JP2008099441A - 回転電機の巻線絶縁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】単相重ね巻きした回転電機の巻線において、同相の素線コイル間の絶縁を、簡単な作業により向上させる。
【解決手段】例えば、第１のＵ相巻線Ｕ１は、３つの素線コイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３を単相重ね巻きして構成されている。素線コイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３のコイルピッチは等しくなっている。そして素線コイルＵ１は、スロットＳ０１，Ｓ１０に挿入されており、素線コイルＵ２は、スロットＳ０２，Ｓ１１に挿入され、素線コイルＵ３は、スロットＳ０３，Ｓ１２に挿入される。このため、素線コイルＵ１，Ｕ２間、並びに、素線コイルＵ２，Ｕ３間には、同相絶縁用の絶縁紙を挿入することができる。他の各相巻線も同様に構成されて、同相絶縁の強化を図っている。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機の巻線絶縁構造に関し、サージ電圧耐力強化型の絶縁方式を採用した単相重ね巻きタイプの巻線絶縁構造である。

近年のインバータではサージ電圧の立ち上がり速度（ｄｖ／ｄｔ）が早いため、インバータにより給電される電動機巻線には高電圧がかかり、巻線の絶縁層に多大の絶縁破壊電圧が作用する。従って、巻線の素線コイル間絶縁能力を強化し、同相の素線コイル間で部分放電が発生しないような絶縁システムにする必要がある。

一般にサージ電圧は電動機巻線に均等に印加されることは無く、端子側のコイルほど分担電圧が大きくなる。従って、各コイル毎に絶縁することによりサージ電圧を上げている。

なお、異相の巻線間には、絶縁紙を挿入することにより絶縁が施され、異相の巻線間では高電圧にも耐え得る絶縁構造になっている。つまり、ある相の巻線を固定子に挿入したら、この相の巻線の上に、異相間絶縁用の絶縁紙を載せ、次に隣接する異なる相の巻線を固定子に挿入することにより、異相の巻線間に絶縁紙を挿入することができるのである。

特開平７−２９８５３０号公報

ここで従来の巻線構造の具体例とその課題を説明する。

モータの巻線方式には２層重ね巻き方式と、単相心巻き方式がある。一般に、小型モータではコイル巻き作業、コイル挿入作業が容易であることから単相同心巻き方式を用いる。
なお、
「ステータのスロット数÷（極数×相数）＝Ｑ（１極１相分のスロット数）」
と定義して説明をする。

従来の巻線構造の例として、単相同心巻き方式、４極、ステータスロット数が３６溝（Ｎ１＝３６，Ｑ＝３の場合）で、Ｕ相の素線コイルのはめ込みピッチを、Ｓ０１−Ｓ１２，Ｓ０２−Ｓ１１，Ｓ０３−Ｓ１０，Ｓ１９−Ｓ３０，Ｓ２０−Ｓ２９，Ｓ２１−Ｓ２８としたものを、図３に示す。また図３における第１のＵ相巻線Ｕ１の巻線状態を図４に示す。

図３において、Ｓ１〜Ｓ３６は固定子鉄心Ｉに形成したスロットである。巻線としては、第１のＵ相巻線Ｕ１，第２のＵ相巻線Ｕ２と、第１のＶ相巻線Ｖ１，第２のＶ相巻線Ｖ２と、第１のＷ相巻線Ｗ１，第２のＷ相巻線Ｗ２がある。

第１のＵ相巻線Ｕ１は、第１の素線コイルＵ１−１と、第２の素線コイルＵ１−２と、第３の素線コイルＵ１−３を単相同心巻きして構成したものであり、第１の素線コイルＵ１−１の巻き終わり位置と、第２の素線コイルＵ１−２の巻き始め位置とが電気的に接続され、第２の素線コイルＵ１−２の巻き終わり位置と、第３の素線コイルＵ１−３の巻き始め位置とが電気的に接続されている。
しかも、型巻きコイルである第１の素線コイルＵ１−１は、そのコイルサイドがスロットＳ０１とスロットＳ１２に挿入されると共にそのコイルエンドが固定子鉄心Ｉの端面に沿い配置されている。
また、型巻きコイルである第２の素線コイルＵ１−２は、そのコイルサイドがスロットＳ０２とスロットＳ１１に挿入されると共にそのコイルエンドが固定子鉄心Ｉの端面に沿い配置されている。
また、型巻きコイルである第３の素線コイルＵ１−３は、そのコイルサイドがスロットＳ０３とスロットＳ１０に挿入されると共にそのコイルエンドが固定子鉄心Ｉの端面に沿い配置されている。
図４は、第１のＵ相巻線Ｕ１の、第１の素線コイルＵ１−１と第２の素線コイルＵ１−２と第３の素線コイルＵ１−３を抽出して示している。

第２のＵ相巻線Ｕ２は、第１の素線コイルＵ２−１と、第２の素線コイルＵ２−２と、第３の素線コイルＵ２−３を単相同心巻きして構成したものであり、第１の素線コイルＵ２−１の巻き終わり位置と、第２の素線コイルＵ２−２の巻き始め位置とが電気的に接続され、第２の素線コイルＵ２−２の巻き終わり位置と、第３の素線コイルＵ２−３の巻き始め位置とが電気的に接続されている。
しかも、型巻きコイルである第１の素線コイルＵ２−１は、そのコイルサイドがスロットＳ１９とスロットＳ３０に挿入されると共にそのコイルエンドが固定子鉄心Ｉの端面に沿い配置されている。
また、型巻きコイルである第２の素線コイルＵ２−２は、そのコイルサイドがスロットＳ２０とスロットＳ２９に挿入されると共にそのコイルエンドが固定子鉄心Ｉの端面に沿い配置されている。
また、型巻きコイルである第３の素線コイルＵ２−３は、そのコイルサイドがスロットＳ２１とスロットＳ２８に挿入されると共にそのコイルエンドが固定子鉄心Ｉの端面に沿い配置されている。

結局、Ｕ相の素線コイルのはめ込みピッチは、前述したように、Ｓ０１−Ｓ１２（素線コイルＵ１−１），Ｓ０２−Ｓ１１（素線コイルＵ１−２），Ｓ０３−Ｓ１０（素線コイルＵ１−３），Ｓ１９−Ｓ３０（素線コイルＵ２−１），Ｓ２０−Ｓ２９（素線コイルＵ２−２），Ｓ２１−Ｓ２８（素線コイルＵ２−３）になっている。

Ｕ相巻線に対して電気的に２／３πずれているＶ相巻線、及び、Ｕ相巻線に対して電気的に４／３πずれているＷ相巻線においても、Ｓ相巻線と同様な巻線構造になっている。

即ちＶ相巻線は、第１のＶ相巻線Ｖ１と第２のＶ相巻線Ｖ２とで構成されている。そして、第１のＶ相巻線Ｖ１は素線コイルＶ１−１，Ｖ１−２，Ｖ１−３を単相同心巻きして構成されており、第２のＶ相巻線Ｖ２は、素線コイルＶ２−１，Ｖ２−２，Ｖ２−３を単相同心巻きして構成されている。
しかも、Ｖ相の素線コイルのはめ込みピッチは、Ｓ１３−Ｓ２４（素線コイルＶ１−１），Ｓ１４−Ｓ２３（素線コイルＶ１−２），Ｓ１５−Ｓ２２（素線コイルＶ１−３），
Ｓ３１−Ｓ０６（素線コイルＶ２−１），Ｓ３２−Ｓ０５（素線コイルＶ２−２），Ｓ３３−Ｓ０４（素線コイルＶ２−３）になっている。

またＷ相巻線は、第１のＷ相巻線Ｗ１と第２のＷ相巻線Ｗ２とで構成されている。そして、第１のＷ相巻線Ｗ１は素線コイルＷ１−１，Ｗ１−２，Ｗ１−３を単相同心巻きして構成されており、第２のＷ相巻線Ｗ２は、素線コイルＷ２−１，Ｗ２−２，Ｗ２−３を単相同心巻きして構成されている。
しかも、Ｗ相の素線コイルのはめ込みピッチは、Ｓ２５−Ｓ３６（素線コイルＷ１−１），Ｓ２６−Ｓ３５（素線コイルＷ１−２），Ｓ２７−Ｓ３４（素線コイルＷ１−３），Ｓ０７−Ｓ１８（素線コイルＷ２−１），Ｓ０８−Ｓ１７（素線コイルＷ２−２），Ｓ０９−Ｓ１６（素線コイルＷ２−３）になっている。

なお、各相における各素線コイルは、それぞれ、絶縁電線を巻回して構成したものである。このことは、後述する本願発明の実施例においても同様である。

上述した構成になっている従来の巻線構造の１では、図４に示すように、素線コイルＵ１−１のコイルピッチ（素線コイルＵ１−１の一方のコイルサイドと他方のコイルサイドとの間の周方向に沿う長さ）は長く、素線コイルＵ１−２のコイルピッチは短く、素線コイルＵ１−３のコイルピッチは更に短くなっている。
そして、素線コイルＵ１−１の内側に素線コイルＵ１−２が入り込み、素線コイルＵ１−２の内側に素線コイルＵ１−３が入り込む状態で固定子鉄心Ｉにコイル挿入が行われている。他の素線コイル（例えば素線コイルＵ２−１，Ｕ２−２，Ｕ２−３）でも、状況は同じである。

インバータによるサージ電圧に耐えられるように、素線コイルＵ１−１と素線コイルＵ１−２の間の絶縁能力（同相の素線コイル間絶縁）を高めるため、並びに、素線コイルＵ１−２と素線コイルＵ１−３の間の絶縁能力（同相の素線コイル間絶縁）を高めるためには、従来では、素線コイルＵ１−１，Ｕ１−２の少なくとも一方に、並びに、素線コイルＵ１−２，Ｕ１−３の少なくとも一方に絶縁テープをテーピングしていた。
この絶縁テープのテーピング作業は、素線コイルＵ１−１，Ｕ１−２，Ｕ１−３を固定子鉄心Ｉに嵌め込んだ後に、手作業で行うため、極めて面倒で時間のかかる作業であった。かかる課題は、他の素線コイルでも同様に生じている。
したがって、巻線構造として単相同心巻きを採用した、しかも、インバータによるサージ電圧に耐えられるように同相の素線コイル間絶縁を強くした電動機を、短時間で大量生産するには大きな障害となっていた。

なお、素線コイルＵ１−１の内側に素線コイルＵ１−２が入り込む状態で固定子鉄心Ｉにコイル挿入が行われているため、素線コイルＵ１−１と素線コイルＵ１−２の間に、絶縁紙を挿入することはできなかった。

つまり、素線コイルＵ１−１を固定子鉄心Ｉに先に挿入し、この素線コイルＵ１−１の上に絶縁紙を載せ、次に素線コイルＵ１−２を素線コイルＵ１−１の内側に入り込む状態で固定子鉄心Ｉに挿入していくと、この素線コイルＵ１−２の挿入に伴い、絶縁紙は、素線コイルＵ１−１、Ｕ１−２間（この間隔は図では広く描いているが実際には極めて狭い）に挟まれつつ素線コイルＵ１−１の内側に押し込まれていってしまい、絶縁紙に「巻き込み」や「折り込み」や「捩れ」や「破損」が生じてしまい、絶縁紙の絶縁性能が確保できなくなってしまうからである。
挿入手順を逆にしても、つまり、素線コイルＵ１−２を固定子鉄心Ｉに先に挿入し、この素線コイルＵ１−２の上に絶縁紙を乗せ、次に素線コイルＵ１−１を素線コイルＵ１−２の外側に入り込む状態で固定子鉄心Ｉに挿入しても、同じ問題が生じていた。

また同様に、素線コイルＵ１−２の内側に素線コイルＵ１−３が入り込む状態で固定子鉄心Ｉにコイル挿入が行われているため、素線コイルＵ１−２と素線コイルＵ１−３の間に、絶縁紙を挿入することはできなかった。

上記課題を解決する本発明の構成は、
三相の各相巻線を単相重ね巻きして構成してなる回転電機の巻線構造において、
各相巻線を構成する複数の素線コイルは、コイルピッチが等しくなっており、しかも、鉄心のスロットに先に挿入される素線コイルのスロットの隣のスロットに、鉄心のスロットに次に挿入される素線コイルが挿入されており、
先に挿入された素線コイルと次に挿入された素線コイルの間に、同相間絶縁用の絶縁紙が挟まれていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
三相の各相巻線を単相重ね巻きして構成してなる回転電機の巻線構造において、
各相巻線を構成する複数の素線コイルは、コイルピッチが等しくなっており、
鉄心のスロットに先に挿入する素線コイルを挿入したら、この素線コイルの上に同相間絶縁用の絶縁紙を載せ、次に挿入する素線コイルを先に挿入した素線コイルが挿入されているスロットの隣のスロットに挿入して行くことにより、各相の巻線が構成されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、上記構成において、回転電機の極数が４、鉄心のスロット数が３６であることを特徴とする。

本発明では、単相重ね巻きした巻線構造において、同相の巻線における素線コイルのコイルピッチ及び配置状態を工夫することにより、同相の素線コイル間に絶縁紙を挿入・配置できるようにしたので、同相の素線コイル間での絶縁耐力を向上させることができる。このとき、テーピング等のような面倒な作業は不要である。
この結果、巻線構造として単相重ね巻きを採用しても、同相の素線コイル間絶縁を強くした電動機を、短時間で大量生産することができる。

以下に、発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づき説明する。

実施例の巻線構造として、単相重ね巻き方式、４極、ステータスロット数が３６溝（Ｎ１＝３６，Ｑ＝３の場合）としたものを、図１に示す。また図１における第１のＵ相巻線Ｕ１の巻線状態を図２に示す。なお図１において、Ｓ０１〜Ｓ３６は、固定子鉄心Ｉに形成したスロットである。

Ｕ相巻線としては、第１，第２のＵ相巻線Ｕ１，Ｕ２があり、Ｖ相巻線としては、第１，第２のＶ相巻線Ｖ１，Ｖ２があり、Ｗ相巻線としては、第１，第２のＷ相巻線Ｗ１，Ｗ２がある。各巻線Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は、単相重ね巻きして構成した巻線である。

第１のＵ相巻線Ｕ１は３つの素線コイルＵ１−１，Ｕ１−２，Ｕ１−３を有しており、第２のＵ相巻線Ｕ２は３つの素線コイルＵ２−１，Ｕ２−２，Ｕ２−３を有している。このとき素線コイルＵ１−１〜Ｕ２−３のコイルピッチは全て等しくなっている。

第１のＶ相巻線Ｖ１は３つの素線コイルＶ１−１，Ｖ１−２，Ｖ１−３を有しており、第２のＶ相巻線Ｖ２は３つの素線コイルＶ２−１，Ｖ２−２，Ｖ２−３を有している。このとき素線コイルＶ１−１〜Ｖ２−３のコイルピッチは全て等しくなっている。

第１のＷ相巻線Ｗ１は３つの素線コイルＷ１−１，Ｗ１−２，Ｗ１−３を有しており、第２のＷ相巻線Ｗ２は３つの素線コイルＷ２−１，Ｗ２−２，Ｗ２−３を有している。このとき素線コイルＷ１−１〜Ｗ２−３のコイルピッチは全て等しくなっている。

Ｕ相のはめ込みピッチは、Ｓ０１−Ｓ１０（素線コイルＵ１−１），Ｓ０２−Ｓ１１（素線コイルＵ１−２），Ｓ０３−Ｓ１２（素線コイルＵ１−３），Ｓ１９−Ｓ２８（素線コイルＵ２−１），Ｓ２０−Ｓ２９（素線コイルＵ２−２），Ｓ２１−Ｓ３０（素線コイルＵ２−３）となっている。

しかも、図２に示すように、素線コイルＵ１−１と素線コイルＵ１−２の間に、並びに、素線コイルＵ１−２と素線コイルＵ１−３の間に、同相間絶縁用の絶縁紙Ｐが挟まれている。同様に、素線コイルＵ２−１，Ｕ２−２の間、並びに、素線コイルＵ２−２，Ｕ２−３間にも、同相間絶縁用の絶縁紙Ｐが挟まれている。なお、図２では、構造を見易くするために、絶縁紙Ｐを点線により図示している。
このように同相間絶縁用の絶縁紙Ｐを同相の素線コイル間に挟むことは、Ｖ相，Ｗ相でも同様である。
なお、同相間絶縁用の絶縁紙Ｐを同相の素線間コイルに挟むことができる理由は後述する。

Ｖ相のはめ込みピッチは、Ｓ０７−Ｓ１６（素線コイルＶ１−１），Ｓ０８−Ｓ１７（素線コイルＶ１−２），Ｓ０９−Ｓ１８（素線コイルＶ１−３），Ｓ２５−Ｓ３４（素線コイルＶ２−１），Ｓ２６−Ｓ３５（素線コイルＶ２−２），Ｓ２７−Ｓ３６（素線コイルＶ２−３）となっている。

Ｗ相のはめ込みピッチは、Ｓ１３−Ｓ２２（素線コイルＷ１−１），Ｓ１４−Ｓ２３（素線コイルＷ１−２），Ｓ１５−Ｓ２４（素線コイルＷ１−３），Ｓ３１−Ｓ０４（素線コイルＷ２−１），Ｓ３２−Ｓ０５（素線コイルＷ２−２），Ｓ３３−Ｓ０６（素線コイルＷ２−３）となっている。

同相間絶縁用の絶縁紙Ｐを同相の素線コイル間に挟むことができる理由を、図２を参照して、素線コイルＵ１−１，Ｕ１−２を例として説明する。

まず、素線コイルＵ１−１のコイルサイドを、スロットＳ０１，Ｓ１１に挿入する。次にこの素線コイルＵ１−１の上に絶縁紙Ｐを載せる。その後に、スロットＳ０１，Ｓ１１の隣のスロットＳ０２，Ｓ１２に、素線コイルＵ１−２のコイルサイドを挿入する。

このとき、素線コイルＵ１−２は、素線コイル１−１が挿入されているスロットＳ０１，Ｓ１１の隣のスロットＳ０２，Ｓ１２に挿入するだけであり、素線コイル１−１の内側に入り込ませるわけではないので、絶縁紙Ｐに「巻き込み」等が生ずることはなく、絶縁紙Ｐは素線コイルＵ１−１と素線コイルＵ１−２の間に挟まれることになるのである。

結局、素線コイルＵ１−１に対して素線コイルＵ１−２が周方向にずれて挿入・配置されるため、素線コイルＵ１−１の挿入、絶縁紙Ｐの挿入・配置、素線コイルＵ１−２の挿入という手順に沿い、素線コイル及び絶縁紙の挿入作業をするだけで、簡単に絶縁紙Ｐの配置をすることができる。

このように同相の素線コイルＵ１−１，Ｕ１−２に絶縁紙Ｐを配置することができるので、同相素線コイル間の絶縁耐力を向上することができる。
同様に、他の部分における同相素線コイル間（例えばＵ２−１，Ｕ２−２間等）にも絶縁紙Ｐを配置することができるので、同様に同相素線コイル間の絶縁耐力を向上することができる。

しかも、絶縁紙Ｐの挿入・配置は、素線コイルの挿入作業に併せて簡単に行うことができる。

この結果、巻線構造として単相重ね巻きを採用しても、同相の素線コイル間絶縁を強くした電動機を、短時間で大量生産することができる。

本発明は単相重ね巻きを採用した電動機の巻線のみならず、単相重ね巻きを採用した発電機の巻線にも採用することができる。また単相重ね巻きを採用した固定子巻線のみならず、単相重ね巻きを採用した回転子巻線にも採用することができる。

本発明の実施例に係る巻線構造を示す構成図。 本発明の実施例に係る巻線構造における第１のＵ相巻線を示す構成図。 従来の巻線構造の例を示す構成図。 従来の巻線構造の例における第１のＵ相巻線を示す構成図。

符号の説明

Ｕ１〜Ｕ３ Ｕ相巻線
Ｖ１〜Ｖ３ Ｖ相巻線
Ｗ１〜Ｗ３ Ｗ相巻線
Ｉ 固定子鉄心
Ｓ１〜Ｓ３６ スロット

Claims (3)

1. 三相の各相巻線を単相重ね巻きして構成してなる回転電機の巻線構造において、
   各相巻線を構成する複数の素線コイルは、コイルピッチが等しくなっており、しかも、鉄心のスロットに先に挿入される素線コイルのスロットの隣のスロットに、鉄心のスロットに次に挿入される素線コイルが挿入されており、
   先に挿入された素線コイルと次に挿入された素線コイルの間に、同相間絶縁用の絶縁紙が挟まれていることを特徴とする回転電機の巻線絶縁構造。
2. 三相の各相巻線を単相重ね巻きして構成してなる回転電機の巻線構造において、
   各相巻線を構成する複数の素線コイルは、コイルピッチが等しくなっており、
   鉄心のスロットに先に挿入する素線コイルを挿入したら、この素線コイルの上に同相間絶縁用の絶縁紙を載せ、次に挿入する素線コイルを先に挿入した素線コイルが挿入されているスロットの隣のスロットに挿入して行くことにより、各相の巻線が構成されていることを特徴とする回転電機の巻線絶縁構造。
3. 請求項１または請求項２において、回転電機の極数が４、鉄心のスロット数が３６であることを特徴とする回転電機の巻線絶縁構造。

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