JPWO2017168971A1 - 回転電機の固定子及びそれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

接続側コイルエンドから３相の出力線を出す構成としながら、工程の簡略化が可能となる回転電機を提供することを目的とする。本発明に係る回転電機の固定子は、ステータコアの一方側に配置されかつスロットに対して同一のスロットピッチで接続され接続側巻線部と、前記ステータコアの他方側に配置されかつスロットに対して複数種のスロットピッチで挿入される反接続側巻線部と、を有する複数のセグメントコイルを備え、前記接続側巻線部において、前記複数のセグメント同士を接続する複数の端末部が設けられる第１接続群と、前記第１接続群とは異なる層間を接続しかつ複数の端末部が設けられる第２接続群と、を有する。

Description

本発明は、モータや発電機等の回転電機、及び回転電機の固定子に関する。

車両駆動用として用いられる回転電機においては、車両のレイアウトの制限が厳しく、決められた範囲内に回転電機を納める必要がある。例えば、特許文献１には反接続側コイルエンドに３相線が配置されている回転電機の構造が記載されている。

特許文献１の技術には、図２に記載の回転電機の固定子では、反接続側コイルエンドから電流センサへとつながる３相の出力線が配置されてる構成となっている。回転電機自体を配置するレイアウトによっては接続側コイルエンドから３相の出力線を配置する必要がでてくるが、そのためには構造を大幅に変更する必要があり、固定子の組立工程が複雑となる。

特開２０１４−１８０１４４号公報

そこで、本発明では、接続側コイルエンドから３相の出力線を出す構成としながら、工程の簡略化が可能となる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、例えば特許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、ステータコアの一方側に配置されかつスロットに対して同一のスロットピッチで接続され接続側巻線部と、前記ステータコアの他方側に配置されかつスロットに対して複数種のスロットピッチで挿入される反接続側巻線部と、を有する複数のセグメントコイルを備え、前記接続側巻線部において、前記複数のセグメント同士を接続する複数の端末部が設けられる第１接続群と、前記第１接続群とは異なる層間を接続しかつ複数の端末部が設けられる第２接続群と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、接続側コイルエンドか反接続側コイルエンドのどちらかに複数のスロットピッチが必要となるが、本実施形態のように反接続側コイルエンドのスロットピッチを複数配置とする、つまり捻り成形前のセグメントコイルにおいて複数のスロットピッチを用いることで、接続側コイルエンドのスロットピッチを同一とすることができ、捻り成形の工程を１度に実施することができ、工程の簡略化が可能となる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、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成図。 電力変換装置６００の回路図。 本実施形態の回転電機の断面図。 本実施形態の固定子２３０および回転子２５０のｒ−θ断面図。 本実施形態の固定子２３０の反接続側コイルエンド２４２から見た斜視図。 本実施形態の固定子２３０の１スロットのｒ−θ断面を拡大した概略図。 本実施形態の固定子コア２３２に組み付け前のセグメントコイル２４３を固定子コア内周側から見た図。 本実施形態のセグメントコイルの捻り成形後端末部２４４ｂと捻り成形後端末部２４５ｂがｒ方向に並ぶように配置した図。 本実施形態の固定子２３０の接続側コイルエンド２４１から見た斜視図。 図８のＡに示す範囲の拡大図。 本実施形態の固定子巻線２３８の結線図。 図１０のＵ１の詳細結線を示す図。 図１１とは違った組合せのＵ１の詳細結線を示した図。 固定子２３０の斜視図である。 図１３（ａ）のＢ部を拡大した図であり、図１１の結線図に示した各巻線群ごとに１種類ずつ設けられる５スロットピッチのセグメントコイル２４８と７スロットピッチのセグメントコイル２４９の箇所の拡大図となっている。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

本実施形態では、例えば電気自動車の走行用モータとして好適である。本発明による回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車にも適用できるが、以下ではハイブリッド型の電気自動車を例に説明する。

図１は、本発明の一実施形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。車両１００には、エンジン１２０と第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とバッテリ１８０とが搭載されている。バッテリ１８０は、第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２による駆動力が必要な場合には電力変換装置６００を介して第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２に直流電力を供給する。さらにバッテリ１８０は、回生走行時には第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２から直流電力を受ける。バッテリ１８０と第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２との間の直流電力の授受は、電力変換装置６００を介して行われる。また、図示していないが、車両には低電圧電力（例えば、１４ボルト系電力）を供給するバッテリが搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給する。

エンジン１２０および第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。変速機１３０は変速機制御装置１３４により制御され、エンジン１２０はエンジン制御装置１２４により制御される。バッテリ１８０は、バッテリ制御装置１８４により制御される。変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、バッテリ制御装置１８４、電力変換装置６００および統合制御装置１７０は、通信回線１７４によって接続されている。

統合制御装置１７０は、変速機制御装置１３４，エンジン制御装置１２４，電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４よりも上位の制御装置であり、変速機制御装置１３４，エンジン制御装置１２４，電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４の各状態を表す情報を、通信回線１７４を介してそれらからそれぞれ受け取る。統合制御装置１７０は、取得したそれらの情報に基づき各制御装置の制御指令を演算する。演算された制御指令は通信回線１７４を介してそれぞれの制御装置へ送信される。

高電圧のバッテリ１８０はリチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの２次電池で構成され、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０の充放電状況やバッテリ１８０を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に出力する。

統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいてバッテリ１８０の充電が必要と判断すると、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。また、統合制御装置１７０は、主に、エンジン１２０および第１の回転電機２００，第２の回転電機２０２の出力トルクの管理、エンジン１２０の出力トルクと第１の回転電機２００，第２の回転電機２０２の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理を行い、その演算処理結果に基づく制御指令を、変速機制御装置１３４，エンジン制御装置１２４および電力変換装置６００へ送信する。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク指令に基づき、指令通りのトルク出力あるいは発電電力が発生するように第１の回転電機２００，第２の回転電機２０２を制御する。

電力変換装置６００には、第１の回転電機２００，第２の回転電機２０２を運転するためのインバータ回路を構成するパワー半導体が設けられている。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からの指令に基づきパワー半導体のスイッチング動作を制御する。このパワー半導体のスイッチング動作により、第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２は電動機としてあるいは発電機として運転される。

第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が電力変換装置６００のインバータの直流端子に供給される。電力変換装置６００は、パワー半導体のスイッチング動作を制御して供給された直流電力を３相交流電力に変換し、第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２に供給する。一方、第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２を発電機として運転する場合には、第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２の回転子が外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２の固定子巻線に３相交流電力が発生する。発生した３相交流電力は電力変換装置６００で直流電力に変換され、その直流電力が高電圧のバッテリ１８０に供給されることにより、バッテリ１８０が充電される。

図２は、図１の電力変換装置６００の回路図を示す。電力変換装置６００には、回転電機２００のための第１のインバータ装置と、回転電機２０２のための第２のインバータ装置とが設けられている。第１のインバータ装置は、パワーモジュール６１０と、パワーモジュール６１０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第１の駆動回路６５２と、第１の回転電機２００の電流を検知する電流センサ６６０とを備えている。第１の駆動回路６５２は駆動回路基板６５０に設けられている。

一方、第２のインバータ装置は、パワーモジュール６２０と、パワーモジュール６２０における各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第２の駆動回路６５６と、第２の回転電機２０２の電流を検知する電流センサ６６２とを備えている。第２の駆動回路６５６は駆動回路基板６５４に設けられている。制御回路基板６４６に設けられた制御回路６４８、コンデンサモジュール６３０およびコネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、第１のインバータ装置と第２のインバータ装置とで共通に使用される。

パワーモジュール６１０，パワーモジュール６２０は、それぞれ対応する第１の駆動回路６５２，第２の駆動回路６５６から出力された駆動信号によって動作する。パワーモジュール６１０，パワーモジュール６２０は、それぞれバッテリ１８０から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、その電力を対応する第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２の電機子巻線である固定子巻線に供給する。また、パワーモジュール６１０，６２０は、第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２の固定子巻線に誘起された交流電力を直流に変換し、バッテリ１８０に供給する。

パワーモジュール６１０，パワーモジュール６２０は図２に記載のごとく３相ブリッジ回路を備えており、３相に対応した直列回路が、それぞれバッテリ１８０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。各直列回路は上アームを構成するパワー半導体２１と下アームを構成するパワー半導体２１とを備え、それらのパワー半導体２１は直列に接続されている。パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０とは、図２に示す如く回路構成がほぼ同じであり、ここではパワーモジュール６１０で代表して説明する。

本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２１を用いている。ＩＧＢＴ２１は、コレクタ電極，エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード３８が電気的に接続されている。ダイオード３８は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ２１のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ２１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。

なお、スイッチング用パワー半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極，ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＭＯＳＦＥＴの場合には、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、図２のダイオード３８を設ける必要がない。

各相のアームは、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極とＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。なお、本実施形態では、各相の各上下アームのＩＧＢＴを１つしか図示していないが、制御する電流容量が大きいので、実際には複数のＩＧＢＴが電気的に並列に接続されて構成されている。以下では、説明を簡単にするため、１個のパワー半導体として説明する。

図２に示す例では、各相の各上下アームはそれぞれ３個のＩＧＢＴによって構成されている。各相の各上アームのＩＧＢＴ２１のコレクタ電極はバッテリ１８０の正極側に、各相の各下アームのＩＧＢＴ２１のソース電極はバッテリ１８０の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。各相の各アームの中点（上アーム側ＩＧＢＴのエミッタ電極と下アーム側のＩＧＢＴのコレクタ電極との接続部分）は、対応する第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２の対応する相の電機子巻線（固定子巻線）に電気的に接続されている。

第１の駆動回路６５２，第２の駆動回路６５６は、対応するパワーモジュール６１０，パワーモジュール６２０を制御するための駆動部を構成しており、制御回路６４８から出力された制御信号に基づいて、ＩＧＢＴ２１を駆動させるための駆動信号を発生する。それぞれの第１の駆動回路６５２，第２の駆動回路６５６で発生した駆動信号は、対応するパワーモジュール６１０，パワーモジュール６２０の各パワー半導体素子のゲートにそれぞれ出力される。第１の駆動回路６５２，第２の駆動回路６５６には、各相の各上下アームのゲートに供給する駆動信号を発生する集積回路がそれぞれ６個設けられており、６個の集積回路を１ブロックとして構成されている。

制御回路６４８はパワーモジュール６１０，パワーモジュール６２０の制御部を構成しており、複数のスイッチング用パワー半導体素子を動作（オン・オフ）させるための制御信号（制御値）を演算するマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路６４８には、上位制御装置からのトルク指令信号（トルク指令値）、電流センサ６６０，電流センサ６６２のセンサ出力、第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２に搭載された回転センサのセンサ出力が入力される。制御回路６４８はそれらの入力信号に基づいて制御値を演算し、第１の駆動回路６５２，第２の駆動回路６５６にスイッチングタイミングを制御するための制御信号を出力する。

コネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、電力変換装置６００と外部の制御装置との間を電気的に接続するためのもので、図１の通信回線１７４を介して他の装置と情報の送受信を行う。コンデンサモジュール６３０は、ＩＧＢＴ２１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成するもので、パワーモジュール６１０やパワーモジュール６２０における直流側の端子に電気的に並列に接続されている。

図３は、図１の第１の回転電機２００のｒ−Ｚ断面図を示す。なお、第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とはほぼ同じ構造を有しており、以下では第１の回転電機２００の構造を代表例として説明する。ただし、以下に示す構造は第１の回転電機２００、第２の回転電機２０２の双方に採用されている必要はなく、一方だけに採用されていても良い。

ハウジング２１２の内部には固定子２３０が保持されている。固定子２３０は固定子コア２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子コア２３２の内周側には、回転子２８０（図４参照）が空隙２２２を介して回転可能に保持されている。回転子２８０は、シャフト２１８に固定された回転子コア２８２と、永久磁石２８４と、非磁性体のあて板２２６とを備えている。ハウジング２１２は軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有しており、シャフト２１８はこれらの軸受２１６により回転自在に保持されている。

シャフト２１８には、回転子２８０の極の位置や回転速度を検出するレゾルバ２２４が設けられている。このレゾルバ２２４からの出力は、図２に示した制御回路６４８に取り込まれる。制御回路６４８は、取り込まれた出力に基づいて制御信号を第１の駆動回路６５２に出力する。第１の駆動回路６５２は、その制御信号に基づく駆動信号をパワーモジュール６１０に出力する。パワーモジュール６１０は、制御信号に基づきスイッチング動作を行い、バッテリ１８０から供給される直流電力を３相交流電力に変換する。この３相交流電力は図３に示した固定子巻線２３８に供給され、回転磁界が固定子２３０に発生する。３相交流電流の周波数はレゾルバ２２４の出力値に基づいて制御され、３相交流電流の回転子２８０に対する位相も同じくレゾルバ２２４の出力値に基づいて制御される。

図４は固定子２３０および回転子２８０のｒ−θ断面を示す図であり、図３のＡ−Ａ断面図を示したものである。

なお、図４ではハウジング２１２、シャフト２１８および固定子巻線２３８の記載を省略した。固定子コア２３２の内周側には、多数のスロット２３７とティース２３６とが全周に渡って均等に配置されている。図４では、スロットおよびティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のティースとスロットにのみに符号を付した。

スロット２３７内にはスロット絶縁材（図示省略）が設けられ、図３の固定子巻線２３８を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施形態では、毎極毎相スロット数が２であるため、スロット２３７は等間隔に７２個形成されている。この毎極毎相スロット数とは、各スロット２３７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相がθ方向にＵ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｗ相、・・・と２つずつ並ぶように相を配置することを意味し、１極のＵ相、Ｖ相、Ｗ相で６つのスロット２３７を使うことになる。本実施形態では、後述する永久磁石２８４がθ方向に１２個並ぶ１２極であるため、固定子コア２３２のスロット２３７の数は６×１２の７２個となっている。

回転子コア２８２の外周近傍には、矩形の磁石を挿入するための複数の穴２８３がθ方向に沿って等間隔に１２個配設されている。各穴２８３はｚ方向に沿って形成されており、その穴２８３には永久磁石２８４がそれぞれ埋め込まれ、接着剤などで固定されている。穴２８３のθ方向の幅は、永久磁石２８４（２８４ａ，２８４ｂ）のθ方向の幅よりも大きく設定されており、永久磁石２８４の両側の穴空間２８７は磁気的空隙として機能する。この穴空間２８７は接着剤を埋め込んでも良いし，成型用樹脂で永久磁石２８４と一体に固めても良い。永久磁石２８４は回転子２８０の界磁極として作用し、本実施形態では１２極構成となっている。

永久磁石２８４の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、永久磁石２８４ａの固定子側面がＮ極、軸側の面がＳ極であったとすれば、隣の永久磁石２８４ｂの固定子側面はＳ極、軸側の面はＮ極となっている。そして、これらの永久磁石２８４ａ，永久磁石２８４ｂがθ方向に交互に配置されている。

永久磁石２８４は、磁化した後に穴２８３に挿入しても良いし、回転子コア２８２の穴２８３に挿入した後に強力な磁界を与えて磁化するようにしても良い。ただし、磁化後の永久磁石２８４は強力な磁石なので、回転子２８０に永久磁石２８４を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石２８４の固定時に回転子コア２８２との間に強力な吸引力が生じて組み付け作業の妨げとなる。また、永久磁石２８４の強力な吸引力により、永久磁石２８４に鉄粉などのごみが付着するおそれがある。そのため、回転電機の生産性を考慮した場合、永久磁石２８４を回転子コア２８２に挿入した後に磁化するのが好ましい。

なお、永久磁石２８４には、ネオジウム系，サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石，ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。永久磁石２８４の残留磁束密度は０.４〜１.４Ｔ程度である。

３相交流電流を固定子巻線２３８に流すことにより回転磁界が固定子２３０に発生すると、この回転磁界が回転子２８０の永久磁石２８４ａ，永久磁石２８４ｂに作用してトルクが生じる。このトルクは、永久磁石２８４から出される磁束のうち各相巻線に鎖交する成分と、各相巻線に流れる交流電流の鎖交磁束に直交する成分の積で表される。ここで、交流電流は正弦波状になるように制御されているので、鎖交磁束の基本波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの時間平均成分となり、鎖交磁束の高調波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの高調波成分であるトルクリプルとなる。つまり、トルクリプルを低減するには、鎖交磁束の高調波成分を低減すればよい。言い換えれば、鎖交磁束と回転子の回転する角速度の積が誘起電圧であるから、鎖交磁束の高調波成分を低減することは、誘起電圧の高調波成分を低減することに等しい。

図５は固定子２３０の斜視図である。本実施形態では、固定子コア２３２に複数の略Ｕ字形状のセグメントコイル２４３を用いて、セグメントコイル２４３を波状に巻回す波巻で固定子巻線２３８を形成している。固定子コア２３２の両端面には、セグメントコイル２４３の端末部を接続する接続側コイルエンド２４１と、セグメントコイル２４３のＵ字の底となる箇所によって形成される反接続側コイルエンド２４２と、が形成されている。

本実施形態では、スロット２３７は７２個なので、周方向に７２個のセグメントコイル２４３が並ぶように挿入される。また周方向に７２個挿入されたセグメントコイル２４３を１つの巻線群としたとき、本実施形態では固定子コア２３２の最内周から第１巻線群とした場合、第１巻線群２４２ａ、第２巻線群２４２ｂ 、第３巻線群２４２ｃ 、第４巻線群２４２ｄの４つ巻線群で構成されている。

図６は固定子２３０の１スロットのｒ−Θ断面を拡大した概略図であり、固定子コア２３２とセグメントコイル２４３間に設けるスロット絶縁材は省略した簡略図となっている。図６に示されるように、固定子コア２３２には、複数の層となるようにセグメントコイル２４３が配置されている。本実施形態では、ｒ方向に内周側（図下部）から順にレイヤ１〜レイヤ８からなるように配置されている。反接続側コイルエンド２４２では４つの巻線群により構成されているが、第１巻線群２４２ａはレイヤ１とレイヤ２、第２巻線群２４２ｂはレイヤ３とレイヤ４、第３巻線群２４２ｃはレイヤ５とレイヤ６、第４巻線群２４２ｄはレイヤ７と８レイヤに挿入されている 。本実施形態では断面が角型のセグメントコイルを用いているが、断面が丸型のセグメントコイルでも良い。

図７（ａ）は、固定子コア２３２に組み付け前のセグメントコイル２４３を固定子コア２３２内周側から見た図である。図６で示したｒ−Θ断面は、図７（ａ）に示すスロット２３７の挿入部にあたる部分の断面図である。

セグメントコイル２４３の略Ｕ字形状となっており、例えば第１巻線群２４２ａでは端末部２４４ａがレイヤ１、端末部２４５ａがレイヤ２に挿入されるような形状となっている。 固定子コア２３２にセグメントコイル２４３を挿入後、レイヤ１に挿入される端末部２４４ａは破線で示す端末部２４４ｂのようにθ左方向へ捻り成形され、レイヤ２に挿入される端末部２４５ａは破線で示す端末部２４５ｂのようにθ右方向へ捻り成形される。

図７（ｂ）に示すように、この捻り成形後端末部２４４ｂと捻り成形後端末部２４５ｂがｒ方向に並ぶ（２４４ｂがレイヤ１、２４５ｂがレイヤ２）ように配置すると、θ方向でみたときに波状となる波巻が形成される。同様に第２巻線群では端末部２４４ａがレイヤ３、端末部２４５ａがレイヤ４、第３巻線群では端末部２４４ａがレイヤ５、端末部２４５ａがレイヤ６、第４巻線群では端末部２４４ａがレイヤ７、端末部２４５ａがレイヤ８に挿入され、奇数のレイヤは端末部２４４ｂのように捻り成形され、偶数のレイヤは端末部２４５ｂのように捻り成形される。奇数のレイヤに入る端末部２４４ａと偶数のレイヤに入る端末部２４５ａは、逆となっても良い。

図８は固定子２３０の接続側コイルエンド２４１から見た斜視図である。前途したようにセグメントコイル２４３を反接続側コイルエンド２４２方向から挿入した後、各レイヤごとに同一スロットピッチで捻り成形される。本実施形態では、各レイヤを３スロットピッチで捻り成形されており、図８でいうとレイヤ１、レイヤ３、レイヤ５、レイヤ７の奇数レイヤは時計回りに捻り成形され、レイヤ２、レイヤ４、レイヤ６、レイヤ８の偶数レイヤは反時計回りに捻り成形される。各レイヤのセグメントコイル２４３の端末部２４４ｂ、２４５ｂを接続すると合わせて６スロットピッチとなるように構成されている。

本実施形態では６スロットピッチを各レイヤ３スロットピッチに分けて捻り成形を行っているが、例えばレイヤ１、レイヤ３、レイヤ５、レイヤ７の奇数レイヤを２スロットピッチ捻り、レイヤ２、レイヤ４、レイヤ６、レイヤ８の偶数レイヤを４スロットピッチ捻り成形して合わせて６スロットピッチとなれば、すべてのレイヤを同一のスロットピッチとしなくても良い。ただし捻り成形後は、セグメントコイル２４３の端末部２４４ｂ、端末部２４５ｂを接続するために、端末部２４４ｂ、端末部２４５ｂがｒ方向に１直線に並ぶようなスロットピッチとすることが望ましい。

図９は、図８のＡに示す範囲の拡大図である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流センサ６６０とつながる端末部および中性点となる端末部以外の端末部では、レイヤ１とレイヤ２、レイヤ３とレイヤ４、レイヤ５とレイヤ６、レイヤ７とレイヤ８といった２ｎ−１のレイヤと２ｎのレイヤが接続され、径方向に接続箇所が４つ並ぶように接続される第１接続群２４６ａが構成される。この接続をすることで各巻線群内を電気的に接続することになる。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流センサ６６０とつながる端末部および中性点となる端末部付近では、レイヤ２とレイヤ３、レイヤ４とレイヤ５、レイヤ６とレイヤ７といった２ｎのレイヤと２ｎ＋１のレイヤが接続され、径方向に接続箇所が３つ並ぶように接続される第２接続群２４６ｂが構成される。残ったレイヤ１とレイヤ８が電流センサ６６０とつながるＵ相、Ｖ相、Ｗ相および中性点となる。この接続とすることで独立していた巻線群同士が電気的に接続され、また電流センサ６６０と接続される構成となる。

本実施形態では、ダブルスター結線を採用しているため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流センサ６６０につながる端末部がＵ１相口出し線２４７ａ、Ｕ２相口出し線２４７ｊ、Ｖ１相口出し線２４７ｃ、Ｖ２相口出し線２４７ｎ、Ｗ１相口出し線２４７ｈ、Ｗ２相口出し線２４７ｅの２本ずつあり、それぞれスター結線を形成するための中性点がＵ１相中性点２４７ｇ、Ｕ２相中性点２４７ｄ、Ｖ１相中性点２４７ｉ、Ｖ２相中性点２４７ｆ、Ｗ１相中性点２４７ｂ、Ｗ２相中性点２４７ｋの１本ずつあり、合計１２本の口出し線が引き出されている。

図９ではそれぞれがまだ接続されていない状態である。電流センサ６６０への接続については、別部材を用いて後付で引き出したい箇所へ引き出すことが可能である。例えば、別部材の導線を這いまわして接続する方法や結線版を用いて接続する方法等、様々な方法で接続することが可能である。

図１０は固定子巻線２３８の結線図であり、結線方式および各相巻線の電気的な位相関係を示したものである。前途したように本実施形態の固定子巻線２３８にはダブルスター結線が採用されており、Ｕ１相巻線群、Ｖ１相巻線群、Ｗ１相巻線群から成る第１のスター結線と、Ｕ２相巻線群、Ｖ２相巻線群、Ｗ２相巻線群から成る第２のスター結線とが並列に接続されている。

図１０に示すように、第１のスター結線及び第２のスター結線はＵ相同士（図９のＵ１相口出し線２４７ａ、Ｕ２相口出し線２４７ｊ）、Ｖ相同士（図９のＶ１相口出し線２４７ｃ、Ｖ２相口出し線２４７ｎ）、Ｗ相同士（Ｗ１相口出し線２４７ｈ、Ｗ２相口出し線２４７ｅ）が電気的に接続され、その接続部は、電流センサ６６０に接続されている。

また、それぞれのスター結線において、Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は中性点Ｎ１（図９のＵ１相中性点２４７ｇ、Ｖ１相中性点２４７ｉ、Ｗ１相中性点２４７ｂ）で繋がれており、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は中性点Ｎ２ （図９のＵ２相中性点２４７ｄ、Ｖ２相中性点２４７ｆ、Ｗ２相中性点２４７ｋ）で繋がれてることによって電気的に接続されている。図１０では中性点Ｎ１と中性点Ｎ２はつながれていないが、つながるような結線としても良い。

図１０に示すように、Ｖ相およびＷ相はＵ相とほぼ同様の構成であり、それぞれに誘起される電圧の位相が電気角で１２０度ずれるように配置されている。本実施形態では、固定子巻線２３８は並列に結線されたダブルスター（２Ｙ）結線を採用しているが、回転電機の駆動電圧によってはそれらを直列につないでシングルスター（１Ｙ）結線としても良い。

図１１は図１０のＵ１の詳細結線を示す図であり、固定子コア２３２内周側から見た図である。前途したように固定子コア２３２には７２個のスロット２３７が形成されており（図４参照）、図１１に示す符号０１，０２，〜，７１，７２はスロット番号を示している。それぞれ巻線群ごとにスロット番号の上部が接続側コイルエンド２４１に対応し、下部が反接続側コイルエンド２４２に対応している。図１０に示す電流センサ６６０を介して電流が流れるＵ１相口出し線２４７ａを巻始めとしたとき、まず第４巻線群のレイヤ８（Ｕ１相口出し線２４７ａ）のセグメントコイルから入り（スロット番号０１）、図１１の右方向（θ方向）に巻回される。

図１１の丸（記号では○）で示す巻線群内接続箇所２５２から隣の巻線群内接続箇所２５２までを１ターンとしたとき、接続側コイルエンド２４１は６スロットピッチ、反接続側コイルエンド２４２は６スロットピッチで５ターン巻回された後、毎極毎相スロット数が２となるように、反接続側コイルエンド２４２のみ１スロットピッチ短い５スロットピッチのセグメントコイル２４８を１ターン巻回す。すると、初めのスロット番号０１に入ったセグメントコイル隣のスロット番号０２に入り、毎極毎相スロット数が２となる。

再度、６スロットピッチで５ターン巻回された後、反接続側コイルエンド２４２のみ１スロットピッチ長い７スロットピッチのセグメントコイル２４９が１ターン巻回され、７スロットピッチのセグメントコイル２４９の端末部が、巻始めの１つ内周側のレイヤであるスロット番号０１のレイヤ７から出てくる。ここで、Ｕ１の第４巻線群が完成され、レイヤ７のセグメントコイルの端末部は、 １つ内周側の第３巻線群のレイヤ６から出るセグメントコイルと接続される（図１１の四角（記号では□）で示す接続箇所２５３）。

第３巻線群も同様に、図１１の右方向（θ方向）に接続側コイルエンド２４１、反接続側コイルエンド２４２いずれも６スロットピッチのセグメントコイルで５ターン巻回された後、反接続側コイルエンド２４２のみ５スロットピッチのセグメントコイル２４８が１ターン巻回され、再度６スロットピッチのセグメントコイルが５ターン巻回された後、反接続側コイルエンド２４２の７スロットピッチのセグメントコイル２４９が１ターン巻回され、７スロットピッチのセグメントコイル２４９の端末部が、第３巻線群の巻始めの１つ内周側のレイヤであるスロット番号０１のレイヤ５から出てくる。ここで、Ｕ１の第３巻線群が完成され、レイヤ５のセグメントコイルの端末部は、 １つ内周側の第２巻線群のレイヤ４から出るセグメントコイルと接続される（図１１の菱形（記号では◇）で示す接続箇所２５４）。

第２巻線群も同様に巻回された後、三角（記号では△）で示す接続箇所２５５で第１巻線群と接続され、第１巻線群も同様に巻回された後、図１１の第１巻線群からＵ１相中性点２４７ｇが引き出され、Ｕ１相巻線群が完成する。図１１で示すようにそれぞれの巻線群において反接続側コイルエンド２４２は３種類のスロットピッチが存在するが、接続側コイルエンド部はすべて６スロットピッチとなっている。そのため、○で示す巻線群内接続箇所２５２はｒ方向に並び、図９に示す第１接続群２４６ａにあたる。

また、□◇△で示す巻線群同士を接続する接続箇所２５３、接続箇所２５４、接続箇所２５５もｒ方向に並び、レイヤ１とレイヤ８から出る端末部がＵ１相口出し線２４７ａとＵ１相中性点２４７ｇとなり、図９に示す第２接続群２４６ｂにあたる。図１１はＵ１の詳細結線となっているが、Ｕ２およびＶ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２いずれも入るスロット２３７が異なるだけで、同一構成となっている。

この結線からわかるように毎極毎相スロット数を２以上とする場合、接続側コイルエンド２４１か反接続側コイルエンド２４２のどちらかに複数のスロットピッチが必要となるが、本実施形態のように反接続側コイルエンド２４２のスロットピッチを複数配置とする、つまり捻り成形前のセグメントコイルにおいて複数のスロットピッチを用いることで、接続側コイルエンド２４１のスロットピッチを同一とすることができ、捻り成形の工程を１度に実施することができ、工程の簡略化が可能となる。本実施形態では、第１巻線群から第４巻線群まである構成となっているが、巻線群が２つ以上あれば本発明と同一の構成を取ることができる。

本実施形態では、Ｕ１の１つの巻線群内において反接続側コイルエンド２４２の５ターン分を６スロットピッチとし、毎極毎相スロット数を２とするために１ターンずつ５スロットピッチ、７スロットピッチを用いており、接続側コイルエンド２４１をすべて６スロットピッチとした場合の結線だが、例えば、反接続側コイルエンド２４２の５ターン分を７スロットピッチとし、毎極毎相スロット数を２とするために１ターンずつ６スロットピッチ、８スロットピッチを用い、接続側コイルエンド２４１をすべて５スロットピッチとした場合の結線としても本発明の構成を取ることができる。本実施形態では、毎極毎相スロット数を２としているが、２以上であれば同一の構成を取ることができる。例えば毎極毎相スロット数を３とした場合、各巻線群にある５スロットピッチのセグメントコイル２４８が２ターン分入り、巻線群内の最終ターンであった７スロットピッチのセグメントコイル２４９を８スロットピッチのセグメントコイルとすることで巻始めと同一のスロット番号に戻り、同一の構成となる。

本実施形態では、Ｕ１相とＵ２相を合わせると、レイヤ１〜レイヤ４のセグメントコイルはスロット番号０１と７２に入り、レイヤ５〜レイヤ８のセグメントコイルはスロット番号０２と０１に入るようなセグメントコイルの配置となっているが、例えば第２巻線群と第３巻線群を接続する箇所を調整することでレイヤ１〜レイヤ８までスロット番号０１と７２に入る全節巻とすることも可能でなる。

図１２は図１１とは違った組合せのＵ１の詳細結線を示した図である。図１１では、第１巻線群から第４巻線群に入るセグメントコイルのスロットピッチにおいて、接続側コイルエンド２４１はすべて６スロットピッチ、反接続側コイルエンド２４２は５、６、７スロットピッチを用いた構成だったが、図１２では、第１巻線群および第４巻線群は、反接続側コイルエンド２４２の５ターン分は７スロットピッチ、毎極毎相スロット数を２とするために１ターン分を６スロットピッチと８スロットピッチを用い、接続側コイルエンド２４１は５スロットピッチを用いた結線である。

接続側コイルエンド２４１では、第１巻線群と第４巻線群が５スロットピッチ、第２巻線群と第３巻線群が６スロットピッチとスロットピッチは違うが、例えば第１巻線群と第４巻線群の５スロットピッチの捻りピッチについて、レイヤ７とレイヤ１を２スロットピッチ、レイヤ８とレイヤ２を３スロットピッチに分けることで、図９に示すように溶接箇所がｒ方向に並び、第１接続群と第２接続群がある構成を取ることができ、巻線群同士を別部材を用いずに接続することができる。このように各巻線群ごとにスロットピッチは違うが、レイヤごとに同一スロットピッチとしているため、捻り成形は同時にすることが可能となり、スロットピッチ違いの組合せにおいても、でも本構成と同一の効果を得ることができる。

図１３（ａ）は固定子２３０の斜視図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＢ部を拡大した図であり、図１１の結線図に示した各巻線群ごとに１種類ずつ設けられる５スロットピッチのセグメントコイル２４８と７スロットピッチのセグメントコイル２４９の箇所の拡大図となっている。

本実施形態において、５スロットピッチのセグメントコイル２４８と７スロットピッチのセグメントコイル２４９は、ｚ方向に上下に配置されるように設けられている。

このような配置にすることで、全周に複数に組み付けられる６スロットピッチのセグメントコイルと、５スロットピッチのセグメントコイル２４８と、７スロットピッチのセグメントコイル２４９は同様の形状、製法のセグメントコイル形状で成立でき、かつ反接続側コイルエンドがｒ方向に出張らないようなコンパクトにすることが可能となる。

例えば７スロットピッチのセグメントコイル２４９をｚ方向ではなく、ｒ方向、つまり反接続側コイルエンド２４２の外周側に並ぶようなセグメントコイル形状とすると、複数あるセグメントコイルのうち、７スロットピッチのセグメントコイル２４９のみ他のセグメントコイルを避けるように多岐に渡って成形しなければいけなくなり、セグメントコイルの製作の難易度が上がる。

よって前途したように製法の簡易化および反接続側コイルエンド２４２のコンパクトさを考えた場合、５スロットピッチのセグメントコイル２４８と７スロットピッチのセグメントコイル２４９はｚ方向に上下に配置した方がよい。

なお、本発明は上記した実施形態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、上記した実施形態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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。

２１…パワー半導体（ＩＧＢＴ）、３８…ダイオード、１００…車両、１１０…前輪、１２０…エンジン、１２４…エンジン制御装置、１３０…変速機、１３４…変速機制御装置、１６０…デファレンシャルギア、１７０…統合制御装置、１７４…通信回線、１８０…バッテリ、１８４…バッテリ制御装置、２００…第１の回転電機、２０２…第２の回転電機、 ２１２…ハウジング、２１４…エンドブラケット、２１６…軸受、２１８…シャフト、２２２…空隙、２２４…レゾルバ、２２６…あて板、２３０…固定子、２３２…固定子コア、２３６…ティース、２３７…スロット、２３８…固定子巻線、２４１…接続側コイルエンド、２４２…反接続側コイルエンド、２４２ａ…第１巻線群、２４２ｂ…第２巻線群、２４２ｃ…第３巻線群、２４２ｄ…第４巻線群、２４３…セグメントコイル、２４４ａ…端末部、２４４ｂ…端末部、２４５ａ…端末部、２４５ｂ…端末部、２４６ｂ…第２接続群、２４７ａ…Ｕ１相口出し線、２４７ｂ…Ｗ１相中性点、２４７ｃ…Ｖ１相口出し線、２４７ｄ…Ｕ２相中性点、２４７ｅ…Ｗ２相口出し線、２４７ｆ…Ｖ２相中性点、２４７ｇ…Ｕ１相中性点、２４７ｈ…Ｗ１相口出し線、２４７ｉ…Ｖ１相中性点、２４７ｊ…Ｕ２相口出し線、２４７ｋ…Ｗ２相中性点、２４７ｎ…Ｖ２相口出し線、２４８…５スロットピッチのセグメントコイル、２４９…７スロットピッチのセグメントコイル、２５２…巻線群内接続箇所、２５３…接続箇所、２５４…接続箇所、２５５…接続箇所、２８０…回転子、２８２…回転子コア、２８３…穴、２８４…永久磁石、２８４ａ…永久磁石、２８４ｂ…永久磁石、２８７…穴空間、６００…電力変換装置、６１０…パワーモジュール、６２０…パワーモジュール、６３０…コンデンサモジュール、６４２…コネクタ基板、６４４…送受信回路、６４６…制御回路基板、６４８…制御回路、６５０…駆動回路基板、６５２…第１の駆動回路、６５４…駆動回路基板、６５６…第２の駆動回路、６６０…電流センサ、６６２…電流センサ、Ｎ１…中性点、Ｎ２…中性点

Claims (7)

1. ステータコアの一方側に配置されかつスロットに対して同一のスロットピッチで接続され接続側巻線部と、
   前記ステータコアの他方側に配置されかつ前記スロットに対して複数種のスロットピッチで挿入される反接続側巻線部と、を有する複数のセグメントコイルを備え、
   前記接続側巻線部において、
   前記複数のセグメントコイル同士を接続する複数の端末部が設けられる第１接続群と、
   前記第１接続群とは異なる層間を接続しかつ複数の端末部が設けられる第２接続群と、を有する回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載された回転電機の固定子であって、
   前記接続側巻線部は、前記スロットに対して前記ステータコアの径方向の前記セグメントコイル各層ごとに円周方向に同一のスロットピッチで接続される回転電機の固定子。
3. 請求項１または２に記載された回転電機の固定子であって、
   前記接続側巻線部側に設けられる出力線と、を有する回転電機の固定子。
4. 請求項１ないし３に記載されたいずれかの回転電機の固定子であって、
   ｎ＝１以上であって、
   前記第１接続群は、2n-1層と2n層のセグメント同士の前記端末部を接続し、
   前記第２接続群は、2n層と2n+1層のセグメント同士の前記端末部を接続する回転電機の固定子。
5. 請求項３に記載された回転電機の固定子であって、
   前記第１接続群の複数の前記端末部は、径方向に沿って並べられ、
   前記出力線と前記第２接続群の複数の前記端末部は、径方向に沿って並べられる回転電機の固定子。
6. 請求項５に記載された回転電機の固定子であって、
   前記出力線は、径方向の最外周側または最内周側に配置される回転電機の固定子。
7. 請求項１ないし６にいずれかの回転電機の固定子を備える回転電機。

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