JPWO2016021451A1 - 回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機 - Google Patents

Abstract

固定子コイルのコイルエンドにおける隣接導体間の干渉を避けつつ、コイルエンドの高さを抑えた回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供する。複数のスロット（１０５）を有する固定子コア（１０１）と、スロットに挿入された固定子コイル（１０２）とを備える回転電機の固定子（１００）であって、固定子コイルが、第１の導体と同じレイヤーに配置され、かつ、当該第１の導体と隣接するスロットに挿入される２つ以上の導体とを有し、外径へのコイル突出部の形状が円弧を描くように構成されることを特徴とする。

Description

本発明は、モータや発電機等の回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１１−２３４４８２号公報（特許文献１）がある。この公報には、「固定子コイルのコイルエンドの大型化を抑制しつつ、固定子コイルを構成する導線の絶縁皮膜へのダメージを軽減し得るようにした回転電機の固定子を提供する。導線のターン部は、第１スロットから固定子コアの軸方向と平行な方向に突出する突出部と、突出部の先端から周方向に屈曲する第１屈曲部を介して第１スロットから所定間隔（１磁極ピッチ）離れた第ｋスロット（他方のスロット）に向けて９０度未満の角度で斜めに延びるスロープ部と、スロープ部の先端から固定子コアの軸方向と平行な方向に屈曲し第ｋスロットに収容されたスロット収容部に繋がる第２屈曲部とからなる。これにより、ターン部は、屈曲部が２箇所に形成され、周方向において非対称な形状にされている」と記載されている（要約参照）。

特開２０１１−２３４４８２号公報

しかし、特許文献１に示される技術では、固定子コイルの線径が大きくなると、第１スロットから第２スロットに移行する際に隣接するコイル同士が干渉し易くなってしまう。干渉を避けるためにはスロット移行の際に導線を多く屈曲させる必要があるが、コイル表面を被覆している絶縁被膜を損傷し易くなる虞がある。この対策として絶縁被膜を厚くすると、スロット内の導体占積率が小さくなり、効率が低下する上に隣接導体間の干渉により低コイルエンド化が難しくなってしまうという課題があった。

そこで本発明は、固定子コイルのコイルエンドにおける隣接導体間の干渉を避けつつ、コイルエンドの高さを抑えた回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数のスロットを有する固定子コアと、前記スロットに挿入された固定子コイルとを備える回転電機の固定子であって、前記固定子コイルが、第１の導体と同じレイヤーに配置され、かつ、当該第１の導体と隣接するスロットに挿入される２つ以上の導体とを有し、外径へのコイル突出部の形状が円弧を描くように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、固定子コイルのコイルエンドにおける隣接導体間の干渉を避けつつ、コイルエンドの高さを抑えた回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

ハイブリッド電気自動車のブロック図。 本発明の実施例に係る回転電機の断面図。 回転電機の固定子の外観図を示す図。 一つのスロットに入るコイルの概略を示す図。 固定子コアにコイルを挿入した状態を内径側から見た図。 本発明の一実施例における回転電機の固定子の外観を示す図。 従来の回転電機の固定子の外観を示す図。 本実施例の固定子を軸方向に垂直に見た図。 従来の固定子コイルを示した図。 実施例の固定子コイルを示す斜視図。 実施例の固定子コイルを示す図。 実施例の固定子コイルを組み合わせた状態を示す図。

以下、本発明の実施例を説明する。

以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリッド電気自動車用の回転電機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）を指す。

まず、実施例の概要を説明する。

ここで説明する実施例は、回転電機の固定子のコイル構造に関するものである。回転電機は、大きく分けて、円筒状をなす固定子と、この固定子の内周側に所定の間隙を隔てて配置された回転子とにより構成される。

固定子は、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有するものであって、円筒状をなす固定子コアと、この固定子コアに巻かれた複数本の固定子コイルと、を有している。固定子コアには、固定子コイルを収容するため、軸方向に貫通するとともに周方向に配列された複数のスロットが形成されている。各固定子コイルは、各スロット内に収容配置された多数の導体を電気的に接続することにより構成されており、スロット内を軸方向に延在しつつ、スロットの軸方向一端より引き出された引出し線部によって、複数の磁極に対応するように、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロットに跨って延在している。各固定子コイルは所定の周方向ピッチで離間する際に、レイヤーを移行するためのクランク部を持ち、隣接するスロットから引き出されたコイル同士が干渉しないよう構成されている。

そして本実施例では、上記複数相の固定子コイルのレイヤー移行のためのクランク部の他に径方向外側から径方向内側へ曲げ戻る屈曲部を設ける。上記曲げ戻し屈曲部が隣接するコイル間の干渉を避ける距離を大きくできることで、軸方向高さを下げることができるため、低コイルエンド化を実現し、ミッション部等の他の機器との隙間を確保することができる。

次に、図面を用いて実施例を詳述する。

図１は、本発明の実施例に係る回転電機を搭載したハイブリッド電気自動車のブロック図である。車両１には、車両動力源としてのエンジン２と回転電機３とが搭載されている。なお、役割の異なる２つの回転電機を併用するようにしても良く、この場合、一方の回転電機は発電及び車両の駆動の双方を行い、他方の回転電機は車両の駆動を担う。

エンジン２および回転電機３による回転トルクは、無段変速機や有段自動変速機等の変速機４と、ディファレンシャルギア５と、を介して車輪（駆動輪）６に伝達される。回転電機３は、エンジン２と変速機４の間、もしくは変速機４の中に搭載される。従って、回転電機３は、車両１に対するスペースの影響を最小限とするため、小型高出力が要求される。

図２は、上記の回転電機３を簡略的に示す一部断面図であり、シャフト２０１を挟んで左側の領域を断面で示し、右側の領域を側面図として示している。回転電機３はケース７の内部に収容配置されている。ここで、図１に示すように回転電機３がエンジン２と変速機４の間に配置される構成の場合、ケース７はエンジン２のケースや変速機４のケースを利用して構成される。また、回転電機３が変速機４の中に搭載される場合には、ケース７が変速機４のケースを利用して構成される。

回転電機３は、固定子１００と回転子２００とを備えている。回転子２００は、固定子１００の内周側に隙間１１を介して配置される。回転子２００はシャフト２０１に固定されており、このシャフト２０１と一体的に回転する。シャフト２０１の両端は軸受２０２Ａ、２０２Ｂよってケース７に回転可能に支持されている。固定子１００は、その外周側がボルト１２等を用いてケース７の内周側に固定されている。この回転電機３は、回転子２００に永久磁石を有する３相同期型の電動機であり、固定子１００に大電流（例えば３００Ａ程度）の３相交流が供給されることで電動機として作動する。

図３は、回転電機１の固定子１００を単体で示す斜視図であり、図４は、各スロット１０５の内部を示す断面図である。

図３及び図４に示すように、この固定子１００は、複数のスロット１０５が内周側に形成された固定子コア（固定子鉄心とも呼ぶ）１０１と、この固定子コア１０１に巻かれるＵ相，Ｖ相，及びＷ相に対応した３本の固定子コイル１０２と、を有している。スロット１０５は、軸方向に貫通形成されるとともに、所定の周方向ピッチで周方向に等間隔おきに配列されており、内周側には軸方向に延びるスリット１０８が開口形成されている。

各固定子コイル１０２は、後述するように、スロット１０５に挿入・保持される多数の導体１０６を有している。そして、同一のスロット１０５内で隣り合う導体１０６同士が、固定子コア１０１の軸方向一端側（図３の下端側）に設けられた溶接部１０４で互いに溶接されることによって、複数の導体１０６が溶接部１０４で電気的に接続された長尺な固定子コイル１０２が構成されている。各スロット１０５内には絶縁紙１０３が挿入され、この絶縁紙１０３によって、導体１０６のスロット１０５内を挿通する直線部と固定子コア１０１との間が絶縁されている。図４に示すように、絶縁紙１０３は、各スロット１０５内に配列される４つの導体１０６のうち、隣り合う２つの導体１０６を束ねるように設けられており、つまり各スロット１０５に２つの絶縁紙１０３が設けられている。

各固定子コイル１０２は、スロット１０５の軸方向一端より引き出された略Ｕ字状もしくは略Ｖ字状をなす引出し線部１０７によって、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロット１０５に跨って延在している。そして、複数の固定子コイル１０２によって、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極が生成されている。

図４に示すように、スロット１０５に挿入される導体１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄの４本は、同心円状のレイヤーをなすように固定子コア１０１の径方向に一列に配置されている。導体１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄが各スロット１０５に挿入される位置を、内径方向から順に、第１レイヤー，第２レイヤー，第３レイヤー，第４レイヤーとする。つまり、導体１０６ａは第１レイヤー、導体１０６ｂは第２レイヤー、導体１０６ｃは第３レイヤー、導体１０６ｄは第４レイヤーに配置・挿入されている。

図３、図４に示す本実施例においては固定子コイル１０２が第１レイヤーから第２レイヤーに移行する際及び、第３レイヤーから第４レイヤーに移行する際にねじりを伴うクランク部１０９を持つ。ただし、このレイヤー間移行の際のねじりは必須ではない。

図５は固定子コアにコイルを挿入した状態を内径側から見た図である。

固定子コイル１０２を構成する各導体１０６は、図４、図５にも示すように、断面角型コイルである。各導体１０６は、スロット１０５内を軸方向に貫通する直線部１１０を有するとともに、スロット１０５の軸方向一端（図３の上端）から引き出される一方の引出し線部１０７がＵ字状又はＶ字状に形成されて、両端に接合部１０４を有する銅線で構成されている。ここで、導体１０６のうち、スロット１０５から引き出され、コイルエンド部を構成する部位をコイルエンド導体部３００と呼称する。コイルエンド導体部３００の詳細な構造は後述する。

導体１０６としてセグメントコイルを用いることもできる。この場合には、セグメントコイルをスロット１０４に挿通する前に、固定子コア１０１の端部より軸方向両端に位置するコイルエンドを予め成形することができ、異相間もしくは同相間に適切な絶縁距離を容易に設けることができる。

図６は本実施例の固定子の外観を示す図であり、図７は従来の固定子の外観を示す図である。

固定子１００を軸方向から見た場合の導体１０６はある一定半径Ｒの円周上に配置される。図６に示すように、本実施例における導体１０６の外径は滑らかな円弧を描く成形形状を持った構成であり、図７に示すように従来の導体１０６の外径は外径線に対して波状の成形形状Ｗを持った構成である。更に、導体１０６は隣接する導体間の交差する時に生じる隙間１１１が平行四辺形となるように形成されることにより、線径が大きい場合でも隣接導体間の隙間を大きくとることができ、適切な絶縁距離を確保することが可能となる。

図８は本実施例の固定子１００を軸方向に垂直に見た図である。固定子コアから引き出された導体１０６は外径方向（図８の左右方向）に広がりつつ、軸方向（図８の上下方向）に対して並行になるような略台形形状を形成する。この結果、コイルエンド部における外径方向への突出を最小限に抑制することができ、回転電機の小型・省スペース化を実現できる。さらに、電動機を冷却する際には、トランスミッションオイルによる直接冷却や、固定子外側に組み付けたハウジングに水路や空気の流れによる間接冷却を行うが、コイルエンド外径方向に平面形状１１２を設けることで、上記冷却部材の流れを良くし、冷却効果を高めることができる。

図９は固定子コイル１０２を構成する導体１０６の、コイルエンド導体部３００における従来の構成を示した図であり、図１０〜図１２は本実施例でのコイルエンド導体部３００を示した図である。図９、図１０に示すように、それぞれのコイルエンド導体部３００はスロットから軸方向に延伸する直線部１１０を両端に持ち、それぞれ軸方向の斜行部３０１に繋がるための屈曲部３０２を形成し、斜行部頂点にレイヤー移行のためのクランク部３０３を形成する形状である。図９では、斜行部３０１からクランク部３０２の間に線径の幅、もしくは線径幅以上が外径に突出することのない形状となっている。本実施例を示した図１０では、斜行部３０１からクランク部３０３の間に外径から内径もしくは、内径から外径に線径の幅だけ径方向に移行し曲げ戻る屈曲部３０５を持った形状で形成される。

図１１に示すように、導体１０６の軸方向に貫通する直線部１１０から斜行部３０１への軸方向接続角度３０４はクランク部３０３を中心にした際、両端で同一となる形状であり、コイルエンド導体部３００は斜行部３０１から斜行部頂点のクランク部３０３までの間で軸方向に屈曲部を持たない形状である。

図１２に示すように、コイルエンド導体部３００は軸方向高さの変わる斜行部３０１を持ち、斜行部３０１の途中に設けた径方向屈曲部３０５が、隣接する別のコイルエンド導体部３００の斜行部３０１と径方向に隣接する構成となる。

この結果、固定子コア外径方向へのコイルエンド部の突出を最小限に抑制しつつ、隣接する固定子コイルとの干渉を避けられるため、線径に関係なくコイルエンド高さを低減できる効果を得る。

以上説明したごとく、本発明によれば、車両用回転電機の固定子におけるセグメントコイルにおいて軸方向に設けた曲げ部は頂点部１つとスロット根元部２箇所としつつ、固定子コア外径方向に設けた外径方向に曲げた１段目の屈曲部だけでなく、外径から内径方向に曲げ戻す２段目以上の屈曲部を持たせる。この構成によりコア外径方向へのコイルエンド部の突出を最小限に抑制し、更に隣接コイルとの干渉を避けられるため、線径に関係なくコイルエンド高さを低減できることを特徴とする回転電機の固定子構造を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：車両
２：エンジン
３：回転電機
４：変速機
５：ディファレンシャルギア
６：車輪
７：ケース
１００：固定子
１０１：固定子コア
１０２：固定子コイル
１０３：絶縁紙
１０４：導体溶接部
１０５：スロット
１０６，１０６ａ〜ｄ：導体
１０７：Ｕ字またはＶ字に成形された導体引き出し部
１０８：スロットに設けたスリット部
１０９：クランク部
１１０：スロット内の導体直線部
１１１：導体間の交差する時に生じる隙間
１１２：コイルエンド外径の平面形状
２００：回転子
２０１：シャフト
２０２Ａ、２０２Ｂ：軸受
３００：コイルエンド導体部
３０１：斜行部
３０２：導体斜行部と直線部の屈曲部
３０３：固定子コイルレイヤー移行のためのクランク部
３０４：導体斜行部と直線部の屈曲部の接続角度
３０５：斜行部に設けた径方向屈曲部

Claims (11)

1. 複数のスロットを有する固定子コアと、
   前記スロットに挿入された固定子コイルとを備える回転電機の固定子であって、
   前記固定子コイルが、第１の導体と同じレイヤーに配置され、かつ、当該第１の導体と隣接するスロットに挿入される２つ以上の導体とを有し、外径へのコイル突出部の形状が円弧を描くように構成されている回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   前記固定子コイルのコイルエンド部において、２つのスロット挿入部の間に、レイヤーを移行するクランク部の他に、径方向外側から径方向内側へ曲げ戻る屈曲部、又は径方向内側から径方向外側へ曲げ戻る屈曲部を有する回転電機の固定子。
3. 分布巻の固定子コイルを備える回転電機の固定子において、
   前記固定子コイルのコイルエンド導体部が、レイヤーを移行するクランク部の他に、径方向外側から径方向内側へ曲げ戻る屈曲部、又は径方向内側から径方向外側へ曲げ戻る屈曲部を有する回転電機の固定子。
4. 請求項１又は３に記載の回転電機の固定子において、
   前記固定子コイルが、前記屈曲部を有する第１の導体と、
   前記第１の導体と同じレイヤーに配置され、かつ、当該第１の導体と隣接するスロットに挿入される第２の導体とを有し、
   前記第１の導体の屈曲部の径方向内側を、前記第２の導体が通過している回転電機の固定子。
5. 請求項４に記載の回転電機の固定子において、
   前記第１の導体と前記第２の導体とのそれぞれが、軸方向高さの変わる斜行部を有し、
   前記第１の導体において、前記屈曲部が、前記斜行部に配置され、当該屈曲部と、前記第２の導体の斜行部とが径方向に隣接している回転電機の固定子。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
   断面形状が角型であることを特徴とする回転電機の固定子。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
   コイル端末部を溶接していることを特徴とする回転電機の固定子。
8. 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
   前記固定子コアの全周に渡り、連続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。
9. 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
   前記レイヤーを移行するクランク部にねじりを伴うことを特徴とする回転電機の固定子。
10. 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
    固定子コアから引き出された固定子コイルが外径方向に広がる形状であり、軸方向に対して並行になるような略台形形状を形成することを特徴とする回転電機の固定子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の回転電機の固定子を備える回転電機。

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