(57)【要約】【課題】コイルの銅損を低下し、効率を向上させた回転電機を提供する。【解決手段】回転電機は、複数のスロットが形成された固定子鉄心と、複数のスロットに巻回された固定子巻線とを有する固定子と、固定子の内側に回転可能に設けられた回転子とを備える。各スロットには、１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが固定子の周方向に並べて配置されるとともに、１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが複数回、巻き回されて固定子の径方向に並べて配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスロットが形成された固定子鉄心と、前記複数のスロットに巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に設けられた回転子とを備え、
前記固定子巻線は、１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが前記固定子の周方向に並べて配置されるとともに、前記１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが複数回、巻き回されて前記固定子の径方向に並べて配置されるように、前記複数のスロットのそれぞれに挿入されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項２に記載の回転電機において、
前記固定子巻線は、各ターンにおける前記複数の同時持ちコイルの間のインダクタンスが略等しくなるように前記複数のスロット内に配置されることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
前記固定子巻線は、前記複数の同時持ちコイルの数が３本、前記ターンの数が３回であることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記固定子巻線は、波巻方式で巻回されていることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記固定子巻線は、重ね巻き方式で巻回されていることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
複数のスロットが形成された固定子鉄心と、前記複数のスロットに巻回された固定子巻線とを有する固定子と、前記固定子の内側に回転可能に設けられた回転子とを備える回転電機の製造方法であって、
複数の同時持ちコイルを複数ターン巻いて多角形状コイルを作成し、
１ターンを構成する前記複数の同時持ちコイルが前記固定子の周方向に並べて配置されるとともに、前記１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが前記固定子の径方向に前記複数ターン分、並べて配置されるように、前記多角形状コイルを前記複数のスロットに挿入することによって、前記固定子巻線を前記固定子鉄心に装着することを特徴とする回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機および回転電機の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機として、たとえば特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１には、固定子を保持するハウジングと、回転子とを有する回転電機において、固定子のコアスロット内に乱巻巻線が収納されたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２３６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に記載の回転電機のように、固定子のコアスロット内に巻線が乱巻方式で収納された場合、固定子コアのコアバック部から各コイルまでの距離が不均一となる。コイルのインダクタンスは鉄製のコアバック部からコイルまでの距離に依存するので、乱巻方式ではインダクタンスにばらつきが生じ、銅損の増加、さらには回転電機の効率の低下という問題が発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明による回転電機は、複数のスロットが形成された固定子鉄心と、複数のスロットに巻回された固定子巻線とを有する固定子と、固定子の内側に回転可能に設けられた回転子とを備え、固定子巻線は、１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが固定子の周方向に並べて配置されるとともに、１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが複数回、巻き回されて固定子の径方向に並べて配置されるように、複数のスロットのそれぞれに挿入されることを特徴とする。
請求項６の発明による回転電機の製造方法は、複数のスロットが形成された固定子鉄心と、複数のスロットに巻回された固定子巻線とを有する固定子と、固定子の内側に回転可能に設けられた回転子とを備える回転電機の製造方法であって、複数の同時持ちコイルを複数ターン、巻いて多角形状コイルを作成し、１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが固定子の周方向に並べて配置されるとともに、１ターンを構成する複数の同時持ちコイルが固定子の径方向に複数ターン分、並べて配置されるように、多角形状コイルを複数のスロットに挿入することによって、固定子巻線を固定子鉄心に装着することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、固定子鉄心から各同時持ちコイルまでの距離を実質的に等しくすることができ、各コイル間の電流のアンバランスによる回転電機の効率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施の形態による車両用回転電機の全体構成を示す断面図。
【図２】回転電機を構成する固定子の固定子鉄心の断面図。
【図３】固定子のスロットの拡大断面図。
【図４】比較例の固定子のスロット拡大断面図。
【図５】比較例の固定子巻線の製造方法を説明する図。
【図６】比較例の固定子巻線の製造方法を説明する図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）一実施の形態の固定子の製造方法を説明する図。
【図８】多角形状に成形されたコイルを示す図。
【図９】多角形状に成形されたコイルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態による回転電機について説明する。以下では、一実施の形態による回転電機を、内燃機関であるエンジンに電動力を与えてエンジンを始動し、または加速アシストし、車載バッテリの充電が必要なときにはエンジンの回転力を受けて発電する車両用の回転電機（いわゆる、モータジェネレータ）として適用した場合を例として説明する。
【０００９】
図１に、本発明の一実施の形態による回転電機の全体構成の断面図を示す。図１は、回転電機を車両に搭載した状態の向きを示している。回転電機は、回転子２および固定子５等を備える。
【００１０】
一実施の形態による回転電機は、車載バッテリを電源とする。モータとして駆動する場合、回転電機は、車載バッテリから供給された直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置（不図示）により駆動される。発電機として駆動する場合は、車両のエンジン出力軸に取付られたクランクプーリ（不図示）からベルト（不図示）を介して回転電機のプーリ１に動力が伝達され、プーリ１に直結された回転子２が回転することで固定子５に発電電力が生じる。回転電機とインバータ装置とは、交流電力の受給を行うための外部出力電線２３を介して電気的に接続されている。
【００１１】
車両搭載状態において、回転子２の回転軸は略水平に設けられ、回転軸の一端側と他端側はそれぞれベアリング３，４によって回転可能に保持されている。ベアリング３よりも外側の回転子２の一端部にはプーリ１が固設され、車両用の駆動力、すなわちエンジンの駆動力がベルトを介してプーリ１に作用することにより、回転子２が略筒状の固定子５の内側で回転する。
【００１２】
回転子２は、クローポール型の回転子であり、複数の爪部を備えた一対の爪形磁極６，７と、爪形磁極６，７の背面部にそれぞれ取り付けられた冷却ファン８，９と、回転軸のプーリ１とは反対側の他端部に設けられたスリップリング１０と、爪形磁極６，７に巻かれた界磁巻線とを備えている。
【００１３】
スリップリング１０は、界磁巻線と電気的に接続されている。スリップリング１０にブラシ１１が摺動接触することにより、界磁巻線に電流が供給されて励磁され、爪形磁極６，７がそれぞれＮ極、Ｓ極に磁化される。爪形磁極６の爪部と爪形磁極７の爪部は、それぞれ周方向に交互に配置されている。これにより、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配置される。
【００１４】
固定子５は、固定子鉄心５ａと、固定子鉄心５ａに巻装された固定子巻線５ｂと、固定子巻線５ｂから回転軸方向に突出した固定子巻線５ｂの端部の引出線１７と、引出線１７の先端部にカシメハンダ等により取り付けられる接続端子１９とを有する。固定子５は、第１のブラケット１４および第２のブラケット１５によって、軸方向両側から固定子鉄心５ａが挟みこまれることにより保持される。
【００１５】
第２のブラケット１５には、引出線１７および接続端子１９が通る穴部１８が設けられている。引出線１７および接続端子１９は、絶縁と防水を兼ねたパッキン２１を介して穴部１８に挿入されている。
【００１６】
パッキン２１には接続端子１９が通るスリットが設けられ、スリットを通った接続端子１９は端子台２２に挿入されている。端子台２２内に挿入された接続端子１９は、インバータ装置側の外部出力電線２３に接続され、ボルトにより端子台２２に固定されている。このように接続端子１９が軸方向に穴部１８およびパッキン２１を通過して端子台２２に挿入されることで、接続端子１９を容易に固定することができる。
【００１７】
ベアリング３は、プーリ１側の第１のブラケット１４に装着され、ベアリング４は、プーリ１とは反対側の第２のブラケット１５に装着されている。回転子２はベアリング３，４を介して、ブラケット１４，１５に対して回転可能に支持されている。ブラシ１１はブラシホルダ１６に固定されている。ブラシホルダ１６は、界磁電極制御回路（不図示）とブラシ１１とを接続するためのインサート端子１６ａおよびコネクタ部１６ｂを有している。
【００１８】
回転位置検出装置は、回転子２の磁極位置を検出するためのセンサであり、回転部１２と固定部１３から構成されている。固定部１３は、ブラシホルダ１６を取り囲むリアカバー２４にボルトで固定されている。回転部１２は回転子２のスリップリング１０よりも軸方向外側に延長したシャフト上にナットで固定されている。
【００１９】
第１のブラケット１４および第２のブラケット１５にはそれぞれ支持部１４ａ，１５ａが設けられ、回転電機は支持部１４ａ，１５ａを介して車両のエンジン等に取り付けられている。
【００２０】
以下に、一実施の形態による車両用回転電機の固定子５の構成について詳細に説明する。図２に、固定子鉄心５ａの平面図を示す。固定子鉄心５ａには、４８個のスロット５ｅが形成され、スロット５ｅ内に固定子巻線５ｂが挿入される。一実施の形態による回転電機は三相交流機であり、固定子巻線５ｂはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応した巻線を有する。固定子巻線５ｂは、波巻の集中巻方式によって構成され、固定子鉄心５ａの各スロット５ｅに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応した巻線５ｂが相毎に分かれて巻装されている。
【００２１】
図３に、固定子巻線５ｂが挿入された状態を示す固定子鉄心５ａのスロット５ｅの拡大断面図を示す。図３に示すスロット５ｅには、不図示の絶縁紙を介して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちのいずれか１相の巻線が挿入されている。一実施の形態においては、３本のコイル５ｆ、５ｇ、５ｈを３回巻回して１つのスロット５ｅに挿入しているため、図３に示すように、１スロット当たり９本のコイルが巻装された状態となっている。ここで、各ターンで同時に巻き回される３本のコイル５ｆ、５ｇ、５ｈを同時持ちコイルと呼び、同時持ちコイルが何回巻き回されているかを、同時持ちコイルのターン数と呼ぶ。図３に示す固定子巻線５ｂは、同時持ちコイル数が３本、ターン数が３回である。
【００２２】
図３に示すように、スロット５ｅ内には、固定子５の内径側から１ターン目の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈ、２ターン目の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが配置され、最外径側に３ターン目の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが配置されている。各ターンにおいて、３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈは周方向に均等に配置されている。
【００２３】
コイルのインダクタンスは、コイルの周辺に存在する鉄によって変化する。鉄製の固定子鉄心５ａにおいて、コイルのインダクタンスに対する影響は、スロット５ｅ同士の間に存在するティース部５ｃよりも、スロット５ｅの外径側に存在するコアバック部５ｄによるものが大きい。
【００２４】
図４に、固定子巻線の巻線方式の比較例を示す。図４に示す巻線方式では、スロット５ｅの内径側の１ターン目には同時持ちコイルのうちのコイル５ｈが３本配置され、２ターン目にはコイル５ｇが３本配置され、最外径側の３ターン目にはコイル５ｆが３本配置される。すなわち、同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが径方向に並ぶようにスロット５ｅ内に挿入されている。
【００２５】
図４に示すような配置とすると、コアバック５ｄから３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈのそれぞれまでの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が異なり、各コイルのインダクタンスがアンバランスとなる。具体的には、コアバック５ｄに近い位置のコイル５ｆのインダクタンスが最も高く、コアバック５ｄから遠い位置のコイル５ｈのインダクタンスが最も低くなる。同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈの間でインダクタンスに差が出ると、インダクタンスの低いコイル、すなわちコイル５ｈに電流が集中してしまう。その結果、発熱量が大きくなって銅損が増大し、回転電機の効率の低下につながる。
【００２６】
そこで、本発明の一実施の形態においては、図３に示すように、各スロット５ｅ内に１ターンを構成する同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈを周方向に並べて配置することにより、コアバック５ｄから同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈのそれぞれに対する距離（Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３）が略等しくなるように構成している。これにより、同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈのそれぞれにおいてインダクタンスのばらつきがなくなる。
【００２７】
なお、図３に示すような配置としても、３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈから構成される各ターン間では、インダクタンスに差が生じる。しかし、各ターンには３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが均等に配分されているので、各コイル全体を平均するとインダクタンスのばらつきは実質的に生じない。
【００２８】
次に、上述した固定子５を有する回転電機の製造方法について説明する。
【００２９】
まず、図４に示した比較例の固定子巻線の巻線方法について簡単に説明する。図４に示すような巻線状態で同時持ちコイル３本、３ターンの固定子巻線を製作する場合、図５に示すように、１本のコイルを巻枠２６に１１回巻きつける。そして、図５に示す×印位置でコイルを切断し、図６に示すように３ターンのコイル３本（５ｆ、５ｇ、５ｈ）に分離する。これにより、手前側の３周分のコイル５ｈが１ターン目、次の３周分のコイル５ｇが２ターン目、最後の３周分のコイル５ｆが３ターン目となり、各ターンを構成するコイルはそれぞれ分離独立した状態となる。この状態のコイルを成形し、固定子鉄心５ａに挿入すると、１ターン目のコイル５ｈ、２ターン目のコイル５ｇ、３ターン目のコイル５ｆがまとまった状態で順番にスロット５ｅ内に挿入され、図４に示すようにコイルが配置される。この方法では、切断した部分のコイルが無駄になってしまう。
【００３０】
図７（ａ）〜（ｄ）に、本発明の一実施の形態における回転電機の固定子５の製造方法を示す。まず、図７（ａ）に示すようにコイルを多角形状に成形する。具体的には、図８に示すように３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈを同時に巻枠２６に巻きつける。３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈを巻枠２６に３ターン巻きつけると、図９に示すように、手前側の３本のコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが１ターン目、次の３本のコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが２ターン目、最後の３本のコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが３ターン目となる。各ターンは３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが均等に配分された構成となる。このように、３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈを同時に巻いて八角形状のコイルを成形した後、図７（ａ）に示すように八角形状のコイルを星型に成形する。
【００３１】
その後、図７（ｂ）に示すように星型コイルを挿入機にセットし、固定子鉄心５ａの各スロット５ｅに星型コイルを挿入する。コイルを挿入した後、図７（ｃ）に示すようにエキスパンド機によってコイル内径を広げる。これにより、図７（ｄ）に示すように１相分の固定子巻線５ｂの挿入が完了する。同様の工程を他の２相分の固定子巻線５ｂについても行い、３相の固定子巻線５ｂが各スロット５ｅに挿入される。
【００３２】
以上説明したように、３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈを同時に巻枠２６に巻きつけて多角形状のコイルを作成し、図３に示すような配置となるように固定子鉄心５ａのスロット５ｅに固定子巻線５ｂを挿入する。これにより、コアバック部５ｄから同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈのそれぞれまでの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が実質的に等しくなり、同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈの間でのインダクタンスの差をなくすことができる。
【００３３】
３本の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈの間でのインダクタンスの差がないので、これらのコイル５ｆ、５ｇ、５ｈには均等な電流が流れる。これにより、１本のコイル当たりの電流負担率が、図４に示す比較例に比べて改善され、コイルの銅損を低減できる。銅損の低減により、例えば回転電機が発電モードで作動している場合のコイル発熱が緩和され、発電効率が向上する。
【００３４】
以上説明した本発明の一実施の形態においては、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）一実施の形態による回転電機は、複数のスロット５ｅが形成された固定子鉄心５ａと、複数のスロット５ｅに巻回された固定子巻線５ｂとを有する固定子５と、固定子５の内側に回転可能に設けられた回転子２とを備える。固定子巻線５ｂは、１ターンを構成する複数の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが固定子５の周方向に並べて配置されるとともに、１ターンを構成する複数の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが複数回、巻き回されて固定子５の径方向に並べて配置されるように、複数のスロット５ｅのそれぞれに挿入される。これにより、各ターンにおいて複数の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが均等に配分された状態となり、コアバック部５ｄから各同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈまでの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を略均一とすることができる。
（２）固定子巻線５ｂは、各ターンにおける複数の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈの間のインダクタンスが略等しくなるように複数のスロット５ｅ内に配置されるので、コイル間でのインダクタンスを実質的に等しくすることができる。コイル間に均等に電流が流れることで、発熱量が低減し、回転電機の効率を向上させることができる。
（３）固定子巻線５ｂは、図３に示すように、複数の同時持ちコイルの数が３本、ターンの数が３回である。このように配置することにより、各スロット５ｅ内の有効面積を効率的に利用することができる。なお、同時持ちコイルの数およびターン数は、これらに限定されることはなく、少なくとも２本の同時持ちコイルで、少なくともターン数を２回とすることができる。
（４）固定子巻線５ｅは、上述したように、波巻方式で巻回されている。しかし、これには限定されず、例えば重ね巻き方式を採用してもよい。すなわち、図３に示すような配置で固定子巻線５ｅが各スロット５ｅ内に挿入されれば、どのような巻線方式を採用してもよい。
（５）回転電機の製造方法においては、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、複数の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈを複数ターン巻いて多角形状コイルを作成し、１ターンを構成する複数の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが固定子５の周方向に並べて配置されるとともに、１ターンを構成する複数の同時持ちコイル５ｆ、５ｇ、５ｈが固定子５の径方向に複数ターン分、並べて配置されるように、多角形状コイルを複数のスロット５ｅに挿入することによって、固定子巻線５ｂを固定子鉄心５ａに装着する。これにより、図３に示すような配置を実現することができ、コイル間でのインダクタンスを実質的に等しくして発熱量の低減、回転電機の効率向上を図ることができる。
【００３５】
以上説明した一実施の形態においては、固定子巻線５ｂとして丸線を用いる例を示したが、これには限定されず、例えば、平角線を用いてもよい。また、固定子鉄心５ａに形成されるスロット５ｅの数を４８個とする例を説明したが、これには限定されず、例えば、スロット数を３６個としてもよい。この場合、回転電機を三相交流機とすると、図８に示した八角形状のコイルの代わりに、六角形状のコイルを作成する。スロット５ｅの数を変更しても、固定子巻線５ｂの各スロット５ｅへの挿入方法は、上述したとおりである。
【００３６】
また、固定子巻線５ｂが巻き回された固定子鉄心（固定子コア）５ａを有する筒状の固定子５に対向して回転子２を回転可能に配設できれば、固定子５と回転子２の構成は、上述したものに限定されない。回転子２の回転軸を水平方向以外に延設するようにしてもよい。回転子２はクローポール型以外、例えば、永久磁石埋め込み式、あるいは積層した磁性鋼板にコイルを巻いたものとしてもよい。回転電機のケース部材を構成する一対のブラケット１４，１５により固定子５を回転軸方向の両側から支持するようにしたが、ケース部材の構成はこれには限定されない。ブラケット１４，１５に貫通穴を設けて空冷式で固定子巻線５ｂを冷却したり、ブラケット１４，１５を全閉として水冷式で冷却を行うように構成してもよい。
【００３７】
以上説明した一実施の形態においては、回転電機を三相式として説明したが、単相式やニ相式としてもよい。また、車両用回転回転電機を、モータまたは発電機として駆動するモータジェネレータとして説明したが、これには限定されず、エンジン始動モータあるいは、交流発電機として構成してもよい。
【００３８】
以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３９】
２：回転子
５：固定子
５ａ：固定子鉄心
５ｂ：固定子巻線
５ｅ：スロット
５ｆ、５ｇ、５ｈ:同時持ちコイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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