专利名称：绕组构造、旋转电机及旋转电机的制造方法
技术领域：
本发明涉及绕组构造和旋转电机。特别是，本发明涉及具有分布卷绕的绕组构造的旋转电机(电动机或发电机)的线圈端的小型化。
背景技术：
作为以往技术，JP4234749B公开了旋转电机的分布卷绕绕组构造。该绕组构造具有使导线两侧面重合卷绕而成的排列卷绕(整列巻き)的绕组。各相的绕组在线圈端部具有曲柄形状的部分，曲柄形状的部分配置为彼此在宽度方向接近。并且，各相的绕组跨过旋转电机的定子铁芯的多个槽地进行卷绕。
发明内容
但是，有的绕组在包含曲柄形状的非常狭小的区域内越过相邻的绕组、钻过相邻的绕组。因此，绕组被強迫进行较大的变形。为了减小变形量而将曲柄形状做得较大时，结果，线圈端的小型化变困难。本发明鉴于上述那样的问题而成，其目的在于，使具有分布卷绕的绕组构造的旋转电机的线圈端小型化。本发明的ー实施方式的旋转电机的绕组构造包括:芯，其具有槽；和线圈，其由彼此交叉地组合的第一绕组和第二绕组构成。上述线圈的各直线部被插入具有一定间隔的两个槽中的任一者，从而上述线圈被组装于上述芯。该发明的详细内容与其他的特征和优点同样地在说明书的以下的记载中进行说明，并且在添附的附图中表示。
图1是沿旋转电机的轴向的剖视图。图2是旋转电机的定子的立体图。图3A是表示线圈的一例的立体图。图3B是表示线圈的另一例子的立体图。图4是沿圆周方向将定子的一部分展开后的局部展开图。图5A是第一绕组或第二绕组的立体图。图5B是第一绕组或第二绕组的侧视图。图5C是第一绕组或第二绕组的剖视图。图6是定子的局部剖视图。图7是旋转电机的绕组回路图。图8A是表示定子的制造方法的第一エ序的图。图8B是表示定子的制造方法的第二エ序的图。图8C是表示定子的制造方法的第三エ序的图。
图8D是表示配置有绕组体的定子的图。图9A是表示多个线圈的ー侧的直线部同时插入槽的状况的端面图。图9B是完成后的定子的端面图。图10是表示在以往的通常的分布卷绕的绕组中应用排列卷绕后的绕组构造的图。
具体实施例方式以下，參照附图对用于实施本发明的实施方式进ー步详细说明。图1表示具有实施方式的绕组构造的旋转电机的轴向的概略剖视图。旋转电机作为电动机或发电机又或作为这两者发挥作用。旋转电机I包括定子(ステータ)2、与定子2同轴地配置的转子(ロータ)3、容纳定子2和转子3的壳体4。定子2和转子3具有大致圆环状的形状，定子2包围转子3的外周地配置。转子3在中心部安装有旋转轴5，旋转轴5经由轴承6被壳体4支承为能够旋转。由此，转子3能够相对于固定于壳体4的定子2进行旋转。转子3具有在周向等间隔地配置的多个永磁体7。转子3在永磁体的、因定子2的绕组体11供给的旋转磁通而产生的反作用力的作用下以旋转轴5为中心进行旋转。图2表示定子2的立体图。定子2包括大致圆环状的定子铁芯10和安装于定子铁芯(固定子コァ)10的内周部的绕组体11。定子铁芯10包括大致环状的主体部IOa和自主体部IOa向半径方向突出的多个齿部(ティース)10b。在相邻的齿部IOb之间，形成容纳绕组体11的槽12。多个齿部IOb在周向以规定的角度间隔配置。多个槽12也在周向以规定的角度间隔配置。绕组体11由相对于槽12分布卷绕的多个线圈14构成。多个线圈14由各相的线圈14构成。图3A和图3B是表示单个的线圈14的立体图。图4是将大致圆环状的定子2沿圆周方向展开后的局部展开图。如图3A和图3B所示，线圈14由ー对的第一绕组15和第二绕组16构成。第一绕组15和第二绕组16在连接部35将各自的导线30连接起来而构成一个线圈14。导线30是铜线等的金属线。第一绕组15的上侧和下侧的线圈端部15a、15b分别具有向旋转电机I的旋转轴方向弯曲的第一曲柄形状部15aA、15bA。并且，第一绕组15的上侧和下侧的线圈端部15a、15b分别具有向旋转电机I的半径方向弯曲的第二曲柄形状部15aB、15bB。另夕卜，线圈端部是绕组的位于定子铁芯10 (齿部IOb)的轴向端面之上的部分。并且，第二绕组16的上侧和下侧的线圈端部16a、16b分别具有向旋转电机I的旋转轴方向弯曲的第一曲柄形状部16aA、16bA。第二绕组16的上侧和下侧的线圈端部16a、16b分别具有向旋转电机I的半径方向弯曲的第二曲柄形状部16aB、16bB。如图3A和图3B的虚线的环所示，第一绕组15的第一曲柄形状部15aA、15bA和第ニ曲柄形状部15aB、15bB分别相对于第二绕组16的第二曲柄形状部16aB、16bB和第一曲柄形状部16aA、16bA嵌入井分别与该第二曲柄形状部16aB、16bB和第一曲柄形状部16aA、16bA相交叉。S卩，第一绕组15的向旋转轴方向弯曲的第一曲柄形状部15aA、15bA和第二绕组16的向半径方向弯曲的第二曲柄形状部16aB、16bB相对地交叉。第一绕组15的向半径方向弯曲的第二曲柄形状部15aB、15bB和第二绕组16的向旋转轴方向弯曲的第一曲柄形状部16aA、16bA相对地交叉。采用该结构，不会再发生有的绕组在非常狭小的区域内进行越过被安装在相邻的槽中的绕组和钻过被安装在相邻的槽中的绕组这两种情況。(參照图4、图9B)。因此，绕组不承受较大变形，与以往技术相比较，能够使线圈端小型化。并且，由于不需要使线圈端部自槽较大地离开，因此与以往技术、普通的分布卷绕相比，能够使大幅的线圈端小型化。如图4所示，由于存在第一曲柄形状部和第二曲柄形状部，ー线圈14 (第一线圈)的第一绕组15钻过相邻的另ー线圈14’(第二线圈)的第一绕组15’的线圈端部并进入槽。相反地，该相邻的线圈14’的第二绕组16’钻过线圈14的第二绕组16的线圈端部并进入槽。并且，一线圈14的第一绕组15在齿部IOb之上与相邻的线圈14’的第二绕组16’彼此平行地延伸且错位地重叠(也參照图9B)。S卩，在齿部IOb之上，线圈14的第一绕组15在与旋转电机I的轴向垂直的方向(即半径方向)上与相邻的线圈14’的第二绕组16’相邻接地延伸。ー线圈14的第二绕组16在齿部IOb之上与相邻的线圈14’的第一绕组15’彼此平行地延伸且错位地重叠。即，在齿部IOb之上，线圈14的第二绕组16在与旋转电机I的轴向垂直的方向(即半径方向)上与相邻的线圈14’的第一绕组15’相邻接地延伸。由此，绕组的填充系数提高，旋转电机I的输出转矩变大。另外，绕组的填充系数是指，槽内部的导线30 (包含覆膜)的总截面积除以与旋转轴垂直的方向的槽截面积所得的結果。线圈14嵌入具有一定间隔的两个槽中，从而被安装于定子铁芯10。S卩，第一绕组15和第二绕组16的直线部(线圈的直线部)插入具有一定间隔的两个槽的任一者中。这里，在ー个槽12a中，第一绕组15的左侧直线部15c位于比第二绕组16的左侧直线部16c靠旋转电机I的半径方向外侧的位置。在另ー个槽12b中，第一绕组15的右侧直线部15d位于比第二绕组16的右侧直线部16d靠旋转电机I的半径方向外侧的位置。供线圈14插入的上述两个槽的间隔、即绕组节距(コイルピッチ)设定为2。即，线圈14 (第一绕组、第二绕组)以隔着一个槽的形式卷绕在彼此相邻的两个齿部的周围。该情况下，在所有的绕组节距中，能够使旋转电机I的线圈端最大程度地小型化。另外，在位于定子铁芯10的轴向端面之上的线圈端，线圈(绕组对)的数量与绕组节距相同。因此，绕组节距较大时，需要使较多的绕组对在曲柄形状部交叉，从而由于定子2的组装时的间隙、曲柄形状部的微妙的膨胀导致小型化的效果变弱。另ー方面，绕组节距为I的情况下，为普通的集中卷绕，不需要进行交叉。因此，绕组节距为2的情况下，能够最大限度地小型化。线圈端部的第一绕组15和第二绕组16的交叉次数为两次。绕组节距为2的情况下，若最少交叉两次，则安装于ー槽的绕组仅进行越过安装于相邻的槽的绕组和钻过安装于该相邻的槽的绕组的任一者，从而不较大弯曲地进行卷绕。图5A和图5B详细表不第一绕组15和第二绕组16。第一绕组15和第二绕组16由于定子2为圆环状而形状略微不同，但大致为同一形状。若假设图5A相当于第一绕组15，则将图5A的左右反转得到的绕组大致相当于第二绕组16。图5C表示绕组的截面。第一绕组15和第二绕组16为排列卷绕，构成第一绕组15和第二绕组16的导线30整齐排列。由此槽内部的绕组填充系数提高。通过排列卷绕，能够使槽中的绕组填充系数提高至与集中卷绕相同程度。另外，通过在排列卷绕的绕组设置第一曲柄形状部和第二曲柄形状部，一线圈的第一绕组15 (或第二绕组16)与另ー线圈的第一绕组15 (或第二绕组16)的线圈端部重叠并进入槽(參照图4、图9A)。因此，绕组在经过不供其安装的无关的槽之上的情况下，不会堵塞该槽，从而绕组填充系数提高。另外，在以往的通常的分布卷绕的绕组中应用排列卷绕的情况下，如图10所示，排列卷绕后的绕组的线圈端部经过无关的槽之上并堵塞该槽。该情况下，槽内部的绕组填充系数大幅降低，旋转电机大型化，损失増大。因此，在以往的分布卷绕中，使用非整齐排列的绕组，线圈端部自槽较大离开，从而防止无关的槽被堵塞。由此，虽然改善了槽内部的绕组填充系数，但由于绕组为非整齐所以填充系数的改善有限度，并且，线圈端变大。如图5A和图5B所示，通过以a卷绕方式卷绕成两层来制作绕组。由此，能够进ー步提高在槽内部的绕组填充系数。并且，如图5C所示，绕组的导线(线材)30的截面形状为大致矩形形状。即，作为绕组的导线30使用方形线。由此，能够进ー步提高在槽内部的绕组填充系数。绕组的圈数设为非整数(分数)，两个引出线18的位置分别分配在两侧端部。由此，绕组直线部的单侧減少一匝，能够确保用于绕组换产调整(段変え)等的空间。并且，由于在线圈端部的外周存在多余的空间，因此通过将第一绕组和第二绕组的连接部分配于旋转电机的两侧能够有效地利用该空间，进而能够使线圈端小型化。如图3A所示，第一绕组15和第二绕组16在定子2的单侧的端面侧使各自的导线30在连接部35串联连接而形成一个线圈14即可。由此，线圈端的小型化成为可能。并且，如图3B所示，第一绕组15和第二绕组16通过a卷绕制作的情况下，绕组的直线部15c、16c的连接部35在槽内部连接 即可。通过将连接部35配置在绕组的直线部，连接部35不会成为构成曲柄形状部的阻碍，进而能够实现线圈端的小型化。如图6所示，定子铁芯(固定子コァ)10的齿部IOb具有顶端变细的形状即可。由于根据绕组的截面形状，槽12具有大致矩形形状，因此齿部IOb的形状呈顶端变细的形状。由此，在齿部IOb的根部的磁通密度降低，从而铁损耗降低。图7表示旋转电机I的绕组回路图的一例。典型来说，若设定磁极数为P、旋转电机的驱动电源的相数为m，则线圈14的数量C由(P/2)Xm表示。而且，线圈14的数量C与槽12的数量相等。图7中，磁极数P为8 (磁极对数为4)，相数m为5，槽数为20，绕组节距为2。接线方式为Y接线、中性点(NI N4)的数量为4的4并I串的方式。5相的线圈分别连接于驱动电源的UVWRS相。通过提高绕组的短距系数K(绕组短距系数)，旋转电机I能够具有较高的转矩。若假设槽数为ん、磁极数为P、绕组节距为L，则短距系数由式(I)表示。因此，优选槽数ん为磁极数P的2倍 3倍。在图7的例中，槽数为磁极数P的2.5倍。I)
r nLP\IC = Sin...(I)
J并且，通过提高分布系数(绕组分布系数)，能够使高转矩化成为可能。主要的槽数和磁极数的组合之中的、绕组节距为2的情况下不仅能够提高短距系数而且还能够提高分布系数的组合为:相数为5相且槽数Sl和磁极数P的比率为5:2,或者相数为3相且槽数Sl和磁极数P的比率为3:1。图8A 图8D是说明定子2的制造方法的图。如图8A所示，作为第一エ序，分别形成多个图5A那样的排列卷绕的第一绕组15和第二绕组16。如图SB所示，作为第二エ序，将第一绕组15和第二绕组16组合起来，制作多个线圈14。在第二エ序中，第一绕组15和第二绕组16在各线圈端部两次交叉地组合。第一绕组15的第一曲柄形状部嵌入第二绕组16的第二曲柄形状部。第一绕组15的第二曲柄形状部嵌入第二绕组16的第一曲柄形状部。如图SC和图8D所示，在第三エ序中，多个线圈14分别插入两个槽中，从而组装于定子铁芯10。在第四エ序中，线圈14压入槽中，使得线圈14的第一绕组15 (或第二绕组16)与相邻的线圈14’的第二绕组16’(或第一绕组15’ )在齿部IOb之上沿定子2的半径
方向重叠。如图9A和图9B所示，在第三エ序中，多个线圈14也可以同时插入槽12，从而同时组装于定子铁芯10。由此，定子2被良好地组装。另外，由于供线圈14插入的两个槽并非平行，因此需要将各线圈14的一个直线部插入ー个槽后，ー边使各线圈14旋转ー边将各线圈14的另一直线部插入另ー个槽。为了设置该旋转所必须的空间，在齿部IOb的根部设有缺ロ部22。由此，定子铁芯10和绕组体11的组装变得容易。另外，在上述实施方式中，说明了将绕组构造应用于定子的情況，但在转子的铁芯设置绕组体的旋转电机中，也能够将上述的绕组构造应用于转子。采用本实施方式，旋转电机I的绕组构造包括具有槽12的铁芯(也仅称作芯)10和由彼此交叉地组合的第一绕组15和第二绕组16构成的线圈14。线圈14的各直线部插入具有一定间隔的两个槽12的任一者中，线圈14组装于铁芯10。因此，能够使旋转电机的线圈端、进而使定子(或转子)的小型化成为可能。第一绕组15和第二绕组16的线圈端部15a、15b、16a、16b分别具有向旋转电机I的旋转轴方向弯曲的第一曲柄形状部15aA、15bA、16aA、16bA和向旋转电机的半径方向弯曲的第二曲柄形状部15aB、15bB、16aB、16bB。第一绕组15的第一曲柄形状部15aA、15bA嵌入于第二绕组16的第二曲柄形状部16aB、16bB并与该第二曲柄形状部16aB、16bB相交叉。第一绕组15的第二曲柄形状部15aB、15bB嵌入于第二绕组16的第一曲柄形状部16aA、16bA并与该第一曲柄形状部16aA、16bA相交叉。因此，能够更可靠地使旋转电机的线圈端小型化。ー线圈14 (第一线圈)的第一绕组在线圈端部与另ー线圈14’(第二线圈)的第二绕组16’错位地重叠。并且，该ー线圈14的第二绕组16在线圈端部与该另ー线圈14’的第一绕组15’错位地重叠。由此，槽内的绕组(导线)的填充系数提高，旋转电机的输出转矩提闻。线圈14卷绕于铁芯10的槽12的绕组节距为2的情况下，能够使旋转电机的线圈端最大程度地小型化。线圈端部的第一绕组15和第二绕组16的交叉次数为2次。由此，第一绕组15和第二绕组16仅进行越过组装于相邻的槽的绕组和钻过组装于相邻的槽的绕组中的任一者，没有浪费的空间地进行卷绕。铁芯10的槽数是旋转电机的磁极数的2倍至3倍，因此短距系数变大，旋转电机具有较大的转矩。优选旋转电机I的相数为5相，铁芯10的槽数与旋转电机的磁极数的比率为5:2。或者,优选旋转电机的相数为3相,铁芯10的槽数与旋转电机的磁极数的比率为3:1。由此，分布系数变大，旋转电机I具有更大的转矩。第一绕组15和第二绕组16以排列卷绕的方式进行卷绕，因此槽中的导体填充系数能够提高至与集中卷绕相同程度。构成第一绕组15和第二绕组16的导线30的截面形状为大致矩形形状，因此能够进ー步提高槽中的导体填充系数。第一绕组15和第二绕组16以a卷绕的方式卷绕，因此能够进ー步提高槽中的导体填充系数。第一绕组15和第二绕组16在槽内相连接的情况下，连接部35配置在绕组的直线部，不会成为构成曲柄形状部的阻碍。第一绕组15和第二绕组16的圈数为非整数，且各绕组的两个引出线18位于两侧的线圈端部的情况下，能够确保用于绕组换产调整等的空间。第一绕组15和第二绕组16之间在单侧的线圈端部串联连接的情况下，旋转电机的线圈端的小型化成为可能。由于铁芯10的齿部IOb的根部包括缺ロ部22，因此定子2的组装变得容易。铁芯10的齿部IOb为顶端变细的形状的情况下，定子铁芯10的铁损耗降低。旋转电机I的制造方法包括:第一エ序，其形成第一绕组15和第二绕组16 ;第二エ序，其通过使第一绕组15和第二绕组16交叉而组合从而制作线圈14 ;和第三エ序，其将线圈14插入铁芯10的槽12，从而将线圈14安装于铁芯10。由此，能够制造使线圈端部、进而使定子2 (或转子)小型化的旋转电机I。制作多个线圈14，将所有的线圈14分别同时插入铁芯10的对应的槽12中，从而同时将所有的线圈14安装于铁芯10。由此，定子2被良好地安装。接下来，表示具有分布卷绕的绕组构造的以往技术的旋转电机的样品和本实施方式的旋转电机I的样品的比较結果。在旋转电机I的样品和以往技术的旋转电机的样品的两者中，定子的铁芯的直径和轴向长度相同，转子相同，电磁钢板、导线(铜线)、磁体等的材料全部相同。并且，在两样品中，瞬时最高转矩、瞬时最大输出、最高转速、绕组的最大电流密度相同。关于线圈端相对于铁芯的尺寸比率，旋转电机I的样品较小，为25%，以往技术的旋转电机的样品较大，为47%。可知本实施方式的旋转电机I的线圈端比以往技术的旋转电机的线圈端小型化。另外，线圈端的尺寸比率根据旋转电机的轴向的线圈端的长度LE和轴向的铁芯的长度LC，由式(LE/LC) X 100%求出。并且，由于线圈端的小型化，本实施方式的样品的尺寸相对于以往技术的样品的尺寸变为85% (= 125/147X100%)。关于上述那样定义的绕组的填充系数，旋转电机I的样品较大，为55%，以往技术的旋转电机的样品较小，为45%。可知在本实施方式的旋转电机I中，与以往技术的旋转电机相比较多的导线通过ー个槽。并且，转速为IOOOOrpm的情况下，旋转电机I的样品的输出(输出转矩)自以往技术的旋转电机的样品的输出(输出转矩)增加了 30%。显而易见的是，本发明不限定于以上说明的实施方式，在其技术思想范围内能够进行各种变形、变更，这些变形、变更也包含在本发明的技术范围内。引用2010年9月21日申请的日本专利申请2010-211193的全部内容并将其纳入本说明书。
权利要求
1.ー种绕组构造，该绕组构造是旋转电机的绕组构造，其中，包括: 具有槽的芯；和 由彼此交叉地组合的第一绕组和第二绕组构成的线圈， 上述线圈的各直线部插入具有一定间隔的两个槽中的任一者，从而上述线圈组装于上述芯。
2.根据权利要求1所述的绕组构造，其中， 在上述线圈中，上述第一绕组和上述第二绕组的线圈端部分别包括:向上述旋转电机的旋转轴方向弯曲的第一曲柄形状部和向上述旋转电机的半径方向弯曲的第二曲柄形状部， 上述第一绕组的上述第一曲柄形状部嵌入于上述第二绕组的上述第二曲柄形状部并与该第二曲柄形状部相交叉，上述第一绕组的上述第二曲柄形状部嵌入于上述第二绕组的上述第一曲柄形状部并与该第一曲柄形状部相交叉。
3.根据权利要求1所述的绕组构造，其中， 该绕组构造还包括另ー线圏， 上述线圈的第一绕组在线圈端部与上述另ー线圈的第二绕组重叠， 上述线圈的第二绕组在线圈端部与上述另ー线圈的第一绕组重叠。
4.ー种旋转电机,其中， 该旋转电机包括权利要求2中`所述的绕组构造。
5.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述线圈缠绕于上述芯的槽的绕组节距为2。
6.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述线圈端部的上述第一绕组和上述第二绕组的交叉次数为2次。
7.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述芯的槽数为上述旋转电机的磁极数的2倍至3倍。
8.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述旋转电机的相数为5相，上述芯的槽数与旋转电机的磁极数的比率为5:2 ;或者上述旋转电机的相数为3相,上述芯的槽数与旋转电机的磁极数的比率为3:1。
9.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述第一绕组和上述第二绕组以排列卷绕的方式卷绕。
10.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 构成上述第一绕组和上述第二绕组的导线的截面形状为大致矩形形状。
11.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述第一绕组和上述第二绕组以a卷绕方式卷绕。
12.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述第一绕组和上述第二绕组在上述槽内相连接。
13.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述第一绕组和上述第二绕组的圈数为非整数，各绕组的两个引出线位于两侧的线圈端部。
14.根据权利要求4所述的旋转电机，其中，上述第一绕组和上述第二绕组之间在单侧的线圈端部串联连接。
15.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述芯的齿部的根部包括缺ロ部。
16.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述芯的齿部为顶端变细的形状。
17.一种制造方法，该制造方法是旋转电机的制造方法，其中，包括: 第一エ序，其形成第一绕组和第二绕组； 第二エ序，其通过使上述第一绕组和上述第二绕组交叉而组合来制作线圈；和 第三エ序，其将上述线圈插入芯的槽中，从而将上述线圈组装于上述芯。
18.根据权利要求17所述的制造方法，其中， 在上述第三エ序中，制作多个上述线圈，将所有的线圈分别同时插入上述芯的对应的槽中，从而将所有的线圈同时安 装于上述芯。
全文摘要
旋转电机的绕组构造包括具有槽的芯和由彼此交叉地组合的第一绕组和第二绕组构成的线圈。上述线圈的各直线部插入具有一定间隔的两个槽中的任一者，从而上述线圈安装于上述芯。
文档编号H02K3/28GK103119833SQ20118004403
公开日2013年5月22日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年9月21日
发明者福重孝志 申请人:日产自动车株式会社