JP2012029368A - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気的特性を改善することができる回転電機の提供。
【解決手段】固定子コイルの１相巻線を構成する連続分散巻コイル７１は、矩形断面の連続導体線である角線８により形成される。そして、連続分散巻コイル７１は、回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、１以上のスロット３を跨いで異なるスロット間に巻回されたコイルターン７１ｃと固定子コア２とによって形成される固定子磁極が２つ配置されるように巻回され、２つの固定子磁極をなす各々のコイルターン７１ｃは、一方のスロット３の外周側と他方のスロット３の内周側とに挿入されるとともに、周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さいコイルターンであって、互いに重ならないように設けられ、隣接する固定子磁極が互いに逆極性をなすように巻回されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機およびその製造方法に関する。

回転電機の固定子コイルの構造として、分布巻、集中巻などの方式が知られている。

その中で、回転子の磁極ピッチに対し、固定子コアのティースに短節重ね巻きした３個の固定子コイルを三相結線した第１三相結線コイルと、第１三相結線コイルの各固定子コイルに対してそれぞれ電気角でπ／３ラジアンずつずらして、ティースに３個の固定子コイルを短節重ね巻するとともに、第１三相結線コイルと同一の結線態様で結線した第２三相結線コイルとからなる巻線構造が知られている（特許文献１参照）。

特開平６−１６５４２２号公報

昨今のエネルギー問題に鑑み、回転電機も高効率化が求められている。しかし、上記技術は原理的に集中巻であるため、１相分の固定子コイルは、ロータとの鎖交磁束のうち電気角で１２０度領域しか利用せず、電気角３６０度領域にわたり利用している分布巻に対して、さらに高い効率を得ることが困難に成りつつある。

一方分布巻は、全節巻きと短節巻きがあるが、いずれも実質電気角で１８０度にわたってコイルを巻き、残りの１８０度を反対向きに巻くことにより、固定子のティースには全ての相のコイルが巻かれた構造になっている。従って、コイルに流れた電流が誘起する磁束が自己のコイルに鎖交する鎖交磁束量が多くなり、コイルのインダクタンスは比較的大きい値となる。このため、発電機では高速回転領域での発電電流が抑えられ、モータではコイル電流の制御応答性が悪化する。

本発明の目的は、回転電機の電気的特性を改善することにある。

本発明に係る回転電機は、周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、矩形断面の連続導体線による相巻線を複数有する固定子巻線と、固定子巻線が巻装され、回転子に対して空隙を介して配置された固定子コアと、を備え、相巻線は、回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、１以上のスロットを跨いで異なるスロット間に巻回されたコイルターンと固定子コアとによって形成される固定子磁極が２つ配置されるように巻回され、２つの固定子磁極をなす各々のコイルターンは、一方のスロットの外周側と他方のスロットの内周側とに挿入されるとともに、周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さいコイルターンであって、互いに重ならないように設けられ、隣接する固定子磁極が互いに逆極性をなすように巻回されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の電気的特性を改善することができる。

本発明の一実施形態である回転電機の要部を示す分解斜視図。 固定子１の拡大断面図。 固定子コア２と固定子コイル７とを直線状に展開した模式図。 固定子１の内径側から見た固定子コイル７を直線状に展開した模式図。 組み上がり状態の巻枠１０を示す斜視図。 巻枠１０のＡ矢視図。 巻枠１０の分解図。 支持板１５を説明する図。 巻枠駆動機構５０の模式図。 巻線方法を説明する図。 巻線方法を説明する図であって、図１０に示す作業に続く工程を示す。 巻線方法を説明する図であって、図１１に示す作業に続く工程を示す。 冶具５５の形状を示す図。 巻線方法を説明する図であって、図１２に示す作業に続く工程を示す。 巻枠１０に巻回された１相分の連続分散巻コイル７１を示す図。 巻枠１０からの連続分散巻コイル７１の取り外し方を示す図。 ６つの連続分散巻コイル７１を直線状に組んだ固定子コイル７を示す図。 型４０による固定子コイル７の成形を説明する図。 プレス後の固定子コイル７の形状を示す図。 固定子コイル７の固定子コア２への装着工程を説明する図。 分散巻コイルの概念を説明する図。 分散巻構造とダブル三層構造とを組み合わせた構造を示す図。 車両用交流発電機１００の断面図。 三相整流回路を示す図。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態である回転電機の要部を示す分解斜視図である。図１に示すように、本実施形態による回転電機２０は、固定子１と、固定子１の内周側に空隙を介して配置され、かつ、回転可能に支持されている回転子２１とを備えている。なお、回転電機２０は、図１に示す固定子１および回転子２１を収容し、回転子２１を回転可能に支持するベアリングを有するハウジングを備えているが、図１では図示を省略した。

本実施の形態における固定子１は、分散巻で重ね巻方式の固定子コイル７を備えている。なお、図１では、巻線の様子が分かりやすいように、固定子コイル７の一部のみを図示した。固定子コイル７には角線８の連続線が用いられ、角線８は固定子コア２に分散巻でかつ連続重ね巻で巻回されている。なお、分散巻の詳細については後述する。

固定子コア２は、渦電流損を低減するため、薄板の電磁鋼板を打ち抜きプレス成形により所定の形状とした上で、軸方向に積層したものである。固定子コア２の内周部には、軸方向に連続した複数のスロットが形成されている。なお、本実施形態では４８個のスロットが形成されている。

回転子２１は、回転子コア２２と、永久磁石２３とを備えている。回転子コア２２は、薄板の電磁鋼板を打ち抜きプレス成形所定の形状とした上で、軸方向に積層したものである。回転子コア２２の外周部には、回転子２１の軸方向に貫通した複数の磁石挿入穴が周方向等間隔に形成されている。本実施の形態では、８個の磁石挿入穴が形成されている。磁石挿入穴に挿入された８個の永久磁石２３は、磁石の極性が交互に逆になるように着磁されている。なお、永久磁石２３の間に形成されるコアは補助磁極として機能する。

図２は固定子１の一部を拡大して示した断面図である。固定子コア２の各スロット３には絶縁紙４がスロット内周面に沿って設置されており、固定子コイル７の角線８は、絶縁紙４を介してスロット３内に配置される。各スロット３には４本ずつ角線８が配置されており、スロット３内の各角線８は、矩形断面の対向する２辺がスロット内周面に沿い、残る他の２辺が固定子コア２の中心を向くように、すなわち、固定子コア２の径方向に対する向きがすべて同じになるように配置されている。このように配置することで、コイル導体のスロット内占有率を向上させることができる。

図３および図４は固定子コア２に配置される固定子コイル７の１相分を部分的に示した模式図である。上述したように、固定子コイル７は分散巻かつ重ね巻で巻回されており、１相分の連続分散巻コイル７１は１本の角線８で連続的に形成されている。図３は固定子１を軸方向端部側から見た図であって、固定子コア２と連続分散巻コイル７１とを直線状に展開した模式図である。丸で囲った数字は連続分散巻コイル７１を形成する配置順を示しており、以下では、図３に示した丸で囲った数字を、カッコつきの数字で（１）のように記載することにする。すなわち、（１）→（２）→（３）→（４）の順に角線８が配置される。

（１）から（４）までの順序で、ターン部７１ｃは形成される。そして（１）から（４）までに形成されたターン部７１ｃの角線８は外側渡り線部７１ａを経て、（４）から（８）までに形成されるターン部７１ｃへと繋がる。そして（５）から（８）までに形成されたターン部７１ｃの角線８は内側渡り線部７１ｂを経て、（９）から（１２）までに形成されるターン部７１ｃへと繋がる。同じように（９）から（１２）までに形成されたターン部７１ｃの角線８は外側渡り線部７１ａを経て、（１３）から（１６）までに形成されるターン部７１ｃコイルへと繋がる。

図４は、固定子１の内径側から見た連続分散巻コイル７１を直線状に展開した模式図である。上述のような繰り返しにより、１相分のコイルは、外側渡り線部７１ａ，ターン部７１ｃ，内側渡り線部７１ｂ，ターン部７１ｃの順番で構成される。図４に示しように、ターン部７１ｃの巻回方向には時計回りのものと反時計回りのものとがあり、それらが交互に現れる。各相の連続分散巻コイル７１は、予めコイル成型用の治具を用いて巻回され、後述するように巻回された各相の連続分散巻コイル７１を一体に固定子コア２に装着する。

図５〜図７は、コイル成型用治具である巻枠を説明する図である。図５は組み上がり状態の巻枠１０を示す斜視図であり、図６は、図５に示す巻枠１０の反対側の一部を示すＡ矢視図である。図７は巻枠１０の分解図である。

図５に示すように、巻枠１０は巻軸１１と、巻軸１１に外挿されるガイド枠１２、１３、１４を備えている。巻軸１１の長手方向の両端面には軸１１ｃが形成されている。ガイド枠１２は、紙面手前側に巻線案内ピン１２１、巻線案内窪み１２２，１２３が形成されている。一方、ガイド枠１３は、図７に示すように、ガイド枠１２とは逆側の面に巻線案内ピン１３１、巻線案内窪み１３２，１３３が形成されている。

巻軸１１に外挿されたガイド枠１２、１３、１４は、固定ピン１６によって巻軸１１の所定位置に位置決め固定されている。本実施の形態では、固定子コイル７の１相あたりの連続分散巻コイル７１には、図４に示すターン部７１ｃが８つ形成される。図５に示す巻枠１０は、ターン部７１ｃが８つの場合の巻枠であって、両端部に配置される２つのガイド枠１４、４つのガイド枠１２、３つのガイド枠１３を備えている。なお、２種類のガイド枠１２，１３を交互に９つ並べるようにしても良い。ターン部７１ｃが８つ以外の場合も、ターン部７１ｃの数に応じてガイド枠１２、１３の数を設定すればよい。

ターン部７１ｃは、角線８を巻軸１１の周囲に巻き付けることによって形成される。そのため、巻軸１１には、一対の直線面１１ａが平行に形成されている。この直線面１１ａに角線８を沿わせることで、ターン部７１ｃのスロットに挿入される部分（コイル辺と呼ばれる）が形成される。巻軸１１の上下には、ターン部７１ｃのコイルエンド部を形成するためのＶ字形状の傾斜面１１ｂが形成されている。巻軸１１に角線８を巻回すことにより、六角形形状のターン部７１ｃが形成される。

ガイド枠１２，１３，１４は角線８を巻軸１１に巻回す際のガイドとして機能し、ガイド枠１２，１３，１４を固定ピン１６で位置決めすることによって所定幅Ｗの巻線溝１０１が形成される。所定幅Ｗは角線８の線幅に応じて設定されるが、巻回しやすさ等を考慮して線幅よりも若干大きめに設定される。

ガイド枠１２，１３は、図４に示す渡り線部７１ａ，７１ｂを成形する治具としても機能する。角線８をガイド枠１２の巻線案内ピン１２１および巻線案内窪み１２２，１２３に沿って成形することにより、内側渡り線部７１ｂが形成される。一方、角線８をガイド枠１３の巻線案内ピン１３１および巻線案内窪み１３２，１３３に沿って成形することにより、外側渡り線部７１ａが形成される。

図７の分解図に示すように、巻軸１１の直線面１１ａにはガイド枠１２〜１４の総数と同数の貫通孔１１０が形成されている。一方、各ガイド枠１２〜１４にも、巻軸１１の貫通孔１１０と対応するように貫通孔１２０，１３０，１４０が形成されている。ガイド枠１４は、その貫通孔１４０が巻軸１１の貫通孔１１０と対向する位置に外挿され、固定ピン１６を貫通孔１１０および１４０に挿通することにより、ガイド枠１４が所定位置に位置決め固定される。ガイド枠１２，１３に関しても、ガイド枠１４の場合と同様に固定ピン１６によって所定位置に位置決め固定される。

なお、ガイド枠１２〜１４の巻軸１１への挿脱を行う際には、図８に示すような支持板１５が用いられる。図８は支持板１５を説明する図である。図８（ａ）は巻軸１１のガイド枠１２〜１４への挿脱作業を示す図であり、挿脱作業時の横断面図およびＢ１−Ｂ１断面図を示す。図８（ｂ）は組み付け完成状態の巻枠１０の横断面図およびＢ２−Ｂ２断面図を示す。

支持板１５には、巻軸１１に形成されている貫通孔１１０と同一ピッチと同一個数の貫通孔１５ａが形成されている。組み付け時には、図８（ａ）に示すように、支持板１５の各貫通孔１５ａに固定ピン１６をそれぞれ装着する。その際、図１８（ａ）に示すように、各固定ピン１６の頭部が支持板１５の反対側に突出するように装着する。次いで、図８（ａ）に示すように、各ガイド枠１２〜１４を対応する固定ピン１６にそれぞれ装着する。その後、巻軸１１を各ガイド枠１２〜１４の内部に挿入する。挿入後、各固定ピン１６を完全に巻枠１０に挿入することにより、図８（ｂ）に示すような巻枠１０が完成する。巻軸１１をガイド枠１２〜１４から抜き取る場合には、上述した作業を逆に行えば良い。巻軸１１をガイド枠１２〜１４から完全に抜き取っても、各ガイド枠１２〜１４は固定ピン１によって支持板１５に保持されることになる。

なお、角線８により分散巻コイルを形成する場合には、巻線時に角線８が捻れたりせず整列して巻回されるように、巻線ノズル側ではなく巻枠１０側を回転させて巻線作業を行う。図９は、巻枠１０を回転および旋回させるための巻枠駆動機構５０の模式図である。巻枠駆動機構５０は、回転駆動部５０２と旋回駆動部５０４とを備えている。旋回駆動部５０４は回転軸５０３を正逆両方向に回転駆動する。回転軸５０３には旋回枠５０１が固定されており、回転軸５０３が回転駆動されることにより、旋回枠５０１が旋回駆動される。旋回枠５０１の側板５０１ａ，５０１ｂには、巻枠１０の軸１１ｃが回転可能に支持されている。軸１１ｃは、側板５０１ｂに設けられた回転駆動部５０２によって正逆両方向に回転駆動される。すなわち、巻枠駆動機構５０は、巻枠１０を水平に保持した状態で軸１１ｃの回りに回転駆動することができるとともに、巻枠１０を回転軸５０３の回りに旋回駆動することができる。

次に、巻線方法について、図１０〜図１３を参照しながら説明する。図１０（ａ）に示す工程では、水平に保持された巻枠１０の巻線溝１０１内に、巻線ノズル５２から供給された角線８が挿入される。なお、図示は省略したが、巻線溝１０１内に挿入された角線８の先端部分（巻線引き出し部）を図１０（ａ）の状態に保持する機構が、巻枠１０には設けられている。そのため、巻枠１０を回転させても、角線８の巻線引き出し部はこの状態に保持される。

巻線ノズル５２の出口の近くには、巻線ノズル５２から送出された角線８が巻線ノズル５２に対して上下左右にずれないように角線８を保持するローラ５３が設けられている。なお、巻線ノズル５２は、角線８の位置を調整するためにｘ方向およびｚ方向に並進移動可能に構成されている。その際、角線８をｘ方向から挟む一つのローラと、角線８をｚ方向から挟む一対のローラとから成るローラ５３も、巻線ノズル５２と一体に並進移動する。なお、二点鎖線で示すように角線８を巻軸１１に押し付けるローラ５４をさらに設けるようにしても良い。

図１０（ａ）に示す状態から、巻枠１０を軸１１ｃの回りにＲ方向に回転して、図１０（ｂ）に示すように角線８を巻軸１１の周囲に巻き付ける。図１０（ａ）に示す状態から、巻枠１０を１．５回転させると図１０（ｃ）に示す状態となる。その結果、ターン部７１ｃが形成される。

図１１は図１０に続く巻線工程を説明する図である。図１１（ａ）は、図１０（ｃ）に示す状態の巻枠１０をｚ軸プラス方向から見た図である。巻線ノズル５２側から見て角線８の右側にガイド枠１４が位置し、角線８の左側にガイド枠１２が位置する。ガイド枠１２に設けられた巻線案内ピン１２１および巻線案内窪み１２２，１２３は、巻線ノズル５２側から見てガイド枠１２の手前側に位置している。

図１１（ａ）に示す状態から図９に示した旋回枠５０１をＲ２方向に９０度旋回させる。すなわち、巻枠１０を水平に保った状態で、Ｒ２方向に９０度旋回させる。図１１（ｂ）には９０度旋回後の巻枠１０の状態を示す。この旋回動作により、角線８は、ガイド枠１２に設けられた巻線案内窪み１２２の側壁１２２ａに沿って変形されるとともに、巻線案内ピン１２１に架け回される。

図１２は図１１に続く巻線工程を説明する図である。図１２（ａ）は、図１１（ｂ）に示す状態の巻枠１０をＣ方向から見た矢視図である。図１１に示した巻枠１０の９０度旋回動作を行ったならば、図１２（ａ）に示すように冶具５５を巻枠１０に押し当てながら、巻線ノズル５２およびローラ５３を一体にｚ軸プラス方向に所定量だけ並進移動させる。冶具５５は、圧縮バネ等の弾性部材５６により巻枠１０方向に付勢されている。

図１３は冶具５５の形状を示す図である。冶具５５の底面側（巻枠１０に押し当てる側）には、上面５５ａと平行な面５５ｂと傾斜面５５ｃとが形成されている。傾斜面５５ｃには、ガイドピン５５ｄが埋設されている。冶具５５を用いることにより、巻線ノズル５２を図１２（ａ）に示すように並進移動させると、角線８は冶具５５の傾斜面５５ｃに沿うように変形する。なお、図１１に示す旋回動作時から冶具５５を巻枠１０に付勢させておき、その付勢状態を維持したまま図１２（ａ）の作業を引き続き行うようにしても良い。

図１２（ａ）に示すように巻線ノズル５２の並進移動を行った後、巻線ノズル５２の位置を保持したまま、図１２（ｂ）に示す状態まで巻枠１０をＲ２方向に９０度旋回させる。この旋回動作により、角線８は、図１２（ｂ）に示すように巻線案内窪み１２３にガイドされるとともに、治具５５のガイドピン５５ｄに掛け回されるように変形され、巻線溝１０１の上方に位置決めされる。その結果、内側渡り線部７１ｂの部分が形成される。図１２（ｂ）の状態における巻枠１０は、図１０，１１に示す状態から１８０度旋回した状態になっている。その後、巻線ノズル５２をｚ軸マイナス方向に並進移動して、角線８を巻線溝１０１内に挿入する。

図１４は図１２に続く巻線工程を説明する図である。図１４（ａ）は、図１２（ｂ）に示す状態における巻枠１０の断面図であり、角線８が挿入されている巻線溝１０１に沿って断面したものである。図１４（ａ）に示す状態から、巻枠１０を軸１１ｃの回りにＲ方向に回転して、図１４（ｂ）に示すように角線８を巻軸１１の周囲に巻き付ける。図１４（ａ）に示す状態から、巻枠１０を１．５回転させると図１４（ｃ）に示す状態となり、２番目のターン部７１ｃが形成される。

ところで、図１４に示す回転動作では、図１０（ｃ）に示す状態から１８０度旋回した状態で回転動作が行われる。そのため、図１４（ｃ）に示すターン部７１ｃの巻回方向は、図１０（ｃ）に示した最初のターン部７１ｃの巻回方向と逆になっている。

上述した巻線動作を繰り返すことにより、図１５に示すように巻枠１０に巻回された１相分の連続分散巻コイル７１が形成される。すなわち、図１０に示す巻枠１０の回転動作を８回行うことによりターン部７１ｃが８つ形成され、巻枠１０を１８０度旋回させる動作を７回行うことにより、内側渡り線部７１ｂが４つおよび外側渡り線部７１ａが３つ形成される（図１６参照）。なお、図１５では、外側渡り線部７１ａはガイド枠１３の反対側の面に形成されているため、ガイド枠１３に隠れて見えていない。

次いで、図８（ａ）に示したように支持板１５を用いて固定ピン１６の一部分を巻枠１０から抜き出し、ガイド枠１２，１３，１４から巻軸１１を抜き去る。そうすることで、図１６に示すようにガイド枠間の巻線溝１０１から各ターン部７１ｃを抜き出すことが容易に可能となり、連続分散巻コイル７１が巻枠１０から取り外される。各ターン部７１ｃには、外周側コイル辺７２と内周側コイル辺７３とを有している。

図１７は、６つの連続分散巻コイル７１を直線状に組んだ状態を示す。本実施の形態における固定子コイル７は連続分散巻コイル７１を６つ用いて構成されており、図１７は固定子コイル７を示している。上述したように、連続分散巻コイル７１は一本の角線８から形成され、連続分散巻コイル７１の各ターン部７１ｃは外側渡り線部７１ａと内側渡り線部７１ｂとで接続されるように連続している。連続分散巻コイル７１が６つ一組に組まれた直線状の固定子コイル７においては、交互に配置された外側渡り線部７１ａの群と内側渡り線部７１ｂの群とはそれぞれが等ピッチで整列している。

図１７に示した直線状の固定子コイル７は、固定子コア２に装着するために、図１８に示すような型４０を用いて予め成形される。図１８（ａ）〜（ｃ）は、固定子コイル７がセットされた型４０の断面を示したものである。まず、図１８（ａ）に示すように固定子コイル７を型４０にセットする。型４０は、各ターン部７１ｃの外周側コイル辺７２が挿入される外型４０Ａと、各ターン部７１ｃの内周側コイル辺７３が挿入される内型４０Ｂとから成る。外型４０Ａおよび内型４０Ｂには、コイル辺７２，７３が挿入される型溝４００が複数形成されている。

図１７に示す固定子コイル７には、４８（＝８×６）個のターン部７１ｃが含まれているが、図１８（ａ）では、その内の１４個のターン部７１ｃが図示されている。固定子コイル７は６つの連続分散巻コイル７１を順に並べたものなので、左側から１番目のターン部７１ｃと７番目のターン部７１ｃとは同一の連続分散巻コイル７１に含まれる。同様にして、６個毎に同一の連続分散巻コイル７１に含まれるターン部７１ｃが現れる。

次いで、図１８（ｂ）に示すように、外型４０Ａと内型４０Ｂとが密着するように、型４０を上下からプレスする。図１９は、型４０によりプレスされた後の固定子コイル７の形状を示す図である。固定子コイル７は、プレスにより外周側コイル辺７２と内周側コイル辺７３との距離が近づくように変形される。

次に、図１８（ｃ）に示すように、外型４０Ａを図示左側にずらすとともに、内型４０Ｂを図示右側にずらす。本実施の形態では、型溝４００のピッチで４ピッチ分ずらす。これにより、各ターン部７１ｃの外周側コイル辺７２と内周側コイル辺７３とは、図３に示した４スロット跨ぎ量に相当する分だけ周方向にずらされることになる。すなわち、図１７に示した固定子コイル７を構成する６つの連続分散巻コイル７１を、図示左側から７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄ，７１Ｅ．７１Ｆのように表すと、図１８（ｃ）に示すように、連続分散巻コイル７１Ａのターン部７１ｃの内周側コイル辺７３は、連続分散巻コイル７１Ｅのターン部７１ｃの外周側コイル辺７２と同一列（縦列）に並ぶことになる。また、連続分散巻コイル７１Ａのターン部７１ｃの外周側コイル辺７２は、連続分散巻コイル７１Ｃのターン部７１ｃの内周側コイル辺７３と同一列（縦列）に並ぶことになる。

図１８に示したように固定子コイル７に対して開き成形を施したならば、その固定子コイル７を環状にし、図２０（ａ）に示すように開き成形治具３０に固定子コア２と共に設置する。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示す状態における、固定子コア２のスロット３の部分を拡大して示したものである。スロット３には予め絶縁紙４が設置されている。

図２０（ａ）に示すように、開き成形治具３０には、設置された固定子コイル７を開き成形治具３０からコイルを押し出すためのブレード３１が設けられている。ブレード３１は固定子コア２のスロット数と同じ数だけ設置されており、各ブレード３１にはテーパ部３１ａが形成されている。ブレード３１の下方には加圧ロッド３２が設置されており、加圧ロッド３２にはブレード３１のテーパ部３１ａに押圧されるテーパ部３２ａが形成されている。

図２０（ｃ）に示すように加圧ロッド３２を図示上方に移動させると、加圧ロッドテーパ部３２ａがブレードテーパ部３１ａに押し付けられて、各ブレード３１が固定子コア外径方向に移動する。その結果、図２０（ｄ）に示すように、固定子コイル７のコイル辺７２，７３の部分が、固定子コア２のスロット３内に挿入される。

図２１は分散巻コイルの概念を説明する図であり、回転電機の一部を直線状に展開して示したものである。

回転子１００１には複数の回転子磁極１０１１が装備され、固定子１０２には固定子１０２の磁極を形成する複数のティース１０２１が装備されている。固定子１０２の複数のティース１０２１にはＵ相コイル１０３１、Ｖ相コイル１０３２、Ｗ相コイル１０３３が巻かれている。ここで、Ｖ相コイルとはＵ相コイルを流れる交流電流に対して位相が１２０度遅れた（２４０度進んだ）交流電流が流れるコイルと定義する。また、Ｗ相コイルとはＵ相コイルを流れる交流電流に対して位相が２４０度遅れた（１２０度進んだ）交流電流が流れるコイルと定義する。回転子１００１の回転方向を図２１において矢印方向で示してある。

実線はコイルが正巻き（ティースを内径側から見て時計方向巻き）されており、点線はそれとは反対の逆巻き（ティースを内径側から見て反時計方向巻き）されていることを意味する。図のように本実施例の固定子コイル構造は、２つのコイルを互いに電気角１８０度ずれた位置に２重に配置し、それぞれのＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル同士を直列に接続した構造になっている。

言い換えれば、固定子１０２が回転子１００１に空隙を介して配置され、電気角幅３６０度領域内に、同相のコイルターンによって形成される２つの固定子磁極１０９１，１０９２が配置されるようにコイルが巻回され、固定子磁極１０９１，１０９２を形成するそれぞれのコイルターンは周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さく、２つの固定子磁極１０９１，１０９２をなすコイルターンが互いに重ならないように設けられているとともに、個々の固定子磁極１０９１，１０９２が互いに逆極性をなすようにコイルターンが巻回されている。

なお、全てのコイルは、ティース１０２１に対して、それぞれスロットの回転子１００１に近い位置と回転子１００１から遠い位置の２層にわたって斜めに巻かれており、コイルの半径方向位置がすべてのコイルに対して平等に巻かれている。すなわち、各々のコイルターンの２つのスロット挿入部のうち、一方をスロットの回転子に近い位置に、他方をスロットの回転子から遠い位置に配置して、各相のコイルインダクタンスを平均化してある。

ここでは、２つの固定子磁極１０９１，１０９２をなすコイルターンが互いに電気角１８０度ずらして設けられている。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗの３つの相の固定子磁極を構成し、それぞれ電気角６０度ずつずらして配置されている。なお、Ｖ相コイルはＵ相コイルとは逆に巻く。これにより、＋６０度−１８０度＝−１２０度となり、Ｖ相コイルはＵ相コイルよりも位相が１２０度遅れる。また、Ｗ相コイルは、Ｕ相コイルと同じ向きに巻くため、Ｕ相コイルよりも２×６０度＝１２０度位相が進む。また、この実施例では、１つのコイルターンがなす電気角幅は１２０度であり、同相では２つのコイルターンで２４０度の領域、すなわち全体の２／３の数のティースに巻かれている。このようなコイルの巻き方を、分散巻と呼ぶことにする。

このため、本実施例における固定子コイルは、電気角３６０度以内に１つの集中巻コイルを設ける集中巻構造に比べて、回転子の磁束と鎖交する各コイルターンの回路面積が２倍であり、コイル利用効率は集中巻の２倍になっている。集中巻と同じ鎖交磁束を得るためには、ティースに巻くコイルターン数は、ある１本のティースに着目した場合、本実施例では、集中巻に比べて半分で済む。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各コイルは、集中巻に比べて２倍に分散されており、さらに、分布巻のように全てのティースにコイルが巻かれた構造ではなく、全体の２／３の数のティースにしか巻かれていない。このため、集中巻や分布巻に比べて、コイルインダクタンスを低く抑えることができる。

さらに本実施例は、集中巻に比べて、コイルが２倍に分散配置されており、Ｕ相コイル，Ｖ相コイル、およびＷ相コイルは半分程度重複しながら巻かれているので、電機子反作用は集中巻に比べて周方向に比較的なめらかに分布することになり、高次の電磁力高調波成分が低減された構造になっている。このため、集中巻に比べると、より静かな回転電機として機能できる。

なお、図２１の例は、固定子ティースが電気角６０度毎に１本配置され、コイルターンが電気角度幅１２０度で巻回された構造であるが、固定子ティースを電気角３０度毎に１本配置し、コイルターンを電気角度幅で９０度、あるいは１２０度、もしくは１５０度で巻回された構造にしても同様の効果を持たせることができる。

図２２は、上記の分散巻構造とダブル三相構造を組み合わせた構造である。すなわち、図２１で示した巻線群を２つ設け、互いに位相をずらして配置する。図２２に示すように、ティース１０２１の本数を電気角３６０度あたり１２本にし、隣接するティース１０２１間の電気角位相差が３０度になるような構成にする。三相系Ｂは三相系Ａに対して電気角で３０度ずれた位置に配置し、並列に接続される。三相系Ａ，Ｂともに各コイルは例えば４本のティースを束ねるように巻く。

三相系Ａの巻線群と三相系Ｂの巻線群は電気回路素子として同等であることが望ましい。これにより、高調波電磁力は効果的に低減でき、また、発電機としてみたときの出力電流が均等になり、合成された出力電流におけるリップルを小さく抑えられる。そこで、図２２に示すように、周方向に巻くコイルを半径方向にずらして斜めになるように配線する
。すなわち、三相系Ａの巻線群１０３１Ａと三相系Ｂの巻線群１０３１Ｂは、それぞれ３つの相の固定子磁極を構成し、互いに電気角３０度ずれている相の巻線は、当該相の巻線同士が互いに隣り合ったスロットに巻回されるとともに、コイルエンド部において互いに交わらないようにスロットの回転子に近い位置と回転子から遠い位置にそれぞれ挿入されている。こうすることにより、２つの三相系Ａ，Ｂは互いに平等な電気回路特性を有するようになる。

図２３は、本発明の一実施例をなす空冷式の車両用交流発電機１００の断面図を示す。シャフトの中心部に固定された回転子１００１には爪形磁極１１３が設けられ、回転子１００１とその中心部に界磁巻線１１２が配置される。シャフトの先端にはプーリ１１０１が取り付けられており、その反対側には前記界磁巻線に給電するためのスリップリング１０９が設けられている。スリップリング１０９は、ブラシ１０８と接触することで電力を給電される構成となっている。更に、回転子１００１の爪形磁極１１３の両端面には、回転と同期して回転する冷却ファンのフロントファン１０７Ｆとリアファン１０７Ｒから構成されている。また、爪磁極極１１３には永久磁石１１６が配置され界磁巻線磁束を増加させる補助励磁の役目を果たしている。

一方、固定子コイル７が設けられた固定子１は、回転子１００１と僅かなギャップを介して対向配置されている。固定子１は、フロントブラケット１１４とリアブラケット１１５とによって挟持されるように保持されている。回転子１００１は、両ブラケット１１４，１１５に設けられたベアリング１０２Ｆおよび１０２Ｒにより回転可能に支持されている。固定子コイル７は上述した連続分散巻コイルの三相巻線で構成されており、それぞれの巻線の口出し線は、整流回路１１１に接続されている。整流回路１１１はダイオード等の整流素子から構成され、全波整流回路を構成している。例えば、ダイオードを用いる場合、カソード端子はターミナル１０６に接続されている。また、アノード側の端子は車両用交流発電機本体に電気的に接続されている。リアカバー１１１０は整流回路１１１の保護カバーの役割を果たしている。

次に、発電動作について説明する。エンジン（図示せず）と車両用交流発電機１００は一般的にはベルトで連結されている。車両用交流発電機１００はプーリ１１０１でエンジン側とベルトで接続され、エンジンの回転と共に回転子１００１は回転する。回転子１００１の爪形磁極１１３の中心部に設けられた界磁巻線１１２に電流が流れることで、この爪形磁極１１３が磁化され、回転子１００１が回転することで固定子コイル７に三相の誘導起電力が発生する。その電圧は先に述べた整流回路１１１で全波整流され、直流電圧が発生する。この直流電圧のプラス側はターミナル１０６と接続されており、更にバッテリー（図示せず）と接続されている。詳細は省略するが、整流後の直流電圧はバッテリーを充電するのに適した電圧となるように、界磁電流は制御されている。

図２４は、図２１，２２で示した固定子コイル７とした場合の三相整流回路を示す。図２４（ａ）は図２１の固定子コイル７を用いた場合、図２２の固定子コイル７を用いた場合を示す。各相巻線は三相Ｙ結線で接続されている。三相コイルの反中性点側の端子は図示したように６個のダイオードＤ１＋〜Ｄ３−に接続されている。また、プラス側のダイオードのカソードは共通となっており、バッテリーのプラス側に接続されている。マイナス側のダイオード端子のアノード側は同様にバッテリーのマイナス端子に接続されている。

図２４（ｂ）において、電気的に独立した三相巻線のＵ１巻線とＵ２巻線の電圧は等しく電気的位相は３０度ずれているため、電位の大きいところが選択され最終的には３０度幅のリプルとなる。

尚、ここではスター結線の例を示したが、デルタ結線を採用しても良い。デルタ結線を採用した場合は、スター結線の場合に比べてコイル誘起電圧を１１.５％高めることができるという効果が得られる。

尚、上記した実施例は、言い換えれば、単一の三相交流系の電流が流れる固定子コイルと、これを巻きつけるティース、ティースを流れる磁束を還流させるコアバックからなる固定子、およびティースに対向する磁極を有する回転子、で構成される回転電機において、各ティースに巻かれる固定子コイルが、Ｕ相コイルとＶ相コイル、あるいはＶ相コイルとＷ相コイル、もしくはＷ相コイルとＵ相コイルのみである回転電機である。

また、単一の三相交流系の電流が流れる固定子コイルと、これを巻きつけるティース、ティースを流れる磁束を還流させるコアバックからなる固定子、およびティースに対向する磁極を有する回転子、で構成される回転電機において、ティースにおいて半径方向外側の位置にＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの集中巻コイル系を配置し、さらに半径方向内側の位置に先に述べた集中巻コイル系とは逆巻きのＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの集中巻コイル系を配置し、これら２つの集中巻コイル系を各相毎に直列に接続する回転電機である。

また、Ｕ相コイル，Ｖ相コイルおよびＷ相コイルで形成される三相コイル系を２つもち、それぞれのコイル系統の電気角位相差を略３０度、あるいは２０度から４０度の範囲内に設定した回転電機である。

（Ｃ１） 本実施形態の回転電機では、図３，４および２１に示すように、矩形断面の連続導体線である角線８による相巻線である連続分散巻コイル７１は、回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、１以上のスロット３を跨いで異なるスロット間に巻回されたコイルターン７１ｃと固定子コア２とによって形成される固定子磁極が２つ配置されるように巻回され、２つの固定子磁極をなす各々のコイルターン７１ｃは、一方のスロットの外周側と他方のスロットの内周側とに挿入されるとともに、周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さいコイルターンであって、互いに重ならないように設けられ、隣接する固定子磁極が互いに逆極性をなすように巻回されている。その結果、集中巻や分布巻に比べてコイルインダクタンスを低く抑えることができるとともに、高次の電磁力高調波成分が低減され、より静かな回転電機を提供することができる。また、角線８を用いたことにより、スロット内におけるコイル占有率を向上させることができる。

（Ｃ２） 相巻線である連続分散巻コイル７１は複数のコイルターン７１ｃを渡り線部７１ｂａ７１ｂで直列接続した構成を成し、コイルエンド内側に配置される内側渡り線部７１ｂとコイルエンド外側に配置される外側渡り線部７１ａとが交互に配置されている。そのため、コイルエンド部における巻線が整列状態となり、コイルエンドのより小さくすることができる。

（Ｃ３） 長方形の板状部材の長手方向に、コイルターン７１ｃを形成するための導体巻回用案内溝である巻線溝１０１と、渡り線部７１ａ，７１ｂを形成するための導体成形用案内部を構成する巻線案内ピン１２１，１３１、巻線案内窪み１２２，１２３，１３２，１３３とが交互に複数形成された巻枠１０を用いて、矩形断面の連続導体線である角線８による相巻線を形成する。その結果、角線８を容易に効率良く巻回すことができる。

（Ｃ４） 巻枠１０は、角線８が巻き付けられる巻軸１１と、巻軸１１に外挿され、外周側に導体成形用案内部を構成する巻線案内窪み１２２，１２３および巻線案内ピン１２１が形成された複数の枠体１２と、外周側に導体成形用案内部を構成する巻線案内窪み１３２，１３３および巻線案内ピン１３１が形成された複数の枠体１３と、２つの枠体１２，１３の間に導体巻回用案内溝としての巻線溝１０１が形成されるように、角線８の線幅に応じた所定隙間Ｗを空けて枠体１２，１３を位置決めする位置決め機構である固定ピン１６と、を備える。それにより、枠体１２の一方の側の巻線溝１０１に巻回されたコイルターン１７ｃから引き出された角線８を、巻線案内窪み１２２，１２３および巻線案内ピン１２１に沿わせるように引き回して他方の側の巻線溝１０１へと挿入することで、渡り線部を容易に形成することができる。

（Ｃ５） 位置決め機構として、枠体１２，１３を貫通する貫通孔１２０，１３０と、巻軸１１に形成された貫通孔１１０と、位置決めピンとしての固定ピン１６と、を備え、貫通孔１１０と、前記巻軸１１に外挿された枠体１２，１３の貫通孔１２０，１３０とに亘って固定ピン１６を挿通することにより、枠体１０の位置決めを容易にかつ正確に行うことができる。

（Ｃ６） 支持板１５に形成された貫通孔１５ａと、巻軸１１に位置決めされた複数の枠体１２，１３の貫通孔１２０，１３０とが対向するように支持板１５を巻枠１０に近接して配置し、貫通孔１１０と貫通孔１２０，１３０とに亘って挿通された状態から、貫通孔１１０と貫通孔１５ａとに亘って挿通された状態となるように固定ピン１６を移動させて、枠体１２，１３を支持板１５によって支持させ、枠体１２，１３が支持板１５によって支持された状態で、巻軸１１を枠体１２，１３から抜き出して相巻線のコイルターンを巻枠１０から外す。それにより、相巻線のコイル形状を損なうことなく、容易に相巻線を巻枠１０から外すことができる。

（Ｃ７） 回転駆動部５０２により巻枠１０を巻軸１１の軸心の回りに回転させて、角線８を巻軸１１に巻き取ってコイルターン１７ｃを形成し、コイルターン１７ｃの形成後に、旋回駆動部５０４により巻枠１０を軸心に直交する軸の回りに１８０度回転させることにより、コイルターン１７ｃから引き出された角線８を、巻線案内窪み１２２，１２３および巻線案内ピン１２１に沿わせるように引き回して巻線溝１０１への挿入位置に位置決めする。このような回転駆動部５０２および旋回駆動部５０４により巻枠１０を回転および旋回させることにより、角線８に捻れを生じさせることなく巻枠１０に巻き付けることができる。

なお、上述した実施形態では、巻枠１０を水平面内で旋回させる構造としているが、巻枠１０を垂直面内で旋回させるような構成としても良い。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１，１０２：固定子、２：固定子コア、３：スロット、７：固定子コイル、８：角線、１０：巻枠、１１：巻軸、１２〜１４：ガイド枠、１５：支持板、１５ａ，１１０，１２０，１３０，１４０：貫通孔、１６：固定ピン、２０：回転電機、２１，１００１：回転子、３０：開き成形治具、４０：型、５０：巻枠駆動機構、５２：巻線ノズル、５５：治具、７１：連続分散巻きコイル、７１ａ：外側渡り線部、７１ｂ：内側渡り線部、７１ｃ：ターン部、１０１：巻線溝、１２１，１３１：巻線案内ピン、１２２，１２３，１３２，１３３：巻線案内窪み、５０１：旋回枠、５０２：回転駆動部、５０４：旋回駆動部

Claims (8)

1. 周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、
   矩形断面の連続導体線による相巻線を複数有する固定子巻線と、
   前記固定子巻線が巻装され、前記回転子に対して空隙を介して配置された固定子コアと、を備え、
   前記相巻線は、前記回転子の磁極がなす電気角３６０度以内に、１以上のスロットを跨いで異なるスロット間に巻回されたコイルターンと前記固定子コアとによって形成される固定子磁極が２つ配置されるように巻回され、
   前記２つの固定子磁極をなす各々のコイルターンは、一方のスロットの外周側と他方のスロットの内周側とに挿入されるとともに、周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さいコイルターンであって、互いに重ならないように設けられ、隣接する前記固定子磁極が互いに逆極性をなすように巻回されている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、
   前記相巻線は複数のコイルターンを渡り線部で直列接続した構成を成し、
   前記渡り線部として、コイルエンド内側に配置される内側渡り線部とコイルエンド外側に配置される外側渡り線部とを交互に配置したことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の製造方法であって、
   長方形の板状部材の長手方向に、前記コイルターンを形成するための導体巻回用案内溝と、前記渡り線部を形成するための導体成形用案内部とが交互に複数形成された巻枠を用いて、前記矩形断面の連続導体線による前記相巻線を形成することを特徴とする回転電機の製造方法。
4. 請求項３に記載の回転電機の製造方法において、
   前記巻枠は、
   前記矩形断面の連続導体線が巻き付けられる巻軸と、
   前記巻軸に外挿され、外周側に導体成形用案内部を構成する窪みおよびガイドピンが形成された複数の枠体と、
   隣接する２つの枠体の間に前記導体巻回用案内溝が形成されるように、前記連続導体線の線幅に応じた所定隙間を空けて前記枠体を位置決めする位置決め機構と、を備え、
   前記枠体の一方の側の前記導体巻回用案内溝に巻回されたコイルターンから引き出された連続導体線を、前記窪みおよびガイドピンに沿わせるように引き回して他方の側の前記導体巻回用案内溝へと挿入することで、前記渡り線部を形成することを特徴とする回転電機の製造方法。
5. 請求項４に記載の回転電機の製造方法において、
   前記位置決め機構は、
   前記枠体を貫通する第１の貫通孔と、
   前記巻軸に形成された第２の貫通孔と、
   前記貫通孔に挿通される位置決めピンと、を備え、
   前記第２の貫通孔と、前記巻軸に外挿された前記枠体の第１の貫通孔とに亘って前記位置決めピンを挿通することにより、前記枠体の位置決めが行われることを特徴とする回転電機の製造方法。
6. 請求項５に記載の回転電機の製造方法において、
   支持板に形成された第３の貫通孔と、前記巻軸に位置決めされた前記複数の枠体の第１の貫通孔とが対向するように前記支持板を前記巻枠に近接して配置する工程と、
   前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔とに亘って挿通された状態から、前記第１の貫通孔と前記第３の貫通孔とに亘って挿通された状態となるように前記位置決めピンを移動させて、前記枠体を前記支持板によって支持させる工程と、
   前記枠体が前記支持板によって支持された状態で、前記巻軸を前記枠体から抜き出して前記相巻線のコイルターンを前記巻枠から外す工程と、を有することを特徴とする回転電機の製造方法。
7. 請求項４乃至６のいずれか一項に記載の回転電機の製造方法において、
   回転機構により前記巻枠を前記巻軸の軸心の回りに回転させて、前記連続導体線を前記巻軸に巻き取って前記コイルターンを形成し、
   前記コイルターンの形成後に、旋回機構により前記巻枠を前記軸心に直交する軸の回りに１８０度回転させることにより、前記コイルターンから引き出された連続導体線を、前記窪みおよびガイドピンに沿わせるように引き回して前記導体巻回用案内溝への挿入位置に位置決めすることを特徴とする回転電機の製造方法。
8. 請求項３に記載の回転電機の製造方法において、
   前記連続導体線が第１の導体巻回用案内溝内に挿入された状態で、前記巻枠をその長手方向に沿った軸心の回りに回転して前記連続導体線を巻回する第１の工程と、
   前記連続導体線を前記導体成形用案内部に係合させつつ前記巻枠を１８０度旋回させて、前記連続導体線を第２の導体巻回用案内溝内に挿入する第２の工程と、を交互に繰り返した後に前記第１の工程を行い、前記相巻線を形成することを特徴とする回転電機の製造方法。

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