JP5314908B2 - 回転電機の固定子および回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、高い絶縁性能と占積率を得られ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。

回転電機の性能の向上の一つとして、固定子の巻線を断面形状が丸い丸線に代えて断面形状が方形状の平角線とする方法がある。平角線を使用すると、コイルの占積率が向上する。つまり、回転電機においてスペースのロスが生じなくなる。このような平角線は、たとえば、特許文献１〜２に開示されている。

特許文献１には、矩形状の断面の外周にエナメル焼き付け層が形成され、その外側に押出被覆樹脂層が形成された絶縁ワイヤ（巻線）が開示されている。

特許文献２には、平角導体上に形成された加熱されて溶融固着する皮膜とを備え、被膜が巻回されたときに係合する係合部を持つ平角線（巻線）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、巻線をより近接して組み付けることはできるが、絶縁性能を確保するために十分な導体間の距離を確保することができなかった。導体間の距離を十分に確保できなくなると、巻線の被膜が損傷を生じたときに露出した巻線の導体から放電を生じることとなる。

さらに、特許文献２に記載の巻線は、被膜が熱溶融可能な材質よりなるため、皮膜の凹凸が組み付け時の熱処理により消失する。この結果、十分な導体間の距離を確保することができなかった。
特開２００５−２０３３３４号公報 特開２００６−１０００３９号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、占積率と電気絶縁性に優れた回転電機の固定子及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、巻線の導体部の外周の被膜部の構造について検討を重ねた結果本発明をなすに至った。

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、断面略方形状の線状の導体部と、導体部の外周に形成された絶縁性の樹脂よりなる被膜部と、を有する回転電機の固定子用巻線と、固定子用巻線が深さ方向で複数が並んだ状態で収容されるスロットを備えた固定子コアと、を有する回転電機の固定子において、被膜部は、導体部の一つの表面側に突出した突条部と、一つの表面側に背向した表面側に形成された突条が挿入可能な凹溝部と、が、薄膜部と、薄膜部より膜厚が厚い厚膜部と、により形成され、さらに、固定子用巻線が固定子コアに組み付けられたときに、固定子コアのスロット内では凹溝部に突条部が嵌合し、固定子コアの端部から突出した接続部が交差する場合には厚膜部同士が当接するように形成されてい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、固定子用巻線は、突条部及び凹溝部が二つ以上形成されてい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、固定子用巻線の前記被膜部は、少なくとも５０μｍ以上の厚さ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回転電機の固定子を用いてなることを特徴とする。

請求項１に記載の本発明の固定子に用いられる固定子用巻線は、被膜部が突条部と凹溝部とを互いに背向した表面に形成している。固定子用巻線を平行な状態で重ね合わせるときには、この突条部が隣接する巻線の凹溝部に挿入するようにすることができる。これにより、導体部間の距離を短くすることができ、占積率が向上する。また、固定子用巻線を交差する状態で重ね合わせるときには、突条部が凹溝部に挿入されない。つまり、少なくとも、突条部の高さと凹溝部の開口した表面までの距離の合計の間隔を確保することができる。これにより、導体部間の距離を長くすることができる。導体部間の距離が長くなるほど、被膜部が損傷して導体部が露出しても、露出した導体部間での放電が生じにくくなる。この結果、本発明の固定子を用いると、放電による短絡が生じにくくなる効果を発揮する。

請求項２に記載の本発明の固定子では、固定子用巻線が、突条部および凹溝部がそれぞれ二つ以上形成されて構成となっている。このような構成となることで、固定子用巻線を交差する状態で重ね合わせたときに、固定子用巻線の幅方向の複数箇所で重なり合う固定子用巻線が当接することとなり、固定子用巻線の表面に対して傾斜して重なり合わなくなる。

請求項３に記載の本発明の固定子では、固定子用巻線が、被膜部が少なくとも５０μｍ以上の厚さを有している。これにより、導体部間の距離を、最低限の電気絶縁性を確保できる距離とすることができる。

また、請求項４に記載の本発明の回転電機は、上記の回転電機の固定子を用いてなる。上記の固定子は、高い占積率及び電気絶縁性を確保できる巻線を用いているため、本発明の回転電機は、優れた特性の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。

本発明の実施の形態として、まず、回転電機の固定子用巻線およびこの固定子用巻線を用いた回転電機を製造した。

（第一実施形態例）
本実施形態の回転電機の固定子用巻線４０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。

固定子用巻線４０は、図１にその断面形状を示したように、銅製の導体４１と、導体４１の外周を覆い導体４１を絶縁する絶縁樹脂からなる絶縁皮膜４２とから形成されている。導体４１は、巻線４０ののびる方向に垂直な断面が略長方形状をなしている。また、絶縁皮膜４２は、導体４１の外周を被覆している。

絶縁皮膜４２は、長方形状の長辺となっている面において、凹凸形状をなすように形成されている。すなわち、絶縁皮膜４２は、薄膜部４２０と厚膜部４２１とを備えた凹凸形状をなしている。本実施形態においては、絶縁皮膜４２は、長方形状の長辺において、幅方向の中央部から一方側が他方側よりも突出した突条４２２を形成している（他方側が凹溝４２３となっている）。そして、絶縁皮膜４２の互いに背向した長辺の面の凹凸形状は、軸に対して対称な形状となっている。

凹溝４２３は、突条４２２の外周形状と略一致する内周形状を有している。つまり、凹溝４２３には、突条４２２が嵌入できる。

絶縁皮膜４２の薄膜部４２０の厚さは５０μｍ以上で設定される。厚膜部４２１の厚さは特に限定されるものではなく、固定子用巻線４０の使用条件により適宜決定できる。すなわち、突条４２２の突出高さ（あるいは厚膜部４２１の厚さ）が厚くなるほど、絶縁皮膜４２による電気絶縁性が向上し、より高い電圧の電気を巻線４０に流すことが可能となる。

絶縁皮膜４２を構成する樹脂の材質は、組み付け時やその後の使用時の熱により突条４２２及び凹溝４２３が消失市内樹脂であれば特に限定されるものではなく、従来公知の材質を用いることができる。たとえば、ナイロン、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の絶縁性を持つ樹脂をあげることができる。

絶縁皮膜４２は、単一の樹脂層から形成しても、積層した複数の樹脂層で形成してもいずれでもよい。絶縁皮膜４２を複数の樹脂層より形成したときには、薄膜部４２０と厚膜部４２１は、複数の樹脂層の少なくとも一層の厚さを調節して形成できる。絶縁皮膜４２が複数の樹脂層よりなるときに、いずれの樹脂層を構成する樹脂材量についても特に限定されるものではない。

（第二実施形態例）
本実施形態の固定子用巻線４０は、絶縁被膜４２の凹凸形状が異なる以外は、第一実施形態と同様な巻線である。本実施形態の固定子用巻線４０の断面を図２に示した。

本実施形態における絶縁皮膜４２の凹凸形状は、長方形状の長辺となっている一対の面の一方では、長方形状の長辺の中央部および両端部において、幅方向の中央部から一方側が他方側よりも突出した突条４２２を形成している（他方側が凹溝４２３となっている）。そして、長方形状の長辺となっている一対の面の他方では、長方形状の長辺の中央部および両端部が、それ以外の部分よりも絶縁皮膜４２の膜厚の薄い薄膜部４２０となっている。すなわち、凹溝４２３となっている。

（比較形態例）
本比較形態の固定子用巻線４０は、長方形状の長辺となっている一対の面での絶縁被膜４２のが均一な膜厚で形成された以外は、第一実施形態と同様な巻線である。本比較形態の固定子用巻線４０の断面を図３に示した。

本比較形態の巻線４０の絶縁被膜４２は、第一実施形態の巻線４０の絶縁被膜４２の厚膜部４２１のみから構成されている。

（回転電機）
上記の各実施形態の固定子用巻線４０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。以下に、固定子用巻線４０を用いた回転電機１の構成を説明する。本実施形態の回転電機の構成を図４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、図５に示したように、固定子コア３０と、固定子用巻線４０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５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、固定子用巻線４０から略Ｕ字状のセグメントを多数形成し、形成された多数のセグメントの所定の端部同士を接合して形成される。略Ｕ字状のセグメントは、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、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。そして、スロット収容部４４の接続部４５の形成されていない側の端部が接合される。セグメントは、ねじりをともなわない状態で、別のセグメントに接合される。

コイル４は、本実施形態では、図６に示したように、それぞれ二本の三相巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）をなすように形成されている。

一つのセグメントの二つのスロット収容部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。

スロット３１に収容されたスロット収容部４４は、スロットの深さ方向に複数が並んだ状態で収容される。このとき、スロット収容部４４は、断面長方形状の短辺方向に並んだ状態で収容される。

スロット収容部４４がスロット３１に収容されたときに、固定子コア３０の一方の端部側に全ての接続部４５が位置する。すなわち、固定子コア３０の他方の端部側には、セグメントの端部が配設される。固定子コアの他方の端面から突出したセグメントの端部は、周方向に（略U字が広がる方向に）折り曲げられ、所定のスロット数だけ離れた別のスロットに、スロット収容部４４が収容された別のセグメントの端部と周方向位置が重なり合うようになっている。このとき、二つのセグメントの径方向の表面（内径側の表面と外径側の表面）が当接・接合（溶接）される。

本実施形態の回転電機１におけるコイルの結線の形態を、図７に示した。図７では、本実施形態の回転電機１のコイル４における多相の巻線４０のうちの一つの相の結線の形態を示した。図７の同相同士の接触で示された部分は、スロット３１に収容されたスロット収容部４４の重なる部分である。また、図７の他相とのクロス接触で示された部分は、図８で示した異なる相のセグメントの端部同士の当接部である。

第一実施形態および第二実施形態においては、図９〜１０に示したように、スロット収容部４４に形成された突条４２２は、隣接したスロット収容部４４の凹溝４２３に嵌合する。これにより、スロット３１内での導体４１間の距離が、薄膜部４２０と厚膜部４２１の合計の厚さとなる。これに対し、比較形態では、図１１に示したように、スロット３１内での導体４１間の距離が、二つの厚膜部４２１の合計の厚さとなる。すなわち、各実施形態の固定子用巻線４０を用いることで、コイル４の占積率が高くなった。

セグメントの端部は、隣接するスロット３１から飛び出した別のセグメントの端部と当接した状態で交差する。セグメントの端部の交差は、互いの内径側と外径側の表面（断面方形状の長辺側の表面）が当接することでなされる。第一実施形態および第二実施形態においては、図１２〜１３に示したように、固定子用巻線４０の突条４２２及び凹溝４２３を区画するそれぞれの厚膜部４２１の厚さにより、セグメントの端部間の間隔が確保されている。また、比較形態例では、図１４に示したように、厚膜部４２１の厚さにより、セグメントの端部間の間隔が確保されている。すなわち、各実施形態及び比較形態は、導体４１間の距離を長く確保できた。

さらに、第二実施形態例の固定子用巻線４０を用いた場合には、二つの巻線４０の当接面のそれぞれには、二カ所の厚膜部４２１が形成されている。これにより、当接面がねじれを生じることなく当接する。

導体４１間の距離を長く確保できることで、絶縁被膜４２が損傷を生じて導体４１が露出しても、露出した導体４１間の距離が長くなっている。露出した導体４１間の距離が長くなると、放電を生じるためにより大きな電位が必要となる。すなわち、各実施形態及び比較形態の固定子用巻線４０を用いることで、高い絶縁性能を得られる。

上記したように、第一実施形態および第二実施形態の固定子用巻線４０を用いる回転電機は、高いコイルの占積率と高い電気絶縁性を備えることがわかる。

なお、上記の回転電機１では、各実施形態の回転電機の固定子用巻線４０からセグメントを形成し、このセグメントからコイルを形成していたが、この形態に限定しなくても良い。すなわち、固定子用巻線４０を波巻きしたコイル４を備えた回転電機としてもよい。また、接続部４５の形状については、特に限定されるものではない。

さらに、上記の各実施形態においては、長方形状の長辺が区画する面のみに薄膜部４２０と厚膜部４２１を形成して短辺は薄膜部４２０のみで形成しているが、この短辺に区画される表面にも薄膜部４２０と厚膜部４２１（突条４２２及び凹溝４２３）を形成しても良い。このような形態は、断面が正方形状の巻線の場合に効果を発揮する。

第一実施形態例の固定子用巻線の構成を示した断面図である。 第二実施形態例の固定子用巻線の構成を示した断面図である。 比較形態例の固定子用巻線の構成を示した断面図である。 実施形態例の回転電機の構成を示した図である。 実施形態例の回転電機の固定子の構成を示した図である。 実施形態例の回転電機のコイルの結線方法を示した図である。 実施形態例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。 実施形態例の回転電機の固定子の他方の端部の構成を示した拡大図である。 第一実施形態例の回転電機のスロット近傍の構成を示した断面図である。 第二実施形態例の回転電機のスロット近傍の構成を示した断面図である。 比較形態例の回転電機のスロット近傍の構成を示した断面図である。 第一実施形態例の回転電機の固定子コアの他方の端部近傍の構成を示した図である。 第二実施形態例の回転電機の固定子コアの他方の端部近傍の構成を示した図である。 比較形態例の回転電機の固定子コアの他方の端部近傍の構成を示した図である。

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
４２０：薄膜部 ４２１：厚膜部
４２２：突条 ４２３：凹溝
４４：スロット収容部 ４５：接続部
５：絶縁紙

Claims (4)

1. 断面略方形状の線状の導体部と、
   該導体部の外周に形成された絶縁性の樹脂よりなる被膜部と、
   を有する回転電機の固定子用巻線と、
   該固定子用巻線が深さ方向で複数が並んだ状態で収容されるスロットを備えた固定子コアと、
   を有する回転電機の固定子において、
   該被膜部は、該導体部の一つの表面側に突出した突条部と、該一つの表面側に背向した表面側に形成された該突条が挿入可能な凹溝部と、が、薄膜部と、該薄膜部より膜厚が厚い厚膜部と、により形成され、
   さらに、該固定子用巻線が該固定子コアに組み付けられたときに、該固定子コアの該スロット内では該凹溝部に該突条部が嵌合し、該固定子コアの端部から突出した接続部が交差する場合には該厚膜部同士が当接するように形成されていることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記固定子用巻線は、前記突条部及び前記凹溝部が二つ以上形成されている請求項１記載の回転電機の固定子。
3. 前記固定子用巻線の前記被膜部は、少なくとも５０μｍ以上の厚さを有する請求項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回転電機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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