JP5977008B2 - 回転電機固定子 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機固定子に係り、特にコイルエンドに接合部を有する回転電機固定子に関する。

回転電機の固定子は、固定子コアに巻線コイルが巻回されて構成される。巻回された巻線コイルが固定子コアの軸方向で突出する部分はコイルエンドと呼ばれる。コイルエンドの突出量は、回転電機の大きさを決めるので、コイルエンドの突出量を低くすることが好ましい。

例えば、特許文献１には、回転電機の固定子として、固定子コアから突き出す固定子巻線のコイルエンドの高さを低減する構造が述べられている。ここでは、固定子巻線のうち、周方向に異なる位置に配置される２つのスロット間のターン部が、ねじりを伴わないクランク部と、スロットからターン部が突き出すところに設けられるスロット側段部と、クランク部とスロット側段部との間の中間段部とを有することが開示されている。

また、特許文献２には、回転電機の固定子として、絶縁耐力は高い方から低い方に、相間絶縁、対接地絶縁、相内絶縁の順であることが述べられ、最も高い絶縁耐力が必要な相間絶縁に絶縁被膜を合わせると、例えば、相内絶縁については過剰な絶縁耐力となって、スロット内のコイル占積率が低下することを指摘している。そこで、コイルエンドにおいて、複数のコイルが隣接して配置され、相間絶縁が必要な個所に、内部が中空で円柱状のコイル絶縁部材でコイルを覆うことが開示されている。ここでは、コイルエンドにおける巻線は直線状に延び、曲げ部で曲げられていることが図示されている。

また、特許文献３には、回転電機の固定子に用いられる線材として、固定子コアの２つの別々のスロット内に収納される両端のスロット内収納部と、この両端のスロット内収納部の間に位置するターン部とを有し、ターン部は、固定子コアの端部から凸状に曲げられた後、突出した方向に凹んで形成される凸状部位を中央部に有することが開示されている。この凹んだ部分を通じて巻線に発生した熱が逃がしやすくなると述べられている。

特開２０１０−１１９２９６号公報 特開２０１１−７２０７１号公報 特開２０１１−１０３７５５号公報

特許文献１で述べられているように、巻線コイルのコイルエンドにおける部分を階段状にすることで、階段状にしないで直線状に延びる形状とする場合に比較し、異なるスロットに渡るコイルエンドの高さを低くできる。一方で、階段状に巻線コイルを曲げるので、隣接する巻線コイルとの間の隙間が階段状の曲がるところで狭くなりがちで、不均一な隙間となる。

巻線コイルを絶縁と固定を兼ねて樹脂で固めることが行われるが、コイルエンドを階段状とする巻線コイルは、隣接する巻線コイルの間の隙間が不均一であるので、樹脂が不均一に充填され、固定力が不均一となる。コイルエンドには、外部との接続、異なる巻線コイルの間の接続のための接合部が設けられるが、接合部を有する巻線コイルの樹脂固定力が不均一であると、接合部が確実に固定されないことが生じる。

本発明の目的は、コイルエンドの高さを抑制しながら、接合部を有する巻線コイルを確実に固定できる回転電機固定子を提供することである。

本発明に係る回転電機固定子は、直線状コイルと階段状コイルとが用いられる巻線コイルとして、固定子コア端面から突出した部分であるコイルエンドにおいて、固定子コアのスロットの最内周側から突出した部分が、所定の傾斜角度で、固定子の周方向と軸方向に沿って直線的に延びた形状を有し、固定子コアの内周側から外周側に向かって、階段状コイルのコイルエンドの上方で固定子コアの外周側に直線的に延びた直線状コイルであって、コイルエンドにおける突出量は大きいが、隣接する直線状コイルとの間の隙間が平行である直線状コイルと、コイルエンドにおいて、固定子コアのスロットの最内周側よりも外周側から突出した部分が、固定子の周方向と軸方向に沿って複数の段差を有して延びた形状を有し、最大高さの位置から複数の段差を下って最初のスロットから所定スロット隔てた別のスロットに挿入された階段状コイルであって、コイルエンドにおける突出量は小さいが、隣接する階段状コイルとの間の隙間が不均一である階段状コイルと、を含み、直線状コイルにおいて固定子コアの外周側に延びた端部は、異なる巻線コイル間を接合した接合部、あるいは巻線コイルと外部配線との間を接合した接合部であることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機固定子において、樹脂によって、隣接する巻線コイル間が固定されたことが好ましい。

上記構成により、回転電機固定子は、固定子の周方向と軸方向に沿って直線的に延びる直線状コイルであって、コイルエンドにおける突出量は大きいが、隣接する直線状コイルとの間で平行な隙間を形成する形状を有する直線状コイルと、固定子の周方向と軸方向に沿って複数の段差を有して延びる階段状コイルであって、コイルエンドにおける突出量は小さいが、隣接する階段状コイルとの間の隙間が不均一となる形状を有する階段状コイルを含む。そして、直線状コイルの端部に接合部が設けられる。隣接する直線状コイルの間の隙間は平行で、均一であるので、例えば、樹脂で巻線コイルを固定するとき、隣接する階段状コイルの樹脂固定力に比べ、格段に強い固定力を得ることができる。これにより、コイルエンドの高さを抑制しながら、接合部を有する巻線コイルを確実に固定できる。

また、回転電機固定子において、直線状コイルは、固定子コアの最内周側または最外周側に配置される。すなわち、固定子コアの最内周側または最外周側を除いて階段状コイルが配置されるので、コイルエンドの高さを十分に抑制できる。

また、回転電機固定子において、直線状コイルは、固定子コアの内周側から外周側に向かって、階段状コイルのコイルエンドの上方を越えて延び、固定子コアの外周側に接合部が設けられる。このように、コイルエンドの高さが抑制された階段状コイルの上を利用して、直線状コイルの端部が延びる。したがって、コイルエンドの高さを抑制しながら、接合部を有する巻線コイルを確実に固定できる。

本発明に係る実施の形態の回転電機固定子と、そのコイルエンドを拡大して示す図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機固定子のコイルエンドの拡大詳細図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機固定子のコイルエンドにおける直線状コイルを示す図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機固定子のコイルエンドにおける階段状コイルを示す図である。 図３の構成において、樹脂固定を行った様子を示す図である。 図４の構成において、樹脂固定を行った様子を示す図である。

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、巻線コイルの接合として、セグメントコイルの両端子が相異なるスロットにそれぞれ挿入され、コイルエンド側に両端子が突き出し、異なるセグメントコイルの端子間が接合される場合を述べるが、これ以外の巻回の仕方をする巻線コイルを用いて、異なる巻線コイル間、あるいは巻線コイルと外部配線との間を接合するものであってもよい。

以下で述べる巻線コイルの巻数、巻回の仕方、階段状コイルの段差の設定、直線状コイルの折り曲げ方、端部の形状等は、説明のための例示であって、回転電機固定子の仕様に合わせ適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、回転電機固定子１０の斜視図と、コイルエンド１８の一部拡大図である。回転電機固定子１０は、ケース１２と、固定子コア１４と、巻線コイル１６を含んで構成される。

ケース１２は、固定子コア１４の外周側等を固定する筐体で、図示されていない回転電機回転子と組み合わせて回転電機を構成するときは、モータケースとなる部材である。

固定子コア１４は、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層した円筒状部材である。その外周側はケース１２に取り付けられて固定され、内周側の筒状中空部には、図示されていない回転電機回転子が配置される。固定子コアは、内周側の周方向に沿ってティースと呼ばれる突出部が複数配置され、隣接するティースの間のスロットと呼ばれる空間に巻線コイル１６が巻回される。

巻線コイル１６は、固定子コア１４の複数のスロットに所定の巻回方法で巻回される絶縁被覆付導線である。導線の断面形状は矩形で、角型コイルと呼ばれる導線である。

巻線コイル１６は、ここでは、セグメントコイルと呼ばれる線材を所定の形状に曲げたものが用いられる。具体的には、セグメントコイルの両端子が相異なるスロットにそれぞれ挿入され、コイルエンド側にセグメントコイルの両端子が突き出し、異なるセグメントコイルの端子間が接合される。これを複数回繰り返すことで、相異なるスロットに分かれて所定の巻回数の絶縁被覆付導線が配置される。

巻線コイル１６は、巻回に伴い、固定子コア１４の軸方向に突き出す。その突き出した部分がコイルエンド１８として図１には示されている。コイルエンド１８には、相異なるスロット間をまたぐ部分と、巻線コイル１６の端部の接合部２２が配置される。接合部２２は、他の巻線コイル１６との間、あるいは巻線コイル１６と外部配線との間を溶接等の接続手段で接続する部分である。

図１の拡大図では、コイルエンド１８において、相異なるスロット間をまたぐ巻線コイル１６として、直線状コイル３０と、階段状コイル４０の２種類が用いられていることが示されている。図２は、回転電機固定子１０の内周側から見たコイルエンド１８を模式的に示す図で、固定子コア１４のティース２４とスロット２６が示されている。そして、直線状コイル３０も階段状コイル４０も、スロット２６から突き出た部分がコイルエンド１８を構成する。

図２に示されるように、固定子コア１４の最内周側に直線状コイル３０、その外周側に階段状コイル４０がそれぞれ配置されている。そして、直線状コイル３０の端部は、固定子コア１４の内周側から外周側に向かって、階段状コイル４０のコイルエンド１８の上方を越えて延び、固定子コア１４の外周側に接合部２２が設けられる。

図３は、コイルエンド１８における直線状コイル３０の様子を模式的に示す図である。直線状コイル３０は、固定子コア１４のスロット２６から突き出した後、所定の傾斜角度で、固定子コア１４の周方向と軸方向に沿って直線的に延びる形状を有する巻線コイル１６である。所定の傾斜角度は、各直線状コイル３０に共通の同じ角度である。

したがって、各スロット２６から突き出して傾斜して延びる複数の直線状コイル３０において、隣接する直線状コイル３０の間の隙間Ｓ₀は同じで、しかも、直線状に延びる間は、均一のＳ₀である。また、直線状に延びて、その間では曲り加工が施されないので、断面形状は、元々の矩形形状の幅Ｗ₀、高さＨ₀のままで、一定である。これらから、隣接する直線状コイル３０の間の間隔は、均一となる。

図４は、コイルエンド１８における階段状コイル４０の様子を模式的に示す図である。階段状コイル４０は、固定子コア１４のスロット２６から突き出した後、固定子コア１４の周方向と軸方向に沿って複数の段差を有して延びる形状を有する。図４では、階段状コイル４０の最大高さＣＨ₁に至ったところまでが示されている。この例では、スロット２６から突き出て、最大高さＣＨ₁に至るまでに、４段の階段状の曲りが設けられる。この階段状の曲りは、固定子コア１４の隣接スロット間隔に近い周方向長さの間隔で繰り返し、固定子コア１４の端部平面と平行な平坦部と、隣接する平坦部の間をつなぐ傾斜部とで構成される。

図４の例では、階段状コイル４０は、スロット２６を出てから３段の階段状を上って４段目の平坦部になるが、その後、３段の階段状を下って、別のスロット２６に至り、そのスロット２６に挿入される。階段状コイル４０が突き出るスロット２６と、最大高さＣＨ₁を経て挿入される別のスロット２６との間が、階段状コイル４０の相異なるスロット間距離である。ここでは、回転電機を分布巻三相同期型として、階段状コイル４０の相異なるスロット間距離は、６スロット間隔である。つまり、最初に突き出たスロット２６を１番スロットとして、スロット２６に順番に２番スロット、３番スロットと番号を付けていくと、７番スロットに、挿入されることになる。

仮に、階段状コイル４０を用いずに、直線状コイル３０を用いて、６スロット間隔で配置すれば、その最大高さＣＨ₀（図５参照）は、傾斜角度を階段状コイル４０の傾斜部の角度と同じとすると、ＣＨ₁よりもかなり高くなる。すなわち、階段状コイル４０は、直線状コイル３０を用いるよりも、コイルエンド１８の高さを低く抑制する作用を有する。

階段状コイル４０は、平坦部と傾斜部とを有する折れ曲がり形状を有するので、隣接する階段状コイル４０との間の隙間は、狭い隙間Ｓ₁と広い隙間Ｓ₂とが現れて、一様ではない。また、断面が矩形形状の角型コイルを曲げるので、曲り部の断面形状が元々の矩形形状から変形し、部分的に膨らみを有する形状となる。図４では、下辺のＷ₁と上辺の幅Ｗ₂が異なる様子が示されている。この幅の広がったＷ₁は、図３で示した元々の矩形形状の幅Ｗ₀よりも広く、膨らんだ形状となっている。高さＨ₁も、図３で示した元々の矩形形状の高さＨ₀と異なったものとなる。これらのことから、隣接する階段状コイル４０の間の隙間は、不均一なものとなる。

上記構成の作用について、図５、図６を用いて説明する。これらの図は、それぞれ図３、図４に対応するもので、巻線コイル１６に樹脂を含浸させ、これを固化し、相互間を固定したときの様子を示す。樹脂としてはワニス等の接着材を用いることができる。

図３に示すように、複数の直線状コイル３０が平行に配置される箇所では、隣接する直線状コイル３０の間の隙間Ｓ₀は均一であるので、図５において樹脂５０は、その隙間Ｓ₀に均一に含浸され、固化される。したがって、隣接する直線状コイル３０の間は、均一な厚さの樹脂５０で固定され、その固定力が一様で安定した強いものとなる。直線状コイル３０の端部には接合部２２が設けられるが、直線状コイル３０同士がしっかりした固定力で固定されているので、接合部２２もコイルエンド１８において確実に固定される。

なお、図５においてＣＨ₀と示したのは、直線状コイル３０が６スロット隔てた２つのスロット２６を渡るときの最大高さである。直線状コイル３０はスロット２６から突き出した後、一定の傾斜角度で、固定子コア１４の周方向と軸方向に沿って真っ直ぐに延び、最大高さＣＨ₀に達すると、そこから傾斜角度の方向を下向きに変えて真っ直ぐに下がり、最初のスロット２６から６スロット隔てた別のスロット２６に挿入される。したがって、直線状コイル３０の最大高さＣＨ₀は、６スロット間隔の長さと、傾斜角度で定まり、階段状コイル４０の最大高さＣＨ₁に比べると高くなる。

図６は、階段状コイル４０の箇所における樹脂５２の含浸と固化の様子を示す図である。複数の階段状コイル４０の間は図４で示すように、狭い隙間Ｓ₁と広い隙間Ｓ₂とが混在しているので、狭い隙間Ｓ₁にはほとんど樹脂が含浸されないことが生じる。図６は、固定子コア１４の内周側から見た図であるが、紙面の向こう側に向かう方向、つまり固定子コア１４の径方向に向かう方向の隙間も、一様ではない。すなわち、図４で説明したように、階段状の曲りがある個所では、階段状コイル４０の断面形状が局部的に膨らみを有するため、径方向に沿った隙間も不均一となる。

したがって、複数の階段状コイル４０を用いることで、図４で説明したように、直線状コイルを用いる場合に比べ、コイルエンド１８における高さを低く抑えることができるが、その反面、複数の階段状コイル４０が配置される箇所は、隣接する階段状コイル４０の間の樹脂固定力が一様でなく、不均一となる。

このように、階段状コイル４０はコイルエンド１８における突出量を押さえることに効果があるが、ワニス等の樹脂による固定力が不均一である。直線状コイル３０は、樹脂による固定力が均一で安定しているが、コイルエンド１８における突出量が大きくなってしまう。図１、図２で説明した回転電機固定子１０の構成によれば、これら２種類の巻線コイル１６を組み合わせる。すなわち、安定した固定力を必要とする接合部２２を端部に有する巻線コイル１６には直線状コイル３０を用い、これを固定子の内周側に配置し、適当な固定力で足りるそれ以外のところには階段状コイル４０を用いる。

これによって、コイルエンド１８の高さを抑制しながら、接合部２２を有する巻線コイル１６を確実に固定することができる。また、直線状コイル３０は、断面形状が元のままで曲りによる幅方向の膨らみがないので、径方向の体積の増加を抑制できる。このように、図１，２の構成の回転電機固定子１０によれば、小型化を図りながら、接合部２２を有する巻線コイル１６の固定力を確保することができる。

本発明に係る回転電機固定子は、車両に搭載される回転電機等に利用できる。

１０ 回転電機固定子、１２ ケース、１４ 固定子コア、１６ 巻線コイル、１８ コイルエンド、２２ 接合部、２４ ティース、２６ スロット、３０ 直線状コイル、４０ 階段状コイル、５０，５２ 樹脂。

Claims (2)

1. 直線状コイルと階段状コイルとが用いられる巻線コイルとして、
   固定子コア端面から突出した部分であるコイルエンドにおいて、固定子コアのスロットの最内周側から突出した部分が、所定の傾斜角度で、固定子の周方向と軸方向に沿って直線的に延びた形状を有し、固定子コアの内周側から外周側に向かって、階段状コイルのコイルエンドの上方で固定子コアの外周側に直線的に延びた直線状コイルであって、コイルエンドにおける突出量は大きいが、隣接する直線状コイルとの間の隙間が平行である直線状コイルと、
   コイルエンドにおいて、固定子コアのスロットの最内周側よりも外周側から突出した部分が、固定子の周方向と軸方向に沿って複数の段差を有して延びた形状を有し、最大高さの位置から複数の段差を下って最初のスロットから所定スロット隔てた別のスロットに挿入された階段状コイルであって、コイルエンドにおける突出量は小さいが、隣接する階段状コイルとの間の隙間が不均一である階段状コイルと、を含み、
   直線状コイルにおいて固定子コアの外周側に延びた端部は、異なる巻線コイル間を接合した接合部、あるいは巻線コイルと外部配線との間を接合した接合部であることを特徴とする回転電機固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機固定子において、
   樹脂によって、隣接する巻線コイル間が固定されたことを特徴とする回転電機固定子。

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