JP2019080486A - ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】多相交流モータの各相巻線を連結する中性線に、温度センサを交換可能に取り付ける。【解決手段】中性点連結を行う中性線１０には、絶縁性の樹脂によって形成された支持体３０が取り付けられており、この支持体３０がステータコア６０の嵌合部（凹部７４）に嵌合して固定される。中性線１０には、温度センサユニット８０がボルト８８ａとナット８８ｂによって着脱可能に取り付けられる。着脱時には、支持体３０が反力を吸収するため、中性線１０の接合部などにかかる応力が低減される。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機のステータ、特に中性点連結を行う中性線に関する。

回転電機のステータでは、各相巻線間を中性点連結することがある。

下記特許文献１には、中性点連結を行う中性線と、中性線の温度を検出する温度センサとを一体にしてステータコアに接着固定する構造が記載されている。この文献の構造では、中性線を各相巻線から引き出された自由端に接続しており、中性線が振動しやすくなることから、その振動を防ぐことを目指している。

特開２０１６−１５７９８号公報

上記特許文献１の技術では、ステータコアと温度センサが接着固定されているため、温度センサが故障した場合には、ステータごと交換する必要がある。また、ステータコアと中性線を接着固定した場合には、接着剤が固まるまでに中性線がずれ、中性線の位置決め精度が悪くなるおそれがある。

本発明の目的は、中性線に温度センサを交換可能に取り付けることにある。また、例えば、同時に、中性線の位置決め精度を高めたステータの構造を実現することにある。

本発明の一態様にかかるステータは、ステータコアと、多相交流の電源端子と電気的に接続され、前記ステータコアに巻回された各相巻線と、前記各相巻線の一端を中性点連結する中性線と、絶縁性の樹脂によって形成され、前記中性線を固定して支持する支持体と、前記中性線に着脱可能に取り付けられる温度センサと、を備え、前記支持体は前記ステータコアに固定的に係合される。

固定的に係合されるとは、支持体がステータに接触をした上で、その接触位置が自由には動かずに制約された状態で設置される状態をいう。係合は、取り外しが可能な態様で行われてもよいし、取り外しが困難な態様で行われてもよい。取り外しが可能な態様の例としては、嵌合を挙げることができる。また、取り外しが困難な態様の例としては、接着剤を用いて、あるいは、融着の手法を用いて接着させる態様を挙げることができる。

本発明の一態様にかかるステータにおいては、前記ステータコアは、凹または凸の形状を含む係合部を備え、前記支持体は、前記係合部に対応した形状を有する被係合部を備え、前記係合部と前記被係合部とが嵌合されることにより、前記支持体は前記ステータコアに固定的に係合される。

嵌合とは、凹形状のものと凸形状のものとを組み合わせることをいう。組み合わせは、隙間をもって行われても、圧入のように隙間なく行われてもよい。嵌合は、凹形状の中に凸形状が含まれるものと、凸形状の中に凹形状が含まれるような複雑な形状のものを組み合わせて行われてもよい。

本発明の一態様にかかるステータにおいては、前記ステータコアは、その端面と外周面とが交差する角部に係合部を備え、前記支持体は、前記係合部に対応した形状を有する被係合部を備え、前記係合部と前記被係合部が接着されることにより、前記支持体は前記ステータコアに固定的に係合される。

本実施態様におけるステータは、ステータコアと、多相交流の電源端子と電気的に接続され、ステータコアに巻回された各相巻線と、各相巻線の一端を中性点連結する中性線と、絶縁性の樹脂によって形成され、中性線を固定して支持する支持体と、中性線に着脱可能に取り付けられる温度センサと、ステータコアに設けられ、支持体が固定される係合部と、を備えることを特徴とする。

温度センサが着脱可能に取り付けられており、支持体が着脱時の応力吸収をするため、温度センサの交換が可能となる。また、例えば、中性線を支持する支持体を嵌合によってステータコアに取り付けることで、中性線の位置決め精度を向上させることができる。

実施形態にかかる中性線と支持体の斜視図である。 実施形態にかかる組み付け前におけるステータの斜視図である。 実施形態にかかる組み付け後におけるステータの斜視図である。 変形例にかかる支持体の斜視図である。 変形例にかかる支持体の別角度からの斜視図である。 変形例にかかる組み付け後におけるステータの斜視図である。 別の変形例にかかる組み付け後におけるステータの斜視図である。

以下に、図面を参照して、実施形態を説明する。

本実施形態は、三相交流モータに係るものである。三相交流モータでは、ステータにはＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線が巻回されている。そして、各相巻線の一端には、中性点連結を行うために中性線が電気的に結合される。

図１は、本実施形態にかかる中性線１０と、支持体３０の斜視図である。中性線１０は基本的には水平方向に伸びる細長形状に形成されている。そして、中性線１０の一端にはＵ相接続部１２が設けられ、途中部分にはＶ相接続部１４が設けられ、他端にはＷ相接続部１６が設けられている。また、中性線１０におけるＶ相接続部１４とＷ相接続部１６の間には、細長形状の部位よりも若干低い位置に、水平に広がる固定部１８が形成されている。固定部１８には、Ｖ相接続部１４の側から続く細長形状部１８ａと、Ｗ相接続部１６の側から続く細長形状部１８ｂが平行に並んだ部位が設けられており、その先にはこれらが合流して幅広に形成された幅広部１８ｃを備えている。そして、幅広部１８ｃの先端部分にはボルト孔１８ｄが形成されている。

中性線１０は、板状の銅などの導体を打ち抜いた後に、曲げ加工を行って形成されている。その表面は、絶縁性の樹脂によって被覆されているが、Ｕ相接続部１２、Ｖ相接続部１４、Ｗ相接続部１６では、被覆を剥離処理されて導通可能となっている。

支持体３０は、絶縁性の樹脂によって作られた部品である。支持体３０は、基本的には直方体形状である。そして、その上面には二つの溝３２ａ、３２ｂが設けられている。溝３２ａ、３２ｂは、それぞれ、中性線１０の細長形状部１８ａ、１８ｂが結合される部位である。また、支持体３０の下面には、下方向に伸びる凸部３４が設けられている。凸部３４は、ステータコアに嵌合される部位である。凸部３４の形状は、丸形状、角形状など様々なものを採用することができる。支持体３０は、中性線１０と一体的に結合するため、インサート成形によって形成される。

図２は、ステータ５０の斜視図である。図２は、中性線１０と支持体３０が、ステータコア６０に組み付けられる前の状況を示している。

ステータコア６０は、電磁鋼板を所定の形状に打ち抜いたものを積層して形成されている。ステータコア６０は、図示省略したロータの回転軸と同心円をなす円筒の形状をなしている。ただし、外周面には、設置時に使われるボルト孔６２ａ、６２ｂが設けられている。ステータコア６０の内周面にはスロットと呼ばれる溝が設けられている。スロットには、銅などの導体を絶縁皮膜したＵ字型のセグメントコイルが多数挿入される。そして、先端部の皮膜を剥離処理した接続部位を溶接によって互いに接続されることで、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線が形成されている。ステータコア６０の回転軸方向の上端面のコイルエンド６４及び下端面のコイルエンド６６は、これらの相巻線がステータコア６０の端面から飛び出しによって形成されている。上端面のコイルエンド６４からは、Ｕ相電源接続線６８、Ｖ相電源接続線７０、Ｗ相電源接続線７２が取り付けられている。これらの各接続線は、銅などの導体を絶縁樹脂で覆って作られており、その先端の接続部分の樹脂を剥離処理して、それぞれ中性線１０のＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の接続部に溶接によって接続されている。Ｕ相電源接続線６８、Ｖ相電源接続線７０、Ｗ相電源接続線７２の他端の端子が、インバータの各相電源に接続されることで、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線が連携して回転磁界を生成することになる。

上端面のコイルエンド６４には、中性線１０も接続される。すなわち、中性線１０のＵ相接続部１２、Ｖ相接続部１４、Ｗ相接続部１６が、それぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の所定の連結部位に溶接によって接続される。

ステータコア６０の上端面には、凹部７４も設けられている。凹部７４は、支持体３０の凸部３４との嵌合に用いられる。凹部７４の形状は、凸部３４の形状に対応したものであればよく、例えば長穴、角穴などを採用することができる。

中性線１０には、インサート成形によって支持体３０が形成されている。支持体３０の下面の凸部３４は、ステータコア６０の上端面の凹部７４に圧入される。すなわち、凸部３４と凹部７４は、一方が係合部（嵌合部）、他方が被係合部（被嵌合部）となって圧入により嵌合される。

中性線１０の固定部１８には、温度センサユニット８０が結合される。温度センサユニット８０は、ボルト孔を備えた結合部８２と、温度センサとしてのサーミスタ８４、サーミスタ８４からの信号を出力するケーブル８６を備える。温度センサユニット８０は、サーミスタ８４が中性線１０に密接してその温度を検出できるようにセットされる。これによって相巻線の温度も高い精度で予測することが可能になる。中性線１０における固定部１８のボルト孔１８ｄと、温度センサユニット８０の結合部８２のボルト孔には、ボルト８８ａが挿入され、ナット８８ｂを用いて締結される。

ここで、中性線１０の組み付けの流れについて説明する。中性線１０に対しては、まず、インサート成形が行われ、支持体３０が一体的に取り付けられる。次に、支持体３０の凸部３４が、ステータコア６０の上端の凹部７４に圧入によって嵌合される。これによって、中性線１０が接続場所に位置決め固定されることになる。すなわち、特段の位置決め冶具などを用いることなく、中性線１０の位置決めが行われる。続いて、中性線１０のＵ相接続部１２、Ｖ相接続部１４、Ｗ相接続部１６が、それぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の所定の連結部位に溶接によって接続される。溶接には、例えばＴＩＧ溶接が用いられる。その後に、中性線１０には、温度センサユニット８０が重ね合わされて、ボルト８８ａとナット８８ｂによる締結が行われる。締結にあたっては、中性線１０に外力を及ぼすことになる。しかし、樹脂で作られた支持体３０が、その力の一部を受け止め、また、周り止め機能を果たすことで、溶接個所に過剰な負荷を与えることなく締結を行うことができる。温度センサユニット８０の取り付け位置は、支持体３０と近接している（同じ固定部１８に取り付けられる）点も、力の受け止めにとって有利に作用している。

図３は、中性線１０の組み付け後のステータ５０の斜視図である。中性線１０は、支持体３０を通じてステータコア６０の上端面に固定されている。中性線１０がステータコア６０に固定されない場合には、中性線１０はＵ相接続部１２、Ｖ相接続部１４、Ｗ相接続部１６がＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の自由端である連結部位と接続されて宙に浮いた状態となる。このため、中性線１０は、長い弦と同様に、相対的に低い固有振動数をもつことになる。これは、例えばエンジンと、ステータ５０を含むモータとを駆動源として併用するハイブリッド車両に搭載した場合に、エンジンで発生する振動数に近く、共振するおそれがある。また、接続部にも大きな負荷がかかることになる。これに対し、支持体をステータコア６０の上端面に固定した場合には、固有振動数が高くなり、車両における共振を防止できる可能性が高まる。また、中性線１０自体が固定されていることで、相巻線との接続部位に及ぼす負荷を小さくすることができる。さらに、支持体３０は、絶縁性の樹脂で形成されていることから、中性線１０とステータコア６０との絶縁性を確実なものとすることができる。なお、中性線１０は、さらに別の箇所において、ステータコア６０に固定されてもよい。これによって、固有振動数のさらなる調整や、安定性の向上を図ることが可能となる。

以上の説明においては、支持体３０は、中性線１０をセットしてインサート成形することで、中性線１０と一体的に形成されるとした。しかし、支持体３０を別途成形した上で、中性線１０と組み立て結合するようにしてもよい。

支持体３０とステータコア６０は嵌合によって固定される。すなわち、支持体３０とステータコア６０は、嵌合場所で位置決めされる程度には、結合がなされる。ただし、樹脂は一般に弾性を備えており、当然、若干の位置の移動は生じる。これによって、温度センサユニット８０を組み付ける場合などにおいて、支持体３０が反力を柔軟に受けることが可能となる。したがって、接着剤などを併用せず、圧入による嵌合が行われることを想定している。ただし、接着剤を併用した場合にも十分に反力を受け止めることができるのであれば、接着剤を併用することも可能である。

上の説明では、支持体３０とステータコア６０の嵌合では、支持体３０に凸部、ステータコア６０に凹部を設けるとした。ステータコア６０を電磁鋼板の積層によって形成する場合には、ステータコアに凹部を設けることは容易であり、製造を簡易化できる利点がある。しかし、支持体３０とステータコア６０は、嵌合可能であればよく、凹凸形状などは自由に設定することが可能である。また、支持体３０がステータコア６０に取り付けられる部位は、回転軸方向の端面である必要はなく、外周面とすることが可能である。

温度センサユニット８０は、中性線１０に対して、最後に取り付けられた。しかし、温度センサユニット８０を取り付けた後に、Ｕ相接続部１２、Ｖ相接続部１４、Ｗ相接続部１６の溶接を行うことも可能である。いずれにせよ、温度センサユニット８０は、中性線１０に対して、着脱可能に取り付けられる。これによって、例えばサーミスタ８４が故障した場合にも、その交換を容易に行うことができる。温度センサユニット８０は、ボルト８８ａとナット８８ｂによる締結以外の方法で固定されてもよい。具体例としては、バネで中性線１０を挟み込む態様を挙げることができる。

続いて、図４〜図６を参照して、変形例にかかる実施形態について説明する。図４は、変形例にかかる支持体９０を上方かつ前側方からみた斜視図であり、図５は同じ支持体９０を図４のＡ方向（下方かつ後側方）からみた斜視図である。また、図６は、支持体９０を利用して中性線１０をステータコア１０２に取り付けた状態を示す斜視図である。

図４及び図５に示した支持体９０は、上述の支持体３０に代わって中性線１０の支持に用いられる部品であり、支持体３０と同様に樹脂によって作られている。支持体９０は、椅子に似た形状に形成されており、座面に相当する部分には、中性線１０が設置される溝９２が設けられている。支持体３０では、二つの溝３２ａ、３２ｂが中性線１０の細長形状部１８ａ、１８ｂとそれぞれ嵌合していたが、支持体９０では、一つの溝９２が細長形状部１８ａ、１８ｂと一括して嵌合するように形成されている。また、支持体９０では、背もたれに相当する背高の板部９４が設けられている。

支持体９０の下部には、支持体３０に設けられていた凸部３４は設けられていない。代わりに、支持体９０の下部には、ほぼ直方体に近い形状の脚部９６が設けられている。ただし、脚部９６の背面９６ａは、緩やかな円弧の形状に作られている。この形状は、ステータコア１０２の円筒形状の外周面に対応するものである。また、脚部９６の下に位置する底面９８（座面である溝９２の下面）は、平面状に作られている。これは、ステータコア１０２の円筒形状の上端面が平坦であることに対応している。

ここで、図６を参照して、支持体９０を用いた組み付け工程について説明する。図６は支持体９０を用いたステータ１００の斜視図であり、図３と同一の構成には同じ符号を付して、適宜説明を省略ないし簡略化する。支持体９０は、インサート成形によって中性線１０と一体的に形成される。そして、支持体９０は、ステータコア１０２の上端に、背面９６ａをステータコア１０２の外周面に全面的に接触させ、底面９８をステータコア１０２の上端面に全面的に接触させた状態で設置される。すなわち、支持体９０とステータコア１０２とは、一方が係合部、他方が被係合部となって接着されることにより、係合される。ステータコア１０２は、図３に示したステータコア６０とほぼ同様に形成されているが、上端面に凹部７４が設けられていない点でステータコア６０とは異なっている。支持体９０をステータコア１０２に設置することで、中性線１０の回転軸方向及び径方向（回転軸に直交して外側に向かう方向）の位置決めがなされる。また、支持体９０を設置する周方向（回転方向）の位置を調整することで、中性線１０のＵ相接続部１２、Ｖ相接続部１４、Ｗ相接続部１６が、それぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の所定の連結部位と接続可能となる位置に配置される。

このとき、支持体９０とステータコア１０２は、接着剤によって接着させることができる。これにより、中性線１０を確実に位置決めした上で、各相巻線の連結部位に溶接することが可能となる。溶接の具合によっては、中性線１０は、若干、接着位置からずれるような応力を支持体９０に与える場合がある。しかし、樹脂である支持体９０は、その弾性によってこの応力を受け止めることができる。この後、中性線１０には、温度センサユニット８０が重ね合わされて、ボルト８８ａとナット８８ｂによる締結が行われる。温度センサユニット８０の組み付け時に、樹脂である支持体９０によって反力が吸収され、溶接部への負荷が減る点は、支持体３０を用いた場合と同様である。

支持体９０は、接着剤を用いない状態でステータ６０に設置されてもよい。この場合、中性線１０は、回転軸方向及び径方向のみが位置決めされ、周方向には移動可能な状態で、各相巻線の連結部位に溶接される。そして、支持体９０は、溶接後には中性線１０からの応力と釣り合う自然な位置に移動することになる。ただし、接着剤を用いない場合には、溶接後に、支持体９０がステータ６０と密着せずに浮いてしまい、モータの運転時に中性線１０が振動してしまうことが考えられる。そこで、溶接後に接着剤を用いて支持体９０をステータコア１０２に接着させることになる。

支持体９０を用いる場合には、支持体３０を用いる場合とは異なり、ステータコア１０２の上端面は平坦に保たれ、磁界の乱れが低減されるため、ステータ１００を利用したモータのトルク低下を抑制することが可能となる。なお、上の説明では、支持体９０は、中性線１０とともにインサート成形することとしたが、別体として成形した上で中性線１０と結合するようにしてもよい。また、支持体３０の説明で述べた様々な別態様を、適宜、支持体９０の実施形態に適用することが可能である。

次に図７を参照して、さらに別の実施形態について説明する。図７は、図３及び図６に対応する図であり、中性線１０をステータコア１０２に組み付けた後におけるステータ１１０の斜視図である。図３及び図６の構成には同じ符号を付して、適宜説明を省略乃至は簡略化する。

この実施形態では、図６に示したステータコア１０２とは異なるステータコア１１２を用いており、支持体９０とは異なる支持体１２０を用いている。ステータコア１１２は、外周の複数の箇所に回転軸方向に延びる溝１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを備えている点で、ステータコア１０２とは異なっている。溝１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、ステータコア１０２を形成する過程あるいはステータ１１０の組み立てや運転の過程などで用いられるために予め設けられたものである。支持体１２０は、その背面に溝１１２ａの形状に合わせた凹凸を有し、溝１１２ａと嵌合可能に形成されている点で、支持体９０とは異なっている。

支持体１２０は、インサート成形によって中性線１０と一体的に形成された後に、あるいは、別体として形成され中性線１０と嵌合された後に、ステータコア１１２の上端に設置される。支持体１２０の設置は、支持体９０の場合と同様に、その底面がステータコア１１２の上端面に全面的に接触するように行われる。また、支持体１２０は、その背面の凹凸がステータコア１１２の外周面の溝１１２ａに嵌合されるようにして設置される。このようにして支持体１２０をステータコア１１２に設置することで、中性線１０の回転軸方向、径方向、及び周方向の位置決めをすることができる。したがって、中性線１０のＵ相接続部１２、Ｖ相接続部１４、Ｗ相接続部１６を、それぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の所定の連結部位と接続可能となる位置に速やかに配置することが可能となる。支持体１２０を設置するにあたっては、支持体１２０がステータコア１１２と固定的に接合されるように行われる。支持体１２０と溝１１２ａとの嵌合が比較的強固に行われる（通常運転における振動などでは外れにくい状態で行われる）場合には、支持体１２０と溝１１２ａとは接着剤などを用いて接着しなくてもよい。しかし、支持体１２０と溝１１２ａの接合が容易に解けてしまう場合には、支持体９０と同様に、接着剤などを用いた接着が行われる。

支持体１２０を用いる場合には、ステータコア１１２の溝１１２ａによって周方向の動きが制限されるため、支持体９０を用いる場合に比べて、周方向の振動等に対する強度あるいは安定度を向上させることが可能となる。また、上の説明においては、ステータコア１１２の溝１１２ａは、別用途のために予め設けられたものとしたが、支持体１２０と嵌合させるために新たに設けたものであってもよい。溝１１２ａに代えて、突起、凹みなど、平滑ではない形状を利用するようにしてもよい。支持体１２０を用いる場合についても、支持体３０の説明で述べた様々な別態様を適宜導入することが可能である。
なお、以上に示した実施形態は、本発明の実施態様を例示したものにすぎない。本発明は、これ以外にも様々な態様で実施することが可能である。

１０ 中性線、１２ Ｕ相接続部、１４ Ｖ相接続部、１６ Ｗ相接続部、１８ 固定部、１８ａ、１８ｂ 細長形状部、１８ｃ 幅広部、１８ｄ ボルト孔、３０、９０、１２０ 支持体、３２ａ、３２ｂ、９２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ 溝、３４ 凸部、５０、１００、１１０ ステータ、６０、１０２、１１２ ステータコア、６２ａ、６２ｂ ボルト孔、６４、６６ コイルエンド、６８ Ｕ相電源接続線、７０ Ｖ相電源接続線、７２ Ｗ相電源接続線、７４ 凹部、８０ 温度センサユニット、８２ 結合部、８４ サーミスタ、８６ ケーブル、８８ａ ボルト、８８ｂ ナット、９４ 板部、９６ 脚部、９６ａ 背面、９８ 底面。

Claims (3)

1. ステータコアと、
   多相交流の電源端子と電気的に接続され、前記ステータコアに巻回された各相巻線と、
   前記各相巻線の一端を中性点連結する中性線と、
   絶縁性の樹脂によって形成され、前記中性線を固定して支持する支持体と、
   前記中性線に着脱可能に取り付けられる温度センサと、
   を備え、
   前記支持体は前記ステータコアに固定的に係合されることを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータにおいて、
   前記ステータコアは、凹または凸の形状を含む係合部を備え、
   前記支持体は、前記係合部に対応した形状を有する被係合部を備え、
   前記係合部と前記被係合部とが嵌合されることにより、前記支持体は前記ステータコアに固定的に係合されることを特徴とするステータ。
3. 請求項１に記載のステータにおいて、
   前記ステータコアは、その端面と外周面とが交差する角部に係合部を備え、
   前記支持体は、前記係合部に対応した形状を有する被係合部を備え、
   前記係合部と前記被係合部が接着されることにより、前記支持体は前記ステータコアに固定的に係合されることを特徴とするステータ。

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