JP2007259627A

JP2007259627A - 回転電機の絶縁構造

Info

Publication number: JP2007259627A
Application number: JP2006082474A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Fukui; 健太郎福井; Akira Kabasawa; 明椛澤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: US20070222324A1; US7649295B2; JP4786380B2

Abstract

【課題】熱伝達性および耐久性に優れた回転電機の絶縁構造を提供する。
【解決手段】ステータのティース１２とティース１２に巻回される巻線との間を電気絶縁する電動機の絶縁構造において、ティース１２の軸方向両端部に配置され、ティース１２の周方向に対し交差する側面１４に沿って配置される側壁部２２を有し、ティース１２と巻線との間を電気絶縁する硬質樹脂製のインシュレータ２０と、ティース１２の側面１４に沿って配置され、ティース１２と巻線との間を電気絶縁する熱伝導絶縁樹脂シート３０と、を備え、熱伝導絶縁樹脂シート３０の軸方向端部は、インシュレータ２０の側壁部２２とティース１２の側面１４との間に配置されて、側壁部２２と軸方向所定範囲で重なっている。
【選択図】図３

Description

この発明は、電動機や発電機などの回転電機の絶縁構造に関するものである。

電動機や発電機などの回転電機のステータでは、ステータの鉄心と巻線との間の電気絶縁を行う必要がある。例えば、特許文献１に開示されている電動機では、鉄心のティースの軸方向両端部に硬質絶縁材料（例えば樹脂）からなるインシュレータを配置し、ティースの周方向に対し交差する該ティースの側面に沿って絶縁紙を配置し、これらインシュレータと絶縁紙の端部が互いに軸方向に重なるように配置することで、ティースと巻線との間を電気絶縁している。

ところで、電動機は通電により巻線が発熱するため、この熱をいかに効率よく放熱するかが、電動機の小型高出力化を図る上で重要である。そこで、前記絶縁紙に代えて熱伝導絶縁樹脂シートを用い、巻線で発生した熱を熱伝導絶縁樹脂シートを介してティースに伝達し、鉄心から効率よく放熱することが考えられている。

図９〜図１１は、この発明を考案する前に考えられた電動機の絶縁構造を示し、この電動機のステータは複数のステータ片を円環状に配置して構成され、図９は巻線をする前の単一のステータ片１００を示している。ステータ片１００には、熱伝
導絶縁樹脂シートとインシュレータを組み合わせた絶縁構造が採用されている。なお、以下の説明において、ティースの軸方向とはステータの軸方向と同方向を言い
、ロータの軸方向に一致する。
ステータ片１００の鉄心（以下、分割鉄心という）１０１のティース１０２の軸方向両端部には硬質絶縁樹脂からなるインシュレータ１１０が配置され、このインシュレータ１１０は、ティース１０２の軸方向端面１０３に沿って配置される端壁部１１１と、ティース１０２の周方向に対し交差する該ティース１０２の側面１０４に沿って延びる側壁部１１２を有している。熱伝導絶縁樹脂シート１２０はティース１０２の側面１０４に沿ってその略全域を覆うように配置されており、この熱伝導絶縁樹脂シート１２０の軸方向端部１２１はインシュレータ１１０の側壁部１１２の上に重ねて配置される。熱伝導絶縁樹脂シート１２０とインシュレータ１１０とが重なる重合部１３０は、絶縁距離を確保するために軸方向所定寸法に設定される。なお、図１０はティース１０２の軸方向中央部の断面を示し、図１１は重合部１３０における断面を示す。

そして、この分割鉄心１００では、ティース１０２の軸方向端面１０３と図示しない巻線との間はインシュレータ１１０の端壁部１１１によって電機絶縁され、ティース１０２の側面１０４と図示しない巻線との間はインシュレータ１１０の側壁１１２と熱伝導絶縁樹脂シート１２０によって電気絶縁される。
特開２００１−１１２２０５号公報

この分割鉄心１００においては、巻線で発生した熱を分割鉄心１００に効率よく伝えるために熱伝導絶縁樹脂シート１２０を巻線に密着させる必要があり、そのためには熱伝導絶縁樹脂シート１２０の厚さをインシュレータ１１０の側壁部１１２の厚さよりも厚くする必要がある。
ところが、インシュレータ１１０の側壁部１１２よりも厚い熱伝導絶縁樹脂シート１２０を用いてその端部１２１をインシュレータ１１０の側壁部１１２の上に重ねると、その上から巻線を巻回したときに熱伝導絶縁樹脂シート１２０の端部１２１が弾性圧縮し、その反力に基づいてインシュレータ１１０の側壁部１１２に応力が加わる。このようにインシュレータ１１０に応力が加わった状態で使用すると、インシュレータ１１０の耐久性に悪影響を及ぼす。

この対策として、インシュレータ１１０の側壁部１１２の先端側に段差を設けて重合部１３０における側壁部１１２の厚さを薄くするとともに、熱伝導絶縁樹脂シート１２０の端部１２１に段差を設けて重合部１３０における端部１２１の厚さを薄くして、巻線を巻回する前の重合部１３０の厚さ（すなわち、インシュレータ１１０の側壁部１１２と熱伝導絶縁樹脂シート１２０の端部１２１とを重ねたときの厚さ）を重合部１３０以外の熱伝導絶縁樹脂シート１２０の厚さと同等し、これにより熱伝導絶縁樹脂シート１２０の端部１２１の弾性変位量を小さくすると、インシュレータ１１０の側壁部１１２に加わる応力を小さくすることができるが、このように熱伝導絶縁樹脂シート１２０の端部１２１に段差を形成するのは、熱伝導絶縁樹脂シート１２０の厚さが比較的に薄いこともあり、成形が困難である。

また、別の課題として、重合部１３０においては、ティース１０２の側面１０４に当接する部材が硬質なインシュレータ１１０の側壁部１１２であるため、その間に微少な隙間が形成されることは避けられず、その結果、これらの間に空気層が存在して、熱伝導性が低下してしまう。
そこで、この発明は、熱伝達性および耐久性に優れた回転電機の絶縁構造を提供するものである。
また、この発明は、耐久性に優れ、製造が容易な回転電機の絶縁構造を提供するものである。

この発明に係る回転電機の絶縁構造では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、ステータ（例えば、後述する実施例におけるステータ２）のティース（例えば、後述する実施例におけるティース１２）と該ティースに巻回される巻線（例えば、後述する実施例における巻線４０）との間を電気絶縁する回転電機（例えば、後述する実施例における電動機１）の絶縁構造において、前記ティースの軸方向両端部に配置され、該ティースの周方向に対し交差する側面（例えば、後述する実施例における側面１４）に沿って配置される側壁部（例えば、後述する実施例における側壁部２２）を有し、前記ティースと前記巻線との間を電気絶縁する硬質絶縁材料からなるインシュレータ（例えば、後述する実施例におけるインシュレータ２０，２０Ａ，２０Ｂ）と、前記ティースの前記側面に沿って配置され、前記ティースと前記巻線との間を電気絶縁する高熱伝導絶縁シート（例えば、後述する実施例における熱伝導絶縁樹脂シート３０）と、を備え、前記高熱伝導絶縁シートの軸方向端部は、前記インシュレータの前記側壁部と前記ティースの前記側面との間に配置されて、前記側壁部と軸方向所定範囲で重なっていることを特徴とする。
なお、この発明において高熱伝導絶縁シートとは、熱伝導率がインシュレータよりも大きい絶縁シートをいう。

このように構成することにより、インシュレータの側壁部と高熱伝導絶縁シートが軸方向所定範囲で重なっているので、巻線と鉄心（ティース）との間の絶縁距離を確保することができる。
インシュレータと高熱伝導絶縁シートとが重なる重合部では、インシュレータの内側に高熱伝導絶縁シートが配置されているので、高熱伝導絶縁シートがティースの側面に隙間なく密接し、高熱伝導絶縁シートとティースとの間に空気層が存在しない。したがって、この重合部においても、巻線で発生した熱を高熱伝導絶縁シートから効率よくティースに伝達することができる。よって、巻線で発生した熱を鉄心を介して効率よく放熱することができる。
また、重合部では、ティースとインシュレータとの間に高熱伝導絶縁シートが挟装されるので、インシュレータがガタ付かなくなり、振動やノイズの発生を抑制することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記高熱伝導絶縁シートは、前記インシュレータと重なる重合部（例えば、後述する実施例における重合部５０）の厚みが、インシュレータと重ならない非重合部の厚みよりも薄いことを特徴とする。
このように構成することにより、インシュレータと高熱伝導絶縁シートとが重なる重合部において、高熱伝導絶縁シートの弾性変形量を少なくでき、弾性変形した高熱伝導絶縁シートの反力に基づいてインシュレータの側壁部に加わる応力を小さくすることができる。

請求項３に係る発明は、ステータ（例えば、後述する実施例におけるステータ２）のティース（例えば、後述する実施例におけるティース１２）と該ティースに巻回される巻線（例えば、後述する実施例における巻線４０）との間を電気絶縁する回転電機（例えば、後述する実施例における電動機１）の絶縁構造において、前記ティースの軸方向両端部に配置され、該ティースの周方向に対し交差する側面（例えば、後述する実施例における側面１４）に沿って配置される側壁部（例えば、後述する実施例における側壁部２２）を有し、前記ティースと前記巻線との間を電気絶縁する硬質絶縁材料からなるインシュレータ（例えば、後述する実施例におけるインシュレータ２０，２０Ａ，２０Ｂ）と、前記ティースの前記側面に沿って配置され、前記ティースと前記巻線との間を電気絶縁する高熱伝導絶縁シート（例えば、後述する実施例における熱伝導絶縁樹脂シート３０）と、を備え、前記高熱伝導絶縁シートの軸方向端部は、前記インシュレータの前記側壁部と軸方向所定範囲で重なっており、且つ、前記高熱伝導絶縁シートは軸方向長さを異にする複数の高熱伝導絶縁シート（例えば、後述する実施例における内側シート３１，外側シート３２）を積層して構成されていることを特徴とする。
なお、この発明において高熱伝導絶縁シートとは、熱伝導率がインシュレータよりも大きい絶縁シートをいう。

このように構成することにより、インシュレータの側壁部と高熱伝導絶縁シートが軸方向所定範囲で重なっているので、巻線と鉄心（ティース）との間の絶縁距離を確保することができる。
また、軸方向端部の厚さが軸方向中央部の厚さよりも薄い高熱伝導絶縁シートを容易に製造することができる。その結果、インシュレータの軸方向端部と高熱伝導絶縁シートの軸方向端部とを重ねた状態においてインシュレータの側壁部に加わる応力を小さくできる絶縁構造を、容易に形成することができる。
なお、インシュレータと高熱伝導絶縁シートとが重なる重合部において、インシュレータと高熱伝導絶縁シートのいずれを内側に配置してティースに当接させても、請求項２に係る発明は成立する。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記高熱伝導絶縁シートと前記インシュレータの前記側壁部とが重なる軸方向長さは、前記ステータの径に基づいて設定することを特徴とする。
このように構成することにより、巻線と鉄心（ティース）との間の絶縁距離を適正に設定することができる。

請求項１に係る発明によれば、絶縁性と放熱性（冷却性）に優れたステータを構成することができる。その結果、巻線で発生した熱を効率よく放熱することができ、回転電機の冷却性能が向上し、連続運転可能領域が拡大する。
また、巻線の温度を下げることができるので、巻線の電気抵抗が低減し、銅損を低減することができる。
さらに、インシュレータと高熱伝導絶縁シートとが重なる重合部では、ティースとインシュレータとの間に高熱伝導絶縁シートが挟装されるので、インシュレータがガタ付かなくなり、振動やノイズの発生を抑制することができる。

請求項２に係る発明によれば、重合部においてインシュレータの側壁部に加わる応力を小さくすることができるので、インシュレータの耐久性が向上し、回転電機の寿命を延ばすことができる。

請求項３に係る発明によれば、絶縁性、耐久性、生産性に優れたステータおよび回転電機を構成することができる。
請求項４に係る発明によれば、巻線と鉄心（ティース）との間の絶縁距離を適正に設定することができる。

以下、この発明に係る回転電機の絶縁構造の一実施例を図１から図８の図面を参照して説明する。この実施例における回転電機はハイブリッド車両の駆動用電動機としての態様である。
図７は、ハウジングを取り外した状態における電動機１の斜視図であり、電動機１は、外側に配置されたステータ２と、ステータ２の内部で回転するロータ４とを備えている。ロータ４はこの発明の要旨ではないので説明を省略し、ステータ２について詳述する。なお、以下の説明において「軸方向」とは、ステータ２およびロータ４の軸方向と同方向を指すものとする。

ステータ２は複数のステータ片３を円環状に連結して構成されており、円環状に連結される前の単一のステータ片３を図８に示す。
ステータ片３は、略Ｔ型に打ち抜かれたケイ素鋼板を積層して構成された分割鉄心１０と、分割鉄心１０の軸方向両端部に配置された硬質なインシュレータ２０Ａ，２０Ｂと、分割鉄心１０の各側面に沿って配置される一対の熱伝導絶縁樹脂シート（高熱伝導絶縁シート）３０と、インシュレータ２０Ａ，２０Ｂおよび熱伝導絶縁樹脂シート３０の上に巻回された巻線４０、とを備えて構成されている。

図２に示すように、分割鉄心１０は、ステータ２の径方向外側に配置されて円弧状をなすヨーク１１と、ヨーク１１の中央から径方向内側に突出するティース１２とを備え、ティース１２の先端には周方向外側に突出する鍔部１２ａが形成されている。なお、ステータ片３，３・・・を円環状に配列してステータ２を組み立てたときには、隣接するステータ片３，３のヨーク１１，１１同士が円環状に接続される。

インシュレータ２０Ａ，２０Ｂはそれぞれ合成樹脂等を一体成形して構成されていて、ティース１２の軸方向端面１３に沿って配置される端壁部２１と、ティース１２の周方向に対し交差する該ティース１２の側面１４に沿って延びる側壁部２２と、端壁部２１および側壁部２２の上端および下端から外方へ張り出しヨーク１１あるいはティース１２の鍔部１２ａに対向して配置されるフランジ部２３，２３とを備えている。なお、一方のインシュレータ２０Ａには、端壁部２１に連続する上下のフランジ部２３，２３に連なって、配電部材収納部２４と中点ターミナル収納部２５が形成されているが、他方のインシュレータ２０Ｂには配電部材収納部２４と中点ターミナル収納部２５は形成されていない。配電部材収納部２４と中点ターミナル収納部２５の有無を除いて、インシュレータ２０Ａ，２０Ｂに構成上の違いはない。以下、インシュレータ２０Ａ，２０Ｂを区別する必要がないときは単にインシュレータ２０と記す。

図７に示すように、円環状に配列されたステータ片３の配電部材収納部２４には三相の配電用バスリング５が装着され、各相の配電用バスリング５が対応する相のステータ片３の巻線４０の一端に接続される。また、各ステータ片３の巻線４０の他端同士は各ステータ片３の中点ターミナル収納部２５に装着されたターミナル６を介して接続される。

インシュレータ２０の側壁部２２および上下のフランジ部２３，２３は、端壁部２１との接続部から軸方向へ所定寸法までの範囲は厚さが大きい厚肉部２６になっていて、この厚肉部２６よりも先端側は厚さが小さい薄肉部２７になっている。厚肉部２６の外面と薄肉部２７の外面は面一になっていて、厚肉部２６の内面と薄肉部２７の内面との間に厚差分の段差２８が形成されている。

熱伝導絶縁樹脂シート３０は軸方向長さを異にする２枚のシート３１，３２を重ね合わせて構成されており、ティース１２の側面１４に沿って配置される側壁部３３と、側壁部３３の上端および下端から外方へ張り出しヨーク１１あるいはティース１２の鍔部１２ａに対向して配置されるフランジ部３４，３４とを備えている。
シート３１，３２はいずれも熱伝導性と絶縁性に優れ弾性を有する樹脂製シートからなり、特に熱伝導率はインシュレータ２０の熱伝導率よりも大きい。外側に配置される外側シート３２の軸方向両端は、内側に配置される内側シート３１の軸方向両端よりも軸方向内側に位置している。したがって、内側シート３１の方が外側シート３２よりも軸方向長さが長い。外側シート３２の軸方向端部から突出する内側シート３１の軸方向長さは、インシュレータ２０の薄肉部２７の軸方向長さと同一寸法に設定されている。
また、内側シート３１の厚さは、ちょうどインシュレータ２０の厚肉部２６と薄肉部２７の厚さの差にほぼ等しく、外側シート３２の厚さはインシュレータ２０の薄肉部２７の厚さよりも若干小さい。

この熱伝導絶縁樹脂シート３０は、図１，図３に示すようにティース１２の側面１４の軸方向略中央に配置され、図４，図５に示すように側壁部３３における内側シート３１がティース１２の側面１４に密接して取り付けられる。
また、インシュレータ２０は、熱伝導絶縁樹脂シート３０を装着した分割鉄心１０の上から取り付けられており、端壁部２１をティース１２の端面１３に当接させ、側壁部２２における厚肉部２６をティース１２の側面１４に当接させ、側壁部２２における薄肉部２７を熱伝導絶縁樹脂シート３０において外側シート３２から軸方向へ突出する内側シート３１の上に当接させており、且つ、インシュレータ２０の段差２８を内側シート３１の軸方向先端３１ａに突き当て、インシュレータ２０の薄肉部２７の軸方向先端を外側シート３２の軸方向先端３２ａに突き当てている。

なお、インシュレータ２０と熱伝導絶縁樹脂シート３０とが重なる重合部５０の軸方向長さＬ（図３参照）は、巻線４０と分割鉄心１０との間の絶縁を確保することができる距離（すなわち、絶縁距離）以上を確保する。絶縁距離は、ステータ２の直径と供給電圧に応じて設定される。絶縁距離の一例を表１に示す。

そして、巻線４０は、インシュレータ２０の端壁部２１および側壁部２２と、熱伝導絶縁樹脂シート３０の側壁部３３における外側シート３２の上に巻回されている。

このように構成されたステータ２のステータ片３において、巻線４０を巻回する前の状態では熱伝導絶縁樹脂シート３０の外側シート３２の外面がインシュレータ２０の薄肉部２７の外面よりも若干外方へ出っ張っており、巻線４０を巻回したときに巻線４０の張力によって熱伝導絶縁樹脂シート３０の外側シート３２が弾性圧縮される。したがって、巻線４０が熱伝導絶縁樹脂シート３０に隙間なく密着するとともに、熱伝導絶縁樹脂シート３０の内側シート３１がティース１２の側面１４に隙間なく密着し、内側シート３１とティース１２との間に空気層は存在しない。その結果、巻線４０で発生した熱を効率よく熱伝導絶縁樹脂シート３０に伝達することができ、さらに熱伝導絶縁樹脂シート３０から効率よくティース１２に伝達することができる。よって、巻線４０で発生した熱をステータ２の分割鉄心１０を介して効率よく放熱することができる。

また、ステータ片３においてインシュレータ２０と熱伝導絶縁樹脂シート３０とが重なる重合部５０に着目すると、この重合部５０においてもインシュレータ２０の薄肉部２７の内側に熱伝導絶縁樹脂シート３０の内側シート３１が配置されているので、内側シート３１がティース１２の側面１４に隙間なく密接し、内側シート３１とティース１２との間に空気層は存在しない。したがって、この重合部５０においても、巻線４０で発生した熱を熱伝導絶縁樹脂シート３０から効率よくティース１２に伝達することができる。よって、巻線４０で発生した熱をステータ２の分割鉄心１０を介して効率よく放熱することができる。
このように、巻線４０で発生した熱を効率よく放熱することができるので、電動機１の冷却性能が向上し、連続運転可能領域が拡大する。
また、巻線４０の温度を下げることができるので、巻線４０の電気抵抗が低減し、銅損を低減することができる。
さらに、重合部５０では、ティース１２とインシュレータ２０との間に熱伝導絶縁樹脂シート３０の内側シート３１が挟装されるので、インシュレータ２０がガタ付かなくなり、従来構造ではインシュレータとティースとの間で発生していた振動やノイズが殆ど発生しない。

重合部５０における熱伝導絶縁樹脂シート３０の厚さ（すなわち、内側シート３１の厚み）は重合部５０以外の熱伝導絶縁樹脂シート３０の厚さ（すなわち、内側シート３１と外側シート３２の厚みの和）よりも薄く、外側シート３２とインシュレータ２０の薄肉部２７とを重ねた厚さはインシュレータ２０の厚肉部２６の厚さとほぼ同じ寸法に設定されているので、巻線４０を巻回したときに重合部５０における内側シート３１の弾性変形量は小さく、弾性変形した外側シート３２の反力に基づいてインシュレータ２０の側壁部２２に加わる応力は小さい。その結果、熱伝導絶縁樹脂シート３０がインシュレータ２０の耐久性に及ぼす影響は極めて小さく、インシュレータ２０の耐久性が向上する。その結果、電動機１の寿命を延ばすことができる。
さらに、熱伝導絶縁樹脂シート３０は重合部５０とそれ以外の部位で厚さを異にするが、この厚さの異なる構造を内側シート３１と外側シート３２の積層によって構成しているので、熱伝導絶縁樹脂シート３０の製造が容易にでき、生産性が向上する。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、回転電機は電動機に限らず発電機であってもよい。
実施例では高熱伝導絶縁シートを２層構造としてが、３層あるいはそれ以上の多層構造にしてもよい。

この発明に係る回転電機の絶縁構造を備えた一実施例のステータにおける巻線前のステータ片の斜視図である。前記ステータ片の分解斜視図である。前記ステータ片の側面図である。図３のＩ−Ｉ断面図である。図３のII−II断面図である。図３のIII−III断面図である。前記実施例における電動機のステータとロータの組立斜視図である。巻線後の前記ステータ片の斜視図である。従来構造の巻線前のステータ片の斜視図である。図９のＸ−Ｘ断面図である。図９のXI−XI断面図である。

符号の説明

1 電動機（回転電機）
２ステータ
１２ティース
１４側面
２０（２０Ａ，２０Ｂ）インシュレータ
２２側壁部
３０熱伝導絶縁樹脂シート（高熱伝導絶縁シート）
４０巻線
５０重合部

Claims

ステータのティースと該ティースに巻回される巻線との間を電気絶縁する回転電機の絶縁構造において、
前記ティースの軸方向両端部に配置され、該ティースの周方向に対し交差する側面に沿って配置される側壁部を有し、前記ティースと前記巻線との間を電気絶縁する硬質絶縁材料からなるインシュレータと、
前記ティースの前記側面に沿って配置され、前記ティースと前記巻線との間を電気絶縁する高熱伝導絶縁シートと、
を備え、前記高熱伝導絶縁シートの軸方向端部は、前記インシュレータの前記側壁部と前記ティースの前記側面との間に配置されて、前記側壁部と軸方向所定範囲で重なっていることを特徴とする回転電機の絶縁構造。
前記高熱伝導絶縁シートは、前記インシュレータと重なる重合部の厚みが、インシュレータと重ならない非重合部の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の絶縁構造。
ステータのティースと該ティースに巻回される巻線との間を電気絶縁する回転電機の絶縁構造において、
前記ティースの軸方向両端部に配置され、該ティースの周方向に対し交差する側面に沿って配置される側壁部を有し、前記ティースと前記巻線との間を電気絶縁する硬質絶縁材料からなるインシュレータと、
前記ティースの前記側面に沿って配置され、前記ティースと前記巻線との間を電気絶縁する高熱伝導絶縁シートと、
を備え、前記高熱伝導絶縁シートの軸方向端部は、前記インシュレータの前記側壁部と軸方向所定範囲で重なっており、且つ、前記高熱伝導絶縁シートは軸方向長さを異にする複数の高熱伝導絶縁シートを積層して構成されていることを特徴とする回転電機の絶縁構造。
前記高熱伝導絶縁シートと前記インシュレータの前記側壁部とが重なる軸方向長さは、前記ステータの径に基づいて設定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の絶縁構造。