JP2023115774A - 回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】耐振動性を向上させることができる固定子を提供する。【解決手段】固定子は、端子台を備える回転電機に適用され、固定子コイルを備える。固定子は、固定子コイルから引き出された引出線（２２）と、バスバー（２４）と、引出線とバスバーとを電気的に接続する第１端子（６０）と、バスバーに電気的に接続されており、端子台に固定される第２端子（７０）と、を備える。第１端子は、引出線に熱かしめ又は溶接により接合された第１熱接合部（６１）と、第１熱接合部よりも固定子コイル側において引出線に機械的に結合された第１機械結合部（６３）とを備える。【選択図】 図５

Description

本発明は、回転電機の固定子に関する。

従来、回転電機のステータコイル（固定子コイル）から引き出された引出線に、動力線（バスバー）の一端にかしめ結合された接合端子を溶接で接合した固定子がある（特許文献１参照）。

特開２０１９－１０３３５４号公報

ところで、特許文献１に記載の固定子では、振動が発生した場合に、引出線と接合端子との溶接部で振動荷重を受けることになる。溶接や熱かしめのように熱を加えて接合を行った部分では、熱により金属組織の再結晶化が起きて強度が低下する。このため、特許文献１に記載の回転電機は、耐振動性が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、耐振動性を向上させることができる固定子を提供することにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
端子台（２０）を備える回転電機（１０）に適用され、固定子コイル（３８）を備える固定子（１６）であって、
前記固定子コイルから引き出された引出線（２２）と、
バスバー（２４）と、
前記引出線と前記バスバーとを電気的に接続する第１端子（６０）と、
前記バスバーに電気的に接続されており、前記端子台に固定される第２端子（７０）と、
を備え、
前記第１端子は、前記引出線に熱かしめ又は溶接により接合された第１熱接合部（６１）と、前記第１熱接合部よりも前記固定子コイル側において前記引出線に機械的に結合された第１機械結合部（６３）とを備える。

上記構成によれば、固定子は、端子台を備える回転電機に適用され、固定子コイルを備えている。前記固定子コイルから引き出された引出線とバスバーとが第１端子により電気的に接続されている。第２端子は、前記バスバーに電気的に接続されており、前記端子台に固定される。このため、端子台と固定子コイルとを、第２端子、バスバー、第１端子、及び引出線を介して電気的に接続することができる。

ここで、前記第１端子は、前記引出線に熱かしめ又は溶接により接合された第１熱接合部を備えている。このため、引出線と第１熱接合部とは、強固に接合されるものの、接合時の熱により再結晶化して強度が低下するおそれがある。この点、前記第１端子は、前記第１熱接合部よりも前記固定子コイル側において前記引出線に機械的に結合された第１機械結合部を備えている。このため、固定子に振動が発生した場合に、第１機械結合部により振動荷重を負担することができる。さらに、第１機械結合部は、前記引出線に機械的に結合されているため、結合時に熱による強度低下を受けていない。したがって、固定子の耐振動性を向上させることができる。

一般に、引出線は、導体が絶縁皮膜で被覆された構成になっている。引出線に端子が熱かしめ又は溶接により接合される際には、引出線の絶縁皮膜が剥離されて導体が露出される。引出線から絶縁皮膜が剥離される際に、導体の一部も削られる。このため、引出線において、絶縁皮膜が剥離された部分の強度は、絶縁皮膜で被覆された部分の強度よりも低くなる。

第２の手段では、前記引出線は、導体が絶縁皮膜で被覆された被覆部と、前記導体が露出した露出部とを備え、前記第１熱接合部は、前記露出部に接合され、前記第１機械結合部は、前記被覆部に結合されている。このため、露出部よりも強度が高い被覆部に第１機械結合部を結合することができ、固定子の耐振動性をさらに向上させることができる。

第３の手段では、前記第２端子は、前記バスバーに熱かしめ又は溶接により接合された第２熱接合部と、前記第２熱接合部よりも前記第１端子側において前記バスバーに機械的に結合された第２機械結合部とを備えている。このため、固定子に振動が発生した場合に、第２機械結合部により振動荷重を負担することができる。さらに、第２機械結合部は、前記バスバーに機械的に結合されているため、結合時に熱による強度低下を受けていない。したがって、固定子の耐振動性を向上させることができる。すなわち、バスバーと第２端子との接続部においても、第１の手段に準じた作用効果を奏することができる。

第４の手段では、前記第１端子は、板状に形成され、第１面と、前記第１面と反対側の第２面とを備え、前記第１面において、前記第１熱接合部は前記引出線に接合され、前記第１面において、前記第１機械結合部は前記引出線に結合され、前記バスバーは、前記第２面に固定されている。こうした構成によれば、引出線は第１端子の第１面に配置され、バスバーは第１面と反対側の第２面に配置されている。このため、引出線とバスバーとが板状の第１端子の同じ側の面に配置される場合と比較して、引出線とバスバーとが干渉することを抑制することができる。したがって、第１端子を余分に大きくする必要がなく、第１端子を小型軽量化することができる。

特許文献１に記載の固定子では、固定子コイルから引出線が第２端子（端子台）と離れる方向に延び、バスバーが接合端子（第１端子）との接続部から第２端子に近付く方向へ延びている。すなわち、引出線及びバスバーは、第２端子から離れる方向へ延びた後に第２端子に近付く方向へ折り返している。このため、引出線及びバスバーの重量が増加し、耐振動性が低下するおそれがある。

この点、第５の手段では、前記引出線は、前記固定子コイルから前記第２端子に近付く方向へ延び、前記バスバーは、前記第１端子との接続部から前記第２端子に近付く方向へ延びている。このため、前記引出線及び前記バスバーは、いずれも第２端子（端子台）に近付く方向へ延びており、第２端子から離れる方向へ延びた後に第２端子に近付く方向へ折り返していない。したがって、前記引出線及び前記バスバーの重量が増加することを抑制することができ、耐振動性が低下することを抑制することができる。

回転電機の断面図。 固定子コイルの結線図。 固定子の斜視図。 固定子の側面図。 引出線、接続端子、バスバー、及び締結端子の斜視図。 引出線、接続端子、バスバー、及び締結端子の斜視図。 引出線、接続端子、及びバスバーのー拡大斜視図。 回転電機の変更例の断面図。

以下、電気自動車等に搭載された回転電機の固定子に具現化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、回転電機１０は、電力の供給を受けて回転動力を生成する電動機として機能するとともに、回転動力を受けて発電を行う発電機としても機能する。なお、回転電機１０は、電動機及び発電機の一方のみとして機能してもよい。

回転電機１０は、ロータ１２と、固定子１６と、回転軸１４と、ハウジング１８と、を備えている。ロータ１２は、ロータコア３０およびロータコア３０に埋め込まれた永久磁石３２を備えている。ロータコア３０は、電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）を積層してなる円柱形部材である。このロータコア３０の中心には、回転軸１４が挿通され、固着されている。回転軸１４は、軸受３４を介してハウジング１８に取り付けられている。そして、回転軸１４および回転軸１４に固着されたロータコア３０は、ハウジング１８に対して回転自在となっている。

固定子１６は、固定子コア３６と、固定子コイル３８と、を有している。固定子コア３６は、ロータ１２と同心に配置される略円筒形部材で、円環状のヨークと、ヨークの内周面から径方向に突出する複数のティースと、を含む。複数のティースは、周方向に所定間隔で並んでおり、隣接する二つのティースの間には、固定子コイル３８が挿入される空間であるスロットが形成されている。こうした固定子コア３６は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）から構成されている。複数の電磁鋼板は、互いに位置決めされて、接合され、固定子コア３６を構成する。

固定子コイル３８は、巻線をティースに集中巻で巻回することで構成されている。図２は、固定子コイル３８の結線図である。固定子コイル３８は、三相の相コイル、すなわち、Ｕ相コイル４０Ｕ、Ｖ相コイル４０Ｖ、Ｗ相コイル４０Ｗを含む。なお、以下の説明では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を区別しないときは、アルファベットＵ，Ｖ，Ｗを省略して「相コイル４０」と呼ぶ。

各相コイル４０は、二つの相コイル部を、並列接続して構成されている。例えば、Ｕ相コイル４０Ｕは、Ｕ相第一コイル部４２＿１Ｕと、Ｕ相第二コイル部４２＿２Ｕと、を並列接続してなる。同様に、Ｖ相コイル４０Ｖは、Ｖ相第一コイル部４２＿１Ｖと、Ｖ相第二コイル部４２＿２Ｖと、を並列接続してなり、Ｗ相コイル４０Ｗは、Ｗ相第一コイル部４２＿１Ｗと、Ｗ相第二コイル部４２＿２Ｗと、を並列接続してなる。なお、以下の説明では、相コイル部についても、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を区別しないときは、アルファベットＵ，Ｖ，Ｗを省略して「相コイル部４２」と呼ぶ。

同相の２つの相コイル部４２の末端（例えばＵ相に属する２つの相コイル部４２＿１Ｕ，４２＿２Ｕの末端）は、互いに接合されている。また、同相の２つの相コイル部４２の始端（例えばＵ相に属する２つの相コイル部４２＿１Ｕ，４２＿２Ｕの始端）も、互いに接合されている。なお、後述するとおり、各相コイル部４２の始端は、固定子コイル３８から引き出される引出線２２として機能する。

また、同じ相に属する２つの引出線２２は、後述する接続端子６０に接合されることで、並列接続される。三つの相コイル４０の末端は、互いに接合され、中性点４３を形成している。また、三つの相コイル４０の始端は、後述するバスバー２４等を介して、端子台２０の端子４４に電気的に接続されている。

なお、ここで説明した結線態様は、一例であり、適宜、変更されてもよい。例えば、本例では、複数の相コイル部４２を並列結線しているが、これらは、直列結線されてもよい。また、一つの相コイル４０を構成する相コイル部４２の個数は、３つ以上でもよい。また、巻線は、集中巻に限らず、他の巻回態様、例えば、分布巻で巻回されてもよい。

図１，３，４に示すように、固定子コイル３８の一部は、固定子コア３６の軸方向端面から突出して、コイルエンド部を形成する。このコイルエンド部からは、相コイル部４２の始端である引出線２２が固定子１６（回転軸１４）の軸方向外側に引き出されている。図２に示すとおり、相コイル部４２は、６本あるため、引出線２２も６本存在する。各引出線２２は、後述する接続端子６０を介してバスバー２４に接続されている。

バスバー２４は、引出線２２と端子台２０とを中継する導線であり、大容量の電流を流すことができる。バスバー２４は、銅等により棒状や板状に形成されている。バスバー２４の両端には、接続端子６０および締結端子７０が取り付けられているが、これらについては、後述する。

回転電機１０は、さらに、端子台２０を有している。端子台２０は、ハウジング１８の内外に貫通して設けられている。端子台２０のうち、ハウジング１８の内部に突出する部分には、締結端子７０と締結される端子４４が設けられている。端子台２０のうち、ハウジング１８の外部に突出する部分には、端子４４と電気的に接続された外部端子（図示せず）が設けられている。外部端子には、インバータ等から引き出された導線が接続される。

次に、引出線２２、接続端子６０、バスバー２４、及び締結端子７０の接続構造について、図５～７を参照して説明する。

記述したとおり、引出線２２は、相コイル部４２の始端であり、同じ相に属する引出線２２は、２本存在する。相コイル部４２を構成する巻線は、コイル導線５０と、コイル導線５０を被覆する絶縁皮膜５２とを有する。なお、図示例では、コイル導線５０（導体）は、断面略矩形の平角線であるが、コイル導線５０の形態は、これに限らず、断面円形の丸線でもよい。

引出線２２は、コイルエンド部から、固定子コア３６の軸方向外側に引き出されている。引出線２２の端部においては、絶縁皮膜５２が剥離されており、コイル導線５０が外部に露出している。すなわち、引出線２２は、コイル導線５０が絶縁皮膜５２で覆われた被覆部５６と、コイル導線５０が絶縁皮膜５２で覆われることなく外部に露出した剥離部５４（露出部）とを有する。絶縁皮膜５２を剥離する際にコイル導線５０が若干削られており、剥離部５４のコイル導線５０は被覆部５６のコイル導線５０よりも若干細くなっている。このため、剥離部５４の強度は、被覆部５６の強度よりも低くなっている。

接続端子６０（第１端子）は、銅合金等により板状に形成されている。接続端子６０は、最も面積が広い主面として、第１面６０ａと、第１面６０ａと反対側の第２面６０ｂとを備えている。接続端子６０には、同じ相に属する二つの引出線２２が接続されている。これにより、二つの引出線２２、ひいては、相コイル部４２が並列接続されている。

接続端子６０は、引出線２２に溶接により接合された第１熱接合部６１を備えている。第１熱接合部６１は、第１面６０ａ側に折り曲げられて、引出線２２の剥離部５４を挟み込んでいる。すなわち、第１熱接合部６１は、引出線２２の剥離部５４に圧着されている。そして、第１面６０ａにおいて、第１熱接合部６１は引出線２２の剥離部５４に溶接により接合されている。

接続端子６０は、第１熱接合部６１よりも固定子コイル３８側において引出線２２にかしめ結合（機械的に結合）された第１機械結合部６３を備えている。第１機械結合部６３は、第１熱接合部６１に平行（並列）に設けられている。第１機械結合部６３は、第１面６０ａ側に折り曲げられて、引出線２２の被覆部５６を挟み込んでいる。すなわち、第１面６０ａにおいて、第１機械結合部６３は引出線２２の被覆部５６に圧着（固定）されている。第１機械結合部６３が引出線２２の被覆部５６に圧着される際に、第１機械結合部６３は加熱されていない。

バスバー２４は、断面略円形の導線である。このバスバー２４は、絶縁皮膜で覆われていない。また、バスバー２４の一端には、接続端子６０が、他端には、締結端子７０がそれぞれ接続（電気的に接続）されている。

接続端子６０は、バスバー２４にかしめ結合（機械的に結合）された第３機械結合部６５を備えている。第３機械結合部６５は、第２面６０ｂ側に折り曲げられて、バスバー２４を挟み込んでいる。すなわち、第２面６０ｂにおいて、第３機械結合部６５はバスバー２４に圧着（結合、固定）されている。なお、第２面６０ｂにおいて、第３機械結合部６５はバスバー２４に溶接により接合（固定）されていてもよい。

締結端子７０（第２端子）は、銅合金等により板状に形成されている。締結端子７０は、引出線２２に溶接により接合された第２熱接合部７１を備えている。第２熱接合部７１は、バスバー２４側に折り曲げられて、バスバー２４を挟み込んでいる。すなわち、第２熱接合部７１は、バスバー２４に圧着されている。そして、第２熱接合部７１はバスバー２４に溶接により接合されている。

締結端子７０は、第２熱接合部７１よりも接続端子６０側においてバスバー２４にかしめ結合（機械的に結合）された第２機械結合部７３を備えている。第２機械結合部７３は、第２熱接合部７１に平行（並列）に設けられている。第２機械結合部７３は、バスバー２４側に折り曲げられて、バスバー２４を挟み込んでいる。すなわち、第２機械結合部７３はバスバー２４に圧着（固定）されている。第２機械結合部７３がバスバー２４に圧着される際に、第２機械結合部７３は加熱されていない。

締結端子７０には、ボルト等を通す締結孔７０ａが形成されている。そして、締結端子７０は、端子台２０に設けられた端子４４に載置された状態で、締結孔７０ａにボルト等が通されてボルト等により締結（固定）されている。

ところで、特許文献１に記載の固定子では、固定子コイルから引出線が締結端子（端子台）と離れる方向に延び、バスバーが接続端子との接続部から締結端子に近付く方向へ延びている。すなわち、引出線及びバスバーは、締結端子から離れる方向へ延びた後に締結端子に近付く方向へ折り返している。このため、引出線及びバスバーの重量が増加し、耐振動性が低下するおそれがある。なお、振動荷重は、電気自動車等の走行や、回転電機１０の回転に伴って発生し、重量が大きい部材ほど振動荷重が大きくなる。

この点、引出線２２及びバスバー２４は、固定子コイル３８から締結端子７０（端子台２０）に近付く方向へ延びている。詳しくは、引出線２２は、固定子コイル３８から締結端子７０に近付く方向へ延びている。バスバー２４は、接続端子６０との接続部から締結端子７０に近付く方向へ延びている。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・接続端子６０は、引出線２２に溶接により接合された第１熱接合部６１を備えている。このため、引出線２２と第１熱接合部６１とは、強固に接合されるものの、接合時の熱により再結晶化して強度が低下するおそれがある。特に、銅は熱により結晶が大きくなりやすく、強度が低下しやすい。この点、接続端子６０は、第１熱接合部６１よりも固定子コイル３８側において引出線２２に機械的に結合された第１機械結合部６３を備えている。このため、固定子１６に振動が発生した場合に、引出線２２及び接続端子６０に作用する振動荷重を第１機械結合部６３により負担することができる。さらに、第１機械結合部６３は、引出線２２に機械的に結合されているため、結合時に熱による強度低下を受けていない。したがって、固定子１６の耐振動性を向上させることができる。

・引出線２２は、コイル導線５０が絶縁皮膜５２で被覆された被覆部５６と、コイル導線５０が露出した剥離部５４とを備えている。第１熱接合部６１は、剥離部５４に接合され、第１機械結合部６３は、被覆部５６に結合されている。このため、剥離部５４よりも強度が高い被覆部５６に第１機械結合部６３を結合することができ、固定子１６の耐振動性をさらに向上させることができる。

・締結端子７０は、バスバー２４に溶接により接合された第２熱接合部７１と、第２熱接合部７１よりも接続端子６０側においてバスバー２４に機械的に結合された第２機械結合部７３とを備えている。このため、固定子１６に振動が発生した場合に、バスバー２４及び締結端子７０に作用する振動荷重を第２機械結合部７３により負担することができる。さらに、第２機械結合部７３は、バスバー２４に機械的に結合されているため、結合時に熱による強度低下を受けていない。したがって、固定子１６の耐振動性を向上させることができる。

・接続端子６０は、板状に形成され、第１面６０ａと、第１面６０ａと反対側の第２面６０ｂとを備え、第１面６０ａにおいて、第１熱接合部６１は引出線２２に接合され、第１面６０ａにおいて、第１機械結合部６３は引出線２２に結合され、バスバー２４は、第２面６０ｂに固定されている。こうした構成によれば、引出線２２は接続端子６０の第１面６０ａに配置され、バスバー２４は第１面６０ａと反対側の第２面６０ｂに配置されている。このため、引出線２２とバスバー２４とが板状の接続端子６０の同じ側の面に配置される場合と比較して、引出線２２とバスバー２４とが干渉することを抑制することができる。したがって、接続端子６０を余分に大きくする必要がなく、接続端子６０を小型軽量化することができる。

・引出線２２は、固定子コイル３８から締結端子７０に近付く方向へ延び、バスバー２４は、接続端子６０との接続部から締結端子７０に近付く方向へ延びている。このため、引出線２２及びバスバー２４は、いずれも締結端子７０（端子台２０）に近付く方向へ延びており、締結端子７０から離れる方向へ延びた後に締結端子７０に近付く方向へ折り返していない。したがって、引出線２２及びバスバー２４の重量が増加することを抑制することができ、耐振動性が低下することを抑制することができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・図８に示すように、引出線２２が、コイルエンド部から、固定子コア３６の径方向外側に引き出された構成を採用することもできる。この場合であっても、引出線２２は、固定子コイル３８から締結端子７０に近付く方向へ延び、バスバー２４は、接続端子６０との接続部から締結端子７０に近付く方向へ延びている。したがって、引出線２２及びバスバー２４の重量が増加することを抑制することができ、耐振動性が低下することを抑制することができる。

・引出線２２及びバスバー２４が、締結端子７０から離れる方向へ延びた後に締結端子７０に近付く方向へ折り返す構成を採用することもできる。

・接続端子６０は、第１面６０ａにおいて、第１熱接合部６１は引出線２２に接合され、第１面６０ａにおいて、第１機械結合部６３は引出線２２に結合され、バスバー２４は、第１面６０ａに固定されている、といった構成を採用することもできる。同様に、第１熱接合部６１、第１機械結合部６３、及びバスバー２４が、第２面６０ｂに固定された構成を採用することもできる。

・接続端子６０は、棒状に形成され、分岐部として、第１熱接合部６１、第１機械結合部６３、及び第３機械結合部６５を備えていてもよい。

・接続端子６０の第１機械結合部６３が、剥離部５４に圧着（機械的に結合）されていてもよい。

・接続端子６０は、引出線２２に熱かしめにより接合された第１熱接合部６１を備えていてもよい。この場合も、引出線２２及び接続端子６０は接合時の熱により強度が低下するおそれがあるが、引出線２２及び接続端子６０に作用する振動荷重を第１機械結合部６３により負担することができる。

・締結端子７０は、バスバー２４に熱かしめにより接合された第２熱接合部７１を備えていてもよい。この場合も、バスバー２４及び締結端子７０は接合時の熱により強度が低下するおそれがあるが、バスバー２４及び締結端子７０に作用する振動荷重を第２機械結合部７３により負担することができる。

・締結端子７０において、第２熱接合部７１に代えて、第２機械結合部７３と同様の機械結合部を備えていてもよい。また、第２熱接合部７１及び第２機械結合部７３の一方を省略することもできる。

・回転電機１０は、インナロータ構造に限らず、アウタロータ構造であってもよい。

１０…回転電機、１６…固定子、２０…端子台、２２…引出線、２４…バスバー、３８…固定子コイル、６０…接続端子、６１…第１熱接合部、６３…第１機械結合部。

Claims (5)

1. 端子台（２０）を備える回転電機（１０）に適用され、固定子コイル（３８）を備える固定子（１６）であって、
   前記固定子コイルから引き出された引出線（２２）と、
   バスバー（２４）と、
   前記引出線と前記バスバーとを電気的に接続する第１端子（６０）と、
   前記バスバーに電気的に接続されており、前記端子台に固定される第２端子（７０）と、
   を備え、
   前記第１端子は、前記引出線に熱かしめ又は溶接により接合された第１熱接合部（６１）と、前記第１熱接合部よりも前記固定子コイル側において前記引出線に機械的に結合された第１機械結合部（６３）とを備える、回転電機の固定子。
2. 前記引出線は、導体（５０）が絶縁皮膜（５２）で被覆された被覆部（５６）と、前記導体が露出した露出部（５４）とを備え、
   前記第１熱接合部は、前記露出部に接合され、
   前記第１機械結合部は、前記被覆部に結合されている、請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 前記第２端子は、前記バスバーに熱かしめ又は溶接により接合された第２熱接合部（７１）と、前記第２熱接合部よりも前記第１端子側において前記バスバーに機械的に結合された第２機械結合部（７３）とを備える、請求項１又は２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記第１端子は、板状に形成され、第１面（６０ａ）と、前記第１面と反対側の第２面（６０ｂ）とを備え、
   前記第１面において、前記第１熱接合部は前記引出線に接合され、
   前記第１面において、前記第１機械結合部は前記引出線に結合され、
   前記バスバーは、前記第２面に固定されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
5. 前記引出線は、前記固定子コイルから前記第２端子に近付く方向へ延び、
   前記バスバーは、前記第１端子との接続部から前記第２端子に近付く方向へ延びている、請求項１～４のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。

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