JP2005287109A

JP2005287109A - 回転電機の固定子

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Publication number: JP2005287109A
Application number: JP2004093973A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Akita; 裕之秋田; Yoshito Asao; 淑人浅尾; Haruyuki Yonetani; 晴之米谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: US20050212372A1; US7009320B2; JP4146379B2

Abstract

【課題】自由な非整数点ターン数が得られる結線構造の固定子を提供することを目的とするものである。
【解決手段】Ｕ、Ｖ及びＷ相それぞれにおいて、第１ないし第６導線５１〜５６を固定子鉄心の端面の外側で折り返して所定スロットピッチで、スロットに装着してなり、第６導線５６を０．５ターンのコイル１０８と１０９に分割し、第２導線５２とコイル１０８とを接続した１．５ターンのコイルと、第４導線５４とコイル１０９とを接続した１．５ターンのコイルとを並列に接続することによって１．５ターンのコイルをつくり、この１．５ターンのコイルと、第１導線５１、第３導線５３及び第５導線５５を直列接続して３ターンのコイルとを直列接続することにより４．５ターンのコイルを構成する。
【選択図】図４

Description

この発明は、モータや発電機等の回転電機に使用される固定子に関するものであり、特に、コイルが整列巻された分布巻き構造における結線構造に関するものである。

回転機の固定子は、固定子鉄心と、固定子鉄心に装着されたコイルと、スロット内に装着されてコイルを固定子鉄心から絶縁するインシュレータとを備えている。

例えば、固定子鉄心は、薄い鋼板を重ねて積層した円筒状のものがあり、中心軸方向に延びるスロットが内周側に開口するように所定ピッチで周方向に複数個設けられている。固定子鉄心にコイルを装着する際には、固定子鉄心を帯状にしてスロットの間隙をコイル導体の線幅より大きくし、太い線幅の導体を装着できるようにしたものがある。このような固定子鉄心では、コイルを装着した後、帯状の固定子鉄心の両端が突き合わされて円環状にされ、両端が溶接等により接合される。

コイルの形状としては、固定子鉄心の軸方向端面の外側において、コイルに用いる導線のコイルエンドを折り返して波巻きした構造のものがあり、スロットのスペースを効率よく使うために、２本１組の導線がスロットの深さ方向の内層と外層を交互に採るように所定のスロット数毎にコイルを２組装着し、このコイルを６相に分布巻きしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

回転機の性能はコイルのターン数の影響が大きく、ターン数が限定されると用途に応じた適正な性能設計ができない。

例えば、回転機を自動車の交流発電機に用いた場合、発電機の出力電流と回転子の回転数に比例するエンジンの回転数との関係を見た場合、コイルのターン数が多い発電機は、コイルのターン数が少ない発電機と比較して、低速での出力電流は低く、高速での出力電流が高くなる。低速と高速での出力電流のバランスに対して様々なニーズがあるが、スロット中のコイルの数は特定され、コイルのターン数は整数となるので、上記ニーズに対して応えられない場合が生じるという問題がある。

この問題の解決策として、整数ターンコイルのΔ結線と整数ターンコイルのＹ結線とを組み合わせた構成のものがある。この構成では、整数ターンの２組の３相コイルの中、一方の組の３相コイルをΔ結線し、他方の組の３相コイルをΔ結線の結線部に接続し、２組の３相コイルは、互いに電気角でπ／６ずれた状態になるスロット位置に配置している。

この構成によれば、２組の３相コイルのターン数は整数であっても、Δ結線とＹ結線との結線状態におけるターン数は整数と整数との間のターン数（非整数ターン数）とすることができる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２１１５８４号公報（第５−８頁、図２−６）特開２００２−２４７７８７号公報（第４−５頁、図２−５）

上記特許文献２では、２組の３相コイルを必要とし、また、２組の三相コイルのターン数をそれぞれ整数としているので、Δ結線とＹ結線との結線状態における非整数ターン数は自由に得られないという問題がある。

この発明は、上記のような問題を解決するものであり、自由な非整数ターン数が得られる結線構造の固定子を提供することを目的とするものである。

この発明に係る回転電機の固定子は、薄鋼板を積層した円環状の積層体の軸方向に延在し、周方向に所定ピッチで設けられた複数のスロットを有する固定子鉄心と、Ｕ、Ｖ及びＷ相を構成するコイルとを備え、
上記各相のコイルは、ｎ本の導線を上記固定子鉄心の端面の外側で折り返して所定スロットピッチで、上記スロットに装着してなり、
上記各相におけるスロット数をＳ個とし、上記各相において、全スロット内の（Ｓ・ｎ）個の導体の内からｍ個を選択して直列接続した組を複数組構成し、上記複数組を並列接続することにより、非整数のｍ／Ｓターンのコイルを構成し、選択されなかった導体からなる整数ターンのコイルと組み合わせて非整数ターンのコイルを構成したものである。

上記発明に係る回転電機の固定子の構成によれば、非整数ターン数の結線構造を構成するに当たって、非整数ターン数の設計の自由度が増す。

先にも述べたように、回転機を自動車等の交流発電機に用いた場合、発電機の出力電流（Ｉ）と回転子の回転数に比例するエンジンの回転数（Ｎ）との関係を見ると、図１０に示すように、ターン数が多いコイル３５０の方が、ターン数が少ないコイル３５１に比べて、低速での出力電流が低く、高速での出力電流が高くなる。また、低速と高速での出力電流（Ｉ）のバランスに対して様々なニーズがある。このニーズに対応するためには、コイルのターン数に対する設計の自由度を上げることが必要である。この発明は、低速と高速での出力電流（Ｉ）のバランスに対する様々なニーズに応えられるように、自由な非整数ターン数が得られる結線構造を得るものである。

以下に、図面に基づき、この発明の実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明に係る回転電機の固定子における実施の形態１の構成を示す斜視図である。
同図において、固定子１は、薄い鋼板を重ねて積層した固定子鉄心２と、固定子鉄心２の内周側に開口するように周方向に所定ピッチで複数個設けられ、中心軸方向に延びるスロット４に装着されたコイルとを備えている。

図２は、コイルの形状を示す平面図である。同図に示したように、コイル５は、固定子鉄心の軸方向端面（紙面の上下方向に直立する線の端部）の外側において、コイルエンド５ａを折り返して波巻きした構造であり、第１導線５１と第２導線５２、第３導線５３と第４導線５４及び第５導線５５と第６導線５６をそれぞれ対として、スロット内に装着される。

図３は、スロット内に複数対の導線が装着された状態を示す断面図である。同図に示したように、１対の第１導線５１と第２導線５２は、スペースを効率よく使うためにスロット４の深さ方向の内層側と外層側を交互に採るように所定のスロットピッチ（図では第１スロットの次に第７スロット）で装着される。他の対の第３導線５３と第４導線５４及び第５導線５５と第６導線５６も同様に内層側と外層側を交互に採るように所定のスロットピッチで装着され、コイルａを形成する。また、同様に、残る５相のコイルｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの導線が所定のスロットピッチで装着される。ここでは、コイルａ及びコイルｄをＵ相、コイルｂ及びコイルｅをＶ相、コイルｃ及びコイルｆをＷ相とする。

このように、長尺の導線を固定子鉄心の端面の外側で折り返して、所定スロットピッチでスロットにコイルを装着することによって、コイルエンドが整列された、いわゆる整列巻とすることができる。

図４は、この発明の実施の形態１における、コイルａの結線を説明するための模式図である。図４において、丸はスロット内に配置された導線（図２において、紙面の上下方向に直立する線）であり、丸を結ぶ実線は固定子鉄心の一方の端部のコイルエンドを示し、丸を結ぶ破線は固定子鉄心の他方の端部のコイルエンドを示し、縦方向に同一の位置にある丸は同一のスロットに装着されていることを示している。また、丸の上の数字は、コイルａ１相について見た場合の装着スロットに対して、順に番号を付したものであり、図示していないが、横方向の丸と丸の間には他の５相の導線とスロットが存在し、スロット数は全部で９６存在する。

図４に示したように、１つの相（Ｕ相）のコイルａは、第１導線５１と第２導線５２、第３導線５３と第４導線５４及び第５導線５５と第６導線５６の３対から構成され、これらの導線のうち、第１導線５１、第３導線５３及び第５導線５５を、１番スロットと１６番スロットの端末で直列に接続し、第１の導線５１の８番スロットと９番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０１及び２０２を配置して、３ターンのコイル１０７を構成する。

第２導線５２、第４導線５４及び第６導線５６は、それぞれ１番スロットと１６番スロットの端末で接続して、さらに、第２導線５２の５番スロットと６番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０３及びリード線２０４を配置し、第４導線５４の７番スロットと８番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０５及びリード線２０６を配置し、また、第６導線５６の第３番スロットと第４番スロットとの間のコイルエンドでリード線２０７及びリード線２０８を配置し、さらに、第６導線５６の第１１番スロットと第１２番スロットとの間のコイルエンドで、リード線２０９及びリード線２１０を配置している。

これらのリード線の配置により、リード線２０３からリード線２０４までの１ターンのコイル１０２と、リード線２０５からリード線２０６までの１ターンのコイル１０４とが形成される。また、第６配線５６は２箇所からリード線を出すことによって、リード線２０８からリード線２０９までの０．５ターンのコイル１０９の組と、リード線２１０からリード線２０７までの０．５ターンのコイル１１０の組に分割される。

リード線２０８とリード線２０３とを接続することにより、コイル１０２とコイル１０９が直列接続され、１．５ターンのコイルが構成される。また、リード線２１０とリード線２０５を接続することにより、コイル１０４とコイル１１０が直列接続され、１．５ターンのコイルが構成される。

次に、リード線２０９とリード線２０７を接続部２１１に接続し、リード線２０４とリード線２０６を接続部２１２に接続することにより、２つの１．５ターンのコイルが並列に接続される。さらに、コイル１０７のリード線２０２を接続部２１２に接続することで、２本並列の１．５ターンのコイルと３ターンのコイルとが直列に接続され、４．５ターンのコイルが構成される。

以上、１相の結線について説明したが、他の５相についても同様の結線を行い、２本並列の１．５ターンのコイルと３ターンのコイルとが直列に接続された４．５ターンのコイルを構成する。

４．５ターンのコイルの端末はリード線２０１と接続部２１１で構成され、リード線２０１と接続部２１１の内のいずれか一方を、他の２相の４．５ターンのコイルと接続することによって、例えば電気角が互いに６０゜ずれた、図５に示すような、一対のＹ結線コイルや、図示していないが、例えば電気角が互いに６０゜ずれた一対のΔ結線コイルを製作することができる。なお、図５において、Ｖ相及びＷ相もＵ相と同様のコイルの構成となっている。

この実施の形態１では、第６導線５６を２分割して０．５ターンの組を作ることによって、４．５ターンの非整数コイルを構成したが、第６導線５６を４分割した組を並列に接続して０．２５ターンのコイルを作ることによって、４．２５ターンの非整数ターンのコイルを作製することもできる。また、例えば、第６導線５６を分割し、分割した一部を比整数ターンの組とすることもできる。

また、実施の形態１では、第１導線５１、第３導線５３、第５導線５５を直列接続して３ターンのコイルを作り、第２導線５２と第６導線の内の０．５ターンの組とを直列に接続した１．５ターンのコイルと、第４導線５４と第６導線の内の残りの０．５ターンの組とを直列に接続した１．５ターンのコイルとを並列に接続することによって１．５ターンのコイルを作り、この１．５ターンのコイルと、先の３ターンのコイルとを直列に接続することにより、４．５ターンのコイルを作製したが、図６に示すように、第３導線５３と第５導線５５と第６導線５６の内の０．５ターンの組とを直列に接続して２．５ターンのコイルを作り、第２導線５２と第４導線５４と第６導線５６の内の残りの０．５ターンの組とを直列に接続して２．５ターンのコイルを作り、この２つの２．５ターンのコイルを並列に接続し、この並列に接続した２．５ターンのコイルと第１導線５１とを接続することによって、３．５ターンのコイルを構成することもできる。なお、図６において、Ｖ相及びＷ相もＵ相と同様のコイルの構成となっている。

また、図示しないが、第１導線５１、第３導線５３、第５導線５５を直列接続した３ターンのコイルをΔ結線し、Δ結線の接続部に、第２導線５２と分割した第６導線５６による１．５ターンの組と、第４導線５４と分割した残りの第６導線５による１．５ターンの組とを並列接続したコイルを結線してもよい。

また、１スロット内に６本の導線があり、１相当たりのスロット数は１６個あるので、分割できる位置（全スロット内の導体数の合計）は６×１６＝９６個あり、分割位置を変えることによって、９６個の内の任意数の導体ｍ個を組みとして複数組構成し、この複数組を並列接続することによって、ｍ／Ｓターン（Ｓは１相当たりのスロット数）の非整数ターンコイルが得られる。例えば、８個の導体を組として、２組を並列接続した場合、ｍ＝８でＳ＝１６であるので、ｍ／Ｓ＝０．５となり、０．５ターンのコイルを含む非整数ターンのコイルが得られる。

また、１相のスロット数が１６で、スロット内に３対の導体（６本）が装着された例を示したが、このスロット数及び導線数に限られるものではない。
スロットに入っている導線数をｎ（整数）とし、１相当たりのスロット数をＳとすると、分割できる位置（全スロット内の導体数の合計）は（Ｓ×ｎ）となる。これらの（Ｓ×ｎ）個の導体の内の任意のｍ個の導体を組として複数組構成し、この複数組を並列接続することによって、ｍ／Ｓターンのコイルを含む非整数ターンのコイルを作製することができる。

また、導線はコイルエンド部で連続接続されているので、周方向で導線を分割して、複数組を形成し、この複数組を並列接続することによって、リード線及びリード線の接続箇所を少なくすることができる。

また、非整数ターンのコイルの数と整数ターンのコイルの数との比が変わると磁気特性が変わるが、全てのスロットにおいて、非整数ターンのコイル及び整数ターンのコイルの数を同じにすることによって、固定子１の全周における磁気特性を均一にすることができるので、回転機の騒音を低減することができる。

また、整列巻の場合は、スロットによって、導線数を変えてターン数を変えることができないが、この実施の形態によれば、整列巻の場合にも容易に非整数ターン数のコイルが得られるので、この実施の形態は特に整列巻の場合に有効となる。

実施の形態２．
上記実施の形態１に示したような、並列接続されたコイルと並列接続されていないコイルとがともに存在する場合、１つのスロット内にも、並列接続されたコイルと並列接続でないコイルとがともに存在することになる。

図７は、１つのスロット内に並列接続されたコイルの導体と並列接続でないコイルの導体とがともに存在する場合の漏れ磁束の状態を説明する図である。

図７に示したように、スロット４内の導体に電流が流れると、この電流の大きさに応じてスロット４内に漏れ磁束が発生する。この漏れ磁束は、出力に関係なく発生するために鉄損等となり、モータの出力特性に悪影響を及ぼす。

図７では、並列接続されたコイル５０ａの導体をスロット４の内層側の底部に寄せて配置している。この場合、並列接続されたコイル５０ａの導体に流れる電流は、並列接続されていないコイル５０ｂの導体に流れる電流よりも小さいので、並列接続されたコイル５０ａの導体の漏れ磁束は、並列接続されていないコイル５０ｂの導体の漏れ磁束より小さくなる。また、スロット４の内層側の底部の方がスロット４の外層側の開口部よりも漏れインダクタンスが大きくなる。従って、漏れインダクタンスが大きくなるスロット４の内層側の底部に、電流が小さい並列接続されたコイル５０ａの導体を配置することによって、全体の漏れ磁束量が低減される。

さらに、回転子が発生する磁束は、スロット４の開口部から入り、コイルの導体と鎖交してモータ出力となるが、スロット４内のコイルの導体と同様に、スロット４内で漏れ磁束を発生し、回転子側から最も遠いスロット４の内層側の底部における鎖交磁束よりもスロット４の開口部近辺における鎖交磁束の方が多くなる。従って、回転子の磁束を有効にコイルの導体に鎖交させるためには、並列接続されていないコイル５０ｂの導体をスロット４の開口部近辺に配置することが望ましい。

図８は、スロット内でのコイルの導体の配置例を示す図である。図８（ａ）は、並列接続したコイル５０ａをスロットの底部に配置している。図８（ｂ）は、前述のように、スロットのスペースを効率よく使うためにスロット４の底部の内層側と外層側を交互に採るように導線を配置した場合を示している。

以上のように、並列接続されたコイル５０ａの導体をスロット４の内層側の底部に配置し、並列接続されていないコイル５０ｂの導体をスロット４の開口部近辺に配置することにより、モータの出力特性を向上することができる。

また、並列接続されたコイル５０ａに流れる電流は、並列接続されていないコイル５０ｂに流れる電流よりも小さいので、コイル５０ａの導体の断面積を、コイル５０ｂの導体の断面積より小さくすることができる。コイル５０ａの導体の断面積を小さくした場合は、スロット内のコイル５０ｂの導体の断面積を、コイル５０ａの導体の断面積を小さくした分、大きくして抵抗を小さくすることができるので、スロット内に同じ断面積のコイル５０ｂの導体を装着した場合よりも、コイル全体の発熱量を小さくすることができる。

実施の形態３．
図９は、図４に示した結線図のリード線接続部に、スイッチを設けた例を示す結線図である。

図９（ａ）では、スイッチ５０１及びスイッチ５０２によって、図４に示した結線状態と同じに構成され、第６配線５６が０．５ターンに分断され、４．５ターンのコイルが構成されている。一方、図９（ｂ）では、スイッチ５０１及びスイッチ５０２をスライドさせて、第６配線５６の分断部を接続して１ターンのコイルを構成するとともに、第２配線５２と第４配線５４とを並列接続して１ターンのコイルを構成し、第１配線５１、第３配線５３及び第５配線５５からなる３ターンのコイルと、第２配線５２と第４配線５４とを並列接続した１ターンのコイルと、第６配線５６の１ターンのコイルとを直列に接続した５ターンのコイルを構成している。すなわち、４．５ターンのコイルの構成と５ターンのコイルの構成とを、スイッチ５０１及びスイッチ５０２によって切り替えることができるものである。

このように、スイッチを設けて、並列接続及び直列接続を切り替えることにより、コイルのターン数を切り替えることができ、例えば、エンジンの回転数が低速の場合には、コイルのターン数を５ターンとし、エンジンの回転数が高速の場合には、コイルのターン数を４．５ターンとする等のように、エンジンの回転数に合わせて、モータの出力特性を適正な状態にすることができる。

この発明に係る回転電機の固定子は、例えば、車両用交流発電機等の固定子に利用することができる。

この発明に係る回転電機の固定子における実施の形態１の構成を示す斜視図である。コイルの形状を示す平面図である。スロット内に複数組のコイルが装着された状態を示す断面図である。この発明の実施の形態１における配線の結線を説明するための結線図である。実施の形態１におけるＵ相、Ｖ相及びＷ相の結線の例を示す回路図である。実施の形態１におけるＵ相、Ｖ相及びＷ相の結線の他の例を示す回路図である。１つのスロット内に並列接続されたコイルの導体と並列接続でないコイルの導体とがともに存在する場合の漏れ磁束の状態を説明する図である。スロット内でのコイルの導体の配置例を示す図である。図４に示した結線図のリード線接続部に、スイッチを設けた例を示す結線図である。エンジン回転数と電流出力との関係を示す図である。

符号の説明

１固定子、２固定子鉄心、３，２０１〜２１０リード線、４スロット、
５，１０７，１０９〜１１０コイル、５ａコイルエンド、
５０ａ並列接続されたコイル、５０ｂ並列接続でないコイル、５１第１配線、
５２第２配線、５３第３配線、５０４第４配線、５５第５配線、
５６第６配線、２１１，２１２接続部、５０１，５０２スイッチ。

Claims

薄鋼板を積層した円環状の積層体の軸方向に延在し、周方向に所定ピッチで設けられた複数のスロットを有する固定子鉄心と、Ｕ、Ｖ及びＷ相を構成するコイルとを備え、
上記各相のコイルは、ｎ本の導線を上記固定子鉄心の端面の外側で折り返して所定スロットピッチで、上記スロットに装着してなり、
上記各相におけるスロット数をＳ個とし、上記各相において、全スロット内の（Ｓ・ｎ）個の導体の内からｍ個を選択した組を複数組構成し、上記複数組を並列接続することにより、非整数のｍ／Ｓターンのコイルを構成し、選択されなかった導体からなる整数ターンのコイルと組み合わせて非整数ターンのコイルを構成したことを特徴とする回転電機の固定子。
上記周方向につながった導線を複数に分割し、分割した一部を上記ｍ個の導体からなる組としたことを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記周方向につながった導線を複数に分割し、分割した全部を上記ｍ個の導体からなる組としたことを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記選択されたｍ個の導体の断面積が、選択されなかった導体の断面積より小さいことを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記選択されたｍ個の導体が、上記スロットの内層側の底部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記全てのスロットにおいて、上記非整数のｍ／Ｓターンのコイル及び整数ターンのコイルの数が同じであることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
上記非整数のｍ／Ｓターンのコイル及び整数ターンのコイルのターン数を切り替えるスイッチを備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の回転電機の固定子。