JP2010035366A - 回転電機の固定子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性に優れ、しかも小型化も実現する回転電機の固定子及び回転電機を提供すること。
【解決手段】本発明の回転電機１の固定子３は、固定子コア３０と、スロット収容部４４とターン部４５と、を有するように複数の導線４０を固定子コア３０に組み付けてなる固定子巻線４と、を備えた回転電機１の固定子３であって、ターン部４５は、複数の段部を持つ階段状をなすように導線４０が湾曲して形成され、ターン部４５の段部の端部での導線４０の湾曲部の内周面には、湾曲の内周方向に突出したツバ部４７を有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機の固定子および回転電機に関する。

近年、電動機および発電機として使用される回転電機において、小型高出力および品質の向上が求められている。

例えば、車両に搭載される回転電機においては、車両のエンジンルームで回転電機を搭載するためのスペースが小さくなってきている一方で、車両負荷の増大による発電出力の向上が求められている。

特に、回転電機の小型高出力については、各相巻線の巻線抵抗値の低減、固定子の磁気回路内に納める電気導体の占積率の向上、さらには各相巻線のターン部の整列化および高密度化が必要であった。

この要求に対して、周方向に複数のスロットを有する固定子コアと、線材により形成されスロットに設置されている固定子巻線と、を備え、固定子巻線が、周方向の異なるスロットに設置されているスロット収容部と、スロットの外部で該スロット収容部同士を接続しているターン部と、を有する回転電機の固定子を用いた回転電機が検討されている。

そして、この回転電機においては、固定子コアの端面の広がる方向に沿ってのびる段部をターン部に形成することで、ターン部を密に配置して、固定子巻線のターン部の固定子コアからの突出高さを短くすることが検討されている。

このように形成された固定子巻線の段部において、段部の内曲げＲは、外曲げＲよりも小さくなる。そして、ターン部を密に配置するために、ターン部の高さ方向に隣接する任意の２本の線材において、一方の線材の内曲げＲの部位と、他方の線材の外曲げＲの部位とが対向する位置に配置されているので、ここに隙間が発生する。固定子をＡＴＦ等の冷媒で冷却する場合には、この隙間にも冷媒が通過することによって、ターン部の内部においても固定子巻線を冷却する。しかし、冷媒が通り抜けるだけでは、冷却のために冷媒を十分に有効利用しているとは言えず、また、固定子巻線の冷却面積を増やすことについても考慮されていない。

一方、線材に段部を形成する場合、内曲げＲ部においては、曲げ方向と垂直な方向、すなわち固定子巻線の径方向に寸法拡大部（ふくらみ）が生ずる。回転電機において、多数の線材を径方向に配置して固定子巻線を形成しており、この寸法拡大部が積算されることにより、固定子巻線のターン部の径方向寸法も拡大するので、小型化が難しくなる。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、冷却性に優れ、しかも小型化も実現する回転電機の固定子及び回転電機を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段及び効果

上記課題を解決するために本発明者は回転電機の固定子に関して検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

請求項１に記載の本発明の回転電機の固定子は、深さ方向が径方向に一致するスロットを周方向に複数有する固定子コアと、周方向の異なるスロットに収容されるスロット収容部と、スロットの外部でスロット収容部同士を接続しているターン部と、を有するように複数の導線を固定子コアに組み付けてなる固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子であって、ターン部は、複数の段部を持つ階段状をなすように導線が湾曲して形成され、ターン部の段部の端部での導線の湾曲部の内周面には、湾曲の内周方向に突出したツバ部を有することを特徴とする。

請求項１に記載の本発明の回転電機の固定子は、ターン部の湾曲部に、湾曲の内周方向に突出したツバ部を有するものとなっている。このツバ部を有することで、固定子巻線の冷却（放熱）面積が増加している。この結果、ターン部における冷却性が向上した。さらに、ツバ部を有することで、ターン部に供給された冷媒の流れが滞留を生じる。この滞留により、ターン部により多くの冷媒が接触することとなり、より冷却性が向上する。

請求項２に記載の回転電機の固定子は、請求項１において、ツバ部は、導線の幅方向の両端部に形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の回転電機の固定子は、ツバ部が湾曲部の幅方向の両端部の２カ所に設けられる。ツバ部の数が増加したことで、冷却（放熱）面積がより大きくなっている。また、二つのツバ部と、対向したターン部との間により冷媒が滞留することとなる。つまり、より冷却性が向上する。

なお、請求項２におけるツバ部が形成される導線の幅方向の端部とは、その導線ののびる方向に垂直な方向であって、固定子の軸方向の外方から導線を見たときの幅方向の端部である。

請求項３に記載の回転電機の固定子は、請求項１〜２のいずれかにおいて、導線は、断面略方形状の線状の導体部と、導体部の外周に形成された絶縁性の樹脂よりなる被膜部と、を有し、ツバ部は、被膜部を成形してなることを特徴とする。

請求項３に記載の回転電機の固定子は、断面が略方形状の導線よりなる。この導線を用いることで、ターン部をより密な状態で配することができる。また、ツバ部が被膜部よりなることで、ツバ部を簡単に形成できる。

請求項４に記載の回転電機の固定子は、請求項１〜３のいずれかにおいて、固定子巻線は、導線を成形部材に押しつけて湾曲部を形成する工程と、湾曲部の内周面の被膜部を湾曲の内周方向に突出させる工程と、を施してなることを特徴とする。

請求項４に記載の回転電機の固定子は、成形部材に押しつけて導線を湾曲させ、その後、所定の方向に伸びるツバ部を形成することで、ツバ部を持つターン部を形成することができる。ここで、導線が請求項３に記載の構成を有する場合には、成形部材に押しつけられて湾曲部を形成した時には、被膜部が湾曲の内周面にそって幅方向の端部から突出した状態で広がっている。この突出した部分を所定の方向に引き起こすことでツバ部を形成することができる。これにより、簡単にツバ部を形成できるだけでなく、固定子巻線を形成したときに、ターン部同士が干渉を生じなくなり、冷媒の流通を阻害しなくなる。

請求項５に記載の回転電機は、請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機の固定子の内周側または外周側に、周方向に交互に異なる磁極を形成している回転子を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の回転電機は、冷却性に優れ、かつ体格の粗大化が抑えられた回転電機の固定子を用いており、固定子の冷却性に優れかつ体格の粗大化が抑えられた回転電機となっている。

請求項６に記載の回転電機は、請求項５において、回転電機の固定子に対して冷媒が供給されることを特徴とする。

請求項６に記載の回転電機は、固定子に対して冷媒が供給されることで、固定子の過熱が抑えられたものとなっている。ここで、冷媒は、少なくとも固定子巻線のターン部に供給されることが好ましい。

以下、本発明を具体的な実施の形態を用いて説明する。

本発明の実施の形態として、回転電機の固定子およびこの固定子を用いた回転電機を製造した。

（実施形態）
本実施形態の回転電機１は、略有底筒状の一対のハウジング部材１００，１０１とが開口部同士で接合されてなるハウジング１０と、ハウジング１０に軸受け１１０，１１１を介して回転自在に支承される回転軸２０に固定された回転子２と、ハウジング１０の内部で回転子２を包囲する位置でハウジング１０に固定された固定子３と、を備えている。本実施形態の回転電機１の構成を図１に示した。

また、回転電機１は、ハウジング１０の内部と外部を連通し、冷却用液体が吐出する吐出口１２が先端部に開口した管路１３をハウジング部材１０１に貫通した状態で備えた冷却液供給手段を有する。吐出口１２は、ハウジング１０内に収容された固定子３の固定子巻線４のコイルエンドの鉛直上方に開口している。なお、吐出口１２から吐出した冷却用液体を回収するための手段および回収された冷却用液体を冷却液供給手段に供給して循環させる回収手段（図示せず）がもうけられている。

回転子２は、永久磁石により周方向に交互に異なる磁極を、固定子３の内周側と向き合う外周側に複数形成している。回転子２の磁極の数は、回転電機により異なるため限定されるものではない。

固定子３は、図２に示したように、固定子コア３０と、導線４０から形成される三相の固定子巻線４と、を備えた構成を有している。固定子３は、固定子コア３０と固定子巻線４との間に、絶縁紙を配してもよい。

固定子コア３０は、図３に示したように、内周に複数のスロット３１が形成された円環状を有するように形成されている。複数のスロット３１は、その深さ方向が径方向と一致するように形成されている。

固定子コア３０は、所定の数の分割コア３２を周方向に配設して形成されている。分割コア３２は、ひとつのスロット３１を区画するとともに、周方向で隣接する分割コアとの間でひとつのスロットを区画する形状（径方向内方に伸びるティース部と、ティース部が形成されるバックコア部）に形成されている。

固定子コア３０（を構成する分割コア３２）は、電磁鋼板を複数枚積層させて形成されている。なお、積層された電磁鋼板の間には、絶縁薄膜が配置されている。なお、固定子コア３０は、この電磁鋼板の積層体からだけでなく、従来公知の金属薄板および絶縁薄膜を用いて形成してもよい。

固定子巻線４は、複数の導線４０を所定の巻回方法で巻回してなる。固定子巻線４を構成する導線４０は、図４（Ａ）に示したように、銅製の導体４１と、導体４１の外周を覆い導体４１を絶縁する内層４２０及び外層４２１からなる絶縁被膜４２とから形成されている。内層４２０および外層４２１を合わせた絶縁被膜４２の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。このように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁被膜４２の厚みが厚いので、導線４０同士を絶縁するために導線４０同士の間に絶縁紙等を挟み込んで絶縁する必要がなくなっているが、線材同士を絶縁するためにあるいは固定子コア３０との間に絶縁紙を配してもよい。

外層４２１はナイロン等の絶縁材、内層４２０は外層よりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。これにより、回転電機に発生する熱により外層４２１は内層４２０よりも早く軟化するので、同じスロット３１に設置されている導線４０同士が外層４２１同士で熱接着する。その結果、同じスロット３１に設置されている複数の導線４０が一体化し導線４０同士が剛体化するので、スロット３１内の導線４０の機械的強度が向上する。また、過剰な振動が発生しても、内層４２０と導体４１の接着箇所よりも内層４２０と外層４２１との接着箇所が先に剥離するので、内層４２０と導体４１との接着を維持し絶縁を確保できる。

さらに、固定子巻線４の導線４０は、図４（Ｂ）に示したように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁被膜４２の外周をエポキシ樹脂等からなる融着材４３で被覆してもよい。これにより、回転電機に発生する熱により融着材４３は絶縁被膜４２よりも早く溶融するので、同じスロット３１に設置されている複数の導線４０同士が融着材４３同士により熱接着する。その結果、同じスロット３１に設置されている複数の導線４０が一体化し導線４０同士が鋼体化することで、スロット３１の導線４０の機械的強度が向上する。

固定子巻線４を構成する導線４０の絶縁被膜４２には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）よりなる被膜を用いても良い。

固定子巻線４は、図５に示したように、それぞれ二本の三相巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）により形成されている。

また、固定子巻線４は、複数の導線４０を所定の形状に巻回してなる。固定子巻線４を構成する導線４０は、固定子コア３０の内周側で周方向に沿って波巻きされた形状で成形されている。そして、固定子コア３０に形成されたスロット３１に収容される直線上のスロット収容部４４と、隣り合ったスロット収容部４４同士を接続するターン部４５と、を備えている。スロット収容部４４は、所定のスロット数（たとえば、３相×２個＝６個）ごとのスロット３１に収容され、ターン部４５は、固定子コア３０の軸方向の端面から突出して形成されている。

固定子巻線４は、複数の導線４０を一方の端部がスロット３１の最外周側で固定子コア３０の軸方向の端面から突出した状態で、周方向に沿って波状に巻装した状態で形成されている。固定子巻線４の導線４０の他方の端部は、スロット３１の最内周側で固定子コア３０の軸方向の端面から一方の端部と同一方向に突出している。そして、同一のスロット３１には、二本の導線４０が巻装される。同一スロット３１に収容される二つのスロット収容部４４を有する。同一のスロット３１に収容される二つのスロット収容部４４は、周方向で隣り合ったスロット３１の深さ方向での位置が交互に位置するように設置されている。

そして、固定子巻線４は、同相（Ｕ１とＵ２，Ｖ１とＶ２，Ｗ１とＷ２）の巻線の端部同士が渡り部４６で接合されている。渡り部４６は、固定子コア３０から突出したターン部４５の端面より突出して形成されている。

固定子巻線４は、複数の導線４０を所定の形状に巻回してなる。固定子巻線４を構成する導線４０は、固定子コア３０の内周側で周方向にそって波巻きされている。そして、固定子コア３０に形成されたスロット３１に収容される直線状のスロット収容部４４と、隣り合ったスロット収容部４４同士を接続するターン部４５と、を備えている。スロット収容部４４は、所定のスロット数（本実施形態では３相×２個＝６個）ごとのスロット３１に収容されている。ターン部４５は、固定子コア３０の軸方向の端面から突出して形成されている。

そして、固定子巻線４は、複数の導線４０を一方の端部が固定子コア３０の軸方向の端面から突出した状態で、周方向に沿って波状に巻装して形成されている。固定子巻線４の導線４０は、径方向外方から径方向内方に向かって巻装されている。最内周面側で導線４０の端部が固定子巻線４の端面から突出している。

固定子巻線４のターン部４５は、固定子コア３０の軸方向両側にそれぞれ形成されている。ターン部４５の略中央部は、ねじりを伴わないクランク状をなすように成形されている。ターン部４５のクランク形状は、固定子コア３０の周方向でクランク形状をなすように形成されている。このターン部４５のクランク形状によるずれ量は、導線４０の略幅分である。これにより、径方向に隣接している導線４０のターン部４５同士が干渉しなくなり、ターン部４５を密に巻回できる。その結果、固定子巻線４の固定子コア３０の端面から突出したコイルエンドの径方向の幅が小さくなるので、固定子巻線４を形成した導線４０が径方向外側に張り出すことが防止できる。

また、スロット３１から固定子コア３０の外に突出するターン部４５は、固定子コア３０の軸方向の端面から階段状に形成されている。すなわち、固定子コア３０の端面に略平行にのびる複数の段部を有している。ターン部４５が階段状に形成されたことで、導線４０の階段状のターン部４５が周方向に隣り合うスロットから突出する導線４０と干渉することを防止できる。これにより、周方向に隣接するスロットから突出する導線４０同士が互いに干渉することを避けるために、固定子巻線４の固定子コア３０の端面から突出したコイルエンド（ターン部４５）の高さが高くなったり、あるいはコイルエンドの径方向の幅が大きくなることを防止できる。その結果、コイルエンドの高さが低くなる。さらに、コイルエンドの径方向の幅が小さくなるので、固定子巻線４が径方向外側に張り出すことを防止できる。

階段状のターン部４５は、複数段の段部をもつ形状に形成されている。そして、階段状のターン部４５の段部の間の高さは、導線４０の略幅（高さ方向）分である。これにより、軸方向でターン部４５が重なり合ったときに、すき間を生じることなくターン部４５同士を重ね合わせることができ、ターン部４５を密に巻回できる。

階段状のターン部４５は、その最も高い部分（階段状の頂上部）が、クランク状に形成されている。したがって、導線４０のターン部４５は、クランク部を挟んで両側を階段状に形成している。

階段状のターン部４５は、その最も低い部分（固定子コア３０に最も近接した位置で固定子コア３０の端面に略平行にのびる部分）と固定子コア３０の端面との間には、ギャップが存在している。このギャップは、巻線加工や固定子巻線４と固定子コア３０との組み付け時に固定子導線４０に加わるストレスの緩和、絶縁性能および固定子コア３０の食い込みを防止する等の目的のため存在している。

階段状のターン部４５は、図６に示したように、段部の端部の湾曲部を構成する導線４０は、幅方向の両端部に、湾曲の内周方向に突出した一対のツバ部４７を有している。このツバ部４７は、図７に示したように、導線４０の絶縁被膜４２により形成されている。この図７は、図６中のＩ−Ｉ線における断面図である。

本実施形態の回転電機１は、冷却液供給手段により吐出口１２から冷却用液体が吐出する。この冷却用液体は、本実施形態ではＡＴＦを用いているが、従来の回転電機において使用される液体のいずれを用いてもよい。

本実施形態の回転電機１においては、吐出口１２から吐出した冷却用液体は、コイルエンド（ターン部４５）にかかる。そして、ターン部４５の外周面に沿って流れ、固定子巻線４の全体に行き渡る。これにより、固定子巻線４が冷却用液体により冷却される。

このとき、図８に示したように、固定子巻線４の軸方向で重なり合ったターン部４５，４５の湾曲部の間の隙間は、ツバ部４７により、両端部における距離が狭く、中央部における距離が広くなっている。そして、冷却用液体は、幅方向の外方からこの隙間内に流入し、すぐに排出されるのではなく、この隙間内に滞留しやすくなるので、ターン部４５をより冷却する。

このように、本実施形態の回転電機１は、渡り部４６がコイルエンドから突出して形成されたことで、冷却用液体による固定子巻線４の冷却性に優れたものとなった。

（固定子巻線の成形）
本実施形態の固定子巻線４は、導線４０を、スロット収容部４４とターン部４５とを有するように曲成して形成される。導線４０の曲成は、折れ曲がる部分（湾曲部となる部分）を成形部材に押しつけて、曲げ加工を行うことでなされる。

この曲げ加工は、成形部材に湾曲部の内周面を押しつけて行われることから、導線４０の湾曲部の内周面側は、絶縁被膜４２が圧縮されて変形を生じる。絶縁被膜４２が圧縮されると、図９に示したように、絶縁被膜４２の幅方向の端部が導線４０から突出するように変形する。

その後、この絶縁被膜４２の幅方向に突出した部分を、図１０の矢印にて示したように、湾曲部の内周方向に立設する方向に成形（加工）してターン部４５にツバ部４７が形成される。

固定子巻線４は、このスロット収容部４４とターン部４５とを有するように加工された導線４０を所定の形状に巻回して成形される。

上記したように、本実施形態の成形部材を用いて曲げ加工を行ってツバ部を持つ固定子巻線４を形成することで、成形部材を用いて曲げ加工を行ったときに生じる絶縁被膜４２の幅方向に突出した部分を無くすことにより、隣接するターン部４５と干渉を生じなくなるだけでなく、冷却性に優れたものとなる。

実施形態の回転電機の断面図である。 実施形態の回転電機の固定子を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子コアを示した図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線を構成する巻線を示した断面図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の結線を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の巻線を示した断面図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の巻線を示した断面図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の巻線を示した断面図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の巻線を示した断面図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の巻線を示した断面図である。

符号の説明

１：回転電機
２：回転子
３：固定子 ３０：固定子コア
３１：スロット ３２：分割コア
４：固定子巻線 ４０：導線
４１：導体 ４２：絶縁被膜
４４：スロット収容部 ４５：ターン部
４６：渡り部 ４７：ツバ部

Claims (6)

1. 深さ方向が径方向に一致するスロットを周方向に複数有する固定子コアと、
   周方向の異なる該スロットに収容されるスロット収容部と、該スロットの外部で該スロット収容部同士を接続しているターン部と、を有するように複数の導線を該固定子コアに組み付けてなる固定子巻線と、
   を備えた回転電機の固定子であって、
   該ターン部は、複数の段部を持つ階段状をなすように該導線が湾曲して形成され、
   該ターン部の該段部の端部での該導線の湾曲部の内周面には、湾曲の内周方向に突出したツバ部を有することを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記ツバ部は、前記導線の幅方向の両端部に形成されている請求項１記載の回転電機の固定子。
3. 前記導線は、断面略方形状の線状の導体部と、該導体部の外周に形成された絶縁性の樹脂よりなる被膜部と、を有し、
   前記ツバ部は、該被膜部を成形してなる請求項１〜２のいずれかに記載の回転電機の固定子。
4. 前記固定子巻線は、
   前記導線を成形部材に押しつけて前記湾曲部を形成する工程と、
   該湾曲部の内周面の前記被膜部を湾曲の内周方向に突出させる工程と、
   を施してなる請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機の固定子。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機の固定子の内周側または外周側に、周方向に交互に異なる磁極を形成している回転子を備えたことを特徴とする回転電機。
6. 前記回転電機の固定子に対して冷媒が供給される請求項５記載の回転電機。

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