JP2019134539A - 回転電機のステータコイル - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のステータコイルにおいて接合相手ではない導体セグメント間の絶縁距離を大きくする。【解決手段】ステータコイルは、導体に絶縁層が被膜された複数の導体セグメントをステータコアに組み付け、ステータコア端面から突出した導体セグメントのリード部の端部２０と他の導体セグメントのそれとを接合して形成されている。ステータコアの周方向に並ぶ各列の導体セグメントのリード部１６は時計方向または反時計方向の一定方向に倒し込まれ、径方向に隣接する導体セグメントのリード部１６は互いに逆の方向に倒し込まれて、径方向において接する導体セグメントのリード部の端部２０同士が接合されている。導体セグメントのリード部の端部２０の接合面２６の絶縁層は、接合相手の接合面２６の形状に合わせて剥離されており、接合面２６の絶縁層の剥離領域２５の下辺の長さＢは、その上辺の長さＡに比べて短い。【選択図】図９

Description

本発明は、回転電機のステータコイル、特にステータコイルを構成する複数の導体セグメントの接合部の構造に関する。

従来、ハイブリッド自動車や電気自動車などの電動車両に搭載され、電動機や発電機として機能する回転電機が知られている。回転電機は、ステータとロータとを備える。ステータは、環状のヨーク、ヨークの内周面から径方向内方に突出した複数のティース、及び各ティースの間に形成されたスロットを有するステータコアと、ステータコアのスロットに挿通されてステータコアのティースに巻回されたステータコイルとを備える。

ステータコイルには、導体に絶縁層が被膜されたＵ字状の導体セグメントを複数、ステータコアのスロットに挿通し、ステータコアの端面から突出した導体セグメントのリード部の端部と他の導体セグメントのリード部の端部とを接合することで形成されたものがある。導体セグメントのリード部の端部（以下、コイル接合部とも言う）の絶縁層は剥離されて、溶接等により電気的に接合されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５−２０１９６６号公報

複数の導体セグメントにより形成されたステータコイルには、ステータコアの周方向に並ぶ各列の導体セグメントのリード部が時計方向または反時計方向の一定方向に倒し込まれ、径方向に隣接する導体セグメントのリード部は互いに逆の方向に倒し込まれて、径方向において互いに接する導体セグメントのリード部の端部同士が接合された構造を有するものがある。

この構造のステータコイルでは、接合相手である導体セグメントに加えて、接合相手ではない導体セグメントも径方向に隣接する。導体セグメントのリード部の端部が接合相手である他の導体セグメントのリード部の端部と接する接合面（コイル接合部の接合面）の絶縁層は剥離されて内部の導体が露出しており、この剥離領域と径方向に隣接する接合相手ではない導体セグメントとの絶縁距離を大きくすることが望まれている。

本発明の目的は、コイル接合部の接合面の絶縁層の剥離領域とステータコアの径方向に隣接する接合相手ではない導体セグメントとの絶縁距離を大きくすることができる回転電機のステータコイルを提供することにある。

本発明の回転電機のステータコイルは、環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向内方に突出した複数のティースと、前記各ティースの間に形成されたスロットとを有するステータコアに巻回されたステータコイルであり、導体に絶縁層が被膜された導体セグメントを複数、前記スロットに挿通し、前記ステータコアの端面から突出した導体セグメントのリード部の端部と他の導体セグメントのリード部の端部とを接合することで形成された回転電機のステータコイルであって、前記ステータコアの周方向に並ぶ各列の導体セグメントのリード部は時計方向または反時計方向の一定方向に倒し込まれ、径方向に隣接する導体セグメントのリード部は互いに逆の方向に倒し込まれて、径方向において互いに接する導体セグメントのリード部の端部同士が接合されており、導体セグメントのリード部の端部が他の導体セグメントのリード部の端部と接する接合面の前記絶縁層は、接合相手の接合面の形状に合わせて剥離されており、接合面の前記絶縁層の剥離領域の下辺の長さは、その上辺の長さに比べて短い、ことを特徴とする。

本発明によれば、導体セグメントのリード部の端部が他の導体セグメントのリード部の端部と接する接合面（コイル接合部の接合面）の絶縁層が接合相手の接合面の形状に合わせて剥離されており、この剥離領域の下辺の長さが上辺の長さに比べて短い。そのため、この剥離領域と、ステータコアの径方向に隣接しこの剥離領域の下側に位置する接合相手ではない導体セグメントとの絶縁距離を大きくすることができる。

ステータコイルを形成する工程手順を示すフローチャートである。 剥離工程前の導体セグメントの側面図である。 剥離工程後の導体セグメントのリード部の端部の側面図である。 Ｕ字状に曲げられた導体セグメントをステータコアのスロットへ挿通する様子を示す図である。 ステータコアの断面図である。 倒し込み工程後のステータコアの側面図である。 倒し込み工程後のリード側コイルエンドの斜視図である。 接合される２つの導体セグメントのリード部の端部を示す側面図である。 コイル接合部の接合面の剥離領域と、ステータコアの径方向に隣接する接合相手ではない導体セグメントとの絶縁距離を説明するための図である。 実施形態２における剥離工程後の導体セグメントのリード部の端部の側面図である。 実施形態２における接合される２つの導体セグメントのリード部の端部を示す側面図である。 実施形態２におけるコイル接合部の接合面の剥離領域と、ステータコアの径方向に隣接する接合相手ではない導体セグメントとの絶縁距離を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜実施形態１＞
回転電機は、ステータコイルが巻装されたステータコアを有するステータと、ステータの内周側に設けられたロータとを備える。回転電機は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などの電動車両に搭載されて電動機および発電機として使われる。

本実施形態に係る回転電機のステータコイルは、多数のＵ字状の導体セグメントをステータコアのスロットに挿通し、それらのリード部の端部を順次接合することで形成される。導体セグメントは、平角導線であり、導電率の高い銅等の金属（導体）の周囲に絶縁層が被膜されて構成されている。絶縁層は、絶縁性の高いエナメル等の樹脂が用いられている。

ここで、本実施形態に係る回転電機のステータコイルの形成方法について説明する。図１は、ステータコイルを形成する工程の流れを示すフローチャートである。Ｓ１００，Ｓ１０２が導体セグメントを形成する工程の手順であり、Ｓ１０４〜Ｓ１０８がそれを複数用いたステータコイルを形成する工程の手順である。

まず、図１のＳ１００で、導体セグメントのリード部の端部の絶縁層を剥離する（剥離工程）。図２は、剥離工程前の導体セグメント１０を示す側面図である。図２に示すように、導体セグメント１０の両端には、導体セグメント１０をＵ字状にしてステータコアのスロットに挿通した際にステータコア端面から突出する部分であるリード部１６が存在する。また、図２において一点鎖線で囲んで示すように、それぞれのリード部１６の先端部分であるリード部の端部２０が存在する。導体セグメント１０のリード部の端部２０と他の導体セグメント１０のリード部の端部２０とを電気的に接合してステータコイルを形成するために、剥離工程において、導体セグメント１０のリード部の端部２０の絶縁層をレーザ等で剥離する。

図３は、剥離工程後の導体セグメントのリード部の端部２０（図２の左側のリード部の端部２０）の側面図である。図３では、絶縁層２４が剥離されて内部の導体２２が露出した部分が斜線で示されており、以降説明する図においても同じである。図３に示すように、本実施形態では、導体セグメントのリード部の端部２０が他の導体セグメントのリード部の端部２０と接する接合面２６に加えて、上面、下面、端面（リード部の端部２０の先端側の面）、及び接合面２６の裏側の面の絶縁層２４が剥離される。また、接合面２６の絶縁層２４は、接合相手となる他の導体セグメントのリード部の端部の接合面２６の形状に合わせて剥離され、接合面２６の絶縁層の剥離領域２５（導体２２の露出部分）の下辺の長さＢがその上辺の長さＡに比べて短くなるように剥離される。なお、以降、単に剥離領域２５と言う場合には、接合面２６における絶縁層が剥離された領域（導体２２の露出部分）を指す。本実施形態では、図３に示すように、剥離領域２５と絶縁層２４との境界（剥離境界）が、２つの直線となるように絶縁層が剥離される。なお、ここでは、図２の左側のリード部の端部２０の絶縁層の剥離について説明したが、右側のリード部の端部２０についても左右対称に同様に絶縁層の剥離が行われる。

次に、図１のＳ１０２で、導体セグメントをＵ字状に折り曲げる（曲げる工程）。図４には、Ｕ字状に折り曲げられた導体セグメント１０が示されている。ここまでが、導体セグメントの形成工程である。

次に、上記した工程で形成された導体セグメントを複数用いてステータコイルを形成する工程（Ｓ１０４〜Ｓ１０８）について説明する。

Ｓ１０４で、複数のＵ字状の導体セグメント１０の各々の２つの脚をステータコアのスロットへ挿通させる（挿通工程）。図４は、Ｕ字状の導体セグメント１０をステータコア２８のスロットへ挿通する様子を示す図である。図５は、ステータコア２８の断面図である。図５に示すように、ステータコア２８は、環状のヨーク３４と、ヨーク３４の内周面から径方向内方に突出し周方向に間隔をおいて配置された複数のティース３６と、各ティース３６の間に形成されたスロット３８とを有する。ステータコア２８は電磁鋼板を積層することで形成されている。ステータコア２８の予め定められた２つのスロット３８に、導体セグメント１０の２つの脚１４（図４参照）を、図４のようにステータコア２８の軸方向下側から挿通する。これを多数の導体セグメント１０について行う。

次に、図１のＳ１０６で、導体セグメント１０をスロットに挿通することで、ステータコア２８の端面から突出した部分であるリード部を、ステータコア２８の周方向に倒し込む（倒し込み工程）。図６は、倒し込み工程後のステータコア２８の側面図であり、リード部１６が周方向に倒し込まれた状態が示されている。ステータコア２８の上側端面から突出した導体セグメントの脚の部分（リード部１６）がリード側コイルエンドを構成する。図７は、倒し込み工程後のリード側コイルエンドの斜視図であり、リード部１６の端部は簡略化して曲線状に描かれている。図７に示すように、倒し込み工程では、最外周にある導体セグメントのリード部１６を周方向かつ反時計方向に倒し込み、それらの径方向内方に隣接する導体セグメントのリード部１６を周方向かつ時計方向に倒し込み、さらにそれらの径方向内方に隣接する導体セグメントのリード部１６を周方向かつ反時計方向に倒し込むといったように、交互に方向を変えながら倒し込む。換言すれば、ステータコアの周方向に並ぶ各列の導体セグメントのリード部１６を時計方向または反時計方向の一定方向に倒し込み、径方向に隣接する導体セグメントのリード部１６を互いに逆の方向に倒し込む。これにより、図７に示すように、接合される２つの導体セグメントのリード部１６の端部同士が径方向で接して並び、後述するように、それらを接合することでステータコイル４０が形成される。また、図７に示すように、導体セグメントのリード部１６ｂの径方向には、接合相手である導体セグメントのリード部１６ａに加えて、接合相手ではない導体セグメントのリード部１６ｃも隣接する。

図８は、図７に示す２つの導体セグメントのリード部１６ａ，１６ｂの側面図である。前述したように、導体セグメントのリード部の端部２０の剥離領域２５の形状は、接合相手の接合面２６の形状に合わせてある。そのため、図８に示すように、倒し込み工程で接合対象の２つの導体セグメントのリード部１６ａ，１６ｂを倒し込んだ際には、一方の導体セグメントのリード部の端部２０の接合面２６の剥離領域２５の剥離境界（２つの直線）に沿って、他方の導体セグメントのリード部の端部２０の接合面２６の形状の一部（２つの辺）が位置することになる。

次に、図１のＳ１０８で、ステータコアの径方向に接して並ぶ対応する導体セグメントのリード部の端部２０同士を接合する（接合工程）。これは、例えば、レーザ溶接によって行う。具体的には、接合対象の導体セグメントのリード部の端部２０間に上側からレーザを照射することで溶接し、リード部の端部２０同士を接合する。

以上説明した方法によりステータコイルが形成される。次に、本実施形態の回転電機のステータコイルの作用効果について説明する。

図９は、図７に示す３つの導体セグメントのリード部１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの側面図である。図９に示すように、導体セグメントのリード部１６ｂの径方向には、その導体セグメントの接合相手ではない導体セグメントのリード部１６ｃが隣接する。そして、それは、導体セグメントのリード部の端部２０ｂ（コイル接合部）の剥離領域２５（導体の露出部分）の下側に位置する。本実施形態の回転電機のステータコイルによれば、コイル接合部の剥離領域２５は、接合相手の接合面２６の形状に合わせた形状を有し、下辺の長さＢが上辺の長さＡに比べて短い。そのため、コイル接合部の剥離領域２５と、径方向に隣接し剥離領域２５の下側に位置する接合相手ではない導体セグメントのリード部１６ｃとの絶縁距離αを大きくすることができる。

＜実施形態２＞
次に、別の実施形態における回転電機のステータコイルについて説明する。なお、以降、上記した実施形態を「実施形態１」と言い、この別の実施形態を「実施形態２」と言う。実施形態２における回転電機のステータコイルは、実施形態１の回転電機のステータコイルにおける導体セグメントのリード部の端部の形状と、絶縁層の剥離領域の形状とを変更したものであり、その他は実施形態１と同じである。

図１０は、実施形態１の図３に対応する図であり、実施形態２における剥離工程後の導体セグメントのリード部の端部２０の側面図である。図１０では、実施形態１の導体セグメントと同様の部材には同一の符号を付してあり、以降説明する図１１，１２も同じである。図１０に示すように、実施形態２の導体セグメントのリード部の端部２０の形状は、上側を扇形とした湾曲形状である。剥離工程の前に、導体セグメントのリード部の端部２０を加工することで、その形状となっている。導体セグメントのリード部の端部２０の絶縁層が剥離される面は、実施形態１と同じであり、導体セグメントのリード部の端部２０が他の導体セグメントのリード部の端部２０と接する接合面２６に加えて、上面、下面、端面（リード部の端部２０の先端側の面）、及び接合面２６の裏側の面である。また、実施形態１と同様に、接合面２６の絶縁層２４は、接合相手となる他の導体セグメントのリード部の端部の接合面２６の形状に合わせて剥離され、接合面２６の絶縁層の剥離領域２５（導体２２の露出部分）の下辺の長さＢがその上辺の長さＡに比べて短くなるように剥離されている。実施形態２では、導体セグメントのリード部の端部２０の形状に合わせて剥離領域２５の形状が上辺を扇形とした湾曲形状とされ、剥離領域２５と絶縁層２４との境界（剥離境界）が逆く字状の曲線となる。

図１１は、実施形態１の図８に対応する図であり、実施形態２における倒し込み工程後の接合対象の２つの導体セグメントのリード部１６ａ，１６ｂの側面図である。実施形態１と同様に、導体セグメントのリード部の端部２０の剥離領域２５の形状は、接合相手の接合面２６の形状に合わせてある。そのため、図１１に示すように、倒し込み工程で接合対象の２つの導体セグメントのリード部１６ａ，１６ｂを倒し込んだ際には、一方の導体セグメントのリード部の端部２０の接合面２６の剥離領域２５の剥離境界（逆く字状の曲線）に沿って、他方の導体セグメントのリード部の端部２０の接合面２６の形状の一部（逆く字状の曲線）が位置することになる。また、剥離領域２５の上辺の扇側の湾曲形状と、それと同一形状を有する他方の導体セグメントのリード部の端部２０の接合面２６の上側とが合うように配置される。

図１２は、実施形態１の図９に対応する図であり、実施形態２における接合工程後の３つの導体セグメントのリード部１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの側面図である。図１２に示すように、実施形態１と同様に、導体セグメントのリード部１６ｂの径方向には、その導体セグメントの接合相手ではない導体セグメントのリード部１６ｃが隣接し、それは、導体セグメントのリード部の端部２０ｂ（コイル接合部）の剥離領域２５（導体の露出部分）の下側に位置する。そして、実施形態２の回転電機のステータコイルにおいても、コイル接合部の剥離領域２５は、接合相手の接合面２６の形状に合わせた形状を有し、下辺の長さＢが上辺の長さＡに比べて短いため、コイル接合部の剥離領域２５と、径方向に隣接し剥離領域２５の下側に位置する接合相手ではない導体セグメントのリード部１６ｃとの絶縁距離αを大きくすることができる。

また、実施形態２の回転電機のステータコイルによれば、導体セグメントのリード部の端部２０の剥離領域２５のほとんどが接合相手の接合面で覆われて接合される構造であり、その構造において剥離領域２５の上辺の長さＡが大きいため、接合面積を非常に大きくすることができる。

１０ 導体セグメント、１４ 脚、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ リード部、２０，２０ｂ リード部の端部、２２ 導体、２４ 絶縁層、２５ 剥離領域、２６ 接合面、２８ ステータコア、３４ ヨーク、３６ ティース、３８ スロット、４０ ステータコイル。

Claims (1)

1. 環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向内方に突出した複数のティースと、前記各ティースの間に形成されたスロットとを有するステータコアに巻回されたステータコイルであり、
   導体に絶縁層が被膜された導体セグメントを複数、前記スロットに挿通し、前記ステータコアの端面から突出した導体セグメントのリード部の端部と他の導体セグメントのリード部の端部とを接合することで形成された回転電機のステータコイルであって、
   前記ステータコアの周方向に並ぶ各列の導体セグメントのリード部は時計方向または反時計方向の一定方向に倒し込まれ、径方向に隣接する導体セグメントのリード部は互いに逆の方向に倒し込まれて、径方向において互いに接する導体セグメントのリード部の端部同士が接合されており、
   導体セグメントのリード部の端部が他の導体セグメントのリード部の端部と接する接合面の前記絶縁層は、接合相手の接合面の形状に合わせて剥離されており、
   接合面の前記絶縁層の剥離領域の下辺の長さは、その上辺の長さに比べて短い、
   ことを特徴とする回転電機のステータコイル。