JP2015107024A - 固定子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】異相の導体部の間の絶縁性能を十分に確保しつつ、同相の導体部の間の距離を小さくし、もって、スロット内における占積率を向上させる技術を提供する。【解決手段】固定子３は、スロット９を有する固定子鉄心６と、導体部１５と導体部１５を覆う絶縁皮膜部１６を有する断面略方形の固定子巻線１０と、を備える。スロット９内では、同相の固定子巻線１０が固定子鉄心６の径方向において隣接する。スロット９外では、異相の固定子巻線１０が固定子鉄心６の径方向において隣接する。固定子巻線１０の長手方向に対して直交する断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法(図６のm2やn2)は、固定子巻線１０の長手方向において同じである。スロット９内における固定子巻線１０の導体部１５は、スロット９外における固定子巻線１０の導体部１５と比較して、固定子鉄心６の径方向における寸法が大きい。【選択図】図６

Description

本発明は、固定子及び回転電機に関する。

この種の技術として、特許文献１は、三相交流電動機の固定子用の巻線を開示している。本願の図９に示すように、固定子鉄心１０５のスロット１０６内では、同相の巻線１００が固定子鉄心１０５の径方向において隣接している。また、本願の図１０に示すように、固定子鉄心１０５のスロット１０６外では、異相の巻線１００が固定子鉄心１０５の径方向において隣接している。

本願の図９に示すように、巻線１００は、断面略方形状の導体部１０１と、導体部１０１の外周に形成された皮膜部１０２を有する。導体部１０１と皮膜部１０２の断面形状は、巻線１００の長手方向において一様とされる。皮膜部１０２は、２つの厚膜部１０３と２つの薄膜部１０４を有する。一方の厚膜部１０３と一方の薄膜部１０４は導体部１０１から見て固定子鉄心１０５の内周側に配置され、他方の厚膜部１０３と他方の薄膜部１０４は、導体部１０１から見て固定子鉄心１０５の外周側に配置されている。そして、固定子鉄心１０５のスロット１０６内では、巻線１００の厚膜部１０３と薄膜部１０４が、この巻線１００に対して固定子鉄心１０５の径方向において隣接する巻線１００の薄膜部１０４と厚膜部１０３と、固定子鉄心１０５の径方向において夫々対向している。従って、同相の導体部１０１の間の距離は、厚膜部１０３の膜厚と薄膜部１０４の膜厚を合算した距離となる。また、固定子鉄心１０５のスロット１０６外では、本願の図１０に示すように、巻線１００の厚膜部１０３が、この巻線１００に対して固定子鉄心１０５の径方向において隣接する巻線１００の厚膜部１０３と、固定子鉄心１０５の径方向において対向している。従って、異相の導体部１０１の間の距離は、厚膜部１０３の膜厚の２倍の距離となる。

特開2009-232607号

しかしながら、上記の構成では、異相の導体部１０１の間の距離Aは、同相の導体部１０１の間の距離Bの２倍を超えることができない。なぜなら、厚膜部１０３の膜厚をcとし、薄膜部１０４の膜厚をdとすると、A/B=2c/(c+ｄ)となり、仮にdを限りなくゼロに近づけることができたとしてもA/Bは2を超えることができないからである。

ところで、同相の導体部１０１の間の電位差はせいぜい数ボルトであるから、同相の導体部１０１の間の絶縁性能を確保するために求められる、同相の導体部１０１の間の距離は、たった数マイクロメートルに過ぎない。一方、異相の導体部１０１の間の電位差は１０００ボルト程度に達するので、異相の導体部１０１の間の絶縁性能を確保するために求められる、異相の導体部１０１の間の距離は、少なくとも３０マイクロメートルとされている。しかしながら、上記特許文献１の構成では、A/Bが2を超えることができないので、同相の導体部１０１の間の距離は、本来的にはたった数マイクロメートルで足りるのに、実際には、３０マイクロメートルの半分である１５マイクロメートルを下回ることさえできていない。つまり、同相の導体部１０１の間の距離は、固定子鉄心１０５のスロット１０６内における占積率の観点から言えば可能な限り小さくすることが望ましいのに、異相の導体部１０１の間の絶縁性能を確保するという遠因により、必要最小限の距離から程遠い状況である。なお、「占積率」とは、巻線の断面に占める導体の割合のことを言う。

そこで、本願発明の目的は、異相の導体部の間の絶縁性能を十分に確保しつつ、同相の導体部の間の距離を小さくし、もって、スロット内における占積率を向上させる技術を提供することにある。

本願発明の観点によれば、巻線収容空間を有する固定子鉄心と、導体部と前記導体部を覆う絶縁皮膜部を有する、断面略方形の固定子巻線と、を備え、前記巻線収容空間内では、同相の前記固定子巻線が前記固定子鉄心の径方向において隣接し、前記巻線収容空間外では、異相の前記固定子巻線が前記固定子鉄心の径方向において隣接し、前記固定子巻線の長手方向に対して直交する断面の、前記固定子鉄心の径方向における寸法は、前記固定子巻線の長手方向において同じである、固定子であって、前記巻線収容空間内における前記固定子巻線の前記導体部は、前記巻線収容空間外における前記固定子巻線の前記導体部と比較して、前記固定子鉄心の径方向における寸法が大きい、固定子が提供される。以上の構成によれば、前記巻線収容空間内における前記固定子巻線の前記絶縁皮膜部は、前記巻線収容空間外における前記固定子巻線の前記絶縁皮膜部と比較して、前記固定子鉄心の径方向における寸法が小さくなる。従って、異相の前記導体部の間の絶縁性能を十分に確保しつつ、同相の前記導体部の間の距離を小さくし、もって、前記巻線収容空間内における占積率を向上させることができる。
上記の前記固定子と、回転子と、を備えた回転電機が提供される。
前記固定子の製造方法であって、前記導体部が厚肉部と前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有するように、前記導体部を形成する第１工程と、前記導体部を絶縁樹脂で覆って前記絶縁皮膜部を形成して前記固定子巻線を生成する第２工程と、前記厚肉部が前記巻線収容空間内に、前記薄肉部が前記巻線収容空間外に、夫々位置するように前記固定子巻線を前記固定子鉄心に取り付ける第３工程と、を含む、固定子の製造方法が提供される。
前記第２工程において、押出成形により、前記導体部を覆う前記絶縁皮膜部を形成する。

本発明によれば、異相の前記導体部の間の絶縁性能を十分に確保しつつ、同相の前記導体部の間の距離を小さくし、もって、前記巻線収容空間内における占積率が向上する。

三相交流電動機の断面図である。 固定子の斜視図である。 固定子の部分斜視図である。 スロット内での固定子巻線の断面図である。 U字状セグメントの正面図である。 固定子巻線の断面図である。 スロット外での固定子巻線の断面図である。 固定子の製造方法の説明図である。 特許文献１の図９に相当する図である。 特許文献１の図１２に相当する図である。

図１に示すように、三相交流電動機である回転電機１は、ハウジング２と、固定子３と、回転子４と、一対の軸受５と、を備える。固定子３は、ハウジング２に収容されている。回転子４は、固定子３の内周側に配置されると共に、一対の軸受５を介してハウジング２に回転自在に支持されている。

回転子４は、永久磁石を備えることで、例えば８極の磁極を有する。

図２及び図３に示すように、固定子３は、固定子鉄心６と、三相の固定子コイル７と、複数の絶縁紙８と、を備える。固定子鉄心６は、複数の電磁鋼板を積層させて筒状に形成されている。固定子鉄心６には、複数のスロット９（巻線収容空間）が形成されている。複数のスロット９は、固定子鉄心６の周方向に等間隔に形成されている。各スロット９は、固定子鉄心６の軸方向に沿って細長く形成されている。各スロット９は、図４に示すように固定子鉄心６の軸方向に対して直交する断面で見ると、固定子鉄心６の径方向に沿って細長い断面形状を有する。図２に戻り、三相の固定子コイル７は、固定子巻線１０からU字状セグメント１１を複数形成し、形成された複数のU字状セグメント１１の所定の端部同士を接合することで形成されている。図４に示すように、固定子巻線１０は、導体部１５と、導体部１５を覆う絶縁皮膜部１６と、によって構成されている。導体部１５は、典型的には、銅である。絶縁皮膜部１６は、例えば、フッ素、ナイロン、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイドである。

各U字状セグメント１１は、図５に示すように、一対のスロット部１２と、一対のコイルエンド部１３と、一対のスロット部１２同士を接続する接続部１４と、を有する。各U字状セグメント１１の長手方向において、コイルエンド部１３、スロット部１２、接続部１４、スロット部１２、コイルエンド部１３がこの順で繋がっている。

各スロット部１２は、図４に示すようにスロット９内に位置する部分である。図６に、各スロット部１２の長手方向に対して直交する断面（以下、単に「断面」と言う場合は、「長手方向の断面」を意味する。）を示す。図６に示すように、各スロット部１２は、断面略方形である。詳しくは、各スロット部１２は、断面略長方形である。従って、各スロット部１２の断面は、長辺１２ａと短辺１２ｂを有する。

各コイルエンド部１３は、図３に示すようにスロット９外に位置する部分である。図６に、各コイルエンド部１３の断面を示す。図６に示すように、各コイルエンド部１３は、断面略方形である。詳しくは、各スロット部１２は、断面略長方形である。従って、各コイルエンド部１３の断面は、長辺１３ａと短辺１３ｂを有する。

そして、図４に示すように、スロット９内では、同相のU字状セグメント１１のスロット部１２が、固定子鉄心６の径方向において隣接している。換言すれば、スロット９内で固定子鉄心６の径方向に隣接する２つのスロット部１２は、同相である。スロット９内で固定子鉄心６の径方向に隣接する２つのスロット部１２は、長辺１２ａ同士が対向している。従って、各スロット部１２は、短辺１２ｂが固定子鉄心６の径方向に対して平行となるようにスロット９内に収容されている。

また、図７に示すように、スロット９外では、異相のU字状セグメント１１のコイルエンド部１３が、固定子鉄心６の径方向において隣接している。換言すれば、スロット９外で固定子鉄心６の径方向に隣接する２つのコイルエンド部１３は、異相である。スロット９外で固定子鉄心６の径方向に隣接する２つのコイルエンド部１３は、長辺１３ａ同士が対向している。

ここで、図６を参照して、スロット部１２とコイルエンド部１３の断面寸法について説明する。スロット部１２の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法をm2とする。スロット部１２の導体部１５の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法をm1とする。スロット部１２の絶縁皮膜部１６の断面の、長辺１２ａ側の部分の、固定子鉄心６の径方向における寸法をm3とする。すると、m3=(m2-m1)/2の関係が成立する。同様に、コイルエンド部１３の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法をn2とする。コイルエンド部１３の導体部１５の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法をn1とする。コイルエンド部１３の絶縁皮膜部１６の断面の、長辺１３ａ側の部分の、固定子鉄心６の径方向における寸法をn3とする。すると、n3=(n2-n1)/2の関係が成立する。

そして、本実施形態では、スロット部１２の導体部１５の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法m1や、コイルエンド部１３の導体部１５の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法n1を別個独立して自在に変更することで、スロット部１２の絶縁皮膜部１６の断面の、長辺１２ａ側の部分の、固定子鉄心６の径方向における寸法m3や、コイルエンド部１３の絶縁皮膜部１６の断面の、長辺１３ａ側の部分の、固定子鉄心６の径方向における寸法n3を自在に調整している。

詳しくは、図６に示すように、固定子巻線１０の断面の輪郭は、固定子巻線１０の長手方向において同じである。即ち、固定子巻線１０の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法は、固定子巻線１０の長手方向において同じである。つまり、図６において、スロット部１２の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法m2は、コイルエンド部１３の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法n2と等しく、m2=n2の関係が成立している。また、本実施形態では、スロット部１２の導体部１５の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法m1は、コイルエンド部１３の導体部１５の断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法n1よりも大きい。即ち、m1＞n1の関係が成立している。従って、スロット部１２の絶縁皮膜部１６の断面の、長辺１２ａ側の部分の、固定子鉄心６の径方向における寸法m3は、コイルエンド部１３の絶縁皮膜部１６の断面の、長辺１３ａ側の部分の、固定子鉄心６の径方向における寸法n3よりも小さい。即ち、m3＜n3の関係が成立している。

即ち、図４に示すようにスロット９内において固定子鉄心６の径方向において隣接する２つの同相のスロット部１２の導体部１５の間の距離D1と、図７に示すようにスロット９外において固定子鉄心６の径方向において隣接する２つの異相のコイルエンド部１３の導体部１５の間の距離D2は、互いに独立して増減させることができる。

従って、図４に示すように、スロット９内においては、固定子鉄心６の径方向において隣接する２つの同相のスロット部１２の導体部１５の間の距離D1を、固定子鉄心６の径方向において隣接する２つの同相のスロット部１２の導体部１５の間で必要とされる絶縁性能を満足する必要最小限の距離とすることができる。これにより、スロット９内における占積率を向上させることができ、あるいは、回転電機１自体を固定子鉄心６の径方向でコンパクトにすることができる。

また、図７に示すように、スロット９外においては、固定子鉄心６の径方向において隣接する２つの異相のコイルエンド部１３の導体部１５の間の距離D2を、固定子鉄心６の径方向において隣接する２つの異相のコイルエンド部１３の導体部１５の間で必要とされる絶縁性能を満足するように設定することができる。

次に、図８を参照して、固定子３の製造方法を説明する。

図８の(a)に示すように、断面略方形の銅線２０を一対の圧延ローラ２１にて部分的に押しつぶし、スロット部１２に相当する厚肉部２２と、コイルエンド部１３及び接続部１４に相当する薄肉部２３と、を形成する。

次に、図８の（ｂ）に示すように、押出成形機２４を用いて、銅線２０を覆う絶縁皮膜部２５を形成して、固定子巻線１０が形成される。

次に、固定子巻線１０を所定の長さに切り分けてU字状に折り曲げることで、図８の（ｃ）に示すU字状セグメント１１を形成する。

次に、図８（ｄ）に示すように、固定子鉄心６の各スロット９内にU字状セグメント１１の各スロット部１２が収容されるように、U字状セグメント１１を固定子鉄心６に取り付ける。

最後に、複数のU字状セグメント１１のコイルエンド部１３同士を接合することで、固定子コイル７を形成し、もって、固定子３が完成する。

以上に、本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は、以下の特長を有する。

（１）固定子３は、スロット９（巻線収容空間）を有する固定子鉄心６と、導体部１５と導体部１５を覆う絶縁皮膜部１６を有する断面略方形の固定子巻線１０と、を備える。スロット９内では、同相の固定子巻線１０が固定子鉄心６の径方向において隣接する。スロット９外では、異相の固定子巻線１０が固定子鉄心６の径方向において隣接する。固定子巻線１０の長手方向に対して直交する断面の、固定子鉄心６の径方向における寸法(図６のm2やn2)は、固定子巻線１０の長手方向において同じである。スロット９内における固定子巻線１０の導体部１５は、スロット９外における固定子巻線１０の導体部１５と比較して、固定子鉄心６の径方向における寸法が大きい。以上の構成によれば、スロット９内における固定子巻線１０の絶縁皮膜部１６は、スロット９外における固定子巻線１０の絶縁皮膜部１６と比較して、固定子鉄心６の径方向における寸法が小さくなる。従って、異相の導体部１５の間の絶縁性能を十分に確保しつつ、同相の導体部１５の間の距離を小さくし、もって、スロット９内における占積率を向上させることができる。
（２）回転電機１は、上記固定子３と回転子４を備える。
（３）固定子３は、導体部１５が厚肉部２２と厚肉部２２よりも薄い薄肉部２３とを有するように、導体部１５を形成する第１工程と、導体部１５を絶縁樹脂で覆って絶縁皮膜部１６を形成して固定子巻線１０を生成する第２工程と、厚肉部２２がスロット９内に、薄肉部２３がスロット９外に、夫々位置するように固定子巻線１０を固定子鉄心６に取り付ける第３工程と、を経て製造される。
（４）第２工程において、押出成形により、導体部１５を覆う絶縁皮膜部１６を形成する。

上記の実施形態は、以下のように変更できる。

即ち、上記実施形態では、固定子巻線１０を切り分けて複数のU字状セグメント１１を形成した上で固定子鉄心６に取り付ける所謂U字巻きを採用しているが、これに代えて、波巻きを採用してもよい。

また、固定子巻線１０の導体部１５は、単線であるとしたが、これに代えて、複数の線から成る集合線としてもよい。

１ 回転電機
２ ハウジング
３ 固定子
４ 回転子
５ 軸受
６ 固定子鉄心
７ 固定子コイル
８ 複数の絶縁紙
９ スロット
１０ 固定子巻線
１１ U字状セグメント
１２ スロット部
１２ａ 長辺
１２ｂ 短辺
１３ コイルエンド部
１３ａ 長辺
１３ｂ 短辺
１４ 接続部
１５ 導体部
１６ 絶縁皮膜部
２０ 銅線
２１ 圧延ローラ
２２ 厚肉部
２３ 薄肉部
２４ 押出成形機
２５ 絶縁皮膜部
D1 距離
D2 距離

Claims (4)

1. 巻線収容空間を有する固定子鉄心と、
   導体部と前記導体部を覆う絶縁皮膜部を有する、断面略方形の固定子巻線と、
   を備え、
   前記巻線収容空間内では、同相の前記固定子巻線が前記固定子鉄心の径方向において隣接し、
   前記巻線収容空間外では、異相の前記固定子巻線が前記固定子鉄心の径方向において隣接し、
   前記固定子巻線の長手方向に対して直交する断面の、前記固定子鉄心の径方向における寸法は、前記固定子巻線の長手方向において同じである、
   固定子であって、
   前記巻線収容空間内における前記固定子巻線の前記導体部は、前記巻線収容空間外における前記固定子巻線の前記導体部と比較して、前記固定子鉄心の径方向における寸法が大きい、
   固定子。
2. 請求項１に記載の前記固定子と、回転子と、を備えた回転電機。
3. 請求項１に記載の固定子の製造方法であって、
   前記導体部が厚肉部と前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有するように、前記導体部を形成する第１工程と、
   前記導体部を絶縁樹脂で覆って前記絶縁皮膜部を形成して前記固定子巻線を生成する第２工程と、
   前記厚肉部が前記巻線収容空間内に、前記薄肉部が前記巻線収容空間外に、夫々位置するように前記固定子巻線を前記固定子鉄心に取り付ける第３工程と、
   を含む、固定子の製造方法。
4. 請求項３に記載の固定子の製造方法であって、
   前記第２工程において、押出成形により、前記導体部を覆う前記絶縁皮膜部を形成する、
   固定子の製造方法。

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