JP2017079563A - 回転電機用ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】セグメントコイルを構成するセグメント導体の脚部を曲げる際に曲がり部の径方向位置ずれを抑制できる回転電機用ステータを提供する。
【解決手段】回転電機用ステータは、ステータコア１２と、複数のセグメントコイル３０からなるステータコイル２０と、ステータカフサ４０とを備える。複数のセグメントコイル３０は、ステータコア１２の軸方向一端のスロット開口部から突出した脚部が曲げられた状態で互いに接続されている複数のセグメント導体によって構成される。ステータカフサ４０は、複数のステータティース１４上で延びる複数のカフサティース４３を有する。カフサティース４３の表面には、セグメント導体の脚部における曲がり部３８の径方向側面に当接する突起４６ａが設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機用ステータに関し、特に、セグメントコイルが巻装された回転電機用ステータに関する。

従来、下記特許文献１には、複数のセグメント導体を接続して構成されるセグメントコイルが巻装される回転電機のステータにおいて、ステータコアのティースの軸方向一端面に樹脂製の絶縁部材を配置し、スロットから軸方向外側に延出したセグメント導体の脚部を曲げる際にその曲がり部が積層鋼板からなるステータコアのスロット開口部の角部ではなく上記絶縁部材に当接するようにして、セグメント導体の絶縁皮膜が破損しないようにすることが記載されている。

特開２００７−３１２５４９号公報

上記特許文献１においてステータコアのティース上に配置される絶縁部材の軸方向外側の表面は、径方向に平らに形成されている。そのため、スロットに軸方向一方から挿通されて軸方向他方から突出したセグメント導体の脚部を曲げる際、その脚部に捩じり力が作用することによって曲がり部が上記絶縁部材上で径方向に滑ってずれることがある。その場合、セグメント導体の曲がり部が径方向に隣り合う他のセグメント導体と接近または接触して所望の隙間が確保されず、ワニスが含浸されない箇所が生じることがある。

本発明の目的は、セグメントコイルを構成するセグメント導体の脚部を曲げる際に曲がり部の径方向位置ずれを抑制できる回転電機用ステータを提供することである。

本発明に係る回転電機用ステータは、円環状のヨーク、前記ヨークの内周面の周方向複数位置から径方向に突出する複数のステータティース、及び、隣り合う前記ステータティースの間に形成された複数のスロットを有するステータコアと、前記ステータコアの軸方向一端面に配置されたステータカフサと、前記複数のステータティースに巻回された複数のセグメントコイルを含むステータコイルと、を備え、前記複数のセグメントコイルは、前記ステータコアの軸方向一端のスロット開口部から突出した脚部が曲げられた状態で互いに接続されている複数のセグメント導体によって構成され、前記ステータカフサは、前記ヨーク上に配置される外側環状部と、前記ティースの内径側端部上に配置される内側環状部と、前記外側環状部と前記内側環状部とに連結されて前記複数のステータティース上で延びる複数のカフサティースとを有し、前記カフサティースの表面には、前記セグメント導体の脚部における曲がり部の径方向側面に当接する突起が設けら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、セグメント導体の脚部における曲がり部の径方向側面に当接する突起がカフサティースの表面に設けられているため、上記脚部を曲げる（特に捩じり曲げる）際に曲がり部がカフサティース上で径方向にずれるのを抑制できる。これにより、径方向に隣り合う曲がり部間の隙間を維持でき、例えばワニスを曲がり部間の隙間に確実に浸透させて固定することができる。

一実施形態である回転電機用ステータの斜視図である。 セグメント導体の斜視図である。 （ａ）は本実施形態で用いられるステータカフサの周方向の一部斜視図であり、（ｂ）は比較例のステータカフサの周方向の一部斜視図である。 ステータの軸方向一端の部分断面図である。 図４中の矢印Ａ方向から見たステータの部分側面図である。 図４におけるＢ−Ｂ断面図である。

以下に、本発明に係る実施の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。

以下に説明する回転電機用ステータは、回転軸に固定されたロータと組み合わせて回転電機を構成する。回転電機は、モータまたは発電機、またはモータ及び発電機の両方の機能を有するモータジェネレータとして用いられる。

図１は、本実施形態の回転電機ステータ１０を示す斜視図である。図２は、セグメント導体３１の斜視図である。以下において回転電機用ステータ１０を単にステータ１０という。

ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータカフサ４０と、３相の連結コイル体であるＵ相連結コイル体２０ｕ、Ｖ相連結コイル体２０ｖ、及びＷ相連結コイル体２０ｗとを備える。３相の連結コイル体２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、全体で３相コイル集合体としてのステータコイル２０を構成する。

ステータコア１２は、円板状の磁性材である電磁鋼板を複数枚、軸方向に積層することにより形成される。ステータコア１２は、円環状のヨーク１３と、ヨーク１３の内周面の周方向複数位置から径方向に突出する複数のステータティース１４とを有する。ステータコア１２は、隣り合うステータティース１４の間に形成された複数のスロット１５を有する。ステータコア１２は、樹脂バインダを含む磁性材である磁性粉末を加圧成形することにより形成されてもよい。ここで、「軸方向」とはステータ１０の中心軸Ｏに沿った方向をいい、「周方向」とはステータ１０の中心軸Ｏを中心とする円周方向をいい、「径方向」とは中心軸Ｏに対して直交する放射方向をいう。

ステータカフサ４０は、ステータコア１２の軸方向一端面（図１の上端面）に配置される。図１では、ステータカフサ４０を周方向の一部のみを示している。図１では、ステータ１０を、実際の使用状態とは９０度異なる向きとして、中心軸Ｏが上下方向に向いた状態で示している。ステータカフサ４０は、後述するセグメントコイル３０を構成するセグメント導体３１の曲げ成形作業の補助のために用いられる。ステータカフサ４０については、後に詳述する。

ステータコイルを構成するＵ相連結コイル体２０ｕ、Ｖ相連結コイル体２０ｖ、及びＷ相連結コイル体２０ｗは、それぞれ、図２に示すセグメント導体３１によって形成されている。セグメント導体３１は、略Ｕ字状をなし、互いに平行な２つの脚部３２と、各脚部３２の一端を山形に連結する連結部３３とを有する。セグメント導体３１は、断面矩形の平角状である導体素線３４の周囲が絶縁皮膜３５で被覆されている。ただし、セグメント導体３１の各脚部３２の先端部は、２つのセグメント導体３１同士を溶接して電気的に接続させるために絶縁皮膜３５が剥がれて導体素線３４が露出している。

セグメント導体３１は、ステータコア１２の軸方向一方側（図１の下側）から、複数個が径方向に並んだ状態で２つのスロット１５に挿入される。ここで、本実施形態のステータ１０では、セグメント導体３１の２本の脚部３２が挿入される２つのスロット１５は、周方向に隣り合う２つのスロット１５ではなく、周方向に所定数のスロット１５を隔てた２つのスロット１５である。

ステータコア１２のスロット１５内に径方向に並んだ状態で挿入および配置されたセグメント導体３１の各脚部３２の先端側部分は、ステータコア１２の軸方向他方側のスロット開口部から突出した状態になる。そして、図１及び図５に示すように、各脚部３２の突出した先端側部分は、互いに近づく方向に、軸方向に対し傾斜するように曲げ形成される。また、セグメント導体３１の曲げ形成された脚部３２の先端部は、軸方向に沿って延びるようにさらに曲げ形成される。そして、複数のセグメント導体３１において、径方向に隣り合う同じ相のセグメント導体３１の軸方向に延びる先端部が、ＴＩＧ溶接などの溶接で接合されて接続される。これによって、複数のセグメント導体３１は、ステータコア１２の軸方向一端よりも外側に突出する部分が曲げられて互いに接続される。セグメント導体３１を曲げ形成する場合、後述のステータカフサ４０が用いられる。

上記のようにしてセグメント導体３１を曲げ形成および溶接することによって複数のステータティース１４にまたがって巻回されたセグメントコイル３０が形成される。そして、Ｕ相用のセグメントコイル同士が図示しないバスバーによって接続されて環状のＵ相連結コイル体２０ｕが構成される。Ｖ相連結コイル体２０ｖ及びＷ相連結コイル体２０ｗについても同様に、複数のセグメント導体をコイル状に接続してなるセグメントコイル３０を図示しないバスバーによってそれぞれ環状に接続して構成される。

Ｖ相連結コイル体２０ｖは、Ｕ相連結コイル体２０ｕに対して周方向に２つのスロット分だけずれた位置に巻装される。また、Ｗ相連結コイル体２０ｗは、Ｖ相連結コイル体２０ｖに対して周方向にさらに２のスロット分だけずれた位置に巻装される。図１に示すように、本実施形態では、周方向に隣り合う２つのスロット１５に同相のセグメントコイル３０が配置されている例が示されている。

Ｕ相連結コイル体２０ｕ、Ｖ相連結コイル体２０ｖ及びＷ相連結コイル体２０ｗの各一端部は互いに電気的に接続されて、中性点を構成する。他方、Ｕ相連結コイル体２０ｕ、Ｖ相連結コイル体２０ｖ及びＷ相連結コイル体２０ｗの各他端部は、図１に示すように、軸方向他方側のコイルエンド３６から径方向外側に突出して設けられたＵ相引き出し線部２３ｕ、Ｖ相引き出し線部２３ｖ及びＷ相引き出し線部２３ｗにそれぞれ図示しないバスバーを介して電気的に接続されている。これらの各相の引き出し線部２３ｕ，２３ｖ，２３ｗを介してステータコイル２０に電力の授受が行われる。

このような複数相の連結コイル体２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが互いに電気的に接続されて、ステータコイル２０が構成される。ステータコイル２０は、ステータコア１２の軸方向両端から環状をなして突出する２つのコイルエンド３６，３７を備える。ステータコイル２０は、後述するようにステータコア１２にワニスで固定される。

次に、図３から図６を参照して、ステータカフサ４０について説明する。図３（ａ）は本実施形態で用いられるステータカフサ４０の周方向の一部斜視図であり、図３（ｂ）は比較例のステータカフサの周方向の一部斜視図である。図４は、ステータ１０の軸方向一端の部分断面図である。また、図５は、図４中の矢印Ａ方向から見たステータ１０の部分側面図である。さらに、図６は、図４におけるＢ−Ｂ断面図である。

図３（ａ）に示すように、本実施形態のステータ１０で用いられるステータカフサ４０は、外側環状部４１と、内側環状部４２と、複数のカフサティース４３とを備える。ステータカフサ４０は、例えば、絶縁性材料によって形成されるのが好ましく、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの樹脂によって一体成形することができる。また、ステータカフサ４０は、ステータコア１２の軸方向一方側だけ、すなわち、ステータコイル２０を構成するセグメント導体３１の脚部３２が互いに接合される側だけに設けられている。

外側環状部４１は、図１に示すように、円環状に形成され、ステータコア１２のヨーク１３上に配置される。内側環状部４２は、外側環状部４１と比べて小径の円環状に形成され、ステータコア１２の軸方向端面において各ステータティース１４の内径側端部上に配置されている。この場合、内側環状部４２は、ステータティース１４の先端部から内径側にはみ出さない程度の内径寸法に形成されるのが好ましい。これは、ステータ１０の内側に図示しないロータを配置する際に、ステータカフサ４０がロータに干渉しないようにする等のためである。

複数のカフサティース４３は、外側環状部４１と内側環状部４２とに連結されて、ステータコア１２のステータティース１４上で径方向に延びている。各カフサティース４３は、略直方体状に形成されているが、外径側から内径側にいくにしたがって若干先細りとなる形状に形成されている。これにより、各カフサティース４３の間には、略長方形状の孔４４が形成されている。この孔４４は、ステータコア１２のスロット１５が軸方向に開口した開口部と略一致する大きさ及び形状に形成されている。これにより、軸方向一方側からスロット１５内に挿入されたセグメント導体３１の脚部３２がステータカフサ４０の各孔４４から軸方向外側へ突出して延伸することが可能になっている。

各カフサティース４３には、ステータコイル２０の製造時に、セグメントコイル３０を構成するセグメント導体３１の脚部３２が接触して曲げられる。複数のカフサティース４３は、ステータコア１２の軸方向一端よりも外側に突出して曲げられる脚部３２の曲げ方向内側に配置される。このようなステータカフサ４０によって、セグメント導体３１の曲げ形成時に曲がり部３８の位置が規制され、２つのコイルエンド３６，３７の一方のコイルエンド３６の軸方向高さが所望値に精度よく規制される。

また、矩形状をなすカフサティース４３の断面において軸方向外側で且つ周方向両側に位置する角部４３ａ，４３ｂは、略円弧状の湾曲した表面をなすように形成されている。このようにカフサティース４３が円弧状の角部４３ａ，４３ｂを有することで、セグメント導体３１の脚部３２が曲げられるときにカフサティース４３に当接しても脚部３２の絶縁皮膜３５が損傷するのを抑制することができる。

カフサティース４３の図示しない下面、すなわちステータコア１２に対向する表面は、ステータコア１２の軸方向一端面を構成するステータティース１４上に接触して配置されている。これに対し、カフサティース４３の上面、すなわちステータコア１２とは反対側の表面には、複数の突起４６ａ，４６ｂが形成されている。本実施形態では、周方向一方側に４つの突起４６ａが形成され、周方向他方側に３つの突起４６ｂが形成されている例が示される。

各突起４６ａ，４６ｂは、スロット１５の開口部から軸方向外側に突出したセグメント導体３１の脚部３２を曲げ形成する際にその曲がり部の径方向内側の側面に当接することによって径方向への位置ずれを規制する機能を有する。なお、比較例として図３（ｂ）に示すステータカフサ４０Ａでは、カフサティース４３の軸方向外側の表面が径方向に平らに形成されており、上記のような突起４６ａ，４６ｂは設けられていない。このような比較例のステータカフサ４０Ａでは、セグメント導体３１の脚部３２を曲げるときにカフサティース４３上で曲がり部３８が径方向に滑って移動可能であるため、曲がり部３８の径方向位置が安定しない。

図３（ａ）に示すように、カフサティース４３において周方向一方側の角部４３ａに沿って形成されている突起４６ａは、径方向に所定の間隔を空けて並んだ状態に配置されている。これに対し、カフサティース４３において周方向他方側の角部４３ｂに沿って形成されている突起４６ｂは、突起４６ａとは径方向がずれた位置で所定の間隔を空けて並んだ状態に配置されている。このように突起４６ａ，４６ｂの径方向位置をずらしているのでは、突起４６ａが臨んでいる孔４４から延出するセグメント導体３１の脚部３２の曲げ方向と、突起４６ｂが臨んでいる孔４４から延出するセグメント導体３１の脚部３２の曲げ方向が、周方向に対して傾斜して互いに異なっていることに対応させたものである。また、突起４６ａ，４６ｂの径方向側面は、ステータカフサ４０の内周寄りでは周方向に沿って形成され、外周寄りでは周方向に対して外周側に傾斜して形成されている。このように外周寄りの突起４６ａ，４６ｂの径方向側面を傾斜させていることで、セグメント導体３１の脚部３２を径方向外側に捩じって曲げる方向に沿った径方向側面になっている。突起４６ａと突起４６ｂの各径方向側面は、カフサティース４３の周方向中心位置に向かって径方向外側位置となるようにそれぞれ傾斜している。

ここで、突起４６ａ，４６ｂ間に形成される径方向の間隔は、セグメント導体３１の脚部３２の厚みに略対応した寸法に設定さている。これにより、図４に示すように、曲げ形成されるセグメント導体３１の脚部３２の曲がり部３８が各突起４６ａ間に嵌まり込んで状態になっており、曲がり部３８の径方向側面が突起４６ａ，４６ｂに当接するようになっている。そのため、セグメント導体３１の脚部３２に曲げ加工が施される際に、曲がり部３８の径方向への移動が規制される。したがって、脚部３２の曲がり部がカフサティース４３上で径方向にずれるのを抑制できる。その結果、図６に示すように、径方向に隣り合う曲がり部間の隙間を維持でき、例えばワニスを曲がり部間の隙間に確実に浸透させることができる。

特に、図４及び図６を参照すると、径方向外側に位置するセグメント導体３１の脚部３２は、単に周方向に曲げられるのではなく、捩じり曲げられると共に径方向外側へ膨出するように曲げ形成される。そのため、この曲げ形成の際に脚部３２の曲がり部３８には径方向内側へ移動しようとする力が作用する。しかし、本実施形態ではカフサティース４３の突起４６ａ，４６ｂが脚部３２の径方向内側の側面に当接することによって曲がり部３８が径方向内側に移動するのを規制する。したがって、カフサティース４３に形成された突起４６ａ，４６ｂは、上記のように捩じり曲げられる径方向外側の曲がり部３８の位置ずれを規制するのに特に効果的である。

上記のようにして各セグメント導体３１の脚部３２が曲げ形成された後、脚部３２の先端同士が溶接によって接続されて、ステータコイル２０が形成されることは上述した通りである。その後、ステータコイル２０はステータコア１２にワニスによって固定される。ステータコア１２に対するステータコイル２０の固定において、ステータコア１２は、軸方向を上下方向に一致させ、２つのコイルエンド３６，３７の一方のコイルエンド３６を上側に配置する。そしてこの状態で、上方からワニスを流し落とす。このとき、ステータカフサ４０の周方向複数位置の上方からワニスを流し落とすのが好ましい。

このようなワニスを流し落とすことによって、ステータコイル２０の軸方向一方側にワニスが含浸される。その後、ステータコア１２の上下を反転させて、他方のコイルエンドを上側に配置した状態で上方からワニスを同様に流し落とす。これによって、ステータコイル２０の軸方向他方側にワニスが含浸される。

このようにしてワニスを含浸させる際、コイルエンド３６を構成するセグメント導体３１の脚部３２の曲がり部３８間には、カフサティース４３に形成した突起４６ａ，４６ｂによって適当な隙間が形成された状態に維持される。したがって、ワニスが曲がり部３８間にも確実に浸透して、曲がり部３８をステータカフサ４０に固定することができる。

その後、ワニスを含浸させたステータ１０は、図示しない保温装置でステータコイル２０を保温することによりワニスを硬化させる。これによって、ステータコア１２に、ステータコイル２０とステータカフサ４０とがワニスによって固定されて、ステータ１０が形成される。

上述したように、本実施形態のステータ１０によれば、セグメント導体３１の脚部３２における曲がり部３８の径方向側面に当接する突起４６ａ，４６ｂがカフサティース４３の表面に設けられているため、上記脚部３２を曲げる際に曲がり部３８がカフサティース４３上で径方向にずれるのを抑制できる。これにより、径方向に隣り合う曲がり部３８間の隙間を維持でき、例えばワニスを曲がり部間の隙間に確実に浸透させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態及びその変形例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及びその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。

例えば、上記においてはステータカフサ４０のカフサティース４３の表面に突起４６ａ，４６ｂを形成すると説明したが、これに限定されるものではなく、カフサティース４３の表面に曲がり部が嵌まり込む凹部または溝を形成してもよい。この場合、凹部または溝の間に位置する部分が、本発明における「突起」に相当する。

１０ 回転電機ステータ、１２ ステータコア、１３ ヨーク、１４ ステータティース、１５ スロット、２０ ステータコイル、２０ｕ Ｕ相連結コイル体、２０ｖ Ｖ相連結コイル体、２０ｗ Ｗ相連結コイル体、２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ 引き出し線部、３０ セグメントコイル、３１ セグメント導体、３２ 脚部、３３ 連結部、３４ 導体素線、３５ 絶縁皮膜、３６，３７ コイルエンド、３８ 曲がり部、４０，４０Ａ ステータカフサ、４１ 外側環状部、４２ 内側環状部、４３ カフサティース、４３ａ，４３ｂ 角部、４４ 孔、４６ａ，４６ｂ 突起、Ｏ 中心軸。

Claims (1)

1. 円環状のヨーク、前記ヨークの内周面の周方向複数位置から径方向に突出する複数のステータティース、及び、隣り合う前記ステータティースの間に形成された複数のスロットを有するステータコアと、
   前記ステータコアの軸方向一端面に配置されたステータカフサと、
   前記複数のステータティースに巻回された複数のセグメントコイルを含むステータコイルと、を備え、
   前記複数のセグメントコイルは、前記ステータコアの軸方向一端のスロット開口部から突出した脚部が曲げられた状態で互いに接続されている複数のセグメント導体によって構成され、
   前記ステータカフサは、前記ヨーク上に配置される外側環状部と、前記ティースの内径側端部上に配置される内側環状部と、前記外側環状部と前記内側環状部とに連結されて前記複数のステータティース上で延びる複数のカフサティースとを有し、前記カフサティースの表面には、前記セグメント導体の脚部における曲がり部の径方向側面に当接する突起が設けられている、
   回転電機用ステータ。

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