JP5510709B2

JP5510709B2 - 回転電機の固定子

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Publication number: JP5510709B2
Application number: JP2010011686A
Authority: JP
Inventors: 翔長谷川; 啓吾森口; 洋明武田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: US20110181143A1; CN102136772B; US8344573B2; CN102136772A; JP2011151975A; DE102011000222A1

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される車両用交流発電機や、モータジェネレータ等の回転電機の固定子に関する。

従来、回転電機の固定子は、特許文献１に記載の車両用交流発電機のように、回転子と対向配置された固定子鉄心及び固定子鉄心に装備された固定子巻線を備える。この固定子巻線が、固定子鉄心のスロットに収容される内部導体と、スロットから回転子の回転軸の軸方向に露出するコイルエンドとを持つ複数の導体セグメントを、少なくとも一方の軸方向のコイルエンドにて所定のもの同士を溶接することによって、エッジの無い雫状の玉形状に接合された接合部を有し、この接合部が円環状に離間して配置され、当該接合部が絶縁性の樹脂被膜により被覆されて構成されている。この絶縁被膜によって接合部間の絶縁や、接合部と周辺フレーム間の絶縁が成されている。

特開平１１−３４１７３０号公報

しかし、上記の特許文献１においては、固定子の高温となる接合部を空冷するために、回転子に取り付けられた冷却ファンによって、接合部の内周側から当該接合部の外側に形成されたフレームの吐出孔に向けて冷却風を通風するようになっている。従って、接合部には強い冷却風が当たる。この冷却風には外気中の様々な粉塵や異物が混入しており、この粉塵や異物が絶縁被膜に衝突した場合、絶縁被膜の表面が損傷することがある。この場合、絶縁被膜は、接合部の雫状で滑らかな表面を被覆しているので、更なる冷却風、粉塵や異物の衝突によって、その損傷部分から剥がれる。これによって導電体である接合部が露出するので、接合部間や、接合部と周辺フレーム間で絶縁不良が生じるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、固定子の複数の導体セグメントの端部である接合部を絶縁被膜で被覆し、この絶縁被膜が冷却用の空気流や当該空気流に混入する粉塵の衝突により剥がれないようにすることができる回転電機の固定子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、固定子鉄心及び固定子鉄心に装備された固定子巻線を備え、この固定子巻線は、固定子鉄心のスロットに収容される内部導体と、スロットから前記回転子の回転軸の軸方向に露出するコイルエンドとを持つ複数の導体の端部にて溶接することによって接続された接合部を有し、当該接合部が絶縁性の樹脂部材により被覆される回転電機の固定子において、前記接合部は、前記導体の表面に凹凸を有し、前記凹凸は、前記樹脂部材で被覆されていて、前記導体セグメントに酸素濃度の高い酸化銅を用いて当該導体セグメントの端部を溶接することにより形成されるブローホールによるものであることを特徴とする。

この構成によれば、接合部の表面に凹凸を備え、これを絶縁被膜で被覆するようにしたので、従来の接合部のように表面に凹凸が無い場合と比べ、絶縁被膜の接着面積が広くなると共に、絶縁被膜が凹部に入って固まる楔状となる楔効果を有する。このため、本発明の接合部では、従来の接合部に比べ、絶縁被膜がより強い接着力を有することになる。従って、冷却ファンによる粉塵や異物が混入した冷却風で接合部の絶縁被膜の表面が損傷した場合でも、より強い接着力によって絶縁被膜がその損傷部分から剥がれることを防止することが出来る。これによって導電体である接合部の露出を防止することができるので、接合部間や、接合部と周辺フレーム間での絶縁を保持することが出来る。

また、導体セグメントに酸素濃度の高い酸化銅を用いて、その端部を溶接すれば、この溶接による接合部の表面に多くのブローホールによる凹凸が形成されるので、容易に凹凸を形成することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機としての車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図である。固定子の部分的な断面図である。固定子の部分的な外観図である。（ａ）は導体セグメントの接合前の端部を示す斜視図、（ｂ）は従来の導体セグメントの接合部の斜視図、（ｃ）は凹凸Ｕ１を有する導体セグメントの接合部の斜視図、（ｄ）は凹凸Ｕ２を有する導体セグメントの接合部の斜視図、（ｅ）は溝Ｕ３を有する導体セグメントの接合部の斜視図、（ｆ）は凹凸Ｕ４を有する導体セグメントの接合部の斜視図である。固定子の両端面のコイルエンドの詳細を示す斜視図である。各スロットに４本の導体セグメントが挿入された固定子の部分的な断面図である。各スロットに４本の導体セグメントが挿入された固定子の部分的な斜視図である。折り返しのない導体セグメントの形状を示す斜視図である。図９に示した導体セグメントを用いて構成した固定子の部分的な外観図である。他の導体セグメントを示す斜視図である。図１１に示した導体セグメントを用いて構成した固定子の部分的な外観図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機としての車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、整流器５等を含んで構成されている。固定子２は、固定子鉄心３２と、固定子巻線を構成する複数の電気導体としての導体セグメント３３と、固定子鉄心３２と導体セグメント３３との間を電気絶縁するインシュレータ３４とを備えている。固定子鉄心３２は、薄い鋼板を重ね合わせて形成されており、その内周面には多数のスロットが形成されている。また、この固定子鉄心３２から露出している導体セグメント３３によって固定子巻線のコイルエンド３１が形成されている。固定子２の詳細構造については後述する。

回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心円状に巻き回した界磁コイル８を、それぞれが複数個の爪部を有するポールコア７によって、シャフト６を通して両側から挟み込んだ構成を有している。また、フロント側のポールコア７の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向及び径方向に吐き出すために軸流式の冷却ファン１１が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア７の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン１２が溶接等によって取り付けられている。

フレーム４は、固定子２及び回転子３を収容しており、回転子３がシャフト６を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア７の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム４は、固定子２のコイルエンド３１に対向した部分に冷却風の吐出孔４２が、軸方向端面に吸入孔４１がそれぞれ設けられている。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ２０にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁コイル８に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア７のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線に３相交流電圧を発生させることができ、整流器５の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。

次に、固定子２の詳細について説明する。図２は、固定子巻線を構成する導体セグメント３３の斜視図であり、固定子鉄心３２に組み付ける前の状態が示されている。また、図３は固定子２の部分的な断面図である。図４は、固定子２の部分的な外観図である。図５は、固定子巻線を構成する導体セグメントの接合部の詳細形状を示す斜視図である。図６は、固定子２の両端面のコイルエンド３１の詳細を示す斜視図である。

図２に示すように、導体セグメン３３は、棒状あるいは板状の金属材料（例えば銅）をターン部３３ｃで折り曲げたほぼＵ字状に形成されており、ターン部３３ｃよりスロット３５の内周側に配置される内層側導体部３３ａと、ターン部３３ｃよりスロット３５の外周側に配置される外層側導体部３３ｂとを含んで構成される。また、これらの内層側導体部３３ａと外層側導体部３３ｂのそれぞれは、固定子２のスロット３５内に収容される直線部としての内部導体と、スロット３５の外部に露出する外部導体とによって構成されている。

固定子２の固定子巻線は、固定子鉄心３２の各スロット３５に２本の導体セグメント３３を挿入し、異なるスロット３５に挿入された導体セグメント３３の端部３３ｄ同士を互いに結線することにより構成されている。図３に示すように、この導体セグメント３３の内層側導体部３３ａ及び外層側導体部３３ｂのそれぞれの断面形状は、周方向よりも径方向に長い長方形を有しており、この長方形の長辺が径方向に沿って配置されている。

また、図４に示すように、固定子巻線を構成する各導体セグメント３３は、固定子鉄心３２の軸方向側面の一方にターン部３３ｃが、他方にターン部３３ｃと反対側の端部３３ｄが配置されている。また、固定子２の一方のコイルエンド３１を構成する導体セグメント３３の斜行部３３ｅは、外層と内層とで逆方向に傾斜しており、各層内では同一方向に傾斜している。

また、各導体セグメント３３の端部３３ｄ同士の結線は、例えばＴＩＧ（ｔｕｎｇｓｔｅｎｉｎｅｒｔ−ｇａｓ）溶接による接合によって行うことが好ましい。一般に、ＴＩＧ溶接は、不活性ガス気中でタングステン電極と母材の間にアークを発生させ、このアーク熱を利用して母材と溶加材を溶融させて溶接する方法であり、入熱量と溶加材の添加量を独立に制御できる利点がある。本実施形態では、導体セグメント３３の端部３３ｄ同士の溶接をＴＩＧ溶接によって行うことにより、端部３３ｄ近傍のみを局所的に溶融して接合部３３ｆが形成されている。

この接合部３３ｆは、図５（ａ）に示すように、隣接する導体セグメント３３の端部３３ｄ同士を接触させた状態で隣接配置した後に、この隣接部にタングステン電極が内包されたノズルを接近させてＴＩＧ溶接することにより形成される。例えば、高い熱伝導率を有する銅によって導体セグメント３３を形成した場合には、溶接時の溶融が端部３３ｄの近傍に広がるため、図５（ｂ）に示すように、接合部３３ｆの全体が表面張力によって丸くなってエッジのない雫状の玉形状となる。

本実施形態では、その接合部３３ｆを図５（ｃ）〜（ｆ）に示すように形成したことに特徴がある。（ｃ）に示す接合部３３ｆ１は、表面に多くのブローホール（気孔）による凹凸Ｕ１を形成したものである。（ｄ）に示す接合部３３ｆ２は、表面に千鳥格子状（網目状）に凹凸Ｕ２を形成したものである。（ｅ）に示す接合部３３ｆ３は、表面に所定間隔で多数の線状の溝Ｕ３を形成したものである。（ｆ）に示す接合部３３ｆ４は、表面に多数の砂粒状に凹凸Ｕ４を形成したものである。これら形成方法は後述する。

次に、固定子巻線の製造工程を次に説明する。図２に示す外層導体部３３ｂと内層導体部３３ａとターン部３３ｃとで構成されたほぼ同一形状のＵ字状の導体セグメント３３を、固定子鉄心３２の軸方向側面の同一側にターン部３３ｃが揃うように重ね、図３に示すように外層側導体部３３ｂがスロット３５の奥側に、内層側導体部３３ａがスロット３５の開口側に位置するように、各導体セグメント３３を固定子２のスロット３５に挿入する。この導体セグメント３３は、銅平板を折り曲げ、プレス等でほぼＵ字型形状に整形することにより製作され、ほぼ平行のスロット側面に外層導体部３３ｂ及び内層導体部３３ａの両側面がインシュレータ３４を介して当接するように圧入される。

次に、図６に示すように、ターン部３３ｃによって形成されるコイルエンド３１とは反対側に位置する先端３３ｄを互いに反対の周方向に折り曲げた後、異層の他の導体セグメント３３の先端３３ｄ同士がＴＩＧ溶接によって接合され、この接合部３３ｆ｛図５（ｂ）参照｝において結線される。このようにして形成された各導体セグメント３３の接合部３３ｆは、固定子鉄心３２からの高さがほぼ同一に形成される。

ここで、接合部３３ｆを、図５（ｃ）〜（ｆ）に示した形状とする方法を説明する。（ｃ）に示す接合部３３ｆ１の表面の凹凸Ｕ１は、導体セグメント３３の端部３３ｄに酸素濃度の高い酸化銅である例えばタフピッチ銅を用いてＴＩＧ溶接を行うことによって形成する。タフピッチ銅を用いた場合、外気中の水分が溶接熱で分解して水素と酸素とに分離し、この内の水素が溶接部分の溶銅の中に巻き込まれると、酸化銅（ＣｕＯ）の酸素（Ｏ）は水素（Ｈ）に結合し易いので酸素と水素が結合して水（Ｈ_２Ｏ）と成り、この水が溶接熱で気化して水蒸気になる。この水蒸気の抜けた後が空洞孔のブローホールとなる。このように多くのブローホールが生成された場合、接合部３３ｆ１の表面に多くのブローホールによる凹凸が形成される。但し、このように多数のブローホールを形成する場合、接合部３３ｆ１の強度が低下するので、接合部３３ｆ１に必要な強度を確保できる状態にブローホール量を制御することが好ましい。たとえば、外周直径100〜150mmの固定子鉄心に接合部３３ｆを円環状に９６箇所持つ固定子においては、凹凸Ｕ１の深さ及び径のサイズは、0.03mm〜0.3mmである。

（ｄ）に示す接合部３３ｆ２の表面の千鳥格子状の凹凸Ｕ２は、千鳥格子状の凹凸を有するローレットで接合部表面に機械的に千鳥格子状に凹凸を転写する。又は、接合部表面を切削又はエッチングして千鳥格子状の凹凸を形成しても良い。たとえば、外周直径100〜150mmの固定子鉄心に接合部３３ｆを円環状に９６箇所持つ固定子においては、凹凸Ｕ２の深さ及び径のサイズは、0.1mm〜0.4mmである。

（ｅ）に示す接合部３３ｆ３の表面の溝Ｕ３は、接合部表面を切削又はエッチングによって形成する。又は多数の溝を有するローレットで接合部表面に機械的に溝を転写してもよい。たとえば、外周直径100〜150mmの固定子鉄心に接合部３３ｆを円環状に９６箇所持つ固定子においては、溝Ｕ３の深さ及び幅のサイズは、0.1〜0.5mmである。

（ｆ）に示す接合部３３ｆ４の表面の砂粒状の凹凸Ｕ４は、ショットブラストによって表面に砥砂（砂粒）を吹き付けて当該表面を砂粒状の凹凸に加工する。たとえば、外周直径100〜150mmの固定子鉄心に接合部３３ｆを円環状に９６箇所持つ固定子においては、凹凸Ｕ４の深さ及び径のサイズは、0.03mm〜0.3mmである。

このように図５（ｃ）〜（ｆ）に示す接合部３３ｆ１〜３３ｆ４の何れかの形状とする。この後、接合部（３３ｆ１〜３３ｆ４の何れか）が下向きになるように固定子２を配置して、例えば液体または粉体の絶縁材槽に、接合部（３３ｆ１〜３３ｆ４の何れか）を浸した後に引き上げ、この絶縁材を乾燥させることにより、接合部（３３ｆ１〜３３ｆ４の何れか）に絶縁被膜を形成する。

本実施形態の回転電機の固定子２は、図５（ｃ）〜（ｆ）に示した接合部３３ｆ１〜３３ｆ４のように、表面に凹凸Ｕ１，Ｕ２，Ｕ４又は溝Ｕ３を形成して絶縁被膜で被覆するようにしたので、図５（ｂ）に示す接合部３３ｆのように表面に凹凸が無い場合と比べ、絶縁被膜の接着面積が広くなると共に、絶縁被膜が凹部に入って固まる楔状となる楔効果を有する。このため、絶縁被膜が接合部３３ｆに比べ、接合部３３ｆ１〜３３ｆ４に対して、より強い接着力を有することになる。

これによって、粉塵や異物が混入した冷却風で接合部３３ｆ１〜３３ｆ４の絶縁被膜の表面が損傷した場合でも、より強い接着力によって絶縁被膜がその損傷部分から剥がれることを防止することが出来る。これによって導電体である接合部３３ｆ１〜３３ｆ４の露出を防止することができるので、接合部間や、接合部と周辺フレーム間での絶縁を保持することが出来る。

また、接合部３３ｆ１の表面の多くの凹凸Ｕ１は、導体セグメント３３に酸素濃度の高い酸化銅を用いて、その端部３３ｄを溶接すれば、この溶接による接合部３３ｆ１の表面に多くのブローホールによる凹凸Ｕ１が形成されるので、容易に凹凸Ｕ１を形成することができる。

また、接合部３３ｆ２の表面の多くの凹凸Ｕ２は、千鳥格子状の凹凸Ｕ２を有するローレットで、接合部３３ｆ２の表面に機械的に千鳥格子状の凹凸Ｕ２を転写すればよいので、容易に凹凸Ｕ２を形成することができる。また、接合部３３ｆ４の表面の多くの凹凸Ｕ４は、その表面にショットブラストによって砂粒を吹き付ければ、当該表面が砂粒状の凹凸Ｕ４に加工されるので、容易に凹凸Ｕ４を形成することができる。

更に、接合部３３ｆ３の表面に、多数の平行な溝Ｕ３を形成した構成も、切削や多くの溝を有するローレットで、表面に機械的に溝Ｕ３を転写すればよいので、容易に溝３を形成することができる。

なお、固定子２においては、ほぼＵ字状の導体セグメント３３を用いることによって、固定子鉄心３２の一方の端面側に導体セグメント３３の全ての端部３３ｄが配置されるため、ＴＩＧ溶接が固定子鉄心３２の一方の端面側において行われ、固定子鉄心３２を反転させる等の工程が不要になるため、工程の簡略化が可能になる。また、ほぼ同一形状の導体セグメント３３を用いているため、各接合部３３ｆの高さがほぼ同一になり、その後に各接合部３３ｆを絶縁処理する際に、絶縁材槽に全ての接合部３３ｆを同時に浸すことが可能になる。このため、絶縁処理の工程を簡略化することができ、部品コストを下げることができる。

また、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で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、１スロット当たりの導体数が２本の場合を説明したが、１スロット当たりの導体数を増やすようにしてもよい。例えば、図７に示すように、固定子鉄心３２に形成された各スロット１３５内に、４本の導体セグメント１３３を、スロット１３５の深さ方向に関してのみ配列して収容するようにしてもよい。

図７では、絶縁皮膜を有する導体セグメント１３３を用い、複数の導体セグメント１３３とスロット１３５の内壁との間にはインシュレータ１３４が介装されている。このような構造においては、図８に示すような接合構造が採用できる。１つのスロット１３５に収容された４本の導体セグメント１３３は、周方向に向けて交互に延び出している。

図８では、手前に図示された最外周が時計回り方向に延びており、最も奥に位置する最内周が反時計回り方向に延びている。そして、各導体セグメント１３３の端部１３３ｄは、所定ピッチ離れた別のスロット１３５から延びる他の導体セグメント１３３の端部１３３ｄと接合されている。図８では、最内周の導体セグメント１３３と第２層の導体セグメント１３３とが接合され、第３層の導体セグメント１３３と最外層の導体セグメント１３３とが接合されている。したがって、複数の接合部１３３ｆは、内周側と外周側に２重の環状に配列され、各接合部１３３ｆが周方向及び径方向の両方に関して互いに離間して配置される。

また、固定子２のスロット３５の数を変更することなく小さな体格の車両用交流発電機１を実現する場合にも各接合部同士が接近するため、各接合部をＴＩＧ溶接によって形成することにより、エッジのない玉形状とすることは、各接合部間の絶縁状態を良好に保つ上で有効な手段であるといえる。また、上述した実施形態では、固定子鉄心３２の一方の側面側にターン部３３ｃを有するほぼＵ字状の導体セグメント３３を用いたが、このターン部３３ｃで分離した折り返しのない導体１０セグメントを用い、この導体セグメントの両端部を接合するようにしてもよい。

図９は、折り返しのない導体セグメントの形状を示す斜視図である。同図に示す導体セグメント２３３は、固定子鉄心３２のスロット３５内に挿入される直線部である内部導体２３３ｈと、この内部導体２３３ｈの両端において固定子鉄心３２の軸方向両側に延びる外部導体２３３ｉとによって構成されている。各外部導体２３３ｉは、軸方向に対して所定の角度傾斜しており、図１０に示すように、端部２３３ｄが異なるスロットに挿入された他の導体セグメント２３３の端部２３３ｄと接合されて結線がなされることにより、全体として固定子巻線が形成される。このような固定子巻線においては、軸方向の両端部に接合部２３３ｆが形成され、それぞれの接合部２３３ｆが回転子２の両端面に取り付けられた冷却ファン１１、１２によって内周側から冷却される。

この時、絶縁被膜は表面に凹凸Ｕ１，Ｕ２，Ｕ４又は溝Ｕ３を有する接合部に強く接着されているため、粉塵や異物が混入した冷却風で接合部の絶縁被膜の表面が損傷した場合でも、強い接着力によって絶縁被膜がその損傷部分から剥がれることを防止することが出来る。

また、接合部３３ｆ１〜３３ｆ４へ送風するための構成としては、２つの遠心方向送風型のファンを備えた上述の内扇式構造に加えて、１つのみ遠心方向送風型のファンを備えた内扇式構造としてもよい。また、接合部３３ｆ１〜３３ｆ４に向けて軸方向から風を当てる構成が採用されてもよい。

また、導体セグメントは、図２に示したＵ字形状の導体セグメント３３を、図１１に符号３３０で示すように複数連続させたものとし、この導体セグメント３３０を所定スロットに周回して配置したものでもよい。この時、同じスロットに配置された複数の導体セグメント３３０は、図１２に示すように、ひとつの導体セグメント３３０の先端部３３０ｄが他の導体セグメント３３０の先端部３３０ｄとが、固定子鉄心３２の径方向外側（大径方向）に折り曲げられ、この折曲がった先端が溶接され、以上を繰り返すことによって1つの相の巻線が形成される。この折曲がった先端の接合部３３０ｆにおいて、前述と同様に、表面に凹凸Ｕ１，Ｕ２，Ｕ４又は溝Ｕ３を設けることにより、絶縁被膜の接着力を強くすることができる。
また、本発明によると、固定子２を送風冷却ではなく、密閉したフレーム内にて冷却油などによるいわゆる液冷却においても、接合部の絶縁被膜の接着力を強くすることができるので、接合部間の絶縁性を向上できる。

更に、上記実施形態では、各導体セグメント３３の端部３３ｄ同士の接合をＴＩＧ溶接によって行ったが、非接触方式の他の溶接方法、例えばＴＩＧ溶接以外の各種のアーク溶接方法を用いるようにしてもよい。

なお、本実施形態では、車両用交流発電機を例に挙げたが、ハイブリッド車のモータジェネレータに適用しても、上記同様に固定子の接合部からの絶縁被膜の剥がれを防止できることは言うまでもない。

１車両用交流発電機
２固定子
３回転子
３２固定子鉄心
３３導体セグメント
３３ａ内部導体
３３ｄ端部
３３ｆ，３３ｆ１，３３ｆ２，３３ｆ３，３３ｆ４，３３０ｆ接合部
４フレーム
Ｕ１，Ｕ２，Ｕ４凹凸
Ｕ３溝

Claims

固定子鉄心及び固定子鉄心に装備された固定子巻線を備え、この固定子巻線は、固定子鉄心のスロットに収容される内部導体と、スロットから前記回転子の回転軸の軸方向に露出するコイルエンドとを持つ複数の導体の端部にて溶接することによって接続された接合部を有し、当該接合部が絶縁性の樹脂部材により被覆される回転電機の固定子において、
前記接合部は、前記導体の表面に凹凸を有し、
前記凹凸は、前記樹脂部材で被覆されていて、前記導体セグメントに酸素濃度の高い酸化銅を用いて当該導体セグメントの端部を溶接することにより形成されるブローホールによるものであることを特徴とする回転電機の固定子。