(57)【要約】【課題】コイルエンドの厚みをより低減できる回転電機のコイル構造を提供する。【解決手段】回転電機のステータコアに分布巻で巻回されるコイル構造であって、前記コイルを構成する各セグメントＳは、スロット５２のステータ軸方向端部からステータ軸方向に突出した後、他のスロット５２に向かうべく、周方向に屈曲して周方向に延びており、前記コイルを構成するセグメントのうち、径方向最内周および径方向最外周位置するセグメントＳｏ，Ｓｉは、前記周方向に屈曲して周方向に延びる過程で、他の巻線との干渉を避けるべく径方向に屈曲する。【選択図】図１
2014036560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機のステータコアに分布巻で巻回されるコイル構造であって、
前記コイルを構成する各巻線は、スロットのステータ軸方向端面からステータ軸方向に突出した後、他のスロットに向かうべく、周方向に屈曲して周方向に延びており、
前記コイルを構成する巻線のうち、最内周および最外周に位置する巻線は、前記周方向に屈曲して周方向に延びる過程で、他の巻線との干渉を避けるべく径方向に屈曲する、
ことを特徴とする回転電機のコイル構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータコアに分布巻で巻回されるコイルを備えた回転電機のコイル構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機のステータは、ステータコアにステータコイルを巻回することで構成されている。このステータコイルの巻回方式としては、集中巻と分布巻とがあるが、負荷の変動が大きく、弱め界磁領域の存在するような用途、例えば、サーボモータや電機自動車／ハイブリッド電気自動車用モータジェネレータには、分布巻が採用されることが多い。かかる分布巻のコイル構造としては、例えば、下記特許文献１，２などの技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０８０６９９号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１１７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この分布巻では、ステータコイルを構成する巻線が、少なくとも３スロットを渡る必要がある。巻線のうちスロット間を渡る部位が、ステータコイルのうちステータコア端面から突出する部位、いわゆる、コイルエンドとなる。回転電機の薄型化のために、このコイルエンドの厚みを低減することが強く求められている。
【０００５】
そこで、本発明では、コイルエンドの厚みをより低減できる回転電機のコイル構造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】
【０００６】
本発明の回転電機のコイル構造は、回転電機のステータコアに分布巻で巻回されるコイル構造であって、前記コイルを構成する各巻線は、スロットのステータ軸方向端面からステータ軸方向に突出した後、他のスロットに向かうべく、周方向に屈曲して周方向に延びており、前記コイルを構成する巻線のうち、径方向最内周および径方向最外周位置する巻線は、前記周方向に屈曲して周方向に延びる過程で、他の巻線との干渉を避けるべく径方向に屈曲する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、最内周および最外周の巻線を、スロットから突出してステータ軸方向に延びる過程ではなく、周方向に屈曲して延びる過程で、径方向に屈曲させている。そのため、当該巻線が、ステータ軸方向に余分に突出することが防止され、コイルエンドの厚みをより低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態である回転電機のコイル構造の要部斜視図である。
【図２】スロットに挿入された状態の導体セグメントの正面図である。
【図３】導体セグメントの接続関係を示す図である。
【図４】既存のコイル構造の要部斜視図である。
【図５】外周セグメント周辺でのステータコイルの冷却状態を示す本実施形態（Ａ）と既存技術（Ｂ）を比較する径方向断面図である。
【図６】コイルエンド周辺での樹脂カフサと導体セグメントとの関係を示す本実施形態（Ａ）と既存技術（Ｂ）を比較する径方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるコイル構造の要部斜視図である。
【００１０】
本実施形態のコイル構造は、回転電機のステータに適用される。回転電機のステータは、周知の通り、ステータコア５０と、当該ステータコア５０に巻回されるステータコイル１０と、を有している。なお、図３では、見やすさのため、ステータコイル１０を構成する巻線のうち、最も外周側に配置される巻線（外周セグメントＳｏ）のみを図示しているが、実際には、一つのスロット５２内に複数の巻線が径方向に並んで挿入されている。略円筒形のステータコア５０の内周面には、複数のスロット５２が形成されており、このスロット５２にステータコイル１０が挿入される。ステータコイル１０の巻回方法としては、集中巻と分布巻が知られているが、本実施形態では、分布巻を採用している。分布巻は、負荷の変動が大きく、弱め界磁領域の存在するような用途、例えば、サーボモータや電機自動車／ハイブリッド電気自動車用モータジェネレータに特に適した巻回方法である。
【００１１】
この分布巻では、ステータコイル１０を構成する各巻線が、複数のスロット間を渡る必要がある。この巻線のうちスロット間を渡る部位が、ステータコイル１０のうちステータコア５０の端面から突出する部位、いわゆる、コイルエンドとなる。
【００１２】
ステータには、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相のステータコイル１０が設けられている。このステータコイル１０の構成について説明すると、ステータコイル１０は、巻線を巻回して構成される。この巻線をスロット間に一回だけ巻くことで、一つの単コイルが構成される。さらに、同じスロット間に巻線を複数回、巻回することで単位コイルが形成される。別の見方をすれば、単位コイルは、一本に繋がった複数の単コイルから構成されている。各単位コイルは、他のスロット間に巻回された他の単位コイルに連結されている。そして、互いに連結された複数の単位コイルで、一相分のステータコイル１０が構成されている。
【００１３】
本実施形態では、ステータコイル１０を構成する巻線として、略Ｕ字形の導体セグメントＳを用いるコイル構造、いわゆるＳＣ巻線構造を採用している。図２は、本実施形態で用いる導体セグメントＳを一組のスロット５２に挿入した様子を示す概略図である。この導体セグメントＳは、断面略矩形であり、平角線コイルとして機能する。
【００１４】
導体セグメントＳは、互いに平行に延びる二つの脚部ＳＲ，ＳＬと、この二つの脚部ＳＲ，ＳＬを結ぶ連結部Ｓａと、に大別される。導体セグメントＳは、この二つの脚部ＳＲ，ＳＬが互いに異なるスロット５２に挿入され、連結部Ｓａが複数のスロット間を渡るように、スロット５２に挿入される。導体セグメントＳを、スロット５２に挿入することで、ステータコア５０の軸方向の一端面５０ａには連結部Ｓａが、軸方向の他端面５０ｂからは二つの脚部ＳＲ，ＳＬが突出する。ステータコア５０の他端面５０ｂから突出した脚部ＳＲ，ＳＬは、周方向に折り曲げられ、単コイルを構成する。周方向に折り曲げられた右側・左側脚部ＳＲ，ＳＬの先端は、同じく周方向に折り曲げられた他の導体セグメントＳの左側・右側脚部ＳＬ，ＳＲの先端に結合される。そして、同じスロット５２に挿入された複数の導体セグメントＳは、一本に繋がるように互いに連結され、複数回、巻回された単位コイルを構成する。単位コイルの端部は、別のスロット５２に巻回された他の単位コイルに連結される。そして、周方向にずれて位置する複数の単位コイルを連結することで、各相のステータコイル１０が構成される。
【００１５】
図３は、導体セグメントＳ（巻線）の接続関係を示す図であり、図２におけるＡ方向からみた概略図である。この図３において、太実線は、導体セグメントＳの連結部Ｓａを、一点鎖線は導体セグメントＳの脚部ＳＲ，ＳＬの接続関係を示している。別の見方をすれば、太実線は、ステータコア５０の一端面５０ａから見た巻線の接続関係を、一点鎖線はステータコア５０の他端面５０ｂから見た巻線の接続関係を示している。また、図３において、黒丸は、二つの脚部ＳＲ，ＳＬの接続点を示している。
【００１６】
図３では、五つの導体セグメントＳで、一つの単位コイルを構成する例を示している。一つの単位コイルを構成する五つの導体セグメントＳは、径方向に並ぶように同じスロット５２に挿入されている。以下では、五つの導体セグメントＳのうち、最も外周側に位置する導体セグメントを「外周セグメントＳｏ」、最も内周側に位置する導体セグメントを「内周セグメントＳｉ」と呼ぶ。また、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉ以外の導体セグメントを「中間セグメントＳｃ」と呼ぶ。図３では、この中間セグメントを示す符号「Ｓｃ」に、さらに、外周側からの位置を示す数字１，２，３を付加した符号を用いる。
【００１７】
図３に示すように、一つの単位コイルは、一つの導体セグメントＳの右側脚部ＳＲの先端と、径方向に隣接する他の導体セグメントＳの左側の脚部ＳＬの先端とを、互いに連結していくことで構成される。例えば、図示例では、外周セグメントＳｏの左側脚部ＳＬの先端が、外周セグメントＳｏよりも内周側に位置する中間セグメントＳｃ１の右側脚部ＳＲの先端に連結される。この中間セグメントＳｃ１の左側脚部ＳＬの先端は、さらに内周側に位置する別の中間セグメントＳｃ２の右側脚部ＳＲに連結される。そして、最終的に、外周側から４番目に位置する中間セグメントＳｃ３の左側脚部ＳＬの先端が、内周セグメントＳｉの右側脚部ＳＲの先端に連結される。このように複数の導体セグメントＳを一本に繋がるように連結することで、一つの単位コイルが形成される。そして、内周セグメントＳｉの左側脚部ＳＬ、外周セグメントＳｏの右側脚部ＳＲは、それぞれ、他の単位コイルを構成する導体セグメントＳの脚部ＳＲ，ＳＬに連結される。
【００１８】
ところで、図３から明らかな通り、中間セグメントＳｃ１〜Ｓｃ３は、図面右側のスロット５２内、および、図面左側のスロット５２内での径方向位置がズレている。したがって、中間セグメントＳｃ１〜Ｓｃ３は、スロット間を跨ぐ際、径方向位置がズレるように進む。そして、このように径方向にずれていくため、中間セグメントＳｃ１〜Ｓｃ３は、他のスロット（例えば、図３のスロット５２＊）に挿入された他の中間セグメント（例えば、図３のセグメントＳｃ３＊）と干渉することなく、スロット間を跨ぐことができる。
【００１９】
一方、外周セグメントＳｏ、内周セグメントＳｉは、図３に示す通り、図面右側のスロット５２内および図面左側のスロット５２内での径方向位置が同じである。したがって、外周セグメントＳｏ、内周セグメントＳｉは、単純にスロット間を跨ぐと、径方向位置のズレが生じない。この場合、一つの内周セグメントと他のスロットに挿入された他の内周セグメントとの間（例えば、図３の内周セグメントＳｉと内周セグメントＳｉ＊との間）で干渉が生じる。同様に、一つの外周セグメントと他のスロットに挿入された他の外周セグメントとの間でも、干渉が生じることになる。
【００２０】
かかる干渉を避けるために、従来のＳＣ巻線構造では、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉにおいても、左右の径方向位置を巻線一本分だけズラしてスロット内に配置することが多かった。しかし、この場合、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉを、他の単位コイルに連結する際においても、この径方向位置のズレが残存することになる。このズレを吸収しつつ、二つの単位コイルを連結するためには、導体セグメントＳ以外の連結部材を別途追加して、当該径方向位置のズレを吸収しなければならず、部品点数の増加や、連結行程の複雑化を招いていた。
【００２１】
そこで、一部では、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉを、スロット内での径方向位置を左右で変えずに配置し、スロット間を渡す際に、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉを一時的にだけ外周・内周側に巻線一本分だけ径方向にシフトさせる技術が提案されていた。図４は、一部で提案されている既存技術での外周セグメントＳｏの径方向シフトの様子を示す図である。図４に示す通り、既存の技術では、外周セグメントＳｏを、スロット５２から突出してステータ軸方向に延びる過程で、巻線一本分だけ径方向外側に屈曲させている。そして、径方向外側に屈曲させた後、周方向に屈曲させ、他のスロット５２へと進ませている。図４における符号Ｃは、この径方向屈曲部を、符号Ｄは周方向屈曲部をそれぞれ示している。この周方向へ進む過程で、今度は、巻線一本分だけ径方向内側（すなわち、屈曲部Ｃにおける屈曲方向とは反対側）に屈曲させ、外周セグメントＳの径方向位置を元に戻している。つまり、既存技術では、外周セグメントＳｏが、スロット間を渡る部分、いわゆるコイルエンドを構成する部分の一部だけを、径方向外側にシフトさせている。内周セグメントＳｉにおいても、同様に、スロット間を渡る部分の一部だけを、径方にシフトさせる。ただし、内周セグメントＳｉにおいては、径方向内側にシフトさせる。このように、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉが、スロット間を渡る際に、その一部を径方向にシフトさせることで、セグメント同士の干渉を避けることができる。
【００２２】
しかし、こうした既存技術では、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉが、スロット５２から突出してステータ軸方向に延びる過程で、径方向に屈曲させていた。この場合、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉは、径方向に屈曲しながらも、ステータ軸方向に延びていくため、この屈曲している分だけ余分にステータ軸方向に突出することになる。その結果、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉのステータコア５０の軸方向端面からの突出高さが高くなり、ひいては、コイルエンドの厚み、回転電機の軸方向長さが、大きくなっていた。
【００２３】
そこで、かかる問題を解決するために、本実施形態では、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉを、スロット５２から突出した後、周方向に屈曲して周方向に進む過程で、径方向にシフト（屈曲）させている。
【００２４】
すなわち、図１に示すように、外周セグメントＳｏは、スロット５２から突出した後、周方向に屈曲して周方向に進む。本実施形態では、外周セグメントＳｏが、周方向に屈曲して周方向に進む過程で、当該外周セグメントＳｏを、径方向外側にも屈曲させ、径方向外側にシフトさせている。すなわち、本実施形態において、外周セグメントＳｏは、図１の位置Ｄにおいて周方向に屈曲した後、図１の位置Ｃにおいて、径方向外側に屈曲する。したがって、外周セグメントＳｏは、径方向に屈曲している際には、主に周方向に延びるだけであり、ステータ軸方向には殆ど延びない。内周セグメントＳｉにおいても、同様に、周方向に屈曲させた後、当該内周セグメントＳｉを、径方向内側に屈曲させる。かかる構成とすることで、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉのステータコア５０の軸方向端面からの突出高さを、既存技術に比べて低減できる。そして、結果として、コイルエンドの厚み、回転電機の軸方向長さを、より低減できる。また、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉの全長も低減できるため、ステータコイルの製造に要する銅量、ひいては、製造コストも低減できる。
【００２５】
さらに、本実施形態のように、内周セグメントＳｉを径方向に屈曲させる箇所を、当該内周セグメントＳｉが周方向に屈曲して周方向に進む過程とすることで、エアギャップに入り込む冷媒量も低減できる。これについて、図５を参照して説明する。図５（Ａ）は、本実施形態における内周セグメントＳｉ周辺での概略断面図であり、図５（Ｂ）は、図４に示したような既存技術での内周セグメントＳｉ周辺での概略断面図である。
【００２６】
周知の通り、ステータ、特に、ステータコイルは、回転電機の駆動に伴い発熱し、高温になることが知られている。かかる熱を除去するために、従来から、軸芯油冷が多用されている。軸芯油令は、回転軸およびロータ５４の内部に形成された冷媒流路に冷媒を供給し、ロータ５４の端部近傍に設けられた吐出孔から、コイルエンドに向かって冷媒６０を吐出する技術である。かかる軸芯油冷によれば、ステータコイルを比較的、効率的に冷却できる。
【００２７】
しかしながら、図４に示した外周セグメントＳｏと同様に、内周セグメントＳｉも、ステータ軸方向に延ばしつつ径方向内側に屈曲させると、ロータ５４から吐出された冷媒６０が、エアギャップ６２に落ち込みやすくなる。すなわち、図５（Ｂ）に示すように、ロータ５４から吐出された冷媒６０は、径方向に進んで内周セグメントＳｉに当たった後、当該内周セグメントＳｉに沿って（図面上側に向かって）に進もうとする。しかし、内周セグメントＳｉの径方向への屈曲により形成された段差３０が障害となり、冷媒６０は、当該内周セグメントＳｉを乗り越えることなく、ロータ５４とステータコア５０との間隙（エアギャップ６２）に入り込んでしまう。その結果、冷媒６０がコイルエンド全体に行きわたらず、ステータコイルの冷却効率が低下する。また、エアギャップ６２に入り込んだ冷媒６０により引き摺り損失の悪化も生じていた。
【００２８】
一方、本実施形態では、径方向の屈曲を、内周セグメントＳｉがスロット５２から突出してステータ軸方向に進んでいる間は行わず、周方向に屈曲して周方向に進む過程で行っている。換言すれば、スロット５２から突出してステータ軸方向に延びる部分と、径方向に屈曲することで段差３０が形成される部分は、周方向にずれている。そのため、ロータ５４から吐出された冷媒６０は、ステータ軸方向に延びる部分に当たった後、段差３０に阻害されることなく、内周セグメントＳｉに沿って進むことができる。そして、冷媒６０は、最終的には、内周セグメントＳｉを乗り越えて、他のセグメントＳｃにも到達することができる。その結果、冷媒６０が、コイルエンド全体に行きわたりやすくなり、ステータコイルの冷媒効率を向上させることができる。また、エアギャップ６２に入り込む冷媒６０も大幅に低減できるため、引き摺り損失も低減できる。
【００２９】
さらに、本実施形態によれば、樹脂カフサ７０の径方向への飛び出しも効果的に防止できる。これについて図６を参照して説明する。図６（Ａ）は、本実施形態におけるステータの概略断面図であり、図６（Ｂ）は、図４に示したような既存技術でのステータの概略断面図である。
【００３０】
一般に、ステータコア５０の軸方向端面と、コイルエンドを構成する巻線（セグメントＳ）との間には、隙間が生じる。この隙間が残存していると、各コイルが、当該隙間の分だけステータ軸方向に動いてしまう。かかるコイルのステータ軸方向移動を防止するために、ステータコア５０の軸方向端面とコイルエンドを構成する巻線との間には、樹脂カフサ７０と呼ばれる樹脂製部材が配置される。かかる樹脂カフサ７０は、図６に示すように、コイル側が凸となる略半円形であることが多い。
【００３１】
ここで、図４に示した既存技術では、図６（Ｂ）に示すように、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉが、中間セグメントＳｃよりも高い位置に位置することが多い。この場合、内周セグメントＳｉ、外周セグメントＳｏは、樹脂カフサ７０の径方向への移動を阻害することができず、結果として、樹脂カフサ７０が径方向に移動しやすくなる。
【００３２】
一方、本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉが、中間セグメントＳｃよりも低い位置に、より正確には、樹脂カフサ７０の最大高さよりも低い位置に、位置させやすくなる。この場合、樹脂カフサ７０は、径方向に移動しようとしても、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉに当たってしまい、径方向への移動が阻害される。その結果、樹脂カフサ７０の径方向への飛び出しが効果的に防止される。
【００３３】
以上の説明から明らかな通り、本実施形態によれば、外周・内周セグメントＳｏ，Ｓｉを、ステータ軸方向に延びる過程ではなく、周方向に屈曲して延びる過程で、径方向に屈曲させている。その結果、コイルエンドの高さや、銅線量を低減でき、また、より望ましい冷媒の流れを実現できる。なお、本実施形態では、導体セグメントを用いたＳＣ巻線構造としたが、巻線が分布巻で巻回されるのであれば、他のコイル構造であってもよい。例えば、平角線コイルではなく、丸線コイルを用いてステータコイルを構成するコイル構造であってもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ステータコイル、３０  段差、５０  ステータコア、５２  スロット、５２ａ  スロット、５４  ロータ、６０  冷媒、６２  エアギャップ、７０  樹脂カフサ、Ｓ  導体セグメント。
【図１】
2014036560.tif 000003
【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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