JP6658492B2

JP6658492B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6658492B2
Application number: JP2016245297A
Authority: JP
Inventors: 弘樹加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2036-12-19
Also published as: JP2018102027A

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、回転電機としては、特許文献１に記載されているものがある。この回転電機は、ステータ、及びステータの内周側に配設されたロータを備え、ステータは、ステータコア及びコイルを含む。ステータコアは、環状のヨークと、複数のティースを有し、複数のティースは、周方向に互いに間隔をおいて位置し、各ティースは、ヨークから径方向の内方側に突出する。コイルは、隣り合うティース間の空間であるスロットに挿通され、ティースに巻回される。ティースと、コイルとの間には、ワニスが含浸される。ワニスによって、コイルがステータコアに固着される。

特開２０１３−１４３８６０号公報

回転電機を高出力化及び高効率化するためには、スロット内でのコイルの占積率を高め、コイル間の隙間を小さくする必要がある。しかし、コイルの占積率を高くすると、ワニスをスロット内のコイル隙間に均等に含浸させにくく、ステータコアに対するコイルの固着力が低下する。

そこで、本発明の目的は、コイルの占積率を高くしても、ワニスをスロット内のコイル隙間に均等に含浸させ易い回転電機を提供することにある。

本発明に係る導線成形装置は、環状のヨーク、及び前記ヨークの周方向に互いに間隔をおいた状態で前記ヨークから径方向の内側に突出する複数のティースを含むステータコアと、前記ティースに巻回されると共に、断面矩形の平角状である導体と、前記導体の周囲を被覆する絶縁被膜とを有する平角線を含むコイルと、を備え、前記絶縁被膜は、隣り合う前記ティースの間に設けられるスロット内において前記導体を覆っているスロット配設部を含み、そのスロット配設部には、前記ステータコアの軸方向に延在する溝が設けられ、更に、前記スロット内において前記径方向に連なる複数の前記平角線と前記ステータコアにおける前記スロットを画定するスロット画定面との間に配設される絶縁紙と、前記溝の少なくとも一部に含浸されたワニスと、を備え、前記ワニスは、前記溝の内面に接触する部分と、前記絶縁紙に接触する部分と、を含む。

本発明に係る回転電機によれば、ステータコアの軸方向に延在する溝が平角線の絶縁被膜のスロット配設部に設けられ、ワニスが当該溝内の少なくとも一部に含浸される。したがって、より多くのワニスをスロット内に含浸でき、ワニスをスロット内のコイル隙間により均等に含浸できる。よって、コイルの占積率を高くして、回転電機の高出力化及び高効率化を実現しても、ステータコアに対するコイルの固着力が十分なものになり易い。

本発明の一実施形態に係る回転電機のステータの斜視図である。ステータコイルの一部をなす導体セグメントの一部の正面図である。径方向と、周方向とを含む平面で、ステータコアを切断したときの断面図の一部である。図３の一部を表す拡大断面図であり、１つの平角線の拡大断面図である。ステータコアを径方向外方から見たときの模式図である。（ａ）は、図３の一部をなす拡大断面図であり、平角線と、絶縁紙との接合部周辺を表す拡大断面図である。また、（ｂ）は、図３の一部をなす拡大断面図であり、径方向に隣接する２つの平角線の接合部周辺を表す拡大断面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。また、以下の図面および実地例の説明で、Ｒ方向は、ステータ２の径方向を示し、θ方向は、ステータ２の周方向を示し、Ｚ方向は、ステータ２の高さ方向（軸方向）を示す。Ｒ方向、θ方向、及びＺ方向は、互いに直交する。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機１のステータ２の斜視図である。図１に示すように、ステータ２は、ステータコア１１と、平角線を含むステータコイル１５とを備える。ステータコア１１は、環状の磁性体部品であり、例えば、複数の珪素鋼鈑（電磁鋼鈑）が積層されて構成されるが、樹脂バインダと磁性材粉末を加圧成形することにより構成されてもよい。ステータコア１１は、環状で外周側に配設されるヨーク１２と、複数のティース１６を有する。複数のティース１６は、θ方向に互いに間隔をおいて配設され、各ティース１６は、ヨーク１２からＲ方向内方側に突出する。ステータコイル１５は、螺旋状に延在するＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイルを備え、例えば、これらのＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイルをＹ結線して構成される。Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のコイルの夫々は、隣接するティース１６の間の空間であるスロット１７に挿通され、ティース１６に巻回される。

Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のコイルの夫々は、複数の導体セグメントを溶接して構成されるセグメントコイルからなる。図２は、導体セグメント３１の一部の正面図である。次に、図２を参照して、各セグメントコイルの形成方法について説明する。詳しくは、先ず、略Ｕ字形の導体セグメント３１を複数個準備する。各導体セグメント３１は、互いに平行な２つの脚部３２と、各脚部３２の一端が連結されて、山形形状を有する連結部３３を含む。各導体セグメント３１は、断面矩形の平角状である導体３４（図４参照）における両端部以外の中間部を絶縁被膜３５（図４参照）で覆い、その導体３４の両端部を露出させることにより形成される。

複数の導体セグメント３１は、Ｒ方向に並んだ状態で、ステータコア１１のＺ方向他方側（図１の下側）から同じ２つのスロット１７に挿入される。そして、各セグメントコイルの導体セグメント３１の脚部３２でステータコア１１のＺ方向一端面（図１の上端面）よりも外側に突出した突出部のステータコア側が曲げ加工される。当該突出部において絶縁被膜３５から露出する先端部は、曲げ加工されずＺ方向外側に延在する。

Ｒ方向に重なる複数の導体セグメント３１に関し、Ｒ方向に隣り合う２つの導体セグメント３１において、一方の導体セグメント３１のθ方向一方側の先端部は、θ方向他方側に折り曲げられ、他方の導体セグメント３１のθ方向他方側の先端部は、θ方向一方側に折り曲げられる。そして、当該一方の導体セグメント３１のθ方向一方側の先端部が、当該他方の導体セグメント３１のθ方向他方側の先端部にＴＩＧ溶接などの溶接で接合されて接続される。これによって、Ｒ方向に重なる複数の導体セグメント３１が螺旋状に連結されて、セグメントコイルが構成される。各セグメントコイルのθ方向両端部の一部が２つのスロット１７に挿入された状態で、各セグメントコイルは、複数のティース１６に跨るように複数のティース１６の周囲に分布巻きされる。

各セグメントコイルにおいて、ステータ２のＲ方向両端に配置される２つの導体セグメント３１の脚部３２は、θ方向に隣り合う別のセグメントコイル側に曲げられる。そして、θ方向に隣り合うセグメントコイル３０において、Ｒ方向端部に配置される２つの導体セグメント３１の脚部３２の先端部が溶接で接合される。これにより、θ方向に隣り合う同じ相の導体セグメント３１が直列に接続され、θ方向に隣り合う同じ相のセグメントコイルが直列に接続される。各セグメントコイルにおいて溶接部周辺以外の個所は、断面矩形の平角状である導体３４と、導体３４の周囲を被覆する絶縁被膜３５とを有する平角線３８（図４参照）で構成される。ステータコイル１５は、ティース１６に巻回され、断面矩形の平角状である導体３４と、導体３４の周囲を被覆する絶縁被膜３５とを有する平角線３８を含む。

再度、図１を参照して、ステータ２の内周側には、ステータ２に対して間隔をおいて図示しないロータが配設される。ステータ２とロータの中心は一致している。ロータは、回転軸の周囲に固定される環状の磁性体部品であり、例えば、複数の円環状の珪素鋼鈑（電磁鋼鈑）が積層されて構成される。ロータには、複数の永久磁石がθ方向に互いに間隔をおいた状態で埋め込まれる。回転電機１を駆動する際には、例えば、バッテリからの直流電流がインバータを介して三相交流電流に変換された後、三相交流電流が、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のコイルに供給される。係るＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイルに対する三相交流電流の供給によって、ティースが磁化されて磁極となり、磁極の位置がステータ２のθ方向に沿って移動する回転磁界が生じる。そして、ロータがその回転磁界に基づいて回動し、回転動力が生成される。他方、電力を回生する際には、ロータが、外部からの動力によって回動すると、ロータに埋め込まれた永久磁石がロータ中心軸の回りを回転する。すると、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のコイルに電磁誘導の法則に基づく誘導起電力が誘起され、交流の誘導電流がＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイルを流れる。そして、係る誘導電流に基づくＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイルからの交流電力が、インバータで直流電力に変換された後、バッテリに供給される。なお、ステータ２は、θ方向に間隔をおいて配置される複数の取付部３６を有し、各取付部３６は、Ｒ方向外方側に膨出する。図示しないボルトを、取付部３６の締結孔３７を通過させた後、図示しないケースの軸方向の端面に固定することで、ステータ２がケースに取り付けられる。

図３は、Ｒ方向と、θ方向とを含む平面で、ステータコア１１を切断したときの断面図の一部である。図３の紙面では、下側がＲ方向内側に一致する。図３に示すように、スロット１７内においては、複数の平角線３８が、Ｒ方向に重なるように配置される。すなわち、スロット１７内では、ステータコイル１５の導体３４は、絶縁被膜３５から露出することがなく、必ず絶縁被膜３５で覆われる。絶縁被膜３５においてスロット１７内で導体３４を覆っている箇所は、スロット配設部３５ｅを構成する。また、Ｒ方向に隣り合う２つの平角線３８に関し、Ｒ方向外側の平角線３８において略θ方向に延在するＲ方向内側縁部は、Ｒ方向内側の平角線３８において略θ方向に延在するＲ方向外側縁部に接触している。Ｒ方向外側の平角線３８においてＲ方向内側の平角線３８に接触するＲ方向内側縁部は、絶縁被膜３５に含まれ、Ｒ方向内側の平角線３８においてＲ方向外側の平角線３８に接触するＲ方向外側縁部も、絶縁被膜３５に含まれる。

回転電機１は、更に絶縁紙５０を備える。絶縁紙５０は、絶縁性を有する材料で構成され、好ましくはアラミド絶縁紙で構成される。絶縁紙５０は、スロット１７内でＲ方向に連なる複数の平角線３８と、ステータコア１１においてスロット１７を画定するスロット画定面４６との間に配設される。係る絶縁紙５０の配置によって、平角線３８の導体３４が金属製のステータコア１１と短絡することを確実に防止している。

図４は、図３の一部を表す拡大断面図であり、１の平角線３８の拡大断面図である。図４を参照して、上述のように、平角線３８は、略矩形の断面形状を有する導体３４と、導体３４の周囲を取り囲む絶縁被膜３５とを含む。絶縁被膜３５は、一対のθ方向延在部３５ａ,３５ｂと、一対のＲ方向延在部３５ｃ,３５ｄを有する。一対のθ方向延在部３５ａ,３５ｂは、略θ方向に延在し、導体３４を挟んでＲ方向に対向する。また、一対のＲ方向延在部３５ｃ,３５ｄは、Ｒ方向に延在し、導体３４を挟んで略θ方向に対向する。

Ｒ方向外側のθ方向延在部３５ａのθ方向中央部には、Ｒ方向外側が開口する溝７０ａが設けられ、Ｒ方向内側のθ方向延在部３５ｂのθ方向中央部には、Ｒ方向内側が開口する溝７０ｂが設けられる。また、θ方向一方側（紙面における左側）のＲ方向延在部３５ｃのＲ方向中央部には、θ方向一方側が開口する溝７０ｃが設けられ、θ方向他方側（紙面における右側）のＲ方向延在部３５ｄのＲ方向中央部には、θ方向他方側が開口する溝７０ｄが設けられる。各溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄは、開口側に行くにしたがって末広がりとなる二等辺三角形の断面形状を有し、Ｚ方向に延在する。各溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄの深さ（当該二等辺三角形の高さ）は、絶縁被膜３５（スロット配設部３５ｅ）の厚さの３／４以下であると、絶縁被膜３５が破れにくくて好ましいが、絶縁被膜（スロット配設部）の厚さよりも薄ければよく、導体３４が平角線３８の外側に露出しなければよい。

また、図５、すなわち、ステータコア１１をＲ方向外方から見たときの模式図に示すように、各溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄは、ステータコア１１のＺ方向において、少なくとも、ａで示す領域、すなわち、ステータコア１１のＺ方向一端から５ｍｍだけＺ方向他端側に移動した位置から、ステータコア１１のＺ方向他端から５ｍｍだけＺ方向一端側に移動した位置までの領域を含むように設けられると好ましい。しかし、絶縁被膜に設けられる溝は、ステータコアのＺ方向に関し、ステータコアが存在する範囲に少なくとも一部が重なるように設けられればよく、例えば、絶縁被膜に設けられる溝は、ステータコアのＺ方向の一端及び他端のうちの少なくとも一方から５ｍｍ以下の領域に設けられてもよく、又は、ステータコアのＺ方向一端から１０ｍｍだけＺ方向他端側に移動した位置から、ステータコアのＺ方向他端から１０ｍｍだけＺ方向一端側に移動した位置までの領域に設けられなくてもよい。

次に、各溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄとワニス８０の位置関係について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、図３の一部をなす拡大断面図であり、平角線３８と、絶縁紙５０との接合部周辺を表す拡大断面図である。また、図６（ｂ）は、図３の一部をなす拡大断面図であり、Ｒ方向に隣接する２つの平角線３８の接合部周辺を表す拡大断面図である。

図６（ａ）を参照して、回転電機１は、各ティース１６と、ステータコイル１５との間に含浸されたワニス８０を備える。ワニス８０は、樹脂などを溶剤に溶かした公知の如何なる材料で構成されてもよく、樹脂としてはエポキシ樹脂やシリコーン等を採用できる。ワニス８０は、各溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄ（図４参照）の少なくとも一部に含浸される。詳しくは、図６（ａ）に示すように、ワニス８０は、平角線３８のθ方向一方側（図６（ａ）の紙面における左側）において、Ｒ方向延在部３５ｃの溝７０ｃの少なくとも一部に、溝７０ｃの内面と絶縁紙５０とに接触するように含浸される。また、図示はしないが、ワニス８０は、平角線３８のθ方向他方側において、Ｒ方向延在部３５ｄ（図４参照）の溝７０ｄ（図４参照）の少なくとも一部に、溝７０ｄの内面と絶縁紙５０とに接触するように含浸される。Ｒ方向延在部３５ｃ,３５ｄへ含浸されたワニス８０によって、各平角線３８と絶縁紙５０とが固着され、ステータコイル１５が絶縁紙５０を介してステータコア１１に対して確実に固着される。

また、図６（ｂ）に示すように、ワニス８０は、Ｒ方向に隣接する平角線３８の境界部において、Ｒ方向内方側に配設される平角線３８のＲ方向外側の溝７０ａと、Ｒ方向外方側に配設される平角線３８のＲ方向内側の溝７０ｂとが相まって構成されてＺ方向に延在する断面四角形状の溝７０ｅの少なくとも一部に、溝７０ａと溝７０ｂとに接触するように含浸される。ワニス８０の溝７０ｅ内への含浸によってＲ方向に隣接する平角線３８同志が固着される。

図４を参照して、本実施例のように、平角線３８が、Ｒ方向外側のθ方向延在部３５ａとＲ方向内側のθ方向延在部３５ｂとに導体３４を挟んでＲ方向に対向する溝７０ａ,７０ｂを有すると、Ｒ方向に隣接する２つの平角線３８において断面積がより大きい溝７０ｅを構成でき、ワニス８０が含浸され易くなって好ましい。しかし、平角線が、Ｒ方向外側のθ方向延在部及びＲ方向内側のθ方向延在部のうちの一方だけに溝を有している場合においても、その溝に含浸されるワニスによってＲ方向に隣接する２つの平角線を固着されることができる。なお、絶縁被膜３５の厚さにもよるが、ワニス８０を溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄ内に十分に含浸させるため、溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄの深さは、絶縁被膜３５の厚さの１／２以上であることが好ましい。しかし、少なくとも一つの溝の深さは、絶縁被膜の厚さの１／２未満であってもよい。

上記実施形態によれば、ステータコア１１の軸方向に延在する溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄが平角線３８の絶縁被膜３５のスロット配設部３５ｅに設けられ、ワニス８０が当該溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄ内の少なくとも一部に含浸される。したがって、より多くのワニス８０をスロット１７内に含浸でき、ワニス８０をスロット１７内のステータコイル１５隙間により均等に含浸できる。よって、ステータコイル１５の占積率を高くして、回転電機１の高出力化及び高効率化を実現しても、ステータコア１１に対するステータコイル１５の固着力が十分なものになり易い。

また、平角線３８のＲ方向延在部３５ｃ,３５ｄに溝７０ｃ,７０ｄが設けられるので、ステータコイル１５と絶縁紙５０とを固着でき、ステータコイル１５を絶縁紙５０を介してステータコア１１に確実に固着できる。

更には、平角線３８のθ方向延在部３５ａ,３５ｂに溝７０ａ,７０ｂが設けられるので、Ｒ方向に隣接する平角線３８同志をより確実に固着できる。

尚、本発明は、上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、平角線３８と、ティース１６との間に絶縁紙５０を配設する場合について説明したが、平角線と、ティースとの間に絶縁紙を配設しなくてもよい。また、溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄの断面形状が、三角形である場合について説明したが、各溝の断面形状は、如何なる形状であってもよく、例えば、半円、半楕円、又は矩形（長方形及び正方形を含む）等であってもよい。また、絶縁被膜３５に、同じ断面形状を有する複数の溝７０ａ,７０ｂ,７０ｃ,７０ｄを設けたが、絶縁被膜に、断面形状が互いに異なる２以上の溝を設けてもよい。また、一対のθ方向延在部３５ａ,３５ｂ及び一対のＲ方向延在部３５ｃ,３５ｄで構成される絶縁被膜３５の４つの縁部の夫々に１つの溝を設ける場合について説明した。しかし、一対のθ方向延在部及び一対のＲ方向延在部で構成される絶縁被膜の４つの縁部のうちの少なくとも一つの縁部に、互いに間隔をおいて配置される２以上の溝を設けてもよい。また、当該４つの縁部のうちの１以上３以下の縁部に、溝を一つも設けなくてもよい。ただし、一対のＲ方向延在部のうちの少なくとも一方に溝を設けて、絶縁被膜と、絶縁紙又はティースとをワニスで固着すると、ステータコイルをステータコアに確実に固定できて好ましい。また、溝７０ａ,７０ｂを、θ方向延在部３５ａ,３５ｂのθ方向の略中央に設ける場合について説明したが、溝をθ方向延在部に設ける場合、溝は、θ方向延在部のθ方向の如何なる個所に設けられてもよい。また、溝７０ｃ,７０ｄを、Ｒ方向延在部３５ｃ,３５ｄのＲ方向の略中央に設ける場合について説明したが、溝をＲ方向延在部に設ける場合、溝は、Ｒ方向延在部のＲ方向の如何なる個所に設けられてもよい。また、平角線のスロット配設部に、２以上の溝を設けると好ましく、当該２以上の溝に、θ方向延在部に設けられた溝とＲ方向延在溝に設けられた溝とが含まれると更に好ましい。

１回転電機、１１ステータコア、１２ヨーク、１５ステータコイル、１６ティース、１７スロット、３４導体、３５絶縁被膜、３５ｅスロット配設部、３８平角線、７０ａ, ７０ｂ, ７０ｃ, ７０ｄ溝、８０ワニス、Ｒ方向ステータの径方向、 θ方向ステータの周方向、Ｚ方向ステータの軸方向。

Claims

環状のヨーク、及び前記ヨークの周方向に互いに間隔をおいた状態で前記ヨークから径方向の内側に突出する複数のティースを含むステータコアと、
前記ティースに巻回されると共に、断面矩形の平角状である導体と、前記導体の周囲を被覆する絶縁被膜とを有する平角線を含むコイルと、を備え、
前記絶縁被膜は、隣り合う前記ティースの間に設けられるスロット内において前記導体を覆っているスロット配設部を含み、そのスロット配設部には、前記ステータコアの軸方向に延在する溝が設けられ、
更に、前記スロット内において前記径方向に連なる複数の前記平角線と前記ステータコアにおける前記スロットを画定するスロット画定面との間に配設される絶縁紙と、
前記溝の少なくとも一部に含浸されたワニスと、を備え、
前記ワニスは、前記溝の内面に接触する部分と、前記絶縁紙に接触する部分と、を含む、回転電機。