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JP2024059321A - 回転電機用ステータ - Google Patents

回転電機用ステータ Download PDF

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JP2024059321A
JP2024059321A JP2022166935A JP2022166935A JP2024059321A JP 2024059321 A JP2024059321 A JP 2024059321A JP 2022166935 A JP2022166935 A JP 2022166935A JP 2022166935 A JP2022166935 A JP 2022166935A JP 2024059321 A JP2024059321 A JP 2024059321A
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stator core
bent
coil
radially
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JP2022166935A
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崇史 加藤
Takashi Kato
智彦 竹味
Tomohiko Takemi
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Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Corp
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

【課題】コイルエンド部に起因したステータの軸方向体格を効果的に低減する。【解決手段】ステータコアと、矩形断面を有しかつU字状の形態を含む複数のコイル片を結合して形成され、ステータコアに巻装されるステータコイルとを含み、複数のコイル片は、ステータコアのスロット内に挿入されるスロット挿入部と、ステータコアの端面より軸方向外側において対のスロット挿入部をつなぐ態様で周方向に延在する渡り部とを有し、渡り部は、コイル片同士の結合部を有さない非結合型の渡り部を含み、非結合型の渡り部は、径方向内側又は径方向外側に曲がる形態の曲がり部を有する、回転電機用ステータが開示される。【選択図】図3

Description

本開示は、回転電機用ステータに関する。
U字状の形態のコイル片のスロット挿入部をステータコアのスロットに挿入し、コイル片におけるスロットから露出するコイル片の部分(コイルエンド部に係るコイル片の部分)を周方向に曲げ、複数のコイル片の曲げ部の先端同士をC字状に重ねて溶接する技術が知られている。
特開2019-122187号公報
しかしながら、上記のような従来技術は、コイルエンド部に係るコイル片の部分が周方向に曲げられる分だけ、コイルエンド部に起因したステータの軸方向体格を低減できるものの、更なる軸方向体格の低減が難しい。
そこで、1つの側面では、本開示は、コイルエンド部に起因したステータの軸方向体格を効果的に低減することを目的とする。
1つの側面では、ステータコアと、
矩形断面を有しかつU字状の形態を含む複数のコイル片を結合して形成され、前記ステータコアに巻装されるステータコイルとを含み、
複数の前記コイル片は、
前記ステータコアのスロット内に挿入されるスロット挿入部と、
前記ステータコアの端面より軸方向外側において対の前記スロット挿入部をつなぐ態様で周方向に延在する渡り部とを有し、
前記渡り部は、前記コイル片同士の結合部を有さない非結合型の渡り部を含み、
前記非結合型の渡り部は、径方向内側又は径方向外側に曲がる形態の曲がり部を有する、回転電機用ステータが提供される。
1つの側面では、本開示によれば、コイルエンド部に起因したステータの軸方向体格を効果的に低減することが可能となる。
一実施例によるモータの断面構造を概略的に示す断面図である。 本実施例のステータの側面図である。 ステータの平面図である。 ステータの斜視図である。 一のコイル片の単品状態を示す斜視図である。 図4のコイル片がステータコアに組み付けられた状態を示す斜視図である。 他の例によるコイル片を示す図である。 渡り部を含む部分の断面図である。 渡り部の曲げ加工部の説明図である。 比較例によるコイルエンド部の構成を示す斜視図である。 ステータコアのスロット内のステータコイルの断面形状の一例を示す図である。 他の実施例によるコイルエンド部の構成を示す断面図である。
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率はあくまでも一例であり、これに限定されるものではなく、また、図面内の形状等は、説明の都合上、部分的に誇張している場合がある。
図1は、一実施例によるモータ1(回転電機の一例)の断面構造を概略的に示す断面図である。
モータ1は、例えばハイブリッド車両や電気自動車で使用される車両駆動用のモータであってよい。ただし、モータ1は、他の任意の用途に使用されるものであってもよい。
モータ1は、インナロータタイプであり、ステータ21がロータ30の径方向外側を囲繞するように設けられる。ステータ21は、径方向外側がモータハウジング10に固定される。ステータ21は、例えば円環状の磁性体の積層鋼板からなるステータコア211を備え、ステータコア211の径方向内側には、ステータコイル212が巻回される複数のスロット2111(図5参照)が形成される。なお、図1では、ステータ21は概略的に図示されており、ステータ21の詳細は、図2A以降を参照して後述する。
ロータ30は、ステータ21の径方向内側に配置される。ロータ30は、ロータコア32と、ロータシャフト34とを備える。
ロータコア32は、ロータシャフト34の径方向外側の表面に固定され、ロータシャフト34と一体となって回転する。ロータコア32は、軸孔320を有し、軸孔320にロータシャフト34が嵌合される。ロータコア32は、ロータシャフト34に焼き嵌め、圧入、又はその類により固定されてよい。例えば、ロータコア32は、ロータシャフト34にキー結合やスプライン結合により結合されてもよい。ロータシャフト34は、モータハウジング10にベアリング14a、14bを介して回転可能に支持される。なお、ロータシャフト34は、モータ1の回転軸12を画成する。
ロータコア32は、例えば円環状の磁性体の積層鋼板により形成される。ロータコア32の内部には、複数の永久磁石(図示せず)が設けられてもよい。ロータコア32の軸方向両端面にはエンドプレート35A、35Bが設けられてもよい。なお、変形例では、ロータコア32は、磁性粉末が圧縮して固められた圧粉体により形成されてもよい。
なお、図1には、特定の構造を有するモータ1が示されるが、モータ1の構造は、かかる特定の構造に限定されない。例えば、図1では、ロータシャフト34は、中空であるが、中実であってもよい。
次に、図2A以降を参照して、本実施例のステータ21を詳説する。なお、図2A等では、見易さのために、複数存在する同一属性の部位には、一部のみしか参照符号が付されていない場合がある。
図2Aは、本実施例のステータ21の側面図であり、図2Bは、ステータ21の平面図(軸方向視の平面図)であり、図3は、ステータ21の斜視図である。図4は、一のコイル片20の単品状態を示す斜視図である。図5は、図4のコイル片20がステータコア211に組み付けられた状態を示す斜視図である。図6は、他の例によるコイル片20Aを示す図である。なお、図6では、コイル片20Aは、後述する曲げ加工部(径方向に曲げ加工された曲げ加工部)に係る加工前の状態で示されている。
以下の説明において、軸方向とは、ステータ21の中心軸(=回転軸12)が延在する方向を指し、径方向とは、中心軸を中心とした径方向を指す。従って、径方向外側とは、中心軸から離れる側を指し、径方向内側とは、中心軸に向かう側を指す。また、軸方向外側とは、ステータ21の軸方向の中心から離れる側を指し、軸方向内側とは、ステータ21の軸方向の中心に近づく側を指す。また、周方向とは、中心軸まわりの回転方向に対応する。
ステータ21は、例えば円環状の磁性体の積層鋼板からなるステータコア211を備え、ステータコア211には、ステータコイル212が巻装される。ステータコア211の径方向内側には、ステータコイル212が挿入される複数のスロット2111が形成される。スロット2111は、周方向に等間隔に複数形成される。なお、スロット2111の数や形状等は任意である。
ステータコイル212は、例えば、図4に示すようなコイル片20を、複数結合して形成されてよい。コイル片20は、断面が矩形状(具体的には、長方形)に形成された平角線を含む。この平角線は、導電性の高い例えば銅やアルミニウム等の金属により形成されてよい。コイル片20は、平角線が絶縁性の被覆により覆われる形態であってよい。
コイル片20は、U字状の形態を含む。U字状の形態は、ステータコアのスロット内に挿入される2本のスロット挿入部230と、当該2本のスロット挿入部をつなぐ周方向の渡り部234、236により形成される形態である。図4に示す例では、一のコイル片20は、90度ごとに、4ターン分のU字状のコイル部を有するが、一のコイル片20の構成は、U字状の形態を有する限り任意である。例えば、一のコイル片20は、図6に示すコイル片20Aで代替えされてもよく、この場合、コイル片20Aは、一ターン分の最小単位のU字状の形態を有する。すなわち、コイル片20Aは、一ターン分の2本のスロット挿入部230Aと、一ターン分の渡り部234A、236Aにより形成される形態である。渡り部236Aは、端部を周方向に曲げる(角度α参照)ことで形成される。
渡り部234は、軸方向一方側において、ステータコア211の端面より軸方向外側において周方向に延在し、コイルエンド部220(図1参照)を形成する。渡り部236は、軸方向他方側において、ステータコア211の端面より軸方向外側において周方向に延在し、コイルエンド部(図1には符号を付与せず)を形成する。なお、渡り部234は、非リード側であってもよいし、リード側であってもよい。なお、渡り部234、236はそれぞれ、スロット挿入部230に接続するとともに、ステータコア211の軸方向の端面から軸方向外側に向けて突出した、周方向に離れた2つのスロット挿入部230同士をつなぐ部位である。
なお、一のコイル片20において、渡り部234、236は、ともに、コイル片同士の結合部を有さない非結合型の渡り部である。他方、図6に示すコイル片20Aの場合、渡り部234A、236Aのうちの、渡り部234Aだけが、コイル片同士の結合部を有さない非結合型の渡り部である。一のコイル片20Aの渡り部236Aは、他のコイル片20Aの渡り部236Aと溶接等により結合される。
次に、図1~図5を依然として参照しつつ、図7以降を新たに参照して、ステータコイル212について更なる詳細を説明する。
図7は、渡り部234を含む部分の断面図であり、中心軸を含む平面による断面図である。
本実施例では、渡り部234は、図7に示すように、径方向に曲げ加工された曲げ加工部71、72を有する。
図7に示す例では、ステータコア211は、一のスロット2111あたり8ターン分のスロット挿入部230(図7では可視でない)が挿入されている。そして、8ターン分のスロット挿入部230から連続する8ターン分の渡り部234は、すべて、曲げ加工部71、72を有する。この際、8ターン分の渡り部234のうちの、径方向内側に挿入されるスロット挿入部230から連続する4ターン分の径方向内側の渡り部234は、径方向内側に曲げ加工された曲げ加工部71を有する。他方、8ターン分の渡り部234のうちの、径方向外側に挿入されるスロット挿入部230から連続する4ターン分の径方向外側の渡り部234は、径方向外側に曲げ加工された曲げ加工部72を有する。
なお、曲げ加工部71、72は、ステータコア211へのコイル片20の組み付け前に加工済み(成形済み)とされてよい。
以下では、区別する際は、曲げ加工部71を有する渡り部234を、「径方向内側の渡り部234-1」とも表記し、曲げ加工部72を有する渡り部234を、「径方向外側の渡り部234-2」とも表記する。
なお、本実施例では、8ターンを例示しているが、ターン数は任意である。また、曲げ加工部71、72のそれぞれは、同じターン数分で実現されているが、異なってもよい。例えば、変形例では、8ターン分の渡り部234のうちの、径方向内側に挿入されるスロット挿入部230から連続する1ターン分だけが、径方向内側の渡り部234-1であり(径方向内側に曲げ加工された曲げ加工部71を有し)、残りがすべて径方向外側の渡り部234-2であってもよい。また、他の変形例では、8ターン分の渡り部234のうちの、一部だけが、曲げ加工部71及び/又は曲げ加工部72を有してもよい。
図8は、渡り部234の曲げ加工部71、72の説明図であり、一のコイル片20の4ターン分の曲げ加工部71、72を部分的に示す斜視図である。
径方向内側の渡り部234-1は、図8に示すように、周方向両側に曲げ加工部71を有する。周方向両側の曲げ加工部71は、径方向内側への同じ曲げ加工により同時に形成されてよい。曲げ加工部71は、好ましくは、図7に示すように、90度曲げにより形成される。これにより、90度未満の曲げの場合に比べて、径方向内側の渡り部234-1の軸方向の体格を低減できる(すなわち、径方向内側の渡り部234-1における軸方向で最も外側の位置を、軸方向内側に至らせることができる)。
曲げ加工部71は、いわゆるフラットワイズ曲げにより形成できる。この場合、径方向内側の渡り部234-1の一部又は全部において、曲げ加工部71は、ステータコア211の軸方向の端面に対応する軸方向位置から曲げRが開始してよい。これにより、ステータコア211の軸方向の端面に対応する軸方向位置よりも軸方向外側から曲げRが開始する場合に比べて、径方向内側の渡り部234-1の軸方向の体格を低減できる。
なお、径方向内側の渡り部234-1は、曲げ加工部71に加えて、曲げ加工部71よりも頂部77に近い側において、周方向への曲げ加工部75を有する。周方向への曲げ加工部75は、例えばエッジワイズ曲げであり、成形時の制約上、比較的大きい曲げRを有してもよく、曲げ角度も90度よりも有意に大きくてよい。
径方向外側の渡り部234-2は、図8に示すように、周方向両側に曲げ加工部72を有する。周方向両側の曲げ加工部72は、径方向外側への同じ曲げ加工により同時に形成されてよい。曲げ加工部72は、曲げ加工部71と同様、好ましくは、図7に示すように、90度曲げにより形成される。これにより、90度未満の曲げの場合に比べて、径方向外側の渡り部234-2の軸方向の体格を低減できる。
曲げ加工部72は、いわゆるフラットワイズ曲げにより形成できる。この場合、径方向外側の渡り部234-2の一部又は全部において、曲げ加工部72は、ステータコア211の軸方向の端面に対応する軸方向位置から曲げRが開始してよい。これにより、ステータコア211の軸方向の端面に対応する軸方向位置よりも軸方向外側から曲げRが開始する場合に比べて、径方向外側の渡り部234-2の軸方向の体格を低減できる。
なお、径方向外側の渡り部234-2は、曲げ加工部72に加えて、曲げ加工部72よりも頂部78に近い側において、周方向への曲げ加工部76を有する。周方向への曲げ加工部76は、例えばエッジワイズ曲げであり、成形時の制約上、比較的大きい曲げRを有してもよく、曲げ角度も90度よりも有意に大きくてよい。
ここで、図9に示す比較例を対照的に参照して、本実施例の効果について説明する。
図9は、比較例によるコイルエンド部220’の構成を示す斜視図である。比較例では、コイル片20’は、曲げ加工部71、72のような、径方向への曲げ加工部を有さず、それに代えて、周方向への曲げ加工部75、76のような、曲げ加工部75’を有する。なお、曲げ加工部75’は、ステータコア211の軸方向の端面に対応する軸方向位置から曲げRが開始してよい。
このような比較例では、曲げ加工部75’が、エッジワイズ曲げであり、成形時の制約上、比較的大きい曲げRを有する必要があり、軸方向の体格が大きくなりやすい。また、各渡り部が軸方向に積み重なる構造となるため、軸方向の体格が大きくなりやすい。すなわち、曲げ加工部75’だけでコイルエンド部220’の軸方向の体格を低減しようとする構成では、その低減量に限界がある。
これに対して、本実施例によれば、上述したように、径方向への曲げ加工部71、72を有することで、比較例に比べて、コイルエンド部220の軸方向の体格を効率的に低減できる。特に、本実施例では、比較例による各渡り部が軸方向に積み重なる構造が、渡り部234が径方向に積み重なる構造に変化するので、コイルエンド部220の軸方向の体格を効率的に低減できる。
また、本実施例によれば、一のスロット2111内に挿入される複数のスロット挿入部230から連続する複数の渡り部234が、径方向内側の渡り部234-1及び径方向外側の渡り部234-2を形成する。すなわち、一のスロット2111に対して、径方向内外に、径方向内側への曲げ加工部71と、径方向外側への曲げ加工部72とが分散して配置される。これにより、一のスロット2111内からの複数の渡り部234が、すべて曲げ加工部71又は曲げ加工部72のいずれか一方だけを有する場合に比べて、軸方向の積み重なりを抑制できるので、コイルエンド部220の軸方向の体格を効率的に低減できる。
本実施例において、径方向への曲げ加工部71、72は、好ましくは、ステータコイル212の全周にわたって配置される。これにより、ステータ21の全周にわたってコイルエンド部220の軸方向の体格を効率的に低減できる。
なお、図7に示す例では、径方向内側の渡り部234-1は、径方向外側の渡り部234-2と同じ4ターン分であるが、曲げRの開始位置が軸方向外側にあるため、径方向外側の渡り部234-2よりも軸方向の体格が大きくなっている。このように、周辺部材との必要なクリアランスが比較的大きい場合等、コイルエンド部220の周方向の一部及び/又は径方向の一部については、加工性等を考慮して、軸方向の体格の最小化を実現しないこととしてもよい。また、例えば、径方向内側のほうが、周辺部材との必要なクリアランスが比較的大きい場合等、径方向内側の渡り部234-1が、8ターン分のうちの、半分より多いターン分を受け持ってもよい。これにより、周辺部材との必要なクリアランスに応じて、コイルエンド部220の軸方向の体格を効率的に低減できる。
ところで、本実施例では、径方向への曲げ加工部71、72を有することから、上述したように、コイルエンド部220の軸方向の体格を低減できる反面、径方向の体格が増加する傾向がある。
しかしながら、一般的に、ステータコア211の径方向内側のロータコア(図示せず)は、ステータコア211の軸方向の端面よりも軸方向外側に比較的大きくはみ出す態様で配置されることはない。このため、ステータコア211の径方向内側への、コイルエンド部220の径方向の体格増加が問題となり難い。また、ステータコア211は、スロット2111よりも径方向外側にバックヨークを有するので、ステータコア211の径方向外側への、コイルエンド部220の径方向の体格増加は、ある程度許容される。換言すると、本実施例によれば、径方向内側及び径方向外側のデッドスペースを有効に利用することで、コイルエンド部220の軸方向の体格を効率的に低減することを可能とする。
次に、図7を依然として参照しつつ、図10及び図11を新たに参照して、ステータコイル212の断面形状の好ましい例について説明する。
図10は、ステータコア211のスロット2111内のステータコイル212の断面形状の一例を示す図である。図11は、他の実施例によるコイルエンド部220Bの構成を示す断面図であり、図7との対比用の断面図である。
本実施例では、図7及び図10に示すように、ステータコイル212は、渡り部234における矩形断面のアスペクト比が、スロット挿入部230における矩形断面のアスペクト比とは異なる。
図7及び図10に示す例では、スロット挿入部230では、図10に示すように、長辺(周方向に沿った辺)が短辺(径方向に沿った辺)よりも有意に大きく、例えば、3倍程度である。これに対して、渡り部234では、略正方形(すなわちアスペクト比が略1)である。これにより、スロット2111内での必要な占積率を確保しつつ、渡り部234(曲げ加工部71、72)に起因したコイルエンド部220の径方向の体格増加を低減できる。
図11に示す他の実施例では、曲げ加工部71、72に対応する曲げ加工部71B、72Bを有するが、渡り部234Bにおける矩形断面のアスペクト比が、スロット挿入部230における矩形断面のアスペクト比と同じである。この場合、図11に模式的に示すように、渡り部234Bに起因したコイルエンド部220Bの径方向の体格増加が有意となりうる。特に、図11に示すように、渡り部234Bが、ステータコア211の外周面2114よりも径方向外側に延在すると、モータハウジング10を含むモータ1全体としての径方向の体格を増加させることなく、ステータコア211の外周側のモータハウジング10(図1参照)に対して必要なクリアランスを確保することが難しくなる。
これに対して、本実施例によれば、上述したように、渡り部234では矩形断面の径方向の幅が小さくなるようなアスペクト比とされるので、渡り部234(曲げ加工部71、72)に起因したコイルエンド部220の径方向の体格増加を低減できる。特に、図7に示すように、径方向外側の渡り部234-2は、ステータコア211の外周面2114よりも径方向外側に至ることなく、ステータコア211の外周面2114よりも径方向内側に留まる。すなわち、径方向外側の渡り部234-2の最外径位置は、ステータコア211の外周面2114よりも径方向内側に位置する。更に換言すると、本実施例において、径方向外側の渡り部234-2における矩形断面のアスペクト比は、曲げ加工部72に起因して渡り部234(コイルエンド部220)がステータコア211の外周面2114よりも径方向外側に至ることがないように、設定されてよい。なお、ここでいう「ステータコア211の外周面2114」とは、ステータコア211のベース部分の外周面2114を指し、ベース部分の外周面2114に対して設定されうる凹凸部(例えば溶接用の溝等)は無視されてよい。例えば、ステータコア211は、モータハウジング10(図1参照)に固定される径方向の突出部を有してもよいが、ベース部分の外周面2114は、かかる突出部を除く部分の外周面を指す。
なお、本実施例では、渡り部234では矩形断面の径方向の幅が小さくなるようなアスペクト比とされるが、軸方向の体格低減が優先される場合、渡り部234では矩形断面の軸方向の幅が小さくなるようなアスペクト比とされてもよい。また、径方向内側の渡り部234-1と径方向外側の渡り部234-2との間でアスペクト比が異なってもよい。例えば、径方向外側の渡り部234-2は、スロット挿入部230とは矩形断面のアスペクト比が異なるが、径方向内側の渡り部234-1は、スロット挿入部230と矩形断面のアスペクト比が同じであってもよい。
また、本実施例において、渡り部234は、その全体にわたって、スロット挿入部230とは矩形断面のアスペクト比が異なってもよいが、好ましくは、頂部77、78を含む一部だけが、異なるアスペクト比を有することとしてもよい。すなわち、渡り部234は、好ましくは、曲げ加工部71、72を含まない範囲だけが、スロット挿入部230とは異なる矩形断面のアスペクト比を有してもよい。これにより、曲げ加工部71、72の成形性を損なうことなく、渡り部234における矩形断面のアスペクト比を、スロット挿入部230における矩形断面のアスペクト比に対して異ならせることができる。
以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。
例えば、上述した実施例では、曲げ加工部71、72は、曲げ加工により形成される曲がり部であるが、鋳造や鍛造のような、曲げ加工を伴わない方法で同様の形態に形成された曲がり部であってもよい。
21・・・ステータ(回転電機用ステータ)、211・・・ステータコア、2114・・・外周面、2111・・・スロット、212・・・ステータコイル、20、20A・・・コイル片、230・・・スロット挿入部、234、234A・・・渡り部(非結合型の渡り部)、71、72・・・曲げ加工部(曲がり部)

Claims (6)

  1. ステータコアと、
    矩形断面を有しかつU字状の形態を含む複数のコイル片を結合して形成され、前記ステータコアに巻装されるステータコイルとを含み、
    複数の前記コイル片は、
    前記ステータコアのスロット内に挿入されるスロット挿入部と、
    前記ステータコアの端面より軸方向外側において対の前記スロット挿入部をつなぐ態様で周方向に延在する渡り部とを有し、
    前記渡り部は、前記コイル片同士の結合部を有さない非結合型の渡り部を含み、
    前記非結合型の渡り部は、径方向内側又は径方向外側に曲がる形態の曲がり部を有する、回転電機用ステータ。
  2. 複数の前記非結合型の渡り部は、
    各スロットの径方向内側に挿入される前記スロット挿入部から連続する径方向内側の渡り部と、
    各スロットの径方向外側に挿入される前記スロット挿入部から連続する径方向外側の渡り部とを含み、
    前記径方向内側の渡り部は、径方向内側に曲がる前記曲がり部を有し、
    前記径方向外側の渡り部は、径方向外側に曲がる前記曲がり部を有する、請求項1に記載の回転電機用ステータ。
  3. 前記曲がり部を有する前記渡り部の最外径位置は、前記ステータコアの外周面よりも径方向内側に位置する、請求項1に記載の回転電機用ステータ。
  4. 前記曲がり部は、前記ステータコアの軸方向の端面に対応する軸方向位置から曲げRが開始する90度曲げの形態である、請求項1に記載の回転電機用ステータ。
  5. 前記ステータコイルは、前記曲がり部を有する前記渡り部における前記矩形断面のアスペクト比が、前記スロット挿入部における前記矩形断面のアスペクト比とは異なる、請求項1に記載の回転電機用ステータ。
  6. 前記非結合型の渡り部の前記曲がり部は、前記ステータコイルの全周にわたって配置される、請求項1から5のうちのいずれか1項に記載の回転電機用ステータ。
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