JP2013094019A - セグメントコイル、セグメントコイルの製造方法及びステータ - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの断面積を大きく設定して大電流を流せるとともに部分放電を防止することができ、また占積率を高めて、モータの性能を向上させることができるセグメントコイルを提供する。
【解決手段】固定子のコア２に設けられたスロット３に装着されるセグメントコイル１であって、隣接するセグメントコイル間の電圧差、及びセグメントコイルとこれに対接するコアとの間の電圧差に応じて、厚みが異なる絶縁被覆層５が設けられている。
【選択図】図３

Description

本願発明は、セグメントコイル、セグメントコイルの製造方法及びステータに関する。詳しくは、隣接するコイル等との間における部分放電を防止できるセグメントコイルに関する。

たとえば、電動機を構成するステータは、環状のコアにコイルを設けて構成される。上記環状コアには、内側に開口する複数のスロットが所定間隔で設けられており、このスロットに上記コイルが装着される。従来のコイルは、曲折可能な巻き線を、上記スロットに巻き回すことにより設けられていた。しかしながら、内側に開口する上記スロットに、上記巻き線を、傷めることなく巻き回すのは困難であり、作業性が悪いという問題があった。

また、曲折可能な巻き線では、直径を大きく設定することができないため大電流を流すことができない。このため、電動機の出力を高めることは困難である。また、電動機の出力向上及び小型化の要請に応えるためには、コイルの占積率を高める必要があるが、上記巻き線を巻き回す構成では、占積率を向上させることも困難である。

上記問題を解決するため、断面積の大きなコイル材料をスロットに装着できる形態にあらかじめ成形して構成される複数のセグメントコイルを上記スロットに装着し、上記スロットから延出する接続端部を溶接等することにより接続してコイルを構成する手法を採用することができる。上記セグメントコイルの断面を上記スロットの断面形態に対応させることにより断面積を大きく設定することができるため、大電流を流すことができるとともに占積率を大きく設定することが可能となり、電動機の出力を高めることができる。

特許第４６８８００３号公報

上記セグメントコイルには、隣接するセグメントコイルとの間や、コアとの間の絶縁を行うための絶縁被覆層が設けられている。上記絶縁被覆層は、上記各部材間において部分放電が生じないように構成する必要がある。上記部分放電は、電圧差が大きくなる部分において生じやすい。たとえば、３相交流電動機のステータにセグメントコイルを採用した場合、異なる相に属するセグメントコイル間における電圧差が最も大きくなる。したがって、異なる相に属するセグメントコイルが近接あるいは接触する部分において部分放電が生じやすい。

一方、同じ相に属するセグメントコイル間や、コアとセグメントコイルとの間の電圧差は、同じ相に属するセグメントコイル間の電圧差より小さい。

従来のセグメントコイルにおいては、異なる相に属するセグメントコイル間の電圧差に対応できる絶縁被覆層を、セグメントコイルの全域に設けることにより、部分放電を防止するように構成されていた。

ところが、同じ層に属するセグメントコイルが接触等する部位や、コアとセグメントコイルとが接触等する部位においては、大きな電圧差に対応できる厚みの大きな絶縁被覆層を設ける必要はない。ところが、従来のセグメントコイルにおいては、異なる相に属するコイル間の電圧差に対応できる絶縁被覆層がコイルの全域に設けられているため、スロット内の占積率が低下して、モータの大型化や発熱量の増加につながることになる。

占積率を高めるため、比誘電率が低く絶縁性能が高い高価な絶縁材料を用いて、セグメントコイルの全体に、厚みの小さい絶縁被覆層を形成することも考えられるが、製造コストの増加につながることになる。

本願発明は、上記従来の問題を解決し、コイルの断面積を大きく設定して大電流を流せるとともに部分放電を防止することができ、また占積率を高めて、モータの性能を向上させることができるセグメントコイルを提供することを課題とする。

本願の請求項１に記載した発明は、固定子のコアに設けられたスロットに装着されるセグメントコイルであって、隣接するセグメントコイル間の電圧差、及びセグメントコイルとこれに対接するコアとの間の電圧差に応じて、厚みが異なる絶縁被覆層が設けられているものである。

たとえば、３相交流電動機においては、異なる相に属するセグメントコイル間の電圧差が最も大きくなる。一方、コアとセグメントコイル間の電圧差は、異なる相に属するセグメントコイル間の電圧差より小さくなり、さらに、同じ相に属するセグメントコイル間の電圧差は、上記コアとセグメントコイル間の電圧差よりさらに小さくなる。

したがって、隣接するコイルあるいはコアとの間の電圧差に応じて、絶縁被覆層の厚みを異ならせることにより、信頼性を低下させることなく部分放電を効率的に防止することができる。しかも、絶縁被覆層の平均的な厚みを減少させることができるため、軽量化を図ることもできる。また、製造コストを低減させることもできる。

上記絶縁被覆層の厚みは、隣接する部材との電圧差や位置関係に基づいて、部分放電を防止できる厚みに形成されていれば、特に限定されることはない。たとえば、異なる層に属するセグメントコイルがコイルエンド部において接触させられる場合、少なくとも接触部位における絶縁被覆層の厚みを大きく設定する。一方、スロット内でコアに対接させられる部位における上記絶縁被覆層の厚みは、異なる相に属するセグメントコイルが接触する部分より小さく設定できる。さらに、同じ相に属するセグメントコイルが接触させられる部分における絶縁被覆層の厚みは、さらに、小さく設定できる。また、隣接するセグメントコイルとの間に隙間がある場合は、絶縁被覆層の厚みを小さく設定できる。

異なる相に属するセグメントコイルが近接し、あるいは接触するのは、上記スロットからセグメントコイルが延出するコイルエンド部において生じやすい。このため、請求項２に記載した発明のように、上記スロットに収容される部分の絶縁被覆層の厚みを、上記スロットから延出するコイルエンド部に設けられる絶縁被覆層の厚みより小さく設定するのが好ましい。

上記セグメントコイルのスロットに収容される部分における絶縁被覆層の厚みを従来に比べて小さく設定すると、その分大きな断面積を有するコイル材料からセグメントコイルを形成することができる。このため、上記スロット内の占積率を高めることが可能となり、電動機の効率を高めることができる。

一方、セグメントコイルは、コイルエンド部において曲げ加工が施される。絶縁被覆層を設けたセグメントコイルを曲げ加工する場合、絶縁被覆層の厚みが大きいと、曲げ加工を行った部分に亀裂等が生じて絶縁性が低下する恐れがある。このため、請求項３に記載した発明のように、上記コイルエンド部において、曲げ加工を施す部分の絶縁被覆層の厚みを小さく設定するのが好ましい。なお、絶縁被覆層を曲げ加工の後に設ける場合は、この限りでない。

コイル材料として、断面矩形状の平角線を採用した場合、スロットに収容される部分において、セグメントコイルの周方向の側面にコアが対接させられる一方、半径方向の側面に、同じ層に属するセグメントコイルが対接させられることになる。

上述したように、同じ相に属するセグメントコイル間の電圧差は、セグメントコイルとコアとの間の電圧差より小さい。したがって、請求項４に記載した発明のように、上記セグメントコイルが断面矩形状の平角線から形成されている場合、上記スロット内において、隣接するセグメントコイルに対接する部分の絶縁被覆層の厚みを、スロット内面に対接する部分の絶縁被覆層の厚みより小さく設定することができる。

上記構成を採用することにより、上記スロット内におけるセグメントコイルの絶縁被覆層の厚みを、対接する部材との電圧差に応じて最適化することが可能となり、スロット内の占積率をさらに高めることが可能となる。

厚みの異なる絶縁被覆層の構成も特に限定されることはない。一度の工程において、同一の被覆材料を用いて異なる厚みを有する絶縁被覆層を形成することができる。また、請求項５に記載した発明のように、セグメントコイルのほぼ全域に形成される第１の絶縁被覆層と、上記第１の絶縁被覆層の所定部位に積層形成される第２の絶縁被覆層とを設けることにより、上記絶縁被覆層の厚みを部分によって異ならせることができる。なお、上記第２の絶縁被覆層は、１層に限定されることはなく、必要に応じて２層以上の層を備えて構成することができる。

上記第１の絶縁被覆層及び第２の絶縁被覆層を形成する手法も特に限定されることはない。たとえば、粉体塗装や電着塗装の手法で上記絶縁被覆層を形成することができる。

上記第１の絶縁被覆層として、曲げ加工を行うことができる絶縁被覆層を設けるのが好ましい。これにより、第１の絶縁被覆層を備えた状態で曲げ加工を行い、その後、隣接するセグメントコイル等との電圧差が大きくなる部分に、第２の絶縁被覆層を設けることができる。これにより、厚みの異なる絶縁被覆層を容易に形成することができる。

請求項６に記載した発明のように、第１の絶縁被覆層と第２の絶縁被覆層とを構成する材料を異ならせるとともに、第１の絶縁被覆層に破断伸び率が４０％以上の材料を採用する一方、第２の絶縁被覆層に破断伸び率が４０％未満の材料を採用することができる。

破断伸び率が４０％未満である絶縁被覆材料は、安価であるが曲げ加工を行うのが困難である。一方、破断伸び率が４０％以上の絶縁被覆材料は高価ではあるが、加工性が高い。

このため、たとえば、高価ではあるが破断伸び率の大きな材料を用いて、全体に厚みの小さい第１の絶縁被覆層を施したコイル材料を曲げ加工することにより、製造工程数を削減することができる。一方、上記曲げ加工の後に、隣接するコイルとの電圧差が大きくなる部分に、破断伸び率は小さいが安価な材料で、所要厚みの第２の絶縁被覆層を設けることにより絶縁性を確保し、かつ製造コストを低減させることができる。

請求項７に記載した発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセグメントコイルの製造方法であって、絶縁被覆層が形成されていないコイル材料、又は第１の絶縁被覆層が設けられたコイル材料を準備する工程と、上記コイル材料を所定の形状に曲げ加工する加工工程と、曲げ加工されたセグメントコイルの所定部分に第２の絶縁被覆層を設ける付加絶縁被覆層形成工程とを含むものである。

上記製造方法を採用することにより、セグメントコイルの隣接する部材との間の電圧差に対応した厚みの絶縁被覆層を形成することが可能となり、各部における部分放電を効率的に防止することができる。

上記付加絶縁被覆層形成工程は、複数の絶縁被覆層を形成するように行うことができる。たとえば、絶縁被覆層が形成されていないコイル材料を採用する場合、まず、所要の形態に曲げ加工を施し、上記付加絶縁被覆層形成工程において、上記第１の被覆層に相当する被覆層をコイルの外周面全域に形成した後、さらに、異なる相に属するコイル間の電圧差に対応できる第２の被覆層を、所要の部分に形成することができる。この構成を採用すると、第１の絶縁被覆層に相当する絶縁被覆層が曲げ加工に晒されないため、安価な絶縁材料を用いて第１の絶縁被覆層に相当する絶縁被覆層を形成することができる。

請求項８に記載した発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載したセグメントコイルを備えるステータの製造方法であって、上記セグメントコイルをコアの所定部分に組み付けるセグメントコイル組み付け工程と、各セグメントコイルの所定の接続端部間を接続する接続工程と、上記接続工程において接続された接続端部に絶縁被覆層を設ける接続端部絶縁被覆層形成工程とを含むものである。

上記接続端部絶縁被覆層形成工程を行う手法は特に限定されることはない。たとえば、接続端部を溶融樹脂にディッピングすることにより、上記絶縁被覆層を形成することができる。

本願発明に係るセグメントコイルは、請求項９に記載した発明のように、種々の電動機や発電機に採用されるステータに適用することができる。

セグメントコイル間及びセグメントコイルとコアとの間の絶縁性を確保できるとともに占積率を高め、モータの効率を高めることができる。

セグメントコイルをコアに組み付けた状態を示す要部の斜視図である。 セグメントコイルの一例を示す正面図である。 本願発明に係るセグメントコイルの要部断面図である。 第２の実施形態に係るセグメントコイルの要部断面図である。 セグメントコイルを装着したコアの軸に直交する要部断面図である。

以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。

図１は、セグメントコイル１をコアに装着した状態を示す要部斜視図である。また、図２は、セグメントコイルの一形態を示す正面図である。

上記コア２は磁性材料から形成された厚肉環状構造を備えており、内周部に軸方向に貫通するとともに内周面に開口するスロット３が所定間隔で形成されている。上記スロット３は、セグメントコイル１の幅にほぼ対応して形成されており、セグメントコイルの直線部を上記スロットに収容することにより、セグメントコイル１がコア２に組み付けられる。

上記コア２を構成する材料は特に限定されることはない。たとえば、磁性粉体を圧粉成形して形成されたコアや、磁性鋼板を積層して形成されるコアを採用することができる。

たとえば、３相誘導電動機においては、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相にグループ分けされたそれぞれ複数のセグメントコイルが、上記スロットに所定間隔で組み付けられる。

図２に示すように、上記セグメントコイル１は、上記スロット３に収容される一対の直線部１ｂと、上記スロットの軸方向両端部から延出させられるとともに山形形状を備える一対のコイルエンド部１ａ，１ｃとを備える略６角形状に形成されている。一方の上記コイルエンド部１ａは、所定のスロットに収容された一対の直線部１ｂを掛け渡し状に接続するように設けられている。他方のコイルエンド部１ｃには、他のスロットに収容されたセグメントコイルとの接続を行うための接続部４ａ，４ｂが設けられている。上記接続部４ａ，４ｂを介して各相を構成する複数のセグメントコイルがそれぞれ接続される。なお、上記他方のコイルエンド部１ｃの形態は、セグメントコイルの接続パターンに応じて複数の形態が準備される。

上記セグメントコイル１には、上記接続部４ａ，４ｂを除く外周の全域に絶縁被覆層５が形成されており、隣接するセグメントコイルやコアとの間の絶縁性を確保できるように構成されている。

図３に、本願発明の第１の実施形態に係るセグメントコイル１の断面を示す。

図３に示すように、セグメントコイル１は、矩形断面を備える導電性の平角コイル材料６の外周表面に絶縁被覆層５を設けて構成される。

上記絶縁被覆層５は、上記コイル材料６の外周面の全域に形成された第１の絶縁被覆層５ａと、コイルエンド部１ａ，１ｃにおいて、上記第１の絶縁被覆層５ａの外周に積層形成された第２の絶縁被覆層５ｂとを備えて構成されている。

上記第１の絶縁被覆層５ａは、ポリイミド等の曲げ加工に耐える材料を用いて、５〜２５μｍの厚みで、コイル材料６の外周全域に均等な厚みで形成されている。上記第１の絶縁被覆層５ａは、コイル材料を引き抜き加工した後に形成に形成されたものである。上記第１の絶縁被覆層５ａを備えるコイル材料に対して曲げ加工が施され、図２に示すようなコイル形態が形成される。

上記第２の絶縁被覆層５ｂは、上記曲げ加工が施されたコイル材料６の上記第１の絶縁被覆層５ａに積層して設けられる。上記第２の絶縁被覆層５ｂは、隣接するセグメントコイル間の電圧差、及びセグメントコイルとこれに対接するコアとの間の電圧差に応じて、８０〜１２０μｍの厚みで形成されている。なお、絶縁被覆層の厚みは、下記のＤａｒｋｉｎの経験則から求めることができる。
Ｖ＝１６３×（２ｔ÷εｒ）^0.46
Ｖ：部分放電開始電圧（Ｖ）
ｔ：巻線の片側絶縁被覆層厚み（μｍ）
εｒ：比誘電率
例えば、複数の絶縁被覆層が設けられる場合は、各絶縁被被覆層をコンデンサの直列等価回路とみなして、絶縁被覆層全体のコンデンサ容量、誘電率を求め、上記Ｄａｒｋｉｎの経験則を利用して絶縁被覆層の厚みを推定することができる。

図３に示すように、本実施形態に係るセグメントコイルにおいては、コア２のスロット３に収容される部分には、上記第１の絶縁被覆層５ａのみが形成されている。このため、上記スロット３に収容される部分のコイル材料６の断面積を大きく設定することが可能となり、占積率を高めて電動機の出力を向上させることができる。

一方、図３のコイルエンド部１ａには、上記第１の絶縁被覆層５ａに加えて第２の絶縁被覆層５ｂが形成されている。このため、図１に示すように、隣接するセグメントコイルが接触状態で配置されても、絶縁性を確保することが可能となる。特に、本実施形態に係る第２の絶縁被覆層５ｂは、異なる相に属するセグメントコイルが、接触あるいは近接した場合においても、部分放電が生じないように形成されている。このため、信頼性の高いステータを構成することができる。

また、本実施形態では、セグメントコイル１の曲折部分７，８に、上記第２の絶縁被覆層５ｂが設けられていない。この構成を採用することにより、第２の絶縁被覆層５ｂを設けた後に曲げ加工を行っても、上記第２の絶縁被覆層５ｂに亀裂等が生じることはなく、高い絶縁性を発揮させることが可能となる。

上記スロット３にすべての相に属するセグメントコイルを組み付けた後、コイルエンド部１ｃにおいて、各相を構成するセグメントコイルが、接続部４ａ，４ｂを介して溶接接続される。その後、上記接続部４ａ，４ｂに、図示しない接続端部絶縁被覆層が設けられる。上記接続端部絶縁被覆層を構成する材料及び形成手法は特に限定されることはない。たとえば、上述したポリアミドイミド樹脂に、上記接続端部４ａ，４ｂをディッピングすることにより形成することができる。

図３に示す第１の実施形態では、コイルエンド部１ａのほぼ全域に第２の絶縁被覆層５ｂを設けたが、上記第２の絶縁被覆層を設ける部位は、隣接する部材との間の電圧差に応じて設定することができる。

図４に示す第２の実施形態では、異なる相に属するセグメントコイル１１，２１のほぼ全域に第１の絶縁被覆層１５ａ，２５ａを設けるとともに、これらセグメントコイル１１と２２の接触部分近傍にのみ、第２の絶縁被覆層１５ｂ，２５ｂを設けている。この構成を採用することにより、異なる相に属するセグメントコイル間の部分放電を有効に防止できるとともに、第２の絶縁被覆層を形成するための絶縁材料を低減させ、製造コスト及び電動機の重量をさらに削減することができる。

図５に、本願発明の第３の実施形態を示す。

図５に示すように、コア３２に設けたスロット３３内に、複数のセグメントコイル３１，４１の直線部３１ｂ，４１ｂが、コア３２の半径方向に整列状態で収容されている。上記セグメントコイル３１，４１は、３相誘導電動機における同じ相に属するセグメントコイルである。

図５から明らかなように、各セグメントコイル３１は、最奥部に配置されたセグメントコイル４１を除いて、コアの半径方向に同相のセグメントコイル３１，４１が対接させられる一方、各セグメントコイル３１，４１の周方向面が、スロット３３の内面に対接させられている。

同じ相に属するセグメントコイルの電圧差は、コアとセグメントコイル間の電圧差に比べて小さい。このため、本実施形態では、対接する部材との電圧差に応じた絶縁被覆層３５を設けている。

具体的には、同相に属するセグメントコイル同士が対接する部分には、第１の被覆層３５ａが設けられているとともに、スロット３３の内面に対接させられる部分には、上記第１の絶縁被覆層３５ａに加えて、第２の絶縁被覆層３５ｂが形成されている。なお、第１の絶縁被覆層３５ａ及び第２の絶縁被覆層３５ｂを構成する材料は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。

本実施形態では、上記第１の絶縁被覆層３５は、第１の実施形態と同様に、５〜２５μｍの厚みで形成されている一方、第２の絶縁被覆層３５ｂは、８０〜１２０μｍの厚みで形成されている。

なお、最奥部に収容されるセグメントコイル４１以外のセグメントコイル３１には、スロット３３の内面に対接する周方向面に上記第２の絶縁被覆層３５ｂが形成されている。一方、最奥部に収容されるセグメントコイル４１は、スロット３３の底面と側面に対接する面に上記第２の絶縁被覆層３５ｂが形成されている。

上記構成を採用することにより、スロット３３内における絶縁被覆層３５の厚みを最適化することが可能となり、過剰な厚みの絶縁被覆層を設ける必要がなくなる。このため、セグメントコイル３１，４１の断面積を大きく設定して、占積率を高めることができる。

本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

セグメントコイルに設けられる絶縁被覆層の厚みを最適化して、コイルの占積率を高め、電動機の効率を向上させることができる。

１ セグメントコイル
２ コア
３ スロット
５ 絶縁被覆層

Claims (9)

1. 固定子のコアに設けられたスロットに装着されるセグメントコイルであって、
   隣接するセグメントコイル間の電圧差、及びセグメントコイルとこれに対接するコアとの間の電圧差に応じて、厚みが異なる絶縁被覆層が設けられている、セグメントコイル。
2. 上記スロットに収容される部分の絶縁被覆層の厚みが、上記スロットから延出するコイルエンド部に設けられる絶縁被覆層の厚みより小さく設定されている、請求項１に記載のセグメントコイル。
3. 上記コイルエンド部において、曲げ加工を施す部分の絶縁被覆層の厚みを小さく設定した、請求項２に記載のセグメントコイル。
4. 上記セグメントコイルが断面矩形状の平角線から形成されているとともに、上記スロット内において、隣接するコイルに対接する部分の絶縁被覆層の厚みを、スロット内面に対接する部分の絶縁被覆層の厚みより小さく設定した、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセグメントコイル。
5. セグメントコイルのほぼ全域に形成される第１の絶縁被覆層と、
   上記第１の絶縁被覆層の所定部位に積層形成される第２の絶縁被覆層とを設けることにより、上記絶縁被覆層の厚みを異ならせた、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセグメントコイル。
6. 第１の絶縁被覆層と第２の絶縁被覆層とを構成する材料を異ならせるとともに、
   
   第１の絶縁被覆層に、破断伸び率が４０％以上の材料を採用する一方、
   第２の絶縁被覆層に、破断伸び率が４０％以下の材料を採用した、請求項５に記載のセグメントコイル。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセグメントコイルの製造方法であって、
   絶縁被覆層が形成されていないコイル材料、又は第１の絶縁被覆層が設けられたコイル材料を準備する工程と、
   上記コイル材料を所定の形状に曲げ加工する加工工程と、
   曲げ加工されたコイルの所定部分に絶縁被覆層を設ける付加絶縁被覆層形成工程とを含む、セグメントコイルの製造方法。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載したセグメントコイルを備えるステータの製造方法であって、
   上記セグメントコイルをコアの所定部分に組み付けるセグメントコイル組み付け工程と、
   各セグメントコイルの所定の接続端部間を接続する接続工程と、
   上記接続工程において接続された接続端部に絶縁被覆層を設ける接続端部絶縁被覆層形成工程とを含む、ステータの製造方法。
9. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセグメントコイルを備える、ステータ。

Images