JP2009131025A - 回転電機用の固定子、及びこれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】径方向の固定子厚さを小さくする。
【解決手段】継鉄部を連結して円環状に配列された複数の集中巻きコイル７と、集中巻きコイル７のコイル端末１０１，１０２を互いに多相接続する複数の導体３とを備えた固定子であって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相及び中性点Ｐの導体３はコイル端末１０１，１０２が挿通する孔２０、３０を複数設けた径が異なる略円形であり、同一平面上に配設されている。また、導体３と集中巻コイル７との間に壁２１が形成された結線板２を挿入する。
【選択図】図２

Description

本発明は、コイル端末を導体に接続した固定子、及びこれを用いた回転電機に関する。

固定子巻線の形態には、磁極歯毎に素線を集中して巻回してコイルを形成する集中巻と、複数のスロットを跨いで素線を巻回し、コイルエンドで異相、又は同相のコイル同士が重なり合う分布巻とがある。集中巻は、分布巻に比較してコイルエンドを小さくでき、回転電機の小型化、高効率化に有効である。一方、分布巻は、固定子内周の回転磁界分布を正弦波に近づけることができ、集中巻よりも高出力で騒音を小さくすることができる。また、両者に共通して回転電機の高出力化を達成する手段として、コイルの素線銅線に矩形断面の線を使用することにより、固定子スロット内のコイル占積率を高め、電流密度を高める方法がある。
本発明は、固定子のコイル端末を，導体を介して結線した構造を有する回転電機を対象とする。

特許文献１には、集中巻のコイル端末をプリント基板や複数の銅板で構成された結線板の接続孔に挿通し、この接続孔の位置に対応させた軸方向に延びるコイル溝を設け、このコイル溝の周壁を溶融してコイル端末を結線板の接続孔に接続する技術が開示されている。
特許文献２ではコイル端末を、樹脂モールドされたバスバー（導体）の孔に挿通し、筒体、接続子といった別部品を介して、コイル端末とバスバー（導体）とを接続した構造になっている。また、特許文献２の技術は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の順に繰り返して周方向に配列しており、コイル両端の軸方向長さは等しいので、バスバーに挿通するコイル端末の半径位置が等しくなっている。
特許文献３では絶縁層とバスバー（導体）とが積層され、各々に設けられた孔にコイル端末を挿通し、それぞれ所定のコイル端末とバスバー（導体）とを接続した構造になっている。
なお、特許文献１乃至特許文献３の技術は、何れも低電圧に属した構成になっている。
特許第３６５１４９１号 特開２００６−２０４０２９号公報 特開２００６−２４６５９４号公報

特許文献２の技術は、円環状のバスバーに挿通するコイル端末の半径位置がすべてのコイルで等しくなっている。このため、例えば、異なるＵ相コイルの一端同士をバスバーで結線するときにＶ相及びＷ相のバスバーを同一コイルの端末の内側に通した場合、他端のＶ相及びＷ相をコイル端子の外側に通す必要がある。逆に、異なるＷ相コイルの一端同士をバスバーで結線するときに、Ｖ相及びＵ相のバスバーを同一コイルの端末の内側に通した場合、他端のＶ相及びＵ相をコイル端子の外側に通す必要がある。このため、固定子の径方向幅が長くなり、固定子が大型化する問題点がある。
また、特許文献３の技術は、バスバーが積層されているので、コイルエンドの幅が長くなり、固定子が大型化する問題点がある。
なお、特許文献１の結線板は、プリント基板を用いて三相分の結線を行っている。このため、低電圧用の回転電機であれば好適であるが、高電圧用には適さない。

そこで、本発明は、小型化した固定子、及び回転電機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の回転電機用の固定子又は回転電機は、円環状に配列された複数の固定子巻線と、前記固定子巻線のコイル端末を互いに多相接続する複数の導体とを備えた固定子であって、前記複数の導体は、前記コイル端末が挿通する孔を複数設けた径が異なる略円形であり、同一平面上に配設されていることを特徴とする。

これによれば、固定子巻線を多相接続する複数の導体が略円形であるので、固定子の径方向幅を最小限にとどめることができる。また、複数の導体を同一平面上に配設しているので、コイルエンドの軸方向幅を短くすることができる。したがって、固定子、及び回転電機を小型化することができる。また、隣接する前記導体との間の沿面距離を増加する壁が形成された結線板を導体と固定子巻線との間に挿入することにより、絶縁性能が高められる。このとき、固定子巻線を分割コアに巻回することにより組み立てが容易となる。

本発明によれば、小型化した回転電機用の固定子、及び回転電機を提供することができる。

（第１実施形態）

図１は、本発明の一実施形態である回転電機の斜視図である。
回転電機１００は、集中巻固定子８と回転子９とを同軸状に備え、回転子９はＮ極，Ｓ極の永久磁石がコアの側面に交互に設けられている。
集中巻固定子８は、分割コア構造（図５参照）のコア５に絶縁皮膜導線１（図６）が巻回された複数の集中巻コイル７が環状に組まれて構成され、軸方向に垂直な側面に円環状の結線板２が配置され、コイルエンドが形成されている。結線板２には貫通孔２０（図３）が複数開孔され、コイル端末１０が挿通している。本実施形態では、集中巻コイル７の個数は、２４個であり、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のコイルが８回繰り返して、配置されている。

したがって、コイル端末１０の総数は４８本である。２４本の巻き始めコイル端末１０１は、結線板２の外周側に配置され、この２４本の巻き始めコイル端末１０１を互いに結線して中性点Ｐが形成される。一方の巻き終わりコイル端末１０２の２４本は、８本づつ３つの相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に分割され、結線板２の内周側の径方向に少しずらした位置に配置され、同相の巻き終わりコイル端末１０２は同一半径の位置に引き出されている。Ｕ相コイル８本，Ｖ相コイル８本，Ｗ相コイル８本をそれぞれ結線し、三相の集中巻固定子８が形成される。

図２は、本発明の一実施形態である集中巻コイル７の結線部の断面図である。紙面左が集中巻コイル７の内周側であり、紙面右が外周側である。
図２（Ａ）は、Ｕ相を結線した状態を示す。集中巻コイル７は、電磁鋼板を積層したコア５と、コア５の側面外周に覆われたボビン６と、ボビン６の凹部に絶縁被膜導線１が巻回された固定子巻線とを備える。また、絶縁被膜導線１のコイル端末１０１，１０２は、結線板２と４つの導体３（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、中性点）の何れかとの双方に挿通されている。ここで、４つの導体３は、固定子の軸方向端部（コイルエンド部）に配置できるように、径が互いに異なる略円形であり、同一平面上に一段で配列されている。また、３つの導体３（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）は、ボビン６の幅に略一致しており、中性点（Ｐ）の導体３は、コア５を連結する継鉄部の幅に略一致している。このため、４つの導体３は、集中巻固定子８の径方向の幅の範囲内に配置されている。

巻き始めコイル端末１０１は、結線板２の上に配置されている最外周側の導体３に接続され、中性点Ｐを形成する。巻き終わりコイル端末１０２は、結線板２の上に配置されている最内周側の導体３に接続され、Ｕ相を形成する。中性点Ｐでは図示していないが、Ｕ相、中性点Ｐともにコイル端末１０が挿通する位置に、結線板２には貫通孔２０が開けられ、導体３には接続孔３０が開けられている。この構造により、結線板２を挟んで絶縁被膜導線１と導体３との相間絶縁が保たれている。また、結線板２は、壁２１が設けられ、それぞれの導体の位置決めを行うと共に、導体３相互間の相間絶縁を確保している。

図２（Ｂ）はＶ相を結線した状態を示す。巻き終わりコイル端末１０２が結線板２の上に配置されている最内周側から２番目の導体３に接続され、Ｖ相を形成する。それ以外はＵ相と同じ構成である。図２（Ｃ）はＷ相を結線した状態を示す。巻き終わりコイル端末１０２が結線板２の上に配置されている最内周側から３番目の導体３に接続され、Ｗ相を形成する。それ以外はＵ相と同じ構成である。
また、各コイルの巻き終わりは、コイルの幅方向中央部で終了しており、Ｕ相の場合は図面左側斜め方向に延長して巻き終わりコイル端末１０２が引き出され、Ｖ相の場合には、コイルの幅方向中央部から略直線的に巻き終わりコイル端末１０２が引き出され、Ｗ相の場合には、図面右側斜め方向に延長して巻き終わりコイル端末１０２が引き出されている。

図３は、回転電機１００の集中巻固定子８に使用されるコイル端末１０と、コイルを互いに接続する導体３との接続部の断面図である。接続部は、接続孔３０が開けられた導体３と、貫通孔２０が開けられた結線板２と、コイル端末１０と、接合部である溶接部４とを備える。結線板２は、絶縁材料で形成され、結線板２の表面には導体３が配置され、円環状である。貫通孔２０と接続孔３０とは、同軸上に開孔され、コイル端末１０が挿通される。結線板２の反対側の導体３の表面にコイル端末１０の端部が配置される。溶接部４は、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接によりコイル端末１０の全周を溶融してできたものであり、溶融金属が接続孔３０の内周面全周にＡ点の深さまで流れ込んでいる。これにより、溶接部４は、コイル端末１０と導体３とを機械的、電気的に接続する。

また、結線板の沿面距離を確保する目的で、貫通孔２０の直径は接続孔３０よりも大きく設定されており、コイル端末１０が貫通孔２０の内周面に接触することを回避している。例えば、本実施形態では、コイル端末１０の直径は約１．２ｍｍであり、溶接による溶融物が溶けて流れ込んで留まるのに適正な約０．３ｍｍのすき間を設けて、接続孔３０の直径は約１．８ｍｍとしている。また、導体３の接続孔３０の位置決めと、コイル端末１０の位置決め誤差を許容するように、貫通孔２０の直径を３ｍｍとした。

図４は、コイル端末１０と導体３との接続部の斜視図である。
図４（Ａ）は、導体３の断面が矩形状体３１である場合を示しており、結線板２の表面に配置された導体３には接続孔３０が開孔され、接続孔３０にはコイル端末１０が挿通し、コイル端末１０の端部が導体３の上面から突出している。この後、ＴＩＧ溶接によりコイル端末１０の端部、及び接続孔３０の周辺を溶融させてコイル端末１０と導体３とを接合する。なお、結線板２の一部であるＬ字状の断面が図示されている。

図４（Ｂ）は、導体３の断面形状が円形状である円形状体３２を用いた場合を示しており、基本的な形態は図４（Ａ）と同じである。略矩形状体３１と円形状体３２とを比較した場合、導体３の断面積を等しくすると、略矩形状体３１の方が円形状体３２よりも導体３の高さ寸法を小さくすることができ、コイルエンドを小さくすることができる。

図５（Ａ）は、集中巻固定子に使用される分割コアの斜視図であり、図５（Ｂ）は、集中巻コイルの斜視図である。図５（Ａ）において、コア５は、電磁鋼板を回転電機１００（図１）の軸方向に積層して形成され、渦電流損を低減している。ボビン６は、固定子の径方向に直交する４面を覆うように、四角形状に貫通した絶縁物である。また、四角形状のボビン６の各辺は、凹部状に形成されている。また、ボビン６の上部には、巻始めのコイル端末１０が挿入される切り欠き６０が設けられ、上下部の４カ所には、開口部が設けられている。

図５（Ｂ）において、集中巻コイル７は、断面が略矩形状の絶縁被膜導線１をボビン６の凹部（すなわち、コア５のティース部）に巻回したものである。これにより、コイルが巻回される面に垂直な方向（集中巻固定子８の径方向）に磁界が発生する。集中巻コイル７は、ボビン６に絶縁被膜導線１が巻回されることにより、コア５と絶縁被膜導線１との間の絶縁性能を保っている。この集中巻コイル７は、１個のコイルで巻き始めコイル端末１０１と巻き終わりコイル端末１０２との２つのコイル端末１０を有している。コア５の継鉄部は、コア５同士を連結して円筒状の集中巻固定子８を構成するためのものである。すなわち、固定子巻線は、分割されたコア５に巻回され、固定子鉄心は、コア５が継鉄部で円筒状に連結されて構成され、導体３は、固定子鉄心の軸方向に垂直な側面に配設される。なお、絶縁被膜導線１の断面は、円形状、略矩形状のどちらでもよいが、本実施形態では、コアスロット内のコイル占積率向上の目的で、略矩形状の場合について述べている。

絶縁皮膜を剥離してコイル端末１０と導体３（図３）とを接合する必要があるため、図６を用いて、コイル端末１０の処理工程について述べる。図６は、断面が略矩形状の絶縁被膜導線１の皮膜剥離の工程を示す斜視図である。絶縁被膜導線１の断面を略矩形状にすることにより、コイルの占積率が高められる。図６（Ａ）は、絶縁被膜導線１の先端まで絶縁皮膜１１で被覆されているコイル端末１０を示している。断面が略矩形状であるため、絶縁被膜導線１の角部が貫通孔２０、あるいは接続孔３０（図３）の縁に当たりやすく、孔を通し難い形状である。そこで、図６（Ｂ）に示すように、コイル端末１０の断面形状成形部１２をダイス（図示せず）で加圧して、断面を略円形状に成形する。この状態では断面形状成形部１２には絶縁皮膜１１が被覆されている。次に、図６（Ｃ）に示すように皮膜剥離部１３の箇所に内周回転のカッター（図示せず）を当てて，絶縁皮膜１１を剥離する。こうすることにより断面が略矩形状の絶縁被膜導線１で、絶縁皮膜が剥離された断面が円形状のコイル端末１０を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、集中巻固定子８を構成する絶縁皮膜導線１のコイル端末１０の断面形状を円形のまま、あるいは略円形に成形し、かつコイル端末１０の絶縁皮膜を剥離し、絶縁材料で形成された結線板２に貫通孔２０を開け、この結線板２の表面に配置された導体３に、接続孔３０を開ける。次に、コイル端末１０を貫通孔２０と接続孔３０との双方に挿通し、コイル端末１０と導体３とを溶接あるいはろう付けなどで接合する。これにより集中巻固定子８のコイルエンドの寸法が小さくなる。

巻き終わりコイル端末１０２の各引き出し位置の半径をＵ相、Ｖ相、Ｗ相、中性点毎に統一したので、導体３を円形にすることができボビン６の幅で３つの導体３を配置することができ、継鉄部の径方向幅を利用して中性点Ｐの導体３を配置することができる。したがって、集中巻固定子８の径方向の幅を有効に利用して導体３を配置することができる。また、複数の導体３を１段で配置することができるので、コイルエンドの長さを短くすることができる。すなわち、コイルエンドの回転軸方向の長さを短くすることができるので、回転電機３０の回転時の軸振動を小さくすることができる。このため、高速回転しても軸振動が小さくなって安定した運転を行うことができる。また、結線板２を導体３とコイルとの間に挿入したので、空間距離をかせぐことなく、絶縁を高めることができ、結線板２に壁２１を設けて導体３相互間の絶縁を高めることができる。これらにより、モータ特性をそのままに小型化を図ることができ、構造を簡単にしたため、生産の信頼性を向上することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態は、接続孔３０を設けた導体３と、コイル端末１０とを溶接したのみであるが、接続孔３０に凸部を設けてコイル端末１０との接合面積を増加させることができる。図７は、第２実施形態のコイル端末１０と凸部３３を設けた導体３ａとの接続部の斜視図である。
断面が略矩形状の導体３ａが結線板２の表面に配置されており、導体３ａは凸部３３を形成して接続孔３０が開けられている。接続孔３０にはコイル端末１０が挿通し、コイル端末１０の端部が導体３の上部に突出している。この挿通後、ＴＩＧ溶接によりコイル端末１０の端部および接続孔３０周辺を溶融させてコイル端末１０と導体３ａとを接合する。凸部３３を導体３ａに形成したことにより、接続孔３０の内周面の軸方向長さが長くなって接続面積が増加し、接続信頼性がさらに増加する。

（第３実施形態）
第１実施形態、及び第２実施形態は、貫通孔２０の内径、及び接続孔３０の内径を一定にしていたが、テーパ部を設け、作りやすくすることができる。
図８は、コイル端末１０と導体３との接続部の断面図を示している。結線板２の上には導体３ｂが配置され、結線板２には貫通孔２０が開けられ、導体３には接続孔３０が開けられ，貫通孔４０及び接続孔３０を通じて導体３ｂの上側にコイル端末１０の端部が配置される。コイル端末１０の直径は約１．２ｍｍであり、接続孔３０の直径は約１．８ｍｍであり、貫通孔２０の直径は約３ｍｍである。貫通孔２０と接続孔３０とにはそれぞれ角度３０度のテーパ３０１，４０１が設けられ、孔の入り口側の径が大きくなっており、コイル端末１０を挿入し易くなっている。コイル端末１０と導体３はＴＩＧ溶接により接続され、溶接部４を得る。なお、本実施形態ではＴＩＧ溶接による接続としたが、ろう付けによる接続でもよい。

また，本実施形態では高電圧電動機を前提として、壁２１を設けた結線板２を用いたが、壁２１による絶縁を必要としない低電圧電動機では、結線板２を設けないで孔を有する導体３に直接コイル端末を挿通して、導体３とコイル端末１０とを接続してもよい。このような構造にすることにより固定子のコイルエンドの寸法が小さくなり、小型の固定子を得ることができる。

（比較例）
一般的に高電圧に対応させるためには、導体間の空間距離や沿面距離を確保して絶縁特性を満足させる必要があり、例えば、回転電機では、以下の３つの技術が考えられている。第１は、バスバーに端子を設け、この端子部分にコイル端末を接続した構造である。第２は、バスリングと呼ばれる導体に別部品の端子を接続し、この端子とコイル端末とを接続した構造である。これらは、端子の存在により、固定子のコイルエンド高さ方向の寸法が大きい。第３は導線を直角方向に二回連続折り曲げて導線の端部とコイル端末とを接続した構造である。これは、コイルエンドの接続部の寸法が回転子の径方向、軸方向ともに大きくなりがちである。何れも絶縁材料で形成された結線板の上に導体を配置して絶縁特性を満足させている。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が可能である。
前記各実施形態は、集中巻固定子としたが、図３の結線方法については、分布巻きでも適用することができる。また、前記各実施形態はＹ結線としたが、中性点Ｐが無いΔ結線にすることもできる。また、前記各実施形態は三相を前提として説明したがｎ相の回転電機に対しても適用することができる。

本発明の一実施形態である回転電機の斜視図である。 集中巻コイルの結線部の部分断面図である。 コイル端末と導体との接続部の断面図である。 コイル端末と導体との接続部の斜視図である。 集中巻コイルの斜視図である。 絶縁被膜導線の皮膜剥離工程を示す斜視図である。 第２実施形態のコイル端末と導体の接続部を示す斜視図である。 第３実施形態のコイル端末と導体の接続部を示す断面図である。

符号の説明

１ 絶縁被膜導線
２ 結線板
３，３ａ，３ｂ 導体
４ 溶接部（接合部）
５ コア
６ ボビン
７ 集中巻コイル（固定子巻線）
８ 集中巻固定子
９ 回転子
１０ コイル端末
１１ 絶縁皮膜
１２ 断面形状成形部
１３ 皮膜剥離部
２０ 貫通孔
２１ 壁
３０ 接続孔
３１ 矩形状体
３２ 円形状体
３３ 凸部
６０ 切り欠き
１００ 回転電機
１０１ 巻き始めコイル端末
１０２ 巻き終わりコイル端末
３０１，４０１ テーパ

Claims (13)

1. 円環状に配列された複数の固定子巻線と、前記固定子巻線のコイル端末を互いに多相接続する複数の導体とを備えた固定子であって、
   前記複数の導体は、前記コイル端末が挿通する孔を複数設けた径が異なる略円形であり、同一平面上に配設されていることを特徴とする回転電機用の固定子。
2. 前記固定子巻線は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、及びこれらの中性点の三相Ｙ結線され、
   前記中性点の導体が前記同一平面上に配設され、
   各前記固定子巻線の一端が前記U相の導体と前記V相の導体と前記W相の導体との何れかの導体に接続され、他端が前記中性点の導体に接続されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
3. 前記固定子巻線は、コイル端末の断面形状が略円形に形成され、
   前記コイル端末は、絶縁被膜導線の絶縁皮膜が剥離され、
   前記コイル端末と前記導体とを接合する接合部を備えることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
4. 前記コイル端末が挿通する孔が設けられると共に、前記固定子巻線と前記導体との間に介挿され、絶縁物で形成された結線板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
5. 前記結線板に設けられた孔は、前記導体に設けられた孔よりも径が大きいことを特徴とする請求項４に記載の回転電機用の固定子。
6. 前記結線板は、隣接する前記導体との間の沿面距離を増加する壁が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の回転電機用の固定子。
7. 前記複数の固定子巻線は、複数に分割された分割された分割コアに各々巻回され、
   前記分割コアは、継鉄部で円筒状に連結され、
   前記導体は、前記連結されて形成された固定子鉄心の軸方向に垂直な側面に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
8. 前記コイル端末が挿通する孔を設け、前記固定子鉄心と前記導体との間に介挿され、絶縁物で形成された結線板をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の回転電機用の固定子。
9. 前記固定子巻線は、断面が略矩形形状の絶縁被膜導線が巻回されて形成され、
   前記コイル端末の部分が、略円形の断面形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
10. 前記導体は、断面が略矩形形状又は円形形状であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
11. 前記導体は、絶縁皮膜されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
12. 前記接合部は、溶接、又はろう付けで接合されたことを特徴とする請求項３に記載の回転電機用の固定子。
13. 請求項１に記載の回転電機用の固定子と、
    前記固定子の内部で回転可能な回転子とを備えた回転電機。

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