JP2014225974A - セグメントコンダクタ型の回転電機のステータ及びその製造方法 - Google Patents

セグメントコンダクタ型の回転電機のステータ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】コイルの渡り高さを抑制し、且つ絶縁機能を確保することができるセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ステータコア13の軸方向の少なくとも一方の端部13cにおいて、ステータコイル15は、一方のスロット14aの径方向内側の部分から他のスロット14bの径方向外側の部分までをつなぐ連結部22が、複数周方向に連続し、且つ、周方向で隣り合う連結部22同士が軸方向から見て部分的に重なるように配置される。連結部22の頂部29は、連結部22が軸方向から見て露出する範囲S内において、径方向から見て交差状態が形成されるようにねじられる。
【選択図】図2

Description

本発明は、セグメントコンダクタ型の回転電機のステータ及びその製造方法に関する。
従来、電気自動車やハイブリッド自動車等の回転電機を動力源として備えた車両が開発されている。特に、ハイブリッド自動車では、エンジンとの共存や、居住性確保のために、回転電機のモジュールをより省スペースにすることが強く要望されている。一方、駆動用回転電機として高出力化が求められており、ステータコイルのターン数増加や、絶縁性能の向上による高電圧対応などの対策が検討されている。
このような要望に対応するため、図9及び図10に示すように、複数の平角線101を1列に整列させて束とした平角線束Wで構成され、一対の脚部102と、中間部にS字状に湾曲するS字状部104が設けられて両脚部102を接続する連結部103と、を有するU字状コイルセグメント100によりコイル113を構成する回転電機のコイルエンド構造が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
コイル113は、複数のコイルセグメント100の一対の脚部102をステータコア111の各スロット112に挿入して、S字状部104によって一方のスロット112のステータ内径側から他方のスロット112のステータ外径側に渡る渡り部114を形成すると共に、ステータコア111から突き出た突出部分を周方向に折り曲げて対応する脚部102同士を接合して形成される。これにより、コイルセグメント100の渡り部114となる複数のS字状部104は、ステータコア111の一方の面111aにおいて、周方向に折り重なるように配置される。
さらに、コイルセグメント100は、図11(a)〜(c)に示す手順により形成される。まず、図11(a)に示すように、複数の平角線101を幅の広い方の面を互いに対向させて1列に並べた平角線束Wの中央部を、可動型121と固定型122とで折り曲げ加工してS字状部104を形成する。次いで、図11(b)に示すように、左右両側に所定角度の傾斜面を有する凸型123と凹型124とで、平角線束Wの中央部を押圧して略くの字型に折り曲げてS字状部104の両側に傾斜部105を形成する。その後、図11(c)に示すように、脚部形成型125上に平角線束Wを配置して一対のL字型126を下降させ、平角線束Wの両端部を折り曲げて一対の脚部102を形成する。
また、特許文献1では、各平角線101のスロット112内で向かい合う面と、コイルエンドで向かい合う面とを同一の面として、平角線101の絶縁被膜に影響を及ぼすことなく、回転電機の小型化を図っている。
特開2012−165624号公報
しかしながら、特許文献1に記載の回転電機のコイルエンド構造においては、図12(a)及び(b)に示すように、隣接するコイルセグメント100A〜100Cの傾斜部105同士を極力接近又は接触させて、渡り高さを低減させたコイルエンドを構成しようとすると、実際には、図13(a)に示すように、コイルセグメント100Aの傾斜部105間の移行部106において、コイルセグメント100Aの一部の平角線101の角部101aとコイルセグメント100Bとの干渉が発生し、絶縁性能が低下するという課題があった。このため、該移行部106で必要とする絶縁距離を確保し、或いは絶縁材料を介してコイルエンドを構成しようとすると、図13(b)に示すように、傾斜部105同士が離間し、渡り高さが増大してしまい、回転電機の体格が大きくなって車両への搭載性が低下するという問題があった。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイルの渡り高さを抑制し、且つ絶縁機能を確保することができるセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、
複数のスロット(例えば、後述の実施形態におけるスロット14)を備えた円環状のステータコア(例えば、後述の実施形態におけるステータコア13)と、前記スロットに挿入されるコイル(例えば、後述の実施形態におけるステータコイル15)と、を備えるセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ(例えば、後述の実施形態におけるステータ10)であって、
前記ステータコアの軸方向の少なくとも一方の端部(例えば、後述の実施形態における端部13c)において、前記コイルは、前記スロットの径方向内側の部分から他の前記スロットの径方向外側の部分までをつなぐ渡り部(例えば、後述の実施形態における連結部22)が、複数周方向に連続し、且つ、周方向で隣り合う前記渡り部同士が軸方向から見て部分的に重なるように配置されることで、コイルエンドを形成しており、
前記渡り部の頂部(例えば、後述の実施形態における頂部29)は、前記渡り部が軸方向から見て露出する範囲(例えば、後述の実施形態における範囲S)内において、径方向から見て交差状態が形成されるようにねじられることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1において、
前記渡り部の前記頂部に対して径方向外側部分は、軸方向から見て、径方向外側に膨らんでいることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1又は2において、
前記渡り部の前記頂部に対して径方向内側部分は、軸方向から見て、径方向内側に膨らんでいることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれかにおいて、
前記渡り部は、複数のコイルセグメント(例えば、後述の実施形態におけるコイルセグメント23)を一列に整列して構成されており、
前記渡り部の頂部は、それぞれ隣り合う前記コイルセグメント同士が密着するようにねじられていることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、
複数のスロット(例えば、後述の実施形態におけるスロット14)を備えた円環状のステータコア(例えば、後述の実施形態におけるステータコア13)と、前記スロットに挿入されるコイル(例えば、後述の実施形態におけるステータコイル15)と、を備えるセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ(例えば、後述の実施形態におけるステータ10)の製造方法であって、
前記ステータコアの軸方向の少なくとも一方の端部(例えば、後述の実施形態における13c)において、前記コイルにおける、前記スロットの径方向内側の部分から他の前記スロットの径方向外側の部分までをつなぐ渡り部(例えば、後述の実施形態における連結部22)の頂部(例えば、後述の実施形態における頂部29)を、径方向から見て交差状態が形成されるようにねじる工程と、
前記渡り部が、複数周方向に連続し、且つ、周方向で隣り合う前記渡り部同士が軸方向から見て部分的に重なるように、前記コイルを前記ステータコアのスロットに配置する工程と、
を有することを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項5において、
前記渡り部の前記頂部に対して径方向外側部分を、軸方向から見て、径方向外側に膨らませる工程を、さらに有することを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項5又は6において、
前記渡り部の前記頂部に対して径方向内側部分を、軸方向から見て、径方向内側に膨らませる工程を、さらに有することを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項5〜7のいずれかにおいて、
前記ねじり工程では、前記渡り部が、複数のコイルセグメント(例えば、後述の実施形態におけるコイルセグメント23)によって一列に整列された状態で、それぞれ隣り合う前記コイルセグメント同士が密着するように前記複数のコイルセグメントを一括してねじることで前記渡り部の頂部を形成することを特徴とする。
請求項1及び5の発明によれば、渡り部を複数周方向に連続して部分的に重なるように配置するような場合であっても、コイルの渡り高さを抑制することができ、これにより、回転電機の小型化が可能となる。
また、請求項2、3、6及び7の発明によれば、渡り部が、軸方向から見て露出する範囲を拡大できるため、ねじり加工を容易に行うことができる。
さらに、請求項4及び8の発明によれば、渡り部が肥大化して、コイルエンドが大きくなるのを抑制することができる。
本発明に係るステータの正面図である。 図1の要部拡大図である。 (a)はコイルセグメント群の斜視図であり、(b)は側面図である。 (a)は、曲げ工程を説明するための図であり、(b)は、脚部形成工程を説明するための図であり、(c)は、(b)のIV方向から見た図であり、(d)は、ねじり工程を説明するための図である。 コイルセグメントの脚部が接合される側のステータの部分斜視図である。 3つのコイルセグメント群を抜き出して示す正面図である。 (a)は、図6の3つのコイルセグメント群を径方向から見た図であり、(b)は、その斜視図である。 (a)は脚部がステータのスロットに挿入された複数のコイルセグメント群の中から隣接する一対のコイルセグメント群を抜き出して示す要部斜視図であり、(b)は(a)のVIII−VIII線での断面図、(c)は(a)のVIII´−VIII´線での断面図である。 従来のステータの斜視図である。 従来のコイルセグメント群の斜視図である。 (a)〜(c)は、図8に示すコイルセグメント群の加工工程を示す工程図である。 (a)は、従来のコイルセグメントを用いて渡り高さを低減させてコイルエンドを構成した場合の正面図であり、(b)は、その側面図である。 (a)は隣接するコイルセグメント群が移行部で干渉する状態を示す従来のコイルセグメント群の要部断面図であり、(b)は隣接する一対のコイルセグメント群を抜き出して示す要部斜視図である。
以下、本発明の一実施形態に係るセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ及びその製造方法を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1及び図2に示すように、本実施形態のステータ10は、軸方向に貫通する複数のスロット14が周方向に所定の間隔で配置されたステータコア13と、スロット14に収容される複数相(例えば、U相、V相、W相)のステータコイル15とを備える。各ステータコイル15には、それぞれ給電部16が接続されて外部電源から電力が供給される。ステータ10の内側には、図示しないロータが回転自在に配置されており、図示しないケーシングに収容されて回転電機を構成する。
ステータコイル15は、図3に示すように、互いに平行に延設される一対の脚部21a、21bと、両脚部21a、21bを一方の端部で接続する連結部22とを有し、断面長方形状の平角線30からなる複数の略U字状のコイルセグメント23を、所定本数ごとに1列に整列させて束とした複数のコイルセグメント群20から構成されている。そして、図2に示すように、各コイルセグメント23の一方の脚部21aは、一方のスロット14aの径方向内側の部分に挿入され、他方の脚部21bは、一方のスロット14aから所定数のスロット離れた位置にある他方のスロット14bの径方向外側の部分にそれぞれ挿入される。したがって、ステータコア13の軸方向の一方の端部13cにおいて、連結部22は、スロット14の径方向内側の部分から他の前記スロットの径方向外側の部分までをつなぐ渡り部を構成する。
また、ステータコイル15は、複数のコイルセグメント群20の連結部22が周方向に連続し、且つ、周方向で隣り合う連結部22同士が軸方向から見て部分的に重なるように配置され、これにより、ステータコア13の軸方向の一方の端部13cにおけるコイルエンドを形成している。
なお、本実施形態においても、各コイルセグメント群20は、平角線30の幅の広い方の面が対向するように整列されており、また、各平角線30の脚部21a、21bで向かい合う面と、連結部22で向かい合う面とが同一の面となるように構成される。また、連結部22の中央部には、コイルセグメント23の整列方向に沿って少なくとも2ヶ所26a、26bで曲げ方向を交互に変えながら折り曲げることで略S字状に湾曲する湾曲部26が形成されている。
また、本実施形態では、連結部22は、軸方向から見て露出する範囲内において、径方向から見て交差状態が形成されるようにねじられるねじり部25を有する(図7参照)。
即ち、図6に示すように、例えば、周方向に並ぶ3つのコイルセグメント群20A〜20Cの連結部22A〜22Cにおいて、連結部22Bのねじり部25は、軸方向から見て一方の連結部22Aにも、他方の連結部22Cにも覆われない、つまり、軸方向から見て露出する範囲(図6の斜線で示す領域S)内に形成される。特に、本実施形態では、ねじり部25は、連結部22Aと連結部22Bの周方向に隣り合うコイルセグメント23同士が軸方向から見て重なり始める径方向内側境界位置T1と径方向外側境界位置T2、及び連結部22Bと連結部22Cの周方向に隣り合うコイルセグメント23同士が軸方向から見て重なり始める径方向内側境界位置T3と径方向外側境界位置T4を結んだ範囲内で形成されている。
また、このねじり部25は、各平角線30の整列方向中間部を延在方向に沿って延びるねじり軸32に沿って、それぞれ隣り合うコイルセグメント23同士が密着するように複数のコイルセグメント23が一括して捻じられる。また、図6の連結部22Bのねじり部25を参照すると、ねじり部25の径方向中間部Cに対して径方向外側部分と径方向内側部分とは、ねじり軸32に沿って、互いに逆方向に捻じられている。即ち、ねじり部25の径方向中間部Cに対して径方向外側部分では、一方の連結部22Aから離れて、他方の連結部22Cに近づく方向に、また、ねじり部25の径方向中間部Cに対して径方向内側部分では、他方の連結部22Cから離れて、一方の連結部22Aに近づくような方向に、それぞれ捻じられる。これにより、連結部22には、ねじり部25が形成された頂部29と、頂部29と一対の脚部21a、21bとの間に、脚部21a、21bの延設方向に対して傾斜して延びる一対の傾斜部24と、が形成される。
このため、図3(b)及び図7に示すように、一対の傾斜部24の部分は、略平面状に形成されており、また、ねじり部25では、径方向から見て交差状態が形成され、径方向から見て、各傾斜部24の軸方向外側面24cから突出する部分25aが形成される。さらに、ねじり軸32は、一対の傾斜部24が構成する面31A、31B同士が交差する線となる。
このような形状のコイルセグメント群20は、先ず、図4(a)に示すように、所定本数(図に示す実施形態では4本)の平角線30を、幅の広い方の面が対向するように1列に整列させて平板状の束とし、その中央部を平角線30の整列方向に沿って少なくとも2ヶ所で曲げ方向を交互に変えながら折り曲げることで略S字状に湾曲させて湾曲部26を形成する。
次いで、図4(b)に示すように、湾曲部26から所定距離だけ離れた中央部の両側を折り曲げて一対の脚部21a、21bを形成する。このとき、一対の脚部21a、21bは、次工程でのねじり加工により、一対の脚部21a、21bが平行となるように、互いに所定の角度だけ異なる方向を向いた状態で折り曲げ形成される。なお、中央部の両側での折り曲げ部の間の部分は、連結部22となる。
そして、図4(c)に示すように、湾曲部26の折り曲げ部分26aに対して湾曲部26の一方の脚部21a寄りの部分を、各平角線30の整列方向中間部を延在方向に沿って延びるねじり軸32に沿って捻じるねじり部25を形成する。これにより、図4(d)に示すように、ねじり部25が形成された頂部29と、頂部29を境に、脚部21a、21bの延設方向に対して傾斜して延びる一対の傾斜部24と、を有するコイルセグメント群20が形成される。
また、ステータコイル15は、図2に示すように、上述したコイルセグメント群20の各コイルセグメント23の一方の脚部21aが、一方のスロット14aの径方向内側の部分に挿入されるとともに、他方の脚部21bが、一方のスロット14aから所定数のスロット離れた位置にある他方のスロット14bの径方向外側の部分にそれぞれ挿入され、連結部22がステータコア13の一方の端部13cに配置される。その際、一方の脚部21a寄りの一方の傾斜部24aが略円周方向に沿って延び、湾曲部26の折り曲げ部分26bにて径方向外側に湾曲し、頂部29まで延びる。一方、他方の脚部21b寄りの他方の傾斜部24bは、略円周方向に延びた後、折り曲げ部分33にて円周方向に向かうにつれて径方向外側に延びるように湾曲し、湾曲部26の折り曲げ部分26aにて径方向内側に湾曲して、頂部29まで延びる。この際、湾曲部26の折り曲げ部分26aは、スロット14よりも径方向外側に位置している。
したがって、本実施形態では、8本のコイルセグメント23が1つのスロット14内に配置される。そして、図5に示すように、スロット14を通過してステータコア13から突き出た一対の脚部21a、21bの突出部分21cを、スロット14内で径方向に隣接する脚部21a、21b同士の曲げ方向が互いに逆方向となるようにステータコア13の周方向に折り曲げ、対応するコイルセグメント23と接合する。
このようにしてステータコイル15が形成されると、図2に示すように、ステータコア13の軸方向の一方の端部13cにおいて、複数のコイルセグメント群20の連結部22は、それぞれ周方向に連続し、部分的に折り重なった状態で配置されている。図8(a)は、周方向に隣接する一対のコイルセグメント群を抜き出して示したものであり、図8(b)は、図8(a)のVIII−VIII線での断面図であり、図8(c)は図8(a)のVIII´−VIII´線での断面図である。即ち、周方向で隣接するコイルセグメント群20A、20Bは、径方向外側においては、図8(b)に示すような断面位置において、一方のコイルセグメント群20Aの軸方向外側面27aと他方のコイルセグメント群20Bの軸方向内側面28bとが接近又は接触して軸方向に重なり、径方向内側においては、図8(c)に示すような断面位置において、一方のコイルセグメント群20Aの軸方向内側面27bと他方のコイルセグメント群20Bの軸方向外側面28aとが接近又は接触して軸方向に重なっている。したがって、各コイルセグメント群20は、周方向両側に位置する一対のコイルセグメント群20によって、径方向外側と径方向内側の両方で、軸方向両側面が接近又は接触によって保持され、各コイルセグメント群がそれぞれ安定して保持されている。
また、このように、周方向に隣接するコイルセグメント群20A、20B同士を、径方向両側で接近又は接触させて配置した場合でも、ねじり部25間にクリアランスcを確保することができ、コイルセグメント23同士の干渉が防止されるので、コイルセグメント群20間の絶縁性能が確保される。このため、コイルセグメント23同士の干渉を避けるために渡り高さを高くする必要がなく、所定数のスロットを跨ぐために必要なだけねじり部25をねじればよい。
以上説明したように、本実施形態に係る回転電機のステータ10及びその製造方法によれば、ステータコア13の軸方向の少なくとも一方の端部13cにおいて、ステータコイル15は、一方のスロット14aの径方向内側の部分から他のスロット14bの径方向外側の部分までをつなぐ連結部22が、複数周方向に連続し、且つ、周方向で隣り合う連結部22同士が軸方向から見て部分的に重なるように配置され、連結部22の頂部29は、連結部22が軸方向から見て露出する範囲S内において、径方向から見て交差状態が形成されるようにねじられるので、連結部22を複数周方向に連続して部分的に重なるように配置するような場合であっても、ステータコイル15の渡り高さを抑制することができ、これにより、回転電機の小型化が可能となる。
また、連結部22の頂部29に対して径方向外側部分は、湾曲部26の折り曲げ部分26aによって、軸方向から見て、径方向外側に膨らんでいるので、前述した範囲Sを拡大できるため、ねじり加工を容易に行うことができる。
さらに、連結部22は、複数のコイルセグメント23を一列に整列して構成されており、連結部22の頂部29は、それぞれ隣り合うコイルセグメント23同士が密着するようにねじられているので、連結部22が肥大化して、コイルエンドが大きくなるのを抑制することができる。
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
なお、本発明のねじり部25は、前述した連結部22が軸方向から見て露出した領域Sの範囲内でねじられればよく、即ち、本実施形態の頂部29を越えて、頂部29の径方向内側及び径方向外側の領域に亙ってねじるようにしてもよい。
また、本実施形態では、連結部22の頂部29に対して径方向外側部分が、軸方向から見て、径方向外側に膨らんでいるが、連結部22の頂部29に対して径方向内側部分が、軸方向から見て、径方向内側に膨らんでいてもよく、あるいは、連結部22の頂部29に対して径方向外側部分及び径方向内側部分の両方が、軸方向から見て、径方向に膨らんでいてもよい。
10 ステータ
13 ステータコア
14,14a,14b スロット
15 ステータコイル(コイル)
20 コイルセグメント群
21a,21b 脚部
22 連結部(渡り部)
23 コイルセグメント
24 傾斜部
25 ねじり部
26 湾曲部
29 頂部
30 平角線
32 ねじり軸

Claims (8)

  1. 複数のスロットを備えた円環状のステータコアと、前記スロットに挿入されるコイルと、を備えるセグメントコンダクタ型の回転電機のステータであって、
    前記ステータコアの軸方向の少なくとも一方の端部において、前記コイルは、前記スロットの径方向内側の部分から他の前記スロットの径方向外側の部分までをつなぐ渡り部が、複数周方向に連続し、且つ、周方向で隣り合う前記渡り部同士が軸方向から見て部分的に重なるように配置されることで、コイルエンドを形成しており、
    前記渡り部の頂部は、前記渡り部が軸方向から見て露出する範囲内において、径方向から見て交差状態が形成されるようにねじられることを特徴とするセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ。
  2. 前記渡り部の前記頂部に対して径方向外側部分は、軸方向から見て、径方向外側に膨らんでいることを特徴とする請求項1に記載のセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ。
  3. 前記渡り部の前記頂部に対して径方向内側部分は、軸方向から見て、径方向内側に膨らんでいることを特徴とする請求項1又は2に記載のセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ。
  4. 前記渡り部は、複数のコイルセグメントを一列に整列して構成されており、
    前記渡り部の頂部は、それぞれ隣り合う前記コイルセグメント同士が密着するようにねじられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のセグメントコンダクタ型の回転電機のステータ。
  5. 複数のスロットを備えた円環状のステータコアと、前記スロットに挿入されるコイルと、を備えるセグメントコンダクタ型の回転電機のステータの製造方法であって、
    前記ステータコアの軸方向の少なくとも一方の端部において、前記コイルにおける、前記スロットの径方向内側の部分から他の前記スロットの径方向外側の部分までをつなぐ渡り部の頂部を、径方向から見て交差状態が形成されるようにねじる工程と、
    前記渡り部が、複数周方向に連続し、且つ、周方向で隣り合う前記渡り部同士が軸方向から見て部分的に重なるように、前記コイルを前記ステータコアのスロットに配置する工程と、
    を有することを特徴とするセグメントコンダクタ型の回転電機のステータの製造方法。
  6. 前記渡り部の前記頂部に対して径方向外側部分を、軸方向から見て、径方向外側に膨らませる工程を、さらに有することを特徴とする請求項5に記載のセグメントコンダクタ型の回転電機のステータの製造方法。
  7. 前記渡り部の前記頂部に対して径方向外側部分を、軸方向から見て、径方向外側に膨らませる工程を、さらに有することを特徴とする請求項5又は6に記載のセグメントコンダクタ型の回転電機のステータの製造方法。
  8. 前記ねじり工程では、前記渡り部が、複数のコイルセグメントによって一列に整列された状態で、それぞれ隣り合う前記コイルセグメント同士が密着するように前記複数のコイルセグメントを一括してねじることで、前記渡り部の頂部を形成することを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載のセグメントコンダクタ型の回転電機のステータの製造方法。
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