JP2021132457A - ステータコイル - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルの電気抵抗を低減することを目的とする。【解決手段】ステータコイルは、ステータコアに巻回されるステータコイルであって、端部の被膜が剥離され導体が露出した複数のセグメントコイルと、圧入された前記導体同士を連結する導電性の筒を備える連結部材と、を有し、前記導体の軸方向の側面には、前記連結部材の内径より大きな外径を有する複数の突起が形成されている、ことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ステータコイルに関する。

ステータコアとステータコアに巻回されるステータコイルとを有する回転電機のステータが知られている。ステータコイルは複数のセグメントコイルを連結して構成される。セグメントコイルは連結部材を介して互いに連結される。連結部材は導電材料からなるとともに筒状の本体と、本体の外周面を被覆する絶縁被膜を備えている。一方、セグメントコイルの両端には、コイル被膜が剥離され、導線が外部に露出した剥離部が形成されている。セグメントコイルの剥離部を筒状の本体に嵌合すると、筒状の本体の内周面はセグメントコイルの剥離部と密着する。換言すれば、本体はセグメントコイルの剥離部と篏合することで電気的に接続され、ステータコイルの電流経路の一部、すなわち、ステータコイルの一部として機能する（以上、特許文献１参照）。

特開２０１９−１２６１５３号公報 特開２００９−２６９１６９号公報

ところで、筒状の本体の径方向の厚さによっては、筒状の本体の内周面がセグメントコイルの剥離部と密着しない場合がある。例えば、筒状の本体の径方向の厚さが薄い場合に剥離部を筒状の本体に嵌合すると、剥離部と筒状の本体との剛性差により、筒状の本体における開口部付近が外周方向に塑性変形することがある。すなわち、筒状の本体における開口部付近が外周方向に反る可能性がある。この場合、剥離部の根元側の側面は筒状の本体から離れるので、本体の内周面がセグメントコイルの剥離部と部分的に密着しなくなる。本体の内周面がセグメントコイルの剥離部と部分的に密着しない場合、剥離部と本体の内周面との接触面積が小さくなり、接触抵抗が増大する。したがって、結果的に、ステータコイルの電気抵抗が増大するおそれがある。

そこで、本発明では、ステータコイルの電気抵抗を低減することを目的とする。

本発明に係るステータコイルは、ステータコアに巻回されるステータコイルであって、端部の被膜が剥離され導体が露出した複数のセグメントコイルと、圧入された前記導体同士を連結する導電性の筒を備える連結部材と、を有し、前記導体の軸方向の側面には、前記連結部材の内径より大きな外径を有する複数の突起が形成されている。

本発明によれば、ステータコイルの電気抵抗を低減することができる。

図１は回転電機のステータの分解斜視図である。 図２（ａ）は第２セグメントコイルの剥離部に形成された突起の圧入前後の様子を説明するための図である。図２（ｂ）は突起の間隔と高低差を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

図１は回転電機のステータ１０の分解斜視図である。ステータ１０はロータと組み合わされて回転電機になる。ステータ１０が適用される回転電機は、電動機として用いられるものでもよいし、発電機として用いられるものでもよい。本実施形態に係るステータ１０は電動車両に搭載される回転電機に適用することができる。したがって、本実施形態に係るステータ１０は走行用動力を生成する電動機として機能するとともに、回生トルク等で発電を行う発電機としても機能する回転電機に適用することができる。

ステータ１０はステータコア１２を有する。ステータコア１２は略円環状のコアバック１４と、コアバック１４の内周面から径方向内側に突出する複数のティース１６と、に大別される。周方向に隣接するティース１６間には、後述するステータコイル２０の一部が収容される空間であるスロット１８が形成されている。かかるステータコア１２は、例えば、複数の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）を厚み方向に積層して作成される積層鋼板であってもよい。また、ステータコア１２は、絶縁被覆された磁性粒子をプレス成形してなる圧粉磁芯であってもよい。

また、ステータ１０はステータコア１２に巻回されるステータコイル２０を有する。実際のステータコイル２０は複数のセグメントコイルを含むが、図１では見易さのために、複数のセグメントコイルの一部である第１セグメントコイル２１と第２セグメントコイル２２とを示している。

ステータコイル２０は、ステータコア１２のティース１６に巻回される。かかるステータコイル２０の結線態様および巻回態様は、回転電機の仕様に応じて、適宜、選択されればよい。したがって、ステータコイル２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルをスター結線またはデルタ結線した構成でもよい。また、ステータコイル２０は、分布巻で巻回されてもよいし、集中巻で巻回されてもよい。いずれにしても、本実施形態において、ステータコイル２０は第１セグメントコイル２１と第２セグメントコイル２２とを含む複数のセグメントコイルを連結して構成される。

第１セグメントコイル２１と第２セグメントコイル２２は、いずれもステータコイル２０を取り扱いやすい長さで分けたものである。第１セグメントコイル２１の形状は略Ｕ字状である。第２セグメントコイル２２の形状は略Ｃ字状又は略コ字状である。

ここで、図２（ａ）に示すように、第１セグメントコイル２１は、導体２１ａと、導体２１ａを被覆するコイル被膜２１ｂとを含んでいる。導体２１ａは銅などの導電性材料を含み、コイル被膜２１ｂはエナメルなどの絶縁体を含んでいる。導体２１ａの断面形状は略矩形である。すなわち、導体２１ａは角線であり、いわゆる平角導体に相当する。このように導体２１ａを角線とするのは、スロット１８内における線積率を向上するためである。

図１に戻り、第１セグメントコイル２１は、ステータ１０の完成時と同じ形状、すなわち、最終形状に屈曲され、成形されている。具体的には、第１セグメントコイル２１は、スロット１８内に収容される一対の棒体部分と、この一対の棒体部分を接続する接続部分と、を有した略Ｕ字状となっている。棒体部分の長さは、ステータコア１２の軸方向寸法とほぼ同じである。そのため、当該棒体部分をスロット１８内に挿入した際、当該棒体部分の末端がスロット１８の軸方向端部近傍に位置するようになっている。接続部分は、ステータコア１２の軸方向外側において周方向に延び、コイルエンドの一部を構成する。この第１セグメントコイル２１の両端（すなわち棒体部分）の末端には、図２（ａ）に示すように、コイル被膜２１ｂが剥離され、導体２１ａが外部に露出した剥離部２１ｃが形成されている。剥離部２１ｃ（導体２１ａの先端部）は、先細り状のテーパー形状となっている。

図２（ａ）に示すように、第２セグメントコイル２２は、導体２２ａと、導体２２ａを被覆するコイル被膜２２ｂとを含んでいる。導体２２ａは銅などの導電性材料を含み、コイル被膜２２ｂはエナメルなどの絶縁体を含んでいる。第２セグメントコイル２２も、最終形状に形成されている。第２セグメントコイル２２は、第１セグメントコイル２１の接続部分とは逆側のステータコア１２の軸方向外側において、周方向に延びて、コイルエンドの一部を構成する。この第２セグメントコイル２２の両端にも、コイル被膜２２ｂが剥離され、導体２２ａが外部に露出した剥離部２２ｃが形成されている。また、剥離部２２ｃ（導体２２ａの先端部）も、先細り状のテーパー形状となっている。

導体２２ａの断面形状は円形である。すなわち、導体２２ａは丸線である。このように第２セグメントコイル２２の導体２２ａを丸線とするのは、第２セグメントコイル２２の曲げ加工を容易にするためである。第２セグメントコイル２２は、第１セグメントコイル２１に比べて、ステータ１０の周方向だけではなく、ステータ１０の径方向にも屈曲または湾曲させることが求められる。このため、第２セグメントコイルは、第１セグメントコイル２１よりも柔軟に曲げられることが望まれる。そして、丸線は、角線に比べて、いずれの方向にも曲げやすいため、本実施形態では、第２セグメントコイル２２を丸線としている。

尚、第１セグメントコイル２１の導体２１ａ及び第２セグメントコイル２２の導体２２ａだけでなく、第１セグメントコイル２１のコイル被膜２１ｂ及び第２セグメントコイル２２のコイル被膜２２ｂも、互いに異なっていてもよい。例えば、第２セグメントコイル２２の導体２２ａを曲げやすい丸線とした場合に、第２セグメントコイル２２のコイル被膜２２ｂの断面形状を円形とすれば、曲げ加工時におけるコイル被膜２２ｂのダメージを軽減できる。この場合、第２セグメントコイル２２のコイル被膜２２ｂを、第１セグメントコイル２１のコイル被膜２１ｂに比べて、薄くすることができる。

第１セグメントコイル２１と第２セグメントコイル２２は、図２（ａ）に示すように、連結部材２４を介して互いに連結される。連結部材２４は第１セグメントコイル２１の剥離部２１ｃと第２セグメントコイル２２の剥離部２２ｃとを圧入により連結する。連結部材２４はその軸方向に貫通する貫通孔を有する筒である。このため、第１セグメントコイル２１の剥離部２１ｃを連結部材２４の貫通孔の一端から圧入することができる。また、第２セグメントコイル２２の剥離部２２ｃを連結部材２４の貫通孔の他端から圧入することができる。尚、貫通孔の一端は、第１セグメントコイル２１の剥離部２１ｃが圧入されると、剥離部２１ｃの形状に合わせて断面矩形に変形し、導体２１ａの外面に密着する。

連結部材２４は、導電性の筒本体２４ａと、筒本体２４ａの外周面を被覆する絶縁被膜２４ｂとを備えている。絶縁被膜２４ｂにより巻回により隣接する剥離部２１ｃ同士や剥離部２２ｃ同士の絶縁を確保している。仮に、連結部材２４を採用せずに、第１セグメントコイル２１と第２セグメントコイル２２の間に通電して両者の接合部に電気抵抗熱を発生させて固相接合することも想定される。しかしながら、固相接合に要する温度は絶縁被膜２４ｂの溶融温度より高いことが多く、絶縁被膜２４ｂが溶け出すおそれがある。この結果、母材である導体２１ａ，２２ａが露出し、隣接する導体２１ａ同士や隣接する導体２２ａ同士の絶縁が確保されない可能性がある。このため、本実施形態では、連結部材２４を採用している。

筒本体２４ａの内周面は、圧入された第１セグメントコイル２１の剥離部２１ｃ及び圧入された第２セグメントコイル２２の剥離部２２ｃと接触する。特に、図２（ａ）の左側に示すように、導体２２ａの剥離部２２ｃの軸方向の根元側面には、連結部材２４の内径より大きな外径を有する複数の突起２２ｄが形成されている。図２（ａ）では、複数の突起２２ｄが全波整流波の波形で整列しているが、波形は三角波やのこぎり波などであってもよい。尚、筒本体２４ａの径方向の厚さは所定値より薄く、筒本体２４ａの剛性は剥離部２２ｃの剛性より低い。したがって、剥離部２２ｃと筒本体２４ａとの間には剛性差がある。

このため、第２セグメントコイル２２の剥離部２２ｃが圧入されると、筒本体２４ａの開口部付近が外周方向に反るように塑性変形するが、図２（ａ）の右側に示すように、複数の突起２２ｄの先端部（又は頂点部）は圧入方向と逆方向に倒伏しながら、連結部材２４の中心軸方向に作用する押圧力により潰れる。これにより、剥離部２２ｃの根元であっても、複数の突起２２ｄが潰れない場合に比べて、複数の突起２２ｄの各々と筒本体２４ａが密着し、複数の突起２２ｄと筒本体２４ａとの接触面積が増大する。このように、複数の突起２２ｄの各々と筒本体２４ａが電気的に接続され、ステータコイル２０の電流経路の一部、すなわち、ステータコイルの一部として機能する。接触面積が増大すると、接触抵抗の大きさは断面積に反比例するため、接触抵抗の大きさが低下する。結果的に、複数の突起２２ｄの先端部が潰れない場合に比べて、ステータコイル２０の電気抵抗が低減する。

ここで、図２（ｂ）に示すように、突起２２ｄの間隔（ピッチ）は５μｍ以上５０μｍ以下といった所定範囲であることが好ましい。このような所定範囲で突起２２ｄの先端部が急峻になり、潰れやすくなる。仮に、突起２２ｄの間隔が５μｍより小さい場合には、突起２２ｄ先端部は急峻になるが、複数の突起２２ｄが過密になり、突起２２ｄの先端部が潰れにくくなる可能性がある。逆に、突起２２ｄの間隔が５０μｍより大きい場合には、突起２２ｄの１つ１つが大きくなると、突起２２ｄの先端部の急峻性が失われて緩やか（又はなだらか）になり、突起２２ｄの先端部が潰れにくくなる可能性がある。このように、突起２２ｄの間隔は上述した所定範囲であることが好ましい。

また、図２（ｂ）に示すように、突起２２ｄの高低差は、第２セグメントコイル２２の剥離部２２ｃが圧入される前の突起２２ｄの第１高さと圧入された後の突起２２ｄの第２高さを比較した場合に、第２高さを第１高さの半分以下にできる所定の高低差であることが好ましい。高低差が不十分である場合、突起２２ｄの先端部が緩やか（又はなだらか）になり、剥離部２２ｃが圧入されても、突起２２ｄの先端部が倒れにくく、接触面積が増大しない可能性がある。このように、突起２２ｄの高低差は所定の高低差であることが好ましい。

尚、突起２２ｄは、例えば第２セグメントコイル２２の剥離部２２ｃの軸方向の側面にレーザーを照射して表面の材料を切削加工することにより形成することができる。このため、剥離部２２ｃの外径を圧入前の段階から連結部材２４の内径より大きくすることが要求される。また、本実施形態に係る突起２２ｄを形成するために、隣接する突起２２ｄの間に位置する谷の部分の外形が連結部材２４の内径よりも小さくなるように切削加工の深さを制御することが要求される。

このように、突起２２ｄはレーザーを照射することにより形成することができるが、レーザーの照射に代えて、突起２２ｄを形成可能な工具や金型を使用してもよい。この場合、工具や金型を剥離部２２ｃに押し付けて突起２２ｄを形成することができる。ただし、レーザーを照射する場合、レーザーの熱により突起２２ｄが軟化するため、突起２２ｄの先端部が潰れやすくなる。このため、本実施形態に係る突起２２ｄを形成する場合、工具や金型の使用よりレーザーの使用の方が望ましい。

以上、本実施形態に係るステータコイル２０はステータコア１２に巻回される。ステータコイル２０は第１セグメントコイル２１、第２セグメントコイル２２、及び連結部材２４を有する。第１セグメントコイル２１及び第２セグメントコイル２２はいずれも端部のコイル被膜２１ｂ，２２ｂが剥離され導体２１ａ，２２ａが露出している。連結部材２４は圧入された導体２１ａ，２２ａ同士を連結する導電性の筒本体２４ａを備える。特に、導体２２ａの軸方向の側面には、連結部材２４の内径より大きな外径を有する複数の突起２２ｄが形成されている。これにより、ステータコイル２０の電気抵抗を低減することができる。特に、複数の突起２２ｄは秩序だって形成されているため、剥離部２２ｃの側面と筒本体２４ａの内周面とが密着する部位と密着しない部位が無秩序に混在する場合に比べて、ステータコイル２０の電気抵抗を低減することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上述した実施形態では第２セグメントコイル２２の剥離部２２ｃに複数の突起２２ｄを形成したが、第１セグメントコイル２１の剥離部２１ｃにも複数の突起を形成してもよい。また、導体２１ａ，２２ａの断面形状の少なくとも一方が多角形であってもよい。

１０ ステータ
１２ ステータコア
２０ ステータコイル
２１ 第１セグメントコイル
２２ 第２セグメントコイル
２２ａ 導体
２２ｂ コイル被膜
２２ｃ 剥離部
２２ｄ 突起
２４ 連結部材
２４ａ 筒本体
２４ｂ 絶縁被膜

Claims (1)

1. ステータコアに巻回されるステータコイルであって、
   端部の被膜が剥離され導体が露出した複数のセグメントコイルと、
   圧入された前記導体同士を連結する導電性の筒を備える連結部材と、を有し、
   前記導体の軸方向の側面には、前記連結部材の内径より大きな外径を有する複数の突起が形成されている、
   ことを特徴とするステータコイル。

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