JP4617992B2 - 回転電機の巻線構造 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の巻線構造に関し、特に、コア体と巻線部とを備えた回転電機の巻線構造に関する。

従来の回転電機の巻線構造としては、たとえば、特開２０００−２１７２９０号公報や特開平３−１７８５３６号公報に記載されたものなどが挙げられる。

特開２０００−２１７２９０号公報においては、各相ごとに相対する極位置関係にある巻線同士を並列に接続し、この並列接続の巻線を直列に接続して一相の巻線とした電動機が開示されている。

また、特開平３−１７８５３６号公報においては、二列の直列回路からなる並列回路を接続する回転電機巻線の結線方法が開示されている。
特開２０００−２１７２９０号公報 特開平３−１７８５３６号公報

回転電機の回転子と固定子とが偏芯して設けられる場合がある。ここで、直列コイルを並列に接続した巻線構造（たとえば、特開平３−１７８５３６号公報に示されるような巻線構造）においては、偏芯による起電力のアンバランスにより、並列回路内で循環電流が生じ、回転電機の駆動時の振動、ノイズが増大する場合がある。

しかしながら、特開２０００−２１７２９０号公報に記載されたように、各コイルごとに並列回路を形成した場合、コイル間の渡り線が長くなる。この結果、コイルエンドが大型化する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、小型化された回転電機の巻線構造を提供することにある。

本発明に係る回転電機の巻線構造は、ティースを有するコア体と、コア体のティースに巻付けられる巻線部とを備え、巻線部は第１と第２コイル群を有し、第１と第２コイル群は並列に接続され、第１コイル群は直列に接続された複数の第１コイルを含み、第２コイル群は直列に接続された複数の第２コイルを含み、複数の第１コイルは、複数の第２コイルのうちの１つのコイルが巻付けられるティースと同じティースに巻付けられるコイルを含み、複数の第２コイルのうちの上記１つのコイルが巻付けられるティースと同じティースに巻付けられる上記コイルの巻数と、第２コイルのうちの上記１つのコイルの巻数との合計は、複数の第２コイルのうちの上記１つのコイルを除く他の第２コイルの巻数に等しく、複数の第２コイルのうちの上記１つのコイルが巻付けられるティースと同じティースに巻付けられる上記コイルの巻数は、複数の第２コイルのうちの上記１つのコイルの巻数よりも小さい。

上記構成によれば、第１コイル群における複数のコイルを接続する配線の一部がティースに巻付けられてコイルの一部となるので、複数のコイル間を接続する渡り線の長さが短くなり、コイルエンドが小型化される。ここで、渡り線は、第２コイルと同じティースに巻付けられるので、当該部分の配線は、第２コイルとともに起電力に寄与することができる。さらに、第１コイル群における第２コイルと同じティースに巻付けられる部分の巻数を、該ティースに巻付けられる第２コイルの巻数よりも小さくすることで、巻線構造の電磁気的なバランスの変動を抑制しながら、巻線構造の小型化を図ることができる。

上記回転電機の巻線構造は、好ましくは、コア体の周方向に互いにずれて形成された複数相の巻線部を備える。

これにより、複数相を有する回転電機の巻線構造が提供される。

本発明によれば、回転電機の巻線構造の小型化を図ることができる。

以下に、本発明に基づく回転電機の巻線構造の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る巻線構造が設けられる回転電機を示した軸方向断面図である。図１を参照して、回転電機は、ステータ１と、ロータ２とを備える。ステータ１は、「コア体」としてのステータコア１００と、ステータコア１００に巻付けられるステータ巻線（図１には図示せず。）とを有する。

図２は、図１に示される回転電機のステータ巻線構造を示した図である。図２を参照して、「巻線部」としてのステータ巻線１１０は、Ｕ相コイル１１０Ｕと、Ｖ相コイル１１０Ｖと、Ｗ相コイル１１０Ｗとを有する。各相コイル１１０Ｕ，１１０Ｖ，１１０Ｗの一方端は、三相ケーブルである給電ケーブルの対応する各相に接続されるＵ相端子１２０Ｕ，Ｖ相端子１２０Ｖ，Ｗ相端子１２０Ｗである。また、各相コイル１１０Ｕ，１１０Ｖ，１１０Ｗの他方端は、一点に共通接続され、中性点Ｎとなる。

図３は、図２に示された巻線構造が設けられたステータ１を示した上面図である。図３を参照して、ステータコア１００は、中空円筒形状からなり、周方向に配列された４８個のティース（たとえばティース１００Ａ〜１００Ｅ）を内周面に有する。Ｕ相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕは、Ｕ相コイル１１０Ｕ（図２）を構成し、Ｖ相コイル１１１Ｖ〜１１８Ｖは、Ｖ相コイル１１０Ｖ（図２）を構成し、Ｗ相コイル１１１Ｗ〜１１８Ｗは、Ｗ相コイル１１０Ｗ（図２）を構成する。各相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕ，１１１Ｖ〜１１８Ｖ，１１１Ｗ〜１１８Ｗの各々は、略円弧形状から成る。Ｕ相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕは、最外周に配置される。Ｖ相コイル１１１Ｖ〜１１８Ｖは、Ｕ相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕの内側であって、それぞれ、Ｕ相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕに対して円周方向に一定距離だけずれた位置に配置される。Ｗ相コイル１１１Ｗ〜１１８Ｗは、Ｖ相コイル１１１Ｖ〜１１８Ｖの内側であって、それぞれ、Ｖ相コイル１１１Ｖ〜１１８Ｖに対して円周方向に一定距離だけずれた位置に配置される。

各相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕ，１１１Ｖ〜１１８Ｖ，１１１Ｗ〜１１８Ｗの各々は、対応する複数のティースの各々に直列に巻回される。たとえば、Ｕ相コイル１１１Ｕは、ティース１００Ａ〜１００Ｅに所定回数巻回されて形成される。

その他のコイル１１２Ｕ〜１１８Ｕ，１１１Ｖ〜１１８Ｖ，１１１Ｗ〜１１８Ｗについても、それぞれ対応するティースに巻回され、Ｕ相コイル１１１Ｕと同じようにして形成される。

各相コイルは、隣接する同相のコイルと逆向きに巻回される。たとえば、Ｕ相コイル１１１Ｕは、Ｕ相コイル１１８Ｕと逆向きに巻回され、Ｕ相コイル１１２Ｕは、Ｕ相コイル１１１Ｕと逆向き、すなわち、Ｕ相コイル１１８Ｕと同じ向きに巻回される。Ｕ相コイル１１１Ｕの巻回方向を「第１方向」とし、Ｕ相コイル１１２Ｕの巻回方向を「第２方向」とすると、Ｕ相コイル１１１Ｕ，１１３Ｕ，１１５Ｕ，１１７Ｕが「第１方向」に巻回され、Ｕ相コイル１１２Ｕ，１１４Ｕ，１１６Ｕ，１１８Ｕが「第２方向」に巻回される。

図４は、Ｕ相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕを含む巻線構造を模式的に示した図である。また、図５は、図４に示される巻線構造を示した等価回路図である。一方、図６は、図４に示される巻線構造と比較される１つの巻線構造を模式的に示した図である。また、図７は、図６に示される巻線構造を示した等価回路図である。

図６，図７を参照して、「第１コイル群（直列コイルＡ）」を構成する複数の「第１コイル」としてのＵ相コイル１１１Ｕ，１１２Ｕ，１１５Ｕ，１１６Ｕは、直列に接続され、その一方端がＵ相端子１２０Ｕであり、他方端が中性点Ｎである。「第２コイル群（直列コイルＢ）」を構成する複数の「第２コイル」としてのＵ相コイル１１３Ｕ，１１４Ｕ，１１７Ｕ，１１８Ｕは、直列に接続され、その一方端がＵ相端子１２０Ｕであり、他方端が中性点Ｎである。すなわち、図６，図７に示される巻線構造においては、直列に接続された複数のコイルの集合体であるＵ相コイル１１１Ｕ，１１２Ｕ，１１５Ｕ，１１６Ｕ（直列コイルＡ）およびＵ相コイル１１３Ｕ，１１４Ｕ，１１７Ｕ，１１８Ｕ（直列コイルＢ）が、並列に接続されている。

図６に示すように、「直列コイルＡ」であるＵ相コイル１１１Ｕ，１１２Ｕ，１１５Ｕ，１１６Ｕは、ステータコア１００の周方向において分離し、かつ、分離された一方と他方とがステータコア１００の径方向に対向するように配設される。より具体的には、Ｕ相コイル１１１Ｕ，１１２ＵとＵ相コイル１１５Ｕ，１１６Ｕとは、ステータコア１００の周方向に１８０°ずれて形成されている。

また、「直列コイルＢ」であるＵ相コイル１１３Ｕ，１１４Ｕ，１１７Ｕ，１１８Ｕは、ステータコア１００の周方向において分離し、かつ、分離された一方と他方とがステータコア１００の径方向に対向するように配設される。より具体的には、Ｕ相コイル１１３Ｕ，１１４ＵとＵ相コイル１１７Ｕ，１１８Ｕとは、ステータコア１００の周方向に１８０°ずれて形成されている。

図８は、図４に示される巻線構造と比較される他の巻線構造を模式的に示した図である。また、図９は、図８に示される巻線構造を示した等価回路図である。図８，図９を参照して、本比較例に係る巻線構造は、基本的には、図６，図７に示される巻線構造と同様の構成を有するが、Ｕ相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕの接続状態が、図６，図７に示される巻線構造と異なる。すなわち、本比較例においては、直列に接続された複数のコイルの集合体であるＵ相コイル１１１Ｕ〜１１４Ｕ（直列コイルＡ）およびＵ相コイル１１５Ｕ〜１１８Ｕ（直列コイルＢ）が、並列に接続されている。

本比較例に係る巻線構造においては、図８に示されるように、ステータ１に対してロータ２が偏芯して設けられた場合に、図９に示すように、Ｕ相コイル１１１Ｕ〜１１４Ｕ（直列コイルＡ）における起電力２００の和と、Ｕ相コイル１１５Ｕ〜１１８Ｕ（直列コイルＢ）における起電力２００の和とが不均衡となる状態が生じる。この結果、２つの直列コイルによる並列回路内に流れる循環電流３００が発生する。この結果、三相回路間に電流差が生じ、起磁力に２ｆ（ｆ：電気周波数）の高調波が発生する。この結果、ステータ１に作用する力の変動が生じ、回転電機の駆動時の振動、ノイズが増大する場合がある。

たとえば、回転電機が搭載されるハイブリッド車においては、走行中にエンジンを停止させるモード（たとえば、低車速時に蓄電機構から電力が供給された回転電機により走行するＥＶ走行モードや、減速時に車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し蓄電機構に回収する回生モードなど）があり、暗騒音が低く、ギアノイズやモータノイズが比較的聞こえやすくなっている。したがって、回転電機の駆動時の騒音を抑制することは重要である。また、回転電機を車両に搭載する際に、スペースや重量の制約から伝達系、共振系のノイズ対策を採ることが制限される場合がある。これらの制約条件を満たしながら回転電機の駆動時の騒音を抑制することは重要である。

一方で、効率的に高出力、高トルクを得る観点からは、ステータ１とロータ２とのギャップは極力小さく設定されることが好ましい。しかしながら、該ギャップが小さく設定されることで、僅かな偏芯であってもステータ−ロータ間のギャップに及ぼす影響は大きくなり、結果として、大きな起振力が生じやすい。また、製作の都合上、ステータ１とロータ２との偏芯量を、図８，図９に示される巻線構造において循環電流３００が全く生じない程度にまで抑えることは難しい。そして、制御システムによって偏芯に伴なう電流の不均衡を抑制しようとする場合、該システムは複雑なものになる。

これに対し、図６，図７に示される巻線構造においては、上記のように、第１と第２コイル群が、それぞれステータコア１００の周方向において分離され、分離された部分の一方と他方とがステータコア１００の径方向に対向するように配設されることで、ステータ１とロータ２とが偏芯して設けられた場合でも、電磁気的なバランスが保たれ（図７）、並列回路内に循環電流が生じることが抑制される。この結果、回転電機駆動時の振動、ノイズが抑制される。また、回転電機駆動時の損失が低減され、動作効率が向上する。

このように、図６，図７に示される巻線構造によれば、回転電機の駆動時の振動、ノイズを低減することが可能であるが、一方で、図８，図９に示される巻線構造と比較して複数のコイル間を繋ぐ渡り線が長くなる傾向にある。渡り線が長くなることは、回転電機の小型化、巻線の絶縁性の確保、回転電機の生産性の向上などの観点では不利となる場合がある。

これに対し、本実施の形態においては、図４，図５に示されるように、Ｕ相コイル１１２Ｕ，１１５Ｕを接続する配線（渡り線）の一部がＵ相コイル１１３Ｕ１と同じティースに巻付けられてＵ相コイル１１３Ｕ２を形成し、Ｕ相コイル１１４Ｕ，１１７Ｕを接続する配線の一部がＵ相コイル１１６Ｕ１と同じティースに巻付けられてＵ相コイル１１６Ｕ２を形成している。そして、Ｕ相コイル１１３Ｕは、Ｕ相コイル１１３Ｕ１およびＵ相コイル１１３Ｕ２からなり、Ｕ相コイル１１６Ｕは、Ｕ相コイル１１６Ｕ１およびＵ相コイル１１６Ｕ２からなる。

このようにすることで、渡り線がコイルターンの一部としてスロット内に通される。これにより、ステータ１のコイルエンドが小型化される。また、長い渡り線がステータコア１００の軸方向端面上に露出することによる絶縁性の低下が抑制される。さらには、渡り線が短くなることにより、生産性が向上する。

なお、Ｕ相コイル１１１Ｕ〜１１８Ｕのターン数（巻数）の一例が表１に示される

ここで、Ｕ相コイル１１３Ｕ２，１１６Ｕ２のターン数は、適宜変更可能であるが、典型的にはＭ＝１である。Ｍ＝１であっても、上記のように、回転電機を小型化し、絶縁性を確保し、生産性を向上させる効果を十分に得ることができる。

Ｕ相コイル１１３Ｕ２のターン数は、コイル１１１Ｕ，１１２Ｕ，１１４Ｕ，１１５Ｕ，１１７Ｕ，１１８Ｕのターン数の半数以下（すなわち、Ｍ≦Ｎ／２）であることが好ましい。換言すると、Ｕ相コイル１１３Ｕ２のターン数は、Ｕ相コイル１１３Ｕ１のターン数以下であることが好ましい。

Ｕ相コイル１１６Ｕ２のターン数は、コイル１１１Ｕ，１１２Ｕ，１１４Ｕ，１１５Ｕ，１１７Ｕ，１１８Ｕのターン数の半数以下（すなわち、Ｍ≦Ｎ／２）であることが好ましい。換言すると、Ｕ相コイル１１６Ｕ２のターン数は、Ｕ相コイル１１６Ｕ１のターン数以下であることが好ましい。

上記のようにすることで、電磁気的には図６，図７に示される巻線構造に近似した巻線構造を得ることができる。すなわち、巻線構造の電磁気的なバランスの変動を抑制しながら、巻線構造の小型化を図ることができる。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る巻線構造は、ティース（たとえばティース１００Ａ〜１００Ｅ）を有するステータコア１００と、ステータコア１００のティースに巻付けられるステータ巻線１１０とを備え、ステータ巻線１１０は直列コイルＡ，Ｂを有し、直列コイルＡ，Ｂは並列に接続され、直列コイルＡは直列に接続されたＵ相コイル１１１Ｕ，１１２Ｕ，１１５Ｕ，１１６Ｕ１を含み、直列コイルＢは直列に接続されたＵ相コイル１１３Ｕ１，１１４Ｕ，１１７Ｕ，１１８Ｕを含む。そして、直列コイルＡにおけるＵ相コイル１１２Ｕ，１１５Ｕを接続する配線の一部がＵ相コイル１１３Ｕ１と同じティースに巻付けられてＵ相コイル１１３Ｕ２を構成し、直列コイルＢにおけるＵ相コイル１１４Ｕ，１１７Ｕを接続する配線の一部がＵ相コイル１１６Ｕ１と同じティースに巻付けられてＵ相コイル１１６Ｕ２を構成している。

上記構成によれば、複数のコイルを繋ぐ渡り線の一部がティースに巻付けられるので、コイルエンドが小型化される。

なお、本実施の形態においては、Ｕ相コイルの場合について説明したが、Ｖ相コイル，Ｗ相コイルについても同様の思想は当然に適用可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係る巻線構造が設けられる回転電機を示した軸方向断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る巻線構造を示した図である。 本発明の１つの実施の形態に係る巻線構造が設けられたステータを示した上面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る巻線構造の詳細を模式的に示した図である。 図４に示される巻線構造を示した等価回路図である。 図４に示される巻線構造と比較される１つの巻線構造の詳細を模式的に示した図である。 図６に示される巻線構造を示した等価回路図である。 図４に示される巻線構造と比較される他の巻線構造の詳細を模式的に示した図である。 図８に示される巻線構造を示した等価回路図である。

符号の説明

１ ステータ、２ ロータ、３ 巻線、４ 巻付け枠、１００ ステータコア、１００Ａ〜１００Ｅ ティース、１１０ ステータ巻線、１１０Ｕ〜１１８Ｕ，１１３Ｕ１，１１３Ｕ２，１１６Ｕ１，１１６Ｕ２ Ｕ相コイル、１１０Ｖ〜１１８Ｖ Ｖ相コイル、１１０Ｗ〜１１８Ｗ Ｗ相コイル、１２０Ｕ Ｕ相端子、１２０Ｖ Ｖ相端子、１２０Ｗ Ｗ相端子、２００ 起電力、３００ 循環電流、Ｎ 中性点。

Claims (2)

1. ティースを有するコア体と、
   前記コア体のティースに巻付けられる巻線部とを備え、
   前記巻線部は第１と第２コイル群を有し、
   前記第１と第２コイル群は並列に接続され、
   前記第１コイル群は直列に接続された複数の第１コイルを含み、
   前記第２コイル群は直列に接続された複数の第２コイルを含み、
   前記複数の第１コイルは、前記複数の第２コイルのうちの１つのコイルが巻付けられるティースと同じティースに巻付けられるコイルを含み、
   前記複数の第２コイルのうちの前記１つのコイルが巻付けられるティースと同じティースに巻付けられる前記コイルの巻数と、前記第２コイルのうちの前記１つのコイルの巻数との合計は、前記複数の第２コイルのうちの前記１つのコイルを除く他の前記第２コイルの巻数に等しく、
   前記複数の第２コイルのうちの前記１つのコイルが巻付けられるティースと同じティースに巻付けられる前記コイルの巻数は、前記複数の第２コイルのうちの前記１つのコイルの巻数よりも小さい、回転電機の巻線構造。
2. 前記コア体の周方向に互いにずれて形成された複数相の前記巻線部を備えた、請求項１に記載の回転電機の巻線構造。

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