JP6963395B2 - 波巻きコイル用平角線 - Google Patents

Description

本発明は、波巻きコイル用平角線に関する。

従来、回転電機のステータに対して、コイルの巻線を波巻きにすることが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
このような波巻きコイルには、断面長方形の導体部と、導体部を被覆した被覆部を備えた平角線が用いられ、モータの小型化、パワー密度向上のためには、絶縁性と導線占積率を両立させる必要がある。
たとえば、特許文献２には、巻線されたときの隣接する導体部の間で、導体部の各側面の中心部分の間の絶縁性皮膜を挟む距離が最短となるように、基本断面形状の各辺を湾曲させ、占積率を向上させた技術が開示されている。

特開２０１７−０１７８３８号公報 特開２０１２−９０４４１号公報

しかしながら、前記特許文献２に開示された技術では、占積率を向上させることはできるが、絶縁性が不十分で部分放電が発生する可能性があるという課題がある。コイルは、給電部から中性点に向けて電圧降下しているため、隣接する平角線においては電位差が生じる。特に、波巻きコイルの場合、給電部に近い平角線と中性点に近い平角線とが隣接し、大きな電位差が発生し、部分放電が発生し易いという課題がある。

本発明の目的は、占積率を向上させることができ、かつ絶縁性を確保することのできる波巻きコイル用平角線を提供することにある。

本発明の波巻きコイル用平角線は、断面長方形状の導体部と、前記導体部の周囲を被覆し、少なくとも最外周が押し出し成型によって形成された被覆部とを備え、前記導体部の短辺側を隣接させて形成される波巻きコイルに用いられる波巻きコイル用平角線であって、前記導体部の短辺における前記被覆部の最も厚さの薄い部分の厚さをｔ１、前記導体部の短辺における前記被覆部の最も厚さの厚い部分の厚さをｔ２としたときに、下記式（１）を満たすことを特徴とする。
０．９４＜ｔ１／ｔ２≦１・・・（１）

本発明によれば、導体部の短辺における最も厚さの厚い部分と最も厚さの薄い部分とを、前記式（１）を満たすようにすることにより、薄い部分の間の空隙を少なくすることができる。したがって、隣接する導体部間に大きな電位差が発生しても、部分放電が発生することを防止することができる。
また、前記式（１）を満たすようにすることにより、被覆部が必要以上に厚くならないので、波巻き用コイル内の波巻きコイル用平角線の占積率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る波巻きコイルの構造を示す斜視図。 前記実施形態における波巻きコイル用平角線を示す断面図。 前記実施形態における波巻きコイル用平角線の角隅部を示す断面図。 前記実施形態におけるギャップと放電発生領域の関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る回転電機１のステータ２を示す斜視図である。回転電機１は、ハイブリッド式の油圧ショベル等の建設機械の旋回モータとして用いられる。
図１において、回転電機１は、たとえば、図示しない建設機械の上部旋回体を、下部走行体に対して旋回駆動する３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）８極の交流型の永久磁石同期モータとして構成される。回転電機１は、円筒状のステータ２と、ステータ２の内部に回転自在に収容される図示しないロータとを備える。

ステータ２は、複数の円環状の電磁鋼板を積層して構成されるステータコア３と、ステータコア３に波巻き状に巻回される平角線により形成された３相分のコイル４Ｕ、４Ｖ、４Ｗとを備える。３相８極を有する本実施形態において、ステータコア３にはそれぞれ、４８個のティース５およびスロット６が周方向（回転電機１での回転方向に同じ）に等間隔で交互に形成されている。

各スロット６には、波巻きコイル用平角線の中央部を折り曲げＵ字状となった松葉コイルセグメント７が複数挿入される。松葉コイルセグメント７の２つの脚部は、それぞれ所定ピッチ（たとえば７ピッチ）離れたスロット６に挿入される。図２にも示すように、スロット６内で隣接する松葉コイルセグメント７同士は、導体部７１の短辺側が隣接している。すなわち、スロット６内で松葉セグメント７は、導体部７１の長辺方向に沿って複数配置される。なお、スロット６と松葉コイルセグメント７の間には、絶縁紙８が介在する。
松葉コイルセグメント７の脚部の先端部は、ステータコア３の挿入側の面とは反対側の面から突出し、他の松葉コイルセグメント７の脚部と溶接により接合される。コイル４Ｕ、４Ｖ、４Ｗは、それぞれを構成する巻線が隣接して配置され、それぞれのコイル４Ｕ、４Ｖ、４Ｗには、１２０°位相がずれた交流電圧が印加される。

松葉コイルセグメント７を構成する平角線は、図２に示すように、導体部７１と、被覆部７２とを備える。
導体部７１は、断面長方形状の銅線から構成され、角隅部には、Ｒ形状が形成されている。なお、導体部７１は、導電性を有するものであれば銅線に限定されるものではなく、たとえば、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を採用してもよい。

被覆部７２は、図２に示すように、導体部７１の周囲を覆うように形成されている。被覆部７２は、押し出し成型により形成され、具体的には導体部７１をダイの中に入れ、溶融した熱可塑性樹脂、たとえば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）で導体部７１を包み込むように押し出すことにより形成される。
なお、被覆部７２は、ＰＥＥＫ層の単層で形成してもよいが、図３に示すように、導体部７１の表面に焼付塗装によりポリアミドイミド（ＰＡＩ）層７２Ａを形成し、さらに、ＰＡＩ層７２Ａの表面を、押し出し成型により、ＰＥＥＫ層７２Ｂで被覆した複層により形成してもよい。すなわち、被覆部７２は、単層で形成しても複層で形成してもよく、被覆部７２は、少なくとも最外周が押し出し成型により形成されていればよい。

被覆部７２を構成する樹脂としては、これに限らず、たとえば、ポリアミド（ＰＡ：ナイロン）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリフェニレンエーテル（変性ポリフェニレンエーテルを含む）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、超高分子量ポリエチレン等の汎用エンジニアリングプラスチックの他、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリアリレート（Ｕポリマー）、ポリアミドイミド、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）（変性ポリエーテルエーテルケトン（変性ＰＥＥＫ）を含む）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、熱可塑性ポリイミド樹脂（ＴＰＩ）、液晶ポリエステル等のスーパーエンジニアリングプラスチック、さらに、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）をベース樹脂とするポリマーアロイ、ＡＢＳ／ポリカーボネート、ナイロン６，６、芳香族ポリアミド樹脂（芳香族ＰＡ）、ポリフェニレンエーテル／ナイロン６，６、ポリフェニレンエーテル／ポリスチレン、ポリブチレンテレフタレート／ポリカーボネート等の前記エンジニアリングプラスチックを含むポリマーアロイを採用することができる。

被覆部７２は、押し出し成型の特性から、導体部７１の角隅部に応じた位置で最も厚さｔ２（μｍ）が厚くなり、導体部７１の短辺の中央位置で最も厚さｔ１（μｍ）が薄くなる。その際の厚さｔ１（μｍ）と厚さｔ２（μｍ）の関係は、下記式（２）を満たすのが好ましく、より好ましくは、下記式（３）を満たす範囲である。
０．９４＜ｔ１／ｔ２≦１・・・（２）
０．９７＜ｔ１／ｔ２≦１・・・（３）
ｔ１／ｔ２が０．９４以下になると、導体部７１の短辺同士が隣接する部分において、隣接する被覆部７２の中央に隙間部分が生じ、隙間部分で部分放電が生じ易くなる。

式（２）または式（３）を満たす場合、被覆部７２の角隅部で部分放電が生じ易くなる。
被覆部７２の角隅部の範囲の規定は、図２に示すように、導体部７１の断面において、角隅部のＲ形状の曲率半径をｒ（μｍ）としたときに、Ｒ形状の円弧中心を始点として、導体部７１の長辺に対して角度θ＝７９０／√ｒ（°）をなす線が交わる被覆部７２の表面までの厚さをｔ３（μｍ）とする。厚さｔ３（μｍ）は、下記式（４）および下記式（５）を満たし、より好ましくは、下記式（６）および下記式（７）を満たす範囲である。
１．４５×ｔ２＜ｔ３＜２×ｔ２・・・（４）
２００＜ｔ３＜ｒ（μｍ）・・・（５）
１．６７×ｔ２＜ｔ３＜２×ｔ２・・・（６）
２２０＜ｔ３＜ｒ（μｍ）・・・（７）

導体部７１の長辺に対する厚さｔ３（μｍ）方向の角度θは、ｒ＝２００（μｍ）の場合、θ＝５５（°）であり、ｒ＝３００（μｍ）の場合、θ＝４５（°）であり、ｒ＝６００（μｍ）の場合、θ＝３２（°）であり、ｒ＝１０００（μｍ）の場合、θ＝２５（°）である。
ｔ３が２００（μｍ）以下であると、絶縁性が確保できない。一方、ｔ３がｒ（μｍ）以上であると、最大の厚さ寸法となる厚さｔ２よりも、波巻きコイル用平角線の配列方向に突出してしまい、占積率が低下してしまう。

部分放電が発生するか否かについては、隣りあう導体部７１に印加される電圧の電位差と、被覆部７２間のギャップｄ（図３参照）とにより決定される。具体的には、下記式（８）に示されるパッシェンの法則と、式（９）に示される空気の分担電圧とから求めることができる。

Ｖ_air：火花放電電圧（Ｖ）
ｐ：気圧（ｍｍＨｇ）
ｄ：空気中のギャップ（距離：ｃｍ）
Ｂ、Ｃ定数（空気の場合Ｂ＝１２６、Ｃ＝０．２２）

Ｖ_air：空気の分担電圧（Ｖ）
ｄ：空気中のギャップ（μｍ）
ε：被覆部７２の誘電率
Ｌ：被覆部７２の厚さ（μｍ）
Ｖ：導体部７１間の電位差（Ｖ）

図３を参照して説明すると、ＰＡＩ層７２Ａの厚さを５０μｍ、ＰＥＥＫ層７２Ｂの厚さを１３０μｍとし、導体部７１間に発生する電位差を、建設機械の回転電機１に用いられる１５００Ｖ以上、２０００Ｖ以下とする。このとき、図４に示すように、式（８）および式（９）から、部分放電が発生する領域と、ギャップｄ（μｍ）との関係を求めることができる。

放電発生領域は、図４に示すように、式（８）を表す太線のグラフを境界として、太線グラフの上側部分である。
グラフＧ１は、印加電圧が１５００Ｖの場合であり、ギャップｄの値によらず、部分放電は発生しない。
グラフＧ２は、印加電圧が２０００Ｖの場合であり、ギャップｄが３０μｍ以上の領域で部分放電が発生してしまう。
グラフＧ３は、印加電圧が１７６０Ｖの場合であり、ギャップｄが７０μｍ〜９０μｍで部分放電が発生し、それ以上のギャップｄでは、グラフＧ３は、部分放電発生領域から遠ざかり、部分放電は発生しなくなる。

前述した式（２）から式（７）に示されるように、被覆部７２の厚さｔ１、ｔ２、ｔ３を設定することにより、部分放電が発生することを防止することができる。
具体的には、ｔ１＝１３０（μｍ）とすれば、式（２）から上限値はｔ２＝１３８（μｍ）となり、ギャップｄ＝（ｔ２−ｔ１）×２＝１６（μｍ）となり、図４を参照すれば、部分放電発生領域に入ることはない。
次に、角隅部のＲ形状の曲率半径をｒ＝３００（μｍ）とすると、導体部７１の長辺に対する厚さｔ３方向の角度θは、θ＝４５（°）となる。

このとき、厚さｔ３は、式（４）と式（５）から２００（μｍ）＜ｔ３＜２７６（μｍ）となり、導体部７１の長辺に沿った被覆部７２の厚さは、１４１．４（μｍ）＜ｔ３ｃｏｓ４５°＜１９５．２（μｍ）となる。
厚さｔ３の始点は、Ｒ形状の中心であり、導体部７１の短辺の面よりも内側に控えられるので、その分を差し引くと、下限値が１４１．４−（３００−３００ｃｏｓ４５°）＝５３．５（μｍ）、上限値が１９５．２−（３００−３００ｃｏｓ４５°）＝１０７．３（μｍ）となる。

被覆部７２の厚さｔ２のギャップｄの上限値は、ｔ２＝１３８（μｍ）であり、隣接する被覆部７２同士は、この部分で接触することとなる。また、図４において、膜厚２００（μｍ）＜ｔ３＜２７６（μｍ）のときのグラフＧ３は部分放電領域に入らない。
以上のことから、被覆部７２の厚さｔ１、ｔ２、ｔ３を、式（２）から式（７）の範囲とすることにより、部分放電の発生を防止することができ、かつ波巻きコイルの占積率も確保することができる。

前述したように回転電機１は、ハイブリッド式の油圧ショベル等の旋回モータとして用いられる。このため、回転電機１は、高出力が求められるため、回転電機１には、高電圧が印加される。したがって、回転電機１は、作業負荷が高く、波巻きコイルには大電流が流れ、波巻きコイルやステータコア３等は、発熱し高温となるため、回転電機１内には、たとえば冷却油が供給されて、波巻きコイルのコイルエンドに向けて冷却油を悲惨させるなどにより、冷却されている。作業や走行により、回転電機１には振動や衝撃が作用するが、ＰＥＥＫは強度的に優れている。

なお、前述した実施形態では、回転電機１をハイブリッド式の油圧ショベル等の旋回モータとして適用していたが、本発明はこれに限られない。たとえば、建設機械のアクチュエータとして他の回転電機に使用してもよいし、建設機械以外に使われる回転電機に、本発明を適用してもよい。

１…回転電機、２…ステータ、３…ステータコア、４Ｕ…コイル、４Ｖ…コイル、４Ｗ…コイル、５…ティース、６…スロット、７…松葉コイルセグメント、７１…導体部、７２…被覆部、７２Ａ…ＰＡＩ層、７２Ｂ…ＰＥＥＫ層。

Claims (3)

1. 断面長方形状の導体部と、前記導体部の周囲を被覆し、少なくとも最外周が押し出し成型により形成された被覆部とを備え、前記導体部の短辺側を隣接させて形成される波巻きコイルに用いられる波巻きコイル用平角線であって、
   前記導体部の短辺の中央位置であって前記被覆部の最も厚さの薄い部分の厚さをｔ１、前記導体部の短辺の角隅部に応じた位置であって前記被覆部の最も厚さの厚い部分の厚さをｔ２としたときに、下記式（１）を満たすことを特徴とする波巻きコイル用平角線。
   ０．９４＜ｔ１／ｔ２≦１・・・（１）
2. 請求項１に記載の波巻きコイル用平角線において、
   前記波巻きコイル用平角線の断面において、前記導体部の角隅部のＲ形状の曲率半径をｒ（μｍ）とし、前記導体部のＲ形状の円弧中心を始点として、前記導体部の長辺に対して７９０／√ｒ（°）をなす線が交わる前記被覆部の表面の厚さをｔ３としたときに、下記式（２）および式（３）を満たすことを特徴とする波巻きコイル用平角線。
   １．４５×ｔ２＜ｔ３＜２×ｔ２・・・（２）
   ２００＜ｔ３＜ｒ・・・（３）
3. 請求項１または請求項２に記載の波巻きコイル用平角線において、
   前記波巻きコイル用平角線に印加される電圧が１５００（Ｖ）以上、２０００（Ｖ）以下であり、前記導体部の角隅部のＲ形状の曲率半径が、２００（μｍ）以上であることを特徴とする波巻きコイル用平角線。

Images