JP5724984B2

JP5724984B2 - 回転電機の固定子

Info

Publication number: JP5724984B2
Application number: JP2012232039A
Authority: JP
Inventors: 弘樹加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: CN104737421A; CN104737421B; EP2909922B1; US20150263576A1; EP2909922A2; JP2014087100A; US9509188B2; WO2014060807A2; WO2014060807A3

Description

本発明は、回転電機の固定子に係り、特に導体セグメントコイルを用いて巻線形成が行われる回転電機の固定子に関する。

回転電機の固定子に巻回されるコイルを形成するために、Ｕ字形状を有する導体セグメントをステータコアの軸方向の一方側からスロットに挿入し、軸方向の他方側に突き出た先端部を曲げて順次接続することが行われる。

例えば、特許文献１には、回転電機のステータコアのコイルが、従来技術では単一断面積の導体を巻回していたものを、スロット部分の断面積が上記単一断面積より小さく、コイルエンド部分の断面積が上記単一断面積よりも大きくすることが開示されている。

特許文献２には、車両用交流発電機の固定子に用いられる導体セグメントが、スロット部分が圧延等で略矩形形状の断面に変形され、ターン部分は丸線材の素線のままの断面であることが述べられている。

特許文献３には、車両用交流発電機の固定子に用いられる導体セグメントについて、コイルエンド部分の断面積をＡ１、スロット部分の断面積をＡ２、端部の断面積をＡ３として、実施の形態１は、Ａ２，Ａ３を長方形断面のまま、Ａ１を円形断面にプレス加工し、実施の形態２は、Ａ１，Ａ２を長方形断面のまま、Ａ３を円形断面にプレス加工し、実施の形態３は、Ａ２を長方形断面のまま、Ａ１，Ａ３を円形断面にプレス加工し、実施の形態４は、Ａ２を円形断面のまま、Ａ１，Ａ３を長方形断面にプレス加工することが開示されている。

特開２０１１−１３５７３３号公報特開２００３−２５９５８４号公報特開２００３−３２９３３号公報

コイルの導体断面積を小さくすると、ステータコアのスロット内の導体の占積率は向上するが、抵抗が大きくなり銅損が増加する。特許文献1等のようにコイルエンド部分の導体断面積を大きくすれば、その部分の銅損を低下させることができる。ところが、導体セグメントコイルを用いる場合、コイルエンドとなるのはＵ字状の部分と、脚部の先端の部分になり、先端の部分の断面積を大きくすると、スロットへの挿入性が低下する。

本発明の目的は、導体セグメントコイルの挿入性を確保しながら銅損を抑制できる回転電機の固定子を提供することである。

本発明に係る回転電機の固定子は、Ｕ字状の導体セグメントコイルがステータコアの軸方向の一方側からスロットに挿入され軸方向の他方側で突き出た部分が曲げられて、各スロットに複数の導体セグメントコイルが組付けられた状態でスロットの最内径側に予め定められた空間が設けられる回転電機の固定子において、ステータコアの軸方向の一方側から突き出る導体セグメントコイルのＵ字状部分の断面積をＡ１とし、導体セグメントコイルのスロット内部分の断面積をＡ２とし、ステータコアの軸方向の他方側から突き出る導体セグメントコイルの先端部分の断面積をＡ３として、Ａ１はＡ３より大きく、Ａ３はＡ２より大きく、さらに、Ａ３はＡ２に比べ、スロット内の周方向に沿った寸法が同じで、スロット内の径方向に沿った寸法が大きいことが好ましい。

また、本発明に係る回転電機の固定子において、予め定められた空間にスペーサが配置されることが好ましい。
また、本発明に係る回転電機の固定子において、スペーサは、導体セグメントコイルの導体材料の透磁率の１００倍以上の透磁率を有する強磁性体で構成されることが好ましい。

上記構成によれば、導体セグメントコイルがステータコアに組み付けられたときの軸方向の一方側のコイルエンド部分も他方側のコイルエンド部分も、断面積を大きくできるので、銅損を抑制できる。また、導体セグメントコイルをスロットに挿入する際に、スロットの最内側に設けられるスペーサを外すことで、導体セグメントコイルの挿入先端部の断面積が大きくても、挿入性を損なうことがない。

本発明の実施の形態における回転電機の固定子と、これに挿入される導体セグメントコイルを示す図である。（ａ）は導体セグメントコイルが挿入される回転電機の固定子の斜視図、（ｂ）は導体セグメントコイルの各部分における断面積を示す図である。本発明の実施の形態における回転電機の固定子のスロットに導体セグメントが挿入される手順を説明する図である。（ａ）は、スペーサを嵌め込む前の余裕空間を示し、（ｂ）はその余裕空間を利用して導体セグメントコイルの断面積の大きい先端部が挿入され、（ｃ）は導体セグメントコイルがスロットに挿入された後にスペーサが嵌め込まれる様子を示す。

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、回転電機として、三相同期型を述べるが、これは説明のための例示であって、導体セグメントコイルを用いる回転電機であればよい。以下では、導体セグメントコイルの断面を矩形形状として述べるが、矩形形状には角部が適当に丸みを有するものも含む。また、矩形形状は説明のための例示であって、断面が円形形状、楕円形状等であってもよい。

以下で述べるステータコアのスロットの数、１つのスロットに配置される導体セグメントコイルの数等は説明のための例示であって、回転電機の固定子の仕様に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機の固定子１０を示す図である。回転電機は、三相同期型回転電機である。以下では、特に断らない限り、回転電機の固定子１０を、単に固定子１０と呼ぶことにする。図１（ａ）は、固定子１０のステータコア１２に導体セグメントコイル２０が組付けられる様子を示す斜視図、（ｂ）は、導体セグメントコイル２０の各部分の断面積を説明する模式図である。固定子１０は、図示されていない回転子と組み合わせて回転電機を構成し、導体セグメントコイル２０を組み付けて形成される巻線コイルに通電することで回転子と電磁作用的に協働して回転子を回転させ、回転子の回転軸にトルクを出力させる。

固定子１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２の周方向に沿って配置される複数のティース１４と、隣接するティース１４の間の空間であるスロット１６と、導体セグメントコイル２０がスロット１６に挿入されて組付けられて構成される巻線コイルを備える。

ステータコア１２は、内周側に複数のティース１４が配置される円環状の磁性体部材である。かかるステータコア１２は、所定の形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成される。

導体セグメントコイル２０は、巻線コイルを形成するために用いられる。導体セグメントコイル２０は、断面が矩形形状の導体をＵ字状に曲げたものである。ここで、Ｕ字状とは、導体セグメントコイル２０が曲げられてコイルエンド部を形成している状態を意味し、１つのコイルを曲げ成形してコイルエンド部を形成してもよく、１つの導体セグメントコイル２０の端部と他の導体セグメントコイル２０の端部とを曲げて互いに溶接しコイルエンド部を形成してもよい。

導体セグメントコイル２０の表面には絶縁被膜が設けられる。導体の材料としては高導電性の金属を用いることができる。高導電性の金属としては銅等を用いることができる。絶縁被膜としては、ポリアミドイミドのエナメル被覆が用いられる。絶縁被膜の厚さは、固定子１０の絶縁仕様等で定められる。厚さの一例を挙げると、約３０〜５０μｍである。絶縁被膜に用いられるエナメル被覆としては、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等を用いてもよい。

導体セグメントコイル２０を用いて巻線コイルを形成するには次のように行われる。導体セグメントコイル２０の２つの脚部の先端部を、ステータコア１２の周方向に沿って所定のスロット間隔で離れた２つのスロット１６に、ステータコア１２の軸方向の一方側から挿入する。図１では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相にあわせ、６つのスロット間隔だけ離れた２つのスロット１６のそれぞれに、導体セグメントコイル２０の２つの脚部の先端が挿入される様子が示される。図１では、スタータコア１２の軸方向の一方側は、紙面に沿った上側である。

ステータコア１２の軸方向の一方側からスロット１６に挿入された２つの脚部の先端部は、ステータコア１２の軸方向の他方側で突き出る。突き出た先端部は、ステータコア１２の軸方向の他方側で曲げられ、同様にスロット１６に挿入された他の導体セグメントコイル２０の先端部と溶接等で接続される。他の導体セグメントコイル２０の先端部との接続は、固定子１０の巻線仕様に応じて行われる。このようにして、複数の導体セグメントコイル２０がステータコア１２に組付けられ、互いに接続されて、巻線コイルを形成する。

複数の導体セグメントコイル２０がステータコア１２に組付けられて巻線コイルを形成した状態は、ステータコア１２の軸方向の一方側に複数のＵ字状の部分が配列され、他方側に曲げられて接続された複数の先端部が配列される。巻線コイルがステータコア１２の軸方向に突き出した部分は、コイルエンドと呼ばれる。複数のＵ字状の部分が配列された部分が、ステータコア１２の軸方向の一方側に突き出した一方側コイルエンドで、複数の曲げられた先端部が配列された部分が、ステータコア１２の軸方向の他方側に突き出した他方側コイルエンドである。

導体セグメントコイル２０は、図１（ｂ）に示されるように、一方側コイルエンドを構成するＵ字状部分２２と、ステータコア１２のスロット１６の軸方向に沿った空間内部に配置されるスロット内部分２４と、曲げられて他方側コイルエンドとなる先端部分２６で構成される。

Ｕ字状部分２２の断面積をＡ１とし、スロット内部分２４の断面積をＡ２とし、先端部分２６の断面積をＡ３とすると、Ａ１はＡ３より大きく、Ａ３はＡ２より大きくなるように設定される。すなわち、Ａ１＞Ａ３＞Ａ２の関係を有するように設定される。

これにより、スロット内部分２４の断面積Ａ２が最も小さくなり、スロット内部分２４の断面積がＡ１やＡ３の場合に比べ、同じ巻線数であれば、スロット１６を小さくでき、ステータコア１２の小型化を図ることができる。また、Ｕ字状部分２２の断面積Ａ１が最も大きくなり、Ｕ字状部分２２の断面積がＡ２の場合に比べ、一方側コイルエンドにおける抵抗値が低くなり、銅損を小さくできる。また、先端部分２６の断面積Ａ３はＡ２よりも大きいので、先端部分２６の断面積がＡ２の場合に比べ、銅損を小さくできる。このように、ステータコア１２の小型化が図られると共に、固定子１０の銅損を小さくできる。

Ａ３がＡ２より小さく設定されるのは、Ｕ字状部分２２は、スロット１６を通す必要がないので断面積Ａ１の増大に大きな制約がないのに比べ、先端部分２６はスロット１６を通る必要があるので、断面積Ａ３についてスロット１６の寸法の制約を受けるためである。

図２は、スロット１６に導体セグメントコイル２０を通すときの様子を示す図である。（ａ）は、スロット１６に３本の導体セグメントコイル２０が配置され、次に４本目の導体セグメントコイル２０が配置される前の様子を示す図である。ここでは、スロット１６内の径方向に沿って導体セグメントコイル２０が３本配置されているが、スロット１６内の周方向に沿って、導体セグメントコイル２０の配置は１本のみである。スロット１６内に配置されたときの各導体セグメントコイル２０の断面積Ａ２は、Ａ２＝Ｗ_C×Ｌ_C2である。周方向、径方向は、それぞれ互いに直交する方向として、図２（ａ）に矢印で示した。

Ｗ_Cは、導体セグメントコイル２０の矩形断面積を構成する辺のうち、周方向に沿った辺の寸法である。導体セグメントコイル２０の周方向に沿った寸法Ｗ_Cは、導体セグメントコイル２０のスロット内部分２４のみならず、Ｕ字状部分２２、先端部分２６でも同じである。

Ｌ_C2は、導体セグメントコイル２０の矩形断面積を構成する辺のうち、スロット内の径方向に沿った辺の寸法である。導体セグメントコイル２０の径方向に沿った寸法は、Ｕ字状部分２２においてはＬ_C1＝Ａ１／Ｗ_CでＬ_C2よりも長く、先端部分２６においては、Ｌ_C3＝Ａ３／Ｗ_CでＬ_C2よりも長くＬ_C1より短い。

スロット１６の周方向に沿った開口の幅寸法Ｗ_Sは、Ｗ_Cよりやや広く設定され、スロット１６の径方向に沿った開口の長さ寸法は、４本の導体セグメントコイルの径方向の寸法である４Ｌ_C2よりも、スペースΔＬの分だけ長く設定される。

スペースΔＬは、スロット１６内の導体セグメントコイル２０にロータ側からの漏れ磁束が通ることで生じる渦電流損失を低減するためのスペーサ３０（図２（ｃ）参照）を挿入するために設けられる隙間空間の径方向寸法である。このスペースΔＬを余裕空間として用いて、Ａ２よりも大きなＡ３をスロット１６内に通すことができる。

図２（ｂ）は、スペースΔＬの余裕空間を利用して、４本目の導体セグメントコイル２０の先端部分２６がスロット１６に通される様子を示す図である。先端部分２６の断面積Ａ３＝Ｗ_C×Ｌ_C3で、Ｌ_C3はＬ_C2より大きいが、（Ｌ_C2＋ΔＬ）よりは小さい。これによって、図２（ａ）の３本の導体セグメントコイル２０がスロット１６内に配置されている状態で、４本目の導体セグメントコイル２０の先端部分２６をスロット１６内に挿入できる。

図２（ｃ）は、４本目の導体セグメントコイル２０の先端部分２６がスロット１６を通り、ステータコア１２の軸方向の他方側に所定の長さで突き出て、スロット１６内には、４本目の導体セグメントコイル２０もスロット内部分２４が配置された状態を示す図である。この状態で、スロット１６の最内周側にはスペースΔＬが生じるので、ここにスペーサ３０が嵌め込まれる。

スペーサ３０は強磁性体で構成され、ロータ側からの漏れ磁束を引き込んで、漏れ磁束が導体セグメントコイル２０を通らないようにする。これによって導体セグメントコイル２０の渦電流損失を低減する。スペーサ３０に用いられる強磁性体としては、導体セグメントコイル２０の導体である銅の透磁率の数１００倍の透磁率を有する鉄ニッケル合金を用いることができる。

このように、導体セグメントコイル２０をスロット１６に挿入する際に、スロット１６の最内側に設けられるスペーサ３０を外すことで、導体セグメントコイル２０の先端部分２６の断面積が大きくても、スロット１６への挿入性を損なうことがない。これによって、導体セグメントコイル２０がステータコア１２に組み付けられたときの軸方向の一方側のコイルエンド部分も他方側のコイルエンド部分も、スロット内部分２４に比べ、断面積を大きくできるので、固定子１０の銅損を抑制できる。また、スロット１６内に所定の導体セグメントコイル２０を配置した後は、強磁性体のスペーサ３０をスロット１６の最内側に配置するので、導体セグメントコイル２０の渦電流損を抑制できる。

１０回転電機の固定子、１２ステータコア、１４ティース、１６スロット、２０導体セグメントコイル、２２Ｕ字状部分、２４スロット内部分、２６先端部分、３０スペーサ。

Claims

Ｕ字状の導体セグメントコイルがステータコアの軸方向の一方側からスロットに挿入され軸方向の他方側で突き出た部分が曲げられて、各スロットに複数の導体セグメントコイルが組付けられた状態でスロットの最内径側に予め定められた空間が設けられる回転電機の固定子において、
ステータコアの軸方向の一方側から突き出る導体セグメントコイルのＵ字状部分の断面積をＡ１とし、導体セグメントコイルのスロット内部分の断面積をＡ２とし、ステータコアの軸方向の他方側から突き出る導体セグメントコイルの先端部分の断面積をＡ３として、Ａ１はＡ３より大きく、Ａ３はＡ２より大きく、さらに、
Ａ３はＡ２に比べ、スロット内の周方向に沿った寸法が同じで、スロット内の径方向に沿った寸法が大きいことを特徴とする回転電機の固定子。
請求項１に記載の回転電機の固定子において、
予め定められた空間にスペーサが配置されることを特徴とする回転電機の固定子。
請求項２に記載の回転電機の固定子において、
スペーサは、導体セグメントコイルの導体材料の透磁率の１００倍以上の透磁率を有する強磁性体で構成されることを特徴とする回転電機の固定子。