WO2013136845A1 - 回転電機及びその生産方法 - Google Patents

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stator
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rotating electrical
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邦博 大澤
康彦 木村
利夫 石川
本間　雅彦
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine such as a generator and a motor, and a production method thereof.
  • Patent Document 1 a coil having a coil end formed into a crank shape only by bending without twisting the coil end portion of the winding coil with a coil having a rectangular cross section, and having a coil shape formed by winding only, is fixed.
  • a rotating electric machine stator having a child winding has been proposed.
  • Patent Document 2 a segment coil in which a rectangular wire is formed in a substantially U shape is inserted from the stator core axial direction, the end is twisted in the circumferential direction at a predetermined angle, and the end is welded to the predetermined coil.
  • a rotating electrical machine having a stator having a joined structure has been proposed.
  • Patent Document 1 For increasing the space factor of the coil, if the space factor is improved, the method of Patent Document 1 increases the thickness of the coil overlapped at the coil end portion due to the relationship between the diameter of the stator core and the slot length. Since there are no gaps for mounting other coils and the coils do not fit in the slots due to interference, a coil end shape that secures a gap between the coils and avoids interference becomes a problem.
  • Patent Document 2 since many locations on one end side of the segment coil must be welded, there are concerns in terms of quality such as productivity and insulation of the welded part, which is particularly a problem with high-voltage rotating electrical machines. It becomes.
  • An object of the present invention is to realize a rotating machine with high output and high efficiency by increasing the coil space factor.
  • the object is to provide a stator and a rotor supported rotatably on the inner peripheral side of the stator via a gap, and the stator has a plurality of slots opened toward the inner peripheral surface.
  • a stator winding which is a conducting wire having a substantially rectangular cross section and which constitutes a plurality of coil portions inserted into the slot and a bridging portion connecting the coil portions.
  • the coil portion is achieved by winding the conductive wire with different heights in the rotation axial direction.
  • the coil can be made into a high space factor, and a high-output and high-efficiency rotating electrical machine can be realized.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the whole structure of the rotary electric machine by 1st Example of this invention. It is a perspective view from the front side of the stator by 1st Example of this invention.
  • 1 is a circuit diagram according to a first embodiment of the present invention. It is a perspective view of the stator winding
  • 1 is a perspective view of an annular coil according to a first embodiment of the present invention. It is sectional drawing of the annular coil of FIG. It is the figure which compared the cross section of the annular coil of FIG. 5, and the cross section of a prior art example. It is the figure which looked at the annular coil of Drawing 5 from the front side.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a winding method of an annular coil according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a winding layout diagram in the stator core according to the first embodiment of the present invention. It is the figure seen from the axial direction of the stator by 1st Example of this invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of an annular coil according to a third embodiment of the present invention. It is winding arrangement
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of a rotating electrical machine according to a first embodiment of the present invention.
  • the vehicle alternator 23 includes a rotor 4 and a stator 5.
  • the rotor 4 includes a field winding 13 at the center of the shaft 2, and a rotor core composed of a front claw-shaped magnetic pole 11 and a rear claw-shaped magnetic pole 12 formed of a magnetic material on both sides of the rotor 4. It arrange
  • the front claw-shaped magnetic pole 11 and the rear claw-shaped magnetic pole 12 are arranged so that the claw portions face each other and one claw-shaped magnetic pole meshes with the other claw-shaped magnetic pole.
  • the rotor 4 is disposed opposite to the inner peripheral side of the stator 5 with a slight gap.
  • the rotor 4 is rotatably supported with the shaft 2 inserted through the inner rings of the front bearing 3 and the rear bearing 10.
  • the stator 5 includes a stator core 6 and a stator winding 7.
  • the stator core 6 is formed by laminating a plurality of thin sheet steel plates formed in an annular shape, and includes protruding tooth portions (teeth) on the inner peripheral side, and slots are formed between the tooth portions.
  • a stator winding 7 of each phase is inserted into each slot across a plurality of teeth and attached to each slot. Both ends of the stator 5 are held by a front bracket 18 and a rear bracket 19.
  • a pulley 1 is attached to one end of the shaft 2.
  • a slip ring 14 is provided at the other end of the shaft 2 and is in contact with the brush 15 to supply power to the field winding 13.
  • a front fan 16 and a rear fan 17 which are cooling fans having a plurality of blades on the outer peripheral side are provided on both end surfaces of the front claw magnetic pole 11 and the rear claw magnetic pole 12 of the rotor 4, and are rotated. The air is circulated so that air from outside is introduced by centrifugal force and the air cooled inside is discharged to the outside.
  • the stator winding 7 is composed of a three-phase winding in this example, and the lead wire of each winding is connected to the rectifier circuit 20.
  • the rectifier circuit 20 is composed of a rectifier element such as a diode, and constitutes a full-wave rectifier circuit.
  • the cathode terminal is connected to the diode connection terminal 21.
  • the anode side terminal is electrically connected to the vehicle alternator main body.
  • the rear cover 22 serves as a protective cover for the rectifier circuit 20.
  • the magnetic flux generated by the field winding 13 circulates around the stator winding 7 from the N pole of the front claw-shaped magnetic pole 11 through the stator core 6, and the S of the rear claw-shaped magnetic pole 12 of the rotor 4.
  • a magnetic circuit that circulates around the rotor 4 and the stator 5 is formed by reaching the pole. Since the magnetic flux generated in the rotor is linked to the stator winding 7 in this way, AC induction is induced in each of the U 1 phase, U 2 phase, V 1 phase, V 2 W phase, W 1 phase, W 2 phase stator winding 7.
  • a voltage is generated, and an AC induced voltage for six phases is generated as a whole.
  • the AC voltage generated in this way is full-wave rectified and converted into a DC voltage by a rectifier circuit 20 composed of a rectifier element such as a diode. This is achieved by controlling the current supplied to the field winding 13 with an IC regulator (not shown) so that the rectified DC voltage becomes a constant voltage.
  • FIG. 2 is a perspective view from the front side of the stator.
  • FIG. 3 is a circuit diagram.
  • FIG. 4 is a perspective view of the stator winding of the U1-phase A coil.
  • FIG. 5 is a perspective view of the annular coil.
  • FIG. 6 is a view of the annular coil of FIG. 5 as viewed from the P side.
  • FIG. 7 is a view of the annular coil of FIG. 5 as viewed from the F side.
  • FIG. 8 is a winding arrangement diagram in the stator core.
  • FIG. 9 is a diagram seen from the axial direction of the front side of the stator.
  • the stator 5 includes an annular stator core 6 having a plurality of slots in the circumferential direction of the inner peripheral surface, and a U-shaped insulating paper mounted on the inner peripheral surface of each slot. 8, the stator winding 7 of each phase is mounted, and a slot wedge 9 is provided on the innermost slot side of the slot to hold the stator winding 7 in the slot.
  • the number of slots is 72.
  • the portion of the stator core 6 that protrudes from the slot in the axial direction is a coil end 72-a on the lead wire side and a coil end 72-b on the opposite side to the lead wire side between the two slots.
  • 24 lead wires 71 are taken out, connected as shown in the connection diagram shown in FIG. 3, and connected to the rectifier 20.
  • the configuration in this embodiment is a delta connection configuration in which the stator windings are connected in a triangular shape, and the A coil and the B coil are connected in parallel with two types of coils.
  • the A coil and the B coil are configured in series connection and star connection (Y connection), they can be established as a rotating electric machine.
  • the U1-phase stator winding 7 is configured in a form in which a plurality of annular coils 76 that are wound and formed in a ring shape are connected by a crossover wire 73, and each of the poles in this example is per phase.
  • the number of slots is 72
  • the number of annular coils 76 is 6, and the coils are connected by connecting wires 73, and a total of 12 coils are formed continuously. Is done.
  • the number of turns of the annular coil 76 in this example is 5T.
  • the U1-phase stator winding 7U1 is composed of a 7U1-A winding and a 7U1-B winding.
  • the 7U1-A winding is a stator winding in which the connecting wire 73 is disposed on the lead wire 71 side
  • the 7U1-B winding is also a stator winding in which the connecting wire 73 is disposed on the lead wire 71 side. Consolidate the line arrangement on the lead line side.
  • FIG. 5 shows the form of the annular coil 76.
  • the annular coil 76 has a substantially hexagonal shape.
  • the coil end portion 72 includes a coil turn portion that is formed in a Z shape without twisting at the coil end apex portion.
  • the winding order of the annular coil 76 enters the annular coil slot portion 75-a entering the slot portion of the stator core from the lead wire 71 and moves to the coil end 72-b on the opposite side to the lead wire.
  • the apex of the coil end portion first enters 75-b which enters the slot portion from the apex Z-shaped portion of h2 out of the two stages h1 and h2.
  • the lead wire side coil end 72-a is formed in the same manner as 72-b and enters the first slot 75-a, makes a round of a substantially turtle shell shape (substantially hexagonal shape), and 1T (turn) of the annular coil 76 It becomes.
  • a predetermined number of turns necessary for the characteristics of the rotating electrical machine are wound.
  • the division of the coil at the coil end portion is divided into two layers in this example, so the total number of overlaps is divided by half, but if there are an odd number of overlaps on the lead wire side or the opposite side of the lead wire, Wind so that there are more coils on the outer circumference side.
  • the inner peripheral side coil is deformed so as to conform to the shape of the outer peripheral side coil, so that the amount of deformation increases. Therefore, from the viewpoint of productivity, the number of windings on the inner peripheral side having a large amount of deformation is reduced. It is desirable to keep it.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the annular coil 76.
  • the conducting wire forming the annular coil 76 is a metal wire having a substantially rectangular cross section. Since this example is 5T, the coil wound around the lead wire side coil end 72-a is 4 conductors, and the coil is 2 to 1T at the top of the apex height of h2, and h1 Divided into 3 to 4T at the bottom of the apex height. On the other hand, the coil wound around the coil end 72-b on the opposite side to the lead wire has five conductors, and in this example, the coil on the outer peripheral side is a lower coil having an apex height of h1.
  • the overlapping thicknesses of the divided coil end portions are aligned in the axial direction inside the overlapping thicknesses 77-a and 77-b of the coil wound at the height h1 disposed on the outer peripheral side.
  • the number of turns is 6T
  • the number of coil conductors to be wound at the coil end on the lead wire side is 5, so that the coil height h2 on the inner peripheral side is 2, and the coil height on the outer peripheral side is
  • the coil is divided into three conductors at h1, and the coil wound on the coil end opposite to the lead wire becomes six conductors, so each of the three conductors is divided.
  • the gap between the h1 and h2 coils is ensured to be aligned in the axial direction, but is preferably about 1 mm in order to keep the coil end height low.
  • FIG. 7 is a diagram showing a comparison of the coil end overlap thickness when the embodiment is divided into layers, and the coil end overlap thickness in the conventional example.
  • the overlapping thickness of the coil ends of this embodiment is 1/2 or 3/5 smaller than that of the conventional example.
  • FIG. 8 is a view showing the coil end 72-a portion on the lead wire side of the annular coil 76 of FIG. 5 from the upper side in the axial direction.
  • the upper coil has a shape in which the coils are arranged in a layered manner on the inner side 77-a of the overlapping width inside and outside of the lower coil.
  • FIG. 9 is a diagram showing the coil end 72-b opposite to the lead wire of the annular coil 76 in FIG. 5 from the upper side in the axial direction.
  • the upper coil has a shape in which the coils are arranged in a layered manner on the inner side 77-b of the overlap width inside and the outer side of the lower coil.
  • FIG. 10 is a view of the cross section of 75-a and 75-b entering the slot portion of the annular coil 76 of FIG. 5 as viewed from the axial direction.
  • a coil having a rectangular cross section has a wide surface for a predetermined number of turns. Are aligned in the radial direction. Since this example is 5T, there are five outer diameter sides and five inner diameter sides.
  • FIG. 11 is an example of the winding order and winding method of the annular coil in the present embodiment.
  • FIG. 11- (1) is a jig for winding a coil. The coil end portion has a top height of h1 and h2, and h2 is wound first, in order to wind the coil in a hierarchical manner.
  • FIG. 11- (2) is a diagram showing a state in which up to 2T is wound along the apex of h2 in the direction of the arrow from the beginning of winding.
  • FIG. 11- (3) is a diagram in which 3T and after are wound along the apex of h1, and in this example, the number of turns is 5T.
  • FIG. 11- (1) is a jig for winding a coil.
  • the coil end portion has a top height of h1 and h2, and h2 is wound first, in order to wind the coil in a hierarchical manner.
  • FIG. 11- (2) is a diagram showing a state in which up
  • FIG. 11- (4) is a diagram in which the annular coil 79 before being formed after 5T winding is removed from the jig in the direction of the arrow.
  • FIG. 11- (5) is a view showing a method of forming the annular coil in the present example.
  • the coil end portion 79-a of the pre-molding annular coil is molded into the shape of the annular coil 76 by bending the entire annular coil at an angle ⁇ while separately pressing the h1 and h2 coils at the dotted line positions shown in the figure. At this time, h1 and h2 are pressed separately, and h2 is pushed to the upper part of h1, so that the layered coil ends are aligned.
  • FIG. 12 shows a layout of the slots of the stator winding 7 attached to the stator core.
  • the arrangement pitch of the annular coil 76 is arranged at an electrical angle of 360 ° intervals equal to the magnetic pole pitch, and the winding pitch of the annular coil is a short pitch wound at 150 °, which is smaller than the magnetic pole pitch and less than 180 ° in electrical angle. .
  • the same configuration is applied to the stator windings from the V1 phase to the W2 phase.
  • the annular coil 76 shown in FIG. 5 is mounted on the stator core.
  • the arrangement of the stator winding 7 is divided into two in the radial direction of the slot as shown in FIG. 12, and the slot opening side is fixed to the inner layer.
  • the outer peripheral side of the core 6 is arranged as a two-layer winding as an outer layer.
  • the stator winding 7 for each phase is divided into two types, an A coil and a B coil.
  • two U1 phase stator windings 7 are U1A for the A coil and U1B for the B coil.
  • the annular coil U1A is disposed on the outer layer side of S1 of the first slot and the inner layer side of S6 which is the sixth slot, and is connected at the coil end portion to form the annular coil 76. That is, the winding pitch of the U1-phase annular coil is wound at 150 °, which is less than the electrical angle of 180 °, which is smaller than the magnetic pole pitch.
  • the annular coil U1B is disposed on the outer layer side of S7 of the seventh slot and the inner layer side of S11 of the eleventh slot, and is connected at the coil end portion to form the annular coil 76. That is, the winding pitch of the U2-phase annular coil is wound at 150 ° which is smaller than the magnetic pole pitch and less than 180 ° in electrical angle.
  • stator becomes the vehicle alternator according to the first embodiment having two sets of three-phase wirings.
  • the stator 5 constituted by the annular coil 76 of FIG. 5 has a form as shown in FIG. 13 when viewed from the front side.
  • FIG. 13 (1) is a view of the coil end opposite to the lead wire and the axial direction.
  • FIG. 13 (2) is an enlarged view of a part of (1).
  • the Z-shaped portion 74-b which is the apex of the coil end, is arranged such that the Z-shaped oblique portions formed in a hierarchy are arranged radially, and the Z-shaped portions 74-b A constant gap 40 is provided.
  • the coil overlap thickness dimension diagram 677-b can be reduced, and the interval at the coil turn part can be kept constant.
  • the stator can be configured without interference at the coil end portion.
  • a stator can be configured without interphase insulating paper, and a high-quality and inexpensive stator can be provided. Further, by dividing the coil wound around the coil end portion, the bundle of heat generating coils is divided, and the heat radiation area is increased, so that the cooling performance is also effective.
  • the upper coil of the two layers of coil ends is arranged on the inner diameter side, but it can also be realized by arranging it on the outer diameter side. If you want to further reduce the coil overlap thickness by increasing the number of turns, increasing the slot length and the coil space factor in the slot, increasing the number of layers and increasing the number of divisions of the coil overlap thickness, Interference can be avoided.
  • the two stator windings having different electrical angles are connected in parallel and connected to the rectifier 20.
  • the same effect is acquired also in series connection, and there exists an effect which can reduce the number of lead wires.
  • stator wound with the winding pitch of the stator winding being 5/6 (electrical angle 150 °) has been described, but the winding pitch is 4/6 (electrical angle 120). °) or a configuration of a stator wound at a winding pitch of 6/6 (electrical angle of 180 °), and the same effect can be obtained.
  • stator having two sets of three-phase windings has been described, the same effect can be obtained for a three-phase winding and a multi-phase stator such as a five-phase or seven-phase.
  • FIG. 14 shows a form of the annular coil of the present embodiment.
  • the annular coil 86 is 85-a with a winding pitch of 5/6 (electrical angle 150 °) compared to the coil 85-a attached to the stator core outer layer side slot.
  • the divided coil 85-b having a winding pitch 5/6 becomes a lower coil having a height h1 at the apex at the coil end portions 82-a and 82-b, and the coil 85-b having a winding pitch 6/6.
  • the coil end portion 82-a and 82-b is an upper coil having a height of h2 at the apex portion, so that the coil end shape is divided into layers.
  • the winding pitch is divided, so that the coil is divided into upper and lower layers in the height direction and is also divided in the circumferential direction so that the coil end portions 82-a and 82-b are divided.
  • the coil is divided in the entire area, the interval at the coil turn portion can be kept wider and constant, and the stator can be configured without interfering with other coils at the coil end portion.
  • FIG. 15 is a layout diagram of slots of the stator winding 80 mounted on the stator core.
  • the arrangement pitch of the annular coil 86 is arranged at an electrical angle 360 ° interval equal to the magnetic pole pitch, and the winding pitch of the annular coil is wound around the inner layer 2 at a 5/6 pitch of 150 ° which is smaller than the magnetic pole pitch and less than 180 °.
  • the short pitch is rotated and the entire pitch is wound around the inner layer 1 with a 6/6 pitch of an electrical angle of 180 ° equal to the magnetic pole pitch.
  • the coil length is intermediate between the full-pitch pitch 6/6 and the short-pitch pitch 5/6, the induced voltage increases at the full-pitch pitch, and the coil length shortens at the short-pitch portion.
  • the vehicular AC generator has been described as an example of a rotating electrical machine.
  • the present invention can also be applied to a motor that outputs rotational force, a motor generator that combines power generation and driving, and the like.
  • the motor can be applied as a stator to a drive motor for a hybrid vehicle or an electric four-wheel drive vehicle, a motor for driving a pump, or the like.

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Abstract

　固定子巻線の占積率の向上と共に平角線の連続巻線による生産性及び固定子巻線の高占積率化においても、コイルエンド部の干渉を回避できる形状の固定子を有する、高出力かつ高効率で高品質の回転電機を提供することである。　固定子巻線は、複数のスロットを跨ぎ複数回周回するコイルと前記周回するコイル同士とをつなぐ渡り線により連続的に構成され、固定子巻線は複数組、固定子鉄心の全周にわたり配置された固定子であり、固定子巻線の固定子鉄心の軸方向両端側に配置されるコイルエンドの頂点部は、捻りを伴わない略Ｚ型形状に形成され、前記頂点部は、固定子鉄心端面から軸方向に異なる複数の高さで階層状に形成されることで、コイルの重なり寸法を小さくしてコイルエンドでのコイル同士の干渉を回避した固定子巻線を有し矩形断面のコイルを用いて、スロット内のコイル占有面積を高占積率化した。

Description

回転電機及びその生産方法
　本発明は、発電機やモータ等の回転電機及びその生産方法に関する。
　近年、環境規制により自動車の省エネルギー化が進み、車両用回転電機では、高出力かつ高効率の回転電機を安価で提供することが求められており、特に大きな効果がある固定子による改善案が提案されている。
　固定子の巻線形態に、高出力化を達成する手段として、矩形断面のコイルを使用して、固定子のスロット内のコイル占有面積を高占積率化する方法がある。
　特許文献１には、矩形断面を有する導体でコイル占積を向上させ、かつ巻線コイルのコイルエンド部に捻りを伴わずに曲げのみでクランク形状に成形したコイルエンドを持つ、重ね巻きした固定子巻線を有する回転電機固定子が提案されている。また、特許文献２では平角線を略Ｕ字形状に成形したセグメントコイルを固定子鉄心軸方向から挿入し、端部を所定の角度で周方向に捻り、端部を所定のコイルと溶接にて接合した構造の固定子を有する回転電機が提案されている。
特開２００８－１０４２９３号公報 特開２００８－１６７５６７号公報
　コイルの高占積率化に関しては、占有率向上させていった場合、特許文献１の方法では固定子鉄心の径とスロット長との関係で、コイルエンド部で重なったコイルの厚みが大きくなり他コイルを装着するための隙間が無くなり、また干渉してしまうことでスロットにコイルが収まらなくなるため、コイル同士の隙間を確保し干渉を回避するコイルエンド形状が課題となる。
　また、特許文献２では、セグメントコイルの一端側の多数箇所を溶接しなければならないため、生産性及び溶接部の絶縁性などの品質面での懸念点があり、特に高電圧の回転電機で問題となる。
　本発明の目的は、コイルを高占積率化し、高出力かつ高効率の回転電機を実現することにある。
　上記目的は、特許請求の範囲に記載の発明により達成される。例えば、上記目的は、固定子と、前記固定子の内周側に隙間を介して回転可能に支持された回転子を備え、前記固定子が、内周面に向かって開口された複数のスロットを有する環状の固定子鉄心と、断面が略矩角形状の導線であって前記スロットに挿入された複数のコイル部と前記コイル部同士を繋ぐ渡り部とを構成する固定子巻線とを有する回転電機において、前記コイル部は、前記導線を前記回転の軸方向に異なる高さを有して巻き回されて構成されたことより達成される。
　本発明により、コイルを高占積率化し、高出力かつ高効率の回転電機を実現できる。
本発明の第１実施例による回転電機の全体構成を示す断面図である。 本発明の第１実施例による固定子のフロント側からの斜視図である。 本発明の第１実施例による回路図である。 本発明の第１実施例によるＵ１相Ａコイルの固定子巻線の斜視図である。 本発明の第１実施例による環状コイルの斜視図である。 図５の環状コイルの断面図である。 図５の環状コイルを断面と従来例の断面を比較した図である。 図５の環状コイルをフロント側から見た図である。 図５の環状コイルをリヤ側から見た図である。 図５の環状コイルのスロット内に入る部分の断面図である。 本発明の第１実施例による環状コイルの巻線方法を示した図である。 本発明の第１実施例による固定子鉄心内の巻線配置図である。 本発明の第１実施例による固定子の軸方向から見た図である。 本発明の第３実施例による環状コイルの斜視図である。 本発明の第３実施例による固定子鉄心内の巻線配置図である。
〔第１実施例〕
　以下、図１～図９を用いて、本発明の第１の実施形態による回転電機の構成について説明する。
　最初に、図１を用いて、実施例として回転電機の全体構成について説明する。ここでは、回転電機として、車両用交流発電機を例にして説明する。
　図１は、本発明の第１の実施形態による回転電機の全体構成を示す断面図である。車両用交流発電機２３は、回転子４と、固定子５とを備えている。回転子４は、シャフト２の中心部に界磁巻線１３を備え、その両側に磁性材料にて成形されたフロント側爪形磁極１１とリヤ側爪形磁極１２からなる回転子鉄心が界磁巻線１３を覆うように両側から挟むように配置される。フロント側爪形磁極１１とリヤ側爪形磁極１２とは、爪部が互いに対向し、かつ、一方の爪形磁極が他方の爪形磁極に噛み合うように配置される。
　回転子４は、固定子５の内周側に、僅かなギャップを介して対向配置されている。回転子４は、フロントベアリング３及びリヤベアリング１０の内輪にシャフト２が挿通され、回転自在に支持されている。固定子５は、固定子鉄心６と固定子巻線７から構成される。固定子鉄心６は、環状に形成された薄板鋼板が複数枚積層され、内周側には突出した歯部（ティース）とからなり、各歯部の間にスロットが形成されている。各々のスロットに各相の固定子巻線７が複数のティースをまたいで夫々のスロットに挿入され、装着される。固定子５の両端は、フロントブラケット１８とリヤブラケット１９によって保持されている。
　シャフト２の一方の端部には、プーリ１が取り付けられている。シャフト２の他方の端部には、スリップリング１４が設けられ、ブラシ１５と接触し界磁巻線１３に電力を供給している。更に、回転子４のフロント側爪形磁極１１とリヤ側爪磁極１２の両端面には、外周側に複数の羽根を有する冷却ファンであるフロントファン１６とリヤファン１７が設けられ、回転することによる遠心力によって、外部からの空気を導入し、内部を冷却した空気を外部に排出するように、空気を流通させるようになっている。
　固定子巻線７は、本例では３相巻線で構成されており、それぞれの巻線の口出し線は、整流回路２０に接続されている。整流回路２０は、ダイオード等の整流素子から構成され、全波整流回路を構成している。例えばダイオードの場合、カソード端子はダイオード接続端子２１に接続されている。また、アノード側の端子は車両用交流発電機本体に電気的に接続されている。リヤカバー２２は整流回路２０の保護カバーの役割を果たしている。
　次に、発電動作について説明する。まず、エンジンの始動に伴ってクランクシャフトからベルトを介してプーリ１に回転が伝達されるため、シャフト２を介して回転子４を回転させる。ここで、回転子４に設けられた界磁巻線１３にスリップリング１４を介してブラシ１５から直流電流を供給すると界磁巻線１３の内外周を周回する磁束が生じるため、回転子４におけるフロント側爪形磁極１１とリヤ側爪形磁極１２にＮ極、又は、Ｓ極が周方向に交互に形成される。この界磁巻線１３による磁束は、フロント側爪形磁極１１のＮ極から固定子鉄心６をとおって固定子巻線７の周りを周回し、回転子４のリヤ側爪形磁極１２のＳ極に到達することで回転子４と固定子５を周回する磁気回路が形成される。このように回転子にて生じた磁束が固定子巻線７と鎖交するため、Ｕ１相、Ｕ２相、Ｖ１相、Ｖ２Ｗ相、Ｗ１相、Ｗ２相の固定子巻線７のそれぞれに交流誘起電圧が発生し、全体としては６相分の交流誘起電圧が生じる。
　このように発電された交流電圧は、ダイオード等の整流素子で構成された整流回路２０によって、全波整流されて直流電圧に変換される。整流された直流電圧は一定電圧になるようにＩＣレギュレータ（図示せず）で界磁巻線１３に供給する電流を制御することで達成している。
　次に、図２～図９を用いて、第１実施例の構成について説明する。図２は固定子のフロント側からの斜視図である。図３は回路図である。図４はＵ１相Ａコイルの固定子巻線の斜視図である。図５は環状コイルの斜視図である。図６は図５の環状コイルをＰ側から見た図である。図７は、図５の環状コイルをＦ側から見た図である。図８は固定子鉄心内の巻線配置図である。図９は固定子のフロント側の軸方向から見た図である。
　図２に示すように、固定子５は、内周面の周方向に複数のスロットを有する環状の固定子鉄心６と、その各々のスロットの内周面に装着されたＵ字状の絶縁紙８を介して、各相の固定子巻線７を装着し、固定子巻線７をスロット内に保持するためスロット最内周側にスロット楔９を有する。この例では、スロット数は７２である。固定子鉄心６のスロットから軸方向にはみ出た部分は、２つのスロット間を口出し線側のコイルエンド７２－ａ、口出し線側と反対側のコイルエンド７２－ｂである。また、図示のように、２４本の口出し線７１が取り出され、図３に示す結線図に示すように結線され、整流器２０に接続される。
　図３に示すように本実施例での構成は、固定子巻線は三角形状に結線されたデルタ結線の構成で、Ａコイル及びＢコイルと２種類のコイルを並列に結線し構成されているが、Ａコイル及びＢコイルを直列接続及びスター結線（Ｙ結線）で構成しても回転電機として成立する。
　図４に示すように、Ｕ１相の固定子巻線７は、環状に巻き回され成形された環状コイル７６を渡り線７３で複数連結した形態で構成され、本例である毎極毎相のスロット数を１２極６相分の巻線の場合７２スロットであり、環状コイル７６の数は６で各コイル間は渡り線７３で接続され、連続的に形成されたコイルが全１２本で構成される。本例における環状コイル７６の巻数は、５Ｔである。
　図４に示すように、Ｕ１相の固定子巻線７Ｕ１は、７Ｕ１－Ａ巻線と７Ｕ１－Ｂ巻線で構成されている。７Ｕ１－Ａ巻線は渡り線７３が口出し線７１側に配置される構成で７Ｕ１－Ｂ巻線も同様に渡り線７３が口出し線７１側に配置される構成の固定子巻線であり、渡り線の配置を口出し線側に集約する。
　図５に環状コイル７６の形態を示す。環状コイル７６は、略六角形であり、口出し線７１、固定子鉄心の軸方向に飛び出したコイルエンド部７４、固定子鉄心のスロット部に装着されるコイルスロット部７５、環状コイル間を繋ぐ渡り線７３により構成され、コイルエンド部７２には、コイルエンド頂点部で捻りのないＺ型形状に成形されたコイルターン部がある。
　図５に示すように環状コイル７６の巻順は、口出し線７１から固定子鉄心のスロット部に入る環状コイルスロット部７５－ａに入り、口出し線と反対側のコイルエンド７２－ｂに移る。コイルエンド部の頂点は、本例ではまずｈ１、ｈ２の２段のうちｈ２の頂点Ｚ型状部からスロット部に入る７５－ｂに入る。
　その後、７２－ｂと同様に口出し線側のコイルエンド７２－ａを形成し最初のスロット部７５－ａに入り、略亀甲形状（略六角形状）を一周し、環状コイル７６の１Ｔ（ターン）となる。このような巻線作業を所定の巻数分を繰り返すことで、回転電機の特性に必要とする所定の巻数分を巻き回している。コイルエンド部でのコイルの分割は、本例では２階層としているため、総重なり本数を１／２に分割するが、口出し線側もしくは口出し線と反対側で奇数本の重なりとなる場合は、外周側になるコイルを多くなるように巻く。この場合、内周側のコイルは外周側コイルの形状に合わせるように変形させることになるので変形量が大きくなるため、生産性の面から変形量の大きい内周側の巻き重ね数を少なくしておくことが望ましい。
　図６は、環状コイル７６の断面図である。環状コイル７６を形成する導線は断面が略矩形形状の金属線である。本例では５Ｔのため、口出し線側のコイルエンド７２－ａで巻き重ねられているコイルは４本導線であり、コイルはｈ２の頂点高さの上段に１～２Ｔまでの２本、ｈ１の頂点高さの下段に３～４Ｔの２本に分割される。それに対し、口出し線と反対側のコイルエンド７２－ｂで巻き重ねられるコイルは５本導線になり、また、本例においては、外周側になるコイルをｈ１の頂点高さを持つ下段コイルとしていることから、ｈ２の頂点高さの上段で１～２Ｔまでの２本、ｈ１の頂点高さの下段で３～５Ｔまでの３本導線に分割される。分割したコイルエンド部の重なり厚みは、外周側に配置されているｈ１の高さで巻き回されたコイルの重なり厚み７７－ａ及び７７－ｂの内側で軸方向に整列されている。例えば巻数を６Ｔとした場合は、口出し線側のコイルエンドでの巻き重ねられるコイル導線が５本となるため、内周側になるコイル高さｈ２で２本、外周側になるコイルの高さｈ１で３本で分割し、口出し線と反対側のコイルエンドでは巻き重ねられるコイルが６本導線になるため、各３本導線ずつに分割される。この場合のｈ１、ｈ２のコイル同士の隙間は、軸方向に整列できるよう確保するが、コイルエンド高さを低く抑えるために１mm程度が望ましい。
　尚、環状コイルの回転軸方向に異なる高さ（ｈ１、ｈ２）を有する部分は、本実施例では固定子磁極の両側に設けてあるが、片側のみに設けても良い。
　図７は、本実施例の階層状に分割した場合のコイルエンドの重なり厚みと、従来例におけるコイルエンドの重なり厚みの比較を記した図である。本実施例のコイルエンドの重なり厚みは、従来例に比べ１／２もしくは３／５に小さくなっている。
　図８は、図５の環状コイル７６の口出し線側のコイルエンド７２－ａ部を軸方向上側から示した図である。コイルエンド部のＺ形状部７４－ａで、上段のコイルは下段のコイルの重なり幅内側と外側の中７７－ａでコイルが階層状に整列している形状である。
　図９は、図５の環状コイル７６の口出し線と反対側のコイルエンド７２－ｂを軸方向上側から示した図である。コイルエンド部のＺ形状部７４－ｂで、上段のコイルは下段のコイルの重なり幅内側と外側の中７７－ｂでコイルが階層状に整列している形状である。
　図１０は、図５の環状コイル７６のスロット部に入る７５－ａ及び７５－ｂの断面を軸方向から見た図であり、スロット内では矩形断面を持つコイルが所定の巻数分コイル幅広面が径方向に重なり整列されている。本例では５Ｔのため、外径側、内径側５本ずつである。
　図１１は、本実施例における環状コイルの巻き順と巻線方法の一例である。図１１－（１）は、コイルを巻き付けるためのジグである。コイルエンド部は階層状にコイルを巻き回すため、ｈ１及びｈ２の頂点高さを持ち、ｈ２を先に巻き付ける形状である。図１１－（２）は、巻始めから矢印方向にｈ２の頂点に沿って２Ｔまでを巻き付けた状態を示す図である。図１１－（３）は、３Ｔ以降をｈ１の頂点に沿って巻き付けた図であり、本例では巻数を５Ｔとしている。図１１－（４）は、５Ｔ巻き終えた成形前の環状コイル７９をジグから矢印方向にはずした図である。図１１－（５）は、本実施例における環状コイルの成形方法を示した図である。成形前環状コイルのコイルエンド部７９－ａを図に示す点線位置でｈ１とｈ２のコイルを別々に押さえながらθの角度に環状コイル全体を曲げることで、環状コイル７６の形状に成型する。この際にｈ１とｈ２を別々に押え、ｈ２をｈ１上部まで押込むことで、階層状のコイルエンドが整列する。
　図１２に固定子鉄心に装着される固定子巻線７のスロットの配置図を示す。　
　環状コイル７６の配置ピッチは磁極ピッチと等しい電気角３６０°間隔で配置され、環状コイルの巻回ピッチは、磁極ピッチより小さい電気角１８０°未満の１５０°で巻き回される短節ピッチとなる。
　このように、固定子巻線に用いる環状コイルの巻回ピッチが、磁極ピッチと等しい全節ピッチの間隔よりも狭い間隔（短節ピッチ＝電気角で１８０°未満）で複数のティースをまたいで夫々のスロットに挿入されるものを短節巻きと称する。なお、固定子巻線に用いる環状コイルの巻回ピッチが、磁極ピッチと等しい全節ピッチの間隔（全節ピッチ＝電気角で１８０°）で複数のティースをまたいで夫々のスロットに挿入されるものを全節巻きと称する。
　また、Ｖ１相からＷ２相の固定子巻線についても同様の構成である。　
　図５で示す環状コイル７６は、固定子鉄心に装着されるが、固定子巻線７の配置は、図１２に示すようにスロットの半径方向に２分割され、スロット開口部側を内層、固定子鉄心６の外周側を外層となる２層巻線の配置となる。
　各相の固定子巻線７は、Ａコイル及びＢコイルの２種類に分割され、図１２において、例えば、２つのＵ１相の固定子巻線７は、ＡコイルはＵ１Ａ、ＢコイルはＵ１Ｂとし、環状コイルＵ１Ａは、第１スロットのＳ１の外層側と第６スロットであるＳ６の内層側に配置され、コイルエンド部で結ばれ環状コイル７６を形成する。すなわち、Ｕ１相の環状コイル巻回ピッチは磁極ピッチより小さい電気角１８０°未満の１５０°で巻き回される。一方、環状コイルＵ１Ｂは、第７スロットのＳ７の外層側と第１１スロットであるＳ１１の内層側に配置され、コイルエンド部で結ばれ環状コイル７６を形成する。すなわち、Ｕ２相の環状コイル巻回ピッチは磁極ピッチより小さい電気角１８０°未満の１５０°で巻き回される。
　Ｖ１相からＷ２相の環状コイルについても同様の構成である。
　図１２に示すスロット配置図で装着された環状コイルを図４に示すように渡り線７３で繋ぐ形態とし、図３に示すような結線図で各相の固定子巻線７を結線し、整流器に接続することで、固定子は２組の３相結線を備えた本第１実施例である車両用交流発電機となる。
　図５の環状コイル７６で構成された固定子５は、フロント側から見ると図１３に示すような形態となる。
　図１３（１）は、口出し線と反対側のコイルエンドと軸方向から見た図である。　
　図１３（２）は、（１）の一部を拡大した図である。
　図１３（２）に示されるようにコイルエンドの頂点であるＺ型形状部７４－ｂは、階層状になったＺ型形状の斜め部が放射状に整列され、Ｚ型形状部７４－ｂ同士に一定の隙間４０が設けられている。コイルエンド頂点部を含むＺ型形状部で巻き回されたコイルを階層状に分割することで、コイル重なり厚み寸法図６　７７－ｂを小さくし、コイルターン部での間隔を一定に保つことができ、コイルエンド部で干渉することが無く固定子を構成できる。
　また、モータ等の高電圧化にも一定のギャップを保つことが可能となり、相間絶縁紙無しで固定子を構成することができ、高品質で安価の固定子を提供できる。また、コイルエンド部で巻き回されたコイルを分割したことにより、発熱するコイルの束を分割したこと、放熱面積が増えたことで、冷却性にも効果がある。
〔第２実施例〕
　上記した第１実施例では、２階層のコイルエンドの内、上段のコイルを内径側に配置したが、外径側に配置することでも成立する。またターン数の増加やスロット長及びスロット内のコイル占積率の増加により、さらにコイル重なり厚みを小さくしたい場合は、階層数をさらに増やしてコイル重なり厚みの分割数を増やすことにより、コイルエンドの干渉を回避することができる。
　また第１実施例では、６つの異なる相の固定子巻線７を固定子鉄心６に装着した後に、電気角が異なる２つの相の固定子巻線を並列に接続して整流器２０に接続した構成であるが、直列接続でも同様の効果が得られ口出し線の数を低減できる効果がある。
　また、デルタ結線での構成であるがスター結線でも同様の効果が得られる。　
　また、第１実施例では、固定子巻線の巻回ピッチを５／６（電気角１５０°）で巻線された固定子について述べてきたが、巻回ピッチを４／６（電気角１２０°）または、巻回ピッチ６／６（電気角１８０°）で巻線された固定子の構成についても成立し、同様の効果が得られる。
　また、２組の３相巻線を有する固定子について述べてきたが、３相巻線及び５相、７相等の多相の固定子についても同様の効果が得られる。
〔第３実施例〕
　上記した第２実施例では、第１実施例で述べた固定子巻線の巻回ピッチ５／６（電気角１５０°）に加え、巻回ピッチ４／６（電気角１２０°）または、巻回ピッチ６／６（電気角１８０°）での成立性について述べた。
　本実施例では、１つのコイルの巻回ピッチを複数に分割した方法、例として巻き回するコイルの約半数ずつ５／６と６／６ピッチに分割した形態について記述する。
　図１４は、本実施例の環状コイルの形態である。　
　環状コイル８６は、固定子鉄心外層側スロットに装着されるコイル８５－ａに対し、固定子鉄心内層側スロットに装着されるコイルは、巻回ピッチ５／６（電気角１５０°）の８５－ｂと、巻回ピッチ６／６（電気角１８０°）の８５－ｃに分割される。
　分割された巻回ピッチ５／６のコイル８５－ｂは、コイルエンド部８２－ａ及び８２－ｂで頂点部にｈ１の高さを持つ下段コイルとなり、巻回ピッチ６／６のコイル８５－ｃはコイルエンド部８２－ａ及び８２－ｂで頂点部にｈ２の高さを持つ上段コイルとなることで、階層状に分割されたコイルエンド形状となる。
　また、本実施例では巻回ピッチを分割したことで、コイルが高さ方向に上下段の階層状に分割されたことに加え、周方向にも分割されコイルエンド部８２－ａ及び８２－ｂの全域でコイルが分割され、コイルターン部での間隔をより広く一定に保つことができ、コイルエンド部で他のコイルと干渉することが無く固定子を構成できる。
　図１５に固定子鉄心に装着される固定子巻線８０のスロットの配置図を示す。　
　環状コイル８６の配置ピッチは磁極ピッチと等しい電気角３６０°間隔で配置され、環状コイルの巻回ピッチは、内層２に磁極ピッチより小さい電気角１８０°未満の１５０°の５／６ピッチで巻き回される短節ピッチと、内層１に磁極ピッチと等しい電気角１８０°の６／６ピッチで巻き回される全節ピッチとに分割配置される。
　このように、固定子巻線に用いる環状コイルの巻回ピッチが、磁極ピッチと等しい全節ピッチの間隔よりも狭い間隔（短節ピッチ＝電気角で１８０°未満）で複数のティースをまたいで夫々のスロットに挿入されるものを短節巻きと称する。なお、固定子巻線に用いる環状コイルの巻回ピッチが、磁極ピッチと等しい全節ピッチの間隔（全節ピッチ＝電気角で１８０°）で複数のティースをまたいで夫々のスロットに挿入されるものを全節巻きと称する。
　本実施例の巻線形態では、コイル長が全節ピッチ６／６と短節ピッチ５／６の双方中間の特性となり、全節ピッチでの誘起電圧増加、短節ピッチ部でのコイル長短縮でのコイルの抵抗値の低減、また分散巻き短節ピッチのインダクタンス低下による高回転域の出力向上など双方の特性を得ることができ、高出力・高効率の回転電機の提供が可能となる。
　また、上述の各実施形態では、回転電機の一例として車両用交流発電機について説明を行ったが、回転力を出力するモータや、発電と駆動を兼ねたモータジェネレータ等にも適用することができる。特にモータとしては、ハイブリット自動車や電動四輪駆動車の駆動用モータ、ポンプを駆動するためのモータ等への固定子として適用できる。
１　プーリ
２　シャフト
３　フロントベアリング
４　回転子
５　固定子
６　固定子鉄心
７　固定子巻線
８　絶縁紙
９　スロット楔
１０　リヤベアリング
１１　フロント側爪磁極
１２　リヤ側爪磁極
１３　界磁巻線
１４　スリップリング
１５　ブラシ
１６　フロントファン
１７　リヤファン
１８　フロントブラケット
１９　リヤブラケット
２１　ダイオード接続端子
２２　リヤカバー
２３　車両用交流発電機
３０　巻線ジグ
４０　コイルエンド隙間
７１、８１　口出し線
７３、８３　渡り線
７６、８６　環状コイル
７９　成形前の環状コイル
８０　第３実施例における固定子巻線

Claims (13)

  1. 　固定子と、
    　前記固定子の内周側に隙間を介して回転可能に支持された回転子を備え、
    　前記固定子が、内周面に向かって開口された複数のスロットを有する環状の固定子鉄心と、断面が略矩角形状の導線であって前記スロットに挿入された複数のコイル部と前記コイル部同士を繋ぐ渡り部とを構成する固定子巻線とを有する回転電機において、
    　前記コイル部は、前記導線を前記回転の軸方向に異なる高さを有して巻き回されて形成されたことを特徴とする回転電機。
  2. 　請求項１において、
    　前記コイル部は、前記導線を前記回転の軸方向に異なる高さを有して複数回巻き回されて形成されたことを特徴とする回転電機。
  3. 　請求項２において、
    　前記コイル部は、前記回転の軸方向に略２階に形成されたことを特徴とする回転電機。
  4. 　請求項３において、
    　前記コイル部は、前記固定子鉄心の片側または両側で、前記導線を前記回転の軸方向に異なる高さを有して巻き回されたことを特徴とする回転電機。
  5. 　請求項４において、
    　前記コイル部は２ヶ所で、前記固定子鉄心の異なるスロットにそれぞれ挿入され、うち１ヶ所が他ヶ所よりも前記固定子鉄心の外周側に設置されたことを特徴とする回転電機。
  6. 　請求項５において、
    　前記コイル部の最高部は略Ｚ形に曲げられ、前記コイル部の全体は略亀甲形状に巻き回されたことを特徴とする回転電機。
  7. 　請求項１において、
    　前記固定子巻線を複数本備え、
    　各々の固定子巻線が異なる電気角を成して固定子鉄心に設置されたことを特徴とする回転電機。
  8. 　請求項７において、
    　前記回転子の回転により前記固定子巻線に発生した電圧を整流する整流手段を備えたことを特徴とする回転電機。
  9. 　請求項７において、
    　印加された電圧を前記固定子巻線に分配する分配手段を備えたことを特徴とする回転電機。
  10. 　請求項３において、
    　前記略２階のうちの略１階部を形成する導線は、前記略２階のうちの略２階部を形成する導線よりも前記固定子鉄心の内周側に設置されたことを特徴とする回転電機。
  11. 　固定子と、前記固定子の内周側に隙間を介して回転可能に支持された回転子を備えた回転電機の生産方法において、
    　断面が略矩角形状の導線を曲げて、一部に高さが異なる部分を有するコイル部を複数形成し、
    　前記回転子を構成し内周側に開口を有する複数のスロットが形成された環状の固定子鉄心の第１のスロットの外周側に、前記コイル部の他の部分を挿入し、
    　前記固定子鉄心の第２のスロットの内周側に、前記コイル部の他の部分を挿入し固定したことを特徴とする回転電機の生産方法。
  12. 　請求項１０において、
    　断面が略矩角形状の第２の導線を曲げて、一部に高さが異なる部分を有する第２のコイル部を形成し、
    　前記第２のスロットの外周側に、前記第２のコイル部の他の部分が挿入され、
    　その後に、前記第２のスロットの内周側に、前記コイル部の他の部分を挿入し固定したことを特徴とする回転電機の生産方法。
  13. 　請求項１２において、
    　複数本の前記導線をそれぞれ、曲げて、一部に高さが異なる部分を有するコイル部を複数形成し、
    　これらの導線を前記固定子鉄心に固定した後に、これらの導線の端同士を電気的に接続したことを特徴とする回転電機の生産方法。
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