JP6416655B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は回転電機の固定子に関する。

昨今の地球温暖化に対し、回転電機は小型高出力が求められている。このような回転電機として、例えば内周側に開口する多数のスロットを備えた固定子鉄心を有し、各スロットに複数の略Ｕ字形状のセグメント導体を挿入する事で占積率を向上させて性能を向上させたものが知られている。

Ｕ字形状セグメント導体はスロットに挿入後、捻り成形及び溶接を行うことにより、固定子コイルを構成する。その捻り成形治具は、例えば、特許文献１に記載されている。

特開２０１４−１２８１２９号 特許第４０４２３８６号

特許文献１の技術は安定した捻り成形が出来る様工夫されているが、Ｕ字形状セグメントを構成する導体（一般的には銅線）の公差に関する対策が行われていない。

銅線の銅の部分には公差が存在し、その上に絶縁のために被覆される被膜（例えばエナメル）も公差が存在する。一般的に、銅線は電線メーカより、ボビンに巻かれて提供されるが、ボビンの巻始めと巻終わりの銅線は公差が大きい事が知られている。

回転電機の固定子巻線を構成するＵ字導体は、一つのボビンに巻かれた銅線のみで、構成されるとは限らず、公差の大きな巻始めの銅線と巻終わりの銅線が、一つの固定子に用いられることは、然程珍しい事ではない。

公差の大きな２本の銅線を、同じ寸法の捻り治具で捻り成形を行うと、捻り成形の寸法誤差が大きくなり、溶接部に隙間ができる。隙間が大きい溶接部は溶接不良が起きやすく、また強度も低下する。

従来技術１（特許文献１）の図１１、図１２、図１６を見ると、くの字に曲げられる屈曲部には、絶縁皮膜が存在する。絶縁皮膜は、一般的に摩擦係数が大きいので、捻り成形の際に、個々の導体の公差の違いによる捻り寸法誤差を拡大させる。

一方、従来技術２（特許文献２）には、くの字に曲げられる部分だけではなく、端部から隣り合う斜行部と所定の間隔を持って最初に交差する部分迄、絶縁皮膜を剥離した回転電機が記載されている。この回転電機は、捻り成形時の誤差を少なくすることが出来る。しかし、絶縁皮膜を必要以上に剥離しているため、絶縁性能が低下している。

上記のような状況において、捻り成形時の誤差低減と絶縁性を両立させる回転電機が望まれている。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、前記スロットに設けられた固定子コイルとを有し、各々の前記スロットにＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体が設けられ、前記固定子コイルは、各々のセグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続されて構成され、前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列され、Ｎ列の環状列を構成する回転電機の固定子において、前記セグメント導体は、Ｕ字形状セグメントであり固定子コアに挿入され、前記固定子コイルを構成するための捻り成形の寸法精度を向上させ、また絶縁性も向上させるために、くの字に曲げられる屈曲部の凹形状となっている側の凹側面は絶縁皮膜がなく、前記凹側面以外の前記屈曲部における他の側面の少なくとも１面以上には、絶縁皮膜が存在し、複数の前記セグメント導体は、前記凹側面と前記凹側面に相対し前記屈曲部の凸形状となっている側の凸側面との幅が、それぞれ等しい導体幅に形成されている、または、
前記固定子コイルを構成するためにくの字に曲げられる屈曲部の前記凹側面と、前記凹側面と相対し前記屈曲部の凸形状となっている側の凸側面と、前記屈曲部において前記凹側面および前記凸側面と繋がる第一側面または第一側面と相対する第二側面のうち一方の側面との３面には絶縁皮膜がなく、前記第一側面または前記第二側面のうち他方の側面には絶縁皮膜が存在することを特徴とする。

本発明によれば、捻り成形時の溶接部の寸法誤差が小さく、かつ絶縁性の優れた回転電機の固定子を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の実施例による固定子を含む回転電機装置の全体構成を示す断面図。 本発明が適用される固定子の構成を示す斜視図。 固定子コイルのセグメント導体を説明する図であり、（ａ）は一つのセグメント導体を示す図、（ｂ）はセグメント導体によるコイル形成を説明する図、（ｃ）はスロット内のセグメント導体の配置を説明する図。 Ｕ相の固定子コイルを示す斜視図。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部の絶縁皮膜剥離面を説明する図（実施例１）であり、（ａ）は二つのセグメント導体を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の手前側セグメント導体を示す斜視図、（ｃ）屈曲部２８ＫのＡ断面を説明する斜視図、（ｄ）はＡ断面での絶縁皮膜剥離面を説明する平面図。 本発明の実施例１のセグメント導体が捻り治具に装着された状態を示す平面図。 本発明の実施例１のセグメント導体が捻り治具で捻り成形された後の状態を示す平面図。 公差が異なるセグメント導体の絶縁皮膜剥離をカッター等で行った場合の説明図であり、（ａ）は公差が小さい場合の平面図、（ｂ）は公差が大きい場合の平面図、（ｃ）は公差が小さい場合のセグメント導体平面図（剥離前）、（ｄ）は公差が大きい場合のセグメント導体平面図（剥離前）。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部の絶縁皮膜状態を説明する図（従来技術１）であり、（ａ）は二つのセグメント導体を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の手前側セグメント導体を示す斜視図、（ｃ）屈曲部２８ＫのＡ断面を説明する斜視図、（ｄ）はＡ断面での絶縁皮膜状態を説明する平面図。 従来技術１のセグメント導体が捻り治具に装着された状態を示す平面図。 従来技術２のセグメント導体が捻り治具で捻り成形された後の状態を示す平面図。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部の絶縁皮膜状態を説明する図（従来技術２）であり、（ａ）は二つのセグメント導体を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の手前側セグメント導体を示す斜視図、（ｃ）屈曲部２８ＫのＡ断面を説明する斜視図、（ｄ）はＡ断面での絶縁皮膜状態を説明する平面図。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部の絶縁皮膜剥離面を説明する図（実施例２）であり、（ａ）は二つのセグメント導体を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の手前側セグメント導体を示す斜視図、（ｃ）屈曲部２８ＫのＡ断面を説明する斜視図、（ｄ）はＡ断面での絶縁皮膜剥離面を説明する平面図。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部の絶縁皮膜剥離面を説明する図（実施例３）であり、（ａ）は二つのセグメント導体を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の手前側セグメント導体を示す斜視図、（ｃ）屈曲部２８ＫのＡ断面を説明する斜視図、（ｄ）はＡ断面での絶縁皮膜剥離面を説明する平面図。 その他の実施例におけるＡ断面での絶縁皮膜剥離面を説明する平面図。 本発明による回転電機を搭載する車両の構成を示すブロック図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
なお、以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリット自動車に用いられる電動機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）を指す。

図１は本発明による固定子を備える回転電機を示す断面図である。回転電機１０は、ハウジング５０、固定子２０、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０と、回転子１１とから構成される。

ハウジング５０の内周側には、固定子２０が固定されている。固定子２０の内周側には、回転子１１が回転可能に支持されている。ハウジング５０は、炭素鋼など鉄系材料の切削により、または、鋳鋼やアルミニウム合金の鋳造により、または、プレス加工によって円筒状に成形した、電動機の外被を構成している。ハウジング５０は、枠体或いはフレームとも称されている。

ハウジング５０の外周側には、液冷ジャケット１３０が固定されている。液冷ジャケット１３０の内周壁とハウジング５０の外周壁とで、油などの液状の冷媒ＲＦの冷媒通路１５３が構成され、この冷媒通路１５３は液漏れしないように形成されている。液冷ジャケット１３０は、軸受１４４，１４５を収納しており、軸受ブラケットとも称されている。

直接液体冷却の場合、冷媒ＲＦは、冷媒通路１５３を通り、冷媒出口１５４，１５５から固定子２０へ向けて流出し、固定子２０を冷却する。

固定子２０は、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０とによって構成されている。固定子鉄心２１は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られている。固定子コイル６０は、固定子鉄心２１の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回され、ワニス等で固定されている。固定子コイル６０からの発熱は、固定子鉄心２１を介して、液冷ジャケット１３０に伝熱され、液冷ジャケット１３０内を流通する冷媒ＲＦにより、放熱される。

回転子１１は、回転子鉄心１２と、回転軸１３とから構成されている。回転子鉄心１２は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られている。回転軸１３は、回転子鉄心１２の中心に固定されている。回転軸１３は、液冷ジャケット１３０に取り付けられた軸受１４４，１４５により回転自在に保持されており、固定子２０内の所定の位置で、固定子２０に対向した位置で回転する。また、回転子１１には、永久磁石１８と、エンドリング（図示せず）が設けられている。

回転電機の組立は、予め、固定子２０をハウジング５０の内側に挿入してハウジング５０の内周壁に取付けておき、その後、固定子２０内に回転子１１を挿入する。次に、回転軸１３に軸受１４４，１４５が嵌合するようにして液冷ジャケット１３０に組み付ける。

図２を用いて、本実施例による回転電機１０に用いる固定子２０の要部の詳細構成について説明する。固定子２０は、固定子鉄心２１と、前記固定子鉄心の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回された固定子コイル６０とから構成されている。固定子コイル６０は、断面が略矩形形状の導体（本実施例では銅線）を使用しスロット内の占積率を向上させ、回転電機の効率が向上する。

固定子鉄心２１には、内径側に開口するスロット１５が周方向に例えば７２個形成されている。そして、スロットライナー３０２が各スロット１５に配設され、固定子鉄心２１と固定子コイル６０との電気的絶縁を確実にしている。

前記スロットライナー３０２は、銅線を包装するようにＢ字形状や、Ｓ字形状に成形されている。

図３を用いて、固定子コイル６０の巻線方法について簡単に説明する。断面が略矩形の銅線を図３（ａ）の様な略Ｕ字形状のセグメント導体２８に成型する。そのセグメント導体２８を、軸方向からを固定子スロットに差し込む。所定のスロット離れたところに差し込まれた別のセグメント導体２８と導体端部２８Ｅにおいて（例えば溶接等により）図３（ｂ）の様に接続する。このとき、セグメント導体２８には、スロットに挿入される部位である導体直線部２８Ｓと、接続相手のセグメント導体の導体端部２８Ｅへ向かって傾斜する部位である導体斜行部２８Ｄ、屈曲部である２８Ｋとが形成される。スロット内には２、４、６・・・（２の倍数）本のセグメント導体が挿入される。図３（ｃ）は１スロットに４本のセグメント導体が挿入された例であるが、断面が略矩形の導体のため、スロット内の占積率を向上させることが出来、回転電機の効率が向上する。

図４は、図３（ｂ）の接続作業をセグメント導体が環状となるまで繰り返し、一相分（例としてＵ相）のコイル４０を形成したときの図である。一相分のコイル４０は導体端部２８Ｅが軸方向一方に集まるように構成され、導体端部２８Ｅの集まる溶接側コイルエンド６２と、反溶接側コイルエンド６１とを形成する。

図５を用いて、固定子コイルの溶接側コイルエンド部の絶縁皮膜剥離面を説明する。なお、判りやすくするため、図５は図３（ｂ）と上下を逆にしている。図５（ａ）〜（ｂ）に示す様に、絶縁皮膜は屈曲部２８Ｋの面７０１のみ剥離されている。（ｃ）に示す屈曲部２８ＫのＡ断面は（ｄ）に示す平面図になる。屈曲部２８Ｋがある面７０１は絶縁皮膜が剥離されており、他の３面の絶縁皮膜は剥離されていない。絶縁皮膜がある面は、絶縁皮膜が内面に比べて、絶縁性能に優れるのは自明である。

また、屈曲部２８Ｋがある面７０１に絶縁皮膜がない事により、捻り成形時の成形形状が安定する。図６は本発明の実施例１のセグメント導体が捻り治具に装着された状態、図７は捻り治具６００で捻り成形された後の状態を示す。絶縁皮膜（例えばエナメル）は、銅よりも一般的に摩擦係数が大きいので、捻り成形の際に、個々の導体の公差の違いによる寸法誤差を拡大させる。誤差が大きいと溶接部に隙間ができる。隙間が大きい溶接部は溶接不良が起きやすく、また強度も低下する。

ここで、本発明の様に１面の絶縁被膜を剥離すると、図８（ａ）、（ｂ）に示すように公差が異なるため、導体幅が異なるＬ１＜Ｌ２導体であったとしても、基準面６０１から等距離にあるカッター６０２で、絶縁皮膜（及び導体）を剥離することにより、等しい導体幅Ｌ０とすることが出来る。公差の違いは、削り落とす部位６０３の幅が異なることにより吸収される。以上により、絶縁性能を向上させ、捻り成形時の成形形状を安定させることが出来る。

一方、絶縁性能のみ考えると、図９に示す従来技術１の構成、屈曲部２８Ｋの面７０１を含む４面すべての絶縁皮膜が剥離されていない方が優れている。しかし、この従来技術１には、以下に述べる課題がある。

回転電機の固定子巻線を構成するＵ字導体は、一つのボビンに巻かれた銅線のみで、構成されるとは限らず、公差の大きな巻始めの銅線と巻終わりの銅線が、一つの固定子に用いられることは、然程珍しい事ではない。図８（ａ）、（ｂ）の様に公差の異なる導体の幅Ｌ１＜Ｌ２である。公差の大きな２本の銅線を、同じ寸法の捻り治具で捻り成形を行うと、捻り成形の寸法誤差が大きくなり、溶接部に隙間ができる。隙間が大きい溶接部は溶接不良が起きやすく、また強度も低下する。図１０は従来技術１のセグメント導体が捻り治具に装着された状態、図１１は捻り治具で捻り成形された後の状態を示す
なお、図１２に示す従来技術２の様に、４面全て剥離する事でも、上記の公差違いによる捻り成形誤差の課題には対応できるが、絶縁皮膜が剥離されているので、絶縁性能は本発明よりも劣る。

本発明の構成をとることにより、捻り成形誤差の軽減と絶縁性能の向上を両立出来る。
（その他実施例）
図１３に本発明の実施例２を示す。本実施例において、特に説明しない部分については実施例１と共通である。図１３においては、屈曲部２８Ｋに相対する面７０２の絶縁皮膜が剥離され、手前側の面７０３と奥側の面７０４の２面は絶縁皮膜が残っている構成である。

図１４に本発明の実施例３を示す。図１４においては、屈曲部２８Ｋに相対する面７０２と奥側の面７０４の絶縁皮膜が剥離され、手前側の面７０３の１面は絶縁皮膜が残っている構成である。図において、奥側の面７０４に接する導体は、溶接される同相コイルであるが、手前側の面７０３に接する導体は、異なるコイルであるため、絶縁が必要である。もしくは、固定子以外の部品（例えばハウジング）と接する可能性があるため、手前面７０３は絶縁されている事が望ましい。

図１５にその他の実施例での絶縁皮膜の剥離構成を示す。図１５（ｃ）は奥側面７０４の絶縁皮膜のみ存在する例である。セグメント導体コイルは、複数列にて構成される場合があるので、奥側面７０４が異相コイルや、固定子以外の部品（例えば回転子）と接する可能性があるため、奥側面７０４が絶縁されている事が望ましい場合も存在する。
以上においては、永久磁石式の回転電機において説明を行ったが、本発明の特徴は固定子のコイルエンド溶接部に関するものであるため、回転子は永久磁石式でなく、インダクション式や、シンクロナスリラクタンス、爪磁極式等にも適用可能である。また、巻線方式においては波巻方式であるが、同様の特徴を持つ巻線方式であれば、適用可能である。次に、内転型で説明を行っているが、外転型やリニアモータ、アキシャルギャップ型でも同様に適用可能である。

図１６を用いて、本実施例による回転電機１０を搭載する車両の構成について説明する。図１６は、四輪駆動を前提としたハイブリッド自動車のパワートレインである。前輪側の主動力として、エンジンと回転電機１０を有する。エンジンと回転電機１０の発生する動力は、変速機により変速され、前輪側駆動輪に動力を伝えられる。また、後輪の駆動においては、後輪側に配置された回転電機１０と後輪側駆動輪を機械的に接続され、動力が伝達される。

回転電機１０は、エンジンの始動を行い、また、車両の走行状態に応じて、駆動力の発生と、車両減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生を切り換える。回転電機１０の駆動，発電動作は、車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置により制御される。回転電機１０の駆動に必要な電力は、電力変換装置を介してバッテリから供給される。また、回転電機１０が発電動作のときは、電力変換装置を介してバッテリに電気エネルギーが充電される。

ここで、前輪側の動力源である回転電機１０は、エンジンと変速機の間に配置されており、本発明にて説明した構成を有するものである。後輪側の駆動力源である回転電機１０としては、同様のものを用いることもできるし、他の一般的な構成の回転電機を用いることもできる。なお、四輪駆動式以外のハイブリッド方式においても勿論適用可能である。

以上で説明したように、本発明によれば、小型高出力であるにも関わらず、冷却性が優れた回転電機の固定子を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、図２では溶接部位はターミナル４２の反対側のみに集中しているが、ターミナル側に溶接部位が集中しても構わないし、溶接部位がターミナル側と反ターミナル側に分散しても構わない。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０ 回転電機
１１ 回転子
１２ 回転子鉄心
１３ 回転軸
１５ スロット
１８ 永久磁石
２０ 固定子
２１ 固定子鉄心
２８Ａ セグメント導体
２８Ｂ セグメント導体
２８Ｄ 導体斜行部
２８Ｅ 導体端部
２８Ｋ 導体屈曲部
２８Ｓ 導体直線部
３０ 絶縁皮膜
５０ ハウジング
６０ 固定子コイル
６１ 反溶接側コイルエンド
６２ 溶接側コイルエンド
１３０ 液冷ジャケット
１４４ 軸受
１４５ 軸受
１５０ 冷媒（油）貯蔵空間
１５３ 冷媒通路
１５４ 冷媒出口
１５５ 冷媒出口
３００ 環状絶縁紙
３０１ 環状絶縁紙
３０２ スロットライナー
６００ 捻り治具
６０１ 剥離長さ基準面
６０２ 剥離カッター
６０３ 剥離カッターで切り落とされる部位
７０１ 屈曲部２８Ｋの面
７０２ 屈曲部２８Ｋに相対する面
７０３ 手前面
７０４ 奥側面
ＲＦ 冷媒

Claims (6)

1. 複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、
   前記スロットに設けられた固定子コイルと、を有し、
   各々の前記スロットにＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体が設けられ、
   前記固定子コイルは、各々のセグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続されて構成され、
   前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列され、
   Ｎ列の環状列を構成する回転電機の固定子において、
   前記セグメント導体は、Ｕ字形状セグメントであり固定子コアに挿入され、前記固定子コイルを構成するためにくの字に曲げられる屈曲部の凹形状となっている側の凹側面は絶縁皮膜がなく、前記凹側面以外の前記屈曲部における他の側面の少なくとも１面以上には、絶縁皮膜が存在し、
   複数の前記セグメント導体は、前記凹側面と前記凹側面に相対し前記屈曲部の凸形状となっている側の凸側面との幅が、それぞれ等しい導体幅に形成されていることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   前記固定子コイルを構成するためにくの字に曲げられる屈曲部の前記凹側面と、前記凹側面と相対する前記凸側面の２面には絶縁皮膜がなく、前記屈曲部におけるその他の２面には絶縁皮膜が存在することを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   前記固定子コイルを構成するためにくの字に曲げられる屈曲部の前記凹側面と、前記凹側面と相対する前記凸側面と、前記屈曲部において前記凹側面および前記凸側面と繋がる第一側面または第一側面と相対する第二側面のうち一方の側面との３面には絶縁皮膜がなく、前記第一側面または前記第二側面のうち他方の側面には絶縁皮膜が存在することを特徴とする回転電機の固定子。
4. 複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、
   前記スロットに設けられた固定子コイルと、を有し、
   各々の前記スロットにＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体が設けられ、
   前記固定子コイルは、各々のセグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続されて構成され、
   前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列され、
   Ｎ列の環状列を構成する回転電機の固定子において、
   前記セグメント導体は、Ｕ字形状セグメントであり固定子コアに挿入され、前記固定子コイルを構成するためにくの字に曲げられる屈曲部の凹形状となっている側の凹側面は絶縁皮膜がなく、前記凹側面以外の前記屈曲部における他の側面の少なくとも１面以上には、絶縁皮膜が存在し、
   前記固定子コイルを構成するためにくの字に曲げられる屈曲部の前記凹側面と、前記凹側面と相対し前記屈曲部の凸形状となっている側の凸側面と、前記屈曲部において前記凹側面および前記凸側面と繋がる第一側面または第一側面と相対する第二側面のうち一方の側面との３面には絶縁皮膜がなく、前記第一側面または前記第二側面のうち他方の側面には絶縁皮膜が存在することを特徴とする回転電機の固定子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の回転電機の固定子において、
   前記絶縁皮膜がエナメルであることを特徴とする回転電機の固定子。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の回転電機の固定子を備えた回転電機。

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