JP6539165B2 - 回転電機の固定子及び回転電機 - Google Patents
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Description
本発明は、本発明は回転電機の固定子及び回転電機に関し、特に電動車両に搭載される回転電機に関する。
産業や生活に密着した回転電機は現代の社会を支える基盤機器である。特に地球環境保護の観点から普及しつつあるハイブリッド自動車や電気自動車においては搭載スペースの確保および軽量化による燃費向上の観点から、動力源のモータには小型・軽量化が要求される。
ハイブリッド自動車、電気自動車用動力モータのステータのスロット絶縁は、ステータコア／コイル間および異相コイル間に挿入されるスロット絶縁紙とそれらの空隙を充填しコイルおよびスロット絶縁紙をステータコアに固定する固着ワニスで構成される。
スロット絶縁では、ステータコアのスロット端部近傍において、スロット絶縁紙とステータコアとの間に存在する空気と、当該スロット絶縁紙との誘電率差が大きいために、スロット端部近傍の空気層に電界が集中し、スロット絶縁紙とステータコアとの間に低電圧で部分放電が発生する。この部分放電により絶縁層が潰食され、最終的にモータ運転中の絶縁破壊に至るため、ハイブリッド自動車、電気自動車用動力モータのステータスロット絶縁では、部分放電が起きないことが必須条件となっている。
動力モータの小型化の手段としては、高駆動電圧化が考えられるが、高電圧化に対して従来技術の延長線上で対処するには、スロット絶縁紙厚さを増大させ、作用電圧に対応した絶縁距離を確保する手法が考えられる。例えば特許文献１には、スロットライナの合計の厚さを分担電圧に応じて多層化することで調整する技術が開示されている。
上記のように、スロット絶縁紙厚さを増大させ、作用電圧に応じた絶縁距離を確保する手法では、スロット内のコイル占積率低下を招きコイル電流が低下する。この点を補うには、コイル電流密度を高くする必要があるが、コイル温度上昇が避けられず、スロット内絶縁構成材の熱劣化を加速させ、絶縁システムの信頼性が損なわれるおそれがある。
本発明は、スロット絶縁紙厚さの増大を抑制しつつ、スロット端部の電界集中を緩和させ、高駆動電圧運転に耐える高耐電圧システムを具備したステータおよび当該ステータを組み込んだ回転電機を提供することを目的とする。
本発明にかかる回転電機の固定子は、複数のスロットが形成された固定子コアと、前記スロットに挿通される固定子コイルと、前記スロットに挿通され前記固定子コイルと前記固定子コアとを絶縁する絶縁紙と、を備え、前記絶縁紙は、前記スロット軸方向端面よりも外側に固定子コアに隣接して配置される第１の絶縁紙部と、前記第１の絶縁紙部と前記固定子コイルの間に配置され、前記スロット内で前記第１の絶縁紙部と重なるように設けられる第２の絶縁紙部と、第２の絶縁紙部と、を有し、前記絶縁紙は、前記第１の絶縁紙部と前記第２の絶縁紙部との間に、絶縁樹脂が配置される樹脂溜まり部を形成する。
本発明によれば、ステータコアのスロット端部近傍の空間領域に発生する電界集中を軽減でき、高駆動電圧な小型ステータおよびそれを用いた回転電機を提供することできる。
以下、外径２４５ｍｍ、内径２００ｍｍ、スロット数７２、コア積厚９４ｍｍのステータコアから切出したコアにコイル、絶縁紙をそれぞれの構成で組込んだ絶縁モデルの部分放電開始電圧測定結果により本発明による第１の実施形態について説明する。以下で説明する実施例、比較例は、回転電機ステータの部分モデルであるが、下記の説明から自明のように、実機の回転電機ステータと等価である。
図１は、絶縁モデル組立用に切り出したステータコアのコア端面形状を示す。上記略円筒形状のステータコアを中心角５°の扇形に切断したもので、略扇形コア１の中央に一つのスロット２が配置される。スロット端３の形状は、幅一定の略矩形形状であり、その幅、平行部深さは、それぞれ４．１８ｍｍ、１２．２ｍｍである。積層コアには３５Ａ３００相当の打ち抜き電磁鋼板が用いられる。ステータコアの積層コア間はワニスで固着されており、扇形コア１切断においてコアは分解しない。扇形コアの切断方法には、ワイヤーカットを用いた。
絶縁モデル組立では、コア１中央のスロット２内に模擬コイル６として４本の平角エナメル絶縁線７をスロット絶縁紙４、１０を介して配置した。スロット内における模擬コイル、スロット絶縁紙およびステータコアはワニスで固着した。模擬コイル長さを１６０ｍｍとし、両スロット端から均等に３３ｍｍはみ出させた。絶縁紙寸法は、幅３０ｍｍ、長さ１００ｍｍとし、沿面放電防止の観点からスロット両端から３ｍｍはみ出させた。
平角エナメル絶縁線７には、短辺２．７ｍｍ、長辺３．６ｍｍ、コーナー面取り半径０．５ｍｍの平角銅導体７２上に厚さ０．０５ｍｍのポリアミドイミド絶縁層７１が被覆されたものを用いた。固着ワニスには、硬化条件が１５０℃×１時間、ガラス転移温度が１２５℃の２液混合タイプエポキシ系樹脂を用いた。混合後の粘度は、０．９ｍＰａ・ｓである。このワニスは、扇形積層コア１間の固着ワニスと同一である。
絶縁モデル製作におけるワニス固着処理では、模擬コイルが鉛直方向となるように絶縁モデルを倒立させ、まず固着ワニスを絶縁紙端上方から滴下しスロット内に流し込み、所定の温度に絶縁モデルを昇温、保持し固着ワニスを硬化させた。続いて、その絶縁モデルを上下反転させ、同じ方法にて固着ワニスを滴下、硬化させた。
表１に、評価した実施例、比較例の絶縁モデル構成を示す。実施例１、２では、絶縁紙に厚さがそれぞれ０．１ｍｍ、０．０５ｍｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、実施例３では、０．０５ｍｍのアラミド紙を用い、模擬コイル／コア間の空隙を最小とするようにそれらの絶縁紙厚さに応じて多層化した。絶縁紙の多層化では、単純に複数枚数の絶縁紙を重ねるのみとし、絶縁モデル組立時に多層化絶縁紙間の接着を目的とした処理は実施していない。また、各実施例では、絶縁紙端部をスロット端より外側に位置させるために、スロット端において絶縁紙端部を曲げ加工した。
比較例は、従来技術で一般的に用いられる絶縁紙である厚さ０．１８ｍｍのアラミド紙／ＰＥＴ／アラミド紙の３層ラミネート紙を用いた。ラミネートの各層間は、ウレタン系接着剤により接着されている。比較例のスロット端部は、ストレートとした。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施例１の絶縁紙端部の曲げ加工方法の模式図を示す。スロット内挿入形状に曲げ加工されたコアに隣接する第１の絶縁紙４１と第１の絶縁紙４１とコイル６間に配置される第２の絶縁紙４２を共にスロット内に挿入後、先端にテーパが設けられた押し曲げ型５を絶縁紙が圧縮変形しない程度にスロット端部に押し付けることで絶縁紙端部に曲げくせを付け、絶縁紙端部をスロット端より外側に配置させた。スロット端での絶縁紙の曲げ加工終了後に、平角エナメル絶縁線７を挿入して模擬コイル６を形成する。
本実施例に用いた押し曲げ型５のスロット開口部側には、テーパを付けていないが、これは、スロット開口部側の模擬コイル／コア間には、十分な絶縁距離が確保されているためである。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に実施例１のワニスで固着処理された絶縁モデルの正面および側面の模式図をそれぞれ示す。第１の絶縁紙４１、第２の絶縁紙４２いずれの絶縁紙端部がスロット端より外側に位置していることが理解できる。
図４は、図３（ａ）に示されるＡ−Ａ’断面のスロット端近傍の拡大図を示した図である。コア１と第１の絶縁紙４１間、第１の絶縁紙４１と第２の絶縁紙４２間および第２の絶縁紙４２と模擬コイル６のエナメル絶縁層７１間には、空間が形成されている。部分放電開始電圧の低下を引き起こすコア端部の電界集中が、コイル導体７２とコア１間に複数形成される絶縁紙で分割された空間に電界が生じることで低減される。
図５は、図４における第１の絶縁紙４１と第２の絶縁紙４２間に形成される空間の両絶縁紙の交差線９近傍の拡大模式図を示したものである。交差線を底部として第１の絶縁紙４１と第２の絶縁紙４２を連結する形で固着ワニスが充填され、ワニス溜まり８が形成されていることが確認された。このワニス溜まりにより、スロット端部絶縁における絶縁設計上の留意しなければならない導体コイルとコア間の絶縁距離を長くすることができ、その結果として電界が低減する。なお、このようなワニス溜まりが、他の実施例いずれにも形成されていることを確認した。
図６、図７は、図３、図４との対比を目的に比較例として製作した絶縁モデルの形態を示したものである。図６（ａ）のＢ−Ｂ’スロット端近傍の拡大断面図である図７の比較例から、コイル導体７２とコア１間には、３層ラミネート従来絶縁紙１０とコア１により形成される連続空間が存在し、従来絶縁紙と空気の誘電率差により、スロット端近傍の空気層に電界が集中する。なお、図示しないが、表１の実施例、比較例として製作した絶縁モデルの模擬コイルと絶縁紙間、絶縁紙とコア間、および実施例の多層絶縁紙間には、固着ワニスが浸透し、各絶縁モデルのスロット構成材がワニスで固着されていることを確認している。
表２に表１に示した実施例、比較例として製作した絶縁モデルの５０Ｈｚにおける部分放電開始電圧測定結果を示す。部分放電開始電圧は、各絶縁モデルのコア１を接地し、模擬コイル６に電圧を印加して測定した結果であり、部分放電電荷量が１００ｐＣに達した電圧を部分放電開始電圧とした。表２の測定値は、各実施例、比較例共に５回測定を行い、その平均値で示してある。
コア１のコアバック部を周回する形でアルミの導電性接着テープを２周巻き付け、その上に接地ケーブルを導電テープで貼り付け固定した。模擬コイル６につては、４本の平角エナメル絶縁線７の両端部のエナメル絶縁層７１を約１０ｍｍ幅で除去し、導体７２を露出させ、その部分にアルミ箔を巻き付け、片側のアルミ箔電極に課電ケーブルを取り付けた。コア側の接地電極および模擬コイルの課電電極形成は、ワニス固着前に実施した。形成した電極については、ワニス固着時にワニスが付着するのを防止するために、テフロン(登録商標)粘着テープで被覆し、固着後に被覆テープを取り外した。
表２から、従来技術では、１．０６ｋＶｒｍｓ程度の部分放電開始電圧であるのに対し、本発明の実施例では、いずれの実施例においても部分放電開始電圧が上昇しており、本発明の効果を検証できた。また、実施例１に対し実施例２、３ではより部分放電開始電圧が高くなっており、より多層化することで、絶縁紙間に形成される空間数の増加およびワニス溜まりの体積が増大したためである。
本実施例では、ＰＥＴおよびアラミド紙を用いて、効果を検証したが、本発明に用い得る絶縁樹脂シートは、ＰＥＴあるいはアラミド紙に限定されないことは、上記の本発明効果の発現機構から容易に理解される。
次に、図８により、本発明の第２の実施形態について説明する。表１の実施例１で製作した絶縁モデルの絶縁紙両端部に室温硬化型の粘度０．６Ｐａ・ｓのシリコーン樹脂を充填させ、その効果を検証した。図８は、シリコーン樹脂充填、硬化後の第１の絶縁紙４１と第２の絶縁紙間４２の交差線９近傍の拡大模式図を示したものである。第１の樹脂溜まり層である固着ワニス溜まり層８上に新たに第２の樹脂溜まり層１１が形成されている。
シリコーン樹脂の追加充填後の部分放電開始電圧を表２と同様に測定したところ、第２の樹脂溜まりがなく、第１の樹脂溜まりである固着ワニス溜まりのみの場合は、表２に示すように１．２８ｋＶｒｍｓであった部分放電開始電圧を１．６２ｋＶｒｍｓまで高めることができ、第２樹脂溜まり形成の効果を確認できた。
本発明の第２の実施形態では、上述したように第２の樹脂溜まりをシリコーン樹脂で形成したが、本発明に用い得る第２の樹脂溜まり形成用樹脂は、シリコーン樹脂に限定されない。
また、第２の実施形態では、異なる樹脂溜まりで形成された実施例によりその効果を説明したが、第１の固着ワニスによる樹脂溜まりが形成されずに固着ワニスが浸透してスロット内構成材が固着される場合も、上記した第２の樹脂溜まり形成方法を用いることで、コイル／絶縁紙間、コア／絶縁紙間および多層絶縁紙間に樹脂溜まりを形成することができる。
図９は、本発明における多層絶縁紙形成に関する別の実施形態を示したもので、表１の実施例では、お互いに接着されない単純積層構造で絶縁モデルを製作した。表１では、多層絶縁紙間に固着ワニスが浸透してスロット内絶縁構成物の固着性が損なわれる事態が発生することはなかったが、より多層化して部分放電開始電圧向上を図る場合には、絶縁紙間に固着ワニスが浸透しづらくなるため、多層絶縁紙間をあらかじめ接合しておく必要がある。
そのために実施した形態が図９に示されており、表１の実施例２の絶縁紙構成を用いた場合の多層絶縁紙１２の形成法を示したものである。所定寸法に切断され、積層した０．０５ｍｍのＰＥＴシート１３を重ねた後、スロット内に配置される部位をスロット軸と直交する形で超音波接合したものである。超音波接合により各層が固定される。超音波接合後、スロット挿入のための曲げ加工が施され、スロット挿入後に図２の方法によりスロット端部の非接合の多層化層が実施例２と同様に押し曲げて、第３の実施形態における実施例となる絶縁モデルを製作し、その部分放電開始電圧を上記手法と同様に測定した。模擬コイルの平角エナメル絶縁線の挿入後の固着ワニス処理は、実施例２と同一方法である。
部分放電開始電圧は、１．６５ｋＶｒｍｓと表２に示した実施例２の測定結果より高い値を示した。これは、スロット軸方向に直交して存在する超音波接合部１４が、固着ワニスを堰き止めることで、ワニス溜まり体積が実施例２より増えたためと考えられる。
図９では、スロット軸に直交する直線状に超音波接合部１４を設けたが、図１０に示す形態でも同様の効果を得られる。図１０では、多層絶縁紙１５を超音波によるスポット接合１６した場合の模式図である。
また、多層絶縁紙の接合化を述べた上記第３の実施形態では、超音波接合を接合方法に用いたが、高周波接合、熱融着接合、接着剤の部分塗布による接着接合法を用いることができる。
本実施例では、絶縁モデル製作であるため、絶断絶縁紙を重ねてから超音波接合したが、本発明を用いたステータコアを量産する場合は、スロット長に合わせ、所定の位置、間隔で接合されたロール状に巻き取られた多層絶縁紙を切断して用いることができる。
本発明は、ハイブリッド自動車、電気自動車駆動モータ等の高出力密度モータの小型化、高駆動電圧化に対応した高耐電圧絶縁システム開発を目的に実施したステータコアスロット端部での高部分放電開始電圧化について鋭意検討した結果得られたものである。ステータコアのスロット端部近傍におけるコイル／ステータコア間に設置されるスロット絶縁紙を多層化し、多層絶縁紙間に樹脂溜まりを形成することによりステータコア近傍の電界集中が軽減されることを見出し、本発明に至った。
ステータコアのスロット端部では、スロット絶縁紙の絶縁紙とステータコア間の空気の誘電率差により、スロット端近傍の空気層に電界集中し、部分放電開始電圧を高めることが困難であった。従って、ステータコア端部の電界集中を軽減させることで、部分放電開始電圧を高めることが可能となる。
その手段として、本発明では、スロット端部近傍のスロット絶縁紙を多層化させることで、電界集中を起こすスロット絶縁紙、ステータコア間空間を分割し、スロット端部近傍の電界集中を緩和させ、加えて、多層化絶線紙間に樹脂溜まりを形成させることで、コイル／コア間の電界を低減させ、その結果、スロット端部近傍の電界集中を大幅に軽減させることができ、高部分放電開始電圧化が可能になる。
１：コア
２：スロット
３：スロット端
４：実施例１のスロット絶縁紙
４１：第１の絶縁紙
４１：第２の絶縁紙
５：押し曲げ型
６：模擬コイル
７：平角エナメル絶縁線
７１：ポリイミド絶縁層
７２：銅導体
８：ワニス溜まり
９：第１、第２の絶縁紙交差線
１０：比較例のスロット絶縁紙
１１：第２の樹脂溜まり
１２：接合多層絶縁紙
１３：ＰＥＴシート
１４：超音波接合部
１５：別形態の接合多層絶縁紙
１６：スポット超音波接合部
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１６：スポット超音波接合部
Claims (6)
- 複数のスロットが形成された固定子コアと、
前記スロットに挿通される固定子コイルと、
前記スロットに挿通され、前記固定子コイルと前記固定子コアとを絶縁する絶縁紙と、を備えた回転電機の固定子において、
前記絶縁紙は、前記スロット軸方向端面よりも外側に固定子コアに隣接して配置される第１の絶縁紙部と、
前記第１の絶縁紙部と前記固定子コイルの間に配置され、前記スロット内で前記第１の絶縁紙部と重なるように設けられる第２の絶縁紙部と、を有し、
前記絶縁紙は、前記第１の絶縁紙部と前記第２の絶縁紙部との間に、絶縁樹脂が配置される樹脂溜まり部を形成する回転電機の固定子。 - 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
前記第２の絶縁紙部の軸方向端部は、前記第１絶縁紙の軸方向端部よりも前記固定子コイルに近くなるように配置される回転電機の固定子。 - 請求項１又は２のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
前記樹脂溜まり部は、固着ワニスが配置される第１の樹脂溜まり部と、前記第１の樹脂溜まり部の上に形成される第２の樹脂溜まり部と、を有する回転電機の固定子。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
前記第1の絶縁紙部と第2の絶縁紙部がスロット内部において、接合部を有する回転電機の固定子。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子において、
前記固定子コイルは、１ターンを構成するセグメント巻線から構成される回転電機の固定子。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子と、
前記固定子と所定のギャップを介して配置される回転子と、を備える回転電機。
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