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JP5445033B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

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JP5445033B2
JP5445033B2 JP2009248025A JP2009248025A JP5445033B2 JP 5445033 B2 JP5445033 B2 JP 5445033B2 JP 2009248025 A JP2009248025 A JP 2009248025A JP 2009248025 A JP2009248025 A JP 2009248025A JP 5445033 B2 JP5445033 B2 JP 5445033B2
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Description

本発明は、電線束によって形成される固定子コイルを備えた回転電機の固定子に関する
従来、電線束によって形成される固定子コイルを備えた回転電機の固定子として、例えば特許文献1に開示されているモータの巻線構造がある。このモータの巻線構造は、細径素線を束ねた素線束をステータコアに巻回して構成されている。
特開2008−136300号公報
ところで、ステータコアに素線を巻回する場合、フライヤー巻線方式が一般的に広く用いられている。フライヤー巻線方式と、ノズルから素線を供給し、ノズルによってステータコアに素線を直接巻回する巻線方式である。フライヤー巻線方式は、電線束を巻回する場合にも用いることができる。しかし、素線束を供給するノズルがスロット内を移動することとなるため、スロット内にノズルの可動スペースが必要となる。また、ノズルによってステータコアに素線束を直接巻回するため、素線束を整列して巻回することが難しい。従って、スロット内に無駄なスペースが発生してしまい、占積率を向上させることが困難であった。ここで、占積率とは、スロットの断面積に対する、スロットに収容される素線の全断面積の比率のことである。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、電線束によって形成される固定子コイルを備えた回転電機の固定子において、占積率を向上させることができる回転電機の固定子を提供することを目的とする。
そこで、本発明者らは、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、電線束にスロット収容部を設け、スロット収容部をスロットに収容し、電線束を構成する電線によって形成されたコイル同士を接続して固定子コイルを形成することで、占積率を向上できることを思いつき、本発明を完成するに至った。
すなわち、請求項1に記載の回転電機の固定子は、軸方向に貫通するスロットを周方向に複数有する円環状の固定子コアと、複数の電線を束ねた電線束によって形成され、スロットに収容される固定子コイルと、を備えた回転電機の固定子において、電線束は、屈曲成形され、スロットに収容されるスロット収容部と、スロット収容部同士を接続するターン部と、を有し、固定子コイルは、外部接続端子を有し、電線束のスロット収容部をスロットに収容し、電線束を構成する電線によって形成されたコイル同士を接続して形成され、スロットに収容された電線束のスロット収容部のうち、固定子コアから離れて配置された電線によって形成されるコイルが、固定子コアに近接して配置された電線によって形成されるコイルより外部接続端子側に接続されていることを特徴とする。
この構成によれば、固定子コイルは、電線束のスロット収容部をスロットに収容し、電線束を構成する電線によって形成されるコイル同士を接続して形成される。そのため、従来のように、ノズルによって電線束を巻回する必要がない。従って、スロット内にノズルの可動スペースを確保する必要がない。また、ノズルによって電線束を巻回する場合に比べ、スロットに収容される電線束を整列させやすい。そのため、スロット内の無駄なスペースを極力抑えることができる。従って、電線束によって形成される固定子コイルを備えた回転電機の固定子において、占積率を向上させることができる。また、コイルを形成する電線と固定子コアとの間には浮遊容量が発生する。外部接続端子に交流電圧が印加されると、この浮遊容量を介して電流が流れ、ノイズが発生する。浮遊容量を介して流れる電流は、交流電圧が高い程大きくなる。つまり、浮遊容量が同一である場合、外部接続端子側に接続されたコイル程、浮遊容量を介して流れる電流が大きくなる。また、浮遊容量を介して流れる電流は、浮遊容量が大きい程大きくなる。浮遊容量は、コイルを形成する電線と固定子コアとの距離に反比例する。そのため、コイルを形成する電線が固定子コアに近い程浮遊容量が増加し、浮遊容量を介して流れる電流が大きくなる。しかし、外部接続端子側には、固定子コアから離れて配置された電線によって形成されるコイルが接続されている。つまり、浮遊容量の小さなコイルが接続されている。そのため、浮遊容量を介して流れる電流を抑えることができる。従って、ノイズの発生を抑えることができる。
請求項2に記載の回転電機の固定子は、スロットは、径方向に開口した開口部を有し、スロット収容部は、開口部からスロットに収容されることを特徴とする。この構成によれば、スロット収容部をスロットに容易に収容でき、スロットに収容される電線束を確実に整列させることができる。そのため、占積率をより向上させることができる。
請求項3に記載の回転電機の固定子は、電線束は、複数の電線を積層して構成され、断面形状が略四角形状であることを特徴とする。この構成によれば、スロットに収容される電線束間の無駄なスペースを抑えることができる。そのため、占積率をより向上させることができる。
請求項4に記載の回転電機の固定子は、電線は、断面形状が円形状であり、電線束は、複数の電線を俵積み状に積層して構成され、断面形状が略台形状又は略平行四辺形状であることを特徴とする。ここで、俵積みとは、隣接する円形状の電線の間に形成される谷間に、円形状の電線を積重ねるものである。この構成によれば、電線束における無駄なスペースを抑えることができる。そのため、占積率をより向上させることができる。
請求項5記載の回転電機の固定子は、スロットに収容された電線束のスロット収容部のうち、スロットの中央部に配置されている電線によって形成されるコイルが、外部接続端子側に接続されていることを特徴とする。この構成によれば、外部接続端子に接続されるコイルの浮遊容量を極力抑えることができる。そのため、ノイズの発生をより抑えることができる。
請求項6に記載の回転電機の固定子は、電線によって形成されるコイル同士は、配線基板を介して接続されていることを特徴とする。この構成によれば、電線によって形成されるコイル同士の接続を容易に行うことができる。そのため、作業性を向上させることができる。
請求項7に記載の回転電機の固定子は、電線束を構成する一部の電線によって固定子コイルと独立して形成されるチョークコイルを有することを特徴とする。この構成によれば、チョークコイルを別途用意する必要がない。そのため、部品点数を削減することができる。
請求項8に記載の回転電機の固定子は、チョークコイルは、固定子コイルに電力を供給する電力供給装置に用いられることを特徴とする。この構成によれば、電力供給装置において、ノイズを抑えることができる。
請求項9に記載の回転電機の固定子は、電力供給装置は、直流電源と、直流電源に接続され、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して固定子コイルに供給する
電力変換装置と、を有し、チョークコイルは、直流電源と電力変換装置の間に接続されていることを特徴とする。この構成によれば、電圧供給装置において、確実にノイズを抑えることができる。
請求項10に記載の回転電機の固定子は、電線は、自己融着線であることを特徴とする。この構成によれば、電線束を確実に束ねることができる。
第1実施形態におけるモータの固定子の側面図である。 図1におけるA−A矢視部分断面図である。 図2における電線束の断面図である。 屈曲成形された電線束の正面図である。 固定子コイルの結線図である。 電線によって形成されたコイルの結線を説明するためのスロット周辺の拡大断面図である。 図6における電線によって形成されたコイルの結線図である。 電線束を収容する前の固定子コアの上面図である。 絶縁部材を配設した後の固定子コアの上面図である。 電線束を収容している状態の固定子コアの上面図である。 電線束を収容した後の固定子コアの上面図である。 第2実施形態におけるモータの固定子を用いたモータ駆動装置の回路図である。 電線によって形成されたコイルの結線を説明するためのスロット周辺の拡大断面図である。 図13における電線によって形成されたコイルの結線図である。 他の形態の電線束の断面図である。
次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る回転電機の固定子を、車両に搭載されるモータの固定子に適用した例を示す。
(第1実施形態)
まず、図1〜図7を参照してモータの固定子の構成について説明する。ここで、図1は、第1実施形態のモータの固定子の側面図である。なお、図中における上下方向は、方向を区別するために便宜的に用いたものである。図2は、図1におけるA−A矢視部分断面図である。なお、電線束を構成する複数の電線については記載を省略している。図3は、図2における電線束の断面図である。図4は、屈曲成形された電線束の正面図である。図5は、固定子コイルの結線図である。図6は、電線によって形成されたコイルの結線を説明するためのスロット周辺の拡大断面図である。図7は、図6における電線によって形成されたコイルの結線図である。
図1及び図2に示すモータの固定子1(回転電機の固定子)は、車両に搭載され、3相交流電流が流れることでトルクを発生するモータに用いられるものである。モータの固定子1は、3相交流電流が流れることで磁束を発生する。モータの固定子1は、固定子コア10と、絶縁部材11と、固定子コイル12と、配線基板13とを備えている。
固定子コア10は、磁路を構成するとともに、固定子コイル11を収容する磁性材からなる円環状の部材である。固定子コア10は、電磁鋼板を積層して構成されている。固定子コア10の周縁部には、軸方向に貫通する略長方形状のスロット100が、周方向に複数形成されている。
絶縁部材11は、スロット100に収容された固定子コイル12を固定子コア10から絶縁する、絶縁材からなる薄板状の部材である。絶縁部材11は、スロット100の内周面に当接して配設されている。
固定子コイル12は、3相交流電流が流れることで磁束を発生する部材である。固定子コイル12は、複数の電線を束ねた電線束120によって形成され、スロット100に収容されている。
図3に示すように、電線束120は、複数の電線1200を2層に積層し、断面形状が略長方形状(略四角形状)になるように束ね、電線1200同士を接着固定して構成されている。ここで、電線1200は、断面形状が円形状の自己融着線である。電線1200は、絶縁層の外周に融着層を有している。電線束120は、断面の長辺の長さが、スロット100の周方向の幅より、絶縁部材11の厚さ分だけ小さく設定されている。また、電線束120の断面の短辺の長さが、スロット100に所定数収容したとき、スロット100の径方向の奥行きより、絶縁部材11の厚さ分だけ小さくなるように設定されている。
図4に示すように、電線束120は、波形に屈曲成形されている。具体的には、図1及び図2に示すスロット100に収容されるスロット収容部120aと、スロット収容部120a同士を接続するターン部120bとを有するように、屈曲成形されている。これにより、電線束120を構成する電線1200は、それぞれコイルを形成することとなる。
図1及び図2に示すように、固定子コイル12は、電線束120のスロット収容部120aをスロット100に収容し、電線束120を構成する電線1200によって形成されたコイル同士を配線基板13を介して接続して形成されている。具体的には、図5に示すように、電線1200によって形成されたコイル1201を直列接続してU相コイル、V相コイル、W相コイルを形成し、さらに、U相コイル、V相コイル、W相コイルをY結線して形成されている。より具体的には、スロット100に収容された電線束120のスロット収容部120aのうち、固定子コア10から離れて配置された電線1200によって形成されたコイルが、固定子コア10に近接して配置された電線1200によって形成されるコイルよりU相端子TU、V相端子TV、W相端子TW(外部接続端子)側に配置されるように接続して形成されている。
例えば、図6及び図7に示すように、スロット100に収容された電線束120のスロット収容部120aのうち、固定コア10から最も離れている、スロット100の中央部に配置された電線1200iによって形成されたコイル1201iが相端子側(外部接続端子側)に接続される。そして、同様に、固定コア10から最も離れている電線120jによって形成されたコイル1021jが直列接続される。以降、電線1200c、1200d、1200h、1200kによって形成されたコイル1201c、1201d、1201h、1201kが、この順番で直列接続される。その後、固定コア10に近接して配置された電線1200b、1200e、1200g、1200l、1200a、1200fによって形成されたコイル1201b、1201e、1201g、1201l、1201a、1201fが、この順番で直列接続される。
図1に示すように、配線基板13は、電線120によって形成されたコイル同士を接続する部材である。配線基板13は、固定コイル12の上方に配置され、電線束120を構成する電線1200に接続されている。
次に、図2、図4、図8〜図11を参照してモータの固定子の製造方法について説明する。ここで、図8は、電線束を収容する前の固定子コアの上面図である。図9は、絶縁部材を配設した後の固定子コアの上面図である。図10は、電線束を収容している状態の固定子コアの上面図である。図11は、電線束を収容した後の固定子コアの上面図である。
図8に示すように、固定子コア10には、遠心方向に延出する略台形状のティース101が、周方向に複数形成されている。隣接するティース101間に、略長方形状のスロット100が形成されている。ティース101の先端面の周方向両端部には、遠心方向に延出する突起部102が形成されている。スロット100は、遠心方向(径方向)である外周側に開口した開口部103を有している。開口部103の周方向の幅は、スロット100の周方向の幅と同一に設定されている。
まず、図9に示すように、スロット100の内周面に当接して絶縁部材11が配設される(絶縁部材配設工程)。
また、図4に示すように、電線束120が、波形に屈曲成形される。具体的には、スロット100に収容されるスロット収容部120aと、スロット収容部120a同士を接続するターン部120bとを有するように、屈曲成形される(電線束成形工程)。
電線束成形工程の後、図10に示すように、屈曲成形された電線束120のスロット収容部120aを、スロット100の開口部103からスロット100に順次収容する。そして、全ての電線束120のスロット収容部120aがスロット100に収容されると、図11に示すように、突起部102が屈曲成形される。具体的には、周方向を向き開口部103の一部を覆うように屈曲成形される。これにより、図2に示すように、スロット収容部120aがスロット120内に保持されることとなる(スロット収容工程)。
スロット収容工程の後、図1に示すように、電線束120を構成する電線によって形成されたコイル同士を配線基板13を介して接続して、固定コイル12が形成される(固定子コイル形成工程)。このようにして、モータの固定子1が製造される。
次に、効果について説明する。第1実施形態によれば、固定子コイル12は、電線束120のスロット収容部120aをスロット100に収容し、電線束120を構成する電線1200によって形成されるコイル同士を接続して形成される。そのため、従来のように、ノズルによって電線束を巻回する必要がない。従って、スロット100内にノズルの可動スペースを確保する必要がない。また、ノズルによって電線束を巻回する場合に比べ、スロット100に収容される電線束120を整列させやすい。そのため、スロット100内の無駄なスペースを極力抑えることができる。従って、電線束120によって形成される固定子コイル12を備えた回転電機の固定子において、占積率を向上させることができる。
第1実施形態によれば、スロット収容部120aは、スロット100と同一幅の開口部103からスロット100に収容される。そのため、スロット収容部120aをスロット100に容易に収容でき、スロット100に収容される電線束120を確実に整列させることができる。従って、占積率をより向上させることができる。
第1実施形態によれば、電線束120は、複数の電線1200を2層に積層し、断面形状が略長方形状になるように束ねられている。そのため、スロット100に収容される電線束120間の無駄なスペースを抑えることができる。従って、占積率をより向上させることができる。
第1実施形態によれば、コイルを形成する電線1200と固定子コア10との間には、浮遊容量が発生する。相端子に交流電圧が印加されると、この浮遊容量を介して電流が流れ、ノイズが発生する。浮遊容量を介して流れる電流は、交流電圧が高い程大きくなる。つまり、浮遊容量が同一である場合、相端子側に接続されたコイル程、浮遊容量を介して流れる電流が大きくなる。また、浮遊容量を介して流れる電流は、浮遊容量が大きい程大きくなる。浮遊容量は、コイルを形成する電線1200と固定子コア10との距離に反比例する。そのため、コイルを形成する電線1200が固定子コア10に近い程浮遊容量が増加し、浮遊容量を介して流れる電流が大きくなる。しかし、相端子側には、固定子コア10から離れて配置された電線1200によって形成されるコイル1201が接続されている。例えば、図7に示すように、スロット100の中央部に配置された電線1200i、1200j、1200c、1200dによって形成されたコイル1201i、1201j、1201c、1201dが接続されている。つまり、浮遊容量の小さなコイルが接続されている。そのため、浮遊容量を介して流れる電流を抑えることができる。従って、ノイズの発生を抑えることができる。
第1実施形態によれば、電線1200によって形成されるコイル1201同士は、配線基板13を介して接続されている。そのため、コイル1201同士の接続を容易に行うことができる。従って、作業性を向上させることができる。
第1実施形態によれば、電線1200は、自己融着線である。そのため、融着層によって電線1200同士を確実に接着固定することができる。従って、電線束120を確実に束ねることができる。
なお、第1実施形態では、電線束120を構成する電線によって形成されたコイルを
直列接続して相コイルを形成している例を挙げているが、これに限られるものではない。電線1200によって形成されたコイル1201を並列接続して相コイルを形成してもよいし、直列接続と並列接続とを組合せて相コイルを形成してもよい。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態のモータの固定子について説明する。第2実施形態のモータの固定子は、第1実施形態のモータの固定子に対して、電線束を構成する一部の電線によって固定子コイルと独立してチョークコイルを形成したものである。
まず、図12〜図14を参照してモータの固定子の構成について説明する。ここで、図12は、第2実施形態におけるモータの固定子を用いたモータ駆動装置の回路図である。図13は、電線によって形成されたコイルの結線を説明するためのスロット周辺の拡大断面図である。図14は、図13における電線によって形成されたコイルの結線図である。ここでは、第1実施形態のモータの固定子との相違部分であるチョークコイルについて説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。
図12に示すモータの固定子2は、第1実施形態のモータの固定子1と同一構成であり、固定子コア、絶縁部材、固定子コイル及び配線基板を備えている。さらに、チョークコイル24〜26を備えている。
チョークコイル24〜26は、後述するモータ駆動装置27に用いられ、モータを駆動する際に発生するノイズを抑えるための素子である。チョークコイル24〜26は、各相毎に設けられ、電線束を構成する一部の電線によって形成されたコイル2201を用いて、固定子コイル22と独立して形成されている。例えば、図13及び図14に示すように、電線束220を構成する電線2200a〜2200lのうち、電線2201a〜2201e、2201g〜2201lによって形成されたコイルを直列接続して、固定子コイル22が形成される。チョークコイル24は、電線2200fによって形成されたコイル2201fによって、固定子コイル22と独立して形成される。同様にしてチョークコイル25,26も形成されている。
次に、図11を参照してモータ駆動装置の構成について説明する。
図11に示すように、モータ駆動装置27(電力供給装置)は、固定子コイル22に電力を供給する装置である。モータ駆動装置27は、バッテリ270(直流電源)と、平滑用コンデンサ271と、チョークコイル24〜26と、インバータ装置272(電力変換装置)とを備えている。
バッテリ270は、直流電力を供給する装置である。平滑用コンデンサ271は、バッテリ250の出力電圧を平滑する素子である。平滑用コンデンサ271の一端はバッテリ270の正極端子に、他端はバッテリ270の負極端子にそれぞれ接続されている。
チョークコイル24〜26は、直流電力を交流電力に変換して固定子コイル22に供給する際に発生するノイズを抑えるための素子であり、モータの固定子2に形成されている。チョークコイル24〜26は、並列接続されている。並列接続されたチョークコイル24〜26の一端はバッテリ270の正極端子に、他端はインバータ装置272にそれぞれ接続されている。
インバータ装置272は、バッテリ270の出力する直流電力を交流電力に変換して固定子コイル22に供給する装置である。インバータ装置272の正極入力端子は、並列接続されたチョークコイル24〜26の他端に接続されている。つまり、並列接続されたチョークコイル24〜26を介してバッテリ270の正極端子に接続されている。また、インバータ装置272の負極入力端子は、バッテリ270の負極端子に接続されている。さらに、出力端子は、固定子コイル22のU相端子TU、V相端子TV、W相端子TWにそれぞれ接続されている。
次に、効果について説明する。第2実施形態によれば、チョークコイル24〜26は、電線束220を構成する一部の電線によって形成されたコイル2201を用いて、モータの固定子2に形成されている。そのため、チョークコイルを別途用意する必要がない。そのため、部品点数を削減することができる。
第2実施形態によれば、並列接続されたチョークコイル24〜26は、バッテリ270とインバータ装置272の間に接続されている。そのため、モータを駆動する際に発生するノイズを確実に抑えることができる。
なお、第2実施形態では、チョーク24〜26が、並列接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。チョークコイル24〜26は、直列接続してもよいし、直列接続と並列接続とを組合せてもよい。
また、第1及び第2実施形態では、電線を構成する電線の断面形状が、円形状である例を挙げているが、これに限られるものではない。電線の断面形状は、略正方形状でもよいし、略長方形状でもよい。この場合、電線束における電線間の無駄なスペースを抑えることができる。従って、占積率をより向上させることができる。
さらに、第1及び第2実施形態では、電線束の断面形状が略長方形状である例を挙げているが、これに限られるものではない。図15に示すように、電線1200を俵積み状に積層し、断面形状が略平行四辺形状(図15(a))又は略台形状(図15(b))になるように構成してもよい。ここで、俵積みとは、隣接する円形状の電線の間に形成される谷間に、円形状の電線を積重ねるものであり、占積率をより向上させることができる。
1、2・・・モータの固定子(回転電機の固定子)、10・・・固定子コア、100・・・スロット、11・・・絶縁部材、12、22・・・固定子コイル、120、220・・・電線束、120a・・・スロット収容部、120b・・・ターン部、1200、1200a〜1200l、2200a〜2200l・・・電線、1201a〜1201l、2201、2201a〜2201l・・・コイル、13・・・配線基板、24〜26・・・チョークコイル、27・・・モータ駆動装置(電力供給装置)、270・・・バッテリ(直流電源)、271・・・平滑用コンデンサ、272・・・インバータ装置(電力変換装置)

Claims (10)

  1. 軸方向に貫通するスロットを周方向に複数有する円環状の固定子コアと、
    複数の電線を束ねた電線束によって形成され、前記スロットに収容される固定子コイルと、
    を備えた回転電機の固定子において、
    前記電線束は、屈曲成形され、
    前記スロットに収容されるスロット収容部と、
    前記スロット収容部同士を接続するターン部と、
    を有し、
    前記固定子コイルは、外部接続端子を有し、
    前記電線束の前記スロット収容部を前記スロットに収容し、前記電線束を構成する前記電線によって形成されたコイル同士を接続して形成され、前記スロットに収容された前記電線束の前記スロット収容部のうち、前記固定子コアから離れて配置された前記電線によって形成されるコイルが、前記固定子コアに近接して配置された前記電線によって形成されるコイルより前記外部接続端子側に接続されていることを特徴とする回転電機の固定子。
  2. 前記スロットは、径方向に開口した開口部を有し、
    前記スロット収容部は、前記開口部から前記スロットに収容されることを特徴とする請求項1に記載の回転電機の固定子。
  3. 前記電線束は、複数の前記電線を積層して構成され、断面形状が略四角形状であることを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
  4. 前記電線は、断面形状が円形状であり、
    前記電線束は、複数の前記電線を俵積み状に積層して構成され、断面形状が略台形状又は略平行四辺形状であることを特徴とする請求項3に記載の回転電機の固定子。
  5. 前記スロットに収容された前記電線束の前記スロット収容部のうち、前記スロットの中央部に配置されている前記電線によって形成されるコイルが、前記外部接続端子側に接続されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
  6. 前記電線によって形成されるコイル同士は、配線基板を介して接続されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
  7. 前記電線束を構成する一部の前記電線によって前記固定子コイルと独立して形成されるチョークコイルを有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
  8. 前記チョークコイルは、前記固定子コイルに電力を供給する電力供給装置に用いられることを特徴とする請求項7に記載の回転電機の固定子。
  9. 前記電力供給装置は、直流電源と、
    前記直流電源に接続され、前記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して前記固定子コイルに供給する電力変換装置と、
    を有し、
    前記チョークコイルは、前記直流電源と前記電力変換装置の間に接続されていることを特徴とする請求項8に記載の回転電機の固定子。
  10. 前記電線は、自己融着線であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
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