WO2022018967A1

WO2022018967A1 - 回転電機および回転電機の製造方法

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Publication number: WO2022018967A1
Application number: PCT/JP2021/020342
Authority: WO
Inventors: 暁史高橋; 健一中山; 哲也須藤; 啓祐竹内
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2023-01-20
Also published as: JP7513450B2; CN115836464A; JP2022020235A; US20230208233A1; US12431753B2

Abstract

体格やコストの増加を招くことなく高効率で信頼性の高い回転電機が実現される。角線セグメントコイルのそれぞれは第１領域部と、第１領域部と繋がり、固定子コア１０の周方向への屈曲部を含んで周方向に形成される第２領域部とを有し、複数の角線セグメントコイルのコイルエンドで隣り合う角線セグメントコイルの一対は一方の角線セグメントコイルの第１領域部と、他方の角線セグメントコイルの第２領域部が接続される導電部を有する。第２領域部は第１領域部の端部断面と同一面上に並ぶ導電部断面を有し、導電部断面は第２領域部のコイル鉛直断面とは異なる方向の断面である。複数のレイヤのそれぞれはコイルエンドを回転電機の軸方向から見た場合に第１領域部が軸方向端部に現れる第１レイヤと、第２領域部が軸方向端部に現れる第２レイヤとを有する。

Description

回転電機および回転電機の製造方法

　本発明は、鉄道車両、自動車、建機などに搭載される回転電機および回転電機の製造方法に関する。

　近年、モータの高出力化を図るために大電流を流してトルクを増加する手法がとられている。大電流を流すためには、限られたモータ体積において導体断面積を大きくすることによって、導体で発生するジュール損（以下、銅損）を抑制することが重要である。

　自動車などの駆動モータでは、導体断面積を向上するために角線を用いることで銅損の低減を図ってきた。

　一般に、角線を用いる場合には、Ｕ字状コイルを固定子スロットに挿入し、そのあとに直線部を折り曲げる必要がある。この工程において、絶縁紙やコイル被膜の損傷により絶縁不良が起きたり、折り曲げ角度やスプリングバックのバラつきにより溶接不良が起きたりしやすく、信頼性確保について課題となっている。

　特許文献１に記載の技術においては、この対策として、折り曲げが不要となるよう、コイル片を第１の直線部と第２の直線部、さらに曲げ部を介した第３の直線部で構成し、コイル片の端部同士を接合する方法が提案されている。また、隣り合うコイル片の直線部の端部同士をカシメ金具で仮固定している。

特開２００１－３７１３１号公報

　しかしながら、特許文献１の構成では、接続部分の第３の直線部によって軸方向長が増加するので、モータ体格およびモータ重量が増加する。

　また、コイル片１個につき折り曲げ工数が２回必要であり加工コストが増加する課題がある。

　また、第３の直線部の位置ズレを防止するためにカシメ金具が必要となり、部品点数、作業工数が増加してコストが増加する問題がある。

　また、仮にカシメ金具を使用しない場合には、第３の直線部の位置ズレによって溶接不良を起こす課題が残る。

　また、同一スロット内において径方向に複数のコイルレイヤを設ける場合、レイヤごとにコイルの周方向長さを変える必要があり、ここでも部品点数が増加する課題が生じる。　本発明の目的は、体格やコストの増加を招くことなく高効率で信頼性の高い回転電機および回転電機の製造法方法を実現することである。

　上記目的を達成するために、本発明は、次のように構成される。

　複数の角線セグメントコイルと、前記複数の角線セグメントコイルを収納するスロットを有する固定子コアと、を備える回転電機であって、前記スロットは、前記回転電機の径方向に並ぶ複数のレイヤを有し、前記複数の角線セグメントコイルのそれぞれは、前記スロット内に配置される挿入部を有し、かつ前記回転電機の軸方向に沿って直線状に形成される第１領域部と、前記第１領域部と繋がりかつ前記固定子コアの周方向への屈曲部を含んで周方向に沿って形成される第２領域部と、を有し、前記複数の角線セグメントコイルのコイルエンドにおいて隣り合う前記角線セグメントコイルの一対は、一方の前記角線セグメントコイルの前記第１領域部と、他方の前記角線セグメントコイルの前記第２領域部が接続される導電部を有し、前記導電部において、前記第２領域部は、前記第１領域部の端部断面と同一面上に並ぶ導電部断面を有し、かつ前記導電部断面は、前記第２領域部のコイル鉛直断面とは異なる方向の断面であり、前記複数のレイヤのそれぞれは、前記コイルエンドを前記回転電機の軸方向から見た場合に、前記第１領域部が軸方向端部に現れる第１レイヤと、前記第２領域部が軸方向端部に現れる第２レイヤと、を有する。

　また、複数の角線セグメントコイルと、前記複数の角線セグメントコイルを収納するスロットを有する固定子コアとを備える回転電機の製造方法であって、前記スロットは、前記回転電機の径方向に並ぶ複数のレイヤを有し、前記複数の角線セグメントコイルのそれぞれは、前記スロット内に配置される挿入部を有し、かつ前記回転電機の軸方向に沿って直線状に第１領域部を形成し、前記第１領域部と繋がりかつ前記固定子コアの周方向への屈曲部を含んで周方向に沿って第２領域部を形成し、前記複数の角線セグメントコイルのコイルエンドにおいて隣り合う前記角線セグメントコイルの一対は、一方の前記角線セグメントコイルの前記第１領域部と、他方の前記角線セグメントコイルの前記第２領域部が接続される導電部を有し、前記導電部において、前記第２領域部は、前記第１領域部の端部断面と同一面上に並ぶ導電部断面を有し、かつ前記導電部断面は、前記第２領域部のコイル鉛直断面とは異なる方向の断面であり、前記複数のレイヤのそれぞれは、前記コイルエンドを前記回転電機の軸方向から見た場合に、前記第１領域部が軸方向端部に現れる第１レイヤと、前記第２領域部が軸方向端部に現れる第２レイヤと、を有する。

　本発明によれば、体格やコストの増加を招くことなく高効率で信頼性の高い回転電機および回転電機の製造法方法を実現することができる。

　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。

本発明の実施例１におけるコイル形状の説明図である。本発明の実施例１におけるコイル形状の説明図である。図１ＢにおけるＡ部の詳細図である。図１ＢにおけるＢ―Ｂ線に沿った断面図である。図１Ｃに示した例の変形例を示す図である。図１Ｃに示した例の他の変形例を示す図である。図１Ｄに示した例の変形例を示す図である。本発明の実施例１におけるコイル形状の説明図である。図２ＡにおけるＡ部の詳細図である。図２ＡにおけるＢ―Ｂ線に沿った断面図である。本発明の実施例１におけるコイル全体構成の説明図である。本発明の実施例１におけるコイル全体構成の説明図である。本発明の実施例１におけるコイル全体構成の説明図である。本発明の実施例１におけるコイルエンド長さの説明図である。図４ＡにおけるＡ部の詳細図である。本発明の実施例１におけるコイルエンドの寸法関係の説明図である。本発明の実施例１におけるコイルエンドの寸法関係の説明図である。本発明の実施例１におけるコイル周方向長さの説明図である。本発明の実施例１におけるコイル周方向長さの説明図である。本発明の実施例１における径方向レイヤ数と寸法関係の説明図である。本発明の実施例１におけるコイル外観の説明図である。本発明の実施例２におけるコイル形状の説明図である。本発明の実施例２におけるコイル形状の説明図である。本発明の実施例３であり、本発明が適用される車両の説明図である。

　以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

　以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。本発明では、「コイル」の定義を亀甲巻の１巻、または波巻の１サイクルとする。例えば、コイルが４回巻き回された構成においては、４巻のコイルと表現するが、以下の説明では簡単のため基本的に１巻のコイル（１巻当りコイル）を対象とする。

　また、１巻のコイルが複数の導体で構成される場合は、各導体をセグメントコイルと呼ぶ。また、以下の説明では自動車、鉄道車両など可変速駆動の回転電機を対象としているが、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、一定速を含む回転電機全般に適用可能である。

　また、回転機は誘導機でもよいし永久磁石同期機でもよいし巻線型同期機でもよいし、シンクロナスリラクタンス回転機でもよいし、スイッチトリラクタンス回転機でもよい。また、以下の説明では内転型の回転電機を対象としているが、外転型の回転電機でもよい。

　また、コイルの材質は銅でも良いしアルミでもよいし、その他の導電材料でもよい。また、コイルの断面形状は単一の角線を対象として説明しているが、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、複数の丸線等を整列または成形して角型に構成してもよい。

　（実施例１）　
　以下、図１Ａ乃至図８を用いて、本発明の実施例１について説明する。

　図１Ａ～図１Ｇは本発明の実施例１における回転電機のコイル形状の説明図である。図２Ａ～図２Ｃは、本発明の実施例１における回転電機のコイル形状の変形例の説明図である。図３Ａ～図３Ｃは本発明の実施例１におけるコイル全体構成の説明図である。図４Ａ及び図４Ｂは本発明の実施例１のコイルエンド８００のコイルエンド長さの説明図である。図５Ａ及び図５Ｂは本発明の実施例１のコイルエンドの寸法関係の説明図である。図６Ａ及び図６Ｂは本発明の実施例１のコイル周方向長さの説明図である。図７は本発明の実施例１の径方向レイヤ数と寸法関係の説明図である。図８は本発明の実施例１のコイル外観の説明図である。

　まず、本発明の実施例１におけるコイル形状について、図１Ａ～図１Ｇを用いて説明する。

　図１Ａにおいて、固定子コア１０は径方向内周側にギャップを介して、周方向に回転自由に支持された内転型回転子（図示していない）を具備する。固定子コア１０は、周方向に複数のスロット１００、２００、．．．を有しており、スロット１００、２００、．．．内には、複数の角線セグメントコイルである第１セグメントコイル５１０、第２セグメントコイル５２０、．．．（以下、略してコイルと呼称する場合もある））が挿入され、収納される。

　コイル５１０、５２０はコイル間の絶縁を確保するために、エポキシ樹脂等の絶縁皮膜でコーティングされる。また、コイル５１０、５２０と固定子コア１０の間の絶縁確保のために、スロット１００、２００は絶縁紙や絶縁用樹脂ボビンを具備する。コイル５１０は、スロット１００内に挿入されて配置される挿入部を有しかつ軸方向に沿って直線状に形成される第１領域部５１１と、第１領域部５１１と繋がりかつ周方向への屈曲部５１２ｄを含んで周方向に沿って形成される第２領域部５１２と、第１領域部５１１の終端に形成される端部断面５１３と、第２領域部５１２の終端に形成される端部断面５１５とを有する。

　同様に、コイル５２０は、スロット２００への挿入部を有しかつ軸方向に沿って直線状に形成される第１領域部５２１と、第１領域部５２１と繋がりかつ周方向への屈曲部を含んで周方向に沿って形成される第２領域部５２２と、第１領域部５２１の終端に形成される端部断面５２３と、第２領域部５２２の終端に形成される端部断面５２５とを有する。

　図１Ａに示すように、予め成形したコイル５１０、５２０をそれぞれ軸方向端部であるＩ端、ＩＩ端からそれぞれ挿入する。このとき、図１Ｂに示す破線で囲んだＡ部の詳細を示す図１Ｃのように、挿入されたコイル５１０の第２領域部端部断面５１５は、コイル５２０の第１領域部端部断面５２３と同一断面上に配置され、線状導電部６１０によってコイル５１０と５２０が電気的・機械的に接続される。

　このとき、コイル５１０の第２領域部端部断面５１５は、コイル５１０の第２領域部５１２における鉛直断面５１４（図１Ｂに示す）とは異なる。また、線状導電部６１０は、軸方向に延びる直線部を有していない点で従来のＴＩＧ溶接部とは異なる。このような線状導電部６１０は、電子ビーム溶接やレーザー溶接によって実現され、図１ＤのＢ－Ｂ断面に示すように、コイルエンドを軸方向から見た場合に、周方向に延びる溶接線を形成することが特徴である。周方向に延びる溶接線とは、線状導電部６１０のことである。

　線状導電部６１０の代わりに、又は線状導電部６１０と共に、図１ＣのＡ部詳細に示す面状導電部６２０によってコイル５１０と５２０を電気的・機械的に接続してもよい。面状導電部６２０は、コイル５１０の第２領域部５１２端部の径方向内周面と、コイル５２０の第１領域部５２１端部の径方向外周面とを接触させて形成している点が特徴である。

　この場合においても、軸方向に延びる直線部を有していない点で従来のＴＩＧ溶接部とは異なる。面状導電部６２０において、コイル５１０とコイル５２０は絶縁皮膜を剥離した状態で、または電気導通を確保した状態で互いに接触する。コイル５１０とコイル５２０との間には、導電性ペースト、導電性シート、導電性接着剤などの導電性部材を介してもよい。そのほかにも、コイル５１０とコイル５２０の少なくとも一方の端部に予め金属メッキ処理を施して、面状導電部６２０を形成する際に金属メッキを介すことで導電性を向上させても良い。

　さらに、前述の金属メッキ材として亜鉛やスズなど比較的融点の低い材料を使用し、図１Ｂに示した状態で金属メッキ材が溶融するまで加熱処理することで、金属メッキ材を介して面状導電部６２０を電気的のみならず機械的に接続しても良い。

　また、面状導電部６２０と線状導電部６１０とを同時に設けても良い。

　ここで、コイル５１０の第２領域部端部断面５１５の形状は、コイル５１０を切断するときの切断方向や切断荷重等を調整することで鉛直断面５１４と異なるように成形してもよいし、その他の方法によって異なるように成形してもよい。

　また、端部断面５１５はコイル５２０の第１領域部端部断面５２３と同一断面上に配置されていればよく、図１Ｂに示す形態に限らず、その他のどのような形態でもよい。

　例えば、図１Ｅ、図１Ｆに示すように、コイル５２０の端部断面５２３がコイル５２０の鉛直断面と異なる場合においては、コイル５１０の端部断面５１５がコイル５２０の端部断面５２３と同一断面上に配置されるように切断方向を調整すればよい。この場合においても、コイル５１０と５２０は線状導電部６１０と面状導電部６２０のいずれかまたは両方によって電気的・機械的に接続される。

　前述のような形態が確保されているのであれば、コイル５１０の端部断面５１５とコイル５２０の端部断面５２３とは、必ずしも周方向位置が一致した状態でなくてもよく、図１Ｇに示すように周方向にずれて位置してもよい。図１Ｇでは、コイル５２０の端部断面５２３の周方向幅ｗｃに対して、端部断面５１５の周方向幅を加算し、かつ両者の重なり部分の周方向幅を減算した長さをｗａとしており、ｗｃ＜ｗａとなっている。この状態においても、コイル５１０と５２０は線状導電部６１０と面状導電部６２０のいずれかまたは両方によって電気的・機械的に接続される。

　したがって、コイルの位置ズレを防止する必要がなくなるため、カシメ金具等による位置合わせが不要となる。

　以上のように、本発明によれば、予め成形したコイルを固定子コア１０に挿入するだけでよいので、絶縁紙やコイル被膜の損傷により絶縁不良が起きたり、折り曲げ角度やスプリングバックのバラつきにより溶接不良が起きたりする課題を解決することができる。

　また、接続部分には軸方向に延びる直線部が存在しないため、軸方向長が増加してモータ体格およびモータ重量が増加する課題を解決することができる。

　また、コイル当りの折り曲げ工数が１回で良いので、コイル成形において加工コストが増加する課題を解決することができる。

　また、接続部分での位置ズレ防止用のカシメ金具が不要となるため、部品点数、作業工数が増加してコストが増加する課題を解決することができる。

　続いて、本発明の実施例１における変形例のコイル形状について図２Ａ～図２Ｃを用いて説明する。図１Ａ～図１Ｇに示した例と図２Ａ～図２Ｃに示した例との違いは、コイル５１０の端部断面５１５の形状である。

　図２ＢのＡ部詳細に示すように、コイル５１０の端部断面５１５の周方向幅はｗｂであり、コイル５２０の端部断面５２３の周方向幅ｗｃに対して、ｗｃ＜ｗｂとなっている。

　一方、図２ＡのＢ－Ｂ断面を示す図２Ｃにおいて、スロット１００は、回転電機径方向に並ぶ第１レイヤ１１０、第２レイヤ１２０、第３レイヤ１３０、第４レイヤ１４０を有する。

　第１レイヤ１１０には第１セグメントコイル５１０の第２領域部５１２が現れ、第２レイヤ１２０には第２セグメントコイル５２０の第１領域部端部断面５２３が現れ、第３レイヤ１３０には第３セグメントコイル５３０（図８に示す）の第２領域部５３２が現れ、第４レイヤ１４０には第４セグメントコイル５４０（図８に示す）の第１領域部端部断面５４３が現れる。

　コイル５１０と５２０は、線状導電部６１０と面状導電部６２０のいずれかまたは両方によって電気的・機械的に接続される。前述のような形態が確保されているのであれば、コイル５１０の端部断面５１５とコイル５２０の端部断面５２３とは、図２Ｃに示すＢ－Ｂ断面のように、周方向にｗ１だけずれて位置してもよい。

　同様にして、コイル５３０と５４０は、線状導電部６３０と面状導電部６４０のいずれかまたは両方によって電気的・機械的に接続される。前述のような形態が確保されているのであれば、コイル５３０の端部断面５３５とコイル５４０の端部断面５４３とは、図２Ｃに示すＢ－Ｂ断面のように、周方向にｗ２だけずれて位置してもよい。

　なお、コイル５２０とコイル５３０との間にはレイヤ間空隙４００を設けることでレイヤショートを回避することができる。レイヤ間空隙４００には絶縁紙、絶縁シート、絶縁樹脂など非導電性かつ非磁性の材料を配置しても良い。

　また、コイル５２０、５３０の絶縁皮膜が十分な絶縁耐力を有しているのであれば、レイヤ間空隙４００には金属材料を配置しても良い。

　このように、コイル５１０の端部断面５１５とコイル５２０の端部断面５２３とがｗｃ＜ｗｂの関係となるように構成することで、コイルの位置ズレの発生を厳格に防止する必要がなくなるため、カシメ金具等による位置合わせが不要となる。

　また、コイル５１０、５２０と異なるレイヤに配置されるコイル５３０、５４０の接続においても、コイルの位置ズレの発生を厳格に防止する必要がなくなるため、カシメ金具等による位置合わせが不要となる。

　また、同一種類のコイルを複数のレイヤで兼用できるので、レイヤごとにコイルの周方向長さを変える必要が無くなり、部品点数が増加する課題を解決することができる。

　次に、本発明の実施例１におけるコイルの全体構造について図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃを用いて説明する。図３Ｂは径方向外周側から見た平面図、図３Ａ及び図３Ｃは、それぞれの軸方向から見た側面図である。図１Ａ～図１Ｇに示した例との違いは、第１レイヤ１１０の周方向にコイル５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃが並んでおり、第２レイヤ１２０の周方向にコイル５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃが並んでいる点である。

　Ｉ端において、コイル５１０ａとコイル５２０ｂとは線状導電部６１０ａによって、コイル５１０ｂとコイル５２０ｃとは線状導電部６１０ｂによってそれぞれ電気的・機械的に接続される。Ｉ端のコイルエンドを軸方向から見た場合に、第１レイヤ１１０にはコイル５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃの第２領域部５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃが現れ、第２レイヤ１２０にはコイル５２０ｂ、５２０ｃの第１領域部５２１ｂ、５２１ｃが現れる。

　一方、ＩＩ端において、コイル５２０ａとコイル５１０ｂとは線状導電部６２０ａによって、コイル５２０ｂとコイル５１０ｃとは線状導電部６２０ｂによってそれぞれ電気的・機械的に接続される。ＩＩ端のコイルエンドを軸方向から見た場合に、第１レイヤ１１０にはコイル５１０ｂ、５１０ｃの第１領域部５１１ｂ、５１１ｃが軸方向端部であるＩＩ端に現れ、第２レイヤ１２０にはコイル５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃの第２領域部５２２ａ、５２２ｂ、５２２ｃが軸方向端部であるＩＩ端に現れる。

　本発明のコイル構成では、このようにセグメントコイル５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃは第１レイヤに、セグメントコイル５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃは第２レイヤに配置されるため、コイルが異なるレイヤに移動することが無い。

　すなわち、セグメントコイルは第１領域部と第２領域部との間に１箇所の屈曲部を有するだけなので、コイル成形において曲げ工程が１回のみで良くなり、加工コストが増加する課題を解決することができる。

　なお、図３Ａ～図３Ｃにおいて、コイルエンド部は線状導電部６１０（６１０ａ、６１０ｂ）の代わりに面状導電部６２０（６２０ａ、６２０ｂ）で電気的・機械的に接続されても良いし、その両方を使用しても良い。

　また、コイル端部の形態に関しても、図３Ａ～図３Ｃの形態に限定されるものではなく、図１Ａ～図１Ｇ、図２Ａ～図２Ｃまたはその他の形態でも良い。

　続いて、本発明におけるコイルエンド長さについて図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ｂは、図４Ａに示したＡ部の詳細図である。

　図４Ａ及び図４Ｂにおいて、第１レイヤの周方向にはコイル５１０ａ、５１０ｂが並んでいる。コイル５１０ａは、固定子ティース２０の間に配置された６スロットのコイルからなり、相数ｍ＝３、毎相毎極スロット数ｑ＝２、極ピッチτｐに対して巻線スパンＷ＝τｐとなる分布巻の巻線配置である。

　図４Ａの左から順にスロット番号１～７を割り当てると、スロット１に挿入されたコイル５１０ａ、ｕ１は、５つスロットを跨り、スロット７の第２レイヤに挿入されたコイル５２０ｂ、ｕ１（図示していない）と接続される。

　同様に、スロット２、３、．．．に挿入されたコイル５１０ａ、ｕ２、コイル５１０ａ、ｖ１、．．．はそれぞれ５つスロットを跨り、スロット８、９、．．．の第２レイヤに挿入されたコイル５２０ｂ、ｕ２、コイル５２０ｂ、ｖ１、．．．（図示していない）に接続される。

　図４Ａからわかるように、いずれのコイルも同一形状を有しており、コイルエンドの軸方向長さ（以下、略してコイルエンド長と呼称）ｌｅも同一となる。コイルエンド長ｌｅは跨るスロット数が多いほど大きくなる。すなわち、相数ｍ、毎相毎極スロット数ｑ、巻線スパンＷ／τｐ（≦１）が大きいほど増加する。コイルエンド長ｌｅの増加はモータ体格およびモータ重量の増加を招くため、ｌｅを可能な限り小さくすることが重要である。

　そこで、本発明では、以下に示すように、コイルエンド長さｌｅを定式化した上で、コイルエンド長さｌｅが最小化される寸法条件を新たに見出した。

　まず、コイルエンド長ｌｅの定式化にあたって、コイルが跨るスロット数を「軸方向レイヤ数Ｎｚ」と呼称し、次式（１）のように定義する。

　図４Ａに示した例ではＮｚ＝６である。図４Ａからも明らかなように軸方向レイヤ数Ｎｚの増加に伴いコイルエンド長ｌｅは増加する。

　図４ＢのＡ部詳細に示す寸法関係を用いることで、コイルエンド長ｌｅは次式（２）のように定式化できる。

　ただし、ｗｔ：固定子ティース２０の幅、ｗｓ：スロット幅、ｗｃ：コイル幅、ｗｉ：コイルエンドにおけるコイル同士の間隔、β：固定子コア１０の軸方向端面に対するコイル傾斜角である。

　また、傾きβに関しても図４ＢのＡ部詳細の寸法関係を用いることで、次式（３）で表せる。

　一般的な回転電機においては、Ｗｃ≒Ｗｓ、Ｗｃ≫Ｗｉの近似が成り立つので、これを上記式（２）、（３）に適用すると次式（４）、（５）が得られる。

　上記式（４）、（５）より、コイルエンド長ｌｅ、コイル傾斜角βは、ｗｓ、ｗｔ、Ｎｚの関数であることがわかる。ここで、ティース幅ｗｔとスロット幅ｗｓの比ｒｗを次式（６）のように定義する。

　式（６）を用いると式（４）、（５）は次式（７）、（８）のように表すことができる。

　式（７）、（８）において、任意の軸方向レイヤ数Ｎｚに対してｒｗ＝０．１（ティース幅ｗｔがスロット幅ｗｓの１／１０）としたときのコイルエンド長ｌｅを基準値とすると、ｒｗの変化に対してコイルエンド長ｌｅ（ｒｗ）は次式（９）で表される。

　上記式（９）の左辺とｒｗの関係を図５Ａに示す。代表例としてＮｚ＝２、Ｎｚ＝１２の曲線のみ指し示しており、両者の曲線の間に描かれているＮｚ＝３、４、．．．１１の曲線に関しては指示を省略した。

　図５Ａより、ｒｗを大きくするほどコイルエンド長ｌｅを低減できることがわかる。ただし、ｒｗ＞０．５（ティース幅ｗｔがスロット幅ｗｓの半分以上）の範囲においては、コイルエンド長ｌｅはほぼ一定値に収束しており、この傾向はいずれのＮｚにおいても同様である。

　一方で、式（８）より得られるβとｒｗの関係を図５Ｂに示す。βはｒｗのみの関数なのでＮｚとは無関係である。

　図５Ｂより、βはｒｗの増加に伴い減少しており、これがコイルエンド長ｌｅの低減に寄与していることがわかる。ただし、ｒｗ＞１０（ティース幅ｗｔがスロット幅ｗｓの１０倍以上）の範囲においてはβの低減傾向がほぼ収束しており、コイルエンド長低減に対して大きな効果が見込めない。

　以上より、本発明ではコイルエンド長ｌｅを最小化できる寸法条件として以下を見出した。

　続いて、本発明の実施例１におけるコイルエンド周方向長さについて図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。

　図６Ａにおいて、第１スロット１００は４つのレイヤで構成され、径方向外周側から順に第１レイヤ１１０、第２レイヤ１２０、第３レイヤ１３０、第４レイヤ１４０が配置されている。第２スロット２００においても４つレイヤで構成される点は同様である。スロット１００の第１レイヤ１１０には第１セグメントコイル５１０ａの第１領域部５１１ａ（図示していない）が挿入されており、コイルエンド部には図６Ａに示すように、第２領域部５１２ａと第２領域部端部断面５１５ａが現れる。

　第２スロット２００の第２レイヤには第２セグメントコイル５２０ｂの第１領域部端部断面５２３ｂが現れる。コイル５１０ａとコイル５２０ｂとは線状導電部６１０によって電気的・機械的に接続される。

　同様に、スロット１００の第３レイヤ１３０には第３セグメントコイル５３０ａの第１領域部５３１ａ（図示していない）が挿入されており、コイルエンド部には図６Ａに示すように、２領域部５３２ａと第２領域部端部断面５３５ａが現れる。

　第２スロット２００の第４レイヤには第４セグメントコイル５４０ｂの第１領域部端部断面５４３ｂが現れる。コイル５３０ａとコイル５４０ｂとは線状導電部６３０によって電気的・機械的に接続される。

　なお、図６Ａでは上記コイル配置に関して議論できればよいので、その他のコイルに関しては記載を省略している。

　図６Ａを径方向外周側から見たときのコイル５１０ａ、５２０ｂの配置を図６Ｂに示す。図６Ｂにおいて、コイル５１０ａの第２領域部５１２ａの端部断面５１５ａの周方向幅はｗｂであり、コイル５２０ｂの周方向幅ｗｃに対してｗｃ＜ｗｂとなっている。コイル５１０ａの第２領域部５１２ａは固定子コア１０の軸方向端面に対して角度βだけ傾斜している。

　図６Ａ及び図６Ｂに示すように、コイル５１０ａの端部断面５１５ａの右端と、コイル５２０ｂの端部断面５２３ｂの右端とは、周方向位置が一致するように配置されている。このとき、線状導電部６１０の周方向幅はコイル５２０ｂの周方向幅ｗｃと同等である。

　一方で、コイル５３０ａとコイル５１０ａとは同一形状であるので、図６Ａに示すようにコイル５３０ａの端部断面５３５ａの右端と、コイル５４０ｂの端部断面５４３ｂの右端とは、周方向位置が一致していない。この状態においても、コイル接続部の接触抵抗抑制と抵抗バラツキ抑制を図るためには、線状導電部６３０の周方向幅をコイル５４０ｂの周方向幅ｗｃと同等に維持することが重要である。

　そこで、本発明の実施例１では、以下に示すようにスロット内の径方向位置に依らず、いずれのコイル接続部においても線状導電部の周方向幅がコイル幅ｗｃと同等となる寸法条件を新たに見出した。

　まず、図６Ｂに示す寸法関係を用いることでｗｂの最大値は次式（１１）のように定義できる。

　ｗｂの大きさは、例えば図２Ｂに示したＡ部詳細のような形状とすることで低減可能であり、最大となるのは図６Ｂに示すように端部断面５１５ａ右端が鋭角となるときである。

　また、図６Ａに示す第１スロット１００と第２スロット２００の周方向距離θｒは次式（１２）のように定義できる。

　ただし、式（１２）において、Ｐは極数、ｍは相数、ｑは毎相毎極スロット数、τｐは極ピッチ、Ｗは巻線スパンである。

　図６Ｂに示す第１レイヤ１１０のコイル５１０ａの周方向長さｗθは、図６Ａに示す寸法関係を用いることで、次式（１３）で表される。

　ただし、式（１３）において、Ｒｓはスロット半径、ｗｈはコイル厚、ｗｃはコイル幅である。

　本発明の実施例１では、第１レイヤ１１０のコイル５１０ａ、第３レイヤ１３０のコイル５３０ａそれぞれの周方向長さｗθ１、ｗθ３を同等とするので次式（１４）が成り立つ。

　この場合、第２スロット２００において、線状導電部６３０の周方向幅をコイル５４０ｂの周方向幅ｗｃと同等に維持するためには、コイル５３０ａの端部断面５３５ａの左端がコイル５４０ｂの端部断面５４３ｂ左端よりも左側に位置すれば良く、次式（１５）を満足していれば良い。

　上記式（１５）において、左辺はコイル５３０ａの周方向左端を起点として端部断面５３５ａの左端までの周方向長さであり、右辺はコイル５３０ａの周方向左端を起点としてコイル５４０ｂの端部断面５４３ｂの左端までの周方向長さを示している。

　式（１５）の関係が満足されれば、端部断面５３５ａの周方向幅ｗｂの範囲に端部断面５４０ｂが必ず収まる構成となるので、線状導電部６３０の周方向幅をコイル５４０ｂの周方向幅ｗｃと同等に維持することができ、コイル接続部における接触抵抗の抑制と抵抗バラつきの抑制とを実現できる。

　式（１５）に式（１３）を代入し、かつ径方向レイヤ数Ｎｒの場合に一般化すると次式（１６）が得られる。

式（１６）をｗｂについて整理すると次式（１７）を得る。

　式（１１）、（１２）及び（１６）より、スロット内の径方向位置に依らず、いずれのコイル接続部においても線状導電部の周方向幅がコイル幅ｗｃと同等となる寸法条件は次式（１８）のように定義できる。

　これにより、コイル接続部における接触抵抗の抑制と抵抗バラつきの抑制を実現しつつ、同一種類のコイルを複数のレイヤで兼用できるので、レイヤごとにコイルの周方向長さを変える必要が無くなり、部品点数が増加する課題を解決することができる。

　続いて、以下では、設計自由度の向上を目的として、コイル断面アスペクト比ｗｈ／ｗｃ（コイル厚：コイル幅の比）の最適条件を新たに見出す。

　まず、上記式（１８）において、各辺をコイル幅ｗｃで除算すると、次式（１９）が得られる。

　上記式（６）、（８）及び（１０）と、図５Ｂより、本発明の実施例１においては、ティース幅ｗｔとスロット幅ｗｓの比ｒｗが、上限値（ｒｗ＝１０）をとるときにβは最小値（β＝０．０９１ｒａｄ＝５．２ｄｅｇ．）となる。

　このとき、式（１９）の右辺１／ｓｉｎβは最大値の１１となる。したがって、式（１９）の左辺に関しては次式（２０）が成り立つ。

　上記式（２０）を径方向レイヤ数Ｎｒについて整理すると次式（２１）が得られる。

　上記式（２１）からわかるように、径方向レイヤ数Ｎｒの上限値は、極数Ｐ、コイル断面アスペクト比ｗｈ／ｗｃの関数となる。図７は、任意の極数Ｐにおける径方向レイヤ数Ｎｒとｗｈ／ｗｃの関係を示すグラフである。図７では代表例として極数Ｐ＝２、４、８、１６、３２、６４の場合を示す。

　図７において、任意の極数Ｐにおいて、図示される曲線よりも小さい径方向レイヤ数Ｎｒであれば、設計値として選択可能であることを示している。すなわち、アスペクト比ｗｈ／ｗｃの増加に伴い、選択可能なＮｒの範囲が小さくなることがわかる。

　また、極数Ｐが小さくなるほど選択可能なＮｒの範囲が小さくなることがわかる。

　一般に、モータ設計においては様々な顧客ニーズ（ここでは特に電圧・電流の仕様）に対応するために、径方向レイヤ数Ｎｒの調整が重要となる。したがって、径方向レイヤ数Ｎｒの上限値を高い水準に設定し、設計自由度を高めることが望ましい。

　この観点で図７を見ると、アスペクト比ｗｈ／ｗｃ＞１の範囲においては径方向レイヤ数Ｎｒが下限値にほぼ収束しており、設計自由度が低い状態となっている。
以上より、本発明の実施例１では設計自由度を向上できる寸法条件として次式（２２）で表される条件を見出した。

　本実施例１の最後に、本発明の実施例１におけるコイル外観について図８を用いて説明する。

　図８は周方向に並ぶ複数のスロット（図示していない）に挿入された複数のセグメントコイルを示す図である。

　図８において、各スロットは径方向に並ぶ４つのレイヤを有する。Ｉ端において、第１レイヤには第１セグメントコイル５１０の第２領域部５１２が現れ、第２レイヤには第２セグメントコイル５２０の第１領域部５２１が現れ、第３レイヤには第３セグメントコイル５３０の第２領域部５３２が現れ、第４レイヤには第４セグメントコイル５４０の第１領域部５４１が現れる。一方で、ＩＩ端において、第１レイヤには第１セグメントコイル５１０の第１領域部５１１が現れ、第２レイヤには第２セグメントコイル５２０の第２領域部５２２が現れ、第３レイヤには第３セグメントコイル５３０の第１領域部５３１が現れ、第４レイヤには第４セグメントコイル５４０の第２領域部５４２が現れる。

　このように、本発明の実施例１の構成においては、コイルが異なるレイヤに移動することが無い。また、コイルをスロットに挿入した後の折り曲げ加工等の工程が無い。このため、極めて容易にコイル組立作業を実施することができる。

　つまり、本発明の実施例１によれば、体格やコストの増加を招くことなく高効率で信頼性の高い回転電機および回転電機の製造法方法を実現することができる。

　なお、複数のレイヤ１１０～１４０に配置された複数の角線セグメントコイル５１０、５２０、５３０、５４０のうち少なくとも２つが、同一形状を有するように構成することができる。

　（実施例２）
　次に、図９Ａ及び図９Ｂを用いて本発明の実施例２について説明する。

　図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の実施例２におけるコイル形状の説明図であり、実施例１との違いはコイルエンドの形状であり、実施例１を示す図３Ｂ及び図３Ｃに対応する図である。

　図９Ａ及び図９Ｂのコイル５１０ｂに着目すると、第２領域部５１２ｂは固定子コア１０から軸方向に遠ざかる方向に沿って厚みが小さくなる第３領域部５１６ｂで構成される。第２領域部５１２ｂのコイル幅をｗ１、固定子コア軸方向端面に対する傾斜角をθ１とするとき、第３領域部５１６ｂのコイル幅ｗ２、傾斜角θ２はそれぞれ次式（２３）及び（２４）の関係を満たす。

　その他のコイルについても同様の構成である。

　このような構成によって、コイルエンドの軸方向長さを小さくすることができ、図９Ａに示すＬ２は図３Ｂに示すＬ１よりも小さくなる。

　第３領域部５１６ｂの加工方法としては、コイル素線を押出成形や引抜き加工で成形しても良いし、当該部のみｗ２の幅となるように切削しても良い。また、図９では第２領域部５１２ｂと第３領域部５１６ｂの間に角状の屈曲部を設けているが、円弧上に滑らかに屈曲する構成でも良い。また、前記屈曲部は１つのセグメントコイルにつき２か所以上あっても良い。

　実施例２によれば、実施例１と同様な効果を得ることができる他、コイルエンドの軸方向長さを小さくすることができる。

　なお、図９Ａにおいて、第３領域部５１６ａ、第３領域部５１６ｃ、第３領域部５２６ａ、第３領域部５２６ｂ、第３領域部５２６ｃも、第３領域部５１６ｂと同様な形状となっている。

　（実施例３）
　次に、図１０を用いて本発明の実施例３について説明する。図１０は本発明の実施例３における車両７００の説明図である。

　図１０に示す回転電機７５１、７５２に本発明の実施例１又は実施例２が適用される。車両７００は例えばハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車を指し、エンジン７６０と回転電機７５１、７５２と、バッテリ７８０とが搭載されている。

　バッテリ７８０は、回転電機７５１、７５２を駆動する場合、駆動用の電力変換装置７７０（インバータ装置）に直流電力を供給する。電力変換装置７７０は、バッテリ７８０からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を回転電機７５１、７５２にそれぞれ供給する。

　また、回生走行時には、回転電機７５１、７５２が車両７００の運動エネルギーに応じて交流電力を発生して電力変換装置７７０に供給する。電力変換装置７７０は、回転電機７５１、７５２からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をバッテリ７８０に供給する。

　エンジン７６０および回転電機７５１、７５２による回転トルクは、変速機７４０、デファレンシャルギア７３０および車軸７２０を介して車輪７１０に伝達される。

　一般に、自動車には坂道発進での低速大トルクや、高速道路での高速低トルク、街乗りでの中速中トルクなど、広い運転範囲が要求される。このような広い運転範囲において、回転電機７５１、７５２では高効率な運転が可能となる。加えて、熱損失が軽減されるので、車両７００の安全性向上や長寿命化が可能になる。また、車両７００の航続距離を延ばすことが可能になる。

　なお、エンジン７６０を備えず、回転電機７５１、７５２の動力だけで駆動される電気自動車においても、本発明の実施例１又は実施例２による回転電機を適用することにより同様の効果が得られる。

　１０・・・固定子コア、２０・・・固定子ティース、１００・・・第１スロット、１１０・・・第１レイヤ、１２０・・・第２レイヤ、１３０・・・第３レイヤ、１４０・・・第４レイヤ、２００・・・第２スロット、４００・・・レイヤ間空隙、５１０・・・第１セグメントコイル、５１１・・・第１領域部、５１２・・・第２領域部、５１２ｄ・・・屈曲部、５１３・・・端部断面、５１４・・・鉛直断面、５１５・・・端部断面、５１６ｂ・・・第３領域部、５２０・・・第２セグメントコイル、５２１・・・第１領域部、５２２・・・第２領域部、５２３・・・端部断面、５２５・・・端部断面、５２６ａ・・・第３領域部、５３０・・・第３セグメントコイル、５３１・・・第１領域部、５３２・・・第２領域部、５３５・・・端部断面、５４０・・・第４セグメントコイル、５４１・・・第１領域部、５４２・・・第２領域部、５４３・・・端部断面、６１０、６３０・・・線状導電部、６２０・・・面状導電部、７００・・・車両、７１０・・・車輪、７２０・・・車軸、７３０・・・デファレンシャルギア、７４０・・・変速機、７５１、７５２・・・回転電機、７６０・・・エンジン、７７０・・・電力変換装置、７８０・・・バッテリ

Claims

　複数の角線セグメントコイルと、前記複数の角線セグメントコイルを収納するスロットを有する固定子コアと、を備える回転電機であって、
前記スロットは、前記回転電機の径方向に並ぶ複数のレイヤを有し、
前記複数の角線セグメントコイルのそれぞれは、前記スロット内に配置される挿入部を有し、かつ前記回転電機の軸方向に沿って直線状に形成される第１領域部と、前記第１領域部と繋がりかつ前記固定子コアの周方向への屈曲部を含んで周方向に沿って形成される第２領域部と、を有し、
前記複数の角線セグメントコイルのコイルエンドにおいて隣り合う前記角線セグメントコイルの一対は、一方の前記角線セグメントコイルの前記第１領域部と、他方の前記角線セグメントコイルの前記第２領域部が接続される導電部を有し、
前記導電部において、前記第２領域部は、前記第１領域部の端部断面と同一面上に並ぶ導電部断面を有し、かつ前記導電部断面は、前記第２領域部のコイル鉛直断面とは異なる方向の断面であり、
前記複数のレイヤのそれぞれは、前記コイルエンドを前記回転電機の軸方向から見た場合に、前記第１領域部が軸方向端部に現れる第１レイヤと、前記第２領域部が軸方向端部に現れる第２レイヤと、を有することを特徴とする回転電機。
　請求項１記載の回転電機において、
　前記導電部は、前記コイルエンドを前記回転電機の軸方向から見た場合に、前記回転電機の周方向に延びる溶接線、及び前記第２領域部の径方向面と前記第１領域部の径方向面との接触によって形成されるか、前記溶接線か、前記第２領域部の径方向面と前記第１領域部の前記径方向面との接触のうちのいずれかで形成されることを特徴とする回転電機。
　請求項１に記載の回転電機において、
　前記導電部は、
前記第１領域部の端部断面は、ｗｃの大きさの周方向幅を有し、
前記ｗｃと、前記第２領域部の端部断面の周方向幅と、を加算し、かつ前記第１領域部の端部断面と前記第２領域部の端部断面とが径方向に重なる部分の周方向幅を減算した長さをｗａとして、ｗｃ＜ｗａとなるか、または
前記第２領域部の端部断面は、ｗｂの大きさの周方向幅を有し、
前記ｗｃに対して、ｗｃ＜ｗｂとなるか、またはｗｃ＜ｗａかつｗｃ＜ｗｂとなることを特徴とする回転電機。
　請求項１に記載の回転電機において、
前記複数のレイヤに配置された前記複数の角線セグメントコイルのうち少なくとも２つは、同一形状を有することを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記固定子コアは前記回転電機の周方向に並ぶ複数の固定子ティースを有し、
前記固定子ティースは、周方向幅ｗｔを有し、
前記スロットは、周方向幅ｗｓを有し、
前記周方向幅ｗｔと前記周方向幅ｗｓの間には、
０．５≦（ｗｔ／ｗｓ）≦１０　　
の関係が成り立つことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記回転電機は、極数Ｐ、極ピッチτｐ、巻線スパンＷ、径方向レイヤ数Ｎｒ、コイル厚ｗｈ、コイル幅ｗｃ、前記固定子コアの軸方向端面に対するコイル傾斜角βであり、前記第２領域部の端部断面は、ｗｂの大きさの周方向幅を有し、
前記ｗｂとの間には、
（Ｗ・２π）／（τｐ・Ｐ）・（Ｎｒ－２）・ｗｈ＋ｗｃ≦ｗｂ≦ｗｃ／ｓｉｎβ
　の関係が成り立つことを特徴とする回転電機。
請求項６に記載の回転電機において、
　前記径方向レイヤ数Ｎｒは、
　Ｎｒ＜（（１０・Ｐ）／（（Ｗ／τｐ）・２π））・（１／（ｗｈ／ｗｃ））＋２
　の関係が成り立つことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記回転電機は、コイル厚ｗｈ、コイル幅ｗｃであり、
前記コイル厚ｗｈと前記コイル幅ｗｃとの間には、
０＜（ｗｈ／ｗｃ）≦１
　の関係が成り立つことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記第２領域部は、前記固定子コアから前記回転電機の軸方向に遠ざかる方向に沿ってコイル幅が小さくなる第３領域部を有することを特徴とする回転電機。
請求項９に記載の回転電機において、
前記第２領域部は、前記固定子コアの軸方向端面に対して傾斜角θ１だけ傾き、
前記第３領域部は、前記固定子コアの軸方向端面に対して傾斜角θ２だけ傾き、
前記傾斜角θ１と前記傾斜角θ２は、傾斜角θ１＞傾斜角θ２の関係を満たすことを特徴とする回転電機。
　請求項１に記載の回転電機において、
　回転電機と、バッテリと、前記バッテリの直流電力を交流電力に変換して、前記交流電力を前記回転電機に供給する電力変換装置と、を備え、前記回転電機のトルクが変速機を介して車輪に伝達される車両の前記回転電機に用いられることを特徴とする回転電機。
　複数の角線セグメントコイルと、前記複数の角線セグメントコイルを収納するスロットを有する固定子コアとを備える回転電機の製造方法であって、
前記スロットは、前記回転電機の径方向に並ぶ複数のレイヤを有し、
前記複数の角線セグメントコイルのそれぞれは、前記スロット内に配置される挿入部を有し、かつ前記回転電機の軸方向に沿って直線状に第１領域部を形成し、　
前記第１領域部と繋がりかつ前記固定子コアの周方向への屈曲部を含んで周方向に沿って第２領域部を形成し、
前記複数の角線セグメントコイルのコイルエンドにおいて隣り合う前記角線セグメントコイルの一対は、一方の前記角線セグメントコイルの前記第１領域部と、他方の前記角線セグメントコイルの前記第２領域部が接続される導電部を有し、
前記導電部において、前記第２領域部は、前記第１領域部の端部断面と同一面上に並ぶ導電部断面を有し、かつ前記導電部断面は、前記第２領域部のコイル鉛直断面とは異なる方向の断面であり、
前記複数のレイヤのそれぞれは、前記コイルエンドを前記回転電機の軸方向から見た場合に、前記第１領域部が軸方向端部に現れる第１レイヤと、前記第２領域部が軸方向端部に現れる第２レイヤと、を有することを特徴とする回転電機の製造方法。