WO2018037618A1 - 内燃機関用回転電機、回転電機のステータ、およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

回転電機は、複数の磁極３６を備える。磁極３６は、単コイル３３ｕ内を径方向に延びる棒状部３６ｃを有する。棒状部３６ｕは、断面積が基端部から先端部へ向けて所定割合を超える拡大割合で大きくなる先端側部分３６ｄを有する。先端側部分３６ｄは、外側拡大部である。棒状部３６ｃは、所定割合を下回る基端側部分３６ｅを有している。基端側部分３６ｅは、ストレート部である。磁極３６に、基端側部分３６ｅから素線３３ａを巻きはじめる。素線３３ａは、先端側部分３６ｄへ巻き進められる。

Description

内燃機関用回転電機、回転電機のステータ、およびそれらの製造方法 関連出願の相互参照

　この出願は、２０１６年８月２３日に日本に出願された特許出願第２０１６－１６３０６１号、および２０１７年２月１０日に日本に出願された特許出願第２０１７－２３２３１号を基礎としており、基礎の出願の内容を、全体的に、参照により援用している。

　この明細書における開示は、内燃機関用回転電機、回転電機のステータ、およびそれらの製造方法に関する。

　特許文献１および特許文献２は、内燃機関用回転電機、回転電機のステータ、およびそれらの製造方法を開示する。ティース部の幅は、基端から先端まで連続的に大きくなっている。ティース部は、その幅に関して、テーパ状とも呼ばれる。従来技術として列挙された先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２０１４－１６５９７６号公報 特開２０１５－１３０７８５号公報

　ティース部は、必要とされる磁束を通すために所定の断面積を必要とする。テーパ状のティース部は、基端において最少の断面積を提供する。このため、ティース部の形状は、磁気的な飽和、または磁気的な漏れに関して支配的なファクターとなる。

　別の観点において、ティース部を巻き芯としてコイルが巻かれる場合がある。この場合、ティースの形状は、コイルの素線の配置に関して支配的なファクターとなる。

　上述の観点において、または言及されていない他の観点において、ティース部にはさらなる改良が求められている。

　この開示の目的は、改良されたティース部をもつ内燃機関用回転電機、回転電機のステータ、およびそれらの製造方法を提供することにある。

　この開示の他の目的は、磁気的に望ましい断面積を有するティース部をもつ内燃機関用回転電機、回転電機のステータ、およびそれらの製造方法を提供することにある。

　この開示のさらに他の目的は、コイルを巻きやすいティース部をもつ内燃機関用回転電機、回転電機のステータ、およびそれらの製造方法を提供することにある。

　この開示は、回転電機のステータを提供する。回転電機のステータは、複数の磁極（３６）を有するステータコア（３２）、およびステータコアに巻かれたステータコイル（３３）を備え、少なくともひとつの磁極に設けられ、ステータコイル内を径方向に延びる棒状部（３６ｃ、５３６ｃ）は、棒状部の中に設けられ、断面積が先端へ向けて所定割合を超える拡大割合で大きくなる先端側部分（３６ｄ）と、先端側部分よりも基端側に設けられ、断面積の変化が所定割合を下回る基端側部分（３６ｅ、４３６ｅ）とを有している。

　この開示によると、磁束を通すための通路である棒状部が、先端側部分と、基端側部分とを有している。先端側部分の断面積は、先端へ向けて所定割合を超える拡大割合で大きくなる。このため、磁束の飽和、および／または磁束の漏れが抑制される。基端側部分の断面積の変化は、所定割合を下回る。このため、磁束の飽和、および／または磁束の漏れが抑制される。

　この開示は、上記回転電機のステータ（３１）と、ステータに対向して回転可能なロータ（２１）とを備える内燃機関用回転電機を提供する。

　この開示は、回転電機のステータの製造方法を提供する。回転電機のステータの製造方法は、磁極（３６）を提供するためのステータコア（３２）の棒状部（３６ｃ、５３６ｃ）に、棒状部の中に設けられ、断面積が先端へ向けて所定割合を超えて拡大する先端側部分（３６ｄ）、および、先端側部分よりも基端側に設けられ、断面積の変化が所定割合を下回る基端側部分（３６ｅ、４３６ｅ）を設ける形成工程と、ステータコイルの素線（３３ａ）を基端側部分の上から巻きはじめて、先端側部分へ巻き進める巻線工程とを備える。

　この開示によると、磁束の飽和、および／または磁束の漏れが抑制されるとともに、巻き始めにおける素線にかかる荷重を抑制することができる。

　この開示は、内燃機関用回転電機の製造方法を提供する。内燃機関用回転電機の製造方法は、回転電機のステータ（３１）の製造方法と、内燃機関の上において、ステータに対向するように、回転可能なロータ（２１）を配置する工程とを有する。

　この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態に係る回転電機の断面図である。 回転電機の平面図である。 ステータの平面図である。 インシュレータの斜視図である。 磁極の部分断面図である。 磁極の部分断面図である。 図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線における断面図である。 図６のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における断面図である。 図６のＩＸ－ＩＸ線における断面図である。 ステータの部分断面図である。 ステータの部分断面図である。 第２実施形態に係るステータの部分断面図である。 第３実施形態に係るステータの部分断面図である。 第４実施形態に係るステータの部分断面図である。 第５実施形態に係るステータの部分断面図である。

　図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

　第１実施形態
　図１は、内燃機関のための電力システム１０を示す。電力システム１０は、内燃機関用回転電機１１（以下、単に回転電機という）を含む。図中には、中心軸ＡＸを含む断面における回転電機１１の断面が図示されている。回転電機１１は、内燃機関１２に組み付けられている。内燃機関１２は、ボディ１３と、ボディ１３に回転可能に支持され、内燃機関１２と連動して回転する回転軸１４とを有する。回転電機１１は、ボディ１３と回転軸１４とに組み付けられている。ボディ１３は、内燃機関１２のクランクケース、ミッションケースなどの構造体である。図示の例では、ボディ１３は、右側のベースと、左側のカバーとを有する。回転軸１４は、内燃機関１２のクランク軸、またはクランク軸と連動する回転軸である。回転軸１４は、内燃機関１２が運転されることによって回転し、回転電機１１を発電機として機能させるように駆動する。回転軸１４は、回転電機１１が電動機として機能するときに、回転電機１１によって回転駆動される。

　電力システム１０は、電気回路（ＣＮＴ）１５を有する。回転電機１１と電気回路１５とは、電力線１６によって接続されている。電力線１６は、回転電機１１が発電機として利用されるときに、発電電力を電気回路１５に出力する。電気回路１５は、発電電力を整流するための整流回路を備える。電気回路１５は、発電電力を所定電圧に調整するためのレギュレータ回路を備える。電気回路１５は、車両の電気回路と、バッテリとを含む。回転電機１１の用途の一例は、車両用の内燃機関１２によって駆動される発電機である。回転電機１１は、例えば、鞍乗り型車両に利用することができる。

　回転電機１１は、車両用の内燃機関１２を支援する電動機として利用される場合がある。この場合、電気回路１５は、インバータ回路および制御装置を備える。この場合、回転電機１１は、回転位置を示す信号を出力するためにひとつまたは複数の回転位置センサを備える。回転位置センサは、回転電機１１の基準位置信号、および／または回転電機１１の回転位置信号を電気回路１５に出力する。制御装置は、回転位置信号を利用して、回転電機１１を電動機として機能させるように、制御を実行する。

　回転電機１１は、ロータ２１と、ステータ３１とを有する。ロータ２１は、界磁子である。ステータ３１は、電機子である。ロータ２１は、全体がカップ状である。ロータ２１は、ステータ３１の端面と径方向外側面とに渡って延びる部材である。ロータ２１は、回転軸１４の端部に固定される。ロータ２１と回転軸１４とは、キー嵌合などの回転方向に関する位置決め機構を介して連結されている。ロータ２１は、固定ボルトによって回転軸１４に締め付けられることによって固定されている。ロータ２１は、回転軸１４とともに回転する。ロータ２１は、複数の磁極に対向して回転可能に支持されている。

　ロータ２１は、カップ状のロータコア２２を有する。ロータコア２２は、内燃機関１２の回転軸１４に連結される。ロータコア２２は、後述する永久磁石２３のためのヨークを提供する。ロータコア２２は、磁性金属製である。

　ロータ２１は、ロータコア２２の内面に配置された永久磁石２３を有する。ロータ２１は、永久磁石２３によって界磁を提供する。永久磁石２３は、ロータコア２２の筒の内側に固定されている。永久磁石２３は、複数のセグメントを有する。それぞれのセグメントは、部分円筒状である。永久磁石２３は、その内側に、複数のＮ極と複数のＳ極とを提供する。永久磁石２３は、少なくとも界磁を提供する。永久磁石２３は、１２個のセグメントによって、６対のＮ極とＳ極、すなわち１２極の界磁を提供する。磁極の数は、他の数でもよい。

　ステータ３１は、ステータコア３２を有する。ステータコア３２は、内燃機関１２のボディ１３に固定されることによってロータ２１の径方向内側に配置される。ステータコア３２は、所定の形状に成形された電磁鋼板を積層することにより形成されている。ステータ３１は、ステータコア３２に巻回されたステータコイル３３を有する。ステータコイル３３は、電機子巻線を提供する。ステータコイル３３は、単相巻線、または多相巻線である。ステータコイル３３は、電機子巻線を提供する。

　ステータ３１は、インシュレータ３４を有する。インシュレータ３４は、ステータコア３２とステータコイル３３との間に配置されている。インシュレータ３４は、ボビンとも呼ばれる。インシュレータ３４の一部は、磁極に隣接して位置づけられることによって、ボビンのフランジ部を提供する。インシュレータ３４の一部は、磁極の軸方向における両側に配置されている。インシュレータ３４は、ステータコア３２の環状部にも露出している。

　ステータ３１は、ブラケット３５を有する。ブラケット３５は、ステータコア３２に固定されている。ブラケット３５は、電力線１６を固定している。

　ステータ３１は、環状の部材である。ステータ３１は、複数の固定ボルトによってボディ１３に固定されている。ステータ３１は、ロータ２１とボディ１３との間に配置されている。ステータ３１は、ロータ２１の内面とギャップを介して対向する外周面を有する。

　図２には、ロータ２１とステータ３１とが図示されている。図中には、カバーを外した状態が図示されている。図中には、ステータ３１の中央開口部３１ａが図示されている。中央開口部３１ａには、ロータ２１のボス部２２ａが見える。図中には、ロータ２１の開口端が図示されている。ステータコイル３３の形状は、模式的に図示されている。

　ステータコア３２は、複数の磁極３６を有する。ステータコア３２は、連結部３７を有する。連結部３７は、環状である。連結部３７は、複数の磁極３６を、それらの基部において連結している。連結部３７は、複数の磁極３６のためのヨークとして機能する。ステータコア３２は、連結部３７においてボディ１３に固定されている。連結部３７は、継ぎ目を有していてもよい。複数の磁極３６は、外周に配置されている。磁極３６は、ティースとも呼ばれる。ステータコア３２は、例えば、１２個の磁極３６を有する。磁極３６の数は、他の数でもよい。これら磁極３６は、ロータ２１の界磁と対向して配置されている。ひとつの磁極３６は、ひとつの単コイル３３ｕを有する。ステータコイル３３は、複数の単コイル３３ｕを備える。単コイル３３ｕは、ユニットコイルとも呼ばれる。

　図３は、ステータコア３２を示す。図中には、回転電機１１の中心軸ＡＸと、磁極３６の径方向中心軸ＡＲとが図示されている。ステータコア３２は、複数の磁極３６と、共通の連結部３７とを有する。ひとつの磁極は、ロータ２１と対向するための先端部３６ａを有する。先端部３６ａは、周方向に沿って広がる外周面を提供している。先端部３６ａは、先端拡大部とも呼ばれる。先端部３６ａは、鍔部とも呼ばれる。先端部３６ａは、周方向に沿って延びている。先端部３６ａは、径方向外側に面する磁極面を提供している。先端部３６ａは、永久磁石２３から供給される磁束の、磁極３６に対する入り口および／または出口といえる。連結部３７は、複数の磁極３６の間の磁束受け渡し通路といえる。

　ひとつの磁極３６は、先端部３６ａより径方向内側に棒状部３６ｃを有している。棒状部３６ｃは、先端部３６ａと連結部３７とを連結している。棒状部３６ｃは、放射状に延びている。棒状部３６ｃは、ステータコイル３３内を径方向に延びている。連結部３７は、複数の棒状部３６ｃの基端側である径方向内側に設けられている。

　図４は、インシュレータ３４の斜視図である。インシュレータ３４は、ステータコア３２を両面から挟むように配置されている。図中には、インシュレータ３４の半部が図示されている。インシュレータ３４は、先端部３６ａから突出するように位置付けられるフランジ部３４ａを有する。フランジ部３４ａは、ステータコイル３３のためのフランジを提供する。インシュレータ３４は、収容部３４ｂを有する。収容部３４ｂは、先端部３６ａを収容し、先端面３６ｂを露出させる。

　インシュレータ３４は、胴部３４ｃを有する。フランジ部３４ａは、胴部３４ｃの軸から胴部３４ｃの軸に対して径方向の外側に拡がっている。胴部３４ｃは、筒状である。胴部３４ｃは、角が丸い角筒である。胴部３４ｃは、放射状に延びている。胴部３４ｃは、棒状部３６ｃを収容する。胴部３４ｃは、棒状部３６ｃを包む。胴部３４ｃは、棒状部３６ｃの外面に対応する外面の形状を有している。胴部３４ｃは、ステータコイル３３のための巻胴を提供する。

　インシュレータ３４は、環状の連結部３４ｄを有する。連結部３４ｄは、複数の胴部３４ｃを連結している。連結部３４ｄは、複数の胴部３４ｃの径方向内側に配置されている。連結部３４ｄは、胴部３４ｃの軸から胴部３４ｃの軸に対して径方向の外側に拡がっている。

　フランジ部３４ａ、および連結部３４ｄは、胴部３４ｃの両端に位置している。フランジ部３４ａ、胴部３４ｃ、および連結部３４ｄは、ステータコイル３３のための巻胴を提供する。フランジ部３４ａ、胴部３４ｃ、および連結部３４ｄは、ボビンとも呼ばれる。フランジ部３４ａ、および連結部３４ｄは、ステータコイル３３の範囲を規定する部材でもある。

　図５は、ひとつの磁極３６を示している。図中には、単コイル３３ｕとインシュレータ３４とが断面によって図示されている。なお、断面を示すハッチングは付されていない。図中には、磁極３６の径方向中心軸ＡＲが図示されている。

　磁極３６は、先端面３６ｂを提供する先端部３６ａを有する。磁極３６は、先端部３６ａと、連結部３７とを連結する棒状部３６ｃを有する。棒状部３６ｃは、径方向に沿って、先端側部分３６ｄと、基端側部分３６ｅとを有する。先端側部分３６ｄは、棒状部３６ｃの径方向外側部分を提供している。先端側部分３６ｄは、棒状部３６ｃの中に設けられ、断面積が先端へ向けて所定割合を超える拡大割合で大きくなる。換言すると、先端側部分３６ｄは、対向するロータ２１に向かって断面積が大きくなる。断面積は、徐々に大きくなっている。断面積は、連続的に大きくなっている。断面積は、段階的に大きくなっていてもよい。所定割合を超える拡大割合は、直線状（リニア状）に大きくなっている。これに代えて、拡大割合は、平均的な変化率として大きくなっていてもよい。

　先端側部分３６ｄの周方向幅の最大値は、先端部３６ａの周方向幅よりも小さい。基端側部分３６ｅは、棒状部３６ｃの径方向内側部分を提供している。基端側部分３６ｅは、棒状部３６ｃの中に先端側部分３６ｄよりも基端側に設けられ、所定割合を下回る断面積を有する。磁極３６は、所定の厚さを有している。よって、径方向に垂直な断面における磁極３６の断面積は、図示される磁極３６の形状に依存している。以下、磁極３６の断面という用語は、径方向中心軸ＡＲに垂直な断面を指す。

　先端側部分３６ｄは、径方向に沿って長さＬ３６ｄにわたって延びている。長さＬ３６ｄは、棒状部３６ｃの主要な範囲を占めている。長さＬ３６ｄは、ステータコイル３３の素線３３ａの直径の２倍を上回る。長さＬ３６ｄは、棒状部３６ｃの全長の１／２を上回る範囲を占めている。長さＬ３６ｄは、棒状部３６ｃの全長の１／２を上回り、３／４を下回る範囲を占めている。

　先端側部分３６ｄは、径方向外側ほど太い断面を有している。先端側部分３６ｄは、径方向外側の幅が大きい台形である。先端側部分３６ｄは、径方向内側端において、幅Ｗｉ３６ｄを有する。先端側部分３６ｄは、径方向外側端において、幅Ｗｏ３６ｄを有する。先端側部分３６ｄは、長さＬ３６ｄにわたって幅Ｗｉ３６ｄから幅Ｗｏ３６ｄへの緩やかな太さの変化を棒状部３６ｃに与えている。幅Ｗｉ３６ｄから幅Ｗｏ３６ｄへの変化は直線的である。先端側部分３６ｄは、径方向に沿って、外側に向かうほど太くなる。先端側部分３６ｄは、テーパ部とも呼ばれる。先端側部分３６ｄは、外側拡大部とも呼ばれる。

　先端側部分３６ｄと先端部３６ａとの間には、それらを滑らかに連続させるための先端接続部３６ｍが配置されている。先端接続部３６ｍは、凹曲面によって特徴付けられている。先端接続部３６ｍは、先端側部分３６ｄよりも急激な太さの変化を棒状部３６ｃに与える。

　基端側部分３６ｅは、径方向に沿って長さＬ３６ｅにわたって延びている。長さＬ３６ｅは、棒状部３６ｃのマイナーな範囲を占めている。長さＬ３６ｅは、ステータコイル３３の素線３３ａの直径の２倍を上回る。長さＬ３６ｅは、棒状部３６ｃの全長の１／２を下回る範囲を占めている。長さＬ３６ｅは、棒状部３６ｃの全長の１／４を上回り、１／２を下回る範囲を占めている。

　基端側部分３６ｅは、径方向内側から外側に向けて太くならない断面を有している。基端側部分３６ｅは、径方向に沿って一定の太さの断面を有している。基端側部分３６ｅは、径方向内側から外側に向けて細くなる断面を有していてもよい。基端側部分３６ｅは、径方向に沿って幅が一定の長方形または正方形である。基端側部分３６ｅは、幅Ｗ３６ｅを有する。基端側部分３６ｅは、長さＬ３６ｅにわたって幅Ｗ３６ｅを棒状部３６ｃに与えている。基端側部分３６ｅは、ストレート部とも呼ばれる。基端側部分３６ｅは、非拡大部とも呼ばれる。

　基端側部分３６ｅと連結部３７との間には、それらを滑らかに連続させるための基端接続部３６ｎが配置されている。基端接続部３６ｎは、凹曲面によって特徴付けられている。基端接続部３６ｎは、先端側部分３６ｄまたは基端側部分３６ｅよりも急激な太さの変化を棒状部３６ｃに与える。

　棒状部３６ｃは、Ｙ字型の形状を有している。棒状部３６ｃは、それのみでＹ字型を形成しており、先端部３６ａを含まなくてもＹ字型である。棒状部３６ｃは、先端部３６ａに隣接して最大層数のコイルを装着することを可能としている。よって、棒状部３６ｃは、Ｙ型棒状部とも呼ばれることがある。先端部３６ａの幅に対する各部の寸法比は、先端部３６ａ：先端側部分３６ｄの最大幅Ｗｏ３６ｄ：基端側部分３６ｅの幅＝１：約１／３：約１／４とすることができる。別の観点では先端部３６ａ：先端側部分３６ｄの最大幅Ｗｏ３６ｄ：基端側部分３６ｅの幅＝１５．５～１４．５：６～４：５～３．５とすることができる（単位：ミリメートル）。なお、「１５．５～１４．５」は、１５．５以上１４．５以下の範囲を意味する。

　先端側部分３６ｄと、基端側部分３６ｅとは、滑らかな側面によって連続している。先端側部分３６ｄは、基端側部分３６ｅの断面より大きい断面を有している。先端側部分３６ｄは、先端部３６ａに向けて磁束の通路を徐々に増加させる。先端側部分３６ｄの幅を太くすることにより、磁極３６の全体としての磁気的な抵抗を下げることができる。この結果、磁極３６に磁束が流れやすくなり、低速回転域の性能向上が狙える。先端側部分３６ｄは、磁束の飽和、または磁束の漏れを抑制する。

　棒状部３６ｃの全体を先端側部分３６ｄによって形成する仮想の比較例を検討する。この場合、棒状部は、Ｖ字型の形状を与えられる。よって、棒状部は、Ｖ型棒状部とも呼ばれる。この比較例では、基端側部分３６ｅの範囲において、磁極３６の幅は、先端側部分３６ｄの幅Ｗｉ３６ｄより小さくなる。比較例では、基端側部分３６ｅの範囲において、磁束の飽和、または磁束の漏れが生じやすくなる。

　これに対して、この実施形態では、基端側部分３６ｅが比較例より大きい磁束の通路を提供する。このため、磁束の飽和、または磁束の漏れが抑制される。基端側部分３６ｅは、磁極３６の根元を広げる。これにより、磁極３６における磁気的な抵抗が抑制される。基端側部分３６ｅは、先端側部分３６ｄによる磁気的な性能向上に加えて、更なる性能向上を図る。棒状部３６ｃの形状は、内燃機関１２の回転数が変化する過渡時においても安定した磁束の通路を提供する。棒状部３６ｃの形状は、内燃機関１２の回転数の変化と、磁束の変化との関係を調節することで、利用者に心地良い回転数の変化が感じられるようにする場合がある。基端側部分３６ｅの幅は、巻線工程に問題を生じない範囲で広げられる。また、基端側部分３６ｅは、棒状部３６ｃにおける機械的な強度を向上させる。また、基端側部分３６ｅは、棒状部３６ｃと連結部３７との連結強度を向上させる。これらの向上により、磁極３６における振動が抑制される場合がある。

　電気回路１５のレギュレータ機能と、磁極３６の形状との関係について説明する。レギュレータ機能によるバッテリ充電電圧制御時に、この磁極形状が鉄損を良く抑制する場合がある。内燃機関１２側から見ると、回転電機１１は負荷である。回転電機１１は、内燃機関１２の出力の一部を消費する。特に、利用者が内燃機関１２の出力を増加させたい場合、回転電機１１に起因する負荷は小さいことが望ましい。例えば、利用者が車両を加速させる場合、回転電機１１の負荷が小さいほど、利用者の意図に沿った内燃機関１２の出力増加に寄与する。

　例えば、電気回路１５は、オープン制御式のレギュレータ回路を有する場合がある。この場合、レギュレータ回路は、バッテリ電圧が所定値に達し、回転電機１１の発電電力が余剰になると、回路をオープンにすることによって、バッテリへの充電を制御する。特に利用者が車両を定常走行から加速させたい時、バッテリはある程度の高いレベルまで充電されている可能性が高い。この場合、レギュレータ回路が回路をオープンにすると、ステータコイル３３には電流が流れない。この結果、磁極３６を通る磁束が多くなる。つまり磁極３６における鉄損が大きくなる。この実施形態の磁極形状は、単なる勾配幅を有する磁極形状と異なり、基端側でも幅が広い。したがって、この実施形態の磁極形状は、磁極３６が高磁束密度となることを抑制し、鉄損増加を抑制する。よって、この実施形態の磁極３６は、内燃機関１２の負荷軽減に寄与する。

　一方、電気回路１５は、ショート制御式のレギュレータ回路を有する場合がある。この場合においても、この実施形態の磁極形状は、内燃機関１２の、特に加速時における負荷軽減に寄与する。ショート制御式のレギュレータ回路は、バッテリ電圧が充分満足されると、回路をショートさせることによりバッテリに電流を流さない。このとき、磁極３６内の磁束は、殆ど先端部および先端側部分に集中し、基端側部分は少ない。先端部に向かって広がる勾配を有する磁極形状は、磁束密度を低減させ、鉄損を抑制する。よって、電気回路１５がショート制御式のレギュレータ回路を有する場合でも、この実施形態の磁極３６は、内燃機関１２の負荷低減に寄与する。

　磁極３６の上には、ひとの相巻線としての単コイル３３ｕが配置されている。単コイル３３ｕは、それだけでひとつの電磁石を提供する。単コイル３３ｕは、ひとつまたは複数の素線３３ａを有する。図示の例では、単コイル３３ｕは、ひとつの素線３３ａを有する。単コイル３３ｕは、並列接続された複数の素線を有していてもよい。単コイル３３ｕは、磁極３６の上に、複数の層を有している。図示の例では、単コイル３３ｕは、４層を有している。初期の層は、棒状部３６ｃの全体にわたっている。後期の層は、主として棒状部３６ｃの径方向外側の範囲のみを占めている。なお、図中には整列状態で積まれた素線３３ａが図示されているが、素線３３ａは、製造工程において崩れる場合がある。

　素線３３ａは、棒状部３６ｃの上に複数の層をなすように配置されている。素線３３ａは、先端側部分３６ｄの上で第１の層数をなしており、基端側部分３６ｅの上で第１の層数より少ない第２の層数をなしている。この実施形態では、第１の層数は４、第２の層数は１から３である。

　ステータの製造方法において、まず、ステータコア３２とインシュレータ３４とが準備される。この製造方法は、磁極３６を提供するためのステータコア３２の棒状部３６ｃに、先端側部分３６ｄ、および基端側部分３６ｅを設ける形成工程を含む。次に、ステータコア３２にインシュレータ３４が装着される。次に、巻線機によってステータコイル３３が巻きつけられる。ステータコイル３３は、いわゆる集中巻きである。巻線機は、素線３３ａに所定のテンションを掛けながら、素線３３ａを磁極３６に巻きつけてゆく。単コイル３３ｕは、開始ターン３３ｓから磁極３６に巻きつけられる。開始ターン３３ｓは、ステータ３１の径方向に関して最も内側であって、径方向中心軸ＡＲに最も近い第１層に位置付けられる。製造方法は、ステータコイル３３の素線３３ａを基端側部分３６ｅの上から巻きはじめて、先端側部分３６ｄへ巻き進める巻線工程を含む。

　素線３３ａは、開始ターン３３ｓから、初層である第１層Ｌ１を形成するように、棒状部３６ｃの周囲、言い換えるとインシュレータ３４の周囲に巻きつけられる。素線３３ａは、径方向中心軸ＡＲに沿って内側から外側へ順に巻き進められる。第１層Ｌ１が巻き終わると、素線３３ａは、第２層Ｌ２を形成するように、径方向中心軸ＡＲに沿って外側から内側へ順に巻き進められる。第２層Ｌ２が巻き終わると、素線３３ａは、第３層Ｌ３を形成するように、径方向中心軸ＡＲに沿って内側から外側へ順に巻き進められる。第３層Ｌ３が巻き終わると、素線３３ａは、第４層Ｌ４を形成するように、径方向中心軸ＡＲに沿って外側から内側へ順に巻き進められる。単コイル３３ｕは、終了ターン３３ｆにおいて巻き終わる。

　図示されるように、少なくとも最終層である第４層Ｌ４を形成する工程は、径方向中心軸ＡＲに沿って棒状部３６ｃの全長にわたって形成される前に終了する。これにより、径方向外側端、すなわち先端部３６ａに近い端よりも、径方向内側端、すなわち連結部３７に近い端が小さい単コイル３３ｕが形成される。言い換えると、径方向の外側において厚い、コーン状の単コイル３３ｕが形成される。製造方法において、巻線工程は、先端側部分３６ｄの上に、素線３３ａが第１の層数をなすように巻き、基端側部分３６ｅの上に、素線３３ａが第１の層数より少ない第２の層数をなすように巻く。製造方法は、上記ステータ３１の製造方法と、内燃機関１２の上において、ステータ３１に対向するように、回転可能なロータ２１を配置する工程とを有する。

　図６は、磁極３６を示す。図７、図８、図９は、それぞれ、棒状部３６ｃにおける径方向中心軸ＡＲと垂直な断面を示す。なお、インシュレータ３４および棒状部３６ｃにハッチングを付した。

　図７は先端側部分３６ｄの最も径方向外側の部位を示す。先端側部分３６ｄを包むようにインシュレータ３４が配置されている。インシュレータ３４は、棒状部３６ｃの外側に角が丸い四辺形の巻胴を提供する。先端側部分３６ｄの厚さは、ステータコア３２の厚さＴＨ３２である。先端側部分３６ｄは、最も径方向外側に幅Ｗｏ３６ｄを有する。

　図８は、先端側部分３６ｄの最も径方向内側の部位を示す。先端側部分３６ｄの厚さは、ステータコア３２の厚さＴＨ３２である。先端側部分３６ｄは、最も径方向内側に幅Ｗｉ３６ｄを有する。幅Ｗｉ３６ｄは、基端側部分３６ｅの幅Ｗ３６ｅに等しい。

　図９は、基端側部分３６ｅの最も径方向内側の部位を示す。基端側部分３６ｅの厚さは、ステータコア３２の厚さＴＨ３２である。基端側部分３６ｅは、最も径方向内側に幅Ｗ３６ｅを有する。

　図１０は、ひとつの磁極３６の拡大図である。基端側部分３６ｅに素線３３ａが巻かれるとき、素線３３ａは、径方向内側に向かう荷重を生じない。このため、径方向に関して素線３３ａに加わる荷重が抑制される。さらに、先端側部分３６ｄに素線３３ａが巻かれるとき、素線３３ａは、先端側部分３６ｄの斜面に沿って荷重Ｆ３６ｄを生じる。この荷重Ｆ３６ｄは、ステータ３１の径方向内側に向かう荷重Ｆｒと、径方向中心軸ＡＲに向かう荷重Ｆｃとを生じる。荷重Ｆｒは、すでに巻いてある素線３３ａを圧縮する。しかし、基端側部分３６ｅに配置される素線３３ａの分だけ、荷重Ｆｒは抑制される。このため、径方向内側に位置付けられている素線３３ａにかかる荷重が抑制される。

　荷重の抑制は、素線３３ａの変形を抑制する。荷重の抑制は、素線３３ａの絶縁層の変形、または破損を抑制する。このため、荷重の抑制は、絶縁破壊を抑制する。特に、素線３３ａの材料が変形しやすい導電材料である場合に、荷重の抑制は顕著な効果を発揮する。例えば、素線３３ａがアルミニウム製またはアルミニウム合金製である場合に、顕著な効果を発揮する。

　図１１は、隣接する複数の磁極３６を示す。ひとつの磁極３６に設けられた単コイル３３ｕと、隣接する磁極３６に設けられた単コイル３３ｕとは、コイル隙間Ｇ３３だけ離れている。コイル隙間Ｇ３３は、隣接する２つの単コイル３３ｕの間の最少の隙間である。コイル隙間Ｇ３３は、ステータコイル３３の放熱のために貢献する。コイル隙間Ｇ３３は、２つの終了ターン３３ｆの間に区画される。

　この実施形態では、先端側部分３６ｄと、基端側部分３６ｅとの間の境界線ＢＲ上に終了ターン３３ｆが位置している。境界線ＢＲは、径方向中心軸ＡＲに垂直である。終了ターン３３ｆは、境界線ＢＲと重複するように位置付けられる。終了ターン３３ｆより径方向内側では、最終層より少ない数の層が配置されている。このため、終了ターン３３ｆより内側にも隙間が得られる。終了ターン３３ｆより内側において、コイル隙間Ｇ３３より大きい隙間が得られている。このような配置は、巻線作業の容易化に貢献する。

　第２実施形態
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、ひとつの単コイルは、４層である。これに代えて、この実施形態では、単コイルは、２層である。

　図１２に図示されるように、ステータ３１は、１８個の磁極３６を有する。ひとつの磁極３６は、ひとつの単コイル３３ｕを有する。磁極３６は、先端側部分３６ｄと、基端側部分３６ｅとを有する。単コイル２３３ｕは、２層である。棒状部３６ｃは、先端側部分３６ｄと、基端側部分３６ｅとを有する。終了ターン３３ｆは、境界線ＢＲの上に配置されている。この実施形態でも、コイル隙間Ｇ３３を形成することができる。

　第３実施形態
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、ひとつの単コイルは、２層または４層である。これに代えて、この実施形態では、単コイルは、３層である。

　図１３に図示されるように、ステータ３１は、１８個の磁極３６を有する。単コイル３３３ｕは、３層である。この実施形態でも、コイル隙間Ｇ３３を形成することができる。

　第４実施形態
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、基端側部分３６ｅは、径方向中心軸ＡＲと平行なストレート部である。これに代えて、基端側部分３６ｅは、径方向外側に向けて広がらない形状を採用することができる。この実施形態では、基端側部分４３６ｅが採用される。

　図１４に図示されるように、ステータ３１は、複数の磁極３６を有する。磁極３６は、先端側部分３６ｄと、基端側部分４３６ｅとを有する。基端側部分４３６ｅは、台形である。基端側部分４３６ｅは、径方向内側から径方向外側に向けて断面積が徐々に減少するように形成されている。よって、基端側部分３６ｅは、非拡大部とも呼ばれる。この実施形態でも、先端側部分３６ｄが先端部３６ａに向けて徐々に太くなるから、磁束の飽和、または磁束の漏れが抑制される。さらに、基端側部分４３６ｅは、連結部３７に向けて徐々に太くなっているから、磁束の飽和、または磁束の漏れが抑制される。基端側部分４３６ｅの幅は、巻線工程において巻線作業に悪い影響を与えないように設定される。但し、基端側部分４３６ｅによって、磁極３６の根元側を広げる場合、根元側から巻線をすると、巻線が乱れる場合がある。そこで、巻線が乱れないように幅が設定される。例えば、基端側部分４３６ｅの傾斜は、先端側部分３６ｄが提供する傾斜よりも緩く設定される。例えば、基端側部分４３６ｅの最も内側の幅は、先端側部分３６ｄの最も外側の幅Ｗｏ３６ｄより小さく設定される。

　終了ターン３３ｆは、境界線ＢＲの上に配置されている。この実施形態でも、コイル隙間Ｇ３３を形成することができる。隣接する２つの単コイル３３ｕの間には、磁極３６の全長にわたって隙間を形成することができる。

　この実施形態でも、開始ターン３３ｓ、および開始ターン３３ｓの後の数ターンの素線３３ａに作用する荷重が抑制される。

　第５実施形態
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、複数の磁極３６のすべてが同じ形状である。これに代えて、複数の磁極３６は、数種類の形状をもっていてもよい。この実施形態では、複数の磁極３６のうち、一部の磁極３６のみが、先端側部分３６ｄと基端側部分３６ｅとを備えている。

　図１５に図示されるように、ステータコア３２は、複数の磁極３６を有する。複数の磁極３６は、棒状部３６ｃを有する磁極３６と、棒状部５３６ｃを有する磁極３６とを含む。複数の磁極３６のうち、少なくともひとつは、棒状部３６ｃを有する磁極３６である。棒状部３６ｃを有する磁極３６と、棒状部５３６ｃを有する磁極３６とは、ステータコア３２の周囲に沿って交互に配置されている。

　棒状部３６ｃは、先端側部分３６ｄと基端側部分３６ｅとを有する。さらに、外側部３５ｄと先端部３６ａとの間には、階段状の接続部５３６ｍが設けられている。接続部５３６ｍの幅は、先端部３６ａの幅と、先端側部分３６ｄの幅との間である。接続部５３６ｍにおける径方向の長さ、すなわち階段の高さは、素線３３ａの一本分程度である。接続部５３６ｍの径方向長さは、素線３３ａの直径にほぼ等しい。接続部５３６ｍの径方向長さは、素線３３ａの直径以下とすることができる。

　棒状部５３６ｃは、径方向に沿って内側から外側へ向けて増加する断面を提供する。棒状部５３６ｃの断面積は単調増加する。棒状部５３６ｃは、Ｖ型棒状部を提供する。棒状部５３６ｃは、径方向に沿って断面積が一定であるＩ字型でもよい。

　少なくともひとつの磁極３６の棒状部３６ｃがＹ字型であることにより、先端側部分３６ｄおよび基端側部分３６ｅにおける磁束の飽和、または磁束の漏れが抑制される。また、棒状部３６ｃと棒状部５３６ｃとの交互配置は、単コイル３３ｕの間の隙間を確保するために貢献する場合がある。言い換えると、隣接する２つの磁極３６の間により多くの素線３３ａを配置することができる。

　例えば、隣接する２つの先端部３６ａの間に、回転位置センサなどを配置する回転電機では、棒状部３６ｃの連続的な配置は、センサの配置を阻害する場合がある。しかし、一部分だけでの棒状部３６ｃの配置、または棒状部３６ｃと棒状部５３６ｃとの交互配置は、センサを配置するための隙間を提供する。また、棒状部３６ｃの連続的な配置は、それらの間への素線３３ａの配置を阻害する場合がある。しかし、一部分だけでの棒状部３６ｃの配置、または棒状部３６ｃと棒状部５３６ｃとの交互配置は、複数の磁極３６の間へ素線３３ａを配置するための隙間を提供する。

　他の説明
　ステータコアのティースにおいて、導線の巻線時のテンション（引張力）を下げるべく、ティースの幅をコア内径側から外径側に向かって一定に広くする傾斜部を有している場合がある。１層目の巻方向は傾斜部の幅広方向に向かう場合がある。ティース根元部分の幅が相対的に狭く、コア外径側から入出力するマグネットの磁束が、ティースの幅が狭くなっていることから磁気飽和してしまう場合がある。従いコイルを通過する磁束が減少し、発電電流の出力低下の虞がある場合がある。更にはティースの幅が狭い部分の磁束密度が過多となって鉄損が増大し、効率悪化を招く場合がある。導線をティース部分に巻線する際、傾斜によりティース根元側の導線に直接的に過大な荷重がかかり、特に１層目巻き始めのコイルが潰れる可能性がある。アルミニウム系の導線は銅系の導線より塑性変形し易いから影響が顕著である場合がある。

　回転電機は、ロータとステータを有する。回転電機は、電動機、発電機、または電動発電機として利用される。回転電機の部品のひとつは、ステータコアとステータコイルをもつステータである。回転電機の製造方法またはステータの製造方法は、ティースに素線を巻く工程を有する。ティースの形状は、回転電機の特性に変化を与えるために貢献する。ティースの形状は、素線を巻く工程において作業の改善、製品の改善のために貢献する。回転電機のひとつとして、内燃機関用回転電機が開示される。

　ステータは、磁極を有する。ひとつの磁極は、ひとつのティースによって提供される。ひとつのティースは、径方向に延びている。ティースは、ヨークによって連結された基端部と、ロータに対向する先端部とを有する。ティースは、基端部と、先端部との間に、コイルの中に位置するコア部を有する。径方向と直交する断面におけるティースの断面積は、基端部から、コア部を経由して、先端部までにおいて変化している。先端部は、エアギャップを提供するためにコア部よりも遥かに大きい径方向断面積を有している。コア部は、断面積が基端部から先端部へ向けて所定割合を超える拡大割合で大きくなる拡大部（傾斜部）を有する。コア部は、所定割合を下回る残部（ストレート部）を有する。残部は、拡大部よりも基端部の近くに位置している。残部は、基端部と拡大部との間にある。残部において拡大割合は、ゼロ（０）である。

　回転電機および回転電機の部品は、コイル内を径方向に延びるコア部を有する。コア部は、断面積が基端部から先端部へ向けて所定割合を超える拡大割合で大きくなる拡大部を有する。コア部は、所定割合を下回る残部を有している。回転電機の製造方法は、ステータコアに巻線を形成したステータをロータに組み合わせる。回転電機の部品の製造方法は、径方向に延びるティースに断面積が基端部から先端部へ向けて所定割合を超えて拡大する拡大部を設ける。回転電機の部品の製造方法は、所定割合を下回る部分からコイルを巻きはじめて、拡大部分へ巻き進める。残部において、拡大割合は、ゼロ（０）以下でもよい。例えば、残部は一定の断面積でよい。別の例では、残部は、負の拡大割合を持っていてもよい。拡大割合は、当該部分にわたる平均的な割合によって示される場合がある。例えば、残部が凹凸をもつ場合、凹凸による断面積の変動が除かれる。残部は、１ターン以上のコイルに相当する長さを有している。残部は、数ターンのコイルに相当する長さを有している。

　他の実施形態
　この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

　上記実施形態では、先端側部分３６ｄと基端側部分４３６ｅとは、径方向中心軸ＡＲに沿って、直線的な太さの変化を提供する。これに代えて、太さの変化は、凸曲線的、または凹曲線的でもよい。また、太さの変化は、階段状でもよい。例えば、先端側部分３６ｄは、径方向外側に向けて階段状に太くなってもよい。この場合、それぞれの段の高さ、すなわち幅の変化は、素線３３ａの直径程度とすることが望ましい。幅の変化は、素線３３ａの直径より小さくすることができる。また、先端側部分３６ｄと、基端側部分３６ｅ、４３６ｅとの間に段差があってもよい。また、先端側部分３６ｄと基端側部分３６ｅ、４３６ｅは、小さい凹凸を有していても良い。そのような場合にも、小さい凹凸成分を除去した太さを、上記実施形態のように変化させることができる。

　上記実施形態では、棒状部３６ｃは、先端側部分３６ｄと基端側部分４３６ｅと先端接続部３６ｍ、基端接続部３６ｎとを有している。これに代えて、それらの間にストレート部、拡大部、縮小部などを設けてもよい。上記実施形態では、長さＬ３６ｄおよび長さＬ３６ｅが、素線３３ａの直径の２倍を上回る。これに代えて、長さＬ３６ｄまたは長さＬ３６ｅが、素線３３ａの直径の２倍を上回ってもよい。

 

Claims (10)

1. 　複数の磁極（３６）を有するステータコア（３２）、および前記ステータコアに巻かれたステータコイル（３３）を備え、
   　少なくともひとつの前記磁極に設けられ、前記ステータコイル内を径方向に延びる棒状部（３６ｃ、５３６ｃ）は、
   　前記棒状部の中に設けられ、断面積が先端へ向けて所定割合を超える拡大割合で大きくなる先端側部分（３６ｄ）と、
   　前記先端側部分よりも基端側に設けられ、断面積の変化が前記所定割合を下回る基端側部分（３６ｅ、４３６ｅ）とを有している回転電機のステータ。
2. 　前記ステータコアは、さらに、複数の前記磁極を連結する連結部（３７）を備え、
   　前記磁極は、さらに、径方向の先端に設けられた先端部（３６ａ）と、
   　前記先端側部分と前記先端部との間を接続する先端接続部（３６ｍ、５３６ｍ）と、
   　前記基端側部分と前記連結部とを接続する基端接続部（３６ｎ）とを有する請求項１に記載の回転電機のステータ。
3. 　さらに、前記ステータコアと前記ステータコイルとの間に配置され、電気絶縁性のインシュレータ（３４）を備え、
   　前記ステータコイルの素線は、前記棒状部の上に複数の層をなすように配置されており、前記先端側部分の上で第１の層数をなしており、前記基端側部分の上で前記第１の層数より少ない第２の層数をなしている請求項１または請求項２記載の回転電機のステータ。
4. 　前記基端側部分は、断面積が一定のストレート部を含む請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機のステータ。
5. 　前記先端側部分の長さ（Ｌ３６ｄ）、および／または、前記基端側部分の長さ（Ｌ３６ｅ）は、前記ステータコイルの素線の直径の２倍を上回る請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転電機のステータ。
6. 　周方向に沿って隣接する２つの前記磁極は、それぞれ、前記棒状部の上に配置された単コイル（３３ｕ、２３３ｕ、３３３ｕ）を有し、
   　隣接する２つの前記単コイルの間には、コイル隙間（Ｇ３３）がある請求項１から請求項５のいずれかに記載の回転電機のステータ。
7. 　請求項１から請求項６のいずれかに記載の回転電機のステータ（３１）と、
   　前記ステータに対向して回転可能なロータ（２１）とを備える内燃機関用回転電機。
8. 　磁極（３６）を提供するためのステータコア（３２）の棒状部（３６ｃ、５３６ｃ）に、前記棒状部の中に設けられ、断面積が先端へ向けて所定割合を超えて拡大する先端側部分（３６ｄ）、および、前記先端側部分よりも基端側に設けられ、断面積の変化が前記所定割合を下回る基端側部分（３６ｅ、４３６ｅ）を設ける形成工程と、
   　ステータコイルの素線（３３ａ）を前記基端側部分の上から巻きはじめて、前記先端側部分へ巻き進める巻線工程とを備える回転電機のステータの製造方法。
9. 　前記巻線工程は、
   　前記先端側部分の上に、前記ステータコイルの素線（３３ａ）が第１の層数をなすように巻き、前記基端側部分の上に、前記ステータコイルの素線が前記第１の層数より少ない第２の層数をなすように巻く請求項８に記載の回転電機のステータの製造方法。
10. 　請求項８または請求項９に記載の回転電機のステータ（３１）の製造方法と、
    　内燃機関の上において、前記ステータに対向するように、回転可能なロータ（２１）を配置する工程とを有する内燃機関用回転電機の製造方法。
    
     

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