コイルおよび電機子
【課題】内部で発生する渦電流を低減でき、コンパクトで製造コストが低廉なコイルおよび電機子を提供する。
【解決手段】本発明の電機子（ステータ５）は、周方向に間隔をあけて配置され半径方向に突出する複数の磁極ティース５１、磁極ティース５１間に形成されたスロット部、および磁極ティース５２の軸方向外側に形成された端部５４を有する円筒状のステータコア５１と、導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材３１が、該長尺線材３１の表裏面と垂直な軸線ＡＹ回りに屈曲されて前記スロット部および前記端部５４に巻回されたコイル４とを備え、スリットは、端部５４において少なくとも磁極ティース５２の軸方向外側端面に至るまで配置されるように長尺板素材３１に設けられていることを特徴とする。
【解決手段】本発明の電機子（ステータ５）は、周方向に間隔をあけて配置され半径方向に突出する複数の磁極ティース５１、磁極ティース５１間に形成されたスロット部、および磁極ティース５２の軸方向外側に形成された端部５４を有する円筒状のステータコア５１と、導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材３１が、該長尺線材３１の表裏面と垂直な軸線ＡＹ回りに屈曲されて前記スロット部および前記端部５４に巻回されたコイル４とを備え、スリットは、端部５４において少なくとも磁極ティース５２の軸方向外側端面に至るまで配置されるように長尺板素材３１に設けられていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電材料からなる線材が巻回されて形成されるコイル、および、コイルを含んで構成され回転電機に使用される電機子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車や電気自動車に搭載される発電電動機などの回転電機には、コイルを有するステータを外周側に配置し、磁石を有するロータを内周側に配置したインナーロータ回転磁石形のものが多用されている。この種の回転電機のステータ（電機子）は、半径方向内向きに突出する複数の磁極ティースを有する円筒状のステータコアと、各磁極ティースに線材を巻回して構成したコイルと、備えるのが一般的である。線材としては、表面に絶縁被膜を形成した銅線や銅板などが用いられる。コイルの巻き方には、大別して集中巻きと分布巻きとがあり、通電すべき電流値や磁極ティースの形状などを考慮して、線材の断面積や断面形状が適宜設計される。
【０００３】
この種の用途に用いられる線材、コイル、および線材の製造方法の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術は、丸線や平角線の表面に線材方向に沿って溝部を形成し、加えて、溝部に絶縁材などを挿入することを特徴としている。さらに、溝部を有する線材を複数回捲き回してコイルや変成器を構成することを特徴としている。これにより、より安く製造することが可能で、渦電流を減少させる線材、コイル、および変成器を提供することができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４０４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に開示されるように線材の表面に溝部を形成しただけでは、渦電流をわずかしか低減できない。詳述すると、渦電流は、線材内部に仮想される閉ループに鎖交する磁束が変化したとき、誘導された起電力により当該閉ループに流れる電流である。ここで、線材の表面に溝部を形成しても導体断面は分割されないので、断面全体を囲んで電気的に導通する閉ループをなくすことはできない。したがって、溝部により閉ループの形状を多少変化させることができても、渦電流の低減効果はわずかしかない。
【０００６】
一般的に、線材の断面積が一定の条件下で縦横の寸法比を大きくして扁平化すれば、扁平の度合いに応じて断面内を流れる渦電流を低減できる。なぜなら、渦電流が流れる閉ループを仮想したときに、磁束が鎖交するループ断面積は殆ど変化せず、ループ周回長が増加してループ抵抗が増加するからである。しかしながら、線材を巻回してコイルを製造する作業では、線材が扁平であると作業性が低下し、製造コストが増加する。また、扁平な線材を巻回したコイルは大形になりがちであり、コイルを備える電機子、ひいては回転電機全体が大きくなりがちとなる問題が生じる。
【０００７】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、内部で発生する渦電流を低減でき、コンパクトで製造コストが低廉なコイルおよび電機子を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する請求項１に係るコイルの発明は、導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに前記長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材が、該長尺線材の表裏面と垂直な軸線回りに屈曲されて巻回されたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記長尺板素材の前記スリットおよび前記折り曲げ線が少なくとも一部で相互に重なっていることを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する請求項３に係る電機子の発明は、周方向に間隔をあけて配置され半径方向に突出する複数の磁極ティース、該磁極ティース間に形成されたスロット部、および前記磁極ティースの軸方向外側に形成された端部を有する円筒状のコアと、導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに前記長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材が、該長尺線材の表裏面と垂直な軸線回りに屈曲されて前記スロット部および前記端部に巻回されたコイルと、を備え、前記スリットは、前記端部において少なくとも前記磁極ティースの軸方向外側端面に至るまで配置されるように前記長尺板素材に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３において、前記スリットは、前記端部内から前記スロット部内まで延在するように前記長尺板素材に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項３または４において、前記スロット部の半径方向位置により、前記コイルを形成する前記長尺線材の前記長手方向と垂直な面内における断面形状、前記折り曲げ線の位置、および前記スリットの位置の少なくとも１つが変化していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係るコイルの発明では、導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて長尺線材が形成されている。さらに、長尺線材がその表裏面と垂直な軸線回りに屈曲され巻回されてコイルが構成されている。このため、長尺線材の長手方向と垂直な面内における断面形状は複数層構造となる。また、長尺線材は長手方向の大部分の位置でスリットにより分割されて各層は相互に電気的に離隔し、実質的に複数の扁平な線材が並行している断面形状となる。コイル内でこの長尺線材の長手方向の磁束が変化する場合、層ごとに長手方向と垂直な面内に閉ループを仮想できる。この閉ループのループ断面積は単一の平角線を巻回したコイルと比較して顕著に減少し、ループ周回長の減少はわずかである。したがって、閉ループに鎖交する磁束の変化により誘導される起電力は顕著に減少し、ループ抵抗の減少はわずかであり、渦電流を低減できる。これに対し、平角線に溝部を形成する従来技術では、ループ周回長は多少増加するが、ループ断面積の減少はわずかである。したがって、長尺線材の断面を複数層に分割することで、平角線に溝部を形成するよりも確実かつ顕著に渦電流を低減できる。
【００１４】
また、長尺線材の複数層構造は実質的に複数の扁平な線材となっており、各層を個別に加工することができるので、引き回し加工や曲げ加工が行いやすく、形状の微調整が容易である。したがって、コンパクトなコイルを実現できる。さらに、長尺線材はスリットが途切れた位置で幅方向につながっているので、１本の線材として扱うことができ、完全に分離した２本の線材を巻回するよりも作業性が良好である。したがって、製造コストが低廉なコイルを実現できる。
【００１５】
請求項２に係る発明では、長尺板素材のスリットおよび折り曲げ線が少なくとも一部で相互に重なっている。したがって、長尺板素材を折り重ねる際の所要加工力が小さくて済み、長尺線材を容易に形成でき、製造コストがより一層低廉なコイルを実現できる。
る。
【００１６】
請求項３に係る発明では、複数の磁極ティース、磁極ティース間に形成されたスロット部、および磁極ティースの軸方向外側に形成された端部を有する円筒状のコアに、請求項１または２に記載のコイルが組み合わされて電機子が構成されており、端部においてスリットが磁極ティースの軸方向外側端面に至るまで配置されている。本明細書中で、スロット部および端部は、コイルを配置する空間を意味している。長尺線材は、端部内ではスリットにより複数層に分割され、各層は相互に電気的に離隔している。これにより、スロット部内で長尺線材の長手方向に流れる渦電流を低減できる。
【００１７】
詳述すると、スロット部内で、隣接する磁極ティースの間に磁束が発生し、長尺線材の長手方向に対して交差する。このため、渦電流が流れる閉ループは、長尺線材の長手方向に仮想される。前述のように、長尺線材は端部内ではスリットにより分割されており、閉ループの拡がりはスリットの制約を受ける。つまり、閉ループのループ断面積が制約されて、相対的にループ周回長が増加するため、渦電流を低減できる。
【００１８】
請求項４に係る発明では、スリットは、端部内からスロット部内まで延在するように設けられている。これにより、スロット部内において、長尺線材の長手方向に仮想される閉ループの拡がりは、より一層スリットの制約を受ける。つまり、閉ループのループ断面積がより一層制約されて局限化され、相対的にループ周回長が増加するため、渦電流を大幅に低減できる。
【００１９】
請求項５に係る発明では、スロット部の半径方向位置により、コイルを形成する長尺線材の長手方向と垂直な面内における断面形状、折り曲げ線の位置、およびスリットの位置の少なくとも１つが変化している。スロット部の半径方向位置により、鎖交する磁束の強さおよび方向が変化するので、これに合わせて長尺線材を適宜変化させることができる。これにより、スロット部の半径方向の各位置で、渦電流を効率的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態で使用する長尺板素材の図であり、（１）は長手方向と直交する端面の図、（２）は平面図である。
【図２】長尺板素材に設けるスリットの配置の３つのバリエーションを説明する図であり、（１Ａ）、（２Ａ）、および（３Ａ）はそれぞれ長手方向と直交する面内の断面図、（１Ｂ）、（２Ｂ）、および（３Ｂ）はそれぞれ平面図である。
【図３】長尺板素材に設けるスリットの配置の別の３つのバリエーションを説明する図であり、（１Ａ）、（２Ａ）、および（３Ａ）はそれぞれ長手方向と直交する面内の断面図、（１Ｂ）、（２Ｂ）、および（３Ｂ）はそれぞれ平面図である。
【図４】長尺板素材の折り重ね方法の４つのバリエーションを模式的に説明する図であり、（１）〜（４）はそれぞれ折り重ね加工により形成された長尺線材の長手方向と直交する面内の断面図である。
【図５】第１実施形態のコイルおよびステータを用いた回転電機を模式的に説明する断面図である。
【図６】図５の矢印Ｎ方向から見たステータ（電機子）の部分断面図である。
【図７】図６の矢印Ｍ方向から見たステータ（電機子）の部分図である。
【図８】図５の矢印Ｌ方向から見た長尺線材の中間厚さ位置におけるステータ（電機子）の部分断面図である。
【図９】第１実施形態の電機子の効果を算定した結果を説明する図であり、（１）は銅渦損の比率Ｒ１、（２）は銅渦損の低減率Ｒ２を示している。
【図１０】第２実施形態のコイルおよびステータを説明する部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の第１実施形態のコイル４およびステータ５（電機子）について、図１〜図９を参考にして説明する。図１は、第１実施形態で使用する長尺板素材１の図であり、（１）は長手方向と直交する端面の図、（２）は平面図である。図示されるように、長尺板素材１は板幅Ｗ、板厚Ｔで、長手方向に延びる部材である。長尺板素材１は導電材料からなり、一般的な銅板を用いることができ、アルミニウム板など他の金属板を用いるようにしてもよい。また、長尺板素材１の表面には電気的な導通を阻止する絶縁被膜を設ける。この絶縁被膜は、無垢の長尺板素材１に予め設けてもよく、後述するスリット加工および折り重ね加工の後に設けてもよい。
【００２２】
次に、長尺板素材１のスリット加工について説明する。図２は、長尺板素材１に設けるスリットの配置の３つのバリエーションを説明する図であり、（１Ａ）、（２Ａ）、および（３Ａ）はそれぞれ長手方向と直交する面内の断面図、（１Ｂ）、（２Ｂ）、および（３Ｂ）はそれぞれ平面図である。各バリエーションで、スリットは長尺板素材１の長手方向に沿い板厚方向に貫通するように設けられている。また、スリットの長手方向の長さは用途に応じて適宜定めることができ、例えば、後述するステータ５でスリット２１が端部５３からスロット部５４に延在するように定めることができる。
【００２３】
図２の（１Ａ）および（１Ｂ）に示される第１バリエーションで、スリット２１は、長尺板素材１１の板幅方向の中央１箇所に設けられている。（２Ａ）および（２Ｂ）に示される第２バリエーションで、２個のスリット２２１、２２２は、長尺板素材１２の板幅方向を４等分したときの略（１／４）および略（３／４）の位置の２箇所に対称に設けられている。（３Ａ）および（３Ｂ）に示される第３バリエーションで、３個のスリット２３１、２３２、２３３は、長尺板素材１３の板幅方向の中央１箇所および両側寄り２箇所に対称に設けられている。第１〜第３バリエーションでは、各スリット２１、２２１、２２２、２３１、２３２、２３３は、長尺板素材１１〜１３の長手方向の端面まで延在していないが、図３に示されるように端面まで延在していてもよい。
【００２４】
図３は、長尺板素材１に設けるスリットの配置の別の３つのバリエーションを説明する図であり、（１Ａ）、（２Ａ）、および（３Ａ）はそれぞれ長手方向と直交する面内の断面図、（１Ｂ）、（２Ｂ）、および（３Ｂ）はそれぞれ平面図である。図３の（１Ａ）および（１Ｂ）に示される第４バリエーションを第１バリエーションと比較すると、スリット２４が長尺板素材１４の幅方向中央に設けられている点は同様であり、長尺板素材１４の長手方向の端面まで延在している点が異なる。同様に、図３の（２Ａ）および（２Ｂ）に示される第５バリエーションと（３Ａ）および（３Ｂ）に示される第６バリエーションとは、それぞれ第２および第３バリエーションのスリット２２１、２２２、２３１、２３３を長手方向の端面まで延在させて、スリット２５１、２５２、２６１、２６３としたものである。第５バリエーションで、２個のスリット２５１、２５２は、長尺板素材１５の長手方向に揃って設けられている。これに対し、第６バリエーションで、長尺板素材１６の中央のスリット２６２は、両側のスリット２６１、２６３に対して長手方向に変位して設けられ、端面まで延在していない。
【００２５】
スリットの長手方向の位置に関しては、他のさまざまなバリエーションを採用してもよい。いずれにしても、各長尺板素材１１〜１６は、スリットが途切れた位置、例えば、図３（１Ｂ）の第４バリエーションにおけるスリット２４間の連続部２９でつながっている。
【００２６】
次に、長尺板素材１の折り重ね加工について説明する。図４は、長尺板素材１の折り重ね方法の４つのバリエーションを模式的に説明する図であり、（１）〜（４）はそれぞれ折り重ね加工により形成された長尺線材３１〜３４の長手方向と直交する面内の断面図である。図２および図３において、長手方向の折り曲げ線Ｂ１、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ３１、Ｂ３３、Ｂ４、Ｂ５１、Ｂ５２、Ｂ６１、Ｂ６３はそれぞれ、スリット２１、２２１、２２２、２３１、２３３、２４、２５１、２５２、２６１、２６３に重なるように設定されている。この折り曲げ線Ｂ１〜Ｂ６３に沿って長尺板素材１１〜１６を折り重ね加工することにより、長尺線材３１〜３４を形成することができる。
【００２７】
図２（１Ａ）および（１Ｂ）に示される第１バリエーションのスリット２１が設けられた長尺板素材１１を折り曲げ線Ｂ１に沿って折り重ねると、図４（１）に示される断面Ｕ字の長尺線材３１を形成することができる。また、図３（１Ａ）および（１Ｂ）に示される第４バリエーションのスリット２４が設けられた長尺板素材１４を折り曲げ線Ｂ４に沿って折り重ねても、同じ断面Ｕ字の長尺線材３１を形成することができる。長尺線材３１は、スリット２１を含む断面で２層構造となり、実質的に２本の扁平な線材が並行している断面形状となる。２層構造を構成する各層の間は、図中では誇張されて間隙が設けられているが、実際には絶縁被膜のみで電気的に離隔しており、構造上の間隙寸法は必要でない。したがって、長尺線材３１の幅Ｗ１は長尺板素材１の板幅Ｗの約半分となり、長尺線材３１の厚さＴ１は長尺板素材１の板厚Ｔの約２倍となる。
【００２８】
同様に、長尺板素材１２や長尺板素材１５を２本の折り曲げ線Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ５１、Ｂ５２に沿って両側の側端を同じ向きに折り重ねると、図４（２）に示される断面Ｃ字の長尺線材３２を形成することができる。また、長尺板素材１３や長尺板素材１６を２本の折り曲げ線Ｂ３１、Ｂ３３、Ｂ６１、Ｂ６３に沿って両側の側端を同じ向きに折り重ねると、図４（３）に示される断面Ｃ字の長尺線材３３を形成することができる。長尺線材３２、３３の幅Ｗ２、Ｗ３は長尺板素材１の板幅Ｗの約半分となり、長尺線材３２、３３の厚さＴ２、Ｔ３は長尺板素材１の板厚Ｔの約２倍となる。
【００２９】
さらに、長尺板素材１２や長尺板素材１５を２本の折り曲げ線Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ５１、Ｂ５２に沿って両側の側端を反対向きに折り重ねると、図４（４）に示される断面Ｓ字の長尺線材３４を形成することができる。長尺線材３４の幅Ｗ４は長尺板素材１の板幅Ｗの約半分となり、厚さＴ４は長尺板素材１の板厚Ｔの約３倍となる。長尺線材３４は、コイルを構成する際に、厚さ方向に潰して厚さＴ４を長尺板素材１の板厚Ｔの約２倍まで減じてから巻回することができ、あるいは。厚さＴ４を減じることなく段違いに重ねて巻回することができる。
【００３０】
なお、長尺板素材１の折り重ね方法は上記に限定されない。例えば、断面Ｚ字や断面６字の３層構造や、断面Ｗ字の４層構造とすることができる。他の折り重ね方法を採用する場合には、折り重ね方法に合わせて適宜スリットの位置を定めることが好ましく、スリットおよび折り曲げ線が少なくとも一部で相互に重なっていることが好ましい。
【００３１】
次に、図４（１）に示される長尺線材３１が屈曲されて巻回された第１実施形態のコイル４、コイル４がステータコア５１と組み合わされて構成されたステータ５（電機子）、およびステータ５を用いた回転電機６について説明する。図５は、第１実施形態のコイル４およびステータ５を用いた回転電機６を模式的に説明する断面図である。回転電機６は、軸線ＡＸを中心とする概ね軸対称構造であり、略円筒状のケース６９の内部に、同軸内側にロータ６２、同軸外側にステータ５を備えている。
【００３２】
ロータ６２は、軸線ＡＸ上のシャフト６３と、シャフト６３の周りに固定されたロータコア６４とを有している。シャフト６３は、ケース６９に設けられた２個の軸受６５、６６により回転自在に軸支されている。ロータコア６４は、薄板状の多数枚の電磁鋼板が軸線ＡＸ方向に積み重ねられて構成されている。さらに、各電磁鋼板には複数の孔部が周方向に並んで形成され、各孔部を軸線ＡＸ方向に貫通して図略の永久磁石が埋め込まれている。
【００３３】
一方、ステータ５は、略円筒状のステータコア５１と、コイル４とを有している。ステータコア５１は、ケース６９の内側に薄板状の多数枚の電磁鋼板が軸線ＡＸ方向に積み重ねられて構成されている。図６は、図５の矢印Ｎ方向から見たステータ５の部分断面図であり、図７は、図６の矢印Ｍ方向から見たステータ５の部分図である。さらに、図８は、図５の矢印Ｌ方向（すなわち図７の矢印Ｋ方向）から見た長尺線材３１の中間厚さ位置におけるステータ５の部分断面図である。図示されるように、ステータコア５１は、その内周から内向きに突出する略矩形断面の磁極ティース５２を有している。磁極ティース５２は、周方向に間隔をあけて複数配置されており、隣接する磁極ティース５２間にスロット部５３が形成されている。また、磁極ティース５２の軸方向外側に端部５４が形成されている。スロット部５３および端部５４は、コイル４を配置する空間の名称である。
【００３４】
コイル４は、長尺線材３１がその表裏面と垂直な軸線回りに屈曲され巻回されて、構成されている。詳述すると、図６〜図８に示されるように、磁極ティース５２の略矩形断面の中心に軸線ＡＹが設定されている。磁極ティース５２の外周には、筒状の絶縁ボビンが配置されるが、図では省略されている。絶縁ボビンの外周に沿い、スリット２１および折り曲げ線Ｂ１が内周側となるように、長尺線材３１が屈曲される。そして、長尺線材３１がスロット部５３および端部５４に４ターン巻回され、集中巻きの矩形コイル４が構成される。
【００３５】
また、長尺線材３１の２層構造を構成する各層は、スリット２１が設けられていない連続部２９のみでつながっている。図８に示されるように、連続部２９はスロット部５３内の軸方向中央に配置されている。また、連続部２９の軸方向長Ｘは、ステータコア５１の軸方向積厚寸法Ｙよりも小さくなっている。つまり、スリット２１が端部５４内からスロット部５３内まで延在している。
【００３６】
次に、上述のコイル４の作用、効果について説明する。２層構造の長尺線材３１では、長手方向の磁束が変化する場合、層ごとに長手方向と垂直な面内に閉ループを仮想できる。この閉ループのループ断面積は単一の平角線を巻回したコイルと比較して顕著に減少し、ループ周回長の減少はわずかである。したがって、閉ループに鎖交する磁束の変化で誘導される起電力は顕著に減少し、ループ抵抗の減少はわずかであり、渦電流を低減できる。これに対し、平角線に溝部を形成する従来技術では、ループ周回長は多少増加するが、ループ断面積の減少はわずかである。したがって、長尺線材３１の断面を２層に分割することで、平角線に溝部を形成するよりも確実かつ顕著に渦電流を低減できる。
【００３７】
次に、電機子５としての作用、効果について、図９を参考にして説明する。図９は、第１実施形態の電機子５の効果を算定した結果を説明する図であり、（１）は銅渦損の比率Ｒ１、（２）は銅渦損の低減率Ｒ２を示している。図９（１）および（２）における横軸は共通で、スロット部５３内の分割長割合Ｚ（％）である。分割長割合Ｚは、図７および図８に示された連続部２９の軸方向長Ｘおよびステータコア５１の軸方向積厚寸法Ｙを用いて、次式により求められる。
【００３８】
分割長割合Ｚ＝（Ｙ−Ｘ）／Ｙ×１００ （％）
分割長割合Ｚは、スリット２１がスロット部５３に延在する割合を意味している。例えば、Ｚ＝０％は、スリット２１が端部５４において磁極ティース５２の軸方向外側端面に至るまで配置された状態、すなわち、スリット２１が端部５４内のみに配置されスロット部５３内に延在しない状態を意味している。また、Ｚ＝１００％はＸ＝０を意味し、スリット２１がスロット部５３内の全体に配置され、長尺線材３１が完全な２層構造に分割された仮想的な状態を意味している。
【００３９】
また、図９（１）の縦軸は、渦電流により生じる銅渦損を比率Ｒ１で示している。比率Ｒ１＝１．０となる基準量は、スリット２１を全く設けない単純な折り重ね加工のみにより形成された長尺線材に発生する銅渦損である。
【００４０】
算定の結果、分割長割合Ｚ＝０％において、比率Ｒ１＝０．９８７が得られた。つまり、スリット２１を端部５４のみに配置しても、スリット２１を全く設けない場合よりも銅渦損を低減できることが判明した。また、Ｚ＝１００％において、比率Ｒ１＝０．６５１が得られた。図９（２）の縦軸の低減率Ｒ２は、Ｚ＝１００％において比率Ｒ１が０．３４９（１−０．６５１）だけ低減される効果を基準量１．０としたものである。さらに、図９（１）および（２）に示されるように、分割長割合Ｚが４０％から８０％、９０％と増加するのに伴い、比率Ｒ１および低減率Ｒ２が減少することが判明した。すなわち、スリット２１を端部５４内からスロット部５３内に延在させる効果が明らかになった。
【００４１】
また、逆に、スリット２１をスロット部５３に配置し、連続部２９を端部５４に配置した場合、銅渦損を低減する効果は生じなかった。
【００４２】
上述の算定結果は次のように解釈することができる。すなわち、図６〜図８中に示されるように、スロット部５３内で磁束Ｂは隣接する磁極ティース５２の間に発生し、長尺線材３１の長手方向と交差する。このため、渦電流が流れる閉ループは、長尺線材３１の長手方向に仮想される。前述のように、長尺線材３１は端部５４内ではスリット２１により分割されており、閉ループの拡がりはスリット２１の制約を受ける。つまり、閉ループは連続部２９を通って２層に拡がるので、ループ断面積が制約されて、相対的にループ周回長が増加するため、渦電流を低減できる。
【００４３】
第１実施形態のコイル４およびステータ５では、長尺線材３１の２層構造が実質的に２本の扁平な線材となっていて個別に加工を行うことができるので、引き回し加工や曲げ加工が行いやすく、形状の微調整が容易である。したがって、コンパクトなコイル４およびステータ５を実現できる。さらに、長尺線材３１はスリット２１が途切れた連続部２９で幅方向につながっているので、１本の線材として扱うことができ、完全に分離した２本の線材を巻回するよりも作業性が良好である。したがって、製造コストが低廉なコイル４およびステータ５を実現できる。
【００４４】
次に、第２実施形態のコイル７およびステータ８（電機子）について、図１０参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図１０は、第２実施形態のコイル７およびステータ８を説明する部分断面図である。第２実施形態のコイル７およびステータ８の構造は第１実施形態に類似しており、コイル７を形成する長尺線材３１、３３を２種類用いる点が異なる。つまり、スロット部５３の半径方向位置により、コイル７を形成する長尺線材３１、３３の長手方向と垂直な面内における断面形状、折り曲げ線の位置、およびスリットの位置が変化している。
【００４５】
具体的には、図１０に示されるように、コイル７を形成する最内周の１ターン目に図４（３）の断面Ｃ字の長尺線材３３を使用し、外周側の２〜４ターン目に図４（１）の断面Ｕ字の長尺線材３１を使用する。最内周の１ターン目の長尺線材３３は、内側のロータ６２から放出される半径方向の磁束Ｂ１の影響を受け易い。したがって、線材幅方向の中間にスリット２３２を有する長尺線材３３を用いることで、渦電流を効率的に低減できる。
【００４６】
なお、実施形態で集中巻き４ターンの矩形コイル４、７を例示したが、これに限定されない。例えば、本発明は、波状に長尺線材を巻回する分布巻きコイルにも適用でき、適宜線材を接合することもできる。また、ターン数やコイルの断面形状も任意である。本発明は、その他様々な変形や応用が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１、１１〜１６：長尺板素材
２１、２２１、２２２、２３１、２３２、２３３：スリット
２４、２５１、２５２、２６１、２６２、２６３：スリット
２９：連続部
３１〜３４：長尺線材
４：コイル
５：ステータ（電機子） ５１：ステータコア ５２：磁極ティース
５３：スロット部 ５４：端部
６：回転電機 ６２：ロータ
７：コイル
８：ステータ（電機子）
Ｂ１、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ３１、Ｂ３３：折り曲げ線
Ｂ４、Ｂ５１、Ｂ５２、Ｂ６１、Ｂ６３：折り曲げ線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電材料からなる線材が巻回されて形成されるコイル、および、コイルを含んで構成され回転電機に使用される電機子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車や電気自動車に搭載される発電電動機などの回転電機には、コイルを有するステータを外周側に配置し、磁石を有するロータを内周側に配置したインナーロータ回転磁石形のものが多用されている。この種の回転電機のステータ（電機子）は、半径方向内向きに突出する複数の磁極ティースを有する円筒状のステータコアと、各磁極ティースに線材を巻回して構成したコイルと、備えるのが一般的である。線材としては、表面に絶縁被膜を形成した銅線や銅板などが用いられる。コイルの巻き方には、大別して集中巻きと分布巻きとがあり、通電すべき電流値や磁極ティースの形状などを考慮して、線材の断面積や断面形状が適宜設計される。
【０００３】
この種の用途に用いられる線材、コイル、および線材の製造方法の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術は、丸線や平角線の表面に線材方向に沿って溝部を形成し、加えて、溝部に絶縁材などを挿入することを特徴としている。さらに、溝部を有する線材を複数回捲き回してコイルや変成器を構成することを特徴としている。これにより、より安く製造することが可能で、渦電流を減少させる線材、コイル、および変成器を提供することができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４０４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に開示されるように線材の表面に溝部を形成しただけでは、渦電流をわずかしか低減できない。詳述すると、渦電流は、線材内部に仮想される閉ループに鎖交する磁束が変化したとき、誘導された起電力により当該閉ループに流れる電流である。ここで、線材の表面に溝部を形成しても導体断面は分割されないので、断面全体を囲んで電気的に導通する閉ループをなくすことはできない。したがって、溝部により閉ループの形状を多少変化させることができても、渦電流の低減効果はわずかしかない。
【０００６】
一般的に、線材の断面積が一定の条件下で縦横の寸法比を大きくして扁平化すれば、扁平の度合いに応じて断面内を流れる渦電流を低減できる。なぜなら、渦電流が流れる閉ループを仮想したときに、磁束が鎖交するループ断面積は殆ど変化せず、ループ周回長が増加してループ抵抗が増加するからである。しかしながら、線材を巻回してコイルを製造する作業では、線材が扁平であると作業性が低下し、製造コストが増加する。また、扁平な線材を巻回したコイルは大形になりがちであり、コイルを備える電機子、ひいては回転電機全体が大きくなりがちとなる問題が生じる。
【０００７】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、内部で発生する渦電流を低減でき、コンパクトで製造コストが低廉なコイルおよび電機子を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する請求項１に係るコイルの発明は、導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに前記長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材が、該長尺線材の表裏面と垂直な軸線回りに屈曲されて巻回されたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記長尺板素材の前記スリットおよび前記折り曲げ線が少なくとも一部で相互に重なっていることを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する請求項３に係る電機子の発明は、周方向に間隔をあけて配置され半径方向に突出する複数の磁極ティース、該磁極ティース間に形成されたスロット部、および前記磁極ティースの軸方向外側に形成された端部を有する円筒状のコアと、導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに前記長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材が、該長尺線材の表裏面と垂直な軸線回りに屈曲されて前記スロット部および前記端部に巻回されたコイルと、を備え、前記スリットは、前記端部において少なくとも前記磁極ティースの軸方向外側端面に至るまで配置されるように前記長尺板素材に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３において、前記スリットは、前記端部内から前記スロット部内まで延在するように前記長尺板素材に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項３または４において、前記スロット部の半径方向位置により、前記コイルを形成する前記長尺線材の前記長手方向と垂直な面内における断面形状、前記折り曲げ線の位置、および前記スリットの位置の少なくとも１つが変化していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係るコイルの発明では、導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて長尺線材が形成されている。さらに、長尺線材がその表裏面と垂直な軸線回りに屈曲され巻回されてコイルが構成されている。このため、長尺線材の長手方向と垂直な面内における断面形状は複数層構造となる。また、長尺線材は長手方向の大部分の位置でスリットにより分割されて各層は相互に電気的に離隔し、実質的に複数の扁平な線材が並行している断面形状となる。コイル内でこの長尺線材の長手方向の磁束が変化する場合、層ごとに長手方向と垂直な面内に閉ループを仮想できる。この閉ループのループ断面積は単一の平角線を巻回したコイルと比較して顕著に減少し、ループ周回長の減少はわずかである。したがって、閉ループに鎖交する磁束の変化により誘導される起電力は顕著に減少し、ループ抵抗の減少はわずかであり、渦電流を低減できる。これに対し、平角線に溝部を形成する従来技術では、ループ周回長は多少増加するが、ループ断面積の減少はわずかである。したがって、長尺線材の断面を複数層に分割することで、平角線に溝部を形成するよりも確実かつ顕著に渦電流を低減できる。
【００１４】
また、長尺線材の複数層構造は実質的に複数の扁平な線材となっており、各層を個別に加工することができるので、引き回し加工や曲げ加工が行いやすく、形状の微調整が容易である。したがって、コンパクトなコイルを実現できる。さらに、長尺線材はスリットが途切れた位置で幅方向につながっているので、１本の線材として扱うことができ、完全に分離した２本の線材を巻回するよりも作業性が良好である。したがって、製造コストが低廉なコイルを実現できる。
【００１５】
請求項２に係る発明では、長尺板素材のスリットおよび折り曲げ線が少なくとも一部で相互に重なっている。したがって、長尺板素材を折り重ねる際の所要加工力が小さくて済み、長尺線材を容易に形成でき、製造コストがより一層低廉なコイルを実現できる。
る。
【００１６】
請求項３に係る発明では、複数の磁極ティース、磁極ティース間に形成されたスロット部、および磁極ティースの軸方向外側に形成された端部を有する円筒状のコアに、請求項１または２に記載のコイルが組み合わされて電機子が構成されており、端部においてスリットが磁極ティースの軸方向外側端面に至るまで配置されている。本明細書中で、スロット部および端部は、コイルを配置する空間を意味している。長尺線材は、端部内ではスリットにより複数層に分割され、各層は相互に電気的に離隔している。これにより、スロット部内で長尺線材の長手方向に流れる渦電流を低減できる。
【００１７】
詳述すると、スロット部内で、隣接する磁極ティースの間に磁束が発生し、長尺線材の長手方向に対して交差する。このため、渦電流が流れる閉ループは、長尺線材の長手方向に仮想される。前述のように、長尺線材は端部内ではスリットにより分割されており、閉ループの拡がりはスリットの制約を受ける。つまり、閉ループのループ断面積が制約されて、相対的にループ周回長が増加するため、渦電流を低減できる。
【００１８】
請求項４に係る発明では、スリットは、端部内からスロット部内まで延在するように設けられている。これにより、スロット部内において、長尺線材の長手方向に仮想される閉ループの拡がりは、より一層スリットの制約を受ける。つまり、閉ループのループ断面積がより一層制約されて局限化され、相対的にループ周回長が増加するため、渦電流を大幅に低減できる。
【００１９】
請求項５に係る発明では、スロット部の半径方向位置により、コイルを形成する長尺線材の長手方向と垂直な面内における断面形状、折り曲げ線の位置、およびスリットの位置の少なくとも１つが変化している。スロット部の半径方向位置により、鎖交する磁束の強さおよび方向が変化するので、これに合わせて長尺線材を適宜変化させることができる。これにより、スロット部の半径方向の各位置で、渦電流を効率的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態で使用する長尺板素材の図であり、（１）は長手方向と直交する端面の図、（２）は平面図である。
【図２】長尺板素材に設けるスリットの配置の３つのバリエーションを説明する図であり、（１Ａ）、（２Ａ）、および（３Ａ）はそれぞれ長手方向と直交する面内の断面図、（１Ｂ）、（２Ｂ）、および（３Ｂ）はそれぞれ平面図である。
【図３】長尺板素材に設けるスリットの配置の別の３つのバリエーションを説明する図であり、（１Ａ）、（２Ａ）、および（３Ａ）はそれぞれ長手方向と直交する面内の断面図、（１Ｂ）、（２Ｂ）、および（３Ｂ）はそれぞれ平面図である。
【図４】長尺板素材の折り重ね方法の４つのバリエーションを模式的に説明する図であり、（１）〜（４）はそれぞれ折り重ね加工により形成された長尺線材の長手方向と直交する面内の断面図である。
【図５】第１実施形態のコイルおよびステータを用いた回転電機を模式的に説明する断面図である。
【図６】図５の矢印Ｎ方向から見たステータ（電機子）の部分断面図である。
【図７】図６の矢印Ｍ方向から見たステータ（電機子）の部分図である。
【図８】図５の矢印Ｌ方向から見た長尺線材の中間厚さ位置におけるステータ（電機子）の部分断面図である。
【図９】第１実施形態の電機子の効果を算定した結果を説明する図であり、（１）は銅渦損の比率Ｒ１、（２）は銅渦損の低減率Ｒ２を示している。
【図１０】第２実施形態のコイルおよびステータを説明する部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の第１実施形態のコイル４およびステータ５（電機子）について、図１〜図９を参考にして説明する。図１は、第１実施形態で使用する長尺板素材１の図であり、（１）は長手方向と直交する端面の図、（２）は平面図である。図示されるように、長尺板素材１は板幅Ｗ、板厚Ｔで、長手方向に延びる部材である。長尺板素材１は導電材料からなり、一般的な銅板を用いることができ、アルミニウム板など他の金属板を用いるようにしてもよい。また、長尺板素材１の表面には電気的な導通を阻止する絶縁被膜を設ける。この絶縁被膜は、無垢の長尺板素材１に予め設けてもよく、後述するスリット加工および折り重ね加工の後に設けてもよい。
【００２２】
次に、長尺板素材１のスリット加工について説明する。図２は、長尺板素材１に設けるスリットの配置の３つのバリエーションを説明する図であり、（１Ａ）、（２Ａ）、および（３Ａ）はそれぞれ長手方向と直交する面内の断面図、（１Ｂ）、（２Ｂ）、および（３Ｂ）はそれぞれ平面図である。各バリエーションで、スリットは長尺板素材１の長手方向に沿い板厚方向に貫通するように設けられている。また、スリットの長手方向の長さは用途に応じて適宜定めることができ、例えば、後述するステータ５でスリット２１が端部５３からスロット部５４に延在するように定めることができる。
【００２３】
図２の（１Ａ）および（１Ｂ）に示される第１バリエーションで、スリット２１は、長尺板素材１１の板幅方向の中央１箇所に設けられている。（２Ａ）および（２Ｂ）に示される第２バリエーションで、２個のスリット２２１、２２２は、長尺板素材１２の板幅方向を４等分したときの略（１／４）および略（３／４）の位置の２箇所に対称に設けられている。（３Ａ）および（３Ｂ）に示される第３バリエーションで、３個のスリット２３１、２３２、２３３は、長尺板素材１３の板幅方向の中央１箇所および両側寄り２箇所に対称に設けられている。第１〜第３バリエーションでは、各スリット２１、２２１、２２２、２３１、２３２、２３３は、長尺板素材１１〜１３の長手方向の端面まで延在していないが、図３に示されるように端面まで延在していてもよい。
【００２４】
図３は、長尺板素材１に設けるスリットの配置の別の３つのバリエーションを説明する図であり、（１Ａ）、（２Ａ）、および（３Ａ）はそれぞれ長手方向と直交する面内の断面図、（１Ｂ）、（２Ｂ）、および（３Ｂ）はそれぞれ平面図である。図３の（１Ａ）および（１Ｂ）に示される第４バリエーションを第１バリエーションと比較すると、スリット２４が長尺板素材１４の幅方向中央に設けられている点は同様であり、長尺板素材１４の長手方向の端面まで延在している点が異なる。同様に、図３の（２Ａ）および（２Ｂ）に示される第５バリエーションと（３Ａ）および（３Ｂ）に示される第６バリエーションとは、それぞれ第２および第３バリエーションのスリット２２１、２２２、２３１、２３３を長手方向の端面まで延在させて、スリット２５１、２５２、２６１、２６３としたものである。第５バリエーションで、２個のスリット２５１、２５２は、長尺板素材１５の長手方向に揃って設けられている。これに対し、第６バリエーションで、長尺板素材１６の中央のスリット２６２は、両側のスリット２６１、２６３に対して長手方向に変位して設けられ、端面まで延在していない。
【００２５】
スリットの長手方向の位置に関しては、他のさまざまなバリエーションを採用してもよい。いずれにしても、各長尺板素材１１〜１６は、スリットが途切れた位置、例えば、図３（１Ｂ）の第４バリエーションにおけるスリット２４間の連続部２９でつながっている。
【００２６】
次に、長尺板素材１の折り重ね加工について説明する。図４は、長尺板素材１の折り重ね方法の４つのバリエーションを模式的に説明する図であり、（１）〜（４）はそれぞれ折り重ね加工により形成された長尺線材３１〜３４の長手方向と直交する面内の断面図である。図２および図３において、長手方向の折り曲げ線Ｂ１、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ３１、Ｂ３３、Ｂ４、Ｂ５１、Ｂ５２、Ｂ６１、Ｂ６３はそれぞれ、スリット２１、２２１、２２２、２３１、２３３、２４、２５１、２５２、２６１、２６３に重なるように設定されている。この折り曲げ線Ｂ１〜Ｂ６３に沿って長尺板素材１１〜１６を折り重ね加工することにより、長尺線材３１〜３４を形成することができる。
【００２７】
図２（１Ａ）および（１Ｂ）に示される第１バリエーションのスリット２１が設けられた長尺板素材１１を折り曲げ線Ｂ１に沿って折り重ねると、図４（１）に示される断面Ｕ字の長尺線材３１を形成することができる。また、図３（１Ａ）および（１Ｂ）に示される第４バリエーションのスリット２４が設けられた長尺板素材１４を折り曲げ線Ｂ４に沿って折り重ねても、同じ断面Ｕ字の長尺線材３１を形成することができる。長尺線材３１は、スリット２１を含む断面で２層構造となり、実質的に２本の扁平な線材が並行している断面形状となる。２層構造を構成する各層の間は、図中では誇張されて間隙が設けられているが、実際には絶縁被膜のみで電気的に離隔しており、構造上の間隙寸法は必要でない。したがって、長尺線材３１の幅Ｗ１は長尺板素材１の板幅Ｗの約半分となり、長尺線材３１の厚さＴ１は長尺板素材１の板厚Ｔの約２倍となる。
【００２８】
同様に、長尺板素材１２や長尺板素材１５を２本の折り曲げ線Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ５１、Ｂ５２に沿って両側の側端を同じ向きに折り重ねると、図４（２）に示される断面Ｃ字の長尺線材３２を形成することができる。また、長尺板素材１３や長尺板素材１６を２本の折り曲げ線Ｂ３１、Ｂ３３、Ｂ６１、Ｂ６３に沿って両側の側端を同じ向きに折り重ねると、図４（３）に示される断面Ｃ字の長尺線材３３を形成することができる。長尺線材３２、３３の幅Ｗ２、Ｗ３は長尺板素材１の板幅Ｗの約半分となり、長尺線材３２、３３の厚さＴ２、Ｔ３は長尺板素材１の板厚Ｔの約２倍となる。
【００２９】
さらに、長尺板素材１２や長尺板素材１５を２本の折り曲げ線Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ５１、Ｂ５２に沿って両側の側端を反対向きに折り重ねると、図４（４）に示される断面Ｓ字の長尺線材３４を形成することができる。長尺線材３４の幅Ｗ４は長尺板素材１の板幅Ｗの約半分となり、厚さＴ４は長尺板素材１の板厚Ｔの約３倍となる。長尺線材３４は、コイルを構成する際に、厚さ方向に潰して厚さＴ４を長尺板素材１の板厚Ｔの約２倍まで減じてから巻回することができ、あるいは。厚さＴ４を減じることなく段違いに重ねて巻回することができる。
【００３０】
なお、長尺板素材１の折り重ね方法は上記に限定されない。例えば、断面Ｚ字や断面６字の３層構造や、断面Ｗ字の４層構造とすることができる。他の折り重ね方法を採用する場合には、折り重ね方法に合わせて適宜スリットの位置を定めることが好ましく、スリットおよび折り曲げ線が少なくとも一部で相互に重なっていることが好ましい。
【００３１】
次に、図４（１）に示される長尺線材３１が屈曲されて巻回された第１実施形態のコイル４、コイル４がステータコア５１と組み合わされて構成されたステータ５（電機子）、およびステータ５を用いた回転電機６について説明する。図５は、第１実施形態のコイル４およびステータ５を用いた回転電機６を模式的に説明する断面図である。回転電機６は、軸線ＡＸを中心とする概ね軸対称構造であり、略円筒状のケース６９の内部に、同軸内側にロータ６２、同軸外側にステータ５を備えている。
【００３２】
ロータ６２は、軸線ＡＸ上のシャフト６３と、シャフト６３の周りに固定されたロータコア６４とを有している。シャフト６３は、ケース６９に設けられた２個の軸受６５、６６により回転自在に軸支されている。ロータコア６４は、薄板状の多数枚の電磁鋼板が軸線ＡＸ方向に積み重ねられて構成されている。さらに、各電磁鋼板には複数の孔部が周方向に並んで形成され、各孔部を軸線ＡＸ方向に貫通して図略の永久磁石が埋め込まれている。
【００３３】
一方、ステータ５は、略円筒状のステータコア５１と、コイル４とを有している。ステータコア５１は、ケース６９の内側に薄板状の多数枚の電磁鋼板が軸線ＡＸ方向に積み重ねられて構成されている。図６は、図５の矢印Ｎ方向から見たステータ５の部分断面図であり、図７は、図６の矢印Ｍ方向から見たステータ５の部分図である。さらに、図８は、図５の矢印Ｌ方向（すなわち図７の矢印Ｋ方向）から見た長尺線材３１の中間厚さ位置におけるステータ５の部分断面図である。図示されるように、ステータコア５１は、その内周から内向きに突出する略矩形断面の磁極ティース５２を有している。磁極ティース５２は、周方向に間隔をあけて複数配置されており、隣接する磁極ティース５２間にスロット部５３が形成されている。また、磁極ティース５２の軸方向外側に端部５４が形成されている。スロット部５３および端部５４は、コイル４を配置する空間の名称である。
【００３４】
コイル４は、長尺線材３１がその表裏面と垂直な軸線回りに屈曲され巻回されて、構成されている。詳述すると、図６〜図８に示されるように、磁極ティース５２の略矩形断面の中心に軸線ＡＹが設定されている。磁極ティース５２の外周には、筒状の絶縁ボビンが配置されるが、図では省略されている。絶縁ボビンの外周に沿い、スリット２１および折り曲げ線Ｂ１が内周側となるように、長尺線材３１が屈曲される。そして、長尺線材３１がスロット部５３および端部５４に４ターン巻回され、集中巻きの矩形コイル４が構成される。
【００３５】
また、長尺線材３１の２層構造を構成する各層は、スリット２１が設けられていない連続部２９のみでつながっている。図８に示されるように、連続部２９はスロット部５３内の軸方向中央に配置されている。また、連続部２９の軸方向長Ｘは、ステータコア５１の軸方向積厚寸法Ｙよりも小さくなっている。つまり、スリット２１が端部５４内からスロット部５３内まで延在している。
【００３６】
次に、上述のコイル４の作用、効果について説明する。２層構造の長尺線材３１では、長手方向の磁束が変化する場合、層ごとに長手方向と垂直な面内に閉ループを仮想できる。この閉ループのループ断面積は単一の平角線を巻回したコイルと比較して顕著に減少し、ループ周回長の減少はわずかである。したがって、閉ループに鎖交する磁束の変化で誘導される起電力は顕著に減少し、ループ抵抗の減少はわずかであり、渦電流を低減できる。これに対し、平角線に溝部を形成する従来技術では、ループ周回長は多少増加するが、ループ断面積の減少はわずかである。したがって、長尺線材３１の断面を２層に分割することで、平角線に溝部を形成するよりも確実かつ顕著に渦電流を低減できる。
【００３７】
次に、電機子５としての作用、効果について、図９を参考にして説明する。図９は、第１実施形態の電機子５の効果を算定した結果を説明する図であり、（１）は銅渦損の比率Ｒ１、（２）は銅渦損の低減率Ｒ２を示している。図９（１）および（２）における横軸は共通で、スロット部５３内の分割長割合Ｚ（％）である。分割長割合Ｚは、図７および図８に示された連続部２９の軸方向長Ｘおよびステータコア５１の軸方向積厚寸法Ｙを用いて、次式により求められる。
【００３８】
分割長割合Ｚ＝（Ｙ−Ｘ）／Ｙ×１００ （％）
分割長割合Ｚは、スリット２１がスロット部５３に延在する割合を意味している。例えば、Ｚ＝０％は、スリット２１が端部５４において磁極ティース５２の軸方向外側端面に至るまで配置された状態、すなわち、スリット２１が端部５４内のみに配置されスロット部５３内に延在しない状態を意味している。また、Ｚ＝１００％はＸ＝０を意味し、スリット２１がスロット部５３内の全体に配置され、長尺線材３１が完全な２層構造に分割された仮想的な状態を意味している。
【００３９】
また、図９（１）の縦軸は、渦電流により生じる銅渦損を比率Ｒ１で示している。比率Ｒ１＝１．０となる基準量は、スリット２１を全く設けない単純な折り重ね加工のみにより形成された長尺線材に発生する銅渦損である。
【００４０】
算定の結果、分割長割合Ｚ＝０％において、比率Ｒ１＝０．９８７が得られた。つまり、スリット２１を端部５４のみに配置しても、スリット２１を全く設けない場合よりも銅渦損を低減できることが判明した。また、Ｚ＝１００％において、比率Ｒ１＝０．６５１が得られた。図９（２）の縦軸の低減率Ｒ２は、Ｚ＝１００％において比率Ｒ１が０．３４９（１−０．６５１）だけ低減される効果を基準量１．０としたものである。さらに、図９（１）および（２）に示されるように、分割長割合Ｚが４０％から８０％、９０％と増加するのに伴い、比率Ｒ１および低減率Ｒ２が減少することが判明した。すなわち、スリット２１を端部５４内からスロット部５３内に延在させる効果が明らかになった。
【００４１】
また、逆に、スリット２１をスロット部５３に配置し、連続部２９を端部５４に配置した場合、銅渦損を低減する効果は生じなかった。
【００４２】
上述の算定結果は次のように解釈することができる。すなわち、図６〜図８中に示されるように、スロット部５３内で磁束Ｂは隣接する磁極ティース５２の間に発生し、長尺線材３１の長手方向と交差する。このため、渦電流が流れる閉ループは、長尺線材３１の長手方向に仮想される。前述のように、長尺線材３１は端部５４内ではスリット２１により分割されており、閉ループの拡がりはスリット２１の制約を受ける。つまり、閉ループは連続部２９を通って２層に拡がるので、ループ断面積が制約されて、相対的にループ周回長が増加するため、渦電流を低減できる。
【００４３】
第１実施形態のコイル４およびステータ５では、長尺線材３１の２層構造が実質的に２本の扁平な線材となっていて個別に加工を行うことができるので、引き回し加工や曲げ加工が行いやすく、形状の微調整が容易である。したがって、コンパクトなコイル４およびステータ５を実現できる。さらに、長尺線材３１はスリット２１が途切れた連続部２９で幅方向につながっているので、１本の線材として扱うことができ、完全に分離した２本の線材を巻回するよりも作業性が良好である。したがって、製造コストが低廉なコイル４およびステータ５を実現できる。
【００４４】
次に、第２実施形態のコイル７およびステータ８（電機子）について、図１０参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図１０は、第２実施形態のコイル７およびステータ８を説明する部分断面図である。第２実施形態のコイル７およびステータ８の構造は第１実施形態に類似しており、コイル７を形成する長尺線材３１、３３を２種類用いる点が異なる。つまり、スロット部５３の半径方向位置により、コイル７を形成する長尺線材３１、３３の長手方向と垂直な面内における断面形状、折り曲げ線の位置、およびスリットの位置が変化している。
【００４５】
具体的には、図１０に示されるように、コイル７を形成する最内周の１ターン目に図４（３）の断面Ｃ字の長尺線材３３を使用し、外周側の２〜４ターン目に図４（１）の断面Ｕ字の長尺線材３１を使用する。最内周の１ターン目の長尺線材３３は、内側のロータ６２から放出される半径方向の磁束Ｂ１の影響を受け易い。したがって、線材幅方向の中間にスリット２３２を有する長尺線材３３を用いることで、渦電流を効率的に低減できる。
【００４６】
なお、実施形態で集中巻き４ターンの矩形コイル４、７を例示したが、これに限定されない。例えば、本発明は、波状に長尺線材を巻回する分布巻きコイルにも適用でき、適宜線材を接合することもできる。また、ターン数やコイルの断面形状も任意である。本発明は、その他様々な変形や応用が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１、１１〜１６：長尺板素材
２１、２２１、２２２、２３１、２３２、２３３：スリット
２４、２５１、２５２、２６１、２６２、２６３：スリット
２９：連続部
３１〜３４：長尺線材
４：コイル
５：ステータ（電機子） ５１：ステータコア ５２：磁極ティース
５３：スロット部 ５４：端部
６：回転電機 ６２：ロータ
７：コイル
８：ステータ（電機子）
Ｂ１、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ３１、Ｂ３３：折り曲げ線
Ｂ４、Ｂ５１、Ｂ５２、Ｂ６１、Ｂ６３：折り曲げ線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに前記長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材が、該長尺線材の表裏面と垂直な軸線回りに屈曲されて巻回されたことを特徴とするコイル。
【請求項２】
請求項１において、前記長尺板素材の前記スリットおよび前記折り曲げ線が少なくとも一部で相互に重なっていることを特徴とするコイル。
【請求項３】
周方向に間隔をあけて配置され半径方向に突出する複数の磁極ティース、該磁極ティース間に形成されたスロット部、および前記磁極ティースの軸方向外側に形成された端部を有する円筒状のコアと、
導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに前記長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材が、該長尺線材の表裏面と垂直な軸線回りに屈曲されて前記スロット部および前記端部に巻回されたコイルと、を備え、
前記スリットは、前記端部において少なくとも前記磁極ティースの軸方向外側端面に至るまで配置されるように前記長尺板素材に設けられていることを特徴とする電機子。
【請求項４】
請求項３において、前記スリットは、前記端部内から前記スロット部内まで延在するように前記長尺板素材に設けられていることを特徴とする電機子。
【請求項５】
請求項３または４において、前記スロット部の半径方向位置により、前記コイルを形成する前記長尺線材の前記長手方向と垂直な面内における断面形状、前記折り曲げ線の位置、および前記スリットの位置の少なくとも１つが変化していることを特徴とする電機子。
【請求項１】
導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに前記長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材が、該長尺線材の表裏面と垂直な軸線回りに屈曲されて巻回されたことを特徴とするコイル。
【請求項２】
請求項１において、前記長尺板素材の前記スリットおよび前記折り曲げ線が少なくとも一部で相互に重なっていることを特徴とするコイル。
【請求項３】
周方向に間隔をあけて配置され半径方向に突出する複数の磁極ティース、該磁極ティース間に形成されたスロット部、および前記磁極ティースの軸方向外側に形成された端部を有する円筒状のコアと、
導電材料からなる長尺板素材の長手方向に沿い板厚方向に貫通するスリットが設けられるとともに前記長手方向の折り曲げ線に沿って折り重ねられて形成された長尺線材が、該長尺線材の表裏面と垂直な軸線回りに屈曲されて前記スロット部および前記端部に巻回されたコイルと、を備え、
前記スリットは、前記端部において少なくとも前記磁極ティースの軸方向外側端面に至るまで配置されるように前記長尺板素材に設けられていることを特徴とする電機子。
【請求項４】
請求項３において、前記スリットは、前記端部内から前記スロット部内まで延在するように前記長尺板素材に設けられていることを特徴とする電機子。
【請求項５】
請求項３または４において、前記スロット部の半径方向位置により、前記コイルを形成する前記長尺線材の前記長手方向と垂直な面内における断面形状、前記折り曲げ線の位置、および前記スリットの位置の少なくとも１つが変化していることを特徴とする電機子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２３４４４３（Ｐ２０１１−２３４４４３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１００４７１（Ｐ２０１０−１００４７１）
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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