JP5971125B2 - 固定子及びそれを備えた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、コイル巻線の正確な温度検出を実施し得る固定子とそれを備えた回転電機に関する。

回転電機には、ステータと呼ばれる固定子または、ロータと呼ばれる回転子のいずれかにコイル巻線が設けられる。回転電機の駆動時にはコイル巻線に電流が流れるので、コイル巻線の導体はその電気抵抗に基づいて発熱し温度が上昇する。そのため、コイル巻線にその温度を検出する温度センサを設ける技術が開示されている（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１１−２２３６７３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、固定子のコイルエンドに温度センサを設けるものであるから、冷却風の通風などの影響により実際のコイル温度よりも低い温度が検出される。そのため、回転電機の実際の温度が把握できないという問題がある。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、コイル巻線の正確な温度検出を可能にする構成を有する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、周方向に並んだ複数のスロット（１２ｂ）を有する固定子コア（１２ａ）と、前記スロット（１２ｂ）に収容されるスロット収容部（１９）と前記スロット（１２ｂ）の端面から軸方向に突出するコイルエンド部（１４）とを有する導体（１８）が径方向に積層された巻線と、を備える固定子（１２）において、前記スロット（１２ｂ）内に嵌挿され、前記スロット（１２ｂ）の底部の径方向壁面と該径方向壁面に対向する前記導体（１８）列の径方向端面との間に配設されるウエッジ（２１ａ）と、前記ウエッジ（２１ａ）に設けられる温度センサ（２２）と、を備えることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、周方向に並んだ複数のスロット（１２ｃ）を有する固定子コア（１２ａ）と、前記スロット（１２ｃ）に収容されるスロット収容部（１９）と前記スロット（１２ｃ）の端面から軸方向に突出するコイルエンド部（１４）とを有する導体（１８）が径方向に積層された巻線と、を備える固定子（１２）において、前記スロット（１２ｃ）内に嵌挿され、前記スロット（１２ｃ）の一方の周方向壁面と該周方向壁面に対向する前記導体（１８）列の周方向側面との間に配設されるウエッジ（２１ｃ）と、前記ウエッジ（２１ｃ）に設けられる温度センサ（２２）と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、温度センサ（２２）は、スロット（１２ｂ，１２ｃ）の底部の径方向壁面と該径方向壁面に対向する導体（１８）列の径方向端面との間、又は、スロット（１２ｂ，１２ｃ）の一方の周方向壁面と該周方向壁面に対向する導体（１８）列の周方向側面との間に配設されるウエッジ（２１ａ，２１ｃ）に設けられる。そのため、導体（１８）の温度は、スロット（１２ｂ，１２ｃ）内に配置された温度センサ（２２）によって、冷却風の通風などの影響を受けることなく、正確に検出され得るという優れた効果を奏する。

本発明の回転電機の構成例を模式的に示す断面図である。 固定子の構成例を模式的に示す平面図である。 導体の構成例を示す斜視図である。 導体の構成例を示す図３のIＶ−IＶ断面図である。 第１実施形態の固定子の一部分を詳細に示す平面図である。 切欠きを有しないウエッジの斜視図である。 切欠きを有するウエッジの斜視図である。 第１実施形態の変形態様のスロットを有する固定子の一部分を詳細に示す平面図である。 第１実施形態の変形態様のスロットに嵌挿する切欠きを有しないウエッジの斜視図である。 第１実施形態の変形態様のスロットに嵌挿する切欠きを有するウエッジの斜視図である。 第２実施形態の固定子においてウエッジを引き抜く前の状態を示す固定子一部分の詳細な平面図である。 第２実施形態の固定子の一部分を詳細に示す平面図である。 第２実施形態の変形態様のスロットを有する固定子においてウエッジを引き抜く前の状態を示す固定子一部分の詳細な平面図である。 第２実施形態の変形態様のスロットを有する固定子の一部分を詳細に示す平面図である。

以下、本発明を具体化した各一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。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。

（第１実施形態）
図１に示す回転電機１０は、インナロータ型電動発電機の一例であって、固定子（ステータ）１２、回転子（ロータ）１３、回転軸２０などをケース部材１１内に有する。回転電機１０と電力変換装置３０との間は入出力線１７等で接続される。回転電機１０のケース部材１１と、電力変換装置３０のケース部材とは、個別に形成されて固定手段で固定されるか、一体に形成される。前者の固定手段は、例えばボルト・ナット、雄ネジ・雌ネジ、貫通穴・割ピン、溶接等の接合、端片のかしめなどが該当する。これらのうちで二以上の手段を適宜に選択して組み合わせて固定してもよい。なお、入出力線１７は後述する導体１８を延伸させたものであってもよい。

回転軸２０は、軸受け１５（ベアリング等）を介してケース部材１１に回転自在に支持される。回転軸２０は回転子１３の中心部に上記固定手段によって固定されるか、あるいは一体に形成される。いずれの構成にせよ、回転軸２０と回転子１３は協働して回転する。

円筒形状に形成される固定子１２は、その内径面が回転子１３の外径面と対面するように配置される。回転子１３の外径面の磁極位置には永久磁石１６が設けられている。固定子１２は、図２に示すように、複数のスロット１２ｂが円周方向に並べて形成され、上記固定手段によってケース部材１１に固定される。スロット１２ｂの配置間隔は任意であるが、磁束の流れを均一化してトルクを増加させる点で等間隔に配置するのがよい。スロット１２ｂ相互間には、ティース１２ｄが形成される。

図２に示すスロット１２ｂは、スロット倍数Ｓ（Ｓは正の整数）を２とし、磁極数Ｍｎ（Ｍｎは正の整数）を８極とし、相数ｐ（ｐは正の整数）を３相とする例を示す。この例におけるスロット１２ｂの数（スロット数Ｓｎ）は、Ｓｎ＝Ｓ×Ｍｎ×ｐ＝２×８×３＝４８になる。

スロット１２ｂには、巻線を構成する導体１８が収容される。例えば図５に示すように、一つのスロット１２ｂに複数本（本例では４本）の導体１８が径方向に積層・整列して収容される。固定子コア１２ａのスロット１２ｂ端面から軸方向に突出する導体１８の部位はターン部１４となる（図３参照）。ターン部１４の全体をコイルエンド部とも称する。ターン部１４の一部はリード線として、図１に示すように、延伸し電力変換装置３０に接続される。

導体１８は、図３に示すように、Ｕ字状に形成され、ターン部１４、スロット収容部１９、端部１４ａなどを有する。ターン部１４には、複数段の階段形状からなる階段状部位１４ｓが形成されている。階段状部位１４ｓの１段の高さＨは、任意に設定してよい。当該高さＨは導体１８の高さ（すなわち厚みＴｈ）とほぼ等しくすると、径方向に導体１８どうしを積み重ね易くなる。階段状部位１４ｓの段数は任意に設定してよく、例えばスロット収容部１９相互間の幅に応じた段数を設定してよい。

階段状部位１４ｓの中央部には、導体１８を径方向にずらすためにクランク状に曲げられるクランク部位１４ｃが形成される。クランク部位１４ｃは、固定子コア１２ａの端面からの突出高さが最も高くなる。径方向にずらす量は任意に設定してよい。導体１８の幅Ｗｄとほぼ等しくすると、径方向に複数の導体１８をずらし易くなる。なお、導体１８は、階段状の形状を有さず、クランク状に曲げられたクランク部位１４ｃのみを持つものであってもよい。

一部の端部１４ａには、二点鎖線で示すようなターミナルＴが備えられる。端部１４ａの相互間や、端部１４ａとターミナルＴとの間における接続は、例えばハンダ付けや溶接等による接合が好ましい。溶接には、融接（例えばガス溶接，アーク溶接，エレクトロスラグ溶接，電子ビーム溶接，レーザービーム溶接等）、圧接（抵抗溶接や鍛接等）を含む。

図４には、図３のIＶ−IＶ線で示す導体１８の断面を示す。導体１８のうちでターン部１４とスロット収容部１９は、絶縁を確保するため、導電性の金属部材１８ｍ（例えば銅線等）に絶縁皮膜１８ｒ（例えば樹脂等）が被覆されている。これに対して、導体１８の端部１４ａは接続を行うために金属部材１８ｍが露出し、絶縁皮膜で被覆されていない。

このような導体１８は、図５に示すように、一連の各スロット１２ｂ内に予め定められた配置順序に従って順次挿入して収容され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相毎に積層される。そして、Ｙ（スター）結線、Δ（デルタ）結線、Ｙ−Δ混成結線のいずれかが形成されるように、端部１４ａの相互間や、端部１４ａとターミナルＴとが接続されて固定子コア１２ａに卷回されたコイル巻線が形成される。

図５に示すように、任意の一のスロット１２ｂを除く他の全てのスロット１２ｂ内には、径方向に積層して収容された複数本（本例では４本）の導体１８列の両端に、ウエッジ２１が嵌挿して設けられている。ウエッジ２１は、図６に示すように、導体１８の幅Ｗｄと同寸法の幅、及び導体１８のスロット収容部１９と同寸法の長辺長さを有する短冊状の板部材である。ウエッジ２１の板厚は、スロット１２ｂの深さ寸法と導体１８列の長さ寸法との差に応じて、スロット１２ｂ内で隙間が生じないように適宜な寸法に設定される。

ウエッジ２１の材質は、合成樹脂であることが好ましい。適用され得る合成樹脂は、汎用樹脂である熱可塑性塩化ビニル樹脂やＡＢＳ樹脂などであってもよい。しかしながら、回転電機１０を多く搭載する車両などは環境温度と負荷状況が厳しく、回転電機１０が高温になりやすい。したがって、１５０℃以上の環境に長時間耐えるスーパーエンジニアリングプラスチックであるポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などがより好ましく採用される。

任意の一のスロット１２ｂにおいて、固定子１２内径側のスロット１２ｂ開口部であるスロット１２ｂの径方向壁面とそれに対向する導体１８列の一方の端面との間には、他の全てのスロット１２ｂのものと同じウエッジ２１が設けられる。一方、固定子１２外径側のスロット１２ｂ底部であるスロット１２ｂの径方向壁面とそれに対向する導体１８列の他方の端面との間には、他の全てのスロット１２ｂのウエッジ２１に換えてウエッジ２１ａが設けられている。なお、ウエッジ２１ａは、スロット１２ｂ底部ではなくスロット１２ｂ開口部と導体１８列の端面との間に設けられるようにしてもよい。

ウエッジ２１ａは、図７に示すように、ウエッジ２１に切欠き２３を増設したようなものである。切欠き２３は、ウエッジ２１ａの長手方向端部に設けられ、固定子１２の軸方向端面に開口する。切欠き２３は段差状のものとして図示したが、切欠き２３の形状と寸法は、切欠き２３部分に配設する温度センサ２２の外形状に応じて様々に変更され得るものである。また、切欠き２３は溝状であってもよいし、貫通穴又は穿孔であってもよい。

切欠き２３に取り付ける温度センサ２２は、切欠き２３に収容可能な小型のものが好ましい。温度センサ２２としては、検出原理は異なるが、サーミスタやサーモカップルなどが好適に用いられる。

上述のように構成された回転電機１０は次のように作動する。図１において、電力変換装置３０から供給される電力変換された駆動電流に基づいて固定子１２を励磁させると、その励磁作用によって回転トルク（動力となる場合を含む）が発生して回転子１３が回転する。この場合、回転電機１０は電動機として作動する。発生した回転トルクは、回転子１３と回転軸２０を介して回転体（例えば車輪やプロペラ等）に出力される。回転軸２０と回転体との間に動力伝達機構を介在させてもよい。当該動力伝達機構には、例えばシャフト，カム，ラック＆ピニオン，歯車（ギア）などのうちで一以上を含む。

電力変換装置３０が電力変換信号を出力せず、かつ、回転体が回転力（動力を含む）を発生する場合には、回転体の回転力を受けて回転子１３も回転するので、固定子１２の導体１８に逆起電力が発生する。発生した逆起電力（回生電力）は、電力変換装置３０を介してバッテリに充電することができる。この場合、回転電機１０は発電機として作動する。

このように回転電機１０が、電動機又は発電機のいずれの場合であっても、固定子１２の導体１８は通電され発熱する。その温度は、スロット１２ｂ、１２ｃ壁面と導体１８との間に設けた温度センサ２２によって正確に計測可能となる。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の回転電機１０の固定子１２によれば、スロット１２ｂ，１２ｃは、層状に導体１８を収容するように形成され、スロット１２ｂ，１２ｃ内に配置される温度センサ２２を備える。そのため、温度センサ２２は、冷却風の通風などの影響を受けることなく、正確にコイル巻線の温度を検出することができるという優れた効果を奏する。

また、温度センサ２２は、スロット１２ｂ，１２ｃ内に嵌挿されたウエッジ２１ａ，２１ｃに設けられる。そのため、温度センサ２２の配設が極めて容易になるとともに、ウエッジ２１ａ，２１ｃを導体１８とスロット１２ｂ，１２ｃとの間に嵌挿することにより導体１８のスロット１２ｂ，１２ｃ内での占積率を下げることなく温度センサ２２の取付け空間を確保することができる。

また、温度センサ２２は、ウエッジ２１ａ，２１ｃに設けられた切欠き２３に配置されるので、温度センサ２２の配設が極めて容易になるとともに、正確に導体１８の温度を検出することができる。

また、ウエッジ２１ａは、導体１８列の径方向端面とそれに対向するスロット１２ｂの径方向壁面との間に設けられるので、温度センサ２２の配設が極めて容易になるとともに、正確に導体１８の温度を検出することができる。

（第１実施形態の変形態様）
次に、スロット１２ｂの変形態様であるスロット１２ｃを用いた構成を、図８に基づいて説明する。

スロット１２ｂの軸方向断面は径方向を長手とする長方形を呈し、隣り合うスロット１２ｂとの間に形成されるティース１２ｄの形状は、上底を幅Ｗ１とし下底を幅Ｗ２とする台形になる。これに対し、スロット１２ｃの軸方向断面は台形を呈し、隣り合うスロット１２ｃとの間に形成されるティース１２ｅの形状は、固定子コア１２ａの内径側の短辺を幅Ｗ１とし固定子コア１２ａの外径側の短辺を幅Ｗ３とする長方形になる。すなわち、幅Ｗ２は、それより小さい幅寸法を有する幅Ｗ３に移行し、幅Ｗ３と幅Ｗ１とは同寸法になっている。また、幅Ｗ３は、温度センサ２２が十分に入るだけの幅であるという条件を満たしていれば良いため、Ｗ１＜Ｗ３＜Ｗ２の範囲で任意に設定できる。

この場合、ティース１２ｅの磁気回路としての断面積は幅Ｗ１の部分が最小となり、ティース１２ｄのものと同一であるから、幅Ｗ３が幅Ｗ２より小さくなることが磁気回路に影響することはない。むしろ、磁気回路的に不要な部分が削除されることにより、固定子コア１２ａが痩身し、回転電機１０の低重量化に貢献することができる。

任意の一のスロット１２ｃの一方の長手側壁（周方向壁面）を除く他の全てのスロット１２ｃにおける長手側壁（周方向壁面）と導体１８列の周方向側面との間の楔状空間には、ウエッジ２１ｂが嵌挿されている。なお、図８には、導体１８列の両端面にウエッジ２１を配設するように図示したが、導体１８列両端面のいずれか一方側にのみウエッジ２１を配設するか又は、導体１８列両端面側にウエッジ２１を配設しないようにしてもよい。

ウエッジ２１ｂは、図９に示すように、前記楔状空間とほぼ同形状の楔状の板部材である。ウエッジ２１ｂの材質については、上述したウエッジ２１のものと同一であるから記載を省略する。

任意の一のスロット１２ｃにおける一方の長手側壁（周方向壁面）と導体１８列の周方向側面との間の楔状空間には、ウエッジ２１ｃが嵌挿されている。ウエッジ２１ｃは、図１０に示すように、ウエッジ２１ｂに切欠き２３ａを増設したようなものである。切欠き２３ａは、ウエッジ２１ｃの楔形状の一方の端面の任意の位置（図示は角部）に設けられ、固定子１２の軸方向端面に開口する。切欠き２３ａは段差状のものとして図示したが、切欠き２３ａの寸法と形状は、切欠き２３ａに配設する温度センサ２２の外形状に応じて様々に変更され得るものである。また、切欠き２３ａは溝状であってもよいし、貫通穴又は穿孔であってもよい。

以上詳述したことから明らかなように、変形態様によれば、ウエッジ２１ｃは、導体１８列の周方向側面とスロット１２ｃの長手側壁（周方向壁面）との間に設けられるので、磁気回路に悪影響が及ばないのみならず、磁気回路の不要な部分が削除されることにより、固定子コア１２ａが痩身し、回転電機１０を低重量化させる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、温度センサ２２は、ウエッジ２１ａ又はウエッジ２１ｃに設けられる例を示した。これに対し第２実施形態では、温度センサ２２は、スロット１２ｂ，１２ｃ内にウエッジ２１，２１ｂを嵌挿した状態で絶縁樹脂の含浸処理を行って導体１８を固定した後、ウエッジを引き抜いて形成される空間２４ａ，２４ｂ内に配置される。

以下、第２実施形態の構成について、図１１及び図１２を参照しつつ説明する。

図１１及び図１２に示すように、スロット１２ｂ内には、導体１８が積層して配設され列をなしている。この導体１８列の径方向端面とそれに対向するスロット１２ｂの径方向壁面との間には、ウエッジ２１が嵌挿されている。但し、導体１８列両端面のいずれか一方側にのみウエッジ２１を配設するようにしてもよい。

ウエッジ２１は、導体１８列をスロット１２ｂ内に固定するため、導体１８列とともにワニスなどの絶縁樹脂により含浸処理が実施される。含浸処理が行われた後、ウエッジ２１は引き抜かれる。そのことにより、図１２に示すように、ウエッジ２１が嵌挿されていた位置に空間２４ａが形成される。任意の一の空間２４ａには温度センサ２２が設けられる。

以上詳述したことから明らかなように、第２実施形態によれば、温度センサ２２は、スロット１２ｂ，１２ｃ内にウエッジ２１，２１ｂを嵌挿した状態で絶縁樹脂の含浸処理を行って導体１８を固定した後、ウエッジを引き抜いて形成される空間２４ａ，２４ｂ内に配置される。そのため、温度センサ２２の配設が極めて容易に行われ得るとともに、空間２４ａ、２４ｂにオイルや空気を流通させて固定子１２を冷却させることができる。

（第２実施形態の変形態様）
次に、上記第２実施形態の変形態様について、図１３及び図１４を参照しつつ説明する。

図１３に示すように、スロット１２ｃ内には、導体１８が積層して配設され列をなしている。導体１８列の周方向側面とスロット１２ｃの周方向壁面との間には、ウエッジ２１ｂが嵌挿されている。また、導体１８列の径方向端面とそれに対向するスロット１２ｃの径方向壁面との間には、ウエッジ２１が嵌挿されている。但し、ウエッジ２１は、導体１８列両端面のいずれか一方側にのみ配設するようにしてもよい。また、導体１８列の両端面にウエッジ２１を配設しなくてもよい。

ウエッジ２１及びウエッジ２１ｂは、導体１８列をスロット１２ｃ内に固定するため、導体１８列とともにワニスなどの絶縁樹脂により含浸処理が実施される。含浸処理が行われた後、ウエッジ２１及びウエッジ２１ｂは引き抜かれる。そのことにより、図１４に示すように、ウエッジ２１及びウエッジ２１ｂが嵌挿されていた位置に空間２４ａ及び空間２４ｂがそれぞれ形成される。空間２４ａ又は空間２４ｂいずれかの任意の一の空間２４ａ又は空間２４ｂには温度センサ２２が設けられる。

以上詳述したことから明らかなように、第２実施形態の変形態様によれば、上述した第２実施形態と同様の効果を奏する。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

１０ 回転電機
１２ 固定子
１２ｂ，１２ｃ スロット
１８ 導体
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ ウエッジ
２２ 温度センサ
２３ 切欠き
２４ａ，２４ｂ 空間

Claims (5)

1. 周方向に並んだ複数のスロット（１２ｂ）を有する固定子コア（１２ａ）と、前記スロット（１２ｂ）に収容されるスロット収容部（１９）と前記スロット（１２ｂ）の端面から軸方向に突出するコイルエンド部（１４）とを有する導体（１８）が径方向に積層された巻線と、を備える固定子（１２）において、
   前記スロット（１２ｂ）内に嵌挿され、前記スロット（１２ｂ）の底部の径方向壁面と該径方向壁面に対向する前記導体（１８）列の径方向端面との間に配設されるウエッジ（２１ａ）と、
   前記ウエッジ（２１ａ）に設けられる温度センサ（２２）と、
   を備えることを特徴とする固定子（１２）。
2. 周方向に並んだ複数のスロット（１２ｃ）を有する固定子コア（１２ａ）と、前記スロット（１２ｃ）に収容されるスロット収容部（１９）と前記スロット（１２ｃ）の端面から軸方向に突出するコイルエンド部（１４）とを有する導体（１８）が径方向に積層された巻線と、を備える固定子（１２）において、
   前記スロット（１２ｃ）内に嵌挿され、前記スロット（１２ｃ）の一方の周方向壁面と該周方向壁面に対向する前記導体（１８）列の周方向側面との間に配設されるウエッジ（２１ｃ）と、
   前記ウエッジ（２１ｃ）に設けられる温度センサ（２２）と、
   を備えることを特徴とする固定子（１２）。
3. 前記スロット（１２ｃ）の一方の周方向壁面と該周方向壁面に対向する前記導体（１８）列の周方向側面との間に楔状空間が形成されており、
   前記ウエッジ（２１ｃ）は、前記楔状空間と同形状の楔状の板部材であることを特徴とする請求項２に記載の固定子（１２）。
4. 前記ウエッジ（２１ａ，２１ｃ）は、切欠き（２３）を有し、
   前記温度センサ（２２）は、前記切欠き（２３）に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固定子（１２）。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固定子（１２）と、前記固定子（１２）と対面して回転可能な回転子（１３）とを備えたことを特徴とする回転電機（１０）。

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