実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る回転電機を示す縦断面図、図2は、この発明の実施の形態1に係る固定子の要部を示す横断面図、図3は、この発明の実施の形態1に係る固定子の要部を示す縦断面図、図4は、この発明の実施の形態1に係る固定子を示す展開図である。なお、縦断面図とは、回転軸の軸心を含む平面における断面を示す図である。横断面図とは、回転軸の軸心と直交する平面における断面を示す図である。展開図とは、固定子鉄心を直線状に展開した状態を内径側から見た要部平面図である。また、図1および図2では、便宜上、インシュレータが省略されている。
図1において、回転電機100は、円筒部および底部を有する有底円筒状のフレーム2およびフレーム2の開口を塞ぐブラケット3を有するハウジング1と、フレーム2の円筒部の内部に収納された固定子10と、フレーム2の底部およびブラケット3にベアリング4を介して回転可能に支持された回転軸6に固着されて、固定子10の内周側に回転可能に設けられた回転子5と、を備えている。フレーム2は、鉄、アルミニウムなどの金属材料で作製され、回転子5と固定子10とを機械的に保持するとともに、固定子10の放熱経路となる。
回転子5は、軸心位置に挿入された回転軸6に固着された回転子鉄心7と、回転子鉄心7の外周面に固着されて周方向に等ピッチで配列され、磁極を構成する永久磁石8と、を備えた永久磁石型回転子である。なお、回転子5は、永久磁石式回転子に限定されず、絶縁しない回転子導体を、回転子鉄心のスロットに収納して、両側を短絡環で短絡したかご形回転子、絶縁した回転子導体を回転子鉄心のスロットに装着した巻線形回転子などを用いてもよい。
つぎに、固定子10の構成について図1から図4を参照しつつ説明する。なお、説明の便宜上、回転軸6の軸心と平行な方向を軸方向、回転軸6の半径方向を径方向、回転軸6の軸心を中心とする回転方向を周方向とする。
固定子10は、固定子鉄心11と、固定子鉄心11に装着された固定子コイル20と、固定子鉄心11と固定子コイル20とを絶縁するインシュレータ15と、を備える。
固定子鉄心11は、円環状のコアバック12と、コアバック12の内周面から径方向内方に突出して、周方向に等角ピッチで配列された複数のティース13と、を備える。周方向に隣り合うティース13の間に形成されるスペースがスロット14となる。スロット14は、スロット深さ方向を径方向として、固定子鉄心11の軸方向に一端から他端に至るように形成されて、周方向に等角ピッチで配列されている。固定子鉄心11は、例えば、電磁鋼板などの磁性薄板から打ち抜かれた磁性片を積層して構成される。
インシュレータ15は、スロット14のそれぞれに、スロット14の内壁面に沿うように収納され、固定子鉄心11と固定子コイル20とを電気的に絶縁する。このインシュレータ15は、後述するコイルセグメント21をスロット14に挿入する際に、緩衝材となる。これにより、固定子鉄心11を構成する磁性片のバリとコイルセグメント21の絶縁被膜との干渉がなく、絶縁被膜の損傷発生が抑制される。インシュレータ15は、紙、樹脂、それらの複合材料により作製されるが、ここでは、ポリイミドフィルムをメタ系アラミド繊維で挟み込んでシート状に作製されている。
固定子コイル20は、複数のコイルセグメント21により構成される。コイルセグメント21は、端末形状が異なる第1コイルセグメント21Aと第2コイルセグメント21Bとにより構成される。ここで、第1コイルセグメント21Aおよび第2コイルセグメント21Bは、端末形状を除いて同一形状に形成されており、添え字A,Bによって区別する。また、コイルセグメントを総称するときには、参照符号のみを用いる。
コイルセグメント21は、銅、アルミニウムなどの断面矩形の裸線にエナメル樹脂などの絶縁材料を被覆して作製された、直線状の導体である。コイルセグメント21は、スロット14に挿入される直線部21aと、直線部21aの一端から直線部21aの長さ方向に突出する第1コイルエンド部21bと、直線部21aの他端から直線部21aの長さ方向に突出する第2コイルエンド部21cと、第1コイルエンド部21bから延びる第1端末21dと、第2コイルエンド部21cから延びる第2端末21eと、を備える。各スロット14には、8本のコイルセグメント21の直線部21aが径方向に1列に配列されて挿入されている。第1コイルエンド部21bが各直線部21aからスロット14の軸方向一側に突出している。第2コイルエンド部21cが各直線部21aからスロット14の軸方向他側に突出している。
固定子コイル20は、固定子鉄心11の各スロット14に挿入されたコイルセグメント21の第1端末21d同士を接合し、第2端末21e同士を接合して構成される。ここで、コイルセグメント21の接合構造を説明する。説明の便宜上、スロット14内のコイルセグメント21の挿入位置を、内径側から第1層、第2層・・・第8層とする。また、スロット14の周方向の並び順に1番、2番、3番・・・とする。図3および図4中、上下方向が軸方向であり、上側を軸方向一側、下側を軸方向他側とする。図4中、左右方向が周方向であり、右側を周方向一側、左側を周方向他側とする。
まず、第1層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向一側に突出した第1コイルエンド部21bは、図4中、周方向一側に傾斜するように曲げられる。さらに、第1端末21dが、第1コイルエンド部21bの先端から軸方向に外方に延びるように曲げられる。一方、第1層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向他側に突出した第2コイルエンド部21cは、図4中、周方向他側に傾斜するように曲げられる。さらに、第2端末21eが、第2コイルエンド部21cの先端から軸方向に外方に延びるように曲げられる。第2層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向一側に突出した第1コイルエンド部21bは、図4中、周方向他側に傾斜するように曲げられる。さらに、第1端末21dが、第1コイルエンド部21bの先端から軸方向に外方に延びるように曲げられる。一方、第2層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向他側に突出した第2コイルエンド部21cは、図4中、周方向一側に傾斜するように曲げられる。さらに、第2端末21eが、第2コイルエンド部21cの先端から軸方向に外方に延びるように曲げられる。
さらに、第3層、第5層および第7層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向一側に突出した第1コイルエンド部21bは、図4中、周方向一側に傾斜するように曲げられる。さらに、第1端末21dが、第1コイルエンド部21bの先端から軸方向に外方に延びるように曲げられる。第3層、第5層および第7層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向他側に突出した第2コイルエンド部21cは、図4中、周方向他側に傾斜するように曲げられる。さらに、第2端末21eが、第2コイルエンド部21cの先端から軸方向に外方に延びるように曲げられる。第4層、第6層および第8層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向一側に突出した第1コイルエンド部21bは、図4中、周方向他側に傾斜するように曲げられる。さらに、第1端末21dが、第1コイルエンド部21bの先端から軸方向に外方に延びるように曲げられる。第4層、第6層および第8層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向他側に突出した第2コイルエンド部21cは、図4中、周方向一側に傾斜するように曲げられる。さらに、第2端末21eが、第2コイルエンド部21cの先端から軸方向に外方に延びるように曲げられる。
第1層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向一側に突出する第1コイルエンド部21bから軸方向に延びる第1端末21dは、周方向一側に6スロット離れたスロット14の第2層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向一側に突出する第1コイルエンド部21bから軸方向に延びる第1端末21dに接続される。第1層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向他側に突出する第2コイルエンド部21cから軸方向に延びる第2端末21eは、周方向他側に6スロット離れたスロット14の第2層に挿入された直線部21aからスロット14の軸方向他側に突出する第2コイルエンド部21cから軸方向に延びる第2端末21eに接続される。これにより、スロット14の第1層と第2層とに挿入されているすべてのコイルセグメント21が接続される。
このようにして、(1+6(n−1))番のスロット14の群の第1層と第2層とに挿入されているコイルセグメント21が直列に接続され、2本の1ターンの波巻き巻線が得られる。(2+6(n−1))番のスロット14の群の第1層と第2層とに挿入されているコイルセグメント21が直列に接続され、2本の1ターンの波巻き巻線が得られる。(3+6(n−1))番のスロット14の群の第1層と第2層とに挿入されているコイルセグメント21が直列に接続され、2本の1ターンの波巻き巻線が得られる。(4+6(n−1))番のスロット14の群の第1層と第2層とに挿入されているコイルセグメント21が直列に接続され、2本の1ターンの波巻き巻線が得られる。(5+6(n−1))番のスロット14の群の第1層と第2層とに挿入されているコイルセグメント21が直列に接続され、2本の1ターンの波巻き巻線が得られる。(6+6(n−1))番のスロット14の群の第1層と第2層とに挿入されているコイルセグメント21が直列に接続され、2本の1ターンの波巻き巻線が得られる。但し、nは1以上の整数である。
スロット14の第3層と第4層とに挿入されているすべてのコイルセグメント21が、同様に接続される。スロット14の第5層と第6層とに挿入されているすべてのコイルセグメント21が、同様に接続される。スロット14の第7層と第8層とに挿入されているすべてのコイルセグメント21が、同様に接続される。
固定子鉄心11の軸方向一側においては、第1層と第2層のコイルセグメント21の第1端末21d同士の溶接部16aと、第3層と第4層のコイルセグメント21の第1端末21d同士の溶接部16bと、第5層と第6層のコイルセグメント21の第1端末21d同士の溶接部16cと、第7層と第8層のコイルセグメント21の第1端末21d同士の溶接部16dとが、径方向に1列に並んで配列されている。つまり、溶接部16a−16dにより接続された第1コイルエンド部21bの4対が径方向に配列されている。このように径方向に並んだ第1コイルエンド部21bの4対を、1スロットピッチで周方向に配列して、軸方向一側のコイルエンド20aが構成される。また、径方向に1列に並んだ溶接部16a−16dにおいては、図3に示されるように、溶接部16a−16dの軸方向高さが同じである。
固定子鉄心11の軸方向他側においては、第1層と第2層のコイルセグメント21の第2端末21e同士の溶接部16eと、第3層と第4層のコイルセグメント21の第2端末21e同士の溶接部16fと、第5層と第6層のコイルセグメント21の第2端末21e同士の溶接部16gと、第7層と第8層のコイルセグメント21の第2端末21e同士の溶接部16hとが、径方向に1列に並んで配列されている。つまり、溶接部16e−16hにより接続された第2コイルエンド部21cの4対が径方向に配列されている。このように径方向に並んだ第2コイルエンド部21cの4対を、1スロットピッチで周方向に配列して、軸方向他側のコイルエンド20bが構成される。また、径方向に1列に並んだ溶接部16e−16hにおいては、図3に示されるように、溶接部16e−16hの軸方向高さが同じである。
つぎに、固定子10の組み立て方法を図5から図12を用いて説明する。図5は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法における切り出された導体の断面図、図6および図7は、それぞれ、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法における導体の端末の絶縁被膜除去工程を説明する図、図8は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法における絶縁被膜除去工程後の導体の端末周りを示す要部側面図、図9は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法における導体の端末曲げ工程を説明する図、図10は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法における端末曲げ工程後の導体の端末周りを示す要部側面図、図11は、この発明の実施の形態1に係る固定子における第1コイルセグメントの端末形状を説明する側面図、図12は、この発明の実施の形態1に係る固定子における第2コイルセグメントの端末形状を説明する側面図である。
ここで、第1コイルセグメント21Aおよび第2コイルセグメント21Bの作製方法を説明する。
まず、銅、アルミニウムなどの裸線にエナメル樹脂などの絶縁材料を被覆して作製された連続線から、既定の長さの直線状の導体30が切り出される。切り出された導体30は、図5に示されるように、導体30の長さ方向と直交する断面が矩形の導体部36と、導体部36の4側面に被覆された絶縁被膜37と、を備える。
ついで、絶縁被膜除去工程において、切り出された導体30の両端部の既定の範囲の絶縁被膜37が除去される。絶縁被膜除去工程では、まず、図6に示されるように、導体30の第1端部が下金型42に設置される。ついで、上金型41が、図6中矢印で示される方向に移動される。これにより、図7に示されるように、導体30の第1端部の一方の相対する2面の既定の範囲に被覆されている絶縁被膜37が除去される。相対する絶縁被膜除去面は、平行な平坦面である。
ついで、導体30を90度回転させて、同様に、導体30の第1端部の他方の相対する2面の既定の範囲に被覆されている絶縁被膜37が除去される。このとき、導体30の既定の範囲の先端側の導体部36の他方の面の一部が絶縁被膜37とともに除去される。これにより、導体部36の先端側の厚みが根元側より薄くなっている。図8に示されるように、一方の絶縁被膜除去面は、平坦面となっている。また、他方の絶縁被膜除去面は、一方の絶縁被膜除去面と平行な根元側および先端側の平坦面と、両平坦面をつなぐ傾斜面と、を備える。導体部36の他方の面の一部が絶縁被膜37とともに除去されて形成された先端側の平坦面が、後述する第1径方向面31aとなる。また、根元側の平坦面と先端側の平坦面とをつなぐ傾斜面が、後述する段差部32となる。
ついで、導体30の第2端部の4面に被覆されている絶縁被膜37が同様に除去され、第1コイルセグメント21Aが作製される。
ついで、端末曲げ工程において、絶縁被膜37が除去された導体30の両端部が曲げ成形される。端末曲げ工程では、まず、導体30の第1端部が、下金型44に設置される。このとき、導体30の第1端部の他方の相対する2面にうちの、平坦面のみで構成される一方の絶縁被膜除去面が下金型44上に置かれる。ついで、上金型43が下金型44の方向に移動される。これにより、図9に示されるように、導体30の第1端部の絶縁被膜除去部がクランク形状に塑性変形される。そこで、図10に示されるように、先端側が、根元側に対して、一方の絶縁被膜除去面の側にシフトされたクランク形状の、導体30の第1端部が形成される。先端側の一方の絶縁被膜除去面が、後述する第2径方向面31bとなる。
ついで、導体30の第2端部が同様に曲げ成形され、第2コイルセグメント21Bが作製される。
ここでは、絶縁被膜除去工程により導体30の端部の絶縁被膜37を除去した後、端末曲げ工程により導体30の端末を既定のクランク形状に曲げ成形して、第2コイルセグメント21Bを作製している。しかし、端末曲げ工程により導体30の端部を既定のクランク形状に曲げ成形した後、絶縁被膜除去工程により導体30の端部の絶縁被膜37を除去して、第2コイルセグメント21Bを作製してもよい。
つぎに、このように作製された第1コイルセグメント21Aおよび第2コイルセグメント21Bの端末形状について説明する。
第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1は、図11に示されるように、絶縁被膜37が除去された第1絶縁被膜除去部34と、絶縁被膜37が被覆され、第1コイルエンド部21bと同等の断面形状を有する第1基部33aと、を有する。第1絶縁被膜除去部34は、第1基部33aに隣接する第1根元部34aと、先端側の第1先端部34bと、を有する。第1根元部34aは、第1基部33aの導体部36と同等の断面形状を有する。第1先端部34bは、1面を第1根元部34aに対して厚みt1だけ窪ませて、第1根元部34aより小さな断面積となっている。この窪ませた1面が、第1径方向面31aとなる。第1先端部34bの第1径方向面31aと第1根元部34aの1面とをつなぐ傾斜面が、段差部32となる。第1基部33aの第1径方向面31aと同じ側の面が、コイル中間面37aとなる。なお、第1コイルセグメント21Aの第2端末21e1も、第1端末21d1と同じ形状に形成されている。すなわち、第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1と第2端末21e1は、第1コイルセグメント21Aの長さ方向の中央を通り、長さ方向と直交する平面について面対称の形状である。
第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2は、図12に示されたように、絶縁被膜37が除去された第2絶縁被膜除去部35と、絶縁被膜37に被覆された第2基部33bと、を有する。第2絶縁被膜除去部35は、第2基部33bに隣接する第2根元部35aと、先端側の第2先端部35bと、を有する。第2根元部35aは、第2基部33bの導体部36と同等の断面形状を有する。第2先端部35bは、第2根元部35aより小さな断面積を有する。第2絶縁被膜除去部35は、第2先端部35bが第2根元部35aに対して一面側に厚みt2だけシフトしたクランク形状となっている。第2先端部35bの一面が第2径方向面31bとなる。第2基部33bの第2径方向面31bと同じ側の面が、コイル中間面37bとなる。ここで、厚みt1と厚みt2との関係は、t2−t1=2dとなっている。但し、dは絶縁被膜37の厚みである。なお、第2コイルセグメント21Bの第2端末21e2も、第1端末21d2と同じ形状に形成されている。すなわち、第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2と第2端末21e2は、第2コイルセグメント21Bの長さ方向の中央を通り、長さ方向と直交する平面について面対称の形状である。
ここで、第1端末21d1,21d2が径方向に重ねられた際に、第1径方向面31aは、第1基部33aの導体部36の第1端末21d2側の面に対して、第1端末21d2と反対側に厚みt1だけ変位した位置に位置している。また、第1端末21d1,21d2が径方向に重ねられた際に、第2径方向面31bは、第2基部33bの導体部36の第1端末21d1側の面に対して、第1端末21d1側に厚みt2だけ変位した位置に位置している。
つぎに、固定子10の組み立て方法を図13から図20を用いて説明する。図13は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法におけるコイルセグメントを固定子鉄心に挿入する方法を説明する展開図、図14は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法におけるコイルセグメントがスロットに挿入されている状態を示す縦断面図、図15は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法における第1コイルエンド部が曲げ成形された状態を示す展開図、図16は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法における第2コイルエンド部が曲げ成形された状態を示す展開図、図17は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法において第1コイルセグメントの第1端末と第2コイルセグメントの第1端末とが径方向に重なった状態を示す側面図、図18は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法において第1コイルセグメントの第1端末と第2コイルセグメントの第1端末とが径方向に重なった状態を示す斜視図、図19は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法における溶接工程を説明する側面図、図20は、この発明の実施の形態1に係る固定子の組み立て方法において第1コイルセグメントの第1端末と第2コイルセグメントの第1端末とが接合された状態を示す斜視図である。なお、図18および図20では、便宜上、4本のコイルセグメントの第1端末のみを図示している。
まず、インシュレータ15がスロット14のそれぞれに装着される。ついで、図13に示されるように、固定子鉄心11の軸方向一側から各スロット14に第1コイルセグメント21Aと第2コイルセグメント21Bとが4本ずつ挿入される。このとき、第1コイルセグメント21Aと第2コイルセグメント21Bとは、第1端末21d1,21d2および第2端末21e1,21e2の第1径方向面31aと第2径方向面31bが相対するように重ねられて、各スロット14に挿入される。第1コイルセグメント21Aは、第1端末21d1および第2端末21e1の第1径方向面31aが径方向外方を向くように各スロット14に挿入される。第2コイルセグメント21Bは、第1端末21d2および第2端末21e2の第2径方向面31bが径方向内方を向くように各スロット14に挿入される。図14に示されるように、4本の第1コイルセグメント21Aの直線部21aが、各スロット14の第1層、第3層、第5層および第7層に位置するように収納される。4本の第2コイルセグメント21Bの直線部21aが、各スロット14の第2層、第4層、第6層および第8層に位置するように収納される。
ついで、固定子鉄心11の軸方向一側において、第1層、第3層、第5層および第7層のそれぞれに挿入された第1コイルセグメント21Aの第1コイルエンド部21bの根元部が曲げられて、第1コイルエンド部21bが周方向一側に傾斜される。さらに、直線部21aが挿入されているスロット14から周方向一側に3スロット分シフトした位置で第1コイルエンド部21bの先端部が曲げられて、第1端末21d1が軸方向外側に延ばされる。
ついで、第2層、第4層、第6層および第8層のそれぞれに挿入された第2コイルセグメント21Bの第1コイルエンド部21bの根元部が曲げられて、第1コイルエンド部21bが周方向他側に傾斜される。さらに、直線部21aが挿入されているスロット14から周方向他側に3スロット分シフトした位置で第1コイルエンド部21bの先端部が曲げられて、第1端末21d2が軸方向外側に延ばされる。
これにより、第1層に挿入された第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1と、周方向一側に6スロット離れたスロット14の第2層に挿入された第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2とが、径方向に重ねられる。同様に、第3層に挿入された第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1と、周方向一側に6スロット離れたスロット14の第4層に挿入された第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2とが、径方向に重ねられる。同様に、第5層に挿入された第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1と、周方向一側に6スロット離れたスロット14の第6層に挿入された第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2とが、径方向に重ねられる。同様に、第7層に挿入された第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1と、周方向一側に6スロット離れたスロット14の第8層に挿入された第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2とが、径方向に重ねられる。
ついで、固定子鉄心11の軸方向他側において、第1層、第3層、第5層および第7層のそれぞれに挿入された第1コイルセグメント21Aの第2コイルエンド部21cの根元部が曲げられて、第2コイルエンド部21cが周方向他側に傾斜される。さらに、直線部21aが挿入されているスロット14から周方向他側に3スロット分シフトした位置で第2コイルエンド部21cの先端部が曲げられて、第2端末21e1が軸方向外側に延ばされる。
第2層、第4層、第6層および第8層のそれぞれに挿入された第2コイルセグメント21Bの第2コイルエンド部21cの根元部を曲げて、第2コイルエンド部21cが周方向一側に傾斜される。さらに、直線部21aが挿入されているスロット14から周方向一側に3スロット分シフトした位置で第2コイルエンド部21cの先端部が曲げられて、第2端末21e2が軸方向外側に延ばされる。
これにより、第1層に挿入された第1コイルセグメント21Aの第2端末21e1と、周方向他側に6スロット離れたスロット14の第2層に挿入された第2コイルセグメント21Bの第2端末21e2とが、径方向に重ねられる。同様に、第3層に挿入された第1コイルセグメント21Aの第2端末21e1と、周方向他側に6スロット離れたスロット14の第4層に挿入された第2コイルセグメント21Bの第2端末21e2とが、径方向に重ねられる。同様に、第5層に挿入された第1コイルセグメント21Aの第2端末21e1と、周方向他側に6スロット離れたスロット14の第6層に挿入された第2コイルセグメント21Bの第2端末21e2とが、径方向に重ねられる。同様に、第7層に挿入された第1コイルセグメント21Aの第2端末21e1と、周方向他側に6スロット離れたスロット14の第8層に挿入された第2コイルセグメント21Bの第2端末21e2とが、径方向に重ねられる。
ここで、第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1と第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2とは、図17および図18に示されるように、径方向に重ねられる。このとき、第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1のコイル中間面37aと第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2のコイル中間面37bとが突き合わされて接触する。また、第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1の第1径方向面31aと第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2の第2径方向面31bとが突き合わされて接触する。第1径方向面31aと第2径方向面31bとの接触部は、軸方向から見て、コイル中間面37a,37bの接触部に対して径方向内側にシフトしている。段差部32は、径方向に関して、第1径方向面31aと第2径方向面31bとの接触部とコイル中間面37a,37bの接触部との間に位置している。なお、第1コイルセグメント21Aの第2端末21e1と第2コイルセグメント21Bの第2端末21e2も、同様に、径方向に重ねられる。
ついで、固定子鉄心11の軸方向両側において、径方向に重ねられた第1コイルセグメント21Aと第2コイルセグメント21Bの第1端末21d1,21d2同士、および第1コイルセグメント21Aと第2コイルセグメント21Bの第2端末21e1,21e2同士が、それぞれ、レーザ溶接により接続される。溶接工程では、固定子鉄心11は軸心を上下方向に向けて配置され、レーザ照射ヘッド51は固定子鉄心11の軸方向上方に配置される。そして、レーザ照射ヘッド51から出射されたレーザ光が、図19に示されるように、径方向に重ねられた第1端末21d1,21d2の第1先端部34bと第2先端部35bとの端面に軸方向から照射される。これにより、図20に示されるように、第1先端部34bと第2先端部35bとが溶接部16により接合される。なお、溶接部16は、溶接部16a−16hの総称である。
実施の形態1では、第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1の第1絶縁被膜除去部34の第1径方向面31aと第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2の第2絶縁被膜除去部35の第2径方向面31bとが突き合わされている。第1径方向面31aと第2径方向面31bとの突き合わせ部が、軸方向から見て、コイル中間面37a,37bの突き合わせ部より径方向内方にシフトしている。そして、段差部32は、径方向に関して、第1径方向面31aと第2径方向面31bとの接触部とコイル中間面37a,37bの接触部との間に位置している。同様に、第1コイルセグメント21Aと第2コイルセグメント21Bとの第2端末21e1,21e2においても、第1径方向面31aと第2径方向面31bとの突き合わせ部が、軸方向から見て、コイル中間面37a,37bの突き合わせ部より径方向内方にシフトしている。そして、段差部32は、径方向に関して、第1径方向面31aと第2径方向面31bとの接触部とコイル中間面37a,37bの接触部との間に位置している。そこで、軸方向外方から照射されるレーザ光が、第1径方向面31aと第2径方向面31bとの間を貫通しても、段差部32にあたり、絶縁被覆された第1基部33aおよび第2基部33bには到達しない。これにより、溶接箇所の周辺の絶縁被膜37の損傷発生を抑制できる。そこで、レーザ溶接を適用して、溶接時間を短縮し、固定子10の生産性を向上できるとともに、絶縁被膜37の損傷発生に起因する品質低下を防止できる。
回転電機においては、特性向上の観点から、スロット14内の導体線の占積率を高めることが求められる。すなわち、コイルセグメント21の直線部21aがスロット14内に隙間のない状態で配置される。そのため、コイルセグメント21の端末同士を接合して構成されるコイルエンドにおいて、端末同士の接合部である溶接部16の直径が大きくなると、径方向に隣り合う溶接部16間の絶縁距離を確保できなくなる。実施の形態1では、絶縁被膜除去工程において、導体部36の他方の面の一部を絶縁被膜37とともに除去している。これにより、第1先端部34bの断面積が第1基部33aの導体部36より小さくなり、第2先端部35bの断面積が第2基部33bの導体部36より小さくなっている。その結果、溶接部16の直径を小さくでき、径方向に隣り合う溶接部16間の絶縁距離を確保できる。
絶縁被膜37の被覆部がレーザ照射部に隣接している場合、レーザ照射部での熱が絶縁被膜37の被覆部に伝達され、絶縁被膜37が損傷する恐れがあった。絶縁被膜37の損傷部から発生するガスが溶接部16に混入すると、接続不良、溶接強度の低下をもたらす。実施の形態1では、絶縁被膜37が除去された第1根元部34aが第1基部33aと隣り合うように形成されている。また、絶縁被膜37が除去された第2根元部35aが第2基部33bと隣り合うように形成されている。つまり、レーザ光の照射部と第1基部33aとの間に第1根元部34aが存在し、レーザ光の照射部と第2基部33bとの間に第2根元部35aが存在する。これにより、レーザ光の照射部での熱が第1基部33aおよび第2基部33bに伝達されにくくなる。その結果、レーザ溶接時における絶縁被膜37の損傷発生を抑制でき、接続不良、溶接強度の低下の発生を防止できる。
第1絶縁被膜除去部34が断面積の小さい第1先端部34bのみで構成され、第2絶縁被膜除去部35が断面積の小さい第2先端部35bのみで構成されている場合、第1絶縁被膜除去部34および第2絶縁被膜除去部35の電気抵抗が高くなる。その結果、固定子コイル20の電気抵抗が増大し、固定子コイル20での発熱による損失が増大する。実施の形態1では、第1先端部34bより断面積の大きい第1根元部34aが第1基部33aに隣接して形成されている。第2先端部35bより断面積の大きい第2根元部35aが第2基部33bに隣接して形成されている。これにより、第1絶縁被膜除去部34と第2絶縁被膜除去部35の電気抵抗が小さくなり、固定子コイル20での発熱による損失が低減され、回転電機の効率を向上させることができる。
なお、上記実施の形態1では、第1コイルセグメント21Aおよび第2コイルセグメント21Bは、固定子鉄心11の各スロット14に挿入した後、第1コイルエンド部21bおよび第2コイルエンド部21cを周方向に曲げている。しかし、第1コイルエンド部21bが予め曲げ成形された第1コイルセグメント21Aおよび第2コイルセグメント21Bを固定子鉄心11の各スロット14に挿入した後、第2コイルエンド部21cのみを周方向に曲げてもよい。
実施の形態2.
図21は、この発明の実施の形態2に係る固定子の要部を示す縦断面図、図22は、この発明の実施の形態2に係る固定子におけるコイルセグメントを固定子鉄心に装着する方法を説明する縦断面図である。
図21において、コイルセグメント21は、第1コイルセグメント21Cと第2コイルセグメント21Dとにより構成される。
第1コイルセグメント21Cは、直線部21aと、直線部21aの一端から直線部21aの長さ方向に突出する第1コイルエンド部21bと、直線部21aの他端から直線部21aの長さ方向に突出する第2コイルエンド部21cと、第1コイルエンド部21bから延びる第1端末21d1と、第2コイルエンド部21cから延びる第2端末21e3と、を備える。第1端末21d1は、第1基部33aと、第1根元部34aおよび第1先端部34bを有する第1絶縁被膜除去部34と、を備える。第1先端部34bの径方向外方を向く面が第1根元部34aの径方向外方を向く面に対して径方向内方にシフトし、第1径方向面31aとなる。第2端末21e3は、第2根元部35aおよび第2先端部35bを有する第2絶縁被膜除去部35と、を備える。第2絶縁被膜除去部35は、第2先端部35bが第2根元部35aに対して径方向外方にシフトするクランク形状となっている。第2先端部35bの径方向外方を向く面が、第2径方向面31bとなる。このように、第1コイルセグメント21Cは、第2端末21e3の形状が異なる点を除いて、実施の形態1における第1コイルセグメント21Aと同様に構成されている。
第2コイルセグメント21Dは、直線部21aと、直線部21aの一端から直線部21aの長さ方向に突出する第1コイルエンド部21bと、直線部21aの他端から直線部21aの長さ方向に突出する第2コイルエンド部21cと、第1コイルエンド部21bから延びる第1端末21d2と、第2コイルエンド部21cから延びる第2端末21e4と、を備える。第1端末21d2は、第2基部33bと、第2根元部35aおよび第2先端部35bを有する第2絶縁被膜除去部35と、を備える。第2絶縁被膜除去部35は、第2先端部35bが第2根元部35aに対して径方向内方にシフトするクランク形状となっている。第2先端部35bの径方向内方を向く面が第2径方向面31bとなる。第2端末21e4は、第1根元部34aおよび第1先端部34bを有する第1絶縁被膜除去部34と、を備える。第1先端部34bの径方向内方を向く面が第1根元部34aの径方向内方を向く面に対して径方向外方にシフトし、第1径方向面31aとなる。このように、第2コイルセグメント21Dは、第2端末21e4の形状が異なる点を除いて、実施の形態1における第2コイルセグメント21Bと同様に構成されている。
各スロット14には、第1コイルセグメント21Cと第2コイルセグメント21Dとが径方向に1列に交互に並んで4本ずつ挿入されている。固定子鉄心11の軸方向両側において、第1基部33aと第2基部33bとのコイル中間面37a,37bが突き合わされ、第1先端部34bの第1径方向面31aと第2先端部35bの第2径方向面31bとが突き合わされている。
ここで、固定子鉄心11の軸方向の一端側では、第1径方向面31aと第2径方向面31bとの突き合わせ部が、コイル中間面37a,37bの突き合わせ部に対して、径方向内方に位置している。一方、固定子鉄心11の軸方向の他端側では、第1径方向面31aと第2径方向面31bとの突き合わせ部が、コイル中間面37a,37bの突き合わせ部に対して、径方向外方に位置している。このように、第1径方向面31aと第2径方向面31bとの突き合わせ部が、コイル中間面37a,37bの突き合わせ部に対して、径方向にずれる方向が、固定子鉄心11の軸方向両側において、反対である。つまり、第1コイルセグメント21Cの第1端末21d1の第1径方向面31aは、コイル中間面37aより径方向内方に位置している。第2コイルセグメント21Dの第2端末21e4の第1径方向面31aは、コイル中間面37bより径方向外方に位置している。そこで、図22に示されるように、第2コイルセグメント21Dをスロット14の第8層に挿入することができる。
このように、実施の形態2では、第1コイルセグメント21Cおよび第2コイルセグメント21Dを、先に挿入されているコイルセグメントに干渉されることなく、1本ずつスロット14に挿入することができる。
回転電機においては、固定子コイル20を制御装置に接続するための出力線、固定子コイル20の各相のコイルを連結するための中性点などが必要となる。つまり、出力線用のコイルセグメント、中性点用のコイルセグメントなどが必要となる。出力線用、中性点用などのコイルセグメントは、固定子コイル20を構成するコイルセグメント21とは、長さ、形状が異なることが多い。
実施の形態1の構成では、第1コイルセグメント21Aと第2コイルセグメント21Bとを径方向に重ね合わせた状態でスロット14に挿入する必要があった。そこで、出力線用、中性点用などの特異な形状のコイルセグメントと固定子コイル20を構成するコイルセグメント21とを同時にスロット14に挿入する工程が煩雑となってしまう。
実施の形態2の構成では、第1コイルセグメント21Cと第2コイルセグメント21Dとを別々にスロット14に挿入することができる。そこで、出力線用、中性点用などの特異な形状のコイルセグメントと固定子コイル20を構成するコイルセグメント21とを1本ずつ順番にスロット14に挿入することができる。これにより、特異な形状のコイルセグメントと固定子コイル20を構成するコイルセグメント21のスロット14への装着工程が簡易となる。
実施の形態3.
図23は、この発明の実施の形態3に係る固定子を示す展開図、図24は、この発明の実施の形態3に係る固定子におけるセグメントコイルを示す平面図、図25は、この発明の実施の形態3に係る固定子におけるスロットに挿入されているセグメントコイルの配列状体を説明する展開図である。なお、図25では固定子が省略されている。
図23において、固定子コイル20Aは、固定子鉄心11の各スロット14に装着された多数のU字形のコイルセグメント40を接続して構成されている。
コイルセグメント40は、銅、アルミニウムなどの断面矩形の裸線にエナメル樹脂などの絶縁材料を被覆して作製された、U字形の導体である。コイルセグメント40は、図24に示されるように、例えば6スロット離れたスロット14に挿入される一対の直線部40aと、一対の直線部40aの一端同士を連結する連結部40bと、一対の直線部40aの他端から延びる一対のコイルエンド部40cと、一対のコイルエンド部40cの先端から延びる第1端末40dおよび第2端末40eと、を備える。連結部40bは、一対の直線部40aを導体の径方向の厚さ分、導体の厚さ方向、すなわち径方向に変位させている。第1端末40dは、第1コイルセグメント21Aの第1端末21d1と同形状に形成されている。第2端末40eは、第2コイルセグメント21Bの第1端末21d2と同形状に形成されている。
このように構成されたコイルセグメント40は、固定子鉄心11の軸方向他側から、6スロット離れたスロット14の対の第1層と第2層とに挿入される。また、コイルセグメント40は、固定子鉄心11の軸方向他側から、6スロット離れたスロット14の第3層と第4層とに挿入される。また、コイルセグメント40は、固定子鉄心11の軸方向他側から、6スロット離れたスロット14の第5層と第6層とに挿入される。さらに、コイルセグメント40は、固定子鉄心11の軸方向他側から、6スロット離れたスロット14の第7層と第8層とに挿入される。これにより、コイルセグメント40は、図25に示されるように、第1層と第2層、第3層と第4層、第5層と第6層、および第7層と第8層とに、1スロットピッチでスロット14と同数環状に配列される。
各スロット14の第1層から軸方向一側に突出するコイルエンド部40cが、周方向一側に傾斜するように曲げられる。さらに、直線部40aが挿入されているスロット14から周方向一側に3スロット分シフトした位置でコイルエンド部40cの先端部が曲げられて、第1端末40dが軸方向外側に延ばされる。各スロット14の第2層から軸方向一側に突出するコイルエンド部40cが、周方向他側に傾斜するように曲げられる。さらに、直線部40aが挿入されているスロット14から周方向他側に3スロット分シフトした位置でコイルエンド部40cの先端部が曲げられて、第2端末40eが軸方向外側に延ばされる。
さらに、各スロット14の第3層、第5層および第7層から軸方向一側に突出するコイルエンド部40cが、それぞれ、周方向一側に傾斜するように曲げられる。さらに、第1端末40dが、コイルエンド部40cの先端から軸方向外方に延びるように曲げられる。さらに、各スロット14の第4層、第6層および第8層から軸方向一側に突出するコイルエンド部40cが、それぞれ、周方向他側に傾斜するように曲げられる。さらに、第2端末40eが、コイルエンド部40cの先端から軸方向外方に延びるように曲げられる。
これにより、スロット14の第1層に挿入されているコイルセグメント40の第1端末40dが、周方向一側に6スロット離れたスロット14の第2層に挿入されているコイルセグメント40の第2端末40eと径方向に重ねられる。そして、第1端末40dの第1先端部の第1径方向面と第2端末40eの第2先端部の第2径方向面とが突き合わされた状態でレーザ溶接される。同様に、スロット14の第3層、第5層および第7層に挿入されているコイルセグメント40の第1端末40dが、周方向一側に6スロット離れたスロット14の第4層、第6層および第8層に挿入されているコイルセグメント40の第2端末40eと径方向に重ねられる。そして、第1端末40dの第1先端部の第1径方向面と第2端末40eの第2先端部の第2径方向面とが突き合わされた状態でレーザ溶接される。
実施の形態3では、コイルセグメント40の第1端末40dと第2端末40eは、第1コイルセグメント21Aと第2コイルセグメント21Bの第1端末21d1,21d2と同形状に形成されている。したがって、実施の形態3においても、レーザ溶接を適用して、溶接時間を短縮し、固定子10の生産性を向上できるとともに、絶縁被膜37の損傷発生に起因する品質低下を防止できる。
なお、上記各実施の形態では、固定子コイルがコイルセグメントを接続して形成された複数の波巻き巻線により構成されているが、固定子コイルは、波巻き巻線に限定されず、分布巻巻線であればよく、例えば亀甲形コイルなどの重ね巻き巻線でもよい。
また、上記各実施の形態では、6スロット離れたスロットの対に挿入されているコイルセグメントの端末同士が接続されているが、接続されるコイルセグメントが挿入されるスロットの対は、6スロット離れたスロットの対に限定されない。つまり、接続されるコイルセグメントが挿入されるスロットの対は、複数スロット離れたスロットの対であればよく、例えば、3スロット離れたスロットの対でもよい。
また、上記各実施の形態では、コイルセグメントの直線部が各スロット内に径方向に1列に配列して8本収納されているが、各スロット内に収納されるコイルセグメントの直線部の本数は2m本(ただし、mは1以上の整数)であればよい。
また、上記各実施の形態では、接続されるコイルセグメントの端末は、それぞれ、直線部が挿入されているスロットから互いに近づく方向に3スロット分シフトして径方向に重なっている。しかし、両端末は、一方が2スロット分、他方が4スロット分互いに近づく方向にシフトして、径方向に重なるようにしてもよい。
また、上記各実施の形態では、スロットが径方向内方に開口するインアーロータ型の回転電機について説明しているが、本発明は、スロットが径方向外方に開口するアウターロータ型の回転電機に適用しても、同様の効果が得られる。