JP5262657B2 - 回転電機用インシュレータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機用インシュレータに係り、特に、コアとコイル巻線を有する回転電機に用いられる回転電機用インシュレータに関する。

回転電機のコアにコイルを巻回するときに、コアとコイルとの間の絶縁性を確保するために、絶縁シート等の絶縁材料で形成されたインシュレータがコアとコイルとの間に設けられる。

例えば、特許文献１，２には、薄板鋼板を積層して形成した固定子鉄心と、固定子鉄心の軸方向に延びる複数のスロットと、スロットの内面に電気絶縁材料で製作された電気絶縁シートを挿入して形成したスロット絶縁と、電線を複数回巻回し、スロット絶縁の中を通り、固定子鉄心の両端部から突き出すように装着された固定子コイルを含む回転機固定子において、スロット絶縁が、表面に波形の凹凸を設けた電気絶縁シートによって構成されていることが開示されている。これによって樹脂を浸漬したとき、電気絶縁シートとスロットとの間に樹脂がよく充填され、絶縁破壊電圧等の絶縁性能や、熱伝導状態が安定する、と述べられている。

なお、本発明に関連する技術として、特許文献３には、平角線の巻付け構造として、列替え、層替えの部分をなくすため、絶縁キャップを介して、複数の列に相当する複数の平角線を同時に巻付け、隣接する平角線の始端と終端とを結線する構成が開示されている。

特開２００４−３２０９５３号公報 特開２００５−８６８５２号公報 特開２００２−２９１１８６号公報

インシュレータはコアとコイルとの間の絶縁性確保に寄与するものではあるが、特許文献１に指摘されるように、例えば樹脂モールド型回転電機とする場合に、インシュレータがあるために樹脂の流れ込みが阻害されることがあり、樹脂モールドの中に空気層が残ることがある。回転電機が作動すると発熱するが、このように樹脂モールドの中に空気が残ると、放熱性が低下する。また、樹脂モールドされない一般的な回転電機でも、絶縁体であるインシュレータは金属に比べて熱伝導性が良くないので、放熱性が劣る。

本発明の目的は、放熱性を改善できる回転電機用インシュレータを提供することである。

本発明に係る回転電機用インシュレータは、リング状のコア本体部とコア本体部から内径側に突き出すティース部とティース部に巻回されるコイル巻線とを有する回転電機のステータに用いられるインシュレータであって、ティース部とコイル巻線との間に配置される絶縁分離部と、絶縁分離部と一体化し、コア本体部に接触するように形成される放熱部と、を備え、放熱部は、開口部を有し、その開口部にティース部の突き出しを先端側から通すことでコア本体部に突き当てられる放熱部本体と、放熱部本体のコア本体部側の面に突き出して複数設けられる放熱フィン部と、を含み、絶縁分離部は、放熱部本体からティース部の突き出しに沿って延び、ティース部の上下左右の各側面を覆う側面覆い部を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機用インシュレータにおいて、側面覆い部は、板厚の表裏の両側に、コイル巻線の各素線の外形に対応した波形の凹凸がそれぞれ形成され、コイル接触面でコイル巻線の外形に沿って接触し、ティース部接触面でティース部との間に凹凸の先端で線接触して隙間を形成することができることが好ましい。

上記構成により、回転電機用インシュレータは、コアとコイル巻線との間に配置される絶縁分離部と、絶縁分離部と一体化し、コアまたはコイル巻線の少なくとも一方に接触するように形成され、放熱用のフィンを有する放熱部とを有する。この放熱部によって回転電機が発熱するときにその熱を外部に放熱しやすくでき、絶縁体でありながら放熱性を改善することができる。

また、回転電機用インシュレータにおいて、コアがリング状のコア本体部とコア本体部から内径側に突き出すティース部とを有するときに、放熱部は、ティース部の突き出しを先端側から通す開口部と、ティース部の突き出しを通してコア本体部に突き当てられる本体部と、本体部のコア本体部側の面に突き出して複数設けられる放熱フィン部とを有する。つまり放熱フィンは、コア本体部側に突き出すので、回転電機の動作に影響を与えることが少ない。また、絶縁分離部は、放熱部の本体部からティース部の突き出しに沿って延び、ティース部の上下左右の各側面を覆う側面覆い部を含むので、コアとコイル巻線との間を十分に絶縁できる。

また、回転電機用インシュレータにおいて、側面覆い部は、コアと接触するコア接触面または、コア接触面の裏側であってコイル巻線と接触するコイル接触面の少なくとも一方に波形の凹凸部を有する。例えば、樹脂モールド型回転電機のように、コア、コイル巻線、インシュレータが樹脂モールドされるとき、この波形の凹凸に沿って樹脂が流れやすくなるので、樹脂モールドの中に空気層が残ることを抑制でき、放熱性を改善できる。

また、回転電機用インシュレータにおいて、側面覆い部は、板厚の表裏の両側に、コイル巻線の各素線の外形に対応した波形の凹凸がそれぞれ形成され、コイル接触面でコイル巻線の外形に沿って接触し、コア接触面でコアとの間に凹凸の先端で線接触して隙間を形成する。例えば、樹脂モールド型回転電機のように、コア、コイル巻線、インシュレータが樹脂モールドされるとき、コイル巻線がインシュレータのコイル接触面に沿って接触し、インシュレータはコアと線接触して、樹脂が流れやすい隙間を形成する。したがって、樹脂モールドされたときは、コイル巻線とインシュレータと樹脂とコアとは、互いに密着して接触し、空気層が残らず、これによって放熱性をさらに改善できる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、樹脂モールド型回転電機について述べるが、これは、より一層放熱性が改善できる例をさらに説明するものであり、樹脂モールド型でない一般的な回転電機でも、本発明に係るインシュレータを用いることで十分に放熱性を改善できる。また、以下では、コイル巻線として、平角線をエッジワイズ型で巻回するものとして述べるが、これは、位置決めが容易なコイル巻線の例として説明するものであって、これ以外の形式のコイル巻線、例えば断面が円形のコイル巻線を用いるものとしてもよい。また、以下では、インシュレータを樹脂一体構造として説明するが、複数の部品を組み合わせた構成であってもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、インシュレータ３０を用いる回転電機のステータ１０の構成を説明する図であり、図２は、図１のＡ部を拡大して、１つのインシュレータ３０の周辺の様子を示す図である。回転電機のステータ１０は、固定用リング１２と、固定用リングによって固定支持されるステータ本体１４とを有する。ステータ本体１４は、磁性体であるコア１６と、コア１６に巻回されるコイル巻線２６とで構成される。また、ステータ１０は、コイル巻線２６からの各引出線を接続するバスバー２２と、バスバー２２に接続される外部端子２４を含む。なお、このステータ１０は、図１で示される形態の後、全体が適当な樹脂でモールドされる樹脂モールド型ステータであり、その意味では、図１は、ステータサブアセンブリの形態を示す図である。

コア１６は、外周部が円環状形状のバックヨークと呼ばれるコア本体部１８で、さらに、この円環状形状のバックヨークから内周側に突き出した形状の複数のティース部２０を有する。ティース部２０の数は、ステータ１０の仕様によって設定され、図１の例では、１８個のティース部２０が示されている。ティース部２０の周りにはインシュレータ３０を介してコイル巻線２６がそれぞれ巻回される。このように、コア１６は、コイル巻回のために複数のティース部２０を含む複雑な形状の内周形状を有し、また、回転電機として所定の出力を得るために、軸方向に所定の厚さを有している。かかるコア１６は、電磁鋼板を所定の形状で打ち抜いたものを所定の厚さとなるように複数枚積層したものを用いることができる。打ち抜き加工には、プレス加工を用いることができる。

コイル巻線２６は、平角線をステータ１０の各ティース部２０に巻回したものである。巻き方は、各ティース部２０において突出方向に沿って巻始め部２９から巻終り部２８に向かって順次積層されて所定の巻数だけ巻回する集中巻である。平角線とは、断面がほぼ矩形形状の導体線の外周を適当に絶縁コーティングしたものである。図２の例では、矩形形状の短辺側をコア１６のティース部２０の面に接触するように巻かれているが、この巻き方はエッジワイズ型と呼ばれる方式である。エッジワイズ型の配置は、平角線の矩形形状の長辺側をコア１６のティース部２０の面に接触するように巻くいわゆるフラットワイズ型に比較し、あるいは断面が円形の巻線コイル等に比較し、コア１６に対する配置位置を比較的安定して定めながら巻くことができる。

インシュレータ３０は、コア１６とコイル巻線２６との間を電気的に絶縁する機能を有するもので、適当な絶縁性能を有する樹脂材料で一体成形したものを用いることができる。インシュレータ３０の詳細な構成は、図３から図６を用いて説明する。図３は、インシュレータ３０の四面図である。図４は、インシュレータ３０をコア１６にはめこんだ様子を図３の四面図に対応して示す図である。図６はインシュレータ３０を構成する側面覆い部の断面の様子を説明する図である。図５は、さらに、インシュレータ３０を介してコア１６にコイル巻線２６を巻回した様子を図４の四面図に対応して示す図である。したがって、ステータ１０を製造する手順からいえば、図３のインシュレータ３０を準備し、これをコア１６にはめこんで図４の状態とし、その後コイル巻線２６を巻回して図５の状態とする順序で進むことになる。

図３に示されるように、インシュレータ３０は、本体部３２と、本体部３２から前方側に延出する４つの部材３４，３６，３８，４０からなる部分と、本体部３２の後方部に３つずつ１組となって２組の突き出す部材４２，４４から構成されている。また、本体部３２には、その中央部に矩形形状の開口部４６を有している。

本体部３２の中央部に設けられる開口部４６は、コア１６のティースと呼ばれるティース部２０をその先端側から通すためのものである。ここで、本体部３２の開口部４６にコア１６のティース部２０を通すと、コア１６のバックヨークであるコア本体部１８が本体部３２に突き当たることになる。なお、この状態で、本体部３２からティース部２０が突き出す方向が前方側で、本体部３２にコア本体部１８が突き当たっている側が後方側である。

本体部３２は、コイル巻線２６がインシュレータ３０を介してコア１６の周りに巻回されるとき、コア１６のコア本体部１８の内周側端面を覆ってコイル巻線２６との間の絶縁を確保する機能を有する。その意味で、本体部３２を端面覆い部と呼ぶことができる。

４つの部材３４，３６，３８，４０は、コア１６のティース部２０が開口部４６に通されるとき、ティース部２０の４辺に沿って配置される。この４つの部材３４，３６，３８，４０は、コイル巻線２６がインシュレータ３０を介してコア１６の周りに巻回されるとき、コア１６のティース部２０の周りを覆ってコイル巻線２６との間の絶縁を確保する機能を有している。その意味で、これら４つの部材３４，３６，３８，４０を側面覆い部と呼ぶことができる。

このように、インシュレータ３０において、４つの部材３４，３６，３８，４０はコア１６の側面覆い部の機能を有し、本体部３２はコア１６の端面覆い部の機能を有する。これらの機能によって、インシュレータ３０は、絶縁分離部としての機能を有することになる。

４つの部材３４，３６，３８，４０についてさらに具体的に説明すると、これらの４つの部材３４，３６，３８，４０は、開口部４６の縁部に配置され、開口部４６にティース部２０が挿入されるとき、ティース部２０の４辺に、４つの部材３４，３６，３８，４０のティース部２０に向かい合う面がちょうど接触するように配置が行われる。

ここで、図４を参照して分かるように、コア１６の軸方向に沿った方向のティース部２０の両側面に配置される部材３４，３６は、ティース部２０の軸方向の高さよりも長い寸法を有している。つまり、ティース部２０の両側面から上下に突き出す形態で部材３４，３６が配置される。これに対し、コア１６の径方向に沿った方向のティース部２０の上下面に配置される部材３８，４０は、ティース部２０の周方向の長さである幅寸法よりも短い寸法を有している。

つまり、ティース部２０がインシュレータ３０の開口部４６に挿入されたとき、ティース部２０の両側面は部材３４，３６によって完全に覆われているが、ティース部２０の上下面は部材３８，４０に一部が覆われていることになる。

ここで、ティース部２０の上下面は部材３８，４０によって完全に覆われず、露出する部分があるが、ティース部２０の両側面に配置される部材３４，３６はティース部２０の外形よりも部材３８，４０が配置される高さ方向に張り出しているので、コイル巻線２６がティース部２０に接触することがない。その様子は図５に示されている。すなわち、コイル巻線２６は、ティース部２０の両側面を覆う部材３４，３６に沿って巻かれ、部材３８，４０の方向に向かうとき、部材３４，３６がティース部２０の外形よりもよりも張り出しているので、コイル巻線２６はティース部２０の上下面に接触することなく、部材３８，４０の方向に向かって巻回される。

このように、インシュレータ３０において、コア１６のティース部２０を覆う部分が一体的な枠体でなく、相互に分離した４つの部材３４，３６，３８，４０となっている。この４つの部材３４，３６，３８，４０は、本体部３２からそれぞれ片持梁のように延出しているので、適当な弾性を有している。この弾性によって、４つの部材３４，３６，３８，４０は、開口部４６に挿入されたコア１６のティース部２０の各側面に対し、適当な押し圧を与えることができ、ティース部２０の形状のばらつきに適当に追従することができる。一体的な枠体の場合は、枠体にかなりの剛性があるため、ティース部２０の形状のばらつきに追従することが困難な場合がある。例えば、ティース部２０の外形が開口部４６に比べ小さめとなったとき、枠体とティース部２０との間に隙間ができ、その隙間がある状態のままでコイル巻線２６が枠体の外側に巻回されることになる。

本体部３２の後方側３つずつ１組となって２組の突き出す部材４２，４４は、インシュレータ３０を介してコア１６、コイル巻線２６の熱を外部に放散させる機能を有する放熱用のフィンである。部材４２，４４は、図４、図５に示されるように、コア１６のコア本体部１８の上下面を挟むように複数個配置される。図３から図５の例では、上記のように、コア本体部１８の上面側に３つ、下面側に３つ配置されている。配置数は勿論これ以外であってもよい。

上記構成のインシュレータ３０は、適当な耐熱性と絶縁性を有する樹脂材料を用いて一体成形で得ることができる。一体成形によって得られたインシュレータ３０は、図１で説明したステータ本体１４の１８個のティース部２０の先端側から開口部４６を合わせてはめこまれ、円環形状のコア本体部１８の内周側に突き当てられて位置決めされる。その様子が図４に示されている。そして、平角線を用いて、エッジワイズ型で、４つの部材３４，３６，３８，４０の外側形状を巡るようにして、インシュレータ３０を介し、ティース部２０の突出方向に沿って巻始め部２９から巻終り部２８に向かって順次積層されて所定の巻数だけ巻回される。その様子が図５に示される。

図６は、図５におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図で、特にインシュレータ３０の側面覆い部である部材３４，３６の断面形状を説明するための図である。図６の左側の（ａ）には、平角線２７の断面形状と、部材３４，３６の断面形状が示されているが、Ｂ部における拡大図が右側の（ｂ）に示されている。

図６（ｂ）に示されるように、平角線２７は、実際には断面が円形の丸線導体線をつぶしてゆくことで形成されるので、その断面形状は完全な矩形形状でなく、端部が適当な円弧形状となっている。例えば、平角線の短辺の長さをｄとすると、０．６ｄから０．８ｄ程度の半径Ｒの円弧形状を有している。

部材３４，３６は、板厚の表裏の両側に、コイル巻線２６の各素線である平角線２７の外形に対応した波形の凹凸がそれぞれ形成される。ここで、部材３４，３６がコイル巻線２６の平角線２７に向かい合う面を部材３４，３６の表面とし、部材３４，３６がコア１６のティース部２０に向かい合う面を部材３４，３６の裏面とする。

部材３４，３６の表面は、平角線２７の半径Ｒに対応して、ピッチがｄで半径Ｒの凹部が繰り返す波形の凹凸形状を有する。これによって、平角線２７のエッジワイズ型で巻かれコア１６に向かい合う端部は、部材３４，３６の表面と隙間なく接触することができる。その意味で、部材３４，３６の表面は、コイル巻線２６の外形に沿って接触するコイル接触面である。

部材３４，３６の裏面も、表面の波形の凹凸形状に対応した波形の凹凸形状を有する。これによって、部材３４，３６の裏面は、コア１６のティース部２０の平坦な表面に対し、凹凸のピッチで形成される隙間を有しながら、線接触で接触することができる。その意味で、部材３４，３６の裏面は、コア１６の外形に沿って接触するコア接触面である。

部材３４，３６の裏面であるコア接触面とコア１６との間に形成される繰り返し隙間５０は、ステータ１０が樹脂モールドされるときに樹脂が流れて充填される空間として利用される。つまり、この繰り返し隙間５０は、樹脂充填用隙間である。この繰り返し隙間５０は、ステータ１０の軸方向に沿って貫通するように形成されるので、樹脂充填がステータ１０の軸方向に沿って行われる場合には、樹脂の流れがさらによくなることが期待される。

図６（ｂ）の例では、裏面も表面と同様に、ピッチがｄで半径Ｒの凹部が繰り返す波形の凹凸形状を有する。この場合には、板厚の表裏の両側において、表面側が凹形状のときは裏面側が凸形状となり、表面側が凸形状のときは裏面側が凹形状となり、板厚がほぼ同じの波形とすることができる。上記のように、部材３４，３６の裏面の凹凸形状は、樹脂の充填のためであるので、表面の凹凸形状と異なるものとしてもよい。また、場合によっては、部材３４，３６の表裏の一方側にのみ凹凸形状を設けるものとしてもよい。例えば、裏側にのみ凹凸形状を設けるものとしても、樹脂はこの繰り返し隙間を通って流れ、十分に充填される。

インシュレータ３０の部材３８，４０も表面がコイル巻線２６に向かい合い、裏面がコア１６に向かい合うので、部材３４，３６と同様に、表面に平角線２７の形状に沿った凹凸形状を形成し、裏面にも適当な凹凸形状を形成するものとできる。

このように、インシュレータ３０の部材３４，３６，３８，４０の板厚の表裏の両側に適当な凹凸形状を形成する構造とすることで、ステータ１０を樹脂モールドするときに樹脂を十分に充填することができる。樹脂が十分に充填されないと、樹脂の中に空気が残ったままとなり、ステータ１０が発熱するときに放熱は十分に行われなくなる。図６で説明したように、コア１６のティース部２０とインシュレータ３０との間に繰り返し隙間５０が形成されることで、樹脂がこの繰り返し隙間５０を流れることができ、樹脂の充填を十分に行い、放熱性を向上させることができる。図７は、樹脂モールドされたステータ６０の様子を示す図である。ここでは、ステータ本体１４がコア１６、インシュレータ３０、コイル巻線２６を含んで樹脂モールド部６２の中に埋め込まれている。

本発明に係る実施の形態のインシュレータを用いる回転電機のステータの構成を説明する図である。 図１のＡ部の拡大図で、１つのインシュレータの周辺の様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態のインシュレータの四面図である。 本発明に係る実施の形態のインシュレータをコアにはめこんだ様子を図３の四面図に対応して示す図である。 本発明に係る実施の形態のインシュレータを介してコアにコイル巻線を巻回した様子を図４の四面図に対応して示す図である。 本発明に係る実施の形態のインシュレータを構成する側面覆い部の断面の様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態のインシュレータを用いて樹脂モールドされたステータの様子を示す図である。

符号の説明

１０，６０ ステータ、１２ 固定用リング、１４ ステータ本体、１６ コア、１８ コア本体部、２０ ティース部、２２ バスバー、２４ 外部端子、２６ コイル巻線、２７ 平角線、２８ 巻終り部、２９ 巻始め部、３０ インシュレータ、３２ 本体部、３４，３６，３８，４０，４２，４４ 部材、４６ 開口部、５０ 繰り返し隙間、６２ 樹脂モールド部。

Claims (2)

1. リング状のコア本体部とコア本体部から内径側に突き出すティース部とティース部に巻回されるコイル巻線とを有する回転電機のステータに用いられるインシュレータであって、
   ティース部とコイル巻線との間に配置される絶縁分離部と、
   絶縁分離部と一体化し、コア本体部に接触するように形成される放熱部と、
   を備え、
   放熱部は、
   開口部を有し、その開口部にティース部の突き出しを先端側から通すことでコア本体部に突き当てられる放熱部本体と、
   放熱部本体のコア本体部側の面に突き出して複数設けられる放熱フィン部と、
   を含み、
   絶縁分離部は、放熱部本体からティース部の突き出しに沿って延び、ティース部の上下左右の各側面を覆う側面覆い部を含むことを特徴とする回転電機用インシュレータ。
2. 請求項１に記載の回転電機用インシュレータにおいて、
   側面覆い部は、板厚の表裏の両側に、コイル巻線の各素線の外形に対応した波形の凹凸がそれぞれ形成され、コイル接触面でコイル巻線の外形に沿って接触し、ティース部接触面でティース部との間に凹凸の先端で線接触して隙間を形成することができることを特徴とする回転電機用インシュレータ。

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