JP6283451B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

ティース数が少ない回転電機のステータでは、電線の巻き付け可能な空間が湾曲し整列巻線ができないため、コイルエンド高さが大きくなり、またスロット内に所定本数の電線を配置できずスロット占積率が低下する。回転電機は、コイルを形成するボビンを円周方向に複数個配置して成る固定子巻線を備え、該ボビンは、内周側および外周側に設け円周方向および軸方向それぞれに辺を持つ板状のツバと、内周側および外周側に設けたツバの間に当該ツバと平行して径方向に２以上の溝部を形成する１以上の板状部材とを有し、該コイルは、ツバと板状部材との間の溝部および隣接する板状部材との間の溝部を巻回させた電線を有する。

Description

本発明は、スロット数が２、３、６など少ないステータ（固定子）を有する回転電機に関する。

地球温暖化を抑制するためにＣＯ_２の排出量を削減する技術の開発が求められている。このため、その駆動源であるモータや発電機の高出力化、高効率化に大きな期待が寄せられている。

図１に、回転電機１の内部構造の一例を示す。ハウジング２の内周にステータ３が焼き嵌めや圧入により固定されている。図１に示すステータ３は、固定子鉄心の磁極に集中してコイル４を巻回した「集中巻」（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ Ｗｉｎｄｉｎｇ）である。

ステータ３の内周には、外周部に永久磁石５を貼り付けた回転子鉄心（図示せず）が挿入され、回転子鉄心と同軸で一体化したシャフト６をベアリング７で支持している。なお、図１に示すロータ８は、「表面磁石型」（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）であるが、その他に、磁石を回転子鉄心の溝に埋め込んだ「埋め込み磁石型」（ＩＰＭ： Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）など、様々な形態のロータが用いられている。

また、図１に示す回転電機は３相であり、３個の入力端子９各々に、位相の異なる電圧（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を加えると、これと電気的に繋がったステータ３内のコイル４に電流が流れる。これにより、電気エネルギーが機械エネルギーに変換されてロータ８が回転する。

この回転電機用のステータ３のコイル４を構成する導体の断面積が大きくできれば、コイル４の電気抵抗が下がり、回転電機は高出力、高効率になる。また、固定子鉄心の外部に軸方向に突出したコイルの一部であるコイルエンド１０を短くできれば、コイル４の電気抵抗が下がり、回転電機は高出力、高効率になる。従って、ステータのスロット内の導体断面積の比率が大きいほど、またはコイルエンドが小さいほど、回転電機は高出力、高効率となる。

ここで、自動車用のスタータ、電動工具、掃除機などの家電用の回転電機には、スロット数が２、３、６と少ないステータが用いられている。図２は、スタータ用のステータ３の一例を示す図であり、スロット数は６（図示しないロータの極数は４）である。ＳＵＳ（ステンレス鋼）などの金属部材からなるティース１１に、例えばＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などの樹脂性のボビン１２を取り付け、周囲にコイル４を巻回したものを周方向に６つ並べ、金属製のハウジング２にネジ止めされている。

このように、ティースの数の少ないステータの場合、以下のような問題があった。
図３は、このステータ３に用いられるボビン１２の三面図である。図示のように、ティースの数が少ないと、径方向の内外周に設けられるボビン１２のツバ１３が、回転電機の円周方向に沿った円弧形状となる。一例として、このボビン１２に導体径φ１．３ｍｍ（皮膜込み外径φ１．４ｍｍ）×３本持ちの電線１４を８ターン（合計２４ターン）巻回させる場合、整列性を保った理想の電線配置は、図４に示す配置図である。しかし、実際には、図４のように電線１４は巻き付けられない。これは、巻付け面が傾斜していることにより渡り線が干渉することに基因する（特に、ボビンの内周側のツバと渡り線との干渉の影響が大きい）。最悪の場合は、図５に示すように、電線１４はボビン１２の回転軸１６と直交し、内周側のツバ１３に接する面Ａ−Ａよりも外側に巻き付こうとする。そのため、全てのコイルのコイルエンド（ボビンの短辺）１０を跨る電線１４が全て面Ａ−Ａより外側を通り、コイルエンドの高さは１７．１ｍｍ以上となる。また、最悪の場合は、スロット内に配置できる電線１４の本数は２２本となり、スロット占積率（皮膜込み導体面積の合計×１００／スロット内の巻線有効空間）は、理想の電線配置の場合の５４．９％に対して、４５．５％に悪化する。

以上のように、ティース数が少ない回転電機のステータでは、電線の巻き付け可能な空間が湾曲し整列巻線ができないため、（１）コイルエンド高さが大きくなる、（２）スロット内に所定本数の電線を配置できない、といった問題が生じていた。

特開２００８−９２６９２号公報

本発明が解決しようとする課題は、ティース数の少ないステータにおいて、電線の整列性を維持し、スロット占積率を向上させ、コイルエンドを低減することである。

本発明に係る回転電機は、コイルを形成するボビンを円周方向に複数個配置して成る固定子巻線を備え、該ボビンは、内周側および外周側に設け円周方向および軸方向それぞれに辺を持つ板状のツバと、内周側および外周側に設けたツバの間に当該ツバと平行して径方向に２以上の溝部を形成する１以上の板状部材とを有し、該コイルは、ツバと板状部材との間の溝部および隣接する板状部材との間の溝部を巻回させた電線を有する。

本発明によれば、板状部材の間に整列して電線を巻き付けることができることにより、従来技術と比べて、スロット占積率を向上させ、コイルエンドを低減でき、回転電機の高出力、高効率化を図ることができる。

図１は、一般的な回転電機の内部構造の一例を示す図である。 図２は、ティース数が少ない回転電機のステータの一例を示す図である。 図３は、ティース数が少ない回転電機に用いる従来型のボビンを示す図である。 図４は、従来型のボビンに対する理想の巻線配置を示す図である。 図５は、従来型のボビンの実巻線時に想定される最悪の配置を示す図である。 図６は、実施例１で用いるボビンを示す図である。 図７は、実施例１で用いるボビンの四面図である。 図８は、実施例１で用いるボビンに対する巻線順番の説明図である。 図９は、実施例１により実現される巻線配置を示す図である。 図１０は、実施例１で用いるボビンで形成したステータの斜視図である。 図１１は、実施例１で用いるボビンで形成したステータを軸方向上面から見た図である。 図１２は、実施例２による巻線配置を示す図である。 図１３は、実施例１と実施例２による巻線配置を示す図である。 図１４は、実施例３で用いるボビンを示す図である。 図１５は、実施例３で用いるボビンを軸方向から見た図である。 図１６は、実施例３で用いるボビンに対する巻線順番の説明図である。

以下、本発明の実施形態である実施例１〜３を、図６〜図１１を用いて順に説明する。

図６は、本発明の実施例１で用いるボビン１２を示す図である。また、図７は、そのボビン１２の四面図である。なお、ボビン１２の外周形状は、発明の効果を比較できるように、先の[背景技術]で説明した図３に示すボビン１２と同じ設定にしている。

実施例１では、ボビン１２の円周方向および軸方向に四つの辺を持つ内外周の各ツバ１３の間に、これらのツバ１３と平行して径方向に１以上の板状部材１５を設ける（図６〜９では、板状部材１５は５枚）。これにより、ツバ１３と板状部材１５との間、および、隣接する板状部材１５との間に、湾曲した溝部が形成される。なお、この場合の板状部材１５の厚みは、ｔ０．４５ｍｍである。また、コイルエンドに相当するボビン１２の一辺において、板状部材１５の一部に切り欠き１７を設けている。この切り欠き１７は、板状部材１５が複数の場合、図６〜８に示すように、径方向に交互に設ける。

先の[背景技術]で述べた導体直径φ１．３ｍｍ（皮膜込み外径φ１．４ｍｍ）、２４ターン（３本持ち×８ターン）の巻線と等価の電気性能とするため（１ターン当たりの断面積を同じにするため）、実施例１のボビン１２には、導体直径φ０．７５ｍｍ（皮膜込み外径φ０．８５ｍｍ）の電線を７２ターン（３本持ち×３本持ち×８ターン）巻回する。

図８は、実施例１における巻線の巻き付け順序を示す図である。図８の（ａ）および（ｂ）に示すように、ツバ１３と板状部材１５または隣接する板状部材１５によって形成される円周方向に隣接する２つの溝に、導体直径φ０．７５ｍｍの電線１４を３本持ちで巻き付ける。ここで、円周方向に隣接する二つの溝の中間の板状部材１５の位置に切り欠き１７が設けられ、この切り欠き１７をコイルの起点１８として内側の溝に反時計周りで４ターン、外側の溝に時計周りで４ターンの巻線を施す。図８の（ａ）は、導体直径φ０．７５ｍｍの電線を３本持ちで各々の溝に１ターン巻き付けた状態、図８の（ｂ）は、４ターン巻き付け終了後の状態を示している。この場合、コイルの端末線１９は全てコイルの外周側に配置され、同一のコイル側面にある端末線１９を９本束ねることで３本持ち×３本持ちの回路が構成される。

図９は、巻き付け終了後の巻線の配置図である。実施例１で用いるボビン構造により、円周方向６０度の巻線可能な空間に、導体径φ１．３ｍｍ×３本持ち×８ターンと同等の断面積を有する、導体径φ０．７５ｍｍ×３本持ち×３本持ち×８ターンの電線１４を全て溝内に整列させて収納することができる。

図１０は、実施例１で用いるボビン１２に巻き付けたコイルを組み付けたステータ３の斜視図である。また、図１１は、ステータを軸方向上面から見た図である。この結果、コイルエンドの高さは、図９に示すとおり、１５．３ｍｍにすることができる（従来技術では、前述のとおり１７．１ｍｍ以上）。また、スロット占積率は、導体径φ１．３ｍｍの電線を２４本全て収納した場合と同様の５４．９％に向上させることができる（従来技術では、前述のとおり最悪２２本で４４．５％）。

本発明の実施例２を、図１２および１３を用いて説明する。実施例２では、実施例１で使用した丸状断面の電線１４の代わりに、矩形状断面の電線２０を使用する。これにより、発明の効果をより高めることができる。

図１２は、巻き付け終了後の巻線の配置図である。矩形状断面の電線２０の導体寸法として、□０．７５ｍｍ、角Ｒ０．３ｍｍを使用すると、コイルエンドの高さは同一のままで、導体径φ０．７５ｍｍの丸状断面の電線１４を使った場合よりも、導体の断面積が１１％向上し、コイルの銅損（発熱損）も１０％低減させることができる。

または、導体径φ０．７５ｍｍの銅線と同一断面積となる導体断面寸法０．７５ｍｍ×０．６８ｍｍ、角Ｒ０．３ｍｍの矩形状断面の電線２０を用いれば、図１３に示すように、電気的な性能は同一のままで、コイルエンド高さを、１５．３ｍｍ（図１３の（ａ））から１３．４ｍｍ（図１３の（ｂ））に更に低減することができる。

本発明の実施例３を、図１４〜図１６を用いて説明する。図１４は、実施例３で用いるボビン１２の構造を示す図である。実施例１と異なる点は、コイルエンドの板状部材１５に設けた切り欠き１７が、径方向に全ての板状部材１５を貫通している点である。図１５は、実施例３のボビン１２を軸方向から見た図である。

従来方式のボビンにおいて、導体径φ１．３ｍｍ（皮膜込み外径φ１．４ｍｍ）の電線を２４ターン巻回する（実施例１の場合とは異なり、多本持ちせずに直列で巻く）場合を考えると、先の[背景技術]で説明した事項と同様、コイルエンドの高さが１７．１ｍｍ以上、スロット占積率は最悪４５．５％になってしまう。しかし、図１６の（ａ）に示すように、実施例３に係るボビン１２を用いると、導体径φ０．７５ｍｍ×３本持ちで、スロット内に２４ターン分の電線１４を収めることができる。これにより、コイルエンドは、従来の１７．１ｍｍから１５．３ｍｍに低減し、スロット占積率は、従来の４５．５％から５４．９％に向上させることができる。

ここで、２４ターンの電線１４は巻き始めから巻き終わりまで連続しているので、図１６の（ｂ）に示すように、径方向に貫通した切り欠き１７にて、３本持ちの電線を隣接する溝間で移行させる。移行部分の渡り線２１は、電線３本が軸方向に往復して巻かれる層ごとに傾斜する方向が異なり、層毎に交差して配置される。

以上のように、本発明により、ティース数の少ない回転電機のステータに用いるコイルの整列性を向上させ、短コイルエンド、高スロット占積率を実現することができる。

１ 回転電機、２ ハウジング、３ ステータ、４ コイル、５ 永久磁石、６ シャフト、７ ベアリング、８ ロータ、９ 入力端子、１０ コイルエンド、１１ ティース、１２ ボビン、１３ ツバ、１４ 電線（丸状断面）、１５ 板状部材、１６ 回転軸、１７ 切り欠き、１８ コイルの起点、１９ 端末線、２０ 電線（矩形状断面）、２１ 渡り線

Claims (5)

1. コイルを形成するボビンを円周方向に複数個配置して成る固定子巻線を備えた回転電機であって、
   前記ボビンは、内周側および外周側に設け円周方向および軸方向それぞれに辺を持つ板状のツバと、
   内周側および外周側に設けた前記ツバの間に当該ツバと平行して径方向に２以上の湾曲した溝部を形成する１以上の板状部材とを有し、
   前記コイルは、前記ツバと前記板状部材との間の前記溝部および隣接する前記板状部材との間の前記溝部毎に一列に巻回されている電線を有する
   ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記板状部材の辺の一部に切り欠きを有することを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記切り欠きは、前記板状部材が複数の場合に径方向に交互に配置されることを特徴とする回転電機。
4. 請求項２または３に記載の回転電機であって、
   前記切り欠きは、径方向に貫通していることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記電線は、断面形状が矩形状である
   ことを特徴とする回転電機。

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