JP5354090B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のステータに関し、特にそのコイル導線の接続に係る部分の構造に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を回転電機と記す。

回転電機は、同軸に配置されて相対的に回転する二つの部材を有する。通常は、一方が固定され、他方が回転する。固定された部材（ステータ）にコイルを配置し、このコイルに電力を供給することにより回転する磁界を形成する。この磁界との相互作用により他方の部材（ロータ）が回転する。ステータに配置されるコイルは、例えば所定の形状に成形されたコイル導線をステータに装着し、その後このコイル導線同士を接続して形成される。

下記特許文献１には、平板形状のバスバーとコイルを構成するエナメル線とを並列させて、溶接する技術が記載されている。

特開２００８−１９３７６７号公報

平板形状のバスバーの端部とコイル導線の端部を並列させ、これらの端面を溶接する場合、溶接領域が小さくなる、または端面同士のずれのために溶接領域が偏ることがあり、溶接部分の強度が低くなる場合がある。

本発明は、端面を溶接する場合に、溶接強度を確保することを目的とする。

本発明に係る回転電機のステータは、ステータコアに装着される複数のコイル導線と、少なくとも１本のコイル導線と接続され、前記コイル導線より幅の広い平板部材からなる少なくとも一つのバスバーとを有する。複数のコイル導線は、コイル導線同士が直接、またはバスバーを介して、更には両者を組み合わせて接続されてステータコイルを形成する。また、バスバーは、３相のステータコイルの中性点同士を接続するバスバーを含んでよく、またステータコイルとステータコイルに電力を供給する動力線とを接続するバスバーを含んでもよい。

コイル導線とバスバーは、溶接によって接続される。コイル導線は少なくとも一つの端部にコイル導線端延部を有し、バスバーは少なくとも一つの端部にバスバー端延部を有する。これらのコイル導線端延部とバスバー端延部は並列して延びており、両者の端同士が溶接される。コイル導線端延部は、平板部材からなるバスバーの幅の広い側面に隣接するように配置される。バスバー端延部の先端は、幅方向に関してテーパ形状となっている。

バスバー端延部の先端の幅は、コイル導線の先端の幅より大きくすることができる。また、コイル導線の断面を長方形とし、この長方形の長辺がバスバーに対向するようにできる。

二つの端部にバスバー端延部が設けられたバスバーは、これら二つの端部においてコイル導線が溶接されてよく、これにより、これらのコイル導線同士が接続される。また、一つの端部にのみバスバー端延部が設けられたバスバーは、テーパ形状が形成された一つの端部においてコイル導線が溶接され、他方の端部には動力線が接続されてよい。これにより、コイル導線と動力線が接続される。また、バスバーの動力線が接続される側の端部にテーパを設け、コイル導線との溶接と同様に、動力線との溶接を行ってもよい。

二つの端部にテーパ形状を有するバスバーは、回転電機の相ごとにコイル導線同士を接続してステータコイルをそれぞれ形成する相コイルバスバーに用いることができる。また、二つの端部にテーパ形状を有するバスバーは、各相のステータコイルの一端を接続し中性点を形成する中性点バスバーに用いることができる。中性点バスバーに用いる場合、両端の中間に枝分かれした部分を設け、この枝分かれした部分の端部にもバスバー端延部を設け、３つの端延部に３相のステータコイルの一端をそれぞれ溶接することができる。

相ごとに少なくとも１個の相コイルバスバーを樹脂等の絶縁材料によりモールド成形して一体化されたバスバーモジュールを形成することができる。さらに、このバスバーモジュールは１個の中性点バスバーも共にモールド成形により一体化したものとしてよい。さらに、このバスバーモジュールは、動力線が一端に接続されたバスバーである動力線バスバーもモールド成形により一体化したものであってよい。動力線バスバーの、コイル導線が接続される側の端部にテーパ形状が形成されている。バスバーモジュールは、回転電機の回転軸線方向において、ステータコイルに隣接して配置されてよい。そして、コイル導線端延部とバスバー端延部は、回転電機の回転軸線方向に、かつステータコアから離れる向きに延びるように配置される。

テーパ形状により、先端から深い位置まで溶接時の熱が伝わり溶接領域が広くなる。また溶接時に溶融した材料が、テーパ形状に沿って流れ、溶接領域が広くなる。

回転電機のステータを示す斜視図である。 バスバーモジュールがステータに装着された状態を示す図である。 バスバーモジュールを単体で示す斜視図である。 バスバーモジュールの、図３のＡ−Ａ線における断面図である。 バスバーを収める区画３８を説明するための図である。 バスバーの形状およびバスバーモジュール内での配置を示す図である。 バスバー端延部とコイル導線端延部の詳細形状を示す斜視図である。 バスバー端延部の詳細形状を示す図である。 先端にテーパ形状を有さないバスバーを用いた場合の溶接の状態を示す図である。 先端にテーパ形状を有するバスバーを用いた場合の溶接の状態を示す図である。 溶接の状態を示すバスバーの長手方向に直交する断面図である。 バスバーに対してコイル導線がずれた場合の溶接の状態を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、回転電機のステータ１０の外観を示す斜視図である。但し、後述するバスバーモジュールは省略している。ステータ１０は、概形が円環または円筒状のステータコア１２を有し、ステータコア１２の内周には、磁極となるティース１４が周方向に配列されている。ティース１４にコイル導線１６が巻かれるようにしてステータコアにステータコイル１８が装着されている。この実施形態では、所定の形状に成形された複数のコイル導線１６を、ティース１４の間の空間であるスロット内に挿入し、コイル導線１６同士を溶接して、またはバスバー等の導体を介して接続してステータコイル１８が形成される。より具体的には、コイル導線１６同士を溶接して直接接続させてステータコイル１８の一部となる部分コイルを形成し、この部分コイルのコイル導線１６の端を、バスバーなどのコイル導線とは別の導体を用いて接続してステータコイル１８を形成している。

ステータ１０は、円環または円筒状のステータコア１２にステータコイル１８が装着された状態でも円環または円筒形状を有している。以下、ステータ等の形状について、円環および円筒を簡単のために円環と記す。円環形状のステータ１０の内側に、ロータ（不図示）が配置される。ステータコイル１８に電力を供給することにより、ステータ１０の円環の内側の空間に回転磁界が形成され、この磁界との相互作用によりロータが回転する。このロータの回転の軸線が、回転電機の回転軸線であり、この軸線はステータ１０の円環の中心軸線と一致する。以降の説明において、この回転電機の回転軸線、すなわちステータ１０の円環の中心軸線の延びる方向を回転軸線方向と記す。

図１に示すようにコイル導線の端が、ステータコイル１８から図１中で上方、つまり回転軸線方向に突出している。このステータコイル１８から延びるコイル導線の端部をコイル導線端延部２０と記す。ステータ１０においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相ごとに部分コイルが２組設けられ、それぞれの部分コイルの端であるコイル導線端延部２０が計１２本となっている。コイル導線端延部２０は、相ごとに、また中性点側の端同士が電気的に接続される。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのコイル導線端延部２０の１本ずつに、三相交流電力を供給するための動力線２２が接続されている。動力線２２は、回転電機で発電をした場合、この発電された電力を外部に送出する機能も有する。

図２および図３は、相ごとにコイル導線１６同士を接続するための電導性材料からなる複数のバスバーを一体化したバスバーモジュール２６を示す図である。図２はステータ１０に装着された状態を示す図、図３はバスバーモジュール２６の単体の状態を示す概略図である。

バスバーモジュール２６は、回転軸線方向において、ステータ１０の側部に、特にステータコイル１８に隣接して配置される。バスバーモジュール２６は、ステータ１０の円環形状に沿って円弧形状に延びるバスバーモジュール本体２８と、この本体２８から突出し、コイル導線端延部２０と接続される端子３０を有する。バスバーモジュール本体２８内には、この本体２８の円弧に沿って延びる複数のバスバーが配置されており、このバスバーの端部がバスバーモジュール本体２８から突出して端子３０を形成している。この端子３０をバスバー端延部３０と記す。バスバー端延部３０は、バスバーモジュール本体２８の側面、つまりバスバーモジュール本体２８の長手方向に対し、交差する方向を向く面より突出する。ステータ１０においては、背中合わせの側面、特にバスバーモジュール本体２８の円弧形状の外周側の側面と内周側の側面とに突出する。

さらに、動力線２２と溶接等により接続される接続板３２を保持する保持部３４がバスバーモジュール本体２８から突出して設けられている（図３参照）。接続板３２は、相数と同じく３個が設けられている。バスバーモジュール本体２８の径方向の寸法、すなわち幅は、ステータコイル１８の径方向の幅以下であり、保持部３４を含むバスバーモジュール２６全体の幅もステータコア１２の幅の中に収まっている。

ステータコイル１８は、相ごとに二つの部分コイルをバスバーで接続して形成される。二つの部分コイルの各々のコイル導線の一方の端がバスバーと接続され、一方の部分コイルの残りのコイル導線の端が中性点に、他方の部分コイルの残りのコイル導線の端が動力線に接続される。

図３を用いて、バスバーとコイル導線の接続関係について、より具体的に説明する。バスバー端延部３０は、Ｕ相のコイル導線に接続されるものが符号３０U1，３０U2、Ｖ相のコイル導線に接続されるものが符号３０V1，３０V2、Ｗ相のコイル導線に接続されるものが符号３０W1，３０W2、各相のコイル導線の中性点側の端に接続される端子が符号３０N1，３０N2，３０N3で示されている。Ｕ相の二つの部分コイルの一方は、この部分コイルのコイル導線の一端がバスバー端延部３０U1に接続され、他端が中性点側のバスバー端延部３０N1に接続される。もう一つの部分コイルのコイル導線の一端がバスバー端延部３０U2に接続され、他端が接続板３２に接続される。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。

バスバーモジュールの外周側には、接続板３２を保持する保持部３４が設けられている。接続板３２に、コイル導線１６のひとつの端が接続される。接続板３２は、例えば、略Ｊ字形であって、Ｊ字の短い方の辺の部分を周方向外側に向けて保持されている。この短辺に動力線２２が接続され、長辺には、各相のコイル導線１６の残りの一端が接続される。

図４は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相と、中性点とに対応する４本のバスバー３６が並行して配置される位置におけるバスバーモジュール２６の断面図、例えば図３のＡ−Ａ線で示す断面図である。バスバー３６は、いずれも平板形状であり、所定のコイル導線同士を繋ぐために細長い形状をしている。４本のバスバー３６は、上下に２層、左右に２列の２×２の配置で配列されている。なお、この明細書においては、上下方向を回転電機の回転軸線方向とし、ステータに近い側を下、遠い側を上として説明する。また、左右方向は、回転軸線に直交する方向、すなわち回転電機の径方向とし、左を回転電機における内側、右を外側として説明する。これらの方向については、説明の便宜上導入したものであり、実際の装置の配置における方向および向きとは関連しない。また、４本のバスバー３６を区別する必要がある場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のバスバー（相コイルバスバー）のそれぞれに３６U ，３６V ，３６Wの符号を、また中性点のバスバー（中性点バスバー）に３６N の符号を付して説明する。図示されるように、Ｕ相バスバー３６U が下層左列に、Ｖ相バスバー３６V が上層右列に、Ｗ相バスバー３６W が上層左列に、中性点のバスバー３６N が下層右列に配置される。さらに、２×２の配置の４つの領域のそれぞれを区画３８と記して説明する。図５に示すように、４つの区画を上層左列を区画３８-1、上層右列を区画３８-2、下層左列を区画３８-3、下層右列を区画３８-4と記す。

バスバーモジュール２６は、バスバー３６同士を絶縁し、かつバスバー３６を覆って外部と絶縁するために絶縁部材４０を含む。絶縁部材４０は、例えば樹脂成形品であり、モールド成形によりバスバー３６U ，３６V ，３６W ，３６N を一体化している。図においては、絶縁部材４０は一体に示されているが、成形の都合により二つまたはそれ以上の部分に分割されてもよい。例えば、絶縁部材４０の「田」の字形の中央の十字の部分を先ず成形し、この十字型の部品に対しバスバーを配置して、これらをさらに樹脂モールドするようして外側の方形の部分を成形するようにできる。絶縁部材４０の材料は、汎用のプラスチックでよく、また使用環境等に応じてエンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチックを採用することもできる。

図６は、バスバー３６U ，３６V ，３６W ，３６N の個々の形状を示す図である。図６（ａ）は、上層、すなわち区画３８-1，３８-2が属する層を示し、図６（ｂ）は、下層、すなわち区画３８-3，３８-4が属する層を示している。個々のバスバー３６U ，３６V ，３６W ，３６N は平板形状の部材を細長く、特に概略円弧形状にしたものであり、板面は、円弧が形成する平面内に位置している。そして、円弧の両端または両端と中間位置にバスバー端延部３０が設けられている。後述するように、バスバー端延部３０はテーパ形状となっており、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のバスバー３６U ，３６V ，３６W は、両端にテーパ形状が形成された両端テーパバスバーとなっている。中性点のバスバー３６N も両端にテーパ形状が形成された両端テーパバスバーであるが、更に両端の間の位置から枝分かれをしており、ここにもテーパ形状を有するバスバー端延部３０が設けられている。

Ｕ相のバスバー３６U は、下層の左側の区画３８-3に配置される。Ｖ相のバスバー３６V は、上側の層に配置され、端子３０V1から、左側の区画３８-1を横切り、右側の区画３８-2を通って、再び左側の区画３８-1を横切り端子３０V2に達する。Ｗ相のバスバー３６W は、端子３０W1から、区画３８-1に沿って延び、端子３０U2の位置を過ぎた位置で、上層から下層に移り、区画３８-3を通って端子３０W2まで達している。中性点のバスバー３６Nは、下側、右側の区画３８-4を通って延びる。このように、４本のバスバー３６は、バスバーモジュール本体２８内で２本ずつ上下２層に重ねて、かつ左右に並列に配置されている。

コイル導線１６と動力線２２を接続する接続板３２も平板形状の導体からなるバスバーと見ることができる。以降の説明において、接続板３２を動力線バスバー３２と記す。動力線バスバー３２の一端は、コイル導線１６と溶接されるバスバー端延部であり、これを図３に符号３０Ｃで示す。

バスバー３２，３６の形状に係る説明をするときに、バスバーの延びる方向を長手方向と記す。また、長手方向に交差する方向であって平板形状の板面に沿う方向を幅方向、その方向の寸法を幅と記す。さらに、長手方向に交差する方向であって板面を貫く方向を厚さ方向、その寸法を厚さと記す。

図７は、バスバー端延部３０とコイル導線端延部２０の細部の形状を示す図である。図８は、バスバー端延部３０の細部の形状を示す図である。バスバー端延部３０において、長手方向は、図７，８中上下の方向であり、左右の方向が幅方向、奥行きの方向が厚さ方向である。図示されるように、バスバー端延部３０とコイル導線端延部２０は、互いに並列して同じ方向に延び、両者の先端は上方、つまりステータコイル１８から離れる向きを向いている。また、コイル導線端延部２０は、バスバー３６の幅の広い側面４２に隣接するように配置されている。コイル導線１６は、長方形断面のいわゆる平角線であり、長方形の長辺がバスバー３６の幅広い側面４２に対向するように配置されている。

バスバー３６の幅は、コイル導線１６の幅より大きい。バスバー端延部３０の先端には、幅方向において先細形状のテーパ部４４が設けられている。テーパ形状を形成する斜面４６は、両側に形成され、好ましくは対称に形成されている。テーパ形状の寸法は、図８に示す幅方向の寸法ａに対して、長手方向の寸法ｂが長くされている。また、長手方向寸法ｂは、部材のエッジやバリを取るために作られる面取りの長さよりも長い。幅寸法が数ミリメートルのバスバーであれば、通常のエッジ取りのための面取りの寸法は、１ミリメートル未満であるので、テーパ形状の長手方向寸法ｂは、これ以上の寸法を有する。

コイル導線１６は、一定の断面形状を有しており、コイル導線端延部２０においては、被覆５２が除かれ、導体が露出している。バスバー３６の先端面４８の幅、つまりテーパ部４４の先端の幅は、テーパ形状があってもなおコイル導線１６の先端面５０の幅より大きい。ステータコイル１８のコイルエンド部分から延びるコイル導線１６の位置は、製作過程において、高い精度で定めることができず、若干のずれが生じる。このずれを許容するため、バスバーの先端面４８がコイル導線の先端面５０より幅広となっている。

図７は、相コイルバスバー３６U ，３６V ，３６W および中性点バスバー３６N の両端部のバスバー端延部３０を例示しているが、中性点バスバー３６N の中間のバスバー端延部３０N2も同様のテーパ形状が設けられている（図３参照）。さらに、３つの動力線バスバー３２のバスバー端延部３０C についても同様のテーパ形状が設けられている（図３参照）。なお、図２においては、バスバー端延部３０のテーパ形状は省略されている。

図９および図１０は、テーパ部４４の有無による溶接部分の形状の差を示す図である。図９はテーパ部４４を有さないバスバー５４を用いた場合を示す図であり、図１０はこの実施形態のテーパ部４４を有するバスバー３６を用いた場合を示す図である。溶接は、コイル導線１６とバスバー５４の溶接される端が上方に向いた状態で、上方から加熱が行われる。テーパ部を有していないバスバー５４の頂面は幅が広い。このため、溶けた材料は、表面張力により、バスバー５４の頂面に留まり、溶けた材料が固化した溶接玉５６は、バスバー５４およびコイル導線１６の先端面の極近傍にのみ形成される。

一方、図１０に示すテーパ部４４を有するバスバー３６を用いた場合、バスバーの先端面４８が狭いため、溶接熱が深い位置、つまりバスバーの先端面４８から、バスバーの長手方向に離れた位置まで伝わり、バスバー３６が溶かされる領域が深くなる。さらに、溶けた材料がテーパ部４４の斜面４６に沿って下方にも流れ、より深い位置まで溶接玉５８が形成される。また、下方に流れた材料により形成された溶接玉５８は、図１１に示すように、コイル導線端延部２０とバスバー端延部３０の幅の違いによりできた段差部分５９にも形成され、コイル導線１６とバスバー３６を確実に結合する。これらの作用により、コイル導線とバスバーに、より広い領域に溶接部分を形成することができ、結合を強固にすることができる。

図１２は、テーパ部を有していないバスバー５４とコイル導線１６が幅方向にずれた状態で溶接された例を示す図である。コイル導線１６がずれていると、バスバー５４の幅の広い側面６０が偏って露出し、表面張力により溶けた材料が大きく露出した側に流れる。このため、溶接玉６２が偏り、反対側の側面６４に溶接領域が形成されなくなる。これに対し、テーパ部４４を設けることにより、溶けた材料が斜面４６を伝って流れるので、前記のずれが生じた場合においても、溶接玉つまり溶接領域が偏ることを抑制できる。

１０ ステータ、１６ コイル導線、２０ コイル導線端延部、２２ 動力線、２６ バスバーモジュール、３０ バスバー端延部、３２ 接続板（動力線バスバー）、３６ バスバー、４４ テーパ部、４６ 斜面、４８ バスバー先端面、５０ コイル導線先端面。

Claims (9)

1. 回転電機のステータであって、
   ステータコアに装着される複数のコイル導線と、
   少なくとも１本の前記コイル導線と接続され、前記コイル導線より幅の広い平板部材からなる少なくとも一つのバスバーと、
   を有し、
   前記バスバーの少なくとも一つの端部と前記コイル導線の少なくとも一つの端部とはそれぞれ、互いに並列して延びるバスバー端延部とコイル導線端延部を有し、
   前記コイル導線端延部は、平板部材からなる前記バスバーの幅の広い側面に隣接するよう配置され、
   前記バスバー端延部の先端は、幅方向に関してテーパ形状となっており、
   前記コイル導線端延部と前記バスバー端延部の端同士が溶接される、
   回転電機のステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のステータであって、前記バスバー端延部の先端の幅は、コイル導線の先端の幅より大きい、回転電機のステータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機のステータであって、前記コイル導線の断面が長方形であり、長方形の長辺が前記バスバーに対向する、回転電機のステータ。
4. 請求項３に記載の回転電機のステータであって、
   前記バスバーは、回転電機の相ごとにコイル導線同士を接続してステータコイルをそれぞれ形成する、相ごとに少なくとも一つの相コイルバスバーを含み、
   前記相コイルバスバーが絶縁材料によりモールド成形されて一体化されたバスバーモジュールを含む、
   回転電機のステータ。
5. 請求項４に記載の回転電機のステータであって、
   前記バスバーは、更に、３相の前記ステータコイルそれぞれの一端同士を接続して中性点を形成する１本の中性点バスバーとを含み、
   前記バスバーモジュールは、前記中性点バスバーもモールド成形により一体化している、
   回転電機のステータ。
6. 請求項４または５に記載の回転電機のステータであって、
   前記バスバーは、さらに、一端にコイル導線が接続され、他端に動力線が接続される動力線バスバーを含み、
   前記バスバーモジュールは動力線バスバーもモールド成形により一体化している、
   回転電機のステータ。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、前記バスバーモジュールが、回転電機の回転軸線方向において、前記ステータコイルに隣接して配置される、
   回転電機のステータ。
8. 請求項７に記載の回転電機のステータであって、前記コイル導線端延部と前記バスバー端延部は、回転電機の回転軸線方向に沿って前記ステータコアから離れる向きに延びている、回転電機のステータ。
9. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、前記バスバーは、一つの端部に前記バスバー端延部が設けられ、このバスバー端延部にコイル導線が接続され、他端に動力線が接続される、
   回転電機のステータ。
   

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