回転電機の固定子及び回転電機
【課題】同相間絶縁性能を確保でき、高電圧化に対応し、小型にして高出力化を図ることができる回転電機の固定子、及びこの固定子を備えた回転電機を提供する。
【解決手段】本実施形態の回転電機の固定子は、複数の単位コイルが連結されてなる複数相の固定子コイルが固定子鉄心に巻装される。各相の固定子コイルは、複数のコイルを直列に接続してなる複数のコイル列が各相の電源入力端子に接続されて構成される。この複数列のコイル列の各ターン数が等しくなるように設定される。各相の複数の単位コイルは、前記複数のコイル列のうちの２つ以上のコイル列のコイルを組み合わせて構成され、ターン数が等しくなるように設定されている。
【解決手段】本実施形態の回転電機の固定子は、複数の単位コイルが連結されてなる複数相の固定子コイルが固定子鉄心に巻装される。各相の固定子コイルは、複数のコイルを直列に接続してなる複数のコイル列が各相の電源入力端子に接続されて構成される。この複数列のコイル列の各ターン数が等しくなるように設定される。各相の複数の単位コイルは、前記複数のコイル列のうちの２つ以上のコイル列のコイルを組み合わせて構成され、ターン数が等しくなるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機の固定子、及びこの固定子を備えた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車やハイブリッド自動車に駆動電動機として搭載される車両用の回転電機において、固定子を構成する複数相の固定子コイルの各相の固定子コイルとして、複数の単位コイルが直列に接続されて構成されるコイル列を複数個、例えば２個並列に接続したものがある。この複数の単位コイルは、各々が磁極を形成するように固定子鉄心に巻装される。
【０００３】
このような固定子コイルの各単位コイルの巻回方法として、隣極接続と呼ばれるものがある。例えば、一相が８個の単位コイルから構成されるものの場合、その８個の単位コイルは、第１コイル列と第２コイル列とに二分される。これら第１及び第２コイル列の各単位コイルは、交互に逆極性になるようにして直列に接続される。そして、第１及び第２コイル列の直列回路が並列に接続される。この第１及び第２コイル列からなる並列回路において、一方の共通接続点は電源入力端子に接続され、他方の共通接続点は中性点端子に接続されている。
このような構成のものでは、同相の単位コイル間の絶縁（同相間絶縁）は、各単位コイルを構成する導線のエナメル被膜により行われるようになっている。
【０００４】
ところで、電気自動車やハイブリット自動車などの車両用モータにおいては、小型にして高出力を得るために、印加電圧（使用電圧）を高くするようになってきており、使用電圧が高い場合には、同相単位コイル間の電位差が大きくなり、絶縁性能を確保できないおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０９７９６号公報（図７、図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、同相間絶縁性能を確保でき、高電圧化に対応し、小型にして高出力化を図ることができる回転電機の固定子、及びこの固定子を備えた回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の回転電機の固定子は、複数の単位コイルが連結されてなる複数相の固定子コイルが固定子鉄心に巻装される。各相の固定子コイルは、複数のコイルを直列に接続してなる複数のコイル列が各相の電源入力端子に接続されて構成される。この複数列のコイル列の各ターン数が等しくなるように設定される。各相の複数の単位コイルは、前記複数のコイル列のうちの２つ以上のコイル列のコイルを組み合わせて構成され、ターン数が等しくなるように設定されている。
また、本実施形態の回転電機は、上記した固定子と、この固定子の界磁空間に配置された回転子とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態のＵ相の固定子コイルの接続構成を模式的に示す図
【図２】Ｕ相の固定子コイルの配置及び接続構成を簡略的に示す図
【図３】永久磁石電動機の構成を示す概略図
【図４】Ｕ相の固定子コイルの等価回路を示す図
【図５】三相の固定子コイルの等価回路を模式的に示す図
【図６】第１の実施形態との比較例を示す図１相当図
【図７】第２の実施形態を示す図１相当図
【図８】図２相当図
【図９】第２の実施形態との比較例を示す図１相当図
【図１０】第３の実施形態を示す図１相当図
【図１１】図２相当図
【図１２】第３の実施形態との比較例を示す図１相当図
【図１３】第４の実施形態を示す図１相当図
【図１４】図２相当図
【図１５】第４の実施形態との比較例を示す図１相当図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[第１の実施形態]
以下、本発明を電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられるインバータ駆動方式の永久磁石電動機に適用した第１の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
図３に示すように、永久磁石電動機１（回転電機）は、固定子２及び回転子３を備えている。固定子２は、固定子鉄心４に、複数相、例えば三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の固定子コイル５（Ｕ相コイル５ｕ、Ｖ相コイル５ｖ、Ｗ相コイル５ｗ）が巻装された構成である。固定子鉄心４は、電磁鋼板からなる複数枚の円環状の鉄心材を積層して一体的に結着することで形成されていて、円筒状をなしている。
【００１０】
固定子鉄心４の内周には、各相の固定子コイル５ｕ〜５ｗを収納するための７２個のスロット６が等角度で形成されている。各スロット６の内部にはそれぞれスロット絶縁紙（図示しない）が配置されていて、これにより、固定子鉄心４とスロット６内に配設される各相の固定子コイル５ｕ〜５ｗとの間が絶縁されるようになっている。
【００１１】
回転子３は、回転子鉄心７と、回転子鉄心７の内周側に設けられている回転軸８とを備えている。回転子鉄心７は、電磁鋼板からなる複数枚の円環状の鉄心材を積層して一体的に結着することで形成されていて、円筒状をなしている。回転子３は、固定子２の界磁空間に、その外周面と固定子２の内周面との間に僅かな隙間（エアギャップ）を隔てて配置され、固定子２に対して回転可能になっている。回転軸８は、回転子鉄心７を鉄心材の積層方向に貫いており、回転子鉄心７に固定されている。
【００１２】
回転子鉄心７の外周部には、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる一対の磁性体スロット９が複数対、例えば１２対（１２極）、周方向に一定の間隔を存して設けられていて、これらは回転子鉄心７を鉄心材の積層方向に貫いている。各磁性体スロット９には永久磁石１０が挿入されている。一対の永久磁石１０は、回転子鉄心７の外周側において極性（Ｎ極、Ｓ極）が交互に逆になるように配置され、永久磁石電動機１の磁極を形成している。
【００１３】
図４は、Ｕ相の固定子コイル５ｕの等価回路を示している。Ｕ相コイル５ｕは、２つのコイル列５ｕ１，５ｕ２が並列に接続されて構成されている。コイル列５ｕ１は、１２個のコイルＵ１〜Ｕ１２が直列に接続されたものである。コイル列５ｕ２は、１２個のコイルＵ１'〜Ｕ１２'が直列に接続されたものである。そして、これらコイル列５ｕ１，５ｕ２の各一方の端子が電源入力端子Ｐｕに接続され、各他方の端子が中性点端子Ｎに接続されている。なお、Ｖ相コイル５ｖ、Ｗ相コイル５ｗもＵ相コイル５ｕと同様の構成となっている。
【００１４】
図５は、三相の固定子コイル５ｕ，５ｖ，５ｗの巻線構造の模式図を示している。Ｕ相コイル５ｕ、Ｖ相コイル５ｖ、Ｗ相コイル５ｗは、中性点端子Ｎを介してスター結線されている。そして、これらスター結線されたＵ相コイル５ｕ、Ｖ相コイル５ｖ、Ｗ相コイル５ｗの各一方の端子は、三相の電源入力端子Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗに接続されている。
【００１５】
図１は、Ｕ相コイル５ｕにおける各コイルの接続構成を模式的に示す図で、図１に示すように、各コイルは渡り線を介して接続されている。Ｕ相コイル５ｕは、中性点端子Ｎを巻き始め端として巻装が開始され、コイルＵ１２，Ｕ１１，Ｕ１０，Ｕ９，Ｕ８，Ｕ７，Ｕ６，Ｕ５，Ｕ４，Ｕ３，Ｕ２，Ｕ１の順に、交互に逆回りになるように巻回される。次に、コイルＵ１'，Ｕ２'，Ｕ３'，Ｕ４'，Ｕ５'，Ｕ６'，Ｕ７'，Ｕ８'，Ｕ９'，Ｕ１０',Ｕ１１'，Ｕ１２'の順に，交互に逆回りになるように巻回され、中性点端子Ｎを巻き終わり端として巻装が終了される。
【００１６】
コイルＵ１とコイルＵ１'との間の渡り線は切断され、コイル列５ｕ１，５ｕ２の各始端となり、Ｕ相の電源が供給される電源入力端子Ｐｕに接続される。一方、コイル列５ｕ１，５ｕ２の各他端であるコイルＵ１２の巻き始め端及びコイルＵ１２'の巻き終わり端は、中性点端子Ｎに接続される。
ここで、コイルＵ１〜Ｕ１２のターン数（巻数）は、図１に示すように、順に、「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」となっている。また、コイルＵ１'〜Ｕ１２'のターン数は、順に、「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」となっている。
【００１７】
そして、コイル列５ｕ１，５ｕ２は、共に各始端から電源が入力され、各コイルＵ１〜Ｕ１２，Ｕ１'〜Ｕ１２'は、交互に逆回りになるように巻回されているので、交互に異なる極性となり、図１に示す上下に対応するコイルどうしは同一の極性となる。このような構成のコイル列５ｕ１と５ｕ２とを重ね合わせて、上下に対応するコイルどうしで、１個の単位コイルが構成されるとともに、１個の磁極が形成される。これにより、１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６（図２参照）が構成され、１２個の磁極が形成される。各単位コイルのターン数は、２個のコイルのターン数をたし合わせて、すべて「７」になっている。
【００１８】
図２は、Ｕ相コイル５ｕの配置及び接続構成を簡略的に示す図である。図２に示すように、コイル列５ｕ１と５ｕ２とを重ね合わせて形成された１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６が、周方向に隣接して固定子鉄心４の全周にわたって配置されて構成されている。この１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６の極性は、交互に異なるようになっている。
具体的には、コイルＵ１及びＵ１'で１個の単位コイルＡ１が形成され、以下同様に、コイルＵ２及びＵ２'、コイルＵ３及びＵ３'、・・・、コイルＵ１１及びＵ１１'、コイルＵ１２及びＵ１２'で、それぞれ単位コイルＢ１，Ａ２，・・・，Ａ６，Ｂ６が形成され、これらが時計回りに順に配置されている。
【００１９】
なお、図３に示すように、Ｖ相コイル５ｖは、固定子鉄心４のスロット６に、Ｕ相コイル５ｕに対して右回りに４スロットずらして、上記したＵ相コイル５ｕと同様に各単位コイル間を渡り線で接続されて収納されている。また、Ｗ相コイル５ｗも、固定子鉄心４のスロット６に、Ｖ相コイル５ｖに対して右回りに４スロットずらして、上記したＵ相コイル５ｕと同様に各単位コイル間を渡り線で接続されて収納されている。
【００２０】
各相の固定子コイル５ｕ〜５ｗにおいて、異相間（Ｕ相とＶ相とのコイルエンド部間、Ｖ相とＷ相とのコイルエンド部間）は、図示しない相間絶縁紙により絶縁されるようになっている。これに対し、同相の各単位コイル間（例えばＵ相の場合、コイル列５ｕ１の各コイルＵ１〜Ｕ１２の隣接するコイルエンド部間及びコイル列５ｕ２の各コイルＵ１'〜Ｕ１２'の隣接するコイルエンド部間）は、各コイルを構成する導線のエナメル被膜により絶縁されるようになっている。
【００２１】
この場合、Ｕ相コイル５ｕにおいて、Ｕ相コイル５ｕとＶ相コイル５ｖとのコイルエンド部間の相間絶縁紙の一部を折り曲げて、この折曲部を単位コイルＡ１（コイルＵ１，Ｕ１'）と単位コイルＢ６（コイルＵ１２，Ｕ１２'）との間に同相間絶縁紙として挿入するとよい。他のＶ相コイル５ｖ及びＷ相コイル５ｗについても同様である。
【００２２】
図６は、第１の実施形態に対する固定子コイルの巻線構造を示す比較例であり、第１の実施形態の固定子２と同じ出力特性を有する。この構成のものでは、６個の単位コイルＡ１'〜Ａ３'及びＢ１'〜Ｂ３'が直列に接続されたコイル列と、６個の単位コイルＡ４'〜Ａ６'及びＢ４'〜Ｂ６'が直列に接続されたコイル列との２つのコイル列が並列に接続されている。各単位コイルのターン数はすべて「７」ターンとなっている。１相あたりの電流をＩ〔アンペア〕とすると、各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷２×７＝７Ｉ／２となる。第１の実施形態の各単位コイルのアンペアターンも、同じように、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷２×（４＋３）＝７Ｉ／２となっている。
【００２３】
上記した構成の固定子２によれば、各単位コイルを２個のコイルから構成しているので、図６に示す比較例の巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルにおける最大電位差を小さくすることができる。これにより、絶縁性能を向上させることができ、高電圧化に対応できる。
すなわち、本実施形態では、図１に示すように、各単位コイルを構成する２個のコイルのターン数は「３」か「４」であるので、１個の単位コイルあたりの最大ターン数は「４」となり、単位コイルの分担電圧の割合は、４÷｛（４＋３）×６｝＝２／２１になる。これに対して、比較例では、１個の単位コイルあたりのターン数は「７」であり、単位コイルの分担電圧の割合は、７÷（７×６）＝１／６になる。単位コイルあたりの電位差はターン数が少ないほど小さくなることから、本実施形態の固定子２の方が比較例に比べて、単位コイルあたりの最大電位差を４／７に小さくすることができるのである。
そして、単位コイルの分担電圧を小さくすることができるので、同相の各コイル間に絶縁物を補強する必要がなく、充分に同相間絶縁性能を確保できる。
【００２４】
上記した構成の回転電機１によれば、同相間絶縁性能を確保できることから絶縁物の補強の必要がなく、高電圧化に対応した固定子２を備えているので、小型にして高出力化を図ることができる。
なお、本実施形態では、各単位コイルは、ターン数が「７」であり、ターン数が「３」か「４」の２個のコイルから構成されているが、各単位コイルのターン数は、適宜変更してよい。例えば、各単位コイルを２個のコイルから構成し、各単位コイルのターン数を「８」として、各コイルのターン数をすべて「４」とする構成にしてもよい。
【００２５】
次に、第２、第３、第４の実施形態について、図７〜図１５を参照して説明する。なお、図７〜図１５には上記第１の実施形態と同一部分には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてだけ説明する。
【００２６】
[第２の実施形態]
図７及び図８に示す第２の実施形態においては、Ｕ相コイル５ｕは、４つのコイル列５ｕ１'，５ｕ２'，５ｕ３'，５ｕ４'が並列に接続されて構成される。コイル列５ｕ１'は、コイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６が、交互に逆回りに巻回され、直列に接続されて構成されている。同様にして、コイル列５ｕ２'は、コイルＵ１'〜Ｕ６'から構成され、コイル列５ｕ３'は、コイルＵ１''〜Ｕ６''から構成され、コイル列５ｕ４'は、コイルＵ１'''〜Ｕ６'''から構成されている。
各コイル列５ｕ１'，５ｕ２'，５ｕ３'，５ｕ４'の各始端コイルＵ１，Ｕ１'，Ｕ１''，Ｕ１'''の一端が電源入力端子Ｐｕに接続され、各終端コイルＵ６，Ｕ６'，Ｕ６''，Ｕ６'''の一端が中性点端子Ｎに接続される。
【００２７】
そして、コイル列５ｕ１'，５ｕ２'，５ｕ３'，５ｕ４'は、共に各始端コイルの一端から電源が入力され、各コイルＵ１〜Ｕ６，Ｕ１'〜Ｕ６'，Ｕ１''〜Ｕ６''，Ｕ１'''〜Ｕ６'''は、交互に逆回りになるように巻回されているので、交互に異なる極性となり、図７に示す上下に対応するコイルどうしは同一の極性となる。このような構成のコイル列５ｕ１'と５ｕ３'、コイル列５ｕ２'と５ｕ４'をそれぞれ重ね合わせて、上下に対応するコイルどうしで１個の単位コイルが構成されるとともに、１個の磁極が形成される。これにより、１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６（図８参照）が構成され、１２個の磁極が形成される。各単位コイルのターン数は、すべて「７」になっている。
【００２８】
図８に示すように、コイル列５ｕ１'と５ｕ３'、コイル列５ｕ２'と５ｕ４'をそれぞれ重ね合わせて形成された１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６が、周方向に隣接して固定子鉄心４の全周にわたって配置されて構成されている。この１２個の単位コイルの極性は、交互に異なるようになっている。
具体的には、コイルＵ１及びＵ１''で単位コイルＡ１が構成され、以下同様に、コイルＵ２及びＵ２''、・・・、コイルＵ６及びＵ６''で、それぞれ単位コイルＢ１、・・・、Ｂ３が構成され、これらが時計回りに順に配置されている。また、コイルＵ１'及びＵ１'''、コイルＵ２'及びＵ２'''、・・・、コイルＵ６'及びＵ６'''で、それぞれ単位コイルＢ４，Ａ４，・・・，Ａ６が形成され、これらが反時計回りに順に配置されている。
なお、Ｖ相コイル５ｖ及びＷ相コイル５ｗについても、Ｕ相コイル５ｕと同様に構成される。
【００２９】
図９は、第２の実施形態に対する固定子コイルの巻線構造を示す比較例であり、第２の実施形態の固定子２と同じ出力特性を有する。この構成のものでは、それぞれ３個のコイルＡ１'，Ｂ１'，Ａ２'と、Ｂ２'，Ａ３'，Ｂ３'と、Ａ４'，Ｂ４'，Ａ５'と、Ｂ５'，Ａ６'，Ｂ６'とが直列に接続された４つのコイル列が並列に接続されている。各単位コイルのターン数はすべて「７」ターンとなっている。１相あたりの電流をＩ〔アンペア〕とすると、各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×７＝７Ｉ／４となる。第２の実施形態の各単位コイルのアンペアターンも、同じように、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×（４＋３）＝７Ｉ／４となる。
【００３０】
上記した構成の固定子２によれば、図９に示す比較例の巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルの最大ターン数を少なくすることができるので、各単位コイルの最大電位差を小さくすることができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
[第３の実施形態]
図１０及び図１１に示す第３の実施形態においては、Ｕ相コイル５ｕは、４つのコイル列５ｕ１''，５ｕ２''，５ｕ３''，５ｕ４''が並列に接続されて構成される。コイル列５ｕ１''は、コイルＵ１〜Ｕ６が、同じ方向に巻回され、直列に接続されて構成されている。同様にして、コイル列５ｕ２''は、コイルＵ１'〜Ｕ６'から構成され、コイル列５ｕ３''は、コイルＵ１''〜Ｕ６''から構成され、コイル列５ｕ４''は、コイルＵ１'''〜Ｕ６'''から構成されている。
各コイル列５ｕ１''，５ｕ２''，５ｕ３''，５ｕ４''の各始端コイルＵ１，Ｕ１'，Ｕ１''，Ｕ１'''の一端が電源入力端子Ｐｕに接続され、各終端コイルＵ６，Ｕ６'，Ｕ６''，Ｕ６'''の一端が中性点端子Ｎに接続される。
【００３２】
そして、コイル列５ｕ１''，５ｕ２''，５ｕ３''，５ｕ４''は、共に各始端コイルの一端から電源が入力される。コイル列５ｕ１''の各コイルＵ１〜Ｕ６と、コイル列５ｕ２''の各コイルＵ１'〜Ｕ６'は、すべて同一の極性となる。また、コイル列５ｕ３''の各コイルＵ１''〜Ｕ６''と、コイル列５ｕ４''の各コイルＵ１'''〜Ｕ６'''は、すべて同一の極性となる。コイル列５ｕ１''及び５ｕ２''の各コイルと、コイル列５ｕ３''及び５ｕ４''の各コイルとは逆極性になる。
【００３３】
このような構成のコイル列５ｕ１''と５ｕ２''、コイル列５ｕ３''と５ｕ４''をそれぞれ重ね合わせて、上下に対応するコイルどうしで１個の単位コイルが構成されるとともに、１個の磁極が形成される。そして、コイル列５ｕ１''及び５ｕ２''とコイル列５ｕ３''及び５ｕ４''を上下に対応させて重ね合わせる。これにより、１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６（図１１参照）が構成され、１２個の磁極が形成される。各単位コイルのターン数は、すべて「７」になっている。
【００３４】
図１１に示すように、コイル列５ｕ１''及び５ｕ２''を重ね合わせて構成された６個の単位コイルＡ１〜Ａ６と、コイル列５ｕ３''及び５ｕ４''を重ね合わせて構成された６個の単位コイルＢ１〜Ｂ６とが、周方向に隣接せずに１つ置きとなるように交互に固定子鉄心４の全周にわたって配置されて構成されている。この１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６の極性は、交互に異なるようになっている。
【００３５】
具体的には、コイルＵ１及びＵ１'で単位コイルＡ１が構成され、以下同様に、コイルＵ２及びＵ２'，・・・，コイルＵ６及びＵ６'で、それぞれ単位コイルＡ２，・・・，Ａ６が構成され、これらが時計回りに順に１つ置きに配置されている。また、コイルＵ１''及びＵ１'''、コイルＵ２''及びＵ２'''、・・・、コイルＵ６''及びＵ６'''で、それぞれ単位コイルＢ１，Ｂ２，・・・，Ｂ６が形成され、これらが反時計回りに順に１つ置きに配置されている。
なお、Ｖ相コイル５ｖ及びＷ相コイル５ｗについても、Ｕ相コイル５ｕと同様に構成される。
【００３６】
図１２は、第３の実施形態に対する固定子コイルの巻線構造を示す比較例であり、第３の実施形態の固定子２と同じ出力特性を有する。この構成のものでは、３個の単位コイルＡ１'〜Ａ３'と、Ｂ１'〜Ｂ３'と、Ａ４'〜Ａ６'と、Ｂ４'〜Ｂ６'とが直列に接続された４つのコイル列が並列に接続されている。各コイル列の単位コイルが隣接せずに１つ置きとなるように交互に配置されて構成され、各単位コイルの極性は、交互に異なるようになっている。各単位コイルのターン数はすべて「７」ターンとなっている。１相あたりの電流をＩ〔アンペア〕とすると、各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×７＝７Ｉ／４となる。同じように、第３の実施形態の各単位コイルのアンペアターンも、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×（４＋３）＝７Ｉ／４となっている。
【００３７】
上記した構成の固定子２によれば、図１２に示す比較例の巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルの最大ターン数を少なくすることができるので、各単位コイルの最大電位差を小さくすることができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
[第４の実施形態]
図１３及び図１４に示す第４の実施形態においては、Ｕ相コイル５ｕは、４つのコイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''が並列に接続されて構成される。コイル列５ｕ１'''は、コイルＵ１〜Ｕ９が直列に接続されて構成されている。同様にして、コイル列５ｕ２'''は、コイルＵ１'〜Ｕ９'から構成され、コイル列５ｕ３'''は、コイルＵ１''〜Ｕ９''から構成され、コイル列５ｕ４'''は、コイルＵ１'''〜Ｕ９'''から構成されている。
【００３９】
なお、コイル列５ｕ１'''のコイルＵ１〜Ｕ３，Ｕ４〜Ｕ６，Ｕ７〜Ｕ９、コイル列５ｕ２'''のコイルＵ３'〜Ｕ５'，Ｕ６'〜Ｕ８'、コイル列５ｕ３'''のコイルＵ２''〜Ｕ４''，Ｕ５''〜Ｕ７''、コイル列５ｕ４'''のコイルＵ１'''〜Ｕ３'''，Ｕ４'''〜Ｕ６'''，Ｕ７'''〜Ｕ９'''は、交互に逆回りになるように巻回されている。
【００４０】
各コイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''の各始端コイルＵ１，Ｕ１'，Ｕ１''，Ｕ１'''の一端が電源入力端子Ｐｕに接続され、各終端コイルＵ９，Ｕ９'，Ｕ９''，Ｕ９'''の一端が中性点端子Ｎに接続される。
そして、コイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''は、共に各始端コイルの一端から電源が入力され、各コイルＵ１〜Ｕ９，Ｕ１'〜Ｕ９'，Ｕ１''〜Ｕ９''，Ｕ１'''〜Ｕ９'''は、図１３に示す上下に対応するコイルどうしは同一の極性となる。
【００４１】
このような構成の４つのコイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''をすべて重ね合わせて、上下に対応するコイルどうしで１個の単位コイルが構成されるとともに、１個の磁極が形成される。これにより、１２個の単位コイルＣ１〜Ｃ６及びＤ１〜Ｄ６（図１４参照）が構成され、１２個の磁極が形成される。各単位コイルは３個のコイルから構成され、各単位コイルのターン数は、すべて「３」になっている。
【００４２】
図１４に示すように、コイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''を重ね合わせて構成された１２個の単位コイルＣ１〜Ｃ６及びＤ１〜Ｄ６が、周方向に隣接して固定子鉄心４の全周にわたって配置されて構成されている。この１２個の単位コイルＣ１〜Ｃ６及びＤ１〜Ｄ６の極性は、交互に異なるようになっている。
【００４３】
具体的には、コイルＵ１，Ｕ１'，Ｕ１''で単位コイルＣ１が形成され、以下同様に、コイルＵ２，Ｕ２'，Ｕ１'''、コイルＵ３，Ｕ２''，Ｕ２'''、コイルＵ３'，Ｕ３''，Ｕ３'''、コイルＵ４，Ｕ４'，Ｕ４''、コイルＵ５，Ｕ５'，Ｕ４'''、コイルＵ６，Ｕ５''，Ｕ５'''、コイルＵ６'，Ｕ６''，Ｕ６'''、コイルＵ７，Ｕ７'，Ｕ７''、コイルＵ８，Ｕ８'，Ｕ７'''、コイルＵ９，Ｕ８''，Ｕ８'''、コイルＵ９'，Ｕ９''，Ｕ９'''で、それぞれ単位コイルＤ１，Ｃ２，Ｄ２，Ｃ３，Ｄ３，Ｃ４，Ｄ４，Ｃ５，Ｄ５，Ｃ６，Ｄ６が形成され、これらが時計回りに順に配置されている。
なお、Ｖ相コイル５ｖ及びＷ相コイル５ｗについても、Ｕ相コイル５ｕと同様に構成される。
【００４４】
図１５は、第４の実施形態に対する固定子コイルの巻線構造を示す比較例であり、第４の実施形態の固定子２と同じ出力特性を有する。この構成のものでは、１２個の単位コイルＣ１'〜Ｃ６'及びＤ１'〜Ｄ６'がそれぞれ並列に接続されている。１２個の単位コイルＣ１'〜Ｃ６'及びＤ１'〜Ｄ６'それぞれの一端が電源入力端子Ｐｕに接続され、他端が中性点端子Ｎに接続される。そして、各単位コイルのターン数はすべて「９」となっている。１相あたりの電流をＩ〔アンペア〕とすると、各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷１２×９＝９Ｉ／１２＝３Ｉ／４となる。同じように、第４の実施形態の各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×（１＋１＋１）＝３Ｉ／４となっている。
【００４５】
上記した構成の固定子２によれば、図１５に示す比較例の巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルの最大ターン数を少なくすることができるので、各単位コイルの最大電位差を小さくすることができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
上記実施形態では、１２極の場合について述べたが、例えば、８極、１６極など、磁極の数は適宜変更してよい。また、上記したように各単位コイルのターン数も適宜変更してよい。
また、各コイル列を構成するコイルのターン数も適宜変更してよく、例えば、すべて異なるターン数のコイルにより各コイル列を構成してもよい。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４７】
以上の実施形態の固定子コイルは、以下に示される関係式に基づいて構成されている。まず、ｍ個のコイル列が並列に接続され、各コイル列が直列に接続されたｋ個のコイルから構成されているものとする。
また、ｍ個のコイル列のうち、１番目のコイル列のｋ個のコイルのターン数が、ｎ1,1，ｎ1,2，・・・，ｎ1,k-1，ｎ1,k、２番目のコイル列のｋ個のコイルのターン数が、ｎ2,1，ｎ2,2，・・・，ｎ2,k-1，ｎ2,k、・・・、ｍ−１番目のコイル列のｋ個のコイルのターン数が、ｎm-1,1，ｎ1,2，・・・，ｎm-1,k-1，ｎm-1,k、ｍ番目のコイル列のｋ個のコイルのターン数が、ｎm,1，ｎm,2，・・・，ｎm,k-1，ｎm,kと表せるものとする。
このとき、各コイルのターン数は、以下の式に示す関係にある。ただし、ｍ≧２とする。
【００４８】
【数１】
【００４９】
【数２】
【００５０】
式（１）は、ｍ個のコイル列において、各コイル列を構成するｋ個のコイルのターン数の和がどれも等しくなることを表している。
式（２）は、ｍ個のコイル列それぞれのｋ番目のコイルどうしのターン数の和が、どれも等しくなることを表している。すなわち、上記した各単位コイルのターン数が等しくなることを表している。
【００５１】
このような条件式に基づいて構成される本実施形態の固定子によれば、各単位コイルを２個以上のコイルから構成しているので、比較例の各単位コイルを１個のコイルから構成している巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルにおける最大電位差を小さくすることができる。これにより、同相間絶縁性能を確保することができ、高電圧化に対応できる。
上記した条件式に基づいて構成される固定子を備えた回転電機によれば、同相間絶縁性能を確保できることから絶縁物の補強の必要がなく、高電圧化に対応した固定子を備えているので、小型にして高出力化を図ることができる。
【符号の説明】
【００５２】
図面中、１は永久磁石電動機（回転電機）、２は固定子、３は回転子、４は固定子鉄心、５は固定子コイル、５ｕはＵ相コイル、５ｖはＶ相コイル、５ｗはＷ相コイル、５ｕ１，５ｕ２，５ｕ１'〜５ｕ４'，５ｕ１''〜５ｕ４''，５ｕ１'''〜５ｕ４'''はコイル列、Ｕ１〜Ｕ１２，Ｕ１'〜Ｕ１２'，Ｕ１''〜Ｕ９''，Ｕ１'''〜Ｕ９'''はコイル、Ａ１〜Ａ６，Ａ１'〜Ａ６'，Ｂ１〜Ｂ６，Ｂ１'〜Ｂ６'，Ｃ１〜Ｃ６，Ｃ１'〜Ｃ６'，Ｄ１〜Ｄ６，Ｄ１'〜Ｄ６'は単位コイル、Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗは電源入力端子、Ｎは中性点端子を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機の固定子、及びこの固定子を備えた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車やハイブリッド自動車に駆動電動機として搭載される車両用の回転電機において、固定子を構成する複数相の固定子コイルの各相の固定子コイルとして、複数の単位コイルが直列に接続されて構成されるコイル列を複数個、例えば２個並列に接続したものがある。この複数の単位コイルは、各々が磁極を形成するように固定子鉄心に巻装される。
【０００３】
このような固定子コイルの各単位コイルの巻回方法として、隣極接続と呼ばれるものがある。例えば、一相が８個の単位コイルから構成されるものの場合、その８個の単位コイルは、第１コイル列と第２コイル列とに二分される。これら第１及び第２コイル列の各単位コイルは、交互に逆極性になるようにして直列に接続される。そして、第１及び第２コイル列の直列回路が並列に接続される。この第１及び第２コイル列からなる並列回路において、一方の共通接続点は電源入力端子に接続され、他方の共通接続点は中性点端子に接続されている。
このような構成のものでは、同相の単位コイル間の絶縁（同相間絶縁）は、各単位コイルを構成する導線のエナメル被膜により行われるようになっている。
【０００４】
ところで、電気自動車やハイブリット自動車などの車両用モータにおいては、小型にして高出力を得るために、印加電圧（使用電圧）を高くするようになってきており、使用電圧が高い場合には、同相単位コイル間の電位差が大きくなり、絶縁性能を確保できないおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０９７９６号公報（図７、図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、同相間絶縁性能を確保でき、高電圧化に対応し、小型にして高出力化を図ることができる回転電機の固定子、及びこの固定子を備えた回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の回転電機の固定子は、複数の単位コイルが連結されてなる複数相の固定子コイルが固定子鉄心に巻装される。各相の固定子コイルは、複数のコイルを直列に接続してなる複数のコイル列が各相の電源入力端子に接続されて構成される。この複数列のコイル列の各ターン数が等しくなるように設定される。各相の複数の単位コイルは、前記複数のコイル列のうちの２つ以上のコイル列のコイルを組み合わせて構成され、ターン数が等しくなるように設定されている。
また、本実施形態の回転電機は、上記した固定子と、この固定子の界磁空間に配置された回転子とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態のＵ相の固定子コイルの接続構成を模式的に示す図
【図２】Ｕ相の固定子コイルの配置及び接続構成を簡略的に示す図
【図３】永久磁石電動機の構成を示す概略図
【図４】Ｕ相の固定子コイルの等価回路を示す図
【図５】三相の固定子コイルの等価回路を模式的に示す図
【図６】第１の実施形態との比較例を示す図１相当図
【図７】第２の実施形態を示す図１相当図
【図８】図２相当図
【図９】第２の実施形態との比較例を示す図１相当図
【図１０】第３の実施形態を示す図１相当図
【図１１】図２相当図
【図１２】第３の実施形態との比較例を示す図１相当図
【図１３】第４の実施形態を示す図１相当図
【図１４】図２相当図
【図１５】第４の実施形態との比較例を示す図１相当図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[第１の実施形態]
以下、本発明を電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられるインバータ駆動方式の永久磁石電動機に適用した第１の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
図３に示すように、永久磁石電動機１（回転電機）は、固定子２及び回転子３を備えている。固定子２は、固定子鉄心４に、複数相、例えば三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の固定子コイル５（Ｕ相コイル５ｕ、Ｖ相コイル５ｖ、Ｗ相コイル５ｗ）が巻装された構成である。固定子鉄心４は、電磁鋼板からなる複数枚の円環状の鉄心材を積層して一体的に結着することで形成されていて、円筒状をなしている。
【００１０】
固定子鉄心４の内周には、各相の固定子コイル５ｕ〜５ｗを収納するための７２個のスロット６が等角度で形成されている。各スロット６の内部にはそれぞれスロット絶縁紙（図示しない）が配置されていて、これにより、固定子鉄心４とスロット６内に配設される各相の固定子コイル５ｕ〜５ｗとの間が絶縁されるようになっている。
【００１１】
回転子３は、回転子鉄心７と、回転子鉄心７の内周側に設けられている回転軸８とを備えている。回転子鉄心７は、電磁鋼板からなる複数枚の円環状の鉄心材を積層して一体的に結着することで形成されていて、円筒状をなしている。回転子３は、固定子２の界磁空間に、その外周面と固定子２の内周面との間に僅かな隙間（エアギャップ）を隔てて配置され、固定子２に対して回転可能になっている。回転軸８は、回転子鉄心７を鉄心材の積層方向に貫いており、回転子鉄心７に固定されている。
【００１２】
回転子鉄心７の外周部には、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる一対の磁性体スロット９が複数対、例えば１２対（１２極）、周方向に一定の間隔を存して設けられていて、これらは回転子鉄心７を鉄心材の積層方向に貫いている。各磁性体スロット９には永久磁石１０が挿入されている。一対の永久磁石１０は、回転子鉄心７の外周側において極性（Ｎ極、Ｓ極）が交互に逆になるように配置され、永久磁石電動機１の磁極を形成している。
【００１３】
図４は、Ｕ相の固定子コイル５ｕの等価回路を示している。Ｕ相コイル５ｕは、２つのコイル列５ｕ１，５ｕ２が並列に接続されて構成されている。コイル列５ｕ１は、１２個のコイルＵ１〜Ｕ１２が直列に接続されたものである。コイル列５ｕ２は、１２個のコイルＵ１'〜Ｕ１２'が直列に接続されたものである。そして、これらコイル列５ｕ１，５ｕ２の各一方の端子が電源入力端子Ｐｕに接続され、各他方の端子が中性点端子Ｎに接続されている。なお、Ｖ相コイル５ｖ、Ｗ相コイル５ｗもＵ相コイル５ｕと同様の構成となっている。
【００１４】
図５は、三相の固定子コイル５ｕ，５ｖ，５ｗの巻線構造の模式図を示している。Ｕ相コイル５ｕ、Ｖ相コイル５ｖ、Ｗ相コイル５ｗは、中性点端子Ｎを介してスター結線されている。そして、これらスター結線されたＵ相コイル５ｕ、Ｖ相コイル５ｖ、Ｗ相コイル５ｗの各一方の端子は、三相の電源入力端子Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗに接続されている。
【００１５】
図１は、Ｕ相コイル５ｕにおける各コイルの接続構成を模式的に示す図で、図１に示すように、各コイルは渡り線を介して接続されている。Ｕ相コイル５ｕは、中性点端子Ｎを巻き始め端として巻装が開始され、コイルＵ１２，Ｕ１１，Ｕ１０，Ｕ９，Ｕ８，Ｕ７，Ｕ６，Ｕ５，Ｕ４，Ｕ３，Ｕ２，Ｕ１の順に、交互に逆回りになるように巻回される。次に、コイルＵ１'，Ｕ２'，Ｕ３'，Ｕ４'，Ｕ５'，Ｕ６'，Ｕ７'，Ｕ８'，Ｕ９'，Ｕ１０',Ｕ１１'，Ｕ１２'の順に，交互に逆回りになるように巻回され、中性点端子Ｎを巻き終わり端として巻装が終了される。
【００１６】
コイルＵ１とコイルＵ１'との間の渡り線は切断され、コイル列５ｕ１，５ｕ２の各始端となり、Ｕ相の電源が供給される電源入力端子Ｐｕに接続される。一方、コイル列５ｕ１，５ｕ２の各他端であるコイルＵ１２の巻き始め端及びコイルＵ１２'の巻き終わり端は、中性点端子Ｎに接続される。
ここで、コイルＵ１〜Ｕ１２のターン数（巻数）は、図１に示すように、順に、「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」となっている。また、コイルＵ１'〜Ｕ１２'のターン数は、順に、「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」，「３」，「４」となっている。
【００１７】
そして、コイル列５ｕ１，５ｕ２は、共に各始端から電源が入力され、各コイルＵ１〜Ｕ１２，Ｕ１'〜Ｕ１２'は、交互に逆回りになるように巻回されているので、交互に異なる極性となり、図１に示す上下に対応するコイルどうしは同一の極性となる。このような構成のコイル列５ｕ１と５ｕ２とを重ね合わせて、上下に対応するコイルどうしで、１個の単位コイルが構成されるとともに、１個の磁極が形成される。これにより、１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６（図２参照）が構成され、１２個の磁極が形成される。各単位コイルのターン数は、２個のコイルのターン数をたし合わせて、すべて「７」になっている。
【００１８】
図２は、Ｕ相コイル５ｕの配置及び接続構成を簡略的に示す図である。図２に示すように、コイル列５ｕ１と５ｕ２とを重ね合わせて形成された１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６が、周方向に隣接して固定子鉄心４の全周にわたって配置されて構成されている。この１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６の極性は、交互に異なるようになっている。
具体的には、コイルＵ１及びＵ１'で１個の単位コイルＡ１が形成され、以下同様に、コイルＵ２及びＵ２'、コイルＵ３及びＵ３'、・・・、コイルＵ１１及びＵ１１'、コイルＵ１２及びＵ１２'で、それぞれ単位コイルＢ１，Ａ２，・・・，Ａ６，Ｂ６が形成され、これらが時計回りに順に配置されている。
【００１９】
なお、図３に示すように、Ｖ相コイル５ｖは、固定子鉄心４のスロット６に、Ｕ相コイル５ｕに対して右回りに４スロットずらして、上記したＵ相コイル５ｕと同様に各単位コイル間を渡り線で接続されて収納されている。また、Ｗ相コイル５ｗも、固定子鉄心４のスロット６に、Ｖ相コイル５ｖに対して右回りに４スロットずらして、上記したＵ相コイル５ｕと同様に各単位コイル間を渡り線で接続されて収納されている。
【００２０】
各相の固定子コイル５ｕ〜５ｗにおいて、異相間（Ｕ相とＶ相とのコイルエンド部間、Ｖ相とＷ相とのコイルエンド部間）は、図示しない相間絶縁紙により絶縁されるようになっている。これに対し、同相の各単位コイル間（例えばＵ相の場合、コイル列５ｕ１の各コイルＵ１〜Ｕ１２の隣接するコイルエンド部間及びコイル列５ｕ２の各コイルＵ１'〜Ｕ１２'の隣接するコイルエンド部間）は、各コイルを構成する導線のエナメル被膜により絶縁されるようになっている。
【００２１】
この場合、Ｕ相コイル５ｕにおいて、Ｕ相コイル５ｕとＶ相コイル５ｖとのコイルエンド部間の相間絶縁紙の一部を折り曲げて、この折曲部を単位コイルＡ１（コイルＵ１，Ｕ１'）と単位コイルＢ６（コイルＵ１２，Ｕ１２'）との間に同相間絶縁紙として挿入するとよい。他のＶ相コイル５ｖ及びＷ相コイル５ｗについても同様である。
【００２２】
図６は、第１の実施形態に対する固定子コイルの巻線構造を示す比較例であり、第１の実施形態の固定子２と同じ出力特性を有する。この構成のものでは、６個の単位コイルＡ１'〜Ａ３'及びＢ１'〜Ｂ３'が直列に接続されたコイル列と、６個の単位コイルＡ４'〜Ａ６'及びＢ４'〜Ｂ６'が直列に接続されたコイル列との２つのコイル列が並列に接続されている。各単位コイルのターン数はすべて「７」ターンとなっている。１相あたりの電流をＩ〔アンペア〕とすると、各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷２×７＝７Ｉ／２となる。第１の実施形態の各単位コイルのアンペアターンも、同じように、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷２×（４＋３）＝７Ｉ／２となっている。
【００２３】
上記した構成の固定子２によれば、各単位コイルを２個のコイルから構成しているので、図６に示す比較例の巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルにおける最大電位差を小さくすることができる。これにより、絶縁性能を向上させることができ、高電圧化に対応できる。
すなわち、本実施形態では、図１に示すように、各単位コイルを構成する２個のコイルのターン数は「３」か「４」であるので、１個の単位コイルあたりの最大ターン数は「４」となり、単位コイルの分担電圧の割合は、４÷｛（４＋３）×６｝＝２／２１になる。これに対して、比較例では、１個の単位コイルあたりのターン数は「７」であり、単位コイルの分担電圧の割合は、７÷（７×６）＝１／６になる。単位コイルあたりの電位差はターン数が少ないほど小さくなることから、本実施形態の固定子２の方が比較例に比べて、単位コイルあたりの最大電位差を４／７に小さくすることができるのである。
そして、単位コイルの分担電圧を小さくすることができるので、同相の各コイル間に絶縁物を補強する必要がなく、充分に同相間絶縁性能を確保できる。
【００２４】
上記した構成の回転電機１によれば、同相間絶縁性能を確保できることから絶縁物の補強の必要がなく、高電圧化に対応した固定子２を備えているので、小型にして高出力化を図ることができる。
なお、本実施形態では、各単位コイルは、ターン数が「７」であり、ターン数が「３」か「４」の２個のコイルから構成されているが、各単位コイルのターン数は、適宜変更してよい。例えば、各単位コイルを２個のコイルから構成し、各単位コイルのターン数を「８」として、各コイルのターン数をすべて「４」とする構成にしてもよい。
【００２５】
次に、第２、第３、第４の実施形態について、図７〜図１５を参照して説明する。なお、図７〜図１５には上記第１の実施形態と同一部分には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてだけ説明する。
【００２６】
[第２の実施形態]
図７及び図８に示す第２の実施形態においては、Ｕ相コイル５ｕは、４つのコイル列５ｕ１'，５ｕ２'，５ｕ３'，５ｕ４'が並列に接続されて構成される。コイル列５ｕ１'は、コイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６が、交互に逆回りに巻回され、直列に接続されて構成されている。同様にして、コイル列５ｕ２'は、コイルＵ１'〜Ｕ６'から構成され、コイル列５ｕ３'は、コイルＵ１''〜Ｕ６''から構成され、コイル列５ｕ４'は、コイルＵ１'''〜Ｕ６'''から構成されている。
各コイル列５ｕ１'，５ｕ２'，５ｕ３'，５ｕ４'の各始端コイルＵ１，Ｕ１'，Ｕ１''，Ｕ１'''の一端が電源入力端子Ｐｕに接続され、各終端コイルＵ６，Ｕ６'，Ｕ６''，Ｕ６'''の一端が中性点端子Ｎに接続される。
【００２７】
そして、コイル列５ｕ１'，５ｕ２'，５ｕ３'，５ｕ４'は、共に各始端コイルの一端から電源が入力され、各コイルＵ１〜Ｕ６，Ｕ１'〜Ｕ６'，Ｕ１''〜Ｕ６''，Ｕ１'''〜Ｕ６'''は、交互に逆回りになるように巻回されているので、交互に異なる極性となり、図７に示す上下に対応するコイルどうしは同一の極性となる。このような構成のコイル列５ｕ１'と５ｕ３'、コイル列５ｕ２'と５ｕ４'をそれぞれ重ね合わせて、上下に対応するコイルどうしで１個の単位コイルが構成されるとともに、１個の磁極が形成される。これにより、１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６（図８参照）が構成され、１２個の磁極が形成される。各単位コイルのターン数は、すべて「７」になっている。
【００２８】
図８に示すように、コイル列５ｕ１'と５ｕ３'、コイル列５ｕ２'と５ｕ４'をそれぞれ重ね合わせて形成された１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６が、周方向に隣接して固定子鉄心４の全周にわたって配置されて構成されている。この１２個の単位コイルの極性は、交互に異なるようになっている。
具体的には、コイルＵ１及びＵ１''で単位コイルＡ１が構成され、以下同様に、コイルＵ２及びＵ２''、・・・、コイルＵ６及びＵ６''で、それぞれ単位コイルＢ１、・・・、Ｂ３が構成され、これらが時計回りに順に配置されている。また、コイルＵ１'及びＵ１'''、コイルＵ２'及びＵ２'''、・・・、コイルＵ６'及びＵ６'''で、それぞれ単位コイルＢ４，Ａ４，・・・，Ａ６が形成され、これらが反時計回りに順に配置されている。
なお、Ｖ相コイル５ｖ及びＷ相コイル５ｗについても、Ｕ相コイル５ｕと同様に構成される。
【００２９】
図９は、第２の実施形態に対する固定子コイルの巻線構造を示す比較例であり、第２の実施形態の固定子２と同じ出力特性を有する。この構成のものでは、それぞれ３個のコイルＡ１'，Ｂ１'，Ａ２'と、Ｂ２'，Ａ３'，Ｂ３'と、Ａ４'，Ｂ４'，Ａ５'と、Ｂ５'，Ａ６'，Ｂ６'とが直列に接続された４つのコイル列が並列に接続されている。各単位コイルのターン数はすべて「７」ターンとなっている。１相あたりの電流をＩ〔アンペア〕とすると、各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×７＝７Ｉ／４となる。第２の実施形態の各単位コイルのアンペアターンも、同じように、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×（４＋３）＝７Ｉ／４となる。
【００３０】
上記した構成の固定子２によれば、図９に示す比較例の巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルの最大ターン数を少なくすることができるので、各単位コイルの最大電位差を小さくすることができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
[第３の実施形態]
図１０及び図１１に示す第３の実施形態においては、Ｕ相コイル５ｕは、４つのコイル列５ｕ１''，５ｕ２''，５ｕ３''，５ｕ４''が並列に接続されて構成される。コイル列５ｕ１''は、コイルＵ１〜Ｕ６が、同じ方向に巻回され、直列に接続されて構成されている。同様にして、コイル列５ｕ２''は、コイルＵ１'〜Ｕ６'から構成され、コイル列５ｕ３''は、コイルＵ１''〜Ｕ６''から構成され、コイル列５ｕ４''は、コイルＵ１'''〜Ｕ６'''から構成されている。
各コイル列５ｕ１''，５ｕ２''，５ｕ３''，５ｕ４''の各始端コイルＵ１，Ｕ１'，Ｕ１''，Ｕ１'''の一端が電源入力端子Ｐｕに接続され、各終端コイルＵ６，Ｕ６'，Ｕ６''，Ｕ６'''の一端が中性点端子Ｎに接続される。
【００３２】
そして、コイル列５ｕ１''，５ｕ２''，５ｕ３''，５ｕ４''は、共に各始端コイルの一端から電源が入力される。コイル列５ｕ１''の各コイルＵ１〜Ｕ６と、コイル列５ｕ２''の各コイルＵ１'〜Ｕ６'は、すべて同一の極性となる。また、コイル列５ｕ３''の各コイルＵ１''〜Ｕ６''と、コイル列５ｕ４''の各コイルＵ１'''〜Ｕ６'''は、すべて同一の極性となる。コイル列５ｕ１''及び５ｕ２''の各コイルと、コイル列５ｕ３''及び５ｕ４''の各コイルとは逆極性になる。
【００３３】
このような構成のコイル列５ｕ１''と５ｕ２''、コイル列５ｕ３''と５ｕ４''をそれぞれ重ね合わせて、上下に対応するコイルどうしで１個の単位コイルが構成されるとともに、１個の磁極が形成される。そして、コイル列５ｕ１''及び５ｕ２''とコイル列５ｕ３''及び５ｕ４''を上下に対応させて重ね合わせる。これにより、１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６（図１１参照）が構成され、１２個の磁極が形成される。各単位コイルのターン数は、すべて「７」になっている。
【００３４】
図１１に示すように、コイル列５ｕ１''及び５ｕ２''を重ね合わせて構成された６個の単位コイルＡ１〜Ａ６と、コイル列５ｕ３''及び５ｕ４''を重ね合わせて構成された６個の単位コイルＢ１〜Ｂ６とが、周方向に隣接せずに１つ置きとなるように交互に固定子鉄心４の全周にわたって配置されて構成されている。この１２個の単位コイルＡ１〜Ａ６及びＢ１〜Ｂ６の極性は、交互に異なるようになっている。
【００３５】
具体的には、コイルＵ１及びＵ１'で単位コイルＡ１が構成され、以下同様に、コイルＵ２及びＵ２'，・・・，コイルＵ６及びＵ６'で、それぞれ単位コイルＡ２，・・・，Ａ６が構成され、これらが時計回りに順に１つ置きに配置されている。また、コイルＵ１''及びＵ１'''、コイルＵ２''及びＵ２'''、・・・、コイルＵ６''及びＵ６'''で、それぞれ単位コイルＢ１，Ｂ２，・・・，Ｂ６が形成され、これらが反時計回りに順に１つ置きに配置されている。
なお、Ｖ相コイル５ｖ及びＷ相コイル５ｗについても、Ｕ相コイル５ｕと同様に構成される。
【００３６】
図１２は、第３の実施形態に対する固定子コイルの巻線構造を示す比較例であり、第３の実施形態の固定子２と同じ出力特性を有する。この構成のものでは、３個の単位コイルＡ１'〜Ａ３'と、Ｂ１'〜Ｂ３'と、Ａ４'〜Ａ６'と、Ｂ４'〜Ｂ６'とが直列に接続された４つのコイル列が並列に接続されている。各コイル列の単位コイルが隣接せずに１つ置きとなるように交互に配置されて構成され、各単位コイルの極性は、交互に異なるようになっている。各単位コイルのターン数はすべて「７」ターンとなっている。１相あたりの電流をＩ〔アンペア〕とすると、各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×７＝７Ｉ／４となる。同じように、第３の実施形態の各単位コイルのアンペアターンも、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×（４＋３）＝７Ｉ／４となっている。
【００３７】
上記した構成の固定子２によれば、図１２に示す比較例の巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルの最大ターン数を少なくすることができるので、各単位コイルの最大電位差を小さくすることができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
[第４の実施形態]
図１３及び図１４に示す第４の実施形態においては、Ｕ相コイル５ｕは、４つのコイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''が並列に接続されて構成される。コイル列５ｕ１'''は、コイルＵ１〜Ｕ９が直列に接続されて構成されている。同様にして、コイル列５ｕ２'''は、コイルＵ１'〜Ｕ９'から構成され、コイル列５ｕ３'''は、コイルＵ１''〜Ｕ９''から構成され、コイル列５ｕ４'''は、コイルＵ１'''〜Ｕ９'''から構成されている。
【００３９】
なお、コイル列５ｕ１'''のコイルＵ１〜Ｕ３，Ｕ４〜Ｕ６，Ｕ７〜Ｕ９、コイル列５ｕ２'''のコイルＵ３'〜Ｕ５'，Ｕ６'〜Ｕ８'、コイル列５ｕ３'''のコイルＵ２''〜Ｕ４''，Ｕ５''〜Ｕ７''、コイル列５ｕ４'''のコイルＵ１'''〜Ｕ３'''，Ｕ４'''〜Ｕ６'''，Ｕ７'''〜Ｕ９'''は、交互に逆回りになるように巻回されている。
【００４０】
各コイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''の各始端コイルＵ１，Ｕ１'，Ｕ１''，Ｕ１'''の一端が電源入力端子Ｐｕに接続され、各終端コイルＵ９，Ｕ９'，Ｕ９''，Ｕ９'''の一端が中性点端子Ｎに接続される。
そして、コイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''は、共に各始端コイルの一端から電源が入力され、各コイルＵ１〜Ｕ９，Ｕ１'〜Ｕ９'，Ｕ１''〜Ｕ９''，Ｕ１'''〜Ｕ９'''は、図１３に示す上下に対応するコイルどうしは同一の極性となる。
【００４１】
このような構成の４つのコイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''をすべて重ね合わせて、上下に対応するコイルどうしで１個の単位コイルが構成されるとともに、１個の磁極が形成される。これにより、１２個の単位コイルＣ１〜Ｃ６及びＤ１〜Ｄ６（図１４参照）が構成され、１２個の磁極が形成される。各単位コイルは３個のコイルから構成され、各単位コイルのターン数は、すべて「３」になっている。
【００４２】
図１４に示すように、コイル列５ｕ１'''，５ｕ２'''，５ｕ３'''，５ｕ４'''を重ね合わせて構成された１２個の単位コイルＣ１〜Ｃ６及びＤ１〜Ｄ６が、周方向に隣接して固定子鉄心４の全周にわたって配置されて構成されている。この１２個の単位コイルＣ１〜Ｃ６及びＤ１〜Ｄ６の極性は、交互に異なるようになっている。
【００４３】
具体的には、コイルＵ１，Ｕ１'，Ｕ１''で単位コイルＣ１が形成され、以下同様に、コイルＵ２，Ｕ２'，Ｕ１'''、コイルＵ３，Ｕ２''，Ｕ２'''、コイルＵ３'，Ｕ３''，Ｕ３'''、コイルＵ４，Ｕ４'，Ｕ４''、コイルＵ５，Ｕ５'，Ｕ４'''、コイルＵ６，Ｕ５''，Ｕ５'''、コイルＵ６'，Ｕ６''，Ｕ６'''、コイルＵ７，Ｕ７'，Ｕ７''、コイルＵ８，Ｕ８'，Ｕ７'''、コイルＵ９，Ｕ８''，Ｕ８'''、コイルＵ９'，Ｕ９''，Ｕ９'''で、それぞれ単位コイルＤ１，Ｃ２，Ｄ２，Ｃ３，Ｄ３，Ｃ４，Ｄ４，Ｃ５，Ｄ５，Ｃ６，Ｄ６が形成され、これらが時計回りに順に配置されている。
なお、Ｖ相コイル５ｖ及びＷ相コイル５ｗについても、Ｕ相コイル５ｕと同様に構成される。
【００４４】
図１５は、第４の実施形態に対する固定子コイルの巻線構造を示す比較例であり、第４の実施形態の固定子２と同じ出力特性を有する。この構成のものでは、１２個の単位コイルＣ１'〜Ｃ６'及びＤ１'〜Ｄ６'がそれぞれ並列に接続されている。１２個の単位コイルＣ１'〜Ｃ６'及びＤ１'〜Ｄ６'それぞれの一端が電源入力端子Ｐｕに接続され、他端が中性点端子Ｎに接続される。そして、各単位コイルのターン数はすべて「９」となっている。１相あたりの電流をＩ〔アンペア〕とすると、各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷１２×９＝９Ｉ／１２＝３Ｉ／４となる。同じように、第４の実施形態の各単位コイルのアンペアターンは、Ｉ〔アンペア〕÷（並列回路数）×（ターン数）＝Ｉ÷４×（１＋１＋１）＝３Ｉ／４となっている。
【００４５】
上記した構成の固定子２によれば、図１５に示す比較例の巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルの最大ターン数を少なくすることができるので、各単位コイルの最大電位差を小さくすることができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
上記実施形態では、１２極の場合について述べたが、例えば、８極、１６極など、磁極の数は適宜変更してよい。また、上記したように各単位コイルのターン数も適宜変更してよい。
また、各コイル列を構成するコイルのターン数も適宜変更してよく、例えば、すべて異なるターン数のコイルにより各コイル列を構成してもよい。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４７】
以上の実施形態の固定子コイルは、以下に示される関係式に基づいて構成されている。まず、ｍ個のコイル列が並列に接続され、各コイル列が直列に接続されたｋ個のコイルから構成されているものとする。
また、ｍ個のコイル列のうち、１番目のコイル列のｋ個のコイルのターン数が、ｎ1,1，ｎ1,2，・・・，ｎ1,k-1，ｎ1,k、２番目のコイル列のｋ個のコイルのターン数が、ｎ2,1，ｎ2,2，・・・，ｎ2,k-1，ｎ2,k、・・・、ｍ−１番目のコイル列のｋ個のコイルのターン数が、ｎm-1,1，ｎ1,2，・・・，ｎm-1,k-1，ｎm-1,k、ｍ番目のコイル列のｋ個のコイルのターン数が、ｎm,1，ｎm,2，・・・，ｎm,k-1，ｎm,kと表せるものとする。
このとき、各コイルのターン数は、以下の式に示す関係にある。ただし、ｍ≧２とする。
【００４８】
【数１】
【００４９】
【数２】
【００５０】
式（１）は、ｍ個のコイル列において、各コイル列を構成するｋ個のコイルのターン数の和がどれも等しくなることを表している。
式（２）は、ｍ個のコイル列それぞれのｋ番目のコイルどうしのターン数の和が、どれも等しくなることを表している。すなわち、上記した各単位コイルのターン数が等しくなることを表している。
【００５１】
このような条件式に基づいて構成される本実施形態の固定子によれば、各単位コイルを２個以上のコイルから構成しているので、比較例の各単位コイルを１個のコイルから構成している巻線構造の固定子に比べて、各単位コイルにおける最大電位差を小さくすることができる。これにより、同相間絶縁性能を確保することができ、高電圧化に対応できる。
上記した条件式に基づいて構成される固定子を備えた回転電機によれば、同相間絶縁性能を確保できることから絶縁物の補強の必要がなく、高電圧化に対応した固定子を備えているので、小型にして高出力化を図ることができる。
【符号の説明】
【００５２】
図面中、１は永久磁石電動機（回転電機）、２は固定子、３は回転子、４は固定子鉄心、５は固定子コイル、５ｕはＵ相コイル、５ｖはＶ相コイル、５ｗはＷ相コイル、５ｕ１，５ｕ２，５ｕ１'〜５ｕ４'，５ｕ１''〜５ｕ４''，５ｕ１'''〜５ｕ４'''はコイル列、Ｕ１〜Ｕ１２，Ｕ１'〜Ｕ１２'，Ｕ１''〜Ｕ９''，Ｕ１'''〜Ｕ９'''はコイル、Ａ１〜Ａ６，Ａ１'〜Ａ６'，Ｂ１〜Ｂ６，Ｂ１'〜Ｂ６'，Ｃ１〜Ｃ６，Ｃ１'〜Ｃ６'，Ｄ１〜Ｄ６，Ｄ１'〜Ｄ６'は単位コイル、Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗは電源入力端子、Ｎは中性点端子を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位コイルが連結されてなる複数相の固定子コイルが固定子鉄心に巻装される回転電機の固定子において、
前記各相の固定子コイルは、複数のコイルを直列に接続してなる複数のコイル列が各相の電源入力端子に接続されて構成され、この複数列のコイル列の各ターン数が等しくなるように設定され、
前記各相の複数の単位コイルは、前記複数のコイル列のうちの２つ以上のコイル列のコイルを組み合わせて構成され、ターン数が等しくなるように設定されていることを特徴とする回転電機の固定子。
【請求項２】
前記単位コイルのターン数が奇数のときには、前記各コイル列の複数のコイルの少なくとも一部のコイルのターン数が異なるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
【請求項３】
前記単位コイルのターン数が偶数のときには、前記各コイル列の複数のコイルのターン数がすべて等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の固定子と、
この固定子の界磁空間に配置された回転子とを備えたことを特徴とする回転電機。
【請求項１】
複数の単位コイルが連結されてなる複数相の固定子コイルが固定子鉄心に巻装される回転電機の固定子において、
前記各相の固定子コイルは、複数のコイルを直列に接続してなる複数のコイル列が各相の電源入力端子に接続されて構成され、この複数列のコイル列の各ターン数が等しくなるように設定され、
前記各相の複数の単位コイルは、前記複数のコイル列のうちの２つ以上のコイル列のコイルを組み合わせて構成され、ターン数が等しくなるように設定されていることを特徴とする回転電機の固定子。
【請求項２】
前記単位コイルのターン数が奇数のときには、前記各コイル列の複数のコイルの少なくとも一部のコイルのターン数が異なるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
【請求項３】
前記単位コイルのターン数が偶数のときには、前記各コイル列の複数のコイルのターン数がすべて等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の固定子と、
この固定子の界磁空間に配置された回転子とを備えたことを特徴とする回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−６０７８８（Ｐ２０１２−６０７８８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０１９５２（Ｐ２０１０−２０１９５２）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（５００４１４８００）東芝産業機器製造株式会社 (137)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（５００４１４８００）東芝産業機器製造株式会社 (137)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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