JP2014050207A - 回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルエンドを小型化した回転電機を提供する。
【解決手段】周方向に並んだ複数のスロット４２０が形成された固定子鉄心１３２、および当該固定子鉄心の前記スロット内に挿入された固定子コイル１３８を有する固定子１３０と、前記固定子鉄心に対して隙間を介して回転可能に配置された回転子１５０と、を備える回転電機において、前記固定子コイルは、略Ｕ字形状に成形された矩形断面の導体からなる複数のセグメントコイル２８が複数接続されることにより構成され、前記セグメントコイルは端部に他のセグメントコイルと接続された接続部８００を有し、前記接続部は角部８１０を有するように回転電機を構成する。
【選択図】図１２

Description

本発明は回転電機及びその製造方法に関するものである。

回転電機は、固定子コイルに交流電力を供給することで回転磁界を発生させ、この回転磁界により回転子を回転させることができる。また、回転子に加わる機械エネルギーを電気エネルギーに変換してコイルから交流電力を出力することもできる。このように、回転電機は、電動機または発電機として作動する。

このような回転電機の固定子コイルとして、セグメントコイルの端末を溶接して接続したものが知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１１−１５１９７５号公報

この種の回転電機を自動車に搭載する場合、狭く限られた空間に取り付けられるため、小型化が要求される。また、コイルエンドの上部でミッション部との隙間を確保する必要もある。このため、セグメントコイルの溶接部においてコイルエンド高さを下げることが望ましい。しかしこの種の回転電機では、コイルエンドが大きくなってしまい、軸方向や径方向に突出してしまうという課題があった。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子鉄心、および当該固定子鉄心の前記スロット内に挿入された固定子コイルを有する固定子と、前記固定子鉄心に対して隙間を介して回転可能に配置された回転子と、を備え、前記固定子コイルは、略Ｕ字形状に成形された矩形断面の導体からなる複数のセグメントコイルが複数接続されることにより構成され、前記セグメントコイルは端部に他のセグメントコイルと接続された接続部を有し、前記接続部は角部を有するように回転電機を構成する。

本発明によれば、コイルエンドを小型化した回転電機を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る回転電機の全体構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の固定子を示す斜視図である。 固定子鉄心１３２の斜視図である。 電磁鋼板１３３を示す図である。 回転子１５０および固定子１３０の断面を示す図である 固定子コイル１３８を示す斜視図である。 スター結線を示す図である。 固定子コイル１３８Ｕを示す斜視図である。 固定子コイル１３８Ｕ１を示す斜視図である。 固定子コイル１３８Ｕ２を示す斜視図である。 セグメントコイルの接続部８００を説明する図である。 図１１に示すセグメントコイルの接続部８００を示す拡大図である。 接続部８００を示す図である。 接続部８００を示す図である。 接続部８００を示す図である。 接続部８００を示す図である。 接続部８００を示す図である。 接続部８００を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
（回転電機の全体構成）
本実施形態に係る回転電機は、自動車の走行に使用するのが好適な回転電機である。ここで、回転電機を使用するいわゆる電気自動車には、エンジンと回転電機の両方を備えるハイブリッドタイプの電気自動車（ＨＥＶ）と、エンジンを用いないで回転電機のみで走行する純粋な電気自動車（ＥＶ）とがあるが、以下に説明する回転電機は両方のタイプに利用できるので、ここでは代表してハイブリッドタイプの自動車に用いられる回転電機に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機１００の全体構成を示す模式図である。図１では、回転電機１００の一部分を断面とすることで、回転電機１００の内部を示している。回転電機１００は、図１に示すように、ケース１０の内部に配設されるものであり、ハウジング１１２と、ハウジング１１２に固定される固定子鉄心１３２を有する固定子１３０と、この固定子内に回転自在に配設される回転子１５０と、を備えている。ケース１０は、エンジンのケースや変速機のケースによって構成される。

この回転電機１００は、永久磁石内蔵型の三相同期モータである。回転電機１００は、固定子鉄心１３２に巻回される固定子コイル１３８に三相交流電流が供給されることで、回転子１５０を回転させる電動機として作動する。また、回転電機１００は、エンジンによって駆動されると、発電機として作動して三相交流の発電電力を出力する。つまり、回転電機１００は、電気エネルギーに基づいて回転トルクを発生する電動機としての機能と、機械エネルギーに基づいて発電を行う発電機としての機能の両方を有しており、自動車の走行状態によって上記機能を選択的に利用することができる。

固定子１３０はハウジング１１２に固定されている。固定子１３０は、ハウジング１１２に設けられたフランジ１１５がボルト１２によりケース１０に締結されることで、ケース１０内に固定保持されている。シャフト１１８に固定された回転子１５０は、ケース１０の軸受け１４Ａ、１４Ｂにより支承され、固定子鉄心１３２の内側において回転可能に保持されている。

図２はハウジング１１２に取り付けられた固定子１３０を示す斜視図である。ハウジング１１２は、厚さ２〜５ｍｍ程度の鋼板（高張力鋼板など）を絞り加工により円筒形状に形成されている。ハウジング１１２の軸方向一端にはフランジ１１５が設けられて折り、上述したようにケース１０にボルト固定される（図１参照）。フランジ１１５は、絞り加工によってハウジング１１２と一体に形成される。なお、ハウジング１１２を設けずに、固定子１３０をケース１０に直接固定するようにしても良い。

固定子１３０はハウジング１１２の内周側に固定され、円筒状の固定子鉄心１３２と、この固定子鉄心１３２に装着される固定子コイル１３８と、を有している。図３は固定子鉄心１３２の斜視図である。固定子鉄心１３２は、図４に示すような電磁鋼板１３３を複数積層して形成される。電磁鋼板１３３は厚さが０．０５〜１．０ｍｍ程度であり、打ち抜き加工またはエッチング加工により成形される。積層された電磁鋼板１３３は溶接により固定される。図３に示す例では、溶接部２００がそれを示す。この溶接により積層された各電磁鋼板１３３が接続されるとともに、ハウジング１１２に圧入した際の締め付け力に起因する電磁鋼板１３３の変形が抑制される。

固定子鉄心１３２には、軸方向に延在する複数のスロット４２０が周方向に等間隔となるように形成されている。スロット４２０の数は、例えば本実施の形態では７２個である。スロット４２０には、図２に示すように固定子コイル１３８が収容される。図３に示す例では、スロット４２０は開スロットであり、固定子鉄心内周側には開口が形成されている。この開口の周方向の幅は、固定子コイル１３８が装着される各スロット４２０のコイル装着部とほぼ同等もしくは、コイル装着部よりも若干小さくなっている。

なお、各スロット４２０内には、絶縁紙３００が配置されている。絶縁紙３００は、スロット４２０やコイルエンド１４０ａ，１４０ｂに配設されるものである。絶縁紙３００（いわゆるスロットライナー）をスロット４２０に配設することにより、スロット４２０に挿通されるコイルの相互間およびコイルとスロット４２０の内面との間に配設されて、コイル間やコイルとスロット４２０の内面との間の絶縁耐圧の向上を図っている。

また、コイルエンド１４０ａ，１４０ｂに配設される絶縁紙３００は、コイルエンド１４０ａ，１４０ｂにおける相間絶縁、導体間絶縁のためにコイル間に環状に配設される。このように、本実施形態に係る回転電機１００は、スロット４２０の内側やコイルエンド１４０ａ，１４０ｂにおいて絶縁紙３００が配設されているため、コイルの絶縁被膜６００が傷ついたり劣化したりしても、必要な絶縁耐圧を保持できる。なお、絶縁紙３００は、例えば耐熱ポリアミド紙の絶縁シートであり、厚さは０．１〜０．５ｍｍ程である。

スロット４２０間にはティース４３０が形成されており、それぞれのティース４３０は環状のコアバック４４０と一体となっている。固定子鉄心１３２は、各ティース４３０とコアバック４４０とが一体成形された一体型コアとされている。ティース４３０は、固定子コイル１３８によって発生した回転磁界を回転子１５０に導き、回転子１５０に回転トルクを発生させる働きをする。

図３に示す固定子鉄心１３２は、上記した円筒状のハウジング１１２の内側に焼嵌めにより嵌合固定される。具体的な組み立て方としては、例えば、先ず固定子鉄心１３２を配置しておき、この固定子鉄心１３２に予め加熱して熱膨張により内径を広げておいたハウジング１１２を嵌め込む。次に、ハウジング１１２を冷却して内径を収縮させることで、その熱収縮により固定子鉄心１３２の外周部を締め付ける。

固定子鉄心１３２は、運転時における回転子１５０のトルクによる反作用によってハウジング１１２に対して空転しないように、ハウジング１１２の内径寸法を、固定子鉄心１３２の外径寸法よりも所定値だけ小さくなるように設定する。その結果、焼嵌め嵌合により固定子鉄心１３２がハウジング１１２内に強固に固定される。常温における固定子鉄心１３２の外径とハウジング１１２の内径との差は締め代と呼ばれ、この締め代を回転電機１００の最大トルクを想定して設定することで、ハウジング１１２は所定の締め付け力により固定子鉄心１３２を保持することができる。なお、固定子鉄心１３２は焼嵌めにより嵌合固定する場合に限定されることなく、圧入によりハウジング１１２に嵌合固定することとしてもよい。

図５は回転子１５０を説明する図であり、回転子１５０および固定子１３０の断面を示す図である。なお、煩雑さを避けるために、シャフト１１８やスロット４２０の内部に収容されている固定子コイル１３８、絶縁紙３００は省略している。図５に示すように、回転子１５０は、回転子鉄心１５２と、この回転子鉄心１５２に形成された磁石挿入孔に保持されている永久磁石１５４と、を有している。

回転子鉄心１５２には、直方体形状の磁石挿入孔が外周部近傍において周方向に等間隔で形成されている。各磁石挿入孔には永久磁石１５４が埋め込まれ、接着剤などで固定されている。磁石挿入孔の円周方向の幅は、永久磁石１５４の円周方向の幅よりも大きく形成されており、永久磁石１５４の両側には磁気的空隙１５６が形成されている。この磁気的空隙１５６は接着剤を埋め込んでもよいし，樹脂で永久磁石１５４と一体に固めてもよい。

永久磁石１５４は、回転子１５０の界磁極を形成するものである。なお、本実施形態では、一つの永久磁石１５４で一つの磁極を形成する構成としているが、一つの磁極を複数の永久磁石によって構成してもよい。各磁極を形成するための永久磁石を複数に増やすことで、永久磁石が発する各磁極の磁束密度が大きくなり、磁石トルクを増大することができる。

永久磁石１５４の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、ある磁極を形成するための永久磁石１５４の固定子側の面がＮ極、シャフト側の面がＳ極に磁化されていたとすると、隣の磁極を形成する永久磁石１５４の固定子側の面はＳ極、シャフト側の面はＮ極となるように磁化されている。本実施形態では、１２個の永久磁石１５４が、円周方向に等間隔で磁極毎に交互に磁化方向が変わるように磁化されて配置されることで、回転子１５０は１２の磁極を形成している。

なお、永久磁石１５４は、磁化した後に回転子鉄心１５２の磁石挿入孔に埋め込んでもよいし、磁化する前に回転子鉄心１５２の磁石挿入孔に挿入し、その後に強力な磁界を与えて磁化するようにしてもよい。

ただし、磁化後の永久磁石１５４は磁力が強力であり、回転子１５０に永久磁石１５４を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石１５４の固定時に回転子鉄心１５２との間に強力な吸引力が生じ、この吸引力が作業の妨げとなる。また、強力な吸引力により、永久磁石１５４に鉄粉などのごみが付着するおそれがある。そのため、永久磁石１５４を回転子鉄心１５２の磁石挿入孔に挿入した後に磁化する方が、回転電機１００の生産性を向上させる上で望ましい。ここで、永久磁石１５４には、ネオジウム系、サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石、ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができるが、永久磁石１５４の残留磁束密度は、０．４〜１．３Ｔ程度が望ましく、ネオジウム系の磁石がより適している。

本実施形態では、磁極を形成する各永久磁石１５４間に補助磁極１６０が形成されている。この補助磁極１６０は、固定子コイル１３８が発生するｑ軸の磁束の磁気抵抗が小さくなるように作用する。そして、この補助磁極１６０により、ｑ軸の磁束の磁気抵抗がｄ軸の磁束の磁気抵抗に比べて非常に小さくなるため、大きなリラクタンストルクが発生することになる。

三相交流電流が固定子コイル１３８に供給されることにより固定子１３０に回転磁界が発生すると、この回転磁界が回転子１５０の永久磁石１５４に作用して磁石トルクが発生する。回転子１５０には、この磁石トルクに加えて、上述のリラクタンストルクが発生するので、回転子１５０には上述の磁石トルクとリラクタンストルクとの両方のトルクが回転トルクとして作用し、大きな回転トルクを得ることができる。
（固定子コイルの説明）
図６は、三相分の固定子コイル１３８を示す斜視図である。固定子コイル１３８は図７に示すようなスター結線の構成で接続されている。本実施の形態では、２つにスター結線が並列接続された２スター構成の固定子コイル１３８が採用されている。すなわち、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相のスター結線と、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相のスター結線とを備えており、Ｕ１およびＵ２相の口出し線は交流端子４１Ｕにより１つに纏められ、Ｖ１およびＶ２相の口出し線は交流端子４１Ｖにより１つに纏められ、Ｗ１およびＷ２相の口出し線は交流端子４１Ｗにより１つに纏められている。Ｎ１およびＮ２はそれぞれのスター結線の中性点である。

固定子コイル１３８は無酸素銅や有酸素銅を用いている。例えば有酸素銅の場合は、酸素含有率がおよそ１０ｐｐｍ以上から１０００ｐｐｍ程である。

また、固定子コイル１３８は分布巻の方式で巻かれている。分布巻とは、複数のスロット４２０を跨いで離間した二つのスロット４２０に相巻コイルが収納されるように、相巻コイルが固定子鉄心１３２に巻かれる巻線方式である。本実施形態では、巻線方式として分布巻を採用しているので、形成される磁束分布は集中巻きに比べて正弦波に近く、リラクタンストルクを発生しやすい特徴を有している。そのため、この回転電機１００は、弱め界磁制御やリラクタンストルクを活用する制御の制御性が向上し、低回転速度から高回転速度までの広い回転速度範囲に亘って利用が可能であり、電気自動車に適した優れたモータ特性を得ることができる。

固定子コイル１３８は、断面が丸形状であっても、四角形状であってもよい。ただし、スロット４２０の内部の断面をできるだけ有効に利用し、スロット内の空間が少なくなるような構造とすることが効率の向上につながる傾向にあるため、断面が四角形状の方が効率向上の点で望ましい。なお、固定子コイル１３８の断面の四角形状は、固定子鉄心１３２の周方向が短く、径方向が長い形状をしていてもよいし、逆に周方向が長く、径方向に短い形状をしていてもよい。本実施形態では、固定子コイル１３８は、各スロット４２０内で固定子コイル１３８の長方形断面が固定子鉄心１３２の周方向について長く、固定子鉄心１３２の径方向について短い形状とされる平角コイルが使用されている。また、この平角コイルは、外周が絶縁被膜６００で覆われている。

図６に示す固定子コイル１３８は、図２に示すように、全体で６系統（Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２）のコイルが固定子鉄心１３２に密着して装着されている。そして、固定子コイル１３８を構成する６系統のコイルは、スロット４２０によって相互に適正な間隔をもって配列される。図６に示すように、固定子コイル１３８における一方のコイルエンド１４０ａ側には、ＵＶＷ三相それぞれの入出力用端子である交流端子４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗと、中性線接続部４０が配置されている。

なお、回転電機１００の組み立てにおける作業性向上のために、三相交流電力を受けるための交流端子４１Ｕ、４２Ｖ、４３Ｗは、コイルエンド１４０ａから固定子鉄心１３２の軸方向外方に突出するように配置されている。そして、固定子１３０は、この交流端子４１Ｕ、４２Ｖ、４３Ｗを介して図示しない電力変換装置に接続されることで、交流電力が供給されるようになっている。

図２および図６に示すように、固定子鉄心１３２から軸方向外方に飛び出した部分であるコイルエンド１４０ａ，１４０ｂは、全体として整然とした配置となっており、回転電機全体の小型化につながる効果がある。また、コイルエンド１４０ａ，１４０ｂが整然としていることは、絶縁特性に対する信頼性向上の観点からも望ましい。

図８は、固定子鉄心１３２に巻回されるＵ相の固定子コイル１３８Ｕを示す斜視図である。図９，１０は、固定子コイル１３８Ｕを構成するＵ１相の固定子コイル１３８Ｕ１およびＵ２相の固定子コイル１３８Ｕ２を示す斜視図である。図９，１０からも分かるように、固定子コイル１３８は、Ｕ字形状の複数のセグメントコイル２８が互いに接続されることで形成されるセグメント型コイルとされる。セグメントコイル２８は、頭頂部２８ｃが一方のコイルエンド１４０ａに配置されている。また、セグメントコイル２８の両端部２８Ｅ，２８Ｅは、他方のコイルエンド１４０ｂにおいて他のセグメントコイル２８に接続されている。

図１１は、セグメントコイルの接続部８００を示す図である。本実施の形態では、１４４箇所の接続部８００がある。接続部は相互に適正な間隔をもって配列される。接続方法はアーク溶接のＴＩＧ溶接やプラズマ溶接などで接続されている。銅線の母材を溶融して接続する。シールドガスにはアルゴンやヘリウム、またはアルゴンとヘリウムの混合ガスなどを用いている。

図１２は、図１１に示すセグメントコイルの接続部８００を径方向から見た場合の拡大図である。接続部８００において溶接後は角部８１０が残っている。特に有酸素銅は表面張力が小さいため角部８１０によりコイルエンド１４０ｂを小さくすることができる。

図１３は、図１２の接続部８００の周方向から見た場合の詳細図である（以降、図１４−１６も同様に周方向から見た図である）。本実施の形態では、溶接部の表面張力が小さいため、角部８１０が接続部の径方向両側につくられる。すなわち、角部８１０を残して溶接部が山状に形成される。また、本実施の形態においては、角部８１０は山状の溶接部の裾野８３０から軸方向に向けて突出するように形成されている。このような形状により、さらにコイルエンド１４０ｂを小さくすることができる。

図１４は、図１２の接続部８００の別形態の詳細図である。本実施の形態では、接続面積を大きく取るため、溶接部分が大きくなっている。すなわち、山状の溶接部の裾野８３０の部分が図１３の例に比べて大きくなり、角部８１０が山状の溶接部の裾野８３０と繋がるように構成される（図１４の右側）。本実施の形態においても、溶接部の表面張力が小さく角部８１０を両側につくるため、さらにコイルエンド１４０ｂを小さくすることができる。なお、接続面積を大きく取るときは、例えば溶接時に下側（重力方向）に向けて実施すればよい。

図１５は、図１２の接続部８００の別形態の詳細図である。本実施の形態では、接続面積を大きくとるため、溶接部分が図１４に比べて更に大きくなっている。すなわち、径方向一方においては角部８１０が山状の溶接部の裾野８３０と繋がるように構成され、径方向他方においては溶接部が母材の径方向外方に突出するように構成される。但し、本実施の形態の効果を得る上では角部８１０が径方向片側に構成されればよく、角部８１０の形状は図１３に示したように裾野８３０から軸方向に向けて突出するような形状であってもよい。

このように、本実施の形態では、表面張力が小さく角部８１０を片側につくるため、コイルエンド１４０ｂを小さくすることができる。なお、接続面積を大きく取るときは、例えば溶接時に下側（重力方向）に向けて実施すればよい。

図１６は、図１２の接続部８００の別形態の詳細図である。本実施の形態では、角部８１０を有し、かつ、山状の溶接部の裾野８３０が軸方向に窪むように構成される。このように構成することで、接続面積を大きく取りつつ、接続部８００の軸方向高さを抑えることができる。このとき、角部８１０の形状は図１３のように軸方向に向けて突出した形状でも、山状の溶接部の裾野８３０と繋がった形状であってもよいが、図１６のように裾野８３０と繋がった形状であるほうが接続面積は大きくなる。このように、本実施の形態では表面張力が小さく角部８１０が構成されるため、コイルエンド１４０ｂを小さくすることができる。なお、接続面積を大きく取るときは、例えば溶接時に下側（重力方向）に向けて実施すればよい。

図１７は、図１２の接続部８００の別形態の詳細図であり、接続部８００を径方向から見た図である。本実施の形態では、角部８１０が接続部８００の径方向端面の一部に構成されている。このように、表面張力が小さく角部８１０を一部につくるため、コイルエンド１４０ｂを小さくすることができる。

図１８は、図１２の接続部８００の別形態の詳細図である。本実施の形態では、角部８１０を有する接続部をコイルエンドの一部に設けている。このような形態においても、表面張力が小さく角部８１０を一部につくるため、コイルエンド１４０ｂを小さくすることができる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述した実施の形態では回転子に永久磁石を備えた回転電機を例に説明したが、本発明は、誘導モータ等の回転電機の固定子にも同様に適用することができる。また、車両駆動用回転電機以外にも適用できる。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。

２８：セグメントコイル
２８ｃ：頭頂部
４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ：交流端子
１００：回転電機
１３０：固定子
１３２：固定子鉄心
１３８，１３８Ｕ，１３８Ｕ１，１３８Ｕ２：固定子コイル
１４０ａ１４０ｂ：コイルエンド
１５０：回転子
４２０：スロット
８００：接続部
８１０：角部

Claims (5)

1. 周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子鉄心、および当該固定子鉄心の前記スロット内に挿入された固定子コイルを有する固定子と、
   前記固定子鉄心に対して隙間を介して回転可能に配置された回転子と、を備える回転電機において、
   前記固定子コイルは、略Ｕ字形状に成形された矩形断面の導体からなる複数のセグメントコイルが複数接続されることにより構成され、
   前記セグメントコイルは端部に他のセグメントコイルと接続された接続部を有し、
   前記接続部は角部を有する回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記角部が、前記接続部を共有する２つの前記セグメントコイルの径方向端部に構成され、
   前記角部の軸方向位置は、前記接続部の軸方向端部よりも固定子に近い回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記導体が有酸素銅からなる回転電機。
4. 周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子鉄心、および当該固定子鉄心の前記スロット内に挿入された固定子コイルを有する固定子と、
   前記固定子鉄心に対して隙間を介して回転可能に配置された回転子と、を備える回転電機の製造方法において、
   矩形断面の導体を略Ｕ字形状に成形しセグメントコイルにする工程と、
   前記セグメントコイルが、接続部に角部を有する形態で接続される接続工程とを備える回転電機の製造方法。
5. 請求項４に記載の回転電機の製造方法において、
   前記導体は有酸素銅からなり、
   前記接続工程が、前記導体の前記接続部をＴＩＧ溶接又はプラズマ溶接で溶接するものであり、溶接時のシールドガスとして、アルゴン、ヘリウム、又はアルゴンとヘリウムの混合ガスを使用する回転電機の製造方法。