JP4445023B2 - 回転電機の固定子及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子およびその固定子を用いた回転電機に関する。

近年、電動機および発電機として使用される回転電機において、小型高出力および品質の向上が求められている。

例えば、車両に搭載される回転電機においては、車両のエンジンルームで回転電機を搭載するためのスペースが小さくなってきている一方で、車両負荷の増大による発電出力の向上が求められている。

特に、回転電機の小型高出力については、各相巻線の巻線抵抗値の低減、固定子の磁気回路内に納める電気導体の占積率の向上、さらには各相巻線のターン部の整列化および高密度化が必要であった。

このような回転電機としては、特許文献１に開示されている。特許文献１には、平角線をスロット方向（径方向）に巻きまわして、所定の形状に成形された固定子巻線を予め構成し、多数の分割コアをラップ部で重なり合った状態で固定子巻線の外周に環状に配置し、これら分割コアを径方向内方へ移動させて、固定子巻線に挿入し、その後分割コア同士を固定することで回転電機の固定子の組み付け行うことが開示されている。

しかしながら、分割コアを用いて固定子コアを形成する従来の回転電機の固定子では、固定子コアが複数の分割コアに分割されているため、分割部分（分割コアの界面）が磁気抵抗となり回転電機の出力がでにくくなるという問題点があった。

特許文献１では、ラップ部を設けることで分割部分での磁気抵抗を減らしているが、その磁気抵抗の低減の効果は限定的であった。さらに、ラップ部で渦電流が発生し鉄損が大きくなるという問題もあった。
特許第３６０４３２６号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、固定子コアでの磁気抵抗の増加が抑えられた回転電機の固定子及び回転電機を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段および効果

上記課題を解決するために、本発明者らは、回転電機の固定子において分割部分での磁気抵抗を低減することに着目して検討を重ねた結果本発明をなすに至った。

すなわち、請求項１に記載の本発明の回転電機の固定子は、周方向に複数のスロットを有する固定子コアと、線材により形成されスロットに設置されている固定子巻線と、を備える回転電機の固定子において、固定子巻線は、周方向の異なるスロットに設置されているスロット収容部と、スロットの外部でスロット収容部同士を接続しているターン部と、を有し、固定子コアは、径方向に伸びる少なくとも３本のティース部と、それぞれのティース部を径方向の端部で接続・固定するコアバック部と、を備えたコア部材を、各ティース部をコアバック方向に折り曲げた状態で固定子巻線の所定の位置に配置し、その後、折り曲げられたティース部をスロット収容部の間にのばしてなることを特徴とする。

本発明の回転電機の固定子では、固定子コアの分割部分の数を減らすことができ、分割部分における磁気抵抗を低減できる。この結果、本発明の回転電機の固定子を用いた回転電機では、固定子コアでの磁気抵抗による性能の低下が抑えられる。

請求項２に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１において、コア部材は、コアバック部が周方向の全周にわたって形成されていることを特徴とする。この構成によると、固定子コアに分割部分が無くなり、分割部分での磁気抵抗を無くすことができる。この結果、本発明の回転電機の固定子を用いた回転電機では、固定子コアでの磁気抵抗による性能の低下が抑えられる。

請求項３に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１〜２のいずれかにおいて、コア部材は、アモルファスの金属板よりなることを特徴とする。アモルファスの金属板は、電磁鋼板等と比較して鉄損が少ないことが知られており、コア部材をアモルファスの金属板で形成することで、固定子コアの磁気特性が向上する。

請求項４に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１〜３のいずれかにおいて、コア部材は、略円筒状に成形されてなる固定子巻線の軸方向の端部側から、所定の軸方向位置までスライドさせて組み付けられることを特徴とする。コア部材を軸方向にスライドさせてなることで、コア部材の形状によらずに所定の位置にコア部材を配置することができる。特に、コア部材のコアバック部が周方向の全周にわたって形成された形状であるときに効果を発揮する。

請求項５に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１〜４のいずれかにおいて、固定子コアは、径方向に伸びる少なくとも２本のティース部と、それぞれのティース部を径方向の端部で接続・固定するコアバック部と、を備えた金属板よりなる分割コア部材を有することを特徴とする。つまり、本発明の回転電機の固定子では、固定子コアをコア部材のみから形成しなくともよい。分割コア部材は、従来の分割コアと同等の構成の金属板よりなる部材であり、固定子コアの保持・固定や固定子コアと固定子巻線とのすき間を低減する効果を発揮する。

請求項６に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１〜５のいずれかにおいて、線材は、断面形状が矩形状であることを特徴とする。このような構成となることで、線材を密に配置することができる。

請求項７に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１〜６のいずれかにおいて、線材は、固定子コアの全周にわたって連続して配設されていることを特徴とする。このような構成となることで、固定子巻線の製造コストが低減すると共に、電気的接続箇所に腐食等が発生することを低減できる。

請求項８に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１〜７のいずれかにおいて、線材は導体と、導体の外周を覆う絶縁被覆とを有し、絶縁被覆は、１００〜２００μｍの厚みであることを特徴とする。このような構成となることで、線材同士の間に絶縁紙等を挟みこまなくても、線材間の電気絶縁性を確保することができる。なお、本発明では、線材同士の間に絶縁紙等を挟みこむことを排除するものではない。

請求項９に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項８において、絶縁被覆は、内層と、内層の外周を覆い内層よりもガラス転移温度の低い外層と、を有することを特徴とする。このような構成となることで、回転電機が発生する熱により外層が内層よりも早く結晶化し、線材において表面硬度が高くなり、傷がつきにくくなる。

請求項１０に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１〜９のいずれかにおいて、線材は、さらに絶縁被覆の外周を覆う融着材を有することを特徴とする。このような構成となることで、固定子巻線に熱を印加すると、融着材により複数の線材が一体化し、固定子巻線の機械強度が向上する。

請求項１１に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１〜１０のいずれかにおいて、線材の導体が、アルミニウムから形成されることを特徴とする。このような構成となることで、銅を用いた場合よりも線材が柔軟性をもつようになり、線材の加工性が向上する。

また、請求項１２に記載の本発明の回転電機は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の回転電機の固定子と、回転電機の固定子の内周側または外周側に、周方向に交互に異なる磁極を形成している回転子と、を備えたことを特徴とする。

本発明の回転電機は、上記した回転電機の固定子を用いてなるものである。そして、上記の固定子が固定子巻線の冷却性に優れたものであることから、本発明の回転電機も、固定子巻線の過熱による特性の低下が抑えられたものとなっている。

以下に本発明の回転電機の固定子および回転電機を、実施の形態を用いてより具体的に説明する。

（第一実施形態）
本実施形態の回転電機の構成を図１に示した。本実施形態の回転電機１は、略有底筒状の一対のハウジング部材１００，１０１とが開口部同士で接合されてなるハウジング１０と、ハウジング１０に軸受け１１０，１１１を介して回転自在に支承される回転軸２０に固定された回転子２と、ハウジング１０の内部で回転子２を包囲する位置でハウジング１０に固定された固定子３と、を備えている。

回転子２は、永久磁石により周方向に交互に異なる磁極を、固定子３の内周側と向き合う外周側に複数形成している。回転子２の磁極の数は、回転電機により異なるため限定されるものではない。

固定子３は、固定子コア３０と、複数の各相巻線から形成される三相の固定子巻線４と、を備えた構成を有している。

固定子コア３０は、内周に複数のスロット３１が形成された円環状を有している。複数のスロット３１は、その深さ方向が径方向と一致するように形成されている。固定子コア３０に形成されたスロット３１の数は、特に限定されるものではない。

固定子コア３０は、径方向にのびる多数のティース部３２０と、周方向に沿って配置された多数のティース部３２０の径方向外方に位置しティース部３２０と一体に形成された略円環状のコアバック部３２１と、から構成されるコア部材３２を有する。コア部材３２を図２に示した。このコア部材３２は、厚さ２５μｍのアモルファス金属板（日本非晶質金属株式会社製、商品名：ＭＥＴＧＬＡＳ２６０５ＴＣＡ）を成形して形成された。コア部材３２は、金属薄板よりなるため、屈曲性をもつ。

また、固定子コア３０は、２本のティース部３３０と、周方向に沿って配置された２本のティース部３３０の径方向外方に位置しティース部３３０と一体に形成された略弧状のコアバック部３３１と、から構成される分割コア部材３３を有する。分割コア部材３３を図３に示した。この分割コア部材３３は、厚さ０．３５ｍｍの電磁鋼板を成形して形成された。分割コア部材３３は、コア部材３２よりも厚い金属板よりなるため、屈曲性をもたない。この分割コア部材３３を周方向の全周にわたって組み付けたときの状態を図４に示した。

固定子コア３０は、図５に概略図で示したように、コア部材３２及び分割コア部材３３を積層させてなる。固定子コア３０は、ステンレスよりなる固定金具３４により、コア部材３２及び分割コア部材３３が固定されている。

固定子巻線４は、複数の巻線４０を所定の巻回方法で巻回してなる。固定子巻線４を構成する巻線４０は、図６（Ａ）に示したように、銅製の導体４１と、導体４１の外周を覆い導体４１を絶縁する内層４２０及び外層４２１からなる絶縁皮膜４２とから形成されている。内層４２０および外層４２１を合わせた絶縁皮膜４２の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。このように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁皮膜４２の厚みが厚いので、巻線４０同士を絶縁するために巻線４０同士の間に絶縁紙等を挟み込んで絶縁する必要がなくなっているが、線材同士を絶縁するために絶縁紙を配してもよい。

外層４２１はナイロン等の絶縁材、内層４２０は外層よりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。これにより、回転電機に発生する熱により外層４２１は内層４２０よりも早く結晶化し、巻線４０において表面硬度が高くなり、傷が付きにくくなる。

さらに、固定子巻線４の巻線４０は、図６（Ｂ）に示したように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁皮膜４２の外周をエポキシ樹脂等からなる融着材４３で被覆してもよい。これにより、回転電機に発生する熱により融着材４３は絶縁皮膜４２よりも早く溶融するので、同じスロット３１に設置されている複数の巻線４０同士が融着材４３同士により熱接着する。その結果、同じスロット３１に設置されている複数の巻線４０が一体化し巻線４０同士が鋼体化することで、スロット３１の巻線４０の機械的強度が向上する。

固定子巻線４は、図７に示したように、それぞれ二本の三相巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）により形成されている。

固定子巻線４は、図８に示したように、複数の巻線４０を所定の形状に巻回してなる。固定子巻線４を構成する巻線４０は、固定子コア３０の内周側で周方向にそって波巻きされた形状で成形されている。そして、固定子コア３０に形成されたスロット３１に収容される直線状のスロット収容部４４と、隣り合ったスロット収容部４４同士を接続するターン部４５と、を備えている。スロット収容部４４は、所定のスロット数（本実施形態では３相×２個＝６個）ごとのスロット３１に収容されている。ターン部４５は、固定子コア３０の軸方向の端面から突出して形成されている。

そして、固定子巻線４は、複数の巻線４０を一方の端部が固定子コア３０の軸方向の端面から突出した状態で、周方向に沿って波状に巻装した状態で形成されている。固定子巻線４の１相は、周方向に沿って波状に巻装された２本の巻線４０を他方の端部同士で溶接で接合して形成されている。２本の巻線４０は、同一スロット３１にスロット収容部４４が収容される。このとき、第一の巻線４０のスロット収容部４４と、第二の巻線のスロット収容部４４は、スロット３１の深さ方向で交互にスロット収容部４４が位置するように設置されている。そして、２本の巻線４０ａ，４０ｂの接合部４５は、２本の巻線４０の巻装される方向が反転するスロット収容部４４よりなる折り返し部４６に形成されている。

固定子巻線４は、図９に展開図で示したように、互いに巻装方向が異なる二つの巻線部４０ａ，４０ｂをもつ成形体を各相（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）ごとに、６組用いて形成されている。二つの巻線部４０ａ，４０ｂのそれぞれは、中性点側の端部および相端子側の端部とは反対の端部側が、スロット収容部４４（折り返し部４６）を介して接続されている。各相の巻線４０の結線方法は同様である。

固定子巻線４は、図９に展開図を示した成形体を形成し、この成形体を折り返し部４６が軸心側に位置するように所定の巻き数（たとえば、４回）に巻回して製造される。製造された固定子巻線４は、図８に示したように、各相の巻線４０のスロット収容部４４が径方向に並んだ状態で形成されている。このとき、径方向に並んだスロット収容部４４は、固定子巻線４の周方向で小間隔を隔てた状態で位置している。

このような構成の固定子巻線４に、以下に示した方法で、固定子コア３０を形成する。

まず、コア部材３２のティース部３２０をコアバック部３２１方向（径方向外方）に向かって折り返す。このティース部３２０の折り返しにより、コア部材３２の軸心部には、固定子巻線４の外径と略一致（固定子巻線４がわずかに小径）する中空部が形成される。そして、ティース部３２０が折り返された状態で、固定子巻線４を形成された中空部に挿入し、コア部材３２を固定子巻線４の軸方向に沿ってスライドさせていく。コア部材３２０が軸方向にスライドして、固定子巻線４の軸方向の端部（端面）から所定の位置まで到達すると、図１０に示したように、折り返されているティース部３２０が自身の弾性により、径方向内方にむかってのびる（元の薄板形状にもどる）。これにより、ティース部３２０が固定子巻線４のスロット収容部４４の間を径方向に貫通する。これにより、周方向に隣り合った二つのティース部３２０の間にスロット収容部４４が収容される。

そして、このティース部３２０がのびた状態で、コア部材３２を固定子巻線４の所定の軸方向位置までスライドし、その位置で保持する。

このようにして、コア部材３２を繰り返し固定子巻線４に組み付けていき、所定の枚数のコア部材３２を組み付ける。

なお、上記においては、コア部材３２の組み付け時に、折り返されたティース部３２自身がのびることで、ティース部３２０が固定子巻線４を貫通するようになっていたが、折り返されたティース部３２０を治具等を用いてのばしてもよい。

その後、図１１に示したように、積層されたコア部材３２の軸方向の両端に、分割コア部材３３を組み付ける。分割コア部材３３は、固定子巻線４の径方向外方から軸心方向に向かって組み付ける。分割コア部材３３を組み付けたことにより、積層されたコア部材３２の軸方向の両端面と固定子巻線４の端部（端面）とのすき間が埋められた。

なお、コア部材３２および分割コア部材３３を積層するときに、それぞれの金属板の間に絶縁被膜を形成してもよい。

分割コア部材３３が組み付けられた積層体に、軸方向にのびる帯状の固定金具３４が外装され、分割コア部材３３と固定金具３４が接合される。このとき、積層体は、軸方向に圧縮されていることが好ましい。これにより、固定子コア３０が形成される。固定子コア３０は、分割コア部材３３と固定金具３４が接合されたことで、高い剛性を持っている。なお、本実施形態においては、分割コア部材３３と固定金具３４が接合されるが、この固定金具３４はコア部材３２と接合していてもよい。

このように、本実施形態の回転電機の固定子３では、固定子コア３０が円周方向で分割されていないため、分割部（分割部の界面）における磁気特性の低下が発生しなくなっている。この結果、本実施形態の回転電機１では、固定子コア３０での磁気特性の低下による性能の低下が抑えられた回転電機となった。

さらに、本実施形態においては、アモルファス金属よりなるコア部材３２を有することで固定子コア３０自身における鉄損が低減している。固定子コア３０における磁気特性の低下が抑えられている。特に、回転子が高回転で回転するときに、鉄損の低減の効果が顕著となる。

（第二実施形態）
本実施形態は、図１２〜１３に示したように、分割コア部材３３を固定子コア３０の軸方向の端部のみだけでなく、コア部材３２の積層体の間に配置したこと以外は、第一実施形態と同様な構成である。

本実施形態では、固定子コア３０の軸方向の複数箇所に分割コア部材３３が配置されている。これにより、固定金具３４との接合箇所が多くなっている。この結果、固定子コア３０の剛性がより向上する効果を発揮する。

本実施形態は、このこと以外は、第一実施形態と同様な効果を発揮する。

（第三実施形態）
本実施形態は、図１４に示したように、分割コア部材３３と接合される固定金具の形態が異なること以外は、第一実施形態と同様な構成である。

本実施形態では、分割コア部材３３と接合される固定金具３５は、コア部材３２及び分割コア部材３３の積層体が嵌入される円筒状の部材である。この結果、固定子コア３０の剛性がより向上する効果を発揮する。

本実施形態は、このこと以外は、第一実施形態と同様な効果を発揮する。

（第四実施形態）
本実施形態は、コア部材３２を固定子巻線４に組み付けるときにティース部３２０を折り返したときの形状が異なる以外は、第一実施形態と同様な構成である。

本実施形態では、図１５に示したように、ティース部３２０の先端部がコア部材３２のスライド方向に向いた状態で、湾曲している。このような湾曲した状態でティース部を折り曲げた場合には、コアバック部３２１と固定子巻線４の外周面との距離を短くすることができる効果を発揮する。

本実施形態は、このこと以外は、第一実施形態と同様な効果を発揮する。

（第五実施形態）
本実施形態では、図１６に示したように、コア部材３２のティース部３２０とコアバック部３２１との接合部に、ティース部３２０にそった切れ込みが形成されていること以外は、第一実施形態と同様な構成である。

本実施形態では、コアバック部３２１に切れ込みが形成されたことで、ティース部３２０を簡単に折り曲げることができる。つまり、コア部材３２を固定子巻線４に組み付ける組み付け性が向上する。

本実施形態は、このこと以外は、第一実施形態と同様な効果を発揮する。

（第六実施形態）
本実施形態では、図１７に示したように、コア部材３２が周方向に複数部（４つ）に分割されてなること以外は、第一実施形態と同様な構成である。

本実施形態では、コア部材３２が、固定子コア３０の磁気特性に影響を及ぼさない数に分割されてなる。つまり、本実施形態においても、固定子コア３０が磁気特性の低下が抑えられたものとなっている。

本実施形態は、このこと以外は、第一実施形態と同様な効果を発揮する。

第一実施形態の回転電機の構成を示した図である。 第一実施形態の回転電機の固定子を構成するコア部材の構成を示した図である。 第一実施形態の回転電機の固定子を構成するコア部材の構成を示した図である。 第一実施形態の回転電機の固定子を構成するコア部材を周方向に沿って配置した状態を示した図である。 第一実施形態の回転電機の固定子の構成を示した図である。 第一実施形態の回転電機の固定子巻線を構成する各相巻線の構成を示す断面図である。 第一実施形態の回転電機の固定子巻線の結線を示した図である。 第一実施形態の回転電機の固定子巻線を示した図である。 第一実施形態の回転電機の固定子巻線の展開図である。 第一実施形態の回転電機の固定子の製造方法を示した図である。 第一実施形態の回転電機の固定子の製造方法を示した図である。 第二実施形態の回転電機の固定子の製造方法を示した図である。 第二実施形態の回転電機の固定子を示した図である。 第三実施形態の回転電機の固定子を示した図である。 第四実施形態の回転電機の固定子の製造方法を示した図である。 第五実施形態の回転電機の固定子のコア部材の部分拡大図である。 第六実施形態の回転電機の固定子のコア部材の構成を示した図である。

符号の説明

１：回転電機 １０：ハウジング
１１０，１１１：軸受け
２：回転子 ２０：回転軸
３：固定子 ３０：固定子コア
３１：スロット ３２：コア部材
３２０：ティース部 ３２１：コアバック部
３３：分割コア部材 ３４，３５：固定金具
４：固定子巻線 ４０：巻線
４１：導体 ４２：絶縁皮膜
４３：融着材 ４４：スロット収容部
４５：ターン部 ４６：折り返し部

Claims (12)

1. 周方向に複数のスロットを有する固定子コアと、
   線材により形成され該スロットに設置されている固定子巻線と、
   を備える回転電機の固定子において、
   該固定子巻線は、周方向の異なる該スロットに設置されているスロット収容部と、該スロットの外部で該スロット収容部同士を接続しているターン部と、を有し、
   該固定子コアは、径方向に伸びる少なくとも３本のティース部と、それぞれの該ティース部を径方向の端部で接続・固定するコアバック部と、を備えたコア部材を、各該ティース部を該コアバック方向に折り曲げた状態で該固定子巻線の所定の位置に配置し、その後、折り曲げられた該ティース部を該スロット収容部の間にのばしてなることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記コア部材は、前記コアバック部が周方向の全周にわたって形成されている請求項１記載の回転電機の固定子。
3. 前記コア部材は、アモルファスの金属板よりなる請求項請求項１〜２のいずれか１項に１記載の回転電機の固定子。
4. 前記コア部材は、略円筒状に成形されてなる前記固定子巻線の軸方向の端部側から、所定の軸方向位置までスライドさせて組み付けられる請求項３記載の回転電機の固定子。
5. 前記固定子コアは、径方向に伸びる少なくとも２本のティース部と、それぞれの該ティース部を径方向の端部で接続・固定するコアバック部と、を備えた金属板よりなる分割コア部材を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
6. 前記線材は、断面形状が矩形状である請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
7. 前記線材は、前記固定子コアの全周にわたって連続して配設されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
8. 前記線材は、導体と、該導体の外周を覆う絶縁被覆と、を有し、
   該絶縁被覆は、１００〜２００μｍの厚みである請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
9. 前記絶縁被覆は、内層と、該内層の外周を覆い前記内層よりもガラス転移温度の低い外層と、を有する請求項８に記載の回転電機の固定子。
10. 前記線材は、さらに前記絶縁被覆の外周を覆う融着材を有する請求項８〜９のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
11. 前記線材の前記導体が、アルミニウムから形成される請求項８〜１０のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の回転電機の固定子と、
    該回転電機の固定子の内周側または外周側に、周方向に交互に異なる磁極を形成している回転子と、
    を備えたことを特徴とする回転電機。

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