JP2010213492A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、絶縁部材に発生する熱応力を抑制する。
【解決手段】円周方向に伸びるヨーク１２と、ヨーク１２の内周面から半径方向に突出する矩形断面のティース１３と、ティース１３の周囲に配置されるコイル１５と、ティース１３の軸方向端面と円周方向端面とを覆い、ティース１３とコイル１５との間を絶縁する絶縁部材２１と、を含む回転電機１００において、絶縁部材２１は、ティース１３の軸方向端面を覆う軸方向端面部２１ｂに半径方向に延びるスリット２２を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機の構造に関する。

モータ、モータジェネレータなどの回転電機には、コイルが巻回された固定子と磁石が取り付けられて固定子の中で回転する回転子とを備えるものが用いられている。このような回転電機の固定子は、電磁鋼板を重ねて環状のヨークとヨークから回転軸の中心方向に向かって突出するティースとを形成し、ティースの外周に樹脂等の絶縁部材を配置し、絶縁部材の外周に銅線を巻いてコイルを形成したものが用いられている。

ティースは四角い断面として製造されるが、コイルは角のある形状には巻回することができないので、ティースの軸方向の端面にコイルの曲げのＲ部が来るような小判型にコイルを巻くことが多い。この場合、軸方向のコイルの内径はティースの軸方向の端面間の長さよりも大きくなるので、コイルのティースに対する位置が規定の位置からずれてしまう場合があった。コイルの位置がずれると、コイルとティースとの離隔距離が短い部分ができてしまい、絶縁性能が低下してしまう場合があった。

そこで、樹脂製の絶縁部材の軸方向の端面にコイルに向かって突出する突出部を設け、コイルの軸方向の位置がずれないようにする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、回転電機のロータのコイル巻回部分に絶縁層を形成する方法として、粉体エポキシ樹脂等の粉体合成樹脂層の外面に無機−有機複合材層を形成し、使用中の熱応力によって剥離することの無い絶縁層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８-２５９３６７号公報 特開平８−１３０８４３号公報

特許文献１に記載された樹脂製の絶縁部材は、１つのティースとヨークとを含む扇形のステータコアを製作した後、ティースの外周に樹脂を一体成形することによって製作される場合が多い。このように樹脂の一体成形で成形された絶縁部材は鉄によって形成されているステータコアよりも熱膨張係数が大きく、ステータコアよりも大きく熱収縮するため、成形後の冷却中の温度変化、あるいは回転電機の運転によるステータの温度の変化によってステータコアとの間に熱膨張差が発生する。特許文献１に記載されたような四角断面のティースの場合には、ティースの各角部の絶縁部材に応力が集中し、絶縁部材の角の部分が損傷することがある。絶縁部材が損傷すると、絶縁性能が低下し、回転電機の寿命が低下してしまうという問題があった。特に、特許文献１に記載されたように絶縁部材にコイルのずれを防止するための突出部を設けた場合には、発生する熱応力が大きくなってしまうという問題があった。

一方、特許文献２に記載された絶縁層の場合には、発生する熱応力は特許文献１に記載された絶縁部材よりも小さくなるものの、コイルの位置ずれを防止するための突出部をステータコアの製作後に絶縁層のみで形成することができないので、あらかじめステータコアに突出部を形成する必要があることから、製造に手間がかかるという問題があった。

本発明は、絶縁部材に発生する熱応力を抑制することを目的とする。

本発明の回転電機は、円周方向に伸びるヨークと、ヨークの内周面から半径方向に突出する矩形断面のティースと、ティースの周囲に配置されるコイルと、ティースの軸方向端面と円周方向端面とを覆い、ティースとコイルとの間を絶縁する絶縁部材と、を含む回転電機であって、絶縁部材は、ティースの軸方向端面を覆う部分に半径方向に延びるスリットを備えること、を特徴とする。

本発明の回転電機において、絶縁部材の外表面の角部からスリットまでのスリットと直角方向のティースの軸方向端面に沿った長さと絶縁部材の厚さとの合計距離は、所定の絶縁距離よりも長いこと、としても好適である。

本発明の回転電機において、絶縁部材と接続し、ヨークの内周面に沿ってティース軸方向端面から軸方向に向って延びる円弧板状の基体部と、基体部から半径方向に突出する突出部とを備え、ティースの軸方向端面とコイルとを離隔させる絶縁性の離隔部材を備えていること、としても好適である。

本発明の回転電機において、突出部は、ティースの軸方向端面に接し、軸方向に延びる平板であること、としても好適であるし、平板は、スリットの間でティースの軸方向端面に接すること、としても好適である。

本発明は、絶縁部材に発生する熱応力を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における回転電機の断面を示す説明図である。 本発明の実施形態における回転電機のステータコアとティースと絶縁部材と離隔部材とを示す斜視図である。 本発明の実施形態における回転電機のステータコアとティースと絶縁部材と離隔部材とを軸中心側から見た断面図と平面図である。 本発明の実施形態における回転電機の絶縁部材の変形を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における回転電機のステータコアとティースと絶縁部材と離隔部材とを軸中心側から見た断面図と平面図である。 本発明の他の実施形態における回転電機のステータコアとティースと絶縁部材と離隔部材とを示す斜視図である。 本発明の他の実施形態における回転電機のステータコアとティースと絶縁部材と離隔部材とを軸中心側から見た断面図と平面図である。

以下、本発明の回転電機の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の回転電機１００は、円筒形のケーシング１０と、ケーシング１０の内面に取り付けられたステータ１１と、ステータ１１の内部で回転中心１６の周りに回転軸１９とともに回転するロータ１７とを備えている。ステータ１１は、複数のステータブロック１４を組み合わせて構成されている。各ステータブロック１４は、扇形のヨーク１２と、ヨーク１２の内周側から回転中心１６の方向に向かって半径方向に突出するティース１３と、各ティース１３の周囲に配置されたコイル１５とを備えている。ロータ１７は、その周方向の外周面に永久磁石１８が取り付けられている。電力がステータ１１のコイルに供給されるとコイルには磁力が発生し、この磁力と永久磁石の磁力によってロータ１７が回転し、回転出力が回転軸１９から外部に取り出される。

図２に示すように、ステータブロック１４のヨーク１２から突出したティース１３は、四角い矩形断面形状であり、ティース１３の軸方向端面と円周方向端面とは樹脂製の絶縁部材２１で覆われている。ティース１３の軸方向端面を覆う絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂには半径方向に延びるスリット２２が設けられている。絶縁部材２１の周方向端面部２１ａと軸方向端面部２１ｂのヨーク１２内周側にはヨーク１２の内周面に沿ってティース１３の軸方向端面から軸方向に向って延びるとともにヨーク１２の内周側の面を覆う円弧板状の基体部２３ａと、基体部２３ａから半径方向に突出する突出部２４とを備える離隔部材２３が接続されている。突出部２４は、ティース１３の軸方向端面に接し、軸方向に延びる平板である。また、スリット２２は離隔部材２３の基体部２３ａまで延びている。

基体部２３ａと突出部２４とを含む離隔部材２３と、絶縁部材２１とはステータブロック１４のヨーク１２の内周側とティース１３の周囲とに樹脂の一体成形によって形成されており、連続して接続されているものである。

図３(ａ)に示すように、ティース１３の円周方向端面と軸方向端面には、それぞれ絶縁部材２１の周方向端面部２１ａと軸方向端面部２１ｂが表面に密着するよう取り付けられている。そして、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの中央にはスリット２２が設けられている。図３(ｂ)に示すように、離隔部材２３から突出している突出部２４は図２に示す基体部２３ａに接続され、基体部２３ａから半径方向に延びているので、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂとは接続されていない。図３(ａ)に示すように、突出部２４は平板で、その一端はスリット２２の間でティース１３の軸方向端面に接しており、コイル１５の内周側とティース１３の軸方向端面との間の離隔距離Ｌ₂が所定の絶縁距離以上となるよう、コイル１５を保持している。

また、図３(ａ)、図３(ｂ)に示すように、コイル１５と接している絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの各角部２１ｃとスリット２２の端部とのスリット２２と直角方向の長さＬ₀と、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの厚さｔとの合計長さＬ₁(Ｌ₁＝Ｌ₀＋ｔ)は、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂとコイル１５の内面との接する点からティース１３の軸方向端面までの最短離隔距離となる。この長さＬ₁は上記のＬ₂と同様、所定の絶縁距離以上となるようにスリット２２の周方向の位置、幅が決定されている。ティース１３の周方向長さが長い際には、スリット２２の位置を絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの角部２１ｃの方に寄せて配置してもよい。また、逆にティース１３の周方向長さが短い場合には図３(ａ)に示すように、スリット２２は突出部２４のすぐ脇に配置するようにして、できるだけ長さＬ₁が大きくなるように構成する。

図４を参照しながら、絶縁部材２１の成形の際の温度変化による絶縁部材２１の変形と応力について説明する。図４(ａ)は、スリット２２が設けられていない場合を示している。絶縁部材２１、離隔部材２３を、ティース１３、ヨーク１２と一体に成形する場合、一体となったヨーク１２とティース１３を樹脂成形用の型に入れて例えば１２０℃〜１５０℃程度まで加熱し、型に１５０℃程度に加熱した樹脂を流し込んで成形する。このため、成形直後のティース１３と絶縁部材２１の温度は双方とも１２０℃〜１５０℃程度となっている。

成形が終了し、常温への冷却が開始されると、樹脂で構成されている絶縁部材２１は鉄で構成されているティース１３よりも大きく収縮する。このため、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂは角部２１ｃから円周方向の中央にある突出部２４に向ってティース１３よりも大きく収縮し、周方向端面部２１ａは角部２１ｃから軸方向の中央に向ってティース１３よりも大きく収縮する。そして、絶縁部材２１の周方向端面部２１ａには軸方向に引っ張り力が加わると共に、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂには周方向に引っ張り力が加わる。この様に、周方向端面部２１ａ、軸方向端面部２１ｂに加わる引っ張り力によって絶縁部材２１の各角部２１ｃは図４(ａ)の矢印に示すように、周方向及び軸方向に向かって引っ張られ、角部２１ｃには応力が集中する。更に、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂに突出部２４が接続されている場合には、その接続部近傍は剛性が高く、変形量が少なくなるので、絶縁部材２１の各角部２１ｃに掛かる引っ張り力が大きくなり、より大きな応力が集中する。このため、樹脂成形後の冷却の際に絶縁部材２１の角部２１ｃが損傷を受ける場合がある。また、樹脂成形の際に損傷が発生しない場合であっても、絶縁部材２１には引っ張り応力が残留応力として残るので、運転によって回転電機１００の温度が上昇する場合には絶縁部材２１の各角部２１ｃの応力は低下し、回転電機１００が停止して温度が低下すると再び絶縁部材２１の角部２１ｃの応力が高くなるという応力サイクルが発生し、絶縁部材２１の応力疲労による寿命消費が進んでしまう。更に、ティース１３と絶縁材料２１の温度が成形の際の温度よりも上昇する場合には、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂは円周方向の中央にある突出部２４から角部２１ｃに向って膨張し、周方向端面部２１ａは軸方向の中央から角部２１ｃに向って膨張し、応力サイクルが更に大きくなって寿命消費が進んでしまう。

一方、図４(ｂ)に示すように、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂにスリット２２を設けた場合、樹脂成形の際の１２０℃〜１５０℃の温度から常温への冷却が開始されると、図４(ｂ)に示すように、樹脂で構成されている絶縁部材２１は鉄で構成されているティース１３よりも大きく収縮するので、絶縁部材２１の周方向端面部２１ａには軸方向に引っ張り力が加わる。しかし、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂにはスリット２２が設けられているので、軸方向端面部２１ｂがティース１３よりも大きく縮むと図４(ｂ)の矢印に示すようにスリット２２が広がるので、絶縁部材２１の各角部２１ｃに発生する応力が低減される。また、絶縁部材２１の残留応力が低減されることから、回転電機１００の運転、停止による熱サイクルによって発生する応力サイクルも小さいものとなり、絶縁部材２１の応力疲労による寿命消費を抑制することができる。更に、熱応力サイクルがかかった場合でも、スリット２２によって軸方向端面部２１ｂが自由に膨張、収縮することができ、熱応力を緩和することができる。

また、スリット２２を設けた場合、図４（ａ）に示す軸方向端面部２１ｂの角部２１ｃからティース１３の軸方向端面に沿って延びる長さＤは、図４(ｂ)に示すように、Ｄよりも短いＬ₀となる。このため、温度差による絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの伸びは、線膨張係数をα、温度差をΔＴとすると、α×ΔＴ（Ｄ−Ｌ₀）だけ小さくなる。このように熱伸びが小さくなることにより、絶縁部材２１に発生する熱応力を低減することができる。

図３(ａ)、図３(ｂ)を参照して説明したように、コイル１５と接している絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの各角部２１ｃとスリット２２の端部とのスリット２２と直角方向の長さＬ₀と、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの厚さｔとの合計長さＬ₁(Ｌ₁＝Ｌ₀＋ｔ)は、所定の絶縁距離以上となるようにスリット２２の周方向の位置、幅が決定されているので、スリット２２を設けることによって絶縁性に問題が生じることは無い。

以上述べたように、本実施形態は、絶縁部材２１の各角部２１ｃに発生する熱応力を低減することができ、絶縁部材２１の寿命の消費を抑制することができるという効果を奏する。

図５を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図１から図４を参照して説明した部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図５に示すように、本実施形態の回転電機１００は、離隔部材２３の突出部２４と絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂとが接続され、突出部２４の側面と軸方向端面部２１ｂの一方の角部２１ｃとの間にスリット２２を設けたものである。本実施形態は、スリット２２が設けられていない側の角部２１ｃの応力が図１から４を参照して説明した実施形態よりも若干大きくなるものの、先に説明した実施形態と同様、絶縁部材２１の各角部２１ｃに発生する熱応力を低減することができ、絶縁部材２１の寿命の消費を抑制することができるという効果を奏する。

図６〜図７を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図１から図４を参照して説明した部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態の回転電機１００は、図２を参照して説明した回転電機１００の平板状の突出部２４の形状が棒状の突出部２５となっているものである。図６に示すように、棒状の突出部２５は離隔部材２３の基体部２３ａから半径方向に独立して突出しており、ティース１３に接せず、絶縁部材２１とも接続されていない。スリット２２は、図２を参照して説明した実施形態と同様に、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの中央に半径方向に沿って設けられている。本実施形態の絶縁部材２１、離隔部材２３においては、突出部２５と絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂとの間の距離があることから、図１から図５を参照して説明した実施形態の絶縁部材２１、離隔部材２３よりも樹脂成形の型が作りやすく、成形しやすいものである。

図７(ａ)に示すように、突出部２５はスリット２２の上方に設けられ、コイル１５とティース１３の軸方向端面との離隔距離Ｌ₃を保持するよう構成されている。Ｌ₃は所定の絶縁距離以上となっている。また、図７(ａ)、図７(ｂ)に示すように、コイル１５と接している絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの各角部２１ｃとスリット２２の端部とのスリット２２と直角方向の長さＬ₀と、絶縁部材２１の軸方向端面部２１ｂの厚さｔとの合計長さＬ₁(Ｌ₁＝Ｌ₀＋ｔ)は、所定の絶縁距離以上となるようにスリット２２の周方向の位置、幅が決定されている。スリット２２離隔部材２３の基体部２３ａまでのびている。ティース１３の周方向の長さが短い場合には、長さＬ₁が所定の絶縁距離以上となるように、スリット２２の幅は小さく設定される。

本実施形態は、先に説明した実施形態と同様、絶縁部材２１の各角部２１ｃに発生する熱応力を低減することができ、絶縁部材２１の寿命の消費を抑制することができるという効果を奏する。

１０ ケーシング、１１ ステータ、１２ ヨーク、１３ ティース、１４ ステータブロック、１５ コイル、１６ 回転中心、１７ ロータ、１８ 永久磁石、１９ 回転軸、２１ 絶縁部材、２１ａ 周方向端面部、２１ｂ 軸方向端面部、２１ｃ 角部、２２ スリット、２３ 離隔部材、２３ａ 基体部、２４，２５ 突出部、１００ 回転電機。

Claims (5)

1. 円周方向に伸びるヨークと、
   ヨークの内周面から半径方向に突出する矩形断面のティースと、
   ティースの周囲に配置されるコイルと、
   ティースの軸方向端面と円周方向端面とを覆い、ティースとコイルとの間を絶縁する絶縁部材と、を含む回転電機であって、
   絶縁部材は、ティースの軸方向端面を覆う部分に半径方向に延びるスリットを備えること、
   を特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   絶縁部材の外表面の角部からスリットまでのスリットと直角方向のティースの軸方向端面に沿った長さと絶縁部材の厚さとの合計距離は、所定の絶縁距離よりも長いこと、
   を特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   絶縁部材と接続し、ヨークの内周面に沿ってティース軸方向端面から軸方向に向って延びる円弧板状の基体部と、基体部から半径方向に突出する突出部とを備え、ティースの軸方向端面とコイルとを離隔させる絶縁性の離隔部材を備えていること、
   を特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機であって、
   突出部は、ティースの軸方向端面に接し、軸方向に延びる平板であること、
   を特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機であって、
   平板は、スリットの間でティースの軸方向端面に接すること、
   を特徴とする回転電機。

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