JP4069425B2 - 回転電機のセグメント順次接合型ステータコイルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のセグメント順次接合型ステータコイルおよびその製造方法に関する。

近年、自動車用回転電機の小型化かつ高出力化の観点からコイルエンドを小型化することができるセグメント順次接合ステータコイル型回転電機が採用されている。この種のセグメント順次接合ステータコイル型回転電機としては、下記の特許文献１や出願人の過去の特許文献を参照されたい。

たとえば下記の特許文献１は、Ｕ字状のセグメント（絶縁被覆をもつ平角線状の導体線であり、この明細書ではセグメント導体とも言うものとする）の一対の脚部を回転子の略磁極ピッチだけ互いに離れた一対のスロットに個別に挿通して飛び出した両端部を略周方向へ曲げ、各セグメントの両脚部の先端を順次接合して形成したセグメント順次接合ステータコイルを開示している。したがって、各セグメントの頭部はステータコイルの頭部側コイルエンド）を構成し、スロットから飛び出した各セグメントの端部はステータコイルの端部側コイルエンドを構成している。

しかし、このセグメント順次接合型回転電機はコイルの成形のために専用設備が必要になるので、車種、用途に合わせた定格変更が容易ではないと言う欠点があった。この問題に対して、下記の特許文献２は、セグメント順次接合ステータコイルの結線方法を変更することによりステータコイルの直列ターン数を変更することを提案している。
特許第３１１８８３７号 特開２００２−５８１８９号公報

しかしながら、特許文献１の方法をたとえば高電圧、高出力の車両駆動用発電電動機に採用する場合、結線組替えのためのバスバー配列が非常に複雑になり、作業も煩雑となるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、結線組み替えが可能なセグメント順次接合ステータコイル型回転電機を提供することをその目的としている。

この発明のセグメント順次接合型ステータコイル型回転電機は、略１磁極ピッチ離れたステータコアの二つのスロットに個別に挿通された一対の脚部と前記一対の脚部を連ねて頭部コイルエンド側に配置される一つの頭部とをそれぞれ有する多数のセグメント導体の先端を端部コイルエンド側にて順次接続することにより波巻きに構成されて各前記スロットの互いに隣接する偶数の導体挿通位置からなる一つのコイル群占有層を占有するコイル群を有し、前記コイル群は、相ごとに互いに接続される複数の部分コイルからなるセグメント順次接合ステータコイルにおいて、
主として周方向又は径方向に配置されて前記各部分コイルの端部同士を接続する複数の部分コイル接続用バスバーと、モールド成形されて各前記部分コイル接続用バスバーを一体に支持する電気絶縁性の絶縁部材とを有するバスバー配列板を具備し、前記各部分コイルは、前記セグメント導体の頭部を分断して形成されて前記スロットから軸方向外側へ屈曲することなく突出するコイル端部（１２３）をそれぞれ有し、前記バスバー配列板（２００）は、前記部分コイルの前記コイル端部（１２３）が軸方向に貫通する窓部（２０１）を有し、前記部分コイル接続用バスバー（２１９）は、前記窓部（２０１）に突出して前記コイル端部（１２３）に接触し接合されていることを特徴としている。

すなわち、この発明のセグメント順次接合ステータコイル型回転電機は、相コイルを構成する各部分コイル間を接続する各部分コイル接続用バスバーを絶縁部材により一体化したバスバー配列板を設けているので、各部分コイル間の接続作業が容易となる。また、部分コイルの端部をなすセグメント導体を長く形成することにより、周方向又は径方向に延在して部分コイル間の接続を行う部分コイル間の渡り線を設ける必要がなく、セグメント導体の種類を単純化することができ、セグメント導体のスロット挿入やセグメントの捻り作業を簡素化することができる。更に、作業の困難化を回避しつつ部分コイル接続用バスバーの配置を電気絶縁を確保しつつ高密度に配置することができ、回転電機のコンパクト化を実現することができる。更にそのうえ、このバスバー配列板を変更することにより部分コイルの接続を変更することができ、セグメント導体の配置を変更することなく、直列ターン数が異なるステータコイルを極めて容易に得ることができる。また、セグメント順次接合型で問題となるバスバー固定や位置出しが容易になり、溶接等を一括で行う事ができるため生産性を向上させることができる。
更に、前記部分コイル接続用バスバーは、前記絶縁部材に開口された窓部に露出するとともに、前記窓部に挿通される前記部分コイルの端部に接続されているので、部分コイル接続用バスバーと部分コイルとの位置合わせと接続とを簡素化することができる。

本発明では、前記部分コイル接続用バスバーは、モールド成形された前記絶縁部材により一体化されている。これにより、必要な空間配置を各部分コイル接続用バスバーに与える作業を簡単に実現することができる。

好適な態様において、前記バスバー配列板は、前記スロットの互いに異なるコイル群占有層を個別に占有する複数の前記コイル群に別々に属する複数の部分コイルの端部を接続する群間渡り用バスバーを有する。これにより、上記効果を更に増進することができる。

好適な態様において、前記バスバー配列板は、同一相の前記各部分コイルを接続してなる相コイルの一端に接続されて外部接続端子をなす端子用バスバーを有し、前記端子用バスバーは、前記絶縁部材から突出している。これにより、外部接続端子を必要な位置に簡単に形成することができる。

好適な態様において、前記バスバー配列板は、各相の前記相コイルの他端を接続して略周方向へ延在する中性点用バスバーを有する。これにより、中性点用バスバーを必要な位置に簡単に配置することができ、上記効果を一層増進することができる。

好適な態様において、前記中性点用バスバーは、前記ステータコアのコアバックと略等しい径方向位置に配置されている。これにより、周方向に長くならざるを得ない中性点用バスバーを他のバスバーの配置の邪魔となることなく、かつ回転電機のコンパクト化を図りつつ配置することができる。

好適な態様において、前記バスバー配列板は、前記頭部コイルエンドに対して軸方向に隣接して径方向に延設されている。これにより、部分コイル接続用バスバーを、切断されたセグメント導体の頭部に接続することができ、製造工程が複雑化するのを抑止することができる。

好適な態様において、前記バスバー配列板に固定されるとともに、同一相の前記各部分コイルを接続してなる相コイルの一端に接続される半導体スイッチング素子を有する。これにより、ステータ電流を制御したり、整流する半導体スイッチング素子をコンパクトに回転電機に内蔵できるとともに、その配線距離を短縮して配線損失を低減することができる。

本発明のセグメント順次接合ステータコイルの製造方法は、互いに異なるバスバー配列をもつ複数の前記バスバー配列板の一つを選択することにより、前記部分コイルの接続形態を変更することにより一相の直列ターン数を変更することを特徴としている。これにより、ステータコイルのターン数変更を良好に実施することができる。

本発明の好適な実施態様を以下の実施例を参照して説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を他の公知技術又はそれに相当する技術の組み合わせにより実施してもよいことはもちろんである。

この実施例のセグメント順次接合ステータコイル型回転電機は、通常のインナーロータ形式の三相回転電機と同構造を有しており、ハウジングの内周面に固定されたステータコア、このステータコアに巻装されたセグメント順次接合ステータコイルからなるステータを有している。ステータコアの径方向内側に磁極を有するロータが回転軸に固定されて配置されている。同期機であるこの回転電機の基本的な構造及び動作自体は周知であり、説明を省略する。

また、セグメント順次接合ステータコイル自体も既に周知となっているが、この実施例の理解に際して更に詳細な説明を必要とする場合には、上記特許文献や本出願人の先行する同名の出願明細書を参照されたい。ただし、この実施例のセグメント順次接合ステータコイルは、これら先行文献に開示されるセグメント順次接合ステータコイルに限定されるものではなく、Ｕ字状のセグメント導体の一対の脚部をステータコアの略１磁極ピッチ離れた一対のスロットに個別に挿通し、セグメント導体の先端同士を他の接続パターンで順次接続して構成されるその他のセグメント順次接合ステータコイルにも適用可能なことは言うまでもない。

この実施例のセグメント順次接合ステータコイルの姿形を図１に斜視図に示す。セグメント順次接合ステータコイルは、セグメント導体を順次接合して構成されてステータコア１１０に巻装されたコア巻装コイル部１００と、本願発明で言うバスバー配列板をなす端子台２００とにより構成されている点をその特徴としている。

コア巻装コイル部１００は、ステータコア１１０から軸方向一方側へ突出する頭部コイルエンド１２１と、軸方向他方側へ突出する端部コイルエンド１２２とを有している。端子台２００は、内部に多数のバスバーが単層又は複層配置された樹脂モールド成形体であって、コア巻装コイル部１００を構成する多数の部分コイル間の接続パターンを決定するバスバー群２１０と、バスバー群２１０の各バスバーをそれぞれの空間位置にて電気絶縁しつつ支持する絶縁部材２２０とからなり、バスバー群２１０の各バスバーは絶縁部材２２０をモールド成形することにより一体化されている。バスバー群２１０は端子台２００から突出する３本の出力線４００を有している。

コア巻装コイル部１００は多数のセグメント導体の端部同士を端部コイルエンド１２２側にて接続して構成されるが、頭部コイルエンド１２１側にてセグメント導体の頭部を分断して形成したコイル端部１２３を図２に示すように、軸方向外側に突出させている。

この実施例では、ロータは８極の磁極を周方向極性交互に有しており、ステータコア１１０は９６スロット（毎極毎相４スロット）を有し、その各スロットは径方向へ順番に並んだ１２個の導体挿通位置を有している。結局、ステータコア１１０には９６×１２÷２個のセグメント導体が挿通されている。１極あたり１２スロットが割り当てられており、三相であるため１極１相あたり４スロットが割り当てられている。すなわち、互いに隣接する４スロットには同一相のセグメント導体が挿入されている。この実施例では、４本のセグメント導体を波巻き方式にて順次接続して、１周（４ターンに相当）のコイル（以下、部分コイルとも言う）を構成している。もちろん、波巻き方式と重ね巻き方式とを混合して部分コイルを構成することもでき、その他の公知の種々のコイル巻装方式を採用することができる。

１２個の導体挿通位置は、径方向内側の１〜４番目の導体挿通位置からなる内側のコイル群占有層と、径方向中央部の５〜８番目の導体挿通位置からなる中間のコイル群占有層と、径方向外側の９〜１２番目の導体挿通位置からなる外側のコイル群占有層とに区別される。

内側のコイル群占有層に挿通される各セグメント導体は、順次接続されて互いに隣接する同相の４スロットにそれぞれ４つの部分コイルをもつため、合計１６個の部分コイルをもつ内側のコイル群を構成する。この内側のコイル群は、この実施例では単に第１層とも呼ばれる。

同じく、中間のコイル群占有層に挿通される各セグメント導体は、順次接続されて互いに隣接する同相の４スロットにそれぞれ４つの部分コイルをもつため、合計１６個の部分コイルをもつ中間のコイル群を構成する。この中間のコイル群は、この実施例では単に第２層とも呼ばれる。

同じく、外側のコイル群占有層に挿通される各セグメント導体は、順次接続されて互いに隣接する同相の４スロットにそれぞれ４つの部分コイルをもつため、合計１６個の部分コイルをもつ外側のコイル群を構成する。この外側のコイル群は、この実施例では単に第３層とも呼ばれる。

したがって、これら相ごとにステータコア１１０に巻装された第１〜第３層すなわち内側のコイル群、中間のコイル群及び外側のコイル群が、コア巻装コイル部１００を構成している。

上記三つのコイル群のうちの一つのコイル群が一つのスロットに４つの導体挿通位置をもつということは、一つのコイル群が、ひとつのスロットに互いに同相である４個の部分コイルをもつことを意味する。ただし、各部分コイルは、必ず径方向同一位置の導体挿通位置を通過せねばならないものではないことに注意されたい。また、この実施例では、周方向に隣接する同相の４つのスロットにはそれぞれ４つの同相の部分コイルが個別に収容される。

以下、一つのスロットに収容され同じコイル群に属する４つの部分コイルを、「同スロット部分コイル群」と総称するものとする。つまり、各コイル群（各層）はそれぞれ、相ごとに１６個の部分コイルを有している。

内側のコイル群（第１層）と、中間のコイル群（第２層）と、外側のコイル群（第３層）の配列を図３に示す。ただし、簡単のために、図３では各コイル群の４つの部分コイルのうち各２つの部分コイルだけを示す。

すなわち、図３において、１２０−１１Ａは第１層の所定相の第１番目のスロットに収容される第１部分コイルを示し、１２０−１１Ｂは第１層の所定相の第１番目のスロットに収容される第２部分コイルを示す。同じく、第１層の所定相の第１番目のスロットに収容される第３部分コイル１２０−１１Ｃ、及び、第１層の所定相の第１番目のスロットに収容される第４部分コイル１２０−１１Ｄが存在するが、図３では図示省略されている。

また、図３において、１２０−２１Ａは第２層の所定相の第１番目のスロットに収容される第１部分コイルを示し、１２０−２１Ｂは第２層の所定相の第１番目のスロットに収容される第２部分コイルを示す。同じく、第２層の所定相の第１番目のスロットに収容される第３部分コイル１２０−２１Ｃ、及び、第２層の所定相の第１番目のスロットに収容される第４部分コイル１２０−２１Ｄが存在するが、図３では図示省略されている。

更に、図３において、１２０−３１Ａは第３層の所定相の第１番目のスロットに収容される第１部分コイルを示し、１２０−３１Ｂは第３層の所定相の第１番目のスロットに収容される第２部分コイルを示す。同じく、第３層の所定相の第１番目のスロットに収容される第３部分コイル１２０−３１Ｃ、及び、第３層の所定相の第１番目のスロットに収容される第４部分コイル１２０−３１Ｄが存在するが、図３では図示省略されている。

一つの相の合計１２群の同スロット部分コイル群と、言い替えれば一つの同スロット部分コイル群を構成する合計４個の同スロット部分コイル群と、それらを接続してこの相の相コイルを構成する端子台２００の一相分のバスバー群２１０との接続パターンを図４に示す。

図４において、第１層は同スロット部分コイル群１２０−１１、１２０−１２、１２０−１３、１２０−１４からなり、第２層は同スロット部分コイル群１２０−２１、１２０−２２、１２０−２３、１２０−２４からなり、第３層は同スロット部分コイル群１２０−３１、１２０−３２、１２０−３３、１２０−３４からなる。各同スロット部分コイル群の末尾の数字は周方向に並ぶ４つの同相スロットの周方向の順位を示す。

各同スロット部分コイル群の一対の端末部は、バスバー群２１０のスロット間渡り用のバスバーにより直列に接続されている。また、各同スロット部分コイル群は、４つの部分コイルを二つずつ直列接続したものを部分コイル直列回路を並列接続して構成されている。たとえば、二つの部分コイル１２０−１１Ａ、１２０−１１Ｂは直列接続されて第１の部分コイル直列回路をなし、二つの部分コイル１２０−１１Ｃ、１２０−１１Ｄは直列接続されて第２の部分コイル直列回路をなし、これら第１、第２の部分コイル直列接続回路が並列接続されて、同スロット部分コイル群１２０−１１を構成している。

結局、各コイル群（すなわち、第１層、第２層、第３層）はそれぞれ直列に３２ターンを８個の部分コイルをもち、各コイル群の一端は、先端が絶縁部材２２０から外部に突出する外部接続端子をなす出力線４００に接続され、各コイル群の他端は、中性点をなすバスバー３００に接続される。このようにして、１部分コイルを１ターンとみなした場合に直列８ターンの相巻線が構成される。

この実施例で重要な点は、同層同スロットの部分コイル間の接続、同層異スロットの同スロット部分コイル群間の接続、異層間の接続、更には出力線バスバー４００及び中性点用バスバー３００のすべてが端子台２００のバスバー群２１０により構成されていることである。もちろん、端子台２００は、他の相の上記各バスバーもバスバー群２１０の残部として収容している。これにより、複雑な渡り線構造は、端子台２００を準備し、かつ、コア巻装コイル部１００の頭部コイルエンド１２１を適宜分断して構成された部分コイルの両端を端子台２００の所定のバスバーの先端に一括接合することにより完成されることがわかる。

端子台２００の部分拡大平面図を図５に示す。端子台２００は上記接合部位を露出させる窓部２０１を有し、この窓部２０１において、部分コイル間を接続するバスバー２１９の先端と部分コイルのコイル端部１２３とが接触され、各接触部が一括してあるいは順次に接合される。なお、窓部２０１における部分コイルのコイル端部１２３とバスバー２１９の先端との接触姿勢は図５に限定されるものではない。また、部分コイルの分断部をなすセグメント導体は図２に示すように他のセグメント導体よりも長い頭部をもっていてもよく、あるいはスロット挿通前にあらかじめ分断されていてもよい。

上記説明から容易にわかることは、端子台２００のバスバー配列を変更することにより、容易に相コイルの直列ターン数を変更できることである。その例を図６、図７に示す。図６の端子台２００を用いることにより相コイルは直列１６ターンをもつことができ、図７の端子台２００を用いることにより相コイルは直列１２ターンをもつことができることは明らかである。

（変形態様１）
変形態様を図８に示す。この変形態様は、端子台２００に三相インバータ回路５００をなす６つのパワーＩＧＢＴとそれを制御するコントローラＩＣからなる制御回路６００を実装したものである。三相インバータ回路５００の交流出力端子はバスバー群２１０の各相の出力線４００に接続される。したがって、この変形態様では、バスバー群２１０の各相の出力線４００は露出する外部接続端子は三相インバータ回路５００の交流出力端子に接合されることになる。三相インバータ回路５００の直流入力端をなすバスバーは、端子台２００から突出して外部の直流電源に接続される直流電源端子をなす。

このようにすれば、三相インバータ回路５００とステータコイルとの間の配線インダクタンスや配線抵抗を低減できるとともに、装置の一層のコンパクト化を図ることができるとともに、部品点数の節減も行うことができる。

（変形態様２）
変形態様を図９に示す。この変形態様は、中性線３００をなすバスバーを、径方向においてコアバックと同じ位置に存在する端子台２００の外周部に配置したものである。このようにすれば、中性線３００を端子台２００の他のバスバーの配置の邪魔となることなく配置することができ、端子大台２００におけるバスバー配置を簡素化することができる。

（変形態様３）
なお、セグメント順次接合ステータコイル型回転電機が車両用発電機である場合には、三相インバータ回路５００の代わりにダイオードタイプの三相全波整流器とすることができることは当然である。また、上記実施例では、三相モータを例として説明したが、相数の変更は問題なく行うことができる。

実施例のセグメント順次接合ステータコイル型回転電機のステータ部分の分解斜視図である。 図１のステータコイルの部分拡大斜視図である。 図１のステータコイルの一部の巻線配置図である。 図１のステータコイルにおけるコア巻装コイル部と端子台との接続状態を示す配線図である。 端子台のバスバーとコア巻装コイル部との接続状態を示す部分拡大断面図である。 図４と異なる端子台を用いた場合の配線図である。 図４、図５と異なる端子台を用いた場合の配線図である。 制御回路搭載型の端子台を示す部分側面図である。 端子台を示す部分断面図である。

符号の説明

１００ コア巻装コイル部
１１０ ステータコア
１２１ 頭部コイルエンド
１２２ 端部コイルエンド
１２３ コイル端部
２００ 端子台
２０１ 窓部
２１０ バスバー群（群内渡り用バスバー、群間渡り用バスバー、端子用バスバー、中性点用バスバー）
２１９ バスバー
２２０ 絶縁部材
３００ 中性点用バスバー
４００ バスバー（出力線、出力線バスバー）
５００ 三相インバータ回路（半導体スイッチング素子）
６００ 制御回路

Claims (1)

1. 略１磁極ピッチ離れたステータコアの二つのスロットに個別に挿通された一対の脚部と前記一対の脚部を連ねて頭部コイルエンド側に配置される一つの頭部とをそれぞれ有する多数のセグメント導体の先端を端部コイルエンド側にて順次接続することにより波巻きに構成されて各前記スロットの互いに隣接する偶数の導体挿通位置からなる一つのコイル群占有層を占有するコイル群を有し、前記コイル群は、相ごとに互いに接続される複数の部分コイルからなるセグメント順次接合ステータコイルにおいて、
   主として周方向又は径方向に配置されて前記各部分コイルの端部同士を接続する複数の部分コイル接続用バスバーと、モールド成形されて各前記部分コイル接続用バスバーを一体に支持する電気絶縁性の絶縁部材とを有するバスバー配列板を具備し、
   前記各部分コイルは、前記セグメント導体の頭部を分断して形成されて前記スロットから軸方向外側へ屈曲することなく突出するコイル端部（１２３）をそれぞれ有し、
   前記バスバー配列板（２００）は、前記部分コイルの前記コイル端部（１２３）が軸方向に貫通する窓部（２０１）を有し、
   前記部分コイル接続用バスバー（２１９）は、前記窓部（２０１）に突出して前記コイル端部（１２３）に接触し接合されていることを特徴とするセグメント順次接合ステータコイル型回転電機。

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