回転機の電機子コイル

【課題】銅損および渦電流損、循環電流損をより一層低減し得ると共に、冷却効率を高めることが可能なように改良された回転機の電機子コイルを提供する。
【解決手段】回転機の電機子コイルを、矩形断面に形成した撚り線の束により、前側周方向部分、軸方向部分、及び後側周方向部分とからなる複数のコイル片を渡り部で相互に連結した形に形成し、これらを渡り部にて順次折り返して内層側に位置するものと外層側に位置するものとに分けた上で中心軸を挟んで互いに対向配置させたコイルブロックを複数個形成し、これらを円周方向に互いにずらしつつ組み合わせて全体として１つの円筒体をなすように集合させると共に、軸方向部分の周囲の少なくとも一部に前後に連通する空隙を開けたものとする。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電機子コイルに関し、特に高回転型の発電機あるいは電動機などの回転機に好適に用いることのできる電機子コイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電機や電動機などの回転機における回転磁界を形成するための電機子として、全体が円筒形をなすように内外二層に巻かれた導体の撚り線をレジン等で成型固化したＵ、Ｖ、Ｗ各相のコイルを、単純な円環状をなすスロットレスの固定子鉄心の内周側に絶縁層を介して装着したものが知られている（特開平１−２５２１３４号公報参照）。
【０００３】
一方、本発明と同一出願人は、上記のような電機子として、直径０．５ｍｍ以下の素線を束ねた撚り線をある程度の厚みをもった菱形の断面形状をなす板状にプレス成型してなるコイル束を１つのブロックとし、このブロックを複数個組み合わせて形成した円筒体を固定子鉄心の内周面に保持させるようにしたものを提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、この先行技術によると、断面が菱形の板状にプレス成型した複数のコイルブロックを組み合わせて円筒状の電機子コイルを形成する加工が比較的困難である上、内層側のコイル束が密に、外層側のコイル束が粗になり、コイルエリアに入れられる導体の量、つまり占積率が内層側で規制されてしまうために銅損が増大しがちであり、しかも外層側のコイル束が粗になるために素線間に隙間ができて銅損による発熱を逃がし難いといった欠点がある。また、特に高回転型の発電機や電動機では、銅損以外にも渦電流損や循環電流損の影響も大きく、これらの損失を低く抑えることが望まれている。
【０００５】
本発明は、このような先行技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、損失をより一層低減し得ると共に、冷却効率を高めることが可能なように改良された回転機の電機子コイルを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１においては、各相に分割した複数のコイルブロックで構成してなる発電機あるいは電動機などの回転機の電機子コイル（ＡＣ）を、断面形状が概ね矩形をなすように形成した撚り線の束により、所定角度の前側周方向部分（１・７）と、該前側周方向部分の終端で折曲した軸方向部分（２・６）と、該軸方向部分の終端で折曲した所定角度の後側周方向部分（３・５）とからなる複数のコイル片（４・８）を渡り部（９）で相互に連結した形に形成し、前記複数のコイル片を、前記渡り部にて内側から外側へ、あるいは外側から内側へと順次折り返して内層側に位置するものと外層側に位置するものとに分けると共に、これらを中心軸を挟んで互いに対向配置させたコイルブロック（１１）を複数個形成し、前記複数個のコイルブロックを円周方向に互いにずらしつつ組み合わせて全体として１つの円筒体をなすように集合させると共に、前記軸方向部分の周囲の少なくとも一部に前後に連通する空隙（２８・２９）を開けたことを特徴とするものとした。
【０００７】
このようにすれば、占積率を高められるので、銅損を低下し得る。また、外部から導入した冷却気や冷却液などの冷却媒体を空隙に流すことができるので、冷却性を向上し得る。
【０００８】
特に、自己融着性を有する絶縁皮膜で被覆した素線からなるリッツ線で前記コイルブロックを形成するもの（請求項２）とすれば、撚り線を自己融着させることによってコイルとして整形する際の撚り線のばらけが防止されて型抜き後の形状保持力を高めることができると共に、渦電流損を低減し得る。これに加えて、コイルブロックをプレス成型によって形成したり、一連の撚り線の束によって１相分を連続的に形成したりすれば、製造効率がより一層向上するので、低コスト化を企図することができる。
【０００９】
また前記軸方向部分を、合成樹脂材で形成したインシュレータ（２１・２２・２３）で保持するもの（請求項５）とすれば、軸方向部分の周囲に冷却媒体（空気、液体）が流れる空隙を簡単に形成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１１】
本発明による電機子コイルを形成するための導線は、自己融着性を有する絶縁被覆を施した所定本数の素線を撚ったものを、複数本束ねて再び撚ることによって所要の断面積の複合撚り構造とされた所謂リッツ線からなっている。このリッツ線を、断面形状が概ね矩形をなすように予めプレス成型し、且つ要所を加熱して撚り線を自己融着させることにより、コイルとして整形する際の撚り線のばらけが防止されて型抜き後の形状保持力が高められる。またリッツ線を用いれば、素線を細くすることができるので渦電流損をより一層低減することができる上、スロットレスの場合のコイルの内外周差と位相差に起因して電流が流れて生ずる損失を、界磁極長さに比例した適宜な捩りを撚り線の束に加えることで低減することができる。
【００１２】
この矩形断面のリッツ線を用い、図１に示したように、比較的短い前側湾曲部１ａ〜１ｄ、比較的短い外層軸線部２ａ〜２ｄ、そして比較的長い後側湾曲部３ａ〜３ｄからなる４つの外層コイル片４ａ〜４ｄと、比較的長い後側湾曲部５ａ〜５ｃ、比較的長い内層軸線部６ａ〜６ｃ、そして比較的長い前側湾曲部７ａ〜７ｃからなる３つの内層コイル片８ａ〜８ｃとを、前後方向について同方向の湾曲部同士の間を適宜な長さの渡り部９ａ〜９ｆで連結しながら、各外層コイル片４ａ〜４ｄと各内層コイル片８ａ〜８ｃとを単体で交互にプレス成型することにより、４つの外層コイル片４ａ〜４ｄと３つの内層コイル片８ａ〜８ｃとが渡り部９ａ〜９ｆを介して連続的に繋がれたコイルブロックの一次成型物１０が得られる。
【００１３】
この際、各外層コイル片４ａ〜４ｄと各内層コイル片８ａ〜８ｃとは、図示されていない金型の天地を互いに逆にして成型することにより、図１に示す形態、つまり外層、内層両コイル片が直列した形態に形成することができる。また、外層コイル片と内層コイル片とを成型する金型の天地を同一にし、且つ軸線方向の中心位置を揃えて向かい合わせに配置して成型することもでき、このようにして形成した場合の一次成型物１０の形態は、図２に示したものとなる。
【００１４】
ここで用いるプレス金型は、コイル片が内外２層となるように、また各相の断面積が略同一となるように、その形状を設定すると共に、外層コイル片の数を１ブロック当たり内層コイル片よりも１つ多くすることにより、最終的に円筒状に形成した際の内層部分と外層部分との形状差が過大にならないようにしている。このような構成を採ることにより、内・外各層のコイル片を形成するためのプレス金型の形状差も少なくなるので、予備金型を共用することができる。
【００１５】
上述のようにして形成されたコイルブロックの一次成型物１０から、外層側円筒面と内層側円筒面とを備えた適宜な治具（図示せず）を用い、以下の手順に従ってコイルブロックを整形する。
【００１６】
先ず、一方の電極接続端に連なる前側湾曲部１ａの終端を直角に且つ径方向内向きに折り曲げて外層軸線部２ａに繋げ、外層軸線部２ａの後端を直角に且つ径方向外向きに折り曲げて後側湾曲部３ａに繋げる。これで第１外層コイル片４ａが形成される。次いで第１外層コイル片４ａの後側湾曲部３ａの終端に連らなる渡り部９ａを軸線方向の外側へ折り返すことにより、これに連なる次の後側湾曲部５ａに繋げる。そしてこの後側湾曲部５ａの終端を直角に折り曲げ且つ径方向内向きに折り曲げて内層軸線部６ａに繋げ、内層軸線部６ａの後端を直角に且つ径方向外向きに折り曲げて前側湾曲部７ａに繋げる。これで第１内層コイル片８ａが形成される。
【００１７】
そして第１内層コイル片８ａの前側湾曲部７ａの終端に連らなる渡り部９ｂを軸線方向の内側へ折り返すことにより、第１外層コイル片４ａの前側湾曲部１ａの内周面に重なる第２外層コイル片４ｂの前側湾曲部１ｂに繋げる。
【００１８】
以下同様にして、軸線部２・６の幅分だけ徐々に位相をずらしつつ、また前側湾曲部１・７並びに後側湾曲部３・５を次々に重ね合わせることにより、図３及び図４に示すように、４つの外層軸線部２ａ〜２ｄと３つの内層軸線部６ａ〜６ｃとがステータの中心軸を挟んで対向した一つの相の半分を構成するコイルブロック１１が形成される。
【００１９】
上記のように、４つの湾曲部１・３・５・７のうちの１つだけ（１）を短くすることにより、渡り部９の位置を前後で揃えた上で対向するコイルの位相を等ピッチでずらすことができる。また、渡り部９をプレス成型することにより、径方向への張り出し量を低減することができる。
【００２０】
このようにして形成された６つのコイルブロック１１を同軸的に互いに組み合わせて集合させることにより、図５に示すように、６０度の範囲に渡って外・内２層構造をなし、且つ向かい合わせに対向配置された２つのコイルブロック１１で１つの相をなすＵ、Ｖ、Ｗ各相のコイルｕ、ｕ´、ｖ、ｖ´、ｗ、ｗ´が形成され、最終的に全体として内外二層で略円筒形をなす３相コイルＡＣが構成される。各コイルブロック１１の半分は電気角が６０度の円周方向幅を持ち、２つのコイルブロック１１で１つの相をなすので、１相当たり１２０度を占有し、従って３相で３６０度となる。
【００２１】
例えばｕブロックとｕ´ブロックとは、内層コイル片８の軸線部６と外層コイル片４の軸線部２とが互いに約１８０度対向する。これにより、ｕ＋端子とｕ´＋端子、ｕ−端子とｕ´−端子とにはそれぞれ逆位相が現れる。このため、図６に示すように、ｕ−端子とｕ´−端子とを直列接続することでＵ相をなす。この他の相も同様に接続し、ｕ´＋、ｖ´＋、ｗ´＋が互いに１点で接続されて中性点（Ｎ）となる。なお、各コイルブロックの導線の端末同士は、バスバーを介して互いに接続するか、熱かしめで端子を固着して互いに接続すれば良い。あるいは、一相ごとに一連の素線束で連続巻きに構成しても良い。
【００２２】
ここで、各コイルブロック１１における軸線部２・６の束同士の周方向中心線は、図４に示した角度（短節角）Ａを持つ短節巻となる。この短節角Ａは、湾曲部１・３・５・７の長さ或いは渡り部９の形状によって任意に決定される。また、軸線部２・６の１束の幅は、外・内各層が互いに独立しているため、短節角の変更の際に拘束されない。
【００２３】
各コイルブロック１１は、図７に示すように、外層インシュレータ２１、内層インシュレータ２２、及び内周チューブ２３の３つの部分からなるインシュレータを介してその軸線部２・６をもって相互に保持される。
【００２４】
外層インシュレータ２１と内層インシュレータ２２とは、基本的に円筒を６０度単位で分割した円弧面を有しており、外層インシュレータ２１の内周面には、各コイルブロック１１の外層軸線部２を個々に保持するための軸線方向に沿う隔壁２４が形成されている（図８R>８参照）。そして内層インシュレータ２２には、軸線方向に沿う突条２５が、その外周面における外層インシュレータ２１の隔壁２４の遊端に対応する位置に形成されている。また内層インシュレータ２２の内周面には、各コイルブロック１１の内層軸線部６を個々に保持するための軸線方向に沿う隔壁２６が形成されている。これら外層インシュレータ２１の隔壁２４によって外層軸線部２が、内層インシュレータ２２の隔壁２６によって内層軸線部６が、それぞれ電気的に絶縁される。
【００２５】
内層、外層両インシュレータ２１・２２の相対位相は、外層インシュレータ２１の隔壁２４の遊端が内層インシュレータ２２の外周に設けられた突条２５に係合して拘束される。
【００２６】
他方、内周チューブ２３は基本的に円筒形をなし、その外周面には、内層インシュレータ２２の隔壁２６の遊端と係合する突条２７が設けられており、この突条２７に内層インシュレータ２２の隔壁２６の遊端が係合して内層インシュレータ２２と内周チューブ２３との相対位相が拘束される。
【００２７】
各外層コイル片４の外層軸線部２は、外層インシュレータ２１の内周面および互いに隣り合う隔壁２４の３面と内層インシュレータ２２の突条２５の端縁とによって拘束され、外層軸線部２と内層インシュレータ２２のとの対向面同士間には、突条２５の高さで規定された隙間２８が開いている。また、各内層コイル片８の内層軸線部６は、内層インシュレータ２２の内周面および互いに隣り合う隔壁２６の３面と内周チューブ２３の突条２７の端縁とによって拘束され、内層軸線部６と内周チューブ２３との対向面同士間には、突条２７の高さで規定された隙間２９が開いている。これらの隙間２８・２９は、回転機の運転時に冷却媒体が流れる通路として機能する。なお、内周チューブ２３を熱伝導性の高い材料で構成すれば、内側の空隙２９は省略し得る。
【００２８】
外層インシュレータ２１の外周壁は、一部抜き窓３０になっている。この抜き窓３０は、耐熱性、耐切り裂き性、および耐潰れ性に優れたフッ素系合成樹脂材等のメッシュと、このメッシュを熱伝導性および絶縁性に優れたシリコン系樹脂で含浸したシート材で塞がれる。これにより、電機子コアを形成する積層鋼板にバリがあった場合にも、導線の絶縁被覆が破壊され難くなる。
【００２９】
インシュレータの断面形状は、上記に限定されず、種々の変形態様が可能である。図９に示すものはその一例であり、各コイル片の軸線部２・６は、それぞれの内外周２面と、径方向１面との合計３つの面を内・外各インシュレータ２１・２２に接して電気的に絶縁されている。そして残りの径方向１面は、内外各インシュレータ２１・２２の隔壁２４・２６の基端に設けられた突起３１・３２と内層インシュレータ２２並びに内周チューブ２３に設けられた突条２７とで適度な隙間３３・３４を開けて拘束されている。これにより、できた隙間３３・３４が冷却媒体の通路となる。
【００３０】
図１０は別の変形例であり、基本的には上記の形態と同様であるが、各軸線部２・６の断面形状は径方向に沿う２面が実質的に平行となっている（実際にはプレス抜き勾配がある）。これにより、互いに隣り合う軸線部同士間の周方向隙間が大きくなり、この扇状の隙間３５・３６が冷却媒体の通路となる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、各コイルブロックを組み合わて集合させるだけで略完全な円筒形状にすることができるので、占積率を大幅に高めること（約８０％）が可能となり、銅損を大幅に減少させる（約３０％）ことができる。しかも冷却媒体がインシュレータの隙間を流れると共に、径方向外向きに張り出した湾曲部が冷却フィンの役割を果たすので、電機子の冷却効率を高めることができる。従って本発明により、銅損及び渦電流損、循環電流損が少なく、冷却性に優れると共に、成型性に優れた電機子コイルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コイルブロックの一次成型物の一例を示す概略構成図
【図２】コイルブロックの一次成型物の別例を示す部分的な外観図
【図３】コイルブロックの外観斜視図
【図４】軸線方向中間部で切断したコイルブロックの側面図
【図５】コイルブロックの配置図
【図６】３相コイルの結線図
【図７】コイルがインシュレータに保持された状態を示す断面図
【図８】外層インシュレータの外観斜視図
【図９】別例によるコイルがインシュレータに保持された状態を示す断面図
【図１０】さらに別例によるコイルがインシュレータに保持された状態を示す断面図
【符号の説明】
ＡＣ　電機子コイル
１、７　前側周方向部分
２、６　軸方向部分
３、５　後側周方向部分
４　コイル片
９　渡り部
１１　コイルブロック
２１、２２、２３　インシュレータ
２８、２９、３３、３４、３５、３６　空隙

【特許請求の範囲】
【請求項１】
各相に分割した複数のコイルブロックで構成してなる発電機あるいは電動機などの回転機の電機子コイルであって、
断面形状が概ね矩形をなすように形成した撚り線の束により、所定角度の前側周方向部分と、該前側周方向部分の終端で折曲した軸方向部分と、該軸方向部分の終端で折曲した所定角度の後側周方向部分とからなる複数のコイル片を渡り部で相互に連結した形に形成し、
前記複数のコイル片を、前記渡り部にて内側から外側へ、あるいは外側から内側へと順次折り返して内層側に位置するものと外層側に位置するものとに分けると共に、これらを中心軸を挟んで互いに対向配置させたコイルブロックを複数個形成し、
前記複数個のコイルブロックを円周方向に互いにずらしつつ組み合わせて全体として１つの円筒体をなすように集合させると共に、前記軸方向部分の周囲の少なくとも一部に前後に連通する空隙を開けたことを特徴とする回転機の電機子コイル。
【請求項２】
自己融着性を有する絶縁皮膜で被覆した素線からなるリッツ線で前記コイルブロックを形成したことを特徴とする請求項１に記載の回転機の電機子コイル。
【請求項３】
前記コイルブロックをプレス成型によって形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の回転機の電機子コイル。
【請求項４】
一連の撚り線の束によって１相分を連続的に形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転機の電機子コイル。
【請求項５】
前記軸方向部分を、合成樹脂材で形成したインシュレータで保持したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転機の電機子コイル。

【図１】