JP6676099B2

JP6676099B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6676099B2
Application number: JP2018095863A
Authority: JP
Inventors: 文貴戸塚; 山本　祐樹; 祐樹山本; 井上　正哉; 正哉井上; 克毅桑原; 皓太葛城; 隆二北村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: US20190356189A1; CN110504780B; CN110504780A; JP2019201506A; US10770944B2

Description

本願は、発電機、電動機、電動発電機などの回転電機に関するものである。

従来の回転電機では、分割鉄心のそれぞれに樹脂製のボビンを設け、各ボビンのコイル巻回部にＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルを巻回し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルを３個のバスリグのそれぞれに接続するとともに、各コイルのコモン側を中立バスリングに接続して、各コイルをスター結線している。また、各バスリングは、平板状に作製され、各ボビンに設けた溝状のバスリング保持部のそれぞれに差し込み保持されている。各バスリングの周方向に沿う一部が軸方向に突出されてコイル接続部とされ、各コイルが各バスリングのコイル接続部に接続されている。全部の分割鉄心およびボビンは環状に並べられてヨークの内周に嵌め込まれている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４８４７７２７号公報

特許文献１の回転電機では、コイルの端末を径方向外方に成形するための曲げ基点がボビンに存在しないため、成形するためのツールが入る空間が必要となり回転電機が大型化する。また、コイルの軸方向に延出されたコイルの端末がコイルの径方向外方に倒れたときにコイルの径方向内方側に位置する異相のバスリングとの距離が近くなり、絶縁距離を確保できなくなる。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、コイルの端末とバスリング間の絶縁性を確保しつつ、小型な回転電機を得ることを目的とする。

本願に開示される回転電機は、円弧状のコアバック部およびコアバック部の内周壁面からコアバック部の径方向内方に突出するティースを有する固定子鉄心、固定子鉄心の軸方向の両端面に配設された電気絶縁性を有したボビンおよびボビンを介してティースに巻回されたコイルを有する固定子と、固定子の内周に同軸に配設された回転子と、を備える回転電機において、ボビンは、ティースの軸方向の端面に配置され、コイルが巻回されるコイル巻回部と、コアバック部の軸方向の端面に配置され、溝深さ方向をコアバック部の軸方向とし、溝方向をコアバック部の周方向とするバスリング保持部がコアバック部の径方向に離間して複数形成されたフランジ部と、バスリング保持部におけるコアバック部の径方向内方に配置された壁部と、を有し、バスリング保持部に同心状に配置された複数のバスリングは、固定子鉄心の軸方向外方にバスリング保持部よりも突出したコイル接続部を有し、コイルの端末は、壁部における固定子鉄心の径方向内方の側面に沿って固定子鉄心の軸方向に延在され、壁部の端面を基点に固定子鉄心の径方向外方に曲がって接続対象のバスリングのコイル接続部に接続されており、壁部の端面はバスリングの端面およびバスリング保持部よりも固定子鉄心の軸方向外方に突出し、バスリングのコイル接続部の端面よりも固定子鉄心の軸方向内方に位置している。

本願に開示される回転電機によれば、ボビンの壁部を基点にコイル端末の曲げ基点とすることができるので、特別なツールが不要となり、設備費削減、工程を簡略化でき、また曲げ基点となるツールが入るスペースが不要なので回転電機を小型化できる。更に、ボビンの壁部の高さがバスリングの端面よりも高くなっていることで、壁部を基点に曲げられたコイルの端末とバスリングとの空間絶縁距離を確保でき、またボビンの壁部の高さがバスリングの端面よりも高くなっていることで、コイルの端末の壁部に接触している部分からバスリングまでの沿面距離を大きくとることができ、絶縁性が向上する。

実施の形態１に係る回転電機を示す片側断面図である。実施の形態１に係る回転電機の固定子を軸方向一端側から見た斜視図である。実施の形態１に係る回転電機の固定子を示す断面図である。実施の形態１に係る回転電機の固定子を軸方向一端側から見た端面図である。実施の形態１に係る回転電機の固定子を軸方向他端側から見た斜視図である。実施の形態１に係る回転電機の固定子に適用されるボビンを示す斜視図である。実施の形態１に係る回転電機の固定子におけるコイルが巻回された分割鉄心を示す斜視図である。実施の形態１に係る回転電機の固定子の要部断面図である。実施の形態２に係る回転電機の固定子の要部断面図である。実施の形態３に係る回転電機の固定子の要部断面図である。実施の形態４に係る回転電機の固定子の要部斜視図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による回転電機の構成を示す片側断面図である。図２は、回転電機の固定子を軸方向一端側から見た斜視図である。図３は、回転電機の固定子を示す断面図である。図４は、回転電機の固定子を軸方向一端側から見た端面図である。図５は、回転電機の固定子を軸方向他端側から見た斜視図である。図６は、回転電機の固定子に適用されるボビンを示す斜視図である。図７は、回転電機の固定子におけるコイルが巻回された分割鉄心を示す斜視図である。図８は、固定子のコイルの端末とバスリングとの接続部を示す要部断面図である。
図１において、回転電機１００は、円筒部２ａと底部２ｂとからなる有底円筒状に構成された、アルミ材などからなるフレーム２およびフレーム２の開口を塞ぐ端板３を有するハウジング１と、フレーム２の円筒部２ａ内に挿入、固定された固定子１０と、フレーム２の底部２ｂおよび端板３にベアリング４を介して回転可能に支持された回転軸６に固着されて、固定子１０の内周側に回転可能に配設された回転子５と、を備えている。

回転子５は、軸心位置に挿通された回転軸６に固着された回転子鉄心７と、回転子鉄心７の外周面側に埋設されて周方向に所定のピッチで配列され、磁極を構成する永久磁石８と、を備えた永久磁石式回転子である。なお、回転子５は、永久磁石式回転子に限定されず、絶縁しない回転子導体を、回転子鉄心のスロットに収納して、両側を短絡環で短絡したかご形回転子あるいは絶縁した導体線を回転子鉄心のスロットに装着した巻線形回転子を用いてもよい。

つぎに、固定子１０の構成について具体的に図２乃至図７を参照しつつ説明する。
固定子１０は、分割鉄心１２を環状に配列してなる固定子鉄心１１と、それぞれの分割鉄心１２にボビン１４、１５を介して巻回されたＵ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１６と、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１６を結線するＵ相、Ｖ相、およびＷ相の隣接配置されたバスリング２５、２６、２７と、を備えている。

分割鉄心１２は、円環状の固定子鉄心１１を周方向に１８等分割したもので、所定枚数の電磁鋼板を積層一体化して作製され、断面円弧形のコアバック部１２ａと、コアバック部１２ａの内周壁面からコアバック部の径方向内方に突出するティース１２ｂと、を備えている。

ボビン１４は、図６に示されるように、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂などの樹脂材料で作製されて電気絶縁性を有しており、コイル巻回部１４ａとコイル巻回部１４ａの外径側に設けられたフランジ部１４ｂとバスリング保持部２０、２１、２２におけるコアバック部の径方向内方に配置された壁部１４ｃとを備えている。ボビン１４は、分割鉄心１２の軸方向一端面上に配置される。このとき、コイル巻回部１４ａは、図３、図４に示すように、ティース１２ｂの軸方向一端面上に配置され、フランジ部１４ｂはコアバック部１２ａの軸方向一端面上に配置される。フランジ部１４ｂには、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の溝状のバスリング保持部２０、２１、２２が同心状に形成されている。

また、ボビン１５は、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂などの樹脂材料で作製され、コイル巻回部１５ａが設けられている。ボビン１５は、分割鉄心１２の軸方向他端面上に配置される。このとき、コイル巻回部１５ａは、図３、図７に示すように、ティース１２ｂの軸方向他端面上に配置される。

なお、ボビン１４、１５は、コイルの巻回の容易性の観点から、分割鉄心１２に固定されてもよい。例えば、ボビン１４、１５は嵌合により分割鉄心１２に固定されてもよく、接着剤などにより分割鉄心１２に固定されてもよい。また、ボビン１４、１５を分割鉄心１２に一体にモールド成形してもよい。

コイル１６は、図７に示されるように、ティース１２ｂと、ティース１２ｂの軸方向の両端面に配置されたボビン１４、１５のコイル巻回部１４ａ、１５ａとの周りに、絶縁被覆された銅の丸線からなる導体線を所定回数巻回して構成される。なお、インシュレータ（図示せず）が、ティース１２ｂの周方向の両側面に配設され、コイル１６と分割鉄心１２との間の絶縁性が確保されている。

コイル１６が巻回された１８個の分割鉄心１２が、図２から図５に示されるように、ティース１２ｂを径方向内方に向けて、コアバック部１２ａの周方向の側面同士を突き合わせて、環状に配列された状態で、圧入、焼き嵌めなどにより円筒状のヨーク１３内に挿入、固定される。ヨーク１３は、鉄などの単一の金属材料を削り加工あるいは絞り加工により作製されるが、電磁鋼板などの鋼板を積層一体化して作製されてもよい。

分割鉄心１２に巻回されて環状に配列されたコイル１６は、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の順に、固定子鉄心周方向に繰り返して配列されている。各コイル１６の一方の端末１６ａは、ボビン１４側に引き出されている。また、各コイル１６の他方の端末１６ｂは、ボビン１５側に引き出されている。

Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のバスリング２５、２６、２７は、それぞれ、無酸素銅、脱酸銅、タフピッチ銅などの帯状平板を、一部が開放された円筒状に曲げ成形して構成されている。Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のバスリング２５、２６、２７は、図２および図４に示されるように、図６に示すバスリング保持部２０、２１、２２のそれぞれに、嵌め入れて、必要に応じて接着剤などにより固定されて、バスリング保持部２０、２１、２２に保持される。

Ｕ相のコイル１６の端末１６ａは、図２および図４に示されるように、ボビン１４側に軸方向に引き出され、直角に曲げられて固定子鉄心１１の径方向外方に引き出され、Ｕ相のバスリング２５のコイル接続部に接続される。Ｖ相のコイル１６の端末１６ａは、ボビン１４側に軸方向に引き出され、直角に曲げられて径方向外方に引き出され、Ｖ相のバスリング２６のコイル接続部に接続される。Ｗ相のコイル１６の端末１６ａは、ボビン１４側に軸方向に引き出され、直角に曲げられて径方向外方に引き出され、Ｗ相のバスリング２７のコイル接続部に接続される。ここで、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１６の端末１６ａとバスリング２５、２６、２７のコイル接続部とは、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接、抵抗溶接、半田付け、抵抗ろう付けなどにより、電気的に接続される。

Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１６の端末１６ｂ、すなわちコモン側は、図５に示されるように、ボビン１５側に軸方向に引き出されて一つにまとめられ、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接などにより、電気的に接続される。Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１６のコモン側の接合部は、絶縁チューブ１７により被覆される。なお、絶縁チューブ１７に代えて、樹脂モールド、絶縁テープなどによりコモン側の接合部を被覆してもよい。また、コモン側がひとまとめにされて溶接などにより接合されているが、ボビン１５にコモン用のバスリング保持部を形成し、当該バスリング保持部に保持されたコモン用のバスリングに、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１６のコモン側を接続してもよい。

このように構成された固定子１０では、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１６をＹ結線してなる６つの三相交流巻線が構成される。
回転電機１００では、交流電流が、外部のインバータ（図示せず）を介してＵ相、Ｖ相、およびＷ相のバスリング２５、２６、２７に供給される。これにより、固定子１０に回転磁界が発生する。この回転磁界に起因する吸引力、又は反発力により、回転子５が回転駆動される。この回転電機１００は、家庭用電気製品に搭載されるモータ、産業用機械に搭載されるモータなどの電動モータに適用できる。

図８において、コイル１６の端末１６ａがボビン１４の壁部１４ｃの端部を基点に径方向外方に曲げられて、バスリング２６のコイル接続部２６ｂに接合されている。ボビン１４の壁部１４ｃの端面は、壁部１４ｃの端面がバスリング２５、２６、２７の端面よりも軸方向外方に突出し、バスリング２６のコイル接続部２６ｂの端面よりも軸方向内方に位置している。

このように、実施の形態１においては、ボビンは、ティースの軸方向の端面に配置され、コイルが巻回されるコイル巻回部と、コアバック部の軸方向の端面に配置され、溝深さ方向をコアバック部の軸方向とし、溝方向をコアバック部の周方向とするバスリング保持部がコアバック部の径方向に離間して複数形成されたフランジ部と、バスリング保持部におけるコアバック部の径方向内方に配置された壁部と、を有し、バスリング保持部に同心状に配置された複数のバスリングは、固定子鉄心の軸方向外方にバスリング保持部よりも突出したコイル接続部を有し、コイルの端末は、壁部の端面を基点に固定子鉄心の径方向外方に曲がって接続対象のバスリングのコイル接続部に接続されており、壁部の端面はバスリングの端面およびバスリング保持部よりも固定子鉄心の軸方向外方に突出し、バスリングのコイル接続部の端面よりも固定子鉄心の軸方向内方に位置している。

実施の形態１によれば、次のような効果が得られる。
（１）ボビンの壁部を基点にコイルの端末の曲げ基点とすることができ、専用の特別なツールが不要なので設備費削減、工程を簡略化できる。
（２）曲げ基点となるツールが入るスペースが不要なので回転電機を小型化できる。
（３）ボビンの壁部の端面がバスリングの端面よりも軸方向外方に突出していることで、ボビンの壁部を基点に曲げられた端末と他相のバスリングとの空間絶縁距離を確保できる。
（４）ボビンの壁部の端面がバスリングの端面よりも軸方向外方に突出していることで、コイルの端末の壁部に接触している部分からバスリングまでの沿面距離Ｄｃ（図８参照）を大きくとることができ、絶縁性が向上する。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２による回転電機の固定子の要部断面図である。図９（ａ）は、固定子のコイルの端末とバスリングとの接続部分を示す要部断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の要部を拡大して示した断面図である。
図９において、コイル１６の端末１６ａがボビン１４の壁部１４ｃの端部を基点に径方向外方に曲げられて、バスリング２６のコイル接続部２６ｂに接合されている。コイル１６の端末１６ａの皮膜剥離の境界Ｂｓが壁部１４ｃの端面よりも軸方向外方に位置している。さらに、沿面の経路が橋絡しないだけの皮膜剥離の境界Ｂｓと壁部１４ｃの端面との沿面距離Ｄｃを確保することが好ましい。例えば、橋絡しないための必要空間距離Ｄｒが３ｍｍ未満、汚染度が３の場合、必要な沿面距離Ｄｃは０．５ｍｍ以上となる。（ＩＥＣ規格：ＩＥＣ６０６６４−１：２００７より）

このように、実施の形態２は、コイルの端末の皮膜剥離の境界がボビンの壁部の端面よりも固定子鉄心の軸方向外方に位置している。

実施の形態２によれば、次のような効果が得られる。
（１）実施の形態１よりも沿面距離Ｄｃを長くできるため、より絶縁性が向上する。
（２）コイルの端末の、曲げの基点となる部分に皮膜があるため、振動による端末の断線を防止できる。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３による回転電機の固定子の要部断面図であって、固定子のコイルの端末とバスリングとの接続部分を拡大して示した断面図である。
図１０において、コイル１６の端末１６ａがボビン１４の壁部１４ｃの端部を基点に径方向外方に曲げられて、バスリング２６のコイル接続部２６ｂに接合されている。ボビン１４の壁部１４ｃの端面は、バスリング２５、２６、２７の端面よりも軸方向外方に位置している。コイル１６の端末１６ａの曲げ半径をＲｃ、絶縁の必要空間距離、即ちコイル１６の端末１６ａとコイル１６の端末１６ａが接続されているバスリング２６とは異なる他の（他相の）バスリング２５、２６との絶縁を保持するための空間距離をＤｖとしたとき、ボビン１４の壁部１４ｃの端面とバスリング２５、２７の端面の軸方向の距離Ｄｓが、Ｄｓ≧Ｄｖ−Ｒｃとなるように設定されている。
電圧によって必要な空間距離Ｄｖが異なる。即ち、定常状態電圧、一時過電圧又は反復ピーク電圧に耐えられるための空間距離が定められる。（ＩＥＣ規格：ＩＥＣ６０６６４−１、２００７）例えば、電圧のピーク値が２ｋＶの場合、必要な空間距離は１．２７ｍｍ以上となる。端末の曲げ半径Ｒｃを０．５ｍｍとした場合、ボビン１４の壁部１４ｃの端面とバスリング２５、２７の端面の軸方向の距離Ｄｓを０．７７ｍｍ以上にする必要がある。

このように、実施の形態３は、コイルの端末の曲げ半径をＲｃ、コイルの端末とコイルの端末が接続されているバスリングとは異なる他のバスリングと間の絶縁を保持するための空間距離をＤｖとしたとき、ボビンの壁部の端面とバスリングの端面の軸方向の距離Ｄｓが、Ｄｓ≧Ｄｖ−Ｒｃである。

実施の形態３によれば、次のような効果が得られる。
（１）コイルの端末とバスリング間の距離が、必要距離の最小となるため、回転電機を小型化できる。
（２）コイルの端末の経路が短くなるため端末が振動しづらくなり、耐振性が向上する。

実施の形態４．
図１１は、実施の形態４による回転電機の固定子の要部斜視図である。
図１１において、鉄心に取り付けられたボビン１４に各バスリング２５、２６、２７が挿入されている。また、コイルの端末１６ａの曲げ基点となる部分の壁部１４ｃのみを軸方向に突出させた突起部１４ｄを形成している。これによって、隣接する壁部１４ｃ間では、バスリング２５が露出している。なお、バスリング２５には、バスリング端部２５ａ、コイル接続部２５ｂを有し、バスリング２６には、バスリング端部２６ａ、コイル接続部２６ｂを有し、バスリング２７には、バスリング端部２７ａ、コイル接続部２７ｂを有している。

このように、実施の形態４は、ボビンの壁部には、コイルの端末の曲げ基点となる部分に対向して前記固定子鉄心の軸方向に突出した突起部を有している。

実施の形態４によれば、次のような効果が得られる。
（１）固定鉄心の径方向内方に配置されたバスリングの露出部分を増やすことで放熱性が向上し、回転電機の性能が向上する。
（２）コイルの端末と接触する箇所以外の材料を削減することができるため、コストが削減できる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０固定子、１１固定子鉄心、１２分割鉄心、１２ａコアバック部、１２ｂティース、１４ボビン、１４ａコイル巻回部、１４ｂフランジ部、１４ｃ壁部、１４ｄ突起部、１６コイル、１６ａ端末、２０、２１、２２バスリング保持部、２５、２６、２７バスリング、２５ｂ、２６ｂ、２７ｂコイル接続部

Claims

円弧状のコアバック部および前記コアバック部の内周壁面から前記コアバック部の径方向内方に突出するティースを有する固定子鉄心、前記固定子鉄心の軸方向の両端面に配設された電気絶縁性を有したボビンおよび前記ボビンを介して前記ティースに巻回されたコイルを有する固定子と、前記固定子の内周に同軸に配設された回転子と、を備える回転電機において、
前記ボビンは、前記ティースの軸方向の端面に配置され、前記コイルが巻回されるコイル巻回部と、前記コアバック部の軸方向の端面に配置され、溝深さ方向を前記コアバック部の軸方向とし、溝方向を前記コアバック部の周方向とするバスリング保持部が前記コアバック部の径方向に離間して複数形成されたフランジ部と、前記バスリング保持部における前記コアバック部の径方向内方に配置された壁部と、を有し、
前記バスリング保持部に同心状に配置された複数のバスリングは、前記固定子鉄心の軸方向外方に前記バスリング保持部よりも突出したコイル接続部を有し、
前記コイルの端末は、前記壁部における前記固定子鉄心の径方向内方の側面に沿って前記固定子鉄心の軸方向に延在され、前記壁部の端面を基点に前記固定子鉄心の径方向外方に曲がって接続対象の前記バスリングの前記コイル接続部に接続されており、
前記壁部の端面は前記バスリングの端面および前記バスリング保持部よりも前記固定子鉄心の軸方向外方に突出し、前記バスリングの前記コイル接続部の端面よりも前記固定子鉄心の軸方向内方に位置していることを特徴とする回転電機。
前記コイルの端末の皮膜剥離の境界が前記ボビンの壁部の端面よりも前記固定子鉄心の軸方向外方に位置していることを特徴とする請求項１に記載された回転電機。
前記コイルの端末の曲げ半径をＲｃ、前記コイルの端末と前記コイルの端末が接続されているバスリングとは異なる他のバスリングと間の絶縁を保持するための空間距離をＤｖとしたとき、前記ボビンの壁部の端面と前記バスリングの端面の軸方向の距離Ｄｓが、Ｄｓ≧Ｄｖ−Ｒｃであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された回転電機。
前記ボビンの壁部には、前記コイルの端末の曲げ基点となる部分に対向して前記固定子鉄心の軸方向に突出した突起部を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された回転電機。