(57)【要約】【課題】ステータ巻線において、内周側と外周側との２層の渦状コイルを複数奇数列に並んで設ける構成で、コイルエンド高さを偶数列配置の場合と同程度に維持しつつ両端部を外周層から導出可能とすることである。【解決手段】ステータ巻線は平角線により形成され、ステータコアのティースに集中巻きされ、内周層と外周層との二層構造から成る複数列の渦状コイルから成り、ステータ巻線の巻始めは外周層であり、渦状コイルの奇数列から偶数列への渡りは内周層同士で行われ、偶数列から奇数列への渡りは外周層同士で行われるが、渦状コイルが奇数列の場合、最終列よりひとつ前列（２ｋ列）の内周層は最終列（２ｋ＋１列）の内周層に渡り接続され、この最終列（２ｋ＋１列）の内周層の末端は前列（２ｋ列）の外周層に戻って渡り接続され、この前列（２ｋ列）の外周層は最終列（２ｋ＋１列）の外周層に渡り接続される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平角線により形成され、ステータコアのティースに集中巻きされるステータ巻線であって、
内周層と外周層との二層構造から成る複数列の渦状コイルから成り、
ステータ巻線の巻始めは外周層であり、
渦状コイルの奇数列から偶数列への渡りは内周層同士で行われ、また、偶数列から奇数列への渡りは外周層同士で行われるが、
渦状コイルが奇数列の場合、ｋを自然数として、
最終列（２ｋ＋１列）よりひとつ前列（２ｋ列）の内周層は最終列（２ｋ＋１列）の内周層に渡り接続され、この最終列（２ｋ＋１列）の内周層の末端は前列（２ｋ列）の外周層に戻って渡り接続され、この前列（２ｋ列）の外周層は最終列（２ｋ＋１列）の外周層に渡り接続され、
ステータ巻線の巻始め端部及び巻終り端部はいずれも渦状コイルの外周層から引き出されることを特徴とするステータ巻線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平角線により形成され、ステータコアのティースに集中巻きされるステータ巻線に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機を構成するステータとして、内周面から複数のティースを径方向に突出させたステータコアと、各ティースに集中巻きで巻回されたステータ巻線とを含む構成が知られている。また、このステータ巻線を複数層で複数列に巻回して、いわゆる整列巻きとする構造も知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ステータコアの円周方向に間隔をおいて設けられた複数のティースのそれぞれに平角線を複数列かつ複数層に集中巻きで巻回して成るステータ巻線が記載されている。このステータ巻線では、ステータコアの径方向に沿った複数列の各列ごとに、平角線が複数層をなして巻回された渦状コイルを含んでいる。ステータの径方向で隣り合う渦状コイル同士は、内周側端部同士または外周側端部同士で接続されている。
【０００４】
特許文献２には、特許文献１に記載のステータ巻線と同様の構成で、ステータ巻線が隣り合うティース間のスロットに挿入される挿入部の層数に対し、片側のコイルエンド部の層数を多くすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１０２４７７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／００１７３６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
集中巻きのステータ巻線を複数層で複数列に巻回形成する場合に、隣り合う渦状コイル同士を、内周側端部同士または外周側端部同士で接続すれば巻線長を短くできる。一方、複数層を２層とし、複数列の総列数を奇数とすると、巻始めを第１列の外周層とした場合に、巻終りが内周層となってしまう。ステータ巻線の巻始め側端部と巻終り側端部とは、ステータ巻線のコイルエンドの外側に導出させて、バスバー等の別の導体に接続する必要がある。一方、上記のように巻終り側端部が最終列の内周層となると、内周層から曲げ部で曲げ形成しロータ側に向かって伸ばした後、コイルエンド側に向かって別の曲げ部で曲げ形成する必要がある。このため、ステータ巻線のロータ側端部のロータ側への飛び出しが大きくなり、ロータとの干渉を避ける面から改良の余地がある。
【０００７】
また、一部の列の渦状コイルの層数を他の列の総数よりも多くすることで、総列数が奇数でも最終列の外周層からロータ側端部を導出させることが考えられる。ただし、この場合には、ステータ巻線の両側のコイルエンドのコイルエンド高さが、総列数が偶数である偶数列配置の場合よりも大きくなる原因となる。また、ステータの隣り合うティース間に形成されるスロット内でのステータ巻線の占積率が悪化する原因ともなる。
【０００８】
本発明の目的は、ステータ巻線において、内周層と外周層との２層の渦状コイルを複数奇数列に並んで設ける構成で、コイルエンド高さを偶数列配置の場合と同程度に維持し、かつ、スロット内での占積率の悪化を防止しつつ、ステータ巻線の両端部を外周層から導出可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るステータ巻線は、平角線により形成され、ステータコアのティースに集中巻きされるステータ巻線であって、内周層と外周層との二層構造から成る複数列の渦状コイルから成り、ステータ巻線の巻始めは外周層であり、渦状コイルの奇数列から偶数列への渡りは内周層同士で行われ、また、偶数列から奇数列への渡りは外周層同士で行われるが、渦状コイルが奇数列の場合、ｋを自然数として、最終列（２ｋ＋１列）よりひとつ前列（２ｋ列）の内周層は最終列（２ｋ＋１列）の内周層に渡り接続され、この最終列（２ｋ＋１列）の内周層の末端は前列（２ｋ列）の外周層に戻って渡り接続され、この前列（２ｋ列）の外周層は最終列（２ｋ＋１列）の外周層に渡り接続され、ステータ巻線の巻始め端部及び巻終り端部はいずれも渦状コイルの外周層から引き出されることを特徴とするステータ巻線である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るステータ巻線によれば、内周層と外周層との２層の渦状コイルを複数奇数列に並んで設ける構成で、渦状コイルの奇数列から偶数列への渡りは内周層同士で行われ、また、偶数列から奇数列への渡りは外周層同士で行われるが、渦状コイルが奇数列の場合、最終列（２ｋ＋１列）よりひとつ前列（２ｋ列）の内周層は最終列（２ｋ＋１列）の内周層に渡り接続され、この最終列（２ｋ＋１列）の内周層の末端は前列（２ｋ列）の外周層に戻って渡り接続され、この前列（２ｋ列）の外周層は最終列（２ｋ＋１列）の外周層に渡り接続される。このため、ステータ巻線の両端部をいずれも外周層から導出可能となる。また、偶数列配置の場合に比べて一部の列の層数を増やす必要がないので、コイルエンド高さを偶数列配置の場合と同程度に維持できるとともに、スロット内での占積率の悪化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態であるステータ巻線を含むステータ全体を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態であるステータ巻線の斜視図である。
【図３】図２に示したステータ巻線の正面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の実施形態であるステータ巻線をティースに巻回した状態を示す模式図である。
【図７】比較例のステータ巻線をティースに巻回した状態を示す図６に対応する図である。
【図８】図７の比較例のステータ巻線を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下において、図１から図６を用いて本発明の実施形態を説明する。まず本実施形態のステータ巻線を使用して構成されるステータについて説明する。図１は、本実施の形態のステータ巻線を含むステータを示す概略断面図である。ステータ１０は、略円筒状に形成された磁性材製のステータコア１２と、複数のステータ巻線１４とを含む。ステータコア１２は、積層鋼板型、分割コア型または磁性粉末の圧粉成形型とすることができる。ステータコア１２の内周面から径方向に複数のティース１６が突出している。複数のティース１６はステータコア１２の内周面の円周方向に間隔を置いて設けられ、隣り合うティース１６同士の間にスロット１８が形成されている。
【００１３】
ステータ巻線１４は、ティース１６ごとに１つずつ集中巻きで巻回されている。ステータ巻線１４は複数相、例えば３相分が設けられ、同相のステータ巻線１４同士は、図示しないバスバー等の導体で直列に接続されている。３相のステータ巻線１４同士も中性点で接続されている。
【００１４】
ステータ１０の径方向内側には図示しないロータを配置することで、モータまたは発電機として使用される回転電機を構成する。
【００１５】
次に図２から図６を用いてステータ１０に使用する奇数列の渦状コイル、開示した実施形態では２層５列のステータ巻線１４を詳しく説明する。図２は、本実施形態のステータ巻線の斜視図である。図３は、図２に示したステータ巻線の正面図である。図２、図３に示すように、ステータ巻線１４は、断面矩形の導体素線に絶縁層が被覆されて成る導体線である平角線を内周層と外周層との２層に巻回した渦状コイルを５列の奇数列に巻回することで形成されている。
【００１６】
すなわち、ステータ巻線１４は、ステータコア１２の径方向に並んで設けられた５列の渦状コイルＵ１、Ｕ２・・・Ｕ５を備える。各渦状コイルＵ１、Ｕ２・・・Ｕ５は、内周層と外周層との２層に１巻きずつのターン部Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０を含んでいる。各渦状コイルはターン部Ｔ８等の内周層の外側にターン部Ｔ１０等の外周層が設けられている。
【００１７】
図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。図４、図５に示すように、ステータ１０の径方向に並んで設けられる複数列の渦状コイルＵ１、Ｕ２・・・Ｕ５は、総列数を奇数の５としている。なお、図２から図５では、Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０によりターン部を示しており、外周から巻始めの１ターン目がＴ１でこのターン部Ｔ１が２ターン目のターン部Ｔ２として内周に巻回され、以下、同様にターン部Ｔ１０まで巻回されている。そして図２に示すように巻始めのターン部Ｔ１に巻始め側端部ＰＳが形成され、巻終りのターン部Ｔ１０に巻終り側端部ＰＧが形成されている。両方の端部ＰＳ，ＰＧは、ステータ巻線１４から外側に導出される。このようなステータ巻線１４は、図示しない巻回機構でエッヂワイズ曲げ加工またはフラットワイズ曲げ加工することにより形成される。
【００１８】
ステータ巻線１４はステータコア１２のティース１６(図１)に図示しないインシュレータを介して嵌合させることでティース１６の周囲に巻回配置される。なお、ステータ巻線１４は図示しない巻回機構を使用して、ステータコア１２のインシュレータが設けられたティース１６に直接巻き付けることもできる。
【００１９】
図６は、本実施形態のステータ巻線１４をティース１６に巻回した状態を示す模式図である。以下、図１から図５に示した要素と同一の要素には同一の符号を付して説明する。図６では、１つのティース１６に巻かれた１つのステータ巻線１４の断面を示している。ティース１６の周囲の四角の中にターン部を示す符号Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０を付している。Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０の順に巻始めから巻終りに向かって配置される。図６のターン部Ｔ１に向かう矢印及びターン部Ｔ１０から出る矢印は、それぞれ巻始め側端部ＰＳ、巻終り側端部ＰＧを示している。図６では巻始め側端部ＰＳ、巻終り側端部ＰＧを２つずつ示しているが、実際にはそれぞれ一方のみを使って巻始め側端部ＰＳ(または巻終り側端部ＰＧ)とする。それぞれ２層のターン部からなる渦状コイルＵ１、Ｕ２・・・Ｕ５はステータ径方向に奇数列である５列が並んで設けられている。
【００２０】
図６でターン部Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０同士の間に示した矢印は、巻始めから巻終りに向かって順にターン部が接続されることを示している。すなわち、渦状コイルの奇数列Ｕ１（またはＵ３）から偶数列Ｕ２（またはＵ４）への渡り接続は、内周層同士で接続されている。また、偶数列Ｕ２（またはＵ４）から奇数列Ｕ３（またはＵ５）への渡り接続は、外周層同士で接続されている。この渡り接続は本発明の前提となるステータ巻線における基本の渡りルールである。
【００２１】
しかし、最終列(一般的に表現すると２ｋ＋１列)よりひとつ前列（２ｋ列）である４列目の渦状コイルＵ４の内周層は、上記基本ルールに従うことなく、同列の外周層に巻回されずに、最終列（２ｋ＋１列)である５列目の渦状コイルＵ５の内周層に渡り接続されている。また、この最終列（２ｋ＋１列)の渦状コイルＵ５の内周層の末端は、前列（２ｋ）である４列目の渦状コイルＵ４の外周層に戻って渡り接続されている。これも前述した基本の渡りルールと異なる。更に、この前列（２ｋ列）の外周層は最終列（２ｋ＋１列）である渦状コイルＵ５の外周層に渡り接続されている。そして、この渡り基本ルールから外れた本発明の渡り接続によって、巻始め側端部ＰＳと巻終り側端部ＰＧとの両端部をいずれも外周層から導出可能とすることができる。
【００２２】
次に、ステータ巻線１４の巻回手順を図２から図５を使用して詳しく説明する。図２、図４、図５に示すように、巻始め側端部ＰＳが設けられる１ターン目のターン部Ｔ１は、１列目の渦状コイルＵ１の外周層で巻かれて、その後渦状コイルＵ１の内周層の２ターン目のターン部Ｔ２がターン部Ｔ１の内周に沿って巻かれる。この場合、１ターン目のターン部Ｔ１は、図４にＴ１→Ｔ２で示す部分で、２ターン目のターン部Ｔ２に移行する。以下、Ｔ２→Ｔ３、Ｔ３→Ｔ４・・・は同様の意味である。また、図２、図３でステータ巻線１４の内部に示した矢印は巻始めから巻き終りに向かう方向を示している。
【００２３】
２ターン目のターン部Ｔ２は巻終りで３ターン目のターン部Ｔ３の巻始めに、図４にＴ２→Ｔ３で示される渡りで接続される。この場合、１列目の渦状コイルＵ１と、２列目の渦状コイルＵ２とが内周層同士で接続され、１回目の渡りが形成される。
【００２４】
３ターン目のターン部Ｔ３が内周層で巻かれた後、４ターン目のターン部Ｔ４がターン部Ｔ３の外周に沿って外周層で巻かれて２列目の渦状コイルＵ２が形成される。
【００２５】
４ターン目のターン部Ｔ４は巻終りで５ターン目のターン部Ｔ５の巻始めに、図４にＴ４→Ｔ５で示される渡りで接続される。この場合、２列目の渦状コイルＵ２と、３列目の渦状コイルＵ３とが外周層同士で接続され、２回目の渡りが形成される。以上のように、本発明に係るステータ巻線では、渦状コイルの奇数列から偶数列への渡りは内周層同士で行われ、また、偶数列から奇数列への渡りは外周層同士で行われる。
【００２６】
そして以下同様に巻回と渡りが繰り返される。図４に示すように、各ターン部Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０の移行部、すなわち渡りは各渦状コイルの共通のコイルエンドの部分で行われスロット１８内でのステータ巻線１４の占積率を悪化させることなく、各ターン部Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０の長さを確保できる。
【００２７】
また、最終列のひとつ前列(２ｋ列)である、図示の例では４列目の渦状コイルＵ４と、最終列（２ｋ＋１列）である、図示の例では５列目の渦状コイルＵ５とは、次のように巻回される。
【００２８】
先ず、４列目の渦状コイルＵ４の内周層のターン部Ｔ７は渦状コイルＵ４の外周層のターン部が接続されずに、最終列（２ｋ＋１列）である５列目の渦状コイルＵ５の内周層に接続され、渡りが形成される。図示の例では、４列目の渦状コイルＵ４の内周層のターン部Ｔ７が、５列目の渦状コイルＵ５の内周層のターン部Ｔ８に、図２、図４にＴ７→Ｔ８で示す部分で接続される。
【００２９】
次に、ターン部Ｔ８が５列目の内周層で巻回された後、このターン部Ｔ８が、４列目の渦状コイルＵ４の外周層のターン部Ｔ９にＴ８→Ｔ９で示す部分で接続され、渡りが形成される。そして４列目の内周層のターン部Ｔ７の外周に沿って外周層のターン部Ｔ９が巻回され、４列目の渦状コイルＵ４が形成される。
【００３０】
最後にターン部Ｔ９が４列目の外周層で巻回された後、このターン部Ｔ９が、５列目の渦状コイルＵ５の外周層のターン部Ｔ１０にＴ９→Ｔ１０で示す部分で接続され、渡りが形成される。そして５列目の内周層のターン部Ｔ８の外周に沿って外周層のターン部Ｔ１０が巻回され、５列目の渦状コイルＵ５が形成される。このターン部Ｔ１０の端部である巻終り側端部ＰＧが１つのコイルエンドの外側に導出される。
【００３１】
このような構成によれば、最終列のひとつ前の偶数列(図示の例ではＵ４)の内周層は同列に巻回されずに最終列の奇数列(図示の例ではＵ５)の内周層に接続され、この奇数列(図示の例ではＵ５)の内周層は、前列の偶数列(図示の例ではＵ４)の外周層に接続され、更にこの外周層が最終列の奇数列(図示の例ではＵ５)の外周層に接続される。このため、ステータ巻線１４が２層で奇数列である５列であるのにもかかわらず、ステータ巻線１４の巻始め及び巻終りの両端部をいずれも外周層から導出可能となる。この結果、ロータ側端部である巻終り側端部ＰＧのロータ側への飛び出しを防止でき、ロータとの干渉を有効に防止できる。
【００３２】
また、一部の列の層数を、総列数が偶数である偶数列配置の場合に比べて増やす必要がなく、ターン数の制約を受けない。このため、図３に示すコイルエンド高さＨ１、Ｈ２を偶数列配置の場合と同程度に維持できるとともに、スロット１８(図１)内でのステータ巻線１４の占積率の悪化を防止できる。例えば片側(図２から図４の下側)のコイルエンド高さＨ１を偶数列配置の場合と同じで２層分に維持できる。
【００３３】
また、本実施形態では、前述の基本ルールと異なり、図２、図４にＴ８→Ｔ９で示すように、５列目の内周層のターン部Ｔ８から４列目の外周層のターン部Ｔ９に渡り移行させるので図４の上側のコイルエンドで、４列目の内周層のターン部Ｔ７から５列目の内周層のターン部Ｔ８に移行させる部分（Ｔ７→Ｔ８部分）の外側を通過させている。このため、コイルエンドの４列目と５列目との間に渡り移行部の重なりが生じる。一方、図２から図５の例では、スロット１８内での占積率を悪化させることなく、各ターン部Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０の長さを確保することを目的として、各ターン部Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０の渡り移行部、すなわち接続部を他側(図２から図４の上側)のコイルエンドに集中して設けている。このような構成と異なり、２層を維持して、かつ各ターン部の長さを確保して、隣り合う列の渡り部が列の配置方向に重なり合わないようにするために、複数の渡り移行部をステータ巻線１４の周方向にずらすことが考えられる。しかし、この場合にはスロット１８内にも渡り移行部が配置され、スロット１８内での隙間が大きくなり占積率が悪化する。図２から図４に示したコイルエンドに渡り移行部を集中して設ける構成によれば、このような不都合は生じない。その代わりに、この構成では、他側のコイルエンド高さＨ２(図３)は、３層になるため１層分大きくなっている。上記のようにターン部Ｔ８からターン部Ｔ９に接続することで渡り移行部の重なりがコイルエンドに形成されるが、この渡り移行部の重なりは３層分の中に納まる。これによっては他側のコイルエンド高さＨ２は大きくならない。このため、この他側のコイルエンド高さＨ２も偶数列配置の場合と同じに維持できる。
【００３４】
また、ターン数の制約を受けないので、ターン数が多くなることによる出力不足、電流の増加等に対して調整を行う必要がなく、回転電機特性の悪化を防止できる。
【００３５】
本実施形態と異なり、ティース１６の根元側から先端側に向かって１層分ステータ径方向に巻回し、先端に達したところで折り返して２層目を巻回する比較例が考えられる。この比較例では、電位差が大きくなる巻始め側端部と巻終り側端部とが近づくので、安価な被膜で絶縁性を確保することが難しい。本実施形態では、巻始め側端部ＰＳと巻終り側端部ＰＧとを大きく離間させることができ、絶縁性を向上できる。
【００３６】
図７は、別の比較例のステータ巻線をティースに巻回した状態を示す、図６に対応する図である。図８は、図７の比較例のステータ巻線を示す斜視図である。図７の各ターン部Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔ１０を意味する四角内の符号及び矢印の意味は図６と同様である。図７に示す比較例では、単純に巻始めから巻終りに向かって、ステータの径方向で隣り合う渦状コイルＵ１、Ｕ２・・・Ｕ４同士を内周層同士で接続した後、次に径方向で隣り合う渦状コイルＵ２、Ｕ３・・・Ｕ５同士を外周層同士で接続し、これを繰り返している。この比較例では、５列目の渦状コイルＵ５の巻終りであるターン部Ｔ１０が内周層となるので、ティース１６の先端側からロータ側（図７の下側）に向かうように曲げ部で曲げ形成した後、コイルエンド側に向かって別の曲げ部で曲げ形成し、外側に導出させる必要がある。
【００３７】
図８に示すように、この比較例のステータ巻線１４では、ロータとの干渉を防止するために、巻終り側端部ＰＧを形成する工程で曲率半径が小さい曲げ加工を、図８のＶ１、Ｖ２の丸で囲んだ曲げ部で２回行う必要がある。このため、コイルエンドの体格及び巻線長が増大する原因となる。この曲げ時の曲率半径を過度に小さくすることは導体線の被膜を劣化させ、絶縁性能の低下につながるので、曲げることで形成される導体素線の内側及び外側の間の幅寸法に対して数倍の大きな曲率半径を確保することが望まれる。一方、この曲率半径を大きくすることは、コイルエンドの体格及び巻線長がさらに大きくなることにつながる。本実施形態によれば、曲げ加工を少なくできるのでこのような不都合は生じない。
【００３８】
なお、上記では総列数を５とした場合を説明したが、総列数は奇数であればよく、数を限定するものではない。例えば総列数を３，７，９等とすることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ステータ、１２  ステータコア、１４  ステータ巻線、１６  ティース、１８  スロット。
【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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