JP6443303B2 - 回転電機ステータ - Google Patents

Description

本発明は、各相コイルがデルタ結線方式でステータコアに巻回された回転電機ステータに関する。

三相型の回転電機のステータにおける巻線の結線方式としては、スター結線方式またはＹ結線方式と呼ばれるものと、三角結線方式またはデルタ結線方式と呼ばれるものが知られている。Ｙ結線方式は、三相各相をその一端の中性点で接続するのに対し、デルタ結線方式では三相各端子の間に各相コイルが接続されて閉回路を形成する。

特許文献１には、三相同期型の回転電機のステータ巻線におけるＹ結線方式において、Ｕ相の中性点側端子とＶ相の中性点側端子を接続する１つの部材と、Ｗ相の中性点側端子に接続するもう１つの部材との間に温度センサを配置する構成が開示されている。

なお、本発明に関連する技術として、特許文献２には、２つのコイルを直列に接続したものを２つ並列に接続して構成される各相コイルをデルタ結線方式で三相コイルを形成するときの環状接続部材と各相コイルとの間の接続の仕方が述べられている。

特開２０１３−２１９９１３号公報 特開２０１４−０９６９５２号公報

回転電機が動作するときの各相コイルの温度を検知するために温度センサが用いられる。１つの温度センサで１つの相コイルの温度を検出すると、その相コイルの温度異常を検知できるが他の相コイルの温度異常を検知できない。Ｙ結線方式の場合は、中性点で各相コイルが集められるので、中性点の温度を検出することで、いずれかの相コイルに温度異常が発生してもそれを検知できる。デルタ結線方式では、各相コイルがデルタ状に閉回路を形成するので、各相コイルが集まる点がない。そこで、デルタ結線方式において、いずれかの相コイルに温度異常が発生したことを１つの温度センサで検知可能とする回転電機ステータが望まれる。

本発明の１つの形態に係る回転電機ステータは、円環状のステータヨーク、及びステータヨークから内径側に突き出す複数のティースを有するステータコアと、ティースの周囲に巻回された三相の各相コイルであって、Ｕ相コイルの一方端とＷ相コイルの他方端とが互いに接続されてＵ端子を形成し、Ｖ相コイルの一方端とＵ相コイルの他方端とが互いに接続されてＶ端子を形成し、Ｗ相コイルの一方端とＶ相コイルの他方端とが互いに接続されてＷ端子を形成するデルタ結線方式で互いに接続された各相コイルと、Ｕ端子に一方端が接続されたＵ伝熱部材と、Ｖ端子に一方端が接続されたＶ伝熱部材と、Ｗ端子に一方端が接続されたＷ伝熱部材と、Ｕ伝熱部材の他方端、Ｖ伝熱部材の他方端、及び、Ｗ伝熱部材の他方端が互いに電気的に絶縁された状態で集められた位置で、他方端のそれぞれに共に接触する温度センサと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る回転電機ステータによれば、デルタ結線方式の各相端子から引き出される３本の伝熱部材が電気的に絶縁された状態で集められ、その位置に温度センサが配置される。したがって、デルタ結線方式において、いずれかの相コイルに温度異常が発生したことを１つの温度センサで検知可能となる。

本発明に係る実施の形態の回転電機ステータの平面図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機ステータにおける等価回路図である。 図１における１つの単コイルであるＷ３についての斜視図である。 図１のＡ部の拡大図である。 図１のＡ部の側面図である。

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、車両に搭載される回転電機に用いられるステータを述べるが、これは説明のための例示であって、デルタ結線方式で接続された三相コイルを用いる回転電機ステータであれば、車両搭載以外の用途であってもよい。以下では、各相コイルの巻回方法として、集中巻を述べるが、分布巻でもよい。コイルの巻線として、平角線を述べるが、これは説明のための例示であって、円形断面の丸線、楕円断面の導線等を用いてもよい。

以下で述べるティースの数、巻数、渡り線の配置等は、説明のための例示であって、回転電機ステータの仕様に合わせ、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。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ステータ１０の構成を示す図である。以下では、回転電機ステータ１０を特に断らない限り、ステータ１０と呼ぶ。ステータ１０が用いられる回転電機は、駆動回路の制御によって、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示される固定子であるステータ１０と、ステータ１０の内径側に所定の隙間を隔てて配置される円環状の回転子であるロータとで構成される。図１ではロータの図示を省略した。

図１は、ステータ１０の軸方向から見た平面図である。ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２に装着されるコイル１４と、コイル１４の温度を検出する温度センサ部５０とを含んで構成される。

図１に、ステータコア１２の周方向、径方向、軸方向をそれぞれ示した。周方向は、ステータコア１２の円周方向に沿った方向であり、径方向はステータコア１２の外径側から内径側の方向であり、軸方向は、ステータコア１２の中心軸に沿った方向である。軸方向において、後述する動力線のＵ端子１５、Ｖ端子１６，Ｗ端子１７が引き出される方向がリード側で、その逆方向が反リード側である。図１は、軸方向についてリード側から見た図である。

ステータコア１２は、円環状の磁性体部品で、円環状のステータヨーク２０とステータヨーク２０から内径側に突き出す複数のティース２２とを含む。隣接するティース２２の間の空間は、スロット２４である。

かかるステータコア１２は、ステータヨーク２０とティース２２とを含み、スロット２４が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板の複数枚を積層したものが用いられる。磁性体薄板の両面には電気的な絶縁処理が施される。磁性体薄板の材質としては、電磁鋼板が用いられる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を所定の形状に一体化成形したものを用いてもよい。

コイル１４は、複数の単コイル１３を予め定められた方法で接続して形成される三相コイルである。単コイル１３は、１つのティース２２に１つの相巻線が所定の巻数で巻回された集中巻コイルである。単コイル１３としては、所定の巻型を用いて絶縁皮膜付き導線を所定の巻数で予め巻回されたカセットコイルが用いられる。場合によっては、ティース２２に直接的に絶縁皮膜付き導線を巻回してもよい。隣接するティース２２の間の１つのスロット２４には異なる相の単コイル１３が配置される。

単コイル１３の絶縁皮膜付き導線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキされた銅錫合金線等が用いられる。素線としては、断面形状が略矩形の平角線が用いられる。絶縁皮膜としては、電気的な絶縁性を有する樹脂の皮膜を用いる。例えば、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。これに代えて、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等を用いてもよい。

単コイル１３とステータコア１２との間に、電気的な絶縁のためにインシュレータが設けられる。インシュレータは接着等の固定手段によってステータコア１２に固定される。かかるインシュレータには、電気的な絶縁性を有するシートを所定の形状に成形したものが用いられる。電気的な絶縁性を有するシートとしては、紙の他、プラスチックフィルムが用いられる。コイル１４の絶縁皮膜の電気的な絶縁性能が十分であるときはインシュレータを省略できる。以下では、インシュレータを設けるものとするが、図示を省略する。

単コイル１３は、ステータコア１２の各ティース２２にそれぞれ１つずつ装着される。図１の例では、ステータコア１２は、Ｕ相用のティース２２を４つ、Ｖ相用のティース２２を４つ、Ｗ相用のティース２２を４つ有し、この１２個のティース２２のそれぞれに１つずつ単コイル１３が装着される。

図１には、Ｕ相用の４つのティース２２に装着される４つの単コイル１３をＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４として示す。同様に、Ｖ相用の４つのティース２２に装着される４つの単コイル１３をＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４とし、Ｗ相用の４つのティース２２に装着される４つの単コイル１３をＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４として示す。

図２は、Ｕ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４、Ｗ１〜Ｗ４の１２個の単コイル１３の接続関係と、温度センサ部５０の配置関係とを示す等価回路図である。Ｕ１〜Ｕ４の４つの単コイル１３は、Ｕ相用の渡り線３０によって互いに直列に接続される。同様に、Ｖ１〜Ｖ４の４つの単コイル１３は、Ｖ相用の渡り線３２によって互いに直列に接続され、Ｗ１〜Ｗ４の４つの単コイル１３は、Ｗ相用の渡り線３４によって互いに直列に接続される。

図３に、例としてＷ３の単コイル１３と、Ｗ相用の渡り線３４との関係を示す。単コイル１３は、ティース２２のステータヨーク２０側の根元側の巻始め端６０から、内径側の先端側の巻終り端６２に向かって、単層巻の４巻半の巻数で巻回される。巻数は例示であって、ステータ１０の仕様に応じて適宜変更される。単層巻に代えて多層巻を用いてもよい。

ステータコア１２の軸方向の端面から突き出す巻回の部分はコイルエンド７０，７２である。コイルエンド７０は、リード側に突き出し、コイルエンド７２は、反リード側に突き出す。巻始め端６０は、４巻半の巻回の外形よりもさらに、導線の幅の約２倍の長さでリード側に突き出す。巻終り端６２は、４巻半の巻回の外形よりもさらに導線の幅よりやや長くリード側に突出し、巻回の外形に沿って周方向に沿って延び、Ｗ相用の渡り線３４となる。このように、Ｗ相用の渡り線３４は、Ｗ相用の単コイル１３の巻終り端６２から延びた部分で形成される。渡り線３４の延びた先端部は、導線の幅とほぼ同じ長さでリード側に突き出す突出部６４を有する。

Ｗ３の単コイル１３の巻終り端６２からの渡り線３４は、Ｗ４の単コイル１３の巻始め端６０に向かって延び、その先端部の突出部６４は、Ｗ４の単コイル１３の巻始め端６０に突合わされて相互に接続される。同様に、Ｗ３の単コイル１３の巻始め端６０に向かって、Ｗ２の単コイル１３の巻終り端６２からの渡り線３４が延び、その先端部の突出部６４は、Ｗ３の単コイル１３の巻始め端６０と突き合わされて接続される。

このようにして、Ｗ１〜Ｗ４の４つの単コイル１３は、Ｗ相用の渡り線３４によって順次、互いに直列に接続されて、１つのＷ相コイル４４となる。同様にして、Ｕ１〜Ｕ４の４つの単コイル１３は、Ｕ相用の渡り線３０によって順次、互いに直列に接続されて１つのＵ相コイル４０となる。Ｖ１〜Ｖ４の４つの単コイル１３は、Ｖ相用の渡り線３２によって順次、互いに直列に接続されて１つのＶ相コイル４２となる。

Ｕ相コイル４０、Ｖ相コイル４２、Ｗ相コイル４４の間の相間の接続は、デルタ結線方式である。図３の例を用いてＷ相コイル４４について述べると、Ｗ４の単コイル１３の巻終り端６２から延びる渡り線は、Ｗ相用の単コイル１３でなく、Ｕ相用の単コイル１３であるＵ１の巻始め端６０に接続される。Ｗ４の単コイル１３の巻終り端６２とＵ相用の単コイル１３であるＵ１の巻始め端６０とを結ぶ渡り線は、異なる相の単コイル１３の間を接続するので、同じ相の単コイル１３の間を接続する渡り線３０，３２，３４と区別して、これをＵＷ相用の渡り線３５と呼ぶ。ＵＷ相用の渡り線３５は、Ｕ相コイル４０の一方端側の単コイル１３であるＵ１の一方端と、Ｗ相コイル４４の他方端側の単コイル１３であるＷ４の他方端とを接続する。

同様に、Ｖ相コイル４２の一方端側の単コイル１３であるＶ１の一方端と、Ｕ相コイル４０の他方端側の単コイル１３であるＵ４の他方端とは、ＶＵ相用の渡り線３６で互いに接続される。また、Ｗ相コイル４４の一方端側の単コイル１３であるＷ１の一方端と、Ｖ相コイル４２の他方端側の単コイル１３であるＶ４の他方端とは、ＷＶ相用の渡り線３７で互いに接続される

１２個の単コイル１３の巻始め端６０と、これに接続される渡り線３０，３２，３４，３５，３６，３７の先端部の突出部６４との間は、溶接等の接続手段を用いて接続され固定される。溶接等の固定箇所は、適当な絶縁材で覆われる。

このように、デルタ結線方式によって、Ｕ相コイル４０、Ｖ相コイル４２、Ｗ相コイル４４は、ＵＷ相用の渡り線３５、ＶＵ相用の渡り線３６、ＷＶ相用の渡り線３７を用いて、互いに接続され、図２に示す三角形の閉回路を形成する。デルタ結線方式では、Ｕ相コイル４０、Ｖ相コイル４２、Ｗ相コイル４４が集まる点がない。

単コイル１３であるＵ１の巻始め端６０とＵＷ相用の渡り線３５との接続点には、動力線のＵ端子１５が接続される。同様に、単コイル１３であるＶ１の巻始め端６０とＶＵ相用の渡り線３６との接続点には、動力線のＶ端子１６が接続される。単コイル１３であるＷ１の巻始め端６０とＷＶ相用の渡り線３７との接続点には、動力線のＷ端子１７が接続される。各接続点と、Ｕ端子１５、Ｖ端子１６、Ｗ端子１７との間は、溶接等の接続手段を用いて接続され固定される。この溶接工程は、単コイル１３の巻始め端６０と渡り線３５，３６，３７との間の溶接工程に含めて行ってもよい。

図２に示すように、デルタ結線方式における三角形の閉回路の各頂点は、動力線のＵ端子１５、Ｖ端子１６、Ｗ端子１７であり、Ｕ相コイル４０は、Ｕ端子１５とＶ端子１６の間に接続されるので、ＵＶコイルと呼ぶことができる。同様に、Ｖ相コイル４２は、Ｖ端子１６とＷ端子１７の間に接続されるので、ＶＷコイルと呼ぶことができ、Ｗ相コイル４４は、Ｗ端子１７とＵ端子１５の間に接続されるので、ＷＵコイルと呼ぶことができる。

上記では、渡り線３０，３２，３４，３５，３６，３７を単コイル１３の巻回の外形の上側に配置するものとした。これに代えて、単コイル１３よりも内径側、あるいは外径側に複数本の環状の接続部材を配置し、これに単コイル１３の巻始め端６０と巻終り端６２を予め定めた接続方法で接続してデルタ結線を形成してもよい。

次に、ステータ１０に設けられる温度センサ部５０について、図２を参照しながら、図１の拡大図である図３を用いて説明する。

温度センサ部５０は、温度検出センサであるサーミスタ５２を１つ内蔵したパッケージ部品である。サーミスタ５２の両端子からは、検出した温度データを伝送するための２本のリード線５４が外部に引き出される。温度センサ部５０からは、３本の伝熱部材５５，５６，５７が引き出される。伝熱部材５５は、Ｕ相コイル４０の温度を伝熱するためのＵ伝熱部材で、伝熱部材５６は、Ｖ相コイル４２の温度を伝熱するためのＶ伝熱部材で、伝熱部材５７は、Ｗ相コイル４４の温度を伝熱するためのＷ伝熱部材である。

引き出された伝熱部材５５の一方端は、Ｕ端子１５とＵＷ相用の渡り線３５との接続点に接続されて、接続部６５を形成する。同様に、伝熱部材５６の一方端は、Ｖ端子１６とＶＵ相用の渡り線３６との接続点に接続され、接続部６６を形成し、伝熱部材５７の一方端は、Ｗ端子１７とＷＶ相用の渡り線３７との接続点に接続され、接続部６７を形成する。

接続部６５，６６，６７の形成には、溶接等の接続手段が用いられる。溶接等によって接続及び固定された箇所は、適当な絶縁材で覆われる。接続部６５，６６，６７の形成は、単コイル１３の巻始め端６０と渡り線３５，３６，３７との間の溶接工程、および、これらとＵ端子１５、Ｖ端子１６、Ｗ端子１７との間の溶接工程が行われた後に、これらの溶接工程とは別に行われる。場合によっては、これらの溶接工程に、接続部６５，６６，６７の形成のための溶接工程を含めて行ってもよい。

３本の伝熱部材５５，５６，５７の他方端は、温度センサ部５０のパッケージ内に引き込まれ、サーミスタ５２の配置位置において互いに電気的に絶縁された状態で集められる。集められた３本の伝熱部材５５，５６，５７の他方端は、サーミスタ５２に直接的に接触する。これによって、Ｕ相コイル４０、Ｖ相コイル４２、Ｗ相コイル４４のそれぞれの温度が、３本の伝熱部材５５，５６，５７を経由して、温度センサ部５０のサーミスタ５２によって検出され、リード線５４を介して外部に出力される。Ｕ相コイル４０、Ｖ相コイル４２、Ｗ相コイル４４のいずれかに温度異常が生じても、リード線５４から伝送されるデータに基づいて、これを検出できる。

かかる伝熱部材５５と伝熱部材５６と伝熱部材５７は、熱伝導性のよい材料を所定の形状に成形し、電気的に絶縁性を有する材料で表面を覆った部材が用いられる。熱伝導性のよい材料としては、金属が用いられる。絶縁材としては、適当な樹脂のコーティング材を用いる。例えば、単コイル１３の絶縁皮膜付き導線と同様な素線と絶縁皮膜を用いてよい。

温度センサ部５０のパッケージとしては、サーミスタ５２と、伝熱部材５５と伝熱部材５６と伝熱部材５７のそれぞれの他方端を含んで、所定の形状に成形した樹脂パッケージを用いる。サーミスタ５２のリード線５４は、パッケージの外側に引き出される。樹脂パッケージに代えて、セラミックパッケージを用いてもよい。

図４に示すように、３本の伝熱部材５５，５６，５７は、平面図上の長さが同じでない。Ｕ相コイル４０、Ｖ相コイル４２、Ｗ相コイル４４の温度を同等の精度でサーミスタ５２が検出するためには、３本の伝熱部材５５，５６，５７の伝熱に関する距離を同じにすることがよい。伝熱に関する距離を同じにするには、同じ熱伝導率の材料を用い、伝熱断面積を同じの場合には、３本の伝熱部材５５，５６，５７の長さ寸法を同じにする。

図５は、軸方向について適切な屈曲形状を設けて長さ寸法をほぼ同じにした３本の伝熱部材７５，７６，７７の例を示す図である。図５は、図４に対応して、ステータ１０の外径側から見た側面図である。３本の伝熱部材７５，７６，７７は、同じ熱伝導率の材料を用い、伝熱断面積を同じとして、軸方向について設けた屈曲形状によって、それぞれの接続部６５，６６，６７からサーミスタ５２までの長さ寸法がほぼ同じである。なお、３本の伝熱部材７５，７６，７７は、図４の伝熱部材５５，５６，５７と平面図上の形状が同じとなる。これにより、サーミスタ５２は、Ｕ相コイル４０、Ｖ相コイル４２、Ｗ相コイル４４の温度を同等の精度で検出できる。

３本の伝熱部材５５，５６，５７において、同じ熱伝導率の材料を用い、伝熱断面積を同じとして、伝熱に関する距離を同じにする他の方法は、図４の平面図上で、３本の伝熱部材５５，５６，５７について、周方向及び径方向に適切な屈曲形状を設けることである。あるいは、温度センサ部５０を、ステータヨーク２０の上に配置し、３本の伝熱部材５５，５６，５７について、軸方向に沿って適切な屈曲形状を設けてもよい。あるいは、同じ熱伝導率の材料を用いながら、伝熱断面積を異ならせて、伝熱に関する距離を同じとしてよい。さらに、熱伝導率の異なる材料を用いることで、伝熱断面積を同じとし、接続部６５，６６，６７からサーミスタ５２までの長さ寸法も同じとしてよい。これらによっても、サーミスタ５２は、Ｕ相コイル４０、Ｖ相コイル４２、Ｗ相コイル４４の温度を同等の精度で検出できる。

１０ （回転電機）ステータ、１２ ステータコア、１３ 単コイル、１４ コイル、１５ Ｕ端子、１６ Ｖ端子、１７ Ｗ端子、２０ ステータヨーク、２２ ティース、２４ スロット、３０，３２，３４，３５，３６，３７ 渡り線、４０ Ｕ相コイル、４２ Ｖ相コイル、４４ Ｗ相コイル、５０ 温度センサ部、５２ サーミスタ、５４ リード線、５５，５６，５７ 伝熱部材、６０ 巻始め端、６２ 巻終り端、６４ 突出部、６５，６６，６７ 接続部、７０，７２ コイルエンド、７５，７６，７７ 伝熱部材。

Claims (1)

1. 円環状のステータヨーク、及び該ステータヨークから内径側に突き出す複数のティースを有するステータコアと、
   前記ティースの周囲に巻回された三相の各相コイルであって、Ｕ相コイルの一方端とＷ相コイルの他方端とが互いに接続されてＵ端子を形成し、Ｖ相コイルの一方端とＵ相コイルの他方端とが互いに接続されてＶ端子を形成し、Ｗ相コイルの一方端とＶ相コイルの他方端とが互いに接続されてＷ端子を形成するデルタ結線方式で互いに接続された各相コイルと、
   前記Ｕ端子に一方端が接続されたＵ伝熱部材と、
   前記Ｖ端子に一方端が接続されたＶ伝熱部材と、
   前記Ｗ端子に一方端が接続されたＷ伝熱部材と、
   前記Ｕ伝熱部材の他方端、前記Ｖ伝熱部材の他方端、及び、前記Ｗ伝熱部材の他方端が互いに電気的に絶縁された状態で集められた位置で、前記他方端のそれぞれに共に接触する温度センサと、
   を備えることを特徴とする回転電機ステータ。

Images