JP5849802B2 - 回転電機及びセグメントの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される回転電機に関する。また、産業用機器、家庭電化製品等への適用も可能である。

従来より、特許文献１に記載されているような、回転電機のステータにおいて、ファンからの冷却風がコイルエンド部を通過可能となるようにした技術がある。

特許第３４５６１４０号公報

しかし、特許文献１では、導体に丸線もしくは平角線を用いている。平角線の場合には、冷却風が当たることによる冷却効果が高いが、高コストであるという問題点がある。また、丸線の場合には、安価ではあるが、冷却効果が低いという問題点がある。
そこで、本発明では、丸線を用い、且つ、コイルエンド部の冷却効果を高めることを目的とする。

本発明の回転電機は、周方向に複数のスロットを有するステータコア、及びスロットに収容される複数のスロット導体部と、スロット導体部間を接続するとともにステータコアの軸方向の端部に突出する複数のコイルエンド部とを有するステータコイルを具備するステータと、ステータコアの周面に対向する周面を有するロータとを備える。
そして、コイルエンド部を構成する導体の少なくとも一部には、丸線の扁平化によって形成され、対向する２つの平行側面と対向する２つの円弧面とで囲まれた断面形状を有する変形導線が用いられている。

そして、変形導線は、スロット導体部を構成する導体に用いられ、平行側面がスロットの周方向壁に両側から挟まれるように配されている。
また、複数のスロット導体部は、スロットのそれぞれにおいて径方向に並んでいる。

また、ステータの軸方向に垂直な断面において、平行側面は、各スロットの周方向中心を通って径方向に延びる中心線に対して傾いている。
そして、平行側面と中心線をなす角度は、異なるスロットで径方向位置が同じスロット導体部間で等しくなっている。

これによれば、コイルエンド部で平行側面が向く方向を揃えやすくなる。

回転電機の概略断面図である（参考例）。 （ａ）はセグメントの説明図であり、（ｂ）はセグメントを形成する導線の断面図である（参考例）。 変形導線の製造方法を説明する説明図である（参考例）。 スロットの導体挿入状態を示す図である（参考例）。 ステータの軸方向一端側の斜視図である（参考例）。 ステータの軸方向他端側の斜視図である（参考例）。 ステータの軸方向一端側の概略平面図である（参考例）。 （ａ）は成型治具の平面図であり、（ｂ）と（ｃ）とは参考例のセグメントの捩り工程を示す図であり、（ｄ）と（ｅ）とは比較例のセグメントの捩り工程を示す図である。 平角線と比較した参考例の効果を説明する説明図である（参考例）。 導線の断面形状と接合部の向きを示す図である（参考例、比較例）。 導線のスロット内の配置状態を示す図である（実施例１）。 導線の断面図である（実施例２）。 変形導線の製造方法を説明する説明図である（実施例２）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔参考例の構成〕
参考例の回転電機１を、図１〜図１０を用いて説明する。
参考例の回転電機１は、交流発電機であって、ステータ２、ステータ２の内周に配されたロータ３、ロータ３の軸方向端部に固定されたファン４等を備える一般的な構成を有する。
ロータ３は、ランデル型のポールコア３ａと、ポールコア３ａに装着された界磁コイル３ｂとを有する。ポールコア３ａは一対の爪磁極を軸方向に噛み合わせた周知の構造を有している。そして、ポールコア３ａの軸方向両端にはそれぞれファン４が固定されている。

ステータ２は、円環状の電磁鋼板を複数積層して形成されたステータコア７にステータコイル８を巻装してなる。
ステータコア７は、先端がロータ３の外周面に対向するティース９と、ティース９同士を反ロータ側（外周側）で磁気的に接続する磁束路ヨーク１０とを有している（図４、図７参照）。
隣り合うティース９同士の間には、ステータコイル８が配置されるスロット１１が設けられている。

ステータコイル８は、Ｕ字状の複数のセグメント１４（図２参照）によって構成されている。
セグメント１４は、導線をＵ字状に折り曲げて形成されている。この導線は、断面丸形状の丸線をプレスして扁平化することで形成されている。
すなわち、図３に示すように、丸線の径方向に対向するように配置された一対のローラーＲ１によって丸線を圧延する工程（第１成形）を経ることで、丸線を扁平化している。

これによって、丸線が扁平化されることにより、対向する２つの平行側面１５と、対向する２つの円弧面１７とで囲まれた導線（以下、変形導線と呼ぶ）となる。
そして、延線方向に垂直に切断した断面形状において、２つの平行側面１５が対向する方向に垂直な方向の長さＬは、２つの平行側面１５が対向する方向の長さＤ（平行側面１５間の幅）よりも長い。

セグメント１４は、図２（ａ）に示すように、変形導線を平行側面１５が面方向に沿って一方の円弧面１７が内側となるように折り曲げ、その後、捩り加工が施されることにより形成されている。すなわち、単に変形導線をＵ字に折り曲げた状態から、捩り加工が施されることにより、一対の平行な脚部２０間をＵ字に繋ぐＵ字部２１に、セグメント１４をスロット１１内に挿入したときに脚部２０から周方向に延びる斜行部２２と、斜行部２２同士の間の頂部２３が形成される。この捩り加工については後に詳述する。

そして、ステータコイル８は、セグメント１４の脚部２０をそれぞれ別のスロット１１へ入れ、隣接するセグメント１４の脚部２０同士を接合することにより構成されている。
すなわち、図５、図６に示すように、スロット１１の軸方向一端側から脚部２０を挿入して軸方向他端側へ出し、軸方向他端側で脚部２０を治具で把持しスロット１１間を渡すように曲げ、隣り合う脚部２０同士を溶接により接合することで、ステータコイル８が構成されている。
そして、ステータコイル８の内、スロット１１内に収容される部分がスロット導体部２５であり、ステータ２の軸方向端部に突出する部分がコイルエンド部２６である。

次に、スロット導体部２５について説明する。
図４に示すように、複数のスロット導体部２５はスロット１１内で径方向に積層されている。また、ステータコア７の軸方向視において、平行側面１５がスロット１１の径方向に沿うように配されている。すなわち、平行側面１５がスロット１１の周方向壁面１１ａに挟まれるように配されている。なお、スロット１１の壁面とスロット導体部２５との間には絶縁部材２８が配されている。

ここで、変形導線は、断面形状において、対向する２つの平行側面１５間の最大距離Ｓが、スロット１１の周方向長さＷ（スロット幅）よりも大きい。対向する２つの平行側面１５間の最大距離Ｓとは、断面形状中において、一方の平行側面１５の一端と、他方の平行側面１５の他端とを結ぶ距離である。

次に、コイルエンド部２６について説明する。
複数のコイルエンド部２６同士の間にはファン４からの冷却風を通す通路が形成されている。
ファン４からの冷却風はステータコア７の内周側から外周側に向かって流れる。そこで、この冷却風がコイルエンド部２６間を通るように、コイルエンド部２６によって静翼形状を形成し、隣接するコイルエンド部２６同士の間に冷却風が通過できるようにしている。

具体的には、図５及び図７に示すように、頂部２３の長手方向がステータコア７の径方向に沿うようにセグメント１４がステータコア７に装着されることで、隣接する頂部２３同士の間の隙間が放射状に形成される。また、軸方向他端側（接合側）においても、図６に示すように、脚部２０の端部２０ａによって、静翼形状が形成されている。
ここで、頂部２３及び端部２０ａでは、平行側面１５が周方向を向いており、冷却風は平行側面１５上を沿うように流れることになる。
なお、図６に示すように、脚部２０の端部２０ａには、溶接するために皮膜剥離加工されて断面矩形状とされた接合部２０ｂが形成されている。接合部２０ｂは平行側面１５に沿うように皮膜剥離されて形成されており、矩形形状の向かい合う一対の辺が平行側面１５に沿う形状となっている

〔捩り工程について〕
捩り工程について図８を用いて説明する。
捩り工程は、２本の脚部２０の内の一方を保持する第１リング３１と、第１リング３１の内周側に同心的に設けられて他方の脚部２０を保持する第２リング３２とを有する成型治具３３を用いて行われる。

第１リング３１及び第２リング３２はそれぞれ脚部２０を保持するための保持スロット３５を有している。
図８（ａ）に示すように、第１リング３１の保持スロット３５と第２リング３２の保持スロット３５との周方向位置が同じであって径方向に並ぶように、第１リング３１と第２リング３２の位置決めをする。そして、図８（ｂ）に示すように、捩り工程前の１つのセグメント１４の一方の脚部２０を第１リング３１の保持スロット３５に、他方の脚部２０を第２リング３２の保持スロット３５に挿入する。そして、図８（ｃ）に示すように、第１リング３１と第２リング３２の周方向位置をずらすことによって、セグメント１４を捩る。なお、特開２００１−１９７７０９号公報には同様の捩り工程について開示されている。

本参考例では、セグメント１４には変形導線が用いられており、脚部２０は保持スロット３５の周方向を仕切る壁面３５ａと平行側面１５とが対向して当接するように保持されており、捩り工程を行っても、脚部２０が保持スロット３５内で回転することはない。

〔参考例の作用効果〕
本参考例では、コイルエンド部２６を構成する導体に、丸線の加工によって形成される変形導線が用いられている。そして、コイルエンド部２６同士の間にファン４からの冷却風を通す通路が形成されている。
これによれば、冷却風が通過する際に変形導線の平行側面１５に当たるため、コイルエンド部２６の冷却効果が高まる。また、変形導線は、丸線に対する容易な加工によって形成できるため安価に入手可能である。

また、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、ステータコイル８を平角線により形成する場合、平角線を曲げると曲げの内側で曲げ方向に対して垂直な方向への角部ｃの膨出が生じる。
例えば、スロット導体部２５とコイルエンド部２６との境界部（図５及び図６の二点鎖線で囲われた部分）では、導線をステータコア７の周方向に沿って曲げるため、平角線の場合には角部ｃが径方向に膨出する。この結果、ステータ２の径方向寸法の拡大を招いてしまう。
これに対して、図９（ｃ）及び（ｄ）に示すように、変形導線の場合、円弧面１７と平行側面１５との間の境界を角部ｃとすると、曲げの内側での角部ｃの膨出が生じにくく、ステータ２の小型化に寄与できる。

また、本参考例ではスロット導体部２５にも変形導線が用いられ、変形導線は、平行側面１５がスロット１１の周方向壁面１１ａに両側から挟まれるように配される。
これによれば、丸線を用いる場合よりも占積率を向上させることができる。

また、変形導線は、延線方向に垂直に切断した断面形状において、２つの平行側面１５が対向する方向に垂直な方向の長さＬは、２つの平行側面１５が対向する方向の長さＤよりも長い。
これによれば、コイルエンド部２６において、冷却風の通路を形成する際に、冷却風の通路を広く確保しやすくなるとともに、頂部２３による静翼形状を構成しやすくなる。

そして、延線方向に垂直に切断した断面形状において、対向する２つの平行側面１５間の最大距離Ｓを、スロット１１の周方向長さＷ（スロット幅）よりも大きくしている。
これによれば、スロット１１内でスロット導体部２５が回転するのを防止することができる。

また、本参考例の捩り工程では、脚部２０を保持する際に、保持スロット３５の周方向を仕切る壁面３５ａと平行側面１５とが当接するように保持している。
これによれば、捩り工程を行っても、脚部２０が保持スロット３５内で回転することがないため、予め接合部２０ｂを形成して捩り工程を行った場合でも、捩り工程前後で、接合部２０ｂの向きは同じである。

比較例として、図８（ｄ）、（ｅ）を用いて、丸線によって形成されたセグメント１４ｈの捩り工程について説明する。丸線の場合には、保持スロット３５と丸線表面を接触するように保持したとしても、摩擦力に依存した保持になるため、摩擦力が小さい場合には、捩り工程によって保持スロット３５内で脚部２０ｈが回転してしまう。
このため、予め接合部２０ｂｈを形成して捩り工程を行うと、捩り工程前後で、接合部２０ｂｈの向きが変わってしまう。

本参考例では、捩り工程前後で接合部２０ｂの向きが変わらないため、捩り工程後のセグメント１４をステータコア７のスロット１１に軸方向一端側から挿入した際に、軸方向他端側に突出する接合部２０ｂの平面は、平行側面１５に沿っており、周方向を向いている（図１０参照）。このため、接合工程を行う際に、接合部２０ｂを周方向両端から把持しやすくなる。
一方、比較例では、接合部２０ｂｈが回転してしまうため、接合部２０ｂｈの平面を周方向へ向かせることが困難であり、接合部２０ｂｈを周方向両端から把持することが困難である。

〔実施例１〕
本実施例の回転電機１を、参考例とは異なる点を中心に、図１１を用いて説明する。
なお、参考例と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、ステータ２の軸方向に垂直な断面において、スロット１１内で平行側面１５はスロット１１の周方向中心を通る中心線Ｘに対して傾いている。
例えば、図１１に示すように、ｎ番目のスロット１１ｎのスロット導体部２５を内径側から順にスロット導体部２５ｎ１、２５ｎ２、２５ｎ３、２５ｎ４とする。ｍ（ｍ＝ｎ＋１）番目のスロット２５ｍのスロット導体部２５を内径側から順にスロット導体部２５ｍ１、２５ｍ２、２５ｍ３、２５ｍ４とする。
そして、各スロット導体部２５において、平行側面１５と各スロット１１の周方向中心を通って径方向に延びる中心線Ｘのなす角度を、θｎ１、θｎ２、θｎ３、θｎ４、θｍ１、θｍ２、θｍ３、θｍ４とする。
そして、θｎ１〜θｎ４、θｍ１〜θｍ４は、全て等しい角度である。

すなわち、本実施例では、ステータ２の軸方向に垂直な断面において、平行側面１５は中心線Ｘに対して傾いており、平行側面１５と中心線Ｘをなす角度は、異なるスロット１１で径方向位置が同じスロット導体部２５間で等しく、且つ、同一スロット１１内の異なる径方向位置のスロット導体部２５間で等しい。
これによれば、コイルエンド部２６で平行側面１５が向く方向を揃えやすくなる。
なお、θｎ１〜θｎ４が全て等しく角度θｘであり、θｍ１〜θｍ４が角度θｘとは異なる角度θｙであってもよい。すなわち、同一スロット１１内の異なる径方向位置のスロット導体部２５間で傾斜角が等しくなっているだけでもよい。

また、θｎ１＝θｍ１、θｎ２＝θｍ２、θｎ３＝θｍ３、θｎ４＝θｍ４のみが成り立っていてもよい。すなわち、異なるスロット１１で径方向位置が同じスロット導体部２５間で傾斜角が等しくなっているだけでもよい。

〔実施例２〕
本実施例の回転電機１を、参考例とは異なる点を中心に、図１２、図１３を用いて説明する。なお、参考例と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例によれば、変形導線は、対向する２つの円弧面１７に、平行側面１５と垂直な第２平行側面３７が形成されている。
すなわち、この変形導線は、丸線に対して参考例で説明した第１成形を施した後に、一対のローラーＲ１が対向する方向とは垂直な方向に対向する一対のローラーＲ２によって圧延する工程（第２成形）を施すことで形成されている（図１３参照）。
これによれば、丸線の加工によって、より平角線に近似させることができ、冷却効果を高めることができる。また、接合部２０ｂ同士の距離を近づけることが可能となるため、接合強度を高めることができる。

〔変形例〕
本発明は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例では、コイルエンド部２６及びスロット導体部２５がともに、変形導線により構成されていたが、コイルエンド部２６を構成する導線のみに平行側面１５を形成する態様であってもよい。また、コイルエンド部２６を構成する導線の一部に平行側面１５を形成する態様であってもよい。
また、実施例では、ファン４によって生じる冷却風によってコイルエンド部２６を冷却するものであったが、油冷するものであってもよい。

１ 回転電機
２ ステータ
３ ロータ
４ ファン
７ ステータコア
８ ステータコイル
１１ スロット
１５ 平行側面
２５ スロット導体部
２６ コイルエンド部

Claims (8)

1. 周方向に複数のスロット（１１）を有するステータコア（７）、及び前記スロット（１１）に収容される複数のスロット導体部（２５）と、前記スロット導体部（２５）間を接続するとともに前記ステータコア（７）の軸方向の端部に突出する複数のコイルエンド部（２６）とを有するステータコイル（８）を具備するステータ（２）と、
   前記ステータコア（７）の周面に対向する周面を有するロータ（３）とを備えた回転電機（１）であって、
   前記コイルエンド部（２６）を構成する導体の少なくとも一部には、丸線の扁平化によって形成され、対向する２つの平行側面（１５）と対向する２つの円弧面（１７）とで囲まれた断面形状を有する変形導線が用いられており、
   前記スロット導体部（２５）を構成する導体に前記変形導線が用いられ、
   前記変形導線は、前記平行側面（１５）が前記スロット（１１）の周方向壁（１１ａ）に両側から挟まれるように配されており、
   前記複数のスロット導体部（２５）は、前記スロット（１１）のそれぞれにおいて径方向に並んでおり、
   前記ステータ（２）の軸方向に垂直な断面において、前記平行側面（１５）は、前記各スロット（１１）の周方向中心を通って径方向に延びる中心線に対して傾いており、
   前記平行側面（１５）と前記中心線をなす角度は、異なる前記スロット（１１）で径方向位置が同じ前記スロット導体部（２５）間で等しいことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記複数のスロット導体部（２５）は、前記スロット（１１）の径方向に並んでおり、
   前記ステータ（２）の軸方向に垂直な断面において、前記平行側面（１５）は、前記スロット（１１）の周方向中心を通って径方向に延びる中心線に対して傾いており、
   前記平行側面（１５）と前記中心線をなす角度は、同一前記スロット（１１）内の異なる径方向位置の前記スロット導体部（２５）間で等しいことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
   前記変形導線は、断面形状において、前記２つの平行側面（１５）が対向する方向に垂直な方向の長さは、前記２つの平行側面（１５）が対向する方向の長さよりも長いことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の回転電機において、
   前記変形導線は、断面形状において、前記２つの平行側面（１５）間の最大距離が、前記スロット（１１）の周方向長さよりも大きいことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転電機において、
   前記変形導線は、前記２つの円弧面（１７）に、前記平行側面（１５）と垂直な第２平行側面（３７）が形成された断面形状であることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の回転電機において、
   前記ロータ（３）の軸方向端部に固定されたファン（４）を備え、
   前記複数のコイルエンド部（２６）同士の間に前記ファン（４）からの冷却風を通す通路が形成されることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の回転電機において、
   前記ステータコイル（８）は、２本の脚部（２０）と前記脚部（２０）間をＵ字状に繋ぐＵ字部（２１）とを有する複数のセグメント（１４）からなっており、前記セグメント（１４）の前記脚部（２０）をそれぞれ別の前記スロット（１１）へ入れ、隣接する前記セグメント（１４）の前記脚部（２０）同士を接合することにより構成され、
   前記セグメント（１４）が前記変形導線により形成されていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項７に記載のセグメント（１４）の製造方法において、
   前記２本の脚部（２０）の内の一方を保持する保持スロット（３５）を有する第１リング（３１）と、前記第１リング（３１）と同心状に設けられて他方の前記脚部（２０）を保持する保持スロット（３５）を有する第２リング（３２）とを有する成型治具（３３）を用い、前記成型治具（３３）上での前記２本の脚部（２０）の周方向位置が同じ状態から、前記第１リング（３１）と前記第２リング（３２）の周方向位置をずらすことで、前記セグメント（１４）を捩る捩り工程を有し、
   前記脚部（２０）は、前記保持スロット（３５）の周方向を仕切る壁面（３５ａ）と前記平行側面（１５）とが対向するように前記保持スロット（３５）に保持されていることを特徴とするセグメント（１４）の製造方法。
   
   
   
   

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