JP2017041916A - 回転電機の固定子、これを備えた回転電機、及びこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１種類の樹脂部材を用いて良好な絶縁性を持つ回転電機の固定子を提供する。【解決手段】固定子鉄心２１のスロット１５内にチキソ性のあるワニスがあり、スロット内のワニス２０６の粘度が、スロットに装着された固定子コイルのコイルエンドにおけるワニス２０５の粘度より低いように回転電機の固定子２０を構成する。固定子コイルが、絶縁被膜により被覆された被覆部と、絶縁被膜が剥離された剥離部とを有するセグメント導体を備え、２つの異なるセグメント導体の剥離部同士が、コイルエンドにて接続されて接続部２８Ｅを構成し、スロット内のワニス２０６の粘度が、接続部２８Ｅのワニス２０５の粘度より低いように構成してもよい。【選択図】図５

Description

本発明は回転電機の固定子、これを備えた回転電機、及びこれらの製造方法に関する。

昨今の地球温暖化に対し、回転電機は小型高出力が求められている。このような回転電機として、例えば内周側に開口する多数のスロットを備えた固定子鉄心を有し、各スロットに複数の略Ｕ字形状のセグメント導体を挿入する事で占積率を向上させて冷却性能を向上させることにより高出力化を図ったものが知られている。

そして、絶縁性能向上のため、ターン部が形成された第１コイルエンド群と先端部を接合してなる複数の接合部が配置された第２のコイルエンド群に、薄く第１樹脂部材を付着させ、第２コイルエンド群の接合部近傍のみに厚く第２樹脂部材が付着された車輌用交流発電機の固定子がある（例えば特許文献１）。

また接合部に用いる第２樹脂部材の材料を規定した電気機器も有る（例えば特許文献２）。

特許第３７７０２６３号公報 特開２０１２−９０４３３号公報

特許文献１の技術では、２種類の樹脂部材を用いる必要があり、また、第２コイルエンド群の接合部近傍のみに厚く第２樹脂部材を付着させている。絶縁設計上は、コイルエンドの樹脂部材の厚さはほぼ均一で良く、接合部近傍のみ厚くする必然性は無い。２種類の樹脂部材を用いることで、樹脂部材の付着、乾燥のため２重の生産設備が必要となり、また、接合部のみ厚くする事により絶縁耐圧上必要な樹脂部材以上に材料が必要となるといった問題があった。

特許文献２の技術は、特許文献１で用いる第２の樹脂部材（粉体エポキシ系ワニス）の代替として考案されたもので、接合部に液状樹脂を用いることで粉塵を防止しているが、接合部のみを対象としており、２種類の樹脂部材を用いる前提となっており、上記の問題は解決されていない。

そこで本発明は、１種類の樹脂部材を用いて良好な絶縁性を持つ回転電機の固定子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、固定子鉄心のスロット内にチキソ性のあるワニスがあり、前記スロット内の前記ワニスの粘度が、前記スロットに装着された固定子コイルのコイルエンドにおける前記ワニスの粘度より低いことを特徴とする。

本発明によれば、１種類の樹脂部材を用いて良好な絶縁性を持つ回転電機の固定子を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

固定子を含む回転電機の全体構成を示す断面図。 固定子の構成を示す斜視図。 固定子コイルのセグメント導体を説明する図であり、（ａ）は一つのセグメント導体を示す図、（ｂ）はセグメント導体によるコイル形成を説明する図、（ｃ）はスロット内のセグメント導体の配置を説明する図。 Ｕ相の固定子コイルを示す斜視図。 本発明に係るワニス塗布方法を示す図。 本発明に係るワニス塗布方法を示す図。 本発明に係るワニス塗布工程を示すフローチャート。 回転電機を搭載する車両の構成を示すブロック図。

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、ハイブリット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」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機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は本発明による固定子を備える回転電機を示す断面図である。回転電機１０は、ハウジング５０、固定子２０、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０と、回転子１１とから構成される。

ハウジング５０の内周側には、固定子２０が固定されている。固定子２０の内周側には、回転子１１が回転可能に支持されている。ハウジング５０は、炭素鋼など鉄系材料の切削により、または、鋳鋼やアルミニウム合金の鋳造により、または、プレス加工によって円筒状に成形した、電動機の外被を構成している。ハウジング５０は、枠体或いはフレームとも称されている。

ハウジング５０の外周側には、液冷ジャケット１３０が固定されている。液冷ジャケット１３０の内周壁とハウジング５０の外周壁とで、油やＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード）などの液状の冷媒ＲＦの冷媒通路１５３が構成され、この冷媒通路１５３は液漏れしないように形成されている。液冷ジャケット１３０は、軸受１４４，１４５を収納しており、軸受ブラケットとも称されている。

直接液体冷却の場合、冷媒ＲＦは、冷媒通路１５３を通り、冷媒出口１５４，１５５から固定子２０へ向けて流出し、固定子２０を冷却する。ハウジング５０がなく、固定子２０を直接ボルト留めもしくはケースに焼き嵌めする構成でもよい。

固定子２０は、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０とによって構成されている。固定子鉄心２１は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られている。固定子コイル６０は、固定子鉄心２１の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回されている。固定子コイル６０からの発熱は、固定子鉄心２１を介して、液冷ジャケット１３０に伝熱され、液冷ジャケット１３０内を流通する冷媒ＲＦにより、放熱される。

回転子１１は、回転子鉄心１２と、回転軸１３とから構成されている。回転子鉄心１２は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られている。回転軸１３は、回転子鉄心１２の中心に固定されている。回転軸１３は、液冷ジャケット１３０に取り付けられた軸受１４４，１４５により回転自在に保持されており、固定子２０内の所定の位置で、固定子２０に対向した位置で回転する。また、回転子１１には、永久磁石１８と、エンドリング（図示せず）が設けられている。

回転電機の組立は、予め、固定子２０をハウジング５０の内側に挿入してハウジング５０の内周壁に取付けておき、その後、固定子２０内に回転子１１を挿入する。次に、回転軸１３に軸受１４４，１４５が嵌合するようにして液冷ジャケット１３０に組み付ける。

図２を用いて、本実施例による回転電機１０に用いる固定子２０の要部の詳細構成について説明する。固定子２０は、固定子鉄心２１と、前記固定子鉄心の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回された固定子コイル６０とから構成されている。固定子コイル６０は、断面が略矩形形状の導体（本実施例では銅線）を使用しスロット内の占積率を向上させ、回転電機１０の効率が向上する。

固定子鉄心２１には、内径側に開口するスロット１５が周方向に例えば７２個形成されている。そして、スロットライナー２００が各スロット１５に配設され、固定子鉄心２１と固定子コイル６０との電気的絶縁を確実にしている。

前記スロットライナー２００は、銅線を包装するようにＢ字形状や、Ｓ字形状に成形されている。ワニス２０４を滴下して固定子鉄心２１と固定子コイル６０とスロットライナー２００を固定する。ワニス２０４は固定子鉄心２１と固定子コイル６０とスロットライナー２００の隙間に浸透させ固定と絶縁、絶縁保護をする。ワニス２０４はポリエステル樹脂やエポキシ樹脂ワニスを用いる。

ワニス２０４はスロット１５内に浸透させる。さらに、コイルエンド６１、コイルエンド６２にも必要に応じてワニス２０４を塗布してもよい。ワニス２０４の塗布方法としてはノズルを用いた滴下含浸法やワニス液面にステータを浸漬する方法を用いてもよい。

コイルエンド６１、コイルエンド６２における相間絶縁、導体間絶縁のためにセグメント導体間に環状に配設して使用されるものである。このように、本実施形態に係る固定子１０は、コイルエンド６１、コイルエンド６２において絶縁紙２０３が配設されているため、絶縁皮膜が傷ついたり劣化したりしても、必要な絶縁耐圧を保持できる。なお、絶縁紙２０３は、例えば耐熱ポリアミド紙の絶縁シートであり、厚さは０．１〜０．５ｍｍ程である。

図３を用いて、固定子コイル６０の巻線方法について簡単に説明する。断面が略矩形のエナメル等で絶縁された銅線もしくはアルミ線を、図３（ａ）の様な、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃを折り返し点とする様な、略Ｕ字形状のセグメント導体２８に成型する。このとき、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃは略Ｕ字形状において導体の向きを折り返す形状であればよい。すなわち、図３のような、径方向から見たときに反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃと反溶接側反溶接側コイルエンドの導体斜行部２８Ｆとが略三角形をなすような形状に限らない。例えば、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃの一部において、導体が固定子鉄心２１の端面と略平行になるような形状（径方向から見たとき反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃと反溶接側コイルエンドの導体斜行部２８Ｆとが略台形をなすような形状）であってもよい。

そのセグメント導体２８を、軸方向からをステータスロットに差し込む。所定のスロット１５離れたところに差し込まれた別のセグメント導体２８と導体溶接部２８Ｅにおいて図３（ｂ）の様に接続する。接続方法は、例えば溶融接合や液相−固相反応接合法や固相接合法などである。主にＴＩＧ溶接やプラズマ溶接などを用いる。

このとき、セグメント導体２８には、スロット１５に挿入される部位である導体直線部２８Ｓと、接続相手のセグメント導体の導体溶接部２８Ｅへ向かって傾斜する部位である導体斜行部２８Ｄとが形成される。スロット内には２、４、６・・・（２の倍数）本のセグメント導体が挿入される。図３（ｃ）は１スロットに４本のセグメント導体が挿入された例であるが、断面が略矩形の導体のため、スロット内の占積率を向上させることが出来、回転電機の効率が向上する。

図４は、図３（ｂ）の接続作業をセグメント導体が環状となるまで繰り返し、一相分（例としてＵ相）のコイル６０を形成したときの図である。一相分のコイル６０は導体溶接部２８Ｅが軸方向一方に集まるように構成され、導体溶接部２８Ｅの集まる溶接側コイルエンド６２と、反溶接側コイルエンド６１とを形成する。一相分のコイル６０には、一端に各相のターミナル（図４の例ではＵ相のターミナル４２Ｕ）、他端に中性線４１が形成される。

固定子コイル６０はスター結線の構成で接続されている。デルタ結線でもよいが本実施の形態では、２つにスター結線が並列接続された２スター構成の固定子コイル６０が採用されている。ＶＷ三相それぞれの固定子コイル６０の入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗおよび中性点結線用導体４１が引き出されている。すなわち、固定子コイル６０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各固定子コイル主要部のそれぞれに、入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗおよび中性点結線用導体４１を接続して構成されている。

回転電機１０に用いる固定子２０の溶接部（溶接側コイルエンド６２）の詳細構成について説明する。固定子２０は、固定子鉄心２１と、前記固定子鉄心の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回された固定子コイル６０とから構成されている。固定子コイル６０は、断面が略矩形形状のコイルを使用しスロット内の占積率を向上させ、回転電機の効率が向上する。

コイル間の絶縁のため、環状絶縁紙２０３が環状に配置される。使用電圧やエナメル皮膜厚さにより絶縁距離が確保できる場合は、絶縁紙２０３は配置しなくてもよい。

本発明では、上述したワニス２０４にチキソ性を付与する。チキソ性を有するワニス２０４にせん断応力を加えることで、粘度を変化させ、粘度の高い高粘度ワニス２０５と、粘度の低い低粘度ワニス２０６とを得る。

ワニス２０４にチキソ性を付与するために加える成分としては、有機系では、主にポリアミドやポリウレア、ノニオン型界面活性剤、水素化ひまし油などがある。また、無機系では、主に微粒子シリカを用いる。特に粘度を高めるためには、無機系フィラーを用いることが好ましい。無機系フィラーには、例えば、シリカや炭酸カルシウムなどがある。シリカは、チキソ性を重視する場合はナノオーダーの粒径を、チキソ性を重視しない場合はミクロンオーダー以上の粒径を用いることが好ましい。

チキソ性を有するワニス２０４にせん断応力を加える条件（例えば攪拌するスピード）や温度を調整することで、ワニスを塗布する箇所の温度や放熱性を考慮して任意の粘度に変更し、滴下することができる。すなわち、１種類のワニス２０４を、浸透性が必要な場所に対しては低粘度に、放熱性や厚いコーティングが必要な場所に対しては高粘度にするといったように、用途に応じてワニスの粘度を調整しながら塗布することができる。

以下に説明する実施例では、高粘度ワニス２０５の粘度はせん断応力を加える前のワニス２０４と同等であり、低粘度ワニス２０６の粘度は高粘度ワニス２０５の粘度より低い。ただし、後述のように、高粘度ワニス２０５はコイルエンドに付着する程度の粘度、低粘度ワニス２０６はスロット１５内に浸透する程度の粘度があれば良い。

図５は前記固定子コイル６０の導体溶接部２８Ｅに、チキソ性をもたせた高粘度ワニス２０５を塗布する様子を示す図である。さらに、コイルエンドであってエナメル皮膜がある部位（導体斜行部２８Ｄ）やスロット１５内にはチキソ性をもたせた低粘度ワニス２０６を塗布する。高粘度ワニス２０５に比べて粘度が低い低粘度ワニス２０６をスロット１５に塗布することで、表面張力を利用してスロット１５内に均一にワニスを塗布することができ、また、スロット１５内へのワニスの浸透性を向上させることができる。

図６は、滴下ノズル６００を複数用いてスロット１５に低粘度ワニス２０６を塗布した後に、高粘度ワニス２０５をコイルエンドに塗布する様子を示したものである。低粘度ワニス２０６は毛細間現象を利用してスロット１５内に浸透していく。一方、コイルエンド部では、特に平角線を用いた場合はコイル間の隙間があるため、比較的高粘度の高粘度ワニス２０５を塗布することでコイルを絶縁ワニスで保護することができる。

また、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃと反溶接側コイルエンドの導体斜行部２８Ｆに高粘度ワニス２０５を塗布することで、ケースなどに対する絶縁距離や、外部からのコンタミなどに対する絶縁性を確保することができる。

また、固定子２０の内径側は回転子１１があり温度が高くなるため、固定子２０の内径側に高粘度ワニス２０５を塗布し、外径側に低粘度ワニス２０６を塗布することで、放熱性を向上させることもできる。

図７は、本発明によるチキソ性を有するワニス２０４を固定子に塗布する工程を説明するフローチャートである。工程５００では、ワニス２０４を攪拌し、粘度を下げて低粘度ワニス２０６とする。工程５０１では、工程５００で粘度を下げたワニス２０４（低粘度ワニス２０６）を固定子に滴下、塗布する。本実施例においては、低粘度ワニス２０６は、滴下ノズル６００を介してスロットライナー２００に滴下され、固定子鉄心２１と固定子コイル６０とスロットライナー２００を固定する。工程５０２では、せん断応力を加えていないワニス２０４（高粘度ワニス２０５）を滴下するように滴下ノズル６００を切り替え、工程５０３で高粘度ワニス２０５を固定子に滴下、塗布する。このようにワニス２０４（高粘度ワニス２０５及び低粘度ワニス２０６）を塗布した固定子を、工程５０４で乾燥し、ワニス塗布を終了する。

工程５００において、ワニスの粘度を下げる方法は攪拌でなくともよく、外部からワニスにせん断応力を加えるものであればよい。例えば、ワニス２０４を入れた容器に振動を加えてもよい。この場合、攪拌に比べてより簡単にワニス２０４の粘度を下げることができる。

低粘度ワニス２０６をスロット１５内に塗布するときは、ノズル滴下を用いることでホースの空気溜まりなども発生しにくくなり、安定した量を供給することができる。

以上説明したごとく、本発明によれば、１種類の樹脂部材（ワニス２０４）を用いて良好な絶縁性を持つ回転電機の固定子を提供することができる。すなわち、本発明によれば、固定子に塗布する１種類のワニス２０４の厚さを必要に応じて変更することができるため、ＡＴＦ内の防塵や、導体溶接部２８Ｅの防湿性、絶縁性、耐熱性を向上させることができる。このような構成にすることにより、電気自動車やハイブリッド電気自動車に求められる絶縁性を満足することができる。

上述の実施例ではセグメント導体により構成された固定子コイルにより説明したが、本発明は原理的に裸導体（絶縁皮膜が施されていない部分）の絶縁であればどの部分にでも適用可能である。このため、例えば回転子コイルの裸導体の絶縁にも使用できる。

また、永久磁石式の回転電機を用いて説明したが、永久磁石式のみならず、インダクション式や、シンクロナスリラクタンス、爪磁極式等の様々な回転電機に適用可能である。また、実施例は波巻方式であるが、他の巻線方式（例えば集中巻、重ね巻や同心巻）についても適用可能である。また、内転型で説明を行っているが、外転型でも同様に適用可能である。

図８を用いて、本実施例による回転電機１０を搭載する車両の構成について説明する。図８は、四輪駆動を前提としたハイブリッド自動車のパワートレインである。前輪側の主動力として、エンジンＥＮＧと回転電機１０を有する。エンジンＥＮＧと回転電機１０の発生する動力は、変速機ＴＲにより変速され、前輪側駆動輪ＦＷに動力を伝えられる。また、後輪の駆動においては、後輪側に配置された回転電機１０と後輪側駆動輪ＲＷを機械的に接続され、動力が伝達される。

回転電機１０は、エンジンの始動を行い、また、車両の走行状態に応じて、駆動力の発生と、車両減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生を切り換える。回転電機１０の駆動，発電動作は、車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置ＩＮＶにより制御される。回転電機１０の駆動に必要な電力は、電力変換装置ＩＮＶを介してバッテリＢＡＴから供給される。また、回転電機１０が発電動作のときは、電力変換装置ＩＮＶを介してバッテリＢＡＴに電気エネルギーが充電される。

ここで、前輪側の動力源である回転電機１０は、エンジンＥＮＧと変速機ＴＲの間に配置されており、図１〜図７にて説明した構成を有するものである。後輪側の駆動力源である回転電機１０としては、同様のものを用いることもできるし、他の一般的な構成の回転電機を用いることもできる。なお、四輪駆動式以外のハイブリッド方式においても勿論適用可能である。

以上で説明したように、本発明によれば、絶縁性の優れた回転電機を提供することができる。

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、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
１１ 回転子
１２ 回転子鉄心
１３ 回転軸
１５ スロット
２０ 固定子
２１ 固定子鉄心
２８ セグメント導体
２８Ｃ 反溶接側コイルエンド頂点
２８Ｄ 導体斜行部
２８Ｅ 導体溶接部
２８Ｆ 導体斜行部
４１ 中性線
４２Ｕ Ｕ相のターミナル
４２Ｖ Ｖ相のターミナル
４２Ｗ Ｗ相のターミナル
５０ ハウジング
６０ 固定子コイル
６１ コイルエンド
６２ コイルエンド
１３０ 冷却ジャケット
１４４ 軸受
１４５ 軸受
１５３ 冷媒通路
１５４ 冷媒出口
１５５ 冷媒出口
２００ スロットライナー
２０３ 絶縁紙
２０５ 高粘度ワニス
２０６ 低粘度ワニス
６００ 滴下ノズル

Claims (7)

1. 固定子鉄心のスロット内にチキソ性のあるワニスがあり、
   前記スロット内の前記ワニスの粘度が、前記スロットに装着された固定子コイルのコイルエンドにおける前記ワニスの粘度より低い、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において、
   前記固定子コイルが、絶縁被膜により被覆された被覆部と、前記絶縁被膜が剥離された剥離部とを有するセグメント導体を備え、
   ２つの異なる前記セグメント導体の前記剥離部同士が、前記コイルエンドにて接続されて接続部を構成し、
   前記スロット内の前記ワニスの粘度が、前記接続部の前記ワニスの粘度より低い、回転電機の固定子。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機の固定子を備えた回転電機。
4. 固定子コイルのコイルエンドにワニスを塗布するコイルエンド塗布工程と、
   固定子鉄心のスロット内に前記ワニスを塗布するスロット内塗布工程とを有し、
   前記スロット内塗布工程における前記ワニスの粘度が、前記コイルエンド塗布工程における前記ワニスの粘度より低い、回転電機の固定子の製造方法。
5. 請求項４に記載の回転電機の固定子の製造方法において、
   前記スロット内塗布工程の前に、前記ワニスにせん断応力を加えるワニス攪拌工程を有する、回転電機の固定子の製造方法。
6. 請求項５に記載の回転電機の固定子の製造方法において、
   前記固定子コイルが絶縁被膜により被覆された被覆部と、前記絶縁被膜が剥離された剥離部と有するセグメント導体を備え、
   ２つの異なる前記セグメント導体の前記剥離部同士が、前記コイルエンドにて接続されて接続部を構成し、
   前記コイルエンド塗布工程にて前記接続部に前記ワニスを塗布し、
   前記スロット内塗布工程にて、前記セグメント導体と前記スロットの内壁との間に、前記ワニス攪拌工程を経た前記ワニスを塗布する、回転電機の固定子の製造方法。
7. 請求項４乃至６のいずれかに記載の回転電機の固定子を備える回転電機の製造方法。