JP6056317B2

JP6056317B2 - ステータ

Info

Publication number: JP6056317B2
Application number: JP2012207882A
Authority: JP
Inventors: 敬次滝澤; 小池　昭仁; 昭仁小池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP2014064384A

Description

本発明は、ステータの構造、特にステータのスロットに取り付けられたセグメントコイルの絶縁構造に関する。

ハイブリッド車等の電気自動車用のモータではスロットの内部における導体線の充填率、すなわち、スロットの所定断面積に占める導体の断面積（導体占積率）を高めると共に、表皮効果及び渦電流による交流抵抗を低くすることが求められている。このため、矩形断面の被覆導線を例えば、略Ｕ字型に曲げてからスロットに挿入し、その後スロットの端面から突出した被覆されていない先端部分同士を寄せ合うように曲げ加工し、この部分を溶接で接続してコイルとするセグメントコイルが多く用いられるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。

また、先端の溶接部分の導線の断面積をその他の部分の断面積に対して半分等に減少して溶接部の入熱を低減し、溶接時の被覆の劣化を低減する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、同文献には、溶接後、溶接部分の表面に絶縁部材を取り付けたり絶縁塗装を行ったりして導線間の絶縁を確保することが記載されている。

特開２００６−３３３５６２号公報特開２０００−１６４０４３号公報

ところで、特許文献１，２に記載されたセグメントコイルでは、被覆されていない先端部分を寄せ合わせるように被覆導線を曲げ加工する際に、曲げ応力が集中する先端部分近傍で導体から被覆が剥離してしまうことがある。この状態で溶接し、その上に絶縁塗装を行うと、金属表面から剥離した被覆のために絶縁皮膜にクラックが入ってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、絶縁皮膜のクラック発生を抑制することを目的とする。

本発明のステータは、ステータコアの各スロットに各セグメントコイルが取り付けられたステータであって、前記セグメントコイルは、導体本体の周囲に絶縁部材で被覆された被覆導線であり、前記各スロットに挿入された略Ｕ字型の導体セグメントと、前記被覆導線が所定のコイルを形成するように前記スロットから突出して曲げられた前記被覆導線の各被覆端から長手方向に突出した、前記導体本体よりも細い先端導体と、前記先端導体同士を寄せ合わせて前記各先端導体同士が溶接された溶接部と備えており、前記被覆導線の曲げ部における曲げ内周側と曲げ外周側のうち、曲げ外周側にある前記導体本体の角部のみ及び前記被覆端の角部のみが前記導体本体の端面から前記被覆導線の曲げ外周側面に向かって傾斜した傾斜面となるように切り欠かれており、前記先端導体の外面と前記傾斜面と前記被覆導線の外周面とが一体の粉体絶縁被膜塗装膜で覆われていること、を特徴とする。

本発明のステータにおいて、前記各スロットには前記セグメントコイルが半径方向に複数段配置され、内周側から少なくとも１段の前記セグメントコイルのみ、前記導体本体の角部と前記被覆端の角部とが前記導体本体の端面から前記被覆導線の曲げ外周側面に向かって傾斜した傾斜面となるように切り欠かれていること、としても好適である。

本発明は、絶縁皮膜のクラック発生を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態におけるステータを示す斜視図である。本発明の実施形態におけるステータのセグメントコイルの組み立て工程を示す概念図である。本発明の実施形態におけるステータのセグメントコイルの組み立て工程を示す概念図である。従来技術におけるステータのセグメントコイルの溶接部を示す断面図である。本発明の実施形態におけるステータのセグメントコイルの溶接部を示す断面図である。本発明の他の実施形態におけるステータのセグメントコイルの溶接部を示す断面図である。本発明の参考例のステータのセグメントコイルの溶接部を示す断面図である。本発明の他の参考例のステータのセグメントコイルの溶接部を示す断面図である。本発明の他の参考例のステータのセグメントコイルの溶接部を示す断面図である。本発明の他の実施形態におけるステータのセグメントコイルの溶接部の配置を示す平面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態のステータは、中心軸の周りに回転するロータの周囲に円周状に配置されたものであり、例えば、一般的な回転式モータあるいは、モータジェネレータ、発電機などの回転電機に用いられるものである。

図１に示す様に、本実施形態のステータ１０は、略円筒状のヨーク１３と、ヨーク１３の内周面からステータ１０の半径方向に向かって延びる複数のティース１５を有するステータコア１２と、ステータコア１２に取り付けられるステータコイル１６とを有している。各ティース１５は、ステータコア１２の周方向に間隔をあけて配置され、各ティース１５の間の空間はスロット１４を形成する。各スロット１４の中には複数のセグメントコイル２０が配置されており、複数のセグメントコイル２０は全体としてステータコイル１６を構成する。

次に図２、図３を参照しながらセグメントコイル２０を用いたステータコイル１６の組み立て方法について説明する。以下の説明では、２つの導体セグメント３０ａ，３０ｂを組み立てる工程について説明する。図２（ａ）に示すように、電磁鋼板を積層して内周側にスロット１４とティース１５が形成されたステータコア１２を準備する。図２（ｂ）に示すように、２つの導体セグメント３０ａ，３０ｂは、被覆導線３１ａ，３１ｂをそれぞれ略Ｕ字型に曲げ加工したものである。被覆導線３１ａ，３１ｂは図４に示す様に、導体本体３５の表面をエナメル等の絶縁部材の被覆３６で覆ったものである。図２（ｂ）に示す様に被覆導線３１ａ，３１ｂの開放端側（被覆端側）には被覆導線３１ａ，３１ｂの導体本体３５よりも細く、被覆されていない先端導体３２ａ，３３ａ，３２ｂ，３３ｂが突出している。

次に、図２（ｃ）に示す様に、２つの導体セグメント３０ａ，３０ｂを各先端導体３２ａ〜３３ｂの側からステータコア１２のスロット１４の軸方向に下側から上方向に向けて矢印のように挿入する。なお、図２（ｃ）は、ステータコア１２を内周側から見た展開図である。導体セグメント３０ａ，３０ｂの挿入されるスロトット１４は、隣り合うスロット１４ではなく、例えば、図１に示すスロット１４１，１４２のように離間して配置されたスロット１４である。そして、各導体セグメント３０ａ，３０ｂのＵ字型の開放端の間隔Ｗは、各導体セグメント３０ａ，３０ｂが挿入されるスロット１４の間の間隔となっている。図２（ｃ）に示す様に、挿入が終わると、各先端導体３２ａ〜３３ｂと各被覆導線３１ａ，３１ｂの一部はステータコア１２の端面１２１あるいはスロット１４から突き出した状態となる。

次に、図２（ｄ）に示す様に、各導体セグメント３０ａ，３０ｂのステータコア１２あるいはスロット１４から突出した各被覆導線３１ａ，３１ｂを曲げ加工する。図２（ｄ）も図２（ｃ）と同様、ステータコア１２を内周側から見た展開図である。図２（ｄ）に示す様に、各被覆導線３１ａ，３１ｂは、ステータコア１２の端面１２１の近傍でＵ字型の開放端を閉じる方向に横に曲げられた後、各先端導体３２ａ〜３３ｂの近傍でステータコア１２の端面１２１から垂直方向に曲げられる。このように各被覆導線３１ａ，３１ｂを曲げ加工することにより、所定の組み合わせに従ってセグメントコイル２０を形成することになる各先端導体３２ａ〜３３ｂが寄せ合わせられる。そして、図２（ｂ）に示す手前側の導体セグメント３０ａの左側の先端導体３２ａと、図２（ｂ）に示す奥側の導体セグメント３０ｂの右側の先端導体３３ｂとをＴＩＧ溶接すると１つのセグメントコイル２０が形成される。ＴＩＧ溶接した箇所は溶接部３４となる。以下、同様に、手前側の導体セグメントの左側の先端導体と奥側の導体セグメントの右側の先端導体とを順次溶接接続していくと、ティース１５の周囲を回る複数のセグメントコイル２０からなるコイル３０２が構成される。

各スロット１４の一番外周側と一番内周側では、図２で説明したティース１５の周囲を回るコイル３０２の間を接続する渡り導線３０１が形成される。図３（ｂ）に最外周側又は最内周側に挿入される導体セグメント３０ｃ，３０ｄを示す。導体セグメント３０ｃは図２（ｂ）〜図２（ｄ）で説明した導体セグメント３０ａ，３０ｂと同一のスロット１４に挿入される最外周側又は最内周側の導体セグメントであり、導体セグメント３０ｄは、例えば、図１のスロット１４３，１４４に示す様に、スロット１４１，１４２と離間している同相のスロットに挿入される導体セグメントを示している。各導体セグメント３０ｃ，３０ｄは、図２を参照して説明したように、図４に示す導体本体３５の表面をエナメル等の絶縁部材の被覆３６で被覆した被覆導線３１ａ，３１ｂの開放端側から被覆導線３１ｃ，３１ｄの導体本体３５よりも細く、被覆されていない先端導体３２ｃ，３３ｃ，３２ｄ，３３ｄが突出している。

図３（ｃ）に示す様に、導体セグメント３０ｃと導体セグメント３０ｄはそれぞれ離間したスロット１４に挿入される。図３（ｃ）も図２（ｃ）と同様、ステータコア１２を内周側から見た展開図である。先に図２（ｃ）で説明したのと同様、挿入が終わると、各先端導体３２ｃ〜３３ｄと各被覆導線３１ｃ，３１ｄの一部はステータコア１２の端面１２１あるいはスロット１４から突き出した状態となる。

次に、図３（ｄ）に示す様に、各導体セグメント３０ｃ，３０ｄのステータコア１２の端面１２１あるいはスロット１４から突出した各被覆導線３１ｃ，３１ｄを曲げ加工する。図３（ｄ）も図３（ｃ）と同様、ステータコア１２を内周側から見た展開図である。各被覆導線３１ｃ，３１ｄの先端導体３２ｃ、３３ｄが接続している側は、ステータコア１２の端面１２１の近傍でＵ字型の開放端を閉じる方向に横に曲げられた後、各先端導体３２ｃ，３３ｄの近傍でステータコア１２の端面１２１から垂直方向に曲げられる。このように曲げ加工することにより、図３（ｄ）に示す導体セグメント３０ｃの左側の先端導体３２ｃは内周側あるは外周側に隣接する導体セグメントの右側の先端導体と寄せ合わされ、その先端が溶接されてティース１５の周囲を回る複数のセグメントコイル２０からなるコイル３０３に接続される。同様に導体セグメント３０ｄの右側の先端導体３３ｄは内周側あるは外周側に隣接する他の導体セグメントの左側の先端導体と寄せ合わされ、その先端が溶接されて他のティース１５の周囲を回る他の複数のセグメントコイル２０からなる他のコイル３０４に接続される。各ＴＩＧ溶接した箇所は溶接部３４となる。

また、図３（ｄ）に示す様に、各被覆導線３１ｃ，３１ｄの先端導体３３ｃ、３２ｄが接続している側は、ステータコア１２の端面１２１の近傍でＵ字型の開放端を開く方向に横に曲げられた後、各先端導体３３ｃ，３２ｄの近傍でステータコア１２の端面１２１から垂直方向に曲げられる。このように曲げ加工することにより、各先端導体３３ｃ，３２ｄ同士が寄せ合わせられる。そして、図３（ｃ）に示す導体セグメント３０ｃの右側の先端導体３３ｃと、導体セグメント３０ｄの左側の先端導体３２ｄとをＴＩＧ溶接などで溶接して溶接部３４を成形する。これによって、導体セグメント３０ｃを含むティース１５の周りを回るコイル３０３と導体セグメント３０ｄを含む他のティース１５の周りを回るコイル３０４とを接続する渡り導体３０１が構成される。そして、ティース１５の周りを回るコイル３０３，３０４と各コイルの間を接続する複数の渡り導体３０１によって図１に示すようなステータコイル１６が構成される。セグメントコイル２０の各溶接部３４の表面は絶縁塗料あるいは絶縁部材の紛体を塗装した絶縁塗装が施される。

次に、図４を参照しながら従来技術による導体セグメント３０の先端導体３２，３３近傍の構成について詳細に説明する。先に説明したように、導体セグメント３０は、導体本体３５の表面をエナメル等の絶縁部材の被覆３６で覆った被覆導線３１の開放端側（被覆端側）から被覆導線３１の導体本体３５よりも細く、被覆されていない先端導体３２が突出しているものである。そして、先端導体３２は、他の導体セグメントの先端導体３３と溶接されて溶接部３４が形成されている。溶接部３４、先端導体３２，３３、導体本体３５および被覆３６の外表面には絶縁部材を粉体塗装した絶縁皮膜３７が形成されている。粉体の絶縁部材は、粉体塗装の際に表面が高温となる金属の先端導体３２，３３、溶接部３４、導体本体３５の端面３９の各表面には厚く付着するが、金属面が露出せず、粉体塗装の際に部材表面の温度が高温とならないエナメル等の被覆３６の端面３８や外表面にはあまり厚く付着しない。

先に説明したように、導体セグメント３０の被覆導線３１は、先端導体３２の近傍で水平方向から垂直方向に曲げられる。この曲げ加工の際に、曲げの外周側では、導体本体３５、被覆３６には引っ張り方向の力が加わり、逆に曲げの内側では、導体本体３５、被覆３６には圧縮方向の力が加わる。そして、曲げ半径が小さい場合などには、図４に示す様に、曲げの外周側の先端近傍で被覆３６が導体本体３５の表面から剥がれ、導体本体３５の表面と被覆３６との間に高さＨ_１の隙間５１ができてしまう場合がある。このような状態で、絶縁部材を粉体塗装すると、粉体塗装によって形成された絶縁皮膜３７に応力がかかりクラック５０が発生してしまう場合がある。絶縁皮膜３７のクラック５０は、隣接するセグメントコイル２０あるいは溶接部３４との間の絶縁性を低下させ、モータの耐電圧を低下させてしまう。

そこで、本実施形態では、図５に示す様に、被覆導線３１の曲げ外周側の先端の角部、つまり、被覆導線３１の被覆３６の端面３８の角部を切り欠いて面取り４０としている。図５に示す面取り４０は、導体本体３５の端面３９から高さＨ_２に渡って被覆３６の角部および導体本体３５の角部を切り欠いて傾斜した平面にしたもので、導体本体３５の端面３９から切り欠かれた被覆３６の端面３８１の上端までの高さＨ_２は先に図４を参照して説明した隙間５１の高さＨ_１よりも大きくなっている。これにより、曲げ加工の際に被覆３６にかかる引っ張り応力によって被覆３６が導体本体３５の表面から剥がれる高さＨ_１以上の高さＨ_２の範囲の被覆３６が切り取られ、図４の高さＨ_１で示す被覆３６の剥がれる部分の発生をなくすことができる。そして、面取り４０の表面に導体本体３５の金属表面を露出させることによって、面取り４０の平面上に被覆３６の外表面に形成される絶縁皮膜３７よりも厚さの厚い絶縁皮膜３７を形成することができる。このため、溶接部３４、導体本体３５の端面３９、先端導体３２，３３の各表面に付着する厚い粉体塗装の絶縁皮膜３７からエナメル等の被覆３６の外表面に付着する薄い粉体塗装の絶縁皮膜３７にかけての絶縁皮膜３７の厚みの変化を緩やかにすることができる。これによって絶縁皮膜３７に応力が集中することを抑制し、絶縁皮膜３７に図４に示すようなクラック５０が発生することを抑制することができる。また、本実施形態では、高さＨ_２は先に図４を参照して説明した隙間５１の高さＨ_１よりも大きいこととして説明したが、高さＨ２は高さＨ１と略同等の高さであってもよい。この場合、面取り４０の大きさを最小限としつつクラック５０の発生を抑制することができる。

図６を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図５を参照して説明した実施形態と同様の部分については同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態は、図５を参照して説明した実施形態の面取り４０を円筒面４１としたものであり、図６に示す導体本体３５の端面３９から円筒面状に面取りされた被覆３６の端面３８１の上端までの高さＨ_３は、図２に示す高さＨ_１よりも大きくなっている。本実施形態も図５を参照して説明した実施形態と同様、図４の高さＨ_１で示す被覆３６の剥がれる部分の発生をなくすことができると共に、溶接部３４や導体本体３５等の表面に付着する厚い粉体塗装の絶縁皮膜３７からエナメル等の被覆３６の外表面に付着する薄い粉体塗装の絶縁皮膜３７にかけての絶縁皮膜３７の厚みの変化を緩やかにすることによって絶縁皮膜３７に応力が集中することを抑制し、絶縁皮膜３７に図４に示すようなクラック５０が発生することを抑制することができるものである。

図７を参照しながら本発明の参考例について説明する。図５を参照して説明した実施形態と同様の部分については同様の符号を付して説明は省略する。本参考例は、図５を参照して説明した実施形態の面取り４０を段部４３としたものであり、図７に示す様に、段部４３は、導体本体３５の端面３９の角部に設けられたもので、垂直面４３ａと水平面４３ｄとを有している。そして、垂直面４３ａと導体本体３５の端面３９との間は小さな円筒面４３ｂによって滑らかに接続されており、水平面４３ｄと被覆導線３１の曲げ外周側の角部には面取り４３ｅが設けられている。導体本体３５の端面３９から段部４３の面取りされた被覆３６の端面３８１の上端までの高さＨ_４は、図２に示す高さＨ_１よりも大きくなっている。本参考例も図５を参照して説明した実施形態と同様、図４の高さＨ_１で示す被覆３６の剥がれる部分の発生をなくすことができると共に、溶接部３４や導体本体３５等の表面に付着する厚い粉体塗装の絶縁皮膜３７からエナメル等の被覆３６の表面に付着する薄い粉体塗装の絶縁皮膜３７にかけての絶縁皮膜３７の厚みの変化を階段状にしている。これによって、絶縁皮膜３７に応力が集中することを抑制し、絶縁皮膜３７に図４に示すようなクラック５０が発生することを抑制することができるものである。

図８を参照しながら本発明の他の参考例について説明する。図５を参照して説明した実施形態と同様の部分については同様の符号を付して説明は省略する。本参考例は、図５を参照して説明した実施形態において、曲げの内周側の被覆導線３１の角部にも面取り４０を設けたものである。曲げ半径が小さい場合、曲げの外周側と同様、曲げの内周側でも被覆３６に働く圧縮応力によって導体本体３５の先端近傍の被覆３６が導体本体３５の表面から剥がれてしまう場合がある。本参考例では、曲げの外周側に加えて曲げの内周側でも被覆導線３１の被覆端面の角部に面取り４０を設けているので、曲げ半径が小さい場合でも効果的に絶縁皮膜３７に図４に示すようなクラック５０が発生することを抑制することができる。

図９を参照しながら発明の他の参考例について説明する。図５を参照して説明した実施形態と同様の部分については同様の符号を付して説明は省略する。本参考例は、被覆導線３１の導体本体３５の端面３９から高さＨ_５の範囲の被覆３６を切り欠いて導体本体３５の金属面を全周に露出させたものである。つまり、被覆導線３１の全周に渡って被覆３６の端面３８の角部を切り欠いたものである。図９に示す切り欠き部４４の高さＨ_５は図４に示す高さＨ_１よりも大きくなっている。本参考例では、図４に示す被覆３６が導体本体３５の表面から剥がれる高さＨ_１以上の高さＨ_５の範囲の被覆３６を切り欠いて導体本体３５の表面を露出させ、図４の高さＨ_１で示す被覆３６の剥がれる部分の発生をなくすようにしている。更に、本参考例では、金属面が露出しており粉体塗装の際に表面が高温となる切り欠き部４４の表面に粉体を付着させて厚い絶縁皮膜３７を形成させ、導体本体３５の端面３９から切り欠き部４４の表面、被覆３６の表面にかけての絶縁皮膜３７の厚さの変化を緩やかにすることによって絶縁皮膜３７の応力集中を緩和し、図４に示すようなクラック５０が発生することを効果的に抑制することができるものである。

図１０を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図１０に示す様に、セグメントコイル２０の溶接部３４は、セグメントコイル２０のスロット１４への配置に応じて半径方向に並んで形成される。このため、図２、図３を参照して説明した略Ｕ字型の導体セグメント３０ａ〜３０ｄの開放端側の被覆導線３１ａ〜３１ｄの曲げ半径は、ステータコア１２の内周側に配置されるセグメントコイル２０の方がステータコア１２の外周側に配置されるセグメントコイル２０よりも小さくなる。このため絶縁皮膜３７にクラック５０が発生する割合は、ステータコア１２の内周側のセグメントコイル２０の溶接部３４の近傍の方がステータコア１２の外周側のセグメントコイル２０の溶接部３４の近傍よりも大きくなる。

そこで、本実施形態は、図１０に示す様に、ステータコア１２の内周側の二段のセグメントコイル２０の溶接部３４近傍の被覆導線３１の被覆端の角部に図５を参照して説明したように、面取り４０を設けるようにしたものである。また、ステータコア１２の内周側の二段のセグメントコイル２０の溶接部３４近傍の被覆導線３１の被覆端の角部を図６から図９を参照して説明したような形状としてもよい。本実施形態は、被覆導線３１の被覆端の加工数を低減することができ、低コストで絶縁皮膜３７のクラック５０の発生を効果的に抑制することができる。本実施形態では、ステータコア１２の内周側の二段のセグメントコイル２０の溶接部３４近傍の被覆導線３１の被覆端の角部に面取り４０を設けることとして説明したが、面取り４０を設けるのは内周側二段に限らず、内周側の一段のみでもよいし、内周側の三段以上のセグメントコイル２０の溶接部３４近傍の被覆導線３１の被覆端の角部に面取り４０を設けることとしてもよい。

１０ステータ、１２ステータコア、１３ヨーク、１４，１４１〜１４４スロット、１５ティース、１６ステータコイル、２０セグメントコイル、３０，３０ａ〜３０ｄ導体セグメント、３１，３１ａ〜３１ｄ被覆導線、３２，３３，３２ａ〜３３ｄ先端導体、３４溶接部、３５導体本体、３６被覆、３７絶縁皮膜、３８，３９，１２１，３８１端面、４０面取り、４１，４３ｂ円筒面、４３段部、４３ａ垂直面、４３ｄ水平面、４３ｅ面取り、４４切り欠き部、５０クラック、５１隙間、３０１渡り導体、３０２〜３０４コイル。

Claims

ステータコアの各スロットに各セグメントコイルが取り付けられたステータであって、
前記セグメントコイルは、導体本体の周囲に絶縁部材で被覆された被覆導線であり、前記各スロットに挿入された略Ｕ字型の導体セグメントと、前記被覆導線が所定のコイルを形成するように前記スロットから突出して曲げられた前記被覆導線の各被覆端から長手方向に突出した、前記導体本体よりも細い先端導体と、前記先端導体同士を寄せ合わせて前記各先端導体同士が溶接された溶接部と備えており、
前記被覆導線の曲げ部における曲げ内周側と曲げ外周側のうち、曲げ外周側にある前記導体本体の角部のみ及び前記被覆端の角部のみが前記導体本体の端面から前記被覆導線の曲げ外周側面に向かって傾斜した傾斜面となるように切り欠かれており、
前記先端導体の外面と前記傾斜面と前記被覆導線の外周面とが一体の粉体絶縁被膜塗装膜で覆われていること、
を特徴とするステータ。
請求項１に記載のステータであって、
前記各スロットには前記セグメントコイルが半径方向に複数段配置され、
内周側から少なくとも１段の前記セグメントコイルのみ、前記導体本体の角部と前記被覆端の角部とが前記導体本体の端面から前記被覆導線の曲げ外周側面に向かって傾斜した傾斜面となるように切り欠かれていること、
を特徴とするステータ。