コイル部材およびステータ
【課題】複数層のコイル線を並列に巻回した構造を採りつつ、循環電流を抑制しうるコイル部材およびステータを提供する。
【解決手段】複数のコイル線が、内層から外層に亘って並列に巻回されたコイル部材２０であって、少なくとも２層のコイル線を構成する第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂが、途中部位で切断された端部が接合されることで互いの層を交換されているコイル部材２０である。第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂの抵抗値は互いにほぼ等しくなり、高周波電流に対する循環電流が抑制される。
【解決手段】複数のコイル線が、内層から外層に亘って並列に巻回されたコイル部材２０であって、少なくとも２層のコイル線を構成する第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂが、途中部位で切断された端部が接合されることで互いの層を交換されているコイル部材２０である。第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂの抵抗値は互いにほぼ等しくなり、高周波電流に対する循環電流が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転モータ、リニアモータ、発電機などに用いられるコイル部材、および、コイル部材を備えたステータに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ、発電機、リアクトル、トランスなどに配置されるコイル部材として、複数のコイル線を並列に巻回したものが知られている。特に、最近では、平角線と呼ばれる断面が角形の導線を、上下層に重ねて巻回する構造も提案されてきている。
【０００３】
ところで、上下層に重ねて巻回された２つの導体の長さは異なるので、抵抗にも差が生じる。共通の端子に接続される２つの角形導線の抵抗に差があると、高周波電流に対して電圧差が生じ、循環電流が流れる。この循環電流は、モータの出力には寄与せず、無効な電流となる。
【０００４】
そこで、特許文献１には、その対策としての技術が開示されている。特許文献１では、２本の角形導線（コイル線）をエッジワイズ形状に巻回した分割ステータの構造が開示されている。ここで、相接続される縦巻きコイル間において、一方のステータの内側の角形導線（内側コイル線）が、他方のステータの外側の角形導線（外側コイル線）に接続することが記載されている（同文献の段落［００５０］参照）。このように接続することにより、２つのコイル線の電気抵抗のアンバランスを押さえようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、コイル部材間の端末接続構造が複雑になり、接続作業が困難となる。また、モータ軸長がいたずらに増大するおそれもある。
さらに、特許文献１の構造において、共通の相に属するコイル線の抵抗率差を０とするためには、スロット数（分割ステータ数）が偶数でなければならない。
【０００７】
本発明の目的は、コイルの構造として、複数層のコイル線を並列に巻回した構造を採りつつ、循環電流を抑制しうるコイル部材、およびこのコイル部材を備えたステータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のコイル部材は、複数のコイル線が、内層から外層に亘って並列に巻回されたコイル部材であって、
前記複数のコイル線のうち少なくとも２層のコイル線が、全てのコイル線の抵抗値が共通の値に近づくように、途中部位で切断された端部が接合されることで互いの層を交換されている。
この典型的な例は、２層巻きの場合である。この場合、内層コイル線、外層コイル線が、途中部位で、それぞれ外層コイル線、内層コイル線に変換される。
３層巻きの場合は、中間層コイル線は、途中部位で層が変更されず、ずっと中間層である。そして、内層コイル線、外層コイル線が、途中部位で、それぞれ外層コイル線、内層コイル線に変換される。
４層巻きの場合は、第１層、第４層が途中部位で互いの層を変更され、第２層、第３層が途中部位で互いの層を交換される。
５層巻きの場合は、第３層コイル線は、途中部位で層が変更されず、ずっと第３層である。そして、第１層、第５層が途中部位で互いの層を変更され、第２層、第４層が途中部位で互いの層を交換される。
【０００９】
これにより、コイル線の長さに対応した抵抗値の大小関係に応じて、すべてのコイル線の抵抗値が近くなる。よって、各コイル線の抵抗値の差が小さくなり、高周波電流に対し、循環電流が低減され、電流の利用効率が向上する。
【００１０】
また、途中部位で層を交換する形態として、少なくとも２層のコイル線を、途中部位で切断して端部同士を接合する構成とすることで、簡単な処理で、上述の効果を得ることができる。
【００１１】
少なくとも２層のコイル線は、コイルエンド部において互いの層を交換されていることが好ましい。これにより、占積率の低下を抑制することができる。
【００１２】
上述のコイル部材をコアに装着したステータは、損失の小さなモータ、発電機、リアクトル、トランスなどの部品として、高い利便性を発揮する。ステータは、分割ステータであってもよいし、一体化されたステータであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のコイル部材またはステータによると、複数のコイル線を内層から外層に亘って並列に巻回した構造を採用しつつ、電流の利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１に係るコイル部材および分割コアの構造を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るステータの概略的な構造を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係る３相交流モータのステータの平面図である。
【図４】実施の形態１に係る３相交流モータのステータの等価回路を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、順に、実施の形態２におけるコイル部材の斜視図および分割ステータの断面図である。
【図６】実施の形態３における分割ステータの断面図である。
【図７】実施の形態４における分割ステータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
−コイル部材およびステータの構造−
図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１に係るコイル部材２０の形成手順を示す斜視図である。本実施の形態のコイル部材２０は、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂを含む多重コイル線１０をエッジワイズ状に巻回したものである。多重コイル線１０は、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとの長辺同士を、同一平面上に並べたものである。
【００１６】
まず、図１（ａ）に示すように、内層と外層とが互いに逆である、第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとを形成する。具体的には、一方を右巻きとすると、他方を左巻きにすればよい。第１巻回部２０ａは、第１コイル線１０ａを内側に、第２コイル線１０ｂを外側にして、巻回されている。第２巻回部２０ｂは、第２コイル線１０ｂを内側に、第１コイル線１０ａを外側にして、巻回されている。第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとは、変換部１０ｚでつながっている。
【００１７】
次に、図１（ｂ）に示すように、第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとを折り曲げて、コイル面同士を合わせる。このとき、第１巻回部２０ａの第１コイル線１０ａと第２巻回部２０ｂの第２コイル線１０ｂとが対峙する。また、第１巻回部２０ａの第２コイル線１０ｂと第２巻回部２０ｂの第１コイル線１０ａとが対峙する。そして、変換部１０ｚにおいて、多重コイル線１０がねじられた状態となっている。
【００１８】
変換部１０ｚにおいて、第１コイル線１０ａは、内層から外層に変換され、第２コイル線１０ｂは、外層から内層に変換されている。つまり、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂは、コイル部材２０の途中部位である変換部１０ｚにおいて、互いに層を変換されている。本実施の形態では、変換部１０ｚは、コイルエンド部の上方に位置している。これにより、占積率の低下を抑制することができる。
【００１９】
各コイル線１０ａ、１０ｂは、断面がほぼ矩形状の銅線１２と、銅線１２を被覆する、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等に代表されるイミド系樹脂からなる被覆膜１３とを有している。銅線１２の断面寸法は、短辺が約０．９５ｍｍで長辺が約２．４０ｍｍであり、被覆膜１３の厚みは約０．０３ｍｍである。
【００２０】
そして、第１コイル線１０ａと、第２コイル線１０ｂとは、それぞれ両端の第１外部端子２１と、第２外部端子２２とにおいて、互いに導通している。つまり、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとは、電気的に並列に接続されている。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、分割コア５１は、ヨーク部５１ａと、ヨーク部５１ａからロータ側に突出したティース部５１ｂとを有している。本実施形態では、圧粉コア構造を採用しているが、積層鋼板を用いてもよい。圧粉構造の場合は、ヨーク部５１ａに、図１に示す破線部分を上下に設けてもよい。
図１（ｂ）には図示されていないが、コイル部材２０は、コイル全体をモールドしているモールド樹脂を備えている。そして、モールド樹脂と、分割コア５１のティース部５１ｂとを嵌合させて、コイル部材２０が分割コア５１に取り付けられる。コイル部材２０および分割コア５１により、分割ステータが構成される。
そのとき、変換部１０ｚは、モールド樹脂４０内に埋設されているが、第１外部端子２１、第２外部端子２２は、モールド樹脂から露出している。
【００２２】
−モータの構造−
図２は、本実施の形態に係るモータのステータ５０の概略的な構造を示す断面図である。図２においても、モールド樹脂の表示は省略されている。同図に示すように、ステータ５０は、複数の分割コア５１を環状に組み合わせた後、図示しないリング部材等を用いて外側から囲み込んで組み付けられる。本実施形態では、コアとして分割コア５１を集合させたものを用いているが、コアが分割されずに一体化されたものであってもよい。
【００２３】
ステータ５０の内方には、永久磁石を設けたロータ（図示せず）が配置される。分割コア５１は、本実施の形態では、絶縁被膜を有する磁性粉末を圧縮成形して形成されている。ただし、多数の珪素鋼板を樹脂絶縁層を挟んで積層したものであってもよい。
そして、分割コア５１のティース部５１ｂには、第１コイル線１０ａおよび第２コイル線１０ｂを含む多重コイル線１０が巻回されている。樹脂は図示されていないが、多重コイル線１０は樹脂モールドされている。
【００２４】
−バスバーとの接続構造−
図３は、本実施の形態のステータ５０であって、３相交流モータのステータ５０の平面図である。図４は、３相交流モータのステータ５０の等価回路を示す図である。見やすくするために、図３においては、モールド樹脂４０の図示を省略している。
図３および図４に示すように、分割コア５１のコイル部材２０は、Ｕ相電力が供給されるもの、Ｖ相電力が供給されるもの、およびＷ相電力が供給されるもの、に分かれて配置される。それぞれの相では、４個のコイル部材２０が直列配置され、各コイル部材２０の端子は、バスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗによって電気的に接続されている。各相の最も中心側の端部に位置するコイル部材２０の第１外部端子２１は、各相共通に中性点（基準点）用バスバー３３に接続されている。また、直列接続の最も外側に位置するコイル部材２０の第２外部端子２２は、電源側接続導体３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗに接続されて、インバータモジュール等から変換された交流電力の供給を受ける。
【００２５】
なお、図３においては、バスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗのみ断面構造を示している。バスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗは、端子部分を除き絶縁膜で被覆されているが、必ずしも絶縁膜で被覆されている必要はない。
【００２６】
図４に示すように、第１コイル線１０ａは、第１コイル線１０ａの内層では抵抗値ｒ１を、第２コイル線１０ｂの外層では抵抗値ｒ２を有している。ただし、ｒ１＜ｒ２とする。つまり、外層においては、内層よりもコイル線が長いので、抵抗値が大きい。
一方、第２コイル線１０ｂは、第１コイル線１０ａの外層では抵抗値ｒ２を、第２コイル線１０ｂの内層では抵抗値ｒ１を有している。
つまり、第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂ共に、全体の抵抗値は、ｒ１＋ｒ２である。つまり、製造時の巻き径のばらつきや、変換部１０ｚの位置のばらつき等を無視すると、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂの抵抗値はほぼ等しい。このように、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂは、変換部１０ｚにおいて、抵抗値が近づくように（等しくなるように）、互いに層を変換されている。
【００２７】
−実施の形態の効果−
本実施形態のコイル部材２０またはステータ５０によると、以下の作用効果が得られる。コイル部材２０は、第１コイル線１０ａおよび第２コイル線１０ｂを内層と外層とにして並列に巻回した構造を有している。そして、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとは、変換部１０ｚにおいて、互いに層を変換されている。
【００２８】
このように、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂが並列に巻回され、変換部１０ｚ（途中部位で）において、互いに層を変換されている。その結果、図４に示すように、第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂの抵抗値は互いにほぼ等しい。よって、高周波電流が流れても、循環電流が抑制され、電流の利用効率を高めることができる。
【００２９】
また、特許文献１のように、ある分割ステータ５１の第１コイル線１０ａを他の分割ステータ５１の第２コイル線１０ｂに接続する場合、図４に示すような簡素な構造とはならない。つまり、図４に示す第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとが、１つの相内の全てのコイル部材を通じて、２つの並列回路に分かれる。したがって、各分割ステータ５１間を結ぶバスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗがそれぞれ２本ずつ必要である。そのために、図３に示す各端子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂとバスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗとの接続構造が複雑で、接続作業が困難となる。また、モータ軸長が増大することにより、モータ効率がかえって悪化するおそれもある。
【００３０】
それに対し、本実施の形態では、各コイル部材２０内で第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとが各外部端子２１、２２で導通している。したがって、コイル部材２０は、直列接続されている（図４参照）。したがって、各分割コア５１間を電気的に接続するバスバーは１本ずつでよく、バスバー構造が簡素である。具体的には、図３に示す端子２１、２２および変換部１０ｚは、モールド樹脂４０内に埋設することができる。そして、中性点（基準点）用バスバー３３を除くと、各分割コア５１のコイル部材２０間を接続するバスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗが１本だけでよい。したがって、バスバーと端子との接続作業も容易である。
【００３１】
また、特許文献１の構造では、共通の相に属する２系列のコイル線の抵抗率差を０とするためには、共通の相に属するコイル部材２０（分割ステータ５１）の数が偶数でなければならない。
それに対し、本実施の形態では、コイル部材２０の個数に拘わらず、コイル部材２０内における第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂの抵抗値差がほぼ０になる。よって、モータ等の種類や構造に応じた最適な数のスロット数に設計することができる。すなわち、分割ステータの構造を有するものでは、最適な分割ステータ数（コイル部材数）に、設計することができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図５（ａ）〜（ｂ）は、実施の形態２におけるコイル部材２０の形成手順を示す斜視図である。図５（ａ）〜（ｂ）において、実施の形態１と同じ部材については、同じ符号を付して説明を省略する。
まず、図５（ａ）に示すように、第１コイル線１０ａを内層に、第２コイル線１０ｂを外層にした第１巻回部２０ａを準備する。また、第１コイル線１０ａを外層に、第２コイル線１０ｂを内層にした第２巻回部２０ｂを準備する。ただし、この段階では、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとは、互いに同じ構造を有している。
【００３３】
次に、図５（ｂ）に示すように、第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとを一体化する。そして、各コイル２０ａ、２０ｂの切断部分同士を合わせる。
【００３４】
そして、図５（ｂ）に示すように、第１コイル線１０ａ同士を第１変換部１０ｚ１において接続する。また、第２コイル線１０ｂ同士を第２変換部１０ｚ２において、ＴＩＧ溶接等により、接合する。つまり、第１、第２変換部１０ｚ１、１０ｚ２を含む変換部１０ｚにおいて、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂの内層、外層が変換されている。
【００３５】
上記実施の形態２では、変換部１０ｚは、ＴＩＧ溶接等の溶接により形成されているが、ろう付けなど、他の方法によって接合することもできる。
【００３６】
本実施の形態においても、モータのステータ５０の概略的な構造は、図２に示すとおりである。また、ステータ５０の平面構造および等価回路は、図３および図４に示すとおりである。
【００３７】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂの抵抗値は、ほぼ等しい。よって、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。加えて、本実施の形態では、第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとを同じ構造にすることができる利点がある。
【００３８】
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３における分割ステータの断面図である。同図においては、モールド樹脂の図示が省略されている。図６において、実施の形態１と同じ部材については、同じ符号を付して、説明を省略する。
本実施の形態では、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとは、フラットワイズ状に巻回されている。
図６においては、理解を容易にするために、この断面には存在しない変換部１０ｚが表示されている。
【００３９】
本実施の形態においても、第１コイル線１０ａは、変換部１０ｚにおいて、内層から外層に変換されている。また、第２コイル線１０ｂは、変換部１０ｚにおいて、外層から内層に変換されている。つまり、変換部１０ｚにおいて、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂは、互いの層を交換されている。
なお、図示されていないが、各コイル線１０ａ、１０ｂは、両端の外部端子（２１、２２）において、互いに導通している。
本実施の形態においても、モータのステータ５０の概略的な構造は、図２に示すとおりである。また、ステータ５０の平面構造および等価回路は、図３および図４に示すとおりである。
【００４０】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂの抵抗値は、ほぼ等しい。よって、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。加えて、本実施の形態では、フラットワイズ状に巻回することにより、巻回時の変形に要する応力を低減することができる。つまり、コイル部材２０の形成が容易となる。
【００４１】
（実施の形態４）
図７は、実施の形態３における分割ステータの断面図である。同図においては、モールド樹脂の図示が省略されている。図７において、実施の形態１と同じ部材については、同じ符号を付して説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態では、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとに加えて、第３コイル線１０ｃが存在する。つまり、３つのコイル線１０ａ、１０ｃ、１０ｂが内側から順に重ねられて、エッジワイズ状に巻回されている。そして、第１コイル線１０ａは、変換部１０ｚにおいて、内層から外層に変換されている。また、第２コイル線１０ｂは、変換部１０ｚにおいて、外層から内層に変換されている。一方、第３コイル線１０ｃは、ずっと、中間層のままである。つまり、変換部１０ｚにおいて、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂは、互いの層を交換され、第３コイル線１０ｃは、層を変換されていない。
なお、図示されていないが、各コイル線１０ａ〜１０ｃは、両端の外部端子（２１、２２）において、互いに導通している。
【００４３】
本実施の形態においても、モータのステータ５０の概略的な構造は、図２に示すとおりである。また、ステータ５０の平面構造および等価回路は、図３および図４に示すとおりである。ただし、図４の部分拡大図に示す構造においては、３本のコイル線１０ａ〜１０ｃが、並列に接続されることになる。
【００４４】
本実施の形態において、変換部１０ｚから端部までの内層、中間層、外層のコイル線の抵抗値をｒ１、ｒ３、ｒ２とする。このとき、ｒ１＜ｒ３＜ｒ２である。すると、第１、第２、第３コイル線１０ａ、１０ｂ、１０ｃのコイル部材２０における抵抗値は以下の通りである。
第１コイル線１０ａの抵抗値：ｒ１＋ｒ２
第２コイル線１０ｂの抵抗値：ｒ１＋ｒ２
第３コイル線１０ｃの抵抗値：２×ｒ３
【００４５】
第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとの抵抗値はほぼ等しい。一方、ｒ３はｒ１とｒ２の中間的な値である。よって、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂと第３コイル線１０ｃとの抵抗値は、厳密に等しいとはいえないが、近似的には等しい。
【００４６】
本実施の形態によると、第１〜第３コイル線１０ａ〜１０ｃのコイル部材２０における抵抗値は近似的に等しくなる。よって、３層以上のコイル線を巻回した構造においても、実施の形態１と同様の効果を発揮することができる。
【００４７】
（他の実施の形態）
上記各実施の形態では、コア５０を多数の分割コア５１に分割した構造を採用したが、複数の分割コア５１が一体化されたものであってもよい。
【００４８】
上記各実施の形態では、各コイル線１０ａ〜１０ｃの断面形状をほぼ矩形状としたが、円形やその他の形状であってもよい。
【００４９】
上記各実施の形態では、コイル部材２０として、樹脂でモールドされたカセットコイル構造を採用しているが、本発明は掛かる実施の形態に限定されるものではない。ただし、カセットコイル構造を採用することにより、モジュール化された部材を利用して、組立や商品化の便宜を図ることができる。
【００５０】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のコイル部材およびステータは、産業用モータ、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車、ロボットなどに配置されるモータ（リニアモータを含む）、発電機、リアクトル、トランスなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 多重コイル線
１０ａ 第２コイル線
１０ｂ 第１コイル線
１０ｃ 第３コイル線
１０ｚ 変換部
１２ 銅線
１３ 被覆膜
２０ コイル部材
２０ａ 第１巻回部
２０ｂ 第２巻回部
２１ 第１外部端子
２２ 第２外部端子
３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ 電源側接続導体
３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗ バスバー
３３ 中性点用バスバー
５０ ステータ
５１ 分割コア
５１ａ ヨーク部
５１ｂ ティース部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転モータ、リニアモータ、発電機などに用いられるコイル部材、および、コイル部材を備えたステータに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ、発電機、リアクトル、トランスなどに配置されるコイル部材として、複数のコイル線を並列に巻回したものが知られている。特に、最近では、平角線と呼ばれる断面が角形の導線を、上下層に重ねて巻回する構造も提案されてきている。
【０００３】
ところで、上下層に重ねて巻回された２つの導体の長さは異なるので、抵抗にも差が生じる。共通の端子に接続される２つの角形導線の抵抗に差があると、高周波電流に対して電圧差が生じ、循環電流が流れる。この循環電流は、モータの出力には寄与せず、無効な電流となる。
【０００４】
そこで、特許文献１には、その対策としての技術が開示されている。特許文献１では、２本の角形導線（コイル線）をエッジワイズ形状に巻回した分割ステータの構造が開示されている。ここで、相接続される縦巻きコイル間において、一方のステータの内側の角形導線（内側コイル線）が、他方のステータの外側の角形導線（外側コイル線）に接続することが記載されている（同文献の段落［００５０］参照）。このように接続することにより、２つのコイル線の電気抵抗のアンバランスを押さえようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、コイル部材間の端末接続構造が複雑になり、接続作業が困難となる。また、モータ軸長がいたずらに増大するおそれもある。
さらに、特許文献１の構造において、共通の相に属するコイル線の抵抗率差を０とするためには、スロット数（分割ステータ数）が偶数でなければならない。
【０００７】
本発明の目的は、コイルの構造として、複数層のコイル線を並列に巻回した構造を採りつつ、循環電流を抑制しうるコイル部材、およびこのコイル部材を備えたステータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のコイル部材は、複数のコイル線が、内層から外層に亘って並列に巻回されたコイル部材であって、
前記複数のコイル線のうち少なくとも２層のコイル線が、全てのコイル線の抵抗値が共通の値に近づくように、途中部位で切断された端部が接合されることで互いの層を交換されている。
この典型的な例は、２層巻きの場合である。この場合、内層コイル線、外層コイル線が、途中部位で、それぞれ外層コイル線、内層コイル線に変換される。
３層巻きの場合は、中間層コイル線は、途中部位で層が変更されず、ずっと中間層である。そして、内層コイル線、外層コイル線が、途中部位で、それぞれ外層コイル線、内層コイル線に変換される。
４層巻きの場合は、第１層、第４層が途中部位で互いの層を変更され、第２層、第３層が途中部位で互いの層を交換される。
５層巻きの場合は、第３層コイル線は、途中部位で層が変更されず、ずっと第３層である。そして、第１層、第５層が途中部位で互いの層を変更され、第２層、第４層が途中部位で互いの層を交換される。
【０００９】
これにより、コイル線の長さに対応した抵抗値の大小関係に応じて、すべてのコイル線の抵抗値が近くなる。よって、各コイル線の抵抗値の差が小さくなり、高周波電流に対し、循環電流が低減され、電流の利用効率が向上する。
【００１０】
また、途中部位で層を交換する形態として、少なくとも２層のコイル線を、途中部位で切断して端部同士を接合する構成とすることで、簡単な処理で、上述の効果を得ることができる。
【００１１】
少なくとも２層のコイル線は、コイルエンド部において互いの層を交換されていることが好ましい。これにより、占積率の低下を抑制することができる。
【００１２】
上述のコイル部材をコアに装着したステータは、損失の小さなモータ、発電機、リアクトル、トランスなどの部品として、高い利便性を発揮する。ステータは、分割ステータであってもよいし、一体化されたステータであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のコイル部材またはステータによると、複数のコイル線を内層から外層に亘って並列に巻回した構造を採用しつつ、電流の利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１に係るコイル部材および分割コアの構造を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るステータの概略的な構造を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係る３相交流モータのステータの平面図である。
【図４】実施の形態１に係る３相交流モータのステータの等価回路を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、順に、実施の形態２におけるコイル部材の斜視図および分割ステータの断面図である。
【図６】実施の形態３における分割ステータの断面図である。
【図７】実施の形態４における分割ステータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
−コイル部材およびステータの構造−
図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１に係るコイル部材２０の形成手順を示す斜視図である。本実施の形態のコイル部材２０は、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂを含む多重コイル線１０をエッジワイズ状に巻回したものである。多重コイル線１０は、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとの長辺同士を、同一平面上に並べたものである。
【００１６】
まず、図１（ａ）に示すように、内層と外層とが互いに逆である、第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとを形成する。具体的には、一方を右巻きとすると、他方を左巻きにすればよい。第１巻回部２０ａは、第１コイル線１０ａを内側に、第２コイル線１０ｂを外側にして、巻回されている。第２巻回部２０ｂは、第２コイル線１０ｂを内側に、第１コイル線１０ａを外側にして、巻回されている。第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとは、変換部１０ｚでつながっている。
【００１７】
次に、図１（ｂ）に示すように、第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとを折り曲げて、コイル面同士を合わせる。このとき、第１巻回部２０ａの第１コイル線１０ａと第２巻回部２０ｂの第２コイル線１０ｂとが対峙する。また、第１巻回部２０ａの第２コイル線１０ｂと第２巻回部２０ｂの第１コイル線１０ａとが対峙する。そして、変換部１０ｚにおいて、多重コイル線１０がねじられた状態となっている。
【００１８】
変換部１０ｚにおいて、第１コイル線１０ａは、内層から外層に変換され、第２コイル線１０ｂは、外層から内層に変換されている。つまり、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂは、コイル部材２０の途中部位である変換部１０ｚにおいて、互いに層を変換されている。本実施の形態では、変換部１０ｚは、コイルエンド部の上方に位置している。これにより、占積率の低下を抑制することができる。
【００１９】
各コイル線１０ａ、１０ｂは、断面がほぼ矩形状の銅線１２と、銅線１２を被覆する、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等に代表されるイミド系樹脂からなる被覆膜１３とを有している。銅線１２の断面寸法は、短辺が約０．９５ｍｍで長辺が約２．４０ｍｍであり、被覆膜１３の厚みは約０．０３ｍｍである。
【００２０】
そして、第１コイル線１０ａと、第２コイル線１０ｂとは、それぞれ両端の第１外部端子２１と、第２外部端子２２とにおいて、互いに導通している。つまり、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとは、電気的に並列に接続されている。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、分割コア５１は、ヨーク部５１ａと、ヨーク部５１ａからロータ側に突出したティース部５１ｂとを有している。本実施形態では、圧粉コア構造を採用しているが、積層鋼板を用いてもよい。圧粉構造の場合は、ヨーク部５１ａに、図１に示す破線部分を上下に設けてもよい。
図１（ｂ）には図示されていないが、コイル部材２０は、コイル全体をモールドしているモールド樹脂を備えている。そして、モールド樹脂と、分割コア５１のティース部５１ｂとを嵌合させて、コイル部材２０が分割コア５１に取り付けられる。コイル部材２０および分割コア５１により、分割ステータが構成される。
そのとき、変換部１０ｚは、モールド樹脂４０内に埋設されているが、第１外部端子２１、第２外部端子２２は、モールド樹脂から露出している。
【００２２】
−モータの構造−
図２は、本実施の形態に係るモータのステータ５０の概略的な構造を示す断面図である。図２においても、モールド樹脂の表示は省略されている。同図に示すように、ステータ５０は、複数の分割コア５１を環状に組み合わせた後、図示しないリング部材等を用いて外側から囲み込んで組み付けられる。本実施形態では、コアとして分割コア５１を集合させたものを用いているが、コアが分割されずに一体化されたものであってもよい。
【００２３】
ステータ５０の内方には、永久磁石を設けたロータ（図示せず）が配置される。分割コア５１は、本実施の形態では、絶縁被膜を有する磁性粉末を圧縮成形して形成されている。ただし、多数の珪素鋼板を樹脂絶縁層を挟んで積層したものであってもよい。
そして、分割コア５１のティース部５１ｂには、第１コイル線１０ａおよび第２コイル線１０ｂを含む多重コイル線１０が巻回されている。樹脂は図示されていないが、多重コイル線１０は樹脂モールドされている。
【００２４】
−バスバーとの接続構造−
図３は、本実施の形態のステータ５０であって、３相交流モータのステータ５０の平面図である。図４は、３相交流モータのステータ５０の等価回路を示す図である。見やすくするために、図３においては、モールド樹脂４０の図示を省略している。
図３および図４に示すように、分割コア５１のコイル部材２０は、Ｕ相電力が供給されるもの、Ｖ相電力が供給されるもの、およびＷ相電力が供給されるもの、に分かれて配置される。それぞれの相では、４個のコイル部材２０が直列配置され、各コイル部材２０の端子は、バスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗによって電気的に接続されている。各相の最も中心側の端部に位置するコイル部材２０の第１外部端子２１は、各相共通に中性点（基準点）用バスバー３３に接続されている。また、直列接続の最も外側に位置するコイル部材２０の第２外部端子２２は、電源側接続導体３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗに接続されて、インバータモジュール等から変換された交流電力の供給を受ける。
【００２５】
なお、図３においては、バスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗのみ断面構造を示している。バスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗは、端子部分を除き絶縁膜で被覆されているが、必ずしも絶縁膜で被覆されている必要はない。
【００２６】
図４に示すように、第１コイル線１０ａは、第１コイル線１０ａの内層では抵抗値ｒ１を、第２コイル線１０ｂの外層では抵抗値ｒ２を有している。ただし、ｒ１＜ｒ２とする。つまり、外層においては、内層よりもコイル線が長いので、抵抗値が大きい。
一方、第２コイル線１０ｂは、第１コイル線１０ａの外層では抵抗値ｒ２を、第２コイル線１０ｂの内層では抵抗値ｒ１を有している。
つまり、第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂ共に、全体の抵抗値は、ｒ１＋ｒ２である。つまり、製造時の巻き径のばらつきや、変換部１０ｚの位置のばらつき等を無視すると、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂの抵抗値はほぼ等しい。このように、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂは、変換部１０ｚにおいて、抵抗値が近づくように（等しくなるように）、互いに層を変換されている。
【００２７】
−実施の形態の効果−
本実施形態のコイル部材２０またはステータ５０によると、以下の作用効果が得られる。コイル部材２０は、第１コイル線１０ａおよび第２コイル線１０ｂを内層と外層とにして並列に巻回した構造を有している。そして、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとは、変換部１０ｚにおいて、互いに層を変換されている。
【００２８】
このように、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂが並列に巻回され、変換部１０ｚ（途中部位で）において、互いに層を変換されている。その結果、図４に示すように、第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂの抵抗値は互いにほぼ等しい。よって、高周波電流が流れても、循環電流が抑制され、電流の利用効率を高めることができる。
【００２９】
また、特許文献１のように、ある分割ステータ５１の第１コイル線１０ａを他の分割ステータ５１の第２コイル線１０ｂに接続する場合、図４に示すような簡素な構造とはならない。つまり、図４に示す第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとが、１つの相内の全てのコイル部材を通じて、２つの並列回路に分かれる。したがって、各分割ステータ５１間を結ぶバスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗがそれぞれ２本ずつ必要である。そのために、図３に示す各端子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂとバスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗとの接続構造が複雑で、接続作業が困難となる。また、モータ軸長が増大することにより、モータ効率がかえって悪化するおそれもある。
【００３０】
それに対し、本実施の形態では、各コイル部材２０内で第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとが各外部端子２１、２２で導通している。したがって、コイル部材２０は、直列接続されている（図４参照）。したがって、各分割コア５１間を電気的に接続するバスバーは１本ずつでよく、バスバー構造が簡素である。具体的には、図３に示す端子２１、２２および変換部１０ｚは、モールド樹脂４０内に埋設することができる。そして、中性点（基準点）用バスバー３３を除くと、各分割コア５１のコイル部材２０間を接続するバスバー３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗが１本だけでよい。したがって、バスバーと端子との接続作業も容易である。
【００３１】
また、特許文献１の構造では、共通の相に属する２系列のコイル線の抵抗率差を０とするためには、共通の相に属するコイル部材２０（分割ステータ５１）の数が偶数でなければならない。
それに対し、本実施の形態では、コイル部材２０の個数に拘わらず、コイル部材２０内における第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂの抵抗値差がほぼ０になる。よって、モータ等の種類や構造に応じた最適な数のスロット数に設計することができる。すなわち、分割ステータの構造を有するものでは、最適な分割ステータ数（コイル部材数）に、設計することができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図５（ａ）〜（ｂ）は、実施の形態２におけるコイル部材２０の形成手順を示す斜視図である。図５（ａ）〜（ｂ）において、実施の形態１と同じ部材については、同じ符号を付して説明を省略する。
まず、図５（ａ）に示すように、第１コイル線１０ａを内層に、第２コイル線１０ｂを外層にした第１巻回部２０ａを準備する。また、第１コイル線１０ａを外層に、第２コイル線１０ｂを内層にした第２巻回部２０ｂを準備する。ただし、この段階では、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとは、互いに同じ構造を有している。
【００３３】
次に、図５（ｂ）に示すように、第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとを一体化する。そして、各コイル２０ａ、２０ｂの切断部分同士を合わせる。
【００３４】
そして、図５（ｂ）に示すように、第１コイル線１０ａ同士を第１変換部１０ｚ１において接続する。また、第２コイル線１０ｂ同士を第２変換部１０ｚ２において、ＴＩＧ溶接等により、接合する。つまり、第１、第２変換部１０ｚ１、１０ｚ２を含む変換部１０ｚにおいて、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂの内層、外層が変換されている。
【００３５】
上記実施の形態２では、変換部１０ｚは、ＴＩＧ溶接等の溶接により形成されているが、ろう付けなど、他の方法によって接合することもできる。
【００３６】
本実施の形態においても、モータのステータ５０の概略的な構造は、図２に示すとおりである。また、ステータ５０の平面構造および等価回路は、図３および図４に示すとおりである。
【００３７】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂの抵抗値は、ほぼ等しい。よって、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。加えて、本実施の形態では、第１巻回部２０ａと第２巻回部２０ｂとを同じ構造にすることができる利点がある。
【００３８】
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３における分割ステータの断面図である。同図においては、モールド樹脂の図示が省略されている。図６において、実施の形態１と同じ部材については、同じ符号を付して、説明を省略する。
本実施の形態では、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとは、フラットワイズ状に巻回されている。
図６においては、理解を容易にするために、この断面には存在しない変換部１０ｚが表示されている。
【００３９】
本実施の形態においても、第１コイル線１０ａは、変換部１０ｚにおいて、内層から外層に変換されている。また、第２コイル線１０ｂは、変換部１０ｚにおいて、外層から内層に変換されている。つまり、変換部１０ｚにおいて、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂは、互いの層を交換されている。
なお、図示されていないが、各コイル線１０ａ、１０ｂは、両端の外部端子（２１、２２）において、互いに導通している。
本実施の形態においても、モータのステータ５０の概略的な構造は、図２に示すとおりである。また、ステータ５０の平面構造および等価回路は、図３および図４に示すとおりである。
【００４０】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第１コイル線１０ａ、第２コイル線１０ｂの抵抗値は、ほぼ等しい。よって、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。加えて、本実施の形態では、フラットワイズ状に巻回することにより、巻回時の変形に要する応力を低減することができる。つまり、コイル部材２０の形成が容易となる。
【００４１】
（実施の形態４）
図７は、実施の形態３における分割ステータの断面図である。同図においては、モールド樹脂の図示が省略されている。図７において、実施の形態１と同じ部材については、同じ符号を付して説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態では、第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとに加えて、第３コイル線１０ｃが存在する。つまり、３つのコイル線１０ａ、１０ｃ、１０ｂが内側から順に重ねられて、エッジワイズ状に巻回されている。そして、第１コイル線１０ａは、変換部１０ｚにおいて、内層から外層に変換されている。また、第２コイル線１０ｂは、変換部１０ｚにおいて、外層から内層に変換されている。一方、第３コイル線１０ｃは、ずっと、中間層のままである。つまり、変換部１０ｚにおいて、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂは、互いの層を交換され、第３コイル線１０ｃは、層を変換されていない。
なお、図示されていないが、各コイル線１０ａ〜１０ｃは、両端の外部端子（２１、２２）において、互いに導通している。
【００４３】
本実施の形態においても、モータのステータ５０の概略的な構造は、図２に示すとおりである。また、ステータ５０の平面構造および等価回路は、図３および図４に示すとおりである。ただし、図４の部分拡大図に示す構造においては、３本のコイル線１０ａ〜１０ｃが、並列に接続されることになる。
【００４４】
本実施の形態において、変換部１０ｚから端部までの内層、中間層、外層のコイル線の抵抗値をｒ１、ｒ３、ｒ２とする。このとき、ｒ１＜ｒ３＜ｒ２である。すると、第１、第２、第３コイル線１０ａ、１０ｂ、１０ｃのコイル部材２０における抵抗値は以下の通りである。
第１コイル線１０ａの抵抗値：ｒ１＋ｒ２
第２コイル線１０ｂの抵抗値：ｒ１＋ｒ２
第３コイル線１０ｃの抵抗値：２×ｒ３
【００４５】
第１コイル線１０ａと第２コイル線１０ｂとの抵抗値はほぼ等しい。一方、ｒ３はｒ１とｒ２の中間的な値である。よって、第１、第２コイル線１０ａ、１０ｂと第３コイル線１０ｃとの抵抗値は、厳密に等しいとはいえないが、近似的には等しい。
【００４６】
本実施の形態によると、第１〜第３コイル線１０ａ〜１０ｃのコイル部材２０における抵抗値は近似的に等しくなる。よって、３層以上のコイル線を巻回した構造においても、実施の形態１と同様の効果を発揮することができる。
【００４７】
（他の実施の形態）
上記各実施の形態では、コア５０を多数の分割コア５１に分割した構造を採用したが、複数の分割コア５１が一体化されたものであってもよい。
【００４８】
上記各実施の形態では、各コイル線１０ａ〜１０ｃの断面形状をほぼ矩形状としたが、円形やその他の形状であってもよい。
【００４９】
上記各実施の形態では、コイル部材２０として、樹脂でモールドされたカセットコイル構造を採用しているが、本発明は掛かる実施の形態に限定されるものではない。ただし、カセットコイル構造を採用することにより、モジュール化された部材を利用して、組立や商品化の便宜を図ることができる。
【００５０】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のコイル部材およびステータは、産業用モータ、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車、ロボットなどに配置されるモータ（リニアモータを含む）、発電機、リアクトル、トランスなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 多重コイル線
１０ａ 第２コイル線
１０ｂ 第１コイル線
１０ｃ 第３コイル線
１０ｚ 変換部
１２ 銅線
１３ 被覆膜
２０ コイル部材
２０ａ 第１巻回部
２０ｂ 第２巻回部
２１ 第１外部端子
２２ 第２外部端子
３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ 電源側接続導体
３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗ バスバー
３３ 中性点用バスバー
５０ ステータ
５１ 分割コア
５１ａ ヨーク部
５１ｂ ティース部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイル線が、内層から外層に亘って並列に巻回されたコイル部材であって、
前記複数のコイル線のうち少なくとも２層のコイル線が、全てのコイル線の抵抗値が共通の値に近づくように、途中部位で切断された端部が接合されることで互いの層を交換されている、コイル部材。
【請求項２】
前記少なくとも２層のコイル線は、コイルエンド部において互いの層を交換されている、請求項１に記載のコイル部材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコイル部材と、
前記コイル部材が装着されるコアと、
を備えているステータ。
【請求項１】
複数のコイル線が、内層から外層に亘って並列に巻回されたコイル部材であって、
前記複数のコイル線のうち少なくとも２層のコイル線が、全てのコイル線の抵抗値が共通の値に近づくように、途中部位で切断された端部が接合されることで互いの層を交換されている、コイル部材。
【請求項２】
前記少なくとも２層のコイル線は、コイルエンド部において互いの層を交換されている、請求項１に記載のコイル部材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコイル部材と、
前記コイル部材が装着されるコアと、
を備えているステータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０２６８０（Ｐ２０１３−１０２６８０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−２６８１（Ｐ２０１３−２６８１）
【出願日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【分割の表示】特願２００８−２３２１９８（Ｐ２００８−２３２１９８）の分割
【原出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【分割の表示】特願２００８−２３２１９８（Ｐ２００８−２３２１９８）の分割
【原出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]