JP2005210778A - 回転電機用固定子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルが発生する熱を固定子鉄心に対して効果的に伝達させることで、コイル冷却の効率化を図る。
【解決手段】コイル束１４ａが固定子鉄心と接触する面について平滑化加工を行う（ｂ）。この平滑化加工は、平角コイル１６の絶縁被膜１８を破らない程度まで加工し、コイル束１４ａの平滑化加工面に絶縁材が残るようにしても良いし、平角コイル１６の絶縁被膜１８を取り除くまで加工し、その後この加工面上に絶縁皮膜を形成するようにしても良い。平滑化加工面上への絶縁被膜形成については、例えば、絶縁テープを巻くなどしてコイル束１４ａ全体を覆うように絶縁膜１９を形成しても良いし（ｃ）、平滑化加工面のみに絶縁膜２０を新たに形成するようにしても良い（ｄ）。平滑化加工が施されたコイル束１４ａは、固定子鉄心と接触した際に効率良く熱を伝達することができるので、コイル冷却の効率化が図られる。
【選択図】図７

Description

本発明は、回転電機用固定子およびその製造方法に関し、特に、コイルに発生する熱の固定子鉄心への伝達を促進させる技術に関するものである。

回転電機の小型化・高性能化を実現するには、熱負荷の増大に対応する技術が必要である。特に、電気自動車やハイブリッド車の実用化が行われている現在、回転電機のさらなる小型化・高性能化が求められている。

回転電機の発熱は、固定子内の鉄心とコイル（あるいは磁石）、回転子内の磁石（あるいは鉄心とコイル）のように、構成要素の磁束発生領域で発生する。特に、固定子では鉄心とコイルのそれぞれが発熱するので、鉄心の発熱による渦損やヒステリシス損、コイルの発熱によるジュール損を低減するためには、鉄心とコイルの除熱が必要となる。

鉄心の除熱については、磁性鋼鈑であっても、あるいは圧粉磁心材であっても、鉄心に冷媒流路を設けることによって鉄心自体を直接冷却する方法が知られている。一方、コイルについては、回転電機の構成上の問題として鉄心と回転子とに近接しているので、直接冷却を行う領域の確保が困難である。従って、例えば、ラジアル型の回転電機では、コイルを固着して熱伝導率を向上させる方法やコイルエンド部に冷媒を接触させてコイル冷却を行うといった方法しか採られていないのが実情である。

なお、コイル冷却に関する従来技術として、いくつかの技術が開示されている。例えば、下記特許文献１には、コイルエンド部を樹脂でモールドすることによって熱伝導性の向上を図る技術が開示されている。かかる技術によれば、コイル間に樹脂がポッティングされているので熱伝導性の向上が見込めるというものである。しかしながら、下記特許文献１に開示される技術では、コイル同士を密着させることが困難なためにコイル束内の空間が大きくなり、大きな熱伝導率の向上は期待できない。

また、下記特許文献２には、コイルエンド部に対して冷媒としての油を噴霧し、液体による直接冷却を行う技術が開示されている。この技術は、液体冷媒による直接冷却のために冷却効果は大きいのであるが、冷却装置を必要とするために構造が複雑化・大型化するという問題を有している。

さらに、下記特許文献３には、コイルと鉄心とを加圧接触させることによって、特別な冷却手段を設けることなくコイルが発する熱を鉄心に伝達させ、この鉄心を冷却することによってコイルの除熱を行うという技術が開示されている。加圧接触は、コイルと鉄心の間に挿入された金属バイメタルによって行われている。しかしながら、下記特許文献３に開示されている技術では、コイルに対して特別な配慮がなされておらず、単にコイルを加圧している状態のために接触性の向上が十分ではない。また、コイル単体を接触させる方法のために、不定型なコイル束を対象とした場合には、金属バイメタルが加圧機能を十分に果たすことができないという問題も抱えている。

特開平１１−２０６０６３号公報 実開平０７−０２７２７０号公報 特開２００２−２６２５００号公報

背景技術で列挙した従来の技術では、現在の電気自動車やハイブリッド車などにおいて求められている回転電機のさらなる小型化・高性能化を実現することは困難である。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、コイルに発生した熱を鉄心に対して効果的に伝達させることによってコイル冷却の効率化を図り、回転電機の小型化・高性能化を実現するための新たな固定子構造を提供するものである。

本発明に係る回転電機用固定子の製造方法は、コイルを巻型に巻回して粗巻コイルを形成する巻線工程と、前記巻線工程で形成された粗巻コイルの導体を整列させて接着剤を塗布することにより、前記粗巻コイルを固定子鉄心内での使用状態に相当するコイル束に成形する成形工程と、前記成形工程で成形されたコイル束の固定子鉄心と接触する面を平滑化するように加工する加工工程と、前記加工工程で加工されたコイル束を固定子鉄心のスロットに挿入する挿入工程と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機用固定子の製造方法において、前記成形工程における粗巻コイルの導体の整列は、前記加工工程において平滑化加工を受ける面の少なくとも一層目のコイル同士が揃うように行われることが好適である。

さらに、本発明に係る回転電機用固定子の製造方法において、前記加工工程における平滑化加工は、プレス加工等の成型加工、あるいは切削加工、研削加工、研磨加工等の除去加工のうちの少なくとも１つによって行われることとすることができる。

またさらに、本発明に係る回転電機用固定子の製造方法において、前記加工工程における平滑化加工は、プレス加工等の成型加工、あるいは切削加工、研削加工、研磨加工等の除去加工のうちの少なくとも１つによって前記コイル束に平滑な加工面を形成した後、この加工面と前記導体との間に絶縁層を形成することによって行われることとすることができる。

さらにまた、本発明に係る回転電機用固定子の製造方法において、前記挿入工程によって固定子鉄心のスロットに挿入されるコイル束は、加圧手段から受ける圧力によって固定子鉄心に密着していることが好適である。

また、本発明に係る回転電機用固定子の製造方法において、前記加圧手段は、ネジ、クランプなどの締結部品、あるいは結束バンド、ひも、ゴム、リベット、接着剤などの固定部品、あるいはバネ、バイメタル、形状記憶合金などの加圧部品のうちの少なくとも１つを用いて加圧しているものであることとすることができる。

本発明に係る回転電機用固定子は、回転磁界を発生する複数相のコイル束が複数組固定子鉄心に巻回されて構成されたものであって、前記コイル束は、巻回されたコイルが接着剤を塗布されることによって固定子鉄心内での使用状態に相当する形状に成形されるとともに、固定子鉄心と接触する面が平滑化加工を受けており、この平滑化加工面は、加圧手段から受ける圧力によって固定子鉄心に密着していることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機用固定子において、前記コイル束を構成するコイルは、前記平滑化加工面の少なくとも一層目のコイル同士が整列していることが好適である。

さらに、本発明に係る回転電機用固定子において、前記平滑化加工は、プレス加工等の成型加工、あるいは切削加工、研削加工、研磨加工等の除去加工のうちの少なくとも１つによって行われることとすることができる。

またさらに、本発明に係る回転電機用固定子において、前記平滑化加工は、プレス加工等の成型加工、あるいは切削加工、研削加工、研磨加工等の除去加工のうちの少なくとも１つによって前記コイル束に平滑な加工面を形成した後、この加工面と前記導体との間に絶縁層を形成することによって行われることとすることができる。

さらにまた、本発明に係る回転電機用固定子において、前記加圧手段は、ネジ、クランプなどの締結部品、あるいは結束バンド、ひも、ゴム、リベット、接着剤などの固定部品、あるいはバネ、バイメタル、形状記憶合金などの加圧部品のうちの少なくとも１つを用いて加圧しているものであることとすることができる。

本発明によれば、コイルが発生する熱を固定子鉄心に対して効果的に伝達させることができるので、コイル冷却の効率化を図ることが可能となる。したがって、回転電機の小型化・高性能化を実現することができる。

本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施形態は、主としてアキシャル型モータに本発明を適用した場合を例示して説明する。ただし、本発明の技術的範囲は下記実施形態に記載の範囲には限定されず、下記実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

まず、本実施形態が適用されるアキシャル型モータの構造について説明する。図１は、アキシャル型モータの断面概略図である。また、図２は図１で例示されるアキシャル型モータの回転子を示しており、図３は図１で例示されるアキシャル型モータの固定子を示している。

アキシャル型モータは、永久磁石１１を複数内在する円板状の回転子１０と、その両側に配置される固定子１２とから構成されている。回転子１０は、永久磁石１１によって界磁束発生源となり、固定子１２から発生する回転磁界に従って回転可能となっている。一方、固定子１２は、固定子鉄心１３が有するティース１３ａ部分にコイル束１４が嵌め込まれた複数の極を持つものであり、図１で例示するアキシャル型モータの場合には、２つの固定子１２が同軸に配置されている。また、固定子１２は、図３（ｂ）で示されるように、磁極を構成するためのコイル束１４および固定子鉄心１３を同心線上に多数配置する必要がある。そこで、固定子鉄心１３は複数のティース１３ａを備えており、このティース１３ａの一端側は、複数のコイル束１４を嵌め込むことができるようにリング状のバックヨーク１３ｂに配設されている。すなわち、固定子１２は、回転子１０を回転させるための回転磁界を発生する複数相のコイル束１４が複数組固定子鉄心１３に嵌め込まれることによって構成されている。なお、固定子鉄心１３は、図４で例示するように極全体が単一の固定子鉄心１３として構成されても良いし、図５で例示するように一極ごとに分割された鉄心１５を構成し、この鉄心１５の集合体として固定子鉄心１３を形成することとしても良い。

ここで、従来の固定子１２におけるコイル束１４の設置例について、図６および図６Ａないし図６Ｄを用いて説明する。図６および図６Ａないし図６Ｄで示すコイル束１４は、矩形断面を有するいわゆる平角コイル１６を用いた場合を例示している。

平角コイル１６には、電気的な絶縁性を確保するための被膜（例えば、エナメル被膜など）がコイル外周を覆うように設けられている。このような平角コイル１６を巻型３０（あるいは固定子鉄心１３）に巻回すことによってコイルの束（粗巻コイル３１）を形成する（図６Ａおよび図６Ｂ参照）。その後、平角コイル１６間を接着剤などで固定することにより、コイルの束が一体化成形される（図６Ｃおよび図６Ｄ参照）。この束には、固定子鉄心１３との間の電気的絶縁性をさらに確保するために絶縁膜１７が施される。こうして完成したコイル束１４を固定子鉄心１３に嵌め込むことによって、固定子１２が完成するのである。

なお、図６Ｃおよび図６Ｄで行った工程については、図６Ｅで示す工程に変更することも可能である。すなわち、巻型３０からコイルの束（粗巻コイル３１）を離型したうえで巻型３０に離型紙貼付あるいは離型剤塗布を行い、コイルの束（粗巻コイル３１）を巻型３０に嵌め込む。その後、接着剤などで平角コイル１６間を固定することにより、コイルの束を一体化成形するというものである。

このような工程を経て完成する従来の固定子１２においては、平角コイル１６を整列させて固定子鉄心１３に巻回すことが困難であったため、図６に示すようにコイル束１４を構成する平角コイル１６が不揃いとなり、コイル束１４と固定子鉄心１３との良好な接触ができないという問題があった。コイル束１４と固定子鉄心１３とが良好に接触できないということは、平角コイル１６の発する熱が固定子鉄心１３側に効率よく移動できないということである。

なお、固定子鉄心１３に平角コイル１６を直接巻けば、符号Ａで示す面での密着性が良くなる反面、生産性が低下するとともに絶縁膜１７の設置ができなくなるという不具合が生じてしまう。一方、符号Ｂで示す面に密着させる場合には、符号Ａで示す面に隙間を設けることができ、あらかじめ公差を持ってコイル束１４の成形をすることが可能なので生産性は向上するのであるが、上述した平角コイル１６が不揃いとなる問題は解消しない。したがって、従来のコイル束１４を符号Ｂで示す面に密着させることによって熱伝達率を向上させるためには、コイル束１４に高い圧力を加える方法も考えられるが、十分な効果は得られない。

そこで、本実施形態では、上記のような問題を解消することが可能な、全く新しいコイル束１４の形態を提案する。図７は、本実施形態に係るコイル束１４ａを説明するための図である。

図７から明らかな通り、本実施形態に係るコイル束１４ａは、まず、巻回された平角コイル１６が接着剤を塗布されることによって固定子鉄心内での使用状態に相当する形状に成形される（図７（ａ）コイル間接着）。この際使用される接着剤は、エポキシ系などコイル耐熱温度以上の高温強度を有するものが好適である。また、一度巻かれたコイルにはバックラッシュがかかるので、そのコイル間の隙間に接着剤を塗布した後、再度コイルを巻締め直して接着剤を固化させる必要がある。

次に、コイル束１４ａが固定子鉄心と接触する面について平滑化加工を行う（図７（ｂ）参照）。この平滑化加工は、プレス加工、切削加工、研削加工、研磨加工のうちの少なくとも１つによって行うことができる。また、この平滑化加工は、平角コイル１６の絶縁被膜１８を破らない程度まで加工し、コイル束１４ａの平滑化加工面に絶縁材が残るようにしても良いし、平角コイル１６の絶縁被膜１８を取り除くまで加工し、その後この加工面上に絶縁皮膜を形成するようにしても良い。なお、平角コイル１６の絶縁被膜１８を取り除くまで加工する場合には、平角コイル１６間の接着剤が残る程度に加工するのが望ましい。これにより、平角コイル１６間の絶縁抵抗を確保することができるからである。

平滑化加工面上への絶縁被膜形成については、例えば、絶縁テープを巻くなどしてコイル束１４ａ全体を覆うように絶縁膜１９を形成しても良いし（図７（ｃ）参照）、平滑化加工面のみに絶縁膜２０を新たに形成するようにしても良い（図７（ｄ）参照）。

図８に示すのは、平滑化加工を受けた本実施形態に係るコイル束１４ａの固定子鉄心１３への設置例である。コイル束１４ａの平滑化加工面は、図示しない加圧手段から圧力を受けることによって、固定子鉄心１３に密着することになる。この加圧手段（不図示）については、バネ、バイメタル、形状記憶合金、ネジのうちの少なくとも１つを用いるものであることが好適である。

なお、平滑化加工を受けるコイル束１４ａを構成する平角コイル１６については、平滑化加工面の少なくとも一層目のコイル同士が整列していることが好適である。このような構成とすることによって、平滑化加工が容易となるとともに、平角コイル１６から固定子鉄心１３までの距離が均一となるので、効率良い熱伝達が可能となるのである。

図９は、本実施形態に係るコイル束の別の形態を示したものである。この実施形態では、コイル束１４ａの成形、および平滑化加工の実施を固定子鉄心１３と接触する部分のみとし、その他の部分では行わないこととした。このような構成とすることによって、コイルの加熱や被冷却による熱膨張の影響でコイル束１４ａや接着剤が変形、割損することを防止することが可能となる。

図１０は、これまで説明したアキシャル型モータと異なり、ラジアル型のモータに対して本実施形態を適用した場合を例示する図である。図９の場合と同様に、コイル束１４ａの成形、および平滑化加工の実施を固定子鉄心２３と接触する部分のみとしている。また、コイル束１４ａの内周側を平滑化加工し、外周側と固定子鉄心２３との間に形成された鉄心溝に絶縁材２４を挿入することによって、固定子鉄心２３とコイル束１４ａとの密着性を向上させることが可能となる。また、未接着部分の剛性は小さいので変形が容易であり、集中巻きの固定子ばかりでなく、分布巻きの固定子にも本実施形態を適用することが可能である。

なお、コイル束１４ａを形成するコイルについては、上述した平角コイル１６に限られるものではなく、例えば、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃに示すような形状のコイルも採用することが可能である。

図１１Ａは、従来からモータで広く使用されている細線コイルを本発明に適用した場合を例示する図であり、細線コイルを規則正しく巻くことによって平角コイル１６と同様の効果を得ることが可能である。なお、この際には、少なくとも平滑化加工面側の一層目に位置する細線コイル同士が整列していることが必要となる。

図１１Ｂは、平板コイルを積層したものであり、固定子鉄心１３との接触面が平板コイルの表面その物であり、平滑化加工が不要あるいは簡素化することが可能である。

図１１Ｃは、単一のコイルを採用する場合であり、平板コイルの場合と同様、本発明を適用することができる。

以上説明した本実施形態に係る回転電機用固定子について、効果を把握するために行った検証実験の結果について説明する。図１２は、平角コイル１６によって構成された本実施形態に係るコイル束１４ａと従来のコイル束１４について、固定子鉄心１３への接触圧力の違いが接触面積にどのような影響を及ぼすかについて調査した結果である。図１２から明らかな通り、本実施形態に係るコイル束１４ａ（発明コイル）の方が従来コイルと比較して、少ない圧力で広い接触面積を確保できることが明らかとなった。接触面積の拡大によってコイルからの熱を効果的に固定子鉄心側に伝えることができるので、従来技術に対する本発明の優位性が証明できた。

また、図１３は、コイル束１４ａ，１４に対する固定子鉄心１３方向の加圧力の違いが、コイル束１４ａ，１４と固定子鉄心１３との接触面の温度差に及ぼす影響について調査した結果である。この接触面温度差が小さければ、コイル束から固定子鉄心への熱伝達率は大きくなり、効率良くコイル除熱ができているということができる。図１３に示されるように、この接触面温度差についても発明コイルが勝っており、従来技術に対する本発明の優位性を示している。

アキシャル型モータの断面概略図である。 図１で例示されるアキシャル型モータの回転子を示す図である。 図１で例示されるアキシャル型モータの固定子を示す図である。 極全体が単一の固定子鉄心として構成さる場合のアキシャル型モータの固定子鉄心を示す図である。 アキシャル型モータの固定子鉄心が一極ごとに分割された鉄心の集合体である場合における、分割鉄心の１つを例示する図である。 従来の固定子におけるコイル束の設置例を示す図である。 コイル束の製造工程を説明するための図である。 コイル束の製造工程を説明するための図である。 コイル束の製造工程を説明するための図である。 コイル束の製造工程を説明するための図である。 図６Ｃおよび図６Ｄとは別のコイル束の製造工程を説明するための図である。 本実施形態に係るコイル束を説明するための図である。 平滑化加工を受けた本実施形態に係るコイル束の固定子鉄心への設置例を示す図である。 本実施形態に係るコイル束の別の形態を示す図である。 ラジアル型モータに対して本実施形態を適用した場合を例示する図である。 従来からモータで広く使用されている細線コイルを本発明に適用した場合を例示する図である。 平板コイルを本発明に適用した場合を例示する図である。 単一のコイルを本発明に適用した場合を例示する図である。 平角コイルによって構成された本実施形態に係るコイル束と従来のコイル束について、固定子鉄心への接触圧力の違いが接触面積にどのような影響を及ぼすかについて調査した結果を示す図である。 コイル束に対する固定子鉄心方向の加圧力の違いが、コイル束と固定子鉄心との接触面の温度差に及ぼす影響について調査した結果を示す図である。

符号の説明

１０ 回転子、１１ 永久磁石、１２ 固定子、１３，２３ 固定子鉄心、１３ａ ティース、１３ｂ バックヨーク、１４，１４ａ コイル束、１５ 分割鉄心、１６ 平角コイル、１７，１９，２０ 絶縁膜、１８ 絶縁被膜、２４ 絶縁材、３０ 巻型、３１ 粗巻コイル。

Claims (11)

1. コイルを巻型に巻回して粗巻コイルを形成する巻線工程と、
   前記巻線工程で形成された粗巻コイルの導体を整列させて接着剤を塗布することにより、前記粗巻コイルを固定子鉄心内での使用状態に相当するコイル束に成形する成形工程と、
   前記成形工程で成形されたコイル束の固定子鉄心と接触する面を平滑化するように加工する加工工程と、
   前記加工工程で加工されたコイル束を固定子鉄心のスロットに挿入する挿入工程と、
   を備えることを特徴とする回転電機用固定子の製造方法。
2. 請求項１に記載の回転電機用固定子の製造方法において、
   前記成形工程における粗巻コイルの導体の整列は、前記加工工程において平滑化加工を受ける面の少なくとも一層目のコイル同士が揃うように行われることを特徴とする回転電機用固定子の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機用固定子の製造方法において、
   前記加工工程における平滑化加工は、成型加工、除去加工のうちの少なくとも１つによって行われることを特徴とする回転電機用固定子の製造方法。
4. 請求項１又は２に記載の回転電機用固定子の製造方法において、
   前記加工工程における平滑化加工は、成型加工、除去加工のうちの少なくとも１つによって前記コイル束に平滑な加工面を形成した後、この加工面と前記導体との間に絶縁層を形成することによって行われることを特徴とする回転電機用固定子の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機用固定子の製造方法において、
   前記挿入工程によって固定子鉄心のスロットに挿入されるコイル束は、加圧手段から受ける圧力によって固定子鉄心に密着していることを特徴とする回転電機用固定子の製造方法。
6. 請求項５に記載の回転電機用固定子の製造方法において、
   前記加圧手段は、締結部品、固定部品、加圧部品のうちの少なくとも１つを用いて加圧しているものであることを特徴とする回転電機用固定子の製造方法。
7. 回転磁界を発生する複数相のコイル束が複数組固定子鉄心に巻回されて構成された回転電機用固定子において、
   前記コイル束は、巻回されたコイルが接着剤を塗布されることによって固定子鉄心内での使用状態に相当する形状に成形されるとともに、固定子鉄心と接触する面が平滑化加工を受けており、
   この平滑化加工面は、加圧手段から受ける圧力によって固定子鉄心に密着していることを特徴とする回転電機用固定子。
8. 請求項７に記載の回転電機用固定子において、
   前記コイル束を構成するコイルは、前記平滑化加工面の少なくとも一層目のコイル同士が整列していることを特徴とする回転電機用固定子。
9. 請求項７又は８に記載の回転電機用固定子において、
   前記平滑化加工は、成型加工、除去加工のうちの少なくとも１つによって行われることを特徴とする回転電機用固定子。
10. 請求項７又は８に記載の回転電機用固定子において、
    前記平滑化加工は、成型加工、除去加工のうちの少なくとも１つによって前記コイル束に平滑な加工面を形成した後、この加工面と前記導体との間に絶縁層を形成することによって行われることを特徴とする回転電機用固定子。
11. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載の回転電機用固定子において、
    前記加圧手段は、締結部品、固定部品、加圧部品のうちの少なくとも１つを用いて加圧しているものであることを特徴とする回転電機用固定子。

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