JP4476199B2

JP4476199B2 - 回転電機の固定子

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Publication number: JP4476199B2
Application number: JP2005263727A
Authority: JP
Inventors: 昌一郎西谷; 若木宮地
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: FR2890799B1; FR2890799A1; JP2007082287A; DE102006011662A1; US7466048B2; US20070057590A1

Description

この発明は、車両用交流発電機などの回転電機の固定子に関し、特に固定子巻線のコイルエンド群から引き出されるリード部の固定構造に関するものである。

従来の回転電機の固定子では、複数の相巻線の一部であって、コイルエンド群の表面に沿って周方向に敷設されたリード部を、コイルエンド群に接着剤により固定している（例えば、特許文献１参照）。さらに、リード部とコイルエンド群との結合強度を高めるために、リード部形状に対応する規制凹部をコイルエンド群の頂部に設け、リード部を規制凹部内に位置させて接着剤により固定している（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１０３６９７号公報特開２００４−２３９１６号公報

特許文献１による従来の回転電機の固定子では、リード部とコイルエンド群との間の接合強度がコイルエンド群に対するリード部の配置状態に左右されるので、両者間の安定した接合強度が得られにくくなる。そこで、回転電機を搭載した車両が駆動された際に、エンジンの振動により、リード部がコイルエンド群から外れてしまう恐れがある。そして、コイルエンド群から外れたリード部は揺れ動き、リード部の断線、さらにはコイルエンド群と擦れてコイルエンド群の損傷を発生してしまうので、回転電機の信頼性が低下してしまうという課題があった。
また、特許文献２による従来の回転電機の固定子では、各リード部に対応するように規制凹部を設ける必要があり、コイルエンドの構成が複雑となるので、コイルエンドの形成に手間とコストがかかってしまうという課題があった。また、リード部が規制凹部内に納められ、さらに接着剤により埋設されてしまうので、リード部およびコイルエンド群の冷却風に曝される面積が縮小し、熱的に悪影響を及ぼす恐れがある。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、手間とコストをかけることなく、リード部の耐振性を高め、かつ、リード部およびコイルエンド群の冷却風に曝される面積の低減を抑えることができる回転電機の固定子を得ることを目的とする。

この発明による回転電機の固定子は、スロットが内周側に開口するように周方向に所定のピッチで多数配列されてなる円筒状の固定子鉄心と、上記スロット内に巻装された複数の相巻線を有し、当該複数の相巻線が上記固定子鉄心の軸方向両端部にコイルエンド群を形成している固定子巻線と、を備えている。そして、上記相巻線のリード部が、それぞれ、上記コイルエンド群から引き出され、その後上記コイルエンド群の頂部に離間して、かつ、該頂部に沿って周方向に引き回されて、接合対象の相巻線のリード部に接合されて上記固定子巻線を構成している。さらに、上記相巻線のリード部の少なくとも１本が、上記コイルエンド群の頂部に沿って周方向に並行する非接合対象の上記相巻線のリード部に締着部材により締着固定されている。

この発明によれば、非接合対象の相巻線のリード部同士が締着部材により締着されているので、リード部の位置を規制する規制凹部などをコイルエンドに形成する必要がなくなり、手間とコストを掛けることなくリード部の耐振性を向上させることができる。
また、リード部がコイルエンド群の頂部に離間して、かつ、頂部に沿って周方向に引き回されているので、リード部とコイルエンド群との間に隙間が確保される。そこで、リード部およびコイルエンド群の冷却風に曝される面積の低減が抑えられ、固定子巻線の過度の温度上昇が抑えられる。
さらに、リード部がコイルエンド群の頂部に沿って引き回されているので、回転電機の体格の大型化の要因である固定子の径方向寸法を大きくすることなくリード部を配設することができる。

図１はこの発明の一実施の形態に係る固定子を搭載した回転電機を示す縦断面図、図２はこの発明の一実施の形態に係る固定子における固定子巻線の構成を説明する固定子鉄心のリヤ側端面図、図３はこの発明の一実施の形態に係る固定子を搭載した回転電機の回路図、図４はこの発明の一実施の形態に係る固定子の要部を示す側面図、図５はこの発明の一実施の形態に係る固定子の要部をリヤ側から見た図である。

図１において、回転電機は、それぞれ略椀形状のアルミニウム製のフロントブラケット１とリアブラケット２とからなるケース３と、このケース３に回転自在に支持されたシャフト４と、ケース３のフロント側に延出するシャフト４の端部に固着されたプーリ５と、シャフト４に固定されてケース３内に収容された回転子６と、この回転子６の軸方向の両端面に固定されたファン７と、回転子６の外周を囲繞するようにケース３の内壁面に固定された固定子８と、シャフト４のリア側に固定され、回転子６に電流を供給するスリップリング９と、このスリップリング９に摺動するようにケース３内に配設された一対のブラシ１０と、このブラシ１０を収納するブラシホルダ１１と、固定子８に電気的に接続され、固定子８で生じた交流を直流に整流する整流器１２と、ブラシホルダ１１に取り付けられたヒートシンク１３と、このヒートシンク１３に接着され固定子８で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ１４と、を備えている。

そして、回転子６は、電流を流して磁束を発生する界磁巻線１７と、この界磁巻線１７を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成される一対のポールコア１８，１９とを備えている。一対のポールコア１８、１９は、鉄製で、それぞれ最外径面形状を略台形形状とする８個の爪状磁極２０、２１が外周縁部に周方向に等角ピッチで突設されてなり、これらの爪状磁極２０、２１を噛み合わせるように対向させてシャフト４に固着されている。

固定子８は、磁性鋼板の積層体からなる円筒状の固定子鉄心１５と、固定子鉄心１５に巻装された固定子巻線１６とから構成されている。そして、固定子鉄心１５には図２に示されるように、内径側に開口するスロット１５ａが周方向に等角ピッチで例えば９６個形成されている。つまり、スロット１５ａは毎極毎相当たり２個の割合で形成されている。そして、インシュレータ（図示せず）が各スロット１５ａ内に装着され、固定子鉄心１５と固定子巻線１６との電気的絶縁を確実にしている。

つぎに、固定子巻線１６の構造について説明する。
まず、固定子巻線１６を構成する１相分の巻線構造について図２を参照しつつ説明する。ここで、説明の便宜上、導体線３０のスロット１５ａ内の収納位置を内径側から１番地、２番地、３番地、４番地、５番地および６番地とする。また、図２中、実線は固定子鉄心のリヤ側の結線状態を示し、点線は固定子鉄心のフロント側の結線状態を示し、黒丸は接合部を示し、１，７，１３・・・，９１はスロット番号を示している。

ａ相巻線１６ａは、それぞれ絶縁被覆された矩形断面の連続銅線からなる素線としての１本の導体線３０で形成された第１乃至第６巻線３１〜３６から構成されている。
この導体線３０は、６スロットピットで配列された直線状のスロット収納部３０ａと、隣接するスロット収納部３０ａの端部同士をフロント側およびリヤ側で交互に連結するターン部３０ｂとから構成されている。そして、導体線３０が、スロット収納部３０ａを６スロット毎のスロット１５ａに収納されて固定子鉄心１５に波巻きに巻装されている。

第１巻線３１は、１本の導体線３０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、２番地と１番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第２巻線３２は、１本の導体線３０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、１番地と２番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第３巻線３３は、１本の導体線３０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、４番地と３番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第４巻線３４は、１本の導体線３０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、３番地と４番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第５巻線３５は、１本の導体線３０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、６番地と５番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。また、第６巻線３６は、１本の導体線３０をスロット番号１番から９１番まで６スロット毎のスロット１５ａに、５番地と６番地とを交互に採るように波巻きして構成されている。そして、各スロット１５ａ内には、導体線３０のスロット収納部３０ａがインシュレータに囲繞されて矩形断面の長手方向を径方向に揃えて径方向に１列に６本並んで配列されている。

そして、固定子鉄心１５のリヤ側において、９１番のスロット１５ａから延出する第１巻線３１の端部３１ａと１番のスロット１５ａから延出する第３巻線３３の端部３３ｂとをＴＩＧ（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接により接合し、９１番のスロット１５ａから延出する第３巻線３３の端部３３ａと１番のスロット１５ａから延出する第５巻線３５の端部３５ｂとをＴＩＧ溶接により接合し、さらに９１番のスロット１５ａから延出する第５巻線３５の端部３５ａと１番のスロット１５ａから延出する第１巻線３１の端部３１ｂとをＴＩＧ溶接により接合する。これにより、第１巻線３１、第３巻線３３および第５巻線３５が直列に接続されて３ターンの波巻き巻線となる。

また、固定子鉄心１５のフロント側において、９１番のスロット１５ａから延出する第４巻線３４の端部３４ａと１番のスロット１５ａから延出する第２巻線３２の端部３２ｂとをＴＩＧ溶接により接合し、９１番のスロット１５ａから延出する第６巻線３６の端部３６ａと１番のスロット１５ａから延出する第４巻線３４の端部３４ｂとをＴＩＧ溶接により接合し、さらに９１番のスロット１５ａから延出する第２巻線３２の端部３２ａと１番のスロット１５ａから延出する第６巻線３６の端部３６ｂとをＴＩＧ溶接により接合する。これにより、第２巻線３２、第４巻線３４および第６巻線３６が直列に接続されて３ターンの波巻き巻線となる。

ついで、４９番と５５番とのスロット１５ａからリヤ側に延出する第１巻線３１の導体線３０の部位を切断し、５５番と６１番とのスロット１５ａから延出する第２巻線３２の導体線３０の部位を切断する。そして、５５番のスロット１５ａの１番地から延出する第１巻線３１の切断端３１ｃと、５５番のスロット１５ａの２番地から延出する第２巻線３２の切断端３２ｃとをＴＩＧ溶接により接合する。これにより、第１乃至第６巻線３１〜３６が直列に接続された６ターンの波巻き巻線（ａ相巻線１６ａ）が形成される。そして、４９番のスロット１５ａの２番地から延出する第１巻線３１の切断端３１ｄと、６１番のスロット１５ａの１番地から延出する第２巻線３２の切断端３２ｄとが、このａ相巻線１６ａの両端部、即ちリード部となる。

図示していないが、同様にして、導体線３０が巻装されるスロット１５ａを１スロットずつずらしてｄ相巻線１６ｄ、ｃ相巻線１６ｃ、ｆ相巻線１６ｆ、ｂ相巻線１６ｂおよびｅ相巻線１６ｅが形成される。そして、ａ相巻線１６ａが１番、７番・・・９１番のスロット群に巻装され、ｄ相巻線１６ｄが２番、８番・・・９２番のスロット群に巻装され、ｃ相巻線１６ｃが３番、９番・・・９３番のスロット群に巻装され、ｆ相巻線１６ｆが４番、１０番・・・９４番のスロット群に巻装され、ｂ相巻線１６ｂが５番、１１番・・・９５番のスロット群に巻装され、ｅ相巻線１６ｅが６番、１２番・・・９６番のスロット群に巻装されている。

ついで、ａ相巻線１６ａ、ｂ相巻線１６ｂおよびｃ相巻線１６ｃの端部同士を接続（Δ結線）して、三相交流巻線１６Ａを構成している。また、ｄ相巻線１６ｄ、ｅ相巻線１６ｅおよびｆ相巻線１６ｆの端部同士を接続（Δ結線）して、三相交流巻線１６Ｂを構成している。このように、図３に示されるように、２組の三相交流巻線１６Ａ，１６Ｂからなる固定子巻線１６が構成される。そして、三相交流巻線１６Ａ，１６Ｂの各相巻線の端部同士の接続部が整流器１２に電気的に接続され、２つの三相交流巻線１６Ａ，１６Ｂの交流電圧がそれぞれ整流器１２により直流に整流されて出力される。

このように構成された固定子８のフロント側端部では、ターン部３０ｂが径方向に３列に並んで周方向に１スロットピッチで配列されて、フロント側コイルエンド群１６ｆを構成している。同様に、リヤ側端部では、ターン部３０ｂが径方向に３列に並んで周方向に１スロットピッチで配列されて、リヤ側コイルエンド群１６ｒを構成している。

ここで、ａ相巻線１６ａ、ｂ相巻線１６ｂおよびｃ相巻線１６ｃの端部同士をΔ結線する方法について、図４および図５を参照しつつ説明する。
まず、ａ相巻線１６ａの第１リード部１６ａ_１が、リヤ側コイルエンド群１６ｒから軸方向に引き出し、その後周方向一側に曲げられて、リヤ側コイルエンド群１６ｒの頂部に離反して、かつ、頂部に沿って周方向一側に引き回される。また、ｂ相巻線１６ｂの第２リード部１６ｂ_２が、リヤ側コイルエンド群１６ｒから軸方向に引き出し、その後周方向他側に曲げられて、リヤ側コイルエンド群１６ｒの頂部に離反して、かつ、頂部に沿って周方向他側に引き回される。そして、ａ相巻線１６ａの第１リード部１６ａ_１とｂ相巻線１６ｂの第２リード部１６ｂ_２との端部同士が互いに密接するように軸方向に曲げられてＴＩＧ溶接され、接合される。なお、ａ相巻線１６ａの第１リード部１６ａ_１とｂ相巻線１６ｂの第２リード部１６ｂ_２とが、接合対象の相巻線のリード部となる。

また、ｂ相巻線１６ｂの第１リード部１６ｂ_１が、リヤ側コイルエンド群１６ｒから軸方向に引き出し、その後周方向一側に曲げられて、リヤ側コイルエンド群１６ｒの頂部に離反して、かつ、頂部に沿って周方向一側に引き回される。また、ｃ相巻線１ｃの第２リード部１６ｃ_２が、リヤ側コイルエンド群１６ｒから軸方向に引き出し、その後周方向他側に曲げられて、リヤ側コイルエンド群１６ｒの頂部に離反して、かつ、頂部に沿って周方向他側に引き回される。そして、ｂ相巻線１６ｂの第１リード部１６ｂ_１とｃ相巻線１６ｃの第２リード部１６ｃ_２との端部同士が互いに密接するように軸方向に曲げられてＴＩＧ溶接され、接合される。なお、ｂ相巻線１６ｂの第１リード部１６ｂ_１とｃ相巻線１６ｃの第２リード部１６ｃ_２とが、接合対象の相巻線のリード部となる。

さらに、ｃ相巻線１６ｃの第１リード部１６ｃ_１が、リヤ側コイルエンド群１６ｒから軸方向に引き出し、その後周方向一側に曲げられて、リヤ側コイルエンド群１６ｒの頂部に離反して、かつ、頂部に沿って周方向一側に、ａ相巻線１６ａの第１リード部１６ａ_１の引き回し部に並行して引き回される。また、ａ相巻線１６ａの第２リード部１６ａ_２が、リヤ側コイルエンド群１６ｒから軸方向に引き出し、その後周方向他側に曲げられて、リヤ側コイルエンド群１６ｒの頂部に離反して、かつ、頂部に沿って周方向他側に、ｂ相巻線１６ｂの第１リード部１６ｂ_１およびｃ相巻線１６ｃの第２リード部１６ｃ_２の引き回し部に並行して引き回される。そして、ｃ相巻線１６ｃの第１リード部１６ｃ_１とａ相巻線１６ａの第２リード部１６ａ_２との端部同士が互いに密接するように軸方向に曲げられてＴＩＧ溶接され、接合される。なお、ｃ相巻線１６ｃの第１リード部１６ｃ_１とａ相巻線１６ａの第２リード部１６ａ_２とが、接合対象の相巻線のリード部となる。

ついで、ｃ相巻線の第１リード部１６ｃ_１が、ａ相巻線１６ａの第１リード部１６ａ_１のｂ相巻線１６ｂの第２リード部１６ｂ_２との接合部近傍に締着部材としての紐２５により締着される。また、ａ相巻線の第２リード部１６ａ_２が、ｂ相巻線１６ｂの第１リード部１６ｂ_１のリヤ側コイルエンド群１６ｒからの引き出し部近傍に紐２５により締着される。ここで、ｃ相巻線の第１リード部１６ｃ_１とａ相巻線１６ａの第１リード部１６ａ_１とが、非接合対象の相巻線のリード部となる。同様に、ａ相巻線の第２リード部１６ａ_２とｂ相巻線１６ｂの第１リード部１６ｂ_１とが、非接合対象の相巻線のリード部となる。
これにより、ａ相巻線１６ａ、ｂ相巻線１６ｂおよびｃ相巻線１６ｃがΔ結線されて、三相交流巻線１６Ａが構成される。

なお、図示していないが、三相交流巻線１６Ｂを構成するｄ相巻線１６ｄ、ｅ相巻線１６ｅおよびｆ相巻線１６ｆも、同様に、そのリード部がコイルエンド群１６ｒの頂部に離反して、かつ、沿って周方向に引き回され、結線されている。そして、非接合対象の相巻線のリード部同士が、同様に、紐２５により締着されている。

このように、この発明では、６つの相巻線のリード部がリヤ側コイルエンド群から引き出され、その後リヤ側コイルエンド群の頂部に離反して、かつ、頂部に沿って周方向に引き回されているので、リード部とリヤ側コイルエンド群との間に隙間が確保される。そこで、リード部およびリヤ側コイルエンド群の冷却風に曝される面積の低減が抑えられ、固定子巻線の過度の温度上昇が抑えられる。
また、車両においては、エンジンのピストン運動に起因するエンジンの振動の方向は、主に交流発電機の回転軸方向と直交する方向である。そこで、エンジン作動時に、回転電機の径方向に大きな振動が加わることになる。しかし、この固定子では、リード部がリヤ側コイルエンド群の軸方向に位置しているので、エンジンの作動時に、大きな振動がリード部に加わらず、リード部の断線等の発生が抑制される。

また、相巻線のリード部が非接合対象の相巻線のリード部に紐により締着されているので、リード部全体の剛性が高められる。そこで、リード部の振動が抑制されるので、リード部の断線やリード部との擦れに起因するコイルエンド群の損傷の発生が抑えられる。
また、紐を用いてリード部同士を締着しているので、リヤ側コイルエンド群に損傷を与えることなく、リード部同士を簡易に固定できる。また、リード部の変位を規制する凹部などをコイルエンド群に形成する必要がないので、手間やコストをかけることなく、リード部同士を固定できる。さらに、接着剤などを用いる必要がないので、様々な製造国、季節、作業環境などに合わせた工程管理や部材管理が不要となる。

また、相巻線のリード部が、並行して引き回されているリード部に紐で締着されているので、締着されるリード部同士は、径方向に関して互いに異なり位置で周方向に引き回される。そこで、締着される一方のリード部が締着される他方のリード部の接合部に干渉することがない。
また、締着される一方のリード部が、締着される他方のリード部のリヤ側コイルエンド群からの引き出し部近傍に紐で締着されているので、締着されたリード部全体の剛性が高められ、耐振性が向上される。同様に、締着される一方のリード部が、締着される他方のリード部の接合部に至る曲げ部近傍に紐で締着されているので、締着されたリード部全体の剛性が高められ、耐振性が向上される。

なお、上記実施の形態では、リード部同士を紐で一箇所締着するものとしているが、リード部同士の締着箇所は一箇所に限定されるものではなく、複数箇所で締着するようにしてもよく、さらには３本以上のリード部を一括して紐で締着するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、紐を用いてリード部同士を締着するものとしているが、締着部材は紐に限定されるものではなく、絶縁性材料であればよい。

また、上記実施の形態では、ａ相巻線、ｂ相巻線およびｃ相巻線をΔ結線し、また、ｄ相巻線、ｅ相巻線およびｆ相巻線をΔ結線して、２組の三相交流巻線からなる固定子巻線を構成するものとして説明しているが、ａ相巻線、ｂ相巻線およびｃ相巻線をＹ結線し、また、ｄ相巻線、ｅ相巻線およびｆ相巻線をＹ結線して、２組の三相交流巻線からなる固定子巻線を構成してもよい。さらに、ａ相巻線とｄ相巻線とを直列に接続し、ｂ相巻線とｅ相巻線とを直列に接続し、ｃ相巻線とｆ相巻線とを直列に接続する。そして、直列に接続された３つの巻線をＹ結線して、１組の三相交流巻線からなる固定子巻線を構成してもよい。

また、上記実施の形態では、毎極毎相当たりのスロット数が２の固定子鉄心を用いるものとしているが、毎極毎相当たりのスロット数は２に限定されるものではなく、例えば毎極毎相当たりのスロット数が１の固定子鉄心を用いてもよい。この場合、固定子巻線は３つの相巻線から構成されることになる。
また、上記実施の形態では、スロットが周方向に等角ピッチに形成されている固定子鉄心を用いている。つまり、上記実施の形態では、スロットは、スロット開口部の中心線間の間隔をα_０°とする等角ピッチに形成されている。しかし、スロットが、スロット開口部の中心線間の間隔をα_１°とα_２°（≠α_１）とを交互にとる不等ピッチに形成されている固定子鉄心を用いてもよい。
また、上記実施の形態では、固定子巻線を連続線からなる導体線を用いて作製するものとしているが、固定子巻線をＵ字状の導体セグメントを用いて作製しても良い。
また、上記実施の形態では、断面矩形の導体線を用いるものとしているが、導体線の断面形状は矩形に限定されるものではなく、例えば円形断面でも良い。
また、上記実施の形態では、第１巻線乃至第６巻線を図２に示される結線方法に基づいて結線するものとしているが、第１巻線乃至第６巻線の結線方法のこれに限定されるものではなく、所望の回路構成に合わせて適宜設定される。

この発明の一実施の形態に係る固定子を搭載した回転電機を示す縦断面図である。この発明の一実施の形態に係る固定子における固定子巻線の構成を説明する固定子鉄心のリヤ側端面図である。この発明の一実施の形態に係る固定子を搭載した回転電機の回路図である。この発明の一実施の形態に係る固定子の要部を示す側面図である。この発明の一実施の形態に係る固定子の要部をリヤ側から見た図である。

符号の説明

８固定子、１５固定子鉄心、１５ａスロット、１６固定子巻線、１６ａａ相巻線、１６ａ_１第１リード部、１６ａ_２第２リード部、１６ｂｂ相巻線、１６ｂ_１第１リード部、１６ｂ_２第２リード部、１６ｃｃ相巻線、１６ｃ_１第１リード部、１６ｃ_２第２リード部、１６ｄｄ相巻線、１６ｅｅ相巻線、１６ｆｆ相巻線、１６ｒリヤ側コイルエンド群、２５紐（締着部材）。

Claims

スロットが内周側に開口するように周方向に所定のピッチで多数配列されてなる円筒状の固定子鉄心と、上記スロット内に巻装された複数の相巻線を有し、当該複数の相巻線が上記固定子鉄心の軸方向両端部にコイルエンド群を形成している固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子において、
上記相巻線のリード部が、それぞれ、上記コイルエンド群から引き出され、その後上記コイルエンド群の頂部に離間して、かつ、該頂部に沿って周方向に引き回されて、接合対象の相巻線のリード部に接合されて上記固定子巻線を構成しており、
上記相巻線のリード部の少なくとも１本が、上記コイルエンド群の頂部に沿って周方向に並行する非接合対象の上記相巻線のリード部に締着部材により締着固定されていることを特徴とする回転電機の固定子。
接合される上記リード部の対は、上記コイルエンド群の頂部に沿って周方向に引き回された後、互いに密接するように軸方向に曲げられて接合されており、締着される上記リード部の一方は、上記軸方向に曲げられる曲げ部近傍で、締着される上記リード部の他方に上記締着部材により締着固定されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
締着される上記リード部の一方は、上記コイルエンド群からの引き出し部近傍で、締着される上記リード部の他方に上記締着部材により締着固定されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。