JP5163278B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車等に搭載される回転電機の固定子に関する。

従来から、Ｕ字状に成形した導体セグメントを固定子コアのスロットに挿入し、反対側に突出した導体セグメントの端部同士を溶接等で接合することにより構成された固定子巻線の構造が知られている（例えば特許文献１参照。）。この固定子巻線では、ねじって成形されたＵ字状の導体セグメントを用いているため、固定子コアに組み付けたときに、隣接する導体セグメントのターン部間に隙間が生じる。このため、コイルエンド部において導体間の絶縁距離が確保されている。
特許第３４３８５７０号公報（第５−７頁、図１−１３）

ところで、特許文献１に開示された構成ではねじって成形されたＵ字状の導体セグメントを用いているためコイルエンド部の導体間の絶縁距離が確保されているが、コイルエンド部の高さを低くするためにコイルエンド部の導体の形状を成形したり、ねじりを伴わない線材を成形して高さが低いコイルエンド部を形成しようとすると、線材の外周に形成された絶縁被膜が部分的に薄くなって絶縁性能が低下するという問題があった。この問題は、コイルエンド部の導体間に絶縁紙等の絶縁部材を挿入することで解決することができるが、その分コイルエンドの高さが高くなったり、部品点数が増加することになるため望ましくない。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、絶縁性能を向上させることができる回転電機の固定子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、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ており、固定子巻線は、周方向の異なるスロットに収容されたスロット収容部と、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、スロットから突出するターン部に、固定子コアの端面に沿った段部が形成されており、段部の屈曲部位の内側に凹部を有している。

このように、線材の階段形状の屈曲部位の内側に凹部を形成することにより、同一形状の線材を重ねて配置した際に、隣接する他の線材の階段形状の屈曲部位の外側の絶縁被膜が薄くなった部位との間の線材間の距離を確保することができ、コロナ放電等の発生による絶縁性の低下を防止して絶縁性能を向上させることができる。また、スロットの外部で線材のスロット収容部同士を接続している線材のターン部がスロットから突出する突出箇所は、線材がまたがって配置されているスロット同士に向けて段部が形成されているため、ターン部の突出箇所の間隔が、線材が配置されているスロット同士の間隔よりも狭くなり、固定子コアから突出している線材の形状が全体に小さくなって、コイルエンドの高さを低くすることができる。

また、上述したスロットから突出するターン部のすべての突出箇所に、固定子コアの端面に沿った段部が形成されていることが望ましい。あるいは、上述した凹部は線材の幅分形成されていることが望ましい。これにより、ターン部のすべてにおいて、あるいは線材の幅方向の全体において、隣接する線材間の距離を確保して確実に絶縁性能を向上させることができる。

また、上述した線材は導体を有し、さらに導体の外周を覆う絶縁皮膜を有し、絶縁被膜は１００〜２００μｍの厚みであり、凹部の深さは５０μｍ以下であることが望ましい。１００〜２００μｍの厚みを有する絶縁被膜で覆われた線材を階段形状に折り曲げた場合、屈曲部位の外側の絶縁被膜の厚みが２０〜３０μｍ程度減少する。したがって、凹部の深さを５０μｍ以下に設定してもこの減少した厚み分線材間の間隔を拡大することができる。また、凹部の深さを５０μｍ以下とすることにより、線材の断面減少がほとんどないため、固定子巻線の抵抗値の増加を抑制することができる。

また、上述したターン部は、固定子コアから最も離れた位置にクランク形状に形成されたクランク部を有することが望ましい。これにより、固定子コア端面からクランク部までの線材の長さが長くなるため、段部の形成が容易となる。

また、上述したクランク部は、固定子コアの端面に平行に形成されていることが望ましい。これにより、線材をねじらずに固定子巻線の形状に成形することができるため、固定子巻線の製造が容易となる。

また、上述したクランク部は、線材の幅分だけ固定子コアの径方向にずれていることが望ましい。これにより、線材同士を径方向に隙間なく並べることができるため、固定子巻線の径方向の幅を狭くすることができる。

また、上述した固定子巻線の相数をｋ、回転子の１極あたりの各相のスロットの数をｔとすると、ターン部に形成されている段部の合計は（ｋ×ｔ）であることが望ましい。

固定子巻線の相数がｋ、回転子の１極あたりの各相のスロットの数がｔであると、周方向に隣接しているｋ相の固定子巻線が巻回されている１極当たりのスロットの総数はｋ×ｔである。その結果、周方向の異なるスロット同士にまたがって配置されている線材は、周方向にｋ×ｔ個離れたスロット同士に配置されるので、周方向に隣接しているスロットから突出する線材同士の干渉を避けるため、（ｋ×ｔ）個の段部がターン部に必要になる。このように、（ｋ×ｔ）個の階段形状を形成することにより、線材同士の干渉を防止することができるとともに、コイルエンドの高さをさらに低くすることができる。

また、上述したターン部の突出箇所が固定子コアの軸方向端面に沿っている長さは、周方向に隣り合うスロットの間隔以下の長さであることが望ましい。これにより、スロットから突出する線材の突出部が周方向に隣り合うスロットから突出する線材と干渉することを防止することができる。

また、上述した線材は、固定子コアの全周にわたって連続して形成されていることが望ましい。これにより、固定子巻線の製造コストを低減することができるとともに、電気的接続箇所に腐食等の接続不良が発生することを低減することができる。

また、上述した線材は、断面形状が矩形状であることが望ましい。これにより、線材の断面積増加による固定子巻線の抵抗値低減が可能になり、回転電機の出力を向上させることができる。

また、上述した絶縁被膜は、内層と、内層の外周を覆って内層よりもガラス転移温度の低い外層とを有することが望ましい。これにより、回転電機に発生する熱により絶縁被膜の外層は内層よりも早く結晶化するため、外層の表面硬度が高くなり、線材に傷がつきにくくなる。このため、ターン部に段部を形成する加工を施した線材の絶縁を確保することができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の回転電機の固定子について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の回転電機の固定子の部分的な斜視図である。図２は、図１に示す固定子に含まれる固定子巻線を構成する線材の部分的な斜視図である。図１に示す固定子は、例えば車両の電動機および発電機を兼ねる回転電機に使用される。この固定子は、内周側に回転子６０（図７参照）を回転自在に収容する。回転子６０は、永久磁石により周方向に交互に異なる磁極を、固定子１０の内周側と対向する外周側に複数形成している。固定子コア１２は、所定厚さの磁性鋼板を軸方向に積層して環状に形成されている。図１に示すように、固定子コア１２には、軸方向に沿って内周側に開口して互いに周方向に隣接するスロット１４、１５が形成されている。隣接するスロット１４、１５を一組とし、複数組のスロット１４、１５が周方向に等間隔に並んで配置されている。固定子巻線２０は、例えば三相巻線であり、周方向に隣接する一組のスロット１４、１５に各相の固定子巻線２０が巻回されている。そして、周方向に隣接する三組のスロット１４、１５のそれぞれの組には、異なる相の固定子巻線２０が巻回されている。

図３は、固定子巻線２０を形成している線材３０の断面図である。図３に示すように、固定子巻線２０を形成している線材３０は、断面形状が矩形状であって、銅製の導体３２と、導体３２の外周を覆って導体３２を絶縁する内層３４および外層３６からなる絶縁被膜とから形成されている。内層３４は、導体３２の外周を覆い、外層３６は内層３４の外周を覆っている。内層３４と外層３６を合わせた絶縁被膜の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。このように、内層３４および外層３６からなる絶縁被膜の厚みが厚いので、線材３０同士を絶縁するために線材３０同士の間に絶縁紙等を挟み込んで絶縁する必要がない。

外層３６は、ナイロン等の絶縁材で形成されている。内層３４は、外層３６よりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはガラス転移温度が高いポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。すなわち、外層３６は、内層３４よりもガラス転移温度が低く設定されている。これにより、回転電機に発生する熱により外層３６は内層３４よりも早く結晶化するため、外層３６の表面硬度が高くなり、線材３０に傷がつきにくくなる。このため、線材３０の絶縁を確保することができる。

図２に示すように、線材３０は、固定子コア１２のスロット１４、１５内に配置されるスロット収容部４０と、スロット１４、１５から固定子コア１２の外に突出し、周方向に異なるスロットに配置されているスロット収容部４０同士を接続しているターン部４２とを有しており、固定子コア１２に波巻されることにより固定子巻線２０が形成されている。ターン部４２は、固定子コア１２の軸方向端面１３の両側にそれぞれ形成されている。ターン部４２のほぼ中央部であって固定子コア１２から最も離れた位置にねじりを伴わないクランク部４４が形成されている。クランク部４４は、固定子コア１２の軸方向端面１３に沿って平行にクランク形状に形成されている。このクランク部４４のクランク形状によるずれ量は、線材３０のほぼ幅分に設定されている。これにより、径方向に隣接している線材３０のターン部４２同士を密に巻回することができる。その結果、コイルエンドの径方向の幅を狭くすることができるので、固定子巻線２０が径方向外側に張り出すことを防止することができる。

また、スロット１４、１５から固定子コア１２の外に突出するターン部４２のすべての突出箇所に、線材３０がまたがって配置されているスロット同士に向けて固定子コア１２の軸方向端面１３に沿って段部４６が形成されている。図６に示すように、スロット１４、１５から突出している線材３０のターン部４２の突出箇所の間隔、言い換えればターン部４２が形成する三角形状部分の底辺の長さは、線材３０がまたがって配置されているスロット同士の間隔よりも狭くなっている。その結果、コイルエンドの高さｈが低くなる。

また、固定子コア１２の端面１３に沿った段部４６の長さをｄ１、周方向に隣接するスロット同士の間隔をｄ２とすると、ｄ１≦ｄ２になっている。これにより、線材３０の段部４６が周方向に隣り合うスロットから突出する線材３０と干渉することを防止することができる。また、周方向に隣接するスロットから突出する線材３０同士が互いに干渉することを避けるために、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広がることを防止することができる。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を狭くすることができるため、固定子巻線２０が径方向外側に張り出すことを防止することができる。

さらに、線材３０には、ターン部４２のほぼ中央部のクランク部４４と、ターン部４２の突出箇所に形成した段部４６との間に、それぞれ２個の段部４８が形成されている。つまり、固定子コア１２の一方の軸方向端面１３側の線材３０のターン部４２には、合計６個の段部が形成されている。これにより、段部を有しない三角形状のターン部３３０（図６）の高さに比べ、ターン部４２の高さｈが低くなる。段部４８の階段形状も、クランク部４４、段部４６と同様に、固定子コア１２の軸方向端面１３に沿った形状に形成されている。したがって、線材３０のターン部４２は、クランク部４４を挟んで両側に階段状に形成されている。

上述した三相の固定子巻線２０では、回転子の１極当たり各相の線材３０は２個のスロット１４、１５に配置されている。つまり、周方向に連続して隣接している三相の固定子巻線２０の回転子６０の１極当たりのスロット総数は３×２＝６である。その結果、周方向の異なるスロットにまたがって配置されている線材３０は、周方向に６個離れたスロット同士に配置されるので、周方向に隣接しているスロットから突出する線材３０同士の干渉を避けるため、（３×２）個の段部をターン部４２に形成することが望ましい。このように固定子コア１２の一方の軸方向側のコイルエンドで線材３０に６個の段部を形成することにより、コイルエンドの高さを低くし、コイルエンドの径方向の幅を狭くすることができる。なお、固定子巻線２０の相数をｋ、回転子６０の１極あたりの各相のスロット数をｔとして、望ましいターン部４２の段数を一般化すると（ｋ×ｔ）となる。

次に、上述した固定子巻線２０の巻線仕様を図７〜図９に基づいて説明する。図７〜図９では、説明を簡単にするために、回転子６０の磁極数、固定子コア１２のスロット１４、１５の総数を実際のものよりも少なくしている。各相においてスロット１４、１５を一組とし、図８に示すように、４組のスロット１４、１５が９０°間隔に固定子コア１２に形成されているものとする。したがって、図７に示すように、スロット１４、１５を一組とした相の異なる組同士は３０°間隔で固定子コア１２に形成されている。各スロット１４、１５には、それぞれ線材３０の４本のスロット収容部４０が合計８本配置されている。各組のスロット１４の径方向外側から内側に向けて線材３０が配置されている位置に１〜４の符号を付し、各組のスロット１５の径方向外側から内側に向けて線材３０が配置されている位置に５〜８の符号を付している。

なお、図１に示した例では、各スロット１４、１５には、それぞれ線材３０の６本のスロット収容部４０が合計１２本配置されており、その中で周方向の向きが同一の６本が図示されている。

以下では、図９を用いて、一相の固定子巻線２０について巻線仕様を説明する。図９において、例えば（１−４）とは、図８の＃１の４の位置に配置されている線材３０を表している。図９に示すように、スロット１４、１５の８箇所の位置に配置されている線材は、まず、以下に示す位置の線材が連続して接続されて８グループを形成している。（１−１）、（１−５）の位置の線材は入力部５０と接続されている。また、一相の固定子巻線２０は、（４−１）、（４−５）の２個の巻端をそれぞれ中性点５２としている。三相の固定子巻線２０の合計６個の中性点５２は、図４および図５に示すように１箇所に集められている。つまり、固定子巻線２０はスター結線されており、各相の一方の巻端が中性点５２、他方の巻端が入力部５０となっている。
（グループ１） （１−１）−（２−２）−（３−１）−（４−２）
（グループ２） （１−２）−（２−１）−（３−２）−（４−１）
（グループ３） （１−３）−（２−４）−（３−３）−（４−４）
（グループ４） （１−４）−（２−３）−（３−４）−（４−３）
（グループ５） （１−５）−（２−６）−（３−５）−（４−６）
（グループ６） （１−６）−（２−５）−（３−６）−（４−５）
（グループ７） （１−７）−（２−８）−（３−７）−（４−８）
（グループ８） （１−８）−（２−７）−（３−８）−（４−７）
そして、これら８グループの連続する線材は、（１−２）と（４−３）、（１−３）と（４−２）、（１−４）と（４−８）、（１−６）と（４−７）、（１−７）と（４−６）、（１−８）と（４−４）を接続することにより、以下に示す入力部５０から中性点５２に至る図９において点線と実線とで示された連続した線材３０により、並列に接続された固定子巻線２０（＃１）および固定子巻線２０（＃２）を一組形成している。他の二相の固定子巻線２０も同様に、入力部５０から中性点５２に至る連続した線材３０により、並列に接続された固定子巻線２０をそれぞれ一組形成している。図９に示す（１−４）と（４−８）、（１−８）と（４−４）の接続部５４は、図４および図５において、三相分が同じ符号５４で示されている。
・固定子巻線＃１
（入力部）−（グループ１）−（グループ３）−（グループ８）−（グループ６）−（中性点）
・固定子巻線＃２
（入力部）−（グループ５）−（グループ７）−（グループ４）−（グループ２）−（中性点）
このように、固定子コア１２の全周にわたり連続した線材３０により入力部５０から中性点５２まで一相の固定子巻線を形成しているので、公知のセグメント導体を溶接等により電気的に接続して入力部５０から中性点５２までの固定子巻線を形成する構成に比べ、電気的接続箇所を極力減らすことができる。これにより、固定子巻線２０の製造コストが低下するとともに、固定子巻線２０の電気的接続不良を極力低減することができる。

また、コイルエンドの径方向の幅が狭くなってコイルエンドが径方向外側に張り出さなくなるため、中性点５２をコイルエンドの径方向外側に取り出すことができる。

ところで、上述したように、線材３０のターン部４２に段部４６、４８を形成し、これらの段部４６、４８が隣接する線材３０同士でほぼ接するように線材３０が配置される。これらの段部４６、４８では、屈曲部位の周辺の絶縁被膜（内層３４、外層３６）に着目すると、直線形状の線材を曲げ加工（プレス成形）して段部４６、４８を形成する際に屈曲部位の外側の絶縁被膜が減少する。一般には、絶縁被膜の厚みが１００〜２００μｍの場合には屈曲部位の外側の絶縁被膜の厚みは２０〜３０μｍ程度減少する。図１０は、段部４６、４８の屈曲部位の拡大図である。屈曲部位の内側の半径Ｒ２よりも外側の半径Ｒ１の方が大きいため、この半径Ｒ１の部位の表面を覆っている絶縁被膜の厚みが減少する。このように、絶縁被膜が部分的に薄くなったターン部４２を隣接配置すると、この絶縁被膜が薄くなった部位の線材３０とこれに隣接する線材３０との間でコロナ放電等が発生するおそれがある。このため、本実施形態では、段部４６、４８の屈曲部位の内側に幅分の凹部を設け、線材３０の絶縁被膜が薄くなった部位との間の距離の拡大を図っている。

図１１は、隣接する段部の拡大図である。図１２は、周方向に隣接する２本の線材のそれぞれのターン部同士の重なり状態を示す斜視図である。これらの図に示すように、本実施形態では、ターン部４２の段部４６、４８およびクランク部４４のそれぞれについて、屈曲形状の内側に凹部４１が形成されている。この凹部４１は、線材を曲げ加工してクランク形状に成形する際に用いる治具の形状を工夫して、すなわち、屈曲形状の内側に対応する治具に凹部４１と対応する凸部を設けることにより、形成するための曲げ加工と同時に形成している。

なお、凹部４１は、図１１に示した形状以外に、図１３に示した通り、屈曲部位の内側のなめらかな半径Ｒ２に対し、より曲率の大きい（Ｒ寸法の小さい）曲線を描く形状の凹部４１０としてもよい。さらに、凹部４１０はすべて曲面ではなく、途中に平面部を持つものでもよい。

また、この凹部４１０（４１も同様）の深さは、図１３に示すように、半径Ｒ２の仮想曲線と凹部４１０との距離ｄとして、定義されるものである。この深さは、５０μｍ以下に設定されている。望ましくは、屈曲部位の外側表面４３の絶縁被膜の厚みが２０〜３０μｍ程度減少することを考慮すると、凹部４１の深さは３０〜５０μｍの範囲に設定されている。屈曲部位の外側の絶縁被膜の厚みが２０〜３０μｍ程度減少するため、凹部の深さを５０μｍ以下に設定してもこの減少した厚み分線材間の間隔を拡大することができる。また、凹部の深さを５０μｍ以下とすることにより、線材の断面減少がほとんどないため、固定子巻線２０の抵抗値の増加を抑制することができる。

このように、線材３０の階段形状の屈曲部位の内側に凹部４１を形成することにより、同一形状の線材３０を重ねて配置した際に、隣接する他の線材３０の階段形状の屈曲部位の外側の絶縁被膜が薄くなった部位との間の線材３０間の距離を確保することができ、コロナ放電等の発生による絶縁性の低下を防止して絶縁性能を向上させることができる。また、スロットの外部で線材３０のスロット収容部４０同士を接続している線材３０のターン部４２がスロットから突出する突出箇所は、線材３０がまたがって配置されているスロット同士に向けて階段形状に形成されているため、ターン部４２の突出箇所の間隔が、線材３０が配置されているスロット同士の間隔よりも狭くなり、固定子コア１２から突出している線材３０の形状が全体に小さくなって、コイルエンドの高さを低くすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、図２に示したように、線材３０のターン部４２に固定子コア１２の軸方向端面１３に沿った段部４６とほぼ中央部のクランク部４４の他に４箇所に段部４８を形成したが、これらの段部４８の数を減らしすようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、段部の屈曲部位の内側の凹部４１は線材３０を階段形状に曲げ加工する際に同時に成形したが、曲げ加工とは別に後工程で追加するようにしてもよい。また、図１２に示した例では、全ての段部の屈曲部位の内側に凹部４１を形成したが、他の線材の段部の屈曲部位の外側表面４３が隣接する箇所に対応する場合に限って凹部４１を形成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、電動機および発電機を兼ねている回転電機の固定子について説明したが、電動機または発電機のいずれか一方の機能のみを有する回転電機の固定子についても本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、線材３０のターン部４２のほぼ中央部にねじりを伴わない径方向に沿ったクランク部４４を形成したが、クランク部４４の位置は中央部からずれてもよい。また、スター結線の固定子巻線に限定されず、デルタ結線の固定子巻線を有する固定子に本発明を適用してもよい。

一実施形態の回転電機の固定子の部分的な斜視図である。 図１に示す固定子に含まれる固定子巻線を構成する線材の部分的な斜視図である。 固定子巻線を形成している線材の断面図である。 本実施形態の固定子の部分的な斜視図である。 固定子の部分的な斜視図である。 線材のターン部の形状を示す模式図である。 回転電機の回転子の磁極および固定子のスロットの構成を示す模式図である。 １相当たりのスロットの配置を示す説明図である。 １相当たりの巻線仕様図である。 段部の屈曲部位の拡大図である。 隣接する段部の拡大図である。 周方向に隣接する２本の線材のそれぞれのターン部同士の重なり状態を示す斜視図である。 凹部の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ 固定子
１２ 固定子コア
１３ 軸方向端面
１４、１５ スロット
２０ 固定子巻線
３０ 線材
３２ 導体
４０ スロット収容部
４１ 凹部
４２ ターン部
４４ クランク部
４６、４８ 段部
５０ 入力部
５２ 中性点
５４ 接続部
６０ 回転子

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前記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、
   前記固定子巻線は、周方向の異なる前記スロットに収容されたスロット収容部と、前記スロットの外部で前記スロット収容部同士を接続しているターン部とを有し、
   前記スロットから突出する前記ターン部に、前記固定子コアの端面に沿った段部が形成されており、
   前記段部の屈曲部位の内側に凹部を有することを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記スロットから突出する前記ターン部のすべての突出箇所に、前記固定子コアの端面に沿った段部が形成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. 前記凹部は前記線材の幅分形成されている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. 前記線材は導体を有し、さらに前記導体の外周を覆う絶縁皮膜を有し、前記絶縁被膜は１００〜２００μｍの厚みであり、前記凹部の深さは５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
5. 前記ターン部は、前記固定子コアから最も離れた位置にクランク形状に形成されたクランク部を有することを特徴とする請求項４に記載の回転電機の固定子。
6. 前記クランク部は、前記固定子コアの端面に平行に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の固定子。
7. 前記クランク部は、前記線材の幅分だけ前記固定子コアの径方向にずれていることを特徴とする請求項５または６に記載の回転電機の固定子。
8. 前記固定子巻線の相数をｋ、回転子の１極あたりの各相の前記スロットの数をｔとすると、前記ターン部に形成されている前記段部の合計は（ｋ×ｔ）であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
9. 前記ターン部の突出箇所が前記固定子コアの軸方向端面に沿っている長さは、周方向に隣り合う前記スロットの間隔以下の長さであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の回転電機の固定子。
10. 前記線材は、前記固定子コアの全周にわたって連続して形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
11. 前記線材は、断面形状が矩形状であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
12. 前記絶縁被膜は、内層と、前記内層の外周を覆って前記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請求項１から１１のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。

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