JP6497263B2 - 回転電機ステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機ステータに関する。

回転電機のステータの複数のティースに巻回されるコイルの巻回方式としては、１つのティースに１つの相の巻線を巻回する集中巻と、複数のティースにまたがって１つの相の巻線を巻回する分布巻とが知られている。

特許文献１には、巻線を集中巻方式で所定形状に構成した１つのコイルを単体コイルとして複数用意したものを、ステータのティースに挿入して結線する構成において、コイルをステータに位置決めし、脱落しないようにするコイル固定装置が開示されている。このコイル固定装置は、ステータの外周側に配置される円環状の連結部材から各ティースの軸方向の両端側に延びる突起部を有し、各突起部の先端にコイル係止用の返し部を備える。

特許文献２には、ステータコアの内周側にティースに窓を嵌め込むようにして、ステータコアの外側に位置する連結部にてリング状となっているコイル固定具が取付られることが開示されている。

特開２０１４−００７９４０号公報 特開２００２−０７８２９９号公報

集中巻コイルをステータコアに組付するにはある程度の組付隙間が必要となる。この組付隙間のために集中巻コイルがステータコアから抜け落ちて脱落することがあり得る。ステータコアからのコイルの脱落等を防止するため、従来技術では集中巻コイルをステータコアに固定するための別部材を用いている。また、集中巻コイル方式のステータでは、隣接するティースの間の空間であるスロットには、異なる相のコイルが嵌め込まれるので、その相間絶縁のための間隔を確実に確保する必要がある。

本発明の目的は、コイル脱落を防止し、相間絶縁のための間隔を確保できる回転電機ステータを提供することである。

本発明の形態の１つ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周側に突き出す複数のティースを有するステータコアと、隣接するティースの間のスロットに配置されティースに巻回された複数の集中巻コイルと、円環状形状を有し、コイルの配置範囲よりも内周側、且つ、インシュレータを介してステータコアの軸方向の両端面に接触して設けられる上下一組の径方向固定部材と、スロット内に隣接して配置される２つのコイルの外周面の間で２つのコイルと固定された支え部、支え部の径方向の外周端に設けられた上下一組の支持端、及び、上下一組の支持端からそれぞれ支え部の上面及び下面と所定の隙間を空けて径方向の内周側に延びる上下一組の固定部を含む複数の相間固定部材と、を備え、上下一組の径方向固定部材において上方側固定部材の上面側の位置と下方側固定部材の下面側の位置との間の寸法をＨ１として、上下一組の径方向固定部材が配置されていない場合における相間固定部材において上下一組の支持端及び上下一組の固定部について上方側の支持端における上方側の固定部の下面側の位置と下方側の支持端における下方側の固定部の上面側の位置との間の寸法であるＨ２は、Ｈ１より小さい値に設定されており、上下一組の前記固定部は上下一組の前記径方向固定部材の外周側端部よりも内周側に突出しており、上下一組の径方向固定部材が配置された場合にＨ１とＨ２の寸法差によって上下一組の固定部は弾性変形して上下一組の径方向固定部材の上面に載り弾性変形の反力によって上下一組の径方向固定部材はステータコア側に押し付けられていることを特徴とする。

上記構成の回転電機ステータによれば、相間固定部材の先端の固定部で径方向固定部材を固定する。径方向固定部材は、コイル配置範囲よりも内周側に設けられるので、コイルが径方向に脱落しない。相間固定部材は、スロット内において例えば接着剤等でコイルと固定されるので、スロット内における相間絶縁のための周方向の位置決め精度が向上する。

上記構成の回転電機ステータによれば、コイル脱落を防止し、相間絶縁のための間隔を確保できる。

本発明に係る回転電機ステータの上面図である。 図１のＡ部分を回転電機ステータの内径側から見た展開図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図２のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 図２のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

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、集中巻された複数の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構わない。以下では、集中巻されたコイルとして、平角線を用いて単層巻したコイルを述べるが、これは説明のための例示であって、平角線以外の円形断面の丸線、楕円断面の巻線等でも構わない。また、複数巻であってもよい。

以下で述べる形状、寸法、ティースの数、磁極の数、巻数、材質等は、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の内周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の軸方向から見た上面図である。図１に、ステータコア１２の周方向θ、径方向Ｒ、軸方向Ｚをそれぞれ示した。（＋θ）方向はステータ１０の上面図において時計回りの方向であり、（＋Ｒ）方向はステータコア１２の内周側から外周側に向かう方向であり、（＋Ｚ）方向は、軸方向について図１の紙面の向こう側から手前側に向かう方向である。以下の図でも同様である。

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、ステータコア１２とコイル１４との間に配置されるインシュレータ１６とを含んで構成される。

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から内周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。なお、図１では、後述する相間固定部材４０を構成する固定部４４にスロット２４の一部が隠されている。ティース２２はコイル１４が装着され磁極となる突出部である。

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２８を複数積層したものが用いられる。磁性体薄板２８の両面には電気的絶縁処理が施される。磁性体薄板２８の材質としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板２８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ることもできる。

コイル１４は、集中巻コイルで、１つのティース２２に１つの相巻線が単層巻によって所定巻数で巻回されたものである。隣接するティース２２の間の１つのスロット２４には異なる相のコイル１４が配置される。

かかるコイル１４は、絶縁皮膜付きの導線を所定の巻型を用いて所定の巻数で巻回し、巻き終わったものを巻型から取り外すことで形成される単体コイルである。ステータ１０のティース２２には、ティース２２の両側の空間であるスロット２４を利用して絶縁皮膜付き導線が直接巻きつけられるのではなく、ステータコア１２とは別体の単体コイルとしてのコイル１４が嵌め込まれて装着される。コイル１４は、絶縁皮膜付き導線を用いて形成されたままの単体コイルで、例えば、ボビン等を用いない。

コイル１４の絶縁皮膜付き導線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等を用いることができる。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、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ることができる。

コイル１４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が３つ、Ｖ相用のティース２２が３つ、Ｗ相用のティース２２が３つであり、この９個のティース２２のそれぞれに１つずつコイル１４が装着される。コイル１４が装着されたティース２２について、図１では、Ｕ相に用いられるＵ１〜Ｕ３、Ｖ相に用いられるＶ１〜Ｖ３、Ｗ相に用いられるＷ１〜Ｗ３と示した。

同相のコイル１４同士は、図示しない渡り線等で互いに接続される。例えば、Ｕ相に用いられるティースＵ１〜Ｕ３に装着されるコイル１４は、互いに渡り線で接続されて１つのＵ相コイルとなり、その一方端子は動力線のＵ端子に接続される。Ｖ相に用いられるティースＶ１〜Ｖ３に装着されるコイル１４、Ｗ相に用いられるティースＷ１〜Ｗ３に装着されるコイル１４も同様で、渡り線で接続されてそれぞれ１つのＶ相コイル、Ｗ相コイルとなり、それぞれの一方端は動力線のＶ端子、Ｗ端子に接続される。Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのそれぞれの他方端は、互いに接続されて中性点とされる。

インシュレータ１６は、コイル１４の内周側面とこれに向かい合うステータコア１２の外周側面との間に保持される筒状形状を有する絶縁体である。インシュレータ１６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１６は、電気絶縁性を有するシートを所定の形状に成形したものを用いることができる。電気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を用いることができる。

径方向固定部材３０は、電気絶縁性を有し、コイル１４よりもステータコア１２の内周側に設けられる円環状形状の部材である。相間固定部材４０は、電気絶縁性を有し、ステータコア１２の外周側から内周側に延びて各スロット２４におけるコイル１４の間の隙間に対応する領域を覆うように設けられる部材である。

コイル１４は、１つのティース２２に１つ装着される単体コイルであるので、装着されたままでは、ティース２２から脱落する恐れがある。ステータ１０は、コイル１４の径方向の脱落防止用に径方向固定部材３０を用いる。径方向固定部材３０は、コイル１４よりも内周側に設けられる環状部材であるので、径方向固定部材３０が軸方向に脱落しない限り、コイル１４の径方向脱落を防止できる。ステータ１０は、径方向固定部材３０の軸方向への脱落防止のために２つの手段を用いる。１つは、インシュレータ１６を介したティース２２の軸方向端面であり、もう１つが相間固定部材４０である。

図２に、コイル１４の脱落防止のための各手段の関係を示す。図２は、図１のＡ部分をステータ１０の内径側から見た展開図である。図１のＡ部分には、Ｕ１，Ｖ１の２つのティース２２、これらのティース２２にインシュレータ１６を介してそれぞれ装着されるコイル１４、径方向固定部材３０，３１、３つの相間固定部材４０を構成する支え板部４２と固定部４４，４５を含む。

径方向固定部材３０，３１は、コイル１４よりも内周側に設けられる円環状形状を有する部材である。図１に示すように、径方向固定部材３０は、ステータコア１２の軸方向の（＋Ｚ）方向端に設けられる。径方向固定部材３１は、ステータコア１２の軸方向の（−Ｚ）方向端に設けられる。径方向固定部材３０，３１は、複数のコイル１４の全部について、ティース２２から内周側に脱落することを防止する。

かかる径方向固定部材３０，３１は、樹脂を用いて所定の形状に成形したものを用いることができる。樹脂としては、適当な強度と耐熱性を有する材料が用いられる。例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、芳香族ナイロン樹脂コンパウンド等が用いられる。樹脂に適当なフィラーを含ませてもよい。

図２に示されるように、径方向固定部材３０と径方向固定部材３１とは、ステータ１０の（＋Ｚ）方向端と（−Ｚ）方向端とに対称的に設けられ、その作用の方向が互いに逆であるが、形状等は同じである。そこで、径方向固定部材３０について説明する。

ステータコア１２の＋Ｚ方向端に設けられる径方向固定部材３０の（−Ｚ）方向端面は、インシュレータ１６を介してティース２２の（＋Ｚ）方向端面に接触する。これにより、径方向固定部材３０の（−Ｚ）方向への移動、脱落は、インシュレータ１６を介してティース２２の（＋Ｚ）方向端面で止められる。径方向固定部材３０の（＋Ｚ）方向端面には、後述する相間固定部材４０の固定部４４の（−Ｚ）方向端面に接触する。固定部４４は、後述するように（−Ｚ）方向に向かう弾力を有するので、径方向固定部材３０の（＋Ｚ）方向への移動、脱落に対し抑制力が働く。このように、径方向固定部材３０の軸方向への移動、脱落は、インシュレータ１６を介したティース２２の軸方向端面と、相間固定部材４０の固定部４４との作用によって防止される。径方向固定部材３１についても同様である。

上記構成におけるコイル１４、インシュレータ１６、径方向固定部材３０、相間固定部材４０の間の配置関係について、図３〜図５を用いてさらに詳細に説明する。

図３は、図２においてインシュレータ１６を含むＢ−Ｂ線に沿った（Ｚ−Ｒ）断面図である。ティース２２は、ステータヨーク２０から（−Ｒ）方向に突出する。ステータヨーク２０とティース２２とは、同じ形状の磁性体薄板２８を用いて積層されるので、Ｚ方向に沿った高さ寸法は、ステータヨーク２０とティース２２は同じである。なお、ステータ１０の仕様によっては、ステータヨーク２０とティース２２とで異なる電磁鋼板として、互いに異なる高さ寸法としてもよい。

インシュレータ１６は、コイル１４とステータヨーク２０との間を電気的に絶縁するための背面板部６０を有する。さらに、インシュレータ１６は、背面板部６０に接続され、コイル１４の内周側面とこれに向かい合うティース２２の外周側面との間を絶縁するための側壁板部６２を有する。背面板部６０はティース２２を通す開口部を有し、その開口部の縁部に接続して側壁板部６２が設けられる。側壁板部６２は、ティース２２の外周側面に沿って一周する筒状部材である。

コイル１４は、略矩形断面の平角線を用い、Ｒ方向を巻方向の軸として、所定の巻数として単層４巻で巻回された単体コイルである。コイル１４は、ティース２２のステータヨーク２０側の根元側から（−Ｒ）方向に向かって配置される。図３にコイル１４の配置範囲１５を示す。ティース２２の（−Ｒ）方向の端部とインシュレータ１６の（−Ｒ）方向の端部とは、コイル１４の配置範囲１５よりも内周側である（−Ｒ）方向に突出す。

径方向固定部材３０は、コイル１４の配置範囲１５よりも内周側である（−Ｒ）方向で、インシュレータ１６の側壁板部６２を構成する（＋Ｚ）側の側壁板６４の（＋Ｚ）側端面上に配置される。径方向固定部材３０は、コイル１４の（−Ｒ）方向への脱落防止部材であるが、径方向固定部材３０そのものは、インシュレータ１６を介してティース２２の内周側先端の端面によって、（−Ｚ）方向への移動、脱落が防止される。

同様に、コイル１４の配置範囲１５よりも内周側である（−Ｒ）方向で、インシュレータ１６の側壁板部６２を構成する（−Ｚ）側の側壁板６６の（−Ｚ）側端面上に配置される。これによって、径方向固定部材３１そのものは、インシュレータ１６を介してティース２２の内周側先端の端面によって、（＋Ｚ）方向への移動、脱落が防止される。

インシュレータ１６を介してティース２２の軸方向両端部に径方向固定部材３０，３１を配置したときにおいて、径方向固定部材３０の（＋Ｚ）方向端部の位置と、径方向固定部材３１の（−Ｚ）方向端部の位置との間の寸法をＨ１として示す。Ｈ１は、径方向固定部材３０，３１がＺ方向へ移動、脱落していないときの寸法である。

図４は、図２において、相間固定部材４０を含むＣ−Ｃ線に沿った（Ｚ−Ｒ）断面図である。

上記のように、径方向固定部材３０は、各ティース２２の両側のインシュレータ１６の（＋Ｚ）側端面上に配置され、径方向固定部材３１は、各ティース２２の両側のインシュレータ１６の（−Ｚ）側端面上に配置される。したがって、このままでは径方向固定部材３０は、（＋Ｚ）側に移動、脱落が生じ得る。同様に径方向固定部材３１は（−Ｚ）側に移動、脱落が生じ得る。スロット２４に配置される相間固定部材４０は、径方向固定部材３０の（＋Ｚ）側への移動、脱落を防止し、径方向固定部材３１の（−Ｚ）側への移動、脱落を防止する。

相間固定部材４０は、支え板部４２と固定部４４，４５とを含み、スロット２４内において２つのコイル１４の間の隙間に対応する領域を覆うように配置される部材である。相間固定部材４０は、９つのスロット２４のそれぞれについて設けられる。支え板部４２は、２つのコイル１４の外周面の間の相間隙間においてＺ方向とＲ方向とに薄壁板の状態で延びる板部である。固定部４４は、支え板部４２の（＋Ｚ）方向端部に設けられ、（＋Ｒ）方向端部で支持端４６によって支え板部４２と一体に接続され、（−Ｒ）方向端は支え板部４２との間に隙間を有する。固定部４５は、支え板部４２の（−Ｚ）方向端部に設けられ、（＋Ｒ）方向端部で支持端４７によって支え板部４２と一体に接続され、（−Ｒ）方向端は支え板部４２との間に隙間を有する。固定部４４，４５の（−Ｒ）方向先端部は、コイル１４の配置範囲１５よりも（−Ｒ）側に突出し、径方向固定部材３０，３１の（＋Ｒ）側外径よりも（−Ｒ）側に突出す。固定部４４，４５は、支持端４６，４７を固定端として、（−Ｒ）方向先端部を弾性的に変形することが可能な寸法に設定される。弾性的変形の作用については後述する。

かかる相間固定部材４０は、樹脂を用いて所定の形状に成形したものを用いることができる。樹脂としては、インシュレータ１６と同じ材質、または径方向固定部材３０と同じ材質のものを用いることができる。

図４において、相間固定部材４０の支持端４６における固定部４４の（−Ｚ）方向端面の位置と、支持端４７における固定部４５の（＋Ｚ）方向端面の位置との間の寸法をＨ２として示す。Ｈ２は、固定部４４，４５が弾性変形していないときの寸法である。Ｈ２はＨ１よりも小さな値に設定される。固定部４４，４５の（−Ｒ）方向先端部は、径方向固定部材３０，３１の（＋Ｒ）側外径よりも（−Ｒ）側に突出すので、相間固定部材４０の固定部４４，４５は弾性変形し、径方向固定部材３０，３１をインシュレータ１６側へ図４の白抜矢印の方向に押し付ける。この押し付けにより、径方向固定部材３０の（＋Ｚ）方向への移動、脱落を防止し、径方向固定部材３１の（−Ｚ）方向への移動、脱落を防止する。図４において、支え板部４２のＺ方向に沿った高さ寸法Ｈ３は、径方向固定部材３０，３１の間のＺ方向に沿った間隔距離Ｈ４よりも大きいものとした。このときは、径方向固定部材３０，３１のそれぞれのＺ方向に沿った厚さをスロット２４の領域において薄くすることが好ましい。これは例示であって、例えば、径方向固定部材３０，３１のＺ方向に沿った厚さを一様となるようにＨ３をＨ４よりも小さく設定してもよい。

相間固定部材４０の支え板部４２は、スロット２４内に配置される２つのコイル１４の外周面の間の相間隙間に配置される。図５は、図２のＤ−Ｄ線に沿った（Ｒ−θ）断面図である。図５（ａ）は全体図であり、（ｂ）は部分拡大図である。図５（ａ）には、Ｕ１のティース２２とＶ１のティース２２の間のスロット２４における２つのコイル１４と、相間固定部材４０が示される。スロット２４における２つのコイル１４の一方は、Ｕ１のティース２２に巻回されるＵ相巻線であり、他方は、Ｖ１のティース２２に巻回されるＶ相巻線である。

支え板部４２の板厚は、スロット２４における２つのコイル１４の間の隙間よりも十分薄く設定される。支え板部４２は、スロット２４において周方向のほぼ中央部に配置され、その配置位置で固定部４４，４５は径方向固定部材３０，３１をインシュレータ１６側に押し付けて固定する。これを径方向固定部材３０，３１から見れば、径方向固定部材３０，３１によって固定部４４，４５を介して相間固定部材４０が固定される。

支え板部４２は、スロット２４内における２つのコイル１４と適当な接着剤５０で固定される。接着剤５０としては、ワニス等を用いることができる。接着剤５０は、スロット２４の中に充填され、支え板部４２と２つのコイル１４との間を固定する。支え板部４２のスロット２４内における配置は、径方向固定部材３０，３１と固定部４４，４５の固定に加えて、接着剤５０によってさらにしっかり固定される。これにより、支え板部４２と２つのコイル１４との間の配置関係が精度よく定まり、スロット２４内の２つのコイル１４の間の相間絶縁のための間隔の精度が向上する。

上記では、相間固定部材４０において、固定部４４，４５の周方向に沿った寸法は、スロット２４の隣接するコイル１４の間の隙間に対応する領域を覆うものとした（図１参照）。したがって、固定部４４，４５の周方向に沿った寸法は、支え板部４２の周方向に沿った寸法よりも大きい。これは例示であって、例えば、径方向固定部材３０，３１を固定できる場合等において、固定部４４，４５の周方向に沿った寸法と、支え板部４２の周方向に沿った寸法とを同じとしてもよい。

１０ （回転電機）ステータ、１２ ステータコア、１４ コイル、１５ （コイルの）配置範囲、１６ インシュレータ、２０ ステータヨーク、２２ ティース、２４ スロット、２８ 磁性体薄板、３０，３１ 径方向固定部材、４０ 相間固定部材、４２ 支え板部、４４，４５ 固定部、４６，４７ 支持端、５０ 接着剤、６０ 背面板部、６２ 側壁板部、６４，６６ 側壁板。

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周側に突き出す複数のティースを有するステータコアと、
   隣接する前記ティースの間のスロットに配置され前記ティースに巻回された複数の集中巻コイルと、
   円環状形状を有し、前記コイルの配置範囲よりも前記内周側、且つ、インシュレータを介して前記ステータコアの軸方向の両端面に接触して設けられる上下一組の径方向固定部材と、
   前記スロット内に隣接して配置される２つの前記コイルの外周面の間で２つの前記コイルと固定された支え部、前記支え部の径方向の外周端に設けられた上下一組の支持端、及び、上下一組の前記支持端からそれぞれ前記支え部の上面及び下面と所定の隙間を空けて径方向の内周側に延びる上下一組の固定部を含む複数の相間固定部材と、
   を備え、
   上下一組の前記径方向固定部材において上方側固定部材の上面側の位置と下方側固定部材の下面側の位置との間の寸法をＨ１として、
   上下一組の前記径方向固定部材が配置されていない場合における前記相間固定部材において上下一組の前記支持端及び上下一組の前記固定部について上方側の前記支持端における上方側の前記固定部の下面側の位置と下方側の前記支持端における下方側の前記固定部の上面側の位置との間の寸法であるＨ２は、前記Ｈ１より小さい値に設定されており、
   上下一組の前記固定部は上下一組の前記径方向固定部材の外周側端部よりも内周側に突出しており、上下一組の前記径方向固定部材が配置された場合に前記Ｈ１と前記Ｈ２の寸法差によって上下一組の前記固定部は弾性変形して上下一組の前記径方向固定部材の上面に載り前記弾性変形の反力によって上下一組の前記径方向固定部材は前記ステータコア側に押し付けられていることを特徴とする回転電機ステータ。

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