JP2016135060A

JP2016135060A - 回転電機ステータ

Info

Publication number: JP2016135060A
Application number: JP2015010089A
Authority: JP
Inventors: 博星名; Hiroshi Hoshina
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-07-25

Abstract

【課題】回転電機ステータの絶縁紙について、簡単な構造で、コイルの抜け落ち抑制と、複数の巻線間の絶縁を確保できるようにすることである。【解決手段】回転電機ステータは、円環状のヨーク２０とヨーク２０から内周側に突き出す複数のティース２２とを含むステータコアと、ティース２２に集中巻で巻回されるコイル１４と、隣接するティース２２に巻回された互いに異なる相のコイル１４の間の相間隙間２６、及び各コイルの内周側端面に配置される絶縁紙３０と、を備え、絶縁紙３０は、ティース２２を受け入れる窓部の両側に設けられコイル１４の内周側端面を覆う袖壁部３２と、袖壁部３２から外周側に折り曲げられ相間隙間２６に挿入される折曲部３４と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機ステータに係り、特に、集中巻において絶縁紙を備える回転電機ステータに関する。

回転電機ステータのステータコアにはコイルが巻回されるので、ステータコアとコイルの間の絶縁、異なる相のコイルの間の絶縁に絶縁紙が用いられる。

特許文献１には、回転電機の固定子鉄心に集中巻で巻装される複数の巻線相互間の相間隙間を確保するために、相間絶縁シートとしてＷ字蛇腹状に４重に折り畳まれた絶縁紙を用い、これを固定子鉄心のティースに対して内周側から装着することが開示されている。

特許文献２には、ステータティースを含むステータコアに装着されるインシュレータとして、ティース受入穴を有する第１分割インシュレータをステータヨーク側に配置し、これにコイルの外周側を覆うように先端側に折り曲げられティース受入穴を有する絶縁紙を配置し、コイルを巻装してから、第１分割インシュレータと反対側に配置される第２分割インシュレータを配置する構成が開示されている。

特開２０１３−１１８７１７号公報特開２０１１−１３５６４０号公報

１つのティースに集中巻されるコイルは、巻きを戻そうとする力が働くので、相間隙間が狭くなり、ティースからコイルが抜け落ちることが生じ得る。特許文献１のＷ字蛇腹状の折り畳み絶縁紙は、コイルをティース側面に押し付ける力が働くので、相間隙間を確保し得るが、絶縁紙の固定を目的としており、コイルの抜け落ちを抑制するという観点では改良の余地があり得る。

本発明の目的は、簡単な構造で、相間隙間を確保し、コイルの抜け落ちを抑制できる絶縁紙を備える回転電機ステータを提供することである。

本発明に係る回転電機ステータは、円環状のヨークとヨークから内周側に突き出す複数のティースとを含むステータコアと、ティースに集中巻で巻回されるコイルと、隣接するティースに巻回された互いに異なる相のコイルの間の相間隙間、及び各コイルの内周側端面に配置される絶縁紙と、を備え、絶縁紙は、ティースを受け入れる窓部の両側に設けられコイルの内周側端面を覆う袖壁部と、袖壁部から外周側に折り曲げられ相間隙間に挿入される折曲部と、を有することを特徴とする。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、絶縁紙は、ステータコアの内周側に沿って１枚のシートを用いて形成されることが好ましい。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、絶縁紙は、コイル表面に接着されることが好ましい。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、絶縁紙のティースを受け入れる窓部は、軸方向に沿った一方端が開放された三方枠窓部であることが好ましい。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、絶縁紙は、コイルのリード側が開放された三方枠窓部であることが好ましい。

本発明に係る回転電機ステータの絶縁紙は、ティースを受け入れる窓部の両側の袖壁部から絶縁紙の外周側に向かって折り曲げた折曲部を有するので、絶縁紙において折り曲げを戻そうとする力は、集中巻コイルの内周壁面と径方向壁面の双方に働く。これによって、絶縁紙は、集中巻コイルをティースの側壁に押し付けると共に、コイルの内周側を外周側に押し戻すので、簡単な構造で、相間隙間の確保と、コイルの抜け落ちを抑制できる。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、絶縁紙は、ステータコアの内周側に沿って１枚のシートを用いて形成されるので、絶縁紙において折り曲げを戻そうとする力がより強く働く。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、絶縁紙は、コイル表面に接着されるので、相間隙間の確保とコイルの抜け落ちの抑制が一層確実となる。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、絶縁紙のティースを受け入れる窓部は、軸方向に沿った一方端が開放された三方枠窓部である。四方枠窓部の場合は、ステータの内周側からティースを窓部に嵌めながら絶縁紙を配置することになるが、三方枠窓部であれば、窓部がスリット状になるので、そこにティースが入るように絶縁紙を軸方向に沿ってスライドさせて挿入することができ、作業性が向上する。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、絶縁紙は、コイルのリード側が開放された三方枠窓部とする。これにより、反リード側からリード側に向かって絶縁紙を軸方向に挿入でき、リード側の渡り線との干渉を避けることができる。

本発明に係る実施の形態の回転電機ステータの構成図である。図１（ａ）は、軸方向の反リード側から見た上面図であり、（ｂ）は、側面図であり、（ｃ）は、軸方向のリード側から見た底面図である。図１（ａ）の拡大図である。図１（ｃ）の斜視図である。本発明に係る実施の形態の回転電機ステータに用いられる絶縁紙の展開図である。本発明に係る実施の形態の回転電機ステータに用いられる絶縁紙を折り曲げる手順を示す図である。図５（ａ）は、折り曲げる前の絶縁紙を示す図であり、（ｂ）はティースの１つに対応して１つの折曲部を形成した絶縁紙を示す図であり、（ｃ）は全部の折曲部を形成した絶縁紙を示す図である。本発明に係る実施の形態の回転電機ステータに用いられる絶縁紙の作用効果を示す図である。図６（ａ）は図１から図５の構成の絶縁紙の作用効果を示し、（ｂ）は特許文献１の構成の絶縁紙の作用効果を示す図である。絶縁紙の他の構成例として四方枠窓部を有する絶縁紙を示す図である。絶縁紙の折曲部の形状の例を示す図である。このうち、図８（ａ）は図１から図５に示す絶縁紙の折曲部の形状を示す図であり、それ以外は他の形状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。以下に述べる寸法、形状、材質等は、説明のための例示であって、回転電機ステータの仕様等により、適宜変更が可能である。また、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。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ステータ１０の構成を示す図である。以下では、回転電機ステータ１０を特に断らない限り、ステータ１０と呼ぶ。図１（ａ）は、ステータ１０の軸方向の反リード側から見た上面図であり、（ｂ）は、側面図であり、（ｃ）は、軸方向のリード側から見た底面図である。図２は、図１（ａ）の拡大図であり、図３は、図１（ｃ）の斜視図である。図１に、ステータ１０の周方向θ、径方向Ｒ、軸方向Ｚをそれぞれ示した。＋Ｒ方向は内径側から外径側に向かう方向、＋Ｚ方向は、コイルの渡り線が設けられるリード側から反リード側に向かう方向である。以下の図でも同様である。

ステータ１０が用いられる回転電機は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示される固定子であるステータ１０と、ステータ１０の内周側に所定の隙間を隔てて配置される円環状の回転子であるロータとで構成される。図１ではロータの図示を省略した。

ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２に巻回される集中巻コイル１４と、絶縁紙３０を含んで構成される。

ステータコア１２は、円環状の磁性体部品で、外周側円環状のヨーク２０とヨーク２０から内周側に突き出す複数のティース２２とを含む。ティース２２はコイル１４が巻回され磁極となる突出部である。隣接するティース２２の間の空間は、スロット２４である。

かかるステータコア１２は、ヨーク２０とティース２２を含み、スロット２４が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を複数積層したものが用いられる。磁性体薄板としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を所定の形状に一体化成形したものを用いることもできる。

集中巻のコイル１４は、１つのティース２２に１つの相巻線が所定巻数で巻回される。隣接するティース２２の間の１つのスロット２４には異なる相のコイル１４が配置される。１つのスロット２４の中で隣接するコイル１４の間の隙間が相間隙間２６である。

かかる集中巻のコイル１４は、絶縁皮膜付きの導体を所定の巻き型を用いて所定の巻数で巻回し、巻き終わったものを巻型から取り外すことで形成される。図２の例では、５巻１層の集中巻のコイル１４が示される。これを周方向に多層積層して巻回する多層巻としてもよい。集中巻のコイル１４をティース２２に配置すると、ステータコア１２の軸方向に巻線の外周側が突き出す。この部分がコイルエンド１６，１７である。

三相同期型回転電機では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル１４がステータコア１２の周方向に沿って順次配置される。例えば、Ｕ相のコイル１４は、周方向に沿って３ティースの整数倍の間隔で配置される。同じＵ相のコイル１４は、渡り線１８で順次接続される。渡り線１８は、リード側のコイルエンド１７の側に設けられる。

集中巻のコイル１４は、導線を曲げながら巻回するので、導線の剛性によって元の導線形状に戻そうとする力が周方向θと径方向Ｒに働く。そのために、集中巻のコイル１４をティース２２に配置したときに、周方向θに戻そうとする力によって相間隙間２６が狭くなり、また、径方向に戻そうとする力によって、ティース２２から脱落することが生じ得る。

絶縁皮膜付き導線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等を用いることができる。素線としては、断面形状が矩形の平角線が用いられる。絶縁皮膜としては、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。これに代えて、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等を用いることができる。

絶縁紙３０は、隣接するティース２２に巻回された互いに異なる相のコイル１４の間の相間隙間２６、及び各コイル１４の内周側端面２８に配置され、相間隙間２６を確保する機能と、集中巻のコイル１４がティース２２から抜け落ちることを抑制する機能を有する折り曲げ絶縁シートである。絶縁紙３０は、ティース２２を受け入れる窓部の両側に設けられコイル１４の内周側端面２８を覆う袖壁部３２と、袖壁部３２から外周側に折り曲げられ相間隙間２６に挿入される折曲部３４を有する。

図４、図５を用いて絶縁紙３０の構成を説明する。図４は、折り曲げられる前の絶縁紙３０の展開図であり、シート面が示されている。図５は、シート面に垂直な方向に折り曲げる手順を示す図で、図５（ａ）は、折り曲げる前の絶縁紙３０を示す図である。（ｂ）はティース２２の１つに対応して１つの折曲部３４を形成した絶縁紙３０を示す図である。（ｃ）は全部の折曲部３４を形成した絶縁紙３０を示す図であり、これを丸く円環状にしたものが図１〜図３に示す絶縁紙３０である。このように、絶縁紙３０は、ステータコア１２の内周側に沿って１枚のシートで形成される。場合によっては、ステータコア１２の内周側に沿って複数の絶縁紙を用いてもよい。以下では、ステータコア１２の内周側に沿って１枚の絶縁紙３０を用いる。

折り曲げる前の絶縁紙３０は、矩形状シートに窓部３６を打ち抜きまたは切断したものである。窓部３６は、ステータコア１２の各ティース２２を受け入れる開口部である。窓部３６の数は、ステータコア１２のティース２２の数と同じである。図１の例では、ティース２２の数は１５であるので、窓部３６の数も１５である。矩形状シートの長辺は、ステータコア１２の内周面の周方向θに沿った長さに１５の折曲部３４の全部の折曲長さを加えた長さに近い長さを有する。短辺は、ステータコア１２の軸方向Ｚに沿った長さに近い長さを有する。かかる絶縁紙３０の材料としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリイミドフィルム、耐熱アミラド紙等を用いることができる。

窓部３６は、ティース２２の内周側先端部を受け入れる大きさの開口部である。図４に示すように、窓部３６は、四方枠窓部ではなく、軸方向のリード側である−Ｚ側に枠部が設けられずに開放され幅広いスリット状の三方枠窓部である。

絶縁紙３０において、隣接する窓部３６の間の部分には、４つの折曲線５０，５２，５４，５６が設けられる。このうち、破線で示した折曲線５０，５６は、絶縁紙３０を＋Ｒ方向に折り曲げる山折線で、一点鎖線で示した折曲線５２，５４は、絶縁紙３０を−Ｒ方向に折り曲げる谷折線である。図５（ａ）の矢印は、それぞれの折曲線５０，５２，５４，５６で絶縁紙３０を折り曲げるときの折曲支点を示す。

図５（ｂ）は、シート状の絶縁紙３０を１組の折曲線５０，５２，５４，５６で折り曲げ１つの折曲部３４を形成した部分折曲絶縁紙３０を示す図である。１組の折曲線５０，５２，５４，５６によって、絶縁紙３０が袖壁部３２からシートの外周側方向である＋Ｒ方向に折り曲げられ、１つの折曲部３４が形成されて部分折曲絶縁紙３０となる。

部分折曲絶縁紙３０における折り曲げは、以下のように行われる。形成すべき折曲部３４の両側の窓部３６の周方向に沿った間隔をステータコア１２の隣接するティース２２の先端部の周方向に沿った間隔と同じとする。そのときに、折曲部３４の形状が相間隙間２６の形状とほぼ同じになるように折り曲げが行われる。折曲部３４の形状は、折曲線５０，５２，５４，５６の配置関係で設定することができる。ここでは、図２に示すように、相間隙間２６の形状が＋Ｒ側で広くなっているので、折曲部３４の形状も＋Ｒ側に向かって広くなるように折曲線５０，５２，５４，５６の配置関係が設定される。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）の折り曲げを繰り返して、全体の折り曲げを形成した絶縁紙３０を示す図である。これによって、ステータコア１２における相間隙間２６と同じ数の折曲部３４を有する絶縁紙３０が得られる。

コイル１４が巻回されたステータコア１２には、この絶縁紙３０が挿入されて配置される。絶縁紙３０を用いた挿入は、次の手順で行われる。まず、絶縁紙３０を丸く円環状にする。その際に、コイル１４が巻回されたステータコア１２の１５個の相間隙間２６にそれぞれ対応する折曲部３４が合うように、かつ、ステータコア１２の１５個のティース２２にそれぞれ対応する窓部３６が合うように、円環形状が設定される。次に、円環形状にされた絶縁紙３０を、三方枠形の窓部３６の開放された端部を挿入先端側として、コイル１４が巻回されたステータコア１２の反リード側からリード側に向かって挿入する。挿入は、相間隙間２６にそれぞれ対応する折曲部３４が挿入されるように、かつ、ステータコア１２のティース２２がそれぞれ対応する窓部３６に入り込むようにして行われる。挿入は、絶縁紙３０の三方枠形の窓部３６の＋Ｚ側の枠の部分がティース２２の＋Ｚ側の上端部に突き当たるまで行われる。

このようにして、円環状の絶縁紙の挿入が完了すると、図１、図２に示した絶縁紙３０の状態となる。なお、絶縁紙３０はコイル１４の表面に接着されることが好ましい。接着は、折り曲げ前の状態で予め片面側に接着剤を塗布しておいてもよく、折り曲げ後の状態のときに片面側に接着剤を塗布してもよい。あるいは、絶縁紙３０で覆われるコイル１４の端面に予め接着剤を塗布しておいてもよい。折り曲げ作業性、挿入作業性等を妨げないように、接着剤としては圧着することで接着される感圧接着剤、あるいは加熱によって接着されるホットメルト接着剤を用いることができる。

上記構成の絶縁紙３０の作用効果を従来技術と比較しながら図６を用いて説明する。図６（ａ）は、上記の絶縁紙３０の作用効果を示す図で、（ｂ）は特許文献１で述べられているＷ字蛇腹状に４重に折り畳まれた絶縁紙６０の作用効果を示す図である。絶縁紙３０、絶縁紙６０のいずれも、折り曲げられた絶縁紙が折り曲げを戻そうとする力で、コイルをティースに押し付ける作用効果を有する。図６（ａ），（ｂ）では、折り曲げられた形状を実線で示し、これから戻そうとする形状を破線で示した。

図６（ａ）に、絶縁紙３０が実線から破線の状態に戻そうとする力を白抜き矢印で示した。この白抜き矢印の力がコイル１４に作用する。白抜き矢印の力は、図示されていないコイル１４をティース２２の側面に向かって周方向に押し付ける力Ｆ₁と、コイル１４をティース２２に沿って径方向の外周側に押し戻す力Ｆ₂となる。Ｆ₁によって相間隙間２６を確保でき、Ｆ₂によってコイル１４のティース２２からの抜けを抑制できる。

これに対し、図６（ｂ）に示すように、絶縁紙６０が実線から破線の状態に戻そうとする力Ｆ₃は、コイル１４をティース２２の側面に向かって周方向に押し付けることに寄与する。これによって相間隙間２６を確保することができる。しかし、Ｆ₃によってコイル１４のティース２２からの抜けを抑制することができない。

上記では、絶縁紙３０に設ける窓部３６を三方枠形とした。図７の絶縁紙４０は、四方窓枠形の窓部３７を用いる例を示す図である。両側の袖壁部３３は、窓部３７を挟んで分離することはなく上下窓枠部を介して一体化される。折曲部３４は絶縁紙３０と同様に形成されるので、図６で説明した作用効果を同様に発揮する。

コイル１４が巻回されたステータコア１２に絶縁紙４０を配置するには、ステータコア１２の内周側から四方窓枠形の窓部３７にティース２２の先端部を嵌めこむことになる。したがって、軸方向に沿って挿入することでステータコア１２に配置できる絶縁紙３０に比較して作業工数が多くなる。その反面、絶縁紙４０の形状は対称形で、左右上下に互換性があるので、部品としては扱いやすい利点を有する。

図８は、絶縁紙における折曲部の形状の例を示す図である。図８（ａ）は、絶縁紙３０における折曲部３４である。（ｂ）は、山折線である２つの折曲線５０，５６のみにした例である。（ｃ）は、谷折線である２つの折曲線５２，５４の間の間隔を狭くした例である。（ｄ）は（ｂ）において山折線である２つの折曲線５０，５６の間の間隔を狭くした例である。（ｅ）は、谷折線を１本とした例である。これらは、相間隙間２６の設定に合わせて適宜用いることができる。

１０（回転電機）ステータ、１２ステータコア、１４（集中巻の）コイル、１６，１７コイルエンド、１８渡り線、２０ヨーク、２２ティース、２４スロット、２６相間隙間、２８内周側端面、３０，４０，６０絶縁紙、３２，３３袖壁部、３４折曲部、３６，３７窓部、５０，５２，５４，５６折曲線。

Claims

円環状のヨークとヨークから内周側に突き出す複数のティースとを含むステータコアと、
ティースに集中巻で巻回されるコイルと、
隣接するティースに巻回された互いに異なる相のコイルの間の相間隙間、及び各コイルの内周側端面に配置される絶縁紙と、
を備え、
絶縁紙は、
ティースを受け入れる窓部の両側に設けられコイルの内周側端面を覆う袖壁部と、
袖壁部から外周側に折り曲げられ相間隙間に挿入される折曲部と、
を有することを特徴とする回転電機ステータ。
請求項１に記載の回転電機ステータにおいて、
絶縁紙は、ステータコアの内周側に沿って１枚のシートを用いて形成されることを特徴とする回転電機ステータ。
請求項１または請求項２に記載の回転電機ステータにおいて、
絶縁紙は、コイル表面に接着されることを特徴とする回転電機ステータ。
請求項１から３のいずれか１に記載の回転電機ステータにおいて、
絶縁紙のティースを受け入れる窓部は、軸方向に沿った一方端が開放された三方枠窓部であることを特徴とする回転電機ステータ。
請求項４に記載の回転電機ステータにおいて、
絶縁紙は、コイルのリード側が開放された三方枠窓部であることを特徴とする回転電機ステータ。