(57)【要約】【課題】  生産性に優れ、コイルエンド部を小型化した回転電機を提供する。【解決手段】  内周面に向かって開口する複数のスロットが放射状に形成された固定子鉄心と、固定子鉄心の内周側に隙間を介して回転可能に支持された回転子とを有し、複数のスロットに絶縁体を介して固定子巻線が巻回された回転電機において、固定子巻線は、断面矩形の導線が折り曲げ部を有する六角形状に巻回された環状コイルにより構成され、環状コイルは、複数のスロットに装着される２つのスロット挿入部を有し、一方のスロット挿入部はスロットの内周側に配置され、他方のスロット挿入部はスロットの外周側に配置され、環状コイルの折り曲げ部の近傍に、凹形状が形成されるように構成する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に向かって開口する複数のスロットが放射状に形成された固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の内周側に隙間を介して回転可能に支持された回転子とを有し、
前記複数のスロットに絶縁体を介して固定子巻線が巻回された回転電機において、
前記固定子巻線は、断面矩形の導線が折り曲げ部を有する六角形状に巻回された環状コイルにより構成され、
前記環状コイルは、前記複数のスロットに装着される２つのスロット挿入部を有し、一方のスロット挿入部はスロットの内周側に配置され、他方のスロット挿入部はスロットの外周側に配置され、
前記環状コイルの前記折り曲げ部の近傍に、凹形状が形成された回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記環状コイルが、渡り線を介して複数個連続的に形成された回転電機。
【請求項３】
請求項１記載の回転電機において、
前記固定子巻線の口出し線の一方がスロットの中央部に配置され、もう一方がスロットの最外周側又は最内周側に配置された回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低燃費化やＣＯ2排出削減のため効率を重視した車両開発が進められている。車両用の回転電機に対しても、高出力化、高効率化、低価格化が要求されている。これらの要求に対し、固定子を改善することは特に大きな効果が見込まれる。
【０００３】
発電機やモータに用いられる固定子は、一般的に、周方向に複数のスロットが内周面に開口した固定子鉄心と、夫々のスロットに挿入され、各スロット間のティース部に巻回された複数の固定子巻線によって構成される。
【０００４】
固定子の製造時、固定子巻線は固定子鉄心のスロット開口部から挿入される。スロット開口部は幅が狭いため、固定子巻線の挿入作業が煩雑となる。さらに、コイルエンド部でコイルが干渉するため、固定子巻線の占積率を上げることが困難である。
【０００５】
これらの問題に対して、例えば特許文献１では、平板上の固定子鉄心に固定子巻線を装着し、固定子鉄心の両端部をスロット開口部が内周側に配置されるように円環状に成形することで固定子を構築し、占積率向上を図る交流発電機が提案されている。また、特許文献２では、断面が略四角形の平角線を重ね巻きにより連続的に巻線し、固定子巻線の占積率の向上を図ったものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３３１０９６７号
【特許文献２】特開２００８−１６７５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載のものは、固定子鉄心に装着して円環状に成形されるため、コイルの素線の被膜へのダメージを考慮する必要がある。また、素線として平角線を用いる場合は平角線の方向を考慮する必要がある。このため、高い成形技術を必要とし、特に高電圧で使用される回転電機では品質面及び生産性の面で課題がある。
【０００８】
また、特許文献２に記載のものは、連続巻線におけるコイルエンド部の形状が重要であり、コイルエンドの傾斜部は、同じ長さで巻線され成形される。このため、コイル挿入時、又はコイル成形時に、スロットピッチに合わせ円弧上に広げられる。この時、コイルエンド部においてコイルエンド内周側と外周側との寸法差により、コイルにストレスが発生するおそれがある。また、コイルエンドの頂点であるコイルターン部にこの寸法差が集積され、コイルエンド頂点部において、軸方向の整列性が悪く、コイル間の隙間も大きくなり、結果的にコイルエンドが高くなってしまう課題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、生産性に優れ、コイルエンド部を小型化した回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、内周面に向かって開口する複数のスロットが放射状に形成された固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内周側に隙間を介して回転可能に支持された回転子とを有し、前記複数のスロットに絶縁体を介して固定子巻線が巻回された回転電機において、前記固定子巻線は、断面矩形の導線が折り曲げ部を有する六角形状に巻回された環状コイルにより構成され、前記環状コイルは、前記複数のスロットに装着される２つのスロット挿入部を有し、一方のスロット挿入部はスロットの内周側に配置され、他方のスロット挿入部はスロットの外周側に配置され、前記環状コイルの前記折り曲げ部の近傍に、凹形状が形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、生産性に優れ、コイルエンド部を小型化した回転電機を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】回転電機の全体構成を示す断面図。
【図２】固定子のリヤ側からの斜視図。
【図３】固定子の回路図。
【図４】Ｕ１相Ａコイルの固定子巻線の斜視図。
【図５】環状コイルの斜視図。
【図６】図５の環状コイルの凹形状詳細図。
【図７】図６の環状コイルを広げた図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて実施例を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施例による回転電機の全体構成を示す断面図である。ここでは、回転電機の例として車両用交流発電機２３を用いる。なお、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）を指す。
【００１５】
回転電機である車両用交流発電機２３は、回転子４と、固定子５とを備えている。回転子４は、シャフト２の中心部に界磁巻線１３を備え、その両側に磁性材料にて成形されたフロント側爪形磁極１１とリヤ側爪形磁極１２からなる回転子鉄心が界磁巻線１３を覆うように両側から挟むように配置される。フロント側爪形磁極１１とリヤ側爪形磁極１２とは、爪部が互いに対向し、かつ、一方の爪形磁極が他方の爪形磁極に噛み合うように配置される。回転子４は、固定子５の内周側に、僅かなギャップを介して対向するように配置される。回転子４は、フロントベアリング３及びリヤベアリング１０の内輪にシャフト２が挿通され、回転自在に支持される。
【００１６】
固定子５は、固定子鉄心６と固定子巻線７から構成される。固定子鉄心６は、環状に形成された薄板鋼板が複数枚積層され、内周側には突出した歯部（ティース）とからなり、各歯部の間にスロットが形成される。各々のスロットに各相の固定子巻線７が複数のティースを跨いで夫々のスロットに挿入され装着される。固定子５の両端は、フロントブラケット１８とリヤブラケット１９によって保持される。
【００１７】
シャフト２の一方の端部には、プーリ１が取り付けられる。シャフト２の他方の端部には、スリップリング１４が設けられ、ブラシ１５と接触し界磁巻線１３に電力を供給している。更に、回転子４のフロント側爪形磁極１１とリヤ側爪磁極１２の両端面には、外周側に複数の羽根を有する冷却ファンであるフロントファン１６とリヤファン１７が設けられ、回転することによる遠心力によって、破線で示すように、外部からの空気を導入し、内部を冷却した空気を外部に排出するように、冷却風ＣＷを流通させるようになっている。この冷却風ＣＷにより、固定子巻線７が冷却される。
【００１８】
固定子巻線７は、本実施例では２組の３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２０に接続される。整流回路２０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、カソード端子はダイオード接続端子２１に接続される。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る。リヤカバー２２は整流回路２０の保護カバーの役割を果たしている。
【００１９】
次に、発電動作について説明する。
【００２０】
まず、エンジンの始動に伴ってクランクシャフトからベルトを介してプーリ１に回転が伝達されるため、シャフト２を介して回転子４を回転させる。ここで、回転子４に設けられた界磁巻線１３にスリップリング１４を介してブラシ１５から直流電流を供給すると界磁巻線１３の内外周を周回する磁束が生じるため、回転子４におけるフロント側爪形磁極１１とリヤ側爪形磁極１２にＮ極、又は、Ｓ極が周方向に交互に形成される。この界磁巻線１３による磁束は、フロント側爪形磁極１１のＮ極から固定子鉄心６をとおって固定子巻線７の周りを周回し、回転子４のリヤ側爪形磁極１２のＳ極に到達することで回転子４と固定子５を周回する磁気回路が形成される。このように回転子にて生じた磁束が固定子巻線７と鎖交するため、Ｕ１相、Ｕ２相、Ｖ１相、Ｖ２相、Ｗ１相、Ｗ２相の固定子巻線７のそれぞれに交流誘起電圧が発生し、全体としては６相分の交流誘起電圧が生じる。
【００２１】
このように発電された交流電圧は、ダイオード等の整流素子で構成された整流回路２０によって、全波整流されて直流電圧に変換される。整流された直流電圧が一定電圧になるように、ＩＣレギュレータ（図示せず）で界磁巻線１３に供給する電流が制御される。
【００２２】
次に，図２から図７を用いて、本実施例による回転電機に用いる固定子の構成について説明する。
【００２３】
図２は、固定子５のリヤ側からの斜視図である。固定子５は、内周面の周方向に複数のスロットを有する環状の固定子鉄心６と、その各々のスロットの内周面に装着されたＵ字状の絶縁紙８を介して、各相の固定子巻線７を装着し、固定子巻線７をスロット内に保持するためスロット最内周側にスロット楔９を有する。本実施例では、スロット数は７２である。
【００２４】
固定子鉄心６のスロットから軸方向にはみ出た部分は、２つのスロット間を口出し線側のコイルエンド７２−ａ、反口出し線側のコイルエンド７２−ｂである。また、図示のように、２４本の口出し線７１が取り出される。口出し線７１の数が２４本であるので、コイルの数は１２個である。
【００２５】
ここで、固定子巻線の各周回コイルの間には、所定の空隙（１ｍｍ以上）を設ける。これは、回転電機がモータである場合、印加される電圧が３００Ｖや６００Ｖのように高圧であり、空隙により相間の絶縁を確保するためである。
【００２６】
一方、本実施例のような車両用交流発電機の場合、その出力電圧は一般的に１４Ｖ〜２８Ｖと低電圧であり、線間の耐圧はそれほど要求されない。そのため、固定子巻線の各周回コイルの間の空隙には、絶縁材（絶縁ワニス）を介在させる。
【００２７】
図３は、固定子巻線の回路図（結線図）である。本実施例での構成は、固定子巻線は三角形状に結線されたデルタ結線の構成で、第１巻線７−１と第２巻線７−２との２種類のコイルを並列に結線し構成される。第１巻線７−１は整流器２０−１に接続され、第２巻線７−２は整流器２０−２に接続される。
【００２８】
デルタ結線された第１巻線７−１は、６個のコイル（２個の並列接続されたＵ相コイル７Ｕ１−Ａ，７Ｕ１−Ｂと、２個の並列接続されたＶ相コイル７Ｖ１−Ａ，７Ｖ１−Ｂと、２個の並列接続されたＷ相コイル７Ｗ１−Ａ，７Ｗ１−Ｂ）から構成される。第２巻線７−２も、同様に６個のコイルがデルタ結線される。
【００２９】
なお、以上の巻線はデルタ結線されるが、直列接続及びスター結線（Ｙ結線）で構成しても回転電機として成立する。
【００３０】
図４は、固定子鉄心６に装着された１個のコイル（例としてＵ相コイル７Ｕ１−Ａ）の斜視図である。環状コイル７６のターン数は、例えば５ターン（５Ｔ）である。６つの環状コイル７６と、各環状コイル７６の間を接続する５つの渡り線７３と、両端に位置する環状コイル７６を外部に接続する２つの口出し線７１とからなる。
【００３１】
第１巻線７−１のＵ相はＵ相コイル７Ｕ１−ＡとＵ相コイル７Ｕ１−Ｂとで構成される。Ｕ相コイル７Ｕ１−Ａ、Ｕ相コイル７Ｕ１−Ｂともに渡り線７３が口出し線７１側に配置される構成、すなわち渡り線の配置が口出し線側に集約される構成である。
【００３２】
以上の説明では第１巻線７−１のＵ相コイルを例に挙げたが、第１巻線７−１、第２巻線７−２の各コイルについて上記の構成は共通する。１２個すべてのコイルを固定子鉄心６に装着すると図２の状態となる。
【００３３】
図５は、一つの環状コイル７６の形態を示す斜視図である。環状コイル７６は、略六角形（亀甲形）であり、口出し線７１と、固定子鉄心の軸方向に飛び出したコイルエンド部７４−ａ，７４−ｂと、固定子鉄心のスロット部に装着されるスロット挿入部７５−ａ，７５−ｂと、環状コイル間を繋ぐ渡り線７３により構成される。コイルエンド部７４−ａ，７４−ｂには、コイルエンド部の三角形状の頂点でＵ字形状に折り返しされるコイルターン部７４ｃｔ−ａ，７４ｃｔ−ｂがある。
【００３４】
従来では、特許文献２に示されるようにフラットワイズ方向に導線を巻回し、スライドもしくは回転方向に捻りながら成形することで、亀甲形状のコイルが形成されていた。また、固定子鉄心６のスロット部への挿入時に捻りながら亀甲形状状態で装着されていた。
コイルエンドの傾斜部は、同じ長さで巻線され成形される。このため、コイル挿入時、又はコイル成形時に、スロットピッチに合わせ円弧上に広げられる。この時、コイルエンド部においてコイルエンド内周側と外周側との寸法差により、コイルにストレスが発生するおそれがある。また、コイルエンドの頂点であるコイルターン部にこの寸法差が集積され、コイルエンド頂点部において、軸方向の整列性が悪く、コイル間の隙間も大きくなり、結果的にコイルエンドが高くなってしまう課題があった。
【００３５】
その対策として、コイルエンド頂点を拘束又は成形することで、整列性及びコイルエンドの高さを抑えることができるが、コイルエンド部のコイルにストレスが掛かることで、コイルの被膜へのダメージが増加し、亀裂、又はコイルの断面積が少となり品質問題が発生する場合があった。
【００３６】
そこで、本実施例では、環状コイル７６の折り曲げ部近傍へ大きさの異なる凹形状７８を形成する。これにより、固定子スロット内周側から環状コイルを径方向へ広げながら該固定子スロット外周方向へ環状コイルを挿入する際、環状コイルが３次元的に変形する。すなわち、環状コイル７６の剛体状態での径方向、軸方向への柔軟性を得ることができる。このため、環状コイル７６の固定子鉄心への挿入性が向上し、コイルエンド部の高さを最小限に抑えることができる。
【００３７】
図６は環状コイルの凹形状７７を示す詳細形状図である。環状コイル７６の固定子鉄心のスロット部に装着されるスロット挿入部７５−ａ，７５−ｂの近傍に、凹形状７７を形成する。この凹形状７７により、環状コイルを径方向へ広げたとき、コイルターン部７４ｃｔ−ａ、７４ｃｔ−ｂが斜めになるような３次元的形状が形成され、コイルエンド部の高さを最小限に抑えられる。
【００３８】
図７は図６の環状コイル７６を径方向に広げたときの形状を示す図である。図７中の矢印ＲＤは径方向を示している。環状コイル７６を広げると、凹形状７７が潰れる。これにより、環状コイル７６の変形時にコイルエンド部に掛かるストレス（コイルエンド部に生じる歪み）を吸収し、コイルの被膜へのダメージを低減することができる。また、コイルエンド頂点部の軸方向の整列性を維持できるため、コイルエンドの高さを抑えることができる。図７のＬ２は環状コイル７６の軸方向の長さ（高さ）を示している。Ｌ２は、変形前（図６）の軸方向の長さＬ１よりも小さい。
【００３９】
以上説明したように、本発明によれば、環状コイルの挿入性及び、コイルエンド部の高さを最小限に抑えることができ、高品質で、高出力・高効率の回転電機が提供できる。
【００４０】
上述の実施例は、固定子鉄心６のスロット内周側から固定子巻線７を装着する方式であった。しかし、特許文献１に示されるような展開コア方式（平板状の固定子鉄心に矩形導線で形成された固定子巻線を装着状態で展開コアの丸め成形する方式）にも、本発明のコイル形態を適用することができる。この場合も固定子鉄心の丸め成形によるコイルエンド部へのストレスを抑えられ、更に丸め成形に必要な力も軽減でき、生産性が高く高品質な固定子を提供できる。
【００４１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００４２】
例えば、実施例の固定子巻線は、渡り線を介して６個の環状コイルが連続する構成であった。しかし、単一の環状コイルを配置し、各環状コイルの口出し線を溶接等で接合、又はバスバー等で各口出し線を接続し、Δ結線（デルタ結線）またはＹ結線（スター結線）を構成しても同様の効果が得られる。
【００４３】
また、実施例の固定子巻線は、巻回ピッチが５／６（電気角１５０°）であった。しかし、巻回ピッチが４／６（電気角１２０°）、又は６／６（電気角１８０°）であっても本発明は適用可能であり、実施例で説明したものと同様の効果が得られる。
【００４４】
また、実施例の固定子は、２組の３相巻線を有していた。しかし、３相、５相、７相等の多相の巻線であっても本発明は適用可能であり、実施例で説明したものと同様の効果が得られる。
【００４５】
また、実施例では回転電機の一例として車両用交流発電機について説明を行ったが、回転力を出力するモータや、発電と駆動を兼ねたモータジェネレータ等にも適用することができる。特にモータとしては、ハイブリット自動車や電動四輪駆動車の駆動用モータ，ポンプを駆動するためのモータ等への固定子として適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１        プーリ
２        シャフト
３        フロントベアリング
４        回転子
５        固定子
６        固定子鉄心
７        固定子巻線
８        絶縁紙
９        スロット楔
１０      リヤベアリング
１１      フロント側爪磁極
１２      リヤ側爪磁極
１３      界磁巻線
１４      スリップリング
１５      ブラシ
１６      フロントファン
１７      リヤファン
１８      フロントブラケット
１９      リヤブラケット
２０      整流回路
２１      ダイオード接続端子
２２      リヤカバー
２３      車両用交流発電機
７１      口出し線
７３      渡り線
７４−ａ  コイルエンド部（口出し線側）
７４−ｂ  コイルエンド部（反口出し線側）
７５−ａ  スロット挿入部（スロットの固定子鉄心内周側に挿入）
７５−ｂ  スロット挿入部（スロットの固定子鉄心外周側に挿入）
７６      環状コイル
７７      凹形状
【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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