JP5839295B2

JP5839295B2 - 回転電機の固定子

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Publication number: JP5839295B2
Application number: JP2013182709A
Authority: JP
Inventors: 喜大浅野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-09-04
Also published as: JP2015050884A; DE102014111059B4; US9748811B2; CN104426256B; CN104426256A; DE102014111059A1; US20150061434A1

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される回転電機の固定子に関する。

従来から、他の相の巻線の端部に接続されるリード部とコイルエンド部を糸で縛り付けて固定するのではなく、電気絶縁性に富む接着剤で固定し、摩擦等による傷を防止し、絶縁性を確保しつつ工数の低減を図った回転電機の固定子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、最近では、リード線が複雑化し、複数の溶接箇所が存在する回転電機の固定子も存在する。

特開２００１−１０３６９７号公報

ところで、上述した特許文献１の回転電機の固定子では、固定子巻線の抵抗値を下げるために断面積の大きい電気導体を使用する場合や、振動が激しい車両に回転電機を搭載する場合には、リード部（引出線）をコイルエンド部に固定した箇所に加わる振動荷重が大きくなって振動耐力が低下するという問題があった。この場合、振動耐力を上げるためには、より多くの接着剤を用いて固定する必要があり、コストアップにつながる。また、巻線仕様の多様化に伴い、リード線の這い回しが複雑化することで固定する箇所が増え、接着剤を多く使用しなければならず、コストアップにつながる。さらに、リード部の這い回しの複雑化と溶接箇所の増加に伴い、固定部とフレームとの間のギャップが減少し、環境性の低下が生じるおそれがある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、固定子巻線の引出線の固定を工夫することにより、振動耐力の向上およびコストダウンが可能であって、耐環境性を向上させることができる回転電機の固定子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機の固定子は、固定子鉄心、固定子巻線、巻線引出部とを備える。固定子鉄心は、複数のスロットが周方向に並んで形成されている。固定子巻線は、固定子鉄心の各スロットに複数の巻線を巻回することにより構成され、固定子鉄心の軸方向端面から軸方向に突出するコイルエンド部を有する。巻線引出部は、複数の巻線の一部によって形成され、コイルエンド部に隣接するとともに周方向に沿った第１の周方向延在部と径方向に沿った径方向延在部を有する第１の引出線と、径方向延在部に隣接するとともに径方向延在部を挟み込んで固定するように径方向延在部を挟んでコイルエンド部と反対側に配置されて第１の引出線と交差する第２の周方向延在部を有する第２の引出線とを含んでいる。

第１の引出線の一部を径方向に曲げて配置し、別の第２の引出線をその上に這わせることにより、第１の引出線をコイルエンド部と第２の引出線とで挟み込んで固定することができるため、振動耐力を向上させることが可能となる。

一実施形態の車両用交流発電機の断面図である。固定子巻線を構成するセグメント導体の斜視図である。図２に示したセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。フロント側コイルエンド部の接合端部を示す斜視図である。本実施形他の固定子巻線の説明図である。一方の三相巻線に対応する巻線引出部の具体的な形状を示す側面図である。引出線となるセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。引出線となるセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。巻線引出部の具体例を示す平面図である。巻線引出部の変形例を示す平面図である。巻線引出部の変形例を示す平面図である。巻線引出部の変形例を示す平面図である。巻線引出部の変形例を示す平面図である。セグメント導体の変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の回転電機の固定子を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示すように、一実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フレーム４、整流器５、レギュレータ１１等を含んで構成されている。この車両用交流発電機１は、エンジン（図示せず）から回転力を受けるプーリ２０を有する。プーリ２０は、シャフト６に回転子２とともに固定されている。回転子２は、一対のランデル型鉄心２１と界磁巻線２４とを有しており、エンジンによって回転駆動される。ランデル型鉄心２１の軸方向端面には冷却ファン２２、２３が設けられている。冷却ファン２２、２３は、フレーム４の軸方向の開口部４１から冷却風を内部に取り込み、取り込んだ冷却風を径方向の開口部４２に向けて吹き出す。この冷却風により、固定子３の固定子巻線３２や、固定子巻線３２に接続されて固定子巻線３２から出力される交流電流を整流する整流器５や出力電圧を調整するレギュレータ１１等が冷却される。シャフト６は、フレーム４に回転自在に支持されており、反プーリ側の端部近傍にはスリップリングが設けられている。また、フレーム４には、回転子２の外周側に対向配置される固定子３が固定されている。

次に、固定子３の詳細について説明する。固定子３は、電気導体としての複数のセグメント導体３０（図２、図３）によって構成される固定子巻線３２と、この固定子巻線３２が装備される複数のスロット３１０（図３）が形成されている固定子鉄心３１と、固定子巻線３２と固定子鉄心３１とに挟まれた絶縁シート３４とを有する。

固定子鉄心３１のスロット３１０に巻回された固定子巻線３２は複数の電気導体により構成され、各スロット３１０には偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。これらの各電気導体は、矩形断面形状を有している。また、一のスロット３１０内の４本の電気導体は、図３に示すように固定子鉄心３１の径方向に沿って内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配置されている。

図２に示すように、一のスロット３１０内の内端層の電気導体３３１ａは、固定子鉄心３１の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３１０内の外端層の電気導体３３１ｂと対をなしている。同様に、一のスロット３１０内の内中層の電気導体３３２ａは固定子鉄心３１の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３１０内の外中層の電気導体３３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心３１の軸方向の一方の端面側において連続線を用いることにより、ターン部３３１ｃ、３３２ｃを経由することで接続される。

したがって、固定子鉄心３１の一方の端面側においては、外中層の電気導体３３２ｂと内中層の電気導体３３２ａとをターン部３３２ｃを経由して接続する連続線を、外端層の電気導体３３１ｂと内端層の電気導体３３１ａとをターン部３３１ｃを経由して接続する連続線が内包することとなる。このように、固定子鉄心３１の一方の軸方向端面側においては、対をなす電気導体の接続部としてのターン部３３２ｃが、同じスロット３１０内に収容された他の対をなす電気導体の接続部としてのターン部３３１ｃにより囲まれる。外中層の電気導体３３２ｂと内中層の電気導体３３２ａとの接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体３３１ｂと内端層の電気導体３３１ａとの接続により端層コイルエンドが形成される。

一方、一のスロット３１０内の内中層の電気導体３３２ａは、固定子鉄心３１の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３１０内の内端層の電気導体３３１ａ’とも対をなしている。同様に、一のスロット３１０内の外端層の電気導体３３１ｂ’は、固定子鉄心３１の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３１０内の外中層の電気導体３３２ｂとも対をなしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心３１の軸方向の他方の軸方向端面側において接続される。

したがって、固定子鉄心３１の他方の端面側においては、外端層の電気導体３３１ｂ’と外中層の電気導体３３２ｂとを接続する外側接合部３３３ｂと、内端層の電気導体３３１ａ’と内中層の電気導体３３２ａとを接続する内側接合部３３３ａとが、径方向および周方向に互いにずれた状態で配置されている。外端層の電気導体３３１ｂ’と外中層の電気導体３３２ｂとの接続、および内端層の電気導体３３１ａ’と内中層の電気導体３３２ａとの接続により、図４に示すように、異なる同心円上に配置された２つの隣接層コイルエンドが形成される。

さらに、図２に示すように、内端層の電気導体３３１ａと外端層の電気導体３３１ｂとが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる大セグメント３３１により提供される。また、内中層の電気導体３３２ａと外中層の電気導体３３２ｂとが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる小セグメント３３２により提供される。基本となるＵ字状のセグメント導体３０は、大セグメント３３１と小セグメント３３２によって形成される。各セグメント３３１、３３２は、スロット３１０内に収容されて軸方向に沿って延びる部分を備えるとともに、軸方向に対して所定角度傾斜して延びる曲げ部としての斜行部３３１ｆ、３３１ｇ、３３２ｆ、３３２ｇを備える。これら斜行部によって、固定子鉄心３１から軸方向の両端面に突出するリア側コイルエンド部３２Ｒとフロント側コイルエンド部３２Ｆが形成されており（図１）、回転子２の軸方向の両端面に取り付けられた冷却ファン２２、２３を回転させたときに生じる冷却風の通風路は、主にこれら斜行部の間に形成されている。

以上の構成を、全てのスロット３１０のセグメント導体３０について繰り返す。そして、反ターン部側のフロント側コイルエンド部３２Ｆにおいて、外端層の端部３３１ｅ’と外中層の端部３３２ｅ、並びに内中層の端部３３２ｄと内端層の端部３３１ｄ’とがそれぞれＴＩＧ溶接や超音波溶着等の手段によって接合されて外側接合部３３３ｂおよび内側接合部３３３ａが形成され、電気的に接続されている。これにより、上記の固定子巻線はセグメント導体３０を使用して重ね巻を形成している。

なお、セグメント導体３０は、図１４に示すように、隣接層の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる複数の同一形状のセグメントを用いてもよい。さらに、固定子巻線は、上記の同一形状のセグメントを用いたセグメント導体３０を使用して波巻を形成してもよい。

本実施形態では、上述したセグメント導体３０を用いることにより、図５に示す２種類の三相巻線３２Ａ、３２Ｂが形成されており、これらの三相巻線３２Ａ、３２Ｂによって固定子巻線３２が構成されている。三相巻線３２Ａ、３２Ｂは、互いに電気角で３０度位
相をずらして固定子鉄心３１の各スロットに巻回されている。

一方の三相巻線３２Ａは、Ｙ結線された３つの巻線ｘ、ｙ、ｚを有する。図６に示すように、これら３つの巻線ｘ、ｙ、ｚのそれぞれの一方端は、リア側コイルエンド部３２Ｒから引出線Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃとして引き出されて互いに接合され、中性点Ｎ１が形成される。また、３つの巻線ｘ、ｙ、ｚのそれぞれの他方端は、引出線Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂとして引き出され、それぞれの端部が整流器５に接続される。

同様に、他方の三相巻線３２Ｂは、Ｙ結線された３つの巻線ｕ、ｖ、ｗを有する。これら３つの巻線ｕ、ｖ、ｗのそれぞれの一方端は、リア側コイルエンド部３２Ｒから引出線Ｕｃ、Ｖｃ、Ｗｃとして引き出されて互いに接合され、中性点Ｎ２が形成される。また、３つの巻線ｕ、ｖ、ｗのそれぞれの他方端は、引出線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂとして引き出され、それぞれの端部が整流器５に接続される。このように、引出線Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ、Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃや引出線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂ、Ｕｃ、Ｖｃ、Ｗｃを所定形状に成形することで巻線引出部３２Ｈが形成されている。

図７に示すように、リア側コイルエンド部３２Ｒから突出する引出線（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ、Ｘｂ等）は、ターン部を有しない直線状のセグメント導体３０’を用いて形成されている。このセグメント導体３０’は、セグメント導体３０の一方の直線部をターン部で折り返さずにそのまま延長した形状を有している。したがって、図７に示すように、セグメント導体３０とともに固定子鉄心３１のスロット３１０に挿入して先端部側を折り曲げることにより、図４に示すように、セグメント導体３０’の端部を他のセグメント導体３０の端部と接合することができ、容易に引出線Ｘｂ、Ｘｃ等を形成することができる。また、これらの引出線Ｘｂ、Ｘｃ等は、例えば図８に示すように、固定子鉄心３１の各スロットに挿入される前に所定の形状に成形される。

次に、引出線の形状について説明する。上述したように、本実施形態の固定子巻線３２は２つの三相巻線３２Ａ、３２Ｂを含んでおり、これら２つの三相巻線３２Ａ、３２Ｂは基本的に同じ特徴を有するため、以下では一方の三相巻線３２Ａについて説明を行うものとする。

三相巻線３２Ａは、３つの巻線ｘ、ｙ、ｚを固定子巻線３１の各スロットに巻回してそれぞれの端部から引出線を引き出し、これらの引出線の一部を相互に接続してＹ結線することにより構成されている。また、三相巻線３２Ａは、３つの巻線ｘ、ｙ、ｚの一部によって形成され、リア側コイルエンド部３２Ｒに隣接するとともに径方向に沿った径方向延在部を有する第１の引出線と、この径方向延在部に隣接するとともに径方向延在部を挟んでリア側コイルエンド部３２Ｒと反対側に配置されて第１の引出線と交差する周方向延在部を有する第２の引出線とを有する巻線引出部３２Ｈを含んでいる。

具体的には、図６、図９に示すように、中性点Ｎ１を形成する３つの引出線Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃの中で引出線Ｘｃ、Ｚｃのそれぞれは、リア側コイルエンド部３２Ｒから引き出された後、周方向に沿って這い回された後、径方向に沿って内径側に這い回され、その後軸方向に曲げられて接合部Ｔに至る。これらの引出線Ｘｃ、Ｚｃが第１の引出線に対応しており、径方向に沿って内径側に這い回された部分が径方向延在部Ｒに対応している。

また、引出線Ｘｂは、第１の引出線の径方向延在部Ｒに隣接するとともにこの径方向延在部Ｒを挟んでリア側コイルエンド部３２Ｒと反対側に配置されて第１の引出線と交差するように周方向に沿って這い回され、その後軸方向に曲げられる。この周方向に沿って這い回された部分が周方向延在部Ｓに対応している。

第１の引出線の一部を径方向に曲げて配置し、別の第２の引出線をその上に這わせることにより、第１の引出線をリア側コイルエンド部３２Ｒと第２の引出線とで挟み込んで固定することができるため、振動耐力を向上させることが可能となる。

また、図９に示すように、径方向延在部Ｒが含まれる第１の引出線（Ｘｃ、Ｚｃ）は、径方向延在部Ｒの内径側において他の巻線と接合されている。このように、巻線引出部の接合位置を内径側に設定することにより、接合部Ｔとフレーム４とのギャップを広げることができ、耐環境性を向上させることができる。

また、径方向延在部Ｒを含む第１の引出線（Ｘｃ、Ｚｃ）の全体は、この第１の引出線が引き出された巻線ｘ、ｚを固定子鉄心３１に巻回（スロット３１０に挿入）する前に成形されている。径方向延在部Ｒに生じるスプリングバックを考慮して第１の引出線を成形することができるため、径方向延在部Ｒをリア側コイルエンド部３２Ｒに押しつけて径方向延在部Ｒや接合部Ｔの高さを低くすることができる。これにより、接合部Ｔとフレーム４とのギャップをさらに広げて、耐環境性をさらに向上させることができる。

また、図２や図９等に示すように、巻線ｘ、ｙ、ｚを構成する電気導体は、矩形断面を有している。これにより、第１の引出線の径方向延在部Ｒと第２の引出線の周方向延在部Ｓとが互いに対向して接する面積を広げることができる。このため、コイルエンド部に対する第１及び第２の引出線の固定力が向上し、振動耐力をさらに向上させることが可能となる。

また、図９に示すように、接合部Ｔにおいて互いに隣接する２本の電気導体（合計では３本の電気導体）は、一方の電気導体の矩形断面の短辺と他方の電気導体の矩形断面の長辺とを対向させた状態で接合されている。これにより、一方の引出線（例えばＸｃ）のフラットワイズ方向に曲げ荷重が加わった場合であっても、他方の引出線（例えばＹｃ）についてはエッジワイズ方向への曲げとなるため、接合部Ｔに対して加わる曲げ荷重に対する強度を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、矩形断面のセグメント導体を用いて固定子巻線３２を構成したが、矩形断面以外（例えば円形断面）のセグメント導体、あるいはセグメント導体以外の連続線を用いて固定子巻線を構成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、各引出線の配置を図９に示すようにしたが、図１０、図１１、図１２に示すようにしてもよい。これらの場合であっても、径方向延在部Ｒを挟んでリア側コイルエンド部３２Ｒと反対側に周方向延在部Ｓが配置されて、径方向延在部Ｒをリア側コイルエンド部３２Ｒと周方向延在部Ｓとで挟み込んで固定する点に変わりはない。

また、上述した実施形態では、接合部Ｔを内径側に配置したが、接合部Ｔとフレーム４との間のギャップが広く、これらの接近を考慮する必要がない場合などにおいては、図１３に示すように、接合部Ｔを外径側に配置するようにしてもよい。この場合であっても、径方向延在部Ｒを挟んでリア側コイルエンド部３２Ｒと反対側に周方向延在部Ｓが配置されて、径方向延在部Ｒをリア側コイルエンド部３２Ｒと周方向延在部Ｓとで挟み込んで固定する点に変わりはない。

また、上述した実施形態では、図５に示すように、Ｙ結線された２つの三相巻線３２Ａ、３２Ｂを含む固定子巻線３２を用いたが、いずれか一方の三相巻線のみが含まれるようにしたり、Δ結線された三相巻線を用いたり、これらの三相巻線を組み合わせて固定子巻線を構成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、車両用交流発電機１の固定子２に本発明を適用したが、その他の車両用回転電機や、車両以外に用いられる回転電機についても本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、第１の引出線の一部を径方向に曲げて配置し、別の第２の引出線をその上に這わせることにより、第１の引出線をコイルエンド部と第２の引出線とで挟み込んで固定することができるため、振動耐力を向上させることが可能となる。

３固定子
３１固定子鉄心
３２固定子巻線
３２Ｈ巻線引出部
３２Ｒリア側コイルエンド部
３１０スロット
Ｒ径方向延在部
Ｓ周方向延在部

Claims

複数のスロット（３１０）が周方向に並んで形成された固定子鉄心（３１）と、
前記固定子鉄心の各スロットに複数の巻線を巻回することにより構成され、前記固定子鉄心の軸方向端面から軸方向に突出するコイルエンド部（３２Ｒ）を有する固定子巻線（３２）と、
前記複数の巻線の一部によって形成され、前記コイルエンド部に隣接するとともに周方向に沿った第１の周方向延在部と径方向に沿った径方向延在部（Ｒ）を有する第１の引出線と、前記径方向延在部に隣接するとともに前記径方向延在部を挟み込んで固定するように前記径方向延在部を挟んで前記コイルエンド部と反対側に配置されて前記第１の引出線と交差する第２の周方向延在部（Ｓ）を有する第２の引出線とを含む巻線引出部（３２Ｈ）と、
を備えることを特徴とする回転電機の固定子。
請求項１において、
前記第１の引出線は、前記径方向延在部の内径側において他の引出線と接合されることを特徴とする回転電機の固定子。
請求項１または２において、
前記第１の引出線に含まれる前記径方向延在部は、この第１の引出線が引き出された前記巻線を前記固定子鉄心に巻回する前に成形されていることを特徴とする回転電機の固定子。
請求項１〜３のいずれか一項において、
前記巻線を構成する電気導体は、矩形断面を有することを特徴とする回転電機の固定子。
請求項４において、
前記第１の引出線と他の前記巻線の端部とが接合されており、この接合部において隣接する２本の前記電気導体は、一方の前記電気導体の矩形断面の短辺と他方の前記電気導体の矩形断面の長辺とを対向させた状態で接合されることを特徴とする回転電機の固定子。