JP2005348470A

JP2005348470A - 回転電機の固定子及びその製造方法

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Publication number: JP2005348470A
Application number: JP2004162664A
Authority: JP
Inventors: Naohide Maeda; 直秀前田; Yoshito Asao; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2005-12-15
Also published as: FR2870998A1; FR2870998B1; US20050264123A1; US7239059B2; DE102005024653A1

Abstract

【課題】スロット内に２つの集中巻きコイルを有し、各コイルが、隣り合うスロットの一方の内層側と他方の外層側とに巻回される構造で、コイル装着が容易で、スロット内コイル占積率が高く、出力特性が安定した回転電機の固定子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ティース１３に集中巻きされたコイルは、コイル素線２２を矩形状に、かつ、積み上げるように巻き上げてなり、スロット１４への挿入部となる対向するコイル素線２２の列を有する同一形状のコイルセグメント１２であり、対向するコイル素線２２の列の一つが、該一つの列に隣り合うコイルセグメント１２のコイル素線２２の列に対してスロット１４の内層側に位置するように重ね、他の列が、該他の列と隣り合うコイルセグメント１２の列に対してスロット１４の外層側に位置するように径方向に一列に重ねる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子コアの複数のティースに集中巻きされたコイルを有する交流発電機あるいは交流電動機等の回転電機の固定子及びその製造方法に関するものである。

集中巻きされたコイルを有する固定子は、電磁鋼板をプレス等で打ち抜いて、バックヨークから径方向に突出したティースを有し、ティース間にスロットが形成された複数枚のコア片を所定の厚さに積み重ねてコア片間をカシメあるいは溶接等で固定した固定子コアと、固定子コアのスロットに装着されたコイルとを有する。

従来、コイルは、導体線を巻線装置のノズルから繰り出しながら、ノズルをスロット内に通過させ、ティースに１層ずつ巻線を行っている。この時、ノズルが隣り合うコイルと接触しないようにするために、隣り合うコイルとノズルとの間に隙間が必要になり、各スロットにおけるコイルの占積率が低下し、回転電機が大型化する。

各スロットにおけるコイルの占積率を向上させるために、スロット内の内層側に巻回されたコイルと、外層側に巻回されコイルとの２つのコイルを有するようにしたものがある。また、各コイルが、隣り合うスロットの一方のスロットの内層側と他方のスロットの外層側とに位置するように巻回することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１４６０３０号公報（第３−５頁、図１，２，３）

しかしながら、上記特許文献１の提案のように、スロット内に内層側と外層側とに分かれた２つのコイルを有する場合、内層側のコイルと外層側のコイルとで、抵抗、インダクタンス、冷却性が異なり、その結果、トルク変動等の出力特性変動、騒音等の問題が生じる。

また、スロット内に２つのコイルを有し、各コイルが、隣り合うスロットの一方のスロットの内層側と他方のスロットの外層側とに巻回されるようにした場合、順次、内層側のの上に外層側があるように各コイルを巻けばよいが、最後のコイルを巻く場合、最後のスロットには外層側にコイルが巻かれているので、スロットの内層側が外層側に巻かれたコイルでふさがれており、最後のコイルを巻くことが非常に困難になるという問題がある。

本発明は、スロット内に集中巻きされた２つのコイルを有し、各コイルが、隣り合うスロットの一方のスロットの内層側と他方のスロットの外層側とに巻回されるようにした場合、コイルの装着が容易で、スロット内のコイルの占積率が高く、出力特性が安定した回転電機の固定子及びその製造方法を提供するものである。

本発明に係る回転電機の固定子は、円筒状のバックヨークから径方向に突出した複数のティースを有する固定子コアと、上記各ティースに巻回されるように、上記ティース間に形成されたスロットに装着された集中巻き構造のコイルとを有する回転電機の固定子において、
上記各コイルは、コイル素線を矩形状に、かつ、上記コイル素線が積み重ねられるように巻き上げて形成され、上記スロット内への挿入部となる対向するコイル素線の列を有する同一形状のコイルセグメントであり、
上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列のうちの一方の列が上記スロットの内層側に位置し、上記対向するコイル素線の列のうちの他方の列が上記スロットの外層側に位置し、隣り合う上記コイルセグメントの上記挿入部のコイル素線が上記スロット内で上記径方向に一列に重なるように挿入されているものである。

本発明に係る回転電機の固定子の製造方法は、円筒状のバックヨークから内径方向に突出した複数のティースを有する固定子コアと、上記各ティースに巻回されるように、上記ティース間に形成されたスロットに装着された集中巻き構造のコイルとを有する回転電機の固定子の製造方法において、
上記コイルを形成するためのコイル素線を矩形状に、かつ、積み重ねるように巻き上げて、上記スロット内への挿入部となる対向するコイル素線の列を有する複数のコイルセグメントを製作する工程、
電磁鋼板からなり、直線状のバックヨークから垂直方向に突出した複数のティースを有する固定子コア片を積層して、直線状の上記固定子コアを製作する工程、
上記コイルセグメント同士を隣り合わせ、上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列のうちの一方のコイル素線の列を、該一方のコイル素線の列に隣り合うコイルセグメントのコイル素線の列の下方に位置するように重ね、上記対向するコイル素線の列のうちの他方のコイル素線の列を、該他方のコイル素線の列に隣り合うコイルセグメントのコイル素線の列の上方に位置するように重ねて上記コイルセグメントを配置し、該配置したコイルセグメントを上記スロットに挿入して上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列の一方を上記スロットの内層側に配置し、上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列の他方を上記スロットの外層側に配置する工程、
上記コイルセグメントが挿入された固定子コアを円筒状に成形し、上記固定子コアの両端を突き合わせて固定する工程、
を備えたものである。

本発明に係る回転電機の固定子によれば、コイルの装着を、安定、かつ、容易に行えるようになり、また、コイルの占積率を向上させることができ、この結果、回転電機を小型にすることができる。さらに、複数のコイルを同一形状としているので安定した出力特性が得られる。

本発明に係る回転電機の固定子の製造方法によれば、コイルセグメントと固定子コアとを並行して製作することができるので、製作時間を短縮することができる。

また、固定子コアを直線状にしてコイルセグメントをスロットへ挿入するので、より太いコイル素線を用いたコイルセグメントを傷つけることなくスロットへ容易に挿入・装着することができ、スロット内におけるコイルの占積率を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る回転電機の実施の形態１を示す断面図であり、図２は、この実施の形態１における回転電機の固定子に装着されるコイルセグメントの形状を示す斜視図（ａ）及びコイルセグメントが装着された状態を示す断面図（ｂ）である。

図１に示したように、回転電機は、電機子である固定子１と、界磁子である回転子２とを有し、図示していないブラケットによって固定子１と回転子２とが同軸に保持されている。

固定子１は、固定子コア１１とコイルセグメント１２とからなり、固定子コア１１は、板厚の薄い電磁鋼板を積層して必要な厚さにされたものであり、積層状態を保つようにカシメあるいは溶接等で積層間が固定されている。

固定子コア１１は、円筒状のバックヨーク１０の内周から径方向に突出したティース１３と、ティース１３間に形成されたスロット１４を有しており、コイルセグメント１２は、ティース１３の回りを囲んでスロット１４に装着されている。

コイルセグメント１２は、図２（ａ）に示したように、コイル素線２２が矩形状に成形され、積み重ねられた形状に巻かれ、対向するコイル素線２２の列がスロット１４への挿入部となる。コイルセグメント１２は、固定子１で必要となる個数が予め製作される。

図１に示したように、予め製作されたコイルセグメント１２は、対向するコイル素線２２の列の一方が、このコイル素線２２の列に隣り合うコイルセグメント１２のコイル素線２２の列に対して、スロット１４の内層側に位置するように径方向に一列になって重なり、対向するコイル素線２２の列の他方が、このコイル素線２２の列に隣り合うコイルセグメント１２のコイル素線２２の列に対してスロット１４の外層側に位置するように径方向に一列に重なってスロット１４に挿入されている。

このように、コイルセグメント１２の一方のコイル素線２２の列がスロット１４の内層側にあり、他方の対向するコイル素線２２の列がスロットの外層側にあるようにするためには、図２（ｂ）に示したように、コイルセグメント１２Ｂのコイル素線２２の列が、一方のスロット１４Ａでは隣り合うティース１３に装着されるコイルセグメント１２Ａのコイル素線２２の列に対して内層側となるように列を重ね合わせ、他方のスロット１４Ｂでは隣り合うティース１３に装着されるコイルセグメント１２Ｃのコイル素線２２の列に対して外層側となるように列を重ね合わせた状態でスロット１４に押し込む。このように押し込むことにより、図１に示したように、スロット１４の端部の外におけるコイルエンド部のコイル素線２２が変形されて、一方のコイル素線２２の列は、隣り合うスロット１４の一方において内層側を通り、他方のコイル素線２２の列は、隣り合うスロット１４の他方において外層側を通るように装着される。

この実施の形態１によれば、コイルセグメント１２は、コイル素線２２が矩形状に成形され、積み重ねられた形状に巻かれたものであり、コイルセグメント１２の対向するコイル素線２２の列の一方が内層側に、対向するコイル素線２２の列の他方が外層側に位置するように、各コイルセグメント１２が挿入され、スロット１４内のコイル素線の列が一列になって重ね合わせられるようにしているので、コイルセグメント１２を極めて安定にスロット１４内へ挿入することができ、コイルの装着が容易になるとともに、各コイルセグメント１２の形状が同一形状となり、抵抗、インダクタンス、冷却性が同じになり、その結果、トルク変動等の出力特性変動、騒音等が低減される。

また、矩形状に成形されたコイルセグメント１２をスロット１４に挿入することにより装着するので、コイル素線２２の径をスロット幅に近づけることができ、コイルの占積率を向上させることができ、この結果、回転電機を小型にすることができる。

また、固定子コア１１端面のコイルエンド部におけるコイルセグメント１２は、コイル素線２２が径方向に一列に並び、回転電機の動作に寄与しないコイルエンド部の高さが低くなるとともに、すべてのコイル素線２２に冷却風が当たるため、冷却性能が向上する。

実施の形態２．
図３は、本発明に係る実施の形態２を示す断面図であり、回転電機の固定子に用いられるコイル素線２２の径方向の断面を示している。
図３（ａ）は、丸線を偏平形状にして平坦部を有するようにした偏平形状線であり、図３（ｂ）は平坦部を４面に有する角線である。

図２に示したコイルセグメント１２を製作する際に、偏平形状線の平坦部、角線の平坦部を重ね合わせることによって、コイル素線２２間の隙間が小さくなるので、スロット内におけるコイルの占積率が向上する。

実施の形態３．
図４は、本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態３を示す斜視図であり、固定子１の主要部を部分図で示している。

図４においてコイルセグメント１２Ａ，１２Ｂで示したように、この実施の形態３では、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの端部２３が固定子コア１１の端面の片側の端面で、かつ、スロットの最内層側と最外層側に出るようにしている。

このように、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの端部２３を固定子コア１１の端面の片側の端面に集め、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの接続部を片側の端面に集中させることによって、接続配線の無駄をなくすことができる。

また、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの端部２３をスロットの最内層側と最外層側に分けることにより、誤接続を防止することができる。

実施の形態４．
図５は、本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態４を示す斜視図であり、固定子１の主要部を部分図で示している。

図５において、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂで示したように、この実施の形態４では、端部２３が固定子コア１１の端面の片側の端面で、かつ、スロットの内層側と外層側との中間に出るようにしている。

このように、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの端部２３を固定子コア１１の片側の端面に集め、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの接続部を片側の端面に集中させることによって、接続配線の無駄をなくすことができる。

また、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの端部２３をスロットの中間に集めることより、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの接続配線を納めるスペースを小さくすることができる。

実施の形態５．
図６は、本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態５を示す斜視図であり、固定子１の主要部を部分図で示している。

図６のコイルセグメント１２Ａ，１２Ｂで示したように、この実施の形態５では、端部２３を固定子コア１１の両端面で取り出すようにしている。

このように、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの端部２３を両端面から取り出すことによって、コイルセグメント１２Ａ，１２Ｂの接続配線を振り分けることができ、両端面それぞれにおいて接続配線を納めるスペースを小さくすることができる。

実施の形態６．
図７は、本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態６を示す平面図であり、固定子の主要部を部分図で示している。

図７に示したように、固定子コア１１は、分断面１５で分断され、直線状に展開されている。

このように、固定子コア１１を分断面１５で分断し、直線状に展開することによって、スロット１４の開口部幅Ｗが広くなる。

コイルセグメント１２をスロット１４へ挿入した後、固定子コア１１を円筒状にして分断面１５を溶接等で強固に接合する。

この実施の形態６によれば、スロット１４の開口部幅Ｗが広くなり、より太いコイル素線２２のコイルセグメント１２を傷つけることなくスロット１４へ挿入することができるので、スロット１４内におけるコイルの占積率を向上させることができる。

実施の形態７．
図８は、本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態７を示す平面図であり、固定子の主要部を部分図で示している。

図８に示したように、この実施の形態７では、分断面１５をティース１３内に設け、ティース１３を分割するようにしている。

このように、分断面１５をティース１３内に設けることによって、固定子コア１１を円筒状にした後、溶接等により分断面１５の内周側と外周側の２箇所の接合部１３ａで接合することができるので、固定子コア１１が強固になる。

実施の形態８．
図９は、本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態８を示す平面図であり、固定子の主要部を部分図で示している。

上記実施の形態７（図８）では、分断面１５をティース１３内に設けたので、分断面１５が設けられたティース１３に装着するコイルセグメントは分断面１５に跨って装着しなければならず、固定子コア１１の円筒状成形時に合わせて装着を行うことが必要になり、組立作業が難しくなる。

この実施の形態８では、図９に示したように、分断面１５をスロット１４の底部の位置におけるバックヨーク１０に設けているので、装着するコイルセグメント１２Ｂ、１２Ｃは分断面１５に跨って装着しなくてもよい。従って、コイルセグメントを完全に装着した後、固定子コア１１を円筒状にすることができ、組み立て作業が容易になる。

実施の形態９．
図１０は、本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態９を示す平面図であり、固定子の主要部を部分図で示している。

図１０に示したように、この実施の形態９では、ティース１３と繋がった部分のバックヨーク１０からティース１３のスロット１４側の端面にいたる分断面を形成し、スロット１４の底部にコイルセグメント１２の最内層のコイル素線２２がはまり込む溝２４が残るようにしている。

このように、スロット１４の底部にコイルセグメント１２の最内層のコイル素線２２がはまり込む溝２４を残すように分断面１５を形成することによって、内層側のコイルセグメント１２のコイル素線２２が溝２４にはまり込み、確実に位置決めされ、固定子コア１１を円筒状に成形する際にコイルセグメント１２の移動が抑制され、より安定に固定子を製造することができる。

実施の形態１０．
この実施の形態１０は、上記実施の形態１の回転電機の固定子を製造する方法に関するものである。図１０を参照して、この実施の形態１０における製造方法を説明する。

この実施の形態１０では、コイルセグメント１２を製作する工程と、直線状の固定子コア１１を製作する工程とを別工程で行い、直線状の固定子コア１１にコイルセグメント１２を一度に各スロット１４に装着し、その後、固定子コア１１を円筒状にして、固定子コア１１の両端を溶接等で固定する。

固定子コア１１は、電磁鋼板をプレス等で打ち抜いて成形した固定子コア片を積層して作製する。固定子コア片は、直線状のバックヨークと、直線状のバックヨークから垂直方向に突出した複数のティースとを有する。この固定子コア片を積層し、積層間を溶接等で固定することによって、直線状の固定子コア１１が得られる。

コイルセグメント１２Ｂの対向するコイル素線の列を一方のスロット１４Ａでは隣り合うティース１３に装着されるコイルセグメント１２Ａのコイル素線の列に対して内層側に位置するように重ね合わせ、他方のスロット１４Ｂでは隣り合うティース１３に装着されるコイルセグメント１２Ｃのコイル素線の列に対して外層側に位置するように重ね合わせた状態でスロット１４Ｂに押し込む。このように、コイル素線の列を外層側と内層側とに重ね合わせ押し込むことによって、コイルセグメント１２Ａの外層側のコイル素線の列が、コイルセグメント１２Ｂを変形させてコイルセグメント１２Ｂの内層側のコイル素線の列を押し込む。

このように、コイルセグメント１２の製作工程と固定子コア１１の製作工程とを別工程とすることにより、コイルセグメント１２と固定子コア１１とを並行して製作することができ、製作時間を短縮することができる。

また、固定子コア１１を直線状にしてコイルセグメント１２をスロット１４へ挿入するので、スロット１４の開口幅が広くなり、より太いコイル素線２２を用いたコイルセグメント１２を傷つけることなくスロット１４へ挿入することができるので、スロット１４内におけるコイルの占積率を向上させることができる。

なお、この実施の形態１０では、コイル素線の列を外層側と内層側とに重ね合わせて押し込むことによって、コイルセグメント１２Ａの外層側のコイル素線の列が、コイルセグメント１２Ｂを変形させるようにしたが、各コイルセグメントの形状を、スロットに挿入する前に、各コイルセグメントの対向するコイル素線の列が内層側と外層側に位置するように予め変形させておいてもよい。

本発明に係る回転電機は、車両用の交流発電機あるいは交流電動機に有効に利用することができる。

本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態１を示す断面図である。実施の形態１における回転電機の固定子に装着されるコイルセグメントの形状を示す斜視図（ａ）及びコイルセグメントが装着された状態を示す断面図（ｂ）である。本発明に係る実施の形態２を示す断面図である。本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態３を示す斜視図である。本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態４を示す斜視図である。本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態５を示す斜視図である。本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態６を示す平面図である。本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態７を示す平面図である。本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態８を示す平面図である。本発明に係る回転電機の固定子における実施の形態９を示す平面図である。

符号の説明

１固定子、２回転子、１０バックヨーク、１１固定子コア、
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄコイルセグメント、１３ティース、
１３ａ接合部、１４，１４Ａ，１４Ｂスロット、１５分断面、２２コイル素線、
２３端部、２４溝。

Claims

円筒状のバックヨークから径方向に突出した複数のティースを有する固定子コアと、上記各ティースに巻回されるように、上記ティース間に形成されたスロットに装着された集中巻き構造のコイルとを有する回転電機の固定子において、
上記各コイルは、コイル素線を矩形状に、かつ、上記コイル素線が積み重ねられるように巻き上げて形成され、上記スロット内への挿入部となる対向するコイル素線の列を有する同一形状のコイルセグメントであり、
上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列のうちの一方の列が上記スロットの内層側に位置し、上記対向するコイル素線の列のうちの他方の列が上記スロットの外層側に位置し、隣り合う上記コイルセグメントの上記挿入部のコイル素線が上記スロット内で上記径方向に一列に重なるように挿入されていることを特徴とする回転電機の固定子。
上記コイル素線は、積み重ねられる面が平坦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。
上記コイルセグメントの両端部が、上記スロットにおいて、上記固定子コアの端面のうちの一方の端面側に引き出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。
上記コイルセグメントの両端部の一方の端部が上記スロットの最内層側から引き出され、他方の端部が上記スロットの最外層側から引き出されていることを特徴とする請求項３記載の回転電機の固定子。
上記コイルセグメントの両端部が上記スロットの最内層と最外層との中間から引き出されていることを特徴とする請求項３記載の回転電機の固定子。
上記コイルセグメントの両端部の一方の端部が、上記スロットにおいて、上記固定子コアの端面のうちの一方の端面側に引き出され、上記コイルセグメントの両端部の他方の端部が、上記スロットにおいて、上記固定子コアの端面のうちの他方の端面側に引き出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。
上記固定子コアは、周方向において上記固定子コアを分断する分断面が少なくとも１箇所形成され、上記分断面が接続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。
上記分断面が、上記ティースを分割するように形成されていることを特徴とする請求項７記載の回転電機の固定子。
上記分断面が、上記バックヨークの上記スロット底部の位置において形成されていることを特徴とする請求項７記載の回転電機の固定子。
上記分断面が、上記ティースに繋がった部分のバックヨークから上記ティースの上記スロット側端面にかけて形成されていることを特徴とする請求項７記載の回転電機の固定子。
円筒状のバックヨークから内径方向に突出した複数のティースを有する固定子コアと、上記各ティースに巻回されるように、上記ティース間に形成されたスロットに装着された集中巻き構造のコイルとを有する回転電機の固定子の製造方法において、
上記コイルを形成するためのコイル素線を矩形状に、かつ、積み重ねるように巻き上げて、上記スロット内への挿入部となる対向するコイル素線の列を有する複数のコイルセグメントを製作する工程、
電磁鋼板からなり、直線状のバックヨークから垂直方向に突出した複数のティースを有する固定子コア片を積層して、直線状の上記固定子コアを製作する工程、
上記コイルセグメント同士を隣り合わせ、上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列のうちの一方のコイル素線の列を、該一方のコイル素線の列に隣り合うコイルセグメントのコイル素線の列の下方に位置するように重ね、上記対向するコイル素線の列のうちの他方のコイル素線の列を、該他方のコイル素線の列に隣り合うコイルセグメントのコイル素線の列の上方に位置するように重ねて上記コイルセグメントを配置し、該配置したコイルセグメントを上記スロットに挿入して上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列の一方を上記スロットの内層側に配置し、上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列の他方を上記スロットの外層側に配置する工程、
上記コイルセグメントが挿入された固定子コアを円筒状に成形し、上記固定子コアの両端を突き合わせて固定する工程、
を備えたことを特徴とする回転電機の固定子の製造方法。
上記コイルセグメントは、上記スロットへの挿入前に、上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列の一方が上記スロットの内層側に位置し、上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列の他方が上記スロットの外層側に位置するように変形されていることを特徴とする請求項１１記載の回転電機の固定子の製造方法。
上記スロットへの挿入時に、上記コイル素線の列の上方に位置する上記他方のコイル素線の列を、上記スロット内に押し込むことにより、上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列の一方が上記スロットの内層側に位置し、上記コイルセグメントの対向するコイル素線の列の他方が上記スロットの外層側に位置するように、上記コイルセグメントを変形することを特徴とする請求項１１記載の回転電機の固定子の製造方法。