)との距離が最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置として巻き戻し、これを1セット以上繰り返し、第1ティース(10A)に渡り、最終層にて第2巻線(20B)と巻数が合うように巻数を調整して巻回する。

Description

本発明は、電動機や発電機などの回転電機の固定子及びその巻線方法に関するものである。
従来、電動機や発電機などの回転電機の固定子において、占積率(巻線密度)の向上や装置の小型化を目的として隣接するティースで異なる巻線配列とするものが、いくつか考案されている。例えば、特許文献1及び3では、ティースと巻線間に配置されるインシュレータに凹凸やテーパを設け、隣接するインシュレータを異なる形状とすることで、隣接するティースで異なる巻線配列としている。また、特許文献2では、特殊仕様の巻線機を使用することにより、隣接するティースで異なる巻線配列としている。
特開2006−296146号公報 特許第4456886号公報 特開2004−104870号公報
しかしながら、上記特許文献1の方法では、インシュレータが特殊形状であるため、部品コストが高く、ひいては製品コストが高くなるので課題とされていた。
また、特許文献2の方法では、特殊な巻線機が必要であり、汎用巻線機で対応することができないので、部品及び製品コストが高くなるとともに、生産できる機種も制約されるという課題があった。
さらに、特許文献3の方法では、特許文献1と同様にインシュレータの部品コストが高くなるとともに、インシュレータがテーパ形状のため、装置外形寸法が大きくなるという課題もあった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特殊形状のインシュレータとすることなく、また特殊仕様の巻線機を使用することなく、隣接するティースで異なる巻線配列とすることができ、占積率(巻線密度)の向上や装置の小型化を図ることのできる回転電機の固定子及びその巻線方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の回転電機の固定子は、回転軸芯に向けて放射方向に同一形状の複数のティースが根元側端部をコアバックにリング状に連結され、隣接するティース間にスロットが形成され、ティースの先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する鍔部間にスロット入口が形成され、各ティースの周囲に巻線領域が形成され、各巻線領域に同一形状のインシュレータを介して、巻線が巻回された回転電機の固定子において、1つおきに設けられた第1ティースに第1巻線が巻回され、第1ティースに挟まれた第2ティースに第2巻線が巻回され、第1巻線と第2巻線とは、対向部の断面形状において、第1巻線の凸部が第2巻線の凹部に対応するように、また第1巻線の凹部が第2巻線の凸部に対応するように、互いに異なる形状に巻回されていることを特徴とする。
また、本発明の回転電機の固定子は、回転軸芯に向けて放射方向に同一形状の複数のティースが根元側端部をコアバックにリング状に連結され、隣接するティース間にスロットが形成され、ティースの先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する鍔部間にスロット入口が形成され、各ティースの周囲に巻線領域が形成され、各巻線領域に同一形状のインシュレータを介して、巻線が巻回された回転電機の固定子において、1つおきに設けられた第1ティースに第1巻線が巻回され、第1ティースに挟まれた第2ティースに第2巻線が巻回され、スロット内の空間を放射方向に断面テーパ状に2分割する面が境界面とされ、第1巻線と第2巻線が最も接近できる距離が最小絶縁距離とされ、断面テーパ状の幅の広いティースの根元部側から幅の狭い鍔部方向にm層を巻き進め所定の位置にて折返しm層に重ねてm+1層を巻き戻す巻線を1セットとして、各ティースを渡りながら巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆき、第1巻線のn層で境界面を超えるかあるいは第2巻線との距離が最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置としてn+1層を根元部まで巻き戻し第2ティースに渡り、第2巻線のn層で境界面を超えるかあるいは第1巻線との距離が最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置として巻き戻し、これを1セット以上繰り返し、第1ティースに渡り、最終層にて第2巻線と巻数が合うように巻数を調整して巻回されていることを特徴とする。
また、本発明の回転電機の固定子の巻線方法は、回転軸芯に向けて放射方向に同一形状の複数のティースが根元側端部をコアバックにリング状に連結され、隣接するティース間にスロットが形成され、ティースの先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する鍔部間にスロット入口が形成され、各ティースの周囲に巻線領域が形成され、各巻線領域に同一形状のインシュレータを介して、巻線が巻回された回転電機の固定子の巻線方法において、1つおきに設けられた第1ティースに第1巻線を巻回し、第1ティースに挟まれた第2ティースに第2巻線を巻回し、スロット内の空間を放射方向に断面テーパ状に2分割する面を境界面とし、第1巻線と第2巻線が最も接近できる距離を最小絶縁距離とし、断面テーパ状の幅の広いティースの根元部側から幅の狭い鍔部方向にm層を巻き進め所定の位置にて折返しm層に重ねてm+1層を巻き戻す巻線を1セットとして、各ティースを渡りながら巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆき、第1巻線のn層で境界面を超えるかあるいは第2巻線との距離が最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置としてn+1層を根元部まで巻き戻し第2ティースに渡り、第2巻線のn層で境界面を超えるかあるいは第1巻線との距離が最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置として巻き戻し、これを1セット以上繰り返し、第1ティースに渡り、最終層にて第2巻線と巻数が合うように巻数を調整して巻回することを特徴とする。
本発明によれば、1つおきに設けられた第1ティースに第1巻線を巻回し、第1ティースに挟まれた第2ティースに第2巻線を巻回し、第1巻線と第2巻線とは、対向部の断面形状において、第1巻線の凸部が第2巻線の凹部に対応するように、また第1巻線の凹部が第2巻線の凸部に対応するように、互いに異なる形状に巻回されているので、占積率(巻線密度)の向上や装置の小型化を図ることができるという効果を奏する。
本発明によれば、1つおきに設けられた第1ティースに第1巻線を巻回し、第1ティースに挟まれた第2ティースに第2巻線を巻回し、スロット内の空間を放射方向に断面テーパ状に2分割する面を境界面とし、第1巻線と第2巻線が最も接近できる距離を最小絶縁距離とし、断面テーパ状の幅の広いティースの根元部側から幅の狭い鍔部方向にm層を巻き進め所定の位置にて折返しm層に重ねてm+1層を巻き戻す巻線を1セットとして、各ティースを渡りながら巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆき、境界面を超えるかあるいは最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置として巻き戻すという簡単な手順により、第1巻線と第2巻線とが、対向部の断面形状において、第1巻線の凸部が第2巻線の凹部に対応するように、また第1巻線の凹部が第2巻線の凸部に対応するように、互いに異なる形状に巻回することができ、特殊形状のインシュレータとすることなくまた特殊仕様の巻線機を使用することなく隣接するティースで異なる巻線配列とすることができ、占積率(巻線密度)の向上や装置の小型化を図ることができるという効果を奏する。
図1は、回転電機の固定子を一部(ティース4個分)示す断面図である。 図2は、図1のC部分の拡大断面図であり、スロット1個分に巻装された巻線配列の様子を示す図である。 図3は、図2の1スロット分の巻線配列の巻線交錯部の巻線部を断面とする側面図である。 図4は、ティースに巻装された1層目と1層目の巻線配列を示す、ティース1個分の側面図である。 図5は、1層目から最終層まで巻線が重ねられてゆく工程を順を追って示す工程図である。 図6は、図5に示す各工程にて巻回される巻線を色分けして示す巻線配列の断面図である。 図7は、比較のために示す、図2に相当する、従来のスロット1個分に巻装された巻線配列の様子を示す図である。 図8は、比較のために示す、図3に相当する、従来の1スロット分の巻線配列の巻線交錯部の巻線部を断面とする側面図である。
以下に、本発明にかかる回転電機の固定子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態
図1は、回転電機の固定子を一部(ティース4個分)示す断面図である。図2は、図1のC部分の拡大断面図であり、スロット1個分に巻装された巻線配列の様子を示す図である。図3は、図2の1スロット分の巻線配列の巻線交錯部の巻線部を断面とする側面図である。図4は、ティースに巻装された1層目と1層目の巻線配列を示す、ティース1個分の側面図である。なお、図1は、ティース4個分の固定子を示すが、全体では12個のティースを有している。
固定子50は、回転軸芯に向けて放射方向に複数のティース10を有している。複数のティース10は、根元側端部をコアバック13にリング状に連結されている。隣接するティース10間にスロット15が形成されている。ティース10の先端部両側に鍔部11が突出して形成されている。隣接する鍔部11,11間にスロット入口が形成されている。スロット15の内部の内の空間は、放射方向に延びる境界面16にてテーパ形状に仮想的に2分割されている。そして、境界面16にて2分割されたスロット15の内部の空間を含んで、各ティース10の周囲に巻線20が巻回される巻線領域が形成されている。各ティース10の巻線領域にインシュレータ12を介して巻線20が巻回されている。
1つおきに設けられた第1ティース10(10A)に第1巻線20(20A)が巻回され、第1ティース10Aに挟まれた第2ティース10(10B)に第2巻線20(20B)が巻回されている。第1巻線20Aと第2巻線20Bが最も接近できる距離が最小絶縁距離Dである。つまり、第1巻線20Aと第2巻線20Bとは、最も近づいた箇所でも最小絶縁距離Dだけ離れている。
図7は、比較のために示す図2に相当の従来のスロット1個分に巻装された巻線配列の様子を示す図である。図8は、比較のために示す図3に相当の従来の1スロット分の巻線配列の巻線交錯部の巻線部を断面とする側面図である。従来の巻線120は、隣接するティース10が同じ巻線配列にて巻回されていた。そのため、相互の巻線120の凸部と凸部とが向かい合う位置となり、また、凹部と凹部とが向かい合う位置となり、凹部と凹部との間に無駄な空間が形成されていた。
本実施の形態の固定子50によれば、上記のように対向部の断面形状において、第1巻線20Aの凸部が第2巻線20Bの凹部に対応するように、また第1巻線20Aの凹部が第2巻線20Bの凸部に対応するように、互いに異なる形状に巻回されている。そして、互いの凹凸は、所定の間隔を保ちながら互いに噛み合うように配置されている。すなわち、本実施の形態の巻線配列方法を適用することで、図2のように隣接する巻線20,20で所定の間隔を保ちながら互いに噛み合うような異なる巻線配列となり、従来の巻線配列(図7)と比較し巻線占積率、電動機効率の向上、および必要絶縁距離の確保が可能となる。また、図3のように従来の巻線配列(図8)よりも巻層数を電動機軸方向へ減少でき、電動機軸方向の寸法を短縮することが出来る。
隣接するティースで異なる巻線配列とする場合、従来は巻線する対象(インシュレータなど)を特殊形状にしたり、特殊巻線機の対応が必要であったりしたため、多品種生産の困難や高コストが課題であった。本実施の形態では、汎用品で対応が可能となるため、多品種生産が容易で低コスト化を図ることができる。
また、本実施の形態の巻線配列方法を適用することで、巻終位置は必ずコアバック13側となるため、結線や、隣接するティース10,10間への渡り処理の容易化が可能で、連続巻線処理により巻線時間の短縮(コスト低減)を実現することが出来る。
さらにまた、本実施の形態の巻線配列方法を適用することで巻線整列性が向上する。図4(a)は、ティースに巻装された1層目の巻線配列を示す、図4(b)は、ティースに巻装された1層目と2層目の巻線配列を示す、図4に示すように、ティース10の短辺部で巻線が交錯することとなり、巻き重ねる巻線が必ず接触し巻線整列性が向上する。
次に、図5と図6により本実施の形態の固定子50の手順を説明する。図5においては、1層目から最終層まで巻線が重ねられてゆく工程を順を追って示す。図6においては、各工程にて巻回される巻線をハッチングの模様を変えて示している。図6中のかっこ付きの数字は層の列番号である。
上記のように構成された固定子50は、以下のようにして第1ティース10Aと第2ティース10Bに第1巻線20Aと第2巻線20Bとを巻回される。前提として、ティース10の根元部(コアバック13側)側から鍔部11方向にm番目のm層を巻き進め所定の位置を折返し位置として折返し、m層の上にm+1層を巻き戻す1往復の巻線を1セットとする。
(1)まず、第1ティース10Aに、図5の(a)のように矢印E1、E2、E3の順で1セットが巻回される。鍔部に至った巻線Uを折返し位置として巻き戻され、図6に示す1層目と2層目が巻回される。
(2)次に、同じようにして、第2ティース10Bに、図5の(b)のように矢印F1、F2、F3の順で1セット(図6に示す1層目と2層目)が巻回される。
上記(2)(1)を繰り返して巻き進める。すなわち、各ティース10を渡りながら、各ティース10に1層目と2層目が、巻き終わると、引き続き各ティース10に1セット(3層目と4層目)を巻回する。このようにして、第1ティース10Aから各ティースを渡りながら各巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆく。なお、第1巻線20Aと第2巻線Bの電気的な接続をする渡り線は、巻線をそのまま引き出されて渡り線とする。
(3)上記のように、巻線を巻き重ねてゆき、第1巻線20Aの5層を図5の(c)の矢印G1のように巻き進める際、次の6層の巻線が境界面16を達するものであれば、その位置を折返し位置(巻線Uの位置)として、矢印G2、G3のように6層を根元部まで巻き戻す。なお、巻線領域の深さと巻線の直径とからどの巻線が折り返し位置となるか、設計の段階でわかるので、この位置を巻線機にセットしておく。このようにして、第1ティース10Aに、図6に示す5層目、6層目が巻回される。
なお、上記(3)の工程においては、折返し位置の巻線Uは、境界面16を達するとともに、第2巻線20Bとの距離が最小絶縁距離Dの位置となるが、いずれか一方の条件でも折り返すようにする。
(4)第2ティース10Bに渡り、境界面16に達するか第1巻線20Aとの距離が最小絶縁距離となるかを考慮しながら、第1巻線20Aの5層目、6層目と概略同じ巻き数tなるように1セット以上を巻回する。具体的には、図5の(d)のように矢印H1、H2、H3、I1、I2、I3、の順で2セットを巻回する。これにより、第2巻線20Bに図6に示す5層目〜8層目が巻回される。そして、必要に応じて上記(3)(4)を繰り返す。
(5)最後に、第1ティース10Aにおいて、最終層にて第1巻線20Aと第2巻線20Bと巻数が合うように巻数を調整して巻線を巻回する。具体的には、図5の(e)のように矢印K1、K2、K3の順での順で1セット(図6に示す7層目、8層目)が巻回されて巻線が完了する。
上記のように、巻線は、境界面16に達するか第1巻線20Aとの距離が最小絶縁距離となるかを考慮しながら、第1巻線20Aと第2巻線20Bと巻数が合うように巻数を調整して巻回されるが、巻き戻す層の巻線の巻き数は前層の巻数と同数もしくは±1巻きとする。
(例)1層目の巻数=2巻目の巻数
(例)5層目の巻数=6層目の巻数+1巻き
以上のように、本実施の形態の固定子50によれば、1つおきに設けられた第1ティース10Aに第1巻線20Aが巻回され、第1ティース10Aに挟まれた第2ティース10Bに第2巻線20Bが巻回されている。そして、スロット15内の空間を放射方向に断面テーパ状に2分割する面が境界面16とされ、第1巻線20Aと第2巻線20Bが最も接近できる距離が最小絶縁距離Dとされ、断面テーパ状の幅の広いティースの根元部側から幅の狭い鍔部11方向にm層を巻き進め所定の位置にて折返しm層に重ねてm+1層を巻き戻す巻線を1セットとして、各ティースを渡りながら巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆく。
そして、第1巻線20Aのn層で境界面16を超えるかあるいは第2巻線20Bとの距離が最小絶縁距離Dに達すると、その位置を折返し位置としてn+1層を根元部まで巻き戻し第2ティース10Bに渡り、第2巻線20Bのn層で境界面16を超えるかあるいは第1巻線20Aとの距離が最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置として巻き戻し、これを1セット以上繰り返し、第1ティース10Aに渡り、最終層にて第2巻線20Bと巻数が合うように巻数を調整して巻回する。
そのため、境界面16を超えるかあるいは最小絶縁距離Dに達すると、その位置を折返し位置として巻き戻すという簡単な手順により、第1巻線20Aと第2巻線20Bとが、対向部の断面形状において、第1巻線20Aの凸部が第2巻線20Bの凹部に対応するように、また第1巻線20Aの凹部が第2巻線20Bの凸部に対応するように、互いに異なる形状に巻回することができ、特殊形状のインシュレータとすることなくまた特殊仕様の巻線機を使用することなく隣接するティース10で異なる巻線配列とすることができ、占積率(巻線密度)の向上や装置の小型化を図ることができる。
なお、巻線をどこまで巻き戻すかについては、本実施の形態のように、全てティース10の根元部(コアバック13側)までとすることが理想であるが、完全に根元部に至らずとも、根元部近傍まで巻き戻すことで、概略同様な効果を得ることができる。
なお、本実施の形態において、第1ティース10Aに第2巻線20Bを巻回し、第2ティース10Bに第1巻線20Aを巻回するようにしてもよい。
以上のように、本発明にかかる回転電機の固定子及びその巻線方法は、例えば、自動車等に搭載される交流発電機や始動電動機などの回転電機に適している。
10 ティース
10A 第1ティース
10B 第2ティース
11 鍔部
12 インシュレータ
13 コアバック
15 スロット
16 境界面
20 巻線
20A 第1巻線
20B 第2巻線
D 最小絶縁距離

Claims (7)

  1. 回転軸芯に向けて放射方向に同一形状の複数のティースが根元側端部をコアバックにリング状に連結され、隣接する前記ティース間にスロットが形成され、前記ティースの先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する前記鍔部間にスロット入口が形成され、各ティースの周囲に巻線領域が形成され、各巻線領域に同一形状のインシュレータを介して、巻線が巻回された回転電機の固定子において、
    1つおきに設けられた第1ティースに第1巻線が巻回され、前記第1ティースに挟まれた第2ティースに第2巻線が巻回され、
    前記第1巻線と前記第2巻線とは、対向部の断面形状において、前記第1巻線の凸部が前記第2巻線の凹部に対応するように、また前記第1巻線の凹部が前記第2巻線の凸部に対応するように、互いに異なる形状に巻回されている
    ことを特徴とする回転電機の固定子。
  2. 前記スロット内の空間を放射方向に断面テーパ状に2分割する面が境界面とされ、
    前記第1巻線と前記第2巻線が最も接近できる距離が最小絶縁距離とされ、
    前記断面テーパ状の幅の広い前記ティースの根元部側から幅の狭い前記鍔部方向にm層を巻き進め所定の位置にて折返し前記m層に重ねてm+1層を巻き戻す巻線を1セットとして、各ティースを渡りながら前記巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆき、
    前記境界面を超えるかあるいは前記第2巻線との距離が前記最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置としてn+1層を巻き戻すように巻回されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の回転電機の固定子。
  3. 前記第1巻線のn層で前記境界面を超えるかあるいは前記第2巻線との距離が前記最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置としてn+1層を根元部まで巻き戻し
    前記第2ティースに渡り、前記第2巻線のn層で前記境界面を超えるかあるいは前記第1巻線との距離が前記最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置として巻き戻し、これを1セット以上繰り返し、
    前記第1ティースに渡り、最終層にて第2巻線と巻数が合うように巻数を調整して巻回されている
    ことを特徴とする請求項2に記載の回転電機の固定子。
  4. 回転軸芯に向けて放射方向に同一形状の複数のティースが根元側端部をコアバックにリング状に連結され、隣接する前記ティース間にスロットが形成され、前記ティースの先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する前記鍔部間にスロット入口が形成され、各ティースの周囲に巻線領域が形成され、各巻線領域に同一形状のインシュレータを介して、巻線が巻回された回転電機の固定子において、
    1つおきに設けられた第1ティースに第1巻線が巻回され、前記第1ティースに挟まれた第2ティースに第2巻線が巻回され、
    前記スロット内の空間を放射方向に断面テーパ状に2分割する面が境界面とされ、
    前記第1巻線と前記第2巻線が最も接近できる距離が最小絶縁距離とされ、
    前記断面テーパ状の幅の広い前記ティースの根元部側から幅の狭い前記鍔部方向にm層を巻き進め所定の位置にて折返し前記m層に重ねてm+1層を巻き戻す巻線を1セットとして、各ティースを渡りながら前記巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆき、
    前記第1巻線のn層で前記境界面を超えるかあるいは前記第2巻線との距離が前記最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置としてn+1層を根元部まで巻き戻し
    前記第2ティースに渡り、前記第2巻線のn層で前記境界面を超えるかあるいは前記第1巻線との距離が前記最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置として巻き戻し、これを1セット以上繰り返し、
    前記第1ティースに渡り、最終層にて第2巻線と巻数が合うように巻数を調整して巻回されている
    ことを特徴とする回転電機の固定子。
  5. 前記折返し位置にて折り返される巻線は、全て前記ティースの根元部まで巻き戻されている
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
  6. 前記第1巻線と前記第2巻線の電気的接続をする渡り線は、巻線がそのまま用いられている
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
  7. 回転軸芯に向けて放射方向に同一形状の複数のティースが根元側端部をコアバックにリング状に連結され、隣接する前記ティース間にスロットが形成され、前記ティースの先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する前記鍔部間にスロット入口が形成され、各ティースの周囲に巻線領域が形成され、各巻線領域に同一形状のインシュレータを介して、巻線が巻回された回転電機の固定子の巻線方法において、
    1つおきに設けられた第1ティースに第1巻線を巻回し、前記第1ティースに挟まれた第2ティースに第2巻線を巻回し、
    前記スロット内の空間を放射方向に断面テーパ状に2分割する面を境界面とし、
    前記第1巻線と前記第2巻線が最も接近できる距離を最小絶縁距離とし、
    前記断面テーパ状の幅の広い前記ティースの根元部側から幅の狭い前記鍔部方向にm層を巻き進め所定の位置にて折返し前記m層に重ねてm+1層を巻き戻す巻線を1セットとして、各ティースを渡りながら前記巻線領域に1セットずつ巻線を巻回してゆき、
    前記第1巻線のn層で前記境界面を超えるかあるいは前記第2巻線との距離が前記最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置としてn+1層を根元部まで巻き戻し
    前記第2ティースに渡り、前記第2巻線のn層で前記境界面を超えるかあるいは前記第1巻線との距離が前記最小絶縁距離に達すると、その位置を折返し位置として巻き戻し、これを1セット以上繰り返し、
    前記第1ティースに渡り、最終層にて第2巻線と巻数が合うように巻数を調整して巻回する
    ことを特徴とする回転電機の固定子の巻線方法。
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