JP2023021743A - 回転電機用ステータ及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルエンド高さを低減し得る回転電機用ステータ及びこれを備えた回転電機を提供する。【解決手段】回転電機用ステータは、複数のスロットを有する環状のステータコアと、複数の平角線型セグメントコイルからなり、セグメントコイルがスロットを貫通しコア端面から突出している平角線型コイルを備える。平角線型コイルのうちの一のセグメントコイルの端部と他のセグメントコイルの端部とがスロット外で連結部を形成している。連結部における平角線型コイルの厚さ方向とコア端面の法線方向とのなす角度が０°以上９０°未満である。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機用ステータ及び回転電機に係り、さらに詳細には、コイルエンド高さを低減し得る回転電機用ステータ及びこれを備えた回転電機に関する。

一般的に、平角線型コイルを用いたモータにおいては、セグメント化されたコイルのストレート部をステータコアのスロットに挿入し、次いで、ステータコアのコア端面から突出したコイルの突出部を曲げ、しかる後、曲げられたコイルの端部同士を溶接することによって、電気的な巻線としている。

従来、コイルエンド高さを低減させたステータが提案されている（特許文献１参照。）。このステータにおいては、ステータのコイルエンド高さを低減させるために、コア端面から突出して曲げられたセグメントコイルの端部同士を重ね合わせ溶接して連結部を形成している。

特開２０１９－１４０８１９号公報

しかしながら、特許文献１のステータにおいてコイルエンド高さを規定する連結部において、平角線型コイルの幅方向をコア端面の法線方向と一致させているため、更なる性能向上が求められている車載用回転電機において、コイルエンド高さの低減が十分ではないという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであって、コイルエンド高さを低減し得る回転電機用ステータ及びこれを備えた回転電機を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、セグメントコイル同士の連結部における平角線型セグメントコイルの厚さ方向とコア端面の法線方向とのなす角度を所定範囲とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の回転電機用ステータは、複数のスロットを有する環状のステータコアと、複数の平角線型セグメントコイルからなり、該セグメントコイルがスロットを貫通しコア端面から突出している平角線型コイルを備える。この平角線型コイルのうちの一のセグメントコイルの端部と他のセグメントコイルの端部とがスロット外で連結部を形成している。この連結部において、平角線型コイルの厚さ方向とコア端面の法線方向とのなす角度が０°以上９０°未満である。

さらに、本発明の回転電機は、回転電機用ステータと、回転電機用ロータを備える。この回転電機用ステータが、上述の回転電機用ステータであることを特徴とする。

本発明によれば、セグメントコイル同士の連結部における平角線型セグメントコイルの厚さ方向とコア端面の法線方向とのなす角度を所定範囲としたため、コイルエンド高さを低減し得る回転電機用ステータ及びこれを備えた回転電機を提供できる。

本発明の回転電機用ステータの一実施形態を示す部分斜視図である。 図１に示した回転電機用ステータを示す部分平面図である。 図１に示した回転電機用ステータを示す部分側面図である。 図４（Ａ）は本発明の回転電機用ステータの他の実施形態における連結部を示す部分斜視図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示した連結部をＢ－Ｂ’線に沿って切った断面図である。 図５（Ａ）は本発明の回転電機用ステータの更に他の実施形態における連結部を示す部分斜視図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示した連結部をＢ－Ｂ’線に沿って切った断面図である。 図６（Ａ）は本発明の回転電機用ステータの更に他の実施形態における連結部を示す部分斜視図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）に示した連結部の端部を示す平面図、図６（Ｃ）は図６（Ａ）に示した連結部の端部同士が嵌め合わされた構造を説明する説明図である。 平角線型セグメントコイルの一例を示す斜視図である。 図８（Ａ）は図７に示した平角線型セグメントコイルの端部を加工した状態を示す正面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）に示したＢ線で囲んだ端部の拡大図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）に示したＣ線で囲んだ端部の拡大図である。 図８に示した平角線型セグメントコイルをスロットに挿入・貫通させた状態を示す正面図である。 図８に示した平角線型セグメントコイルの端部側を捩る様子を示す正面図である。 図８に示した平角線型セグメントコイルの端部側を曲げる様子を示す正面図である。 図１２（Ａ）は図８に示した平角線型セグメントコイルの端部同士を連結した状態を示す正面図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）に示したＢ線で囲んだ連結部を拡大して示す平面図である。

以下、本発明の回転電機用ステータ及び回転電機について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１実施形態）
図１～図３に示すように、本実施形態の回転電機用ステータ２は、複数のスロット２１Ａを有する環状のステータコア２１と、複数の平角線型コイル２３を備えている。なお、ステータコア２１には実際には更に多くの平角線型コイル２３が巻かれているが、説明の都合上省略している。また、図１及び図２には回転電機用ロータ３も示しており、本実施形態は、本発明の回転電機の実施形態を示すものでもある。ロータ３には実際にはロータシャフト、複数の磁石などが組み付けられているが、説明の都合上省略している。

前述の平角線型コイル２３は複数の平角線型セグメントコイル２５ｘ，２５ｙからなり、この平角線型セグメントコイル２５はスロット２１Ａを貫通しコア端面２１Ｂから突出した状態でステータコア２１に配置されている。そして、平角線型セグメントコイル２５ｘの端部２５１ｘと平角線型セグメントコイル２５ｙの端部２５１ｙとがスロット２１Ａ外で連結して連結部２３１を形成している。

本実施形態において、この平角線型コイル２３は、連結部２３１の両側に形成され、厚さに変動がない捩れ部２３３を有している。また、この平角線型コイル２３は、スロット２１Ａ内において平角線型コイル２３の厚さ方向がステータコア２１のほぼ径方向に沿った状態で配置されている。なお、図示例では両側の捩れ部２３３の捩れ方向を逆向きとしているが、捩れ方向を同じ方向にしてもよい。

本発明では、連結部２３１において、平角線型コイル２３の厚さ方向ｔとコア端面２１Ｂの法線方向ｈとのなす角θの角度が０°以上９０°未満となるように構成されている（図１参照）。なお、図示例においては、連結部２３１における平角線型コイル２３の厚さ方向及びコア端面２１Ｂの法線方向の双方ともが矢印Ｚで示す方向であるため、これらのなす角度は０°である（図３参照）。

ここで、平角線型コイルは、幅が厚さより大きいものであり、平角線型コイルの幅と厚さは適宜設定することができ、これらの比率にも影響を受けるが、平角線型コイル２３の厚さ方向とコア端面２１Ｂの法線方向とのなす角度は０°以上４５°以下であることが好ましく、０°以上３０°以下であることがより好ましく、０°以上１５°以下であることが更に好ましい。

さらに、この連結部２３１においては、平角線型コイル２３の厚さ方向が一致した２つの端部２５１が突き合わされた構造を基本としているが、図示例では、これら２つの端部２５１の凸形状と凹形状とが嵌め合わされた構造を有している。

次に、本実施形態の利点について説明する。上述のように、本実施形態の回転電機用ステータによれば、連結部２３１において平角線型コイル２３の厚さ方向ｔとコア端面２１Ｂの法線方向ｈとのなす角θを０°以上９０°未満としたので、例えばθが９０°の場合よりもコイルエンド高さを低減し得る。参考のため、図３では、連結部において平角線型コイルの幅方向をコア端面の法線方向と一致させた場合（θ＝９０°）の平角線コイルの形状を点線で示してある。

また、平角線型コイル２３につき、スロット２１Ａ内でコイル２３の厚さ方向をステータコア２１の径方向に沿った状態で配置し、スロット２１Ａ外では連結部２３１の両側に捩れ部２３３を形成したので、高いコイル占積率を維持したまま、容易かつ確実にコイルエンド高さを低減することができる。

さらに、連結部２３１において平角線型コイル２３の厚さ方向が一致した２つの端部２５１が突き合わされた構造としたので、例えば、連結部において２つの端部が重ね合わされた構造とした場合と比較して、コイル材料の使用量を低減することができる。よって、コイルの軽量化とコスト低減を実現でき、また、コイルの電流経路を短くできるので、モータの動力損失における銅損を小さくすることができる。

さらに、前述の突き合わせ構造において、両端部２５１，２５１をそれぞれ凸形状（例えばカギ形状）と凹形状（カギ穴形状）として嵌合構造とすれば、連結部２３１を形成する際の両端部の位置決め、位置合わせが更に簡易になる。そのため、溶接などで連結部２３１を形成する際に２つの端部２５１の位置を隙間無く揃えて拘束する治具を用いる必要がなく、連結部形成工程を簡素化できる。また、前述のように治具を用いる必要がないので、コイル表面に治具を接触させて傷つけてしまうリスクがなく、コイル絶縁性能の品質を向上させることができる。また、コイル曲げ加工の精度は、両端部が嵌合できる程度であればよいので、曲げ加工の精度を緩和することができ、コイル曲げ加工機を簡素化することができる。連結部２３１を溶接以外の、はんだ接合、焼結、ナノ結晶粒による接合などの高温炉に投入して形成する場合においても、両端部２５１，２５１の位置を隙間無く揃えて拘束する治具を用いる必要はなく、連結部形成工程を簡易な生産設備で行うことができる。

また、以上に説明したような回転電機用ステータを回転電機に適用することも可能であり、この場合、モータの軸方向長さを短縮化することにより、電動車両への搭載性の自由度を高めることができる。さらに、モータの小型化により、電動車両の軽量化やコスト低減に寄与することができる。

ここで、第１実施形態の回転電機用ステータを一例として回転電機用ステータの製造方法を図面を用いて説明する。

型を用いた曲げ装置などによって、図７に示すようなＵ字状の平角線型セグメントコイル２５を成形する。次いで、せん断加工などによって、平角線型セグメントコイル２５の端部２５１を図８に示すような凸形状（カギ形状）（図８（Ｂ））及び凹形状（カギ穴形状）（図８（Ｃ））に成形する。次いで、図９に示すように、平角線型セグメントコイル２５をステータコア２１の図示しないスロットに挿入する。図示例では平角線型セグメントコイルの一部（３本）のみを示している。次いで、図１０に示すように、平角線型セグメントコイル２５の根本を押さえ治具１００で把持し、端部を回転治具１０１で把持する。これらの治具は、平角線型セグメントコイルの表面を傷つけ難い樹脂製であることが好ましい。

そして、端部に取付けた回転治具１０１を平角線型セグメントコイル２５の断面の中心を軸に矢印Ｘで示すように約９０°捩る。次いで、図１１に示すように、平角線型セグメントコイル２５の根本を押さえ治具１００で拘束し、平角線型セグメントコイル２５の側面に曲げ治具１０２を当て、複数の平角線型セグメントコイル２５の突出した部分を矢印Ｗで示すように曲げる。さらに、図１２に示すように、この曲げ加工により、連結部２３１において、平角線型コイル２３の厚さ方向が一致した２つの端部２５１の凸形状と凹形状とが嵌め合わされて保持された状態となる。しかる後、これらの端部をレーザ溶接加工などにより接合し、溶接した部分を絶縁塗装することにより、第１実施形態の回転電機用ステータが得られる。

（第２実施形態）
図４に本発明の回転電機用ステータの他の実施形態を示す。図４（Ａ）に示すように、本実施形態の回転電機用ステータ４では、連結部２３１において、２つの端部２５１が筒状部材２３５内で重ね合わされてかしめられた構造を有していること以外は、図１に示した回転電機用ステータと同じ構成を有する。図示例においては、連結部２３１における平角線型コイル２３の厚さ方向とコア端面の法線方向とのなす角は０°である。このような連結部２３１は、図４（Ｂ）に示すように、筒状部材２３５内に２つの端部２５１を重ね合わせて配置し、その後、筒状部材２３５をかしめることによって形成することができる。

本実施形態の回転電機用ステータは、上述したかしめ構造を有するので、第１実施形態の回転電機用ステータの利点に加えて、機械的な接合で連結部を形成でき、レーザ溶接装置のような高価な装置を用いる必要がなく、かしめ装置などの簡易な生産設備で連結部形成工程を行うことができる。また、連結部形成工程において連結部２３１を高温にする必要がないので、コイル絶縁被膜の樹脂に対する熱影響を考慮する必要もない。そのため、これまでのように熱影響を考慮して連結部２３１の間隔を拡げる必要がなくなるため、コイルエンド高さをよりいっそう低減することができる。また、連結部２３１が溶融しないので空孔などの欠陥が生じるリスクがなく、筒状部材２３５の外部形状などにより連結状態を管理することができ、連結部２３１の連結品質を高めることができる。

（第３実施形態）
図５に本発明の回転電機用ステータの第３実施形態を示す。図５に示すように、本実施形態の回転電機用ステータ６では、連結部２３１において、２つの端部２５１が筒状部材２３５内で重ね合わされており、端部２５１同士の間及び筒状部材２３５と端部２５１との間が接合材２３７で接合された構造を有していること以外は、図１に示した回転電機用ステータと同じ構成を有する。図示例においては、連結部２３１における平角線型コイル２３の厚さ方向とコア端面の法線方向とのなす角は０°である。このような連結部２３１は、図５（Ｂ）に示すように、筒状部材２３５内に所定の位置に接合材２３７を配置した２つの端部２５１を重ね合わせて配置し、その後、筒状部材等を高温炉に投入することによって形成することができる。

本実施形態の回転電機用ステータは、上述した筒状部材での保持接合構造を有しており、端部２５１が筒状部材２３５で保持されているので、第１実施形態の利点に加えて、連結部２３１における端部２５１が筒状部材２３５で保持されているので、はんだ接合、導電性接着剤、金属ペーストによる接合、ナノ結晶粒による接合などの複数種の接合を一工程で行うことができる。また、はんだや導電性接着剤による機械的強度が低い接合部分が筒状部材２３５により補強されているので、連結部２３１の接合強度が優れたものとなる。さらに、レーザ溶接におけるレーザ光が届くことや、かしめができることなどの連結部２３１の形状的な制約がなくなるので、連結部２３１における形状自由度を高めることができる。

（第４実施形態）
図６に本発明の回転電機用ステータの第４実施形態を示す。なお、図６（Ｃ）における矢印Ｙは図示しないコア端面の法線方向を示している。図６に示すように、本実施形態の回転電機用ステータ８では、連結部２３１において、平角線型コイル２３の両端部２５１同士が相互に一定角度を持って対向し、先割れ形状を有する両端部２５１がかみあった構造を有していること以外は、図１に示した回転電機用ステータと同じ構成を有する。なお、図示例において、連結部２３１における平角線型コイル２３の厚さ方向と図示しないコア端面の法線方向とのなす角は１５°である。また、図示例においては、２つの端部２５１が先割れ形状を有しているが、これに限定されるものではなく、一方の端部のみが先割れ形状を有していてもよい。

本実施形態の回転電機用ステータは、上述した先割れ形状を有する端部がかみ合わされた構造を有することにより、第１実施形態の回転電機用ステータが奏する利点に加えて、断面の扁平率が高い平角線型コイルにおいても端部同士を互いに保持することができるため、溶接などの連結部形成工程において端部同士を保持する治具を用いる必要がなく、連結部形成工程を簡素化することができる。また、先割れ形状は、従来の平角線型コイルの絶縁被膜除去加工において用いられているせん断加工で成形することができる。そのため、新たな工程を追加する必要がないという利点がある。

１ 回転電機
２，４，６，８ 回転電機用ステータ
２１ ステータコア
２１Ａ スロット
２１Ｂ コア端面
２３ 平角線型コイル
２３１ 連結部
２３３ 捩れ部
２３５ 筒状部材
２３７ 接合材
２５，２５ｘ，２５ｙ 平角線型セグメントコイル
２５１，２５１ｘ，２５１ｙ 端部
３ 回転電機用ロータ
１００ 押さえ治具
１０１ 回転治具
１０２ 曲げ治具

Claims (9)

1. 複数のスロットを有する環状のステータコアと、複数の平角線型セグメントコイルからなり、該セグメントコイルが前記スロットを貫通しコア端面から突出している平角線型コイルを備え、
   前記平角線型コイルのうちの一のセグメントコイルの端部と他のセグメントコイルの端部とが前記スロット外で連結部を形成しており、
   前記連結部における前記平角線型コイルの厚さ方向と前記コア端面の法線方向とのなす角度が０°以上９０°未満である
   ことを特徴とする回転電機用ステータ。
2. 前記平角線型コイルが、前記連結部の両側に形成された捩れ部を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機用ステータ。
3. 前記平角線型コイルが、前記スロット内において前記平角線コイルの厚さ方向が前記ステータコアの径方向に沿った状態で配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機用ステータ。
4. 前記連結部において、前記平角線型コイルの厚さ方向が一致した前記２つの端部が突き合わされた構造を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の回転電機用ステータ。
5. 前記連結部において、前記平角線型コイルの厚さ方向が一致した前記２つの端部の凸形状と凹形状とが嵌め合わされた構造を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の回転電機用ステータ。
6. 前記連結部において、前記２つの端部が筒状部材内で重ね合わされてかしめられた構造を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の回転電機用ステータ。
7. 前記連結部において、前記２つの端部が筒状部材内で重ね合わされており、前記端部同士の間及び前記筒状部材と端部との間が接合材で接合された構造を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の回転電機用ステータ。
8. 前記連結部において、前記平角線型コイルの厚さ方向が角度をもっており、少なくとも一方が先割れ形状を有する前記２つの端部がかみあった構造を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の回転電機用ステータ。
9. 請求項１～８のいずれか１つの項に記載の回転電機用ステータと、回転電機用ロータを備えたことを特徴とする回転電機。

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