JP6874588B2 - 回転電機ステータ - Google Patents

Description

本開示は、回転電機ステータに係り、特に、ステータコアの軸方向端面にコイルエンドを形成しながらステータコアにステータコイルが巻回される回転電機ステータに関する。

回転電機ステータにおいて、ステータコアとステータ巻線との間の電気的絶縁性の確保のために、ステータコアのスロットには、ステータコアとステータ巻線との間に絶縁紙が配置される。そして、ステータ巻線の固定のためにスロットにおけるステータ巻線と絶縁紙とにワニスが含浸される。

本開示に関連する技術として、特許文献１の回転電機ステータでは、コア部材の外周をコアホルダに圧入する際に生じる削り屑が回転電機の回転と共にコイル部に付着しコイルの絶縁被覆を破壊することを指摘している。そこで、ステータコアのティース部に装着されたコイルボビンの外周部とコアホルダとの間の隙間に被覆部材を設け、コアホルダと被覆部材とでステータコアの圧入の下流側を覆い、その覆い空間に削り屑を閉じ込める構造を開示している。

特開２００９−１４２０３１号公報

従来技術では、ステータコアとステータコイルとの間に絶縁紙を設けて電気的絶縁性能を確保している。車両のランダム加振等の動作環境条件によっては、ステータコアとステータコイルを固定しているワニス等の接着固定材の固着力を超え、ステータコアとステータコイルとが相対的に移動することが生じ得る。ステータコアとステータコイルとの間の相対的動きによっては、絶縁紙が破損しあるいは潰れ、回転電機の絶縁性能が低下する可能性がある。

そこで、ランダム加振等の動作環境においても、ステータコアとステータコイルとの間の相対的動きを抑制し、絶縁性能を確保できる回転電機ステータが要望される。

本開示に係る回転電機ステータは、円環状のバックヨーク、バックヨークから内周側に突き出た複数のティース、及び、隣接するティース間の空間である複数のスロットを含むステータコアと、スロットに収納されてステータコアのティースに巻回された状態で、ステータコアの両側の軸方向端面から突き出た部分である軸方向両側の２つのコイルエンドを有する複数のステータコイルと、ステータコアの軸方向両端面における２つのコイルエンドの根元部に巻き付けられた状態でバックヨークの周方向に沿って配置された２つの絶縁スリーブと、を備え、２つのコイルエンドのそれぞれは、根元部に設けられ外周面の直径が小さくなった小径部と、小径部から軸方向外側に連続し、軸方向外端に向かって直径が大きくなる傾斜部とを有し、２つの絶縁スリーブのそれぞれの径方向内側部分が、傾斜部と小径部とステータコイルの軸方向端面とにより形成される溝部に、傾斜部とステータコイルの軸方向端面とで軸方向両側から挟まれるように嵌まり込んでいる。

上記構成によれば、ステータコアの軸方向端面においてコイルエンドの根元部に絶縁スリーブが巻き付けられて配置されるので、ステータコアとステータコイルとの間の相対的動きを抑制できる。

本開示に係る回転電機ステータにおいて、絶縁スリーブは、ステータコアの中心軸に向けて径方向に貫通し、上下方向または上下方向に対し傾斜した方向の複数の液状冷媒通し穴を有することが好ましい。

上記構成によれば、絶縁スリーブに設けた冷媒通し穴を液状冷媒が通ることができるので、絶縁スリーブを設けても、回転電機の動作時において生じる発熱によるステータの温度上昇を適切に抑制できる。

本開示の回転電機ステータによれば、ステータコアとステータコイルとの間の相対的動きを抑制でき、絶縁性能を確保できる。

実施の形態における回転電機ステータを含む回転電機の構成図である。図１（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、モータケースを省略した側面図である。 図１における回転電機ステータの部分を示す図である。図２（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、側面図である。 別の形態の絶縁スリーブを用いる回転電機ステータを示す図である。図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図２（ａ），（ｂ）に対応する図である。 従来技術の回転電機ステータを示す図である。図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図２（ａ），（ｂ）に対応する図である。

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回転電機ステータを述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載用でなくても、ランダム加振等を受けることがある回転電機に用いられる回転電機ステータであればよい。また、電磁鋼板を積層したステータコアと、電磁鋼板を積層し、内部に永久磁石が埋め込まれたロータコアを説明するが、これは例示であって、電磁鋼板以外の磁性体薄板を積層するものであってもよい。また、これ以外の構成のステータコア、ロータコアであってもよい。例えば、電磁鋼板の積層型でなく、鋼材を加工した一体型コアでもよく、磁粉を成形したコアであってもよい。以下では、ステータコイルは分布巻で巻回されるものを述べるが、これは説明のための例示であって、集中巻で巻回されるステータコイルであってもよい。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１０の断面図と、モータケース１２の部分を省略した側面図である。回転電機１０は、モータケース１２と、モータケース１２に対し回転自在に支持される回転軸２８に固定されるロータ３０と、モータケース１２に取り付け固定される回転電機ステータ４０を含んで構成される。以下では、特に断らない限り、回転電機ステータ４０を、ステータ４０と呼ぶ。

モータケース１２は、内部に回転電機１０のロータ３０とステータ４０とを収容し、その潤滑と冷却のための冷媒１４を貯留する筐体である。モータケース１２には、モータケース１２の内部から冷媒１４を外部に排出する冷媒排出口１６と、モータケース１２の内部に冷媒１４を供給する冷媒供給口１８とが設けられる。モータケース１２は、冷媒排出口１６と冷媒供給口１８を除いて、液密とされる。

図１に、重力方向と水平方向を示す。図１では、回転軸２８は水平方向に延伸して配置されるので、水平方向は軸方向でもある。以下では、特に断らない限り、水平方向を軸方向と呼ぶ。したがって、重力方向は、回転軸２８の軸方向に垂直な方向である。重力方向の両方向を区別する場合は、回転軸２８に対して地表側を下方側、その反対側を上方側と呼ぶ。図１の場合は、紙面上で上側が上方側で、下側が下方側である。

冷媒供給パイプ２０は、モータケース１２内部の上方側に、軸方向に沿って延伸して配置されるパイプで、一端は、モータケース１２の冷媒供給口１８に接続され、他端は密封端であり、一端と他端との間に、適当に冷媒滴下穴２２が設けられる。

冷媒ポンプ２４は、モータケース１２の冷媒排出口１６と冷媒供給口１８とを結ぶ冷媒循環パイプ２６の途中に設けられる循環ポンプである。冷媒ポンプ２４は、モータケース１２の内部空間の下方側に貯留される冷媒１４を汲み上げて、モータケース１２の内部の上方側に配置される冷媒供給パイプ２０に供給する。冷媒供給パイプ２０の冷媒滴下穴２２から滴下した冷媒１４は、回転電機１０の動作によって発熱するステータ４０等を冷却しながら、モータケース１２の下方側に流れ、モータケース１２の内部空間の下方側に戻る。

冷媒１４としては、回転電機１０と共に車両に搭載される他の機構部品の潤滑に用いられる流体を利用することができる。例えば、車両に搭載される動力伝達機構の潤滑に用いられるＡＴＦ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｌｕｉｄ）と呼ばれる潤滑油を、回転電機１０の冷却のための冷媒１４として用いることができる。

ロータ３０は、回転電機１０の回転子で、回転軸２８に取り付け固定されるロータコア３２と、ロータコア３２に埋め込まれる永久磁石３４を含んで構成される。回転軸２８は、回転電機１０の出力軸で、両端側が適当な軸受を介してモータケース１２に回転自在に支持される。なお、軸受の潤滑にも、冷媒１４であるＡＴＦが用いられる。ロータコア３２は、複数の磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、一体型の磁性体コアを用いてもよい。永久磁石３４は、ロータ３０の磁極を形成する磁石で、ロータコア３２の周方向に沿って磁極数に対応する数で埋めこまれる。

ステータ４０は、回転電機１０の固定子で、ステータコア４２と、ステータコア４２に巻回されたステータコイル６０を含む。

ステータコア４２は、ロータ３０が配置される中心穴を有する磁性体部品であり、円環状のバックヨーク４４、バックヨーク４４から内周側に突き出す複数のティース４６、及び、隣接するティース４６間の空間である複数のスロット４８を含む。図１（ｂ）の側面図において一部を破断し、ステータコア４２の軸方向端面５２におけるバックヨーク４４、ティース４６、スロット４８の関係を示す。

かかるステータコア４２は、ティース４６、スロット４８を含む所定の円環状形状に成形した磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板としては、ロータコア３２と同様に、電磁鋼板が用いられる。磁性体薄板の積層体に代えて、一体型の磁性体コアを用いてもよい。

ステータコイル６０は、三相の分布巻巻線で、各相の巻線は、ステータコア４２において、絶縁被覆付き導体線が、所定のスロット４８に挿通され、所定の複数のティース４６に跨って巻回される。絶縁皮膜付き導体線の素線としては、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。三相の分布巻巻線は、説明のための例示であって、回転電機１０の仕様によっては、集中巻巻線であってもよい。集中巻巻線の場合は、各相の巻線は、ステータコア４２において、絶縁被覆付き導体線が、所定のスロット４８に挿通され、１つのティース４６に集中的に巻回される。

コイルエンド６２，６４は、ステータコイル６０がスロット４８に挿通されてステータコア４２のティース４６に巻回された状態で、ステータコア４２の両側の軸方向端面５２，５４からそれぞれ突き出た部分である。

図１（ｂ）において、スロット４８の内部に配置される絶縁紙５６は、ステータコイル６０の絶縁被覆付き導体線と、ステータコア４２との間の電気的絶縁を確保するためのインシュレータである。絶縁紙５６は、電気的絶縁性を有するプラスチックシートを所定の形状に成形したものが用いられる。

絶縁紙５６、ステータコア４２、ステータコイル６０との間の固定には接着固定材（図示せず）が用いられる。接着固定材としては、ワニスが用いられる。ワニスに代えて、適当な粘度を有し、適当な環境条件の下で硬化する電気絶縁性の液状樹脂または塗料を用いてもよい。これらに代えて、高粘性の接着シート等を接着材として用いてもよい。

絶縁スリーブ７０，７２は、ステータコア４２の軸方向端面５２，５４において、コイルエンド６２，６４の根元部に巻き付けられた状態でバックヨーク４４の周方向に沿って配置された絶縁部材である。バックヨーク４４の周方向に沿って配置される、とは、一本一本の絶縁皮膜付き導体線毎に絶縁スリーブ７０，７２を巻き付けるのではなく、絶縁皮膜付き導体線の集合体であるコイルエンド６２，６４に巻き付けることを意味する。絶縁スリーブ７０は、ステータコア４２の軸方向端面５２において軸方向端面５２から突き出たコイルエンド６２の根元部に巻き付けられた状態でバックヨーク４４の周方向に沿って配置される。同様に、絶縁スリーブ７２は、ステータコア４２の軸方向端面５４において、軸方向端面５４から突き出たコイルエンド６４の根元部に巻き付けられた状態でバックヨーク４４の周方向に沿って配置される。

絶縁スリーブ７０，７２は、ステータコア４２とステータコイル６０とが相対的に移動し、その間に配置されている絶縁紙５６が破損あるいは潰れて、ステータコア４２とステータコイル６０とが互いに接触状態になることを抑制する部材である。絶縁紙５６、ステータコア４２、ステータコイル６０との間は、ワニス等の接着固定材によって固定されている。しかし、例えば、回転電機１０が激しいランダム加振等を受ける動作環境においては、ワニス等の接着固定材の固着力を超えて、ステータコア４２とステータコイル６０とが相対的に移動することが生じ得る。そして、ステータコア４２とステータコイル６０との間の相対的動きによっては、絶縁紙５６が破損しあるいは潰れる可能性がある。絶縁紙５６が破損しあるいは潰れると、ステータコア４２とステータコイル６０とが互いに接触することが生じ、回転電機１０の絶縁性能が低下する。

絶縁スリーブ７０，７２は、ランダム加振等を受ける動作環境において、ステータコア４２とステータコイル６０とが相対的に移動することを抑制し、絶縁紙５６が破損しあるいは潰れることによるステータコア４２とステータコイル６０の電気的接触を防止する。かかる絶縁スリーブ７０，７２は、電気的絶縁性を有する樹脂材料で構成された棒状部材を円環状にして、ステータコア４２の軸方向端面５２，５４においてコイルエンド６２，６４が立ち上がる根元部に巻き付けて配置される。一般的にコイルエンド６２，６４は、その外径が根元部において最も小径であるので、その小径の根元部に絶縁スリーブ７０，７２を巻き付けて配置することで、絶縁スリーブ７０，７２の配置が安定する。棒状部材の断面形状は、円形の他、楕円形、矩形等もでよく、中空部を有してもよい。電気的絶縁性を有する樹脂材料としては、エポキシ系樹脂等を用いることができる。

棒状部材をコイルエンド６２，６４の根元部に巻き付ける方法の１つは、樹脂製の棒状部材の可撓性を利用して、ステータコア４２の軸方向端面５２，５４におけるコイルエンド６２，６４の根元部に棒状部材を撓ませて巻き付ける。そして、巻き付けた棒状部材の向かい合う両端を適当な固定部材で固定する。他の方法としては、棒状部材を切れ目がある円環状に成形し、予めその内径を小さめとし、樹脂の弾性を利用してやや大きめに拡径し、ステータコア４２の軸方向端面５２，５４におけるコイルエンド６２，６４の根元部分に嵌め込む。他の方法としては、電気絶縁性と耐熱性とを有する合成ゴムを円環状に成形し、合成ゴムの弾性を利用して、円環を拡径して、ステータコア４２の軸方向端面５２，５４におけるコイルエンド６２，６４の根元部分に嵌め込む。

絶縁スリーブ７０，７２の巻き付け量は、コイルエンド６２，６４の根元部の外周の全周とすることが好ましい。場合によっては、バックヨーク４４の周方向に沿った全周をいくつかに区分して、数か所に配置してもよい。絶縁スリーブ７０，７２は、接着固定材によって、ステータコア４２の軸方向端面５２，５４と、コイルエンド６２，６４の根元部と、固定される。接着固定材としては、ワニスを用いることができる。ワニスに代えて、適当な粘度を有し、適当な環境条件の下で硬化する電気絶縁性の液状樹脂または塗料を用いてもよい。好ましくは、絶縁紙５６、ステータコア４２、ステータコイル６０との間に接着固定材を滴下等する前に、絶縁スリーブ７０，７２をコイルエンド６２，６４の根元部に巻き付け、その後、接着固定材を滴下等することがよい。この方法によれば、絶縁紙５６、ステータコア４２、ステータコイル６０、絶縁スリーブ７０，７２が、同じ接着固定材で一度に一体化固定される。

図２は、図１におけるステータ４０の部分を示す図である。図２（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ方向からみた側面図である。ここでは、絶縁スリーブ７０，７２は、円形断面の中実な樹脂製である。

図３は、別の絶縁スリーブ７１，７３の例を示す図である。絶縁スリーブ７１，７３は、中実断面でなく、冷媒１４を通すための冷媒通し穴７４を有する。図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図２（ａ），（ｂ）に対応する図であるが、図３（ａ）には、冷媒供給パイプ２０と、冷媒滴下穴２２を示す。（ｂ）において、絶縁スリーブ７１に設けられた冷媒通し穴７４を示す。冷媒通し穴７４は、ステータコア４２の中心軸ＣＬに向けて、絶縁スリーブ７１，７３を貫通して、複数設けられる。この貫通した冷媒通し穴７４を通して、冷媒供給パイプ２０の冷媒滴下穴２２から滴下した冷媒１４は、コイルエンド６２，６４の根元部と、ステータコア４２の部分を冷却する。冷媒１４が通ることができる冷媒通し穴７４を設けた絶縁スリーブ７１，７３を用いることで、中実の絶縁スリーブ７０，７２を用いることに比較して、回転電機１０の動作時において生じる発熱によるステータ４０の温度上昇を適切に抑制できる。

図４は、絶縁スリーブを設けない従来技術のステータ４１にランダム加振が印加された状態を示す図である。図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図２（ａ），（ｂ）に対応する図である。ここで、ランダム加振が印加されると、ランダム加振の大きさによっては、ワニス等の接着固定材の固着力を超えて、ステータコア４２とステータコイル６０とが相対的に移動することが生じ得る。図４では、コイルエンド６２，６４の移動を二点鎖線で示した。このように、ステータコア４２とステータコイル６０との間の相対的動きが生じると、絶縁紙５６が破損しあるいは潰れる可能性がある。絶縁紙５６が破損しあるいは潰れると、ステータコア４２とステータコイル６０とが互いに接触することが生じ、回転電機１０の絶縁性能が低下する。図１から図３で述べた絶縁スリーブ７０，７２，７１，７３を用いると、ステータコア４２とステータコイル６０との間は、絶縁スリーブ７０，７２，７１，７３を介して接着固定材によって固定される。したがって、絶縁スリーブ７０，７２，７１，７３を用いない場合に比べ、ステータコア４２とステータコイル６０との間の相対的動きを抑制でき、回転電機１０の絶縁性能を適切に確保できる。

１０ 回転電機、１２ モータケース、１４ 冷媒、１６ 冷媒排出口、１８ 冷媒供給口、２０ 冷媒供給パイプ、２２ 冷媒滴下穴、２４ 冷媒ポンプ、２６ 冷媒循環パイプ、２８ 回転軸、３０ ロータ、３２ ロータコア、３４ 永久磁石、４０，４１ （回転電機）ステータ、４２ ステータコア、４４ バックヨーク、４６ ティース、４８ スロット、５２，５４ 軸方向端面、５６ 絶縁紙、６０ ステータコイル、６２，６４ コイルエンド、７０，７２，７１，７３ 絶縁スリーブ、７４ 冷媒通し穴。

Claims (2)

1. 円環状のバックヨーク、前記バックヨークから内周側に突き出た複数のティース、及び、隣接する前記ティース間の空間である複数のスロットを含むステータコアと、
   前記スロットに収納されて前記ステータコアの前記ティースに巻回された状態で、前記ステータコアの両側の軸方向端面から突き出た部分である軸方向両側の２つのコイルエンドを有する複数のステータコイルと、
   前記ステータコアの軸方向両端面における前記２つのコイルエンドの根元部に巻き付けられた状態で前記バックヨークの周方向に沿って配置された２つの絶縁スリーブと、
   を備え、
   前記２つのコイルエンドのそれぞれは、前記根元部に設けられ外周面の直径が小さくなった小径部と、前記小径部から軸方向外側に連続し、軸方向外端に向かって直径が大きくなる傾斜部とを有し、
   前記２つの絶縁スリーブのそれぞれの径方向内側部分が、前記傾斜部と前記小径部と前記ステータコイルの軸方向端面とにより形成される溝部に、前記傾斜部と前記ステータコイルの軸方向端面とで軸方向両側から挟まれるように嵌まり込んでいる、回転電機ステータ。
2. 前記絶縁スリーブは、
   前記ステータコアの中心軸に向けて径方向に貫通し、上下方向または上下方向に対し傾斜した方向の複数の液状冷媒通し穴を有する、請求項１に記載の回転電機ステータ。

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