JP6878916B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のステータに関する。

従来、回転電機のステータとしては、特許文献１に記載されているものがある。このステータは、ステータコアと、平角線で構成されたステータコイルとを含む。ステータコアは、環状のヨークと、周方向に互いに間隔をおいて位置する複数のティースを有し、各ティースはヨークから径方向の内方側に突出する。ステータコイルは、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、及びＷ相コイルを含み、各相コイルは、ティースに巻回される複数のセグメントコイルを含む。

各相コイルにおいて周方向に隣り合うセグメントコイルの片側端部同士は、渡り線で電気的に接続され、各相コイルにおける複数のセグメントコイルは、直列接続される。このステータでは、各相コイルの一端部から突出する各相の出力線と、異なる相のコイルの他端部同士を接続する中性線とが、ステータコアの軸方向の一方側外方に配設される。

中性線、及び上記渡り線の夫々は、ステータコアの周方向に沿って延在する周方向延在部を有する。中性線の周方向延在部は、僅かな径方向隙間を介して渡り線の周方向延在部に径方向に対向する対向部分を含み、この対向部分は、渡り線の周方向延在部に固着材によって固着される。この固着材による固着で、中性線が、振動で渡り線等に衝突したり渡り線に対して摺動することを防止し、中性線の破損等を抑制している。

特開２０１２−２９３５５号公報

上記ステータでは、固着材で固着するために、僅かな径方向隙間を介した状態で中性線の周方向延在部を渡り線の周方向延在部に径方向に対向させる必要がある。したがって、コイル配置の厳密な管理が必要になり、コイルの組付が容易でない。

そこで、本発明の目的は、コイルの組付性を向上できる回転電機のステータを提供することにある。

本発明に係る回転電機のステータは、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、前記複数のティースに巻回されると共に、複数相のコイルを含むステータコイルと、互いに異なる相の前記コイルの片側端部同士を電気的に接続すると共に、前記ステータコアにおける軸方向の一方側の外方に配設される中性線と、前記ステータコイルにおいて前記軸方向の一方側に位置するコイルエンドの前記軸方向の一方側部分と前記中性線とを覆うように配設されて、前記一方側部分と前記中性線とを一体化する樹脂部と、前記ステータコアにおける軸方向の一方側端面に取り付けられたカフサと、前記カフサに取り付けられ、前記中性線を保持する中性線保持部材と、を備え、前記中性線が、前記中性線保持部材及び前記カフサを介して前記ステータコアに固定され、前記中性線は、１つの渡り部、前記渡り部に接合される第１引出部、前記渡り部に接合される第２引出部、及び前記渡り部に接合される第３引出部を有し、前記中性線保持部材が、前記周方向の両側と前記径方向の内側とに開口すると共に前記渡り部が嵌合している嵌合凹部を有する。

本発明に係る回転電機のステータによれば、樹脂部が、コイルエンドの軸方向一方側部分と中性線を覆うように配設され、当該軸方向一方側部分と中性線を一体化する。したがって、中性線の配置を厳密に管理しなくても、中性線がコイルエンドの軸方向一方側部分に対して相対移動不可となって、中性線が他の部位に衝突したり摺動することがなく、中性線の破損等を抑制できる。よって、中性線の配置の自由度が大きくなり、ステータコイルの組付性を向上できる。

本発明の一実施形態に係る回転電機のステータの部分斜視図である。 上記ステータの中性線の斜視図である。 図１のＡ-Ａ線断面図の一部の模式図であり、樹脂部を含むステータの径方向の一部模式断面図である。

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。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１の径方向を示し、θ方向は、ステータ１の周方向を示し、Ｚ方向は、ステータ１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のステータ１の部分斜視図である。なお、図１では、コイル、出力線、及び中性線の構造や配置が分かり易いように、樹脂部の図示は省略する。図１に示すように、ステータ１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２０,２１,２２を備える。Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のコイル２０,２１,２２の夫々は、隣接するティース１６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２０,２１,２２の夫々は、複数のセグメントコイル２０ａ,２１ａ,２２ａを直列に接続して構成され、各セグメントコイル２０ａ,２１ａ,２２ａは、複数の略Ｕ字状のセグメント導体を溶接して構成される。溶接を行う際には、径方向に重なる複数のセグメント導体が螺旋を構成するように、各セグメント導体の２つの脚部の先端側が曲げ加工され、異なるセグメント導体の脚部の先端部同士が溶接される。各セグメントコイル２０ａ,２１ａ,２２ａは、複数のティース１６に跨るように複数のティース１６に巻回され、ステータコイル１５は、複数のティース１６に分布巻きされる。

各相のコイル２０,２１,２２において一端に配設される突出部は、例えばクランク形に曲げられて、出力線となり、各相の出力線は、電源側の図示しない動力線に電気的に接続される。図１では、Ｕ相コイル２０を、θ方向に沿った斜線で示し、Ｖ相コイル２１を、Ｒ方向に沿った斜線で示し、Ｗ相コイル２２を、間隔が狭い（細かい）斜線で示している。図１には、Ｕ相コイル２０の出力線２０Ｕと、Ｗ相コイル２２の出力線２２Ｗが図示されている。一方、Ｕ相コイル２０において他端に配置される突出部２０ｂ、Ｖ相コイル２１において他端に配置される突出部２１ｂ、及びＷ相コイル２２において他端に配置される突出部２２ｂは、中性線３０によって電気的に接続され、三相のコイル２０,２１,２２は、中性線３０を用いた電気的な接続でＹ結線される。中性線３０は、ステータコア１１のＺ方向一方側の外方に配設される。

なお、ステータ１は、θ方向に間隔をおいて配置される複数の取付部４５を有し、各取付部４５は、Ｒ方向外方側に膨出する。図示しないボルトを、取付部４５の締結孔４６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１がケースに取り付けられる。

ステータ１の内周側には、ステータ１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１とロータの中心は略一致する。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。例えば、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。

例えば、ステータ１を含む回転電機がモータ及びジェネレータとして機能する場合には、次に示す如く動作するが、ステータ１を含む回転電機は、モータ及びジェネレータのいずれか一方として機能してもよい。先ず、回転電機をモータとして使用する場合には、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、各相の出力線２０Ｕ,２２Ｗを介してＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイル２０,２１,２２に供給される。係るＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイル２０,２１,２２に対する三相交流電流の供給によって、ティース１６が磁化されて磁極となり、磁極の位置がステータ１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、回転電機をジェネレータとして使用し、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２０,２１,２２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２０,２１,２２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２０,２１,２２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。

図２は、中性線３０の斜視図である。次に図２を用いて中性線３０の構造について説明する。図２に示すように、中性線３０は、概して円弧状の形状を有する１つの渡り部３１と、３つの第１乃至第３引出部４１,４２,４３を有する。詳しくは、渡り部３１は、矩形状の表側及び裏側面を有する３つの第１乃至第３平板部３１ａ,３１ｂ,３１ｃを含む。第１平板部３１ａは、略第２平板部３１ｂの長手方向一端部につながり、第２平板部３１ｂに対して第２平板部３１ｂの厚さ方向の一方側にα角度傾斜する。また、第３平板部３１ｃは、第２平板部３１ｂの長手方向他端部につながり、第２平板部３１ｂに対して第２平板部３１ｂの厚さ方向の一方側にα角度傾斜する。図２に示す例では、中性線３０は、第２平板部３１ｂを垂直に二等分する平面であって第２平板部３１ｂの厚さ方向を含む平面に対して略面対称な形状を有する。

各引出部４１,４２,４３は、渡り部３１の幅方向の一方側端面３１ｄに溶接で接合される。詳しくは、第１引出部４１は、第１平板部３１ａの長手方向一方側かつ厚さ方向一方側に溶接され、第３引出部４３は、第３平板部３１ｃの長手方向一方側かつ厚さ方向一方側に溶接される。また、第２引出部４２は、第２平板部の長手方向中央部かつ厚さ方向一方側に溶接される。各引出部４１,４２,４３は、Ｒ方向外方側端面４１ａ,４２ａ,４３ａ及びＲ方向内方側端面４１ｂ,４２ｂ,４３ｂを有する柱状の形状を有し、渡り部３１の厚さ方向一方側からＲ方向内方側に突出する。なお、渡り部は、図２に示す形状に限らず、概して円弧状の形状を有していればよい。また、３つの引出部も、Ｒ方向内方側を向くように構成されていればよくて、θ方向に互いに間隔をおいて配設されていればよく、図２に示す形状に限らない。

再度、図１を参照して、第１引出部４１のＲ方向内方側端面４１ｂは、Ｖ相コイル２１の突出部２１ｂのＲ方向外方側端面にＴＩＧ溶接等の溶接で接合され、第３引出部４３のＲ方向内方側端面４３ｂは、Ｗ相コイル２２の突出部２２ｂのＲ方向外方側端面にＴＩＧ溶接等の溶接で接合される。また、第２引出部４２のＲ方向内方側端面４２ｂは、Ｕ相コイル２０の突出部２０ｂのＲ方向外方側端面にＴＩＧ溶接等の溶接で接合される。

ステータコア１１の軸方向の一方側端面には、カフサ５０が取り付けられる。カフサ５０は、外側リング５０ａ、内側リング５０ｂ、及び外側リング５０ａと内側リング５０ｂを連結する複数の柱部５０ｃを含む。複数の柱部５０ｃは、θ方向に間隔をおいて配置され、各柱部５０ｃは、Ｚ方向から見たときステータコア１１のティース１２に重なるようにＲ方向に延在する。カフサ５０は、樹脂製の部材であり、各柱部５０ｃは、セグメント導体の脚部の先端側を曲げ加工する際に曲げ加工の起点となる。また、ステータ１は、カフサ５０の外側リング５０ａにおけるＺ方向一方側の端面に取り付けられた中性線保持部材５１を有する。中性線保持部材５１は、Ｚ方向の他方側（図１の下側）に、θ方向両側に開口すると共にＲ方向内側に開口する第１嵌合凹部５１ａを有し、Ｚ方向の一方側にＺ方向両側に開口すると共にＲ方向内側に開口する第２嵌合凹部５１ｂを有する。渡り部３１のθ方向中央部を第１嵌合凹部５１ａに嵌合した状態、かつ第２引出部４２を第２嵌合凹部５１ｂに嵌合した状態で、中性線保持部材５１をカフサ５０に取り付ける。その結果、中性線３０が、中性線保持部材５１及びカフサ５０を介してステータコア１１に固定され、中性線３０がステータコア１１のＺ方向一方側の外方で安定に位置決めされ、中性線３０の位置ずれが抑制される。なお、図２に示す例では、ステータ１が、カフサ５０及び中性線保持部材５１を有する場合について説明したが、ステータは、カフサを有さず、中性線保持部材は、ステータコアに直接固定されてもよい。又は、ステータは、カフサ及び中性線保持部材の両方を有さなくてもよい。

図３は、図１のＡ-Ａ線断面図の一部の模式図であり、樹脂部６０を含むステータ１のＲ方向の一部模式断面図である。なお、図３では、ステータコア１１に対する樹脂部６０の相対位置を明確に示すため、カフサ５０の図示は省略する。図３に示すように、中性線３０は、軸方向一方側のコイルエンド７０のＲ方向外方側に配設される。また、ステータ１は、樹脂部６０を備える。樹脂部６０は、ステータコイル１５においてＺ方向一方側に位置するコイルエンド７０のＺ方向の一方側部分７０ａと中性線３０とを覆うように配設され、当該一方側部分７０ａと中性線３０とを一体化する。本実施例では、中性線３０は、絶縁被膜を有さず、金属等の導電性を有する材料のみで構成される。また、樹脂部６０は、ステータコア１１のＺ方向一方側の端面１１ａに対してＺ方向に間隔をおいて配設される。

図３に示すように、コイル線９０,９１,９２は、Ｚ方向で３層構造を有する。詳しくは、Ｚ方向の最内方に位置するコイル線９２は、Ｕ相コイル２０に含まれる。コイル線９２においてＺ方向内方側に位置する部分９２ａは、Ｕ相コイル２２に含まれるセグメント導体の脚部においてスロット１７（図１参照）から略Ｚ方向に延在する部分を表す。また、コイル線９２においてＺ方向外方側に位置する部分９２ｂは、曲げ加工が施されて図３の紙面に垂直な方向（θ方向）に曲げられた部分を表す。また、Ｚ方向で中間層を構成するコイル線９１は、Ｖ相コイル２１に含まれる。各相コイル２０,２１,２２を複数の略Ｕ字状のセグメント導体を溶接して構成する際には、各セグメント導体の２つの脚部の先端側が曲げ加工され、異なるセグメント導体において曲げられた脚部の先端部同士が溶接される。コイル線９１は、Ｖ相コイル２１に含まれるセグメント導体において曲げ加工が施された脚部の先端側であって、溶接箇所に向けて延在する途中の部分を表す。また、Ｚ方向の最外方に位置するコイル線９０は、Ｗ相コイル２２に含まれる。コイル線９０は、異なるセグメント導体において曲げ加工された脚部の先端部同士の溶接箇所を表す。図１に示すように、本実施例では、各相コイル２０,２１,２２に関して異なるセグメント導体同士の溶接が行われるθ方向位置において、３対のセグメント導体の溶接が行われ、その内の１対のセグメント導体の溶接は、同相のコイル２０,２１,２２に含まれる異なるセグメントコイルを直列接続するための溶接である。したがって、図３に示すように、Ｗ相コイル２２の突出部２２ｂを第３引出線４３に接続するθ方向位置では、異なるセグメントコイルが直列接続されないため、コイル線９０、すなわち、異なるセグメント導体の先端部同士の溶接箇所は、２対しか存在しない。なお、各相コイルに関して、異なるセグメント導体同士の溶接が行われるθ方向位置において、３対以外の複数対のセグメント導体の溶接が行われてもよいのは言うまでもない。

図３に示す構造は、例えば射出成形で構成される。詳しくは、コイルエンド７０のＺ方向一方側の端部に図示しない樹脂成形型を配置し、その樹脂成形型で、図２に示す構造、すなわち、中性線３０の第１乃至第３引出部４１〜４３が各相コイル２０,２１,２２の突出部２０ｂ,２１ｂ,２２ｂに接合された構造を覆う。その後、熱せられて軟化した樹脂を樹脂成形型に射出することで充填して固化すると、図３に示す樹脂モールド構造が構成される。

上記実施形態によれば、樹脂部６０が、コイルエンド７０のＺ方向の一方側部分７０ａと中性線３０を覆うように配設され、当該一方側部分７０ａと中性線３０を一体化する。したがって、中性線３０の配置を厳密に管理しなくても、中性線３０がコイルエンド７０の一方側部分７０ａに対して相対移動不可となって、中性線３０が他の部位に衝突したり摺動することがなく、中性線３０の破損等を抑制できる。よって、中性線３０の配置の自由度が大きくなり、ステータコイル１５の組付性を向上できる。

また、中性線３０全体を樹脂部６０で覆えるので、中性線３０の導体部を絶縁被膜で覆う必要がなく、中性線３０の絶縁処理を容易に実行できる。また、射出成形による樹脂モールドでコイルエンド７０の端部絶縁処理と、中性線３０の固定とを同時に実行できるので、製造工程を簡略化でき、ステータ１製造のサイクルタイムを短縮できる。

また、中性線３０を樹脂部６０でコイルエンド７０のＺ方向の一方側部分７０ａに固定するので、中性線３０を固定するための溶接面積を小さくできる。また、中性線３０の絶縁被膜を省略できることから、中性線３０とステータコイル１５のコイル線との距離も短くでき、ステータ１を、コンパクトに構成できる。

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、中性線３０が、導電性を有する材料のみで構成される場合について説明したが、中性線は、その延在方向の一部において樹脂被膜を有してもよい。また、樹脂部６０が、ステータコア１１に間隔をおいて配設される場合について説明したが、樹脂部が、ステータコアに接触する構成でもよい。

１１ ステータコア、 １２ ヨーク、 １５ ステータコイル、 １６ ティース、 ２０ Ｕ相コイル、 ２１ Ｖ相コイル、 ２２ Ｗ相コイル、 ３０ 中性線、 ６０ 樹脂部、 ７０ コイルエンド、 ７０ａ コイルエンドのＺ方向の一方側部分、 θ方向 ステータの周方向、 Ｒ方向 ステータの径方向、 Ｚ方向 ステータの軸方向。

Claims (1)

1. 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、
   前記複数のティースに巻回されると共に、複数相のコイルを含むステータコイルと、
   互いに異なる相の前記コイルの片側端部同士を電気的に接続すると共に、前記ステータコアにおける軸方向の一方側の外方に配設される中性線と、
   前記ステータコイルにおいて前記軸方向の一方側に位置するコイルエンドの前記軸方向の一方側部分と前記中性線とを覆うように配設されて、前記一方側部分と前記中性線とを一体化する樹脂部と、
   前記ステータコアにおける軸方向の一方側端面に取り付けられたカフサと、
   前記カフサに取り付けられ、前記中性線を保持する中性線保持部材と、
   を備え、
   前記中性線が、前記中性線保持部材及び前記カフサを介して前記ステータコアに固定され、
   前記中性線は、１つの渡り部、前記渡り部に接合される第１引出部、前記渡り部に接合される第２引出部、及び前記渡り部に接合される第３引出部を有し、
   前記中性線保持部材が、前記周方向の両側と前記径方向の内側とに開口すると共に前記渡り部が嵌合している嵌合凹部を有する、回転電機のステータ。

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