JP6021772B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

この発明は、スロットが周方向に複数設けられた固定子鉄心と、固定子鉄心のスロットに卷回される複数のコイル導体から成る固定子巻線とを備えた回転電機に関するものである。

従来の回転電機としては、固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻装された三相の固定子コイルと、これらの各相の固定子コイルの固定子鉄心の端面から突出するコイルエンド部に設けられた相間絶縁紙とを具備し、三相の固定子コイルは、隔極接続され、相間絶縁紙は、一のコイルエンド部の内周側及び外周側の一方側からこれと隣り合う同相のコイルエンド部の内周側及び外周側の他方側に渡って配置された同相間絶縁紙と、異相のコイルエンド部間に配置された異相間絶縁紙とを有する回転電機がある(例えば、特許文献1参照)。

また、他の回転電機としては、3相回転電機用の固定子は、固定子鉄心に設けた複数のスロットに対してU相、V相、W相の3相の固定子コイルU、V、Wを配置している。3相の固定子コイルU、V、Wは、そのコイルエンド部において、周方向一方向側において径方向外周側の端部に偏らせた状態から周方向他方側において径方向内周側の端部に偏らせた状態に形成することにより、周方向に対して傾斜して、同じ配列順序に繰り返し配置されている。固定子コイルのコイルエンド部には、同相のコイル同士を結ぶ複数の渡線が、他の2相の固定子コイルを跨いで配置されている。渡線には、絶縁性を有する絶縁チューブが外装されている回転電機がある(例えば、特許文献2参照)。

特許第4956162号公報 特開2012−80610号公報

従来の回転電機は、分布巻の回転電機の場合、固定子コイルのコイルエンド部で、固定子コイルが他の2相の固定子コイルを跨ぐ部分が存在するため、固定子鉄心に設けたスロット内の固定子コイル間の絶縁距離よりもコイルエンド部で絶縁距離を長くとる必要がある。このため、固定子コイルの断面積が全ての巻線で同じ場合、固定子コイルのコイルエンド部に合せてコイル断面積(線径)を決定する必要がある。
固定子コイルのコイルエンド部に合せてコイル断面積を決定すると、固定子鉄心のスロットに合せてコイル断面積を決定していないため、スロット内の占積率が低下する問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、固定子鉄心に設けられたスロットにおける固定子巻線のコイルスロット部の占有率を向上させ、固定子中央部の発熱を低減することができる回転電機を得るものである。

この発明に係る回転電機は、軸方向に形成されたスロットが周方向に複数設けられた円環状の固定子鉄心と、固定子鉄心のスロットに卷回される複数のコイル導体から成る固定子巻線とを備えた回転電機において、固定子巻線は、スロットに挿入されるコイルスロット部と固定子鉄心の軸方向外側に延在するコイルエンド部とにより構成され、コイルエンド部のコイル導体の径方向厚みは、コイルスロット部のコイル導体の径方向厚みより薄く、コイルエンド部のコイル導体の周方向厚みは、コイルスロット部のコイル導体の周方向厚みより厚く形成されており、コイルスロット部のコイル導体の断面積がコイルエンド部のコイル導体の断面積より大きくなっており、且つコイルスロット部のコイル導体は、径方向厚み部分が弓形に形成されており、軸方向の中央部の断面積が両端部の断面積より大きく、中央部から両端部になるに連れて断面積を徐々に小さく構成したものである。

この発明によれば、固定子巻線は、スロットに挿入されるコイルスロット部と固定子鉄心の軸方向外側に延在するコイルエンド部とにより構成され、コイルエンド部のコイル導体の径方向厚みは、コイルスロット部のコイル導体の径方向厚みより薄く、コイルエンド部のコイル導体の周方向厚みは、コイルスロット部のコイル導体の周方向厚みより厚く形成されており、コイルスロット部のコイル導体の断面積がコイルエンド部のコイル導体の断面積より大きくなっており、且つコイルスロット部のコイル導体は、径方向厚み部分が弓形に形成されており、コイルスロット部のコイル導体は、軸方向の中央部の断面積が両端部の断面積より大きく、中央部から両端部になるに連れて断面積を徐々に小さく構成することにより、固定子鉄心に設けられたスロットにおける固定子巻線のコイルスロット部の占有率を向上させ、固定子中央部の発熱を低減することができる。

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に係る回転電機の要部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における鉄心ブロックを示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体を示す平面図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機におけるコイル導体を示す正面図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体のコイルエンド部とコイルスロット部の形状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固定子巻線を構成するコイル導体の配置を表わす回転電機の断面模式図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体の製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体の製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体の製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体の製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体の製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態2に係る回転電機を示す片側断面図である。

実施の形態1.
この発明の実施の形態1を図1乃至図14に基づき説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
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である。図2は回転電機の要部を示す斜視図である。図3は回転電機における固定子を示す斜視図である。図4は回転電機における鉄心ブロックを示す斜視図である。図5は回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体を示す斜視図である。図6は回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体を示す平面図である。図7は回転電機におけるコイル導体を示す正面図である。図8は回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体のコイルエンド部とコイルスロット部の形状を示す断面図である。図9は回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体の配置を表わす断面模式図である。図10乃至図14は回転電機における固定子巻線を構成するコイル導体の製造方法を示す模式図であって、図10はコイル導体となる導体線の成形加工前を示す側面図、図11は導体線を加工する金型を模式的に示す正面断面図、図12は導体線の製造途中の状態を示す側面図、図13(a)と(b)は導体線をさらに加工する金型を模式的に示す正面断面図と側断面図、図14は導体線の成形加工後の状態を示す側面図である。

図1に示すように、回転電機100は、有底円筒状のフレーム2及びフレーム2の開口を塞口するブラケット3を有するモータケース1と、フレーム2の円筒部に内嵌状態に固着された固定子と、フレーム2の底部2a及びブラケット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5に固着されて、固定子の内周側に回転可能に配設された回転子6とを備えている。

回転子6は,軸心位置に挿通された回転軸5に固着された回転子鉄心7と回転子鉄心7の外周面側に埋設されて周方向に等ピッチで配列され、磁極を構成する永久磁石8とを備えた永久磁石回転子である。なお、回転子は、永久磁石回転子に限定されず、絶縁しない回転子導体を、回転子鉄心7のスロットに収納して、両側を短絡環で短絡したかご形回転子や、絶縁した導体線を固定子鉄心7のスロットに装着した巻線形回転子を用いてもよい。

次に、固定子10の構成について具体的に説明する。
図2、図3に示されるように、固定子10は固定子鉄心11と固定子鉄心11に装着された固定子巻線20とを備えている。ここで、説明の便宜上、回転子6の極数を8極、固定子鉄心11のスロット数を48個、固定子巻線20を3相巻線とする。すなわち、スロットは毎極毎相当たり2個の割合で固定子鉄心11に形成されている。

鉄心ブロック12は円環状の固定子鉄心11を周方向に48等分割したもので、電磁鋼板を積層一体化して作製され、図4に示されるように、断面円弧形のコアバック部12aと、コアバック部12aの内周壁面から径方向内方に延設されたティース12bとを備えている。そして、固定子鉄心11はティース12bを径方向内方に向けて、コアバック部12aの周方向の側面同士を突き合わせて、48個の鉄心ブロック12を周方向に配列、一体化して、円環状に構成されている。周方向に隣り合う鉄心ブロック12により構成されるスロット13が、内周側に開口するように、周方向に等角ピッチで配列されている。ティース12bは周方向幅が周方向内方に向って漸次狭くなる先細り形状に形成されており、スロット13の断面は長方形となっている。スロット13の内周面には、図3、図4に示すように、絶縁材であるスロットセルが装着されている。

固定子巻線20は固定子鉄心11に装着された巻線アッセンブリに結線処理が施されて構成される。
固定子巻線20を構成するコイル導体21は、例えば、エナメル樹脂で絶縁された、かつ接続部のない連続した銅線やアルミニウム線などからなる長方形断面の導体線をエッジワイズ巻きに巻いて作製される。
上記のとおり作製されたコイル導体21を複数組合せ、円環状に形成した巻線体アッセンブリに外周方向から固定子鉄心11を挿入することで一体化され固定子巻線は構成される。

コイル導体21は、6スロット角度間隔離れて3列となった、第1コイルスロット部21a、第2コイルスロット部21b、第3コイルスロット部21c、および第4コイルスロット部21dと、第1コイルスロット部21aおよび第2コイルスロット部21bを連結する第1コイルエンド部21e、第2コイルスロット部21bおよび第3コイルスロット部21cを連結する第2コイルエンド部21f、第3コイルスロット部21cおよび第4コイルスロット部21dを連結する第3コイルエンド部21gと、他のコイルや給電部、中性点等に接続する始端コイルエンド部21hと終端コイルエンド部21jを備えている。なお、6スロット角度間隔とは、連続する6つのティース12bの両側のスロット13のスロット中心間の間隔であり、1磁極ピッチに相当する。

固定子鉄心11のスロット13に挿入されるコイル導体21の第1コイルスロット部21a、第2コイルスロット部21b、第3コイルスロット部21c、第4コイルスロット部21dを回転電機の内外径方向に圧縮して潰しており、中央部の圧縮量よりも両端部の圧縮量を大きくすることで、コイルスロット部のコイル導体21の断面積が、両端部より中央部が大きくなっている。

固定子鉄心11のスロット13内の各コイルスロット部のコイル導体21は、径方向の厚みがts、周方向の長さがwsであるのに対して、各コイルエンド部のコイル導体21の径方向厚みteはスロット13内中央部のコイル導体21の径方向厚みよりも薄い(ts>te)、スロット13中央部の周方向長さwsはコイルエンド部の周方向厚さweより薄い。またコイル導体21の断面積ts×wsは、te×weよりも大きくなっており、スロット13中央部からコイルエンド部にかけて徐々に変化している。

このことにより、コイルスロット部のコイル導体の中央部の断面積がコイルスロット部の両端部より大きいので、電流密度を下げることができ、固定子巻線の温度の高い中央部の発熱を抑制できる。

実施の形態1では、略正方形断面のコイルを固定子鉄心のスロット内に挿入する前に固定子鉄心の内外径側になる方向に圧縮して押し潰すことで、長方形断面に変形させ、中央部からコイルエンド部に徐々に圧縮量を大きくし、コイルスロット部の中央部からコイルエンド部に徐々にコイル断面積を小さくしている。

コイル導体のコイルスロット部の径方向のコイル間の隙間がコイルスロット部中央部からコイルエンド部まで徐々に拡大しているので、コイル間の間隙からスロットの軸方向中央部にワニス等の樹脂を滴下することで、ワニス等の樹脂を効率的に含侵することができる。

次に、コイル導体21の製造方法を説明する。
まず1つのコイルを造るために必要な長さの、径方向厚みがtsより若干小さいt1、周方向長さwsより若干大きいw1の導体線23を図10に示すように1本用意する。

この導体線23の後でコイルエンド部分となる5箇所の導体線を幅(径方向厚み)t1の方向から図11のように金型70を用いて圧縮による潰し加工によって成形する。その結果、図12に示すように導体線24aができる。

更に、導体線24aの後でスロット部に挿入される部分4箇所の導体線を幅(径方向厚み)t1の方向から図13のような金型71を用いて圧縮による潰し加工によって成形する。
金型71は中央部が凹の弓形となっており、中央部の圧縮量よりも端部の圧縮量が大きく設定されている。
上記2工程の圧縮による潰し加工によって図14のような導体線24bができる。

この導体線24bのコイルエンド部分を8の字形状に折り曲げ、図示はしていないが,コイルエンド頂部のクランク形状とコイルエンド部の曲率を成形,コイル導体21を製造する。
このコイル導体21を48個周方向に並べることで、図3に示す固定子巻線20となる。

上記では、金型でコイル導体を圧縮により潰して成形する方法を示したが、ローラー等でコイル導体を押し潰して成形しても製作することが可能である。

以上のように、固定子巻線は、スロットに挿入されるコイルスロット部と固定子鉄心の軸方向外側に延在するコイルエンド部とにより構成され、コイルスロット部のコイル導体は、軸方向の中央部の断面積が両端部の断面積より大きく、中央部から両端部になるに連れて断面積を小さく構成することにより、固定子鉄心に設けられたスロットにおける固定子巻線のコイルスロット部の占有率を向上させ、固定子中央部の発熱を低減することができる。

また、コイルスロット部のコイル導体は、軸方向の中央部の断面積が両端部の断面積より大きく、中央部から両端部になるに連れて断面積を小さく構成されているので、コイル導体21とコイル導体21の間に隙間ができ、隙間にワニス等の樹脂が毛細管現象で浸透して効率的に含侵することができ、コイル間の絶縁・熱伝達性が向上する。

実施の形態2.
この発明の実施の形態2を図15に基づき説明する。図15はこの発明の実施の形態2に係る回転電機を示す片側断面図である。

固定子鉄心11のスロット13部に挿入される部分の固定子巻線20のコイル導体21の断面積を軸方向に変化させて、中央部の断面積が両端部の断面積より大きくし、中央部から両端部になるに連れて断面積を小さくすることは上述した実施の形態1と同様であるが、この実施の形態2では、回転電機200は油冷却構造となっており、固定子鉄心11、固定子巻線20にも油が浸透する構造となっている。この実施の形態2では、図15の矢印Aに示すように、コイル間の隙間に油を積極的に流す構造となっており、コイル間の隙間に油が浸透し、固定子鉄心11の中央部、固定子巻線20のコイル中央部の冷却性を向上することができる。

この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可網である。

11 固定子鉄心、13 スロット、20 固定子巻線、21 コイル導体、21a 第1コイルスロット部、21b 第2コイルスロット部、21c 第3コイルスロット部、21d 第4コイルスロット部、21e 第1コイルエンド部、21f 第2コイルエンド部、21g 第3コイルエンド部、21h 始端コイルエンド部、21j 終端コイルエンド部、100 回転電機。

Claims (2)

  1. 軸方向に形成されたスロットが周方向に複数設けられた円環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の前記スロットに卷回される複数のコイル導体から成る固定子巻線とを備えた回転電機において、前記固定子巻線は、前記スロットに挿入されるコイルスロット部と前記固定子鉄心の軸方向外側に延在するコイルエンド部とにより構成され、コイルエンド部のコイル導体の径方向厚みは、コイルスロット部のコイル導体の径方向厚みより薄く、コイルエンド部のコイル導体の周方向厚みは、コイルスロット部のコイル導体の周方向厚みより厚く形成されており、コイルスロット部のコイル導体の断面積がコイルエンド部のコイル導体の断面積より大きくなっており、且つ前記コイルスロット部の前記コイル導体は、径方向厚み部分が弓形に形成されており、軸方向の中央部の断面積が両端部の断面積より大きく、前記中央部から前記両端部になるに連れて前記断面積を徐々に小さく構成したことを特徴とする回転電機。
  2. 油冷却構造で、前記コイル導体のコイル間隙間を油通路として油を浸透させることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
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