JP2012152006A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】連続導体を電機子鉄心に直接連続的に巻く方法で形成しても、電機子巻線におけるインピーダンスの均一化を図ることのできる分布巻き方式の回転電機を提供する。
【解決手段】分布巻き方式でステータコア２に配される３相巻線は、２つの群１１、１２に分けられており、群毎に、それぞれの巻き始めからステータコア２の周方向へ波状に巻かれている。また、第１群１１と第２群１２は、それぞれ波状に巻かれる際に、第１層から出た群が第２層へ入り、第２層から出た群が第１層に入るように巻かれ、スロット７内で、第１群１１と第２群１２とが径方向に交互に配置される。これによれば、第１群１１と第２群１２の巻線長さ、第１群１１と第２群１２とが受ける漏れ磁束の影響の受け方が均一化される。このため、巻線抵抗及びリアクタンスが均一化し、インピーダンスを均一化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される回転電機に関する。また、産業用機器、家庭電化製品等への適用も可能である。

従来より、回転電機として、電機子鉄心とこの電機子鉄心に分布巻き方式で巻装される複数相の電機子巻線とからなる電機子を備えるものがある。
そして、電機子巻線を巻装する方法としては、予め成形した導体セグメントを電機子鉄心に装着する方法（特許文献１参照）があるが、この方法では、電機子鉄心に装着する前に、導体セグメントを成形する工程と、電機子鉄心に導体セグメントを組み付ける工程とを経なければならず、製造工程が増加するという問題点がある。

特許第４１０５１１１号公報

そこで、製造工程の低減の観点からは、導体セグメントを予め成形することなく、導線のような連続導体を電機子鉄心に直接連続的に（途中で接続することなく）巻いていく方法が好ましい。
そして、直接連続的に巻く際の巻きやすさの観点から、電機子巻線を幾つかのグループに分けて巻く方法がある。

しかしながら、電機子巻線を幾つかのグループに分ける場合には、異なるグループ間でインピーダンスのばらつきが生じる虞がある。これにより、電機子巻線のインピーダンスの不均衡が生じ、電流不均衡を招く虞がある。

そこで、本発明は、連続導体を電機子鉄心に直接連続的に巻く方法で形成しても、電機子巻線におけるインピーダンスの均一化を図ることのできる分布巻き方式の回転電機を提供することを目的とする。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の回転電機は、周方向に並ぶ複数のティースを有する電機子鉄心と、
ティース間のスロット内に分布巻き方式で配されるｍ相巻線（ｍは正の整数）より形成された電機子巻線とを備える。

そして、ｍ相巻線は、第１のｍ相巻線群と第２のｍ相巻線群との２つのグループに分けられており、第１のｍ相巻線群を構成する各相の導線の巻き始めは、１番目〜ｍ番目のスロットにそれぞれ配され、第２のｍ相巻線群を構成する各相の導線の巻き始めは、（ｍ＋１）番目〜２ｍ番目のスロットにそれぞれ配される。そして、ｍ相巻線群毎に、それぞれの巻き始めから、電機子鉄心の周方向へ波状に巻かれている。

そして、電機子鉄心の径方向において、スロットが径方向に開口する側をスロット先端側、その反対をスロット根元側とし、スロット内の巻線位置において、スロット根元側を第１層、スロット先端側を第２層と定義すると、第１のｍ相巻線群と第２のｍ相巻線群とは、第１層から出たｍ相巻線群が第２層へ入り、第２層から出たｍ相巻線群が第１層に入るように巻かれている。これにより、スロット内で、第１のｍ相巻線群と第２のｍ相巻線群とが径方向に交互に配置されている。

これによれば、１つのｍ相巻線を２つの群に分けているため、巻線作業が行いやすい。
そして、スロット内で、第１のｍ相巻線群と第２のｍ相巻線群とが径方向に交互に配置されるように巻かれているため、第１のｍ相巻線群と第２のｍ相巻線群との間の巻線長さ、第１のｍ相巻線群と第２のｍ相巻線群とが受ける漏れ磁束の影響の受け方が均一化される。このため、巻線抵抗及びリアクタンスが均一化し、インピーダンスを均一化することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の回転電機によれば、各相の導線は、コイルエンド部においてスロット根元側に捻られている。

これによれば、各相の導線がスロット根元側へ引っ張られるため、たるみが除かれる。このため、たるみによるインピーダンスの不均一を低減できる。また、スプリングバックによる巻きほぐれを防止することができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の回転電機によれば、各相の導線は、電機子鉄心の周方向おいて一方向に波状に巻回されて、巻き始め位置に到達したら、その位置から一方向とは逆方向に波状に巻回されることの繰り返しによって、電機子鉄心に巻線されている。

ノズル巻線装置によって直接連続的に各相の導線を電機子鉄心に波状に巻いていく場合、各相の導線を渦巻き状に巻いて径方向に重ねる巻き方（つまり、巻き方向が巻き始めから巻き終わりまで一方向となるような巻き方）をすると、ノズル手前の導線にひずみが生じる虞がある。そのひずみによって導線に加工硬化が生じ、巻きにくくなる場合がある。

そこで、本手段では、巻き始め位置で、電機子鉄心の周方向における巻き方向を切り替えながら、径方向に重ねて巻いていくことで、ノズル手前の導線にひずみを生じにくくすることができる。
また、巻き方向を切り替える際に、導線にテンションを加えて、導線のたるみをとることもできる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の回転電機によれば、電機子鉄心は、ティースのスロット根元側に、ティース同士を磁気的に接続するバックヨークを有しており、各相の導線の両端は、バックヨーク側に引き出されて結線されている。
これによれば、コイルエンド高さを高くすることなく結線処理ができる。

３相交流モータの電機子巻線の構成を示す説明図である（実施例１）。 ３相交流モータの電機子巻線の構成を示す模式図である（実施例１）。 図１を軸方向から視た説明図である（実施例１）。 コイルエンド部の巻線取り回し態様を示す平面図である（実施例１）。 電機子鉄心の周方向における電機子巻線の巻き方向を説明する説明図である（実施例１）。 各３相巻線群の巻き始め端をバックヨーク側に取り回した様子を説明する平面図である（実施例１）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の回転電機の構成を、図１〜図６を用いて説明する。
実施例１の回転電機は、３相交流モータであって、ステータコア２（電機子鉄心）と、このステータコア２に分布巻き方式で巻装されるステータコイル３（電機子巻線）とを有するステータ（電機子）を備える。
そして、このステータコイル３に３相交流電流を流すことにより回転磁界を形成し、回転磁界内に配されるロータ（図示せず）を回転させる。なお、ロータは永久磁石型、電磁石型、鉄心型等、様々な態様をとり得る。

ステータコア２は、複数枚の鋼板が積層されて円筒状に形成されている。そして、ステータコア２は、先端がロータに対向するとともに周方向に複数個並んだティース５と、ティース５同士を磁気的に接続するバックヨーク６とを有している（図４参照）。そして、隣合うティース５同士とバックヨーク６とで囲われる空間が、スロット７となっている。そして、ステータコア２の中心にはシャフト（図示せず）が固定されている。

本実施例の３相交流モータは、ステータコア２の外周を取り囲むようにロータが配置されるアウターロータ型であり、図４に示すように、ティース５はステータコア２の径方向外側に突出しており、スロット７はステータコア２の径方向外側に向けて開口している。
また、本実施例では、例えば、４２個のスロット７が周方向に並んで形成されている。

ステータコイル３は、１つの３相巻線（Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル）からなっている。

〔本実施例の特徴〕
本実施例の３相巻線は、２つの群（第１の３相巻線群１１と第２の３相巻線群１２）に分かれている（図１、図２参照）。
第１の３相巻線群１１（以下、第１群１１と呼ぶ）は、Ｕ相コイルを形成する導線Ｕ１と、Ｖ相コイルを形成する導線Ｖ１と、Ｗ相コイルを形成する導線Ｗ１とからなっている。
第２の３相巻線群１２（以下、第２群１２と呼ぶ）は、Ｕ相コイルを形成する導線Ｕ２と、Ｖ相コイルを形成する導線Ｖ２と、Ｗ相コイルを形成する導線Ｗ２とからなっている。
なお、各導線は、外周に絶縁被覆が施された被覆線であり、線径は例えば１〜２ｍｍ程度である。

そして、第１群１１を構成する各相の導線の巻き始めは、１番目〜３番目（ｍ番目（ｍ＝３））のスロットにそれぞれ配される。
すなわち、第１群１１の導線Ｕ１の巻き始めは１番目のスロット７に配され、導線Ｖ１の巻き始めは２番目のスロット７に配され、導線Ｗ１の巻き始めは３番目のスロット７に配される。

また、第２群１２を構成する各相の導線の巻き始めは、４番目（ｍ＋１番目（ｍ＝３））〜６番目（２ｍ番目（ｍ＝３））のスロット７にそれぞれ配される。
すなわち、第２群１２の導線Ｕ２の巻き始めは４番目のスロット７に配され、導線Ｖ２は５番目のスロット７に配され、導線Ｗ２は６番目のスロット７に配される。

つまり、第１群１１の各相の導線と、第２群の各相の導線とは、ともに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に周方向に並んでおり、第１群１１と第２群１２との同じ相同士の導線の巻き始めは、３スロット（ｍスロット（ｍ＝３））ずれている。
例えば、第２群１２の導線Ｕ２の巻き始めは、第１群１１の導線Ｕ１の巻き始めが配される１番目のスロット７から３スロット進んだ４番目のスロット７に配されている。

ここで、電機子鉄心の径方向において、スロット７が径方向に開口する側をスロット先端側、その反対をスロット根元側とし、スロット内の巻線位置において、スロット根元側を第１層、スロット先端側を第２層と定義する。
なお、本実施例では、スロット７がステータコア２の径方向外側に開口しているため、スロット先端側とは径方向外側であり、スロット根元側とは径方向内側（バックヨーク側）となる。

第１群１１（導線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）の巻き始めは、１〜３番目のスロット７の第１層に配される。
また、第２群１２（導線Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）の巻き始めは、４〜６番目のスロット７の第１層に配される。

そして、第１群１１と第２群１２は、群毎に、それぞれの巻き始めからステータコア２の周方向へ波状に巻かれている（図１、２参照）。すなわち、各導線は、ステータコア２の軸方向端面から突出するコイルエンド部２０と、スロット７内に収容されるスロット収容部２１とを周方向に交互に有している。
なお、各群は、３本の導線を１セットとして、ノズル巻線装置等によってステータコア２に直接連続的に巻きつけられる。
各導線は、それぞれ３スロット（ｍスロット（ｍ＝３））ピッチで巻かれるため、各スロット７には、それぞれ同相の導線が配されることになる（図１〜３参照）。

そして、第１群１１と第２群１２は、それぞれ波状に巻かれる際に、第１層から出た群が第２層へ入り、第２層から出た群が第１層に入るように巻かれる。
つまり、第１群１１の各導線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は、１〜３番目のスロット７から軸方向他端側へ引き出されて、それぞれ３スロット進んだ次のスロット７へ挿入される。この際、次のスロット（４〜６番目のスロット７）では第２層に配される。なお、上述のように、４〜６番目のスロット７の第１層には、第２群１２の導線Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２がそれぞれ配されている。

そして、７番目以降のスロット７にも同じ要領で巻かれる。すなわち、７〜９番目のスロット７では第１群１１の各導線が第１層に配され、１０〜１２番目のスロット７では第１群１１の各導線が第２層に配される。

そして、第２群１２も第１群１１と同じ要領で巻かれている。すなわち、第２群１２の導線Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、４〜６番目のスロット７から軸方向他端側へ引き出されて、それぞれ３スロット進んだ次のスロット７へ挿入される。この際、次のスロット（７〜９番目のスロット７）では第２層に配される。そして、１０番目以降のスロット７にも同じ要領で巻かれる。

第２群１２は、第１群１１よりも巻き始めが３スロット進んでいるため、第１群１１と同じ要領で巻くと、図１、３に示すように、３スロット毎に、第１層に配される群と、第２層に配される群とが逆になる。

なお、図１、３では、ステータコア２の周方向への波状巻回の１周目のみを図示しているが、２周目以降も同様に巻かれる。
これにより、スロット７内で、第１群１１と第２群１２とが径方向に交互に配置される。

〔各導線のコイルエンド部での取り回し態様について〕
次に、図４を用いて、各導線（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）のコイルエンド部２０での取り回し態様を説明する。なお、図４は、２周目以降の各導線の図示が省略されている。

なお、コイルエンド部２０とは、各導線が次のスロット７へ入る際に、異なる相が入るスロット７を跨ぐことにより形成され、ステータコア２の軸方向端面から突出する導線の部分を指す。

そして、各導線は、コイルエンド部２０においてスロット根元側（径方向内側）に捻られている。
すなわち、各導線は、ステータコア２の軸方向端面を渡る際に、スロット根元側（径方向内側）に押し付けるように巻かれ、コイルエンド部２０は内側に凸となる弧を描くように巻かれる。
なお、各導線は、スロット７から引き出された後、径方向内側に押しつけて倒しこみながら、ステータコア２の軸方向端面を渡らせて、コイルエンド部２０を形成している。

〔各導線の周方向への巻き方向について〕
次に、図５を用いて、各導線のステータコア２の周方向における巻き方向について説明する。
本実施例では、各導線が、ステータコア２の周方向おいて一方向に波状に巻回されて、周方向において巻き始め位置に到達したら、その位置から一方向とは逆方向に波状に巻回されることの繰り返しによって、ステータコア２に巻線されている。

すなわち、第１群１１は、１〜３番目のスロット７から、第２群１２は、４〜６番目のスロット７から、それぞれ、周方向の一方向に波状に巻かれ（１周目）、１〜３番目のスロット７、４〜６番目のスロット７に戻り、１周目の外側に２周目を巻き始める際には、巻き方向を反転させて、２周目は一方向とは逆方向に巻かれる。同様に、３周目も、巻き始め位置で巻き方向が反転し、一方向に巻かれる。これが、所定周を達成する巻き終わりまで繰り返される。

〔各導線の巻き始め端及び巻き終わり端の結線処理について〕
各導線の巻き始め端及び巻き終わり端の結線処理について、図６を用いて説明する。
各相の導線の両端（巻き始め端２５と巻き終わり端（図示せず））は、バックヨーク側に引き出されて結線されている。

すなわち、本実施例では、各導線に巻き始め端２５は、巻き始め位置のスロット７の軸方向一端側に引き出されており、ステータコア２の軸方向一端面上でバックヨーク側（径方向内側）に取り回されている。

また、本実施例では、バックヨーク６に軸方向貫通する貫通穴３０が形成されており、軸方向一端側でバックヨーク側に引き出された巻き始め端２５が、貫通穴３０を通って、ステータコア２の軸方向他端側に引き出されている。
そして、ステータコア２の軸方向他端側では、巻き終わり端がコイルエンド部２０を横断してバックヨーク側に取り回されており、ステータコア２の軸方向他端面上で、各導線の巻き始め端２５と巻き終わり端が任意の接続態様に結線される。

本実施例では、導線Ｕ１とＵ２とが直列接続されるように結線され、導線Ｖ１とＶ２とが直列に接続されるように結線され、導線Ｗ１とＷ２とが直列に接続されるように結線される。そして、直列接続された各相の導線がスター結線される。

〔実施例１の作用効果〕
本実施例のステータコイル３を形成する３相巻線は、２つの群に分けられており、第１群１１と第２群１２は、群毎に、それぞれの巻き始めからステータコア２の周方向へ波状に巻かれている。
導線をステータコア２に直接連続的に巻きつけていく場合には、１つの３相巻線を群に分けずに巻くよりも、２つの群に分けた方が巻線作業が行いやすい。

また、本実施例では、第１群１１と第２群１２は、それぞれ波状に巻かれる際に、第１層から出た群が第２層へ入り、第２層から出た群が第１層に入るように巻かれ、スロット７内で、第１群１１と第２群１２とが径方向に交互に配置される。

これによれば、第１群１１と第２群１２の巻線長さ、第１群１１と第２群１２とが受ける漏れ磁束の影響の受け方が均一化される。このため、巻線抵抗及びリアクタンスが均一化し、インピーダンスを均一化することができる。

また、本実施例では、各導線（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）が、コイルエンド部２０においてスロット根元側に捻られている。
これによれば、スロット根元側への捻じることで、各導線が引っ張られ、たるみを除くことができる。このため、たるみによるインピーダンスの不均一を低減できる。また、スプリングバックによる巻きほぐれを防止することができる。

また、本実施例の回転電機によれば、各導線は、ステータコア２の周方向おいて一方向に波状に巻回されて、周方向において巻き始め位置に到達したら、その位置から一方向とは逆方向に波状に巻回されることの繰り返しによって、ステータコア２に巻線されている。

ノズル巻線装置によって直接連続的に導線をステータコア２に波状に巻いていく場合、導線を渦巻き状に巻いて径方向に重ねる巻き方（つまり、巻き方向が巻き始めから巻き終わりまで一方向となるような巻き方）をすると、ノズル手前の導線にひずみが生じる虞がある。そのひずみによって導線に加工硬化が生じ、巻きにくくなる場合がある。

そこで、本実施例では、巻き始め位置で、ステータコア２の周方向における巻き方向を切り替えながら、径方向に重ねて巻いていくことで、ノズル手前の各導線にひずみを生じにくくすることができる。
また、巻き方向を切り替える際に、各導線にテンションを加えて、各導線のたるみをとることもできる。これにより、各導線の長さを調節し、異なる群間、異なる相間でのインピーダンスの均一化を図ることができる。

また、本実施例によれば、各導線の両端（巻き始め端２５と巻き終わり端（図示せず））は、バックヨーク側に引き出されて結線されている。
例えば、コイルエンド部２０上で結線する場合は、コイルエンド高さが高くなってしまうが、本実施例では、各導線の両端をバックヨーク側に引き出してコイルエンド部２０と干渉しない位置で結線処理がなされるため、結線処理によってコイルエンド高さが高くなることはない。

〔変形例〕
本発明の実施態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、回転電機は３相交流モータであったが、複数相のコイルを有する回転電機であればよく、３相交流モータに限られない。
また、ロータが電機子となる回転電機にも本発明を適用することができる。

また、実施例１では、アウターロータタイプの３相交流モータであったが、インナーロータタイプでもよい。インナーロータタイプの場合には、スロット根元側が径方向外側、スロット先端側が径方向内側になる。

また、実施例１では、各相の導線（Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２）が直列に結線されていたが、並列に接続されていてもよい。
また、実施例１では、軸方向一端側でバックヨーク側に引き出された巻き始め端２５が、貫通穴３０を通って、ステータコア２の軸方向他端側に引き出されていたが、貫通穴３０を設けなくてもよい。すなわち、巻き終わり端を軸方向一端側のバックヨーク側へ取り回し、ステータコアの軸方向一端側のバックヨーク６上で結線してもよい。

２ ステータコア（電機子鉄心）
３ ステータコイル（電機子巻線）
５ ティース
６ バックヨーク
７ スロット
１１ 第１群（第１の３相巻線群）
１２ 第２群（第２の３相巻線群）
２０ コイルエンド部
２５ 巻き始め端
Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２ 導線

Claims (4)

1. 周方向に並ぶ複数のティースを有する電機子鉄心と、
   前記ティース間のスロット内に分布巻き方式で配されるｍ相巻線（ｍは正の整数）より形成された電機子巻線とを備える回転電機において、
   前記ｍ相巻線は、第１のｍ相巻線群と第２のｍ相巻線群との２つのグループに分けられており、
   前記第１のｍ相巻線群を構成する各相の導線の巻き始めは、１番目〜ｍ番目のスロットにそれぞれ配され、
   前記第２のｍ相巻線群を構成する各相の導線の巻き始めは、（ｍ＋１）番目〜２ｍ番目のスロットにそれぞれ配され、
   前記ｍ相巻線群毎に、それぞれの巻き始めから、前記電機子鉄心の周方向に波状に巻かれており、
   前記電機子鉄心の径方向において、前記スロットが径方向に開口する側をスロット先端側、その反対をスロット根元側とし、前記スロット内の巻線位置において、スロット根元側を第１層、スロット先端側を第２層と定義すると、
   前記第１のｍ相巻線群と前記第２のｍ相巻線群とは、第１層から出たｍ相巻線群が第２層へ入り、第２層から出たｍ相巻線群が第１層に入るように巻かれ、
   前記スロット内で、前記第１のｍ相巻線群と前記第２のｍ相巻線群とが径方向に交互に配置されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記各相の導線は、記電機子鉄心の軸方向端面から突出するコイルエンド部においてスロット根元側に捻られていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項または２に記載の回転電機において、
   前記各相の導線は、前記電機子鉄心の周方向おいて一方向に波状に巻回されて、巻き始め位置に到達したら、その位置から前記一方向とは逆方向に波状に巻回されることの繰り返しによって、前記電機子鉄心に巻線されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機において、
   前記電機子鉄心は、前記ティースのスロット根元側に、前記ティース同士を磁気的に接続するバックヨークを有しており、
   前記各相の導線の両端は、前記バックヨーク側に引き出されて結線されていることを特徴とする回転電機。

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