JP2014093893A - 回転電機のステータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のステータにおいて、集中巻型においても樹脂やワニスを用いる固定化処理を不要とし、ステータコアとコイルとの間の絶縁性能を向上することである。
【解決手段】回転電機のステータ１０は、複数のティース部と複数のスロット部とを有するステータコア１２と、各ティース部にそれぞれ集中巻によって巻回されるコイル１８，２０と、ステータコア１２とコイル１８，２０との間に配置されるインシュレータ２２，２８と、ステータコア１２とインシュレータ２２，２８との間に配置されるコア装着部３２，４２、及びスロット部に挿通される２つのコイルの間に配置される相間装着部３４，３６，４４，４６を一体化して構成され、加熱により膨張する材質で構成された膨張材３０，４０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のステータに係り、特にステータコアとコイルの間にインシュレータが配置される回転電機のステータに関する。

回転電機のステータは、磁性体であるステータコアを構成するティース部に導体を含むコイルが巻回されるので、ステータコアとコイルとの間にインシュレータと呼ばれる絶縁体が配置される。

例えば、特許文献１には、電動機のステータコアとコイルの間の絶縁体として、紙片に発泡セラミックス等の発泡材が貼着したものを発泡材がコイル側になるようにスロットの内壁面に沿って介装し、介装後加熱発泡させることが開示されている。これにより、スロット内のコイルの位置ずれ、振動を抑制できると述べられている。スロット内に主コイルと補助コイルとが配置されるときには、これらの間の２つの層間絶縁体の間にも発泡材を介装することで同様の効果を奏すると述べられている。

また、特許文献２には、電動機の固定子コイルの位置決め方法として、一部が発泡性樹脂で構成される固定部が本体の平面部の一方の面に取り付けられる位置決め用部材を用いることが開示されている。ここでは、ステータコアの軸方向の端面と固定子コイルの内周側の面との間にこの位置決め用部材を挿入し、その後、固定部を加熱して体積を増加させて、固定子コイルをステータコアに位置決め固定する。

また、特許文献３には、ステータの組付けに用いられる絶縁部材として、１つのティース当たり第一部材と第二部材の２つに分けて成形性を向上させたインシュレータを用いることが述べられている。２つに分割することでティースの軸方向端面の全面がインシュレータで覆われないことがあるので、第一部材と第二部材の軸方向端部に突出部を設け、コイルとティースの間の絶縁距離を確保することが述べられている。

実開昭６０−９３４６７号公報 特開２０１２−６０７４７号公報 特開２０１１−２５４６８９号公報

ステータコアとコイルの間にインシュレータを配置する従来構造では、コイルの位置決めのためや、コイルの位置ずれによる振動の発生の抑制のために、樹脂ポッティング、ワニス滴下等によって固定化処理が行われる。インシュレータと発泡材とを組合わせて、加熱によって発泡材を膨張させれば、樹脂やワニスを用いずとも固定化が行われるので便利である。

ここで、従来のインシュレータはステータコアとコイルとの間に配置され、コイルの外周側には配置されない。この場合、インシュレータに覆われていないコイルの外周側とステータコアとの間は、ステータコアの壁面に配置されたインシュレータの厚さが電気的絶縁のための沿面距離となる。そこで、コイルの外周側とステータコアとの間の絶縁特性が問題となることがある。また、集中巻型のステータでは、同じスロットの中に異なる相のコイルが挿通されるので、これら２つのコイル間の絶縁特性も問題となる。この課題は、インシュレータと発泡材とを組み合わせるときでも同様である。

本発明の目的は、集中巻型においても樹脂やワニスを用いる固定化処理を不要とする回転電機のステータを提供することである。他の目的は、ステータコアとコイルとの間の絶縁性能を向上できる回転電機のステータを提供することである。

本発明に係る回転電機のステータは、複数のティース部と隣接するティース部の間に形成される複数のスロット部とを有するステータコアと、各ティース部にそれぞれ集中巻によって巻回されるコイルと、ステータコアとコイルとの間に配置されるインシュレータと、ステータコアとインシュレータとの間に配置されるコア装着部、及びスロット部に挿通される２つのコイルの間に配置される相間装着部を一体化して構成され、加熱により膨張する材質で構成された膨張材と、を備え、膨張状態の膨張材によって、ステータコアとコイルとの間が固定状態とされ、スロット部の２つのコイルの間が絶縁状態とされることを特徴とする。

上記構成により、回転電機のステータにおいて、膨張材はコア装着部と相間装着部とが一体化されて形成される。相間装着部は、２つのコイルの間においてコイルの外周部を覆うことになるので、絶縁物である膨張材によって、ステータコアとコイルの外周部との沿面距離を大幅に伸ばすことができ、絶縁性能が向上する。また、相間装着部により２つのコイル間の絶縁状態を確保することができる。そして、膨張状態の膨張材によって、集中巻型においても樹脂やワニスを用いる固定化処理が不要となる。

本発明に係る実施の形態における回転電機のステータの部分構成図である。 本発明に係る実施の形態におけるインシュレータの斜視図である。 本発明に係る実施の形態における膨張材の斜視図である。 本発明に係る実施の形態における膨張材の複合構造を示す図である。 本発明に係る実施の形態における回転電機のステータの製造手順を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態における回転電機のステータの組立分解図である。 本発明に係る実施の形態において、インシュレータに覆われていないコイルの外周部における電気絶縁のための沿面距離を示す図である。 従来技術において、インシュレータに覆われていないコイルの外周部とステータコアの間の沿面距離が小さいことを示し、沿面距離が小さいために行われる電気絶縁性能の確保方法の例を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、ステータコアを円環状に所定の形状で打ち抜かれた電磁鋼板の積層体として述べるが、これは説明のための例示であって、ステータは磁性体であればよく、鋼材を加工により成形したものでもよく、粉末成形体等であってもよい。また、円環状に沿って複数に分割された分割コアの形態であっても構わない。また、コイルは断面が矩形形状の角型導体を用いるものとするが、勿論、断面形状が円形、楕円形、多角形等であっても構わない。

図示を含め以下で述べる電磁鋼板の積層数、コイルの巻数、インシュレータの厚さ、膨張材の厚さ等は例示であって、これら以外のものであっても構わない。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、回転電機のステータ１０の部分構成図である。図１（ａ）は、ステータの軸方向から見た断面図、図１（ｂ）はロータ側から見た端面図である。ステータ１０は、突出部である複数のティース部と、隣接するティース部の間に形成される切り欠き空間である複数のスロット部とを有する円環状のステータコア１２にコイルが巻回されたものである。ティース部は、円環状のステータコア１２の一部で、２つのティース部１４，１６と３つのスロット部１３，１５，１７の部分が示されている。図１では、３つのスロット部１３，１５，１７に挿通され、２つのティース部１４，１６に巻回されるコイル１８，２０が示されている。

このように、ステータ１０は、ステータコア１２にコイル１８，２０が巻回されたものであるが、さらに、ステータコア１２とコイル１８，２０との間に、インシュレータ２２，２８と、膨張材３０，４０が配置されて構成される。

ステータコア１２は、磁性体である電磁鋼板を所定の形状に打ち抜いたものを所定の枚数だけ積層して形成される。所定の形状は、複数のティース部１４，１６を所定の数だけ円環状に沿って配置したものである。スロット部１３，１５，１７は隣接するティース部１４，１６の間の空間からなる。

コイル１８，２０は、各ティース部１４，１６にそれぞれ所定の巻き数で巻回される導線である。導線としては、断面が矩形形状の角型導体を絶縁被覆で覆った角型導線が用いられる。コイル１８は、ティース部１４の両側に形成されるスロット部１３，１５に導線が挿通され、この導線をティース部１４の突出形状の周囲に巻回して得られる。同様に、コイル２０は、ティース部１６の両側に形成されるスロット部１５，１７に導線が挿通され、この導線をティース部１４の突出形状の周囲に巻回して得られる。

複数相のステータ１０におけるコイル巻回方法として、分布巻型と集中巻型がある。分布巻型は、１つの相巻線が複数のティース部にまたがって巻回されるもので、集中巻型は、1つの相巻線が1つのティース部に集中して巻回されるものである。図1で示すステータ１０は、集中巻型で、例えば、ティース部１４にはＵ相巻線が巻回され、ティース部１６にはＶ相巻線が巻回される。

ティース部１４にＵ相巻線が巻回され、ティース部１６にＶ相巻線が巻回される場合には、ティース部１４とティース部１６の間に形成されるスロット部１５には、Ｕ相巻線とＶ相巻線が挿入され、互いに隣り合わせの状態として配置されることになる。このような場合、隣り合わせのＵ相巻線とＶ相巻線の間の絶縁性能を確保する必要がある。これについては、膨張材３０，４０に関連して後述する。

インシュレータ２２，２８は、ステータコア１２とコイル１８，２０との間に配置される絶縁体である。インシュレータ２２，２８は同じ形状であるので、代表して、図２にインシュレータ２２を示す。インシュレータ２２は、ティース部１４の両側に形成されるスロット部１３，１５の内壁に向かい合うような形状を有する。

ここで、ティース部１４，１６に巻回されるコイル１８，２０は円環状形状を有するが、その内側の環状の内壁をコイル１８，２０の内周側壁面とし、円環状の外壁をコイル１８，２０の外周側壁面とする。なお、この内周側と外周側は、ステータ１０の内径側と外径側とは異なる。

インシュレータ２２は、コイル１８の内周側壁面が向かい合うティース部１４の突出部の４つの側壁に対応するティース装着部２４と、ティース部１４の両側に形成されるスロット部１３，１５の内壁の中でティース部１４の根元からステータコア１２の周方向に沿った内壁でコイル１８の外周側壁面に向かい合う部分に対応する根元装着部２６，２７を一体化した立体的形状として構成される。なお、図２においてティース装着部２４の空洞部は、後述する膨張材３０のコア装着部３２の外形が挿入されるステータコア１４より若干大きい大きさに設定される。

かかるインシュレータ２２，２８は、紙またはプラスチックシートを図２で説明した所定の形状に形成したものを用いることができる。例えば、図２の所定の形状を平面上に展開し、その展開形状を１枚のシートから打ち抜き、その後所定の形状となるように折り曲げ形成したものを用いることができる。勿論、複数のシート片を貼りあわせ等で図２の所定の形状としたものを用いてもよい。

膨張材３０，４０は、インシュレータ２２，２８とステータコア１２との間に配置され、加熱により膨張する材質で構成される絶縁体である。膨張材３０，４０は同じ形状であるので、代表して、図３に膨張材３０を示す。

膨張材３０は、ステータコア１２とインシュレータ２２との間に配置されるコア装着部３２と、スロット部１３に挿通される２つのコイルの間に配置される相間装着部３４と、スロット部１５に挿通される２つのコイル１８，２０の間に配置される相間装着部３６とが一体化した立体的形状として構成される。なお、図１では、相間装着部３４が配置される２つのコイルのうち、１つはコイル１８として示されているが、もう１つは図示されていない。

図２と図３を比較して分かるように、膨張材３０は、インシュレータ２２に相間装着部３４，３６が付加された形状を有する。換言すれば、コイル１８の外周側壁面はインシュレータ２２で覆われていないが、膨張材３０は、コイル１８の外周側壁面のうち、スロット部１３，１５に配置される他のコイルの外周側壁面に向かい合う壁面を覆っていることになる。

図３においてコア装着部３２によって形成される空洞部３７は、ティース部１４が挿入される大きさに設定される。また、図２で述べたように、コア装着部３２の外形は、インシュレータ２２のティース装着部２４の空洞部に挿入できる大きさに設定される。また、コア装着部３２の外形と相間装着部３４，３６の間に形成される隙間空間３８，３９は、インシュレータ２２のティース装着部２４の壁部と、コイル１８とが配置できる大きさに設定される。これらの大きさの設定は、膨張材３０が膨張する前の初期状態の形状について行われる。

かかる膨張材３０，４０は、インシュレータ２２，２８と同様に、シート状の素材を図３で説明した所定の形状に形成したものを用いることができる。例えば、図３の所定の形状を平面上に展開し、その展開形状を１枚のシート状の素材から打ち抜き、その後所定の形状となるように折り曲げ形成したものを用いることができる。勿論、複数のシート片状の素材を貼りあわせ等で図３の所定の形状としたものを用いてもよい。

図４は、膨張材３０，４０に用いられるシート状の素材５０の断面図である。シート状の素材５０は、フィルム基材５２の一方側の面に接着シート５４を配置し、他方側の面に加熱によって発泡して体積が膨張する発泡性樹脂５６を配置して構成される複合シートである。フィルム基材５２は絶縁機能を確保するもので、プラスチックシート材を用いることができる。接着シート５４は、ステータコア１２に膨張材３０，４０を接着して固定する機能を有するもので、熱硬化性接着材等を用いることができる。

発泡性樹脂５６は、加熱によって膨張し、ステータコア１２とコイル１８，２０の間を固定状態とし、またスロット部１３，１５，１７における２つのコイル１８，２０等の間を絶縁状態として分離する機能を有するものである。発泡性樹脂５６としては、発泡性ポリウレタン、発泡性ポリスチレン、発泡性ポリオレフィンを用いることができる。発泡性ポリオレフィンとしては、発泡性ポリエチレンや発泡性ポリプロピレンを用いることができる。

回転電機のステータ１０を形成する際に、膨張材３０，４０は、接着シート５４がステータコア１２に向かい合うように配置され、発泡性樹脂５６側をインシュレータ２２，２８に向い合せるように配置されて用いられる。そして、加熱によって膨張材３０，４０の発泡性樹脂５６を膨張させて用いられる。

完成した回転電機のステータ１０では、膨張材３０，４０は膨張状態となっている。膨張材３０，４０の接着シート５４側がステータコア１２側で、発泡性樹脂５６がインシュレータ２２，２８に向い合せられているので、加熱によって、インシュレータ２２，２８をステータコア１２に対して外側、つまりコイル１８，２０側に押し付けるように、発泡性樹脂５６が働く。

これにより、コイル１８，２０をステータコア１２に対し固定状態とする。また、スロット部１３，１５，１７において、２つのコイル間で膨張材３０，４０が膨張するので、２つのコイル間を空間的に十分に離間させ、膨張材３０，４０のフィルム基材５２の絶縁性とあいまって、スロット部１３，１５，１７内における２つのコイル１８，２０間を絶縁状態とする。

上記構成の回転電機のステータ１０の製造方法の手順について、図５のフローチャートと、図６の組立分解図を用いて説明する。

回転電機のステータ１０を製造するには、まずステータコア１２を準備する（Ｓ１０）。具体的には、電磁鋼板を複数のティース部１４，１６を有するように所定の形状に打ち抜き、これを予め定めた枚数だけ積層する。こうしてステータコア１２が準備されると、各ティース部１４，１６に、それぞれ膨張材３０，４０を挿入する（Ｓ１２）。これに先立って、膨張材３０，４０が準備されるのはいうまでもない。準備された膨張材３０，４０は加熱前の状態である。挿入は、ステータコア１２の内径側から外径側の方向に向かって行われる。

図６では、ティース部１４に対応して膨張材３０が、ティース部１６に対応して膨張材４０が配置される様子が示されている。例えば、ティース部１４に膨張材３０を挿入するのは、図３で説明したコア装着部３２の空洞部３７の中にティース部１４を挿入することで行われる。このとき、空洞部３７の内壁側では、膨張材３０の接着シート５４がステータコア１４に向かい合うようになっている。

図５に戻り、次にインシュレータ付コイルを配置する（Ｓ１４）。図６では分かりやすいように、インシュレータ２２，２８とコイル１８，２０を分離して示した。インシュレータ付コイルとは、コイル１８にインシュレータ２２を挿入して準備したものである。この場合、インシュレータ２２のティース装着部２４の外形をコイル１８の内周側の円環状空洞に挿入する。

インシュレータ付コイルの配置は、例えば、インシュレータ２２のティース装着部２４の空洞部に、膨張材３０のコア装着部３２の外形を挿入することで行われる。このとき、インシュレータ２２のティース装着部２４の内壁側は、膨張材３０の発泡性樹脂５６に向かい合うようになっている。

このようにして、ステータコア１２の各ティース部１４，１６に対応して、膨張材３０，４０と、インシュレータ付コイルがそれぞれ配置されると、再び図５に戻り、膨張材３０，４０を加熱する処理が行われる（Ｓ１６）。加熱処理は、膨張材３０，４０とインシュレータ付コイルが配置されたステータコア１２の全体を加熱炉等に入れて行うこともでき、あるいは、コイル１８，２０に通電してコイル１８，２０を発熱させ、それによって膨張材３０，４０を加熱させるものとしてもよい。

膨張材３０，４０を加熱することで、回転電機のステータ１０が完成する。完成した回転電機のステータ１０は、膨張材３０，４０が膨張状態となっており、これによって、コイル１８，２０とインシュレータ２２，２８の間と、スロット部１３，１５，１７内における２つのコイルの間が、同時に固着される。すなわち、ステータコア１２とコイル１８，２０との間が固定状態となり、同時に、スロット部１３，１５，１７の２つのコイルの間が固定状態でありかつ絶縁状態となっている。

図７は、一体型の立体的な膨張材３０，４０を用いることで、ステータコア１２に対するコイル１８，２０の外周側の沿面距離が十分に確保できるようになることを示す図である。図７は、図１のスロット部１５の半分を抜き出して示す図である。ここでは、コイル１８と、インシュレータ２２のティース装着部２４と根元装着部２７と、膨張材３０のコア装着部３２と相間装着部３６が示されている。ここで、コイル１８の外周側は、インシュレータ２２では覆われていないが、絶縁体である膨張材３０の相間装着部３６で覆われている。これによって、コイル１８の外周部であって、コイル１８の絶縁被覆以外の絶縁体で覆われていない部分とステータコア１２との間の最短距離である沿面距離Ｌ₁は、相間装着部３６の長さとなり、インシュレータ２２の厚さＬ₂にくらべ格段に長くなる。

図８は、膨張材３０，４０を用いない従来技術を示す図である。図８（ａ）は、インシュレータ２２のみがステータコア１２とコイル１８，２０の間に配置されるときの図で、コイル１８，２０の外周部であって、コイル１８，２０の絶縁被覆以外の絶縁体で覆われていない部分とステータコア１２との間の最短距離である沿面距離が、インシュレータ２２の厚さＬ₂に過ぎないことが示されている。

このように、従来技術ではステータコア１２に対するコイル１８，２０の沿面距離が小さいので、図８（ｂ），（ｃ）に示されるような対策がとられる。図８（ｂ）は、インシュレータ２２の端部をコイル１８，２０の外周部に沿って立てるリブ立て部６０，６２を設ける例である。図８（ｃ）は、インシュレータ２２はそのままとして、ステータコア１２に切欠部６４を設ける例である。

図８（ａ）のままでは沿面距離が小さすぎて、ステータコア１２に対するコイル１８，２０の絶縁性能が十分に確保できない。図８（ｂ）の対策法は、リブ立て部６０，６２があるために、インシュレータ２２，２８にコイル１８，２０を直巻することが困難になる。図８（ｃ）の対策法は、切欠部６４のためにステータコア１２の電磁気設計が不利に働き、また、ステータコア１２の強度が低下する。これに対し、図７のように、膨張材３０，４０に相間装着部３６を一体化して設けることで、沿面距離を十分に確保でき、図８（ｂ），（ｃ）のような対策を要しない。

このように、図３で説明した一体型の立体的な膨張材３０，４０を用いることで、集中巻型の回転電機のステータ１０を、モールド樹脂やワニスを用いることなく、コイル１８，２０をしっかり固定できる。モールド樹脂やワニスを用いないことで、生産性が高く、回転電機の冷却性能が高いステータ１０とすることができる。また、モールド樹脂やワニスを用いないことで、信頼性の高い回転電機のステータ１０を得ることができる。また一体型の立体的な膨張材３０，４０を用いることで、スロット部１３，１５，１７の中で隣接する２つのコイルの間の相間絶縁を十分に確保でき、また、ステータコア１２に対するコイル１８，２０の外周側の沿面距離を十分に確保できる。

本発明に係る回転電機のステータは、車両に搭載される集中巻型の回転電機に利用できる。

１０ 回転電機のステータ、１２ ステータコア、１３，１５，１７ スロット部、１４，１６ ティース部、１８，２０ コイル、２２，２８ インシュレータ、２４ ティース装着部、２６，２７ 根元装着部、３０，４０ 膨張材、３２，４２ コア装着部、３４，３６，４４，４６ 相間装着部、３７ 空洞部、３８，３９ 隙間空間、５０ 素材、５２ フィルム基材、５４ 接着シート、５６ 発泡性樹脂、６０，６２ リブ立て部、６４ 切欠部。

Claims (1)

1. 複数のティース部と隣接するティース部の間に形成される複数のスロット部とを有するステータコアと、
   各ティース部にそれぞれ集中巻によって巻回されるコイルと、
   ステータコアとコイルとの間に配置されるインシュレータと、
   ステータコアとインシュレータとの間に配置されるコア装着部及びスロット部に挿通される２つのコイルの間に配置される相間装着部を一体化して構成され、加熱により膨張する材質で構成された膨張材と、
   を備え、
   膨張状態の膨張材によって、ステータコアとコイルとの間が固定状態とされ、スロット部の２つのコイルの間が絶縁状態とされることを特徴とする回転電機のステータ。

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