JP2015035916A - 回転電機のステータおよびコイル保持部材 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のステータコア（鉄心）のティースに対してコイルを所定の位置に保持する保持部材であって、コイルに掛かる係止爪の外れを抑制する。【解決手段】コイル２２をティース２６の間に配置されるコイル保持部材３６は、コイルエンド２８とティース２６の間をティース軸線方向に延びる係止片５２を有する。係止片５２はコイルのティース先端側端面を保持する係止爪５８を有する。さらに、係止片５２には、ティース２６に向けて延びる保持突起６０が設けられている。保持突起６０の先端がティース２６に当接することにより、係止片５２のたわみが阻止され、係止爪５８がコイル２２から外れにくくなる。【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機のステータに関し、特に回転電機のステータコアのティースに巻装されるコイルとティースの間に位置するコイル保持部材に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、および電動機と発電機のどちらにも機能する電気機器が知られている。これらの電気機器の総称として「回転電機」を用いる。回転電機のコア（鉄心）と、コアのティースに巻装されるコイルとの間に介在し、ティースに対してコイルを所定の位置に保持する保持部材が知られている。また、ティースに対応した形状の保持部材にコイルを取り付け、この状態でティースに装着する、いわゆるカセットコイル方式のコイルが知られている。

下記特許文献１には、回転電機のカセットコイル方式のコイルが示されている。インシュレータ（２００）は、側壁絶縁部（２０６，２１６）と係止部（２０３，２０４）を有し、これらの周囲に巻き付くようにコイルが設けられている。係止部（２０３，２０４）には、爪部（２０７，２０８）設けられ、この爪部はコイルの端面を係止している（段落００４８，００５２参照）。

なお、（ ）で囲まれた符号は、該当する先行技術文献において用いられている符号であり、本願実施形態で用いられる符号とは関連しない。

特開２０１０-２４６２６９号公報

上記特許文献１の係止部（２０３）は、外力を受けるとたわむため、ティースに対するコイルの位置が確定せず、またコイルから外れやすい。さらに、コイルエンドを充填材によって埋めて固定する場合には、充填の際の充填材の流れにより、係止部の爪部がコイルから外れてしまうことがある。これもコイルの位置ずれを生じさせる。また、爪部がコイルから外れると、コイルがスプリングバックによって伸びて所定の形状を維持できなくなる場合がある。

本発明は、ティースに対してコイルを所定位置に保持すること、およびコイルを所定形状に保持することのうち、少なくとも一方を可能とすることを目的とする。

本発明に係る回転電機のステータは、複数のティースを有するステータコアと、ティース周囲に巻装されたコイルと、ティースに装着され、ティースとステータの間に配置されるコイル保持部材とを備える。複数のティースのそれぞれは、ステータコアのヨークから延び、周方向に配列されている。コイル保持部材は、ティースの延びる方向先端側のコイルの端面を保持する係止爪を有する係止片と、係止片に設けられ、ティースに向けて延びる保持突起と、を含む。係止片は、コイルの少なくとも一方のコイルエンドとティースの間にティースから離れて位置し、ヨーク側からティースの延びる方向に沿って延びている。保持突起がティースに当接することにより係止爪がコイルから外れることが阻止される。

また、保持突起の先端がティースに接触しているようにできる。

保持突起の先端は、コイル保持部材がティースに装着される前において、装着後にティースが占める領域に位置するようにできる。コイル保持部材がティースに装着されたとき、ティースが保持突起を介して係止片をコイルに向けて押す。これにより、係止爪をコイルにより強く係合させることができる。

さらに、保持突起の、ヨーク側に向いた面の少なくとも先端部分に、係止片の先端に行くに従ってティースに近づく斜面が形成されている。これにより、コイル保持部材をティースに装着するとき、ティースによって係止片を押しやすくなる。

また、コイル保持部材は、ティースの延びる方向に対して側方の周囲を囲む筒部を有するようにでき、この筒部の、コイルエンドに対向する面には切り欠きまたは開口を設けるようにできる。そして、保持突起の先端部がこの切り欠きまたは開口内に進入するようにできる。

また、コイルエンドを充填材に埋めるようにできる。

本発明の他の態様にかかるコイル保持部材は、回転電機のステータコアのティースに装着され、ティースとコイルの間に位置する。コイル保持部材は、ティース先端側のコイルの端面を保持する係止爪を先端に有する係止片と、係止片の先端に設けられ、先端がティースに向けて延びる保持突起と、を含む。係止片は、コイルの少なくとも一方のコイルエンドとティースの間にティースから離れて位置し、ステータコアのヨーク側からティース軸線方向に沿って延びている。保持突起がティースに当接することにより係止爪がコイルから外れることが阻止される。

コイル保持部材は、ティース側方の周囲を囲む筒部を有するものとでき、当該コイル保持部材がティースに装着される前において、保持突起の先端が、筒部の、コイルエンドに対向する部分の内周面より内側に進出しているようにできる。

さらに、筒部の、コイルエンドに対向する面に切り欠きまたは開口を設けることができ、保持突起の先端部がこの切り欠きまたは開口内に進入するようにできる。

保持突起を設けることにより、係止片のたわみが抑制され、係止爪がコイルから外れることが阻止される。また、ティースに対してコイルを所定の位置に保持することができる。コイル保持部材によってコイルが縮められている場合においては、係止爪がコイルから外れたときのスプリングバックによる変形を防止して、コイルの形状を維持することができる。

本実施形態の回転電機の概略構成を示す断面図である。 本実施形態の回転電機のステータの構成を示す図である。 本実施形態の回転電機の１個のティースおよびこれに関連する部分の分解斜視図である。 コイル保持部材をコイルに装着した状態を示す斜視図である。 コイル保持部材、コイルおよびステータコアを一体にした状態で、ステータコアのティース先端から視た状態を示す図である。 コイル保持部材、コイルおよびステータコアを一体にした状態の、ティース配列方向に直交する断面を示す図である。 コイルエンドを充填材に埋めた状態を示す図である。 本実施形態に対比される例を示した図であり、保持突起がない係止片の変形の様子を示す図である。 本実施形態に対比される例を示した図であり、充填材の流れにより係止片に作用する力を示す図である。 コイルとコイル保持部材の組み付け過程の説明図である。 コイルおよびコイル保持部材とコアセグメントの組み付け過程の説明図である。 コイル保持部材の他の態様の要部構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。以下の説明は、内周側にロータ、外周側にステータが配置される最も一般的なインナーロータ構成を有する回転電機に関して説明する。しかし、外周側にロータ、内周側にステータが配置されるアウタロータ型回転電機、ロータとステータが回転軸線方向において対向するアキシャル型回転電機にも適用することが可能である。

図１は、インナーロータ型の回転電機１０の概略構成を示す断面図である。回転電機１０は、出力軸１２に固定されるロータ１４と、ロータ１４の周囲を囲むように配置されるステータ１６を有する。ロータ１４は略円環形または略円筒形であり、その外周近傍には永久磁石１８が埋設されている。ステータ１６は概略的に円環形または円筒形状であり、ステータコア２０とコイル２２を有する。以下において、簡単のために、「円環または円筒」を単に「円環」と記す。ステータコア２０は、略円環形状に形成されたヨーク２４とヨーク２４の内周面から内側に延びるティース２６を含む（図２参照）。ティース２６は周方向に所定間隔で配列され、個々のティース２６にコイル２２が巻装されている。回転電機１０の回転軸線方向において、コイル２２の、ステータコア２０の端面から出た部分はコイルエンドと呼ばれている。コイルエンド２８は、樹脂などの充填材３０に埋められて固定されている。上記のように、この実施形態の回転電機１０は永久磁石を用いた回転電機であるが、永久磁石を用いない回転電機、例えば誘導回転電機やリラクタンス電動機であってもよい。

図２は、ステータ１６の全周の四分の１を、回転電機１０の回転軸線方向に視た状態を示す図である。図２において、充填材３０は省略されている。回転電機１０のステータコア２０は、ティース２６ごとに分割されており、分割された個々のコアセグメント３２は、ヨークセグメント２４ａとティース２６で略Ｔ字形の形状となっている。個々のコアセグメント３２にコイル２２を装着した状態で、これらを環状に並べ、その外側を固定リング３４で締め付ける。固定リング３４による締め付けは、例えば焼きばめにより実現することができる。ヨークセグメント２４ａが環状に並べられることで、円環状のヨーク２４が形成される。

図３〜図６は、ステータ１６の分割された１個を示す図である。コイル２２とコアセグメント３２の間にはコイル保持部材３６が配置される。コイル保持部材３６は、コアセグメント３２、特にそのティース２６に対してコイル２２を所定の位置に保持する。図３は、コイル２２、コアセグメント３２、コイル保持部材３６の組み付け前の状態を示す分解斜視図である。図４は、コイル保持部材３６にコイル２２を組み付けた状態を示す斜視図である。図５は、コイル２２、コアセグメント３２およびコイル保持部材３６を組み付けた状態で、ティース２６の先端側から視た状態を示す図である。さらに、図６は、コイル２２、コアセグメント３２およびコイル保持部材３６を組み付けた状態の断面図である。

以下の説明に用いる「方向」について、ティース２６を基に以下のように定める。ヨークセグメント２４ａからティース２６が延びる方向をティース軸線方向（図１中、Ｘで示す方向）、複数のティース２６が配列されている方向をティース配列方向（図１中、Ｙで示す方向）、およびティース軸線方向とティース配列方向に直交する方向をティース横断方向（図１中、Ｚで示す方向）と記す。円環形のステータの場合、ティース軸線方向Ｘがステータの径方向に相当し、ティース配列方向Ｙがステータの周方向に相当し、ティース横断方向Ｚがステータの軸線方向に相当する。

隣り合うティース２６の間の空間はスロットと呼ばれる。ヨークセグメント２４ａのスロットに対向する面をスロット底面３８と記す。また、ティース２６の４個の側面のうち、ティース配列方向に向いた側面を配列方向側面４０、ティース横断方向に向いた側面を横断方向側面４２と記す。

コイル２２は、断面が長方形の導線（平角線）を巻回して形成される。コイル２２の内側にコイル保持部材３６が挿入、装着され、図４に示すように一体化される。一体化された後、コイル２２およびコイル保持部材３６は、ティース２６に装着される。コイル保持部材３６は、コイル２２がティース２６に装着されたとき、ティース２６に対するコイル２２の位置が所定の位置となるようにコイル２２を保持する。また、コイル保持部材３６は、絶縁性の材料で構成することができ、コイル２２とコアセグメント３２の間に介在し、これらを絶縁する。よって、コイル保持部材３６は、コイル２２とコアセグメント３２を絶縁する絶縁部材として機能する。

コイル保持部材３６は、ティース２６に装着されたときに、ティース２６の基部（根元）に位置する基部板４４と、ティース２６の、ティース軸線方向に関して側方の周囲を取り囲む筒部４６を有する。基部板４４は、外形が略四角形であり、中央にはティース２６が通る略四角形の開口が設けられている。基部板４４は、コイル２２とヨークセグメント２４ａの間の絶縁部材として機能する。筒部４６は、基部板４４の開口の縁に接続される。筒部４６は、略四角形の断面形状を有し、ティース２６の４個の側面４０，４２にそれぞれ対応する４個の側面を有する。ティース２６の側面４０，４２と同様に、ティース配列方向に向いた側面を配列方向側面４８、横断方向に向いた側面を横断方向側面５０と記す。筒部４６の横断方向側面５０は、コイル保持部材３６がコイル２２に装着されたとき、コイルエンド２８に対向して、その内側に位置する。筒部４６は、コイル２２とティース２６の間の絶縁部材として機能する。

筒部４６の二つの横断方向側面５０の外側には、それぞれ係止片５２および２本の保持リブ５４が設けられている。係止片５２は、筒部４６の横断方向側面５０と間隔を空け、ヨークセグメント２４ａ側から、ティース軸線方向に沿ってティース先端の向きに延びている。係止片５２は、基部板４４を起点としてティース先端に向けて延びてもよく、また基部板４４から離れた位置を起点としてティース先端に向けて延びてもよい。係止片５２は、係止片軸部５６と、係止片軸部５６の先端に設けられ、コイル２２に係合する係止爪５８を有している。２本の保持リブ５４は、筒部４６の横断方向側面５０上に設けられ、また係止片５２の両側にティース軸線方向に延びて設けられている。図３〜６において筒部４６の上側に設けられた保持リブ５４および係止片軸部５６の各上面は同一の高さにある。同様に、筒部４６の下側の保持リブ５４および係止片軸部５６の各下面は同一の高さにある。

係止片５２の、係止爪５８が設けられた面に対して背面側の先端には、保持突起６０が設けられている。保持突起６０は、係止片５２からティース２６に向けて延びている。保持突起６０の先端は、ティース２６に当接してもよく、またわずかな間隔を持ってティース２６近傍まで延びていてもよい。この間隔は、係止片５２がたわんだときにおいても、係止爪５８がコイル２２から外れない寸法とすることができる。保持突起６０をティース２６に当接させるために、筒部４６の横断方向側面５０は、筒部４６の先端側から延びる切り欠き６２を有している。保持突起６０の先端は、この切り欠き６２内に進入してティース２６の横断方向側面４２に当接する。切り欠き６２に替えて、周囲を筒部４６の部材により囲まれた開口とすることもできる。

図５，６において上側、下側の保持リブ５４は、これらの端面がそれぞれコイル２２の内周に、ティース軸線方向において全体にわたって当接している。これによりコイル２２のティース横断方向の位置が定められる。言い換えれば、保持リブ５４は、コイル２２がティース横断方向において動かないように、ティースの、ティース横断方向の両側においてティースとコイルの間隔を定めている。

図６に示されるように、係止片５２の係止爪５８は、コイル２２のティース先端側の端面に掛かり、コイル２２をティース先端側において保持する。これにより、コイル２２のティース先端側への移動が阻止される。また、拘束されない状態におけるコイル２２のティース軸線方向の寸法（コイル２２の自由長）が、基部板４４と係止爪５８の間隔よりも大きいとき、コイル２２は縮められた状態で基部板４４と係止爪５８に挟持される。これにより、コイルのティース軸線方向における位置が定められる。したがって、コイル保持部材３６は、コイル２２を所定の形状に、特にティース軸線方向における寸法を所定値に維持する機能を有する。コイル２２のティース配列方向における位置は、ティース２６の配列方向側面４０が筒部４６を介してコイル２２の内周を支持することにより定められる。

コイル２２をコアセグメント３２に装着し、さらにこのコアセグメント３２を円環状に配列した後、コイルエンド２８を埋めるように充填材３０を充填してインサート成形する。インサート成形により、コイル２２の導線同士の隙間、またコイルとコアセグメント３２の間の空間を充填材３０で埋める。充填材３０は、絶縁性の樹脂を用いることができる。図７に、インサート成形後のコイルエンド２８およびその周囲の断面を示す。コイルエンド２８、保持部材３６の係止片５２などが充填材３０に埋まっている。

図８には、本実施形態と対比される例として保持突起６０を有していないコイル保持部材６４が示されている。係止片５２の背面側に保持突起が設けられていないので、係止片５２は、図中の上方から外力を受けるとたわみ、係止爪５８がコイル２２から外れる場合がある。例えば、充填材３０を流し込む際に、係止片５２がたわむ場合がある。図９に示すように、充填材３０は、係止片５２の両側に並ぶ保持リブ５４に阻止されて、係止片５２の下側には回りづらくなる一方、上側には送られる。このため、充填時、先に上側に充填材３０が送られ、下側への充填材３０の供給は遅れる。この時間差によって、充填初期において、上側に送られた充填材３０が係止片５２を下方に押し、下側から係止片５２を支えるものがないので、図８に示すように係止片が下方にたわむ。係止片５２のたわみが大きくなれば、係止爪５８がコイル２２から外れ、コイル２２のティース軸線方向の位置決めができなくなる。また、コイル２２が縮められて挟持されている場合には、コイル２２のティース軸線方向の寸法が、スプリングバックにより伸びて、コイルを所定の形状に保持できなくなる。

前述の保持突起６０は、係止片５２のティース２６側へのたわみを抑制するために設けられている。係止片５２にティース２６に向かう方向の力が加わっても、保持突起６０がティース２６に当接することにより、係止片５２のそれ以上のたわみが阻止される。これにより、係止爪５８がコイル２２から外れることが防止される。

図１０，１１は、コイル２２、コイル保持部材３６およびコアセグメント３２の組み付けに関する説明図である。まず、コイル２２にコイル保持部材３６が装着される。図１０に示すように、係止片５２をたわませて、係止爪５８がコイル２２に掛からない状態とする。このとき、保持突起６０はティース２６に阻止されず、係止片５２は係止爪５８がコイル２２に掛からなくなるまでたわむことができる。この状態で、コイル保持部材３６を、コイル２２の内側に矢印６６の方向に沿って挿入する。図においてコイル２２の右端に基部板４４が当接すると、コイル２２の左端は係止爪５８を通過しており、係止片５２のたわみを解消してまっすぐに延びた状態とする。これにより、係止爪５８がコイル２２のティース先端側端面に掛かった状態となる。コイル２２の自由長が係止爪５８と基部板４４間の距離より長い場合には、コイル２２をティース軸線方向に縮めて、コイル保持部材３６を挿入する。係止爪５８がコイル２２に掛かった後、コイル保持部材３６の筒部４６の内側にティース２６を挿入する。コイル２２と共にコイル保持部材３６を、その基部板４４がコアセグメント３２のスロット底面に当接するまでティース２６に押し込むと、保持突起６０がティース２６の横断方向側面４２に対向するようになる。この状態となると、係止片５２のたわみが抑制され、係止爪５８がコイルから外れなくなる。コイル２２が装着されたコアセグメント３２を図２に示すように円環状に並べ、これらの外周を固定リング３４により締め付け固定する。

次に、コイルエンドの部分を成形型内に収めインサート成形を行う。つまり、成形型とステータコア２０の端面で形成される空間内に充填材３０を充填し、コイルエンド２８を充填材３０に埋める。充填材３０は、絶縁性の樹脂を用いることができる。

図１１は、コイル２２の内径寸法が若干小さく、係止爪５８がコイル２２の端に掛かっていても、係止片５２がたわんでいる状態を示す図である。図においては、コイル２２の一つの導線２２ａがやや内側、つまりティース２６に近い位置にある場合を示している。この導線２２ａに押されて係止片５２は若干たわんでおり、保持突起６０の先端が筒部４６の横断方向側面５０の下面より下に位置している。この状態で、コイル２２とコイル保持部材３６を矢印６８の方向に沿ってティース２６に挿入すると、ティース２６の先端が保持突起６０を矢印７０の方向に押し上げる。これにより、係止片５２が、導線２２ａを押し上げて正規の位置とする。保持突起６０は、ティースの横断方向側面４２に当接すると、この位置で導線２２ａを保持する。

コイル保持部材３６をティース２６に挿入する過程において、保持突起６０がティース２６に当たる面を斜面とすることで、保持突起６０に上向きの力を作用させることができる。このために、保持突起６０の基部板４４側は斜面７２となっている。基部板側の面の先端の、ティース２６に当たる可能性のある部分のみを斜面７２としてもよい。

図１２は、コイル保持部材の他の態様を示す図である。コイル保持部材７４は、前述の保持突起６０より突出量の大きい保持突起７６を有する。他の構成要素は、前述のコイル保持部材３６と同一であり、同一の符号を付し、その説明を省略する。保持突起７６は、外力が加わらない状態（自由状態）で、筒部の横断方向側面５０より下方に突出している。横断方向側面５０の下側の空間は、コイル保持部材７４をティース２６に装着したとき、ティース２６が占める空間であり、この領域に突出量の大きい保持突起７６の先端が位置している。したがって、コイル保持部材７４をコアセグメント３２に挿入する際には、保持突起７６はティース２６により上方に向けて押される。これにより、係止片５２は、コイル２２の内周に押されて密着する。特に、この保持突起７６による押し上げは、図１２に示すようにコイル２２と係止片軸部５６の間に隙間がある場合、この隙間を小さくするように作用する。これにより、係止爪５８が、より深くコイル２２に掛かり、係止爪５８の外れが抑制される。なお、突出量の大きい保持突起７６においても、基部板４４側の面に、特にティース２６が当接する先端部分に、斜面７２を形成することができる。

上述した各実施形態では、たわむことができる係止片５２は、ティース横断方向において両側にそれぞれ配置したが、一方のみとしても良い。例えば、一方の側では上述の保持リブ５４と係止片５２を設け、他方の側では係止片５２を設けず、保持リブ５４の先端に、コイル２２の端面に掛かる係止爪を設けるようにしてもよい。

また、別の態様では、保持リブ５４を用いず、係止片５２によりティース横断方向のコイル２２の位置決めを行ってもよい。保持突起６０又は７６により係止片５２のたわみが抑えられれば、係止片軸部５６の位置が定まり、これが保持リブ５４と同様に機能し、コイル２２を位置決めすることができる。

以上、分割型のステータコアを例として説明したが、分割コアだけでなく一体型のコア、つまり一体のヨークに複数のティースが配列されたコアにも、上述したコイル保持部材を適用することができる。

１０ 回転電機、１６ ステータ、２０ ステータコア、２２ コイル、２６ ティース、２８ コイルエンド、３０ 充填材、３２ コアセグメント、３６ コイル保持部材、４４ 基部板、４６ 筒部、５０ 筒部の横断方向側面、５２ 係止片、５４ 保持リブ、５６ 係止片軸部、５８ 係止爪、６０ 保持突起、６２ 切り欠き、７２ 斜面、７４ コイル保持部材、７６ 保持突起。

Claims (9)

1. ヨークと、それぞれがヨークから延び周方向に配列される複数のティースを有するステータコアと、
   ティース周囲に巻装されたコイルと、
   ティースとコイルの間に配置されるコイル保持部材と、
   を備える回転電機のステータであって、
   コイル保持部材は、
   コイルの少なくとも一方のコイルエンドとティースの間にティースから離れて位置し、ヨーク側からティースの延びる方向に沿って延びる係止片であって、ティースの延びる方向先端側のコイルの端面を保持する係止爪を有する係止片と、
   係止片に設けられ、ティースに向けて延びる保持突起と、
   含み、
   保持突起がティースに当接することにより係止爪がコイルから外れることが阻止される、
   回転電機のステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のステータであって、保持突起の先端がティースに接触している、回転電機のステータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機のステータであって、
   保持突起の先端は、コイル保持部材がティースに装着される前において、装着後にティースが占める領域に位置している、
   回転電機のステータ。
4. 請求項３に記載の回転電機のステータであって、保持突起の、ヨーク側に向いた面の少なくとも先端部分に、係止片の先端に行くに従ってティースに近づく斜面が形成されている、回転電機のステータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、
   コイル保持部材は、ティースの側方の周囲を囲む筒部を有し、
   筒部の、コイルエンドに対向する面には切り欠きまたは開口が設けられ、保持突起の先端部がこの切り欠きまたは開口内に進入している、
   回転電機のステータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、コイルエンドが充填材に埋まっている、回転電機のステータ。
7. 回転電機のステータコアのティースに装着され、ティースとコイルの間に位置するコイル保持部材であって、
   コイルの少なくとも一方のコイルエンドとティースの間にティースから離れて位置し、ステータコアのヨーク側からティース軸線方向に沿って延びる係止片であって、ティース先端側のコイルの端面を保持する係止爪を有する係止片と、
   係止片に設けられ、ティースに向けて延びる保持突起と、
   を含み、
   保持突起がティースに当接することにより係止爪がコイルから外れることが阻止される、
   コイル保持部材。
8. 請求項７に記載のコイル保持部材であって、
   ティースの側方の周囲を囲む筒部を有し、
   当該コイル保持部材がティースに装着される前において、保持突起の先端が、筒部の、コイルエンドに対向する部分の内周面より内側に進出している、
   コイル保持部材。
9. 請求項８に記載のコイル保持部材であって、
   筒部の、コイルエンドに対向する面には切り欠きまたは開口が設けられ、保持突起の先端部がこの切り欠きまたは開口内に進入している、
   コイル保持部材。
   

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