JP4923545B2

JP4923545B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4923545B2
Application number: JP2005348687A
Authority: JP
Inventors: 和行鬼頭; 彰康伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: CN1988326B; CN1988326A; JP2007159216A

Description

本発明は、電機子コイルに平角線を使用した回転電機に関する。

近年、車両に搭載される回転電機（特にスタータ）では、搭載スペースの限定、及び燃費向上を狙いとして、小型軽量化が求められている。その達成手段として、電機子コイルに平角線を採用して、占積率の向上とトルクアップを図ることにより、電機子の小型軽量化を達成する実例がある。
しかし、丸線に対し縦長の平角線は、上下層コイルが交差する交差部での沿面隙間が狭くなり、安全隙間が確保しにくいことは周知である。更に、平角線はコイルの癖付け（特に長辺方向の癖付け）が難しいため、交差部での隙間確保の障害となっている。
これに対し、特許文献１では、図７に示す様に、下層コイル１００と上層コイル２００との交差部において、両コイル１００、２００の近接部に段差１１０、２１０を設けることにより、沿面ギャップを確保する技術が開示されている。
特許第３２８５４５９号公報

ところが、下層コイル１００及び上層コイル２００に段差１１０、２１０を設ける工作としてプレス抜きを行うと、バリが発生するため、このバリがレアあるいはアースの原因となる恐れがある。また、レア及びアースの対策としてバリを除去する場合は、工数が増大してコストアップの要因となる。
更に、下層コイル１００と上層コイル２００とが最も接近するクロス部にプレス抜き加工を行うと、下層コイル１００及び上層コイル２００の被膜が除去されるため、線間レアの防止として層間紙が必要となるケースが発生し、部品点数の増加及び生産設備が煩雑となる。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、電機子コイルに平角線を用いた回転電機において、下層コイルと上層コイルとの近接部に段差を設けることなく、上層コイルと下層コイルとが交差する交差部での沿面ギャップを確保できる回転電機を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、外周に複数のスロットを有する電機子鉄心と、絶縁被膜に覆われた平角線が使用され、この平角線をスロット内に上下二層に挿入して電機子鉄心に巻線される電機子コイルと、電機子鉄心を支持する電機子軸の周囲に複数のセグメントを等間隔に配置して構成される整流子とを備え、スロットから軸方向に取り出された電機子コイルの端部がセグメントに設けられたライザ部に接続される回転電機であって、電機子コイルは、スロット内の下層に挿入される平角線の下層コイルと、スロット内の上層に挿入される平角線の上層コイルとを有し、この両コイルの短辺方向が対向し、その断面短辺側が円弧状をなしており、下層コイルと上層コイルは、整流子側のコイルエンドで両者が交差する交差部において、少なくとも一方のコイルが、スロットから取り出された後、その断面長手方向が電機子鉄心の径方向に対して傾斜するように捩じれていることを特徴とする。

上記の構成によれば、下層コイルと上層コイルが共に捩じれることなく交差する場合と比較すると、少なくとも一方のコイルが捩じれていることにより、両コイル間の最小隙間が自ずと広くなる。これにより、従来と同等の沿面ギャップを確保するのであれば、より太い平角線、あるいは、より縦長の平角線を採用することが可能となり、小型軽量化の回転電機の設計が可能となる。
また、本発明によれば、先の特許文献１に示される従来技術の様に、下層コイルと上層コイルとが交差する部位にプレス抜きによって段差を設ける必要がない。このため、プレス抜きによるバリが発生することもなく、バリを除去する必要もないため、工数低減が可能となる。

（請求項２の発明）
本発明は、外周に複数のスロットを有する電機子鉄心と、絶縁被膜に覆われた平角線が使用され、この平角線をスロット内に上下二層に挿入して電機子鉄心に巻線される電機子コイルと、電機子鉄心を支持する電機子軸の周囲に複数のセグメントを等間隔に配置して構成される整流子とを備え、スロットから軸方向に取り出された電機子コイルの端部がセグメントに設けられたライザ部に接続される回転電機であって、電機子コイルは、スロット内の下層に挿入される平角線の下層コイルと、スロット内の上層に挿入される平角線の上層コイルとを有し、スロットから取り出された下層コイルと上層コイルは、それぞれのコイル端部がライザ部に設けられるライザスロット内に上下二層に挿入され、両コイル端部が径方向に向き合う各々の面に絶縁被膜が残され、その径方向反対側の面の絶縁被膜の一部が除去された状態からヒュージングにより絶縁被膜を溶かして電気的且つ機械的に接合されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ライザスロット内に挿入される両コイル端部の絶縁被膜を予め除去しておく必要はないため、両コイル端部の絶縁被膜を予め除去してから接合する場合と比較して、下層コイルと上層コイルとが最も接近する交差部での最小隙間を広く確保できる。これにより、両コイル間の沿面ギャップを得るために平角線をわざわざ癖付けする必要はなく、交差部での沿面ギャップを容易に確保できる。
また、下層コイルと上層コイルとが最も接近する交差部において、両コイルが絶縁被膜に覆われていることから、僅かな沿面ギャップを確保できれば良いので、両コイル間に層間紙を挿入することなく、線間レアに対し安定した品質が得られる。

（請求項３の発明）
請求項１に記載した回転電機において、スロットから取り出された下層コイルと上層コイルは、それぞれのコイル端部がライザ部に設けられるライザスロット内に上下二層に挿入され、両コイル端部が接合される各々の面に、それぞれ絶縁被膜が残された状態からヒュージングにより絶縁被膜を溶かして電気的且つ機械的に接合されていることを特徴とする。本発明によれば、請求項１に記載した様に、より太い平角線、あるいは、より縦長の平角線を採用することで、小型軽量化の回転電機の設計が可能となる。また、下層コイルと上層コイルとが交差する部位にプレス抜きによって段差を設ける必要がないため、プレス抜きによるバリが発生することもなく、バリを除去する必要もないため、工数低減が可能となる。更に、請求項２に記載した様に、下層コイルと上層コイルとが交差する交差部での沿面ギャップを得るために平角線をわざわざ癖付けする必要はなく、交差部での沿面ギャップを容易に確保できる。また、下層コイルと上層コイルとが最も接近する交差部において、両コイルが絶縁被膜に覆われていることから、僅かな沿面ギャップを確保できれば良いので、両コイル間に層間紙を挿入することなく、線間レアに対し安定した品質が得られる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの回転電機において、整流子側のコイルエンドで下層コイルと上層コイルとが交差する交差部では、下層コイルの断面積が交差部の前後の断面積と略同等に設けられ、上層コイルの断面積が交差部の前後の断面積と略同等に設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、先の特許文献１に示される従来技術の様に、下層コイルと上層コイルとの交差部に段差を設ける必要がないため、両コイルの断面積が大きく減少することはない。即ち、下層コイルは、上層コイルとの交差部における断面積が交差部の前後の断面積と略同等に設けられ、同様に、上層コイルは、下層コイルとの交差部における断面積が交差部の前後の断面積と略同等に設けられている。この場合、両コイルの断面積が互いの交差部で大きく減少することがないため、発熱量が抑えられ、出力低下が少なく、耐熱性に優れた回転電機の設計が可能となる。

（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載した何れかの回転電機において、電機子コイルに使用される平角線は、引抜き加工によって形成されていることを特徴とする。
例えば、丸線から圧延加工によって平角線を形成する場合は、加工硬化により、コイルの捩じり成形が困難となるが、圧延加工に比べて加工硬化の少ない引抜き加工によって形成される平角線であれば、コイルの捩じり加工が容易となる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

この実施例１では、回転電機の一例であるスタータ１について説明する。
図１はスタータ１の半断面図、図２は電機子１４の半断面図である。
本実施例のスタータ１は、図１に示す様に、回転力を発生するモータ２と、このモータ２の回転を減速する減速装置３と、この減速装置３を介してモータ２の駆動トルクが伝達される出力軸４と、この出力軸４の外周にクラッチ５と一体化して配置されるピニオンギヤ６と、シフトレバー７を介してクラッチ５とピニオンギヤ６を反モータ方向（図１の左方向）へ押し出す働きを有すると共に、モータ２の通電回路（以下モータ回路と呼ぶ）に設けられるメイン接点（後述する）を開閉する電磁スイッチ８等より構成される。

モータ２は、ヨーク９の内周に複数の永久磁石１０を配置して構成される界磁と、電機子軸１１に固定される電機子鉄心１２に電機子コイル１３を巻線して構成される電機子１４（図２参照）と、電機子軸１１の反減速装置側（図２の右側）の端部に設けられる整流子１５と、この整流子１５上に配置されるブラシ１６等より構成される周知の直流電動機である。
減速装置３は、電機子軸１１と同軸上で減速できる遊星歯車減速機であり、遊星歯車１７の公転運動が出力軸４に伝達される。
出力軸４は、電機子軸１１と同一軸線上に配置され、一端側の端部が軸受１８を介してハウジング１９に回転自在に支持され、他端側の端部が減速装置３に連結されている。

クラッチ５は、出力軸４の外周にヘリカルスプライン嵌合して、エンジン始動時に出力軸４の回転をピニオンギヤ６に伝達する。また、ピニオンギヤ６がエンジンによって回された時、つまりピニオンギヤ６の回転速度が出力軸４の回転速度を上回ると、ピニオンギヤ６の回転が出力軸４に伝わらない様に、両者間の動力伝達を遮断する一方向クラッチ５として構成されている。
ピニオンギヤ６は、クラッチ５の反モータ側に配置され、クラッチ５と一体に出力軸４上を反モータ方向へ移動してエンジンのリングギヤ（図示せず）に噛み合った後、クラッチ５を介して伝達される回転力をリングギヤに伝達する。

電磁スイッチ８は、始動スイッチ（図示せず）の閉操作によって車載バッテリから通電される電磁コイル（図示せず）と、この電磁コイルの内側を可動するプランジャ（図示せず）とを有し、電磁コイルへの通電によって電磁石が形成されると、その電磁石にプランジャが吸引されてメイン接点を閉操作する。また、電磁コイルへの通電が停止して電磁石の吸引力が消滅すると、図示しないリターンスプリングの反力にプランジャが押し戻されてメイン接点を開操作する。

メイン接点は、２本の外部端子２０、２１を介してモータ回路に接続される一組の固定接点（図示せず）と、プランジャと一体に可動して一組の固定接点間を断続する可動接点（図示せず）とで形成され、この可動接点を通じて一組の固定接点間が導通することでメイン接点が閉状態となり、一組の固定接点間の導通が遮断されることでメイン接点が開状態となる。
２本の外部端子２０、２１は、バッテリケーブルを介して車載バッテリに接続されるＢ端子２０と、モータ２から取り出されたモータリード線２２が接続されるＭ端子２１であり、共に電磁スイッチ８の接点カバー２３に固定されている。

シフトレバー７は、ハウジング１９に揺動自在に支持されるレバー支点部７ａを有し、このレバー支点部７ａより一端側のレバー端部７ｂが電磁スイッチ８のプランジャに取り付けられたシフト用ロッド２４に連結され、レバー支点部７ａより他端側のレバー端部７ｃがクラッチ５に係合して、プランジャの動きをクラッチ５に伝達する。つまり、プランジャが電磁石に吸引されて図１の右方向へ移動すると、シフト用ロッド２４に連結されたレバー端部７ｂがプランジャに引かれて移動することにより、クラッチ５に係合するレバー端部７ｃがレバー支点部７ａを中心に揺動して、クラッチ５を反モータ方向へ押し出す働きを有する。

次に、本発明に係る電機子コイル１３について説明する。
電機子コイル１３は、絶縁被膜に覆われた平角線が使用され、この平角線を電機子鉄心１２の外周に設けられたスロット２５（図５参照）の内部に上下二層に挿入して電機子鉄心１２に巻線され、スロット２５から取り出されたコイル端部が、整流子１５を構成する各セグメント１５ａに接続されている。なお、平角線は、加工硬化の小さい引抜き加工によって形成され、断面長手方向（長辺方向）を電機子鉄心１２の径方向に向けてスロット２５内に挿入される。

整流子１５は、図２に示す様に、電機子軸１１の端部に固定される絶縁材２６を介して、複数のセグメント１５ａが周方向等間隔に配置され、円筒状に形成されている。セグメント１５ａには、図３に示す様に、軸方向の鉄心側端部に径方向外側に立ち上がるライザ部１５ｂが設けられ、このライザ部１５ｂには、電機子コイル１３のコイル端部を挿入するライザスロット１５ｃ（図６参照）が形成されている。

なお、以下の説明では、スロット２５内の下層に挿入される平角線を下層コイル１３Ａ、スロット２５内の上層に挿入される平角線を上層コイル１３Ｂと呼ぶ。
電機子鉄心１２の同一スロット２５内に挿入される下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂは、図５に示す様に、スロット２５から整流子１５側へ取り出された後、互いに周方向の反対側（図示左右側）へ曲げられて、それぞれ異なるセグメント１５ａに接続されている。このため、整流子１５側のコイルエンドには、周方向に異なるスロット２５から取り出された下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂとが交差する交差部（図５に示すＸ部）が形成されている。また、下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂは、その短辺方向が対向し、その断面短辺側が円弧状をなしている（図４参照）。

下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂは、両者が交差する交差部において、少なくとも一方のコイル（本実施例では上層コイル１３Ｂ）が、スロット２５から取り出された後、図４に示す様に、自身の断面長手方向が電機子鉄心１２の径方向（図示上下方向）に対し傾斜する様に捩じられている。但し、交差部を過ぎた後、ライザスロット１５ｃに挿入されるまでの間に、再度反対側へ捩じられて、元の状態（平角線の断面長手方向が電機子鉄心１２の径方向に沿った状態）に戻されている。

続いて、スタータ１の作動を説明する。
始動スイッチの閉操作により、電磁スイッチ８の電磁コイルに通電されて電磁石が形成されると、その電磁石にプランジャが吸引されて、図１の右方向へ移動する。このプランジャの移動がシフトレバー７を介してクラッチ５に伝達されると、クラッチ５がピニオンギヤ６と一体に出力軸４上を反モータ方向へ移動して、ピニオンギヤ６の端面がリングギヤの端面に当接して停止する。

一方、プランジャの移動によってモータ回路のメイン接点が閉じると、バッテリからモータ２に給電されて電機子１４に回転力が生じる。この電機子１４の回転が減速装置３で減速されて出力軸４に伝達され、更に、出力軸４からクラッチ５を介してピニオンギヤ６に伝達される。その結果、ピニオンギヤ６が強制的に回され、リングギヤに噛み合い可能な位置まで回転してリングギヤに噛み合うことにより、ピニオンギヤ６からリングギヤにモータ２の駆動トルクが伝達されて、エンジンをクランキングする。

クランキングからエンジンが始動して、始動スイッチが開操作されると、電磁コイルへの通電停止により吸引力が消滅する。これにより、リターンスプリングの反力でプランジャが押し戻されるため、メイン接点が開いてバッテリからモータ２への給電が停止され、電機子１４の回転が次第に減速して停止する。
また、プランジャが押し戻されると、エンジン始動時と反対方向にシフトレバー７が揺動してプランジャの動きがクラッチ５に伝達される。その結果、ピニオンギヤ６がリングギヤから離脱してクラッチ５と一体に出力軸４上を所定の位置（図１に示す位置）まで後退して停止する。

（実施例１の効果）
上記のスタータ１は、下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂとが交差する交差部において、少なくとも一方のコイル（上層コイル１３Ｂ）が、スロット２５から取り出された後、捩じられているので、両コイル１３Ａ、１３Ｂが共に捩じれることなく交差する場合と比較すると、交差部での両コイル１３Ａ、１３Ｂ間の最小隙間が自ずと広くなる（図４参照）。これにより、従来と同等の沿面ギャップを確保するのであれば、より太い平角線、あるいは、より縦長の平角線を電機子コイル１３に採用することが可能となり、モータ２の小型軽量化を実現できる。

また、本発明によれば、下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂとが交差する部位にプレス抜きによって段差を設ける必要がないため、プレス抜きによるバリが発生することもなく、バリを除去する必要もないため、工数低減が可能となる。
更に、両コイル１３Ａ、１３Ｂが交差する部位に段差を設ける必要がないため、両コイル１３Ａ、１３Ｂの断面積が交差部で大きく減少することはない。即ち、下層コイル１３Ａは、上層コイル１３Ｂとの交差部における断面積が交差部の前後の断面積と略同等に設けられ、同様に、上層コイル１３Ｂは、下層コイル１３Ａとの交差部における断面積が交差部の前後の断面積と略同等に設けられている。これにより、両コイル１３Ａ、１３Ｂの断面積が互いの交差部で大きく減少することがないため、発熱量が抑えられる。その結果、出力低下が少なく、耐熱性に優れたモータ２の設計が可能である。

図６（ａ）はライザスロット１５ｃ内に下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂの両コイル端部１３ａ、１３ｂが挿入された状態を示す断面図、図６（ｂ）は両コイル端部１３ａ、１３ｂの断面図である。
この実施例２では、ライザ部１５ｂのライザスロット１５ｃ内に挿入される下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂの両コイル端部１３ａ、１３ｂをヒュージングによって接合する一例を説明する。

ライザスロット１５ｃ内に挿入される両コイル端部１３ａ、１３ｂは、ヒュージングを実施する前に、予め絶縁被膜の一部が除去される。具体的には、図６（ｂ）に示す様に、上層コイル端部１３ａの図示上端側と下層コイル端部１３ｂの図示下端側のみ絶縁被膜が除去される。言い換えると、両コイル端部１３ａ、１３ｂのそれぞれ両側面及び両コイル端部１３ａ、１３ｂが径方向に向き合う（短辺方向で対向している）各々の面（断面短辺側の円弧状面、つまり接合される面）には、絶縁被膜が残されている。従って、両コイル端部１３ａ、１３ｂは、図６（ａ）に示す様に、共に絶縁被膜が残されている被接合面同士を突き合わせた状態でライザスロット１５ｃ内に挿入され、ヒュージングにより両コイル端部１３ａ、１３ｂの絶縁被膜を溶かして電気的且つ機械的に接合される。

ところが、先の特許文献１に記載される従来技術では、図８（ｂ）に示す様に、下層コイル端部１１１の上下両面及び上層コイル端部２１１の上下両面の絶縁被膜が予め除去されている。その後、両コイル端部１１１、２１１は、図８（ａ）に示す様に、絶縁被膜が除去された下層コイル端部１１１の上端面と上層コイル端部２１１の下端面とを突き合わせた状態でライザ部３００のスロット３１０内に挿入され、ヒュージングにより電気的且つ機械的に接合される。この従来技術では、両コイル端部１１１、２１１が向き合う面、つまり図８（ｂ）に示す下層コイル端部１１１の上端面及び上層コイル端部２１１の下端面の絶縁被膜が予め除去されるため、その分、上下層コイルが最も接近する交差部での最小隙間が狭くなってしまう。

これに対し、実施例２に記載する構成によれば、両コイル端部１３ａ、１３ｂが径方向に向き合う各々の面の絶縁被膜を残しているため、下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂとが最も接近する交差部での最小隙間を広く確保できる。これにより、両コイル１３Ａ、１３Ｂ間の沿面ギャップを得るために平角線をわざわざ癖付けする必要はなく、交差部での沿面ギャップを容易に確保できる。
また、下層コイル１３Ａと上層コイル１３Ｂとが最も接近する交差部においても、両コイル１３Ａ、１３Ｂが絶縁被膜に覆われていることから、僅かな沿面ギャップを確保できれば良いので、両コイル１３Ａ、１３Ｂ間に層間紙を挿入することなく、線間レアに対し安定した品質を得ることが可能である。

なお、実施例２は、実施例１とは別に単独で実施することもできるが、実施例１の構成と組み合わせて実施することもできる。
また、実施例１では、本発明の回転電機の一例としてスタータ１を記載したが、スタータ１以外のモータ、あるいは発電機等にも本発明を適用できることは言うまでもない。

スタータの半断面図である。電機子の半断面図である。電機子コイルの整流子側コイルエンドを示す断面図である。上層コイルと下層コイルとが交差する交差部のコイル断面図（図３のＡ−Ａ断面図）である（実施例１）。電機子コイルの結線図である。（ａ）ライザスロット内に下層コイルと上層コイルの両コイル端部が挿入された状態を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）、（ｂ）両コイル端部の断面図である（実施例２）。上下層コイルの交差部を示すコイル斜視図である（従来技術）。（ａ）ライザスロット内に下層コイルと上層コイルの両コイル端部が挿入された状態を示す断面図、（ｂ）両コイル端部の断面図である（従来技術）。

符号の説明

１スタータ（回転電機）
１１電機子軸
１２電機子鉄心
１３電機子コイル
１３Ａ下層コイル
１３Ｂ上層コイル
１３ａ下層コイル端部
１３ｂ上層コイル端部
１５整流子
１５ａセグメント
１５ｂライザ部
１５ｃライザスロット
２５スロット

Claims

外周に複数のスロットを有する電機子鉄心と、
絶縁被膜に覆われた平角線が使用され、この平角線を前記スロット内に上下二層に挿入して前記電機子鉄心に巻線される電機子コイルと、
前記電機子鉄心を支持する電機子軸の周囲に複数のセグメントを等間隔に配置して構成される整流子とを備え、
前記スロットから軸方向に取り出された前記電機子コイルの端部が前記セグメントに設けられたライザ部に接続される回転電機であって、
前記電機子コイルは、前記スロット内の下層に挿入される平角線の下層コイルと、前記スロット内の上層に挿入される平角線の上層コイルとを有し、この両コイルの短辺方向が対向し、その断面短辺側が円弧状をなしており、
前記下層コイルと前記上層コイルは、前記整流子側のコイルエンドで両者が交差する交差部において、少なくとも一方のコイルが、前記スロットから取り出された後、その断面長手方向が前記電機子鉄心の径方向に対して傾斜するように捩じれていることを特徴とする回転電機。
外周に複数のスロットを有する電機子鉄心と、
絶縁被膜に覆われた平角線が使用され、この平角線を前記スロット内に上下二層に挿入して前記電機子鉄心に巻線される電機子コイルと、
前記電機子鉄心を支持する電機子軸の周囲に複数のセグメントを等間隔に配置して構成される整流子とを備え、
前記スロットから軸方向に取り出された前記電機子コイルの端部が前記セグメントに設けられたライザ部に接続される回転電機であって、
前記電機子コイルは、前記スロット内の下層に挿入される平角線の下層コイルと、前記スロット内の上層に挿入される平角線の上層コイルとを有し、
前記スロットから取り出された前記下層コイルと前記上層コイルは、それぞれのコイル端部が前記ライザ部に設けられるライザスロット内に上下二層に挿入され、両コイル端部が径方向に向き合う各々の面に前記絶縁被膜が残され、その径方向反対側の面の前記絶縁被膜の一部が除去された状態からヒュージングにより前記絶縁被膜を溶かして電気的且つ機械的に接合されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載した回転電機において、
前記スロットから取り出された前記下層コイルと前記上層コイルは、それぞれのコイル端部が前記ライザ部に設けられるライザスロット内に上下二層に挿入され、両コイル端部が接合される各々の面に、それぞれ絶縁被膜が残された状態からヒュージングにより前記絶縁被膜を溶かして電気的且つ機械的に接合されていることを特徴とする回転電機。
請求項１〜３に記載した何れかの回転電機において、
前記整流子側のコイルエンドで前記下層コイルと前記上層コイルとが交差する交差部では、前記下層コイルの断面積が前記交差部の前後の断面積と略同等に設けられ、前記上層コイルの断面積が前記交差部の前後の断面積と略同等に設けられていることを特徴とする回転電機。
請求項１〜４に記載した何れかの回転電機において、
前記電機子コイルに使用される平角線は、引抜き加工によって形成されていることを特徴とする回転電機。