JP6943096B2 - 回転機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子コアに設けられるスロットに固定子コイルが収容されて成る固定子を備えた回転機に関する。

モータなどの回転機には、フレーム等に固定される固定子と、この固定子に対して回転可能な回転子とが備えられている。そして、回転機においては、電気の磁気作用によって固定子と回転子との間に生じる反発力および吸引力を利用することにより、回転子が固定子およびフレーム等に対して回転駆動されるようになっている。

ここで、固定子は、略円筒形状の固定子コアと、この固定子コアに巻装される固定子コイルとから概略構成されており、固定子コイルは、固定子コアに形成されたティース部の間（スロット）に収容されている。

一般に、スロットに収容される固定子コイルの角部には、種々の要因によって電界集中が生じることが知られており、近年においては、固定子コイルの角部における電界集中を緩和する様々な技術が開発されている。

特開２０１２−２３７８８号公報

固定子コイルの角部における電界集中を緩和する技術として、例えば、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、複数本の素線を束ねた素線コイルの角部を第一の主絶縁層で覆うことにより、固定子コイルの角部における電界集中を緩和する技術が開示されている。

しかし、特許文献１に記載された技術においては、素線コイルの角部を第一の主絶縁層で覆うことにより、固定子コイルの幅（周方向における長さ）が広く（長く）なってしまうため、固定子コアにおける鉄心スロットの幅（周方向における長さ）を広くしなければならない。このように、鉄心スロットの幅を広くすることは、固定子および当該固定子を備えた回転電機の大径化を招いてしまう。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、回転機の大型化を招くことなくコイルの角部における電界集中を緩和することを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係る回転機は、固定子コアに設けられるスロットに固定子コイルが収容されて成る固定子を備えた回転機であって、前記固定子コイルは、少なくとも一つ以上の素線から成る導体と、前記導体の径方向内側または径方向外側の少なくとも一方に設けられ、周方向において前記導体と略同じ長さを有する径方向絶縁層と、前記導体および前記径方向絶縁層の外周に設けられる主絶縁層とを備えたものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係る回転機は、第一の発明に係る回転機において、前記径方向絶縁層は、径方向において前記素線よりも短い長さを有するものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第三の発明に係る回転機は、第一または第二の発明に係る回転機において、前記径方向絶縁層は、前記導体における径方向端面に対応した形状を有するものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第四の発明に係る回転機は、第一から第三のいずれか一つの発明に係る回転機において、前記径方向絶縁層は、前記主絶縁層と略同じ誘電率を有するものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第五の発明に係る回転機は、第一から第四のいずれか一つの発明に係る回転機において、前記径方向絶縁層および前記主絶縁層は、マイカを含むものであることを特徴とする。

第一の発明に係る回転機によれば、導体の径方向内側または径方向外側の少なくとも一方に前記導体と略同じ幅（周方向における長さ）を有する径方向絶縁層を設けることにより、固定子コイルの幅（周方向における長さ）を広げることなく、当該固定子コイルの角部における電界集中を緩和することができる。つまり、回転機の大型化を招くことなく固定子コイルの角部における電界集中を緩和することができる。

第二の発明に係る回転機によれば、径方向絶縁層を素線よりも薄く（径方向における長さを短く）形成することにより、スロットの深さ（径方向における長さ）を抑える（浅くする）ことができる。

第三の発明に係る回転機によれば、径方向絶縁層を導体における径方向端面に対応した形状に形成することにより、当該固定子コイルの角部における電界集中をより緩和することができる。

第四の発明に係る回転機によれば、径方向絶縁層と主絶縁層とを略同じ誘電率とすることにより、径方向絶縁層および主絶縁層における絶縁破壊を抑制することができる。

第五の発明に係る回転機によれば、径方向絶縁層および主絶縁層をマイカを含む材質で構成することにより、径方向絶縁層および主絶縁層における絶縁破壊を廉価に抑制することができる。

実施例１に係る回転機に備えられる固定子の構造を示す説明図である。 実施例１に係る回転機に備えられる固定子の固定子コイルにおける角部を示す要部拡大図である。 実施例１に係る回転機に備えられる固定子の固定子コイルにおける絶縁シートの形状を変更した例を示す要部拡大図である。

以下に、本発明に係る回転機の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例１に係る回転機は、略円筒形状から成る固定子（図１における符号１）と、この固定子に対して回転自在に保持される回転子（不図示）とから成る。そして、この回転機においては、給電部（不図示）から所定の電流を固定子に供給することによって回転磁界が作られ、この回転磁界によって回転子が回転駆動されるようになっている。

本実施例に係る回転機に備えられる固定子の構造について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、固定子１には、図示しないフレーム等に固定される略円筒形状の固定子コア１１が設けられている。固定子コア１１には、径方向一方側（径方向内側または径方向外側であって、図１においては上方側）に突出するティース部２１が形成されており、周方向（図１においては、左右方向）に隣接するティース部２１の間には、固定子コイル１２が収容される空間（スロット）Ｓが形成されている。

なお、ティース部２１には、周方向側面２１ａに臨む切り欠き２１ｂが設けられている。そして、固定子１（スロットＳ）においては、周方向に隣接するティース部２１に設けられた切り欠き２１ｂが互いに対向して配置されており、この対向する切り欠き２１ｂにくさび部材２２が挿入されるようになっている。よって、スロットＳに収容された固定子コイル１２は、くさび部材２２によって径方向一方側への脱落が防止されるようになっている。

固定子コイル１２は、複数本（図１においては、十六本）の素線３１ａが束ねられて成る素線束３１と、この素線束３１の径方向（図１においては、上下方向）両側に設けられる絶縁シート（径方向絶縁層）３２と、これら素線束３１および絶縁シート３２の外周に設けられる絶縁テープ（主絶縁層）３３とから概略構成されている。

ここで、素線３１ａは、導線（例えば、平角導線）に絶縁層を被覆したものであり、素線束３１において、スロットＳの幅方向（周方向であって、図１においては左右方向）に二本ずつ配置されると共に、スロットＳの深さ方向（径方向であって、図１においては上下方向）に八本ずつ配置されている。

つまり、素線束３１は、複数本（図１においては、計十六本）の素線３１ａが、スロットＳの形状に対応するように、すなわち、全体としての横断面が四角形状（長方形）となるように並んで配置されて（束ねられて）成る導体である。

絶縁シート３２は、絶縁材がシート状に形成されて成るものであり、例えば、絶縁シート３２として、マイカを含むマイカシート、マイカコンパウンド、フレキシブルマイカなどを採用することができる。そして、絶縁シート３２は、素線束３１を径方向に挟むように当該素線束３１の径方向両側に配置されている。つまり、固定子コイル１２において、絶縁シート３２は、素線束３１（導体）の径方向のみに配される径方向絶縁層である。

絶縁テープ３３は、絶縁材がテープ状に形成されて成るものであり、例えば、絶縁テープ３３として、マイカを含むマイカテープなどを採用することができる。そして、絶縁テープ３３は、素線束３１および絶縁シート３２の外周（外側）に配置されている。つまり、固定子コイル１２において、絶縁テープ３３は、素線束３１（導体）の外周全体（径方向および周方向）に配される主絶縁層である。

よって、上述したように構成される固定子コイル１２においては、厚さＴ₃₃の絶縁層（絶縁テープ３３）が導体である素線束３１の周方向両側に設けられており、厚さ（Ｔ₃₂＋Ｔ₃₃）の絶縁層（絶縁シート３２および絶縁テープ３３）が導体である素線束３１の径方向両側に設けられている。

ここで、絶縁シート３２は、固定子コイル１２の角部における電界集中を十分に緩和することができるように、素線束３１の幅（周方向における長さ）Ｗ₃₁と略同じ長さの幅（周方向における長さ）Ｗ₃₂で形成されている（Ｗ₃₂≒Ｗ₃₁）。ここで、素線束３１の幅Ｗ₃₁は、素線３１ａの幅（周方向における長さ）Ｗ_31aの略二倍の長さである（Ｗ₃₁≒２×Ｗ_31a）。

このように、絶縁シート３２は、素線束３１の周方向一方側および周方向他方側には配置されておらず、素線束３１の径方向一方側および径方向他方側に配置されているだけである。つまり、固定子コイル１２は、導体である素線束３１に対して、スロットＳの幅方向（周方向）両側に主絶縁層である絶縁テープ３３のみが設けられると共に、スロットＳの深さ方向（径方向）両側に径方向絶縁層である絶縁シート３２および主絶縁層である絶縁テープ３３が設けられて成る。

また、絶縁シート３２は、固定子コイル１２の角部における電界集中を十分に緩和することができる程度の厚さ（径方向における長さ）Ｔ₃₂で形成されている。ここで、固定子コア１１に形成されるスロットＳの深さを考慮すると、絶縁シート３２の厚さＴ₃₂を素線３１ａの厚さ（径方向における長さ）Ｔ_31aよりも短くすることが好ましい（Ｔ₃₂＜Ｔ_31a）。

本実施例に係る回転機に備えられる固定子の製造手順について、図１を参照して説明する。

まず、複数本の素線３１ａを束ねて素線束３１を形成する。具体的には、複数本（図１においては、十六本）の素線３１ａを、スロットＳの形状に対応するように、すなわち、全体としての横断面が四角形状（長方形）となるように、スロットＳの幅方向に二本ずつ、かつ、スロットＳの深さ方向に八本ずつ並べて束ねることにより、素線束３１を形成する。

次に、素線束３１に径方向絶縁層としての絶縁シート３２および主絶縁層としての絶縁テープ３３を設けて固定子コイル１２を形成する。具体的には、素線束３１の径方向両側に絶縁シート３２を配置し、これら素線束３１と絶縁シート３２とを一体に束ねるように、素線束３１および絶縁シート３２の外周に絶縁テープ３３を巻き付けることにより、固定子コイル１２を形成する。

次に、固定子コイル１２を固定子コア１１に巻装して固定子１を製造する。具体的には、固定子コイル１２を、固定子コア１１における複数のスロットＳにそれぞれ挿入すると共に、所定の方法によって結線することにより、固定子１を製造する。

以上の手順によって製造される固定子１においては、図２に示すように、固定子コイル１２の角部における絶縁層の厚さ（素線束３１（素線３１ａ）における角部の表面から固定子コイル１２（絶縁テープ３３）における角部の外表面までの距離）Ｔ_12Cは、固定子コイル１２の側部における絶縁層の厚さ（絶縁テープ３３の厚さであって、素線束３１（素線３１ａ）の表面から固定子コイル１２（絶縁テープ３３）の外表面までの距離）Ｔ₃₃よりも厚く設定されることとなる（Ｔ_12C＞Ｔ₃₃）。

よって、固定子１においては、固定子コイル１２の角部における電界集中が緩和されることとなり、電界集中による部分放電の発生、部分放電による絶縁層の浸食、および、絶縁破壊が抑制されることとなる。

また、絶縁シート３２の幅Ｗ₃₂を素線束３１の幅Ｗ₃₁と略同じに形成すること（Ｗ₃₂≒Ｗ₃₁≒２×Ｗ_31a）により、固定子コイル１２の幅（周方向における長さ）Ｗ₁₂およびスロットＳの幅Ｗ_Sを最小限とする、すなわち、従来のもの（電界集中緩和構造を設けていない回転機に備えられるもの）と同等とし、固定子１（固定子コア１１）および当該固定子１を備えた回転機の大型化を防止することができる。

ここで、本発明における径方向絶縁層は、本実施例のように、端面（素線束３１と接する面）が平坦に形成される絶縁シート３２に限定されず、例えば、径方向絶縁層の端面（形状）を導体の端面（形状）に対応するように形成するようにしても良い。

具体的には、図３に示すように、絶縁シート１３２の端面形状が素線束１３１（素線１３１ａ）の端面形状と対応するように、絶縁シート１３２に僅かな突出部１３２ａを設ける。このような構成の固定子コイル１１２を備えた回転機であっても、実施例１に係る回転機と同様に、固定子コイル１１２の角部における絶縁層の厚さ（素線束１３１（素線１３１ａ）における角部の表面から固定子コイル１１２（絶縁テープ１３３）における角部の外表面までの距離）Ｔ_112Cを、固定子コイル１１２の側部における絶縁層の厚さ（絶縁テープ１３３の厚さであって、素線束１３１（素線１３１ａ）の表面から固定子コイル１１２（絶縁テープ１３３）の外表面までの距離）Ｔ₁₃₃よりも厚く設定することができる（Ｔ_112C＞Ｔ₁₃₃）。

さらに、絶縁シート１３２を素線束１３１（素線１３１ａ）の形状に対応して形成することにより、固定子コイル１１２の角部における絶縁層のうち絶縁材の含まれる範囲が増大されるので、固定子コイル１１２の角部における電界集中をより緩和させることができ、電界集中による部分放電の発生、部分放電による絶縁層の浸食、および、絶縁破壊をより抑制することができる。

また、本発明における径方向絶縁層および主絶縁層は、本実施例のように、マイカを含む絶縁材から成る絶縁シート３２および絶縁テープ３３に限定されない。径方向絶縁層および主絶縁層としては、絶縁性を有するものであれば良く、互いに異なる材質で構成されるものであっても良い。ただし、回転機における絶縁層として十分に機能させるためには、径方向絶縁層および主絶縁層を、マイカを含む絶縁材で構成することが好ましく、さらに、径方向絶縁層および主絶縁層を、互いに同じ材料、または、互いに略同じ誘電率の材料で構成することが好ましい。

本発明に係る回転機は、インナーロータ側またはアウターロータ型のいずれにも適用することができる。

１ 固定子
１１ 固定子コア
１２ 固定子コイル
２１ ティース部
２１ａ ティース部における周方向側面
２１ｂ ティース部における切り欠き
２２ くさび部材
３１ 素線束（導体）
３１ａ 素線
３２ 絶縁シート（径方向絶縁層）
３３ 絶縁テープ（主絶縁層）
Ｓ スロット
Ｗ_S スロットの幅（周方向における長さ）
Ｗ₁₂ 固定子コイルの幅（周方向における長さ）
Ｗ₃₁ 素線束の幅（周方向における長さ）
Ｗ_31a 素線の幅（周方向における長さ）
Ｗ₃₂ 絶縁シートの幅（周方向における長さ）
Ｔ_31a 素線の厚さ（径方向における長さ）
Ｔ₃₂ 絶縁シートの厚さ（径方向における長さ）
Ｔ₃₃ 絶縁テープの厚さ（周方向または径方向における長さ）
Ｔ_12C 固定子コイルにおける角部の絶縁層の厚さ

Claims (3)

1. 固定子コアに設けられるスロットに固定子コイルが収容されて成る固定子を備えた回転機であって、
   前記固定子コイルは、
   少なくとも一つ以上の素線から成る導体と、
   前記導体の径方向内側または径方向外側の少なくとも一方に設けられ、周方向において前記導体と略同じ長さを有する径方向絶縁層と、
   前記導体および前記径方向絶縁層の外周に設けられる主絶縁層と、
   を備え、
   前記径方向絶縁層は、径方向において前記素線よりも短い長さを有すると共に、前記導体における径方向端面に対応した形状を有し、
   前記径方向絶縁層には、この径方向絶縁層の端面形状が前記素線の端面形状と対応するように突出部を設けたものである
   ことを特徴とする回転機。
2. 前記径方向絶縁層は、前記主絶縁層と略同じ誘電率を有するものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
3. 前記径方向絶縁層および前記主絶縁層は、マイカを含むものである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転機。

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