JP6741300B2 - カプセル化された結線装置を有した電気機械用ステータおよびそのようなステータを有した電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、カプセル化（密封化）された結線装置を有した特許請求項１の前提部に記載の電気機械用ステータおよびこの種のステータを有した請求項９に記載の電気機械に関する。

カプセル化された結線装置を有した電気機械用ステータは、既に独国実用新案公開公報の特許文献１から公知である。このステータは、多数のコイルを備え、それらのコイル端部が結線装置によってリング形の三つの接続導体に接続されている。これらの接続導体は、電流源への接続のために、ステータから軸線方向に突き出たタブ形（ｌａｐｐｅｎｆoｒｍｉｇ）の三つの相コネクタ部を有している。接続導体は、コイル近くのリング形のホルダ部材ないし保持部材に組み込まれている。コイル端部は、このホルダ部材の入口開口部を通してそれぞれ保持部材内に導入されており、その内部空間内で接続導体につなげられている。このホルダ部材の上に、ポッティング槽（Ｖｅｒｇｕｓｓｗａｎｎｅ）を形成するために、同じくリング形の第二の部材が載置される。このように作られたリング形のポッティング室内に、結線を終えた後、処理温度では液状で硬化時には固体状態に変るポッティング材が注入され、これが外部の影響、特に湿気や異物の侵入から護るように内部に設けられた部材を覆う。

こういったステータを製造するのは、特にポッティング材の大量使用により比較的コストがかかる。

冒頭に述べた類のステータが、例えば特許文献２により公知になっている。このステータは、複数の巻線端部を持つステータ巻線を有して中心軸線周りにリング形に形成されたステータプレート積層体を備えるとともに、複数の接続導体を持つ結線装置を備え、これらの接続導体が互いに電気的に絶縁された状態で樹脂体の中に金属・プラスチック複合部品を形成するようにして封入されている。このとき、接続導体は、複数の巻線コネクタ部を有し、これらの巻線コネクタ部が、接続導体の本体から半径方向に突き出すように形成されているとともに樹脂体の外側に配設されており、この巻線コネクタ部で巻線端部が接続導体と電気的に結線されている。そのため、巻線端部の接続部は、電気機械の内側の空間では剥き出しになっており、そこでは汚れや湿気といった外部の影響から保護されておらず、腐食の危険にさらされている。

独国特許出願公開第２０２０１００１４４２５号明細書 米国特許出願公開第２００６／００６８６１７号明細書

本発明は、上記の従来技術から出発し、改善され且つコストもかからない結線装置を有したステータであって、巻線コネクタ部を同じく持続的に外部の影響から腐食防止して設けることのできるステータを提供することを課題とする。さらに、この種のステータを持つ電気機械を提供する必要がある。

この課題は、特許請求項１の特徴を有した電気機械用ステータにより解決され、さらに特許請求項９に記載の電気機械により解決される。発明の有利な実施形態および発展形態は、従属請求項から導かれる。

こうして、冒頭で述べた類のステータにおいて、接続導体が入った金属プラスチック複合部品の樹脂体ないし樹脂マトリックスは、槽形の、特にはリング形の受容室を形成し、この受容室が、接続導体の巻線コネクタ部を囲い込む或いは取り囲んでいるものが提案される。すなわち、接続導体は、周りに樹脂が注入されているが、接続導体の巻線コネクタ部はそのまま取り残され、つまりは露出しており、巻線端部に接続できるようになっている。この受容室は、巻線端部を接続（結線）したら必要に応じてポッティング材で充填することができ、そのときには樹脂が巻線コネクタ部を持続的に覆う。

このようにして作られたリング形で槽形の受容室は、基本的には任意の断面形状を有することができる。このとき、断面が矩形の槽は、樹脂射出成形品として作製される複合部品の製造時に工程技術的に特段の手間をかけずに製造することができる。一般に、形成された槽本体の受容室は、半径方向内側と半径方向外側の壁部を有し、これらがいずれもステータにおいて周方向に延在しており、さらにこれらの壁部の間に存在する底部を備えることができる。接続導体は、この底部内に埋め込まれており、巻線コネクタ部は底部から外へ出ていることで受容室内に設けられている。この受容室は、底部と、巻線コネクタ部にそれぞれ側方で隣接している上述の壁部とによって画成される。ポッティング材によって最大限到達可能な注入レベルを概ね決める槽の高さは、ステータと金属プラスチック複合部品の軸線方向ないし軸線長さに合致する。

従って、提案されるステータの構成により、巻線端部が固定された巻線コネクタ部を確実に外部の影響に対してカプセル化することがやはり可能で、そのとき同時に、ポッティング材の使用量が比較的少ない。ポッティング材として、概して樹脂、例えばエポキシ樹脂、シリコーン、ポリウレタンまたはこれらの組み合わせを用いることができるか或いはその任意の処理が電気機械の分野に従事する当業者に慣用されている樹脂を用いることができるのが好ましい。

有利には、接続導体は概ねリング形に延在する本体を有し、電気機械の中心軸に対して同心にステータに設けられている。さらに、接続導体は、曲げ加工された導線として、或いは、好ましくはリング形に曲げ加工された又は打抜き加工された帯形の導体部材として、特に矩形の断面を有して形成することができる。これらは、ステータにおいて専ら周領域にわたって或いは全周ないし略全周にわたって延在することができるとともに、半径方向または軸線方向に位置をずらして（段状に）（ｒａｄｉａｌ ｏｄｅｒ ａｘｉａｌ ｇｅｓｔａｆｆｅｌｔ）ステータに設けることができる。

とりわけ材料を節約した実施形態では、巻線コネクタ部が、接続導体の本体そのものに、特に電流容量（Ｓｔｒｏｍｔｒａｇｆaｈｉｇｋｅｉｔ）に必要な断面積を担保しながら材料を変形させること（Ｍａｔｅｒｉａｌｕｍｆｏｒｍｕｎｇ）により形成されている。この場合、巻線コネクタ部を形成するために、特に半径方向に本体から突き出た部分がほぼ要らないので、基材の使い方にほとんど無駄がない。

これらの接続導体が半径方向に位置をずらして配置されている場合、巻線コネクタ部は、接続導体のその他の部分が共通して形成する半径方向面に対し、受容室内に向けて軸線方向に突き出ていると実用的である。或いは、これらの接続導体は、軸方向に位置をずらして配置されていてもよく、巻線コネクタ部として軸線方向に曲げられた突起を有していてもよい。

さらに好ましい実施形態によれば、巻線コネクタ部は、略共通の半径方向面内に設けられていてもよく、これにより、巻線コネクタ部に巻線端部を自動接続する場合の利点がもたらされる。同様に、高さ、特にポッティング材の軸方向の拡がりを小さく保つことができる。

さらに、受容室を分離ウェブによって周方向に分割（セグメント化）して形成し、巻線コネクタ部を有した部屋を複数形成するようにしてもよい。この場合、二つ又はさらに複数の巻線コネクタ部を共通の部屋の中に設けることができる。同様に、巻線コネクタ部一つに対してそれぞれ一つの部屋を設けてもよい。分離ウェブは、好ましくは受容室の半径方向内側の周面部と半径方向外側の周面部をつなぎ、その際に、分離ウェブの高さは、槽の全高さにわたって延在するのでもよいし、或いは一部高さだけにわたって延在するのでもよい。注入されたポッティング材内に、使用条件による或いは経年による、それも特には外に面した表面にまで達する亀裂が電気機械の動作時に生じた場合、分離ウェブがあることにより、亀裂が周方向に広がることを効果的に防止することができる。分離ウェブは、周方向に任意の幅で設けることができ、隣接する二つの巻線コネクタ部の間の周方向の空間（Ｕｍｆａｎｇｓｒａｕｍ）の全て或いは殆ど全てを埋めてもよく、これにより、ポッティング材をさらにまた相当量節約することができる。分離ウェブを入れることで、巻線コネクタ部の外に存在する部屋も形成することができる。この部屋は、ポッティング材で満たされておらず、そのためポッティング材無しで形成されている。

本発明のさらなる実施形態では、接続導体は、ステータを電気エネルギー源に接続するために、この接続導体に材料結合的に接続された相コネクタ導体を有することができ、相コネクタ導体は、終端部がプラスチック金属複合部品の樹脂体内に封入ないしインサート成形されている。相コネクタ導体は、そこで完全にまたは部分的に樹脂でインサート成形されていてもよい。後者の場合、接続導体における相コネクタ導体の接続領域の中に、既に巻線コネクタ部において以前説明したのと同じように、ポッティング材を被覆のために注入することができる。受容室のこのセクションは、先述の分離ウェブを有する少なくとも一つ又は複数の部屋を形成しつつ同じように形成することができる。相コネクタ導体は、とりわけ材料結合的に接続導体に接続することができ、例えば、はんだ付け、溶接、ボンディング或いはまた互いに可塑的に押し付けること（ｇｅｇｅｎｓｅｉｔｉｇｅｓ ｐｌａｓｔｉｓｃｈｅｓ Ｖｅｒｐｒｅｓｓｅｎ）により接続することができる。相コネクタ導体を封入することに代えて、相コネクタ導体は、金属プラスチック複合部品を製造した後に、事後的に接続導体に配設ないし固定することもできるが、ただし、複合部品は、相コネクタ導体の接続導体への固定の際に場合によっては発生するかもしれない処理熱に対してできるだけ形状が安定に形成されていなければならない。さらに、相コネクタ導体は、一般に、絶縁層、特に樹脂被覆を有していてもよい。この場合、この樹脂被覆は、上述におけるのと同様に、プラスチック金属複合部品の樹脂体内に封入ないしインサート成形されることができる。絶縁層は、ホース、布帛、パウダーコーティング、塗装（Ｌａｃｋｉｅｒｕｎｇ）や同類のものとしても形成することができる。

提案された電気機械は、ロータとステータとを有し、ステータは、少なくとも請求項１乃至８に示された特徴の組み合わせにより形成されている。

以下に、図に示された実施形態に基づいて本発明を例示的に説明する。

結線装置が半径方向内側でステータに設けられたインナーロータ形式の電気機械の軸方向断面の概略図である。 金属プラスチック複合部品と相コネクタ導体とを有する図１に概略的に示された結線装置の部分斜視図である。

同一の対象、動作単位ないし同等の構成要素は、図面全体を通じて同じ符号によって示す。さらに、一ないし複数の特徴について共通に示されている構成要素および対象に関しては、それが一実施例中または一図面中に複数現れても包括的な符号を用いる。同じまたは包括的な符号で示される構成要素または対象は、明示的ないし黙示的に明細書から何か別のものがもたらされるのでなければ、その特徴（例えばその寸法決め）については同じであるとしてよいが、ただし必要に応じて別態様にすることもできる。

図１は、回転軸線Ａを有するロータ軸１２周りに回転可能なロータ１４と、その半径方向外側を取り囲むステータ１６とを有する電気機械１０、より具体的にはインナーロータ型の永久磁石励起式同期電動機を概略的に示す。ロータ１４は、鍋形のロータ保持部１８を有し、その円筒形の外周面上に、積層されたロータプレート積層体２０が設けられており、このロータプレート積層体が、周面で互いに離間された複数の永久磁石２２を保持している。

ステータ１６は、リング形のステータ保持部２４を有し、その中心凹部内に、複数のプレート片から形成された円環形のステータプレート積層体２６が配置されている。したがって、回転軸線Ａは、同時にステータの中心軸線Ａになっている。ステータ保持部２４は、例えば、電気機械１０の外側ケーシングあるいは中間ケーシングであってもよい。ステータプレート積層体２６は、セグメント化されて構成されているとともに多数のステータセグメントから組み立てられており、これらのステータセグメントが、ステータ保持部２４に収容されて一体保持される。代替的に、ステータプレート積層体２６は、従来の方法でリング形プレート片を積み重ねたものから構成されていてもよい。

ステータプレート積層体２６は、具体的な構成に関わりなくステータ保持部２４に当接するリング形に閉じたステータヨーク３０を形成し、このステータヨークが当該ステータヨークから半径方向内側に向けられたティース３２を有している。このティースは、公知の方法でステータコイル３６が装着されていることでステータ巻線を形成する。ステータコイル３６の巻線端部ないしコイル端部３６ａ，ｂは、図１では単に概略的にしか示されていない結線装置３８によって接続されており、出力電子回路３９ａおよび制御電子回路３９ｂを介して電気エネルギー源３９ｃに接続され、この電気エネルギー源が、電気機械１０を動作させるために位相と振幅が可変な電流を巻線に供給することができる。

ステータコイル３６は、ステータ１６の取り付け前に、耐熱プラスチック製の二つの絶縁枠ないし巻き枠４０，４２をそれぞれ用いて一本の銅線からティース３２周りに巻回されてなり、そこに外れないよう固定されている。

巻き枠４０，４２は、それぞれ、端面側でプレート積層体２６上に当接する底部４０ａ；４２ａと、その底部からやや直角にステータ１６上で軸線方向に突き出た、半径方向における巻回範囲を画定する脚部４０ｂ，ｃ；４２ｂ，ｃとを有している。半径方向内側の脚部４０ｂには、挿込み溝が設けられており、この溝にコイル端部３６ａ，ｂが挿し込まれ、結線装置３８の方に配向される。脚部４０ｂは、以下に詳しく述べられるリング形の金属プラスチック複合部品５６に略隙間のないように当接し、この部品を支えている。金属プラスチック複合部品５６は、図１に概略的に示されているように、巻き枠の脚部における不図示のスナップ式接続部またはその他の方法によりステータ１６に固定されている。

これらのコイル３６は、電気的に個別の系列に対応させて設けられており、そのために、コイル端部３６ａ，ｂは、結線装置３８を用いることで共通の接続導体５２ａ−ｃを介して予め決められたとおりに巻線コネクタ部５２０ａ−ｃにおいて相互に接続される。

接続導体５２ａ−ｃは、略矩形断面を有した銅ストリップ材料が湾曲されてなり、略リング形に延在する本体を備え、中心軸線Ａに対して同軸でステータ１６に設けられている。巻線コネクタ部５２０ａ−ｃは、接続導体５２ａ−ｃが周回するように延在する間に本体に形成されており、接続導体５２ａ−ｃにより形成された、特にはそれらの本体により形成された半径方向面に対して軸線方向に突出している。図では、接続導体５２ａ−ｃがステータ１６において半径方向に位置をずらして（段状に）配置されており、軸線方向に突き出た巻線コネクタ部５２０ａ−ｃが概ね共通の半径方向面に配列されていることが分かる。

Δ結線ができるように結線する場合、周面で隣接する二つのコイル３６の隣接する二つのコイル端部３６ａ，ｂをそれぞれ一つの巻線コネクタ部５２０ａ−ｃに接続するのが好ましい。コイル端部３６ａ，ｂの接続導体５２ａ−ｃへの接続は、材料結合的に、とりわけはんだ付けや溶着により行なわれる。

接続導体５２ａ−ｃは、ステータ１６に設けるために、既に述べた金属プラスチック複合部品５６の形成下に互いに電気的に絶縁された状態で樹脂体５４内に封入されている。このとき、巻線コネクタ部５２０ａ−ｃは、樹脂体５４から取り残されており、これに伴って樹脂体５４の外に設けられている。

金属プラスチック複合部品５６は、図１に概略的に示されているとおり、コイル３６の半径方向内側、より正確には巻き枠４０の半径方向内側の脚部４０ｂに固定されている。コイル端部３６ａ，ｂは、こうして、半径方向外側の壁部５６ｂを経て、結線領域へと、つまりは保持部材５６の受容室５５へと入り込む。

また、図２から分かるように、樹脂体５４における受容室５５は、結線のために片側が開放されて形成されており、巻線コネクタ部５２０ａ−ｃは、受容室５５内で複数の面に閉じ込められ、或いは取り囲まれている。受容室５５は、半径方向内側の壁部５６ｃ、半径方向外側の壁部５６ｂおよびこれらの間に延在する底部５６ａにより画定され、この底部から巻線コネクタ部５２０ａ−ｃが軸方向に突き出ている。

さらに、受容室５５は、分離ウェブ５６ｅによって周方向にセグメント化（分割）されて形成されており、複数の部屋５５ａを有し、巻線コネクタ部５２０ａ−ｃごとに、それぞれ一つの部屋５５ａが設けられているということが看取できる。ここで、開放された部分は、軸線方向にステータ１６とは反対側を向いているので、結線のために自由にアクセスすることができる。

コイル端部３６ａ，ｂが金属プラスチック複合部品５６の受容室５５に入るように、壁部５６ｂ，ｃの一方に、本例では図１の概略図とは違って内側の半径方向壁部５６ｃに入口切欠部５６ｄが設けられている。これらは、窪んだ形の（ｍｕｌｄｅｎｆｏｒｍｉｇ）或いはスリット状の凹部として、ステータ１６に関して壁部５６ｃの軸線方向における自由な側から形成されており、挿込み溝内に導かれたコイル端部３６ａ，ｂが、半径方向に、しかも比較的短い道のりで半径方向壁部５６ｃを通して結線装置３８の受容室５５内に挿し込めるように設けられている。こうして、切欠部５６ｄは、周面においてそれぞれコネクタ部５２０ａ−ｃの一つに位置的に対応させて設けられており、直に隣り合った二つのコイル３６それぞれのコイル端部であって、ステータ１６において隣接するそれぞれ二つのコイル端部３６ａ，ｂの互いの距離に相当するものよりも必要に応じて周方向に若干大きめに形成されていてもよい。これにより、図示された配置では、コイル端部３６ａ，ｂは、製造条件から位置公差が少ないような場合にも、確実に金属プラスチック複合部品５６内に導入することができる。図２により示された結線装置３８は、図１のものとは違って、基本的には巻き枠４０の半径方向外側の脚部４０ｃに配置するために形成されている。

結線装置３８は、図１に概略的に且つ図２に実例的に当該装置が示されているように、ステータ１６を電気エネルギー源３９ｃに接続するために、接続導体５２ａ−ｃに材料結合的に接続された相コネクタ導体６０ａ−ｃをさらに有し、これらが密封された状態で、受容室５５内に導入されている。

図２に示されているとおり、相コネクタ導体６０ａ−ｃもまた、略矩形状の断面を有したストリップ導体として形成され、金属プラスチック複合部品５６の周面部に一緒に設けられており、そこで金属プラスチック複合部品５６から半径方向に突き出ている。相コネクタ導体６０ａ−ｃは、それらの各終端部に至るまで樹脂絶縁カバー６２０ａ−ｃが設けられており、それぞれ一方の終端部６１０ａ−ｃが樹脂体５４内に封入されている。絶縁カバー６２０ａ−ｃは、このとき一緒に封入され、その結果、この場所では腐食プロセスに侵されることがない。

巻線端部３６ａ，ｂを巻線コネクタ部５２０ａ−ｃに接続した後、受容室５５ないし個々の部屋５５ａは、外部の影響、特に腐食の発生から保護するため、そして同じく結線装置３８の安定性を高めるために、少なくとも部分的にポッティング材６６により充填される。例えば、これに関して、図２に封止が行なわれた部屋５５ａが示されている。封止には、封止の処理温度では液状でありながら硬化時には固体状態に変るポッティング材６６が用いられる。封止によって、コイル端部３６ａ，ｂ、接続導体５２ａ−ｃおよび相コネクタ導体６０ａ−ｃは、少なくともそれらの相互の接続部において覆われ、つまりはカプセル化される。

図に示された半径方向に接続導体を互いに離間させて配置するのに代えて、これらをステータに対して軸線方向に互いに離間させて配置してもよいが、そのときには、他の部材は、必要である場合には適宜調整する必要がある。同様に、結線装置の保持部材に対して半径方向にコイルを配置することに代えて、これらを軸線方向に配置することもできる。また、ステータ結線装置の原理的な構成について電気機械の特殊な構造様式は重要ではなく、例えばアウターローター型の電気機械も可能である。

１０ 電気機械
１２ ロータ軸
１４ ロータ
１６ ステータ
１８ ロータ保持部
２０ ロータプレート積層体
２２ 永久磁石
２４ ステータ保持部
２６ ステータプレート積層体
３０ ステータヨーク
３２ ティース
３６ ステータコイル
３６ａ，ｂ コイル端部
３８ 線装置
３９ａ 出力電子回路
３９ｂ 制御電子回路
３９ｃ 電気エネルギー源
４０，４２ 巻き枠
４０ａ，４２ａ 底部
４０ｂ，ｃ 脚部
４２ｂ，ｃ 脚部
５２ａ−ｃ 接続導体
５２０ａ−ｃ 巻線コネクタ部
５４ 樹脂体
５５ 受容室
５５ａ 部屋
５６ 金属プラスチック複合部品
５６ａ 底面
５６ｂ，ｃ 壁部
５６ｄ 入口切欠部
５６ｅ 分離ウェブ
６０ａ−ｃ 相コネクタ部
６１０ａ−ｃ 終端部
６２０ａ−ｃ 絶縁カバー
６６ ポッティング材
Ａ 中心軸線

Claims (9)

1. 電気機械（１０）のためのステータ（１６）であって、
   −ステータ巻線（３６）を有して中心軸線（Ａ）周りにリング形に形成されたステータプレート積層体（２６）を備え、ステータ巻線（３６）が複数の巻線端部（３６ａ，ｂ）を有し、
   −複数の接続導体（５２ａ−ｃ）を有した結線装置（３８）を備え、これら接続導体（５２ａ−ｃ）が、金属プラスチック複合部品（５６）を形成するようにして互いに電気的に絶縁されて樹脂体（５４）内に封入されており、
   −これらの接続導体（５２ａ−ｃ）は、巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）を有し、巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）が樹脂体（５４）の外側に配列されているとともに、巻線端部（３６ａ，ｂ）が巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）において接続導体（５２ａ−ｃ）に少なくとも間接的に電気的に接続されているステータにおいて、
   樹脂体（５４）は、半径方向内側の壁部（５６ｃ）、半径方向外側の壁部（５６ｂ）およびこれらの間に延在する底部（５６ａ）により画定された受容室（５５）を形成し、当該受容室が巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）を取り囲んで、底部（５６ａ）から巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）が軸方向に突き出ていることを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータにおいて、受容室（５５）は、ポッティング材（６６）によって充填されており、巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）を覆っていることを特徴とするステータ。
3. 請求項１または２に記載のステータにおいて、接続導体（５２ａ−ｃ）は、略リング形に延びた本体を有し、中心軸線（Ａ）に対して同心にステータ（１６）に設けられていることを特徴とするステータ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のステータにおいて、巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）は、本体そのものに形成されていることを特徴とするステータ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のステータにおいて、これらの接続導体（５２ａ−ｃ）は、半径方向に位置をずらして配置されており、巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）は、接続導体（５２ａ−ｃ）により形成された半径方向面に対し、受容室（５５）内に向けて軸線方向に突き出ていることを特徴とするステータ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のステータにおいて、巻線コネクタ部（５２０ａ−ｃ）は、概ね共通の半径方向面内に配列されていることを特徴とするステータ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のステータにおいて、受容室（５５）は、分離ウェブ（５６ｅ）によって周方向にセグメント化されて形成されており、複数の部屋（５５ａ）を有していることを特徴とするステータ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のステータにおいて、接続導体（５２ａ−ｃ）は、ステータ（１６）を電気的なエネルギー源（３９ｃ）に接続するために、材料結合的に当該接続導体に接続された相コネクタ導体（６０ａ−ｃ）を有しており、相コネクタ導体（６０ａ−ｃ）は、一方の終端部（６１０ａ−ｃ）が樹脂体（５４）内に封入されていることを特徴とするステータ。
9. ロータ（１４）を有するとともにステータ（１６）を有する電気機械（１０）において、請求項１から８のいずれかに記載のステータ（１６）が形成されていることを特徴とする電気機械。