JP2012110114A - コイル - Google Patents

Abstract

【課題】従来の分割断面型コイルと同等の渦電流損の軽減が図られるとともに、従来の分割断面型コイルよりも加工の容易なコイルを提供することを目的とする。
【解決手段】コイル１０は、ティース２６の延伸方向Ｌに沿って複数回にわたって巻き回される。コイル１０は、巻き回される周方向に対する断面が複数の領域に分割された、分割断面型の巻線部１２と、分割断面型の巻線部１２に接続されるとともに、分割断面型の巻線部１２よりもロータ３０から離れて配置され、周方向に対する断面が分割されずに単一の領域から構成された、単一断面型の巻線部１４と、を含んで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明はコイルに関する。

モータ等の回転電機は略円筒形状のステータ（固定子）と、ステータ内に収容される略円柱形状のロータ（回転子）とを含んで構成されている。ステータはステータコアを備えており、ステータコアの内周面にはロータに向かって延びるティース（極歯）が周方向に沿って複数個設けられている。さらに各ティースにはコイルが組み付けられている。

コイルに交流電流が供給されることにより回転磁界が発生してロータが回転する。このとき、ロータからティースに流入する磁束の一部がコイルを貫通し、その磁束変化によりコイルに渦電流損が生じる。そこで、この渦電流損を低減させるための手段が従来から提案されている。例えば特許文献１においては、図８に示すように、複数本の細い巻線１１０を絶縁体１１２を挟んで束ね、導体の断面積を複数の小領域に分割した分割断面型のコイル１１４を使用している。渦電流の大きさはコイルに設けられた導体の断面積に比例して大きくなることが知られている。このことから特許文献１ではコイルの導体断面を複数の小区域に分割することによって渦電流損を低減させている。

特開２００９−２２５５１３号公報

分割断面型コイルの製造工程は、断面積が複数区域に分割されておらず単一断面から構成された単一断面型のコイルの製造工程に加えて、各巻線を絶縁体で被覆する工程、個々の巻線のねじれや曲がりを矯正する工程、巻線同士を束ねる工程、巻線の束を所望の形状に整形する工程などを行う必要があり、単一断面型のコイルと比較して加工が困難となる。例えば整形工程においては巻線の束を曲げる際に内周側の巻線と外周側との巻線との間で狂いが生じ、曲げ回数の増加に伴ってこの狂いが増大して加工が困難となるという課題があった。

そこで本発明は、従来の分割断面型コイルと同等の渦電流損の軽減が図られるとともに、従来の分割断面型コイルよりも加工の容易なコイルを提供することを目的とする。

本発明はステータコアからロータに向かって延びるティースに組み付けられる、コイルに関するものである。コイルは、ティースの延伸方向に沿って複数回にわたって巻き回される。またコイルは、巻き回される周方向または径方向に対する断面が複数の領域に分割された、分割断面型の巻線部と、分割断面型の巻線部に接続されるとともに、分割断面型の巻線部よりもロータから離れて配置され、周方向または径方向に対する断面が分割されずに単一の領域から構成された、単一断面型の巻線部と、を含んで構成される。

また、上述の発明において、コイルは、コイルの１巻分からなるコイルセグメントが複数個接続されることによって形成され、分割断面型の巻線部は、周方向または径方向に対する断面が複数の領域に分割された分割断面型のコイルセグメントから構成され、単一断面型の巻線部は、周方向または径方向に対する断面が分割されずに単一の領域から構成された単一断面型のコイルセグメントから構成されることが好適である。

また、上述の発明において、ロータに最も近接した１巻分の巻線部のみが分割断面型の巻線部で構成され、残りの巻線部は単一断面型の巻線部から構成されていることが好適である。

本発明により、従来の分割断面型コイルと同等の渦電流損の軽減が図られるとともに、従来の分割断面型コイルよりも加工の容易なコイルを提供することが可能となる。

回転電機のステータ部分と本実施形態に係るコイルを例示する図である。 本実施形態に係るコイルを例示する図である。 コイルに生じる渦電流損を説明する図である。 コイルセグメントを説明する図である。 コイルセグメント同士を結合する過程を説明する図である。 単一断面型のコイルセグメントを例示する図である。 分割断面型のコイルセグメントを例示する図である。 従来の分割断面型コイルを例示する図である。

図１には、回転電機のステータ部分が示されている。ステータコア２４は略円筒形状をしており、ステータコア２４の内周側には周方向に沿って複数個のティース２６が設けられている。ティース２６はステータコア２４の内周面から、ステータコア２４の内周側に収容されたロータ３０（図３参照）に向かって延びている。また、ティース２６はステータコア２４と一体的に形成されており、ステータコア２４及びティース２６は、好適には珪素鋼板の積層体から構成されている。また、ロータ３０は好適には珪素鋼板の積層体と、この積層体に埋め込まれた永久磁石を含んで構成されている。

各ティース２６にはコイル１０が組み付けられる。コイル１０は、ティース２６の延伸方向Ｌに沿って複数回にわたって巻き回された形状を備えている。またコイル１０は、分割断面型の巻線部１２と、単一断面型の巻線部１４とを含んで構成されている。コイル１０をティース２６に組み付ける際には、単一断面型の巻線部１４が分割断面型の巻線部１２よりもロータ３０から離れた位置に配置されるように組み付けられる。すなわち、分割断面型の巻線部１２はティース２６の延伸方向Ｌの先端側に配置され、単一断面型の巻線部１４は延伸方向Ｌの基部側、つまり分割断面型の巻線部１２よりもコア３０から離れた位置に配置される。

また図２に示すように、分割断面型の巻線部１２の両端部のうちステータコア２４側の端部１３Ａと、単一断面型の巻線部１４の両端部のうちロータ３０側の端部１５Ａとは導電性の接合部材１６により接合されている。また、接合部材１６によって接合されない端部、つまり分割断面型の巻線部１２のロータ３０側の端部１３Ｂと単一断面型の巻線部１４のステータコア２４側の端部１５Ｂは図示しない交流電源に接続される。

分割断面型の巻線部１２は、細い巻線１８が絶縁体２０を挟んで束になった構造を有しており、隣り合う巻線１８は絶縁体２０により電気的に非接触の状態となっている。つまり、分割断面型の巻線部１２は、巻線部１２が巻き回される周方向、つまり巻線の長さ方向に対する垂直断面（言い換えると、コイル１０の径方向に平行な断面）において導体が複数の領域に分割されている。また、分割断面型の巻線部１２は外周面も絶縁体２０で覆われており、これにより巻回した際に外側の巻線１８同士が短絡することを防いでいる。ここで、巻線１８は好適には銅線から構成される。また絶縁体２０は好適にはポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等のイミド系樹脂から構成される。

単一断面型の巻線部１４は細い巻線１８よりも断面積の大きい１本の巻線２２から構成されており、単一断面型の巻線部１４は、巻線部１４が巻き回される周方向に対する断面において導体が単一の領域から構成されている。また、単一断面型の巻線部１４の断面積は、分割断面型の巻線部１２の各断面積の総和にほぼ等しいことが好適である。また、分割断面型の巻線部１２と単一巻線型の巻線部１４はともに、組み付けられるステータコア２４（図２参照）のティース２６の形状に沿った形状となるように組み付けの前に予め整形される。

分割断面型の巻線部１２と単一断面型の巻線部１４とを接合する導電性の接合部材１６は、両者を物理的及び電気的に接合可能な材料から構成される。具体的には接着剤に導体粉末が練り込まれた導電性接着剤から構成される。また、溶接により両者を接合させてもよい。

なお、図１、図２においては分割断面型の巻線部１２及び単一断面型の巻線部１４を断面が矩形の角線で示しているが、この形態に限られない。例えば分割断面型の巻線部１２及び単一断面型の巻線部１４を断面が円形の丸線で構成しても良く、また、分割断面型の巻線部１２及び単一断面型の巻線部１４の断面を長方形形状として、長辺を内径面として巻線を折り曲げるフラット巻線または短辺を内径面として巻線を折り曲げるエッジワイズ巻線で構成しても良い。

次に、本実施形態に係るコイル１０に生じる渦電流損について説明する。図３上段には回転電機のロータ３０からティース２６に流入する磁束を矢印で表わしている。ロータ３０からティースに磁束が流入する際に磁束密度が飽和して磁束の一部はティース２６の頂面３２から外れていわゆる漏れ磁束となってティース２６の側面３４からティース２６内に流入する。この過程でティース２６の周囲に組み付けられたコイル１０にも磁束が貫通する。このコイル１０内の磁束変化によってコイル１０に渦電流損が発生する。

ここで、図示されているように、ロータ３０からの漏れ磁束は主にティース２６の先端部近傍に配置されたコイル１０の層を通過し、ティース２６の基部側近傍に配置されたコイル１０の層には殆ど通過しない。したがってティース２６の先端部近傍に配置されたコイル１０の層はティース２６の基部側近傍に配置された層よりも磁束変化が大きく、その結果渦電流損も大きくなる。コイル１０の層ごとの渦電流損の大きさを図３下段に示す。図３下段においてはコイル１０の巻き数は６であり、したがってコイル１０の層数は６となる。また、ティース２６の先端部（ロータ３０側）から基部側（ステータコア２４側）に向かって層番号を付している。この図に示されているように、ティース２６の先端部近傍に配置された（ロータ３０に最も近接した）第１層からティース２６の基部側に配置された（ロータ３０から最も離れた）第６層に向かう過程で渦電流損は漸次減少し、ティース２６の先端部近傍にある層に発生する渦電流損の成分がコイル１０全体の渦電流損の大部分を占めることが理解される。

本実施形態においては、渦電流損成分の大部分を占めるコイル１０の先端部分を分割断面型の巻線部１２とし、残りの基端部分を単一断面型の巻線部１４で構成している。これにより、コイル全体を分割断面型の巻線部１２で構成する場合とほぼ同等の渦電流の低減効果を得ることができる。さらに、先端部分のみを分割断面型の巻線部１２とすることで、コイル全体が分割断面型である場合と比較して巻線束の曲げ回数を少なくできることから加工が容易となる。また、コイル全体を分割断面型の巻線部１２で構成する場合と比較して加工コストを軽減することができる。

なお、図１に示したコイル１０においては、図３における１巻目から２巻目の半分にかけて分割断面型の巻線部１２で構成したが、この構成に限られず、ロータ３０に最も近接する１巻目のみを分割断面型の巻線部１２で構成してもよい。この構成によればコイル１０全体を分割断面型の巻線部１２で構成する場合と比較して大幅な加工の容易化およびコスト軽減を図ることができる。また、１巻目から３巻目にかけて分割断面型の巻線部１２を配置するようにしても良い。この場合はより確実に渦電流損を低減させることができる。

次に、上述とは異なる実施形態に係るコイル１０について説明する。図４に示されるように、コイル１０は複数のコイルセグメント４０から構成される。コイルセグメント４０はコイル１０の１巻分に相当し、コイルセグメント４０の個数がコイル１０の巻数となる。コイルセグメント４０は略Ｕ字形状をしており、一対の腕部４２Ａ、４２Ｂと、腕部４２Ａ、４２Ｂと繋ぐ架橋部４４とを含んで構成されている。コイル１０の形成に当たってはコイル１０の巻数（層数）と同数のコイルセグメント４０をティース２６の延伸方向Ｌに沿って積層させる。図５では６個のコイルセグメント４０を積層させている。この積層に当たっては、コイルセグメント４０をティース２６の側面から挿入させてもよいし、ティース２６の頂面から底面に向かって挿入させても良い。

コイルセグメント４０をティース２６に積層させた後に、各コイルセグメント４０を連結する。最下層のコイルセグメント４０−６の一方の腕部４２Ｂの端部をティース２６の側面に沿って折り曲げる。また、１つ上層にあるコイルセグメント４０−５の一方の腕部４２Ａの端部もティース２６の側面に沿って折り曲げる。次に最下層のコイルセグメント４０−６の腕部４２Ｂの先端と１つ上層にあるコイルセグメント４０−５の腕部４２Ａの先端部とを導電性の接合部材１６で結合する、または溶接により結合する。

次に、コイルセグメント４０−５の結合されていない方の腕部４２Ｂと、一つ上層のコイルセグメント４０−４の腕部４２Ａとを結合する。以下同様にして上下に隣り合うコイルセグメント４０の腕部４２同士を結合する。その結果ティース２６の周囲に巻き回されたコイル１０が形成される。

このようなコイル１０において、本実施形態では、最上層の、つまりロータ３０に最も近接した１巻分のコイルセグメント４０−１を図６に示す分割断面型のコイルセグメント４５で構成し、残りのコイルセグメント４０−２〜４０−６を図７に示す単一断面型のコイルセグメント４６で構成している。分割断面型のコイルセグメント４５は、図１で示した分割断面型の巻線部１２と同様に、複数の細い巻線１８が絶縁体２０を挟んで束ねられ、これにより巻線部１２の巻き回される周方向に対する導体の垂直断面（言い換えると、径方向に平行な断面）が複数の小領域に分割されている。また外周を絶縁体２０で被覆している。また、単一断面型のコイルセグメント４６は、図１で示した単一断面型の巻線部１４と同様に、細い巻線１８よりも断面積の大きい巻線２２から構成され、導体の断面が単一の領域から構成されている。

コイル１０の巻線部のうち、ロータ３０に最も近接する巻線部を分割断面型のコイルセグメント４５から構成することにより、コイル１０の渦電流損が軽減される。またコイル１０の先端部以外の部分を単一断面型のコイルセグメント４６から構成することにより、全体を分割断面型のコイルセグメント４５で構成する場合と比較してコストが軽減される。なお、分割断面型のコイルセグメント４５はロータ３０に最も近接した第１層のみに配置する場合に限られず、例えば第１層から第３層を分割断面型のコイルセグメント４５で構成しても良い。

なお、上述した実施形態においては、コイル１０をいわゆる集中巻用のコイルとして説明したが、この形態に限られず、いわゆる分布巻用のコイルにも本実施形態に係るコイルは適用可能である。すなわち分布巻用のコイルについて、ロータ３０に近接して配置される巻線部を分割断面型の巻線部１２とし、ロータ３０から離れるティース２６の基部側に配置される巻線部を単一断面型の巻線部１４とすればよい。

また、上述した実施形態においては、ロータ３０に近接する巻線部を分割断面型の巻線部１２とし、分割断面型の巻線部１３よりもロータ３０から離れた巻線部を単一断面型巻線部１４としたが、この形態に代えて、以下のような巻線部構成としてもよい。すなわち、第一の巻線部と、第一の巻線部に接続され、第一の巻線部よりもロータ３０より離れた位置に配置される第二の巻線部とを備え、第一の巻線部も第二の巻線部もともに分割断面型の巻線部とする。さらに第二の巻線部は第一の巻線部よりも分割領域数が少なくなるように構成する。第二の巻線部も分割断面型とすることで渦電流損をより一層軽減することができる。さらに、第二の巻線部の分割数を減らすことで、全体を第一の巻線部で構成する場合に比べてコイル製造のコストを低減させることができる。

１０ コイル、１２ 分割断面型巻線部、１３ 分割断面型巻線部の端部、１４ 単一断面型巻線部、１５ 単一断面型巻線部の端部、１６ 接合部材、１８ 細い巻線、２０ 絶縁体、２２ 太い巻線、２４ ステータコア、２６ ティース、３０ ロータ、３２ ティース頂面、３４ ティース側面、４０ コイルセグメント、４２ コイルセグメント腕部、４４ コイルセグメント架橋部、４５ 分割断面型コイルセグメント、４６ 単一断面型コイルセグメント。

Claims (3)

1. ステータコアからロータに向かって延びるティースに組み付けられるコイルであって、
   前記コイルは、前記ティースの延伸方向に沿って複数回にわたって巻き回され、
   巻き回される周方向または径方向に対する断面が複数の領域に分割された、分割断面型の巻線部と、
   前記分割断面型の巻線部に接続されるとともに、前記分割断面型の巻線部よりも前記ロータから離れて配置され、前記周方向または径方向に対する断面が分割されずに単一の領域から構成された、単一断面型の巻線部と、
   を含んで構成されることを特徴とするコイル。
2. 請求項１記載のコイルであって、
   前記コイルは、前記コイルの１巻分からなるコイルセグメントが複数個接続されることによって形成され、
   前記分割断面型の巻線部は、前記周方向または径方向に対する断面が複数の領域に分割された分割断面型のコイルセグメントから構成され、
   前記単一断面型の巻線部は、前記周方向または径方向に対する断面が分割されずに単一の領域から構成された単一断面型のコイルセグメントから構成されることを特徴とするコイル。
3. 請求項１または２に記載のコイルであって、
   前記ロータに最も近接した１巻分の巻線部のみが前記分割断面型の巻線部で構成され、残りの巻線部は前記単一断面型の巻線部から構成されていることを特徴とするコイル。