JP7501708B1

JP7501708B1 - 回転電機

Info

Publication number: JP7501708B1
Application number: JP2023040567A
Authority: JP
Inventors: 駿上野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2023-03-15
Filing date: 2023-03-15
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2043-03-15
Also published as: JP2024130704A; WO2024190695A1

Abstract

【課題】並列に接続されるステータコイルでの循環電流を抑制しつつ、従来よりも回転電機の効率を向上しうる回転電機を提供する。【解決手段】回転電機は、ロータと、ロータに対して磁力を発生させるステータコイルが配置されるスロットを複数有し、ロータの外周に配置されるステータと、を備える。ステータコイルは、周方向に隣り合うスロットに配置されるとともに、互いに並列に接続される複数組のコイルを有する。複数組のコイルは導線を所定のスロットピッチで重ね巻きしたセグメントをそれぞれ含む。セグメントは、複数組のコイル間で互いに周方向に異なるスロットピッチを空けて配置される。スロットには、いずれかのコイルの導線が二層重ね巻で配置される。【選択図】図５

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来から、並列に接続されるステータコイルでの循環電流を抑制するために、平角線の同芯コイルを１相につき２以上並列に設け、それぞれスロットピッチを不等間隔としてティースに巻回することで循環電流を抑制した回転電機が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０２０－９９２０１号公報

特許文献１の回転電機では、短節巻とした場合、スロット内の径方向において１ターン毎に異相のコイルが交互に配置される。そのため、特許文献１では、ステータコイルをスロット内に収容するときに各コイルを１本ずつ確実に絶縁しなければならない。上記の絶縁のために、例えば、各コイルのエナメル層を厚くする強化絶縁や、各コイル間に相間絶縁紙を挿入する付加絶縁を行うと、その分スロット内でのコイルの占積率が低くなり、回転電機の効率が低下してしまう。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、並列に接続されるステータコイルでの循環電流を抑制しつつ、従来よりも回転電機の効率を向上しうる回転電機を提供する。

一態様の回転電機は、回転軸を中心として回転するロータと、ロータに対して磁力を発生させるステータコイルが配置されるスロットを複数有し、ロータの外周に配置されるステータと、を備える。ステータコイルは、周方向に隣り合うスロットに配置されるとともに、互いに並列に接続される複数組のコイルを有する。複数組のコイルは導線を所定のスロットピッチで重ね巻きしたセグメントをそれぞれ含む。セグメントは、複数組のコイル間で互いに周方向に異なるスロットピッチで配置され、スロットには、いずれかのコイルの導線が二層重ね巻で配置される。

上記の回転電機において、各々のコイルは、渡り線を介して接続された複数のセグメントを含んでいてもよく、渡り線は、セグメントの端部よりも軸方向外側の位置で径方向の外側に引き出されて接続されてもよい。また、ステータのヨーク部と渡り線の接続位置の間に、ステータコイルの外周に沿ってステータコイルの電極部材が配置されてもよい。
また、隣り合うスロットに対応する渡り線は、軸方向に間隔をあけて互いに交差するように径方向の外側に引き出されてもよい。

上記の回転電機において、ステータコイルは、互いに周方向に隣り合うスロットに配置されるとともに、セグメントが周方向に異なるスロットピッチで配置された第１コイルおよび第２コイルと、互いに周方向に隣り合うスロットに配置されるとともに、セグメントが周方向に異なるスロットピッチで配置された第３コイルおよび第４コイルと、を有してもよい。また、第１コイルの導線と、第３コイルまたは第４コイルの一方の導線が、第１のスロットに二層重ね巻で配置されてもよく、第２コイルの導線と、第３コイルまたは第４コイルの他方の導線が、第１のスロットと隣り合う第２のスロットに二層重ね巻で配置されてもよい。

一態様によれば、並列に接続されるステータコイルでの循環電流を抑制しつつ、従来よりも回転電機の効率を向上しうる回転電機を提供できる。

本実施形態における回転電機の一例の平面図である。ステータを内周側からみた図である。ステータを外周側からみた図である。Ｕ相のステータコイルの配置例を示す図である。本実施形態のステータの部分拡大図である。Ｕ１相およびＵ２相のステータコイルを示す斜視図である。比較例のステータの部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

以下の説明では、回転軸Ａｘの延長方向と平行な方向を軸方向と称し、回転軸Ａｘを中心とする周方向を単に周方向と称し、回転軸Ａｘを中心とする径方向を単に径方向と称する。また、以下の説明において、「軸方向に延びる」とは、厳密に軸方向に延びる場合に加えて、軸方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また、「径方向に延びる」とは、厳密に径方向、すなわち、軸方向に対して垂直な方向に延びる場合に加えて、径方向に対して４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また「平行」とは、厳密に平行な場合に加えて、互いに成す角が４５°未満の範囲で傾いた場合も含む。

図１は、本実施形態における回転電機１の一例の平面図である。図２は、ステータを内周側からみた図である。図３は、ステータを外周側からみた図である。回転電機１は、三相交流のインナーロータ型モータであって、ロータ２と、ステータ３とを備える。

ロータ２は、回転軸Ａｘに沿ってシャフト４が嵌入され、回転軸Ａｘを中心として回転可能に軸支されている。ロータ２は、例えば、磁石埋込型回転子、表面磁石型回転子、かご型回転子、巻線型回転子などのいずれの構成であってもよい。

ステータ３の全体形状は円筒状であり、ロータ２の外周に僅かなエアギャップを隔ててロータ２と同心状に配置されている。ステータ３には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータコイル５が周方向に位相をずらしてそれぞれ巻回されている。また、ステータ３は、電極部材の一例として、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のバスバー１１ｕ、１１ｖ、１１ｗと、中性点電極１０を有している。

回転電機１においては、各相のステータコイル５の電流制御によりステータ３の磁界を順番に切り替えることで、ステータ３に回転磁界が形成される。すると、ロータ２の磁界との吸引力または反発力により、ロータ２およびシャフト４が回転軸Ａｘを中心として回転する。

図４は、Ｕ相のステータコイル５の配置例を示す図である。図５は、本実施形態のステータ３の部分拡大図である。図６は、Ｕ１相およびＵ２相のステータコイル５を示す斜視図である。

ステータ３は、外周側のヨーク部３ａと、ヨーク部３ａの内周に形成される複数のティース部３ｂとを有する。ティース部３ｂは、回転軸Ａｘに向けてヨーク部３ａから径方向内側に突出し、ステータ３の周方向に等間隔をあけて櫛歯状に設けられる。ステータ３の隣り合うティース部３ａの間には、それぞれスロット３ｃが形成される。

ステータ３の各スロット３ｃには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかのステータコイル５が２層重ね巻で収容される。Ｕ相のステータコイル５は、Ｕ相のバスバー１１ｕと中性点電極１０に接続され、Ｖ相のステータコイル５は、ｖ相のバスバー１１ｖと中性点電極１０に接続され、Ｗ相のステータコイル５は、ｗ相のバスバー１１ｗと中性点電極１０に接続される。なお、各々のステータコイル５の導線はいずれも平角線で構成されている。

以下、ステータ３のスロット数が４８であり、毎極毎相スロット数ｑ＝２の場合のステータコイル５の配置例を説明する。ここで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータコイル５の構成はいずれも同様であるので、以下の説明ではＵ相のステータコイル５について説明し、Ｖ相およびＷ相のステータコイル５に関する重複説明はいずれも省略する。

Ｕ相のステータコイル５は、第１コイルＵ１、第２コイルＵ２、第３コイルＵ３、第４コイルＵ４を含む。第１コイルＵ１、第２コイルＵ２、第３コイルＵ３、第４コイルＵ４は、それぞれ６スロットピッチでティース部３ｂに巻回されている。

図４において、図中の最上行の数字はスロット３ｃの周方向の位置を示し、図中左列の１～８の数字はスロット３ｃ内でのコイル位置（層番号）を示す。図４では、スロット３ｃ内のコイル位置を示すために、径方向外側から径方向内側に向かって順に１から８の層番号を付している。また、図４では、スロット３ｃ間での各コイルの接続順をハイフン付の数字でそれぞれ示している。

第１コイルＵ１では、スロット１の層番号１から層番号４と、スロット７の層番号５から層番号８に亘って導線が重ね巻で巻回されて第１セグメント（図６の符号１２（Ｕ１））が構成され、次に、スロット１４の層番号１から層番号４と、スロット２０の層番号５から層番号８に亘って導線が重ね巻で巻回されて第２セグメント（図６の符号１３（Ｕ１））が構成されている。また、第１コイルＵ１は、スロット２５の層番号１から層番号４と、スロット３５の層番号５から層番号８に亘って導線が重ね巻で巻回されて第３セグメント（図６の符号１４（Ｕ１））が構成され、次に、スロット３８の層番号１から層番号４と、スロット４４の層番号５から層番号８に亘って導線が重ね巻で巻回されて第４セグメント（図６の符号１５（Ｕ１））が構成されている。

第１コイルＵ１において、第１セグメントにおけるスロット１の層番号１（Ｕ１－１）の導線はＵ相のバスバー１１ｕに接続されている。また、第１セグメントにおけるスロット７の層番号８（Ｕ１－８）の導線と、第２セグメントにおけるスロット１４の層番号１（Ｕ１－９）の導線は、７スロットピッチの渡り線１６で接続されている。また、第２セグメントにおけるスロット２０の層番号８（Ｕ１－１６）の導線と、第３セグメントにおけるスロット２５の層番号１（Ｕ１－１７）の導線は、５スロットピッチの渡り線１６で接続されている。

また、第３セグメントにおけるスロット３１の層番号８（Ｕ１－２４）の導線と、第４セグメントにおけるスロット３８の層番号１（Ｕ１－２５）の導線は、７スロットピッチの渡り線１６で接続されている。また、第４セグメントにおけるスロット４４の層番号８（Ｕ１－３２）の導線は中性点電極１０に接続されている。

第２コイルＵ２では、スロット２の層番号１から層番号４と、スロット８の層番号５から層番号８に亘って導線が重ね巻で巻回されて第１セグメント（図６の符号１２（Ｕ２））が構成され、次に、スロット１３の層番号１から層番号４と、スロット１９の層番号５から層番号８に亘って導線が重ね巻で巻回されて第２セグメント（図６の符号１３（Ｕ２））が構成されている。また、第２コイルＵ２は、スロット２６の層番号１から層番号４と、スロット３２の層番号５から層番号８に亘って導線が重ね巻で巻回されて第３セグメント（図６の符号１４（Ｕ２））が構成され、次に、スロット３７の層番号１から層番号４と、スロット４３の層番号５から層番号８に亘って導線が重ね巻で巻回されて第４セグメント（図６の符号１５（Ｕ２））が構成されている。

第２コイルＵ２において、第１セグメントにおけるスロット２の層番号１（Ｕ２－１）の導線はＵ相のバスバー１１ｕに接続されている。また、第１セグメントにおけるスロット８の層番号８（Ｕ２－８）の導線と、第２セグメントにおけるスロット１３の層番号１（Ｕ２－９）の導線は、５スロットピッチの渡り線１６で接続されている。また、第２セグメントにおけるスロット１９の層番号８（Ｕ２－１６）の導線と、第３セグメントにおけるスロット２６の層番号１（Ｕ２－１７）の導線は、７スロットピッチの渡り線１６で接続されている。

また、第３セグメントにおけるスロット３２の層番号８（Ｕ２－２４）の導線と、第４セグメントにおけるスロット３７の層番号１（Ｕ２－２５）の導線は、５スロットピッチの渡り線１６で接続されている。また、第４セグメントにおけるスロット４３の層番号８（Ｕ２－３２）の導線は中性点電極１０に接続されている。

第３コイルＵ３では、スロット１の層番号８から層番号５と、スロット４３の層番号４から層番号１に亘って導線が重ね巻で巻回されて第１セグメントが構成され、次に、スロット３８の層番号８から層番号５と、スロット３２の層番号４から層番号１に亘って導線が重ね巻で巻回されて第２セグメントが構成されている。また、第３コイルＵ３は、スロット２５の層番号８から層番号５と、スロット１９の層番号４から層番号１に亘って導線が重ね巻で巻回されて第３セグメントが構成され、次に、スロット１４の層番号８から層番号５と、スロット８の層番号４から層番号１に亘って導線が重ね巻で巻回されて第４セグメントが構成されている。

第３コイルＵ３において、第１セグメントにおけるスロット１の層番号８（Ｕ３－１）の導線はＵ相のバスバー１１ｕに接続されている。また、第１セグメントにおけるスロット４３の層番号１（Ｕ３－８）の導線と、第２セグメントにおけるスロット３８の層番号８（Ｕ３－９）の導線は、５スロットピッチの渡り線１６で接続されている。また、第２セグメントにおけるスロット３２の層番号１（Ｕ３－１６）の導線と、第３セグメントにおけるスロット２５の層番号８（Ｕ３－１７）の導線は、７スロットピッチの渡り線１６で接続されている。

また、第３セグメントにおけるスロット１９の層番号１（Ｕ３－２４）の導線と、第４セグメントにおけるスロット１４の層番号８（Ｕ３－２５）の導線は、５スロットピッチの渡り線１６で接続されている。また、第４セグメントにおけるスロット８の層番号１（Ｕ３－３２）の導線は中性点電極１０に接続されている。

第４コイルＵ４では、スロット２の層番号８から層番号５と、スロット４４の層番号４から層番号１に亘って導線が重ね巻で巻回されて第１セグメントが構成され、次に、スロット３７の層番号８から層番号５と、スロット３１の層番号４から層番号１に亘って導線が重ね巻で巻回されて第２セグメントが構成されている。また、第４コイルＵ４は、スロット２６の層番号８から層番号５と、スロット２０の層番号４から層番号１に亘って導線が重ね巻で巻回されて第３セグメントが構成され、次に、スロット１３の層番号８から層番号５と、スロット７の層番号４から層番号１に亘って導線が重ね巻で巻回されて第４セグメントが構成されている。

第４コイルＵ４において、第１セグメントにおけるスロット２の層番号８（Ｕ４－１）の導線はＵ相のバスバー１１ｕに接続されている。また、第１セグメントにおけるスロット４４の層番号１（Ｕ４－８）の導線と、第２セグメントにおけるスロット３７の層番号８（Ｕ４－９）の導線は、７スロットピッチの渡り線１６で接続されている。また、第２セグメントにおけるスロット３１の層番号１（Ｕ４－１６）の導線と、第３セグメントにおけるスロット２６の層番号８（Ｕ４－１７）の導線は、５スロットピッチの渡り線１６で接続されている。

また、第３セグメントにおけるスロット２０の層番号１（Ｕ４－２４）の導線と、第４セグメントにおけるスロット１３の層番号８（Ｕ４－２５）の導線は、７スロットピッチの渡り線１６で接続されている。また、第４セグメントにおけるスロット７の層番号１（Ｕ４－３２）の導線は中性点電極１０に接続されている。

図４、図６に示すように、第１コイルＵ１および第２コイルＵ２では、周方向に隣り合うスロットの同じ層番号の位置に６スロットピッチのセグメントがそれぞれ配置される。一方で、第１コイルＵ１と第２コイルＵ２では、それぞれ５スロットピッチの渡り線１６と７スロットピッチの渡り線１６が周方向に交互に配置されている。そして、第１コイルＵ１と第２コイルＵ２のセグメント間では、渡り線１６のスロットピッチが互いに入れ替わっている。

同様に、第３コイルＵ３および第４コイルＵ４では、周方向に隣り合うスロットの同じ層番号の位置に６スロットピッチのセグメントがそれぞれ配置される。一方で、第３コイルＵ３と第４コイルＵ４では、それぞれ５スロットピッチの渡り線１６と７スロットピッチの渡り線１６が周方向に交互に配置されている。そして、第３コイルＵ３と第４コイルＵ４のセグメント間では、渡り線１６のスロットピッチが互いに入れ替わっている。

ステータ３では、上記のように渡り線１６のスロットピッチを周方向に交互に変化させることで、隣り合うスロット３ｃに配置されるコイル間（第１コイルＵ１と第２コイルＵ２間、または第３コイルＵ３と第４コイルＵ４間）の位相差が平均化される。これにより、並列に接続されるコイル間の電位差に起因する循環電流が抑制されるので、モータのトルクを向上させることができる。

また、図７の比較例を参照しつつ、本実施形態のスロット３ｃ内でのステータコイル５の絶縁について説明する。

図７に示す比較例のステータ３’は、それぞれ異相のステータコイル５Ａ，５Ｂをスロット３ｃ内に交互に配置した構成である。異相のステータコイル５Ａ，５Ｂの間は相間絶縁紙の挿入などで確実な絶縁が求められる。つまり、比較例の場合、全てのステータコイル５Ａ，５Ｂで隣り合うコイルに対して、相間絶縁紙の挿入等による付加絶縁やエナメル層を厚くする等の強化絶縁が必要となるので、スロット３ｃ内でのコイルの占積率が低くなってしまう。

一方、図４、図５に示すように、本実施形態のステータ３のステータコイル５は２層重ね巻であり、ステータ３の１つのスロット３ｃには２種類の異なる相のコイルがそれぞれ重ね巻で収容されている。本実施形態のステータ３では、４層目の導線と５層目の導線が異なる相の導線に臨むが、他の導線はいずれも重ね巻きされた同じ相の導線に臨む。同相間での導線の絶縁は、導線のエナメル層による通常の基礎絶縁があれば足り、異相の導線間の絶縁のように付加絶縁や強化絶縁までは要求されない。

つまり、本実施形態のように２層重ね巻の場合、比較例と比べてスロット３ｃ内で異なる相との境界が減るので、付加絶縁や強化絶縁が必要となる箇所も少なくなってスロット３ｃ内での絶縁層の占積率がその分低下する。これにより、本実施形態では、比較例と比べてスロット３ｃ内でのコイルの占積率を向上させることができ、回転電機１の効率を高めることができる。

また、図２、図６などに示すように、ステータコイル５のセグメント間を接続する渡り線１６は、他の相のセグメントの端部よりも軸方向外側（図中上側）の位置で径方向内側から径方向外側に引き出されて接続されている。また、隣り合うスロットに対応する渡り線１６は、軸方向に間隔をあけて平面視で交差するように引き出されている。

ステータ３において渡り線１６が引き出されて接続される位置はコイルのセグメントよりも軸方向外側にあるため、図３に示すように、渡り線１６とステータ３のヨーク部３ｂの間には軸方向に高さｈの空間が形成される。そして、ヨーク部３ｂと渡り線１６の間の空間には、ステータコイル５の外周側に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のバスバー１１ｕ、１１ｖ、１１ｗと、中性点電極１０がそれぞれ配置される。

これにより、本実施形態では、ステータコイル５の電極部材をステータ３の径方向内側に収容でき、回転電機１の軸方向における投影面積を小さくできる。また、電極部材をステータコイル５の軸方向外側に取り付ける場合と比べて、本実施形態では回転電機１の軸方向寸法を短くすることができる。したがって、本実施形態の構成では、回転電機１のサイズをコンパクトにすることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。
例えば、上記実施形態では回転電機１がモータである場合について説明したが、回転電機１は発電機であってもよい。

上記実施形態では、各相のステータコイルが４つ並列に接続される構成例を説明したが、各相のコイルの接続方法は上記に限定されるものではない。例えば、上記実施形態において、第１コイルと第３コイルを直接接続し、第２コイルと第４コイルを直列接続して各相のコイルを２並列回路で構成してもよい。あるいは、第１コイルから第４コイルを２つに分割し、各相のコイルを８並列回路で構成してもよい。

加えて、今回開示された実施形態は、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、上記した説明ではなくて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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…回転電機、２…ロータ、３…ステータ、３ａ…ヨーク部、３ｂ…ティース部、３ｃ…スロット、４…シャフト、５…ステータコイル、１０…中性点電極、１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ…バスバー、１２，１３，１４，１５…セグメント、１６…渡り線

Claims

回転軸を中心として回転するロータと、
前記ロータに対して磁力を発生させるステータコイルが配置されるスロットを複数有し、前記ロータの外周に配置されるステータと、を備え、
前記ステータコイルは、周方向に隣り合う前記スロットに配置されるとともに、互いに並列に接続される複数組のコイルを有し、
前記複数組のコイルは導線を所定のスロットピッチで重ね巻きしたセグメントをそれぞれ含み、
前記セグメントは、前記複数組のコイル間で互いに周方向に異なるスロットピッチで配置され、
前記スロットには、いずれかの前記コイルの前記導線が二層重ね巻で配置される
回転電機。
各々の前記コイルは、渡り線を介して接続された複数の前記セグメントを含み、
前記渡り線は、前記セグメントの端部よりも軸方向外側の位置で径方向の外側に引き出されて接続され、
前記ステータのヨーク部と前記渡り線の接続位置の間に、前記ステータコイルの外周に沿って前記ステータコイルの電極部材が配置される
請求項１に記載の回転電機。
隣り合うスロットに対応する前記渡り線は、軸方向に間隔をあけて互いに交差するように径方向の外側に引き出される
請求項２に記載の回転電機。
前記ステータコイルは、
互いに周方向に隣り合う前記スロットに配置されるとともに、前記セグメントが周方向に異なるスロットピッチで配置された第１コイルおよび第２コイルと、
互いに周方向に隣り合う前記スロットに配置されるとともに、前記セグメントが周方向に異なるスロットピッチで配置された第３コイルおよび第４コイルと、を有し、
前記第１コイルの前記導線と、前記第３コイルまたは前記第４コイルの一方の導線が、第１のスロットに二層重ね巻で配置され、
前記第２コイルの前記導線と、前記第３コイルまたは前記第４コイルの他方の導線が、前記第１のスロットと隣り合う第２のスロットに二層重ね巻で配置される
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。