JPWO2014068695A1 - 回転電機のコイルおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機に用いられるエッジワイズ型コイルのコイルエンド側および非コイルエンド側に形成された曲げによる内周の膨らみの重なりを解消する。エッジワイズ型コイルの曲げ位置がコイルエンド側において、奇数番目に巻かれた導体と偶数番目に巻かれた導体とで異なり、さらに、非コイルエンド側においても、コイルの積層方向で隣合うコイル同士の曲げ位置をずらせ、曲げ加工に伴うコイル内周部の膨らみの重なりを防止したものである。

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、その固定子を構成するエッジワイズ型コイルの改良に関するものである。

従来のエッジワイズ型コイルにおいては、巻回されたエッジワイズ型コイルのコイルエンド側のみの高さを変えることにより、曲げによる内周側の膨らみがコイル同士で重ならないように配置するものが知られている。（例えば、特許文献1参照）

特許第４５８３７９８号公報

しかしながら、特許文献１に示される従来のエッジワイズ型コイルの配置では、エッジワイズ型コイルの非コイルエンド側に形成された曲げによる内周の膨らみの重なりを回避することができず、コイルの積層方向の厚みが増大することになっていた。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、エッジワイズ型コイルのコイルエンド側だけでなく、非コイルエンド側においてもコイル曲げ位置をずらすことによって、コイル曲げ部の内側に形成される膨らみ部の重なりを解消し、結果としてエッジワイズ型コイルの小型化とコイルの放熱性の向上を目的とするものである。

この発明に係る回転電機においては、エッジワイズ型コイルの曲げ位置がコイルエンド側において、奇数番目に巻かれた導体と偶数番目に巻かれた導体とで異なり、さらに、非コイルエンド側においても、コイルの積層方向で隣合うコイル同士の曲げ位置を変化させるように構成したものである。

この発明によれば、エッジワイズ型コイルの曲げ位置をコイルエンド側だけでなく、非コイルエンド側も変化させることによって、エッジワイズ曲げによる導体内周の膨らみ部の重なりをより確実に回避することができ、巻線の小型化と放熱性を向上させることができる。

この発明を適用した回転電機の概略を示す断面図である。 この発明の実施の形態1である回転電機の固定子の一部構成を示す概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 この発明の実施の形態１に係るエッジワイズ型コイルの巻線工程を説明する概略図である。 図２におけるＸ−Ｘ線およびＹ−Ｙ線に沿った断面を示す概略図である。 この発明の実施の形態１に係るコイルを適用した回転電機を示す概略図である。 この発明の実施の形態２である回転電機のコイルを示す概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 この発明の実施の形態２に係るコイルを適用した回転電機を示す概略図である。 この発明の実施の形態３である回転電機のコイルを示す概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。

実施の形態１．
以下、本発明を実施の形態１である図面を参照して説明する。
図１は、この発明を適用した回転電機の概略を示す断面図である。
図において、回転電機は、筒状のセンターフレーム１と、このセンターフレーム１の負荷側および反負荷側の両側面に取り付けられたフロントフレーム２およびリアフレーム３とを有し、センターフレーム１の内周面には円環状に形成された固定子４が嵌合されている。また、固定子４の反負荷側の端面にＵＶＷ各相に給電するバスバー５がバスバーホルダを介して取り付けられている。さらに、フロントフレーム２およびリアフレーム３には、負荷側軸受け６および反負荷側軸受け７が設けられ、これらの軸受け６、７によって回転軸８を支持し、かつ、この回転軸８に固定された回転子９を固定子４に対向配置して回転可能に支持している。

図２は、このような回転電機に適用するこの発明の実施の形態１である固定子４の一部構成を示す概略図である。
図において、固定子４の鉄心１０は、電磁鋼鈑などの磁性を有する薄い鋼板を積層して形成され、この鉄心１０には、コイルボビン１１および絶縁紙１２を介して固定子コイル１３が巻装されている。この固定子コイル１３の素線は、厚さに対して幅の割合が大きい帯状の銅線が用いられ、かつ、その表面には絶縁体が被覆されており、この帯状の素線を幅方向に曲げて、いわゆるエッジワイズ型のコイルが形成されている。このコイル１３は、四隅に曲げ部を有し、概ね四角形状に巻回されており、回転電機の回転軸８に垂直に交差するコイルエンド部１３Ａと回転軸に平行な非コイルエンド部１３Ｂとを有している。
このようなエッジワイズ型に巻回された複数のコイル１３を鉄心１０に円環状に嵌め込むことにより固定子４が形成される。

ところで、エッジワイズ型のコイルは、一般的に次のような工程によって加工されている。
すなわち、図３（a）に示すように、固定された支持部材２１と可動部材２２間に帯状の素線２０を当接させて移動させ、所定の位置において、図３（ｂ）に示すように、一方を固定部材２３によって固定保持した状態で可動部材２２を軌跡Ａに沿って移動させることにより、支持部材２１に巻きつけるようにして曲げ部が形成される。次に、図３（ｃ）に示すように、可動部材２２を元の位置に戻すとともに、固定部材２３の固定を解放して素線２０を図中矢印方向に送り出し、その後、次の曲げ点が支持部材２１に到達すると、送りを停止して上述の曲げ加工を行ない、このような工程を繰り返して所定の巻数のエッジワイズ型コイル１３が形成されることになる。

このようなエッジワイズ型コイル１３においては、一般に帯状の素線２０を片側を固定して曲げるため、部材に偏りが生じることになり、この偏りは、図３（ｃ）に、２０Ａで示すように、曲げ始め時に対して曲げ終わり時における膨らみの方が大きくなることが知られている。

したがって、本発明の実施の形態１においては、エッジワイズ型のコイル１３のコイルエンド部１３Ａ側を、第１の曲げ部とこの第１の曲げ部に隣接して積層される第２の曲げ部とをターン毎に巻線の高さが互い違いになるように導体の曲げ位置を変化させ、かつ、巻線の非コイルエンド部１３Ｂ側を、回転子９中心から径方向外側へ行くに従って曲げ位置がテーパー状に広がるように変化させている。
すなわち、コイルエンド部１３Ａ側の巻線終了時の形状（図２のＸ−Ｘ断面）は、図４（ａ）に示すように奇数番目に巻かれたターン同士はほぼ同じ高さとなり、同様に偶数番目に巻かれたターン同士は、奇数番目の高さと異なるほぼ同じ高さに巻回され、一方、非コイルエンド部１３Ｂ側の形状（図２のＹ−Ｙ断面）は、図４（ｂ）に示すように順次広がるように構成されている。

このように構成することによって、コイルエンド部１３Ａ側に現れる曲げ膨らみ部の重なりと、非コイルエンド部１３Ｂ側に現れる曲げ膨らみ部の重なりとを回避することができ、巻線の厚みの減少に対して十分な効果を得ることが可能となる。
また、非コイルエンド部１３Ｂ側のコイル曲げ位置を、回転軸８の中心から半径方向外側へ拡がるテーパー状にずらすとともに、鉄心１０を同様にテーパー状に形成することによって、図４（ｂ）から明らかなように巻線の内周面を鉄心１０に絶縁紙１２を介して当接させることができ、コイル１３の放熱性を損なわずにコイル１３の厚みを効果的に減少させることができる。

また、上述のようなエッジワイズ型コイル１３においては、図５に示すようにセンターフレーム１に冷却水を循環させる通路１Ａを設け、コイル１３の発熱をコイル１３、固定子鉄心１０、フレーム１、冷却水の伝熱経路で外部へ放出する水冷構造の回転電機に好適である。
すなわち、非コイルエンド部１３Ｂをテーパー状に形成することによって、テーパー状のコイル内周がテーパー状の固定子鉄心１０に嵌り込むため、コイル１３と固定子鉄心１０を確実に当接させることができ、さらに、曲げ膨らみ部の重なりを回避してコイル同士の密着性を高めることによって、更なるコイル冷却性の向上が可能となる。

なお、従来のエッジワイズ型コイルでは、非コイルエンド側が整列した状態でコイルを予め巻回し、固定子鉄心に嵌め込むため、コイル内径と固定子鉄心の間に隙間を設定する必要があり、固定子鉄心への伝熱性が低下することになる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２である回転電機のコイルを示している。
この実施の形態２においては、コイルエンド部１３Ａに加えて非コイルエンド部１３Ｂも、奇数番目に巻かれたターン同士をほぼ同じ高さとし、偶数番目に巻かれたターン同士も奇数番目の高さと異なるほぼ同じ高さとして構成したものである。
このように構成することによっても、曲げ膨らみ部の重なりを回避することができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態２においては、電気自動車やハイブリッド式電気自動車で用いられる油冷構造において好適である。
図７はこのような回転電機の概略構造を示すもので、図において、フロントフレーム２にオイル配管１４を設け、コイルエンド部１３Ａ側から回転電機の軸方向に向けて冷媒となるオイルを噴出させるように構成したものである。このように構成することによって、図６（Ｃ）の矢印で示すように回転電機の軸方向に形成されたコイルエンド部１３Ｂの隙間に沿ってオイルが流れることになり、より積極的にオイルを複数のコイル１３の間に取り込むことができる。特に、回転電機の回転軸方向に長い固定子４においては、オイルとの接触面積を大きく取ることができ、かつ、隣り合う固定子のコイル１３との間に回転電機の回転軸方向に貫通した隙間を設けることができ、巻線の曲げ膨らみ部の重なりを回避した点と併せ、高い占積率と高い放熱性を両立させることができる。
なお、オイル配管１４は、リアフレーム３側あるいはフロントフレーム２およびリアフレーム３の両側に設けてもよい。
さらに、オイル配管１４に代えて、回転電機の内部にオイルを溜めておき、このオイルを回転子によって掻き揚げてコイルエンド部に供給するように構成してもよく、この場合においても同様にコイル間の隙間を伝ってコイルの奥まで給油させることができ、高い放熱性を確保することができる。

実施の形態３
図８は、この発明の実施の形態３である回転電機のコイルを示す概略構成図である。
図８においては、非コイルエンド部１３Ｂのコイル高さを、奇数番目と偶数番目の両方それぞれにおいて回転軸中心から半径方向外側へ拡がるような異なるテーパー状に構成しており、このように構成することによっても、曲げ膨らみ部の重なりを回避することができ、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。
なお、奇数番目と偶数番目の一方のみをテーパ状に形成しても同様な効果を得ることができる。

また、このような構成によれば、隣り合う固定子のコイルとの間に回転電機の回転軸方向に貫通した隙間を設けることができ、油冷構造を持つ回転電機に好適である。
すなわち、非コイルエンド１３Ｂ側の巻線の外形をテーパー状にすることによって、実施の形態２よりもさらに高い占積率の巻線が可能となる。

実施の形態４
以上のような実施の形態１〜３で説明したエッジワイズ型コイル１３を用い、このコイル部を熱伝導性に優れた樹脂でモールドして固定し、さらに、固定子鉄心１０と嵌り合う形状に成形された場合においても、コイルの積層方向の小型化、放熱面積の増加において同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、エッジワイズ型コイルの小型化と放熱性を向上させることができ、自動車などに用いられる回転電機として好適である。

１：センターフレーム ２：フロントフレーム ３：リアフレーム
４：固定子 ５：バスバー ６：負荷側軸受け
７：非負荷側軸受け ８：回転軸 ９：回転子
１０：鉄固定子心 １１：コイルボビン １２：絶縁紙
１３：コイル １３Ａ：コイルエンド部 １３Ｂ：非コイルエンド部
２０：素線 ２０Ａ：曲げ膨らみ部 ２１：支持部材
２２：可動部材

したがって、本発明の実施の形態１においては、エッジワイズ型のコイル１３のコイルエンド部１３Ａ側を、第１の曲げ部とこの第１の曲げ部に隣接して積層される第２の曲げ部とをターン毎に巻線の高さが互い違いになるように導体の曲げ位置を変化させ、かつ、巻線の非コイルエンド部１３Ｂ側を、回転子９中心から径方向外側へ行くに従って曲げ位置がテーパー状に広がるように変化させている。
すなわち、コイルエンド部１３Ａ側の巻線終了時の形状（図２のＹ−Ｙ断面）は、図４（ａ）に示すように奇数番目に巻かれたターン同士はほぼ同じ高さとなり、同様に偶数番目に巻かれたターン同士は、奇数番目の高さと異なるほぼ同じ高さに巻回され、一方、非コイルエンド部１３Ｂ側の形状（図２のＸ−Ｘ断面）は、図４（ｂ）に示すように順次広がるように構成されている。

また、上述のようなエッジワイズ型コイル１３においては、図５に示すようにセンターフレーム１に冷却水を循環させる通路１Ａを設け、コイル１３の発熱をコイル１３、固定子鉄心１０、センターフレーム１、冷却水の伝熱経路で外部へ放出する水冷構造の回転電機に好適である。
すなわち、非コイルエンド部１３Ｂをテーパー状に形成することによって、テーパー状のコイル内周がテーパー状の固定子鉄心１０に嵌り込むため、コイル１３と固定子鉄心１０を確実に当接させることができ、さらに、曲げ膨らみ部の重なりを回避してコイル同士の密着性を高めることによって、更なるコイル冷却性の向上が可能となる。

１：センターフレーム ２：フロントフレーム ３：リアフレーム
４：固定子 ５：バスバー ６：負荷側軸受け
７：非負荷側軸受け ８：回転軸 ９：回転子
１０：固定子鉄心 １１：コイルボビン １２：絶縁紙
１３：コイル １３Ａ：コイルエンド部 １３Ｂ：非コイルエンド部
２０：素線 ２０Ａ：曲げ膨らみ部 ２１：支持部材
２２：可動部材

Claims (9)

1. 絶縁被覆された平板導体を幅方向に曲げて四角形状のエッジワイズ型コイルを構成する回転電機のコイルであって、
   前記曲げによりコイルエンド部および非コイルエンド部を構成する第１の曲げ部と、
   前記第１の曲げ部に隣接して積層され、コイルエンド部および非コイルエンド部を構成する第２の曲げ部とを有し、
   前記第１の曲げ部と前記第２の曲げ部の内側部分の位置をコイルエンド部と非コイルエンド部について平板導体の平面方向に相互にずれるように配置し、前記各内側部分において生じる膨らみ部分が隣接する平板導体同士で対向しないようにしたことを特徴とする回転電機のコイル。
2. 前記第１の曲げ部および前記第２の曲げ部が順次に積層された複数の巻線部を含み、
   前記非コイルエンド部において、前記巻線の曲げ位置が回転電機中心から半径方向外側へテーパー状に拡がるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のコイル。
3. 請求項２に記載の回転電機のコイルと、このコイルを固定する鉄心と、この鉄心を保持するセンターフレームとを備え、前記センターフレームに冷却水通路を設けたことを特徴とする回転電機。
4. 前記コイルの非コイルエンド部において、
   奇数番目の巻線部と偶数番目の巻線部は、曲げ位置を異ならせるとともに、少なくとも一部の外周の位置を異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のコイル。
5. 請求項４に記載の回転電機のコイルと、このコイルを固定する鉄心と、この鉄心を保持するセンターフレームと、このセンターフレームに結合されるフロントフレームおよびリアセンターフレームとを備え、前記センターフレーム、フロントフレームおよびリアセンターフレームからなるフレーム内部に冷却油を流通させる通路を設けたことを特徴とする回転電機。
6. 前記コイルの非コイルエンド部において、
   奇数番目の巻線部と偶数番目の巻線部は、少なくとも一部の外周の位置を異ならせ、かつ、奇数番目の巻線と偶数番目の巻線の両方あるいは少なくとも一方の曲げ位置を回転電機の回転軸から半径方向外側にテーパー状に拡がるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のコイル。
7. 前記コイルのコイルエンド部において、
   奇数番目の巻線部と偶数番目の巻線部は、曲げ位置を異ならせるとともに、前記奇数番目の巻線と偶数番目の巻線の少なくとも一部の外周の位置を異ならせたことを特徴とする請求項２または４に記載の回転電機のコイル。
8. 請求項１、２、４、６、７のいずれか１項に記載のコイルを備えたことを特徴とする回転電機。
9. 前記コイルの表面を熱伝導性に優れた樹脂でモールドして覆い、モールド内周側を固定子鉄心に当接させたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。

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