JP5401225B2

JP5401225B2 - 回転電機

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Publication number: JP5401225B2
Application number: JP2009211664A
Authority: JP
Inventors: 健一中山; 洋一澤幡; 友彰貝森; 知弘安達; 光明美留町; 安嶋　　耕
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: JP2011062040A

Description

本発明は、固定子巻線としてセグメント導体を利用した回転電機（セグメント型回転電機）に関する。

セグメント型回転電機は、内周側に開口する多数のスロットを備えた固定子コアを有しており、スロットの各々に複数の略Ｕ字形状のセグメント導体が挿入されている。高電圧の回転電機においてコイル間のコロナ放電を防止する構造として、例えば、特許文献１に記載されている構造が知られている。特許文献1に記載されている回転電機では、コイルエンド部のコイル外周面に粉体塗装を施したり、熱収縮チューブやコイル間に絶縁紙を挿入する構造などが提案されている。

特開２００４−６４９８９号

特許文献１の回転電機は、コイルエンド部のコイル外周面に多数本存在する略Ｕ字形状セグメント導体それぞれの全面に絶縁粉体塗装を施すため、作業効率が悪く、生産性が低いという問題があった。

本発明に係る回転電機は、固定子コアのスロットに捲回された固定子巻線を有する固定子と、前記固定子に対して回転する回転子とを備える回転電機において、前記固定子巻線は、前記固定子コアの一端面側から前記スロットに略Ｕ字形状の複数本のセグメント導体を差し込み、前記固定子コアの前記一端面側と他端面側でコイルエンドを形成するようにして、前記セグメント導体の前記他端面側の接合端部を互いに溶接することによって捲回される各相ごとの巻線主要部と、前記固定子コアの前記一端面側から各相ごとに前記スロットの一つに差し込まれ、前記固定子コアの前記他端面側において各相ごとの前記巻線主要部の巻き初め端にそれぞれが接続され、前記固定子コアの前記一端面側において各相の入出力端子がそれぞれ接続される各相ごとの入出力用コイル導体とを有し、各相ごとの前記入出力用コイル導体のうち、前記固定子コアの前記一端面側のコイルエンドにおけるコイル導体に絶縁被覆を設け、前記固定子巻線はさらに中性点結線用導体を備え、前記中性点結線用導体は、前記固定子コアの前記一端面側から各相ごとに前記スロットの一つに差し込まれ、前記固定子コアの前記他端面側において各相の前記巻線主要部の巻き終わり端にそれぞれが接続され、前記固定子コアの前記一端面側において各相の中性点が結線され、各相ごとの前記中性点結線用導体のうち、前記固定子コアの前記一端面側のコイルエンドにおける導体にも絶縁被覆を設け、前記絶縁被覆は、前記入出力用コイル導体および前記中性点結線用導体がそれぞれ異相のセグメント導体との間で発生するおそれのあるコロナ放電を防止する厚みを有する絶縁部材で形成されており、前記中性点結線用導体は、前記コイルエンドの軸方向端面に沿って延びつつ各相の３本ずつのラインが端部で結線されていることを特徴とする。

本発明によれば、コイルエンドで異相間コロナ放電が発生する可能性があるコイル導体にのみ絶縁被覆を施すようにしたので、絶縁処理工数や絶縁材料を減少することができる。

本発明による回転電機の第１の実施の形態の全体構成を示す断面図。図１の回転電機の固定子の構成を示す斜視図。図１の回転電機の１相巻線分の斜視図。図１の回転電機の固定子構造の一部詳細斜視図。図１の回転電機を搭載する車両の構成を示すブロック図。本発明による回転電機の第２の実施の形態図の固定子構造の一部詳細斜視図。

以下、本発明による回転電機の実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
本発明による回転電機はハイブリッド自動車や電気自動車に用いて好適である。図５に示すように、ハイブリッド型自動車においては、例えば、エンジンＥＮＧに変速機ＴＭを介して前輪ＦＷ、ＦＷを連結し、エンジンＥＮＧおよび後輪ＲＷ、ＲＷに、それぞれモータ（回転電機）１００、１００’を連結する。エンジンＥＮＧと回転電機１００が発生する駆動力は、変速機ＴＭにより変速され、前輪側駆動輪ＦＷに駆動力が伝えられる。また、後輪の駆動においては、後輪側に配置された回転電機１００’と後輪側駆動輪ＲＷが機械的に接続され、駆動力が伝達される。

回転電機１００は、エンジンＥＮＧの始動を行い、また、車両の走行状態に応じて、駆動力を発生する力行と、車両減速時のエネルギーを回生エネルギーとして回収する。回転電機１００の駆動，発電動作は、車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置ＰＣにより制御される。回転電機１００の駆動に必要な電力は、電力変換装置（インバータ）ＰＣを介してバッテリＢＡから供給される。また、回転電機１００が発電動作のときは、電力変換装置ＰＣを介してバッテリＢＡに電気エネルギーが充電される。

ここで、前輪側の駆動力源である回転電機１００は、エンジンＥＮＧと変速機ＴＭの間に配置されており（図５）、もしくは変速機ＴＭの中に搭載される。なお、後輪側の駆動力源である回転電機１００’としては、同様のものを用いることもできるし、他の一般的な構成の回転電機を用いることもできる。

図１に示すように、回転電機１００の周囲は、ケース１３０に囲まれる。ここで、回転電機１００はエンジンと変速機の間に配置される場合、ケース１３０はエンジンのケースや変速機のケースによって構成される。また、回転電機１００が変速機の中に搭載される場合には、ケース１３０は、変速機のケースによって構成される。

回転電機１００は、永久磁石内蔵型の三相同期モータであり、小型高出力が要求される。回転電機１００は、固定子巻線４０（図２〜図４）に三相交流電流が供給されることで、電動機として作動し、回転電機１００がエンジンによって駆動されると、発電機として作動し、三相交流の発電電力を出力する。
発電機として作動する場合、固定子巻線４０から出力する電流は、電動機として作動する場合に比べて小さい（例えば１００Ａ）。回転電機１００は、永久磁石内蔵型の三相同期モータであり、小型高出力が要求される。

回転電機１００は、回転子１０と、固定子２０と、ハウジング５０とを有し、回転子１０は、永久磁石１８を内蔵し、円筒状の固定子２０の内周側に、隙間を介して配置されている。回転子１０は、シャフト１２に固定され、シャフト１２の両端部は、軸受け１４Ａ、１４Ｂにより回転自在に支承されている。固定子２０の外周は、ハウジング５０の内周に固定され、ハウジング５０の外周はケース１３０の内周に固定される。

回転電機１００は、絶縁油等の冷媒ＲＦによって冷却される。そのため、ケース１３０の底部には、冷媒ＲＦの溜まり部２１が形成され、固定子２０の下部は、溜まり部２１に溜まった冷媒ＲＦに浸されている。溜まり部２１に溜まった冷媒ＲＦは、ポンプ（図示省略）によって吸引され、冷媒通路１５３を経由して、ケース１３０の上部に形成された冷媒出口１５４Ａ、１５４Ｂから吐出される。

冷媒出口１５４Ａ、１５４Ｂは、固定子２０の固定子巻線のコイルエンド部６０の上部において、固定子２０の周方向に数箇所設けられている。冷媒出口１５４Ａ、１５４Ｂから吐出した冷媒ＲＦは、固定子巻線４０の両端のコイルエンド部６０に直接吹きかけられる。

図２、図４に示すように、回転電機１００における固定子２０の固定子コア１６には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の固定子巻線４０が分布巻きで捲回されている。固定子コア１６の内周には、その中心軸に平行に延在する例えば７２個のスロット２２が、周方向に等間隔に形成され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の固定子巻線４０は、絶縁紙（スロットライナー）２４で絶縁されつつスロット２２内に挿入されている。スロットライナー２４は、固定子巻線４０と固定子コア１６とが接近して短絡することを防止するため、固定子巻線４０を包み込むように配置されている。

なお、図２に示す回転電機１００は例えば三相交流を二系統備えた２Ｙモータであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各固定子巻線主要部は計６個設けられている。したがって、固定子巻線４０からは、二系統の入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗが各相２系統の６つのコイル巻き初め端部から６本、および各相２系統の６つのコイル巻き終わり端部から中性点結線用導体４１が６本引き出されている。なお、各相の中性点結線用導体４１である３本の導体はコイルエンド部６０で結線されている。

固定子コア１６は、例えば厚さ０．０５〜１ｍｍ程度の電磁鋼板を打ち抜き加工またはエッチング加工して固定子コア用積層板（図示省略）を成形し、固定子コア用積層板を積層して構成される。固定子コア用積層板の内周側には、その成形時に、周方向に等間隔の位置に、放射状の凹部と凸部とが形成され、固定子コア用積層板の積層時に、凹部を連続的に配置することによってスロット２２が形成される。各スロット２２の間の位置に、凸部を連続的に配置することによりティース２３が形成されている。

次に、図３を参照して、固定子巻線４０について説明する。本実施の形態では三相の固定子巻線が設けられているが、同図では、理解を容易にするために、一相の一系統のみの固定子巻線４０を示し、固定子コア１６やスロットライナー２４を省略して表示している。

固定子巻線４０は、一相ずつ、略Ｕ字形状のセグメント導体２８を、中央部２８Ｃを一方のコイルエンド部６０に配置し、セグメント導体２８の両端部２８Ｅ、２８Ｅを他方のコイルエンド部６０において順次溶接することによって形成され、全体で６系統の巻線が固定子コア１６に密着して装着されている。セグメント導体２８としては、例えば、断面形状が略四角形状で外周が絶縁被膜で覆われた断面が長方形形状の平角線が使用される。平角線は、各スロット内でセグメント導体の長方形断面が固定子コア１６の周方向について長く、固定子コア１６の径方向について短くなるように捲回される。

固定子巻線４０の構成についてさらに詳細に説明する。
まず、矩形形状断面を有する平角線を略Ｕ字形状になるように予め成形したセグメント導体２８を、固定子コア１６に設けられた複数のスロット２２の径方向に複数本積層するように挿入する。略Ｕ字形状の複数本のセグメント導体を隣り合うスロットではなく、所定数のスロットおきに挿入する。その後、セグメント導体２８の端部（反Ｕ字側端部）を交互に折り曲げ、隣り合うセグメント導体２８の端部２８Ｅ同士を、絶縁皮膜を一部除去して、交互に折り曲げつつ溶接することによって、順次接続する。

以下、固定子巻線４０における、セグメント導体２８の連続によって各相ごとに構成された部分を「固定子巻線主要部」と呼ぶ。

図２〜図４に示すように、固定子巻線４０における一方のコイルエンド部６０には、ＵＶＷ三相それぞれの固定子巻線４０の入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗおよび中性点結線用導体４１が引き出されている。すなわち、固定子巻線４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各固定子巻線主要部のそれぞれに、入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗおよび中性点結線用導体４１を接続して構成されている。

以下、入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗおよび中性点結線用導体４１を総称して、「固定子巻線引き出し部」と呼ぶ。固定子巻線引き出し部は、セグメント導体２８の一端部２８Ｅに接続されつつ、１個のスロット２２に挿入されて、固定子コア１６の軸方向に延び、さらにスロット２２の端部で固定子コア１６の端面１６Ｆに沿って折曲されている。

セグメント導体２８の端部２８Ｅは絶縁皮膜が一部除去されているが、ケース１３０側面と適正な距離を保って配列され、充分な絶縁耐圧が保証されている。

固定子巻線引き出し部は、固定子コア１６のスロット２２の端部、すなわちコイルエンド部６０側で折曲された後、固定子コア１６のコイルエンド側端面１６Ｆに沿って、固定子コア１６の径方向に対して傾斜した方向に、斜行部（端面延在部）６１として延びている。斜行部６１は、固定子巻線主要部に対して回転軸方向外側で重なるようにして、端面１６Ｆに沿って延びている。なお、端面延在部６１を固定子コア１６の径方向に延在させることも可能である。

入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗは斜行部６１から、さらに、端面１６Ｆに略直交する軸方向に立ち上げられ、端部に電力入出端子が設けられている。入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗは電力入出力端子を介して電力変換装置ＰＣと接続される。一方、中性点結線用導体４１は、端面１６Ｆに沿って延びつつ各相の３本ずつのラインが端部で結線される。

斜行部６１は、固定子巻線引き出し部の各相の導体同士が比較的近接し、固定子巻線主要部の各相のセグメント導体に絶縁空隙をもって重なっているため、異相の導体相互間との間で充分な絶縁耐圧が必要である。さらに固定子巻線引き出し部は固定子巻線主要部よりもケース１３０の内面に近接して配置されるため、ケース１３０の内面に対して充分な絶縁耐圧が必要である。そこで、固定子巻線４０の固定子巻線引き出し部と繋がる斜行部６１については、絶縁粉体塗装膜６２を施し、斜行部６１で充分な絶縁耐圧を保証している。

絶縁粉体塗装膜６２は、たとえばエポキシ樹脂の膜であり、絶縁粉体塗装膜６２は静電粉体塗装法や流動浸漬塗装法などの方法により塗装される。絶縁粉体塗装膜は、コイルエンド部６０で隣り合うコイル導体間の距離（空隙）Ｃ/2とほぼ同じ膜厚に塗装される。膜厚は、例えば、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。これによって、斜行部６１におけるコイル導体間の空隙（間隙）が埋められ、斜行部６１における固定子巻線引き出し部のコイル導体が確実に支持される。

すなわち、固定子巻線引き出し部は各相ごとに1つのスロットに挿入されたコイル導体であり、コイルエンド部６０では片持ち状態で引き回されるのでコイル導体の支持が不安定となることがある。本実施形態のように、固定子巻線引き出し部のコイルエンド部６０の斜行部６１におけるコイル導体に絶縁粉体塗膜を形成すれば、コイルエンド部６０側で隣接するコイル導体が安定して支持される。

なお、近年のハイブリッド自動車や電気自動車用の回転電機では、１００Ｖを越える高電圧、あるいは４００Ｖ〜６００Ｖの高電圧で使用されるので、絶縁粉体塗装膜は、上記空隙Ｃで規定することなく、絶縁耐圧を保証する厚さにする。

固定子巻線主要部であるコイル導体は、スロット２２によって相互に適正な間隔をもって配列されるとともに、スロットライナー２４によって絶縁され、さらにケース１３０と充分な距離が確保されているので、絶縁耐圧は充分である。

以上のとおり、本実施形態の回転電機によれば、次のような作用効果を奏することができる。
（１）コイルエンド部６０の固定子巻線引き出し部を絶縁粉体塗装膜６２によって絶縁することによって、固定子巻線主要部のコイルエンド部６０の全てのコイル導体表面に塗装する従来例に比較し、塗装面積、塗装工数は大幅に低減され、製造原価を低廉化することができる。
例えば、セグメント導体２８が１３２本、固定子巻線引き出し部のライン数（コイル導体数）が１２本とすれば、塗装部品点数は約９％に減少する。
（２）従来例に比較して、塗膜形成範囲がわずかであるため、固定子巻線４０のコイルエンド部６０を軸方向にコンパクトに圧縮することができ、回転電機１００を小型化することができる。

（３）固定子巻線引き出し部の各コイル導体は、１個のスロット２２によって支持されているが、斜行部６１におけるコイル導体の間隙が絶縁粉体塗装膜６２によって埋められているので、斜行部６１が異相のコイル導体に当接して支持され、固定子巻線引き出し部は強固に支持される。これによって、固定子巻線４０の剛性が高くなり、回転電機１００の振動が抑制され、振動に起因した短絡事故を防止することができる。なお、従来例の固定子巻線引き出し部の各コイル導体は片持支持であり、固定子巻線主要部に比較して支持状態が不安定であった。

（４）絶縁粉体塗装膜６２で固定子巻線引き出し部のコイル導体の空隙を埋めることによって、コイルエンド部６０が平面状となり、固定子２０の製品形状は安定したものとなる。

［第２の実施の形態］
次に、図６を参照して、本発明による回転電機の第２の実施の形態について説明する。なお、図中第１の実施の形態と同一若しくは相当部分には同一符号を付し説明を省略する。

第２の実施の形態は、第１の実施の形態における絶縁粉体塗装膜６２に替えて、絶縁チューブを採用したものである。

図６に示すように、固定子巻線引き出し部の斜行部６１におけるコイル導体は、絶縁チューブ６３によって被覆され、第１の実施の形態と同様、充分な絶縁耐圧が保証されている。絶縁チューブは熱収縮チューブであり、被覆後に加熱することによって所定厚さに収縮し、斜行部６１におけるコイル導体を密着被覆する。

斜行部６１に対する絶縁チューブ６３の装着に際しては、絶縁チューブ６３をコイル導体に嵌装した状態でスロット２２に挿入した後、絶縁チューブ６３を加熱する。熱収縮後の絶縁チューブ６３の厚さは、空隙Ｃに略等しく設定され、空隙Ｃを埋めて、固定子２０の端面を平面状としつつ斜行部６１を支持する。

これによって第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
なお、固定子巻線引き出し部に対する絶縁処理のための絶縁被覆は、絶縁粉体塗装膜６２、絶縁チューブ６３に限定されるものでなく、粘着絶縁シート等、コイル導体を被覆し得る任意の絶縁材料を使用することができる。

以上説明した実施形態は一例であり、本発明は種々の形態で実施することができる。すなわち、本発明の回転電機は、固定子コアのスロットに捲回された固定子巻線を有する固定子と、その固定子に対して回転する回転子とを備え、以下の構成（１）〜（３）を少なくとも備えることを特徴とするものであり、この範囲内であればどのような形態で回転電機を構成してもよい。

（１）固定子巻線は、固定子コア１６の一端面側からスロット２２に略Ｕ字形状の複数本のセグメント導体２８を差し込み、固定子コア１６の一端面側と他端面側でコイルエンドを形成するようにして、セグメント導体２８の他端面側の接合端部２８Ｅを互いに溶接することによって捲回される各相ごとの巻線主要部を有する。
（２）固定子巻線はまた、固定子コア１６の一端面側から各相ごとにスロット２２の一つに差し込まれ、固定子コア１６の他端面側において各相の巻線主要部の巻き初め端にそれぞれが接続され、固定子コア１６の一端面側において各相の入出力端子がそれぞれ接続される各相ごとの入出力用コイル導体４２Ｕ〜４２Ｗを有する。
（３）各相ごとの入出力用コイル導体４２Ｕ〜４２Ｗのうち、固定子コア１６の一端面側のコイルエンド６０のコイル導体にのみ絶縁被覆を設ける。

したがって、実施形態では、入出力用コイル導体と中性点結線用コイル導体の双方に絶縁被覆を施したが、本発明は、中性点結線用コイル導体が異相のコイル導体とコロナ放電を起こさないように配設された回転電機にも適用できる。この回転電機では、入出力用コイル導体にのみ絶縁被覆を施せばよい。さらに、中性点結線用コイル導体を備えない回転電機にも本発明が適用でき、この回転電機は、入出力用コイル導体が隣接する異相のコイル導体とコロナ放電を起こす構造であり、入出力用コイル導体に絶縁被覆が設けられる。

また上記実施形態の回転電機では、三相交流電力系統を２個有し、それらを２Ｙ結線した。本発明は、Δ結線の回転電機、あるいは三相交流電力系統を１個有する回転電機にも適用される。また本発明は、二相以上の交流回転電機に適用され、さらに、自動車用回転電機に限定されるものでもない。

Ｃ空隙
１６固定子コア
２０固定子
２２スロット
２８セグメント導体
４０固定子巻線
４１中性点結線用コイル導体
４２入出力用コイル導体
６１斜行部
６２絶縁粉体塗装膜
６３絶縁チューブ
１００回転電機

Claims

固定子コアのスロットに捲回された固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子に対して回転する回転子とを備える回転電機において、
前記固定子巻線は、
前記固定子コアの一端面側から前記スロットに略Ｕ字形状の複数本のセグメント導体を差し込み、前記固定子コアの前記一端面側と他端面側でコイルエンドを形成するようにして、前記セグメント導体の前記他端面側の接合端部を互いに溶接することによって捲回される各相ごとの巻線主要部と、
前記固定子コアの前記一端面側から各相ごとに前記スロットの一つに差し込まれ、前記固定子コアの前記他端面側において各相ごとの前記巻線主要部の巻き初め端にそれぞれが接続され、前記固定子コアの前記一端面側において各相の入出力端子がそれぞれ接続される各相ごとの入出力用コイル導体とを有し、
各相ごとの前記入出力用コイル導体のうち、前記固定子コアの前記一端面側のコイルエンドにおけるコイル導体に絶縁被覆を設け、
前記固定子巻線はさらに中性点結線用導体を備え、
前記中性点結線用導体は、前記固定子コアの前記一端面側から各相ごとに前記スロットの一つに差し込まれ、前記固定子コアの前記他端面側において各相の前記巻線主要部の巻き終わり端にそれぞれが接続され、前記固定子コアの前記一端面側において各相の中性点が結線され、
各相ごとの前記中性点結線用導体のうち、前記固定子コアの前記一端面側のコイルエンドにおける導体にも絶縁被覆を設け、
前記絶縁被覆は、前記入出力用コイル導体および前記中性点結線用導体がそれぞれ異相のセグメント導体との間で発生するおそれのあるコロナ放電を防止する厚みを有する絶縁部材で形成されており、
前記中性点結線用導体は、前記コイルエンドの軸方向端面に沿って延びつつ各相の３本ずつのラインが端部で結線されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記入出力用コイル導体と前記中性点結線用導体は、前記固定子コアの前記一端面側のコイルエンドにおいて異相のセグメント導体を横切るように斜行する斜行部を有し、
前記絶縁被覆は前記入出力用コイル導体および前記中性点結線用導体の前記斜行部に設けられ、前記斜行部においてそれぞれ異相のセグメント導体との間で発生するおそれのあるコロナ放電を防止することを特徴とする回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機において、
前記絶縁被覆は、前記入出力用コイル導体および前記中性点結線用導体の表面に絶縁粉体を塗装した絶縁粉体塗装被覆であることを特徴とする回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機において、
前記絶縁被覆は、前記入出力用コイル導体および前記中性点結線用導体の表面を覆うように設けられた絶縁性チューブであることを特徴とする回転電機。
請求項４に記載の回転電機において、
絶縁性チューブは熱収縮チューブであることを特徴とする回転電機。
請求項２から５のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記各相はＵＶＷの三相であり、
前記入出力用コイル導体および前記中性点結線用導体はそれぞれ３本のコイル導体であり、前記斜行部は隣接するセグメント導体と前記絶縁被覆を介して接触していることを特徴とする回転電機。