JP4812781B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子に関するものであって、特に、分割鉄心構造の集中巻固定子における巻線の絶縁構造に関するものである。

近年、モータ等の回転電機の小型、高出力化に伴い、積層鉄心からなる固定子の巻線量が多くなり、隣接する巻線同士が接するようになっている。そのため、隣接する集中巻で形成された巻線間における十分な絶縁性の確保が不可欠となっている。
従来、回転電機の固定子では、積層鉄心のティース部の両側に、絶縁シートを積層面と接して装着し、この絶縁シートを介して巻線が巻回されている。
そこで、このティース部に設けられた絶縁シートの隣接する巻線と対向する両端を延長し、ティース部の一方側は、折り曲げた時、両端の延長部が重なる絶縁シートとし、ティース部の他方側は、折り曲げた時、両端の延長部が重ならない絶縁シートとし、隣接する巻線間に、絶縁シートが重なる延長部と絶縁シートが重ならない延長部とが接して設けられた回転電機の固定子が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３４１７４７号公報（第２頁、第２図）

特許文献１に記載の回転電機の固定子では、各積層鉄心のティース部に巻線を巻回した後、各積層鉄心を接合し、固定子を形成する。この固定子は隣接する巻線が絶縁シートを介して接触しており、隣接する巻線間の絶縁性は、十分に確保されている。
しかし、集中巻で巻線を形成した固定子において、２相通電の組込着磁を行うと、通電した巻線が大きく膨らみ、隣接する非通電の巻線に加重を加え、非通電の巻線を凹ませる様に変形させる。
そのため、通電側の巻線における、重ねて設けられた絶縁シートの重なり合う部分が開くように変形し、隣接する巻線同士が直接接触して、巻線の絶縁皮膜が損傷するとの問題があった。また、隣接する巻線間に挟まれた絶縁シートは、枚数の少ないところでは１枚であり、隣接する巻線から力を受けることで、絶縁シートが破れて、やはり、隣接する巻線同士が接触するとの問題があった。また、隣接する巻線同士が接触した時、巻線の絶縁皮膜の損傷が、例え軽微であっても、巻線同士が直接触れることで、巻線の接触部の絶縁皮膜には、運転時の電界が繰り返し印加されることになり、長期の使用で絶縁皮膜が劣化して固定子の寿命が短くなるとの問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、集中巻で組込着磁を行った後でも、隣接する巻線の接触を防止し、巻線の絶縁皮膜の損傷を最低限に抑え、絶縁の長期信頼性を確保できる回転電機の固定子を提供することである。

本発明に係わる回転電機の固定子は、鉄心と、本体部と上記本体部に設けられ且つ上記鉄心のティース部に沿うコの字形状の押付部とで形成されたインシュレータと、上記鉄心のティース部に装着され、上記インシュレータで上記ティース部に固定された絶縁シートと、上記インシュレータで固定された上記絶縁シートが設けられた上記ティース部に巻回された巻線とで形成され、且つ複数個の上記鉄心が環状に接合されて構成され、上記巻線は組込着磁時の通電により膨らむ様に変形する回転電機の固定子であって、上記絶縁シートが、上記ティース部に装着される装着部と上記装着部の両端から延長している延長部とで形成され、上記装着部が、上記鉄心の軸方向の両端に各設置された上記インシュレータの上記押付部の薄肉部間に設置され、上記延長部が、２重に重なって上記インシュレータの開口部側に露出する上記巻線を覆って設置されており、組込着磁後も、上記延長部が２重に重って上記巻線を覆った状態であるものである。

本発明に係わる回転電機の固定子によれば、２相通電による組込着磁後も、隣接する巻線間において優れた絶縁性を維持できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子の正面断面の部分模式図である。
図２は、本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子の分割コアの側面模式図である。
図１と図２に示すように、本実施の形態の回転電機の固定子１００は、分割コアを形成するティースごとに分割された積層鉄心１に絶縁シート３を接して設け、絶縁シート３が設けられた積層鉄心１の軸方向の両端にインシュレータ２となる枠体を挿入して、絶縁シート３を、積層鉄心１に固定している。
そして、詳細を後述する絶縁シート３とインシュレータ２とで絶縁された積層鉄心１には、巻線４が設けられ、この巻線４を設けた積層鉄心１が環状に接続されて、回転電機の固定子１００（全体は図示せず）を形成している。

図３は、本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子に用いられる絶縁シートの斜視模式図である。
図４は、本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子に用いられるインシュレータの斜視模式図である。

本実施の形態では、図３に示すように、絶縁シート３は、積層鉄心１のティース部に装着される部分（装着部と記す）３ａと、絶縁シート３における積層鉄心１の軸方向と垂直な方向に装着部３ａから延長された部分（延長部と記す）３ｂとからなっている。装着部３ａは、底面部と両側面部とからなるコの字形状をしている。そして、絶縁シート３の積層鉄心１の軸方向に平行な方向（絶縁シートの軸方向と記す）では、延長部３ｂの長さが、装着部３ａの長さより長くなっている。
本実施の形態では、図１に示すように、絶縁シート３の延長部３ｂは内側に折り曲げられ、両方の延長部３ｂが重なり合って、巻線４をカバーしている。すなわち、隣接する巻線４が、４枚の絶縁シート３を介して接している。そして、絶縁シート３の延長部３ｂの重なり合う長さをａとし、インシュレータ２の隣接する巻線と対向する開口部の長さをｂとすると、ａ／ｂは０．７〜１の範囲となっている。

また、図２に示すように、絶縁シートの軸方向における延長部３ｂの長さｃは、積層鉄心１の軸方向両端から突出する巻線部も含めた長さｄ以上としている。すなわち、絶縁シートの軸方向における、装着部３ａより長い延長部３ｂの部分は、積層鉄心１の軸方向両端から突出する巻線部をカバーしている。
本実施の形態では、絶縁シート３の材料には、例えば、ポリエチレンテレフタレートのフィルムが用いられ、これを切り抜いた後、折り曲げて絶縁シート３を形成している。
また、絶縁シート３の厚みは０．１〜０．３ｍｍ程度が好ましい。絶縁シート３の厚みが、０．１ｍｍより薄いと、絶縁性に不安が残り、０．３ｍｍより厚くなると、材料コストが高くなる。

本実施の形態では、図４に示すように、インシュレータ２は、本体部２ａと、本体部２ａの積層鉄心１の軸方向の端面と接する側に設けられた押付部２ｂとで構成されている。そして、押付部２ｂは、積層鉄心１のティース部に沿うコの字形状をしており、本体部２ａの両側部に設けられ、ティース部の両側に装着された絶縁シートを同時に固定できる。
また、インシュレータ２の押付部２ｂの端部には、絶縁シート３と接する部分に薄肉部２ｃが設けられている。そして、積層鉄心１の軸方向の両端に設けられた一組のインシュレータ２の薄肉部２ｃ間に、絶縁シート３の装着部３ａが装着され、絶縁シート３の装着部３ａを積層鉄心１に固定している。
また、インシュレータ２の本体部２ａは、押付部２ｂが設けられた面と反対側の面の上下端に庇部を備え、この上下の庇部間に積層鉄心１の軸方向両端から突出する巻線部が納められている。
本実施の形態では、インシュレータ２の材料には、例えば、ポリブチレンテレフタレート樹脂が用いられ、インシュレータ２は射出成形により形成されている。

本実施の形態の回転電機の固定子１００が、２相通電による組込着磁後も、隣接する巻線間において、優れた絶縁性を維持できる機構を説明する。
図５は、本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子の、２相通電による組込着磁後の状態を示す正面断面の部分模式図である。

本実施の形態の回転電機の固定子１００では、図５に示すように、２相通電による組込着磁により、例えば、第１の積層鉄心１ａの通電相の巻線４ａが、第２の積層鉄心１ｂの非通電相の巻線４ｂ方向に膨らむ。しかし、隣接する巻線４ａと巻線４ｂとの間には、４層の絶縁シート３が存在しているので、絶縁シート３の開きスペースが小さく、巻線の変形が抑制されるとともに、絶縁シート３がクッションの役目を果たして、巻線の皮膜のダメージを軽減できる。また、例え、着磁のダメージで絶縁シート３のうちの１枚が破れたとしても、残りの絶縁シート３が絶縁距離を確保することで、運転時に隣接の巻線４ａと巻線４ｂとの間にかかる電界を緩和して、絶縁の長期信頼性を確保できる。
本実施の形態の回転電機の固定子１００では、絶縁シート３の延長部３ｂの重なり合う長さａとインシュレータ２の隣接する巻線と対向する開口部の長さｂとの比ａ／ｂが０．７〜１の範囲となっているので、隣接する通電相の巻線４ａと非通電相の巻線４ｂとの間のほぼ全域で、絶縁シート３が４層になっており、絶縁性の保持が確実となる。

また、絶縁シートの軸方向における延長部３ｂの長さｃは、積層鉄心１の軸方向両端から突出する巻線部も含めた長さｄ以上としているので、積層鉄心１の軸方向の全領域において、巻線４の変形を最小限に抑制するとともに、隣接する巻線４ａと巻線４ｂとが直接触れることを防止することが出来る。
本実施の形態では、完全に分離した分割鉄心を例示したが、完全に分離していなくても、ポキポキモータのような薄肉連結構造の鉄心や、連結部で回転自在に接合された形の分割鉄心であっても同様な効果を奏する。
また、本実施の形態では、積層鉄心を用いたが、一体金属の分割鉄心であっても良い。
また、回転電機の固定子は、隣接する相の巻線間電位差はできるだけ小さい方が望ましい。そのため、本実施の形態の回転電機の固定子１００では、各積層鉄心１のティース部における巻線４の巻き始め側の電位が相電位に近い側の電位となるよう結線することで、Ｙ結線の隣り合う巻線間の電位差を最小にすることができ、長期絶縁信頼性を向上させることが出来る。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係わる回転電機の固定子に用いられる絶縁シートの斜視模式図である。
図６に示すように、本実施の形態の回転電機の固定子は、用いられる絶縁シート８が、実施の形態１で用いられた絶縁シート３と同じ形状を有する第１の絶縁シート７と、この第１の絶縁シート７の装着部３ａの積層鉄心１側の面に設けられた第２の絶縁シート５とで形成されていること以外、実施の形態１の回転電機の固定子と同じである。
第２の絶縁シート５は、絶縁シートの軸方向における長さが、第１の絶縁シート７の装着部３ａの絶縁シートの軸方向における長さより短く、第１の絶縁シート７の装着部３ａの側面と底面とに密着している。そして、第２の絶縁シート５の底面の中心を、第１の絶縁シート７の装着部３ａの底面の中心に合わせて、この部分を溶着し、溶着部６を形成している。そして、この第２の絶縁シート５は、直接にティース部の積層鉄心と接触している。

図７は、図５に示す実施の形態１の回転電機の固定子における、非通電相の巻線が設けられた第２の積層鉄心の、Ｘ−Ｘ断面の積層鉄心近傍を示す模式図である。
図８は、実施の形態２の回転電機の固定子における、図７と同様な第２の積層鉄心の断面の積層鉄心近傍を示す模式図である。
図７に示すように、実施の形態１の回転電機の固定子は、絶縁シート３の装着部３ａが、両端のインシュレータ２の押付部２ｂにおける薄肉部２ｃで固定されている。そのため、両端にあるインシュレータ２の押付部２ｂの端部と絶縁シート３の装着部３ａとに段差があり、この部分に非通電相の巻線４ｂが、通電相の巻線４ａに押されて積層鉄心１側にくぼむように変形する。
しかし、図８に示すように、実施の形態２の回転電機の固定子では、インシュレータ２の押付部２ｂの端部と第１の絶縁シート７の装着部３ａとの段差が、第２の絶縁シート５で埋められ、非通電相の巻線４ｂの変形が少なくなり、巻線４ｂの変形によるダメージがさらに抑制される。
第２の絶縁シート５の端部が、第１の絶縁シート７の装着部３ａから飛び出すのを防止するために、第２の絶縁シート５の端部を第１の絶縁シート７に溶着する必要があるが、第２の絶縁シート５を、第１の絶縁シート７の積層鉄心１と接する面の反対側の面に設けても、同様な効果が得られる。

また、本実施の形態では、第２の絶縁シート５の長さは、両インシュレータの押付部２ｂ間の間隔より短くしてあるので、絶縁シート８をインシュレータの押付部２ｂの薄肉部２ｃ間に納め易い。例えば、第２の絶縁シート５の端部とインシュレータの押付部２ｂの端部との間隔ｈは５〜１０ｍｍ程度が好ましい。
また、本実施の形態の絶縁シート８を非通電相の巻線４ｂに設けるだけでなく、通電相の巻線４ａに設けても良く、このようにすると、空きスペースをさらに減らすことができ、巻線の変形をさらに抑制できる。
また、第２の絶縁シート５と第１の絶縁シート７とは、その厚みが異なっても良い。例えば、第２の絶縁シート５を相対的に厚くしても良い。また、第２の絶縁シート５と第１の絶縁シート７との材質が異なっても良い。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係わる回転電機の固定子における積層鉄心に巻線を巻回する状態を示す正面模式図である。
図９に示すように、本実施の形態の回転電機の固定子は、積層鉄心１の上下端のいずれかの領域で送るようにして、巻線４が巻回されている以外、実施の形態１または実施の形態２の回転電機の固定子と同じである。
積層鉄心１に、集中巻の巻線を施す際には、巻線４の送りが必要であり、同じ相の巻線４同士が必ずクロスする部分が生じる。
しかし、本実施の形態では、積層鉄心１の上下端のいずれかの領域で送るようにして、巻線４が巻回されているので、組込着磁の際に巻線４が変形する側面の部分を整列巻することが可能となる。
そのため、組込着磁の際、隣接する巻線同士が平行にぶつかるため、積層鉄心１の軸方向のほぼ全長に渡って力が分散し、巻線４の皮膜のダメージを軽減することが出来る。

本発明に係わる回転電機の固定子は、組込着磁を行っても、鉄心に巻回された隣接する巻線間の絶縁性の保持が確実であり、高信頼性の回転電機に用いることができる。

本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子の正面断面の部分模式図である。 本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子の分割コアの側面模式図である。 本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子に用いられる絶縁シートの斜視模式図である。 本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子に用いられるインシュレータの斜視模式図である。 本発明の実施の形態１に係わる回転電機の固定子の、２相通電による組込着磁後の状態を示す正面断面の部分模式図である。 本発明の実施の形態２に係わる回転電機の固定子に用いられる絶縁シートの斜視模式図である。 図５に示す実施の形態１の回転電機の固定子における、非通電相の巻線が設けられた第２の積層鉄心の、Ｘ−Ｘ断面の積層鉄心近傍を示す模式図である。 実施の形態２の回転電機の固定子における、図７と同様な第２の積層鉄心の断面の積層鉄心近傍を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係わる回転電機の固定子における積層鉄心に巻線を巻回する状態を示す正面模式図である。

符号の説明

１ 積層鉄心、１ａ 第１の積層鉄心、１ｂ 第２の積層鉄心、２ インシュレータ、
２ａ 本体部、２ｂ 押付部、２ｃ 薄肉部、３ 絶縁シート、３ａ 装着部、
３ｂ 延長部、４ 巻線、４ａ 通電相の巻線、４ｂ 非通電相の巻線、
５ 第２の絶縁シート、６ 溶着部、７ 第１の絶縁シート、８ 絶縁シート、
１００ 回転電機の固定子。

Claims (5)

1. 鉄心と、本体部と上記本体部に設けられ且つ上記鉄心のティース部に沿うコの字形状の押付部とで形成されたインシュレータと、上記鉄心のティース部に装着され、上記インシュレータで上記ティース部に固定された絶縁シートと、上記インシュレータで固定された上記絶縁シートが設けられた上記ティース部に巻回された巻線とで形成され、且つ複数個の上記鉄心が環状に接合されて構成され、上記巻線は組込着磁時の通電により膨らむ様に変形する回転電機の固定子であって、
   上記絶縁シートが、上記ティース部に装着される装着部と上記装着部の両端から延長している延長部とで形成され、上記装着部が、上記鉄心の軸方向の両端に各設置された上記インシュレータの上記押付部の薄肉部間に設置され、上記延長部が、２重に重なって上記インシュレータの開口部側に露出する上記巻線を覆って設置されており、組込着磁後も、上記延長部が２重に重なって上記巻線を覆った状態であることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 鉄心の軸方向に平行な方向における絶縁シートの延長部の長さが上記絶縁シートの装着部の長さより長く、上記絶縁シートの延長部が上記鉄心の軸方向で上記鉄心より突出した巻線部分まで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 絶縁シートが、第１の絶縁シートと、上記第１の絶縁シートの装着部の中央部に重ねられた第２の絶縁シートとで形成され、上記第２の絶縁シートの鉄心の軸方向に平行な方向における長さが上記第１の絶縁シートの鉄心の軸方向に平行な方向における長さより短いことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の固定子。
4. 第２の絶縁シートの鉄心の軸方向に平行な方向における端部とインシュレータの押付部の端部との距離が５〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の回転電機の固定子。
5. 上記巻線は、集中巻で形成され、上記鉄心の軸方向に平行な側面では整列巻で巻回され、上記鉄心の上下端のいずれかの領域で送るようにして巻回されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。

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