JP2019041454A - 回転電機用インシュレータ及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線高さを低減することにより、ステータの軸方向長を削減し、回転電機の小型化を図る。
【解決手段】インシュレータ１０は、ティース７の外周面を覆うインシュレータ本体２２と、インシュレータ本体２２の径方向両端の周縁に形成された内側フランジ２３と、外側フランジ２４を有する。インシュレータ本体２２の外周側には、内側フランジ２３と外側フランジ２４に囲まれる形でコイル収容凹部２５が形成される。外側フランジ２４の軸方向両端部２４ａ近傍には、径方向外側に向かって延設部２１が突設されている。外側フランジ２４には、延設部２１の両端に臨んで切欠部２６が形成されている。コイル８の最終層２７、切欠部２６を介して、コイル収容凹部２５側から延設部２１に巻き付けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機のステータコアに装着される絶縁用のインシュレータに関し、特に、外径が軸方向長に対して大きい扁平仕様の回転電機に適用して有効なインシュレータ及びそれを用いた回転電機に関する。

一般にインナーロータ型のブラシレスモータ（回転電機）では、コイルが巻装されたステータの内側にロータが回転自在に配置される。また、ステータ側には、ステータコアとコイルとの間を絶縁する部品としてインシュレータが取り付けられ、図６に示すように、コイル５１は、インシュレータ５２を介して、ステータコア５３のティース５４に巻装される。ティース５４に巻装されたコイル５１は、隣接するティース５４間に形成されるスロット５５に収容される。その際、スロット５５は、図６（ａ）に示すように、径方向外側に向かって拡大するため、コイル５１が巻装可能なスペースも外側ほど大きくなる。そこで、径方向外側ほどコイル５１を多く巻回し、出力の向上を図るのが通例である。

特開２０００−８３３４０号公報

ところが、図６のように径方向外側の巻回層数を多くすると、最外層に位置する最終層５６は、巻線ターン数は少ないものの、径方向内側より層数が多くなる（図中、最も径方向外側は５層）。すると、層数が増えている分、巻線高さＨｗが増大し、ステータの軸方向長Ｌｓがその分長くなり、モータの軸方向長（以下、モータ長と略記する）Ｌｍが大きくなるという問題があった。

特に、モータの外径が軸方向長に対して大きい扁平型モータでは、ステータコアの軸方向長（以下、ステータコア長と略記する）Ｌｃが小さく、ステータコア長Ｌｃに対して巻線高さＨｗの割合が大きくなるため、巻線高さＨｗがモータ長に与える影響が大きくなる。扁平型モータは、エンジンのスタータ・ジェネレータに用いられることも多く、その場合、エンジン横の限られたスペースに配置されるため、モータの小型化（特に、モータ長の削減）が求められる。しかしながら、径方向外側の巻回層数を多くすると、巻線高さＨｗが大きくなり、前述のように、モータ長に影響を与えてしまうという課題があった。

なお、コイル線径を小さくして、ターン数を増やす形とすれば、最外層のコイル線径も小さくなるため、出力を確保しつつ、最終層コイルがモータ長に与える影響を小さくできる。しかし、その場合、巻線抵抗が大きくなるため、高回転時の出力が低下するという新たな問題が生じる。

本発明の目的は、巻線高さを低減することにより、ステータの軸方向長を削減し、回転電機の小型化を図ることにある。

本発明のインシュレータは、リング状のバックコア部と、該バックコア部から径方向内側に向かって放射状に突設されたティースと、を備えたステータコアを有する回転電機において、前記ステータコアとコイルとの間に配置され、前記コイルと前記ステータコアとの間を電気的に絶縁するインシュレータであって、前記ティースに装着され、該ティースの外周面を覆うインシュレータ本体と、前記インシュレータ本体の径方向内側の周縁に形成された内側フランジと、前記インシュレータ本体の径方向外側の周縁に形成された外側フランジと、前記インシュレータ本体の外周側に、前記内側フランジと前記外側フランジに囲まれる形で形成され、前記コイルが複数層重なった状態で巻装される第１コイル巻装部と、前記外側フランジの軸方向両端部近傍に径方向外側に向かって突設され、当該ティースに巻装される前記コイルの最終層が巻装される第２コイル巻装部と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、インシュレータの径方向外側に第２コイル巻装部を突設し、コイルの最終層をこの第２コイル巻装部に巻き付ける。これにより、第１コイル巻装部における軸方向のコイルの巻回層数が１巻き分少なくなり、巻線高さがコイルの線径分だけ小さく抑えられる。したがって、ステータの軸方向長がコイル線径の２倍分小さくなり、当該インシュレータを用いることにより、回転電機の軸方向長も削減される。

前記インシュレータにおいて、前記外側フランジに、前記第２コイル巻装部の両端に臨んで切欠部を形成し、前記コイルの最終層を、一方の前記切欠部を介して前記第１コイル巻装部側から引き出し、前記第２コイル巻装部を通った後、他方の前記切欠部から第１コイル巻装部側に案内するようにしても良い。

本発明の回転電機は、リング状のバックコア部と、該バックコア部から径方向内側に向かって放射状に突設されたティースと、を備えたステータコアと、前記ステータコアとコイルとの間に配置され、前記コイルと前記ステータコアとの間を電気的に絶縁するインシュレータと、を有する回転電機であって、前記インシュレータは、前記ティースに装着され、該ティースの外周面を覆うインシュレータ本体と、前記インシュレータ本体の径方向内側の周縁に形成された内側フランジと、前記インシュレータ本体の径方向外側の周縁に形成された外側フランジと、前記インシュレータ本体の外周側に、前記内側フランジと前記外側フランジに囲まれる形で形成され、前記コイルが複数層重なった状態で巻装される第１コイル巻装部と、前記外側フランジの軸方向両端部近傍に径方向外側に向かって突設され、当該ティースに巻装される前記コイルの最終層が巻装される第２コイル巻装部と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、インシュレータの径方向外側に第２コイル巻装部を突設し、コイルの最終層をこの第２コイル巻装部に巻き付ける。これにより、第１コイル巻装部における軸方向のコイルの巻回層数が１巻き分少なくなり、巻線高さがコイルの線径分だけ小さく抑えられる。したがって、ステータの軸方向長がコイル線径の２倍分小さくなり、その分、回転電機の軸方向長も削減される。

前記回転電機において、前記外側フランジに、前記第２コイル巻装部の両端に臨んで切欠部を形成し、前記コイルの最終層を、一方の前記切欠部を介して前記第１コイル巻装部側から引き出し、前記第２コイル巻装部を通った後、他方の前記切欠部から第１コイル巻装部側に案内するようにしても良い。

本発明のインシュレータによれば、外側フランジの径方向外側にコイルを巻装可能な第２コイル巻装部を設け、そこにコイルの最終層を巻き付けることにより、軸方向のコイル巻回層数を１巻き分少なくすることができる。これにより、巻線高さをコイルの線径分だけ小さく抑えることができ、ステータの軸方向長をコイル線径の２倍分小さくすることが可能となる。したがって、当該インシュレータを用いることにより、回転電機の軸方向長を削減することが可能となる。

本発明の回転電機によれば、インシュレータにコイルを巻装可能な第２コイル巻装部を設け、そこにコイルの最終層を巻き付けるようにしたので、軸方向のコイル巻回層数を１巻き分少なくすることができる。これにより、巻線高さをコイルの線径分だけ小さく抑えることができ、ステータの軸方向長をコイル線径の２倍分小さくなり、回転電機の軸方向長を削減することが可能となる。

本発明の一実施形態であるブラシレスモータの軸方向に沿った断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 インシュレータの構成を示す斜視図である。 当該ブラシレスモータ内におけるインシュレータの取付状態を示す説明図である。 当該ブラシレスモータにおけるコイルの巻装状態を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 従来のブラシレスモータにおけるコイルの巻装状態を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるブラシレスモータ１（回転電機；以下、モータ１と略記する）の軸方向に沿った断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１のモータ１は、インナーロータ型の構成となっており、ハウジング２ａ,２ｂ内に固定されたステータ３と、ステータ３内に回転自在に配置されたロータ４とを備えている。本実施の形態では、モータ１は、ロータ４にマグネット（永久磁石）を使用しないＳＲモータとなっており、たとえば、エンジンのスタータ・ジェネレータとして使用される。

ステータ３は、薄板の電磁鋼板を多数積層したステータコア５を有している。図２に示すように、ステータコア５は、リング状のバックコア部６と、バックコア部６から径方向内側（中心方向）に向かって放射状に突設されたティース７とを備えている。ティース７の外周には合成樹脂製のインシュレータ１０が装着されており、ティース７には、インシュレータ１０を介して、励磁コイル８（以下、コイル８と略記する）が巻装されている。コイル８は、複数相の相コイル（たとえば、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相の３相）から構成されており、各相のコイル８はそれぞれ独立した回路を形成している。コイル８に対しては、導電性部材（例えば、銅等の金属）にて形成されたバスバー９を介して電流が供給される。

ステータ３の内側にはロータ４が挿入されている。ロータ４は、回転軸１１と、回転軸１１に固定されたロータコア１２とから構成されている。ロータコア１２もまた、薄板の電磁鋼板を多数積層して形成されている。ロータコア１２の外周には、径方向に向かって突極１３が突設されている（図２参照）。ＳＲモータ１では、ロータ４の回転角度を図示しないレゾルバにて検出しており、各相のコイル８は、ロータ４の角度位置に応じて順次励磁される。励磁されたコイル８が巻装されたティース７は順次磁極となり、ステータ３内には３相（Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相）の回転磁界が形成される。ロータ４の突極１３は磁化されたティース７に吸引され、これによりステータ３内にてロータ４が回転し、ＳＲモータ１が作動する。

また、ステータコア５の軸方向一端側（図中左端側）には、バスバーユニット１４が隣接配置されている。バスバーユニット１４内には、複数のバスバー９が互いに絶縁された状態で埋設されている。バスバーユニット１４は、合成樹脂にて形成された本体部１５内に、円環状に形成された複数のバスバー９が、樹脂内にインサートモールドされた構成となっている。バスバー９には、コイル８と接続されるコイル接続端子１６と、電源側と接続される図示しない電源接続端子が設けられている。コイル接続端子１６は、径方向外側に向かって放射状に突設されており、対応する各相のコイル８の端部１７と溶接され、これにより、バスバー９とコイル８が電気的に接続される。

ここで、本発明によるモータ１では、インシュレータ１０の径方向外側に、コイル８を巻装可能な延設部（第２コイル巻装部）２１が設けられている。図３は、コイル８を巻装した状態のインシュレータ１０の構成を示す斜視図、図４は、モータ１内におけるインシュレータ１０の取付状態を示す説明図、図５は、モータ１におけるコイル８の巻装状態を示す説明図である。インシュレータ１０は、前述のように、合成樹脂等の絶縁性材料により形成されており、ティース７の先端（径方向内側端）側から、ティース７に外挿、装着される。

図３に示すように、インシュレータ１０は、ティース７の外周面を被覆するように略四角筒状に形成されたインシュレータ本体２２を有している。インシュレータ本体２２の径方向両端（内側と外側）の各周縁には、内側フランジ２３と外側フランジ２４がインシュレータ本体２２と一体に成形されている。インシュレータ本体２２の外周側には、インシュレータ本体２２の外周面２２ａと、内側フランジ２３、外側フランジ２４に囲まれる形でコイル収容凹部（第１コイル巻装部）２５が形成されている。コイル収容凹部２５には、図５に示すように、コイル８が複数層重なった状態で巻装される。コイル８は、インシュレータ１０をティース７に装着した状態でフライヤー等によって巻装され、コイル８の２つの端部１７はそれぞれバスバーユニット１４側に引き出される。

外側フランジ２４の軸方向両端部２４ａの近傍には、板状の延設部２１が径方向外側に向かって突設されている。図５に示すように、延設部２１は、インシュレータ１０をティース７に装着すると、ステータコア５のバックコア部６の端面６ａ上に配置される。また、外側フランジ２４の軸方向両端部２４ａには、延設部２１の両端部２１ａに臨んで切欠部２６が２ヶ所形成されている（２６ａ,２６ｂ）。延設部２１には、当該ティース７に巻装されるコイル８の最終層２７（ここでは、３巻き）が巻装される。図３〜５に示すように、最終層２７は、一方の切欠部２６ａを介してコイル収容凹部２５側から引き出され、延設部２１を通った後、他方の切欠部２６ｂからコイル収容凹部２５側に案内され、延設部２１の部分に巻き付けられる。

図５（ａ）と図６（ａ）から分かるように、モータ１のコイル８は、従来のモータと総ターン数は変わっておらず、径方向外側ほど大きくなるスロット２８の空間を無駄なく利用してコイルが巻装されている。一方、図５（ｂ）と図６（ｂ）を比較すると、当該モータ１では、コイル８の最終層２７が延設部２１に巻き付けられているため、軸方向における巻回層数が１巻き分少なくなっている。つまり、コイル収容凹部２５側の巻回層数が、延設部２１に配した最終層２７の分だけ１巻き少なくなっており、巻線高さＨｗがコイル８の線径分（たとえば、１〜２ｍｍ程度）小さく抑えられている。この場合、コイル８は、インシュレータ１０の軸方向両端で積層されているため、ステータの軸方向長Ｌｓはコイル線径の２倍分小さくなり、モータ長もその分削減される。

たとえば、コイル８の線径が１.５ｍｍとすると、ステータの軸方向長Ｌｓを３.０ｍｍ（線径の２倍）短くすることができる。これは、モータ外径Ｄｍがモータ長Ｌｍに対して大きい（Ｄｍ／Ｌｍ＞１）のような扁平型モータでは、コイル２本分といえどもその影響は大きく、ステータコア長Ｌｃが３０ｍｍ程度のモータの場合、概ね１０％の寸法削減が可能となる。また、モータ長を同じにした場合には、ステータコア長Ｌｃを線径の２倍分長くすることができ、その分、出力向上が図ることが可能となる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、コイル８の最終層２７を延設部２１に巻装する構成を示したが、延設部２１に余裕がある場合には、最終層２７のみならず、その次の層（外側から２番目の層：ここでは１０巻き）の全部又は一部を延設部２１に巻装しても良い。また、延設部２１に余裕がある場合には、最終層２７の分を超えて巻装し（たとえば、５巻き）ターン数を増加させて出力向上を図っても良い。

さらに、前述の実施形態では、ティース７にインシュレータ１０を装着した状態でコイル８を巻装する巻線方式を採用しているが、コイル８を予めインシュレータ１０に巻回し、インシュレータ１０をその状態でティース７に装着するようにしても良い。ただし、後者の場合、スロット２８は間口が狭いため、奥の広いスペースを利用した巻線が行えなくなるため、本発明は前者の巻線方式のモータに適用した方が有用性が高い。加えて、前述の線径やモータの各部寸法、駆動相数はあくまでも一例であり、本発明は前述の数値には限定されない。

前述の実施形態では、本発明をブラシレスモータの一種であるＳＲモータに適用した例を示したが、その適用対象はＳＲモータに限られるものではなく、ロータに永久磁石を配したブラシレスモータや種々のリラクタンスモータ、発電機等に本発明は適用可能である。また、エンジンのスタータ・ジェネレータ以外にも、他の車載電動装置や、ハイブリッド自動車、電気自動車、エアコン等の電気製品等に広く適用可能である。

１ ブラシレスモータ
２ａ,２ｂ ハウジング
３ ステータ
４ ロータ
５ ステータコア
６ バックコア部
６ａ 端面
７ ティース
８ 励磁コイル
９ バスバー
１０ インシュレータ
１１ 回転軸
１２ ロータコア
１３ 突極
１４ バスバーユニット
１５ 本体部
１６ コイル接続端子
１７ 端部
２１ 延設部（第２コイル巻装部）
２１ａ 両端部
２２ インシュレータ本体
２２ａ 外周面
２３ 内側フランジ
２４ 外側フランジ
２４ａ 軸方向両端部
２５ コイル収容凹部（第１コイル巻装部）
２６ 切欠部
２６ａ 切欠部
２６ｂ 切欠部
２７ 最終層
２８ スロット
５１ コイル
５２ インシュレータ
５３ ステータコア
５４ ティース
５５ スロット
５６ 最終層
Ｄｍ モータ外径
Ｈｗ 巻線高さ
Ｌｃ ステータコア軸方向長
Ｌｍ モータ軸方向長
Ｌｓ ステータ軸方向長

Claims (4)

1. リング状のバックコア部と、該バックコア部から径方向内側に向かって放射状に突設されたティースと、を備えたステータコアを有する回転電機において、前記ステータコアとコイルとの間に配置され、前記コイルと前記ステータコアとの間を電気的に絶縁するインシュレータであって、
   前記ティースに装着され、該ティースの外周面を覆うインシュレータ本体と、
   前記インシュレータ本体の径方向内側の周縁に形成された内側フランジと、
   前記インシュレータ本体の径方向外側の周縁に形成された外側フランジと、
   前記インシュレータ本体の外周側に、前記内側フランジと前記外側フランジに囲まれる形で形成され、前記コイルが複数層重なった状態で巻装される第１コイル巻装部と、
   前記外側フランジの軸方向両端部近傍に径方向外側に向かって突設され、当該ティースに巻装される前記コイルの最終層が巻装される第２コイル巻装部と、を有することを特徴とするインシュレータ。
2. 請求項１記載のインシュレータにおいて、
   前記外側フランジは、前記第２コイル巻装部の両端に臨んで形成された切欠部を有し、
   前記コイルの最終層は、一方の前記切欠部を介して前記第１コイル巻装部側から引き出され、前記第２コイル巻装部を通った後、他方の前記切欠部から第１コイル巻装部側に案内されることを特徴とするインシュレータ。
3. リング状のバックコア部と、該バックコア部から径方向内側に向かって放射状に突設されたティースと、を備えたステータコアと、
   前記ステータコアとコイルとの間に配置され、前記コイルと前記ステータコアとの間を電気的に絶縁するインシュレータと、を有する回転電機であって、
   前記インシュレータは、
   前記ティースに装着され、該ティースの外周面を覆うインシュレータ本体と、
   前記インシュレータ本体の径方向内側の周縁に形成された内側フランジと、
   前記インシュレータ本体の径方向外側の周縁に形成された外側フランジと、
   前記インシュレータ本体の外周側に、前記内側フランジと前記外側フランジに囲まれる形で形成され、前記コイルが複数層重なった状態で巻装される第１コイル巻装部と、
   前記外側フランジの軸方向両端部近傍に径方向外側に向かって突設され、当該ティースに巻装される前記コイルの最終層が巻装される第２コイル巻装部と、を有することを特徴とする回転電機。
4. 請求項３記載の回転電機において、
   前記外側フランジは、前記第２コイル巻装部の両端に臨んで形成された切欠部を有し、
   前記コイルの最終層は、一方の前記切欠部を介して前記第１コイル巻装部側から引き出され、前記第２コイル巻装部を通った後、他方の前記切欠部から第１コイル巻装部側に案内されることを特徴とする回転電機。

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