JP5692247B2

JP5692247B2 - モータ巻線用集合導線

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Publication number: JP5692247B2
Application number: JP2013003796A
Authority: JP
Inventors: 絢子長谷川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: US20140197709A1; US9196392B2; CN103929000B; JP2014135240A; CN103929000A

Description

本発明は、束ねられた複数の素線で形成されるモータ巻線用集合導線に関する。

従来、例えば特開２００９−１９９７４９号公報（以下、特許文献１という。）には、絶縁層で被覆された素線を複数本撚ることで撚り線を構成し、その状態で成形型を用いて加工することで撚り線の断面を所定形状に圧縮成形し、その後、撚り線の表面を各素線の絶縁層よりも厚い絶縁層で被覆することで集合導線を製造することが記載されている。

特開２００９−１９９７４９号公報

上記特許文献１に記載される集合導線をモータのステータコイルとして巻装するために曲げ加工が施されたとき、曲げ曲率が大きいために撚り線を構成する各素線がばらけて最外層の絶縁層を破壊する可能性がある。

撚線の結束を強固にするために外層の被覆に金属材を用いると、その金属材層に渦電流が発生し、これが循環電流となって流れることで損失が増加するという問題が生じる。

他方、集合導線を構成する各素線を適当な箇所で溶接して結合すると、溶接箇所を介して短絡することで各素線を流れる循環電流の経路が長くなって損失が増加することにつながる。

本発明の目的は、各素線の溶接による循環電流の発生を抑制し、且つ、素線がばらけるのを防止できるモータ巻線用集合導線を提供することである。

本発明に係るモータ巻線用集合導線は、束ねられた複数の素線で形成されるモータ巻線用集合導線であって、束ねられた素線集合体を集合導線の周方向に撚ることにより各素線の位置が集合導線の長手方向に延びる中心軸の周りで撚り起点部に対して１８０度対称位置である位相転位部を有し、該位相転位部で複数の素線が互いに溶接されているものである。

本発明に係るモータ巻線用集合導線において、前記集合導線がモータ巻線としてステータまたはロータに巻装されるとき前記撚り起点部および前記位相転位部の組がステータコアまたはロータコアのスロット内に１組以上設けられてもよい。

また、本発明に係るモータ巻線用集合導線において、前記位相転位部は１つ飛びに溶接されてもよい。

本発明に係るモータ巻線用集合導線によれば、各素線の溶接による循環電流の発生を抑制しながら、各素線がばらけるのを防止できる。

本発明の集合導線が組み込まれるモータの軸方向と直交する断面図である。図１のモータの軸方向断面図である。図１におけるＡ部を拡大して示す図である。集合導線を構成する束ねられた素線集合体が撚られている様子を示す図である。撚られた素線集合体がダイスを通されることによって矩形断面に成形される様子を示す図である。撚られた素線集合体がローラによって四方から押圧成形されて矩形断面に成形される様子を示す図である。スロット内に配置された集合導線における撚り起点部、撚り中心点、位相転位部がスロット内に位置して配置されている様子と、循環電流の流れ方向が撚り中心点を境界に逆になっている様子を示す図である。（ａ）はスロット長さ内に撚り起点部および位相転位部の組が４組設けられている例を、（ｂ）は４．５組設けられている例をそれぞれ示す図である。スロット内における集合導線の転位回数と循環電流損との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本発明の一実施の形態であるモータ巻線用集合導線（以下、適宜に「集合導線」とだけいう。）が適用されるモータの軸方向と直交する断面図であり、図２は図１に示すモータの軸方向に沿った断面図である。

本実施形態に係るモータ１０は、図示しないケース内に固定される略円筒状のステータ１２と、ステータ１２に対し相対回転可能なロータ１４とを備える。図１及び図２に示す例では、モータ１０の軸方向と直交する径方向においてステータ１２とロータ１４が所定の微小空隙を空けて対向配置され、ロータ１４がステータ１２の内周側に配置されている。

ロータ１４は、回転可能に支持されるシャフト１５と、シャフト１５の外周面に固設されたロータコア１６と、ロータコア１６にその周方向に沿って配設された複数の永久磁石１８とを含む。

ステータ１２は、ステータコア２０と、ステータコア２０に配設された複数相（例えば３相）のコイル２２とを含む。ステータコア２０には、ロータ１４へ向けて径方向内側に突出する複数のティース２４が軸方向まわりの周方向に互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、周方向に隣接するティース２４間にはスロット２６が軸方向に沿って延びて形成されている。

図１および図２に示す例では、各ティース２４の突出方向は径方向に一致し、複数のティース２４の配列方向は周方向に一致し、ティース２４の延設方向は軸方向に一致する。コイル２２がティース２４間のスロット２６を通ってティース２４に例えば分布巻等の巻装方式で巻装されることで、ステータ１２に磁極が構成される。

図３は、図１におけるＡ部の拡大図である。図３においては、１つのスロット２６にコイル２２を構成する集合導線３０が配列されている様子を示し、その周方向両側のスロットの集合導線の図示が省略されている。

図３に示すように、スロット２６内には、複数本（本実施形態では４本）の集合導線３０が径方向に並んで配置されている。各集合導線３０は、互いに密着した状態でスロット２６に収納されている。スロット２６の内壁面と各集合導線３０との間には図示しない絶縁紙が介在され、これによりコイル２２がステータコア２０から絶縁されている。

集合導線３０は、それぞれ絶縁被覆が施された複数（本実施形態では７本）の素線３２を束ねてなる素線集合体３４を集合導線３０の周方向に撚って（または捻って）撚り線として形成されている。そして、素線集合体３４の表面には、絶縁層３６が形成されている。本実施形態では、７本の素線３２によって素線集合体３４が構成される例を示すが、素線３２の数は任意に変更可能である。

素線３２は、公知の如何なる素線であってもよい。例えば銅、アルミ、銀、金、これらの合金等を用いることができる。また素線集合体３４を構成する素線３２の本数は適宜変更可能である。またその断面形状も丸、四角、六角等、如何なるものであってもよいし、その導線径も適宜変更可能である。

絶縁層３６に用いる絶縁材としては、ポリイミド樹脂、アミドイミド樹脂等の樹脂やエナメル材等、通常用いられるものであれば如何なるものであってもよい。また素線集合体３４への被覆方法も浸漬、電着塗装、酸化膜、メッキ等、絶縁被覆方法として通常用いられるものであれば如何なるものであってもよい。

集合導線３０の素線集合体３４は、図４〜図６に示すように、それぞれ絶縁被覆された素線３２を複数本撚り、その状態で成形型を用いて矩形状の横断面となるように圧縮成形したものである。このように素線３２を複数本撚って且つ圧縮成形することによって素線集合体３４を形成することで、複数本の素線３２を一体化させることができる。

圧縮成形は素線集合体３４の断面を所定形状に圧縮成形できるものであれば、如何なる方法を用いてもよい。例えば図５に示すように、四角形のダイス孔４２を有する成形型４０を用いるダイス引き等の引き抜き加工とすることができる。このように引き抜き加工とすることで、素線集合体３４の断面形状が如何なるものであっても、ダイス孔４２に素線集合体３４を通過させることで、素線集合体３４の断面をダイス孔４２の形状に容易に圧縮成形させることができる。

また、図６に示すように、孔４４とローラ４６とを用いる孔型圧延とすることができる。このように孔型圧延とすることで、素線集合体３４の断面形状が如何なるものであっても、孔４４に素線集合体３４を通過させることで、素線集合体３４の断面を孔４４の形状に容易に圧縮成形させることができる。よって製造工程を簡略化でき、製造効率のよい集合導線３０とすることができる。この場合、ローラ４６で主として圧縮成形するため素線集合体３４を構成する素線３２が孔４４の内周面で強く擦られることがなく、各素線３２の絶縁被覆が傷つきにくくなる。

なお、圧縮成形後の素線集合体３４の断面形状は、丸、四角、六角等、如何なる形状であってもよいが、コイル２２として用いることから、矩形または多角形とすることが望ましい。このように素線集合体３４の断面形状を矩形または多角形とすることで、集合導線３０をスロット２６内に配置したときに隣接する集合導線３０同士で面接触させることができる。これにより、隣接する集合導線３０間に空隙を生じさせることがなく、コイル２２の放熱性および占積率を向上させることができる。

次に、図３に加えて図７〜図９を参照して、本実施形態の集合導線３０の撚り方と溶接について説明する。図７は、スロット内に配置された集合導線における撚り起点部、撚り中心点、位相転位部がスロット内に位置して配置されている様子と、循環電流の流れ方向が撚り中心点を境界に逆になっている様子を示す図である。図７においては、ステータ軸方向が紙面の上下方向として示され、スロット２６内で最も内径側に位置する集合導線３０は絶縁層３６を省略した素線集合体３４として表されている。

図３及び図７に示すように、コイル２２は、上述したように束ねられた複数の素線３２に撚り及び成形を行って形成された素線集合体３４の周囲を絶縁層３６で覆ってなる集合導線３０をスロット２６内に有し、スロット２６内を軸方向に沿って延びる集合導線３０が径方向（ティース突出方向）に複数重ねられてティース２４に巻装されている。図３では、スロット２６及びコイル２２を周方向に関して部分的に図示しているが、図示を省略している部分の構成は、図示している部分と同様の構成で実現可能である。

各集合導線３０は、スロット２６の外部で電気的に接続される。このように集合導線３０を単位として各スロット２６内に配置されるコイルターンが形成される。そして、各コイルターン（集合導線３０）毎に部品構成されており、各コイルターン間は例えば溶接等により接合されている。図３に示す例では、スロット２６内には、集合導線３０が径方向に沿って一列に４層並んで配置されている。なお、図３及び図７に示す例では、４層の集合導線３０が径方向に並べられているが、径方向に並べる集合導線３０の数については任意に設定可能である。また、スロット２６の外部では、コイル２２を必ずしも集合導線３０で構成する必要はない。

本実施形態では、図７に示すように、集合導線３０の素線集合体３４は、ティース２４（またはステータコア２０）の軸方向一方端部に対応する位置に撚り起点部３４ａを有し、ティース２４の軸方向他方端部に対応する位置に位相転位部３４ｂを有する。素線集合体３４において、各素線３２は矢印Ｂ方向に撚られており、集合導線３０の長手方向に延びる中心軸周りにおいて各素線３２の位置が撚り起点部３４ａに対して位相転位部３４ｂでは１８０度対称位置に移動している。具体的には、図７に示すように、撚り起点部３４ａにおいて最も径方向内側に位置する素線３２ａが、集合導線３０の周方向に捩れられることによって位相転位部３４ｂでは最も径方向外側に位置している。

スロット２６の軸方向長さ（以下、スロット長さという。）をＬとしたとき、素線集合体３４における撚り起点部３４ａと位相転位部３４ｂとの間の距離がスロット長さＬに略相当する。そして、素線集合体３４は、撚り起点部３４ａおよび位相転位部３４ｂからそれぞれスロット長さＬの約半分の距離Ｌ／２の位置に撚り中心点３４ｃを有している。この撚り中心点３４ｃでは各素線３２の位相が撚り起点部３４ａから約９０度だけ矢印Ｂ方向にずれており、撚り中心点３４ｃに対して位相転位部３４ｂは各素線３２の位相が更に約９０度だけ矢印Ｂ方向にずれている。この場合、撚り起点部３４ａと撚り中心点３４ｃ間の距離と位相転位部３４ｂと撚り中心点３４ｃ間の距離とが同じであることが好ましいが、同一でない場合であっても渦電流の一部を打ち消しあう作用により循環電流による損失を小さくする効果が見込める。

また、本実施形態の集合導線３０では、素線集合体３４の位相転位部３４ｂにおいて各素線３２が互いに溶接されている。図７において、この溶接部３５がハッチング領域として示されている。この溶接部３５では、素線集合体３４の各素線３２が短絡している。このような位相転位部３４ｂの溶接は、素線３２を束ねて撚りを加えた後であって圧縮成形前に行うのが好ましいが、圧縮成形後に行ってもよい。

また、図７に示す例では、位相転位部３４ｂに加えて、撚り起点部３４ａにも溶接部３５が形成されている。ここで、素線集合体３４において、位相転位部３４ｂを撚り起点部として見たとき、撚り起点部３４ａが位相転位部に相当するといえる。したがって、撚り起点部３４ａの溶接部３５もまた、位相転位部の溶接部であるということができる。

なお、図７では、最も径方向内側の（最もロータ１４に近い）集合導線３０のみ、素線３２の構成を図示しているが、図示を省略している他の集合導線３０における素線３２の構成についても、図示している部分と同様の構成で実現可能である。

このように、集合導線３０は、スロット２６内において捩じられ、各素線３２の配置がスロット２６内で１回だけ１８０度対称位置に転位している。ただし、同コイルターン（集合導線３０）内で各素線３２の配置を転位（位相反転）させ、異なるコイルターン（集合導線３０）間では各素線３２の配置を転位（位相反転）させなくてもよい。また、スロット２６内でのみ各素線３２の配置を転位させ、スロット２６外では各素線３２の配置を転位させなくてもよい。

モータ１０では、複数相のコイル２２に交流電流を流すことで、各ティース２４が順次磁化され、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に形成される。そして、ステータ１２に発生した回転磁界とロータ１４の永久磁石１８で発生した界磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、ロータ１４にトルク（磁石トルク）を作用させてロータ１４を回転駆動することができる。このように、回転電機を、コイル２２への供給電力を利用してロータ１４に動力を発生させる電動機として機能させることができる。

一方、モータ１０を、ロータ１４の動力を利用してコイル２２に電力を発生させる発電機として機能させることもできる。また、ロータ１４は、永久磁石１８が設けられた構成に限られるものではなく、例えばコイルが設けられた構成や、磁気抵抗の変化によりリラクタンストルクを利用する構成であってもよい。

ステータ１２とロータ１４との間にトルクを作用させる際には、ステータ１２とロータ１４との間で磁束が作用し、磁束がティース２４内を径方向に流れる。ただし、ティース２４内を流れる磁束が飽和してくると、磁束がティース２４から漏れ出し、隣接するティース２４間（すなわちスロット２６内）を周方向に流れ出すようになる。特に、ロータ１４のトルクが大きい場合には、ティース２４内を流れる磁束が飽和しやすくなり、磁束がティース２４間を周方向に流れやすくなる。このティース２４間の漏れ磁束は、集合導線３０（各素線３２）内を周方向に通る。そして、ティース２４間の集合導線３０を通る漏れ磁束が変動すると、各素線３２に渦電流が発生し、これにより集合導線３０に循環電流が発生することで、この循環電流による損失が発生する。

これに対して本実施形態では、集合導線３０はスロット２６内において捩じられ、各素線３２の配置がスロット２６内で異なる位置に転位している。その結果、ティース２４間の漏れ磁束の変動により各素線３２に発生する渦電流の向きも同時に変わり、スロット２６内の軸方向全体で考えると渦電流が互いに打ち消し合う。例えば図７に示すように、ティース２４の一端に対応する撚り起点部３４ａと撚り中心点３４ｃとの間の素線３２ａに流れる渦電流４８ａの向きと、撚り中心点３４ｃと位相転位部３４ｂとの間の素線３２ａに流れる渦電流４８ｂの向きが逆転し、互いに打ち消しあう。このことは、集合導線３０の素線集合体３４を構成する他の素線３２についても同様である。その結果、集合導線３０に渦電流による循環電流が発生するのを抑制することができ、循環電流による損失を抑制することができる。

また、本実施形態の集合導線３０では、位相転位部３４ｂにおいて各素線３２が互いに溶接されている。スロット２６の外部で集合導線３０が曲げ加工されてコイル２２として形成されるとき、各素線３２が位相転位部３４ｂ（および３４ａ）で溶接されていることでばらけるのが防止または抑制される。その結果、集合導線３０の最外層の絶縁層３６がばらけた素線３２によって突き破られて絶縁性が低下することもない。

なお、上記においては、撚り起点部３４ａと位相転位部３４ｂの両方を溶接するものと説明したが、これに限定されるものではなく、いずれか一方だけを溶接してもよい。例えば、撚り起点部３４ａと位相転位部３４ｂのうち、スロット２６の外部での曲げ曲率が大きくなる側だけを溶接してもよい。

図８（ａ）は、スロット長さＬ内に撚り起点部３４ａおよび位相転位部３４ｂの組が４組設けられている例を示し、図８（ｂ）は、スロット長さＬ内に撚り起点部および位相転位部の組が４．５組設けられている例を示す図である。図８において、溶接される位相転位部３４ｂが×印で示されており、渦電流の流れ方向が逆転する境界となる撚り中心点３４ｃが○印で示されている。

図８（ａ）に示す集合導線３０では、スロット長さＬ内に、撚り起点部３４ａおよび位相転位部３４ｂの組が４組設けられている。このように複数組の撚り起点部３４ａおよび位相転位部３４ｂが設けられている場合、最初の組の位相転位部３４ｂが次の組の撚り起点部３４ａに相当することになる。ここで、撚り起点部３４ａを基準とする位相転位部３４ｂにおける素線３２の位相転位角度は１８０度×Ｎ（Ｎ：整数）で表すことができる。

このように、スロット２６内の集合導線３０に複数組の撚り起点部３４ａおよび位相転位部３４ｂを設けることで循環電流による損失を抑制できるとともに、位相転位部３４ｂの溶接によって各素線３２がばらけるのを防止できる。また、素線３２内を循環する電流の閉ループが小さくなるため、循環電流による損失をより効果的に抑制することができる。ここで、位相転位部３４ｂにおいては溶接されることで各素線３２が短絡した状態となるが、位相転位部３４ｂの軸方向両側では渦電流の流れ方向が逆になる（又は渦電流が発生しない部位となる）ため、溶接部３５によって閉ループが長くなることはなく、循環電流による損失を増加させることはない。

図８（ｂ）に示す集合導線３０では、スロット長さＬ内に、撚り起点部３４ａおよび位相転位部３４ｂがの組が４．５組設けられている。このように撚り起点部３４ａおよび位相転位部３４ｂの組が整数倍でなくても、撚り起点部３４ａおよび撚り中心点３４ｃ間の素線３２と、撚り中心点３４ｃおよび位相転位部３４ｂ間の素線とで、渦電流のキャンセル効果が見込めるため、循環電流による損失を抑制することができる。

図８に示すように、集合導線３０について位相転位部３４ｂが複数個所ある場合、１つ飛びの位相転位部３４ｂに溶接を施してもよい。このようにすれば、各素線３２の位相が３６０度変化した１つ置きごとの位相転位部３４ｂが溶接されることになり、溶接点が少なくなって製造がより容易になる利点がある。あるいは、スロット２６の軸方向端部近傍に位置する位相転位部３４ｂまたは撚り中心点３４ｃだけを溶接してもよい。このような部分が集合導線３０を曲げ加工してコイルを形成するときに素線３２のばらけが特に生じやすい箇所だからである。

図９は、スロット内における集合導線の転位回数と循環電流損との関係を示すグラフである。図９では横軸に転位回数（回）、縦軸に循環電流損（p.μ.）が取られている。図示するように、１８０度転位回数が整数倍のとき、集合導線３０の循環電流がゼロとなっていることが判る。また、例えば図８（ｂ）に示すように転位回数４．５というように整数倍でなくても、スロット２６内における転位回数が多くなるほど循環電流が流れる閉ループが小さくなっていくことから、これに応じて循環電流損も小さくなっていることが判る。

なお、本発明に係るモータ巻線用集合導線は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲内で種々の変更や改良が可能である。

例えば、径方向に並べられた集合導線３０の必ずしもすべてについて、各素線３２の配置をスロット２６内で位相反転させる必要はなく、例えばロータ１４との距離が近い径方向内側（ティース先端側）の集合導線３０についてだけ、各素線３２の配置をティース２４内で撚って転位させ、ロータ１４から離れる径方向外側（ティース根元側）の集合導線３０については、各素線３２の配置をティース２４内で撚っていないことも可能である。

また、上記においては、集合導線の素線集合体において軸方向の端部に位置する撚り起点部３４ａおよび位相転位部３４ｂがスロット２６内に位置するものと説明したが、スロット２６の外部に位置してもよい。

また、上記においては、コイル２２を分布巻でティース２４に巻装した場合について説明したが、コイル２２を分布巻以外の巻装方式、例えば集中巻でティース２４に巻装することも可能である。

また、上記においては集合導線をステータコイルに適用する場合について説明したが、ロータに巻装されるコイルに適用することも可能である。

さらに、上記においては、ラジアル型のモータに適用した場合について説明したが、本発明をアキシャル型のモータに適用することも可能である。

１０モータ、１２ステータ、１４ロータ、１５シャフト、１６ロータコア、１８永久磁石、２０ステータコア、２２コイル、２４ティース、２６スロット、３０集合導線、３２素線、３４素線集合体、３４ａ撚り起点部、３４ｂ位相転位部、３４ｃ撚り中心点、３５溶接部、３６絶縁層、４０成形型、４２ダイス孔、４４孔、４６ローラ、４８ａ，４８ｂ渦電流、Ｌスロット長さ。

Claims

束ねられた複数の素線で形成されるモータ巻線用集合導線であって、
束ねられた素線集合体を集合導線の周方向に撚ることにより各素線の位置が集合導線の長手方向に延びる中心軸の周りで撚り起点部に対して１８０度対称位置である位相転位部を有し、該位相転位部で複数の素線が互いに溶接されている、モータ巻線用集合導線。
請求項１に記載のモータ巻線用集合導線において、
前記集合導線がモータ巻線としてステータまたはロータに巻装されるとき前記撚り起点部および前記位相転位部の組がステータコアまたはロータコアのスロット内に１組以上設けられる、モータ巻線用集合導線。
請求項１または２に記載のモータ巻線用集合導線において、
前記位相転位部は１つ飛びに溶接されている、モータ巻線用集合導線。