JP4535147B2 - 回転電機の固定子及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子コアとコイルとの位置のズレを規制するコイルの固定部材を有する回転電機の固定子及び回転電機に関する。

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。また、信頼性の向上も求められている。

特許文献１および２には、固定子コアとコイルとの間に絶縁スペーサを設置している回転電機が開示されている。

しかしながら、これらの回転電機においては、絶縁スペーサが固定子コアおよびコイルの間に挿入してあるのみであり、両者のいずれにも支持されていない。このため、回転電機の使用時に振動や熱・機械ストレス等により絶縁スペーサがズレたり脱落する可能性がある。絶縁スペーサが脱落すると、コイルと固定子コアとの接触が起こりコイルを構成する固定子巻線の絶縁性能の低下や振動等のストレスが加わることにより巻線が損傷し、回転電機の信頼性が低下するおそれがある。
特開２０００−１６６１５８号公報 特開２００６−３３９１８号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、回転電機のコイルと固定子コアとの間に介在するとともに脱落が抑えられたコイルの固定部材を有する回転電機の固定子および回転電機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは検討を重ねた結果、コイルの固定部材が、径方向の外方と内方の両方から挿入される二つの部材の組み合わせよりなる構成とすることで上記課題を解決できることを見出した。

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、スロットを周方向に複数有する固定子コアと、周方向の異なるスロットに収容され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接続部と、を有する固定子巻線により形成されるコイルと、を備えた回転電機の固定子において、固定子コアの少なくとも一方の端面とコイルの接続部との間に介在してコイルと固定子コアの変移を規制するコイルの固定部材を備え、固定部材は、接続部と固定子コアの端面との間に径方向の外方から挿入され、該接続部を構成する巻線に一致する凹凸形状に形成されて該接続部を保持する保持部が周方向の一方側に形成されたくさび状の第一固定部材と、接続部と固定子コアの端面との間であって第一固定部材の周方向の他方側に径方向内方から挿入される棒状の第二固定部材と、を有することを特徴とする。

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、第二固定部材は、コイルの径方向の最外周面に係止する係止部を有することを特徴とする。

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、第一固定部材は、第二固定部材の径方向外方に、第二固定部材が径方向外方に変移することを規制する規制部を有することを特徴とする。

また、請求項４に記載の本発明の回転電機は、請求項１〜３のいずれかに記載の固定子を用いてなることを特徴とする。

請求項１に記載の本発明の回転電機の固定子は、コイルの固定部材が、径方向の反対側から組み付けられる第一及び第二固定部材から構成される。これにより、第一及び第二固定部材のそれぞれのズレが抑えられ、コイルの固定部材がコイルと固定子コアの変移を規制する。この結果、本発明の回転電機の固定子を用いた回転電機に振動や熱・機械ストレス等が付与されても、固定部材が脱落しなくなった。この結果、回転電機の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、第二固定部材がコイルに係止されることで、第二固定部材が径方向にずれることが抑えられる。

請求項３に記載の本発明の回転電機の固定子は、第一固定部材が規制部を有することで第二固定部材が径方向外方にずれることが抑えられる。

また、請求項４に記載の本発明の回転電機は、上記の各固定子を有する。各固定子は、回転電機に振動や熱・機械ストレス等が付与されても、固定部材が脱落しなくなっている。すなわち、本発明の回転電機は、固定部材の脱落による性能の低下が抑えられた回転電機となっている。

以下、実施の形態を用いて本発明を具体的に説明する。

（実施形態例）
本実施形態のコイルの固定部材は、コイル４と固定子コア３０とを備えた固定子３と回転子２とを備えた回転電機１に用いられる。

本実施形態のコイルの固定部材５の構成を図１〜３に示す。コイルの固定部材５は、第一固定部材５１と、第二固定部材５２と、から構成される。

第一固定部材５１及び第二固定部材５２は、コイル４と固定子コア３０との間に介在する状態で、固定子コア３０に対して背向した表面の角部がなめらかなＲ形状をなすテーパ状に形成されている。

第一固定部材５１は、図２に示したように、略くさび板状の本体部５１０と、本体部５１０の径方向外方側の端部でありかつ略くさび状の広がった端部側に一体に形成された規制部５１１と、を有している。規制部５１１は、本体部５１０の幅方向の一方側に突出している。

本体部５１０の幅方向の他方側の側面には、コイル４の接続部４５を構成する巻線４０を保持する保持部５１２が形成されている。保持部５１２は、接続部４５を構成する巻線４０に略一致する凹凸形状に形成された本体部５１０の表面よりなる。

第二固定部材５２は、図３に示したように、基端部５２０、薄肉部５２１及びツメ部５２２を有する略棒状の部材である。

基端部５２０は、コイル４と固定子コア３０との間に介在する状態で、径方向内方側に位置する断面略扇状の部材である。

薄肉部５２１は、基端部５２０に一体に形成され、基端部５２０から径方向外方に伸びる略板状の部材である。薄肉部５２１は、固定子コア３０の端面との間にすき間を有する状態で設けられている。

ツメ部５２２は、薄肉部５２１の先端部に、固定子コア３０から離反する方向に突出している。ツメ部５２２は、第二固定部材５２がコイル４と固定子コア３０との間に介在する状態で、コイル４の接続部４５に当接可能な位置にもうけられている。そして、コイル４の接続部４５にツメ部５５２が係止され、第二固定部材５２が径方向内方に抜けることが防止される。

本実施形態の固定部材５の組付けは、図４に示したように、コイル４の接続部４５と固定子コア３０の端面との間にギャップを有する固定子に用いられる。

まず、第一固定部材５１を径方向外方から内方にむかって、コイル４の接続部４５と固定子コア３０の端面との間のギャップに挿入する。このとき、接続部４５が接続する一対のスロット３１の間の略中央部で挿入する。

そして、第一固定部材５１の径方向位置が所定の位置となったら、本体部５１０の幅方向の他方側に変移させ、保持部５１２をコイル４の接続部４５に嵌合させる。保持部５１２が接続部４５に嵌合したことで、図５に示したように、第一固定部材５１がギャップ内で固定される。このとき、本体部５１０が接続部４５を構成する巻線４０のうち、保持部５１２と当接する巻線４０の軸方向での変移が規制される。

その後、第二固定部材５５を径方向内方から外方にむかって、コイル４の接続部４５と固定子コア３０の端面との間のギャップであり、かつ第一固定部材５１の本体部５１０の一方の側方のギャップに挿入する。挿入時には、薄肉部５２１自身の弾性により薄肉部５２１の先端部が固定子コア３０方向に湾曲し、ツメ部５２２が押し下げられて接続部４５と干渉しなくなっている。

そして、第二固定部材５２が挿入されて、ツメ部５２２の径方向位置がコイル４の径方向での外周面の外方に到達すると、薄肉部５２１が湾曲形状から板状に形状が復元する。これにより、ツメ部５２２の軸方向での位置が接続部４５の軸方向での位置と重なり合い、係止される。このとき、ツメ部５２２の側面が接続部４５の外周面と当接する。この結果、第二固定部材５２が径方向内方にズレを生じようとしても、ツメ部５２２がコイル４に係止されており、ズレが生じない。

また、挿入された第二固定部材５２の径方向外方には、第一固定部材５１の規制部５１１が位置しており、第二固定部材５２が径方向外方に移動することを規制している。

さらに、図６に示したように、第一固定部材５１の本体部５１０と第二固定部材５２の基端部５２０とで、コイルの径方向の厚さの内周側で、接続部４５の巻線４０の周方向での変移が規制されている。

この結果、本実施形態の固定部材５は、固定子コア３０の端面とコイル４の接続部４５との間のギャップを打ち消すことができ、固定子コア３０とコイル４とが固定される。

本実施形態の固定部材５が組み付けられる回転電機１について説明する。

本実施形態の回転電機の構成を図７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。本実施形態においては、８極（Ｎ極：４、Ｓ極：４）の回転子が用いられている。

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コイル４と、固定子コア３０とコイル４との間に配された絶縁紙（図示せず）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、回転子２の磁極数に対し、コイル４の一相あたり２個の割合で形成されている。すなわち、８×３×２＝４８個のスロット３１が形成されている。

固定子コア３０は、所定の数の分割コアを周方向に配設して形成されている。本実施形態においては、２４個である。分割コアは、ひとつのスロット３１を区画するとともに、周方向で隣接する分割コアとの間でひとつのスロットを区画する形状（径方向内方に伸びるティース部と、ティース部が形成されるバックコア部）に形成されている。

固定子コア３０（を構成する分割コア）は、０．３ｍｍの厚さの電磁鋼板４１０枚を積層させて形成されている。なお、積層された電磁鋼板の間には、絶縁薄膜が配置されている。なお、固定子コア３０は、この電磁鋼板の積層体からだけでなく、従来公知の金属薄板および絶縁薄膜を用いて形成してもよい。

コイル４は、複数の巻線４０を所定の巻回方法で巻回してなる。コイル４を構成する巻線４０は、図８（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あるいは固定子コア３０との間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よりも早く軟化するので、同じスロット３１に設置されている巻線４０同士が外層４２１同士で熱接着する。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同士が剛体化するので、スロット３１内の線巻線４０の機械的強度が向上する。また、過剰な振動が発生しても、内層４２０と導体４１の接着箇所よりも内層４２０と外層４２１との接着箇所が先に剥離するので、内層４２０と導体４１との接着を維持し絶縁を確保できる。

さらに、コイル４の巻線４０は、図８（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４８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４８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。

コイル４を構成する巻線４０の絶縁皮膜４２には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）よりなる皮膜を用いても良い。

コイル４は、図９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。

コイル４は、複数の巻線４０を所定の形状に巻回してなる。コイル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同士を接続する接続部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。接続部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、コイル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て形成されている。コイル４の巻線４０は、径方向外方から径方向内方に向かって巻装されている。最内周面側で巻線４０の端部がコイル４の端面から突出している。

ここで、コイル４の巻線４０の巻回方法は、特に限定されるものではなく、コイル４の１相は、周方向に沿って波状でありかつ異なる巻装方向に巻装された２本の巻線４０，４０を巻装方向が反転する折り返し部４６で接続された構成としてもよい。つまり、巻線４０は、第一の巻線４０と第二の巻線４０とが接続された構成を有していてもよい。二つの巻線４０，４０は、同一スロット３１にそれぞれのスロット収容部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、第二の巻線部４０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。このような構成では、コイルの最内周側に巻線４０の端部が位置しないため、巻線４０の端部がコイル４の端面を乗り越えなくなり、コイル４の体格を小さくできる効果を発揮する。

コイル４においては、この二つの巻線４０，４０のコイル４の最内周側の端部が接合されており、二つの巻線４０，４０で１相をなすように巻線４０が配されている。この二つの巻線４０，４０の成形体を６組用いて３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）×２個（倍スロット）のコイル４を形成している。つまり、コイル４は、二つの巻線４０，４０×３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）×２個（倍スロット）＝１２本の巻線４０を用いて形成されている。

本実施形態においては、巻線４０は、周方向で４周巻回してコイル４を形成している。すなわち、コイル４は、二つの巻線４０，４０が径方向で４層重なった構成となっている。つまり、ひとつのスロット３１内に４層×２本＝８本のスロット収容部４４が配置されている。

コイル４において、接続部４５は固定子コア３０の軸方向両側にそれぞれ形成されている。接続部４５の略中央部は、ねじりを伴わないクランク状をなすように成形されている。接続部４５のクランク形状は、固定子コア３０の周方向でクランク形状をなすように形成されている。この接続部４５のクランク形状によるずれ量は、巻線４０の略幅分である。これにより、径方向に隣接している巻線４０の接続部４５同士が干渉しなくなり、接続部４５を密に巻回できる。その結果、コイル４の固定子コア３０の端面から突出したコイルエンドの径方向の幅が小さくなるので、コイル４を形成した巻線４０が径方向外側に張り出すことが防止できる。

また、スロット３１から固定子コア３０の外に突出する接続部４５は、固定子コア３０の軸方向の端面から階段状に形成されている。接続部４５が階段状に形成されたことで、巻線４０の階段状の接続部４５が周方向に隣り合うスロットから突出する巻線４０と干渉することを防止できる。これにより、周方向に隣接するスロットから突出する巻線４０同士が互いに干渉することを避けるために、コイル４の固定子コア３０の端面から突出したコイルエンドの高さが高くなったり、あるいはコイルエンドの径方向の幅が大きくなることを防止できる。その結果、コイルエンドの高さが低くなる。さらに、コイルエンドの径方向の幅が小さくなるので、コイル４が径方向外側に張り出すことを防止できる。

階段状の接続部４５は、４段の階段状に形成されている。そして、４段の階段状の接続部４５の一段の高さは、巻線４０の略幅（高さ）分である。これにより、軸方向で接続部４５が重なり合ったときに、すき間を生じることなく接続部４５同士を重ね合わせることができ、接続部４５を密に巻回できる。

階段状の接続部４５は、その最も高い部分（階段状の頂上部）が、クランク状に形成されている。したがって、巻線４０の接続部４５は、クランク部を挟んで両側を階段状に形成している。

階段状の接続部４５は、その最も低い部分（固定子コア３０に最も近接した位置で固定子コア３０の端面に略平行にのびる部分）と固定子コア３０の端面との間には、ギャップが存在している。このギャップは、巻線加工やコイル４と固定子コア３０との組み付け時に固定子巻線４０に加わるストレスの緩和、絶縁性能および固定子コア３０の食い込みを防止する等の目的のため存在している。

コイル４は、接続部４５が固定子コア３０から突出したコイルエンドの高さの範囲内で、コイル４を構成する各巻線４０の成形体の端部が径方向外方に向かって突出している。そして、各巻線４０の成形体の端部であって、中性点側の端部は、他方の端部よりも高い位置で径方向外方に突出している。

本実施形態においては、固定部材５が組み付けられる数については、特に限定されるものではないが、周方向で対称な位置に複数箇所が組み付けられていればよい。好ましくは三カ所である。

また、コイルの固定部材５は、固定子コア３０の少なくとも一方の端面側に組み付けられていればよい。固定子コア３０の両方の端面側にコイルの固定部材５を組み付けることは、より好ましい。

実施形態のコイルの固定部材の構成を示した図である。 実施形態のコイルの固定部材の第一固定部材を示した図である。 実施形態のコイルの固定部材の第二固定部材を示した図である。 実施形態のコイルの固定部材の組み付けの状態を示した図である。 実施形態のコイルの固定部材の組み付けの状態を示した図である。 実施形態のコイルの固定部材の組み付けの状態を示した図である。 実施形態の回転電機の構成を示した図である。 実施形態の回転電機のコイルを構成する各相巻線の構成を示す断面図である。 実施形態の回転電機のコイルの各相巻線の結線を示した図である。

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
４：コイル ４０：各相巻線
４１：導体 ４２：絶縁皮膜
４４：スロット収容部 ４５：接続部
４８：融着材
５：コイルの固定部材 ５１：第一固定部材
５２：第二固定部材

Claims (4)

1. スロットを周方向に複数有する固定子コアと、
   周方向の異なる該スロットに収容され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接続部と、を有する固定子巻線により形成されるコイルと、
   を備えた回転電機の固定子において、
   該固定子コアの少なくとも一方の端面と該コイルの該接続部との間に介在して該コイルと該固定子コアの変移を規制するコイルの固定部材
   を備え、
   該固定部材は、
   該接続部と該固定子コアの端面との間に径方向の外方から挿入され、該接続部を構成する巻線に一致する凹凸形状に形成されて該接続部を保持する保持部が周方向の一方側に形成されたくさび状の第一固定部材と、
   該接続部と該固定子コアの端面との間であって該第一固定部材の周方向の他方側に径方向内方から挿入される棒状の第二固定部材と、
   を有することを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記第二固定部材は、前記コイルの径方向の最外周面に係止する係止部を有する請求項１記載の回転電機の固定子。
3. 前記第一固定部材は、前記第二固定部材の径方向外方に、該第二固定部材が径方向外方に変移することを規制する規制部を有する請求項１〜２のいずれかに記載の回転電機の固定子。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の固定子を用いてなることを特徴とする回転電機。

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