JP2011036009A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】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つ配置される分散巻コイルを好適に形成し、小型で高出力の回転電機を得る。
【解決手段】固定子は、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及び固定子コア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、それぞれの固定子磁極を形成するコイルターンは周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さいコイルターンであり、２つの固定子磁極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、隣接する固定子磁極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とともに、固定子は、１つの巻線コイルは外側渡り線，ターン部，内側渡り線，ターン部の順番で構成されている回転電機。
【選択図】 図４

Description

本発明は、回転電機に関する。

回転電機の固定子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、回転子の磁極ピッチに対し、固定子コアのティースに短節重ね巻きした３個の固定子コイルを三相結線した第１三相結線コイルと、第１三相結線コイルの各固定子コイルに対してそれぞれ電気角でπ／３ラジアンずつずらして、ティースに３個の固定子コイルを短節重ね巻するとともに、第１三相結線コイルと同一の結線態様で結線した第２三相結線コイルとからなる巻線構造が知られている（特許文献１参照）。

特開平６−１６５４２２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、上記技術は原理的に集中巻であるため、１相分の固定子コイルは、ロータとの鎖交磁束のうち電気角で１２０度領域しか利用せず、電気角３６０度領域にわたり利用している分布巻に対して、さらに高い効率を得ることが困難に成りつつある。

一方分布巻は、全節巻きと短節巻きがあるが、いずれも実質電気角で１８０度にわたってコイルを巻き、残りの１８０度を反対向きに巻くことにより、固定子のティースには全ての相のコイルが巻かれた構造になっている。従って、コイルに流れた電流が誘起する磁束が自己のコイルに鎖交する鎖交磁束量が多くなり、コイルのインダクタンスは比較的大きい値となる。このため、発電機では高速回転領域での発電電流が抑えられ、モータではコイル電流の制御応答性が悪化する。

本発明の目的は、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を好適に製作し、小型で高出力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、を有する回転電機であって、固定子は、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及び固定子コア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、それぞれの固定子磁極を形成するコイルターンは周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さいコイルターンであり、２つの固定子磁極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、隣接する固定子磁極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とともに、固定子は、１つの巻線コイルは外側渡り線，ターン部，内側渡り線，ターン部の順番で構成されている回転電機である。

回転特性に優れた分布巻固定子の利点を生かしつつ、回転電機の小型化，高効率化が実現できる。

本発明の一実施形態をなす分散巻コイルを組み付けた固定子の正面図とスロット部拡大断面図。 本発明の一実施形態をなす分散巻コイルを組み付けた固定子の端末部側から見た斜視図と平面図。 本発明の一実施形態をなす分散巻コイルを組み付けた固定子の非端末部側から見た斜視図と平面図。 本発明の一実施形態をなす分散巻コイル１本分の構成を示す展開図。 本発明の一実施形態をなす分散巻コイル１本分の構成を示す展開図。 本発明の一実施形態をなす分散巻コイル１本分の成形工程を示す展開図。 本発明の一実施形態をなす組線の工程を示す断面図。 本発明の一実施形態をなす組線の工程を示す断面図。 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。

以下に説明する実施形態は、モータや発電機などの回転電機及びその製造方法に関係し、太線重ね巻方式の分散巻コイルを搭載した回転電機およびその製造方法に関するものである。

図１は本発明を用いた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を示す。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。

図１（Ａ）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１（Ｂ）は固定子コア２の固定子コアスロット６内の部分を拡大した断面図を示す。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したものである。線材３は絶縁被膜を有した導線であり、本実施例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。

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２は固定子コア２に分散巻コイル７が組み込まれた固定子１の端末部９側を示す。

図２（Ａ）は固定子１の端末部９側から見た斜視図を示しており、分散巻コイル７は外側渡り線３ａ，ターン部３ｃ，内側渡り線３ｂで連続的に形成されている。図２（Ｂ）は固定子１を端末部９側から見た平面図を示しており、外側渡り線３ａと内側渡り線３ｂは、軸方向から見たときに、概略的なＳの字形状を有している。外側渡り線３ａは固定子コア２の外径よりも径方向の内側に配置され、内側渡り線３ｂは固定子コア２の内径よりも径方向の外側に配置されている。また隣り合った外側渡り線３ａ、または、内側渡り線３ｂ同士は、重なり合うように形成され、非交差で配置されており、渡り線が過大なスペースをとることなく、好適な構造で形成されている。

図３は固定子コア２に分散巻コイル７が組み込まれた固定子１の非端末部側を示す。図３（Ａ）は固定子１の非端末部側から見た斜視図を示しており、図３（Ｂ）は固定子１を非端末部側から見た平面図を示している。分散巻コイル７は固定子コア２の内外径の範囲内に配置され、過大なスペースをとることなく、好適な構造で形成されている。

図４，図５は固定子コア２に配置される分散巻コイル７の１本分を部分的に示した模式図である。図４は固定子１の端末部側から見た固定子コア２と分散巻コイル７を直線状に展開した模式図である。丸で囲った数字は分散巻コイル７を形成する配置順を示しており、（１）→（２）→（３）→（４）（以下、丸で囲った数字をカッコつきの数字で示す）のように数字の順に巻線コイルが配置される。（１）から（４）までの順序で、ターン部３ｃにて繋がれ巻線コイルは形成される。そして（１）から（４）までに形成されたコイルは外側渡り線３ａを経て、（４）から（８）までに形成されるコイルへと繋がる。そして（５）から（８）までに形成されたコイルは内側渡り線３ｂを経て、（９）から（１２）までに形成されるコイルへと繋がる。同じように（９）から（１２）までに形成されたコイルは外側渡り線３ａを経て、（１３）から（１６）までに形成されるコイルへと繋がる。

図５は固定子１の内径側から見た分散巻コイル７を直線状に展開した模式図である。上述のような繰り返しにて１つの巻線コイルは、外側渡り線，ターン部，内側渡り線，ターン部の順番で構成される。

図６は分散巻コイルをコアに組み付ける過程を説明するための模式図で、固定子１の端末部側から見た固定子コア２と分散巻コイル７を直線状に展開して示している。丸で囲った数字は図４と同様、分散巻コイル７を形成する配置順を示している。

図６（Ａ）は開き成形前の分散巻コイル７を固定子コア２と開き成形治具１０のスロットに入れた状態を示しており、（１）から（４）までは同じスロットの径方向上に位置している。同様に（５）から（８）まで、（９）から（１２）まで、（１３）から（１６）までは各々同じスロットの径方向上に位置している。図４で説明したのと同様に開き成形前の分散巻コイル７においても、１つの巻線コイルは、外側渡り線，ターン部，内側渡り線、ターン部の順番で構成される。

図６（Ｂ）は開き成形後の分散巻コイル７を固定子コア２と開き成形治具１０のスロットに入れた状態を示しており、図６（Ａ）の状態から、開き成形治具１０を紙面右側方向に移動して、分散巻コイル７を開き成形した状態を示している。開き成形することで同じスロットの径方向上にあった（１）から（４）までのコイルは、（１）と（３）の奇数の組と（２）と（４）の偶数の組とに別れ、別のスロットの径方向上に配置される。同様に（５）から（８）まで、（９）から（１２）まで、（１３）から（１６）までは各々奇数の組と偶数の組とに別れ、別のスロットの径方向上に配置される。

図６（Ｃ）は開き成形治具１０のスロットに入っていた偶数の組のコイルを、固定子コア２のスロットへ入れた状態を示している。図６（Ｂ）の状態から、矢印で示すように紙面上方向に奇数組のコイルを開き成形治具１０のスロットから押し出して、固定子コアのコイルへと挿入する。このようにして、図４で示した分散巻コイル７が形成される。

なお、図６は直線状に展開した模式図であり、実際は固定子コア２，開き成形治具１０，分散巻コイルの概略形状は円形状を有している。

図７，図８は開き成形した分散巻コイル７を固定子コア２のスロットに挿入する過程を示す概略断面図である。図７は開き成形後の分散巻コイル７を固定子コア２と開き成形治具１０のスロットに入っている状態を示している。開き成形治具１０にはコイルを開き成形治具１０のスロットからコイルを押し出すためのブレード１１が、スロット数分設置されており、ブレード１１の下方には加圧ロッド１２が設置されている。またブレード１１にはテーパ部１１ａ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８は分散巻コイル７を固定子コア２のスロットへ入れた状態を示している。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とブレードテーパ部１１ａによってブレードは固定子コア２内で外径方向に移動し、分散巻コイル７は固定子コア２のスロット内へと挿入される。

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。なお、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。

なお、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。更に回転子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、更にバッテリー（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。

１ 固定子
２ 固定子コア
３ 線材
３ａ 外側渡り線
３ｂ 内側渡り線
３ｃ ターン部
４ 絶縁紙
６ コアスロット
７ 分散巻コイル
１０ 開き成形治具
１１ ブレード
１２ 加圧ロッド

Claims (7)

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、
   前記固定子は、前記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及び固定子コア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、それぞれの固定子磁極を形成する前記コイルターンは周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さいコイルターンであり、２つの前記固定子磁極をなす前記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、隣接する前記固定子磁極が互いに逆極性をなすように前記コイルターンが巻回されているとともに、
   前記固定子は、１つの巻線コイルは外側渡り線，ターン部，内側渡り線，ターン部の順番で構成されている回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記外側渡り線、または、前記内側渡り線は、軸方向から見たときにＳの字形状である回転電機。
3. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記外側渡り線、または、前記内側渡り線は、径方向から見たときに山形状である回転電機。
4. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記外側渡り線、または、前記内側渡り線は、互いに他の相である回転電機。
5. 請求項４記載の回転電機であって、
   隣り合った前記外側渡り線、または、前記内側渡り線同士は、重なり合うように形成され、非交差である回転電機。
6. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記外側渡り線、または、前記内側渡り線は、互いに重なる群をなし、１つの群をなす電気角は３６０度である回転電機。
7. 請求項６記載の回転電機であって、
   前記外側渡り線、または、前記内側渡り線の群同士は、電気角が１８０度ずれている回転電機。

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