JP4655764B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機に関し、特にステータコアおよびそれに巻回されたコイルを備える回転電機に関する。

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池車等に車両推進用モータが用いられている。このような車両推進モータは、高出力化および小型化が要求されており、これを実現するためにモータのステータコイルの占積率を高めるさまざまな工夫がなされている。

特開２００２−２４７７８９号公報（特許文献１）には、集中巻き方式のコイルにおいて巻線の整列性を高めてスロット内の占積率を高めたステータコイル構造の従来技術が開示されている。

図１３は、従来のステータコイル構造のコイルエンド部の形状説明図である。
図１３を参照して、コイル５１８は、ステータコアの各ステータティース５２７に対し、ステータティースの表面にインシュレータ５１２を装着しさらにテーパ部材５１６を配置して巻線５１７を巻回することにより形成される。

インシュレータ５１２は、外周のリング状外縁部の内側に突出するボビン部５２１と、ボビン部５２１の先端のコイルフランジ部５２２と、コイルフランジ部５２２の下側のスロットフランジ部５２３と、外縁部およびボビン部５２１の下側に形成したスロット差込部５２４と、ボビン部５２１の根元側の外縁部に設けた壁状の突起５２５とを含む。

スロット５１３からはみ出た部分のコイル５１８、すなわちテーパ部材５１６上を通過する部分のコイル５１８がコイルエンドすなわち円筒状ステータの両端面から突出する部分のコイルである。

図１３のＫ−Ｋ断面部で示すように、テーパ部材５１６の傾斜面の上側でコイルフランジ部５２２と突起５２５間のコイルエンド形成部の面積をＳｃとし、スロット５１３の面積をＳｓとしたとき、この従来技術では、Ｓｃ≧Ｓｓ／２となるようにコイルフランジ部５２２および突起５２５の高さを設定している。これにより、コイルフランジ部５２２により巻線がステータティース端部から内周側に脱落することが防止されるとともに、コイルエンド部の巻線面積がスロット通過部の巻線面積より大きくなるため、コイルエンドで無理な力を作用させることなく巻線を余裕をもって巻回して、層状に揃ったコイルエンドを高密度で形成することができる。
特開２００２−２４７７８９号公報（図８） 特開２００４−３５０４４９号公報 特開２００５−５７９３１号公報

ティースごとに分割してコアを作成する分割コアを採用する場合には、コイルをステータティースに巻回する際には、ヨーク側をクランプで挟んで巻線を巻き始める。したがって、クランプと干渉しないようにステータティースの内周側に始端を配置した方が作業性が良い。

図１３に示す従来のステータ構造においては、ステータティースの内周側に始端を配置し、ティース部に配置したテーパ部材５１６に対して巻線を巻回してコイルを形成する際に巻線に張力をかけると、コイル一段目の巻線を巻回している最中にテーパ部分に沿って巻線の滑落が発生して巻き崩れが発生してしまうおそれがある。

しかし、張力を弱めてコイルを巻回すると、占積率を高めることができなくなってしまう。

この発明の目的は、磁気性能を確保しつつ、小型で生産性のよい回転電機を提供することである。

この発明は、要約すると回転電機であって、回転軸の周りに回転可能なロータと、ロータを内周側に収容する環状のステータとを備え、ステータは、環状のヨーク部と、ヨーク部の内周側に環状に配列されコイルが巻回される複数のティース部と含み、複数のティース部の各々は、回転軸に平行な方向を向き、回転軸に対して所定の角度で傾斜している側面と、側面に設けられ、回転軸に直交する径方向の前記コイルの内径側、及び外径側の位置をそれぞれ拘束する内径側支持部及び外径側支持部とを有し、各支持部のコイルに当接する面は、側面であって、コイルが巻回される側面に対し直角になるように、回転軸に対して所定の角度に応じた角度で傾斜している。

好ましくは、支持部には、径方向にコイルの巻線を引出す引出部が設けられる。
より好ましくは、引出部は、支持部に設けられる溝である。

好ましくは、ステータは、複数のティースごとに磁性体の圧粉で分割形成されるコアを含む。

より好ましくは、支持部は、ステータコアとコイルとの間に配置されるインシュレータの一部である。

好ましくは、ステータは、複数のティースごとに設けられる磁性体のコアと、コアとコイルとの間に配置されコアをコイルから絶縁するインシュレータとを有し、インシュレータのコア側の面は、コアに沿った形状であり、インシュレータのコイルに当接する面は角部において巻線が密着しやすい曲率の形状である。

本発明によれば、回転電機のコイルの占積率の向上とコイルの巻き崩れ抑制の両立が可能となり、また、巻線生産性と品質が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳しく説明する。なお図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、本発明の実施の形態に係る回転電機１の回転軸に垂直な断面による断面図である。

図１を参照して、回転電機１は、回転軸のまわりに回転するロータ２と、中央にロータ２を収容する中空部分を有し図示しないケースに固定される円環状のステータ４とを含む。ステータ４は、複数の分割ステータ６を含む。各分割ステータ６は分割ステータコアと、ティース部分に巻回されたコイル８と、コアとコイル８との間の絶縁を行なうインシュレータとを含む。

図２は、図１における分割ステータの形状を示す斜視図である。
図２を参照して、分割ステータ６は、分割ステータコア２０と、分割ステータコア２０のティース部分に装着されたインシュレータ１０と、インシュレータを介して分割ステータコア２０のティース部分に巻回されたコイル８とを含む。

インシュレータ１０は、回転軸に直交する径方向のコイル８の位置を拘束する内径側の支持部１０Ａおよび外径側の支持部１０Ｃを含む。コイル８は、巻線端部１２が巻き始めであり、巻線端部１４が巻き終わりである。支持部１０Ａには端部１２を引出すための引出部分である溝が設けられている。

図３は、インシュレータ１０の形状をより詳細に説明するための図である。
図３を参照して、インシュレータ１０の形状を説明するために、コイル８についてはコイルエンド部分を取除いた状態が示されている。

コイル８は、支持部１０Ａと支持部１０Ｃとの間のティース部１０Ｂに巻回される。支持部１０Ａには巻線の巻き始め部分を引出すための引出部分である溝１６が設けられている。なお、引出部分は巻線の端部を引出せればよいので、溝１６に代えて貫通孔であっても良い。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面における部分断面図である。
図４を参照して、分割ステータコア２０に対してインシュレータ１０が装着されてその後コイル８が巻回される。コイル８は、支持部１０Ａと支持部１０Ｃで径方向の位置が拘束され、巻崩れが防止される。

図５は、分割ステータコア２０の形状を示す斜視図である。
図５を参照して、分割ステータコア２０は、１極分であり、ヨーク部２０Ｃとティース部２０ＢとがほぼＴ字形の形状を構成する。分割ステータコア２０は、磁性粉末を成形型で圧縮成形した圧粉磁性体からなり、ヨーク部２０Ｃとティース部２０Ｂと磁極片部２０Ａとが一体的に成形される。ティース部２０Ｂの周方向（図５のθ方向に相当）の両脇には、隣り合うティース部２０Ｂ（図示せず）との間においてスロットが形成される。

分割ステータコア２０は、ヨーク部２０Ｃとティース部２０Ｂとの間で軸方向（図５のｚ方向に相当）の長さが異なることを第１の特徴とする。より詳細には、図５に示すように、ヨーク部２０Ｃはティース部２０Ｂの軸方向の両端面からそれぞれ軸方向外方に突出した突出部を有する。このため、ヨーク部２０Ｃは、軸方向においてこの突出部だけティース部２０Ｂよりも長くなっている。

さらに、分割ステータコア２０は、ティース部２０Ｂにおいて径方向に垂直な断面の形状が径方向に沿って徐々に変化する、異形断面を有することを第２の特徴とする。たとえば、図５のティース部２０Ｂにおいて最も内周側に位置する平面ＡにおけるＡ断面と、最も外周側に位置する平面ＣにおけるＣ断面と、これらの中間に位置する平面ＢにおけるＢ断面とでは、互いに形状が異なっている。

なお、これらのＡ〜Ｃ断面を含む径方向の各断面の間には、面積が互いに等しくかつアスペクト比が互いに異なるという関係が成立している。なお、これらの特徴はステータコア１００を圧粉磁性体としておくことによってその成形性を活かし容易に実現することができる。

図６は、図５に示したステータコアに装着するインシュレータの形状を示した斜視図である。

図７は、インシュレータ１０の左半分を示した図である。
図８は、インシュレータ１０の右半分を示した図である。

ステータの分割コアの各々には、インシュレータ１０が装着される。インシュレータ１０は、回転軸に平行な方向を向き、回転軸に対して所定の角度で傾斜しているティース部１０Ｂの側面と、その側面に設けられ、回転軸に直交する径方向のコイルの位置を拘束する支持部１０Ａ，１０Ｃとを有する。支持部１０Ａ、１０Ｃのコイルに当接する面（後に説明するコイルエンドテーパ部）は回転軸に対して所定の角度に応じた角度で傾斜している。好ましくは、支持部１０Ａには、径方向にコイルの巻線を引出す引出部である溝１６が設けられる。

インシュレータ１０は、図７，図８にそれぞれ示すように左半分３０と右半分３２とに分割されており、これらが図５に示した分割ステータコア２０に装着されて図６に示すようになる。インシュレータの材質は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレ−ト）等の絶縁性樹脂を用いることができる。

インシュレータ１０は、コイルが巻回されるティース部１０Ｂとコイルの径方向の位置を拘束する支持部１０Ａ，１０Ｃとを含む。支持部１０Ａにはコイルの巻線の巻き始め部分を引出すための引出部である溝１６が設けられている。ティース部１０Ｂの側面には、巻回するコイルのピッチに合わせて滑り止めの縞模様が刻まれている。

図９は、図７のインシュレータの左半分をＤ１方向から見た図である。
コイルエンドテーパ部４２，４４と面４８で囲まれた領域４６がコイルの巻線部分が収容される部分である。面４８はステータコアのティース部分と平行な面であり、コイルエンドテーパ部４２，４４はステータのティース部分と直角になるように角度θ１が定められている。このようにすることにより、図４に示したように、コイルの巻線が整然と並び張力をかけても巻き崩れが起こりにくくなる。

図１０は、図７のＤ２方向からインシュレータの左半分を見た図である。
図１０を参照して、コイルエンドテーパ部４２，４４は、図９に示したように面４８とほぼ直角をなすように設けられた突起である。この突起があることによりコイルが整然と配列する。

また図１０において、面５２，５８および５４で囲まれた領域５６がコイルを収容するスロット部分を形成する。面５８は、ステータコアのティース部と平行な面であり、面５２，５４は面５８とほぼ直角になるように角度θ２が決定されている。

図１１は、図１０におけるＸＩ−ＸＩ断面における断面図である。
図１１において、部分３６，３８は図９におけるステータコアのティース部分を覆う上側の部分３６および下側の部分３８に対応している。インシュレータ１０は、コイルが巻回しやすいように角が図において曲率Ｒ１となる形状を有する。

つまり、インシュレータは、角部の厚みが他の部分の厚みよりも厚く、角部において巻線が密着しやすい曲率Ｒ１の形状である。この曲率Ｒ１は、巻線の太さ、硬さを考慮して決定される。そして、磁性体の圧粉コアに応力が集中しコアにダメージが与えられるのを避けるため、この角部分の厚みが厚い形状となっている。角部３４が厚い形状となっている。

図５に示したコアの概略形状には示されていないが、角部３４と密着させるため、分割ステータコア２０のティース部２０Ｂの角部には、インシュレータの角部３４に対応する窪み（溝、切欠き）が設けられている。

図１２は、コイルの巻回工程を説明するための図である。
図１２に示すように、インシュレータが装着されたコアの磁極片側を治具６２で保持し、ヨーク側をクランプ治具６４，６６で矢印に示すように挟みつけて巻線を巻き始める。このとき巻き始めがＴ２で示すように外径側であるとクランプ治具６４，６６に巻線が干渉し、巻き崩れや巻線に傷が発生するおそれがある。

本実施の形態では、図６に示したように巻き始め部分の巻線を引出す溝１６がインシュレータにあるのでＴ１に示すように内径側から巻き始めることができ、位置の決定および巻線の信頼性が向上する。

本実施の形態によれば、従来技術のようにテーパ部材等のスペーサを使用することなく断面積を一定にしたインシュレータ構造が可能となり、磁気性能を確保しつつ、コイルエンド高さを抑えて回転電機の軸長を短縮することができる。

また、コイルエンド部とインシュレータの支持部とを共に傾斜させることで、占積率の向上とコイルの巻き崩れ抑制の両立が可能となる。

さらに、インシュレータの支持部に溝を設けコイル巻回開始端を内周側に配置することにより、巻線生産性と品質が向上する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る回転電機１の回転軸に垂直な断面による断面図である。 図１における分割ステータの形状を示す斜視図である。 インシュレータ１０の形状をより詳細に説明するための図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面における部分断面図である。 分割ステータコア２０の形状を示す斜視図である。 図５に示したステータコアに装着するインシュレータの形状を示した斜視図である。 インシュレータ１０の左半分を示した図である。 インシュレータ１０の右半分を示した図である。 図７のインシュレータの左半分をＤ１方向から見た図である。 図７のＤ２方向からインシュレータの左半分を見た図である。 図１０におけるＸＩ−ＸＩ断面における断面図である。 コイルの巻回工程を説明するための図である。 従来のステータコイル構造のコイルエンド部の形状説明図である。

符号の説明

１ 回転電機、２ ロータ、４ ステータ、６ 分割ステータ、８ コイル、１０ インシュレータ、１０Ｂ ティース部、１０Ａ，１０Ｃ 支持部、１２，１４ 巻線端部、１６ 溝、２０ 分割ステータコア、２０Ｂ ティース部、２０Ｃ ヨーク部、２０Ａ 磁極片部、３０ インシュレータ左半分、３２ インシュレータ右半分、３４ 角部、３６，３８ 部分、４２，４４ コイルエンドテーパ部、４８，５２，５４，５８ 面、４６，５６ 領域、６２ 治具、６４，６６ クランプ治具、１００ ステータコア。

Claims (8)

1. 回転軸の周りに回転可能なロータと、
   前記ロータを内周側に収容する環状のステータとを備え、
   前記ステータは、
   環状のヨーク部と、
   前記ヨーク部の内周側に環状に配列されコイルが巻回される複数のティース部と含み、
   前記複数のティース部の各々は、
   前記回転軸に平行な方向を向き、前記回転軸に対して所定の角度で傾斜している側面と、
   前記側面に設けられ、前記回転軸に直交する径方向の前記コイルの内径側、及び外径側の位置をそれぞれ拘束する内径側支持部及び外径側支持部とを有し、前記各支持部の前記コイルに当接する面は、前記側面であって、前記コイルが巻回される側面に対し直角になるように、前記回転軸に対して前記所定の角度に応じた角度で傾斜している、回転電機。
2. 前記複数のティース部の各々は、
   前記回転軸に平行な方向を向き、前記回転軸に対して所定の角度で傾斜し、前記内径側支持部及び外径側支持部を有する側面である一方側面とは、前記回転軸方向に関して反対側の他方側面を有し、
   前記一方側面及び他方側面の前記コイルが巻回される側面は、径方向に関して外側から内側に向かうにしたがって、互いの間隔が広がるように、径方向に関して傾斜したテーパ面である、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記支持部には、前記径方向に前記コイルの巻線を引出す引出部が設けられる、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記引出部は、前記支持部に設けられる溝である、請求項３に記載の回転電機。
5. 前記ステータは、
   前記複数のティースごとに磁性体の圧粉で分割形成されるコアを含む、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
6. 前記支持部は、前記ステータコアと前記コイルとの間に配置されるインシュレータの一部である、請求項５に記載の回転電機。
7. 前記ステータは、
   前記複数のティースごとに設けられる磁性体のコアと、
   前記コアと前記コイルとの間に配置され前記コアを前記コイルから絶縁するインシュレータとを有し、
   前記インシュレータの前記コア側の面は、前記コアに沿った形状であり、
   前記インシュレータの前記コイルに当接する面は角部において巻線が密着しやすい曲率の形状である、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
8. 前記複数のティース部の各々は、
   前記回転軸に平行な方向を向き、前記回転軸に対して所定の角度で傾斜し、前記内径側支持部及び外径側支持部を有する側面である一方側面とは、前記回転軸方向に関して反対側の他方側面と、
   他方側面に設けられ、前記回転軸に直交する径方向の前記コイルの内径側、及び外径側の位置をそれぞれ拘束する第２内径側支持部及び第２外径側支持部とを有し、
   前記一方側面及び他方側面の前記コイルが巻回される側面は、径方向に関して外側から内側に向かうにしたがって、互いの間隔が広がるように、径方向に関して傾斜したテーパ面であり、
   前記第２内径側支持部及び第２外径側支持部の前記コイルと対向する面は、前記他方側面であって、前記コイルが巻回される他方側面に対し非直角になるように、前記径方向に向いている、請求項１、３、４のいずれか１に記載の回転電機。

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