JP2016158346A - 回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】工数を低減するとともに絶縁に対する溶接信頼性を向上させた回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供する。【解決手段】複数のスロット３３を有する固定子鉄心３１と、前記スロットに挿入された複数のセグメント導体５０を用いて構成される固定子巻線３２と、を備え、前記セグメント導体の切断面５２が他のセグメント導体の切断面と隣接し、金属粉末が積層された金属層６０を介して電気的に接合されるように回転電機の固定子を構成する。【選択図】図６

Description

本発明は回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機に関する。

車両駆動等に用いられる車載用の回転電機は、搭載空間の制約などにより小型化が求められている。

この回転電機用の固定子巻線として、セグメント導体を採用したものが知られている。セグメント導体による固定子巻線は、Ｕ字状に成形されたセグメント導体を固定子鉄心に挿入し、固定子鉄心から突出したセグメント導体の直行部を周方向にそれぞれ捻り、異なるスロットに挿入された他のセグメント導体と溶接することで構成される（例えば特許文献１）。

特開２０１２−１３９０７５号公報

特許文献１に示されるような従来の技術では、セグメント導体切断面を溶接により接合し、固定子巻線を形成する。このとき、導体の絶縁被膜が溶接部に介在することによる溶接部の強度低下や、溶接時に絶縁被膜が熱劣化することによる絶縁被膜の脱落を防止するために、絶縁被膜を剥離する必要がある。このため、絶縁被膜剥離の工数が必要になる上、剥離面間の電気的短絡による信頼性の低下のおそれが生じたり、剥離面間の電気的短絡への対策として溶接後の絶縁処理が必要になったりするという課題があった。

そこで、本発明は、剥離工程を廃止または剥離面積を低減することで、工数を低減するとともに絶縁に対する溶接信頼性を向上させた回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記スロットに挿入された複数のセグメント導体を用いて構成される固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子であって、前記セグメント導体の切断面が他のセグメント導体の切断面と隣接し、金属粉末が積層された金属層を介して電気的に接合されたことを特徴とする。

本発明によれば、工数を低減するとともに絶縁に対する溶接信頼性を向上させた回転電機の固定子、及びこれを備えた回転電機を提供することができる。

回転電機の断面図。 図１における固定子および回転子のＡ−Ａ断面図。 図２における固定子の斜視図。 固定子鉄心にセグメント導体を挿入した状態を示す固定子内径側の側面図。 捻り成形後状態の平角線セグメント導体の斜視図。 （ａ）は捻り成形後状態の平角線セグメント導体を金属積層した状態の斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図。 コールドスプレーによる接合方法の概略図。 ３Ｄプリンタによる接合方法の概略図。 （ａ）は捻り成形後状態の集合線の斜視図、（ｂ）は捻り成形後状態の集合線を金属積層した状態のＣ−Ｃ断面図。 絶縁被膜を剥離した平角線のセグメント導体の斜視図。 セグメント導体切断面と絶縁被膜剥離面間とに金属積層した状態の側面図。 セグメント導体切断面と絶縁皮膜剥離面全周とに金属積層した状態の側面図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

なお、以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリッド電気自動車に用いられる電動機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転子の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転子の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）を指す。

図１は、本実施例の回転電機の断面図である。回転電機１０はハウジング２０と、ハウジング２０の内部に保持された固定子３０とを有し、固定子３０は固定子鉄心３１と固定子巻線３２とを備えている。固定子鉄心３１の内側には、回転子４０が保持されている。回転子４０は、回転子鉄心４１と、永久磁石４２とを備えており、回転子鉄心４１は円柱状のシャフト（回転軸体）２１に固定されている。

次に、図２〜図４を参照して固定子３０について説明する。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２では、ハウジング２０，固定子巻線３２の記載を省略している。図２において、固定子鉄心３１の内周側には、固定子スロット３３と固定子ティース３４とが全周に渡って均等に配置されている。図２では、固定子スロットおよび固定子ティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のみ符号を付した。

固定子スロット３３内にはスロット絶縁紙３５（図示省略）が設けられ、固定子巻線３２を構成するＵ相〜Ｗ相の複数の相巻線が装着されている。

本実施例では、固定子巻線３２の巻線方式として分布巻を適用している。分布巻とは、複数の固定子スロット３３を跨いで離間した２つのスロットに相巻線が収納されるように、相巻線が固定子鉄心３１に巻かれる巻線方式である。本実施例では、巻線方式として分布巻を適用しているので、形成される磁束分布は正弦波に近く、リラクタンストルクを得やすい。そのため、弱め界磁制御やリラクタンストルクを活用して、低回転速度だけでなく高回転速度までの広い回転数範囲についての制御が可能であり、電気自動車などのモータ特性を得るのに適している。

図３は、図１，２で示した固定子３０の斜視図である。接合側コイルエンド群３６（ｂ）を捻り成形した後の状態を示しており、口出し線および中性線は省略している。固定子巻線３２は絶縁被膜を有する複数のセグメント導体５０から構成されている。固定子鉄心３１はスロット絶縁紙３５を介してセグメント導体５０との絶縁を保持することが出来る。

なお、本実施例ではセグメント導体５０として断面が四角形状の導線（平角線）を用いている。平角線を用いることで、断面が円状の導線（丸線）を用いた場合に比べて占積率を上げることができ、出力向上を図ることができる。

図４は固定子鉄心３１にセグメント導体５０を挿入した状態を示した固定子内径側の側面図である。１つのセグメント導体５０は、固定子鉄心３１に挿入された際、軸方向一方側にＵ字部（ターン部）５１を有し、軸方向他方側に接合側コイルエンド３６（ｂ）を有するように形成されている。コイルエンド群３６（ｂ）は複数のセグメント導体５０を周方向に所定のピッチ分捻った後、接合することにより構成されている。

次に、本実施例における、金属層によるセグメント導体の接合を図５〜図６を参照して説明する。

図５はセグメント導体５０の捻り成形後の状態を示したものである。セグメント導体５０は絶縁被膜を剥離せずに形成され、セグメント導体切断面５２のみ導体が露出している。言い換えれば、絶縁被膜が、セグメント導体切断面５２まで延伸している。それぞれ別のスロットから延伸したセグメント導体５０は、接合相手となるもう一方のセグメント導体５０と、それぞれのセグメント導体切断面５２を後述の接合方法で接合可能な範囲内に揃えて、隣接して配置される。

図６（ａ）は１組のセグメント導体５０を接合した状態の斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＢ−Ｂ断面である。本例では、隣合せに並べたセグメント導体５０に金属粉末を付着、積層させて導体間を接合する。金属層６０はセグメント導体切断面５２を覆うように形成され、各々の導体上の金属層が繋がることでセグメント導体同士を接合する。金属層の高さは機械的な接合強度と電気的導通とを両立できる程度の高さが好ましい。また、図６（ａ）と図６（ｂ）には２つのセグメント導体５０を金属層６０により接合した例を示したが、２つ以上のセグメント導体の接合にも適用できる。

金属粉末は、セグメント導体材料と金属粉末とを分子レベルで結合して接合強度を保った上で、電気的接合のためには金属粉末同士の結合後の導電性も必要である。以上を鑑みて、金属粉末の成分は銅を主成分とした合金であることが望ましいが、接合強度と電気導電性を満足すれば他の金属（アルミニウムや銀を主成分とした合金など）でも構わない。また、積層する時に金属は粉末状態に限定せず、シート状態や半溶融状態でも適用できる。

図７〜図８を用いて、金属粉末を使用する金属積層方法を説明する。

金属粉末を付着・積層させる方法の一例としてコールドスプレー法がある。図７はコールドスプレーシステムによる接合方法の概略図を示す。コールドスプレー法は粉末材料を溶融温度以下の固相状態で接合対象となる基材へ衝突させ、成膜する技術である。本実施例ではヒーターに高圧ガスを入れて加熱し、加熱されたガスはノズル７０を介して超音速状態にされる。同時に、ノズル７０には金属粉末供給装置から金属粉末７１が投入される。超音速流のガスにより金属粉末７１はノズル７０を介して高速で射出され、セグメント導体切断面５２に衝突し、塑性変形することで付着する。複数個のセグメント導体切断面５２に積層成膜することで、セグメント導体を積層された金属を介して電気的、機械的に接合することができる。溶接と比較して接合される導体の温度を低く保つことができ、接合時の導体や被膜への熱影響が小さくなるため導体の特性の劣化を抑えることができる。

金属を付着・積層させる別の方法として３次元プリンタ（以下、３Ｄプリンタとする）がある。図８は３Ｄプリンタによる接合方法の概略図を示す。この方法では隣合せに並べたセグメント導体切断面５２と３Ｄプリンタノズル８０及びレーザ供給ノズル８１が対向して配置されることが望ましい。金属粉末供給装置から３Ｄプリンタノズル８０に金属粉末７１を供給し、セグメント導体切断面５２に噴射する。レーザ光源からレーザ供給ノズル８１を介してレーザ光線８２を照射する。レーザ光線８２が金属粉末７１を加熱し、溶融又は焼結させて積層することで、セグメント導体５０に積層された金属を介して電気的、機械的に接合することができる。溶接と比較して温度が低いため、接合時の導体への熱影響が小さく、導体の特性の劣化を抑えることができる。さらに金属層の形状を自由に管理することが容易となり、コイルエンド高さのばらつきを低減することができる。本例では、前記レーザにより金属粉末７１を焼結するが、他の加熱源でも良い。

以上の金属積層方法による導体接合方法では、セグメント導体の絶縁被膜剥離作業が不要になり、工数を低減することができる。

また、剥離した被膜が異物として混入する可能性を減らすことができるため、信頼性が向上する。

また、導体の露出部がセグメント導体の切断面に限定されるため、絶縁被膜を剥離した場合と比べて絶縁距離を長くすることができる上、絶縁処理が必要な場合も作業が容易になり、電気的短絡の可能性を減らして信頼性を向上できる。

また、導体を溶融させずに接合することができるため、溶融による導体の膨張を低減し、固定子のコイルエンドの軸方向高さを抑え、回転電機の小型化が可能となる。

また、導体は溶融しないため、接合部の品質は導体材料に依存しない。したがって、材料成分の規格が緩い安価な導体材料を使用し、コストを低減させることができる。

図９を用いて本発明の第２の実施例について説明する。

図９は第１の実施例に対して、セグメント導体が集合線になっている点が異なる。図９（ａ）は集合線の斜視図である。集合線９０は、断面積が小さい導体を２本以上束ねた状態で成形されている銅線で、各々の導体表面には導電率が導体とは異なる被膜が形成されている。図９（ｂ）は集合線を金属積層した状態のＣ−Ｃ断面図を示す。集合線のセグメント導体切断面９１に金属層６０を積層することで集合線間及び集合線セグメント導体間の被膜９２を剥離せずに電気的、機械的に接合することができる。

以上の構成によれば、第１の実施例の効果に加えて、巻線を集合線にすることで高周波の電流が導体に流れた場合に発生する表皮効果や、外部磁化の影響により導体内部の電流が偏る影響による損失を低減させて、回転電機の効率を高めることができる。

図１０と図１１を用いて本発明の第３の実施例について説明する。

図１０は第１の実施例に対して、セグメント導体５０の絶縁被膜を一部剥離している点が異なる。絶縁被膜剥離面５３の剥離長さはセグメント導体切断面５２から略直線状のセグメント導体５０の間に限定され、捻り成形によって導体が円弧状になっている部位は剥離されていない。

図１１は絶縁被膜剥離面５３とセグメント導体切断面５２に金属を積層した状態の側面図である。本例では、セグメント導体切断面５２と隣接している絶縁被膜剥離面５３の隙間に金属を積層することで導体間を接合する。

以上の構成によれば、セグメント導体切断面５３の他に、セグメント導体５０の間にも接合面が成形されるため、導体切断面上の金属層６０の厚さを低減しても電気的、機械的特性を維持することができ、コイルエンド部の高さを低減し、固定子の小型化を実現できる。導体の円弧部の絶縁被膜は剥離されていないため、第１の実施例と同等の絶縁距離を確保することができる。

図１２を用いて本発明の第４の実施例について説明する。

図１２は第３の実施例に対し、セグメント導体切断面５２だけではなく絶縁被膜剥離面５３全体も覆うように金属層６０を積層している点が異なる。

セグメント導体切断面５２だけではなく、絶縁被膜剥離面５３全体にも金属層６０が生成され、電気的、機械的に接合されている。本例によれば、第１から第３の実施例の効果に加えて、金属層６０を絶縁被膜剥離面５３全体に覆うようにすることにより、セグメント導体の接合強度を向上することができる。

以上の各実施例では断面が四角形状のセグメント導体を使用したが、本発明は、他の断面形状（丸や多角形など）を持つセグメント導体にも適用できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０ 回転電機
２０ ハウジング
２１ シャフト
３０ 固定子
３１ 固定子鉄心
３２ 固定子巻線
３３ 固定子スロット
３４ 固定子ティース
３５ スロット絶縁
３６（ａ） Ｕ字部側コイルエンド
３６（ｂ） 接合側コイルエンド
４０ 回転機
４１ 回転鉄心
４２ 磁石
５０ セグメント導体
５１ セグメント導体Ｕ字部
５２ セグメント導体切断面
５３ 絶縁被膜剥離面
６０ 金属層
７０ ノズル
７１ 金属粉末
８０ ３Ｄプリンタノズル
８１ レーザ供給ノズル
８２ レーザ光線
９０ 集合線
９１ 集合線セグメント導体切断面
９２ 集合線セグメント導体間の被膜

Claims (8)

1. 複数のスロットを有する固定子鉄心と、
   前記スロットに挿入された複数のセグメント導体を用いて構成される固定子巻線と、
   を備えた回転電機の固定子であって、
   前記セグメント導体の切断面が他のセグメント導体の切断面と隣接し、金属粉末が積層された金属層を介して電気的に接合された回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
   前記セグメント導体が、絶縁被膜により覆われている回転電機の固定子。
3. 請求項２に記載の回転電機の固定子であって、
   前記絶縁被膜が、前記切断面まで延伸している回転電機の固定子。
4. 請求項２に記載の回転電機の固定子であって、
   前記セグメント導体が、その端部において前記絶縁被膜から導体が露出した導体露出部を備える回転電機の固定子。
5. 請求項３に記載の回転電機の固定子であって、
   前記セグメント導体として集合線を用いた回転電機の固定子。
6. 請求項４に記載の回転電機の固定子であって、
   前記金属層が、隣り合う前記セグメント導体の前記導体露出部の間にも形成されている回転電機の固定子。
7. 請求項４に記載の回転電機の固定子であって、
   前記金属層が、前記導体露出部を覆うように形成されている回転電機の固定子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の回転電機の固定子と、
   回転子とを備えた回転電機。

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