JP5972387B2 - 電気機械 - Google Patents

Description

この発明は、発電機、電動機などの回転電機、リニアモータなどの直動機などの電気機械に関し、特に、高い絶縁性能と高い占積率が得られる電機子巻線の構造に関するものである。

近年、車両に搭載される回転電機には、車両のエンジンルームの回転電機搭載スペースの縮小化にともなう小型化、および車両負荷の増大による発電出力の向上が求められている。さらには、信頼性の向上が求められている。

このような状況を鑑み、小型高出力、および品質の向上を実現すべく、種々の提案がされている。例えば、特許文献１に記載の電機子巻線では、断面太鼓形状に形成された巻線を、絶縁シートが装着されたスロットに、多重に収納していた。巻線は、絶縁被膜に覆われており、断面太鼓形状の円弧面絶縁被膜同士が互いに接し、側面絶縁被膜が絶縁シートを介して電機子鉄心に接している。そして、円弧面絶縁被膜が、側面絶縁被膜より厚く形成されている。

特開平６−１８９４８２号公報

特許文献１では、電機子巻線をその断面太鼓形状の側面を周方向に向けて絶縁シートが装着されたスロットに多重に収納されている。そこで、電機子巻線の導体部と電機子鉄心のコアバックとの間の離間距離は、側面絶縁被膜の厚みと絶縁シートの厚みとの総和となる。一方、電機子巻線の導体部と電機子鉄心のティースとの間の離間距離は、円弧面絶縁被膜の厚みと絶縁シートの厚みとの総和となる。しかし、円弧面絶縁被膜の厚みが側面絶縁被膜より厚くなっているので、電機子巻線の導体部と電機子鉄心のコアバックとの間の離間距離を絶縁性能を確保するために必要な最小距離（絶縁距離）に設定できても、電機子巻線の導体部と電機子鉄心のティースとの間の離間距離は、絶縁距離とはならない。その結果、占積率が低下し、高出力化が図れなくなるという課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、スロット内にスロット深さ方向に並んで互いに接するように収納される導体線のスロット深さ方向の絶縁被膜の厚みとスロット配列方向の絶縁被膜の厚みを、それぞれ、導体部間の絶縁距離と、導体部と電機子鉄心との間の絶縁距離とから、独立して設定できるようにし、絶縁性能を確保しつつ、占積率を向上でき、品質の向上および高出力化を実現できる電気機械を得ることを目的とする。

この発明による電気機械は、スロットがスロット幅方向に複数配列された電機子鉄心、および１種類の導体線を上記スロットに巻装して構成される電機子巻線を有する電機子を備えている。上記導体線は、長方形断面を有する導体部と、上記導体部の外周を覆うように形成された絶縁被膜と、を備え、上記導体部の長方形断面の長辺又は短辺の長さ方向をスロット深さ方向に向けて、スロット深さ方向に１列に並んで、かつスロット深さ方向に互いに接して多層に配列されて、上記スロット内に収納され、上記導体部のスロット配列方向に向いた面に形成された上記絶縁被膜は、上記スロットに接しており、上記導体部のスロット深さ方向に向いた面に形成されている上記絶縁被膜の部位の厚みをｔ_１、上記導体部のスロット配列方向に向いた面に形成されている上記絶縁被膜の部位の厚みをｔ_２、スロット深さ方向の最深位置の上記導体部のスロット深さ方向に向いた面に形成されている上記絶縁被膜と上記スロットの底面との間の距離をｄ、上記導体部と上記電機子鉄心との間の絶縁距離をＬ_２としたときに、上記絶縁被膜は、Ｌ_２−ｄ≦ｔ_１＜ｔ_２ 、かつＬ _２ ≦ｔ _２ を満足するように形成されている。

この発明によれば、導体部のスロット深さ方向に向いた面に形成されている絶縁被膜の部位の厚みｔ₁が、導体部のスロット配列方向に向いた面に形成されている絶縁被膜の部位の厚みｔ₂より薄くなっている。そこで、ｔ₁およびｔ₂が、スロット深さ方向における導体部間の絶縁距離と、導体部と電機子鉄心との間の絶縁距離とから、独立して設定できるので、絶縁性能を確保しつつ、占積率を向上できる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す片側断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機における電機子巻線を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機における電機子巻線のスロット収納状態を説明する断面図である。 比較例の回転電機における電機子巻線のスロット収納状態を説明する断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機における電機子巻線のスロット収納状態を説明する断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機における電機子巻線を構成する導体線を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機における電機子巻線を構成する導体線の製造方法を説明する断面図である。

以下、本発明による回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機を示す片側断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機における電機子巻線を示す断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機における電機子巻線のスロット収納状態を説明する断面図である。

図１において、回転電機１００は、有底円筒状のフレーム２およびフレーム２の開口を塞口する端板３を有するハウジング１と、フレーム２の円筒部に内嵌状態に固着された電機子１０と、フレーム２の底部および端板３にベアリング４を介して回転可能に支持された回転軸６に固着されて、電機子１０の内周側に回転可能に配設された回転子５と、を備えている。

回転子５は、軸心位置に挿通された回転軸６に固着された回転子鉄心７と、回転子鉄心７の外周面側に軸方向に貫通するように埋設されて周方向に所定のピッチで配列された永久磁石８と、を備えている。永久磁石８は、それぞれ、周方向に交互に磁極が異なるように配置されている。

電機子１０は、スロットが内周側に開口して周方向に等角ピッチで配列された円環状の電機子鉄心１１と、電機子鉄心１１に装着された電機子巻線１２と、を備える。電機子鉄心１１は、例えば、所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層、一体化して作製され、円環状のコアバック１１ａと、それぞれ、コアバック１１ａの内周面から径方向内方に延在し、周方向に等角ピッチで配列されたティース１１ｂと、を有する。そして、コアバック１１ａと隣り合うティース１１ｂとにより画成されたスペースがスロット１１ｃとなる。ここで、電機子鉄心１１の周方向は、スロット幅方向、すなわちスロット１１ｃの配列方向に相当する。また、電機子鉄心１１の径方向は、スロット深さ方向に相当する。

電機子巻線１２を構成する導体線１３は、図２に示されるように、長方形断面を有する銅製の導体部１３ａと、導体部１３ａの外周を覆うように被覆された絶縁被膜１３ｂと、を有する。そして、導体部１３ａの長方形断面の長辺で構成される平面に被覆されている絶縁被膜１３ｂの部位の厚みｔ₁が、導体部１３ａの長方形断面の短辺で構成される平面に被覆されている絶縁被膜１３ｂの部位の厚みｔ₂より薄くなっている。絶縁被膜１３ｂの材料には、例えば、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリイミド、ポリアセタールなどの絶縁性樹脂が用いられる。なお、導体線１３は、例えば、四角形断面の導体線の外周に絶縁性樹脂を被覆し、焼き付けて作製される。

導体線１３は、図３に示されるように、長方形断面の短辺長さ方向を径方向に一致させて、径方向に１列に並んで、スロット１１ｃ内に５層に収納されている。導体部１３ａの長方形断面の長辺で構成される平面は径方向に向いている。そこで、導体部１３ａの長方形断面の長辺で構成される平面に被覆された絶縁被膜１３ｂの部位を径方向面絶縁被膜とする。また、導体部１３ａの長方形断面の短辺で構成される平面は周方向に向いている。そこで、導体部１３ａの長方形断面の短辺で構成される平面に被覆された絶縁被膜１３ｂの部位を周方向面絶縁被膜とする。導体線１３は、互いに厚みｔ₁の径方向面絶縁被膜を接して、スロット１１ｃ内に径方向に５層に収納されている。また、スロット１１ｃ内に径方向に５層に収納されている導体線１３のそれぞれは、厚みｔ₂の周方向面絶縁被膜を介してスロット１１ｃの内周側面に接している。さらに、スロット深さ方向の最深部に位置する導体線１３とスロット１１ｃの底面との間に空隙１６が形成されている。

つぎに、実施の形態１による効果を比較例と対比して説明する。図４は比較例の回転電機における電機子巻線のスロット収納状態を説明する断面図である。

比較例では、図４に示されるように、導体線２０は、長方形断面の導体部２０ａと、導体部２０ａの外周を覆うように被覆された絶縁被膜２０ｂと、を有する。そして、導体部２０ａの長方形断面の長辺で構成される平面に被覆された絶縁被膜２０ｂの部位の厚みｔ₃が、導体部２０ａの長方形断面の短辺で構成される平面に被覆された絶縁被膜２０ｂの部位の厚みｔ₄と等しくなっている。導体線２０は、長方形断面の短辺長さ方向を径方向に一致させて、径方向に１列に並んで、厚みｔ₅を有する絶縁シート２１が装着されたスロット１１ｃ内に５層に収納されている。

ここで、導体部２０ａの長方形断面の長辺で構成される平面は、径方向に向いており、導体部２０ａの長方形断面の短辺で構成される平面は周方向に向いている。そこで、導体部２０ａの長方形断面の長辺で構成される平面に被覆された絶縁被膜２０ｂの部位を径方向面絶縁被膜とし、導体部２０ａの長方形断面の短辺で構成される平面に被覆された絶縁被膜２０ｂの部位を周方向面絶縁被膜とする。

導体線２０は、互いに厚みｔ₃の径方向面絶縁被膜を接して、スロット１１ｃ内に径方向に５層に収納されている。スロット１１ｃ内に径方向に５層に収納されている導体線２０のそれぞれは、絶縁シート２１を介してスロット１１ｃの内周側面（ティース１１ｂ）に接している。スロット１１ｃの最深部に位置する導体部２０ａは、絶縁シート２１を介してスロット１１ｃの底面（コアバック１１ａ）に接している。

比較例においては、導体部２０ａ間に絶縁距離Ｌ₁（絶縁性能を確保するために必要な最小離間距離）を確保する必要がある。そこで、径方向面絶縁被膜の厚みｔ₃は、ｔ₃≧Ｌ₁／２を満足するように設定される。また、導体部２０ａと電機子鉄心１１との間、すなわち導体部２０ａとティース１１ｂとの間に、絶縁距離Ｌ₂を確保する必要がある。そこで、周方向面絶縁被膜の厚みｔ₄と絶縁シート２１の厚みｔ₅は、ｔ₄＋ｔ₅≧Ｌ₂を満足するように設定される。そして、ｔ₃＝Ｌ₁／２、かつｔ₄＋ｔ₅＝Ｌ₂とした場合には、占積率が最も大きくなる。

スロット１１ｃの最深部に位置する導体部２０ａとコアバック１１ａとの間の離間距離は、（ｔ₃＋ｔ₅）となる。そして、ｔ₃＝ｔ₄であるので、（ｔ₃＋ｔ₅）＝（ｔ₄＋ｔ₅）＝Ｌ₂となる。ここで、導体部２０ａ間の離間距離を絶縁距離Ｌ₁とした場合、ｔ₃＝ｔ₄＝Ｌ₁／２となり、絶縁被膜２０ｂのみでは導体部２０ａと電機子鉄心１１との間の絶縁距離Ｌ₂を確保できなくなる。そこで、比較例においては、絶縁シート２１を介装させて絶縁距離Ｌ₂を確保する必要がある。

また、比較例において、特許文献１のように、ｔ₃＞ｔ₄とした場合、（ｔ₃＋ｔ₅）＞（ｔ₄＋ｔ₅）＝Ｌ₂となる。そこで、導体部２０ａとコアバック１１ａとの間の離間距離が、導体部２０ａと電機子鉄心１１との間の絶縁距離Ｌ₂より長くなり、占積率の低下をもたらす。

実施の形態１においても、導体部１３ａ間に絶縁距離Ｌ₁を確保する必要がある。そこで、径方向面絶縁被膜の厚みｔ₁は、ｔ₁≧Ｌ₁／２を満足するように設定される。
また、導体部１３ａとティース１１ｂとの間に、絶縁距離Ｌ₂を確保する必要がある。そこで、周方向面絶縁被膜の厚みｔ₂は、ｔ₂≧Ｌ₂を満足するように設定される。
さらに、スロット１１ｃの最深部に位置する導体部１３ａとコアバック１１ａとの間に、絶縁距離Ｌ₂を確保する必要がある。そこで、空隙１６の隙間ｄは、ｄ≧Ｌ₂−ｔ₁を満足するように設定される。

導体部１３ａとコアバック１１ａとの間の離間距離は、（ｔ₁＋ｄ）となる。ここで、ｄ≧Ｌ₂−ｔ₁であるので、ｔ₁＋ｄ≧ｔ₁＋Ｌ₂−ｔ₁＝Ｌ₂となる。そこで、導体部１３ａとコアバック１１ａとの間に絶縁距離Ｌ₂を確保することができる。
また、ｔ₂＞ｔ₁であるので、ｔ₂を絶縁距離Ｌ₂に設定すれば、導体部１３ａとティース１１ｂとの間に絶縁距離Ｌ₂を確保することができる。

このように、実施の形態１によれば、径方向面絶縁被膜の厚みｔ₁と周方向面絶縁被膜の厚みｔ₂を、導体部１３ａ間の絶縁距離Ｌ₁と、導体部１３ａと電機子鉄心１１との間の絶縁距離Ｌ₂と、から独立して設定できる。つまり、絶縁距離Ｌ₁と絶縁距離Ｌ₂を確保できるように、径方向面絶縁被膜の厚みｔ₁と周方向面絶縁被膜の厚みｔ₂を設定できるので、絶縁性能を確保しつつ、占積率を高めることができる。そこで、回転電機１００の品質の向上および高出力化を実現できる。

ｔ₁＝ｔ₂／２とすれば、導体線１３間の絶縁耐圧と対地の絶縁耐圧（導体線と電機子鉄心１１との間の絶縁耐圧）が等しくなり、占積率を最も大きくすることができる。
空隙１６の隙間ｄを、（ｔ₂−ｔ₁）以上に形成することにより、絶縁紙を介装することなく、導体線１３とコアバック１１ａとの間の絶縁距離Ｌ₂を確保することができる。そこで、スロット１１ｃ内に絶縁シート２１を装着する必要もないので、電機子１０の製造工程を簡略化できる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係る回転電機における電機子巻線のスロット収納状態を説明する断面図である。

図５において、絶縁紙１４がスロット１１ｃの最深部に位置する導体部１３ａとコアバック１１ａとの間のみに介装されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２では、絶縁紙１４がスロット１１ｃの最深部に位置する導体部１３ａとコアバック１１ａとの間に介装されている。そこで、導体線１３を径方向に１列に並べてスロット１１ｃ内に収納させる際に、スロット１１ｃの最深部に位置する導体部１３ａとコアバック１１ａとの間の離間距離を高精度に確保することができる。したがって、絶縁紙１４の厚さを（ｔ₂−ｔ₁）に設定することで、スロット１１ｃの最深部に位置する導体部１３ａとコアバック１１ａとの間に絶縁距離Ｌ₂を確保することができ、絶縁性能を確保することができる。

この実施の形態２によれば、絶縁紙１４をスロット１１ｃの最深部に位置する導体部１３ａとコアバック１１ａとの間のみに介装することができ、絶縁紙１４の使用量を最小限にできるとともに、絶縁紙１４の曲げ加工が不要となり、生産性が向上される。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係る回転電機における電機子巻線を構成する導体線を示す断面図、図７はこの発明の実施の形態３に係る回転電機における電機子巻線を構成する導体線の製造方法を説明する断面図である。

図６において、導体線１３Ａは、導体部１３ａと、導体部１３ａの外周に被覆された絶縁被膜１３ｃと、を備える。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

導体線１３Ａを作製するには、まず、長方形の長尺の絶縁テープ１５を、銅などの金属材料で作製された導体部１３ａの長方形断面の一方の長辺で構成される平面と両短辺で構成される平面とに貼り付ける。これにより、図７に示されるように、導体部１３ａの３平面が絶縁テープ１５に覆われる。ついで、絶縁テープ１５を、導体部１３ａの長方形断面の他方の長辺で構成される平面と両短辺で構成される平面とに貼り付ける。これにより、図６に示されるように、絶縁テープ１５が長方形断面の長辺で構成される平面に一重に貼り付けられ、長方形断面の短辺で構成される平面に二重に貼り付けられた導体線１３Ａが作製される。

この実施の形態３によれば、絶縁テープ１５を導体部１３ａに貼り付けて絶縁被膜１３ｃを作製しているので、導体部１３ａの長方形断面の長辺で構成される平面に形成される絶縁被膜１３ｃの厚みと、短辺で構成される平面に形成される絶縁被膜１３ｃの厚みを、簡易に、かつ高精度に構成でき、導体線１３Ａの生産性を向上できる。

なお、上記各実施の形態では、導体線がその長方形断面の短辺長さ方向を径方向に向けて径方向に１列に並んでスロット内に収納されているものとしているが、導体線はその長方形断面の長辺長さ方向を径方向に向けて径方向に１列に並んでスロット内に収納されてもよい。この場合、導体線の長方形断面の長辺で構成される平面に形成されている絶縁被膜の部位（周方向面絶縁被膜）の厚みを、導体線の長方形断面の短辺で構成される平面に形成されている絶縁被膜の部位（径方向面絶縁被膜）の厚みより厚くすればよい。

また、上記各実施の形態では、導体線が径方向に１列に並んでスロット内に多層に収納されるものとしているが、導体線は、それぞれ径方向に１列に多層に並んで、周方向に複数列に配列されて、スロット内に収納されてもよい。
また、上記各実施の形態では、電動機や発電機に用いられる回転電機について説明しているが、本発明は、リニアモータなどの直動機に適用しても、同様の効果を奏する。

Claims (4)

1. スロットがスロット幅方向に複数配列された電機子鉄心、および１種類の導体線を上記スロットに巻装して構成される電機子巻線を有する電機子を備えた電気機械において、
   上記導体線は、長方形断面を有する導体部と、上記導体部の外周を覆うように形成された絶縁被膜と、を備え、上記導体部の長方形断面の長辺又は短辺の長さ方向をスロット深さ方向に向けて、スロット深さ方向に１列に並んで、かつスロット深さ方向に互いに接して多層に配列されて、上記スロット内に収納され、
   上記導体部のスロット配列方向に向いた面に形成された上記絶縁被膜は、上記スロットに接しており、
   上記導体部のスロット深さ方向に向いた面に形成されている上記絶縁被膜の部位の厚みをｔ_１、上記導体部のスロット配列方向に向いた面に形成されている上記絶縁被膜の部位の厚みをｔ_２、スロット深さ方向の最深位置の上記導体部のスロット深さ方向に向いた面に形成されている上記絶縁被膜と上記スロットの底面との間の距離をｄ、上記導体部と上記電機子鉄心との間の絶縁距離をＬ_２としたとき、上記絶縁被膜は、Ｌ_２−ｄ≦ｔ_１＜ｔ_２ 、かつＬ _２ ≦ｔ _２ を満足するように形成されていることを特徴とする電気機械。
2. ｔ_１＝ｔ_２／２であることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
3. 絶縁紙が、スロット深さ方向の最深位置の上記導体部のスロット深さ方向に向いた面に形成されている上記絶縁被膜と上記スロットの底面との間にのみ介装されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電気機械。
4. 空隙がスロット深さ方向の最深位置の上記導体部のスロット深さ方向に向いた面に形成されている上記絶縁被膜と上記スロットの底面との間に形成され、上記空隙は、（ｔ_２−ｔ_１）以上の隙間を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電気機械。

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