WO2013145976A1 - 回転電機のステータ構造 - Google Patents

Abstract

　回転電機（１０）を構成するステータ（１２）には、Ｕ字状の第１及び第２分割導体（３０、３２）がスロット（３４、３４ａ）に配置されている。この第１分割導体（３０）は、一対の直線部（２２ａ、２２ｂ）のピッチが、第２分割導体（３２）における一対の直線部（２４ａ、２４ｂ）のピッチに対して大きく設定される。そして、第２分割導体（３２）は、第１分割導体（３０）の内側、すなわち、ステータコア（１４）側に配置される。

Description

回転電機のステータ構造

　本発明は、電動機又は発電機として動作する回転電機のステータ構造に関し、一層詳細には、ステータのスロットに収納され回転磁界を発生させる導電部材を有した回転電機のステータ構造に関する。

　従来から、円環状に形成されたステータと、該ステータの中心部に回転自在に挿入されるロータとを有し、前記ステータのスロットに巻回されたコイルによって回転磁界を発生させ、前記ロータを回転させる回転電機が知られている。

　上述した回転電機のステータは、例えば、国際公開第２０１１／０５５４３８号パンフレットに開示されているように、円環状のステータを複数に分割した扇状の分割ステータコアを有し、前記分割ステータコアを環状に組み付けることでステータを構成している。分割ステータコアには、それぞれティースが形成され、前記ティースからなるスロットには、例えば、平角導体が装着され、前記平角導体をループさせることで電気的に接続している。

　また、各スロットに平角導体を装着した後に、各分割ステータコアを円環状となるように外周側から内周側へ向かって組み付け、その外周部位に円環状のハウジングを設けることで、前記分割ステータコアを一体的に保持する構成としている。

　上述した国際公開第２０１１／０５５４３８号パンフレットに係る回転電機では、複数の分割ステータコアを互いに組み付けてステータを構成しているため、互いの分割面に残留応力が生じ、それに伴って、透磁率が低下してしまうため損失が発生してしまう。また、分割ステータコアとハウジングとの間においても、同様に損失が生じることとなる。

　さらに、複数の分割ステータコアを組み付けることでステータを構成しているため、前記ステータの内径にばらつきが生じる。そのため、ステータコアの内部に挿入されるロータとのギャップを、該ばらつきを考慮して予め大きめに設定する必要があり、その結果、ステータコアを含む回転電機の大型化を招くと共に、該回転電機の性能向上を阻害してしまうこととなる。

　本発明の一般的な目的は、ステータコアに対するコイルの渡り高さを抑制することで小型化を図りつつ、損失を低減することで性能の向上を図ることが可能な回転電機のステータ構造を提供することにある。

　本発明は、複数のスロットを有した円環状で少なくとも２つ以上の前記スロットが一体で形成されたステータコアと、前記スロット内に設けられるコイルとを備えた回転電機であって、
　前記コイルは、Ｕ字状に形成された分割導体であって、該分割導体は、前記ステータコアにおける２つのスロットにわたって配置され、前記２つのスロット間のピッチが大きい第１分割導体と、
　前記第１分割導体と同一の相であり、該第１分割導体に対して前記ピッチの小さい第２分割導体と、
　から構成され、
　前記ステータコアの渡り部において、前記第１分割導体の配置される前記ピッチ内に前記第２分割導体が配置されることを特徴とする。

　本発明によれば、円環状で少なくとも２つ以上の前記スロットが一体で形成されたステータコアにおいて、Ｕ字状に形成され、該ステータコアにおける２つのスロットにわたって配置される第１及び第２分割導体を備え、前記第１分割導体は、前記２つのスロット間のピッチが大きく形成され、前記第２分割導体は、該第１分割導体に対して前記ピッチが小さく形成される。

　従って、ステータコアを少なくともスロット毎に分割された分割構造とすることなく、前記ステータコアの渡り部において、Ｕ字状に形成された第１分割導体及び第２分割導体を確実且つ容易に組み付けることができるため、分割構造のステータコアを採用した場合に懸念される損失を抑制できる。その結果、この損失に起因した出力低下を防止することで、回転電機の出力向上を図ることが可能となる。また、第１及び第２分割導体を同一の相としているため、前記第２分割導体を、前記第１分割導体の配置されるピッチ内に第２分割導体を近接させて配置することが可能となる。その結果、ステーコアの渡り部において、ステータコアの軸方向への第１及び第２分割導体の渡り高さ（体積）を抑制することができ、前記ステータコアを含む回転電機の軸方向に沿った厚さを小型化することができる。

本発明の実施の形態に係る回転電機を構成するステータにおいて、導電体を構成する第１及び第２分割導体が上方へと取り出された状態を示す外観斜視図である。 図１に示す第１及び第２分割導体の外観斜視図である。 図１の第１及び第２分割導体がステータコアのスロットにそれぞれ装着された状態を示す拡大斜視図である。 図３のステータコアのスロットに第１及び第２分割導体が装着された状態を示す断面図である。 図４の第１及び第２分割導体を、第１及び第２接続部側から見た斜視図である。 ステータにおいて隣接配置された複数の第１及び第２分割導体の接続状態を示す模式図である。 図１の回転電機における導電体に供給される電流と、ロータから出力されるトルクとの関係を示す特性線図である。 図１の回転電機を構成するロータの回転数と損失との関係を示す特性曲線図である。

　この回転電機１０は、例えば、３相交流ブラシレス式モータであり、図１に示されるように円環状のステータ１２を有する。このステータ１２の内部には、図示しないロータが回転自在に挿通され、回転電機１０は、図示しないＵ相端子、Ｖ相端子及びＷ相端子それぞれを介して図示しない電力源から供給される電力に基づき前記ロータが回転駆動する。

　このステータ１２は、円環状のステータコア１４と、前記ステータコア１４から内径側に突出して形成されたティース１６と、前記ティース１６に対して外周側に設けられたスロット３４に装着される複数の導電体（コイル）１８とから構成される。

　ステータコア１４は、複数の鋼板を軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に積層し、周方向に等間隔離間した複数の加締めピン２０によって該軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）へと一体的に加締めることで形成される。なお、ステータコア１４は、円環状の一体形状で形成される場合に限定されるものではなく、例えば、少なくとも隣接する２つ以上のスロット３４が一体的に設けられた複数の分割体を組み付けて構成される分割構造のステータコアであってもよい。

　導電体１８は、図１～図５に示されるように、例えば、断面長方形状の平角導板が折曲された略Ｕ字状に形成され、一対の直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂと、該直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂの一端部同士を接続する頂部２６、２８をそれぞれ有した第１及び第２分割導体３０、３２から構成される。第１及び第２分割導体３０、３２は、同一の相（例えば、Ｕ相同士、Ｖ相同士、Ｗ相同士）となるように、Ｕ相端子、Ｖ相端子及びＷ相端子のいずれかにそれぞれ接続される。

　この第１及び第２分割導体３０、３２では、一方の直線部２２ａ、２４ａと他方の直線部２２ｂ、２４ｂとが、互いに所定間隔離間して略平行に形成され、ステータコア１４のスロット３４に対してそれぞれ挿入される。なお、スロット３４は、ステータコア１４の周方向に沿って等間隔毎に複数設けられると共に、該ステータコア１４の軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って貫通して形成される。

　この直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂは、その軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿った長さが、ステータコア１４の軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿った厚さ寸法より長く設定されている。そのため、直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂがステータコア１４の一端面１４ａ側から２つのスロット３４へとそれぞれ挿入された際、その他端部が前記ステータコア１４の他端面１４ｂに対して所定長さだけ突出する。

　また、第１分割導体３０における一対の直線部２２ａ、２２ｂの間の離間距離Ｌ１は、図２に示されるように、第２分割導体３２における一対の直線部２４ａ、２４ｂの間の離間距離Ｌ２に対して大きく設定される。すなわち、第１分割導体３０は、直線部２２ａ、２２ｂの間の離間距離Ｌ１が大きく、第２分割導体３２は、直線部２４ａ、２４ｂの間の離間距離Ｌ２が前記第１分割導体３０に対して小さく形成される（Ｌ１＞Ｌ２）。

　頂部２６、２８は、例えば、直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂの一端部に対して所定角度だけ傾斜し、該直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂから離間する方向に向かって延在している。そして、頂部２６、２８は、一方の直線部２２ａ、２４ａに接続される部位と、他方の直線部２２ｂ、２４ｂに接続される部位とが互いに所定角度傾斜し、且つ、互いに接近する方向に延在し、前記頂部２６、２８の中央部が最も高くなるように山状に形成される。なお、頂部２６、２８は、上述した山状に限定されるものではなく、例えば、円弧状の湾曲形状としてもよい。

　そして、第１及び第２分割導体３０、３２は、図３及び図４に示されるように、互いの頂部２６、２８同士を一直線上に一致させ、且つ、前記第２分割導体３２が前記第１分割導体３０に対して内側、すなわち、ステータコア１４側（矢印Ａ１方向）となるように前記ステータコア１４に装着される。また、第１分割導体３０は、一対の直線部２２ａ、２２ｂのピッチ（離間距離Ｌ１）が大きいため、第２分割導体３２の直線部２４ａ、２４ｂが挿入されるスロット３４に隣接した周方向外側となる別のスロット３４ａにそれぞれ挿入される。

　換言すれば、第２分割導体３２は、第１分割導体３０が配置されるスロット３４ａのピッチ内に配置される。

　すなわち、図４に示されるように、第１分割導体３０の直線部２２ａ、２２ｂと、第２分割導体３２の直線部２４ａ、２４ｂとが、ステータコア１４において周方向で異なるスロット３４ａ、３４に挿入される。

　また、第１及び第２分割導体３０、３２は、図４及び図５に示されるように、それぞれ直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂがステータコア１４のスロット３４ａ、３４に挿入された状態で、前記スロット３４ａ、３４から突出した他端部を、前記ステータコア１４の周方向に沿って捩じって折曲させることで第１及び第２接続部３６、３８がそれぞれ形成される。

　この第１接続部３６は、一対の直線部２２ａ、２２ｂに対して前記周方向外側にそれぞれ折曲した一組の端子部３６ａと、前記直線部２２ａ、２２ｂに対して周方向内側にそれぞれ折曲した一組の端子部３６ｂとから構成される。

　一方、第２接続部３８は、一対の直線部２４ａ、２４ｂに対して周方向外側にそれぞれ折曲した一組の端子部３８ａと、前記直線部２４ａ、２４ｂに対して周方向内側にそれぞれ折曲した一組の端子部３８ｂとから構成される。

　そして、第１及び第２接続部３６、３８は、各直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂがスロット３４ａ、３４から外部へと突出した部位において折曲されているため、前記第１及び第２接続部３６、３８がステータコア１４の他端面１４ｂに対して係止される（図４参照）。

　そのため、第１及び第２分割導体３０、３２の直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂがスロット３４、３４ａ内で軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に移動してしまうことが防止され、前記第１及び第２分割導体３０、３２は、頂部２６、２８がステータコア１４の一端面１４ａ側（矢印Ａ２方向）に配置され、直線部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂがスロット３４、３４ａに挿入された状態で確実に固定される。

　そして、第１接続部３６を構成する端子部３６ａ、３６ｂには、図６に示されるように、例えば、溶接等によって導線４０ａがそれぞれ接続され、隣接するスロット３４ａに装着された別の第１分割導体３０の第１接続部３６に対して電気的に接続される。第２接続部３８を構成する端子部３８ａ、３８ｂにも同様に導線４０ｂが接続され、隣接するスロット３４に装着された別の第２分割導体３２の第２接続部３８に対して電気的に接続される。

　これにより、ステータコア１４に装着された複数の第１及び第２分割導体３０、３２が互いに導線４０ａ、４０ｂを介して電気的に接続され回路を構成することとなる。

　すなわち、第１及び第２接続部３６、３８は、隣接する第１及び第２分割導体３０、３２同士を電気的に接続するための接続端子として機能するのと同時に、ステータコア１４に対する第１及び第２分割導体３０、３２の軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）への位置ずれを防止するストッパとしても機能する。

　この際、第１分割導体３０と第２分割導体３２とは、同一の相としているため、互いの頂部２６、２８同士を近接して配置することができ、それに伴って、ステータコア１４の一端面１４ａからの高さＨ（渡り高さ）を抑制することができる。

　また、図６に示されるように、第１分割導体３０の直線部２２ａ、２２ｂは、同一の相で隣接する別の第１分割導体３０の直線部２２ａ、２２ｂと同一のスロット３４ａにそれぞれ挿入される。一方、第２分割導体３２の直線部２４ａ、２４ｂは、該第２分割導体３２とは異なる相の別の第２分割導体３２と同一のスロット３４に挿入される。

　さらに、第２分割導体３２と同一のスロット３４に配置される別の第２分割導体３２は、各相において入力端子となるＵ相端子、Ｖ相端子及びＷ相端子から最も遠く、中点側に連結されるものを配置すると好適である。

　以上のように、本実施の形態では、導電体１８として略Ｕ字状に形成された第１及び第２分割導体３０、３２を設け、一体で円環状に形成されたステータコア１４のスロット３４に対して軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に挿入し、その他端部を折曲させることで前記ステータコア１４に対して固定している。そのため、回転電機１０において、ステータコア１４を分割構造とすることなく、前記第１及び第２分割導体３０、３２を確実且つ容易に組み付けることができると共に、分割式のステータコアを採用した場合に懸念される損失を抑制できるため、該損失に起因した出力低下を防止することができる。その結果、回転電機１０における出力の向上を図ることが可能となる。

　また、ステータコア１４を少なくともスロット３４毎に分割された分割構造とした場合と比較し、一体形状とすることで前記ステータコア１４の内周径のばらつきが抑制されるため、該ばらつきを考慮して設定される前記ステータコア１４の内周面とロータとのギャップ（間隙）を小さく設定することが可能となる。そのため、図７に示されるように、回転電機１０に対して同一の電流を通電させた場合における出力トルク（図７中、実線）を、分割構造のステータコアを採用した従来技術に係る回転電機（図７中、破線）と比較して増加させることができる。その結果、従来の分割構造のステータコアを有した回転電機に対して、性能の向上を図ることが可能となる。

　さらに、ステータコア１４を少なくともスロット３４毎に分割された分割構造とした場合と比較し、該ステータコア１４を組み付ける際に生じる残留応力を低減させることが可能となる。そのため、図８に示されるように、回転電機１０のロータを同一の回転数で回転させた場合における損失（図８中、実線）を、分割構造のステータコアを採用した従来技術に係る回転電機の損失（図８中、破線）と比較して低下させることができる。その結果、従来の分割構造のステータコアを有した回転電機に対して、透磁率を向上させて出力を向上させることが可能となる。

　さらにまた、導電体１８を構成する第１及び第２分割導体３０、３２を同一の相としているため、前記第２分割導体３２を、前記第１分割導体３０の内側に配置し、且つ、互いの頂部２６、２８同士を近接させて配置することが可能となる。その結果、第１及び第２分割導体３０、３２のステータコア１４の一端面１４ａに対する高さＨ（渡り高さ）を抑制することができ、ステータコア１４を含む回転電機１０の軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿った厚さを小型化することができる。また、同時に、ロータから滑らかにトルクを出力することができる。

　またさらに、第１及び第２分割導体３０、３２は、ステータコア１４の周方向に複数設けられ、前記周方向に隣接した前記第１分割導体３０同士が互いの第１接続部３６を介して接続され、一方、前記第２分割導体３２同士が互いの第２接続部３８を介してそれぞれ接続される。そのため、図６に示されるように、第１及び第２分割導体３０、３２から構成される導電体１８を、ステータコア１４に対して波巻きと重ね巻きとで交互に配置し、且つ、スロットに異なる相の第１及び第２分割導体３０、３２の配置された２層巻きとすることが可能となる。その結果、第１及び第２分割導体３０、３２のピッチを短縮することができ、ステータコア１４の軸方向に沿った高さＨ（渡り高さ）を抑制することができる。

　また、ステータコア１４のスロット３４に対して複数の第１及び第２分割導体３０、３２を装着する際、隣接する同一の相である第１分割導体３０の直線部２２ａ、２２ｂ同士を同一のスロット３４に配置し、且つ、異なる相である第２分割導体３２の直線部２４ａ、２４ｂ同士を同一のスロット３４に配置する際、各相において入力端子となるＵ相端子、Ｖ相端子及びＷ相端子から最も遠く、中点側に連結されるものを配置することにより、互いの電位差を小さくすることができるため該スロット３４における絶縁補償レベルを下げることが可能となる。その結果、回転電機１０における絶縁補償に要するコストを削減することが可能となる。

　さらに、上述したステータコア１４は、積層した鋼板を複数の加締めピン２０によって加締めることで一体的に形成しているが、従来技術に係る分割構造のステータコアと比較し、その加締め点数（加締めピン２０の数量）を少なく設定することができる。その結果、回転電機１０における部品点数及び組付工数の削減を図ることができると共に、損失の低減を図ることが可能となる。

　なお、本発明に係る回転電機のステータ構造は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

Claims (5)

1. 　複数のスロット（３４、３４ａ）を有した円環状で少なくとも２つ以上の前記スロット（３４、３４ａ）が一体で形成されたステータコア（１４）と、前記スロット（３４、３４ａ）内に設けられるコイル（１８）とを備えた回転電機（１０）であって、
   　前記コイル（１８）は、Ｕ字状に形成された分割導体であって、該分割導体は、前記ステータコア（１４）における２つのスロット（３４、３４ａ）にわたって配置され、前記２つのスロット（３４ａ）間のピッチが大きい第１分割導体（３０）と、
   　前記第１分割導体（３０）と同一の相であり、該第１分割導体（３０）に対して前記ピッチの小さい第２分割導体（３２）と、
   　から構成され、
   　前記ステータコア（１４）の渡り部において、前記第１分割導体（３０）の配置される前記ピッチ内に前記第２分割導体（３２）が配置されることを特徴とする回転電機のステータ構造。
2. 　請求項１記載のステータ構造において、
   　前記第１分割導体（３０）の内周側に前記第２分割導体（３２）を配置することを特徴とする回転電機のステータ構造。
3. 　請求項１又は２記載のステータ構造において、
   　前記第１及び第２分割導体（３０、３２）は、前記ステータコア（１４）の周方向に複数設けられ、前記周方向に隣接する前記第１分割導体（３０）同士、前記第２分割導体（３２）同士がそれぞれ接続されることを特徴とする回転電機のステータ構造。
4. 　請求項３記載のステータ構造において、
   　前記第１分割導体（３０）は、前記第２分割導体（３２）に対して中点側に連結され、前記第２分割導体（３２）の装着されたスロット（３４）には、異なる相である別の第２分割導体（３２）が配置され、前記第１分割導体（３０）の装着されたスロット（３４ａ）には、同一の相である別の第１分割導体（３０）が配置されることを特徴とする回転電機のステータ構造。
5. 　請求項１記載のステータ構造において、
   　前記第１及び第２分割導体（３０、３２）には、前記スロット（３４、３４ａ）から突出した端部を、前記ステータコア（１４）の周方向に沿って折曲させた接続部（３６、３８）が形成されることを特徴とする回転電機のステータ構造。

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