JP2011036010A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コアスロット内コイルの高占積率化、かつ、コイル組線の単純化、かつ、電気特性の優れた回転電機を提供する。
【解決手段】ティース本体とティース先端部は連続部によって連通するとともに、連続部のコイル側にスリットを有し、スリットは、その開口部からティース先端部の周方向中心側に向かって伸びており、スリットの開口部をなすティース本体側部材と先端部の部材が接するように形成され、隣接したティース先端部同士の周方向の間隔が、コイル群の周方向の幅よりも小さい回転電機。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

回転電機の固定子に形成するコイルの構造として、分布巻，集中巻などの方式が知られている。その中で、分布巻コイルの固定子コアは、鉄損低減の観点から一体型であることが望ましい。さらに、固定子コアのティース先端部が、コイルが収納される固定子コアのスロット幅よりも、固定子コアのティース先端部の幅が広い、すなわち、隣接するティース同士の間隔が狭い方が、鉄損低減の観点で望ましい。

巻線方式によっては、固定子コアのスロット間を跨いで形成する必要があり、固定子コアの内径側からスロット内へ組線するため、製造上、隣接するティース同士の間隔が広い方がよい。そこで、ティース同士の間隔が広い状態でコイルを組線し、組線後はティース同士の間隔を狭くして、すなわち、固定子コアのティース先端部の幅を広くして、製造上の利点と性能上の利点をまかなう。

組線後にティース先端を成形する方法として、コイル側が回転する電機子が知られている（特許文献１参照）。

特開平３−２７３８５０号公報

昨今のエネルギー問題に鑑み、回転電機も高効率化が求められている。しかし、上記技術はコイル側が回転する電機子であるため、回転子コアのティース先端部が外周側に配置されている。

対象はコイル側が固定子となる回転電機であり、分布巻コイルを固定子コアの内径側から、固定子スロットへと収納して、小型の回転電機を得ることである。

本発明は、周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、回転子に空隙を介して配置された固定子と、を有し、固定子のコアのティースとティースの間のスロットにコイル群が収められ、ティースは、ティース本体とティース先端部とを有し、ティース本体とティース先端部は連続部によって連通するとともに、連続部のコイル側にスリットを有し、スリットは、その開口部からティース先端部の周方向中心側に向かって伸びており、スリットの開口部をなすティース本体側部材と先端部の部材が接するように形成され、隣接したティース先端部同士の周方向の間隔が、コイル群の周方向の幅よりも小さい回転電機である。

また本発明は、周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、回転子に空隙を介して配置された固定子と、を有し、固定子のコアのティースとティースの間のスロットにコイル群が収められ、ティースは、ティース本体とティース先端部を有し、ティース本体とティース先端部は連続部によって連通するとともに、連続部のコイル側にスリットを有し、スリットは、その開口部からコアの径方向中心側、かつ、ティース先端部の周方向中心側に向かって伸びており、スリットの開口部をなすティース本体側部材と先端部の部材が接するように形成され、隣接したティース先端部同士の周方向の間隔が、コイル群の周方向の幅よりも小さい回転電機である。

回転特性に優れた分布巻固定子の利点を生かしつつ、コアスロット内コイルの高占積率化が図れる。

本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子の正面図。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子のスロット部拡大断面図。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子の線材挿入工程を示すスロット部拡大断面図。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子コアティース先端の開き成形工程を示すスロット部拡大断面図。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子コアティース先端を最終形状に開き成形する工程を示すスロット部拡大断面図。 本発明の一実施形態をなす回転電機の固定子コアティース先端の開き成形工程を示す軸方向断面図。 本発明の一実施形態をなす回転電機の他の固定子のスロット部拡大断面図。 本発明の一実施形態をなす回転電機の他の固定子のスロット部拡大断面図。 本発明の一実施例をなす回転電機の概念図を示す。 本発明の一実施例をなす回転電機の概念図を示す。 本発明の一実施例をなす空冷式の車両用交流発電機１００の断面図を示す。 図１１で示した巻線で構成される三相整流回路を示す。

以下に示す実施形態は、モータや発電機などの回転電機およびその製造方法に関連し、ティース先端開き成形によるセミクローズドスロットのコアステータを搭載した回転電機に関するものである。

図１は、本発明の一実施形態をなす回転電機である。回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、同相のコイルターンによって形成される固定子磁極が２つ配置されるようにコイルが巻回された固定子１を示している。以下、この巻回されて形成されたコイルを分散巻コイルと称す。分散巻コイルの詳細は後述する。

図１は固定子コア２の側面側から見た固定子１の正面図を示しており、分散巻コイル７を固定子コア２に組み込み、線材３の端末部９を接続している。この構造により、コイルエンド部３ｄの高さが低くなる。

図２は固定子コア２の固定子コアスロット６部分の拡大図を示す。

図２（Ａ）は絶縁紙４と線材３が組み込まれた状態の断面図であり、固定子コア２は厚さ約０.３５mmの珪素鋼板などを打抜き積層して形成されている。線材３は絶縁被膜を有した導線であり、本実施形態では銅製の導体をポリアミドイミド樹脂で被覆している。固定子コア２の固定子コアスロット６内に、絶縁材で包まれた線材が配置されている。線材３が絶縁材４で包まれていることにより絶縁性を向上させている。絶縁材４で包むのは、線材３の表面を覆うエナメル被膜の万が一に存在するピンホールに対する絶縁対策と、固定子コアへの組み込み時のエナメル被膜損傷の防止とを兼ねている。本図における線材３は断面が円形の丸線で、固定子コア２の固定子コアスロット６内の軸方向に線材３が４個配置された構造になっている。

図２（Ｂ）は絶縁紙と線材を除いた、固定子コア２のティース３個分のスロット６部分の拡大図である。

ティース２０は、ティース本体２１とティース先端部２２を有しており、ティース本体２１とティース先端部２２は連続部２３によって連通されている。また連続部２３のコイルが収納される側にスリット２４が形成されており、スリット２４は、その開口部からティース先端部２２の周方向中心側に向かって伸びており、スリット２４の開口部をなすティース本体２１側の部材と先端部２２の部材が接するように形成され、隣接したティース先端部同士の周方向の間隔Ａが、スロットの幅Ｂよりも小さく形成されている。このようにしてセミクローズドスロット構造のステータを形成する。

この固定子１の内部に磁石ロータ（図示せず）、もしくはかご型の銅ロータ（図示せず）を同軸で組み込み、ロータの両端を軸受で回転可能に支持して、電動機、もしくは発電機を構成する。

図３は線材３を固定子コア２のスロット６に挿入する過程を示すスロット部分の拡大断面図である。図３（Ａ）は線材３を固定子コア２のスロット６内へ挿入する前の状態を示している。ティース先端部２３からスロット６までにかけての幅は、一列に並ぶ程の太さの線材３が通るに十分な寸法である。スロット６内には絶縁紙４が配置されている。図３（Ｂ）は線材３を固定子コア２のスロット６内へ挿入した後の状態を示している。スロット６内に配置された絶縁紙４の内側に線材３が配置されている。

図４と図５はティース先端を開き成形する過程を示すスロット部分の拡大断面図である。先ず図４（Ａ）のように線材３がスロット６内に挿入された固定子コア２の内径側に、開き成形用のパンチ３１を配置する。次いで図４（Ｂ）に示す矢印のようにパンチ３１を固定子コアの内側から径方向外側に移動させて、ティース先端部２２を開き成形する。次いでパンチを取替え、固定子コア２の内径側に、図５（Ａ）に示すような開き成形用のパンチ３１を配置する。次いで図５（Ｂ）に示す矢印のようにパンチ３２を固定子コアの内側から径方向外側に移動させて、ティース先端部２２を最終的な形状に開き成形する。

図６はティース先端を開き成形する過程を示す概略断面図である。図６（Ａ）はパンチ３１または３２を押し込む前の状態を示している。パンチ３１（３２）は、スロット数分設置されており、パンチ３１（３２）の下方には加圧ロッド１２が設置されている。またパンチ３１（３２）にはテーパ部３０ａが形成され、加圧ロッド１２にはテーパ部１２ａが形成されている。図６（Ｂ）はパンチ３１（３２）を押し込んだ状態を示している。加圧ロッド１２を紙面上方に移動させることにより、加圧ロッドテーパ部１２ａとパンチテーパ部３０ａによってパンチ３１（３２）は固定子コア２内で外径方向に移動し、ティース先端部は開き成形される。

以上述べたようにして、図１で示した分散巻コイルを組み付けた固定子を形成する。

図９及び図１０を用いて、分散巻コイルについて詳細に述べる。

図９は、本発明の一実施例をなす回転電機の概念図を示す。回転電機の一部を直線状に展開して示したものである。

回転子１０１および固定子１から構成され、回転子１０１には複数の回転子磁極１０１１が装備され、固定子１には固定子の磁極を形成する複数のティース１０２１が装備されており、複数のティース１０２１にはＵ相コイル１０３１，Ｖ相コイル１０３２，Ｗ相コイル３３が巻かれている。ここで、Ｖ相コイルとはＵ相コイルを流れる交流電流に対して位相が１２０度遅れた（２４０度進んだ）交流電流が流れるコイルと定義する。また、Ｗ相コイルとはＵ相コイルを流れる交流電流に対して位相が２４０度遅れた（１２０度進んだ）交流電流が流れるコイルと定義する。回転子１の回転方向を図１において矢印方向で示してある。

実線はコイルが正巻き（ティースを内径側から見て時計方向巻き）されており、点線はそれとは反対の逆巻き（ティースを内径側から見て反時計方向巻き）されていることを意味する。図１には正巻きのコイルを回転子から遠い位置に巻いた場合を載せてあるが、回転子から近い位置に巻いても良い。図のように本実施例の固定子コイル構造は、２つの集中巻コイルを互いに電気角１８０度ずれた位置に２重に配置し、それぞれのＵ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイル同士を直列に接続した構造になっている。言い換えれば、固定子１が回転子１０１に空隙を介して配置され、電気角幅３６０度領域内に、同相のコイルターンによって形成される２つの固定子磁極１０９１，１０９２が配置されるようにコイルが巻回され、固定子磁極１０９１，１０９２を形成するそれぞれのコイルターンは周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さく、２つの固定子磁極１０９１，１０９２をなすコイルターンが互いに重ならないように設けられているとともに、個々の固定子磁極１０９１，１０９２が互いに逆極性をなすようにコイルターンが巻回されている回転電機である。ここでは、２つの固定子磁極１０９１，１０９２をなすコイルターンが互いに電気角１８０度ずらして設けられている。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗの３つの相の固定子磁極を構成し、それぞれ電気角６０度ずつずらして配置されている。尚、Ｖ相コイルはＵ相コイルとは逆に巻く。これにより、＋６０度−１８０度＝−１２０度となり、Ｖ相コイルはＵ相コイルよりも位相が１２０度遅れる。また、Ｗ相コイルは、Ｕ相コイルと同じ向きに巻くため、Ｕ相コイルよりも２×６０度＝１２０度位相が進む。また、この実施例では、１つのコイルターンがなす電気角幅は１２０度であり、同相では２つのコイルターンで２４０度の領域、すなわち全体の２／３の数のティースに巻かれている。このようなコイルの巻き方を、分散巻と呼ぶことにする。

このため、本実施例における固定子コイルは、電気角３６０度以内に１つの集中巻コイルを設ける集中巻構造に比べて、回転子の磁束と鎖交する各コイルターンの回路面積が２倍であり、コイル利用効率は集中巻の２倍になっている。集中巻と同じ鎖交磁束を得るためには、ティースに巻くコイルターン数は、ある１本のティースに着目した場合、本実施例では、集中巻に比べて半分で済む。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各コイルは、集中巻に比べて２倍に分散されており、さらに、分布巻のように全てのティースにコイルが巻かれた構造ではなく、全体の２／３の数のティースにしか巻かれていない。このため、集中巻や分布巻に比べて、コイルインダクタンスを低く抑えることができる。

さらに本実施例は、集中巻に比べて、コイルが２倍に分散配置されており、Ｕ相コイル，Ｖ相コイル、およびＷ相コイルは半分程度重複しながら巻かれているので、電機子反作用は集中巻に比べて周方向に比較的なめらかに分布することになり、高次の電磁力高調波成分が低減された構造になっている。このため、集中巻に比べると、より静かな回転電機として機能できる。

尚、図９の例は、固定子ティースが電気角６０度毎に１本配置し、コイルターンが電気角度幅１２０度で巻回された構造であるが、固定子ティースを電気角３０度毎に１本配置し、コイルターンを電気角度幅で９０度、あるいは１２０度、もしくは１５０度で巻回された構造にしても同様の効果を持たせることができる。

図１０は、本発明の一実施例をなす回転電機の概念図を示す。以下に述べる事項の他は、上記実施例と同様である。

本実施例では、上記の分散巻構造とダブル三相構造を組み合わせた構造である。すなわち、図９で示した巻線群を２つ設け、互いに位相をずらして配置する。図１０に示すように、ティース１０２１の本数を電気角３６０度あたり１２本にし、隣接するティース１０２１間の電気角位相差が３０度になるような構成にする。ティース１０２１において半径方向外側の部分にひとつの三相交流系（三相系Ａ）の分散巻構造の三相交流系コイルを配置し、半径方向内側の部分にさらにもうひとつの三相交流系（三相系Ｂ）の分散巻構造の三相交流系コイルを配置する。三相系Ｂは三相系Ａに対して電気角で３０度ずれた位置に配置し、並列に接続される。三相系Ａ，Ｂともに各コイルは例えば４本のティースを束ねるように巻く。

図１１は、本発明の一実施例をなす空冷式の車両用交流発電機１００の断面図を示す。回転子１０１にはシャフトの中心部に爪形磁極１１３とその中心部に界磁巻線１１２が配置される。シャフトの先端にはプーリ１１０１が取り付けられており、その反対側には前記界磁巻線に給電するためのスリップリング１０９が設けられている。さらに回転子１０１の爪形磁極１１３の両端面には回転と同期して回転する冷却ファンのフロントファン１０７Ｆとリアファン１０７Ｒから構成されている。また、爪磁極極１１３には永久磁石１１６が配置され界磁巻線磁束を増加させる補助励磁の役目を果たしている。一方、固定子１は固定子磁極１０９１，１０９２と固定子巻線から構成され、回転子１０１と僅かなギャップを介して対向配置されている。固定子１はフロントブラケット１１４とリアブラケット１１５によって保持され、両ブラケットと回転子１はベアリング１０２Ｆおよび１０２Ｒで回転可能に支持されている。先に述べたスリップリング１０９はブラシ１０８と接触し電力を給電される構成となっている。固定子巻線は上記実施例のように三相巻線で構成されており、それぞれの巻線の口出し線は、整流回路１１１に接続されている。整流回路１１１はダイオード等の整流素子から構成され、全波整流回路を構成している。例えばダイオードの場合、カソード端子はターミナル１０６に接続されている。また、アノード側の端子は車両用交流発電機本体に電気的に接続されている。リアカバー１１０は整流回路１１１の保護カバーの役割を果たしている。

次に、発電動作について説明する。エンジン（図示せず）と車両用交流発電機１００は一般的にはベルトで連結されている。車両用交流発電機１００はプーリ１１０１でエンジン側とベルトで接続され、エンジンの回転と共に回転子１は回転する。回転子１の爪形磁極１１３の中心部に設けられた界磁巻線１１２に電流が流れることで、この爪形磁極１１３が磁化され、回転することで固定子巻線に三相の誘導起電力が発生する。その電圧は先に述べた整流回路１１１で全波整流され、直流電圧が発生する。この直流電圧のプラス側はターミナル１０６と接続されており、さらにバッテリー（図示せず）と接続されている。詳細は省略するが、整流後の直流電圧はバッテリーを充電するのに適した電圧となるように、界磁電流は制御されている。

図１２は、図１１で示した巻線で構成される三相整流回路を示す。図１２（Ａ）は図９の実施例、図１２（Ｂ）は図１０の実施例に対応する。各相巻線は三相Ｙ結線で接続されている。三相コイルの反中性点側の端子は図示したように６個のダイオードＤ１＋〜Ｄ３−に接続されている。また、プラス側のダイオードのカソードは共通となっており、バッテリーのプラス側に接続されている。マイナス側のダイオード端子のアノード側は同様にバッテリーのマイナス端子に接続されている。

図１２（Ｂ）において、電気的に独立した三相巻線のＵ１巻線とＵ２巻線の電圧は等しく電気的位相は３０度ずれているため、電位の大きいところが選択され最終的には３０度幅のリプルとなる。

尚、ここではスター結線の例を示したが、デルタ結線を採用しても良い。デルタ結線を採用した場合は、スター結線の場合に比べてコイル誘起電圧を１１.５％高めることができるという効果が得られる。

尚、上記した実施例は、言い換えれば、単一の三相交流系の電流が流れる固定子コイルと、これを巻きつけるティース、ティースを流れる磁束を還流させるコアバックからなる固定子、およびティースに対向する磁極を有する回転子、で構成される回転電機において、各ティースに巻かれる固定子コイルが、Ｕ相コイルとＶ相コイル、あるいはＶ相コイルとＷ相コイル、もしくはＷ相コイルとＵ相コイルのみである回転電機である。

また、単一の三相交流系の電流が流れる固定子コイルと、これを巻きつけるティース，ティースを流れる磁束を還流させるコアバックからなる固定子、およびティースに対向する磁極を有する回転子、で構成される回転電機において、ティースにおいて半径方向外側の位置にＵ相コイル，Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの集中巻コイル系を配置し、さらに半径方向内側の位置に先に述べた集中巻コイル系とは逆巻きのＵ相コイル，Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの集中巻コイル系を配置し、これら２つの集中巻コイル系を各相毎に直列に接続する回転電機である。

また、Ｕ相コイル，Ｖ相コイルおよびＷ相コイルで形成される三相コイル系を２つもち、それぞれのコイル系統の電気角位相差を略３０度、あるいは２０度から４０度の範囲内に設定した回転電機である。

尚、本実施例は分散巻コイルで説明したが、分布巻コイルや集中巻コイルなど、どの巻線方式のコイルでもかまわない。その他の実施例について図７及び図８を用いて説明する。図７及び図８は、断面が概略矩形状の線材３ａでコイルを形成した場合の実施例で、コア２の外で巻線し、絶縁紙４で包んだコイルを用いた場合の、スロット６部分の拡大断面図である。図７は線材３ａをスロット内へ挿入している状態を示す。線材３ａをスロット内へ挿入した後、図４から図６までに説明した工程で、ティース先端部２２を開き成形することで、図８に示す固定子コア２が得られる。

１ 固定子
２ 固定子コア
３ 線材
６ コアスロット
７ 分散巻コイル
１２ 加圧ロッド
２０ ティース
２１ ティース本体
２２ ティース先端部
２３ 連続部
２４ スリット
３１，３２ パンチ

Claims (4)

1. 周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、
   前記回転子に空隙を介して配置された固定子と、を有する回転電機であって、
   前記固定子のコアのティースとティースの間のスロットにコイル群が収められ、
   前記ティースは、ティース本体とティース先端部とを有し、前記ティース本体と前記ティース先端部は連続部によって連通するとともに、前記連続部のコイル側にスリットを有し、
   前記スリットは、その開口部からティース先端部の周方向中心側に向かって伸びており、前記スリットの開口部をなすティース本体側部材と先端部の部材が接するように形成され、隣接した前記ティース先端部同士の周方向の間隔が、コイル群の周方向の幅よりも小さい回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記開口部の開口幅は、前記固定子コアの積層体の１枚の厚みよりも小さい回転電機。
3. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記ティース先端部を開き成形する前は、前記ティース先端部の周方向の幅が前記ティース本体部の幅以下であり、線材を前記固定子コアのスロットに収納された状態で、前記ティース先端部を開き成形し、前記ティース先端部の周方向の幅が、前記ティース本体部の幅以上である回転電機。
4. 周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、
   前記回転子に空隙を介して配置された固定子と、を有する回転電機であって、
   前記固定子のコアのティースとティースの間のスロットにコイル群が収められ、
   前記ティースは、ティース本体とティース先端部を有し、前記ティース本体と前記ティース先端部は連続部によって連通するとともに、前記連続部のコイル側にスリットを有し、
   前記スリットは、その開口部からコアの径方向中心側、かつ、ティース先端部の周方向中心側に向かって伸びており、前記スリットの開口部をなすティース本体側部材と先端部の部材が接するように形成され、隣接したティース先端部同士の周方向の間隔が、コイル群の周方向の幅よりも小さい回転電機。

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