(57)【要約】【課題】スロットの巻線の占積率を向上させて、トルク密度を向上できる回転電機を提供する。【解決手段】スロット（２０）は、径方向内側と径方向外側とで二重に巻線コイル（３１、３２）を挿入可能に構成される。巻線コイル（３１、３２）は、スロット（２０）の径方向内側同士又は径方向外側同士を第１のスロット間隔で連結する第１の巻線コイル（３１）と、スロット（２０）の径方向内側と径方向外側とを第１のスロット間隔よりも小さい第２のスロット間隔で連結する第２の巻線コイル（３２）と、を備え、第２の巻線コイル（３２）は、第１の巻線コイル（３１）の、固定子鉄芯（１１）の軸方向の内側に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形状で径方向内側に開口する複数のスロットを有する固定子鉄芯と、前記スロットに挿入される巻線コイルと、を備える固定子と、
前記固定子の内周側で回転可能な回転子と、を備える回転電機であって、
前記スロットは、径方向内側と径方向外側とで二重に前記巻線コイルを挿入可能に構成され、
前記巻線コイルは、
前記スロットの径方向内側同士又は径方向外側同士を第１のスロット間隔で連結する第１の巻線コイルと、
前記スロットの径方向内側と径方向外側とを前記第１のスロット間隔よりも小さい第２のスロット間隔で連結する第２の巻線コイルと、
を備え、
前記第２の巻線コイルは、前記固定子鉄芯の軸方向で前記第１の巻線コイルの内側に配置されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記第２の巻線コイルは、三相交流のいずれか一つの相に対応して前記固定子に配置され、
前記第１の巻線コイルは、前記三相交流の他の二つの相に対応して、前記固定子に配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記回転子は、三極対の永久磁石を備え、
前記第１の巻線コイルは、径方向内側同士又は径方向外側同士で、隣り合う他の第１の巻線コイルとの間隔が２１６度毎に配置され、
前記径方向内側同士を連結する前記第１の巻線コイルと前記径方向外側同士を連結する前記第１の巻線コイルとの間隔が７２度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記回転子は、四極対の永久磁石を備え、
前記第１の巻線コイルは、径方向内側同士又は径方向外側同士で、隣り合う他の前記第１の巻線コイルとの間隔が２８８度毎に配置され、
前記径方向内側同士を連結する前記第１の巻線コイルと前記径方向外側同士を連結する前記第１の巻線コイルとの間隔が７２度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項５】
前記第１の巻線コイルは、径方向内側同士又は径方向外側同士で、隣り合う他の前記第１の巻線コイルとの間隔が、電気角を１つ隔てた位置に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、分布巻きの巻線構造を有する回転電機（電動機又は発電機）に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定子のスロットに、予め巻き回されて形成された巻線コイル（フォームドコイル）を、異なる相を隣り合わせにして順次挿入することにより形成される、いわゆる分布巻き固定子を有する回転電機が従来知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許４２３４７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献に記載の従来の分布巻き固定子は、巻線コイルが内周側から外周側へと、スロットを同じ間隔だけ跨いで挿入される。このとき、巻線コイルの両端部のうち、奥側（外周側）を先にスロットに挿入し後、他の相のコイルと重ね、スロット内部でこの奥側の巻線を軸として巻線コイルを回転させながら、スロットに挿入していた。
【０００５】
このような構造のため、スロットの溝に対して、巻線コイルが回転する余裕分を設ける必要があり、巻線の太さや巻き数が制限されることから、巻線に流れる電流に制限が生じ、結果として回転電機のトルク密度を大きくできないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、分布巻きの巻線構造を有する回転電機において、スロットの巻線の占積率を向上させて、トルク密度を向上できる回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、筒形状で径方向内側に開口する複数のスロットを有する固定子鉄芯と、スロットに挿入される巻線コイルと、を備える固定子と、固定子に対して回転可能な回転子と、を備える回転電機に適用される。
【０００８】
この回転電機において、スロットは、径方向内側と径方向外側とで二重に巻線コイルを挿入可能に構成される。巻線コイルは、スロットの径方向内側同士又は径方向外側同士を第１のスロット間隔で連結する第１の巻線コイルと、スロットの径方向内側と径方向外側とを第１のスロット間隔よりも小さい第２のスロット間隔で連結する第２の巻線コイルと、を備え、第２の巻線コイルは、第１の巻線コイルの、固定子鉄芯の軸方向の内側に配置される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、固定子鉄芯のスロットに、第１の巻線コイル及び第２の巻線コイルを、スロットの溝方向に直線状に挿入することができるので、回転等を行う必要がなくなる。このため、スロット内での第１の巻線コイル及び第２の巻線コイルの占有率を増加させることができる。スロットの占有率を増加させることで、流すことができる電流の上限を拡大でき、回転電機１のトルク密度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の回転電機の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の固定子及び巻線コイルの構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態の固定子及び巻線コイルの構成を示す説明図である。
【図４】本発明の第３実施形態の固定子及び巻線コイルの構成を示す説明図である。
【図５】本発明の第４実施形態の固定子及び巻線コイルの構成を示す説明図である。
【図６】本発明の第５実施形態の固定子及び巻線コイルの構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態の回転電機１を回転軸と垂直な方向で切断したときの断面図である。
【００１３】
回転電機１は、多数のスロット２０を備える固定子１０（ステータ）と、この固定子１０に内装され、固定子１０のスロット２０に巻回された巻線コイル３０により発生する磁力の作用により回転する回転子５０（ロータ）とからなる。この回転電機１は、例えば、車両（ハイブリッド車両、電動車両等）に用いられるものである。
【００１４】
回転子５０は、周方向外側に、固定子１０のスロット２０に対応して複数の永久磁石５１が備えられている。永久磁石５１の磁極は、回転子５０の回転に適した方向に設定されている。
【００１５】
固定子１０は、円板形状の鋼板を軸方向に積層して円筒状に形成された固定子鉄芯１１と巻線コイル３０とによって構成される。固定子鉄芯１１は、内周側に複数のティース２１が突設され、このティース２１とティース２１との間にスロット２０が形成される。巻線コイル３０は、導線からなる素線を予め所定の形状に巻回されて形成されており、この巻線コイル３０を、所定のスロット２０に挿入することにより、固定子１０が構成される。
【００１６】
本実施形態の固定子１０は、一つのスロット２０に、径方向内側と径方向外側とで二重に巻線コイル３０が挿入される。後述するように、巻線コイル３０は、スロット２０の奥側（径方向外側）で、所定のスロット間隔で形成された第１の巻線コイル３１と第２の巻線コイル３２とを含む。第２の巻線コイル３２は、スロット２０の径方向内側及び径方向外側にそれぞれ挿入されるクランク構造を備え、第１の巻線コイル３１よりもスロット間隔が小さく構成される。
【００１７】
なお、図１は、一例として固定子１０が１６個のスロット２０を有する回転電機１の例を示したが、後述するように、スロット２０の数、永久磁石５１の数は、回転電機の特性により適宜変更され得るものである。
【００１８】
図２は、本発明の第１実施形態の固定子１０及び巻線コイル３０の構成を示す説明図である。
【００１９】
この図２において、円筒形状の固定子１０を、説明の簡易のために平面状に表す。スロット２０及びティース２１は、実際は回転電機１の軸方向に向くが、図２では、平面状に描かれた固定子１０から、垂直にスロット２０及びティース２１が起立しているように描かれている。
【００２０】
なお、図２に示す固定子１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相の５相から構成される回転電機１の例を示す。
【００２１】
固定子１０は、予め巻回されて形成された第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２がスロット２０に挿入されることにより構成される。回転電機１が５相モータである場合は、第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相の５相それぞれに対応させて、固定子１０の各スロット２０に所定の規則で配置される。
【００２２】
従来の固定子１０では、これらＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相の５相に対応した巻線コイル３０が、それぞれスロット２０に挿入されて固定子１０が構成される。一般的に、巻線コイル３０をクランク形状に形成し、一のスロット２０に巻線コイル３０の一方側を径方向の外側に配置し、所定間隔先の他のスロット２０に巻線コイルの他方側を径方向の内側に配置する。
【００２３】
巻線コイル３０の両端部のうち、奥側（外周側）を先にスロット２０に挿入し後、他の相の巻線コイル３０と重ね、スロット２０の内部でこの奥側の巻線を軸として巻線コイル３０を回転させながら、スロット２０に挿入していた。
【００２４】
このような構造のため、スロット２０の溝に対して、巻線コイル３０が回転する余裕分を設ける必要がある。この回転の余裕代のため、スロット２０に対する巻線コイル３０の占有率や、巻線コイル３０の巻線の太さや巻き数が制限されることから、巻線に流れる電流に制限が生じ、結果として回転電機のトルク密度を大きくできないという問題があった。
【００２５】
そこで、本実施形態では、スロットに巻線コイル３０を容易に挿入できると共に、スロット２０内での巻線コイル３０の占有率を大きくするために、次に説明するような特徴的な構成を備えた。
【００２６】
本実施形態では、スロット間隔及び軸方向の長さが大きい第１の巻線コイル３１と、第１の巻線コイル３１よりもスロット間隔及び軸方向長が小さい第２の巻線コイル３２と、を用いて固定子１０を構成する。
【００２７】
より具体的には、固定子鉄芯１１の軸方向の長さをＡとした場合に、第１の巻線コイル３１は、Ａに第２の巻線コイル３２の巻線の太さを加えた値であるＡ’が、軸方向の内径の大きさとなる。
【００２８】
第１の巻線コイル３１のスロット間隔は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように２スロット間隔に設定されている。また、第２の巻線コイル３２のスロット間隔は、図２（Ｂ）に示すように１スロット間隔に設定される。なお、図２において「＋」は電流の入力側を、「−」は電流の出力側を、それぞれ示す。
【００２９】
第２の巻線コイル３２は、一方のスロットに挿入される一方側がスロットの径方向外側に配置され、他方側はスロット２０の径方向内側に配置される。すなわち、第２の巻線コイル３２は、径方向内側と径方向外側とでクランク構造を有する。
【００３０】
図２（Ａ）に示すように、固定子１０のスロット２０には、まず、スロット２０の径方向外側に対応する位置に、第１の巻線コイル３１を挿入する。第１の巻線コイル３１のコイル内径は前述のようにＡ’であり、コイル内径の内側に前述の第２の巻線コイル３２が挿入することが可能な空隙が形成される。
【００３１】
第１の巻線コイル３１は、図２（Ａ）における左側から順に、Ｕ相、Ｒ相、Ｖ相、Ｓ相、Ｗ相…の順に配置される。
【００３２】
次に、第１の巻線コイル３１を挿入した固定子１０に、第２の巻線コイル３２を挿入する。
【００３３】
図２（Ｂ）に示すように、第１の巻線コイル３１のスロット間隔は２であるので、第１の巻線コイル３１のコイル内径側には、巻線コイル３０が未挿入のスロット２０が存在する。このスロット２０に第２の巻線コイル３２の一方側を未挿入のスロット２０の径方向外側に挿入する。この第２の巻線コイル３２の他方側は、一方側が挿入されるスロット２０に隣接するスロット２０であって、第１の巻線コイル３１がすでに挿入されているスロット２０となる。このスロット２０に、第２の巻線コイル３２の他方側を径方向内側となるように挿入する。
【００３４】
第２の巻線コイル３１は、図２（Ｂ）における左側から順に、第１の巻線コイル３１とはそれぞれ電流の向きが異なる第２極（ＲＩ相、ＶＩ相、ＳＩ相、ＷＩ相、ＵＩ相…）の順に配置される。
【００３５】
このように、一列目の第１の巻線コイル３１と第２の巻線コイル３２とを固定子鉄芯１１に挿入した場合、図２（Ｂ）に示すように、スロット２０の径方向内側の未挿入のスロットが、１スロット毎に生じることになる。この未挿入のスロット２０の径方向内側に、スロット間隔が２であり、軸方向長さがＡ’の第１の巻線コイル３１の二列目を挿入する。
【００３６】
二列目の第１の巻線コイル３１は、図２（Ｃ）における左側から順に、Ｖ相、Ｓ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｒ相…の順に配置される。
【００３７】
このように、本発明の第１の実施形態では、固定子鉄芯１１の各スロット２０の径方向外側と径方向内側との二列に、第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２が、所定の配置で挿入される。
【００３８】
これら第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２は、挿入時に互いに干渉することがなく、スロット２０の溝方向に直線状に挿入することができるので、コイルの回転等を行う必要がなくなる。このため、スロット２０内での第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２の占有率を増加させることができる。
【００３９】
スロット２０の占有率を増加させることで、第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２の巻線数を増加すること、又は、巻線の太さを増加させることができ、流すことができる電流の上限を拡大することができる。これにより、回転電機１のトルク密度を向上することができる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態の回転電機１を説明する。
【００４１】
図３は、本発明の第２実施形態の固定子１０及び巻線コイル３０の構成を示す説明図である。図３は、前述の第１実施形態の図２と同様に、円筒形状の固定子１０を、説明の簡易のために平面状に表す。
【００４２】
第２実施形態の固定子１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなる回転電機１の一例である。なお、第２実施形態の基本構成は第１実施形態の図１と同様である。また、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４３】
第２実施形態では、３相のうちの１つの相（例えばＷ相）を、スロット間隔を１とした第２の巻線コイル３２を用い、残りの２相（例えば、Ｕ相、Ｖ相）を、スロット間隔を２とした第１の巻線コイル３１を用いた。
【００４４】
このように構成することにより、３相の回転電機１においても、前述の５相の回転電機１と同様の作用及び効果を有する。すなわち、第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２は、挿入時に互いに干渉することがなく、スロット２０の溝方向に直線状に挿入することができるので、コイルの回転等を行う必要がなくなる。このため、スロット２０内での第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２の占有率を増加させることができる。
【００４５】
スロット２０の占有率を増加させることで、第１の巻線コイル３１及び第２の巻線コイル３２の巻線数を増加すること、又は、巻線の太さを増加させることができ、流すことができる電流の上限を拡大することができる。これにより、回転電機１のトルク密度を向上することができる。
【００４６】
次に、本発明の第３の実施形態の回転電機１を説明する。
【００４７】
図４は、本発明の第３実施形態の固定子１０及び巻線コイル３０の構成を示す説明図である。図４も、前述の第１実施形態の図２と同様に、円筒形状の固定子１０を、説明の簡易のために平面状に表す。
【００４８】
第３実施形態の固定子１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなる回転電機１の一例である。なお、第３実施形態の基本構成は第１実施形態の図１と同様である。また、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４９】
第３実施形態では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を、それぞれ電気角１２０度で進角させた構成の例を示す。
【００５０】
まず、第１の巻線コイル３１を、スロット２０の径方向外側に挿入する。第１の巻線コイル３１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相…の順に配置される。この第１の巻線コイル３１は、例えばＵ相が挿入されたスロット２０に対して、１スロット分隔てたスロット２０に挿入する。
【００５１】
図４において、スロットＳＬ１とＳＬ３とで、Ｕ相の第１の巻線コイル３１が挿入されている。このＵ相に近接する第１の巻線コイル３１は、電気角が１つ進角するＶ相とし、スロットＳＬ４を空けて、１２０度の間隔を隔てて、スロットＳＬ５とスロットＳＬ７とに挿入される。同様にＷ相は、スロットＳＬ９とスロットＳＬ１１とに挿入される。
【００５２】
ここで、第２の巻線コイル３２は、このようにして第１の巻線コイル３１が挿入された後のスロットにおいて、径方向外側が未挿入のスロット２０（スロットＳＬ２、ＳＬ４、ＳＬ６、ＳＬ８…）に，電気角が１つ素進んだ相を挿入する。より具体的には、スロットＳＬ１とＳＬ３とを連結する第１のコイル（Ｕ相）の隣のスロットＳＬ４には、Ｕ相から電気角が１つ進角するＶ相の第２の巻線コイル３２を挿入する。この第２の巻線コイルは、第１の巻線コイル３１の電流方向とは逆方向に、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相…の順に配置される。
【００５３】
さらにその後、スロット２０の径方向内側が未挿入のスロット２０（スロットＳＬ２、ＳＬ４、ＳＬ６、ＳＬ８、ＳＬ１０、ＳＬ１２…）に第１の巻線コイル３１を挿入する。
【００５４】
このように構成することにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相が配置される第１の巻線コイル３１と、これに隣り合う位置に配置される電気角が１つ進角する第２の巻線コイル３２とが配置される。この組み合わせの結果、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相において、第１の巻線コイル３１と第２の巻線コイル３２とが同一の数となる。
【００５５】
これにより、極対数によらず、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相が１２０度毎の正弦波で磁束を生成することにより、バランスのとれた回転電機を構成することができる。このように構成することにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相をそれぞれ固定の電気角で配置した場合と比較して、誘起電力の不平衡が無くなり、効率が高い回転電機を構成することができる。
【００５６】
次に、本発明の第４の実施形態の回転電機１を説明する。
【００５７】
図５は、本発明の第４実施形態の固定子１０及び巻線コイル３０の構成を示す説明図である。図５についても、前述の第１実施形態の図２と同様に、円筒形状の固定子１０を、説明の簡易のために平面状に表す。
【００５８】
第４実施形態の固定子１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相の５相からなる回転電機１の一例である。なお、第４実施形態の基本構成は第１実施形態の図１と同様である。また、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００５９】
固定子鉄芯１１のスロット２０の間隔はそれぞれ５相に対応した７２［ｄｅｇ］に設定されている。このスロット２０に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相の５相の巻線コイル３０をそれぞれ挿入する。
【００６０】
まず、スロット２０の径方向外側に、スロット間隔が２の第１の巻線コイル３１を挿入する。この第１の巻線コイル３１は、互いに間隔を空けず、図５における左側から順に、Ｕ相、Ｒ相、Ｖ相、Ｓ相、Ｗ相…の順に配置される。すなわち、第１の巻線コイル３１と、隣り合う第１の巻線コイルとの間は、互いに２１６［ｄｅｇ］の角度を有する。
【００６１】
第１の巻線コイル３１を挿入した後に、径方向外側が未挿入のスロット２０に第２の巻線コイル３２を挿入する。この第２の巻線コイルは、図５における左側から順に、Ｒ相、Ｖ相、Ｓ相、Ｗ相、Ｕ相…の順に配置される。
【００６２】
第４の実施形態では、このように固定子１０を構成することで、５相の回転電機１において永久磁石５１が三極対（３の倍極数対）の回転電機１を構成することができる。
【００６３】
次に、本発明の第５の実施形態の回転電機１を説明する。
【００６４】
図６は、本発明の第５実施形態の固定子１０及び巻線コイル３０の構成を示す説明図である。図６についても、前述の第１実施形態の図２と同様に、円筒形状の固定子１０を、説明の簡易のために平面状に表す。
【００６５】
第５実施形態の固定子１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相の５相からなる回転電機１の一例である。なお、第５実施形態の基本構成は第１実施形態の図１と同様である。また、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６６】
固定子鉄芯１１のスロット２０の間隔はそれぞれ５相に対応した７２［ｄｅｇ］の角度に設定されている。このスロット２０に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相の５相の巻線コイル３０をそれぞれ挿入する。
【００６７】
まず、スロット２０の径方向外側に、スロット間隔が２の第１の巻線コイル３１を挿入する。この第１の巻線コイル３１は、隣り合う第１の巻線コイル３１に対して、１スロット分の間隔を隔てて挿入される。そして、第１の巻線コイル３１は、図５における左側から順に、Ｕ相、Ｒ相、Ｖ相、Ｓ相、Ｗ相…の順に配置される。すなわち、第１の巻線コイル３１と、隣り合う第１の巻線コイルとの間は、１つのスロット２０を挟んで、互いに２８８［ｄｅｇ］の角度を有する。
【００６８】
第１の巻線コイル３１を挿入した後に、径方向外側が未挿入のスロット２０に第２の巻線コイル３２を挿入する。この第２の巻線コイルは、図５における左側から順に、Ｒ相、Ｖ相、Ｓ相、Ｗ相、Ｕ相…の順に配置される。
【００６９】
第５の実施形態では、このように固定子１０を構成することで、５相の回転電機１において永久磁石５１が四極対（４の倍極数対）の回転電機１を構成することができる。
【００７０】
これら第４及び第５実施形態では、それぞれ三極対及び四極対の回転電機１を構成することができる。
【００７１】
回転電機１の特性は、要求される仕様（例えば、外形、要求トルク、回転数）により決まり、これらによって極対数が決定される。このように第４及び第５の実施形態では、回転電機１の要求仕様によって極対数が変更された場合にも、前述の第１実施形態の作用及び効果と同様の回転電機１を構成することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１    回転電機
１０    固定子
１１    固定子鉄芯
２０    スロット
２１    ティース
３０    巻線コイル
３１    第１の巻線コイル
３２    第２の巻線コイル
５０    回転子
５１    永久磁石
【図１】
2014107898.tif 000003
【図２】
2014107898.tif 000004
【図３】
2014107898.tif 000005
【図４】
2014107898.tif 000006
【図５】
2014107898.tif 000007
【図６】
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