JP2015116014A - 回転電機用ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコアの磁束経路に影響を与えることなく、バスバーモジュールをがたつきなく安定して固定することである。
【解決手段】ステータ２は、バックヨーク７および複数のティース８を有するステータコア５と、ティース８の周囲にそれぞれ巻装されるコイル６と、ティース８に巻装された複数のコイル６を電気的に接続するバスバーモジュール３０とを備える。バスバーモジュール３０の保持部材３１は、アミン基と結合する官能基を所定量だけ含有する絶縁性樹脂により形成され、ステータコア５の軸方向端面に当接する固定部３６を有する。固定部３６に当接するステータコア５の軸方向端面にはアミン基を含有する樹脂層２２が付着されている。そして、バスバーモジュール３０は、固定部３６に含まれる官能基と樹脂層２２に含まれるアミン基との加熱による化学反応によってステータコア５に接合されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機用ステータに関する。

従来、ステータコアの複数のティースにコイルがそれぞれ巻装されて構成されるステータと、このステータに対してギャップを介して回転可能に設けられたロータとを備える回転電機が知られている。このような回転電機において、ステータコアのティースに巻装された複数のコイルは、円環状をなすバスバーによって相互に電気接続されている。

これに関連する先行技術文献として、例えば特許文献１には、バスバーの固定構造であって、環状のバスバーを保持するバスバー保持部材に複数のピンを形成するとともに、ステータコアに前記ピンに嵌合する複数の孔を形成し、それぞれのピンとそのピンに対応関係にある孔とを１組の嵌合組として、それぞれの嵌合組の締め代が異なる値とし、これによりバスバーとステータコアの位置決めを容易に行うことができると記載されている。

特開２００９−１５９７６４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されるバスバーの固定構造では、ステータコアに嵌合孔を予め形成しておく必要があることから、その形成位置、形状、深さ等によってはステータコア内部の磁束経路に影響を及ぼすことがある。

また、バスバー保持部材にピンが形成されていると、バスバー保持部材をステータコアに組み付けるときに、ピンが引っ掛かることによって破損することが起こり得る。

さらに、バスバー保持部材のピンとステータコアの孔との間に寸法誤差に起因する隙間が形成される場合、バスバーの固定状態が不安定になる可能性がある。

本発明の目的は、回転電機用ステータにおいて、ステータコアの磁束経路に影響を与えることなく、バスバーモジュールの組付時に固定用ピンが破損するのを防止でき、かつ、バスバーモジュールをがたつきなく安定して固定することである。

本発明に係る回転電機用ステータは、環状をなすバックヨークと該バックヨークから径方向に突出する複数のティースとを有するステータコアと、前記ティースの周囲にそれぞれ巻装されるコイルと、前記ティースに巻装された複数のコイルを電気的に接続するバスバーおよび該バスバーを保持して前記ステータコアに固定される保持部材を含むバスバーモジュールと、を備える回転電機用ステータであって、前記バスバーモジュールの保持部材はアミン基と結合する官能基を所定量だけ含有する絶縁性樹脂により形成されるとともに前記ステータコアに組み付けられた状態で前記ステータコアの軸方向端面に当接する固定部を有し、前記固定部のステータコア当接面または前記固定部に当接する前記ステータコアの軸方向端面に前記アミン基を含有する樹脂層が付着されており、前記バスバーモジュールは前記保持部材の固定部に含まれる官能基と前記樹脂層に含まれるアミン基との加熱による化学反応によって前記ステータコアに接合されているものである。

本発明に係る回転電機用ステータによれば、ステータコアにバスバーモジュール固定用の孔を形成する必要がなく、ステータコアの磁気特定に影響を与えることがない。また、バスバーモジュールの保持部材には固定用ピンが形成されておらず、ステータコアへの組み付け時に固定用ピンが引っ掛かって破損するがなく、組付性が向上する。さらに、バスバーモジュールの保持部材の固定部が樹脂層との化学反応によって隙間なく強固に接合されるため、バスバーモジュールをステータコアにがたつきなく安定して固定することができる。

本発明の実施形態であるステータを備える回転電機の軸方向から見た部分端面図であり、バスバーモジュールの図示が省略されている。 ステータコアのティースに装着されるインシュレータの（ａ）上面図、（ｂ）正面図、および、（ｃ）側面図である。 本実施形態のステータでバスバーモジュールを組み付けた状態を示す軸方向断面図と、その一部拡大図である。 図３におけるＢ−Ｂ断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本発明の実施形態であるステータを備える回転電機１を軸方向から見た部分端面図である。図１では、ステータのコイルおよびインシュレータを見やすくするために、バスバーモジュールを組付け前の状態で示されている。

回転電機１は、略円筒状をなすステータ２と、ステータ２の径方向内側にギャップ３を介して設けられたロータ４とを備える。ロータ４は、回転電機１を収容するケース（図示せず）に回転可能に支持されている。ロータ４は、永久磁石を内蔵する回転子であってもよいし、または、永久磁石を含まないタイプの回転子であってもよい。

ステータ２は、ステータコア５およびインシュレータ１２と、ステータコア５に巻装されたコイル６とを有する。本実施形態では、ステータコア５、コイル６およびインシュレータ１２によってインシュレータ固定構造１０が構成されている。

ステータコア５は、例えば電磁鋼板を略円環状に打ち抜き加工したものを多数枚積層して、カシメ、溶接等によって一体に連結されて構成される磁性板材の積層体である。ステータコア５は、略円環状をなすバックヨーク７と、バックヨーク７の内周側に径方向内方へ突出するとともに周方向に所定ピッチで形成された複数のティース８とを有する。これにより、周方向に隣接するティース８の間には、溝状のスロット９が軸方向両側および径方向内側に開口して形成されている。また、本実施形態では各ティース８は軸方向から見て略台形状に形成されている。

なお、本実施形態ではステータコア５は、環状の磁性板材積層体として一体に形成されているものとして説明するが、図１中に一点鎖線Ｄで示すように、バックヨーク７がティース８の両側で周方向に所定間隔に分断された分割コアからなってもよい。この場合、分割コアは、略円弧状のバックヨークとティースとで平面視が略Ｔ字状をなす。このような分割コアを環状に配列し、その外周側に円筒状ケースを焼嵌め、圧入等によって外装することにより一体に連結されステータコアが構成されてもよい。また、ステータコア５は、磁性粉末を樹脂コーティングしたものを成形型で圧縮成形した圧粉磁心として形成されてもよい。

コイル６は、例えば銅線に絶縁被覆された巻線がインシュレータ１２に巻回されて構成されている。本実施形態ではコイル６は、各ティース８に集中巻き方式でそれぞれ巻装されている。また、コイル６を構成する巻線の断面は、円形であってもよいし（図４参照）、あるいは、角形であってもよい。

インシュレータ１２は、ステータコア５とコイル６との間を電気的に絶縁する機能を有する。また、本実施形態ではインシュレータ１２は、コイル６をステータコア５に固定する機能も有する。

インシュレータ１２は、アミン基と結合する官能基を所定量だけ含有する絶縁性樹脂によって形成されている。これにより、ステータコア５とコイル６間を良好に絶縁することができる。具体的には、インシュレータ１２は、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂に、例えばエポキシ基、改質されたエポキシ基、またはアルコキシシリル等の官能基を１０重量％だけ含有する絶縁性樹脂によって形成することができる。

図２は、インシュレータ１２の（ａ）上面図、（ｂ）正面図、および（ｃ）側面図である。インシュレータ１２は、矩形筒状をなす本体部１４と、本体部１４の径方向の両端部において周方向へ突出して形成された第１および第２フランジ部１６，１８と、第２フランジ部１８の外側面に突設された固定部２０とを備える。インシュレータ１２は、熱可塑性樹脂を用いて成形型で一体成形することができる。インシュレータ１２の本体部１４は、第１および第２フランジ部１６，１８とともに、コイル６をティース８の周囲に絶縁状態で巻装するためのボビンを構成するものである。

インシュレータ１２の本体部１４の内部空間１５は、軸方向から見て略台形状をなすティース８を略隙間無く収容可能な形状および大きさに形成されている。これにより、インシュレータ１２がティース８の周囲に配置されたとき、ティース８の外周面に本体部１４の内周面が密着して配置することができる。また、図１に示すように、本体部１４の径方向寸法はティース８よりも若干短く形成されている。これにより、インシュレータ１２がティース８に嵌め込まれたときティース８の先端が本体部１４から少し突出した状態となるようにしてある。

インシュレータ１２の第１および第２フランジ部１６，１８は、図２（ｂ）に示すように、平面視で長方形状の枠をなすようにそれぞれ形成されている。また、第１および第２フランジ部１６，１８の周方向両側の端縁部は、本体部１４の軸方向断面に対して所定角度をなすように屈曲して形成されている。これにより、インシュレータ１２がティース８に組み付けられたとき、径方向外側の第２フランジ部１８がティース８間に位置するバックヨーク７の内周側湾曲面に沿って当接した状態となり、インシュレータ１２の配置を安定したものにできる。また、第１フランジ部１６が第２フランジ部１８と略平行となるように屈曲していることで、第１および第２フランジ部１６，１８間のコイル巻回スペースを大きく確保することが可能になる。その結果、スロット９内でコイル６が占める占積率を向上させ、コイル６の銅損を低下させることができる。

インシュレータ１２の固定部２０は、図１および図２に示すように、第２フランジ部１８の径方向外側の表面に略半円状に突出した鍔部として形成されている。固定部２０は、インシュレータ１２の軸方向の一方側に１つだけ形成されている。これにより、インシュレータ１２がティース８に組み付けられたとき、固定部２０がステータコア５の軸方向一方側の端面上に略当接した状態に配置されるようになっている。

また、インシュレータ１２の固定部２０の厚さｔは、本体部１４や第１および第２フランジ部１６，１８と略同じ厚さに形成されている。これにより、インシュレータ１２の成形性および寸法精度が向上する。ただし、固定部２０は、コイル６およびインシュレータ１２をステータコア５に固定する機能を有するため、十分な固定強度を確保できるように他の部分１４，１６，１８よりも厚く形成されてもよい。

さらに、インシュレータ１２の固定部２０は、図１に示されるように、ティース８の周方向中心位置を通って径方向に延びる周方向中心線Ｃ上に位置するように配置されている。好ましくは、インシュレータ１２の固定部２０は、上記周方向中心線Ｃに関して対称となる形状に形成されている。このように配置および形成することによって、ステータコア５に対するインシュレータ１２の固定状態（または座り具合）がより安定したものになるという利点がある。

図３は、本実施形態のステータ２においてバスバーモジュール３０を組み付けた状態を示す軸方向断面図と、その一部拡大図である。また、図４は、図３におけるＢ−Ｂ断面図である。

図４で一点鎖線で囲まれた２つの拡大図に示すように、ステータコア５において、バックヨーク７の軸方向両側の端面上には、樹脂層２２が付着されている。樹脂層２２は、後述するバスバーモジュール３０がステータコア５に組み付けられたときに、バックヨーク７の軸方向端面のうち少なくともバスバーモジュール３０の固定部３６が当接する表面に付着されている。

ステータコア５のバックヨーク７の軸方向端面上に形成された樹脂層２２は、アミン基を含有する樹脂材料によって形成されており、具体的には例えばポリアリルアミンを好適に用いることができる。また、樹脂層２２は、例えば、塗布、噴き付け、成膜等の手法によってステータコア５に付着されている。

図３および図４に示すように、本実施形態のステータ２は、バスバーモジュール３０を更に備える。バスバーモジュール３０は、ステータコア５の複数のティース８にそれぞれ巻装された複数のコイル６を電気的に接続する部材である。バスバーモジュール３０は、複数のコイル６を電気接続する導電部材であるバスバー４０と、バスバー４０を支持する保持部材３１とから構成される。

バスバー４０は、環状に形成されており、周方向に離れたコイル６に例えば溶接等によって接続されている。本実施形態では、４本のバスバー４０が環状をなして配置されている。回転電機１が三相交流モータである場合、３本のバスバー４０はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイル６同士を接続する部材を構成し、残る１本のバスバー４０は各相コイル６を互いに接続する中性点を構成する部材を構成する。

バスバー４０には、例えば、角形断面を有する銅線、アルミニウム線などを好適に用いることができる。また、４本のバスバー４０は、後述するように絶縁性樹脂材料で形成された保持部材３１の一部分によって互いに絶縁されることから、絶縁被覆されていない導線で構成されてよい。

図４を参照すると、バスバーモジュール３０は、ステータ２の軸方向一方端側において、コイル６およびインシュレータ１２を軸方向外側（図４中の右側）および径方向外側（図４中の上側）で覆うように設けられている。そして、バスバーモジュール３０は固定部３６によってステータコア５の軸方向端面に固定されている。

保持部材３１は、４本のバスバー４０を保持する保持部３２と、保持部３２の径方向外側に連設された側壁部３４と、側壁部３４の軸方向端部に形成される固定部３６とを有する。保持部材３１は、絶縁性樹脂材料を用いて成形型で一体成形することができる。

保持部材３１は、上記インシュレータ１２と同様に、アミン基と結合する官能基を所定量だけ含有する絶縁性樹脂によって形成されている。これにより、バスバー４０とステータコア５およびコイル６とを良好に絶縁することができる。具体的には、インシュレータ１２は、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂に、例えばエポキシ基、改質されたエポキシ基、またはアルコキシシリル等の官能基を１０重量％だけ含有する絶縁性樹脂によって形成することができる。

保持部３２には４本の環状溝３８が周方向に延びて形成されており、各バスバー４０は環状溝３８の底部にそれぞれ配置されている。各環状溝３８は、仕切壁４２によって仕切られている。したがって、各環状溝３８内に配置されたバスバー４０は、互いに絶縁された状態になっている。

保持部材３１の側壁部３４は、軸方向に延びるとともに周方向に湾曲した壁を形成している。側壁部３４は、軸方向一端側で保持部３２に連結されるとともに、軸方向他端側が固定部３６によってステータコア５に固定されるように構成されている。

保持部材３１の端部に設けられる固定部３６は、図３および図４に示すように、周方向に外径側へ略半円状に突出する鍔部として形成されている。また、固定部３６は、周方向に間隔を空けて複数形成されている。この間隔は、ステータコア５のティース８の間隔に等しく設定されてもよい。

なお、保持部材３１の固定部３６は、半円状以外の他の形状（例えば、矩形、台形、三角形など）の鍔部として形成されてもよい。また、固定部３６は、必ずしも周方向に間隔をおいて複数形成される必要はなく、周方向に連なった鍔部として形成されてもよい。このようにすれば、固定部が補強リブとして機能し、側壁部３４の強度アップを図れる利点がある。

続いて、ステータ２の組立てについて説明する。ここでは、まずコイル６が巻回されたインシュレータ１２を組み付けてから、バスバーモジュール３０の組み付けを行う場合について説明する。

まず、上記のように樹脂層２２がバックヨーク７の軸方向端面に付着されたステータコア５と、コイル６が本体部１４に予め巻回されているインシュレータ１２と、バスバー４０が保持されたバスバーモジュール３０とを準備する。

次に、インシュレータ１２をステータコア５のティース８に径方向先端側から嵌め込んで組み付ける。このとき、第２フランジ部１８がスロット９の底面すなわち径方向内周面に当接した状態に配置する。

そして、インシュレータ１２の固定部２０を加熱する。具体的には、例えば、固定部２０に図示しない加熱部材を軸方向両側から押し付けて加熱する。これにより、固定部２０を構成する樹脂材料に含まれるエポキシ基等の官能基がステータコア５のバックヨーク７の軸方向端面上に形成された樹脂層２２に含まれるアミン基と化学反応することによって、ステータコア５に対して隙間無く強固に接合される。その結果、インシュレータ１２およびこれに巻回されたコイル６は、固定部２０によってステータコア５に固定される。

次に、バスバー４０が環状溝３８内に保持された保持部材３１をインシュレータ１２およびコイル６を覆うようにして配置する。このとき、保持部材３１の固定部３６がステータコア５の軸方向端面上に当接して配置される。また、この場合、固定部３６がステータコア５のティース８に対応する位置となるよう配置されてもよい。

そして、インシュレータ１２の場合と同様に、保持部材３１の固定部３６を加熱する。具体的には、例えば、保持部材３１の固定部３６に図示しない加熱部材を軸方向外側（図４中の左側）から押し付けて加熱する。これにより、固定部３６は、保持部材３１を構成する樹脂材料に含まれるエポキシ基等の官能基がステータコア５のバックヨーク７の軸方向端面上に形成された樹脂層２２に含まれるアミン基と化学反応することによって、ステータコア５に対して隙間無く強固に接合される。その結果、バスバーモジュール３０が、固定部３６によってステータコア５に固定される。

最後に、各バスバー４０をコイル６に溶接等で接続することで、ステータ２の組立てが終了する。

このように本実施形態の回転電機１では、バスバーモジュール３０を官能基とアミン基の化学反応による結合よってステータコア５に固定することができ、ステータコア５へのバスバーモジュール３０の組付けおよび固定を容易に行うことができる。

また、本実施形態によれば、バスバーモジュール３０の固定部３６と樹脂層２２との化学反応によって隙間なく強固に接合される。これにより、バスバーモジュール３０をステータコア５にがたつきなく安定して固定することができる。その結果、バスバーモジュール３０を例えばワニス、接着剤等の硬化性部材を用いることなく、ステータコア５に固定することができる。

ワニスや接着剤等の硬化性部材でバスバーモジュール３０（およびコイルが巻回されたインシュレータ１２）をステータコア５に固定する場合には固定部２０からはみ出した硬化性部材を除去する必要があった。これは、はみ出した硬化性部材が回転電機１の作動時の振動等によって異物として脱落すると、ステータ２とロータ４間のギャップ３に噛み込まれて出力低下をもたらすことがあるためである。これに対し、本実施形態では、そのような硬化性部材を用いることなくバスバーモジュール３０（およびコイルが巻回されたインシュレータ１２）を固定できるので、はみ出した硬化性部材の除去作業が不要になるとともに、異物脱落による噛み込みを防止することができる。

また、本実施形態のステータ２では、バスバーモジュール３０とステータコア５とはエポキシ基等の官能基と樹脂層２２のアミン基との化学反応による結合によって強固に接合されるため、硬化性部材のように温度変化による固着力の変化が生じることがなく、固定信頼性が向上する。

また、本実施形態のステータ２では、バスバーモジュール３０の固定部３６が、加熱および押圧によって化学反応が促進されて短時間で接合される。したがって、長時間の硬化時間を必要とする硬化性部材を用いてバスバーモジュール３０を固定する場合に比べて、ステータ２の生産性が向上する。

また、本実施形態のステータ２では、バスバーモジュール３０がステータコア５に強固に固定されるため、外部ストレス（例えば、振動、温度変化等）によってバスバーモジュール３０がステータコア５に対して動く（又はがたつく）ことがなくなる。したがって、バスバー４０によるコイル６同士の電気接続部の破断やコイル６が擦れることによる絶縁皮膜の破損等を抑制することができる。

また、本実施形態のステータ２では、バスバーモジュール３０をステータコア５に固定するための嵌合構造が不要であるため、ステータコア５のバックヨーク７およびティース８に嵌合孔や嵌合溝を形成しなくてもよい。これにより、ステータコア５内における磁束経路に影響を与えることがなく、嵌合孔等の形成時の加工歪を抑制できる。その結果、回転電機１の損失低減および出力性能の向上を図ることができる。

なお、本発明に係る回転電機用ステータは、上述した実施形態およびその変形例の構成に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲内で種々の改良や変更が可能である。

例えば、上記においては樹脂層２２をステータコア５の軸方向端面上に付着させるとして説明したが、これに限定されるものではなく、バスバーモジュール３０の固定部３６のステータコア当接面に付着させておいてもよい。

また、上記では、バスバー４０を保持部材３１に組み付けた状態でステータコア５に固定すると説明したが、保持部材３１をステータコア５に固定した後にバスバー４０の組付けおよびコイル６への接続を行ってもよい。

また、上記では、ステータコア５にインシュレータ１２を固定してからバスバーモジュール３０を固定すると説明したが、これらを１つの工程で同時に行ってもよい。そうすれば、ステータの生産性がさらに向上する。

さらに、バスバーモジュール３０の固定部３６やインシュレータ１２の固定部２０をステータコア５の軸方向端面に当接させて配置する際、接着剤等を用いて仮留めしてもよい。これにより、バスバーモジュール３０やインシュレータ１２の位置ずれが防止され、その後の加熱押圧工程の作業性が良くなる。

１ 回転電機、２ ステータ、３ ギャップ、４ ロータ、５ ステータコア、６ コイル、７ バックヨーク、８ ティース、９ スロット、１０ インシュレータ固定構造、１２ インシュレータ、１４ 本体部、１５ 内部空間、１６ 第１フランジ部、１８ 第２フランジ部、２０ （インシュレータの）固定部、２２ 樹脂層、３０ バスバーモジュール、３１ 保持部材、３２ 保持部、３４ 側壁部、３６ （保持部材の）固定部、３８ 環状溝、４０ バスバー、４２ 仕切壁、Ｃ 周方向中心線。

Claims (1)

1. 環状をなすバックヨークと該バックヨークから径方向に突出する複数のティースとを有するステータコアと、
   前記ティースの周囲にそれぞれ巻装されるコイルと、
   前記ティースに巻装された複数のコイルを電気的に接続するバスバーおよび該バスバーを保持して前記ステータコアに固定される保持部材を含むバスバーモジュールと、を備える回転電機用ステータであって、
   前記バスバーモジュールの保持部材はアミン基と結合する官能基を所定量だけ含有する絶縁性樹脂により形成されるとともに前記ステータコアに組み付けられた状態で前記ステータコアの軸方向端面に当接する固定部を有し、
   前記固定部のステータコア当接面または前記固定部に当接する前記ステータコアの軸方向端面に、前記アミン基を含有する樹脂層が付着されており、
   前記バスバーモジュールは前記保持部材の固定部に含まれる官能基と前記樹脂層に含まれるアミン基との加熱による化学反応によって前記ステータコアに接合されている、
   回転電機用ステータ。

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