JP2018126029A

JP2018126029A - 回転電機のステータ

Info

Publication number: JP2018126029A
Application number: JP2017018513A
Authority: JP
Inventors: 弘樹加藤; Hiroki Kato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: JP6938933B2

Abstract

【課題】回転電機のステータにおいて、絶縁性と剛性とを確保しながら、ステータコア内壁面との間にワニスが回りやすい絶縁紙を用いることである。【解決手段】回転電機のステータ１０は、円環状のバックヨーク１４、バックヨーク１４から内周側に突き出す複数のティース１６、及び、隣接するティース１６間の空間である複数のスロット１８を含むステータコア１２を備える。また、ステータコア１２のティース１６に巻回されるステータ巻線２０を備える。さらに、スロット１８の内壁面とステータ巻線２０との間に配置され、ステータコア１２の軸方向の一方側の端面１１側から他方側の端面１３側に斜行する溝がスロット１８の内壁面に対向する面にのみ設けられた絶縁紙３０を備える。そして、ステータコア１２、絶縁紙３０、及びステータ巻線２０の間に含浸されたワニス４０を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、回転電機のステータに係り、特に、ステータコアのスロット内に絶縁紙、ステータ巻線、及び、ワニスを含む回転電機のステータに関する。

回転電機のステータにおいて、ステータコアとステータ巻線との間の電気的絶縁性の確保のために、ステータコアのスロットには、ステータコアとステータ巻線との間に絶縁紙が配置される。そして、ステータ巻線の固定のために、ステータ巻線と絶縁紙とを含むスロットにワニスが含浸される。

特許文献１には、複数の小穴または斜め方向に多数の長孔状の開口部を設けた絶縁紙をステータコアのスロットに装着してステータ巻線を巻回する技術が開示されている。絶縁紙にはスロットの開口縁部を覆う折返しが形成され、小穴や長孔状の開口部は、スロットの開口縁部にかからないように、それよりも内側のスロット内壁面に対向する部分にのみ形成される。

特許文献２には、複数の小孔が開けられた絶縁紙を用い、ステータのコイルエンド部からワニスを滴下してスロット内の絶縁紙とステータ巻線との間にワニスを充填し、複数の小孔を介して絶縁紙とステータコアとの隙間にもワニスを供給することが開示されている。

特許文献３では、ワニスと平坦表面の絶縁紙との間の接着に関する引張強度が、ワニスとステータ巻線との間の接着に関する引張強度の半分に過ぎないことを指摘している。ここでは、２本のステータ巻線を１枚の絶縁紙が囲むように配置され、スロットにおいてステータ巻線と絶縁紙以外の領域にはワニスが充填されている構造について、絶縁紙の表裏両面においてワニスに対する接着面積を増加させるため表裏両面に凹凸を設けている。

特開２０００−０１２０６７号公報特開２００７−１６６７３１号公報特開２０１３−００９４９３号公報

ステータのスロット内壁面に沿って１つの絶縁紙を配置し、その絶縁紙を介してステータ巻線が巻回される構造において、ステータ巻線にワニスを滴下すると、どうしてもステータ内壁面と絶縁紙との間にワニスが回りにくい。そこで絶縁紙に貫通孔を開けると、ワニスはステータコアの内壁面に回りやすくなるが、貫通孔のためにステータコアとステータ巻線との間の絶縁性が低下する恐れがあり、また、絶縁紙の剛性が低くなりスロットへの組付性が低下する。そこで、ステータコアとステータ巻線との間の電気的絶縁性を確保し、組付性に影響する剛性も確保して、スロットの内壁面との間にワニスが回りやすい絶縁紙を用いた回転電機のステータが要望される。

本開示に係る回転電機のステータは、円環状のバックヨーク、バックヨークから内周側に突き出す複数のティース、及び、隣接するティース間の空間である複数のスロットを含むステータコアと、ステータコアのティースに巻回されるステータ巻線と、スロットの内壁面とステータ巻線との間に配置され、ステータコアの軸方向の一方側の端面側から他方側の端面側に斜行する溝がスロットの内壁面に対向する面にのみ設けられた絶縁紙と、ステータコア、絶縁紙、及びステータ巻線の間に含浸されたワニスと、を備える。

上記構成の回転電機のステータによれば、絶縁紙において、スロットの内壁面に対向する面にのみ溝を設ける。これによって、ステータコアとステータ巻線との間の電気的絶縁性を確保し、組付性に影響する剛性も確保でき、スロットの内壁面との間にワニスが回りやすくなる。

実施の形態に係る回転電機のステータを示す図である。図１における絶縁紙を抜き出して展開した図である。図３（ａ）は、図２の一部拡大図であり、（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

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。以下では、回転電機として、車両搭載用を述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載以外の用途であっても構わない。以下で述べる形状、寸法、ティース及びスロットの数、ステータ巻線の巻数、材質等は、説明のための例示であって、回転電機のステータの仕様に合わせ、適宜変更が可能である。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、回転電機のステータ１０の構成を示す図である。以下では、特に断らない限り、回転電機のステータ１０を、ステータ１０と呼ぶ。ステータ１０が用いられる回転電機は、車両に搭載される回転電機である。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、三相同期型の回転電機である。回転電機は、図１に示すステータ１０と、ステータ１０の内周側に所定の間隔を隔てて配置されるロータ（図示せず）とで構成される。

図１に、軸方向と径方向と周方向とを示す。軸方向は、ステータ１０の環状中心穴の中心軸ＣＬに沿った方向である。軸方向の両方向を区別するときは、一方側と他方側と呼ぶ。図１では、紙面の上方へ向かう方向を一方側とし、下方へ向かう方向を他方側とした。径方向は、軸方向に垂直な面内で中心軸ＣＬを通る放射状の方向であり、中心軸ＣＬ側に向かう方向が内周側であり、反対側が外周側である。周方向は、中心軸ＣＬを中心として円周方向に沿った方向である。

ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータ巻線２０とを含む。ステータコア１２は、ロータが配置される環状中心穴を有する磁性体部品で、円環状のバックヨーク１４とバックヨーク１４から内周側に突き出す複数のティース１６とを含む。隣接するティース１６の間の空間はスロット１８である。図１では、ティース１６の数とスロット１８の数は同数で、３の倍数である４８個であるが、その一部を図示した。

かかるステータコア１２は、バックヨーク１４とティース１６とを含み、スロット１８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所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板の両面には電気的な絶縁処理が施される。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である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、磁性粉末を一体化成形したものをステータコア１２としてもよい。軸方向に沿った一方側の端面１１と他方側の端面１３との間の寸法は、ステータコア１２の軸方向の高さＨである。

ステータ巻線２０は、三相の分布巻コイルで、１つの相巻線が複数のスロット１８に跨ってティース１６に巻回されて形成される。図１において、スロット１８に付したＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は、そのスロット１８に挿入される三相巻線の相を示す。各相巻線は、それぞれ２周ずつ分布巻されるので、その各周を区別して、Ｕ相巻線の場合はＵ１，Ｕ２とし、Ｖ相巻線の場合はＶ１，Ｖ２とし、Ｗ相巻線の場合はＷ１，Ｗ２とする。この構成の三相巻線においては、同じ相巻線は、６スロット間隔を離して異なるスロット１８の間に跨って巻回される。図１では、異なるスロット１８の間を接続する部分の図示を省略し、スロット１８内に配置される部分をステータ巻線２０として示す。

ステータ巻線２０は、径方向に沿って同じ相の導体線が複数の巻数で巻回される。図１の例では、巻数＝８である。これは説明のための例示であり、８巻以外の巻数であってもよい。ステータ巻線２０は、断面が矩形形状の平角線を導体素線とし、導体素線の周囲に絶縁皮膜を被覆した絶縁皮膜付き導体線である。平角線の矩形形状は、短辺の長さをａ、長辺の長さをｂとし、スロット１８内では、長辺を周方向に沿うようにして、径方向に沿って短辺側を並べる。平角線は、短辺側を曲げるエッジワイズ曲げによって異なるスロット１８の間を跨ぎ、所定のステータ巻線２０が形成される。かかる絶縁皮膜付き導体線の導体素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等が用いられる。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。

絶縁紙３０は、ステータコア１２とステータ巻線２０との間を電気的に絶縁する絶縁体である。絶縁紙３０は、幅がステータコア１２の軸方向の高さＨと同じかやや長めの１枚の絶縁シートをスロット１８の内壁面に沿って曲げて形成される。１枚の絶縁シートの長手方向の両端面は、スロット１８の内周側において互いに少し開口を開けて合わされる。かかる絶縁紙３０を形成する絶縁シートとしては、プラスチックシートが用いられる。プラスチックシートの材質としては、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。

ワニス４０は、ステータコア１２、絶縁紙３０、及びステータ巻線２０の間に含浸された絶縁樹脂である。ワニス４０は、常温では粘性の小さい液状で、ステータ巻線２０の隣接する導体線の間の隙間、ステータ巻線２０の外周面と絶縁紙３０との間の隙間、絶縁紙３０とスロット１８の内壁面との間の隙間にそれぞれ浸透し、その後固化する。これによって、スロット１８の内壁面、絶縁紙３０、ステータ巻線２０との間をそれぞれ固定する。かかるワニス４０としては、エポキシ樹脂系、耐熱アルキド樹脂系、不飽和ポリエステル樹脂系等の樹脂が用いられる。

ワニス４０をスロット１８の内壁面、絶縁紙３０、ステータ巻線２０との間に含浸させる方法としては、絶縁紙３０を介してステータコア１２にステータ巻線２０が巻回された状態で、コイルエンド側からワニス４０を滴下する。コイルエンドとは、ステータ巻線２０がステータコア１２の異なるスロット１８に跨って巻回されるときに、ステータコア１２の軸方向の一方側の端面１１及び他方側の端面１３からそれぞれ突出た部分である（図１では図示を省略した）。

絶縁紙３０には、スロット１８の内壁面に対向する面４２に、斜行する溝５０が設けられる。この溝５０は、ワニス４０がスロット１８の内壁面と絶縁紙３０との間に含浸しやすいように設けられる。絶縁紙３０に設けられる溝５０の詳細について、図２、図３を用いて説明する。

図２は、１つのスロット１８に配置される１つの絶縁紙３０を抜き出して展開した状態を示す図である。図２（ａ）は、図１の斜視図で示されるステータコア１２の一方側の端面１１側から見た絶縁紙３０を示す図である。二点鎖線でステータ巻線２０を示す。（ｂ）は、（ａ）の状態の絶縁紙３０について、スロット１８の内壁面に対向する面４２を紙面の手前側として視認できるように展開した図である。（ａ）と（ｂ）の間の展開関係を二点鎖線で示す。（ｂ）において、絶縁紙３０の紙面の向こう側の面は、ステータ巻線２０に向い合う面である。

図２（ｂ）に示される展開した絶縁紙３０において、幅方向は、ステータ１０の軸方向に沿った方向で、長手方向は展開された方向で、幅方向に垂直な方向である。絶縁紙３０がスロット１８に配置された状態では、絶縁紙３０の幅方向の一方側の辺３１はステータコア１２の一方側の端面１１に対応し、絶縁紙３０の幅方向の他方側の辺３３は、ステータコア１２の他方側の端面１３に、それぞれ対応する。

溝５０は、絶縁紙３０において、幅方向の一方側の辺３１と、他方側の辺３３との間で斜行し、少なくともいずれかの辺で開口する凹溝である。換言すれば、絶縁紙３０の幅方向の長さをステータコア１２の高さＨと同じとして、絶縁紙３０がスロット１８に配置されたとき、溝５０は、ステータコア１２の軸方向の一方側の端面１１側と他方側の端面１３側との間で斜行する凹溝である。溝５０は、絶縁紙３０のステータコア１２のスロット１８の内壁面に対向する面４２にのみ設けられ、面４２の反対側の面であるステータ巻線２０に向い合う面には設けられない。これにより、絶縁紙３０の両面に溝５０を設ける場合に比較し、絶縁紙３０の剛性が上がり、絶縁紙３０をステータコア１２のスロット１８に配置し、ステータ巻線２０を巻回する作業性や組立性等が向上する。

図３は、溝５０の斜行状態の詳細を示す図である。図３（ａ）は、図２（ｂ）において、長さ（６ａ）として示す部分の拡大図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。Ｂ−Ｂ線は、絶縁紙３０の幅方向の長さＨの中間点を通り、絶縁紙３０の幅方向に平行な線である。

図３を用いて、溝５０の斜行角度θ、絶縁紙３０の厚さｔ₀に対する溝深さｔ₁、絶縁紙３０の長手方向に沿った溝５０のピッチｃ、溝幅ｄの設定について説明する。これらは、絶縁紙３０の剛性、溝５０に対するワニス４０の含浸性を考慮して設定される。

溝深さｔ₁は、浅すぎるとワニス４０が絶縁紙３０の一方側の辺３１側と他方側の辺３３側との間における浸透が不十分になり、深すぎると、絶縁紙３０の剛性が低下する。そのバランスで（ｔ₁／ｔ₀）を設定する。一例を挙げると、ｔ₀＝０．１ｍｍ程度として、（ｔ₁／ｔ₀）を約０．３から０．５の範囲で設定する。

溝５０の斜行角度θは、Ｂ−Ｂ線に対する溝５０の傾斜角度である。斜行角度θは、１本の溝５０に含浸されたワニス４０が絶縁紙３０を介して接するステータ巻線２０の数Ｎによって設定される。図３（ａ）を参照すると、ｔａｎ^-1θ＝（Ｈ／ａ）のときは、１≦Ｎ≦２で、ｔａｎ^-1θ＝（Ｈ／２ａ）のときは、２≦Ｎ≦３で、ｔａｎ^-1θ＝（Ｈ／３ａ）のときは、３≦Ｎ≦４となることが分かる。１本の溝５０が絶縁紙３０を介して複数のステータ巻線２０に接することが好ましいので、Ｎ≧２とすることがよい。図２、図３ではＮ＝２の例を示す。

溝５０のピッチｃは、ステータ巻線２０の１巻当りの溝５０の数Ｍを定める。図３（ａ）を参照すると、ｃ＝ａのときは、１≦Ｍ≦２で、ｃ＝２ａのときは、０．５≦Ｍ≦１で、ｃ＝０．５ａのときは、２≦Ｍ≦４となることが分かる。１巻当り少なくとも1つの溝５０が対応することが好ましいので、ｃ≦ａとすることがよい。図２、図3ではｃ＝ａの場合を示す。

溝幅ｄは、溝深さｔ₁と同様に、狭すぎるとワニス４０が一方側の辺３１側と他方側の辺３３側との間における浸透が不十分になり、広すぎると、絶縁紙３０の剛性が低下する。そのバランスで（ｄ／ｃ）を設定する。一例を挙げると、（ｄ／ｃ）＜（１／２）とする。図２、図３では、（ｄ／ｃ）＝（１／３）の例を示す。

上記の数値等は、設定指針の説明のための例示であって、絶縁紙３０の材質、厚さｔ₀、ステータコア１２の高さＨ、ワニス４０の粘度等によって適宜変更が可能である。

上記では、ステータ巻線２０を分布巻としたが、これは説明のための例示であって、集中巻であってもよい。集中巻において、平角線のエッジワイズ巻を行うときは、集中巻における平角線の短辺の長さａを、図３のａと同様に考えることができる。上記では、導体線を平角線としたが、場合によっては楕円断面や円形断面の導体線を用いてもよい。楕円断面の導体線の場合は、短径の長さを図３のａと同様に考えることができる。円形断面の導体線の場合は、円形の直径を図３のａと同様に考えることができる。

本実施の形態に係る回転電機のステータ１０は、円環状のバックヨーク１４、バックヨーク１４から内周側に突き出す複数のティース１６、及び、隣接するティース１６間の空間である複数のスロット１８を含むステータコア１２を備える。また、ステータコア１２のティース１６に巻回されるステータ巻線２０を備える。さらに、スロット１８の内壁面とステータ巻線２０との間に配置され、ステータコア１２の軸方向の一方側の端面１１側から他方側の端面１３側に斜行する溝５０がスロット１８の内壁面に対向する面４２にのみ設けられた絶縁紙３０を備える。そして、ステータコア１２、絶縁紙３０、及びステータ巻線２０の間に含浸されたワニス４０を備える。

上記構成の転電機のステータ１０によれば、絶縁紙３０のステータコア１２のスロット１８の内壁面に対向する面４２にのみに溝５０を設けるので、ステータコア１２とステータ巻線２０との絶縁性を確保できる。さらに、組付性に影響する剛性も確保でき、スロット１８の内壁面との間にワニス４０が回りやすくなる。

１０（回転電機の）ステータ、１１一方側の端面、１２ステータコア、１３他方側の端面、１４バックヨーク、１６ティース、１８スロット、２０ステータ巻線、３０絶縁紙、３１一方側の辺、３３他方側の辺、４０ワニス、４２（スロットの内壁面に対向する）面、５０溝。

Claims

円環状のバックヨーク、前記バックヨークから内周側に突き出す複数のティース、及び、隣接する前記ティース間の空間である複数のスロットを含むステータコアと、
前記ステータコアの前記ティースに巻回されるステータ巻線と、
前記スロットの内壁面と前記ステータ巻線との間に配置され、前記ステータコアの軸方向の一方側の端面側から他方側の端面側に斜行する溝が前記スロットの内壁面に対向する面にのみ設けられた絶縁紙と、
前記ステータコア、前記絶縁紙、及び前記ステータ巻線の間に含浸されたワニスと、
を備える、回転電機のステータ。